基于定位與姿態(tài)感知的虛實漫游方法應(yīng)用研究

趙海英， 陳　洪， 穆曉峰

(1. 北京郵電大學(xué)世紀學(xué)院移動媒體與文化計算北京市重點實驗室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

基于定位與姿態(tài)感知的虛實漫游方法應(yīng)用研究

趙海英1， 陳洪1， 穆曉峰2

(1. 北京郵電大學(xué)世紀學(xué)院移動媒體與文化計算北京市重點實驗室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護與傳承越來越受到人們的關(guān)注。通過GPS定位與移動終端的結(jié)合，實現(xiàn)智能移動終端GPS在展示古跡廢墟遺址方面的優(yōu)勢。具體方法是，首先通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立虛擬場景與真實場景的區(qū)域映射；然后使用陀螺儀將攝像機的角度與智能移動終端綁定，建立虛擬角色與現(xiàn)實角色的姿態(tài)映射，最后通過Unity3D插件包實現(xiàn)虛實漫游功能，打破時間與空間限制，豐富展示作品的信息量與趣味性，并提供一種個性化的文化遺產(chǎn)場景瀏覽模式，可應(yīng)用于遺址廢墟如圓明園場景。

虛實漫游；GPS定位；姿態(tài)感知；智能移動終端

伴隨著4G無線通信時代的到來，電子地圖技術(shù)和GPS定位技術(shù)的日益完善，智能化的導(dǎo)游服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)成為可能，而且良好的開發(fā)平臺支持系統(tǒng)具有用戶體驗和景區(qū)管理功能[1]。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)也隨著行業(yè)的要求，功能越來越完善，產(chǎn)品的定位也將更精準[2]。2007年 Google公司發(fā)布了 Android操作系統(tǒng)，其源代碼和開發(fā) SDK可以免費獲取，從而降低了實現(xiàn)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的成本[3-4]，Android系統(tǒng)全開放的特點使其與未來智能終端的開發(fā)方向相吻合，所以 Android系統(tǒng)當(dāng)之無愧地成為了移動技術(shù)的風(fēng)向標[5-6]。另外，通信技術(shù)的不斷變更，使GPS系統(tǒng)成為終端的標準配置，終端不僅是一個通信工具，還可以成為GPS定位系統(tǒng)[7-8]。終端平臺上的 GPS應(yīng)用及功能也在不斷得到開拓，目前其主要還是應(yīng)用于個人的定位、導(dǎo)航方面。但隨著通信技術(shù)的進步、生產(chǎn)成本的降低、硬件功能的完善，終端GPS的應(yīng)用將會更加廣泛[9]。在這種形勢下，大部分依賴人工勞動的傳統(tǒng)導(dǎo)游服務(wù)已經(jīng)無法滿足游客日益增多的需求，因此電子導(dǎo)游應(yīng)運而生[10]。英國在2005年6月發(fā)布了一項名為“未來旅游業(yè)之今日展望”的旅游發(fā)展戰(zhàn)略，將市場與電子旅游推廣作為主要的工作項目[11]。但是當(dāng)時這些電子導(dǎo)游系統(tǒng)只具備一定的播放功能和信息查詢功能，不具有智能性，更不具備再現(xiàn)修改前的虛擬場景。一套完善的智能電子系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能：①智能導(dǎo)游功能，游客可以瀏覽并下載景區(qū)電子地圖，在語音引導(dǎo)下游玩虛擬現(xiàn)實[12-13]；②智能播放功能，游客只需手持智能終端就可以自動檢測和定位，智能終端會根據(jù)游客選擇的播放方式對目前所處景點進行詳細解說[14]；③交互功能，游客可以根據(jù)自己的興趣選擇游玩路線并參加景區(qū)內(nèi)的相關(guān)活動[15]；④游客可以借助移動終端瀏覽幾百年的景區(qū)原貌，如親歷時光的穿越[16]。為此，開放式終端的出現(xiàn)使智能終端有了更飛速地發(fā)展，終端GPS也將應(yīng)用于更為廣闊的領(lǐng)域。

論文以百度Android定位SDK為研究基礎(chǔ)，以百度地圖為數(shù)據(jù)源，通過 GPS定位及智能移動終端，讓用戶在實景與虛擬復(fù)原虛景中交互體驗，感受歷史更迭和文化神韻。本系統(tǒng)在Android上實現(xiàn)的虛實漫游系統(tǒng)的主要功能有場景真實位置獲取、真實場景與虛擬場景的區(qū)域與姿態(tài)雙重映射，旨在通過高科技的展示方式能讓游客產(chǎn)生濃厚的興趣；提高文物的展出率與傳播效率。通過現(xiàn)實環(huán)境與虛擬環(huán)境的對比，使游客對文化遺產(chǎn)內(nèi)容有更詳盡地了解，有助于提高游客對中華民族文化遺產(chǎn)的自主保護意識；同時打破時間與空間限制進行文化遺址的個性瀏覽。這種模式將推動消費者對文化的需求，為我國旅游業(yè)帶來一場數(shù)字化變革。

1　基于定位與姿態(tài)感知虛實漫游方法

依據(jù)百度地圖，提出虛擬場景與地圖信息匹配方法，完成虛擬場景定界定位；借助移動終端GPS，建立虛實坐標映射。由于移動 GPS偏失及信息抖動，嘗試姿態(tài)感知方法。

1.1虛擬場景與地圖信息匹配，完成虛擬場景定界

在百度地圖上標出四個點，并根據(jù)其坐標計算出經(jīng)度距離、緯度距離與實際距離的比，還需設(shè)置地形的最高高度和縮放的級別，如圖1，2所示。

圖1　百度經(jīng)緯度區(qū)域

圖2　虛擬場景區(qū)域

設(shè)4個坐標分別p01(x01,y01)，p02(x02,y02)，p03(x03,y03)，p04(x04,y04)，則：

其中，Distance (a,b)為百度測量函數(shù)，縮放級別Multiple=1。

1.2建立GPS位置信息與虛擬角色坐標映射

基于Android終端內(nèi)置GPS功能，通過百度定位 SDK轉(zhuǎn)換得到百度經(jīng)緯度信息，然后轉(zhuǎn)換成Unity3D的虛擬場景坐標，如圖3，4所示。

圖3　百度經(jīng)緯度坐標系

圖4　虛擬場景坐標系

設(shè)百度經(jīng)緯度坐標系中用戶位置為CurPo，坐標為(x,y)，設(shè)虛擬場景坐標系中用戶位置為ObjPo，坐標為(x,z)，則CurPo與ObjPo簡單映射關(guān)系為：

而實際百度坐標系橫縱坐標單位不一致，需要地圖信息讀取模塊提供的距離／經(jīng)度距離比例(WidthRate)與距離／緯度距離比例(HeightRate)兩個參數(shù)以及縮放參數(shù)(Multiple)共同參與，故最終轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

由于實際使用中會有用戶設(shè)置偏移向量ΔV，故虛擬場景區(qū)域范圍分為2種情況。

(1) 當(dāng)偏移向量ΔV不存在時，設(shè)用戶當(dāng)前定位點CurPo為百度經(jīng)緯度坐標系中一點，CurPo坐標為(x,y)，則判定其在范圍內(nèi)即為：，且p04.y＜CurPo.y＜p01.y同時滿足時成立。

(2) 當(dāng)偏移向量ΔV存在時，計算應(yīng)使用虛擬場景坐標系，設(shè)用戶當(dāng)前坐標為ObjPo為虛擬場景坐標系中一點ObjPo坐標為(x,z)，則判定ObjPo在范圍內(nèi)即為，且同時滿足時成立。

1.3將陀螺儀信息與虛擬攝像機旋轉(zhuǎn)參數(shù)進行綁定

通過陀螺儀獲取設(shè)備姿態(tài)，然后轉(zhuǎn)換成四元數(shù)作為攝像機的旋轉(zhuǎn)量，再乘以一個根據(jù)屏幕方向而確定的四元數(shù)即可保持屏幕視窗的垂直。即旋轉(zhuǎn)四元數(shù)乘上屏幕朝向四元數(shù)保持視窗垂直方向。

其中，quatMap是陀螺儀的姿態(tài)信息；quatMult為屏幕的朝向；gyro.attitude代表陀螺儀的姿態(tài)，在Unity3D中(w,x,y,z)表示四元數(shù)。

1.4用戶交互信息獲取

當(dāng)用戶終端攝像頭對準眼前古跡或廢墟時，終端全球定位系統(tǒng)即可判斷位置，并通過所提出方法請求服務(wù)器返回到古遺址信息。這樣，游客可以在觀覽已破損的古跡時根據(jù)所處位置，在移動終端上即可呈現(xiàn)與現(xiàn)存遺跡保持同地理位置的原有景區(qū)風(fēng)貌，因此在一定程度盤活舊遺址原貌，增添了歷史文化品位。

2　虛實漫游方法實現(xiàn)

2.1定位與姿態(tài)感知流程

隨著WEB信息抽取與XML文檔分析技術(shù)的進一步成熟[17-18]，本文根據(jù)百度地圖生成地圖信息XML文檔，來實現(xiàn)定位與姿態(tài)感知，具體流程如下：

步驟1. 建立虛擬場景的位置數(shù)據(jù)。將XML文檔中4個點作為虛擬場景邊界坐標值，完成虛擬場景定界。

步驟2. 讀取GPS信息，通過坐標轉(zhuǎn)換，映射成Unity3D的虛擬場景坐標。

步驟 3. 通過坐標轉(zhuǎn)換，輸出與真實位置一致的虛擬角色在虛擬場景中的坐標。

步驟 4. 獲取用戶姿態(tài)感知數(shù)據(jù)，完成對虛擬場景位置偏移的修正。最后通過向服務(wù)器發(fā)送帶有建筑物編號的請求信息，返回建筑物詳細介紹的通信模塊。完成整個虛實漫游系統(tǒng)功能。

其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)的程序流程圖

2.2定位與姿態(tài)感知的虛實漫游系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)由以下3個主要技術(shù)路線組成：

(1) 獲取用戶真實位置。利用Eclipse軟件：搭建Android開發(fā)環(huán)境和百度定位SDK的開發(fā)環(huán)境，輸出一個二維數(shù)據(jù)作為用戶真實位置。

(2) 根據(jù)二維數(shù)據(jù)計算出待展示虛擬場景的坐標位置。首先選取地圖并生成XML文檔；然后將三維模型進行導(dǎo)入，完成真實位置導(dǎo)入與虛擬坐標的轉(zhuǎn)換。

(3) 輸出一個三維向量作為虛擬場景的位置坐標。

(4) 最后通過向服務(wù)器發(fā)送帶有建筑物編號的請求信息，返回建筑物介紹的通信模塊。由于系統(tǒng)的實時性要求，必須刷新同步定位，動態(tài)跟蹤展示虛擬場景。整個系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　虛實漫游系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3　基于圓明園大水法的虛實漫游系統(tǒng)仿真

仿真實驗過程，如圖7所示。

圖7　仿真過程

仿真過程如下：

步驟1. 打開虛實漫游系統(tǒng)界面，如圖8所示。

圖8　虛實漫游系統(tǒng)的基本界面

步驟 2. 在百度地圖上進行位置標識，如圖 9所示。

圖9　百度地圖進行位置選擇

步驟3. 虛擬漫游系統(tǒng)展示，如圖10所示。

圖10　基于本文提出方法的虛擬漫游系統(tǒng)

步驟 4. 根據(jù)本文方法，通過定位和姿態(tài)感知技術(shù)使游客感受三維真實環(huán)境，并獲得幾乎真實的環(huán)境感受，如圖11所示。

圖11　用戶體驗的圓明園大水法場景

此方法可應(yīng)用于數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護和教育等領(lǐng)域，當(dāng)游客身處某地時，只需用終端攝像頭對準眼前古跡或廢墟，終端里的全球定位系統(tǒng)通過判斷位置，借助游客所在的視角，在終端上顯示這處古跡在全盛時期的樣貌，還能觀賞到遺址上殘缺部分的虛擬場景。

4　小　結(jié)

本文利用 XML文檔確定虛擬場景的位置數(shù)據(jù)；采用終端GPS實現(xiàn)虛擬場景與地圖信息匹配，并與虛擬角色定位，同時利用陀螺儀獲取設(shè)備姿態(tài)，使用戶設(shè)備在不同角色下均可正常工作。本文以圓明園遺址原貌復(fù)現(xiàn)為案例，將文化遺產(chǎn)內(nèi)容、數(shù)字化展示以及移動終端進行整合，實現(xiàn)具有定位及資源感知的虛實漫游功能。讓游客可以在游覽過程中從不同角度觀覽，互不干擾。以虛實元素的各自實現(xiàn)構(gòu)成交互展示空間的必備要素，以一定技術(shù)進行虛實融合，同時在觀覽過程中，根據(jù)展品內(nèi)容，移動終端上還可以動態(tài)展示相關(guān)類型的文物或歷史文化典故等，游客還可根據(jù)個人興趣選擇和控制，保持信息的實時處理，并隨著游客走動，終端上的畫面自動變換，使游客產(chǎn)生強烈的沉浸感和真實感。

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A Method of Positioning and Posture Perceiving Based on the Virtual-Real Roaming System

Zhao Haiying1,Chen Hong1,Mu Xiaofeng2

(Mobile Media and Cultural Calculation Key Laboratory of Beijing, Century College, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 102101, China; 2. Ning Xia Daily Media Co. LTD, Yinchuan Ningxia, 750002, China)

The paper focuses on the integration of GPS positioning technology with the emerging intelligent mobile terminal, realizing the function of cell phone GPS extension and highlighting the unique advantage in the aspect of ruins displaying. The following is the specific method, firstly, establish the region mapping of virtual scene and real scene through the data conversion; then bind the camera angle and handheld devices by using the gyroscope and set up posture mapping between virtual character and reality role; finally achieve the virtual-real roaming through plugin package Unity3D. The method breaks the limitation of time and space, enriches the information content and the interestingness of works, and provides a personalized browse mode of cultural heritage scenes. It could be applied on some ruins’ scenes such as Yuanmingyuan Imperial Garden.

virtual-real roaming system; GPS position; posture perceiving; intelligent mobile terminal

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010110

A

2095-302X(2016)01-0110-05

2015-06-30；定稿日期：2015-09-22

國家科技支撐計劃課題(2012BAH48F03，2013BAH48F04)；國家自然科學(xué)基金項目(61163044)；國家社科基金重點項目(12AZD120)；北京市科委課題(Z141100001914035)

趙海英(1972–)，女，山東煙臺人，副教授，博士。主要研究方向為圖形圖像處理、虛擬現(xiàn)實與文化遺產(chǎn)。E-mail：zhy.yn@163.com

陳洪(1976–)，女，四川達州人，副教授，博士。主要研究方向為計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實與交互技術(shù)。E-mail：norman_chen@263.net