基于VGI的普通相機更新室內(nèi)地圖技術(shù)初探

鄖曉光 王燕云 鄖曉暢 梁麗芳

摘 要：以普通相機生成點云模型的試驗，介紹了基于VGI的普通相機照片進行室內(nèi)地圖更新的方法和步驟，驗證了基于VGI實現(xiàn)低成本室內(nèi)地圖更新的可行性，對需要注意的問題，給出了實用有效的建議。

關(guān)鍵詞：普通相機；點云模型；VGI；室內(nèi)地圖；更新

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）與手機的不斷結(jié)合，戶外的導(dǎo)航應(yīng)用極大的改變了人們的生活方式。近年來，人們對準確的室內(nèi)導(dǎo)航定位服務(wù)的需求不斷增強，如用于應(yīng)急救援、反恐、大型百貨定位等。目前，偽衛(wèi)星、超寬帶（UWB）和WIFI技術(shù)的深入發(fā)展，為實現(xiàn)室內(nèi)高精度導(dǎo)航定位提供了可靠的信號源，但是不斷變換室內(nèi)場景為室內(nèi)地圖的及時更新提出了更高的要求。而大量的人工投入及高昂的成本限制了這一更新速度。隨著志愿者地理信息（Volunteered Geographic Information，VGI）的出現(xiàn)，這一問題得到了很好的解決。VGI是隨著地理信息科學在信息時代發(fā)展出現(xiàn)的新概念，認為地理信息的創(chuàng)建、維護與應(yīng)用可由大眾完成。在大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的支持下，普通人可以使用包括手機在內(nèi)的帶有GPS功能的移動終端完成將包含豐富地理信息的各類數(shù)據(jù)的上傳與標注，形成VGI數(shù)據(jù)。而地理信息從業(yè)人員可以通過對VGI數(shù)據(jù)的開發(fā)實現(xiàn)相關(guān)地理信息的快速、實時更新，極大地分擔官方更新、維護的工作量，節(jié)省運行成本。

本文通過普通手機拍攝的相片獲取并生成點云模型，驗證了基于VGI數(shù)據(jù)快速獲取及更新室內(nèi)地圖的可行性，并對后期處理軟件進行了比較，為該技術(shù)在實際中的應(yīng)用提供了參考。

一、使用普通相機進行室內(nèi)地圖更新實驗

使用普通相機進行室內(nèi)地圖更新一般包括照片拍攝、點云數(shù)據(jù)獲取和點云匹配更新三個步驟。

本文以使用普通相機采集更新室內(nèi)地圖實驗為例，以點云數(shù)據(jù)獲取時間及對象級更新時間作為指標，介紹其一般步驟、驗證其可行性及更新過程中出現(xiàn)的問題。

（一）使用普通相機進行室內(nèi)地圖更新的一般步驟

（1）拍攝照片。在完成拍攝照片的準備后，對更新場景進行連續(xù)拍攝。由于在實際拍攝中，可能存在物體旋轉(zhuǎn)、縮放或亮度變化等情況，因此需要精確識別物體的局部特征，保證相鄰照片的重疊度以便進行快速、準確的匹配。

（2）點云數(shù)據(jù)獲取。通過照片匹配的結(jié)果，將圖像坐標齊次化，利用射影定理計算得到相機位置、深度等場景內(nèi)外參數(shù)信息，再利用獲取的場景信息與原始照片進行結(jié)合，通過多視立體重建（Multi-view Stereo Reconstruction）得到由眾多三維坐標點組成的物體三維點云數(shù)據(jù)。

（3）完成更新。將獲取的物體三維點云數(shù)據(jù)與室內(nèi)點云模型進行匹配，通過刪除誤差、點云拼合等步驟，最終完成室內(nèi)地圖的更新工作。

（二）本次實驗情況

本次實驗將現(xiàn)場的一個工位作為更新對象，使用像素為2000萬的國產(chǎn)品牌手機進行拍攝，將點云數(shù)據(jù)獲取時間小于等于12小時和對象級更新小于等于24小時作為實驗可行性的考核指標。

為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，實驗共重復(fù)操作5次，取平均值作為最終結(jié)果。實驗情況見表1和表2（表中時間單位為分鐘。）

在本次實驗中，使用普通相機獲取點云數(shù)據(jù)的平均時間為107分鐘，進行對象級更新的平均時間為564分鐘。結(jié)合實驗結(jié)果與考核指標的比對，證明使用普通相機進行室內(nèi)地圖更新是可行的，其中各項工序隨著熟練度的提高其耗時還能縮短，VGI模型的生成質(zhì)量隨著算法的改進也可以得到提升。

（三）有關(guān)問題及解決方法

本次實驗雖然證明了使用普通相機獲取點云數(shù)據(jù)及更新室內(nèi)地圖的可行性，但是仍有許多問題需要注意和處理。

（1）關(guān)于照片拍攝。一是為保證點云模型還原相似度，用于采集數(shù)據(jù)的相機像素不可過低；二是為方便后期控制點的選取，保證VGI數(shù)據(jù)更新和原始數(shù)據(jù)的理想對接，在照片拍攝過程中，手機應(yīng)盡量水平不要抖動，避免照片虛化，同時還應(yīng)保證相片間至少有30%的重疊度。

（2）關(guān)于圖像匹配。當前，有關(guān)圖像匹配的方法很多，本次實驗采用的是尺度不變特征變換算法（Scale-in-variant Feature Transform，SIFT），該算法具有匹配結(jié)果數(shù)量大、準確率高的優(yōu)勢。因該算法利用像素信息進行匹配，所以還需利用對極約束剔除誤匹配，從而提升匹配準確率，提高點云質(zhì)量。

（3）關(guān)于三維建模軟件。本次實驗選取了兩款三維實景建模軟件Smart 3D和PhotoScan進行了比較。如圖2、圖3所示，通過點云模型獲取和最終還原效果的比較，在本次實驗中PhotoScan從現(xiàn)場還原率、桌面物體紋理及局部變形情況等方面還原效果要好于Smart 3D。

二、結(jié)語

由于實驗條件的限制，本次實驗對于各類相機、軟件的實驗尚不充分，通過實驗驗證了使用普通相機獲取點云數(shù)據(jù)用于室內(nèi)地圖更新的可行性，證明了利用VGI可以實現(xiàn)低成本自主更新。對于如何提升更新數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的匹配度、簡化更新操作步驟及降低普通用戶操作難度，將是未來研究的方向。

參考文獻：

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作者簡介：鄖曉光，男，漢族，河北石家莊人，碩士，高級工程師，主要從事地理信息成果應(yīng)用及系統(tǒng)開發(fā)。