多模態(tài)融合室內(nèi)智能導(dǎo)航系統(tǒng)

陳福陸 魏曉巍 韓立偉 何淑慶

摘?要：如今，盡管室外導(dǎo)航系統(tǒng)采用GPS技術(shù)具有精度高、范圍廣等優(yōu)點，但是室內(nèi)定位卻受到墻體、障礙物等影響，導(dǎo)致定位精度下降。其中，精度低和資源開銷高是最普遍的共性問題。本文采用3D渲染技術(shù)、Rline算法、傳感器信息收集等技術(shù)構(gòu)建多模態(tài)融合室內(nèi)智能導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠更好地管理定位系統(tǒng)和設(shè)備之間的通信，從而進一步提高定位精度和效率。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；精度；資源開銷

中圖分類號：TP311.52??文獻標識碼：A

室內(nèi)定位技術(shù)隨著科技的不斷發(fā)展而同步提升，其商業(yè)和使用價值越來越受到人們的重視。它可以用于多種基于位置的服務(wù)，如室內(nèi)導(dǎo)航、室內(nèi)定位、室內(nèi)廣告投放等。隨著人們對室內(nèi)定位技術(shù)的需求不斷增加，室內(nèi)定位技術(shù)的市場規(guī)模也在不斷擴大。據(jù)研究報告顯示，2021年我國室內(nèi)定位行業(yè)需求量達到15593套，較2020年增長11.0%。預(yù)測整個室內(nèi)定位將具有與GPS相當?shù)氖袌鲆?guī)模，即100億美元。這表明，室內(nèi)定位技術(shù)已成為一個具有巨大商業(yè)和使用價值的科技發(fā)展。

盡管室內(nèi)定位技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn)和限制，如信號干擾、建筑物遮擋等問題［1］?，但研究人員努力開發(fā)出了新的技術(shù)和算法，以提高精度和穩(wěn)定性，并為室內(nèi)定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。未來，隨著室內(nèi)定位技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信它將為人們的生活帶來更多的便利和幫助［2］?。

1?國內(nèi)外相關(guān)研究

室內(nèi)定位技術(shù)是現(xiàn)代智能化建筑中不可或缺的一部分。它可以通過使用無線信號或傳感器等技術(shù)來確定人或物體的位置信息，從而實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航、監(jiān)控和智能家居等應(yīng)用。室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，可以應(yīng)用于醫(yī)院、商場等領(lǐng)域，提高服務(wù)效率和質(zhì)量，具有重要意義［3］?。然而，由于紅外線技術(shù)的局限性，如易受光線干擾和穿透性差等問題，室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。為了解決這些問題，百度等公司也相繼推出了自己的室內(nèi)定位系統(tǒng)［4］?。iBeacon技術(shù)是一種基于藍牙低功耗技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度的定位。而在我國，啟動了“羲和”計劃，該計劃的目標是開發(fā)出一種高精度、高可靠性的室內(nèi)定位系統(tǒng)，以滿足人們對室內(nèi)定位技術(shù)的需求［5］?。該系統(tǒng)將采用多種技術(shù)，如藍牙低功耗、WiFi、慣性導(dǎo)航等，以實現(xiàn)高精度的定位［6］?。

2?研究內(nèi)容

室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)是多年來受到廣泛關(guān)注的一個領(lǐng)域，隨著智能手機和移動設(shè)備的普及，人們對室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的需求越來越迫切。傳統(tǒng)的單一技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)難以滿足人們的需求［7］?，因此，本文提出了一種基于移動設(shè)備傳感器的信息收集系統(tǒng)、多數(shù)據(jù)融合的方向測量方法和基于三維信息空間的定位方法相結(jié)合的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高定位精度和準確度。該系統(tǒng)采用了多種技術(shù)和大型開放地圖OpenStreetMap，可以獲取更加準確的地理位置信息［8］?。其中，基于移動設(shè)備傳感器的信息收集系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。該系統(tǒng)可以通過手機的加速度計、陀螺儀、磁力計等傳感器獲取用戶的行走、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎等行為信息，并將這些信息進行處理，從而實現(xiàn)用戶的室內(nèi)定位。此外，該系統(tǒng)還采用了多數(shù)據(jù)融合的方向測量方法，該方法可以將不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行融合，從而提高定位的準確度和穩(wěn)定性。通過多數(shù)據(jù)融合，可以消除單一傳感器的誤差，從而提高定位的準確度和穩(wěn)定性。最后，該系統(tǒng)還使用了基于三維信息空間的定位方法，實現(xiàn)更加準確的定位信息。該方法通過將室內(nèi)建筑的三維信息與用戶的行為信息進行融合，可以實現(xiàn)更加準確的定位信息。通過基于三維信息空間的定位方法，可以克服傳統(tǒng)定位方法中存在的誤差和不確定性，從而提高定位的準確度和精度［9］?。

2.1?三維信息的收集與存儲

隨著Web技術(shù)的不斷發(fā)展，Web3D渲染技術(shù)已經(jīng)成為實現(xiàn)3D模型渲染的一種重要方式。Web3D技術(shù)可以將3D模型呈現(xiàn)在瀏覽器中，使得用戶可以在不需要安裝任何插件的情況下直接查看和交互3D模型。這種技術(shù)的發(fā)展也為各種應(yīng)用場景帶來了更多的可能性。在Web3D渲染技術(shù)中，基于模板的三維信息表達方式是一種常用的方式。這種方式可以實現(xiàn)對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的兼容，對三維細節(jié)信息的擴展，以及對數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)化。基于模板的三維信息表達方式可以將3D模型分解為一系列的基本單元，然后使用模板來描述這些基本單元的形狀和屬性。這種方式可以大大減少數(shù)據(jù)的存儲空間，并且可以實現(xiàn)快速的模型檢索和編輯。隨著5G技術(shù)的高速發(fā)展，移動端3D渲染技術(shù)也可以在5G技術(shù)的支持下滿足室內(nèi)定位時反復(fù)渲染場景的需求。5G技術(shù)的高速傳輸和低延遲特性可以保證3D模型的實時渲染和交互，從而為室內(nèi)定位和導(dǎo)航等應(yīng)用場景提供更好的用戶體驗。

在基于模板的三維信息表達方式中，空間局部性和重復(fù)性是實現(xiàn)快速存儲與檢索的關(guān)鍵。通過對模型進行分割和分類，可以將模型分解為一系列的基本單元，并且對這些基本單元進行編碼和存儲。這樣可以大大減少數(shù)據(jù)的存儲空間，并且可以實現(xiàn)快速的模型檢索和編輯。在服務(wù)器端和客戶端之間建立聯(lián)系也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、模型編輯以及數(shù)據(jù)生成的關(guān)鍵。通過建立服務(wù)器端和客戶端之間的通信機制，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和交互。這樣可以為用戶提供更好的用戶體驗，并且可以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和管理。

Web3D渲染技術(shù)在瀏覽器上實現(xiàn)3D模型渲染的方式已經(jīng)成為一種重要的技術(shù)。隨著5G技術(shù)的高速發(fā)展，移動端3D渲染技術(shù)也可以在5G技術(shù)的支持下滿足室內(nèi)定位時反復(fù)渲染場景的需求。通過利用空間局部性和重復(fù)性來構(gòu)建大量的模板信息，可以實現(xiàn)快速存儲與檢索，并在服務(wù)器端和客戶端建立聯(lián)系以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、模型編輯以及數(shù)據(jù)生成。

2.2?實時消失點檢測與方向測量

隨著智能手機的普及，人們已經(jīng)可以使用手機進行室內(nèi)導(dǎo)航。但是，由于室內(nèi)電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)航的精度可能會受到一定程度的影響。因此，計算機視覺中的消失點方向測量方法成為一種可行的選擇，因為它可以提供更高的精度。然而，消失點方向測量方法在移動端需要大量的計算資源。為了解決這個問題，研究人員提出了一種名為Rline線段檢測方法的算法。該算法通過檢測與預(yù)設(shè)直線相交的線段來減少計算量和資源開銷。此外，通過卡爾曼濾波來過濾方向信息，可以進一步提高檢測精度，實現(xiàn)低資源開銷、部署成本低的實時消失點檢測與方向測量。

Rline線段檢測方法的優(yōu)點在于它可以在低資源開銷的情況下提供高精度的線段檢測。這意味著它可以在移動設(shè)備上實現(xiàn)，并且可以在實時環(huán)境中進行消失點檢測和方向測量。此外，該算法的部署成本也比較低，因為它不需要太多的硬件資源和專業(yè)知識，并且隨著智能手機的不斷普及，室內(nèi)導(dǎo)航已經(jīng)成為一種非常普遍的需求。而Rline線段檢測方法可以提供一種低資源開銷、高精度的消失點檢測和方向測量方法，從而為室內(nèi)導(dǎo)航提供更好的支持。

圖2?消失點檢測與方向測量系統(tǒng)構(gòu)造框架圖

2.3?基于三維信息的室內(nèi)定位系統(tǒng)

3DLoc是一種基于移動設(shè)備傳感器和圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)室內(nèi)定位的方法。它是一種新興的技術(shù)，通過抓取三維目標并結(jié)合圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)消失點多模態(tài)檢測，計算消失點位置，再通過消失點估算目標邊緣并檢測目標，最后生成多個潛在位置篩選出正確位置。這種方法可以自動實現(xiàn)定位和方向信息，適用于移動端的應(yīng)用需求。它可以在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)高精度的定位和方向信息，而且不需要額外的硬件設(shè)備，只需要使用移動設(shè)備的傳感器和攝像頭即可。這使得3DLoc成為一種非常實用的技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于各種移動應(yīng)用程序中，例如室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實游戲、室內(nèi)定位等。

3DLoc的實現(xiàn)需要使用多種技術(shù)，包括計算機視覺、圖像處理、機器學習、傳感器技術(shù)等。它需要對圖像進行分析和處理，提取出圖像中的消失點和目標邊緣，然后使用機器學習算法進行分類和識別，最后生成多個潛在位置，篩選出正確的位置。這些技術(shù)的應(yīng)用使得3DLoc能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高效率的定位和方向信息。

2.4?多信息融合的室內(nèi)定位系統(tǒng)與應(yīng)用

室內(nèi)定位技術(shù)的需求不斷增加，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的發(fā)展，人們對于室內(nèi)定位技術(shù)的精度和實時性要求也越來越高。然而，傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)如WiFi定位、藍牙定位等存在著信息丟失、遮擋和實時性差等問題，無法滿足人們的需求。

為了解決這些問題，本文提出了一種采用融合內(nèi)置傳感器和三維信息的定位方法。該方法分為三個階段，首先基于3DLoc計算潛在位置生成粒子，然后通過傳感器估計用戶位置，并用粒子濾波器跟蹤和約束，最后利用3DLoc計算潛在位置對用戶運動軌跡進行矯正，實現(xiàn)更精準的室內(nèi)定位。具體來說，先利用3DLoc技術(shù)計算出用戶的潛在位置，然后根據(jù)這個位置生成一些粒子。這些粒子代表了用戶可能所在的位置，數(shù)量越多，定位精度越高。接下來，通過內(nèi)置傳感器（如加速度計、陀螺儀、磁力計等）獲取用戶的實時位置信息，并利用粒子濾波器對其進行跟蹤和約束。粒子濾波器是一種基于貝葉斯濾波的算法，可以根據(jù)傳感器信息和潛在位置粒子的權(quán)重來估計用戶的位置，從而實現(xiàn)更精準的定位。最后，在用戶移動過程中，由于3DLoc技術(shù)存在一定的誤差，可能會導(dǎo)致用戶的運動軌跡出現(xiàn)偏差。為了解決這個問題，可以利用3DLoc技術(shù)再次計算出用戶的潛在位置，并對用戶的運動軌跡進行矯正，從而實現(xiàn)更精準的室內(nèi)定位。

總的來說，采用融合內(nèi)置傳感器和三維信息的定位方法可以提高定位精度并減少時間開銷，適合移動端使用。這種方法可以廣泛應(yīng)用于智能家居、智能辦公室、醫(yī)院、商場等場景，為人們提供更加智能和便捷的服務(wù)。

3?結(jié)論

多模態(tài)室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)是一種基于多種傳感器和技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以幫助用戶在室內(nèi)環(huán)境中準確地定位和導(dǎo)航。在該系統(tǒng)中，三維信息的收集和存儲是非常關(guān)鍵的，因為它提供了室內(nèi)環(huán)境的準確和詳細的表示。同時，實時消失點檢測和方向測量也是重要的技術(shù)，可以幫助系統(tǒng)更準確地感知用戶的位置和方向。

另外，該系統(tǒng)還使用了室內(nèi)定位技術(shù)來確定室內(nèi)信息和用戶軌跡，這可以幫助系統(tǒng)更好地理解用戶的行為和需求。此外，該系統(tǒng)還融合了內(nèi)置傳感器和三維信息的定位方法，以優(yōu)化精度和降低開銷。這種方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和實用性，使用戶能夠更輕松地在室內(nèi)環(huán)境中進行導(dǎo)航。

最后，多模態(tài)室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實現(xiàn)使用多種技術(shù)和傳感器的協(xié)同作用，以提供準確和實用的室內(nèi)導(dǎo)航體驗。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于商業(yè)、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域，為用戶提供更好的室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)。

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基金項目：本文為2022年山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（877）研究成果之一；臨沂大學2022年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級重點項目（51822303）研究成果之一

作者簡介：陳福陸（2001—?），男，山東濟寧人，本科在讀，研究方向：計算機軟件開發(fā)；魏曉巍（1995—?），男，山東臨沂人，研究生在讀，研究方向：深度學習；韓立偉（2002—?），男，山東濰坊人，本科在讀，研究方向：計算機軟件開發(fā)。

*通訊作者：何淑慶，男，山東臨沂人，博士研究生，講師，研究方向：服務(wù)計算、流數(shù)據(jù)處理、搜索引擎。