天之眼
——一種基于增強現實的POI移動終端系統

沈盛彧，鄭 杰，楊文競，張平倉，陳小平

(1. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010； 2. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 3. 福建省城鄉規劃設計研究院，福建 福州 350003)

天之眼
——一種基于增強現實的POI移動終端系統

沈盛彧1，鄭 杰2，楊文競3，張平倉1，陳小平1

(1. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010； 2. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 3. 福建省城鄉規劃設計研究院，福建 福州 350003)

為了提高用戶體驗，進一步推動基于位置的服務，嘗試性地將增強現實技術引入到智能終端的LBS應用中，使虛擬的POI信息和真實場景實時地有機融合，讓用戶以身臨其境的方式體驗LBS服務。通過原型系統“天之眼”的研發，證明了本設想的應用價值，實現了“看到數據，點到信息”的目標。

增強現實；LBS；POI；天地圖

隨著互聯網和通信技術的迅猛發展，移動終端(如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等)已成為人們日常工作生活所不可或缺的一部分。作為通信交流、信息查詢及娛樂游戲的工具，便攜性最高的智能手機普及率更是不斷提高。根據Google 2013年8月發布的《中國智能手機使用情況調查報告》，截至2013年7月底，中國城市的智能手機普及率已達47%。與此同時，基于Android、IOS、Windows、黑莓等移動終端操作平臺的各種APP更是層出不窮，市場潛力巨大。

作為當今移動通信領域的核心業務，基于位置的服務(location based service，LBS)[1]因其可以通過移動終端設備定位來查詢POI(point of interest)信息從而極大地方便和豐富工作、生活及娛樂而備受關注[2-4]。而當前的POI信息大多基于二維地圖和遙感影像進行標注表達[5]。該方式較早期的文字表達已有質的提升，但對于一些空間感和方位感相對較差的用戶仍存在難度。這是當前阻礙LBS進一步發展的重要原因。

本文嘗試性地將增強現實(augmented reality，AR)[6]技術引入到智能終端的LBS應用，希望將虛擬的POI信息和真實場景實時地有機融合起來，讓用戶以身臨其境的方式體驗LBS服務，增強用戶體驗。通過原型系統——天之眼(SkyEye)的研發，證明了本設想的應用價值，也已得到業內同行的一致肯定。

一、增強現實與基于位置的服務

AR也稱混合現實，是通過實時地根據鏡頭的位置及旋轉角度計算處理，將虛擬信息疊加到真實場景，使虛擬的物體和真實的環境實時展現于同一個時間的畫面或空間，為用戶提供超越現實體驗的新穎技術[7-10]。

LBS是當前大眾使用最為廣泛的應用之一，相關APP有百度地圖、高德導航、智能公交、大眾點評等。而當前大部分LBS展示POI的平臺都是二維地圖，即使是三維虛擬地球，也是在另外一個虛擬空間維度中，不便于用戶的認知和定位。

如果將AR與LBS兩項技術結合起來，利用移動終端的GPS定位和電子羅盤，通過LBS的API接口實時查詢豐富的POI信息，并與移動終端實時拍攝的真實場景有機融合，高效準確地展示于移動終端顯示設備，就可以讓用戶“看到數據，點到信息”；同時，通過視覺透視法和三維定位計算，將視覺無法直接企及的POI目標直觀地展示于顯示設備最前端，可大大提高信息展現效果。

二、天之眼功能模塊

基于增強現實與LBS兩項技術，本文設計了一種基于增強現實的POI移動終端系統——天之眼。該系統融合天地圖地圖數據充滿立體感、方向感的實時拍攝場景及豐富的POI信息，幫助用戶輕松愉快地去適應陌生的地理環境。通過天之眼，用戶可以直觀真實地感受所查詢信息與自己的相對位置關系，在哪個方向，距離有多遠，并可以通過天地圖強大的導航功能順利到達目的地。

天之眼的主要功能為：

1) 天地圖數據的瀏覽功能，包括平移、漫游、縮放等。

2) 天地圖POI信息查詢，包括基于類別的查詢、基于關鍵字的查詢等。

3) 移動終端上GPS導航功能，包括導航距離計算、具體路線描述等。

4) 基于增強現實技術，通過GPS定位信息將POI信息查詢結果融入移動終端實時拍攝場景，為用戶提供實時的真實場景中透視式的POI信息瀏覽功能。

天之眼主要分為地圖核心模塊和實景核心模塊兩大部分，如圖1所示。

圖1 天之眼功能模塊

地圖核心模塊主要實現地圖可視化和相關基礎功能：

1) 天地圖底圖模塊：基于天地圖安卓版的API實現地圖底圖調用。

2) 天地圖查詢模塊：基于天地圖安卓版的API實現地圖查詢功能。

3) 天地圖導航模塊：基于天地圖安卓版的API實現地圖導航功能。

4) 天地圖定位模塊：基于天地圖安卓版的API實現地圖定位功能。

實景核心模塊主要實現POI的增強現實展現：

1) POI信息接收模塊：接收通過天地圖POI接口查詢得到的POI信息。

2) POI信息映射模塊：將所接收POI信息結合實時位置，定位計算相對距離。

3) POI信息疊加模塊：將處理后的POI信息與攝像頭拍攝的實現場景疊加。

4) POI信息更新模塊：根據用戶攝像頭方向角度的變化，實時更新POI信息的相對位置。

三、天之眼技術實現

根據功能模塊的設計進行天之眼的系統架構設計，如圖2所示。

圖2 天之眼系統架構

天之眼包括UI和后臺兩部分。用戶通過天之眼UI可以進行地圖數據查看、基于關鍵字的POI查詢、實時定位及導航規劃等；天之眼后臺則負責與天地圖系統和系統所在的移動終端設備進行數據交互。

天之眼使用天地圖系統所提供的地理底圖、POI信息和導航規劃功能。對于移動終端，天之眼主要調用其GPS、羅盤、WiFi及攝像頭，為實現AR提供參數。

天之眼最關鍵的技術部分是POI信息的處理與展示。在獲得天地圖傳輸的POI信息列表后，天之眼后臺會根據POI的經緯度、高程信息及移動終端的位置計算出兩者間的直線距離，并將該POI信息映射成自定義的marker，以待與攝像頭拍攝的場景疊加；然后再根據羅盤信息確定當前移動終端所在的方向，將該方向上可顯示范圍內的POI信息動態展示在屏幕中；隨著用戶方向變化，POI信息的標注也動態變化，不斷地移動進出屏幕。

同時，在搜索雷達上將展示以用戶位置為圓心、半徑10 km范圍內的所有POI信息分布，如圖3所示。

圖3 POI搜索雷達

四、原型系統實現

天之眼的開發和運行環境為：

1) 操作系統：MAC OS X 10.8.4。

2) JDK： 1.6.0_51 64位。

3) IDE：ADT Bundle for Mac。

4) 測試移動終端：三星GALAXY Note GT-N7000。

5) 測試系統：安卓系統。

天之眼原型系統調用天地圖，其地圖顯示、POI查詢和信息顯示的界面如圖4所示。用戶可以先定位自己的位置，如圖4(a)所示；再通過類型或關鍵字查詢POI，如圖4(b)所示；最后將POI標注在地圖上，如圖4(c)所示。

圖4 地圖顯示、POI查詢和顯示

完成POI查詢后，用戶就可進入實景查看模式，如圖5所示。POI將以空間地標加信息框的形式與攝像頭拍攝的實時場景疊加，其中空間地標表示POI的位置和方位，信息框顯示POI的名稱和相對距離。屏幕左上角是POI搜索雷達，其默認顯示10 km范圍內的POI，屏幕右側是POI搜索半徑控制條，可控制屏幕顯示POI范圍大小。

圖5 POI實景疊加

最后，用戶可根據在實景環境中選擇目的地，天之眼將通過天地圖的導航功能接口進行線路規劃，使用戶方便快捷地到達，如圖6所示。

圖6 線路導航

五、結束語

LBS已成為當前信息服務的一種主流，但在POI信息的展示方面，大多數應用還停留在二維平面地圖的基礎上，阻礙了空間定位和認知能力相對弱的用戶群體的使用，限制了LBS的進一步推廣。

本文結合AR和LBS技術，利用天地圖平臺豐富的POI數據接口，將數字化的POI信息和真實場景無縫地融合起來，以更直觀地展示空間信息，提高用戶體驗。通過天之眼的研發，證明了其具有一定的應用價值。下階段將進一步考慮引入社交網絡技術，從商場商家優惠的角度，開展更豐富的應用研究。

[1] 呂志平，趙冬青，徐愛民，等. 位置服務系統(LBS)的構建[J]. 測繪科學，2005，30(2)：92-94.

[2] 吳飛. 基于MongoDB的LBS數據管理系統關鍵技術研究[J]. 測繪通報，2014(7)：121-124.

[3] 李霖，王偉，譚永濱， 等. 導航與LBS關鍵技術標準化研究進展[J]. 測繪通報，2014(5)：95-98，126.

[4] 兀偉，李朋德，張坤，等. 基于位置服務的地理格網編碼設計[J]. 測繪通報，2013(2)：41-44.

[5] YE M, YIN P F, LEE W C, et al. Exploiting Geographical Influence for Collaborative Point-of-Interest Recommendation[C]∥Proceedings of the 34th International ACM SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval. New York：ACM Press, 2011：325-334.

[6] AZUMA R T. A Survey of Augmented Reality[J]. Presence: Teleoperators & Virtual Environments, 1996, 6(4)：355-385.

[7] 孫敏，陳秀萬，張飛舟，等. 增強現實地理信息系統[J]. 北京大學學報(自然科學版)，2004，40(6)：906-913.

[8] 姜學智，李忠華. 國內外虛擬現實技術的研究現狀[J]. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2004， 23(2)：238-240.

[9] 杜清運，劉濤. 戶外增強現實地理信息系統原型設計與實現[J]. 武漢大學學報(信息科學版)，2007，32(11)：1046-1049.

[10] 陳科, 葛瑩, 杜艷琴.基于地理數據的增強現實可視化技術探討[J]. 測繪通報，2009(7)：22-24.

SkyEye——APOIMobileTerminalSystemBasedonAugmentedReality

SHEN Shengyu，ZHENG Jie，YANG Wenjing，ZHANG Pingcang，CHEN Xiaoping

沈盛彧，鄭杰，楊文競,等.天之眼——一種基于增強現實的POI移動終端系統[J].測繪通報，2016(9)：96-98.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0303.

P208

B

0494-0911(2016)09-0096-03

2015-09-15

中央級公益性科研院所基本科研業務費(CKSF2012052/TB)；國家自然科學基金(41301296)

沈盛彧(1984—)，男，博士，工程師，主要從事地理信息與水土保持方面的研究工作。E-mail：shenshengyu@mail.crsri.cn