基于VGI的普通相機(jī)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(jī)生成點(diǎn)云模型的試驗(yàn)，介紹了基于VGI的普通相機(jī)照片進(jìn)行室內(nèi)地圖更新的方法和步驟，驗(yàn)證了基于VGI實(shí)現(xiàn)低成本室內(nèi)地圖更新的可行性，對(duì)需要注意的問題，給出了實(shí)用有效的建議。

關(guān)鍵詞：普通相機(jī)；點(diǎn)云模型；VGI；室內(nèi)地圖；更新

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）與手機(jī)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(duì)準(zhǔn)確的室內(nèi)導(dǎo)航定位服務(wù)的需求不斷增強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度導(dǎo)航定位提供了可靠的信號(hào)源，但是不斷變換室內(nèi)場(chǎng)景為室內(nèi)地圖的及時(shí)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(xué)在信息時(shí)代發(fā)展出現(xiàn)的新概念，認(rèn)為地理信息的創(chuàng)建、維護(hù)與應(yīng)用可由大眾完成。在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的支持下，普通人可以使用包括手機(jī)在內(nèi)的帶有GPS功能的移動(dòng)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(biāo)注，形成VGI數(shù)據(jù)。而地理信息從業(yè)人員可以通過對(duì)VGI數(shù)據(jù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)相關(guān)地理信息的快速、實(shí)時(shí)更新，極大地分擔(dān)官方更新、維護(hù)的工作量，節(jié)省運(yùn)行成本。

本文通過普通手機(jī)拍攝的相片獲取并生成點(diǎn)云模型，驗(yàn)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(duì)后期處理軟件進(jìn)行了比較，為該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用提供了參考。

一、使用普通相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)地圖更新實(shí)驗(yàn)

使用普通相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)地圖更新一般包括照片拍攝、點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和點(diǎn)云匹配更新三個(gè)步驟。

本文以使用普通相機(jī)采集更新室內(nèi)地圖實(shí)驗(yàn)為例，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及對(duì)象級(jí)更新時(shí)間作為指標(biāo)，介紹其一般步驟、驗(yàn)證其可行性及更新過程中出現(xiàn)的問題。

（一）使用普通相機(jī)進(jìn)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(zhǔn)備后，對(duì)更新場(chǎng)景進(jìn)行連續(xù)拍攝。由于在實(shí)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(shí)別物體的局部特征，保證相鄰照片的重疊度以便進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的匹配。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。通過照片匹配的結(jié)果，將圖像坐標(biāo)齊次化，利用射影定理計(jì)算得到相機(jī)位置、深度等場(chǎng)景內(nèi)外參數(shù)信息，再利用獲取的場(chǎng)景信息與原始照片進(jìn)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(biāo)點(diǎn)組成的物體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

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

（二）本次實(shí)驗(yàn)情況

本次實(shí)驗(yàn)將現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)工位作為更新對(duì)象，使用像素為2000萬的國(guó)產(chǎn)品牌手機(jī)進(jìn)行拍攝，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取時(shí)間小于等于12小時(shí)和對(duì)象級(jí)更新小于等于24小時(shí)作為實(shí)驗(yàn)可行性的考核指標(biāo)。

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

在本次實(shí)驗(yàn)中，使用普通相機(jī)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均時(shí)間為107分鐘，進(jìn)行對(duì)象級(jí)更新的平均時(shí)間為564分鐘。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與考核指標(biāo)的比對(duì)，證明使用普通相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)地圖更新是可行的，其中各項(xiàng)工序隨著熟練度的提高其耗時(shí)還能縮短，VGI模型的生成質(zhì)量隨著算法的改進(jìn)也可以得到提升。

（三）有關(guān)問題及解決方法

本次實(shí)驗(yàn)雖然證明了使用普通相機(jī)獲取點(diǎn)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(diǎn)云模型還原相似度，用于采集數(shù)據(jù)的相機(jī)像素不可過低；二是為方便后期控制點(diǎn)的選取，保證VGI數(shù)據(jù)更新和原始數(shù)據(jù)的理想對(duì)接，在照片拍攝過程中，手機(jī)應(yīng)盡量水平不要抖動(dòng)，避免照片虛化，同時(shí)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(dāng)前，有關(guān)圖像匹配的方法很多，本次實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確率高的優(yōu)勢(shì)。因該算法利用像素信息進(jìn)行匹配，所以還需利用對(duì)極約束剔除誤匹配，從而提升匹配準(zhǔn)確率，提高點(diǎn)云質(zhì)量。

（3）關(guān)于三維建模軟件。本次實(shí)驗(yàn)選取了兩款三維實(shí)景建模軟件Smart 3D和PhotoScan進(jìn)行了比較。如圖2、圖3所示，通過點(diǎn)云模型獲取和最終還原效果的比較，在本次實(shí)驗(yàn)中PhotoScan從現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)條件的限制，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于各類相機(jī)、軟件的實(shí)驗(yàn)尚不充分，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用普通相機(jī)獲取點(diǎn)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(shí)現(xiàn)低成本自主更新。對(duì)于如何提升更新數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的匹配度、簡(jiǎn)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(xiàn)：

[1]馬牧運(yùn)，張愛武，等.手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)獲取場(chǎng)景三維點(diǎn)云的實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2011：9（3）.

[2]熊光洋，黃志安，等.單目相機(jī)姿態(tài)估計(jì)的點(diǎn)云與圖像融合[J].測(cè)繪科學(xué)，2016：41（2）.

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