視覺信息輔助的室內建圖與行人導航方法研究

劉 濤

河南財經政法大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002

缺乏室內地圖、位置指紋和室內地標等導航要素是當前室內導航系統所面臨的瓶頸問題，隨著目前智能手機的普及和功能逐漸強大，通過手機內置的慣性傳感器可以遞推位置并感知行人的行為。然而，缺乏對外部環境的直接觀測導致位置誤差和感知誤差。利用采集到的視覺數據不僅可以用于修正位置誤差、提高定位精度，還可以輔助構建室內導航地圖。本文利用行人在室內活動過程中采集到的慣性傳感數據和視頻數據，首先對室內環境的空間結構進行探測，同時恢復行人的運動軌跡，實現室內位置指紋的自動標注和導航圖構建；對行人導航過程中容易產生迷路等現象提出了基于室內結構地標序列的位置確認方法和顧及地標可視性的路徑優化方法，主要研究內容包括：

(1) 提出了基于智能手機的室內導航圖構建方法。室內地圖是行人導航的基礎數據，傳統構建室內地圖的方法依賴人工處理和專業設備，耗費人力和時間，利用智能手機構建得到的室內地圖往往缺乏室內空間結構信息與地標信息，不利于行人對地圖的理解和使用。本文在視覺信息輔助的基礎上，精確恢復得到了行人在室內的運動軌跡，利用貝葉斯分類方法識別出室內的空間結構類型，對采集到的視頻數據標注位置并提取文字地標，進而構建包含室內空間結構信息和地標信息的室內導航圖模型。試驗驗證了本文方法恢復行人運動軌跡的準確性和空間結構識別的可靠性。

(2) 提出了基于WiFi位置指紋自動標注的室內定位方法。傳統基于WiFi位置指紋的室內定位方法面臨著建立、更新位置指紋數據庫的時間成本和人力開銷等問題。利用基于室內行人運動軌跡的位置指紋標注和指紋地圖構建方法能夠很好地解決問題。然而，目前的方法大多需要已知軌跡的起點位置和室內地圖等先驗信息，方法的抗差性差、實用性不強。本文基于眾包軌跡的WiFi位置指紋地圖自動構建方法，通過設定一個室內參考點，將眾包運動軌跡的坐標轉換到室內參考坐標系下，提取軌跡采樣點所包含的WiFi信號信息和位置信息，實現位置指紋地圖的自動構建。試驗結果表明，本文方法可以在未知軌跡起點和室內地圖的情況下，實現位置指紋的自動標注，將構建得到的指紋地圖用于WiFi指紋定位，定位精度可達到與傳統人工標注方法相同的數量級。

(3) 提出了顧及室內地標可視性的導航路徑優化算法和基于室內結構地標序列的行人位置確認方法。考慮行人在室內環境下對地標的利用程度和可見性，使用多目標優化算法得到了路徑距離短、可見地標數量多、地標利用率高的優化路徑。定義室內空間結構為結構地標，在自動識別行人途徑的室內空間結構的基礎上，使用一種改進的隱馬爾可夫模型，分別實現了在線和離線階段的匹配定位。在不依賴任何外界輔助設備的情況下，可幫助行人確認當前位置。分別在兩種典型的室內環境下進行試驗，結果表明該方法的在線匹配準確率高于80%，離線準確率高于70%，有助于降低室內迷路風險和行人導航認知負擔。