基于ARKit的博物館室內定位系統研究

夏延哲

（廣東工業大學 計算機學院，廣州510006）

0 引 言

隨著中國經濟的快速增長，人們不僅僅只滿足于物質上的富足，而對精神充實的追求也越來越高。從2006年起，中國文物機構和博物館觀覽人數持續上升。博物館已經不僅是收藏、保護、研究、展示文化遺產的機構，還將成為面向未來的文化服務和教育機構。而當游客難以找到參觀的藝術品時，就會造成無序的人流流動，導致游客的參觀過程非常混亂。

本文提出通過ARKit技術，解決傳統的博物館參觀中尋找目標藝術品的途徑。針對現有室內導航過程中存在的設備運動跟蹤不準確、攝像頭圖像采集、圖像視覺處理、場景渲染等技術問題，提出了采用ARKit結合Unity 3D平臺進行室內場景導航的方法；通過整合設備攝像頭圖像信息與設備運動傳感器（包括LiDAR）信息，在AR跟蹤穩定性、渲染真實度、人機交互自然度上達到較好的效果。創建前端頁面與后端程序的交互，開發室內三維場景導航程序，完成定位場景中坐標點、路徑規劃、地圖信息保存及自動尋路等主要功能。結果證明，該方法可以實現室內自動導航，減少了游客尋找目標展品的時間，提升改善了博物館的參觀游覽情況，符合現代化博物館建設的需求。

1 ARKit導航技術

2017年，蘋果公司正式推出了增強現實的開發框架ARKit。從本質上，AR是將2D／3D元素（文字、圖片、模型、音視頻等）放置于設備攝像頭所采集的圖像中，營造一種虛擬元素真實存在于現實世界中的假象。ARKit通過移動設備（包括手機、平板電腦等）單目攝像頭采集的圖像信息（包括LiDAR采集的信息），實現了平面檢測識別、場景幾何、環境光估計、環境光反射、圖像識別、3D物體識別等功能。但一個完備的室內導航系統還應該包含前端頁面的操作，用戶操作流程等。因此，本文提出了將ARKit與三維集成平臺結合，設計出相應的前端頁面，利用ARKit的強大功能，通過用戶選定目標點，采用合適的算法進行路徑規劃，最終實現導航的功能。創建一個現實和虛擬空間之間的對應關系，ARKit使用的技術稱為視覺慣性測距。這個過程結合了從iOS設備的運動傳感硬件與設備的攝像頭獲取到的圖像［1］。ARKit識別具有顯著特征的場景圖像，跟蹤視頻幀之間的特征差異的位置，將該信息與運動傳感數據比較，從而得到一個高精度的設備位置和運動模型，其中包含世界跟蹤還分析和理解場景的內容。使用命中測試方法找到對應于相機圖像中某個點的真實世界的表面。

ARKit官方提供了Xcode開發包，這也提高了利用其它工具進行開發的學習成本。在這種情況下，Unity構建了一個AR開發平臺-ARFoundation，該平臺架構于ARKit和ARCore之上，其目的是利用Unity的跨平臺能力，構建一種與平臺無關的AR開發環境。即，ARFoundation對ARKit與ARCore進行了再次封裝，并按照用戶的發布平臺，自動選擇合適的底層SDK版本。ARFoundation提供了一個獨立于平臺的腳本API和MonoBehaviour。因此，開發者可以通過ARFoundation使用ARCore和ARKit共有的核心功能構建，同時適用于iOS和Android兩個平臺的AR應用程序。這可以讓開發者只需開發一次應用，就可以部署到兩個平臺的設備上，不必做任何改動［2］。

2 定位系統的設計與實現

程序定位導航原理的大致流程為：首先進行地圖信息的采集；然后對目標特征點信息進行識別和保存；選用合適的路徑規劃算法，生成導航路徑。

2.1 地圖信息的采集模塊

對真實環境中的掃描和測量，并且保存到后臺系統中是該模塊重點實現的問題。本程序對于三維環境動態的實時理解，主要依賴于單目SLAM技術來實現。在游客移動過程中，一方面要把攝像頭所拍到的圖像連接成地圖，另一方面將地圖的信息存儲到后方的數據庫中。同時，針對如何識別攝像頭中的平面問題，采取通過光學系統檢測到的特征計算生成。通常稱這些點為“點云（Point cloud）”。形成稀疏點云之后，在少量的內存和CPU的支持，輔以慣性系統的配合下可以定義成平面，即使在只有少量追蹤點的情況下，仍然可以有效地運作［3］。具體操作流程如圖1所示。

2.2 藝術品位置信息的采集

此模塊的功能主要是對藝術品具體位置進行定位，將藝術品的位置信息傳輸到服務器。此時需將攝像頭中藝術品的位置創建三維物體對象，并且生成該對象在導航程序中全局坐標系數據。只要選定設置好不同藝術品的位置，就可以實現相互之間的路徑生成和線路導航。三維物體在場景中的生成如圖2所示。

產生位置信息具體封裝代碼如下：

圖1 空間信息識別流程Fig.1 Spatial information identification process

圖2 位置信息采集Fig.2 Location information collection

2.3 導航線段的生成

導航路線規劃系統是通過兩個目標點在地圖中的位置信息，來進行規劃和確定的。如圖2所示，首先判斷兩點是否在同一聯通分量上。通過一次完整的dfs，可以得到一個聯通分量，只要兩點都被同一次dfs訪問過，則就存在路徑。產生路徑的核心算法負責從未被訪問到的節點列表（from表）中提取節點的序列號，從終節點的序列號開始一直調用from［終節點］往前推，直到推出某個節點i的from［i］＝-1，表示節點i沒有前節點，即節點i就是起始源節點。雖然推出來的序列號順序是反向的路徑，但可以把這個反向的節點序列壓入一個棧中，然后一個一個出棧放入一個向量vec中保存，這個向量中保存的序列就是正確的順序。showPath主要調用p at h函數來準備路徑數據，并傳入一個向量vect o r給p at h函數，用來存儲路徑信息。之后再控制輸出格式把節點一個一個輸出來，就形成了一條路徑，如圖3所示。

圖3 路徑規劃示意圖Fig.3 Schematic diagram of path planning

路徑規劃中的關鍵代碼如下：

3 導航系統程序開發與發布

3.1 開發平臺與開發環境

程序開發語言為.NET C＃，其版本為Visual Studio 2019，本程序支持在IOS平臺上進行，兼容IOS12及以上的操作系統。

3.2 導航系統的開發流程

本程序的開發是以Unity3D為主要開發平臺，對于程序中需要使用到的腳本文件，則利用Visual Studio 2019進行腳本的編輯與測試，在完成腳本的編寫與ARKit的控制器成功引入之后，將程序發布到IOS設備中，并可以正常使用。其具體實現步驟如下：

（1）ARKit中控制器導入。將ARKit提供的一些關鍵的控制器導入到程序的工程中。ARWorldMap控制器用來添加環境掃描，用于掃描攝像頭中的空間信息，并且將當前環境數據保存在本地。AR Session Origin為創建的地圖設置本地坐標信息。

（2）場景內物體生成。通過Anchor Prefab腳本，使得用戶點擊攝像頭中某個已經掃描出來的錨點時，會在本地生成一個3D物體，并且記錄其當前的位置信息。該3D物體的形狀和外形可以自定義。

（3）導航路徑規劃。在場景中設置Path Finder腳本，實現各個目標點之間路徑的規劃。場景中的任意物體，需要去添加每個節點的坐標，并且在Paths中設置每條線路的規劃。如：A-＞B；A-＞C；B-＞C；C-＞D；D-＞A。

（4）導航線段的生成與渲染。該部分需要搭配Unity中的LineRenderer組件來實現。在線段的材質和貼圖方面，需要調整幾項參數：動態修改Tiling參數的信息。當路程較長時，則X軸的信息為總路程：MyPoint+for（int i＝0；i＜Each Coordinate Information）。將每個坐標的間隔距離相加，就可以得到最終的總路程信息。

（5）程序UI界面的實現。在UI設計中，考慮到不同設備的機型，通過微調UI面板的寬度與高度信息，來達到系統的自動適配。當設計分辨率與設備分辨率不同時，需要將UI界面經過一定縮放投射到屏幕上。

（6）程序的調試以及bug的修改。

（7）撰寫程序的使用說明以及開發文檔。

3.3 程序UI及窗體設計、發布設置

一個優秀的導航程序，離不開友好、人性化的使用界面。程序的界面和窗體設計是用戶是否能快速上手使用的重要因素。本文導航程序使用FairyGUI來設計前端操作頁面，通過前端清晰的操作按鈕與后臺控制器的綁定，實現了程序操作的簡化，同時提高了易用性。程序的主要功能以及定位導航過程示意如圖4所示。

圖4 定位導航過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of positioning and navigation process

4 結束語

本文根據目前博物館參覽的實際情況，在對相關技術進行選型以及研究后，采用ARKit技術來設計導航系統。針對游客在游覽時存在的尋找藝術品位置不便的問題，提供了線路和路徑導航的解決方案。系統的應用，將在很大程度上解決了館內人流無序的問題，更有利于維護館內的秩序，以及更好地利用藝術品被欣賞的文化價值。