AR技術(shù)在復(fù)雜場景導(dǎo)航中的應(yīng)用

劉清崗

（陜西學(xué)前師范學(xué)院信息工程學(xué)院 陜西省西安市 710100）

目前很多旅游景點、大型商場、地鐵站等空間布局復(fù)雜，人們對導(dǎo)航尋路使用需求迫切，傳統(tǒng)的做法有實物展示、張貼平面路線圖等，但當(dāng)場景發(fā)生變化時，需要重新制作導(dǎo)航實物，造成資源浪費(fèi)、效率低下[1]。另一類方法是使用基于手機(jī)GPS、基站定位和語音反饋測距等技術(shù)，但這些技術(shù)在解決一些手機(jī)信號弱、水平垂直空間復(fù)雜的區(qū)域?qū)Ш綍r，精準(zhǔn)度不夠，無法滿足用戶導(dǎo)航需求[2]。目前谷歌、蘋果、微軟公司推出了ARCore、ARKit、MeshAR等AR開發(fā)平臺，其中的圖像識別定位都提供了空間導(dǎo)航的解決辦法[3]，而國內(nèi)也出現(xiàn)了優(yōu)秀的EasyAR、百度AR等開發(fā)平臺，2019年滴滴平臺利用AR技術(shù)在深圳機(jī)場實現(xiàn)了地圖導(dǎo)航與尋路打車功能[4]。

1 APP總體思路

西安鐘樓集旅游景點、地鐵站、公交樞紐站、大型商場于一體，尤其下沉式盤道無法辨別方位，為解決這種難題，本文提出基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的線上與離線相結(jié)合的導(dǎo)航設(shè)計研究[5]。宗旨是實現(xiàn)離線與在線混合式AR導(dǎo)航，通過3D場景建模、虛擬場景尋路實現(xiàn)離線狀態(tài)下的地圖尋路，運(yùn)用云計算、圖像及模型的定位識別，采用EasyAR稀疏空間地圖技術(shù)，實現(xiàn)在線路線規(guī)劃與指引導(dǎo)航。

軟件整體功能如圖1所示。

圖1：APP整體功能

APP系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用支撐層和業(yè)務(wù)邏輯層，其中場景模型數(shù)據(jù)采用本地數(shù)據(jù)持久化，采集圖像采用EasyAR云存儲，商場及景點推送信息采用遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲，利用web service進(jìn)行更新維護(hù)；應(yīng)用支撐層采用Unity3D、EasyAR處理圖像模型和路線規(guī)劃算法實現(xiàn)；業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)目標(biāo)識別與現(xiàn)實疊加、場景漫游、路線導(dǎo)引等功能[6]。

2 軟件模塊設(shè)計

本APP開發(fā)主要步驟包括：創(chuàng)建鐘樓盤道模型，模型信息標(biāo)注與地圖烘培，地圖漫游，建立云上地圖，地圖特征點取景，路徑規(guī)劃。

2.1 3D虛擬模型的創(chuàng)建

采用3D MAX、Blender等建模工具對鐘樓地下盤道及周邊進(jìn)行分體建模，繪制貼圖制作材質(zhì)，然后將模型保存為.FBX文件導(dǎo)入Unity3D AR工程項目中。如圖2。

圖2：鐘樓盤道模型

2.2 Unity 3D對模型進(jìn)行線路烘培

導(dǎo)入Unity 3D后，對場景模型進(jìn)行點位標(biāo)注，包括場景路口的公交線路、地下盤道內(nèi)地鐵站、各大商超景點等信息。生成方位坐標(biāo)并與場景進(jìn)行綁定。使用Unity3D地圖烘培生成可走路線及區(qū)域。如圖3。

圖3：鐘樓盤道模型烘焙

2.3 用Navgation MeshAgent實現(xiàn)離線導(dǎo)航尋路

Navgation MeshAgent是3D場景中用于實現(xiàn)動態(tài)物體自動尋路的一種技術(shù)，它將游戲中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組織關(guān)系簡化為帶有一定信息的網(wǎng)格，在這些網(wǎng)格的基礎(chǔ)上通過一系列的計算來實現(xiàn)自動尋路[7]。設(shè)置離線地圖漫游代理Agent,配置Nav Mesh Agent尋路組件，運(yùn)用BehaviorTree來實現(xiàn)尋路行為，完成離線導(dǎo)航漫游。漫游核心代碼如下：

2.4 用EasyAR稀疏空間地圖實現(xiàn)在線導(dǎo)航

EasyAR 稀疏空間地圖(Sparse Spatial Map)通過手機(jī)掃描周圍環(huán)境，生成環(huán)境的三維視覺場景地圖，并能實時提供視覺定位跟蹤功能。在建圖過程中，稀疏空間地圖利用相機(jī)圖像和對應(yīng)位姿構(gòu)建環(huán)境1:1的視覺地圖[8]。定位功能將當(dāng)前相機(jī)圖像和地圖的三維點進(jìn)行視覺匹配并嘗試計算對應(yīng)位姿來恢復(fù)相應(yīng)的位姿。對環(huán)境特征度低的空間采用特征圖片輔助的方法提供定位與識別。在特征點之間進(jìn)行路徑的設(shè)置標(biāo)識，并上傳到空間地圖保存。

3 軟件發(fā)布

運(yùn)用Unity跨平臺部署的優(yōu)勢，將軟件發(fā)成成Android和IOS兩個版本，操作系統(tǒng)版本配置要兼顧低端型號手機(jī)，以滿足EasyAR稀疏空間地圖要求的搭載運(yùn)動圖片捕捉功能的VIO硬件版本為準(zhǔn)。在軟件測試過程中發(fā)現(xiàn)，存在人流量大影響相機(jī)收集圖片進(jìn)行特征比對影響定位的問題，解決辦法是采用將天花板張貼部分特征圖片進(jìn)行輔助定位，實現(xiàn)即時導(dǎo)航。

4 結(jié)論

本文旨在解決傳統(tǒng)地圖導(dǎo)航軟件難以實現(xiàn)復(fù)雜場景中的即時引導(dǎo)導(dǎo)航問題，提出了運(yùn)用AR增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)與離線場景地圖漫游相結(jié)合的解決思路和實現(xiàn)方案，基于目前4G、5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)效果測試，最終完成了鐘樓盤道導(dǎo)航APP的設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了AR在復(fù)雜垂直空間進(jìn)行導(dǎo)航定位的應(yīng)用。從實踐中發(fā)現(xiàn)，人們普遍對此類運(yùn)用新技術(shù)輔助導(dǎo)航比較認(rèn)可和感興趣。筆者以后會持續(xù)聚焦AR技術(shù)在室內(nèi)導(dǎo)航創(chuàng)新中的應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)習(xí)交流，不斷征求收集改進(jìn)意見，繼續(xù)升級拓展該APP導(dǎo)航軟件，解決復(fù)雜景點、地鐵站、飛機(jī)場的即時導(dǎo)航定位問題。