王美珍,劉學(xué)軍,吳 勇,甄 艷

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210046;2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210046)

基于可定位視頻的電子導(dǎo)游系統(tǒng)

王美珍,劉學(xué)軍,吳 勇,甄 艷

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210046;2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210046)

以視頻描述旅行路線的沿途風(fēng)光,以二維地圖/影像圖描述景區(qū)的平面信息,并通過空間信息,實(shí)現(xiàn)視頻和二維電子地圖的聯(lián)動(dòng),提出“立面視頻 +平面地圖”的新型電子導(dǎo)游系統(tǒng)。將可定位視頻引入導(dǎo)游圖,提出基于空間信息的視頻分割方案,研究可定位視頻的檢索和組織方案,最后給出基于可定位視頻的電子導(dǎo)游系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,并通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

電子導(dǎo)游圖;可定位視頻;視頻分割;視頻檢索;路徑規(guī)劃

一、引 言

導(dǎo)游圖不僅是景區(qū)的行、游、食、住、娛、購等信息的載體,同時(shí)也是景區(qū)整體風(fēng)貌的傳播工具,決定著景區(qū)對(duì)游客的吸引程度和旅游路線的選擇。常規(guī)景區(qū)導(dǎo)游圖以景區(qū)平面圖和寫景圖為主。近年來,隨著旅游網(wǎng)絡(luò)化、出行散客化趨勢的出現(xiàn),導(dǎo)游圖在內(nèi)容和形式上發(fā)生了很大變化,類型上有影像導(dǎo)游圖、電子導(dǎo)游圖、多媒體導(dǎo)游圖、景點(diǎn)三維導(dǎo)游圖等,載體上有沙盤、觸摸屏、大屏、虛擬旅游網(wǎng)站等,大大方便了人們的出行和旅游決策[1]。

目前景區(qū)開發(fā)已經(jīng)從景點(diǎn)擴(kuò)展到游覽路線的兩側(cè),形成系列的景觀走廊[2]。現(xiàn)有景區(qū)平面圖雖較為完善地描述了景區(qū)平面信息,但無法表達(dá)游覽路線兩側(cè)的自然風(fēng)光、人文現(xiàn)象。已有的多媒體導(dǎo)游圖,雖提供了視頻信息來描述沿途景色,但只是將其作為附加屬性,并未能和地圖進(jìn)行雙向檢索。同時(shí),大多數(shù)電子導(dǎo)游圖提供的旅游路徑分析,主要以距離、時(shí)間等為約束條件,而忽視了沿線風(fēng)光對(duì)游客的吸引力。

可定位視頻是集視頻、音頻、GPS定位為一體的新型流媒體,要求 GPS定位信息與每一音視頻幀保持嚴(yán)格同步,方便位置與視頻的互相檢索及基于視頻的路徑定制[3-7],是導(dǎo)游圖系統(tǒng)新的數(shù)據(jù)源。本文以可定位視頻為數(shù)據(jù)源,結(jié)合景區(qū)的二維平面導(dǎo)游圖,以觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)為載體,研究可定位視頻和二維地圖的匹配、檢索等關(guān)鍵技術(shù),形成“立面視頻+電子地圖”的新型電子導(dǎo)游系統(tǒng)。首先重點(diǎn)討論基于可定位視頻的分割方法,然后給出可定位視頻快速檢索方法,最后給出了基于可定位視頻的導(dǎo)游圖系統(tǒng)相應(yīng)的技術(shù)流程和應(yīng)用實(shí)例。

二、可定位視頻分割

考慮到可定位視頻本身具有定位信息,則可按照空間位置實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的分割。對(duì)景區(qū)而言,一般是按照道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拍攝的,因此可按照景區(qū)已有道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視頻分割?？啥ㄎ灰曨l分割主要包括三個(gè)基本環(huán)節(jié),即坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地圖匹配和分割?？啥ㄎ灰曨l中的 GPS坐標(biāo)屬于WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng),而景區(qū)電子地圖一般是 1954北京坐標(biāo)系或 1980西安坐標(biāo)系,甚至是獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),二者需要統(tǒng)一,這可通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)[4],這里不再贅述。

1.地圖匹配

地圖匹配是將視頻拍攝路線正確投影到電子地圖上的過程?？紤]到 GPS、電子地圖等本身含有誤差,本文采用了基于模糊邏輯的地圖匹配算法。其基本思想是:首先建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集,然后定義其模糊隸屬度,最后進(jìn)行分類和綜合評(píng)判。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)

拍攝路徑和道路的相似程度,可通過拍攝路徑與候選道路的接近性、方向性和軌跡相似性指標(biāo)來描述。

1)接近性。接近程度可通過拍攝點(diǎn)坐標(biāo)到候選道路的垂直距離來計(jì)算,如式 (1)中 (x,y)為當(dāng)前拍攝位置坐標(biāo),(x′,y′)為拍攝位置在候選路段上的投影點(diǎn)。

2)方向性。通過拍攝方向β與候選路段方向β′的差值來描述。

3)軌跡相似性。選取拍攝路徑相鄰 n個(gè)定位點(diǎn)數(shù)據(jù),并計(jì)算這些點(diǎn)在候選路段上投影位置,則拍攝路徑和路段相似性可通過定位軌跡平均距離差來計(jì)算。其計(jì)算公式為

式中 ,(xi,yi)為時(shí)刻 i的拍攝位置 ;(x′i,y′i)為其在路段上投影位置。

(2)隸屬度函數(shù)

表 1 隸屬度函數(shù)定義

(3)評(píng)價(jià)決策

以上述隸屬度函數(shù)為基礎(chǔ),即可對(duì)候選路段是拍攝路徑所在路段的可能性作出綜合評(píng)判。設(shè)因素集 U={接近性、方向性、軌跡相似性},評(píng)語集 R={好、壞},綜合評(píng)判步驟為:

1)對(duì)U中的各因素分別進(jìn)行評(píng)價(jià),其評(píng)判結(jié)果分別為模糊向量 R1=[η(x)φ(x)],R2=[η(x)φ(x)],R3=[η(x) φ(x)];

3)通過模糊變換 Q=RPT,所得模糊向量 Q中的兩個(gè)分量,表示候選路段是拍攝路徑所在路段可能性大小的程度,取最大可能性路段為拍攝路徑所在路段。

2.分割流程

結(jié)合地圖匹配過程,分割步驟如下:

1)定位到一幀視頻數(shù)據(jù),判斷是否是關(guān)鍵視頻幀。如果是,則讀取關(guān)鍵幀所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)作為待匹配點(diǎn),繼續(xù)執(zhí)行下一步;如果不是,則轉(zhuǎn) 4)繼續(xù)。

2)以待匹配點(diǎn)為圓心,搜索附近距離小于 50m的所有路段作為待匹配路段。

3)遍歷所有待匹配路段,根據(jù)上節(jié)獲得該待匹配點(diǎn)的最佳匹配路段。本文將三個(gè)因素視為同等重要,綜合評(píng)判算法中權(quán)向量 P=[1/3,1/3,1/3]。

4)對(duì)待匹配點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)修正,同時(shí)并將此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的音視頻幀加入該路段的視頻片段,返回進(jìn)行下一幀視頻圖像的判斷。

三、可定位視頻索引與檢索

1.索引構(gòu)建

根據(jù)采集時(shí) GPS軌跡變化方式不同,可定位視頻分為點(diǎn)狀和線狀可定位視頻。點(diǎn)狀可定位視頻主要指在固定位置拍攝的視頻,其采集的視頻都被賦予同一位置坐標(biāo);線狀可定位視頻是沿某一軌跡拍攝,其中每幀圖像的拍攝位置都具有不同的地理坐標(biāo)。

(1)索引結(jié)構(gòu)表設(shè)計(jì)

可定位視頻的網(wǎng)格索引的實(shí)質(zhì)是邏輯層次上分幅描述而不具體將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,數(shù)據(jù)本身仍然按照對(duì)象模型獨(dú)立組織和存儲(chǔ)。對(duì)于固定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的索引,只需判斷其任意一幀所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)所在格網(wǎng)號(hào)即可;而對(duì)于移動(dòng)采集具有線狀特征的數(shù)據(jù)的索引,其實(shí)質(zhì)是判斷多個(gè)不同點(diǎn)坐標(biāo)集合所屬網(wǎng)格比固定點(diǎn)數(shù)據(jù)索引復(fù)雜的原因,在于其還涉及可定位視頻數(shù)據(jù)的分段索引。本文主要通過構(gòu)建空間分區(qū)表、網(wǎng)格索引表以及可定位視頻索引表三個(gè)表結(jié)構(gòu)對(duì)可定位視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與管理。

空間分區(qū)表 (如表 2所示)記錄格網(wǎng)信息的分區(qū)信息,從邏輯上把一個(gè)區(qū)域分割為許多更小、更易于管理的區(qū)塊,主要用于描述可定位視頻的空間分區(qū)信息。網(wǎng)格索引表是對(duì)全部的可定位視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格索引,描述了各個(gè)網(wǎng)格單元中包含哪些可定位視頻數(shù)據(jù),是視頻與空間數(shù)據(jù)互相檢索的橋梁。可定位視頻索引表 (如表 3所示)記錄每個(gè)可定位視頻文件在網(wǎng)格中的索引信息。對(duì)于固定點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),主要記錄其可定位視頻類型 (點(diǎn)狀、線狀)、所屬網(wǎng)格、存放路徑等信息。而對(duì)于移動(dòng)采集的數(shù)據(jù),由于其可能跨越多個(gè)網(wǎng)格,而每個(gè)網(wǎng)格中都包含一段可定位視頻數(shù)據(jù),因此其除了記錄上述信息外,還要記錄移動(dòng)數(shù)據(jù)在各個(gè)網(wǎng)格中的起始視頻幀號(hào)、終止視頻幀號(hào)。

表 2 空間分區(qū)表字段說明

表 3 可定位視頻索引表字段說明

(2)索引算法流程

在上述索引表建立的基礎(chǔ)上,對(duì)采集的可定位視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行索引操作,并將其索引信息在索引表中進(jìn)行相應(yīng)更新,其具體步驟如下:

1)按照一定劃分原則,將圖幅區(qū)域劃分成若干格網(wǎng),并對(duì)所有格網(wǎng)進(jìn)行編號(hào)。

2)讀取可定位視頻數(shù)據(jù),判斷其為固定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)文件,還是通過移動(dòng)采集數(shù)據(jù)文件。如果是前者,則繼續(xù)下一步判斷;如是后者,則轉(zhuǎn)步驟 4)判斷。

3)指針定位到可定位視頻文件中的索引文件頭并讀取第一幀視頻圖像所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo) (X,Y),通過式 (4)判斷坐標(biāo)值計(jì)算該點(diǎn)所處網(wǎng)格的編號(hào),然后同時(shí)更新網(wǎng)格與可定位視頻數(shù)據(jù)索引表相應(yīng)字段,索引結(jié)束。其中通過經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算網(wǎng)格編號(hào)的公式為式中,(Xmin,Ymin)為西南角坐標(biāo);Δw、Δh則分別為網(wǎng)格索引中橫軸、縱軸方向的網(wǎng)格大小;m為橫向格網(wǎng)數(shù);GridCode代表網(wǎng)格編號(hào)。

4)指針定位到可定位視頻文件中的索引文件頭,依次讀取一幀視頻圖像,判斷其是否是關(guān)鍵幀,如果是則繼續(xù)下一步;否則繼續(xù)讀取下一幀視頻圖像。

5)讀取此關(guān)鍵視頻幀對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo),按式 (4)判斷該點(diǎn)所處的網(wǎng)格,如果是第一幀數(shù)據(jù),則直接記錄其所屬的網(wǎng)格信息;否則判斷與上一幀關(guān)鍵幀所屬的網(wǎng)格號(hào)是否相同,相同則不進(jìn)行數(shù)據(jù)庫記錄,若不同,同樣將格網(wǎng)編號(hào)記錄網(wǎng)格索引表中,同時(shí)還要更新可定位視頻索引表相應(yīng)字段,轉(zhuǎn)步驟 4)繼續(xù)判斷直到最后一幀視頻圖像。

2.檢索方案

(1)視頻檢索位置

可定位視頻檢索位置主要有兩種:顯示軌跡以及跳躍播放方式。顯示軌跡方式就是直接提取可定位視頻的地理坐標(biāo),然后將其在電子地圖上進(jìn)行顯示。對(duì)于點(diǎn)狀可定位視頻,只需提取其第一幀視頻的坐標(biāo),將其顯示于地圖上;而線狀可定位視頻則需通過遍歷每一關(guān)鍵視頻幀所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo),然后將其顯示于地圖上。跳躍播放方式則是通過拖動(dòng)播放滾動(dòng)條的方式進(jìn)行視頻的快進(jìn)、快退跳躍播放,同時(shí)其所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置也隨之在地圖上發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)可定位視頻快速檢索地理位置的操作。其實(shí)質(zhì)是通過比較視頻關(guān)鍵幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳與滾動(dòng)軸上的時(shí)間差值,實(shí)現(xiàn)可定位視頻的定位、播放。

(2)位置檢索視頻

基于位置檢索的可定位視頻,主要包括兩種方式:①基于空間位置的查詢 (基于坐標(biāo)查視頻);②基于空間范圍的查詢 (矩形選擇、圓選擇、多邊形選擇查詢視頻)。該類查詢一般分兩步完成,首先要借助于上一節(jié)的空間索引,在視頻數(shù)據(jù)庫中快速檢索出滿足要求的可定位視頻數(shù)據(jù);而后根據(jù)可定位視頻的數(shù)據(jù)組織方式與查詢空間區(qū)域的空間關(guān)系,獲得相應(yīng)的可定位視頻文件?；谠撍饕Y(jié)構(gòu)的可定位視頻檢索原理為:先將查詢范圍坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)粗分格網(wǎng)地址 (或行列號(hào)),然后找出相關(guān)的粗分格網(wǎng),并根據(jù)其格網(wǎng)標(biāo)識(shí)號(hào)初步找出涉及的可定位視頻文件集,完成對(duì)可定位視頻的第一次過濾。循環(huán)讀取第一次結(jié)果集中的可定位視頻文件,逐一將可定位關(guān)鍵幀所對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)與搜索范圍進(jìn)行比較,以判斷其是否真正落入搜索范圍內(nèi)。該步操作完成后所得的最后結(jié)果集即是符合要求的搜索結(jié)果。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述原理,以景區(qū)道路沿線兩側(cè)的可定位視頻和景區(qū)平面地圖為數(shù)據(jù)源,“立面視頻 +平面地圖”的電子導(dǎo)游系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如下。

1.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要有三個(gè)功能模塊。

1)可定位視頻采集模塊:主要負(fù)責(zé)對(duì)可定位視頻進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、無線傳輸、播放。

2)數(shù)據(jù)編輯模塊:主要包括對(duì)采集到的可定位視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、索引、編輯等操作,并將處理后的實(shí)景數(shù)據(jù)導(dǎo)入到視頻數(shù)據(jù)庫。

3)可定位視頻查詢模塊:主要用于查詢景區(qū)內(nèi)景點(diǎn)、路段相關(guān)的視頻片段。本系統(tǒng)包括四種查詢方式:①隨機(jī)查詢,即通過點(diǎn)選景區(qū)內(nèi)地物來查詢地物相關(guān)視頻;②關(guān)鍵詞查詢,用戶通過輸入關(guān)鍵字查詢;③按用戶反饋查詢,通過圈選、框選的方式,查詢某一區(qū)域內(nèi)的相關(guān)視頻,再通過交互反饋獲取感興趣的視頻;④路徑查詢,用戶通過交互方式在電子地圖上選取游覽路徑,系統(tǒng)檢索對(duì)應(yīng)路徑段的視頻,并進(jìn)行重組播放。

2.系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

系統(tǒng)由可定位視頻采集終端和發(fā)布平臺(tái)兩部分組成。采集終端采用自主研發(fā)的可定位影視直播系統(tǒng)。發(fā)布平臺(tái)的載體為景區(qū)大屏、觸摸屏以及網(wǎng)絡(luò)客戶終端。下面以南京師范大學(xué)仙林校區(qū)北區(qū)校園為例對(duì)有關(guān)功能進(jìn)行說明。

(1)路徑查詢與視頻重組播放

路徑查詢視頻播放界面如圖 1所示。用戶通過此功能可獲得所選路徑的視頻信息。通過在地圖上交互地選取起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn)位置 (如圖 1中深色線條),系統(tǒng)根據(jù)用戶所給路徑對(duì)視頻數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,查找到相應(yīng)路段的視頻后,根據(jù)需要對(duì)檢索到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分割、重組,生成此路徑所對(duì)應(yīng)的可定位視頻并播放。這一功能使得用戶可根據(jù)不同的路徑來檢索視頻,并通過不同路徑的組合輔助決策最佳風(fēng)景的旅游路徑。

圖 1 定制路徑可定位流媒體播放界面

(2)可定位流視頻定制播放

通過反饋方式對(duì)相關(guān)區(qū)域范圍內(nèi)的可定位視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索的界面如圖 2所示。用戶可以通過在地圖上感興趣的位置進(jìn)行圈選、框選并將其作為檢索區(qū)域,如圖中圓形區(qū)域所示。系統(tǒng)檢索視頻數(shù)據(jù)庫,查詢到相關(guān)的可定位流媒體文件后,將其在檢索區(qū)域內(nèi)的片段自動(dòng)分割成新的視頻片段并返回,例如本例中在檢索區(qū)域內(nèi)總共檢索到三段可定位視頻數(shù)據(jù),可以通過雙擊視頻名稱觀看檢索到視頻片段。

圖 2 可定位視頻檢索界面

五、結(jié) 論

隨著旅游事業(yè)的發(fā)展,旅游呈現(xiàn)出散客化、個(gè)性化的趨勢,這要求對(duì)景區(qū)的介紹和導(dǎo)游要盡量滿足旅客出行個(gè)性化需要。本文針對(duì)這一趨勢,提出了“立面視頻 +平面地圖”的電子導(dǎo)游系統(tǒng)。通過本文研究,有如下結(jié)論:

1)由于空間信息的存在,可定位視頻分割不再局限于視頻本身所負(fù)載的內(nèi)容,而可以通過空間位置信息,將視頻分割成具有地理含義的視頻片段,并進(jìn)行按需播放。

2)基于可定位視頻電子導(dǎo)游系統(tǒng)支持用戶交互進(jìn)行路徑制定,用戶可以通過不同旅游路徑沿線風(fēng)景的組合來決定游覽路線,“游客喜愛”的路徑才是最佳路徑。

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Design of Tour Guide Map Based on Locatable Video

WANGMeizhen,L IU Xuejun,WU Yong,ZHEN Yan

0494-0911(2011)02-0048-04

P208

B

2010-06-08

國家 863計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA12Z238)

王美珍 (1983—),女,江蘇淮安人,博士生,主要研究方向?yàn)橛耙?GIS、單幅圖像幾何量測等。