王行風(fēng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著城市空間的立體化發(fā)展，城市室內(nèi)空間應(yīng)用的總規(guī)模大幅增加，室內(nèi)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，基于大型場(chǎng)館的室內(nèi)定位和導(dǎo)航的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注［1-2］，室內(nèi)定位、室內(nèi)地圖和導(dǎo)航研究已成為當(dāng)前LBS 研究的新的熱點(diǎn)和重點(diǎn)領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的導(dǎo)航應(yīng)用主要集中于室外區(qū)域，技術(shù)上則主要利用二維矢量地圖或二維影像來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然部分產(chǎn)品初步實(shí)現(xiàn)了添加興趣點(diǎn)三維模型的功能，但基礎(chǔ)底圖依然是采用二維矢量地圖進(jìn)行展示［3-5］。在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，尤其是在多層大型建筑物內(nèi)部，這種基于二維矢量/柵格的導(dǎo)航地圖往往因?yàn)椴粔蛑庇^，而難以為用戶提供快速理解周邊環(huán)境及所處方位的足夠信息［6-8］。因此，基于個(gè)人移動(dòng)終端，輔以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)室內(nèi)三維導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問題，本文基于個(gè)人移動(dòng)平臺(tái)(手機(jī)、平板等)設(shè)計(jì)一個(gè)面向室內(nèi)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動(dòng)態(tài)服務(wù)框架(Three Dimensional Indoor Navigation System，3D-INS)，以有效滿足室內(nèi)導(dǎo)航的實(shí)際需求，并進(jìn)行了初步實(shí)現(xiàn)。

1 三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動(dòng)態(tài)服務(wù)框架

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的個(gè)人移動(dòng)平臺(tái)三維導(dǎo)航系統(tǒng)，需要解決基于內(nèi)存、計(jì)算資源有限的移動(dòng)終端平臺(tái)的三維可視化模型的調(diào)度、建筑物室內(nèi)精細(xì)模型的快速構(gòu)建和高速渲染等技術(shù)。該類系統(tǒng)目前主要有2 種不同的解決方案:

1)胖客戶端技術(shù)。該方案主要考慮目前的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度尚無(wú)法滿足用戶實(shí)時(shí)下載、觀看及漫游的需求等問題，而將三維模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、計(jì)算、分析以及渲染都集中在個(gè)人移動(dòng)終端上，具有高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，相關(guān)的定位信息等少量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。很顯然，該類型系統(tǒng)比較適合于輕量級(jí)3D 模型數(shù)據(jù)。以中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院和芬蘭大地測(cè)量研究所研究的三維導(dǎo)航引擎為典型［9］。

2)瘦客戶端技術(shù)。考慮實(shí)際應(yīng)用中用戶對(duì)模型高逼真度的要求所帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)，個(gè)人移動(dòng)平臺(tái)難以滿足存儲(chǔ)、處理和實(shí)時(shí)渲染需求的實(shí)際情況。對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行合理的分解，客戶端負(fù)責(zé)三維場(chǎng)景的渲染和顯示，服務(wù)端可以針對(duì)用戶的實(shí)際查詢請(qǐng)求，提供三維模型數(shù)據(jù)的下載、渲染、計(jì)算和處理等，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭苿?dòng)端進(jìn)行結(jié)果的顯示。該類系統(tǒng)以德國(guó)Postdam 大學(xué)為典型［5-6］;隨著移動(dòng)平臺(tái)圖形計(jì)算能力的提升和3G 技術(shù)的普及，這種方式將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

本文基于個(gè)人移動(dòng)端三維渲染的需求以及室內(nèi)導(dǎo)航的需求，初步構(gòu)建了一個(gè)支持室內(nèi)外一體化的三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動(dòng)態(tài)服務(wù)模型框架，見圖1。該框架可根據(jù)需要將客戶端渲染引擎部分和服務(wù)端分開或者置于同一平臺(tái)上，以滿足用戶的需求。該框架主要分為服務(wù)端、客戶端和應(yīng)用端3 個(gè)部分，各主要功能如下:

圖1 三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)空間信息動(dòng)態(tài)服務(wù)框架

1)服務(wù)端。3D-INS 服務(wù)端是指為移動(dòng)端提供各種地理服務(wù)功能的總稱。功能主要包括數(shù)據(jù)存取、目錄檢索、模型管理處理以及三維空間分析等內(nèi)容。數(shù)據(jù)存取服務(wù)是指服務(wù)端響應(yīng)客戶端的操作請(qǐng)求，按照客戶的查詢要求，以三維模型、空間圖形要素或數(shù)據(jù)記錄為單位，利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理引擎，完成三維模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及位置等數(shù)據(jù)的存取，數(shù)據(jù)存取服務(wù)要能支持多用戶請(qǐng)求，并保持模型數(shù)據(jù)的完整性和一致性;目錄檢索服務(wù)是指服務(wù)端集中管理本地的模型數(shù)據(jù)目錄，提供給客戶檢索和判斷所需的地理數(shù)據(jù);模型管理處理指服務(wù)端按照用戶場(chǎng)景渲染的要求，取出滿足條件的模型信息，并進(jìn)行一定的處理，重構(gòu)組織成合適的格式(如GML、WRL)，或圖像格式(JEPG)，然后送給客戶渲染引擎端。三維空間分析是重點(diǎn)關(guān)注三維空間模型對(duì)象間的之間拓?fù)潢P(guān)系的分析和描述。

2)客戶端。3D-INS 客戶端主要負(fù)責(zé)在個(gè)人移動(dòng)端三維模型的下載和渲染的渲染引擎應(yīng)用程序。客戶端通過安裝通過3D 渲染引擎，提出查詢(渲染)的請(qǐng)求，下載3D 模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人移動(dòng)端的三維模型渲染與展示。功能主要包括渲染引擎、場(chǎng)景管理等內(nèi)容。渲染引擎主要負(fù)責(zé)模型管理、模型渲染優(yōu)先級(jí)管理、緩存管理、模型隊(duì)列管理以及三維地圖匹配等功能。LOD 場(chǎng)景管理主要是根據(jù)視點(diǎn)距離場(chǎng)景的遠(yuǎn)近進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建、場(chǎng)景組織和場(chǎng)景查詢等功能。

3)應(yīng)用端。3D 導(dǎo)航應(yīng)用在語(yǔ)音導(dǎo)航提示、POI檢索、軌跡記錄、路徑記錄和空間查詢等方面都得到了一定的應(yīng)用，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。具體來(lái)說(shuō)，包括個(gè)人級(jí)和行業(yè)級(jí)應(yīng)用，個(gè)人應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自位置查詢、他位置查詢、周邊地點(diǎn)查詢、公交查詢以及查詢某個(gè)地點(diǎn)的相關(guān)信息如交通狀況、天氣狀況等，從而達(dá)到隨時(shí)隨地獲取任何信息。行業(yè)級(jí)應(yīng)用則可以包括室內(nèi)導(dǎo)航與監(jiān)控調(diào)度、物流跟蹤、人員跟蹤、智能交通等方面。

2 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

為測(cè)試本文所提出框架方法的實(shí)用性，以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)和環(huán)境測(cè)繪學(xué)院行政樓(見圖2)為例進(jìn)行測(cè)試。選用的測(cè)試個(gè)人平臺(tái)終端為三星GALAXY Note10.1，處理器為Exynos 5420，屏幕為10.1英寸，分辨率為2560 ×1600，操作系統(tǒng)為Android 4.2。本案例利用Eclipse Android Java 實(shí)現(xiàn)了Android 平臺(tái)下室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用程序，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3 所示。

圖2 研究對(duì)象與三維模型

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

該系統(tǒng)能夠輕松實(shí)現(xiàn)3D 模型數(shù)據(jù)信息的顯示，同時(shí)提供了基本的三維操作的基本功能，包括模型的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和全景等功能。另外還初步實(shí)現(xiàn)了基本的導(dǎo)航功能，用戶可以在輸入界面上輸入查找目的地的名字，通過查詢可以獲得較為詳細(xì)的導(dǎo)航信息，指導(dǎo)內(nèi)容可以包括文本、圖片和音頻等，從而使用戶可以很容易理解所處的位置和方向。

圖4 學(xué)院行政樓4 樓

圖4 顯示了學(xué)院行政樓4 樓的室內(nèi)規(guī)劃，并給出了電梯和樓梯的出口。在指定目標(biāo)點(diǎn)和位置以后，就可以利用最短路徑算法，如Dijkstra 算法通過計(jì)算，能夠很容易計(jì)算行走的路徑，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算不同路線的距離和需要的時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文面向個(gè)人移動(dòng)終端，初步構(gòu)建了三維室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)框架，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該框架的應(yīng)用性、可行性和有效性。與已有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)基于個(gè)人移動(dòng)終端，利用3D 建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位數(shù)據(jù)和3D 模型的共享與分發(fā)服務(wù)，將人們所處的位置和周邊環(huán)境以三維場(chǎng)景的方式真實(shí)地展現(xiàn)，為人們正確、快速地分辨展覽場(chǎng)館、隧道、地鐵交叉口、大型建筑物等復(fù)雜場(chǎng)景的交錯(cuò)關(guān)系提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，從而大大提高室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的路徑引導(dǎo)效率。

3D-INS 系統(tǒng)在技術(shù)或者其它方面還存在一些問題，尚需在空間數(shù)據(jù)的輕量化建模、顧及拓?fù)潢P(guān)系的空間模型、地圖匹配以及空間索引方面作進(jìn)一步的改善，以滿足城市室內(nèi)空間的潛在的可能應(yīng)用，為人們提供準(zhǔn)確、高效的室內(nèi)導(dǎo)航響應(yīng)服務(wù)。

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