趙海英， 陳　洪， 穆曉峰

(1. 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院移動(dòng)媒體與文化計(jì)算北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

基于定位與姿態(tài)感知的虛實(shí)漫游方法應(yīng)用研究

趙海英1， 陳洪1， 穆曉峰2

(1. 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院移動(dòng)媒體與文化計(jì)算北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟，文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)與傳承越來(lái)越受到人們的關(guān)注。通過(guò)GPS定位與移動(dòng)終端的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)終端GPS在展示古跡廢墟遺址方面的優(yōu)勢(shì)。具體方法是，首先通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的區(qū)域映射；然后使用陀螺儀將攝像機(jī)的角度與智能移動(dòng)終端綁定，建立虛擬角色與現(xiàn)實(shí)角色的姿態(tài)映射，最后通過(guò)Unity3D插件包實(shí)現(xiàn)虛實(shí)漫游功能，打破時(shí)間與空間限制，豐富展示作品的信息量與趣味性，并提供一種個(gè)性化的文化遺產(chǎn)場(chǎng)景瀏覽模式，可應(yīng)用于遺址廢墟如圓明園場(chǎng)景。

虛實(shí)漫游；GPS定位；姿態(tài)感知；智能移動(dòng)終端

伴隨著4G無(wú)線通信時(shí)代的到來(lái)，電子地圖技術(shù)和GPS定位技術(shù)的日益完善，智能化的導(dǎo)游服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)成為可能，而且良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)支持系統(tǒng)具有用戶體驗(yàn)和景區(qū)管理功能[1]。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)也隨著行業(yè)的要求，功能越來(lái)越完善，產(chǎn)品的定位也將更精準(zhǔn)[2]。2007年 Google公司發(fā)布了 Android操作系統(tǒng)，其源代碼和開(kāi)發(fā) SDK可以免費(fèi)獲取，從而降低了實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的成本[3-4]，Android系統(tǒng)全開(kāi)放的特點(diǎn)使其與未來(lái)智能終端的開(kāi)發(fā)方向相吻合，所以 Android系統(tǒng)當(dāng)之無(wú)愧地成為了移動(dòng)技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)[5-6]。另外，通信技術(shù)的不斷變更，使GPS系統(tǒng)成為終端的標(biāo)準(zhǔn)配置，終端不僅是一個(gè)通信工具，還可以成為GPS定位系統(tǒng)[7-8]。終端平臺(tái)上的 GPS應(yīng)用及功能也在不斷得到開(kāi)拓，目前其主要還是應(yīng)用于個(gè)人的定位、導(dǎo)航方面。但隨著通信技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)成本的降低、硬件功能的完善，終端GPS的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛[9]。在這種形勢(shì)下，大部分依賴人工勞動(dòng)的傳統(tǒng)導(dǎo)游服務(wù)已經(jīng)無(wú)法滿足游客日益增多的需求，因此電子導(dǎo)游應(yīng)運(yùn)而生[10]。英國(guó)在2005年6月發(fā)布了一項(xiàng)名為“未來(lái)旅游業(yè)之今日展望”的旅游發(fā)展戰(zhàn)略，將市場(chǎng)與電子旅游推廣作為主要的工作項(xiàng)目[11]。但是當(dāng)時(shí)這些電子導(dǎo)游系統(tǒng)只具備一定的播放功能和信息查詢功能，不具有智能性，更不具備再現(xiàn)修改前的虛擬場(chǎng)景。一套完善的智能電子系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能：①智能導(dǎo)游功能，游客可以瀏覽并下載景區(qū)電子地圖，在語(yǔ)音引導(dǎo)下游玩虛擬現(xiàn)實(shí)[12-13]；②智能播放功能，游客只需手持智能終端就可以自動(dòng)檢測(cè)和定位，智能終端會(huì)根據(jù)游客選擇的播放方式對(duì)目前所處景點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解說(shuō)[14]；③交互功能，游客可以根據(jù)自己的興趣選擇游玩路線并參加景區(qū)內(nèi)的相關(guān)活動(dòng)[15]；④游客可以借助移動(dòng)終端瀏覽幾百年的景區(qū)原貌，如親歷時(shí)光的穿越[16]。為此，開(kāi)放式終端的出現(xiàn)使智能終端有了更飛速地發(fā)展，終端GPS也將應(yīng)用于更為廣闊的領(lǐng)域。

論文以百度Android定位SDK為研究基礎(chǔ)，以百度地圖為數(shù)據(jù)源，通過(guò) GPS定位及智能移動(dòng)終端，讓用戶在實(shí)景與虛擬復(fù)原虛景中交互體驗(yàn)，感受歷史更迭和文化神韻。本系統(tǒng)在Android上實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)漫游系統(tǒng)的主要功能有場(chǎng)景真實(shí)位置獲取、真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的區(qū)域與姿態(tài)雙重映射，旨在通過(guò)高科技的展示方式能讓游客產(chǎn)生濃厚的興趣；提高文物的展出率與傳播效率。通過(guò)現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的對(duì)比，使游客對(duì)文化遺產(chǎn)內(nèi)容有更詳盡地了解，有助于提高游客對(duì)中華民族文化遺產(chǎn)的自主保護(hù)意識(shí)；同時(shí)打破時(shí)間與空間限制進(jìn)行文化遺址的個(gè)性瀏覽。這種模式將推動(dòng)消費(fèi)者對(duì)文化的需求，為我國(guó)旅游業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)數(shù)字化變革。

1　基于定位與姿態(tài)感知虛實(shí)漫游方法

依據(jù)百度地圖，提出虛擬場(chǎng)景與地圖信息匹配方法，完成虛擬場(chǎng)景定界定位；借助移動(dòng)終端GPS，建立虛實(shí)坐標(biāo)映射。由于移動(dòng) GPS偏失及信息抖動(dòng)，嘗試姿態(tài)感知方法。

1.1虛擬場(chǎng)景與地圖信息匹配，完成虛擬場(chǎng)景定界

在百度地圖上標(biāo)出四個(gè)點(diǎn)，并根據(jù)其坐標(biāo)計(jì)算出經(jīng)度距離、緯度距離與實(shí)際距離的比，還需設(shè)置地形的最高高度和縮放的級(jí)別，如圖1，2所示。

圖1　百度經(jīng)緯度區(qū)域

圖2　虛擬場(chǎng)景區(qū)域

設(shè)4個(gè)坐標(biāo)分別p01(x01,y01)，p02(x02,y02)，p03(x03,y03)，p04(x04,y04)，則：

其中，Distance (a,b)為百度測(cè)量函數(shù)，縮放級(jí)別Multiple=1。

1.2建立GPS位置信息與虛擬角色坐標(biāo)映射

基于Android終端內(nèi)置GPS功能，通過(guò)百度定位 SDK轉(zhuǎn)換得到百度經(jīng)緯度信息，然后轉(zhuǎn)換成Unity3D的虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)，如圖3，4所示。

圖3　百度經(jīng)緯度坐標(biāo)系

圖4　虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系

設(shè)百度經(jīng)緯度坐標(biāo)系中用戶位置為CurPo，坐標(biāo)為(x,y)，設(shè)虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系中用戶位置為ObjPo，坐標(biāo)為(x,z)，則CurPo與ObjPo簡(jiǎn)單映射關(guān)系為：

而實(shí)際百度坐標(biāo)系橫縱坐標(biāo)單位不一致，需要地圖信息讀取模塊提供的距離／經(jīng)度距離比例(WidthRate)與距離／緯度距離比例(HeightRate)兩個(gè)參數(shù)以及縮放參數(shù)(Multiple)共同參與，故最終轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

由于實(shí)際使用中會(huì)有用戶設(shè)置偏移向量ΔV，故虛擬場(chǎng)景區(qū)域范圍分為2種情況。

(1) 當(dāng)偏移向量ΔV不存在時(shí)，設(shè)用戶當(dāng)前定位點(diǎn)CurPo為百度經(jīng)緯度坐標(biāo)系中一點(diǎn)，CurPo坐標(biāo)為(x,y)，則判定其在范圍內(nèi)即為：，且p04.y＜CurPo.y＜p01.y同時(shí)滿足時(shí)成立。

(2) 當(dāng)偏移向量ΔV存在時(shí)，計(jì)算應(yīng)使用虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系，設(shè)用戶當(dāng)前坐標(biāo)為ObjPo為虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系中一點(diǎn)ObjPo坐標(biāo)為(x,z)，則判定ObjPo在范圍內(nèi)即為，且同時(shí)滿足時(shí)成立。

1.3將陀螺儀信息與虛擬攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行綁定

通過(guò)陀螺儀獲取設(shè)備姿態(tài)，然后轉(zhuǎn)換成四元數(shù)作為攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)量，再乘以一個(gè)根據(jù)屏幕方向而確定的四元數(shù)即可保持屏幕視窗的垂直。即旋轉(zhuǎn)四元數(shù)乘上屏幕朝向四元數(shù)保持視窗垂直方向。

其中，quatMap是陀螺儀的姿態(tài)信息；quatMult為屏幕的朝向；gyro.attitude代表陀螺儀的姿態(tài)，在Unity3D中(w,x,y,z)表示四元數(shù)。

1.4用戶交互信息獲取

當(dāng)用戶終端攝像頭對(duì)準(zhǔn)眼前古跡或廢墟時(shí)，終端全球定位系統(tǒng)即可判斷位置，并通過(guò)所提出方法請(qǐng)求服務(wù)器返回到古遺址信息。這樣，游客可以在觀覽已破損的古跡時(shí)根據(jù)所處位置，在移動(dòng)終端上即可呈現(xiàn)與現(xiàn)存遺跡保持同地理位置的原有景區(qū)風(fēng)貌，因此在一定程度盤活舊遺址原貌，增添了歷史文化品位。

2　虛實(shí)漫游方法實(shí)現(xiàn)

2.1定位與姿態(tài)感知流程

隨著WEB信息抽取與XML文檔分析技術(shù)的進(jìn)一步成熟[17-18]，本文根據(jù)百度地圖生成地圖信息XML文檔，來(lái)實(shí)現(xiàn)定位與姿態(tài)感知，具體流程如下：

步驟1. 建立虛擬場(chǎng)景的位置數(shù)據(jù)。將XML文檔中4個(gè)點(diǎn)作為虛擬場(chǎng)景邊界坐標(biāo)值，完成虛擬場(chǎng)景定界。

步驟2. 讀取GPS信息，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，映射成Unity3D的虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)。

步驟 3. 通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，輸出與真實(shí)位置一致的虛擬角色在虛擬場(chǎng)景中的坐標(biāo)。

步驟 4. 獲取用戶姿態(tài)感知數(shù)據(jù)，完成對(duì)虛擬場(chǎng)景位置偏移的修正。最后通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送帶有建筑物編號(hào)的請(qǐng)求信息，返回建筑物詳細(xì)介紹的通信模塊。完成整個(gè)虛實(shí)漫游系統(tǒng)功能。

其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)的程序流程圖

2.2定位與姿態(tài)感知的虛實(shí)漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)由以下3個(gè)主要技術(shù)路線組成：

(1) 獲取用戶真實(shí)位置。利用Eclipse軟件：搭建Android開(kāi)發(fā)環(huán)境和百度定位SDK的開(kāi)發(fā)環(huán)境，輸出一個(gè)二維數(shù)據(jù)作為用戶真實(shí)位置。

(2) 根據(jù)二維數(shù)據(jù)計(jì)算出待展示虛擬場(chǎng)景的坐標(biāo)位置。首先選取地圖并生成XML文檔；然后將三維模型進(jìn)行導(dǎo)入，完成真實(shí)位置導(dǎo)入與虛擬坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

(3) 輸出一個(gè)三維向量作為虛擬場(chǎng)景的位置坐標(biāo)。

(4) 最后通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送帶有建筑物編號(hào)的請(qǐng)求信息，返回建筑物介紹的通信模塊。由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，必須刷新同步定位，動(dòng)態(tài)跟蹤展示虛擬場(chǎng)景。整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　虛實(shí)漫游系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3　基于圓明園大水法的虛實(shí)漫游系統(tǒng)仿真

仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如圖7所示。

圖7　仿真過(guò)程

仿真過(guò)程如下：

步驟1. 打開(kāi)虛實(shí)漫游系統(tǒng)界面，如圖8所示。

圖8　虛實(shí)漫游系統(tǒng)的基本界面

步驟 2. 在百度地圖上進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)，如圖 9所示。

圖9　百度地圖進(jìn)行位置選擇

步驟3. 虛擬漫游系統(tǒng)展示，如圖10所示。

圖10　基于本文提出方法的虛擬漫游系統(tǒng)

步驟 4. 根據(jù)本文方法，通過(guò)定位和姿態(tài)感知技術(shù)使游客感受三維真實(shí)環(huán)境，并獲得幾乎真實(shí)的環(huán)境感受，如圖11所示。

圖11　用戶體驗(yàn)的圓明園大水法場(chǎng)景

此方法可應(yīng)用于數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)和教育等領(lǐng)域，當(dāng)游客身處某地時(shí)，只需用終端攝像頭對(duì)準(zhǔn)眼前古跡或廢墟，終端里的全球定位系統(tǒng)通過(guò)判斷位置，借助游客所在的視角，在終端上顯示這處古跡在全盛時(shí)期的樣貌，還能觀賞到遺址上殘缺部分的虛擬場(chǎng)景。

4　小　結(jié)

本文利用 XML文檔確定虛擬場(chǎng)景的位置數(shù)據(jù)；采用終端GPS實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與地圖信息匹配，并與虛擬角色定位，同時(shí)利用陀螺儀獲取設(shè)備姿態(tài)，使用戶設(shè)備在不同角色下均可正常工作。本文以圓明園遺址原貌復(fù)現(xiàn)為案例，將文化遺產(chǎn)內(nèi)容、數(shù)字化展示以及移動(dòng)終端進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)具有定位及資源感知的虛實(shí)漫游功能。讓游客可以在游覽過(guò)程中從不同角度觀覽，互不干擾。以虛實(shí)元素的各自實(shí)現(xiàn)構(gòu)成交互展示空間的必備要素，以一定技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)融合，同時(shí)在觀覽過(guò)程中，根據(jù)展品內(nèi)容，移動(dòng)終端上還可以動(dòng)態(tài)展示相關(guān)類型的文物或歷史文化典故等，游客還可根據(jù)個(gè)人興趣選擇和控制，保持信息的實(shí)時(shí)處理，并隨著游客走動(dòng)，終端上的畫面自動(dòng)變換，使游客產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感和真實(shí)感。

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A Method of Positioning and Posture Perceiving Based on the Virtual-Real Roaming System

Zhao Haiying1,Chen Hong1,Mu Xiaofeng2

(Mobile Media and Cultural Calculation Key Laboratory of Beijing, Century College, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 102101, China; 2. Ning Xia Daily Media Co. LTD, Yinchuan Ningxia, 750002, China)

The paper focuses on the integration of GPS positioning technology with the emerging intelligent mobile terminal, realizing the function of cell phone GPS extension and highlighting the unique advantage in the aspect of ruins displaying. The following is the specific method, firstly, establish the region mapping of virtual scene and real scene through the data conversion; then bind the camera angle and handheld devices by using the gyroscope and set up posture mapping between virtual character and reality role; finally achieve the virtual-real roaming through plugin package Unity3D. The method breaks the limitation of time and space, enriches the information content and the interestingness of works, and provides a personalized browse mode of cultural heritage scenes. It could be applied on some ruins’ scenes such as Yuanmingyuan Imperial Garden.

virtual-real roaming system; GPS position; posture perceiving; intelligent mobile terminal

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010110

A

2095-302X(2016)01-0110-05

2015-06-30；定稿日期：2015-09-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAH48F03，2013BAH48F04)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61163044)；國(guó)家社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目(12AZD120)；北京市科委課題(Z141100001914035)

趙海英(1972–)，女，山東煙臺(tái)人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)閳D形圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)與文化遺產(chǎn)。E-mail：zhy.yn@163.com

陳洪(1976–)，女，四川達(dá)州人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)與交互技術(shù)。E-mail：norman_chen@263.net