沈盛彧，鄭 杰，楊文競(jìng)，張平倉(cāng)，陳小平

(1. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350003)

天之眼
——一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的POI移動(dòng)終端系統(tǒng)

沈盛彧1，鄭 杰2，楊文競(jìng)3，張平倉(cāng)1，陳小平1

(1. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350003)

為了提高用戶(hù)體驗(yàn)，進(jìn)一步推動(dòng)基于位置的服務(wù)，嘗試性地將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到智能終端的LBS應(yīng)用中，使虛擬的POI信息和真實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)地有機(jī)融合，讓用戶(hù)以身臨其境的方式體驗(yàn)LBS服務(wù)。通過(guò)原型系統(tǒng)“天之眼”的研發(fā)，證明了本設(shè)想的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了“看到數(shù)據(jù)，點(diǎn)到信息”的目標(biāo)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；LBS；POI；天地圖

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)終端(如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等)已成為人們?nèi)粘９ぷ魃钏豢苫蛉钡囊徊糠?。作為通信交流、信息查?xún)及娛樂(lè)游戲的工具，便攜性最高的智能手機(jī)普及率更是不斷提高。根據(jù)Google 2013年8月發(fā)布的《中國(guó)智能手機(jī)使用情況調(diào)查報(bào)告》，截至2013年7月底，中國(guó)城市的智能手機(jī)普及率已達(dá)47%。與此同時(shí)，基于Android、IOS、Windows、黑莓等移動(dòng)終端操作平臺(tái)的各種APP更是層出不窮，市場(chǎng)潛力巨大。

作為當(dāng)今移動(dòng)通信領(lǐng)域的核心業(yè)務(wù)，基于位置的服務(wù)(location based service，LBS)[1]因其可以通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備定位來(lái)查詢(xún)POI(point of interest)信息從而極大地方便和豐富工作、生活及娛樂(lè)而備受關(guān)注[2-4]。而當(dāng)前的POI信息大多基于二維地圖和遙感影像進(jìn)行標(biāo)注表達(dá)[5]。該方式較早期的文字表達(dá)已有質(zhì)的提升，但對(duì)于一些空間感和方位感相對(duì)較差的用戶(hù)仍存在難度。這是當(dāng)前阻礙LBS進(jìn)一步發(fā)展的重要原因。

本文嘗試性地將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)[6]技術(shù)引入到智能終端的LBS應(yīng)用，希望將虛擬的POI信息和真實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)地有機(jī)融合起來(lái)，讓用戶(hù)以身臨其境的方式體驗(yàn)LBS服務(wù)，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。通過(guò)原型系統(tǒng)——天之眼(SkyEye)的研發(fā)，證明了本設(shè)想的應(yīng)用價(jià)值，也已得到業(yè)內(nèi)同行的一致肯定。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與基于位置的服務(wù)

AR也稱(chēng)混合現(xiàn)實(shí)，是通過(guò)實(shí)時(shí)地根據(jù)鏡頭的位置及旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算處理，將虛擬信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景，使虛擬的物體和真實(shí)的環(huán)境實(shí)時(shí)展現(xiàn)于同一個(gè)時(shí)間的畫(huà)面或空間，為用戶(hù)提供超越現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的新穎技術(shù)[7-10]。

LBS是當(dāng)前大眾使用最為廣泛的應(yīng)用之一，相關(guān)APP有百度地圖、高德導(dǎo)航、智能公交、大眾點(diǎn)評(píng)等。而當(dāng)前大部分LBS展示POI的平臺(tái)都是二維地圖，即使是三維虛擬地球，也是在另外一個(gè)虛擬空間維度中，不便于用戶(hù)的認(rèn)知和定位。

如果將AR與LBS兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用移動(dòng)終端的GPS定位和電子羅盤(pán)，通過(guò)LBS的API接口實(shí)時(shí)查詢(xún)豐富的POI信息，并與移動(dòng)終端實(shí)時(shí)拍攝的真實(shí)場(chǎng)景有機(jī)融合，高效準(zhǔn)確地展示于移動(dòng)終端顯示設(shè)備，就可以讓用戶(hù)“看到數(shù)據(jù)，點(diǎn)到信息”；同時(shí)，通過(guò)視覺(jué)透視法和三維定位計(jì)算，將視覺(jué)無(wú)法直接企及的POI目標(biāo)直觀地展示于顯示設(shè)備最前端，可大大提高信息展現(xiàn)效果。

二、天之眼功能模塊

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與LBS兩項(xiàng)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的POI移動(dòng)終端系統(tǒng)——天之眼。該系統(tǒng)融合天地圖地圖數(shù)據(jù)充滿立體感、方向感的實(shí)時(shí)拍攝場(chǎng)景及豐富的POI信息，幫助用戶(hù)輕松愉快地去適應(yīng)陌生的地理環(huán)境。通過(guò)天之眼，用戶(hù)可以直觀真實(shí)地感受所查詢(xún)信息與自己的相對(duì)位置關(guān)系，在哪個(gè)方向，距離有多遠(yuǎn)，并可以通過(guò)天地圖強(qiáng)大的導(dǎo)航功能順利到達(dá)目的地。

天之眼的主要功能為：

1) 天地圖數(shù)據(jù)的瀏覽功能，包括平移、漫游、縮放等。

2) 天地圖POI信息查詢(xún)，包括基于類(lèi)別的查詢(xún)、基于關(guān)鍵字的查詢(xún)等。

3) 移動(dòng)終端上GPS導(dǎo)航功能，包括導(dǎo)航距離計(jì)算、具體路線描述等。

4) 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)GPS定位信息將POI信息查詢(xún)結(jié)果融入移動(dòng)終端實(shí)時(shí)拍攝場(chǎng)景，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景中透視式的POI信息瀏覽功能。

天之眼主要分為地圖核心模塊和實(shí)景核心模塊兩大部分，如圖1所示。

圖1 天之眼功能模塊

地圖核心模塊主要實(shí)現(xiàn)地圖可視化和相關(guān)基礎(chǔ)功能：

1) 天地圖底圖模塊：基于天地圖安卓版的API實(shí)現(xiàn)地圖底圖調(diào)用。

2) 天地圖查詢(xún)模塊：基于天地圖安卓版的API實(shí)現(xiàn)地圖查詢(xún)功能。

3) 天地圖導(dǎo)航模塊：基于天地圖安卓版的API實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航功能。

4) 天地圖定位模塊：基于天地圖安卓版的API實(shí)現(xiàn)地圖定位功能。

實(shí)景核心模塊主要實(shí)現(xiàn)POI的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)：

1) POI信息接收模塊：接收通過(guò)天地圖POI接口查詢(xún)得到的POI信息。

2) POI信息映射模塊：將所接收POI信息結(jié)合實(shí)時(shí)位置，定位計(jì)算相對(duì)距離。

3) POI信息疊加模塊：將處理后的POI信息與攝像頭拍攝的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景疊加。

4) POI信息更新模塊：根據(jù)用戶(hù)攝像頭方向角度的變化，實(shí)時(shí)更新POI信息的相對(duì)位置。

三、天之眼技術(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行天之眼的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 天之眼系統(tǒng)架構(gòu)

天之眼包括UI和后臺(tái)兩部分。用戶(hù)通過(guò)天之眼UI可以進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)查看、基于關(guān)鍵字的POI查詢(xún)、實(shí)時(shí)定位及導(dǎo)航規(guī)劃等；天之眼后臺(tái)則負(fù)責(zé)與天地圖系統(tǒng)和系統(tǒng)所在的移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

天之眼使用天地圖系統(tǒng)所提供的地理底圖、POI信息和導(dǎo)航規(guī)劃功能。對(duì)于移動(dòng)終端，天之眼主要調(diào)用其GPS、羅盤(pán)、WiFi及攝像頭，為實(shí)現(xiàn)AR提供參數(shù)。

天之眼最關(guān)鍵的技術(shù)部分是POI信息的處理與展示。在獲得天地圖傳輸?shù)腜OI信息列表后，天之眼后臺(tái)會(huì)根據(jù)POI的經(jīng)緯度、高程信息及移動(dòng)終端的位置計(jì)算出兩者間的直線距離，并將該P(yáng)OI信息映射成自定義的marker，以待與攝像頭拍攝的場(chǎng)景疊加；然后再根據(jù)羅盤(pán)信息確定當(dāng)前移動(dòng)終端所在的方向，將該方向上可顯示范圍內(nèi)的POI信息動(dòng)態(tài)展示在屏幕中；隨著用戶(hù)方向變化，POI信息的標(biāo)注也動(dòng)態(tài)變化，不斷地移動(dòng)進(jìn)出屏幕。

同時(shí)，在搜索雷達(dá)上將展示以用戶(hù)位置為圓心、半徑10 km范圍內(nèi)的所有POI信息分布，如圖3所示。

圖3 POI搜索雷達(dá)

四、原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

天之眼的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境為：

1) 操作系統(tǒng)：MAC OS X 10.8.4。

2) JDK： 1.6.0_51 64位。

3) IDE：ADT Bundle for Mac。

4) 測(cè)試移動(dòng)終端：三星GALAXY Note GT-N7000。

5) 測(cè)試系統(tǒng)：安卓系統(tǒng)。

天之眼原型系統(tǒng)調(diào)用天地圖，其地圖顯示、POI查詢(xún)和信息顯示的界面如圖4所示。用戶(hù)可以先定位自己的位置，如圖4(a)所示；再通過(guò)類(lèi)型或關(guān)鍵字查詢(xún)POI，如圖4(b)所示；最后將POI標(biāo)注在地圖上，如圖4(c)所示。

圖4 地圖顯示、POI查詢(xún)和顯示

完成POI查詢(xún)后，用戶(hù)就可進(jìn)入實(shí)景查看模式，如圖5所示。POI將以空間地標(biāo)加信息框的形式與攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)場(chǎng)景疊加，其中空間地標(biāo)表示POI的位置和方位，信息框顯示POI的名稱(chēng)和相對(duì)距離。屏幕左上角是POI搜索雷達(dá)，其默認(rèn)顯示10 km范圍內(nèi)的POI，屏幕右側(cè)是POI搜索半徑控制條，可控制屏幕顯示POI范圍大小。

圖5 POI實(shí)景疊加

最后，用戶(hù)可根據(jù)在實(shí)景環(huán)境中選擇目的地，天之眼將通過(guò)天地圖的導(dǎo)航功能接口進(jìn)行線路規(guī)劃，使用戶(hù)方便快捷地到達(dá)，如圖6所示。

圖6 線路導(dǎo)航

五、結(jié)束語(yǔ)

LBS已成為當(dāng)前信息服務(wù)的一種主流，但在POI信息的展示方面，大多數(shù)應(yīng)用還停留在二維平面地圖的基礎(chǔ)上，阻礙了空間定位和認(rèn)知能力相對(duì)弱的用戶(hù)群體的使用，限制了LBS的進(jìn)一步推廣。

本文結(jié)合AR和LBS技術(shù)，利用天地圖平臺(tái)豐富的POI數(shù)據(jù)接口，將數(shù)字化的POI信息和真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫地融合起來(lái)，以更直觀地展示空間信息，提高用戶(hù)體驗(yàn)。通過(guò)天之眼的研發(fā)，證明了其具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下階段將進(jìn)一步考慮引入社交網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從商場(chǎng)商家優(yōu)惠的角度，開(kāi)展更豐富的應(yīng)用研究。

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SkyEye——APOIMobileTerminalSystemBasedonAugmentedReality

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B

0494-0911(2016)09-0096-03

2015-09-15

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(CKSF2012052/TB)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41301296)

沈盛彧(1984—)，男，博士，工程師，主要從事地理信息與水土保持方面的研究工作。E-mail：shenshengyu@mail.crsri.cn