馬永輝 解佺 葛萌

摘要：近年來，Android操作系統(tǒng)功能日益完善，移動(dòng)終端的地圖應(yīng)用也為人們的日常出行帶來了極大的便利，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的信息增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的新興技術(shù)，在增加人機(jī)交互能力方面有卓越的效果。因此，文章主要在Android平臺(tái)上，就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地圖導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用可能性和相關(guān)原理及應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：Android；基于位置的服務(wù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

近年來，伴隨著各種定位技術(shù)的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)（Location Based Services，LBS）[1]技術(shù)也隨之愈發(fā)完善與強(qiáng)大，因此，地圖應(yīng)用在實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航方面給人們的生活、工作帶來了更多的便利，但是同時(shí)卻存在著可視性差、人機(jī)交互功能弱等難題。不過，在移動(dòng)終端研發(fā)的最新突破中，LBS的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）卻能夠?yàn)橛脩籼峁?duì)周圍環(huán)境重新感知的功能，用戶將移動(dòng)端攝像頭所攝入的當(dāng)前實(shí)景畫面與計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加在一起，幫助用戶以全新的視覺感知周圍環(huán)境，體驗(yàn)傳統(tǒng)數(shù)字地圖導(dǎo)航不能提供的互動(dòng)感受。

本文在位置服務(wù)的基礎(chǔ)上引入AR技術(shù)，以Android操作系統(tǒng)[2]為研究平臺(tái)，探討AR技術(shù)在地圖導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用可能性和相關(guān)原理及應(yīng)用前景。

1 關(guān)鍵技術(shù)闡述

1.1 LBS概念詳解

LBS是一種獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息進(jìn)而在地理系統(tǒng)平臺(tái)上為用戶提供額外服務(wù)的派生業(yè)務(wù)，該服務(wù)通常采用電信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)，如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GlobalSystem for Mobile Communication，GSM）網(wǎng)、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）網(wǎng)或外部定位方式（如GPS）來獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息。

此技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了兩種功能：（1）獲取移動(dòng)終端用戶的詳細(xì)經(jīng)祎坐標(biāo)；（2）提供與位置相關(guān)的各類信息服務(wù)?，F(xiàn)如今移動(dòng)終端應(yīng)用市場(chǎng)中類似的應(yīng)用APP層出不窮，例如高德地圖、百度地圖等各種地圖應(yīng)用，首先定位用戶及移動(dòng)終端的所在位置，然后可提供附近一定范圍以內(nèi)的所有飯店、旅館、停車場(chǎng)等相關(guān)信息，方便人們的日常生活。所以說位置服務(wù)（Location Based Services，LBS）技術(shù)就是要通過互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)，在固定用戶或移動(dòng)用戶之間，完成定位和服務(wù)兩項(xiàng)業(yè)務(wù)。

1.2 高德開放平臺(tái)提供的Android開發(fā)SDK

高德地圖Android SDK[3]是一款A(yù)ndroid操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口。可以使用該套軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）開發(fā)相應(yīng)的移動(dòng)終端應(yīng)用，我們只需要申請(qǐng)一個(gè)密鑰，獲取其使用權(quán)限，通過調(diào)用其接口，訪問高德地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，并結(jié)合全面精準(zhǔn)的路網(wǎng)信息與實(shí)時(shí)路況，憑借其自主強(qiáng)大的路線算法規(guī)劃路線并引導(dǎo)用戶至目的地。

1.3 AR簡(jiǎn)述及開發(fā)平臺(tái)介紹

1.3.1 AR 簡(jiǎn)述

AR[4]技術(shù)旨在通過實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并疊加相應(yīng)計(jì)算機(jī)虛擬圖像、視頻、3D模型來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的一種技術(shù)。這種技術(shù)是通過將現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)景信息和計(jì)算機(jī)世界的虛擬信息無縫連接，進(jìn)而在屏幕上將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界疊加，并且可以實(shí)時(shí)互動(dòng)，從而給用戶帶來更好的沉浸感、體驗(yàn)感。

跟蹤注冊(cè)技術(shù)是AR系統(tǒng)中的核心技術(shù)，其目的在于實(shí)時(shí)地判斷攝像機(jī)坐標(biāo)系與實(shí)景標(biāo)識(shí)物坐標(biāo)系兩者之間的關(guān)系，從而將虛擬圖像融入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的位置上。目前應(yīng)用程序中較多使用的是基于視覺的跟蹤注冊(cè)方法，其方法可分為基于標(biāo)識(shí)物的跟蹤注冊(cè)方法和基于自然特征的跟蹤注冊(cè)方法兩大類。同時(shí)，在某些應(yīng)用程序中，還有一部分采用的是基于傳感器的跟蹤注冊(cè)方法，這兩種算法均屬于AR技術(shù)中的主要算法，其優(yōu)劣各有千秋。

目前，隨著處理器技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域所取得的一個(gè)又一個(gè)革命性突破，AR技術(shù)以更成熟的姿態(tài)展現(xiàn)在世人面前，并且在人工智能、遙感、模擬訓(xùn)練等許多領(lǐng)域更是帶來了革命性的變化，移動(dòng)導(dǎo)覽中AR的應(yīng)用也成了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

1.3.2 EasyAR開發(fā)平臺(tái)概述及原理介紹

本文選擇浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的EasyAR[5]快速開發(fā)開源軟件工具作為AR的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，EasyAR支持使用平面目標(biāo)的AR，支持1 000個(gè)以上本地目標(biāo)的流暢加載和識(shí)別，支持基于硬解碼的視頻（包括透明視頻和流媒體）的播放，支持二維碼識(shí)別，支持多目標(biāo)同時(shí)跟蹤，市面上的許多其他類似開發(fā)工具本文不予討論。EasyAR具體工作原理簡(jiǎn)述如下。

（1）EasyAR的數(shù)據(jù)流。

EasyAR的組件基本上是互相獨(dú)立的。所以在EasyAR可以工作之前需要連接這些組件。為了建立完整的EasyAR場(chǎng)景，一個(gè)CameraDevice需要被ImageTracker所attached然后周期性讓Augmenter從ImageTracker獲取新的Frame。attach和newFrame操作讓整個(gè)AR鏈條開始運(yùn)行，而數(shù)據(jù)則在這個(gè)鏈條上進(jìn)行傳遞。

在CameraDevice中產(chǎn)生的Image會(huì)逐幀進(jìn)入ImageTracker，同時(shí)推進(jìn)Tracker工作。這些Image被Frame送入 Augmenter。

Target被圖像和json文件構(gòu)造，可以被載入到ImageTracker中。當(dāng)它被Tracker識(shí)別或跟蹤到，將會(huì)被Frame送入Augmenter。最終傳遞到AugmentedTarget。如圖1 所示。

（2）EasyAR的內(nèi)存模型。

EasyAR 的 C++對(duì)象與 C++ 的 std：：shared_ptr 行為類似，它是一個(gè)對(duì)真實(shí)對(duì)象的非常薄的封裝。C所引用的內(nèi)存是引用計(jì)數(shù)的，并且以類似于std：：shared_ptr的方式管理。同時(shí)，C的線程安全性與std：：shared_ptr相同。EasyAR的對(duì)象通常是延遲初始化的，也就是說在特定方法被調(diào)用之前，對(duì)象是無效（operator bool（）返回false）的。如果camera產(chǎn)生的Image被newFrame所識(shí)別，它將會(huì)一直駐留在內(nèi)存中，除非Frame得到釋放。

ImageTracker會(huì)保持加載到自身的Target的引用。這個(gè)引用可以通過從Tracker卸載或銷毀Tracker來移除。Frame和AugmentedTarget也會(huì)保持被跟蹤到的Target的引用。加載之后的Target在這些引用被移除之前將不會(huì)被釋放。如圖2所示。

2 Android APP主要實(shí)現(xiàn)

2.1 應(yīng)用設(shè)計(jì)

此產(chǎn)品為Android客戶端APP形態(tài)，可進(jìn)行精確的位置定位，并在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中錄入商戶（包括店鋪、標(biāo)志性建筑、街道名稱等）相關(guān)信息。用戶進(jìn)入應(yīng)用后，獲取移動(dòng)終端的位置服務(wù)，直接顯示普通平面地圖，點(diǎn)擊定位按鈕，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能；用戶在地圖中選定目的地后，點(diǎn)擊導(dǎo)航按鈕進(jìn)入導(dǎo)航模式選擇——普通導(dǎo)航和AR導(dǎo)航；選擇普通導(dǎo)航實(shí)施二維地圖導(dǎo)航功能，在界面顯示導(dǎo)航路線；選擇AR導(dǎo)航，移動(dòng)終端進(jìn)入移動(dòng)終端攝像機(jī)錄入身邊現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)信息匹配后在道路上顯示朝向箭頭，用戶按照箭頭方向進(jìn)行移動(dòng)即可，AR朝向?qū)Ш娇芍^是不區(qū)分東西南北用戶的一大福利。

2.2 地圖加載

高德地圖Android SDK下載完成后在官網(wǎng)上申請(qǐng)開發(fā)者密鑰，將高德地圖Android SDK復(fù)制到APP應(yīng)用libs文件夾中，在工程的“AndroidMainfest.xml”添加開發(fā)者密鑰和相關(guān)權(quán)限。

密鑰添加：

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