面向個人移動平臺的室內(nèi)三維導航系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王行風

(中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，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)空間應用的總規(guī)模大幅增加，室內(nèi)環(huán)境也越來越復雜，基于大型場館的室內(nèi)定位和導航的應用受到越來越多的關注［1-2］，室內(nèi)定位、室內(nèi)地圖和導航研究已成為當前LBS 研究的新的熱點和重點領域。

傳統(tǒng)的導航應用主要集中于室外區(qū)域，技術上則主要利用二維矢量地圖或二維影像來實現(xiàn)，雖然部分產(chǎn)品初步實現(xiàn)了添加興趣點三維模型的功能，但基礎底圖依然是采用二維矢量地圖進行展示［3-5］。在室內(nèi)復雜環(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/柵格的導航地圖往往因為不夠直觀，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，基于個人移動終端，輔以增強現(xiàn)實技術設計和開發(fā)室內(nèi)三維導航系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點和關注點。針對這個問題，本文基于個人移動平臺(手機、平板等)設計一個面向室內(nèi)的三維導航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務框架(Three Dimensional Indoor Navigation System，3D-INS)，以有效滿足室內(nèi)導航的實際需求，并進行了初步實現(xiàn)。

1 三維室內(nèi)導航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務框架

基于增強現(xiàn)實的個人移動平臺三維導航系統(tǒng)，需要解決基于內(nèi)存、計算資源有限的移動終端平臺的三維可視化模型的調(diào)度、建筑物室內(nèi)精細模型的快速構建和高速渲染等技術。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。該方案主要考慮目前的網(wǎng)絡傳輸速度尚無法滿足用戶實時下載、觀看及漫游的需求等問題，而將三維模型數(shù)據(jù)的存儲、管理、計算、分析以及渲染都集中在個人移動終端上，具有高實時性的特點，相關的定位信息等少量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸。很顯然，該類型系統(tǒng)比較適合于輕量級3D 模型數(shù)據(jù)。以中國測繪科學研究院和芬蘭大地測量研究所研究的三維導航引擎為典型［9］。

2)瘦客戶端技術?？紤]實際應用中用戶對模型高逼真度的要求所帶來的海量數(shù)據(jù)，個人移動平臺難以滿足存儲、處理和實時渲染需求的實際情況。對系統(tǒng)功能進行合理的分解，客戶端負責三維場景的渲染和顯示，服務端可以針對用戶的實際查詢請求，提供三維模型數(shù)據(jù)的下載、渲染、計算和處理等，并通過網(wǎng)絡傳輸?shù)揭苿佣诉M行結(jié)果的顯示。該類系統(tǒng)以德國Postdam 大學為典型［5-6］;隨著移動平臺圖形計算能力的提升和3G 技術的普及，這種方式將成為未來發(fā)展的趨勢。

本文基于個人移動端三維渲染的需求以及室內(nèi)導航的需求，初步構建了一個支持室內(nèi)外一體化的三維室內(nèi)導航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務模型框架，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端分開或者置于同一平臺上，以滿足用戶的需求。該框架主要分為服務端、客戶端和應用端3 個部分，各主要功能如下:

圖1 三維室內(nèi)導航系統(tǒng)空間信息動態(tài)服務框架

1)服務端。3D-INS 服務端是指為移動端提供各種地理服務功能的總稱。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)存取服務是指服務端響應客戶端的操作請求，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)存取服務要能支持多用戶請求，并保持模型數(shù)據(jù)的完整性和一致性;目錄檢索服務是指服務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端按照用戶場景渲染的要求，取出滿足條件的模型信息，并進行一定的處理，重構組織成合適的格式(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關注三維空間模型對象間的之間拓撲關系的分析和描述。

2)客戶端。3D-INS 客戶端主要負責在個人移動端三維模型的下載和渲染的渲染引擎應用程序。客戶端通過安裝通過3D 渲染引擎，提出查詢(渲染)的請求，下載3D 模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)個人移動端的三維模型渲染與展示。功能主要包括渲染引擎、場景管理等內(nèi)容。渲染引擎主要負責模型管理、模型渲染優(yōu)先級管理、緩存管理、模型隊列管理以及三維地圖匹配等功能。LOD 場景管理主要是根據(jù)視點距離場景的遠近進行場景構建、場景組織和場景查詢等功能。

3)應用端。3D 導航應用在語音導航提示、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用，具有非常廣泛的應用前景。具體來說，包括個人級和行業(yè)級應用，個人應用可以實現(xiàn)自位置查詢、他位置查詢、周邊地點查詢、公交查詢以及查詢某個地點的相關信息如交通狀況、天氣狀況等，從而達到隨時隨地獲取任何信息。行業(yè)級應用則可以包括室內(nèi)導航與監(jiān)控調(diào)度、物流跟蹤、人員跟蹤、智能交通等方面。

2 系統(tǒng)運行實例

為測試本文所提出框架方法的實用性，以中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)和環(huán)境測繪學院行政樓(見圖2)為例進行測試。選用的測試個人平臺終端為三星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 實現(xiàn)了Android 平臺下室內(nèi)導航應用程序，系統(tǒng)運行界面如圖3 所示。

圖2 研究對象與三維模型

圖3 系統(tǒng)運行界面

該系統(tǒng)能夠輕松實現(xiàn)3D 模型數(shù)據(jù)信息的顯示，同時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。另外還初步實現(xiàn)了基本的導航功能，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的導航信息，指導內(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 學院行政樓4 樓

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

3 結(jié)束語

本文面向個人移動終端，初步構建了三維室內(nèi)導航系統(tǒng)服務框架，并通過實例驗證了該框架的應用性、可行性和有效性。與已有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)基于個人移動終端，利用3D 建模技術，實現(xiàn)室內(nèi)定位數(shù)據(jù)和3D 模型的共享與分發(fā)服務，將人們所處的位置和周邊環(huán)境以三維場景的方式真實地展現(xiàn)，為人們正確、快速地分辨展覽場館、隧道、地鐵交叉口、大型建筑物等復雜場景的交錯關系提供強有力的技術支持，從而大大提高室內(nèi)復雜環(huán)境的路徑引導效率。

3D-INS 系統(tǒng)在技術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、顧及拓撲關系的空間模型、地圖匹配以及空間索引方面作進一步的改善，以滿足城市室內(nèi)空間的潛在的可能應用，為人們提供準確、高效的室內(nèi)導航響應服務。

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