淺談博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航應(yīng)用

海鷗

（深圳博物館，廣東 深圳 518000）

博物館室內(nèi)面積大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，觀眾容易迷路或者難以到達(dá)目標(biāo)展區(qū)，因此迫切需要室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)以提升觀眾的參觀體驗(yàn)。光通信技術(shù)利用室內(nèi)照明LED燈同時(shí)提供照明與定位功能[1]，定位精度高、無(wú)電磁輻射、無(wú)需額外安裝定位設(shè)備，建設(shè)成本低。本文提出一種基于可見(jiàn)光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航，具有定位速度快、定位精度高的優(yōu)勢(shì)，可提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航服務(wù)，可有效提高博物館觀眾導(dǎo)覽體驗(yàn)、提升博物館的文化傳播功能。

1 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的需求分析

一般說(shuō)來(lái)，博物館的室內(nèi)展廳規(guī)劃布局具有面積大的特點(diǎn)，目的是使展品有一個(gè)良好的展示空間且觀眾有一個(gè)舒適的觀賞環(huán)境。博物館建筑項(xiàng)目被喻為建筑工程項(xiàng)目的“圣杯”，因?yàn)槊總€(gè)博物館建筑都是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師精心設(shè)計(jì)所建，里面包含了各式各樣的功能分區(qū)。

1.1 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的必要性

對(duì)于入館參觀的觀眾來(lái)說(shuō)，寬大的展廳和復(fù)雜的分區(qū)設(shè)計(jì)很容易導(dǎo)致迷路或者重復(fù)已參觀過(guò)的路線，消耗了額外的時(shí)間和體力，降低了觀賞體驗(yàn)，也體現(xiàn)不出展廳空間設(shè)計(jì)與內(nèi)容設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)性。因此，博物館里迫切需要為觀眾提供準(zhǔn)確的室內(nèi)定位和導(dǎo)航指引服務(wù)。通過(guò)此服務(wù)，觀眾可以快速定位自己當(dāng)前的室內(nèi)位置，并找到自己想要去的展區(qū)。

1.2 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航現(xiàn)狀

當(dāng)前使用最為廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù)（GPS）因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)被博物館建筑遮擋，無(wú)法應(yīng)用于博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航中。而其他的一些室內(nèi)定位技術(shù)如藍(lán)牙、ZigBee、射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）、WiFi等則有如下缺點(diǎn)：一方面，這些技術(shù)的定位精度不高，均在米級(jí)，如WiFi的精確度為3米；另一方面，這些基于射頻技術(shù)的定位方法都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，可能影響博物館各類監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常工作、阻塞通信設(shè)備的工作頻段等；此外，這些定位方法都需要額外安裝定位設(shè)備，可能破壞博物館的藝術(shù)設(shè)計(jì)效果和整體風(fēng)格，如二維碼定位需要在墻上張貼二維碼標(biāo)簽圖。

2 可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)

可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)是一種利用LED照明燈作為基站發(fā)送可見(jiàn)光信號(hào)幫助用戶定位當(dāng)前位置的技術(shù)[2]。通常LED被用作可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)送攜帶LED的標(biāo)識(shí)符、幾何位置信息或任何對(duì)定位有幫助信息的定位信號(hào)，光電二極管或圖像傳感器被用來(lái)接收這些信號(hào)，并通過(guò)解碼、解調(diào)等信號(hào)處理后恢復(fù)出原始信息，再由相應(yīng)的定位算法計(jì)算得到具體位置坐標(biāo)。目前，可見(jiàn)光室內(nèi)定位常用的定位方法可以分為四大類：近似感知法，指紋識(shí)別法，三角測(cè)量法，視覺(jué)分析法。近似感知技術(shù)利用來(lái)自單個(gè)LED燈的信號(hào)來(lái)確定當(dāng)前位置，每個(gè)LED燈都分配了一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，當(dāng)用戶從LED燈的燈光信號(hào)里面獲得該標(biāo)識(shí)符時(shí)，通過(guò)查詢與該標(biāo)識(shí)符關(guān)聯(lián)的LED燈安裝位置即可獲知自身所在的區(qū)域坐標(biāo)。近似感知法定位速度快，所給出的當(dāng)前位置即LED燈光覆蓋的范圍。指紋識(shí)別法即通常所說(shuō)的場(chǎng)景分析，是通過(guò)匹配在線測(cè)量數(shù)據(jù)和預(yù)先測(cè)量的位置相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)相對(duì)位置的定位技術(shù)。由于博物館中觀眾的走動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生不確定的遮擋，所以在不同位置測(cè)量數(shù)據(jù)的指紋會(huì)有所不同，對(duì)精度有一定的影響。三角測(cè)量法使用三角形的幾何性質(zhì)來(lái)進(jìn)行絕對(duì)定位，可分為測(cè)距法和測(cè)角法。測(cè)距法利用移動(dòng)設(shè)備到多個(gè)LED燈的測(cè)量距離來(lái)估計(jì)移動(dòng)設(shè)備的位置；而測(cè)角法需測(cè)量接收端相對(duì)于多個(gè)參考光源之間的接收角度，再通過(guò)方向線的交點(diǎn)定位目標(biāo)。視覺(jué)分析算法的基礎(chǔ)是圖像處理，利用真實(shí)世界中物體的三維位置和它們?cè)趫D像傳感器平面上的二維位置之間的幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算物體的位置坐標(biāo)。

3 基于可見(jiàn)光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)

本文提出了一種基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，既利用照明LED燈發(fā)送定位信息，使用戶可以獲得自己當(dāng)前的位置，并進(jìn)一步支持觀眾到期望目標(biāo)展區(qū)的路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航。如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：可見(jiàn)光定位LED燈具和可見(jiàn)光定位導(dǎo)航終端。

圖1 可見(jiàn)光通信室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 可見(jiàn)光定位LED燈具

可見(jiàn)光定位LED燈具的主要功能是提供照明并發(fā)送可見(jiàn)光定位信號(hào)。每具可見(jiàn)光定位LED燈具通過(guò)內(nèi)嵌的微控制器對(duì)預(yù)分配的唯一標(biāo)識(shí)符進(jìn)行線路編碼得到適合可見(jiàn)光傳輸線路和照明功能的調(diào)制碼字，再由燈具驅(qū)動(dòng)器以開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)LED燈具“開(kāi)/關(guān)”，發(fā)送對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光信號(hào)，所發(fā)送的的標(biāo)識(shí)符唯一地與該燈具安裝的空間坐標(biāo)（x，y）相關(guān)聯(lián)。

3.2 可見(jiàn)光定位導(dǎo)航終端

可見(jiàn)光定位導(dǎo)航終端的主要功能是以成像的方式接收可見(jiàn)光定位LED燈具所發(fā)送的可見(jiàn)光定位信號(hào)并完成定位計(jì)算，進(jìn)而支持路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航?？梢?jiàn)光定位導(dǎo)航終端采用CMOS圖像傳感器對(duì)可見(jiàn)光定位LED燈具所發(fā)送的“開(kāi)/關(guān)”交替的可見(jiàn)光信號(hào)進(jìn)行成像，并基于快門效應(yīng)將時(shí)間上交替的亮滅燈光信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像上的明暗相間的條紋圖像；通過(guò)對(duì)捕獲的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理得到編碼信息后，譯碼得到該燈具的唯一標(biāo)識(shí)符并查詢“坐標(biāo)”映射，即可獲得該標(biāo)識(shí)符所對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，如果觀眾指定想到達(dá)的目標(biāo)位置，終端會(huì)采用路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)出行進(jìn)路線。在觀眾行進(jìn)過(guò)程中，終端繼續(xù)不斷地捕捉沿途的可見(jiàn)光定位LED燈具并實(shí)時(shí)更新當(dāng)前位置。

3.3 圖像預(yù)處理

通常，CMOS傳感器所獲取的原始圖像會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N干擾而含有噪聲，惡化了圖像質(zhì)量，甚至淹沒(méi)圖像特征，嚴(yán)重影響后續(xù)圖像處理和分析。因此，為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要采取一定的措施對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。常用的方法有：灰度化、濾波去噪和二值化?？紤]到博物館中只有室內(nèi)LED照明燈光，無(wú)其他光源干擾，本系統(tǒng)主要采用圖像二值化方法。圖像二值化的意思就是將原圖像轉(zhuǎn)化為只有黑和白兩種色度值的圖像。二值化后的圖像具有存儲(chǔ)空間小、處理速度快等特點(diǎn)，且支持對(duì)圖像直接的布爾運(yùn)算，可以比較容易地獲取目標(biāo)區(qū)域的位置、大小、邊界等幾何特征，后續(xù)圖像處理與分析可以更為簡(jiǎn)便。

3.4 路線導(dǎo)航

可見(jiàn)光定位導(dǎo)航終端會(huì)基于用戶的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置規(guī)劃路線并在用戶行進(jìn)時(shí)及時(shí)給出指示，引導(dǎo)用戶經(jīng)由最合理的路線到達(dá)目的地。路線導(dǎo)航算法通常使用基于圖論的最短路徑算法，常用的最短路徑算法為Dijkstra算法。該算法于1959年提出，用于解決非負(fù)權(quán)有向圖的單源最短路徑問(wèn)題，是一種基于迭代的圖搜索算法。其主要思想是首先從源點(diǎn)求出長(zhǎng)度最短的一條路徑，然后通過(guò)對(duì)路徑長(zhǎng)度迭代得到從源點(diǎn)到其他各目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑，可在有向圖上找到從源節(jié)點(diǎn)到所有其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，在此過(guò)程中還將生成最短路徑樹(shù)。

4 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的衍生導(dǎo)覽服務(wù)

現(xiàn)在各博物館智能導(dǎo)覽主要還是需要觀眾用手持設(shè)備掃描二維碼或輸入展品數(shù)字來(lái)進(jìn)行信息的獲取。由于博物館室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)是集成在智慧博物館系統(tǒng)之下，通過(guò)該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換和智能推送功能，可在觀眾在博物館內(nèi)導(dǎo)航行進(jìn)的途中將沿途重要展品、場(chǎng)景的各類信息推送給觀眾。觀眾可以選擇自己感興趣的展品，室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)按照觀眾的選擇實(shí)時(shí)更改行進(jìn)中的導(dǎo)航路徑，使得觀眾能更快捷地到達(dá)此展品位置[3]。這樣不僅可以讓觀眾避開(kāi)人群集中的博物館常規(guī)設(shè)置參觀路徑，也能讓觀眾每次來(lái)博物館都有不同的參觀體驗(yàn)，更能讓觀眾按照自己的興趣愛(ài)好在展廳內(nèi)行走，按照自己的節(jié)奏來(lái)進(jìn)行參觀。博物館也能給觀眾提供輕松、自由的參觀服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的服務(wù)宗旨。

本文提出了一種基于可見(jiàn)光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)照明LED燈廣播發(fā)送位置信息從而實(shí)現(xiàn)用戶室內(nèi)定位，具有定位速度快、定位精度高、無(wú)電磁干擾、建設(shè)成本低的優(yōu)勢(shì)，可提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航服務(wù)。通過(guò)其衍生的導(dǎo)覽服務(wù)可以進(jìn)行參觀沿途的展品信息推送功能，可有效提高室內(nèi)博物館觀眾導(dǎo)覽體驗(yàn)、提升博物館的文化傳播功能?！?/p>