基于5G邊緣云與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR室內(nèi)定位解決方案

唐明鈺

摘? ?要：隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，定位技術(shù)的實(shí)際落地能力一直被人們所關(guān)注。室外定位通常借助于GPS或北斗衛(wèi)星等，其發(fā)展已十分成熟，定位準(zhǔn)確且應(yīng)用也較為豐富。室內(nèi)定位的發(fā)展則相對(duì)較為緩慢，隨著社會(huì)活動(dòng)越來(lái)越多的發(fā)生在室內(nèi)，如何提高室內(nèi)定位的用戶(hù)體驗(yàn)，成為很有意義地研究課題?；?G邊緣云與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR室內(nèi)定位解決方案，吸納了計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位的部署便利、精度高以及5G邊緣云時(shí)延低、算力強(qiáng)等特點(diǎn)，用以提升用戶(hù)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：5G邊緣云;計(jì)算機(jī)視覺(jué);室內(nèi)定位

目前常見(jiàn)的用于室內(nèi)定位的技術(shù)手段有射頻識(shí)別、超寬帶、藍(lán)牙、紅外線(xiàn)、超聲波、WiFi，ZigBee等。其中，多數(shù)定位技術(shù)方案所使用的傳感器感知信息量有限，魯棒性差，如紅外線(xiàn)、藍(lán)牙等;或者部署成本大、場(chǎng)地改造性?xún)r(jià)比低，如UWB;又或者定位能力受限于終端類(lèi)型，如WiFi。同時(shí)，室內(nèi)定位對(duì)定位精度的要求也相對(duì)較高，往往需要達(dá)到分米級(jí)（甚至厘米級(jí)）定位精度。因此，如何快速部署準(zhǔn)確度高的室內(nèi)定位技術(shù)，也是業(yè)界較為關(guān)注的問(wèn)題，基于5G邊緣云與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）其室內(nèi)定位解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

1? ? 基于5G邊緣云與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR室內(nèi)定位解決方案

1.1? 5G邊緣云

5G作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之首，可以與人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，快速賦能垂直行業(yè)。其最為顯著的特點(diǎn)是大帶寬、低時(shí)延以及海量連接，與之相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景有：高清4K/8K直播、AR/VR/全息實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)播放與互動(dòng)，無(wú)人機(jī)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)，智能家居、智慧工廠(chǎng)等海量物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中物與物、人與物以及人與人之間的連接。

5G邊緣云，相對(duì)于傳統(tǒng)的2G，3G，4G網(wǎng)絡(luò)，在5G核心網(wǎng)用戶(hù)面下沉的基礎(chǔ)上，又在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署MEC邊緣計(jì)算設(shè)備，使得業(yè)務(wù)部署更加靈活。各類(lèi)邊緣用戶(hù)的終端數(shù)據(jù)處理直接在本地進(jìn)行即可，不必一一通過(guò)核心網(wǎng)，再度降低了網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶(hù)響應(yīng)的時(shí)延，也減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)。各類(lèi)創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用可直接部署上云，充分利用5G邊緣云技術(shù)的特點(diǎn)，從而滿(mǎn)足垂直行業(yè)的不同業(yè)務(wù)需求。

1.2? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及視覺(jué)SLAM

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中，機(jī)器人用攝像機(jī)代替眼睛，收集外部世界的圖像;用算法代替神經(jīng)，對(duì)輸入的圖像視頻流進(jìn)行運(yùn)算;用處理器（CPU或者GPU）代替大腦，進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和運(yùn)算。隨著人工智能的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域還在不斷深入研究，各分支的研究與應(yīng)用也在不斷突破，AR就是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的人工智能的重要分支之一。

AR是指通過(guò)對(duì)外部世界信息的捕捉，疊加相應(yīng)的視覺(jué)特效技術(shù)，把虛擬影像疊加在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中并呈現(xiàn)于屏幕上。相對(duì)于一般的平面圖像而言，它更加立體形象，并配以聲音（未來(lái)甚至可配以味覺(jué)和嗅覺(jué)的感官體驗(yàn)），讓人身臨其境。

真正意義上的AR不僅能呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖像渲染及特效，還可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行深度檢測(cè)，這種情況下，往往會(huì)應(yīng)用到視覺(jué)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)。SLAM是指在一個(gè)未知的環(huán)境里，放入一個(gè)機(jī)器人（或是帶有傳感裝置的設(shè)備），讓其自主估計(jì)自身的位置并建立環(huán)境地圖，從而可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋路等功能。在整個(gè)過(guò)程中，SLAM技術(shù)主要解決的是定位與周?chē)h(huán)境模型的構(gòu)建，如果傳感設(shè)備使用的是攝像機(jī)，那么就稱(chēng)之為視覺(jué)SLAM。

1.3? 室內(nèi)定位解決方案

1.3.1? 讓AR上5G云是基礎(chǔ)

近年來(lái)雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用很受追捧，各行各業(yè)都紛紛投入開(kāi)發(fā)并使用相關(guān)應(yīng)用，但縱觀(guān)其普及度，尚未能實(shí)現(xiàn)大眾化，其依然面臨許多挑戰(zhàn)。在項(xiàng)目前期調(diào)研過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多痛點(diǎn)，例如在智能手機(jī)上運(yùn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件時(shí)，手機(jī)電量消耗過(guò)快;AR渲染效果要想較好呈現(xiàn)，需要下載APP，多數(shù)用戶(hù)不愿意;在進(jìn)行相關(guān)互動(dòng)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或時(shí)延，會(huì)讓人有暈眩感或產(chǎn)生定位延遲等。因此，要想讓AR定位方案得以普及，解決上述問(wèn)題成了方案應(yīng)用的基礎(chǔ)。

讓AR上5G云，則可以有效緩解上述問(wèn)題。據(jù)相關(guān)對(duì)比研究測(cè)試顯示，AR上5G云之后，其性能和成本等多方面都得到了明顯改善。舉個(gè)例子，在進(jìn)行AR互動(dòng)時(shí)，如果是本地AR，雖然無(wú)需考慮時(shí)延問(wèn)題，但每一個(gè)本地AR都像一個(gè)“孤島”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與外界的連接，并且對(duì)每一個(gè)本地AR的硬件要求較高，硬件設(shè)備也無(wú)法共享。通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，在云端部署AR應(yīng)用，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的計(jì)算和渲染在云端進(jìn)行，終端需要處理的內(nèi)容少了，那么對(duì)終端的配置要求也就降低了，但其代價(jià)就是增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。雖然4G網(wǎng)絡(luò)已是扁平化結(jié)構(gòu)，但仍無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)AR互動(dòng)的時(shí)延要求，在很多項(xiàng)目的實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)在連網(wǎng)使用互動(dòng)類(lèi)AR應(yīng)用時(shí)很容易出現(xiàn)暈眩。而5G的適時(shí)出現(xiàn)，正好彌補(bǔ)了這一缺陷，5G空口時(shí)延再度降低，配以云端高性能硬件設(shè)備，其端到端時(shí)延相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)得到了明顯降低，讓用戶(hù)互動(dòng)不再產(chǎn)生暈眩。

1.3.2? 提高室內(nèi)定位精度

基于視覺(jué)SLAM的室內(nèi)定位解決方案是純視覺(jué)的，不依賴(lài)于其他技術(shù)手段，也就是僅通過(guò)攝像機(jī)來(lái)捕獲外界信息。在項(xiàng)目測(cè)試中，其定位精度不夠準(zhǔn)確，應(yīng)用于導(dǎo)航項(xiàng)目里會(huì)有導(dǎo)航偏差，尤其對(duì)于較為空曠的區(qū)域，往往出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況，體驗(yàn)效果不佳，讓項(xiàng)目順利交付難度較大。

為提高定位精度，增加采用以下技術(shù)手段。

（1）慣性導(dǎo)航IMU。智能手機(jī)一般都配有慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）模塊，IMU能夠測(cè)量自身傳感器的加速度和角速度，從而快速正確地估計(jì)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也正好解決了攝像機(jī)在快速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下圖像模糊導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，這些都是攝像機(jī)固有的缺陷。IMU的缺點(diǎn)是隨著時(shí)間的累積會(huì)出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)漂移，而這又正好是攝像機(jī)的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)攝像機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)修正。因此，將兩者融合，使得視覺(jué)定位系統(tǒng)對(duì)位姿的估計(jì)更加準(zhǔn)確，讓定位系統(tǒng)更加完善。

（2）5G邊緣云部署。除了與IMU模塊結(jié)合以外，為提高定位精度，還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)基站給出初始定位范圍（目前5G用戶(hù)普及度不如4G，且單純依靠通信來(lái)進(jìn)行高精度室內(nèi)定位的能力目前尚不成熟），部署5G MEC邊緣云，整個(gè)定位流程可大致簡(jiǎn)化，如圖1所示。

①無(wú)線(xiàn)基站可對(duì)該區(qū)域范圍內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行粗略定位，將相關(guān)信息傳送至移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）。與此同時(shí)，終端用戶(hù)也會(huì)將攝像機(jī)獲取的周?chē)h(huán)境關(guān)鍵信息上傳至MEC。

②在5G MEC邊緣云上，首先，根據(jù)基站對(duì)用戶(hù)進(jìn)行定位的信息來(lái)縮小搜尋范圍，無(wú)需在整個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行圖像比對(duì)，極大地減弱了計(jì)算量;其次，再用攝像機(jī)上傳信息，在之前縮小的范圍內(nèi)進(jìn)行定位，找出用戶(hù)的初始位置;最后，結(jié)合用戶(hù)需求，進(jìn)行相應(yīng)的圖形渲染。

③將關(guān)鍵信息傳給用戶(hù)，在用戶(hù)端呈現(xiàn)AR定位效果。在整個(gè)流程中，除攝像機(jī)獲取信息之外，圖像渲染、計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法以及與無(wú)線(xiàn)基站信息的融合，都是在5G邊緣云設(shè)備MEC上進(jìn)行的，MEC擁有比普通服務(wù)器高的計(jì)算能力。終端用戶(hù)僅需上傳關(guān)鍵環(huán)境信息即可，極大地降低了對(duì)終端的要求，降低了用戶(hù)的使用門(mén)檻。經(jīng)測(cè)試，終端耗電量也得到了很大程度的減弱。對(duì)企業(yè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)降低了終端成本，對(duì)個(gè)人用戶(hù)來(lái)說(shuō)無(wú)需另外下載APP，這更加有利于AR的普及，輕松實(shí)現(xiàn)AR室內(nèi)定位應(yīng)用。

基于5G邊緣云，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。這主要是有兩方面原因。（1）由于數(shù)據(jù)僅在邊緣處理，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延進(jìn)一步降低。（2）環(huán)境信息的及時(shí)更新。

由于5G邊緣云是獨(dú)立于5G網(wǎng)絡(luò)的其他部分，整個(gè)數(shù)據(jù)的處理都在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路上來(lái)說(shuō)，期鏈路短、節(jié)點(diǎn)少，時(shí)延自然降低。在實(shí)際項(xiàng)目中，現(xiàn)實(shí)環(huán)境或多或少會(huì)有變化，比如物品的擺放、室內(nèi)局部環(huán)境的調(diào)整等，這時(shí)候就需要對(duì)環(huán)境地圖進(jìn)行更新。以前的做法是不定期對(duì)環(huán)境進(jìn)行信息重新采集來(lái)更新環(huán)境地圖，但這樣往往會(huì)導(dǎo)致信息更新不及時(shí)，還增加了運(yùn)營(yíng)成本。部署5G邊緣云之后，會(huì)在用戶(hù)使用的同時(shí)進(jìn)行信息收集，及時(shí)在MEC上更新環(huán)境信息，避免造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

此外，5G MEC邊緣云讓5G網(wǎng)絡(luò)更加解耦，讓更多的內(nèi)容服務(wù)提供商可便利地加入到生態(tài)圈中，更加專(zhuān)心于自身業(yè)務(wù)、加速應(yīng)用創(chuàng)新。

定位長(zhǎng)期以來(lái)一直是個(gè)敏感話(huà)題，涉及用戶(hù)隱私，運(yùn)營(yíng)商一般不會(huì)輕易給出用戶(hù)位置信息。而通過(guò)5G的網(wǎng)絡(luò)切片、MEC邊緣云的部署，將用戶(hù)分類(lèi)、讓數(shù)據(jù)不出局域網(wǎng)，讓企業(yè)獲取部分用戶(hù)的應(yīng)用管理權(quán)，在充分尊重用戶(hù)隱私的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位。

2? ? 應(yīng)用舉例

某展會(huì)部署5G MEC邊緣云，在5G邊緣云上完成地圖構(gòu)建、AI場(chǎng)景理解、沉浸式渲染等，實(shí)時(shí)為用戶(hù)提供定位導(dǎo)航服務(wù)。用戶(hù)打開(kāi)手機(jī)攝像頭，掃一圈周邊環(huán)境即可輕松知道自己的實(shí)時(shí)位置，輸入目的地，就可以生成路線(xiàn)，同時(shí)，還能疊加用戶(hù)需要的增值服務(wù)（如智能講解、選擇自己喜歡的導(dǎo)航員形象等）。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

文章根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)定位的挑戰(zhàn)，提出基于5G邊緣云與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的AR室內(nèi)定位解決方案，希望可以通過(guò)“5G+AI”的賦能，盡可能地減少環(huán)境改造、降低硬件投入成本，以達(dá)到高精度的室內(nèi)定位要求，提升用戶(hù)體驗(yàn)。也希望有更多的同行加入到該領(lǐng)域的研究中，共同推進(jìn)行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展。

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