基于增強現實技術的導航系統研究

鄭菲菲++宋麗紅++董靜

摘要：采用基于GPS和傳感器的增強現實技術以及高德地圖接口，設計和開發了導航系統。利用增強現實技術將路線指引和路況合成渲染，并利用手機傳感器使指引箭頭根據手機姿態的變化而旋轉，實時指向正確的前進方向，給予用戶更加直觀的導航體驗。

關鍵詞：增強現實技術；方向傳感器；Android系統

DOIDOI：10.11907/rjdk.161565

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009005703

基金項目基金項目：2015年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201510070010）

作者簡介作者簡介：宋麗紅（1975-），女，天津人，博士，天津財經大學理工學院副教授，研究方向為軟件工程、智能信息系統；董靜（1975-），女，天津人，博士，天津財經大學理工學院講師，研究方向為軟件工程。

0引言

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）是一種將虛擬物體和真實環境“無縫”疊加在一起的技術，將在現實世界一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息，如視覺信息、聲音、味道、觸覺等，通過電腦等技術模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而獲得超越現實的感官體驗[1]。相比于虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR），增強現實技術增強了人對真實環境的感知與交互，它具有以下3個特征：①虛實結合：將虛擬物體和現實世界結合在一起，實現感官上的統一；②三維注冊：增強現實技術與混合媒體（Mixed Media）的區分點，虛擬物體必須準確地注冊到真實世界中，與真實世界完美融合，要求虛擬物體的注冊位置是三維的[2]；③實時交互：實時感知用戶操作并互動。

增強現實技術由于具有對真實環境進行增強顯示輸出的特性，在醫療研究、精密儀器維修、古跡復原、娛樂與藝術等領域具有明顯的優勢[3]。

目前大多數智能手機的導航軟件都以2D或3D形式提供導航服務，但這些都是通過矢量數據來提供地圖導航，滿足不了用戶獲取實時交通路況的需求，用戶體驗較差。本文提出一種通過手機攝像頭獲取實時路況，通過高德地圖接口獲取導航信息，并利用增強現實技術將路線指引和路況合成渲染，以提供更加直觀的導航系統。

1關鍵技術

1.1增強現實技術

增強現實技術在智能手機客戶端有兩種實現方式：

（1）基于視覺的增強現實技術。它的識別方式分為基于標志（Marker Based）和非基于標志（Markerless）兩種。其中，基于標志的識別又分為固定模板類和自定義模板類。

基于標志的主要代表是ARToolKit，其為采用C/C++ 語言編寫的庫。主要原理是預先將標志（Marker）圖像信息保存，通過圖像識別技術將當前圖像中的標志圖像識別出來，然后在標識圖像上疊加信息[4]。效果如圖1和圖2所示。

圖1標志圖像圖2疊加的立方體

目前，增強現實瀏覽器魔眼（Junaio）和Trading Card游戲等都采用了這種技術。但這種模板匹配方式的誤識別率較高，一旦標志被遮擋將導致跟蹤失敗，所以不適合運用于戶外導航。

非基于標志的主要代表是PTAM（Parallel Tracking and Mapping），其主要原理是從攝影圖像上捕捉特征點，檢測出平面，在上面建立虛擬的3D坐標，然后合成攝影圖像和動畫。其特點在于立體平面的檢測和圖像的合成采用并行處理方式[5]。

（2）基于智能手機上的GPS和傳感器的增強現實技術。通過GPS獲取當前位置的經緯度和高度，通過方向傳感（Orientation Sensor）獲取面向的方向和傾斜的角度，然后根據這些位置信息疊加相關信息[4]。目前荷蘭SPRXmobile公司研發設計的增強現實手機瀏覽器Layar、Wikitude公司開發的Wikitude drive與Wikitude World Browser等都基于這種技術。

本文采用基于智能手機的GPS和傳感器的增強現實技術來實現戶外導航系統功能。

1.2Android手機傳感器原理

目前大多數Android智能手機都配備有測量運動、方向和環境的傳感器。包括：加速度傳感器、磁力傳感器、方向傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等[6]。

本系統主要采用方向傳感器。當設備保持默認方向時（見圖3），X軸指向屏幕面板的外部，Y軸水平向右，Z軸垂直向上。在方向傳感器SensorEvent類中的Values的3個值分別對應3個坐標軸的角度數據，含義如下[7]：

Values[0]：方向角的大小，也就是手機繞著X軸旋轉的角度。Values[0]的取值范圍為0～360。0或360表示手機朝向正北；90表示手機朝向正東；180表示手機朝向正南；270表示手機朝向正西。

Values[1]：傾斜角的大小，也就是手機繞著Y軸旋轉的角度。Values[1]的取值范圍為-180～180。當手機屏幕朝上水平放置時，Values[1]的值為0；將手機頭部抬起，繞Y軸旋轉，當手機屏幕朝下水平放置時，Values[1]的值為180；將手機尾部抬起，繞Y軸旋轉，當手機屏幕朝下水平放置時，Values[1]的值為-180[6]。

Values[2]：側翻角大小，也就是手機繞Z軸旋轉的角度。Values[2]的取值范圍為-90～90。當手機水平放置時，Values[2]的值為0；當手機屏幕面向左側時，Values[2]的值為-90；當手機屏幕面向右側時，Values[2]的值為90。

1.3Android定位原理

本系統使用Android手機自帶的GPS進行粗略定位，同時也使用高德地圖提供的定位SDK進行精確定位。定位的基本原理：當應用程序向定位SDK發起定位請求時， 定位SDK會根據當前的GPS、WiFi信息生成相對應的定位依據。如果需要， 定位SDK也會向定位服務器發送網絡請求，然后根據請求的定位依據推算出對應的坐標位置，生成定位結果后返回給定位SDK[8]。

2系統實現

2.1系統總體框架

系統流程如圖4所示。

2.2地圖定位

在MainActivity中調用高德地圖的地圖SDK和定位SDK。首先進行地圖初始化，加載地圖，通過LocationManagerProxy每隔固定時間發起一次定位請求。再通過OnLocationChangedListener中onLocationChanged（）方法使用aMapLocation.getLatitude（）和aMapLocation.getLongitude（）獲得經緯度；AMapLocation.getExtras（） 方法獲取位置的描述信息，包括省、市、區以及街道信息，并以空格分隔。最后將地圖中心定位到該位置。地圖可進行縮放。運行效果如圖5所示。

2.3路線規劃

點擊圖5中的出發按鈕，跳轉到RouteActivity進行路線規劃。路線規劃有3種模式可以選擇，分別為公交模式、駕車模式、步行模式。為了便于測試，我們只選擇步行模式。可以選擇輸入起點和終點或者在地圖上點擊起點和終點。為了提高精確度，對起點和終點附近的興趣點進行搜索，并顯示在ListView上讓用戶點擊確認。界面如圖6所示。以起點為例，點擊確認后，通過RouteSearchPoiDialog獲得startpoiItem，再通過startpoiItem.getLatLonPoint（）方法轉換成起點的經緯度。獲得起點和終點的經緯度，用searchRouteResult（LatLonPoint startPoint，LatLonPoint endPoint）方法進行路徑規劃。再通過回調方法onWalkRouteSearched（）獲取路徑WalkPath，并將路徑的節點WalkRouteOverlay覆蓋在地圖上，運行效果如圖7所示。

2.4增強現實導航

通過路徑規劃獲取路徑WalkPath，路徑節點列表由walkPath.getSteps（） 獲得。通過Intent將其傳遞到NaviActivity中。

在NaviActivity中先開啟攝像頭，創建一個相機預覽的類cameraPreview，繼承SurfaceView類，并實現SurfaceHolder接口。SurfaceHolder.Callback（）方法進行預覽。然后根據Intent傳遞過來的stepList，通過stepList.get（i）.getAction（）可獲取一個節點的導航信息。根據其判斷加載直行箭頭、左轉箭頭或者右轉箭頭（箭頭通過Android的Graphics類繪制而成）。本次測試中獲取的第一個節點導航信息是左轉，所以加載左轉箭頭，并用TextView將詳細的導航信息顯示出來，效果如圖8所示。

2.5傳感器實時導航

從圖8可以看出預先設定的預覽屏幕是橫屏，但是用戶在導航過程中不可能將手機姿態一直保持水平狀態，所以需要利用手機的傳感器數據，使箭頭根據手機姿態的變化而旋轉，實時指向正確的前進方向。首先要注冊和監聽方向傳感器，當傳感器變化時，在SensorEventListener中獲取傳感器變化的參數數組。調用SensorManager.getRotationMatrix方法獲取旋轉矩陣，然后調用 SensorManager.getOrientation方法獲取有手機方位信息的參數數組。將數組轉為角度信息，對應圖3的X、Y、Z軸信息。把數組回調給繪制箭頭的類ArrowView，控制箭頭的旋轉。手機橫屏旋轉后的效果如圖9和圖10所示。

最后當用戶接近路徑的下一個節點時，用Android定時器對導航信息和箭頭進行刷新。

3結語

本系統在Android平臺下，采用高德地圖接口實現地圖定位和路線規劃功能，并采用基于GPS和方向傳感器的增強現實技術將指引箭頭和路況合成渲染，給予用戶更直觀的導航體驗。

圖9手機旋轉45度圖10手機旋轉90度

本系統還可擴展到大型場所的室內導航，也可以把景點作為興趣點應用于旅游景區導航。

參考文獻參考文獻：

[1]增強現實[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/c1ce3cb271fe 910ef12df8d2.html.

[2]張振穎.增強現實技術在產品服務系統設計中的應用與研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[3]白慧東.嵌入式增強現實系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2010.

[4]曾浩.基于Android平臺的增強現實導航軟件的設計與實現[D].長沙：湖南大學，2012.

[5]孫俊.虛擬物體與視頻圖像融合算法在交通事故再現中的研究[D].南京：東南大學，2013.

[6]江亞炬.基于移動增強現實的導航系統的設計與實現[D].青島：中國海洋大學，2014.

[7]RAGHAVSOOD.Pro Android Augmented Reality[M].America，Apress，2012.

[8]烏錚.基于Android平臺的手游社交應用客戶端的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）