基于定位與姿態感知的虛實漫游方法應用研究

趙海英， 陳　洪， 穆曉峰

(1. 北京郵電大學世紀學院移動媒體與文化計算北京市重點實驗室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

基于定位與姿態感知的虛實漫游方法應用研究

趙海英1， 陳洪1， 穆曉峰2

(1. 北京郵電大學世紀學院移動媒體與文化計算北京市重點實驗室，北京 102101；2. 寧夏熒屏天天傳媒廣告有限公司，寧夏 銀川 750002)

隨著虛擬現實技術的成熟，文化遺產數字化保護與傳承越來越受到人們的關注。通過GPS定位與移動終端的結合，實現智能移動終端GPS在展示古跡廢墟遺址方面的優勢。具體方法是，首先通過數據轉換，建立虛擬場景與真實場景的區域映射；然后使用陀螺儀將攝像機的角度與智能移動終端綁定，建立虛擬角色與現實角色的姿態映射，最后通過Unity3D插件包實現虛實漫游功能，打破時間與空間限制，豐富展示作品的信息量與趣味性，并提供一種個性化的文化遺產場景瀏覽模式，可應用于遺址廢墟如圓明園場景。

虛實漫游；GPS定位；姿態感知；智能移動終端

伴隨著4G無線通信時代的到來，電子地圖技術和GPS定位技術的日益完善，智能化的導游服務系統已經成為可能，而且良好的開發平臺支持系統具有用戶體驗和景區管理功能[1]。車輛導航系統也隨著行業的要求，功能越來越完善，產品的定位也將更精準[2]。2007年 Google公司發布了 Android操作系統，其源代碼和開發 SDK可以免費獲取，從而降低了實現智能導游系統的成本[3-4]，Android系統全開放的特點使其與未來智能終端的開發方向相吻合，所以 Android系統當之無愧地成為了移動技術的風向標[5-6]。另外，通信技術的不斷變更，使GPS系統成為終端的標準配置，終端不僅是一個通信工具，還可以成為GPS定位系統[7-8]。終端平臺上的 GPS應用及功能也在不斷得到開拓，目前其主要還是應用于個人的定位、導航方面。但隨著通信技術的進步、生產成本的降低、硬件功能的完善，終端GPS的應用將會更加廣泛[9]。在這種形勢下，大部分依賴人工勞動的傳統導游服務已經無法滿足游客日益增多的需求，因此電子導游應運而生[10]。英國在2005年6月發布了一項名為“未來旅游業之今日展望”的旅游發展戰略，將市場與電子旅游推廣作為主要的工作項目[11]。但是當時這些電子導游系統只具備一定的播放功能和信息查詢功能，不具有智能性，更不具備再現修改前的虛擬場景。一套完善的智能電子系統應該具有以下功能：①智能導游功能，游客可以瀏覽并下載景區電子地圖，在語音引導下游玩虛擬現實[12-13]；②智能播放功能，游客只需手持智能終端就可以自動檢測和定位，智能終端會根據游客選擇的播放方式對目前所處景點進行詳細解說[14]；③交互功能，游客可以根據自己的興趣選擇游玩路線并參加景區內的相關活動[15]；④游客可以借助移動終端瀏覽幾百年的景區原貌，如親歷時光的穿越[16]。為此，開放式終端的出現使智能終端有了更飛速地發展，終端GPS也將應用于更為廣闊的領域。

論文以百度Android定位SDK為研究基礎，以百度地圖為數據源，通過 GPS定位及智能移動終端，讓用戶在實景與虛擬復原虛景中交互體驗，感受歷史更迭和文化神韻。本系統在Android上實現的虛實漫游系統的主要功能有場景真實位置獲取、真實場景與虛擬場景的區域與姿態雙重映射，旨在通過高科技的展示方式能讓游客產生濃厚的興趣；提高文物的展出率與傳播效率。通過現實環境與虛擬環境的對比，使游客對文化遺產內容有更詳盡地了解，有助于提高游客對中華民族文化遺產的自主保護意識；同時打破時間與空間限制進行文化遺址的個性瀏覽。這種模式將推動消費者對文化的需求，為我國旅游業帶來一場數字化變革。

1　基于定位與姿態感知虛實漫游方法

依據百度地圖，提出虛擬場景與地圖信息匹配方法，完成虛擬場景定界定位；借助移動終端GPS，建立虛實坐標映射。由于移動 GPS偏失及信息抖動，嘗試姿態感知方法。

1.1虛擬場景與地圖信息匹配，完成虛擬場景定界

在百度地圖上標出四個點，并根據其坐標計算出經度距離、緯度距離與實際距離的比，還需設置地形的最高高度和縮放的級別，如圖1，2所示。

圖1　百度經緯度區域

圖2　虛擬場景區域

設4個坐標分別p01(x01,y01)，p02(x02,y02)，p03(x03,y03)，p04(x04,y04)，則：

其中，Distance (a,b)為百度測量函數，縮放級別Multiple=1。

1.2建立GPS位置信息與虛擬角色坐標映射

基于Android終端內置GPS功能，通過百度定位 SDK轉換得到百度經緯度信息，然后轉換成Unity3D的虛擬場景坐標，如圖3，4所示。

圖3　百度經緯度坐標系

圖4　虛擬場景坐標系

設百度經緯度坐標系中用戶位置為CurPo，坐標為(x,y)，設虛擬場景坐標系中用戶位置為ObjPo，坐標為(x,z)，則CurPo與ObjPo簡單映射關系為：

而實際百度坐標系橫縱坐標單位不一致，需要地圖信息讀取模塊提供的距離／經度距離比例(WidthRate)與距離／緯度距離比例(HeightRate)兩個參數以及縮放參數(Multiple)共同參與，故最終轉換關系為：

由于實際使用中會有用戶設置偏移向量ΔV，故虛擬場景區域范圍分為2種情況。

(1) 當偏移向量ΔV不存在時，設用戶當前定位點CurPo為百度經緯度坐標系中一點，CurPo坐標為(x,y)，則判定其在范圍內即為：，且p04.y＜CurPo.y＜p01.y同時滿足時成立。

(2) 當偏移向量ΔV存在時，計算應使用虛擬場景坐標系，設用戶當前坐標為ObjPo為虛擬場景坐標系中一點ObjPo坐標為(x,z)，則判定ObjPo在范圍內即為，且同時滿足時成立。

1.3將陀螺儀信息與虛擬攝像機旋轉參數進行綁定

通過陀螺儀獲取設備姿態，然后轉換成四元數作為攝像機的旋轉量，再乘以一個根據屏幕方向而確定的四元數即可保持屏幕視窗的垂直。即旋轉四元數乘上屏幕朝向四元數保持視窗垂直方向。

其中，quatMap是陀螺儀的姿態信息；quatMult為屏幕的朝向；gyro.attitude代表陀螺儀的姿態，在Unity3D中(w,x,y,z)表示四元數。

1.4用戶交互信息獲取

當用戶終端攝像頭對準眼前古跡或廢墟時，終端全球定位系統即可判斷位置，并通過所提出方法請求服務器返回到古遺址信息。這樣，游客可以在觀覽已破損的古跡時根據所處位置，在移動終端上即可呈現與現存遺跡保持同地理位置的原有景區風貌，因此在一定程度盤活舊遺址原貌，增添了歷史文化品位。

2　虛實漫游方法實現

2.1定位與姿態感知流程

隨著WEB信息抽取與XML文檔分析技術的進一步成熟[17-18]，本文根據百度地圖生成地圖信息XML文檔，來實現定位與姿態感知，具體流程如下：

步驟1. 建立虛擬場景的位置數據。將XML文檔中4個點作為虛擬場景邊界坐標值，完成虛擬場景定界。

步驟2. 讀取GPS信息，通過坐標轉換，映射成Unity3D的虛擬場景坐標。

步驟 3. 通過坐標轉換，輸出與真實位置一致的虛擬角色在虛擬場景中的坐標。

步驟 4. 獲取用戶姿態感知數據，完成對虛擬場景位置偏移的修正。最后通過向服務器發送帶有建筑物編號的請求信息，返回建筑物詳細介紹的通信模塊。完成整個虛實漫游系統功能。

其系統流程圖如圖5所示。

圖5　系統的程序流程圖

2.2定位與姿態感知的虛實漫游系統實現

整個系統由以下3個主要技術路線組成：

(1) 獲取用戶真實位置。利用Eclipse軟件：搭建Android開發環境和百度定位SDK的開發環境，輸出一個二維數據作為用戶真實位置。

(2) 根據二維數據計算出待展示虛擬場景的坐標位置。首先選取地圖并生成XML文檔；然后將三維模型進行導入，完成真實位置導入與虛擬坐標的轉換。

(3) 輸出一個三維向量作為虛擬場景的位置坐標。

(4) 最后通過向服務器發送帶有建筑物編號的請求信息，返回建筑物介紹的通信模塊。由于系統的實時性要求，必須刷新同步定位，動態跟蹤展示虛擬場景。整個系統的功能結構如圖6所示。

圖6　虛實漫游系統的結構圖

3　基于圓明園大水法的虛實漫游系統仿真

仿真實驗過程，如圖7所示。

圖7　仿真過程

仿真過程如下：

步驟1. 打開虛實漫游系統界面，如圖8所示。

圖8　虛實漫游系統的基本界面

步驟 2. 在百度地圖上進行位置標識，如圖 9所示。

圖9　百度地圖進行位置選擇

步驟3. 虛擬漫游系統展示，如圖10所示。

圖10　基于本文提出方法的虛擬漫游系統

步驟 4. 根據本文方法，通過定位和姿態感知技術使游客感受三維真實環境，并獲得幾乎真實的環境感受，如圖11所示。

圖11　用戶體驗的圓明園大水法場景

此方法可應用于數字化文化遺產保護和教育等領域，當游客身處某地時，只需用終端攝像頭對準眼前古跡或廢墟，終端里的全球定位系統通過判斷位置，借助游客所在的視角，在終端上顯示這處古跡在全盛時期的樣貌，還能觀賞到遺址上殘缺部分的虛擬場景。

4　小　結

本文利用 XML文檔確定虛擬場景的位置數據；采用終端GPS實現虛擬場景與地圖信息匹配，并與虛擬角色定位，同時利用陀螺儀獲取設備姿態，使用戶設備在不同角色下均可正常工作。本文以圓明園遺址原貌復現為案例，將文化遺產內容、數字化展示以及移動終端進行整合，實現具有定位及資源感知的虛實漫游功能。讓游客可以在游覽過程中從不同角度觀覽，互不干擾。以虛實元素的各自實現構成交互展示空間的必備要素，以一定技術進行虛實融合，同時在觀覽過程中，根據展品內容，移動終端上還可以動態展示相關類型的文物或歷史文化典故等，游客還可根據個人興趣選擇和控制，保持信息的實時處理，并隨著游客走動，終端上的畫面自動變換，使游客產生強烈的沉浸感和真實感。

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A Method of Positioning and Posture Perceiving Based on the Virtual-Real Roaming System

Zhao Haiying1,Chen Hong1,Mu Xiaofeng2

(Mobile Media and Cultural Calculation Key Laboratory of Beijing, Century College, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 102101, China; 2. Ning Xia Daily Media Co. LTD, Yinchuan Ningxia, 750002, China)

The paper focuses on the integration of GPS positioning technology with the emerging intelligent mobile terminal, realizing the function of cell phone GPS extension and highlighting the unique advantage in the aspect of ruins displaying. The following is the specific method, firstly, establish the region mapping of virtual scene and real scene through the data conversion; then bind the camera angle and handheld devices by using the gyroscope and set up posture mapping between virtual character and reality role; finally achieve the virtual-real roaming through plugin package Unity3D. The method breaks the limitation of time and space, enriches the information content and the interestingness of works, and provides a personalized browse mode of cultural heritage scenes. It could be applied on some ruins’ scenes such as Yuanmingyuan Imperial Garden.

virtual-real roaming system; GPS position; posture perceiving; intelligent mobile terminal

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010110

A

2095-302X(2016)01-0110-05

2015-06-30；定稿日期：2015-09-22

國家科技支撐計劃課題(2012BAH48F03，2013BAH48F04)；國家自然科學基金項目(61163044)；國家社科基金重點項目(12AZD120)；北京市科委課題(Z141100001914035)

趙海英(1972–)，女，山東煙臺人，副教授，博士。主要研究方向為圖形圖像處理、虛擬現實與文化遺產。E-mail：zhy.yn@163.com

陳洪(1976–)，女，四川達州人，副教授，博士。主要研究方向為計算機圖形學、虛擬現實與交互技術。E-mail：norman_chen@263.net