淺談博物館室內定位導航應用

海鷗

（深圳博物館，廣東 深圳 518000）

博物館室內面積大，內部結構設計復雜，觀眾容易迷路或者難以到達目標展區，因此迫切需要室內定位導航技術以提升觀眾的參觀體驗。光通信技術利用室內照明LED燈同時提供照明與定位功能[1]，定位精度高、無電磁輻射、無需額外安裝定位設備，建設成本低。本文提出一種基于可見光通信的博物館室內定位導航，具有定位速度快、定位精度高的優勢，可提供實時準確的定位導航服務，可有效提高博物館觀眾導覽體驗、提升博物館的文化傳播功能。

1 博物館室內定位導航的需求分析

一般說來，博物館的室內展廳規劃布局具有面積大的特點，目的是使展品有一個良好的展示空間且觀眾有一個舒適的觀賞環境。博物館建筑項目被喻為建筑工程項目的“圣杯”，因為每個博物館建筑都是經過設計師精心設計所建，里面包含了各式各樣的功能分區。

1.1 博物館室內定位導航的必要性

對于入館參觀的觀眾來說，寬大的展廳和復雜的分區設計很容易導致迷路或者重復已參觀過的路線，消耗了額外的時間和體力，降低了觀賞體驗，也體現不出展廳空間設計與內容設計的對應性。因此，博物館里迫切需要為觀眾提供準確的室內定位和導航指引服務。通過此服務，觀眾可以快速定位自己當前的室內位置，并找到自己想要去的展區。

1.2 博物館室內定位導航現狀

當前使用最為廣泛的定位導航技術（GPS）因為衛星信號被博物館建筑遮擋，無法應用于博物館室內定位導航中。而其他的一些室內定位技術如藍牙、ZigBee、射頻識別標簽（RFID）、WiFi等則有如下缺點：一方面，這些技術的定位精度不高，均在米級，如WiFi的精確度為3米；另一方面，這些基于射頻技術的定位方法都會產生電磁干擾，可能影響博物館各類監測設備的正常工作、阻塞通信設備的工作頻段等；此外，這些定位方法都需要額外安裝定位設備，可能破壞博物館的藝術設計效果和整體風格，如二維碼定位需要在墻上張貼二維碼標簽圖。

2 可見光室內定位技術

可見光室內定位技術是一種利用LED照明燈作為基站發送可見光信號幫助用戶定位當前位置的技術[2]。通常LED被用作可見光信號發射裝置發送攜帶LED的標識符、幾何位置信息或任何對定位有幫助信息的定位信號，光電二極管或圖像傳感器被用來接收這些信號，并通過解碼、解調等信號處理后恢復出原始信息，再由相應的定位算法計算得到具體位置坐標。目前，可見光室內定位常用的定位方法可以分為四大類：近似感知法，指紋識別法，三角測量法，視覺分析法。近似感知技術利用來自單個LED燈的信號來確定當前位置，每個LED燈都分配了一個唯一的標識符，當用戶從LED燈的燈光信號里面獲得該標識符時，通過查詢與該標識符關聯的LED燈安裝位置即可獲知自身所在的區域坐標。近似感知法定位速度快，所給出的當前位置即LED燈光覆蓋的范圍。指紋識別法即通常所說的場景分析，是通過匹配在線測量數據和預先測量的位置相關數據來估計相對位置的定位技術。由于博物館中觀眾的走動可能會產生不確定的遮擋，所以在不同位置測量數據的指紋會有所不同，對精度有一定的影響。三角測量法使用三角形的幾何性質來進行絕對定位，可分為測距法和測角法。測距法利用移動設備到多個LED燈的測量距離來估計移動設備的位置；而測角法需測量接收端相對于多個參考光源之間的接收角度，再通過方向線的交點定位目標。視覺分析算法的基礎是圖像處理，利用真實世界中物體的三維位置和它們在圖像傳感器平面上的二維位置之間的幾何關系來計算物體的位置坐標。

3 基于可見光通信的博物館室內定位導航系統

本文提出了一種基于可見光通信技術的博物館室內定位導航系統，既利用照明LED燈發送定位信息，使用戶可以獲得自己當前的位置，并進一步支持觀眾到期望目標展區的路線規劃和實時導航。如圖1所示，系統主要由兩部分組成：可見光定位LED燈具和可見光定位導航終端。

圖1 可見光通信室內定位導航系統結構圖

3.1 可見光定位LED燈具

可見光定位LED燈具的主要功能是提供照明并發送可見光定位信號。每具可見光定位LED燈具通過內嵌的微控制器對預分配的唯一標識符進行線路編碼得到適合可見光傳輸線路和照明功能的調制碼字，再由燈具驅動器以開關鍵控調制方式驅動LED燈具“開/關”，發送對應的可見光信號，所發送的的標識符唯一地與該燈具安裝的空間坐標（x，y）相關聯。

3.2 可見光定位導航終端

可見光定位導航終端的主要功能是以成像的方式接收可見光定位LED燈具所發送的可見光定位信號并完成定位計算，進而支持路線規劃和實時導航。可見光定位導航終端采用CMOS圖像傳感器對可見光定位LED燈具所發送的“開/關”交替的可見光信號進行成像，并基于快門效應將時間上交替的亮滅燈光信號轉換為圖像上的明暗相間的條紋圖像；通過對捕獲的圖像進行圖像預處理得到編碼信息后，譯碼得到該燈具的唯一標識符并查詢“坐標”映射，即可獲得該標識符所對應的空間坐標。在此基礎上，如果觀眾指定想到達的目標位置，終端會采用路徑規劃算法設計出行進路線。在觀眾行進過程中，終端繼續不斷地捕捉沿途的可見光定位LED燈具并實時更新當前位置。

3.3 圖像預處理

通常，CMOS傳感器所獲取的原始圖像會因為受到某種干擾而含有噪聲，惡化了圖像質量，甚至淹沒圖像特征，嚴重影響后續圖像處理和分析。因此，為了獲取準確的數據，需要采取一定的措施對圖像進行預處理。常用的方法有：灰度化、濾波去噪和二值化。考慮到博物館中只有室內LED照明燈光，無其他光源干擾，本系統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空間小、處理速度快等特點，且支持對圖像直接的布爾運算，可以比較容易地獲取目標區域的位置、大小、邊界等幾何特征，后續圖像處理與分析可以更為簡便。

3.4 路線導航

可見光定位導航終端會基于用戶的當前位置和目標位置規劃路線并在用戶行進時及時給出指示，引導用戶經由最合理的路線到達目的地。路線導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，用于解決非負權有向圖的單源最短路徑問題，是一種基于迭代的圖搜索算法。其主要思想是首先從源點求出長度最短的一條路徑，然后通過對路徑長度迭代得到從源點到其他各目標節點的最短路徑，可在有向圖上找到從源節點到所有其他節點的最短路徑，在此過程中還將生成最短路徑樹。

4 博物館室內定位導航的衍生導覽服務

現在各博物館智能導覽主要還是需要觀眾用手持設備掃描二維碼或輸入展品數字來進行信息的獲取。由于博物館室內導航系統是集成在智慧博物館系統之下，通過該系統中數據交換和智能推送功能，可在觀眾在博物館內導航行進的途中將沿途重要展品、場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，室內定位導航系統會按照觀眾的選擇實時更改行進中的導航路徑，使得觀眾能更快捷地到達此展品位置[3]。這樣不僅可以讓觀眾避開人群集中的博物館常規設置參觀路徑，也能讓觀眾每次來博物館都有不同的參觀體驗，更能讓觀眾按照自己的興趣愛好在展廳內行走，按照自己的節奏來進行參觀。博物館也能給觀眾提供輕松、自由的參觀服務，實現“以人為本”的服務宗旨。

本文提出了一種基于可見光通信的博物館室內定位導航系統，利用傳統照明LED燈廣播發送位置信息從而實現用戶室內定位，具有定位速度快、定位精度高、無電磁干擾、建設成本低的優勢，可提供實時準確的定位導航服務。通過其衍生的導覽服務可以進行參觀沿途的展品信息推送功能，可有效提高室內博物館觀眾導覽體驗、提升博物館的文化傳播功能。■