AR技術在復雜場景導航中的應用

劉清崗

（陜西學前師范學院信息工程學院 陜西省西安市 710100）

目前很多旅游景點、大型商場、地鐵站等空間布局復雜，人們對導航尋路使用需求迫切，傳統的做法有實物展示、張貼平面路線圖等，但當場景發生變化時，需要重新制作導航實物，造成資源浪費、效率低下[1]。另一類方法是使用基于手機GPS、基站定位和語音反饋測距等技術，但這些技術在解決一些手機信號弱、水平垂直空間復雜的區域導航時，精準度不夠，無法滿足用戶導航需求[2]。目前谷歌、蘋果、微軟公司推出了ARCore、ARKit、MeshAR等AR開發平臺，其中的圖像識別定位都提供了空間導航的解決辦法[3]，而國內也出現了優秀的EasyAR、百度AR等開發平臺，2019年滴滴平臺利用AR技術在深圳機場實現了地圖導航與尋路打車功能[4]。

1 APP總體思路

西安鐘樓集旅游景點、地鐵站、公交樞紐站、大型商場于一體，尤其下沉式盤道無法辨別方位，為解決這種難題，本文提出基于增強現實技術的線上與離線相結合的導航設計研究[5]。宗旨是實現離線與在線混合式AR導航，通過3D場景建模、虛擬場景尋路實現離線狀態下的地圖尋路，運用云計算、圖像及模型的定位識別，采用EasyAR稀疏空間地圖技術，實現在線路線規劃與指引導航。

軟件整體功能如圖1所示。

圖1：APP整體功能

APP系統架構分為數據服務層、應用支撐層和業務邏輯層，其中場景模型數據采用本地數據持久化，采集圖像采用EasyAR云存儲，商場及景點推送信息采用遠程服務器存儲，利用web service進行更新維護；應用支撐層采用Unity3D、EasyAR處理圖像模型和路線規劃算法實現；業務邏輯層實現目標識別與現實疊加、場景漫游、路線導引等功能[6]。

2 軟件模塊設計

本APP開發主要步驟包括：創建鐘樓盤道模型，模型信息標注與地圖烘培，地圖漫游，建立云上地圖，地圖特征點取景，路徑規劃。

2.1 3D虛擬模型的創建

采用3D MAX、Blender等建模工具對鐘樓地下盤道及周邊進行分體建模，繪制貼圖制作材質，然后將模型保存為.FBX文件導入Unity3D AR工程項目中。如圖2。

圖2：鐘樓盤道模型

2.2 Unity 3D對模型進行線路烘培

導入Unity 3D后，對場景模型進行點位標注，包括場景路口的公交線路、地下盤道內地鐵站、各大商超景點等信息。生成方位坐標并與場景進行綁定。使用Unity3D地圖烘培生成可走路線及區域。如圖3。

圖3：鐘樓盤道模型烘焙

2.3 用Navgation MeshAgent實現離線導航尋路

Navgation MeshAgent是3D場景中用于實現動態物體自動尋路的一種技術，它將游戲中復雜的結構組織關系簡化為帶有一定信息的網格，在這些網格的基礎上通過一系列的計算來實現自動尋路[7]。設置離線地圖漫游代理Agent,配置Nav Mesh Agent尋路組件，運用BehaviorTree來實現尋路行為，完成離線導航漫游。漫游核心代碼如下：

2.4 用EasyAR稀疏空間地圖實現在線導航

EasyAR 稀疏空間地圖(Sparse Spatial Map)通過手機掃描周圍環境，生成環境的三維視覺場景地圖，并能實時提供視覺定位跟蹤功能。在建圖過程中，稀疏空間地圖利用相機圖像和對應位姿構建環境1:1的視覺地圖[8]。定位功能將當前相機圖像和地圖的三維點進行視覺匹配并嘗試計算對應位姿來恢復相應的位姿。對環境特征度低的空間采用特征圖片輔助的方法提供定位與識別。在特征點之間進行路徑的設置標識，并上傳到空間地圖保存。

3 軟件發布

運用Unity跨平臺部署的優勢，將軟件發成成Android和IOS兩個版本，操作系統版本配置要兼顧低端型號手機，以滿足EasyAR稀疏空間地圖要求的搭載運動圖片捕捉功能的VIO硬件版本為準。在軟件測試過程中發現，存在人流量大影響相機收集圖片進行特征比對影響定位的問題，解決辦法是采用將天花板張貼部分特征圖片進行輔助定位，實現即時導航。

4 結論

本文旨在解決傳統地圖導航軟件難以實現復雜場景中的即時引導導航問題，提出了運用AR增強現實技術與離線場景地圖漫游相結合的解決思路和實現方案，基于目前4G、5G網絡環境，進行了聯網效果測試，最終完成了鐘樓盤道導航APP的設計開發，實現了AR在復雜垂直空間進行導航定位的應用。從實踐中發現，人們普遍對此類運用新技術輔助導航比較認可和感興趣。筆者以后會持續聚焦AR技術在室內導航創新中的應用，加強學習交流，不斷征求收集改進意見，繼續升級拓展該APP導航軟件，解決復雜景點、地鐵站、飛機場的即時導航定位問題。