增強現(xiàn)實地圖研究與應用

　　摘要：隨著數(shù)字地圖技術的不斷革新，產(chǎn)生了將虛擬信息與真實世界融合的新型地圖技術，即增強現(xiàn)實(augmentedreality，AR)地圖。從可視化、定位、測繪、分析幾個方面闡述了AR地圖的關鍵技術，介紹了AR地圖的空間映射原理和可視化效果，提出了結合視覺定位和慣導定位的cm級室內(nèi)定位方法，實現(xiàn)了基于AR地圖的AR導航、AR測量、AR目標采集、AR地理圍欄等關鍵技術并將其應用于AR智慧園區(qū)與AR室內(nèi)場館。

　　關鍵詞：增強現(xiàn)實(augmentedreality，AR)地圖;AR測量;室內(nèi)定位;地圖智能

　　增強現(xiàn)實(augmentedreality，AR)技術與地圖 和GIS技術的結合是近些年開始的。Ghadirian等[1]通過建立GIS數(shù)據(jù)庫與真實全景視頻影像序列之間的聯(lián)系，成功模擬了澳大利亞維多利亞州卡集洼(Cudgewa)山谷野草的動態(tài)蔓延過程。杜清運等[2]提出室外增強現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)(outdooraug-mentedrealitygeographicinformationsystem，OARGIS)理論，并指出其意義在于將移動計算與AR技術運用到傳統(tǒng)的空間信息服務中，改變了傳統(tǒng)的基于位置的服務機制，將人和真實世界與數(shù)字世界通過網(wǎng)絡傳輸無縫地結合起來，實現(xiàn)超越時間和空間局限性的互動，從而改變數(shù)字世界和真實世界的交互模式。

　　地圖論文范例：數(shù)字地面模型在地圖制圖中的應用

　　Waldman[3]首次定義了AR地圖，即一種在真實環(huán)境中添加興趣點(pointofinte-rest，POI)數(shù)據(jù)的地圖應用。近年來，國內(nèi)的地學科學家也在研究AR技術在多媒體空間數(shù)據(jù)可視化、城市規(guī)劃等領域的應用，比如將AR技術應用于文物古跡的數(shù)字重建、戶外移動GIS系統(tǒng)的設計等。

　　1AR地圖關鍵技術

　　AR地圖是以視頻空間化為基礎，通過計算機視覺技術，融合虛擬和現(xiàn)實進行實時地理信息可視化和智能地理分析的地圖。AR地圖具有以下特點：①視頻空間化，視頻場景任意像素與真實地理位置之間可以相互轉換;②多維信息實時融合，除了實時視頻信息以外，還可疊加二三維空間要素以及傳感器和多媒體信息等;③真實場景虛擬交互[4]，通過手勢、語音與真實場景中疊加的虛擬目標進行實時交互;④智能地理分析，地圖與人工智能(artificialintelligence，AI)技術的融合，幫助用戶智能識別文字、車輛、行人等多種目標，輔助用戶進行路徑導航、危險避讓、目標理解等行為決策。

　　AR技術廣泛運用了多種技術手段，其中同步定位與地圖繪制(simultaneouslocalizationandmapping，SLAM)和慣性測量單元(inertialmea-surementunit，IMU)是AR技術的核心基礎。當前主流的AR開發(fā)平臺有華為的AREngine、谷歌的ARCore、蘋果的ARkit以及香港科技大學的VINS(visual-inertialsystem)。AR地圖技術是在AR技術的基礎上，融合AI技術和三維GIS技術，對傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)以及傳感信息數(shù)據(jù)進行新型地圖空間可視化表達、空間定位、地圖測量與空間分析的技術。為了能夠更好地進行智能地理分析，AR地圖技術還需要計算機視覺和機器學習等技術的支撐。

　　1.1AR地圖可視化

　　AR地圖的一個重要特點是以視頻為底圖，經(jīng)過坐標的精確匹配后，將視頻圖像和二三維地理空間信息進行實時融合顯示，達到增強現(xiàn)實的效果。因此，視頻空間坐標系、地理空間要素可視化、多媒體要素投放與交互、視頻特效與視頻增強是AR地圖可視化的關鍵技術。

　　1)視頻空間坐標系

　　AR地圖支持多樣的視頻來源，比如固定攝像頭、移動設備、車載、無人機等。為了使視頻數(shù)據(jù)具有空間地理信息，需要將像素坐標轉換為空間坐標，標定視頻的地理范圍。其中，O點為攝像頭點位，AB為拍攝到的地面范圍，A′B′為對應的相片，C為相片中點。已知攝像機的地理坐標(x，y，h)、方位角、俯仰角、垂直視場角α、水平視場角β，可以根據(jù)三角函數(shù)關系求得相片中點C的地理坐標及A′B′的實際距離。獲取到相片的像素大小后，可以根據(jù)像素大小與實際距離的對應關系求得每個像素對應的實際距離，進而求得相片上任一點P′的地理坐標[5]。動態(tài)視頻坐標系主要根據(jù)立體視覺技術和多視圖幾何原理進行計算。手機、無人機等移動攝像頭通過兩個以上位置的攝像就可以動態(tài)計算視頻空間坐標[6]。另外，由于光學鏡頭在空氣中有折射，還需考慮相機畸變糾正等，本文不作詳細闡述。

　　2)地理空間要素可視化基于視頻空間坐標系，二三維地圖上的空間要素都可以在AR地圖里進行疊加顯示，比如點、線、面、注記、影像、POI等二維地理要素，以及地形、精模、白模、管線、紋理、骨骼動畫、三維粒子、傾斜攝影模型、點云、建筑信息模型(buildinginformationmodeling，BIM)數(shù)據(jù)等三維空間地理要素。AR地圖除了可以按照相應比例疊加空間要素外，還能以AR電子沙盤的方式展示地理空間數(shù)據(jù)，比如，AR景區(qū)沙盤把景區(qū)的全貌投射到桌子上進行直觀展示，還有地形沙盤、應急沙盤、人防沙盤等。

　　3)多媒體要素投放與交互AR地圖可以把多媒體信息疊加在現(xiàn)實空間中，包括聲音、圖片、視頻、網(wǎng)頁、統(tǒng)計圖表等。比如，用戶可以在道路、建筑、商業(yè)、餐飲等真實設施的實時視頻上，將網(wǎng)頁作為一個空間對象，通過修改三維空間位置、透明度和可見距離等參數(shù)進行多媒體信息投放。投放的網(wǎng)頁具有瀏覽、搜索等交互操作功能。除多媒體信息外，還可以將傳感器信息疊加到真實世界中，如溫度、濕度、剩余電量及聲音分貝等。

　　4)視頻特效與視頻增強隨著混合現(xiàn)實(mixedreality，MR)技術的發(fā)展，對視頻本身的增強也成為AR地圖可視化的一個研究方向，比如可以在視頻中增加落花、落葉、云、閃電、雨雪等天氣特效。AR視頻特效可以應用于天氣預報、火災模擬、應急演練等多種場景，還可以用于模糊車牌和人臉、建筑老化過程推演、土地用途變更模擬、規(guī)劃方案對比等多個方面。

　　1.2AR空間定位技術

　　本文主要介紹基于AR技術的慣導定位和視覺定位技術。

　　1)AR慣導定位。AR慣導定位是基于IMU和SLAM融合的視覺慣性系統(tǒng)的定位方法，定位精度在10～30cm之間，不需要部署端，沒有外接設備，但要手動確定起點且不能中斷。SLAM是計算機視覺室內(nèi)定位的基礎，其目標是在沒有任何先驗知識的情況下，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實時構建周圍環(huán)境地圖，同時根據(jù)這個地圖進行自身定位。IMU是測量物體三軸姿態(tài)角以及加速度的裝置，在導航中有重要應用價值。AR慣導定位采用的是相對坐標，通常以(0，0)為起點，要進行導航應用就需要跟地圖的坐標進行匹配，得到絕對坐標。為了解決AR慣導定位起點的絕對坐標定位問題，可以采用圖片定位進行輔助。先將精確的地圖坐標生成二維碼圖片，然后將圖片貼在地面上，通過掃描二維碼確定坐標和方向。慣導定位還有誤差累計的問題，每隔50m貼一個二維碼圖片進行坐標校正，就可以解決這個問題。

　　2)AR視覺定位。AR視覺定位是基于計算機視覺識別特征點實時匹配的一種智能定位方法。優(yōu)點是定位精度高，通常為2～5cm，無需外接設備，可實時定位;缺點是需要預先采集全局特征三維點云，同時會受移動目標干擾，存在一定的不確定性，不適合人流較多的區(qū)域。

　　1.3AR地圖測繪

　　傳統(tǒng)地圖測繪通過經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀、室內(nèi)測圖背包等設備進行測角、測距、測高，再經(jīng)過手工展點、清繪等來完成地圖繪制。這些設備通常比較笨重，操作較為復雜，且測量周期長。AR地圖測繪融合了AR空間定位技術，僅需一部具備AR功能的手機就可以完成地圖數(shù)據(jù)采集和地圖制圖。

　　1.4AR地圖分析

　　AR地圖分析結合了視頻目標識別、遙感影像分類與檢測以及矢量數(shù)據(jù)空間分析的特點，應用廣泛。

　　1)AR目標感知。AR目標感知包括AR目標識別、AR目標分類和AR目標采集。AR目標識別：AI深度學習方法的出現(xiàn)，使計算機通過樣本訓練快速擁有目標識別的能力(如行人、自行車、機動車的識別)，識別目標后用AR可視化的方式可以直觀展現(xiàn)目標的特性。AR目標分類：目標分類是AI目標識別的另一種應用場景，如城管執(zhí)法分類不僅需要準確識別出目標，還要對照系統(tǒng)的分類標準對目標進行歸類。AR目標采集：智慧城市治理離不開城市部件(如井蓋、下水篦子、交通標志等)的管理。一個城市的部件多達上億，網(wǎng)格員每天上報城市部件時，需要先拍照再手動填寫部件位置、類型等信息，工作繁瑣。AR目標采集自動填寫目標信息，可以大幅提高工作效率。

　　2)AR立體分析。單目相機通過視頻多幀影像建立立體相對，就可以快速重建3D系統(tǒng)。手機雙目、多目攝像頭的出現(xiàn)讓AR立體分析變得更加簡單，激光攝像頭的出現(xiàn)則讓立體識別更加精準。深度探測與遮擋：深度圖是AR立體分析的基礎，可通過圖像深度估計的方法生成。根據(jù)現(xiàn)實圖像中物體深度的分析結果可對虛擬的模型與現(xiàn)實世界進行遮擋處理，使AR可視化效果更加逼真。AR立體識別：基于圖片的AI識別已經(jīng)不能完全滿足需求，如人臉識別時可通過照片而非真實人臉進行識別欺騙，完成手機解鎖。AR立體識別能更加準確地識別物體的空間信息。AR視覺重建：AR視覺重建是通過手機攝像頭實時生成三維模型的方法。無人機傾斜攝影建模只適用于室外環(huán)境，基于手機+激光攝像頭的視覺重建方案可以較好地應用于室內(nèi)場景。

　　2AR地圖的應用

　　隨著智慧城市建設目標的進一步細化，AR地圖技術的應用越來越廣泛，比如各類AR智慧園區(qū)、AR室內(nèi)場館、AR管線巡檢、AR智能執(zhí)法、AR城市治理等。

　　1)AR智慧園區(qū)。AR智慧園區(qū)是指通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、增強現(xiàn)實等技術對園區(qū)構建統(tǒng)一的平臺進行智能化管理，包括智能化應用、綠色節(jié)能管理、政務辦公服務等。AR地圖與信息系統(tǒng)的掛接可以實現(xiàn)園區(qū)的智慧化管理。AR智慧園區(qū)包括AR樓宇管理、AR人員管理、AR車輛管理、AR路燈管理、AR消防管理、AR 綠化管理等智能化應用，能很好地提升園區(qū)物業(yè)管理工作效率。

　　2)AR室內(nèi)場館。AR室內(nèi)場館是AR地圖的典型應用，包括圖書館、博物館、展覽館、科技館、購物中心、大型展廳等場景。通過AR地圖可以對場館進行直觀的AR展示和虛擬交互。AR室內(nèi)場館包括AR地圖制作、AR場館沙盤、AR物品展示、AR虛擬導游、AR實景導航等多個應用，極大地提高了參觀效率和趣味性。

　　3結束語

　　本文研究的AR地圖關鍵技術已經(jīng)在Super-MapGIS10i(2020)軟件中實現(xiàn)，并應用到了多個領域。目前AR地圖的研究與應用還在起步階段，隨著AR眼鏡、全息投影設備、智能汽車的逐漸普及和5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，AR地圖技術也將進一步完善，應用也會越來越深入，越來越有價值。

　　參考文獻

　　[1]GhadirianP，BishopID.IntegrationofAugmentedRealityandGIS：ANewApproachtoRealisticLand-scapeVisualisation[J].LandscapeandUrbanPlan-ning，2008，86(3)：226-232

　　[2]杜清運，劉濤.戶外增強現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)原型設計與實現(xiàn)[J].武漢大學學報·信息科學版，2007，32(11)：1046-1049

　　[3]WaldmanJ.AugmentedRealityMaps：12/705558[P].2011-08-18

　　[4]康雨豪，王玥瑤，高夢澤，等.基于虛擬現(xiàn)實技術的電子地圖系統(tǒng)設計[J].測繪地理信息，2018，43(6)：16-18

　　作者：龐靜1，2陳國雄1，2宋關福1，2，3張欣1

轉載請注明來自發(fā)表學術論文網(wǎng)：http:///jjlw/25635.html