基于可定位视频的电子导游系统

2011-09-19王美珍刘学军

测绘通报 2011年2期

关键词：路段检索景区

王美珍,刘学军,吴勇,甄艳

(1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京 210046;2.南京师范大学地理科学学院,江苏南京 210046)

基于可定位视频的电子导游系统

王美珍,刘学军,吴勇,甄艳

(1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京 210046;2.南京师范大学地理科学学院,江苏南京 210046)

以视频描述旅行路线的沿途风光,以二维地图/影像图描述景区的平面信息,并通过空间信息,实现视频和二维电子地图的联动,提出“立面视频 +平面地图”的新型电子导游系统。将可定位视频引入导游图,提出基于空间信息的视频分割方案,研究可定位视频的检索和组织方案,最后给出基于可定位视频的电子导游系统设计思路,并通过实例进行验证。

电子导游图;可定位视频;视频分割;视频检索;路径规划

一、引言

导游图不仅是景区的行、游、食、住、娱、购等信息的载体,同时也是景区整体风貌的传播工具,决定着景区对游客的吸引程度和旅游路线的选择。常规景区导游图以景区平面图和写景图为主。近年来,随着旅游网络化、出行散客化趋势的出现,导游图在内容和形式上发生了很大变化,类型上有影像导游图、电子导游图、多媒体导游图、景点三维导游图等,载体上有沙盘、触摸屏、大屏、虚拟旅游网站等,大大方便了人们的出行和旅游决策[1]。

目前景区开发已经从景点扩展到游览路线的两侧,形成系列的景观走廊[2]。现有景区平面图虽较为完善地描述了景区平面信息,但无法表达游览路线两侧的自然风光、人文现象。已有的多媒体导游图,虽提供了视频信息来描述沿途景色,但只是将其作为附加属性,并未能和地图进行双向检索。同时,大多数电子导游图提供的旅游路径分析,主要以距离、时间等为约束条件,而忽视了沿线风光对游客的吸引力。

可定位视频是集视频、音频、GPS定位为一体的新型流媒体,要求 GPS定位信息与每一音视频帧保持严格同步,方便位置与视频的互相检索及基于视频的路径定制[3-7],是导游图系统新的数据源。本文以可定位视频为数据源,结合景区的二维平面导游图,以触摸屏和网络为载体,研究可定位视频和二维地图的匹配、检索等关键技术,形成“立面视频+电子地图”的新型电子导游系统。首先重点讨论基于可定位视频的分割方法,然后给出可定位视频快速检索方法,最后给出了基于可定位视频的导游图系统相应的技术流程和应用实例。

二、可定位视频分割

考虑到可定位视频本身具有定位信息,则可按照空间位置实现对视频的分割。对景区而言,一般是按照道路网络进行拍摄的,因此可按照景区已有道路网络实现视频分割。可定位视频分割主要包括三个基本环节,即坐标转换、地图匹配和分割。可定位视频中的 GPS坐标属于WGS-84坐标系统,而景区电子地图一般是 1954北京坐标系或 1980西安坐标系,甚至是独立坐标系统,二者需要统一,这可通过坐标转换模型实现[4],这里不再赘述。

1.地图匹配

地图匹配是将视频拍摄路线正确投影到电子地图上的过程。考虑到 GPS、电子地图等本身含有误差,本文采用了基于模糊逻辑的地图匹配算法。其基本思想是:首先建立评价指标集,然后定义其模糊隶属度,最后进行分类和综合评判。

(1)评价指标

拍摄路径和道路的相似程度,可通过拍摄路径与候选道路的接近性、方向性和轨迹相似性指标来描述。

1)接近性。接近程度可通过拍摄点坐标到候选道路的垂直距离来计算,如式 (1)中 (x,y)为当前拍摄位置坐标,(x′,y′)为拍摄位置在候选路段上的投影点。

2)方向性。通过拍摄方向β与候选路段方向β′的差值来描述。

3)轨迹相似性。选取拍摄路径相邻 n个定位点数据,并计算这些点在候选路段上投影位置,则拍摄路径和路段相似性可通过定位轨迹平均距离差来计算。其计算公式为

式中 ,(xi,yi)为时刻 i的拍摄位置 ;(x′i,y′i)为其在路段上投影位置。

(2)隶属度函数

表 1 隶属度函数定义

(3)评价决策

以上述隶属度函数为基础,即可对候选路段是拍摄路径所在路段的可能性作出综合评判。设因素集 U={接近性、方向性、轨迹相似性},评语集 R={好、坏},综合评判步骤为:

1)对U中的各因素分别进行评价,其评判结果分别为模糊向量 R1=[η(x)φ(x)],R2=[η(x)φ(x)],R3=[η(x) φ(x)];

3)通过模糊变换 Q=RPT,所得模糊向量 Q中的两个分量,表示候选路段是拍摄路径所在路段可能性大小的程度,取最大可能性路段为拍摄路径所在路段。

2.分割流程

结合地图匹配过程,分割步骤如下:

1)定位到一帧视频数据,判断是否是关键视频帧。如果是,则读取关键帧所对应坐标点作为待匹配点,继续执行下一步;如果不是,则转 4)继续。

2)以待匹配点为圆心,搜索附近距离小于 50m的所有路段作为待匹配路段。

3)遍历所有待匹配路段,根据上节获得该待匹配点的最佳匹配路段。本文将三个因素视为同等重要,综合评判算法中权向量 P=[1/3,1/3,1/3]。

4)对待匹配点进行点修正,同时并将此点对应的音视频帧加入该路段的视频片段,返回进行下一帧视频图像的判断。

三、可定位视频索引与检索

1.索引构建

根据采集时 GPS轨迹变化方式不同,可定位视频分为点状和线状可定位视频。点状可定位视频主要指在固定位置拍摄的视频,其采集的视频都被赋予同一位置坐标;线状可定位视频是沿某一轨迹拍摄,其中每帧图像的拍摄位置都具有不同的地理坐标。

(1)索引结构表设计

可定位视频的网格索引的实质是逻辑层次上分幅描述而不具体将空间数据进行分割,数据本身仍然按照对象模型独立组织和存储。对于固定点采集数据的索引,只需判断其任意一帧所对应的坐标所在格网号即可;而对于移动采集具有线状特征的数据的索引,其实质是判断多个不同点坐标集合所属网格比固定点数据索引复杂的原因,在于其还涉及可定位视频数据的分段索引。本文主要通过构建空间分区表、网格索引表以及可定位视频索引表三个表结构对可定位视频数据进行组织与管理。

空间分区表 (如表 2所示)记录格网信息的分区信息,从逻辑上把一个区域分割为许多更小、更易于管理的区块,主要用于描述可定位视频的空间分区信息。网格索引表是对全部的可定位视频数据进行网格索引,描述了各个网格单元中包含哪些可定位视频数据,是视频与空间数据互相检索的桥梁。可定位视频索引表 (如表 3所示)记录每个可定位视频文件在网格中的索引信息。对于固定点采集的数据,主要记录其可定位视频类型 (点状、线状)、所属网格、存放路径等信息。而对于移动采集的数据,由于其可能跨越多个网格,而每个网格中都包含一段可定位视频数据,因此其除了记录上述信息外,还要记录移动数据在各个网格中的起始视频帧号、终止视频帧号。

表 2 空间分区表字段说明

表 3 可定位视频索引表字段说明

(2)索引算法流程

在上述索引表建立的基础上,对采集的可定位视频数据进行索引操作,并将其索引信息在索引表中进行相应更新,其具体步骤如下:

1)按照一定划分原则,将图幅区域划分成若干格网,并对所有格网进行编号。

2)读取可定位视频数据,判断其为固定点采集数据文件,还是通过移动采集数据文件。如果是前者,则继续下一步判断;如是后者,则转步骤 4)判断。

3)指针定位到可定位视频文件中的索引文件头并读取第一帧视频图像所对应的经纬度坐标 (X,Y),通过式 (4)判断坐标值计算该点所处网格的编号,然后同时更新网格与可定位视频数据索引表相应字段,索引结束。其中通过经纬度坐标计算网格编号的公式为式中,(Xmin,Ymin)为西南角坐标;Δw、Δh则分别为网格索引中横轴、纵轴方向的网格大小;m为横向格网数;GridCode代表网格编号。

4)指针定位到可定位视频文件中的索引文件头,依次读取一帧视频图像,判断其是否是关键帧,如果是则继续下一步;否则继续读取下一帧视频图像。

5)读取此关键视频帧对应的经纬度坐标,按式 (4)判断该点所处的网格,如果是第一帧数据,则直接记录其所属的网格信息;否则判断与上一帧关键帧所属的网格号是否相同,相同则不进行数据库记录,若不同,同样将格网编号记录网格索引表中,同时还要更新可定位视频索引表相应字段,转步骤 4)继续判断直到最后一帧视频图像。

2.检索方案

(1)视频检索位置

可定位视频检索位置主要有两种:显示轨迹以及跳跃播放方式。显示轨迹方式就是直接提取可定位视频的地理坐标,然后将其在电子地图上进行显示。对于点状可定位视频,只需提取其第一帧视频的坐标,将其显示于地图上;而线状可定位视频则需通过遍历每一关键视频帧所对应的坐标,然后将其显示于地图上。跳跃播放方式则是通过拖动播放滚动条的方式进行视频的快进、快退跳跃播放,同时其所对应的坐标位置也随之在地图上发生变化,从而实现可定位视频快速检索地理位置的操作。其实质是通过比较视频关键帧对应的时间戳与滚动轴上的时间差值,实现可定位视频的定位、播放。

(2)位置检索视频

基于位置检索的可定位视频,主要包括两种方式:①基于空间位置的查询 (基于坐标查视频);②基于空间范围的查询 (矩形选择、圆选择、多边形选择查询视频)。该类查询一般分两步完成,首先要借助于上一节的空间索引,在视频数据库中快速检索出满足要求的可定位视频数据;而后根据可定位视频的数据组织方式与查询空间区域的空间关系,获得相应的可定位视频文件。基于该索引结构的可定位视频检索原理为:先将查询范围坐标信息转化为相应粗分格网地址 (或行列号),然后找出相关的粗分格网,并根据其格网标识号初步找出涉及的可定位视频文件集,完成对可定位视频的第一次过滤。循环读取第一次结果集中的可定位视频文件,逐一将可定位关键帧所对应的地理坐标与搜索范围进行比较,以判断其是否真正落入搜索范围内。该步操作完成后所得的最后结果集即是符合要求的搜索结果。

四、系统设计与实现

基于上述原理,以景区道路沿线两侧的可定位视频和景区平面地图为数据源,“立面视频 +平面地图”的电子导游系统设计和实现如下。

1.系统功能设计

系统主要有三个功能模块。

1)可定位视频采集模块:主要负责对可定位视频进行采集、存储、无线传输、播放。

2)数据编辑模块:主要包括对采集到的可定位视频数据进行分割、索引、编辑等操作,并将处理后的实景数据导入到视频数据库。

3)可定位视频查询模块:主要用于查询景区内景点、路段相关的视频片段。本系统包括四种查询方式:①随机查询,即通过点选景区内地物来查询地物相关视频;②关键词查询,用户通过输入关键字查询;③按用户反馈查询,通过圈选、框选的方式,查询某一区域内的相关视频,再通过交互反馈获取感兴趣的视频;④路径查询,用户通过交互方式在电子地图上选取游览路径,系统检索对应路径段的视频,并进行重组播放。

2.系统运行实例

系统由可定位视频采集终端和发布平台两部分组成。采集终端采用自主研发的可定位影视直播系统。发布平台的载体为景区大屏、触摸屏以及网络客户终端。下面以南京师范大学仙林校区北区校园为例对有关功能进行说明。

(1)路径查询与视频重组播放

路径查询视频播放界面如图 1所示。用户通过此功能可获得所选路径的视频信息。通过在地图上交互地选取起点、中间点、终点位置 (如图 1中深色线条),系统根据用户所给路径对视频数据库进行检索,查找到相应路段的视频后,根据需要对检索到的数据进行自动分割、重组,生成此路径所对应的可定位视频并播放。这一功能使得用户可根据不同的路径来检索视频,并通过不同路径的组合辅助决策最佳风景的旅游路径。

图 1 定制路径可定位流媒体播放界面

(2)可定位流视频定制播放

通过反馈方式对相关区域范围内的可定位视频数据进行检索的界面如图 2所示。用户可以通过在地图上感兴趣的位置进行圈选、框选并将其作为检索区域,如图中圆形区域所示。系统检索视频数据库,查询到相关的可定位流媒体文件后,将其在检索区域内的片段自动分割成新的视频片段并返回,例如本例中在检索区域内总共检索到三段可定位视频数据,可以通过双击视频名称观看检索到视频片段。