全景地图应用于轨道交通导航智能手机APP的可行性探究

苗维超 张宝富

摘 要：上海轨道交通自1990年初建成后，日益快速发展，其规模线路已发展为全国之首；近年外来务工人员的涌入都标志着轨道交通需承载更重更大的责任。面对错综复杂的地铁站内环境，传统的GPS地图无法满足在站内的方向引导，本文针对这个现象通过研究全景地图技术、相机标定技术、OpenGLES库寻求实现一款轨道交通导航APP的可能性。

关键词：全景地图；OpenGLES；相机标定

时代的进步，对于效率有更高的追求，像地铁站点这样的小区域范围的导航地图，市面上还没有比较成熟的产品，范围小就意味着需要更具体，更精细化，尽管现在上海地铁标志已经比较系统、全面，但是有一些复杂换乘的地铁站点，如徐家汇站，有1号线、9号线、11号线三条线路，换乘相隔距离都较远，一旦走错，就会耽误很多来回的时间。本文尝试把全景地图技术引入地铁导航中，探究解决问题的可能性。

一、 全景地图技术

要运用全景地图技术，需要考虑到三方面的问题：前期图像采集、图像拼接、数据处理。前期的图像采集的本质就是用360°真实照片来达到三维立体的感觉，这就需要车载全景采集器的方式进行，主要由数码相机、GPS接收机、时间同步器以及护罩四部分组成，前期采集工作需要满足这些要求：（1）拍摄过程中要注意避免相机周围有物体遮挡，把相机置于拍摄场景的中心位置；（2）为了让相机能在水平方向自由旋转，要让相机的固定平台支架尽可能的稳固；（3）要防止拍摄过程中有动态物体出现；（4）每张相邻场景的照片为使拼接工作顺利进行，要保证至少30%的重叠部分；（5）拍摄的相机焦距避免使用短焦，中焦或长焦都是比较合适的焦距选择，并且全程就固定使用一种焦距。

全景图像拼接的过程主要包括图像序列获取、选取投影模型、图像配准、图像融合四个过程。在拼接工作进行之前，先要选取合适的特征点，Harris、KLT、SIFT等都是目前常用的特征点，接着匹配相邻的两幅照片中的特征点，从而计算出图像转换的参数值，按照计算出的转换规律来对整个全景图像进行排序。需要注意的是相邻的两幅图像要有大于30%的视觉重叠部分，才能拼接在一起，具体的方法可采用模式识别法。

进行数据处理工作主要有：（1）需要制定全景图像、空间定位数据与电子地图的接口规范，全景图像拼接采用基于区域的配准和特征点匹配技术。（2）视角计算工作是保证用户移动视点中心线与过道方向一致，主要采用计算相邻两点之间的正切值得出每个视点的视角。（3）图像镜像变换的目的是为了使对应的多面体内部被拼接完成的全景图像所投影，接着利用纹理映射的方式将全景图像投射到多面体上。

二、 相机标定技术

相机的标定工作目的是为了避免完成的全景图像出现扭曲、错位的情况。目前常用的拼接技术主要有：传统相机标定法、相机自标定法以及主动视觉相机标定方法。使用传统相机标定法需要精确的标定物，根据二维或三维的标定物，标定结果精度易保证，但标定物尤其是三维的标定物制作精度要求很高；相机自标定法不需要标定物，主要依靠多幅图像间所对应的关系来求解摄像机内的参数，主要依靠的方式就是优化算法，但是得到的标定结果不一定能获得最优解，方法虽灵活性较强，相机可实现在线定标，但是其算法鲁棒性差，运动约束性强，不实用；基于主动视觉的相机标定法需要相机来做特殊的运动，从而计算出相机内部的参数，虽然算法简单，但是试验成本很高，其约束力强，实际应用中较困难。

三、 OpenGLES库

为了迎合全景地图能使用智能手机进行浏览，可以利用Android中自带的OpenGLES库来实现360度全景观赏功能，OpenGLES 是（OpenGL for Embedded Systems）三维图形的子集，其计算基于三角形，我们可以利用三角形组成多边形。为了实现地铁场景360 度展示效果，技术原理就是将曲面拆分为三角形，这样做的原因是根据OpenGLES纹理规律，三点坐标是最容易对齐所贴材质的形状和位置的。将事先拍摄好的纹理图片按照这个规律按次序贴到球形的内部，完成所摄场景的全景图像拼接工作。

四、目前已完成工作及展望

全景地图技术的应用是今后地理与场景展示的热点方向，包括了Graphic处理技术、通讯技术、空间信息技术、软件开发技术等。全景地图的实现从一定意义上不仅能为公众的出行提供了便利，而且地铁实景数据模型可以对地铁发展有完备的记录，有利于用来分析地铁变化、标识建设，而未来能实现全景视频技术，将带给用户更流畅的视觉感受。

现已构想界面如图4.1：

图4.1 界面效果图

参考文献：

[1]李印思基于OpenGL的三维交互建模技术及其应用机械设计及理论，2012

[2]李艳丽全景地图生成技术研究[D].2007 11-30

[3]李海亭张淼彭清山.城市地理信息系统中的全景地图技术研究，《城市勘测》，2011.6

[4] 王溢达杨昱昺. 智能手机利用OpenGLES 实现室内3D全景浏览的研究和实现.《科技创新》.2014第17期

作者简介：苗维超，女，1991.3，汉族，浙江绍兴，本科，上海市公安部第三研究所，软件工程师，界面设计与安防技术领域