基于增强现实技术的导航系统研究

2016-11-07郑菲菲宋丽红董静

软件导刊 2016年9期

关键词：Android系统增强现实技术

郑菲菲++宋丽红++董静

摘要：采用基于GPS和传感器的增强现实技术以及高德地图接口，设计和开发了导航系统。利用增强现实技术将路线指引和路况合成渲染，并利用手机传感器使指引箭头根据手机姿态的变化而旋转，实时指向正确的前进方向，给予用户更加直观的导航体验。

关键词：增强现实技术；方向传感器；Android系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.161565

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）009005703

基金项目基金项目：2015年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（201510070010）

作者简介作者简介：宋丽红（1975-），女，天津人，博士，天津财经大学理工学院副教授，研究方向为软件工程、智能信息系统；董静（1975-），女，天津人，博士，天津财经大学理工学院讲师，研究方向为软件工程。

0引言

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是一种将虚拟物体和真实环境“无缝”叠加在一起的技术，将在现实世界一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，如视觉信息、声音、味道、触觉等，通过电脑等技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而获得超越现实的感官体验[1]。相比于虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），增强现实技术增强了人对真实环境的感知与交互，它具有以下3个特征：①虚实结合：将虚拟物体和现实世界结合在一起，实现感官上的统一；②三维注册：增强现实技术与混合媒体（Mixed Media）的区分点，虚拟物体必须准确地注册到真实世界中，与真实世界完美融合，要求虚拟物体的注册位置是三维的[2]；③实时交互：实时感知用户操作并互动。

增强现实技术由于具有对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究、精密仪器维修、古迹复原、娱乐与艺术等领域具有明显的优势[3]。

目前大多数智能手机的导航软件都以2D或3D形式提供导航服务，但这些都是通过矢量数据来提供地图导航，满足不了用户获取实时交通路况的需求，用户体验较差。本文提出一种通过手机摄像头获取实时路况，通过高德地图接口获取导航信息，并利用增强现实技术将路线指引和路况合成渲染，以提供更加直观的导航系统。

1关键技术

1.1增强现实技术

增强现实技术在智能手机客户端有两种实现方式：

（1）基于视觉的增强现实技术。它的识别方式分为基于标志（Marker Based）和非基于标志（Markerless）两种。其中，基于标志的识别又分为固定模板类和自定义模板类。

基于标志的主要代表是ARToolKit，其为采用C/C++ 语言编写的库。主要原理是预先将标志（Marker）图像信息保存，通过图像识别技术将当前图像中的标志图像识别出来，然后在标识图像上叠加信息[4]。效果如图1和图2所示。

图1标志图像图2叠加的立方体

目前，增强现实浏览器魔眼（Junaio）和Trading Card游戏等都采用了这种技术。但这种模板匹配方式的误识别率较高，一旦标志被遮挡将导致跟踪失败，所以不适合运用于户外导航。

非基于标志的主要代表是PTAM（Parallel Tracking and Mapping），其主要原理是从摄影图像上捕捉特征点，检测出平面，在上面建立虚拟的3D坐标，然后合成摄影图像和动画。其特点在于立体平面的检测和图像的合成采用并行处理方式[5]。

（2）基于智能手机上的GPS和传感器的增强现实技术。通过GPS获取当前位置的经纬度和高度，通过方向传感（Orientation Sensor）获取面向的方向和倾斜的角度，然后根据这些位置信息叠加相关信息[4]。目前荷兰SPRXmobile公司研发设计的增强现实手机浏览器Layar、Wikitude公司开发的Wikitude drive与Wikitude World Browser等都基于这种技术。

本文采用基于智能手机的GPS和传感器的增强现实技术来实现户外导航系统功能。

1.2Android手机传感器原理

目前大多数Android智能手机都配备有测量运动、方向和环境的传感器。包括：加速度传感器、磁力传感器、方向传感器、陀螺仪传感器、温度传感器等[6]。

本系统主要采用方向传感器。当设备保持默认方向时（见图3），X轴指向屏幕面板的外部，Y轴水平向右，Z轴垂直向上。在方向传感器SensorEvent类中的Values的3个值分别对应3个坐标轴的角度数据，含义如下[7]：

Values[0]：方向角的大小，也就是手机绕着X轴旋转的角度。Values[0]的取值范围为0～360。0或360表示手机朝向正北；90表示手机朝向正东；180表示手机朝向正南；270表示手机朝向正西。

Values[1]：倾斜角的大小，也就是手机绕着Y轴旋转的角度。Values[1]的取值范围为-180～180。当手机屏幕朝上水平放置时，Values[1]的值为0；将手机头部抬起，绕Y轴旋转，当手机屏幕朝下水平放置时，Values[1]的值为180；将手机尾部抬起，绕Y轴旋转，当手机屏幕朝下水平放置时，Values[1]的值为-180[6]。

Values[2]：侧翻角大小，也就是手机绕Z轴旋转的角度。Values[2]的取值范围为-90～90。当手机水平放置时，Values[2]的值为0；当手机屏幕面向左侧时，Values[2]的值为-90；当手机屏幕面向右侧时，Values[2]的值为90。

1.3Android定位原理

本系统使用Android手机自带的GPS进行粗略定位，同时也使用高德地图提供的定位SDK进行精确定位。定位的基本原理：当应用程序向定位SDK发起定位请求时，定位SDK会根据当前的GPS、WiFi信息生成相对应的定位依据。如果需要，定位SDK也会向定位服务器发送网络请求，然后根据请求的定位依据推算出对应的坐标位置，生成定位结果后返回给定位SDK[8]。

2系统实现

2.1系统总体框架

系统流程如图4所示。

2.2地图定位

在MainActivity中调用高德地图的地图SDK和定位SDK。首先进行地图初始化，加载地图，通过LocationManagerProxy每隔固定时间发起一次定位请求。再通过OnLocationChangedListener中onLocationChanged（）方法使用aMapLocation.getLatitude（）和aMapLocation.getLongitude（）获得经纬度；AMapLocation.getExtras（）方法获取位置的描述信息，包括省、市、区以及街道信息，并以空格分隔。最后将地图中心定位到该位置。地图可进行缩放。运行效果如图5所示。

2.3路线规划

点击图5中的出发按钮，跳转到RouteActivity进行路线规划。路线规划有3种模式可以选择，分别为公交模式、驾车模式、步行模式。为了便于测试，我们只选择步行模式。可以选择输入起点和终点或者在地图上点击起点和终点。为了提高精确度，对起点和终点附近的兴趣点进行搜索，并显示在ListView上让用户点击确认。界面如图6所示。以起点为例，点击确认后，通过RouteSearchPoiDialog获得startpoiItem，再通过startpoiItem.getLatLonPoint（）方法转换成起点的经纬度。获得起点和终点的经纬度，用searchRouteResult（LatLonPoint startPoint，LatLonPoint endPoint）方法进行路径规划。再通过回调方法onWalkRouteSearched（）获取路径WalkPath，并将路径的节点WalkRouteOverlay覆盖在地图上，运行效果如图7所示。

2.4增强现实导航

通过路径规划获取路径WalkPath，路径节点列表由walkPath.getSteps（）获得。通过Intent将其传递到NaviActivity中。

在NaviActivity中先开启摄像头，创建一个相机预览的类cameraPreview，继承SurfaceView类，并实现SurfaceHolder接口。SurfaceHolder.Callback（）方法进行预览。然后根据Intent传递过来的stepList，通过stepList.get（i）.getAction（）可获取一个节点的导航信息。根据其判断加载直行箭头、左转箭头或者右转箭头（箭头通过Android的Graphics类绘制而成）。本次测试中获取的第一个节点导航信息是左转，所以加载左转箭头，并用TextView将详细的导航信息显示出来，效果如图8所示。

2.5传感器实时导航

从图8可以看出预先设定的预览屏幕是横屏，但是用户在导航过程中不可能将手机姿态一直保持水平状态，所以需要利用手机的传感器数据，使箭头根据手机姿态的变化而旋转，实时指向正确的前进方向。首先要注册和监听方向传感器，当传感器变化时，在SensorEventListener中获取传感器变化的参数数组。调用SensorManager.getRotationMatrix方法获取旋转矩阵，然后调用 SensorManager.getOrientation方法获取有手机方位信息的参数数组。将数组转为角度信息，对应图3的X、Y、Z轴信息。把数组回调给绘制箭头的类ArrowView，控制箭头的旋转。手机横屏旋转后的效果如图9和图10所示。

最后当用户接近路径的下一个节点时，用Android定时器对导航信息和箭头进行刷新。

3结语

本系统在Android平台下，采用高德地图接口实现地图定位和路线规划功能，并采用基于GPS和方向传感器的增强现实技术将指引箭头和路况合成渲染，给予用户更直观的导航体验。

图9手机旋转45度图10手机旋转90度

本系统还可扩展到大型场所的室内导航，也可以把景点作为兴趣点应用于旅游景区导航。

参考文献参考文献：

[1]增强现实[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/c1ce3cb271fe 910ef12df8d2.html.

[2]张振颖.增强现实技术在产品服务系统设计中的应用与研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[3]白慧东.嵌入式增强现实系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[4]曾浩.基于Android平台的增强现实导航软件的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2012.

[5]孙俊.虚拟物体与视频图像融合算法在交通事故再现中的研究[D].南京：东南大学，2013.

[6]江亚炬.基于移动增强现实的导航系统的设计与实现[D].青岛：中国海洋大学，2014.