基于AR技术的导航系统 .doc
基于AR技术的导航系统安徽大学电子信息工程学院，安徽，合肥，230601摘要：当我们需要在结构复杂的大型建筑内部寻找某个特定位置时，传统的导航系统由于精度不够并不能很好的发挥作用，所以我们拟采用AR技术制作高精度导航系统。AR是通过计算机将虚拟图形合成到现实图像中的一种技术，本文将从AR导航系统的市场背景以及AR的发展状况说起，重点介绍导航系统的整体架构及组成模块。关键字：AR技术 导航定位 系统模块Navigation System Based on AR TechnologySchool of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, ChinaAbstract: When we need to find a specific location within the large building complex structure, the traditional navigation system because of its low accuracy and do not play well, so we intend to use the AR technology to produce high precision navigation is a virtual technology by computer graphics synthesis in real paper will speaking from the AR navigation system market background and the development status of AR, introduces the overall architecture and component modules of navigation system.Key words: AR technology, navigation and positioning ,system module1 AR导航研究背景 随着建筑技术的飞速发展，现代建筑不仅大小远超以往，而且为了追求效果经常结构复杂，人们在大型建筑的室内往往会失去方向感。当我们在博物馆、游乐场、教学楼等大型公共设施中寻找某个具体房间或展品时经常会花费过长时间，甚至是无法找到。人们目前使用的室内导航系统仍是传统的GPS定位导航，但是在室内受信号和精度及数据缺乏等因素的影响传统导航技术并不能起到很好的作用，另一种室内导航方法主要依靠纸质的平面图完成，而平面图导航受空间限制，而且时效性较差，无法实时更改数据，在没有平面图的地区将无法提供帮助，并且平面图的导航可能不够直观，从而使导航产生误差。在这种情况下，基于AR技术的导航系统可以很好的发挥作用。2 AR技术发展状况AR技术即增强现实(Augmented Reality，简称AR)，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过电脑等科学技术，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，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。它不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用手机，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。AR作为虚拟现实（VR）技术的前身，可以很好的给使用者带来虚拟与现实相融合的体验，使用它将会有效弥补目前室内导航系统的不足，并且由于其本身相较于VR技术更为简单且对设备要求不高有很高的推广价值。用AR技术的导航系统突破传统导航的时间空间限制，相比传统导航AR导航无需实时定位，仅依靠识别特定的AR花纹来确定位置，具有直观简洁，准确易用的优势。目前AR技术已被广泛运用于各个领域，例如宝马MINI Cooper S的HUD抬头显示器，就可以把行驶中的各种信息投影在显示器上，让驾驶者可以很轻松的结合实际路面情况来进行驾驶。3 AR导航系统模块3.1定位模块3.1.1数据库管理信息首先要做一个数据库。数据库系统具有高效、可靠、完整、自同步等特性，是业务系统进行数据控制的最佳选择。数据库系统一般提供高效的数据控制和数据检索功能，采用SQL语言来进行数据操作。这个后台数据库里面包含用户室内地图和所有的具体地点位置信息，以及每一块AR瓷砖的编号和在所在的室内地图的位置信息。数据库是一个十分强大的后台系统，它每时每刻都在进行数据信息的传递。它是这多功能导航系统的信息交流中心，可以给用户迅捷、高效的信息资源，来达到实时定位效果。3.1.2 二维码获取信息由于这个数据库存储的大量信息，人们可以通过手机APP来与数据库之间进行位置信息的交流，数据库同时也可以快速的提供给人们所需要的信息，手机APP可以将自己的位置从数据库里面获取，然后反馈给终端系统。该系统拟将手机需要访问、使用的信息编码到二维码中，利用手机的摄像头识读，用户通过二维码生成器将每块AR瓷砖相关联，当用户用“AR导航大师”APP扫描二维码时，用户就可以得到所对应的AR瓷砖的信息，然后从数据库里面获取用户所在位置AR瓷砖的所有信息，二维码实现了给用户当前位置定位功能，使定位更加准确。3.1.3信息反馈给终端当用户的手机APP通过扫描二维码获得所在的AR瓷砖的信息之后，用户的手机APP就会将用户所在的位置信息立即反馈给终端系统，从而终端系统就会对用户所反馈过来的信息进行整理，将用户的位置信息作为一个待处理的状态。手机将会提示用户选择一个想去的目的地。通过二维码将用户的位置所提供给系统，从而在室内的某一具体位置达到了一个定位的目的。这样比传统的GPS地位更具有准确性，也更加方便了我们的室内导航。3.2自动选路模块自动选路模块需要选择最短的路线传给AR显示系统，这里我们采用Floyd算法，是一种用于寻找给定的加权图中多源点之间最短路径的算法。这是一种动态规划算法，稠密图效果最佳，边权可正可负。此算法简单有效，由于三重循环结构紧凑，对于稠密图，效率要高于执行|V|次Dijkstra算法，也要高于执行V次SPFA算法。其优点在于容易理解，可以算出任意两个节点之间的最短距离，代码编写简单。具体来说，就是通过一个图的权值矩阵求出它的每两点间的最短路径矩阵。从图的带权邻接矩阵A=a(i,j) n×n开始，递归地进行n次更新，即由矩阵D(0)=A，按一个公式，构造出矩阵D(1);又用同样地公式由D(1)构造出D(2);最后又用同样的公式由D(n-1)构造出矩阵D(n)。矩阵D(n)的i行j列元素便是i号顶点到j号顶点的最短路径长度，称D(n)为图的距离矩阵，同时还可引入一个后继节点矩阵path来记录两点间的最短路径。再采用松弛技术(松弛操作)，对在i和j之间的所有其他点进行一次松弛，其时间复杂度为O(n3)。然后是状态转移方程，mapi,j:=minmapi,k+mapk,j,mapi,j。mapi,j表示i到j的最短距离，K是穷举i,j的断点，mapn,n初值应该为0，或者按照具体意思来做。如果这条路没有通的话，还必须特殊处理，比如没有mapi,k这条路。最后将得到的最短路径传给AR显示系统。3.3AR模块 本模块用于将自动寻路模块得出最短路径瓷砖识别，并得出一个AR路径。首先，一个完整的AR（增强现实）系统是由一组紧密联结、实时工作的硬件部件与相关的软件系统协同实现的，常用的组成形式有显示器呈现式、光学透视式以及视频透视式三种。本项目拟采用显示器呈现式，将摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。这种方式有简单易用，对设备要求不高，易于开发等优点。本项目拟采用由视辰信息科技（上海）有限公司增强现实解决方案系列的子品牌EasyAR引擎作为开发工具。EasyAR提供了诸如手机APP互动营销、户外大屏幕互动活动、网络营销互动等形式在内的增强现实互动营销技术和解决方案。EasyAR无需授权、无水印、无识别次数的限制，开放后可免费下载，无需任何费用，是一款完全免费的AR引擎。EasyAR具有强大的跨平台特性可支持Windows、 Mac OS、 android和iOS等主流平台。从目前的情况来看，这是目前市场上同类产品中最为简单易用的，并且低廉的使用成本对初学者而言非常友好。EasyAR完整支持Unity4（4.6以上）和Unity5给我们后续深入开发留有广阔余地。4 结论 AR技术日益成熟，其导航成本较低，只需要额外定制一批AR瓷砖即可；同时软件上无需实时定位省下高昂的流量费用，也无需绘制地图节省了时间精力；相比传统的地图导航运用AR技术的导航更加直观明了几乎可以做到零误差，而且导航的精确度可以通过改变AR瓷砖的数目而改变，在博物馆等用户对特定展品有导航需求的地方可以发挥巨大优势，有很好的发展前景。参考文献：1陈一民，李启明，马德宜，等.增强虚拟现实技术研究及其应用J.上海大学学报：自然科学版，2011（7）：53-562 刘光然. 虚拟现实技术M. 北京：清华大学出版社，2011.系统设计框图:附：A R导航系统为我和几位同学参加创新创业训练计划的作品，是从一款AR游戏中得到的灵感，虽然被推荐为省级，但由于其它一些实物比赛占用了大量时间加上此项目实际操作起来还有不少难度，所以并未完成实物作品，还有很多需要改进完善之处。
