摘  要： LBS的手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由于受到手機(jī)AGPS精度的限制，其定位存在著較大的誤差。針對(duì)手機(jī)LBS增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)存在的定位問(wèn)題，提出了一種提高其定位精度的新方法。在已有的系統(tǒng)中引入GEOSpots，然后在GEOSpots處提供相對(duì)應(yīng)的全景圖背景，并通過(guò)匹配同一位置的手機(jī)攝像頭實(shí)時(shí)畫(huà)面與全景圖來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法不但有效地減少了LBS手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)定位錯(cuò)誤的發(fā)生，同時(shí)使得虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)實(shí)景更加緊密地結(jié)合在一起。
關(guān)鍵詞： 智能手機(jī)； 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)； LBS；定位精度

    在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR(Augmented Reality)與基于位置服務(wù)LBS(Location Based Service)發(fā)展的背景下，移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得AR技術(shù)和LBS技術(shù)結(jié)合在了一起，帶來(lái)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的新浪潮。對(duì)于手機(jī)AR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，早期HENRYSSON A[1]等開(kāi)發(fā)了人機(jī)互動(dòng)的雙人合作AR應(yīng)用系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于圖像識(shí)別的三維注冊(cè)技術(shù),用戶(hù)通過(guò)手機(jī)控制疊加在真實(shí)圖像畫(huà)面上的虛擬的乒乓球進(jìn)行三維互動(dòng)。TAKACS G等[2]則進(jìn)行了基于圖像匹配的手機(jī)AR三維注冊(cè)算法研究。
    芬蘭的NetExpolorateur公司開(kāi)發(fā)出了世界上第一款手機(jī)AR瀏覽器Layar[3]，首次成功地將AR技術(shù)與LBS結(jié)合在一起。Wikitude GmbH公司開(kāi)發(fā)出了基于LBS的AR應(yīng)用Wikitude World Browser[4], Daniele等人發(fā)布了開(kāi)源的LBS手機(jī)AR引擎mixare,為研究LBS手機(jī)AR系統(tǒng)提供了技術(shù)支持與指導(dǎo)。然而,這些LBS手機(jī)AR系統(tǒng)都受到手機(jī)設(shè)備AGPS定位精度較大的限制。
    本文提出一種新的方法來(lái)提高LBS手機(jī)AR系統(tǒng)定位精度。它不但使得LBS手機(jī)AR系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性大大提高，還為L(zhǎng)BS手機(jī)AR系統(tǒng)的普及提供了便利。
1 LBS手機(jī)AR系統(tǒng)定位限制因素
    目前LBS手機(jī)AR系統(tǒng)主要受到GPS和3G網(wǎng)絡(luò)定位精度的限制。智能手機(jī)LBS服務(wù)大多采用AGPS系統(tǒng)，其精度在正常的工作環(huán)境下可達(dá)10 m左右。目前,LBS手機(jī)AR系統(tǒng)中都是利用手機(jī)GPS或3G網(wǎng)絡(luò)獲取用戶(hù)位置，指南針與傳感器獲取設(shè)備方向，得到終端設(shè)備當(dāng)前的空間狀態(tài)。依靠設(shè)備空間狀態(tài)再通過(guò)AR技術(shù)在合適的位置疊加相應(yīng)的虛擬畫(huà)面，因此其AR內(nèi)容的疊加會(huì)受到設(shè)備定位精度的影響。
    對(duì)于當(dāng)前手機(jī)設(shè)備的定位精度而言，在較好的情況下，放置在建筑物旁邊或疊加在地面上的AR內(nèi)容在屏幕上顯示的位置與理想位置有一定偏移。最壞的情況下，原先本應(yīng)該在用戶(hù)背后的AR內(nèi)容可能會(huì)出現(xiàn)在用戶(hù)前方,因?yàn)槭謾C(jī)設(shè)備上GPS顯示的位置可能會(huì)與實(shí)際位置偏移幾米甚至幾十米。
2 提高LBS手機(jī)AR系統(tǒng)定位精度
2.1 在系統(tǒng)中引入GEOSpot
    GEOSpot服務(wù)器是一個(gè)旨在為AR瀏覽器通道服務(wù)器服務(wù)的地理數(shù)據(jù)提供者，GEOSpot服務(wù)體系結(jié)構(gòu)在特定的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)包或服務(wù)上提供了一個(gè)抽象層。首先讓用戶(hù)查看地圖附近那些已知的精確地理位置(GEOSpot)，這些GEOSpot由定位人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)的GPS精確設(shè)備多次測(cè)量，具有比較精確的GPS坐標(biāo)。在屏幕上疊加提示信息框來(lái)指示用戶(hù)如何到達(dá)附近的GEOSpot。這大大提高了用戶(hù)在GEOSpot處的定位的精度，并且此精度可以被AR內(nèi)容定制者在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)公共的API訪(fǎng)問(wèn)到。當(dāng)用戶(hù)由GEOSpot處移動(dòng)到另外一個(gè)位置時(shí)，手機(jī)傳感器可以獲取用戶(hù)移動(dòng)的距離。根據(jù)GEOSpot處的精確坐標(biāo)與手機(jī)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出此位置空間坐標(biāo)值，同時(shí)可以由手機(jī)GPS得到當(dāng)前位置GPS坐標(biāo)，然后使用合適的權(quán)值將它們加權(quán)平均。這樣由手機(jī)運(yùn)動(dòng)傳感器輔助AGPS來(lái)定位，不斷校準(zhǔn)手機(jī)GPS坐標(biāo)。
    在目前的LBS手機(jī)AR系統(tǒng)框架中，一般是定位作者通過(guò)查詢(xún)追蹤定位服務(wù)器和當(dāng)前設(shè)備的空間位置、方向來(lái)確定如何顯示AR內(nèi)容，AR作者通過(guò)AR通道設(shè)置需要在場(chǎng)景疊加AR內(nèi)容的位置。引入GEOSpot后，GEOSpot服務(wù)器存放由每個(gè)GEOSpot處計(jì)算得出的三維空間坐標(biāo)，追蹤服務(wù)器存放由手機(jī)GPS定位顯示的GPS坐標(biāo)。追蹤服務(wù)器通過(guò)GEOSpot服務(wù)器中的三維空間坐標(biāo)來(lái)校準(zhǔn)手機(jī)顯示的GPS坐標(biāo)，如圖1所示。

2.2 在GEOSpot處提供全景圖背景
    在每個(gè)GEOSpot處提供一幅合成的全景圖背景，這些全景圖背景是由在每個(gè)GEOSpot處拍攝的圖片合成的。當(dāng)用戶(hù)站在GEOSpot處時(shí)，他們可以開(kāi)啟全景圖模式，此時(shí)手機(jī)屏幕上顯示的是該GEOSpot處的全景圖而不是手機(jī)攝像頭拍攝到的實(shí)時(shí)畫(huà)面。當(dāng)用戶(hù)改變手機(jī)的方向時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)手機(jī)的指南針獲取手機(jī)的方向，并根據(jù)加速度傳感器獲取手機(jī)與地面的傾斜角度，讓屏幕上只顯示手機(jī)在該空間位置時(shí)能夠看到的那部分全景圖，它會(huì)隨著手機(jī)方向的改變而改變。此時(shí)屏幕上顯示的畫(huà)面類(lèi)似于手機(jī)攝像頭的實(shí)時(shí)畫(huà)面，只是畫(huà)面是靜態(tài)的。
    由于全景圖背景與手機(jī)攝像頭的實(shí)時(shí)畫(huà)面只是在同一地點(diǎn)的不同時(shí)間拍攝得到的，因此全景圖上顯示的畫(huà)面與手機(jī)攝像頭顯示的實(shí)時(shí)畫(huà)面應(yīng)該是對(duì)應(yīng)的。
    手機(jī)在GEOSpot處某一空間位置時(shí)有相對(duì)應(yīng)的全景圖與攝像頭畫(huà)面，通過(guò)圖像處理的方法分別提取兩者畫(huà)面中建筑物的輪廓，如圖2所示。攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)畫(huà)面是準(zhǔn)確的，而疊加的AR內(nèi)容是根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的GPS定位與傳感器確定的手機(jī)空間位置來(lái)決定的，它受到手機(jī)定位精度影響。但全景圖背景的顯示與疊加的AR內(nèi)容的位置都是依據(jù)手機(jī)GPS定位信息而決定的，因此即使GPS有較大的誤差，AR內(nèi)容總能精確地疊加在全景圖上?？梢砸匀皥D作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)匹配提取的攝像頭畫(huà)面與全景圖的輪廓來(lái)進(jìn)一步減小手機(jī)的定位誤差。先將全景圖縮放至與攝像頭畫(huà)面比例一致，然后將全景圖與攝像頭畫(huà)面輪廓重合，那么原本依靠GPS與傳感器定位的全景圖上的AR內(nèi)容就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。以全景圖上疊加的AR內(nèi)容的位置作為攝像頭畫(huà)面AR內(nèi)容的位置，此時(shí)AR內(nèi)容就準(zhǔn)確地疊加在攝像頭畫(huà)面上了。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    mixare是一個(gè)LBS手機(jī)AR開(kāi)源框架，它通過(guò)手機(jī)GPS與傳感器獲取設(shè)備空間信息在屏幕的合適位置疊加AR內(nèi)容，它同樣受到手機(jī)GPS定位精度限制。以iPhone為平臺(tái)，以mixare框架為基礎(chǔ)，引入了兩個(gè)GEOSpot點(diǎn),并提供兩張全景圖，分別驗(yàn)證AR內(nèi)容疊加在建筑物上與疊加在地面上的情況。
    圖2(a)在mixar平臺(tái)上使用傳統(tǒng)GPS定位方法將AR內(nèi)容疊加在建筑物旁。圖2(b)是在GEOSpot處根據(jù)手機(jī)當(dāng)前的空間位置自動(dòng)從服務(wù)器上下載的全景圖畫(huà)面，因此就算GPS有一定誤差，其AR內(nèi)容總是可以正確疊加在全景圖上。通過(guò)匹配同一位置處全景圖畫(huà)面與攝像頭實(shí)時(shí)畫(huà)面，將全景圖畫(huà)面中的建筑與攝像頭畫(huà)面中的建筑物重疊,那么全景圖中的AR內(nèi)容就會(huì)準(zhǔn)確地疊加到攝像頭實(shí)時(shí)畫(huà)面上，如圖2(c)所示。
    同一GEOspot處疊加在地面上的AR內(nèi)容如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的GPS定位中AR內(nèi)容出現(xiàn)了定位錯(cuò)誤，而全景圖畫(huà)面中AR內(nèi)容正確地顯示在了畫(huà)面中，校準(zhǔn)后AR內(nèi)容也能大致疊加在相應(yīng)位置。
 

    本文進(jìn)行了LBS手機(jī)AR系統(tǒng)定位精度的研究，提出了提高定位精度的新方法。引入GEOSpot,并在GEOSpot處提供全景圖背景來(lái)匹配校準(zhǔn)AR內(nèi)容的顯示，最后以mixare開(kāi)源框架為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。
     雖然目前LBS手機(jī)AR系統(tǒng)受到精度方面的影響，但是隨著未來(lái)GPS定位精度的提高與新的定位方法的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)LBS手機(jī)AR系統(tǒng)的精確定位是很有可能的，相信到時(shí)候LBS手機(jī)AR應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)大大拓展。
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