面向个人移动平台的室内三维导航系统设计与实现

王行风

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

随着城市空间的立体化发展，城市室内空间应用的总规模大幅增加，室内环境也越来越复杂，基于大型场馆的室内定位和导航的应用受到越来越多的关注［1-2］，室内定位、室内地图和导航研究已成为当前LBS 研究的新的热点和重点领域。

传统的导航应用主要集中于室外区域，技术上则主要利用二维矢量地图或二维影像来实现，虽然部分产品初步实现了添加兴趣点三维模型的功能，但基础底图依然是采用二维矢量地图进行展示［3-5］。在室内复杂环境下，尤其是在多层大型建筑物内部，这种基于二维矢量/栅格的导航地图往往因为不够直观，而难以为用户提供快速理解周边环境及所处方位的足够信息［6-8］。因此，基于个人移动终端，辅以增强现实技术设计和开发室内三维导航系统已经成为研究的热点和关注点。针对这个问题，本文基于个人移动平台(手机、平板等)设计一个面向室内的三维导航系统空间信息动态服务框架(Three Dimensional Indoor Navigation System，3D-INS)，以有效满足室内导航的实际需求，并进行了初步实现。

1 三维室内导航系统空间信息动态服务框架

基于增强现实的个人移动平台三维导航系统，需要解决基于内存、计算资源有限的移动终端平台的三维可视化模型的调度、建筑物室内精细模型的快速构建和高速渲染等技术。该类系统目前主要有2 种不同的解决方案:

1)胖客户端技术。该方案主要考虑目前的网络传输速度尚无法满足用户实时下载、观看及漫游的需求等问题，而将三维模型数据的存储、管理、计算、分析以及渲染都集中在个人移动终端上，具有高实时性的特点，相关的定位信息等少量数据通过网络传输。很显然，该类型系统比较适合于轻量级3D 模型数据。以中国测绘科学研究院和芬兰大地测量研究所研究的三维导航引擎为典型［9］。

2)瘦客户端技术。考虑实际应用中用户对模型高逼真度的要求所带来的海量数据，个人移动平台难以满足存储、处理和实时渲染需求的实际情况。对系统功能进行合理的分解，客户端负责三维场景的渲染和显示，服务端可以针对用户的实际查询请求，提供三维模型数据的下载、渲染、计算和处理等，并通过网络传输到移动端进行结果的显示。该类系统以德国Postdam 大学为典型［5-6］;随着移动平台图形计算能力的提升和3G 技术的普及，这种方式将成为未来发展的趋势。

本文基于个人移动端三维渲染的需求以及室内导航的需求，初步构建了一个支持室内外一体化的三维室内导航系统空间信息动态服务模型框架，见图1。该框架可根据需要将客户端渲染引擎部分和服务端分开或者置于同一平台上，以满足用户的需求。该框架主要分为服务端、客户端和应用端3 个部分，各主要功能如下:

图1 三维室内导航系统空间信息动态服务框架

1)服务端。3D-INS 服务端是指为移动端提供各种地理服务功能的总称。功能主要包括数据存取、目录检索、模型管理处理以及三维空间分析等内容。数据存取服务是指服务端响应客户端的操作请求，按照客户的查询要求，以三维模型、空间图形要素或数据记录为单位，利用数据库管理引擎，完成三维模型数据、属性数据以及位置等数据的存取，数据存取服务要能支持多用户请求，并保持模型数据的完整性和一致性;目录检索服务是指服务端集中管理本地的模型数据目录，提供给客户检索和判断所需的地理数据;模型管理处理指服务端按照用户场景渲染的要求，取出满足条件的模型信息，并进行一定的处理，重构组织成合适的格式(如GML、WRL)，或图像格式(JEPG)，然后送给客户渲染引擎端。三维空间分析是重点关注三维空间模型对象间的之间拓扑关系的分析和描述。

2)客户端。3D-INS 客户端主要负责在个人移动端三维模型的下载和渲染的渲染引擎应用程序。客户端通过安装通过3D 渲染引擎，提出查询(渲染)的请求，下载3D 模型数据，实现个人移动端的三维模型渲染与展示。功能主要包括渲染引擎、场景管理等内容。渲染引擎主要负责模型管理、模型渲染优先级管理、缓存管理、模型队列管理以及三维地图匹配等功能。LOD 场景管理主要是根据视点距离场景的远近进行场景构建、场景组织和场景查询等功能。

3)应用端。3D 导航应用在语音导航提示、POI检索、轨迹记录、路径记录和空间查询等方面都得到了一定的应用，具有非常广泛的应用前景。具体来说，包括个人级和行业级应用，个人应用可以实现自位置查询、他位置查询、周边地点查询、公交查询以及查询某个地点的相关信息如交通状况、天气状况等，从而达到随时随地获取任何信息。行业级应用则可以包括室内导航与监控调度、物流跟踪、人员跟踪、智能交通等方面。

2 系统运行实例

为测试本文所提出框架方法的实用性，以中国矿业大学南湖校区和环境测绘学院行政楼(见图2)为例进行测试。选用的测试个人平台终端为三星GALAXY Note10.1，处理器为Exynos 5420，屏幕为10.1英寸，分辨率为2560 ×1600，操作系统为Android 4.2。本案例利用Eclipse Android Java 实现了Android 平台下室内导航应用程序，系统运行界面如图3 所示。

图2 研究对象与三维模型

图3 系统运行界面

该系统能够轻松实现3D 模型数据信息的显示，同时提供了基本的三维操作的基本功能，包括模型的放大、缩小、平移、旋转、反转和全景等功能。另外还初步实现了基本的导航功能，用户可以在输入界面上输入查找目的地的名字，通过查询可以获得较为详细的导航信息，指导内容可以包括文本、图片和音频等，从而使用户可以很容易理解所处的位置和方向。

图4 学院行政楼4 楼

图4 显示了学院行政楼4 楼的室内规划，并给出了电梯和楼梯的出口。在指定目标点和位置以后，就可以利用最短路径算法，如Dijkstra 算法通过计算，能够很容易计算行走的路径，并在此基础上计算不同路线的距离和需要的时间。

3 结束语

本文面向个人移动终端，初步构建了三维室内导航系统服务框架，并通过实例验证了该框架的应用性、可行性和有效性。与已有系统相比，本系统基于个人移动终端，利用3D 建模技术，实现室内定位数据和3D 模型的共享与分发服务，将人们所处的位置和周边环境以三维场景的方式真实地展现，为人们正确、快速地分辨展览场馆、隧道、地铁交叉口、大型建筑物等复杂场景的交错关系提供强有力的技术支持，从而大大提高室内复杂环境的路径引导效率。

3D-INS 系统在技术或者其它方面还存在一些问题，尚需在空间数据的轻量化建模、顾及拓扑关系的空间模型、地图匹配以及空间索引方面作进一步的改善，以满足城市室内空间的潜在的可能应用，为人们提供准确、高效的室内导航响应服务。

［1］毕小玉，张靖岩，王佳.3D 室内搜救系统在消防救援工作中的应用初探［C］// 2013 中国消防协会科学技术年会.2013:344-346.

［2］盛庆，邓中亮，徐连明，等.基于GIS 室内定位和导航的电子地图设计与应用［J］.北京联合大学学报(自然科学版)，2012，26(1):23-27.

［3］李亚利.基于ArcGIS 的室内地图服务系统研究［J］.科技资讯，2012(1):17-19.

［4］刘兆宏，王科，丰江帆，等.矢量室内地图建模与制作方法［J］.数字通信，2012(4):77-78.

［5］张兰，王光霞，袁曲，等.室内地图研究初探［J］.测绘与空间地理信息，2013，36(9):43-47.

［6］Nossum A S.Indoor tubes a novel design for indoor maps［J］.Cartography and Geographical Information Science，2011，33(2):192-200.

［7］雷鸿源，陈炽坤，王高.建筑室内计算机建模方法的探讨［J］.工程图学学报，2005，26(5):23-28.

［8］张朝.基于Web 的房屋虚拟展示关键技术的研究［J］.科技传播，2010(11):258-260.

［9］Liu Zhengjun，Zhang Jixian，Yan Qin，et al.Implementation of a 3D personal navigation visualization engine and its demonstration in Shanghai World Exposition 2010［C］//Proceedings of the 7th International Symposium on LBS and TeleCartography.2010.