基于定位与姿态感知的虚实漫游方法应用研究

赵海英， 陈　洪， 穆晓峰

(1. 北京邮电大学世纪学院移动媒体与文化计算北京市重点实验室，北京 102101；2. 宁夏荧屏天天传媒广告有限公司，宁夏 银川 750002)

基于定位与姿态感知的虚实漫游方法应用研究

赵海英1， 陈洪1， 穆晓峰2

(1. 北京邮电大学世纪学院移动媒体与文化计算北京市重点实验室，北京 102101；2. 宁夏荧屏天天传媒广告有限公司，宁夏 银川 750002)

随着虚拟现实技术的成熟，文化遗产数字化保护与传承越来越受到人们的关注。通过GPS定位与移动终端的结合，实现智能移动终端GPS在展示古迹废墟遗址方面的优势。具体方法是，首先通过数据转换，建立虚拟场景与真实场景的区域映射；然后使用陀螺仪将摄像机的角度与智能移动终端绑定，建立虚拟角色与现实角色的姿态映射，最后通过Unity3D插件包实现虚实漫游功能，打破时间与空间限制，丰富展示作品的信息量与趣味性，并提供一种个性化的文化遗产场景浏览模式，可应用于遗址废墟如圆明园场景。

虚实漫游；GPS定位；姿态感知；智能移动终端

伴随着4G无线通信时代的到来，电子地图技术和GPS定位技术的日益完善，智能化的导游服务系统已经成为可能，而且良好的开发平台支持系统具有用户体验和景区管理功能[1]。车辆导航系统也随着行业的要求，功能越来越完善，产品的定位也将更精准[2]。2007年 Google公司发布了 Android操作系统，其源代码和开发 SDK可以免费获取，从而降低了实现智能导游系统的成本[3-4]，Android系统全开放的特点使其与未来智能终端的开发方向相吻合，所以 Android系统当之无愧地成为了移动技术的风向标[5-6]。另外，通信技术的不断变更，使GPS系统成为终端的标准配置，终端不仅是一个通信工具，还可以成为GPS定位系统[7-8]。终端平台上的 GPS应用及功能也在不断得到开拓，目前其主要还是应用于个人的定位、导航方面。但随着通信技术的进步、生产成本的降低、硬件功能的完善，终端GPS的应用将会更加广泛[9]。在这种形势下，大部分依赖人工劳动的传统导游服务已经无法满足游客日益增多的需求，因此电子导游应运而生[10]。英国在2005年6月发布了一项名为“未来旅游业之今日展望”的旅游发展战略，将市场与电子旅游推广作为主要的工作项目[11]。但是当时这些电子导游系统只具备一定的播放功能和信息查询功能，不具有智能性，更不具备再现修改前的虚拟场景。一套完善的智能电子系统应该具有以下功能：①智能导游功能，游客可以浏览并下载景区电子地图，在语音引导下游玩虚拟现实[12-13]；②智能播放功能，游客只需手持智能终端就可以自动检测和定位，智能终端会根据游客选择的播放方式对目前所处景点进行详细解说[14]；③交互功能，游客可以根据自己的兴趣选择游玩路线并参加景区内的相关活动[15]；④游客可以借助移动终端浏览几百年的景区原貌，如亲历时光的穿越[16]。为此，开放式终端的出现使智能终端有了更飞速地发展，终端GPS也将应用于更为广阔的领域。

论文以百度Android定位SDK为研究基础，以百度地图为数据源，通过 GPS定位及智能移动终端，让用户在实景与虚拟复原虚景中交互体验，感受历史更迭和文化神韵。本系统在Android上实现的虚实漫游系统的主要功能有场景真实位置获取、真实场景与虚拟场景的区域与姿态双重映射，旨在通过高科技的展示方式能让游客产生浓厚的兴趣；提高文物的展出率与传播效率。通过现实环境与虚拟环境的对比，使游客对文化遗产内容有更详尽地了解，有助于提高游客对中华民族文化遗产的自主保护意识；同时打破时间与空间限制进行文化遗址的个性浏览。这种模式将推动消费者对文化的需求，为我国旅游业带来一场数字化变革。

1　基于定位与姿态感知虚实漫游方法

依据百度地图，提出虚拟场景与地图信息匹配方法，完成虚拟场景定界定位；借助移动终端GPS，建立虚实坐标映射。由于移动 GPS偏失及信息抖动，尝试姿态感知方法。

1.1虚拟场景与地图信息匹配，完成虚拟场景定界

在百度地图上标出四个点，并根据其坐标计算出经度距离、纬度距离与实际距离的比，还需设置地形的最高高度和缩放的级别，如图1，2所示。

图1　百度经纬度区域

图2　虚拟场景区域

设4个坐标分别p01(x01,y01)，p02(x02,y02)，p03(x03,y03)，p04(x04,y04)，则：

其中，Distance (a,b)为百度测量函数，缩放级别Multiple=1。

1.2建立GPS位置信息与虚拟角色坐标映射

基于Android终端内置GPS功能，通过百度定位 SDK转换得到百度经纬度信息，然后转换成Unity3D的虚拟场景坐标，如图3，4所示。

图3　百度经纬度坐标系

图4　虚拟场景坐标系

设百度经纬度坐标系中用户位置为CurPo，坐标为(x,y)，设虚拟场景坐标系中用户位置为ObjPo，坐标为(x,z)，则CurPo与ObjPo简单映射关系为：

而实际百度坐标系横纵坐标单位不一致，需要地图信息读取模块提供的距离／经度距离比例(WidthRate)与距离／纬度距离比例(HeightRate)两个参数以及缩放参数(Multiple)共同参与，故最终转换关系为：

由于实际使用中会有用户设置偏移向量ΔV，故虚拟场景区域范围分为2种情况。

(1) 当偏移向量ΔV不存在时，设用户当前定位点CurPo为百度经纬度坐标系中一点，CurPo坐标为(x,y)，则判定其在范围内即为：，且p04.y＜CurPo.y＜p01.y同时满足时成立。

(2) 当偏移向量ΔV存在时，计算应使用虚拟场景坐标系，设用户当前坐标为ObjPo为虚拟场景坐标系中一点ObjPo坐标为(x,z)，则判定ObjPo在范围内即为，且同时满足时成立。

1.3将陀螺仪信息与虚拟摄像机旋转参数进行绑定

通过陀螺仪获取设备姿态，然后转换成四元数作为摄像机的旋转量，再乘以一个根据屏幕方向而确定的四元数即可保持屏幕视窗的垂直。即旋转四元数乘上屏幕朝向四元数保持视窗垂直方向。

其中，quatMap是陀螺仪的姿态信息；quatMult为屏幕的朝向；gyro.attitude代表陀螺仪的姿态，在Unity3D中(w,x,y,z)表示四元数。

1.4用户交互信息获取

当用户终端摄像头对准眼前古迹或废墟时，终端全球定位系统即可判断位置，并通过所提出方法请求服务器返回到古遗址信息。这样，游客可以在观览已破损的古迹时根据所处位置，在移动终端上即可呈现与现存遗迹保持同地理位置的原有景区风貌，因此在一定程度盘活旧遗址原貌，增添了历史文化品位。

2　虚实漫游方法实现

2.1定位与姿态感知流程

随着WEB信息抽取与XML文档分析技术的进一步成熟[17-18]，本文根据百度地图生成地图信息XML文档，来实现定位与姿态感知，具体流程如下：

步骤1. 建立虚拟场景的位置数据。将XML文档中4个点作为虚拟场景边界坐标值，完成虚拟场景定界。

步骤2. 读取GPS信息，通过坐标转换，映射成Unity3D的虚拟场景坐标。

步骤 3. 通过坐标转换，输出与真实位置一致的虚拟角色在虚拟场景中的坐标。

步骤 4. 获取用户姿态感知数据，完成对虚拟场景位置偏移的修正。最后通过向服务器发送带有建筑物编号的请求信息，返回建筑物详细介绍的通信模块。完成整个虚实漫游系统功能。

其系统流程图如图5所示。

图5　系统的程序流程图

2.2定位与姿态感知的虚实漫游系统实现

整个系统由以下3个主要技术路线组成：

(1) 获取用户真实位置。利用Eclipse软件：搭建Android开发环境和百度定位SDK的开发环境，输出一个二维数据作为用户真实位置。

(2) 根据二维数据计算出待展示虚拟场景的坐标位置。首先选取地图并生成XML文档；然后将三维模型进行导入，完成真实位置导入与虚拟坐标的转换。

(3) 输出一个三维向量作为虚拟场景的位置坐标。

(4) 最后通过向服务器发送带有建筑物编号的请求信息，返回建筑物介绍的通信模块。由于系统的实时性要求，必须刷新同步定位，动态跟踪展示虚拟场景。整个系统的功能结构如图6所示。

图6　虚实漫游系统的结构图

3　基于圆明园大水法的虚实漫游系统仿真

仿真实验过程，如图7所示。

图7　仿真过程

仿真过程如下：

步骤1. 打开虚实漫游系统界面，如图8所示。

图8　虚实漫游系统的基本界面

步骤 2. 在百度地图上进行位置标识，如图 9所示。

图9　百度地图进行位置选择

步骤3. 虚拟漫游系统展示，如图10所示。

图10　基于本文提出方法的虚拟漫游系统

步骤 4. 根据本文方法，通过定位和姿态感知技术使游客感受三维真实环境，并获得几乎真实的环境感受，如图11所示。

图11　用户体验的圆明园大水法场景

此方法可应用于数字化文化遗产保护和教育等领域，当游客身处某地时，只需用终端摄像头对准眼前古迹或废墟，终端里的全球定位系统通过判断位置，借助游客所在的视角，在终端上显示这处古迹在全盛时期的样貌，还能观赏到遗址上残缺部分的虚拟场景。

4　小　结

本文利用 XML文档确定虚拟场景的位置数据；采用终端GPS实现虚拟场景与地图信息匹配，并与虚拟角色定位，同时利用陀螺仪获取设备姿态，使用户设备在不同角色下均可正常工作。本文以圆明园遗址原貌复现为案例，将文化遗产内容、数字化展示以及移动终端进行整合，实现具有定位及资源感知的虚实漫游功能。让游客可以在游览过程中从不同角度观览，互不干扰。以虚实元素的各自实现构成交互展示空间的必备要素，以一定技术进行虚实融合，同时在观览过程中，根据展品内容，移动终端上还可以动态展示相关类型的文物或历史文化典故等，游客还可根据个人兴趣选择和控制，保持信息的实时处理，并随着游客走动，终端上的画面自动变换，使游客产生强烈的沉浸感和真实感。

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A Method of Positioning and Posture Perceiving Based on the Virtual-Real Roaming System

Zhao Haiying1,Chen Hong1,Mu Xiaofeng2

(Mobile Media and Cultural Calculation Key Laboratory of Beijing, Century College, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 102101, China; 2. Ning Xia Daily Media Co. LTD, Yinchuan Ningxia, 750002, China)

The paper focuses on the integration of GPS positioning technology with the emerging intelligent mobile terminal, realizing the function of cell phone GPS extension and highlighting the unique advantage in the aspect of ruins displaying. The following is the specific method, firstly, establish the region mapping of virtual scene and real scene through the data conversion; then bind the camera angle and handheld devices by using the gyroscope and set up posture mapping between virtual character and reality role; finally achieve the virtual-real roaming through plugin package Unity3D. The method breaks the limitation of time and space, enriches the information content and the interestingness of works, and provides a personalized browse mode of cultural heritage scenes. It could be applied on some ruins’ scenes such as Yuanmingyuan Imperial Garden.

virtual-real roaming system; GPS position; posture perceiving; intelligent mobile terminal

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010110

A

2095-302X(2016)01-0110-05

2015-06-30；定稿日期：2015-09-22

国家科技支撑计划课题(2012BAH48F03，2013BAH48F04)；国家自然科学基金项目(61163044)；国家社科基金重点项目(12AZD120)；北京市科委课题(Z141100001914035)

赵海英(1972–)，女，山东烟台人，副教授，博士。主要研究方向为图形图像处理、虚拟现实与文化遗产。E-mail：zhy.yn@163.com

陈洪(1976–)，女，四川达州人，副教授，博士。主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实与交互技术。E-mail：norman_chen@263.net