多模态融合室内智能导航系统

陈福陆 魏晓巍 韩立伟 何淑庆

摘 要：如今，尽管室外导航系统采用GPS技术具有精度高、范围广等优点，但是室内定位却受到墙体、障碍物等影响，导致定位精度下降。其中，精度低和资源开销高是最普遍的共性问题。本文采用3D渲染技术、Rline算法、传感器信息收集等技术构建多模态融合室内智能导航系统，能够更好地管理定位系统和设备之间的通信，从而进一步提高定位精度和效率。

关键词：室内定位；精度；资源开销

中图分类号：TP311.52  文献标识码：A

室内定位技术随着科技的不断发展而同步提升，其商业和使用价值越来越受到人们的重视。它可以用于多种基于位置的服务，如室内导航、室内定位、室内广告投放等。随着人们对室内定位技术的需求不断增加，室内定位技术的市场规模也在不断扩大。据研究报告显示，2021年我国室内定位行业需求量达到15593套，较2020年增长11.0%。预测整个室内定位将具有与GPS相当的市场规模，即100亿美元。这表明，室内定位技术已成为一个具有巨大商业和使用价值的科技发展。

尽管室内定位技术面临着许多挑战和限制，如信号干扰、建筑物遮挡等问题［1］ ，但研究人员努力开发出了新的技术和算法，以提高精度和稳定性，并为室内定位技术的广泛应用打下坚实的基础。未来，随着室内定位技术的不断发展和完善，相信它将为人们的生活带来更多的便利和帮助［2］ 。

1 国内外相关研究

室内定位技术是现代智能化建筑中不可或缺的一部分。它可以通过使用无线信号或传感器等技术来确定人或物体的位置信息，从而实现室内导航、监控和智能家居等应用。室内定位技术的应用前景广阔，可以应用于医院、商场等领域，提高服务效率和质量，具有重要意义［3］ 。然而，由于红外线技术的局限性，如易受光线干扰和穿透性差等问题，室内定位技术的应用受到了限制。为了解决这些问题，百度等公司也相继推出了自己的室内定位系统［4］ 。iBeacon技术是一种基于蓝牙低功耗技术的室内定位系统，可以实现高精度的定位。而在我国，启动了“羲和”计划，该计划的目标是开发出一种高精度、高可靠性的室内定位系统，以满足人们对室内定位技术的需求［5］ 。该系统将采用多种技术，如蓝牙低功耗、WiFi、惯性导航等，以实现高精度的定位［6］ 。

2 研究内容

室内定位导航系统是多年来受到广泛关注的一个领域，随着智能手机和移动设备的普及，人们对室内定位导航系统的需求越来越迫切。传统的单一技术室内定位系统难以满足人们的需求［7］ ，因此，本文提出了一种基于移动设备传感器的信息收集系统、多数据融合的方向测量方法和基于三维信息空间的定位方法相结合的室内定位导航系统，以提高定位精度和准确度。该系统采用了多种技术和大型开放地图OpenStreetMap，可以获取更加准确的地理位置信息［8］ 。其中，基于移动设备传感器的信息收集系統是该系统的核心技术之一。该系统可以通过手机的加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器获取用户的行走、转向、转弯等行为信息，并将这些信息进行处理，从而实现用户的室内定位。此外，该系统还采用了多数据融合的方向测量方法，该方法可以将不同传感器获取的数据进行融合，从而提高定位的准确度和稳定性。通过多数据融合，可以消除单一传感器的误差，从而提高定位的准确度和稳定性。最后，该系统还使用了基于三维信息空间的定位方法，实现更加准确的定位信息。该方法通过将室内建筑的三维信息与用户的行为信息进行融合，可以实现更加准确的定位信息。通过基于三维信息空间的定位方法，可以克服传统定位方法中存在的误差和不确定性，从而提高定位的准确度和精度［9］ 。

2.1 三维信息的收集与存储

随着Web技术的不断发展，Web3D渲染技术已经成为实现3D模型渲染的一种重要方式。Web3D技术可以将3D模型呈现在浏览器中，使得用户可以在不需要安装任何插件的情况下直接查看和交互3D模型。这种技术的发展也为各种应用场景带来了更多的可能性。在Web3D渲染技术中，基于模板的三维信息表达方式是一种常用的方式。这种方式可以实现对现有数据的兼容，对三维细节信息的扩展，以及对数据存储的优化。基于模板的三维信息表达方式可以将3D模型分解为一系列的基本单元，然后使用模板来描述这些基本单元的形状和属性。这种方式可以大大减少数据的存储空间，并且可以实现快速的模型检索和编辑。随着5G技术的高速发展，移动端3D渲染技术也可以在5G技术的支持下满足室内定位时反复渲染场景的需求。5G技术的高速传输和低延迟特性可以保证3D模型的实时渲染和交互，从而为室内定位和导航等应用场景提供更好的用户体验。

在基于模板的三维信息表达方式中，空间局部性和重复性是实现快速存储与检索的关键。通过对模型进行分割和分类，可以将模型分解为一系列的基本单元，并且对这些基本单元进行编码和存储。这样可以大大减少数据的存储空间，并且可以实现快速的模型检索和编辑。在服务器端和客户端之间建立联系也是实现数据可视化、模型编辑以及数据生成的关键。通过建立服务器端和客户端之间的通信机制，可以实现数据的实时传输和交互。这样可以为用户提供更好的用户体验，并且可以实现更高效的数据处理和管理。

Web3D渲染技术在浏览器上实现3D模型渲染的方式已经成为一种重要的技术。随着5G技术的高速发展，移动端3D渲染技术也可以在5G技术的支持下满足室内定位时反复渲染场景的需求。通过利用空间局部性和重复性来构建大量的模板信息，可以实现快速存储与检索，并在服务器端和客户端建立联系以实现数据可视化、模型编辑以及数据生成。

2.2 实时消失点检测与方向测量

随着智能手机的普及，人们已经可以使用手机进行室内导航。但是，由于室内电磁环境的影响，导航的精度可能会受到一定程度的影响。因此，计算机视觉中的消失点方向测量方法成为一种可行的选择，因为它可以提供更高的精度。然而，消失点方向测量方法在移动端需要大量的计算资源。为了解决这个问题，研究人员提出了一种名为Rline线段检测方法的算法。该算法通过检测与预设直线相交的线段来减少计算量和资源开销。此外，通过卡尔曼滤波来过滤方向信息，可以进一步提高检测精度，实现低资源开销、部署成本低的实时消失点检测与方向测量。

Rline线段检测方法的优点在于它可以在低资源开销的情况下提供高精度的线段检测。这意味着它可以在移动设备上实现，并且可以在实时环境中进行消失点检测和方向测量。此外，该算法的部署成本也比较低，因为它不需要太多的硬件资源和专业知识，并且随着智能手机的不断普及，室内导航已经成为一种非常普遍的需求。而Rline线段检测方法可以提供一种低资源开销、高精度的消失点检测和方向测量方法，从而为室内导航提供更好的支持。

图2 消失点检测与方向测量系统构造框架图

2.3 基于三维信息的室内定位系统

3DLoc是一种基于移动设备传感器和图像数据实现室内定位的方法。它是一种新兴的技术，通过抓取三维目标并结合图像数据实现消失点多模态检测，计算消失点位置，再通过消失点估算目标边缘并检测目标，最后生成多个潜在位置筛选出正确位置。这种方法可以自动实现定位和方向信息，适用于移动端的应用需求。它可以在室内环境中实现高精度的定位和方向信息，而且不需要额外的硬件设备，只需要使用移动设备的传感器和摄像头即可。这使得3DLoc成为一种非常实用的技术，可以广泛应用于各种移动应用程序中，例如室内导航、虚拟现实游戏、室内定位等。

3DLoc的实现需要使用多种技术，包括计算机视觉、图像处理、机器学习、传感器技术等。它需要对图像进行分析和处理，提取出图像中的消失点和目标边缘，然后使用机器学习算法进行分类和识别，最后生成多个潜在位置，筛选出正确的位置。这些技术的应用使得3DLoc能够实现高精度和高效率的定位和方向信息。

2.4 多信息融合的室内定位系统与应用

室内定位技术的需求不断增加，随着物联网和智能家居的发展，人们对于室内定位技术的精度和实时性要求也越来越高。然而，传统的室内定位技术如WiFi定位、藍牙定位等存在着信息丢失、遮挡和实时性差等问题，无法满足人们的需求。

为了解决这些问题，本文提出了一种采用融合内置传感器和三维信息的定位方法。该方法分为三个阶段，首先基于3DLoc计算潜在位置生成粒子，然后通过传感器估计用户位置，并用粒子滤波器跟踪和约束，最后利用3DLoc计算潜在位置对用户运动轨迹进行矫正，实现更精准的室内定位。具体来说，先利用3DLoc技术计算出用户的潜在位置，然后根据这个位置生成一些粒子。这些粒子代表了用户可能所在的位置，数量越多，定位精度越高。接下来，通过内置传感器（如加速度计、陀螺仪、磁力计等）获取用户的实时位置信息，并利用粒子滤波器对其进行跟踪和约束。粒子滤波器是一种基于贝叶斯滤波的算法，可以根据传感器信息和潜在位置粒子的权重来估计用户的位置，从而实现更精准的定位。最后，在用户移动过程中，由于3DLoc技术存在一定的误差，可能会导致用户的运动轨迹出现偏差。为了解决这个问题，可以利用3DLoc技术再次计算出用户的潜在位置，并对用户的运动轨迹进行矫正，从而实现更精准的室内定位。

总的来说，采用融合内置传感器和三维信息的定位方法可以提高定位精度并减少时间开销，适合移动端使用。这种方法可以广泛应用于智能家居、智能办公室、医院、商场等场景，为人们提供更加智能和便捷的服务。

3 结论

多模态室内定位导航系统是一种基于多种传感器和技术的室内导航系统，可以帮助用户在室内环境中准确地定位和导航。在该系统中，三维信息的收集和存储是非常关键的，因为它提供了室内环境的准确和详细的表示。同时，实时消失点检测和方向测量也是重要的技术，可以帮助系统更准确地感知用户的位置和方向。

另外，该系统还使用了室内定位技术来确定室内信息和用户轨迹，这可以帮助系统更好地理解用户的行为和需求。此外，该系统还融合了内置传感器和三维信息的定位方法，以优化精度和降低开销。这种方法可以提高系统的可靠性和实用性，使用户能够更轻松地在室内环境中进行导航。

最后，多模态室内定位导航系统的实现使用多种技术和传感器的协同作用，以提供准确和实用的室内导航体验。该系统可以广泛应用于商业、医疗、教育等领域，为用户提供更好的室内导航服务。

参考文献：

［1］牛建伟，齐之平，吕卫锋，等.基于多信息融合的室内定位系统［J］.物联网学报，2017，1（01）：5566.

［2］龚峰，宋熠.室内定位技术研究［J］.软件，2016，37（04）：812.

［3］彭业顺，李嘉玲，徐振飞，等.蓝牙室内定位技术综述及展望［J］.日用电器，2021，192（12）：5864.

［4］陈献，王贵鑫.室内定位技术发展及应用研究［J］.科学技术创新，2019（17）：8385.

［5］赵雨境.基于蓝牙技术的室内定位系统设计［J］.物联网技术，2020，10（01）：5155.

［6］赵旋旋，韩李涛，郑莹，等.室内导航模型研究综述［J］.软件导刊，2016，15（05）：13.

［7］薛伟莲，赵娣，张颖超.室内定位研究综述［J］.计算机与现代化，2020，297（05）：8088.

［8］黄增士.基于三维信息的室内定位导航系统研究与应用［D］.中国科学技术大学，2018.

［9］黄家豪.基于多模态的空间定位系统研究与实现［D］.浙江工业大学，2019.

基金项目：本文为2022年山东省大学生创新创业训练计划项目（877）研究成果之一；临沂大学2022年创新创业校级重点项目（51822303）研究成果之一

作者简介：陈福陆（2001— ），男，山东济宁人，本科在读，研究方向：计算机软件开发；魏晓巍（1995— ），男，山东临沂人，研究生在读，研究方向：深度学习；韩立伟（2002— ），男，山东潍坊人，本科在读，研究方向：计算机软件开发。

*通讯作者：何淑庆，男，山东临沂人，博士研究生，讲师，研究方向：服务计算、流数据处理、搜索引擎。