金 龍

（湖南科技大學，湖南 湘潭 411201）

基于Google Maps全景圖的出租車道路模擬駕駛系統(tǒng)

金 龍

（湖南科技大學，湖南 湘潭 411201）

在出租車行業(yè)中，“繞路”占據(jù)民事糾紛或投訴的最大比例，造成這種情況的原因除了駕駛員職業(yè)道德因素外，很大一部分原因在于駕駛員對道路的熟悉程度不夠。從基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術特點入手，分析了將全景虛擬展示方法用于出租車駕駛員熟悉道路培訓的可行性和有效性，最后介紹了Google Maps全景圖與模擬駕駛設備相結合的培訓系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。

google maps；street view；全景圖；模擬駕駛

出租車從業(yè)人員素質培訓中，很少有將道路熟悉培訓列入培訓內(nèi)容的，駕駛員只能從現(xiàn)實中積累經(jīng)驗，然而這種方法周期長、成本高，還經(jīng)常因走錯路線被乘客投訴。詳細論述了全景虛擬展示在模擬道路環(huán)境的實現(xiàn)原理，并運用地理信息系統(tǒng)（GIS）結合出租車行業(yè)需求，為司機提供快速查詢街道詳情、模擬行車引導，建立一套模擬培訓系統(tǒng)。

1 背景知識

1.1 虛擬現(xiàn)實和全景虛擬展示

虛擬現(xiàn)實 VR（Virtual Reality）是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面，通過計算機技術模擬出一個逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的三維虛擬環(huán)境，使參與者獲得與現(xiàn)實世界一樣的空間體驗。隨著數(shù)字圖像處理設備及數(shù)字圖像技術的發(fā)展，基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術的應用越來越廣泛[1]。

全景虛擬展示，是基于圖像的虛擬現(xiàn)實技術，使用專用相機在離散的觀測點捕捉360°空間范圍場景的全部圖像信息，再由圖像處理軟件進行拼接，組織為虛擬全景空間，用戶可以在該空間內(nèi)以觀測點為中心環(huán)視，從而虛擬出一個現(xiàn)實環(huán)境中的場景[2]。全景虛擬展示具有照片質量的真實感，適合風景旅游、城市街道、室內(nèi)環(huán)境的展示等。全景虛擬展示技術主要有以下優(yōu)點：

1）數(shù)據(jù)易于采集。僅需要在適當點采集圖像信息，數(shù)據(jù)量小，不會消耗過多的時間和計算機資源，有利于實現(xiàn)對連續(xù)場景的漫游。

2）成本低廉。不需要專用虛擬現(xiàn)實硬件設備，如三維頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等，僅需要一臺普通電腦就足夠了。

3）逼真度高。由于圖像信息是實際場景的照片，因此，基于圖像的虛擬現(xiàn)實場景會有照片質量的真實感。

4）無需幾何建模。建立幾何模型是一個既費時又費力的工作，基于圖像的虛擬現(xiàn)實場景是由照片拼接而成的封閉空間，不需要復雜的幾何建模。

5）便于網(wǎng)絡傳輸。與其它建模方式相比，全景圖數(shù)據(jù)的體積更小，適于網(wǎng)絡應用[8]。

1.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）是一門集計算機科學、信息學、地理學等多門科學為一體的新興學科，它是在計算機軟件和硬件支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)。

當今GIS已經(jīng)不再被看作為一個技術系統(tǒng)或是計算機系統(tǒng)，而已被看作是一門學科，一門技術。是地圖學，攝影測量與遙感，地理學，計算機科學與技術等多門學科綜合發(fā)展的產(chǎn)物，是一種重要的空間數(shù)據(jù)處理、集成和應用工具。

基于Google Maps全景圖的出租車道路模擬駕駛系統(tǒng)是Web和GIS相結合，即利用Web技術來擴展和完善地理信息系統(tǒng)的一項新技術。

1.3 Google Maps全景圖

Google公司于 2005年推出了在線地圖軟件 Google Maps，并公布了Google Maps API，API由JavaScript實現(xiàn)。Google Maps包含了大量的、多層次的影像。它為我們提供了一個開放的平臺。

基于Google Maps全景圖的出租車道路模擬駕駛系統(tǒng)使用了Google Maps全景圖，它是Google Maps的一項特色服務，能夠通過輸入坐標或地名觀賞當?shù)亟志叭皥D。

2 全景虛擬展示在駕駛培訓中的應用

全景虛擬展示在駕駛培訓中的應用主要是對道路，建筑等進行展示，給駕駛員一種身臨其境的體驗，使用者可以通過操作方向盤等駕駛設備360°的觀看周圍場景。

與實地熟悉道路相比該系統(tǒng)有很多優(yōu)點。首先，該系統(tǒng)有較大的靈活性和多樣性，能方便的在各個地點間進行訓練，還能夠實現(xiàn)街道名，地名，建筑物的查詢；其次，由于采用了地理信息系統(tǒng)技術，該系統(tǒng)能夠對任意兩點間的最短路徑進行分析并進行模擬對比駕駛，顯而易見的糾正駕駛員的錯誤；最后，使用該系統(tǒng)還能夠有效的提高安全性，提高培訓效率，有效的減少資源消耗，大大降低運營成本，為創(chuàng)建節(jié)約型社會提供了一條新思路[4]。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

由于 Java語言所特有的平臺無關性，網(wǎng)絡分布性等特性，使得它成為該系統(tǒng)開發(fā)的主要語言，此外，系統(tǒng)還使用了Google Maps API和JavaScript腳本語言，系統(tǒng)的運行僅需要tomcat支持和通暢的網(wǎng)絡環(huán)境。根據(jù)功能和開發(fā)方式不同，系統(tǒng)按如下方案進行設計。

3.1 系統(tǒng)結構模塊和功能設計

圖1

虛擬駕駛培訓系統(tǒng)提供了三大功能：自駕車漫游，查詢街道詳情，模擬行車引導。

系統(tǒng)將整個業(yè)務分為表示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三層結構。其中表示層位于最外層，是展現(xiàn)給用戶的界面，負責處理用戶請求并返回處理結果；邏輯層在體系結構中處于數(shù)據(jù)層與表示層中間，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用，負責響應用戶請求，并通過Ajax技術與數(shù)據(jù)層進行交互，處理來自模擬駕駛設備的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層負責與模擬駕駛設備進行通信，獲取駕駛設備的操作參數(shù)。系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)從Google數(shù)據(jù)庫獲取Google Maps全景圖數(shù)據(jù)，并通過JNI技術從信息采集卡獲取模擬駕駛設備操作數(shù)據(jù)。用戶通過操作模擬駕駛設備與Google Maps全景圖進行交互。

圖2 模擬駕駛設備

另外，由于開發(fā)方式不同，系統(tǒng)又將Google Maps服務器、表示層和部分邏輯層的歸為圖形部分；模擬駕駛設備、數(shù)據(jù)層和部分邏輯層歸為駕駛部分。模擬駕駛設備采用的是上海碩博科教設備有限公司生產(chǎn)的SB-2009型汽車駕駛模擬器，如圖2所示。

3.2 關鍵技術

1）JNI技術

JNI是Java Native Interface的縮寫，它允許Java代碼和其他語言的代碼進行交互。JNI是為了本地已編譯語言，尤其是C和C++而設計的，當已經(jīng)有了一個用其他語言寫成的庫或程序，而你希望在Java程序中使用它時，JNI可以實現(xiàn)這一目標。JNI還可以使用一些舊的庫，與硬件、操作系統(tǒng)進行交互，或者提高程序的性能。JNI標準能夠保證本地代碼能工作在任何Java虛擬機下。

該系統(tǒng)使用了模擬駕駛設備，該設備的操作信息采集卡接口是用C++語言編寫的，因此需要使用JNI技術。使用JNI技術與本地C++代碼交互，會喪失平臺的可移植性，但虛擬駕駛培訓本身為專有系統(tǒng)，可接受一定的可移植性損失。

2）prototype.js

prototype.js是Sam Stephenson寫的一個非常優(yōu)雅的，兼容標準的JavaScript基礎類庫，對JavaScript做了大量的擴展，而且很好的支持Ajax，能幫助使用者輕松建立有高度互動的Web 2.0特性的客戶端頁面。

這個程序包里面包含了許多預定義的對象和通用性方法，使用這些方法能夠減少大量的重復編碼和慣用法。系統(tǒng)中使用prototype類庫不但減少了代碼量而且對于Ajax的支持使得系統(tǒng)能夠異步的請求模擬駕駛設備的操作數(shù)據(jù)，使得用戶體驗更加流暢。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.3.1 表示層

該系統(tǒng)使用了Google Maps全景圖數(shù)據(jù)。Google Maps為開發(fā)者提供了用于二次開發(fā)的API，其接口函數(shù)由JavaScript實現(xiàn)，通過API可以操作全景圖進行瀏覽、漫游，并通過設置定時器以車輛行駛速度為參數(shù)定時的加載地圖。其實現(xiàn)流程如下：

圖3 全景圖顯示流程

3.3.2 邏輯層

系統(tǒng)邏輯層主要負責響應用戶請求和處理從數(shù)據(jù)層獲取的數(shù)據(jù)，更新車輛行駛參數(shù)，以控制全景圖的方向，刷新速度等。系統(tǒng)使用了prototype.js類庫和Ajax技術以異步的方式發(fā)送請求并從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)。

其中，a表示方向盤轉動參數(shù)，a'表示行駛方向角度變化；v表示油門大小參數(shù)，v'表示v對應的行駛速度。

倒車和加速操作將通過全景圖的顯示方向和刷新速度來控制，此外，系統(tǒng)會記錄當前位置的前后兩景圖像，以便能夠較迅速和流暢的響應前進和倒車操作。

3.3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層負責與模擬駕駛設備交互，從信息采集卡中讀取數(shù)據(jù)，信息采集卡中的程序由C++編寫，因此需要通過JNI進行實現(xiàn)。其實現(xiàn)步驟是：

1）將C++編寫的文件生成動態(tài)連接庫

2）將DLL文件放置到系統(tǒng)path變量所指定的任何目錄中

3）將C++程序中的方法在Java類中進行一個本地化聲明

4）通過Java的程序加載DLL動態(tài)鏈接，這樣執(zhí)行到本地方法時，虛擬機會從已加載的DLL中尋找到被Java調用的本地方法。

3.4 功能模塊演示

系統(tǒng)主要提供了3個功能：查詢街道詳情，自駕車漫游，模擬行車引導。如圖4所示。

查詢街道詳情：是由用戶輸入所要查詢的地點或街道名稱后，系統(tǒng)自動搜索最匹配的位置，并顯示該地點的全景圖，進而查看該地點環(huán)境或從該點開始漫游。若該地點沒有全景圖數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將顯示距離該點距離最近的全景圖數(shù)據(jù)。

自駕車漫游：在進入某地點全景圖以后，操作模擬駕駛設備，全景圖的視野也會隨之變化，用戶可以自由的在城市街道中穿行。在交叉路口處，系統(tǒng)將根據(jù)距離路口最近的采樣點時方向盤角度來決定轉彎方向。系統(tǒng)設置靜止不動，也就是油門沒有踏下的時候，操作方向盤不能夠改變視角。此外，將檔位放至R擋，全景圖視野將會掉轉180°行駛。

模擬行車引導：用戶輸入起始點和目的地后，系統(tǒng)首先顯示起始點的全景圖，同時生成一條最短路徑顯示在地圖上，用戶從起始點開始行駛，系統(tǒng)會記錄經(jīng)過的路線，與系統(tǒng)生成的路徑進行對比顯示，用戶將對自己所犯的錯誤一目了然。如果用戶對當?shù)芈窙r不熟，點擊“自動駕駛”按鈕，系統(tǒng)將會自動引導車輛沿最短路徑行駛至目的地，用戶不需要再操作模擬駕駛設備。

圖4 系統(tǒng)效果圖

4 結束語

本系統(tǒng)將模擬駕駛設備和Google Maps全景圖結合起來，為駕駛員培訓或需要熟悉道路的人員提供了一個安全、方便、高效的平臺。通過該系統(tǒng)，用戶能夠身臨其境的在城市中漫游，直觀明了的糾正駕駛路線。

在此基礎上，系統(tǒng)還擬將多視點全景圖與平滑漫游技術引入進來，進一步提升系統(tǒng)的真實感和沉浸感[5]。

[1] 劉思鳳,賈金原.基于 Web的虛擬旅游環(huán)境的開發(fā)及其關鍵技術[J].計算機應用研究,2008,25(9).

[2] 全政環(huán).360°全景技術的應用和發(fā)展歷程[J].電腦知識與技術,2010,6(3):713-715.

[3] 劉思鳳,賈金原.基于 FLASH 的湛江虛擬旅游全景漫游與導航系統(tǒng)[J].廣東海洋大學學報,2009,29(3).

[4] 董志貴,王金武,秦佳,劉建生.基于 GIS和虛擬現(xiàn)實技術的駕駛訓練、績效測評系統(tǒng)開發(fā)[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2008,39(1):124-128.

[5] 李怡靜,張劍清.多視點全景圖與平滑漫游的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程:圖形圖像處理,2009,35(12).

[6] Google. Google Maps API[EB/OL].http://code.google.com/intl/zh-CN/apis/maps/documentation/re ference.html.

[7] 羅立宏，陳志.Google Earth在旅游景點展示中的應用[J].計算機工程:開發(fā)研究與設計技術,2009,35(3).

[8] 張建立.基于X3D和Panorama的虛擬校園建設[J].高等職業(yè)教育—天津職業(yè)大學學報:2009,18(6).

[9] 鄢志武,馬祥山,吳麗.旅游景區(qū)三維全景虛擬展示研究—以云南石林世界地質公園為例[J].理論與實踐:理論月刊,2009,(4).

Design and Implementation of a Taxi Road Training System Based on Google Maps Panorama

In the taxi industry, the "detour" occupies the largest share of disputes or complaints. This situation may not only result from the fact that the driver’s ethical factor, but also for the driver is not sufficiently familiar with the road. Start with image-based virtual reality technology to the features of virtual panoramic display methods, discusses the realistic feasibility of the use for training taxi drivers to familiar with the road. And finally introduces the panorama of Google Maps and driving simulator training equipment combined system.

google maps；street view；panorama；simulated driving

TP311

A

1008-1151(2012)05-0028-03

2012-03-21

金龍（1983－），男，黑龍江大慶人，湖南科技大學碩士研究生，研究方向為WebGIS與移動計算。