AR導航在室內(nèi)場景應(yīng)用方案探討

蔣佳蘋，周 瑩，耿 霏（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 概述

導航，一個人類生活起居每天都需要面臨話題，幾個世紀前人們使用羅盤進行導航，21 世紀人們使用百度地圖、高德地圖進行導航。但是即使有這么多信息設(shè)備的輔助，很多人仍然有過這樣的經(jīng)歷：來到一個自己不熟悉的場景，特別是在一些GPS 信號不準確的室內(nèi)場所，很難在建筑物內(nèi)部找到一些特定的地點。用戶調(diào)研顯示，在一些大型的機場、火車站、醫(yī)院等，用戶往往需要更多的時間才能找到特定位置，其主要原因是在這些大型的室內(nèi)場所中，GPS 信號不準確，并且這些建筑往往面積很大、內(nèi)部路線復雜，當用戶對場景不熟悉時，找到特定位置就存在很大的困難。

目前存在著不少的室內(nèi)定位導航技術(shù)，比如藍牙定位導航、UWB 定位導航、iBeacon 定位導航等。但是這些定位導航技術(shù)，一方面需要鋪設(shè)專有硬件，硬件的購買和維護需要投入不少資金；且一般室內(nèi)場景，諸如機場、火車站、醫(yī)院等都有著嚴格的頻譜管理，不允許架設(shè)單獨的頻譜資源。另一方面，不管是基于藍牙還是iBeacon 都需要用戶在操作的時候打開藍牙信號，存在泄露用戶隱私的風險；同時，基于藍牙或者iBeacon 的定位導航無法給用戶提供圖文引導，只是基于2D地圖的導航，無法實現(xiàn)在室內(nèi)的精準導航。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，AR 技術(shù)成為了室內(nèi)導航的最佳選擇?；跈C器視覺的AR 導航技術(shù)不需要鋪設(shè)任何硬件設(shè)備，用戶只需要一部手機即可實現(xiàn)穩(wěn)定精準的室內(nèi)導航。本文主要聚焦討論AR 導航方案的技術(shù)實現(xiàn)，優(yōu)劣勢分析，重點探討了AR 導航在三大場景的應(yīng)用分析和增值業(yè)務(wù)拓展，至于具體的網(wǎng)絡(luò)部署對標暫不詳議。

2 現(xiàn)有室內(nèi)導航技術(shù)分析

與室內(nèi)導航相對于室外衛(wèi)星導航一統(tǒng)天下的情況不一樣，室內(nèi)導航呈現(xiàn)了百花齊放的狀況。目前使用較多的3 種室內(nèi)導航分別是基于Wi-Fi 的室內(nèi)定位導航、基于藍牙的室內(nèi)定位導航和基于UWB的室內(nèi)定位導航。

2.1 Wi-Fi室內(nèi)定位導航技術(shù)

Wi-Fi定位基本原理如圖1所示。

圖1 Wi-Fi定位基本原理

a）每一個無線AP 都有一個全球唯一的MAC 地址，并且一般來說無線AP 在一段時間內(nèi)是不會移動的。

b）設(shè)備在開啟Wi-Fi 的情況下，即可掃描并收集周圍的AP 信號，無論是否加密，是否已連接，甚至在信號強度不足以顯示在無線信號列表中的情況下，都可以獲取到AP廣播出來的MAC地址。

c）設(shè)備將這些能夠標識AP 的數(shù)據(jù)發(fā)送到定位服務(wù)器，服務(wù)器檢索出每一個AP 的地理位置，并結(jié)合每個信號的強弱程度，計算出設(shè)備的地理位置并返回到用戶設(shè)備。

d）無線AP 與基站基本不會移動的情況不同，位置服務(wù)商要不斷更新、補充自己的數(shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

Wi-Fi定位方法目前主要有2種，分別是三角定位和指紋定位。

2.1.1 三角定位

如果已知周圍AP 的位置，移動設(shè)備可以檢測各AP的無線信號強度，利用信號衰減模型估算出移動設(shè)備與各個AP 的距離，然后根據(jù)移動設(shè)備到周圍AP 的距離畫圓，其交點就是該設(shè)備的位置。很容易發(fā)現(xiàn)，三角定位算法需要提前知道AP 的位置，因此不適合使用在環(huán)境變化較快的場合。Wi-Fi 三角定位示意如圖2所示。

圖2 Wi-Fi三角定位

2.1.2 指紋定位

事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，繪制一幅信號Map。指紋定位通過將新加入的設(shè)備的信號強度與擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進行對比，來確定位置。指紋定位相比三角定位算法精度更高，但是采集工作量大，并且要定期進行維護。Wi-Fi指紋采集如圖3所示。

圖3 Wi-Fi指紋采集

Wi-Fi 定位導航可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)，但是用于室內(nèi)定位的精度只能達到2 m左右，無法做到精準定位。

2.2 藍牙室內(nèi)定位導航技術(shù)

藍牙技術(shù)是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于小范圍定位。藍牙信標技術(shù)目前部署的比較多，也是相對比較成熟的技術(shù)。該技術(shù)最先由諾基亞發(fā)起。2013 年，蘋果發(fā)布了基于藍牙4.0 低功耗協(xié)議（BLE）的iBeacon 協(xié)議，主要針對零售業(yè)應(yīng)用，引起了廣泛關(guān)注。iBeacon 藍牙信標技術(shù)的正常運作，需要藍牙信標硬件、智能終端上的應(yīng)用、云端上的應(yīng)用后臺協(xié)同工作。iBeacon室內(nèi)定位如圖4所示。

圖4 iBeacon室內(nèi)定位

信標通過藍牙向周圍廣播自身的ID，終端上的應(yīng)用在獲得附近信標的ID 后會采取相應(yīng)行動，如從云端后臺拉取此ID 對應(yīng)的位置信息、營銷資訊等。終端可以測量其所在地的接收信號強度，以此估算其與信標間的距離。因此，只要終端附近有3 個或3 個以上的信標，就可以用三角定位方法計算出終端的位置。

藍牙定位技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC 以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍牙功能的移動終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍牙功能開啟，藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備，且信號傳輸不受視距的影響。根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法，精度可保持在3 m～15 m。

目前藍牙定位技術(shù)的主要問題在于需要高密度部署藍牙信標，加之軟件費用較高，且iBeacon 在電池耗盡后需要更換，系統(tǒng)成本偏高。

2.3 UWB室內(nèi)定位導航技術(shù)

UWB 技術(shù)是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點，使它在室內(nèi)定位時能得到較為精確的結(jié)果。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA 演示測距定位算法，就是通過信號到達的時間差，利用雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)（包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)）。超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)包括UWB 接收器/UWB 基站、主動UWB 標簽、定位引擎和后臺管理系統(tǒng)。定位過程中由UWB 接收器接收標簽發(fā)射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元/定位引擎進行測距定位計算分析。UWB定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 UWB定位系統(tǒng)架構(gòu)

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供0.1 m～0.5 m 級定位精度等優(yōu)點。但是就目前的情況而言，UWB 設(shè)備價格昂貴，部署成本比較高，雖然在專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛且表現(xiàn)極佳，但難以進入消費級市場。

3 AR實景導航技術(shù)方案

與傳統(tǒng)技術(shù)方案（Wi-Fi、藍牙、GPS、UWB）對比，AR 實景導航方案無需使用藍牙、GPS等傳統(tǒng)的導航技術(shù)，可以有效避免大量硬件的安裝與維護，節(jié)省大量施工維護時間和費用成本。AR 實景導航主要依托高精度室內(nèi)地圖與計算機視覺技術(shù)，可以為室內(nèi)場景提供穩(wěn)定、精準的AR實景導航。

3.1 AR實景導航方案

AR 實景導航方案是基于機器視覺的導航方式，以ARCore、ARkit 的AR 通用能力為基礎(chǔ)，使用公眾號承載AR 導航功能，并開發(fā)匹配多種移動終端。使用AR 導航后，舉起手機即可自動開啟攝像頭，進入AR導航模式，可在真實的道路畫面中直觀地看到轉(zhuǎn)向、直行、轉(zhuǎn)彎和目的地等箭頭標識，用戶直接跟著箭頭走即可，同時配備語音提示，極大降低了讀圖的理解成本。AR 實景導航能在復雜的室內(nèi)場景，提供快速、便捷、精準的實景導航。AR 實景導航方案架構(gòu)如圖6所示。

圖6 AR實景導航方案架構(gòu)

高精度混合現(xiàn)實空間感知平臺包含高精地圖云服務(wù)、采集和開發(fā)完整的工具鏈、集成領(lǐng)先的各類AI算法。

整體平臺以云服務(wù)形式呈現(xiàn)，分為四大云服務(wù)模塊：定位服務(wù)、重建服務(wù)、地圖服務(wù)和基礎(chǔ)服務(wù)。在四大基礎(chǔ)能力模塊之上搭建采集工具，對接ISV 等開發(fā)者。同時對接前端APP、小程序、H5 頁面及內(nèi)容工具等內(nèi)容。支持接入unity 版本、Web 版本等業(yè)務(wù)SDK。支撐豐富的內(nèi)容運營工具鏈及用戶3D 地圖、2D 地圖等數(shù)據(jù)。

AR 實景導航使用視覺的三維重建技術(shù)來解決地圖構(gòu)建和路徑計算的問題，視覺定位技術(shù)來提供更高精度的定位能力以及傳感器位置推算與渲染技術(shù)來實現(xiàn)更加精確的AR 交互顯示，其算法原理和流程如圖7所示。

圖7 AR導航算法和流程

高精度視覺定位系統(tǒng)通過實景數(shù)據(jù)采集以及服務(wù)端建圖的方式對環(huán)境進行全方位建模。系統(tǒng)將采集包括不同時間、不同天氣的數(shù)據(jù)，建立全面的時空數(shù)據(jù)模型。

客戶可以使用手機、平板電腦等設(shè)備的攝像頭掃描環(huán)境，將攝像頭獲取的圖像傳到云端，通過AI 算法提取關(guān)鍵信息與空間建模信息進行匹配，獲取圖片對應(yīng)視角的位置和姿態(tài)信息并返回到移動端設(shè)備。根據(jù)環(huán)境不同的特征情況，定位平均精度在0.5 m 之內(nèi)，實現(xiàn)厘米級全域高精度環(huán)境定位。AR 導航精度如圖8所示。

圖8 AR導航精度

高精度增強現(xiàn)實空間感知平臺的核心功能是結(jié)合云端高精度定位和移動端6DoF 實時跟蹤的空間計算能力。

在移動端6DoF實時跟蹤能力上，可以根據(jù)不同的移動終端，設(shè)計和實現(xiàn)最優(yōu)的SLAM 解決方案。包括面向通用手機的SLAM 方案，面向AR 眼鏡的SLAM 算法，以及面向H5 和小程序的SLAM 算法，實現(xiàn)覆蓋終端和平臺最廣的6DoF 實時跟蹤引擎。根據(jù)不同終端和平臺選擇最優(yōu)的算法方案，充分發(fā)揮了平臺的特性，給用戶提供最優(yōu)的AR效果。

空間計算深度融合了高精度定位能力和移動端6DoF 實時跟蹤能力，使得用戶既可以在局部場景有較好的實時AR 體驗，又可以在大場景、長時間的AR 體驗中保持定位和跟蹤精度。

3.2 AR實景導航優(yōu)勢

3.2.1 高精度AR定位和導航性能

AR導航之所以在室內(nèi)場景高度可用，是因為基于目前的室內(nèi)導航技術(shù)來看，導航定位精度很低，無法給客戶提供高精度導航服務(wù)。而AR 導航是基于機器視覺及AI技術(shù)，基于高精度混合現(xiàn)實空間感知平臺實現(xiàn)的AR 導航系統(tǒng)可達到很高的性能。具體定位導航精度如表1所示。

表1 導航精度表

3.2.2 跨平臺和多終端表現(xiàn)方式

AR 導航技術(shù)支持IOS 和Android 操作系統(tǒng)，支持小程序、H5、APP 等多種展示方式，客戶可以根據(jù)對應(yīng)的需求選擇合適的表現(xiàn)方式。尤其是在微信公眾號和小程序盛行的今天，如果為了導航讓客戶下載一個APP，對客戶來說是一個負擔，AR 導航方案可以根據(jù)客戶的需求進行個性化定制。

3.2.3 高可用的云端定位服務(wù)

室內(nèi)定位導航最重要的是穩(wěn)定可用。在用戶需要接入時，基于高精度混合現(xiàn)實空間感知平臺構(gòu)建的云端定位系統(tǒng)，支持動態(tài)擴展和高并發(fā)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求進行擴容和動態(tài)調(diào)整。

3.2.4 大規(guī)模、高效率地圖采集和重建能力

AR 導航中很重要的一部分是需要對場景進行采集和建模，目前可支持低成本和高效率的采集，采集速度可達每人每天采集10萬m2。AR 導航的高精度混合現(xiàn)實空間感知平臺支持構(gòu)建超100萬m2的大規(guī)模三維地圖，并且每1 萬m2的建圖時間小于2 h（單臺服務(wù)器），可實現(xiàn)超高效率的地圖重建。

3.2.5 AR內(nèi)容可運營、可更新

利用云端管理后臺工具，可實現(xiàn)AR 內(nèi)容的實時更新和按需運營，如AR 指示牌的主題、地點可根據(jù)實際活動需要自定義編輯更新，滿足業(yè)務(wù)場景變更的需求。

3.3 AR實景導航應(yīng)用存在的問題

3.3.1 缺少統(tǒng)一底層平臺

AR導航之所以能在室內(nèi)場景提供高精度定位，是因為導航依賴于底層平臺和導航算法。該算法需要和ARCore 和ARkit 進行適配。目前市場上缺乏統(tǒng)一的底層平臺，多個技術(shù)廠家都各為一家，導致AR 導航在使用的時候需要分別去適配不同的手機導航算法，會存在部分終端無法適配的情況，且適配工作量大，會從側(cè)面增加AR導航部署成本。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署成本較高

為了保證AR 導航的使用，需要部署5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)，當建筑很復雜時，會導致成本較高。另外，在大場景下使用AR 導航，例如覆蓋面積達到100 萬m2，建模產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，為了保證用戶使用效果需要在本地建筑物附近部署MEC。部署MEC 涉及到硬件設(shè)備的采購、軟件的部署等，對于企業(yè)來說也是一項成本支出。

3.3.3 終端需適配

AR 導航是通過底層平臺建模，利用導航算法調(diào)用手機硬件，同時要使用手機硬件的SLAM 能力等。AR 導航是基于消費者個人用戶的產(chǎn)品，如果要廣泛鋪開，就意味著需要適配硬件廠商的每一款手機。但是，目前這項工作存在困難：第一是個人用戶使用的手機種類過多，無法一一適配，只能適配對應(yīng)的手機系統(tǒng)軟件版本，這樣會導致部分手機被遺漏；第二是每款手機會存在個性化的問題，必須在使用過程中才能發(fā)現(xiàn)問題。基于以上困難，AR 導航在實際用戶使用的時候，無法100%保證每個用戶的使用效果。

4 AR實景導航在室內(nèi)應(yīng)用場景

4.1 AR實景導航在醫(yī)院應(yīng)用場景

大型醫(yī)院建筑面積大，科室眾多，患者在就診時常因為無法及時找到對應(yīng)科室而耽誤就診。據(jù)上海某醫(yī)院的引導護士介紹，“請問xxx 地方怎么走”此類問題他們每天都要回答上萬次。而醫(yī)院內(nèi)存在大量用于診治的信息設(shè)備，傳統(tǒng)的藍牙導航和Wi-Fi 導航都無法使用，因為需要架設(shè)單獨頻段，會影響到這些信息設(shè)備的使用。對醫(yī)院來說采用AR 實景導航迫在眉睫。

AR 實景導航可以集成在醫(yī)院官方公眾號上，為患者提供便捷的導航服務(wù)。無需架設(shè)單獨的頻段，無需用戶采購硬件設(shè)備?；颊呤褂米约旱氖謾C，即可實現(xiàn)在真實的道路畫面中直觀地看到轉(zhuǎn)向、直行、轉(zhuǎn)彎和目的地等箭頭標識，用戶直接跟著箭頭走即可，同時配備語音提示，極大降低了讀圖的理解成本，能在復雜的醫(yī)院場景，提供快速、便捷、精準的實景導航。AR實景導航醫(yī)院應(yīng)用如圖9所示。

圖9 AR實景導航醫(yī)院應(yīng)用

4.2 AR實景導航在商業(yè)空間應(yīng)用場景

大型商場建筑面積大，容納商家多，消費者在購物時經(jīng)常無法及時找到對應(yīng)商家的位置，給消費者帶來不少困擾。據(jù)調(diào)查顯示，“請問xxx 地方怎么走”，導購臺每天都要回答幾千個類似的問題。另外，新的營銷模式層出不窮，消費者越來越不能滿足于平面的、2D的宣傳廣告。消費者想要更加直觀地了解商品，甚至希望能夠借助AR 技術(shù)和商品或商店吉祥物進行互動。

AR 實景導航可以集成在商場官方公眾號、小程序或者APP 上，為消費者提供精準的室內(nèi)導航服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，導航系統(tǒng)與商場運營系統(tǒng)打通后，可提供AR 導覽、AR 景觀、AR 紅包、AR 游戲等商場內(nèi)空間互動體驗，不斷為線下商場引流，實現(xiàn)線上線下流量互通，促進店家銷售轉(zhuǎn)化，AR 實景導航商超應(yīng)用如圖10所示。

圖10 AR實景導航商超應(yīng)用

4.3 AR實景導航在景區(qū)& 博物館應(yīng)用場景

無論是景區(qū)、博物館還是展廳，通過部署AR 實景導航解決方案，不僅能解決復雜場景下導覽體驗差的問題，還能基于該方案實現(xiàn)AR 虛擬導游、文物3D 化展示、歷史場景復原、建筑可閱讀、互動游戲、AR 尋寶等虛實融合的全新交互體驗，多維度和游客深度連接，有效提升線下流量。AR 實景導航文旅應(yīng)用如圖11所示。

圖11 AR實景導航文旅應(yīng)用

5 結(jié)束語

隨著C 端用戶不斷強調(diào)個體感知，大量服務(wù)于人群的室內(nèi)建筑不得不提供室內(nèi)導航服務(wù)。雖然Wi-Fi定位導航、藍牙定位導航和UWB 定位導航，可以在一些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤功能，但是這些室內(nèi)導航定位方法受限于精度、硬件設(shè)備采購換新、成本等問題，目前無法面對C端用戶所在區(qū)域大規(guī)模展開使用。從導航定位數(shù)字化成長空間和技術(shù)發(fā)展來看，不同行業(yè)、不同場景的豐富需求是AR實景導航發(fā)展的動力，AR代表著業(yè)界最先進技術(shù)，AR 實景導航方案不僅能滿足當前和未來企業(yè)導航定位的各種需求，在建設(shè)模式方面還可以根據(jù)需求靈活部署。隨著AR 技術(shù)逐漸成熟，AR 實景導航方案將不僅為用戶提供實景導航功能，還可以通過AR 導航和不同行業(yè)不同場景的業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，使技術(shù)更好地賦能人類生活。