| 标题 | 基于VGI的普通相机更新室内地图技术初探 |
| 范文 | 郧晓光 王燕云 郧晓畅 梁丽芳 摘 要：以普通相机生成点云模型的试验，介绍了基于VGI的普通相机照片进行室内地图更新的方法和步骤，验证了基于VGI实现低成本室内地图更新的可行性，对需要注意的问题，给出了实用有效的建议。 关键词：普通相机；点云模型；VGI；室内地图；更新 随着全球定位系统（GPS）与手机的不断结合，户外的导航应用极大的改变了人们的生活方式。近年来，人们对准确的室内导航定位服务的需求不断增强，如用于应急救援、反恐、大型百货定位等。目前，伪卫星、超宽带（UWB）和WIFI技术的深入发展，为实现室内高精度导航定位提供了可靠的信号源，但是不断变换室内场景为室内地图的及时更新提出了更高的要求。而大量的人工投入及高昂的成本限制了这一更新速度。随着志愿者地理信息（Volunteered Geographic Information，VGI）的出现，这一问题得到了很好的解决。VGI是随着地理信息科学在信息时代发展出现的新概念，认为地理信息的创建、维护与应用可由大众完成。在大数据、云计算等技术的支持下，普通人可以使用包括手机在内的带有GPS功能的移动终端完成将包含丰富地理信息的各类数据的上传与标注，形成VGI数据。而地理信息从业人员可以通过对VGI数据的开发实现相关地理信息的快速、实时更新，极大地分担官方更新、维护的工作量，节省运行成本。 本文通过普通手机拍摄的相片获取并生成点云模型，验证了基于VGI数据快速获取及更新室内地图的可行性，并对后期处理软件进行了比较，为该技术在实际中的應用提供了参考。 一、使用普通相机进行室内地图更新实验 使用普通相机进行室内地图更新一般包括照片拍摄、点云数据获取和点云匹配更新三个步骤。 本文以使用普通相机采集更新室内地图实验为例，以点云数据获取时间及对象级更新时间作为指标，介绍其一般步骤、验证其可行性及更新过程中出现的问题。 （一）使用普通相机进行室内地图更新的一般步骤 （1）拍摄照片。在完成拍摄照片的准备后，对更新场景进行连续拍摄。由于在实际拍摄中，可能存在物体旋转、缩放或亮度变化等情况，因此需要精确识别物体的局部特征，保证相邻照片的重叠度以便进行快速、准确的匹配。 （2）点云数据获取。通过照片匹配的结果，将图像坐标齐次化，利用射影定理计算得到相机位置、深度等场景内外参数信息，再利用获取的场景信息与原始照片进行结合，通过多视立体重建（Multi-view Stereo Reconstruction）得到由众多三维坐标点组成的物体三维点云数据。 （3）完成更新。将获取的物体三维点云数据与室内点云模型进行匹配，通过删除误差、点云拼合等步骤，最终完成室内地图的更新工作。 （二）本次实验情况 本次实验将现场的一个工位作为更新对象，使用像素为2000万的国产品牌手机进行拍摄，将点云数据获取时间小于等于12小时和对象级更新小于等于24小时作为实验可行性的考核指标。 为保证实验数据的可靠性，实验共重复操作5次，取平均值作为最终结果。实验情况见表1和表2（表中时间单位为分钟。） 在本次实验中，使用普通相机获取点云数据的平均时间为107分钟，进行对象级更新的平均时间为564分钟。结合实验结果与考核指标的比对，证明使用普通相机进行室内地图更新是可行的，其中各项工序随着熟练度的提高其耗时还能缩短，VGI模型的生成质量随着算法的改进也可以得到提升。 （三）有关问题及解决方法 本次实验虽然证明了使用普通相机获取点云数据及更新室内地图的可行性，但是仍有许多问题需要注意和处理。 （1）关于照片拍摄。一是为保证点云模型还原相似度，用于采集数据的相机像素不可过低；二是为方便后期控制点的选取，保证VGI数据更新和原始数据的理想对接，在照片拍摄过程中，手机应尽量水平不要抖动，避免照片虚化，同时还应保证相片间至少有30%的重叠度。 （2）关于图像匹配。当前，有关图像匹配的方法很多，本次实验采用的是尺度不变特征变换算法（Scale-in-variant Feature Transform，SIFT），该算法具有匹配结果数量大、准确率高的优势。因该算法利用像素信息进行匹配，所以还需利用对极约束剔除误匹配，从而提升匹配准确率，提高点云质量。 （3）关于三维建模软件。本次实验选取了两款三维实景建模软件Smart 3D和PhotoScan进行了比较。如图2、图3所示，通过点云模型获取和最终还原效果的比较，在本次实验中PhotoScan从现场还原率、桌面物体纹理及局部变形情况等方面还原效果要好于Smart 3D。 二、结语 由于实验条件的限制，本次实验对于各类相机、软件的实验尚不充分，通过实验验证了使用普通相机获取点云数据用于室内地图更新的可行性，证明了利用VGI可以实现低成本自主更新。对于如何提升更新数据与原始数据的匹配度、简化更新操作步骤及降低普通用户操作难度，将是未来研究的方向。 参考文献： [1]马牧运，张爱武，等.手持数码相机获取场景三维点云的实现[J].光学与光电技术，2011：9（3）. [2]熊光洋，黄志安，等.单目相机姿态估计的点云与图像融合[J].测绘科学，2016：41（2）. 作者简介：郧晓光，男，汉族，河北石家庄人，硕士，高级工程师，主要从事地理信息成果应用及系统开发。 |
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