近日，谷歌宣布推出 AR 室內(nèi)導(dǎo)航功能，在機場、中轉(zhuǎn)站和購物中心等場景下為用戶提供路線指引，幫助用戶找到最近的電梯和自動扶梯、登機口、站臺、行李認(rèn)領(lǐng)、登機柜臺、售票處、洗手間、自動取款機等。
這一 AR 室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)突破了傳統(tǒng)室內(nèi)導(dǎo)航平面化、易讀性低的局限性，增強了圖像精確性、數(shù)據(jù)廣泛性，不僅為用戶帶去室內(nèi)導(dǎo)航的新奇、個性化體驗，也為線下零售等行業(yè)帶來潛在應(yīng)用價值。
本文將從 AR 對室內(nèi)導(dǎo)航地圖易讀性的突破、AR 導(dǎo)航從室外到室內(nèi)的轉(zhuǎn)變、AR 室內(nèi)導(dǎo)航的發(fā)展前景三方面對 AR 室內(nèi)導(dǎo)航進行解析。
一、室內(nèi)導(dǎo)航的 AR 突破：二維躍升三維，地圖易讀性提升
基于 AR 室內(nèi)導(dǎo)航，用戶自己的位置、所在樓層能夠被識別，進而通過箭頭和信息標(biāo)記等 AR 疊層指引，到達目的地。
這些指示雖看起來簡單，但卻是以往室內(nèi)地圖、藍牙信標(biāo)定位、Wi-Fi 信號定位、GPS 定位等室內(nèi)導(dǎo)航方法無法做到的。
室內(nèi)地圖，是最為傳統(tǒng)的一種，例如圖書館書架的檢索地圖。該方法通過大量數(shù)據(jù)采集，制作索引圖，讀者通過每本書籍的專屬編號進行導(dǎo)航查找。然而，大型室內(nèi)環(huán)境的地圖制作與表達耗費巨大，普適性并不高。
藍牙信標(biāo)定位法較受歡迎。依托藍牙，智能手機軟件能大致得到用戶在地圖上的位置，從而進行路線規(guī)劃和導(dǎo)航。但由于藍牙傳輸距離較短，從而導(dǎo)致其在商場、寫字樓等大型室內(nèi)環(huán)境中會產(chǎn)生極高的部署和維護成本。
另外一種解決方案是基于 Wi-Fi 信號進行定位和導(dǎo)航。但由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，Wi-Fi 信號很容易受環(huán)境的變化而改變，因此維護成本依然很高，精度也受到 Wi-Fi 路由器部署密度、環(huán)境穩(wěn)定性、訓(xùn)練時長等因素的制約。
GPS 定位法雖被廣泛使用，但信號穿透力差、定位精度低，只適用于二維平面，確定用戶的大致位置但無法確定方向，在大型建筑群內(nèi)部無法發(fā)揮作用。
▲GPS 信號從建筑物立面彈落
谷歌本次推出的 AR 室內(nèi)導(dǎo)航，配備全新視覺定位系統(tǒng)（Visual Positioning System；VPS），可彌補以上方法的不足。
谷歌 AR 室內(nèi)導(dǎo)航功能（Indoor Live View）依托 VPS 技術(shù)來確定用戶室內(nèi)所在方位，并通過可視化處理手段將虛擬路線與實際室內(nèi)場景相結(jié)合。
視覺定位系統(tǒng) VPS 不同于 GPS，不依靠信號來定位，而是依靠圖像。
首先，工程師通過 VPS 可以創(chuàng)建本地化地圖，這種方式被稱為即時定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mApping；SLAM）。通過拍攝一系列具有已知位置的圖像并分析視覺特征，VPS 可以創(chuàng)建地圖并建立快速搜索索引，例如建筑物、橋梁等。
其次，當(dāng)用戶需要室內(nèi)導(dǎo)航定位時，VPS 會將相機鏡頭視圖與 VPS 索引視圖相匹配，通過攝像頭、陀螺儀、加速器、重力感應(yīng)器等手機內(nèi)置慣性傳感器（Inertial Measurement Unit；IMU）數(shù)據(jù)，借助運動追蹤、環(huán)境感知等人工智能算法進行比較分析，從而確定手機用戶相對于現(xiàn)實世界的位置和方向。
最終，在方位呈現(xiàn)上，VPS 可以將指引箭頭、字幕信息等標(biāo)簽特效疊加到攝像頭實時采集的現(xiàn)實圖像中，并依托光線估計技術(shù)讓虛擬內(nèi)容更好地融入真實世界。光線估計技術(shù)能讓手機攝像頭感知當(dāng)前環(huán)境的照明條件，對虛擬圖像進行顏色矯正，從而在虛擬和真實圖像結(jié)合時增強真實感。
二、AR 導(dǎo)航的室內(nèi)轉(zhuǎn)變：圖像精確性和數(shù)據(jù)廣泛性的提高
自 2019 年起，谷歌便開始上線 AR 導(dǎo)航功能（Live View）。依托 VPS 視覺定位系統(tǒng)和谷歌街景圖庫，幫助用戶在戶外獲取精確的導(dǎo)航路線。在后續(xù)的更新中，用戶還可以通過 AR 導(dǎo)航識別周邊地標(biāo)，讓用戶更清楚自己在城市中的位置。
從室外導(dǎo)航到室內(nèi)導(dǎo)航，到底有多難？
展覽館、博物館、商場、交通樞紐等大型室內(nèi)場景環(huán)境復(fù)雜，規(guī)模巨大，并存在很多無紋理空間區(qū)域和視覺歧義區(qū)域，地圖數(shù)據(jù)的采集、制作及表達是一大難點。同時，伴隨光照、視點變化，用戶如何精準(zhǔn)快速地實現(xiàn)重定位也是一項挑戰(zhàn)。谷歌有著不少技術(shù)突破。
第一個技術(shù)突破是圖像精度提升。10 多年前，谷歌開始推出街景地圖，用戶可以擁有“人眼視角”的地圖瀏覽體驗，但起初這些街景數(shù)據(jù)并未實現(xiàn)本地化。圖像數(shù)據(jù)本地化能夠為物體、地點等圖片添加更多注釋性標(biāo)簽信息，幫助用戶進行快速理解。
為了使用 VPS 實現(xiàn)全球本地化，谷歌使用從全球超過 93 個國家收集和測試的信息將其與街景數(shù)據(jù)連接起來。這個豐富的數(shù)據(jù)集通過三角測量提供了數(shù)萬億個強大的參考點，幫助人們更精確地確定設(shè)備位置，并引導(dǎo)人們前往目的地。
▲谷歌三角測量法精確定位建筑
雖然該方法在理論上效果很好，但在實踐中仍存在挑戰(zhàn)，問題在于：本地化時，手機實時圖像可能與收集街景時的場景不同。例如樹木細節(jié)會隨著季節(jié)變化，甚至隨著風(fēng)力大小變化，無法獲得良好的匹配。
為突破該技術(shù)，谷歌利用機器學(xué)習(xí)來過濾場景中的臨時、易變的事物圖像，聚焦于場景中的固定結(jié)構(gòu)圖像。這項技術(shù)進步，也讓如今的 AR 室內(nèi)導(dǎo)航更為精確。
另一個技術(shù)突破，是數(shù)據(jù)的快速獲取。
機場、商場、醫(yī)院…… 眾多建筑物群意味著谷歌需要拍攝大量公共場景的室內(nèi)圖像。在此前的室外街景數(shù)據(jù)庫建構(gòu)中，谷歌從早期的街景車、街景三輪車、街景手推車，再到便捷輕便的街景背包（Trekker），逐漸完善圖像采集方式。
▲左邊為舊款街景背包，右為新款
街景背包下方是背包主體，頂部是球形裝置，裝備了 15 個 500 萬像素的攝像頭。通過這種背包，圖像采集員可以拍到汽車也進不去的犄角旮旯之地。
由此，在室內(nèi)公共場景的圖像采集中，谷歌可以通過自己的街景背包，派遣大批承包商通過某地的機場、車站或商場，快速拍攝獲取 VPS 數(shù)據(jù)。
谷歌表示，AR 室內(nèi)導(dǎo)航將首先在芝加哥、長島、紐約、洛杉磯、紐瓦克、新澤西、舊金山、圣何塞、加州和西雅圖的一些購物中心推出。未來幾個月，它還將在東京和蘇黎世的機場、商場和中轉(zhuǎn)站推出。
不過，AR 室內(nèi)導(dǎo)航的發(fā)展目前還存在一些薄弱環(huán)節(jié)，如重視產(chǎn)品的開發(fā)與落地卻對用戶與功能需求了解不足、地圖信息表達追求可視化逼真效果卻缺少目的性和合理性、相關(guān)呈現(xiàn)應(yīng)用的硬件開發(fā)較為滯后等。
三、AR 室內(nèi)導(dǎo)航的發(fā)展前景：場景拓寬、用途增加、設(shè)備延展
當(dāng)前，AR 室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)正在加速發(fā)展，除谷歌外，國內(nèi)百度、高德等也在技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用場景的探索中。
以百度為例：
2016 年 11 月，百度上線 AR 步行導(dǎo)航功能，導(dǎo)航界面包含了羅盤、路線、轉(zhuǎn)向標(biāo)、途徑點和終點氣泡、滾軸誘導(dǎo)提升、路線全覽等元素，配合語音提醒提升用戶步行導(dǎo)航體驗。2017 年 4 月，百度新增 AR 導(dǎo)航卡通人物“圖圖”，通過大眼萌物提升 AR 引導(dǎo)趣味性。2020 年 12 月，百度地圖聯(lián)合百度大腦 DuMix AR - 視覺定位服務(wù)平臺推出 AR 室內(nèi)導(dǎo)航功能 ——AI 室內(nèi)通。
AI 室內(nèi)通通過視覺定位與增強服務(wù)（visual positioning and augmenting service；VPAS），為用戶提供高精度 6DoF 定位能力。VPAS 技術(shù)通過基于圖像的三維重建技術(shù)構(gòu)建商場的高精幾何地圖，然后利用場景理解算法、3D 視覺定位算法實時計算用戶的準(zhǔn)確位置。在實際復(fù)雜環(huán)境的實測定位精度可達 1 米，目前已上線北京清河萬象匯、北京雙安商場、上海 2049 翡翠公園商場等場景。同時，該技術(shù)還可用于工業(yè)巡檢、物流分揀等場景。
高德、搜狗雖在室外步行 AR 導(dǎo)航和車載導(dǎo)航技術(shù)上相對成熟，但暫未發(fā)現(xiàn)涉足 AR 室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域。
地圖大廠之外，商湯科技也在 AR 室內(nèi)導(dǎo)航方面進行探索。由浙江大學(xué) - 商湯科技三維視覺聯(lián)合實驗室與商湯產(chǎn)品團隊聯(lián)合打造的商湯科技 SenseMARS 火星混合現(xiàn)實平臺采用稀疏點云地圖技術(shù)重建高精度 3D 地圖，通過 IMU 傳感器計算當(dāng)前設(shè)備的 6DoF 位姿，結(jié)合 SLAM 技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位和 AR 導(dǎo)航。
未來，依托 AI 和 IoT 技術(shù)的發(fā)展，AR 室內(nèi)導(dǎo)航可以讓用戶看到物理空間的數(shù)字屬性，如店鋪虛擬標(biāo)牌、促銷信息、商場人數(shù)、店鋪人流量等實時信息。用戶透過手機便可實時感知餐廳是否需要排隊，潮流店鋪有哪些商品促銷。同時，結(jié)合用戶畫像，AR 室內(nèi)導(dǎo)航將為用戶帶去個性化的線下場景體驗。在 AR 呈現(xiàn)上，室內(nèi)導(dǎo)航設(shè)備也將從手機拓展到 AR 眼鏡、AR 頭顯等硬件，解決手機顯示 AR 地圖為用戶帶來的眩暈和眼部疲勞。
值得一提的是，中國信通院的報告《虛擬（增強）現(xiàn)實白皮書 2021》中表示，AR 依托 Inside-out 技術(shù)日趨成熟，追蹤定位將呈現(xiàn)集視覺相機、IMU 慣性器件、深度相機、事件相機等多傳感融合的發(fā)展趨勢。AR 室內(nèi)導(dǎo)航將在業(yè)界、學(xué)界等的共同參與下向好發(fā)展。
結(jié)語：AR 室內(nèi)導(dǎo)航將成行業(yè)發(fā)展新趨勢
在地圖的表現(xiàn)形式上，AR 技術(shù)在人、地圖、環(huán)境方面的融合有著無可比擬的優(yōu)勢。因此，在谷歌推出 AR 室內(nèi)導(dǎo)航之際，一定程度上或能掀起國內(nèi)外 AR 室內(nèi)導(dǎo)航發(fā)展的新潮流。
從百度、高德、搜狗等地圖大廠的布局可以看出，百度先人一步，在北京、上海、貴州、廊坊等地的部分購物中心推出 AR 室內(nèi)導(dǎo)航功能，后續(xù)將持續(xù)在該領(lǐng)域發(fā)力。高德地圖緊隨其后，已于今年起升級 AR 步行導(dǎo)航功能，或許不久后將進入室內(nèi)場景的探索。
在當(dāng)下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，AR 室內(nèi)導(dǎo)航將在 AI、IoT 技術(shù)的支撐下，激活大型室內(nèi)場景的空間利用率，拓寬行業(yè)邊界，為眾多智慧產(chǎn)業(yè)帶來更多可能性。我們期待未來 AR 導(dǎo)航對全球所有室內(nèi)公共場景的全覆蓋。
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