海鷗

（深圳博物館，廣東 深圳 518000）

博物館室內(nèi)面積大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，觀眾容易迷路或者難以到達(dá)目標(biāo)展區(qū)，因此迫切需要室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)以提升觀眾的參觀體驗。光通信技術(shù)利用室內(nèi)照明LED燈同時提供照明與定位功能[1]，定位精度高、無電磁輻射、無需額外安裝定位設(shè)備，建設(shè)成本低。本文提出一種基于可見光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航，具有定位速度快、定位精度高的優(yōu)勢，可提供實時準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航服務(wù)，可有效提高博物館觀眾導(dǎo)覽體驗、提升博物館的文化傳播功能。

1 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的需求分析

一般說來，博物館的室內(nèi)展廳規(guī)劃布局具有面積大的特點，目的是使展品有一個良好的展示空間且觀眾有一個舒適的觀賞環(huán)境。博物館建筑項目被喻為建筑工程項目的“圣杯”，因為每個博物館建筑都是經(jīng)過設(shè)計師精心設(shè)計所建，里面包含了各式各樣的功能分區(qū)。

1.1 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的必要性

對于入館參觀的觀眾來說，寬大的展廳和復(fù)雜的分區(qū)設(shè)計很容易導(dǎo)致迷路或者重復(fù)已參觀過的路線，消耗了額外的時間和體力，降低了觀賞體驗，也體現(xiàn)不出展廳空間設(shè)計與內(nèi)容設(shè)計的對應(yīng)性。因此，博物館里迫切需要為觀眾提供準(zhǔn)確的室內(nèi)定位和導(dǎo)航指引服務(wù)。通過此服務(wù)，觀眾可以快速定位自己當(dāng)前的室內(nèi)位置，并找到自己想要去的展區(qū)。

1.2 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航現(xiàn)狀

當(dāng)前使用最為廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù)（GPS）因為衛(wèi)星信號被博物館建筑遮擋，無法應(yīng)用于博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航中。而其他的一些室內(nèi)定位技術(shù)如藍(lán)牙、ZigBee、射頻識別標(biāo)簽（RFID）、WiFi等則有如下缺點：一方面，這些技術(shù)的定位精度不高，均在米級，如WiFi的精確度為3米；另一方面，這些基于射頻技術(shù)的定位方法都會產(chǎn)生電磁干擾，可能影響博物館各類監(jiān)測設(shè)備的正常工作、阻塞通信設(shè)備的工作頻段等；此外，這些定位方法都需要額外安裝定位設(shè)備，可能破壞博物館的藝術(shù)設(shè)計效果和整體風(fēng)格，如二維碼定位需要在墻上張貼二維碼標(biāo)簽圖。

2 可見光室內(nèi)定位技術(shù)

可見光室內(nèi)定位技術(shù)是一種利用LED照明燈作為基站發(fā)送可見光信號幫助用戶定位當(dāng)前位置的技術(shù)[2]。通常LED被用作可見光信號發(fā)射裝置發(fā)送攜帶LED的標(biāo)識符、幾何位置信息或任何對定位有幫助信息的定位信號，光電二極管或圖像傳感器被用來接收這些信號，并通過解碼、解調(diào)等信號處理后恢復(fù)出原始信息，再由相應(yīng)的定位算法計算得到具體位置坐標(biāo)。目前，可見光室內(nèi)定位常用的定位方法可以分為四大類：近似感知法，指紋識別法，三角測量法，視覺分析法。近似感知技術(shù)利用來自單個LED燈的信號來確定當(dāng)前位置，每個LED燈都分配了一個唯一的標(biāo)識符，當(dāng)用戶從LED燈的燈光信號里面獲得該標(biāo)識符時，通過查詢與該標(biāo)識符關(guān)聯(lián)的LED燈安裝位置即可獲知自身所在的區(qū)域坐標(biāo)。近似感知法定位速度快，所給出的當(dāng)前位置即LED燈光覆蓋的范圍。指紋識別法即通常所說的場景分析，是通過匹配在線測量數(shù)據(jù)和預(yù)先測量的位置相關(guān)數(shù)據(jù)來估計相對位置的定位技術(shù)。由于博物館中觀眾的走動可能會產(chǎn)生不確定的遮擋，所以在不同位置測量數(shù)據(jù)的指紋會有所不同，對精度有一定的影響。三角測量法使用三角形的幾何性質(zhì)來進行絕對定位，可分為測距法和測角法。測距法利用移動設(shè)備到多個LED燈的測量距離來估計移動設(shè)備的位置；而測角法需測量接收端相對于多個參考光源之間的接收角度，再通過方向線的交點定位目標(biāo)。視覺分析算法的基礎(chǔ)是圖像處理，利用真實世界中物體的三維位置和它們在圖像傳感器平面上的二維位置之間的幾何關(guān)系來計算物體的位置坐標(biāo)。

3 基于可見光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)

本文提出了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，既利用照明LED燈發(fā)送定位信息，使用戶可以獲得自己當(dāng)前的位置，并進一步支持觀眾到期望目標(biāo)展區(qū)的路線規(guī)劃和實時導(dǎo)航。如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：可見光定位LED燈具和可見光定位導(dǎo)航終端。

圖1 可見光通信室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 可見光定位LED燈具

可見光定位LED燈具的主要功能是提供照明并發(fā)送可見光定位信號。每具可見光定位LED燈具通過內(nèi)嵌的微控制器對預(yù)分配的唯一標(biāo)識符進行線路編碼得到適合可見光傳輸線路和照明功能的調(diào)制碼字，再由燈具驅(qū)動器以開關(guān)鍵控調(diào)制方式驅(qū)動LED燈具“開/關(guān)”，發(fā)送對應(yīng)的可見光信號，所發(fā)送的的標(biāo)識符唯一地與該燈具安裝的空間坐標(biāo)（x，y）相關(guān)聯(lián)。

3.2 可見光定位導(dǎo)航終端

可見光定位導(dǎo)航終端的主要功能是以成像的方式接收可見光定位LED燈具所發(fā)送的可見光定位信號并完成定位計算，進而支持路線規(guī)劃和實時導(dǎo)航?？梢姽舛ㄎ粚?dǎo)航終端采用CMOS圖像傳感器對可見光定位LED燈具所發(fā)送的“開/關(guān)”交替的可見光信號進行成像，并基于快門效應(yīng)將時間上交替的亮滅燈光信號轉(zhuǎn)換為圖像上的明暗相間的條紋圖像；通過對捕獲的圖像進行圖像預(yù)處理得到編碼信息后，譯碼得到該燈具的唯一標(biāo)識符并查詢“坐標(biāo)”映射，即可獲得該標(biāo)識符所對應(yīng)的空間坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，如果觀眾指定想到達(dá)的目標(biāo)位置，終端會采用路徑規(guī)劃算法設(shè)計出行進路線。在觀眾行進過程中，終端繼續(xù)不斷地捕捉沿途的可見光定位LED燈具并實時更新當(dāng)前位置。

3.3 圖像預(yù)處理

通常，CMOS傳感器所獲取的原始圖像會因為受到某種干擾而含有噪聲，惡化了圖像質(zhì)量，甚至淹沒圖像特征，嚴(yán)重影響后續(xù)圖像處理和分析。因此，為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要采取一定的措施對圖像進行預(yù)處理。常用的方法有：灰度化、濾波去噪和二值化?？紤]到博物館中只有室內(nèi)LED照明燈光，無其他光源干擾，本系統(tǒng)主要采用圖像二值化方法。圖像二值化的意思就是將原圖像轉(zhuǎn)化為只有黑和白兩種色度值的圖像。二值化后的圖像具有存儲空間小、處理速度快等特點，且支持對圖像直接的布爾運算，可以比較容易地獲取目標(biāo)區(qū)域的位置、大小、邊界等幾何特征，后續(xù)圖像處理與分析可以更為簡便。

3.4 路線導(dǎo)航

可見光定位導(dǎo)航終端會基于用戶的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置規(guī)劃路線并在用戶行進時及時給出指示，引導(dǎo)用戶經(jīng)由最合理的路線到達(dá)目的地。路線導(dǎo)航算法通常使用基于圖論的最短路徑算法，常用的最短路徑算法為Dijkstra算法。該算法于1959年提出，用于解決非負(fù)權(quán)有向圖的單源最短路徑問題，是一種基于迭代的圖搜索算法。其主要思想是首先從源點求出長度最短的一條路徑，然后通過對路徑長度迭代得到從源點到其他各目標(biāo)節(jié)點的最短路徑，可在有向圖上找到從源節(jié)點到所有其他節(jié)點的最短路徑，在此過程中還將生成最短路徑樹。

4 博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航的衍生導(dǎo)覽服務(wù)

現(xiàn)在各博物館智能導(dǎo)覽主要還是需要觀眾用手持設(shè)備掃描二維碼或輸入展品數(shù)字來進行信息的獲取。由于博物館室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)是集成在智慧博物館系統(tǒng)之下，通過該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換和智能推送功能，可在觀眾在博物館內(nèi)導(dǎo)航行進的途中將沿途重要展品、場景的各類信息推送給觀眾。觀眾可以選擇自己感興趣的展品，室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)會按照觀眾的選擇實時更改行進中的導(dǎo)航路徑，使得觀眾能更快捷地到達(dá)此展品位置[3]。這樣不僅可以讓觀眾避開人群集中的博物館常規(guī)設(shè)置參觀路徑，也能讓觀眾每次來博物館都有不同的參觀體驗，更能讓觀眾按照自己的興趣愛好在展廳內(nèi)行走，按照自己的節(jié)奏來進行參觀。博物館也能給觀眾提供輕松、自由的參觀服務(wù)，實現(xiàn)“以人為本”的服務(wù)宗旨。

本文提出了一種基于可見光通信的博物館室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)照明LED燈廣播發(fā)送位置信息從而實現(xiàn)用戶室內(nèi)定位，具有定位速度快、定位精度高、無電磁干擾、建設(shè)成本低的優(yōu)勢，可提供實時準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航服務(wù)。通過其衍生的導(dǎo)覽服務(wù)可以進行參觀沿途的展品信息推送功能，可有效提高室內(nèi)博物館觀眾導(dǎo)覽體驗、提升博物館的文化傳播功能。■