唐明鈺

摘? ?要：隨著信息化時代的發(fā)展，定位技術(shù)的實際落地能力一直被人們所關(guān)注。室外定位通常借助于GPS或北斗衛(wèi)星等，其發(fā)展已十分成熟，定位準確且應(yīng)用也較為豐富。室內(nèi)定位的發(fā)展則相對較為緩慢，隨著社會活動越來越多的發(fā)生在室內(nèi)，如何提高室內(nèi)定位的用戶體驗，成為很有意義地研究課題?；?G邊緣云與計算機視覺的AR室內(nèi)定位解決方案，吸納了計算機視覺定位的部署便利、精度高以及5G邊緣云時延低、算力強等特點，用以提升用戶體驗。

關(guān)鍵詞：5G邊緣云;計算機視覺;室內(nèi)定位

目前常見的用于室內(nèi)定位的技術(shù)手段有射頻識別、超寬帶、藍牙、紅外線、超聲波、WiFi，ZigBee等。其中，多數(shù)定位技術(shù)方案所使用的傳感器感知信息量有限，魯棒性差，如紅外線、藍牙等;或者部署成本大、場地改造性價比低，如UWB;又或者定位能力受限于終端類型，如WiFi。同時，室內(nèi)定位對定位精度的要求也相對較高，往往需要達到分米級（甚至厘米級）定位精度。因此，如何快速部署準確度高的室內(nèi)定位技術(shù)，也是業(yè)界較為關(guān)注的問題，基于5G邊緣云與計算機視覺的增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）其室內(nèi)定位解決方案應(yīng)運而生。

1? ? 基于5G邊緣云與計算機視覺的AR室內(nèi)定位解決方案

1.1? 5G邊緣云

5G作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之首，可以與人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，快速賦能垂直行業(yè)。其最為顯著的特點是大帶寬、低時延以及海量連接，與之相應(yīng)的應(yīng)用場景有：高清4K/8K直播、AR/VR/全息實時業(yè)務(wù)播放與互動，無人機、車聯(lián)網(wǎng)等對時延敏感的業(yè)務(wù)，智能家居、智慧工廠等海量物聯(lián)網(wǎng)場景中物與物、人與物以及人與人之間的連接。

5G邊緣云，相對于傳統(tǒng)的2G，3G，4G網(wǎng)絡(luò)，在5G核心網(wǎng)用戶面下沉的基礎(chǔ)上，又在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署MEC邊緣計算設(shè)備，使得業(yè)務(wù)部署更加靈活。各類邊緣用戶的終端數(shù)據(jù)處理直接在本地進行即可，不必一一通過核心網(wǎng)，再度降低了網(wǎng)絡(luò)對用戶響應(yīng)的時延，也減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞的風險。各類創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用可直接部署上云，充分利用5G邊緣云技術(shù)的特點，從而滿足垂直行業(yè)的不同業(yè)務(wù)需求。

1.2? 增強現(xiàn)實及視覺SLAM

在計算機視覺中，機器人用攝像機代替眼睛，收集外部世界的圖像;用算法代替神經(jīng)，對輸入的圖像視頻流進行運算;用處理器（CPU或者GPU）代替大腦，進行信息的存儲和運算。隨著人工智能的發(fā)展，計算機視覺領(lǐng)域還在不斷深入研究，各分支的研究與應(yīng)用也在不斷突破，AR就是基于計算機視覺的人工智能的重要分支之一。

AR是指通過對外部世界信息的捕捉，疊加相應(yīng)的視覺特效技術(shù)，把虛擬影像疊加在現(xiàn)實場景中并呈現(xiàn)于屏幕上。相對于一般的平面圖像而言，它更加立體形象，并配以聲音（未來甚至可配以味覺和嗅覺的感官體驗），讓人身臨其境。

真正意義上的AR不僅能呈現(xiàn)簡單的圖像渲染及特效，還可以對環(huán)境進行深度檢測，這種情況下，往往會應(yīng)用到視覺定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)。SLAM是指在一個未知的環(huán)境里，放入一個機器人（或是帶有傳感裝置的設(shè)備），讓其自主估計自身的位置并建立環(huán)境地圖，從而可以實現(xiàn)自動尋路等功能。在整個過程中，SLAM技術(shù)主要解決的是定位與周圍環(huán)境模型的構(gòu)建，如果傳感設(shè)備使用的是攝像機，那么就稱之為視覺SLAM。

1.3? 室內(nèi)定位解決方案

1.3.1? 讓AR上5G云是基礎(chǔ)

近年來雖然增強現(xiàn)實的應(yīng)用很受追捧，各行各業(yè)都紛紛投入開發(fā)并使用相關(guān)應(yīng)用，但縱觀其普及度，尚未能實現(xiàn)大眾化，其依然面臨許多挑戰(zhàn)。在項目前期調(diào)研過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)許多痛點，例如在智能手機上運行增強現(xiàn)實軟件時，手機電量消耗過快;AR渲染效果要想較好呈現(xiàn)，需要下載APP，多數(shù)用戶不愿意;在進行相關(guān)互動時，由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或時延，會讓人有暈眩感或產(chǎn)生定位延遲等。因此，要想讓AR定位方案得以普及，解決上述問題成了方案應(yīng)用的基礎(chǔ)。

讓AR上5G云，則可以有效緩解上述問題。據(jù)相關(guān)對比研究測試顯示，AR上5G云之后，其性能和成本等多方面都得到了明顯改善。舉個例子，在進行AR互動時，如果是本地AR，雖然無需考慮時延問題，但每一個本地AR都像一個“孤島”，無法實現(xiàn)與外界的連接，并且對每一個本地AR的硬件要求較高，硬件設(shè)備也無法共享。通過4G網(wǎng)絡(luò)，在云端部署AR應(yīng)用，計算機視覺的計算和渲染在云端進行，終端需要處理的內(nèi)容少了，那么對終端的配置要求也就降低了，但其代價就是增加了網(wǎng)絡(luò)時延。雖然4G網(wǎng)絡(luò)已是扁平化結(jié)構(gòu)，但仍無法滿足對AR互動的時延要求，在很多項目的實地考察中發(fā)現(xiàn)，用戶在連網(wǎng)使用互動類AR應(yīng)用時很容易出現(xiàn)暈眩。而5G的適時出現(xiàn)，正好彌補了這一缺陷，5G空口時延再度降低，配以云端高性能硬件設(shè)備，其端到端時延相對于4G網(wǎng)絡(luò)得到了明顯降低，讓用戶互動不再產(chǎn)生暈眩。

1.3.2? 提高室內(nèi)定位精度

基于視覺SLAM的室內(nèi)定位解決方案是純視覺的，不依賴于其他技術(shù)手段，也就是僅通過攝像機來捕獲外界信息。在項目測試中，其定位精度不夠準確，應(yīng)用于導航項目里會有導航偏差，尤其對于較為空曠的區(qū)域，往往出現(xiàn)識別出錯的情況，體驗效果不佳，讓項目順利交付難度較大。

為提高定位精度，增加采用以下技術(shù)手段。

（1）慣性導航IMU。智能手機一般都配有慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）模塊，IMU能夠測量自身傳感器的加速度和角速度，從而快速正確地估計物體的運動狀態(tài)，也正好解決了攝像機在快速運動的狀態(tài)下圖像模糊導致定位不準確的問題，這些都是攝像機固有的缺陷。IMU的缺點是隨著時間的累積會出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)漂移，而這又正好是攝像機的優(yōu)勢，可通過攝像機數(shù)據(jù)來修正。因此，將兩者融合，使得視覺定位系統(tǒng)對位姿的估計更加準確，讓定位系統(tǒng)更加完善。

（2）5G邊緣云部署。除了與IMU模塊結(jié)合以外，為提高定位精度，還可以通過無線基站給出初始定位范圍（目前5G用戶普及度不如4G，且單純依靠通信來進行高精度室內(nèi)定位的能力目前尚不成熟），部署5G MEC邊緣云，整個定位流程可大致簡化，如圖1所示。

①無線基站可對該區(qū)域范圍內(nèi)的用戶進行粗略定位，將相關(guān)信息傳送至移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）。與此同時，終端用戶也會將攝像機獲取的周圍環(huán)境關(guān)鍵信息上傳至MEC。

②在5G MEC邊緣云上，首先，根據(jù)基站對用戶進行定位的信息來縮小搜尋范圍，無需在整個場景中進行圖像比對，極大地減弱了計算量;其次，再用攝像機上傳信息，在之前縮小的范圍內(nèi)進行定位，找出用戶的初始位置;最后，結(jié)合用戶需求，進行相應(yīng)的圖形渲染。

③將關(guān)鍵信息傳給用戶，在用戶端呈現(xiàn)AR定位效果。在整個流程中，除攝像機獲取信息之外，圖像渲染、計算機視覺算法以及與無線基站信息的融合，都是在5G邊緣云設(shè)備MEC上進行的，MEC擁有比普通服務(wù)器高的計算能力。終端用戶僅需上傳關(guān)鍵環(huán)境信息即可，極大地降低了對終端的要求，降低了用戶的使用門檻。經(jīng)測試，終端耗電量也得到了很大程度的減弱。對企業(yè)用戶來說降低了終端成本，對個人用戶來說無需另外下載APP，這更加有利于AR的普及，輕松實現(xiàn)AR室內(nèi)定位應(yīng)用。

基于5G邊緣云，定位精度可達厘米級。這主要是有兩方面原因。（1）由于數(shù)據(jù)僅在邊緣處理，網(wǎng)絡(luò)時延進一步降低。（2）環(huán)境信息的及時更新。

由于5G邊緣云是獨立于5G網(wǎng)絡(luò)的其他部分，整個數(shù)據(jù)的處理都在局域網(wǎng)內(nèi)進行，從整個網(wǎng)絡(luò)鏈路上來說，期鏈路短、節(jié)點少，時延自然降低。在實際項目中，現(xiàn)實環(huán)境或多或少會有變化，比如物品的擺放、室內(nèi)局部環(huán)境的調(diào)整等，這時候就需要對環(huán)境地圖進行更新。以前的做法是不定期對環(huán)境進行信息重新采集來更新環(huán)境地圖，但這樣往往會導致信息更新不及時，還增加了運營成本。部署5G邊緣云之后，會在用戶使用的同時進行信息收集，及時在MEC上更新環(huán)境信息，避免造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

此外，5G MEC邊緣云讓5G網(wǎng)絡(luò)更加解耦，讓更多的內(nèi)容服務(wù)提供商可便利地加入到生態(tài)圈中，更加專心于自身業(yè)務(wù)、加速應(yīng)用創(chuàng)新。

定位長期以來一直是個敏感話題，涉及用戶隱私，運營商一般不會輕易給出用戶位置信息。而通過5G的網(wǎng)絡(luò)切片、MEC邊緣云的部署，將用戶分類、讓數(shù)據(jù)不出局域網(wǎng)，讓企業(yè)獲取部分用戶的應(yīng)用管理權(quán)，在充分尊重用戶隱私的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)室內(nèi)精準定位。

2? ? 應(yīng)用舉例

某展會部署5G MEC邊緣云，在5G邊緣云上完成地圖構(gòu)建、AI場景理解、沉浸式渲染等，實時為用戶提供定位導航服務(wù)。用戶打開手機攝像頭，掃一圈周邊環(huán)境即可輕松知道自己的實時位置，輸入目的地，就可以生成路線，同時，還能疊加用戶需要的增值服務(wù)（如智能講解、選擇自己喜歡的導航員形象等）。

3? ? 結(jié)語

文章根據(jù)當前室內(nèi)定位的挑戰(zhàn)，提出基于5G邊緣云與計算機視覺的AR室內(nèi)定位解決方案，希望可以通過“5G+AI”的賦能，盡可能地減少環(huán)境改造、降低硬件投入成本，以達到高精度的室內(nèi)定位要求，提升用戶體驗。也希望有更多的同行加入到該領(lǐng)域的研究中，共同推進行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展。

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