谷歌用 AR 拯救路癡，起底室內導航黑科技
2021-04-16 10:15:37 智東西
這一 AR 室內導航技術突破了傳統室內導航平面化、易讀性低的局限性，增強了圖像精確性、數據廣泛性，不僅為用戶帶去室內導航的新奇、個性化體驗，也為線下零售等行業帶來潛在應用價值。
本文將從 AR 對室內導航地圖易讀性的突破、AR 導航從室外到室內的轉變、AR 室內導航的發展前景三方面對 AR 室內導航進行解析。
基于 AR 室內導航，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，但卻是以往室內地圖、藍牙信標定位、Wi-Fi 信號定位、GPS 定位等室內導航方法無法做到的。
室內地圖，是最為傳統的一種，例如圖書館書架的檢索地圖。該方法通過大量數據采集，制作索引圖，讀者通過每本書籍的專屬編號進行導航查找。然而，大型室內環境的地圖制作與表達耗費巨大，普適性并不高。
藍牙信標定位法較受歡迎。依托藍牙，智能手機軟件能大致得到用戶在地圖上的位置，從而進行路線規劃和導航。但由于藍牙傳輸距離較短，從而導致其在商場、寫字樓等大型室內環境中會產生極高的部署和維護成本。
另外一種解決方案是基于 Wi-Fi 信號進行定位和導航。但由于室內環境的復雜性，Wi-Fi 信號很容易受環境的變化而改變，因此維護成本依然很高，精度也受到 Wi-Fi 路由器部署密度、環境穩定性、訓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，在大型建筑群內部無法發揮作用。
谷歌本次推出的 AR 室內導航，配備全新視覺定位系統（Visual Positioning System；VPS），可彌補以上方法的不足。
谷歌 AR 室內導航功能（Indoor Live View）依托 VPS 技術來確定用戶室內所在方位，并通過可視化處理手段將虛擬路線與實際室內場景相結合。
視覺定位系統 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 可以創建本地化地圖，這種方式被稱為即時定位與地圖構建（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 可以創建地圖并建立快速搜索索引，例如建筑物、橋梁等。
其次，當用戶需要室內導航定位時，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、重力感應器等手機內置慣性傳感器（Inertial Measurement Unit；IMU）數據，借助運動追蹤、環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實世界的位置和方向。
最終，在方位呈現上，VPS 可以將指引箭頭、字幕信息等標簽特效疊加到攝像頭實時采集的現實圖像中，并依托光線估計技術讓虛擬內容更好地融入真實世界。光線估計技術能讓手機攝像頭感知當前環境的照明條件，對虛擬圖像進行顏色矯正，從而在虛擬和真實圖像結合時增強真實感。
自 2019 年起，谷歌便開始上線 AR 導航功能（Live View）。依托 VPS 視覺定位系統和谷歌街景圖庫，幫助用戶在戶外獲取精確的導航路線。在后續的更新中，用戶還可以通過 AR 導航識別周邊地標，讓用戶更清楚自己在城市中的位置。
從室外導航到室內導航，到底有多難？
展覽館、博物館、商場、交通樞紐等大型室內場景環境復雜，規模巨大，并存在很多無紋理空間區域和視覺歧義區域，地圖數據的采集、制作及表達是一大難點。同時，伴隨光照、視點變化，用戶如何精準快速地實現重定位也是一項挑戰。谷歌有著不少技術突破。
第一個技術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，但起初這些街景數據并未實現本地化。圖像數據本地化能夠為物體、地點等圖片添加更多注釋性標簽信息，幫助用戶進行快速理解。
為了使用 VPS 實現全球本地化，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據連接起來。這個豐富的數據集通過三角測量提供了數萬億個強大的參考點，幫助人們更精確地確定設備位置，并引導人們前往目的地。
雖然該方法在理論上效果很好，但在實踐中仍存在挑戰，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。例如樹木細節會隨著季節變化，甚至隨著風力大小變化，無法獲得良好的匹配。
為突破該技術，谷歌利用機器學習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構圖像。這項技術進步，也讓如今的 AR 室內導航更為精確。
另一個技術突破，是數據的快速獲取。
機場、商場、醫院…… 眾多建筑物群意味著谷歌需要拍攝大量公共場景的室內圖像。在此前的室外街景數據庫建構中，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。
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 數據。
谷歌表示，AR 室內導航將首先在芝加哥、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、商場和中轉站推出。
不過，AR 室內導航的發展目前還存在一些薄弱環節，如重視產品的開發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、相關呈現應用的硬件開發較為滯后等。
當前，AR 室內導航技術正在加速發展，除谷歌外，國內百度、高德等也在技術研發、應用場景的探索中。
以百度為例：
2016 年 11 月，百度上線 AR 步行導航功能，導航界面包含了羅盤、路線、轉向標、途徑點和終點氣泡、滾軸誘導提升、路線全覽等元素，配合語音提醒提升用戶步行導航體驗。2017 年 4 月，百度新增 AR 導航卡通人物“圖圖”，通過大眼萌物提升 AR 引導趣味性。2020 年 12 月，百度地圖聯合百度大腦 DuMix AR - 視覺定位服務平臺推出 AR 室內導航功能 ——AI 室內通。
AI 室內通通過視覺定位與增強服務（visual positioning and augmenting service；VPAS），為用戶提供高精度 6DoF 定位能力。VPAS 技術通過基于圖像的三維重建技術構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確位置。在實際復雜環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，該技術還可用于工業巡檢、物流分揀等場景。
高德、搜狗雖在室外步行 AR 導航和車載導航技術上相對成熟，但暫未發現涉足 AR 室內導航領域。
地圖大廠之外，商湯科技也在 AR 室內導航方面進行探索。由浙江大學 - 商湯科技三維視覺聯合實驗室與商湯產品團隊聯合打造的商湯科技 SenseMARS 火星混合現實平臺采用稀疏點云地圖技術重建高精度 3D 地圖，通過 IMU 傳感器計算當前設備的 6DoF 位姿，結合 SLAM 技術實現室內精準定位和 AR 導航。
未來，依托 AI 和 IoT 技術的發展，AR 室內導航可以讓用戶看到物理空間的數字屬性，如店鋪虛擬標牌、促銷信息、商場人數、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，結合用戶畫像，AR 室內導航將為用戶帶去個性化的線下場景體驗。在 AR 呈現上，室內導航設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）現實白皮書 2021》中表示，AR 依托 Inside-out 技術日趨成熟，追蹤定位將呈現集視覺相機、IMU 慣性器件、深度相機、事件相機等多傳感融合的發展趨勢。AR 室內導航將在業界、學界等的共同參與下向好發展。
在地圖的表現形式上，AR 技術在人、地圖、環境方面的融合有著無可比擬的優勢。因此，在谷歌推出 AR 室內導航之際，一定程度上或能掀起國內外 AR 室內導航發展的新潮流。
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 室內導航功能，后續將持續在該領域發力。高德地圖緊隨其后，已于今年起升級 AR 步行導航功能，或許不久后將進入室內場景的探索。
在當下工業互聯網時代，AR 室內導航將在 AI、IoT 技術的支撐下，激活大型室內場景的空間利用率，拓寬行業邊界，為眾多智慧產業帶來更多可能性。我們期待未來 AR 導航對全球所有室內公共場景的全覆蓋。
免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表EETOP贊同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題，請及時聯系我們，我們將在第一時間刪除！
