隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)、計算機技術的快速發(fā)展，計算機視覺技術在公安、應急、住建等多個行業(yè)得到了廣泛和深入的應用。在萬物互聯(lián)時代，人們生活中的種種需要均與位置息息相關，定位需求無處不在，如出行導航為乘客和司機提供了精確的位置信息，O2O平臺在提供海量產(chǎn)品和服務信息的同時還精準定位了用戶及配送員的所在位置。目標定位作為計算機視覺領域中極具挑戰(zhàn)性的研究課題，探討如何在復雜場景下準確、實時獲取位置信息對諸多領域的發(fā)展都有著十分重要的意義和價值。

當人類社會發(fā)展還處于農(nóng)業(yè)時代時，由于定位技術的發(fā)展缺位從而使得迷路成為人們的普遍痛點。然而到了智能科技快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，迷路問題依舊沒有得到很好解決，迷路的語境僅僅是從野外遷移到了城市。

一方面，現(xiàn)有關于解決定位問題的主流解決方案如GPS、GLONASS、北斗等已基本具備滿足室外開闊場景下的定位需要的要求，如車載導航、手機導航等，但是卻無法有效解決有遮擋的場景下的定位問題，如城市峽谷、地下停車場、大型高鐵站、地鐵站等室內(nèi)場景，在這些場景下無線電波的傳播會因為障礙物的遮擋發(fā)生散射、折算或反射作用，從而大大影響定位的精度和準確性。同時，GNSS在內(nèi)的無線電定位技術屬于3DoF，沒有定向信息，靠電子羅盤定向容易被干擾，使得此類定位無法滿足指向性傳感器的需求。

另一方面，藍牙、UWB等無線電定位系統(tǒng)面臨成本高、難維護且作用距離短等缺陷，同時在精度上也難以滿足特定復雜場景下的需要，如Wi-Fi定位精度一般為2-5米，藍牙定位精度一般為4米左右，蜂窩定位技術的精度一般為10米以上。

一、視覺定位技術的發(fā)展背景

近年來基于視覺傳感器的視覺定位技術受到了廣泛的關注，該技術基于相機交互的方法，利用視覺傳感器獲取環(huán)境圖片并提取特征值來獲取當前相機的實時位置和姿態(tài)的變化情況，進而實現(xiàn)定位的需求。視覺定位技術的起源和發(fā)展同人工智能技術類似，都是從模仿人類的角度出發(fā)。稍加思考我們就會有這樣的疑問，為什么人類無需借助任何輔助設備，只靠視覺就能在熟悉的場景中知道自己在哪，知道該如何走，并且能夠順利到達目的地?人是如何做到純靠視覺進行定位和導航？

我們可以發(fā)現(xiàn)人的這一定位行為具體由以下兩個過程組成：首先，人去過一個區(qū)域后，大腦中會構建出這個區(qū)域的地圖，即建圖；其次，人再一次來到這個區(qū)域會識別出之前去過的區(qū)域，并通過各種地物特征分析出自己在地圖上位置，即重定位。而這兩個過程都可以被計算機模擬，視覺定位技術因此應運而生，并且由于其具有成本更低、適用范圍廣等特點，在實際應用過程中更加直觀且更容易被用戶感知而受到了各個行業(yè)的重視。

二、視覺定位技術的基本原理

視覺定位技術的關鍵步驟主要包含基于視覺的三維重建（建圖）和基于視覺的定位（重定位）兩個部分。接下來對其相關技術的基本原理進行簡要介紹：

1、基于視覺的三維重建技術

針對于室外場景的模型重建，主流的三維重建技術通常采用攝影測量技術。以攝影測量技術中的傾斜攝影技術為例，一般來說使用無人機設備通過傾斜攝影技術開展航空攝影測量工作的整體作業(yè)流程包括資料收集、技術方案設計、航攝準備、傾斜航空攝影、像控點采集、航測成果檢查、空三加密、影像密集匹配、紋理映射、生成三維模型、質(zhì)量檢查、提交成果，要求嚴格控制質(zhì)量關鍵節(jié)點，各環(huán)節(jié)質(zhì)檢合格后方可移交下一環(huán)節(jié)。其傾斜攝影模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程圖及成果展示如圖1、圖2所示。

針對室內(nèi)地圖的構建問題，一般需要借助SFM（Structure from Motion，運動恢復結構），與室外傾斜攝影技術的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程大體類似，SFM的技術框架也主要包含以下四個步驟：數(shù)據(jù)采集、特征點提取、數(shù)據(jù)關聯(lián)、結構恢復等。而在處理算法層面來看，數(shù)據(jù)處理主要分別包含以下五個流程：提取圖像特征、連續(xù)楨特征匹配、軌跡匹配、相機姿態(tài)求解、恢復三維環(huán)境點云地圖等。依照上述原理，通過視頻采集及服務端建圖的方式來完成對目標空間高精地圖的構建工作。

2、視覺定位技術

視覺定位技術的基本原理是對相機拍攝到的環(huán)境圖片進行特征提取，并將提取到的特征點與通過三維重建技術構建的模型進行檢索和匹配，根據(jù)提取到的一致性信息不斷求解當前畫面在模型中所處的位置與姿態(tài)，如圖3所示。而按照系統(tǒng)中相機的個數(shù)，視覺定位技術又可分為多目視覺定位、雙目視覺定位和單目視覺定位。

三、視覺定位技術的發(fā)展趨勢

1、實際落地應用將與AR、AI等技術相融合

如果說視覺定位技術借助三維地圖重建、計算機視覺分別解決了“場景所在區(qū)域的全局地圖建設”“用戶處于當前場景中地圖里面的哪個位置”這兩個問題，視覺定位技術與AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）技術的融合將進一步解決了“如何引導用戶以更為友好、更為直觀的方式順利到達目的地”的問題。AR技術可以簡單理解為通過融合虛擬信息世界和真實物理世界，在真實世界中疊加一些必要的虛擬信息，實時計算當前攝像機影像所處的位置和角度變化來引導呈現(xiàn)虛擬信息，進而幫助人們更好的理解真實世界。AR技術與視覺定位技術的融合可謂是相輔相成，AR技術的運用將會為視覺定位技術的應用提供“所見即所得”的交互體驗，充分利用其可視化方面的能力從而大大提升產(chǎn)品和服務的用戶體驗。

位置、狀態(tài)、事件、資源這四大要素是不同行業(yè)場景下的通用關注要素，圍繞著這四大要素進行業(yè)務構建方可完成業(yè)務流程的閉環(huán)。如果說視覺定位技術解決的是位置問題，那么AI技術解決的是狀態(tài)問題，當感知到人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)時進行事前預警，事件和資源則是事后處置流程中的必須要素。因此，可以預見的是視覺定位技術的落地將與AI、AR等技術緊密結合，利用AI帶來的智能化來提升AR的想象空間，提升業(yè)務應用效率和用戶體驗。

2、應用領域?qū)⒅鸩较鲁恋絋o C市場

從技術發(fā)展的普遍規(guī)律來看，任何一項智能技術的發(fā)展和應用，其演進歷程幾乎都依次經(jīng)歷了從軍工（航天）、到政府（To G）、到企業(yè)（To B）、到B2B2C、再到消費者（To C）這幾個階段，在此暫不論述規(guī)律背后的原因。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，視覺定位技術也符合技術演化的大趨勢。

針對To G方面，現(xiàn)階段視覺定位技術將大大提升政府部門的工作效率。以公安行業(yè)的相關業(yè)務為例，視覺定位技術的使用將對視頻監(jiān)控的應用效率產(chǎn)生顯著影響。當前行業(yè)內(nèi)對視頻監(jiān)控的使用，普遍的應用場景是在發(fā)生事件后，利用視頻監(jiān)控去查看事發(fā)地點周邊的視頻畫面，這就意味著一線公安民警需要在大量的視頻監(jiān)控中進行篩選出周邊的視頻監(jiān)控，由于視頻設備的位置信息不準確，確定周邊視頻這一過程將會浪費大量的時間成本。而隨著視覺定位技術和AR三維實景融合技術的融合應用，針對全市乃至全省范圍內(nèi)的視頻設備在三維地圖上的覆蓋范圍一目了然，通過對其進行可視域分析從而掌握該區(qū)域范圍內(nèi)的水平覆蓋率，對前端攝像機設備進行查漏補缺和去盲補重。

針對To B方面，視覺定位技術將深入和賦能到實際業(yè)務流程中去，為企業(yè)的生產(chǎn)和運營降本增效。視覺定位技術可完美應用于企業(yè)風險巡檢，一線巡檢人員只需手持智能終端，即可在終端實時畫面中查看當前區(qū)域的設施設備的實時風險狀態(tài)，大大提高企業(yè)的安全巡檢效率，降低人力成本的同時也實現(xiàn)了對企業(yè)風險底數(shù)清、狀態(tài)明的目標。而隨著技術的不斷發(fā)展與成熟，視覺定位技術將逐漸應用到To C市場，如AR導航，實現(xiàn)實時定位并通過AR虛擬路線引導用戶到達目的地；AR營銷活動，在導航過程中根據(jù)用戶的位置和用戶畫像，智能推薦用戶附近的營銷活動信息；AR智能推薦，識別用戶所掃描的場景，智能推薦場景內(nèi)容，如對機場內(nèi)的商戶、服務設施、廣告牌等進行識別后，展示相應的商戶信息、服務指南和營銷內(nèi)容；除上述舉例的應用場景外，AR游戲等娛樂場景也將為企業(yè)創(chuàng)造巨大的營收價值。

四、基于視覺定位技術的便民服務應用

廣州南站核心區(qū)0.5平方公里、中央商務區(qū)4.5平方公里，室內(nèi)面積廣、客流量多、人流密集，2021年春運期間，僅統(tǒng)計1月28日至2月23日，廣州南站共服務到發(fā)旅客841.8萬人次（日均31.2萬人次）。在車站內(nèi)部，站內(nèi)公共設施服務眾多，旅客的內(nèi)部路線距離較遠且復雜，由于在室內(nèi)場景常常面臨GPS信號不準確不穩(wěn)定、實體指引標志覆蓋不全面、旅客判斷方向難等情況，首次到站或?qū)囌静皇煜さ穆每统３龅缴宪圏c、洗手間、服務臺咨詢臺、出租車乘車點、檢票口等類似目的地導航的問題。

利用創(chuàng)新技術改善提升廣大群眾的生活，以人民需要為中心、為群眾干實事，既是科技創(chuàng)新的源動力，也是廣州番禺警方的科技賦能警務的實踐方向?；贏R+視覺定位技術的廣州南站AR導航平臺，為廣大旅客提供了室內(nèi)AR導航服務，大大提升旅客的進出站效率和公共設施的便利使用體驗。平臺會根據(jù)旅客手持手機的相機姿態(tài)和匹配場景環(huán)境的特征情況，實現(xiàn)厘米級精度實時定位，準確辨明旅客所在的位置和視角。旅客只需點擊或輸入搜索需要到達的目的地和服務點，平臺將在實時畫面中通過AR虛擬路線來引導旅客到達對應的目的地，給用戶提供所見即所得的交互體驗，全面提升旅客的乘車體驗。

五、結語

隨著視覺定位技術的不斷發(fā)展與逐漸成熟，攝像頭、視覺定位模組、AR眼鏡等前端硬件將會在視覺定位技術的賦能下不斷增強和釋放其自身價值，與視覺定位相對應的設備接入條件要求也將會逐漸標準化、規(guī)范化。同時，在高精度地圖構建層面，眾包模式將有望成為主流，在POI創(chuàng)建方面，AR資源創(chuàng)作和共享交易平臺將會逐漸興起。而隨著海量室內(nèi)外影像數(shù)據(jù)不斷地被采集并在統(tǒng)一坐標系進行發(fā)布，視覺定位技術的融合應用將致力于建設和不斷完善一個全球?qū)Ш蕉ㄎ恍亲罱K打造一個全球級視覺定位服務平臺以賦能千行百業(yè)，徹底滿足人們不同場景下的定位需求。

文/葉盛清（中國安防協(xié)會）