1.1 研究背景和意义
在我国，卫星导航终端接收设备主要集中在以深圳为代表的珠三角经济区。这里是国内卫星导航定位服务技术起步最早的地区，对精确定位与智能导航技术具有强烈的需求，并且是卫星导航定位服务产业市场化最好的地区。室外定位与导航服务技术已经趋于成熟，但是由于室内遮挡物以及室内多楼层多路径的存在阻碍了成熟的室外定位导航技术向室内定位的开拓；室内定位与导航服务技术发展缓慢，进而出现“卫星导航最后一公里”的问题。据相关数据表明，人类一整天的日常生活中，五分之四的时间需要在室内度过，只有剩下五分之一时间是在室外度过，室外的时间还包括日常的上班出行时间，因此室内定位与导航位置服务技术的研究对于提高个人生活水平和室内寻路及工作效率具有非常深远的意义。 全球卫星定位系统（GPS）[1]1958 年诞生于美国，经过近 60 余年的探索与发展，目前在室外导航方面，已经可以为室外行人提供准确的位置信息及配套导航服务。例如国内百度、高德、腾讯等公司在卫星定位与位置服务上已经可以满足室外行人的位置信息与导航服务需求。但是行人一旦进入室内，比如大型商场、飞机场、地下停车场等有遮蔽物的场所后，定位信号受到墙壁等因素影响而大大衰减[2]，基于卫星定位系统（GPS）的室外导航技术便显得力不从心。 因此，室内定位与导航技术的应用在未来具有很大的前景和发展空间；同时，计算机技术（compute）、第四代数字通信(4G)、Wi Fi 技术和 Web Services 技术已经比较成熟，Web 服务越来越受到广大开发商的青昧[3]，为室内相关定位与导航技术的开发提供了很好的技术和应用基础。另外在室内发生突发情况下，诸如一些娱乐公共场所发生火灾时；在室内能见度大大降低，室内障碍物较多，人群较为密集，房间多等因素的共同影响下；一个对当前室内环境不是特别熟悉的用户在面临如此突发情况，能够迅速逃离显得格外困难。除此之外，室内大型购物商城也是定位与导航技术需求最多的地方；店铺优惠信息、个性化广告、店铺评分、店铺位置、室内道路的选择都是用户所需要知道的信息。室内定位与导航技术的应用可以很好地解决上述的大部分问题，并且在未来的附加价值扩展上也具有很好的发展空间，在位置服务领域是一个尚未很好发掘的“金矿”。
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1.2 国内外研究现状
2017 年，室外导航系统随着百度地图、高德地图、腾讯地图几大地图企业服务商的垄断地位的不断巩固，室外导航技术也日益趋于成熟。随着智慧城市和数字城市概念的提出，企业和用户对室内定位与导航技术的需求也逐渐增加。国内外大型地理位置服务企业和科研机构、高校也都对室内定位与导航技术不断投入人力和资金，室内定位与导航技术已经成为主要研究目标之一[8]。室外导航技术已经相对成熟，国内外能够提供该技术服务的企业不可胜数，但是室内导航系统却犹如刚破土的新苗，还在发展的初步阶段；可以用来使用的室内导航软件相对较少，而被用户接受的更是寥寥无几。原因是室外导航技术虽然已经成熟，但是它不能简单的向室内定位服务系统横向拓展。因此开发可用于室内导航服务的技术与方法还需要研究人员另辟蹊径。 上个世纪九十年代，在 GPS 系统的影响下，Arc Second 公司开发了首个室内导航系统，被称之为“室内 GPS[9]”。 2010 年微软的必应地图开始着手加入一些大型商场和机场的室内平面地图，2009年 Google 新推出的 Micell 应用，可以展示室内建筑的平面地图和搜索特定房间，提供当前点到目的点的导航路线[10]。2011 年 Google 公司也在它的 Google 地图上加入了主要九个国家，约 10000 个室内大小型场所平面地图。2012 年 10 月，我国政府宣布正在努力实现“羲和”系统的开发，这是一套室内和室外共用的精准定位与导航系统[11]。据 IMS报告称，目前超过 150 家公司涉足到室内地图、室内定位、室内导航等功能的研发。
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第 2 章 基于安卓平台的室内导航相关技术介绍
室内导航技术着眼于解决以 GPS 为基础的室外导航不能有效向室内扩展的问题。 “卫星导航最后一公里”问题的存在，以及大型室内（沃尔玛、宜家、航站楼、大型仓库、深圳的会展中心等）对室内导航的需求较为强烈的背景。目前国内外很多位置服务公司都在室内定位与导航技术方面投入了大量的人力、财力，为的就是抢占室内的位置服务所带来的市场。而移动智能手机的普及以及移动互联网技术的飞速发展，为室内定位与导航技术带来了很好的终端媒介和技术支持。开发机构和公司可以通过手机终端自带的传感器数据和信号接收强度来进行室内定位技术和室内导航技术的研究，从而为该系统下的用户和商家以及开发者本身带来更好的使用价值和经济价值。本论文的室内导航算法和导航系统都是基于安卓平台进行开发和研究的，安卓平台是现在应用最广，使用量最大的移动端开发平台，为以后室内导航手机软件的开发提供很好的参考和应用价值。
2.1 室内定位
室内定位技术是室内导航系统的基础和前提，室内定位技术精度不断提高，室内导航才可以在为行人做出引导方面更加精准，行人在导航过程中的代入感更强，导航体验更好。21 世纪初开始，室内定位技术已经成为许多科技巨头和创业小公司的主要研究目标，一些定位软件也在相继的推向市场。时间到达法的原理是在信号源附近布置多个信号接收器，通过测量信号源到达信号接收器的时间来推测距离，从而实现定位。一般的测量方法是：首先设置三个接收信号设备，在确定这些接收器的位置的前提下，通过各个接收设备接收信号源的时间推算出信号源的准确位置。传统时间到达法的使用需要多个配套设备来确保时间的同步，在一定程度上阻碍了 TOA 技术的普及，但随着信息技术的发展和设备的更新换代，TOA 定位方法的使用成本和设备要求都得到一定程度的降低，这为 TOA 方法技术的普及带来了福音。
2.2 最短路径算法
图论是应用数学中重要的一个分支，图论的概念和应用范围相当广泛，而最短路径算法便是图论应用范围内一个经典问题。最短路径算法是室内导航研究的主要内容之一。最短路径算法在路由器索引、地图导航以及游戏地图中的匹配问题上都有很多应用。 其中最常用的最短路径算法有 Dijkstra 算法、A*算法。以下将分别对这两种算法作简单的介绍。A*算法建立在 Dijkstra 算法的基础之上，被称为“启发式搜索”[38]。人工智能在游戏上的应用便主要是 A*算法，A*算法在路径搜索算法中比较受大家追捧，因为它非常的灵活、有效，可以根据实际需要运用于多样的情景之中。不仅如此，A*算法优势是，它结合了 Dijkstra 算法（接近初始点的节点）与 BFS 算法（接近目标点的节点）的信息模块，在搜索的过程中大大提高了效率。
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第 3 章 基于 AR 的室内导航方法与系统实现 ....... 20
3.1 导航系统模块需求分析与功能设计 ...... 20
3.1.1 需求分析 .... 20
3.1.2 导航系统设计 .... 21
3.1.3 各模块功能设计 ........ 21
3.1.4 非功能性设计 .... 24
3.2 界面和定位模块实现方法 ....... 25
3.2.1 界面模块实现 .... 25
3.2.2 定位模块实现 .... 26
3.3 基于 AR 的室内行人导航方法 ....... 29
第 4 章 室内导航系统具体实现 ....... 38
4.1 测试环境描述.... 38
4.2 实验测试过程及结果： ........... 39
4.3 实验小结： ........ 45
第 5 章 总结与展望 ..... 47
5.1 总结 .... 47
5.2 展望 .... 48
第 4 章 室内导航系统具体实现
在以上章节介绍完导航系统各个功能板块的设计需求和思路后，这一章便是导航系统设计方案的具体实现效果展示。整个导航系统是以 Android 平台为基础进行开发，Android 平台应用性广，开放性高，平台的用户占智能手机端的比率位列第一。平台的开发工具日趋完善，为开发人员提供了易于操作的界面组件和开发工具。实景导航模块作为主要研究对象，对其中室内地图的划分方法和室内路网的构建的方法以及路径规划算法部分和增强现实效果进行详细测试和效果展示。
4.1 测试环境描述
本文所论述的基于 AR 的实景导航系统已经开发完成，在深圳罗湖区的百利玛国际商场已经进行数据采集和测试；本小节主要介绍用户在商场内使用该系统的操作效果，对系统中的路径规划效果以及实景导航中的箭头匹配信息、实景图片与定位点之间的匹配效果以及距离终点信息等功能进行实地运行效果展示。 百利玛国际商场位于深圳市罗湖区，室内总面积 16000 平方米，商场总共有六层，其中一层到五层是商户区域，六层为商场管理人员所在区域，因此在针对消费者进行系统开发时，只对一层到五层进行数据采集和实地测试。百利玛国际商城室内建筑信息如表 4-1 所示。
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