CC BY
90
№ 1 (43) 2013
А. М. Абдрахманова, аспирант факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Москва
Д. Е. Намиот, канд. физ.-мат. наук, факультет вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Москва
Использование двумерных штрихкодов для создания системы позиционирования и навигации в помещении
Изобретение технологии спутниковой связи позволило создать систему GPS — глобальную систему позиционирования, с помощью которой можно определить свое местоположение почти в любой точке планеты. Практически все современные мобильные устройства комплектуются GPS-приемником, иногда дополняясь приемниками других навигационных спутниковых систем. Система GPS хорошо работает на открытом пространстве, но становится практически бесполезной внутри помещения, поскольку сигнал от спутника сильно ослабляется, проходя через стены.
Введение
Благодаря развитию телекоммуникационных технологий стало возможным создание сервисов, помогающих определить нахождение пользователя внутри помещения. Эта задача стоит перед многими компаниями, работающими в отрасли информационных продуктов, в числе которых Google, Apple, Intel, Microsoft, а также компании — производители телекоммуникационного и навигационного оборудования, такие как Broadcom, Cisco, Nokia, Qualcomm. Проблема навигации в помещении актуальна для мегаполисов, где у посетителей торговых центров, развлекательных комплексов, аэропортов возникает потребность в использовании технологии, которая бы позволила им без труда сориентироваться в большом пространстве, быстрее отыскать тот или иной продукт в супермаркете, а владельцам оценить наиболее часто посещаемые полки с товарами. На основании пользовательских запросов и технологии коллективной оценки можно предложить покупателю наиболее подходящий ему продукт и связанные с ним товары. Навигация внутри зданий стано-
вится одним из наиболее востребованных мобильных сервисов, который позволит строить карты помещений, прокладывать маршруты между точками, находить нужный товар.
Существующие решения
То, что в англоязычной литературе обозначается термином proximity marketing, является одной из наиболее востребованных областей применения информационных технологий в торговле. Естественно, прежде чем предлагать что-либо посетителям, оказавшимся поблизости от некоторой выбранной ими точки (внутри некоторой области), необходимо их довести до места предложения, показать возможные маршруты и ориентиры. На сегодняшний день представлено множество решений, в которых для этого используются самые разные технологии. Один из наиболее простых способов — установка интерактивных экранов на каждом этаже здания (рис. 1), на которых посетитель найдет нужную ему точку, а затем пойдет к ней, запомнив дорогу.
№ 1 (43) 2013
I Рис. 1. Информационный киоск
i
5
■s Информационный киоск зачастую может =с быть совмещен с банкоматом, вендинговой § машиной и т. д. — для экономии места. Не! достатки очевидны — дороговизна решения, ¡1 отсутствие стандартных процедур обновле-g ния. Вместе с тем в использовании, с точки зрения потребителя, — это одно из самых | простых решений. Другое возможное реше-g ние — продолжать использовать геопози-Й ционные системы. Технически работа в по-5 мещении не относится к сильным сторонам | GPS. Одно из решений предполагает ис-Ц пользование ретрансляторов сигнала GPS, § которые устанавливаются внутри здания. § В результате сигнал усиливается и на основа ве уже готовых GPS-решений определяется g местонахождение приемника в здании. Бла-| годаря этому достигается высокая точность э определения внутренних координат, но та-jg кие решения требуют монтирования устрой-| ств-ретрансляторов (рис. 2) и довольно су-го щественных затрат. Естественно, что и вос-<и пользоваться ими могут только обладатели ! устройств, поддерживающих GPS. § Другое решение — использование тех! нологии Bluetooth. С выходом стандарта si Bluetooth 4.0 с низким энергопотреблением
Рис. 2. Использование GPS-ретрансляторов
стало возможным использовать его для отслеживания устройства в помещении и при этом не слишком сажать батарею. Один из вариантов был представлен компанией Nokia. Представителям отрасли продемонстрировали прототип системы, реализующий идею расширения стандарта Bluetooth 4.0 протоколом Location Extension, разработку которого возглавляет Nokia. В состав прототипа входит массив антенн Bluetooth Low Energy, отслеживающий местоположение устройств с «метками» Bluetooth внутри комнаты. Чтобы определить местоположение, используется принцип триангуляции — определение расстояния по трем точкам. Позиционирование на основе Bluetooth теоретически, с одной стороны, имеет некоторые преимущества по сравнению с рассматриваемыми ниже системами на базе Wi-Fi. Bluetooth — локальная технология, поэтому в расчетах местоположения будут рассматриваться именно находящиеся поблизости устройства. С другой стороны, определение присутствия Bluetooth-устройств происходит в два-три раза медленнее (если сравнивать, например, с Wi-Fi). Другая проблема — это смартфоны. Гораздо чаще можно ожидать на клиентском устройстве включенный Wi-Fi, нежели Bluetooh.
Благодаря повсеместной распространенности сети Wi-Fi являются основной средой для передачи сигнала в системах внутренней навигации. В пример приведем разработку финской компании Ekahau (рис. 3), включающую специальные мобильные и стационарные устройства, подключающиеся
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА /-
' № 1 (43) 2013
0
1
¿В
s
СО
0
1 I
Рис. 3. Система позиционирования в помещении фирмы Ekahau
к Wi-Fi-сети, контроллер, отвечающий за вычисление местоположения устройств, и специальное приложение для отслеживания местоположения. Такая система может использовать существующую сеть и смартфоны, оснащенные Wi-Fi, но предъявляет требования к качеству сигнала, требует установки дополнительного программного обеспечения и изготовленных фабричным способом устройств и тоже весьма дорогостояща.
Главная проблема систем определения местоположения на базе Wi-Fi, — это необходимость предварительной разметки помещения (калибровки системы). В общем виде система позиционирования работает следующим образом. На первом шаге создается радиокарта помещения. Для каждой точки (их число должно быть достаточно велико) определяются адреса «видимых» (с точки зрения Wi-Fi) точек доступа (сетевых тэгов) и соответствующая сила сигнала (в терминах Wi-Fi: SSID — идентификация сети, RSSI — относительная сила сигнала). Для одной эталонной точки — точки (места) выбранной для калибровки системы — получаем вектор таких пар значений. Это так называемый отпечаток (то, что в англоязычной литературе называется Wi-Fi fingerprint). Подготовка (разметка) помещения, собственно
говоря, состоит именно в создании подобного рода базы данных, содержащей отпечатки и их геокоординаты. Далее, на этапе практической эксплуатации, определяется Wi-Fi-отпечаток проверяемого мобильного устройства. По имеющейся калибровочной базе данных ищутся наиболее «похожие» отпечатки. Если база отпечатков будет содержать и координаты, то это и есть способ, которым можно вычислить приблизительное расположение устройства. Таким образом, задача позиционирования в помещениях не будет, в принципе, отличаться от позиционирования при наличии GPS. Существуют комбинационные решения (например, AGPS — assisted GPS), но в любом случае основой является база Wi-Fi-отпечатков.
Естественно, что точность позиционирования зависит от полноты базы. Ее наполнение и поддержка — самый дорогостоящий этап систем позиционирования подобного рода. Возможны различные краудсорсин-говые решения, когда информация о точках Wi-Fi собирается с помощью мобильных абонентов (подобно тому, как собирается информация о дорожных пробках). Но и в этом случае остается открытым вопрос о поддержке, поскольку сетевое окружение может меняться (состав видимых
№ 1 (43) 2013
Wi-Fi-узлов, например), точка доступа Wi-Fi перемещаться в другое место и т. д.
Важно отметить, что в подобной схеме не поддерживаются динамические геопозиционные системы (dynamic LBS). Большинство существующих систем Wi-Fi-позицио-нирования ориентированы именно на офисные сети, где расположение сетевых узлов может оставаться постоянным в течение длительного времени. Но что делать, если опорная точка доступа Wi-Fi открыта на мобильном телефоне? Большинство современных смартфонов поддерживают подобного рода возможности (рис. 4).
I
а
Si
0 с со
1
s ig
Ü
s 00
0
1
о §
is s
г i
s <0
s
о u
II «
0
1 &
a
ö
I
I il
i
s 00
О
to
! Л
нахождение местоположения на самом деле определяет просто ключ для последующих запросов к базе данных объектов (заданные широта и долгота используются для дальнейших запросов к базе данных и получения контекстной информации). Поэтому всегда остается возможность непосредственно предоставлять контекстную информацию, не обращаясь к предварительному определению координат. В модели SpotEx для определения местоположения используется информация о доступности («видимости») Wi-Fi-сетей.
Общий обзор методов позиционирования в помещениях можно найти, например,
в [2].
Корпорация Google не могла обойти столь животрепещущую тему и представила приложение для устройств на базе Android — Google Maps Floor Plan Marker [3], которое позволяет владельцам при помощи различных источников высокочастотных радиосигналов (GPS, Wi-Fi, сотовые сети) улучшить закрытое позиционирование (рис. 5). Используя свой главный потенци-
Рис. 4. Точка доступа Wi-Fi на iPhone
В этих системах данные (контент) доступны в какой-то ограниченной области (то, что называется location aware data, — данные, зависящие от местоположения), их доступность зависит от видимости некоторой точки доступа Wi-Fi. Триггер видимости может не только менять свое состояние (включен-выключен), но и перемещаться в пространстве [1].
Подход, декларируемый в системе SpotEx [1], основан на том, что для большого количества геопозиционных систем (в действительности, для большинства из них) точное местоположение не важно, а значима именно контекстная информация: что находится здесь, что есть поблизости и как туда попасть. В большинстве систем
Рис. 5. Приложение Google Maps Floor Plan Marker
34
№ 1 (43) 2013
ал — огромное количество пользователей, желающих помочь новому проекту, Google создает базы данных с поэтажными планами строений. Добровольцы отмечают соответствие своего реального местоположения и точку на загруженной схеме. Приложение анализирует перемещения пользователя внутри нанесенных на схему границ, а затем калибрует относительно них полученные радиочастотные сигналы и совмещает схему с существующими Google-картами.
Схожее по идеологии решение для карт помещений поддерживает и OpenStreetMap [4] (рис. 6).
При этом решение по построению карт помещений (JOSM) построено на разметке существующих поэтажных планов (рис. 7).
Также существуют решения на основе радиочастотных меток (так называемых RFID-меток). Система состоит из пассивных RFID-меток и считывателя, который читает идентификатор метки и отображает ее положение на схеме. Такие системы могут применяться в области внутренней логи-
0
1
¿в
s 00
0
1 I
Рис. 6. OpenStreetMap Indoor
стики, например, для определения местоположения конкретного товара или полки. Основные преимущества такой технологии в том, что RFID-метки не требуют контакта или прямой видимости при взаимодействии объекта и сканера, имеют высокую скорость считывания, несут большое количество перезаписываемой информации и достаточно хорошо защищены от подделок. Однако
Рис. 7. Поэтажные планы в JOSM
35
№ 1 (43) 2013
I
а I
0 с со
1
I ig
Ü
S о
t о
Ü
со §
г
I
I
Ü
о
U
II
со
0
1
&
а й
t
t
§
I
S о со
Ü
л
изготовление большого количества радиочастотных меток существенно отражается на стоимости системы, а сами метки подвержены влиянию электромагнитных помех.
Описание модели
Цель настоящей работы — создание наиболее удобной в эксплуатации системы позиционирования в помещении. К критериям удобства эксплуатации в данном случае относились низкая стоимость системы, возможность начала работы без предварительной разметки всего помещения, а также простота сопровождения системы (именно предварительная разметка является наиболее дорогостоящей частью любого проекта позиционирования в помещениях). Идея состоит в создании веб-приложения, позволяющего готовить информационные метки, доступные для мобильных абонентов. Каждая метка может быть размещена в конкретном месте внутри помещения. Она описывает как свое текущее местоположение (его окрестности), так и возможную навигацию (перемещения) для мобильного абонента, находящегося в искомом месте. Иными словами, за каждой меткой скрывается некоторая стандартная модель представления данных и навигации. В предлагаемой модели мы указываем (можем указать) некоторую местную информацию (данные по месту нахождения), близко расположенные объекты, а также способ их достижения: налево, направо, выше, ниже. Реализацией такой модели служит мобильная веб-страница. Все страницы создаются, естественно, по одному шаблону. Отсюда следует и вполне естественный формат визуального пред-
ставления меток (веб-страниц). В качестве визуального представления в системе используются двумерные штрихкоды (QR-ко-ды), которые считываются мобильными устройствами пользователей. QR-код в этом случае используется в классической форме — как визуальное представление веб-ссылки (URL). Размещение меток может осуществляться в произвольном порядке. Также безо всяких ограничений к системе могут добавляться новые метки и модифицироваться (удаляться) старые.
Можно сказать, что предлагаемая система есть программная модель упоминавшихся выше информационных киосков. Но это чисто программное решение, свободное от стоимостных ограничений и чрезвычайно простое в обновлении.
Реализация системы
Система реализована в виде веб-сайта, хранящего данные о каждой метке. Общая схема работы устройства представлена на рис. 8. Владелец добавляет информацию о конкретной метке с помощью системы управления контентом сайта, отмечая ее местоположение на схеме помещения. Информация о каждой метке представлена отдельной веб-страницей, адрес которой кодируется двумерным штрихкодом. Штрих-код располагается в точке помещения, обозначенной на схеме соответствующей меткой. Посетитель при помощи программного обеспечения на своем мобильном устройстве считывает штрихкод и переходит на страницу с информацией о метке, где обозначается ее положение на схеме.
Любое отдельное помещение должно быть представлено загружаемой графи-
Добавление информации о метке, обозначение на схеме
Печать метки Считывание метки Получение
и размещение —> мобильным информации
в пространстве устройством о местонахождении
Рис. 8. Общая схема работы системы
36
№ 1 (43) 2013
ческой схемой, на которую наносятся различные точки, каждой из которых соответствует отдельная веб-страница, динамически формируемая при извлечении данных из базы. При создании новой точки пользователь имеет возможность визуально установить указатель на загруженной схеме (рис. 9). Кроме координат, задающих положение точки относительно графической схемы, может быть внесена некоторая дополнительная информация как об объекте, соответствующем этой точке, так и о точках, находящихся в непосредственной близости от нее.
Заметим, что наличие плана помещения в этом случае не обязательно. Разметка помещения может быть начата с произвольно выбранного места, а информационная модель описывает именно относительную навигацию (от данной точки). Таким образом, отсутствие глобального плана не является лимитирующим фактором.
В описываемом случае метка представляет собой двухмерный штрихкод, в котором закодирован адрес веб-страницы соответствующей точки. Штрихкод генерируется после добавления информации о новой точке в базу данных. Для генерации штрихко-да используется сервис создания QR-кодов от компании Google — Google Chart Tools: Infographics, предоставляющий генерируемый штрихкод в ответ на отправку GET-за-проса с заданными параметрами. В ответ
Рис. 9. Установка указателя на точку
на запрос сервером генерируется изображение в формате PNG.
Код PHP, описывающий данную процедуру в системе, имеет следующий вид:
<?
echo 'https: //chart.googleapis.com/ chart? cht=qr&chs=300x300&chl=',
htmlentities (urlencode ($url)) ? >
где $uri — переменная, содержащая строку с адресом веб-страницы точки.
Штрихкод распечатывается и располагается в помещении в месте, обозначенном соответствующей точкой на схеме (рис. 10).
Для считывания двухмерного штрихко-да пользователю необходимо установить программу для чтения штрихкодов, разработанную для конкретной мобильной платформы. Подобные программы в бесплатном варианте существуют для всех современных мобильных платформ. Считывание
а б
Рис. 10. Метка, генерируемая системой (а) и пример размещения распечатанной метки в пространстве (б)
№ 1 (43) 2013
I
а I
0 с со
1
I §
I
СО
0
1
о §
§
I 8
I <0
я
о и
со
0
1 &
а
й
I
I ¡1
I
о
со §
л
Рис. 11. Считывание метки мобильным устройством пользователя
метки производится путем запуска пользователем (мобильным абонентом) соответствующей программы и наведения камеры телефона на штрихкод, как показано на рис. 11.
При считывании штрихкода осуществляется переход на страницу, на которой отображается соответствующее помещению изображение-схема, показывается положение точки на схеме и текстовая информация о ней (рис. 12). При переходе на страницу с описанием точки пользователь может также получить некоторые сведения, касающиеся точек, расположенных недалеко от данной, — например, информацию о точках, расположенных слева, справа и этажом выше или ниже. В текущей разработке описания соседних точек заносятся владельцем этой точки (под ним понимается автор, создавший в системе ее описание). В дальнейшем планируется сделать автоматическое распознавание близлежащих точек и их отображение относительно заданной.
Система предполагает последующую доработку, направленную на повышение функциональности позиционирования и навигации. Предполагается добавление функции поиска точек и прокладки маршрута. Кроме того, планируется реализовать использование данных, считываемых с микро-
Схема помещения
Точка, находящаяся этажом выше
Текстовое описание точки
Салон красоты
Точка, находящаяся слева
Cалон одежды
В нашем салоне Вы найдете лучший ассортимент одежды, всегда низкие цены и самые модные новинки
Фитнес-центр
/
Студия загара
Точка, находящаяся справа
Точка, находящаяся этажом ниже
Рис. 12. Представление точки, которое видит пользователь
38
№ 1 (43) 2013
электромеханических датчиков, включенных в состав современных мобильных устройств: акселерометра, компаса, гироскопа. С их помощью возможна реализация функционала интерактивной навигации пользователя к выбранной точке, а также определения местоположения пользователя без необходимости многократного считывания меток. Первая версия системы была реализована в рамках магистерской диссертации, выполненной в лаборатории Открытых информационных технологий факультета ВМК МГУ им. М. В. Ломоносова.
Другим возможным расширением системы является переход к контекстно-зависимым вычислениям. Для этого предполагается создание собственной программы чтения QR-кодов. За основу может быть взята одна из существующих реализаций QR-code reader с открытым кодом (например, Zxing). Идея состоит в том, что такой специализированный распознаватель QR-кодов будет не только распознавать закодированную ссылку, но и анализировать сетевое окружение по месту своего применения. В частности, результатом анализа может быть «видимость» элементов сетевой инфраструктуры (точек доступа Wi-Fi, узлов Bluetooth). По сути, одновременно со сканированием и распознаванием QR-кода будет вычисляться упомянутый выше Wi-Fi fingerprint. После распознавания QR-кода стандартная программа осуществляет переход (с согласия пользователя) по выделенному из QR-ко-да сетевому адресу (URL). Абсолютно также будет вести себя и специализированное приложение, но при выполнении такого перехода информация о сетевом окружении будет передаваться в качестве параметров HTTP запроса (как обычные GET параметры — в строке запроса). Это позволяет автоматически реализовать две важных опции. Во-первых, все QR-коды в такой системе могут быть одинаковыми (использовать один и тот же URL). Разными у них будут только параметры запроса — в зависимости от того, где этот QR-код был сканирован. Во-вторых, закодированный URL может
ссылаться на некоторое веб-приложение |
(Св/-скрипт), динамически формирующее ^
отклик в зависимости от полученных в за- ^
просе параметров. ^
IB
0
<§
Заключение й
1
В статье рассмотрена система позиционирования и навигации для помещений, ос- ^ нованная на применении двумерных штрих- ^ кодов (QR-кодов). Достоинствами предложенного подхода является простота развертывания и легкость сопровождения. В отличие от большинства систем позиционирования в помещениях, предложенный подход не требует предварительной разметки помещений. Доступность клиентских приложений для считывания QR-кодов позволяет применять систему на всех моделях современных мобильных телефонов.
Список литературы
1. Dmitry Namiot «Context-Aware Browsing — A Practical Approach» Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies (NGMAST), 2012 6th International Conference on, 2012. Р. 18-23. DOI: 10.1109/NGMAST. 2012.13.
2. Dmitry Namiot, Manfred Sneps-Sneppe Wi-Fi Proximity and Context-aware Browsing ICDT 2012, The Seventh International Conference on Digital Telecommunications. Р. 1-7.
3. Google Indoor Maps & Indoor Location. [HTML] URL: http://www.indoorlbs.com/2012/04/google-in-door-maps-indoor-location.html).
4. OpenStreetMap Indoor: http://wiki.openstreetmap.org/ wiki/Indoor_Mapping.
5. Fernando Lyardet, Diego Wong Szeto, Erwin Aiten-bichler Context-Aware Indoor Navigation. Ambient Intelligence Lecture Notes in Computer Science Volume 5355, 2008. Р. 290-307.
6. Milloni A, Wagner D., Barakonyi I., Schmalstieg D. Indoor Positioning and Navigation with Camera Phones Pervasive Computing, IEEE. Vol. 8. Issue 2. Р. 22-31.
7. Dmitry Namiot and Manfred Sneps-Sneppe «Wi-Fi proximity as a Service», SMART 2012, The First International Conference on Smart Systems, Devices and Technologies. P. 62-68.
