Nghiên cứu kiến trúc hệ thống AR LBS

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG ĐỒN XN VƯỢNG NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC HỆ THỐNG AR- LBS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC Thái Nguyên - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân tôi, không chép Luận văn tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng hợp thực Nội dung lý thuyết luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo trình bày phần tài liệu tham khảo Chương trình phần mềm kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày 16 tháng năm 2014 Học viên thực Đoàn Xuân Vượng LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, cán hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, người thầy tận tnh hướng dẫn từ buổi tiếp cận với đề tài khoa học Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, cán Trung tâm Công nghệ phần mềm – Sở Thông tin Truyền thông thành phố Hải Phòng tận tnh giảng dạy tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn bạn học viên lớpCK11B – Khoa học máy tnh giúp đỡ, tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, đồng nghiệp bạn bè tơi, người động viên, tạo điều kiện cho lao động học tập suốt thời gian qua Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 16 tháng năm 2014 Học viên thực Đoàn Xuân Vượng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 ĐẶT VẤN ĐỀ 11 Chương 1: Khái quát LBS thực gia tăng (Augmented Reality) 14 1.1 Giới thiệu chung LBS 14 1.1.1 Tổng quan LBS 14 1.1.2 Các thành phần LBS 15 1.1.3 Các kiểu dịch vụ LBS 16 1.1.4 Các thiết bị di động 17 1.1.5 Mô tả việc xử lý yêu cầu LBS 19 1.2 Giới thiệu Augmented Reality 22 1.2.1 Định nghĩa 22 1.2.2 Tổng quan lịch sử phát triển 24 1.2.3 Các thành phần Augmented Reality 27 1.2.4 Ứng dụng Augmented Reality thực tế 30 1.3 Kết hợp ứng dụng AR LBS 34 Chương 2: Kiến trúc hệ thống tích hợp thực gia tăng LBS(AR -LBS) 37 2.1 Giới thiệu 37 2.2 Cơ sở hạ tầng mạng truyền thông 37 2.3 Vấn đề định vị 41 2.4 Kiến trúc tổng thể hệ thống AR-LBS 45 2.4.1 Mơ hình tổng quát 45 2.4.2 Các thành phần kiến trúc AR-LBS 47 2.4.2 Cơ sở liệu AR-LBS 48 2.4.3 Các vấn đề phát triển ứng dụng AR-LBS 49 2.4.4 Các chiến lược phát triển hệ thống AR-LBS 50 2.5 Kết luận chương 54 Chương 3: Xây dựng demo hệ thống AR-LBS tảngGoogle App Engine 55 3.1 Giới thiệu Google App-Engine 55 3.1.1 Môi trường ứng dụng: 56 3.1.2 RunTimes Frameworks: 57 3.1.3 Hỗ trợ độ tin cậy 57 3.1.4 Google Cloud SQL 57 3.1.5 Giới hạn sử dụng 57 3.1.6 Free Quota 58 3.1.7 Kết luận 58 3.2 Hệ thống AR-LBS cung cấp thơng tin tòa nhà thành phố Hải Phòng qua Smartphone 59 3.2.1 Đặt vấn đề 59 3.2.2 Phân tch hệ thống 59 3.3 Thiết kế cài đặt tảng Google App Engine 68 3.3.1 Thiết kế sở liệu 68 3.3.2 Thiết kế chương trình 70 3.4 Thử nghiệm đánh giá kết 73 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng Anh ADSL A-FLT AOA API Asymmetric Digital Subscriber Line Advanced forward link trilateration Angle of arrival Application Programming Interface AR Augmented Reality CSDL EDGE E-OTD GAE 10 GIS Enhanced Data rates for GSM Evolution Enhanced observed time difference Google App Engine Geographical Information System 11 GPRS General Packet Radio Service 12 GPS Global Position System 13 HDM Head Mounted Display 14 HTML HyperText Markup Language 15 HTTP Hypertext Transfer Protocol 16 JDBC Java Database Connectivity 17 JSON JavaScript Object Notation 18 LBC Location-based Computing 19 LBS 20 MARS Location-based Services Mobile Augmented Reality System 21 PDA Personal Digital Assistant Tiếng Việt Đường truyền thuê bao số bất đối xứng Giao diện lập trình ứng dụng Thực tăng cường (hoặc Thực gia tăng) Cơ sở liệu Công nghệ di động nâng cấp từ GPRS Google App Engine Hệ thống thông tin địa lý Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Hệ thống định vị tồn cầu Thiết bị hiển thị gắn đầu Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn Giao thức truyền siêu văn Kết nối sở liệu Java Ký pháp đối tượng JavaScript Tính tốn dựa địa điểm Dịch vụ dựa vị trí Hệ thống thực tăng cường mobile Thiết bị di động số cá nhân 22 POI Point of Interest 23 SEO Search Engine Optimization 24 TDOA 25 TOA 26 VR Time difference of arrival Time of arrival Virtual Reality 27 WAP Wireless Application Protocol 28 WLAN Wireless Local Area Network 29 WML Wireless Mark-up Language 30 XHTML Extensible HyperText Markup Language Số hóa Trung tâm Học liệu Điểm đặc trưng Tối ưu hóa cỗ máy tìm kiếm Thực ảo Giao thức ứng dụng không dây Mạng nội không dây Ngôn ngữ đánh dấu vô tuyến Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn mở rộng http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Các thành phần dịch vụ LBS 16 Hình 2: Các loại thiết bị di động 18 Hình 3: Luồng thơng tin thành phần LBS 20 Hình 4: Một ứng dụng thực tăng cường 23 Hình 5: Một cảnh series phim kẻ hủy diệt (Terminator) 25 Hình 6: Hệ thống AR dẫn nhà hàng 26 Hình 7: Hệ thống thực tăng cường Head-Mounted-Display 28 Hình 8: Mơ hình hệ thống thực tăng cường Head-Mounted-Display 28 Hình 9: HDM mơ hình rộng 30 Hình 10: Một thiết bị HDM Sony 30 Hình 11: Ứng dụng AR quân 31 Hình 12: Ứng dụng AR giải trí 32 Hình 13: Ứng dụng AR truyền thơng 33 Hình 14: Sử dụng smartphone cho AR 35 Hình 15: Một ứng dụng Nokia 36 Hình 1: Mơ hình kiến trúc WAP 38 Hình 2: Mạng GPRS/EDGE 39 Hình 3: Định vị theo phương pháp Cell identification 42 Hình 4: Định vị theo phương pháp TDOA 43 Hình 5: Định vị theo phương pháp TOA 44 Hình 6: Định vị theo phương pháp AOA 44 Hình 7: Quy trình xử lý hệ thống AR-LBS 46 Hình 8: Kiến trúc AR – LBS 47 Hình 1: Bảng theo dõi hoạt động ứng dụng GAE 56 Hình 2: Mơ hình tổng quan hệ thống xác định thơng tin địa diểm thành phố Hải Phòng 61 Số hóa Trung tâm Học http://www.lrc-tnu.edu.vn/ liệu Hình 3: Biểu đồ ca sử dụng Hiển thị khung nhìn AR 62 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.4: Biểu đồ ca sử dụng cập nhật vị trí Biểu đồ ca sử dụng quản trị liệu địa điểm: Hình 3.5: Biểu đồ ca sử dụng Quản trị liệu địa điểm b Đặc tả chi tiết số ca sử dụng chính: Ca sử dụng Hiển thị khung nhìn AR: Đây ca sử dụng hệ thống Thông tin vị trí điểm có chứa liệu đa phương tiện hiển thị khung nhìn camera, tạo cảm giác trực quan sử dụng Ca sử dụng mở rộng thành ca sử dụng sau: Cấu hình nhà cung cấp dịch vụ: Cho phép người dùng lựa chọn lấy GPS từ mạng internet vệ tinh Ca sử dụng cấu hình hiển thị: Cho phép người dùng cấu hình hiển thị camera, liệu theo nhiều tùy chọn khác Ca sử dụng Hiển thị AR: Lấy dũ liệu đa phương tiện thích hợp, hiển thị lên hình camera theo cấu hình tùy chọn Ca sử dụng Cập nhật thơng tin vị trí: Đây ca sử dụng quan trọng hệ thống.Phần mềm người sử dụng có chức gửi thơng tin cập nhật vị trí sau khoảng thời gian trung tâm Thơng tin đầu vào cho chức hiển thị liệu đa phương tiện Input Thơng tin vị trí người sử dụng hệ thống, hướng camera Output Thông tin vị trí người sử dụng cập nhật vào hệ thống Dữ liệu vị trí người sử dụng gửi server thẩm định Process xử lý Dữ liệu thẩm định cập nhật vào hệ thống sử dụng cho chức khác hệ thống Bảng 3.3: Mô tả đầu vào đầu xử lý Ca sử dụng Cập nhật thơng tin vị trí Ca sử dụng quản lý liệu đa phương tiện: Đây chức quản lý hệ thống.Tất liệu đa phương tiện địa điểm hệ thống quản lý chức Ca sử dụng mở rộng thành ca sử dụng cụ thể sau: Thêm liệu: Cùng với chức hiển thị đồ, người quản lý sử dụng marker đặt trước điểm đồ, di chuyển marker đến điểm mong muốn, hệ thống tự động tnh tốn vị trí điểm đó, người quản lý cần nhập thơng tin cho điểm như: tên, mơ tả,… thêm liệu đa phương tiện cho điểm Q trình thêm liệu hồn tất, vị trí điểm thông tin liệu đa phương tiện lập lức cập nhật lên đồ Sửa liệu: Người quản lý sử dụng chức tìm kiếm điểm liệu đa phương tiện chức tm kiếm thông tin hệ thống, danh sách điểm gần xác tùy thuộc vào liệu tìm kiếm đầu vào đưa ra, người quản lý cần click chuột vào địa điểm hay liệu cần sửa để hiển thị form chỉnh sửa kèm với vị trí địa điểm hiển thị đồ Công việc người quản lý đơn giản di chuyển marker đồ sửa liệu liên quan Xóa liệu: Người quản lý sử dụng chức tìm kiếm thông tin để tm điểm hay liệu đa phương tiện cần xóa Sau xóa danh sách điểm liệu đa phương tiện cập nhật sở liệu hệ thống đồ 3.2.2.3 Các biểu đồ tương tác Biểu đồ Hiển thị khung nhìn AR Hình 3.6: Biểu đồ Hiển thị khung nhìn AR Biểu đồ Cập nhật vị trí Hình 3.7: Biểu đồ Cập nhật vị trí Biểu đồ quản trị địa điểm Hình 3.8: Biểu đồ quản trị địa điểm 3.2.2.4 Biểu đồ triển khai hệ thống Hệ thống triển khai nút server client.Các thành phần cài đặt server toàn sử dụng tảng điện toán đám mây Google (Google cloud).Bao gồm module cung cấp liệu địa điểm dạng JSON cho client.Một module cập nhật liệu địa điểm cho người quản trị liệu, module Cơ sở liệu địa điểm cho để lưu liệu Cloud datastore Ở phía client thiết bị smartphone dùng hệ điều hành Android cài đặt module module Hiển thị khung nhìn AR module Cập nhật thơng tin vị trí Hình 3.9: Biểu đồ triển khai hệ thống 3.3 Thiết kế cài đặt tảng Google App Engine 3.3.1 Thiết kế sở liệu Hệ thống sử dụng sở liệu Google, mặt vật lý, liệu Google dùng công nghệ GAE phân tán, phân chia lưu trữ máy chủ nằm nhiều nơi giới, liệu khơng có mối quan hệ với Cơ sở liệu gồm bảng.Bảng PositionPlace lưu địa điểm tòa nhà, địa tọa độ Bảng PlaceCategory lưu thơng tin phân loại tòa nhà Trường học, Siêu thị, Chung cư… PlaceCategory PK CatID PositionPlace PK pName FK1 pAddress pLat pLon pCategory user CatID CatName Decription Hình 3.10:Cơ sở liệu địa điểm - Trong bảng Position Place GAE: Hình 3.11: Bảng Position Place GAE - Bảng PlaceCategory GAE Hình 3.12:Bảng PlaceCategory GAE Cơng cụ sử dụng Hệ thống phát triển tảng cơng nghệ sau: • Modul Server xây dựng phát triển tảng công nghệ Điện toán đám mây Google cung cấp – Google App Engine, viết ngôn ngữ Java, HTML Javascript • Modul Client ứng dụng phát triển cho thiết bị di động cầm tay thông minh tảng hệ điều hành Android 3.3.2 Thiết kế chương trình Trong trình thử nghiệm Chương trình thiết kế sau: Module server: Sử dụng HTML, JavaScript, Java sử dụng cơng nghệ điện tốn đám mây Google cung cấp chức sau: - Hiển thị danh sách địa điểm tòa nhà - Thêm địa điểm, sửa địa điểm có chức thị đồ Googe Map để hỗ trợ chọn địa điểm - Xóa địa điểm - Lưu trữ liệu địa điểm Hình 3.13: Giao diện trang chủ Hình 3.14: Giao diện danh sách địa điểm tòa nhà Hình 3.15: Thêm địa điểm tòa nhà Modul client phát triển hệ điều hành Android, để chạy ứng dụng, người dùng phải kích hoạt chức GPS thiết bị Modul cung cấp chức sau: Truyền liệu vị trí tại, hướng camera thiết bị lên server bật ứng dụng, nhận liệu điểm tiện ích xung quanh vị trí hướng quay camera Hệ thống truy vấn liệu thông qua module Server Quá trình truy vấn liệu từ nguồn CSDL người dùng phải trải qua bước thực sau: Chuyển đổi đơn vị đo tọa độ địa lý Tính khoảng cách điểm đồ: (theo công thức Haverisine) Haversine a = sin²(Δφ/2) + cos(φ1).cos(φ2).sin²(Δλ/2) c = 2.atan2(√ a , √ (1−a) ) d = R.c Trong φ: vĩ độ Cơng thức λ: kinh độ R: bán kính Trái Đất (Radius = 6,371km) Chú ý Các góc cơng thức sử dụng với đơn vị radian Bảng 3.4: Công thức Haversine - Hiển thị điểm tiện ích thơng tin điểm tiện ích hình thiết bị Hình 3.16: Giao diện chương trình smartphone 3.4 Thử nghiệm đánh giá kết Về chương trình xác định tòa nhà lấy thơng tin Tuy nhiên việc gắn thơng tin lên vị trí tòa nhà giao diện ứng dụng đơi chưa xác thuật tốn chưa tận dụng hết thông số cảm biến chưa hỗ trợ khả nhận dạng đối tượng (Kiểu lưu vết thị giác optical-based tracking) Dữ liệu hiển thị chưa phong phú liệu text, khơng có liệu hình ảnh hay video KẾT LUẬN Trong trình thực hiện, luận văn đạt kết sau: Kết đạt được: Tổng quát hóa lý thuyết dịch vụ dựa vị trí LBS, cơng nghệ thực tăng cường (Augmented-Reality) nói chung cơng nghệ điện tốn đám mây Google – Google App Engine nói riêng Làm rõ kiến trúc AR-LBS ứng dụng công nghệ thực tăng cường dịch vụ dựa vị trí Đưa chiến lược triển khai mơ hình client-server Tác giả thực xây dựng thử nghiệm thành công hệ thống AR-LBS điện toán đám mây Google, sử dụng thiết bị di động để tra cứu thông tin tòa nhà thành phố Tác giả đánh giá sơ tác động hệ thống với xã hội, từ có nhìn tổng qt cho hướng phát triển hệ thống đề xuất Hạn chế luận văn: Do thời gian kinh nghiệm tác giả hạn chế, hệ thống AR-LBS chưa kiểm nghiệm thực tiễn, chưa tận dụng hết tính smartphone để làm tăng độ chân thực ứng dụng Hướng phát triển luận văn: Trong thời gian tới tác giả tiếp tục nghiên cứu để hoàn thành phần thiếu giới hạn thời gian, làm luận văn tơi chưa hồn thành được, cụ thể: Luận văn phát triển theo hướng cung cấp hệ thống dịch vụ ARLBS hoàn chỉnh Google App Engine bổ sung thể 3D có khả nhận dạng thơng minh Cài đặt thêm thuật tốn tìm kiếm nhằm tối ưu truy vấn, cung cấp câu truy vấn nâng cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Văn Đức, Hệ thống thông tin địa lý, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 [2] Đặng Văn Đức, Nguyễn Tiến Phương, Đỗ Tuấn Anh, Nguyễn Sơn, Trần MạnhTrường (2008), Một số kỹ thuật áp dụng việc phát triển mơ hình dịch vụ sở vị trí địa lý, Báo cáo khoa học Hội nghị khoa học ICT.rda08, Hà Nội Tiếng Anh [3] Stefan Steiniger, Moritz Neun and Alistair Edwardes (2006), “Lecture Notes on LBS”, Foundations of Location Based Services, V 1.0 [4] R.Silva, J.C.Oliveira & G.A.Giraldi (2003) Introduction to AugmentedReality,LNCC Research Report #25/2003, National Laboratory for ScientificComputation [5] Höllerer, T.H., and Feiner, S.K (2004) Chapter Nine - Mobile Augmented Reality In H.Karimi & A Hammad (Eds.), Telegeoinformatics: Location-Based Computing and Services USA: Taylor & Francis Books Ltd [6] Raghav Sood (2012), Pro Android Augmented Reality, Apress Media LLC, ISBN: 978-1-4302-3945-1 [7] Jinesh Varia (2010), Architecting for the Cloud: Best Practices, Amazon [8] Bin Jiang, Xiaobai Yao (2012), “Location-based Services and GIS perspective” [9] Rajkumar Buyya, Chee Shin Yeo, and Srikumar Venugopal (2008), “Market-Oriented Cloud Computing: Vision, Hype, and Reality for Delivering IT Services as Computing Utilities”, International Conference on High Performance Computing [10] Jinesh Varia, Architecting for the Cloud: Best Practices, Amazon, May 2010 76 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống LBS, công nghệ AR kiến trúc xây dựng hệ thống AR – LBS ứng dụng thực tiễn Luận văn chia làm 03 chương với nội dung sau: Chương 1: Khái quát LBS thực gia tăng... vụ dựa vị trí LBS, tổng quan thực gia tăng Augmented Reality (AR) Chương 2: Kiến trúc hệ thống tích hợp thực gia tăng LBS - Chương đưa kiến trúc tích hợp AR- LBS, thành phần kiến trúc việc giao... vị 41 2.4 Kiến trúc tổng thể hệ thống AR- LBS 45 2.4.1 Mơ hình tổng qt 45 2.4.2 Các thành phần kiến trúc AR- LBS 47 2.4.2 Cơ sở liệu AR- LBS 48 2.4.3