場景：您正在開車去大學校園工作，并使用支持全球定位系統(tǒng)(GPS)的智能手機告訴您以及您的汽車如何到達那里。到達后，您便開始使用建筑標志來識別您感興趣的結(jié)構(gòu)。您將車停在了里面，并在布告欄上看到了一張建筑圖，該圖可以將您引向您要尋找的特定辦公室。按照地圖的圖示，您穿過未標記的走廊，黑暗的樓梯間和無窗地下室走廊，到達最終目的地。早到是一件好事，因為您在建筑物的入口和新辦公室之間迷失了幾次。如果您以前用來在戶外旅行的支持GPS的設(shè)備可以告訴您進入哪里(以及您在哪里)。

一般人將其87%的時間都花在室內(nèi)1上。這可能包括住宅內(nèi)部(例如私人住宅)或商業(yè)或公共建筑(例如企業(yè)，學校，博物館或購物中心)中的時間組合。但是，我們一直依賴的GPS技術(shù)進行可靠，準確的定位，并且由于屋頂，墻壁和窗戶的阻礙，在這樣的建筑物中戶外導(dǎo)航完全無效。這個問題，加上缺乏廣泛可用的室內(nèi)地圖，使室內(nèi)導(dǎo)航功能成為一個重大挑戰(zhàn)。

對于消防員而言，這一挑戰(zhàn)尤為關(guān)鍵。缺乏準確的室內(nèi)建筑圖意味著消防員更容易迷路和迷失方向。除了嘗試在未知的建筑物中導(dǎo)航(就像新聘人員在我們上面的情況一樣)之外，消防員的行動還受限于能見度，戴著最多50磅的裝備，并且僅呼吸有限的氧氣。秒數(shù)。

世界需要可靠的室內(nèi)地圖，不僅是為了在正常情況下提供幫助，還需要在緊急情況下使用室內(nèi)地圖可以防止人員傷亡。

室內(nèi)地圖并非總是可用

當前為公共安全創(chuàng)建建筑物室內(nèi)地圖的過程通常始于事前事前計劃2。事前計劃涉及緊急響應(yīng)者收集和存儲關(guān)鍵站點數(shù)據(jù)以及有關(guān)目標危險站點的特征，并可以提高對恐怖事件和緊急事件的響應(yīng)效率。在事故發(fā)生前的規(guī)劃過程中(可能在建筑物檢查期間)，消防員將走過建筑物，并在穿越過程中用手繪制地圖。他們注意到從建筑物的尺寸到電梯和消防泵的位置，到有害物質(zhì)和供水信息等等的所有內(nèi)容。這種手動過程非常耗時，幾乎每當建筑物的功能發(fā)生變化時都無法復(fù)制。在美國，僅商業(yè)建筑空間就包括560萬商業(yè)建筑和87B平方英尺的建筑面積3，因此需要大量的地面覆蓋。盡管三維(3-D)掃描儀可以幫助自動化制作室內(nèi)地圖的過程，但仍需要正確注釋的數(shù)據(jù)集(一個針對公共安全而定制的數(shù)據(jù)集)。

這就是為什么在2018年，NIST的公共安全通信研究部門(PSCR)頒發(fā)了點云城市獎，旨在加速與公共安全用例的室內(nèi)制圖有關(guān)的研究。PSCR資助了三個項目-孟菲斯市(TN)，恩菲爾德消防局(CT)和漢考克縣(MS)-目的是創(chuàng)建帶注釋的點云和從各種建筑物中收集的360度影像數(shù)據(jù)集輸入獲獎?wù)咚诘牡貐^(qū)。從2020年末開始，每個項目的數(shù)據(jù)集將在兩年內(nèi)公開提供給研發(fā)(R&D)社區(qū)。

激光雷達可以被認為是一種更復(fù)雜的激光測距儀，其發(fā)射和定時由計算機控制。激光每秒發(fā)射40,000次，形成映射該區(qū)域的點的“云”。通過將此信息與GPS結(jié)合，數(shù)十年來已經(jīng)以此方式繪制了室外地形?，F(xiàn)在研究人員正在詢問是否可以使用相同的技術(shù)繪制室內(nèi)地圖。圖片來源：美國國家標準技術(shù)研究院

點云是由用于表示3-D對象和空間的給定坐標系(通常為x，y，z坐標)定義的空間3-D數(shù)據(jù)點的集合。可以使用3-D掃描儀創(chuàng)建它們，這些掃描儀對于創(chuàng)建用于建筑目的或虛擬現(xiàn)實(VR)應(yīng)用程序的模型非常有效。這三個獲獎項目均使用激光雷達技術(shù)掃描3D室內(nèi)結(jié)構(gòu)。

“在美國，大多數(shù)建筑物都無法準確地映射到內(nèi)部。因此，對于急于趕往建筑物內(nèi)撲滅火災(zāi)或救助積極射擊者的人們而言，他們有點盲目。他們不知道建筑物的內(nèi)部是什么樣的。” NVision Solutions Inc.首席信息官Joel Lawhead說道。Lawhead先生是密西西比州漢考克縣的承包商，獲得了點云城獎。

使用激光雷達創(chuàng)建3D地圖

勞德黑德說：“自90年代以來，激光雷達就已用于繪制戶外地圖。” “您實際上是在發(fā)射激光……并且(激光)返回所需的時間給了您一定的距離。因為激光是光，并且光是萬能常數(shù)，所以我們知道它的傳播速度有多快。” 他繼續(xù)說道：“繪制室外空間，將GPS告訴您在地球上的位置以及激光發(fā)射的確切點結(jié)合在一起。這將為您提供經(jīng)度和緯度坐標。然后，您便能確定與飛機的距離“從激光發(fā)射通常會標出海拔高度。我們已經(jīng)在室外和室外地形上繪制了幾十年的圖。問題是，我們可以在內(nèi)部做同樣的事情并使用激光雷達來繪制建筑物內(nèi)部嗎?”

“在這個項目中，我們能夠使用手持式掃描設(shè)備在建筑物中穿行，并且可以在幾個小時內(nèi)完成建筑物的繪制，”羅德島大學(University of Rhode Island)助理教授兼該研究所首席研究員Jason Parent博士說。恩菲爾德消防部門一號項目。“當然，我們必須將數(shù)據(jù)送回計算機并進行分析和處理，這將需要一到兩周的時間。但是，它比以前的方法要有效得多。因此，對于研究人員來說，將其整合進來將是一件很棒的事情。轉(zhuǎn)移到其他項目中。”

此外，對激光雷達用于公共安全的研究可能會提高應(yīng)急響應(yīng)的效率。在將來的場景中，消防隊長可以訪問3-D室內(nèi)建筑地圖，從而使他們可以看到他們可能不熟悉或很難看到的空間。這些地圖可以在年度事前計劃檢查中使用，以幫助有效地識別平面圖上的物體，障礙物或結(jié)構(gòu)變化。想象一下，如果一名消防員在煙霧中爬行并跪在地上，在抬頭顯示器上投影了3D室內(nèi)地圖，從而使他們看到以前沒有的景象和方向!

固定在攝像機上的激光雷達激光器使計算機能夠收集位置數(shù)據(jù)并將其與視頻數(shù)據(jù)疊加。然后，將視頻對象識別算法應(yīng)用于自動注釋過程，從而節(jié)省了研究人員寶貴的人工時間。圖片來源：美國國家標準技術(shù)研究院

為公共安全用例標記數(shù)據(jù)

直到Point Cloud City之前，對3-D數(shù)據(jù)集的研究都不適合公共安全。許多可用的圖像都排除了與急救人員有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如緊急出口，滅火器和公用事業(yè)設(shè)施的關(guān)閉。由PSCR資助的三個項目分別在恩菲爾德(CT)，漢考克縣(MS)和孟菲斯(田納西州)進行，旨在在研發(fā)的最前沿開拓公共安全用例。

孟菲斯大學的Lan Wang博士解釋說：“盡管有許多現(xiàn)有的圖像數(shù)據(jù)集可用于訓練對象識別，但這些數(shù)據(jù)集并不包含我們感興趣的大多數(shù)與公共安全相關(guān)的對象……” d僅通過使用智能手機攝像頭來識別您正在尋找的植物種類;沒有這樣的公共安全經(jīng)驗。“這意味著我們必須自己收集和注釋這些圖像，這非常繁瑣且耗時，但是所得到的數(shù)據(jù)集對于研究界可能具有巨大的價值。” 未來對自動注釋過程的研究也可能即將到來。

王博士說：“對于我們來說，很難使用現(xiàn)有算法來檢測公共安全所需的小物體。” “我們在現(xiàn)有算法中選擇了最好的，但它們?nèi)匀徊皇峭昝赖?。因此，我們未來的研究目標之一是開發(fā)更好的人工智能(AI)或機器學習算法來檢測或識別這些對象。 AI研究人員的潛在突破性研究領(lǐng)域。”

除了研究和事前計劃外，這項技術(shù)還有望在培訓場景中發(fā)揮作用。例如，點云可用于VR仿真中，以便戴著VR護目鏡的消防員可以通過精確的3D地圖以及標記的物體和障礙物來體驗建筑物的穿越。這些模擬還可以提供其他相關(guān)數(shù)據(jù)，例如方向提示，以幫助消防員導(dǎo)航樓梯間，儲藏室等。VR幫助消防員在安全，受控和可重復(fù)的環(huán)境中進行訓練。

點云城市項目可能會導(dǎo)致旨在將對象識別技術(shù)與增強現(xiàn)實(AR)集成的研發(fā)，該技術(shù)可以用作消防員頭盔內(nèi)的直觀數(shù)據(jù)疊加，從而使他們在沒有數(shù)據(jù)輸入的黑暗環(huán)境中也能看到和獲得情報。曾是一名消防員的父母父母博士解釋說：“他們將能夠提出平面圖，以查看他們在建筑物內(nèi)的位置?？赡軙幸恍┕δ芨嬖V他們離建筑物最近的道路，緊急情況出口，他們進來的方式，如何從A點到達B點或搜索其他位置……這可以使他們的過程更有效率，或者在緊急情況下幫助他們離開建筑物。” 另外，大樓外的消防隊長和消防員可以使用帶有3D地圖的設(shè)備，該地圖可以顯示消防員在室內(nèi)的位置以及他們所在的樓層。“因此，如果消防人員發(fā)生任何事情并且需要自行救助，則局長可以知道將快速干預(yù)小組派往何處。就[消防員]安全和執(zhí)行工作的能力而言，這是潛在的突破性技術(shù)。 ”

在孟菲斯消防局，孟菲斯警察局和城市地理信息系統(tǒng)(GIS)團隊的研討會上，王博士的團隊了解了哪些建筑物和物體應(yīng)優(yōu)先滿足公共安全需求。“他們非常興奮，實際上希望看到更多建筑物的地圖。他們對獲取學校模型非常感興趣，因為這是他們要保護的第一件事。” 與當?shù)毓舶踩嫦嚓P(guān)者合作，確保王博士的團隊首先處理最重要建筑物的數(shù)據(jù)。

勞德黑德先生在接受采訪時類似地表示：“獲得(公共安全)反饋真是太好了，因為否則我們只是在浪費時間和金錢來解決實際上不是他們要面對的問題。” 出于這個原因，PSCR的融資機會旨在確保與公共安全的協(xié)作。

雖然計算機視覺算法能夠立即識別上述視頻幀中的某些功能，例如沙發(fā)和椅子，但其他功能卻不太容易識別。灑水噴頭和水管等對公共安全重要的物體，需要手動貼標簽，這既費時又繁瑣。但是，如果沒有這些信息，急救人員通常對建筑物的特定功能一無所知。圖片來源：美國國家標準技術(shù)研究院

影響公共安全及其他

當?shù)谝豁憫?yīng)者可以更安全，更有效地完成工作時，對整個社會都會有很大的好處。使用3-D點云構(gòu)建模型來增強急救人員的態(tài)勢感知的結(jié)果可能包括減少傷害，傷害甚至死亡。潘恩特博士說：“作為一名前消防員，我非常欣賞點云城項目開發(fā)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的目標，我很高興能夠為這項重要研究做出貢獻。”

此外，數(shù)據(jù)集可以幫助社區(qū)更好地開發(fā)建筑信息模型，以確保安全功能標準化。王博士的孟菲斯團隊向美國國家科學基金會(NSF)提交了一項有關(guān)標準化新建筑信息模型的提案，這可能會影響建筑經(jīng)理，城市規(guī)劃人員，檢查人員以及在建人員。

從研發(fā)的角度來看，這些數(shù)據(jù)集也有廣泛的應(yīng)用。一種這樣的應(yīng)用程序可能會影響機器人技術(shù)。例如，幫助自主機器人吸塵器或自動駕駛汽車更有效地導(dǎo)航空間。盡管目前，重點仍然放在為建筑模型提供對公共安全至關(guān)重要的詳細注釋并為基于位置的服務(wù)研究人員改善室內(nèi)定位/導(dǎo)航算法。

將來，也許在您下次訪問新的辦公樓或?qū)W校時(無論何時發(fā)生)，也許您將獲得3D室內(nèi)地圖，以幫助您到達最終目的地而不會迷路?；蛘?，由于大型建筑物失火而迷失方向的消防員人數(shù)或傷亡人數(shù)將大大減少。借助Point Cloud City的研發(fā)和由此產(chǎn)生的開源數(shù)據(jù)集，我們希望可以實現(xiàn)這一未來。這僅僅是開始。

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