場(chǎng)景：您正在開(kāi)車去大學(xué)校園工作，并使用支持全球定位系統(tǒng)(GPS)的智能手機(jī)告訴您以及您的汽車如何到達(dá)那里。到達(dá)后，您便開(kāi)始使用建筑標(biāo)志來(lái)識(shí)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(guò)未標(biāo)記的走廊，黑暗的樓梯間和無(wú)窗地下室走廊，到達(dá)最終目的地。早到是一件好事，因?yàn)槟诮ㄖ锏娜肟诤托罗k公室之間迷失了幾次。如果您以前用來(lái)在戶外旅行的支持GPS的設(shè)備可以告訴您進(jìn)入哪里(以及您在哪里)。

一般人將其87%的時(shí)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(xué)校，博物館或購(gòu)物中心)中的時(shí)間組合。但是，我們一直依賴的GPS技術(shù)進(jìn)行可靠，準(zhǔn)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(wú)效。這個(gè)問(wèn)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(gè)重大挑戰(zhàn)。

對(duì)于消防員而言，這一挑戰(zhàn)尤為關(guān)鍵。缺乏準(zhǔn)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(dòng)還受限于能見(jiàn)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(dāng)前為公共安全創(chuàng)建建筑物室內(nèi)地圖的過(guò)程通常始于事前事前計(jì)劃2。事前計(jì)劃涉及緊急響應(yīng)者收集和存儲(chǔ)關(guān)鍵站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及有關(guān)目標(biāo)危險(xiǎn)站點(diǎn)的特征，并可以提高對(duì)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(guò)程中(可能在建筑物檢查期間)，消防員將走過(guò)建筑物，并在穿越過(guò)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(dòng)過(guò)程非常耗時(shí)，幾乎每當(dāng)建筑物的功能發(fā)生變化時(shí)都無(wú)法復(fù)制。在美國(guó)，僅商業(yè)建筑空間就包括560萬(wàn)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(dòng)化制作室內(nèi)地圖的過(guò)程，但仍需要正確注釋的數(shù)據(jù)集(一個(gè)針對(duì)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(diǎn)云城市獎(jiǎng)，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(gè)項(xiàng)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(diǎn)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(jiǎng)?wù)咚诘牡貐^(qū)。從2020年末開(kāi)始，每個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)集將在兩年內(nèi)公開(kāi)提供給研發(fā)(R&D)社區(qū)。

激光雷達(dá)可以被認(rèn)為是一種更復(fù)雜的激光測(cè)距儀，其發(fā)射和定時(shí)由計(jì)算機(jī)控制。激光每秒發(fā)射40,000次，形成映射該區(qū)域的點(diǎn)的“云”。通過(guò)將此信息與GPS結(jié)合，數(shù)十年來(lái)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(wèn)是否可以使用相同的技術(shù)繪制室內(nèi)地圖。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院

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

“在美國(guó)，大多數(shù)建筑物都無(wú)法準(zhǔn)確地映射到內(nèi)部。因此，對(duì)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(diǎn)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(shuō)道。Lawhead先生是密西西比州漢考克縣的承包商，獲得了點(diǎn)云城獎(jiǎng)。

使用激光雷達(dá)創(chuàng)建3D地圖

勞德黑德說(shuō)：“自90年代以來(lái)，激光雷達(dá)就已用于繪制戶外地圖。” “您實(shí)際上是在發(fā)射激光……并且(激光)返回所需的時(shí)間給了您一定的距離。因?yàn)榧す馐枪?，并且光是萬(wàn)能常數(shù)，所以我們知道它的傳播速度有多快。” 他繼續(xù)說(shuō)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(diǎn)結(jié)合在一起。這將為您提供經(jīng)度和緯度坐標(biāo)。然后，您便能確定與飛機(jī)的距離“從激光發(fā)射通常會(huì)標(biāo)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(wèn)題是，我們可以在內(nèi)部做同樣的事情并使用激光雷達(dá)來(lái)繪制建筑物內(nèi)部嗎?”

“在這個(gè)項(xiàng)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(gè)小時(shí)內(nèi)完成建筑物的繪制，”羅德島大學(xué)(University of Rhode Island)助理教授兼該研究所首席研究員Jason Parent博士說(shuō)。恩菲爾德消防部門一號(hào)項(xiàng)目。“當(dāng)然，我們必須將數(shù)據(jù)送回計(jì)算機(jī)并進(jìn)行分析和處理，這將需要一到兩周的時(shí)間。但是，它比以前的方法要有效得多。因此，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，將其整合進(jìn)來(lái)將是一件很棒的事情。轉(zhuǎn)移到其他項(xiàng)目中。”

此外，對(duì)激光雷達(dá)用于公共安全的研究可能會(huì)提高應(yīng)急響應(yīng)的效率。在將來(lái)的場(chǎng)景中，消防隊(duì)長(zhǎng)可以訪問(wèn)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(jì)劃?rùn)z查中使用，以幫助有效地識(shí)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(méi)有的景象和方向!

固定在攝像機(jī)上的激光雷達(dá)激光器使計(jì)算機(jī)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(duì)象識(shí)別算法應(yīng)用于自動(dòng)注釋過(guò)程，從而節(jié)省了研究人員寶貴的人工時(shí)間。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院

為公共安全用例標(biāo)記數(shù)據(jù)

直到Point Cloud City之前，對(duì)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(gè)項(xiàng)目分別在恩菲爾德(CT)，漢考克縣(MS)和孟菲斯(田納西州)進(jìn)行，旨在在研發(fā)的最前沿開(kāi)拓公共安全用例。

孟菲斯大學(xué)的Lan Wang博士解釋說(shuō)：“盡管有許多現(xiàn)有的圖像數(shù)據(jù)集可用于訓(xùn)練對(duì)象識(shí)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(duì)象……” d僅通過(guò)使用智能手機(jī)攝像頭來(lái)識(shí)別您正在尋找的植物種類;沒(méi)有這樣的公共安全經(jīng)驗(yàn)。“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(shí)，但是所得到的數(shù)據(jù)集對(duì)于研究界可能具有巨大的價(jià)值。” 未來(lái)對(duì)自動(dòng)注釋過(guò)程的研究也可能即將到來(lái)。

王博士說(shuō)：“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，很難使用現(xiàn)有算法來(lái)檢測(cè)公共安全所需的小物體。” “我們?cè)诂F(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?lái)的研究目標(biāo)之一是開(kāi)發(fā)更好的人工智能(AI)或機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)檢測(cè)或識(shí)別這些對(duì)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(jì)劃外，這項(xiàng)技術(shù)還有望在培訓(xùn)場(chǎng)景中發(fā)揮作用。例如，點(diǎn)云可用于VR仿真中，以便戴著VR護(hù)目鏡的消防員可以通過(guò)精確的3D地圖以及標(biāo)記的物體和障礙物來(lái)體驗(yàn)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(chǔ)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(jìn)行訓(xùn)練。

點(diǎn)云城市項(xiàng)目可能會(huì)導(dǎo)致旨在將對(duì)象識(shí)別技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(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?cè)跊](méi)有數(shù)據(jù)輸入的黑暗環(huán)境中也能看到和獲得情報(bào)。曾是一名消防員的父母父母博士解釋說(shuō)：“他們將能夠提出平面圖，以查看他們?cè)诮ㄖ飪?nèi)的位置?？赡軙?huì)有一些功能告訴他們離建筑物最近的道路，緊急情況出口，他們進(jìn)來(lái)的方式，如何從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)或搜索其他位置……這可以使他們的過(guò)程更有效率，或者在緊急情況下幫助他們離開(kāi)建筑物。” 另外，大樓外的消防隊(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)的研討會(huì)上，王博士的團(tuán)隊(duì)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(shí)際上希望看到更多建筑物的地圖。他們對(duì)獲取學(xué)校模型非常感興趣，因?yàn)檫@是他們要保護(hù)的第一件事。” 與當(dāng)?shù)毓舶踩嫦嚓P(guān)者合作，確保王博士的團(tuán)隊(duì)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(shí)類似地表示：“獲得(公共安全)反饋真是太好了，因?yàn)榉駝t我們只是在浪費(fèi)時(shí)間和金錢來(lái)解決實(shí)際上不是他們要面對(duì)的問(wèn)題。” 出于這個(gè)原因，PSCR的融資機(jī)會(huì)旨在確保與公共安全的協(xié)作。

雖然計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法能夠立即識(shí)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(shí)別。灑水噴頭和水管等對(duì)公共安全重要的物體，需要手動(dòng)貼標(biāo)簽，這既費(fèi)時(shí)又繁瑣。但是，如果沒(méi)有這些信息，急救人員通常對(duì)建筑物的特定功能一無(wú)所知。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院

影響公共安全及其他

當(dāng)?shù)谝豁憫?yīng)者可以更安全，更有效地完成工作時(shí)，對(duì)整個(gè)社會(huì)都會(huì)有很大的好處。使用3-D點(diǎn)云構(gòu)建模型來(lái)增強(qiáng)急救人員的態(tài)勢(shì)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(shuō)：“作為一名前消防員，我非常欣賞點(diǎn)云城項(xiàng)目開(kāi)發(fā)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的目標(biāo)，我很高興能夠?yàn)檫@項(xiàng)重要研究做出貢獻(xiàn)。”

此外，數(shù)據(jù)集可以幫助社區(qū)更好地開(kāi)發(fā)建筑信息模型，以確保安全功能標(biāo)準(zhǔn)化。王博士的孟菲斯團(tuán)隊(duì)向美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)提交了一項(xiàng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化新建筑信息模型的提案，這可能會(huì)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(lái)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(huì)影響機(jī)器人技術(shù)。例如，幫助自主機(jī)器人吸塵器或自動(dòng)駕駛汽車更有效地導(dǎo)航空間。盡管目前，重點(diǎn)仍然放在為建筑模型提供對(duì)公共安全至關(guān)重要的詳細(xì)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(lái)，也許在您下次訪問(wèn)新的辦公樓或?qū)W校時(shí)(無(wú)論何時(shí)發(fā)生)，也許您將獲得3D室內(nèi)地圖，以幫助您到達(dá)最終目的地而不會(huì)迷路。或者，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(kāi)源數(shù)據(jù)集，我們希望可以實(shí)現(xiàn)這一未來(lái)。這僅僅是開(kāi)始。

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