Nghiên cứu kiến trúc hệ thống AR LBS ( Luận văn thạc sĩ)

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

ĐOÀN XUÂN VƢỢNG

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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi,
không sao chép của ai. Luận văn là do tôi tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng
hợp và thực hiện. Nội dung lý thuyết trong luận văn có sử dụng một số tài liệu
tham khảo như đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo. Chương trình phần
mềm và những kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong
bất kỳ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 16 tháng 5 năm 2014
Học viên thực hiện

Đoàn Xuân Vƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, cán bộ hướng dẫn
khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi từ
những buổi đầu tiên khi tiếp cận với đề tài khoa học.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo ở trường Đại học Công
nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, các cán bộ Trung tâm
Công nghệ phần mềm – Sở Thông tin và Truyền thông thành phố Hải Phòng đã
tận tình giảng dạy và tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn học viên lớpCK11B – Khoa học máy
tính đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, đồng nghiệp và
bạn bè tôi, những người đã động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi lao động và học
tập trong suốt thời gian qua.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 5 năm 2014
Học viên thực hiện

Đoàn Xuân Vƣợng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ 10
ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................... 11
Chƣơng 1: Khái quát về LBS và thực tại gia tăng (Augmented Reality) .... 14
1.1. Giới thiệu chung về LBS ........................................................................... 14
1.1.1. Tổng quan về LBS .................................................................................... 14
1.1.2. Các thành phần của 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 các yêu cầu của LBS...................................................... 19
1.2. Giới thiệu Augmented Reality ................................................................... 22
1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................. 22
1.2.2. Tổng quan và lịch sử phát triển ................................................................. 24
1.2.3. Các thành phần trong Augmented Reality ................................................ 27
1.2.4. Ứng dụng của Augmented Reality trong thực tế ...................................... 30
1.3. Kết hợp ứng dụng AR và LBS................................................................... 34
Chƣơng 2: Kiến trúc hệ thống tích hợp thực tại gia tăng và 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 . Mô hình tổng quát ................................................................................... 45
2.4.2. Các thành phần của kiến trúc AR-LBS .................................................... 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5
2.4.2 Cơ sở dữ liệu AR-LBS .............................................................................. 48
2.4.3 Các vấn đề khi 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 2 ...................................................................................... 54
Chƣơng 3: Xây dựng demo hệ thống AR-LBS trên nền tảngGoogle App
Engine ................................................................................................................. 55
3.1. Giới thiệu về Google App-Engine ............................................................. 55
3.1.1. Môi trường ứng dụng: ............................................................................... 56
3.1.2. RunTimes và Frameworks: ....................................................................... 57
3.1.3. Hỗ trợ và 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 thông tin về các tòa nhà tại thành phố Hải
Phòng qua Smartphone........................................................................................ 59
3.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 59
3.2.2. Phân tích hệ thống ..................................................................................... 59
3.3. Thiết kế và cài đặt trên nền tảng Google App Engine ............................... 68
3.3.1. Thiết kế cơ sở dữ liệu ................................................................................ 68
3.3.2. Thiết kế chương trình ................................................................................ 70

3.4. Thử nghiệm và đánh giá kết quả................................................................ 73
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết tắt

1.

ADSL

2.

A-FLT

3.

AOA

4.

API

5.

AR

6.

CSDL

7.

EDGE

8.

E-OTD

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Asymmetric Digital Subscriber
Line
Advanced forward link
trilateration
Angle of arrival
Application Programming
Interface
Augmented Reality

9. 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

Location-based Services
Mobile Augmented Reality
System

20. MARS
21. PDA

Personal Digital Assistant

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Đường truyền thuê bao
số bất đối xứng

Giao diện lập trình ứng
dụng

Thực tại tăng cường
(hoặc Thực tại gia tăng)
Cơ sở dữ liệu
Công nghệ di động được
nâng cấp từ GPRS

Google App Engine
Hệ thống thông tin địa lý
Dịch vụ vô tuyến gói
tổng hợp
Hệ thống định vị toàn
cầu
Thiết bị hiển thị được
gắn trên đầu
Ngôn ngữ đánh dấu siêu
văn bản
Giao thức truyền siêu
văn bản
Kết nối cơ sở dữ liệu
Java
Ký pháp đối tượng
JavaScript
Tính toán dựa trên địa
điểm
Dịch vụ dựa trên vị trí
Hệ thống thực tại tăng
cường mobile
Thiết bị di động số cá
nhân

/>

7

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 bởi Trung tâm Học liệu

Điểm đặc trưng
Tối ưu hóa cỗ máy tìm
kiếm
Thực tại ảo
Giao thức ứng dụng
không dây
Mạng nội bộ không dây
Ngôn ngữ đánh dấu vô
tuyến
Ngôn ngữ đánh dấu siêu
văn bản mở rộng

/>

8
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Các thành phần cơ bản của dịch vụ LBS ................................... 16
Hình 1. 2: Các loại thiết bị di động ............................................................. 18
Hình 1. 3: Luồng thông tin giữa các thành phần của LBS.......................... 20
Hình 1. 4: Một ứng dụng thực tại tăng cường............................................. 23
Hình 1. 5: Một cảnh trong series phim kẻ hủy diệt (Terminator) ............... 25

Hình 1. 6: Hệ thống AR chỉ dẫn nhà hàng.. ................................................ 26
Hình 1. 7: Hệ thống thực tại tăng cường Head-Mounted-Display ............. 28
Hình 1. 8: Mô hình hệ thống thực tại tăng cường Head-Mounted-Display 28
Hình 1. 9: HDM mô phỏng trên màn hình rộng ......................................... 30
Hình 1. 10: Một thiết bị HDM của Sony .................................................... 30
Hình 1. 11: Ứng dụng của AR trong quân sự ............................................. 31
Hình 1. 12: Ứng dụng của AR trong giải trí ............................................... 32
Hình 1. 13: Ứng dụng của AR trong truyền thông ..................................... 33
Hình 1. 14: Sử dụng smartphone cho AR ................................................... 35
Hình 1. 15: Một ứng dụng trên Nokia......................................................... 36
Hình 2. 1: Mô hình kiến trúc WAP ............................................................. 38
Hình 2. 2: Mạng GPRS/EDGE ................................................................... 39
Hình 2. 3: Định vị theo phương pháp Cell identification ........................... 42
Hình 2. 4: Định vị theo phương pháp TDOA ............................................. 43
Hình 2. 5: Định vị theo phương pháp TOA ................................................ 44
Hình 2. 6: Định vị theo phương pháp AOA ................................................ 44
Hình 2. 7: Quy trình xử lý hệ thống AR-LBS............................................. 46
Hình 2. 8: Kiến trúc AR – LBS ................................................................... 47
Hình 3. 1: Bảng theo dõi hoạt động ứng dụng của GAE ............................ 56
Hình 3. 2: Mô hình tổng quan hệ thống xác định thông tin về các địa diểm
ở thành phố Hải Phòng ................................................................................ 61
Hình 3. 3: Biểu đồ ca sử dụng Hiển thị khung nhìn AR ............................. 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

9
Hình 3. 4: Biểu đồ ca sử dụng cập nhật vị trí ............................................. 63
Hình 3. 5: Biểu đồ ca sử dụng Quản trị địa điểm ....................................... 63
Hình 3. 6: Biểu đồ tuần tự Hiển thị khung nhìn AR ................................... 66
Hình 3. 7: Biểu đồ tuần tự Cập nhật vị trí ................................................... 66

Hình 3. 8: Biểu đồ tuần tự quản trị địa điểm .............................................. 67
Hình 3. 9: Biểu đồ triển khai hệ thống ........................................................ 68
Hình 3. 10: Cơ sở dữ liệu địa điểm ............................................................. 69
Hình 3. 11: Bảng Position Place trên GAE ................................................. 69
Hình 3. 12:Bảng PlaceCategory trên GAE ................................................. 70
Hình 3. 13: Giao diện trang chủ ................................................................. 71
Hình 3. 14: Giao diện danh sách địa điểm tòa nhà ..................................... 71
Hình 3. 15: Thêm mới một địa điểm tòa nhà .............................................. 72
Hình 3. 16: Giao diện chương trình trên smartphone ................................. 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1: Bảng mô tả giới hạn sử dụng một ứng dụng GAE miễn phí .... 57
Bảng 3. 2: Bảng mô tả free quota của một ứng dụng GAE miễn phí ......... 58
Bảng 3. 3: Mô tả các thông tin của Ca sử dụng Cập nhật thông tin vị trí... 64
Bảng 3. 4: Công thức Haversine ................................................................. 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11
ĐẶT VẤN ĐỀ
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của thế giới di động, nơi mà mọi thứ
được kết nối. Với việc hạ tầng viễn thông ngày càng phát triển, và các thiết bị di

động thì ngày càng thông minh hơn trở thành một công cụ thiết yếu trao đổi
thông tin mọi lúc mọi nơi. Từ các ứng dụng quản lý, giám sát, điều hành công
việc đến các ứng dụng mang tính thu thập dữ liệu, xây dựng mạng lưới… hay
các ứng dụng giải trí, mạng xã hội… đều có thể được thực hiện thông qua các
ứng dụng trên các thiết bị di động thông minh. Tuy nhiên nhu cầu của người
dùng không chỉ dừng lại ở mức độ xử lý và trao đổi thông tin, các nhà phát triển
đã chú ý đến những công nghệ hiện có và đưa ra những mô hình ứng dụng mới
nhằm cung cấp khả năng xử lý dựa trên thông tin của môi trường chung quanh.
Từ việc biết được người dùng đang ở trong hoàn cảnh nào, thiết bị có thể đưa ra
những phương án hỗ trợ người dùng tốt nhất một cách tự động (không đòi hỏi
dữ liệu hoặc thao tác từ phía người dùng). Các thông tin “nền” về môi trường
xung quanh đó bao gồm vị trí của người dùng.
Sau đây là một số công nghệ có ảnh hưởng tới việc phát triển các hệ thống
dịch vụ thông tin hiện nay:
a. Công nghệ LBS (Location-Based Services)
Hạ tầng truyền tin, các phương pháp định vị, các thiết bị vào/ra di động và
hệ thông tin địa lý là tiền đềđể phát triển các ứng dụng mà trong đó vị tríđịa lý
của người sử dụng được xem như một tham số quan trọng của hệ thống. Một hệ
thống phần cứng/phần mềm tin học và truyền thông như vậy được gọi là dịch vụ
trên cơ sở vị tríđịa lý (LBS).
Theo các chuyên gia, LBS là dịch vụ thông tin có thể xâm nhập bằng các
thiết bị di động thông qua mạng không dây và vị tríđịa lý của thiết bị di
động.Nói cách khác LBS là dịch vụ sử dụng thông tin địa lý nhằm phục vụ
người sửdụng thiết bị di động. LBS là phần giao của ba loại công nghệ chính,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

12
bao gồm GIS/cơ sở dữ liệu không gian, Internet và thiết bị di động/định vị toàn
cầu:

Hình trên cho thấy nhiều loại hệ thống thông tin tích hợp được hình thành
từ các công nghệ Internet, thiết bị di động và GIS/CSDL không gian, như sau:
- Hệ thống GIS trên nền Web (WebGIS) được hình thành từ việc tích hợp
Internet và GIS/CSDL không gian.
- Hệ thống GIS di động (Mobile GIS) được hình thành từ việc tích hợp
GIS/CSDL không gian với các thiết bị di động như điện thoại di động và GPS.
- Hệ thống Internet di động (Mobile Internet) được hình thành trên cơ sở
tích hợp các thiết bị di động như điện thoại di động với mạng Internet.
- Dịch vụ LBS được hình thành từ việc tích hợp ba loại công nghệ
GIS/CSDL không gian, mạng Internet và thiết bị di động/GPS.
b. Công nghệ thực tại tăng cƣờngAR (Augmented Reality)
Có rất nhiều định nghĩa về thực tại tăng cường (AR) nhưng tổng quát lại đó
là công nghệ cho phép tăng cường khả năng quan sát của con người bằng cách
chồng các đối tượng ảo vào thế giới thực và thuyết phục được người quan sát
rằng các đối tượng ảo đó là một phần của thế giới thực.
Có hai kỹ thuật cơ bản để nhận biết các đối tượng trong thế giới thực trước
khi chồng các đặc tính liên quan của đối tượng đó vào màn hình hiển thị của
thiết bị. Hai kỹ thuật nhận biết đó là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13
Theo dõi đối tượng (object tracking) bằng cách sử dụng các cảm biến
vị trí như GPS, la bàn số (digital compass) và cảm biến gia tốc
(accelerometer).
Theo dõi thị giác (optical tracking) bằng cách sử dụng hệ thống nhận
dạng ảnh.
Ngoài ra có thể kết hợp cả hai kỹ thuật này đểđem lại hiệu quả tốt hơn

trong nhiều trường hợp.
Việc nghiên cứu kết hợp hai công nghệ AR và LBS làm tăng khả năng hỗ
trợ xử lý của hệ thống dựa trên môi trường nền, tạo ra một môi trường tương tác
mạnh hơn với người dùng, nâng cao hiệu quả ứng dụng của các thiết bị di động.
Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu hệ thống LBS, công nghệ AR và kiến
trúc xây dựng hệ thống AR – LBS ứng dụng trong thực tiễn. Luận văn được chia
làm 03 chương với nội dung như sau:
Chương 1: Khái quát về LBS và thực tại gia tăng (Augmented Reality)
-

Chương này trình bày tổng quan về các dịch vụ dựa trên vị trí LBS,
tổng quan về thực tại gia tăng Augmented Reality (AR).

Chương 2: Kiến trúc hệ thống tích hợp thực tại gia tăng và LBS
-

Chương này đưa ra một kiến trúc tích hợp AR-LBS, các thành phần
của kiến trúc và việc giao tiếp dữ liệu giữa các thành phần

-

Đưa ra các chiến lược xây dựng ứng dụng trên kiến trúc AR-LBS

Chương 3: Xây dựng demo hệ thống AR-LBS trên nền tảng Google App
Engine
-

Xây dựng một ứng dụng thử nghiệm cho hệ thống AR-LBS trên
Google App Engine.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14
Chƣơng 1: Khái quát về LBS và thực tại gia tăng (Augmented Reality)
1.1.

Giới thiệu chung về LBS

1.1.1. Tổng quan về LBS
Điện thoại di động và Internet không chỉ cách mạng hóa phương thức thông
tin liên lạc mà còn đem lại những thay đổi lớn trong cách làm việc và lối sống
của tất cả mọi người.Các thiết bị ngày nay như điện thoại di động và thiết bị kỹ
thuật số hỗ trợ cá nhân (PDA) cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet ở
bất cứ nơi nào họ và khi nào họ muốn. Từ Internet, họ dễ dàng nắm được các sự
kiện (lịch chiếu phim, buổi hòa nhạc, …) và thông tin về các địa điểm họ quan
tâm (bản đồ thành phố, nhà hàng, viện bảo tàng, bệnh viện).
Chúng ta hãy xem xét ví dụ: ai đó muốn ăn tối trong tại nhà hàng và do đó
tìm kiếm một nhà hàng trên mạng Internet. Thay vì xem xét tất cả các nhà hàng
trên thế giới, người đó thường thêm vào một số tiêu chí lựa chọn để có kết quả
tìm kiếm phù hợp.Một số tiêu chí tốt là vị trí của người đó (thành phố), thời gian
thực tế (buổi tối) hoặc kiểu nhà hàng (Trung Quốc hoặc Ý).
Loại này tìm kiếm nhà hàng đối với vị trí và thời gian có thể được thực
hiện bằng cách sử dụng loại hình dịch vụ dựa trên địa điểm (LBS). Có nhiều
định nghĩa khác nhau về LBS:
Định nghĩa 1 (Virrantaus et al 2001):
LBS là dịch vụ thông tin sử dụng bởi với các thiết bị di động, thông qua
mạng lưới điện thoại di động và sử dụng các khả năng xác định vị trí của thiết bị
di động.

Một định nghĩa tương tự do tổ chức LBS OpenGeospatial Consortium đưa
ra (OGC, 2005):

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15
Định nghĩa 2 (OGC, 2005):
Một dịch vụ internet không dây sử dụng thông tin địa lý phục vụ cho người
sử dụng điện thoại di động.Bao gồm các ứng dụng khai thác vị trí của một thiết
bị đầu cuối di động.
Các định nghĩa trên mô tả LBS như là sản phẩm của sự kết hợp của ba công
nghệ và các thiết bị cầm tay, từ Internet và từ các hệ thống thông tin địa lý (GIS)
với cơ sở dữ liệu không gian (Shiode et al 2004) .
1.1.2. Các thành phần của LBS
Thiết bị di động: công cụ cho người sử dụng yêu cầu yêu cầu dịch vụ,
đồng thời thể hiện các kết quả trả về ở dạng lời nói, hình ảnh, văn bản, v.v....
Các thiết bị có thể là PDA, điện thoại di động, máy tính xách tay, hoặc có thể là
thiết bị chuyển hướng của xe hơi.
Mạng truyền thông: chuyển dữ liệu người dùng và yêu cầu dịch vụ từ các
thiết bị đầu cuối di động tới nhà cung cấp dịch vụ và sau đó đưa trả kết quả dịch
vụ cho người sử dụng.
Thành phần định vị: dịch vụ LBS thường đòi hỏi vị trí người sử dụng đã
được xác định. Cách xác định phỗ biến là sử dụng mạng thông tin di động hoặc
bằng cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS).Ngoài ra, có thể sử dụng các
trạm WLAN, các thiết bị có khả năng phát sóng vô tuyến.Công nghệ này được
đặc biệt sử dụng trong các hệ thống định vị trong các cao ốc, bảo tàng.Lưu ý
rằng, nếu vị trí không được xác định tự động, nó có thể cũng được quy định bởi
người sử dụng.

Dịch vụ và nhà cung cấp ứng dụng dịch vụ (LBS): các nhà cung cấp
dịch vụ cung cấp một số dịch vụ khác nhau cho người sử dụng và chịu trách
nhiệm cho việc xử lý yêu cầu dịch vụ. Các dịch vụ này cung cấp các tính toán về
vị trí, tìm kiếm một con đường, tìm kiếm các trang vàng hoặc tìm kiếm thông tin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

16
cụ thể trên các đối tượng mà người yêu cầu dịch vụ quan tâm (ví dụ như một con
chim trong công viên động vật hoang dã) v.v...
Các nhà cung cấp hỗ trợ về dữ liệu và nội dung: Các nhà cung cấp dịch
vụ thường không trực tiếp lưu trữ và duy trì tất cả các thông tin có thể được yêu
cầu bởi người sử dụng. Vì vậy cơ sở dữ liệu địa lý và thông tin vị trí sẽ do các
bộ phận chức năng khác quản lý (ví dụ như cơ quan lập bản đồ), hoặc do các đối
tác kinh doanh (ví dụ như các trang vàng, các công ty giao thông).

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của dịch vụ LBS: người sử dụng dịch vụ (user),
mạng truyền thông (Communication Network), định vị (Positioning), nhà cung cấp
dịch vụ (Service Provider) và nhà cung cấp nội dung (Content Provider).

1.1.3. Các kiểu dịch vụ LBS
Có hai kiểu dịch vụ là Push (đẩy) và Pull (kéo) được phân biệt dựa vào đặc
điểm là thông tin được cung cấp có tương tác với người dùng hay không.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full