於智慧型手機中應用QR碼及GPS之高效能旅遊導航系統---於智慧型手機中應用QR碼及GPS之高效能旅遊導航系統

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

於智慧型手機中應用 QR 碼及 GPS 之高效能旅遊導航系統-- 於智慧型手機中應用 QR 碼及 GPS 之高效能旅遊導航系統

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 97-2218-E-011-013-

執行期間： 97 年 10 月 01 日至 98 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學資訊管理系

計畫主持人：賴源正

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：黃聖棋碩士班研究生-兼任助理人員：林浩廷碩士班研究生-兼任助理人員：吳政龍博士班研究生-兼任助理人員：蕭令彥

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 98 年 10 月 23 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

於智慧型手機中應用QR碼及GPS之高效能旅遊導航系統

A High-Performance Traveling Navigation System with QR Code and GPS in Smart Phone

計畫編號：NSC 97-2218-E-011-013 執行期限：97 年 10 月 1 日至 98 年 7 月 31 日主持人：賴源正教授台灣科技大學資訊管理學系

一、摘要

GPS導航為一個普及的旅遊輔助工具。使用配備電子地圖的GPS導航裝置，

可協助使用者在不熟悉路線的情況下，快速地到達目的地。然而，目前市面上仍欠缺開放原始碼及免費的GPS導航軟體來支援各方面的應用，例如鄰近旅遊景點搜尋、好友定位、QR Code解碼等功能。因此，本篇論文描述我們所開發之智慧型手機導航系統—Android Mobile Navigation System (AMNS)。AMNS除了提供使用者 GPS定位導航功能外，也更進一步支援QR 碼擷取解析以及好友定位等功能。AMNS 為開放原始碼軟體，讓有意發展導航系統之開發者能進一步根據本系統來發展旅遊相關服務。AMNS主要的貢獻包含 (1) 提供使用者一個免費且開放原始碼之導航系統；(2) 提供使用者友善的系統操作介面；(3) 提供QR碼解析及好友定位的功能。

關鍵詞： Android、GPS、QR 碼、導航系統、智慧型手機

Abstract

GPS navigation is a popular travel assistant tool. By using GPS navigation

such as friend positioning and QR code decode functionalities. Thus, in this report, we proposed the Android Mobile Navigation System (AMNS) to provide the travelers a GPS navigation system for their tours.

AMNS not only provides users the GPS navigation, but also support QR code decode and friend positioning functionalities.

Furthermore, AMNS is free and open-source software, the navigation service providers can easily and quickly apply and extend their services on this system. The major contributions of AMNS include (1) providing a free and open-source GPS navigation system, (2) providing a user- friendly graphic interface, and (3) supporting QR code decode and friend positioning functionalities.

Keywords: Android, GPS, QR code, Navigation System, Smart Phone

二、計畫報告

如所附之論文。

三、計畫成果

本計畫依既定的時程，完成預定的工作項目。已完成的內容為 QR 碼擷取解析、GPS 定位導航及好友定位功能，並採用圖形化介面方便使用者操作系統功能。

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QR碼擷取解析：使用者可利用手機上的相機鏡頭擷取QR碼，經解析並轉成地理位置格式資訊後，可進一步提供定位導航之用。

GPS定位導航：提供使用者於Google Maps上進行位置搜尋及路徑規劃。此外，本子系統亦結合GPS即時定位功能，方便導引使用者交通方向及追蹤所在位置。

好友定位：整合通訊錄及GPS即時定位功能，將好友的資訊顯示於地圖上，隨時掌握好友位置。

本計畫主要是在Android平台上開發導航系統，並利用自由軟體進行輔助發展。計畫研究價值歸納如下：

發展出一套於Google Android下具友 善介面的導航系統：此系統可提供欲發展導航系統的廠商或研究人員一個開放平台的模擬與分析工具。由於此系統屬開放原始碼軟體，研發人員可進一步修改及擴充導航軟體功能；此外，亦可利用此系統發展行動導航加值服務，並移植於其他使用Android作業系統的硬體平台，達到行動服務整合之功效。同時此系統也是行動旅遊者一個方便可靠的旅遊輔助工具，除了具備基本的導航功能外，亦提供了QR碼擷取解析、

鄰近景點搜尋及好友定位功能，因此本計畫所開發之行動導航系統具有實用性且對於旅遊品質的提昇有其正面的幫助。

培育熟悉自由軟體核心技術的研究人員：在系統開放與軟體價格合理化的聲浪中，軟體的四大自由－「使用自由、

研究自由、散布自由和改進自由」日益受到重視。政府部門此刻正加強宣導並推廣自由軟體，鼓勵相關產、官、學、

研各界從事自由軟體環境系統開發，並

積極排除自由軟體開發的障礙。有鑑於此，本計畫擬培育數名人員，熟稔自由軟體開發之核心技術，以因應軟體的多元發展。

培育熟悉Google Android及導航系統 的研究人員：目前導航系統的使用已愈來愈普及，相關應用也愈來愈多，背後的商機會愈來愈大。而同樣的Google Phone問市後引發了一股風潮，帶動智慧型手機的市佔率，同時在其上的應用也富含商機，國內相關廠商勢必會抓準此機會，此計畫所訓練的人員可提供相關產業所需之科技人才。同時由於本計畫為實際系統的開發，故從事此計畫的人員可得到相當實務的經驗，在進入產業工作時可大幅減少受訓時間。

提高研發自由軟體技術的風氣與使用自由軟體的環境：透過本計畫之執行，

可研發出一套實用之自由軟體，藉由網際網路上社群之回饋意見，來加以修改此軟體，讓此軟體更臻完善。如此不僅使本系師生有更具體而寶貴之開發機會，更提昇了自由軟體技術的研發風氣，使自由軟體的研發及使用在台灣科技大學校園中逐漸成長與茁壯。

本計畫最後產出的成果包括：

AMNS系統一套。

系統文件：專案執行規劃書、系統需求規格報告書、系統設計報告書、系統測試報告書。

投稿會議論文一篇：黃聖棋、蕭令彥、

陳彥宏、賴源正 , “A Traveling Navigation System with QR Code and GPS in Smart Phone,” submitted to TANET 2009, Changhua, October 2009.

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於智慧型手機中應用 QR 碼及 GPS 之旅遊導航系統

A Traveling Navigation System with QR Code and GPS in Smart Phone

黃聖棋蕭令彥陳彥宏賴源正 國立台灣科技大學資訊管理所

M9709115@mail.ntust.edu.tw M9509008@mail.ntust.edu.tw D9609101@mail.ntust.edu.tw laiyc@cs.ntust.edu.tw

摘要

GPS導航為一個普及的旅遊輔助工具。使用配備電子地圖的GPS導航裝置，可協助使用者在不熟悉路線的情況下，快速地到達目的地。然而，目前市面上仍欠缺開放原始碼及免費的GPS導航軟體來支援各方面的應用，例如鄰近旅遊景點搜尋、好友定位、QR Code解碼等功能。因此，本篇論文描述我們所開發之智慧型手機導航系統 —Android Mobile Navigation System (AMNS)。AMNS除了提供使用者 GPS定位導航功能外，也更進一步支援QR碼擷取解析以及好友定位等功能。AMNS為開放原始碼軟體，讓有意發展導航系統之開發者能進一步根據本系統來發展旅遊相關服務。AMNS主要的貢獻包含 (1) 提供使用者一個免費且開放原始碼之導航系統；(2) 提供使用者友善的系統操作介面；(3) 提供 QR碼解析及好友定位的功能。

關鍵詞：Android、GPS、QR 碼、導航系統、智慧型手機。

Abstract

GPS navigation is a popular travel assistant tool.

By using GPS navigation system with the electronic map, the travelers can easily and quickly arrive to the destination in an unfamiliar city or country. However, there is no free and open source GPS navigation system, which can support and integrate many developed applications, such as friend positioning and QR code decode functionalities. Thus, in this report, we proposed the Android Mobile Navigation System (AMNS) to provide the travelers a GPS navigation system for their tours. AMNS not only provides users the GPS navigation, but also support QR code decode and friend positioning functionalities. Furthermore, AMNS is free and open-source software, the navigation

Keywords: Android, GPS, QR code, Navigation System, Smart Phone.

1. 前言

近年來隨著國民所得提高，以及政府積極向外國遊客行銷台灣的觀光旅遊，如何提升台灣觀光的旅遊品質已是一項刻不容緩的工作。以往在旅行過程中，遊客需查看紙本地圖或旅遊指南來協助確認交通方向，此方法往往耗費大量的時間且經常無法獲取正確的地理資訊。因此，配備電子地圖的 GPS 導航系統的行動裝置已漸受歡迎。

目前導航系統的硬體平台主要以車上型產品和智慧型手機為主。車上型產品因其體積龐大，且大多固定於車上，難以隨身攜帶。而輕便的智慧型手機內若加上導航功能，即可在任何的交通運輸工具上使用，故智慧型手機為目前較普遍的導航系統硬體平台的選擇。軟體方面，目前導航系統大多使用 GPS (Global Positioning System) 來取得目前所在之經緯度，然後使用者於電子地圖上點選目的地或是輸入地址後，導航系統便可進行導航。然而這些步驟對使用者而言十分耗時且不方便，因此許多旅遊景點和旅館已將目的地的資料轉變成 QR Code (Quick Response Code)，讓使用者只要用手機之照相功能取得 QR Code，便可立即得到目的地的座標以及相關資訊，使導航系統能夠快速且準確的協助使用者到達目的地。

由於許多智慧型手機廠商與電信業者所提供之導航軟體必須搭配手機所屬的作業系統，且都需要付費購買，因此 Google 近期所推出 Android 開放式作業平台[1]讓工程師輕易的根據使用者需求利用 Java 來開發導航軟體，更可結合 Google 驚人的網路資源，在行動裝置上開拓新商機。然而 Android 智慧型手機上尚未有一整合性的 GPS 導航系統，提供使

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一步整合手機通訊路來支援即時追蹤好友位置，提供更完善的旅遊導航服務。

本篇論文首先介紹 Android 平台，並回顧國內外電子地圖之相關研究，以及分析比較各式導航軟體。第三章將介紹 AMNS 系統的設計理念、系統架構以及相關的設計議題。在第四章，我們將介紹 AMNS 各個子系統的設計方式。然後於第五章詳細介紹與評估 AMNS 以及其程式運作。最後是本篇論文的結論以及未來展望。

2. 背景知識

本章首先介紹 Android，接著回顧電子地圖之相關研究，最後將分析比較各式導航軟體。

2.1 Android

如圖 1 所示，Android，是一個由作業系統、中介架構層及應用程式所構成的軟體堆疊(Software Stack)。Android 之核心為搭配 Android Runtime 之嵌入式 Linux 2.6 作業系統，並配合應用程式架構，來開發各種不同的應用程式。 Android 所提供之 Android SDK[2]提供在 Android 平台上開發系統的工程師所需之應用程式開發工具。

圖 1. AMNS 系統架構

2.2 電子地圖

目前電子地圖的研究可分為兩大類，第一類是地理標示語言 GML (Geography Markup Language)。

GML 為 1994 年由開放式地理資訊系統協會(Open GIS Consortium，OGC)[3]為統一各家廠商之電子地圖地理資訊格式而發展出以 XML[4]為基礎的地理標示語言，支援相位、空間和時間的參考系統、多種比例尺、詮釋資料、網格(Grid)等資料，以作為地理資訊的國際交換標準。論文即為探討[5][6][7]GML 相關議題。

第二類則是探討電子地圖的產生方式。[8]說明其設計之儲存地理資訊方式可方便應用程式能從資料庫中取得相關資訊來產生電子地圖。而 OGC 以 Google 所發展的 KML(Keyhole Markup Language)為

基礎[9]定義出地理資訊以作為繪圖工具繪製時的描述格式標準，使各家廠商能將所儲存之地理資訊儲存於相同的格式，讓所開發之各式應用程式能夠互相整合利用。[10]提出一個修正受干擾的 GPS 信號的方法，來正確的定位出目前使用者於電子地圖上的位置，[11]設計了一個具多縮放比例(multi-scale) 的電子地圖建構方式，而[12]則使用二階段的地理資料儲存方式，第一階段為地圖顯示，而第二階段為路徑選擇。由於 Google API 以及 Android 提供強大的地理資訊程式開發介面，因此 GML 以及 KML 是目前常用的地理資訊描述格式標準。

2.3 導航軟體比較

表 1 為目前常用導航軟體的比較表，比較的欄位包含路線規劃、交通路況、GPS 導航、景點資訊、

修改彈性。路線規劃為設定起點終點後，各類交通工具的建議路線規劃、里程數、各種幹道選擇、路線中途點設定等；交通路況包含各個路口、幹道的即時交通壅塞狀況、即時天氣狀況、即時停車場停車資訊等；GPS 導航功能為全球定位功能、鄰近路口指示、交通措施 3D 顯示(如高速公路閘道導航)、

行車路線提示等；景點資訊為各種景點之文字影像導覽、地址、聯絡方式、以及各式服務據點的資訊(如加油站、旅館、餐廳)；修改彈性為該軟體提供使用者自行修改程式碼以符合需求的功能。

表 1. 各式導航軟體的比較

由表 1 得知，目前導航軟體可分為兩類，一類是將導航軟體、地圖資訊與 GPS 整合在手機上，此類的軟體可離線使用，例如 Papago! 、 TomTom 、 MioMAP、RoadEasy 等軟體；第二類為僅在手持設備上安裝導航軟體和 GPS，而地圖資訊則透過網路下載，例如中華電信的 Emome、Google Maps、蕃薯藤電子地圖、Urmap 等。第一類軟體是由 GPS 和地圖資訊廠商所開發，故其定位精確度高且路線規劃能力高，但此類軟體皆為商務軟體，故無法取得原始碼來修改並延伸其導航功能，且地圖資訊更新緩慢，也無法自訂或新增景點與地圖資訊。第二類軟

軟體名稱

路線規劃

交通路況

GPS 導航

景點資訊

修改彈性

Papago![13] 優優優優無

TomTom[14] 優少優普通無

MioMAP[15] 優少優普通無

RoadEasy[16] 優少優普通無

Emome[17] 普通普通優優無

Google Maps[18]

普通普通需搭

配其他軟體

優高

蕃薯藤[19] 普通無無少低

Urmap[20] 普通無無普通低

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體是由 ISP 業者(HiNET)或入口網站(Google、蕃薯藤和 Urmap)所開發，主要提供景點資訊、使用者地圖資訊自訂能力等功能。但此類軟體缺乏導航軟體功能，亦即缺乏路線規劃、即時交通路況與 GPS 導航能力。此外，雖然 Google Maps 提供高彈性的 API 軟體開發介面，但 Google Maps 須線上使用，亦即地圖資訊須透過網路下載，且未提供導航的服務。

3. AMNS 綜述

AMNS 是針對搭載 Android 平台的智慧型手機所開發的旅遊導航系統。此系統的設計滿足使用者以下四個需求：

z AMNS 採用圖形化介面，並提供行動旅遊者可靠的導航服務。

z AMNS 提供 QR 碼地理位置解析功能，簡化繁複的位置搜尋步驟。

z AMNS 整合手機通訊錄，提供好友定位服務。

z AMNS 為開放原始碼軟體。

User

AMNS 1.0.0

使用者主畫面子系統 (UMIS 1.1.0)

QR code轉碼子系統 (QDS 1.2.0)

GPS導航子系統 (GNS 1.3.0)

通訊錄應用子系統 (CAS 1.4.0)

Mapping Results Geocode

/Contact Info QR code

Geocode

Query Input

QR code Input Query Instruction

Output

Mobile Device Routing/

Positioning

Contact Info

圖 2. AMNS 系統架構

如圖 2 所示，AMNS 包含四個子系統，使用者主畫面子系統 (User Main Interface Subsystem, UMIS)、QR code 轉碼子系統(QR Decoder Subsystem, QDS)、GNS 導航子系統(GPS Navigation Subsystem, GNS) 、通訊錄應用子系統 (Contacts Application Subsystem, CAS)。各子系統的功能簡述如下：

z 使用者主畫面子系統負責聯繫、整合其他子系統。

z QR code 轉碼子系統負責將 QR Code 解析成對應的地理位置資訊(Geocode)。

z GPS 導航子系統提供使用者於 Google Maps 上進行位置搜尋及路徑規劃。本子系統亦結合 GPS 即時定位功能，方便導引使用者交通方向及追蹤所在位置。

z 通訊錄應用子系統可整合 GPS 即時定位功能，

CAS。本章將詳細地描述 AMNS 各個子系統的設計與運作流程。

我們主要利用 Android SDK 以及 J2ME 在 Android 平台上開發 AMNS，並利用 Zxing Barcode 函式庫[21]來協助開發 QDS 子系統。

4.1 UMIS

UMIS 提供 AMNS 介面的相關功能，包含載入/

操作地圖、呼叫其他 AMNS 子系統、顯示子系統執行結果等功能。使用者可點擊控制按鈕來放大/縮小地圖，並利用觸控螢幕拖移地圖改變可視範圍。使用者可透過 Menu 選單選取 Scanner 功能來利用手機相機鏡頭擷取 QR 碼以解析地理位置資訊，並將結果顯示於地圖上。待利用上述功能取得地理位置後，使用者便可使用 Driving directions 功能執行路徑規劃功能。此外，若使用者欲追蹤好友位置，亦可透過 Menu 選單選取 Friends 功能，選擇欲顯示之好友後，便可在地圖上即時定位追蹤好友位置。

4.2 QDS

本子系統主要利用 Zxing Barcode 函式庫將 QR 碼解析成對應的地理位置資訊(Geocode)。使用者可以使用相機等具有圖片擷取功能之裝置擷取 QR 碼，再透過本子系統將 QR 碼之內容解析成 Geocode，並定位於電子地圖上。QDS 子系統包含 QR code 轉碼子系統控制模組、QR 碼解析模組、QR 碼格式轉換模組。使用者執行 QDS 功能產生 QR 碼圖片擷取介面，利用介面中央的方格擷取 QR 碼後，

QDS 便能將圖片解析並轉成合適的編碼資訊，傳入 UMIS 子系統顯示定位結果。

4.3 GNS

我們主要利用 Google Maps 的地圖資訊來開發 GNS。Android SDK 提供各種支援 Google Maps 的 API，當我們申請取得 Google Maps API key 之後，

便能開發 GNS 子系統。GNS 子系統包含 GNS 子系統控制模組、位置搜尋模組、路徑規劃模組。使用者可利用位置搜尋介面輸入欲查詢的位址，位置搜尋模組會根據搜尋字串比對位置，產生地理位置定位資訊。此外，當使用者執行「Driving directions」

功能時，路徑規劃模組將根據來源及目的位置定位資訊計算路徑，並產生路徑規劃結果。以下說明各個模組的詳細設計：

(一) GNS 子系統控制模組

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本模組主要提供地理位置搜尋，支援 Forward Geocoding 及 Reverse Geocoding 功能。 Forward Geocoding 負責尋找查詢位址的經緯度； Reverse Geocoding 為搜尋目標經緯度的位址。當使用者於位置搜尋介面輸入查詢位址後，此模組會執行 Forward Geocoding 功能，找出目標位址的經緯度；另一方面，若使用者是利用 QDS 子系統取得目標位置的經緯度時，此模組則會執行 Reverse Geocoding，找出最接近的位址資訊。待取得上述位置資訊後，UMIS 子系統據以顯示、定位結果於電子地圖上。

(三) 路徑規劃模組

GNS 中的路徑規劃模組提供使用者執行來源及目的位置的最短路徑規劃功能，並使用 Google Maps KML 物件來儲存路徑規劃結果資訊。當使用者設定路徑的來源及目的位置後，此模組會據此設定相關參數，並向 Google Maps 伺服器請求路徑規劃服務。

待 Google Maps 伺服器傳回以 Google Maps KML 格式儲存之路徑規劃後，便依照 KML 格式標準解析其中的元素，如：<Placemark>、<Point>等標籤，來繪製導航路徑並將規劃結果顯示於電子地圖上。

4.4 CAS

CAS 包含二個模組，分別為通訊錄應用模組及好友定位模組。

使用者執行 CAS 子系統後，CAS 子系統會透過 GPS 裝置取得使用者所在位置，並將位置資訊上傳至我們所架設之好友地理資訊伺服器。使用者可透過通訊錄好友清單選擇欲追蹤的好友，此時 CAS 子系統將根據所選好友連至好友地理資訊伺服器搜尋好友位置、下載並儲存於通訊錄中，並將好友位置傳入 UMIS 子系統以顯示好友定位結果。

5. AMNS 系統評估

AMNS 可於 Android 平台中執行 QR 碼解析、

GPS 導航、好友定位等功能。本章節分成三個小節分別介紹並評估這些功能的執行狀況。

本章之開發和測試環境：作業系統為 Android 1.5。程式語言為 Java (版本：1.6.0_11)、ASP.NET 2.0、SQL Server 2005。此外 Eclipse (版本：Ganymede) 為在 Windows 上開發 Java 軟體的工具，加上 Android Development Tools 套件後可讓使用者於 Eclipse 上撰寫 Android 平台程式。

5.1 QR 碼解析

AMNS 提供使用者 QR 碼解析的功能。如圖 3

所示，使用者利用手機的照相功能以及 QR 碼擷取方格擷取 QR 碼，圖 4呈現經 AMNS 解析後所產生台灣師範大學之地理位置資訊，圖 5 即描述使用者利用 AMNS 將此地理位置資訊定位於地圖上。

圖 3. QDS 子系統之 QR 碼擷取

圖 4. QDS 子系統之 QR 碼解析

圖 5. UMIS 子系統之顯示定位結果

5.2 GPS 導航

如圖 6 所示，當 QDS 子系統解析之 QR 碼成功定位後，使用者可選擇將此資訊作為目的地，並以目前所在位置(本例為國立師範大學)作為出發原點，執行 GNS 子系統的路徑規劃功能。此時 GNS 會將所規劃之路徑繪製於 Google Maps 上，以供使用者導航之用。

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圖 6. GNS 子系統之路徑規劃

5.3 好友定位

AMNS 提供使用者通訊錄整合應用的功能，使用者可以透過通訊錄選擇欲追蹤之好友，便能透過好友定位模組根據好友目前所在位置顯示、定位於地圖上。如圖 7所示，使用者搜尋 CAS 子系統所儲存之好友通訊錄，並且如圖 8 所示，使用者點選欲追蹤之好友圖像來追蹤其目前位置，即如圖 9 所示，AMNS 便在 Google Maps 上顯示使用者所點選之好友的目前位置。

圖 7. CAS 子系統之好友清單

圖 8. CAS 子系統之好友選擇

圖 9. CAS 子系統之好友定位

6. 結論與未來展望

本篇論文描述一個全方位的智慧型手機導航系統—AMNS。此系統能提供 QR 碼擷取解析、GPS 定位導航、好友定位等功能，讓使用者可藉由 AMNS 提昇旅遊品質。AMNS 也提供欲發展 GPS 導航之開發人員一個模擬與分析工具。

AMNS 主要的貢獻包含：

z 提供一套於 Google Android 開放平台下的導航

(9)

AMNS 仍處於開發階段，許多方面的設計需持續地加強與改進。在地圖資料方面，希望未來能夠結合 Papago 的地圖資料，提供更精確完善的導航服務。另外也希望未來能在 AMNS 系統中新增其它相關模組與路徑演算法使其功能更加完備。

致謝

本論文為行政院國家科學委員會之 NSC 97-2218-E011-013 計畫補助之研究結果，特此致謝。

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