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CN107153188A - 一种室内定位方法及系统 - Google Patents

一种室内定位方法及系统 Download PDF

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CN107153188A
CN107153188A CN201710352089.1A CN201710352089A CN107153188A CN 107153188 A CN107153188 A CN 107153188A CN 201710352089 A CN201710352089 A CN 201710352089A CN 107153188 A CN107153188 A CN 107153188A
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CN
China
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light source
frequency
imaging plane
position coordinates
plane
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CN201710352089.1A
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韩石
韩一石
刘盼
胡纪坤
程强
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Guangdong University of Technology
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Guangdong University of Technology
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    • G01S11/12—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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  • Electromagnetism (AREA)
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Abstract

本申请公开了一种室内定位方法及系统，包括：建立频率‑坐标数据库；根据频率‑坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与光源所在平面相互平行，且至少三个选定的光源不在同一条直线上；根据频率值和频率‑坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。本申请提供的上述室内定位方法简单易行，便于实现在室内的精确定位，其定位精度高，可精确定位当前所在的位置，复杂度低，而且系统的可实施性较好。

Description

一种室内定位方法及系统
技术领域
本发明涉及可见光通信和图像处理领域，特别是涉及一种室内定位方法及系统。
背景技术
据统计现代社会的人们80％的时间是在室内活动，例如在大型商场、地下停车场、图书馆、博物馆等大型室内进行活动。目前主流的室内定位系统主要依赖无线网络(WiFi)、红外、超声波、超宽带、射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)技术等，由于使用的多是射频信号，在空中传播时易受干扰且在同一微波电路、同一方向上不能使用同一频率，在特殊场景如飞机、医院射频信号的使用受到管制，已经逐渐暴露出射频通信系统的局限性。
因此，如何提供一种更有效，精度在米级乃至更高的室内定位方法及系统，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种室内定位方法及系统，便于实现在室内的精确定位，其定位精度高，复杂度低，而且系统的可实施性较好。其具体方案如下：
一种室内定位方法，包括：
建立频率-坐标数据库；
根据所述频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
对所述光源进行拍摄，获取至少三个选定的所述光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与所述光源所在平面相互平行，且至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
根据所述频率值和所述频率-坐标数据库，确定选定的所述光源的位置坐标；
根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，对所述光源进行拍摄，获取至少三个选定的所述光源的频率值，具体包括：
对所述光源进行拍摄，形成条纹图像；
对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值，具体包括：
对所述条纹图像进行预处理，去除噪声；
在去除噪声后的条纹图像中分割出各个光源子区域；
对至少三个选定的所述光源子区域进行处理，获取选定的所述光源子区域的条纹宽度；
根据选定的所述条纹宽度，计算出与选定的所述条纹宽度对应的所述光源的频率值。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，采用下述公式计算出与选定的所述条纹宽度对应的所述光源的频率值：
F＝PT/W
其中，F表示所述光源的频率值，W表示所述光源子区域在一个闪烁周期内所形成的一个明暗相间的条纹宽度，P表示单个像素的高度，T为卷帘快门的周期。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，当选定的光源为三个时，根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标，具体包括：
将三个所述光源和三个所述光源在所述成像平面上所成的像分别连成三角形，计算出连成的两个三角形的各边长；
根据连成的两个三角形的各边长，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点分别到三个所述光源的距离；
根据所述投影点分别到三个所述光源的位置坐标的距离和所述光源的位置坐标，利用三边测量定位算法计算出所述投影点的位置坐标。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，所述光源的频率值大于50Hz。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，所述光源为发光二极管。
本发明实施例还提供了一种室内定位系统，包括：
数据库建立模块，用于建立频率-坐标数据库；
光源驱动模块，用于根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
图像采集模块，用于对所述光源进行拍摄；所述图像采集模块的成像平面与所述光源所在平面相互平行；
频率获取模块，用于获取至少三个选定的所述光源的频率值；至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
光源坐标确定模块，用于根据所述频率值和所述频率-坐标数据库，确定选定的所述光源的位置坐标；
投影点坐标确定模块，用于根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标。
优选地，在本发明实施例提供的上述室内定位系统中，
所述图像采集模块，具体用于对所述光源进行拍摄，形成条纹图像；
所述频率获取模块，具体用于对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值。
本发明所提供的一种室内定位方法及系统，包括：建立频率-坐标数据库；根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与光源所在平面相互平行，且至少三个选定的光源不在同一条直线上；根据频率值和频率-坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。本发明所提供的上述室内定位方法简单易行，便于实现在室内的精确定位，其定位精度高，可精确定位当前所在的位置，复杂度低，而且系统的可实施性较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的室内定位方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的室内定位方法的具体流程图；
图3为本发明实施例提供的室内定位方法的场景示意图；
图4为本发明实施例提供的条纹图像的示意图；
图5为本发明实施例提供的获取每个条纹的边界形成的矩形框和矩形框中心得到的图像；
图6为本发明实施例提供的室内定位系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种室内定位方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、建立频率-坐标数据库；
S102、根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
S103、对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与光源所在平面相互平行，且至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
S104、根据频率值和频率-坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；
S105、根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。
在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，首先建立频率-坐标数据库；根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；然后对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与光源所在平面相互平行，且至少三个选定的光源不在同一条直线上；之后根据频率值和频率-坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；最后根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。该室内定位方法简单易行，便于实现在室内的精确定位，其定位精度高，可精确定位当前所在的位置，复杂度低，而且系统的可实施性较好。
需要说明的是，光源的频率是由频率-坐标数据库确定的。频率-坐标数据库表示频率与坐标是一一对应的关系。
通常我们使用的大多数用于拍摄的相机都是基于CMOS图像传感器的，该类传感器采用卷帘快门曝光方式，像素逐行曝光。对于运动物体，图像会产生扭曲形变，称为“果冻效应”。在正常的拍摄中，这种情况是要避免的，但我们可以利用这种机理来实现通信过程。当相机拍摄天花板上高频闪烁的光源时，由于像素各行曝光的时间差，就产生了明暗相间的条纹图像，然后通过图像处理，即可实现光信号频率的检测完成通信。
因此，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，步骤S103对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值，如图2所示，具体可以包括以下步骤：
S201、对光源进行拍摄，形成条纹图像；
S202、对条纹图像进行处理，得到至少三个选定的光源的频率值。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，执行步骤S202对条纹图像进行处理，得到至少三个选定的光源的频率值，具体可以包括以下步骤：
步骤一、对条纹图像进行预处理，去除噪声；
步骤二、在去除噪声后的条纹图像中分割出各个光源子区域；
步骤三、对至少三个选定的光源子区域进行处理，获取选定的光源子区域的条纹宽度；
步骤四、根据选定的条纹宽度，计算出与选定的条纹宽度对应的光源的频率值。
如图3所示，若干个不同频率的光源通常嵌入在定位区域的天花板内，其光线呈下射式，当摄像头1拍摄天花板2上高频闪烁的光源时，由于像素各行曝光的时间差，就产生图4中示出的明暗相间的条纹图像，选取至少三个选定的光源子区域(即感兴趣的光源子区域)，对其进行处理，从图5中可以获取选定的光源子区域的条纹宽度。
具体地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，针对上述步骤四，采用下述公式计算出与选定的条纹宽度对应的光源的频率值：
F＝PT/W
其中，F表示光源的频率值(即图像传感器每行像素曝光的时间)，W表示光源子区域在一个闪烁周期内所形成的一个明暗相间的条纹宽度，P表示单个像素的高度，T为卷帘快门的周期。
由于单个像素的高度P和卷帘快门的周期T是相机的固有参数，因此，光源的频率与条纹宽度成反比例关系，即光源的频率与条纹宽度存在着定量的关系。
另外，单个像素的高度P和卷帘快门的周期T的值可以通过校准获得，具体地，让相机识别一个频率已知信号，比如1kHz，得出对应的条纹宽度，根据条纹宽度和频率成比例关系计算出单个像素的高度P和卷帘快门的周期T的乘积值；然后利用上述公式中得到的条纹宽度，最终计算出此时光源的频率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，当选定的光源为三个时，根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标，具体可以包括以下步骤：
首先，将三个光源和三个光源在成像平面上所成的像分别连成三角形，计算出连成的两个三角形的各边长；
然后，根据连成的两个三角形的各边长，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点分别到三个光源的距离；
最后，根据投影点分别到三个光源的位置坐标的距离和光源的位置坐标，利用三边测量定位算法计算出投影点的位置坐标。
具体地，以图2为例，经执行步骤S103之后确定的三个选定的光源A、B、C的坐标位置，分别为A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，将三个光源连成三角形，可以算出边长AB、AC、BC的长度；
又已知三个光源在成像平面上所成的像Ai、Bi、Ci在成像平面坐标系中的坐标位置，分别为Ai(u1，v1)、Bi(u2，v2)、Ci(u3，v3)，将三个光源在成像平面上所成的像连成三角形，可以算出边长AiBi、AiCi、BiCi的长度；
进而可以求出K值，如下：
又已知成像平面中心点Oi在成像平面坐标系中的位置坐标Oi(u，v)，可以算出OiAi、OiBi、OiCi的长度；
根据下列公式算出成像平面中心点Oi在光源所在平面的投影点O分别到三个光源A、B、C的距离OA、OB、OC：
根据OA、OB、OC的长度和光源A、B、C的位置坐标，利用三边测量定位算法计算出投影点的位置坐标O(x，y)：
(x-x1)2+(y-y1)2＝OA2
(x-x2)2+(y-y2)2＝OB2
(x-x3)2+(y-y3)2＝OC2
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，光源的频率可以大于50Hz，该频率为人眼看不到灯光的闪烁，又由于过高的频率会让摄像机拍摄到清晰的条纹，所以频率范围还需要根据用于拍摄的移动终端等的拍摄参数来确定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位方法中，光源可以是发光二极管，也可以是其它能高频闪烁的光源。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种室内定位系统，由于该系统解决问题的原理与前述一种室内定位方法相似，因此该系统的实施可以参见室内定位方法的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，本发明实施例提供的室内定位系统，如图6所示，包括：
数据库建立模块11，用于建立频率-坐标数据库；
光源驱动模块12，用于根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
图像采集模块13，用于对光源进行拍摄；图像采集模块的成像平面与光源所在平面相互平行；
频率获取模块14，用于获取至少三个选定的光源的频率值；至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
光源坐标确定模块15，用于根据频率值和频率-坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；
投影点坐标确定模块16，用于根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述室内定位系统中，
图像采集模块13，具体用于对光源进行拍摄，形成条纹图像；
频率获取模块14，具体用于对条纹图像进行处理，得到至少三个选定的光源的频率值。
本发明实施例提供的一种室内定位方法及系统，包括：建立频率-坐标数据库；根据频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；对光源进行拍摄，获取至少三个选定的光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与光源所在平面相互平行，且至少三个选定的光源不在同一条直线上；根据频率值和频率-坐标数据库，确定选定的光源的位置坐标；根据选定的光源的位置坐标，以及选定的光源在成像平面上所成的像与成像平面中心点的相对位置，确定成像平面中心点在光源所在平面的投影点的位置坐标。本发明所提供的上述室内定位方法简单易行，便于实现在室内的精确定位，其定位精度高，可精确定位当前所在的位置，复杂度低，而且系统的可实施性较好。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的室内定位方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括：
建立频率-坐标数据库；
根据所述频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
对所述光源进行拍摄，获取至少三个选定的所述光源的频率值；用于拍摄的摄像头成像平面与所述光源所在平面相互平行，且至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
根据所述频率值和所述频率-坐标数据库，确定选定的所述光源的位置坐标；
根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，对所述光源进行拍摄，获取至少三个选定的所述光源的频率值，具体包括：
对所述光源进行拍摄，形成条纹图像；
对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值。
3.根据权利要求2所述的室内定位方法，其特征在于，对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值，具体包括：
对所述条纹图像进行预处理，去除噪声；
在去除噪声后的条纹图像中分割出各个光源子区域；
对至少三个选定的所述光源子区域进行处理，获取选定的所述光源子区域的条纹宽度；
根据选定的所述条纹宽度，计算出与选定的所述条纹宽度对应的所述光源的频率值。
4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，采用下述公式计算出与选定的所述条纹宽度对应的所述光源的频率值：
F＝PT/W
其中，F表示所述光源的频率值，W表示所述光源子区域在一个闪烁周期内所形成的一个明暗相间的条纹宽度，P表示单个像素的高度，T为卷帘快门的周期。
5.根据权利要求1-4任一项所述的室内定位方法，其特征在于，当选定的光源为三个时，根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标，具体包括：
将三个所述光源和三个所述光源在所述成像平面上所成的像分别连成三角形，计算出连成的两个三角形的各边长；
根据连成的两个三角形的各边长，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点分别到三个所述光源的距离；
根据所述投影点分别到三个所述光源的位置坐标的距离和所述光源的位置坐标，利用三边测量定位算法计算出所述投影点的位置坐标。
6.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述光源的频率值大于50Hz。
7.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述光源为发光二极管。
8.一种室内定位系统，其特征在于，包括：
数据库建立模块，用于建立频率-坐标数据库；
光源驱动模块，用于根据所述频率-坐标数据库，驱动若干个不同位置坐标的光源发出不同频率的光；
图像采集模块，用于对所述光源进行拍摄；所述图像采集模块的成像平面与所述光源所在平面相互平行；
频率获取模块，用于获取至少三个选定的所述光源的频率值；至少三个选定的所述光源不在同一条直线上；
光源坐标确定模块，用于根据所述频率值和所述频率-坐标数据库，确定选定的所述光源的位置坐标；
投影点坐标确定模块，用于根据选定的所述光源的位置坐标，以及选定的所述光源在所述成像平面上所成的像与所述成像平面中心点的相对位置，确定所述成像平面中心点在所述光源所在平面的投影点的位置坐标。
9.根据权利要求8所述的室内定位系统，其特征在于，
所述图像采集模块，具体用于对所述光源进行拍摄，形成条纹图像；
所述频率获取模块，具体用于对所述条纹图像进行处理，得到至少三个选定的所述光源的频率值。
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