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CN107490374A - 基于led的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法 - Google Patents

基于led的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法 Download PDF

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CN107490374A
CN107490374A CN201710843988.1A CN201710843988A CN107490374A CN 107490374 A CN107490374 A CN 107490374A CN 201710843988 A CN201710843988 A CN 201710843988A CN 107490374 A CN107490374 A CN 107490374A
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Chengdu Cat Road Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，编码装置包括控制器、LED信标灯和时钟模块，LED信标灯包括3个LED灯和3个驱动电源，每个LED灯通过一个驱动电源连接控制器，且3个LED灯的发出的光基色不同；时钟模块用于产生编码所需时钟信号；控制器在时钟模块的作用下产生三路编码信号分别发送给3个驱动电源；三路编码信号的码字相同，但是每两路编码信号之间延迟0到N‑1个码元；LED灯在驱动电源的驱动下发光。本发明利用红、蓝、绿三基色上小的亮度变化进行编码，增加的系统编码容量，同时三个编码通道采用相同的码字，三色LED混合后的平均亮度和色温相对固定，降低了LED信标灯给人造成的闪烁感。

Description

基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法
技术领域
本发明涉及室内定位导航领域，具体涉及一种基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法。
背景技术
据调查，目前人们平均80％～90％的时间是在室内环境中活动的，室内定位服务需求愈发强烈。传统的基于无线通信的室内定位技术由于其精度低和抗干扰性能差，无法满足一些特定的需求。相比基于无线电波的室内定位技术，基于可见光通信(VisibleLight Communication，VLC)的室内定位技术既具有照明，又可以提供基于VLC的通信及定位服务，正成为研究的热点。
在授权公告号为CN201611218885，名为“一种包含可见光衰减片的室内定位导航系统”的中国发明专利中提出了一种利用LED信标灯进行室内定位导航的方法。采用不同的高低电平代表逻辑1和0，通过合理配置每个比特码字的时间来利用摄像头采样LED信标灯的比特信息。由于每个LED信标灯所配置的比特码字的信息各不相同，因此通过摄像头采样的比特信息可以得出摄像头所拍摄的LED信标灯的码字信息，进而根据LED信标灯的身份识别(ID)号与相应的安装位置得到摄像头所处的位置信息。
但是这种编码方法的缺点在于：一般移动终端摄像头的拍摄帧率较低，如手机摄像头只有30帧，而编码的码元周期需为摄像头帧率的倒数才能保证摄像头能够采样到每个码元，进而得到准确的解码。室内定位导航系统需要一定的定位数据率，当定位数据率一定时，LED信标灯编码的长度就受到限制，从而限制了LED信标灯编码的数量，也就限制了系统的容量。特别是当室内定位系统采用抗干扰性能较好的伪随机码时，系统容量进一步变低，使得系统不能适用于大型的室内场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的室内定位系统使用的编码方法限制了系统容量，目的在于提供一种基于LED的室内定位编码装置，以提高基于LED的室内定位导航系统的容量同时避免带来LED闪烁的问题，本发明还提供了一种基于LED的室内定位编码系统及视频译码装置、方法。
本发明通过下述技术方案实现：
基于LED的室内定位编码装置，包括控制器、LED信标灯和时钟模块，所述LED信标灯包括3个LED灯和3个驱动电源，每个LED灯连接一个驱动电源，且3个LED灯的发出的光基色不同，分别为R基色、G基色和B基色；所有驱动电源均与控制器相连；
所述时钟模块用于产生编码所需时钟信号；
所述控制器在时钟模块的作用下产生三路编码信号分别发送给3个驱动电源，每个驱动电源接收一路编码信号；所述三路编码信号的码字相同，但是每两路编码信号之间延迟0到N-1个码元，其中N为编码信号的码长；
所述LED灯在驱动电源的驱动下发光。
上述技术方案中，利用红、蓝、绿三基色上小的亮度变化进行编码，可以在较高输出数据率和较好的抗干扰性能的前提下大大增加的系统编码容量，有利于系统应用于大型的室内场景，同时LED信标灯中R灯、G灯和B灯三个编码通道采用相同的码字，采用相互间不同的码字延迟进行二次编码，用于编码的R、G、B三色LED混合后的平均亮度和色温相对固定，降低了LED信标灯给人造成的闪烁感。
作为本发明的进一步改进，上述基于LED的室内定位编码装置还包括红外接收模块，所述红外接收模块用于接收外部通过红外线输入的编码码字和LED信标灯的ID号并发送给控制器。本技术方案中，LED信标灯的ID号和编码码字可以采用红外方式配置，便于系统安装后对定位区域内LED信标灯的统一配置。
作为本发明的又一改进，基于LED的室内定位编码装置还包括电源模块和主LED模块，所述主LED模块通过电源模块与控制器相连，利用主LED模块提供照明所需的亮度和色温。
进一步，R基色LED灯的亮度为主LED灯模块的R基色亮度的M1％，G基色LED灯的亮度为主LED灯模块的G基色亮度的M2％，B基色LED灯的亮度为主LED灯模块的B基色亮度的M3％，M1、M2、M3的取值均小于Z，其中Z％为随着LED灯的亮度增大在人眼最初感觉到LED信标灯闪烁时的LED灯的亮度与主LED灯模块对应基色亮度比例的临界值。M1、M2、M3的取值尽量大，直到主LED模块、R灯、G灯和B灯混合后使人感觉不到明显闪烁为止。
基于LED的室内定位视频译码装置包括图像采集单元和译码单元，所述图像采集单元能够采集彩色视频得到R、G、B三基色图像；所述译码单元包括图像存储模块、平均单色图像计算模块、亮度值设置模块、信标区域计算模块、亮度累计值计算模块、亮度累计值存储模块、亮度门限值计算模块、门限比较与译码模块、信标灯判断模块、延迟位数计算模块和LED信标灯ID号输出模块，其中：
所述图像采集单元至少能够得到N帧R、G、B单色图像发送给图像存储模块；
图像存储模块，用于存储图像采集单元采集的图像；
平均单色图像计算模块，用于将图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
亮度值设置模块，用于分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，并根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，最后将亮度值低于门限的像素的亮度值置0，其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；M1％为编码装置的R基色LED灯的亮度与主LED灯的R基色亮度的百分比值，M2％为编码装置的G基色LED灯的亮度与主LED灯的G基色亮度的百分比值，M3％为编码装置的B基色LED灯的亮度与主LED灯的B基色亮度的百分比值；
信标区域计算模块，用于对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域，得到信标区域；
亮度累计值计算模块，用于调用图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮到亮度累计值存储模块中；
亮度门限值计算模块，用于调用亮度累计值存储模块中的R、G、B单色图像对应的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
门限比较与译码模块，用于依次调用图像存储模块存贮的R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与亮度门限值计算模块得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到译码码字；
信标灯判断模块，将R、G、B对应的译码码字分别与编码装置的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以X为门限进行判决，若大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字；若小于门限，则判定为不是LED信标灯，N为译码装置使用的编码码字长度，X为2到N-1范围内的一个取值，优选值为N/2；
延迟位数计算模块，用于选定R、G、B基色中的一种基色作为基准，求出其余两种基色的相关运算输出最大值相对于选定的基色的延迟位数；
LED信标灯ID号输出模块，用于根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出。
进一步，所述译码单元还包括：饱和度判断模块，用于判断图像采集单元采集的图像是否饱和；亮度调整模块，在饱和度判断模块判定图像饱和时调整图像采集模块的亮度。
基于LED的室内定位视频译码方法，采用上述基于LED的室内定位视频译码装置进行译码，包括以下步骤：
步骤一：采集N帧R、G、B单色图像并进行存贮，同时将存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
步骤二：分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，然后根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，将亮度值低于门限的像素的亮度值置0；其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；
步骤三：采用梯度法对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域作为信标区域；
步骤四：调用存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮；
步骤五：调用存贮的N帧R、G、B单色图像中的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
步骤六：依次调用存贮的N帧R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与步骤五中得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到码长为N的译码码字。
步骤七：将R、G、B对应的译码码字分别与编码装置的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以X为门限进行判决，若R、G、B三路结果都大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字，然后跳转至步骤八；若R、G、B三路结果中有一路小于门限，则判定为不是LED信标灯，跳转至步骤一；
步骤八：选定R、G、B基色中的一种基色作为基准，求出其余两种基色的相关运算输出最大值相对于选定的基色的延迟位数；
步骤九：根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出，然后跳转至步骤一。
进一步，所述步骤一包括以下步骤：
步骤A：采集一帧彩色视频，得到R单色图像、G单色图像和B单色图像，分别对三幅图像进行滤波，以消除图像中的噪声，然后分别求取三幅图像中亮度的最大值；判断R单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％；判断G单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％，判断B单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％；若R单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％且G单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％且B单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％，则判定采集的图像没有饱和，跳转至步骤C，否则所采集的图像饱和，跳转至步骤B；
步骤B：调整图像采集模块的亮度，跳转至步骤A；
步骤C：继续采集N-1帧彩色视频，得到N-1帧R、G、B单色图像，和上一帧R、G、B单色图像一起存贮，同时将存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像。
基于LED的室内定位编码系统，包括编码装置和解码装置，所述编码装置为上述方案中的任一基于LED的室内定位编码装置，所述解码装置采用上述方案中的任一基于LED的室内定位视频译码装置。
优选的，所述编码装置产生的码元周期与解码装置的图像采集单元的帧率的倒数相同。本技术方案中，编码装置的LED信标灯的编码码元周期为图像采集装置的帧率的倒数，使得系统可以利用带有彩色摄像头的移动终端作为译码装置进行采集和译码，从而降低系统的配置成本增强基于LED信标灯的室内定位导航系统的实用性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，LED信标灯利用主LED灯提供照明所需的亮度和色温，利用三基色上小的亮度变化进行编码，一方面降低了LED信标灯给人造成的闪烁感，另一方面增加了编码的信道，增大了系统编码的容量；
2、本发明的基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，LED信标灯中R灯、G灯和B灯三个编码通道采用相同的码字，采用相互间不同的码字延迟进行二次编码，用于编码的R、G、B三色LED混合后的平均亮度和色温相对固定；
3、本发明的基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，LED信标灯的编码码元周期为图像采集模块的帧率的倒数，使得系统可以利用带有彩色摄像头的移动终端进行采集和译码，从而降低系统的配置成本增强基于LED信标灯的室内定位导航系统的实用性；
4、本发明的基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，LED信标灯的ID号和编码码字采用红外方式配置，便于系统安装后对定位区域内LED信标灯的统一配置；
5、本发明的基于LED的室内定位编码装置、系统及视频译码装置、方法，对于摄像头帧率较低的移动终端，采用三基色通道编码方式可以在较高输出数据率和较好的抗干扰性能的前提下大大增加的系统编码容量，有利于系统应用于大型的室内场景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的一种实施方式的基于LED的室内定位编码装置的结构示意图；
图2为R灯、G灯、B灯的单色图像；
图3为单色图像经过滤波与分割处理后的信标区域示意图；
图4为15帧R灯单色图译码判决示意图；
图5为R灯译码序列的相关运算结果；
图6为G灯译码序列的相关运算结果；
图7为B灯译码序列的相关运算结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
【实施例1】
如图1所示，本实施例中提供一种基于LED的室内定位编码装置，其包括控制器、LED信标灯、时钟模块、电源模块和主LED模块，所述LED信标灯包括红色LED灯(简称“R灯”或“R基色LED灯”)、绿色LED灯(简称“G灯”或“G基色LED灯”)、蓝色LED灯(简称“B灯”或“B基色LED灯”)和3个驱动电源，每个LED灯连接一个驱动电源；因此，3个LED灯的发出的光基色不同，分别为R基色(红色)、G基色(绿色)和B基色(蓝色)；所有驱动电源均与控制器相连；
所述时钟模块用于产生R灯、G灯、B灯编码所需时钟信号；
所述控制器在时钟模块的作用下产生三路编码信号分别发送给3个驱动电源，每个驱动电源接收一路编码信号；控制器产生的三路编码信号均为具有良好自相关特性的编码序列，优选为相同的长度为N的伪随机(PN)序列；码元宽度同时钟周期，本实施例中所述三路编码信号的码字相同，但是每两路编码信号之间具有延迟，延迟范围为0到N-1个码元，其中N为编码信号的码长，这样R灯、G灯和B灯混合后的平均亮度和色温相对固定，总的编码容量大大增加；实际应用时，由于室内定位编码装置需要与能够采集彩色图像的图像采集模块配合使用，优选的控制器产生的码元周期与图像采集模块的帧率的倒数相同，使用的图像采集模块包括但不限于移动终端的彩色摄像头或专业彩色摄像机。时钟模块和控制器可以采用微处理器(MCU)或可编程逻辑器件(如FPGA)实现。
电源模块和驱动电源的功能一是将高压交流转换为直流，二是作为可控恒流源为对应的各个LED提供电流。
所述主LED模块通过电源模块与控制器相连，其功能为照明，为LED信标灯提供照明所需的亮度和色温，其驱动电流为恒定的直流；LED信标灯中的R基色LED灯的亮度为主LED灯模块的R基色亮度的M1％，G基色LED灯的亮度为主LED灯模块的G基色亮度的M2％，B基色LED灯的亮度为主LED灯模块的B基色亮度的M3％，M1、M2、M3的取值均小于Z，其中Z％为随着LED灯的亮度的增加在人眼最初感觉到LED信标灯闪烁时的LED灯的亮度与主LED灯模块对应基色亮度比例的临界值，即LED灯的亮度低于Z％时人眼感觉不到LED信标灯闪烁，LED灯的亮度等于Z％时人眼开始感觉到LED信标灯闪烁。M1、M2、M3的取值尽量大，以增大编码的相对变化，直到主LED灯模块、R灯、G灯和B灯混合后使人感觉不到明显闪烁为止。
所述LED灯在驱动电源的驱动下发光，但是功能为亮度编码，同时降低LED信标灯的给人造成的闪烁感，其驱动电流为驱动电源输出的二进制开关电流，驱动电源的开关控制信号即为控制器输出的编码码字信号。
现有技术中，VLC的室内定位技术在应用时，由于一般移动终端摄像头的拍摄帧率较低，如手机摄像头只有30帧，而编码的码元周期需为摄像头帧率的倒数才能保证摄像头能够采样到每个码元，进而得到准确的解码。而室内定位导航系统需要一定的定位数据率，当定位数据率一定时，LED信标灯编码的长度就受到限制，从而限制了LED信标灯编码的数量，也就限制了系统的容量。特别是当室内定位系统采用抗干扰性能较好的伪随机码时，系统容量进一步变低，使得系统不能适用于大型的室内场景。因此，寻找一种能够增加系统容量的编译码方法对于基于LED灯的室内定位导航系统就显得非常实用。因此，本实施例提供了一种针对室内定位导航系统的LED信标灯的编码装置，以提高基于LED信标灯的室内定位导航系统的容量。该编码装置基于LED信标灯，采用红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色对LED灯进行编码，从而可以用带有彩色摄像头的移动终端作为译码装置，译码时将所拍摄的视频帧分离为R、G、B三种颜色，再对每一种颜色的视频帧进行译码，最后将得到的三组译码的信息进行组合，从而提高LED信标灯的容量。
本实施例中，编码序列的源序列采用伪随机(PN)码等具有良好自相关特性的编码序列，在译码后通过相关运算能够大大增强室内定位导航系统的抗干扰能力。
实际应用中，对于两个不同的LED信标灯而言，它们既可以配置为不同的编码码字，也可以配置为不同的R灯、G灯和B灯码字延迟，还可以将两者结合，从而进一步增加LED信标灯的容量。假设N位字长具有L个伪随机码，在保证室内定位导航系统抗干扰性能的前提下，采用单一的亮度编码就只有L个可用码字，而对于R、G、B三基色进行亮度编码，在同一个信标灯采用相同的码字、相互间采用不同的延迟的情况下，则其组合的编码数为N2个，因此结合不同的码字，室内定位导航系统可用的编码数为LN2个，从而使得系统的编码容量大大增加。
【实施例2】
在实施例1的基础上，本实施例中对基于LED的室内定位编码装置进行进一步改进，所述基于LED的室内定位编码装置还包括红外接收模块，所述红外接收模块用于接收外部通过红外线输入的编码码字和LED信标灯的ID号并经解调后输入到控制器，以实现重新配置LED信标灯ID号和码字的功能。
【实施例3】
本实施例中提供一种与实施例1或实施例2中的基于LED的室内定位编码装置相连配合使用的基于LED的室内定位视频译码装置及方法，译码装置包括图像采集单元和译码单元，所述图像采集单元能够采集彩色视频得到R、G、B三基色图像；所述译码单元包括图像存储模块、平均单色图像计算模块、亮度值设置模块、信标区域计算模块、亮度累计值计算模块、亮度累计值存储模块、亮度门限值计算模块、门限比较与译码模块、信标灯判断模块、延迟位数计算模块和LED信标灯ID号输出模块，其中：
所述图像采集单元用于采集彩色图像，在采集时按R、G、B三色同时采集图像，图像采集单元至少能够得到N帧R、G、B单色图像发送给图像存储模块；
图像存储模块，用于存储图像采集单元采集的图像；
平均单色图像计算模块，用于将图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
亮度值设置模块，用于分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，并根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，最后将亮度值低于门限的像素的亮度值置0，其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；M1％为编码装置的R基色LED灯的亮度与主LED灯的R基色亮度的百分比值，M2％为编码装置的G基色LED灯的亮度与主LED灯的G基色亮度的百分比值，M3％为编码装置的B基色LED灯的亮度与主LED灯的B基色亮度的百分比值；本实施例中，M1、M2、M3取值相同，均为M，即3个LED灯的亮度相同，此时，编码后LED信标灯亮度的最大值和最小值之比为(1+M/100):1，其门限值为其最大亮度的(100-M/2)％，亮度的最大值:门限:最小值为(1+M/100):(1+M/200-M2/20000):1)，门限值略等于最大值和最小值的平均值。
信标区域计算模块，用于对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域，得到信标区域；
亮度累计值计算模块，用于调用图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮到亮度累计值存储模块中；
亮度门限值计算模块，用于调用亮度累计值存储模块中的R、G、B单色图像对应的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
门限比较与译码模块，用于依次调用图像存储模块存贮的R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与亮度门限值计算模块得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到译码码字；
信标灯判断模块，将R、G、B对应的译码码字分别与编码装置的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以X为门限进行判决，若R、G、B三路结果都大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字；若R、G、B三路结果中有一路小于门限，则判定为不是LED信标灯，N为译码装置使用的编码码字长度，X为2到N-1范围内的一个取值，本实施例中优选值为N/2；
延迟位数计算模块，用于选定R、G、B基色中的一种基色作为基准，求出其余两种基色的相关运算输出最大值相对于选定的基色的延迟位数；
LED信标灯ID号输出模块，用于根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出。
进一步地，所述译码单元还包括饱和度判断模块和亮度调整模块，该饱和度判断模块用于判断图像采集单元采集的图像是否饱和；亮度调整模块在饱和度判断模块判定图像饱和时调整图像采集模块的亮度。
本实施例中，译码装置装置采用带有彩色摄像头的手机，其图像采集模块为手机摄像头，编码器的控制器产生的码元周期与手机摄像头的帧率的倒数相同，实际应用时，在其他实施方式中，译码装置可以采用但不限于带有彩色摄像头的平板、笔记本电脑、计算机等终端。译码装置通过对其其图像采集模块拍摄的视频进行处理得到LED信标灯的编码，具体译码方法如下。
基于LED的室内定位视频译码方法，采用本实施例中的基于LED的室内定位视频译码装置进行译码，包括以下步骤：
S1：采集一帧彩色视频，得到三基色R、G、B的单色图像(R单色图像、G单色图像和B单色图像)，分别对三幅图像进行滤波，以消除图像中的噪声，然后分别求取三幅图像中亮度的最大值，判断R单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％，是则采集的图像饱和；判断G单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％，是则采集的图像饱和；判断B单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％，是则采集的图像饱和；若R单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％且G单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％且B单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％，则判定采集的图像没有饱和，跳转至步骤3，否则所采集的图像饱和，跳转至步骤B；当M1、M2、M3取值均为M时，判断三幅图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M)％，若R、G、B三幅图像中有一幅判为是，则判定的所采集的图像饱和，跳转至步骤S2；若R、G、B三幅图像的亮度最大值均没超过其饱和亮度的(100-M)％，则判定采集的图像没有饱和，跳转至步骤S3；
S2：移动终端调整其摄像头的亮度，跳转至步骤S1；
S3：继续采集N-1帧彩色视频，得到N-1帧R、G、B单色图像，和上一帧R、G、B单色图像一起存贮，同时将存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
S4：分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，然后根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，将亮度值低于门限的像素的亮度值置0；其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；
S5：采用梯度法对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域，该位置区域即为信标区域；
S6：调用存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮；
S7：调用存贮的N帧R、G、B单色图像中的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
S8：依次调用存贮的N帧R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与步骤S7中得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到码长为N的译码码字。
S9：将R、G、B对应的译码码字分别与场景中所安装的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以2到N-1的某个取值为门限进行判决，若R、G、B三路结果都大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字，然后跳转至步骤S10。若R、G、B三路结果中有一路小于门限，则判定为不是LED信标灯，跳转至步骤S1；
S10：以R为基准，求出G、B相关运算输出最大值相对于R的延迟位数；
S11：根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出，然后跳转至S1。
【实施例4】
本实施例中还提供一种基于LED的室内定位编码系统，该系统包括编码装置和解码装置，所述编码装置采用实施例1或实施例2中的基于LED的室内定位编码装置，所述解码装置采用实施例3的基于LED的室内定位视频译码装置。所述编码装置产生的码元周期与解码装置的图像采集单元的帧率的倒数相同。
为了便于理解，下面带入具体数值作为例子对编码及译码的原理做进一步说明。
示例性的，假定用作译码设备的移动终端彩色摄像头的帧率为30fps，则所述的控制器编码的码元宽度为帧率的倒数，即1/30s，所述的时钟模块所产生的时钟信号频率与译码设备帧率相同，即30Hz。设码字长度为N＝15位，编码类型采用15位PN码用以增加系统的抗干扰性能，此时系统的输出数据率约等于2次/秒。对于同一个LED信标灯，R灯、G灯和B灯采用相同的PN码，以R灯的PN码序列为基序列，G灯和B灯的PN码序列相对于基序列有0到14位的延迟，这样LED信标灯的编码容量就增加为152＝225倍。
本实施例以一个LED信标灯LED1为例加以说明，其具有实施例所述编码装置的结构。
通过红外接收模块配置LED1信标的15位PN基序列为[1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0]。控制器将LED1的R灯编码序列为基序列[1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0]；G灯的编码序列相对于R灯延迟1个码元宽度；B灯的编码序列相对于R延迟3个码元宽度，则LED1中，R灯、G灯和B灯的编码序列依次为：
R:[1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0]
G:[0,0,0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0,1]
B:[0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,0]
其中的1和0对应驱动电源中开关控制信号，其驱动电源的开关电流控制R灯、G灯和B灯的亮度以使其亮度为LED信标灯中主LED灯三基色亮度的8％，即M1、M2、M3取值相同，即M为8。这样，信标灯LED1中的R灯、G灯和B灯在控制器及驱动电源的驱动下按编码序列依次循环变化，变化码率为30Hz。
本实施例的译码装置采用手机等带有彩色摄像头的移动终端，通过对其拍摄的彩色视频进行处理得到LED信标灯的编码，以信标灯LED1的译码为例，其具体步骤如下：
S1：采集一帧含有LED1的彩色视频，得到三基色R、G、B的单色图像，如图2所示，分别对三色图像进行滤波，以消除图像中的噪声。然后分别求取三幅图像中亮度的最大值，判断亮度是否达到摄像头饱和亮度的92％，若RGB三幅图像中有一幅判为是，则判定的所采集的图像饱和，则判定此次采集的图像无效，跳转至S2，若RGB三幅图像中均未饱和，则跳转至S3；
S2：移动终端调整其摄像头的亮度，跳转至步骤S1；
S3：继续采集14帧彩色视频，由于采样率即帧率与LED三色灯的颜色变化的码率一致，因此每一次颜色变化值均能被采样到。将采集的全部15帧彩色图像一起存贮，然后将15帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到三幅平均单色图像，设为R1、G1、B1；
S4：分别求取R1、G1、B1的最大亮度值，然后以低于其最大亮度值的96％的值为门限，将亮度值低于门限的像素的亮度值置0，使得单色图中界线外的亮度值置0，由于LED信标灯是光源，因此通过本步骤的处理可以滤除图像中的非信标背景，包括一些反射的光亮背景，如图2所示；
S5：采用梯度法对R1、G1、B1进行分割，得到LED1的R灯、G灯和B灯在单色图像中的信标区域，如图3所示；
S6：调用步骤S3存储的15帧图像，分别求步骤5中所得每一帧三基色单色图像中信标区域内的像素亮度值之和，作为R灯、G灯和B灯的亮度累计值，本实施例共能得到15+15+15＝45组这样的值，然后存贮；
S7：调用所存贮的15帧R灯、G灯和B灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到R灯、G灯和B灯单色图像的亮度门限值；
S8：依次调用所存贮的15帧R灯、G灯和B灯的单色图像，从第一帧开始，将R灯、G灯和B灯单色图像的亮度累计值与步骤S7中得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到码长为N的译码码字。因编码与译码间没有同步，译码后得到的码字会产生一个整体延迟，但R、G、B间的相互延迟不会改变，示例如下：
R:[1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1]
G:[-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1]
B:[1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1]
其中15帧R灯单色图译码判决过程如图4，G灯、B灯单色图的译码类同；
S9：将上述R灯、G灯和B灯的译码码字分别与场景中所安装的LED信标灯所有编码码字[1,-1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1]、[1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1]等一一进行相关运算。当相关运算的本地码字为[1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1]时，相关输出的结果如图5、图6、图7所示，其以N/2＝7.5为门限进行判决，则判定图像中分割出的信标区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字[1,-1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1]和R、G、B最大值出现的位置(4，5，7)，然后跳转至步骤S10。对于其他本地码，则其相关输出将小于门限，判定图像中分割出的信标区域所对应的LED灯不是本系统的LED信标灯，跳转至步骤S1。
S10：以R灯为基准，求出G灯、B灯相关运算输出最大值相对于R的延迟位数为1和3；
S11：根据所记录的本地码字和R灯、G灯和B灯相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出，然后跳转至S1。
可以预见，对于一个基于LED灯的室内定位导航系统而言，不同的LED信标灯可以具有不同的基序列或其R灯、G灯和B灯具有不同的编码延迟。由于LED信标灯利用主LED模块提供照明所需的亮度和色温，利用三基色上小的亮度变化进行编码，一方面降低了LED信标灯给人造成的闪烁感，另一方面增加了编码的信道，有利于增加编码的容量；而且本系统的LED信标灯的ID号和编码码字可以采用红外方式配置，便于系统安装后对定位区域内LED信标灯的统一配置。对于摄像头帧率较低的移动终端，采用所述的三基色通道编码方式，系统一可以通过较短的码字长度来保证较高输出数据率，二可以采用伪随机码等具有良好自相关性能的编码序列获得良好的抗干扰性能，三是采用R灯、G灯和B灯间不同的延迟大大增加了编码容量，这些优点使得系统在大型的室内定位导航场景中更为实用。
本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于LED的室内定位编码装置，包括控制器和LED信标灯，其特征在于，还包括时钟模块，所述LED信标灯包括3个LED灯和3个驱动电源，每个LED灯连接一个驱动电源，且3个LED灯的发出的光基色不同，分别为R基色、G基色和B基色；所有驱动电源均与控制器相连；
所述时钟模块用于产生编码所需时钟信号；
所述控制器在时钟模块的作用下产生三路编码信号分别发送给3个驱动电源，每个驱动电源接收一路编码信号；所述三路编码信号的码字相同，但是每两路编码信号之间延迟0到N-1个码元，其中N为编码信号的码长；
所述LED灯在驱动电源的驱动下发光。
2.根据权利要求1所述的基于LED的室内定位编码装置，其特征在于，还包括红外接收模块，所述红外接收模块用于接收外部通过红外线输入的编码码字和LED信标灯的ID号并发送给控制器。
3.根据权利要求1或2所述的基于LED的室内定位编码装置，其特征在于，还包括电源模块和主LED模块，所述主LED模块通过电源模块与控制器相连。
4.根据权利要求3所述的基于LED的室内定位编码装置，其特征在于，R基色LED灯的亮度为主LED灯模块的R基色亮度的M1％，G基色LED灯的亮度为主LED灯模块的G基色亮度的M2％，B基色LED灯的亮度为主LED灯模块的B基色亮度的M3％，M1、M2、M3的取值均小于Z，其中Z％为随着LED灯的亮度增大在人眼最初感觉到LED信标灯闪烁时的LED灯的亮度与主LED灯模块对应基色亮度比例的临界值。
5.基于LED的室内定位视频译码装置，其特征在于，包括图像采集单元和译码单元，所述图像采集单元能够采集彩色视频得到R、G、B三基色图像；所述译码单元包括图像存储模块、平均单色图像计算模块、亮度值设置模块、信标区域计算模块、亮度累计值计算模块、亮度累计值存储模块、亮度门限值计算模块、门限比较与译码模块、信标灯判断模块、延迟位数计算模块和LED信标灯ID号输出模块，其中：
所述图像采集单元至少能够得到N帧R、G、B单色图像发送给图像存储模块；
图像存储模块，用于存储图像采集单元采集的图像；
平均单色图像计算模块，用于将图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
亮度值设置模块，用于分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，并根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，最后将亮度值低于门限的像素的亮度值置0，其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；M1％为编码装置的R基色LED灯的亮度与主LED灯的R基色亮度的百分比值，M2％为编码装置的G基色LED灯的亮度与主LED灯的G基色亮度的百分比值，M3％为编码装置的B基色LED灯的亮度与主LED灯的B基色亮度的百分比值；
信标区域计算模块，用于对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域，得到信标区域；
亮度累计值计算模块，用于调用图像存储模块存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮到亮度累计值存储模块中；
亮度门限值计算模块，用于调用亮度累计值存储模块中的R、G、B单色图像对应的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
门限比较与译码模块，用于依次调用图像存储模块存贮的R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与亮度门限值计算模块得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到译码码字；
信标灯判断模块，将R、G、B对应的译码码字分别与编码装置的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以X为门限进行判决，若大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字；若小于门限，则判定为不是LED信标灯，N为译码装置使用的编码码字长度，X为2到N-1范围内的一个取值；
延迟位数计算模块，用于选定R、G、B基色中的一种基色作为基准，求出其余两种基色的相关运算输出最大值相对于选定的基色的延迟位数；
LED信标灯ID号输出模块，用于根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出。
6.根据权利要求5所述的基于LED的室内定位视频译码装置，其特征在于，所述译码单元还包括：
饱和度判断模块，用于判断图像采集单元采集的图像是否饱和；
亮度调整模块，在饱和度判断模块判定图像饱和时调整图像采集模块的亮度。
7.基于LED的室内定位视频译码方法，其特征在于，采用权利要求5或6中的基于LED的室内定位视频译码装置进行译码，包括以下步骤：
步骤一：采集N帧R、G、B单色图像并进行存贮，同时将存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像；
步骤二：分别求取R、G、B三基色平均单色图像的最大亮度值，然后根据最大亮度值设置R、G、B三基色门限，将亮度值低于门限的像素的亮度值置0；其中R基色的门限为R基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M1/2)％，G基色的门限为G基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M2/2)％，B基色的门限为B基色平均单色图像的最大亮度值的(100-M3/2)％；
步骤三：采用梯度法对R、G、B三基色平均单色图像进行分割，得到LED信标灯在R、G、B三基色图像中的位置区域作为信标区域；
步骤四：调用存贮的N帧R、G、B单色图像，分别求图像中信标区域内像素亮度值之和，作为LED信标灯的亮度累计值，然后存贮；
步骤五：调用存贮的N帧R、G、B单色图像中的LED信标灯的亮度累计值，然后分别求平均，得到LED信标灯R、G、B单色图像的亮度门限值；
步骤六：依次调用存贮的N帧R、G、B单色图像，从第一帧图像开始，将LED信标灯R、G、B单色图像的亮度累计值与步骤五中得到亮度门限值进行比较，若亮度累计值大于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为1，若亮度累计值小于亮度门限值，则判决该帧对应的码元为-1，从而得到码长为N的译码码字。
步骤七：将R、G、B对应的译码码字分别与编码装置的LED信标灯所有编码码字一一进行相关运算，其结果以X为门限进行判决，若R、G、B三路结果都大于门限，则判定图像中分割出的区域所对应的LED灯为信标灯，并记录其相关运算的本地码字，然后跳转至步骤八；若R、G、B三路结果中有一路小于门限，则判定为不是LED信标灯，跳转至步骤一；
步骤八：以R、G、B基色中的一种基色为基准，求出其余两种基色的相关运算输出最大值相对于选定的基色的延迟位数；
步骤九：根据所记录的本地码字和R、G、B相互间的延迟位数判决出LED信标灯的ID号并输出，然后跳转至步骤一。
8.根据权利要求7所述的基于LED的室内定位视频译码方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
步骤A：采集一帧彩色视频，得到R单色图像、G单色图像和B单色图像，分别对三幅图像进行滤波，以消除图像中的噪声，然后分别求取三幅图像中亮度的最大值；判断R单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％；判断G单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％，判断B单色图像亮度是否达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％；若R单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M1)％且G单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M2)％且B单色图像亮度未达到摄像头饱和亮度的(100-M3)％，则判定采集的图像没有饱和，跳转至步骤C，否则所采集的图像饱和，跳转至步骤B；
步骤B：调整图像采集模块的亮度，跳转至步骤A；
步骤C：继续采集N-1帧彩色视频，得到N-1帧R、G、B单色图像，和上一帧R、G、B单色图像一起存贮，同时将存贮的N帧R、G、B单色图像分别按像素相加求平均，得到R、G、B三基色的平均单色图像。
9.基于LED的室内定位编码系统，包括编码装置和解码装置，其特征在于，所述编码装置为权利要求1-4任一所述的基于LED的室内定位编码装置，所述解码装置采用权利要求5-6任一所述的基于LED的室内定位视频译码装置。
10.根据权利要求9所述的基于LED的室内定位编码系统，其特征在于，所述编码装置产生的码元周期与解码装置的图像采集单元的帧率的倒数相同。
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