CN108572348A - 一种室内可见光视觉定位方法及其硬件系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内可见光视觉定位方法及其硬件系统，该方法包括下述步骤：发射端LED灯具发射经过调制的光信号，移动设备接收端使用CMOS图像传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，采用多次迭代平均消除图像传感器接收图像的背景光扰动，进而通过快速傅里叶变换(FFT)得到图像频域信号，并对该频域信号进行滤波处理，在处理过后的图像频域信号中选择峰值频率作为灯具ID对应的频率值，将峰值频率与定位服务器中频率‑坐标数据库对比得到灯具的坐标，完成图像解码过程。最终结合接收角度(AOA)定位算法实现移动设备接收端定位。本发明能够增加解调可见光信号的距离，提升了移动设备接收端的信息检测性能，进而提高可见光定位系统的精度。

Description

一种室内可见光视觉定位方法及其硬件系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种室内可见光视觉定位方法及其硬件系统。

背景技术

可见光通信是一项在基础公共照明设施上增加数据传输功能就可以搭建无线通信网络的技术，与传统的无线通信技术相比，可见光通信技术具有带宽资源丰富、不受电磁干扰等优点。由于受到多径效应和路径损耗的影响，传统的GPS导航定位并不能满足人们对于定位精度的要求。其他基于蓝牙、WIFI、超声、红外的室内定位系统，也由于定位精度和安装成本的问题，并未得到大范围应用。

可见光定位是一项提高室内定位精度的技术，室内照明灯具将信标节点附加到光源上发送出去，接收端接收识别光信号解析出灯具发送的身份识别信息，并利用相应定位算法完成定位。与其他定位技术相比，可见光定位具有定位精度高、兼顾照明与定位的优点。

本文可见光定位系统接收端采用CMOS图像传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，图像中明暗条纹宽度取决于光源的闪烁频率，通过检测出条纹数目以及条纹宽度得到光源频率，进而得到灯具的ID信息，最终利用相应定位算法实现移动端的定位。这种定位系统存在明显的弊端：如果移动端与LED光源之间的距离变大时，条纹的清晰度被严重破坏，常规方法将无法很好的检测出条纹，进而定位精度严重下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种室内可见光视觉定位方法，能够有效克服现有基于摄像头可见光定位系统中背景光扰动影响定位稳定性以及识别检测亮暗条纹精度差的问题。

本发明的另一目的在于运用所述室内可见光视觉定位方法，提出一种室内可见光视觉定位硬件系统。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种室内可见光视觉定位方法，包括下述步骤：

S1、对发射端LED灯具ID进行信号调制，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输光信号至移动设备接收端；所述光信号中携带LED灯具定位信标的ID；

S2、移动设备接收端使用CMOS图像传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，采用迭代平均消除图像传感器接收图像的背景光扰动；

S3、对步骤S2得到的消除背景光干扰的图像信号通过快速傅里叶变换得到图像频域信号，并对所述图像频域信号做滤波处理，对滤波处理后的信号选择其幅度谱峰值频率作为LED灯具ID对应的频率值，将所述频率值与智能终端频率-坐标数据库对比得到LED灯具的室内位置坐标，完成图像解码过程；

S4、将已得LED灯具ID的室内位置坐标结合接收角度定位算法得到移动设备接收端的位置[Tx,Ty,Tz]，从而实现移动设备接收端的定位。

作为优选的技术方案，步骤S1中，采用PWM调制方式对发射端LED灯具ID进行信号调制。

作为优选的技术方案，步骤S1中，所述的驱动LED光源发光并传输光信号至移动设备接收端，其中，光信号频率大于60赫兹，且不同LED光源之间发送的光信号相互不影响。

作为优选的技术方案，步骤S2中，所述的消除背景光干扰，其具体步骤如下：

S21、将CMOS图像传感器接收并形成的不同明暗条纹宽度图像转换为灰度图像，并通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；其中，根据灰度最大值得到相对应的坐标，并以此确定灰度图像上LED位置。

S22、采用形心法确定灰度图像上LED的中心点，取中心点所在行的灰度值；

S23、对S22获取的中心点所在行灰度值作为原数组，采用迭代法对原数组进行处理；

迭代法具体过程为：对所述原数组中第1到第N个元素取平均，作为第N+1个元素，然后取第2到第N+1个元素取平均作为第N+2个元素，以此类推，直至原数组所有元素都参与了取平均过程；其中，将第N+1到第2N个元素作为新数组；

S24、将步骤S22所得到的一行灰度值作为原数组，减去步骤S23得到的新数组，所得差值作为消除背景光扰动后的信号。

作为优选的技术方案，步骤S3中，对所述图像频域信号做滤波处理，具体是通过低通滤波器去除图像频域信号中的直流电压分量。

作为优选的技术方案，步骤S3中，在得到LED灯具ID对应的频率值后，对步骤S2到步骤S3中选择幅度谱峰值频率的过程重复M次，得到M个频率值，并选取其中最大值作为最终选定频率值，将所述最终选定频率值与定位服务器中频率-坐标数据库对比得到LED灯具的室内位置坐标，完成图像解码过程。

作为优选的技术方案，步骤S4中，定位算法为基于相机的接收角度定位算法，提取解码后的图像中LED灯具定位信标的相互距离关系，并搜索最优比例因子K_i匹配真实的相互距离，其中，K_i表示LED灯具定位信标i在图像中放大的倍数；然后根据最优比例因子K_i以及每个LED灯具定位信标的真实位置得到移动设别接收端的真实位置[Tx,Ty,Tz]；其计算过程中，通过优化函数的梯度来指导搜索进而减少搜索域。

一种室内可见光视觉定位方法的硬件系统，包括发射端、移动设备接收端、以及定位服务器，其特征在于，所述发射端包括交直流转换模块、控制信号发生模块、LED驱动电路、以及LED灯具；所述移动设备接收端包括图像采集模块、信号处理模块、以及显示模块；

所述交直流转换模块用于将来自电源的交流电转换成直流电；所述控制信号发生模块包括微控制器和调制器，所述微控制器用于将LED灯具的ID编号转化成数字信号并发送给调制器，所述调制器根据微控制器发送的数字信号决定是否向驱动电路提供电流，从而完成对LED灯具ID的调制；所述LED驱动电路为LED灯具的照明提供恒流信号；所述移动设备接收端中的图像采集模块用于捕捉具有亮暗条纹的图像；所述信号处理模块用于对图像采集模块采集的数字图像进行解码操作得到LED灯具唯一的ID码；所述移动设备接收端将所述ID码发送到定位服务器上，所述定位服务器对所述ID码做识别并将该ID码对应的LED灯具位置信息发送给移动设备接收端；移动设备接收端再结合基于相机的接收角度定位算法得到移动设备接收端的方位信息，从而实现移动设备接收端的定位。

作为优选的技术方案，所述移动设备接收端包括图像采集模块、信号处理模块、以及显示模块；所述图像采集模块包括CMOS图像传感器和A/D转化模块；所述信号处理模块为数字信号处理器DSP和中央处理器CPU；所述显示模块为显示屏；所述CMOS图像传感器、A/D转化模块、数字信号处理器DSP、以及显示屏与中央处理器CPU之间通过硬件电路进行电气连接，并由所述中央处理器CPU进行控制；

所述图像采集模块采集具有亮暗条纹的光信号图像，具体过程为：光信号图像投射到CMOS图像传感器表面，转化为电信号；然后经过A/D转化模块将所述电信号转化为数字图像信号；所述数字信号处理器DSP对数字图像加信号工提取条纹并得到LED灯具的ID标识符。

作为优选的技术方案，所述移动设备接收端采用智能手机或平板具有摄像头的移动设备。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明系统避免了传统的基于强度调制可见光定位系统中接收端复杂的设备，基于视觉定位减轻了系统硬件组成上的负担。

2、本发明系统发射端采用PWM调制方式，移动设备接收端采用CMOS图像传感器采集图像并识别出灯具ID码，这种编码解码方式能够增加解调可见光信号的距离，通信可靠性更强。

3、本发明方法采用迭代平均消除摄像头采集信号的背景光扰动，能够有效排除由于背景光扰动导致识别条纹精度低下的问题。

4、本发明方法对图像信号进行快速傅里叶变换(FFT)将其转换为频域信号，并在频域空间选取峰值频率作为灯具ID对应的频率，在频率空间的工作能够提高识别灯具ID的准确度。

5、本发明方法采用基于相机的接收角度(AOA)定位优化算法，将参数优化问题转化为非线性最小二乘问题，定位精度高，实时处理数据能力强。

附图说明

图1为本发明的室内可见光视觉定位系统示意图；

图2为本发明实现室内可见光视觉定位方法的硬件系统示意图；

图3为本发明发射端结构框图；

图4(a)-图4(c)分别为本发明采用PWM调制，10％、50％与90％占空比的的PWM信号；

图5为本发明移动设备接收端结构框图；

图6(a)～图6(c)为本发明移动设备接收端接收的明暗条纹宽度图像中，亮暗条纹宽度与LED光源闪烁频率(PWM调制频率)对应关系示意图；其中图6(a)为PWM调制频率；图6(b)和图6(c)分别为PWM调制频率所对应的窄亮暗条纹和宽亮暗条纹；

图7为本发明迭代平均消除背景光扰动流程图；

图8为本发明移动设备接收端处理图像并得到LED位置过程框图；

图9为本发明移动端与服务器交互得到LED位置信息示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解。下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例

如图1和图2所示，本发明基于视觉可见光定位技术,在发射端将LED灯具ID编号(LED-ID)标签信息通过控制信号发生模块完成编码过程，产生一系列控制信号并传输给LED驱动电路，进而控制LED灯亮灭，将编码信息向光信道空间发送出去。移动设别接收端使用CMOS传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，经过处理得到灯具的坐标，完成图像解码过程。最终通过基于相机的接收角度(AOA)定位优化算法实现定位。

在具体实施例时，本实施例室内可见光视觉定位方法及硬件系统的实现及工作过程，包括下述步骤：

步骤一：对发射端LED灯具的唯一ID进行信号调制，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输信号；所述光信号中携带LED灯具定位信标的ID；

在本实施例中，发射端结构框图如图3所示，外部电源为发射端提供交流电，通过交直流转换(AC/DC)模块将交流电转换成适合LED灯使用的直流电，LED灯具ID标签信息通过控信号发生模块施加到LED驱动电路上，进而编码信息随着LED灯照明发送到光信道空间。

在本实施中，所述控制信号发生模块包括微控制器和编码器，其中，所述微控制器将LED灯具ID编号转化成数字信号并发送给调制器，所述调制器根据控制信号发生模块发送的数字信号决定是否向驱动电路提供电流，从而完成对LED灯具ID编号的调制过程；

在本实施例中，步骤一中所述调制波形采用的是脉冲宽度(PWM)调制，PWM调制是种对模拟信号电平进行数字编码的方法，其中，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码，如图4(a)～图4(c)所示，不同占空比的方波信号表示不同的PWM信号，其中图4(a)是输出为10％占空比的PWM信号，表示该信号在周期的10％期间运行，其余90％期间不运行；同理，图4(b)和图4(c)分别表示占空比为50％与90％的PWM信号。

在本实施例中，LED驱动电路为LED的照明提供恒流信号，且LED光源传输的信号，其频率大于60赫兹，使人眼看不到灯光闪烁；不同LED之间发送的信号相互不影响。

步骤二：移动设备接收端使用CMOS图像传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，采用多次迭代平均消除图像传感器接收图像的背景光扰动；

如图5所示，移动设备接收端包括图像采集模块、信号处理模块、以及显示模块；所述图像采集模块包括CMOS图像传感器和A/D转化模块；所述信号处理模块为数字信号处理器DSP和中央处理器CPU；所述显示模块为显示屏；所述CMOS图像传感器、A/D转化模块、数字信号处理器DSP、以及显示屏与中央处理器CPU之间通过硬件电路进行电气连接，并由所述中央处理器CPU进行控制；

所述图像采集模块采集具有亮暗条纹的光信号图像，具体过程为：光信号图像投射到CMOS图像传感器表面，转化为电信号；然后经过A/D转化模块将所述电信号转化为数字图像信号；所述数字信号处理器DSP对数字图像加信号工提取条纹并得到LED灯具ID标识符。

在本实施例中，所述移动设备接收端可以采用智能手机或平板具有摄像头(CMOS图像传感器)的移动设备。

如图6(a)～图6(c)所示，所述明暗条纹宽度取决于LED光源的闪烁频率(PWM调制频率)，即：闪烁频率高的LED光源对应较窄的条纹，而闪烁频率低的LED光源对应较宽的条纹；如图6(b)的条纹宽度较之于图6(c)的条纹明显窄，对应上方图6(a)的调制频率也呈现出图6(b)的调制频率比图6(c)的要高。之后通过检测出条纹数目以及条纹宽度得到LED光源频率，进而得到LED灯具的ID编码。

如图7所示，所述采用多次迭代平均消除图像传感器接收图像的背景光扰动，具体步骤如下：

步骤2.1：CMOS图像传感器接收到光信号形成原图像，将原图像转换为灰度图像，并通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；其中，根据灰度最大值可以得到相对应的坐标，并以此确定灰度图像上LED位置。

步骤2.2：采用形心法确定灰度图像上LED的中心点，取中心点所在行的灰度值；其中，形心法获取LED中心点指的是求取图形形状中心的计算方法，具体公式为：

式中，X_c、Y_c为形心坐标，a、b为灰度图像中检测出LED灯具x轴的边界范围，c、d为灰度图像中检测出LED灯具y轴的边界范围；

步骤2.3：对步骤2.2获取的LED中心点所在行灰度值作为原数组，采用迭代法对原数组进行处理；

迭代法具体过程为：对其中第1到第N个元素取平均，作为第N+1个元素，然后取第2到第N+1个元素取平均作为第N+2个元素，以此类推，直至原数组所有元素都参与了取平均过程；其中，将第N+1到第2N个元素作为新数组；设原数组N个元素集合为{X₁、X₂......X_N}，新数组N个元素集合为{y₁、y₂......y_N}迭代法公式为：

且有如下关系：

y_i＝X_N+i(i＝1:N) (3)

步骤2.4：将步骤2.2所得到的一行灰度值作为原数组，减去步骤2.3得到的新数组，所得差值为消除背景光扰动后的信号。

步骤三：对步骤二得到的消除背景光干扰的图像信号通过快速傅里叶变换(FFT)得到图像频域信号，并对所述图像频域信号做滤波处理，对滤波处理后的信号选择其幅度谱峰值频率作为LED灯具ID对应的频率值，将峰值频率与服务器中频率-坐标数据库对比得到LED灯具的坐标，完成图像解码过程；

在本实施例中，对图像频域信号处理方法具体是对图像频域信号通过低通滤波器并去除信号中的直流电压(DC)分量。

如图8所示，在得到幅度谱峰值频率后，对从步骤二到步骤三中选择幅度谱峰值频率一系列过程重复M次，从而得到M个频率值并选取其中最大值作为最终选定频率值。

如图9所示，移动设备接收端与定位服务器交互得到LED位置信息，具体过程是：移动设备接收端将之前所得频率值通过无线网络传输给定位服务器，定位服务器接收数据并将峰值频率与定位服务器中频率-坐标数据库对比得到LED灯具的坐标，通过无线网络将所得LED灯具位置信息返回移动设备接收端。

步骤四：将已得LED灯具ID的室内位置坐标结合接收角度(AOA)定位算法得到移动设备接收端的位置[Tx,Ty,Tz]，从而实现移动终端的定位。

在本实施例中，基于相机的到达角度(AOA)定位算法实施原理如下：首先该算法提取解码后的图像中LED灯具定位信标的相互距离关系，并搜索最优比例因子K_i匹配真实的相互距离；其中，K_i表示信标i在图像中放大的倍数；然后根据最优比例因子K_i以及每个信标的真实位置得到移动设备接收端的真实位置[Tx,Ty,Tz]；

在本实施例中，优化定位精度需要足够搜索空间，移动设备接收端通过优化函数的梯度来指导搜索进而减少搜索域。基于AOA定位算法的优化问题都可以看成非线性最小二乘问题。该算法避免了测量发射端与接收端的间距，保证系统计算简单，运行速度快。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种室内可见光视觉定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、对发射端LED灯具ID进行信号调制，输出连续的调制波形，驱动LED光源发光并传输光信号至移动设备接收端；所述光信号中携带LED灯具定位信标的ID；

S2、移动设备接收端使用CMOS图像传感器获取光信号形成不同明暗条纹宽度的图像，采用迭代平均消除图像传感器接收图像的背景光扰动；

S3、对步骤S2得到的消除背景光干扰的图像信号通过快速傅里叶变换得到图像频域信号，并对所述图像频域信号做滤波处理，对滤波处理后的信号选择其幅度谱峰值频率作为LED灯具ID对应的频率值，将所述频率值与智能终端频率-坐标数据库对比得到LED灯具的室内位置坐标，完成图像解码过程；

S4、将已得LED灯具ID的室内位置坐标结合接收角度定位算法得到移动设备接收端的位置[Tx,Ty,Tz]，从而实现移动设备接收端的定位。

2.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，步骤S1中，采用PWM调制方式对发射端LED灯具ID进行信号调制。

3.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，步骤S1中所述的驱动LED光源发光并传输光信号至移动设备接收端，其中，光信号频率大于60赫兹，且不同LED光源之间发送的光信号相互不影响。

4.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，其特征在于，步骤S2中所述的消除背景光干扰，其具体步骤如下：

S21、将CMOS图像传感器接收并形成的不同明暗条纹宽度图像转换为灰度图像，并通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；其中，根据灰度最大值得到相对应的坐标，并以此确定灰度图像上LED位置；

S22、采用形心法确定灰度图像上LED的中心点，取中心点所在行的灰度值；

S23、对S22获取的中心点所在行灰度值作为原数组，采用迭代法对原数组进行处理；

迭代法具体过程为：对所述原数组中第1到第N个元素取平均，作为第N+1个元素，然后取第2到第N+1个元素取平均作为第N+2个元素，以此类推，直至原数组所有元素都参与了取平均过程；其中，将第N+1到第2N个元素作为新数组；

S24、将步骤S22所得到的一行灰度值作为原数组，减去步骤S23得到的新数组，所得差值作为消除背景光扰动后的信号。

5.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，其特征在于，步骤S3中对所述图像频域信号做滤波处理，具体是通过低通滤波器去除图像频域信号中的直流电压分量。

6.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，其特征在于，步骤S3中，在得到LED灯具ID对应的频率值后，对步骤S2到步骤S3中选择幅度谱峰值频率的过程重复M次，得到M个频率值，并选取其中最大值作为最终选定频率值，将所述最终选定频率值与定位服务器中频率-坐标数据库对比得到LED灯具的室内位置坐标，完成图像解码过程。

7.根据权利要求1所述的室内可见光视觉定位方法，其特征在于，步骤S4中定位算法为基于相机的接收角度定位算法，提取解码后的图像中LED灯具定位信标的相互距离关系，并搜索最优比例因子K_i匹配真实的相互距离，其中，K_i表示LED灯具定位信标i在图像中放大的倍数；然后根据最优比例因子K_i以及每个LED灯具定位信标的真实位置得到移动设别接收端的真实位置[Tx,Ty,Tz]；其计算过程中，通过优化函数的梯度来指导搜索进而减少搜索域。

8.运用权利要求1～7任意一项所述的室内可见光视觉定位方法的硬件系统，包括发射端、移动设备接收端、以及定位服务器，其特征在于，所述发射端包括交直流转换模块、控制信号发生模块、LED驱动电路、以及LED灯具；所述移动设备接收端包括图像采集模块、信号处理模块、以及显示模块；

所述交直流转换模块用于将来自电源的交流电转换成直流电；所述控制信号发生模块包括微控制器和调制器，所述微控制器用于将LED灯具的ID编号转化成数字信号并发送给调制器，所述调制器根据微控制器发送的数字信号决定是否向驱动电路提供电流，从而完成对LED灯具ID的调制；所述LED驱动电路为LED灯具的照明提供恒流信号；所述移动设备接收端中的图像采集模块用于捕捉具有亮暗条纹的图像；所述信号处理模块用于对图像采集模块采集的数字图像进行解码操作得到LED灯具唯一的ID码；所述移动设备接收端将所述ID码发送到定位服务器上，所述定位服务器对所述ID码做识别并将该ID码对应的LED灯具位置信息发送给移动设备接收端；移动设备接收端再结合基于相机的接收角度定位算法得到移动设备接收端的方位信息，从而实现移动设备接收端的定位。

9.根据权利要求8所述的室内可见光视觉定位方法的硬件系统，其特征在于，所述移动设备接收端包括图像采集模块、信号处理模块、以及显示模块；所述图像采集模块包括CMOS图像传感器和A/D转化模块；所述信号处理模块为数字信号处理器DSP和中央处理器CPU；所述显示模块为显示屏；所述CMOS图像传感器、A/D转化模块、数字信号处理器DSP、以及显示屏与中央处理器CPU之间通过硬件电路进行电气连接，并由所述中央处理器CPU进行控制；

所述图像采集模块采集具有亮暗条纹的光信号图像，具体过程为：光信号图像投射到CMOS图像传感器表面，转化为电信号；然后经过A/D转化模块将所述电信号转化为数字图像信号；所述数字信号处理器DSP对数字图像加信号工提取条纹并得到LED灯具的ID标识符。

10.根据权利要求8所述的室内可见光视觉定位方法的硬件系统，其特征在于，所述移动设备接收端采用智能手机或平板具有摄像头的移动设备。