CN105388455A - 摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，属于可见光通信技术领域。本发明的LED异步发送信号,采用多次迭代平均消除摄像头探测信号的背景光扰动，实现更稳定的室内可见光定位。其中心思想为：对不同LED施加不同频率信号，利用摄像头接收LED发送的信号、形成图像并将其转换为灰度图像，对灰度图像中的灰度值取连续N点迭代平均，再将灰度图像灰度值减去N点迭代平均得到的灰度值，即实现背景光扰动的消除，再对消除背景光扰动后的信号进行FFT，取其幅度谱峰值对应频率，重复上述过程M次，取这M次结果的最大频率值与智能终端内置LED频率-坐标数据库比对，得到LED灯的坐标：即实现定位。

Description

摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法
技术领域
本发明涉及摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，属于可见光通信技术领域。
背景技术
基于可见光通信(VisibleLightCommunication,VLC)技术的室内定位方案具有两大优势：1)利用半导体发光二极管(LightEmittingDiode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，没有电磁辐射，不受应用环境的限制；2)基于VLC技术的室内定位系统与未来的LED照明兼容，不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低。近年来，使用手机摄像头进行室内可见光定位的方法中，通常存在如下缺陷：包括用于照明在内的背景光的随机变化会严重影响定位系统的稳定性。为解决这个问题，本发明提出一种消除采用摄像头的室内可见光定位系统中背景光扰动的方法，采用多次迭代平均的方法对摄像头探测的信号进行处理，有效提高室内定位系统的稳定性，但增加的运算量可以忽略不计。
发明内容
本发明的目的是为解决现有采用摄像头进行室内定位的系统中背景光扰动影响定位稳定性的问题，提供摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法以及基于此方法的定位系统。
本发明的技术核心是：LED异步发送信号,采用多次迭代平均的方法消除摄像头探测的信号中背景光的扰动，实现室内可见光定位并提高定位的稳定性。其中心思想为：对不同LED施加不同频率信号，利用智能终端的摄像头接收LED发送的信号并形成图像，通过算法区分不同LED：即利用摄像头接收LED发送的信号、形成图像并将其转换为灰度图像，然后对灰度图像中的灰度值取连续N点迭代平均，然后将灰度图像中的灰度值减去N点迭代平均得到的灰度值，即实现背景光扰动的消除，再对消除背景光扰动后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，取FFT幅度谱峰值对应的频率，重复上述过程M次，取M次结果中的最大频率值与智能终端内置的LED频率-坐标数据库比对，得到LED灯的坐标，从而定位带有摄像头的设备。
本发明提供了摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，包括以下步骤：
步骤一、对LED阵列中的每个LED进行频率分配，即每个LED发送与所分配频率对应的周期信号，在发送端，采用处理器产生所分配频率的周期信号并驱动LED发送可见光周期信号；
步骤一中的LED阵列是指进行室内可见光定位的所有LED的集合；周期信号既可以是正弦波周期信号也可以是方波周期信号；LED发送的可见光周期信号，其频率大于50赫兹，使人眼看不到闪烁；不同LED之间独立发送信号，即相互不影响；
步骤二、在智能终端中记录每个LED发送频率所对应的位置信息，并建立频率-坐标数据库；
其中，所述的智能终端是摄像头的载体，且智能终端可以是智能手机、ipad、itouch、ipod、笔记本以及微型计算机类型的有处理能力的、带摄像头的智能终端或非智能终端；
步骤三、在接收端，采用智能终端的摄像头对准LED，接收LED发送的信号并形成图像，摄像头产生的图像传输到智能终端的处理模块；
步骤四、在智能终端的处理模块，对图像进行处理，具体步骤如下：
步骤4.1将图像转换为灰度图像；
步骤4.2通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；
步骤4.3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；
步骤五、将步骤四获取的一行灰度值作为原数组，采用迭代法，依次类推生成新数组，具体过程为：
取其中第1到第N个元素取平均，作为新数组的第一个元素，然后再取第2到第N+1个元素取平均作为新数组的第二个元素，以此类推，直至原数组的所有元素都参与了取平均过程；
所述的N取值范围为2到原数组的长度；
步骤六、消除背景光扰动，具体过程为：步骤四获取的一行灰度值作为原数组，减去步骤五得到的新数组，所得差值为消除背景光扰动后的信号；
步骤七、在智能终端的处理模块中，对步骤六得到的消除背景光扰动后的信号进行FFT，得到幅度谱；
步骤八、根据步骤七得到的幅度谱的频率分布确定LED发送的频率，再根据LED发送的频率确定LED的位置，具体步骤如下：
步骤8.1查找幅度谱峰值强度所对应的频率值；
步骤8.2跳回步骤三，重复步骤三至步骤8.1，重复该过程M次，得到由M个频率组成的数组；
步骤8.2中所述的M大于等于2，M值大小的选取取决于智能终端的处理模块的运算速度，一般来说，智能终端的处理模块运行速度越快M选择越大；
步骤九、取步骤8.2得到的M个频率的最大值，将此最大值与步骤二中所建立的频率-坐标数据库进行比对，确定此最大频率值所对应的LED灯位置；
此处所获得的LED灯位置信息即为智能终端所在的坐标；
至此，从步骤一至步骤九完成了摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法。
有益效果
本发明提出摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，具有如下有益效果：
1.本发明提供的方法有效提高室内定位系统的稳定性，但增加的运算量可以忽略不计；
2.本发明提供的方法未增加设备的生产成本；
3.本发明提供的方法在不增加成本的条件下对智能终端的图像处理算法进行改进，有效提高了室内可见光定位的准确性。
附图说明
图1为本发明摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法及其实施例中的流程图；
图2为本发明及具体实施方式中的定位系统框图；
图3为本发明及具体实施方式中智能终端处理模块确定的灰度图像上LED中心点所在行的灰度值；
图4为本发明及具体实施方式中采用本发明所述方法智能终端处理模块对灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之后的灰度值；
图5为本发明及具体实施方式中灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之前的幅度谱；
图6为本发明及具体实施方式中灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之后的幅度谱；
图7为本发明及具体实施方式中消除背景光扰动前智能终端确定的当前所在位置；
图8为采用本发明及具体实施方式中采用本发明方法消除背景光扰动后智能终端确定的当前所在位置。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。
实施例1
本发明摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法及其定位系统，其流程如图1所示，定位系统框图如图2所示，具体实施时，包括如下步骤：
步骤一、对LED阵列中的每个LED进行频率分配，即每个LED发送与所分配频率对应的周期信号，在发送端，采用处理器产生所分配频率的周期信号并驱动LED发送可见光周期信号；
其中，步骤一中的处理器对应图2中的下行发送处理器；
步骤一中的LED阵列是指进行室内可见光定位的所有LED的集合；周期信号既可以是正弦波周期信号也可以是方波周期信号；LED发送的可见光周期信号，其频率大于50赫兹，使人眼看不到闪烁；不同LED之间独立发送信号，即相互不影响；
步骤二、在智能终端中记录每个LED发送频率所对应的位置信息，并建立频率-坐标数据库；
其中，所述的智能终端是摄像头的载体，且智能终端可以是智能手机、ipad、itouch、ipod、笔记本以及微型计算机类型的有处理能力的、带摄像头的智能终端或非智能终端；
步骤三、在接收端，采用智能终端的摄像头对准LED，接收LED发送的信号并形成图像，摄像头产生的图像传输到智能终端的处理模块；
其中，步骤三中的“摄像头产生的图像”对应图1中的摄像头接收可见光信号形成图像；步骤三中的“智能终端的处理模块”对应图2中的“含定位算法的处理模块”；
步骤四、在智能终端的处理模块，对图像进行处理，具体步骤如下：
步骤4.1将图像转换为灰度图像；
步骤4.2通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；
具体实施时，分别求出x和y坐标的最大值，用最大值确定灰度图像上LED的位置；
步骤4.3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；
步骤五、将步骤四获取的一行灰度值作为原数组，采用迭代法，依次类推生成新数组，具体过程为：
取其中第1到第N个元素取平均，作为新数组的第一个元素，然后再取第2到第N+1个元素取平均作为新数组的第二个元素，以此类推，直至原数组的所有元素都参与了取平均过程；
所述的N取值范围为2到原数组的长度；
步骤六、消除背景光扰动，具体过程为：步骤四获取的一行灰度值作为原数组，减去步骤五得到的新数组，所得差值为消除背景光扰动后的信号；
步骤七、在智能终端的处理模块中，对步骤六得到的消除背景光扰动后的信号进行FFT，得到幅度谱；
步骤八、根据步骤七得到的幅度谱的频率分布确定LED发送的频率，再根据LED发送的频率确定LED的位置，具体步骤如下：
步骤8.1查找幅度谱峰值强度所对应的频率值；
步骤8.2跳回步骤三，重复步骤三至步骤8.1，重复该过程M次，得到由M个频率组成的数组；
步骤8.2中所述的M大于等于2，M值大小的选取取决于智能终端的处理模块的运算速度，一般来说，智能终端的处理模块运行速度越快M选择越大；
步骤九、取步骤8.2得到的M个频率的最大值，将此最大值与步骤二中所建立的频率-坐标数据库进行比对，确定此最大频率值所对应的LED灯位置；
此处所获得的LED灯位置信息即为智能终端所在的坐标；
至此，从步骤一至步骤九完成了采用摄像头的室内可见光定位系统中背景光扰动的消除。
实施例2
本实施例公开了一种依据本发明“摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法”构建的定位系统，如附图2所示。由图2可以看出：本发明方法所依托的定位系统包括可见光下行发射模块和智能终端两大部分，具体的：
可见光下行发送模块又包括：下行发送处理器、LED驱动电路和LED阵列；
其中，本实施例中下行发送处理器采用FPGA产生编码实现，也可采用单片机来实现，LED阵列中采用多个白光LED，在本实施例为3个；
其中，所述的下行发送处理器的单片机或FPGA用来产生白光LED发送的信号，该信号分别为不同频率的周期信号；
其中，所述的LED驱动电路为各个LED阵列中的白光LED提供合适的直流偏置，并把下行发送处理器产生的信号转换为驱动白光LED的交流信号；
其中，所述的LED阵列中的白光LED将调制后的可见光信号发射出去；
智能终端包括了摄像头及进行定位算法的处理模块两部分；
将智能终端的摄像头对准正在发光的LED后，所获得的图像通过本发明内容所述定位方法进行处理，图3是智能终端处理模块确定的灰度图像上LED中心点所在行的灰度值，背景光强度随时间慢变化，使得灰度值的幅度谱峰值分布在低频附近，影响定位的稳定性与准确性；
图4是智能终端处理模块对灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之后的灰度值，消除了随时间慢变化的背景光影响；
图5为灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之前的幅度谱，幅度谱峰值对应的频率在低频附近；
图6为灰度图像上LED中心点所在行的灰度值消除背景光扰动之后的幅度谱，幅度谱峰值对应的频率为LED灯发射的周期信号频率；
消除背景光扰动前智能终端确定的当前所在位置如附图7所示；
消除背景光扰动后智能终端确定的当前所在位置如附图8所示。
对比图7和8可见，消除背景光扰动后，使用摄像头的室内可见光定位系统其可靠性、准确性有显著提高。因此，基于本发明所提方法和所依托的定位系统，能够更有效和稳定的实现可见光定位。
以上对本发明“摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法”进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。实施例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。
在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对LED阵列中的每个LED进行频率分配，即每个LED发送与所分配频率对应的周期信号，在发送端，采用处理器产生所分配频率的周期信号并驱动LED发送可见光周期信号；
步骤二、在智能终端中记录每个LED发送频率所对应的位置信息，并建立频率-坐标数据库；
步骤三、在接收端，采用智能终端的摄像头对准LED，接收LED发送的信号并形成图像，摄像头产生的图像传输到智能终端的处理模块；
步骤四、在智能终端的处理模块，对图像进行处理；
步骤五、将步骤四的处理结果，即获取的一行灰度值作为原数组，采用迭代法，依次类推生成新数组；
步骤六、消除背景光扰动，得出消除背景光扰动后的信号；
步骤七、在智能终端的处理模块中，对步骤六得到的消除背景光扰动后的信号进行FFT，得到幅度谱；
步骤八、根据步骤七得到的幅度谱的频率分布确定LED发送的频率值，再重复步骤三到步骤八确定频率值部分M次，得到由M个频率值组成的数组；
步骤九、取步骤八输出结果，即从M个频率值取最大值，将此最大值与步骤二中所建立的频率-坐标数据库进行比对，确定此最大频率值所对应的LED灯位置；
此处所获得的LED灯位置信息即为智能终端所在的坐标；
至此，从步骤一至步骤九完成了采用摄像头的室内可见光定位系统中背景光扰动的消除。
2.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：权利要求1步骤一中所述的LED阵列是指进行室内可见光定位的所有LED的集合。
3.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：权利要求1步骤一中所述的周期信号既可以是正弦波周期信号也可以是方波周期信号。
4.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：权利要求1步骤一中所述的LED发送的可见光周期信号，其频率大于50赫兹，使人眼看不到闪烁；不同LED之间独立发送信号，不相互影响。
5.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤二中所述的智能终端是摄像头的载体，可以是智能手机、ipad、itouch、ipod、笔记本以及微型计算机类型的有处理能力的、带摄像头的智能终端或非智能终端。
6.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤四中所述的“对图像进行处理”，其具体步骤如下：
步骤4.1将图像转换为灰度图像；
步骤4.2通过查找灰度值的最大值确定灰度图像上LED的位置；
步骤4.3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。
7.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤五中采用迭代法依次类推生成新数组的具体过程为：取其中第1到第N个元素取平均，作为新数组的第一个元素，然后再取第2到第N+1个元素取平均作为新数组的第二个元素，以此类推，直至原数组的所有元素都参与了取平均过程；N取值范围为2到原数组的长度。
8.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤六中消除背景光扰动的具体过程为：将权利要求1步骤四的处理结果，即得到的一行灰度值作为原数组，减去权利要求1步骤五得到的新数组，所得差值为消除背景光扰动后的信号。
9.根据权利要求1所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤八中得到由M个频率值组成的数组的具体步骤如下：
步骤8.1查找幅度谱峰值强度所对应的频率值；
步骤8.2跳回步骤三，重复步骤三至步骤8.1，重复该过程M次，得到由M个频率组成的数组。
10.根据权利要求9所述的摄像头室内可见光定位系统中一种消除背景光扰动的方法，其特征还在于：步骤8.2中所述的M大于等于2，M值大小的选取取决于智能终端的处理模块的运算速度，一般来说，智能终端的处理模块运行速度越快M选择越大。
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Legal Events

Date Code Title Description
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20160309

Assignee: Hengshui Hanwang Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022990000968

Denomination of invention: A Method of Eliminating Background Light Disturbance in Camera Indoor Visible Light Positioning System

Granted publication date: 20161123

License type: Common License

Record date: 20221201

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