CN105444752A - 基于光源亮度的室内定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光源亮度的室内定位方法、装置及系统，该定位方法包括：连续拍摄LED灯，得到LED灯的n帧原始图像；从n帧原始图像中提取n帧光源图像；分别计算n帧光源图像的亮度值；用阈值对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列；从二进制序列中提取LED灯的编码信息；以及查找地图中与LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。该定位装置包括：摄像头、用于实现上述方法的数据处理装置、以及显示装置。该定位系统包括：上述定位装置和复数个LED灯，复数个LED灯均具有：唯一的编码信息、驱动器、以及用于将编码信息加载到驱动器的调制器。本发明解决了现有技术中成本高和定位精度低的问题。

Description

基于光源亮度的室内定位方法、装置及系统

技术领域

本发明专利涉及通信领域，具体而言，涉及一种使用智能设备摄像头及LED灯进行室内定位的方法、装置及系统。

背景技术

随着交通的高速发展，GPS全球定位系统也成为了人们居家旅行外出游玩的必备工具。但是，由于信号受到建筑物的遮挡，在室内GPS信号非常微弱，无法达到定位的要求。

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。

室内定位技术主要分基站定位和惯导定位两种。基站定位是指在特定的位置安装信息的发射装置，定位装置根据信号计算出具体的方位；惯导定位是指使用设备中的加速度传感器、陀螺仪等惯性设备，从某个基点出发来计算具体方位。

目前的基站定位方式需要专门网络布线和专用的基站来发送基站信息，实施和维护成本过高。惯导定位需要昂贵的设备才能满足室内导航的高精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光源亮度的室内定位方法、装置及系统，其不需要专门安装布线，同时可以满足室内的高精度需求。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基于光源亮度的室内定位方法包括：

连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像；

从所述n帧原始图像中提取n帧光源图像；

分别计算所述n帧光源图像的亮度值；

用阈值对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列；

从所述二进制序列中提取所述LED灯的编码信息；以及

查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

在上述的基于光源亮度的室内定位方法中，优选地，从所述原始图像中提取光源图像包括：对LED灯的n帧原始图像运算，得到背景图像；将n帧原始图像分别与背景图像相减，得到n帧中间图像；以及提取中间图像的最亮点，以该最亮点为基础进行图像生长，得到光源图像。

在上述的基于光源亮度的室内定位方法中，优选地，还包括：根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置；以及用所述相对位置修正当前位置。

在上述的基于光源亮度的室内定位方法中，优选地，根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置包括：检测出光源图像完整的水平和垂直方向边缘；使用Hough变换计算光源图像的水平方向倾角；根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离；用所述水平方向倾角和所述水平距离得到与所述LED灯的相对位置。

在上述的基于光源亮度的室内定位方法中，优选地，还包括：在利用LED灯进行定位之前定位当前区域；对应地，在地图上定位到的当前区域内查找与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

本发明提供的一种基于光源亮度的室内定位装置包括：

摄像头，用于连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像；

数据处理装置，包括：用于从拍摄到的n帧原始图像中提取n帧光源图像的第一模块；用于计算所述n帧光源图像的亮度值的第二模块；用于对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列的第三模块；用于从得到的二进制序列中提取所述LED灯的编码信息的第四模块；用于查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置的第五模块；以及

显示装置，用于显示室内地图和当前位置。

在上述的基于光源亮度的室内定位装置中，优选地，所述数据处理装置还包括：用于根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置的第六模块；以及用所述相对位置修正当前位置的第七模块。

优选地，所述第六模块包括：用于检测光源图像完整的水平和垂直方向边缘的子模块；用于使用Hough变换计算光源图像的水平方向倾角的子模块；用于根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离的子模块；用所述水平方向倾角和所述水平距离得到与所述LED灯的相对位置的子模块。

在上述的基于光源亮度的室内定位装置中，优选地，该室内定位装置进一步还包括预定位模块，用于在利用LED灯进行定位之前定位当前区域；对应地，在所述第五模块中，在预定位模块定位到的当前区域内查找与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

本发明提供的一种基于光源亮度的室内定位系统包括：

上述任意一项所述的室内定位装置；以及

复数个LED灯，它们均具有：唯一的编码信息；驱动器；以及用于将所述编码信息加载到所述驱动器的调制器。

在上述的基于光源亮度的室内定位系统中，优选地，所述调制器用编码信息中的1控制灯亮、0控制灯灭，或者相反，LED灯的亮灭频率与摄像头的帧率保持一致。

在上述的基于光源亮度的室内定位系统中，优选地，所述LED灯设有感应器，该感应器用于控制所述调制器仅在有人接近LED灯时工作。

通过本发明，实现了以可见光为基础确定目标位置，LED光在室内传输具有良好的稳定性、抗干扰性和天然的精度，能够保证目标位置的高精度，解决现有技术中成本高和定位精度低的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来对本专利做进一步的解释，并不构成对本专利的不当限定。在附图中：

图1为一些实施例基于光源亮度的室内定位方法的示意图；

图2为一些实施例中拍摄到的LED灯的一帧原始图像；

图3为计算形变倾角的示意图；

图4为一些实施例中调用地图的示意图；

图5为一些实施例中的室内定位装置的结构示意图；

图6为一些实施例基于光源亮度的室内定位系统的结构示意图；

图7为一些实施例中LED灯的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。理当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。

参见图1，一些实施例基于光源亮度的室内定位方法包括以下步骤：

打开定位软件；开启设备(定位装置)摄像头；

S100、连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像。图2中示出了拍摄到的一帧原始图像。

S200、从所述n帧原始图像中提取n帧光源图像。提取方法可采用现有的图像分割技术来实现。一种优选提取方案为：首先，对LED灯的n帧原始图像运算，得到背景图像；然后，将n帧原始图像分别与背景图像相减，得到n帧中间图像；最后从中间图像提取光源图像，更具体地说，对于每帧中间图像，首先提取最亮点，然后以该最亮点为基础进行图像生长得到光源图像。

S300、分别计算所述n帧光源图像的亮度值。本发明中每帧光源图像的亮度值指该帧光源图像的平均亮度值。

进而用预设的阈值对n帧光源图像的亮度值判决，亮度值大于预设的阈值时判决为1，亮度值小于预设的阈值时判决为0，也可相反，将判决结果依次(即按帧的顺序)排列得到一个二进制序列。

S400、从所述二进制序列中提取所述LED灯的编码信息。具体地，可以通过规定编码信息的开始标志或结束标志，通过开始标志或结束标志准确地从二进制序列中提取出LED灯的编码信息。

得到所述LED灯的编码信息后，查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，即可得到当前位置。

上述实施例中，以所拍摄的LED灯的位置作为当前位置。为了进一步提高定位精度，进一步还包括以下步骤：根据一帧光源图像(由于n帧光源图像是在同一位置对同一个LED灯连续拍摄的，n帧光源图像的形变是相同的，所以这里可以选择任何一帧)的形变得到与所述LED灯的相对位置；进而用所述相对位置修正当前位置，从而使得定位精度更高。

一种较佳实施例中，根据光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置的方法如下：

(a)使用Sobel算子分别计算出光源图像的边缘AB,AC,BD,CD，如图3所示；

(b)使用Hough算法计算光源图像的水平倾角：令C点为坐标原点建立xy坐标系，令CD与x轴的夹角为θ，令θ_i初值为θ₀＝0，然后以步长k，将图像中的每个点(x,y)取遍(0,90)中的所有值，代入公式：

ρ_i＝xcosθ_i+ysinθ_i

进行计算，Mi为对应于(ρ_i,θ_i)的系数，θ_i每取一次值，Mi加1，其中i＝0,1,2,3….,int(90/k)，int为取整符号；

求出Mi(I＝0,1,2,3….,int(90/k))的最大值，该最大值对应一个角度θ，如果图像右上角向上倾斜，则该角就是倾斜角，将图像顺时针旋转θ角；如果图像左上角向上倾斜，则倾角为(90-θ)，将图像反时针方向旋转(90-θ)角；

(c)根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离：令图像旋转后AB中点与CD的垂直距离为L1，CD线长度为L2，预存的定位装置与LED灯的垂直距离为T1，

于是定位装置与LED灯的水平距离P：

$P=\sqrt{{L1}^2+{L2}^2}*T1/L1$

(d)用步骤(b)得到的水平方向倾角和步骤(c)得到的水平距离即可得到定位装置与所述LED灯的相对位置。

在一些更佳实施例的室内定位方法中，进一步，在上述步骤S100前还包括以下步骤：对当前区域进行定位。具体可以利用无线网络AGPS或者GPS等无线定位技术进行初步定位，确定当前区域。相应地，在上述查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置时，在确定的当前区域内查找，得到当前位置。这种首先通过无线定位技术先初步确定当前位置，获取区域位置后再获取LED灯的编码信息的方法，缩短了LED灯编码的长度，提高了传输速度，并减少了不同区域之间编码的干扰和限制。

定位使用的室内地图和该室内地图所涉及的LED灯编码信息库，可以部分、或全部存储于定位装置中，也可以存储于网络服务器中，使用时通过无线网络下载。图4中示出了一种具体的流程。如图4所示，使用时，开启定位导航软件；接下来通过无线网络AGPS或者GPS等确定当前区域；然后通过上述的拍摄及处理方法获取LED灯的编码信息，将该编码信息与本地数据库比对，确定LED灯的地址信息并在地图上显示出来，从而得到当前位置。如果LED灯的编码信息在本地数据库没有存储，则通过无线网络从网络服务器获取相应的地图和该地图涉及的LED灯编码信息库。

如图5所示，一些实施例基于光源亮度的室内定位装置包括：

摄像头11，用于连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像；

数据处理装置12，包括：用于从拍摄到的n帧原始图像中提取n帧光源图像的第一模块；用于计算所述n帧光源图像的亮度值的第二模块；用于对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列的第三模块；用于从得到的二进制序列中提取所述LED灯的编码信息的第四模块；用于查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置的第五模块；以及

显示装置13，用于显示室内地图和当前位置。

该室内定位装置进一步还包括：用于存储地图及LED灯编码信息的存储器14；以及网络适配器15。网络适配器15用于通过无线网络从网络服务器下载地图等。

为了实现更精确的定位，数据处理装置12进一步还包括：用于根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置的第六模块；以及用所述相对位置修正当前位置的第七模块。

优选地，所述第六模块包括：用于检测光源图像完整的水平和垂直方向边缘的子模块；用于使用Hough变换计算光源图像的水平方向倾角的子模块；用于根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离的子模块；用所述水平方向倾角和所述水平距离得到与所述LED灯的相对位置的子模块。

在一些更佳的实施例中，上述室内定位装置进一步还包括预定位模块，用于在利用LED灯进行定位之前定位当前区域；对应地，在所述第五模块中，在预定位模块定位到的当前区域内查找与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

上述的基于光源亮度的室内定位装置可以用带摄像头的智能设备(如：智能手机，ipad、ipod等)实现，其中的第一到第七模块可以通过计算机程序来实现。

图6示出了一些实施例基于光源亮度的室内定位系统的结构。如图6所示，该基于光源亮度的室内定位系统包括：室内定位装置1，复数个LED灯2(图中仅示出一个)。

室内定位装置1可以是上述任意一种室内定位装置，或者采用上述任意一种基于光源亮度的室内定位方法的装置。

图7示出了LED灯的电路，该LED灯为电流驱动型可调制的LED平板灯。如图7所示，LED灯2具有：唯一的编码信息，驱动器21，调制器22，AC/DC转换器23。AC/DC转换器23将交流市电转换成直流电，调制器22将预存的编码信息按照预定的编码方式编译为调制信号并加载到驱动器21，控制LED灯的亮度变化。由此可见，LED灯发出的光不仅用于照明，而且包含了该LED灯的唯一的编码信息(身份信息)，每帧光源图像的亮度值代表了一个bit的数据。

在一些实施例中，调制器22用编码信息中的1控制灯亮、0控制灯灭，LED灯的亮灭频率与摄像头的帧率保持一致。但并不限于此，也可以用编码信息中的0控制灯亮、1控制灯灭。还可以用编码信息中的1控制灯以一种亮度发光、而用编码信息中的0控制灯以另一种亮度发光。

此外，在一些实施例中所述LED灯装有感应器，能够控制所述调制器仅在有人接近LED灯时工作，即仅在有人接近时，调制器才将LED灯的编码信息加载到驱动器。这样一方面可节省电能，另一方面可以避免LED灯长时间闪烁给人造成不适。

上述实施例可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于光源亮度的室内定位方法，其特征在于包括：

连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像；

从所述n帧原始图像中提取n帧光源图像；

分别计算所述n帧光源图像的亮度值；

用阈值对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列；

从所述二进制序列中提取所述LED灯的编码信息；以及

查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

2.根据权利要求1所述的基于光源亮度的室内定位方法，其特征在于，从所述原始图像中提取光源图像包括：

对LED灯的n帧原始图像运算，得到背景图像；

将n帧原始图像分别与背景图像相减，得到n帧中间图像；以及

提取中间图像的最亮点，以该最亮点为基础进行图像生长，得到光源图像。

3.根据权利要求1所述的基于光源亮度的室内定位方法，其特征在于，该定位方法进一步还包括：

根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置；以及

用所述相对位置修正当前位置。

4.根据权利要求3所述的基于光源亮度的室内定位方法，其特征在于，根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置包括：

检测出光源图像完整的水平和垂直方向边缘；

使用Hough变换计算光源图像的水平方向倾角；

根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离；

用所述水平方向倾角和所述水平距离得到与所述LED灯的相对位置。

5.根据权利要求1所述的基于光源亮度的室内定位方法，其特征在于，该定位方法进一步还包括：

在利用LED灯进行定位之前定位当前区域；对应地，在地图上定位到的当前区域内查找与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

6.一种基于光源亮度的室内定位装置，其特征在于，包括：

摄像头，用于连续拍摄LED灯，得到所述LED灯的n帧原始图像；

数据处理装置，包括：用于从拍摄到的n帧原始图像中提取n帧光源图像的第一模块；用于计算所述n帧光源图像的亮度值的第二模块；用于对n帧光源图像的亮度值判决，将判决结果依次排列得到一个二进制序列的第三模块；用于从得到的二进制序列中提取所述LED灯的编码信息的第四模块；用于查找地图中与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置的第五模块；以及

显示装置，用于显示室内地图和当前位置。

7.根据权利要求6所述的基于光源亮度的室内定位装置，其特征在于，所述数据处理装置还包括：

用于根据一帧光源图像的形变得到与所述LED灯的相对位置的第六模块；以及

用所述相对位置修正当前位置的第七模块；

所述第六模块包括：

用于检测光源图像完整的水平和垂直方向边缘的子模块；

用于使用Hough变换计算光源图像的水平方向倾角的子模块；

用于根据光源图像形变比例及LED灯与定位装置的垂直距离计算LED灯与定位装置的水平距离的子模块；

用所述水平方向倾角和所述水平距离得到与所述LED灯的相对位置的子模块。

8.根据权利要求6所述的基于光源亮度的室内定位装置，其特征在于，该室内定位装置进一步还包括预定位模块，用于在利用LED灯进行定位之前定位当前区域；对应地，在所述第五模块中，在预定位模块定位到的当前区域内查找与所述LED灯的编码信息对应的位置，得到当前位置。

9.一种基于光源亮度的室内定位系统，其特征在于，包括：

权利要求6至8中任意一项所述的室内定位装置；以及

复数个LED灯，它们均具有：

唯一的编码信息；

驱动器；以及

调制器，用于将所述编码信息加载到所述驱动器。

10.根据权利要求9所述的基于光源亮度的室内定位系统，其特征在于：所述调制器用编码信息中的1控制灯亮、0控制灯灭，或者相反，LED灯的亮灭频率与摄像头的帧率保持一致；所述LED灯设有感应器，该感应器用于控制所述调制器仅在有人接近LED灯时工作。