CN105716579A - 一种基于信标的视觉定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于信标的视觉定位系统，包括信号发射模块、多个进行编号的信标模块、图像采集模块和图像处理模块，其中，信号发射模块，用于发射至少一组连续的控制信号来控制所述各个信标模块的亮灭状态；信标模块，包括信号接收单元和指示灯；图像采集模块，包括信号同步单元和摄像单元；图像处理模块，通过获取图像采集模块拍摄的图像序列中至少3个灭灯的且位置不在一条直线上的所述信标模块，通过控制信号时间确定所述信标模块的编号，以得到该信标单元的位置坐标，并根据所述信标模块的位置坐标来计算所述摄像单元的位置。

Description

一种基于信标的视觉定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种视觉定位系统及方法，特别涉及一种基于信标的视觉定位系统及方法。

背景技术

通常，在计算机视觉领域，尤其是增强现实领域中，对环境信标的图像分析可以定位出图像采集设备(如摄像机)的相对位置和姿态信息。

目前主要采用的信标系统为常亮式信标系统，对信标之间不加以区分，而采用穷举的方式进行推算。当同一画面中出现的信标数量过大时，计算复杂性增加，无法实现快速识别。另有一种信标系统，信标采用的是二维码的形式，但其运算量仍然过大，不适用于便携式设备，例如头戴式设备。此外还有一种信标系统采用的是二进制频闪方式，但是当信标数量过大时(100个以上)和二进制码过长(7位以上)时，在快速运动时很难持续跟踪采集，容易导致识别信标的失败。

基于上述现有技术的不足之处，因此需要开发出一种能够对大量信标进行快速识别的信标系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信标的视觉定位系统，包括信号发射模块、多个进行编号的信标模块、图像采集模块和图像处理模块，其中，信号发射模块，用于发射至少一组连续的控制信号来控制所述各个信标模块的亮灭状态；信标模块，包括信号接收单元和指示灯；信号接收单元用于接收所述信号发射模块发出的控制信号控制指示灯的亮灭或者通过控制所述信号单元内部的时钟模块来控制指示灯的亮灭；每个编号的信标模块均对应唯一一个位置坐标；图像采集模块，包括信号同步单元和摄像单元，所述同步单元用于接收所述信号发射模块发出的控制信号，所述摄像单元根据所述同步单元接收到的控制信号的频率同步拍摄所述信标模块的图像序列；图像处理模块，通过获取图像采集模块拍摄的图像序列中至少3个灭灯的且位置不在一条直线上的所述信标模块，通过控制信号时间确定所述信标模块的编号，以得到该信标单元的位置坐标，并根据所述信标模块的位置坐标来计算所述摄像单元的位置。

优选地，所述信号接收单元和所述同步单元均内置有时钟模块，所述信号发射模块发出控制信号同时激活所述时钟模块并通过所示时钟模块控制指示灯的亮灭，所述摄像单元根据所述时钟模块的频率同步拍摄所述信标模块的图像序列。

优选地，所述多个信标模块的指示灯分为多组，每组发出不同波段的光。

优选地，所述不同波段的指示灯发出白光、蓝光、绿光、红光、红外光中的一种或多种。

优选地，位于不同组中的信标模块的指示灯通过同一控制信号同时灭灯。

优选地，所述指示灯的亮灭信号为方波脉冲信号。

优选地，所述方波指示灯的亮灭信号为正单脉冲、正双脉冲、负单脉冲和负双脉冲其中之一。

优选地，所述摄像单元包括两个间距为50～100毫米的平行摄像头。

优选地，所述信标模块呈扁平状的圆柱体，圆柱体顶面中心处半球形凸起为所述信标指示灯。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述视觉定位系统的定位方法，其定位步骤如下：a)在需要定位的空间中均匀布置所述信标模块，对每个所述信标模块编号，记录下每个所述信标模块对应的唯一位置坐标；b)所述信号发射模块发出不同的控制信号，所述图像采集模块中的同步单元和所述信标模块同步接受控制信号，所述摄像单元根据接收到的控制信号频率或时钟模块频率同步拍摄所述信标模块的图像序列；c)所述图像处理模块根据采集到的图像序列，识别出图像中不同时刻灭灯的至少三个位置不在同一条直线上的所述信标模块；d)通过脉冲时间确定所识别的信标模块的编号，以得到该信标单元的位置坐标，并根据所述信标模块的位置坐标来计算所述摄像单元的位置。

本发明的一种基于信标的视觉定位系统和方法具有快速的信标识别功能，特别是针对大量的信标系统，更加能体现出本发明视觉定位系统在识别速度上的优势，且同时需要的运算量很小，且相比较其他信标识别系统还具有可靠的稳定性。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1(a)和图1(b)示意性示出本发明视觉定位系统的系统架构示意图；

图2示意性示出了四种不同的控制信号图；

图3示出了本发明实施例中的具体应用示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种基于信标的视觉定位系统，通过采集图像并分析图像中信标的分布特征来确定图像采集设备在空间中的位置。

图1(a)和图1(b)示出了根据本发明一种基于信标的视觉定位系统的架构示意图。本发明的视觉定位系统100包括多个信标模块101、信号发射模块102、图像采集模块103、图像处理模块104。

信标模块101，用于标识空间中的位置坐标。根据本发明的一个优选实施例，空间中均匀且彼此相邻等间距地设置有多个信标模块101，每个信标模块101均对应着一个位置坐标，多个位置坐标即构成了一个空间，且所有信标模块101位置信息也构成了位置坐标表。根据本发明，至少三个信标模块101就可以用于定位一个位置。信标模块101整体呈现扁平状的圆柱体，圆柱体顶面中心处半球形凸起为信标指示灯101b，而信号接收单元101a位于圆柱体的底部位置。优选地，圆柱体的直径大约为8～10厘米、高5～8厘米，总体体积较小便于布置。

优选地，信标指示灯101b的亮灭信号，即点亮时间与熄灭时间呈现为具有一定脉冲宽度的脉冲信号。如图2所示，图2(a)和图2(b)为正单脉冲和正双脉冲，图2(c)和图2(d)为负单脉冲和负双脉冲。单脉冲信号与双脉冲信号不同点在于信标指示灯101b连续灭灯的次数。更加优选地，为了增加控制信号的辨识度和防止误判，信标指示灯101b的亮灭信号应采用双脉冲方波信号，这样信标指示灯101b就会连续灭灯两次。最后应当理解的是，本发明可以使用的信标指示灯101b的亮灭信号不仅仅局限于以上四种方波信号。

此外优选地，如果需要定位空间较大，此时发射单一波段光线的信标模块101难以满足定位需求，而为了提高定位的精确性，可以设置多波段多组信标系统，例如蓝光、绿光、红光、红外光四个波段的信标模块101，每个波段的信标模块101组成一组，四个波段即为四组信标系统。

信号发射装置102，用于发射至少一组连续的控制信号来控制各个信标模块101的亮灭状态。每个信标模块101均包括信号接收单元101a和信标指示灯101b，其中信号接收单元101a用于接收信号发射模块102发出的控制信号，其中控制方法例如可以选自如下两种：

(1)上述控制信号直接用于控制信标指示灯101b的亮灭，如果接收到的控制信号为当前信标指示灯101b的控制开启信号，则该信标指示灯101b灭掉，否则即保持亮灯状态。

(2)上述控制信号用于先激活信号接收单元101a内部的时钟模块，并通过该时钟模块控制信标指示灯101b的亮灭。信号接收单元101a内部的时钟模块被激活后开始计数，并判断计数的数值是否与当前信标模块101相符合，如果不符合则灭掉当前信标模块101的指示灯101b，反之亦然。

其中一组控制信号对应着一组信标系统，且一组信标系统内的每个信标模块101均对应着不同的控制信号，即通过不同时间点的控制信号触发灭灯。根据一个实施例，多组信标系统之间的控制信号也可以是相同的，例如，蓝光、绿光、红光、红外光四个波段的信标模块101分别在不同的信标系统中。优选地，这四个信标模块101对应的控制信号可以是相同的，只是它们的波段和呈现的显色不相同，从而可以通过识别颜色来区分信标模块101。利用不同颜色但同时被触发的信标信号，可以同时触发多个不同颜色的信标模块101，从而大大提高定位识别的速度。

图像采集模块103，用于同步接收控制信号以及连续采集图像。图像采集模块103包括信号同步单元103a和摄像单元103b。

信号同步单元103a同样用于接收信号发射模块102发出的控制信号，该控制信号直接控制信号同步单元103a，且与信标模块101中的信号接收单元101a接收控制信号的时间是同步的，进一步可以根据接收到的控制信号判断此时有哪些编号的是灭灯的信标模块101。同样地，信号同步单元103a也可以通过控制信号激活内部的时钟模块，并与信标指示灯101b内部设置的时钟模块同步计数，从而达到与控制信息直接控制信号同步单元103a相同的效果。

摄像单元103b用于连续采集图像，每拍摄一张图像均通过信号同步单元103a记录下拍摄时有哪些是灭灯的信标模块101，同时根据同步后的脉冲时间得到灭灯信标模块101的编号。摄像单元103b至少拍摄3个灭灯信标模块101的图像才能满足视觉定位需求，且图像中的灭灯信标模块101越多，则视觉定位就越精确。优选地，摄像单元103b由两个距离为50～100毫米组成的平行摄像头，则至少可以分辨出使用者视场中5个距离段的信标模块101。

对于只有一组信标的系统，图像采集模块103拍摄的某一帧图像中可能只有一个信标模块101被灭灯，对于多组信标系统，所拍摄的图像中可能会有多个不同颜色的信标模块101同时被灭灯。最后将采集的图像和对应被灭灯的信号模块101编号信息传输到图像处理模块104进行后续分析。

图像处理模块104，用于分析出某个图像中的灭灯情况，包括灭灯的数目和颜色，并根据分析结果计算出与该图像对应的灭灯的信号模块101编号，然后通过查找信标模块101位置坐标表计算出拍摄位置(即摄像单元103b所在的位置)的实际位置坐标。具体地，首先图像处理模块104分析出所拍摄图像中灭灯点(即信标指示灯101b)的数目、颜色、、灭灯点在图像中的位置及其之间的间距等信息，只要有三个灭灯点被拍到即可进行视觉定位；然后根据灭灯点对应的信标模块101编号和信标模块101位置坐标表计算出摄像单元103b拍摄时的位置。

以上为本发明系统的模块功能介绍，作为优选地，可以将信号发射模块102与信号同步单元103a的功能都集成到一起并添加到图像采集模块中103中，从而提高了本发明系统100的集成度。图3示出了本发明系统100的一个具体应用实施例。在本实施例中，上述的图像采集单元103和图像处理单元104均位于使用者的头戴设备上，使用者戴上该头戴设备进入到一个布置有多个信标模块101和信号发射模块102的房间中，即可对使用者的位置进行视觉定位。

房间中布置有多组信标模块101，本实施例采用蓝光、绿光、红光三组信标模块101，每组有20个信标模块，每个信标模块均有编号(编号1～60)和对应的位置坐标x、y、z值。此外该房间的四周墙面和天花板面积共90平米，则可计算出平均1.5平米就有一个信标模块101(假设本房间中的信标模块101均匀布置)。

信号发射模块102发射控制信号，共20组控制信号，每个控制信号对应个三个信标模块101，分别为一个蓝光信标模块101、一个绿光信标模块101、一个红光信标模块。其中信标指示灯101b的亮灭信号的脉冲宽度为0.2秒，脉冲发射时间间隔△t为0.1秒，则一个周期需要2秒钟，休眠时间为0秒即连续工作。

信号发射模块102发射的控制信号同时被图像采集模块103和所有信标模块101接收到，因而信标模块101和图像采集模块103的时间是同步的，当然也可以通过上激活内部的时钟模块的方式达到时间上同步，利用时间上的同步即可得出拍摄图像序列时有哪些编号的信标模块101处于灭灯状态。

优选地，图像采集模块103中摄像单元103b采集大视角镜头(例如广角镜头)，假设摄像单元103b同时拍到30个信标模块101，如果三组信标模块101均匀布置，则每组信标模块101中均至少有10个信标模块被拍摄到。假设这10个信标模块101对应的控制信号均匀分布在2秒钟的周期内，则0.2秒内至少可以采集到一个灭灯的信标模块101，故保证了任何时刻至少可以采集到3个灭灯的信标模块101，也满足了视觉定位的基本要求。

图像处理单元104通过获取拍摄图像中至少3个灭灯信标模块101之间的间距和对比图像中灭灯信标模块101的位置坐标表，即可计算出使用者的视线方向以及与信标模块101之间的距离，从而完成使用者在房间中视觉定位。例如，如果3个灭灯信标模块101之间的连线为正三角形，则使用者位于该3个灭灯信标模块101的正前方，且3个灭灯信标模块101之间间距越大，则使用者离3个灭灯信标模块101的距离就越近；同理可知，如果3个灭灯信标模块101之间的连线不为正三角形，则使用者并没有正对着观察3个灭灯信标模块101，而是存在一定的观察角度，该角度可以通过测量3个灭灯信标模块101之间的不同间距来确定。

根据本发明的另一实施例，摄像单元103b采用了两个距离为50～100毫米组成的平行摄像头来采集图像。该实施例尽管会增加了图像处理单元101的计算量，但是采用双摄像头的摄像单元103b可以分辨出使用者视场中5个距离段。因此，仍按照上述实施例中的情况进行信标模块101的布置，只是将三组不同的信标模块101替换为三组相同的信标模块101。根据上述分析，可知摄像单元103b在0.2秒之后能采集到第一批3个灭灯信标模块101，这3个信标点有大约70％的概率分布在2个(含)以上不同的距离段上，因此至少能分辨出2个信标模块101，另1个信标模块101编号存疑，所以只需增加2倍计算量，即可实现3倍信标模块101的采集，更加显示出本发明针对大量信标模块的快速识别性能。

综上，本发明的一种基于信标的视觉定位系统和方法具有快速的信标识别功能，特别是针对大量的信标系统，更加能体现出本发明视觉定位系统在识别速度上的优势，且同时需要的运算量很小，且相比较其他信标识别系统还具有可靠的稳定性。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于信标的视觉定位系统，包括信号发射模块、多个进行编号的信标模块、图像采集模块和图像处理模块，其中，

所述信号发射模块用于发射至少一组连续的控制信号来控制所述各个信标模块的亮灭状态；

所述信标模块包括信号接收单元和指示灯，所述信号接收单元用于接收所述信号发射模块发出的控制信号控制指示灯的亮灭或者通过控制所述信号单元内部的时钟模块来控制指示灯的亮灭；每个编号的信标模块均对应唯一一个位置坐标；

所述图像采集模块包括信号同步单元和摄像单元，所述同步单元用于接收所述信号发射模块发出的控制信号，所述摄像单元根据所述同步单元接收到的控制信号的频率同步拍摄所述信标模块的图像序列；

所述图像处理模块通过获取图像采集模块拍摄的图像序列中至少3个灭灯的且位置不在一条直线上的所述信标模块，通过控制信号时间确定所述信标模块的编号，以得到该信标单元的位置坐标，并根据所述信标模块的位置坐标来计算所述摄像单元的位置。

2.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述信号接收单元和所述同步单元均内置有时钟模块，所述信号发射模块发出控制信号同时激活所述时钟模块并通过所示时钟模块控制指示灯的亮灭，所述摄像单元根据所述时钟模块的频率同步拍摄所述信标模块的图像序列。

3.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述多个信标模块的指示灯分为多组，每组发出不同波段的光。

4.根据权利要求3所述的视觉定位系统，其特征在于：所述不同波段的指示灯发出白光、蓝光、绿光、红光、红外光中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的视觉定位系统，其特征在于：位于不同组中的信标模块的指示灯通过同一控制信号同时灭灯。

6.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述指示灯的亮灭信号为方波脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的视觉定位系统，其特征在于：所述方波指示灯的亮灭信号为正单脉冲、正双脉冲、负单脉冲和负双脉冲其中之一。

8.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述摄像单元包括两个间距为50～100毫米的平行摄像头。

9.根据权利要求1所述的视觉定位系统，其特征在于：所述信标模块呈扁平状的圆柱体，圆柱体顶面中心处半球形凸起为所述信标指示灯。

10.一种利用权利要求1所述视觉定位系统的定位方法，其定位步骤如下：

a)在需要定位的空间中均匀布置所述信标模块，对每个所述信标模块编号，记录下每个所述信标模块对应的唯一位置坐标；

b)所述信号发射模块发出不同的控制信号，所述图像采集模块中的同步单元和所述信标模块同步接受控制信号，所述摄像单元根据接收到的控制信号频率或时钟模块频率同步拍摄所述信标模块的图像序列；

c)所述图像处理模块根据采集到的图像序列，识别出图像中不同时刻灭灯的至少三个位置不在同一条直线上的所述信标模块；

d)通过脉冲时间确定所识别的信标模块的编号，以得到该信标单元的位置坐标，并根据所述信标模块的位置坐标来计算所述摄像单元的位置。