CN107063266A - 基于室内led灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法，其特征是它包括以下步骤：首先，在室内布置足够数量的LED灯，并为每盏灯配置一个固定的ID，在服务器中为每个ID设置一个相应的地理位置坐标，使LED灯连续发送包含ID信息的高频标识信息；其次，利用智能移动终端的摄像头接收包含LED灯发出的高频标识信息的场景反射光并对图像信号进行解码识别，获得LED灯的ID号；第三，智能移动终端自动将解码得到的ID号发送到服务器进行查询获得所在位置的地理位置坐标以便为获取位置及显示周边地图、导航提供依据。本发明具有识别速度快、定位准确，抗干扰性好的优点。

Description

基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法

技术领域

本发明涉及一种定位技术，尤其是一种室内定位技术，具体地说是一种利用室内LED灯和智能手机的摄像头实现室内定位的方法。

背景技术

提起定位导航，目前比较成熟的是 GPS，中国也推出了自己的卫星定位系统北斗卫星定位系统。但是，卫星定位只能用在室外环境，一到室内，由于导航信号衰减太快，卫星定位就无法使用。但是，在一些较大型的室内场景，比如交通枢纽，地铁，大型商场，超市，停车场等地，有需要知道自己准确位置的需求，室内定位技术应运而生。该技术在公共服务，移动互联网应用等方面有重大意义，是LBS（基于位置信息的服务）服务在室内的延伸，有助于提供更精准的公共服务和营销模式

为了解决室外定位导航“最后一公里”的问题，一些研究机构在室内定位技术方面开展了大量的研究，如基于移动通信网络的辅助 GPS（A-GPS）、伪卫星（Pseudolite）、无线局域网（WLAN）、射频标签（RFID）、Zigbee、蓝牙（Bluetooth，BT）、超宽带无线电（UltraWideBand，UWB）、地磁其他卫星或地面数字通信及广播信号、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等。这些技术有些是以导航定位为专门或主要用途，例如伪卫星；有些则主要用于通信，但同时也能提供定位服务，例如无线局域网。室内定位技术主要有手机基站、RFID、Zigbee、蓝牙、红外、WiFi等技术，因其定位技术各自的局限性，限制了他们大规模的推广应用，特别是必须单独部署一套定位网络，成本高。下表对几种定位技术进行了综合对比：

各种室内定位技术比较：

从表中可以看出，目前具有实用性的几种技术，主要为WIFI、蓝牙、灯光定位三种室内定位技术，比较而言，各有优缺点。因为这三种技术都可以在智能手机终端上实现，对消费者而言无需增加新的硬件设备，具有实用性的可能，所以我们主要来看这三种技术：

WIFI定位技术的主要优点是和上网可以结合在一起，手机只要打开WIFI就可以实现定位，技术上无需增加额外硬件。主要困难是规划和部署站点有一定的难度和要求，并且受人群，障碍物等影响比较大，精度不高，作为一种辅助的定位技术是比较好的；

蓝牙定位技术是近几年新兴的技术，得益于蓝牙4.0的省电技术，主要代表厂家有APPLE公司，其需要部署较密集的蓝牙信标，需额外建设硬件，由于信标通常采用电池供电，一个信标的功率不能做的太大，有效距离比较短，所以需要比较密集。另外由于电池供电，对于电池的维护是一个需要考虑的因素。

室内灯光定位技术现状：

灯光定位技术是一个较新的定位技术，其优势主要是定位精度较高，另外由于LED是绿色能源，并且室内是必然需要的，密集度一般也会比较高，所以硬件建设上可以和灯一起考虑。

对于灯光定位技术，目前技术实现有一些方案，但是成熟规模应用案例较少，主要是技术有一定的复杂度，部分技术在手机上不能很好的实现，限制了应用。光定位技术具有无电磁辐射、无需额外布设接入点等优点，为室内定位方法提供了新的可能，技术上可以归纳成两个维度，下面从灯光ID识别和空间定位这两个维度，对光定位技术进行简单的介绍分析。

一、LED灯身份信息识别（LED-ID识别）

光定位的基础是如何赋予灯具可识别的信息，LED-ID技术采用LED灯作为信标，每盏灯都有一个固定ID。LED灯编码自身ID信息，可采用OOK（二进制启闭键控），FSK等各种信号调制方式，不断向外发送信息。

首先控制中心为每盏LED分配ID以示区别，在移动终端低速行进的过程中，利用运动模糊及覆盖范围识别LED-ID，最后终端接收后，根据LED通信信息中的ID信息，查询对应数据库的三维坐标信息，通过映射的方式来确定终端的位置。

基于LED-ID方法的定位精度取决于灯的布局及其映射到地面上的格网密度，当格网密度较大且各个LED灯发射的光信号之间的干扰不影响终端的信息解析时，可达到所设计的定位精度。

二、基于灯光的空间定位

当灯具具备ID后，如何获取更准确的位置信息，对此我们介绍几种国内外常用的空间定位技术：

1、到达时间及时间差（TOA/TDOA）定位方法

基于到达时间差（TDOA）的定位原理是利用多盏LED灯发送可见光信息，并在信息中添加发送时间戳，终端接收到含有时间戳的信息，并在接收的同时附加接收时的时间戳信息，计算发送时间和接收时间的差值，再乘以信号传播的速度，即可得到LED灯到终端的距离，每个LED灯与终端的距离进行再次做差，空间交会进行终端位置解算的数学模型从椭圆变成了双曲线，这种定位方法只需要每个LED灯的时间基准保持一致，而与终端可以有一定的偏差。目前，韩国的研究人员提出一种基于TDOA的定位方法。控制端为每一盏LED灯分配独特的频率地址，LED灯将其地址进行广播，终端根据相位差并利用TDOA算法，解得终端的三维坐标。这种方法在目前的仿真定位精度在5m*5m*3m的空间内，定位精度为1cm以内。，但是这种方法需要特别的硬件支持，在手机上难以实现。

2、光强模型（RSS）定位方法

基于光强模型的定位基本原理是利用光强与距离的定量关系进行定位，光强模型对环境复杂度及前期指纹数据库的采集质量要求较高，定位精度也随室内环境的变化而变化。因此，RSS的方法常与其他几种方法混合使用，用以估算终端的大致位置。

3、信号到达角（AOA）定位方法

基于信号到达角度（AOA）的定位通过LED发射端的发射阵列获得定位终端发射信号的到达方向，利用多个LED发射端提供的角度值作为方位线，从而计算出定位终端与LED发射端之间的角度，这些方位线的交点为待测终端的估计位置。AOA方法的定位精度较高，但实际应用中，并不一定总能同时捕获多盏灯的信息。

三、图像传感器定位方法

基于图像传感器的定位方法是利用LED灯及图像传感器之间的几何关系，建立数学模型，对终端位置进行求解。国内外目前采用在一个终端上使用两个相同分辨率的图像传感器进行定位。

对于光定位的技术还在不断开发和研究中，就目前的这几种定位技术也各有利弊，虽然对时间、角度或是信号强度的实时测量可以较为精确地计算出待测点的位置，但需要一定时间进行实时测量和计算，并且功耗较大。其中，TOA要求发射机和接收机严格同步，较难实现；TDOA是对TOA的改进，对同步没有要求，但若要进行实际的应用，由于室内的LED灯与定位终端之间的距离较近，对时间分辨率的要求则更高，就目前的技术，在手机上还无法实现; RSS的测量精度较低，这是因为光在室内遇障碍物沿非视路传播时，其传播模型较为复杂，误差较大; AOA算法一般是和图像传感器定位法相结合，通过图像传感器测量入射光线与待测点的角度，精度高，但需要采集的数据较多，复杂度较高，通常应用不一定能满足条件。

综上所述，现有的若干定位技术，分别有如下技术限制（不一定同时兼具该限制）：

1、不能在手机终端实现，需要额外硬件。

2、需要瞄准光源，甚至多个光源，这个在使用中不一定具备条件，体验会比较差。

3、需要特定的光源（如采用LED点阵编码技术实现），不能用在通用的LED照明设备只进行简单改造来实现。

4、不能同时识别多个光源提高定位精度。

5、没有一套完整的编码调制以及ID数据包协议定义，仅停留在实验层面。

6、在抗干扰性上考虑较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有的室内灯光定位存在误差大，计算复杂，抗干扰性差，难以满足使用要求的问题，发明一种适应智能移动终端（智能手机）发展趋势的基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法。

本发明的技术方案是：

一种基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在室内布置足够数量的LED灯，并为每盏灯配置一个固定的ID，在服务器中为每个ID设置一个相应的地理位置坐标，使LED灯连续发送包含ID信息的高频标识信息；

其次，利用智能移动终端的摄像头接收包含LED灯发出的高频标识信息的场景反射光并对接收到的图像进行解码识别，获得LED灯的ID号；

第三，智能移动终端自动将解码得到的ID号发送到服务器进行查询获得所在位置的地理位置坐标以便为获取位置及显示周边地图、导航提供依据。

所述的高频标识信息的频率大于200Hz，小于2000Hz。

利用智能移动终端的前、后摄像头均能对ID信息进行识别，通过识别场景反射光来识别ID，无需摄像头瞄准光源。

每个ID号包含足够的信息量，一个ID最多可包含48bit编码信息，具有唯一性。

通过同时识别多灯共同照明区域几个灯的不同ID，从而进一步提高定位准确性。

本发明的有益效果：

本发明相对于其他室内定位技术的优势在于，LED是绿色能源，普及率越来越高，在室内已成为必备配置，本系统依托LED照明，实现高精度的室内定位以及定位相关服务。

本发明区分于现已有的一些灯光定位专利技术或实现主要区别在于，可以使用手机摄像头，无需对准灯，可以用反射光识别，编码和组织方式支持同时识别多个灯识别，编码空间可以拓展到一个足够大的数值，可以做到每灯ID全球唯一，同时便于维护。

本发明具有识别速度快、定位准确，抗干扰性好的优点。

附图说明

图1本发明LED灯光定位基本原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法，其关键是利用智能手机的摄像头作为接收信息的终端来接收LED灯具发送出来标识信息，技术原理是将需要传输的信息变成一段编码，控制LED灯的高速闪烁，一般人眼对60Hz以上的闪烁不敏感，为保证照明质量，一般闪烁速度会大于200Hz，小于2000Hz，保证人眼不会不适。高速的闪烁只有LED灯具才可以实现，因为其具有很高的响应速度。当携带智能移动终端（智能手机，下同）游客进入灯具照明区域，以不增加任何硬件的智能手机接收并识别光信号，解析出灯具发送的唯一标识信息。利用所获取的身份识别信息在地图数据库中确定对应位置信息，完成定位，如图1所示。

首先，在室内布置足够数量的LED灯，并为每盏灯配置一个固定的ID，在服务器中为每个ID设置一个相应的地理位置坐标，使LED灯连续发送包含ID信息的频率大于200Hz，小于2000Hz高频标识信息；每个LED灯的ID号包含足够的信息量，一个ID最多可包含48bit编码信息，具有唯一性；

其次，利用智能移动终端的前、后摄像头均能对ID信息进行识别，仅需通过识别场景反射光来识别ID，无需摄像头瞄准光源，并对接收到的图像进行分析以及解码识别，获得LED灯的ID号；

第三，智能移动终端自动将解码得到的ID号发送到服务器进行查询获得所在位置的地理位置坐标以便为获取位置及显示周边地图、导航提供依据；可通过同时识别多灯共同照明区域几个灯的不同ID，从而进一步提高定位准确性。

详述如下：

1、在LED灯电源中插入灯的唯一标识码（编码），该标识码对应一个地理位置坐标并存入服务器数据库中供调用；

2、LED发光，在光信息中包含了编码的信息，灯会以人眼感觉不到的速度闪烁；

3、手机摄像头接收到光源信息，并进行解码识别；

4、将识别码发送到服务器查询获得位置；

5、获取位置和周边地图，并显示；

6、进一步根据游客操作提供导航，查找公共设施等服务。

当手机接收到多个灯光的时候，可以通过计算不同光源的照度功率差别来区分各灯的远近，通过计算来实现更精确的定位。

本发明采用了以下技术：

1、ID信息在灯光中的编码方式；

2、ID信息数据包的组织方式；

3、通过LED灯电源将ID信号插入技术，不引起灯人眼可感知的闪烁，远高于人眼感知极限；

4、利用手机摄像头对ID信息的识别技术，本发明利用了数字CMOS摄像传感器的曝光原理，在一张图片上即可获得一段时间的闪烁信息，采用基于时间滑窗的DFT算法，以及小波分析算法对图像进行处理，以获得ID编码的符号信息，经过多张图片组合处理，最终获取完整的ID信息。可以通过识别场景反射光来识别ID，无需摄像头瞄准光源，具有很高的抗干扰性，比其他类似技术有明显的使用便利性，以及对灯的形态要求适应更广，利用手机的前、后摄像头均可。

5、区分同一区域被多个灯光照明时ID信息，通过在识别ID的过程中，对比特错误率的动态统计来判断不同ID的信号强度，从而判断距离各灯的距离识别，最终通过多灯实现更精准的定位；

6、为减少手机的计算量，节省电池使用，不同的灯之间在插入ID信息硬件实现时，对不同的灯发送ID时间进行了同步；

7、利用云平台+手机终端提供完整的位置信息相关服务。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于室内LED灯和智能手机摄像头实现室内定位的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在室内布置足够数量的LED灯，并为每盏灯配置一个固定的ID，在服务器中为每个ID设置一个相应的地理位置坐标，使LED灯连续发送包含ID信息的高频标识信息；

其次，利用智能移动终端的摄像头接收包含LED灯发出的高频标识信息的场景反射光，并对接收到的图像进行分析以及解码识别，获得LED灯的ID号；

第三，智能移动终端自动将解码得到的ID号发送到服务器进行查询获得所在位置的地理位置坐标以便为获取位置及显示周边地图、导航提供依据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的高频标识信息的频率大于200Hz，小于2000Hz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是利用智能移动终端的前、后摄像头均能对ID信息进行识别，仅需通过识别场景反射光来识别ID，无需摄像头瞄准光源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是ID包含足够的信息量，一个ID最多可包含48bit编码信息，具有唯一性。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是可以同时识别多灯共同照明区域几个灯的不同ID，从而进一步提高定位准确性。