CN108828521B - 基于图像组合的可见光定位方法及定位系统 - Google Patents

基于图像组合的可见光定位方法及定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于图像组合的可见光定位方法，当定位摄像头的采集图像内少于足够定位的可见光源数时，定位摄像头改变采集区域获取原采集区域边缘外的补充区域生成组合的采集图像，使定位摄像头能够采集到足够的可见光信号；一种定位系统，包括布置在场景顶面的可见光源，该顶面为可见光发射面，以及采集所述可见光源光信号的定位装置，所述定位装置设置有定位摄像头、运动机构和运算器。有益效果：当可见光信号采集装置没有足够定位的可见光信号时，令采集装置改变采集区域，并将改变后的采集区域组合到前一状态的采集区域中形成扩大的采集区域，基于扩大的采集区域进行定位，使定位系统可以适应不同可见光源密度设置的场景，且定位精度高。

Description

基于图像组合的可见光定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及可见光定位技术领域，具体的说，涉及一种基于图像组合的可见光定位方法及定位系统。
背景技术
可见光定位是一种新的定位技术，其基于可见光信号获得的位置信息在室内空间应用前景广阔，尤其GPS信号或网络信号被阻断的空间，可见光定位可以为用户提供精确的位置信息。
但不同空间的可见光源排列密度不同，则采集可见光信号的装置在不同场景中很可能采集不到足够定位的可见光信号，因此，同一套定位系统很难应用在各自独立的场景进行定位，急需一种可广泛应用到不同可见光场景的定位方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像组合的可见光定位方法及定位系统，当可见光信号采集装置没有足够定位的可见光信号时，令采集装置改变采集区域，并将改变后的采集区域组合到前一状态的采集区域中形成扩大的采集区域，基于扩大的采集区域进行定位，使定位系统可以适应不同可见光源密度设置的场景，且定位精度高。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于图像组合的可见光定位方法，具体步骤如下：
S1，建立可见光定位场景：令定位空间中一面为可见光发射面，在该可见光发射面上布置M个可见光源，该布置内容即为定位地图P，在可见光发射面的正对面设置动态采集的定位摄像头，所述定位摄像头朝向所述可见光发射面采集图像；
S2，所述定位摄像头实时采集图像，当定位摄像头所采集区域Ai的采集图像Bi内少于足够定位的可见光源数a时，该定位摄像头获取采集区域Ai边缘外的补充区域，生成补充区域图像Bi+1，组合所述采集图像Bi与补充区域图像Bi+1更新为扩大的采集图像Bi；
S3，重复步骤S2直至采集图像Bi内有足够定位的可见光源数a，该采集图像Bi为完整采集图像Bn；
S4，结合步骤S3的所述完整采集图像Bn内各可见光源的位置排列和定位地图P计算所述定位摄像头在当前场景的位置，完成定位。
通过上述设计，当定位摄像头的采集图像内少于足够定位的可见光源数时，定位摄像头改变采集区域获取原采集区域边缘外的补充区域生成组合的采集图像，使定位摄像头能够采集到足够的可见光信号；
当单次采集的定位摄像头为1个时，所述足够定位的可见光源数a＝2，即定位摄像头至少要采集到2个可见光源才能进行准确定位；当单次采集的定位摄像头大于1个时，每个定位摄像头的所述足够定位的可见光源数a＝1，即每个定位摄像头只要采集到1个可见光源就能联合多个定位摄像头进行定位；
此外，所述可见光源可以不仅仅为不同色彩或不同光频的有源元件，还包括不同色光的反射装置等无源元件，例如单一色彩的可见光经不同色的反射镜反射后即能得到多种不同色彩的可见光信号。
进一步描述，所述步骤S1建立可见光定位系统后对所述定位摄像头初始化，令所述初始采集图像B0的质心O为原点，以该原点建立直角坐标系；
所述步骤S2中定位摄像头沿所述直角坐标系的坐标轴正、负方向偏转；
所述定位摄像头的初始采集图像B0为矩形区域，则质心O为该矩形区域的垂直平分线交点，所述矩形区域的垂直平分线为直角坐标系的坐标轴；
定位摄像头偏转角度θi后的采集区域Ai+1其中一条边线在偏转前的采集区域Ai的一条边线上；
所述偏转角度θi：
Figure BDA0001703624580000031
其中，H为定位摄像头镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距，d为定位摄像头镜头到偏转轴心的距离，α为定位摄像头偏转方向上的最大可视角。
定位摄像头的采集区域变换可以是多种方式，比如镜头偏转、镜头拉伸或平面移动等，上述设计采用镜头偏转的变换方法，通过上述设计，只需知道镜头到可见光发射面的垂直距离，车库中即为车库高度减去镜头高度，就能得到镜头偏转后无缝拼接的角度，无缝拼接图像能够更快更准确地得到定位数据。
更进一步描述，令所述总采集图像Bn内的可见光源点m相对初始采集图像B0质心O的位置为(xm，ym)，m＝1，2，…，a；
则场景内的可见光源在直角坐标系的坐标为(f(xm)，f(ym))；
其中，f(·)为所述定位摄像头的偏转差系数式：
Figure BDA0001703624580000032
其中，L为采集区域Ai+1相对采集区域Ai的最小位移的一半，θ为偏转角度，α为定位摄像头偏转方向上的最大可视角，H为定位摄像头镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距。
由于镜头偏转会拉长采集距离，则采集区域大小会随之变化，但摄像头的采集图像中依然是固定大小的图像，计算定位坐标时会产生误差，该误差满足精度的情况下可适当忽略，但若误差较大，则需要通过上述设计纠正该误差。
一种所述基于图像组合的可见光定位方法的定位系统，包括布置在场景顶面的可见光源，该顶面为可见光发射面，以及采集所述可见光源光信号的定位装置，所述定位装置设置有定位摄像头、运动机构和运算器；
所述定位摄像头朝向可见光发射面；
所述运动机构控制定位摄像头获取采集区域Ai边缘外的补充区域；
所述运算器将定位摄像头运动前后的采集图像组合为完整采集图像Bn，并计算该完整采集图像Bn中可见光点的位置，反向计算得到所述定位装置位置数据；
所述定位摄像头的图像输出端连接运算器的输入端。
通过上述设计，当定位摄像头的采集图像内少于足够定位的可见光源数时，运动机构控制定位摄像头获取采集区域边缘外的补充区域，使定位摄像头能够获取足够多的可见光信号进行精确定位，所述运动机构可以有多种运动方式，比如控制镜头进行转动，或拉伸镜头的摄像距离，又或控制镜头在水平面上移动或阵列分布的镜头进行顺序切换。
进一步描述，所述运动机构为偏转运动机构，所述偏转运动机构包括十字形滑动面，该十字形滑动面与可见光发射面平行，所述十字形滑动面上设置可相对滑动的横轴与纵轴，所述横轴与纵轴的相对滑动方向与定位摄像头的直角坐标系的轴方向一致；
所述横轴与纵轴的滑动交叉点与定位摄像头底部以连接杆连接，所述十字形滑动面与定位摄像头之间还设置有定轴机构，所述连接杆穿过该定轴机构。
通过上述设计，由于定轴机构的限定，定位摄像头的镜头随横轴或纵轴的滑动而反方向偏转，实现采集区域的水平移动并采集到原采集区域的边缘外区域图像。
更进一步描述，所述定轴机构为一定轴面，该面上设有通孔，所述连接杆穿过该通孔。
进一步描述，所述运动机构为垂直运动机构，所述垂直运动机构包括垂直伸缩杆，所述垂直伸缩杆顶部连接定位摄像头底部，所述垂直伸缩杆底部连接固定面，且所述垂直伸缩杆垂直于可见光发射面。
通过上述设计，垂直伸缩杆垂直伸缩使定位摄像头的采集区域随距离变大而扩大，则能够相应地获取原采集区域的边缘外区域图像，此时，仅需计算距离变化的误差系数就能获得新的采集区域中可见光源实际位置。
进一步描述，所述运动机构为水平运动机构，所述水平运动机构包括水平面，该水平面与可见光发射面平行；
所述定位摄像头在水平面上改变采集区域Ai，使改变前后的采集区域共用一条边线。
通过上述设计，水平运动机构可以使定位摄像头的采集图像与实际区域完全对应而不产生距离变化的误差。
更进一步描述，所述水平面上布置有(2n+1)2个定位摄像头，每2个相邻定位摄像头的采集区域具有一条共用边。
通过上述设计，当定位摄像头的采集图像内少于足够定位的可见光源数时，多个定位摄像头进行顺序采集，再组合每个定位摄像头的采集图像成扩大后的采集区域，能够直接得到与可见光发射面完全对应的定位地图，无需再纠正误差。
更进一步描述，所述水平面上设置有纵横分布的滑槽，定位摄像头在所述滑槽上水平滑动，且滑槽方向与直角坐标系的轴方向一致。
通过上述设计，当定位摄像头的采集图像内少于足够定位的可见光源数时，定位摄像头沿滑槽水平滑动，再组合滑动前后的采集图像成扩大后的采集区域，该设计也能够直接得到与可见光发射面完全对应的定位地图，无需再纠正误差。
本发明的有益效果：当可见光信号采集装置没有足够定位的可见光信号时，令采集装置改变采集区域，并将改变后的采集区域组合到前一状态的采集区域中形成扩大的采集区域，基于扩大的采集区域进行定位，使定位系统可以适应不同可见光源密度设置的场景，且定位精度高。
附图说明
图1是定位方法的流程示意图
图2是可见光定位场景的结构示意图
图3是实施例一中直角坐标系的示意图
图4是实施例一中完整采集图像的坐标示意图
图5是实施例一中实际采集区域的坐标示意图
图6是实施例一中偏转区域变化的纵面示意图
图7是实施例一中定位系统的初始状态示意图
图8是实施例一中定位系统的偏转状态示意图
图9是实施例二中定位系统的初始状态示意图
图10是实施例二中定位系统的拉伸状态示意图
图11是实施例三中定位系统的结构示意图
图12是实施例四中定位系统的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种基于图像组合的可见光定位方法，具体步骤如下：
S1，建立可见光定位场景：如图2所示，令定位空间中一面为可见光发射面，在该可见光发射面上布置M个可见光源1，该布置内容即为定位地图P，在可见光发射面的正对面设置动态采集的定位摄像头21，所述定位摄像头21朝向所述可见光发射面采集图像；
S2，所述定位摄像头21实时采集图像，当定位摄像头21所采集区域Ai的采集图像Bi内少于足够定位的可见光源数a时，该定位摄像头21获取采集区域Ai边缘外的补充区域，生成补充区域图像Bi+1，组合所述采集图像Bi与补充区域图像Bi+1更新为扩大的采集图像Bi；
S3，重复步骤S2直至采集图像Bi内有足够定位的可见光源数a，该采集图像Bi为完整采集图像Bn；
S4，结合步骤S3的所述完整采集图像Bn内各可见光源的位置排列和定位地图P计算所述定位摄像头21在当前场景的位置，完成定位。
一种所述基于图像组合的可见光定位方法的定位系统，包括布置在场景顶面的可见光源1，该顶面为可见光发射面，以及采集所述可见光源1光信号的定位装置2，所述定位装置2设置有定位摄像头21、运动机构和运算器；
所述定位摄像头21朝向可见光发射面；
所述运动机构控制定位摄像头21获取采集区域Ai边缘外的补充区域；
所述运算器将定位摄像头21运动前后的采集图像组合为完整采集图像Bn，并计算该完整采集图像Bn中可见光点的位置，反向计算得到所述定位装置2位置数据；
所述定位摄像头21的图像输出端连接运算器的输入端。
作为优选，实施例一采用镜头偏转为获取补充区域的方法，具体内容如下：
所述步骤S1建立可见光定位系统后对所述定位摄像头21初始化，令所述初始采集图像B0的质心O为原点，以该原点建立直角坐标系；
所述步骤S2中定位摄像头21沿所述直角坐标系的坐标轴正、负方向偏转；
如图3所示，本实施例中所述定位摄像头21的初始采集图像B0为矩形区域，则质心O为该矩形区域的垂直平分线交点，所述矩形区域的垂直平分线为直角坐标系的坐标轴；
定位摄像头21偏转角度θi后的采集区域Ai+1其中一条边线在偏转前的采集区域Ai的一条边线上；
如图6所示，所述偏转角度θi：
Figure BDA0001703624580000081
其中，H为定位摄像头21镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距，d为定位摄像头21镜头到偏转轴心的距离，α为定位摄像头21偏转方向上的最大可视角。
如图4、图5所示，令所述总采集图像Bn内的可见光源点m相对初始采集图像B0质心O的位置为(xm，ym)，m＝1，2，…，a；
则场景内的可见光源在直角坐标系的坐标为(f(xm)，f(ym))；
其中，f(·)为所述定位摄像头21的偏转差系数式：
Figure BDA0001703624580000091
其中，L为采集区域Ai+1相对采集区域Ai的最小位移的一半，θ为偏转角度，α为定位摄像头21偏转方向上的最大可视角，H为定位摄像头21镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距。
如图7、图8所示，本实施例的定位系统具体如下：
所述运动机构为偏转运动机构，所述偏转运动机构包括十字形滑动面31，该十字形滑动面31与可见光发射面平行，所述十字形滑动面31上设置可相对滑动的横轴31a与纵轴31b，所述横轴31a与纵轴31b的相对滑动方向与定位摄像头21的直角坐标系的轴方向一致；
所述横轴31a与纵轴31b的滑动交叉点与定位摄像头21底部以连接杆32连接，所述十字形滑动面31与定位摄像头21之间还设置有定轴机构33，所述连接杆32穿过该定轴机构33。
作为优选，所述定轴机构33为一定轴面，该面上设有通孔，所述连接杆32穿过该通孔。
作为优选，实施例二采用垂直拉伸镜头采集距离为获取补充区域的方法，如图9、图10所示，具体内容如下：
所述运动机构为垂直运动机构，所述垂直运动机构包括垂直伸缩杆41，所述垂直伸缩杆41顶部连接定位摄像头21底部，所述垂直伸缩杆41底部连接固定面42，且所述垂直伸缩杆41垂直于可见光发射面。
作为优选，实施例三采用水平面多个定位摄像头进行顺序采集为获取补充区域的方法，如图11所示，具体内容如下：
所述运动机构为水平运动机构，所述水平运动机构包括水平面51，该水平面与可见光发射面平行；
所述定位摄像头21在水平面51上改变采集区域Ai，使改变前后的采集区域共用一条边线。
所述水平面51上布置有(2n+1)2个定位摄像头21，每2个相邻定位摄像头21的采集区域具有一条共用边。
作为优选，实施例四采用定位摄像头水平滑动为获取补充区域的方法，如图12所示，具体内容如下：
所述运动机构为水平运动机构，所述水平运动机构包括水平面51，该水平面与可见光发射面平行；
所述定位摄像头21在水平面51上改变采集区域Ai，使改变前后的采集区域共用一条边线。
所述水平面51上设置有纵横分布的滑槽52，定位摄像头21在所述滑槽52上水平滑动，且滑槽方向与直角坐标系的轴方向一致。

Claims (10)

1.一种基于图像组合的可见光定位方法，其特征在于具体步骤如下：
S1，建立可见光定位场景：令定位空间中一面为可见光发射面，在该可见光发射面上布置M个可见光源(1)，该布置内容即为定位地图P，在可见光发射面的正对面设置动态采集的定位摄像头(21)，所述定位摄像头(21)朝向所述可见光发射面采集图像；
S2，所述定位摄像头(21)实时采集图像，当定位摄像头(21)所采集区域Ai的采集图像Bi内少于足够定位的可见光源数a时，该定位摄像头(21)获取采集区域Ai边缘外的补充区域，生成补充区域图像Bi+1，组合所述采集图像Bi与补充区域图像Bi+1更新为扩大的采集图像Bi；
S3，重复步骤S2直至采集图像Bi内有足够定位的可见光源数a，该采集图像Bi为完整采集图像Bn；
S4，结合步骤S3的所述完整采集图像Bn内各可见光源的位置排列和定位地图P计算所述定位摄像头(21)在当前场景的位置，完成定位。
2.根据权利要求1所述的基于图像组合的可见光定位方法，其特征在于：所述步骤S1建立可见光定位系统后对所述定位摄像头(21)初始化，令初始采集图像B0的质心O为原点，以该原点建立直角坐标系；
所述步骤S2中定位摄像头(21)沿所述直角坐标系的坐标轴正、负方向偏转；
所述定位摄像头(21)的初始采集图像B0为矩形区域，则质心O为该矩形区域的垂直平分线交点，所述矩形区域的垂直平分线为直角坐标系的坐标轴；
定位摄像头(21)偏转角度θi后的采集区域Ai+1其中一条边线在偏转前的采集区域Ai的一条边线上；
所述偏转角度θi：
Figure FDA0003577622070000021
其中，H为定位摄像头(21)镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距，d为定位摄像头(21)镜头到偏转轴心的距离，α为定位摄像头(21)偏转方向上的最大可视角。
3.根据权利要求2所述的基于图像组合的可见光定位方法，其特征在于：令所述完整采集图像Bn内的可见光源点m相对初始采集图像B0质心O的位置为(xm，ym)，m＝1，2，…，a；
则场景内的可见光源在直角坐标系的坐标为(f(xm)，f(ym))；
其中，f(·)为所述定位摄像头(21)的偏转差系数式：
Figure FDA0003577622070000022
其中，L为采集区域Ai+1相对采集区域Ai的最小位移的一半，θ为偏转角度，α为定位摄像头(21)偏转方向上的最大可视角，H为定位摄像头(21)镜头到可见光发射面的垂直距离，c为镜头焦距。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述基于图像组合的可见光定位方法的定位系统，包括布置在场景顶面的可见光源(1)，该顶面为可见光发射面，以及采集所述可见光源(1)光信号的定位装置(2)，其特征在于：所述定位装置(2)设置有定位摄像头(21)、运动机构和运算器；
所述定位摄像头(21)朝向可见光发射面；
所述运动机构控制定位摄像头(21)获取采集区域Ai边缘外的补充区域；
所述运算器将定位摄像头(21)运动前后的采集图像组合为完整采集图像Bn，并计算该完整采集图像Bn中可见光点的位置，反向计算得到所述定位装置(2)位置数据；
所述定位摄像头(21)的图像输出端连接运算器的输入端。
5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述运动机构为偏转运动机构，所述偏转运动机构包括十字形滑动面(31)，该十字形滑动面(31)与可见光发射面平行，所述十字形滑动面(31)上设置可相对滑动的横轴(31a)与纵轴(31b)，所述横轴(31a)与纵轴(31b)的相对滑动方向与定位摄像头(21)的直角坐标系的轴方向一致；
所述横轴(31a)与纵轴(31b)的滑动交叉点与定位摄像头(21)底部以连接杆(32)连接，所述十字形滑动面(31)与定位摄像头(21)之间还设置有定轴机构(33)，所述连接杆(32)穿过该定轴机构(33)。
6.根据权利要求5所述的定位系统，其特征在于：所述定轴机构(33)为一定轴面，该面上设有通孔，所述连接杆(32)穿过该通孔。
7.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述运动机构为垂直运动机构，所述垂直运动机构包括垂直伸缩杆(41)，所述垂直伸缩杆(41)顶部连接定位摄像头(21)底部，所述垂直伸缩杆(41)底部连接固定面(42)，且所述垂直伸缩杆(41)垂直于可见光发射面。
8.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于：所述运动机构为水平运动机构，所述水平运动机构包括水平面(51)，该水平面与可见光发射面平行；
所述定位摄像头(21)在水平面(51)上改变采集区域Ai，使改变前后的采集区域共用一条边线。
9.根据权利要求8所述的定位系统，其特征在于：所述水平面(51)上布置有(2n+1)2个定位摄像头(21)，每2个相邻定位摄像头(21)的采集区域具有一条共用边。
10.根据权利要求8所述的定位系统，其特征在于：所述水平面(51)上设置有纵横分布的滑槽(52)，定位摄像头(21)在所述滑槽(52)上水平滑动，且滑槽方向。
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