CN109343000B - 一种室内可见光成像定位系统和定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内可见光成像定位系统和定位方法,该系统包括:发射端包括:驱动/调制电路、照明光源以及第一偏振片阵列;接收端包括:光传感器、带有第五偏振片的图像探测器和处理器,光传感器得到发射端身份信息后确定每个偏振片中心在实际空间中的三维坐标,图像探测器确定每个偏振片中心的投影坐标,处理器确定投影坐标与三维坐标之间的对应关系,并计算接收端在实际空间中的定位坐标。本发明通过在发射端设置第一偏振片阵列,在接收端对应设置第五偏振片,使接收端在仅使用地磁传感器的粗略辅助下,即可确定接收端在实际空间中的定位坐标,降低了使用其他设备在定位过程中造成的误差积累,保证了定位坐标准确,提高了用户的体验程度。
Description
技术领域
本发明涉及室内定位领域,特别是涉及一种室内可见光成像定位系统和定位方法。
背景技术
近年来,智慧建筑与位置服务相关的应用技术不断发展,在室内环境下的室内定位需求也日益多样。当前广泛应用的基于卫星信号的定位系统(全球定位系统GPS、北斗定位系统等)由于受建筑遮挡和多径效应等因素的影响,在室内环境下精度较差,无法满足当前多数的室内定位需求。由此,在国内外出现了一系列基于增强基站、局域网、蓝牙、超宽带、声学、红外、激光雷达、视觉、惯性导航和可见光等原理的室内定位方法和装置。由于室内定位需求的多样性,这些方法在布设成本、定位精度和系统适应性等多方面具有各自特色,当前并未出现一种通用的室内定位方法和系统。
对于室内可见光定位技术,由于其可利用室内环境下现有的发光二级管(LED)等固体照明光源作为发射端和定位信标,利用商用移动终端作为接收端,并具有定位精度高、无跨楼层/房间定位、无额外功耗、成本较低等优势,因此可满足不同环境下的多种室内定位需求,具有很大的应用潜力和前景。
根据接收端探测器和相关定位算法的不同,可见光定位技术主要可以分为基于单元探测器的非成像可见光定位技术和基于图像探测器的成像可见光定位技术两类。对于非成像可见光定位技术,其需要在接收端配备有高速的光电探测器,因此通常适用于专用的定位场合。而成像可见光定位技术则可利用商用移动终端上集成的图像探测器(即摄像头)进行定位,因此更适合于日常生活中的室内定位应用。对于当前的成像可见光定位技术来说,主要可分为多光源采集算法和单光源采集算法两种,多光源采集算法可以获得接收端的坐标和方向信息,但由于接收端需要同时采集到多个完整光源的图像信息,对光源布设密度的要求较高,适用场景有限。单光源采集算法可以通过对单个照明光源的完整图像采集实现定位,对光源布设密度要求较低,但是单光源的定位方式需要通过接收端的多个角度传感器进行定位辅助,在无法保证所有角度传感器精度的情况下,单光源采集算法输出的定位结果误差较大,导致用户体验程度下降。
发明内容
本发明提供一种室内可见光成像定位系统和定位方法,用以解决现有技术中单光源的定位方式需要通过接收端的多个角度传感器进行定位辅助,在无法保证所有角度传感器精度的情况下,单光源采集算法输出的定位结果误差较大,导致用户体验程度下降的问题。
为解决上述技术问题,一方面,本发明提供一种室内可见光成像定位系统,包括:发射端和接收端;其中,所述发射端至少包括:驱动/调制电路、照明光源以及第一偏振片阵列,所述第一偏振片阵列包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片;所述接收端至少包括:光传感器、带有第五偏振片的图像探测器和处理器;所述光传感器,用于接收发射端发射的光信号,并利用光通信方式得到所述发射端的身份信息,以计算所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;所述图像探测器,用于获取所述发射端的图像,根据所述发射端的图像确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标;所述处理器,用于确定所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系,并根据所述对应关系计算接收端在实际空间中的定位坐标。
进一步,所述第一偏振片为衰减片,所述第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片为线偏振片,且所述第二偏振片和第四偏振片的偏振方向相同,所述第三偏振片的偏振方向与所述第二偏振片垂直。
进一步,所述第五偏振片为线偏振片。
进一步,所述接收端还包括:地磁传感器,用于计算所述接收端的参考方位角。
进一步,所述接收端还包括:显示器,用于显示所述接收端在实际空间中的定位坐标。
另一方面,本发明还提供一种室内可见光成像定位方法,包括:接收端接收发射端发射的光信号,其中,所述发射端至少包括第一偏振片阵列,所述第一偏振片阵列包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片;接收端根据所述光信号确定所述发射端的身份信息,并根据所述身份信息得到所述发射端的空间坐标和大小;接收端根据所述发射端的空间坐标和大小确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系;接收端根据所述对应关系,确定所述接收端在实际空间中的定位坐标。
进一步,接收端根据所述发射端的空间坐标确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标之后,还包括:接收端根据所述身份信息得到所述发射端的方向,根据所述发射端的方向确定所述第二偏振片到第四偏振片之间向量在实际空间中的方位角。
进一步,接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系之前,还包括:接收端确定所述接收端的参考方位角。
进一步,接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系,包括:采集所述发射端的完整图像,在所述完整图像中确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标;根据所述第二偏振片到第四偏振片之间向量在实际空间中的方位角、所述第二偏振片和第四偏振片中心在图像传感器上的投影坐标、所述接收端的参考方位角,确定所述接收端在实际空间中的方位角;根据所述接收端在实际空间中的方位角与所述接收端的参考方位角,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的投影坐标与三维坐标之间的对应关系。
进一步,确定所述接收端在实际空间中的定位坐标之后,还包括:将所述接收端在实际空间中的定位坐标在所述接收端的显示器上进行显示。
本发明通过在发射端设置第一偏振片阵列,在接收端的图像探测器上对应设置第五偏振片,使图像探测器具备识别发射端第一偏振片阵列中各个偏振片的能力,进而使接收端在仅使用地磁传感器的粗略辅助下,确定第一偏振片阵列中每个偏振片的实际三维坐标和在图像探测器中的投影坐标的对应关系,最终确定接收端在实际空间中的定位坐标,降低了使用其他设备在定位过程中造成的误差积累,保证了接收端的定位坐标准确,提高了用户的体验程度。
附图说明
图1是本发明第一实施例中室内可见光成像定位系统的系统结构示意图;
图2是本发明第一实施例中第一偏振片阵列设置示意图;
图3是本发明第一实施例中图像探测器接收到的照明光源图像示意图;
图4是本发明第二实施例中室内可见光成像定位方法的流程图。
具体实施方式
为了解决现有技术中单光源的定位方式需要通过接收端的角度传感器进行定位辅助,在无法保证角度传感器精度的情况下,单光源采集算法输出的定位结果误差较大,导致用户体验程度下降的问题,本发明提供了一种室内可见光成像定位系统和定位方法,以下结合附图以及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不限定本发明。
本发明的第一实施例提供了一种室内可见光成像定位系统,其系统结构示意图如图1所示,该系统主要包括发射端和接收端,发射端主要为安装在室内的可见光光源,其内部结构包括驱动/调制电路、照明光源以及第一偏振片阵列,且第一偏振片阵列由四个单独的偏振片组成,分别为第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片;接收端主要为用户使用的智能移动终端,其内部结构至少包括:光传感器、带有第五偏振片的图像探测器和处理器,图像探测器通常可以为智能移动终端的摄像头,光传感器用于接收发射端发射的光信号,并利用光通信方式得到发射端身份信息,以计算第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;图像探测器用于获取发射端的图像,根据发射端的图像确定第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标;处理器,用于确定投影坐标与三维坐标之间的对应关系,并根据对应关系计算接收端在实际空间中的定位坐标。
具体地,发射端作为室内可见光光源,其内部的驱动/调制电路主要用于对照明光源发射的可见光进行调制和编码,使其携带有照明光源独一无二的身份信息,以起到定位作用;与此同时,在每个发射端,都由其上覆盖的2×2偏振片阵列(第一偏振片阵列)分为4个区,如图2所示,每个区对应一个偏振片,使每个发射端均形成了一个独立的定位小区,其中,第一偏振片X1为衰减片、第二偏振片X2、第三偏振片X3和第四偏振片X4为线偏振片,且第二偏振片和第四偏振片的偏振方向相同,第三偏振片的偏振方向与第二偏振片垂直,保证在人眼观察下,照明光源各部分的光强相同,不对光源的照明功能产生影响。
用户在操作接收端进行定位时,由光传感器对照明光源所发射的光信号进行接收,通过光源识别算法对光信号进行处理。具体地处理过程包括:利用光通信方式对光信号进行滤波、解码、解调等步骤以得到照明光源所发射的其独一无二的身份信息,并在此基础上得到发射端的空间坐标、方向、大小等信息,进而得到第一偏振片阵列中每个偏振片的中心,即X1、X2、X3和X4的中心在实际空间的三维坐标系中的三维坐标,即C1(xXA,yXA,zXA)、C2(xXB,yXB,zXB)、C3(xXC,yXC,zXC)和C4(xXD,yXD,zXD)。应当了解的是,光传感器确定X1、X2、X3和X4的中心在实际空间的三维坐标系中的三维坐标后,可将上述三维坐标传输给图像探测器,或在自身进行缓存,等待图像探测器获取。
图像探测器主要为接收端上的摄像头,在进行室内定位时,通过图像探测器拍摄发射端的完整图像,并通过处理器执行图像识别算法和定位算法,进行接收端的最终定位。由于在发射端安装了第一偏振片阵列,图像探测器在进行图像识别时无法识别照明光源表面的各个区域,因此,在本实施例中,图像探测器上安装有第五偏振片,第五偏振片同样为线偏振片,使图像探测器在采集发射端的完整图像时,具备对照明光源表面的各个区域进行识别的能力。
进一步地,图像探测器采集到具有发射端的完整图像之后,由于第一偏振片阵列上的4个区域表面偏振片的方向不同,因此在所采集的发射端图像中,4个区域中像素的强度值也不同,图像探测器接收到的照明光源图像示意图如图3所示,将图像探测器采集到的发射端的图像分为区域A、B、C、D。随后以图像探测器的中心为原点、边缘为坐标轴定义一个二维直角坐标系,结合图像探测器像元的大小(通常为常数),通过强度识别,分别得到4个区域中心的坐标为PA(xPA,yPA)、PB(xPB,yPB)、PC(xPC,yPC)和PD(xPD,yPD)。
随后,由处理器分别对4个区域中各像素的强度值取平均值,对两对对角线区域的平均像素强度进行对比,即AC为一对,BD为一对。当其中一对对角线区域的平均强度差较小时,认为此对区域为第一偏振片阵列表面区域X2和X4的投影。当两对对角线区域的平均强度差都较小时,对接收端的方向进行微调,并重新进行比较。随后,对比通过地磁传感器得到的接收端的参考方位角,与通过处理器根据假设计算得出的接收端在实际空间中的方位角,确定X2和X4具体对应平均强度差较小的一对对角线区域中的哪一区域,以确定第一偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系,具体方法如下:
假设第一偏振片阵列表面区域X2对应投影区域B,X4对应投影区域D。此时,在图像探测器表面的二维直角坐标系上,令向量的方位角为(180°+θL),并结合其在图像探测器坐标系中的角度求出接收端的方位角θM,其中,θL为光传感器根据照明光源的方向,在实际空间中得到的向量/>的方位角。当该方位角θM与地磁探测器输出的参考方位角的差值小于180°时,认为接收端的方位角为θM,区域X1对应投影区域A,区域X2对应投影区域B,区域X3对应投影区域C,区域X4对应投影区域D,即第一偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系为C1(xXA,yXA,zXA)与PA(xPA,yPA)对应,C2(xXB,yXB,zXB)与PB(xPB,yPB)对应,C3(xXC,yXC,zXC)与PC(xPC,yPC)对应,C4(xXD,yXD,zXD)与PD(xPD,yPD)对应;若方位角θM与地磁探测器输出的参考方位角的差值大于或等于180°时,X1对应投影区域C,区域X2对应投影区域D,区域X3对应投影区域A,区域X4对应投影区域B,即第一偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系为C1(xXA,yXA,zXA)与PC(xPC,yPC),C2(xXB,yXB,zXB)与PD(xPD,yPD),C3(xXC,yXC,zXC)与PA(xPA,yPA),C4(xXD,yXD,zXD)与PB(xPB,yPB)。
最后,在对应关系确定以后,通过求解如下公式,确定接收端在实际空间内的定位坐标(x,y,z),其中公式(1)、(2)分别对应上述两种对应关系:
其中,f为图像探测器成像系统的焦距。
应当了解的是,接收端还可以包括显示器,用于将确定的接收端在实际空间内的定位坐标(x,y,z)显示给用户,以便进行后续基于位置的导航或相关信息推送。另外,还可以将接收端的方位角θM同时呈献给用户。
本实施例通过在发射端设置第一偏振片阵列,在接收端的图像探测器上对应设置第五偏振片,使图像探测器具备识别发射端第一偏振片阵列中各个偏振片的能力,进而使接收端在仅使用地磁传感器的粗略辅助下,确定第一偏振片阵列中每个偏振片的实际三维坐标和在图像探测器中的投影坐标的对应关系,最终确定接收端在实际空间中的定位坐标,降低了使用其他设备在定位过程中造成的误差积累,保证了接收端的定位坐标准确,提高了用户的体验程度。
本发明的第二实施例提供了一种室内可见光成像定位方法,使用本发明第一实施例中所提供的室内可见光成像定位系统,实现基于单光源的接收端室内定位,其流程图如图4所示,包括步骤S1至S5:
S1,接收端接收发射端发射的光信号;
S2,接收端根据光信号确定发射端的身份信息,并根据身份信息得到发射端的空间坐标和大小;
S3,接收端根据发射端的空间坐标和大小确定第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;
S4,接收端采集发射端的完整图像确定第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及投影坐标与三维坐标之间的对应关系;
S5,接收端根据对应关系,确定接收端在实际空间中的定位坐标。
用户在操作接收端进行定位时,由光传感器对发射端所发射的光信号进行接收,并对光信号进行处理。应当了解的是,本实施例中发射端除了照明光源和驱动/调制电路,还包括第一偏振片阵列,第一偏振片阵列包括第一偏振片X1、第二偏振片X2、第三偏振片X3和第四偏振片X4。
具体地,通过对光信号进行滤波、解码、解调等步骤以得到照明光源所发射的其独一无二的身份信息,并在此基础上得到发射端的空间坐标、方向、大小等信息,进而得到第一偏振片阵列中每个偏振片的中心,即X1、X2、X3和X4的中心在实际空间的三维坐标系中的三维坐标,即C1(xXA,yXA,zXA)、C2(xXB,yXB,zXB)、C3(xXC,yXC,zXC)和C4(xXD,yXD,zXD)。
随后,接收端根据发射端的空间坐标确定第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标之后,接收端可以根据通过身份信息得到发射端的方向,根据发射端的方向确定第二偏振片到第四偏振片之间向量的在实际空间中的方位角θL;并且在确定偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系之前,获取接收端的地磁传感器确定的接收端的参考方位角。
在确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标时,接收端具体执行如下步骤:将图像探测器采集到的发射端的图像分为区域A、B、C、D;以接收端的图像探测器的中心为原点、边缘为坐标轴定义一个二维直角坐标系;结合图像探测器像元的大小,通过强度识别,分别得到4个区域中心的坐标为PA(xPA,yPA)、PB(xPB,yPB)、PC(xPC,yPC)和PD(xPD,yPD)。
优选地,接收端在实现确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标与三维坐标之间的对应关系的步骤时,具体执行方法如下:
首先,接收端的图像探测器分别对4个区域中各像素的强度值取平均值,对两对对角线区域的平均像素强度进行对比,即AC为一对,BD为一对。当其中一对对角线区域的平均强度差较小时,认为此对区域为第一偏振片阵列表面区域X2和X4的投影。当两对对角线区域的平均强度差都较小时,对接收端的方向进行微调,并重新进行比较。
其次,假设第一偏振片阵列表面区域X2对应投影区域B,X4对应投影区域D。此时,在图像探测器表面的二维直角坐标系上,令向量的方位角为(180°+θL),并结合其在图像探测器坐标系中的角度求出接收端的方位角θM;当该方位角θM与地磁探测器输出的参考方位角的差值小于180°时,认为接收端的方位角为θM,区域X1对应投影区域A,区域X2对应投影区域B,区域X3对应投影区域C,区域X4对应投影区域D,即第一偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系为C1(xXA,yXA,zXA)与PA(xPA,yPA)对应,C2(xXB,yXB,zXB)与PB(xPB,yPB)对应,C3(xXC,yXC,zXC)与PC(xPC,yPC)对应,C4(xXD,yXD,zXD)与PD(xPD,yPD)对应;若方位角θM与地磁探测器输出的参考方位角的差值大于或等于180°时,X1对应投影区域C,区域X2对应投影区域D,区域X3对应投影区域A,区域X4对应投影区域B,即第一偏振片阵列中各个偏振片在实际空间中的三维坐标与在图像探测器中投影坐标之间的对应关系为C1(xXA,yXA,zXA)与PC(xPC,yPC),C2(xXB,yXB,zXB)与PD(xPD,yPD),C3(xXC,yXC,zXC)与PA(xPA,yPA),C4(xXD,yXD,zXD)与PB(xPB,yPB)。
最后,在对应关系确定以后,通过求解如下公式,确定接收端在实际空间内的定位坐标(x,y,z),其中公式(3)、(4)分别对应两种对应关系:
其中,f为图像探测器成像系统的焦距。
应当了解的是,确定接收端在实际空间中的定位坐标之后,还可以将确定的接收端在实际空间内的定位坐标(x,y,z)通过接收端的显示器显示给用户,以便进行后续基于位置的导航或相关信息推送。另外,还可以将接收端的方位角θM同时呈献给用户。
本实施例通过在发射端设置第一偏振片阵列,在接收端的图像探测器上对应设置第五偏振片,使图像探测器具备识别发射端第一偏振片阵列中各个偏振片的能力,进而使接收端在仅使用地磁传感器的粗略辅助下,确定第一偏振片阵列中每个偏振片的实际三维坐标和在图像探测器中的投影坐标的对应关系,最终确定接收端在实际空间中的定位坐标,降低了使用其他设备在定位过程中造成的误差积累,保证了接收端的定位坐标准确,提高了用户的体验程度。
尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施例,本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的,因此,本发明的范围应当不限于上述实施例。
Claims (2)
1.一种室内可见光成像定位系统,其特征在于,包括:发射端和接收端;
其中,所述发射端至少包括:驱动/调制电路、照明光源以及第一偏振片阵列,所述第一偏振片阵列包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片;
所述接收端至少包括:光传感器、带有第五偏振片的图像探测器和处理器;
所述光传感器,用于接收发射端发射的光信号,并利用光通信方式得到所述发射端的身份信息,以计算所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;
所述图像探测器,用于获取所述发射端的图像,根据所述发射端的图像确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标;
所述处理器,用于确定所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系,并根据所述对应关系计算接收端在实际空间中的定位坐标;
所述第一偏振片为衰减片,所述第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片为线偏振片,且所述第二偏振片和第四偏振片的偏振方向相同,所述第三偏振片的偏振方向与所述第二偏振片垂直;
所述第五偏振片为线偏振片;
所述接收端还包括:地磁传感器,用于计算所述接收端的参考方位角;
所述接收端还包括:显示器,用于显示所述接收端在实际空间中的定位坐标。
2.一种室内可见光成像定位方法,其特征在于,包括:
接收端接收发射端发射的光信号,其中,所述发射端至少包括第一偏振片阵列,所述第一偏振片阵列包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片;
接收端根据所述光信号确定所述发射端的身份信息,并根据所述身份信息得到所述发射端的空间坐标和大小;
接收端根据所述发射端的空间坐标及大小确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标;
接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系;
接收端根据所述对应关系,确定所述接收端在实际空间中的定位坐标;
接收端根据所述发射端的空间坐标确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在实际空间中的三维坐标之后,还包括:
接收端根据所述身份信息得到所述发射端的方向,根据所述发射端的方向确定所述第二偏振片到第四偏振片之间向量在实际空间中的方位角;
接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系之前,还包括:接收端确定所述接收端的参考方位角;
接收端采集所述发射端的完整图像,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标以及所述投影坐标与所述三维坐标之间的对应关系,包括:
采集所述发射端的完整图像,在所述完整图像中确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标;
根据所述第二偏振片到第四偏振片之间向量在实际空间中的方位角、所述接收端的参考方位角和所述第二、第四偏振片的中心在图像传感器上的投影坐标,确定所述接收端在实际空间中的方位角;
根据所述接收端在实际空间中的方位角与所述接收端的参考方位角,确定所述第一偏振片阵列中每个偏振片的投影坐标与三维坐标之间的对应关系;
确定所述接收端在实际空间中的定位坐标之后,还包括:将所述接收端在实际空间中的定位坐标在所述接收端的显示器上进行显示。
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