CN109936712B - 基于光标签的定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光标签的定位方法，包括：针对至少一个光标签中的每一个：使用成像设备采集光标签的标识信息；通过所述标识信息查询获得所述光标签的相关信息，所述相关信息包括所述光标签的地理位置信息；基于所述成像设备的默认焦距拍摄所述光标签的图像；调节所述成像设备的焦距，直到获得所述光标签的清晰图像，从而确定最优的焦距参数；还包括：至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

Description

基于光标签的定位方法及系统

技术领域

本发明属于光信息技术领域，尤其涉及一种基于光标签的定位方法及系统。“光标签”也称“光通信装置”，其能够通过发出不同的光来传输不同的信息，两者在整个本申请中可以互换使用。

背景技术

随着科技的发展，定位技术的应用越来越广泛。传统的基于移动通信网络的辅助定位系统(A-GPS)、无线局域网(WLAN)、射频识别(RFID)、紫蜂(ZigBee)、蓝牙、超宽带无线电、超声波定位技术等应用十分广泛。然而，这些无线定位技术在定位过程中，定位装置所发射出的无线电波信号会与金属导体产生电磁感应，产生电磁干扰，破坏一些电磁敏感环境。另外，这些定位技术的精度有限，例如，目前民用的GPS的精度在百米的范围内，并不能满足小范围精准定位的需求。

光标签通过发出不同的光来传递信息，其具有远距、可见光条件要求宽松、指向性强、可定位的优势，并且光标签所传递的信息可以随时间迅速变化，从而可以提供大的信息容量。随着光标签技术的不断发展，利用光标签进行定位有望解决现有定位技术的电磁干扰、精确度低的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷，一方面，本发明提供一种基于光标签的定位方法，包括：

针对至少一个光标签中的每一个：

使用成像设备采集光标签的标识信息；

通过所述标识信息查询获得所述光标签的相关信息，所述相关信息包括所述光标签的地理位置信息；

基于所述成像设备的默认焦距拍摄所述光标签的图像；

调节所述成像设备的焦距，直到获得所述光标签的清晰图像，从而确定最优的焦距参数；

至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

根据本发明的定位方法，优选地，调节所述成像设备的焦距包括根据光标签图像的清晰度迭代优化焦距。

根据本发明的定位方法，优选地，光标签图像的清晰度的判断包括如下步骤：

提取所述光标签图像的纹理特征；以及

根据所述纹理特征来判断光标签图像的清晰度。

根据本发明的定位方法，优选地，所述纹理特征包括纹理密度，以及其中，最小的纹理密度对应于所述清晰图像。

根据本发明的定位方法，优选地，所述光标签的相关信息还包括所述光标签的物理尺寸。

根据本发明的定位方法，优选地，所述至少一个光标签包括两个或更多个光标签，以及其中，所述至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算从而确定所述成像设备的地理位置信息包括：

针对所述两个或更多个光标签中的每一个：

基于光标签的清晰图像确定该光标签的图像尺寸；

基于该光标签的物理尺寸、图像尺寸以及最优的焦距参数确定所述成像设备与该光标签的距离；

基于所述距离和所述两个或更多个光标签中的每一个的地理位置信息进行三角定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

根据本发明的定位方法，优选地，所述光标签的相关信息还包括所述光标签的朝向信息，并且所述朝向信息与所述三角定位计算的结果相结合，以确定所述成像设备的地理位置信息。

根据本发明的定位方法，优选地，所述光标签的相关信息还包括所述光标签上的至少四个点的坐标信息以及所述至少四个点在所述光标签上的位置信息。

根据本发明的定位方法，优选地，所述至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算从而确定所述成像设备的地理位置信息包括：

基于所述至少四个点在所述光标签上的位置信息来确定在所述清晰图像上与所述至少四个点对应的至少四个像点；

基于所述至少四个点的坐标信息、所述至少四个像点、所述最优的焦距参数计算物坐标系与像坐标系之间的关系，以确定所述成像设备相对于所述光标签的位移信息，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

根据本发明的定位方法，优选地，还基于所述至少四个点的坐标信息、所述至少四个像点、所述最优的焦距参数计算物坐标系与像坐标系之间的关系，以确定所述成像设备相对于所述光标签的姿态信息，从而确定所述成像设备相对于所述光标签的朝向。

根据本发明的定位方法，优选地，所述计算物坐标系与像坐标系之间的关系包括使用如下等式：

其中R为旋转矩阵，其指示所述成像设备相对于所述光标签的姿态信息，t为位移矢量，其指示所述成像设备相对于所述光标签的位移信息，X,Y,Z为光标签上的点在物坐标系中的坐标，以及x,y,z为相应的像点在像坐标系中的坐标。

另一方面，本发明提供了一种基于光标签进行定位的成像设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时能够用于实现根据本发明的基于光标签的定位方法。

又一方面，本发明提供了一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时能够用于根据本发明的基于光标签的定位方法。

最后，本发明提供了一种基于光标签的定位系统，包括：

用于针对至少一个光标签中的每一个执行如下步骤的模块：

采集光标签的标识信息；

通过所述标识信息查询获得所述光标签的相关信息，所述相关信息包括所述光标签的地理位置信息；

基于所述成像设备的默认焦距拍摄所述光标签的图像；

调节所述成像设备的焦距，直到获得所述光标签的清晰图像，从而确定最优的焦距参数；以及

反向定位模块，其至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

对于用于本发明的光标签，其可以包括：

至少一个光源；以及

控制器，其被配置为控制所述至少一个光源中的每个光源工作于至少两种模式，所述至少两种模式包括第一模式和第二模式，其中，所述第一模式用于传递第一信息，所述第二模式用于传递与所述第一信息不同的第二信息，

其中，对于所述至少一个光源中的任意一个光源，在所述第一模式下，所述光源发出的光的属性以第一频率变化，以在通过CMOS图像传感器对所述光源拍摄时所获得的所述光源的图像上呈现出条纹，在所述第二模式下，所述光源发出的光在通过CMOS图像传感器对所述光源拍摄时所获得的所述光源的图像上不呈现条纹。

优选地，用于本发明的光标签还包括位于所述光源附近的一个或多个定位标识。

与现有技术相比，本发明的基于光标签的定位方法抗电磁干扰性能强，精确度高。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为CMOS成像器件获取图像的方向图；

图2为根据本发明的一个实施例的光源；

图3为根据本发明的另一个实施例的光源；

图4为CMOS成像器件的成像时序图；

图5为CMOS成像器件的另一成像时序图；

图6示出了当光源工作于第一模式时在不同阶段在CMOS成像器件上的成像图；

图7示出了根据本发明的一个实施例当光源工作于第一模式时CMOS成像器件的成像时序图；

图8示出了根据本发明的一个实施例当光源工作于第二模式时CMOS成像器件的成像时序图；

图9示出了根据本发明的另一个实施例当光源工作于第一模式时CMOS成像器件的成像时序图；

图10示出了根据本发明的另一个实施例的用于实现与图8不同的条纹的CMOS成像器件的成像时序图；

图11-12示出了在不同设置下获得的光源的两种有条纹图像；

图13示出了获得的光源的一种无条纹图像；

图14是根据本发明的一个实施例的采用三个独立光源的光标签的一个成像图；

图15是根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签的一个成像图；

图16A-16F为根据本发明实施例的成像设备优化过程中光标签的图像以及相应的纹理特征图；

图17为三角定位方法的原理示意图；

图18为根据本发明的定位方法的第二实施例中成像设备的成像过程的原理图；以及

图19简化示出了物坐标系与像坐标系之间的关系。

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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

光标签通过发出不同的光来传递信息，并且光标签所传递的信息可以随时间而发生变化。在本说明书中，首先详细介绍一种可以适用于本发明的定位方法的光标签，其在本申请人于2017年8月30日提交的国际申请PCT/CN2017/099642中详细介绍，在此整体上通过引用包含在本文中。

光标签包括光源和控制器，该控制器被配置为控制所述光源工作于两个或更多个模式，所述两个或更多个模式包括第一模式和第二模式，其中，在所述第一模式下，所述光源发出的光的属性以第一频率变化，以传递第一信息，在所述第二模式下，所述光源发出的光的属性以第二频率变化或者不发生改变，以传递与第一信息不同的第二信息。

光的属性在本申请中指的是CMOS成像器件能够识别的任何一种属性，例如其可以是光的强度、颜色、波长等人眼可感知的属性，也可以是人眼不可感知的其他属性，例如在人眼可见范围外的电磁波长的强度、颜色或波长改变，或者是上述属性的任一组合。因此，光的属性变化可以是单个属性发生变化，也可以是两个或更多个属性的组合发生变化。当选择光的强度作为属性时，可以简单地通过选择开启或关闭光源实现。在下文中为了简单起见，以开启或关闭光源来改变光的属性，但本领域技术人员可以理解，用于改变光的属性的其他方式也是可行的。需要说明的是，在上述第一模式中以第一频率变化的光的属性可以与在上述第二模式中以第二频率变化的光的属性相同或不相同。优选地，在所述第一模式和第二模式中发生变化的光的属性是相同的。

当光源以第一模式或第二模式工作时，可以使用CMOS成像器件或者具有CMOS成像器件的设备(例如手机、平板电脑、智能眼镜等)对光源进行成像。在下文中以手机作为CMOS成像器件为例进行说明，如图1所示。该手机的行扫描方向在图1中示出为垂直方向，但本领域技术人员可以理解，依据底层硬件配置的不同，行扫描方向也可以是水平方向。

光源可以是各种形式的光源，只要其某一可被CMOS成像器件感知的属性能够以不同频率进行变化即可。例如，该光源可以是一个LED灯、由多个LED灯构成的阵列、显示屏幕或者其中的一部分，甚至光的照射区域(例如光在墙壁上的照射区域)也可以作为光源。该光源的形状可以是各种形状，例如圆形、正方形、矩形、条状、L状等。光源中可以包括各种常见的光学器件，例如导光板、柔光板、漫射器等。在一个优选实施例中，光源可以是由多个LED灯构成的二维阵列，该二维阵列的一个维度长于另外一个维度，优选地，两者之间的比例约为6：1-12：1。例如，该LED灯阵列可以由排成一列的多个LED灯构成。在发光时，该LED灯阵列可以呈现为一个大致为长方形的光源，并由控制器控制该光源的操作。

图2示出了根据本发明的一个实施例的光源。在使用CMOS成像器件对图2所示的光源进行成像时，优选地使图2所示的光源的长边与CMOS成像器件的行方向(例如，图1所示的手机的行扫描方向)垂直或大致垂直，以在其他条件相同的情况下成像出尽量多的条纹。然而，有时用户并不了解其手机的行扫描方向，为了保证手机在各种姿态下都能够进行识别，并且在竖屏和横屏下都能够达到最大的识别距离，光源可以为多个长方形的组合，例如，如图3所示的L状光源。

在另一实施例中，光源可以不局限于平面光源，而是可以被实现为一个立体光源，例如，一个条状的圆柱形光源、立方体光源、等等。该光源例如可以被放置在广场上、悬置于室内场所(例如餐厅、会议室等)的大致中心位置，从而附近的位于各个方向的用户都可以通过手机拍摄该光源，从而获得该光源所传递的信息。

图4示出了CMOS成像器件的成像时序图，其中的每一行对应于CMOS成像器件的一行传感器。在CMOS成像传感器阵列的每一行进行成像时，主要涉及两个阶段，分别为曝光时间和读出时间。各行的曝光时间有可能发生重叠，但读出时间不会重叠。

需要说明的是，图4中仅示意性地示出了少量的行，在实际的CMOS成像器件中，依赖于分辨率的不同，通常具有上千行传感器。例如，对于1080p分辨率，其具有1920×1080个像素，数字1080表示有1080条扫描行，数字1920表示每行有1920个像素。对于1080p分辨率，每一行的读出时间大致为8.7微秒(即，8.7×10^-6秒)。

如果曝光时间过长导致相邻行之间的曝光时间出现大量重叠，则可能在成像时呈现出明显过渡的条纹，例如，在纯黑色像素行与纯白色像素行之间的多条具有不同灰度的像素行。本发明期望能够呈现出尽量清晰的像素行，为此，可以对CMOS成像器件(例如手机)的曝光时间进行设置或调整(例如，通过手机上安装的APP来进行设置或调整)，以选择相对较短的曝光时间。在一个优选的实施例中，可以使得曝光时间大致等于或小于每一行的读出时间。以1080p分辨率为例，其每一行的读出时间大致为8.7微秒，在这种情况下，可以考虑将手机的曝光时间调整为大约8.7微秒或更短。图5示出了在这种情况下的CMOS成像器件的成像时序图。在这种情况下，每行的曝光时间基本不发生重叠，或者重叠部分较少，从而可以在成像时获得具有比较清晰的边界的条纹，其更容易被识别出来。需要说明的是，图5仅仅是本发明的一个优选实施例，更长的(例如等于或小于每一行的读出时间的两倍、三倍或四倍等)或更短的曝光时间也是可行的。例如，在本申请的图12和13中所示的有条纹图像的成像过程中，每一行的读出时间大致为8.7微秒，而所设置的每行曝光时长为14微秒。另外，为了呈现出条纹，可将光源的一个周期的时长设置为曝光时长的两倍左右或更长，优选地可以设置为曝光时长的四倍左右或更长。

图6示出了当使用控制器使光源工作于第一模式时在不同阶段在CMOS成像器件上的成像图，在该第一模式下，以一定频率改变光源发出的光的属性，在本例中为开启和关闭光源。

图6的上部示出了在不同阶段的光源的状态变化图，下部示出了在不同阶段该光源在CMOS成像器件上的成像图，其中，CMOS成像器件的行方向为垂直方向，并从左向右扫描。由于CMOS成像器件采集图像是逐行扫描的，因此在拍摄高频闪烁信号时，所获得的一帧图像上与光源的成像位置对应的部分会形成如图6下部所示的条纹，具体地，在时段1，光源开启，在该时段中曝光的最左侧部分的扫描行呈现亮条纹；在时段2，光源关闭，在该时段中曝光的扫描行呈现暗条纹；在时段3，光源开启，在该时段中曝光的扫描行呈现亮条纹；在时段4，光源关闭，在该时段中曝光的扫描行呈现暗条纹。

可以通过设置光源闪烁的频率，或者设置光源每次开启和关闭的时长，来调整出现的条纹的宽度，更长的开启或关闭时间通常对应于更宽的条纹。例如，对于图5所示的情形，如果将光源每次开启和关闭的时长均设置为大致等于CMOS成像器件的每一行的曝光时间(该曝光时间可以通过手机上安装的APP进行设置或者手工设置)，则可以在成像时呈现出宽度为仅一个像素的条纹。为了能够实现对光标签的远距离识别，应使条纹越窄越好。但在实践中，由于光线干扰、同步等原因，宽度为仅一个像素的条纹可能不太稳定，或者不太容易识别，因此，为了提高识别的稳定性，优选地实现宽度为两个像素的条纹。例如，对于图5所示的情形，可以通过将光源每次开启或关闭的时长均设置为大致等于CMOS成像器件的每一行的曝光时长的大约2倍，来实现宽度为大约两个像素的条纹，具体如图8所示，其中，图8的上部的信号为光源控制信号，其高电平对应于光源的开启，而低电平对应于光源的关闭。在图8所示的实施例中，将光源控制信号的占空比设置为大约50％，将每一行的曝光时长设置为大致等于每一行的读出时间，但本领域技术人员可以理解，其他设置也是可行的，只要能够呈现出可分辨的条纹即可。为了描述简单起见，图7中使用了光源与CMOS成像器件之间的同步，以使得光源的开启和关闭的时间大致对应于CMOS成像器件的某一行的曝光时长的开始或结束时间，但是本领域技术人员可以理解，即使两者未能如图7那样同步，也可以在CMOS成像器件上呈现出明显的条纹，此时，可能会存在一些过渡条纹，但一定存在光源始终关闭时曝光的行(也即最暗的条纹)与光源始终开启时曝光的行(也即最亮的条纹)，两者间隔一个像素。这种像素行的明暗变化(也即条纹)可以被容易地检测出来(例如，通过比较光源成像区域中的一些像素的亮度或灰度)。更进一步，即使不存在光源始终关闭时曝光的行(也即最暗的条纹)和光源始终开启时曝光的行(也即最亮的条纹)，如果存在曝光时间内光源开启部分t1小于一定时间长度或占整个曝光时长较小比例的行(也即较暗条纹)，和曝光时间内光源开启部分t2大于一定时间长度或占整个曝光时长较大比例的行(也即较亮条纹)，且t2-t1>明暗条纹差值阈值(例如10微秒)，或t2/t1>明暗条纹比例阈值(例如2)，这些像素行之间的明暗变化也可以被检测出来。上述明暗条纹差值阈值和比例阈值和光标签发光强度、感光器件属性、拍摄距离等相关。本领域技术人员可以理解，其他阈值也是可行的，只要能够呈现出计算机可分辨的条纹即可。当识别出条纹时，可以确定出光源此时所传递的信息，例如二进制数据0或数据1。

根据本发明的一个实施例的条纹识别方法如下：得到光标签的图像，利用投影的方式分割出光源的成像区域；收集不同配置下(例如，不同距离、不同的光源闪烁频率等)的有条纹图片和无条纹图片；将所有收集的图片统一归一化到一个特定大小，例如64*16像素；提取每一个像素特征作为输入特征，构建机器学习分类器；进行二分类判别以判断是条纹图片还是非条纹图片。对于条纹识别，本领域普通技术人员还可以采用本领域公知的任何其他方法进行处理，对此不再详述。

对于一个长度为5厘米的条状光源，当使用目前市场上常见的手机，设置分辨率为1080p，在距离其10米远的地方(也即，距离为光源长度的200倍)进行拍摄时，该条状光源在其长度方向上大约会占据6个像素，如果每个条纹宽度为2个像素，则在该6个像素的宽度范围内会呈现出多个明显素的宽度范围内会呈现出至少一个明显的条纹，其可以被很容易地识别出来。如果设置更高的分辨率，或者采用光学变焦，在更远的距离，例如距离为光源长度的300倍或400倍时，也能够识别出条纹。

控制器也可以使光源工作于第二模式。在一个实施例中，在第二模式下，以与第一模式不同的另一频率来改变光源发出的光的属性，例如开启和关闭光源。在一个实施例中，相比于第一模式，控制器可以提高光源的开启和关闭频率。对于图5所示的情形，可以将光源配置为在CMOS成像器件的每一行的曝光时间内光源开启和关闭至少一次。图8示出了在每一行的曝光时间内光源开启和关闭只一次的情形，其中，图8的上部的信号为光源控制信号，其高电平对应于光源的开启，而低电平对应于光源的关闭。由于在每一行的曝光时间内，光源都会以相同的方式开启和关闭一次，每个曝光时间获取的曝光强度能量大致均等，因此光源的最终成像的各个像素行之间的亮度不会存在明显差异，从而不存在条纹。本领域技术人员可以理解，更高的开启和关闭频率也是可行的。另外，为了描述简单起见，图8中使用了光源与CMOS成像器件之间的同步，以使得光源的开启时间大致对应于CMOS成像器件的某一行的曝光时长的开始时间，但是本领域技术人员可以理解，即使两者未能如图9那样同步，在光源的最终成像的各个像素行之间的亮度也不会存在明显差异，从而不存在条纹。当不能识别出条纹时，可以确定出光源此时所传递的信息，例如二进制数据1或数据0。由于人眼有一定的响应时间，本发明的光源工作于上述第一模式和第二模式下时人眼不会察觉到任何闪烁现象。另外，为了避免在第一模式和第二模式之间切换时人眼可能会察觉到的闪烁现象，可以将第一模式和第二模式的占空比设置为大致相等，从而实现在不同模式下的大致相同的光通量。

在另一实施例中，在第二模式下，可以向光源提供直流电，以使得光源发出属性基本不会发生改变的光，从而，在通过CMOS图像传感器对光源拍摄时所获得的该光源的一帧图像上不会呈现条纹。另外，在这种情况下，也可以实现在不同模式下的大致相同的光通量，以避免在第一模式和第二模式之间切换时人眼可能会察觉到的闪烁现象。

上文的图7描述了通过使光源发出的光的强度发生变化(例如，通过开启或关闭光源)来呈现条纹的实施例，在另一实施例中，如图9所示，也可以通过使光源发出的光的波长或颜色发生变化来呈现条纹。在图9所示的实施例中，光源中包括可发出红光的红色灯和可发出蓝光的蓝色灯。图9的上部的两个信号分别为红光控制信号和蓝光控制信号，其中，高电平对应于相应光源的开启，而低电平对应于相应光源的关闭。该红光控制信号和蓝光控制信号的相位偏移180°，也即，两者电平相反。通过红光控制信号和蓝光控制信号，可以使得光源向外交替地发出红色光和蓝色光，从而当采用CMOS成像器件对光源进行成像时可以呈现出红蓝条纹。

通过确定CMOS成像器件拍摄的一帧图像上与光源对应的部分是否存在条纹，可以确定每帧图像所传递的信息，例如二进制数据1或数据0。进一步地，通过CMOS成像器件拍摄光源的连续的多帧图像，可以确定出由二进制数据1和0构成的信息序列，实现光源向CMOS成像器件(例如手机)的信息传递。在一个实施方式中，当通过CMOS成像器件拍摄光源的连续的多帧图像时，可以通过控制器进行控制，使得光源的工作模式之间的切换时间间隔等于CMOS成像器件一个完整帧成像的时间长度，从而实现光源与成像器件的帧同步，即每帧传输1比特的信息。对于30帧/每秒的拍摄速度，每秒钟可以传递30比特的信息，编码空间达到2³⁰，该信息可以包括例如，起始帧标记(帧头)、光标签的ID、口令、验证码、网址信息、地址信息、时间戳或其不同的组合等等。可以按照结构化方法，设定上述各种信息的顺序关系，形成数据包结构。每接收到一个完整的该数据包结构，视为获得一组完整数据(一个数据包)，进而可以对其进行数据读取和校验分析。下表示出了根据本发明的一个实施例的数据包结构：

帧头

属性(8bit)

数据位(32bit)

校验位(8bit)

帧尾

在上文的描述中，通过判断每帧图像中在光源的成像位置处是否存在条纹来确定该帧图像所传递的信息。在其他实施例中，可以通过识别每帧图像中在光源的成像位置处的不同条纹来确定该帧图像所传递的不同信息。例如，在第一模式下，光源发出的光的属性以第一频率变化，从而能在通过CMOS图像传感器对光源拍摄时所获得的光源的图像上呈现出第一条纹；在第二模式下，光源发出的光的属性以第二频率变化，从而能在通过CMOS图像传感器对光源拍摄时所获得的光源的图像上呈现出与所述第一条纹不同的第二条纹。条纹的不同可以例如基于不同的宽度、颜色、亮度等或它们的任意组合，只要该不同能够被识别即可。

在一个实施例中，可以基于不同的属性变化频率来实现不同宽度的条纹，例如，在第一模式下，光源可以如图7所示的方式工作，从而实现宽度为大约两个像素的第一种条纹；在第二模式下，可以将图7中的光源控制信号的每个周期中的高电平和低电平的持续时间分别修改为原来的两倍，具体如图10所示，从而实现宽度为大约四个像素的第二种条纹。

在另一个实施例中，可以实现不同颜色的条纹，例如，可以将光源设置为其中包括可发出红光的红色灯和可发出蓝光的蓝色灯，在第一模式下，可以关闭蓝色灯，并使红色灯如图7所示的方式工作，从而实现红黑条纹；在第二模式下，可以关闭红色灯，并使蓝色灯如图7所示的方式工作，从而实现蓝黑条纹。在上述实施例中，在第一模式和第二模式下使用相同的变化频率实现了红黑条纹和蓝黑条纹，但是可以理解，在第一模式和第二模式下可以使用不同的属性变化频率。

另外，本领域技术人员可以理解，可以进一步地通过实现不止两种条纹来表示不止两种信息，例如，在上述光源中包括红色灯和蓝色灯的实施例中，可以进一步设置第三模式，在该第三模式下以图9所示的方式对红色灯和蓝色灯进行控制以实现红蓝条纹，即第三种信息。显然，可选地，也可以进一步通过不呈现条纹来传递另一种信息，即第四种信息。

图11示出了在针对以每秒16000次的频率闪烁的LED灯(每个周期的持续时间为62.5微秒，其中开启时长和关闭时长各为大约31.25微秒)，使用1080p分辨率的成像设备，并将每行曝光时长设置为14微秒的情况下，通过实验得到的图像上的条纹。从图11可以看出，呈现出了大致为2-3像素宽度的条纹。图13示出了将图11中的LED灯闪烁频率调整为每秒8000次(每个周期的持续时间为125微秒，其中开启时长和关闭时长各为大约62.5微秒)后，在其他条件不变的情况下通过实验得到的图像上的条纹。从图12可以看出，呈现出了大致为5-6像素宽度的条纹。图13示出了将图11中的LED灯闪烁频率调整为每秒64000次(每个周期的持续时间为15.6微秒，其中开启时长和关闭时长各为大约7.8微秒)后，在其他条件不变的情况下通过实验得到的图像，其上不存在条纹，其原因是每行曝光时长14微秒中基本上涵盖了LED灯的一个开启时长和一个关闭时长。

上文中描述了采用一个光源的情形，在一些实施例中，也可以采用两个或更多个光源。控制器可以独立地控制每一个光源的操作。图14是根据本发明的一个实施例的采用三个独立光源的光标签的一个成像图，其中，两个光源的成像位置出现了条纹，一个光源的成像位置没有出现条纹，该组光源的这一帧图像可以用于传递信息，例如二进制数据110。

在一个实施例中，光标签中还可以包括位于信息传递光源附近的一个或多个定位标识，该定位标识例如可以是特定形状或颜色的灯，该灯例如可以在工作时保持常亮。该定位标识可以有助于CMOS成像器件(例如手机)的用户容易地发现光标签。另外，当CMOS成像器件被设置为对光标签进行拍摄的模式时，定位标识的成像比较明显，易于识别。因此，布置于信息传递光源附近的一个或多个定位标识还能够有助于手机快速地确定信息传递光源的位置，从而有助于识别对应于信息传递光源的成像区域是否存在条纹。在一个实施例中，在识别是否存在条纹时，可以首先在图像中对定位标识进行识别，从而在图像中发现光标签的大致位置。在识别了定位标识之后，可以基于定位标识与信息传递光源之间的相对位置关系，确定图像中的一个或多个区域，该区域涵盖信息传递光源的成像位置。接着，可以针对这些区域进行识别，以判断是否存在条纹，或存在什么样的条纹。图15是根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签的一个成像图，其中包括三个水平布置的信息传递光源，以及位于信息传递光源两侧的竖直布置的两个定位标识灯。

在一个实施例中，光标签中可以包括环境光检测电路，该环境光检测电路可以用于检测环境光的强度。控制器可以基于检测到的环境光的强度来调整光源在开启时所发出的光的强度。例如，在环境光比较强时(例如白天)，使得光源发出的光的强度比较大，而在环境光比较弱时(例如夜里)，使得光源发出的光的强度比较小。

在一个实施例中，光标签中可以包括环境光检测电路，该环境光检测电路可以用于检测环境光的频率。控制器可以基于检测到的环境光的频率来调整光源在开启时所发出的光的频率。例如，在环境光存在同频闪动光源时，切换光源发出的光至另一未占用频率。

相比于现有技术中二维码大概15倍左右的识别距离，本发明的光标签的至少200倍的识别距离具有明显的优势。该远距离识别能力尤其适合于室外识别，以200倍的识别距离为例，对于街道上设置的一个长度为50厘米的光源，在距离该光源100米范围内的人都可以通过手机与该光源进行交互。另外，本发明的方案不要求CMOS成像设备位于与光标签的固定的距离处，也不要求CMOS成像设备与光标签之间的时间同步，并且不需要对各个条纹的边界和宽度进行精确检测，因此，其在实际的信息传输中具有极强的稳定性和可靠性。

下面讨论基于前述光标签的定位技术。

可以预先在例如服务器上注册光标签的物理尺寸信息和地理位置信息。光标签在工作过程中可以传递其标识信息(例如ID信息)，成像设备可以通过对光标签进行扫描来获得该ID信息，当成像设备获得了光标签的ID信息后，使用ID信息查询服务器，就可以获得光标签所对应的物理尺寸和地理位置，从而进行反向定位。可选地，还可以预先在服务器上注册光标签的其他相关信息，例如朝向信息。

第一实施例

该实施例给出基于光标签的一种定位方法，其使用至少两个光标签，并针对每一个光标签执行如下步骤：

步骤一：使用成像设备采集光标签的ID信息。

步骤二：通过该ID信息查询获得光标签的物理尺寸信息和地理位置信息。

步骤三：采用成像设备的默认焦距对光标签进行拍照，以获得光标签的图像。由于采用的是成像设备的默认焦距，因此拍摄到的光标签图像可能会比较模糊，例如如图16A所示，将该图像灰度化之后提取边缘特征会有很多的纹理信息。

步骤四：调节并优化成像设备的焦距，以获得光标签的清晰图像。例如，可以基于默认焦距，首先尝试增大焦距，如果光标签图像变清晰，就继续增大焦距，如果光标签图像变得模糊，就反方向调节，即减小焦距；反之亦然。在调节过程中，光标签图像逐渐变得清晰，如图16C，直到如图16E所示的情况。在焦距调节过程中，为了确定光标签图像的清晰度，可以对光标签图像进行纹理特征提取，如图16B、16D和16F分别为图16A、图16C和图16E中的光标签图像的纹理信息，可以看出，光标签图像越清晰，所对应的纹理信息越简单，纹理的密度越小，因此，可以根据光标签图像的纹理的密度来确定最优的焦距参数，当经过多次迭代后不能获得更小的纹理密度时，可以认为具有最小的纹理密度的图像是清晰的图像，并将与所获得的最小的纹理密度对应的焦距参数作为最优的焦距参数。

步骤五：基于最优的焦距参数，拍摄光标签的清晰图像，然后，利用简单的透镜物象公式和物像关系，根据光标签的清晰图像的尺寸、光标签的物理尺寸和最优的焦距参数计算成像设备与光标签的相对距离。

在获得了成像设备与至少两个光标签中的每一个的相对距离后，可以利用三角定位法确定成像设备的具体位置信息，也即成像设备在物理世界坐标系中的具体坐标。参见图17，图17为三角定位方法的示意图，其中使用了两个光标签(光标签1和光标签2)进行三角定位。

另外，当使用两个光标签进行三角定位时，通常会获得两个候选位置。在这种情况下，可能需要从这两个候选位置中进行选择。在一个实施方式中，可以结合成像设备(例如，手机)本身的定位信息(例如，GPS信息)来选择其中一个候选位置。例如，可以选择与GPS信息更为接近的一个候选位置。在另一个实施方式中，可以进一步考虑各个光标签的朝向信息，该朝向信息实际上限定了可以观察到光标签的区域，因此，可以基于该朝向信息来选择其中一个候选位置。光标签的朝向信息同样可以存储于服务器，并可以通过光标签的ID信息来查询获得。

上述实施例中以两个光标签为例进行了说明，但本领域技术人员可以理解，上述基于三角定位的方法同样可以适用于三个或更多个光标签的情形。实际上，使用三个或更多个光标签可以实现更为精确的定位，并且通常不会出现多个候选点。

第二实施例

该实施例给出基于光标签的另一种定位方法，与第一实施例不同，该实施例并不需要使用至少两个光标签，而是可以使用仅一个光标签进行反向定位。另外，该实施例也不需要光标签的物理尺寸信息。该实施例的方法包括如下步骤：

步骤一：使用成像设备采集光标签的ID信息。

步骤二：通过该ID信息查询获得光标签的地理位置信息以及其上的多个点的相关信息。该相关信息例如是这些点在光标签上的位置信息以及它们的坐标信息。

步骤三：采用成像设备的默认焦距对光标签进行拍照，以获得光标签的图像。由于采用的是成像设备的默认焦距，因此拍摄到的光标签图像可能会比较模糊，例如如图16A所示，将该图像灰度化之后提取边缘特征会有很多的纹理信息。

步骤四：调节并优化成像设备的焦距。例如，可以基于默认焦距，首先尝试增大焦距，如果光标签图像变清晰，就继续增大焦距，如果光标签图像变得模糊，就反方向调节，即减小焦距；反之亦然。在调节过程中，光标签图像逐渐变得清晰，如图16C，直到如图16E所示的情况。在焦距调节过程中，为了确定光标签图像的清晰度，可以对光标签图像进行纹理特征提取，如图16B、16D和16F分别为图16A、图16C和图16E中的光标签图像的纹理信息，可以看出，光标签图像越清晰，所对应的纹理信息越简单，纹理的密度越小，因此，可以根据光标签图像的纹理的密度来确定最优的焦距参数，当经过多次迭代后不能获得更小的纹理密度时，可以认为具有最小的纹理密度的图像是清晰的图像，并将与所获得的最小的纹理密度对应的焦距参数作为最优的焦距参数。

步骤五：基于最优的焦距参数，拍摄光标签的清晰图像。在获得了光标签的清晰图像后，可以实现如下的反向定位。

参见图18，图18为光标签在成像设备上的成像过程的原理图。以光标签的质心为原点建立物坐标系(X，Y，Z)，以成像设备所在的位置F_c为原点建立像坐标系(x，y，z)，物坐标系也称物理世界坐标系，像坐标系也称为相机坐标系。另外，以光标签图像左上角的点为坐标原点，在光标签的像平面内建立二维坐标系(u，v)，称为像平面坐标系，该像平面与光轴(即Z轴)的交点为主点，(c_x，c_y)为主点在像平面坐标系中的坐标。光标签上的任意一点P在物坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，所对应的像点为q，其在像坐标系中的坐标为(x，y，z)，在像平面坐标系中的坐标为(u，v)。在成像过程中，像坐标系相对于物坐标系不光有位移的改变，还有角度的旋转，假设物坐标系(X，Y，Z)和像坐标系(x，y，z)之间的关系为：

定义变量：x′＝x/z，y′＝y/z；

那么，像平面坐标系中的坐标：u＝f_x*x′+c_x，v＝f_y*y′+c_y；其中，f_x和f_y分别为成像设备在x轴和y轴方向的焦距，c_x，c_y为主点在像平面坐标系中的坐标，f_x、f_y、c_x、c_y都为成像设备内部的参数，可以提前测知。旋转矩阵R和位移矢量t分别表示物坐标系相对于像坐标系的姿态信息(即成像设备相对于光标签的姿态，就是成像设备的中轴线相比光标签的偏向，也称为成像设备相对于光标签的朝向，例如，当成像设备正对光标签时，R＝0)和位移信息(即成像设备与光标签之间的位移)。在三维空间中，旋转可以分解为绕各自坐标轴的二维旋转，如果依次绕x,y,z轴旋转角度ψ，

和θ，那么总的旋转矩阵R是三个矩阵R_x(ψ)，

R_z(θ)的乘积，即：

其中，

为了简单起见，并因为是本领域公知的，在此不再展开计算，仅简单地将旋转矩阵写成如下形式：

而位移矢量t可以简单地写成如下形式，即

于是得到如下关系式：

其中，s为物像转换因子，等于像平面的大小与成像设备分辨率的比值，也是已知的。

根据在步骤二获得的在光标签上的多个点(例如至少四个点A、B、C和D)的相关信息(例如，这些点在光标签上的位置信息)确定这些点在图16E所示的光标签图像中的像点，例如A’、B’、C’和D’。这四个点A、B、C和D例如可以分别在最上面的横向条状光源的左右两端以及最下面的横向条状光源的左右两端，或者分别在左右两侧的定位标识光源的上下两端，或者可以是位于光标签的四个角的四个单独的点光源。该四个点的坐标信息(X_A，Y_A，Z_A)、(X_B，Y_B，Z_B)、(X_C，Y_C，Z_C)和(X_D，Y_D，Z_D)也在上述步骤二中被获得。通过测量对应的四个像点A’、B’、C’和D’在像平面坐标系中的坐标(u_A’，v_A’)、(u_B’，v_B’)、(u_C’，v_C’)和(u_D’，v_D’)，代入上述关系式(2)，求解得到旋转矩阵R和位移矢量t，于是就得到了物坐标系(X，Y，Z)和像坐标系(x，y，z)之间的关系。基于该关系，就可以得到成像设备相对于光标签的姿态信息和位移信息，从而实现对成像设备的定位。具体地，参见图19，图19简化示出了物坐标系与像坐标系之间的关系。然后，根据在上述步骤二中获得的光标签的地理位置信息，借由旋转矩阵R和位移矢量t，就可以计算出成像设备的实际具体位置和朝向，通过位移矢量t确定成像设备的具体位置，旋转矩阵R确定成像设备相对于光标签的朝向。

本说明书中针对“各个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在各个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是非逻辑性的或不能工作。在方法流程中按照一定顺序进行描述的各个步骤并非必须按照该顺序执行，相反，其中的一些步骤的执行顺序可以改变，并且一些步骤可以并发执行，只要不影响方案的实现即可。另外，本申请附图中的各个元素仅仅为了示意说明，并非按比例绘制。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (11)

1.一种基于光标签的定位方法，包括：

针对至少一个光标签中的每一个：

使用成像设备采集光标签的标识信息；

通过所述标识信息查询获得所述光标签的相关信息，所述相关信息包括所述光标签的地理位置信息；

基于所述成像设备的默认焦距拍摄所述光标签的图像；

调节所述成像设备的焦距，直到获得所述光标签的清晰图像，从而确定最优的焦距参数；

至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息；

其中，调节所述成像设备的焦距包括根据光标签图像的清晰度迭代优化焦距；

其中，光标签图像的清晰度的判断包括如下步骤：

提取所述光标签图像的纹理特征；以及

根据所述纹理特征来判断光标签图像的清晰度；

其中，所述纹理特征包括纹理密度，以及其中，最小的纹理密度对应于所述清晰图像。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其中，所述光标签的相关信息还包括所述光标签的物理尺寸。

3.根据权利要求2所述的定位方法，其中，所述至少一个光标签包括两个或更多个光标签，以及其中，所述至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算从而确定所述成像设备的地理位置信息包括：

针对所述两个或更多个光标签中的每一个：

基于光标签的清晰图像确定该光标签的图像尺寸；

基于该光标签的物理尺寸、图像尺寸以及最优的焦距参数确定所述成像设备与该光标签的距离；

基于所述距离和所述两个或更多个光标签中的每一个的地理位置信息进行三角定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

4.根据权利要求3所述的定位方法，其中，所述光标签的相关信息还包括所述光标签的朝向信息，并且所述朝向信息与所述三角定位计算的结果相结合，以确定所述成像设备的地理位置信息。

5.根据权利要求1所述的定位方法，其中，所述光标签的相关信息还包括所述光标签上的至少四个点的坐标信息以及所述至少四个点在所述光标签上的位置信息。

6.根据权利要求5所述的定位方法，其中，所述至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算从而确定所述成像设备的地理位置信息包括：

基于所述至少四个点在所述光标签上的位置信息来确定在所述清晰图像上与所述至少四个点对应的至少四个像点；

基于所述至少四个点的坐标信息、所述至少四个像点、所述最优的焦距参数计算物坐标系与像坐标系之间的关系，以确定所述成像设备相对于所述光标签的位移信息，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

7.根据权利要求6所述的定位方法，其中，还基于所述至少四个点的坐标信息、所述至少四个像点、所述最优的焦距参数计算物坐标系与像坐标系之间的关系，以确定所述成像设备相对于所述光标签的姿态信息，从而确定所述成像设备相对于所述光标签的朝向。

8.根据权利要求6或7所述的定位方法，其中，所述计算物坐标系与像坐标系之间的关系包括使用如下等式：

其中R为旋转矩阵，其指示所述成像设备相对于所述光标签的姿态信息，t为位移矢量，其指示所述成像设备相对于所述光标签的位移信息，X,Y,Z为光标签上的点在物坐标系中的坐标，以及x,y,z为相应的像点在像坐标系中的坐标。

9.一种基于光标签进行定位的成像设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时能够用于实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时能够用于实现权利要求1-8中任一项所述的方法。

11.一种基于光标签的定位系统，包括：

用于针对至少一个光标签中的每一个执行如下步骤的模块：

使用成像设备采集光标签的标识信息；

通过所述标识信息查询获得所述光标签的相关信息，所述相关信息包括所述光标签的地理位置信息；

基于所述成像设备的默认焦距拍摄所述光标签的图像；

调节所述成像设备的焦距，直到获得所述光标签的清晰图像，从而确定最优的焦距参数；其中，调节所述成像设备的焦距包括根据光标签图像的清晰度迭代优化焦距；其中，光标签图像的清晰度的判断包括：提取所述光标签图像的纹理特征，并根据所述纹理特征来判断光标签图像的清晰度；其中，所述纹理特征包括纹理密度，以及其中，最小的纹理密度对应于所述清晰图像；

反向定位模块，其至少基于所述至少一个光标签的所述相关信息、所述清晰图像以及所述最优的焦距参数进行反向定位计算，从而确定所述成像设备的地理位置信息。

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