CN110531318B - 一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元id的方法 - Google Patents

一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元id的方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种用于可见光成像定位扩展发光单元ID的方法,属于可见光定位过程中ID识别及定位技术领域。包括：1)确定发光单元与CMOS传感器的工作距离；2)确定最佳曝光时间和ISO值；3)确定能正确识别的最小频率的依据和准则；4)确定能识别的最高频率；5)确定进行或运算的两方波间的最小频率间隔；6)对两不同频率方波进行或运算得到新方波再通过单片机调制发光单元按照或运算后的方波时序打开关闭；7)CMOS传感器拍摄照片,记录发光单元传输的信息；8)对照片进行图像处理解出该照片对应的ID；9)基于数据库得出对应发光单元的位置信息。本方法能为更多发光单元提供ID；ID识别及定位的准确率更高。

Description

一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法
技术领域
本发明具体涉及一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法,属于室内可见光定位以及位置识别技术领域。
背景技术
人们对于位置服务的需求日益增长。美国全球定位系统(GPS)可以满足人们在室外的定位需求。由于建筑物的遮挡，卫星信号在室内会衰减，无法在室内准确定位。研究室内定位具有很大的价值。因此一系列基于不同原理的室内定位系统，如基于无线局域网(WLAN)定位技术、基于超声波的定位技术、基于超宽带(UWB)的定位技术、基于红外(IR)的定位技术、基于蓝牙(Bluetooth)的定位技术和基于惯性导航的定位技术被提出。发光二极管(LED)随着固体光源技术的发展应用越来越普遍。与传统的光源相比，LED具有能量利用率高，功耗低、绿色环保以及使用寿命长等优势。除此之外，LED还具有可被调制的优点，因此具有传输信息的能力。基于可见光通信技术(VLC)的定位技术因为在定位的同时可以实现照明，不需要额外硬件，定位精度高功耗低，无污染，成本低等优势得到了研究者的关注。
目前，已有很多成熟的高精度高鲁棒性的室内定位算法。LED ID主要为LED调制不同的频率；调制单一频率只能为20-30个LED提供ID，不满足当前在大环境如停车场定位需要分辨大量ID的实际需要。LED调制长编码作为ID，可以为大量LED提供ID，但是该方法识别编码过程中容易发生错误，而识别的ID过程中产生一位错误，定位就会错误。
发明内容
针对现有技术中的上述在大环境如停车场定位需要分辨大量ID时，需提供大量LEDID，现有技术识别编码过程中容易发生错误，而识别的ID过程中产生一位错误，定位就会错误，为弥补这一技术缺陷，提出了一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法，能够为大量LED提供ID，且识别准确率高。
本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法依托的可见光室内成像定位系统包括单片机控制端、发光单元、移动终端以及数据库；
其中，单片机控制端与发光单元相互连接；
移动终端带有CMOS图像传感器，包括但不限于手机、机器人以及自动驾驶小车；
数据库包含所有ID和其对应发光单元的位置信息；
单片机控制端调制发光单元按照某一波形时序打开关闭；CMOS图像传感器在照片中记录发光单元传输的信息；
所述用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法，包括如下步骤：
步骤一，确定LED与CMOS图像传感器的工作距离；
步骤二，确定最佳的CMOS图像传感器的曝光时间和ISO值；
其中，设置不同的曝光时间和ISO值参数使得照片中亮暗条纹对比度最大，即亮条纹和暗条纹之间的灰度值差异最大时的曝光时间和ISO值为依托的可见光室内成像定位系统中的最佳值；
其中，最佳的CMOS图像传感器的曝光时间，简称曝光时间，记为t；
步骤三，确定当前条件下能正确识别的最小频率的依据和准则；
其中，依据和准则为：卷帘快门效应下，LED调制频率高，则LED打开或关闭的时间短，照片中记录相应的条纹窄；反之，LED调制频率低，LED打开或关闭的时间长，照片中记录相应的条纹宽，故条纹宽度不随工作距离的改变而改变；因此，卷帘快门效应下，条纹宽度不随工作距离的改变而改变，而发光单元成像的大小随着工作距离的增加而减小，会使得照片中可观察到的条纹数量减少；
其中，能正确识别出的最小频率是指在最大工作距离时，使图像中至少有2组亮暗条纹对应的频率；
步骤四，确定当前条件下，能够识别的最高频率；
其中，最高频率，记为fmax；fmax与曝光时间t满足t<1/2fmax,且能以正确识别出此频率即为所求；
步骤五，确定进行或运算的两方波之间的最小频率间隔；
其中，两方波之间的最小频率间隔具体通过如下操作实现：
使得两个不同频率方波的傅里叶频谱图中主峰的位置相近会有两峰彼此相邻无法区分。当刚好能够辨别出两个主峰时，该两个主峰对应的两个频率的差值即为所求的最小频率间隔；
其中，两峰彼此相邻无法区分具体实施时是指两频率相近方波，其傅里叶频谱图中主峰的位置相邻，当两峰位置过于接近则无法区分；
通过可识别的最小频率、最大频率以及频率间隔即可算出能够提供的ID数量；
步骤六，对于两不同频率方波进行或运算得到一列新的方波，再通过单片机调制发光单元按照或运算后的方波时序打开关闭；
步骤七，CMOS图像传感器拍摄照片，照片中记录发光单元传输的信息；
步骤八，对步骤七拍摄的照片进行图像处理，解出该照片对应的ID；
其中，图像处理具体包括如下子步骤：
步骤8.a)灰度化处理；
步骤8.b)二值化处理；
步骤8.c)闭处理，得到类圆形；
步骤8.d)计算圆心和直径；
步骤8.e)只保留包含信息的部分；
步骤8.f)进行傅里叶变换，得到傅里叶频谱图；并基于傅里叶频谱图中较高的峰的位置来解出ID；
其中，较高的峰为傅里叶频谱图中前三个高峰中的两个；
步骤九，解出ID后，基于数据库得出对应发光单元的位置信息。
有益效果
本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法，与现有发光单元ID设计方法相比，具有如下有益效果：
1.与常用的发光单元调制单一频率作为ID相比，本方法可以为更多发光单元提供ID，满足当前在大面积场合内定位需要部署大量灯具的需求；
2.与长编码作为发光单元ID相比，本方法识别准确率更高，提升定位正确率。
附图说明
图1为本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法依托的可见光成像室内定位系统组成框图；
图2为本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法步骤六具体实施时两个不同频率方波或运算的示意图；
图3为本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法步骤七调制发光单元传输两方波或运算后的方波时拍摄的LED照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法进行详细说明，并参照附图说明本发明实施方式。
实施例1
本实施例采用本发明的所述方法在室内构建一个小型定位系统。本实施例所述的本系统如发明主体所描述的一样，包括单片机控制端，发光单元以及移动终端，且移动终端带有CMOS图像传感器。
图1中本发明所依托的基于可见光成像室内定位系统框图中控制端为STM32单片机并且与发光单元相连接。发光单元为直径是17厘米的筒灯。移动终端是华为P10手机，使用后置CMOS图像传感器拍摄。数据库中存储每个发光单元的ID和对应的发光单元位置信息。
步骤a,室内建筑层高大约在2.5米到4米之间，成人手持手机的高度约在1.3米左右，所以确定发光单元与CMOS图像传感器之间的工作距离为2米。
步骤b，在当前条件下，调制发光单元以任意一个频率工作。分别设置图像传感器的曝光时间为1\10000s,1\8800s,1\6800s，并拍摄照片，亮暗条纹的灰度值相差最大的照片所对应的曝光时间即为所求，此时CMOS的曝光时间为1/10000秒。分别设置ISO值为25,64,100,200，拍摄照片，亮暗条纹灰度值相差最大的照片所对应的ISO值即为所求，此时CMOS的ISO值为64。
步骤c，根据卷帘快门效应，发光单元调制频率小，所形成的条纹宽；工作距离越远，发光单元所成的像越小，一帧照片中所包含的条纹数量越少。为保证正确识别出频率，一帧照片中至少有两组完整的亮暗条纹。在当前条件下，经实验可以正确识别的最小频率为200Hz。
步骤d，为形成清晰的条纹，至少要满足t<1/2f，其中t为每行像素的曝光时间，f为发光单元调制频率。符合上述条件的同时，要可以进行傅里叶变换后能正确解出频率。经实验确定可以正确识别的最大频率为6000hz。
步骤e,对拍摄发光单元的照片进行傅里叶变换，得到的傅里叶频谱图中的峰值，其形状类似山峰形状，有一定宽度。调制发光单元传输以频率间隔分别为200Hz,300Hz,400Hz,500Hz,600Hz的两个频率或运算后的波形，分别对照片进行傅里叶变换，可以正确区分两个主峰的最小频率间隔即为所求。经实验确定可以识别的两频率间最小频率间隔为400Hz。基于以上，得到所有可以利用的频率资源。
600Hz，1400Hz，2200Hz，3000Hz，3800Hz，4600Hz,5400Hz任意两两组合，共产生21种ID。
1000Hz，1800Hz，2600Hz，3400Hz，4200Hz，5000Hz,5800Hz任意两两组合，共产生21种ID。
600Hz分别与1800Hz，2600Hz，3400Hz，4200Hz，5000Hz,5800Hz组合，共产生6种ID。
1400Hz分别与2600Hz，3400Hz，4200Hz，5000Hz,5800Hz组合，共产生5种ID。
2200Hz分别与3400Hz，4200Hz，5000Hz,5800Hz组合，共产生4种ID。
3000Hz分别与4200Hz，5000Hz,5800Hz组合，共产生3种ID。
3800Hz与5000Hz,5800Hz组合，产生2种ID。
4600Hz与5800Hz组合，产生1种ID。
1000Hz分别与2200Hz，3000Hz，3800Hz，4600Hz,5400Hz组合，共产生5种ID。
1800Hz分别与3000Hz，3800Hz，4600Hz,5400Hz组合，共产生4种ID。
2600Hz分别与3800Hz,4600Hz，5400Hz组合，共产生3种ID。
3400Hz与4600Hz,5400Hz组合，产生2种ID。
4200Hz与5400Hz组合，产生1种ID。
组合ID共计78种，单频率ID14种，总共可以为92个发光单元提供ID。与只使用单频率方案相比可提供的ID数量提升了557％。
步骤f，LED依次调制各可用单频率，拍摄照片，得到相应的傅里叶频谱图，记录最高峰的位置。在步骤e解出的合适频率范围任意选择两个频率，对两个频率方波进行或运算。例如对500Hz和1500Hz进行或运算，得到的新的方波如图2所示。调制LED传输得到的新的方波。
步骤g，用手机拍摄此时的LED，照片如图3所示。
步骤f，对步骤g中的照片进行处理。手机的CMOS图像传感器拍摄的是RGB三通道格式的照片，首先对其进行灰度化处理。接着找到合适的阈值，进行二值化处理，使像素值只有0和1。接着构造一个圆形结构元素，利用该圆形结构对图像进行闭处理，形成类圆形。接着计算圆形的圆心及高和宽。接着由圆形的高和宽计算出圆形的直径，进一步计算出半径。根据圆心和半径提取出包含信息的区域。对信息区域的其中几行进行傅里叶变换得到傅里叶变换频谱图。记录较高峰的位置，在步骤f得到的单频率的傅里叶频谱图的较最高峰位置进行搜索，找到位置相同的峰对应的频率，最后得到由两个频率组合形成的发光单元的ID。最后根据ID，在数据库中检索出对应的发光单元的位置信息。进一步可根据各种不同的定位算法，解算出手机所在的实际位置，完成定位。
经实验，在当前条件下，50次不同实验，都能正确得到发光单元的ID。在使用曼彻斯特编码为发光单元提供ID的方法中，如果提供92个ID，基本编码长度至少为7位，进行曼彻斯特编码后长度为14位，为了确定编码的起始和结束，需要添加一个帧头，如10001或01110，长度至少为5位。所以分辨各发光单元需要正确识别24位长度的编码。随机拍摄一帧照片，使这一帧照片一定包含完整的信息，一帧照片中条纹数量至少为48。这要求发光单元以较高频率传输信息，使得形成的亮暗条纹宽度较窄。这增加了解码的错误概率。24位的信息，即使只有一位解码错误，就会造成获得的ID错误。定位必然发生错误。在类似的实验条件下，长编码作为发光单元的ID，存在约5％的识别错误率，错误率随编码长度和工作距离的增加而增加。有时，由于编码长度过长，需要用两帧照片完成传输，存在一定错误率的同时，大大降低了定位的速度。
本实施例在10平方米大小的室内空间中进行实验，本方法可以为较多的发光单元提供ID，可以应用在大面积场合内进行定位，其实施方法与在小面积场合内的实施方法相同。
上述实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法,其特征在于：依托的可见光室内成像定位系统包括单片机控制端、发光单元、移动终端以及数据库；
其中，单片机控制端与发光单元相互连接；
移动终端带有CMOS图像传感器，包括但不限于手机、机器人以及自动驾驶小车；
数据库包含所有ID和其对应发光单元的位置信息；
单片机控制端调制发光单元按照某一波形时序打开关闭；CMOS图像传感器在照片中记录发光单元传输的信息；
所述扩展发光单元ID的方法，包括如下步骤：
步骤一，确定LED与CMOS图像传感器的工作距离；
步骤二，确定最佳的CMOS图像传感器的曝光时间和ISO值；
其中，最佳的CMOS图像传感器的曝光时间，简称曝光时间，记为t；
步骤三，确定当前条件下能正确识别的依据和准则；
其中，依据和准则为：卷帘快门效应下，LED调制频率高，则LED打开或关闭的时间短，照片中记录相应的条纹窄；反之，LED调制频率低，LED打开或关闭的时间长，照片中记录相应的条纹宽，故条纹宽度不随工作距离的改变而改变；因此，卷帘快门效应下，条纹宽度不随工作距离的改变而改变，而发光单元成像的大小随着工作距离的增加而减小，会使得照片中可观察到的条纹数量减少；
其中，能正确识别出的最小频率是指在最大工作距离时，使图像中至少有2组亮暗条纹对应的频率；
步骤四，确定当前条件下，能够识别的最高频率；
其中，最高频率，记为fmax；fmax与曝光时间t满足t<1/2fmax,且能以正确识别出此频率即为所求；
步骤五，确定进行或运算的两方波之间的最小频率间隔；
其中，两方波之间的最小频率间隔具体通过如下操作实现：
使得两个不同频率方波的傅里叶频谱图中主峰的位置相近会有两峰彼此相邻无法区分；当刚好能够辨别出两个主峰时，该两个主峰对应的两个频率的差值即为所求的最小频率间隔；
步骤六，对于两不同频率方波进行或运算得到一列新的方波，再通过单片机调制发光单元按照或运算后的方波时序打开关闭；
步骤七，CMOS图像传感器拍摄照片，照片中记录发光单元传输的信息；
步骤八，对步骤七拍摄的照片进行图像处理，解出该照片拍摄的发光单元对应的ID；
其中，图像处理具体包括如下子步骤：
步骤8.a)对步骤七拍摄照片进行灰度化处理；
步骤8.b)将步骤8.a)灰度化处理后的图片进行二值化处理；
步骤8.c)将步骤8.b)二值化处理后的图片进行闭处理，得到近似圆形区域；
步骤8.d)计算步骤8.c)得到近似圆形区域的圆心和直径；
步骤8.e)只保留近似圆形区域包含的信息；
步骤8.f)对步骤8.e)保留的信息进行傅里叶变换，得到傅里叶频谱图；并基于傅里叶频谱图中较高的峰的位置来解出ID；
其中，较高的峰为傅里叶频谱图中前三个高峰中的两个；
其中，所解出的ID，即步骤七拍摄照片中发光单元对应的ID；
步骤九，解出ID后，基于数据库得出对应发光单元的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于可见光成像室内定位扩展发光单元ID的方法,其特征在于：步骤二中，设置不同的曝光时间和ISO值参数使得照片中亮暗条纹对比度最大，即亮条纹和暗条纹之间的灰度值差异最大时的曝光时间和ISO值为依托的可见光室内成像定位系统中的最佳值。
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