CN111044055A - 室内定位方法及室内定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位方法及室内定位装置。室内定位方法，包括：在室内设置特征编码图案，特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；获取包含特征编码图案的拍摄图像，并确定拍摄图像的拍摄焦距、拍摄俯仰角和拍摄滚转角；识别拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标；获取各个特征点在拍摄拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；基于拍摄焦距、拍摄俯仰角、拍摄滚转角以及各个特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取图像探测器的室内定位信息。采用本发明，只需采集单个特征编码图案即可完成定位，降低了图像处理的复杂度和功耗。

Description

室内定位方法及室内定位装置

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种室内定位方法及室内定位装置。

背景技术

随着移动互联网和定位导航技术的发展，位置信息在日常生活、公共服务和工业生产等领域中的应用日益增加，越来越受到人们的重视。当前，基于卫星信号的全球定位系统(如GPS、北斗等)已经得到普及具有非常广泛的应用。然而，在室内或地下环境中，由于卫星信号受到衰减或遮档，定位服务不再有效，形成了定位盲区。针对这一问题，逐渐出现了基于Wi-Fi(无线保真)、蓝牙、超声、红外、超宽带、计算机视觉和激光雷达等原理的室内定位方法，但是上述各种室内定位方法，仍然存在布设成本高、定位精度和可靠性低的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种室内定位方法及室内定位装置，用以解决现有技术中室内定位精度低、可靠性低、成本较高、布设困难、难以大规模使用的问题。

根据本发明实施例的室内定位方法，包括：

在室内设置特征编码图案，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距、拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标；

获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

根据本发明的一些实施例，所述在室内设置特征编码图案，包括：

在室内的照明光源上贴设所述特征编码图案。

在本发明的一些实施例中，所述特征编码图案为彩色透光件，所述编码点的颜色为第一系列颜色，所述特征点的颜色为第二系列颜色，所述第一系列颜色与所述第二系列颜色不同。

进一步的，所述彩色透光件为彩色滤光片、彩色透明不干胶、或彩色透明亚克力板。

在本发明的一些实施例中，所述编码点的形状为第一形状，所述特征点的形状为第二形状，所述第二形状与所述第一形状不同。

根据本发明的一些实施例，所述获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，包括：

采集室内图像，判断所述室内图像是否包含所述多个特征点，若是，则确定所述室内图像为包含所述特征编码图案的拍摄图像。

在本发明的一些实施例中，所述识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，包括：

获取所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案中多个编码点构成第一对应关系，以及所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案上各个特征点在室内的空间坐标构成的第二对应关系；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并基于所述第一对应关系，确定所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息；

基于所述第二对应关系，根据所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息，确定所述拍摄图像上特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标。

进一步的，所述多个特征点包括第一特征点、第二特征点以及第三特征点；

所述基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息，包括：

基于所述第一特征点的投影坐标(x″_p1,y″_p1)、所述第二特征点的投影坐标(x″_p2,y″_p2)、所述第三特征点的投影坐标(x″_p3,y″_p3)、所述拍摄俯仰角γ、所述拍摄滚转角β、所述拍摄焦距f，根据公式1计算所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)以及所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)，根据公式2计算所述拍摄图像的拍摄方位角θ，

基于所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)、所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)以及所述拍摄方位角θ，根据公式3计算所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)、所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，根据公式4计算所述拍摄图像的拍摄高度h，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)以及所述拍摄图像的拍摄高度h，求解公式5，获得所述图像探测器在室内的空间坐标(x,y,h)，

其中：

根据本发明实施例的室内定位装置，包括：

特征编码图案，设于室内，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

图像探测器，用于获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距；

角度探测器，用于获取所述拍摄图像的拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

特征编码识别器，与所述图像探测器通讯连接，所述特征编码识别器用于识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，并获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

定位器，与所述图像探测器、角度探测器、特征编码识别器均通讯连接，所述定位器用于基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

根据本发明的一些实施例，所述特征编码图案设于所述室内的照明光源。

采用本发明实施例，无需附加调制电路等与电源、网络相关的额外硬件，只需采集单个特征编码图案即可完成定位，降低了图像处理以及设备硬件和布设的复杂度和功耗。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中室内定位方法的流程图；

图2是本发明实施例中室内定位装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中特征编码图案的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，根据本发明实施例的室内定位方法，包括：

S1，在室内设置特征编码图案，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

S2，获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距、拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

S3，识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标；

S4，获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

S5，基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

采用本发明实施例，无需附加调制电路等与电源、网络相关的额外硬件，只需采集单个特征编码图案即可完成定位，降低了图像处理以及设备硬件和布设的复杂度和功耗。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述在室内设置特征编码图案，包括：

在室内的照明光源上贴设所述特征编码图案。

照明光源可以是人工光源如室内的照明灯，也可以是自然光源如天窗。

一个照明光源可以设有一个或多个特征编码图案，特征编码图案为最小定位单位，而不是以一个照明光源为最小定位单位，因此对照明光源的种类、大小和形状没有限制，适用性更强。另外，当一个照明光源设有多个特征编码图案，获取包含所述特征编码图案的拍摄图像可以理解为获取包含一个特征编码图案的拍摄图像。只需保证拍摄图像中有一个完整的特征编码图案。

在本发明的一些实施例中，所述特征编码图案为彩色透光件，所述编码点的颜色为第一系列颜色，所述特征点的颜色为第二系列颜色，所述第一系列颜色与所述第二系列颜色不同。

进一步的，所述彩色透光件为彩色滤光片、彩色透明不干胶、或彩色透明亚克力板。

在本发明的一些实施例中，所述编码点的形状为第一形状，所述特征点的形状为第二形状，所述第二形状与所述第一形状不同。

根据本发明的一些实施例，所述获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，包括：

采集室内图像，判断所述室内图像是否包含所述多个特征点，若是，则确定所述室内图像为包含所述特征编码图案的拍摄图像。

在本发明的一些实施例中，所述识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，包括：

获取所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案中多个编码点构成第一对应关系，以及所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案上各个特征点在室内的空间坐标构成的第二对应关系；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并基于所述第一对应关系，确定所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息；

基于所述第二对应关系，根据所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息，确定所述拍摄图像上特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标。

进一步的，所述多个特征点包括第一特征点、第二特征点以及第三特征点。第一特征点、第二特征点与第三特征点间隔排布，第一特征点和第二特征点的连线与第一特征点和第三特征点的连线垂直。

所述基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息，包括：

基于所述第一特征点的投影坐标(x″_p1,y″_p1)、所述第二特征点的投影坐标(x″_p2,y″_p2)、所述第三特征点的投影坐标(x″_p3,y″_p3)、所述拍摄俯仰角γ、所述拍摄滚转角β、所述拍摄焦距f，根据公式1计算所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)以及所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)，根据公式2计算所述拍摄图像的拍摄方位角θ，

基于所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)、所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)以及所述拍摄方位角θ，根据公式3计算所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)、所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，根据公式4计算所述拍摄图像的拍摄高度h，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)以及所述拍摄图像的拍摄高度h，求解公式5，获得所述图像探测器在室内的空间坐标(x,y,h)，

其中：

根据本发明实施例的室内定位装置，包括：

特征编码图案，设于室内，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

图像探测器，用于获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距；

角度探测器，用于获取所述拍摄图像的拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

特征编码识别器，与所述图像探测器通讯连接，所述特征编码识别器用于识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，并获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

定位器，与所述图像探测器、角度探测器、特征编码识别器均通讯连接，所述定位器用于基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

采用本发明实施例，发射端使用被动器件(即特征编码图案)，没有任何功耗，接收端无需通过成像通信的方式对光源进行识别，而是采用特征编码图案的方式得到用于定位的特征点信息，降低了接收端图像处理以及设备硬件和布设的复杂度和功耗。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述特征编码图案设于所述室内的照明光源。

在本发明的一些实施例中，所述特征编码图案为彩色透光件，所述编码点的颜色为第一系列颜色，所述特征点的颜色为第二系列颜色，所述第一系列颜色与所述第二系列颜色不同。

进一步的，所述彩色透光件为彩色滤光片、彩色透明不干胶、或彩色透明亚克力板。

在本发明的一些实施例中，所述编码点的形状为第一形状，所述特征点的形状为第二形状，所述第二形状与所述第一形状不同。

根据本发明的一些实施例，所述图像探测器，用于：

采集室内图像，判断所述室内图像是否包含所述多个特征点，若是，则确定所述室内图像为包含所述特征编码图案的拍摄图像。

在本发明的一些实施例中，所述特征编码识别器，用于：

获取所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案中多个编码点构成第一对应关系，以及所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案上各个特征点在室内的空间坐标构成的第二对应关系；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并基于所述第一对应关系，确定所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息；

基于所述第二对应关系，根据所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息，确定所述拍摄图像上特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标。

进一步的，所述多个特征点包括第一特征点、第二特征点以及第三特征点；

所述定位器，用于：

基于所述第一特征点的投影坐标(x″_p1,y″_p1)、所述第二特征点的投影坐标(x″_p2,y″_p2)、所述第三特征点的投影坐标(x″_p3,y″_p3)、所述拍摄俯仰角γ、所述拍摄滚转角β、所述拍摄焦距f，根据公式1计算所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)以及所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)，根据公式2计算所述拍摄图像的拍摄方位角θ，

基于所述第一特征点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x'_p2,y'_p2)、所述第三特征点的补偿坐标(x'_p3,y'_p3)以及所述拍摄方位角θ，根据公式3计算所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)、所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，根据公式4计算所述拍摄图像的拍摄高度h，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)以及所述拍摄图像的拍摄高度h，求解公式5，获得所述图像探测器在室内的空间坐标(x,y,h)，

其中：

下面参照图2-图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的室内定位方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

随着移动互联网和定位导航技术的发展，位置信息在日常生活、公共服务和工业生产等领域中的应用日益增加，越来越受到人们的重视。当前，基于卫星的全球定位系统已经得到广泛应用。然而在室内或地下环境中，由于信号遮挡和衰减的影响，卫星定位技术并不能得到有效应用。近年来，针对室内定位需求与技术的矛盾，国内外陆续出现了基于WiFi、蓝牙、超宽带、计算机视觉、激光雷达和超声等原理的室内定位技术。但是受技术原理限制，这些技术在精度、稳定性、成本等方面存在一定缺陷。

作为一种新兴的室内定位技术，可见光定位技术以可见光波段的光信号为载体，可以利用室内已有的照明光源获取高精度的位置信息，具有高精度、低成本、低功耗和无电磁干扰等优势，可用于日常生活、公共服务、商业、工业自动化等领域。

当前可见光定位技术根据接收端使用探测器的不同，大致可以分为基于光电探测器的非成像型可见光定位和基于图像探测器的成像型可见光定位两种。由于光电探测器成本低廉，通常适合工业领域的应用。另一方面，由于智能手机等个人移动终端大多集成有图像探测器，成像型可见光定位更适合于日常生活、公共服务和商业应用。

对于当前的成像型可见光定位技术，通常需要使用人造光源，并对照明光源的电路进行改造(如CN 105548964 A一种基于光源成像的室内可见光定位方法)，在具有较高硬件成本的同时需要对室内环境进行装修改造。另一方面，在当前的成像型可见光定位技术中，光源的身份信息通常是通过成像通信的方式传输(如CN 105548964 A用于可见光成像定位的条纹识别和信息检测算法)，需要进行较为复杂的图像和信号处理，在接收端具有较高的功耗和运算资源消耗，这些都影响了定位系统的大规模推广和使用。

为解决目前成像型可见光定位技术需要在特定照明光源上附加调制电路，且需要进行复杂信号传输和图像处理的不足，本发明实施例提供一种室内定位方法。

如图2所示，本发明实施例的室内定位方法依托的室内定位装置包括发射端和接收端两个部分，

发射端包括照明光源和特征编码图案，在提供照明的基础上为接收端提供位置参照。

具体而言，如图3所示，在照明光源表面附加有特征编码图案，特征编码图案包括特征点(图3中标记A的点)和编码点(图3中标记B的点)。特征编码图案由彩色透光材料制作，例如彩色滤光片、彩色透明不干胶、彩色透明亚克力板等。特征点的数量不小于三个，具有特定的颜色和相对位置，用于特征编码图案的识别和标定，并为定位器提供定位参考点。实际使用时，各特征点可以使用同一种颜色，也可以使用不同颜色。编码点位于特征点之间，编码长度可变，通过编码点组成的编码序列记录特征编码图案的身份信息，后续对编码序列解码，可以得到特征编码图案独一无二的身份信息。各个编码点可以是同一种颜色，也可以是不同颜色。需要注意的是，编码点和特征点使用的颜色不应重复，以免影响特征点的识别和编码点的解码。

所有特征编码图案的身份信息及其内部各特征点的空间坐标信息组成数据库。对于每个特征编码图案，通过识别其身份信息，即可通过数据库得到其中各个特征点的空间坐标。

特征点和编码点所组成的图案可以是图3中的方形，也可以是六边形、圆形等其他形状。

每个照明光源表面可以有一个特征编码图案或多个特征编码图案，特征编码图案之间互不重叠。定位方法以一个特征编码图案为最小定位单位，接收端只需要采集到单个编码图案的图像即可完成定位。

照明光源可以是人工光源如室内的照明灯，也可以是自然光源如天窗。

接收端包括图像探测器、角度探测器、特征编码识别器和定位器。其中图像探测器的作用是采集包含特征编码图案的彩色图像，并在采集图像时，记录成像系统的焦距等拍摄信息。角度探测器的作用是在图像探测器采集图像的同时，记录接收端的俯仰角和滚转角。

特征编码识别器的功能包括特征点识别和编码识别两个部分。特征点识别是根据各特征点特有的颜色和相对位置特征识别拍摄的图像中是否包含完整的特征编码图案。若没有，则继续采集。若有，则在采集的图像中根据各特征点的颜色和相对位置特征识别各个特征点在图像探测器上的投影点，并记录各个特征点的投影点坐标。编码识别是对编码序列进行解码，得到特征编码图案的身份信息，并进一步通过查询数据库，得到该特征编码图案中各个特征点的空间坐标。

定位器的作用是结合特征编码图案中各个特征点的空间坐标、各个特征点的投影点坐标、图像探测器表各像素实际大小和焦距等拍摄参数、接收端的俯仰角和滚转角，根据单目相机成像原理列出定位方程组并求解，即可得到图像探测器的三维空间坐标和方位角，即完成了对接收端的三维定位和方向测量。

室内定位方法具体包括：

第一步：拍摄图像，同时用角度传感器测量接收端此时的俯仰角γ和滚转角β；

第二步：识别图像中特征图案的特征点A和编码点B，通过对编码点B进行解码，识别光源，通过数据库检索得到至少3个特征点A的坐标(x₁,y₁,z),(x₂,y₂,z),(x₃,y₃,z)(此处假设三个特征点高度相同)；

第三步：识别所采集图像中三个特征点A对应的三个投影点在图像探测器上的坐标((x″_p1,y″_p1)、(x″_p2,y″_p2)、(x″_p3,y″_p3)坐标值＝对应坐标轴方向的像素个数×像素宽度)，由于这三个坐标会受到俯仰角和滚转角的影响。需要结合第一步测量的俯仰角γ和滚转角β，由下公式分别得到三个投影点的补偿坐标(x'_p1,y'_p1)、(x'_p2,y'_p2)、(x'_p3,y'_p3)，注意公式中的f代表图像探测器拍摄图像时的焦距：

第四步：选取两个特征点A及其对应投影点的补偿坐标，由下公式得到接收端的方位角θ：

第五步：结合三个特征点A对应投影点的补偿坐标和接收端的方位角θ，由下公式分别得到三个投影点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、(x_p2,y_p2)、(x_p3,y_p3)：

第六步：选取三个特征点A及其对应投影点的再补偿坐标，由下公式得到接收端的高度坐标h：

第七步：选取三个特征点A及其对应投影点的再补偿坐标，列出定位方程组如下：

其中：

第八步：求解第七步中的方程组，得到的(x,y)即为接收端的二维坐标，结合之前获得的高度坐标和方位角，最终得到接收端的三维坐标(x,y,h)和方位角θ。

本发明实施例的室内定位方法，有以下有益效果：

1)在定位系统中，发射端无需附加调制电路等与电源、网络相关的额外硬件，硬件布设成本低；

2)定位系统发射端除了可以利用室内已有的照明光源外，还可以利用天窗等自然光源。而且在定位系统中，定位方法以一个特征编码图案为最小定位单位，而不是以一个照明光源为最小定位单位，因此对照明光源的种类、大小和形状没有限制，适用性更强。

同现有技术“用于可见光成像定位的条纹识别和信息检测算法”相比，具有以下有益效果：

1)发射端除了环境中已有的照明光源之外，使用被动器件(特征编码图案)，没有任何功耗；

2)接收端无需通过成像通信的方式对照明光源进行识别，降低了接收端图像处理的复杂度和功耗。

本发明实施例的室内定位方法的关键点包括：

1.一种基于照明光源特征编码的室内可见光定位方法，其特征在于，由发射端和接收端组成。发射端包括照明光源和特征编码图案，在提供照明的为定位系统提供位置参照。接收端包括图像探测器、角度探测器、特征编码识别器和定位器。

2.在实际的定位过程中，当接收端采集到包含有某一个完整的特征编码图案的图像时，利用特征编码识别器和定位器，即可完成对其自身的定位和定向。

3.特征编码图案包含彩色透明的特征点和编码点，特征点用于特征编码图案的识别和标定，并为定位器提供定位参考点。编码点通过序列的方式，用于表示每个特征编码图案独一无二的身份信息。特征点和编码点可以是一种颜色或多种颜色。

4.特征编码图案附着在照明光源表面，照明光源可以是照明灯等人工光源，也可以是天窗等自然光源。一个照明光源表面可以有一个或者多个特征编码图案。特征编码图案的形状可以是方形、六边形、圆形等多种形状。

5.图像探测器的作用是采集包含特征编码图案的图像，并记录采集时的成像系统焦距等拍摄数据。角度探测器的作用是在图像探测器采集图像的同时，采集接收端的俯仰角和滚转角。

6.特征编码识别器的作用是对采集到的特征编码图案进行特征点识别和编码识别，特征点识别指的是对特征编码图案中的特征点进行识别，并获得各特征点在图像探测器表面投影点的投影点坐标。编码识别指的是对特征编码图案中的编码点进行解码，获取特征编码图案的身份信息，并进一步得到其上各个特征点的空间坐标。

7.定位器的作用是根据特征编码图案中各个特征点的空间坐标、各个特征点的投影点坐标、图像探测器表面各像素实际大小和焦距、接收端的俯仰角和滚转角，求解得到接收端的空间坐标和方位角，即完成对接收端的三维定位和方向测量。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括：

在室内设置特征编码图案，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距、拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标；

获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在室内设置特征编码图案，包括：

在室内的照明光源上贴设所述特征编码图案。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特征编码图案为彩色透光件，所述编码点的颜色为第一系列颜色，所述特征点的颜色为第二系列颜色，所述第一系列颜色与所述第二系列颜色不同。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述彩色透光件为彩色滤光片、彩色透明不干胶、或彩色透明亚克力板。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述编码点的形状为第一形状，所述特征点的形状为第二形状，所述第二形状与所述第一形状不同。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，包括：

采集室内图像，判断所述室内图像是否包含所述多个特征点，若是，则确定所述室内图像为包含所述特征编码图案的拍摄图像。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，包括：

获取所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案中多个编码点构成第一对应关系，以及所述特征编码图案的身份信息与该特征编码图案上各个特征点在室内的空间坐标构成的第二对应关系；

识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并基于所述第一对应关系，确定所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息；

基于所述第二对应关系，根据所述拍摄图像上特征编码图案的身份信息，确定所述拍摄图像上特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多个特征点包括第一特征点、第二特征点以及第三特征点；

所述基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息，包括：

基于所述第一特征点的投影坐标(x″_p1,y″_p1)、所述第二特征点的投影坐标(x″_p2,y″_p2)、所述第三特征点的投影坐标(x″_p3,y″_p3)、所述拍摄俯仰角γ、所述拍摄滚转角β、所述拍摄焦距f，根据公式1计算所述第一特征点的补偿坐标(x′_p1,y′_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x′_p2,y′_p2)以及所述第三特征点的补偿坐标(x′_p3,y′_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第一特征点的补偿坐标(x′_p1,y′_p1)、所述第二特征点的补偿坐标(x′_p2,y′_p2)，根据公式2计算所述拍摄图像的拍摄方位角θ，

基于所述第一特征点的补偿坐标(x′_p1,y′_p1)、所述第二特征点的补偿坐标、(x′_p2,y′_p2)所述第三特征点的补偿坐标(x′_p3,y′_p3)以及所述拍摄方位角θ，根据公式3计算所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)、所述第一特征点的再补偿坐标(x_p1,y_p1)、所述第二特征点的再补偿坐标(x_p2,y_p2)、所述第三特征点的再补偿坐标(x_p3,y_p3)，根据公式4计算所述拍摄图像的拍摄高度h，

基于所述第一特征点的空间坐标(x₁,y₁)、所述第二特征点的空间坐标(x₂,y₂)、所述第三特征点的空间坐标(x₃,y₃)以及所述拍摄图像的拍摄高度h，求解公式5，获得所述图像探测器在室内的空间坐标(x,y,h)，

其中：

9.一种室内定位装置，其特征在于，包括：

特征编码图案，设于室内，所述特征编码图案包括多个编码点和多个特征点；

图像探测器，用于获取包含所述特征编码图案的拍摄图像，并确定所述拍摄图像的拍摄焦距；

角度探测器，用于获取所述拍摄图像的拍摄俯仰角和拍摄滚转角；

特征编码识别器，与所述图像探测器通讯连接，所述特征编码识别器用于识别所述拍摄图像上特征编码图案中多个编码点，并根据所述特征编码图案中多个编码点确定该特征编码图案中各个特征点在室内的空间坐标，并获取各个所述特征点在拍摄所述拍摄图像的图像探测器上的投影坐标；

定位器，与所述图像探测器、角度探测器、特征编码识别器均通讯连接，所述定位器用于基于所述拍摄焦距、所述拍摄俯仰角、所述拍摄滚转角以及各个所述特征点的空间坐标和投影坐标，采用单目相机成像原理，获取所述图像探测器的室内定位信息。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述特征编码图案设于所述室内的照明光源。

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