CN113820661A - 一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统 - Google Patents

一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统，该方法包括：基于两个LED发射调制光信号；基于CMOS图像传感器拍摄源图像；基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪；对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。该系统包括：发射端和接收端。通过使用本发明，降低了算法复杂度和运行时间，从而提升系统的实时性能。本发明可广泛应用于可见光定位领域。

Description

一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统
技术领域
本发明涉及可见光定位领域，尤其涉及一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统。
背景技术
在基于CMOS图像传感器的可见光定位系统中，LED作为发射器，发出调制光信号；CMOS图像传感器作为接收器，接收来自LED的调制光信号，并通过一定的计算，即可求得定位点的世界坐标。但是，目前现有技术中搜索源图像中的条纹的算法复杂，效率低且运行时间长，使得可见光定位系统的实时性能较低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法及系统，降低了算法复杂度和运行时间，从而提升系统的实时性能。
本发明所采用的第一技术方案是：一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，包括以下步骤：
基于两个LED发射调制光信号；
基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；
基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；
根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；
对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；
根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
进一步，所述基于两个LED发射调制光信号这一步骤，其具体包括：
对两个LED分别赋予编号，并将编号映射到其世界坐标。
基于ITF编码真值表对LED的编号进行编码，得到对应的二进制字符串。
根据二进制字符串，使用OOK调制两个LED，得到调制光信号。
进一步，所述基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息这一步骤，其具体包括：
读取源图像各个像素点的像素值并保存；
基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域；
基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹；
分别在第一组条纹左区域和右区域对源图像进行采样搜索直至搜索得到第二组条纹。
进一步，所述基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域这一步骤，其具体包括：
以二分的方式采样源图像上的列像素，计算待采样的列序号并保存；
按列序号读取采样列的像素并求和，得到采样列像素总和；
判断到采样列像素总和大于预设阈值，搜索得到条纹区域。
进一步，所述基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹这一步骤，其具体包括：
由条纹区域中的一个列序号开始，基于双指针分别往左右两边进行逐列采样，并统计列像素总和；
判断到列像素的总和小于预设阈值，搜索得到条纹左右边界；
对条纹左右边界之间的部分图像由上至下进行逐行采样，并统计行像素的总和；
判断到行像素大于预设阈值，搜索得到条纹下边界；
设置变量统计条单元高度，判断到条单元高度大于条纹高度阈值，得到条纹下边界；
根据条纹左右边界、条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹。
进一步，所述对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离这一步骤，其具体包括：
对裁剪后图像进行像素值计算，统计每行像素值的和，得到两组二进制字符串；
根据二进制字符串结合ITF编码真值表，得到两个LED的编号；
根据两个LED的编号映射出两个LED的世界坐标并计算出对应的世界距离。
进一步，所述定位点的世界坐标的计算公式如下：
Figure BDA0003245199900000021
上式中，(X1f，Y1f)和(X2f，Y2f)分别表示两个LED的像素坐标，S2表示两个LED的像素距离，(X1，Y1)和(X2，Y2)分别表示两个LED的世界坐标，S1表示两个LED的世界距离，(Xmid,Ymid)表示图像的中心点的像素坐标。
本发明所采用的第二技术方案是：一种于二分及双指针条纹搜索的可见光定位系统，包括：
发射端，基于两个LED发射调制光信号；
接收端，基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明基于二分的思想进行采样，从而可以快速地搜索到条纹区域，并通过使用双指针来搜索条纹的左右边界，能够提升搜索源图像上条纹的效率，从而提升可见光定位系统的实时性能。
附图说明
图1是本发明一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法的步骤流程图；
图2是本发明一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位系统的结构框图；
图3是本发明具体实施例可见光定位系统的示意图；
图4是本发明具体实施例源图像示意图；
图5是本发明具体实施例二分采样示意图；
图6是本发明具体实施例二分采样搜索到的条纹区域示意图；
图7是本发明具体实施例双指针逐列采样搜索到的条纹左右边界示意图；
图8是本发明具体实施例逐行采样搜索到的条纹上下边界示意图；
图9是本发明具体实施例二分及双指针的条纹搜索算法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，该方法包括以下步骤：
基于两个LED发射调制光信号；
基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；
具体地，拍摄的源图像参照图4。
基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；
具体地，二分及双指针的条纹搜索算法的流程示意图参照图9。
根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；
对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；
根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
具体地，世界坐标系，可任意指定原点以及各轴，描述物体的坐标均指在世界坐标系中的坐标；像素坐标系，原点位于图像左上角，描述图像上像素点的坐标均指在像素坐标系中的坐标；该系统是基于CMOS图像传感器的，所以定位点是指CMOS图像传感器的位置。
进一步作为本方法的优选实施例，所述基于两个LED发射调制光信号这一步骤，其具体包括：
对两个LED分别赋予编号，并将编号映射到其世界坐标。
基于ITF编码真值表对LED的编号进行编码，得到对应的二进制字符串。
根据二进制字符串，使用OOK调制两个LED，得到调制光信号。
进一步作为本方法的优选实施例，所述基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息这一步骤，其具体包括：
读取源图像各个像素点的像素值并保存；
基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域；
具体地，以二分的方式采样源图像上的列像素：首先采样源图像中间列的列像素，这时中间列将源图像划分为左右两部分区域，接着采样左区域中间列的列像素，然后采样右区域中间列的列像素，以此类推。直至采样列的列像素大于阈值或采样完所有待采样的列时停止采样。二分采样的原理图如图5所示：其中，虚线表示采样的列，虚线上的数字表示采样的顺序。
基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹；
分别在第一组条纹左区域和右区域对源图像进行采样搜索直至搜索得到第二组条纹。
进一步作为本方法的优选实施例，所述基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域这一步骤，其具体包括：
以二分的方式采样源图像上的列像素，计算待采样的列序号并保存；
(1)输入图像起始列序号startCol和结束列序号endCol。
(2)判断输入图像的宽度(endCol–startCol+1)是否大于等于可识别解码条纹的最小宽度minWidth，若满足条件，则进行下一步，若不满足条件，则结束。
(3)初始化根节点rootNode：rootNode＝(startCol+endCol)/2+1。
(4)初始化根节点与左右子节点之间的宽度interval：interval＝(rootNode–startCol)/2+1。
(5)初始化当前层总的节点数nNodes：nNodes＝1。
(6)初始化当前层当前的节点数count：count＝0。
(7)根节点rootNode插入辅助队列tempQueue。
(8)判断辅助队列tempQueue是否不为空，若满足条件，则进行下一步；若不满足条件，则执行(15)。
(9)辅助队列tempQueue的队首元素value出队。
(10)队首元素value插入队列queue中。
(11)当前层当前的节点数count自增1。
(12)判断当前根节点与左右子节点的宽度interval是否大于等于可识别解码条纹的最小宽度minWidth，若满足条件，表明当前根节点存在左右子节点，分别计算左右子节点：leftNode＝value–interval，rightNode＝value+interval，并将它们依次插入辅助队列tempQueue中。
(13)判断当前层当前的节点数count是否等于当前层总的节点数nNodes，若满足条件，表明已计算出当前层所有的节点，则当前根节点与左右子节点之间的宽度interval缩小一半，当前层总的节点数nNodes增加一倍，当前层当前的节点数count重置为0。
(14)跳回(8)进行循环。
(15)输出队列queue。
完成计算待采样列的序号的并将序号保存在队列queue中
按列序号读取采样列的像素并求和，得到采样列像素总和；
判断到采样列像素总和大于预设阈值，搜索得到条纹区域。
(1)输入图像和保存待采样的列序号的队列queue。
(2)判断队列queue是否不为空，若满足条件，则读取其保存的待采样的列序号；若不满足，则结束。
(3)获取待采样的列序号进行采样，读取图像的采样列的像素，并求和得到sum。
(4)比较采样列像素和sum和阈值thr的大小，当sum>thr时，表明搜索到条纹区域，输出采样列的列序号并退出循环
(5)跳回(2)进行循环。
(6)当读取完queue中的元素且没有找到满足条件的采样列，表明图像没有获取到条纹，则结束。
综上，我们基于二分的思想先计算出待采样的列序号，然后进行采样并与阈值进行比较，当大于阈值时则表明搜索到条纹区域。二分采样搜索条纹区域如图6所示，当第5次采样时即可达成目的。
进一步作为本方法优选实施例，所述基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹这一步骤，其具体包括：
由条纹区域中的一个列序号开始，基于双指针分别往左右两边进行逐列采样，并统计列像素总和；
判断到列像素的总和小于预设阈值，搜索得到条纹左右边界。
(1)输入列序号col，图像起始列序号startCol和结束列序号endCol。
(2)初始化左指针left：left＝col–1。
(3)初始化右指针right：right＝col+1。
(4)设置左指针的标志lFlag，当lFlag＝0时表示未搜素到条纹左边界，当lFalg＝1时表示已搜索到条纹左边界。初始化lFlag为0。
(5)设置右指针的标志rFlag，当rFlag＝0时表示未搜索到条纹右边界，当rFlag＝1时表示已搜索到条纹右边界。初始化rFlag为0。
(6)判断左右指针是否在图像内，不发生送越界，若满足条件，则进行下一步。
(7)左右指针分别往左右两边逐列采样，并统计列像素的总和。
(8)判断左右指针是否到达条纹边界，若满足条件，则将它们的标志lFlag或rFlag置为1，指针停止移动。
(9)当lFlag和rFlag都为1时，判断该组条纹的宽度是否大于可识别解码条纹的最小宽度minWidth，若满足条件，表明搜索到条纹的左右边界；若不满足条件，则需继续进行二分采样。
(10)输出条纹的左右边界，搜索到的条纹左右边界示意图参照图7。
对条纹左右边界之间的部分图像由上至下进行逐行采样，并统计行像素的总和；
判断到行像素大于预设阈值，搜索得到条纹下边界；
设置变量统计条单元高度，判断到条单元高度大于条纹高度阈值，得到条纹下边界；
(1)输入条纹左右边界之间的图像。
(2)初始化条纹的上边界：up＝0。
(3)初始化条纹的下边界：down＝0。
(4)初始化条单元计数器darkCount＝0。
(5)逐行采样，读取图像采样行的像素，并求和得到sum。
(6)比较采样行像素总和sum与阈值thr的大小，若sum大于thr，则表明搜素到条纹的上边界，保存上边界：up＝当前行序号row。
(7)继续逐行采样，搜索条纹的下边界，若采样的行为条纹空单元，更新条纹下边界，并将darkCount重置为0；若采样的行为条纹条单元，更新darkCount的值并与条单元高度阈值blackEleThr进行比较，当darkCount大于blackEleThr时，表面已经搜索到条纹下边界。
(8)输出条纹上下边界，搜索到的条纹上下边界示意图参照图8。
根据条纹左右边界、条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹。
进一步作为本方法优选实施例，所述对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离这一步骤，其具体包括：
对裁剪后图像进行像素值计算，统计每行像素值的和，得到两组二进制字符串；
根据二进制字符串结合ITF编码真值表，得到两个LED的编号；
根据两个LED的编号映射出两个LED的世界坐标并计算出对应的世界距离。
进一步作为本方法优选实施例，所述定位点的世界坐标的计算公式如下：
Figure BDA0003245199900000071
上式中，(X1f，Y1f)和(X2f，Y2f)分别表示两个LED的像素坐标，S2表示两个LED的像素距离，(X1，Y1)和(X2，Y2)分别表示两个LED的世界坐标，S1表示两个LED的世界距离，(Xmid,Ymid)表示图像的中心点的像素坐标。
如图2和图3所示，一种于二分及双指针条纹搜索的可见光定位系统，包括：
发射端，基于两个LED发射调制光信号；
接收端，基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于两个LED发射调制光信号；
基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；
基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；
根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；
对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；
根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
2.根据权利要求1所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述基于两个LED发射调制光信号这一步骤，其具体包括：
对两个LED分别赋予编号，并将编号映射到其世界坐标。
基于ITF编码真值表对LED的编号进行编码，得到对应的二进制字符串。
根据二进制字符串，使用OOK调制两个LED，得到调制光信号。
3.根据权利要求2所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息这一步骤，其具体包括：
读取源图像各个像素点的像素值并保存；
基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域；
基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹；
分别在第一组条纹左区域和右区域对源图像进行采样搜索直至搜索得到第二组条纹。
4.根据权利要求3所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述基于二分采样搜索条纹区域，得到条纹区域这一步骤，其具体包括：
以二分的方式采样源图像上的列像素，计算待采样的列序号并保存；
按列序号读取采样列的像素并求和，得到采样列像素总和；
判断到采样列像素总和大于预设阈值，搜索得到条纹区域。
5.根据权利要求4所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述基于双指针对条纹区域进行处理，逐列搜索条纹左右边界，逐行采样搜索条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹这一步骤，其具体包括：
由条纹区域中的一个列序号开始，基于双指针分别往左右两边进行逐列采样，并统计列像素总和；
判断到列像素的总和小于预设阈值，搜索得到条纹左右边界；
对条纹左右边界之间的部分图像由上至下进行逐行采样，并统计行像素的总和；
判断到行像素大于预设阈值，搜索得到条纹上边界；
设置变量统计条单元高度，判断到条单元高度大于条纹高度阈值，得到条纹下边界；根据条纹左右边界、条纹上下边界，输出搜索到的第一组条纹。
6.根据权利要求5所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离这一步骤，其具体包括：
对裁剪后图像进行像素值计算，统计每行像素值的和，得到两组二进制字符串；
根据二进制字符串结合ITF编码真值表，得到两个LED的编号；
根据两个LED的编号映射出两个LED的世界坐标并计算出对应的世界距离。
7.根据权利要求6所述一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位方法，其特征在于，所述定位点的世界坐标的计算公式如下：
Figure FDA0003245199890000021
上式中，(X1f，Y1f)和(X2f，Y2f)分别表示两个LED的像素坐标，S2表示两个LED的像素距离，(X1，Y1)和(X2，Y2)分别表示两个LED的世界坐标，S1表示两个LED的世界距离，(Xmid,Ymid)表示图像的中心点的像素坐标。
8.一种基于二分及双指针条纹搜索的可见光定位系统，其特征在于，包括：
发射端，基于两个LED发射调制光信号；
接收端，基于CMOS图像传感器拍摄源图像，所述源图像上包括两个LED调制光信号；基于二分及双指针的条纹搜索算法对源图像进行采样搜索，得到条纹信息；根据条纹信息计算两个LED中心点的像素坐标及像素距离并对图像进行裁剪，得到裁剪后图像；对裁剪后图像进行像素值计算并结合ITF编码真值表，计算出两个LED的世界坐标及世界距离；根据两个LED中心点的像素坐标及像素距离、两个LED的世界坐标及世界距离并基于双灯几何关系算法求解得到定位点的世界坐标。
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