CN115276798A - 一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法 - Google Patents

一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法 Download PDF

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Abstract

一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法，属于导航定位技术领域。本发明的核心思想基于可见光定位系统实现，系统选择多组光源阵列作为发送端，在满足室内照明的前提下光源阵列可任意布设，接收端为图像传感器。本发明提出了常亮序列和信息序列作为光源的发射信标，其中信息序列代表光源的物理坐标，加载常亮序列的光源成像后可以识别得到光源的像点坐标，通过坐标转换完成可见光导航，提高了定位的精度。将信息序列和常亮序列的成像进行对比可以完成发射信标的解调实现可见光通信功能。借助常亮和信息序列成像后亮度累加值的不同在解调发射信标前即可鉴别镜面成像的伪光源，避免了继续进行图像解码，降低了鉴伪步骤的复杂度。

Description

一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法
技术领域
本发明属于导航定位技术领域，涉及到可见光定位技术领域，具体涉及一种可见光室内通信、定位中基于光源发射波形的抗干扰方法。
背景技术
由于可见光室内定位技术无需专门的发射基站、频谱资源丰富、只需对光源及其电路改装即可大规模应用，安装方便快捷、不存在电磁干扰等优点已经成为当下室内定位领域的一个研究热点。其中基于图像传感器的定位算法借助可见光成像技术对拍摄的光源图像进行处理，利用卷帘快门效应及物(解调信息序列获取)、像(识别常亮序列的成像坐标)坐标间的几何关系计算得到接收器的位置坐标，完成定位。在《一种可见光导航通信一体化中易识别的光源波形设计方法》中提出了一种基于图像传感器的易识别的光源波形设计方法，提高了识别和定位的精度。
但是室内环境复杂，不可避免的存在一些表面光滑能反射光线的反射面如镜面、玻璃等，它们会对定位的光源反射成像为虚假光源，不仅影响定位的精度，而且加大图像处理的复杂度，针对上述问题，本发明中通过将每4个子光源布设为1个光源阵列，利用光源的亮度信息在定位前完成真、伪光源的筛选，进而提高系统的定位精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用成像法实现可见光导航、通信时快速识别定位光源，并对反射体反射成像的伪光源进行判断，剔除伪光源；本发明的目的是提供一种基于光源阵列发射信标的鉴伪方法，提高通信、定位系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明所述技术方案如下：
一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法，所述伪光源鉴别方法的核心思想基于可见光定位系统实现，系统选择多组光源阵列作为发送端，在满足室内照明的前提下光源阵列可任意布设，接收端为图像传感器。在发射端设置每4个子光源
Figure BDA0003707100690000011
按照顺时针(或逆时针)的布设顺序构成一组光源阵列，k为光源阵列的数量，各子光源按照预设发射各自信标。方法具体包括光源阵列和接收端两部分：
第一步，设计光源阵列
子光源
Figure BDA0003707100690000012
按照顺时针(或逆时针)的排列顺序构成一组闭合的光源阵列，如附图1所示。各子光源的发射信标调制过程如下：
1)信息序列的加载
每组光源阵列中各子光源的发射信标包含信息序列
Figure BDA0003707100690000013
和常亮序列B两部分。所述信息序列代表各光源的真实物理坐标
Figure BDA0003707100690000021
将码长为n的伪随机序列(包括但不限于移位得到)分配给各子光源，序列中二进制码元“1”在发射端体现为光源亮，码元“0”表示光源灭(或相反)；
2)添加常亮序列
所述常亮序列B则为码长为n的全“1”二进制码元序列(或相反)用作识别光源的成像坐标及计算亮度值鉴伪，并且各子光源的常亮部分B总是存在
Figure BDA0003707100690000022
的移位，
Figure BDA0003707100690000023
为单次信息序列或单次常亮序列的周期，T为总发射信标的周期，受图像传感器的曝光时间约束。因此各子光源的发射信标为：
Figure BDA0003707100690000024
发射信标波形如附图2所示，光源阵列将发射信标以高频闪烁的形式发射出来，为避免频闪，光源闪烁频率需要大于200Hz。
第二步，将图像传感器作为接收端，其工作流程如下：
1)采集图像
调节图像传感器至合适的曝光时间，在T时间内对准光源阵列连续拍摄获取4张照片Pi,i＝1,2,3,4，光源的闪烁频率设置为小于图像传感器的行扫描频率；
2)图像识别计算光源亮度
利用专利《一种可见光导航通信一体化中易识别的光源波形设计方法》中所述方法分别计算步骤1获取的经图像处理后的Pi中每个子光源各自中点列处的亮度值累加值：
Figure BDA0003707100690000025
其中，Pi'(x,y)为Pi经二值化处理后的光源阵列图像，
Figure BDA0003707100690000026
表示在Di'(x,y)中子光源
Figure BDA0003707100690000027
区域首次出现像素亮度值不为0的行数，
Figure BDA0003707100690000028
为
Figure BDA0003707100690000029
的像素值再次为0的行数，同理进行列检测记录Di'(x,y)中子光源
Figure BDA00037071006900000210
区域首次像素亮度值不为0的列数
Figure BDA00037071006900000211
及再次为0的列数
Figure BDA00037071006900000212
x、y分别为像素点的横纵坐标。
3)亮度值判断
对Pi'中计算出的各子光源的I进行排序，其中I最大者记为b，I最小者记为s，介于两者之间的I记为m，即：Imax→b,Imin→s,{I|Imin＜I＜Imax}→m；
4)距离计算
将各光源区域的坐标
Figure BDA00037071006900000213
判定为各光源的成像坐标
Figure BDA00037071006900000214
并计算出两两光源间的距离
Figure BDA0003707100690000031
距离相近的判定为同一光源阵列的子光源；
5)计算亮度矩阵
按照Pi'的顺序，选定每组光源阵列中任一子光源
Figure BDA0003707100690000032
为起始点，按照光源阵列预设的子光源的排列顺序依次读取亮度值，直到读取完Pi',i＝1,2,3,4中所有的成像光斑，得到光斑亮度矩阵H'；
6)鉴伪
受同步影响，可以得到设定的每组光源阵列的子光源信标的亮度矩阵为：H1＝[bmsm,mbms,smbm,msmb]或H2＝[bbss,sbbs,ssbb,bssb]。将H'与H1、H2进行匹配，与H1或H2相同或呈循环移位关系的H'即为真实光源阵列的亮度矩阵，判定为真光源代入定位算法完成定位，反之则为镜面反射的伪光源，不代入后续的定位过程。
本发明有以下有益效果：
(1)本发明提出了常亮序列和信息序列作为光源的发射信标，其中信息序列代表光源的物理坐标，加载常亮序列的光源成像后可以识别得到光源的像点坐标，通过坐标转换完成可见光导航，提高了定位的精度。
(2)将信息序列和常亮序列的成像进行对比可以完成发射信标的解调实现可见光通信功能。
(3)借助常亮和信息序列成像后亮度累加值的不同在解调发射信标前即可鉴别镜面成像的伪光源，避免了继续进行图像解码，降低了鉴伪步骤的复杂度。
附图说明
图1是光源阵列示意图，
Figure BDA0003707100690000033
为光源阵列中各子光源；
图2为单个光源阵列中各子光源的发射信标，各子光源分别包括信息序列
Figure BDA0003707100690000034
和常亮序列B两部分；
图3为一个典型的存在镜面反射的单光源阵列室内可见光定位系统；
图4为加载信息序列和常亮序列后的光源成像的二值图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
步骤1：将光源按预设规律布设
将单光源阵列中布设在实验尺寸为50×50×50cm3的顶部中央位置，如附图3所示，4个子光源
Figure BDA0003707100690000035
按照顺时针的顺序排列，子光源两两之间相距10cm；
步骤2：对光源进行调制
各子光源
Figure BDA0003707100690000041
发射两次码长为N1，序列周期为
Figure BDA0003707100690000042
的信息序列
Figure BDA0003707100690000043
表示各光源的物理位置，即光源阵列的信息发射序列为：
Figure BDA0003707100690000044
Figure BDA0003707100690000045
其中信息序列中二进制码元“1”表示光源亮，码元“0”表示光源灭；
步骤3：添加常亮序列
为确保接收步骤快速识别光源，为每个子光源添加两个
Figure BDA0003707100690000046
的序列周期、码长为N2(其中N1＝N2)的全“1”码元序列：
Figure BDA0003707100690000047
子光源常亮部分存在
Figure BDA0003707100690000048
的延迟，因此T内该光源阵列的各子光源发射信标分别为：
Figure BDA0003707100690000049
受同步的影响，可以得到每组光源阵列的亮度矩阵为：H1＝[bmsm,mbms,smbm,msmb]或H2＝[bbss,sbbs,ssbb,bssb]，光源阵列以T为周期广播发射信标；
步骤4：固定接收端，设置曝光时间为1/3000，感光度为100，对准该光源对连拍得到4张光源照片Pi,i＝1,2,3,4，对光源图像进行二值化、区域分割得到Pi'，如附图4所示，分割后对只需每个子光源区域进行识别计算；
4.1)记录每个子光源首次出现像素值不为0的列数
Figure BDA00037071006900000410
行数r1 l1及像素值再次为0的列数
Figure BDA00037071006900000411
行数r1 l2，将各光源区域的坐标
Figure BDA00037071006900000412
判定为各光源的成像坐标
Figure BDA00037071006900000413
并计算出两两光源间的距离
Figure BDA00037071006900000414
通过距离判断可以得知附图4各图中左侧的4个子光源
Figure BDA00037071006900000415
属于同一光源阵列，右侧4个子光源属于另一光源阵列；
4.2)对Pi'中各光源
Figure BDA00037071006900000416
列处的像素进行累加：
Figure BDA00037071006900000417
单位为像素(pixel)，并对
Figure BDA0003707100690000051
进行排序判断，以附图4各图中的
Figure BDA0003707100690000052
为起始点按顺时针依次读取光源阵列的亮度累加值可得到：
Figure BDA0003707100690000053
步骤5：鉴伪
选定子光源
Figure BDA0003707100690000054
为起始点按照Pi'的顺序及预设的子光源的顺时针的排列顺序依次读取累加值
Figure BDA0003707100690000055
得到光斑亮度矩阵H'左＝[bmsm,mbms,smbm,msmb],H'右＝[bmsm,msmb,smbm,mbms]，其中H'左与H1相同，因此判定H'左为真光源阵列的亮度矩阵，即左侧光源阵列为真光源则其可以参与后续的定位算法完成定位，而H'右与H1存在反相的关系判定为镜面反射的伪光源，将其剔除不参与定位过程。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种可见光定位中基于光源阵列发射信标的伪光源鉴别方法，其特征在于，所述伪光源鉴别方法的核心思想基于可见光定位系统实现，系统选择多组光源阵列作为发送端，在满足室内照明的前提下光源阵列可任意布设，接收端为图像传感器；在发射端设置每4个子光源
Figure FDA0003707100680000011
按照顺时针或逆时针的布设顺序构成一组光源阵列，k为光源阵列的数量，各子光源按照预设发射各自信标；方法包括设计光源阵列和接收端两部分：
第一步，设计光源阵列
子光源
Figure FDA0003707100680000012
按照顺时针或逆时针的排列顺序构成一组闭合的光源阵列；各子光源的发射信标调制过程如下：
1)信息序列的加载
每组光源阵列中各子光源的发射信标包含信息序列
Figure FDA0003707100680000013
和常亮序列B两部分；所述信息序列代表各光源的真实物理坐标
Figure FDA0003707100680000014
将码长为n的伪随机序列分配给各子光源，序列中二进制码元“1”在发射端体现为光源亮，码元“0”表示光源灭或相反；
2)添加常亮序列
所述常亮序列B则为码长为n的全“1”二进制码元序列或相反用作识别光源的成像坐标及计算亮度值鉴伪，并且各子光源的常亮部分B总是存在
Figure FDA0003707100680000015
的移位，
Figure FDA0003707100680000016
为单次信息序列或单次常亮序列的周期，T为总发射信标的周期，受图像传感器的曝光时间约束；因此各子光源的发射信标为：
Figure FDA0003707100680000017
光源阵列将发射信标以高频闪烁的形式发射出来，为避免频闪，光源闪烁频率需要大于200Hz；
第二步，将图像传感器作为接收端，其工作过程如下：
1)采集图像
调节图像传感器至合适的曝光时间，在T时间内对准光源阵列连续拍摄获取4张照片Pi,i＝1,2,3,4，光源的闪烁频率设置为小于图像传感器的行扫描频率；
2)图像识别计算光源亮度
分别计算步骤1获取的经图像处理后的Pi中每个子光源各自中点列处的亮度值累加值：
Figure FDA0003707100680000018
其中，Pi'(x,y)为Pi经二值化处理后的光源阵列图像，
Figure FDA0003707100680000019
表示在D′i(x,y)中子光源
Figure FDA00037071006800000110
区域首次出现像素亮度值不为0的行数，
Figure FDA00037071006800000111
为
Figure FDA00037071006800000112
的像素值再次为0的行数，同理进行列检测记录D′i(x,y)中子光源
Figure FDA00037071006800000113
区域首次像素亮度值不为0的列数
Figure FDA00037071006800000114
及再次为0的列数
Figure FDA0003707100680000021
x、y分别为像素点的横纵坐标；
3)亮度值判断
对Pi'中计算出的各子光源的I进行排序，其中I最大者记为b，I最小者记为s，介于两者之间的I记为m，即：Imax→b,Imin→s,{I|Imin＜I＜Imax}→m；
4)距离计算
将各光源区域的坐标
Figure FDA0003707100680000022
判定为各光源的成像坐标
Figure FDA0003707100680000023
并计算出两两光源间的距离
Figure FDA0003707100680000024
距离相近的判定为同一光源阵列的子光源；
5)计算亮度矩阵
按照Pi'的顺序，选定每组光源阵列中任一子光源
Figure FDA0003707100680000025
l＝1,2,3,4为起始点，按照光源阵列预设的子光源的排列顺序依次读取亮度值，直到读取完Pi',i＝1,2,3,4中所有的成像光斑，得到光斑亮度矩阵H'；
6)鉴伪
受同步影响，可以得到设定的每组光源阵列的子光源信标的亮度矩阵为：H1＝[bmsm,mbms,smbm,msmb]或H2＝[bbss,sbbs,ssbb,bssb]；将H'与H1、H2进行匹配，与H1或H2相同或呈循环移位关系的H'即为真实光源阵列的亮度矩阵，判定为真光源代入定位算法完成定位，反之则为镜面反射的伪光源，不代入后续的定位过程。
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