CN120028752B - 任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统 - Google Patents

任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统

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Abstract

本发明公开了一种任意形状光源下的相机‑光电二极管混合定位方法及系统，属于光定位领域。通过调制LED光源，将可见光通信信息发射出去，利用光电二极管阵列接收可见光通信信息，并且基于可见光通信信息计算各个LED光源的极角与方位角；相机同步拍摄LED光源图像，通过图像处理提取LED形状特征并计算其极角与方位角；采用匹配算法将光电二极管阵列和相机的数据进行匹配；最后综合利用可见光通信信息和相机的视觉特征进行定位。本发明将光电二极管和相机的优点结合，解决了复杂场景下任意形状LED光源的定位问题，适用于室内光通信、光定位、计算机视觉等场景。

Description

任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统
技术领域
本发明涉及光学定位技术领域，特别涉及一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统。
背景技术
可见光定位技术（Visible Light Positioning，VLP）通过利用LED光源的高频调制特性，结合光学传感器实现目标位置解算，具有定位精度高、无电磁污染、与照明设施天然兼容等技术优势，在室内导航、智能仓储、工业机器人等领域展现出广阔的应用前景。目前，主流的光定位系统根据接收端技术路线的不同可分为基于光电二极管阵列的定位方案和基于计算机视觉的定位方案。
基于光电二极管阵列对于模型依赖强，多数室内LED并不符合朗伯模型；仅依赖光强参数，无法有效利用LED的几何特征等附加信息。基于计算机视觉的定位方案依赖先验信息，需预先建立LED光源的物理坐标数据库；现有算法通常假设LED为规则圆形光源，难以处理点光源、以及其他非规则形状LED。
因此，亟需一种能够兼容任意形状LED光源、同时兼具高精度与强鲁棒性的新型光定位系统，以满足复杂动态场景下的定位需求。
发明内容
本发明提供一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统，针对现有LED定位技术对朗伯光源模型和规则形状的强依赖性，以及复杂环境下抗干扰能力不足的问题，本发明的通过结合光电二极管阵列的可见光通信能力与相机的空间分辨率优势，实现对任意形状LED光源的高精度、高鲁棒性定位。
本发明实施例第一方面实施例提供一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法，包括以下步骤：
利用任意形状的LED光源组周期性发送LED光源的可见光通信信息；
利用光电二极管阵列接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角；
利用相机拍摄所述LED光源组的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角；
将所述光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系；
利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建定位问题，求解所述相机位姿。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述可见光通信信息包括LED光源的形状、尺寸、ID和空间布局信息。
可选地，在本发明的一个实施例中，根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角为：
，；
其中，，为入射向量的归一化向量，其方向为从光电二极管阵列指向LED光源，为光电二极管阵列的最大接收功率，为光电二极管的法向量构成的矩阵，为光电二极管阵列的接收信号。
可选地，在本发明的一个实施例中，记所述LED光源的几何中心像素坐为（u,v），所述相机的焦距为f，相机内参矩阵通过相机标定得到，其中，f x 、f y 是相机在x、y轴方向焦距的长度，单位像素u 0和v 0是相机主点的位置，先计算LED光源在相机平面的坐标(x,y)：
；
根据LED光源在相机平面的坐标计算极角、方位角为：
，。
可选地，在本发明的一个实施例中，将所述光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系，包括：
去除所述光电二极管阵列和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角向量中无配对以及唯一配对的元素；
计算剩余元素中所述光电二极管阵列估计的第i个LED光源与所述相机估计的第j个LED光源的匹配代价，将每个LED光源的极角与方位角的剩余元素、匹配代价以及设定的代价阈值输入匹配算法进行匹配，结合唯一配对的元素得到配对的每个LED光源的极角与方位角，根据所述配对的每个LED光源的极角与方位角得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系。
可选地，在本发明的一个实施例中，利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建定位问题，求解所述相机位姿，包括：
根据可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系，获取所述光电二极管阵列计算出的每个LED光源特征点的世界坐标以及所述相机计算出的对应LED光源的像素坐标；
根据LED光源点的个数利用经典PnP算法或者EPnP算法对每个LED光源特征点的世界坐标以及所述相机计算出的对应LED光源的像素坐标进行求解，得到所述相机的位姿。
本发明实施例第二方面实施例提供一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统，用于上述实施例的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法，所述系统包括：
任意形状的LED光源组，用于周期性发送LED光源的可见光通信信息；
光电二极管阵列，用于接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角；
相机，用于拍摄所述LED光源组的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角；
数据匹配模块，用于将所述光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系；
定位模块，用于利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建PnP问题，求解所述相机位姿。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述光电二极管阵列由多个方向增益不同的光电二极管组成，不同的光电二极管倾角不同，由光学参数不同的透镜和光栅组成。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述光电二极管阵列和所述相机为集成设置，处于同一空间位置。
本发明实施例的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统，通过结合光电二极管阵列的可见光通信能力与相机的空间分辨率优势，实现对任意形状LED光源的高精度、高鲁棒性定位，避免了传统方法对朗伯模型的依赖和对特定LED形状的限制，显著提升了复杂环境下的基于各种LED的室内定位问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例提供的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例提供的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统示意图；
图3为本发明实施例的光电二极管阵列和相机组合的示意图；
图4为本发明实施例的改进的KM匹配算法的流程图；
图5为本发明实施例的定位算法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1为根据本发明实施例提供的一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法的流程示意图。
如图1所示，该任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法包括以下步骤：
步骤1，利用任意形状的LED光源组周期性发送LED光源的可见光通信信息。
步骤2，利用光电二极管阵列接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角。
步骤3，利用相机拍摄LED光源组的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角。
步骤4，将光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系。
步骤5，利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建定位问题，求解相机位姿。
通过调制LED光源，使得LED光源可以周期性地发送LED的形状、尺寸、ID、空间布局等可见光通信（VLC）信息。在本发明的实施例中，LED光源可以为任意形状，可见光通信信息不强制包含形状信息，仅携带ID信息也可以实现光定位。
本发明实施例的LED光源可以为任意形状，不限制与规则的形状。如图2所示，天花板上有各种形状的光源，包括圆柱形灯管、矩形LED、圆形LED、点状LED。
在LED光源调制部分，通过驱动电路将LED光源的ID信息、形状参数及其他特征数据编码为光通信信号，采用脉宽调制（PWM）或频移键控（FSK）技术将数据嵌入光信号中，利用LED的高频闪烁特性实现信息传输。常见的带串口的信号处理单元为单片机（例如Atmega328P、8051、STM3）或大规模可编程阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），通过串口通信接收上位机指令，生成对应调制波形并输出至LED驱动模块，确保信号在可见光波段稳定发射。
在本发明的实施例中，光电二极管阵列由多个方向增益不同的光电二极管组成，不同的光电二极管倾角不同，由光学参数不同的透镜和光栅组成。光电二极管阵列和相机模块可以集成设置，紧密组合，可以认为在同一个空间位置，如图3所示，光电二极管阵列-相机组合作为接收端。
在本发明的实施例中，光电二极管阵列接收LED光源及其驱动电路发射的调制光信号得到光电信号向量，解调光信号中包含的各种VLC信息，根据可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角为：
，；
其中，，为入射向量的归一化向量，其方向为从光电二极管阵列指向LED光源，为光电二极管阵列的最大接收功率，为光电二极管的法向量构成的矩阵，为光电二极管阵列的接收信号。并且：
。
在本发明的实施例中，相机拍摄LED光源图像，一张即可，对图像进行处理，包括二值化、轮廓提取、膨胀腐蚀操作、形状估计等。然后用边缘检测算法检测LED轮廓，估计LED形状。记LED光源的几何中心像素坐为（u,v），相机的焦距为f，相机内参矩阵通过相机标定得到，其中，f x 、f y 是相机在x、y轴方向焦距的长度，单位像素u 0和v 0是相机主点的位置，先计算LED光源在相机平面的坐标(x,y)：
；
根据LED光源在相机平面的坐标计算极角、方位角为：
，。
在本发明的实施例中，将光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系，包括：
去除光电二极管阵列和相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角向量中无配对以及唯一配对的元素；
计算剩余元素中光电二极管阵列估计的第i个LED光源与相机估计的第j个LED光源的匹配代价，将每个LED光源的极角与方位角的剩余元素、匹配代价以及设定的代价阈值输入匹配算法进行匹配，结合唯一配对的元素得到配对的每个LED光源的极角与方位角，根据配对的每个LED光源的极角与方位角得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系。
本发明的实施例的匹配方法为利用形状信息和角度信息，使用改进的KM算法将步骤2和步骤3中的VLC信息和视觉特征进行匹配。
匹配算的流程图如图4所示。将步骤2中光电二极管阵列解调出的形状信息记为向量u：
；
其中，u i 代表光电二极管阵列解调的第i个光源的形状。其中u i =1记为点光源，u i =2记为圆形光源，u i =3 记为矩形光源，u i =4圆柱形光源等。
将步骤2中光电二极管阵列估计的极角方位角记为矩阵A：
；
其中，代表光电二极管阵列计算的第i个光源的极角，代表估计的第i个光源的方位角。
将步骤3中相机估计出的方向信息记为向量v：
；
其中，v j 代表相机估计的第j个光源的形状。u j 的形状比u i 多一个0，0代表不确定的形状，可以表示任意形状。
将步骤3中估计计算的极角方位角记为矩阵B：
；
其中，代表相机计算的第j个光源的极角，代表估计的第j个光源的方位角。
步骤2和步骤3得到的LED的顺序和数量不一定匹配，并且相机估计的一些LED形状不确定。因此要将步骤2和步骤3的结果进行匹配。将问题构建为一个有约束的有权二分图的最小代价匹配问题。
首先处理约束。将向量u和v中的元素进行对照，筛选无配对的元素并且去除。接下来将可以唯一配对的元素单独列出，不参与后面的匹配算法。设置代价阈值h，如果高于阈值也说明不是正确配对。
更新去除无配对以及唯一配对的新的形状向量u、v，角度矩阵A、B。
根据极角、方位角计算剩余元素的代价矩阵C。对于代价矩阵中，光电二极管阵列估计的第i个LED与相机估计的第j个LED的匹配代价，计算过程如下：
；
其中，inf表示正无穷，代表无法匹配。根据代价阈值h，对高于h的的值也赋值为inf。
将更新的形状向量u、v，角度矩阵A、B，以及代价矩阵C输入KM算法，求解配对。至此匹配成功。通常室内的光源数量和种类不会很多，匹配算法复杂度很低。
在本发明的实施例中，匹配完成后，基于LED特征点求解相机位姿，定位问题可以用经典PnP（pespective-n-point）或者EPnP（Efficient PnP）等算法进行求解，并且用光电二极管阵列辅助筛选多解情况下的唯一解，定位算法的流程图如图5所示。
在本发明的实施例中，利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建定位问题，求解相机位姿，包括：
根据可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系，获取光电二极管阵列计算出的每个LED光源特征点的世界坐标以及相机计算出的对应LED光源的像素坐标；
根据LED光源点的个数利用经典PnP算法或者EPnP算法对每个LED光源特征点的世界坐标以及相机计算出的对应LED光源的像素坐标进行求解，得到相机的位姿。
具体地，通过VLC知道了LED的布局，记VLC中解调出的光源特征点的世界坐标为，i的数量由VLC中的信息决定。上述匹配算法已经将VLC信息和相机的拍摄到的特征点进行了匹配，记相机中对应特征点的像素坐标为。
得到i个点的2D-3D一一对应的坐标关系，根据特征点的数量和对称关系，可以分成三种情况。(1)如果i＜3，或者所有的特征点共线，那么显然有无穷解，无法定位。(2)如果i=3或者特征点关于某条轴对称，那么存在多解，例如经典P3P问题中最多会存在4个实解，可以基于PD的接受强度信号比（RSSR）来筛选唯一解。经过计算，可以得到相机到第i个LED距离d i 与相机到第j个LED距离d j 的比值，与RSSR之间的关系：
；
其中，P i 表示第i个LED的接收强度；表示第i个LED的极角，这个角度从步骤2或者步骤3都可以得到；m代表LED的朗伯系数，可以通过测量得到。
如果出现(1)中的情况，无法求解；如果出现(2)中的情况，PnP（透视n点问题，现有技术中用于根据3D点与对应2D图像点求解相机位姿的经典算法）或EPnP（高效透视n点问题，在PnP基础上通过线性化方法提升计算效率的现有技术）先求解位姿，再根据 RSSR 筛选唯一解；如果都不是，则是第(3)中情况，直接采用PnP或EPnP现有技术求解，可得到唯一相机位姿解。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统。
本发明实施例的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统用于上述实施例的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法，任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统包括：
任意形状的LED光源组，用于周期性发送LED光源的可见光通信信息；
光电二极管阵列，用于接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角；
相机，用于拍摄LED光源组的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角；
数据匹配模块，用于将光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与图像信息中LED光源的2D坐标的对应关系；
定位模块，用于利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建PnP问题，求解相机位姿。
具体的布局可以参考图2所示，其中，数据匹配模块和定位模块未示出，可以利用移动终端实现，数据的发送和接收可以采用常规方式，对此不做具体限定。
在本发明的实施例中，光电二极管阵列由多个方向增益不同的光电二极管组成，不同的光电二极管倾角不同，由光学参数不同的透镜和光栅组成。
在本发明的实施例中，光电二极管阵列和相机为集成设置，处于同一空间位置。
需要说明的是，前述对任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法实施例的解释说明也适用于该实施例的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法及系统，通过调制LED光源，将可见光通信信息发射出去，利用光电二极管阵列接收可见光通信信息，并且基于可见光通信信息计算各个LED光源的极角与方位角；相机同步拍摄LED光源图像，通过图像处理提取LED形状特征并计算其极角与方位角；采用匹配算法将光电二极管阵列和相机的数据进行匹配；最后综合利用可见光通信信息和相机的视觉特征进行定位。本发明将光电二极管和相机的优点结合，解决了复杂场景下任意形状LED光源的定位问题，适用于室内光通信、光定位、计算机视觉等场景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (7)

1.一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用任意形状的LED光源周期性发送LED光源的可见光通信信息；
利用光电二极管阵列接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角；
利用相机拍摄所述LED光源的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角；
将所述光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与形状信息中LED光源的2D坐标的对应关系，具体包括：去除所述光电二极管阵列和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角中无配对以及唯一配对的元素；计算剩余元素中所述光电二极管阵列估计的第i个LED光源与所述相机估计的第j个LED光源的匹配代价，将每个LED光源的极角与方位角的剩余元素、匹配代价以及设定的代价阈值输入匹配算法进行匹配，结合唯一配对的元素得到配对的每个LED光源的极角与方位角，根据所述配对的每个LED光源的极角与方位角得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与形状信息中LED光源的2D坐标的对应关系；
利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建定位问题，求解所述相机位姿，具体包括：根据可见光通信信息中LED光源的3D坐标与形状信息中LED光源的2D坐标的对应关系，获取所述光电二极管阵列计算出的每个LED光源特征点的世界坐标以及所述相机计算出的对应LED光源的像素坐标；根据LED光源点的个数利用经典PnP算法或者EPnP算法对每个LED光源特征点的世界坐标以及所述相机计算出的对应LED光源的像素坐标进行求解，得到所述相机的位姿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可见光通信信息包括LED光源的形状、尺寸、ID和空间布局信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角为：
，；
其中，，为入射向量的归一化向量，其方向为从光电二极管阵列指向LED光源，为光电二极管阵列的最大接收功率，为光电二极管的法向量构成的矩阵，为光电二极管阵列的接收信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，记所述LED光源的几何中心像素坐标为（u,v），所述相机的焦距为f，相机内参矩阵通过相机标定得到，其中，f x 、f y 是相机在x、y轴方向焦距的长度，单位像素u 0和v 0是相机主点的位置，先计算LED光源在相机平面的坐标(x,y)：
；
根据LED光源在相机平面的坐标计算极角、方位角为：
，。
5.一种任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位系统，用于权利要求1-4任一项所述的任意形状光源下的相机-光电二极管混合定位方法，其特征在于，系统包括：
任意形状的LED光源，用于周期性发送LED光源的可见光通信信息；
光电二极管阵列，用于接收LED光源发送的可见光通信信息，并根据所述可见光通信信息计算每个LED光源的极角与方位角；
相机，用于拍摄所述LED光源的图像，根据拍摄的图像提取LED光源的形状信息，并根据LED光源的像素坐标计算每个LED光源的极角与方位角；
数据匹配模块，用于将所述光电二极管阵列计算得到的每个LED光源的极角与方位角和所述相机计算得到的每个LED光源的极角与方位角进行匹配，得到可见光通信信息中LED光源的3D坐标与形状信息中LED光源的2D坐标的对应关系；
定位模块，用于利用LED光源的3D坐标和2D坐标的对应关系构建PnP问题，求解所述相机位姿。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光电二极管阵列由多个方向增益不同的光电二极管组成，不同的光电二极管倾角不同，由光学参数不同的透镜和光栅组成。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光电二极管阵列和所述相机为集成设置，处于同一空间位置。
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