CN1647570A - 识别周期光源的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明通常涉及用于定位的设备，并且尤其是涉及一种用于识别发射基频和波形信号的环境源的系统。传感器(101)记录发射基频和波形信号的环境源(105)，该信号被放大(102)、数字化(103)、处理并且与所存储的唯一波形特征比较(104)。在比较结果的基础上，可确定定位和/或设备方位。本发明还涉及一种方法和一种包含用于制造实现该方法的处理器的程序的计算机可读介质。

Description

识别周期光源的方法和设备

本发明通常涉及用于定位的设备，特别是涉及一种用于识别发射基频和波形信号的环境源的方法。

本发明还涉及一个用于执行该方法的系统及一种用于执行该方法的计算机程序。

在各种现代应用中，对于设备来说，知道其位置是必需的。通常只要知道该设备位于的空间就够了。这允许使该应用适合该设备的用户的位置。这样，所谓的上下文感知(context-aware)设备能够调节其操作来适合该设备被引入其中的上下文。上下文是可用来表征一个实体情况的任何信息。一个实体是被认为与用户和应用之间(包括用户和应用本身)的交互作用相关的人物、地点、或对象。在交互作用时可得到的几乎任何信息都可被看作上下文信息。一些例子是：

●空间信息-例如位置、方位、速度和加速度

●环境信息-例如温度、气压、光和噪声电平

●附近的资源-例如可存取的设备、和主机

●资源的可用性-例如电池、显示器、网络和带宽

●生理测量-例如血压、心率、呼吸率、和肌肉活动性。

如果一个系统可提取、解释和使用上下文信息并且使其功能适合使用的当前上下文，那么该系统就是背景感知的。这种系统的问题在于捕获、表示和处理上下文数据的复杂性。为了捕获上下文信息通常需要一些附加的传感器和/或程序。为了将上下文信息转换为应用，并且，对于能够使用同一上下文信息的不同应用，应存在这种信息的普通表示格式。除了能获得上下文信息之外，应用必须包括一些“智力”以处理信息和推断意义。这可能是最富有挑战的问题，因为上下文常常是不直接的，或通过结合上下文信息的不同片断是可推断的。例如，如果三个人在某一时间在某一办公室会面，那么这可意味着这是每周一次的策略会议。另一种情形可能是，当一种背景感知应用(诸如背景感知移动电话)被放在正在工作的用户个人计算机的面前时，那么可将用户不希望被私人电话呼叫干扰的信息给该应用。

存在表征背景感知的应用的特征的特征。首先，根据当前的上下文可将信息和服务呈现给用户。这包括近似信息和服务以及上下文命令的选择。其次，当一种服务正位于某一上下文中时，可执行该服务的自动执行。这包括上下文引起的动作和上下文适配。前者的例子可以是，当用户进入一个特定空间时，她的邮件可显示在附近的终端上。后者的例子可以是根据当前的噪声电平改变电话的音量。

一种非常明显的应用类型是找到附近资源的能力。这可包括输入和输出设备：打印机、显示器、扬声器、传真机、摄影机、恒温器等。在纯服务查询中，实际上甚至不需要使用位置信息。在例如不得不完成距离计算的情形中需要设备的位置信息。

上下文信息的使用仍然是十分有限的，因为捕获、表示和处理上下文数据是非常富有挑战的和复杂的。使用的最多的上下文信息类型是位置、身份和时间信息。背景感知应用发展主要集中在用户接口、虚拟和增强现实、移动的、手持的和可穿用的计算附近。因为本领域中的挑战，所以使用上下文信息的商品仍然非常少。

存在几种获得所需位置信息的方式。存在多种跟踪系统，其中一些基于全球定位系统(GPS)，利用该全球定位系统可确定设备的位置。诸如GPS之类用于定位网络的系统已知用于虚拟地定位行星上任何位置，然而，这种跟踪系统十分昂贵，这使得这些系统对于低成本的消费电子产品来说是不可接受的。其他解决方案包含诸如GSM、DECT或蓝牙引导等的定位设备的安装。而且使存在的设备适合起位置信息的来源的作用是已知的。

发光源可被修改来以特定的已知频率工作，该频率由一个设备检测并被转换为一个位置。US5657145公开了一种通过调制来自光源(例如电灯)的输出来传输已编码数据信号的方法。这种可视光波被用作信号在其上传输的载波。许多数字信息可被传输，诸如音频和视频内容等。当然这种调制还可被用来识别光源。

然而，光源不得不被修改以便传输所需要的信息并因此被识别。尽管由于几个原因不修改周围光源是有利的。

本发明的一个目的是提供一种不需要修改环境源来定位设备位置的方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于存储位置参数的方法，该位置参数可被恢复用于进一步处理。

这是通过一种用于识别发射基频和波形信号的环境源的方法(和相应的设备)得到的，该方法包含以下步骤：在预定时间间隔中测量该源的波形信号；估计所测量的波形信号所发射的波形特征；以及基于所估计的特征确定大量的动作。

通过省略环境源修改，根据本发明的定位设备可更面向消费者，并引起缺少操作上的预防。因此使根据本发明方法的设备能够快速适应一个新环境而不需要安装完善的硬件成为可能。因此，本发明方法不用通过人工修改引入一种新图象而由其自然信号图象来处理识别环境源。

而且，根据本发明的方法打算识别环境源(例如光源)的“指纹”并将这个指纹存储在存储器中，该指纹在本发明的一个实施例中是光强度的波形。然后可使用该指纹来例如确定设备在使用附加有该指纹数据的信息之前已在给定的位置。所附加的信息可以是执行大量动作(例如用户通知、外端设备控制、数据采集等)的指令。如果光源周期运行，也就是由交流电压供应电源，则不仅可测量光强度，而且还可借助信号处理推导出光波形特征历史。因此，根据本发明方法可用来连续地跟踪光源。白炽照明可区别于荧光的和基于LED的光等。而且，可检测阴极射线管的存在，并且甚至通过他们特有的刷新率和磷光来进行区分。即不用必须执行光源的变更。因此，根据本发明定位设备的需求减少了，从而仅仅利用环境源的自然属性。

此外，环境源还可以计算发射音频信号的仪器，例如发射特有的蜂鸣声音的风扇或源于电马达或交流发电机的电磁辐射等。

信息被存储在根据本发明的设备中，其中该信息可以是与大量波形特征相关联的。该信息可为诸如指示、用户输入、数据指针等的任意类型数据。波形特征可被定义为基于例如一个采样光源的频率和波形的计算。光特征例如可以是采样信号的频谱分析表示。如果所处理的信号是周期性的，那么可典型地找到一个基频。所找到的基频(表示可从波形中算出的频带之间间隔的最低有效信号频率)可通过比较一组信号来具有相关性。通过知道基频，可使更有效的信号检测算法适合执行信号比较。

通过在周期信号上执行自相关，可抑制其中任意不期望的信号。这是众所周知的抑制和有时甚至消除不期望噪声以得到干净的测量信号的技术。用于净化信号(也就是噪声消除)的另一种技术是在大量周期上平均一个信号。因此，不仅减少了噪声，而且可明显地减少或消除信号捕获期间诸如抖动、计时误差等的任何潜在采样误差。当光强特征被计算时，可在幅值上改变，例如归一化、再采样、时间上的延伸等以得到均匀的、可存储的和可计算的特有体态。

数字采样信号的基频可通过使用快速傅立叶变换(FFT)被推导出来，该快速傅立叶变换通常已知为一种稳定的和有效的方法，但是可根据所采样数据的类型，替代地应用其它方法。因为FFT计算有时不输出一个精确和可接受的结果，因此，在基频的情况下，FFT输出可通过使用包含插值法的方法来改进。这种精致典型地增加可靠性到一个可接受的置信级别。

在推导出一个有效的光强特征之后，可执行这个特征与唯一特征的逐抽样比较。所估计的特征典型地由离散波形的平均周期组成。对于两个信号的比较，对信号进行相位对准经常是有用的。因此相移信号之一以获得相位同步是有利的。对于这个目的，可使用环形缓冲区。通过旋转缓冲器，所需数量的抽样可相位对准两个采样。因此可应用直接和简单的逐抽样的比较。两个波形可相对一个偏移量和/或偏移幅度来进行比较以接受一个较宽范围的近乎相同的波形。

如果对于任何已知存储的波形，不能找到可接受地相同的估计波形，那么可决定接受更大的偏移，或者如果必要，将新的和不可比波形存储为新的唯一光强特征。因此，针对未来的处理任务，可增加可识别和分离光强特征的数量。

从下文结合附图所说明的实施例中，本发明的这些和其他方面是显而易见的并参考该实施例被阐述。

图1示出用于波形检测、信号变换和信号处理的当前发明的实施例。

图2示出由被提供50HzAC的白炽灯发射的光的波形。

图3示出由被提供50HzAC的荧光灯发射的光的波形。

图4示出由具有76Hz刷新率的计算机监视器发射的光的波形。

图5示出由具有100Hz刷新率的计算机监视器发射的光的波形。

图6示出用于具有两个独立的光检测电路的光检测、信号变换和信号处理的当前发明的实施例。

图1示出了识别环境源(下文为光源)的本发明的实施例。通过负载电阻(106)，光电晶体管(101)以偏压在线性区工作以获得从周围光源发射的光。光电晶体管(101)输出可被放大(102)以供应A/D转换器(103)。只要光不是太亮，由ADC(103)测量的电流就可以与光强成比例。处理设备(104)可实现下文描述的信号处理算法的计算。因为大多数人工光源典型地有几百赫兹的工作频率，所以在ADC(103)中以几千Hz采样该信号是典型地足够的。因为感兴趣的信号有相对低的频率，所以在该处理设备(104)中用于该算法的工作负荷是适度的。由此可能利用便宜的元件，该元件对于面向消费者的产品进而是优选的。为了获得信号的特征，识别信号的基频及另外地识别其波形是有用的。因此用来推导光强特征的DSP(104)中的信号处理方法可包含下文解释的步骤。应当理解，下列诸如采样率和采样长度等值可被容易改变以使适合给定的实施例。

1)来自ADC的输入信号可为以8kHz采样的脉码调制(PCM)信号。该信号被划分为N＝2048个抽样的不重叠的帧。每个抽样乘以高斯窗函数以使最小化频谱泄漏。在该帧上计算快速傅立叶变换(FFT)得出N个频谱系数。低和高频成分(＜10Hz，＞7kHz)通过例如带通滤波器被移除，因为信号的这些部分对于信号被识别没有贡献。最大功率的频谱系数被定位，该系数提供基频的粗糙估计。因此在步骤2中找到的预期频率的指示被找到。

2)如步骤1中使用的相同输入信号被用来改善基频估计。频率的估计对应于周期的估计，此处为抽样的数目。对于步骤1中所估计的置信区间中的每个电位周期T，计算x[k]-x[k-T]的平均功率，其中x[0]、...、x[N-1]是该帧的抽样。通过例如二阶插值来定位最小功率的位置T。如此的频率估计通常比通过根据选择自相关窗口的适当尺寸的单独采样间隔更精确。

3)信号周期T的正确估计被用来提取周期信号的波形。这通过将输入信号分成不重叠的帧，在约(k*T)处开始的第k帧来完成。利用一阶低通滤波器来平均该帧得出所估计的波形和该波形的每个位置的置信区间。在这个实例中所用的低通滤波器被定义为y[n]＝(1-a)y[n-1]+ax[n]，a＝0.1。重要的是，步骤2返回T的子采样的正确估计，因为否则该周期渐渐离开并且平均化处理将去掉波形的细节。通过该平均化处理例如闪烁噪声、热噪声等不希望的噪声可被最小化从而得到干净的信号。

4)最后的处理步骤是在帧内旋转波形以便使得以与周期固定的关系来定位该波形。例如，如果波形仅仅只是一个波峰，那么应总是在相同位置处显示该波峰。为了找到波形内的固定参考位置，计算该信号的FFT第一非DC系数。这个复数的相位表示相移，通过该相移应将该波形转回。这种方法的结果是帧内非常稳定的波形，因为它使用了该波形的全部属性并不只是诸如最大值之类的局部特点。

在本发明的优选实施例中，当所采样的信号被分成2048个抽样的非重叠帧时，算法读取8kHz线性PCM采样信号作为输入，并且在大约4Hz输出主频率的估计和最有力周期信号率的波形。

放大器(102)可包含避免由输入信号引起的ADC(103)重叠的装置。如果所接收的光太强烈，那么可调节放大器增益或例如信号抑制器来克服这一点。类似地，所采样的信号可在DSP(104)中基于信号比较来归一化以便保持可比较的幅度电平。

DSP(104)优选地包含用于存储大量所计算的光强特征的存储器(107)。对于DSP(104)来说，比较具有其中允许偏移的范围的两个信号特征是可能的。在优选的实施例中，设备还包含用于记录的装置，也就是用于存储新计算的光特征(也就是波形)的装置。

图2示出了由被提供50HzAC的白炽灯发射的光的波形。因为如果电流以50Hz振荡，那么光调制将是具有近正旋形波形的100Hz。如果采样频率如上提及的实施例为8kHz而且窗口采样窗口的尺寸为2048个抽样，那么所采样的信号的平均化可应用例如10个周期，这对于甚至在噪声很重的环境中的有效信号近似通常是足够的。诸如随机噪声之类的非周期信号可因此被虚拟消除。

图3示出由被提供50HzAC的荧光灯发射的光的波形。类似于白炽灯，所调制的光频虽然将是大约100Hz，但不是如图2中一样为光滑曲线。通过逐抽样分别比较图2和图3的采样波形，可找到波形形状中的相对差别。因此DSP可推断，两个光特征几乎不来源于同一光源。然而，可推断，如果例如没有存储更相同的波形的形状，那么两个波形是可接受地相同。应当理解，选择阈值可根据存储的信息而变化。

图4示出由具有76Hz刷新率的计算机监视器发射的光的波形。刷新频率可以很容易地被检测为一个脉冲，该脉冲的形状取决于显示的内容。因为波形长度与50Hz供应的信号不同，所以与76Hz逐抽样比较将不是必需的。通过比较该波形长度将示出该信号属于不同类别(分别100Hz和76Hz)。

图5示出由具有100Hz刷新率的计算机监视器发射的光的波形。首先抽样长度不得不与存储在存储器中的波形长度进行比较。当76Hz信号在抽样数量方面可更长时，工作在76Hz的监视器因此可不利用新100Hz监视器信号进行分类。然而，图2和图3中的波形可结合100Hz监视器信号被分类为可能相同的波形。

下一步可以是上面提及的逐抽样的比较以揭露该信号有多接近地类似。比较DSP算法可以例如容忍频率、波形数据等的偏差从而补偿测量和/或计算的不精确。

图6示出本发明的另一个实施例，其中DSP(104)处理来自两个光检测电路(108a、108b)的输入，该光检测电路包含负载电阻(106a、106b)、光电晶体管(101a、101b)、放大器(102a、102b)和ADC(103a、103b)。通过使用两个或更多输入，设备的相对方位可相对仅仅一个光传感器的使用而被确定。对此，必需使用具有不同灵敏度特征的检测器。相对标准数字照相机，仅具有少量象素的照相机在计算方向中非常快而且只对周期光源敏感。对此可能的应用是定点设备，只要附近有周期光源，该定点设备不需要固定参考物。

针对根据本发明的方法，有几种应用来识别周期光源的“指纹”，其中一些在下文说明：

●“以前在此”：光源的识别提供关于光检测器位置的信息。更具体地，装备有检测器的移动设备可以通过观察发光或CRT屏幕可获得的房间来识别用户现在正在他或她以前曾在的房间中。

●“记住这点”：如前所述，但是通过按压‘记录’按钮检测器被明显训练为记忆某一光源。然后这个光源被从中唯一识别。例如，可再次找回某一CRT。或者光源特别被设计为“标志”，例如发出周期重复的固定比特序列的红外LED。移动设备将这个特定签名记忆为一个参考点。

●“具有任意参考点的方位传感器”：因为本发明的方法允许识别任意周期光源，所以可以很容易被扩展为定位检测器和光源的相对方向。对此，必需有几个具有不同灵敏度特征的检测器。在检测器的结合信号被锁定到一个周期光源之后，可从检测器相对强度的比较中计算它的到达方向。相对标准数字照相机，这个‘仅具有少量象素的照相机’非常快速地计算该方向并且只对周期光源敏感(自然地或故意计划地)。对此，可能的应用是定点设备，只要附近有周期光源，该定点设备就不需要固定的参考物。

●“抑制周期干涉”：作为完全不同的应用，本发明的方法可用来抑制来自于光检测器的信号的主周期信号。例如，已知TL灯干涉消费者应用的远程控制。

这通常通过调制大约30kHz处的远程控制和对强度信号应用带通滤波器来解决。然而，干涉功率远大于通信信号。本发明方法允许预测周期干涉并将其从光信号中减去以获得干净的通信信号。甚至可能使用周期信号来调节光检测器的前置放大器以避免使检测器超负荷。

●“灯的质量控制”：另一种不同的应用是要么在制造期间要么在使用期间的灯质量控制。大多数普通类型的灯产生周期光，此处波形的细节是实际源的属性的特征。

例如，接近其使用寿命末期的TL灯示出明显更高的抖动量和噪声。在本发明的发展中，已清楚示出来自标称性能的偏移。因此，通过检测灯可能在不久后就坏了来使用它进行服务和维护是可能的。目前，我们不知道剩余的使用寿命和光图象的实际依赖性。如果看作承诺，这可经一步研究。

●“触发数字范围”：然而另一应用涉及本发明的信号处理方法，而没有光传感器部分。数字范围的重要和不同部分(以显示电信号)是触发脉冲的产生物。本发明的方法允许产生周期信号的稳定触发。这是现存的基于类似“峰值触发器”等的信号局部特点的触发器方法的扩展。

代替DSP，通用微处理器的使用是一些系统设计中的变化选项。虽然专用DSP很好地适于处理系统中的信号处理任务，大多数设计还需要用于诸如路由管理等的其他处理任务的微处理器。将系统功能性集成到一个处理器中可能是实现诸如降低系统部分计数、减少功率消耗，最小化尺寸和降低成本等的几个普通设计目标的最好方式。将处理器计数减少到一还意味着更少的指令集和适于被掌握的工具。

虽然上面说明参考本发明的特定实施例，本领域技术人员应理解上面提供的许多细节只是以实例的方式，并且可以在不偏离其范围的情况下做出修改。

所附权利要求打算覆盖落在本发明真正范围和精神内的这种修改。因此所公开的实施例在所有方面都被认为是示例而不是限制，本发明的范围通过所附的权利要求而不是前述说明来表示，并且因此所有在下列权利要求的等效意义和范围内的变化都打算包含在其中。

Claims (19)

1.一种用于识别发射基频和波形信号的环境源的方法，该方法包含以下步骤：

a)在预定时间间隔中测量所述源的波形信号；

b)估计所测量波形所发射的波形特征；

c)基于所估计的特征确定多个动作。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所确定的多个动作包含所述波形特征与存储在存储器中具有附属信息的唯一波形特征的比较。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述附属信息包含位置参数。

4.如权利要求1所述的方法，其中，快速傅立叶变换推导出所估计的波形特征的基频。

5.如权利要求1所述的方法，其中，可以抑止不期望的信号。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述基频通过找到在所估计波形特征的自相关函数中的最大值而被改进。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所估计的波形特征通过对多个估计的波形特征求平均来计算。

8.如权利要求1所述的方法，其中，相移被应用到估计的波形。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所确定的动作包含将估计的波形特征存储起来作为唯一的波形特征。

10.如权利要求1所述的方法，其中，该方法允许通过使用两个或更多发射检测器来定位检测器设备和所述环境源的相对方位。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该方法可预测和抑制特定的周期信号。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述环境源是发射光的源。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述环境源是发射音频信号的源。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述环境源是发射电磁信号的源。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述环境源是发射机械移动信号的源。

16.一个用于识别发射基频和波形信号的环境源的系统，该系统包含用于下述功能的装置：

a)以预定的时间间隔测量所述源的波形信号；

b)估计所测量波形的所发射的波形特征；

c)基于所估计的特征确定多个动作。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所确定的多个动作包含所述波形特征与存储在存储器中具有附属信息的唯一波形特征的比较。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述附属信息包含位置参数。

19.一种包含用于使处理器执行权利要求1至15之一方法的程序的计算机可读介质。

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