一種室內定位方法、裝置和移動終端與流程

2023-05-28 18:00:31 1

本發明涉及定位技術領域，更具體地說，涉及一種室內定位方法、裝置和移動終端。

背景技術：

經研究發現，人們80％以上時間在室內活動，70％以上的通信量來自室內，因此室內定位導航的需求愈顯突出。

在傳統的定位系統中，以GPS導航定位為代表的衛星定位系統已經取得了廣泛的應用，但是該系統僅局限於室外應用，由於室內屬於封閉式空間，導致所述GPS導航定位無法滿足室內定位的需求。

雖然國內外針對室內定位已開展了大量研究，主要有基於可見光通信的室內定位方法，但是該方法的定位對象是特徵點光源，並不是直接對用戶進行定位，因此其定位精準度低。

因此如何提高室內定位的精準度，成為本領域技術人員亟待解決的技術問題之一。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於可見光成像的室內定位方法、裝置和移動終端，以提高室內定位的精準度。

為實現上述目的，本發明實施例提供了如下技術方案：

一種室內定位方法，包括：

採用圖像採集設備對目標區域進行連續拍攝，獲取目標區域的圖像信息；

獲取所述圖像信息中的每個特徵點的ID編碼信息，依據獲取到的所述ID信息確定與所述ID信息對應的所述特徵點的位置信息；

獲取所述圖像採集設備的內部參數信息，依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息；

分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型，得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息。

優選的，室內定位方法中，所述依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息之後，還包括：

依據所述旋轉角度信息確定所述圖像採集設備採集圖像信息時攝像孔所面向的方向信息。

優選的，室內定位方法中，所述修正參數信息包括：

圖像採集設備的三維空間坐標系中的平移旋轉參數a、b，圖像採集設備的焦距f，以及圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差u0和Y軸方向的偏差v0。

優選的，室內定位方法中，所述理想成像模型為：

其中，所述u和v表示所述特徵點在像空間坐標系下的坐標，所述u0表示圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差，所述v0表示圖像採集設備在像空間坐標系中Y軸方向的偏差，其中所述像空間坐標系的Z軸為所述圖像採集設備的光軸，所述a1等於cosεxcosεz-sinεxsinεysinεz，a2等於-cosεxsinεz-sinεxsinεycosεz；a3等於-sinεxcosεy；b1等於cosεxsinεz；b2等於cosεycosεz；b2等於-sinεy；c1等於sinεxcosεz+cosεxsinεysinεz；c2等於-sinεxsinεz+cosεxsinεycosεz；c3等於cosεxcosεy，所述εx為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εy為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞Y軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εz為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息；所述x用於表示所述特徵點在物空間坐標系中X軸方向的坐標值信息，y用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Y軸方向的坐標值信息，z用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Z軸方向的坐標值信息；所述xs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中X軸方向的坐標信息，所述ys用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Y軸方向的坐標信息，所述zs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Z軸方向的坐標信息。

一種室內定位裝置，包括：

圖像採集單元，用於控制圖像採集設備對目標區域進行連續拍攝，獲取目標區域的圖像信息；

圖像分析單元，用於獲取所述圖像信息中的每個特徵點的ID編碼信息，依據獲取到的所述ID信息確定與所述ID信息對應的所述特徵點的位置信息；

旋轉角度計算單元，用於獲取所述圖像採集設備的內部參數信息，依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息；

坐標計算單元，用於分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型，得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息。

優選的，上述室內定位裝置，還包括：

方向計算單元，用於依據所述旋轉角度信息確定所述圖像採集設備採集圖像信息時攝像孔所面向的方向信息。

優選的，上述室內定位裝置，所述修正參數信息包括：

圖像採集設備的三維空間坐標系中的平移旋轉參數a、b，圖像採集設備的焦距f，以及圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差u0和Y軸方向的偏差v0。

優選的，上述室內定位裝置，所述坐標計算單元具體用於：

通過分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型：

得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息；

其中，所述u、v表示所述特徵點在像空間坐標系下的坐標，所述u0表示圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差，所述v0表示圖像採集設備在像空間坐標系中Y軸方向的偏差，其中所述像空間坐標系的Z軸為所述圖像採集設備的光軸，所述a1等於cosεxcosεz-sinεxsinεysinεz，a2等於-cosεxsinεz-sinεxsinεycosεz；a3等於-sinεxcosεy；b1等於cosεxsinεz；b2等於cosεycosεz；b2等於-sinεy；c1等於sinεxcosεz+cosεxsinεysinεz；c2等於-sinεxsinεz+cosεxsinεycosεz；c3等於cosεxcosεy，所述εx為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εy為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞Y軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εz為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息；所述x用於表示所述特徵點在物空間坐標系中X軸方向的坐標值信息，y用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Y軸方向的坐標值信息，z用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Z軸方向的坐標值信息；所述xs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中X軸方向的坐標信息，所述ys用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Y軸方向的坐標信息，所述zs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Z軸方向的坐標信息。

一種移動終端，應用有上述任意一項公開的室內定位裝置。

優選的，上述移動終端中，所述圖像採集設備為手機攝像頭。

通過以上方案可知，本發明實施例提供的室內定位方法，首先採用可見光通信技術獲取目標區域的位置信息，然後將獲取到的所有的特徵點的位置信息和通過計算得到的旋轉角度信息代入理想成像模型，依據所述理想成像模型計算得到所述圖像採集設備所處的空間坐標系中的位置信息，所述圖像採集設備所處的空間坐標系中的位置信息即為用戶所處的空間坐標系的位置信息，因此可見，相對於傳統的室內定位方法而言，上述實施例公開的方案精準度更能精確的表達用戶當前所處的位置信息。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例公開的一種室內定位方法的流程圖；

圖2為本申請另一實施例公開的一種室內定位方法的流程圖；

圖3為用戶採用圖像採集設備對目標區域進行採集的示意圖；

圖4為中心投影模型圖；

圖5為坐標轉換模型圖；

圖6為本申請實施例公開的一種室內定位裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

針對於傳統的室內定位方法或精準度低或成本高的問題，本申請公開了一種室內定位方法。

傳統的室內定位方法中通過利用可見光通信技術，能夠為室內定位提供光源ID、光源位置坐標、室內建築結構等基礎定位信息，該定位方法成本較低、定位速度快。申請人經過研究發現，如果將可見光通信技術和成像定位技術相結合，能夠提供更加精確的定位結果。

參見圖1為本申請實施例公開的一種室內定位方法，參見圖1，該方法包括：

步驟S101：採用圖像採集設備對目標區域進行連續拍攝，獲取目標區域的圖像信息；

步驟S102：獲取所述圖像信息中的每個特徵點的ID編碼信息，依據獲取到的所述ID信息確定與所述ID信息對應的所述特徵點的位置信息；

該過程具體可為：確定所述圖像信息中的多個特徵點，分別對所述多個特徵點進行特徵點匹配，獲取每個所述特徵點的ID編碼信息，依據獲取到的所述ID信息確定與所述ID信息對應的所述特徵點的位置信息；

步驟S103：獲取所述圖像採集設備的內部參數信息，依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息；

步驟S104：分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型，得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息。

通過採用本申請上述實施例公開的方法，首先採用可見光通信技術獲取目標區域的位置信息，當然，需要說明的是，此時所獲取的所述位置信息為特徵點(所述目標區域中存在多個特徵點)的位置信息，而非用戶的位置信息，然後將獲取到的所有的特徵點的位置信息和通過計算得到的旋轉角度信息代入理想成像模型，依據所述理想成像模型計算得到所述圖像採集設備所處的空間坐標系中的位置信息，所述圖像採集設備所處的空間坐標系中的位置信息即為用戶所處的空間坐標系的位置信息，因此可見，相對於傳統的室內定位方法而言，上述實施例公開的方案精準度更能精確的表達用戶當前所處的位置信息。

在採用上述方法實現對用戶進行精確定位的基礎上，為了給用戶帶來更好地服務，本申請實施例公開的室內定位方法還可通過計算得到用戶當前所面向的方向，即，參見圖2，所述依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息之後，上述方法還包括：

步驟S105：依據所述旋轉角度信息確定所述圖像採集設備採集圖像信息時攝像孔所面向的方向信息。在進行圖像採集時，所述圖像採集設備的攝像孔所面向的方向，即為用戶當前所面向的方向。

其中，所述修正參數信息可以包括：圖像採集設備的三維空間坐標系中的平移旋轉參數a、b，圖像採集設備的焦距f，以及圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差u0和Y軸方向的偏差v0。當然，為了使得計算得到的旋轉角度信息的值更加準確，本申請上述正參數信息還可以包括：徑向畸變參數、偏心畸變參數和仿射畸變參數。其中所述徑向畸變主要是指由於所述圖像採集設備的鏡頭工藝的原因導致的枕/桶形失真現象，偏心畸變是指由於裝配誤差導致的光心非居中的現象，仿射畸變是指由於圖像採集設備中的圖像傳感器工藝導致的xy軸不正交，或者xy軸比例不一致的現象。需要說明的是，具體的如何依據所述修正參數信息計算得到所述旋轉角度信息，為本領域技術人員在進行圖像處理時常用的計算方法，對此，本申請並不在進行詳細說明。

當然，為了方便用戶更加直觀的了解本申請上述步驟S104中的計算過程，本申請還所述理想成像模型的形式進行了具體限定，例如，在本申請上述實施例公開的技術方案中，：

其中，所述u和v表示所述特徵點在像空間坐標系下的坐標，所述u0表示圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差，所述v0表示圖像採集設備在像空間坐標系中Y軸方向的偏差，其中所述像空間坐標系的Z軸為所述圖像採集設備的光軸，所述a1等於cosεxcosεz-sinεxsinεysinεz，a2等於-cosεxsinεz-sinεxsinεycosεz；a3等於-sinεxcosεy；b1等於cosεxsinεz；b2等於cosεycosεz；b2等於-sinεy；c1等於sinεxcosεz+cosεxsinεysinεz；c2等於-sinεxsinεz+cosεxsinεycosεz；c3等於cosεxcosεy，所述εx為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εy為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞Y軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εz為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息；所述x用於表示所述特徵點在物空間坐標系中X軸方向的坐標值信息，y用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Y軸方向的坐標值信息，z用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Z軸方向的坐標值信息；所述xs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中X軸方向的坐標信息，所述ys用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Y軸方向的坐標信息，所述zs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Z軸方向的坐標信息。

當然，為了方便用戶更加直觀、清楚的了解本申請上實施例公開的技術方案的具體過程，本申請還對上述方法的具體原理進行了說明，參見圖3，圖3為用戶採用圖像採集設備0對目標區域進行採集的示意圖，其中，所述發光二極體LED1、LED2、LED3、LED4為所述目標區域中的特徵點，所述發光二極體LED1、LED2、LED3、LED4通過透鏡後映射到像平面；

所述圖像採集設備的鏡頭等效為薄透鏡，可設所述薄透鏡的孔徑趨於零，則所述圖像採集設備的成像過程等同於小孔成像，所述圖像採集設備對目標的成像變換過程可以表示為物空間中的物點在像空間中的投影，通常採用攝影測量學中的中心投影方式實現物象空間的投影映射變換。下面介紹在攝影測量中常用的投影和成像模型——中心投影。如圖4所示，SaA、SbB、ScC、SdD表示投射線，物點A、B、C、D投射到像平面P上，投影點分別為a、b、c、d，所述SaA、SbB、ScC、SdD匯聚於投影中心S。

像空間坐標系：描述像點在像空間位置的坐標系，坐標原點取其投影中心為S，坐標的正Z軸取所述圖像採集設備的攝影方向，通過S作平行於像平面上X和Y軸的軸線即為像空間坐標系的X和Y軸。在所述像空間坐標系中每個像點的Z軸坐標都等於所述圖像採集設備的焦距f。

所述圖5中，u0、v0分別表示像點在X軸方向和Y軸方向上的偏差，所述u0、v0可以通過對所述圖像採集設備進行標定後得到。設像空間坐標系的投影中心S在物空間坐標系中的坐標為(xs,ys,zs)T，物空間坐標系變換到與像空間坐標系姿態一致時繞三個坐標軸轉過的角度為(εx,εy,εz)。

物點(特徵點)在物空間坐標系下坐標為X＝(x,y,z)T，所述X可由所述可見光通信獲得，像面上的所述物點映射的理想像點在像空間坐標系下的坐標為m＝(u,v)T，二者關係可用理想成像模型來表示：

設坐標旋轉矩陣R定義如下：

對所述理想成像模型進行轉換得到m＝MX＝K[R|t]X；

矩陣K描述了所述圖像採集設備的內部結構，稱為相機的內參矩陣，其中的參數稱為圖像採集設備的內部參數，R、t分別為坐標旋轉矩陣和平移向量，描述了圖像採集設備在物空間坐標系中的位置和方向，稱為圖像採集設備的外部參數，M＝K[R|t]稱為投影矩陣，同時隱含了圖像採集設備的內外參數。

在能夠獲得多個特徵點信息的前提下，可以得到多項上述矩陣方程(m＝MX＝K[R|t]X)，聯立求解方程組，即可求取圖像採集設備的在空間三維坐標中的位置信息，同時還可估計出相機在三個坐標軸上的旋轉角度，從而完成對用戶的精確定位。

其中，對用戶進行精確定位的前提條件是準確獲得特徵點的位置信息。在實際應用中，由於光源的製作和安裝工藝存在誤差，無法精確地將光源安裝在指定位置，當其直接用於室內定位時，將產生較大的定位誤差，所以需要首先對光源的位置進行標定，以校正製作和安裝過程中產生的位置誤差。

當然，實際中，由於圖像採集設備的鏡頭的裝配工藝和鏡頭設計製造工藝存在無差，可能會導致實際的光學系統無法實現三點共線。常見的內部參數包括：焦距、徑向畸變參數、偏心畸變參數和仿射畸變參數。其中徑向畸變主要是指由於鏡頭工藝的原因導致的枕/桶形失真現象，偏心畸變是指由於裝配誤差導致的光心非居中的現象，仿射畸變是指由於圖像傳感器工藝導致的X、Y軸不正交，或者X、Y軸比例不一致的現象。

因此，可使用實驗場法對所述圖像採集終端的上述參數進行標定和校正。實驗場法的基本原理是對已知參數的靶標多次、不同角度地拍照，之後運用最小二乘的原理估計出圖像採集設備的內部參數值。再使用估計出的內部參數對各個像點坐標變換，以滿足三點共線的要求。

可以理解的是，針對於上述方法本申請還公開了一種室內定位裝置，所述方法和裝置的技術特徵可相互借鑑，參見圖6，所述裝置包括：

圖像採集單元10，用於控制圖像採集設備對目標區域進行連續拍攝，獲取目標區域的圖像信息；

圖像分析單元20，用於獲取所述圖像信息中的每個特徵點的ID編碼信息，依據獲取到的所述ID信息確定與所述ID信息對應的所述特徵點的位置信息；

旋轉角度計算單元30，用於獲取所述圖像採集設備的內部參數信息，依據所述內部參數信息計算得到物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞三個軸坐標旋轉過的旋轉角度信息；

坐標計算單元40，用於分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型，得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息。

與上述方法相對應，所述裝置還包括：

方向計算單元，用於依據所述旋轉角度信息確定所述圖像採集設備採集圖像信息時攝像孔所面向的方向信息。

與上述方法相對應，所述修正參數信息可以包括：

圖像採集設備的三維空間坐標系中的平移旋轉參數a、b，圖像採集設備的焦距f，以及圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差u0和Y軸方向的偏差v0。

與上述方法相對應，所述坐標計算單元具體用於：

通過分別將每個所述特徵點的位置信息和所述旋轉角度信息代入理想成像模型：得到多組理想成像模型，聯立所得到的多組理想成像模型並求解，得到圖像採集設備在空間三維坐標系中的位置信息；

其中，所述u和v表示所述特徵點在像空間坐標系下的坐標，所述u0表示圖像採集設備在像空間坐標系中X軸方向的偏差，所述v0表示圖像採集設備在像空間坐標系中Y軸方向的偏差，其中所述像空間坐標系的Z軸為所述圖像採集設備的光軸，所述a1等於cosεxcosεz-sinεxsinεysinεz，a2等於-cosεxsinεz-sinεxsinεycosεz；a3等於-sinεxcosεy；b1等於cosεxsinεz；b2等於cosεycosεz；b2等於-sinεy；c1等於sinεxcosεz+cosεxsinεysinεz；c2等於-sinεxsinεz+cosεxsinεycosεz；c3等於cosεxcosεy，所述εx為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εy為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞Y軸旋轉過的旋轉角度信息，所述εz為物空間坐標系轉換到與像空間坐標系姿態一致時圍繞X軸旋轉過的旋轉角度信息；所述x用於表示所述特徵點在物空間坐標系中X軸方向的坐標值信息，y用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Y軸方向的坐標值信息，z用於表示所述特徵點在物空間坐標系中Z軸方向的坐標值信息；所述xs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中X軸方向的坐標信息，所述ys用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Y軸方向的坐標信息，所述zs用於表示所述圖像採集設備在物空間坐標系中Z軸方向的坐標信息。

可以理解的是，針對於上述裝置本申請還公開了一種移動終端，所述移動終端應用上述任意一項實施例公開的室內定位裝置。

可以理解的是，所述移動終端可以為PDA或手機等具有攝像和數據處理功能的設備，當所述移動終端為手機時，本申請上述實施例中所提到的所述圖像採集設備為手機攝像頭。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。