一種室內定位方法和系統與流程

2023-06-12 10:55:11

本申請涉及定位技術領域，更具體地說，涉及一種室內定位方法和系統。

背景技術：

人們80％以上時間在室內活動，70％以上的通信量來自室內，室內定位導航的需求愈顯突出，購物導航、室內救援、災難逃生導引、醫療救護、機場嚮導、社交網絡、特殊群體關愛救助等新的應用必將引發新的業務模式，極大提高數據流量，提供新的業務增值點，室內定位將成為LBS(Location Based Service，基於位置的服務)的主要市場。

目前，常見的室內無線定位技術包括Wi-Fi技術和藍牙技術。Wi-Fi技術以網絡節點的位置信息為基礎和前提，採用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，對已接入的行動裝置進行位置定位；藍牙技術通過在室內安裝適當的藍牙區域網接入點後，將網絡配置成基於多用戶的基礎網絡連接模式，並保證藍牙區域網接入點始終是這個微網絡的主設備，通過檢測信號強度獲得用戶的位置信息。

然而，Wi-Fi技術以及藍牙定位系統都極其容易受到其他信號的幹擾，從而影響其精度，直接造成定位偏差或定位錯誤的問題發生，給後續工作帶來不必要的麻煩。

技術實現要素：

有鑑於此，本申請提供了一種室內定位方法和系統，以克服現有技術中的室內定位方法由於其它信號幹擾導致定位精準度低的問題。

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：

利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

對所述圖像進行處理後，解析得到所述LED燈的ID編碼；

根據所述LED燈的ID編碼獲取當前位置信息；

其中，所述符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與所述ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

優選的，所述對所述圖像進行處理後解析得到所述LED燈的ID編碼包括：

對所述圖像進行抖動消除處理，得到抖動處理後的圖像；

將所述抖動處理後的圖像的相同特徵點對齊，以建立像素與真實空間的一一對應關係；

根據所述對應關係利用似然函數進行相關估計，解析得到所述LED燈的ID編碼。

優選的，所述對所述圖像進行抖動消除處理包括：

根據加速度傳感器獲得的抖動係數，運用抖動校正算法消除所述圖像的抖動模糊。

優選的，所述利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像包括：

通過高感、小光圈、欠曝光和光學防抖技術，利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像。

優選的，所述對所述圖像進行處理後解析得到所述LED燈的ID編碼包括：

利用小波變換或離散餘弦變換獲得所述圖像的低頻分量構成的低解析度圖；

依據所述低解析度圖的圖像灰度和先驗知識建立任意一個像素位置與LED燈的先驗分布函數；

從所述先驗分布函數的最大似然區域開始估計像素序列與LED燈的ID編碼的相關性，並計算當前像素與當前ID編碼的LED燈的後驗概率；

根據所述後驗概率的大小確定所述圖像對應的所述LED燈的ID編碼。

一種室內定位系統，包括：

採集單元，用於利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

解析單元，用於對所述圖像進行處理後，解析得到所述LED燈的ID編碼；

獲取單元，用於根據所述LED燈的ID編碼獲取當前位置信息；

其中，所述符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與所述ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

優選的，所述解析單元包括：

抖動消除單元，用於對所述圖像進行抖動消除處理，得到抖動處理後的圖像；

幀匹配單元，用於將所述抖動處理後的圖像的相同特徵點對齊，以建立像素與真實空間的一一對應關係；

相關估計單元，用於根據所述對應關係利用似然函數進行相關估計，解析得到所述LED燈的ID編碼。

優選的，所述抖動消除單元具體用於根據加速度傳感器獲得的抖動係數，運用抖動校正算法消除所述圖像的抖動模糊。

優選的，所述採集單元具體用於通過高感、小光圈、欠曝光和光學防抖技術，利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像。

優選的，所述解析單元包括：

濾波單元，用於利用小波變換或離散餘弦變換獲得所述圖像的低頻分量構成的低解析度圖；

構建單元，用於依據所述低解析度圖的圖像灰度和先驗知識建立任意一個像素位置與LED燈的先驗分布函數；

計算單元，用於從所述先驗分布函數的最大似然區域開始估計像素序列與LED燈的ID編碼的相關性，並計算當前像素與當前ID編碼的LED燈的後驗概率；

確定單元，用於根據所述後驗概率的大小確定所述圖像對應的所述LED燈的ID編碼。

由以上技術方案可知，本申請提供了一種室內定位方法及系統，包括：利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；對所述圖像進行處理後，解析得到所述LED燈的ID編碼；根據所述LED燈的ID編碼獲取當前位置信息；其中，所述符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與所述ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。該方法不會受到其它信號的幹擾，通過利用進行編碼後的LED燈採集圖像，有效地解決了手機拍攝速率與光源閃爍速率不匹配的問題，將真實世界的特徵點與影像中的特徵點對應起來，通過解析獲取得到採集圖像位置處的LED燈的ID編碼，進而實現了高精度的室內定位。

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，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實施例一提供的一種室內定位方法的流程圖；

圖2為本申請實施例二提供的一種獲取LED燈的ID編碼的方法的流程圖；

圖3為本申請實施例二提供的另一種獲取LED燈的ID編碼的方法的流程圖；

圖4為本申請實施例二提供的一種LED時空編碼示意圖；

圖5為本申請實施例三提供的一種室內定位系統的結構示意圖；

圖6為本申請實施例四提供的一種解析單元的結構示意圖；

圖7為本申請實施例四提供的另一種解析單元的結構示意圖。

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做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。

為克服現有技術中室內定位時由於其它信號幹擾導致定位精準度低的問題，本申請提供了一種室內定位方法和系統，具體方案如下所述：

實施例一

本申請實施例一提供了一種室內定位方法，如圖1所示，圖1為本申請實施例一提供的一種室內定位方法的流程圖，該方法包括：

S101：利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

其中，符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

由於吸頂LED燈的特徵明顯，易於提取，且LED燈作為室內照明功能，不影響室內視覺效果，因此可以使用LED等作為室內定位的特徵點。

為了獲得真實世界的LED燈與影像中LED燈的一一對應關係，需要對LED燈配置唯一的ID以區分不同的LED燈。在編碼時，給每個LED燈配置一個與ID綁定的偽隨機序列，LED依據該偽隨機序列採用OOK(On-Off Keying，二進位啟閉鍵控)的方式發送數據。

由於LED燈的ID匹配中採用了時空編碼方式，所以需要採集多幀圖像。

S102：對圖像進行處理後，解析得到LED燈的ID編碼；

在本申請中，通過對採集到的圖像進行優化處理，解析得到圖像採集位置處對應的LED燈的ID編碼。

S103：根據LED燈的ID編碼獲取當前位置信息。

由於每個LED燈對應著一個ID編碼，當得知LED燈的ID編碼後，即可得知該LED燈的位置，即當前位置。

由以上技術方案可知，本申請對可見光室內成像定位中的光源進行了設計，通過優化拍攝條件，提高了影像中特徵點的提取準確度，並且提出了一種適用於可見光室內定位的光源ID編碼技術，有效地解決了手機拍攝速率與光源閃爍速率不匹配的問題。

實施例二

在實施例一的基礎上，本申請實施例二提供了一種更具體的室內定位方法，該方法主體包括如圖1所示的步驟：

S101：利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

其中，符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

由於吸頂LED燈的特徵明顯，易於提取，且LED燈作為室內照明功能，不影響室內視覺效果，因此可以使用LED等作為室內定位的特徵點。但是常用的LED燈通常採用多燈芯的方案，發光面積比較大，拍攝時容易產生眩光和過曝現象，不利於特徵點的選取。

為了提高特徵點提取精度，可以使用以下幾種方案，其中，當下面幾個要求同時滿足時，可以極大的提高定位精度和位置獲取時間：

1、採用單燈芯LED，無反光碗和磨砂燈罩；

單燈芯LED，無反光碗和磨砂燈罩方案可以最大程度上縮小特徵點影像的尺寸，提高影像中特徵點的定位精度。但是該方案的燈光效果特殊，只適宜特殊的應用場景(例如科技館、博物館等)，或者專門設置標定用LED，與通用LED燈具配合照明。

2、在LED燈具上添加特徵標記物；

為了獲得清晰的特徵點，還可在燈具上增加標記物的方式。例如在燈具的磨砂罩上印刷特殊的標誌、燈罩上添加特殊形態的標記物等。

3、優化鏡頭光學設計，提高鏡頭的抗眩光能力；

導致鏡頭眩光的主要原因是當拍攝對象的亮度劇烈變化時，強光照的區域向弱光照區域發生擴散。用相機拍攝LED燈光時，極易發生鏡頭眩光現象，從而影響影像中LED的定位精度。通過鏡頭光學設計優化以及抗眩光鍍膜工藝可以有效減弱鏡頭眩光現象。

若相機光圈過大，將導致相機景深過淺，無法拍攝清楚全部LED燈，部分LED因為超出景深範圍而發生鏡頭模糊，導致LED拍攝成一片光斑，給影像中LED的定位產生誤差。為了獲得較大的景深，在滿足曝光量的前提下，應儘量縮小光圈，以獲得較大的景深。

4、優化曝光時間與光圈大小。

在拍攝室內照片時，為了獲得室內環境的正確曝光時間，相機自動測光模塊往往會使LED處影像過曝，這樣會導致拍攝的照片中LED部分一大片的數據發生溢出，而產生大面積的光斑，給LED的定位帶來困難。為了獲得清晰的LED影像，在室內定位應用中，拍攝時應適當進行負向曝光補償，以獲得清晰的LED影像。

為了獲得真實世界的LED燈與影像中LED燈的一一對應關係，需要對LED燈配置唯一的ID以區分不同的LED燈。在編碼時，給每個LED燈配置一個與ID綁定的偽隨機序列，LED依據該偽隨機序列採用OOK(On-Off Keying，二進位啟閉鍵控)的方式發送數據。由於手機終端的拍攝幀速率最大只有30幀每秒，所以LED的閃爍速率不能高於30Hz。而人眼對於低於50Hz的閃爍就會有不適的感覺，所以不能使用單個LED作為標誌物。

為了解決幀速率過小，而LED閃爍不夠快的矛盾，擬多燈珠等重碼的編碼方案。將燈芯分為A、B兩組，每組的燈珠的數量相同。ID的某一位為1時，A組亮，B組滅；為0時，A組滅，B組亮，具體的，如圖4所示，圖4為本申請實施例二提供的一種LED時空編碼示意圖。圖4中(a)(b)兩圖分別包括4個LED燈芯，其中對角位置的兩個燈芯分為一組，受編碼控制同時亮或者同時暗(虛線表示部分即為燈滅時)，其中，(a)圖可以表示ID序列中「0」的碼形，(b)圖可以表示ID序列中「1」的碼形。

該方案下，任意時刻LED發出的照度是相同的，因此在被照射物上不會產生閃爍的感覺。而拍攝的照片中能夠區分出不同時刻表示的碼字。為了便於特徵點的選取，燈罩中4顆LED燈珠使用隔光板隔離，從而在相機影像中能夠形成一個特徵明顯且精度較高的特徵點。

由於LED燈的ID匹配中採用了時空編碼方式，所以需要採集多幀圖像。

其中，利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像包括：

通過高感、小光圈、欠曝光和光學防抖技術，利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像。在數據採集前端，通過高感、小光圈、欠曝光、光學防抖等常規手段，可以獲得LED燈處較清晰的單幀圖像。

S102：對圖像進行處理後，解析得到LED燈的ID編碼；

在本申請中，通過對採集到的圖像進行優化處理，解析得到圖像採集位置處對應的LED燈的ID編碼。

具體的，如圖2所示，圖2為本申請實施例二提供的一種獲取LED燈的ID編碼的方法的流程圖。該方法包括：

S201：對圖像進行抖動消除處理，得到抖動處理後的圖像；

其中，對圖像進行抖動消除處理包括：

根據手機的加速度傳感器獲得的抖動係數，運用抖動校正算法消除圖像的抖動模糊。該過程能夠在很大程度上消除因抖動導致的圖像的運動模糊現象。

S202：將抖動處理後的圖像的相同特徵點對齊，以建立像素與真實空間的一一對應關係；

為了獲得各個像素點的時間編碼，需要將拍攝的各幀圖像的相同特徵點對齊。使用具有旋轉平移縮放不變性的sift算子可以將相鄰的兩幀圖像配準，避免因視頻拍攝過程相機輕微移動產生的幀間特徵點不匹配問題。

完成幀對齊後，視頻中的每個像素與真實空間中的一個點就建立起了一一對應關係。

S203：根據對應關係利用似然函數進行相關估計，解析得到LED燈的ID編碼。

圖像中的第i行第j列的像素在t時刻的灰度值記為Eij(t)，計算其與ID為k的LED燈的對應的偽隨機序列Sk(t)的互相關函數C(Δt)，令Cijk＝maxC(Δt)作為該像素與ID為k的LED燈對應的似然函數。

通常圖像或視頻中不止一個像素與某個ID的LED的似然值較大。其原因包括：一是LED燈光的影像不止一個像素，而是一片像素。二是部分鏡面反光可能獲得較大似然值。

由於燈芯採用多燈珠設計，所以真實LED影像處的附近一定有一片區域的像素與該ID的偽隨機序列是負相關的。對於平面鏡反射，相機無法判斷鏡中的像是真實物體還是虛像，所以無法完成定位。但是對於球面鏡反射，其虛像為一個縮小的像，虛像中將無法區分多燈珠，所以不會發生虛警。綜合正相關與負相關區域，加上燈珠布局的先驗知識，進行圖像匹配，可以在視頻中實現高精度的LED定位。

上述過程中需要逐幀、逐像素地計算像素與ID的似然函數，計算量較大。為了減小計算量，可以利用時間關聯性和空間關聯性分析最有可能是LED影像的像素，僅對這些像素的ID號進行分析，進而減少計算量。

空間上，可以採用基於貝葉斯的特徵提取方法。該方法的主要流程是：首先使用小波變換或者離散餘弦變換的方式獲得圖像的低頻分量構成的低解析度圖(等價於低通濾波)；再依據圖像灰度和其他先驗知識建立某個像素位置是LED燈的先驗分布函數；之後從最大似然區域開始估計像素序列與某LED偽隨機序列的相關性，並計算該像素與該ID的LED關聯的後驗概率。具體的，如圖3所示，圖3為本申請實施例二提供的另一種獲取LED燈的ID編碼的方法的流程圖。該方法包括：

S301：利用小波變換或離散餘弦變換獲得圖像的低頻分量構成的低解析度圖；

S302：依據低解析度圖的圖像灰度和先驗知識建立任意一個像素位置與LED燈的先驗分布函數；

S303：從先驗分布函數的最大似然區域開始估計像素序列與LED燈的ID編碼的相關性，並計算當前像素與當前ID編碼的LED燈的後驗概率；

S304：根據後驗概率的大小確定圖像對應的LED燈的ID編碼。

時間上，有效利用之前定位信息和陀螺儀、加速度傳感器等估算當前相機位置和姿態。估算出相機當前視野能拍攝到的光源的ID以及光源在照片中的大致位置，從而得出光源在圖片中的先驗概率分布。在進行相關分析時，為了減少計算量，只需要對估算出的LED的偽隨機序列進行相關分析即可，進而實現減少計算量的目的。

S103：根據LED燈的ID編碼獲取當前位置信息。

由於每個LED燈對應著一個ID編碼，當得知LED燈的ID編碼後，即可得知該LED燈的位置，即當前位置。

由以上技術方案可知，本申請對可見光室內成像定位中的光源進行了設計，通過優化拍攝條件，提高了影像中特徵點的提取準確度，並且提出了一種適用於可見光室內定位的光源ID編碼技術，有效地解決了手機拍攝速率與光源閃爍速率不匹配的問題。此外，本申請通過對可見光成像定位中因抖動導致的圖像運動模糊現象進行了消除，能夠實現像素點在多幀圖像中的幀對齊，快速完成圖像匹配，實現實時、高精度的成像定位。

實施例三

在實施例一的基礎上，本申請實施例三提供了一種室內定位系統，如圖5所示，圖5為本申請實施例三提供的一種室內定位系統的結構示意圖，該系統包括：採集單元401、解析單元402和獲取單元403，其中，

採集單元401，用於利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

其中，符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

解析單元402，用於對圖像進行處理後，解析得到LED燈的ID編碼；

獲取單元403，用於根據LED燈的ID編碼獲取當前位置信息。

具體的，本實施例與實施例一相同或相似的地方可相互參考，在本實施例中不再贅述。

實施例四

在實施例三的基礎上，本申請實施例四提供了一種更具體的室內定位系統，該系統包括：採集單元、解析單元和獲取單元，其中，

採集單元，用於利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像；

其中，符合預設條件的LED燈為進行ID時空編碼，並配置有與ID編碼綁定的偽隨機序列，任意時刻發出的照度都相同的LED燈。

由於LED燈的ID匹配中採用了時空編碼方式，所以需要採集多幀圖像。

具體的，採集單元具體用於通過高感、小光圈、欠曝光和光學防抖技術，利用待定位區域內的符合預設條件的LED燈採集多個單幀圖像。在數據採集前端，通過高感、小光圈、欠曝光、光學防抖等常規手段，可以獲得LED燈處較清晰的單幀圖像。

解析單元，用於對圖像進行處理後，解析得到LED燈的ID編碼；

如圖6所示，圖6為本申請實施例四提供的一種解析單元的結構示意圖。如圖所示，解析單元包括：抖動消除單元501、幀匹配單元502和相關估計單元503，其中，

抖動消除單元501，用於對圖像進行抖動消除處理，得到抖動處理後的圖像；

具體的，抖動消除單元具體用於根據加速度傳感器獲得的抖動係數，運用抖動校正算法消除圖像的抖動模糊。

幀匹配單元502，用於將抖動處理後的圖像的相同特徵點對齊，以建立像素與真實空間的一一對應關係；

為了獲得各個像素點的時間編碼，需要將拍攝的各幀圖像的相同特徵點對齊。使用具有旋轉平移縮放不變性的sift算子可以將相鄰的兩幀圖像配準，避免因視頻拍攝過程相機輕微移動產生的幀間特徵點不匹配問題。

完成幀對齊後，視頻中的每個像素與真實空間中的一個點就建立起了一一對應關係。

相關估計單元503，用於根據對應關係利用似然函數進行相關估計，解析得到LED燈的ID編碼。

圖像中的第i行第j列的像素在t時刻的灰度值記為Eij(t)，計算其與ID為k的LED燈的對應的偽隨機序列Sk(t)的互相關函數C(Δt)，令Cijk＝maxC(Δt)作為該像素與ID為k的LED燈對應的似然函數。

通常圖像或視頻中不止一個像素與某個ID的LED的似然值較大。其原因包括：一是LED燈光的影像不止一個像素，而是一片像素。二是部分鏡面反光可能獲得較大似然值。

上述過程中需要逐幀、逐像素地計算像素與ID的似然函數，計算量較大。為了減小計算量，可以利用時間關聯性和空間關聯性分析最有可能是LED影像的像素，僅對這些像素的ID號進行分析，進而減少計算量。空間上，可以採用基於貝葉斯的特徵提取方法。該方法的主要流程是：首先使用小波變換或者離散餘弦變換的方式獲得圖像的低頻分量構成的低解析度圖(等價於低通濾波)；再依據圖像灰度和其他先驗知識建立某個像素位置是LED燈的先驗分布函數；之後從最大似然區域開始估計像素序列與某LED偽隨機序列的相關性，並計算該像素與該ID的LED關聯的後驗概率。具體的，如圖7所示，圖7為本申請實施例四提供的另一種解析單元的結構示意圖，包括：濾波單元601、構建單元602、計算單元603和確定單元604，其中，

濾波單元601，用於利用小波變換或離散餘弦變換獲得圖像的低頻分量構成的低解析度圖；

構建單元602，用於依據低解析度圖的圖像灰度和先驗知識建立任意一個像素位置與LED燈的先驗分布函數；

計算單元603，用於從先驗分布函數的最大似然區域開始估計像素序列與LED燈的ID編碼的相關性，並計算當前像素與當前ID編碼的LED燈的後驗概率；

確定單元604，用於根據後驗概率的大小確定圖像對應的LED燈的ID編碼。

時間上，有效利用之前定位信息和陀螺儀、加速度傳感器等估算當前相機位置和姿態。估算出相機當前視野能拍攝到的光源的ID以及光源在照片中的大致位置，從而得出光源在圖片中的先驗概率分布。在進行相關分析時，為了減少計算量，只需要對估算出的LED的偽隨機序列進行相關分析即可，進而實現減少計算量的目的。

獲取單元，用於根據LED燈的ID編碼獲取當前位置信息。

由以上技術方案可知，本申請對可見光室內成像定位中的光源進行了設計，通過優化拍攝條件，提高了影像中特徵點的提取準確度，並且提出了一種適用於可見光室內定位的光源ID編碼技術，有效地解決了手機拍攝速率與光源閃爍速率不匹配的問題。此外，本申請通過對可見光成像定位中因抖動導致的圖像運動模糊現象進行了消除，能夠實現像素點在多幀圖像中的幀對齊，快速完成圖像匹配，實現實時、高精度的成像定位。

最後，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

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申請。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申請的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本申請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。