一種室內定位方法及系統與流程
2023-10-09 05:27:04 2
本發明涉及可見光通信和圖像處理領域，特別是涉及一種室內定位方法及系統。
背景技術：
據統計現代社會的人們80％的時間是在室內活動，例如在大型商場、地下停車場、圖書館、博物館等大型室內進行活動。目前主流的室內定位系統主要依賴無線網絡(wifi)、紅外、超聲波、超寬帶、射頻識別(radiofrequencyidentification，簡稱rfid)技術等，由於使用的多是射頻信號，在空中傳播時易受幹擾且在同一微波電路、同一方向上不能使用同一頻率，在特殊場景如飛機、醫院射頻信號的使用受到管制，已經逐漸暴露出射頻通信系統的局限性。
因此，如何提供一種更有效，精度在米級乃至更高的室內定位方法及系統，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種室內定位方法及系統，便於實現在室內的精確定位，其定位精度高，複雜度低，而且系統的可實施性較好。其具體方案如下：
一種室內定位方法，包括：
建立頻率-坐標資料庫；
根據所述頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；
對所述光源進行拍攝，獲取至少三個選定的所述光源的頻率值；用於拍攝的攝像頭成像平面與所述光源所在平面相互平行，且至少三個選定的所述光源不在同一條直線上；
根據所述頻率值和所述頻率-坐標資料庫，確定選定的所述光源的位置坐標；
根據選定的所述光源的位置坐標，以及選定的所述光源在所述成像平面上所成的像與所述成像平面中心點的相對位置，確定所述成像平面中心點在所述光源所在平面的投影點的位置坐標。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，對所述光源進行拍攝，獲取至少三個選定的所述光源的頻率值，具體包括：
對所述光源進行拍攝，形成條紋圖像；
對所述條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的所述光源的頻率值。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，對所述條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的所述光源的頻率值，具體包括：
對所述條紋圖像進行預處理，去除噪聲；
在去除噪聲後的條紋圖像中分割出各個光源子區域；
對至少三個選定的所述光源子區域進行處理，獲取選定的所述光源子區域的條紋寬度；
根據選定的所述條紋寬度，計算出與選定的所述條紋寬度對應的所述光源的頻率值。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，採用下述公式計算出與選定的所述條紋寬度對應的所述光源的頻率值：
f＝pt/w
其中，f表示所述光源的頻率值，w表示所述光源子區域在一個閃爍周期內所形成的一個明暗相間的條紋寬度，p表示單個像素的高度，t為捲簾快門的周期。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，當選定的光源為三個時，根據選定的所述光源的位置坐標，以及選定的所述光源在所述成像平面上所成的像與所述成像平面中心點的相對位置，確定所述成像平面中心點在所述光源所在平面的投影點的位置坐標，具體包括：
將三個所述光源和三個所述光源在所述成像平面上所成的像分別連成三角形，計算出連成的兩個三角形的各邊長；
根據連成的兩個三角形的各邊長，以及選定的所述光源在所述成像平面上所成的像與所述成像平面中心點的相對位置，確定所述成像平面中心點在所述光源所在平面的投影點分別到三個所述光源的距離；
根據所述投影點分別到三個所述光源的位置坐標的距離和所述光源的位置坐標，利用三邊測量定位算法計算出所述投影點的位置坐標。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，所述光源的頻率值大於50hz。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，所述光源為發光二極體。
本發明實施例還提供了一種室內定位系統，包括：
資料庫建立模塊，用於建立頻率-坐標資料庫；
光源驅動模塊，用於根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；
圖像採集模塊，用於對所述光源進行拍攝；所述圖像採集模塊的成像平面與所述光源所在平面相互平行；
頻率獲取模塊，用於獲取至少三個選定的所述光源的頻率值；至少三個選定的所述光源不在同一條直線上；
光源坐標確定模塊，用於根據所述頻率值和所述頻率-坐標資料庫，確定選定的所述光源的位置坐標；
投影點坐標確定模塊，用於根據選定的所述光源的位置坐標，以及選定的所述光源在所述成像平面上所成的像與所述成像平面中心點的相對位置，確定所述成像平面中心點在所述光源所在平面的投影點的位置坐標。
優選地，在本發明實施例提供的上述室內定位系統中，
所述圖像採集模塊，具體用於對所述光源進行拍攝，形成條紋圖像；
所述頻率獲取模塊，具體用於對所述條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的所述光源的頻率值。
本發明所提供的一種室內定位方法及系統，包括：建立頻率-坐標資料庫；根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；對光源進行拍攝，獲取至少三個選定的光源的頻率值；用於拍攝的攝像頭成像平面與光源所在平面相互平行，且至少三個選定的光源不在同一條直線上；根據頻率值和頻率-坐標資料庫，確定選定的光源的位置坐標；根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標。本發明所提供的上述室內定位方法簡單易行，便於實現在室內的精確定位，其定位精度高，可精確定位當前所在的位置，複雜度低，而且系統的可實施性較好。
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為本發明實施例提供的室內定位方法的流程圖；
圖2為本發明實施例提供的室內定位方法的具體流程圖；
圖3為本發明實施例提供的室內定位方法的場景示意圖；
圖4為本發明實施例提供的條紋圖像的示意圖；
圖5為本發明實施例提供的獲取每個條紋的邊界形成的矩形框和矩形框中心得到的圖像；
圖6為本發明實施例提供的室內定位系統的結構圖。
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。
本發明提供一種室內定位方法，如圖1所示，包括以下步驟：
s101、建立頻率-坐標資料庫；
s102、根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；
s103、對光源進行拍攝，獲取至少三個選定的光源的頻率值；用於拍攝的攝像頭成像平面與光源所在平面相互平行，且至少三個選定的所述光源不在同一條直線上；
s104、根據頻率值和頻率-坐標資料庫，確定選定的光源的位置坐標；
s105、根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標。
在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，首先建立頻率-坐標資料庫；根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；然後對光源進行拍攝，獲取至少三個選定的光源的頻率值；用於拍攝的攝像頭成像平面與光源所在平面相互平行，且至少三個選定的光源不在同一條直線上；之後根據頻率值和頻率-坐標資料庫，確定選定的光源的位置坐標；最後根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標。該室內定位方法簡單易行，便於實現在室內的精確定位，其定位精度高，可精確定位當前所在的位置，複雜度低，而且系統的可實施性較好。
需要說明的是，光源的頻率是由頻率-坐標資料庫確定的。頻率-坐標資料庫表示頻率與坐標是一一對應的關係。
通常我們使用的大多數用於拍攝的相機都是基於cmos圖像傳感器的，該類傳感器採用捲簾快門曝光方式，像素逐行曝光。對於運動物體，圖像會產生扭曲形變，稱為「果凍效應」。在正常的拍攝中，這種情況是要避免的，但我們可以利用這種機理來實現通信過程。當相機拍攝天花板上高頻閃爍的光源時，由於像素各行曝光的時間差，就產生了明暗相間的條紋圖像，然後通過圖像處理，即可實現光信號頻率的檢測完成通信。
因此，在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，步驟s103對光源進行拍攝，獲取至少三個選定的光源的頻率值，如圖2所示，具體可以包括以下步驟：
s201、對光源進行拍攝，形成條紋圖像；
s202、對條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的光源的頻率值。
進一步地，在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，執行步驟s202對條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的光源的頻率值，具體可以包括以下步驟：
步驟一、對條紋圖像進行預處理，去除噪聲；
步驟二、在去除噪聲後的條紋圖像中分割出各個光源子區域；
步驟三、對至少三個選定的光源子區域進行處理，獲取選定的光源子區域的條紋寬度；
步驟四、根據選定的條紋寬度，計算出與選定的條紋寬度對應的光源的頻率值。
如圖3所示，若干個不同頻率的光源通常嵌入在定位區域的天花板內，其光線呈下射式，當攝像頭1拍攝天花板2上高頻閃爍的光源時，由於像素各行曝光的時間差，就產生圖4中示出的明暗相間的條紋圖像，選取至少三個選定的光源子區域(即感興趣的光源子區域)，對其進行處理，從圖5中可以獲取選定的光源子區域的條紋寬度。
具體地，在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，針對上述步驟四，採用下述公式計算出與選定的條紋寬度對應的光源的頻率值：
f＝pt/w
其中，f表示光源的頻率值(即圖像傳感器每行像素曝光的時間)，w表示光源子區域在一個閃爍周期內所形成的一個明暗相間的條紋寬度，p表示單個像素的高度，t為捲簾快門的周期。
由於單個像素的高度p和捲簾快門的周期t是相機的固有參數，因此，光源的頻率與條紋寬度成反比例關係，即光源的頻率與條紋寬度存在著定量的關係。
另外，單個像素的高度p和捲簾快門的周期t的值可以通過校準獲得，具體地，讓相機識別一個頻率已知信號，比如1khz，得出對應的條紋寬度，根據條紋寬度和頻率成比例關係計算出單個像素的高度p和捲簾快門的周期t的乘積值；然後利用上述公式中得到的條紋寬度，最終計算出此時光源的頻率。
在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，當選定的光源為三個時，根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標，具體可以包括以下步驟：
首先，將三個光源和三個光源在成像平面上所成的像分別連成三角形，計算出連成的兩個三角形的各邊長；
然後，根據連成的兩個三角形的各邊長，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點分別到三個光源的距離；
最後，根據投影點分別到三個光源的位置坐標的距離和光源的位置坐標，利用三邊測量定位算法計算出投影點的位置坐標。
具體地，以圖2為例，經執行步驟s103之後確定的三個選定的光源a、b、c的坐標位置，分別為a(x1，y1)、b(x2，y2)、c(x3，y3)，將三個光源連成三角形，可以算出邊長ab、ac、bc的長度；
又已知三個光源在成像平面上所成的像ai、bi、ci在成像平面坐標系中的坐標位置，分別為ai(u1，v1)、bi(u2，v2)、ci(u3，v3)，將三個光源在成像平面上所成的像連成三角形，可以算出邊長aibi、aici、bici的長度；
進而可以求出k值，如下：
又已知成像平面中心點oi在成像平面坐標系中的位置坐標oi(u，v)，可以算出oiai、oibi、oici的長度；
根據下列公式算出成像平面中心點oi在光源所在平面的投影點o分別到三個光源a、b、c的距離oa、ob、oc：
根據oa、ob、oc的長度和光源a、b、c的位置坐標，利用三邊測量定位算法計算出投影點的位置坐標o(x，y)：
(x-x1)2+(y-y1)2＝oa2
(x-x2)2+(y-y2)2＝ob2
(x-x3)2+(y-y3)2＝oc2
在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，光源的頻率可以大於50hz，該頻率為人眼看不到燈光的閃爍，又由於過高的頻率會讓攝像機拍攝到清晰的條紋，所以頻率範圍還需要根據用於拍攝的移動終端等的拍攝參數來確定。
在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位方法中，光源可以是發光二極體，也可以是其它能高頻閃爍的光源。
基於同一發明構思，本發明實施例還提供了一種室內定位系統，由於該系統解決問題的原理與前述一種室內定位方法相似，因此該系統的實施可以參見室內定位方法的實施，重複之處不再贅述。
在具體實施時，本發明實施例提供的室內定位系統，如圖6所示，包括：
資料庫建立模塊11，用於建立頻率-坐標資料庫；
光源驅動模塊12，用於根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；
圖像採集模塊13，用於對光源進行拍攝；圖像採集模塊的成像平面與光源所在平面相互平行；
頻率獲取模塊14，用於獲取至少三個選定的光源的頻率值；至少三個選定的所述光源不在同一條直線上；
光源坐標確定模塊15，用於根據頻率值和頻率-坐標資料庫，確定選定的光源的位置坐標；
投影點坐標確定模塊16，用於根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標。
進一步地，在具體實施時，在本發明實施例提供的上述室內定位系統中，
圖像採集模塊13，具體用於對光源進行拍攝，形成條紋圖像；
頻率獲取模塊14，具體用於對條紋圖像進行處理，得到至少三個選定的光源的頻率值。
本發明實施例提供的一種室內定位方法及系統，包括：建立頻率-坐標資料庫；根據頻率-坐標資料庫，驅動若干個不同位置坐標的光源發出不同頻率的光；對光源進行拍攝，獲取至少三個選定的光源的頻率值；用於拍攝的攝像頭成像平面與光源所在平面相互平行，且至少三個選定的光源不在同一條直線上；根據頻率值和頻率-坐標資料庫，確定選定的光源的位置坐標；根據選定的光源的位置坐標，以及選定的光源在成像平面上所成的像與成像平面中心點的相對位置，確定成像平面中心點在光源所在平面的投影點的位置坐標。本發明所提供的上述室內定位方法簡單易行，便於實現在室內的精確定位，其定位精度高，可精確定位當前所在的位置，複雜度低，而且系統的可實施性較好。
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。
以上對本發明所提供的室內定位方法及系統進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。