[发明专利]基于单个LED灯的可见光室内通信定位方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于单个LED灯的可见光室内通信定位方法及系统，同时使用了可见光通信技术以及计算机视觉技术，在周围环境中仅存在单个LED灯时，对智能手机用户进行室内定位。主要包含LED通信模块和智能手机模块，LED通信模块向智能手机发送其坐标及形状数据。智能手机模块由惯性测量单元以及摄像头组成，IMU用于获取智能手机的运动数据，摄像头用于对着LED灯拍摄视频流。最后对视频流中LED灯中心点坐标及IMU数据进行计算处理，并利用视频流中椭圆的单应性矩阵提供约束条件，从而得出智能手机的精确位置信息，并对用户提供基于位置的导航、查询等服务。

主权项

1.一种基于单个LED灯的可见光室内通信定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过可见光通信技术将需要发送的信息进行编码调制，通过LED灯进行数据传输；步骤2，通过智能手机的摄像机对着LED灯拍摄视频流，并同时记录智能手机的IMU测量数据，IMU测量智能手机在各个方向的加速度(a_x,a_y,a_z)和旋转角度信息(α,β,γ)，以此计算出智能手机的运动方向和位移(t_x,t_y,t_z)；步骤3，将视频流各帧的LED灯图像截取出来，并对LED灯传输数据进行解码和解调，提取图像中的LED灯形状，收集LED灯在世界坐标系下的位置(X_o,Y_o,Z_o)、半径R_o；步骤4，将视频流按时隙划分成单个的图像帧，对于每两个相邻的图像I_i和I_i+1，计算单应性矩阵：其中，H_i,i+1为单应性矩阵，K为智能手机摄像机的内参矩阵，n_i是相机拍摄第i张图片时相机坐标系下的灯平面的法线向量,z_i是拍摄第i张图像时相机中心到灯平面的距离，R_i,i+1表示相机的旋转矩阵，t_i,i+1表示相机的位移参数；椭圆的一般方程为：ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0对于多视图几何体，通过投影到图像上的椭圆形状导出I_i和I_i+1之间的单应矩阵H_i,i+1，其中每个图像上的椭圆都由圆锥系数矩阵C_i表示出来：其中，[a_i,b_i,c_i,d_i,e_i,f_i]表示第i张图片上的投影椭圆一般方程的系数；在单应矩阵H_i,i+1的条件下，C_i转换为建立优化模型：其中，z₁,z₂,…z_n表示拍摄第1,2,...,n张图像时，相机中心到灯平面的距离，n表示视频帧的总数，通过优化模型对智能相机旋转矩阵R_i,i+1进行校准；步骤5，根据校准后的摄像机参数计算摄像机的内参矩阵和外参矩阵：内参矩阵Μ₁为：其中，f为相机的焦距，d_X，d_Y表示图像中的每一个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸，(u₀,v₀)表示图像坐标系的原点；根据智能手机的运动方向和位移(t_x,t_y,t_z)计算外参矩阵Μ₂：在外参矩阵中，0^T＝(0,0,0)^T，R是智能手机的旋转矩阵，t为三维的平移变量，包含智能手机在移动中的位移数据，步骤6，通过拍摄视频流获取多张LED灯的图像，通过三角形相似定律对LED灯到相机中心的距离Z_c进行求解：Z_c＝B×f/d其中，d为两张图像中LED灯中心点位置的长度，B为摄像机拍摄两张图像时的实际间隔，B通过IMU中加速度传感器数据计算得出，或利用LED灯的半径R_o与图像中获取的椭圆形短轴进行对比，获得比率参数s，再将d按照相同的比率参数s进行B的计算；步骤7，根据摄像机的内参矩阵和外参矩阵得出摄像机的投影矩阵，对空间中任意的图像点P_w(X_w，Y_w，Z_w)，通过投影矩阵以及LED灯到相机中心的距离Z_c求出其图像点p_i的位置(μ,v)其中，Z_c为LED灯到相机中心的距离，步骤6，当已知图像点p_i的位置(μ,v)时，利用相机的内参矩阵M₁将图像坐标系下的图像点p_i点转化到摄像机坐标系下图像点P_c，再通过外参矩阵M₂将图像点P_c转换成世界坐标系下的图像点P'_w，然后加上LED灯在世界坐标系下的具体坐标(X_o,Y_o,Z_o)，得出智能手机的坐标P_w；步骤7，根据智能手机的坐标P_w，通过LED灯传输关于此智能手机的坐标P_w相关的服务数据信息，智能手机的摄像机对着LED灯拍摄视频流，并对LED灯传输数据进行解码和解调，得到相关的服务数据信息。