基于可见光的室内定位装置和系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于可见光的室内定位装置和系统。其中，基于可见光的室内定位装置包括：图像获取装置，用于拍摄光源，得到光源发出的可见光对应的图像，其中，可见光为经过调制的可见光，可见光包含光源的身份信息；图像处理装置，与图像获取装置相连接，用于获取图像中的明暗条纹，其中，图像中的明暗条纹与光源的身份信息对应；以及控制装置，与图像处理装置相连接，用于识别明暗条纹，得到光源的身份信息，并查找地图中与光源的身份信息对应的位置，得到当前位置。通过本实用新型，解决了现有技术中室内定位精度低的问题，进而达到了提高定位准确性的效果。
【专利说明】基于可见光的室内定位装置和系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于可见光的室内定位装置和系统以及光源。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，室内定位导航已经提上日程，被越来越多的人重视和应用于生活中，全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)是目前应用最为广泛的定位技术，但是，由于信号受建筑物的影响，利用GPS的定位信号到达地面时非常微弱，定位精度较低，无法实现室内定位的要求，并且利用GPS的定位器终端的成本非常高。
[0003]针对现有技术中室内定位精度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
实用新型内容
[0004]本实用新型的主要目的在于提供一种基于可见光的室内定位装置和系统以及光源，以解决相关技术中室内定位精度低的问题。
[0005]为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于可见光的室内定位装置，该装置包括:图像获取装置，用于拍摄光源，得到光源发出的可见光对应的图像，其中，可见光为经过调制的可见光，可见光包含光源的身份信息，图像处理装置，与图像获取装置相连接，用于获取图像中的明暗条纹，其中，图像中的明暗条纹与光源的身份信息对应；控制装置，与图像处理装置相连接，用于识别明暗条纹，得到光源的身份信息，并查找地图中与光源的身份信息对应的位置，得到当前位置。
[0006]进一步地，室内定位装置还包括:存储器，与控制装置相连接，用于存储地图；以及通信装置，与控制装置相连接，用于连接室内定位装置与远程服务器。
[0007]进一步地，控制装置包括:测量机构，与图像处理装置相连接，用于测量明暗条纹的数量；以及获取机构，与测量机构相连接，用于获取明暗条纹的数量对应的光源的身份信
肩、O
[0008]进一步地，获取机构包括:查询单元，与测量机构相连接，用于查询明暗条纹的数量与对应编码的关联表；以及解析单元，与查询单元相连接，用于通过关联表解析出明暗条纹的数量所对应的光源的身份信息。查询单元和解析单元均为有确定形状、构造且占据一定空间的单元。
[0009]进一步地，图像获取装置包括图像传感器，图像传感器为曝光方式是卷帘快门的图像传感器，图像传感器的卷帘快门的采样频率高于图像传感器的帧速率，基于此种结构的图像传感器，在控制装置的控制下，能够控制图像传感器的不同部分在不同时间曝光，得到一幅或多幅图像。
[0010]为了实现上述目的，根据本实用新型的另一方面，提供了一种基于可见光的室内定位系统，该室内定位系统可以为包括本实用新型上述内容所提供的任一种基于可见光的室内定位装置的系统。[0011]为了实现上述目的，根据本实用新型的另一方面，提供了一种基于可见光的室内定位系统，该系统包括:光源，用于发出可见光；以及本实用新型上述内容所提供的任一种基于可见光的室内定位装置。
[0012]为了实现上述目的，根据本实用新型的另一方面，提供了一种光源，该光源为用于本实用新型上述内容所提供的基于可见光的室内定位系统的光源，或者用于本实用新型上述内容所提供的任一种基于可见光的室内定位装置的光源。
[0013]进一步地，光源包括:控制器，控制器用于对光源要传输的信息进行调制以便光源发出调制后的可见光。
[0014]进一步地，控制器包括:转换器，用于对要传输的信息进行转换，得到第一调制信号；调制器，与转换器相连接，用于基于第一调制信号对光源进行调制；以及驱动器，与调制器相连接，用于驱动光源发出调制后的光脉冲信号。
[0015]进一步地，第一调制信号包括第一调制电压或者第一调制电流，其中，调制器包括:电流调制器，与转换器相连接，用于基于第一调制信号对驱动光源的电流进行调制，得到第一调制电流；以及电压调制器，与转换器相连接，用于基于第一调制信号对驱动光源的电压进行调制，得到第一调制电压。
[0016]通过本实用新型，实现了以光信号为基础确定目标位置，而光信号在室内传输过程中具有良好的稳定性和抗干扰性，能够保证目标位置的确定精度，解决了现有技术中室内定位精度低的问题，进而达到了提高定位准确性的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0018]图1是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统的示意图；
[0019]图2是图像传感器拍摄出来的图像；
[0020]图3是根据本实用新型实施例的基于多个光信号以及多个图像传感器的室内定位系统的不意图；
[0021]图4a是图像传感器拍摄多个光源示意图；
[0022]图4b是从图像中心向外寻找光源区域的示意图；
[0023]图4c是从图像寻找到光源区域的示意图；
[0024]图5是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的示意图；
[0025]图6是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的电路图；
[0026]图7是根据本实用新型实施例的编码调制的数据示意图；
[0027]图8a是根据本实用新型实施例的编码调制的载波示意图；
[0028]图8b是根据本实用新型实施例的编码调制的载波示意图；
[0029]图9是根据本实用新型实施例的编码调制的调制信号的示意图；
[0030]图1Oa是根据本实用新型实施例的光源使用较高频率来表示第一信号的示意图；
[0031]图1Ob是在图1Oa所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0032]图1la是根据本实用新型实施例的光源使用中间频率来表示第二信号的示意图；[0033]图1lb是在图1la所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0034]图12a是根据本实用新型实施例的光源使用较低频率来表示第三信号的示意图；
[0035]图12b是在图12a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0036]图13是根据本实用新型实施例的利用在相同时间内低电平的个数不同来代表不同的数据信息的示意图；
[0037]图14a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内较高频率低电平的个数较多来表不第一信号的不意图；
[0038]图14b是在图14a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0039]图15a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内中间频率低电平的个数少于较多，多于较少来表示第二信号的示意图；
[0040]图15b是在图15a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0041]图16a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内较低频率低电平的个数较多来表不第三信号的不意图；
[0042]图16b是在图16a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0043]图17是根据本实用新型一实施例的编码的示意图；
[0044]图18是根据本实用新型又一实施例的编码的示意图；
[0045]图19是根据本实用新型又一实施例的编码的示意图；
[0046]图20是根据本实用新型实施例图像传感器放置距离光源小于200mm情形的示意图；
[0047]图21a是图像传感器拍摄视频图像时调整曝光参数的流程图；
[0048]图21b图像传感器拍摄视频图像时的采样频率示意图；
[0049]图21c和图21d图像传感器的采样频高于发射装置发射频率的情况下，所获取的图像的不意图；
[0050]图22a、图22b和图22c根据本实用新型实施例，图像传感器放置位置距离光源
1.5-2.5m时，图像传感器拍摄到的图片的示意图；
[0051]图23是图像传感器拍摄视频照片时调整曝光参数的流程图；
[0052]图24是通过分析图像传感器拍摄的图像信息，得到曝光时间的示意图；
[0053]图25a是图像传感器拍摄出来的图像；
[0054]图25b是通过解码软件寻找光源区域的示意图；
[0055]图26是寻找灰度值大于阈值的像素点来确定光源发光面区域的示意图；
[0056]图27是扫描对比寻找光源发光面矩形xmin、Xmax示意图；
[0057]图28是扫描对比寻找光源发光面矩形ymin、ymax示意图；
[0058]图29是光源在手机图像中的位置及LED发光面的大小示意图；
[0059]图30是计算矩形区域的示意图；
[0060]图31是为计算矩形区域的条纹数量的示意图；
[0061]图32是另一种计算矩形区域的条纹数量的示意图；
[0062]图33a至图33c是光源发光面矩形框中的条纹的数量对应代码示意图；
[0063]图34a至图34c是起始位、数据、校验码表示图形示意图；
[0064]图35是一组连续的数据序列示意图；[0065]图36是重新排列码元序列的示意图；
[0066]图37是整体基于软件实现光通信解码的方法的原理图；
[0067]图38是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的示意图；
[0068]图39是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的电路图；
[0069]图40是根据本实用新型一实施例的频率调制的示意图；
[0070]图41a是使用较高频率来表示第一信号的示意图；
[0071]图41b是在图41a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0072]图42a是使用中间频率表不第二彳目号的不意图；
[0073]图42b是在图42a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0074]图43a是使用较低频率表不第二彳目号的不意图；
[0075]图43b是在图43a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0076]图44是根据本实用新型实施例的利用低电平宽度，在相同时间内相同宽度的低电的个数来代表不同的数据信息的示意图；
[0077]图45a是根据本实用新型一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图；
[0078]图45b是在图45a所示情形下从图像中抓取光源发光面的示意图；
[0079]图46a是根据本实用新型一实施例的直径为D的LED灯具的示意图；
[0080]图46b是在图46a所示情形下拍摄的图像的示意图；
[0081]图47a是使用编码调制彳目号来表不第一彳目号的不意图；
[0082]图47b是在图47a所示情形下拍摄的图像的示意图；
[0083]图48a是使用编码调制/[目号来表不第二彳目号的不意图；
[0084]图48b是在图48a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0085]图49a是使用编码调制/[目号来表不第二彳目号的不意图；
[0086]图49b是在图49a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0087]图50是根据本实用新型又一实施例的编码的示意图；
[0088]图51是根据本实用新型提供的一种编码事例得到的示意图；
[0089]图52是LED灯具发送调制信号和未调制信号的示意图；
[0090]图53是在发送调制信号时增加调制时的电流示意图；
[0091]图54a是提闻增加调制时的电流后,表不第一彳目号的不意图；
[0092]图54b是在图54a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0093]图55a是提高增加调制时的电流后，表示第二信号的示意图；
[0094]图55b是在图55a所不情形下图像传感器拍摄的视频图像的不意图；
[0095]图56a提闻增加调制时的电流后,表不第二彳目号的不意图；
[0096]图56b在图56a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图；
[0097]图57是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的电路图；
[0098]图58是LED灯具发送调制信号和未调制信号的示意图；
[0099]图59是人体感应器感应人并发送信号示意图；[0100]图60是移动装置调用室内地图流程图；
[0101]图61是移动装置地图软件框架图；
[0102]图62是移动装置显示地图Maps与LED灯具识别码ID对应关系的示意图；
[0103]图63是根据本实用新型一实施例，能发送和接收光信号的照明装置的内部组件示意图；
[0104]图64是具有发送和接收光信号的移动更新设备的照明装置示意图；
[0105]图65是照明装置地址更新系统示意图；
[0106]图66是移动更新设备对LED照明装置的进行地址信息变更的操作流程图；
[0107]图67是查找照明装置地址信息方法流程图；
[0108]图68a是根据本实用新型一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图；
[0109]图68b是从图像中心向外寻找一个光源区域的示意图；
[0110]图69a是根据本实用新型又一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图；
[0111]图69b是从图像中心向外寻找多个光源区域的示意图；
[0112]图70a是图像传感器水平放置拍摄光源图像的示意图；
[0113]图70b是图像传感器水平放置时拍摄到的图像，图像传感器位置在图像的中心位置的不意图；
[0114]图71a是移动装置斜着放置时拍摄LED灯具的不意图；
[0115]图71b是移动装置斜着放置时拍摄LED灯具得到的图像；
[0116]图72是计算图像中心点位置的示意图；
[0117]图73a是陀螺仪的示意图；
[0118]图73b是移动导航装置内部加速度计的坐标系示意图；
[0119]图74是计算图像中心点位置的示意图；
[0120]图75是数据库中的数据格式示意图；
[0121]图76是数据库中LED灯具识别码ID同时对应的一些信息示意图；
[0122]图77是移动装直记录路线的不意图；
[0123]图78是移动装置拍摄LED灯具的示意图；
[0124]图79是移动装置拍摄到LED灯时进行位置校准的示意图；以及
[0125]图80是利用地图数据库进行定位的示意图。
【具体实施方式】
[0126]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0127]本实用新型实施例提供了 一种基于可见光的室内定位系统。
[0128]图1是根据本实用新型实施例的基于可见光的室内定位系统的示意图。如图1所示，该基于光信号的室内定位系统包括光源和接收设备(也称基于可见光的室内定位装置)；其中，接收设备可以包括光检测器、处理器、存储器以及通信装置。该室内定位系统定位所依赖的信息可以是光源身份识别信息、或其他信息。
[0129]光源，例如，LED灯具，荧光灯，白炽灯等的驱动电流或驱动电压可被调制并用于驱动上述光源发射光信号。光信号中携带有所要传输的信息。图像传感器能够接收光源所发射出来的光信息，并通过处理器进行解析，得到所要传输的信息。
[0130]接收设备(S卩，基于可见光的室内定位装置)用于拍摄光源，得到光源发出的可见光对应的图像，获取图像中的明暗条纹，识别明暗条纹，得到光源的身份信息，并查找地图中与光源的身份信息对应的位置，得到当前位置。以下具体说明:
[0131]接收设备中的光检测器可以为图像获取装置，或者，其他图像采集装置。以下，以图像获取装置为图像传感器为例进行介绍:
[0132]图像传感器，用于拍摄光源，得到表征光源发出的光信号的图像信息；该图像信息可以包括一幅图像，也可以包括多幅图像，当包括多幅图像时，通过对多幅图像的组合分析实现信息传输的目的。
[0133]接收设备中的处理器包括图像处理装置和控制装置，其中，图像处理装置，与图像获取装置相连接，用于获取图像中的明暗条纹，其中，图像中的明暗条纹与光源的身份信息对应；控制装置，与图像处理装置相连接，用于识别明暗条纹，得到光源的身份信息，并查找地图中与光源的身份信息对应的位置，得到当前位置。
[0134]进一步地，控制装置包括:测量机构，与图像处理装置相连接，用于测量明暗条纹的数量；以及获取机构，与测量机构相连接，用于获取明暗条纹的数量对应的光源的身份信
肩、O
[0135]进一步地，获取机构包括:查询单元，与测量机构相连接，用于查询明暗条纹的数量与对应编码的关联表；以及解析单元，与查询单元相连接，用于通过关联表解析出明暗条纹的数量所对应的光源的身份信息。查询单元和解析单元均为有确定形状、构造且占据一定空间的单元。
[0136]进一步地，图像获取装置包括图像传感器，图像传感器为曝光方式是卷帘快门的图像传感器，图像传感器的卷帘快门的采样频率高于图像传感器的帧速率，基于此种结构的图像传感器，在控制装置的控制下，能够控制图像传感器的不同部分在不同时间曝光，得到一幅或多幅图像。
[0137]进一步地，图像获取装置包括图像传感器，第一控制器还用于确定图像传感器的一个部分为测量区域，测量区域为图像中最亮的区域，并且第一控制器还用于采用以下方式控制图像传感器曝光:根据测量区域的亮度控制图像获取装置的曝光时间。
[0138]进一步地，第一控制器还用于采用以下方式根据测量区域的亮度控制图像获取装置的曝光时间:在拍摄光源的第一图像时，根据测量区域的亮度控制图像获取装置的曝光时间；固定曝光时间；以及采用固定后的曝光时间拍摄光源的第二图像，其中，第二图像为得到第一图像后光源发出的可见光对应的图像。
[0139]进一步地，图像获取装置所拍摄的光源为一个或多个光源，其中，图像获取装置用于采用以下方式拍摄光源，得到光源发出的可见光对应的图像:拍摄一个或多个光源，得到一个或多个光源发出的可见光对应的图像，其中，图像中的一个或多个曝光区域对应一个或多个光源，图像获取装置用于采用以下方式获取图像中的明暗条纹:获取图像中的一个或多个曝光区域的明暗条纹，第一控制器用于采用以下方式获取明暗条纹的数量对应的光源的身份信息:获取每个图像中一个或多个曝光区域的明暗条纹，以及获取多个图像的明暗条纹对应的光源的身份信息。
[0140]进一步地，图像获取装置用于采用以下方式拍摄光源，得到光源发出的可见光对应的图像包括:获取光源发出的可见光对应的一个或多个图像，图像获取装置用于采用以下方式获取图像中的明暗条纹包括:分别获取一个或多个图像中的明暗条纹的数量，第一控制器用于采用以下方式获取明暗条纹的数量对应的信息包括:在图像为多个图像时，获取多个图像的明暗条纹的数量组合对应的身份信息。
[0141]需要说明的是，在本实用新型实施例中，基于光信号的室内定位装置可以只是接收端，包括图像传感器和处理器；也可以包括用发射端，例如光源及其驱动电路；还可以包括发射端和接收端组成的光信息传输系统。
[0142]本实用新型中所提到的各个机构、器件和单元均为有确定形状、构造且占据一定空间的机构、器件和单元。
[0143]图2是图像传感器拍摄的图像。
[0144]图像传感器拍摄光源，采集光源发射的光信号。通过处理器检测有效曝光区域中条纹的数量，并恢复所传输的信息。
[0145]图3是根据本实用新型实施例所描述的基于多个光源和多个接收设备的室内定位系统的不意图。
[0146]图4a是一个图像传感器拍摄多个光源所得图像的示意图；图4b是如何从图像中心向外寻找有效曝光区域的示意图；图4c是从一个有效曝光区域中检测光源所对应区域的示意图。
[0147]当有多个光源时，图像传感器拍摄图像后，对图像中的有效曝光区域进行检测。检测方式如图4b所示，从图像中央以螺旋路径向外寻找。确定有效曝光区域后，将一幅图像分割为对应多个光源的多个区域；如图4c所示，在一个有效曝光区域中检测光源所对应区域，然后检测条纹数量。进而，得到光源所发出的光信息。
[0148]此外，接收设备中可以包含多个所述图像传感器。
[0149]综上，基于光信号的信息传输装置用于检测光源发出的光信号，得到对应于所述光源的图像；检测所述图像中的有效曝光区域及该区域内的条纹数量，并获取所述条纹数量对应的所传输的信息。
[0150]图5是根据本实用新型实施例的基于可见光的室内定位系统中发射端的示意图。[0151 ] 所示发射端为驱动电流或驱动电压可调制的光源。
[0152]图6是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的逻辑框图。
[0153]光源从市电获取交流电源，通过交直流转换器(AC/DC Converter)将交流电源转换为直流电源，为发射端提供电源。微控制器(Micro-controller)将存储器(EEPROM)中预存的信息按预定的编码方式编译为调制信号；同时将所述调制信号发送给调制控制器(Modulator);调制控制器将调制信号加载到光源的驱动电流或驱动电压中。使光源发出光信号。
[0154]图7是本实用新型实施例的编码调制的波形示意图。
[0155]图8a和图8b是根据本实用新型实施例的频率调制示意图。如图所示是两种不同频率的波形。
[0156]图9是根据本实用新型实施例的频率调制的波形示意图。如图所示是基于两种不同频率调制后的波形。[0157]发射装置优选编码调制方法:
[0158]利用脉冲宽度调制的方式对驱动光源的电流或电压进行调制。调整所得到的调制电压或者调制电流用于驱动光源发出光脉冲信号，光脉冲信号的频率为IOOHz至1.37MHz,其中:调制电压或者调制电流中每个低电平信号的持续时间固定，或者，调制电压或者调制电流中每个高电平信号的持续时间固定。在相同时间内，发送的高电平或低电平的个数不同；高电平对应灯具发光，低电平对应灯具不发光。每一个高电平或每一个低电平的持续的时间相同。
[0159]通过图像传感器拍摄到灯具发送的暗条纹或亮条纹的个数不同来代表不同的编码信息。所拍摄到的图片中每一个暗条纹或每一个亮条纹的宽度都相同。
[0160]为说明其编码方法，举例说明，图10-图16所不。
[0161]图1Oa是根据本实用新型实施例的光源使用较高频率来表示第一信号的示意图。
[0162]第一信号:使用较高频率来表不第一信号，例如使用5.0KHz来表不第一信号。
[0163]图1Ob是在图1Oa所示情形下图像传感器拍摄的图像的示意图。
[0164]光源使用5.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器以640*480的分辨率在2.0-2.5m的距离拍摄出来的图像，可以清晰的读出10-11条暗条纹。
[0165]定义解码时拍摄到10-11个暗条纹的图像时，此图像的信息为第一信号。
[0166]图1la是根据本实用新型实施例的光源使用中间频率来表示第二信号的示意图。
[0167]第二信号:使用中间频率来表不第二信号，例如使用2.0KHz来表不第二信号。中间频率:介于较高频率与较低频率中间的频率。
[0168]图1lb是在图1la所示情形下图像传感器拍摄的图像的示意图。
[0169]光源使用2.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器以640*480的分辨率在
2.0-2.5m的距离拍摄出来的图像，可以清晰的读出5-6条暗条纹。
[0170]定义解码时拍摄到5-6个暗条纹的图像时，此图像的信息为第二信号。
[0171]图12a是根据本实用新型实施例的光源使用较低频率来表示第三信号的示意图。
[0172]第三信号:使用较低频率来表示第三信号，例如使用1.0KHz来表示第三信号。
[0173]图12b是在图12a所示情形下图像传感器拍摄的图像的示意图。
[0174]光源使用1.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器以640*480的解分辨率在
2.0-2.5m的距离拍摄出来的图像，可以清晰的读出2-3条暗条纹。
[0175]定义解码时拍摄到2-3个暗条纹的图像时，此图像的信息为第三信号。
[0176]注意，虽然本专利中编码过程中使用了不同编码频率，但在解码过程中并不通过解析信号的绝对频率来得到所传输的信号，而是通过比较不同信号频率的高低来得到所传输的信号。
[0177]图13是根据本实用新型实施例利用在相同时间内低电平的个数不同来代表不同的数据信息的示意图。
[0178]定义在相同时间内调制宽度相同的低电平，以不同低电平的个数来代表不同的数据信息。宽度相同的低电平在图像传感器拍摄的图像中对应为宽度相同的暗条纹。
[0179]图14a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内低电平的个数较多来表示第一信号的示意图。
[0180]第一信号:使用在相同时间t内较高频率的低电平来表示第一信号，例如低电平宽度为0.1ms,正脉冲宽度为0.1ms, 10-11条暗条纹来表示第一信号。
[0181]图14b是在图14a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0182]光源使用较高频率低电平宽度为0.1ms和高电平宽度为0.1ms的脉冲宽度调制信号发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的图像，可以清晰的显示10至11条暗条纹。
[0183]定义解码时拍摄到10至11个暗条纹的图像时，此图像的信息为第一信号。
[0184]图15a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内中间频率低电平的个数少于第
一信号，来表不第二信号的不意图。
[0185]第二信号:使用在相同时间t内中间频率低电平的个数少于第一信号，来表示第二信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.3ms,以5至6条暗条纹来表示第二信号。
[0186]图15b是在图15a所述情形下图像传感器拍摄图像的示意图。
[0187]使用中间频率，低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.3ms的脉冲宽度调制信号驱动光源发射光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的图像，可以清晰的显示5至6条暗条纹。
[0188]定义拍摄到5-6个暗条纹的图像信息为第二信号。
[0189]图16a是根据本实用新型实施例的在相同时间t内，低电平的个数最少来表示第
三信号的示意图。
[0190]第三信号:使用在相同时间t内，低电平的个数最少来表示第三信号。例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.7ms, 2至3条暗条纹来表示第三信号。
[0191]图16b是在图16a所示情形下图像传感器拍摄图像的示意图。
[0192]使用较低频率，低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.7ms的脉冲宽度调制信号驱动光源发射的光信号，通过图像传感器在640*480的分辨率拍摄出来的图像，可以清晰的显示2至3条暗条纹。
[0193]定义拍摄到2至3个暗条纹的图像时，此图像代表的的信息为第三信号。
[0194]图17是根据本实用新型一实施例的编码方式的示意图。
[0195]根据频率调制信号和脉冲调制信号的编码方式，针对光源发送一组数据信息还需要有信息的发送格式。
[0196]光源发送地址编码信号编码规则:单独发送数据。
[0197]发射一组编码:数据编码(Data)。
[0198]本专利提供一种编码事例:Datal2bits Total需要12巾贞图像。
[0199]图18是根据本实用新型又一实施例的编码的示意图。
[0200]为使接收时准确地找到一段信息的起始位置，在光源发送的编码中增加起始校验码，其编码规则:起始码+数据码
[0201]发射一组编码信号:起始码(Head Code) +数据码(Data)
[0202]本专利提供一种编码事例:Head CodeIbit+Datal2bits Total需要13巾贞图像。
[0203]图19是根据本实用新型又一实施例的编码示意图。
[0204]为使接收时更好地正确解码，在光源发送的编码中增加校验码，其编码规则:起始码+数据码+校验码。[0205]发射一组编码信号:起始码(Head Code) +数据码(Data) +校验码(Errorcorrection code)。
[0206]本专利提供一种编码事例:HeadCodeIbit+Data12bits+Error correctioncodelbit/Total 需要 14bits 中贞图像。
[0207]图20是根据本实用新型实施例图像传感器放置距离光源小于200mm情况下的示意图。
[0208]带有图像传感器的装置:用图像传感器来拍摄图像，并解析图像中的信息，实现光源与图像传感装置之间的通信。
[0209]图像传感器可以为CMOS图像传感器。光源通过调制器调制光源发送具有明暗变化的信号，基于卷帘快门暴光方式的图像传感器可生成含有明暗条文的图像。
[0210]图像传感器拍摄光源时的采样频率设置:
[0211]图像传感器曝光时间:图像传感器中每一行或每一列象素的曝光时间，称之为基于卷帘快门曝光方式的图像传感器的曝光时间。
[0212]图像传感器的拍摄帧速率(frame rate)为30Hz,每帧的分辨率为640*480 (V-line*H-line)，因此图像传感器拍摄I张图像的时间为:1s/Frame rate=ls/30Hz=0.033s=33ms。扫描一行的时间为:ls/Frame rate/H-line=33ms/480=69us ^ 70us 扫描 I 行的时间为 70us。
[0213]当帧速率为30Hz，分辨率为640*480时，每拍摄一张图像的时间为33ms。为了能够清楚拍摄每一行条纹，图像传感器的曝光时间需要小于等于33ms/480行=69us即是l/14400s。
[0214]基于图像传感器帧率为30Hz，分辨率为640*480时，为了能够区分明暗条纹，因此光源发送的明暗条纹的周期需要大于等于70us。由此得到光源发送明暗条纹的频率应该小于或等于:ls/(暗条纹 + 亮条纹)=Is/(70us+70us) =7.14KHz。
[0215]光源的闪烁频率取决于接收装置的图像传感器的帧速率和分辨率，发送频率=Is/(暗条纹 + 亮条纹)=Is/ (ls/ (Frame rate*H_line)+ls/ (Frame rate*H_line)) =0.5*Frame*H-line。
[0216]假设，当接收装置的图像传感器的像素达到30亿时，拍摄的图片象素垂直与水平比例为1:1时，光源的闪烁频率应小于等于:0.5*30Hz* (3000000000)0 5=1.37MHz。
[0217]由于人眼能够分辨的闪烁频率为小于100Hz，因此定义光源的闪烁频率范围为:lOOHz-1.37MHz ο
[0218]图21a是图像传感器拍摄视频图像时调整曝光参数的流程图。
[0219]图像传感器放置距离光源小于200mm，开启图像传感器并调整曝光参数。
[0220]以图像传感器帧速率为30Hz，分辨率为640*480为例说明图像传感器的参数设置，由于图像传感器距离光源很近，光的照射强度大，通过图像传感器根据光源的光强度自动调整曝光时间，可以将图像传感器的曝光时间设定为很小的数值，例如1/14400S，当图像传感器的曝光时间小于1/14400S时通过软件实现曝光值锁定.[0221]通过设置图像传感器的曝光时间，即当图像传感器曝光时间足够小时，可以清晰地拍摄出明暗变化条纹，实现利用图像传感器拍摄的图片并读取信息的目的。
[0222]图21b图像传感器拍摄视频图像时的采样频率示意图。[0223]图像处理器拍摄发射装置发出的经过调制的可见光，为了得到清晰的明暗条纹，图像传感器的采样周期需要小于或等于发射装置发送高电平或低电平的周期。举例说明，如图21b所示，发射装置发送低电平的周期小，目的是图像传感器能够采集到每个低电平的条纹信息，采样时间间隔需要小于或等于发射装置发送的低电平的周期。
[0224]图21c和图21d图像传感器的采样频高于发射装置发射频率的情况下，所获取的图像的不意图。[0225]当采样时间间隔越小，在发射频率不变的情况下，采集到的明暗条纹的越清晰。
[0226]例如:如图21c所示，在发射装置发送低电平时，暗条纹采集到的行数为3行；在发射装置发送高电平时，亮条纹采集到的行数为13行，可以得到图21d所示的图片。
[0227]图22a，图22b和图22c根据本实用新型实施例，图像传感器放置位置距离光源1.5-2.5m时，图像传感器拍摄到的图片的示意图。
[0228]在图22c中利用接收装置上预先安装的软件，通过如下方式识别有效曝光区域:从图像中央开始，以螺旋路径由内向外检测；识别图片中的高亮区域；图像传感器根据高亮区域的亮度调整曝光参数。
[0229]图23是图像传感器拍摄视频照片时调整曝光参数的流程图。
[0230]由于图像传感器距离光源较远，光的照射强度小，通过图像传感器根据光源的中心亮度自动设置曝光时间，可以将图像传感器的曝光时间设定为符合需求的曝光时间。当图像传感器的曝光时间小于符合要求的曝光时间时通过软件锁定曝光时间，然后进行拍摄。
[0231]图像传感器拍摄帧速率为30Hz，每帧的分辨率为640*480，因此图像传感器拍摄I张图像的时间为:ls/30Hz=0.033s=33mso扫描一行的时间为:33ms/480=69us ^ 70us扫描I行的时间为70us。l/2000s/l/14400s=7.2行。例如:当曝光值设定为l/2000s时，条纹所占的行数需要大于7行，所传递的信息才能够被正确解析出来。
[0232]图24是通过分析图像传感器拍摄的图像信息，得到曝光时间的示意图。
[0233]通过分析图像传感器拍摄的图像，得到合适的曝光时间。使图像传感器在近距离拍摄光源时，图像曝光适度，得到曝光时间的最佳值。
[0234]通过图像传感器底层软件协议直接将此曝光时间参数设定为一个接口，此接口可以直接给应用层软件使用。在开启图像传感器时，由设定曝光时间参数的接口直接设定曝光时间，即可以直接通过应用层接口直接实现曝光时间的设定。
[0235]图25a是图像传感器拍摄出来的图像。
[0236]视频图像解码软件:解析图像传感器拍摄出光源发射的光信号，利用软件抓取图像当中有效的区域，计算有效区域中暗条纹的数量，并得到相应的编码。
[0237]对应编码方式，不同的码元值对应明暗条纹不同的个数。比如，如果第二编码的信号的频率较高，条纹个数就较多。如果第三信号编码的信号频率低，条纹个数就较少。
[0238]图25b是通过解码软件寻找光源区域的示意图。
[0239]图像传感器拍摄的图像通过预先安装在接收设备上的解码软件，以螺旋形路经从图像中央向外寻找。
[0240]图26是通过寻找灰度值大于阈值的像素点来确定光源曝光区域的示意图。
[0241]待解析的图像分辨率为640*480，将640*480个像素点的灰度值的平均值定义为阈值。从图像中央以螺旋形路经向外寻找灰度值大于阈值的像素。在同一区域有多个点的灰度值大于阈值时，设定此区域为光源曝光区域。
[0242]图27是扫描对比寻找光源发光面矩形xmin、Xmax示意图。
[0243]通过对图像的逐一比对筛选可以得到光源光对应的曝光区域，将图像中亮像素点的坐标记下，其中，标记这些像素点中的横坐标最小值为Xmin，最大值为Xmax，纵坐标最小值为ynin,最大值为y_,在图像上确定一个矩形区域,其四个角的坐标值为(Xniin, ymin), (xmax,
Yrnin)，(Xmin， Ymax)和 Umax，Ymax)。
[0244]图28是扫描对比寻找光源发光面矩形ymin、ymax示意图。 [0245]通过确定四个角的坐标值(xnin，ymin)，(χΜΧ,ymin)，(xnin，ymax)和(χ.，ymJ，可以将图像进一步缩减为光源光对应的曝光区域。
[0246]图29是光源在手机图像中的位置及光源光对应的曝光区域示意图。
[0247]通过四个角的坐标值为(Xniil^yniin)，(xmax,ymin)，(xmin，y_)和(xmax，y_)可以将图像进一步缩减为光源光对应的曝光区域。找到光源光对应的曝光区域矩形中心点(xmid，Ymid)。
Xmid= (Xmin+Xmax) /2 ； Ymid= (Ymin+Y—) /2。
[0248]图30是如何计算光源光对应的曝光区域的示意图。
[0249]由于光源一般为圆形，为了减少非发光面对解码效果的影响，我们需要重新计算光源光对应的曝光区域。
[0250]通过中心点(Xmid,Ymid), max=X—+5
[0251]通过四个角的坐标值为(Xfflid-5,Yfflin), (Xfflid+5, Yfflin), (Xmid_5，Ymax)和(Xmid+5，Ymax)可以将图像进一步缩减为光源光对应的曝光区域。
[0252]图31是计算光源光对应的曝光区域的条纹数量的示意图。
[0253]进一步对缩减后的光源对应的曝光区域进行灰度取值(Y值)。图像灰度值:图像每个像素点分别有RGB三个像素组成，将彩色图像转化为灰度图像，对从最暗到最亮的亮度等级进行区分，定义为灰度值；最小为0，最大为255。
[0254]通过灰度值取最大值与最小值，求最大值与最小值的平均，将平均值作为灰度值二元化的阈值。当灰度值大于阈值时，灰度值二元化后的值为“I”；当灰度值小于阈值时，灰度值二元化后的值为“O”。此外,灰度值二元化的阈值不一定为最大值与最小值的平均，还可以为光源光对应的曝光区域内所有灰度值的平均值；灰度值二元化的阈值只要是能够将明暗条纹能够区分出来的值都可以。然后对灰度二元化后的值分别逐行求和，再通过阈值来做比较，此阈值可以为最大值与最小值的平均值，还可以为光源光对应的曝光区域内所有灰度二元化值的平均值。当求和值大于阈值时，求和值二元化后的值为“I”;当求和值小于阈值时，求和值二元化后的值为“O”。此时，得到“O” “I”数值，“O”表示暗条纹；“I”表不売条纹。
[0255]计算条纹的数量，如图9所示，通过阈值二元化后等到的“O” “I”值分别是暗条纹和亮条纹。当二元化后的值由“O”变为“I”时，表示由暗条纹变为亮条纹；当二元化后的值由“I”变为“O”时，表示由亮条纹变为暗条纹；当二元化后的值由“O”变为“O”时，表示仍然为同一暗条纹；当二元化后的值由“I”变为“I”时，表示仍然为同一亮条纹。通过上述方法可以分别计算出光源矩形区域内条纹的数量。利用此方法，可以通过单独计算暗条纹的数量得到对应的码元；也可以通过单独计算亮条纹的数量得到对应的码元；同样还可以通过组合计算暗条纹和亮条纹的数量得到对应的码元。
[0256]单独计算暗条纹的数量为6条；单独计算亮条纹的数量为5条；亮暗条纹同时计算时的数量为11条。通过亮暗条纹的数量计算码元的对应关系。
[0257]图32是另一种计算矩形区域的条纹数量的示意图。
[0258]此方法是得到每行二进制数的和组成的数组之后，对该数组求一阶导数，再对一阶导数的符号值求导，若结果大于0，则认为这个点的位置在亮条纹变成暗条纹或暗条纹变成亮条纹的地方。计算点的个数，即为亮暗条纹的总个数。
[0259]图33a至图33c是光源发光面矩形框中的条纹的数量对应代码示意图。
[0260]通过光源发光面矩形框中的条纹的数量对应其表示的代码。在光源对应曝光区域条纹数量较多的为第一信号码元；在光源对应曝光区域条纹数较少的为第三信号码元；在光源对应曝光区域条纹数在较多和较少中间的为第二信号码元。
[0261]图34a至图34c是起始码、数据码、校验码表示图形示意图。
[0262]在光源发射光信号的同时，图像传感器开始连续拍摄，然后对每一帧图像重复上述解码过程。光信号包含一定长度的一连串数据序列。比如光源连续发送I组起始码、12组数据码和I组校验码，此时同步连续抓取14帧画面，其中I组数据码用阿拉伯数字表示，黑色方块表示起始码，白色框里表示拍摄到的12帧画面，以及灰色方块表示校验码。
[0263]图35是一组连续的数据序列示意图。
[0264]光源连续发送信息:起始码(Head Code)+12个数据码(Data) +校验码(Errorcorrection code)
[0265]图36是重新排列编码序列的示意图。
[0266]根据每一张图像解码得到的码元重新排列，将起始位标出，起始位之前的码元值全部排到序列的尾端，以此来得到正确的数据序列。
[0267]图37是整体基于软件实现光通信解码方法的原理图。
[0268]整体基于软件实现光通信解码的方法的原理图。这里假设光源发送的光信号包括I组起始码，η组数据码以及I组校验码。
[0269]图38是根据本实用新型实施例的基于光信号的信息传输系统中发射端的示意图。
[0270]能够发射编码光信号的光源。此光源可以是LED灯具，荧光灯，白炽灯等可被调制发光的光源，用于发射光信号，光信号中携带有要传输的信息。为了方便描述，以下描述将使用LED灯具来表不发射光信号的光源。
[0271]图39是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的电路图。
[0272]光源从市电取AC电源，通过AC/DC转换器(Converter)将AC电源转换为DC电源给LED驱动器(LED Driver)提供电源。微控制器(Micro-controller)将存储器(EEPROM)中预存的地址信息编译为频率调制(FSK)信号或者脉冲宽度调制(PWM)信号发送给调制控制器(Modulator)，调制控制器将调制信号加载到LED驱动器输出的电压或电流上，以驱动LED灯具发送光信号。
[0273]本实用新型实施例中利用LED照明灯具作为发射光信息的光源，首先需要满足LED灯具作为照明设备使用，应当在不影响照明功能的前体下进行光信号传输。因此需要做到LED灯具发送信号时灯光闪烁不能被人眼察觉。本专利共提出三种方式，使LED灯具发送光信号时灯光闪烁不被人眼察觉。
[0274]图40是根据本实用新型一实施例的频率调制的示意图。
[0275]频率调制方法:利用不同的频率来代表发送的不同信息，同时每种码元发送占空比相同。
[0276]占空比(Duty):脉冲周期序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
[0277]由于人对光源闪烁敏感程度大概为60Hz，为保证人感觉不到闪烁，我们将频率提高到100Hz。频率大于IOOHz的情况下，不同的频率，但占空比相同的时，光源发出的光效是相同的。光源发出的光效:在一定的时间内(is),光源发出的发光量。
[0278]图41a是使用较高频率来表示第一信号的示意图。
[0279]第一信号:使用高频率来表不第一信号，例如使用5.0KHz来表不第一信号。
[0280]图41b是在图41a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0281]LED灯具使用5.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的视频图像，可以清晰的数出10-11条暗条纹。定义解码时拍摄到10-11个暗条纹的图像时，此图像的信息为第一信号。
[0282]图42a是使用中间频率50%表不第二/[目号的不意图。
[0283]第二信号使用中间频率来表示第二信号,例如使用2.0KHz来表示第二信号。
[0284]图42b是在图42a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0285]LED灯具使用2.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的图像，可以清晰的输出5至6条暗条纹定义解码时拍摄到5至6个暗条纹的图像时，此图像的信息为第二信号。
[0286]图43a是使用较低频率表不第二彳目号的不意图。
[0287]第三信号:使用较低频率来表示第三信号，例如使用1.0KHz来表示第三信号
[0288]图43b是在图43a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0289]LED灯具使用1.0KHz频率发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的视频图像，可以清晰的输出2-3条暗条纹。定义解码时拍摄到2-3个暗条纹的图像时，此图像的信息为第三信号(第三信号Code)。
[0290]光源在发送信息时，利用不同的频率以及相同占空比来代表不同的码元，在发送不同码元时光效相同，因此在以此种编码方式发送光信息时，可以做到光源不闪烁。
[0291]图44是根据本实用新型实施例的利用低电平宽度相同，在相同时间内相同宽度的低电平的个数来代表不同的数据信息的示意图。
[0292]通过增加一个高频波，使光源在发送信号时不会被人眼察觉到闪烁。
[0293]按照相同暗条纹宽度来发送光信号，由于各个码元之间的占空比不同，因此在发送光信号时的光效不同，在相同时间的发光量不同，光源的发光强度会发生改变。
[0294]在此基础上增加高频波，使各个码元的占空比相同，即发光效率相同，防止光源的发光强度发生改变。
[0295]图45a是根据本实用新型一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图。
[0296]根据图像传感器的拍摄图像的特性:逐行扫描特性。[0297]图45b是在图45a所示情形下从图像中抓取光源发光面的示意图。
[0298]例如:设定图像传感器拍摄的图像分辨率为:640*48030Hz (拍摄图像的像素大小:每行有640个像素，每个图像有480行，30Hz每秒钟拍摄30张图像)。
[0299]图46a是根据本实用新型一实施例的直径为D的LED灯具的示意图。
[0300]光源发光面:光源从灯具发出光的面积大小，如图所示直径为D的圆形。
[0301]图46b是在图46a所示情形下拍摄的图像的示意图。
[0302]图像传感器拍摄帧为30Hz,每帧的分辨率为640*480，因此图像传感器拍摄I张图像的时间为:ls/30Hz=0.033s=33mso扫描一行的时间为:33ms/480=69us ^ 70us扫描I行的时间为70us。
[0303]为使图像传感器能够分辨出来条纹，因此条纹至少需要大于I行才能分辨出来。对应发送周期T=暗条纹+亮条纹=70+70=140us，发射频率f=l/T=l/140us=7.14KHz。
[0304]光源的发射频率大于7.14KHz图像传感器是无法分辨出来，显示出来的为混合条纹，比暗条纹更亮的灰色条纹，因此在脉冲调制的基础上需要增加大于7.14KHz的高频载波。
[0305]图47a是使用编码调制信号来表示第一信号的示意图。
[0306]第一信号:使用在相同时间内相同宽度的低电平的个数表不第一信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.1ms来表示第一信号，并增加高频波(IOKHz占空比:80.0%)。
[0307]其中，低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.lms+ΙΟΚΗζ占空比:80.0%，图像传感器拍摄的视频图像占空比:(0.1*0+0.1*1*80%)/(0.1+0.1) =40%O
[0308]图47b是在图47a所示情形下拍摄的图像的示意图。
[0309]LED灯具使用低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.lms+ΙΟΚΗζ占空比:80.0%调制信号发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的视频图像，可以清晰的输出10-11条暗条纹。定义解码时拍摄到10-11暗个条纹的图像时，此图像的信息为第
一信号。
[0310]图48a是使用编码调制/[目号来表不第二/[目号的不意图。
[0311]第二信号(第二 Code):使用使用在相同时间内相同宽度的低电平的个数来表示第二信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.3ms来表示第一信号，并增加高频载波(IOKHz 占空比:53.3%)。
[0312]其中，低电平宽度为0.lms，高电平宽度为0.3ms+10KHz占空比:53.3%，图像传感器拍摄的视频图像占空比:(0.1*0+0.3*1*53.3%) / (0.1+0.3) =40%。 [0313]图48b是在图48a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0314]LED灯具使用低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.3ms+1OKHz占空比:53.3%，调制信号发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的视频图像，可以清晰的输出5-6条暗条纹。定义解码时拍摄到5-6个暗条纹的图像时，此图像的信息为第二信号。
[0315]图49a是使用编码调制/[目号来表不第二/[目号的不意图。
[0316]第三信号:使用在相同时间内相同宽度的低电平的个数来表不第三信号,例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.7ms来表示第一信号，并增加高频载波(IOKHz)[0317]其中，低电平宽度为0.lms，高电平宽度为0.7ms+10KHz占空比:45.7%，图像传感器拍摄的视频图像占空比:(0.1*0+0.7*1*45.7%) / (0.1+0.7) =40%。
[0318]图49b是在图49a所不情形下图像传感器拍摄的视频图像的不意图。
[0319]LED灯具使用低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.7ms+1OKHz占空比:45.7%调制信号发射的光信号，通过图像传感器640*480的分辨率拍摄出来的视频图像，可以清晰的输出2-3条暗条纹。定义解码时拍摄到2-3个暗条纹的图像时，此图像的信息为第三信号。
[0320]综上所述，采用上述两种编码方式，使光源在发射不同的光信号时发光的光效相同，使光源发光强度的变化不被人眼察觉。
[0321]图50是根据本实用新型又一实施例的编码的示意图。
[0322]光源不断地发送信号，使光源一直处于发送信号状态，因此光源一直按照一个相同的光强在发送信号，不会产生人眼可察觉的闪烁。
[0323]光源发送地址编码信号编码规则:起始码+数据码+校验码
[0324]发射一组编码信号:起始码(head code) +数据码(Data) +校验码(ErrorCorrection Code)
[0325]本专利提供一种编码事例:lbit+Datal2bits+Errorcorrection codelbit/Total需要14巾贞图像彳目息。
[0326]图51是描述本实用新型提供的一种编码事例的示意图。
[0327]光源连续不停的发送光信息:起始码(head code)+数据码(Data)+校验码(Errorcorrection code)。
[0328]通过光源不断地发送信号，使光源一直处于发送信号状态，每个码元发出相同的光效，因此人眼察觉不到光源的闪烁。
[0329]图52是LED灯具调制后的驱动电流或驱动电压和未经调制的驱动电流或驱动电压的示意图。
[0330]LED灯具在发送信号时，使用调制信号在发送；LED灯具未发送信号时，使用未调制信号在发送。因此存在2种发光状态，未调制时的发光量大，发送信号调制时的发光量小，因此导致LED灯具发光闪烁。
[0331]未调制信号:是指光源持续稳定，没有明暗变化正常发光，没有增加任何调制信号。
[0332]调制信号:是指在光源正常发光的情况下，增加调制信号，使光源产生不被人眼察觉的明暗交替的变化。
[0333]未调制时的发光光效=100%
[0334]调制时的发光光效=100%*50%(Duty百分比)=50%。
[0335]图53是在发送调制信号时增加调制时的电流示意图。
[0336]为了使调制发送信号时的发光光效与未调制时的发光光效相同，需要增加调制时的电流。调整电流大小以及占空比将使调制时的发光光效等于未调制时的发光光效。
[0337]图54a是提高增加调制时的电流后，表示第一信号的示意图。
[0338]第一信号:使用脉冲的个数多来表示第一信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.1ms来表示第一信号，并增加高频载波(IOKHz占空比:80.0%)。[0339]图54b是在图54a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0340]占空比:
[0341](0.1*0+0.1*1*80%)/(0.1+0.1)=40% — (0.1*0+0.1*2.5*80%)/(0.1+0.1)=100%
[0342]通过增加调制时的电流，调制时的发光光效由40% — 100%与未调制时相同，因此光源通过增加调制时的电流，可以做到不被人眼察觉。
[0343]图55a是提高增加调制时的电流后，表示第二信号的示意图。
[0344]第二信号(第二 Code):使用脉冲的个数小于多且大于少的中间数来表示第二信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.3ms来表示第二信号，并增加高频载波(IOKHz 占空比:53.3%)
[0345]图55b是在图55a所不情形下图像传感器拍摄的视频图像的不意图。
[0346]占空比:(0.1*0+0.3*1*53.3%) / (0.1+0.3) =40% — (0.1*0+0.3*2.5*53.3%) /(0.1+0.3)=100%
[0347]通过增加调制时的电流，调制时的发光光效由40% — 100%与未调制时相同，因此光源通过增加调制时的电流，可以做到明暗变化不被人眼察觉。
[0348]图56a是增加调制电流后,表不第二/[目号的不意图。
[0349]第三信号(第三信号Code):使用脉冲的个数少来表示第三信号，例如低电平宽度为0.1ms，高电平宽度为0.7ms来表示第一信号，并增加高频载波(IOKHz)
[0350]图56b在图56a所示情形下图像传感器拍摄的视频图像的示意图。
[0351]占空比:(0.1*0+0.7*1*45.7%) / (0.1+0.7) =40% — (0.1*0+0.7*2.5*45.7%) /(0.1+0.7)=100%
[0352]通过提高增加调制时的电流，调制时的发光光效由40% — 100%与未调制时相同，因此光源通过提高增加调制时的电流，可以做到闪烁不被人眼察觉。
[0353]图57是根据本实用新型实施例的基于光信号的室内定位系统中发射端的逻辑框图。
[0354]通过增加调制时的电流，可以做到光源在未调制信号和调制信号之间自由切换，而不会出现光源出现人眼可察觉的闪烁问题。在调制信号时，通过控制光源，发送高频明暗变化的光信号，为了提高光源的使用寿命，在不需要发送光信号时，使用未调制电流或电压驱动灯具发光。
[0355]图58是LED灯具发送调制信号和未调制信号的不意图。
[0356]当人走到LED灯具检测范围内时，LED灯具开始发送调制信号；当人不在LED灯具检测范围内时，LED灯具开始发送未调制光。
[0357]图59是通过运动传感器或其他可探测有人出现的传感器感应道有人出现并发送光信号的不意图。
[0358]传感器侦测到人到达灯的所在区域，将感应信号传输给微处理器进行信息处理，再通过微处理器控制调制器，调制LED光源的驱动电流或驱动电压器，通过光源将光信号发送出来。
[0359]本实用新型的基于光信号的信息传输方法或装置还可以用于定位的目的，为了实现该目的，该室内导航定位系统包括:光源，用于发射光信号，光信号中携带有光源的地址信息；图像传感器，用于拍摄光信号，得到图像信息；以及处理器，用于对图像信息进行处理，以获取地址信息。
[0360]图60是移动装置调用室内地图流程图。
[0361]具有LED灯具身份信息的数据库地图:将移动装置接收到LED灯具的身份识别信息比对应地图数据库，确定LED灯具地址信息，将移动装置的位置标示在地图上面。
[0362]首先利用GPS，GPRS, GSM, CDMA, WIFI，Zigbee，蓝牙，RFID......等无线定位技术实
现初步定位，从而确定移动装置的大概位置。调用相应地图数据。
[0363]本室内定位技术是通过图像传感器通过拍摄光源发送出来的光源身份识别信息，识别光源位置，进而确定移动设备位置。此方法传送信息的速度有限，因此对光源身份识别信息编码有限制，一般只需要满足室内光源的数量即可。另外，不同区域的室内光源的地址定位信息有可能是重复相同。因此，需要通过无线定位技术，先初步确定当前区域，调用当前区域范的地图。在同一个区域内光源的地址定位信息编码是唯一的。
[0364]通过无线定位技术，先初步确定当前位置，在调用当前区域的地图，解决了不同区域内灯具身份识别信息有可能重复的问题。缩短了灯具身份识别信息的编码长度，提高了信息的传输速度。并且简化了不同区域内光源身份信息编码的复杂程度。
[0365]图61是移动装置(即，室内定位装置)中地图软件结构图。
[0366]LED灯具身份识别信息，以及地图数据库可以是储存在移动设备的存储器内，可以独立地将收到的灯具身份识别信息进行判断和定位，并将移动设备位置显示在对应的地图上。
[0367]如移动装置地图显示软件结构图所示，图像传感器拍摄图像，将图像传送给微处理器进行解析得到灯具身份识别信息，然后将灯具身份识别信息与移动装置中储存的地图数据比对并得出相应位置信息，然后将灯具身份识别信息所对应的位置通过显示屏显示在地图上。
[0368]图62是移动装置显示地图Maps与LED灯具身份识别信息对应关系的示意图。
[0369]移动装置接收到的LED灯具身份识别信息通过网络进入地图数据库，再将匹配好的数据通过网络再发给移动装置显示在地图上。移动装置接收到LED灯具发送的光信号，通过移动装置内嵌入的解码软件解码得到灯具身份识别信息，再通过网络将灯具身份识别信息发送给服务器，服务器通过数据库中的地图Maps与灯具身份识别信息的比对，将灯具身份识别信息对应的地址信息通过网络再反馈给移动装置，移动装置将地图Maps与灯具身份识别信息对定的关系显示在地图上。
[0370]图63是根据本实用新型一实施例，能发送和接收光信号的照明装置的内部组件示意图。
[0371 ] LED灯具地址ID更新的常规做法:
[0372]在现有技术中，一般是通过以下两种方式来进行变更地址信息的:
[0373](I)将存有地址信息的芯片从照明装置中取出，放到专门的芯片烧录器上来变更地址信息；
[0374](2)通过照明装置上预留的烧录接口，插入烧录线，通过PC或烧录器进行烧写以变更地址信息。
[0375]以上两种方式在进行光源位置信息变更时，增大了变更地址信息的难度，需要拆卸设备取出地址芯片或者使用连接线，操作复杂，消耗人力物力，增加作业成本。[0376]本实用新型所要解决的技术问题之一是需要提供一种降低变更照明装置地址信息难度的移动更新设备、照明装置和相应方法。
[0377]本实用新型因为采用移动更新设备，其能够发送与要变更的地址信息相关的信号，照明装置通过接收信号实现对地址信息的变更，所以克服了在对照明装置的地址信息进行变更时由拆卸芯片或链接烧录线引起的作业成本高和消耗人力的问题，进而达到降低变更照明装置地址信息难度的目的。
[0378]此信号可以是光信号、射频信号或其他可以无线传输的信号，以下举一实例说明此信号为光信号时相关装置及更新地址方法。
[0379]图64是具有发送和接收光信号的移动更新设备的照明装置示意图。
[0380]光接收模块用于接收地址编码器发送的改变光源地址编码的光信号，并将所接收到的地址编码信息储存在储存器中，用于光源发射时使用的光源地址信息。
[0381]图65是照明装置地址更新系统示意图。
[0382]照明装置的内部集成接收器，用于接收移动更新设备发射出的信号。当接收器接收到移动设备发射出的信号，通过微控制器处理，若此信号符合地址信息更新条件，微控制器将接收到的地址信息编码存储到储存器当中。
[0383]照明装置发送光信息时，微控制器从储存器中将地址信息调用出来，将此地址编码发送到调制控制器，再通过调制控制器驱动LED驱动器，通过光源将信号发送出来。
[0384]图66是移动更新设备对LED照明装置的进行地址信息变更的操作流程图。
[0385]移动更新设备接收照明装置发送地址信息的光信号，并通过微控制器对该光信号进行解调，在显示器中显示解调后的接收的地址信息。同时，该微控制器从地址信息存储器中查找与该照明装置对应的识别码，在显示器中显示所要更新的地址信息，判断解调后的信息是否与该识别码一致，若不一致，则发射器将通过调制器调制后的光信号发送给照明装置。照明装置的光接收器接收该信息，照明装置的微控制器对该地址信息进行解调，并更新地址信息。
[0386]图67是查找照明装置地址信息方法流程图。
[0387]照明装置更新完地址信息后，通过发射器向移动更新设备发送更新后的地址信息。移动更新设备中的光接收器接收该信息，微控制器对该信息进行解调并在显示器中显示出更新完后的确认信息，若接收到的新地址信息与所要更新地址的信息一致，则操作结束。否则，重复移动更新设备重新发送带有地址编码的光信号给照明灯具，重复以上述步骤。
[0388]图68a是根据本实用新型一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图，图68b是从图像中心向外寻找一个光源区域的示意图。
[0389]图像传感器拍摄出来的图像通过预先安装在移动装置上的解码软件，通过从图像中央的向外以螺旋路径寻找，可以确定一个光源对应的曝光区域的位置。
[0390]图69a是根据本实用新型又一实施例的图像传感器拍摄的图像的示意图；图69b是从图像中心向外寻找多个光源对应的曝光区域的示意图。
[0391]图像传感器拍摄出来的图像通过预先安装在移动装置上的解码软件，通过从图像中央向外以螺旋路径寻找，可以确定多个光源对应的曝光区域的位置。
[0392]图70a是图像传感器水平放置拍摄光源图像的示意图。[0393]图像传感器水平放置在光源下方，拍摄多个光源的发射出的光信号。
[0394]图70b是图像传感器水平放置时拍摄到的图像，图像传感器拍摄的图像中包含三个光源对应的曝光区域的示意图。
[0395]图像传感器拍摄的图像中包含三个光源对应的曝光区域，通过解析得到3个LED灯具的位置可以计算出目前手机的当前位置。
[0396]图像传感器水平放置在光源下方，拍摄多个光源的发射出的光信号。图像传感器拍摄图片所处的物理位置位于三个光源之间。
[0397]A点与B点之间的像素点距离为Dab= ((XA, _XB)2+(Ya-Yb)2)°_5 ；A点与B点之间的距离预先储存在数据库中，可以直接调用实际距离D/像素点Y方向距离Dab等到实际距离与图片上像素点的比值关系:QY。
[0398]A点与C点之间的像素点距离Dac= ((XA, -Xc)2+ (Ya-Yc)2)°_5 ；A点与C点之间的距离为预先储存在数据库中，可以直接调用实际距离D/像素点X方向距离Da。等到实际距离与图片上像素点的比值关系:Qx。
[0399]中心点(Xmid，Ymid)与ABC任何一个点都可以确定中心点(Xmid，Ymid)实际的位置坐标。中心点的实际坐标X=Xb(实际坐标)+ (Xmid-XB) *QX得到中心点的实际位置坐标。中心点的实际坐标Y=Yb(实际坐标)+(Ymid-YB)*QY得到中心点的实际位置坐标(X，Y)。
[0400]图71a是移动装置倾斜放置时拍摄LED灯具的示意图。
[0401]当移动装置倾斜拍摄光源时，即图像传感器成像平面与入射光不垂直时，图像中心点的位置与移动装置水平放置时中心点的位置不同。需要通过移动装置内集成的角度传感器或其他可以感知 角度的设备来计算移动装置的角度，从而修正由于倾斜角度带来的解
码误差。
[0402]当移动装置倾斜拍摄光源时，即图像传感器成像平面与入射光不垂直时，也可以通过各个LED灯具距离移动装置远近通过光强体现出来，因此可以通过移动装置接收到的各个LED灯具光强不同来计算其具体的位置。
[0403]图71b为移动装置倾斜拍摄光源时，即图像传感器成像平面与入射光不垂直时，得到的光源图像。
[0404]当移动装置倾斜拍摄光源时，即图像传感器成像平面与入射光不垂直时，移动装置位置需要通过计算移动装置的倾斜角度来修正。
[0405]图72是如何计算图像中心点位置的示意图。
[0406]图像中心点位置可以通过拍摄到的曝光区域来计算。
[0407]通过移动装置陀螺仪可以得知手机与G方向的角度角度，02与β I互为余角，因此θ2=90-θ1()天花板到地面的距离是已知的，手机距离地面的高度一般为1.0-1.2m,因此可以知道手机距离天花板的高度H=地面到天花板的高度-1.2m。中心点位置与实际位置点之间的距离d=H*Tan Θ 2。距离d为手机拍摄图片站立的物理位置到图片中心的距离。
[0408]图73a是陀螺仪的示意图。
[0409]通过陀螺仪计算出图像传感器成像平面与入射光之间的夹角与X，Y，Z三轴的角度关系。
[0410]移动导航装置旋转的角度:ΦηζφΜ+ω.(!!:,式中Φη为当前时刻的角度，为上一时刻的角度，ω为陀螺仪测量出来的角角速度，dt为采样时间间隔。通过分别在X，Y，Z三轴上分别计算三个方向的角加速度，可以计算出导航装置旋转的角度。
[0411]图73b是移动导航装置内部加速度计的坐标系示意图。
[0412]人员正常将移动导航装置拿在手上，显示面朝上，X轴，Y轴所在的平面为水平面；Z轴为重力方向，垂直于水平面。
[0413]图74是计算图像中心点位置的示意图。
[0414]根据陀螺仪计算出的图像传感器成像平面与入射光之间的夹角在水平面上的投影，与X轴的角度关系计算出移动装置实际位置。
[0415]移动导航装置旋转的角度:Φ^Φ^+ω.dt，由图72可以得知手机拍摄图片所处的物理位置到图片中心的距离d。图片中灯具的位置信息可以通过预先储存在数据库中，可以直接调用。通过图片信息灯具A和灯具B的位置信息(XA，YA)，(XB，YB)，(Xc, Yc)图片中心点的位置为(Xmid，Ymid).A点与B点之间的像素点距离Dab= ((XA, -Xb) 2+ (Ya-Yb) 2) °_5，A点与B点之间的距离为预先储存在数据库中，可以直接调用实际距离D/像素点Y方向距离Dab等到实际距离与图片上像素点的比值关系:QY。
[0416]A点与C点之间的像素点距离Dac= ((XA, -Xc)2+(Ya-Yc)2)0-5, A点与C点之间的距离为预先储存在数据库中，可以直接调用实际距离D/像素点X方向距离Da。等到实际距离与图片上像素点的比值关系:Qx。
[0417]中心点(Xmid，Ymid)与ABC任何一个点都可以确定中心点(Xmid，Ymid)实际的位置坐标。中心点的实际坐标X=Xb(实际坐标)+ (Xmid-XB) *QX得到中心点的实际位置坐标。中心点的实际坐标Y=Yb (实坐标)+(Ymid-YB) *QY得到中心点的实际位置坐标。
[0418]实际点的位置坐标为:(X+d*cos Φ，Y+d*sin Φ)。
[0419]图75是数据库中的数据格式示意图。
[0420]移动装置接收LED灯具发送的光信号，并通过移动装置内嵌入的解码软件解析出光源的身份识别信息，通过网络将光源的身份识别信息发送给数据库；数据库计算机通过比对确定光源的身份识别信息对应的地址信息；数据库计算机将移动设备的地址信息通过GPRS, GSM, CDMA, WIFI，Zigbee，蓝牙等无线技术将信息传递给移动装置，并通过移动装置上的显示设备，将移动设备的地址信息显示在地图上。
[0421]图76展示了数据库中与LED灯具身份识别信息相对应的一些信息。
[0422]LED灯具身份识别信息可以和以下数据库信息相对应:地图数据库中相应的位置坐标，以及身份识别信息对应的一些其他信息，例如，广告信息，服务信息，提醒信息等。
[0423]利用磁力感应器判断移动装置的运动方向。
[0424]利用陀螺仪来判断移动装置前进的方向(由于磁力感应器容易受到干扰，因此使用陀螺仪来判断移动设备运动方向与初始方向的相对角度)。
[0425]定位可以通过光信号进行定位，也可以与GPS，WIFI，Zigbee，蓝牙，RFID，GPRS,CDMA，GSM，加速度计，角度传感器，陀螺仪，超声波等定位方式组合使用。由于光信号覆盖的范围较小，所以在两个光源之间，可以通过以上所述的多种途径进行定位补偿，实现定位的连续性。例如可以重力感应器来计量人走路的步频，再根据步长来推测行走速度，辅助以角度传感器提供的方向信息，在两个光源之间，对移动设备进行粗略定位。
[0426]图77是移动装置记录路线的示意图。[0427]磁力感应器用于判断初始方向，陀螺仪用于判断前进的方向，重力感应器用于判断人员行走的步伐。根据人一般的行走速度或步长，粗略计算出人行走的方向以及速度，并显示在地图上。
[0428]图78是移动装置拍摄LED灯具的示意图。
[0429]当移动装置位于LED灯具下方时，通过移动装置拍摄LED灯具来确定方向。
[0430]将2盖LED灯并排安装,距尚小于0.5m,确保在拍摄时能够冋时将2盖灯都拍摄在图像中。
[0431]图79是移动装置拍摄到LED灯具并进行位置校准的示意图。
[0432]上述2盏LED灯具应按照南北走向的方位安装，灯具对应的身份识别码的最后一位表示相对方位。例如:
[0433]“ I ”表不在对应灯具偏N方向。
[0434]“ O ”表示在对应灯具偏S方向。
[0435]将2盏等的中心坐标联成一条直线表示NS走向。
[0436]当移动装置同时拍摄到这2盏定位光源时进行定位位置校准，和陀螺仪方向校准。通过不断对陀螺仪的方向进行校准以确保计算方向的大致准确性。
[0437]图80是利用地图数据库进行定位的示意图。
[0438]提供导航定位使用的地图数据库:移动装置接收到LED灯具传输的光源身份识别信息，将此识别信息与地图数据库进行比对，获得移动设备的位置信息；然后，在移动设备的显示器上将设备位置显示在地图上。
[0439]例如，商场超市定位导航应用:通过光接收定位信息并将移动设备的位置显示在地图上。
[0440]移动装置，可以是带有图像采集设备的如下装置:如，手机，平板电脑，便携式电脑
坐寸ο
[0441]此室内导航技术还可以用于商业数据统计，市场推广，线上线下联合经营，在线帮助，游戏娱乐，社交网络，人员跟踪，其他与位置相关的应用。
[0442]本实用新型公开了一种基于可见光的通信技术，这种通信方式通过发送和接收信息，进一步的可以用这个身份信息识别码达到定位的功能。
[0443]需要说明的是，本实用新型的【具体实施方式】部分虽然记载了基于可见光进行室内定位的方法，但是该方法仅用于说明本实用新型实施例所提供的基于可见光进行室内定位的装置、系统和设备等。
[0444]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于可见光的室内定位装置，其特征在于，包括: 图像获取装置，用于拍摄光源，得到所述光源发出的可见光对应的图像，其中，所述可见光为经过调制的可见光，所述可见光包含所述光源的身份信息； 图像处理装置，与所述图像获取装置相连接，用于获取所述图像中的明暗条纹，其中，所述图像中的明暗条纹与所述光源的身份信息对应；以及 控制装置，与所述图像处理装置相连接，用于识别所述明暗条纹，得到所述光源的身份信息，并查找地图中与所述光源的身份信息对应的位置，得到当前位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括: 存储器，与所述控制装置相连接，用于存储地图；以及 通信装置，与所述控制装置相连接，用于连接所述室内定位装置与远程服务器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置包括: 测量机构，与所述图像处理装置相连接，用于测量所述明暗条纹的数量；以及 获取机构，与所述测量机构相连接，用于获取所述明暗条纹的数量对应的所述光源的身份信息。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述获取机构包括: 查询单元，与所述测量机构相连接，用于查询所述明暗条纹的数量与对应编码的关联表；以及 解析单元，与所述查询单元相连接，用于通过所述关联表解析出所述明暗条纹的数量所对应的所述光源的身份信息。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像获取装置包括图像传感器，所述图像传感器为曝光方式是卷帘快门的图像传感器，所述图像传感器的卷帘快门的采样频率高于所述图像传感器的帧速率。
6.一种基于可见光的室内定位系统，其特征在于，包括: 光源，用于发出可见光；以及 权利要求1至5中任一项所述的基于可见光的室内定位装置。
【文档编号】G01S1/70GK203519822SQ201320335810
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】郭成, 胡洪, 时磊, 张国旗 申请人:北京半导体照明科技促进中心