一种室内定位方法、装置和移动终端与流程

本发明涉及定位技术领域，更具体地说，涉及一种室内定位方法、装置和移动终端。

背景技术：

经研究发现，人们80％以上时间在室内活动，70％以上的通信量来自室内，因此室内定位导航的需求愈显突出。

在传统的定位系统中，以GPS导航定位为代表的卫星定位系统已经取得了广泛的应用，但是该系统仅局限于室外应用，由于室内属于封闭式空间，导致所述GPS导航定位无法满足室内定位的需求。

虽然国内外针对室内定位已开展了大量研究，主要有基于可见光通信的室内定位方法，但是该方法的定位对象是特征点光源，并不是直接对用户进行定位，因此其定位精准度低。

因此如何提高室内定位的精准度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于可见光成像的室内定位方法、装置和移动终端，以提高室内定位的精准度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种室内定位方法，包括：

采用图像采集设备对目标区域进行连续拍摄，获取目标区域的图像信息；

获取所述图像信息中的每个特征点的ID编码信息，依据获取到的所述ID信息确定与所述ID信息对应的所述特征点的位置信息；

获取所述图像采集设备的内部参数信息，依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息；

分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型，得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息。

优选的，室内定位方法中，所述依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息之后，还包括：

依据所述旋转角度信息确定所述图像采集设备采集图像信息时摄像孔所面向的方向信息。

优选的，室内定位方法中，所述修正参数信息包括：

图像采集设备的三维空间坐标系中的平移旋转参数a、b，图像采集设备的焦距f，以及图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差u₀和Y轴方向的偏差v₀。

优选的，室内定位方法中，所述理想成像模型为：

其中，所述u和v表示所述特征点在像空间坐标系下的坐标，所述u₀表示图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差，所述v₀表示图像采集设备在像空间坐标系中Y轴方向的偏差，其中所述像空间坐标系的Z轴为所述图像采集设备的光轴，所述a₁等于cosε_xcosε_z-sinε_xsinε_ysinε_z，a₂等于-cosε_xsinε_z-sinε_xsinε_ycosε_z；a₃等于-sinε_xcosε_y；b₁等于cosε_xsinε_z；b₂等于cosε_ycosε_z；b₂等于-sinε_y；c₁等于sinε_xcosε_z+cosε_xsinε_ysinε_z；c₂等于-sinε_xsinε_z+cosε_xsinε_ycosε_z；c₃等于cosε_xcosε_y，所述ε_x为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_y为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕Y轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_z为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息；所述x用于表示所述特征点在物空间坐标系中X轴方向的坐标值信息，y用于表示所述特征点在物空间坐标系中Y轴方向的坐标值信息，z用于表示所述特征点在物空间坐标系中Z轴方向的坐标值信息；所述x_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中X轴方向的坐标信息，所述y_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Y轴方向的坐标信息，所述z_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Z轴方向的坐标信息。

一种室内定位装置，包括：

图像采集单元，用于控制图像采集设备对目标区域进行连续拍摄，获取目标区域的图像信息；

图像分析单元，用于获取所述图像信息中的每个特征点的ID编码信息，依据获取到的所述ID信息确定与所述ID信息对应的所述特征点的位置信息；

旋转角度计算单元，用于获取所述图像采集设备的内部参数信息，依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息；

坐标计算单元，用于分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型，得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息。

优选的，上述室内定位装置，还包括：

方向计算单元，用于依据所述旋转角度信息确定所述图像采集设备采集图像信息时摄像孔所面向的方向信息。

优选的，上述室内定位装置，所述修正参数信息包括：

图像采集设备的三维空间坐标系中的平移旋转参数a、b，图像采集设备的焦距f，以及图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差u₀和Y轴方向的偏差v₀。

优选的，上述室内定位装置，所述坐标计算单元具体用于：

通过分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型：

得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息；

其中，所述u、v表示所述特征点在像空间坐标系下的坐标，所述u₀表示图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差，所述v₀表示图像采集设备在像空间坐标系中Y轴方向的偏差，其中所述像空间坐标系的Z轴为所述图像采集设备的光轴，所述a₁等于cosε_xcosε_z-sinε_xsinε_ysinε_z，a₂等于-cosε_xsinε_z-sinε_xsinε_ycosε_z；a₃等于-sinε_xcosε_y；b₁等于cosε_xsinε_z；b₂等于cosε_ycosε_z；b₂等于-sinε_y；c₁等于sinε_xcosε_z+cosε_xsinε_ysinε_z；c₂等于-sinε_xsinε_z+cosε_xsinε_ycosε_z；c₃等于cosε_xcosε_y，所述ε_x为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_y为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕Y轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_z为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息；所述x用于表示所述特征点在物空间坐标系中X轴方向的坐标值信息，y用于表示所述特征点在物空间坐标系中Y轴方向的坐标值信息，z用于表示所述特征点在物空间坐标系中Z轴方向的坐标值信息；所述x_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中X轴方向的坐标信息，所述y_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Y轴方向的坐标信息，所述z_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Z轴方向的坐标信息。

一种移动终端，应用有上述任意一项公开的室内定位装置。

优选的，上述移动终端中，所述图像采集设备为手机摄像头。

通过以上方案可知，本发明实施例提供的室内定位方法，首先采用可见光通信技术获取目标区域的位置信息，然后将获取到的所有的特征点的位置信息和通过计算得到的旋转角度信息代入理想成像模型，依据所述理想成像模型计算得到所述图像采集设备所处的空间坐标系中的位置信息，所述图像采集设备所处的空间坐标系中的位置信息即为用户所处的空间坐标系的位置信息，因此可见，相对于传统的室内定位方法而言，上述实施例公开的方案精准度更能精确的表达用户当前所处的位置信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种室内定位方法的流程图；

图2为本申请另一实施例公开的一种室内定位方法的流程图；

图3为用户采用图像采集设备对目标区域进行采集的示意图；

图4为中心投影模型图；

图5为坐标转换模型图；

图6为本申请实施例公开的一种室内定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对于传统的室内定位方法或精准度低或成本高的问题，本申请公开了一种室内定位方法。

传统的室内定位方法中通过利用可见光通信技术，能够为室内定位提供光源ID、光源位置坐标、室内建筑结构等基础定位信息，该定位方法成本较低、定位速度快。申请人经过研究发现，如果将可见光通信技术和成像定位技术相结合，能够提供更加精确的定位结果。

参见图1为本申请实施例公开的一种室内定位方法，参见图1，该方法包括：

步骤S101：采用图像采集设备对目标区域进行连续拍摄，获取目标区域的图像信息；

步骤S102：获取所述图像信息中的每个特征点的ID编码信息，依据获取到的所述ID信息确定与所述ID信息对应的所述特征点的位置信息；

该过程具体可为：确定所述图像信息中的多个特征点，分别对所述多个特征点进行特征点匹配，获取每个所述特征点的ID编码信息，依据获取到的所述ID信息确定与所述ID信息对应的所述特征点的位置信息；

步骤S103：获取所述图像采集设备的内部参数信息，依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息；

步骤S104：分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型，得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息。

通过采用本申请上述实施例公开的方法，首先采用可见光通信技术获取目标区域的位置信息，当然，需要说明的是，此时所获取的所述位置信息为特征点(所述目标区域中存在多个特征点)的位置信息，而非用户的位置信息，然后将获取到的所有的特征点的位置信息和通过计算得到的旋转角度信息代入理想成像模型，依据所述理想成像模型计算得到所述图像采集设备所处的空间坐标系中的位置信息，所述图像采集设备所处的空间坐标系中的位置信息即为用户所处的空间坐标系的位置信息，因此可见，相对于传统的室内定位方法而言，上述实施例公开的方案精准度更能精确的表达用户当前所处的位置信息。

在采用上述方法实现对用户进行精确定位的基础上，为了给用户带来更好地服务，本申请实施例公开的室内定位方法还可通过计算得到用户当前所面向的方向，即，参见图2，所述依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息之后，上述方法还包括：

步骤S105：依据所述旋转角度信息确定所述图像采集设备采集图像信息时摄像孔所面向的方向信息。在进行图像采集时，所述图像采集设备的摄像孔所面向的方向，即为用户当前所面向的方向。

其中，所述修正参数信息可以包括：图像采集设备的三维空间坐标系中的平移旋转参数a、b，图像采集设备的焦距f，以及图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差u₀和Y轴方向的偏差v₀。当然，为了使得计算得到的旋转角度信息的值更加准确，本申请上述正参数信息还可以包括：径向畸变参数、偏心畸变参数和仿射畸变参数。其中所述径向畸变主要是指由于所述图像采集设备的镜头工艺的原因导致的枕/桶形失真现象，偏心畸变是指由于装配误差导致的光心非居中的现象，仿射畸变是指由于图像采集设备中的图像传感器工艺导致的xy轴不正交，或者xy轴比例不一致的现象。需要说明的是，具体的如何依据所述修正参数信息计算得到所述旋转角度信息，为本领域技术人员在进行图像处理时常用的计算方法，对此，本申请并不在进行详细说明。

当然，为了方便用户更加直观的了解本申请上述步骤S104中的计算过程，本申请还所述理想成像模型的形式进行了具体限定，例如，在本申请上述实施例公开的技术方案中，：

其中，所述u和v表示所述特征点在像空间坐标系下的坐标，所述u₀表示图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差，所述v₀表示图像采集设备在像空间坐标系中Y轴方向的偏差，其中所述像空间坐标系的Z轴为所述图像采集设备的光轴，所述a₁等于cosε_xcosε_z-sinε_xsinε_ysinε_z，a₂等于-cosε_xsinε_z-sinε_xsinε_ycosε_z；a₃等于-sinε_xcosε_y；b₁等于cosε_xsinε_z；b₂等于cosε_ycosε_z；b₂等于-sinε_y；c₁等于sinε_xcosε_z+cosε_xsinε_ysinε_z；c₂等于-sinε_xsinε_z+cosε_xsinε_ycosε_z；c₃等于cosε_xcosε_y，所述ε_x为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_y为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕Y轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_z为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息；所述x用于表示所述特征点在物空间坐标系中X轴方向的坐标值信息，y用于表示所述特征点在物空间坐标系中Y轴方向的坐标值信息，z用于表示所述特征点在物空间坐标系中Z轴方向的坐标值信息；所述x_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中X轴方向的坐标信息，所述y_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Y轴方向的坐标信息，所述z_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Z轴方向的坐标信息。

当然，为了方便用户更加直观、清楚的了解本申请上实施例公开的技术方案的具体过程，本申请还对上述方法的具体原理进行了说明，参见图3，图3为用户采用图像采集设备0对目标区域进行采集的示意图，其中，所述发光二极管LED1、LED2、LED3、LED4为所述目标区域中的特征点，所述发光二极管LED1、LED2、LED3、LED4通过透镜后映射到像平面；

所述图像采集设备的镜头等效为薄透镜，可设所述薄透镜的孔径趋于零，则所述图像采集设备的成像过程等同于小孔成像，所述图像采集设备对目标的成像变换过程可以表示为物空间中的物点在像空间中的投影，通常采用摄影测量学中的中心投影方式实现物象空间的投影映射变换。下面介绍在摄影测量中常用的投影和成像模型——中心投影。如图4所示，SaA、SbB、ScC、SdD表示投射线，物点A、B、C、D投射到像平面P上，投影点分别为a、b、c、d，所述SaA、SbB、ScC、SdD汇聚于投影中心S。

像空间坐标系：描述像点在像空间位置的坐标系，坐标原点取其投影中心为S，坐标的正Z轴取所述图像采集设备的摄影方向，通过S作平行于像平面上X和Y轴的轴线即为像空间坐标系的X和Y轴。在所述像空间坐标系中每个像点的Z轴坐标都等于所述图像采集设备的焦距f。

所述图5中，u₀、v₀分别表示像点在X轴方向和Y轴方向上的偏差，所述u₀、v₀可以通过对所述图像采集设备进行标定后得到。设像空间坐标系的投影中心S在物空间坐标系中的坐标为(x_s,y_s,z_s)^T，物空间坐标系变换到与像空间坐标系姿态一致时绕三个坐标轴转过的角度为(ε_x,ε_y,ε_z)。

物点(特征点)在物空间坐标系下坐标为X＝(x,y,z)^T，所述X可由所述可见光通信获得，像面上的所述物点映射的理想像点在像空间坐标系下的坐标为m＝(u,v)^T，二者关系可用理想成像模型来表示：

设坐标旋转矩阵R定义如下：

对所述理想成像模型进行转换得到m＝MX＝K[R|t]X；

矩阵K描述了所述图像采集设备的内部结构，称为相机的内参矩阵，其中的参数称为图像采集设备的内部参数，R、t分别为坐标旋转矩阵和平移向量，描述了图像采集设备在物空间坐标系中的位置和方向，称为图像采集设备的外部参数，M＝K[R|t]称为投影矩阵，同时隐含了图像采集设备的内外参数。

在能够获得多个特征点信息的前提下，可以得到多项上述矩阵方程(m＝MX＝K[R|t]X)，联立求解方程组，即可求取图像采集设备的在空间三维坐标中的位置信息，同时还可估计出相机在三个坐标轴上的旋转角度，从而完成对用户的精确定位。

其中，对用户进行精确定位的前提条件是准确获得特征点的位置信息。在实际应用中，由于光源的制作和安装工艺存在误差，无法精确地将光源安装在指定位置，当其直接用于室内定位时，将产生较大的定位误差，所以需要首先对光源的位置进行标定，以校正制作和安装过程中产生的位置误差。

当然，实际中，由于图像采集设备的镜头的装配工艺和镜头设计制造工艺存在无差，可能会导致实际的光学系统无法实现三点共线。常见的内部参数包括：焦距、径向畸变参数、偏心畸变参数和仿射畸变参数。其中径向畸变主要是指由于镜头工艺的原因导致的枕/桶形失真现象，偏心畸变是指由于装配误差导致的光心非居中的现象，仿射畸变是指由于图像传感器工艺导致的X、Y轴不正交，或者X、Y轴比例不一致的现象。

因此，可使用实验场法对所述图像采集终端的上述参数进行标定和校正。实验场法的基本原理是对已知参数的靶标多次、不同角度地拍照，之后运用最小二乘的原理估计出图像采集设备的内部参数值。再使用估计出的内部参数对各个像点坐标变换，以满足三点共线的要求。

可以理解的是，针对于上述方法本申请还公开了一种室内定位装置，所述方法和装置的技术特征可相互借鉴，参见图6，所述装置包括：

图像采集单元10，用于控制图像采集设备对目标区域进行连续拍摄，获取目标区域的图像信息；

图像分析单元20，用于获取所述图像信息中的每个特征点的ID编码信息，依据获取到的所述ID信息确定与所述ID信息对应的所述特征点的位置信息；

旋转角度计算单元30，用于获取所述图像采集设备的内部参数信息，依据所述内部参数信息计算得到物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕三个轴坐标旋转过的旋转角度信息；

坐标计算单元40，用于分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型，得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息。

与上述方法相对应，所述装置还包括：

方向计算单元，用于依据所述旋转角度信息确定所述图像采集设备采集图像信息时摄像孔所面向的方向信息。

与上述方法相对应，所述修正参数信息可以包括：

图像采集设备的三维空间坐标系中的平移旋转参数a、b，图像采集设备的焦距f，以及图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差u₀和Y轴方向的偏差v₀。

与上述方法相对应，所述坐标计算单元具体用于：

通过分别将每个所述特征点的位置信息和所述旋转角度信息代入理想成像模型：得到多组理想成像模型，联立所得到的多组理想成像模型并求解，得到图像采集设备在空间三维坐标系中的位置信息；

其中，所述u和v表示所述特征点在像空间坐标系下的坐标，所述u₀表示图像采集设备在像空间坐标系中X轴方向的偏差，所述v₀表示图像采集设备在像空间坐标系中Y轴方向的偏差，其中所述像空间坐标系的Z轴为所述图像采集设备的光轴，所述a₁等于cosε_xcosε_z-sinε_xsinε_ysinε_z，a₂等于-cosε_xsinε_z-sinε_xsinε_ycosε_z；a₃等于-sinε_xcosε_y；b₁等于cosε_xsinε_z；b₂等于cosε_ycosε_z；b₂等于-sinε_y；c₁等于sinε_xcosε_z+cosε_xsinε_ysinε_z；c₂等于-sinε_xsinε_z+cosε_xsinε_ycosε_z；c₃等于cosε_xcosε_y，所述ε_x为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_y为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕Y轴旋转过的旋转角度信息，所述ε_z为物空间坐标系转换到与像空间坐标系姿态一致时围绕X轴旋转过的旋转角度信息；所述x用于表示所述特征点在物空间坐标系中X轴方向的坐标值信息，y用于表示所述特征点在物空间坐标系中Y轴方向的坐标值信息，z用于表示所述特征点在物空间坐标系中Z轴方向的坐标值信息；所述x_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中X轴方向的坐标信息，所述y_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Y轴方向的坐标信息，所述z_s用于表示所述图像采集设备在物空间坐标系中Z轴方向的坐标信息。

可以理解的是，针对于上述装置本申请还公开了一种移动终端，所述移动终端应用上述任意一项实施例公开的室内定位装置。

可以理解的是，所述移动终端可以为PDA或手机等具有摄像和数据处理功能的设备，当所述移动终端为手机时，本申请上述实施例中所提到的所述图像采集设备为手机摄像头。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。