流水灯式信标快速识别系统的制作方法
【专利摘要】一种流水灯式信标快速识别系统，可用于计算机视觉领域中对环境中数量很大的信标进行快速识别。包括信标系统和图像采集系统，一个信标系统由多个信标组成，信标采用流水灯方式工作，依次发出脉冲信号，通过分析图像序列，可以获取到脉冲信号发生的图像坐标和发生时刻，由于每个信标的工作次序已知，可以将采集到的脉冲信号图像坐标和信标编号对应起来，从而实现大量信标的快速识别。
【专利说明】流水灯式信标快速识别系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流水灯式信标快速识别系统，可用于计算机视觉领域中对环境中数量很大的信标进行快速识别。
【背景技术】
[0002]在计算机视觉领域，尤其是增强现实领域中，对环境信标的图像分析可以提供图像采集设备(如摄像机)的相对位置和姿态信息。
[0003]目前主要采用的信标系统为常亮式信标系统，对信标之间不加以区分，而采用穷举的方式进行推算。当同一画面中出现的信标数量过大时，计算复杂性增加，无法实现快速识别。
[0004]另有一种信标系统，信标采用的是二维码的形式，但其运算量仍然过大，不适用于便携式设备。
[0005]还有一种信标系统，信标采用的是二进制频闪方式，当信标数量过大时(100个以上)，二进制码过长(7位以上)，在快速运动时很难持续跟踪采集，容易导致识别失败。
[0006]基于上述现有方案的不足之处，为了开发出可对大量信标进行快速识别的信标系统，本发明提出了流水灯式信标快速识别系统。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术的不足之处，所要解决的技术问题是:在较小的运算量下，增加系统能分辨出的信标总数。
[0008]本发明主要通过以下技术方案实施:一种流水灯式信标快速识别系统，包括信标系统和图像采集系统。一个信标系统由多个(N个信标，编号由I到N)信标组成，一个工作周期开始的时刻被记为t0，信标采用流水灯方式工作，多个信标间隔一定时间Λ t依次发出脉冲信号，一个信标系统内所有信标都发送完脉冲信号后，一个工作周期结束，经过一定休眠时间后，进入下一个工作周期；图像采集系统可连续工作采集图像序列，通过分析图像序列，可以获取到脉冲信号发生的图像坐标x、y和发生时刻ti (i=l，…，n)，由于每个信标的工作次序η已知，可以将采集到的脉冲信号图像坐标x、y和信标编号N对应起来，从而实现大量信标的快速识别。
[0009]作为优选，信标发出的电磁波信号可以是蓝、绿、红、红外四个波段，从而允许多达四个不同波段的信标系统同时工作而互不干扰，图像采集系统可采集一个或多个波段的电磁波信号。
[0010]作为优选，当有多个相同波段的信标系统同时工作，即可能发生两个相同波段的信标在同一时刻工作，可采用多摄像头立体图像采集系统，通过多目视差确定距离，从而区分同一时间点工作的不同信标。
[0011]作为优选，当有多个相同波段的信标系统同时工作，即可能发生两个相同波段的信标在同一时刻工作，可采用浅景深图像采集系统，通过信标图像的弥散圆半径来区分同一时间点工作的不同距离的信标。
[0012]作为优选，脉冲信号可以是正脉冲方波信号，也可以是负脉冲方波信号。
[0013]作为优选，为了增加脉冲信号的辨识度，防止误判，脉冲信号可以是双正脉冲方波信号，也可以是双负脉冲方波信号。
[0014]作为优选，图像采集系统的采样时间间隔小于或等于信标系统的单脉冲宽度，以便能成功采集到所有的脉冲信号。
[0015]作为优选，信标一旦安装好，其在一个工作周期内的工作次序η就固定下来，信标上装有时间信号接收装置，可接收标准时间信号，来校准内置时钟，从而保证该信标的工作频率和工作相位与标准时间相符。
[0016]作为优选，图像采集系统上装有时间信号接收装置，可以接受标准时间信号，来校准内置时钟，从而保证图像采集系统的工作频率和工作相位与标准时间相符。
[0017]作为优选，信标上装有控制信号接收装置，可接收控制信号，来改变该信标在一个工作周期内的工作次序η。
[0018]本发明的有益效果是:1)采用流水灯工作方式，信标发出脉冲的时间，就对应着信标的编号，识别迅速、可靠。
[0019]2)当采用负脉冲时，由于信标常亮，可实现连续跟踪，只有在跟踪失败的情况下，才需要重新进行编号确认，因而工作周期可以拉得很长，一个信标系统可以容纳下更多的?目标。
[0020]3)当采用双脉冲时，依靠01010或10101五位编码就可以确定脉冲发生，这样五位的编码已经能过滤掉大部分环境干扰，且五位编码时间跨度较小，不至于在快速运动时与其他信标发生耦合干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是流水灯式信标快速识别系统的原理框图。
[0022]图2是四种不同的脉冲发送方式示意图。
[0023]图3是6个信标的正单脉冲信标系统示意图。
[0024]图4是6个信标的负双脉冲信标系统示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案进行进一步具体的说明。
[0026]流水灯式信标快速识别系统的原理框图如图1所示。标准时间信号发生器发出标准时间信号，同时被图像采集系统和所有信标接收到，因而信标和图像采集系统的时间同步。信标按照控制信号发生器给出的控制信号，按照给定的工作次序η，在某一工作周期开始时刻t0之后的(n-1) X Δ t时刻发出脉冲信号，被图像采集系统截获，图像处理系统根据采集到的图像序列，分析确定脉冲发生时刻ti，因为有ti=t0+(n-l) XAt,因而可以计算出n，则信标编号N=n，该信标即被识别。之后，图像处理系统将脉冲点的图像坐标x、y和对应信标编号N作为结果输出。
[0027]图2介绍了四种不同的脉冲发送方式，分别是:正单脉冲、正双脉冲、负单脉冲、负双脉冲。其中双脉冲的脉冲宽度指的是101或010三位的总宽度。脉冲发生时刻ti为第一个单脉冲的起始点。
[0028]图3介绍了一个包括6个信标的正单脉冲信标系统，假设单脉冲宽度为0.1秒，时间间隔Λ t为0.1秒，则一个工作周期为0.6秒。
[0029]图4介绍了一个包括6个信标的负双脉冲信标系统，假设单脉冲宽度为0.1秒，双脉冲宽度为0.3秒，时间间隔Λ t为0.1秒，则一个工作周期为0.6秒。
[0030]下面介绍一个更加实用的实施例:流水灯式信标快速识别系统中包含一个全波段图像采集系统和四个不同波段(蓝、绿、红、红外)的信标系统。所有信标系统都采用负双脉冲工作方式，双脉冲宽度为0.3秒，时间间隔为0.1秒。一个信标系统包含30个信标，则工作周期为3秒，考虑休眠时间为O秒，即连续工作。则四个信标系统共有120个信标，分布在100平米房间(1mX 1mX 2m)的墙面上，共有80平米的墙面和100平米的天花板，平均1.5平米有I个信标。假设图像采集系统的视角为45°，则站在房间一端看另一端，最多能拍摄到的墙面和天花板约为80平米，即能拍摄到53个信标。假设信标均匀分布。则每个信标系统中有13个信标能被拍到。当整个系统开始工作，假定每个信标系统13个信标的工作时刻均匀分布在3秒钟的工作周期中，则平均0.3秒就可以捕获到第一个信标点，即0.3秒四个通道都捕获到至少一个信标点，四个信标点即满足了计算机视觉定位和定姿的基本条件。0.6秒之后，捕获到8个信标点，可进一步提高定位定姿精度。可见本实施例的快速识别性能优良。
[0031]下面考虑多摄像头立体图像采集系统，采用下列实施例:图像采集系统由距离10mm放置的两个平行的摄像头组成，至少可分辨视场中5个距离段，因此，仍按上一实施例中的情况进行信标点排布，只是将四个不同波段的信标系统换为同一波段的四个相同的信标系统。当整个系统开始工作，图像采集系统在0.3秒之后能采集到第一批四个信标点，这四个信标点有约70%的概率分布在三个(含)以上不同的距离段上，因此至少能分辨出两个信标点，另两个信标点编号存疑，因此需要2倍后期处理计算量才能消除耦合。此外，双目视觉分析使得图像分析计算量也增加了 2倍。总共，只需增加2倍计算量，即可实现4倍信标点的识别，更加显示出本发明的快速大量识别性能。
[0032]考虑采用浅景深图像采集系统，来识别不同距离的信标。考虑采用f5.6光圈系统，假设轴向识别弥散圆半径的能力约为5阶，则轴向识别能力同双目视觉系统。图像分析计算量几乎没有增加，后期处理计算量增加2倍，整体性能优于双目视觉系统。
[0033]以上对本发明实施例的多种选型方案进行了描述，但是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的设计思想和构思的基础上仍可以作出其他变型或者改型，应当说，这样一些变型或改型都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种流水灯式信标快速识别系统，包括信标系统和图像采集系统，其特征是:一个信标系统由多个信标组成，信标采用流水灯方式工作，多个信标间隔一定时间依次发出脉冲信号，一个信标系统内所有信标都发送完脉冲信号后，一个工作周期结束，经过一定休眠时间后，进入下一个工作周期；图像采集系统可连续工作采集图像序列，通过分析图像序列，可以获取到脉冲信号的图像坐标和发生时刻，由于每个信标的工作次序已知，可以将采集到的脉冲信号图像坐标和信标编号对应起来，从而实现大量信标的快速识别。
2.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:信标发出的电磁波信号可以是蓝、绿、红、红外四个波段，从而允许多达四个不同波段的信标系统同时工作而互不干扰，图像采集系统可采集一个或多个波段的电磁波信号。
3.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:有多个相同波段的信标系统同时工作，即可能发生两个相同波段的信标在同一时刻工作，可采用多摄像头立体图像采集系统，通过多目视差确定距离，从而区分同一时间点工作的不同距离的信标。
4.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:有多个相同波段的信标系统同时工作，即可能发生两个相同波段的信标在同一时刻工作，可采用浅景深图像采集系统，通过信标图像的弥散圆半径来区分同一时间点工作的不同距离的信标。
5.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:脉冲信号可以是正脉冲方波信号，也可以是负脉冲方波信号。
6.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:为了增加脉冲信号的辨识度，防止误判，脉冲信号可以是双正脉冲方波信号，也可以是双负脉冲方波信号。
7.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:图像采集系统的采样时间间隔小于或等于信标系统的单脉冲宽度，以便能成功采集到所有的脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:信标一旦安装好，其在一个工作周期内的工作次序就固定下来，信标上装有时间信号接收装置，可接收标准时间信号，来校准内置时钟，从而保证该信标的工作频率和工作相位与标准时间相符。
9.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:图像采集系统上装有时间信号接收装置，可以接受标准时间信号，来校准内置时钟，从而保证图像采集系统的工作频率和工作相位与标准时间相符。
10.根据权利要求1所述的流水灯式信标快速识别系统，其特征是:信标上装有控制信号接收装置，可接收控制信号，来改变该信标在一个工作周期内的工作次序。
【文档编号】G06K9/00GK104331680SQ201310308642
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年7月22日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】覃政 申请人:覃政