一种基于光分布的定位系统与方法

本
技术实现要素：
涉及光电领域，特别地，涉及一种基于光分布的定位系统与方法。

背景技术：

1、日常生活中，定位系统发挥着越来越重要的作用。定位系统可以为人们出行提供定位与导航，提高人们的出行效率与方便程度；可以为户外运动爱好者在野外活动提供支持，提高人们在陌生环境下的生存应变能力。

2、目前，定位系统以卫星全球定位系统最为普遍，可是要搭建一套卫星定位系统造价十分昂贵，制造周期长，维护成本很高，并且一旦卫星出现故障或遭遇袭击，将会发生大规模的定位瘫痪。因此，设计一套可以辅助卫星定位系统的定位装置是十分必要的。

3、基于光电分析测量和机器视觉的定位系统完全依据光学摄像机拍摄的视频和图像实施定位，不需要依赖卫星网运行；其速度快，定位精度高，使用方便，并且制造周期短，成本低廉；因此，可以作为卫星导航系统的有利补充和替代方法。

4、根据图像内容获得地理位置是一项挑战性较高的任务，通常需要使用计算机视觉和机器学习技术。比较典型的有：

5、1、基于地标识别的技术：在图像中检测和识别地标，如著名的建筑物、山脉、湖泊等。一旦识别了这些地标，就可以将它们与地理位置相关联，从而确定图像所拍摄的位置。这类方法需要预先建立地标数据库，并且在野外等缺少地标的环境下会失去作用。

6、2、基于地图匹配的技术：将图像与地图进行比较，以确定图像所在的位置。这可以通过将图像与现有地图进行匹配来实现，例如使用openstreetmap或google maps等在线地图服务，或者由sar、遥感卫星生成的地图。这类技术需要相应的地图数据库作为支撑。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的问题，本发明提出一种基于光分布的定位系统与方法，利用从图像中分析光照条件和光照分布的特征，实现对图像拍摄地点的定位。脱离对外部地图数据库和地理信息系统的依赖，作为独立运行的定位系统或既有定位系统的补充，可以实现精确定位或提高定位精度。光照条件和光照分布是自然界中最为丰富且一致的信息来源，是影响图像识别和地理位置识别的重要因素之一。实现图像的光照模型，建立光照分布与某一特征不变量之间的映射关系，从而进一步建立太阳位置与图像之间的关系，实现拍摄图像的定位。

2、一种基于光分布的定位方法：采集包含天际线的可见光图像，并记录采集地点地理位置坐标、采集时刻的气候标识；对可见光图像进行处理，得到归一化图像；并将归一化图像存入图像光照数据库；

3、利用天际线提取出每幅图像中的天空部分记为，取其最亮像素值的邻域均值作为辐射源函数的基准值；

4、

5、表示图像中像素坐标，表示附近的邻域，计算辐射源函数的估计值：

6、建立神经网络模型，以归一化图像、气候标识，及辐射源函数的估计值作为输入；

7、神经网络模型包括：

8、建立宏观亮度分布全连接层：

9、

10、其中，表示线性偏移参数，是线性系数函数，为对归一化图像进行金字塔卷积后的输出；为激活函数；

11、建立局部亮度分布全连接层：

12、

13、表示线性偏移参数，是线性系数函数，神经网络提取的归一化图像的局部亮度分布特征，为激活函数；

14、输出天空亮度分布图为：

15、

16、其中，表示线性偏移参数，、、、是线性系数函数；

17、输出地理位置偏移量为：

18、

19、式中，表示线性偏移参数，、、、、、、、是线性系数；m为输入气候标识。

20、上述神经网络利用大量样本进行训练得到。

21、如样本在限定区域内，则该神经网络可以在该限定区域内实现通过图片进行辅助定位。

22、如样本在非限定区域内，则该神经网络可以在非限定区域内实现通过图片进行辅助定位。

23、一种使用上述方法进行定位的系统，包括：采集终端、通信装置和服务器。

24、采集终端用于采集图像，并将图像进行归一化处理得到归一化图像。

25、通信装置用于将归一化图像及相应的采集信息发送至服务器。

26、服务器具有光照数据库，用于存储归一化图像。

27、服务器部署有神经网络模型，用于将输入的归一化图像、气候标识，及辐射源函数作为输入并输出天空亮度分布图和地理坐标偏移量。

28、服务器还具有辐射源函数计算模块。

29、本发明的发明点及技术效果：

30、1、通过归一化图像，与吸收系数变量相关的气候标识，及辐射源函数的估计值作为神经网络的输入来实现光学定位，更加准确、方便，减少对于硬件和外部地图数据的依赖，且降低了图像标注的难度，增加了数据的可用性。

31、2、建立并优化了地面辐射强度分布的拟合神经网络模型，实现基于图像的地理位置坐标计算。实验结果表明，与现有方法如基于地标的图像定位方法相比，本发明所述方法定位精度更高。

技术特征：

1.一种基于光分布的定位方法，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种基于光分布的定位方法，其特征在于：上述神经网络利用大量样本进行训练得到。

3.如权利要求2所述的一种基于光分布的定位方法，其特征在于：如样本在限定区域内，则该神经网络可以在该限定区域内实现通过图片进行辅助定位。

4.如权利要求2所述的一种基于光分布的定位方法，其特征在于：如样本在非限定区域内，则该神经网络可以在非限定区域内实现通过图片进行辅助定位。

5.一种使用上述如权利要求1-4任一一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：包括：采集终端、通信装置和服务器。

6.如权利要求5所述的一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：采集终端用于采集图像，并将图像进行归一化处理得到归一化图像。

7.如权利要求5所述的一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：通信装置用于将归一化图像及相应的采集信息发送至服务器。

8.如权利要求5所述的一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：服务器具有光照数据库，用于存储归一化图像。

9.如权利要求5所述的一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：服务器部署有神经网络模型，用于将输入的归一化图像、气候标识，及辐射源函数作为输入并输出天空亮度分布图和地理坐标偏移量。

10.如权利要求5所述的一种基于光分布的定位方法进行定位的系统，其特征在于：服务器还具有辐射源函数计算模块。

技术总结
本发明提出一种基于光分布的定位系统与方法，利用从图像中分析光照条件和光照分布的特征，实现对图像拍摄地点的定位。脱离对外部地图数据库和地理信息系统的依赖，作为独立运行的定位系统或既有定位系统的补充，可以实现精确定位或提高定位精度。

技术研发人员：李娜,苏芸,王亚清,程素君,徐彦,文卫平,邢奇
受保护的技术使用者：新乡学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12