基于圖標成像的室內高精度定位系統

摘要：高精度的室內定位系統可以極大地拓展定位應用的范圍，文章對基于圖標成像的室內定位方法進行了系統研究，利用分布在室內空間的圖標與其所成像的位置關系，對待定位點進行高精度的室內定位。該系統由圖標、成像處理模塊、定位計算3部分組成，成像處理模塊完成圖標成像和光電信號轉換的功能，定位計算完成圖標成像點位置確定、圖標識別、定位圖標優選和待定位點位置坐標計算等功能。仿真實驗結果表明，系統的定位精度可以達到厘米量級。

關鍵詞：圖標；成像；室內定位；定位算法

中圖分類號：TN929.1" 文獻標志碼：A

0 引言

目前，絕大多數定位系統的應用主要是對人或車輛的定位，定位精度通常需要在幾百厘米到幾十米的范圍，在室外環境，諸如GPS、北斗衛星等定位系統已經能夠為用戶提供這種精度的穩定的定位服務，基本滿足了用戶在室外場景中的應用需求。而大量的定位需求發生在室內場景，室內由于受到建筑物的遮擋，衛星信號衰減大，無法進行穩定可靠的室內定位^［1］。除此之外，室內定位應用不僅用于對人和車輛的定位，更多的應用需求是對較小尺寸物體的定位，如機器人對小尺寸物體的操控會涉及更小物體的定位，這些定位應用精度通常在厘米量級，當前的衛星定位系統是無法達到此精度的。為解決室內小尺寸物體的定位應用，出現了很多不同技術方案的室內高精度定位方法，但這些室內定位方法還存在不少須要克服的困難，還須要解決以下問題：室內環境布局復雜多變，障礙物和干擾源多，對定位精度和定位穩定性造成影響；厘米及更高精度的定位還沒有可靠的技術方案；部分高精度定位方式須要提前布設基站，實施困難；高精度室內定位需要比較昂貴的輔助設備或前期大量的人工處理， 定位精度與成本難以兼顧。這些問題大大制約了技術的推廣普及^［2-4］。

隨著技術的不斷發展，高精度、低成本、普適性成為室內定位技術的未來研究方向，快速發展的計算機視覺、物聯網、移動通信網絡等技術將為室內定位技術提供更多的技術途徑。目前采用的室內定位方法主要有基于信號強度的室內定位方法、基于指紋標記的室內定位方法、基于頻分多址的室內定位方法、可見光多接收點幾何中心定位方法、基于光源成像的室內定位法，除此之外，還有不同室內可見光定位方法結合在一起的定位方法。這些室內定位方法還在發展過程中，還沒有一種方法能可靠地實現厘米量級的高精度定位^［5-7］。

當前普遍采用的室內定位技術必須在定位基站與定位接收端之間建立單向或雙向通信連接關系，這樣的定位系統結構相對復雜且容易受到電磁干擾和室內空間可移動物體位置變化所帶來的信號隨機衰落的影響。文獻中常見的基于光源成像的室內高精度定位可以實現較高精度的定位，但這種定位方式須要圖像傳感器檢測信號接收端在三維空間中的方位角、俯仰角和光源到成像點的距離。由于測量精度制約，系統的定位精度通常也達不到厘米量級，定位過程也不太穩定，特別是光源成像普遍存在的光暈現象，導致成像模糊，使得定位精度無法進一步提高^［8-10］。

借助當前人工智能中的圖像識別技術的廣泛成熟應用，本文提出一種基于圖標成像的定位方法，由單個圖像傳感器對分布于室內天花板平面上的圖標成像，通過對圖標所成圖像的識別和成像位置的標定，由圖標和成像點的幾何位置關系確定待定位物體的精確位置。此方法不須要在基站與定位接收端之間建立通信連接關系，也不須要測量光線角度和測距，同時能避免光源成像模糊和電磁信號干擾的問題，在簡化定位系統結構的同時，可大幅度地提高室內定位的精度。

1 圖標成像室內定位仿真模型

本文的仿真模型選擇長寬高為5 m×5 m×4 m的室內空間進行仿真實驗，將若干個不同形狀的圖標按一定分布規律布置在室內天花板上，每個圖標的形狀具有唯一性且每個圖標有預先精確標定的坐標值。基于圖標成像的室內定位系統由圖標和成像定位處理模塊組成。圖標選擇一些形狀比較規則的幾何圖形，成像定位處理模塊包含透鏡組、濾波膜、圖像傳感器、成像信號處理和定位計算模塊。透鏡組用于對圖標的成像，圖像傳感器把圖標光學圖像轉換為成像平面的數字圖像，成像信號處理和定位計算模塊完成圖標的識別、定位圖標優選、待定位點坐標計算等功能。

基于圖標成像的室內定位系統的定位原理如圖1所示。系統通過以下步驟實現室內定位：成像定位處理系統對圖標坐標賦值；通過透鏡組、圖像傳感器對布置于室內頂部平面上的圖標成像；成像信號處理和定位計算模塊對成像的圖標進行識別并優選出3個成像效果最佳的圖標；利用任意3個非共線的圖標及其在成像系統傳感器平面成像點的連線所構成的幾何位置關系，根據所選圖像傳感器的感光面積及像素密度大小等參數，成像信號處理及定位計算模塊計算確定待定位點L的坐標值。圖標成像點與成像平面中心點位置關系如圖2所示。si為圖標在圖像傳感器成像平面的成像中心點M到成像平面中心N的距離，結合圖1可以測量si的值。

根據圖1中圖標與成像點的幾何位置關系，可計算出待定位點L的坐標，3個非共線的圖標坐標分別為L1（x1，y1，z1）、L2（x2，y2，z2）、L3（x3，y3，z3），它們到待定位點L的距離分別為D1、D2、D3，L為待定位點即透鏡中心，通過L的透鏡平面與傳感平面平行，透鏡平面中心L到傳感平面中心N的垂直距離為v，v=f+α，f為透鏡焦距， α為大于0的正數，M為圖標L1通過透鏡在圖像傳感器平面的成像，H為圖標L1到透鏡平面的垂直距離，即為待定位點到圖標分布平面的垂直距離，A點在透鏡平面上^［6］。直角三角形ΔL1AL與直角三角形ΔLNM為相似三角形，所以D1=H（v2+s12）^1/2/v，s1為N到M的距離，同理可得其他圖標到定位點L的距離相同表達式Di=H（v2+si2）^1/2/v。根據成像公式有關系：f^-1=H^-1+v^-1，如3個定位圖標均分布在平行于圖像傳感器平面的平面上，故z1=z2=z3，則得到方程：

（xxi）2+（yyi）2=Di2-H2 ， i=1，2，3（1）

計算時不須直接測量距離Di，只須測出各圖標在傳感器屏幕的成像點到中心N的距離si，即可求解得到待定位點的位置坐標（x，y，z），其中z=zi-H，Ti、si分別是AL和MN的距離。

假設傳感器平面有效面積為σ，像素為χ，則單位像素的面積為σ/χ，N在圖像傳感器平面的像素點坐標為（x0′，y0′），M的坐標為（xm′，ym′），x方向像素點數a，y方向像素點數b，故si= ［（a2+b2） σ/χ］^1/2。根據成像規律，縮小的圖標像利于提高si的計算精度，為得到縮小的圖標像，要求H大于2f，有flt;vlt;2f，H越大像平面越靠近焦平面，成像越小，利于提高定位精度。測量M點坐標時存在誤差，即si的測量值有誤差，設測量誤差為ΔS，si的測量值可表示為：

si=TifH-f±Δs（2）

ΔS值見式（3），其近似等于像的半徑，圖標長為l、寬為w，β為成像的縮小倍數。

Δs=βl2+w22（3）

由上兩式可知，提高圖像傳感器的像素、減小成像的半徑，可提高測量si長度的精度，從而提高定位的精度。

2 仿真實驗結果與分析

仿真實驗采用的圖標尺寸分別為2×2 cm2、4×4 cm2、9×9 cm2和10×20 cm2，焦距的取值分別為8 mm、10 mm、12 mm和15 mm，采用有效感應面積為37 mm 2、像素為1024×768的圖像傳感器。

模型仿真實驗計算結果如表1和表2所示。圖標尺寸為2×2cm2、焦距為12mm時，計算結果如表1所示。

圖標尺寸為9×9cm2、焦距為12mm時，計算結果如表2所示。

表1、表2中，實際坐標為待定位點的實際坐標值，測量坐標為系統仿真計算所得待定位點的坐標值。表1、表2的實驗結果說明，相同條件下，圖標尺寸大小對系統的定位誤差大小有明顯的影響。圖標" 尺寸為2×2 cm2時，平均定位誤差為1.28 cm，圖標尺寸為9×9 cm2時，平均定位誤差為5.54 cm。因而在實際應用中須根據定位精度要求選擇所布設的圖標大小。但圖標尺寸大小也不能任意小，還必須考慮圖標與定位裝置的距離，兩者距離越遠，成像裝置對小尺寸圖標的成像清晰度會變差，將導致所成圖像無法被系統識別，這樣就無法進行下一步的定位計算。不同室內空間大小，特別室內空間垂直高度的大小，定位系統可以選擇布設的最小圖標尺寸是有限制的，因而定位精度也會受到限制。

表3、表4為給定圖標尺寸下，成像系統透鏡在不同焦距下的定位誤差。

仿真實驗結果表明，不同焦距對定位誤差基本沒有影響，這為定位用透鏡組提供了廣闊的選擇空間，說明圖標尺寸是造成定位誤差大小的主要因素。不同圖標尺寸和不同焦距下多次仿真測量所得到的定位平均誤差如表5所示。

仿真實驗表明，系統的定位精度與圖標的尺寸有直接的關系，更小的圖標尺寸可以實現更高的定位精度，但圖標的尺寸不能無限地減小，圖標尺寸減小到成像系統無法分辨的尺度時，就無法進行圖標識別，從而無法進行下一步的定位計算。仿真實驗還發現3個經識別后選擇的非共線圖標相互之間的間隔越遠，定位結果越準確。這是因為這3個圖標之間的距離越遠，它們所成像的間隔也越大，si的測量值也就越準確，最后計算出的誤差也就越小。

上述仿真實驗結果給出了圖標定位系統設計時室內圖標大小選擇的依據，圖標尺寸大于10×20 cm2時，定位誤差將達到厘米量級以上。圖標尺寸小于4×4 cm2時，可以實現厘米量級的定位精度，這些尺寸的圖標在室內空間裝飾中是常見的裝飾圖案尺寸，因而其布置不影響室內裝飾的美觀性，對圖標的布置具有現實可行性。上述所選圖標尺寸是大部分成像系統易于分辨和檢測的，故基于圖標成像的定位系統是一種易于實施的高精度定位技術。

3 結語

當前人工智能中的計算機圖像識別技術已經得到廣泛的應用，這為基于圖標成像的定位系統提供了成熟的技術基礎^［3］ 。本文提出的基于圖標成像的室內高精度定位系統可以實現厘米量級的高精度室內定位，其優點是不須要在基站與定位接收端之間建立通信連接關系，也不需要復雜的光學測量，極大地簡化了定位系統的結構，是一種低成本的高精度定位方法。

本文所提出的基于圖標成像的室內高精度定位系統具有以下特點：不同成像焦距與定位精度無關；圖標的尺寸越大，定位誤差越大；圖標尺寸越小，定位誤差越小。

本文提出的定位系統可以實現不同精度要求的室內定位，定位精度可以從厘米量級到分米量級，可以靈活應用于不同室內空間和定位精度要求的實際場景。

基于圖標成像的室內高精度定位系統不僅可以用于室內高精度定位，還可用于更小空間內的超高精度定位，如精密加工和機器人操控裝置中，在幾立方米或更小空間內通過布設更小的圖標，理論上可以實現亞毫米量級的定位，這方面的技術及應用有待今后進一步的探究。

總之，基于圖標成像的室內高精度定位系統是一種新的技術選擇，可以為當前多種不同的室內高精度定位技術提供有益的參考。

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（編輯 王雪芬）

Indoor highprecision positioning system based on icon imaging

LU" Hongbin， TANG" Wenlong， HE" Yingyong， TANG" Xiugan

（Baise University， Baise 533000， China）

Abstract：" A highprecision indoor positioning system can greatly expand the scope of positioning applications. This article systematically studies the indoor positioning method based on icon imaging， using the relationship between icons distributed in indoor space and their imaged positions to achieve highprecision indoor positioning of the target location. The system consists of three parts： icon， imaging processing module， and positioning calculation. The imaging processing module completes the functions of icon imaging and photoelectric signal conversion. The positioning calculation completes the functions of icon imaging point position determination， icon recognition， positioning icon selection， and coordinate calculation of the position of the point to be positioned. The simulation experiment results show that the positioning accuracy of the system can reach the centimeter level.

Key words： icon; imaging; indoor positioning; positioning algorithm