[发明专利]一种基于双目技术的室内可见光自定位系统与方法

权利要求书

1.一种基于双目技术的室内可见光自定位系统，包括相互协同作业的图像分析系统和自定位系统；所述图像分析系统包括：信标模块、图像采集模块、相机自标定模块、图像处理模块、立体匹配模块；所述自定位系统包括：坐标及倾角计算模块；其特征在于：

所述信标模块包括三个固定在上方的LED灯，三个LED灯分布在非同一直线上，且各LED灯在空间参考坐标系的坐标已知，各LED灯分别工作在设定的频率中；

所述图像采集模块包括：安装在手持设备上由左右二个相机组成的双目相机，所述双目相机用于从两个不同角度同时获得同一物体的图像信息；

所述相机自标定模块用于获得双目相机的内外参数，包括：图像中心、焦距f、镜头畸变和相机图像坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

所述图像处理模块用于降低噪声对图像质量的影响，增加图像对比度以增强边缘特性，提高后续两幅图像之间立体匹配的精确度；

所述立体匹配模块用于存储从各LED灯的OOK(On-Off Keying)编码到坐标的映射关系，通过解码图像中各LED灯的编码信息，找到空间内各LED灯在两幅图像中的匹配点，并获得左右两幅图像上匹配点在图像坐标系中的坐标，设定所述坐标分别为(a,b)和(a',b')；

所述坐标及倾角计算模块用于对获得的坐标进行处理，得到左右相机在三维空间坐标系的坐标，并计算手持设备的倾角；

所述双目相机为两个内外参数相同的CMOS相机，双目相机在拍照过程中对图像像素进行逐行扫描，从而识别并提取图像所中包含的信息。

2.一种基于双目技术的室内可见光自定位系统的定位方法，其特征在于：所述坐标及倾角计算模块在工作中具体实现过程包括以下步骤：

第1步，图像采集：

在设定空间内固定安装三个坐标不同且已知具体位置的LED灯，分别为LED₁、LED₂和LED₃，各LED灯在空间直角参考坐标系内的坐标分别为L₁(m₁,n₁,q₁)、L₂(m₂,n₂,q₂)和L₃(m₃,n₃,q₃)；以OOK编码I₁、I₂、I₃对LED₁、LED₂和LED₃进行调制，再用一定的载波频率f₀对编码后的每个LED灯进行调制，使得每个LED灯的发射频率大于1kHz以保证其变化无法被人眼察觉，并可以有效地保护视力；若CMOS相机的扫描频率为f_s，则每个LED灯的载波频率f₀为f_s/n(n为任意正整数)，同时将每个LED灯的OOK编码与坐标之间的映射关系存储到立体匹配模块中；在待定位设备上安装两个内外参数相同的相机，使其构成一对双目相机；相机在同一时刻从不同角度拍摄天花板，得到两张图像分别为左图像和右图像；

第2步，获得相机内外参数和匹配点坐标：

双目相机经过自标定模块的自标定，得到双目相机光轴之间的距离d、相机的焦距f，左右相机的旋转矩阵R、R'，左右相机的平移矩阵T、T'等参数；图像处理模块对图像进行处理，增加图像的对比度以增强边缘特性；立体匹配模块将两幅图像转化成灰度图并对其模糊化处理，然后使其通过一个单边OTSU滤波器，找到每个LED灯在图像上的对应子区域并从中解码得到LED_i(i＝1,2,3)在左右两幅图像中的匹配点的坐标分别为P_i(u_i，v_i)、P_i'(u_i'，v_i')；

第3步，计算摄像头的坐标：

设定：左右相机在世界坐标系的坐标分别为S＝(x，y，z)、S'＝(x'，y'，z')，由抽象出的双目相机与每个LED灯之间的几何关系，列出包含未知左右相机坐标的方程组分别为：

其中：将方程组分别整理成AX＝B和A'X'＝B'的矩阵形式，则有：

其中：A、B、A'、B'是由实际参数确定的已知向量，X、X'为需要求解的未知向量，并通过最小均方算法(Least Mean Square，LMS)或最小二乘法(Least Square Method，LS)求解该矩阵方程，进而得到左右摄像头的坐标；

第4步，计算设备的倾角。