[發明專利]一種自設特征圖形的視覺二維碼室內定位方法

有效

• 申請號: 201810952600.6
• 申請日: 2018-08-21
• 公開（公告）號: CN109029464B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 馮立輝;呂慧超;楊愛英;盧繼華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

本發明涉及一種自設特征圖形的視覺二維碼室內定位方法，屬于室內定位技術領域。基于SIFT的特點設置特征圖形，并使用經過設置的特征圖形構建二維碼，在已知位置粘貼二維碼，使用攝像頭接收二維碼并解碼，使用比例正交投影迭代變換算法確定攝像頭與二維碼之間的相對位置關系，二維碼中的內容為二維碼自身坐標，結合求得的攝像頭與二維碼之間的相對位置關系得到攝像頭的位置，通過控制解方程時迭代誤差來控制定位誤差。本發明所提出的方法與現有室內定位方法相比，不需要部署基站，只需要貼二維碼，免除了部署安裝以及基站供電的問題，極大的節約了成本，且能夠保證定位精度，有極大的應用潛力。

技術領域

本發明涉及一種自設特征圖形的視覺二維碼室內定位方法，屬于室內定位技術領域。

技術背景

隨著室內定位技術的發展，越來越多的定位方案被提出，目前比較成熟的方案有基于LED的可見光定位系統，基于無線信號發射設備的如WiFi、藍牙、RFID以及UWB的定位系統，基于慣性導航的如IMU,MEMS的室內定位基于圖片或視頻的計算機視覺定位。然而在現有的LED可見光定位系統中，需要對LED進行調制，因此存在需要對設備進行改造，以及場地布設的弊端。基于WiFi、藍牙的定位技術都容易出現信號波動大的問題，定位精度不高，且通常需要額外布設新的基站，成本較高。慣性導航存在的缺點是不能隨著時間的累積誤差而提供長期精確定位，因此慣性導航通常需要跟其他定位方式相結合，難以作為獨立的方法使用。

在圖像定位領域，目前使用的方法有很多，比如SIFT、SURF、BRISK、ORB等特征點匹配，以及halcon的shape-based match等輪廓匹配算法，輪廓匹配算法使用通過邊緣的梯度方向和梯度值計算匹配度，根據設定的旋轉步長和縮放系數預先建立各個角度和縮放比例下的模板，是一種窮舉方法，十分耗時，而特征點匹配算法中，SIFT算法匹配特征點最多，但是速度最慢，并且錯配率比較高，SURF速度在SIFT的基礎上有提升，但是對于光照變化明顯的場景匹配正確率明顯下降，ORB和BRISK速度更快但是提取的特征點數量太少，比較適用于圖像變化不大的場景，針對大幅度變化場景或者不連續定位場景定位失敗率高。

針對上述定位方案存在的問題，本發明致力于基于尺度不變特征變換(Scale-invariant feature transform，SIFT)方案，減少運算量和錯誤匹配以及減少了維護量以及系統成本。并使用正交比例正交投影迭代變換算法(Pose from Orthography andscaling with iterations，POSIT)計算位置，通過控制解方程時迭代誤差來控制定位誤差，從而擬實現低成本且高精度的定位。

發明內容

本發明的目的是為解決現有室內定位系統需要改造硬件、額外部署基站、基站需要額外供電、定位精度不能保證為主的技術缺陷，提出一種自設特征圖形的視覺二維碼室內定位方法。

本發明的核心思想是：基于SIFT的特點設置特征圖形，并使用經過設置的特征圖形構建二維碼，在已知位置粘貼二維碼，使用攝像頭接收二維碼并解碼，使用比例正交投影迭代變換算法確定攝像頭與二維碼之間的相對位置關系，二維碼中的內容為二維碼自身坐標，結合求得的攝像頭與二維碼之間的相對位置關系得到攝像頭的位置，通過控制解方程時迭代誤差來控制定位誤差。

本定位方法涉及到的定義如下：

定義1.圖像坐標系：每幅數字圖像表示為M*N維度的數組，即M行N列；該圖像中的每一個元素即pixel，稱為像素，數組中的數值即是圖像點的灰度值；在圖像中定義直角坐標系，該直角坐標系中每一像素的坐標(u,v)代表該像素在數組中的列數和行數；所以，(u,v)是以像素為單位的圖像坐標系的坐標；由于(u,v)只表示像素位于數組中的行數和列數，并沒有用物理單位表示出該像素在圖像中的位置；所以建立以物理單位，毫米表示的圖像坐標系的坐標；圖像中任意一個像素(u,v)在直角坐標系和圖像坐標系中這兩個坐標的關系表達為公式(1)：