一種基于攝像頭的可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

張夢童 王秀偉 張李瑤2 譚雅瑋

摘 要：該文研究利用可見光實現(xiàn)室內(nèi)定位的問題，在未充分考慮太陽光線干擾的前提下有效解決了室內(nèi)定位的不精準性和遮擋效應，開發(fā)一套圖像處理算法并設計了一套基于攝像頭的MIMO可見光室內(nèi)定位的并行通信系統(tǒng)，可保證光源利用率與可操作性較高。仿真結(jié)果表明，發(fā)送方發(fā)送的信號流可以在接收端得到正確的恢復，并且可以修正少量的誤差。

關鍵詞：圖像處理 室內(nèi)定位 并行通信 模擬仿真

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0030-03

定位技術已在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得質(zhì)的飛越，但室內(nèi)定位的技術還處于研究階段，也沒有一個成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)廣泛投入使用[1]。該文采用白光發(fā)光二極管（LED）作為傳輸模型，充分發(fā)揮其高灰度、低能耗、高響應靈敏度的特點，設計了一種基于FPGA的室內(nèi)定位系統(tǒng)。精確定位可以通過使用測試空間中可用的3個可見光源來實現(xiàn)。通過算法可屏蔽外界光線干擾且定位精度可達毫米級，實現(xiàn)基本的通信，然后攝像機傳感器采集信號，進行定位。

無線可視通信的基本原理是：發(fā)射機將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過白色LED發(fā)射，通過P/D接收信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并解調(diào)輸出。我們實際采用構建自朗伯輻射模型的朗伯信道模型，簡易高效[2]，如圖1、圖2所示。

試驗空間頂部的照明設備已完成了電力線安裝工作，并用以實現(xiàn)其他設備與LED光源之間的正常通信。首先，PLC（電力線通信）將原始信號調(diào)整到合適的頻段，以便在PLC通道中傳輸。之后信號加入耦合器使電路中弱強電隔離，同時提供部分傳輸帶寬。再將信號通過發(fā)送端電路加載到LED光源時，通過接收端的光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再進行信號解調(diào)等一系列處理，恢復出原始發(fā)送信號。

改進的VLC（可見光通信）系統(tǒng)不再需要多個光源一起傳輸一個信號，因為只要LED發(fā)出的部分光被攝像機捕獲，就可以通過適當?shù)膱D像處理技術成功地恢復原始傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。因此，它節(jié)省了帶寬，避免了傳統(tǒng)VLC通信系統(tǒng)中多徑延遲引起的光源數(shù)目、多光源布局、接收機FOV和ISI等問題。

1 系統(tǒng)概述

在該文的定位系統(tǒng)中，發(fā)送器是3個家用LED光源。通過使用FPGA頻率發(fā)生器以及MOSFET驅(qū)動電路實現(xiàn)了對其內(nèi)部電路的改造，使它們能夠發(fā)送一定頻率的閃爍信號，來傳送對應該光源安裝坐標的ID信息，進而在定位過程中作為參照計算位置。接收端是具有相機的終端，同時需要具備FPGA的數(shù)據(jù)及圖像處理能力。

為了驗證定位方法的有效性，我們采用了一個USB相機連接PC上作為接收端硬件平臺，并基于Qt圖形界面以及Open CV圖像處理庫函數(shù)實現(xiàn)了通信以及定位軟件的開發(fā)。然后，由STM32單片機驅(qū)動TFT顯示其位置信息。

2 定位算法設計

相比于其他室內(nèi)定位技術，可見光定位中，通信方式不同，但定位的基本算法相同。出于技術難度的考慮，該文采用幾何測量法中的三邊定位法和三角定位法，通過測量距離和角度，分別得到地面上定位目標的位置坐標后，以后者所得結(jié)果為參考，對前者結(jié)果校正，圖3與圖4為其原理示意圖。

三邊定位法中，3個白光LED燈作為定位信標的坐標已知，分別為、、，與定位目標之間距離d1、d2、d3亦可通過WiFi信號強度測距等方法獲得。之后易得如下方程組：

（1）

該文研究的定位目標在二維平面，故有Z1=Z2=Z3，代入上式再相互做差可得：

（2）

將上式轉(zhuǎn)化為矩陣再結(jié)合最小二乘法即可得到定位目標坐標。

三角定位法中，已知定位信標、間距為d，與兩點和定位目標所成角度為θ1、θ2，就能根據(jù)如下方程組求出定位目標的位置坐標[3]，并對計算結(jié)果進行校正。

（3）

兩種幾何測量法的配合使用，在定位效率未明顯下降的前提下大幅減小了誤差。

3 MIMO系統(tǒng)的引入

該文引入的MIMO指的是一種并行的多通道傳輸模式，系統(tǒng)發(fā)送端各個光源獨立加載發(fā)送不同的信號，空間內(nèi)多條子信道并行傳輸。在接收端，攝像機用于獨立接收每個光源發(fā)出的信號。在采集每個LED光源的信息后，根據(jù)圖像的位置和所屬像素的信息，采用圖像處理技術對信號進行分離。對于一個子信道上的信號，信號對其他子信道的干擾不會影響接收端該信道上信號的狀態(tài)判別。

信道矩陣條件數(shù)仿真驗證了信道空間相關性隨發(fā)光二極管（LED）間距的減小而增大、隨光電檢測器（PD）間距的減小而增大、隨LED到PD垂直距離的增大而增大[4]。該文所設計的三燈定位系統(tǒng)的距離適用于普通住房改裝成的試驗現(xiàn)場。

4 信號處理的研究

發(fā)送端通過FPGA的DDS模擬出3個頻率不同的信號，將其加載到LED燈上面，接收端通過攝像頭模塊OV7670接收可見光信號，之后在MATLAB和OpenCV里面共同完成圖像的采集處理。

該文使用二值法對采集到的圖像進行灰度化，分離每個燈及其像素的位置，得到每個燈的信號碼流，然后對每個光源設置高斯模型進行信號恢復和噪聲濾波，選擇自適應閾值恢復信號碼流的0和1值。

5 接收端信號采集及恢復

圖像傳感器有兩種工作方式，第一種是只有一列像素可以用來檢測光強度，第二種是所有像素都可以檢測光強度。前者檢測速度很快，但后者的檢測度精度很高，因此我們采用第二種方式來檢測。

對攝像頭采集的圖像首先對其計算灰度分布的直方圖，可以利用以下公式：

Hi （4）

式中，為所采集圖像的位置坐標為時該點像素的灰度值，Hi為分布直方圖中第i級灰度的分布值，即整幅圖像I的中灰度為i的像素數(shù)。每個灰度圖像的像素可以由0（黑）到255（白）的亮度值表示，0～255之間表示不同的灰度級，對應于二維空間中一個特定的位置，并且有一個或者多個與該位點相關的采樣值組成數(shù)值[5]。

通過灰度分布直方圖，可以得到光源區(qū)域的灰度分布和背景光的灰度范圍，然后通過模擬算法得到光源位置與大小[6]。在3個燈的圖像位置和大小信息確定之后，就可用圖像處理中的形態(tài)學操作和聚類操作分離得到各個燈的位置及其像素點。確定其像素點之后，通過信號的后端解調(diào)得到其中攜帶的信號，用到三燈定位模型中。

參考文獻

[1] 張靖婷.室內(nèi)可見光定位技術研究與實現(xiàn)[D].大連海事大學，2016.

[2] 成順利，閆坤，李卓，等.朗伯模型參數(shù)優(yōu)化的可見光室內(nèi)定位技術[J].光通信研究，2018（5）：69-73.

[3] 周通.可見光室內(nèi)定位技術研究[D].長春理工大學，2018.

[4] 李斗鵬.室內(nèi)多光源照明下可見光定位技術研究[D].中國科學技術大學，2017.

[5] 楊英.加載電路板故障檢測與定位算法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2007.

[6] 高俊英.基于攝像頭的MIMO可見光無線通信系統(tǒng)[D].南京郵電大學，2015.