计算机视觉识别在室内定位的应用

摘 要

随着室外定位技术的发展，室内定位系统的存在也日显重要，多种新型移动设备的出现，比如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等，加上物联网设备性能的飞速增长和基于位置感知应用的激增，使室内定位扮演着不可或缺的角色。在室内定位与导航中能够连续可靠地提供位置信息，可以带来更好的用户体验，人们对此需求也越来越大。由于精度与成本是制约普及的主要因素，那么一种简单方便、易于识别，且内含绝对位置坐标，具有一定纠错能力的标志物的提出，并利用摄像机拍摄到该标志物信息进行图像处理，最后确定所在位置的方法，就是利用计算机视觉进行形状识别在室内定位中的应用。

【关键词】室内定位 计算机视觉 图像处理 形状识别 标志物

人们的日常活动超过80%时间是在室内环境完成的，因此对室内定位的要求将会大幅度地增加，其应运而生已是迫在眉睫。如今虽然国内、外已经有了许多不同的室内定位方式，按不同原理分为WIFI、蓝牙、ZIGBEE、RFID、UWB、伪卫星、蜂窝网络和激光等，但受定位精度、可靠性、易用性及成本等方面影响，室内定位技术尚未广泛应用于生产、生活之中。近来计算机视觉迅速发展，依其通过标志物位置及标志物上的信息来实现定位系统，将成为众多室内定位方式中较为新颖的一种模式。

1 系统内容

本系统的核心是标志物与摄像机（图1），考虑到摄像机的载体不同，应保证标志物在镜头上的相近高度，既可以减少图像畸变，又便于后期处理。系统工作前，应对每个摄像机进行调试，确保系统定位精确。系统工作时，固定在载体上不可旋转的摄像机拍摄的视频通过WIFI实时传输至上位机，并以一定频率进行采样，随后进行图像预处理、标志物轮廓提取等，再将最后计算出的位置信息反馈到载体上，从而得到当前位置坐标，甚至规划载体下一步动作。

1.1 标志物设计与识别保证

标志物安放在室内各处时，要求每个标志物放置方向相同，且不管载体移动到何处，在摄像头视线范围10米内至少能捕捉到一个目标。

1.1.1 标志物的特点

标志物的设计需满足以下几个方面：

（1）可辨别性（又称可识别性）：标志物的目标作用是既区别于其它物体又便于识别。

（2）平移、旋转和尺度不变性：所提取目标的形状描述不受自身所处位置、角度和尺度变化影响。

（3）仿射不变性：仿射变换实现的是一个二维坐标与另一个二维坐标之间的映射，并保留映射的连线。所提取的特征需要在仿射变换的情况下尽可能保持不变。

（4）抗噪声性：具备对噪声的抗干扰鲁棒性，无论噪声的强度在给定范围内如何改变，特征都应该保持一致。

（5）遮挡不变性：当形状的一部分被其它物体遮挡时，剩余部分的特征应该与不被遮挡时所得特征保持一致。

（6）可靠性：在相同的模式下处理形状时，所提取的特征要保持一致。

1.1.2 标志物轮廓的提取

边缘通常发生在数字图像中亮度变化明显的地方，边缘检测是图像处理和计算机视觉中的一个重要部分。边缘检测的目的是生成一条连续的曲线来描述目标轮廓，通常能在边缘上提取到许多特征（如面积、线、角等）。通过图像边缘检测能大幅度地减少数据量，同时剔除了那些不相关的信息，保留了图像的重要结构。边缘在许多应用图像处理中都起着非常重要的作用。轮廓提取过程如下：

（1）滤波：滤波是根据观测某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法，通过滤波就能很好地改善噪声对边缘检测算法的影响。

（2）增强：即增强边缘，在确定了图像中各点邻域强度变化值的基础上，突出处理图像中相邻像素（或区域）亮度值（或色调）相差较大的边缘处。

（3）提取：应用多边形近似法――利用一系列线段的封闭集合来逼近大多数实用曲线到任意精度。在数字图像处理中，如果多边形的线段数与边界上的点数相等，用每对相邻点定义多边形的一个边，则多边形就完全准确地表达边界。实践中采用多边形近似法的目的就是要用尽量少的线段来代表本边界并保持边界的基本形状。采用多边形逼近的优点是它的抗干扰性能好，节省表达所需的数据量，以便更加有效的解决滤波后图像的噪声影响问题。该方法的缺点是多边形逼近精度的选择没有固定标准，不能自动解决因尺度变化而不影响边界的不变性，存在对多边形近似精度的选择的问题。倘若精度过低，有很多的顶点，得到的多边形仍然很复杂；精度过高，虽可以去除噪声，但也很容易丢失边界中的一些细节信息。

1.2 位置计算

从图像边界点所获取的原始数据――轮廓所包含的面积，而区域面积就是对属于区域的像素计数。利用摄像机的相距参数，通过摄像机原理与标志物的实际投影面积可得到摄像机与标志物的实际距离。加上标志物上包含角度信息，通过计算可确定摄像机相对标志物的角度，从而计算出相对于标志物的坐标。由于每个标志物在室内坐标及角度已知，则可得到该载体在室内的位置信息。

2 实验结果及分析

采用带一条黑线的圆柱状白色塑料物体作为标志物（见图2），能较好地符合标志物所要求的特点。

假设某时刻采样的图片经过处理后得到如轮廓（见图3）。

则根据摄像机成像原理可得到物距L和载体与标志物所成角度：α=（d/a）*360°，由相对标志物的相对坐标即可推算出载体在室内的绝对坐标（如图4）。

4 结束语

针对室内定位的应用，设计一种包含绝对位置的坐标信息，且具有一定纠错能力的标志物，从而达到基于该标志物的室内定位系统。实验证明该室内定位系统具有精度高、实时性强、简单易行等优点。由于本方法采用的标志物不仅具有使用方便、价格低廉、鲁棒性强等特点，而且相对于目前基于无线信号强度的定位方法，其定位精度更高，且误差不随系统运行时间与载体工作的时间的增加而变大，因此具有一定的应用前景。

作者单位

1.大连海事大学 辽宁省大连市 116026

2.铁法煤业（集团）有限责任公司煤层气开发利用分公司 辽宁省铁岭市 112000