一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统及导航方法，属于导航技术领域。本发明专利技术室内导航系统包括数据库模块、定位模块、路径规划模块和显示模块，所述数据库模块用于存储关键位置图像、图像特征及其与位置之间的关系，在图像中选择生成地标，形成地标节点图并保存；定位模块用于根据用户输入的查询图像，提取图像的特征，对用户位置精确定位；路径规划模块用于根据用户输入的目的地及定位模块获取的用户位置，获取最优路径；显示模块用于查找最优路径上经过的地标，并基于所述地标生成用户指示路径图，并发送给用户。本发明专利技术只要输入目的地并上传周边环境的一张图片，就可以进行方向及路径的标定，导航指示更加直观，使用更加便捷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统及导航方法
本专利技术涉及导航
，尤其涉及一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统及导航方法。
技术介绍
近几年中，基于GPS定位的导航系统得到了广泛的应用，我国提出的“北斗”卫星导航技术也在飞速发展。作为导航技术的一个分支，室内导航技术由于其独有的特点，逐渐引起工业界、学术界的注意。主要原因是GPS导航系统在室内场景下无法使用。在室外场景中，我们可以通过GPS系统很容易地定位我们的位置。但是在室内场景中情况要复杂的多。在室内环境下，由于建筑物的遮挡，卫星信号比较弱，而且要在不同楼层的不同房间中进行导航，这些问题都是GPS系统无法解决的。因此，专门研究一种新的室内导航技术是很有必要的。从发展和使用的角度来看，室内导航系统应该提供和室外导航系统类似的功能。但考虑到导航的物理位置、方向指示的需求等方面的不同，需要为室内导航技术发展特有的技术。现有的室内导航系统通常可以分为两类：独立室内导航系统和基于网络的室内导航系统。基于网络的室内导航系统一般利用网络技术(如传感器网络)来获取用户的位置并提供路径规划，而独立室内导航系统聚焦于利用自发用户的位置。基于网络的室内导航系统一般采用网络技术，如蓝牙、超宽带技术、WiFi、RFID、红外光、近场通讯技术等。根据采用的技术不同，定位的精度各有差异。一般来讲，基于超宽带技术和WiFi技术比基于蓝牙和RFID技术的定位精度高。另一类室内导航系统就是独立室内导航系统，它利用的是航位推测技术。它要求收集两类数据。首先，在足够数目的辅助设备的帮助下，固定位置决定了定位，例如GPS卫星系统。其次，当前位置的估计是根据上一次的固定位置、目标的速度、它的路径、它从上一个位置到当前位置所花费的时间等因素来确定。另一种独立室内导航系统是所谓的辅助GPS系统(A-GPS)，它将GPS的范围扩展到室内环境下。此外，基于图像的视觉辅助技术已被应用到机器人导航上。近来，这些技术被扩展到行人导航。基于图像的特点，使得这些方法给用户提供了丰富的视觉信息，带来全新的使用体验。在精度适当的条件下，也提供了相对较低成本的室内导航服务。基于图像导航系统的一个很好的例子，是谷歌地图的街景服务，它提供了360度的街道图像显现。它使用全景图像呈现了一个虚拟的城市环境。虽然人们对它的意见不一，但是无可否认它把用户关于导航系统的体验提升到一个全新的水平。前述的两类室内导航系统尽管为人们的生活提供了很多便利，但依然不可避免地由于一些客观条件和技术缺陷而存在不同程度的缺点。基于网络技术的室内导航系统的缺点在于它需要预装的基础设置，而且位置信息的可用性也受到限制。而基于航位推测技术的室内导航系统的显著缺点是它被累计误差所强烈影响。在估计过程中误差的出现是不可避免的，而当基于上一个位置进行新位置的估计时，误差是会累积的。在另外一种独立室内导航A-GPS系统中，室内的GPS系统通过连接到一个参考接收器上的服务器来进行处理。虽然信号得到了增强，但是有时候对于室内GPS接收器来说还是太弱。基于图像导航系统的谷歌地图街景服务提供了360度的街道图像显现，它使用全景图像呈现了一个虚拟的城市环境。为了收集图像数据，这个系统需要在一辆移动的汽车的顶部安装一个全景相机来同时记录图像和地理数据。因此，这套系统的造价是很昂贵的，而且在一些汽车或三轮脚踏车无法到达的地方是不可用的，如公园的内部或者建筑物的内部等。因此，谷歌还提供了一项服务叫做GoogleImageGallery，允许用户上传在那些谷歌汽车无法到达的地方拍摄的照片。但这个服务并不能为导航提供足够的信息。一般来讲，现有的基于图像的导航系统比较昂贵、难以部署，甚至不够精确。特别需要指出的，现有的大部分基于图像的导航技术不适合在室内使用。首先，它们的数据收集方法需要昂贵的设备或者特殊的图像数据，例如全景相机、移动传感器、全景图像等，而这些设备或数据对于普通用户来说，或者难以接触到，或者难以部署在室内环境下。其次，大部分现有的导航系统仅仅提供了位置信息，而没有提供方向指示，因此它们不能真正算一个完整的导航系统。最后，现有的基于图像的导航系统没有充分利用用户上传的照片。基本上，查询图片在用户位置被确定后就丢弃了，而可能的从上传图片获得的新知识没有被再利用。
技术实现思路
为解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，还提供一种基于其室内导航系统的导航方法。本专利技术基于图像匹配和空间定位的室内导航系统包括数据库模块、定位模块、路径规划模块和显示模块，其中，所述数据库模块用于存储关键位置图像，提取关键位置图像的图像特征，建立并存储图像特征与位置之间的关系，并在各个图像中选择有突出的标志性作用的图像，生成地标，形成地标节点图并保存；所述定位模块用于根据用户输入的查询图像，提取图像的特征，在数据库中进行特征匹配，从而对用户位置精确定位；所述路径规划模块用于根据用户输入的目的地及定位模块获取的用户位置，获取最优路径；所述显示模块用于查找最优路径上经过的地标，并基于所述地标生成用户指示路径图，并发送给用户。本专利技术作进一步改进，所述数据库模块还用于根据关键位置图像之间的实际位置关系建立并保存用于规划路径的无向加权图。本专利技术作进一步改进，用户输入的查询图像获取精确位置信息后，将其添加入数据库，更新已有的地标节点图。本专利技术作进一步改进，所述图像特征包括SIFT特征、纹理、颜色；所述地标的选取采用显著性物体检测算法，对图像进行显著性检测，将显著物体自动分割出来，符合一定规则的作为地标保存。本专利技术作进一步改进，所述定位模块采用显著物体特征匹配和空间逆投影变换的方法进行位置计算，具体处理方法为：首先采用显著性目标分割方法，对图像进行显著性的分割，然后再进行基于显著性物体的特征点匹配获取用户的初步位置估计，最后通过空间逆投影变换的方法推算用户所在的精确位置。本专利技术作进一步改进，所述最优路径采用显著性加权法进行路径计算，其中，所述显著性加权法的处理方法包括如下步骤：A1：评估每个地点的显著性，根据显著性的高低分别设置每个地点相应的权值；A2：将两个地点权值的正差值作为加权分子，然后乘以这两个地点之间的物理距离，作为空间中这两个节点间的边权；A3：计算起点到目的地之间各个路径的边权总和，选取边权总和最大的路径作为最优路径。。本专利技术作进一步改进，所述显示模块查找最优路径上经过的地标图像后，在关键的转向位置将指示箭头图像和实际图像进行拟合标注方向；所述用户指示路径图包括地标信息、方向信息及实际图像信息。本专利技术还提供一种基于所述室内导航系统的导航方法，包括如下步骤：S1：用户选取有特征的地方拍照上传；S2：根据用户上传的查询图像，提取图像的特征，在数据库中进行特征匹配，从而获取用户精确位置；S3：根据用户精确位置及目的地信息，进行最优路径规划；S4：生成基于地标的用户指示路径图，然后发送给用户。本专利技术作进一步改进，在用户上传查询图像之前，还包括数据库建立步骤：拍摄并保存关键位置图像，提取关键位置图像的图像特征，建立并存储图像特征与位置之间的关系，并在各个图像中选择有突出的标志性作用的图像，生成地标并保存。本专利技术作进一步改进，在步骤S2执行后，还包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：包括数据库模块、定位模块、路径规划模块和显示模块，其中，所述数据库模块用于存储关键位置图像，提取关键位置图像的图像特征，建立并存储图像特征与位置之间的关系，并在各个图像中选择有突出的标志性作用的图像，生成地标，形成地标节点图并保存；所述定位模块用于根据用户输入的查询图像，提取图像的特征，在数据库中进行特征匹配，从而对用户位置精确定位；所述路径规划模块用于根据用户输入的目的地及定位模块获取的用户位置，获取最优路径；所述显示模块用于查找最优路径上经过的地标，并基于所述地标生成用户指示路径图，并发送给用户。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：包括数据库模块、定位模块、路径规划模块和显示模块，其中，所述数据库模块用于存储关键位置图像，提取关键位置图像的图像特征，建立并存储图像特征与位置之间的关系，并在各个图像中选择有突出的标志性作用的图像，生成地标，形成地标节点图并保存；所述定位模块用于根据用户输入的查询图像，提取图像的特征，在数据库中进行特征匹配，从而对用户位置精确定位；所述路径规划模块用于根据用户输入的目的地及定位模块获取的用户位置，获取最优路径；所述显示模块用于查找最优路径上经过的地标，并基于所述地标生成用户指示路径图，并发送给用户。2.根据权利要求1所述的基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：所述数据库模块还用于根据关键位置图像之间的实际位置关系建立并保存用于规划路径的无向加权图。3.根据权利要求1所述的基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：用户输入的查询图像获取精确位置信息后，将其添加入数据库，更新已有的地标节点图。4.根据权利要求1所述的基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：所述图像特征包括SIFT特征、纹理、颜色；所述地标的选取采用显著性物体检测算法，对图像进行显著性检测，将显著物体自动分割出来，符合一定规则的作为地标保存。5.根据权利要求4所述的基于图像匹配和空间定位的室内导航系统，其特征在于：所述定位模块采用显著物体特征匹配和空间逆投影变换的方法进行位置计算，具体处理方法为：首先采用显著性目标分割方法，对图像进行显著性的分割，然后再进行基于显著性物体的特征点匹配获取用户的初步位置估计，最后通过空间逆投影变换的方法推...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀君，孙晓丽，张晓婷，徐晨，
申请(专利权)人：深圳职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44