一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法及定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法及定位方法，具体涉及视觉室内定位技术领域，本发明专利技术为了解决现有的基于位置指纹的定位方法，需要在场景信息的图像采集和地理位置工作方面消耗大量的人力，且传统的单目视觉定位系统精度较低的缺点，而提出一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，包括：建立定位系统的坐标系模型。标定双目视觉系统；选取待定位室内场景中的一个标识。使用左摄像机或右摄像机按照一定间隔采集带有标识的图像；提取每个图像的SURF特征点；标注出每张图像中标识的四个角点的像素坐标存入数据库中；提取出每张图像标识区域的SURF特征点矩阵存入数据库中。本发明专利技术适用于可穿戴式室内定位识别设备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法及定位方法
本专利技术涉及一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法及定位方法，具体涉及视觉室内定位

技术介绍
互联网和可穿戴设备的飞速发展和基于位置感知的应用的不断需求，使得位置感知逐渐成为人们必不可少的信息，基于位置的服务越来越受到广泛关注。由于人们平均70％以上的时间处于室内环境，对自身在室内场景所处的位置环境的感知需求也与日俱增。因此，可靠的位置信息在许多不同的环境下为用户带来更好更重要的用户体验和感受。目前，室外定位技术已经非常成熟，并且很多移动设备也都参考使用了室外定位技术。GPS系统、GLONASS导航系统、伽利略导航系统和北斗导航系统是目前使用较为广泛的全球卫星定位系统。室内环境的特殊性导致卫星定位信号无法直接满足室内位置服务的需求，因此需要一种性能良好的系统来完成室内定位技术。并且，移动智能终端的可移动性和普适性在位置感知和信息交互方面有很大的推动作用。基于此，高精度的室内定位系统成为一个热点研究领域。室内定位系统使用的技术非常广泛，主要包括WiFi，UWB，RFID，蓝牙，视觉，惯性测量单元等。其中，基于WiFi的室内定位技术最为成熟。该定位技术借助无线接入点已部署的特点，利用用户移动终端检测区域范围内各个接入点的信号强度值达到用户定位的目的。然而，该技术的应用场景因严重依赖无线接入点的个数而受到很大限制，在人流量密集的室内环境需要部署大量接入点，过度消耗人力物力，并且在诸如进出口等边缘位置定位，会因墙壁遮挡等因素导致定位精度受到较大影响。随着智能终端的普及，其完备的内置传感器系统正逐渐替代那些特殊设计的室内定位系统。视觉定位方法正是利用图像获取传感器，对用户所处的室内环境进行感知，直接有效地在复杂室内环境中提取出有效的位置信息，为基于视觉的室内定位方法提供基础设备。另外，从计算机视觉和机器人等领域，人类正是通过视觉系统和计算机融合来实现对周围环境的感知，并在此基础上实现机器人的定位导航。因此，基于视觉的室内定位方法是室内定位领域的重要发展方向之一。目前已提出的视觉定位系统主要分为两个阶段：离线阶段和在线阶段。传统的离线数据库建立方法主要采用位置指纹算法，通过将用户位置与终端拍摄的场景图片融合来建立VisualMap数据库，VisualMap由图像空间和物理空间所构成，图像空间是指室内环境下的图像信息，物理空间是指地理位置坐标信息。然后，采用快速检索算法得出VisualMap中最匹配的场景及相对应的位置，完成定位服务。然而，位置指纹方法存在很明显的缺陷，即随着定位范围的增大，为保证定位精度，基于位置指纹的数据库的容量会不断增大，场景信息的图像采集和地理位置工作会消耗大量的人力。其次，在线定位阶段，传统的单目视觉定位系统无法相对直接地获取目标点的三维位置信息，很大程度上增加了定位过程中的时延，而且定位精度较低。因此，需要一种新的室内定位技术，来解决现有技术的上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的基于位置指纹的定位方法，为了保证定位精度，需要大量扩充数据库容量，进而在场景信息的图像采集和地理位置工作方面消耗大量的人力；并且传统的单目视觉定位系统无法相对直接地获取目标点的三维位置信息，很大程度上增加了定位过程中的时延，并使得定位精度较低的缺点，而提出一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，包括：步骤一，建立定位系统的坐标系模型。步骤二：在所述坐标系模型中，标定双目视觉系统，得到双目视觉系统的内部参数和外部参数；所述双目视觉系统包括左摄像机以及右摄像机。步骤三：根据待定位的室内场景，建立平面世界坐标系。步骤四：选取待定位室内场景中的一个标识。步骤五：在能够拍摄到标识的范围内，使用双目视觉系统中的左摄像机或右摄像机按照预定的距离间隔采集N张带有标识的数据库图像；N为正整数。步骤六：提取每个数据库图像的SURF特征点。步骤七：标注出每张数据库图像中标识的四个角点的像素坐标作为角点信息存入数据库中，并提取出每张数据库图像的标识区域的SURF特征点矩阵作为特征信息存入数据库中。步骤八：对于待定位室内场景中的每一个标识，重复执行步骤四至步骤七，直至数据库构建完成。本专利技术还提供一种基于局部标识的双目视觉室内定位方法，包括：步骤A：利用双目视觉系统中的左摄像机和右摄像机同时拍摄包含标识的在线输入左图像Il和右图像Ir。步骤B：利用如权利要求1至4中任意一项所述的方法得到的数据库，分别求解出在线输入左图像Il和右图像Ir中标识的四个角点的像素坐标。步骤C：根据在线输入左图像Il和右图像Ir中标识的四个角点的像素坐标求解出用户所在的位置坐标。本专利技术的有益效果为：1、只需要已知少数标识图像的地理位置信息，而不需要已知每个采集图像的参考点的地理位置信息，在很大程度上减少建立数据库的时间开销，节省人力。2、本专利技术在数据库建立阶段通过在某标识附近一定范围区域内，按照一定间隔有针对性地采集含有标识的图像，标注图像中标识的角点信息，提取标识区域的特征点矩阵，并将图像中标识的角点像素坐标和标识的世界坐标存入数据库中，完成基于标识的离线数据库的建立，达到了减少数据库容量的效果。3、本专利提出的定位方法在定位精度明显高于基于位置指纹的定位算法。基于位置指纹的定位算法定位精度达到一个σ定位误差为1.2m，而本专利提出的定位方法的定位精度达到一个σ定位误差为0.65m，达到了亚米级的定位精度。并且，本专利提出的定位方法的最大定位误差为1.39m，定位误差在1m以内的累计概率达到85％，而基于位置指纹的定位算法最大定位误差为3m，定位误差在1m以内的累计概率为56％。附图说明图1为本专利技术的基于局部标识的双目视觉室内定位方法的流程示意图；图2为本专利技术的基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法的一个实施例的示意图；图3为本专利技术的离线数据库的存储内容示意图；图4为本专利技术中在线阶段标识特征匹配模块框图；图5为本专利技术的基于标识的双目视觉定位方法与现有技术中基于位置指纹定位方法的效果对比图。本专利技术的变量定义如下具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，其特征在于，包括：步骤一，建立定位系统的坐标系模型。坐标系模型包括参考坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、像素坐标系。具体建立的方法为：建立参考坐标系Or-xyz，定义该坐标系原点Or为一个矩形标识图像的左上角顶点，x轴方向为沿标识上边沿平行于水平地面，y轴方向为垂直标识图像向里，z轴方向为垂直地面向下。建立左摄像机坐标系Ocl-uvw，定义该坐标系原点Ocl为左摄像机光心，u轴与v轴重合于左摄像机镜头平面，w轴为左摄像机光轴。建立图像坐标系O1-XY，定义该坐标系原点O1为左摄像机光轴与成像平面的交点，X,Y轴分别平行于图像的两条边。该坐标系建立在摄像机的CCD传感器上，其单位与CCD传感器的尺寸保持一致。建立像素坐标系O2-UV，定义该坐标系的原点O2为图像的左上角顶点，U,V轴分别为图像的上边沿和左边沿。步骤二：在所述坐标系模型中，标定双目视觉系统，得到双目视觉系统的内部参数和外部参数；所述双目视觉系统包括左摄像机以及右摄像机。标定摄像机的过程为：利用双目摄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，其特征在于，包括：步骤一：建立定位系统的坐标系模型；步骤二：在所述坐标系模型中，标定双目视觉系统，得到双目视觉系统的内部参数和外部参数；所述双目视觉系统包括左摄像机以及右摄像机；步骤三：根据待定位的室内场景，建立平面世界坐标系；步骤四：选取待定位室内场景中的一个标识；步骤五：在能够拍摄到标识的范围内，使用双目视觉系统中的左摄像机或右摄像机按照预定的距离间隔采集N张带有标识的数据库图像；N为正整数；步骤六：提取每个数据库图像的SURF特征点；步骤七：标注出每张数据库图像中标识的四个角点的像素坐标作为角点信息存入数据库中，并提取出每张数据库图像的标识区域的SURF特征点矩阵作为特征信息存入数据库中；步骤八：对于待定位室内场景中的每一个标识，重复执行步骤四至步骤七，直至数据库构建完成。

【技术特征摘要】
1.一种基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，其特征在于，包括：步骤一：建立定位系统的坐标系模型；步骤二：在所述坐标系模型中，标定双目视觉系统，得到双目视觉系统的内部参数和外部参数；所述双目视觉系统包括左摄像机以及右摄像机；步骤三：根据待定位的室内场景，建立平面世界坐标系；步骤四：选取待定位室内场景中的一个标识；步骤五：在能够拍摄到标识的范围内，使用双目视觉系统中的左摄像机或右摄像机按照预定的距离间隔采集N张带有标识的数据库图像；N为正整数；步骤六：提取每个数据库图像的SURF特征点；步骤七：标注出每张数据库图像中标识的四个角点的像素坐标作为角点信息存入数据库中，并提取出每张数据库图像的标识区域的SURF特征点矩阵作为特征信息存入数据库中；步骤八：对于待定位室内场景中的每一个标识，重复执行步骤四至步骤七，直至数据库构建完成。2.根据权利要求1所述的基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，其特征在于，所述内部参数包括左摄像机的焦距、右摄像机的焦距以及左摄像机和右摄像机的二维图像的主点坐标；所述二维图像的主点坐标为左摄像机或右摄像机的光轴与对应图像平面的交点坐标；外部参数包括旋转矩阵以及左摄像机坐标系原点和右摄像机坐标系原点之间的平移向量。3.根据权利要求1或2所述的基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，其特征在于，所述步骤五中，当使用左摄像机采集数据库图像时，左摄像机距离标识平面左边沿的最小水平距离需要满足如下公式：其中，θ为左摄像机的最大视角；L为标识在平行于地面方向的长度；u0为左摄像机距标识平面的垂直距离。4.根据权利要求3中任意一项所述的基于局部标识的双目视觉室内定位数据库建立方法，设采集到的N张带有标识的数据库图像为Imgi，1≤i≤N；其特征在于，所述步骤七具体为：步骤七一：利用手动标注的方式标注出第一张数据库图像Img1中标识区域的四个角点的像素坐标，并将所述四个角点的像素坐标作为角点信息存储在数据库中；步骤七二：提取第一张数据库图像Img1中标识区域的SURF特征点，构成SURF特征点矩阵，并将所述SURF特征点矩阵作为第一张数据库图像Img1的特征信息存储在数据库中；步骤七三：将第一张数据库图像Img1的标识区域的SURF特征点以及第二张数据库图像Img2的SURF特征点输入至RANSAC算法中，得到第二张数据库图像Img2的单应矩阵；步骤七四：通过单应矩阵求解出第二张数据库图像Img2中标识的四个角点的像素坐标，作为第二张图像Img2的角点信息存储在数据库中；步骤七五：提取第二张数据库图像Img2中标识区域的SURF特征点，构成SURF特征点矩阵，作为第二张数据库图像Img2的特征信息存储在数据库中；步骤七六：重复步骤七三至步骤七五，直至第一张数据库图像的角点信息和特征信息均存储在数据库中。5.一种基于局部标识的双目视觉室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：利用双目视觉系统中的左摄像机和右摄像机同时拍摄包含标识的在线输入左图像Il和右图像Ir；步骤B：利用如权利要求1至4中任意一项所述的方法得到的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，林英男，秦丹阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23