面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法技术

本发明专利技术请求保护一种面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，属于通信网技术领域，涉及可调光灯下的图像模糊处理算法。此算法在可调灯光下手机照相机采集的图像产生模糊效应的基础上，提出了适用于可见光定位下的图像模糊效应处理算法。算法利用二阶多项式拟合淡化模糊效应，提高图像的明暗条纹分辨度；利用直方图均衡化提高图像的消光比，增加图像的明暗条纹的对比度；进一步的利用Sobel滤波增强图像边缘，提高图像的明暗条纹的解码率。本发明专利技术综合考虑了在智能灯下可见光定位算法摄影图像出现模糊效应的图像处理算法，能够使得可见光定位系统在摄影到模糊图像后依旧能够正确解码信标，弥补了可见光定位算法中不能处理模糊图像的空白。

Image Processing Method for Visible Light Location under Indoor Intelligent Lamp

【技术实现步骤摘要】
面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法
本专利技术属于通信网络
，涉及室内智能灯下的可见光定位(VisibleLightPositioning)图像处理算法。
技术介绍
智能LED灯是指利用电力电子、信息处理、传感器和通信等技术，形成智能化照明的一项技术。智能照明控制方式是根据传感器检测的环境信息和用户的调光和定时设置，控制器进行分析和响应，通过通信技术把数据传输给要控制的灯具，如有必要对相应的结果进行存储或者显示出来，经过这样的控制流程，达到用户所要求的照明环境，同时也可以实现节约电能。人们对智能灯的需求也越来越高，迫切要求智能LED灯行业的快速发展和壮大。而智能LED照明的飞速发展和可见光通信技术的普及为定位技术提供了契机，通过直接改造室内照明LED设备的方式来构建发送端，并在接收端设计定位算法来实现对于接收端位置的估计，这就是可见光室内定位技术(VisibleLightPositioning)。目前定位技术的应用范围越来越广泛，例如在普通的商业活动、地质勘探、科学研究和抢险搜救等众多领域都有重要的应用。全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，GPS技术早就己经在室外的环境中得到了广泛的应用。但是在一些人类活动最为频繁的室内环境中，由于无线信号的衰减和多径效应的影响，GPS的定位精度十分有限，因此无法为使用者提供可靠的位置服务。另外，在某些特定的场合，无线通信技术是被限制使用的，比如医院、飞机机舱、矿井和加油站等场所。基于以上的分析原因，室内利用可见光定位技术的研究就显得越来越为重要。这种技术相对于传统室内无线定位技术具有定位精度高、附加模块少、保密性好、兼顾通信与照明等优点。在一些没有无线信号覆盖的场合，现有的无线通信室内定位系统无法工作。因此，利用可见光来实现定位是一个有效的方案。尽管可见光定位系统能提供高精度，实时的室内定位方案，但是在智能灯(可调光)的条件下，智能手机拍摄的图片会出现模糊效应，这样的模糊效应会导致接收端系统在进行图像解码的过程中，无法明确出来明条纹与暗条纹所代表的信标信息，进一步导致接收端系统不能识别出智能LED灯所代表的世界坐标系，最终导致整个定位系统失效。因此，设计一种针对智能手机所捕获的图像的模糊效应的图像处理算法有着重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种在保证系统定位算法的实时性和定位算法的高精度要求的前提下，增强智能手机接收端处理图像模糊效应的能力的面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法。本专利技术的技术方案如下：一种面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，其包括以下步骤：步骤1、首先在智能LED灯的照射下，智能手机照相机采集带有模糊效应的图像，使用二阶多项式拟合来进行图像处理，二阶多项式拟合作用在模糊图像的每一列像素上，通过对一列像素进行二阶多项式拟合后，形成二阶拟合函数，对二阶拟合函数的数列进行升序排列，然后设定一个指定的阈值对函数值进行滤波；步骤2、当模糊效应通过二阶多项式拟合修正后，使用直方图均衡化来增加图像中明条纹和暗条纹的消光比；步骤3、在二阶多项式拟合以及直方图均衡化后，加入Sobel滤波，Sobel滤波自带2个权重算子，通过权重算子与图像列像素进行卷积，提取智能LED灯的信标的信息，图像处理算法结束。进一步的，所述步骤1获取智能手机照相机采集的带有模糊效应的图像之前，还包括采用智能LED灯智能改变亮度、对智能手机采集的图像进行图像翻转以及灰度化、采用motion算子模糊处理、二值化处理、边缘提取的步骤。进一步的，所述采用智能LED灯智能改变亮度具体包括：采用Manchester编码方式来对发送端进行序列编程，使得人眼感知不到智能LED的闪烁；除此之外，发送端根据周围环境来改变智能LED灯的明亮程度，通过改变逻辑“0”与逻辑“1”的比例来改变智能LED灯的亮度；对智能手机采集的图像进行图像翻转以及灰度化，具体包括：当智能手机通过自身照相机进行图像采集后，先进行图像翻转，以保证去除镜像效应；图像翻转后，需要对图像进行灰度化处理，灰度化处理将彩色三维图像变为灰度二维图像；经过图像翻转和灰度化后，对图像进行“motion”算子模糊处理，提取整个LED的中心点，即LED的圆心点；经过模糊处理后，对图片进行二值化处理，将智能LED灯与背景进行有效的分离；经过二值化处理过后的图片，使用Canny算子来进行边缘提取；通过边缘提取找到智能LED灯的圆心，通过智能LED灯的圆心得到LED在智能手机照相机坐标系下的坐标。进一步的，所述步骤2直方图均衡化的图片通过如下等式表示：Sk表示经过直方图均衡化的像素值，k表示灰度的分辨数，n是整个图片的像素数目，nj是当前灰度化的个数，L是整个图片灰度化的总数，其通常是255。进一步的，所述步骤3经过直方图均衡化处理过后的图片后，使用Sobel滤波方法来增强每个智能LED灯的边缘，Sobel算子是2个3*3的内核，带有着权重hx和hy，Sobel算子是被用作和图像进行卷积，其内核表示为：因为本专利技术的目标二阶多项式拟合函数是一维数据即一列像素，其不能和3*3的Sobel内核进行卷积，在这样的情形下，对一列像素添加0以形成3维矩阵进行卷积，Sobel滤波每次仅仅作用在一列像素，hy能够被省略，经过Sobel滤波后的输出图像Gx表示为捕获图像f与hx之间的卷积；Gx＝f*hx。进一步的，智能灯下的可见光定位系统由三个主要模块组成，可调光LED信标作为发送端，智能手机作为接收端，云服务器进行数据处理，可调光LED可根据周围的光线调节亮度，智能手机的前置摄像头作为接收器定期捕捉图像，每个图像中至少包含两个LED，接下来将这些图像传输到云服务器进行定位处理，当捕获的图像传输到云服务器时，系统对图像中的信标进行解码。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术解决因智能灯在改变光亮度的条件下，智能手机捕获到带有模糊效应的图片而无法进行信标提取与定位的问题。经过图像处理算法后，模糊效应被有效的缓解，图片能够正确解调信标，进而实现高精度定位。为了降低模糊效应的影响，方法首先使用二阶多项式拟合来进行图像处理。二阶多项式拟合需要作用在模糊图像的每一列像素上。通过对一列像素进行二阶多项式拟合后，形成二阶拟合函数。对二阶拟合函数的数列进行升序排列，然后设定一个指定的阈值对函数值进行滤波，经过上述的过程后，因为光子过度饱和而产生的明条纹过渡到暗条纹的问题将得到修正。当模糊效应通过二阶多项式拟合修正后，图像中明条纹与暗条纹的消光比仍然很低，这对于智能手机接收进行数据解码会产生影响。本专利技术使用直方图均衡化来增加图像中明条纹和暗条纹的消光比。其实质上是：对图像进行非线性拉伸，重新分配图像象元值，使一定灰度范围内象元值的数量大致相等。这样,原来直方图中间的峰顶部分对比度得到增强，而两侧的谷底部分对比度降低，输出图像的直方图是一个较平的分段直方图。通过直方图均衡化，能够明显增加明条纹和暗条纹之间的对比度。在经过二阶多项式拟合以及直方图均衡化处理的带有模糊效应的图片后，模糊图片已经能够明显区分出暗条纹与亮条纹。但是当智能手机接受图像时候存在过多光噪声的情形下，尽管使用了二阶多项式拟合和直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、首先在智能LED灯的照射下，智能手机照相机采集带有模糊效应的图像，使用二阶多项式拟合来进行图像处理，二阶多项式拟合作用在模糊图像的每一列像素上，通过对一列像素进行二阶多项式拟合后，形成二阶拟合函数，对二阶拟合函数的数列进行升序排列，然后设定一个指定的阈值对函数值进行滤波；步骤2、当模糊效应通过二阶多项式拟合修正后，使用直方图均衡化来增加图像中明条纹和暗条纹的消光比；步骤3、在二阶多项式拟合以及直方图均衡化后，加入Sobel滤波，Sobel滤波自带2个权重算子，通过权重算子与图像列像素进行卷积，提取智能LED灯的信标的信息，图像处理算法结束。

【技术特征摘要】
1.一种面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、首先在智能LED灯的照射下，智能手机照相机采集带有模糊效应的图像，使用二阶多项式拟合来进行图像处理，二阶多项式拟合作用在模糊图像的每一列像素上，通过对一列像素进行二阶多项式拟合后，形成二阶拟合函数，对二阶拟合函数的数列进行升序排列，然后设定一个指定的阈值对函数值进行滤波；步骤2、当模糊效应通过二阶多项式拟合修正后，使用直方图均衡化来增加图像中明条纹和暗条纹的消光比；步骤3、在二阶多项式拟合以及直方图均衡化后，加入Sobel滤波，Sobel滤波自带2个权重算子，通过权重算子与图像列像素进行卷积，提取智能LED灯的信标的信息，图像处理算法结束。2.根据权利要求1所述的面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，其特征在于，所述步骤1获取智能手机照相机采集的带有模糊效应的图像之前，还包括采用智能LED灯智能改变亮度、对智能手机采集的图像进行图像翻转以及灰度化、采用motion算子模糊处理、二值化处理、边缘提取的步骤。3.根据权利要求2所述的面向室内智能灯下的可见光定位图像处理方法，其特征在于，所述采用智能LED灯智能改变亮度及具体包括：采用Manchester编码方式来对发送端进行序列编程，使得人眼感知不到智能LED的闪烁；除此之外，发送端根据周围环境来改变智能LED灯的明亮程度，通过改变逻辑“0”与逻辑“1”的比例来改变智能LED灯的亮度；对智能手机采集的图像进行图像翻转以及灰度化，具体包括：当智能手机通过自身照相机进行图像采集后，先进行图像翻转，以保证去除镜像效应；图像翻转后，需要对图像进行灰度化处理，灰度化处理将彩色三维图像变为灰度二维图像；经过图像翻转和灰度化后，对图像进行“motion”算子模糊处理，提取整个L...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘翔宇，危学涛，郭磊，
申请(专利权)人：刘翔宇，危学涛，郭磊，
类型：发明
国别省市：辽宁,21