基于可见光与手机的高速室内导航系统研究报告

研究团队与发表信息

本研究的通讯作者为Zoe Lin Jiang，主要作者包括Junbin Fang、Zhen Yang、Shun Long等，研究团队来自暨南大学（广东省可见光通信工程技术研究中心、广州市可见光通信重点实验室）、多伦多大学、深圳大学（广东省高性能计算重点实验室）及哈尔滨工业大学深圳研究生院。论文《High-Speed Indoor Navigation System Based on Visible Light and Mobile Phone》发表于IEEE Photonics Journal，2017年4月（Volume 9, Number 2），DOI编号为10.1109/JPHOT.2017.2687947。

学术背景与研究目标

科学领域与背景

本研究属于可见光定位（Visible Light Positioning, VLP）与室内导航技术交叉领域。随着室内服务机器人、停车场导航、基于位置的服务（LBS）等需求增长，传统射频定位技术（如GPS、WiFi）在室内环境中存在精度不足（通常为米级）或易受电磁干扰的问题。VLP技术利用LED光源的可见光信号传输位置信息，具有成本低、抗电磁干扰、可与照明系统兼容等优势，但现有VLP系统因图像处理计算复杂度高，难以同时满足实时性（低延迟）与高精度的双重要求。

研究目标

本研究旨在开发一种低成本、高精度、低延迟的VLP系统，核心目标包括：
1. 通过无闪烁线编码（flicker-free line coding）和轻量级图像处理算法降低计算开销；
2. 支持调光（dimming）和闪烁抑制（flicker mitigation），确保照明功能不受影响；
3. 在商用智能手机上实现实时导航，支持用户移动速度高达18 km/h的场景。

研究流程与方法

1. 系统架构设计

系统由两部分硬件构成：
- VLP灯具：内置8位微控制器（MCU），将唯一标识符（UID）编码为适合光传输的码字，通过开关键控强度调制（OOK IM）驱动LED发光。
- 智能手机：利用滚动快门（rolling shutter）CMOS传感器捕获LED信号，生成条纹图像（fringe image），通过图像处理提取位置信息。

创新点：
- 边缘照明LED灯具：确保发光表面均匀，条纹轮廓清晰，简化图像处理。
- 无辅助硬件：直接利用手机摄像头，无需外接传感器或偏振片（对比Pixel系统需偏振器）。

2. 无闪烁线编码与调光支持

采用交织五取二码（Interleaved Two of Five, ITF）替代曼彻斯特编码，解决传统编码的闪烁与效率问题：
- 编码规则：每对十进制数字编码为10个交替亮暗条纹（5亮+5暗），其中宽条纹代表“1”，窄条纹代表“0”。例如数字“5”和“7”编码为图3所示的条纹组合。
- 优势：
- 传输效率：0.664比特/符号，高于曼彻斯特码的0.5比特/符号。
- 调光支持：通过调整亮暗条纹宽度比例（公式1）实现任意调光比（实验验证20%~80%范围内解码成功率>80%）。
- 闪烁抑制：25 kHz调制频率（远超人类感知阈值200 Hz），且ITF码避免长连续“开/关”符号。

3. 轻量级图像处理算法

算法流程如图4所示：
1. 图像二值化：在低曝光模式下捕获原始图像（图4a），二值化后突出LED信号区域（图4b）。
2. 条纹区域定位：通过垂直/水平像素值累加快速确定条纹边界（图4c），无需复杂轮廓检测。
3. 条纹提取与解码：将条纹区域转换为线性强度样本流，按ITF规则解码UID（图4d）。

性能对比：
- 计算时间：单灯具平均22.7 ms，双灯具35.7 ms（Luxapose系统需9秒，含云端处理）。
- 适用性：在OnePlus 2手机（骁龙810 CPU）上实现实时处理，帧间隔33~66 ms内完成。

实验结果

1. 定位精度

• 单灯具场景：精度取决于灯具间距（实验设置1.65米），误差上限为间距一半（约0.8米）。
  
• 多灯具场景：
  
  • 手机水平放置时，平均精度7.5 cm，误差上限10.7 cm（图6a）。
    
  • 手机倾斜10°时，误差增至33 cm（图6b），需结合陀螺仪数据补偿。
    

2. 实时性与移动速度支持

• 计算延迟：双灯具场景下90%测试案例耗时<48 ms，支持18 km/h移动速度（5 m/s）。
  
• 失败原因：速度超过阈值时，图像模糊导致解码失败。
  

3. 解码成功率

• 垂直距离影响：1.3米内成功率100%，1.8米内>90%（图8）。
  
• 调光比影响：50%调光比时成功率最高（94%），极端调光比（<20%或>80%）显著降低（表2）。
  

研究结论与价值

科学价值

1. 方法论创新：ITF编码与轻量级图像处理的结合，为VLP系统提供了实时性与高精度兼顾的解决方案。
   
2. 技术突破：首次在商用手机上实现18 km/h高速导航，且无需辅助硬件。
   

应用价值

1. 商业化潜力：可直接部署于现有LED照明设施，适用于大型场馆、地下停车场、物流机器人等场景。
   
2. 用户体验：支持调光与无闪烁照明，符合实际照明需求。
   

研究亮点

1. 高速性能：35.7 ms延迟为同类最优（对比Luxapose的9秒、Pixel的1200 ms）。
   
2. 全栈优化：从编码方案（ITF）、硬件设计（边缘照明灯具）到算法（轻量级处理）的全链路创新。
   
3. 开源兼容性：Android原型应用（图7）验证了方案的易部署性。
   

未来方向

作者计划将方案扩展至三维导航（如无人机室内定位），并探索更高图像分辨率以提升远距离解码成功率。