基于单光源的室内可见光成像与定位新方法学术报告

一、作者与发表信息
本研究由西安理工大学自动化与信息工程学院的Xinxin Cheng、Xizheng Ke（通讯作者）及Huanhuan Qin共同完成，发表于期刊Photonics 2024年第11卷第1199号，2024年12月20日出版。研究获陕西省军民融合重点实验室、国家自然科学基金等资助。

二、学术背景
科学领域：本研究属于可见光定位（Visible Light Positioning, VLP）技术领域，结合图像传感器（Image Sensor, IS）与单LED光源实现高精度室内定位。
研究动机：传统室内定位技术（如蓝牙、Wi-Fi）易受多径效应和电磁干扰影响，而多LED VLP系统依赖光源布局和相机视场，鲁棒性差。单LED方案可降低硬件复杂度，但现有方法存在计算成本高、需额外标记等问题。
研究目标：提出一种基于单LED光源的轻量级图像处理算法，通过虚拟网格分割与Sobel算子快速定位LED成像区域（ROI），结合几何特征实现厘米级定位，并提升系统实时性。

三、研究流程与方法
1. 系统架构设计
- 发射端：采用圆形LED筒灯，通过FPGA板调制PWM-OOK信号（频率2 kHz，占空比50%），将光源特征信息（频率、占空比）与空间坐标关联。
- 接收端：智能手机CMOS传感器（分辨率2046×1080像素）捕获LED图像，利用滚动快门效应生成明暗条纹（亮条纹为“1”，暗条纹为“0”），解码后通过数据库查询LED世界坐标。

1. 轻量级图像处理算法

   • 虚拟网格分割：将图像划分为N×M网格，对每块中行区域的左、中、右像素采样，筛选灰度值高于阈值的网格，合并相邻网格并扩展边界以覆盖完整ROI。
     
   • Sobel边缘检测优化：在初步提取的ROI内，结合行/列像素比例分析与相似性算法去除孤立像素，精确拟合LED轮廓。与传统Sobel算子相比，优化后算法减少了对边缘模糊图像的敏感性。
     

2. 定位算法

   • 水平状态：基于相似三角形原理，通过LED实际直径与成像直径比例计算接收端高度（公式9）。
     
   • 倾斜状态：拟合椭圆方程（公式4），以长短轴均值作为成像半径（公式10），结合相机坐标系与世界坐标系的刚性变换（公式12）求解接收端位置。
     

3. 实验验证

   • 实验平台：80 cm×80 cm×180 cm空间内，LED安装高度为60–180 cm，测试16个定位点，每个点重复5次。
     
   • 变量控制：引入手机倾角（0°–45°），统计不同高度与倾角下的定位误差与耗时。
     

四、主要结果
1. 定位精度：平均误差4.74 cm，最小误差1.41 cm，最大误差10.62 cm。90%测试点误差低于8.13 cm（图10）。倾斜状态下，长短轴均值策略有效平衡了误差（图9）。
2. 实时性：平均定位时间53.54 ms，较文献[14]减少6.46 ms（表2）。虚拟网格分割使图像处理仅需局部像素遍历，显著降低计算延迟。
3. 鲁棒性：在LED高度变化（60–180 cm）与倾角增大（0°–45°）时，误差增长平缓（图8），验证了算法对复杂场景的适应性。

五、结论与价值
科学价值：
- 提出首个结合虚拟网格分割与优化Sobel算子的单LED VLP系统，解决了多LED系统依赖性强、传统ROI提取耗时的问题。
- 通过椭圆长短轴均值策略，提升了倾斜状态下的定位稳定性。
应用价值：
- 适用于LED稀疏场景（如长廊、隧道），硬件成本低，可集成于智能手机，助力室内导航与物联网定位。

六、研究亮点
1. 算法创新：轻量级图像处理算法将定位时间压缩至毫秒级，且无需LED额外标记。
2. 方法普适性：系统仅需单LED光源，突破传统VLP对多光源布局的限制。
3. 实验严谨性：覆盖多种高度与倾角组合，数据重复性强，结论可靠。

七、其他价值
研究指出未来可优化背景光干扰抑制算法，并扩展至其他LED灯具类型（如条形灯），进一步提升实用性。实验数据与代码可向通讯作者申请获取，促进领域内复现与改进。