一種基于三維環(huán)境模型匹配的室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機(jī)模式識別領(lǐng)域內(nèi)的一種室內(nèi)定位方法，具體涉及到基于三維環(huán) 境模型匹配的室內(nèi)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)定位技術(shù)是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)位置定位。目前主要采用無線通訊、基站定 位、慣性測量定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實現(xiàn)用戶在室內(nèi)空間 中的位置監(jiān)控?？煽?、精確的室內(nèi)定位技術(shù)無論是在商業(yè)應(yīng)用，還是公共安全、家庭服務(wù)等 方面都擁有廣闊的市場前景，也是當(dāng)下研宄的熱門技術(shù)之一。在商業(yè)應(yīng)用上，室內(nèi)定位技術(shù) 可以用來幫助使用者在購物場所進(jìn)行店鋪導(dǎo)購與精確的商品信息推送，完成大型倉庫中的 指揮調(diào)度等；在公共安全方面，可以為盲人進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航，在博物館、室內(nèi)景觀為參觀者提 供新穎的交互方式。在醫(yī)院提供指定科室的定位服務(wù)；在家庭服務(wù)方面，可以幫助小型機(jī)器 人完成室內(nèi)的移動與位置感知。
[0003] 目前的室內(nèi)定位系統(tǒng)主要采用超聲波定位、無線傳感器定位、藍(lán)牙信標(biāo)定位等等。 通過在室內(nèi)安裝多個應(yīng)答器，在待測物體或使用者安裝或佩戴信號發(fā)射裝置，應(yīng)答器接收 信號發(fā)射裝置發(fā)送的信號后給信號發(fā)射裝置返回一個應(yīng)答信號，然后根據(jù)應(yīng)答信號的延遲 時間確定待測物體和應(yīng)答器之間的距離，從而確定待測物體的位置。
[0004] 由于現(xiàn)有技術(shù)需要室內(nèi)定位服務(wù)提供者提前在需要進(jìn)行定位的室內(nèi)部署大量的 應(yīng)答器或信標(biāo)，用來實時接收使用者的發(fā)射信號，并需要待測物體或使用者同時安裝或佩 戴支持相同技術(shù)的信號發(fā)射或收集裝置，使得目前室內(nèi)定位服務(wù)的硬件成本高，使用和維 護(hù)也十分不便。此外，由于部署的應(yīng)答器對于部署區(qū)域條件具有一定限制，也需要服務(wù)提供 者對室內(nèi)進(jìn)行相對較為精確的平面測繪，進(jìn)一步提高了室內(nèi)定位的服務(wù)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種基于三維環(huán)境模型匹配的室內(nèi)定位方法，目的在于避免現(xiàn)有技術(shù) 中的不足之處，提供一種不需要部署應(yīng)答器或信標(biāo)，僅通過用戶采集當(dāng)前時刻的三維信息， 并與前期錄入的整個三維環(huán)境信息進(jìn)行對比，通過計算機(jī)模式識別方法計算得到相對精確 的室內(nèi)位置。本發(fā)明針對目標(biāo)匹配的三維環(huán)境模型進(jìn)行了存儲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了匹配的速 度，可以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的室內(nèi)定位。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本室內(nèi)定位方法特征在于：
[0007] 步驟1):構(gòu)造數(shù)據(jù)采集裝置，即三維環(huán)境掃描設(shè)備，包括但不限于RGB-D傳感器、 慣性測量傳感器等，收集室內(nèi)環(huán)境的顏色深度以及姿態(tài)、偏角信息，并上傳至數(shù)據(jù)分析平臺 進(jìn)行三維環(huán)境建模和位置標(biāo)定與分析處理。
[0008] 更優(yōu)選的，可以在數(shù)據(jù)采集裝置中添加慣性測量傳感器模組構(gòu)成數(shù)據(jù)采集的輔助 模塊，獲得該時刻的姿態(tài)、偏角等空間信息，使數(shù)據(jù)分析平臺可以綜合該信息獲得更為精確 的三維環(huán)境模型，從而得到更精確的位置分析。
[0009] 更優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集裝置可以集成到智能手機(jī)中，通過添加深度相機(jī)模塊，可以使 智能手機(jī)完成三維環(huán)境信息采集功能以及面向用戶的智能手機(jī)室內(nèi)定位服務(wù)。
[0010] 步驟2):利用基于計算機(jī)視覺測程原理的算法對數(shù)據(jù)采集裝置在不同時刻收集 到的信息進(jìn)行相對位置估計，從而獲得三維環(huán)境中每一個位置的三維坐標(biāo)。結(jié)合計算得到 的每一時刻的準(zhǔn)確位置和收集到的顏色深度信息建立整個室內(nèi)環(huán)境的三維模型。
[0011] 更優(yōu)選的，可以使用其他進(jìn)一步優(yōu)化的基于計算機(jī)視覺原理的相對位置估計算法 以及室內(nèi)同時定位與構(gòu)圖算法完成室內(nèi)三維環(huán)境模型的構(gòu)建。
[0012] 步驟3):在建立整個室內(nèi)環(huán)境的三維模型過程中，利用計算機(jī)優(yōu)化算法對三維模 型的存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。即建立四個存儲空間，分別為：預(yù)處理空間，短程空間，工作空間， 長程空間。當(dāng)前時刻掃描得到該位置的三維信息數(shù)據(jù)時，先將該時刻數(shù)據(jù)放入預(yù)處理空間， 進(jìn)行特征點提取；處理完成后，該時刻數(shù)據(jù)移入短程空間，短程空間對新到來的數(shù)據(jù)和前一 時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，當(dāng)前后兩時刻數(shù)據(jù)的相對變換在一個可接受的閾值范圍內(nèi)，將這兩 組數(shù)據(jù)合并在一起，重新放入短程空間中。短程空間的空間上限為一固定值S(即最多存儲 S組合并后數(shù)據(jù)）；當(dāng)短程空間存滿時，將最早進(jìn)入空間中的一組數(shù)據(jù)移入工作空間。對于 工作空間中的每一組數(shù)據(jù)，設(shè)定其權(quán)值參數(shù)（初始參數(shù)為零），定義在空間中掃描時間越久 的點，權(quán)值越高。當(dāng)對每幀的處理時間超過閾值T時，就將工作空間中的權(quán)值最低的點移入 長程空間。
[0013] 步驟4):按照以上的存儲方式建立三維環(huán)境信息的存儲模型之后，用戶使用數(shù)據(jù) 采集裝置得到當(dāng)前位置任意方向的顏色深度信息。
[0014] 更優(yōu)選的，使用集成數(shù)據(jù)采集裝置，即RGB-D傳感器的智能手機(jī)完成面向用戶的 當(dāng)前位置任意方向的顏色深度信息采集。
[0015] 步驟5):將用戶得到的顏色深度信息自動上傳至數(shù)據(jù)分析平臺，與平臺上存儲在 工作空間的每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點匹配。匹配過程中利用貝葉斯濾波器計算當(dāng)前時刻信息 與每組數(shù)據(jù)的相似值大小，當(dāng)超過閾值后，認(rèn)為匹配成功。
[0016] 步驟6):查找匹配成功后的該時刻信息在三維環(huán)境模型中的位置，并將該時刻用 戶所在位置計算出來，作為位置反饋給用戶使用的終端，完成室內(nèi)定位。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，避免了現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)中需要大量依賴精確部署的應(yīng)答 器以及信標(biāo)的限制。通過前期采集室內(nèi)三維環(huán)境信息，可以構(gòu)建三維環(huán)境模型并記錄、存儲 模型中每一個空間坐標(biāo)點的位置信息。當(dāng)用戶采集到任意時刻三維信息后，數(shù)據(jù)分析平臺 通過匹配算法快速得到該時刻三維數(shù)據(jù)在整個三維環(huán)境模型中的相對位置，并反饋給用戶 當(dāng)前計算得到的位置信息。利用本發(fā)明涉及的相關(guān)技術(shù)，可以在今后室內(nèi)定位技術(shù)中，替代 現(xiàn)有室內(nèi)定位產(chǎn)品，得到快速的市場應(yīng)用。
[0018] 首先，由于該技術(shù)對于外部設(shè)備依賴?。河脩羰殖?jǐn)?shù)據(jù)采集裝置，與三維環(huán)境模型 進(jìn)行快速匹配獲得較為準(zhǔn)確的位置信息，僅需要室內(nèi)定位提供者前期采集較為完整的室內(nèi) 三維環(huán)境模型并進(jìn)行定期環(huán)境模型維護(hù)即可。所以大大降低了室內(nèi)定位的硬件成本。隨著 今后數(shù)據(jù)采集裝置的輕量化、小型化，可以將其集成在具有三維數(shù)據(jù)采集模塊的智能手機(jī) 中，從而為用戶直接提供智能手機(jī)的室內(nèi)定位服務(wù)。
[0019] 該技術(shù)可以適用于目前的室內(nèi)定位主流應(yīng)用場景中，由于數(shù)據(jù)分析平臺存儲了需 要提供室內(nèi)定位服務(wù)的三維環(huán)境模型。因此通過對三維環(huán)境模型的分析以及虛擬標(biāo)簽的添 加可以為用戶提供更加多樣的服務(wù)。三維環(huán)境模型中的虛擬標(biāo)簽可以幫助使用該室內(nèi)定位 服務(wù)的用戶得到多種位置信息。當(dāng)其他無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)同步上傳到數(shù)據(jù)分析平臺 時，即可以虛擬標(biāo)簽的形式添加到三維環(huán)境模型中的指定位置，如定位區(qū)域的具體環(huán)境情 況、溫度、濕度、人流量等，當(dāng)用戶通過數(shù)據(jù)采集裝置上傳三維信息后，數(shù)據(jù)分析平臺通過匹 配算法，將位置信息反饋給用戶的同時，也可將該位置的虛擬標(biāo)簽信息反饋給用戶。
【附圖說明】
[0020] 圖1數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖2數(shù)據(jù)分析平臺算法框圖；
[0022] 圖3目標(biāo)匹配流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024] 首先，通過附圖1對本發(fā)明中所涉及的數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行說明。數(shù)據(jù)采集裝置是 一個用于收集環(huán)境中顏色及深度信息并可