鄒益民，黃一帆，王維俊，梅育榮

（金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇南京，210031）

0 引言

近年來(lái)，基于位置服務(wù)（LBS，location-based service）在智能機(jī)器人、商場(chǎng)購(gòu)物指南等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也極大地促進(jìn)了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括：WiFi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波等，它們均需要建立一個(gè)復(fù)雜的定位設(shè)施環(huán)境，相應(yīng)的系統(tǒng)成本與能耗均較高。隨著LED及圖像處理技術(shù)的不斷成熟，基于可見(jiàn)光的室內(nèi)定位技術(shù)受到越來(lái)越多的研究人員的關(guān)注。LED光源具有功耗小、調(diào)制速度快、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，配合可見(jiàn)光定位技術(shù)具有無(wú)電磁干擾、照明定位一體化等特點(diǎn)，已成為室內(nèi)定位技術(shù)研究的一個(gè)重要方向[1-3]。

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是一種基于可見(jiàn)光的簡(jiǎn)易圖像定位裝置，基于指紋定位方案。即首先需在室內(nèi)特定位置放置一定數(shù)量的LED標(biāo)志點(diǎn)，然后借助智能定位裝置采集不同位置處的圖像特征，將這些圖像特征及對(duì)應(yīng)采集位置結(jié)合形成一個(gè)定位指紋庫(kù)。實(shí)際定位時(shí)，定位裝置利用在未知點(diǎn)所獲得的圖像特征，通過(guò)搜索指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到最匹配的物理位置，由此確定未知點(diǎn)的當(dāng)前位置。智能定位裝置主要由MSP430F149單片機(jī)、LED光源，OV7670攝像頭和TFT彩屏等模塊組成，LED光源不僅為系統(tǒng)提供照明同時(shí)也作為目標(biāo)物，提供位置標(biāo)示作用，從而構(gòu)成一種低成本的室內(nèi)定位裝置。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于圖像處理、光學(xué)指紋的定位方式。LED光源作為標(biāo)準(zhǔn)位置指示器，MSP430F149單片機(jī)控制OV7670圖像傳感器采集LED場(chǎng)的圖像信息，隨后通過(guò)邊緣檢測(cè)、二值化處理、中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，以獲取LED中心點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。在指紋學(xué)習(xí)階段，一系列LED標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)及已知的位置信息構(gòu)成了系統(tǒng)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；在指紋定位階段，通過(guò)LED標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)檢索已有的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算，可獲得末知點(diǎn)的最佳匹配，最終實(shí)現(xiàn)定位功能。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中的MSP430F149單片機(jī)構(gòu)成本系統(tǒng)的控制核心，控制OV7670攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集功能，并通過(guò)圖像處理算法獲得目標(biāo)LED的位置信息。由若干控制按鍵與TFT彩色顯示屏構(gòu)成系統(tǒng)的人機(jī)接口，用于系統(tǒng)狀態(tài)切換、參數(shù)修改，也可用于對(duì)圖像及定位信息的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

OV7670攝像頭包含一個(gè)30萬(wàn)像素的CMOS圖像感光芯片及一個(gè)3.6mm焦距的廣角鏡頭，當(dāng)采用QVGA RGB565格式時(shí)，幀速可達(dá)30fps，顏色深度為64K，圖像分辨率可達(dá)320*240。為方便與相對(duì)慢速的MSP430單片機(jī)接口，本設(shè)計(jì)所用的OV7670模塊自帶一片F(xiàn)IFO存儲(chǔ)芯片。

本設(shè)計(jì)中還選用了一塊2.8寸的TFT彩屏，顯示解析率為320*240，被用作系統(tǒng)的圖像與操作顯示終端。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括：MSP430F149單片機(jī)、OV7670攝像頭和TFT彩屏，其總體原理圖如下圖2所示。

圖2中MSP430F149單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)攝像頭接口連接OV7670攝像頭模塊，以讀取其所采集的圖像信息；通過(guò)彩屏接口連接TFT液晶屏，以提供顯示功能；此外，本電路還設(shè)計(jì)了2個(gè)獨(dú)立的按鍵，為操作者提供按鍵輸入功能；電源轉(zhuǎn)換電路用于將5-6V的輸入電壓通過(guò)穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)變成3.3V的輸出電壓，為系統(tǒng)中的單片機(jī)等功能模塊供電；下載電路通過(guò)仿真器連接PC機(jī)，用于程序代碼的下載燒錄及仿真調(diào)試。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)總體硬件原理圖

系統(tǒng)軟件部分主要由初始化程序、圖像掃描程序、圖像處理程序、圖像指紋匹配程序、TFT彩屏顯示程序、按鍵掃描程序等組成。圖像定位包括定位特征學(xué)習(xí)與定位特征匹配兩個(gè)不同階段，其處理方法略有不同。

（1）初始化程序用于完成MSP430F149單片機(jī)初始化，OV7670初始化，TFT顯示屏初始化，并完成對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)的初始化。

（2）圖像掃描程序控制OV7670通過(guò)FIFO讀取一幀數(shù)據(jù)至單片機(jī)內(nèi)存區(qū)域，為后續(xù)的圖像處理做好準(zhǔn)備。

（3）圖像處理程序首先對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，提取出亮度最高的LED區(qū)域，并對(duì)此區(qū)域進(jìn)行中心點(diǎn)提取，以確定LED中心。為提高軟件的抗干擾能力，軟件中還設(shè)置了一定的保護(hù)閾值，如果所得的LED亮斑區(qū)域過(guò)小，則將之視作噪聲點(diǎn)予以濾除。若在指紋學(xué)習(xí)階段，此LED的圖像中心位置將與實(shí)際位置一起存入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，以便在匹配階段進(jìn)行位置匹配。

（4）圖像指紋匹配程序根據(jù)計(jì)算所得的當(dāng)前各LED中心點(diǎn)坐標(biāo)，依次搜索指紋庫(kù)中的LED中心點(diǎn)，并使用余弦相似度算法尋求最佳匹配，再根據(jù)匹配結(jié)果確定當(dāng)前末知點(diǎn)位置。

2.3 圖像處理算法設(shè)計(jì)

（1）圖像中心點(diǎn)提取算法

由于LED光斑具有強(qiáng)烈的亮度特征，故本設(shè)計(jì)的算法首先使用閾值分割獲得LED光斑的二值化圖像[6-8]；隨后對(duì)此圖像進(jìn)行如下處理：逐行掃描圖像，跳過(guò)背景點(diǎn)；如遇到LED光斑始點(diǎn)，則繼續(xù)掃描，搜索本光斑帶終點(diǎn)； 檢查所獲得的光斑帶與上行的LED光斑是否相連，若相連，說(shuō)明是同一光斑，否則說(shuō)明是另一光斑，分別用不同的光斑號(hào)標(biāo)記，最終可得到全部LED光斑；逐一計(jì)算各LED光斑面積，若小于某閾值，則視為噪點(diǎn)并清除；逐一計(jì)算各LED光斑重心，從而得到各標(biāo)記LED的圖像中心位置。

實(shí)際圖像處理結(jié)果表明，該算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（2）圖像匹配算法

本設(shè)計(jì)使用余弦相似度算法計(jì)算最佳匹配。余弦相似度通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)向量?jī)?nèi)積空間的夾角的余弦值來(lái)度量它們之間的相似性。余弦值越接近1，表示兩個(gè)向量相似度越高[7-9]。

向量A、B的余弦相似值可由下式確定：A B

將某幀畫(huà)面中經(jīng)圖像處理取得的各LED中心點(diǎn)坐標(biāo)視作一個(gè)向量，并與指紋庫(kù)中已知的中心點(diǎn)位置指紋形成的向量分別計(jì)算其余弦相似值，結(jié)果越接近1代表匹配程度越高。實(shí)際計(jì)算中選取兩個(gè)匹配值最高的位置，并按余弦相似值進(jìn)行內(nèi)插處理，可進(jìn)一步提高位置精度。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著基于位置服務(wù)LBS(location-based service)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)不斷提出新的要求。WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶等定位技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，而基于LED圖像的室內(nèi)定位技術(shù)不僅可以快速準(zhǔn)確地確定用戶(hù)的位置，并且無(wú)電磁干擾之慮，還可與照明技術(shù)配合使用。此外，基于視頻圖像序列的定位技術(shù)還可輔助確定用戶(hù)的行動(dòng)方向，給用戶(hù)的LBS服務(wù)提供更準(zhǔn)確、直觀和方便的應(yīng)用體驗(yàn)。本文具體給出了一種基于MSP430F149單片機(jī)，配合OV7670攝像頭實(shí)現(xiàn)的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明了系統(tǒng)的有效性。