基于圖像信號(hào)與無線通信信號(hào)融合的 室內(nèi)定位技術(shù)分析

趙金栓

【摘要】? ? 隨著科技的進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)全球化趨勢(shì)的發(fā)展，人們對(duì)于服務(wù)的要求滲入各個(gè)領(lǐng)域，定位服務(wù)就是通過科技網(wǎng)絡(luò)手段確定的位置來給人們提供一定便利需求的服務(wù)。定位服務(wù)現(xiàn)如今普遍應(yīng)用于手機(jī)當(dāng)中，但目前手機(jī)定位還存在一些問題，常見于室內(nèi)，在封閉環(huán)境下定位有時(shí)有延遲現(xiàn)象不準(zhǔn)確的情況發(fā)生。據(jù)此現(xiàn)象本文建議使用融合wi-Fi無線信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)的雙層過濾技術(shù)，經(jīng)過緊密全面的計(jì)算判斷提高精準(zhǔn)度，從而改變手機(jī)在室內(nèi)等基于位置的接收定位效果。

【關(guān)鍵詞】? ? 圖像信號(hào)? ? 無線通信信號(hào)? ? 室內(nèi)定位? ? 技術(shù)

一、主流室內(nèi)定位方法

1.1無線定位

在手機(jī)中含有的一種定位方位是無線定位，其主要依借無線信號(hào)藍(lán)牙、wi-Fi等來完成位置的識(shí)別確定。還有一些不常見的定位方式如依靠基站信號(hào)、地磁等。從現(xiàn)在而言除去非智能機(jī)，手機(jī)基本全部裝有wi-Fi接收器，利用wi-Fi信號(hào)來判定位置的方式更加便捷可行。但是以藍(lán)牙為基礎(chǔ)來判定位置的方式在近些年也有了技術(shù)性的突破，其低功耗的優(yōu)勢(shì)在室內(nèi)定位的應(yīng)用也廣受歡迎，其典型代表為Apple推出的iBeacon和Google推出的Eddystone。

所有利用無線信號(hào)進(jìn)行位置判定識(shí)別的方法都大同小異，通常會(huì)在線下場(chǎng)地從各個(gè)方位不同角度來收集信號(hào)，結(jié)合信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行相互對(duì)比識(shí)別從而判定出位置方位。但若是在封閉環(huán)境中受到的影響就會(huì)大，得出的判斷也要有所考量。就拿wi-Fi來說，雖然其應(yīng)用范圍廣覆蓋面積大，相對(duì)應(yīng)的受到的影響也較多，在接收到的接入點(diǎn)（AccessPoint，AP）數(shù)量較小時(shí)，點(diǎn)定位效果上不佳，但在區(qū)域定位上依然可行。另一種無線信號(hào)藍(lán)牙在采集信號(hào)時(shí)所受的影響抗干擾較小，但卻受制于發(fā)射器功率，所以搜索的范圍較小，若在較大的區(qū)域中應(yīng)用必須投入眾多的數(shù)量，無形當(dāng)中增加了成本，所以不宜推廣應(yīng)用。

1.2圖像定位

圖像定位主要是通過現(xiàn)在和過去的圖像互相關(guān)聯(lián)，識(shí)別出最為相似的部分從而起到定位服務(wù)。也就是說用實(shí)時(shí)拍攝的圖像對(duì)預(yù)先備好的數(shù)據(jù)庫中的圖像進(jìn)行比對(duì)，分析識(shí)別出突出的相像的數(shù)據(jù)，以此確定相關(guān)的位置。還可依靠有特殊明顯的建筑物或標(biāo)識(shí)，以此為點(diǎn)也看展開定位。在空曠地段還可以依借明顯的路標(biāo)或突出顯眼的物體來達(dá)到定位。以地標(biāo)標(biāo)志物展開的定位也會(huì)受到一定的環(huán)境約束，如在室內(nèi)就會(huì)沒有優(yōu)勢(shì)，不可利用。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的定位問題，專家提出利用圖像指紋的方式來進(jìn)行匹配定位，其特征提取方法集中于采集圖像的尺度不變特征變換，快速魯棒等特征，并建立圖像指紋庫進(jìn)行匹配。鎖定用戶的大體位置通常取決于匹配度最高的圖像。圖像定位顯而易見要以圖像來提供判斷參考，所以要求其質(zhì)量較高，尤其在戶外環(huán)境中，不緊要注意光照等問題還需保證地點(diǎn)的劃分有一定的明確性。從圖像上就可以看出相關(guān)的地點(diǎn)內(nèi)容，但是不容易看出其坐標(biāo)位置，所以圖像定位更適于范圍定位，對(duì)于點(diǎn)定位存在一定的難度，因此在信息傳輸中會(huì)占用到更多的內(nèi)存，從而造成提供的信息緩慢延遲且消耗高。

1.3多模融合室內(nèi)定位方法

在手機(jī)應(yīng)用中單一的憑借某種定位方式來確定用戶的具體位置，都不能做到百分百的精準(zhǔn)，尤其在室內(nèi)很容易產(chǎn)生偏離，若是可以將多種方式和各種數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)合，以其長(zhǎng)避其短，相互補(bǔ)充，那么就能保證提升室內(nèi)定位的精準(zhǔn)性。所以在文中基于手機(jī)無線信號(hào)和實(shí)時(shí)圖像相融合的室內(nèi)定位進(jìn)行了相關(guān)的分析對(duì)比，就其應(yīng)用中存在的優(yōu)劣情況展開研究。從現(xiàn)在的情況來看兩種結(jié)合的形式雙層過濾的方法普及率開始增多，其優(yōu)勢(shì)也越來越明顯。相對(duì)于單一的定位方式而言，多模融合定位法更加傾向于二者的協(xié)同互補(bǔ)能力，使一起確定出所用的位置。在對(duì)其收集的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)通常用到兩種方式即投票式和過濾式，文中說到的多模融合方法為前者。

二、算法框架

利用wi-Fi和圖像相結(jié)合的雙層過濾方法，可以有效的避免圖像相似造成的識(shí)別錯(cuò)誤，同時(shí)減輕過多的識(shí)別工作量從而縮小運(yùn)算，是整個(gè)計(jì)算速度得到提升。 以前主要利用的定位方式是通過關(guān)鍵點(diǎn)的匹配，但是這種方式不利于整個(gè)范圍內(nèi)的判斷應(yīng)用，據(jù)此提出了對(duì)應(yīng)的解決方式，就是在利用相似度配對(duì)的基礎(chǔ)上加入距離補(bǔ)償算法，在經(jīng)過二層過濾有效的彌補(bǔ)其短缺問題，保證了定位的全面性。只利用單一的wi-Fi從點(diǎn)上來進(jìn)行位置判定，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一定的偏移，但是進(jìn)行范圍定位的精準(zhǔn)度會(huì)更高，由此可見wi-Fi在定位上更有范圍判定的優(yōu)勢(shì)。圖像的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)定位，但是受到環(huán)境的影響也甚大，如遇到一些遮擋，其準(zhǔn)確度會(huì)有所下降。由此可見二者各有優(yōu)劣利弊，最好的方式就是發(fā)揮優(yōu)勢(shì)避開缺陷，文中建議的算法就是很好的將二者相結(jié)合通過wi-Fi范圍定位和圖像點(diǎn)定位進(jìn)行優(yōu)劣互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的最大化保證定位的全方位的精準(zhǔn)性。

本算法可以從兩個(gè)方面節(jié)段來進(jìn)行，一方面為線上、一方面為線下，前者傾向于做相關(guān)準(zhǔn)備，后者著重于實(shí)踐操作。在準(zhǔn)備方面要在實(shí)踐的環(huán)境中設(shè)置二維平面坐標(biāo)，根據(jù)需求進(jìn)行區(qū)域區(qū)分然后收集相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析判定。在實(shí)踐方面根據(jù)檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集的wi-Fi指紋進(jìn)行一個(gè)大概的位置確定，再結(jié)合采集到的圖像進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的比對(duì)，最終通過距離補(bǔ)償和SURF點(diǎn)相似度匹配以得到其與各個(gè)預(yù)先采集的圖像的相似度，從而將最相似的圖像對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)坐標(biāo)作為用戶的定位坐標(biāo)。

三、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開展于某高層的一樓進(jìn)行，此處位置光照充足且沒有遮擋物，極利于進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，在此處構(gòu)件一定的坐標(biāo)，并進(jìn)行wi-Fi和圖像的采樣工作。通常要在所有點(diǎn)處采取wi-Fi指紋，一個(gè)點(diǎn)需要300個(gè)，每日分三次進(jìn)行，每次采取100個(gè)。而且圖像的選取也要從多方面各個(gè)角度進(jìn)行，一般要采集50張圖像，發(fā)現(xiàn)收集到的圖像過于空曠沒有多余內(nèi)容，直接選擇了刪除。通過對(duì)wi-Fi聚類，利用elbowmethod對(duì)聚類個(gè)數(shù)進(jìn)行分析，可以獲得最佳的聚類個(gè)數(shù)。

在本實(shí)驗(yàn)中，聚類的最佳個(gè)數(shù)選定為7個(gè)。圖1展示了通過elbowmthod對(duì)和簇個(gè)數(shù)的方差差異情況。

利用Wi-Fi定位收集找到用戶的大概范圍，在此處位置再次使用采樣的圖像從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。實(shí)驗(yàn)中，本文使用了360N4s、Mate9以及S6手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用距離補(bǔ)償（DC）和SURF點(diǎn)相似度進(jìn)行了匹配測(cè)試。那么要證明距離補(bǔ)償是否能夠起到精準(zhǔn)的位置確定，在實(shí)驗(yàn)中不通過其他定位的方式參與要使其單獨(dú)進(jìn)行識(shí)別判斷，以下為兩次方式：1.僅通過SuRF點(diǎn)特征相似度的定位;2. wi-Fi位置區(qū)間匹配與SuRF點(diǎn)特征相似度結(jié)合的定位。其定位匹配的正確率情況如圖2所示。

針對(duì)那些匹配失敗的情況，將預(yù)測(cè)定和實(shí)際點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比找出問題所出處，再利用SURF點(diǎn)特征相似匹配、wi-Fi位置區(qū)間和SURF相似度以及wi-Fi位置區(qū)間結(jié)合SURF相似度和距離補(bǔ)償?shù)那闆r下，其平均定位誤差如圖3所示。

經(jīng)過以上的分析比較明顯的得出wi-Fi和圖像兩種相結(jié)合的雙層過濾發(fā)在室內(nèi)的定位更加的精準(zhǔn)，其優(yōu)勢(shì)對(duì)于只使用SURF點(diǎn)相似度匹配確定位置的方式更明顯，但是利用距離補(bǔ)償輔助工作后，SURF定位的準(zhǔn)確率有所提高。由上可見，本文提出的算法在77%～82%的情況下可以精準(zhǔn)匹配，且整體上其定位誤差在O.6l～0.8lm。

四、結(jié)束語

綜上所述，室內(nèi)定位的應(yīng)用范圍較多，對(duì)于各個(gè)行業(yè)的影響也甚廣，如監(jiān)控、物流等部門公司也引以為重，所以提高室內(nèi)定位技術(shù)的要求也極為迫切，本文對(duì)基于圖像信號(hào)與無線通信信號(hào)融合的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了一定的研究分析，望借此為日后相關(guān)工作者人員有所助益。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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