一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法

摘要

本发明公布了一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法，通过地图和终端摄像头构建不同的三维空间坐标系，在坐标系中设置标识点作为参照物，通过待转换坐标与参照物的相对关系进行坐标转换。采用本发明方法，仅通过对象区域的平面图及少量标识点即可有效实现区域内的定位导航服务，并具备布署成本低、布署效率高、易维护、高精度、支持AR导航、效率高、维护简单方便的技术优势。

说明书

技术领域

本发明属于导航定位技术，涉及导航地图的空间坐标转换方法，具体涉及一种用于地图导航定位的基于标识点的多重三维空间坐标相互转换的方法。

背景技术

空间坐标转换常用于地图定位和导航领域。常用的转换方法包括各种常用的地图投影法。地图投影法通过一定的投影规则，建立了球面坐标与平面坐标的转换关系，实现球面坐标与平面坐标之间的转换(常用的如通用横轴墨卡托投影)。通过地图投影可将以经纬度存储的地图数据和GNSS(全球卫星定位系统)获取的经纬度坐标转换成地图上的平面坐标，从而实现地图和定位导航等信息在终端(如屏幕或纸面)的输出。其主要缺点是因GNSS系统在室内及建筑密集区域等特殊条件下的局限性，难以通过上述方法在GNSS精度不高的局部空间(如室内)实现较高精度的定位导航效果。

现有的在室内等GPS信号差的局部区域的定位方法包括以下几种：

(1)依赖基站信号的定位方法。该方法使用的信号包括WiFi、蓝牙、UWB、5G等。定位方法包括：

①信号指纹匹配法，通过比对事先在对象区域内测好的信号分布数据库进行定位；

②基于信号强度、角度、到达时间的方法，通过信号强度哀减模型或信号发射/接收的时间差获取终端与基站的距离，有的可以通过信号获得终端与基站的角度，然后通过距离和角度的交汇法计算出终端的位置。部分信号(如NFC)只能在与终端交互时提供一过性定位(单独使用难以持续定位，需要结合惯性导航等其它定位方式完成持续定位)。

依赖基站的方法主要问题在于基站设备较高的布署成本、较长的布署时间、使用时的能源消耗和持续的维护成本。通过信号指纹匹配法的方案还存在指纹库采集和更新的高成本。

(2)不依赖基站信号的定位方法。该方法通过终端自身的传感器进行定位，方法包括：

①基于磁场的定位，通过采集对象区域的磁场分布特征构造磁场指纹，结合指纹匹配定位方法进行定位。该方案问题包括是磁场指纹采集和更新成本高，以及局部磁场的临时变化对定位精度的影响(金属材料会对局部磁场产生影响，如梯子、舞台等)。

②惯性定位，通过加速度计、陀螺仪等设备进行惯性导航。为减少漂移误差，常通过步行惯性导航进行定位。惯导的定位漂移问题严重，长距离定位精度不高。

③视觉定位，以终端的摄像头为主要传感器，结合SLAM相关技术进行定位，通过事先采集的空间点云数据进行实时匹配的定位方法。该方法对点云采集和更新维护成本效高。

大多不依赖GNSS的局部区域定位导航可在直接建立对象空间区域的地图坐标系(一般为平面或立体直角坐标系),地图、基站以及定位结果均可在该坐标系内完成。视觉定位一般需要建立地图坐标系与摄像头坐标系进行转换关系。通过地图投影也可将局部地图坐标系与地球球面坐标系关联起来，用于室内外一体化导航。

空间转换方法与定位方案有密切的联系。空间转换方法一定程度上影响了局部区域定位方法的效率、精度、布署及维护成本等。

发明内容

本发明提供一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法，是一种新的多重三维空间坐标的转换方法，仅通过对象区域的平面图及少量标识点即可有效实现区域内的定位导航服务，并具备布署成本低、布署效率高、易维护、高精度、支持AR(增强现实Aug-mented Reality)导航等特点。

本发明的原理是：通过地图和终端摄像头构建不同的三维空间坐标系，在坐标系中设置标识点作为参照物，通过待转换坐标与参照物的相对关系进行坐标转换。当终端获取到某现实空间坐标(如用户位置)时，可转换为平面坐标显示在地图上；亦可将平面地图数据(如导航路径)转换到现实三维坐标下，从而实现AR导航。

本发明提供的技术方案如下：

一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法，包括如下步骤：

A.构建坐标系，包括：

A1.为建筑的每一楼层构建一个坐标系，将基于地图的坐标系记为Coord_A，包括基于地图图像构建的三维直角坐标系(X，Y，Z)和所代表的建筑楼层F以及建筑楼层的高度FH。本发明中，XOY平面为地图平面，Z垂直于XY平面朝向上方，一般可设置地图平面的原点为地图图像左上角，Z轴原点在地面楼层的地面水平面内；

A2.将现实空间三维坐标系记为Coord_B：即三维直角坐标系，本发明以导航系统启动时终端摄像头的方位建立该坐标系(X’,Y’,Z’)，其中X’O’Y’平面平行于水平面，Z’方向竖直向上，原点为摄像头当前位置。

B.设置标识点：

B1.本发明中的标识是可通过计算机视觉传感器识别(如通过智能手机摄像头扫描)的标识，是后续空间坐标转换过程中的空间参照物。标识在空间坐标中的位置叫作标识点。一个标识需至少包含一个图像(图像为必须要素)，用于计算计算机终端与标识点的相对方位；并可包含二维码、文字等附属部分(附属部分为可选要素)，用于区别图像相同或相近的标识并提示用户与标识交互。

B2.在基于地图的坐标系Coord_A中注册标识点，标识点p的存储属性包括坐标p(x,y,z),所处楼层f,以及方向dir，所有属性均相对于其所在的基于地图的坐标系Coord_A；

B3.在三维直角坐标系Coord_B中注册标识点，将Coord_A中的标识点按相同的空间关系在现实中展示出来；

常用的展示方法有打印张贴、在固定终端(如广告屏)中显示等。相同空间关系指标识点在Coord_A中和Coord_B中的坐标和方向值虽然不同，但均对应现实中的相同位置和相同方向。例如图2，(a)中A为Coord_A中标识点被注册的位置，通过地图可知在Coord_A中标识点被注册在T字路口正对的墙上；(b)中B为在Coord_B中标识点的位置，可见在现实中标识点也被张贴在T字路口正对的墙上。

步骤B2和B3的顺序可调换，只要保持Coord_A和Coord_B中对应标识点的空间关系正确即可。

设置标识点包括一般方法和特殊方法。一般方法是建立标识点与图像一对一的关系，当系统识别到一个图片时可以读取对应标识点的信息用于坐标转换。通过标识点的特殊处理方法，可实现通过少量图片设置多个(大于图片数量)标识点。

C.坐标转换：

C1.确定转换参考点；

首先确定至少一个标识点为转换参考点，当终端摄像头识别到某标识点图像并获取终端与该标识点的相对位置时，即将该标识点作为转换参考点；

C2.平面坐标的转换，包括Coord_A向Coord_B转换和以Coord_B向Coord_A转换；

以下以Coord_A向Coord_B转换为例(反之同理)：

如图2,(a)为Coord_A坐标系；(b)为Coord_B坐标系。Coord_A下P(x,y,z)为待转换点，参考点为Q(x

d(PQ)＝sqrt((x-x

式(1)中，s为Coord_A的比例尺(单位为：单位长度/米)，sqrt表示开平方根。

图2(a)中，点M为Q点向Y轴下方向射线上的一点，则由式(2)计算可得：

∠MQP＝atan((x

式(2)中，n为整数，且：

当x>＝x0且y>＝y0时，n＝0；

当x>＝x0且y

当x＝y0时，n＝1；

当x

图2(a)中，点N为Q点向标识点方向射线上的一点，则由式(3)计算可得：

∠PQN＝∠MQN-∠MQP (3)

式(3)中，∠MQN为标识点方向，是信息录入时的已知数据。

图2(b)中，M’为Q’向Z轴正方向射线上的一点，N’为Q’向标识点方向射线上的一点，根据空间对应关系可知：

∠P’Q’N’＝∠PQN (4)

d(P’Q’)＝d(PQ) (5)

∠M’Q’P’＝∠M’Q’N’-∠P’Q’N’ (6)

其中d(P’Q’)为Coord_B中标识点与转换后P’实际距离在水平面内的投影。

记Coord_B的比例尺为s’(单位为：单位长度/米)，则最后可计算得到P’

(x’,y’)坐标为：

x’＝x

y’＝y

C3.垂直坐标转换，包括Coord_A向Coord_B转换和以Coord_B向Coord_A转换；

以下以Coord_A向Coord_B转换为例(反之同理)：

C2中已述Coord_A中标识点Q垂直方向坐标值为z

h(PQ)＝(z-z

h(P’Q’)＝(z’-z

h(PQ)＝d(P’Q’) (11)

结合式(9)(10)(11)可得:

z’＝(z-z

D.定位导航：

D1.平面定位导航：通过SLAM方法跟踪可得到移动终端设备在Coord_B坐标系中的位置，通过步骤C进行坐标转换，转换到基于地图坐标Coord_A上，即可实现地图上的定位，再通过最短路径算法(如A*算法)可得到最优路径(结果为该路径在Coord_A中的坐标序列)，实现到目的地的导航；

D2.AR立体定位导航：将步骤D1中的路径(路径在Coord_A中的坐标序列)通过坐标转换到Coord_B中，以线、箭头等形式在摄像头背景中渲染出来，即实现AR立体导航。

本发明的有益效果：

本发明提供一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法，通过该坐标转换方法仅需要目标区域的平面图信息和少量标识点即可构建区域内的导航系统，相对现有的传统方法，具有成本低、效率高、维护简单方便的有益技术效果。

附图说明

图1是采用本发明在不同坐标系上注册和布署标识点的示意图。

图2是采用本发明提供的坐标转换方法进行坐标转换的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种用于地图导航定位的基于标识点的空间坐标转换方法，是一种新的多重三维空间坐标的转换方法，仅通过对象区域的平面图及少量标识点即可有效实现区域内的定位导航服务。图2是采用本发明提供的坐标转换方法进行坐标转换的示意图。

本发明的具体实施方式如下：

A.通过平面图构造导航数据：

A1.建立以地图平面为基准的三维坐标系Coord_A；

A1.录入基本要素包括地图比例尺s(单位为像素/米)，对于有多楼层的建筑需要录入各楼层f(如第一层、第二层等)，和各楼层高度fh，本文用建筑各层地面位置相对地面层(一般为一层)地面位置的高度，例如一层高度为fh(1)＝0米,2层为fh(2)＝3.6米，依此类推；

A2.路网信息，以平面图为底图描绘出路网结构，按有向图格式存储；

A3.标识点，标识点信息包括位置p(x,y,z),方向dir,图像(如.jpg、.png格式图像),图像打印或显示出来的实际尺寸(例如以米为单位，而不是像素)。

B.现场布署标识点：在现场按将A3中添加的标识点通过打印张贴或在固定终端显示的方式展示出来；

C.用户移动终端扫描标识点进行初始定位：

C1.终端系统启动摄像头时建立上述坐标系Coord_B；

C2.摄像头识别到标识点pr时可获得其在Coord_B中的方位，包括位置坐标(x

D.平面图上的定位导航：

D1.位置跟踪：保持摄像头开启，用户(终端)移动时通过上述基于摄像头的相对位置跟踪法可实时更新终端在Coord_B中的方位pu’(x’,y’,z’)；

D2.通过上述坐标转换法将pu’转换到Coord_A，得到终端在地图坐标系下的方位，至此实现了地图上的定位功能；

D3.通过路径算法(如A*算法)可实现地图上两点间的路径规划，结合用户的实时位置即实现了地图上的导航功能。

E.AR导航：AR导航中的“所在地”就是用户(移动终端)的当前位置，不需要特别标明。需要标明的是在摄像头背景画面中叠加渲染虚拟的路线。因此将D3中Coord_A下的路线坐标通过上述坐标转换算法转换到Coord_B，并渲染显示出来即实现了AR导航。

F.楼层切换：按上述坐标转换方法中垂直坐标换方法自动计算当前终端位置的实际高度(垂直方向坐标值)h,计算各楼层在系统中录入的高度fh(i)与当前终端高度h的差值Δfh(i)＝fh(i)-h，差值绝对值|Δfh|最小的楼层即为当前楼层。楼层发生变化时自动切换地图及对应用户位置及导航路线等信息的显示。

G.垂直坐标转换的特殊情况：

因电梯中背景图像基本不变，无法通过摄像头判断高度变化的情况，本发明通过气压变化计算高度与楼层变化来判断该特殊情况并对垂直坐标转换做相应处理。通过参考点确定初始楼层与高度，再通过气压与高度的关系更新高度信息。本发明通过标识点与相对气压和高度差来计算高度信息，具体步骤为：

①系统通过摄像头识别到标识点时通过标识点的信息获取当前楼层f

②获取到新的气压值p,并计算新的高度h；

③计算高度差Δh＝h-h

④计算待更新楼层高度fh＝fh

⑤依次比对第i层高度与fh的差值Δfh(i)＝fh(i)-fh；

⑥其中绝对值|Δfh|最小的楼层为当前楼层；

⑦调整转换后P’的垂直方向坐标值：设气压从p

z”＝z’-(Δh-Δh’)*s’ (13)

H.标识点的特殊处理：

一般地，每个标识点应对应唯一的图像，即建立标识点与图像一对一的关系，这样当系统识别到一个图片时可以读取对应标识点的信息用于坐标转换。然而存储大量图片会对系统的效率产生影响，为解决此问题，本发明提供标识点的特殊处理方法，可实现通过少量图片设置多个(大于图片数量)标识点。具体方案如下：

H1.图码法：将图片和二维码结合，如利用码眼处图片作为识别用图像，或将二维码与图片进行上下、左右、包围、半包围等形式的组合。系统将通过识别图片获取该标识点在Coord_B中的方位，并通过二维码中的信息确认标识点(如在二维码中加入标识码的唯一ID)。图码法可实现用一张相同的图片配全不同的二维码制作形成多个标识点。

H2.方向法：对于图像相同或相似，但布署方向不同的标识点可通过扫描时反演标识点的方向，并和存储的数据比较来确定标识点。如有三个相同图像的标识点A，B，C，方向分别为(相对正北方的角度)0度，120度和240度，识别到其中某标识点反算其方向是116度，则该标识码为B。需要指出的是系统可识别标识图片的立体角，因此用于区别标识点的不光是方位角，而是标识的三维姿态，如垂直布署(贴墙上)与平面布署(贴地上)、正向布署(正“福”)与倒置布署(福倒)。

H3.紧密排列组合法：将一个以上标识码排列在一起形成组合标识，如标识码A，B，C图像各不相同，若将它们两两组合(重复)可有{A,A},{A,B},{A,C},{B,B},{B,C}{C,C}6种组合，由于系统可获得每个标识点的位置，因此标识的排列方式，如上下、左右、斜向等，也可用于构造组合标识。

H4.环视交汇法：通过在原地向不动方向扫描(环视)，识别多个图片，每个图片可能对应多个标识点，通过这些可能的标识点计算可能的位置，若某些位置重合了(由于误差原因在一定阈值范围内均可算作重合)，则该重合处为用户(终端)位置。

H5.移动交汇法：于C4类似，通过移动扫描多个图片，计算每个图片在Coord_A中可能的位置并记录每次识别到图片时用户(终端)在Coord_B中的位置，两坐标系中用户轨迹一致的视为用户在Coord_A中的轨迹，用于计算该轨迹的标识点即为扫描到的标识点。

H6.移动纠偏法：类似C4和C5，在已成功定位的前提下(系统已知用户位置)，当系统识别到某图像时，计算用户可能的位置，与已知用户位置最近且小于阈值的视为用户位置，用于计算该位置的标识点为识别到的标识点。

H7.以上特殊方法可组合使用。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。