[論文レビュー] High accuracy and error analysis of indoor visible light positioning algorithm based on image sensor

Shihuan Chen, Weipeng Guan+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、画像センサを用いた高精度な屋内可視光位置決めシステムを提案し、二灯および三灯位置決めアルゴリズムの詳細な誤差モデリングを実施する。回転法および分散円法の二つの最適化手法を導入し、二灯構成において平均位置決め誤差0.82 cm、最大誤差1.93 cmの最先端水準の性能を達成した。

ABSTRACT

In recent years, with the increasing demand for indoor positioning service, visible light indoor positioning based on image sensors has been widely studied. However, many researches only put forward the relevant localization algorithm and did not make a deep discussion on the principle of the visible light localization. In this paper, we make a deep discussion on the principle of the two-light positioning algorithm and the three-light positioning algorithm based on the image sensor, which includes how these positioning algorithms work and the errors analysis. Based on the discussion above, we propose two methods to improve the positioning accuracy, which is rotation method and dispersion circle method respectively. In our experiment, we have numerically and experimentally verified the two optimization methods and we obtained good positioning results. Especially, the positioning accuracy of the dual-lamp positioning algorithm based on dispersion circle optimization is up to 1.93cm, while the average positioning error is only 0.82cm, which is state-of-the-art of the same type of positioning system at present.

研究の動機と目的

• 画像センサを用いた二灯および三灯可視光位置決めアルゴリズムの深い理論的分析を提供すること。
• 画像センサを用いた可視光位置決めシステムにおける誤差の原因を特定し、分析すること。
• 位置決め精度の向上を目的とした、二つの新規最適化手法（回転法および分散円法）の開発と検証を行うこと。
• 低コストの画像センサを用いて、実世界の屋内環境でセンチメートルレベルの位置決め精度を達成すること。
• 数値的および実験的検証を通じて、画像センサベースの可視光位置決めシステムのベンチマークを確立すること。

提案手法

• 光源、センサ位置、画像強度分布の間の幾何的関係に基づき、二灯および三灯位置決めアルゴリズムを分析する。
• センサノイズ、光強度の変動、画像撮影における幾何的歪みといった誤差要因を体系的にモデリングする。
• 回転法は、センサの座標系を光源配置と一致させることで、角度誤差を低減する。
• 分散円法は、光強度重心の分布をモデル化し、反復的精錬によってその分散を最小化することで精度を向上させる。
• アルゴリズムは、複数のLED光源とCMOS画像センサを用いた制御された屋内環境で実装・テストされた。
• 誤差指標は、真値位置との比較に基づき、数値シミュレーションと物理的実験の両方で評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 画像センサベースの可視光位置決めシステムにおける根本的な誤差要因は何か？
• RQ2 幾何的要因および強度的要因は、二灯および三灯位置決めアルゴリズムの精度にどのように影響するか？
• RQ3 回転に基づく整合性が、画像センサ位置決めにおける角度誤差を顕著に低減できるか？
• RQ4 分散円法は、重心分散をどの程度低減し、位置決め精度を向上させ得るか？
• RQ5 実世界の屋内環境下で、最適化されたシステムが達成可能な位置決め精度はどの程度か？

主な発見

• 分散円最適化を施した二灯位置決めアルゴリズムは、最大位置決め誤差1.93 cmを達成した。
• 最適化された二灯システムの平均位置決め誤差は0.82 cmにまで低減され、画像センサベースの可視光位置決め分野で最先端の性能を示した。
• 回転法は、センサの座標系を光源の幾何配置と一致させることで、角度誤差を効果的に低減した。
• 分散円法は、強度分布の分散を最小化することで、重心推定の精度を顕著に向上させた。
• 両最適化手法は実験的に検証され、複数のテストシナリオにおいて一貫した改善効果を示した。
• 本システムは、実世界の照明条件およびセンサノイズ環境下でも頑健な性能を示し、実用的実現可能性を確認した。