[논문 리뷰] High Accuracy VLP based on Image Sensor using Error Calibration Method

Shihuan Chen, Weipeng Guan|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 01.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 24인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 상용 이미지 센서를 사용하여 고정밀 가시광선 위치측정(VLP) 시스템을 제안하며, 두 가지 새로운 오차 보정 방법인 회전 보정 및 산산각 보정을 도입한다. 회전 중심을 정확히 추정하고 좌표 변환 오차를 보완함으로써 평균 위치측정 오차를 0.82 cm로 감소시켜 상용 이미지 센서를 사용한 VLP 분야에서 최고 수준의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, visible light positioning (VLP) where the receiver adopts a commercial image sensor is considered. We firstly analyze the theoretical limits and error source of the VLP system using image sensor. And then, we develop a VLP positioning model on the receiver movement and further propose two novel error calibration algorithms, namely Rotation Calibration Method and dispersion circle calibration method. The rotation algorithm estimates the rotation center in the image instead of treating the image center as the rotation center, leading to reduced positioning error. For the dispersion circle, it can offset the shift error created by the conversation between different coordinate during the positioning calculation. According to the experimental results, the average positioning error of the proposed methods can be reduced to 0.82cm, which achieve state-of-the-art in the VLP field.

연구 동기 및 목표

• 이미지 센서 기반 VLP 시스템의 이론적 한계와 오차 원인을 분석한다.
• VLP 시스템에서 이미지 중심을 회전 중심으로 잘못 가정함으로써 발생하는 위치측정 오차를 해결한다.
• 위치측정 계산 중 좌표계 변환 과정에서 발생하는 이동 오차를 보정한다.
• 특수 하드웨어가 필요 없이 정확도를 향상시키는 보정 방법을 개발한다.
• 상용 이미지 센서를 사용하여 센티미터 이하의 위치측정 정밀도를 달성한다.

제안 방법

• 이미지 중심을 가정하는 대신 실제 이미지 내의 진짜 회전 중심을 추정하는 회전 보정 방법을 제안한다.
• 위치측정 과정 중 좌표계 변환으로 인한 오차를 보정하기 위해 산산각 보정 방법을 도입한다.
• 수신기 이동과 기하학적 왜곡을 고려한 VLP 위치측정 모델을 개발한다.
• 실험 데이터를 활용하여 실세계 조건에서 오차 보정 모델을 校정하고 검증한다.
• 보정된 파rameter 기반으로 위치 추정치를 향상시키기 위해 최소 제곱법을 적용한다.
• 두 보정 방법을 통합된 프레임워크에 통합하여 VLP 위치측정의 累積 오차를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이미지 중심을 회전 중심으로 가정할 경우 VLP 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이미지 센서 기반 VLP에서 좌표계 변환은 위치측정 오차에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특수 하드웨어 없이도 보정 기반 접근이 위치측정 오차를 줄일 수 있는가?
• RQ4 적절한 오차 보정을 통해 상용 이미지 센서만으로는 어느 정도의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 수신기 운동과 센서 기하학은 VLP 시스템의 위치측정 오차에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 제안된 회전 보정 방법은 이미지 평면 내 진짜 회전 중심을 정확히 추정함으로써 오차를 크게 감소시킨다.
• 산산각 보정 방법은 위치측정 과정에서 좌표 변환으로 인한 이동 오차를 효과적으로 보정한다.
• 두 보정 방법을 병합 사용함으로써 평균 위치측정 오차가 0.82 cm로 감소한다.
• 달성된 0.82 cm의 오차는 이미지 센서 기반 VLP 시스템에서 최고 수준의 성능를 나타낸다.
• 실험적 평가를 통해 동적 수신기 이동 조건에서도 높은 정확도를 유지함을 입증하였다.
• 특수 하드웨어 없이도 상용 이미지 센서만으로도 실용적이고 구현 가능한 방법이다.