[논문 리뷰] High accuracy and error analysis of indoor visible light positioning algorithm based on image sensor

Shihuan Chen, Weipeng Guan외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 26.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 영상 센서를 사용한 고정밀 실내 가시광선 위치 측정 시스템을 제안하며, 이중 및 삼중 조명 위치 측정 알고리즘을 세밀한 오차 모델링과 함께 분석한다. 두 가지 최적화 기법—회전 및 산산 분포 원 방법—을 도입하여 이중 램프 구성에서 최상의 성능을 기록하는 평균 위치 오차 0.82 cm와 최대 오차 1.93 cm를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 영상 센서 기반 이중 및 삼중 조명 가시광선 위치 측정 알고리즘에 대한 깊이 있는 이론적 분석을 제공하기 위해.
• 영상 센서를 사용한 가시광선 위치 측정 시스템에서 오차의 원인을 규명하고 분석하기 위해.
• 위치 정확도 향상을 위해 두 가지 새로운 최적화 방법—회전 및 산산 분포 원 방법—을 개발하고 검증하기 위해.
• 저비용 영상 센서를 사용하여 실제 실내 환경에서 센티미터 수준의 위치 정확도를 달성하기 위해.
• 수치적 및 실험적 검증을 통해 영상 센서 기반 가시광선 위치 측정 시스템의 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• 조명원, 센서 위치 및 영상 강도 분포 간의 기하학적 관계를 바탕으로 이중 및 삼중 조명 위치 측정 알고리즘을 분석한다.
• 센서 노이즈, 조명 강도 변동, 영상 캡처 중 기하학적 왜곡 등의 오차 원인을 체계적으로 모델링한다.
• 회전 방법은 센서의 좌표계를 조명원 구성과 일치시켜 각도 오차를 감소시킴으로써 위치 측정을 최적화한다.
• 산산 분포 원 방법은 조명 강도 중심점의 분포를 모델링하고 반복적 개선을 통해 그 분산을 최소화함으로써 정확도를 향상시킨다.
• 알고리즘은 다수의 LED 조명원과 CMOS 영상 센서를 갖춘 통제된 실내 환경에서 구현 및 테스트된다.
• 성능 평가에는 수치 시뮬레이션과 물리적 실험 모두가 사용되며, 기준 위치 대비 오차 지표가 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영상 센서 기반 가시광선 위치 측정 시스템의 근본적인 오차 원인은 무엇인가?
• RQ2 기하학적 및 강도 기반 요소는 이중 및 삼중 조명 위치 측정 알고리즘의 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 기반 회전 정렬은 영상 센서 위치 측정에서 각도 오차를 현저히 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 산산 분포 원 방법은 중심점 분산을 어느 정도 감소시키고 위치 정밀도를 향상시키는가?
• RQ5 실제 실내 조건에서 최적화된 시스템이 달성할 수 있는 위치 정확도는 무엇인가?

주요 결과

• 산산 분포 원 최적화를 적용한 이중 램프 위치 측정 알고리즘은 최대 위치 오차 1.93 cm를 기록한다.
• 최적화된 이중 램프 시스템의 평균 위치 오차는 0.82 cm로 감소하여 영상 센서 기반 가시광선 위치 측정 분야에서 최상의 성능을 달성한다.
• 회전 방법은 센서의 좌표계를 조명원 기하학과 일치시킴으로써 각도 오차를 효과적으로 감소시킨다.
• 산산 분포 원 방법은 강도 분포 분산을 최소화함으로써 중심점 추정 정확도를 크게 향상시킨다.
• 두 최적화 기법 모두 실험적으로 검증되었으며, 다양한 시험 환경에서 일관된 향상 효과를 보였다.
• 시스템은 실제 조명 조건과 센서 노이즈 조건에서도 견고한 성능을 보이며 실용적 타당성을 확인한다.