CN104393927A - 一种安全的区域组群机器视觉通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全的区域组群机器视觉通信方法，涉及机器视觉技术旨在提出了一种安全的，基于机器视觉的多设备区域组网通信技术。本发明技术要点：包括发射流程与接收流程。其中发射流程包括：步骤T1：发射端向公共投影区域发射标示唤醒指令的光束；步骤T2：发射端向公共投影区域依次发射标示数据位的光束；步骤T3：发射端向公共投影区域发射标示结束指令的光束；其中接收流程包括：步骤R1：接收端拍摄到公共投影区域出现标示唤醒指令的光束后进入工作状态；步骤R2：接收端拍摄公共投影区域中标示数据位的光束，以便逐位接收数据位；步骤R3：接收端拍摄到公共投影区域出现标示结束指令的光束时，结束工作。

Description

一种安全的区域组群机器视觉通信方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术，尤其是一种基于机器视觉的通信方法。

背景技术

目前此技术领域内的技术主要有：wifi、蓝牙、红外。

wifi是目前个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接、并且接入互联网的主要技术。它通常由1台wifi无线路由器产生联网信号，在此信号覆盖下的设备皆可与路由器通信，进而实现设备间的互联和接入互联网。此项技术具有较大的覆盖范围，典型覆盖可达100米；能够提供较快的传输速度，目前典型值为300Mbps。IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60－70毫瓦。

蓝牙是一种设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在移动电话、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换。其支持点对点、点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。其数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。

Wifi、蓝牙皆主要采用2.4GHz频段，此频段属于ISM频段，即世界各国为工业、科学和医疗保留的免许可证频段，即使用时无需专门申请，只要保证功率小于1w（城市中须小于100mW），不干扰其它频段即可。

红外通信采用波长范围为0.70μm－1mm的红外线作为传输介质，不占用无线电频段。因红外线在大气环境中衰减较快，具有一定的方向性（30度锥角以内），且无法穿透非透光材料，适合于低成本、跨平台、点对点、有保密需求的数据连接中。

以上几种通信方式，在多设备组网、通信安全、抗干扰性、电磁辐射强度方面，各具特点。在多设备组网方面，wifi技术最具优势，其就是为解决多设备间实时高速通信而开发出的一项技术；红外和蓝牙技术目前主要应用于设备一对一的通信中（蓝牙可实现一对多通信，但不能实现多对多通信，无法进行设备间组网）。并且采用红外通信时，设备间距离不能过大，位置需固定，设备间不能有非透光物质阻挡，以便能够接受到红外信号；采用蓝牙技术进行设备间互联，须设定一台设备为主端，一台为从端。只有主端能发起通信链接，还需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，其过程非常繁琐和难于进行自动化。

在通信安全和数据保密性方面，红外技术最为安全，因红外线难以在大气中远距离传播、传播具有一定方向性、穿透性极差，所有难以被窃听；wifi和蓝牙技术皆采用电磁波，具有较大的覆盖范围和较好的穿透性，非常容易被窃听。虽然其采用了权限认证的方式提供了一定的安全性，但其加密算法本身的限制导致无法保证较高的通信安全性。这一不足使得设计方在是否将电磁通信技术应用于智能家居、工业控制、智能办公等领域这一问题上顾虑重重，因这些领域涉及了大量且非常敏感的私人、商业信息，或者需要极高的运行稳定性和系统抗侵入性。

在抗干扰性方面，虽然wifi、蓝牙使用的频段本身具有较高的抗干扰能力，但目前办公场地、家庭、城市环境中有大量无线设备皆工作于此频段，使得产生干扰的概论增大，降低了信号质量，影响了通信的稳定性；红外通信因使用红外线作为通信介质，而生活中人体、热源、灯光等皆会产生大量的红外干扰信号，使得此项技术仅应用于限定空间内，仅能短时稳定工作于极短距离内的通信。

此外，目前人们普遍对电磁辐射持负面态度，仍倾向于避免在日常活动空间内设置过多的电磁发生源，限制了wifi、蓝牙等使用电磁信号的通信技术在智能家居、智能办公领域的大量应用。

发明内容

基于以上原因，在技术和市场层面上，皆需要一种安全、低电磁辐射、具有一定传输速度的通信技术，因此本发明提出了一种安全的，基于机器视觉的多设备区域组网通信技术。

本发明采用的技术方案如下：包括发射流程与接收流程。

其中发射流程包括：

步骤T1：发射端向公共投影区域发射标示唤醒指令的光束并维持2×Tw的时间长度，其中Tw为休眠状态下接收端扫描公共投影区的时间周期；

步骤T2：发射端向公共投影区域依次发射标示数据位的光束；标示数据位的光束每位数据位的光束持续时间大于Tc；其中Tc为工作状态下接收端扫描公共投影区的时间周期；

步骤T3：发射端向公共投影区域发射标示结束指令的光束；

其中接收流程包括：

步骤R1：接收端拍摄到公共投影区域出现标示唤醒指令的光束后进入工作状态；

步骤R2：接收端以Tc为周期拍摄公共投影区域中标示数据位的光束，以便逐位接收数据位；

步骤R3：接收端拍摄到公共投影区域出现标示结束指令的光束时，结束工作。

进一步，步骤T2中，在发射标示数据位的光束前还包括：发射端向公共投影区域发射标示同步位的光束；标示同步位的光束持续时间大于Tc。

进一步，步骤T2中，发射端发射完标示同步位的光束以及每发射完一个标示数据位的光束后，均发射一个标示间隔位的光束，标示间隔位光束的持续时间为Tc。

进一步，步骤T1中，标示唤醒指令的光束为两个光束源同时发出光束；步骤T2中，标示数据位0的光束为两个光束源中其中一个光束源发出光束，另一个光束源熄灭，标示数据位1的光束为所述一个光束源熄灭，所述另一个光束源发出光束；步骤T3中，标示结束指令的光束为两个光束源均熄灭；标示同步位的光束为与标示数据数据位0的光束相同或者与标示数据数据位1的光束相同；所述标示间隔位的光束为两个光束源同时发出光束。

进一步，步骤R2中，接收端获取公共投射区域图像，进行图像处理后获取光束状态，判断所述光束状态是否为结束指令，若是则执行步骤R3；否则判断所述光束状态与上一帧获取公共投射区域图像的光束状态是否相同，如相同则舍弃所述光束状态，否则保留所述光束状态；接收端根据光束状态解码出同步位及数据位。

进一步，所述两个光束源的颜色相同，光束状态包含光束的位置信息；或者所述两个光束源的颜色不同，光束状态包含光束的颜色信息。

进一步，在步骤R2中，若接收端拍摄到多帧标示同步位的图像时，接收端降低拍摄频率。

接收端根据各光束状态解码出同步位及数据位的步骤进一步包括：当所述两个光束源的颜色相同时，且当标示数据位的光束位置与标示同步位的光束位置相同或差距小于设定阈值时，数据位与同步位表示的数字相同。

进一步，所述数据位包括目的地址位与信息位；当接收端接收到的数据位中的目的地址与自身地址相符时继续工作，否则结束工作。

本发明还提供了作为发射端或接收端的通信设备，包括模块结构体（22）；

模块结构体（22）上集成安装有数字摄像机（21）、两个光束的光束源（23）以及模块接口（24）；其中，

数字摄像机（21），用于拍摄投射到公共投影区域的光束（14）；

光束源（23），用于传输信息；

模块接口（24），用于提供与外部设备间的信息交换及电源供应的接口。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1. 采用光学信号作为传输介质，避免了环境和设备间的电磁干扰，非常适合应用于工业生产环境、雷电环境下的区域通信；因无电磁辐射，易于被消费者接受。

2. 光传输信号无法穿透墙壁等非透光物质，不易被窃听。

3. 采用双光束传输设计，并且通过专门设计的数据编码，保证了传输每个数据位时，至少有一个光束状态会发生变化，解决了通信中的数据分割问题，易于进行数据解码。

4．通过专门设计公共投射区、通信协议、设备通信流程，多设备间互联无需通过中间设备，可以直接进行任意设备间的通信。

5. 通信协议中，数据位设计为首先传输目的地址信息，使得非目的设备可以终止后续数据接受解码，有助于控制系统整体通信功耗。

6．数据可采用加密方式传输，从协议层面又提高了其安全性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明中多个通信终端进行通信的示意图。

图2为本发明中通信端结构示意图。

图3为发射端发射时序图。

图中标记：

11为公共投射区（无需设置区域边界）；12为接收端；13为发射端；14为发射端投射光束；21为数字摄像头；22为模块结构体；23为 2个光束发生源（分别命名为a束、b束）；34为模块接口。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，作为发射端的通信设备13将光束投射上公共投射区域11中，作为接收端的通信设备12拍摄公共投射区域11，通过图像处理获取光束特征，从而得到发射端13发出的信息。

其中，公共投射区是一块用于投射通信光信号的区域，此区域的选取须保证每台组网的通信设备均能无障碍投射通信光束、无障碍拍摄能够辨析的投射光束图像。在室内环境中，可选择在墙面、天花板等部位。通信设备的安放位置无方向性（不区分底面、顶面），只要保证能将光束投射至公共投射区既可。

图2展示的是本发明中的通信设备，通信设备的主体为模块结构体22，模块结构体22上集成安装有数字摄像机21、两个光束的光束源23以及模块接口24。实际中可采用多种形式实现此目的，如PCB板焊接安装、全封闭/半封闭体、导热胶体封装等。

数字摄像机21可以为CCD、CMOS或其它数字式感光成像器件，主要用于接收光束14。

光束源23用于传输信息，信号时序、状态等信息均通过这2个光束源有配合的开关实现。光束源须采用能令数字摄像头感光成像的光束源，一般可用聚光后的可见光束源、激光光束源、聚光后的红外光束源等。

模块接口24用于提供与外部设备间的信息交换、电源供应的接口。

数字摄像头和光束源可以有以下几种搭配：

第一种是作为接收端的通信设备采用灰度数字摄像头，用于接收具有 2个同色光束源的发射端发出的光束。第二种是作为接收端的通信设备采用彩色数字摄像头，用于接收具有2个不同色光束源发出的光束。

任何一台需要发送信息的设备，皆可随时触发通信。一次通信过程分为4个阶段，参见图3，以发送内容为010011的数据帧为例，其中包括：唤醒阶段（阶段1）、光束识别阶段（阶段2）、数据位传输阶段（阶段3）、结束阶段（阶段4）。

各个阶段中，a、b光束的状态为：

唤醒阶段– a光束亮，b光束亮；

光束识别阶段– a 或 b光束灭，另一个光束亮；光束识别阶段发出的光束标示同步位，且同步位与标示数据数据位0的光束相同或者与标示数据数据位1的光束相同。

结束阶段– a光束灭，b光束灭。

数据位传输阶段-传输的数据皆用1、0表示的数据流表示，这2种状态通过a、b光束的发光状态表示：

数据位0  -  a光束亮，b光束灭；

数据位1  -  a光束灭，b光束亮。

完全可以将以上规则中a、b光束状态互换，以形成新的规则。此规则的主要特点是：任意数据状态中，a、b光束中必有一个亮起。

每段数据被封转为数据帧进行传输，每个数据帧由以下几部分构成：

目的地址位+ 发送者地址位+ 编码描述位+ 信息位+ 校验码位

目的地址位，指定此数据的接收端地址，必须存在，必须明文编码；发送者地址位，指定此数据发送设备的地址，为可选部分，明文或加密编码；编码描述位，用于存放诸如协议版本、加密算法等信息，为可选部分，明文编码；信息位具体要传输的数据，必须存在，明文或加密编码，具体信息由编码信息部分描述，或者由协议隐含；校验码用于接收方校验数据的完整性，可选部分，明文或加密编码。

其中目的地址位、信息位为必须存在的信息，其余部分皆为可选部分，且除目的地址部分必须首先发送外，其余部分的发送顺序无要求。

需要说明的是，当收、发端能准确同步时，光束识别阶段并不是必要的阶段；通信设备在经过唤醒阶段后可以直接进入数据位传输阶段。

下面介绍各个阶段中的通信流程：

唤醒阶段主要用于将各通信设备从等待通信状态中“唤醒”。为了降低设备功耗、节能，各设备在无通信信号时，进入等待状态。此状态下设备保持较低的图像采样频率，设此时拍摄间隔时间为Tw。

当某设备需要发起通信时，先同时将a、b光束投射至公共投射区，并保持至少2×Tw时间；在此保持时间内，所有网内设备必然会“捕捉“到至少一次唤醒信号图像。

捕捉并识别出唤醒信号的设备，随即开始工作并进入光束识别阶段，作为潜在接收方的设备，在此阶段内首先提高图像采样频率，即拍摄间隔缩短，设此时拍摄间隔为时间Tc；然后实时监测双光束由全亮状态变为仅一光束亮起状态。

作为发射端的通信设备结束唤醒信号发送后，即开始进入光束识别阶段，发射标示同步位的光束，即熄灭a(或b，具体由通信协议规定)光束，并保持Ts时间，Ts略大于Tc时间，以保证接收端在拍摄间隔为Tc时能至少捕捉到一次此信号。

然后发射端即进入传输阶段，按照规定的帧格式依次发送数据位，标示每个数据位的光束持续时间为Ts。接收端以Tc为时间间隔拍摄公共投影区域中的光束，以便逐位接收数据位。

数据位传输完毕后，发射端向公共投影区域发射结束指令，接收端拍摄到公共投影区域出现结束指令时，结束工作。

在一个优选实施例中，在结束位及每个数据位后均包含一个间隔位，本实施例中将两个光源同时亮作为间隔位。每个间隔位保持Ts时间，而接收设备则保持Tc时间的采样间隔。间隔位主要是为了方便接收端识别出同步位结束、数据位开始以及数据位连续为0或1的数据流。

在又一优选实施例中，由于数据位首先发送的是接收端的地址信息，当此信息发送完毕并被各设备解析后，仅指定的接收端继续接收后续信息，其它无关设备应放弃接收，停止工作，进入等待模式。

在一个具体实施例中，两个光源发出的光同色，接收端对拍摄图像的处理是这样的：图像上截取公共投射区（在设置设备时即能确定投射区图像的大概位置）；图像分割（灰度法、自动聚类法等），获得所有高光区；对高光区形状判断（本实施例认为非圆形的高光区为干扰，圆形高光区为光束），排除环境中可能出现的非传输光束产生的高光区；记录保留下的各高光区在图像上的位置；后续的图像处理中，仅在记录中的图像位置附近提取图像，并更新记录；例如，认为与图像位置坐标的距离在0~200像素之间，或与图像位置坐标的距离小于或等于图像长或宽的10%的区域为图像位置的附近。将高光区的分布作为光束状态，确定传输数据。

在另一具体实施例中，两光源发出的光不同色，接收端对拍摄图像的处理是这样的：图像上截取公共投射区（在设置设备时即能确定投射区图像的大概位置）；图像分割（灰度法、自动聚类法等），获得所有高光区；对高光区形状判断（本实施例认为非圆形的高光区为干扰，圆形高光区为光束），排除环境中可能出现的非传输光束产生的高光区；记录保留下的各高光区的颜色。将高光区颜色组合作为光束状态，确定传输数据。

为了防止接收端拍摄频率过高，对某一光束状态重复拍摄，导致信息解码错误，在又一实施例中接收端获取公共投射区域图像，进行图像处理后获取光束状态，判断所述光束状态是否为结束指令，若是接收端停止工作；否则判断所述光束状态与上一帧获取公共投射区域图像的光束状态是否相同，如相同则舍弃所述光束状态，否则保留所述光束状态；接收端根据光束状态解码出同步位及数据位。当光束状态为光束的位置时，当光束位置与上一图像的光束位置坐标的距离在0~200像素之间或者两者距离小于或等于图像长或宽的10%为光束状态相同。

若接收端拍摄到多帧标示同步位的图像时，接收端调整拍摄周期，如按照以下算法自适应调整拍摄周期：设t1为第一次拍摄到此状态时的时刻，t2为最后一次拍摄到此状态时的时刻，则新的拍摄周期为：(t2-t1)×c。其中c为调整系数，取值为0.5~1。接收端根据各光束状态解码出同步位及数据位的步骤进一步包括：当所述两个光束源的颜色相同时，且当标示数据位的光束位置与标示同步位的光束位置相同或距离在0~200像素之间或者距离小于或等于图像长或宽的10%时，数据位与同步位表示的数字相同。

也就是说，同步位除了具备调整接收端拍摄频率外，还可以为后续的数据位解码提供数据位0或数据位1的标准。

继续以图3为例，说明本发明的一个完整的工作过程，以便于理解本发明。

阶段1，发射端发出两光束到公共投影区域，接收端拍摄到后，对图像进行处理，得到光束的位置信息或颜色信息，判断出此时的光束状态代表的是唤醒指令，接收端进入工作状态，提高拍摄频率。

阶段2，发射端发出同步位，接收端拍摄到光束投影，经过图像处理后得到光束位置信息或颜色信息，判断出此时的光束状态代表的是0或1，并记录。如果接收端拍摄到多针同步位状态的光束，则认为接收端拍摄频率过高，接收端自适应的降低拍摄频率，实现同步。

阶段3，发射端依次发射间隔位，数据位0，间隔位，数据位1，间隔位，数据位0，间隔位，数据位0，间隔位，数据位1，间隔位，数据位1。接收端按照拍摄周期Tc拍摄图像，并对拍摄到的每帧图像处理后获取光束状态，判断所述光束状态是否为结束指令，若是接收端停止工作；否则判断所述光束状态与上一帧获取公共投射区域图像的光束状态是否相同，如相同则舍弃所述光束状态，否则保留所述光束状态；接收端根据光束状态解码出数据位。由于数据位前几位为接收端的地址位，接收端将地址位解码出来后，发现与自己的地址不符，将停止工作，相符则继续接收、解码后续的数据位。

对于同色光源，可以事先约定同步位表示的数字为0或1，如约定同步位为数字0，后续接收端在解码数据位时，将光束特征与同步位光束特征相同的数据位解码为0，光束特征不同的数据位解码为1。对于异色光源，则可事先约定，如约定光色特征只有红色为0，光色特征只有绿色为1，因此不需要同步位携带解码参考信息。

阶段4，发射端发射停止指令，接收端拍摄图像，对图像进行处理，发现图像中没有光束，则停止工作。

本发明中对图像的分割、识别、位置信息或颜色信息提取均为图像处理领域的常规技术手段，实现这些功能的算法很多，在此不再赘述。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，包括发射流程与接收流程，

其中发射流程包括：

步骤T1：发射端向公共投影区域发射标示唤醒指令的光束并维持2×Tw的时间长度，其中Tw为休眠状态下接收端扫描公共投影区的时间周期；

步骤T2：发射端向公共投影区域依次发射标示数据位的光束；标示数据位的光束每位数据位的光束持续时间大于Tc；其中Tc为工作状态下接收端扫描公共投影区的时间周期；Tc＜Tw；

步骤T3：发射端向公共投影区域发射标示结束指令的光束；

其中接收流程包括：

步骤R1：接收端拍摄到公共投影区域出现标示唤醒指令的光束后进入工作状态；

步骤R2：接收端以Tc为周期拍摄公共投影区域中标示数据位的光束，以便逐位接收数据位；

步骤R3：接收端拍摄到公共投影区域出现标示结束指令的光束时，结束工作。

2.根据权利要求1所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，步骤T2中，在发射标示数据位的光束前还包括：

发射端向公共投影区域发射标示同步位的光束；标示同步位的光束持续时间大于Tc。

3.根据权利要求2所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，步骤T2中，发射端发射完标示同步位的光束以及每发射完一个标示数据位的光束后，均发射一个标示间隔位的光束，标示间隔位光束的持续时间为Tc。

4.根据权利要求3所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，步骤T1中，标示唤醒指令的光束为两个光束源同时发出光束；步骤T2中，标示数据位0的光束为两个光束源中其中一个光束源发出光束，另一个光束源熄灭，标示数据位1的光束为所述一个光束源熄灭，所述另一个光束源发出光束；步骤T3中，标示结束指令的光束为两个光束源均熄灭；

标示同步位的光束为与标示数据数据位0的光束相同或者与标示数据数据位1的光束相同；

所述标示间隔位的光束为两个光束源同时发出光束。

5.根据权利要求4所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，步骤R2中，接收端获取公共投射区域图像，进行图像处理后获取光束状态，判断所述光束状态是否为结束指令，若是则执行步骤R3；否则判断所述光束状态与上一帧获取公共投射区域图像的光束状态是否相同，如相同则舍弃所述光束状态，否则保留所述光束状态；

接收端根据光束状态解码出同步位及数据位。

6.根据权利要求5所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，所述两个光束源的颜色相同，光束状态包含光束的位置信息；或者所述两个光束源的颜色不同，光束状态包含光束的颜色信息。

7.根据权利要求5所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，在步骤R2中，若接收端拍摄到多帧标示同步位的图像时，接收端降低拍摄频率。

8.根据权利要求6所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，接收端根据各光束状态解码出同步位及数据位的步骤进一步包括：当所述两个光束源的颜色相同时，且当标示数据位的光束位置与标示同步位的光束位置相同或差距小于设定阈值时，数据位与同步位表示的数字相同。

9.根据权利要求5所述的一种安全的区域组群机器视觉通信方法，其特征在于，所述数据位包括目的地址位与信息位；目的地址位在信息位之前；当接收端接收到的数据位中的目的地址与自身地址相符时继续工作，否则结束工作。

10.作为权1~9中任意一项所述的发射端或接收端的通信设备，其特征在于，包括模块结构体（22）；

模块结构体（22）上集成安装有数字摄像机（21）、两个光束的光束源（23）以及模块接口（24）；其中，

数字摄像机（21），用于拍摄投射到公共投影区域的光束（14）；

光束源（23），用于传输信息；

模块接口（24），用于提供与外部设备间的信息交换及电源供应的接口。