CN107222260B - 一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法。步骤包括：通过数据区编码变长度分解方法将n位长编码分成k组数据区长度不一致的短编码，为短编码添加区分符，构成k组通信码；然后LED灯具通过变长度编码发送方法将通信码序列循环发送出去；可见光通信接收终端通过变长度编码接收方法，采用摄像头接收通信码序列并形成p张图像；可见光通信接收终端通过图像解码与合成方法得到k组短编码，还原成原n位长编码，长编码为发送端LED灯的唯一ID码，可对应该LED灯的特征信息。本发明所述的基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，扩码后编码数量显著增加，而且实现方法简单、实时性高，增强了成像室内定位技术的实用性。

Description

一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体涉及一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法。

背景技术

可见光通信技术(Visible Light communication，VLC)，其原理是将需要传输的信息编码成一段特殊信号，用某种调制方法将这个信号附加到LED灯具的驱动电流上，使LED灯具以极高的频率闪烁。虽然人眼看不到这种闪烁，但是通过光敏设备或者成像元件可以检测到这种高频闪烁并将其还原为要传输的信息，从而通过灯具完成信息传输的目的；室内定位技术作为导航的“最后一公里”，一直是当前的关注热点，在这方面现有的研究方法有基于LED、Wi-Fi、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、ZigBee、超声波、蓝牙、计算机视觉等的定位技术。

与其他室内定位技术相比，基于VLC的室内定位技术有如下优点：VLC技术带宽资源丰富，不需获得管理机构的授权；基于VLC的定位系统不会产生任何电磁干扰，也不易受外部电磁干扰影响；基于VLC的室内定位使用LED做光源，兼顾照明与定位。

基于VLC的室内定位技术可分为非成像定位技术和成像定位技术两类；其中成像定位技术用CMOS成像器件做接收端，根据灯具的成像，通过图像处理还原灯具传输的信号，获得灯具的特征信息。

成像定位技术的第一个缺点是图像处理耗时大，若进行多图处理，图片数量过多时会影响到定位的实时性；第二个缺点是：成像定位技术中使用数据流的编码技术在通信时都需要添加区分符，以提高抗干扰能力，如果无区分符会造成通信误码及译码困难，但此时区分符会占用有效的数据编码区域资源；而且一般摄像头由于拍摄距离和硬件的限制，可以拍摄到的对应编码的图像条纹数目是有限的，比如在3米的距离时，拍摄直径180mm的筒灯，手机前置摄像头在典型情况下一张图像只能拍摄到30多个编码条纹，去掉数据区两端的区分符及合理的余量，单图数据区可以表示的编码数量是很有限的。

数据区可表示的编码数量多少关系到可以使用的灯具数量、定位场所面积大小，也会影响到室内定位的精度；在一些典型的应用场景中，比如商场，地下停车场，为了避免由于LED灯间距过大导致的定位盲区，需要对大量的灯具进行编码，编码数量要求达到十万甚至百万以上，在拍摄距离和摄像头硬件的限制下，单图数据区可以表示的编码数量远远不够，这限制了基于VLC的室内定位技术的应用。寻找一种简单高效的扩码方法，扩充数据区的长度，解决编码数量问题，是目前基于VLC的室内定位技术急需解决的关键技术。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，以解决现有技术中，实际应用时摄像头硬件以及拍摄距离限制下的编码数量不够，无法满足大面积定位场所需求的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，包括如下步骤：

步骤1、通过数据区编码变长度分解方法，将n位长编码数据进行分段，分成k组数据区长度不一致的短编码，为短编码添加区分符，构成k组通信码；

步骤2、LED灯具通过变长度编码发送方法，将k组通信码序列循环发送出去；

步骤3、可见光通信接收终端通过变长度编码接收方法，采用摄像头接收LED灯具发送的通信码序列并形成p张图像；

步骤4、可见光通信接收终端通过图像解码与合成方法解码，首先对p张图像进行处理与解码，从中挑选出k组短编码，依据数据区编码变长度分解方法进行逆向合成，还原成原n位长编码，长编码为发送端LED灯的唯一身份(Identification，ID)码，对应该LED灯的特征信息。

所述步骤1中的数据区编码变长度分解方法，将要发送的n位长编码分为k组短编码，各组短编码长度分别为n₁,n₂,...,n_k，并且满足

且n₁＜n₂＜...＜n_k；然后为每个短编码添加区分符，构成k组通信码，k组通信码具有相同的区分符、不同的数据区长度；在形成通信码时，有些通信码是无效编码，需要剔除，具体方法是：

步骤1.1、通信码中如果数据区有与区分符重合的部分，则该编码无效，剔除这种情况；

步骤1.2、如果用户对于光通量调制率有下限要求，如要求光通信时光通量调制率不得低于a％，则需要进一步筛选有效通信码：开通和关断分别代表1和0，则通信码中，1的个数至少是总个数的a％；最后k组通信码中符合要求的通信码数目依次是m₁,m₂,...,m_k；

步骤1.3、满足上面步骤1.1与步骤1.2的k组通信码，表示有效的n位数据编码数量，共有

种。

所述步骤2中的变长度编码发送方法，首先每组通信码构成一个小周期，k组通信码序列构成一个大周期；然后使用编码控制器控制LED灯具发光亮暗变化，实现对应小周期中01编码的发送；其次按照k组通信码依次控制LED灯具实现k个小周期的编码发送，k个小周期构成一个大周期；按照该方法用编码控制器控制LED灯具循环发送大周期编码。

所述步骤3中的变长度编码接收方法，所述的可见光通信接收终端包括带摄像头和带数据处理能力的处理器系统，通过控制该可见光通信接收终端，使其连续接收p张图像，要求p≥k，以保证p张图像中含有k张有不同数据区长度的短编码图像。

所述步骤4中的图像解码与合成方法，具体步骤是：

步骤4.1、针对可见光通信接收端接收到的p张图像，依次进行图像处理，使用图像预处理去除干扰，根据LED灯形状特征提取LED灯区域，根据区分符特征提取出通信码数据区编码图像；

步骤4.2、解码算法包括：对通信码数据区图像进行滤波和二值化操作，使数据区图像转为黑白条纹；遍历搜索黑白条纹的宽度，同时求出数据区的总宽度；以区分符的宽度为基准，求出数据区的长度，结合数据区长度和区分符宽度确定黑白条纹宽度基准，将数据区黑白条纹依据与对应宽度基准的比值，转化为对应的01数值，数据区的黑白条纹通过解码算法转变为二进制短编码；按照上述解码算法从p张图像中解码得到p个数据短编码；

步骤4.3、从步骤4.2中解出的p个数据短编码中，挑选出k个数据位长度不同的数据短编码，作为k个有效短编码；

步骤4.4、将步骤4.3获得的k个有效短编码按照数据位长度进行排序，组合成原n位长编码数据，长编码为发送端LED灯的唯一ID码，对应该LED灯的特征信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本方法每段短数据使用相同的区分符，数据区长度信息由与区分符的宽度比值求取，短编码还原成长编码使用数据区编码变长度分解方法进行逆向合成，区分符不需要添加表示编码数据区长度以及编码顺序信息的数据位，由此减少了发送信号的冗余度，同样的硬件条件下，单帧图片可以获取的数据区长度更长，并且通过多张图片的组合就可以实现长编码的通信，简单有效地扩大了数据区长度，同时保证了解码的实时性。本方法简单易行且便于实现。

附图说明

图1为本发明基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法及其实施例程的流程图。

图2为本发明及具体实施方式中将n位长编码分解成k组短编码的过程图。

图3为本发明及具体实施方式中从p张图片获取k组短编码并拼接成原n位长编码的流程图。

图4为本发明及具体实施方式中接受端摄像头形成的图像及解码结果图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

本发明一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其流程如图1所示，具体实施时，包括如下步骤：

步骤1、通过数据区编码变长度分解方法将n位长编码数据进行分段，分成k组数据区长度不一致的短编码，为短编码添加区分符，构成k组通信码；

所述数据区编码变长度分解方法，将要发送的n位长编码分为k组短编码，各组短编码长度分别为n₁,n₂,...,n_k，并且满足且n₁＜n₂＜...＜n_k；本实施例中n可取27，k可取2，分为两段编码，可选择n₁＝12，n₂＝15；如图2所示；所述2组通信码添加相同的区分符，取000，数据区长度分别为12位和15位。

在形成通信码时，有些通信码是无效编码，需要剔除，具体方法是：

步骤1.1、通信码中如果数据区有与区分符000重合的部分，则该编码无效，剔除这种情况；

步骤1.2、如果用户对于光通量调制率有下限要求，如要求光通信时光通量调制率不得低于60％，则需要进一步筛选有效通信码：开通和关断分别代表1和0，则通信码中，1的个数至少是总个数的60％，才能保证光通量调制率不低于60％；以12位编码与区分符000构成的通信码为例，通信码长度为15，则编码中1的个数至少是15*60％＝9，同理15位编码与区分符000构成的通信码中，1的个数至少是18*60％＝10.8，即编码1至少出现11次；

步骤1.3、根据步骤1.1和步骤1.2的要求可以求出区分符为000、光通量调制率下限为60％时，数据区长度为12时符合要求的通信码数目是168种，数据区长度为15时符合要求的通信码数目是982种。则2组通信码的数据区组合成原27位长编码，共有168*982＝164976种不同的编码。

步骤2、LED灯具通过变长度编码发送方法，将2组通信码序列循环发送出去；

所述变长度编码发送方法，首先每组通信码构成一个小周期，2组通信码序列构成一个大周期；然后使用编码控制器控制LED灯具发光亮暗变化实现对应小周期中01编码的发送；其次按照2组通信码依次控制LED灯具实现2个小周期的编码发送，2个小周期构成一个大周期；按照该方法用编码控制器控制LED灯具循环发送大周期编码。

步骤3、可见光通信接收终端通过变长度编码接收方法，采用摄像头接收LED灯具发送的通信码序列并形成p张图像；通过控制手机前置摄像头，使其连续接收p张图像，要求p≥2，保证接收的图像中含有12位数据区和15位数据区的通信码图像。

步骤4、可见光通信接收终端通过图像解码与合成方法解码，首先对p张图像进行处理与解码，从中挑选出12位短编码和15位短编码，依据数据区编码变长度分解方法进行逆向合成，还原成原27位长编码，长编码为发送端LED灯的唯一ID码，可对应该LED灯的特征信息；所述图像解码与合成方法，其流程图如图3所示，具体步骤是：

步骤4.1、针对可见光通信接收端接收到的p张图像，依次进行图像处理，使用图像预处理去除干扰，根据LED灯形状特征提取LED灯区域，根据区分符特征提取出通信码数据区编码图像；

步骤4.2、解码算法包括：对通信码数据区图像进行滤波和二值化操作，使数据区图像转为黑白条纹；遍历搜索黑白条纹的宽度，同时求出数据区的总宽度；以区分符的宽度为基准，求出数据区的长度，结合数据区长度和区分符宽度确定黑白条纹宽度基准；将数据区黑白条纹依据与对应宽度基准的比值，转化为对应的01数值，如图4所示，图中的两张图片通过解码算法分别转变为12位和15位二进制短编码；从p张图像中获取p个数据短编码；

步骤4.3、从步骤4.2中解出的p个数据短编码中，挑选出12位短编码和15位短编码；

步骤4.4、如图4所示，将步骤4.3获得的12位短编码和15位短编码按照数据位长度进行排序，组合成原27位长编码数据，该长编码即为发送端LED灯的唯一ID码，可对应该LED灯的特征信息。

至此，从步骤1至步骤4完成了基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法。

Claims (5)

1.一种基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过数据区编码变长度分解方法，将n位长编码数据进行分段，分成k组数据区长度不一致的短编码，为短编码添加区分符，构成k组通信码；

步骤2、LED灯具通过变长度编码发送方法，将k组通信码序列循环发送出去；

步骤3、可见光通信接收终端通过变长度编码接收方法，采用摄像头接收LED灯具发送的通信码序列并形成p张图像；

步骤4、可见光通信接收终端通过图像解码与合成方法解码，首先对p张图像进行处理与解码，从中挑选出k组短编码，依据数据区编码变长度分解方法进行逆向合成，还原成原n位长编码，长编码为发送端LED灯的唯一身份码，对应该LED灯的特征信息。

2.根据权利要求1所述的基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其特征在于，所述步骤1中的数据区编码变长度分解方法，将要发送的n位长编码分为k组短编码，各组短编码长度分别为n₁,n₂,...,n_k，并且满足

且n₁＜n₂＜...＜n_k；然后为每个短编码添加区分符，构成k组通信码，k组通信码具有相同的区分符、不同的数据区长度；在形成通信码时，有些通信码是无效编码，需要剔除，具体方法是：

步骤1.1、通信码中如果数据区有与区分符重合的部分，则该编码无效，剔除这种情况；

步骤1.2、如果用户对于光通量调制率有下限要求，如要求光通信时光通量调制率不得低于a％，则需要进一步筛选有效通信码：开通和关断分别代表1和0，则通信码中，1的个数至少是总个数的a％；最后k组通信码中符合要求的通信码数目依次是m₁,m₂,...,m_k；

步骤1.3、满足上面步骤1.1与步骤1.2的k组通信码，表示有效的n位数据编码数量，共有种。

3.根据权利要求1所述的基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其特征在于，所述步骤2中的变长度编码发送方法，首先每组通信码构成一个小周期，k组通信码序列构成一个大周期；然后使用编码控制器控制LED灯具发光亮暗变化，实现对应小周期中01编码的发送；其次按照k组通信码依次控制LED灯具实现k个小周期的编码发送，k个小周期构成一个大周期；按照该方法用编码控制器控制LED灯具循环发送大周期编码。

4.根据权利要求1所述的基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其特征在于，所述步骤3中的变长度编码接收方法，所述的可见光通信接收终端包括带摄像头和带数据处理能力的处理器系统，通过控制该可见光通信接收终端，使其连续接收p张图像，要求p≥k，以保证p张图像中含有k张有不同数据区长度的短编码图像。

5.根据权利要求1所述的基于变数据区长度的可见光通信编码扩码方法，其特征在于，所述步骤4中的图像解码与合成方法，具体步骤是：

步骤4.1、针对可见光通信接收终端接收到的p张图像，依次进行图像处理，使用图像预处理去除干扰，根据LED灯形状特征提取LED灯区域，根据区分符特征提取出通信码数据区编码图像；

步骤4.2、解码算法包括：对通信码数据区图像进行滤波和二值化操作，使数据区图像转为黑白条纹；遍历搜索黑白条纹的宽度，同时求出数据区的总宽度；以区分符的宽度为基准，求出数据区的长度，结合数据区长度和区分符宽度确定黑白条纹宽度基准，将数据区黑、白条纹宽度依据与对应黑、白条纹宽度基准的比值，转化为对应的01数值，数据区的黑白条纹通过解码算法转变为二进制短编码；按照上述解码算法从p张图像中解码得到p个数据短编码；

步骤4.3、从步骤4.2中解出的p个数据短编码中，挑选出k个数据位长度不同的数据短编码，作为k个有效短编码；

步骤4.4、将步骤4.3获得的k个有效短编码按照数据位长度进行排序，组合成原n位长编码数据，长编码为发送端LED灯的唯一ID码，对应该LED灯的特征信息。

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