CN107612617A - 一种基于通用cmos摄像头的可见光通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法及装置，该发明通过使用CMOS摄像头作为接收端的可见光通信装置，基于CMOS图像传感器的卷帘快门曝光模式，在接收LED灯具发出的高频可见光信号时，CMOS摄像头将拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案，并通过对卷帘效应灰度图案依次进行选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决三个主要步骤的处理后，解调数据包，实现高速的可见光通信。该装置不需要额外的接收端装置成本以及在实际使用中更具灵活性，卷帘效应灰度图案有效缓解了过曝光效应，降低了接收信号的误码率，显著提高了消光比，使曼彻斯特码编写的数据头更加易于被检测出来，降低了可见光通信的噪声干扰。

Description

一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法及装置

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法及装置。

背景技术

传统可见光通信系统使用光电二极管(一般是PIN光电二极管或者雪崩二极管)作为可见光通信的信号接收端，因为使用光电二极管的可见光数据传输速率相对较高，但是安装光电二极管所需成本较高，所以应用范围极其有限。随着图像传感器技术的飞速发展，CMOS图像传感器性能得到提高的同时成本也有所降低。如今电子产品市场上的智能手机都普遍装有CMOS图像传感器的摄像头，因此，使用CMOS摄像头代替传统的光电二极管作为可见光通信的信号接收端可以大大节约额外的装置成本以及在实际应用中更具灵活性。

CMOS摄像头采用卷帘快门模式进行曝光，它不同于全局快门模式(一次对整个帧进行曝光)，它是对每一行像素依次进行曝光。因此，在接收LED灯发出的高频白光信号(频率远高于CMOS图像传感器帧率)时，CMOS摄像头会拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应图案。选取中间的列像素灰度值进行数据读取，将明条纹的行像素记录为逻辑字节“1”，暗条纹的行像素记录为逻辑字节“0”，所以在一帧内可以进行多个逻辑字节的传输，实现短距离可见光通信。然而，使用CMOS摄像头作为可见光通信接收端仍存在不少问题，其中较为突出的问题是出现过曝光效应以及消光比过低。过曝光效应是由于接收光强度高且不均匀造成拍摄出的卷帘效应图案中间部分暗条纹比两边要窄，从而导致系统将部分暗条纹检测为明条纹而提高数据传输的误码率；而消光比过低是由于传输距离较远时噪声干扰过大导致接收的卷帘效应图案转换为灰度图后明暗条纹存在许多介于0-255的灰度值，这会使得由曼彻斯特码编写的数据头不易于被检测出来。所以为了解决上述问题，一般是通过对卷帘效应灰度图进行优化处理，比如使用灰度图标准化、灰度图均衡化、索贝尔滤波器等。然而，这些算法方案处理过程比较复杂或者效果不够理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法及装置，通过选取列向量矩阵，提高消光比和阈值判决等处理算法解决过曝光效应与消光比过低带来的误码率升高和传输距离受限等问题。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，所述的可见光通信方法具体如下：

所述的CMOS摄像头通过捕获LED灯具发出的高频可见光信号，并基于卷帘快门的曝光模式，拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案，通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理卷帘效应灰度图案进行解调信号。

进一步地，所述的选取列向量矩阵具体如下：对每一帧卷帘效应灰度图案的每一行像素构造二阶拟合曲线，并对符合方差要求的灰度值进行升序排列并加权平均计算以作为所在行像素的灰度值，并选取中间灰度值列向量矩阵进行信号解调；

所述的提高消光比具体如下：对所选取灰度值列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线，令大于第一条二阶拟合曲线值的灰度取值等于曲线值；构造第二条二阶拟合曲线，令小于第二条二阶拟合曲线值的灰度值等于0；

所述的阈值判决具体如下：对经过提高消光比后的灰度值列向量矩阵构造一条三阶拟合曲线作为阈值，对于大于阈值的灰度值取1，小于阈值的灰度值取0。

进一步地，所述的选取列向量矩阵包括下列步骤：

S101、计算卷帘效应灰度图灰度值矩阵的大小，记总行像素为R，列像素为C，定义在一行像素中每一个元素为(α_i，β_i)，其中α_i表示第i个像素点，β_i则表示该像素的灰度值。i＝1，2，……，R；

S102、构造二阶拟合曲线k₀，k₁，k₂为常系数，设方差为则总方差为 通过令总方差E(k₀，k₁k₂)的一阶偏导求得常系数k₀，k₁，k₂；

S103、取出符合方差的所有灰度取值，并对取得的灰度值依次进行升序排列，取前20％的灰度值进行加权平均计算以作为所在行像素的灰度值；

S104、选取处理后灰度图中间列像素灰度值构成列向量矩阵。

进一步地，所述的提高消光比包括下列步骤：

S201、对于所选取的列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线其中x_i为列向量矩阵中第i个元素，令大于值的灰度值等于

S202、再次构造二阶拟合曲线y_i为经步骤S201处理过的列向量矩阵中第i个元素，令小于值的灰度值等于0。

进一步地，所述的阈值判决包括下列步骤：

S301、设经过上述处理的列向量矩阵每一个元素为(m_i，l_i)，其中m_i表示第i个像素，l_i表示该像素的灰度值，i=1，2……，C，则三阶拟合曲线f(m_i)可以表示为f(m_i；b₀，b₁b₂，b₃)＝b₀+b₁m_i+b₂m_i ²+b₃m_i ³，b₀，b₁b₂，b₃为常系数，所以总方差ε可以表示为： 然后通过令总方差ε(b₀，b₁b₂，b₃)的一阶偏导来求得常系数b₀，b₁，b₂，b₃；

S302、令大于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于1，低于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于0。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，所述的可见光通信装置包括：发射子系统和接收子系统，其中，二者之间通过可见光进行信息传输交换；

其中，所述的发射子系统用于发射可见光信号，包括依次连接的数据编码模块、驱动模块、信号发射模块；所述的接收子系统用于接收可见光信号并由数据解码模块解码出原始数据，包括依次连接的信号接收模块、数据解码模块；所述的数据编码模块、驱动模块、信号发射模块依次连接，发射可见光信号；所述的信号接收模块和数据解码模块依次连接，用于接收可见光信号并由数据解码模块解码出原始数据。

进一步地，所述的数据编码模块用于编码传输数据并调制成数据包；

所述的驱动模块为LED驱动电路，用于驱动信号发射模块发射可见光信号；

所述的信号发射模块为LED灯具，用于发射可见光信号。

进一步地，所述的信号接收模块为智能终端上的通用CMOS摄像头，用于接收发射子系统发出的高频可见光信号，并拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案；

所述的数据解码模块通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理方法，处理CMOS摄像头拍摄出的卷帘效应灰度图案，然后将明条纹记为逻辑字节“1”，暗条纹记为逻辑字节“0”，解码出所有逻辑字节，并检测曼彻斯特码编写的字节头，解调数据包，提取有效数据。

进一步地，所述的数据包包括使用曼彻斯特码编写的6个字节的字节头、32个字节的有效数据以及两个低电平的字节尾。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)在可见光通信应用中，本可见光通信装置不需要额外的接收端装置成本以及在实际使用中更具灵活性。

(2)经过算法的优化处理后，卷帘效应灰度图案有效地缓解了过曝光效应，降低了接收信号的误码率。

(3)经过算法的优化处理后，卷帘效应灰度图案显著地提高了消光比，使曼彻斯特码编写的数据头更加易于被检测出来，降低了可见光通信的噪声干扰。

附图说明

图1是本发明的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置的结构示意图；

图2是CMOS摄像头捕获LED灯具图像的曝光时序图；

图3是卷帘效应灰度图的中间列像素灰度值曲线图；

图4(a)是对灰度值处理后的曲线图，虚线为第一条二阶拟合曲线；

图4(b)是对灰度值处理后的曲线图，虚线为第二条二阶拟合曲线；

图5(a)是对灰度值处理后的曲线图，虚线为阈值三阶拟合曲线；

图5(b)是对灰度值处理后的解调信号图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，CMOS摄像头通过捕获LED灯具发出的高频可见光信号(频率应远高于CMOS摄像头帧率，一般是30fps或者60fps)，并基于卷帘快门的曝光模式，拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案，通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理卷帘效应灰度图案进行解调信号。

其中，步骤S1、选取列向量矩阵。对每一帧卷帘效应灰度图案的每一行像素构造二阶拟合曲线，并对符合方差要求的灰度值进行升序排列并加权平均计算以作为所在行像素的灰度值，并选取中间灰度值列向量矩阵进行信号解调。

该步骤具体包括：

步骤S101、计算卷帘效应灰度图灰度值矩阵的大小，记总行像素为R，列像素为C，定义在一行像素中每一个元素为(α_i，β_i)，其中α_i表示第i个像素点，β_i则表示该像素的灰度值。i＝1，2，……，R。

步骤S102、构造二阶拟合曲线k₀，k₁，k₂为常系数，设方差为则总方差为 通过令总方差E(k₀，k₁k₂)的一阶偏导求得常系数k₀，k₁，k₂。

步骤S103、取出符合方差的所有灰度取值，并对取得的灰度值依次进行升序排列，取前20％的灰度值进行加权平均计算以作为所在行像素的灰度值。

步骤S104、选取处理后灰度图中间列像素灰度值构成列向量矩阵。

其中，步骤S2、提高消光比。对所选取灰度值列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线，令大于第一条二阶拟合曲线值的灰度取值等于曲线值；构造第二条二阶拟合曲线，令小于第二条二阶拟合曲线值的灰度值等于0。

该步骤具体包括：

步骤S201、对于所选取的列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线其中x_i为列向量矩阵中第i个元素，令大于值的灰度值等于

步骤S202、再次构造二阶拟合曲线yi为经步骤S201处理过的列向量矩阵中第i个元素，令小于值的灰度值等于0。

其中，步骤S3、阈值判决。对步骤S2处理过的灰度值列向量矩阵构造一条三阶拟合曲线作为阈值，对于大于阈值的灰度值取1，小于阈值的灰度值取0。

该步骤具体包括：

步骤S301、设经过上述处理的列向量矩阵每一个元素为(m_i，l_i)，其中m_i表示第i个像素，l_i表示该像素的灰度值，i=1，2……，C。则三阶拟合曲线f(m_i)可以表示为f(m_i；b₀，b₁b₂，b₃)＝b₀+b₁m_i+b₂m_i ²+b₃m_i ³，b₀，b₁b₂，b₃为常系数。所以总方差ε可以表示为： 然后通过令总方差ε(b₀，b₁b₂，b₃)的一阶偏导来求得常系数b₀，b₁，b₂，b₃。

步骤S302、令大于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于1，低于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于0。

实施例二

本实施例具体公开了一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，该方法包括下列步骤：

T0、CMOS摄像头通过捕获LED灯具发出的高频可见光信号(频率应远高于CMOS摄像头帧率，一般是30fps或者60fps)，并基于卷帘快门的曝光模式，拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案。

T1、计算卷帘效应灰度图灰度值矩阵的大小，记总行像素为R，列像素为C，定义在一行像素中每一个元素为(α_i，β_i)，其中α_i表示第i个像素点，β_i则表示该像素的灰度值。i＝1，2，……，R。

T2、对每一帧卷帘效应图案灰度图每一条纹构造二阶拟合曲线k₀，k₁k₂为常系数；设方差为 总方差为 通过令总方差为E(k₀，k₁k₂)的一阶偏导 求得常系数k₀，k₁，k₂。

T3、取出符合方差的所有灰度取值，并对其依次进行升序排列，取前20％的灰度值进行加权平均计算以作为所在行像素的灰度值。选取处理后的灰度图中间列像素灰度值组成列向量矩阵。

T4、对于所选取的列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线构造方法与T2一致，其中x_i为列向量矩阵中第i个元素，令大于值的灰度值等于

T5、再次构造二阶拟合曲线构造方法与T2一致，yi为经T4处理过的列向量矩阵中第i个元素，令小于值的灰度值等于0。

T6、设经过上述处理的列向量矩阵每一个元素为(m_i，l_i)，其中m_i表示i个像素，l_i表示该像素的灰度值，i＝1，2……，C。则构造三阶拟合曲线f(m_i；b₀，b₁b₂，b₃)＝b₀+b₁m_i+b₂m_i ²+b₃m_i ³，b₀，b₁b₂，b₃为常系数。所以总方差ε可以表示为： 然后令通过总方差ε的一阶偏导 来求得常系数b₀，b₁，b₂，b₃。

T7、令大于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于1，低于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于0。

实施例三

一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，包括：发射子系统和接收子系统，其中，二者之间通过可见光进行信息传输交换，即，将自有空间作为抽象的传输子系统。

其中，所述的发射子系统包括：数据编码模块、驱动模块、信号发射模块；所述的接收子系统包括：信号接收模块、数据解码模块；所述传输子系统为自由空间；所述的数据编码模块、驱动模块、信号发射模块依次连接，发射可见光信号；所述的信号接收模块和数据解码模块依次连接，用于接收可见光信号并由数据解码模块解码出原始数据。

所述的数据编码模块用于编码传输数据并调制成数据包(包括使用曼彻斯特码编写的6个字节的字节头，32个字节的有效数据，以及两个低电平的字节尾)，控制驱动模块驱动信号发射模块发射频率远高于CMOS摄像头帧率(一般为30fps或者60fps)的可见光信号；所述驱动模块为LED驱动电路，用于驱动信号发射模块发射可见光信号；所述信号发射模块为LED灯具，用于发射可见光信号。

所述的信号接收模块为智能手机上的通用CMOS摄像头，用于接收发射子系统发出的高频可见光信号，并拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应图案；所述数据解码模块通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理方法，处理CMOS摄像头拍摄出的卷帘效应图案灰度图，然后将明条纹记为逻辑字节“1”，暗条纹记为逻辑字节“0”，解码出所有逻辑字节，并检测曼彻斯特码编写的6位字节头，解调数据包，提取有效数据。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，其特征在于，所述的可见光通信方法具体如下：

所述的CMOS摄像头通过捕获LED灯具发出的高频可见光信号，并基于卷帘快门的曝光模式，拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案，通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理卷帘效应灰度图案进行解调信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，其特征在于，所述的选取列向量矩阵具体如下：对每一帧卷帘效应灰度图案的每一行像素构造二阶拟合曲线，并对符合方差要求的灰度值进行升序排列并加权平均计算以作为所在行像素的灰度值，并选取中间灰度值列向量矩阵进行信号解调；

所述的提高消光比具体如下：对所选取灰度值列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线，令大于第一条二阶拟合曲线值的灰度取值等于曲线值；构造第二条二阶拟合曲线，令小于第二条二阶拟合曲线值的灰度值等于0；

所述的阈值判决具体如下：对经过提高消光比后的灰度值列向量矩阵构造一条三阶拟合曲线作为阈值，对于大于阈值的灰度值取1，小于阈值的灰度值取0。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，其特征在于，所述的选取列向量矩阵包括下列步骤：

S101、计算卷帘效应灰度图灰度值矩阵的大小，记总行像素为R，列像素为C，定义在一行像素中每一个元素为(α_i,β_i)，其中α_i表示第i个像素点，β_i则表示该像素的灰度值。i＝1,2,……,R；

S102、构造二阶拟合曲线k₀，k₁，k₂为常系数，设方差为则总方差为 通过令总方差E(k₀,k₁k₂)的一阶偏导求得常系数k₀，k₁，k₂；

S103、取出符合方差的所有灰度取值，并对取得的灰度值依次进行升序排列，取前20％的灰度值进行加权平均计算以作为所在行像素的灰度值；

S104、选取处理后灰度图中间列像素灰度值构成列向量矩阵。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，其特征在于，所述的提高消光比包括下列步骤：

S201、对于所选取的列向量矩阵构造第一条二阶拟合曲线其中x_i为列向量矩阵中第i个元素，令大于值的灰度值等于

S202、再次构造二阶拟合曲线y_i为经步骤S201处理过的列向量矩阵中第i个元素,令小于值的灰度值等于0。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信方法，其特征在于，所述的阈值判决包括下列步骤：

S301、设经过上述处理的列向量矩阵每一个元素为(m_i,l_i)，其中m_i表示第i个像素，l_i表示该像素的灰度值，i＝1,2……,C，则三阶拟合曲线f(m_i)可以表示为f(m_i；b₀,b₁b₂,b₃)＝b₀+b₁m_i+b₂m_i ²+b₃m_i ³，b₀,b₁b₂,b₃为常系数，所以总方差ε可以表示为： 然后通过令总方差ε(b₀,b₁b₂,b₃)的一阶偏导来求得常系数b₀,b₁,b₂,b₃；

S302、令大于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于1，低于三阶拟合曲线f(m_i)的灰度值等于0。

6.一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，其特征在于，所述的可见光通信装置包括：发射子系统和接收子系统，其中，二者之间通过可见光进行信息传输交换；

其中，所述的发射子系统用于发射可见光信号，包括依次连接的数据编码模块、驱动模块、信号发射模块；所述的接收子系统用于接收可见光信号并由数据解码模块解码出原始数据，包括依次连接的信号接收模块、数据解码模块；所述的数据编码模块、驱动模块、信号发射模块依次连接，发射可见光信号；所述的信号接收模块和数据解码模块连接，用于接收可见光信号并由数据解码模块解码出原始数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，其特征在于，

所述的数据编码模块用于编码传输数据并调制成数据包；

所述的驱动模块为LED驱动电路，用于驱动信号发射模块发射可见光信号；

所述的信号发射模块为LED灯具，用于发射可见光信号。

8.根据权利要求6所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，其特征在于，

所述的信号接收模块为智能终端上的通用CMOS摄像头，用于接收发射子系统发出的高频可见光信号，并拍摄出由明暗条纹交错分布的卷帘效应灰度图案；

所述的数据解码模块通过选取列向量矩阵、提高消光比以及阈值判决处理方法，处理CMOS摄像头拍摄出的卷帘效应灰度图案，然后将明条纹记为逻辑字节“1”，暗条纹记为逻辑字节“0”，解码出所有逻辑字节，并检测曼彻斯特码编写的字节头，解调数据包，提取有效数据。

9.根据权利要求7所述的一种基于通用CMOS摄像头的可见光通信装置，其特征在于，所述的数据包包括使用曼彻斯特码编写的6个字节的字节头、32个字节的有效数据以及两个低电平的字节尾。