CN107682692B - 光成像通信的自适应检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光成像通信的自适应检测系统及方法，所述系统包括LED发送端及接收端，所述接收端包括CMOS摄像头及自适应检测模块，所述自适应检测模块获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图，再根据预设的自适应优化算法优化灰度图，最后根据优化后的灰度图进行判决、同步、译码处理，恢复得到原始数据。本发明实施例针对灰度图设计了一种自适应优化算法、改进了检测算法中数据逻辑位判决阈值的取值方法、设计了一种灰度图采样率的自适应确定方法，从而降低了灰度图明暗程度的差异性，弥补了光成像通信检测算法的局限性及高误码率等问题，进而提高了检测算法的实用性和普适性。

Description

光成像通信的自适应检测系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光成像通信技术领域，尤其涉及一种光成像通信的自适应检测系统及方法。

背景技术

目前，市场上已有的无线通信技术有Wi-Fi、蓝牙、红外等，可实现个人电脑、手持设备等终端的无线连接，为用户提供方便、快捷地网络服务功能。但另一方面，现有无线通信的接入验证方式较为简单，通信保密性不强，极可能导致用户面临信息失窃、通信受到干扰等问题。

2012年，研究人员首次提出基于CMOS卷帘门效应的可见光成像通信方法。CMOS摄像设备具有卷帘门效应，基于此可实现可见光调制信号的接收。“卷帘效应”是CMOS传感器的一个特点，即在接收一帧图片时，有别于全局快门中一次捕捉一整张图片，CMOS传感器的卷帘快门对像素点一行一行进行水平扫描激活，再整合成为一帧图片。这两种快门方式的原理对比如图1(a)和图1(b)所示。

若设置LED的发送开关频率大于CMOS摄像头的帧速率，则可以在同一帧图片中捕捉到明暗条纹。当发送端LED处于“开”状态时，扫描行呈现亮条纹；反之当LED处于“关”状态时，扫描行呈现暗条纹。通过在同一帧内捕捉明暗条纹，CMOS摄像头可获得高于帧速率的通信速率。完成一帧图片的扫描后，存在一段“读取时间周期”用于对一帧图片进行合成，在这段时间周期内，CMOS传感器为“盲的”，无法探测光信号。

针对室内可见光的CMOS成像接收，来自台湾的Chow,C.W.团队在2015年利用CMOS摄像设备的卷帘门特性，采用多种图像处理算法对接收图片进行优化后解调恢复原信号，最后实现了速率为1.68Kb/s的数据传输，能基本满足室内定位、室内光标签信息接收等简单需求，具体的算法流程如下：

1)、对图像进行灰度处理；

2)、选择合适的列进行处理。选择方法就是将灰度图的480行平均分成8个部分，即每60行选取相同的合适的列的灰度值，避免灰度图过暗或者过亮对数据处理的影响；

3)、根据选取列的灰度值曲线进行二阶多项式拟合确定逻辑位的判决阈值；

4)、根据阈值恢复逻辑位；

5)、根据明暗条纹的变化频率进行位同步，确定同步头的位置，如无法确定同步头的位置，将回到第一步重新处理；

6)、通过对同步头的数据进行计数，确定采样率，进而恢复出原始数据。

然而，目前可见光成像通信已有的CMOS成像检测算法存在以下几点不足：

1)、合适列的选取方法存在一定的局限性，实用性不强；

2)、二阶多项式拟合是针对整体数据进行分析，忽略了波形毛刺的影响；

3)、采样率的获取方法，偶然性比较强，容易造成比较大的误码率。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光成像通信的自适应检测系统及方法，以使能够提高实用性同时实现安全、便捷的通信。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种光成像通信的自适应检测系统，包括LED发送端及对应接收光信号的接收端，所述LED发送端将原始数据进行曼彻斯特编码再通过OOK调制，控制LED发光，将原始数据通过光信号进行发送；所述接收端包括CMOS摄像头及自适应检测模块，所述接收端通过CMOS摄像头接收光信号；

所述自适应检测模块获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图，再根据预设的优化算法优化灰度图；计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和；采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组data1；采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分，并进行译码得到一维数组data3；将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data；根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据。

相应地，本发明实施例还提供了一种光成像通信的自适应检测方法，应用于上述的光成像通信的自适应检测系统中，包括：

步骤1：获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图；

步骤2：根据预设的优化算法优化灰度图；

步骤3：计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和；

步骤4：采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组data1；

步骤5：采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分，并进行译码得到一维数组data3；

步骤6：将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data；

步骤7：根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据。

本发明实施例通过提出一种光成像通信的自适应检测系统及方法，所述系统包括LED发送端、CMOS摄像头及自适应检测模块，针对灰度图设计了一种自适应优化算法、改进了检测算法中数据逻辑位判决阈值的取值方法并且设计了一种灰度图采样率的自适应确定方法，从而降低了灰度图明暗程度的差异性，弥补了光成像通信检测算法的局限性及高误码率等问题，进而提高了检测算法的实用性和普适性。

附图说明

图1是现有技术的两种成像方式原理对比图。

图2是本发明实施例的光成像通信的自适应检测系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的CMOS摄像头的像素示意图。

图4是本发明实施例的光成像通信的自适应检测方法的流程示意图。

图5是本发明实施例的传输数据包格式示意图。

图6是本发明实施例的接收端拍摄图像的示意图。

图7是本发明实施例的与接收端拍摄图像对应的灰度图。

图8是本发明实施例的灰度矩阵的列和曲线示意图。

图9是本发明实施例的灰度矩阵的行和曲线示意图。

图10是本发明实施例的数据脉冲示意图。

图11是本发明实施例的同步头的搜索结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图2，本发明实施例的光成像通信的自适应检测系统主要包括LED发送端及对应接收光信号的接收端。

所述LED发送端将原始数据进行曼彻斯特编码再通过OOK(On-Off Keying，开关键控)调制，控制LED发光，将原始数据通过光信号进行发送；所述接收端包括CMOS摄像头及自适应检测模块，所述接收端通过CMOS摄像头接收光信号。优选地，接收端为智能手机，通过CMOS摄像头大量的像素点(如图3所示)接收光信号的光强，进而将LED发送端的信号以灰度图的方式进行记录；然后根据灰度图完成判决、同步、译码等处理，恢复得到原始数据，最后将结果显示在手机屏幕上。

自适应检测模块获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图，再根据预设的优化算法优化灰度图；计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和；采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组data1；采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分，并进行译码得到一维数组data3；将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data；根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据。

作为一种实施方式，自适应检测模块还包括优化子模块：对每帧灰度图的灰度矩阵进行列求和，得到列和向量col，并计算出列和向量col的均值avg_col，删除列和值小于等于avg_col/c_1且大于等于avg_col*c_2的列，保留col中列和值大于avg_col/c_1且小于avg_col*c_2的列，其中，c_1及c_2均为常数。

作为一种实施方式，自适应检测模块还包括：

统计子模块：统计data1中逻辑位“0”或者逻辑位“1”连续的个数，生成二维数组data1.1，其中，data1.1中第一行元素为逻辑位，第二行元素为统计对应第一行中逻辑位的连续个数；删除data1.1中第二行元素小于c_3的对应的列，生成新的二维数组data2，其中c_3为常数；

计算子模块：将data2的第二行元素进行排序，选取最大的三个值计算均值记为avg3.1；选取data2的第二行元素中大于c_4*avg3.1的值，并计算出均值记为avg3；选取data2的第二行元素中大于c_5*avg3/3且小于c_6*avg3/3的值，并计算出均值记为avg1，其中，c_4、c_5及c_6均为常数；

译码子模块：根据avg1和avg3译码，判断data2第二行元素值的大小，当其大于c_7*avg1且小于c_8*avg1时，则译为连续1个对应第一行的元素；当其大于c_8*avg1且小于c_9*avg3时，译为连续2个对应第一行的元素；当其大于c_9*avg3时，译为连续3个对应第一行的元素，进而将data1译为data3，其中，c_7、c_8及c_9均为常数。

请参照图4，本发明实施例的光成像通信的自适应检测方法，应用于上述的接收端(如智能手机等)中，包括步骤1-步骤7。

步骤1：获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图。

步骤2：根据预设的优化算法优化灰度图。

步骤3：计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和。

步骤4：采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组记为data1。本发明实施例对灰度图的每一行进行求和，并采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据判决阈值恢复出每一行所代表的逻辑位，提高了消光比，增强了逻辑位“0”和“1”的灰度值的差异性。由于不同场景、不同手机、不同摄像头针对同一个光信号源的通信性能存在好坏之分，而造成这一“性能好坏”现象的主要原因就是对灰度图中过暗或者过亮部分的处理能力不同；因此本发明实施例对图像灰度矩阵的列和进行处理，舍弃列和中过低或者过高的部分，进而使本发明实施例更具有普适性。

步骤5：采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分(即逻辑位长度过短的部分)，并进行译码得到一维数组记为data3。

步骤6：将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data。

步骤7：根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据。

作为一种实施方式，步骤2包括优化子步骤：对每帧灰度图的灰度矩阵进行列求和，得到列和向量col，并计算出列和向量col的均值avg_col，删除列和值小于等于avg_col/c_1且大于等于avg_col*c_2的列，保留col中列和值大于avg_col/c_1且小于avg_col*c_2的列，其中，c_1及c_2均为常数。本发明实施例通过优化子步骤删除灰度图中相对过暗和过亮的部分，降低灰度图明暗程度差异过大对检测的影响；其中，明暗差异过大指的是由于不同应用场景、不同手机、不同光源导致灰度图中亮条纹成块、分区域不规则出现，而不是规则的明、暗相间的成条出现，在一些情况下会出现光晕效应，使明暗条纹之间出现串扰。

作为一种实施方式，步骤5包括统计子步骤、计算子步骤及译码子步骤。

统计子步骤：统计data1中逻辑位“0”或者逻辑位“1”连续的个数，生成二维数组data1.1，其中，data1.1中第一行元素为逻辑位，第二行元素为统计对应第一行中逻辑位的连续个数；删除data1.1中第二行元素小于c_3的对应的列，生成新的二维数组data2，其中c_3为常数。本发明实施例通过对整体数据连续逻辑位的长度进行统计比较，直接删除长度过短的数据，消除了噪声造成的信号波形毛刺现象。

计算子步骤：计算连续1个和连续3个逻辑位的长度均值。将data2的第二行元素进行排序，选取最大的三个值计算均值记为avg3.1；选取data2的第二行元素中大于c_4*avg3.1的值，并计算出均值记为avg3；选取data2的第二行元素中大于c_5*avg3/3且小于c_6*avg3/3的值，并计算出均值记为avg1，其中，c_4、c_5及c_6均为常数。由于图片的分辨率、手机的帧速率、应用场景所要求的通信速率等因素均对采样率(采样率指的是一个码元所对应的灰度图行数)有很大的影响，因此采样率需要根据不同的情况自适应改变；本发明采用求均值的方法确定连续三个逻辑位和连续一个逻辑位长度的均值，进而得到能够自适应确定灰度图的采样率的大小(一个逻辑位的长度均值)。

译码子步骤：根据avg1和avg3译码，判断data2第二行元素值的大小，当其大于c_7*avg1且小于c_8*avg1时，则译为连续1个对应第一行的元素；当其大于c_8*avg1且小于c_9*avg3时，译为连续2个对应第一行的元素；当其大于c_9*avg3时，译为连续3个对应第一行的元素，进而将data1译为data3，其中，c_7、c_8及c_9均为常数。由于不同的光源以及不同的通信距离使得同一接收面上的光照度不同，从而导致没有绝对的“明”和绝对的“暗”，即条纹所对应的灰度值不是绝对的255(白色为255，对应“明”)或者绝对的0(黑色为0，对应“暗”)，而是在0到255这一区间中任意分布，这就需要在数值上确定一个判决阈值，来确定不同的灰度值所对应的条纹是“明”还是“暗”；本发明实施例通过改进逻辑位判决阈值的取值方法来降低误码率，进而提高通信的准确性。

示例1：假设在通信中始终发送相同的数据包，该数据包中包括8bit的同步头和8bit的有用数据(如图5所示)；在LED发送端对有用数据部分进行曼彻斯特编码，进而数据包中的数据为：data_origin＝1001 1101 0101 0101 0101 1010(其中前8bit的数据10011101是同步头)。

在接收端采用华为P9手机进行接收，其手机分辨率为1280×720、曝光时间1/5587秒、ISO-1600、光圈值f/2.4。当通信距离为1.5m左右时，手机通过CMOS摄像头接收到的图像如图6所示，由图6可以看出，存在很大的暗区域，而且光源所对应的位置还存在一定光晕。

首先对图6进行灰度处理，得到灰度图如图7所示，并获取一帧图像的灰度矩阵F。针对灰度矩阵F进行列求和col，进而得到1/1.2倍和1.3倍的均值，如图8所示。

将灰度矩阵F对应直线以外的列删除，得到新的灰度矩阵F’；再将灰度矩阵F’的行元素求和得到如图9所示的曲线；在行求和的基础上，采用滑动窗的方法求得每一行的判决阈值，如图9所示，然后根据阈值判断灰度图的每一行代表的逻辑位如图10所示。

由图10可以看出脉冲的宽度有宽有窄，因为数据包的同步头数据为：10011101，当有用数据经过曼彻斯特编码后，图10中的一个脉宽只可能代表以下几种情况：“0”、“00”、“1”、“11”、“111”；所以接下来将要确定采样率(即确定多少行代表一个逻辑位)，进而针对图10的脉冲进行译码。具体的步骤为：

首先，去除数据中的毛刺部分。针对图10得到的数据data1统计连“0”或者连“1”的个数，并按顺序记录在二维数组data1.1中(数组data1.1的第一行表示逻辑位“0”或者“1”，第二行表示统计对应第一行中逻辑位的连续个数)，然后将data1.1中第二行元素小于3的对应的列删除，生成新的二维数组data2。

其次，计算连续1个和连续3个逻辑位的长度均值。将data2的第二行元素进行排序，选取最大的三个值求均值记为avg3.1，然后在data2的第二行元素中搜索大于0.9倍avg3.1的元素，并再次求均值记为avg3；在data2的第二行元素中搜索大于0.5*avg3/3且小于1.3*avg3/3的元素，并求均值记为avg1。

最后，根据avg1和avg3译码。判断data2第二行元素值的大小，当其大于0.3*avg1且小于1.5*avg1时，译为连续1个对应第一行的元素(即为“0”或“1”)；当其大于1.5*avg1且小于0.8*avg3时，译为连续2个对应第一行的元素(即为“00”或“11”)；当其大于0.8*avg3时，译为连续3个对应第一行的元素(即为“000”或“111”)，进而将data1译为data3。

在图8的译码结果data3的基础上进行位同步，即通过卷积确定同步头的位置(如图11所示)，然后根据两个同步头得到有用数据(两个同步头之间的数据)，最后对有用数据采用曼彻斯特译码，恢复出原始数据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种光成像通信的自适应检测系统，包括LED发送端及对应接收光信号的接收端，其特征在于，所述LED发送端将原始数据进行曼彻斯特编码再通过OOK调制，控制LED发光，将原始数据通过光信号进行发送；所述接收端包括CMOS摄像头及自适应检测模块，所述接收端通过CMOS摄像头接收光信号；

所述自适应检测模块获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图，再根据预设的优化算法优化灰度图；计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和；采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组data1；采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分，并进行译码得到一维数组data3；将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data；根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据；所述自适应检测模块还包括：

统计子模块：统计data1中逻辑位“0”或者逻辑位“1”连续的个数，生成二维数组data1.1，其中，data1.1中第一行元素为逻辑位，第二行元素为统计对应第一行中逻辑位的连续个数；删除data1.1中第二行元素小于c_3的对应的列，生成新的二维数组data2，其中c_3为常数；

计算子模块：将data2的第二行元素进行排序，选取最大的三个值计算均值记为avg3.1；选取data2的第二行元素中大于c_4*avg3.1的值，并计算出均值记为avg3；选取data2的第二行元素中大于c_5*avg3/3且小于c_6*avg3/3的值，并计算出均值记为avg1，其中，c_4、c_5及c_6均为常数；

译码子模块：根据avg1和avg3译码，判断data2第二行元素值的大小，当其大于c_7*avg1且小于c_8*avg1时，则译为连续1个对应第一行的元素；当其大于c_8*avg1且小于c_9*avg3时，译为连续2个对应第一行的元素；当其大于c_9*avg3时，译为连续3个对应第一行的元素，进而将data1译为data3，其中，c_7、c_8及c_9均为常数。

2.如权利要求1所述的光成像通信的自适应检测系统，其特征在于，所述自适应检测模块还包括：

优化子模块：对每帧灰度图的灰度矩阵进行列求和，得到列和向量col，并计算出列和向量col的均值avg_col，删除列和值小于等于avg_col/c_1且大于等于avg_col*c_2的列，保留col中列和值大于avg_col/c_1且小于avg_col*c_2的列，其中，c_1及c_2均为常数。

3.一种光成像通信的自适应检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-2中任一项所述的光成像通信的自适应检测系统中，包括：

步骤1：获取CMOS摄像头拍摄的图像，对图像进行灰度处理，得到灰度图；

步骤2：根据预设的优化算法优化灰度图；

步骤3：计算优化后的灰度图每一行的灰度值之和；

步骤4：采用滑动窗的方式确定判决阈值，然后根据阈值判断优化后的灰度图每一行代表的逻辑位，得到元素为逻辑位“0”或“1”的一维数组data1；

步骤5：采用预设的消除噪声算法去掉逻辑位长度的毛刺部分，并进行译码得到一维数组data3；所述步骤5包括：

统计子步骤：统计data1中逻辑位“0”或者逻辑位“1”连续的个数，生成二维数组data1.1，其中，data1.1中第一行元素为逻辑位，第二行元素为统计对应第一行中逻辑位的连续个数；删除data1.1中第二行元素小于c_3的对应的列，生成新的二维数组data2，其中c_3为常数；

计算子步骤：将data2的第二行元素进行排序，选取最大的三个值计算均值记为avg3.1；选取data2的第二行元素中大于c_4*avg3.1的值，并计算出均值记为avg3；选取data2的第二行元素中大于c_5*avg3/3且小于c_6*avg3/3的值，并计算出均值记为avg1，其中，c_4、c_5及c_6均为常数；

译码子步骤：根据avg1和avg3译码，判断data2第二行元素值的大小，当其大于c_7*avg1且小于c_8*avg1时，则译为连续1个对应第一行的元素；当其大于c_8*avg1且小于c_9*avg3时，译为连续2个对应第一行的元素；当其大于c_9*avg3时，译为连续3个对应第一行的元素，进而将data1译为data3，其中，c_7、c_8及c_9均为常数；

步骤6：将data3与同步头数据进行卷积，确定data3中同步头的位置，进而恢复出传输的初始数据data；

步骤7：根据data采用曼彻斯特译码，恢复得到原始数据。

4.如权利要求3所述的光成像通信的自适应检测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

优化子步骤：对每帧灰度图的灰度矩阵进行列求和，得到列和向量col，并计算出列和向量col的均值avg_col，删除列和值小于等于avg_col/c_1且大于等于avg_col*c_2的列，保留col中列和值大于avg_col/c_1且小于avg_col*c_2的列，其中，c_1及c_2均为常数。