CN108259700B - 一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光通信领域，具体公开了一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法，包括，根据单个发光单元的有效控制电平数M，以及联合量化的发光单元个数N，计算联合量化输出的等效电平数M₀；将待发送波形某一时刻的值按M₀个电平进行量化，得到联合量化的输出电平V₀，采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加后进行发送。本发明利用多个发光单元的联合量化设计，提升微弱信号的量化信噪比，降低量化误差的影响；并且，适用于对任意波形的量化发送。本发明在降低量化误差的准则下，使得每个参与联合的单元具有不同的电平而不是简单重复。

Description

一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，具体公开了一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法。

背景技术

在可见光的成像通信领域中，传统量化方法，是对每个发光单元(像素)的信号进行独立量化，量化误差取决于输入信号幅度和像素支持的量化位数(二进制bit数)。

传统方法利用图像空间上的多个发光单元(像素)联合发送某一个信号时，将多个独立量化的像素信号直接叠加，仅起到累积信号能量的作用，没有降低量化误差的作用。

传统方法为降低量化误差的影响，通常通过限制发送波形种类的方式进行约束(如采用简单的矩形二值波形，可在较少的量化电平数时有效降低量化误差)，但无法解决发送任意波形时的量化误差问题，对于通信信号而言，简单波形(如矩形波形)往往具有频带占用宽、信息速率低等问题，采用随机性较高的波形更有利于通信信号的设计。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法，将满足对人眼视觉隐藏要求的微弱信号在数字化显示设备中发送，实现基于可见光信号的通信，同时通过图像空间联合量化的设计，避免由于信号微弱对发送信号质量(量化信噪比)的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法，包括，

根据单个发光单元的有效控制电平数M，以及联合量化的发光单元个数N，计算联合量化输出的等效电平数M₀＝N*M-N+1；

将待发送波形某一时刻的值按M₀个电平进行量化，得到联合量化的输出电平V₀，V₀∈[0,1,2…M₀-1]；

第n个发光单元对应时刻的控制电平为Vn⁽ⁱ⁾，n∈[1,2…N]，i表示时间序列上的第i帧图像；

采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加后进行发送。

作为优选实施例，还包括，

第n个发光单元对应时刻的控制电平为Vn⁽ⁱ⁾，并使得其和等于V₀ ⁽ⁱ⁾，即V₁+V₂…+V_N＝V₀ ⁽ⁱ⁾；

V_mean＝fix(V₀÷N)，其中fix()表示向负方向取整；

R＝V₀％N，其中％运算表示取余数，令：V₁＝V₂…＝V_R＝V_mean+1，V_R+1＝V_R+2…＝V_N＝V_mean。

进一步地，还包括，

采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加，对时间轴上的所有波形值做相同的量化，在显示设备上显示发送。

优选地，还包括，

利用成像设备对显示设备的可见光信号进行接收，将N个发光单元某一时刻的接收信号求和，得出对应时刻的发送信号波形值。

具体地，成像设备拍摄对应图像帧的光强信号，消除原始图像信息后，对N个发光单元的信号求和，得到发送信号。

进一步地，通过对原始图像所在频带进行滤波，消除原始图像信息。

本发明的有益效果：

1.本发明利用多个发光单元(像素)的联合量化设计，提升了微弱信号的量化信噪比，降低了量化误差的影响；

2.本发明适用于对任意波形的量化发送；

3.相比于已有的联合利用多个发光单元(像素)重复发送同一信号，本发明的联合在降低量化误差的准则下，使得每个参与联合的单元具有不同的电平而不是简单重复。

附图说明

图1为本发明实施例的流程步骤示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明主要提供一种用于成像通信的信息嵌入与传输方法，其利用可视图像的光信号实现信息嵌入与传输，同时借助显示图像二维空间联合设计，使得嵌入信号波形足够微弱(满足人眼视觉隐藏要求)的同时，获得更优的波形量化信噪比。

本发明的目的是将满足对人眼视觉隐藏要求的微弱信号在数字化显示设备中发送，实现基于可见光信号的通信，同时通过图像空间联量化的设计，避免由于信号微弱对发送信号质量(量化信噪比)的影响。

本发明的基本原理：

在数字化显示设备中，每一个发光单元(图像像素)的信号强度由一个有限长度的二进制整型数表示，即信号强度(电平)的取值是有限种的。因此当一个连续取值的任意波形信号由该二进制数表示时，存在由连续取值到有限种离散取值的映射问题(即量化问题)，量化后会将信号波形的每一个电平值映射为最接近的一个离散电平值，量化后信号与原信号的误差称为量化误差(量化噪声)，显然，数字化显示设备中，表示信号强度的二进制数位数越多，能够表示的离散电平数也越多，量化误差将越小。目前显示设备的典型值为8bit，即用256(0-255)个电平表示光信号强度，这时的量化误差从通信信号传输的角度而言通常是可以忽略的。

考虑隐式通信时，为了避免信号对视觉的干扰，会约束嵌入信号的强度，对于满足视觉无感的微弱信号，由于相对于其对应的量化电平数将大大降低(2-4电平，1-2bit)，这时对于该微弱信号而言，量化误差是较大的，定义量化误差的方差为量化噪声功率，则此时具有很低的量化信噪比(信号与量化噪声功率之比)，会对通信传输造成明显影响。

本发明通过对多个发光单元(图像像素)进行联合量化设计，降低量化误差(噪声)提高量化信噪比。具体的，将多个发光单元(像素)的量化信号之和作为量化输出信号，如该和信号由N个具有2种电平取值的信号相加得到，则通过联合量化设计该和信号可以具有N个可能的电平取值，已有理论分析表明，电平数增加一倍，量化信噪比提升约6dB，从而有效改善量化后信号的质量。

本发明的实施条件：利用多个发光单元(像素)联合发送微弱信号波形；通过联合量化设计，使得多个发光单元之和相对于单个发光单元具有更多电平数；待发送微弱信号波形与原始图像信号叠加后发送，原始图像信号为已量化信号。

本发明基本步骤如图1所示，具体如下：

1.根据单个发光单元的有效控制电平数M(可能取值为0,1,2…M-1)，以及联合量化的发光单元个数N，计算联合量化输出的等效电平数为M₀＝N*M-N+1(最高电平加上零电平，可能取值为0,1,2…M₀-1)。

2.将待发送波形某一时刻的值按M₀个电平进行量化，得到联合量化的输出电平V₀∈[0,1,2…M₀-1]。即，对输入信号波形值S⁽ⁱ⁾，进行M₀电平的量化得到量化输出V₀ ⁽ⁱ⁾，其中上标‘i’表示时间序列上的第i帧图像。

3.令第n个发光单元对应时刻的控制电平为Vn⁽ⁱ⁾，n∈[1,2…N]，使得其和等于V₀ ⁽ⁱ⁾，即V₁+V₂…+V_N＝V₀ ⁽ⁱ⁾，V₀ ⁽ⁱ⁾是按照M₀个电平量化后的输出，即最终发送的量化后信号，因为M₀>>M，因此这个发送信号具有更高的量化信噪比。

本实施例所采用的一种设计方法举例如下：

计算V_mean＝fix(V₀÷N)，其中fix()表示向负方向取整，R＝V₀％N，其中％运算表示取余数，可令：V₁＝V₂…＝V_R＝V_mean+1，V_R+1＝V_R+2…＝V_N＝V_mean。

上述设计满足V₁+V₂…+V_N＝V₀ ⁽ⁱ⁾，显然满足该条件的Vn⁽ⁱ⁾设计方案不止一种。V₁、V_2、…V_N各自都只有M种取值，通过上述设计，使得它们的和有M₀种取值，进而利用N个像素V₁、V₂、…V_N发送出和信号V₀ ⁽ⁱ⁾。

采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，即可实现对应时刻波形信号发送，对时间轴上的所有波形值做相同的量化发送，即可实现一个随时间变化波形信号的发送。

4.将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加后在显示设备上显示发送。

5.利用成像设备对数字化显示设备所产生的可见光信号进行接收，将N个发光单元某一时刻的接收信号求和，即可得到对应时刻的发送波形值。对时间轴上每个时刻接收信号进行相同处理，即可得到随时间变化波形信号。

具体地，接收端成像设备拍摄到对应图像帧的光强信号，消除原始图像信息后，对相应N个发光单元的信号求和则得到V₀ ⁽ⁱ⁾，从而得出发送信号。

本实施例采用的一种消除原始图像信息的方法：原始图像为人眼观看所提供，能量集中在较低频段(小于30-40Hz，高于该频率人眼无法感知)，发送信号波形能量可设计在较高频段(大于40Hz)，通过对相应频带进行滤波即可消除原始图像信息。

本发明提出的基于空间联合量化的隐式可见光成像通信方法，主要特点与优点包括但不限于：

1.利用多个发光单元(像素)的联合，实现了更高的输出信号质量(量化信噪比)，传统做法仅简单的累积信号能量，由于量化误差也同时累积，无法有效降低量化误差的影响。

2.在清晰成像的条件下，接收端接收信号受其他噪声或干扰影响较小，量化误差是影响接收信号质量的主要因素，因此提升量化信噪比具有显著的效果。

3.成像通信中利用大量的发光单元(数百万像素)发送信号，受成像的空间精度以及可见光信号能量所限，通常需要利用大量像素联合发送同一个信号，因此本发明需要多个发光单元(像素)联合的条件是天然满足的，并不会因此影响传输效率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于空间联合量化的隐式成像通信方法，其特征在于，包括，

根据单个发光单元的有效控制电平数M，以及联合量化的发光单元个数N，计算联合量化输出的等效电平数M₀＝N*M-N+1；

将待发送波形某一时刻的值按M₀个电平进行量化，得到联合量化的输出电平V₀，V₀∈[0,1,2…M₀-1]；

第n个发光单元对应时刻的控制电平为Vn⁽ⁱ⁾，n∈[1,2…N]，i表示时间序列上的第i帧图像；

采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加后进行发送；

第n个发光单元对应时刻的控制电平为Vn⁽ⁱ⁾，并使得其和等于V₀ ⁽ⁱ⁾，即V₁+V₂…+V_N＝V₀ ⁽ⁱ⁾；

V_mean＝fix(V₀÷N)，其中fix()表示向负方向取整；

R＝V₀％N，其中％运算表示取余数，令：V₁＝V₂…＝V_R＝V_mean+1，V_R+1＝V_R+2…＝V_N＝V_mean。

2.根据权利要求1所述的隐式成像通信方法，其特征在于，还包括，

采用电平Vn⁽ⁱ⁾作为第n个发光单元的光强控制电平，将Vn⁽ⁱ⁾与对应原始图像帧叠加，对时间轴上的所有波形值做相同的量化，在显示设备上显示发送。

3.根据权利要求2所述的隐式成像通信方法，其特征在于，还包括，

利用成像设备对显示设备的可见光信号进行接收，将N个发光单元某一时刻的接收信号求和，得出对应时刻的发送信号波形值。

4.根据权利要求3所述的隐式成像通信方法，其特征在于，

成像设备拍摄对应图像帧的光强信号，消除原始图像信息后，对N个发光单元的信号求和，得到发送信号。

5.根据权利要求4所述的隐式成像通信方法，其特征在于，通过对原始图像所在频带进行滤波，消除原始图像信息。