CN108471329B - 一种基于led和手机相机的可见光通信系统中的系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构。本发明包括可见光信号的发送端和接收端。发送端用于对所要传输的数据进行编码处理，并将二进制数据流映射为LED灯的亮灭状态。一个LED灯阵列的亮灭状态表示一个数据帧，每个状态保持一段较短时间，在该较短时间内由接收端完成数据的提取。可见光信号的接收端使用智能手机的摄像头捕获LED灯图像，裁剪该RGB图像并处理成灰度图像，再采用OTSU阈值化算法和像素扫描算法来完成数据的读取。本发明可以充分利用智能手机的计算能力进行工作。结合图像处理技术和像素扫描算法，可以在不同方向和视角上实现快速并精确的帧类型判断和实时的数据解码。

Description

一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，特别涉及一种使用发光器件和手机相机的可见光通信系统，其中发光器件使用了发光二极管(LED)。
背景技术
射频识别技术是一种利用集成电路芯片产生的射频信号来传输信息的通信技术，其被动式的射频识别系统需要额外的阅读器来为电子标签供能并完成与电子标签的通信，然而对于一般用户而言，阅读器设备费用昂贵。所以，近年来作为射频技术的替代技术，可见光通信技术受到了越来越多的关注。可见光通信系统的实施并不需要类似阅读器的昂贵设备，仅仅需要发光器件和接收设备就可以实现利用可见光信号传输信息的功能。其中，接收设备用于获取可见光信号与提取其表示的信息，是该系统中的重要组成部分。所以为要使该系统正常工作，系统对于接收设备的计算能力有一定的要求。目前，随着硬件制作技术的发展，智能手机的性能变得越来越强大。人们不仅能用手机打电话、收发邮件，而且可以下载并观看高分辨率的视频、拍摄照片和处理图片。因此，现在的智能手机已经有足够的计算能力来满足可见光系统对接收设备所提出的要求。
此外，射频识别系统中的电子标签和目前普遍使用的二维码都只是被用来存储较少的信息，比如货物的标识信息或网页链接。在二维码生成之后，通常是将其打印在纸上，如果要更改其信息，则只能更换成另一张纸。相比之下，可见光通信则能以一种动态的方式传输更多的信息。而且，LED灯在公共场所的广泛使用，比如交通信号灯、汽车灯和LED广告牌，使得可见光通信系统的部署变得轻而易举。对于用户来说，只要有一个智能手机就可以完成信息的读取。
发明内容
本发明的目的是提供一种可见光通信系统中的系统架构，该系统架构与相关的通信协议结合，能实现实时的数据读取。即使是在手机相机与LED呈现不同的方向或视角时，依然能够实时准确地获取到信息。
为了实现以上目的，本发明提供了一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构，其包含发送可见光信号的的发送端和接收可见光信号的接收端。发送端设备主要为Arduino Mage 2560和LED点阵，接收端设备为现有的智能手机及安装在其上的应用软件Camera。发送端将所要传输的数据表示成二进制形式的数据流，然后由LED点阵的亮灭状态表示。处于接收端的用户打开Camera软件并对准LED点阵，由手机完成扫描、提取数据帧并恢复原始数据的步骤。发送端包括数据帧构造部件，该部件用于对需要传输的数据进行编码，并且将编码后的数据映射到LED点阵。接收端包括预处理部件、数据帧提取部件和数据恢复部件，这些部件可以完成对数据帧的识别和快速无误地解码数据。
发送端将所要传输的数据表示成二进制形式的数据流，然后由LED点阵的亮灭状态表示。发送端部分的系统架构包括数据帧构造部件和LED点阵。发送端的的执行步骤如下：
步骤一、将需要传输的数据编码成二进制数据流。
步骤二、将编码后的数据映射到LED点阵，由LED灯的亮或灭表示。
处于接收端的用户打开Camera软件并对准LED点阵，由手机完成扫描、提取数据帧并恢复原始数据的步骤。接收端包括预处理部件、数据帧提取部件和数据恢复部件，这些部件可以完成对数据帧的识别和快速无误地解码数据。其具体步骤如下：
步骤一、预处理部件对捕获到的RGB图像进行裁剪。
步骤二、预处理部件将裁剪后的RGB图像转化为灰度图像，并进行阈值化处理。
步骤三、数据帧提取部件通过旋转检测获得旋转角度。
步骤四、数据帧提取部件提取数据帧的头部信息，并利用帧类型检查算法确定数据帧的类型。
步骤五、数据帧提取部件利用像素扫描算法精确地获得每一盏LED灯的亮状态或灭状态。
步骤六、数据恢复部件将收到的二进制数据流解码成原始字符串。
本发明的有益效果：本发明可以充分利用智能手机的计算能力进行工作。结合图像处理技术和像素扫描算法，可以在不同方向和视角上实现快速并精确的帧类型判断和实时的数据解码。
附图说明
图1示出了一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构图；
图2示出了表示一个数据帧的LED点阵状态；
图3示出了接收端捕获LED点阵状态的示意图；
图4示出了表示一个数据帧的二值图像；
图5示出了从二值图像中获取所传输数据的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1示出了一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构图。主要包括发送端部分架构1和接收端部分架构2，发送端利用可见光信号3来传输信息，接收端则接收该信号并进行数据的读取。发送端用到的设备为Arduino Mega 2560和LED点阵，接收端用到的设备为智能手机以及安装在其上的应用软件Camera。该系统通过可见光信号进行通信。
发送端部分架构1包括数据帧构造部件10和LED点阵11。数据帧构造部件10对所要传输的数据进行编码处理，成为二进制数据流，并将其映射为LED灯的亮灭状态，即LED点阵11根据二进制数据流的内容，打开或关闭每一盏LED灯，例如：二进制比特位为“1”表示打开LED灯；为“0”表示关闭LED灯。
另一方面，接收端部分架构2包括相机缓存20、预处理部件21、数据帧提取部件22和数据恢复部件23。预处理部件21对捕获到的RGB图像进行裁剪，得到LED点阵部分的图像，并转化为灰度图像，然后使用阈值算法OTSU将灰度图像转化为二值图像。数据帧提取部件22完成旋转角度检测、帧类型判定、重复帧检测和提取数据的操作。数据恢复部件23对提取得到的数据进行解码处理，得到发送端所要传输的信息。
接下来，参照图2至图5对本发明的工作过程进行描述。
Arduino Mega 2560将需要传输的数据表示成二进制的形式并由LED点阵的亮灭表示。一个LED点阵所表示的数据称为一个帧，每个帧在LED点阵上的表示只保持一段较短的时间，过此时间段，LED点阵表示接下来的一个数据帧。用户打开智能手机上的Camera软件并将LED点阵置于扫描框内，由手机读取该LED点阵所表示的信息。一个时间段后，LED点阵表示接下来的一个数据帧，手机也以同样方式读取信息。在此过程中，手机会持续读取LED点阵所表示的信息，因此需要检测重复数据帧的步骤。以这种形式，可以实现利用可见光进行数据的实时传输。
图2示出了表示一个数据帧的LED点阵状态。LED点阵通过杜邦线与Arduino Mega2560相连，其上有8*8个LED灯。数据通过这64个LED灯的亮状态或灭状态来表示。首先，数据帧构造部件将所要传输的数据表示成二进制数据流。之后，将该二进制数据流映射到LED点阵，LED点阵就会以各个LED灯的亮灭来表示需要传输的数据。
图3示出了接收端捕获LED点阵状态的示意图。对手机相机捕获到的图像进行裁剪，只取LED点阵部分的图像，以减少计算开销。
裁剪后得到LED点阵部分的RGB图像。接下来，预处理部件将该RGB图像转化为灰度图像，并采用OTSU阈值化算法对该灰度图像进行阈值化处理，将图像中的LED灯从背景中分辨出来，最终将该灰度图像转化为二值图像。
图4示出了表示一个数据帧的二值图像。在采用OTSU算法进行阈值化处理后，二值图像上只有两个灰度值0和255，灰度值0，即白色，表示背景或LED灯未点亮；灰色值255，即黑色，表示LED灯点亮。
图5示出了从二值图像中获取所传输数据的示意图。数据恢复部件采用像素扫描算法将得到的二值图像分为8*8个小块，每个小块都是表示一个LED灯状态的图像。每个小块中，从最左上角的像素开始逐行读取像素值，直至最后一个像素，并累积计算黑色像素的个数。例如，以第一个小块为例，pxy为像素的位置，用x行y列表示。每个像素值都计算如下
Figure BDA0001569220750000041
其中P(pij)表示在x行y列位置的像素是黑色还是白色，1表示黑色，0表示白色。然后，计算在该小块内的黑色像素的数量
Figure BDA0001569220750000042
SP表示该小块内黑色像素的数量，n表示该小块的宽度和高度。将SP与设定的阈值作比较，如果大于所设定的阈值，则可判定在该小块内的LED灯是亮的状态。
对8*8个小块都做相同的处理，就能得出LED点阵所表示的二进制数据。接下来，由数据恢复部件对得到的二进制数据进行解码便可得到初始所要传输的字符串。
本发明是一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构，描述了该系统中包含的部件和实施该系统时用到的设备。该系统架构与相关通信协议结合，即可实现利用可见光来实现实时的数据通信。该系统在工作时，允许手机在不同的角度和视角上对LED点阵进行扫描，而且可以实时准确地完成数据读取。

Claims (6)

1.一种基于LED和手机相机的可见光通信系统中的系统架构，其包括发送端(1)和接收端(2)，其特征在于，
所述发送端包括：
数据帧构造部件(10)，用于对所要传输的数据进行编码，并将编码后的信息映射到LED点阵；以及
LED点阵(11)，用于根据从所述数据帧构造部件输出的所述编码信息来发送可见光信号；
所述接收端包括：
相机缓存(20)，用于缓存手机摄像头捕获到的图像信息；
预处理部件(21)，用于对所述摄像头捕获到的图像进行处理，以减少手机计算开销，提高数据读取效率；
数据帧提取部件(22)，用于完成从所述预处理部件得到的图像中获取数据帧信息；以及
数据恢复部件(23)，用于对所述数据帧提取部件得到的数据帧进行解码，得到原始传输的数据；
所述的数据帧构造部件采用Base64对已用ASCII表示的数据进行编码；
所述的数据帧提取部件通过检测旋转角度获得旋转角度，提取数据帧的头部信息，并判定帧类型和重复帧，得到数据帧信息；
所述的数据恢复部件对所述数据帧提取部件得出的数据帧进行Base64解码，得出ASCII编码；
所述的数据恢复部件对ASCII编码进行解码，得出原始传输的字符串信息。
2.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于：所述LED点阵将二进制数据用各个LED灯的亮灭状态表示出来。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统架构，其特征在于：所述LED点阵以一个灯阵列的状态表示一个数据帧。
4.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于：所述的预处理部件裁剪摄像头捕获的图像并处理成二值图像。
5.根据权利要求4所述的系统架构，其特征在于：所述的预处理部件采用阈值算法把裁剪后的RGB图像转化为二值图像。
6.根据权利要求1所述的系统架构，其特征在于：所述的数据帧提取部件根据所述预处理部件得出的二值图像，得到每一个LED点阵所表示的数据帧。
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