CN108471330B - 一种基于量化误差最小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量化误差最小化的隐式成像通信方法，包括，利用N个发光单元发送同一信号S；对未量化原始图像信号与信号S求和叠加，对叠加信号进行量化，并得出量化误差及其误差和，根据误差和对量化信号进行调整，采用调整后的量化电平信号发送波形信号。本发明利用多个发光单元量化误差之和最小化设计，提升了微弱信号的量化信噪比，降低了量化误差的影响；并且，本发明适用于对任意波形的量化发送。

Description

一种基于量化误差最小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量化误差最小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，一般采用传统信号量化、图像空间联合调制方法，传统量化方法对每个发光单元(像素)的信号进行独立量化，对于发送同一信号的多个发光单元(某一区域像素)求和后，总体量化误差取决于求和对象原始图像信号的相关性。

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，无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)，并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则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量化误差最小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，同时通过对嵌入信号与原始图像信号叠加后的量化误差分析，设计实现量化误差的最小化，避免量化误差对微弱信号质量(量化信噪比)的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种基于量化误差最小化的隐式成像通信方法，包括，

利用N个发光单元发送同一信号S；

对第n个发光单元的原始图像信号X_n ⁽ⁱ⁾与S⁽ⁱ⁾求和，得到叠加信号Y_n ⁽ⁱ⁾＝X_n ⁽ⁱ⁾+S⁽ⁱ⁾，其中，i表示时间序列上的第i帧图像，n∈[1,2…N]；

对第n个发光单元的信号Y_n ⁽ⁱ⁾进行量化，得到量化输出V_n ⁽ⁱ⁾，以及第n个发光单元处的量化误差U_n ⁽ⁱ⁾；

对量化误差求和，U₁ ⁽ⁱ⁾+U₂ ⁽ⁱ⁾…+U_N ⁽ⁱ⁾＝U₀ ⁽ⁱ⁾；

根据U₀ ⁽ⁱ⁾调整V_n ⁽ⁱ⁾，使得U₀ ⁽ⁱ⁾最小化；得出调整后第n个发光单元的量化输出V_n ⁽ⁱ⁾；采用调整后的量化电平V_n作为第n个发光单元的光强控制电平，发送波形信号。

作为优选实施例，根据U₀ ⁽ⁱ⁾调整V_n ⁽ⁱ⁾，使得U₀ ⁽ⁱ⁾最小化，具体为，

令M＝round(U₀)，其中round()表示四舍五入取整；

若M大于零，则令：

V₁＝V₁-1,V₂＝V₂-1…V_M＝V_M-1，V_M+1＝V_M+1,V_M+2＝V_M+2…V_N＝V_N；

若M小于零，则令：

V₁＝V₁+1,V₂＝V₂+1…V_-M＝V_-M+1，V_-M+1＝V_-M+1,V_-M+2＝V_-M+2…V_N＝V_N；

若M等于0，则不对V_n进行调整。

作为优选实施例，采用调整后的量化电平V_n作为第n个发光单元的光强控制电平，发送波形信号，具体为，

采用V_n对信号在时间轴上的所有波形值做相同的量化发送，并控制对应的发光单元在显示设备上显示发送信号。

进一步地，还包括，利用成像设备对显示设备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，得出对应时刻的发送信号波形值。

优选地，利用成像设备对显示设备产生的可见光信号进行接收，具体为，

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S。

具体地，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)量化误差之和最小化设计，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.已有的联合利用多个发光单元(像素)独立量化发送同一信号，能够满足各个发光单元(像素)自身的量化误差最小，而本发明的量化输出满足求和后的量化误差最小，对于原始图像信号而言，每一个发光单元(像素)的信号不同，因此每一个发光单元(像素)的量化误差最小能够得到最优的图像信号质量，而对于通信信号的传输而言，每一个发光单元(像素)的信号相同，因此求和后的量化误差最小能够得到更优的通信信号质量(量化信噪比)。

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。

本实施例提供一种用于成像通信的信息嵌入与传输方法，主要应用环境包括：利用可视图像的光信号实现信息嵌入与传输，同时对嵌入信息后信号的量化误差最小化设计，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，同时通过对嵌入信号与原始图像信号叠加后的量化误差分析，设计实现量化误差的最小化，避免量化误差对微弱信号质量(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)，该误差大小不超过0.5个电平，并在±0.5个电平范围内随机分布。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，相对于信号而言量化误差将越小。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，这时的量化误差最大值为0.5，信号幅度与误差幅度相差约200倍(信号最大值为255)，从通信信号传输的角度而言这时的误差通常是可以忽略的。

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。

在隐式通信中，最终发送信号是原始图像信号和发送信号波形的叠加，虽然数字化的原始图像信号通常是已量化的，但由于改变帧速率、限制频带范围、调整显示效果等对原始图像的处理，与发送信号叠加的处理后原始图像信号可能是连续取值的。因此这时量化对象是叠加后的信号波形，即量化误差将与原始图像有关。原始图像幅度(功率)较大(远大于量化误差)，可认为其信号质量(量化信噪比)较高；而嵌入信号波形较为微弱(2-4电平)，在量化误差(0.5电平)影响下信号质量(量化信噪比)较低。

成像通信中一般利用多个发光单元(某一区域内的多个像素)发送同一信号，由于所叠加原始图像的影响，这时每个发光单元(像素)的信号幅度具有随机性，从而量化误差在±0.5个电平范围具有随机性。这种随机性使得对区域内所有发光单元(像素)求和后，量化误差之和(统计平均)趋于0，可大大降低量化误差的影响。然而实际图像信号往往不具有像素级别充分的随机性，尤其在一个较小的区域内通常显示出较强的规律性，这时对区域内所有发光单元(像素)求和后，量化误差之和的绝对值可能较大，即量化误差的影响仍然较大。

本发明通过对发送同一信号多个发光单元(某一区域像素)的量化误差之和进行统计，并调整各发光单元(像素)的量化输出电平，从而降低量化误差(噪声)对嵌入信号的影响提高量化信噪比。具体的，对区域内每个发光单元(像素)的量化误差求和，若量化误差之和为正，则相应减小若干发光单元的量化值，若为负，则相应增加若干发光单元的量化值，从而实现量化误差之和的绝对值最小化，进而改善量化后嵌入微弱信号的质量。

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；

通过量化误差最小化设计，使得多个发光单元量化误差之和最小化；

原始图像信号和发送信号叠加后进行量化，而后通过数字化显示设备显示发送。

本发明基本步骤如图1所示，具体如下：

1.利用某一区域内共N个发光单元(像素)发送同一信号S，将第n个发光单元(像素)的原始图像信号X_n ⁽ⁱ⁾与S⁽ⁱ⁾求和，得到叠加后信号Y_n ⁽ⁱ⁾＝X_n ⁽ⁱ⁾+S⁽ⁱ⁾。其中上标‘i’表示时间序列上的第i帧图像。

2.对第n个发光单元(像素)的信号Y_n ⁽ⁱ⁾进行量化得到量化输出V_n ⁽ⁱ⁾，n∈[1,2…N]，以及第n个发光单元(像素)处的量化误差U_n ⁽ⁱ⁾，n∈[1,2…N]；

对量化误差求和，U₁ ⁽ⁱ⁾+U₂ ⁽ⁱ⁾…+U_N ⁽ⁱ⁾＝U₀ ⁽ⁱ⁾。根据U₀ ⁽ⁱ⁾调整V_n ⁽ⁱ⁾，使得U₀ ⁽ⁱ⁾最小化。得到调整后第n个发光单元(像素)的量化输出V_n ⁽ⁱ⁾。其中上标‘i’表示时间序列上的第i帧图像。

一种设计方法举例如下：

计算M＝round(U₀)，其中round()表示四舍五入取整，由于任一量化误差U_n小于0，所以U₀和M的绝对值均小于N；

若M大于零，可令：

V₁＝V₁-1,V₂＝V₂-1…V_M＝V_M-1，V_M+1＝V_M+1,V_M+2＝V_M+2…V_N＝V_N。

若M小于零，可令：

V₁＝V₁+1,V₂＝V₂+1…V_-M＝V_-M+1，V_-M+1＝V_-M+1,V_-M+2＝V_-M+2…V_N＝V_N。

若M等于0，则不对V_n进行调整。

用调整后的量化电平V_n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。

3.利用V_n ⁽ⁱ⁾控制对应的发光单元(像素)在显示设备上显示发送。

4.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将对相应N个发光单元的信号求和得到发送信号S(包含残余量化误差以及其他噪声)。

消除原始图像信息的方法可采用：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。

本发明提出的量化误差最小化的隐式可见光成像通信。主要特点与优点包括：

1.利用多个发光单元(像素)的联合，考虑了原始图像信号对量化误差的影响，从而实现量化误差之和的最小化，得到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)

1.一种基于量化误差最小化的隐式成像通信方法，其特征在于：包括，

利用N个发光单元发送同一信号S；

对第n个发光单元的原始图像信号X_n ⁽ⁱ⁾与S⁽ⁱ⁾求和，得到叠加信号Y_n ⁽ⁱ⁾＝X_n ⁽ⁱ⁾+S⁽ⁱ⁾，其中，i表示时间序列上的第i帧图像，n∈[1,2…N]；

对第n个发光单元的信号Y_n ⁽ⁱ⁾进行量化，得到量化输出V_n ⁽ⁱ⁾，以及第n个发光单元处的量化误差U_n ⁽ⁱ⁾；

对量化误差求和，U₁ ⁽ⁱ⁾+U₂ ⁽ⁱ⁾…+U_N ⁽ⁱ⁾＝U₀ ⁽ⁱ⁾；

根据U₀ ⁽ⁱ⁾调整V_n ⁽ⁱ⁾，使得U₀ ⁽ⁱ⁾最小化具体为，

M＝round(U₀)，其中round()表示四舍五入取整；

若M大于零，则令：

V₁＝V₁-1,V₂＝V₂-1…V_M＝V_M-1，V_M+1＝V_M+1,V_M+2＝V_M+2…V_N＝V_N；

若M小于零，则令：

V₁＝V₁+1,V₂＝V₂+1…V_-M＝V_-M+1，V_-M+1＝V_-M+1,V_-M+2＝V_-M+2…V_N＝V_N；

若M等于0，则不对V_n进行调整；得出调整后第n个发光单元的量化输出V_n ⁽ⁱ⁾；

采用调整后的量化电平V_n作为第n个发光单元的光强控制电平，发送波形信号。

2.根据权利要求1所述的隐式成像通信方法，其特征在于：采用调整后的量化电平V_n作为第n个发光单元的光强控制电平，发送波形信号，具体为，

采用V_n对信号在时间轴上的所有波形值做相同的量化，并控制对应的发光单元在显示设备上显示发送信号。

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，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：利用成像设备对显示设备产生的可见光信号进行接收，具体为，

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S。

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。

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