CN109671037B - 一种面向可见光通信的光源识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种面向可见光通信的光源快速识别方法，并设计了相应的多光源跟瞄系统，保证多光源场景收发端快速移动情况下可见光通信链路的可靠性。其中，发送端光源发送曼彻斯特编码后的标签信号，接收端用高速相机采集图像，采用相邻帧差分及连通域识别/筛选/统计分析的方案，将图像帧分类为标签序列时钟同步帧与码元识别帧，结合目标光源的先验位置信息与同步帧中光源的最新位置形状信息，实时更新识别帧中的搜索区域，并在标签序列识别完成之前对目标光源进行跟踪，实现对光源的快速识别及对目标光源的快速检测与跟踪。

Description

一种面向可见光通信的光源识别方法及系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种面向可见光通信的光源识别方法及系统。

背景技术

目前，采用LED光源的可见光通信以其绿色、高速、安全、成本低、频谱宽、容量大、无需授权等诸多优点，迅速引起了学术界及产业界的关注。

可见光通信可以应用在室内、室外、水下等诸多场景中。其中，在一些场景中，需要对可见光通信的光源进行识别，但如何实现快速、准确的光源识别成为问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种面向可见光通信的多光源快速识别方法及系统，以达到快速、准确的进行光源识别的目的，技术方案如下：

一种面向可见光通信的光源识别方法，基于发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述发送端光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，所述方法包括：

采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域；

判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在所述前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入对应的连通域信息寄存器中；

在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像；

若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域；

若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域；

若检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为“1”，并写入标签序列码元寄存器中；

若未检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为“0”，并写入标签序列码元寄存器中；

若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

优选的，所述方法还包括：

若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则清空所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息。

优选的，所述方法还包括：

若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

优选的，所述方法还包括：

若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

一种面向可见光通信的光源识别系统，基于发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述发送端光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，所述系统包括：

差分模块，用于采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

第一检测模块，用于对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域；

连通域筛选模块，用于判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在所述前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入连通域信息寄存器中；

分类模块，用于在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像；

感兴趣区域设置模块，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域；

第二检测模块，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域，若检测到，则执行第一记录模块，若未检测到，则执行第二记录模块；

所述第一记录模块，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为1，并写入标签序列码元寄存器中；

所述第二记录模块，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为0，并写入标签序列码元寄存器中；

第一确定模块，用于若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

优选的，所述系统还包括：

清空模块，用于若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则清空所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息。

优选的，所述系统还包括：

终止模块，用于若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

优选的，所述系统还包括：

第二确定模块，用于若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

跟踪模块，用于对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

在本申请中，发送端光源发送曼彻斯特编码后的标签序列，接收端采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集图像，并采用相邻帧差分的方式得到相邻两幅图像中亮度发生变化的区域并进行连通域识别与筛选，进一步根据差分图像中的连通域的信息，将接收端采集到的图像分类为标签序列时钟同步帧与标签序列码元识别帧；并根据新采集到的标签序列时钟同步帧中连通域的位置及形状信息，更新用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域，缩小光源的连通域的识别范围，来加快光源识别的速度，并且保证光源检测的准确性，并判断移位寄存器中标签序列与目标光源的标签序列是否相同，来确定近似光源连通域是否为目标光源的亮度连通域，完成光源的准确识别。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的面向可见光通信的光源识别方法的一种流程图；

图2是本申请提供光源跟瞄系统的一种逻辑结构示意图；

图3是本申请提供不同类型的目标光源的示意图；

图4是本申请提供的面向可见光通信的光源识别系统的一种逻辑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例公开了一种面向可见光通信的多光源快速识别方法，并设计了相应的多光源跟瞄系统。发送端光源发送曼彻斯特编码后的低频标签信号，接收端用高速相机采集图像，采用相邻帧差分的方式得到相邻两幅图像中亮度发生变化的区域并进行连通域识别与筛选，进一步通过对差分图像序列中的连通域进行统计分析，将高速相机采集到的图像帧序列分类为同步帧与识别帧；本申请结合目标光源的先验位置信息与同步帧中新检测到的连通域的位置、形状信息，自动更新识别帧中目标光源的搜索区域，并在标签序列识别完成之前，对最新同步帧中的特定连通域进行快速跟踪，实现对多光源的快速识别及对目标编码光源的快速跟踪。

接下来对本申请实施例公开的面向可见光通信的多光源快速识别方法进行介绍，请参见图1。需要说明的是，面向可见光通信的多光源快速识别方法的前提是发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述光源身份标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，面向可见光通信的多光源快速识别方法可以包括：

S1、采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域。

本步骤中，前一帧图像指的是当前目标图像的前一帧图像。

采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，可以保证光源的每一次亮或灭均能被采集到。

所述光源在目标序列的驱动下亮或灭，所述目标序列为对所述光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，保证接收端可以从相邻两帧目标图像中检测到光源亮灭的跳变及提取出两帧目标图像的亮度变化区域。如，光源的标签序列码元为“0”，则对“0”进行曼彻斯特编码后得到的序列为“01”，其中，光源在“01”的驱动下，表现为“灭→亮”，则在相邻两帧目标图像中可以检测到光源从灭到亮的跳变，并可以提取出两帧目标图像的亮度变化区域。

由于常亮光源或其他背景物体不存在亮度变化，而闪烁的光源存在亮度变化，因此可以将采集到的相邻两帧历史目标图像进行差分，并从差分图像中获取亮度变化的区域，以区分闪烁的光源与常亮光源及其他背景，从而便于后续光源的识别。

需要说明的是，亮度发生变化的区域有两类，一类是曼彻斯特编码过后的单个标签信息“10”或“01”内部电平跳变导致的光源亮度变化，另一类是曼彻斯特编码过后的多个相同标签信息“1010”或“0101”之间电平跳变导致的光源亮度变化。

光源可以包括但不局限于：可见光光源。

光源的标签序列可以理解为：光源的身份信息。

S2、对步骤S1得到的图像进行连通域检测，以获得易于识别的连通域：即对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域。

对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，可以包括：

对所述亮度变化的区域进行滤波、二值化、腐蚀及膨胀处理，得到第一亮度连通域。

滤波类型可以为高斯滤波、均值滤波或中值滤波。

二值化的阈值可以设置为固定值或根据多幅图像中的平均像素灰度值进行动态设定。

腐蚀和膨胀处理顺序及次数根据图像质量设置。如，具体实现时，滤波类型可以选为高斯滤波，图像二值化阈值为动态设定，腐蚀膨胀进行3次。

S3、对步骤S2后得到的连通域进行识别、筛选及记录：即判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在所述前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入对应的连通域信息寄存器中，并执行步骤S4。

优选的，设定条件可以为：设定光斑的面积、周长及宽高比。设定光斑可以通过光源在图像中的面积、周长及宽高比等先验信息确定。

在本步骤中，还可以执行以下过程：

若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则表明两帧时间内均未检测到曼彻斯特编码过的光源，清空所有所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息，并结束光源识别过程。

S4、根据步骤S3得到的多个连通域的位置及形状信息，将高速相机采集到的图像分类为标签序列时钟同步帧及标签序列码元识别帧：

即，在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像。

如，在前2l帧目标图像内，在奇数帧时均能检测到某连通域且连通域的位置及形状变化处于在一定范围内(即，近似亮度连通域)，则把奇数帧设置为连通域的标签序列时钟同步帧，同时把偶数帧设置为连通域的标签序列码元识别帧；或，在前2l帧目标图像内，在偶数帧时均能检测到某连通域且连通域的位置及形状变化处于在一定范围内，则把偶数帧设置为连通域的标签序列时钟同步帧，同时把奇数帧设置为连通域的标签序列码元识别帧。其中，l为大于0的整数，为光源标签序列的长度。

当然，若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

S5、根据步骤S4的分类结果，判断当前帧目标图像的类型：

若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并执行步骤S6；若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并执行步骤S7。

S6、划定码元检测的感兴趣区域(ROI)并决定是否跟踪。

具体可以包括：

S61、根据连通域信息设置ROI：

结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域。

各个所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息从步骤S3中连通域信息寄存器中存储的连通域信息中获得。

当然，在本步骤中，还可以包括以下步骤：

S62、通过判断当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像内是否检测到目标标签序列，来决定是否跟踪：

目标标签序列，可以理解为：目标光源的标签序列。

预设帧数可以设置为2l。

判断当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像内是否检测到目标标签序列，具体可以为：

判断所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域。

若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

可以理解的是，通过判断所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，并决定对其进行跟踪，可以实现对目标光源的快速跟踪。

若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中不存在被认定为目标光源连通域的连通域，则不跟踪，并终止光源识别过程。

S7、识别标签序列码元信息并记录：

本步骤中通过在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域来识别标签序列码元信息。

若检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为“1”，并写入标签序列码元寄存器中。

其中，标签序列码元寄存器可以设置为位宽1bit且深度为l的移位寄存器。

若未检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为“0”，并写入标签序列码元寄存器中。

S8、通过判断在标签序列码元寄存器中是否检测到目标标签序列，来进行目标光源判定：

判断在标签序列码元寄存器中是否检测到目标标签序列，具体可以为：

判断标签序列码元寄存器中的码元序列是否与目标光源的标签序列相同。

若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则可以确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列不相同，则可以确定所述近似光源连通域不是目标光源的连通域。

在确定出近似光源连通域为目标光源的连通域，或所述近似光源连通域不是目标光源的连通域后，结束光源识别过程。

可以理解的是，步骤S1-S8介绍的对一个光源进行识别的过程，在对多个光源进行识别的场景下，可以分别采用步骤S1-S8的过程来识别各个光源。

在本申请中，发送端的光源发送曼彻斯特编码后的标签序列，接收端采用相匹配的采集频率采集图像，并采用相邻帧差分的方式得到相邻两幅图像中亮度发生变化的区域并进行连通域识别与筛选，进一步根据差分图像中的连通域的信息，将接收端采集到的图像分类为标签序列时钟同步帧与标签序列码元识别帧；并根据新采集到的标签序列时钟同步帧中连通域的位置及形状信息，更新用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域，缩小光源的连通域的识别范围，来加快光源识别的速度，并且保证光源检测的准确性，并判断移位寄存器中标签序列与目标光源的标签序列是否相同，来确定近似光源连通域是否为目标光源的亮度连通域，完成光源的准确识别。

本方法光源检测鲁棒性好。采用对标签序列曼彻斯特编码并用相邻帧差分的方式对多光源进行识别，每两帧更新一次图像中的光源检测位置(即感兴趣区域)，即便光源在图像中位移过大，仍然能够确保在多光源中识别出目标光源。

定位精度高。通过曼彻斯特编码及相邻帧差分方法得到的光源中心位置即检测到的目标光源的真实位置。

存储资源使用量少。对于长度为l的标签序列、分辨率M×N的图像，若相邻两帧分别检测到m、n个曼彻斯特编码后的光源，仅需要m+n个位宽1bit深度l的移位寄存器来存储光源标签序列信息及m+n个位宽60bit深度l的寄存器来存储连通域的位置及形状信息。图像分辨率越高，采用本方法节省的存储资源越多。

跟踪响应频率高。对于长度为l的标签序列，除第一次需要采集2l帧图像来检测目标光源外，接下来的检测过程仅需要2帧便可以对目标光源进行跟踪，即若某一连通域被认定为目标光源，在下一次标签序列检测完毕之前仍然对该连通域进行跟踪。

参见步骤S1-S8，在本申请的另一个实施例中，介绍多光源识别过程，具体可以包括：

S11、采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

S12、对步骤S11得到的图像进行滤波、二值化、腐蚀、膨胀等处理，以获得易于识别的连通域；

S13、对步骤S12得到的连通域进行识别、筛选及记录：根据图像中光斑的面积、周长、宽高比等先验信息进行连通域筛选，选出所有符合条件的连通域；对于所有筛选出的连通域，若某连通域Cx仅在当前帧检测到且之前两帧内未被检测到，则新建寄存器Rx用以存储连通域Cx的位置及形状信息，执行步骤S4；若连通域Cx在当前帧及前两帧内均被检测到，则追加存储连通域Cx的位置及形状信息到已有寄存器Rx，执行步骤S14；若当前帧图像与前一帧图像中均未检测到任何符合上述条件的连通域，表明两帧时间内未检测到曼彻斯特编码过的光源，清空所有连通域信息寄存器及标签序列码元寄存器，结束在当前帧中的多光源识别过程；

S14、根据步骤S13得到的多个连通域的位置形状信息把高速相机采集到的图像序列分类为不同光源的标签序列时钟同步帧及标签序列码元识别帧：对于步骤S3检测到的多个连通域，若此前2l帧内，在奇数帧(或偶数帧)时均能检测到某连通域Cx且连通域Cx的位置及形状变化处于在一定范围内，则把奇数帧(或偶数帧)设置为连通域Cx的标签序列时钟同步帧，同时把偶数帧(或奇数帧)设置为连通域Cx的标签序列码元识别帧，执行步骤S15；若此前2l帧内，在偶数帧时均能检测到某连通域Cx且连通域Cx的位置及形状变化处于在一定范围内，则把偶数帧设置为连通域Cx的标签序列时钟同步帧，同时把奇数帧设置为连通域Cx的标签序列码元识别帧，执行步骤S15；否则，终止在当前帧中的多光源识别过程；

S15、根据步骤S14的分类结果，判断当前帧的类型：若当前帧为多光源中光源Lx的标签序列时钟同步帧，执行步骤S16；若当前帧为多光源中光源Lx的标签序列码元识别帧，执行步骤S17；

S16、划定码元检测的感兴趣区域(ROI)并决定是否跟踪：根据步骤S3中得到的多个连通域信息，设置下一帧中码元识别的感兴趣区域；若当前帧的前2l帧内，步骤S13得到的多个连通域内存在某连通域Cx曾被认定为是目标光源，则对当前帧中连通域Cx的中心位置进行跟踪，否则不跟踪；该帧中的多光源识别过程结束；

S17、识别标签序列码元信息并记录：对于上一帧(标签序列时钟同步帧)图像步骤S16划定的码元识别感兴趣区域，若能在当前帧的感兴趣区域ROIx内检测到连通域Cx，则记录当前帧中光源Lx的标签序列码元为“1”；若不能在当前帧内感兴趣区域ROIx内检测到连通域Cx，则记录当前帧中光源Lx的标签序列码元为“0”；并写入位宽1bit、深度为l的移位寄存器SRx进行记录；

S18、目标光源判定：对于所有的码元记录移位寄存器，若移位寄存器SRx中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则认定连通域Cx是目标光源，该帧中的光源检测过程结束；若移位寄存器SRx中的码元序列与目标光源的标签序列不相同，则认定连通域Cx不是目标光源，该帧中的光源检测过程结束。

在本申请的另一个实施例中，提供了一种应用上述多面向可见光通信的光源识别方法的编码光源跟瞄系统，请参见图2，所述系统包括光信号发送装置与光信号接收装置。

光信号发送装置主要包括：低频跟踪光源、低频跟踪光源前的跟踪信号生成与处理模块、高频通信光源、高频通信光源前的通信信号采集与处理模块。

低频跟踪光源与跟踪信号生成与处理模块连接；高频通信光源与通信信号生成与处理模块连接；低频跟踪光源处于高频通信光源的对称中心。

1、跟踪信号生成与处理模块，用于生成目标LED光源所需的标签序列，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。

本发明实施例中，跟踪信号生成与处理模块主要包括标签序列编码模块与低频跟踪光源驱动模块，其中：

所述标签序列编码模块，用于对标签序列进行曼彻斯特编码，标签序列长度为l，“0”发送“01”，“1”发送“10”；示例性的，具体实现中，标签序列长度为16，标签序列码元发送速率为100bps；

所述低频跟踪光源驱动模块，用于将所述标签序列编码模块的输出结果转变为驱动低频跟踪光源亮灭的高低电平，加载到低频跟踪光源上，并持续重复发送。

2、低频跟踪光源，用于发送低频跟踪信号光。如图3所示，低频跟踪光源位于轴对称/中心对称形状高频通信光源的对称中心。示例性的，具体实现中，可以采用单个圆形LED交通灯中的中心位置几个LED灯珠作为低频跟踪光源，或汽车远光灯直排LED阵列中的中间位置灯珠作为低频跟踪光源。

3、通信信号生成与处理模块，用于生成加载到高频通信光源上的高频通信信号。

本发明实施例中，通信信号生成与处理模块主要包括：高频通信信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块、直流偏置模块，其中：

所述高频通信信号生成模块，用于采集或生成用户待发送的高频数字信号；示例性的，具体实现中，该模块可以为视频摄像头采集到的视频信号，或为从本地电脑/网络端采集到的文本、音频、图片、视频数据；

所述数模转换模块，用于将所述高频通信信号生成模块输出的数字信号转换为模拟信号；

所述放大均衡模块，用于对所述数模转换模块输出的模拟信号进行放大及均衡；

所述直流偏置模块，用于对所述放大均衡模块的输出结果添加直流偏置，输出结果为高频通信光源提供直流工作电压。

4、高频通信光源，用于发送高频通信信号光。如图3所示，高频通信光源可以选择为中心对称/轴对称形状的光源。示例性的，具体实现中，可以采用单个圆形LED交通灯中的除中心位置几个LED灯珠外的所有灯珠作为高频通信光源，或汽车远光灯直排LED阵列中除中间位置外的灯珠作为高频通信光源。

本发明实施例中，光信号接收装置主要包括：光信号接收模块、LED编码光源快速检测模块、两轴旋转台、电机、电机控制模块、高频通信信号恢复模块。

如图2所示，光信号接收模块设置于两轴旋转台上；光信号接收模块中的高速相机、LED编码光源快速检测模块、电机控制模块、电机、两轴旋转台依次连接；光接收模块中的光电探测器与高频通信信号恢复模块连接。

1、光信号接收模块，用于接收低频跟踪信号光及高频通信信号光。

本发明实施例中，光信号接收模块主要包括：高速相机及相机镜头、光电探测器及光学天线、分光片，其中：

所述高速相机及相机镜头，用以接收低频跟踪信号光；相机帧率为标签序列发送速率的2倍，并根据系统使用场景选择不同焦距的相机镜头；示例性的，具体实现中，相机帧率为200fps，确保每一个编码过后的标签序列码元都能被检测到；示例性的，5m以内采用广角镜头，10m以内采用普通镜头，10m以外采用长焦镜头；

所述光电探测器及光学天线，用以接收高频通信信号光；光学天线可以对高频通信信号光进行汇聚，从而提高接收到的通信信号光的功率及信噪比，为系统远距离可见光通信提供可能；光电探测器可以把接收到的高频通信信号光转换为电信号；示例性的，具体实现中，光学天线采用焦距50mm、直径50mm的平凸透镜，光电探测器采用高灵敏度、高增益、高信噪比的雪崩光电二极管；

所述分光片，用于将入射光束分为两束，两束光分别射入高速相机及光电探测器；所述入射光束为低频跟踪信号光与高频通信信号光的光域叠加；分光片的分光比可以根据实际需求自由选择；示例性的，具体实现中，分光片的分光比为80:20，80％的光被反射到光电探测器中，20％的光透过分光片进入高速相机，在确保相机可以拍摄到目标LED光源的情况下增大射入光电探测器的光功率；

2、多光源快速识别模块，在FPGA平台上实现，实现过程为流水线操作，是一种采用上述多光源快速识别方法的LED编码光源快速识别方案。所述多光源快速识别方法步骤S15中，对当前帧中目标光源连通域Cx的中心位置进行跟踪具体体现为反馈连通域Cx的中心坐标给电机运行控制模块；步骤S17中，同时记录多个光源的标签序列码元信息，实现多光源的同步识别。

3、电机控制模块，用于控制电机旋转。

本发明实施例中，所述光信号接收装置中的电机控制模块包括：电机运行控制模块及电机运行驱动模块，其中：

所述电机运行控制模块，用于将所述LED编码光源快速检测模块的输出结果，即目标光源在图像中的像素坐标，转换为目标光源相对于光信号接收装置的方位角，并转换为控制电机运行的方向信号及脉冲信号；

所述电机运行驱动模块，用于将所述电机运行模块输出的方向信号及脉冲信号转换为电机运行需要的电压信号及电流信号。

4、电机，用于驱动两轴旋转台旋转。电机的响应时间越短、旋转速度越快，系统的跟踪频率及跟踪频率也越快。示例性的，具体实现中，可以采用两个响应时间为5ms的伺服电机，转速为3600r/min。

5、两轴旋转台，用以承载光信号接收模块，带动光电探测器瞄准目标光源。两轴旋转台由水平旋转轴及俯仰旋转轴构成，两轴分别在所述两个伺服电机驱动下旋转。

6、高频通信信号恢复模块，用于恢复高频通信信号。

本发明实施例中，所述光信号接收装置中的高频通信信号恢复模块，包括：放大滤波模块、模数转换模块、高频通信信号解调模块。其中：

所述放大滤波模块，用于将光电探测器接收到的模拟信号进行放大及滤波；

所述模数转换模块，用于将所述放大滤波模块的输出结果转换为数字信号；

所述高频通信信号解调模块在FPGA平台上实现，用于将所述模数转换模块的输出结果进行解调，得到发送端发送的文本、音频、图片、视频等业务数据。

接下来对本申请提供的面向可见光通信的光源识别系统光源识别系统进行介绍，下文介绍的面向可见光通信的光源识别系统光源识别系统与上文介绍的光源识别方法面向可见光通信的光源识别方法可相互对应参照。

需要说明的是，面向可见光通信的光源识别系统，基于发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述发送端光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，请参见图4，光源识别方法面向可见光通信的光源识别系统包括：差分模块11、第一检测模块12、连通域筛选模块13、分类模块14、感兴趣区域设置模块15、第二检测模块16、第一记录模块17、第二记录模块18和第一确定模块。

差分模块11，用于采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

第一检测模块12，用于对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域；

连通域筛选模块13，用于判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在所述前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入对应的连通域信息寄存器中；

分类模块，用于在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像；

感兴趣区域设置模块14，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域；

第二检测模块15，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域，若检测到，则执行第一记录模块16，若未检测到，则执行第二记录模块17；

所述第一记录模块16，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为1，并写入标签序列码元寄存器中；

所述第二记录模块17，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为0，并写入标签序列码元寄存器中；

第一确定模块18，用于若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

本实施例中，上述面向可见光通信的光源识别系统还可以包括：

清空模块，用于若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则清空所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息。

本实施例中，上述面向可见光通信的光源识别系统还可以包括：终止模块，用于若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

本实施例中，上述面向可见光通信的光源识别系统还可以包括：

第二确定模块，用于若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

跟踪模块，用于对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本申请所提供的一种面向可见光通信的光源识别方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种面向可见光通信的光源识别方法，其特征在于，基于发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述发送端光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，所述方法包括：

采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域；

判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入对应的连通域信息寄存器中；

在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像；

若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域；

若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域；

若检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为1，并写入标签序列码元寄存器中；

若未检测到，则记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为0，并写入标签序列码元寄存器中；

若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则清空所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

5.一种面向可见光通信的光源识别系统，其特征在于，基于发送端光源发送目标序列，所述目标序列为对所述发送端光源的标签序列进行曼彻斯特编码后的序列，所述系统包括：

差分模块，用于采用帧率与发送端光源发送目标序列的频率相匹配的高速相机采集目标图像，并将所述目标图像与前一帧图像进行差分，从差分图像中获取亮度变化的区域；

第一检测模块，用于对所述亮度变化的区域进行亮度连通域检测，得到第一亮度连通域；

连通域筛选模块，用于判断所述第一亮度连通域是否符合设定条件，若是，将所述第一亮度连通域作为近似光源连通域；若所述近似光源连通域在所述目标图像中检测到且在前两帧图像中未被检测到，则新建连通域信息寄存器将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入；若所述近似光源连通域在所述目标图像及前两帧图像中均被检测到，则将所述近似光源连通域的位置及形状信息存入对应的连通域信息寄存器中；

分类模块，用于在采集到的目标图像的帧数达到预设帧数时，根据所述连通域信息寄存器中存储的连通域信息，判断所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中是否均能检测到所述近似光源连通域，若是，将相隔一帧的各个目标图像作为标签序列时钟同步帧图像，并将所述预设帧数的目标图像中剩余的各帧图像作为标签序列码元识别帧图像；

感兴趣区域设置模块，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列时钟同步帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列时钟同步帧，并结合所述当前及之前多帧所述标签序列时钟同步帧图像中亮度连通域的位置及形状信息，预测亮度连通域在下一帧采集图像中的位置及形状信息，并根据预测结果设置用于下一帧目标图像进行码元识别的感兴趣区域；

第二检测模块，用于若采集到的当前帧目标图像与所述标签序列码元识别帧图像的类型相同，则确定所述当前帧目标图像为标签序列码元识别帧，并在所述当前帧目标图像中感兴趣区域内检测是否存在所述近似光源连通域，若检测到，则执行第一记录模块，若未检测到，则执行第二记录模块；

所述第一记录模块，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为1，并写入标签序列码元寄存器中；

所述第二记录模块，用于记录所述当前帧目标图像中光源的标签序列码元为0，并写入标签序列码元寄存器中；

第一确定模块，用于若所述标签序列码元寄存器中的码元序列与目标光源的标签序列相同，则确定所述近似光源连通域为目标光源的连通域。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

清空模块，用于若所述近似光源连通域在所述目标图像及前一帧图像中均未被检测到，则清空所述连通域信息寄存器及所述标签序列码元寄存器中的信息。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

终止模块，用于若所述预设帧数的目标图像中相隔一帧的各个目标图像中未能均检测到所述近似光源连通域，则终止光源识别。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二确定模块，用于若所述当前帧目标图像之前的预设帧数的目标图像中近似光源连通域中存在被认定为目标光源连通域的连通域，则将被认定为目标光源连通域的连通域作为目标连通域；

跟踪模块，用于对所述当前帧目标图像中与所述目标连通域匹配的区域的中心位置进行跟踪瞄准。

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