CN110429981B - 基于led显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法 - Google Patents

基于led显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法，系统包括隐藏信息输入模块、显示内容输入模块、信息植入与信号调制模块、LED显示驱动模块、LED显示屏、高速光电传感/探测器以及信号解调及信息提取模块，所述隐藏信息输入模块、显示内容输入模块分别与信息植入与信号调制模块相连，信息植入与信号调制模块又与显示驱动模块、LED显示屏相连；所发出的可见光信号通过空间信道传播后为高速光电传感/探测器所接收并转换为电信号，同时所述高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连；本发明具有一屏两用、信息隐藏、节约资源的优势，可用于隐藏广告、公共信息推送、交通信息指引、会议电子手册等。

Description

基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法
技术领域
本发明涉及光通信和图像识别领域，具体涉及基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法。
背景技术
LED显示屏被广泛应用于广告媒体、体院场馆、舞台背景、市政工程等领域，已经成为LED应用领域最为成熟的一个细分市场。经过多年发展，LED显示屏应用技术已经取得了长足的进步，小间距、异形屏、功能屏成为了新的增长需求点。
与此同时，随着LED半导体光源技术的发展和应用，基于LED的可见光通信作为一种新型的短距离无线通信技术已成为未来室内重要的无线接入技术之一。可见光通信以可见光作为信号载体，通过调制LED使其发出人眼难以察觉的快速明暗闪烁光信号以实现无线光通信功能，使得LED光源具有发光与通信两用的优势。
LED显示屏上通常都包含了多个LED发光/显示元件，这些元件同样可以被用于实现可见光通信，从而实现显示和通信两用的功能。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统及方法，利用可见光通信技术将隐藏信息快速调制到LED显示元件上，使其在正常显示图像/视频的同时广播人眼难以察觉的快速明暗闪烁信号，从而同时实现显示和通信功能，并且信息传输不为人眼所察觉，达到隐藏信息传输的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统，包括隐藏信息输入模块、显示内容输入模块、信息植入与信号调制模块、LED显示驱动模块、LED显示屏、高速光电传感/探测器以及信号解调及信息提取模块，所述隐藏信息输入模块、显示内容输入模块分别与信息植入与信号调制模块相连，信息植入与信号调制模块又与显示驱动模块、LED显示屏相连，将待发送信号调制到LED显示屏的显示元件上发出可见光信号；所发出的可见光信号通过空间信道传播后为高速光电传感/探测器所接收并转换为电信号，同时所述高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连；
所述隐藏信息输入模块，用于输入待隐藏传输的较高速率的数字信息；
所述显示内容输入模块，用于输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容；
所述信息植入与信号调制模块，用于将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上；
所述LED显示驱动模块，用于将合成调制信号驱动LED显示屏的显示元件；
所述LED显示屏，其显示元件受合成调制信号驱动发光，从而显示图像/视频内容，同时以人眼察觉不到的闪烁信号广播隐藏信息；
所述高速光电传感/探测器，用于获取LED显示屏所发出的可见光信号，所获取的光信号中包含了较低速率的图像/视频显示内容以及较高速率的隐藏信息；
所述信号解调及信息提取模块，用于解调高速光电传感/探测器所接收到的可见光信号以恢复合成信号，并从合成信号中提取还原隐藏的信息。
作为优选的技术方案，所述信号解调及信息提取模块的解调过程包括包络检波和采样判决，当高速光电传感器/探测器接收到LEDi(t)信号后，对LEDi(t)信号进行处理，先经过包络检波得到包络波形，然后再经过抽样判决，确定接收码元是“1”还是“0”；假设判决门限为d，当信号抽样设置大于d时，判决为“1”码；当信号抽样值小于d时，判决为“0”码，判决完成后得到调制信号si(t)，最后输出隐藏的信息。
作为优选的技术方案，所述高速光电传感器/探测器采用CMOS图像传感器，由于卷帘效应，存在时分复用，因此获得的一帧图片包含不同时刻的信号，即为a波形，所以只需要对图片进行处理就能还原隐藏的信息，具体过程：先对其获得的图片灰度化只留下亮度信息，然后进行滤波处理，从而抑制噪声，得到的是b波形，再设定阈值对图片进行二值化，得到的是c波形，便于后面的信号提取，二值化公式为：
Figure BDA0002165929480000031
其中，T为选取的阈值，fi为原始图像，gi表示二值化后的结果；
得到二值化的结果后，只需要提取明暗信息，即为隐藏的“1”、“0”信息了，解码后就得到隐藏信息输入模块所隐藏的信息了。
作为优选的技术方案，所述隐藏信息输入模块先把待传输的隐藏信息转换成二进制的“0”、“1”信号。
作为优选的技术方案，所述信息植入与信号调制模块的信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1，Ｎ]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，Ｎ为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化；si(t)为二进制数字信号，取值为“0”或“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure BDA0002165929480000041
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能。
作为优选的技术方案，所述LED显示屏是支持快速刷新的LED显示屏，在合成调制信号LEDi(t)的控制下令像素点i随时间t发出快速明暗闪烁的可见光信号，且像素点的快速明暗变化不为人的肉眼所察觉，从而在显示图像/视频帧像素点内容的同时广播所携带的隐藏信息。
本发明还提供了一种基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统的方法，包括下述步骤：
通过隐藏信息输入模块输入待隐藏传输的较高速率的数字信息；
通过显示内容输入模块输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容；
利用信息植入与信号调制模块，将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上；
利用高速光电传感/探测器，获取LED显示屏所广播的可见光隐藏信号。
将高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连，用于解调光电传感器模块得到的可见光信号，准确地提取还原隐藏的信息。
作为优选的技术方案，所述将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上，信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1，Ｎ]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，Ｎ为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化；si(t)为二进制数字信号，取值为“0”或“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure BDA0002165929480000051
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能。
作为优选的技术方案，所述高速光电传感/探测器置于LED显示屏前，通过空间信道将LED显示屏所广播的可见光信号转换为电信号，实现LED显示屏与高速光电传感/探测器的物理层链路传输。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)LED屏作为一种信息显示终端，因其发光效率高，组态灵活，使用寿命长，广泛使用于各类型的企业、广场、商场、机场等场所。本发明提出了一种基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输的新方法，具有“显示通信两用”的优点，对于一些广告空间紧张的场所，更能发挥其一屏多用、节约资源的优势，可用于会议电子手册、隐藏广告、公共信息推送、交通信息指引等。因此，应用前景十分广阔。
(2)本发明还具有信息隐藏的功能，可用于隐蔽通信、不经意信息传输等，起到保护通信安全的作用。
附图说明
图1是本实施例中基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输的装置图；
图2是本实施例中信号调制的示意图；
图3是本实施例中信号调解的示意图；
图4是本实施例调解过程中波形示意图；
图5是本实施例中基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输的流程图；
图6是隐藏信息调制到LED显示元件的示意图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统，包括隐藏信息输入模块、显示内容输入模块、信息植入与信号调制模块、LED显示驱动模块、LED显示屏、高速光电传感/探测器以及信号解调及信息提取模块，所述隐藏信息输入模块、显示内容输入模块分别与信息植入与信号调制模块相连，信息植入与信号调制模块又与显示驱动模块、LED显示屏相连，将待发送信号调制到LED显示屏的显示元件上发出可见光信号；所发出的可见光信号通过空间信道传播后为高速光电传感/探测器所接收并转换为电信号，同时所述高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连；
所述隐藏信息输入模块，用于输入待隐藏传输的较高速率的数字信息；所述隐藏信息输入模块先把待传输的隐藏信息转换成二进制的“0”、“1”信号
所述显示内容输入模块，用于输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容；
所述信息植入与信号调制模块，用于将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上；所述信息植入与信号调制模块的信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1，Ｎ]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，Ｎ为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化；si(t)为二进制数字信号，取值为“0”或“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure BDA0002165929480000071
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能
所述LED显示驱动模块，用于将合成调制信号驱动LED显示屏的显示元件；
所述LED显示屏，其显示元件受合成调制信号驱动发光，从而显示图像/视频内容，同时以人眼察觉不到的闪烁信号广播隐藏信息；所述LED显示屏是支持快速刷新的LED显示屏，在合成调制信号LEDi(t)的控制下令像素点i随时间t发出快速明暗闪烁的可见光信号，且像素点的快速明暗变化不为人的肉眼所察觉，从而在显示图像/视频帧像素点内容的同时广播所携带的隐藏信息。
所述高速光电传感/探测器，用于获取LED显示屏所发出的可见光信号，所获取的光信号中包含了较低速率的图像/视频显示内容以及较高速率的隐藏信息；
所述信号解调及信息提取模块，用于解调高速光电传感/探测器所接收到的可见光信号以恢复合成信号，并从合成信号中提取还原隐藏的信息。
所述信号解调及信息提取模块，由于调制方式为OOK调制，具体过程如图2所示，其解调过程为调制的逆过程，包括包络检波、采样判决等步骤。当高速光电传感器/探测器接收到LEDi(t)信号后，对其进行处理，先进过包络检波等到包络波形，然后再经过抽样判决，即可确定接收码元是“1”还是“0”。假设判决门限为d，当信号抽样设置大于d时，判决为“1”码；当信号抽样值小于d时，判决为“0”码。判决完就可得到调制信号si(t)，最后输出隐藏的信息。具体过程如3所示。
解调过程的波形如图4所示，若使用的高速光电传感器/探测器采用为CMOS图像传感器。由于卷帘效应，存在时分复用，因此获得的一帧图片包含不同时刻的信号，即为a波形。所以只需要对图片进行处理就能还原隐藏的信息。具体过程：先对其获得的图片灰度化只留下亮度信息，然后进行滤波处理，从而抑制噪声，得到的是b波形。再设定阈值对图片进行二值化，得到的是c波形，这样便于后面的信号提取。
Figure BDA0002165929480000081
其中，T为选取的阈值，fi为原始图像，gi表示二值化后的结果。
得到二值化的结果后，只需要提取明暗信息，即为隐藏的“1”、“0”信息了，解码后就得到隐藏信息输入模块所隐藏的信息了。
如图5所示，本实施例基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输方法，包括下述步骤：
步骤1：通过隐藏信息输入模块输入待隐藏传输的较高速率的数字信息。
步骤2：通过显示内容输入模块输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容。
步骤3：利用信息植入与信号调制模块，将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上。具体地，如图6所示，信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1，Ｎ]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，Ｎ为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化。si(t)为二进制数字信号，可能的取值为“0”、“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure BDA0002165929480000091
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能。
步骤4：隐藏信息输入模块、显示内容输入模块分别与信息植入与信号调制模块相连，信息植入与信号调制模块又与显示驱动模块、LED显示屏相连。其中，显示驱动模块用于将合成调制信号驱动LED显示屏的显示元件，LED显示屏支持快速刷新，它受合成调制信号LEDi(t)驱动令像素点i随时间t发出快速明暗闪烁的可见光信号，且像素点的快速明暗变化不为人的肉眼所察觉，从而实现在显示图像/视频帧像素点内容的同时广播所携带的隐藏信息。
步骤5：利用高速光电传感/探测器，获取LED显示屏所广播的可见光隐藏信号。将其置于LED显示屏前，通过空间信道将LED显示屏所广播的可见光信号转换为电信号，实现LED显示屏与高速光电传感/探测器的物理层链路传输。
步骤6：将高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连，用于解调光电传感器模块得到的可见光信号，准确地提取还原隐藏的信息。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统，其特征在于，包括隐藏信息输入模块、显示内容输入模块、信息植入与信号调制模块、LED显示驱动模块、LED显示屏、高速光电传感/探测器以及信号解调及信息提取模块，所述隐藏信息输入模块、显示内容输入模块分别与信息植入与信号调制模块相连，信息植入与信号调制模块又与显示驱动模块、LED显示屏相连，将待发送信号调制到LED显示屏的显示元件上发出可见光信号；所发出的可见光信号通过空间信道传播后为高速光电传感/探测器所接收并转换为电信号，同时所述高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连；
所述隐藏信息输入模块，用于输入待隐藏传输的较高速率的数字信息；
所述显示内容输入模块，用于输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容；
所述信息植入与信号调制模块，用于将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上；
所述信息植入与信号调制模块的信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1,N]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，N为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化；si(t)为二进制数字信号，取值为“0”或“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure FDA0003116865540000011
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能；
所述LED显示驱动模块，用于将合成调制信号驱动LED显示屏的显示元件；
所述LED显示屏，其显示元件受合成调制信号驱动发光，从而显示图像/视频内容，同时以人眼察觉不到的闪烁信号广播隐藏信息；
所述LED显示屏是支持快速刷新的LED显示屏，在合成调制信号LEDi(t)的控制下令像素点i随时间t发出快速明暗闪烁的可见光信号，且像素点的快速明暗变化不为人的肉眼所察觉，从而在显示图像/视频帧像素点内容的同时广播所携带的隐藏信息；
所述高速光电传感/探测器，用于获取LED显示屏所发出的可见光信号，所获取的光信号中包含了较低速率的图像/视频显示内容以及较高速率的隐藏信息；
所述高速光电传感器/探测器采用CMOS图像传感器，由于卷帘效应，存在时分复用，因此获得的一帧图片包含不同时刻的信号，即为a波形，所以只需要对图片进行处理就能还原隐藏的信息，具体过程：先对其获得的图片灰度化只留下亮度信息，然后进行滤波处理，从而抑制噪声，得到的是b波形，再设定阈值对图片进行二值化，得到的是c波形，便于后面的信号提取，二值化公式为：
Figure FDA0003116865540000021
其中，T为选取的阈值，fi为原始图像，gi表示二值化后的结果；
得到二值化的结果后，只需要提取明暗信息，即为隐藏的“1”、“0”信息了，解码后就得到隐藏信息输入模块所隐藏的信息了；
所述信号解调及信息提取模块，用于解调高速光电传感/探测器所接收到的可见光信号以恢复合成信号，并从合成信号中提取还原隐藏的信息；
所述信号解调及信息提取模块的解调过程包括包络检波和采样判决，当高速光电传感器/探测器接收到LEDi(t)信号后，对LEDi(t)信号进行处理，先经过包络检波得到包络波形，然后再经过抽样判决，确定接收码元是“1”还是“0”；假设判决门限为d，当信号抽样设置大于d时，判决为“1”码；当信号抽样值小于d时，判决为“0”码，判决完成后得到调制信号si(t)，最后输出隐藏的信息。
2.根据权利要求1所述基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统，其特征在于，所述隐藏信息输入模块先把待传输的隐藏信息转换成二进制的“0”、“1”信号。
3.根据权利要求1-2中任一项所述基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统的方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过隐藏信息输入模块输入待隐藏传输的较高速率的数字信息；
通过显示内容输入模块输入需要在LED显示屏上显示的较低速率的图像/视频内容；
利用信息植入与信号调制模块，将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上；
利用高速光电传感/探测器，获取LED显示屏所广播的可见光隐藏信号；
将高速光电传感/探测器与信号解调及信息提取模块相连，用于解调光电传感器模块得到的可见光信号，准确地提取还原隐藏的信息。
4.根据权利要求3所述基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统的方法，其特征在于，所述将待传输的隐藏信息植入到待显示内容中并产生合成调制信号以调制到LED显示屏的显示元件上，信息植入方法用以下公式描述：
pi×si(t)＝LEDi(t)，i∈[1,N]
其中，pi是待显示的图像/视频帧的第i个像素点的亮度值，N为图像/视频帧中像素点的个数；si(t)是随时间t变化的要植入到第i个像素点的待隐藏传输的数字信息，LEDi(t)是两者的合成信号，是将在第i个像素点上显示的调制信号，且随时间t变化；si(t)为二进制数字信号，取值为“0”或“1”，因此，LEDi(t)的取值为：
Figure FDA0003116865540000031
实现了将待隐藏传输信息si(t)调制到待显示像素信号pi上从而产生合成调制信号LEDi(t)的功能。
5.根据权利要求4所述基于LED显示和可见光通信的隐藏信息传输系统的方法，其特征在于，所述高速光电传感/探测器置于LED显示屏前，通过空间信道将LED显示屏所广播的可见光信号转换为电信号，实现LED显示屏与高速光电传感/探测器的物理层链路传输。
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