CN110943778B - 光通信装置以及用于传输和接收信息的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了光通信装置以及用于传输和接收信息的方法。光通信装置包括：至少两个光源，包括第一光源和第二光源；以及控制器，其能够通过至少两种驱动模式来驱动所述第一光源和第二光源，所述至少两种驱动模式包括第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同或不同的频率，其中，当以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输第一信息；当以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输与所述第一信息不同的其他信息。

Description

光通信装置以及用于传输和接收信息的方法
技术领域
本发明属于光信息技术领域，更具体地涉及一种光通信装置(在本文中也称为“光标签”)以及用于传输和接收信息的方法。
背景技术
条形码和二维码已经被广泛采用来对信息进行编码。当用特定设备或软件扫描这些条形码和二维码时，相应的信息就会被识别出来。然而，条形码和二维码的识别距离很受限制。例如，对于二维码而言，当用手机摄像头对其进行扫描时，该手机必须置于一个比较近的距离内，该距离通常只是二维码的宽度的15倍左右。因此，正常大小的条形码和二维码无法实现远距离识别。可以通过定制非常大的条形码和二维码来实现远距离识别，但这会带来成本的显著上升，并且在许多情形下由于其他各种限制(例如空间限制)是不可能实现的。
由于条形码和二维码在识别距离方面的限制，使得其在许多应用场景下存在不便之处。例如，在通过手机扫描张贴的二维码来购票或购买商品时，如果人数过多，会使得离二维码较远的人无法通过手机识别出二维码，而必须等待前面的人离开后才能靠近二维码以进行相应操作，这是极为耗时且不方便的。因此，本领域中需要一种能够实现远距离信息识别的方案。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种光通信装置，包括：至少两个光源，包括第一光源和第二光源；以及控制器，其能够通过至少两种驱动模式来驱动所述第一光源和第二光源，所述至少两种驱动模式包括第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同或不同的频率，其中，当以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输第一信息；当以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输与所述第一信息不同的其他信息。
本发明的另一个方面涉及一种使用至少两个光源来传输信息的方法，其中，所述至少两个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源能够通过至少两种驱动模式来驱动，所述至少两种驱动模式包括第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同或不同的频率，所述方法包括：当需要传输第一信息时，以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源；以及当需要传输与所述第一信息不同的其他信息时，以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源。
本发明的另一个方面涉及一种使用至少两个光源来传输信息的装置，包括用于对所述至少两个光源进行控制的控制器，所述控制器被配置用于实现上述方法。
本发明的另一个方面涉及一种光通信系统，包括：上述光通信装置；以及用于识别由所述光通信装置传输的信息的设备，其被配置用于：对所述光通信装置进行成像；提取所述光通信装置中的第一光源的图像和所述光通信装置中的第二光源的图像；比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像；以及至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息。
本发明的另一个方面涉及一种用于接收光通信装置传输的信息的方法，所述方法包括：对所述光通信装置进行成像；提取所述光通信装置中的第一光源的图像和所述光通信装置中的第二光源的图像；比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像；以及至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息。
本发明的另一个方面涉及一种用于接收光通信装置传输的信息的装置，包括成像器件、处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时能够用于实现上述方法。
本发明的另一个方面涉及一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时能够用于实现上述方法。
本发明通过比较一对互为参考并配合使用的光源的成像(而不是仅单独地分析某个光源的成像)来获得这对光源所传递的信息，避免了环境光照条件、干扰、噪声等等的影响，因此可以改善对光源所传递的信息的识别的准确性和稳定性，特别适合于远距离识别和户外识别。而且，更为有利的，由于本发明通过比较一对光源的成像来获得光源所传递的信息，因此每个光源的成像中并不需要包括数量较多的条纹(在某些情况下甚至不需要包括一个完整的条纹)，这进一步有助于远距离识别，并且使得允许降低用于在光源成像中产生条纹的驱动模式的信号频率。
附图说明
以下参照附图对本发明的实施例作进一步说明，其中：
图1为CMOS成像器件的示意图；
图2为CMOS成像器件获取图像的方向图；
图3为根据本发明的一个实施例的光源；
图4为根据本发明的另一个实施例的光源；
图5为CMOS成像器件的一个成像时序图；
图6为CMOS成像器件的另一成像时序图；
图7示出了当以某一驱动模式驱动光源时在不同阶段在CMOS成像器件上的成像图；
图8示出了根据本发明的一个实施例的CMOS成像器件的成像时序图；
图9示出了根据本发明的一个实施例的CMOS成像器件的成像时序图；
图10示出了根据本发明的一个实施例的CMOS成像器件的成像时序图；
图11示出了根据本发明的一个实施例的用于实现与图10不同的条纹的CMOS成像器件的成像时序图；
图12示出了根据本发明的一个实施例的光标签；
图13示出了根据本发明的另一个实施例的光标签；
图14示出了根据本发明的一个实施例的CMOS成像器件的成像时序图；
图15示出了以与图14类似的方式控制三个光源而实现的一个实际成像图；
图16示出了采用不同条纹宽度来实现信息传递的光标签的一个实际成像图；
图17是根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签的示意图；以及
图18示出了用肉眼观察时的根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明的一个实施例涉及一种光通信装置，其在本文中也被称为“光标签”，两者在整个申请文件中可以互换使用。
光通信装置中包括光源，光源发出的光能够被光学成像器件感测到，该光可以是人眼可感知的光，也可以是人眼不可感知的光。光源发出的光可以具有特定的强度、颜色、波长等。当光源工作时，可以使用成像器件或者具有成像器件的设备(例如手机、平板电脑、智能眼镜等)对光源进行成像。光源可以是各种形式的光源，例如，其可以是一个LED灯、由多个LED灯构成的阵列、显示屏幕或者其中的一部分，甚至光的照射区域(例如光在墙壁上的照射区域)也可以作为光源。该光源的形状可以是各种形状，例如圆形、正方形、矩形、条状、L状等。光源中可以包括各种常见的光学器件，例如导光板、柔光板、漫射器等。在一个优选实施例中，光源可以是由多个LED灯构成的二维阵列，该二维阵列的一个维度长于另外一个维度，优选地，两者之间的比例约为5-12：1。例如，该LED灯阵列可以由排成一列的多个LED灯构成。在发光时，该LED灯阵列可以呈现为一个大致为长条形的光源，并由控制器控制该光源的操作。
在另一实施例中，光源可以不局限于平面光源，而是可以被实现为一个立体光源，例如，一个条状的圆柱形光源、立方体光源、球形光源等等。该光源例如可以被放置在广场上、悬置于室内场所(例如餐厅、会议室等)的某个位置，从而附近的位于各个方向的用户都可以通过手机拍摄该光源，以获得该光源所传递的信息。
目前在电子设备中广泛采用的CMOS成像器件通常使用的是滚动快门成像方式，也即，在一帧图像中的各个像素不是同时曝光的(例如，像素以逐行方式曝光)。本发明有利地利用了滚动快门成像方式的这种非同时曝光特性，从而使得当通过不同的驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出各种不同的条纹图案或者无条纹图案。通过对光源图像中的图案的分析识别，可以实现对光通信装置所传递的信息的识别。
图1示出了一个示例的CMOS成像器件，其包括图像传感器(也称为像敏单元)阵列以及一些其他元件。图像传感器阵列中的每一个图像传感器对应于一个像素。每一列图像传感器连接到一个列放大器，列放大器的输出信号之后被送往A/D转换器(ADC)进行模数转换，然后通过接口电路输出。对于图像传感器阵列中的任一图像传感器，在曝光开始时先将其清零，然后等待曝光时间过后，将信号值读出。CMOS成像器件通常采用滚动快门成像方式。在CMOS成像器件中，数据的读出是串行的，所以清零/曝光/读出也只以类似于流水线的方式逐行顺序进行，并在图像传感器阵列的所有行都处理完成后将其合成为一帧图像。因此，整个CMOS图像传感器阵列实际上是逐行曝光的(在某些情况下CMOS图像传感器阵列也可采用每次多行一起曝光的方式)，这导致了各个行之间存在小的时延。由于该小的时延，当光源以一定频率闪烁(例如，通过开启和关闭光源来实现)时，会在CMOS成像器件拍摄的图像上呈现出条纹。
当光源工作时，可以使用CMOS成像器件或者具有CMOS成像器件的设备(例如手机、平板电脑、智能眼镜等)对光源进行成像，也即，通过滚动快门的方式进行成像。在下文中以手机作为CMOS成像器件为例进行说明，如图2所示。该手机的行扫描方向在图2中示出为垂直方向，但本领域技术人员可以理解，依据底层硬件配置的不同，行扫描方向也可以是水平方向。
图3示出了根据本发明的一个实施例的光源。在使用CMOS成像器件对图3所示的光源进行成像时，优选地使图3所示的光源的长边与CMOS成像器件的行方向(例如，图2所示的手机的行扫描方向)垂直或大致垂直，以在其他条件相同的情况下成像出尽量多的条纹。然而，有时用户并不了解其手机的行扫描方向，为了保证手机在各种姿态下都能够进行识别，并且在竖屏和横屏下都能够达到最大的识别距离，光源可以为多个长方形的组合，例如，如图4所示的L状光源。
图5示出了CMOS成像器件的成像时序图，其中的每一行对应于CMOS成像器件的一行传感器。在CMOS成像传感器阵列的每一行进行成像时，主要涉及两个阶段，分别为曝光时间和读出时间。各行的曝光时间有可能发生重叠，但读出时间不会重叠。
需要说明的是，图5中仅示意性地示出了少量的行，在实际的CMOS成像器件中，依赖于分辨率的不同，通常具有上千行传感器。例如，对于1080p分辨率，其具有1920×1080个像素，数字1080表示有1080条扫描行，数字1920表示每行有1920个像素。对于1080p分辨率，每一行的读出时间大致为8.7微秒(即，8.7×10-6秒)。
如果曝光时间过长导致相邻行之间的曝光时间出现大量重叠，则可能在成像时呈现出明显过渡的条纹，例如，在纯黑色像素行与纯白色像素行之间的多条具有不同灰度的像素行。本发明期望能够呈现出尽量清晰的像素行，为此，可以对CMOS成像器件(例如手机)的每一行的曝光时间进行设置或调整(例如，通过手机上安装的APP来进行设置或调整)，以选择相对较短的曝光时间。在一个优选的实施例中，可以使得曝光时间大致等于或小于每一行的读出时间。以1080p分辨率为例，其每一行的读出时间大致为8.7微秒，在这种情况下，可以考虑将手机的曝光时间调整为大约8.7微秒或更短。图6示出了在这种情况下的CMOS成像器件的成像时序图。在这种情况下，每行的曝光时间基本不发生重叠，或者重叠部分较少，从而可以在成像时获得具有比较清晰的边界的条纹，其更容易被识别出来。需要说明的是，图6仅仅是本发明的一个优选实施例，更长的(例如等于或小于每一行的读出时间的两倍、三倍或四倍等)或更短的曝光时间也是可行的。例如，每一行的读出时间可以大致为8.7微秒，而所设置的每行曝光时长为14微秒。另外，为了呈现出条纹，优选地可以将光源的驱动模式的信号的一个周期的时长设置为曝光时长的两倍左右或更长。
图7示出了当控制器在某一驱动模式下以一定频率开启和关闭光源时在不同阶段在CMOS成像器件上的成像图。具体地，图7的上部示出了在不同阶段的光源的状态变化图(白色对应于光源开启，黑色对应于光源关闭)，下部示出了在不同阶段该光源在CMOS成像器件上的成像图，其中，CMOS成像器件的行方向为垂直方向，并从左向右扫描。由于CMOS成像器件采集图像是逐行扫描的，因此在拍摄高频闪烁信号时，所获得的一帧图像上与光源的成像位置对应的部分会形成如图7下部所示的条纹，具体地，在时段1，光源开启，在该时段中曝光的最左侧部分的扫描行呈现亮条纹；在时段2，光源关闭，在该时段中曝光的扫描行呈现暗条纹；在时段3，光源开启，在该时段中曝光的扫描行呈现亮条纹；在时段4，光源关闭，在该时段中曝光的扫描行呈现暗条纹。
控制器可以通过驱动模式来设置光源闪烁的频率，或者设置光源每次开启和关闭的时长，从而调整出现的条纹的宽度。更长的开启或关闭时间通常对应于更宽的条纹。例如，对于图6所示的情形，如果将光源每次开启和关闭的时长均设置为大致等于CMOS成像器件的每一行的曝光时间(该曝光时间可以通过手机上安装的APP进行设置或者手工设置)，则可以在成像时呈现出宽度为仅一个像素的条纹。如果将光源每次开启或关闭的时长均设置为大致等于CMOS成像器件的每一行的曝光时长的大约2倍，可以实现宽度为大约两个像素的条纹，具体如图8所示，其中，图8的上部示出了光源的驱动模式的信号波形，其高电平可以对应于光源的开启，而低电平可以对应于光源的关闭。图8的驱动模式的信号频率例如可以是每秒16000次(每个周期的持续时间为62.5微秒，其中开启时长和关闭时长各为大约31.25微秒)。在图8所示的实施例中，将驱动模式的信号的占空比设置为大约50％，将每一行的曝光时长设置为大致等于每一行的读出时间，但本领域技术人员可以理解，其他设置也是可行的，只要能够呈现出可分辨的条纹即可。为了描述简单起见，图8中使用了光源与CMOS成像器件之间的同步，以使得光源的开启和关闭的时间大致对应于CMOS成像器件的某一行的曝光时长的开始或结束时间，但是本领域技术人员可以理解，即使两者未能如图8那样同步，也可以在CMOS成像器件上呈现出明显的条纹，此时，可能会存在一些过渡条纹，但一定存在光源始终关闭时曝光的行(也即最暗的条纹)与光源始终开启时曝光的行(也即最亮的条纹)，两者间隔一个像素。这种像素行的明暗变化(也即条纹)可以被容易地检测出来(例如，通过比较光源成像区域中的一些像素的亮度或灰度)。更进一步，即使不存在光源始终关闭时曝光的行(也即最暗的条纹)和光源始终开启时曝光的行(也即最亮的条纹)，如果存在曝光时间内光源开启部分t1小于一定时间长度或占整个曝光时长较小比例的行(也即较暗条纹)，和曝光时间内光源开启部分t2大于一定时间长度或占整个曝光时长较大比例的行(也即较亮条纹)，且t2-t1>明暗条纹差值阈值(例如10微秒)，或t2/t1>明暗条纹比例阈值(例如2)，这些像素行之间的明暗变化也可以被检测出来。上述明暗条纹差值阈值和比例阈值和光标签发光强度、感光器件属性、拍摄距离等相关。本领域技术人员可以理解，其他阈值也是可行的，只要能够呈现出计算机可分辨的条纹图案即可。
根据本发明的一个实施例的条纹图案识别方法如下：得到光标签的图像，利用投影的方式分割出光源的成像区域；收集不同配置下(例如，不同距离、不同的光源闪烁频率等)的有条纹图片和无条纹图片；将所有收集的图片统一归一化到一个特定大小，例如64*16像素；提取每一个像素特征(例如亮度、颜色等)作为输入特征，构建机器学习分类器；进行二分类判别以判断是条纹图片还是非条纹图片。对于条纹识别，本领域普通技术人员还可以采用本领域公知的任何其他方法进行处理，对此不再详述。
对于一个长度为5厘米的条状光源，当使用目前市场上常见的手机，设置分辨率为1080p，在距离其10米远的地方(也即，距离为光源长度的200倍)进行拍摄时，该条状光源在其长度方向上大约会占据6个像素，如果每个条纹宽度为2个像素，则在该6个像素的宽度范围内会呈现出至少一个明显的条纹，其可以被很容易地识别出来。如果设置更高的分辨率，或者采用光学变焦，在更远的距离，例如距离为光源长度的300倍或400倍时，也能够识别出条纹。
控制器也可以通过不同的驱动模式来驱动光源，以便例如以另一频率来开启和关闭光源。对于图6所示的情形，可以将光源配置为在CMOS成像器件的每一行的曝光时间内光源开启和关闭至少一次，例如每秒64000次或更高。图9示出了在每一行的曝光时间内光源开启和关闭只一次的情形，其中，图9的上部示出了光源的驱动模式的信号波形，其高电平可以对应于光源的开启，而低电平可以对应于光源的关闭。由于在每一行的曝光时间内，光源都会以相同的方式开启和关闭一次，每个曝光时间获取的曝光强度能量大致均等，因此光源的最终成像的各个像素行之间的亮度不会存在明显差异，从而不存在条纹。本领域技术人员可以理解，更高的开启和关闭频率也是可行的。另外，为了描述简单起见，图9中使用了光源与CMOS成像器件之间的同步，以使得光源的开启时间大致对应于CMOS成像器件的某一行的曝光时长的开始时间，但是本领域技术人员可以理解，即使两者未能如图9那样同步，在光源的最终成像的各个像素行之间的亮度也不会存在明显差异，从而不存在条纹。
在另一实施例中，当不希望呈现条纹时，也可以向光源提供直流电，以使得光源发出强度基本不变的光，从而，在通过CMOS图像传感器对光源拍摄时所获得的该光源的一帧图像上不会呈现条纹。在这种情况下，也可以实现在不同驱动模式下的大致相同的光通量，以避免在不同驱动模式之间切换时人眼可能会察觉到的闪烁现象。另外，可以理解，当本发明的光源持续工作于某一驱动模式下时，人眼也不会察觉到任何闪烁现象。
上文的图8描述了通过使光源发出的光的强度发生变化(例如，通过开启或关闭光源)来呈现条纹的实施例，在另一实施例中，如图10所示，也可以通过使光源发出不同波长或颜色的光来呈现条纹。在图10所示的实施例中，光源中包括可发出红光的红色灯和可发出蓝光的蓝色灯。图10的上部示出了光源驱动模式的信号，其包括红光驱动信号和蓝光驱动信号，其中，高电平对应于相应光源的开启，而低电平对应于相应光源的关闭。该红光驱动信号和蓝光驱动信号的相位偏移180°，也即，两者电平相反。通过红光驱动信号和蓝光驱动信号，可以使得光源向外交替地发出红色光和蓝色光，从而当采用CMOS成像器件对光源进行成像时可以呈现出红蓝条纹。
在一个实施例中，可以基于光源驱动模式的不同信号频率来实现不同宽度的条纹，例如，在第一驱动模式下，光源可以如图8所示的方式工作，从而实现宽度为大约两个像素的第一种条纹；在第二驱动模式下，可以将图8中的光源驱动模式的信号的每个周期中的高电平和低电平的持续时间分别修改为原来的两倍，例如，LED灯闪烁频率可以被设置每秒8000次(每个周期的持续时间为125微秒，其中开启时长和关闭时长各为大约62.5微秒)，从而实现宽度为大约四个像素的第二种条纹，具体如图11所示。
在另一个实施例中，可以实现不同颜色的条纹，例如，可以将光源设置为其中包括可发出红光的红色灯和可发出蓝光的蓝色灯，在第一驱动模式下，可以关闭蓝色灯，并使红色灯如图8所示的方式工作，从而实现红黑条纹；在第二驱动模式下，可以关闭红色灯，并使蓝色灯如图8所示的方式工作，从而实现蓝黑条纹。在上述实施例中，在第一驱动模式和第二驱动模式下使用相同的信号频率实现了红黑条纹和蓝黑条纹，但是可以理解，在第一驱动模式和第二驱动模式下可以使用不同的信号频率。
另外，本领域技术人员可以理解，可以进一步地实现不止两种条纹，例如，在上述光源中包括红色灯和蓝色灯的实施例中，可以进一步设置第三驱动模式，在该第三驱动模式下以图10所示的方式对红色灯和蓝色灯进行控制以实现红蓝条纹。显然，可选地，也可以进一步实现无条纹的图案。
控制器可以随着时间的过去根据待传输的信息不断地通过相应的驱动模式来驱动光源(例如，以30次/秒的频率设置光源的驱动模式，也即，每经过1/30秒，根据待传输的信息来设置光源的驱动模式)，使得该光源能够连续地向外传递信息。为了识别光源传递的信息，可以使用CMOS成像器件对其进行扫描，并获取光源的一帧或多帧图像，从而通过光源在各帧图像上所呈现的不同图案(例如，无条纹图案和各种各样的条纹图案)，识别出光源在各帧图像被拍摄时所传递的信息。
在上文中，为了方便说明，以方波为例描述了具有相应信号频率的驱动模式，但本领域技术人员可以理解，驱动模式中也可以使用信号的其他波形，例如正弦波、三角波等。
在实际的应用环境中，光源在发光时会受到环境光照条件、干扰、噪声等各方面的影响，这可能会影响对光源所传递的信息的识别。因此，为了提高识别的准确度，本发明在光标签中使得一对光源互为参考并配合使用，来一起传递信息。这是非常有利的，因为光标签中的光源位于大致相同的位置，且经受相同的环境光照条件、干扰、噪声等，因此通过比较一对光源的成像，而不是单独地分析某个光源的成像，可以改善对光源所传递的信息的识别的准确性和稳定性，特别适合于复杂环境下的远距离识别。例如，当需要传递第一信息时，控制器可以将两个光源的驱动模式设置为相同从而使得在使用滚动快门成像器件拍摄时它们能呈现出相同的图案(例如，相同的条纹)；当需要传递与第一信息不同的其他信息时，控制器可以将两个光源的驱动模式设置为不同从而使得在使用滚动快门成像器件拍摄时它们能呈现出不同的图案(例如，不同的条纹)。在本文中，不同的图案可以是宽度不同的条纹，也可以是宽度相同但位置不同的条纹(由于光源的驱动模式的不同相位所导致，下文中将会详细说明)，或者可以是在宽度、位置、颜色和亮度中的至少一项上存在区别的条纹。
图12示出了根据本发明的一个实施例的包括了两个光源(分别是第一光源101和第二光源102)的光标签100(也称为光通信装置)。光标签100还包括控制器，其用于通过驱动模式来驱动第一光源101和第二光源102。该控制器可以与光源一起集成在一个壳体中，也可以远离光源，只要其能够控制光源的驱动模式即可。为了简明起见，图12中未示出光标签100中的控制器。
在一个实施例中，控制器可以通过使用第一驱动模式来驱动光源，也可以通过使用第二驱动模式来驱动光源，其中，第一驱动模式和第二驱动模式可以具有相同或不同的频率。如果在某一时刻以相同的驱动模式驱动第一光源101和第二光源102，则可以用于向外传递第一信息，例如二进制数据0；如果在某一时刻以不同的驱动模式驱动第一光源101和第二光源102，则可以用于向外传递与第一信息不同的第二信息，例如二进制数据1。在一个实施例中，为了简便，可以始终使用同一种驱动模式来驱动第一光源101和第二光源102中的一个。
在一个实施例中，当以不同的驱动模式驱动第一光源101和第二光源102时，可以进一步根据二者具体的驱动模式来传递不同的信息。例如，当以第一驱动模式驱动第一光源101并以第二驱动模式驱动第二光源102时，可以向外传递第二信息，而当以第二驱动模式驱动第一光源101并以第一驱动模式驱动第二光源102时，可以向外传递第三信息。
在一个实施例中，控制器可以通过多于两种驱动模式来驱动第一光源101和第二光源102，以提高编码密度。例如，控制器可以以第一驱动模式、第二驱动模式和第三驱动模式来驱动第一光源101和第二光源102。在这种情况下，当以不同的驱动模式驱动第一光源101和第二光源102时，可以根据二者具体的驱动模式来传递更多的不同信息。例如，当以第一驱动模式驱动第一光源101并以第二驱动模式驱动第二光源102时传递的信息可以不同于当以第一驱动模式驱动第一光源101并以第三驱动模式驱动第二光源102时传递的信息。
为了提高编码密度，光标签中可以具有三个或更多个光源。图13示出了根据本发明的一个实施例的包括了三个光源(分别是第一光源201、第二光源202和第三光源203)的光标签200。在该实施例中，控制器可以通过第一驱动模式和第二驱动模式来驱动光源，并可以相应地确定出两对光源，例如分别是：第一光源201与第二光源202；以及第二光源202与第三光源203。对于这两对光源中的任一对，都可以根据是否以同一驱动模式来驱动这对光源来传递不同的信息。在一个实施例中，为了简便，可以始终使用同一种驱动模式来驱动两对光源中共有的第二光源202。
在一个实施例中，控制器可以以具有第一频率和第一相位的第一驱动模式来控制光源的开启和关闭，并且也可以以第二驱动模式来控制光源的开启和关闭，该第二驱动模式可以具有相同的第一频率以及与第一相位不同的第二相位。第一频率优选地可以是15Hz到32KHz之间的某一个频率，例如，15Hz、30Hz、50Hz、60Hz、80Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1KHz、2KHz、4KHz、6KHz、8KHz、12KHz、16KHz、32KHz等。优选地，第一相位和第二相位的相位差是180°(也即，两者反相)。
图14示出了针对图13所示的光标签的CMOS成像器件的一个成像时序图。在图14的上部示出了三个光源各自的驱动模式的信号，在本实施例中它们可以(但并非必须)具有相同的幅度，其中高电平例如可以对应于光源的开启，而低电平可以对应于光源的关闭，但本领域技术人员可以理解，高电平和低电平也可以对应于光源的亮度，也即，通过信号的幅值变化来控制光源的亮度变化，而非开启和关闭光源。
在图14中，第一光源和第二光源此时用于传递第一信息，因此控制器通过相同的驱动模式(例如，均为第一驱动模式或第二驱动模式)来驱动第一光源和第二光源；第二光源和第三光源此时用于传递第二信息，因此控制器通过频率相同但相位相差180°的两个驱动模式来驱动第二光源和第三光源(例如，一个为第一驱动模式，另一个为第二驱动模式)。以此方式，当使用CMOS成像器件对该光标签进行成像时，第一光源、第二光源和第三光源的成像上都会呈现出宽度相同的条纹，但是第一光源与第二光源的成像上的条纹的位置或相位是一致的(也即，第一光源的亮条纹所在的行与第二光源的亮条纹所在的行是一致的，第一光源的暗条纹所在的行与第二光源的暗条纹所在的行是一致的)，而第二光源与第三光源的成像上的条纹的位置或相位是反相的(也即，第二光源的亮条纹所在的行与第三光源的暗条纹所在的行是一致的，第二光源的暗条纹所在的行与第三光源的亮条纹所在的行是一致的)。
图15示出了以与图14类似的方式控制三个光源而实现的一个实际成像图。图15的顶部的条纹图案是第一光源的成像；中间的条纹图案是第二光源的成像；底部的条纹图案是第三光源的成像。CMOS成像器件的行扫描方向在此是竖直方向。如图15所示，三个光源的条纹图案的条纹宽度是相同的，但是，第一光源与第二光源的成像上的条纹的位置或相位是一致的，而第二光源与第三光源的成像上的条纹的位置或相位是反相的(也即，在行扫描方向上，第二光源的亮条纹和暗条纹分别对应于第三光源的暗条纹和亮条纹)。
在通过CMOS成像器件获得了图15所示的实际成像图之后，可以对其进行识别解码。在一个实施例中，可以从该实际成像图中分别截取出与每个光源对应的长条状成像区域，并对它们做竖直方向(也即CMOS成像器件的行扫描方向)的投影,得到三个投影向量：feature_vector[1],feature_vector[2],feature_vector[3]；分别计算feature_vector[1]与feature_vector[2]以及feature_vector[2]与feature_vector[3]的相关系数,得到相应的第一第二光源相关系数coorelation_coefficient[1,2]和第二第三光源相关系数coorelation_coefficient[2,3]。根据图15所示的实际成像图经计算得到：
coorelation_coefficient[1,2]＝0,912746；
coorelation_coefficient[2,3]＝-0,96256；
由相关系数可以确定第一光源和第二光源强相关，表明它们采用的是具有相同相位的同一驱动模式，继而得出它们所传递的是第一信息,例如二进制数据0。由相关系数可以确定第二光源和第三光源负相关，表明它们采用的是具有相反相位的两种不同驱动模式，继而得出它们所传递的是第二信息,例如二进制数据1。由此，对整个实际成像图解码后得到的结果例如是二进制数据序列“01”。本领域技术人员可以理解，可以采用本领域已知的其他图像分析方法对实际成像图进行分析解码，只要这些方法能够识别出条纹图案的异同即可。
在图15中示出了每个光源的成像区域容纳了若干个亮条纹和暗条纹的情形，但是本领域技术人员可以理解，在通过频率相同但相位相差180°的两个驱动模式来驱动光源的情况下，每个光源的成像区域并不需要容纳多个亮条纹或暗条纹，甚至不需要容纳一个完整的亮条纹或暗条纹(因为通过条纹的一部分也可以判断出两个光源成像是否存在亮暗区别)。这意味着CMOS成像器件可以更加远离光标签(因为不需要较大的光源成像来容纳多个亮条纹或暗条纹)，或者可以将驱动模式的信号频率设置得比较低(比较低的频率对应于比较宽的条纹，在不需要光源成像来容纳多个亮条纹或暗条纹，甚至不需要光源成像来容纳一个完整的亮条纹或暗条纹的情况下，可以使用比较宽的条纹，也即可以使用具有比较低的信号频率的驱动模式，该比较低的信号频率例如可以低至15Hz)。试验中我们可以获得高达光源长度400倍的识别距离，也即，对于街道上设置的一个长度为5厘米的光源，在距离该光源20米范围内的人都可以通过手机对该光源所传递的信息进行识别。如果进一步采用变焦等技术，可以实现更远的识别距离。
上文结合图13的具有三个光源的光标签200进行了描述，但本领域技术人员显然可以理解，两个或更多个光源也是可行的。
在上文的实施例中，以第一驱动模式和第二驱动模式的相位相差180°为例进行了说明，但是可以理解，两者的相位差并不限于180°，而是可以设置为其他数值，例如，90°、270°等。例如，在一个实施例中，将第一驱动模式的相位设置比第二驱动模式的相位提前90°，如此，可以使得在两个光源的驱动模式相同时传递第一信息，在以第一驱动模式驱动第一光源而以第二驱动模式驱动第二光源时传递第二信息，在以第一驱动模式驱动第二光源而以第二驱动模式驱动第一光源时传递第三信息。在另一个实施例中，控制器可以提供更多的驱动模式来驱动光源，其中，每种驱动模式可以具有不同的相位。例如，在一个实施例中，将第一驱动模式的相位设置为比第二驱动模式的相位提前90°，并比第三驱动模式的相位提前180°，如此，可以例如使得在两个光源的驱动模式相同时传递第一信息，在以第一驱动模式驱动第一光源而以第二驱动模式驱动第二光源时传递第二信息，在以第一驱动模式驱动第二光源而以第二驱动模式驱动第一光源时传递第三信息，在以第一驱动模式驱动第一光源而以第三驱动模式驱动第二光源时(或相反时)传递第四信息。
在一个实施例中，控制器所提供的光源驱动模式可以采用不同的频率，从而当使用CMOS成像器件拍摄光源时可以呈现出具有不同宽度条纹的条纹图案或者无条纹图案。例如，控制器可以为光源提供若干种具有不同频率的驱动模式，以使得当使用CMOS成像器件拍摄光源时可以呈现出条纹宽度分别为例如2个像素、4个像素、8个像素等的条纹图案或者无条纹图案，并可以通过比较这些条纹图案或者无条纹图案来实现对光源所传递信息的识别。例如，如果两个光源的条纹宽度相同，则表明它们传递的是第一信息；如果一个光源的条纹宽度是另一个光源的条纹宽度的大约2倍，则表明它们传递的是第二信息；如果一个光源的条纹宽度是另一个光源的条纹宽度的大约4倍，则表明它们传递的是第三信息；等等。
图16示出了采用不同条纹宽度来实现信息传递的光标签的一个实际成像图，其中，CMOS成像器件的行扫描方向在此是竖直方向。在该成像图中，顶部的条纹图案是第一光源的成像，中间的条纹图案是第二光源的成像，底部的条纹图案是第三光源的成像，第二光源和第三光源的条纹宽度是相同的，并且是第一光源的条纹宽度的两倍。如果将第一光源和第二光源作为一对互为参考并配合使用来传递信息的光源，并且将第二光源和第三光源作为另一对互为参考并配合使用来传递信息的光源，可以确定第一光源和第二光源采用的是同一驱动模式，继而可以得出它们所传递的是第一信息,例如二进制数据0；并且可以确定第二光源和第三光源采用的是具有不同频率的两种不同驱动模式(在此，第三光源的驱动模式的频率是第二光源的驱动模式的频率的两倍)，继而可以得出它们所传递的是第二信息,例如二进制数据1。由此，对整个实际成像图解码后得到的结果例如是二进制数据序列“01”。
本领域技术人员可以理解，在控制器所提供的多种驱动模式中，也可以采用不同的频率和不同的相位，从而可以通过条纹宽度差异和相位差的不同组合来表示更多的信息。在一个实施例中，在控制器所提供的多种驱动模式中，可以替代地或者另外地通过考虑光源发出的光的颜色和/或强度来实现更多种类的条纹图案。实际上，不同种类的条纹图案中的条纹可以在宽度、位置、颜色和亮度等中的至少一项上存在区别，只要这些条纹图案能够相互区分即可。
控制器可以随着时间的过去根据待传输的信息不断地通过相应的驱动模式来驱动光标签中的各个光源(例如，以30次/秒的频率设置光标签中的各个光源的驱动模式，也即，每经过1/30秒，根据待传输的信息来设置光标签中的各个光源的驱动模式)，使得光标签能够连续地向外传递信息。光学成像器件可以对光标签进行连续扫描，并获取光标签的一帧或多帧图像，从而识别出光标签在各帧图像被拍摄时所传递的信息，这些信息可以构成一个相应的信息序列。
在一个实施例中，光标签中还可以另外包括位于用于传递信息的光源附近的一个或多个定位标识，该定位标识例如可以是特定形状或颜色的灯，该灯例如可以在工作时保持常亮。该定位标识可以有助于光学成像器件(例如手机)的用户容易地发现光标签。另外，当光学成像器件被设置为对光标签进行拍摄的模式时，定位标识的成像比较明显，易于识别。因此，布置于信息传递光源附近的一个或多个定位标识还能够有助于手机快速地确定信息传递光源的位置，从而有助于后续的图像识别。在一个实施例中，在进行识别时，可以首先在图像中对定位标识进行识别，从而在图像中发现光标签的大致位置。在识别了定位标识之后，可以基于定位标识与信息传递光源之间的预先确定的相对位置关系，确定图像中的一个或多个区域，该区域涵盖信息传递光源的成像位置。接着，可以针对这些区域进行识别，以确定光源所传递的信息。
图17是根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签的示意图，其中包括三个水平布置的信息传递光源201、202和203，以及位于信息传递光源两侧的竖直布置的两个定位标识灯204和205。通过定位标识灯以及预先确定的定位标识灯与信息传递光源之间的相对位置关系，可以方便地确定信息传递光源的成像区域。
图18示出了用肉眼观察时的根据本发明的一个实施例的包括定位标识的光标签。该光标签中，三个水平布置的信息传递光源正在进行信息传输，另外两个竖直布置的定位标识灯位于信息传递光源的两侧。在用肉眼观察时，光标签中的信息传递光源类似于普通的照明光源。
在一个实施例中，光标签中可以包括环境光检测电路，该环境光检测电路可以用于检测环境光的强度。控制器可以基于检测到的环境光的强度来调整光源在开启时所发出的光的强度。例如，在环境光比较强时(例如白天)，使得光源发出的光的强度比较大，而在环境光比较弱时(例如夜里)，使得光源发出的光的强度比较小。
本发明的上述方案不需要对单个光源的成像的精确检测(而是通过比较一对互为参考并配合使用的光源的成像)，因此，其在实际的信息传输中具有极强的稳定性和可靠性。特别是，在本发明中，在确定光源传递的信息时并不是对单个光源的成像进行分析，而是通过比较一对光源的成像，这是非常有利的，因为光标签中的光源位于大致相同的位置，且经受相同的环境光照条件、干扰、噪声等，因此通过比较一对光源的成像，而不是仅单独地分析某个光源的成像，可以改善对光源所传递的信息的识别的准确性和稳定性，特别适合于远距离识别和户外识别。
而且，更为有利的，由于本发明的上述方案通过比较一对光源的成像来获得光源所传递的信息，因此每个光源的成像中并不需要包括数量较多的条纹(在某些情况下甚至不需要包括一个完整的条纹)，这进一步有助于远距离识别，并且使得允许降低用于在光源成像中产生条纹的驱动模式的信号频率。
本说明书中针对“各个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在各个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是非逻辑性的或不能工作。另外，本申请附图中的各个元素仅仅为了示意说明，并非按比例绘制。
由此描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，可以理解，对本领域技术人员来说容易地进行各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进意于在本发明的精神和范围内。

Claims (35)

1.一种光通信装置，包括：
至少两个光源，包括第一光源和第二光源；以及
控制器，其能够通过至少两种驱动模式来驱动所述第一光源和第二光源，所述至少两种驱动模式包括第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同或不同的频率，
其中，当以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输第一信息；当以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源时，用于传输与所述第一信息不同的其他信息，
以及其中，当以所述第一驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出第一条纹图案；
当以所述第二驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出无条纹图案或者与所述第一条纹图案不同的第二条纹图案。
2.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述其他信息包括第二信息和第三信息，以及其中，当以所述第一驱动模式驱动所述第一光源而以所述第二驱动模式驱动所述第二光源时，用于传输所述第二信息，当以所述第二驱动模式驱动所述第一光源而以所述第一驱动模式驱动所述第二光源时，用于传输所述第三信息。
3.根据权利要求1所述的光通信装置，还包括位于所述至少两个光源附近的一个或多个定位标识。
4.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述第一条纹图案中的条纹与所述第二条纹图案中的条纹在宽度、位置、颜色和亮度中的至少一项上存在区别。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光通信装置，其中，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同的频率，并且，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位不同。
6.根据权利要求5所述的光通信装置，其中，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位相差90°、180°或270°。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的光通信装置，其中，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有不同的频率。
8.根据权利要求7所述的光通信装置，其中，所述第二驱动模式的频率是所述第一驱动模式的频率的N倍或者1/N，其中，N为大于等于2的整数。
9.根据权利要求8所述的光通信装置，其中，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位不同。
10.根据权利要求7所述的光通信装置，其中，所述第二驱动模式的频率大于所述第一驱动模式的频率，并且，当以所述第二驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出无条纹图案。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的光通信装置，其中，所述至少两个光源中还包括第三光源，当以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第三光源时，用于传输第一信息；当以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第三光源时，用于传输与所述第一信息不同的其他信息。
12.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述控制器能够通过所述至少两种驱动模式来连续地驱动所述第一光源和第二光源，以连续地传输所述第一信息或其他信息。
13.根据权利要求12所述的光通信装置，其中，所述第一信息和所述其他信息中的每一信息的传输占用相应的时隙。
14.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述第一驱动模式和第二驱动模式使用的波形是方波、正弦波、或者三角波。
15.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述第一光源和/或第二光源能够发出不同颜色的光。
16.根据权利要求1所述的光通信装置，其中，所述第一驱动模式的频率大于等于15Hz。
17.一种使用至少两个光源来传输信息的方法，其中，所述至少两个光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源能够通过至少两种驱动模式来驱动，所述至少两种驱动模式包括第一驱动模式和第二驱动模式，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同或不同的频率，所述方法包括：
当需要传输第一信息时，以相同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源；以及
当需要传输与所述第一信息不同的其他信息时，以不同的驱动模式驱动所述第一光源和所述第二光源；
其中，当以所述第一驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出第一条纹图案；
其中，当以所述第二驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出无条纹图案或者与所述第一条纹图案不同的第二条纹图案。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述其他信息包括第二信息和第三信息，所述方法还包括：
当需要传输所述第二信息时，以所述第一驱动模式驱动所述第一光源并以所述第二驱动模式驱动所述第二光源；以及
当需要传输所述第三信息时，以所述第二驱动模式驱动所述第一光源并以所述第一驱动模式驱动所述第二光源。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一条纹图案中的条纹与所述第二条纹图案中的条纹在宽度、位置、颜色和亮度中的至少一项上存在区别。
20.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有相同的频率，并且，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位不同。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位相差90°、180°或270°。
22.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述第一驱动模式和所述第二驱动模式具有不同的频率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二驱动模式的频率是所述第一驱动模式的频率的N倍或者1/N，其中，N为大于等于2的整数。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二驱动模式的相位与所述第一驱动模式的相位不同。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二驱动模式的频率大于所述第一驱动模式的频率，并且，当以所述第二驱动模式驱动光源时，在通过滚动快门成像器件对该光源拍摄时所获得的该光源的图像上能够呈现出无条纹图案。
26.一种使用至少两个光源来传输信息的装置，包括用于对所述至少两个光源进行控制的控制器，所述控制器被配置用于实现权利要求17-25中任一项所述的方法。
27.一种光通信系统，包括：
如权利要求1-16中任一项所述的光通信装置；以及
用于识别由所述光通信装置传输的信息的设备，其被配置用于：
对所述光通信装置进行成像；
提取所述光通信装置中的第一光源的图像和所述光通信装置中的第二光源的图像；
比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像；以及
至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息。
28.根据权利要求27所述的光通信系统，其中，所述至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息包括：
如果所述第一光源的图像和所述第二光源的图像相同，则确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息为第一信息；以及
如果所述第一光源的图像和所述第二光源的图像不同，则确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息为与所述第一信息不同的其他信息。
29.根据权利要求27或28所述的光通信系统，其中，所述比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像包括：
比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像以确定它们是否具有相同的条纹图案。
30.根据权利要求27或28所述的光通信系统，其中，对所述光通信装置进行成像包括：
采用滚动快门成像方式使得成像器件的各个像素行得到曝光。
31.一种用于接收由权利要求1-16中任一项所述的光通信装置传输的信息的方法，所述方法包括：
对所述光通信装置进行成像；
提取所述光通信装置中的第一光源的图像和所述光通信装置中的第二光源的图像；
比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像；以及
至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少部分地根据所述比较的结果来确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息包括：
如果所述第一光源的图像和所述第二光源的图像相同，则确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息为第一信息；以及
如果所述第一光源的图像和所述第二光源的图像不同，则确定所述第一光源和所述第二光源共同传递的信息为与所述第一信息不同的其他信息。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，所述比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像包括：
比较所述第一光源的图像和所述第二光源的图像以确定它们是否具有相同的条纹图案。
34.一种用于接收由权利要求1-16中任一项所述的光通信装置传输的信息的装置，包括成像器件、处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时能够用于实现权利要求33-35中任一项所述的方法。
35.一种存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时能够用于实现权利要求17-25和31-33中任一项所述的方法。
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Denomination of invention: Optical communication device and method for transmitting and receiving information

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