CN112087838A - 一种可见光动态标签及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光动态标签及其实现方法，该可见光动态标签设有发送端和接收端，发送端以单片机作为主控制器，将经过特定协议编码后的数字或字符信息比特流通过驱动电路循环加载到LED灯阵中，使得LED灯光在满足照明需求的同时还能发送信息；接收端利用摄像头作为可见光动态标签的接收元件，使用摄像头拍摄带有调制信息的灯光，通过对接收到的可见光信息按照与编码协议对应的解码协议进行解调从而获得发送端发送的数字或字符信息，即可得到灯光中承载的信息。与二维码等传统实物标签相比，该标签具有制造成本低廉，信息保密性高，灵活应用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种可见光动态标签及其实现方法。
背景技术
可见光通信是近年来提出的新一代通信技术，它的发送端是将信息按照一定协议编码得到的载波信号调制到常用的照明灯光中，以自由空间作为传输信道，接收端使用光电探测器对灯光的亮度或者频率进行分析解码得到原始信息来实现通信功能。
当前可视化实物标签形式单一，目前大部分的实物标签都是以图片的形式保存标签数据，印刷在产品的包装上或者产品表面，这种使用印刷的方式承载的标签属于静态标签，一旦标签内容设定印刷后便不可更改，在一些需要经常更改标签的场合欠缺灵活性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种可见光动态标签及其实现方法，与二维码等传统实物标签相比，该标签具有制造成本低廉，信息保密性高，灵活应用等特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种可见光动态标签，包括：发送端和接收端；
所述发送端包括：直流电源、单片机、驱动电路和LED灯阵，所述直流电源与单片机连接，所述单片机通过驱动电路驱动LED灯阵；
所述单片机用于将接收到的待传输信息进行信息编码转换成比特流，所述驱动电路用于根据比特流调制LED灯阵发光状态；
所述接收端设有摄像模块，所述摄像模块用于拍摄灯光图片，所述接收端将拍摄的灯光图片进行图像分析，得到接收的码流，对码流进行解码获得对应灯光的的信息，加载获取到的链接信息，获得对应的待传输信息。
作为优选的技术方案，所述LED灯阵采用多组灯珠并联，每一组采用多个LED灯串联，并设有LED聚光透镜，所述LED聚光透镜安装到LED灯阵中。
作为优选的技术方案，所述摄像模块采用CMOS图像传感器，采用卷帘快门曝光方式。
本发明还提供一种可见光动态标签的实现方法，包括下述步骤：
所述发送端进行信息编码，发送bit信息，所述信息编码步骤包括：取待发送信息、字符编码、相位调制、添加帧头和帧头保护；
所述接收端进行图像处理，所述图像处理具体步骤包括：获取摄像头数据、灰度值修正、列像素排序、移动平滑滤波和多项式拟合判决；
采用二项式拟合的方法对数据进行拟合，在得出拟合曲线后，将每一个灰度值和与之对应的拟合值进行比较，得到判决结果；
所述接收端进行数据解调，所述数据解调具体步骤包括：寻找帧头、数据重排、数据缩减和解码原始字符信息；
在数据缩减之后，得到LED灯阵发送的比特流，对所述比特流按照对应编码方法进行解码，得到原始字符信息。
作为优选的技术方案，所述字符编码的步骤中，将英文字符、数字符和特殊符号与二进制码元一一对应，构建编码表，将待传输信息通过编码表转换成对应的二进制码元。
作为优选的技术方案，所述相位调制的具体步骤包括：
令当前第i位编码为x(i)，相位调制后第i位编码为y(i)，则y(i)与x(i)存在以下关系：
即编码第一位与原始编码相同，从第二位开始，若原编码当前位与前一位相同则将当前位改变电平，若不相同则不变，其中，符号“～”表示取反。
作为优选的技术方案，所述发送端进行信息编码的步骤中，加入奇偶校验码，所述接收端进行奇偶校验，若校验结果为有误码存在，则自动重启拍照重新获取一帧数据再次进行处理，直到校验结果为无误码发生才对数据进行解调，还原出原始发送的信息。
作为优选的技术方案，所述灰度值修正具体计算公式为：
其中，G表示从手机中获取的灰度值，Gn为经过灰度值校正后的灰度值。
作为优选的技术方案，所述列像素排序步骤包括：将帧图像的每一列像素值进行降序排序，确定明暗条纹宽度。
作为优选的技术方案，所述移动平滑滤波的具体计算公式为：
其中，Yi表示平滑滤波后的灰度值，M表示每个比特占用的列数，即比特分辨率，Xi表示排序后选定的行第i个列灰度值，w表示列数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)可见光动态标签的信息解读需要特定的解码协议，即使使用相同的光图象处理算法但用不同的编解码表可以获得不同的bit信息，从而具有较强的信息保密性，同时，灯光传输范围的可控性，也加强了信息传输的保密性。
(2)本发明结构简单，灵活性强，发送端只需要在原有灯光的基础上加上调制载波芯片即可，无需对原有灯光线路进行更改，同时可以根据不同的场合定制不同的灯光分布，根据需求实时通过软件实时更改各个灯光的调制信息。
(3)本发明利用一个帧图像的每一列像素获取LED一个亮灭状态信息的技术方案，解决了分析视频要耗费大量存储空间和处理时间的问题，大大简化了信号解调的工作。
附图说明
图1为本实施例可见光动态标签的整体结构框图；
图2为本实施例STM32单片机信息编码的流程示意图；
图3为本实施例相位调制的时序图；
图4为本实施例驱动电路与LED灯阵的连接示意图；
图5为本实施例接收端光信息处理步骤的流程示意图；
图6为本实施例接收端图像处理步骤的流程示意图；
图7为本实施例手机摄像头数据生成的图像示意图；
图8为本实施例灰度值修正后的图像示意图；
图9为本实施例列灰度排序后的灰度图像示意图；
图10(a)为本实施例原始图像的行像素灰度曲线图；
图10(b)为本实施例排序后的行像素灰度曲线图；
图11为本实施例移动平滑滤波后的灰度值曲线图；
图12为本实施例数据解调步骤的流程示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种可见光动态标签，可以改变当前实物标签形式单一的现状，本实施例的可见光动态标签分为发送端和接收端，该光标签的发送端以STM32单片机作为主控制器，将经过特定协议编码后的数字或字符信息比特流通过驱动电路循环加载到LED灯中，使得LED灯光在满足照明需求的同时还能发送信息；接收端利用智能手机的摄像头作为可见光动态标签的接收元件，使用智能手机摄像头拍摄带有调制信息的灯光，通过对接收到的可见光信息按照与编码协议对应的解码协议进行解调从而获得发送端发送的数字或字符信息，即可得到灯光中承载的信息。
发送端包括直流电源、STM32单片机、驱动电路和LED灯阵，直流电源与STM32单片机连接，STM32单片机通过驱动电路驱动LED灯阵；管理后台可以通过串口或者Zigbee无线网络与单片机建立连接，将待传输的信息(如一个链接信息:www.baidu.com)加载到STM32单片机上。STM32单片机将接收到的信息进行编码转换成二进制比特流，通过OOK调制的方法按照一定的码元宽度加载在驱动电路上调制LED灯阵发光状态，灯暗代表当前发送‘0’，灯亮代表当前发送‘1’，由于亮暗变化的速度很快，人眼无法察觉灯的闪烁，因此不会影响到灯具的正常照明功能。接收端在手机客户端中拍摄灯光图片，通过数字处理技术对拍摄到的图片进行分析，得到接收的码流，对码流进行解码便可获得对应灯光的的信息，随后手机客户端调用外部浏览器加载获取到的链接信息，实现通过灯光即可获取链接信息从而获取更多相关的信息，当然，本实施例也可以从用平板等带有摄像模块的智能终端。
在本实施例中，LED灯阵采用12个LED灯组合在一起，组成LED灯阵，其中，每3个LED灯被串联为一组，4组灯珠被并联在一起，并且为了防止温度过高而影响LED性能及寿命，保证系统安全以及稳定性，将LED灯珠焊接在导热效果良好的铝基板上，本实施例还设置了LED聚光透镜安装到焊接好的LED灯阵中，LED聚光透镜将灯光汇聚使得成像更加清晰。
在本实施例中，STM32单片机主要用于信息编码，发送bit信息；
如图2所示，信息编码的步骤包括：读取待发送信息、字符编码、相位调制、添加帧头、帧头保护；STM32单片机不断循环读取编码后的码元数组，当需要发送“1”时，IO口设定为高电平，延时一定时间后再读取下一个码元；当发送“0”时，IO口设定为低电平，延时一段时间，按照这种方法不断读取即可发送完一帧数据包含的所有码元。通过设定每次循环发送的码字数量为一定值，保证每一帧都包含完整的信息。
在本实施例中，字符编码将常用的英文字符、数字符和特殊符号通过编码表编译成二进制码元，这一步也称做信源编码，将待发送的信息转换成计算机能识别的二进制码元，信源的编码方法有多种，如：ASSIC码，UTF-8码，万国码等。本实施例为了增加单次光标签的信息容量同时增加信息保密性，独立设计一个单字符开销比较少的编码表，如下表1所示：
表1字符编码表
光标签携带的信息一般为一个链接，链接由英文字符和数字以及特殊符号组成，因此，设计了一个特有的编码表。该编码表中共有64种字符，每一个字符开销6位比特，这样能扩充单帧信息容量，提高光标签的性能。
可见光动态标签在数字图像处理解码过程中，需要经过多项式拟合将灰度值转换为逻辑值，多项式拟合过程中，当前拟合值会受到前后多个灰度值影响，过多的连码会严重影响拟合效果。同时过多的连码将会导致LED灯产生人眼可察觉的闪烁，因此需要使调制编码尽可能地减少连码。通过观察编码表可以发现，任意两个字符组成编码后连码数量多于“0/1”交错码，为了使得判决效果更好必须保证“0”和“1”的数量相差不大，且避免过多的连码。
在本实施例中，对信号编码进行相位调制的步骤如下：
令当前第i位编码为x(i)，相位调制后第i位编码为y(i)，则y(i)与x(i)存在以下关系：
即编码第一位与原始编码相同，从第二位开始，若原编码当前位与前一位相同则将当前位改变电平，若不相同则不变，其中，符号“～”表示取反。
如图3所示，原编码中连续的码元在相位调制后变为“0/1”交错码，原编码中“0/1”交错码变为连码，这样就能保证拟合判决时能减少误码率同时减少灯光闪烁。
在本实施例中，帧头设计步骤为：
在每一帧图像中需要还原每一帧图像码元顺序，因此需要在每一帧图像中加入帧头(111111)，保证能正确还原编码。
考虑到数据体部分会含有6个连续的“1”会影响解码，因此在数据体中的每5个连续的“1”后面加一个“0”，保证一帧数据中只有一个帧头，由于添加的这一个“0”会改变整个帧数据的比特数量，为了保证每一帧数据包含完整的信息，加入了6位活动帧尾，活动帧尾的长度随添加的“0”的数量进行改变。
为了保证系统的可靠性，本实施例为编码加入一组6位的奇偶校验码。根据传输的一组码元中的中“1”的个数奇偶性对传输的可靠性进行校验。判别“1”的数量为奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验。帧数据设计过程中，专门设置一个奇偶校验位，它使这组代码中“1”的个数恒为奇数或偶数。若采用奇校验方法，当接收端收到这组码元时，计算“1”的个数是否为奇数，从而确定传输码元传输的正确性，实现码元可靠传输。
如图4所示，本实施例的驱动电路采用ULN2803A作为驱动芯片。
如图5所示，接收端的手机客户端首先采用摄像头获取可见光信息，然后对获取到的光信息进行处理得到接收到的编码比特。对接收到的光信息逻辑进行奇偶校验，若校验结果为有误码存在，则自动重启拍照重新获取一帧数据再次进行处理，直到校验结果为无误码发生才对数据进行解调还原出原始发送的信息并根据具体应用场合对信息进行应用。
在本实施例中，手机摄像头的图像传感器为CMOS，选用卷帘快门曝光方式获取可见光信息，这样就能在一帧图像中获取到不同时刻LED灯阵的亮度信息。摄像头输出数据为YUV格式，这种格式是将亮度信息和色度信息分开保存在数组中，图像数据的前2/3为亮度信息Y，后1/3的数据为UV交错储存。本实施例只需要分析图像的亮度信息，因此，图像处理可以只取亮度信息进行分析即可，对比将一帧数据保存成图像形式再转换成灰度值的做法，只分析Y可以有效较少系统的对光信息的解调时间，提高系统性能。
如图6所示，接收端的手机客户端图像处理步骤包括：
获取摄像头数据、灰度值修正、列像素排序、移动平滑滤波和多项式拟合判决；
如图7所示，可以发现手机摄像头数据生成的图像整体图像泛白，条纹不清晰不利于数据解调，为了方便接下来的数字图像处理和判决效果，需要对灰度值进行矫正，灰度值修正采用的计算公式为：
其中，G表示从手机中获取的灰度值，Gn为经过灰度值校正后的灰度值。
如图8所示，得到经过灰度值矫正后的图像，图像中有很大一部分LED光斑，这一区域被称为“高光溢出区域”使得原本暗条纹因为相邻像素亮度溢出而变成亮条纹，确定明暗条纹宽度是对信号解调至关重要的一步，而图像对比度较高则有利于确定明暗条纹宽度。基于这一前提，将帧图像的每一列像素值进行降序排序。
如图9所示，排序后的图像亮的部分都分配在了上面，条纹信息无效，在图像的下面条纹信息较为明显。选择排序前后的第1800行像素画出灰度曲线，如图10(a)和图10(b)，可知在排序后选取的行灰度值曲线比较清晰，可以明显得出条纹宽度信息。经过多次实验证明排序之后的图像中第1800行至2000行的行灰度值都正确的反映出条纹信息。因此，本实施例选择第1800行至2000行像素各列的平均值作为最终选取的行灰度值，这样可以有效减少随机噪声的干扰。
在本实施例中，因排序后的行灰度值曲线上有不少随机噪声，这些随机噪声将会影响多项式拟合判决的性能，为进一步消除这些噪声，本实施例采用了移动平滑滤波器，其原理是：
其中Yi是平滑滤波后的灰度值，M是每个比特占用的列数，即比特分辨率，Xi是排序后选定的行第i个列灰度值，w是列数。
如图11所示，经过移动平滑滤波之后，列灰度值曲线的“毛刺”明显减少，图像平滑，有利于拟合。
在本实施例采用二项式拟合的方法对数据进行拟合，在得出拟合曲线后，将每一个灰度值和与之对应的拟合值进行比较，若灰度值大于拟合值则判决为“1”，若灰度值小于拟合值则判决为“0”。
如图12所示，本实施例通过上述方法得到一系列逻辑值后进行数据解调，具体步骤包括：
寻找帧头、数据重排、数据缩减和解码原始字符信息，数据要正确解调出原有的逻辑序列就必须正确找寻出帧头位置，本实施例帧头设计为(111111)，而且在数据体中每5个“1”后面添加一个“0”，那么就意味着一帧数据中只有一组连续6个“1”的数据，只要遍历所有数据找到连续和最大的一组就是该帧数据的帧头。找到帧头之后将帧头往前的数据放到帧尾，然后从数据帧头开始，取M为比特分辨率，判断每M个数据的和是否大于M/2，若大于则判为“1”，小于则判为“0”，以此规则对数据进行缩减。在数据缩减之后就能得到LED灯阵发送的比特序列，对该序列按照对应编码方法进行解码即可得到原始字符信息。
本实施例可见光动态标签单帧可以传送任意英文字符和数字，应用场景广泛，可以根据不同的应用场景定制不同的编码，如本设计中，传送的是一个网页链接信息，可以在接收链接信息后加上网址的链接头“https://”与接收到的信息组成完整的链接https://www.jnu.edu.cn，调用外部浏览器对网页进行访问。
本实施例可见光动态标签相比于印刷标签更灵活和环保，相比于在屏幕上呈现的动态标签成本更加低廉，相比于RFID电子标签具有更好的保密性。本实施例的光标签能够应用在一些需要频繁更改标签信息的场合，比如在展馆的每一个展位的的灯光中加上调制芯片，这样该展位的照明灯光中就包含了可见光调制信息，参观者走到该展位时手机客户端就能自动获取展位的展品信息，每次更换展品时，只需要通过管理系统统一更改对应展位的调制信息即可，方便展馆对展品的管理。
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 (10)
1.一种可见光动态标签，其特征在于，包括：发送端和接收端；
所述发送端包括：直流电源、单片机、驱动电路和LED灯阵，所述直流电源与单片机连接，所述单片机通过驱动电路驱动LED灯阵；
所述单片机用于将接收到的待传输信息进行信息编码转换成比特流，所述驱动电路用于根据比特流调制LED灯阵发光状态；
所述接收端设有摄像模块，所述摄像模块用于拍摄灯光图片，所述接收端将拍摄的灯光图片进行图像分析，得到接收的码流，对码流进行解码获得对应灯光的的信息，加载获取到的链接信息，获得对应的待传输信息。
2.根据权利要求1所述的可见光动态标签，其特征在于，所述LED灯阵采用多组灯珠并联，每一组采用多个LED灯串联，并设有LED聚光透镜，所述LED聚光透镜安装到LED灯阵中。
3.根据权利要求1所述的可见光动态标签，其特征在于，所述摄像模块采用CMOS图像传感器，采用卷帘快门曝光方式。
4.根据权利要求1-3任一项所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：
所述发送端进行信息编码，发送bit信息，所述信息编码步骤包括：取待发送信息、字符编码、相位调制、添加帧头和帧头保护；
所述接收端进行图像处理，所述图像处理具体步骤包括：获取摄像头数据、灰度值修正、列像素排序、移动平滑滤波和多项式拟合判决；
采用二项式拟合的方法对数据进行拟合，在得出拟合曲线后，将每一个灰度值和与之对应的拟合值进行比较，得到判决结果；
所述接收端进行数据解调，所述数据解调具体步骤包括：寻找帧头、数据重排、数据缩减和解码原始字符信息；
在数据缩减之后，得到LED灯阵发送的比特流，对所述比特流按照对应编码方法进行解码，得到原始字符信息。
5.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述字符编码的步骤中，将英文字符、数字符和特殊符号与二进制码元一一对应，构建编码表，将待传输信息通过编码表转换成对应的二进制码元。
6.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述相位调制的具体步骤包括：
令当前第i位编码为x(i)，相位调制后第i位编码为y(i)，则y(i)与x(i)存在以下关系：
即编码第一位与原始编码相同，从第二位开始，若原编码当前位与前一位相同则将当前位改变电平，若不相同则不变，其中，符号“～”表示取反。
7.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述发送端进行信息编码的步骤中，加入奇偶校验码，所述接收端进行奇偶校验，若校验结果为有误码存在，则自动重启拍照重新获取一帧数据再次进行处理，直到校验结果为无误码发生才对数据进行解调，还原出原始发送的信息。
8.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述灰度值修正具体计算公式为：
其中，G表示从手机中获取的灰度值，Gn为经过灰度值校正后的灰度值。
9.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述列像素排序步骤包括：将帧图像的每一列像素值进行降序排序，确定明暗条纹宽度。
10.根据权利要求4所述可见光动态标签的实现方法，其特征在于，所述移动平滑滤波的具体计算公式为：
其中，Yi表示平滑滤波后的灰度值，M表示每个比特占用的列数，即比特分辨率，Xi表示排序后选定的行第i个列灰度值，w表示列数。
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