CN113055090A - 与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统 - Google Patents

与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，该系统包括发送设备和接收设备；所述的发送设备包括发送端处理器和LED光源，接收设备包括光学相机和接收端处理器；其特征在于所述的LED光源包括N个排列不对称的数据发送LED，N≥3；发送端处理器11通过控制各数据发送LED闪烁发送数据信息；光学相机获取LED光源的视频图像，接收端处理器对视频图像进行解调处理并对N个数据发送LED发送的bit数据按设定的顺序排列得到原始数据信息。本发明可以解决接收设备以任意方位，因为对称排列LED所造成的LED标定问题，实现简单、便利，通过改造现有灯具结合智能手机即可实现。

Description

与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统
技术领域
本发明属于可见光成像通信技术领域，涉及一种与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统。
背景技术
随着CMOS技术的发展，COMS图像传感器被嵌入到许多电子设备中，如手机、电脑以及各种监控装置等。一种特殊的可见光通信技术应运而生——可见光成像通信(OpticalCamera Communications,OCC)。OCC以图像传感器作为光接收器件。相比于传统的VLC技术，其主要优势在于通信设备的高普及率大大降低了OCC的建设成本及布网复杂度；图像传感器的空间分辨率使OCC能够天然支持多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术，从而轻松实现通信的分集或复用，增强通信系统的可靠性与有效性。图像传感器作为物联网(Internet of Things,IoT)感应层核心传感器之一是实现OCC与物联网融合的关键所在。因此物联网技术的蓬勃发展必将为OCC带来更加广阔的应用前景。
OCC以图像传感器取代传统光敏二极管作为光接收器，以图像的形式采集发送端LED的亮度状态。所以基于图像处理的解调算法成为OCC物理层研究的基本问题。一般情况下，多个LED光源大都为对称排列，但在多光源光学成像通信中，布置对称排列的多光源会由于拍摄方位的原因，造成同一发送设备发送相同的信息，在不同方位的用户解析出不同的接收信息。所以如何提出一种用于解决对称排列的数据发送光源因接收设备在任意方位产生的对称排列光源标定问题是非常关键的。
发明内容
本发明提供一种与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，该系统实现简单、便利。
为了解决上述技术问题，本发明的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，包括发送设备和接收设备；所述的发送设备包括发送端处理器和LED光源，接收设备包括光学相机和接收端处理器；其特征在于所述的LED光源包括N个排列不对称的数据发送LED，N≥3；发送端处理器通过控制各数据发送LED闪烁发送数据信息；光学相机获取LED光源的视频图像，接收端处理器对视频图像进行解调处理并对N个数据发送LED发送的bit数据按设定的顺序排列得到原始数据信息。
所述的LED光源包括3个排列不对称的数据发送LED。
所述的LED光源包括5个排列不对称的数据发送LED。
所述的LED光源包括8个排列不对称的数据发送LED。
进一步，当光学相机视场范围内只有一个LED光源时，将该LED光源的视频图像作为有效图像。
进一步，当光学相机视场范围内有多个LED光源时，所述的接收端处理器对连续的每一帧视频图像中的彩色背景及数据发送LED进行颜色特征提取，获得多个特征提取图像；其中连通域所占像该素个数最多的特征提取图像即为离接收设备最近的LED光源对应的特征提取图像，并将该特征提取图像对应的视频图像作为有效图像。
进一步，所述的LED光源还包括至少一个常亮LED；接收端处理器首先对有效图像进行去除常亮LED处理再进行解调处理。
所述的接收端处理器对有效图像进行去除常亮LED处理的方法如下：
一、取相邻三帧有效图像的中间帧有效图像与前面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像，中间帧有效图像与后面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像；四幅差分图像求和后进行二值化处理并对得到的二值化图像进行形态学图像处理中的开操作，得到A二值化图像；
二、取相邻三帧有效图像中的中间帧有效图像进行二值化处理，去除边缘部分得到去除了边缘部分的B二值化图像；
三、将A二值化图像和B二值化图像相加之后再进行一次二值化处理，减去A二值化图像，得到只有常亮LED的D二值化图像；
四、根据得到的只有常亮LED的D二值化图像，标记常亮LED的范围；
五、针对每帧有效图像，将常亮LED范围内的所有像素值置为彩色背景的像素值，最终得到去除常亮LED的包含多个非对称排列LED的E图像。
所述的接收端处理器采用卷积神经网络解调方法对视频图像进行解调处理得到原始数据信息。
有益效果：
本发明通过将四个或更多个对称排列LED中的三个或更多个非对称排列的LED用于发送数据，其余为常亮LED，可以解决接收设备以任意方位，因为对称排列LED所造成的LED标定问题。分割得到连续的定义到同一彩色背景下的四个或更多个对称排列LED的图像，结合Manchester编码，发送数据的三个或更多个非对称排列LED在连续三帧图像中一定会发生至少一次状态变化，因此利用连续图像相邻三帧差分的方法，可以非常方便地去除常亮LED，分割得到发送数据的三个或更多个非对称排列LED的图像。利用卷积神经网络的表征学习能力对图像处理后得到的图像进行识别，可以降低外界噪声以及接收设备倾斜对最后数据解调造成的影响。本发明实现简单、便利，通过改造现有灯具结合智能手机即可实现。
附图说明
图1为本发明应用场景图。
图2为本发明的系统结构示意图。
图3a、图3b为场景图中两个接收设备出现的LED标定解调问题示意图。
图4为本发明的发送设备LED排列示意图。
图5为本发明发送设备发送数据示意图。
图6a～图6h为本发明光源标定调制方式示例图。
图7a、图7b为本发明适应其他对称排列光源示意图。
图8为本发明图像处理流程图。
图9a～图9k为接收端处理器图像处理过程仿真图。
图10为本发明卷积神经网络训练得到分类器过程示意图。
图11为本发明基于卷积神经网络解调过程示意图。
图中：1.发送设备；11.发送端处理器；12.LED光源；120.常亮LED；121-128.数据发送LED；13.彩色背景；14.边缘部分；21.光学相机；22.接收端处理器。
具体实施方式
为使得本发明技术方案以及优点更加的清晰，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明的技术方案进行完整地、清晰地描述。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的，本发明的关键在于对解调结构提出的技术方案，涉及软件或编程内容的，均是本领域技术人员可参照现有实现的。
如图1所示，现有的多光源光学成像通信系统，包括发送设备1和接收设备2；所述的发送设备1包括发送端处理器11和LED光源12，接收设备2包括光学相机21和接收端处理器22。如图2所示，所述的LED光源12包括排列在同一彩色背景下的四个对称排列的LED，LED光源12连接至发送端处理器11，LED光源12布置在医院或大型超市等场景的天花板上，用于提供照明、传输信息的需要。发送端处理器11通过控制LED闪烁发送数据信息，数据信息经过大气信道被接收设备2；接收设备2的光学相机21获取LED光源12的视频图像并将其发送给接收端处理器22，由接收端处理器22对视频图像进行处理得到原始数据信息。
如图3a、3b所示，两个接收设备2因为处于相对位置的关系，获取的视频图像出现处于相对位置的两个接收设备对称排列LED标定不明确的问题。如果按对称排列LED的亮灭情况获得相应的4bit数据信息，在接收设备方位不同的情况下会解调出不同的4bit数据信息。其中一个接收设备呈现出的LED的亮灭情况为灭亮亮亮，解调出的4bit数据信息为0111，而另一接收设备中呈现出来的LED的情况为亮亮灭亮，解调出的4bit数据信息为1101。
本发明的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统中，可以将现有的LED光源中排列非对称的多个LED设置为数据发送LED，其余设置为常亮LED。但不限于上述方式，也可以只取其中排列非对称的多个LED设置为数据发送LED，去除其余LED。
如图4所示，本发明的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统中，所述的LED光源包括一个常亮LED120和3个排列不对称的数据发送LED121、121、123。
如图5所示，所述的发送设备发送数据过程如下：首先发送端处理器将数据信息通过串并转换分成三个数据流，然后将每个数据流通过Manchester编码转换成相应的编码数据，最后根据编码数据利用开关键控(OOK)的调制方法，分别控制三个数据发送LED以设定频率P快速闪烁。如图6a～6h所示为三个数据发送LED调制方式示意图，以逆时针方向排序为例，解调出的3bit数据信息分别为000、001、010、011、100、101、110、111。由于以常亮LED120为参考点，按设定的顺序对三个数据发送LED发送的bit数据进行排列，不会由于接收设备方位不同而解调出不同的数据信息。
LED光源中数据发送LED的数量和排列方式不限于上述方式，还可以采用如图7a或图7b所述的形式或者其他形式。
为了清楚起见，下面统一技术名称如下：
视频图像：光学相机拍摄的原始图像，视频图像中包含彩色背景13、边缘部分14、常亮LED120和数据发送LED。
特征提取图像：对视频图像进行颜色特征提取得到的图像，特征提取图像包含了彩色背景13、常亮LED120和数据发送LED。
有效图像：离接收设备最近的LED光源对应的视频图像。
如图8所示，接收端处理器的图像处理过程包括如下步骤：
步骤1：接收设备通过内置的光学相机获取到LED光源的视频图像，接收端处理器对视频图像中的每帧图像进行颜色特征提取、图像分割得到离接收设备最近的LED光源连续图像；
步骤2：因为光学相机的采样频率高，即使在移动情况下相邻三帧分割得到的图像背景变化不大，结合Manchester编码，发送数据的三个非对称排列数据发送LED一定会发生至少一次状态变化，步骤1分割得到离接收设备最近的LED光源的连续图像，从连续图像中取相邻三帧视频图像，通过相邻三帧视频图像之间的差分结合图像处理过程，去除常亮LED得到LED光源的三个非对称排列数据发送LED分割图像。
进一步的上述步骤1中，特征提取、图像分割方法包括以下步骤：
步骤1.1：接收设备通过内置的光学相机获取LED光源连续的视频图像。当光学相机视场范围内只有一个LED光源时，直接将该LED光源的视频图像作为有效图像。当光学相机视场范围内有多个LED光源时，接收端处理器对连续的每一帧视频图像(如图9a所示，视频图像中包含了彩色背景13、边缘部分14、常亮LED120和数据发送LED121-123)中的彩色背景13及常亮LED120和数据发送LED121-123进行颜色特征提取，获得多个如图9b所示的特征提取图像；
步骤1.2：统计特征提取图像中各连通域的像素个数，连通域所占像素个数最多的特征提取图像即为离接收设备最近的LED光源对应的特征提取图像，如图9c所示，其中包含了三个非对称排列数据发送LED、常亮LED及彩色背景13；将并将该特征提取图像对应的视频图像作为有效图像。
进一步的上述步骤2中去除常亮LED得到LED光源的三个非对称排列数据发送LED分割图像的方法如下：
步骤2.1：取相邻三帧有效图像(如图9d1-图9d3所示)，取中间帧有效图像与前面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像，中间帧有效图像与后面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像；四幅差分图像(图9e1-图9e4)求和后进行二值化处理(四幅差分图像求和后的图像如图9f所示)，对得到的二值化图像进行现有技术的形态学图像处理中的开操作去除因为接收设备移动产生的细微的背景变化，得到如图9g所示的A二值化图像；
步骤2.2：取相邻三帧有效图像中的中间帧有效图像进行二值化处理(二值化处理后的图像如图9h所示，为了示出二值化后的图像因为手机拍摄角度的原因而产生有白色边缘部分14，在白色边缘部分14周围增加了灰色边框)，去除边缘部分14，得到去除了边缘部分的B二值化图像，如图9i所示；
步骤2.3：将上述得到的A二值化图像和B二值化图像相加之后(A二值化图像和B二值化图像相加后的图像如图9j所示)再进行一次二值化处理，减去A二值化图像，即可得到只有常亮LED的D二值化图像(如图9k所示)；
步骤2.4：根据得到的只有常亮LED的D二值化图像，标记常亮LED的范围；
步骤2.5：针对每帧有效图像，将常亮LED范围内的所有像素值置为彩色背景13的像素值，最终得到去除常亮LED的包含三个非对称排列LED的E图像。
接收设备通过光学相机获取的视频图像，在经过接收端处理器图像处理之后，得到的包含三个非对称排列数据发送LED的连续E图像，将这些连续E图像，按如图10、11所示的现有的基于卷积神经网络解调方法，获得原始数据信息。图10、11所示基于卷积神经网络的解调过程包括以下步骤：
步骤1：如图10所示，取部分标签已知的接收设备获取的连续视频图像并处理后得到的连续E图像，输入到结构既定的卷积神经网络中，通过训练建立分类器；
步骤2：如图11所示，接收设备获取需要解调的连续视频图像，将视频图像处理后得到连续E图像输入到训练好的分类器中，识别得到相应的bit数据；
步骤3：将得到的bit数据按照顺序排列起来，按照Manchester译码的方式，得到相应的数据信息。
上述卷积神经网络的输入包含有限多张的三个非对称数据发送LED的E图像，所述卷积神经网络的输出端为23个神经元，数据集的23个标签对应三通道OOK编码的符号类别，其中的3为的三个非对称排列数据发送LED个数。
本发明公开了一种与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统。该系统包括发送设备和接收设备。所述的发送设备包括对称排列LED光源和联结至对称排列LED的处理器；所述的对称LED光源包括用于发送数据的非对称排列LED和常亮LED，用于解决对称排列数据发送LED因接收设备在任意方位产生的对称排列LED标定问题；接收设备包括内置了光学相机和联结至光学相机的处理器的移动设备；所述的光学相机通过曝光获取发送设备的图像；所述的处理器可对光学相机获取的视频图像进行特征提取和多帧差分，实现非对称分布数据发送LED的图像分割，然后利用卷积神经网络的表征学习能力，对分割后用于发送数据非对称排列LED的图像进行识别并输出接收数据。该系统可以根据接收设备在移动状态以任意拍摄方位获取的图像中，解调出发送数据。

Claims (9)

1.一种与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，包括发送设备和接收设备；所述的发送设备包括发送端处理器和LED光源，接收设备包括光学相机和接收端处理器；其特征在于所述的LED光源包括N个排列不对称的数据发送LED，N≥3；发送端处理器通过控制各数据发送LED闪烁发送数据信息；光学相机获取LED光源的视频图像，接收端处理器对视频图像进行解调处理并对N个数据发送LED发送的bit数据按设定的顺序排列得到原始数据信息。
2.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的LED光源包括3个排列不对称的数据发送LED。
3.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的LED光源包括5个排列不对称的数据发送LED。
4.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的LED光源包括8个排列不对称的数据发送LED。
5.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于当光学相机视场范围内只有一个LED光源时，将该LED光源的视频图像作为有效图像。
6.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于当光学相机视场范围内有多个LED光源时，所述的接收端处理器对连续的每一帧视频图像中的彩色背景及数据发送LED进行颜色特征提取，获得多个特征提取图像；其中连通域所占像该素个数最多的特征提取图像即为离接收设备最近的LED光源对应的特征提取图像，并将该特征提取图像对应的视频图像作为有效图像。
7.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的LED光源还包括至少一个常亮LED；接收端处理器首先对有效图像进行去除常亮LED处理再进行解调处理。
8.根据权利要求7所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的接收端处理器对有效图像进行去除常亮LED处理的方法如下：
一、取相邻三帧有效图像的中间帧有效图像与前面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像，中间帧有效图像与后面相邻帧有效图像相互进行差分得到两幅差分图像；四幅差分图像求和后进行二值化处理并对得到的二值化图像进行形态学图像处理中的开操作，得到A二值化图像；
二、取相邻三帧有效图像中的中间帧有效图像进行二值化处理，去除边缘部分得到去除了边缘部分的B二值化图像；
三、将A二值化图像和B二值化图像相加之后再进行一次二值化处理，减去A二值化图像，得到只有常亮LED的D二值化图像；
四、根据得到的只有常亮LED的D二值化图像，标记常亮LED的范围；
五、针对每帧有效图像，将常亮LED范围内的所有像素值置为彩色背景的像素值，最终得到去除常亮LED的包含多个非对称排列LED的E图像。
9.根据权利要求1所述的与拍摄方位无关的多光源光学成像通信系统，其特征在于所述的接收端处理器采用卷积神经网络解调方法对视频图像进行解调处理得到原始数据信息。
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CN114389694A (zh) * 2022-01-05 2022-04-22 大连理工大学 一种可见光导航通信一体化中易识别的光源波形设计方法
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