CN114389694B - 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 - Google Patents

Abstract

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，为可见光室内导航、通信系统的发射端也即光源阵列提供一种易识别的波形设计，设定发射端为一组或多组光源阵列，接收端为图像传感器。发射端每2个子光源构成一组光源对，l个光源对构成光源阵列其中m表示光源阵列的数量，l表示光源对的数量，m、l的数量以及光源阵列的布局根据实际环境布设，子光源按照预设发送不同的序列。本发明采用光源对布设成的光源阵列，在满足平均照度的情况下，每个子光源均可独立调节，可满足不同时间、不同环境下的室内灯光要求，可灵活设置不同的定位、通信系统所要求的光源数量；信息发射序列和常亮序列间的运算简单，提高识别的精确度，减小计算的复杂度。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种易识别的光源波形设计方法，属于可见光导航、通信领域，具体涉及到基于图像传感器的可见光室内导航和通信中的光源发射序列的设计和识别。

背景技术

随着图像传感器的发展和图像处理能力的快速提升，利用其作为接收端的可见光室内通信、定位技术发展迅速。在发射端光源传输含地址码及信息码的调制信息，接收端的图像传感器拍摄光源图片，解码出光源的世界坐标及传输信息，通过光源在成像平面上的二维坐标和光源在世界坐标系的三维坐标之间的几何关系完成对传感器的定位。由于图像传感器的逐行扫描机制，高频闪烁的光源以明暗条纹的形式成像，直接对条纹图像处理会加大识别的难度，使计算量加大，并且不能精确的提取光源的图像坐标。与传统的识别方法相比，本发明的优势在于借助信息发射序列和常亮序列完成光源图像坐标的识别和信息的解调，提高了识别的精度和速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是高快门相机下高频闪烁光源成像为条纹图像，对于条纹图像无法准确识别光源质心和解调条纹图像。本发明的目的是提供一种条纹图像识别和解调一体化的易识别波形设计方法，在满足室内照度的同时，减小整体计算量，提高系统的可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

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，该方法的核心思想是为可见光室内导航、通信系统的发射端也即光源阵列提供一种易识别的波形设计，设定发射端为一组或多组光源阵列，接收端为图像传感器。发射端每2个子光源构成一组光源对，l个光源对构成光源阵列/>其中m表示光源阵列的数量，l表示光源对的数量，m、l的数量以及光源阵列的布局根据实际环境布设，子光源按照预设发送不同的序列。方法具体分为两部分：

第一部分：发射端部分

步骤1：对光源进行布设

本系统选择多组光源阵列作为室内照明、导航、通信一体化的发射端，各光源对的数量及排列方式按实际环境要求布设；

步骤2：对光源进行调制

光源对发射两次序列周期为的信息序列Se表征各光源的发射信息，即光源对的发射信息序列为：/>其中/>为n个码元的周期，为二进制码元，码长n可根据实际情况调制。光源阵列将信息序列以高频闪烁的形式发射出来，闪烁频率不小于200Hz，序列中二进制码元“1”表示光源亮，码元“0”表示光源灭(或相反)；

步骤3：添加常亮序列

为确保接收步骤快速识别光源，为每个子光源添加两个的序列周期、码长为n的常数序列：/>其中/>代表二进制全“1”码元；

步骤4：分配常亮序列

为确保在一个周期内能采集到子光源信息发射序列和常亮序列的成像，需要将常亮序列进行移位，即光源对的常亮序列间总是存在的延迟，如图1所示，因此T内光源对的总发射序列分别为：

其中/>表示克罗内克积，/>表示模二加法，光源阵列以T为周期广播总发射序列，T受限于接收机的曝光时间T_r，T≥4T_r。

第二部分：接收机部分

步骤1：选择图像传感器作为接收端，在T内对准光源阵列连续拍摄获取4张照片P_i,i＝1,2,3,4，如图2、图3所示。光源的闪烁频率必须设置为小于图像传感器的行扫描频率，在曝光时间内可以得到圆形或者椭圆形(受接收机姿态影响)的光斑图像，其中①常亮序列s成像为明亮光斑，②信息发射序列Se成像为明暗相间的全条纹，③介于两者之间的序列成像为半亮半条纹图像；

步骤2：光源识别

2.1)对步骤1得到的光源图片进行图像处理，得到二值化后的图像P_i'及其像素矩阵B_i'(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4以及连通后的像素矩阵B_i”(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4，其中(x,y)为像素点的图像坐标，N为每行(即横向)的像素数，M为每列(纵向)的像素数，并且B_i'(x,y)、B_i”(x,y)是亮度值仅由0、1构成的M×N的二维矩阵；选定子光源对任一B_i”中/>的像素值逐列扫描，记录该子光源首次出现像素值不为0的列数c_l1及像素值再次为0的列数c_l2，同理检测行像素，记录首次出现像素值不为0的行数r_l1，以及像素值再次为0的行数r_l2，得到构成光源矩形边框的四个边界值[c_l1,c_l2]、[r_l1,r_l2]；

2.2)对B_i',i＝1,2,3,4中的在/>列处、r_l1行到r_l2行的所有像素点的亮度值进行累加/>其中累加值最大者I_max判定为全亮光斑即常亮序列的成像，累加值最小者I_min为全条纹图像即信息发射序列的成像，介于两者之间的累加值I_mid则为信息发射序列和常亮序列的混合成像；

2.3)计算步骤2.2)中得到的累加值最大的光源图中光源的二维图像质心坐标即边框的质心坐标：并记录该全亮光斑所在的图像P_i'；

步骤3：解码发射序列

对步骤2.3)记录的P_i'的不相邻的光源图像进行处理，该不相邻的光源图像是与P_i'中的全光班图像对应的全条纹图像，利用霍夫变换或者快速傅里叶变换识别子光源的n位信息发射序列/>

步骤4：重复步骤2-3，直到获取剩余子光源的二维图像坐标和信息发射序列/>

步骤5：查找数据库中解码得到的发射序列所对应的光源三维世界坐标及2.3)中得到的光源二维图像坐标，利用坐标间的几何关系实现接收端的定位、通信。

本发明的有益效果如下：

采用光源对布设成的光源阵列，在满足平均照度的情况下，进一步细化了对各子光源的控制，每个子光源均可以独立调节，从而可以满足不同时间、不同环境下的室内灯光要求，并且可灵活设置不同的定位、通信系统所要求的光源数量；其次信息发射序列和常亮序列间的运算简单，电路易实现，提高了识别的精确度并减小了计算的复杂度。

附图说明

图1为周期T内光源对的波形示意图；

图2为在①时刻开始拍照得到的光源二值图；

图3为在②时刻开始拍照得到的光源二值图，其中时刻②为T内任意时间，左上光源为右下光源为/>

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

可见光导航、通信中一种易识别的光源波形设计方法，包括以下步骤：

步骤1：在发射端，考虑最简单的情况，选择含有两个子光源的一组光源对作为发射端，图2、3中左上光源为/>右下光源为/>

步骤2：选择长度为n＝7的两个PN码作为信息发射序列表示各子光源的三维地址信息：码元“1”表示光源亮，“0”表示光源灭；

步骤3：添加长度n＝7的二进制常亮码元“1”作为常亮序列并将信息发射序列和常亮序列做克罗内克积、模二运算，得到两个子光源/>的总发射序列：/>设置光源闪烁频率不小于200Hz，则光源对/>以至多/>为周期广播总发射序列；

步骤4：固定接收端，使其与光源平行，设置曝光时间为1/2000，感光度为50，对准该光源对连拍得到4张光源照片P_i,i＝1,2,3,4，拍摄开始时刻为①或者②，但并不影响后续处理；

步骤5：光源识别

5.1)对步骤4得到的光源图片进行图像处理，得到二值化后的图像P_i'如图2或图3所示，以及像素矩阵B_i'(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4和连通后的像素矩阵B_i”(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4，其中(x,y)为像素点的图像坐标，N为每行(即横向)的像素数，M为每列(纵向)的像素数，以图3为例，可得到N＝576，M＝625，选定子光源对任一B_i”中/>的像素值逐列扫描，记录该子光源首次出现像素值不为0的列数c_l1＝137及像素值再次为0的列数c_l2＝226，同理检测行像素，记录首次出现像素值不为0的行数r_l1＝172，以及像素值再次为0的行数r_l2＝263，得到构成光源A₁ ¹'1矩形边框的四个边界值[c_l1,c_l2]、[r_l1,r_l2]；

5.2)对B_i',i＝1,2,3,4中在/>列处、r_l1行到r_l2行的所有像素点的亮度值进行累加/>得到/>其中累加值最大者为/>即将P₃'中/>的成像判定为全亮光斑即常亮序列的成像，累加值最小者为即将P₁'中/>的成像判为全条纹图像即信息发射序列的成像，介于两者之间的累加值/>则为信息发射序列和常亮序列的混合成像；

5.3)计算步骤2.2)中得到的累加值最大的光源图中光源的二维图像质心坐标即边框的质心坐标：且记录此时/>全亮光斑所在的图像为P₃'；

步骤6：解码发射序列

对步骤5.3)记录的P₃'的不相邻的光源图像即P₁'进行处理，该不相邻的光源图像是与P₃'中的全光班图像对应的全条纹图像，利用霍夫变换或者快速傅里叶变换识别子光源的n位信息发射序列；

步骤7：重复步骤5-6，直到获取剩余子光源的二维图像坐标和信息发射序列；

步骤8：查找数据库中解码得到的发射序列所对应的光源的三维世界坐标及5.3)中得到的光源二维图像坐标，利用坐标间的几何关系实现接收端的定位、通信。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种可见光导航通信一体化中易识别的光源波形设计方法，为可见光室内导航、通信系统的发射端也即光源阵列提供一种易识别的波形设计，其特征在于，设定发射端为一组或多组光源阵列，接收端为图像传感器；发射端每2个子光源构成一组光源对，l个光源对构成光源阵列/>其中m表示光源阵列的数量，l表示光源对的数量，m、l的数量以及光源阵列的布局根据实际环境布设，子光源按照预设发送不同的序列；方法具体分为两部分：第一部分：发射端部分

步骤1：对光源进行布设

选择多组光源阵列作为室内照明、导航、通信一体化的发射端，各光源对的数量及排列方式按实际环境要求布设；

步骤2：对光源进行调制

光源对发射两次序列周期为的信息序列Se表征各光源的发射信息，即光源对的发射信息序列为：/>其中/>为n个码元的周期，/>为二进制码元，码长n可根据实际情况调制；光源阵列将信息序列以高频闪烁的形式发射出来，序列中二进制码元“1”表示光源亮，码元“0”表示光源灭；

步骤3：添加常亮序列

为确保接收步骤快速识别光源，为每个子光源添加两个的序列周期、码长为n的常数序列：/>其中/>代表二进制全“1”码元；

步骤4：分配常亮序列

为确保在一个周期内能采集到子光源信息发射序列和常亮序列的成像，将常亮序列进行移位，即光源对的常亮序列间总是存在的延迟，因此T内光源对的总发射序列分别为：

其中，光源阵列以T为周期广播总发射序列，T受限于接收机的曝光时间T_r，T≥4T_r；

第二部分：接收机部分

步骤1：选择图像传感器作为接收端，在T内对准光源阵列连续拍摄获取4张照片P_i,i＝1,2,3,4，光源的闪烁频率必须设置为小于图像传感器的行扫描频率，在曝光时间内可以得到圆形或者椭圆形的光斑图像，其中①常亮序列s成像为明亮光斑，②信息发射序列Se成像为明暗相间的全条纹，③介于两者之间的序列成像为半亮半条纹图像；

步骤2：光源识别

2.1)对步骤1得到的光源图片进行图像处理，得到二值化后的图像P_i'及其像素矩阵B′_i(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4以及连通后的像素矩阵B″_i(x,y)_M×N,i＝1,2,3,4，其中(x,y)为像素点的图像坐标，N为每行的像素数，M为每列的像素数，并且B′_i(x,y)、B″_i(x,y)是亮度值仅由0、1构成的M×N的二维矩阵；选定子光源对任一B″_i中/>的像素值逐列扫描，记录该子光源首次出现像素值不为0的列数c_l1及像素值再次为0的列数c_l2，同理检测行像素，记录首次出现像素值不为0的行数r_l1，以及像素值再次为0的行数r_l2，得到构成光源矩形边框的四个边界值[c_l1,c_l2]、[r_l1,r_l2]；

2.2)对B′_i,i＝1,2,3,4中的在/>列处、r_l1行到r_l2行的所有像素点的亮度值进行累加/>其中累加值最大者I_max判定为全亮光斑即常亮序列的成像，累加值最小者I_min为全条纹图像即信息发射序列的成像，介于两者之间的累加值I_mid则为信息发射序列和常亮序列的混合成像；

2.3)计算步骤2.2)中得到的累加值最大的光源图中光源的二维图像质心坐标即边框的质心坐标：并记录该全亮光斑所在的图像P_i'；

步骤3：解码发射序列

对步骤2.3)记录的P_i'的不相邻的光源图像进行处理，该不相邻的光源图像是与P_i'中的全光班图像对应的全条纹图像，利用霍夫变换或者快速傅里叶变换识别子光源的n位信息发射序列/>

步骤4：重复步骤2-3，直到获取剩余子光源的二维图像坐标和信息发射序列

步骤5：查找数据库中解码得到的发射序列所对应的光源三维世界坐标及2.3)中得到的光源二维图像坐标，利用坐标间的几何关系实现接收端的定位、通信。