CN115276799A - 光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法 - Google Patents

光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，具体如下：当在环境参数确定的场景中时，采用离线标定方法，在通信过程开始之前确定并设置初始的判决门限值；当在解调过程中环境因素发生变化时，采用在线跟踪方法，在数据解调的同时修正最优判决门限以适应环境因素变化的过程。该方法解决了现有技术中存在的图像亮度判决门限的不确定和动态变化引起的解调错误问题。

Description

光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法
技术领域
本发明属于光学成像通信技术领域，具体涉及一种光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法。
背景技术
光学成像通信(OCC)是一种利用图像传感器作为光电探测设备的可见光通信(VLC)方式。由于OCC中的图像传感器的帧速率比VLC中的光电探测器(PD)的带宽低得多，为了在光源非闪烁的条件下实现数据传输，OCC通常采用基于欠采样的开关键控(OOK)调制方式，比如UPSOOK等。
采样欠采样调制的光学成像通信系统的发射端由数据调制器、LED驱动电路和LED光源构成，接收端由摄像机与数据解调器构成。数据调制器的功能是根据UPSOOK的帧结构，将输入基带比特映射为不同的调制符号，包括1个帧头符号、1个导频符号和M个数据符号。其中，帧头符号由频率为fH＝2400Hz的高频方波波形构成，持续时长为Tsym＝1/30秒，与接收端摄像机的输出图像帧间隔时间一致。导频符号和数据符号均由频率为fL＝120Hz的低频方波波形构成，持续时长均为Tsym＝1/30秒。导频符号的相位固定为0°与之对应的基带比特状态为逻辑0。而数据符号的相位则由基带比特的状态确定，即0°相位对应逻辑0,180°相位对应逻辑1。LED发出的光强在调制器输出电平的控制下产生亮灭交替的闪烁。由于闪烁的最低频率120Hz高于人眼的临界闪烁频率，因而人眼无法感知这种亮度的闪烁。在接收端，摄像机的功能是持续捕获光源的亮度，并将光源亮度转换为图像的亮度信息。采用低帧率卷帘快门CMOS摄像机作为光电探测器设备，曝光控制设置为手动模式，曝光时间设置为1/500秒，增益30，分辨率设置为1027x768，颜色模式为RGB模式，帧率30fps，其余参数保持默认值。数据解调器的工作过程包括，首先从摄像机输出的图像帧中获取光源像素RGB信息，并将其转换为归一化的灰度数据，记作d。再根据门限设置h1和h0，判决当前图像帧是否为帧头符号的采样值；如果是，则后续M+1帧为导频符号和M个数据符号的采样值。否则，等待直到检测到帧头符号采样值。接着，将M个数据符号的采样值db与导频符号采样值状态dp比较，若相同则判决接收比特为逻辑0，否则判决为逻辑1。若检测到帧头符号，并完整判决获得M个数据比特，则输出M个解调比特数据。否则解调失败，丢弃当前帧，继续等待下一个帧头符号。
在实际工程应用中，确定最优的门限h1和h0是较为困难的。首先，最优的判决门限值是未知的。尽管帧头符号的采样值对应的图像亮度值在理论上介于逻辑1和逻辑0符号的正中间，但在信号光强、环境光强和成像补偿的影响下，实际上的最优门限不是一个确知值，需要通过离线测量标定。其次，最优的判决门限是变化的。当环境光强变化时，如昼夜交替、开灯关灯、噪声光源干扰等，最优门限会呈现上下波动，需要在线跟踪。再次，最优门限可能不存在。比如在相机严重饱和的情况下，逻辑1和帧头符号的亮度可能重合于相机的饱和亮度，因而需要校正相机的全局增益以避免发生严重饱和。对最优判决门限的错误设置将对欠采样调制的解调性能带来严重影响，主要表现在无法实现帧同步方面。对于欠采样调制而言，帧同步是实现符号解调的关键步骤。已有的解调算法一般采用固定的门限方式，即根据通信场景的环境光强和光源强度离线估计得到一个“最优门限”，并将其设置为解调过程中的h1和h0。这种方法适用于环境光强变化不大的通信场景，比如室内场景。而在更为复杂的通信场景中，如室外场景，环境光强的变化、光强饱和等因素使得最优判决门限是随机变化的，难以通过离线估计确定。在这种复杂的场景下，固定门限方法确定的门限往往偏离最优门限，导致解调正确率降低。
在光学成像通信系统中设计最优门限的自适应方法，解决由于环境光强变化、相机饱和等因素对欠采样调制方案的解调的不利影响，提高解调算法的鲁棒性，提高通信性能具有重要意义。在传统方法中，解调时的最优门限在多种因素的共同作用下是一个未知且动态变化的量，难以确定。而且，在相机发生严重饱和的情况下，最优门限有可能不存在，甚至无法解调符号。在已有的研究中未有针对性的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，解决了现有技术中存在的图像亮度判决门限的不确定和动态变化引起的解调错误问题。
本发明所采用的技术方案是，光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，具体如下：
当在环境参数确定的场景中时，采用离线标定方法，在通信过程开始之前确定并设置初始的判决门限值；
当在解调过程中环境因素发生变化时，采用在线跟踪方法，在数据解调的同时修正最优判决门限以适应环境因素变化的过程。
本发明的特征还在于，
离线标定方法的具体步骤如下：
(1)在摄像机输出的预览画面中观察，并调整摄像机的视野和角度，使得输出图像的采集像素位置对准光源；
(2)设置调制器输出高电平，记录此时摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，且将此时的d记作dmax；
d＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d≤1 (1)
其中，R、G、B分别为红色、绿色和蓝色通道的亮度值，取值在0-255之间；
(3)如果dmax＝1，则降低摄像机的增益使得0.95<dmax<1，使得摄像机不处于饱和状态；若dmax<0.4，则增大摄像机的增益使得0.95<dmax<1；
(4)设置调制器输出低电平，记录摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，并将此时的d记作dmin；
(5)设置归一化最优判决门限为
Figure BDA0003767156160000042
和
Figure BDA0003767156160000043
(6)在解调过程中，使用公式(2)中定义的归一化函数f(d)，计算亮度的归一化值
Figure BDA0003767156160000044
并以归一化的亮度值代替原有的图像亮度值，完成数据解调；
f(d)＝(d-dmin)/(dmax-dmin) (2)
离线标定的本质是对图像亮度的归一化。归一化后的图像亮度值不受环境光强和亮度饱和的影响，总是分布在0和1之间。虽然归一化后的判决门限是固定值，但根据实际亮度判决的门限h0和h1却是变化的，即
Figure BDA0003767156160000041
由此实现了判决门限的自适应。
在线跟踪方法的具体步骤如下：
(1)在实现数据解调的过程中，维护一个亮度数组buff，其最大元素个数为N；每获得一帧图像的采样像素的RGB亮度后按公式(3)转换为灰度值d’后，将其作为最新的元素存入buff，若buff的元素数大于N，则将最早加入的一个元素剔除；
其中，公式(3)如下：
d′＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d′≤1 (3)；
(2)将buff数组中的最大值记为d’max，最小值记为d’min；
(3)假设摄像机在获取第n帧图像时的增益为βn，如果d’max＝1，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn-δ，以确保摄像机离开饱和区域，即0.95<d’max<1；若d’max<0.4，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn+δ，以避免摄像机亮度过低，即0.95<d’max<1；
(4)设置归一化最优判决门限为
Figure BDA0003767156160000051
和
Figure BDA0003767156160000052
(5)使用公式(4)中的归一化函数，对当前帧的像素灰度值d’做归一化处理，得到
Figure BDA0003767156160000053
并以归一化的亮度值
Figure BDA0003767156160000054
代替原有的图像亮度值d’，完成数据解调；
其中，公式(4)如下：
f(d′)＝(d′-d′min)/(d′max-d′min) (4)。
在线跟踪方法中，N的取值为10。
在线跟踪方法中，δ的取值为5。
本发明的有益效果是：
本发明方法采用离线标定与在线跟踪相结合的方法实现判决门限的自适应问题，其中离线标定方法用于确定当前系统参数下的最优判决门限，并将其作为系统的初始工作状态。动态跟踪的方法用于实时确定最优的门限值，采用归一化方法排除环境光的影响，使最优门限成为一个相对固定的值，方便系统设置。在线监测相机亮度饱和的发生，并通过调整相机全局增益的方法避免最优门限的失效。本发明提高了欠采样调制解调的正确率，增强了光学成像通信系统在不同环境下的鲁棒性和适应性。
附图说明
图1为本发明方法判决门限自适应的在线跟踪方法工作流程图；
图2为实验验证中使用的光学成像通信验证系统框图；
图3为室外白天摄像机输出的原始图像的归一化亮度分布图；
图4为经离线标定后得到的归一化亮度分布图；
图5为室外夜晚场景原始归一化亮度分布图；
图6为室外夜晚场景离线标定后的归一化亮度分布图；
图7为环境光变化时采集的原始归一化亮度分布图；
图8为采用在线跟踪算法得到的归一化亮度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，采用离线标定和在线跟踪相结合的方法自适应的确定和设置解调过程中最优的判决门限，如图1所示，具体如下：
当在环境参数确定的场景中时，采用离线标定方法，在通信过程开始之前确定并设置初始的判决门限值；
其中，离线标定方法的具体步骤如下：
(1)在摄像机输出的预览画面中观察，并调整摄像机的视野和角度，使得输出图像的采集像素位置对准光源；
(2)设置调制器输出高电平，记录此时摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，且将此时的d记作dmax；
d＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d≤1 (1)
其中，R、G、B分别为红色、绿色和蓝色通道的亮度值，取值在0-255之间；
(3)如果dmax＝1，说明此时摄像机可能已经饱和，则降低摄像机的增益使得0.95<dmax<1，使得摄像机不处于饱和状态；若dmax过低，如dmax<0.4，则增大摄像机的增益使得0.95<dmax<1；
(4)设置调制器输出低电平，记录摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，并将此时的d记作dmin；
(5)设置归一化最优判决门限为
Figure BDA0003767156160000073
和
Figure BDA0003767156160000072
(6)在解调过程中，使用公式(2)中定义的归一化函数f(d)，计算亮度的归一化值
Figure BDA0003767156160000074
并以归一化的亮度值代替原有的图像亮度值，完成数据解调；
f(d)＝(d-dmin)/(dmax-dmin) (2)
离线标定的本质是对图像亮度的归一化。归一化后的图像亮度值不受环境光强和亮度饱和的影响，总是分布在0和1之间。虽然归一化后的判决门限是固定值，但根据实际亮度判决的门限h0和h1却是变化的，即
Figure BDA0003767156160000071
由此实现了判决门限的自适应。
当在解调过程中环境因素发生变化时，如背景光强和光源距离的变化等，采用在线跟踪方法，在数据解调的同时修正最优判决门限以适应环境因素变化的过程。
其中，在线跟踪方法的具体步骤如下：
(1)在实现数据解调的过程中，维护一个亮度数组buff，其最大元素个数为N；每获得一帧图像的采样像素的RGB亮度后按公式(3)转换为灰度值d’后，将其作为最新的元素存入buff，若buff的元素数大于N，则将最早加入的一个元素剔除；
其中，公式(3)如下：
d′＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d′≤1 (3)；
(2)将buff数组中的最大值记为d’max，最小值记为d’min；
(3)假设摄像机在获取第n帧图像时的增益为βn，如果d’max＝1，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn-δ，以确保摄像机离开饱和区域，即0.95<d’max<1；若d’max<0.4，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn+δ，以避免摄像机亮度过低，即0.95<d’max<1；
(4)设置归一化最优判决门限为
Figure BDA0003767156160000081
和
Figure BDA0003767156160000082
(5)使用公式(4)中的归一化函数，对当前帧的像素灰度值d’做归一化处理，得到
Figure BDA0003767156160000083
并以归一化的亮度值
Figure BDA0003767156160000084
代替原有的图像亮度值d’，完成数据解调；
其中，公式(4)如下：
f(d′)＝(d′-d′min)/(d′max-d′min) (4)。
最优判决门限的线跟踪方法中，利用滑动窗检测最近N个图像帧中的最大亮度和最小亮度，并以此作为归一化参数设置判决门限。因此，N的取值影响跟踪算法的灵敏度。N取值过小，难于保存真实的亮度极值，容易产生归一化错误；而N取值过大，算法迟滞越明显，不能及时适应换进光强的变化实现有效跟踪。经实际测试，N的建议取值为10左右比较合适。
对相机增益的实时控制是通过检测亮度最大值是否达到饱和门限，并以δ为相机增益的更新步长实现跟踪的。由于环境光强发生突变的概率不大，因此δ的取值不宜过大，经测试以5为佳。
实验验证
为了验证本方案的有效性，搭建了如图2所示的光学成像通信验证系统，包括发射端和接收端两部分，其间距约2米。其中发射端由FPGA开发板、LED驱动电路和白色LED光源构成。FPGA开发板的功能包括生成随机数据比特，并根据UPSOOK调制规则将数据比特映射为调制符号，再生成完整的UPSOOK数据帧。将FPGA输出的电压波形信号作为控制信号，与基于CN5711的LED驱动电路的PWM控制端相连，能够在调制信号为高电平时输出100mA的电流，而在调制信号为低电平时不输出电流。最后，将驱动电路的输出端与一商用探照灯的LED光源相接，供电端与探照灯锂电池的输出相接，能够使探照灯在UPSOOK调制信号的控制下产生人眼不可感知的亮暗变化。
接收端由USB摄像机与PC机构成。实验系统采用搭载Sony IMX291图像传感器的USB摄像头实现对LED光源亮度的捕获并输出图像，并在PC机上使用Python语言和OpenCV框架实现相应的图像处理和UPSOOK数据解调过程，还原发射的数据比特并打印输出在屏幕上。
(1)离线标定实验
在室外白天场景下，经位置校准后，从USB摄像机输出图像中采集得到的图像像素的归一化亮度分布如图3所示。其中，数据符号对应的亮度最大和最小值分别为0.75和0.62左右，帧头符号对应的亮度均值约为0.69。此时，与原始数据对应的最佳门限应为h0＝0.66和h1＝0.77。由此可见，在环境光强的影响下，LED熄灭时的亮度被大幅抬升，并与LED全亮时的归一化亮度差仅为0.13，正确检测处于灰度亮度的帧头的正确概率较低。
经离线标定后的归一化亮度分布如图4所示。此时，LED全亮和全灭的亮度被归一化为接近1和0的值，而帧头符号对应的亮度为0.5左右。此时，最佳的判决门限即为h0＝0.25和h1＝0.75。
此外，在室外夜晚场景下，原始亮度和离线标定后的分布如图5和图6所示。夜晚场景下受环境光影响较小，主要是对饱和效应做出相应的处理。
从上述实验结果图中可以看出，离线标定后的归一化亮度分布能够将数据符号中最亮和最暗的光强调整到1和0附近，并使得帧头符号的亮度在0.5附近，因此，使用同一组判决门限h0＝0.25和h1＝0.75实现在不同环境光强条件下对帧头符号的正确检测。
(2)在线跟踪实验
当系统完成离线标定后，可以进入正常的数据解调过程。此时，当环境光发生缓慢变化时，如环境光强增大或减弱，我们采用在线跟踪的方式实时估计最优的判决门限。当环境光变化时，摄像机测得的归一化亮度分布，如图7所示。从图中可见，数据符号中最亮和最暗的值，以及帧头符号的亮度均随环境光强的变化而同步变化。由此可知，检测帧头符号亮度的最优判决门限h0和h1不再是固定不变的，而是随环境光强变化而变化的(绿线和红线)。在这种不可预知的环境变化条件下，需要采用跟踪算法实时估计最优的判决门限。在设置缓冲区buff的深度为5时，采用在线跟踪算法得到的归一化亮度分布如图8所示。从图中可以看出，帧头符号对应的灰度亮度分布在0和1之间，受到摄像机非线性因素的影响，会产生部分偏离0.5的情况，可以进一步采用非线性补偿措施对判决门限值加以修正。
上述实验结果表明，在线跟踪方法能够与离线标定方法相结合，实现光学成像通信中欠采样调制解调中判决门限的自适应过程，使光学成像通信在更为复杂的室外通信场景中提高系统的鲁棒性和可靠性，提高通信性能。

Claims (5)

1.光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，其特征在于，具体如下：
当在环境参数确定的场景中时，采用离线标定方法，在通信过程开始之前确定并设置初始的判决门限值；
当在解调过程中环境因素发生变化时，采用在线跟踪方法，在数据解调的同时修正最优判决门限以适应环境因素变化的过程。
2.根据权利要求1所述的光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，其特征在于，离线标定方法的具体步骤如下：
(1)在摄像机输出的预览画面中观察，并调整摄像机的视野和角度，使得输出图像的采集像素位置对准光源；
(2)设置调制器输出高电平，记录此时摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，且将此时的d记作dmax；
d＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d≤1 (1)
其中，R、G、B分别为红色、绿色和蓝色通道的亮度值，取值在0-255之间；
(3)如果dmax＝1，则降低摄像机的增益使得0.95<dmax<1，使得摄像机不处于饱和状态；若dmax<0.4，则增大摄像机的增益使得0.95<dmax<1；
(4)设置调制器输出低电平，记录摄像机输出图像中采集像素的RGB信息，将其按照公式(1)转换为灰度值d，并将此时的d记作dmin；
(5)设置归一化最优判决门限为
Figure FDA0003767156150000011
和
Figure FDA0003767156150000012
(6)在解调过程中，使用公式(2)中定义的归一化函数f(d)，计算亮度的归一化值
Figure FDA0003767156150000013
并以归一化的亮度值代替原有的图像亮度值，完成数据解调；
f(d)＝(d-dmin)/(dmax-dmin) (2)
离线标定的本质是对图像亮度的归一化。归一化后的图像亮度值不受环境光强和亮度饱和的影响，总是分布在0和1之间。虽然归一化后的判决门限是固定值，但根据实际亮度判决的门限h0和h1却是变化的，即
Figure FDA0003767156150000021
由此实现了判决门限的自适应。
3.根据权利要求2所述的光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，其特征在于，在线跟踪方法的具体步骤如下：
(1)在实现数据解调的过程中，维护一个亮度数组buff，其最大元素个数为N；每获得一帧图像的采样像素的RGB亮度后按公式(3)转换为灰度值d’后，将其作为最新的元素存入buff，若buff的元素数大于N，则将最早加入的一个元素剔除；
其中，公式(3)如下：
d′＝(0.299*R+0.587*G+0.114*B)/255且0≤d′≤1 (3)；
(2)将buff数组中的最大值记为d’max，最小值记为d’min；
(3)假设摄像机在获取第n帧图像时的增益为βn，如果d’max＝1，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn-δ，以确保摄像机离开饱和区域，即0.95<d’max<1；若d’max<0.4，则设置摄像机的增益为βn+1＝βn+δ，以避免摄像机亮度过低，即0.95<d’max<1；
(4)设置归一化最优判决门限为
Figure FDA0003767156150000022
和
Figure FDA0003767156150000023
(5)使用公式(4)中的归一化函数，对当前帧的像素灰度值d’做归一化处理，得到
Figure FDA0003767156150000031
并以归一化的亮度值
Figure FDA0003767156150000032
代替原有的图像亮度值d’，完成数据解调；
其中，公式(4)如下：
f(d′)＝(d′-d′min)/(d′max-d′min) (4)。
4.根据权利要求3所述的光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，其特征在于，在线跟踪方法中，N的取值为10。
5.根据权利要求4所述的光学成像通信中欠采样调制解调的判决门限自适应方法，其特征在于，在线跟踪方法中，δ的取值为5。
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