CN115314642B - 一种基于多像素累积的相机光通信系统及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多像素累积的相机光通信系统及实现方法。系统包括发射机和接收终端两部分；其中发射机主要由控制器、LED驱动器和LED光源组成，接收终端主要由摄像头、处理器、解调器和解码器组成。由控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号，LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光。在接收终端由摄像头接收可见光并形成图像，处理器对图像进行灰度化处理，解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓(ROI)，从ROI中采样N行/列像素点组成的灰度矩阵，对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；设置阈值Gth，还原被传输的信息，实现数据传输和通信。

Description

一种基于多像素累积的相机光通信系统及实现方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及相机光通信系统及其实现方法，系统利用普通照明LED灯具、普通智能终端(如手机)实现无线数据通信服务。
背景技术
随着社会的发展，人们对无线数据服务的需求急剧增加。传统基于无线射频信号的通信系统，例如WiFi，已不能很好地满足在高人群密度下的数据通信；另一方面，随处可见的LED照明设施和带摄像头的智能终端，为相机光通信系统提供了良好的硬件基础。因为相机光通信系统可以复用现有照明设置和智能终端，在不显著增加成本的情况下，实现数据通信。
作为6G可能的接入技术之一，无论是学术界还是工业界，对可见光通信(又称LiFi)，都有着广泛的研究。而以照明LED灯具和智能终端为收发设备的相机光通信，更是受到了越来越多的关注。但现有的技术方案，在信息解调解码过程中，仅从ROI中采样单一行/列像素进行解调解码，而普通摄像头的像素灰度区间通常为0-255，导致符号间距过小，严重影响了相机光通信的应用场景和解码效果。基于此，现有的相机光通信系统通信距离较为受限，也难以适用于照明亮度较低的场合。
基于以上分析，现有的相机可见光通信系统，主要存在解调解码过程中，未能充分利用ROI中的像素，导致解调解码效果较差等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种计算复杂度较低的基于多像素累积的相机光通信系统及实现方法。
本发明解决其技术问题所采用的基于多像素累积的相机光通信系统，包括发射机和接收终端两部分；其中发射机主要由控制器、LED驱动器和LED光源组成，接收终端主要由摄像头、处理器、解调器和解码器组成。所述发射机，由控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号，LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光。所述接收终端，由摄像头接收可见光并形成图像，所述处理器对图像进行灰度化处理，解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓，即感兴趣区域ROI，从ROI中采样数据并解调后送入解码器，进行发送数据的解码还原，显示在用户终端；其中，所述采样数据为N行/列像素点组成的灰度矩阵，N为大于1的正整数，对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；根据G，设置阈值Gth；利用Gth对G解调，还原被传输的信息，实现数据传输和通信。
进一步的是，所述摄像头接收可见光的方式为对着LED光源本身或对着LED
光源的照射区域。当摄像头对着LED光源本身接收可见光时，从ROI中前四分之一行/列或者后四分之一行/列的位置开始取N行/列像素点。当摄像头对着LED光源的照射区域接收可见光时，从ROI中二分之一行/列的位置开始取N行/列像素点。所述N优选为ROI总行/列数的1/50。
进一步的是，所述根据G，设置阈值Gth，包括：求出G中前M个元素中的最值Lmax,全部元素中的最大值Mmax和后M元素中的最大值Rmax,，根据Lmax、Mmax、Rmax，设置阈值Gth，M≥1。所述M优选为大于等于G元素数量的5％。
进一步的是，所述摄像头接收到的可见光为最大灰度值小于20的弱光。
本发明解决其技术问题所采用的一种基于多像素累积的相机光通信系统实现方法，包括以下步骤：
A.控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号，LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光；
B.接收终端的摄像头接收可见光并形成图像，处理器对图像进行灰度化处理，
C.解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓，即感兴趣区域ROI，
D.解调器从ROI中获取N行/列像素点组成灰度矩阵，N为大于1的正整数，对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；根据G，设置阈值Gth，利用Gth对G解调，
E.解码器进行发送数据的解码还原，显示在用户终端。
本发明的有益效果是计算复杂度低、成本较低、解码效果好、应用场景广，具体为：(1)通过采用多行/列像素进行累计求和，可有效增大信号的幅度，突破摄像头灰度值0-255的限制，增加了信噪比和符号间距，可有效提高解码效果、降低误码率；(2)采用多行/列像素，充分利用了摄像头的成像能力，有利于避免单一行/列像素的缺陷，增加了解码数据的鲁棒性；(3)由于多行/列像素进行累计求和，实现了接收信号的功率放大，可有效补偿长距离通信的光衰减，提升相机光通信的通信距离；(4)通过采样ROI区域中不同位置的行/列像素，可有效减弱由于灯光源形状或发射面不规则对相机光通信的影响，扩大相机光通信的适用范围，同时也有利于提高通信的可靠性。
附图说明
图1为本发明涉及的多像素累积采样方案与传统采样方式对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。
本发明的基于多像素累积的相机光通信系统，包括发射机和接收终端两部分；其中发射机主要由控制器、LED驱动器和LED光源组成，接收终端主要由摄像头、处理器、解调器和解码器组成。所述发射机，由控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号，LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光。所述接收终端，由摄像头接收可见光并形成图像，所述处理器对图像进行灰度化处理。
如图1所示，接收终端是配备了摄像头的终端设备，实验中采用的是智能手机，解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓，即感兴趣区域ROI，从ROI中采样数据并解调后送入解码器，进行发送数据的解码还原，显示在用户终端；如图1的中间子图所示，传统的采样只选取ROI中的一行/一列，而本发明为了在保持较低计算复杂度的情况下，提高相机光通信的解码效果，所述解调器从ROI中采样N行/列像素点以组成灰度矩阵，对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；根据G，设置阈值Gth；利用Gth对G解调，还原被传输的信息，实现数据传输和通信。
申请人已实现了本发明系统，系统发射机采用STM8S单片机作为控制器，控制MOSFET驱动LED照明灯具发射调制光，该发射机供电电压为48V、电流为0.5A；接收终端采用iphone8plus和三星s8，其中两型接收终端的帧率设置为30fps，曝光时间为1/8000s和1/12000s。申请人依托该系统，测试了本发明方法，在不同发射频率、通信距离和终端角度下的表现。其中在5kHz发射频率、2m通信距离、0度情况下：采用传统的单行像素解码，iphone8plus的误码率是3.9x10-3、三星S8的误码率为1.8x10-2；而采用本发明提出的方法，在采样10行像素累积解码的情况下，iphone8 plus的误码率降低到了1.0x10-5以下，三星S8的误码率为2.3x10-3；该实验充分证明，本发明提出的多像素累积采样方法，能够有效改善相机光通信的解码效果，降低误码率。同时申请人，也发现在其他情况下，如更高的发射频率、更远的通信距离、接收终端更大的选择角度，本发明提出的方法均可明显改善解码效果。
经过申请人的实验对比，当N取ROI总行/列数的1/50时，解码效果最好，且计算复杂度在可接受范围内，不影响接收终端实时解码，也就是说说解码效果和解码时间达到了最优的平衡。此外，申请人发现，对于直射式通信场景，即接收终端摄像头直接对准光源，从ROI中前1/4和后1/4开始采样N行/列像素点组成的灰度矩阵具有更好的解码效果；对于反射式通信场景，即接收终端摄像头对准光源照明区域，从ROI中1/2位置开始采样N行/列像素点组成的灰度矩阵具有更好的解码效果。
本发明尤其适用于摄像头接收到弱光的情景，通常最大灰度值小于20时为弱光强的可见光，例如长距离通信、或反射式通信、或博物馆等低照明、或接收终端采样能力弱，采用单一行列像素的数据幅度较小，如图1最右子图所示；而采用本发明提出的多行列像素累积采样，获得的数据幅度明显增加，提高了符号间距和信噪比，有利于提升解码效果，降低误码率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于多像素累积的相机光通信系统，其特征在于，包括发射机和接收终端，所述发射机由控制器、LED驱动器和LED光源组成；所述接收终端包括摄像头、处理器、解调器和解码器；
所述发射机，由控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号；
LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光；
所述接收终端，由摄像头接收可见光并形成图像，所述处理器对图像进行灰度化处理，解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓，即感兴趣区域ROI，从ROI中采样数据并解调后送入解码器，进行发送数据的解码还原，显示在用户终端；
所述从ROI中采样数据并解调后送入解码器，进行发送数据的解码还原，包括：所述采样数据为ROI中N行/列像素点组成的灰度矩阵，N为大于1的正整数；对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；根据G，设置阈值Gth，利用Gth对G解调。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像头接收可见光的方式为对着LED光源本身或对着LED光源的照射区域。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当摄像头对着LED光源本身接收可见光时，从ROI中前四分之一行/列或者后四分之一行/列的位置开始取N行/列像素点。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当摄像头对着LED光源的照射区域接收可见光时，从ROI中二分之一行/列的位置开始取N行/列像素点。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述根据G，设置阈值Gth，包括：
求出G中前M个元素中的最大值Lmax,全部元素中的最大值Mmax和后M元素中的最大值Rmax，根据Lmax、Mmax、Rmax，设置阈值Gth，M≥1。
6.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述N为总行/列数的1/50。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述M为大于等于G元素数量的5％。
8.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述摄像头接收到的可见光为最大灰度值小于20的弱光。
9.一种基于多像素累积的相机光通信系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.控制器对用户输入的数据进行编码和调制转换为数字控制信号，LED驱动器将数字控制信号加载到LED光源上，产生调制光信号，发出可见光；
B.接收终端的摄像头接收可见光并形成图像，处理器对图像进行灰度化处理；
C.解调器提取出灰度图像中LED光源发出的可见光的轮廓，即感兴趣区域ROI；
D.解调器从ROI中获取N行/列像素点组成灰度矩阵，N为大于1的正整数，对灰度矩阵中的每行/列元素进行求和，得到对应的列/行向量G；根据G，设置阈值Gth，利用Gth对G解调；
E.解码器进行发送数据的解码还原，显示在用户终端。
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