CN116232458B - 确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统，属于通信网络技术领域。所述方法包括以下步骤：首先，本发明设计了稳定的T‑W映射机制，用于准确识别接收范围内的具体LED，在不影响可见光通信性能的同时实现连贯的可见光定位，解决了难以提炼出具有高辨识度的定位信标特征的问题。其次，本发明设计了新颖的线性分组编码与位交错机制，在不影响可见光定位性能的同时实现低误码率的可见光数据通信，解决了帧间间隙中丢失数据难以恢复的问题。本发明在可见光定位和可见光通信互不影响的情况下确保了连贯的定位和通信。

Description

确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，涉及室内LED(Light Emitting Diode)灯下的可见光混合定位和通信图像处理算法、T-W映射机制、线性分组编码和位交错机制。

背景技术

近年来，随着物联网(Internet of Thing，IoT)的蓬勃发展，智能照明系统与智能设备的创新交互在各种使用场景中逐渐普及。得益于LED等智能照明设备的崛起，可见光定位(Visible Light Positioning，VLP)和可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术引起了众多学者的关注，这两种技术可以应用于大型商场、医院、地下停车场等场所，用户可以实现准确的定位导航并获得高效的通信服务。

现有的VLP系统和VLC系统都可以使用LED等智能照明设备作为发射器和使用图像传感器或光电二极管(Photodiode，PD)作为接收器来实现其原理。两者的不同在于VLP系统用于提供高精度定位和实时导航，而VLC系统用于提供大容量数据和高数据速率的通信服务。

然而，现有的可见光系统很少能同时实现VLP和VLC。原因如下：当尝试构建可见光混合定位和通信系统时，1)如果将定位信标数据添加到现有的VLC系统中，将对这些系统的通信速率和误码率(Bit Error Radio，BER)造成降级影响，这迫切需要解决可见光混合定位与通信系统中所存在的难以提炼出具有高辨识度的定位信标特征的问题；2)如果将通信数据包添加到现有的VLP系统中，将可能造成定位和通信同时失败，这迫切需要解决可见光混合定位与通信系统中所存在的难以恢复帧间间隙(Inter-frame Gap，IFG)中丢失数据的问题。此前，曾有学者提出使用到达角(Angle of Arrival，AOA)和接收信号强(ReceivedSignal Strength，RSS)信息来实现混合系统，也有学者提出了一种具有代表性的滤波器增强光无线通信(OWC)系统以同时实现光定位和通信。然而，他们的研究要么只进行了仿真实验，要么使用昂贵的设备来提高系统性能，这并不符合实际需求。目前，可见光混合定位和通信方法及系统的发展相对缓慢，使得用户难以在获取准确的定位导航的同时实现有效的数据通信。因此，设计一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信技术，以解决难以在可见光定位和可见光通信互不影响的情况下确保连贯的定位和通信的问题具有重要研究意义。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：

第一，一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，包括以下步骤：

捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域。

对LED的感兴趣区域采用T-W映射机制识别接收范围内的具体LED。在发射端，预先为所有LED各分配一个特定的发射速率，值得注意的是不同的LED发射速率映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围。在接收端，获得所捕获图像帧中所有的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度，并与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。该机制去除了数据包中的定位信标数据，解决了难以提炼出具有高辨识度的定位信标特征的问题，从而在不影响可见光通信性能的同时实现连贯的可见光定位。

对LED的感兴趣区域采用线性分组编码和位交错机制恢复帧间间隙中的丢失数据。在发射端，设计了新颖的数据包格式，并按照一定的规则将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错处理并组成数据包。在接收端，获得所捕获连续图像帧中的LED感兴趣区域明、暗条纹序列，利用所提出机制的纠错功能正确接收横跨两帧的数据包，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题，从而在不影响可见光定位性能的同时实现低误码率的数据通信。

进一步的，可见光混合定位与通信系统由LED作为光源和智能终端作为接收机组成；智能终端可以是智能手机、平板电脑、智能穿戴设备等。LED传输经过编码和调制且包含定位和通信信息的二进制信号，传输的信号是高频的，人眼无法感知LED闪烁；使用智能终端的前置摄像头捕获LED传输的二进制信号，在设置合理的相机参数后，捕获的信息是每帧都包含LED的明暗条纹的视频序列。

进一步的，所述基于等距采样的轻量级图像处理算法具体包括：首先，将捕获的图像变为灰度图像，并对灰度图像进行二值化处理；然后，对二值化后的图像按像素的行、列分别进行等距离的像素强度采样，获得LED大致的感兴趣区域；最后，对该区域附近所有像素按照行、列进行像素强度采样，以获得准确的LED感兴趣区域边界。

进一步的，所述稳定T-W映射机制具体包括：首先，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法获取初始帧中的LED感兴趣区域；然后，取LED感兴趣区域的中线，计算该中线上所有点的灰度值，每点的灰度值按照垂直于该点所在中线的上下10个像素点取平均进行计算；根据计算出的灰度值，判别此点是属于明条纹还是暗条纹，并将所有明条纹和暗条纹的起始点横坐标从小到大排序，即得到每个条纹起始点的横坐标值；遍历每个条纹的宽度，认定宽度最长的条纹为序列头所对应的条纹并取出该宽度值；最后，将该宽度值与数据库中的所有序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。

进一步的，所述设计的新颖线性分组编码和位交错机制具体包括：

在发射端：首先，根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计了新颖的数据包格式，确定了数据包中所含汉明块的数量；然后，按照(7，4)汉明码的编码规则将发送的随机数据进行编码；随后，按照位交错机制的原理对编码以后的数据进行处理，这使得不同汉明块的数据交织在一起；最后，将位交错处理以后的数据进行曼彻斯特编码并根据数据包的格式组合成发送数据包。

在接收端：首先，采用前述的基于等距采样的轻量级图像处理算法、明暗条纹识别算法和宽度遍历测量算法对连续捕获的图像帧进行处理，得到LED感兴趣区域的明、暗条纹序列并提取经曼彻斯特编码处理的数据序列部分；然后，根据帧间间隙的数据丢失量对横跨连续图像帧的经曼彻斯特编码处理的数据序列部分进行随机位补偿，获得待纠错的数据序列；随后，将待纠错的数据序列接连进行曼彻斯特译码和位解交错处理，这将可能存在的误码分散到不同的汉明块中，获得待纠错的汉明块；最后，根据(7，4)汉明码的纠错功能正确还原发送数据。

进一步的，所述数据包由序列头、起始位、编码数据以及结束位组成，数据包的最大数据携带容量大于每图像帧中的最大数据携带容量，数据包的最大数据携带容量由编码数据中所含汉明块数量来决定，汉明块的数量大于或等于帧间间隙中的数据丢失量。

进一步的，除了考虑可见光定位和可见光通信在互不影响的情况下进行，还需要减少因处理非LED感兴趣区域而增加系统开销的情况。

首先，将任何感兴趣区域的外接圆面积与预设的面积阈值范围进行对比；然后，仅将外接圆面积处于预设的面积阈值范围感兴趣区域认定为LED感兴趣区域并对其进行进一步处理，以降低系统开销和提高系统稳定性。

进一步的，仅需确保各LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹，就能利用稳定的T-W映射机制、新颖的线性分组编码和位交错机制同时实现互不干扰的可见光定位和可见光通信。

第二，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法。

第三，本发明还提供了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信系统，包括：

调制和驱动模块：用于根据所设计的数据包格式，将发送的随机数据进行线性分组编码和位交错等处理并组成发送数据包；采用OOK-PWM的调制方式将数据包进行处理，并驱动LED在覆盖范围内传输随机数据包。

LED感兴趣区域提取模块：用于捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域；采用前述的明暗条纹识别算法和宽度遍历测量算法处理所提取的LED的感兴趣区域，获得LED感兴趣区域序列头条纹的宽度和经曼彻斯特编码处理的数据序列部分。此外，为减少因处理非LED感兴趣区域而增加系统开销的情况，将任何感兴趣区域的外接圆面积与预设的面积阈值范围进行对比；仅将外接圆面积处于预设的面积阈值范围感兴趣区域认定为LED感兴趣区域并对其进行进一步处理。

T-W映射机制模块：用于构建T-W映射机制数据库，其中不同的LED发射速率{T₁,T₂,T₃,...,T_n,...}映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围{W₁,W₂,W₃,...,W_n,...}；将获得的LED感兴趣区域序列头条纹宽度与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。

线性分组解码和位解交织模块：用于根据帧间间隙的数据丢失量对横跨连续图像帧的经曼彻斯特编码处理的数据序列部分进行随机位补偿，获得待纠错的数据序列；将待纠错的数据序列接连进行曼彻斯特译码和位解交错处理，获得待纠错的(7，4)汉明块；根据(7，4)汉明码的纠错功能正确还原发送数据。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明设计了确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统。与现有的仅停留在仿真实验阶段或以高昂成本换取稳定性能的可见光混合定位与通信系统相比，本发明利用低成本的商用现成设备实现了确保连贯定位和通信的可见光混合定位和通信系统原型。为实现可见光混合定位和通信系统的可见光定位部分，本发明设计了稳定的T-W映射机制，该机制去除了数据包中的定位信标数据仍能准确识别接收范围内的LED，使得数据包中所有有用数据可完全应用于可见光通信，解决了难以提炼出具有高识别度的定位信标特征的问题，在不影响可见光通信性能的同时确保了连贯的可见光定位。为实现可见光混合定位和通信系统的可见光通信部分，本发明设计了新颖的线性分组编码和位交错机制，该机制确保每个LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹便能准确接收横跨连续图像帧的数据包，同时也确保落在帧间间隙的序列头条纹也能被准确恢复，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题，在不影响可见光定位性能的同时确保了连贯且低误码率的可见光通信。

附图说明

图1是本发明提供的优选实施例确保连贯定位和通信的可见光混合定位和通信系统的系统架构图；

图2为本发明设计的基于等距采样的轻量级图像处理算法原理图；

图3是本发明设计并建立的T-W映射数据库图；

图4为本发明设计的新型数据包格式与传统的数据包格式比较图；

图5为本发明设计的新颖的线性分组编码和位交错机制实现框图；

图6为本发明设计的线性分组编码和位交错机制具体过程图；

图7为本发明中连续图像帧中数据包的所处位置分析图；

图8为本发明测量的定位成功率和图像解码率统计图；

图9为本发明使用单灯或双灯测量的系统定位精度累积分布函数(CumulativeDistribution Function，CDF)曲线；

图10为本发明测量的数据包包含不同数量汉明块的误码容忍度统计图；

图11为本发明测量的LED的发射速率与帧间间隙中数据丢失量的关系图；

图12为本发明设计的线性分组编码与位交错机制方案和传统方案的误码率性能比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明实施例中提供了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位和通信方法，首先，在发射端，预先为所有LED各分配一个特定的发射速率并设计T-W映射机制数据库，其中不同的LED发射速率{T₁,T₂,T₃,...,T_n,...}映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围{W₁,W₂,W₃,...,W_n,...}；根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计了新颖的数据包格式，并利用调制模块将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错等处理并组成发送数据包。然后，利用驱动模块控制天花板上多盏LED在覆盖范围内以特定的发射速率传输包含定位和通信信息的数据包，智能手机作为接收机进行捕获。捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法快速提取LED的感兴趣区域，对LED感兴趣区域采用稳定的T-W映射机制，在不影响可见光通信性能的前提下准确识别接收范围内的具体LED；此外，在采用T-W映射机制的过程中同时对LED感兴趣区域采用线性分组编码和位交错机制的纠错功能，在不影响可见光定位性能的前提下恢复帧间间隙中的丢失数据。最后，仅需各LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹便能在互不影响的情况下确保连贯定位和通信。

1)该可见光混合定位和通信技术确保在去除数据包中的定位信标数据的情况下仍能准确识别接收范围内的具体LED，使得数据包中的有用数据可完全应用于可见光通信，解决了难以提炼出具有高识别度的定位信标特征的问题，在不影响可见光通信性能的同时确保了连贯的可见光定位。

2)该可见光混合定位和通信技术确保在每个LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹的情况下便能准确接收横跨连续图像帧的数据包，同时也确保落在帧间间隙的序列头条纹也能被准确恢复，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题，在不影响可见光定位性能的同时确保了连贯且低误码率的可见光通信。

3)该可见光混合定位和通信技术实现了本发明在可见光定位和可见光通信互不影响的情况下确保了连贯的定位和通信。

所述的稳定的T-W映射机制，解决了难以提炼出具有高识别度的定位信标特征的问题，在不影响可见光通信性能的同时确保了连贯的可见光定位。

1)该机制创新地去除数据包中的定位信标数据，通过将LED感兴趣区域中序列头条纹的测量宽度值置于预先建立的T-W映射机制数据库中进行匹配以准确识别LED，使得数据包中所有有用数据可完全应用于可见光通信，提升了通信的性能。

2)该机制允许智能手机作为接收机在正常手持高度下对每图像帧进行100％定位，即确保连贯定位。

3)该机制用于判断捕获的LED是否为有效光源，降低系统处理开销以提高系统稳定性。

所述的线性分组编码和位交错机制，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题，在不影响可见光定位性能的同时确保了连贯且低误码率的可见光通信。

1)该机制创新地发送每一个数据包仅一次，仅需确保各LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹便能准确恢复帧间间隙的丢失数据，进而准确接收横跨连续图像帧的发送数据包，降低了通信误码率并提升了通信性能。

2)该机制最大程度地准确恢复帧间间隙的丢失数据，其中包括丢失的序列头条纹所对应的数据，因此确保了T-W映射机制的顺利执行。

图1是本发明确保连贯定位和通信的可见光混合定位和通信系统的系统架构图。确保连贯定位和通信的可见光混合定位和通信系统由LED作为光源和一部Android智能手机作为接收机组成。首先，在发射端，预先为所有LED各分配一个特定的发射速率并设计T-W映射机制数据库；根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计了新颖的数据包格式，并利用调制模块将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错等处理并组成发送数据包。随后利用驱动模块控制天花板上多盏LED在覆盖范围内以特定的发射速率通过光学通道传输包含定位和通信信息的数据包。本发明传输的二进制信号是高频的，人眼无法感知LED闪烁。然后，本发明使用智能手机的前置摄像头捕获LED传输的二进制信号。在设置合理的相机参数后，捕获的信息是每帧都包含LED的明暗条纹的视频序列，利用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取出LED感兴趣区域。接着，本发明使用稳定的T-W映射机制处理LED感兴趣区域以实现可见光混合定位和通信系统中的可见光定位部分。该机制确保可见光混合定位和通信系统准确识别出接收范围内的具体LED，解决了难以提炼出具有高识别度的定位信标特征的问题，在不影响可见光通信性能的同时确保了连贯的可见光定位；同时，本发明使用新颖的线性分组编码和位交错机制处理LED感兴趣区域以实现可见光混合定位和通信系统中的可见光通信部分。该机制确保可见光混合定位和通信系统准确接收每一个发送数据包，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题。最后，本发明使用摄影测量算法来计算接收机的实时世界坐标，并准确接收发送数据。

图2是本发明设计的基于等距采样的轻量级图像处理算法原理图。具体执行步骤如下：

步骤2-1：快速提取LED感兴趣区域。首先，本发明将捕获的图像变为灰度图像，并对灰度图像进行二值化处理。然后，本发明对二值化后的图像按像素的行、列分别进行等距离的像素强度采样，获得LED大致的感兴趣区域。最后，本发明对该区域附近所有像素按照行、列进行像素强度采样，以获得准确的LED感兴趣区域边界；

步骤2-2：获取LED感兴趣区域的明、暗条纹序列以及序列头条纹的宽度。首先，取LED感兴趣区域的中线，计算该中线上所有点的灰度值，每点的灰度值按照垂直于该点所在中线的上下10个像素点取平均进行计算。根据计算出的灰度值，判别此点是属于明条纹还是暗条纹，并将所有明条纹和暗条纹的起始点横坐标从小到大排序，即得到每个条纹起始点的横坐标值。进一步，遍历每个条纹的宽度，得到感兴趣区域的明、暗条纹序列。此外，本发明采用五个连续的二进制“1”信号作为序列头，因此在遍历每个条纹宽度的同时将LED感兴趣区域中序列头条纹的宽度记录下路。最后，将LED感兴趣区域中序列头条纹的宽度测量值置于T-W映射机制数据库中匹配以准确识别出具体LED；同时将经曼彻斯特编码处理后的明、暗序列保存起来，待对下一图像帧进行相同的操作后，利用线性分组编码和位交错机制的纠错功能去恢复帧间间隙中的丢失数据以准确接收横跨连续图像帧的发送数据包。

图3是本发明设计并建立的T-W映射数据库图。本发明在实现阶段发现LED感兴趣区域中明、暗条纹宽度的变化随着LED发射速率的变化而稳定变化。仅需确保分配给各LED的发射速率之间有着合理的保护间隔，则各发射速率所映射的LED感兴趣区域中明、暗条纹宽度范围将不同且不存在重合部分，根据这一点即可将将LED感兴趣区域中序列头条纹的宽度测量值置于T-W映射机制数据库中匹配以准确识别出具体LED。理论上，本发明可以利用T-W映射机制增加系统中LED的数量以提高最终的定位精度。图中仅展示了部分LED发射速率极其所映射的LED感兴趣区域中序列头条纹的宽度范围。

图4是本发明设计的新型数据包格式与传统的数据包格式的比较图。传统的数据包格式如图4(a)所示，该格式下各数据包中都包含除位序列号不同以外其它部分皆相同的子包，其中每个子包由序列头、位序列号以及编码数据组成。该格式下系统必须确保其中一个子包完全避开帧间间隙并将该子包认定为当前数据包n下的可接收数据包，才有可能成功接收该数据包n。而本发明设计的新型数据包格式如图4(b)所示，数据包仅由序列头、起始位、编码数据以及结束位组成，其中序列头由五个连续的二进制“1”组成。该格式下关键是要确定编码数据部分，需参照根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计。首先，可见光混合定位和通信系统中的可见光通信部分需要确保数据包的最大数据携带容量大于每图像帧中的最大数据携带容量；然后，根据线性分组编码和位交错机制，编码数据实际上是经过线性分组编码和位交错机制以及曼彻斯特编码处理以后的数据，即数据包的最大数据携带容量实际上是由编码数据中所含汉明块数量来决定的；值得注意的是，因为(7，4)汉明编码的每一个码字(即汉明块)仅能纠正一位误码，为了使得接收端能利用线性分组编码和位交错机制的纠错功能准确恢复帧间间隙中的丢失数据，可见光混合定位和通信系统中的可见光通信部分需要确保汉明块的数量大于或等于帧间间隙中的数据丢失量。同时，帧间间隙中的数据丢失量会随着LED的发射速率的改变而呈线性变化；最后，本发明所设计的数据包格式在确保LED感兴趣区域中至少出现一个序列头的情况下即可根据连续图像帧中的所有序列头的位置关系以准确恢复帧间间隙的丢失数据，以准确接收横跨两图像帧的发送数据包。

图5为本发明设计的新颖的线性分组编码和位交错机制实现框图。线性分组编码和位交错机制针对的目标是本发明所设计的数据包格式中的编码数据。具体执行步骤如下：

步骤5-1：在发射端，首先，将随机产生的发送数据进行(7，4)汉明编码处理，获得大量码字(即汉明块)；然后，采用按列取数的方式将确定数量的汉明块交织在一起形成数据串；随后，将数据串进行曼彻斯特编码处理，并根据所设计的数据包格式将编码数据组合成发送数据包；最后，利用驱动模块控制LED以特定的发射速率传输携带包含定位和通信信息的数据包；

步骤5-2：在接收端，首先，CMOS图像传感器捕获LED；然后，利用本发明设计的基于等距采样的轻量级图像处理算法以快速提取出LED感兴趣区域中的明、暗条纹序列，并将横跨连续图像帧的数据包中的编码数据进行保存；随后，利用位交错的逆过程(即位解交错)来处理经曼彻斯特译码处理以后的编码数据，获得了确定数量的汉明块；最后，利用线性分组编码的逆过程(即线性分组译码)来纠正各汉明块上的一位误码，并输出数据。

图6为本发明设计的线性分组编码和位交错机制的具体例子过程图。

图6(a)展示了在发射端对随机发送数据所进行的线性分组编码的过程。

图6(b)展示了在发射端对经线性分组编码处理以后的数据所进行的位交错和曼彻斯特编(译)码的过程。

图7为本发明中连续图像帧中数据包的所处位置分析图。本发明为了准确接收每一个数据包的同时实现T-W映射机制，必须确保各图像帧中(具体指各LED感兴趣区域)至少出现一个序列头。为了达到上述目的，本发明将发送数据包的最大数据携带容量尽量逼近各图像帧中的最大数据携带容量。

图7(a)展示了各图像帧中仅出现一个序列头的情形。

图7(b)展示了各图像帧中至少出现一个序列头的情形。

图7(c)展示了某些图像帧中不出现序列头的情形。本发明通过将发送数据包的最大数据携带容量尽量逼近各图像帧中的最大数据携带容量以避免这种情形的发生。

图8为本发明测量的定位成功率和图像解码率统计图。本发明利用图像解码率来表征可见光混合定位和通信系统的稳定性，其中图像解码率指的是所有LED感兴趣区域中成功测量序列头宽度并获取明、暗条纹序列的LED感兴趣区域所占的比例；本发明利用定位成功率来表征可见光混合定位和通信系统的定位连贯性，其中定位成功率指的是所有图像帧中成功用于定位的图像帧所占的比例。从图8中可以看出，在所选的10个实验点中，图像解码率高于90％而定位成功率稳定在100％。这表明所提出的T-W映射不仅可以提高LED识别精度，而且可以保证可见光混合定位和通信系统的定位连贯性，允许智能手机作为接收机在正常手持高度下进行100％解码。

图9为本发明使用单灯或双灯测量的系统定位精度累积分布函数曲线图。本发明设计的可见光混和定位和通信系统在大部分情况下至少捕获一盏LED，因此本发明测量了使用单灯或双灯测量的系统定位精度。在图9中可以看出，在90％的实验样本中，可见光混合定位和通信系统的定位误差小于75mm。这表明本发明所设计的系统可以实现室内高精度定位应用。

图10为本发明测量的数据包包含不同数量汉明块的误码容忍度统计图。从图10中可以看出，发送数据包中包含不同数量的汉明块，而更多的汉明块提供了更好的误码容忍度性能。这表明本发明设计的线性块编码和比特交织机制可以有效地恢复帧间间隙中的丢失数据，并有效降低所设计系统的误码率。

图11为本发明测量的LED的发射速率与帧间间隙中数据丢失量的关系图。

图12为本发明设计的线性分组编码与位交错机制方案和传统方案的误码率性能比较图。从图12中可以看出，相比传统方案中将同一数据包发送两次的做法，本发明设计的线性分组编码和位交错机制方案发送每个发送数据包仅以次，仅需确保各LED感兴趣区域中至少出现一个序列头条纹即可准确接收每一个数据包。这表明本发明设计的线性分组编码和位交错机制有效降低可见光混合定位和通信系统的误码率，确保通信的连贯性。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域；

对LED的感兴趣区域采用T-W映射机制识别接收范围内的具体LED；在发射端，预先为所有LED各分配一个特定的发射速率，不同的LED发射速率映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围；在接收端，获得所捕获图像帧中所有的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度，并与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位；

对LED的感兴趣区域采用线性分组编码和位交错机制恢复帧间间隙中的丢失数据；在发射端，设计了数据包格式，并将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错处理并组成数据包；在接收端，获得所捕获连续图像帧中的LED感兴趣区域明、暗条纹序列，接收横跨两帧的数据包，从而在不影响可见光定位性能的同时实现低误码率的数据通信。

2.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：LED作为光源，智能终端作为接收机；LED传输经过编码和调制且包含定位和通信信息的二进制信号，智能终端的摄像头捕获LED传输的二进制信号，捕获的信息是每帧都包含LED的明暗条纹的视频序列。

3.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述基于等距采样的轻量级图像处理算法具体包括：首先，将捕获的图像变为灰度图像，并对灰度图像进行二值化处理；然后，对二值化后的图像按像素的行、列分别进行等距离的像素强度采样，获得LED大致的感兴趣区域；最后，对该区域附近所有像素按照行、列进行像素强度采样，以获得准确的LED感兴趣区域边界。

4.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述T-W映射机制具体包括：首先，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法获取初始帧中的LED感兴趣区域；然后，取LED感兴趣区域的中线，计算该中线上所有点的灰度值，每点的灰度值按照垂直于该点所在中线的上下10个像素点取平均进行计算；根据计算出的灰度值，判别此点是属于明条纹还是暗条纹，并将所有明条纹和暗条纹的起始点横坐标从小到大排序，即得到每个条纹起始点的横坐标值；遍历每个条纹的宽度，认定宽度最长的条纹为序列头所对应的条纹并取出该宽度值；最后，将该宽度值与数据库中的所有序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。

5.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述线性分组编码和位交错机制具体包括：

在发射端：首先，根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计数据包格式，确定数据包中所含汉明块的数量；然后，按照(7，4)汉明码的编码规则将发送的随机数据进行编码；随后，按照位交错机制的原理对编码以后的数据进行处理，使得不同汉明块的数据交织在一起；最后，将位交错处理以后的数据进行曼彻斯特编码并根据数据包的格式组合成发送数据包；

在接收端：首先，对得到的LED感兴趣区域的明、暗条纹序列提取经曼彻斯特编码处理的数据序列部分；然后，根据帧间间隙的数据丢失量对横跨连续图像帧的经曼彻斯特编码处理的数据序列部分进行随机位补偿，获得待纠错的数据序列；随后，将待纠错的数据序列接连进行曼彻斯特译码和位解交错处理，获得待纠错的汉明块；最后，根据(7，4)汉明码的纠错功能正确还原发送数据。

6.根据权利要求5所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述数据包由序列头、起始位、编码数据以及结束位组成，数据包的最大数据携带容量大于每图像帧中的最大数据携带容量，数据包的最大数据携带容量由编码数据中所含汉明块数量来决定，汉明块的数量大于或等于帧间间隙中的数据丢失量。

7.根据权利要求1-6任一项所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：为了减少因处理非LED感兴趣区域而增加系统开销的情况，还包括，首先，将任何感兴趣区域的外接圆面积与预设的面积阈值范围进行对比；然后，仅将外接圆面积处于预设的面积阈值范围感兴趣区域认定为LED感兴趣区域并对其进行进一步处理。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法。

9.确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信系统，其特征在于，包括：

调制和驱动模块：用于将发送的随机数据进行线性分组编码和位交错处理并组成发送数据包；采用OOK-PWM的调制方式将数据包进行处理，并驱动LED在覆盖范围内传输随机数据包；

LED感兴趣区域提取模块：用于捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域；为减少因处理非LED感兴趣区域而增加系统开销的情况，将任何感兴趣区域的外接圆面积与预设的面积阈值范围进行对比；仅将外接圆面积处于预设的面积阈值范围感兴趣区域认定为LED感兴趣区域并对其进行进一步处理；

T-W映射机制模块：用于构建T-W映射机制数据库，其中不同的LED发射速率{T₁,T₂,T₃,...,T_n,...}映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围{W₁,W₂,W₃,...,W_n,...}；将获得的LED感兴趣区域序列头条纹宽度与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位；

线性分组解码和位解交织模块：用于根据帧间间隙的数据丢失量对横跨连续图像帧的经曼彻斯特编码处理的数据序列部分进行随机位补偿，获得待纠错的数据序列；将待纠错的数据序列接连进行曼彻斯特译码和位解交错处理，获得待纠错的(7，4)汉明块；根据(7，4)汉明码的纠错功能正确还原发送数据。