CN108736973B - 一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法。本方法包括以下操作步骤：首先将原始数据位依据调频法编码并添加单通信头，通过LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该编码；然后通过图像接收模块拍摄LED灯，得到编码条纹图，经图像处理模块依据图像中的单通信头进行解码，获得原始数据位；在单通信头编码产出的编码数量不够时，可用不同通信头提供次序信息，通过多组编码的组合实现扩码。本发明所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，方法简单易实现，具有较高的光通量调制率，使得LED照明性能得到保障；同时可通过不同通信头编码的组合实现长数据的分段通信，显著增加编码数量。

Description

一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法

技术领域

本发明涉及光通讯领域，具体涉及一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法。

背景技术

随着节能环保等城市发展新理念的诞生与应用，LED灯凭借其更高的能源效率以及更长的使用寿命，逐渐成为工厂、商店、家居必不可少的照明设备。除照明功能外，LED具有高速开关的能力。相比于目前使用的照明设备如荧光灯，白炽灯泡等光源，具有易于调制的特性，因而LED可见光也可为室内用户提供便捷的数据服务。与基于射频(RadioFrequency,RF)的技术相比，如WIFI通信、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，VLC带宽资源丰富、功耗较低、隐私性高，无电磁干扰、因传输过程中遇到墙壁会被阻挡，光被限制在了一定的区域，保护了通信隐私。虽然牺牲了传输距离，但在家庭、商场、停车场等现实应用中具有更突出的价值。

当前智能手机的日渐普及，智能手机已成为人们必备的生活工具，手机摄像头功能为接收光源信号奠定了物质基础。目前市面上的手机摄像头基本使用的是CMOS图像传感器，CMOS图像传感器用电子快门控制曝光，相同结构阵列的不同工作方式和时序，可以产生不同的电子快门方式，包括滚动快门和全局快门曝光方式，目前的手机相机基本采用滚动快门曝光方式。在该方式下，CMOS图像传感器列阵逐行曝光，然后逐行读出。因滚动频率相较于LED闪烁频率较快，曝光后表现在图像上即为明暗相间的条纹图。滚动频率由相机本身决定，频率不发生改变，因此可通过改变LED的闪烁频率，在图像上显示所希望的编码条纹。

常见的编码法有NRZ编码法，曼彻斯特编码法，以及PPM编码法。在基于数据流的编码法中，单位亮条纹表示编码1，单位暗条纹表示编码0，如果出现过多的0可能会引起灯具的闪烁，如果0和1的个数差变化范围过大则可能影响照明的稳定，甚至会干扰LED灯电路的正常运行。而曼彻斯特编码利用信号的跳变方向来决定数据，用2位编码表示1位数据，编码效率只有50％，但它也保证了1和0个数的相等，无论需要传送的编码如何变化，它都能保证1有50％的占比，实现了平衡传输。PPM编码采用的载波是断续的周期性光脉冲，由信源的二进制信息通过编码来控制脉冲的位置，因此编码效率也只有50％。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足提供了一种可见光通信的调频编码解码和扩码方法，在兼顾照明及编码效率的基础上，提供了照明设备与带有图像获取模块的移动设备的通讯方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法，包括以下步骤：步骤一、将原始数据位依据调频法编码并添加单通信头，通过LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该编码。步骤二、图像接收模块拍摄LED 灯，得到明暗编码条纹图像。步骤三、图像处理模块依据图像中的单通信头进行解码，获得原始数据位。可选地在所述步骤三之后还可包括：步骤四、在单通信头编码产出的编码容量太少不满足需求时，可构建满足容量要求的长数据，将该长数据拆分成多段短数据，每段短数据进行调频法编码并加携带次序信息的不同通信头，解码后得到每段短数据并按照通讯头次序组合成原始长数据，实现数据扩码。

所述步骤一中的单通信头数据编码方法为固定LED灯具每次关闭时间，即接收图像的暗条纹宽度不变；通过改变LED灯具开通时间改变亮条纹宽度，代表频率变化。用二进制编码

表示“0”二进制数据，最短可为“01”；编码

表示“1”数据，b＞a，最短可为“011”，编码中1的数目可据场景不同增加或减少，但需保证数据“0”与数据“1”的条纹图像能被区分。

所述步骤一中单通信头编码为

m>b>a,最短通信头可设置为“0111”。进一步的，依据所述步骤三的解码方法，找到最宽亮条纹，即通信头特征区域，可得单位亮条纹基准宽度

从通信头向右遍历，依据各亮条纹绝对宽度，依次与基准宽度做比，归一化处理后得到宽度标量，即各亮条纹代表的1的个数，根据宽度标量判断对应亮条纹代表的数据位，再依次从通信头向左遍历，得到左侧数据位，将两组数据组合，即可得到原始数据；

可选地在单通信头编码的编码容量太少不能满足需求时，可用不同的通信头提供次序信息实现多段编码的组合扩码，如通信头为

时表示高位数据头，

时表示低位数据头，m≠n；每段编码分别解码后，即可根据通信头的次序信息进行两组数据的拼接；当LED发送的连续两帧编码是不同段的编码时，这两帧编码之间需添加一位0编码加以区分，添加0编码后两帧编码分界处出现对应00编码的暗条纹，与数据区0编码暗条纹加以区分。进一步的，依据多通信头解码时，判断最大暗条纹的左端是否为 00编码暗条纹，如果是，则只允许向右遍历解码；如果不是，则可应用单通信头解码技术，即向左向右双向遍历解码。当原始数据位更多时，可依据所述方法，将其拆分成k段，设定k个类似于

的通信头，通过1的个数表示通信头次序，提供分段数据的次序信息，实现长数据的分段编码、解码及组合。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：NRZ编码随着编码的变化，光通量调制率变化范围较大，需要进行复杂的编码筛选来保证光通量调制率，而调频法因其本身的编码特性，使用固定的编码代替数据“0”和“1”，需根据情况改变的部分仅为通信头部分，不需要进行复杂的编码筛选来保证光通量调制率。在解码过程上具有统一性，不需要查表来解码，满足照明的基础上简化了查表步骤，具有良好的一致性与简洁性。

附图说明

图1是可见光相机多通信头通信示意图

图2是CMOS滚动曝光方式

图3是相机拍摄所得的条纹图

图4是实例1编码频率示意图

图5是数据“231”编码条纹图

图6是实例2编码频率示意图

图7是扩码方法实例3低位数据区域

图8是扩码方法实例3高位数据区域

具体实施方式

下面结合优选实施例以及附图详细阐述一下本发明的实施过程和自身的特点及优点，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例一：参见图1—图5，

本可见光通信的调频编码解码及扩码方法，操作步骤如下：步骤一、将原始数据位依据调频法编码并添加单通信头，通过LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该编码。步骤二、图像接收模块拍摄LED灯，得到明暗编码条纹图像。步骤三、图像处理模块依据图像中的单通信头进行解码，获得数据位。步骤四、如图1所示，在单通信头编码产出的编码容量太少不满足需求时，可构建所需满足容量要求的长数据，将该长数据拆分成多段短数据，每段短数据进行调频法编码并加携带次序信息的不同通信头，解码后得到每段短数据并按照通讯头次序组合成原始长数据，实现数据扩码。

下面进行详细叙述：

步骤一、目前市面上的手机摄像头基本使用的是CMOS图像传感器，CMOS图像传感器用电子快门控制曝光，目前基本采用滚动快门曝光方式。在该方式下，如图2所示，CMOS图像传感器列阵逐行曝光，然后逐行读出。因滚动频率相较于LED闪烁频率较快，曝光后表现在图像上即为明暗相间的条纹图。滚动频率由相机本身决定，频率不发生改变，因此可通过改变LED的闪烁频率，在图像上显示所希望的编码条纹。因此，将希望传输的数据依据以二进制编码

表示“0”二进制数据，最短可为“01”，编码

表示“1”数据(b＞a)，最短可为“011”，但需保证数据“0”与数据“1”能被区分。为了成功实现解码，必须提供通信头以提供解码开始位置信息，本发明使用编码为

的单通信头提供解码开始位置信息，但需与表示数据“1”的编码

有明显区分，最短通信头可设置为“0111”，通过LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该编码就完成了方法的第一步。

步骤二、手机摄像头拍摄LED，呈现到图片上就是明暗相间的条纹图，如图3所示。接下来即可根据该图片进行图像处理，进行解码。

步骤三、得到如图3的图像后，可明显地找出最宽的亮条纹(为确保亮条纹的有效性，即亮条纹两边都必须有暗条纹来确保数据的完整性)，因此可以断定该区域就是通信头部分，根据当初通信头的编码

可得单位亮条纹基准宽度

从通信头向右遍历，依次找到有效亮条纹，依据各亮条纹绝对宽度，依次与基准宽度做比，归一化处理后得到宽度标量(即各亮条纹代表的1的个数)，根据宽度标量判断对应亮条纹代表的数据值；再依次从通信头向左遍历，找到左侧有效亮条纹，得到左侧数据位，将两组数据组合，剔除重叠部分，即可得到原始数据；

可选地步骤四、因为单通信头的编码容量有限，实际应用中可构建满足容量要求的长数据，将该长数据拆分成据拆分成k段，设定k个类似于

的通信头，每段拆分后的短数据进行调频法编码并各自添加携带次序信息的不同通信头，经LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该组编码。解码时通过各图像中通信头编码中1的个数判断该段信息的位置，经多张图像解码后按次序组合，就能还原原始数据。

在需要足够光照的环境下，使用“011”代表数据“0”，其宽度标量为2，使用“0111”代表数据“1”，其宽度标量为3，如图4所示，使用“01111”作为单通信头，光通量调制率变化范围为66.7％～75％，满足光照需求。在此基础上，若希望将十进制数231通过LED灯发送到手机端，该数据二进制为{011100111}，添加单通信头后编码为{01111,011,0111,0111,0111,011,011,0111,0111,0111}，手机拍摄该LED得到的图像如图5所示：有效条纹w_maxb对应最大亮条纹，即通信头特征区域，基于此，可得单位亮条纹基准为：

从通信头向右遍历，可获取的有效亮条纹为w_1b、w_2b、w_3b，w_4b，求出它们与w_unitb的宽度标量分别为2,3,3,3。可得

代表数据为{0111}。通信头向左遍历，可获取有效亮条纹w_9b～w_4b，求出它们与

的宽度标量分别为{3,3,3,2,2,3}，可得

代表数据为{100111}，将二者按w_1b～w_9b组合拼接并剔除重叠部分w_4b后，可得完整二进制编码：

其对应二进制数据为 {011100111}，转为十进制值为231，这样就实现了LED与手机的通信。

实施例二：本实施例与例一基本相同，特别之处如下：参见图6，

如果工作环境对光照要求不高，即可使用“01”代表数据位“0”，其宽度标量为1，使用“011”代表数据位“1”,其宽度标量为2，如图6所示。使用最短通信头“0111”，此时光通量调制率变化范围为 50％～66.7％，亦可起到照明效用。在这种编码情况下，由于单张图可拍摄到的条纹数量固定，使用更少的条纹表示一位数据可以带来更高的编码容量。之后的编码解码过程与实例1相同。因此，可以根据实际使用情形，增加或减少编码中1的个数，以换取高照度或高编码量。

实施例三：参见图7-图8，

当单张图编码量不满足需求，可使用不同通信头表示不同段的数据,如通信头“01111”表示高位数据，“011111”表示低位数据。但是如果两组编码直接拼接，通信头左右两边可能不是同段编码数据，无法双向遍历解码。为此，当LED发送的连续两帧编码是不同段的编码时，这两帧编码之间需添加一位0编码加以区分，添加0编码后不同段编码分界处出现对应00编码的暗条纹，与数据区0编码暗条纹加以区分，编码图如图7、8所示。解码时，判断有效最大亮条纹的左端是否为00编码暗条纹，如果是，则只允许向右遍历解码，如果不是，则可应用单通信头解码技术，即向左向右双向遍历解码。扩码时无法提前获知通信头为“01111”还是“011111”。本发明采用的方法是，先比较感兴趣区域最窄亮条纹与最窄暗条纹，即单位暗条纹的宽度比值，根据比值判断最短亮条纹表示“11”还是“111”，进一步获得单位亮条纹宽度 w_unitb。根据w_maxb与w_unitb比值可确定通信头包含1的数目。

为了验证多通信头解码技术与扩码方法的可行性，调制灯具连续循环发送两段编码，每段编码连续发送两次，每当一段编码连续2次发送完成后，添加一位0编码与接下来发送的另一段编码进行区分。图7 给出了通信头为“011111”、通信数据区为“101110110”的编码段且只能从w_maxb2通信头向右单向遍历获取编码的情况，图8给出了通信头为“01111”、通信数据区为“111100111”的编码段且可以从w_maxb1通信头向左右双向遍历获取编码的情况。扩码方法中，规定通信头为“01111”的编码数据位于高位。如图7 所示，w_maxb2为5倍单位亮条纹，其左端的暗条纹宽度为2倍单位暗条纹，因此解码遍历只能向右进行，可求得对应二进制数据为{101110110}。如图8所示，w_maxb1为4倍单位亮条纹，其左端的暗条纹宽度为1 倍单位暗条纹，因此解码遍历可向左向右进行，运用单通信头解码技术求得对应二进制数据为{111100111}。将两组编码组合可得二进制长数据为{111100111101110110}。

至此介绍完了本发明的全部内容，与现有技术相比，本发明编码与解码过程更为简洁，编码解码时具有一致性，且由于条纹宽度确定且区分明显，不易出错。单通信编码快捷方便，通讯速度较快。在需要更高编码量时，通过扩码也能得到较好的编码容量，完全能满足未来相关领域的实际应用。

Claims (6)

1.一种可见光通信的调频编码解码及扩码方法，所述光通信***至少包括LED编码驱动器、LED灯、图像接收模块、图像处理模块，其特征在于包括以下操作步骤：

步骤一、将原始数据位依据调频法编码并添加单通信头，通过LED编码驱动器驱动LED发光循环发送该编码；

步骤二、图像接收模块拍摄LED灯，得到明暗编码条纹图像；

步骤三、图像处理模块依据图像中的单通信头进行解码，获得原始数据位；

在所述步骤一中的单通信头的数据编码方法，固定LED灯具每次关闭时间，即接收图像的暗条纹宽度不变；通过改变LED灯具开通时间改变亮条纹宽度，代表频率变化；用二进制编码

表示“0”二进制数据，最短为“01”；编码

表示“1”数据，b＞a，最短为“011”；编码中1的数目据场景不同增加或减少，但需保证数据“0”与数据“1”的条纹图像能被区分；

在所述步骤三的解码的方法，找到最宽亮条纹，即通信头特征区域，得单位亮条纹基准宽度

m为通信头中1的个数，从通信头向右遍历，依据各亮条纹绝对宽度，依次与基准宽度做比，归一化处理后得到宽度标量，即各亮条纹代表的1的个数，根据宽度标量判断对应亮条纹代表的数据位，再依次从通信头向左遍历，得到左侧数据位，将两组数据组合，即得到原始数据。

2.根据权利要求1所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，其特征在于，在所述步骤三之后还包括：步骤四、在单通信头编码产出的编码容量太少不满足需求时，构建满足容量要求的长数据，将该长数据拆分成多段短数据，每段短数据进行调频法编码并加携带次序信息的不同通信头，解码后得到每段短数据并按照通讯头次序组合成原始长数据，实现数据扩码。

3.根据权利要求1所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，其特征在于，所述步骤一中单通信头编码为

m>b>a，最短通信头设置为“0111”。

4.根据权利要求2所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，其特征在于，在单通信头编码的编码容量太少不能满足需求时，用不同的通信头提供次序信息实现多段编码的组合扩码：通信头为

时表示高位数据头，

时表示低位数据头，m≠n；每段编码分别解码后，即根据通信头的次序信息进行两组数据的拼接；当LED发送的连续两帧编码是不同段的编码时，这两帧编码之间需添加一位0编码加以区分，添加0编码后两帧编码分界处出现对应00编码的暗条纹，与数据区0编码暗条纹加以区分。

5.根据权利要求2所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，其特征在于，依据多通信头解码时，判断最大暗条纹的左端是否为00编码暗条纹，如果是，则只允许向右遍历解码；如果不是，则应用单通信头解码技术，即向左向右双向遍历解码。

6.根据权利要求2所述的可见光通信的调频编码解码及扩码方法，其特征在于，当原始数据位更多时，将其拆分成k段，设定k个

通信头，通过1的个数表示通信头次序，提供分段数据的次序信息，实现长数据的分段编码、解码及组合。

Images