CN110649966B - 基于可见光和手机摄像头成像特性实现近距离光通信的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光和手机摄像头成像特性实现近距离通信的方法。该方法基于色移键控(Color Shift Keying,CSK)、码分多址(Code‑Division Multiple Access,CDMA)技术，分别把发光二极管(Light Emitting Diode,LED)和安卓(Android)智能手机作为数据的发送端和接收端，并采用里德‑所罗门编码，最终实现多接收端同时接收数据的可靠光通信。本发明结合当下普及的LED灯和智能手机，在实际生活中有着广阔的应用前景。

Description

基于可见光和手机摄像头成像特性实现近距离光通信的方法
技术领域
本发明属于可见光通信领域，利用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)和手机摄像头成像特性，并基于色移键控(Color Shift Keying，CSK)、码分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA)和安卓(Android)***，实现多接收端数据可靠传输的近距离光通信方法。
背景技术
可见光通信技术是一种利用荧光灯或发光二极管等设备发出的高频率闪烁信号来传输数据的通信技术。该技术通过给照明设备增加一个微控制器，从而为其增添通信的功能。这使得日常生活中的照明灯不仅能用于正常的照明而且具备传输数据的能力。因此可见光通信技术能充分地发挥现有照明基础设施的潜力，对于实现智能化生活有着重要意义。
通常，可见光通信技术利用LED灯为光源及数据发送端。LED灯具有绿色节能、构造成本低、支持高频率通断控制等特点，被广泛应用于各种场景。这为可见光通信***的实际部署奠定了良好的基础。
与传统的无线电通信方式不同，可见光通信技术采用可见光波段作为通信的载体。可见光的光谱资源非常丰富，可以实现更大的带宽和更高的速率，且尚属自由频段，无需授权即可使用。可见光的波长较短、无法穿透障碍物，所以其传输范围可控，不易被第三方截取信息，传输过程更加安全可靠。此外，可见光通信技术可以用于医疗航天等电磁敏感的环境，因此，对于可见光通信技术做出的研究有着巨大的价值。
现如今智能手机被广泛普及，和LED灯一样在生活中非常常见。智能手机摄像头的快门方式大多为卷帘快门(Rolling Shutter)，即摄像头传感器的像素点逐行得到曝光，直至所有像素点均得到曝光后才能成像。手机摄像头的卷帘快门特性为捕捉高频率的光信号提供了可能，使得单个图像可以同时包含多个颜色条纹，提升了单位时间内所能传输的数据量。
发明内容
本发明对可见光通信技术展开了新的探索，提出了一种可适用于多接收端数据可靠传输的近距离光通信方法。本发明将CSK与CDMA技术相互结合，采用了里德-所罗门编码(Reed-Solomon Codes)，分别把单个RGBLED灯和智能手机作为光通信的发送端与接收端，其中接收端利用智能手机摄像头的成像特性来接收光信号。其具体步骤如下：
步骤一、发送端采用里德-所罗门码对要发送的U条数据进行编码。
步骤二、将U条编码后的数据都转为二进制数据，并将其中的0替换为-1。以D表示此时的数据集合，D包含U条由-1与1组成的数据。
步骤三、用N(N＝U)阶阿达玛矩阵H对数据集合D进行沃尔什变换，得到变换后的数据Sm，其各个元素的取值范围为[-N，N]。
步骤四、对数据Sm中各个元素的取值进行归一化处理，使各个元素的取值范围为{-1，0，1}，而后将其映射成RGB符号，得到由RGB符号组成的字符串。
步骤五、以16个字符长度为单位，对该字符串进行分块。为每个块添加头部和尾部，形成数据帧。最终，由LED灯进行多个数据帧的连续发送。
步骤六、U个接收端都录制一段视频，计算每帧图像的像素点的RGB值，得出其所包含的颜色符号，从而将其转换成相应的数据帧。将各个数据帧去除头部和尾部后以接收顺序依次进行拼接，并把RGB三种颜色符号还原为+1，-1，0，还原出发送端经沃尔什变换后的数据。
步骤七、每个接受端用各自的正交码，即阿达玛矩阵H中所对应的向量，与步骤六得到的数据进行沃尔什逆变换。将逆变换后的数据中的-1替换为0，得到二进制数据。再用里德-所罗门码对二进制数据进行解码，U个接收端得到各自的原始数据。
本发明以当下非常普及的RGB LED灯作为数据的发送端、智能手机作为数据的接收端，实际应用成本低，拥有较好的市场推广前景。本发明所具体优点是：
(1)基于CSK、CDMA可以实现同时向多个接收端传输数据，突破了以往的一对一数据传输方式。
(2)采用里德-所罗门码来恢复传输过程中丢失的数据，保证数据传输的可靠性。
(3)CSK采用LED的RGB表达三种状态，能实现高速率数据传输。
(4)LED灯被广泛用于日常照明，在很多国家正广泛普及开来，为本***在实际应用中的布置铺垫了良好的市场道路。
(5)智能手机普及度高，作为接收端通用易得。使用基于智能手机***开发的应用程序进行数据获取方便快捷。
附图说明
图1为一种基于CSK、CDMA的可见光通信***架构图。
图2为本发明中数据帧结构的示意图。
图3为本发明中RGB LED灯与接收端之间实现通信的示意图。
具体实施方式
结合附图1所示，下面将详细完整地介绍本发明。具体实施方案如下：
步骤一、假设总共有U个接收端，发送端同时为这U个接收端发送数据。首先用里德-所罗门码对这U条数据进行编码。实际信道中存在的干扰噪声会使得光信号发生丢失和失真，应用里德-所罗门码可以确保传输过程的可靠性。
步骤二、将编码后的数据转换为二进制数据，并将二进制数据中的0替换为-1。设发送给U个接收端的数据集合为D，D表示为{D1；D2；...；DU}，其中Du＝(d1，d2，...，dM)，u∈[1，U]，dm∈{-1，+1}，M为每个接收端的数据长度。
步骤三、给定一个N(N＝U)阶的阿达玛矩阵H(每个元素都是1或-1，任意两行两列都正交)。令Sm表示发送给每个接收端第m位数据与阿达玛矩阵H中所对应向量的内积之和：
Figure BDA0002175249850000031
其中，
Figure BDA0002175249850000032
表示发送给第u个接收端的第m位数据，m∈[1，M]，hu表示接收端u于阿达玛矩阵H中相对应的向量。由于阿达玛矩阵H为N阶方阵，有Sm＝[Sm，1，Sm，2，...，Sm，N]。故有
Figure BDA0002175249850000033
从而得到：
Figure BDA0002175249850000034
其中，hu，n为hu中第n位数据。数据经过编码后，即可得到发送端信号Sm。
步骤四、Sm，n的取值范围为[-N，N]。当阿达码矩阵的阶数N比较大时，LED灯将不再有足够数量的颜色符号表示数据。为将CDMA与CSK结合，本发明方法提出归一化的方法，减小Sm，n的取值范围，将归一化因子定为：
Figure BDA0002175249850000041
通过归一化的方法，可得：
Figure BDA0002175249850000042
根据Sm，n的值，可得S′m，n的取值：
Figure BDA0002175249850000043
可得：
Figure BDA0002175249850000044
其中S′m，n∈{-1，0，+1}，所以只需用三种颜色来表示，经过CSK调制后的编码结果S″m，n为：
Figure BDA0002175249850000045
步骤五、U条原始数据经过以上步骤生成一个由RGB符号组成的字符串。对该字符串，按照指定的长度(该长度为16个字符)进行分块。每个数据块的头部和尾部都添加2个额外的符号，帧头为WO符号，帧尾OW符号，其中W表示LED灯发白光(White)，O表示LED灯不发光(Off)。整个数据帧格式如图2所示。发送端发送R符号时设置LED灯的RGB值为(255，0，0)，即LED发红光；发送G符号时的RGB值为(0，255，0)，即LED发绿光；发送B符号时的RGB值为(0，0，255)，即LED发蓝光；发送W符号时，R、G、B三色的分量的参数均为255。LED灯通过发射出不同颜色的光来表示数据帧中的颜色符号，多个数据帧按照先后顺序依次发送。LED灯的数据发送频率控制在1Hz～8Hz之间。
步骤六、如图3所示，在发送端发送数据的同时，接收端录制一段视频。提取视频中的每帧图像的第一行像素点，并计算每个像素点的RGB值。根据RGB三个分量上的值，得出该帧图像所包含的颜色符号，从而将其转成相应的数据帧。例如，一个区间内R分量为最大值，则可判定该区间内有一个红色条纹，颜色符号为R。待视频处理完后，得到所有的数据帧。将各个数据帧按照接收顺序进行拼接，去除每个数据帧的头部和尾部，并把R、G、B符号根据步骤四中的式(a)还原为+1，-1，0，还原出发送端经沃尔什变换后的数据。
设接收端收到的信号为R＝S″m+e，其中e表示信号传输过程中的噪声。RGB颜色符号还原为对应的数字后，得到R′m＝S′m+e。然后通过沃尔什逆变换，即可将发送给每个接收端的数据分离出来。该部分操作如下：
每个接受端有各自的正交码，即阿达玛矩阵H中所对应的向量h，可以用于获取各自的原始数据。第v个接收端通过hv得到的数据
Figure BDA0002175249850000051
为：
Figure BDA0002175249850000052
其中F＝Nfm，n，且F＞0，η为e经过沃尔什变换得到的一个常数。当u≠v时，由于阿达玛矩阵的正交性可知，
Figure BDA0002175249850000053
假设η足够小可以忽略，有：
Figure BDA0002175249850000054
Figure BDA0002175249850000061
由于F＞0，因此
Figure BDA0002175249850000062
不会改变
Figure BDA0002175249850000063
的符号。取：
Figure BDA0002175249850000064
令
Figure BDA0002175249850000065
Figure BDA0002175249850000066
表示经过沃尔什逆变换后，每个接收端的第m位数据。若不考虑噪声的影响，有
Figure BDA0002175249850000067
dm为每个接收端的第m位原始数据。至此，将数据还原为-1，1的数据形式。
步骤七、将
Figure BDA0002175249850000068
中的-1替换为0，得到二进制形式的数据。再用里德-所罗门码进行解码，最终U个接收端得到各自的发送端原始数据。

Claims (1)

1.基于可见光和手机摄像头成像特性实现近距离光通信的方法，分别以单个RGB LED灯和安卓智能手机作为通信的发送端和接收端，能够以单个发送端发送数据及多个接收端同时接收数据的可靠光通信，该方法的具体步骤如下：
步骤一、发送端用里德-所罗门码分别对U条数据进行编码；
步骤二、将U条编码后的数据都转为二进制数据，并将其中的0替换为-1；以D表示此时的数据集合，D包含U条由-1与1组成的数据；
步骤三、用N阶阿达玛矩阵H对数据集合D进行沃尔什变换，得到变换后的数据Sm，其各个元素的取值范围为[-N,N]，其中N＝U；
步骤四、对数据Sm中各个元素的取值进行归一化处理，使各个元素的取值范围为{-1,0,1}，而后将其映射成RGB符号，得到由RGB符号组成的字符串；
步骤五、以16个字符长度为单位，对该字符串进行分块；为每个块添加头部和尾部，形成数据帧；最终，由LED灯进行多个数据帧的连续发送，即LED灯以不同颜色的光逐个表示数据帧中的颜色符号，多个数据帧按照先后顺序依次发送；
步骤六、在发送端发送数据的同时，U个接收端分别录制一段视频；提取视频中的每帧图像的第一行像素点,并计算每个像素点的RGB值；根据RGB三个分量上的值，得出该帧图像所包含的颜色符号，从而将其转换成相应的数据帧；将各个数据帧以接收顺序依次进行拼接，去除每个数据帧的头部和尾部，并把R、G、B三种颜色符号还原为+1，-1，0，还原出发送端经沃尔什变换后的数据；
步骤七、每个接收端用各自的正交码，即阿达玛矩阵H中所对应的向量，与步骤六得到的数据进行沃尔什逆变换；将逆变换后的数据中的-1替换为0，得到二进制数据；再用里德-所罗门码对二进制数据进行解码，U个接收端得到各自的原始数据。
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