CN106874822B - 一种基于喷泉码的分时光标签编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，包括如下步骤，步骤1，对光标签所要发送的数据进行不同单元长度的分块；步骤2，分别对每组数据组进行喷泉码编码，得到对应数据块的喷泉码块和对应数据组的喷泉码块分组；步骤3，将每组数据组的喷泉码块分别按报文格式进行填充得到对应各喷泉码块的发送报文；步骤4，将光标签的显示周期平均分为与数据组组数相同的等份，每个等份作为一个时隙，每个时隙显示一帧，将所有数据组按帧的显示顺序依次循环显示；光标签的每一帧显示对应数据组中的任意一个发送报文；步骤5，用户采集光标签显示且匹配各自终端识别要求的发送报文，接收达到解码要求数量的喷泉码块后，经逆运算恢复得到光标签发送数据。

Description

一种基于喷泉码的分时光标签编码方法

技术领域

本发明涉及光标签的编码方法，具体为一种基于喷泉码的分时光标签编码方法。

背景技术

光标签具有识别距离远、定向准确、数据实时更新的优点，相对于传统识别码具有明显优势。但是，光标签对识别距离有敏感性，对于摄像采集设备而言，受到感光器件和镜头的影响，在不同距离条件下，可读的光标签分辨率不同，即距离近分辨率高，距离远分辨率低，使得编码难以统一；也由于识别距离的不同，光标签的数字信号单元可能有时全部、有时部分能被识别，因此同一光标签信息在不同距离条件下的读取会出现误读，导致信息传递失败，使得光标签使用中存在障碍。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，能够实现在可视距离内，距离光标签的远近不同位置均可实现解码。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，包括如下步骤，

步骤1，对光标签所要发送的数据进行不同单元长度的分块，得到n组数据组，每组中数据块的单元长度相同；

步骤2，分别对每组数据组进行喷泉码编码，得到对应数据块的喷泉码块和对应数据组的喷泉码块分组；

步骤3，将每组数据组的喷泉码块分别按报文格式进行填充得到对应各喷泉码块的发送报文；

步骤4，将光标签的显示周期平均分为与数据组组数相同的等份，每个等份作为一个时隙，每个时隙显示一帧，将所有数据组按帧的显示顺序依次循环显示；光标签的每一帧显示对应数据组中的任意一个发送报文；

步骤5，用户采集光标签显示且匹配各自终端识别要求的发送报文，接收达到解码要求数量的喷泉码块后，进行喷泉码编码的逆运算，恢复得到光标签所发送的数据。

优选的，步骤1的具体步骤如下，

1.1对于光标签所要发送的数据D依次采用不同的单元长度进行分块，块的单元长度依次为l₁，l₂，l₃，…，l_n；其中l₁，l₂，l₃，…，l_n均为正整数，并有l₁<l₂<…<l_n；

1.2在进行长度分块时，将数据D依照二进制数比特顺序从左到右或从右到左依次分割为等长度数据块，数块长度表示为l，有l∈{l₁,l₂,…,l_n}，若最后一个分块末尾的长度不够，则补零到相同长度，即：

先以l₁为块长度单位将D切分为

再以l₂为块长度单位将D切分为

…，

最后以l_n为块长度单位将D切分为其中，均为原始数据块，简称原始块，i为自然数，1≤i≤|D|，从而得到不同块长度且能够顺序拼接成D的n个块分组集合，即：{D₁,D₂,…,Dn}，此处|·|为模运算。

进一步，步骤2的具体过程表示如下，

其中，D′₁、D′₂、…、D′_n为喷泉码块分组，共得到n组喷泉码块分组，LT(·)为喷泉码变换,均为编码后的喷泉码数据单元块，简称喷泉码块；j为自然数，1≤j，此处喷泉码块的比特位数与原始块比特位数相等，即：任一原始数据块的比特位数与对应的喷泉码块的比特位数相等且均为l_k，k为自然数，且有1≤k≤n。

再进一步，所述的发送报文的格式依次由数据的ID号区，报文长度区，数据区，报文时间戳区和数据报文校验位区五个数据区域组成，其中所述的数据报文校验位是对数据的ID号区，报文长度区，数据区和报文时间戳区四个部分进行校验计算的结果值；

在进行数据填充时，数据的ID号顺序生成，如果溢出从开始填入数据的ID号区；将报文长度为ID号长度位数、报文长度位数、喷泉码块长度、时间戳位数与校验位位数的和填入报文长度区；随机选出的喷泉码块填入数据区；当前时间填入报文时间戳区；计算校验和填入数据报文校验位区；

光标签的一帧能够显示q比特的数据，q≥p，计算上述填充好的完整的报文长度，长度记为p，使用光标签中相邻的个信号单元构成的矩形阵列表示上述获得的数据格式的1个比特的数据，该矩形阵列的长与宽的差值为最小值。

再进一步，步骤四中显示喷泉码时，将填充好的第m帧数据帧f_m在光标签上显示出来，其中，m为自然数，1≤m≤n；当进入下一个时隙，即m+1帧时，再执行步骤三，且当m+1>n时，令m＝1。

再进一步，步骤五中，用户采集喷泉码数据时包括如下步骤，

5.1用户采集一个完整周期T中光标签发送的帧，从所有f_m中找到数据与数据校验计算正确的所有帧，从中选取m最大值m_MAX；

5.2接收下一个周期的喷泉码块分组数据帧得到发送的喷泉码块；检验步骤5.2接收到的数据与数据校验计算是否正确，若正确执行子步骤5.3，否则执行子步骤5.1；

5.3对已接收到的所有喷泉码块进行逆运算恢复出数据；所述逆运算表示如下，

其中，LT^-1(·)为喷泉码逆运算变换，恢复出数据；

5.4检测得到数据是否完整，若不完整则再执行子步骤5.2，否则结束光标签读取，获取光标签所发送的数据。

优选的，光标签所要发送的数据为二进制数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用喷泉码有损连接条件下的数据传输特点，结合变数据块长度和分时显示的方法，实现了在不同视距距离均可识别的编码，用户可以无障碍的利用自己的多种分辨设备进行不同距离下的光标签采集。本发明具有过程合理，可以使用同一光标签满足区域范围内不同距离用户的光标签读取，可以基于此系统开发光标签的高级应用。上述方法利用了光标签的信息互动、可即时编辑的特性，是目前其它标签方法所不能达到的。

附图说明

图1本发明实例中所述光标签的样例图。

图2本发明实例中所述方法的应用场景图。

图3本发明实例中所述方法的时序图。

图4本发明实例中所述喷泉码的编码格式示意图。

图5本发明实例中所述方法流程图。

图中：信号单元1、定位标识2、光标签3、第一光标签采集设备4、第二光标签采集设备5、第三光标签采集设备6、数据的ID号区7、报文长度区8、数据区9、报文时间戳区10、数据报文校验位区11。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明中上述光标签样例如图1所示。光标签包括信号单元1简称为数据位和定位标识2简称为标志位两部分，其中定位标识为图1中三个较大的矩形框，组成一组定位标识2，工作状态下定位标识2以一定的频率同步闪烁，通过图像差分的方法可以很快得被摄像设备检测出来，进而借助定位标识可以确定信号单元的位置，从而进行数据识别与读取；信号单元1为定位标识间的矩形黑白小正方形，多个信号单元1构成一组，通常信号单元1组成不限于5×5的阵列，每个信号单元1表示数字信号的0或1，整个信号单元组组成的矩阵构成一帧的数字信号序列，本实例中标志位的边长为数据位边长的两倍，更加便于定位；为了增加信号单元1表示的数据空间，工作状态下各信号单元1也可按照预定的程序进行闪动，从而将更多的信号内容通过多帧显示。这时需要在多帧中给出一个起始帧/结束标识帧，用于标定多帧一个完整周期的开始/结束位置，该帧信号单元组设定为一个特殊的数据组合，如：全0或全1或任何不与实际可能表述的信息相异的特殊组合。

在实际使用中，由于识别距离的不同，上述结构光标签的数字信号单元可能有时全部、有时部分能被识别，导致信息传递问题。如图2所示的应用场景。分别位于近、中、远距离区域的第一、二和三光标签采集设备4、5、6，同时对光标签3进行识别；需要通过编码需使光标签3发送的光标签数据能够被第一、二和三光标签采集设备4、5、6均有效识别；同时当第一、二和三光标签采集设备4、5、6，并且在可视区域内游走，近、中、远距离之间切换，距离区域发生变化时，也可持续有效识别光标签3的数据。采用本发明的方法能够很好的实现该目的。

经过分析比较，数字喷泉码是一种良好的解决方案。数字喷泉码是将一些数据、文件，转化为一个有效的任意数量的编码包的方法，这样只要接收到稍大于信源数据包数量的编码包的子集，就可以恢复信源数据。它允许在有损连接的情况下传输文件，而且传输过程不依赖于是否知道丢包率，也不需要接收端反馈哪些数据包丢失了。数字喷泉码的发送端可以由k个原始分组生成任意数量的编码分组，接收端只要收到k·(1+ε)个编码分组的任意子集，即可通过译码以高概率成功(和ε有关)恢复全部原始分组，本发明设计的数字喷泉码不仅拥有很小的译码开销ε，而且具有简单的编译码方法和很小的编译码复杂度。可以看到，上述编码过程就如同源源不断产生水滴(相当于编码分组)的喷泉(相当于编码器)，而我们只要用杯子(相当于译码器)接收足够数量的水滴，即可达到饮用(相当于成功译码)的目的，而不必关心是那一点水(相当于编码分组)流入你的杯中。

将光标签因识别距离发生变化的情况，等同于一种特殊的删除信道，因此基于喷泉码进行数据编码的方法是完全适用的。对于光标签所要发送的数据D，当距离近，摄像设备分辨率高的情况下，可以在将上述发送端的数据分解成单位数据包(二进制数据)比特位长的分组，进行编码；当距离远，摄像设备分辨率低的情况下，可以在将上述发送端的数据分解成单位数据包(二进制数据)比特位段的分组，进行编码，再采用分时放送不同分组的方法实现在同一光标签上实现不同分组喷泉码的发送。上述基于喷泉码的分时光标签编码方法时序图如图3所示。其中将一个光标签数据周期划分为n个相等的字段，每个字段对应不同分组比特长度单位的喷泉码，且DF₁至DF_n分组长度依次递增的关系。对于分辨率低的摄像设备尽量使用分组长度短的喷泉码，反之使用尽量长的喷泉码。

具体的，上述基于喷泉码的分时光标签编码方法包括如下步骤。

步骤一：对数据进行不同长度的分块。对于光标签所要发送的数据D(D为二进制数)，依次采用不同的单元长度进行分块，块长度依次为l₁，l₂，l₃，…，l_n，其中l₁，l₂，l₃，…，l_n均为正整数，并有l₁<l₂<…<l_n。

在进行长度分块时，将数据D依照二进制数比特顺序从左到右(亦可从右到左)顺序依次分割为等长度数据块，数块长度表示为l，有l∈{l₁,l₂,…,l_n}，若最后一个分块末尾不够补零，即：

先以l₁为块长度单位将D切分为

再以l₂为块长度单位将D切分为

…，

最后以l_n为块长度单位将D切分为其中均为原始数据块，简称原始块，i为自然数，1≤i≤|D|，从而得到不同块长度且能够顺序拼接成D的n个块分组集合，即：{D₁,D₂,…,D_n}，此处|·|为模运算，为取整运算；

步骤二：对各等长度数据块的分组进行喷泉码编码。得到对应喷泉码块分组，其过程是：

其中，D′₁、D′₂、…、D′_n为喷泉码块分组，从而共得到n组喷泉码块分组，LT(·)为喷泉码变换,均为编码后的喷泉码数据单元块，简称喷泉码块；j为自然数，1≤j，此处喷泉码块的比特位数与原始块比特位数相等，即：任一原始数据块的比特位数与对应的喷泉码块的比特位数相等且均为l_k，k为自然数，且有1≤k≤n；

步骤三：光标签帧数据填充。将光标签的数据显示周期T平均分为n等份，每个等份作为一个时隙，每个时隙显示一帧，对于第m帧(记为f_m)，m为自然数，1≤m≤n，则选择D′_m喷泉码块分组中的数据块作为显示内容填入帧，随机从D′_m中选出喷泉码块填充报文格式，所述的报文格式如图4所示，由多个数据域依次组成，本优选实例中以五个数据域为例进行说明，分别是数据的ID号区7，报文长度区8，数据区9，报文时间戳区10和数据报文校验位区11，其中所述的数据报文校验位15是对数据的ID号区7，报文长度区8，数据区9和报文时间戳区10四个部分进行校验计算的结果值；

在进行数据填充时，数据的ID号顺序生成，如果溢出从0开始填入数据的ID号区7；报文长度为ID号长度位数、报文长度位数、喷泉码块长度、时间戳位数和校验位位数的和，记为p；将p填入报文长度区8；选出的喷泉码块填入数据区9；当前时间填入报文时间戳区10；计算校验和填入数据报文校验位区11；

已知光标签的一帧可以显示q比特的数据，q≥p，计算上述填充好的完整的报文长度，长度记为p，使用光标签的相邻的个信号单元构成的矩形阵列表示上述获得的数据格式的1个比特的数据，该矩形阵列的长与宽的差值为最小值；

步骤四：显示喷泉码，将填充好的数据帧f_m在光标签3上显示出来；当进入下一个时隙，即m+1帧时(当m+1>n时，令m＝1)，再执行步骤三；

步骤五：用户采集喷泉码数据，分两种情况：

情况一：用户保持静止，没有跨越不同距离区域，则执行下面子步骤：

a1、用户采集一个完整周期T中光标签3发送的帧，从所有f_m中,1≤m≤n，找到数据与数据校验计算正确的所有帧，从中选取m最大值m_MAX；

a2、接收下一个周期的喷泉码块分组数据帧得到发送的喷泉码块；

a3、对已接收到的所有喷泉码块进行逆运算，即：

LT^-1(·)为喷泉码逆运算变换，恢复出数据；

a4、检测得到数据是否完整，若不完整则再执行子步骤a2，否则结束光标签读取；

情况二：用户处于移动状态，跨越了不同距离区域，则执行下面子步骤：

b1、用户采集一个完整周期T中光标签3发送的帧，从所有f_m中,1≤m≤n，找到数据与数据校验计算正确的所有帧，从中选取m最大值m_MAX；

b2、接收下一个周期的喷泉码块分组数据帧得到发送的喷泉码块；检验步骤b2接收到的数据与数据校验计算是否正确，若正确执行子步骤b3，否则执行子步骤b1；

b3、对已接收到的所有喷泉码块进行公式(1)运算恢复出数据；

b4、检测得到数据是否完整，若不完整则再执行子步骤b2，否则结束光标签读取；

步骤六：完成光标签读取，数据输出；完毕。

以具体的实际应用举例说明如下。

不同距离光标签采集设备同时采集光标签数据。在开放区域(无遮挡)有光标签L，距离L约50米、100米、250米分别有用户A、B、C三人对L进行识别，假设三人所持的采集设备与L的技术体制相匹配；M为光标签L所要传输的一段数据(二进制数)，具体如下：

M＝{100010101010101011101001101011}

采用本发明技术进行编码，

步骤一：首先将M按照单位长度10、5、3比特进行分组，得到三组分组：D₁＝{(1000101010),(1010101110),(1001101011)}

D₂＝{(10001),(01010),(10101),(01110),(10011),(01011)}

D₃＝{(100),(010),(101),(010),(101),(011),(101),(001),(101),(011)}

可见D₁,D₂,D₃均可各自单独拼接恢复出M；

步骤二：对D₁,D₂,D₃分别进行LT喷泉码变换，得到各自对应的喷泉码块分组：

D₁′＝{(010001011),(0011001111),(1010100111),…}

D₂′＝{(11001),(11011),(10001),(01010),(10000),(10010),…}

D₃′＝{(101),(010),(101),(010),(100),(011),(001),(101),(101),(011),…}

步骤三：将上述喷泉码块分别按照图4规定格式进行填充：

D₁′

→{(00000001|00110010|10001011|00000001|1010101110101010)

…}

D₂′→{(00000001|00101101|11001|00000001|1010101110101010)

…}

D₃′→{(00000001|00101011|101|00000001|1010101110101010)

…}

步骤四：L的时间周期T为1.2秒，则在rT+0至rT+0.4秒时随机显示D₁′的任一喷泉码帧，在rT+0.4至rT+0.8秒时随机显示D₂′的任一喷泉码，在rT+0.8至rT+1.2秒时随机显示D₃′的任一喷泉码；r为非负整数。

步骤五：依据分辨率的不同，A、B、C分别在适合自己的时隙接收L发送的喷泉码，即：D₁′→A，D₂′→B，D₃′→C，接收到足够的喷泉码块数后，进行LT的逆运算，恢复出M；若其中某人处于活动状态，则根据接收到的喷泉码的区块位置，进行拼接，亦可恢复出M；完毕。

Claims (4)

1.一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，对光标签所要发送的数据进行不同单元长度的分块，得到n组数据组，每组中数据块的单元长度相同；

步骤2，分别对每组数据组进行喷泉码编码，得到对应数据块的喷泉码块和对应数据组的喷泉码块分组；

步骤3，将每组数据组的喷泉码块分别按报文格式进行填充得到对应各喷泉码块的发送报文；

步骤4，将光标签的显示周期平均分为与数据组组数相同的等份，每个等份作为一个时隙，每个时隙显示一帧，将所有数据组按帧的显示顺序依次循环显示；光标签的每一帧显示对应数据组中的任意一个发送报文；

步骤5，用户采集光标签显示且匹配各自终端识别要求的发送报文，接收达到解码要求数量的喷泉码块后，进行喷泉码编码的逆运算，恢复得到光标签所发送的数据；

步骤1的具体步骤如下，

1.1对于光标签所要发送的数据D依次采用不同的单元长度进行分块，块的单元长度依次为l₁，l₂，l₃，…，l_n；其中l₁，l₂，l₃，…，l_n均为正整数，并有l₁<l₂<…<l_n；

1.2在进行长度分块时，将数据D依照二进制数比特顺序从左到右或从右到左依次分割为等长度数据块，数块长度表示为l，有l∈{l₁,l₂,…,l_n}，若最后一个分块末尾的长度不够，则补零到相同长度，即：

先以l₁为块长度单位将D切分为

再以l₂为块长度单位将D切分为

…，

最后以l_n为块长度单位将D切分为其中，均为原始数据块，简称原始块，i为自然数，1≤i≤|D|，从而得到不同块长度且能够顺序拼接成D的n个块分组集合，即：{D₁,D₂,…,D_n}，此处|·|为模运算；

步骤2的具体过程表示如下，

其中，D′₁、D′₂、…、D′_n为喷泉码块分组，共得到n组喷泉码块分组，LT(·)为喷泉码变换,均为编码后的喷泉码数据单元块，简称喷泉码块；j为自然数，1≤j，此处喷泉码块的比特位数与原始块比特位数相等，即：任一原始数据块的比特位数与对应的喷泉码块的比特位数相等且均为l_k，k为自然数，且有1≤k≤n；

所述的发送报文的格式依次由数据的ID号区(7)，报文长度区(8)，数据区(9)，报文时间戳区(10)和数据报文校验位区(11)五个数据区域组成，其中所述的数据报文校验位(15)是对数据的ID号区(7)，报文长度区(8)，数据区(9)和报文时间戳区(10)四个部分进行校验计算的结果值；

在进行数据填充时，数据的ID号顺序生成，如果溢出从(0)开始填入数据的ID号区(7)；将报文长度为ID号长度位数、报文长度位数、喷泉码块长度、时间戳位数与校验位位数的和填入报文长度区(8)；随机选出的喷泉码块填入数据区(9)；当前时间填入报文时间戳区(10)；计算校验和填入数据报文校验位区(11)；

光标签的一帧能够显示q比特的数据，q≥p，计算上述填充好的完整的报文长度，长度记为p，使用光标签中相邻的个信号单元构成的矩形阵列表示上述获得的报文格式的1个比特的数据，该矩形阵列的长与宽的差值为最小值。

2.根据权利要求1所述的一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，其特征在于，步骤四中显示喷泉码时，将填充好的第m帧数据帧f_m在光标签(3)上显示出来，其中，m为自然数，1≤m≤n；当进入下一个时隙，即m+1帧时，再执行步骤三，且当m+1>n时，令m＝1。

3.根据权利要求2所述的一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，其特征在于，步骤五中，用户采集喷泉码数据时包括如下步骤，

5.1用户采集一个完整周期T中光标签(3)发送的帧，从所有f_m中找到数据与数据校验计算正确的所有帧，从中选取m最大值m_MAX；

5.2接收下一个周期的喷泉码块分组数据帧得到发送的喷泉码块；检验步骤5.2接收到的数据与数据校验计算是否正确，若正确执行子步骤5.3，否则执行子步骤5.1；

5.3对已接收到的所有喷泉码块进行逆运算恢复出数据；所述逆运算表示如下，

其中，LT^-1(·)为喷泉码逆运算变换，恢复出数据；

5.4检测得到数据是否完整，若不完整则再执行子步骤5.2，否则结束光标签读取，获取光标签所发送的数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于喷泉码的分时光标签编码方法，其特征在于，光标签所要发送的数据为二进制数。