CN106877929B - 一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法及系统：利用移动终端卷帘快门工作方式，通过拍摄照片将可见光调制信号以明暗条纹的形式储存于图片中；利用曼彻斯特编码信息的特点，以帧同步头在图片中的像素宽度作为参考值，将帧同步头后的明暗条纹逐条与参考值比对，判定其相对宽度，解码其对应的比特信息。即判决过程中以条纹宽度的相对值而非绝对值作为参考，因此能够适应不同宽度的明暗条纹，通信过程能够适配多种手机机型。本发明克服了不同型号移动终端拍照参数的差异，极大幅度提高了系统的普适性。

Description

一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法及系统。

背景技术

目前，基于智能手机摄像头的可见光通信技术极具发展前景。该技术利用数码相机卷帘快门工作方式，通过拍照将明暗闪烁的可见光调制信号以明暗条纹的形式保存在照片中，随后对照片进行解码处理即可提取信息。

但是由于不同型号的智能手机拍摄图片的分辨率、感光元器件参数、成像算法均可能存在差异，因而针对同一发送端发出的相同的可见光调制信号，其拍照得到的图片中明暗条纹宽度有所不同，这种现象为信息解码制造了很大困难。面对当今智能手机高速发展，新老机型不断更替的形势，为每个机型设计特定的解码参数工作量大，实用性低。

发明内容

本发明提供一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法及系统，以克服手机摄像头可见光通信过程中不同机型参数差异造成的解码问题。

本发明一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法，包括：

移动终端的摄像头对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端的处理器将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组；

所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码；

所述处理器将解码后的字符排序。

进一步地，所述移动终端的摄像头对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像之前，还包括：

发送终端采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述发送终端通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号。

进一步地，所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，包括：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

进一步地，发送终端采用比特速率2.4kbps至14.4kbps发送调制后的可见光调制信号。

进一步地，所述处理器将解码后的字符排序之后，还包括：

所述处理器将排序后的字符发送至显示单元。

本发明还提供一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信系统，包括：

发送终端、移动终端摄像头以及所述移动终端处理器；

所述发送终端用于采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，并通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端摄像头用于对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端处理器用于将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组，将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，所述处理器将解码后的字符排序。

进一步地，所述移动终端处理器具体用于：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

进一步地，还包括：

显示单元，用于接收并显示移动终端处理器发送的经过解码排序后的字符信息。

本发明利用曼彻斯特编码信息的特点，以帧同步头在图片中的像素宽度作为参考值，将明暗条纹逐条与参考值比对，判定其相对宽度，解码其对应的比特信息，有效提高该技术的普适性，推进该技术的商业实用化发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法流程图；

图2为本发明的信息帧结构；

图3为本发明的解码流程图；

图4为本发明的解码过程示例；

图5为本发明的手机终端信息显示效果图；

图6为本发明一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信系统结构示意图；

图7为本发明的手机终端图像采样结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法流程图，如图1所示，本实施例方法，包括：

步骤101、移动终端的摄像头对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

具体来说，本实施例中移动终端为配备数码相机且快门工作模式为卷帘快门的智能手机，目前市面上大多数型号的智能手机均符合要求。作为接收端，开启该智能手机摄像头，并对准LED光源，通过其卷帘快门工作特性拍照获取明暗条纹图像，移动终端还可以为平板电脑等移动终端；

步骤102、所述移动终端的处理器将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组；

步骤103、所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码；

步骤104、所述处理器将解码后的字符排序。

进一步地，所述移动终端的摄像头对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像之前，还包括：

发送终端采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述发送终端通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号。

具体来说，如图2所示，包括帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息、帧尾隔离位五部分；帧标签与字符信息采用曼彻斯特编码，每个码元由两比特组成，因此信息最多只有两位连0或连1；帧同步头由连续N比特1组成，N的取值范围为3至7，能够有效与曼彻斯特编码信息区分，并保证帧效率；由于数据隔离位与帧尾隔离位的作用，其连续比特数不受所携带信息影响，恒定为N；比特信息采用振幅键控OOK调制，以占空比为1的方波信号发送。帧标签对应八个曼彻斯特码元，携带八位二进制信息，用于标识帧内字符信息的位置；字符信息对应十六个曼彻斯特码元，对应两个ASCII编码的字符数据；帧同步头由连续五比特1组成，能够有效与曼彻斯特编码信息区分，并保证帧效率；数据隔离位与帧尾隔离位各由一比特0组成，由于数据隔离位与帧尾隔离位的作用，帧同步头连续比特数不受所携带信息影响，恒定为5。比特信息采用振幅键控OOK调制，以占空比为1的方波形式发送。

信息对外发送的比特速率在2.4kbps至14.4kbps之间，以此保证摄像头成像明暗条纹清晰且单张图像中必存在完整帧结构，本实施例选取14.4kbps。

进一步地，所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，包括：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

具体来说，首先，遍历二值化序列，确定连续1序列为帧同步头，根据帧同步头的序列长度计算解码用到的门限值。由于一张照片包含多个信息帧，因此可以先把各个帧的同步头找到，取其均值确定门限值，避免偶然性。

接下来，重新从头至尾遍历此二值化序列，找到一个同步头后，根据上述确定的门限值，解码同步头后携带的信息；当本帧解码结束后，继续向后寻找下一同步头，并根据门限值解码同步头后携带的信息，依此类推，直至遍历整个二值化序列后完毕。

解码过程适配不同机型参数，提取帧内的字符信息，解码流程如图3所示。将彩色图像转化为灰度图像；求各行像素平均灰度值，将二维图像信息转化为一维数组；对数组信息进行最小二乘拟合，确定动态的的明暗判决门限，克服背景光干扰；按拟合曲线对数组信息进行二值化判决。

门限W的大小能够随不同机型实际成像参数而改变；针对同一发送端发出的相同的可见光调制信号，若某机型像素高，或摄像头每秒采样帧频低，则明暗条纹对应像素行数多，同时，帧同步头对应的像素行数也随之增加，因而门限值W随之增大；反之，若某机型像素低，或摄像头每秒采样帧频高，则明暗条纹对应像素行数较少，此时，帧同步头对应的像素行数减少，门限W随之降低；即判决过程中以条纹宽度的相对值而非绝对值作为参考，因此能够适应不同宽度的明暗条纹，通信过程能够适配多种手机机型。

进一步地，所述处理器将解码后的字符排序之后，还包括：

所述处理器将排序后的字符发送至显示单元。

具体来说，解码过程如图4所示。首先检测二值化序列中帧同步头对应的连续1序列长度，随后确定解码门限值W。由于帧同步头后第一个比特为数据隔离位0，因此第一条条纹必为暗条纹。记录此暗条纹对应的连续0序列长度W₀，与门限值W对比，图中W₀大于1.5W，因此判定此连续0序列对应的暗条纹代表两个0比特。随后记录下一个连续1序列长度W₁，与门限值W对比，图中W₁大于1.5W，因此判定此连续1序列对应的亮条纹代表两个1比特，依次类推。最终，一帧信息被恢复为0，1比特，其中第一个和最后一个0比特为两个隔离位。对其他0，1比特按顺序两两进行曼彻斯特解码即可获取发送的数据信息。

门限W的大小能够随不同机型实际成像参数而改变，判决过程中以条纹宽度的相对值而非绝对值作为参考，因此能够适应不同宽度的明暗条纹，通信过程能够适配多种手机机型。举例说明，如图5所示，接收到的字符信息为“VLC test”。经过拍照、图像处理、解码一系列过程，传输的信息在APP内缓存并显示。

图6为本发明一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信系统结构示意图，如图6所示，本实施例系统，包括：

发送终端101、移动终端摄像头102以及所述移动终端处理器103；

所述发送终端用于采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，并通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端摄像头用于对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端处理器用于将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组，将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，所述处理器将解码后的字符排序。

具体来说，其中，发送端以单片机为控制核心，通过串口连接至上位机。字符信息由上位机输入，通过串口调制助手传输至单片机内。单片机对字符信息进行调制，组装成特定帧格式，并以高低电平的形式传输至LED驱动电路。LED驱动电路根据接收到的高低电平驱动LED光源快速闪灭。举例说明，发送端发送的字符信息为“VLC test”。

利用智能手机作为接收端，开启手机摄像头对准LED光源，通过其卷帘快门工作特性拍照获取明暗条纹图像。通信系统中的拍照过程在本发明对应的APP内实现，图像采样结果如图7所示。

进一步地，所述移动终端处理器具体用于：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

进一步地，还包括：

显示单元，用于接收并显示移动终端处理器发送的经过解码排序后的字符信息。

本发明方法可以为移动终端开发的专用APP，实现了可见光通信功能。该APP集照片拍摄、图像处理、信息显示于一体，用户无需切换至APP外部应用即可获取通信信息，完成了适配多机型的手机摄像头可见光通信。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信方法，其特征在于，包括：

发送终端采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述发送终端通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号；

移动终端的摄像头对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端的处理器将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组；

所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码；

所述处理器将解码后的字符排序；

所述处理器将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，包括：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发送终端采用比特速率2.4kbps至14.4kbps发送调制后的可见光调制信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述处理器将解码后的字符排序之后，还包括：

所述处理器将排序后的字符发送至显示单元。

4.一种兼容多机型的移动终端摄像头可见光通信系统，其特征在于，包括：

发送终端、移动终端摄像头以及所述移动终端的 处理器；

所述发送终端用于采用曼彻斯特编码将待发送字符信息对LED光源进行调制得到可见光调制信号，并通过调制后的LED光源广播式循环发送调制后的可见光调制信号，所述可见光调制信号包括：帧同步头、数据隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端摄像头用于对焦发送终端的LED光源，通过所述摄像头的卷帘快门进行拍照获取所述LED光源对应的明暗条纹图像，所述明暗条纹图像对应待发送字符信息调制信号，所述待发送字符信息调制信号包括：帧同步、数字隔离位、帧标签、字符信息和帧尾隔离位；

所述移动终端处理器用于将所述明暗条纹图像转换二值化的一维数组，将所述二值化的一维数组按照帧格式进行解码，所述处理器将解码后的字符排序；

所述移动终端处理器具体用于：

检测二值化序列的帧同步头中连续1序列的长度；

根据所述长度确定门限值，所述门限值为一个信息比特对应的二值化序列长度；

根据所述门限值确定所述二值化序列长度对应的比特信息，记录帧同步头后的每个连续0或连续1的二值化序列长度，所述比特信息为一比特0、两比特0、一比特1或者两比特1中的任一种；

对所述比特信息进行曼彻斯特解码，提取字符信息。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：

显示单元，用于接收并显示移动终端处理器发送的经过解码排序后的字符信息。