CN105450300B - 一种基于cmos图像传感器传输并检测led信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法，具体为：发射机参考密勒编码的原理对LED‑ID信息进行编码，LED‑ID信息采用密勒码的编码规则为：对连续相邻相同的数据交替使用不同的闪烁频率进行编码；接收机采用过采样机制对发射机发送的LED‑ID信息进行过采样拍照，使得照片拍摄的曝光周期要比FSOOK信息帧的周期足够小，其中接收机为CMOS图像传感器。本发明充分利用了多帧明暗条纹图片进行LED‑ID信息的可靠传输，并可同时有效地解决CMOS图像传感器时间采样时间精度抖动的问题，以及辅助系统设计FSOOK信号的持续时间和拍照间隔时间等参数。

Description

一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法

技术领域

本发明面向LED可见光通信(VLC)定位技术领域，提出了一种采用卷帘式快门CMOS图像传感器(CIS)传输并检测LED-ID信息的多帧异步通信方法。

背景技术

现有技术公开了一种光信号传输解码方法。其基本思想是发射机采用LED光源灯具以不同的频率进行闪烁，接收机采用CMOS图像传感器(CIS)获取闪烁光信号形成不同明暗条纹宽度的条纹图片，条纹图片的明暗条纹宽度取决于LED光源的闪烁频率。发射机通过频移开关键控(FSOOK)调制驱动LED灯具顺序发出闪烁频率信息，每一种频率代表若干位比特的数据，接收端的CMOS图像传感器采用等间隔时间拍照获取若干帧明暗条纹图片，然后对明暗条纹图片进行条纹数目检测，由于不同的条纹数目代表不同的闪烁频率，进而解码出二进制数据。现有技术所提出的可见光通信系统如图1所示。

如图1所示，基于FSOOK调制的可见光通信(VLC)定位系统要想实现可靠的信息传输，实现准确的定位，需要解决两个方面的问题，一是如何对明暗条纹图片进行解码得到正确的LED闪烁频率；二是如何设置拍照间隔时间、FSOOK信号的持续时间和编码机制使得CMOS图像传感器在任意时间点等间隔时间拍照都能正确解码出由若干帧图片组成的LED-ID信息。对于前者，现有技术提出了一种检测条纹图片条纹数目的方法。对于后者，现有技术只是提出了发射机采用LED灯具循环播发带有“帧头”的LED-ID信息(FSOOK信号)，接收机采用等间隔时间拍照获取若干帧条纹图片。

然而，通过实验项目验证，如果仅仅只采用循环播送带有帧头的FSOOK信号和等间隔时间拍照机制，正确解码出LED-ID信息的可靠性并不理想。基于此，本发明通过对循环播送FSOOK信号和等间隔时间拍照机制进行数学建模分析，提出了一种可靠性非常高的接收LED-ID信息的异步机制，这种机制还可以确定FSOOK信号的持续时间和拍照等间隔时间等参数。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法，具体为：

1)发射机(LED灯具)参考密勒编码的原理对LED-ID信息进行编码。LED-ID信息采用密勒码的编码规则为：对连续相邻相同的数据交替使用不同的闪烁频率进行编码，这样可保证相邻的相同数据总是用不同频率的FSOOK信号传输，进而确保了CMOS图像传感器在任意起始时间进行随机拍摄所得的一组多帧图片中，相邻FSOOK信号帧所对应图片的明暗条纹宽度是不一样的。当未使用过采样的情况下，若出现明暗条纹宽度一样的连续两帧图片，可判定接收机检测有误并采用算法进行纠正，提升LED-ID的解码性能。因此，LED-ID信息通过采用密勒编码使得LED-ID数据含有非常丰富的定时分量，同时针对条纹图片解码时引入了纠错检错机制。

2)接收机(CMOS图像传感器)采用过采样机制对发射机发送的LED-ID信息进行过采样拍照，使得照片拍摄的曝光周期和两帧图片的拍摄间隔时间要比FSOOK信息帧的周期小。影响LED-ID信息多帧传输的可靠性主要包括三个参数：LED闪烁频率(即FSOOK信号的持续时间T_Fbit)、两帧图片的拍摄间隔时间T_i和形成一帧图片所需要的曝光时间T_e。在随机拍照的过程中，如果形成一帧图片的时间T_e刚好落在一个FSOOK信号的持续时间T_Fbit之内，则会形成一幅明暗条纹宽度一样的图片(称为“好帧”)；如果T_e落在相邻两帧FSOOK信号的分界线上，则会形成一幅显示两种不同明暗条纹宽度的图片(称为“坏帧”)。随机拍照出现“坏帧“的概率是一个与T_Fbit、T_e有关的参数，可表示为：

若要保证p_BF＜1，应满足：

其中表示比x小的最大整数值。为此，拟采用过采样机制，即满足过采样条件：

其中T_i为相邻两帧图片的拍摄间隔时间。根据(2)、(3)两式，需要结合常见CIS设备的典型参数，联立确定T_Fbit、T_i和T_e的选取集合。在此基础上获得若干帧连续拍摄的图片后，再按照预先定义的密勒编码方式进行解码，进而恢复出LED灯具发送的LED-ID信息。

本发明通过对FSOOK调制驱动的LED灯具和CMOS图像传感器组合的光摄像机通信(OCC)系统中的多帧传输LED-ID信息模型进行数学建模分析，提出了一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法，是一种可靠性非常高的接收LED-ID信息的异步机制。

综上，本发明提出的基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法，是一种可靠性非常高的接收LED-ID信息的异步机制；充分利用了多帧明暗条纹图片进行LED-ID信息的可靠传输，并可同时有效地解决CMOS图像传感器时间采样时间精度抖动(不高)的问题，以及辅助系统设计FSOOK信号的持续时间和拍照间隔时间等参数。本发明对终端位置移动、拍摄角度和拍摄距离的变化等实际条件具有较好的容忍度，可较为准确地获取LED-ID信息，从而为实现高鲁棒性的室内定位效果提供了很好的前提条件。

附图说明

图1是现有技术已知的可见光通信系统结构示意图。

图2是CMOS图像传感器对LED-ID信号进行等间隔时间过采样处理的示意图。

图3是有时间抖动误差的等间隔时间过采样处理的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

发射机采用密勒编码的原理对LED-ID信息进行编码设计。本实施例的发射机(LED灯具)采用9种不同的LED闪烁频率代表2比特二进制数据，这样接收机(CMOS图像传感器)可以形成8种不同宽度的明暗条纹图片和1个代表“帧头”的条纹图片，如表1所示，其中f_LEDi表示第i个LED闪烁频率，L_i表示第i幅图片所包含的明暗条纹宽度之和(以像素行数为单位计数)。

表1：LED-ID信息编码示意图

LED-ID信息的编码规则为：

1)对连续相邻的相同的2比特二进制数据组，交替使用不同的LED闪烁频率进行编码；

2)对于非连续相邻的相同的2比特二进制数据组，使用与前一个相邻数据组所用LED闪烁频率差距较大的频率进行编码。

例如，假设发射端LED光源循环广播一个12位LED-ID信息为“000010110011”。根据上述规则及表1定义的编码，并加装帧头后的FSOOK信号为“f_LED9f_LED1f_LED5f_LED3f_LED8f_LED1f_LED8”。

根据坏帧出现的概率，1帧FSOOK信号的持续周期T_Fbit取值越大，出现坏帧的概率p(BF)就越低。然而，T_Fbit取值过大也会带来不利的影响，一是降低了LED-ID信息传输速率，二是CMOS图像传感器处理图片需要更多的时间，造成系统延迟增加。因此，需要根据系统设计需求在二者之间寻求一个折衷。图2给出了连续拍摄12张图片，采用k＝3，即的一个等间隔时间过采样的例子，其中灰色方块为好帧，黑色方块为坏帧。根据式(3)，T_i和T_Fbit必须满足 据此，本例选取图2中给出了接收机进行随机等间隔拍照采样的一些可能的情况。例如，情况1、情况5对8位FSOOK信号进行过采样，形成了12幅条纹图片帧，均为好帧。而情况2、3、4、6、7、8形成的12幅条纹图片帧中，有4张为坏帧，和上述分析的坏帧概率为1/3一致。对应于8位FSOOK信号进行等间隔拍摄的12幅条纹图片帧，其中4幅为冗余图片。当未使 用过采样时，由于采用了密勒编码，相邻FSOOK信号帧所对应的图片应包含不同明暗宽度的条纹。若相邻图片的明暗条纹宽度一样，则至少其中一幅图片为误检。单个图片的检测可采用单帧检测算法，其中一种较好的方法是使用文献[3]提供的解码方法。

本实施例也可有效解决CMOS摄像机等间隔时间采样的时间精度抖动(不高)的问题。图3为有时间抖动误差的等间隔时间过采样处理的示意图。

如图3所示，仍以前述的12位LED-ID信息“000010110011”为例，经密勒编码并加装帧头(图中表示为“F9：L9”)后的FSOOK信息为：f_LED9f_LED1f_LED5f_LED3f_LED8f_LED1f_LED8。接收机采用CMOS摄像机对LED光源进行随机拍照，等间隔时间连续拍照12张图片。图3给出了3种随机拍照的例子。采用文献[3]的单帧解码方法对第一种情况的12张图片进行解码，假设解码无误，则解出的明暗条纹像素值信息为：

L₈L₈L₁L₈L₈L₉L₁L₁L₅L₃L₃L₈(共12位)

由于本实施例采用了密勒编码，所以相邻FSOOK信号帧所对应的图片的条纹数目应不相同。换言之，当采用过采样时，如果出现相邻图片具有相同的条纹数，则二者很可能均属于同一个FSOOK信号帧。另外，已知LED-ID是12位的，采用一个频率代表2比特时，则需要6幅图片组成一个完整的LED-ID，另外再加1幅帧头图片，共需7幅图片。本实施例为提高检测精度而采用了过采样机制，共采样了12幅图片，其中5幅为冗余图片，因此需要对解出的12张图片的信息进行进一步处理，去除冗余。一种简单的处理准则为遇到相邻两个相同的图片时，将其中一幅丢弃。按此方式处理后，接收到的LED-ID信息解码为：L₈L₁L₈L₉L₁L₅L₃L₈(共8位)

然后经单帧检测，将每幅图的明暗条纹像素数目解调为对应的LED频率：f_LED8f_LED1f_LED8f_LED9f_LED1f_LED5f_LED3f_LED8

由于系统是循环播送LED-ID标签信息的，只要识别出帧头(在本例中对应于f_LED9)，就可以重新组装LED-ID信息，因此对接收机随机拍照的起始时间没有要求，具有较大的灵活性和实用性。

如果在接收端采用CMOS摄像机对LED光源进行随机拍照时，不能保证等间隔时间采样而发生了采样时间抖动，若时间抖动的最大值取则如图3中的情况2所示，令灰色和黑色方块表示有时间抖动的随机采样的12张图片，对这12张图片进行解码(假设解码无误)可得：L₈L₈L₁L₈L₈L₉L₁L₅L₅L₃L₈L₈，经冗余处理后得到：L₈L₁L₈L₉L₁L₅L₃L₈，此时和情况1的等间隔时间采样条件下的解码信息是一致的。

假定采样时间抖动幅度更大，例如取则对图2中所示情况3中的随机采样的12张图片进行解码，可得(假设解码无误)：L₈L₈L₁L₈L₉L₉L₁L₅L₅L₃L₃L₈，冗余处理后为：L₈L₁L₈L₉L₁L₅L₃L₈，可见该结果和情况1、情况2的解码信息仍然保持一致。

由此可见，本发明提出的利用CMOS图像传感器对LED-ID信息进行传输与检测的多帧异步通信方法，可以支持随机起始时间的信号帧检测，并且可容忍较大的时间抖动范围，具有很高的可靠性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于CMOS图像传感器传输并检测LED信息的方法，其特征在于，具体为：

发射机参考密勒编码的原理对LED-ID信息进行编码，LED-ID信息采用密勒码的编码规则为：对连续相邻相同的数据交替使用不同的闪烁频率进行编码，当遇到相邻两个相同的图片时，将其中一幅丢弃；

接收机采用过采样机制对发射机发送的LED-ID信息进行过采样拍照，使得照片拍摄的曝光周期和两帧图片的拍摄间隔时间要比FSOOK信息帧的周期小，其中接收机为CMOS图像传感器；

影响LED-ID信息多帧传输的可靠性判断的参数包括：LED闪烁频率，即FSOOK信号的持续时间T_Fbit；两帧图片的拍摄间隔时间T_i和形成一帧图片所需要的曝光时间T_e；

在随机拍照的过程中，当形成一帧图片的时间T_e刚好落在一个FSOOK信号的持续时间T_Fbit之内，则会形成一幅明暗条纹宽度一样的图片，称为“好帧”；当T_e落在相邻两帧FSOOK信号的分界线上，则会形成一幅显示两种不同明暗条纹宽度的图片，称为“坏帧”；

随机拍照出现“坏帧“的概率是一个与T_Fbit、T_e有关的参数，可表示为：

<mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>B</mi> <mi>F</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>b</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

若要保证p_BF＜1，应满足：

其中表示比x小的最大整数值；为此，采用过采样机制，即满足过采样条件：

<mrow> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>b</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中T_i为相邻两帧图片的拍摄间隔时间；

根据(2)、(3)两式，结合CIS设备的典型参数，联立确定T_Fbit、T_i和T_e的选取集合，在此基础上获得若干帧连续拍摄的图片后，再按照预先定义的密勒编码方式进行解码，进而恢复出LED灯具发送的LED-ID信息。