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CN105515657A - 一种采用led灯具mimo阵列架构的可见光摄像机通信系统 - Google Patents

一种采用led灯具mimo阵列架构的可见光摄像机通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，发射机采用MIMO阵列结构，每颗LED灯芯都配置独立的FSOOK调制驱动电源，发射机配置有与FSOOK调制驱动电源相连的LED-ID数据调制映射器；LED-ID数据调制映射器内部预置有信息映射表，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个FSOOK频率信号，将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频率进行闪烁；接收机采用具有卷帘快门机制的CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪声干扰；光源在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片后，对该图片进行解码处理。

Description

一种采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统
技术领域
本发明面向LED可见光通信定位领域，提出了一种采用LED灯具多输入多输出(MIMO)阵列架构的可见光摄像机通信系统。
背景技术
采用带有CMOS图像传感器(CIS)的手机接收LED光信号，可以通过检测闪烁LED形成的明暗条纹图片，实现低速率信息传输。为使闪烁LED在成像平面上形成明暗条纹图片，CMOS图像传感器应采用卷帘式快门。有技术提出了一种可见光通信系统如图1所示，其发射机采用开关键控(OOK)调制驱动的LED光源，接收机采用CMOS图像传感器形成明暗条纹图片，通过对明暗条纹图片进行图像处理来解调OOK信号。现有技术1“ChristosDanakis,MostafaAfgani,GordonPovey,IanUnderwoodandHaraldHaas,“UsingaCMOSCameraSensorforVisibleLightCommunication,”2012IEEEGLOBECOMWorkshops(GCWkshps),pp.1244-1248,December2012.”所提出的系统和解码方法在短距离通信(几十厘米)和无背景环境光干扰的环境下，可以获得一定的通信性能。但是，如果将现有技术1提出的系统和方法应用在实际常见的室内照明环境中，即实现2-6米的通信距离且存在环境光干扰时，其通信性能将变得很差，无法满足实际应用。
现有技术2“光信号解码方法和装置及系统：CN,103916185A[P].2014年07月.”，“室内导航方法、装置和系统：CN,103940419A[P],2014年7月.”均提出了一种可见光信号传输解码方法。其基本思想是发射端采用LED光源灯具以不同的频率进行闪烁，接收端采用CMOS图像传感器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幅明暗条纹图片，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。其提出的可见光通信系统如图2所示。
图2所示的OCC系统采用了多帧明暗条纹图片传输一组LED-ID信息，也就是用一幅条纹图片代表若干个比特的二进制信息。然而，这种基于FSOOK调制驱动的可见光摄像机通信系统传输信息的速率很低，接收机对多帧条纹图片的处理也较为复杂，并且需要等待所有图片解码完成后才能得到完整的LIED-ID，因此不可避免地带来一定的处理延迟，也对接收机的连续拍摄和处理能力提出了较高的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，本发明基于多输入多输出(MIMO)技术的思想，通过对CMOS图像传感器的成像系统进行数学建模分析，提供一种采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，可以有效地提高信息传输速率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种采用基于MIMO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统，包括：
系统发射机采用包含多个LED灯芯的MIMO阵列结构，其中每颗LED灯芯都配置一个独立的FSOOK调制驱动的电源与LED灯芯相连，发射机配置一个LED-ID数据调制映射器与多个FSOOK调制驱动电源相连。为降低拍照时相邻LED灯具所形成的条纹图片互相交叠所造成的干扰，每颗LED灯芯可采用独立的反光罩。LED-ID数据调制映射器内部预置有一个“信息映射表”，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个FSOOK频率信号，并将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频率进行闪烁。为了保证接收机的CMOS图像传感器能够形成多个明暗条纹图像，多个LED的闪烁频率应大于CIS的行扫描频率，并小于帧频率。
系统接收机采用具有卷帘快门机制(RollingShutterMode)的CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取合适的曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪声干扰。LED阵列光源会在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，不同的明暗条纹宽度代表不同的二进制信息，其中一种宽度的明暗条纹图片可定义为“帧头起始符”(StartFrameDelimiter，SFD)。接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片后，对该图片进行解码处理。图片解码的过程为，简述如下：
第1步：将图片进行灰度化，转换成灰度图片；
第2步：对图片进行图像分割，将一幅图片中的多个条纹子图形分离出来；
第3步：分别对多个条纹子图形进行解码，获取各个条纹子图形的条纹数目，进而求出它们各自对应的LED闪烁频率；
第4步：从多个LED闪烁频率中识别出SFD，据此重组多个条纹子图形所代表的FSOOK信号，进而恢复出一组LED-ID信息。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于多输入多输出(MIMO)技术的思想，通过对CMOS图像传感器的成像系统进行数学建模分析，提供一种采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，可以有效地提高信息传输速率。如果将此系统应用在可见光定位(VLP)领域，由于信息传输速率的提升，CMOS图像传感器只需对LED灯具阵列拍摄一张图片即可形成一组LED-ID标签信息，而不需要考虑多帧传输LED-ID的问题，从而加快了解码处理时间，更好地满足实时性的定位要求。此外，本发明还可有效地解决判定定位对象的运动方向问题。
附图说明
图1是现有技术1所提出的可见光摄像机通信(OCC)系统结构图。
图2是现有技术2所提出的可见光通信系统示意图。
图3是图片处理的解码检测步骤流程图。
图4是采用2*2MIMO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统图。
图5是CIS拍摄的2*2MIMOLED灯具阵列所形成的具有4个明暗条纹图形图。
图6是系统判断定位对象运动方向示意图。
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。
一种采用基于MIMO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统，包括：
系统发射机采用包含多个LED灯芯的MIMO阵列结构，其中每颗LED灯芯都配置一个独立的FSOOK调制驱动的电源与LED灯芯相连，发射机配置一个LED-ID数据调制映射器与多个FSOOK调制驱动电源相连。为降低拍照时相邻LED灯具所形成的条纹图片互相交叠所造成的干扰，每颗LED灯芯可采用独立的反光罩。LED-ID数据调制映射器内部预置有一个“信息映射表”，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个FSOOK频率信号，并将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频率进行闪烁。为了保证接收机的CMOS图像传感器能够形成多个明暗条纹图像，多个LED的闪烁频率应大于CIS的行扫描频率，并小于帧频率。
系统接收机采用具有卷帘快门机制(RollingShutterMode)的CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取合适的曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪声干扰。LED阵列光源会在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，不同的明暗条纹宽度代表不同的二进制信息，其中一种宽度的明暗条纹图片可定义为“帧头起始符”(StartFrameDelimiter，SFD)。接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片后，对该图片进行解码处理。图片解码的过程如图3所示，简述如下：
第1步：将图片进行灰度化，转换成灰度图片；
第2步：对图片进行图像分割，将一幅图片中的多个条纹子图形分离出来；
第3步：分别对多个条纹子图形进行解码，获取各个条纹子图形的条纹数目，进而求出它们各自对应的LED闪烁频率；
第4步：从多个LED闪烁频率中识别出SFD，据此重组多个条纹子图形所代表的FSOOK信号，进而恢复出一组LED-ID信息。
本实施例的系统发射机采用了一个2*2MIMO结构的LED阵列光源，每颗LED芯片均装有一个独立的反光灯罩，相邻LED灯具之间的距离设置为3-5cm，4个LED灯芯构成了一个整体的LED阵列平板灯，如图4所示。
在本实施例中，每颗LED灯芯都配置一个独立的FSOOK调制驱动电源与LED灯芯相连，如图3中的虚线所示。FSOOK调制驱动电源的作用是驱动LED灯芯按照指定的方波频率进行闪烁。本实施例的发射机配置有一个LED-ID数据调制映射器，与4个FSOOK调制驱动电源相连。LED-ID数据调制映射器内部预置有一个信息映射表，LED-ID数据调制映射器的作用是将串行二进制LED-ID数据调制成并行的4个FSOOK频率信号，并将4个方波频率信号映射到4个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频率进行闪烁。表1给出了本实施例
所采用的信息映射表，但其他的映射方式也同样适用，具体需要根据应用场景对
比特组的长度、不同频率的数量等方面的要求进行选择。
表1：一种信息映射表的例子
如表1所示，本实施例的发射机控制LED灯芯发出17种不同频率的FSOOK信号，其中16种不同的频率可以表示4位二进制数据，还有一个频率fSFD表示SFD。每一种不同频率的FSOOK信号会在成像平面上呈现不同明暗条纹宽度的条纹图形。所选择的全部LED的闪烁频率均应大于CIS的行扫描频率，小于帧频率，以确保在成像平面上形成带有多个条纹图形的子图片。
接收机使用具有卷帘快门(RollingShutter)的CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取合适的曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪声干扰。CIS所拍摄的图4所示的LED灯具阵列图片如图5所示。
由图5可见，在CMOS图像传感器上形成了4种不同宽度的明暗条纹图形。经过单幅图片的条纹解码后，可以得到：
(1)左上条纹图形的条纹数目为25条，通过信息映射表可得到LED闪烁频率为fSFD；
(2)右上条纹图片的条纹数目为20条，通过信息映射表可得到LED闪烁频率为fLED14；
(3)左下条纹图片的条纹数目为12条，通过信息映射表可得到LED闪烁频率为fLED8；
(4)右下条纹图片的条纹数目为6条，通过信息映射表可得到LED闪烁频率为fLED2；
由此根据图5最终解码得到的LED-ID信息组为fSFDfLED14fLED8fLED2，根据表1将其转换成二进制数据为110101110001。
接收机的成像平面实际上是由大量的CMOS有源像素传感器(ActivePixelSensors，APS)组成的阵列。CMOS图像传感器不同于传统的光电二极管(PD)，它具有较好的空间分辨复用能力，这种能力来源于APS阵列前安装的光学系统，如图4所示的成像透镜组件。本实施例中的发射机采用4个LED阵列发送FSOOK信号，接收端采用APS阵列接收信号，通过透镜组件在成像平面上可形成4个条纹图形。由于4个条纹图形的像素分别被在同一个成像平面上的APS阵列的不同区域所接收，从而构成了一个具有4个并行的独立单输入单输出(SISO)通道的光通信系统。LED阵列的每一颗LED芯片都能传输一个能够被CMOS图像传感器处理的并行数据流，实现了光空间复用，因此相比没有采用阵列的系统来说，可以有效地提升系统数据传输率。对于可见光通信在定位领域的应用，速率的提升可以使得在无需增加因多帧图片时分复用所带来的延迟的情况下，就能支持更多的信息比特数传输，从而实现更丰富的定位系统信令。
此外，本发明还可有效地解决定位对象的运动方向问题。下面结合本实施例对这一点进行说明。
本实施例的系统能判断定位对象的运动方向的前提条件是所有的LED阵列平板灯的某个位置(例如，西北角)的LED灯芯的闪烁频率设置为fSFD。如图4所示的例子，如果接收机检测出CIS拍摄的图片中，代表SFD的子条纹图形出现在图片上的西北角，则表示定位对象从南向北运动；如果SFD出现在图片上的东南角，表示定位对象从北向南运动；如果SFD出现在图片上的西南角，表示定位对象从西向东运动；如果SFD在图片上的东北角，表示定位对象从东向西运动。
上述实施例仅仅是为了更清楚地说明本发明的实施所作的举例，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扩展到更多的场景。例如，采用其他数量的LED灯芯、构成其他形状的阵列、采用其他方式的比特编码映射等，均与本系统的实现原理是类似的，属于本发明的设计思路范畴，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 (3)

1.一种采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于：
发射机采用包含多个LED灯芯的MIMO阵列结构，其中每颗LED灯芯都配置一个独立的FSOOK调制驱动电源，发射机配置一个LED-ID数据调制映射器与多个FSOOK调制驱动电源相连；LED-ID数据调制映射器内部预置有一个信息映射表，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行的多个FSOOK频率信号，并将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频率进行闪烁；多个LED的闪烁频率应大于CIS的行扫描频率，并小于帧频率；
接收机采用具有卷帘快门机制的CMOS图像传感器对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪声干扰；光源在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片后，对该图片进行解码处理。
2.根据权利要求1所述的采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，其特征在于：各LED灯芯采用独立的反光罩。
3.根据权利要求1所述的采用LED灯具MIMO阵列架构的可见光摄像机通信系统，其特征在于：对图片进行解码处理的过程为：
第1步：将图片进行灰度化，转换成灰度图片；
第2步：对图片进行图像分割，将一幅图片中的多个条纹子图形分离出来；
第3步：分别对多个条纹子图形进行解码，获取各个条纹子图形的条纹数目，进而求出它们各自对应的LED闪烁频率；
第4步：从多个LED闪烁频率中识别出SFD，据此重组多个条纹子图形所代表的FSOOK信号，进而恢复出一组LED-ID信息。
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