本发明专利技术涉及一种基于光学相机的多优先级分层编码方法，包括以下步骤：步骤S11：获取状态向量，步骤S12：奇偶项分解，步骤S13：分配接收比特串，步骤S14：在前一层重新分配，重复执行步骤S12至步骤S14，直至解码表生成完成，步骤S15：根据解码表得到编码表；步骤S21：生成发送比特串，步骤S22：根据编码表编码，步骤S23：添加帧前导码，步骤S24：点亮LED并发送信号；步骤S31：拍摄连续视频流，步骤S32：数据帧的时空同步，步骤S33：LED信道分割，步骤S34：自适应相机参数调整，步骤S35：LED光信道估计，步骤S36：根据解码表解码。与现有技术相比，本发明专利技术具有提高光学相机通信系统总体吞吐量与通信距离等优点。等优点。等优点。
【技术实现步骤摘要】
基于光学相机的多优先级分层编码方法、装置及存储介质
[0001]本专利技术涉及可见光通信领域，尤其是涉及一种基于光学相机的多优先级分层编码方法、装置及存储介质。
技术介绍
[0002]可见光通信(VLC)由于可见光谱极为丰富且无需授权的频谱资源，将在未来的6G网络中担任重要的角色。根据发送和接收端器件类型，可见光通信技术可进一步分为不同的子类，其中，使用光电二极管(LED)作为发射端，图像传感器作为接收端的光学相机通信(OCC)备受关注。光学相机可以有效实现一对多的广播式通信，即同一时间允许一个发送端向多个接收端传输信息，这对于智能车辆或无人机的协调工作有至关重要的意义。然而，通信距离是光学相机通信场景中的一大性能瓶颈。如果发送端(LED阵列)与接收端(相机)的距离足够远，相机将无法区分LED阵列上紧靠在一起的两个光源，从而导致严重的信道间干扰，称之为LED混叠。尤其是一对多通信场景下，若发送端以距离最近接收端数据率发送数据，则远处的接收端由于LED混叠将无法接收任何数据；若发送端根据最远的接收端限制数据率，则势必会浪费近距离接收端的通信容量。因此，LED混叠极大地限制了光学通信系统的通信距离，降低通信系统的整体吞吐量。
[0003]为了解决LED混叠带来的通信性能瓶颈，科研工作者提出了分层编码方法以支持动态变化信道容量。分层编码是一种物理层编码技术，该技术允许不同距离的接收端根据观测的信道状态动态调整其接收数据率，以保证近距离接收端尽可能达到高数据率，而远距离接收端不至于丢失所有数据。文献“Experimental on hierarchical transmission scheme for visible light communication using LED traffic light and high
‑
speed camera”使用二维小波变换将3层优先级的数据嵌入到LED阵列的不同频率分量中，这种基于空间频率的分层编码方案具有较高的误码率且对LED阵列的形状和灯数有特定要求，限制了该技术的实际使用。文献“Overlay coding for road
‑
to
‑
vehicle visible light communication using LED array and high
‑
speed camera”为避免小波变换带来的限制提出重叠码的编码方法，该方法将数据比特嵌入到尺寸不同的LED块中，然后将这些LED块在同一LED阵列上进行空间重叠以生成最终的重叠码，从而使远距离的接收端可以接收嵌入在大尺寸LED块中的数据，但却由于一个LED块中的所有LED灯传输相同的信息，存在编码效率低的问题，对于分辨能力强的近距离接收端来说造成了信道资源的浪费。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光学相机的多优先级分层编码方法、装置及存储介质，提高广播传输的总体吞吐量和通信距离。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种基于光学相机的多优先级分层编码方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：生成编码表和解码表，
[0008]步骤S2：发送端编码并发送信号，
[0009]步骤S3：接收端接收信号并解码；
[0010]所述生成编码表和解码表包括以下步骤：
[0011]步骤S11：获取第L层接收端的状态向量，其中，L为编码表总层数且等于LED灯数，
[0012]步骤S12：将获得的状态向量中的观测状态按照顺序分成奇数项和偶数项，
[0013]步骤S13：将步骤S12获得的奇数项代表的观测状态分配至第一接收比特串，偶数项代表的观测状态分配至第二接收比特串，得到当前层的解码表，所述第一接收比特串、第二接收比特串长度均为L，第a个之前的比特与上层对应的接收比特串保持一致，第a个之后的比特设为X，第一接收比特串第a个比特设为0，第二接收比特串第a个比特设为1，其中，a为当前层数，X为丢弃比特，比特为0表示灯亮，比特为1表示灯灭，
[0014]步骤S14：将步骤S13中奇数项和偶数项代表的观测状态分别作为前一层的状态向量，重复执行步骤S12至步骤S14，直至得到第一层的解码表，表明解码表生成完成，
[0015]步骤S15：将解码表中的观测状态至接收比特串的映射取逆，同时将接收比特串修改为发送比特串，观测状态修改为亮灭状态，得到编码表；
[0016]所述发送端编码并发送信号包括以下步骤：
[0017]步骤S21：发送端在每个发送周期从待发送的L个优先级比特流中按顺序各取1比特组成长度为L的发送比特串DT，
[0018]步骤S22：根据所述编码表将发送比特串DT映射为LED亮灭状态LT，
[0019]步骤S23：添加用于接收端时空同步及信道估计的帧前导码，与LED亮灭状态LT共同组成发送端发送的数据帧，
[0020]步骤S24：根据数据帧控制发送端各个LED的通断，将光信号发送至接收端；
[0021]所述接收端接收信号并解码包括以下步骤：
[0022]步骤S31：接收端拍摄包含有发送端的连续视频流，
[0023]步骤S32：完成数据帧的空间同步和时间同步，
[0024]步骤S33：LED信道分割，
[0025]步骤S34：调整接收端曝光参数，直至当1个LED灯亮起时，相机观测得到的亮度值为255/L，
[0026]步骤S35：针对步骤S33分割的每个LED信道，根据帧前导码中用于信道估计的比特串，测量当前LED信道在发送端点亮不同个数的LED灯时的观测亮度等级，确定不同亮度等级间的判别阈值，根据亮度等级的判别阈值，判断每个LED信道的亮度等级对应的点亮LED的个数，
[0027]步骤S36：根据点亮LED的个数，得到观测状态，再根据解码表解码得到接收比特串。
[0028]所述第L层为接收端的最高层，包含L+1个状态，共计2
L
个子状态。
[0029]所述观测状态中由于空间混叠无法区分的LED状态用中括号括起。
[0030]所述帧前导码为一串预定义的比特串。
[0031]所述步骤S32具体为将视频流的每帧划分为大小相同的像素块s，计算像素块亮度信号s(t)，所述像素块亮度信号s(t)为每个像素块中所有像素的亮度随时间变化的序列，计算像素块亮度信号s(t)与帧前导码p(t)的互相关信号r(t)，并寻找具有最大互相关值的
x个像素块重新拼接为候选像素块s
′
，该像素块指出了LED阵列在画面中的粗略位置，完成数据帧的空间同步；然后，重新计算候选像素块s
′
的亮度信号s
′
(t)，计算候选像素块亮度信号s
′
(t)与帧前导码p(t)的互相关信号r
′
(t)，r
′...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于光学相机的多优先级分层编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：生成编码表和解码表，步骤S2：发送端编码并发送信号，步骤S3：接收端接收信号并解码；所述生成编码表和解码表包括以下步骤：步骤S11：获取第L层接收端的状态向量，其中，L为编码表总层数且等于LED灯数，步骤S12：将获得的状态向量中的观测状态按照顺序分成奇数项和偶数项，步骤S13：将步骤S12获得的奇数项代表的观测状态分配至第一接收比特串，偶数项代表的观测状态分配至第二接收比特串，得到当前层的解码表，所述第一接收比特串、第二接收比特串长度均为L，第a个之前的比特与上层对应的接收比特串保持一致，第a个之后的比特设为X，第一接收比特串第a个比特设为0，第二接收比特串第a个比特设为1，其中，a为当前层数，X为丢弃比特，比特为0表示灯亮，比特为1表示灯灭，步骤S14：将步骤S13中奇数项和偶数项代表的观测状态分别作为前一层的状态向量，重复执行步骤S12至步骤S14，直至得到第一层的解码表，表明解码表生成完成，步骤S15：将解码表中的观测状态至接收比特串的映射取逆，同时将接收比特串修改为发送比特串，观测状态修改为亮灭状态，得到编码表；所述发送端编码并发送信号包括以下步骤：步骤S21：发送端在每个发送周期从待发送的L个优先级比特流中按顺序各取1比特组成长度为L的发送比特串DT，步骤S22：根据所述编码表将发送比特串DT映射为LED亮灭状态LT，步骤S23：添加用于接收端时空同步及信道估计的帧前导码，与LED亮灭状态LT共同组成发送端发送的数据帧，步骤S24：根据数据帧控制发送端各个LED的通断，将光信号发送至接收端；所述接收端接收信号并解码包括以下步骤：步骤S31：接收端拍摄包含有发送端的连续视频流，步骤S32：完成数据帧的空间同步和时间同步，步骤S33：LED信道分割，步骤S34：调整接收端曝光参数，直至当1个LED灯亮起时，相机观测得到的亮度值为255/L，步骤S35：针对步骤S33分割的每个LED信道，根据帧前导码中用于信道估计的比特串，测量当前LED信道在发送端点亮不同个数的LED灯时的观测亮度等级，确定不同亮度等级间的判别阈值，根据亮度等级的判别阈值，判断每个LED信道的亮度等级对应的点亮LED的个数，步骤S36：根据点亮LED的个数，得到观测状态，再根据解码表解码得到接收比特串。2.根据权利要求1所述的一种基于光学相机...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛广涛，吴浩南，陈奕超，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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