确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统，属于通信网络技术领域。所述方法包括以下步骤：首先，本发明专利技术设计了稳定的T

【技术实现步骤摘要】
确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统


[0001]本专利技术属于通信网络
，涉及室内LED(Light Emitting Diode)灯下的可见光混合定位和通信图像处理算法、T
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W映射机制、线性分组编码和位交错机制。

技术介绍

[0002]近年来，随着物联网(Internet of Thing，IoT)的蓬勃发展，智能照明系统与智能设备的创新交互在各种使用场景中逐渐普及。得益于LED等智能照明设备的崛起，可见光定位(Visible Light Positioning，VLP)和可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术引起了众多学者的关注，这两种技术可以应用于大型商场、医院、地下停车场等场所，用户可以实现准确的定位导航并获得高效的通信服务。
[0003]现有的VLP系统和VLC系统都可以使用LED等智能照明设备作为发射器和使用图像传感器或光电二极管(Photodiode，PD)作为接收器来实现其原理。两者的不同在于VLP系统用于提供高精度定位和实时导航，而VLC系统用于提供大容量数据和高数据速率的通信服务。
[0004]然而，现有的可见光系统很少能同时实现VLP和VLC。原因如下：当尝试构建可见光混合定位和通信系统时，1)如果将定位信标数据添加到现有的VLC系统中，将对这些系统的通信速率和误码率(Bit Error Radio，BER)造成降级影响，这迫切需要解决可见光混合定位与通信系统中所存在的难以提炼出具有高辨识度的定位信标特征的问题；2)如果将通信数据包添加到现有的VLP系统中，将可能造成定位和通信同时失败，这迫切需要解决可见光混合定位与通信系统中所存在的难以恢复帧间间隙(Inter
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frame Gap，IFG)中丢失数据的问题。此前，曾有学者提出使用到达角(Angle of Arrival，AOA)和接收信号强(Received Signal Strength，RSS)信息来实现混合系统，也有学者提出了一种具有代表性的滤波器增强光无线通信(OWC)系统以同时实现光定位和通信。然而，他们的研究要么只进行了仿真实验，要么使用昂贵的设备来提高系统性能，这并不符合实际需求。目前，可见光混合定位和通信方法及系统的发展相对缓慢，使得用户难以在获取准确的定位导航的同时实现有效的数据通信。因此，设计一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信技术，以解决难以在可见光定位和可见光通信互不影响的情况下确保连贯的定位和通信的问题具有重要研究意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法及系统。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]第一，一种确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，包括以下步骤：
[0008]捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域。
[0009]对LED的感兴趣区域采用T
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W映射机制识别接收范围内的具体LED。在发射端，预先
为所有LED各分配一个特定的发射速率，值得注意的是不同的LED发射速率映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围。在接收端，获得所捕获图像帧中所有的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度，并与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。该机制去除了数据包中的定位信标数据，解决了难以提炼出具有高辨识度的定位信标特征的问题，从而在不影响可见光通信性能的同时实现连贯的可见光定位。
[0010]对LED的感兴趣区域采用线性分组编码和位交错机制恢复帧间间隙中的丢失数据。在发射端，设计了新颖的数据包格式，并按照一定的规则将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错处理并组成数据包。在接收端，获得所捕获连续图像帧中的LED感兴趣区域明、暗条纹序列，利用所提出机制的纠错功能正确接收横跨两帧的数据包，解决了难以恢复帧间间隙中丢失数据的问题，从而在不影响可见光定位性能的同时实现低误码率的数据通信。
[0011]进一步的，可见光混合定位与通信系统由LED作为光源和智能终端作为接收机组成；智能终端可以是智能手机、平板电脑、智能穿戴设备等。LED传输经过编码和调制且包含定位和通信信息的二进制信号，传输的信号是高频的，人眼无法感知LED闪烁；使用智能终端的前置摄像头捕获LED传输的二进制信号，在设置合理的相机参数后，捕获的信息是每帧都包含LED的明暗条纹的视频序列。
[0012]进一步的，所述基于等距采样的轻量级图像处理算法具体包括：首先，将捕获的图像变为灰度图像，并对灰度图像进行二值化处理；然后，对二值化后的图像按像素的行、列分别进行等距离的像素强度采样，获得LED大致的感兴趣区域；最后，对该区域附近所有像素按照行、列进行像素强度采样，以获得准确的LED感兴趣区域边界。
[0013]进一步的，所述稳定T
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W映射机制具体包括：首先，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法获取初始帧中的LED感兴趣区域；然后，取LED感兴趣区域的中线，计算该中线上所有点的灰度值，每点的灰度值按照垂直于该点所在中线的上下10个像素点取平均进行计算；根据计算出的灰度值，判别此点是属于明条纹还是暗条纹，并将所有明条纹和暗条纹的起始点横坐标从小到大排序，即得到每个条纹起始点的横坐标值；遍历每个条纹的宽度，认定宽度最长的条纹为序列头所对应的条纹并取出该宽度值；最后，将该宽度值与数据库中的所有序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。
[0014]进一步的，所述设计的新颖线性分组编码和位交错机制具体包括：
[0015]在发射端：首先，根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计了新颖的数据包格式，确定了数据包中所含汉明块的数量；然后，按照(7，4)汉明码的编码规则将发送的随机数据进行编码；随后，按照位交错机制的原理对编码以后的数据进行处理，这使得不同汉明块的数据交织在一起；最后，将位交错处理以后的数据进行曼彻斯特编码并根据数据包的格式组合成发送数据包。
[0016]在接收端：首先，采用前述的基于等距采样的轻量级图像处理算法、明暗条纹识别算法和宽度遍历测量算法对连续捕获的图像帧进行处理，得到LED感兴趣区域的明、暗条纹序列并提取经曼彻斯特编码处理的数据序列部分；然后，根据帧间间隙的数据丢失量对横
跨连续图像帧的经曼彻斯特编码处理的数据序列部分进行随机位补偿，获得待纠错的数据序列；随后，将待纠错的数据序列接连进行曼彻斯特译码和位解交错处理，这将可能存在的误码分散到不同的汉明块中，获得待纠错的汉明块；最后，根据(7，4)汉明码的纠错功能正确还原发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于，包括以下步骤：捕获图像帧后，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法提取LED的感兴趣区域；对LED的感兴趣区域采用T
‑
W映射机制识别接收范围内的具体LED；在发射端，预先为所有LED各分配一个特定的发射速率，不同的LED发射速率映射着不同且不相重合的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度范围；在接收端，获得所捕获图像帧中所有的LED感兴趣区域序列头条纹的宽度，并与数据库中的序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位；对LED的感兴趣区域采用线性分组编码和位交错机制恢复帧间间隙中的丢失数据；在发射端，设计了数据包格式，并将发送的随机数据进行(7，4)汉明编码和位交错处理并组成数据包；在接收端，获得所捕获连续图像帧中的LED感兴趣区域明、暗条纹序列，接收横跨两帧的数据包，从而在不影响可见光定位性能的同时实现低误码率的数据通信。2.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：LED作为光源，智能终端作为接收机；LED传输经过编码和调制且包含定位和通信信息的二进制信号，智能终端的摄像头捕获LED传输的二进制信号，捕获的信息是每帧都包含LED的明暗条纹的视频序列。3.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述基于等距采样的轻量级图像处理算法具体包括：首先，将捕获的图像变为灰度图像，并对灰度图像进行二值化处理；然后，对二值化后的图像按像素的行、列分别进行等距离的像素强度采样，获得LED大致的感兴趣区域；最后，对该区域附近所有像素按照行、列进行像素强度采样，以获得准确的LED感兴趣区域边界。4.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述T
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W映射机制具体包括：首先，采用基于等距采样的轻量级图像处理算法获取初始帧中的LED感兴趣区域；然后，取LED感兴趣区域的中线，计算该中线上所有点的灰度值，每点的灰度值按照垂直于该点所在中线的上下10个像素点取平均进行计算；根据计算出的灰度值，判别此点是属于明条纹还是暗条纹，并将所有明条纹和暗条纹的起始点横坐标从小到大排序，即得到每个条纹起始点的横坐标值；遍历每个条纹的宽度，认定宽度最长的条纹为序列头所对应的条纹并取出该宽度值；最后，将该宽度值与数据库中的所有序列头条纹宽度范围进行匹配以识别具体LED，判断捕获的LED是否为有效光源并获取其真实世界坐标以进行定位。5.根据权利要求1所述确保连贯定位和通信的可见光混合定位与通信方法，其特征在于：所述线性分组编码和位交错机制具体包括：在发射端：首先，根据每图像帧中的最大数据携带容量、数据包的最大数据携带容量、(7，4)汉明码的编码规则和位交错机制的原理、帧间间隙中的数据丢失量以及它们之间的相互关系设计数据包格式，确定数据包中所含汉明块的数量；然后，按照(7，4)汉明码的编码规则将发送的随机数据进行编码；随后，按照位交错机制的原理对编码以后的数据进行处...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈耀恒，刘翔宇，郭磊，宋嵩，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：