一种基于移动终端的短距离可见光通信方法及其硬件系统与流程

本发明涉及机器视觉和模式识别技术领域，具体涉及一种基于移动终端的短距离可见光通信方法及其硬件系统。

背景技术：

无线电频技术广泛应用于无线通信系统中，其具体应用分别有室内通信，手机wifi、蓝牙甚至是地球卫星通信。21世纪初至今，移动设备的使用量的急剧提升导致了有限且昂贵的无线电频谱使用量的持续增大。直至2016年无线移动设备消耗的流量超过了有线设备，而在欧洲，用于公共设备的无线电频率已经超过了500mhz，在未来还可能更高。

无线电频谱资源与需求的急剧增长之间的矛盾不能仅仅依靠现有的频谱分配来解决，因而催生了可见光通信技术——基于led的亮度调节的技术。同时，led可以实现高频通信，且广泛用于生活中的各种场合，在显示设备比如手机或者电脑，还可以分别调节像素数组中的单个元素来恢复传递的信息。

现在的移动终端已经有相当可观的能力检测信息。例如：可以用cmos摄像头传感器捕捉可见光源传递的数据。对于移动终端传输信息的研究也不断发展并且多样化：为了提升传输速率，可以用三色led(红蓝绿)来编码信息；为了定位参考led，可采用基于霍夫变换的边缘检测方案。

现有的对传统移动终端的研究，仅仅是停留在移动终端与电脑或其他较大型设备之间的信息传输，并没有真正地深入普及应用到每个人地日常生活中，有一定的硬件限制，而且也并没有很好地缓解无线电频谱资源与需求的急剧增长之间的矛盾，为了充分利用移动终端的便携性以及适应当今社会人们的需求，极有比较提出一种更加轻便、简单的移动终端之间的可见光通信方法，更大化地利用移动终端本身的硬件系统，而且将在移动终端上运用图像处理的和模式识别的技术处理传输的图片，该系统的传输效率与准确度随着手机摄像头质量的提高而增大，具有很好的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于移动终端的短距离可见光通信方法及其硬件系统，该方法实现简单、便利，通过两部移动终端之间的摄像头和屏幕实现短距离内的可见光通信。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种基于移动终端的短距离可见光通信方法，所述的短距离可见光通信方法包括下列步骤：

s1、一移动终端作为发送机和另一移动终端作为接收机组成一可见光通信的硬件系统；

s2、发送机发送导频信号并由接收机成功检测后，发送机和接收机建立同步链路；

s3、发送机将数字数据由二进制数据流转换生成数据图像，周期性地向接收机传输数据图像；

s4、接收机在动态环境中用其自带的摄像头捕捉在接收视场内的发送机发送的数据图像，检测识别数据图像，完成可见光数据的同步传输。

进一步地，所述的步骤s3具体如下：

s301、将输入发送机的数字数据被转换成相应的二进制流，如果输入的数据流过长，先分割成更小的数据流再转换二进制流；

s302、将每一串二进制流创建成由多个单元格组成的数据图像，其中每个单元格包含多个像素，在相同单元格里的像素被分配相同的灰度级；

s303、根据发送机和接收机的移动度，发送机通过把数据图像显示在屏幕上，周期性地向接收机传输数据图像。

进一步地，所述的步骤s302中将每一串二进制流通过单元格像素分配的方法创建成由多个单元格组成的数据图像，其中，所述的单元格像素分配的方法采用二值单元格、灰度单元格或三原色单元格。

进一步地，所述的移动度包括倾斜程度和旋转角度，其中，发送机或接收机的倾斜程度区间为【0°，75°】。

进一步地，所述的步骤s4具体如下：

s401、接收机用摄像头连续捕获视场内一幅幅的图像，并从包含背景的图像中识别分割出数据图像，采用快速鲁棒特征算法提取图像内的特征点，得到关键点，计算关键点的描述因子，通过欧氏距离比较得到匹配的关键点；

s402、用上一步骤匹配得到的关键点计算射影变换矩阵，再用接收机检测的数据图像矩阵除以射影变换矩阵，得到的结果矩阵作为新的接收机检测的数据图像矩阵；

s403、用最大类间差法计算图像的动态阈值t，完成对接收机检测的数据图像进行二值化的操作；

s404、接收机对二值化后的数据图像进行量化处理，得到最终的接收机检测的数据图像。

进一步地，所述的短距离可见光通信方法的数据传输速率如下:

r＝(fps-1)×m×n×log2k

其中，fps是画面每秒传输帧数，m×n是生成的数据图像大小，k是在数据编码中所使用的颜色数量。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种基于移动终端的短距离可见光通信方法的硬件系统，所述的硬件系统包括作为发送机的移动终端和作为接收机的移动终端，其中，所述的移动终端包括移动终端外壳主体、移动终端摄像头、触摸显示屏，和安装在移动终端外壳主体内的硬件电路；

所述的移动终端外壳主体包括侧面按键，所述的侧面按键和所述的触摸显示屏通过所述的硬件电路实现电气连接，可用来控制移动终端摄像头捕捉图像。

进一步地，所述的移动终端摄像头包括镜头、a/d转换器、dsp、传感器，接收机和发送机通过所述的触摸显示屏或所述的移动终端外壳主体的侧面按键控制移动终端相机软件功能发出拍照信号，用所述的镜头拍摄接收视场内的景物并将生成的光学图像投射到所述的传感器上，再通过所述的a/d转换器将图像的模拟信号转换成数字信号，所述的dsp再对数字信号进行加工处理，使用图像分割技术，分割出仅含有数据图像的像素。

进一步地，所述的硬件电路中包括电子运算处理器，可对由摄像头dsp处理后的数字信号再进行图像处理。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明提出了一种基于移动终端的短距离可见光通信方法，实现方法简单，没有硬件限制和软件限制，仅仅用两部移动终端就可以构成硬件系统，而且传输准确率最高可达98％，有很强的实际应用效果。

2、本发明结合使用了无限光通信技术的无线光数据传输方法，通过将数据流转换为图像，并且被显示在发送机的屏幕上，接收机通过摄像头捕获图像，并应用图像处理技术，用快速鲁棒特征算法和最大类间差法等方法处理捕获的检测图像，提高传输的准确率和效率，实现移动终端在无限光通信领域的短距离可见光通信。

附图说明

图1是基于移动终端的短距离可见光通信方法的硬件系统示意图；

图2是摄像头利用传感器获取图像的模型示意图；

图3是可见光通信系统中发送机的流程示意图；

图4是可见光通信系统中接收机的流程示意图；

图5是量化前后的图像示意图。

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做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。

实施例一

本实施例公开了一种基于移动终端的短距离可见光通信方法，其中，所述的移动终端包括手机、笔记本电脑、平板电脑和掌上上网设备、多媒体设备、流媒体设备、移动互联网设备(mid，mobileinternetdevice)、可穿戴设备或其他类型的终端设备。

所述的可见光通信方法包括下列步骤：

s1、由两部分别作为发送机的移动终端和作为接收机的移动终端组成一个可见光通信的硬件系统。

s2、为了确保发送机准确地检测数据图像，发送机和接收机已知的检测帧(即导频信号)首先显示，其后再跟一系列数据图像。

s3、发送机生成数据图像，并将其显示在发送机的屏幕上，为了减少接收机检测的难度，该数据图像只有黑白两色，便于与背景区分。

所述步骤s3包括以下步骤：

s301、输入发送机的数字数据被转换成相应的二进制流，如果输入的数据流过长，先分割成更小的数据流再转换二进制流。

s302、每一串二进制流用于创建由多个单元格组成的图像，其中每个单元格包含多个像素。在相同单元格里的像素被分配相同的灰度级。

有三种单元格像素分配的方法：

(1)二值单元格；(2)、灰度单元格(3)三原色(rgb)单元格。

s303、根据发送机和接收机的移动度，包括倾斜程度和旋转角度，其中，发送机或接收机的倾斜程度区间为【0°，75°】，发送机通过把数据图像显示在屏幕上，周期性地向接收机传输数据图像。

s4、接收机在动态环境中用其自带的摄像头捕捉在接收视场内的发送机发送的数据图像，检测识别数据图像，完成可见光数据的同步传输。

所述步骤s4包含以下步骤：

s401、接收机用摄像头连续捕获视场内一幅幅的图像，并从包含背景的图像中识别分割出数据图像。采用快速鲁棒特征算法提取图像内的特征点，得到关键点，计算关键点的描述因子，通过欧氏距离比较得到匹配的关键点。

s402、用上一步骤匹配得到的关键点计算射影变换矩阵，再用接收机检测的数据图像矩阵除以射影变换矩阵，得到的结果矩阵作为新的接收机检测的数据图像矩阵。

s403、用最大类间差法计算图像的动态阈值t，完成对接收机检测的数据图像进行二值化的操作。

s404、接收机对二值化后的数据图像进行量化处理，得到最终的接收机检测的数据图像。

根据本实施例公开的基于移动终端的短距离可见光通信方法，其数据传输速率:

r＝(fps-1)×m×n×log2k

其中，fps是画面每秒传输帧数，m×n是生成的数据图像大小，k是在数据编码中所使用的颜色数量，可知，如果用三原色(r、g、b)单元格，传输速率会更高，这种传输方法有很大的应用空间和价值。

实施例二

本实施例公开了一种基于移动终端的短距离可见光通信方法的硬件系统，包括作为发送机的移动终端和作为接收机的移动终端，其中，所述的移动终端包括移动终端外壳主体、移动终端摄像头、触摸显示屏，和安装在移动终端外壳主体内的硬件电路，如图1所示，该硬件系统没有任何硬件限制和外设要求，仅仅需要两部分别作为发送机和接收机的移动终端，以及依靠信号传输和图像处理技术，便携性和应用性极大地提高。所述的移动终端外壳主体包括侧面按键，所述的侧面按键和所述的触摸显示屏通过所述的硬件电路实现电气连接，可用来控制移动终端摄像头捕捉图像。

如图2所示，所述的移动终端摄像头包括镜头、a/d转换器、dsp、传感器等组成部件，接收机和发送机通过所述的触摸显示屏或所述的移动终端外壳主体的侧面按键控制移动终端相机软件功能发出拍照信号，用镜头拍摄接收视场内的景物并将生成的光学图像投射到传感器上，再通过a/d转换器将图像的模拟信号转换成数字信号，dsp再对数字信号进行加工处理，使用图像分割技术，分割出仅含有数据图像的像素。

所述的硬件电路中包括电子运算处理器等功能模块，可对由摄像头dsp处理后的数字信号再进行图像处理。

为了确保接收机准确地检测数据图像，由发送机和接收机已知的检测帧(即导频信号)首先显示，再后跟一系列数据图像。

如图3所示，输入发送机的数字数据被转换成相应的二进制流，如果数据流过长，先分成更小的数据流，每一串数据流用于创建由多个单元格组成的图像，其中每个单元格包含多个像素。在相同单元格里的像素被分配相同的灰度级，单元格内的像素值不是0就是255分别对应数据流中的0和1。

调整发送机和接收机的移动度，包括倾斜程度和旋转角度，注意调整倾斜程度在0°-75°范围内，发送机通过把数据图像显示在屏幕上，周期性地地向接收机传输数据图像。

如图4所示，接收机用摄像头连续捕获视场内一副副的图像并从包含背景的图像中检测识别并分割出数据图像。

采用快速鲁棒特征算法提取图像内的特征点，得到关键点，计算关键点的描述因子，用欧氏距离比较得到匹配的关键点。用得到的匹配的关键点计算射影变换矩阵，再用此时检测的数据图像矩阵除以射影变换矩阵，得到的结果矩阵作为新的接收机接收的数据图像矩阵。

用最大类间差法计算图像的动态阈值t，完成对rx接收的数据图像进行二值化的操作。

如图5所示，对二值化后的图像进行量化处理，得到最终的rx接收的数据图像。

综上所述，本实施例公开的基于移动终端的短距离可见光通信方法的硬件系统，基于可见光通信技术，可以实现两部移动终端短距离的图像数据传输，硬件系统包括：移动终端外壳主体，移动终端摄像头、触摸显示屏，和安装在移动终端外壳主体内的硬件电路。其中，移动终端外壳主体由其侧面按键和触摸显示屏组成，用来控制摄像头完成图像捕获动作；移动终端摄像头由镜头、dsp、传感器等部件组成，镜头拍摄景物将生成的光学图像投射到传感器上，a/d转换器负责将传感器上的模拟信号处理成数字信号，dsp再对数字信号进一步处理；所述硬件电路中包括电子运算处理器等功能模块，可对由摄像头dsp处理后的数字信号再进一步处理，运行图像处理和模式识别的算法。本发明基于由两部移动终端分别作为发送机和接收机组成的一个硬件系统，发送机使用数字信号处理器和应用图像处理算法，准确获取可见光通信数据，增大了移动终端在光通信中的实用功能，而且该通信方法的传输效率会随着手机摄像头的发展而提高，具有广阔的应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。