交通信号灯、控制方法、交通信号灯颜色识别系统和方法与流程

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种交通信号灯、控制方法、交通信号灯颜色识别系统和方法。

背景技术：

随着经济发展，交通道路网络四通八达，私家车大量进入个人生活领域，而社会中仍有大量色觉障碍人群因为交通法规限制而无法获得驾照，或由于色觉障碍给在道路行进过程中造成诸多不便。

2003年，可见光通信联盟(Visible Light Communications Consortium,VLCC)成立，目前广泛推进使用LED光源闪烁实现首发数据，进行可见光通信。

可见光通信与电缆通信、射频通信等技术相比较具有明显的优势：(1)可见光通信不需要申请频谱认证。在通信领域可用的无线电频率已经非常有限，基于LED的可见光通信不存在无线电通信中的频率分配问题，并且受到干扰几率小。(2)可见光通信不存在电磁辐射。通信信号所使用的波段为380-780nm之间，对人体安全，可以在医院等环境使用，并且对电磁干扰要求严格的场所也可以使用。(3)调试方式简单，容易实现，并且成本较低。

色觉障碍有多种类型，最常见的是红绿色盲。总的来说，色盲人群无法准确识别交通信号灯及所提供的信息，色盲现象可以概括为：

(1)患者混淆两种不同颜色A和B，认为A＝B，例如红色色盲患者不能分辨红色与深绿色；

(2)患者分辨不出颜色，对于他们，不同的颜色只有有亮、暗的差异。

因此，如何应用可见光通信为色觉障碍者提供交通信号灯的颜色识别系统成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何自动识别交通信号灯的颜色。

为此目的，本发明实施例提出了一种交通信号灯，该交通信号灯包括：

控制单元、信号调制单元和光信号产生单元；

所述控制单元用于根据控制信号产生调整信号灯电信号的控制指令；

所述信号调制单元用于根据所述控制指令对所述信号灯电信号的频率进行调制，并输出不同频率的调制信号；

所述不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯；

所述光信号产生单元用于根据所述调制信号控制不同颜色的信号灯发光。

可选地，所述信号调制单元还用于调制所述信号灯的电流强度，使最低电流值大于0。

可选地，所述信号调制单元采用幅移键控ASK的方式调制所述信号灯的电流强度。

可选地，所述信号灯的最低电流值为最高电流值的1/3-1/2。

可选地，所述信号灯的光出射方向与水平方向成预设的负角。

可选地，所述预设的负角大于等于5°且小于等于10°。

可选的，接收端距离信号灯的距离d按式(1)计算：

$d=\sqrt{x^2+y^2+h^2}---\left(1\right)$

其中，d为接收端距离信号灯的距离，x为接收端距离信号灯的横向距离，y为接收端距离信号灯的纵向距离；h为信号灯距离地面的高度。

本发明实施例提出了一种交通信号灯颜色识别系统，包括：

光信号采集单元、信号解调单元和识别单元；

所述光信号采集单元，用于采集上述的交通信号灯发出的可见光信号，并将所述可见光信号转换为对应的电信号；

所述信号解调单元，用于获取所述可见光信号对应的电信号的频率；

所述识别单元，用于根据所述可见光对应的电信号的频率确定信号灯的颜色。

可选地，该交通信号灯颜色识别系统还包括：

显示单元，所述显示单元用于根据所述识别单元的识别结果显示所述信号灯的颜色对应的文字或图形。

可选地，该交通信号灯颜色识别系统还包括：

语音单元，所述语音单元用于根据所述识别单元的识别结果播放所述信号灯的颜色对应的语音。

可选地，所述光信号采集单元位于车前灯上方或车顶。

可选地，所述光信号采集单元包括反射板和图像采集装置；

所述反射板，用于反射并放大所述信号灯发出的可见光区域至所述图像采集装置；

所述图像采集装置，用于采集所述反射板的反射光区域，并转换为对应的电信号。

可选地，所述反射板包括底板以及涂覆于所述底板表面的漫反射颗粒，使所述信号灯的可见光漫反射至所述图像采集装置。

本发明实施例提出一种利用上述信号灯的交通信号灯的控制方法，包括：

根据控制信号产生调整信号灯电信号的控制指令；

根据所述控制指令对所述信号灯电信号的频率进行调制，并输出不同频率的调制信号；不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯；

根据所述调制信号控制不同颜色的信号灯发光。

本发明实施例提出了一种利用上述系统的交通信号灯颜色识别方法，包括：

采集交通信号灯发出的可见光信号，并将所述可见光信号转换为对应的电信号；

获取所述可见光对应的电信号的频率；

根据所述可见光对应的电信号的频率确定信号灯的颜色。

本发明实施例提供的交通信号灯、控制方法、交通信号灯颜色识别系统和方法，通过将采集的光信号解调为与光信号对应的电信号，并根据光信号对应的电信号的频率确定信号灯的颜色，实现了对交通信号灯的颜色的识别，为色觉障碍者提供了一种准确识别交通信号灯颜色的手段。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的交通信号灯的结构示意图；

图2a、图2b、图2c示出了本发明一个实施例的信号灯的电流强度的示意图；

图3示出本发明一个实施例的信号灯的光出射方向的示意图；

图4示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图；

图5示出了本发明一个实施例的信号解调单元的调制信息示意图；

图6示出了本发明另一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图；

图7示出了本发明另一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图；

图8a示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别系统中光信号采集单元的安装位置的示意图；

图8b示出了本发明另一个实施例的交通信号灯颜色识别系统中光信号采集单元的安装位置的示意图；

图9示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别系统中光信号采集单元的结构示意图；

图10示出了本发明一个实施例的光信号采集单元的反射板的结构示意图；

图11示出了本发明一个实施例的交通信号灯控制方法的流程示意图；

图12示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明一个实施例的交通信号灯的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的交通信号灯包括：

控制单元101、信号调制单元102和光信号产生单元103；

在实际应用中，交通信息管理系统通过通信网络向控制单元发送控制信号，控制单元101用于根据该控制信号产生调整信号灯电信号的控制指令。

信号调制单元102用于根据所述控制指令对所述信号灯电信号的频率进行调制，并输出不同频率的调制信号；所述不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯；

光信号产生单元103用于根据所述调制信号控制不同颜色的信号灯发光。

本发明实施例提供的交通信号灯通过对信号灯的电信号的频率进行调制，使不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯，为色觉障碍者提供了一种可供颜色识别系统进行识别的交通信号灯，提高了行车安全性。

在实际应用中，光信号产生单元103可以采用光电转换速率快的LED灯产生多种颜色的可见光。通常，光信号产生单元包括红色LED信号灯、黄色LED信号灯和绿色LED信号灯。信号调制单元102对信号灯电信号的频率进行调制，其中，电信号的频率代表信号灯在1s中进行明暗闪烁的次数。在实际应用中，可设置不同频率的调制信号，从而实现不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯。

在本发明另外一个交通信号灯的实施例中，与图1中的交通信号灯的结构类似，其中，信号调制单元102还用于调制所述信号灯的电流强度，使最低电流值大于0。在实际应用中，信号调制单元102还用于采用幅移键控ASK的方式调制信号灯的电流强度；具体地，ASK调制是采用信息比特控制电流的强度，进而控制LED灯的亮度。当信息比特为“1”时产生最高电流值，LED灯较亮；当信息比特为“0”时产生最低电流值，LED灯较暗。本发明实施例利用幅移键控ASK实现了通过调制信号控制电流强度进而控制可见光信号的振幅(即LED灯的亮度)。在实际应用中，可设置不同的电流强度范围对应相应颜色的信号灯；例如，可设置红色LED信号灯电流强度较大，黄色LED信号灯电流强度居中，绿色LED信号灯电流强度较小。优选地，所述信号灯的最低电流值为最高电流值的1/3-1/2。

图2a、图2b、图2c示出了本发明一个实施例的信号灯的电流强度的示意图，图中I代表LED信号灯的电流，图中t代表时间。

可理解的是，LED信号灯的亮度与电流的强度有关，电流强度越大，LED信号灯的亮度越大；LED信号灯的亮度为单位时间内亮度的平均值。在信号调制的占空比为50％的情况下，若信号灯的最低电流为0(如图2a所示)，会导致信号灯的亮度降低一半；若信号灯的最低电流为最高电流强度的1/3时，信号灯的亮度可以提高33％(如图2b所示)；若信号灯的最低电流为最高电流强度的1/2时，亮度可以提高50％(如图2c所示)。

本发明实施例的交通信号灯通过调制信号灯的最低电流强度大于0，实现在环境光亮度较高的情况下满足LED灯具有足够亮度，实现和背景光源的高对比，有效解决LED信号调制亮度损失的问题，提高了信号灯的发出的光信号的强度，便于接收端采集光信号。

图3示出本发明一个实施例的信号灯的光出射方向的示意图。如图3所示，信号灯距离地面的高度为h，接收端距离信号灯的横向距离为x，纵向距离为y，则接收端距离信号灯的距离d按下式(1)计算：

$d=\sqrt{x^2+y^2+h^2}---\left(1\right).$

可理解的是，接收端距离信号灯的距离d越大信号强度越小，采集信号难度越大。当车辆行驶到图3中的A的位置时接收端距离信号灯的距离d1小于当车辆行驶到图3中的B的位置时接收端距离信号灯的距离d2，车辆行驶在A、B之间时接收端可以采集到信号。由于信号灯的光沿图3中的方向发出，信号灯的发光角度为夹角β，当接收端距离信号灯的距离小于d1时，没有光发向接收端，接收端无法采集到信号。因此，为便于接收端与信号灯的距离较近时也能较好地采集光信号，本发明实施例的信号灯的光出射方向与水平方向成预设的负角θ，预设的负角大于等于5°且小于等于10°。需要说明的是，信号灯的光出射方向与水平方向所成的负角θ不能过大，θ过大会导致接收端距离信号灯较远时无法采集到信号；信号灯的光出射方向与水平方向所述的负角θ不能过小，θ过小会导致接收端距离信号灯较近时无法采集到信号。

图4示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图。如图4所示，本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统包括：

光信号采集单元401、信号解调单元402和识别单元403；

光信号采集单元401，用于采集上述的交通信号灯发出的可见光信号，并将所述可见光信号转换为对应的电信号；

需要说明的是，光信号采集单元401包括光电传感器，光信号采集单元401采集经过调制的可见光信号，由光电传感器将可见光信号转换为对应的电信号。

信号解调单元402，用于获取所述可见光信号对应的电信号的频率；

识别单元403，用于根据所述可见光对应的电信号的频率确定信号灯的颜色；

可理解的是，经过调制的不同颜色的可见光信号对应不同频率的电信号，根据信号解调单元402获取的可见光信号对应的电信号的频率，识别单元403可确定信号灯的颜色。

本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统，通过将采集的光信号解调为与光信号对应的电信号，并根据光信号对应的电信号的频率确定信号灯的颜色，实现了对交通信号灯的颜色的识别，为色觉障碍者提供了一种准确识别交通信号灯颜色的手段。

图6示出了本发明另一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图。如图6所示，本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统与图4中的类似，还包括：

显示单元404，用于根据识别单元403的识别结果显示所述信号灯的颜色对应的文字或图形。本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统可根据需要为不同的颜色的信号灯设置不同的显示文字和图形。举例来说，当识别结果为红色LED信号灯时，对应的文字可以为“红色”，对应的图形可以为“！”；当识别结果为黄色LED信号灯时，对应的文字可以为“黄色”，对应的图形可以为“◎”；当识别结果绿色LED信号灯时，对应的文字可以为“绿色”，对应的图形可以为在实际应用中，显示单元404可设置在车内后视镜上，方便驾驶员通过显示单元404显示不同的文字或图形获知信号灯的颜色。

本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统，通过将采集的光信号解调为与光信号对应的电信号，并根据光信号对应的电信号的频率确定信号灯的颜色，实现了对交通信号灯的颜色的识别，可将识别出的信号灯颜色对应的文字或图形进行显示，便于色盲确定信号灯的颜色。

图7示出了本发明另一个实施例的交通信号灯颜色识别系统的结构示意图。如图7所示，本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统与图4中的类似，还包括：

语音单元405，用于根据识别单元403的识别结果播放所述信号灯的颜色对应的语音。

本发明实施例的交通信号灯颜色识别系统，通过将采集的光信号解调为与光信号对应的电信号，并根据光信号对应的电信号的频率确定信号灯的颜色，实现了对交通信号灯的颜色的识别，可将识别出的信号灯颜色对应的结果进行语音播放，便于色盲确定信号灯的颜色。

在本发明实施例的一种可选的实施方式中，光信号采集单元401包括：用于采集所述交通信号灯发出的可见光信号，并将所述可见光信号转换为对应的电信号。在实际应用中，光信号采集单元可以是具有卷帘式快门的摄像机，对采集的可见光信号进行逐行顺序曝光，发出可见光信号的LED灯不断进行明暗的闪烁。摄像机中的成像单元将采集到的可见光信号转变为数字式的电信号,然后通过图像处理单元将信号放大,译码等进行成像。摄像机获取的图像如图5所示，该图像明带和暗带间隔分布，其中明带代表LED灯变亮，暗带代表LED变暗。信号解调单元402对光信号采集单元401收到的可见光信号对应的电信号进行解调，调制信息如图5所示，其中，二进制的1表示LED灯变亮，二进制的0表示LED灯变暗，信号解调单元402将可见光信号解调为二进制的编码。由于不同颜色的信号灯明暗闪烁的频率不同，信号解调单元402根据对可见光信号对应的电信号进行解调获得二进制编码确定信号灯的颜色。

与上述交通信号灯实施例中的采用ASK调制信号灯的电流强度相对应，对于经过幅移键控ASK的方式调制的可见光，信号解调单元402对光信号采集单元401收到的可见光对应的电信号进行解调，获取电信号的强度，识别单元403根据电信号的强度确定信号灯的颜色。具体地，根据预先设置的电流强度范围与不同颜色的信号灯的对应关系确定信号灯的颜色；例如，当电流强度较大时，确定为红色LED信号灯，当电流强度居中时，确定为黄色LED信号灯，当电流强度较小时，确定为绿色LED信号灯。

在实际应用中，光信号采集单元401可以安装在车前灯上方(如图8a所示)，也可以安装在车顶(如图8b所示)，本发明对此不作限制。

在本发明实施例的另外一种可选的实施方式中，如图9所示，光信号采集单元401包括反射板901和图像采集装置902；

反射板901，用于反射并放大所述信号灯发出的可见光区域至图像采集装置902；

在实际应用中，反射板901可安装在车辆的前挡风玻璃上。

图像采集装置902，用于采集反射板901的反射光区域，并转换为对应的电信号。在实际应用中，图像采集装置902可以是具有卷帘式快门的摄像机，对采集的反射板901的反射的可见光信号进行逐行顺序曝光。摄像机中的成像单元将采集到的可见光信号转变为数字式的电信号,然后通过图像处理单元将信号放大、译码等进行成像。由于发出可见光信号的LED灯不断进行明暗的闪烁，摄像机获取的图像明带和暗带间隔分布，其中明带代表LED灯变亮，暗带代表LED变暗。

本实施方式的交通信号灯颜色识别系统，设置反射板反射并放大所述交通信号灯发出的可见光区域至所述图像采集装置，使得图像采集装置不需调整拍摄角度，可以固定安装。

进一步地，如图10所示，反射板901包括底板1001以及涂覆于底板表面的漫反射颗粒1002，使所述信号灯的可见光漫反射至图像采集装置902。底板表面涂覆的漫反射颗粒可使LED灯的可见光减小镜面反射，增大了交通信号灯的可见光区域，漫反射至图像采集装置902，便于图像采集装置902进行采集。

图11示出了本发明一个实施例的交通信号灯控制方法的流程示意图。如图11所示，该控制方法包括：

S1101：根据控制信号产生调整信号灯电信号的控制指令；

在实际应用中，交通信息管理系统通过通信网络向交通信号灯发送控制信号，交通信号灯根据控制信号产生控制指令，以控制相应颜色的信号灯发光；

S1102：根据所述控制指令对所述信号灯电信号的频率进行调制，并输出不同频率的调制信号；不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯；

在实际应用中，可设置不同频率的调制信号，从而实现不同频率的调制信号对应不同颜色的信号灯。举例来说，当控制指令为控制红色LED灯发光时，则根据该控制指令调制红色LED灯的电信号的频率，输出与红色LED灯对应的调制信号。

S1103:根据所述调制信号控制不同颜色的信号灯发光；

举例来说，在调制出与红色LED灯对应的调制信号时，根据该调制信号控制红色LED灯发光。

另外，本发明实施例的交通信号灯控制方法还包括根据控制指令采用幅移键控ASK的方式调制信号灯的电流强度，并预先设置电流强度范围与不同颜色的信号灯的对应关系。具体地，ASK调制是采用信息比特控制电流的强度，进而控制LED灯的亮度。本发明实施例利用幅移键控ASK实现了通过调制信号控制电流强度进而控制可见光信号的振幅(即LED灯的亮度)。在实际应用中，可设置不同的电流强度范围对应相应颜色的信号灯；例如，可设置红色LED信号灯电流强度较大，黄色LED信号灯电流强度居中，绿色LED信号灯电流强度较小。

图12示出了本发明一个实施例的交通信号灯颜色识别方法的流程示意图。如图12所示，本实施例的交通信号灯颜色识别方法包括：

S1201：采集交通信号灯发出的可见光信号，并将所述可见光信号转换为对应的电信号；

在实际应用中，可通过具有卷帘式快门的摄像机采集可见光信号，由摄像机的成像单元将可见光信号转换为对应的电信号。

S1202：获取所述可见光对应的电信号的频率；

需要说明的是，由于发出可见光信号的LED灯不断进行明暗的闪烁，摄像机获取的图像明带和暗带间隔分布，其中明带代表LED灯变亮，暗带代表LED变暗。用二进制的1表示LED灯变亮，二进制的0表示LED灯变暗，可获取可见光信号的二进制的编码，从而确定可见光对应的电信号的频率。

S1203：根据所述可见光对应的电信号的频率确定信号灯的颜色；

可理解的是，经过调制的不同颜色的可见光信号对应不同频率的电信号，根据获取的可见光对应的电信号的频率可确定信号灯的颜色。

本发明实施例的交通信号灯颜色识别方法还包括获取可见光对应的电信号的强度，根据所述可见光对应的电信号的强度确定信号灯的颜色。具体地，与上述交通信号灯控制方法实施例中ASK调制相对应，根据预先设置的电流强度范围与不同颜色的信号灯的对应关系确定信号灯的颜色；例如，当电流强度较大时，确定为红色LED信号灯，当电流强度居中时，确定为黄色LED信号灯，当电流强度较小时，确定为绿色LED信号灯。

本发明实施例提供的交通信号灯、控制方法、交通信号灯颜色识别系统和方法，通过将采集的光信号解调为与光信号对应的电信号，并根据光信号对应的电信号的频率确定信号灯的颜色，实现了对交通信号灯的颜色的识别，为色觉障碍者提供了一种准确识别交通信号灯颜色的手段。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。