本发明涉及可见光通信和智能交通系统技术领域，具体涉及一种基于its-vlc的像素间干扰消除方法及其系统。
背景技术：
最近几年，智能交通发展迅速。智能交通系统(its)是未来交通系统发展的方向，智能交通是一门多学科交叉的技术，涵盖了各种先进的技术：信息技术、数据传输通讯技术、电子传感技术、控制技术和计算机技术等等，该技术可应用于大范围、全方位的交通运输管理系统，具有实时、准确、高效等等优点。智能交通系统现在最热门的研究是无人驾驶，而无人驾驶的核心就是驾驶周围环境的数据，无人驾驶需要实时接受周围的环境信息，因此，无人驾驶使用了大量的传感器。近几年，随着半导体照明技术的迅速发展，与传统的白炽灯相比，led具有低功耗、寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。与此同时，led更具有调制性能好、响应灵敏度高等优势。将信号以人眼无法识别的高频加载到led上进行传输，进而催生出一门能够实现照明与通信一体化的技术——可见光通信。vlc不需要更换原有的设备，只需要在原有的基础上，装载一块嵌入式芯片，即可实现可见光通信，因此，将vlc应用于智能交通系统也成为人们不断深入研究的话题。
其中，led阵列应用的比较广泛，例如：红绿灯的等待时间、广告牌、路标指引等等。然而，利用led阵列进行可见光通信面临着不少的问题，其中最大的挑战之一是由于led具有扩散效应，导致led阵列容易出现每个像素点之间的像素干扰问题，这样接收到的可见光信息含有很多干扰，影响后续的研究和发展。为了接收到更加精确的可见光信息，亟待提出一种像素间干扰消除方法及其系统，通过所提出的方法及系统，进行像素间干扰的消除，实现led阵列的通信。
技术实现要素：
本发明的首要目的在于克服现有技术的上述缺点与不足，提出一种基于its-vlc的像素间干扰消除方法，该方法通过利用cmos图像传感器捕获led阵列图像进行分析计算，得出led阵列的各个像素点的ipi分量，进而利用最小均方误差滤波器进行滤波，最终还原出原始信息。
本发明的另一目的在于克服现有技术的上述缺点与不足，提出一种基于its-vlc的像素间干扰消除系统，该系统通过融合图像处理、ipi分量计算、滤波等技术，搭建出一个可实现消除像素间干扰问题的可见光通信系统。
根据公开的实施例，本发明的首要目的通过以下技术方案实现：
一种基于its-vlc的像素间干扰消除方法，包括以下步骤：
s1、每个led阵列的信息通过编码器进行编码，编码后的第一信号经过led驱动电路驱动led阵列发射出携带数字通信信息的光束，其中，所述的led阵列安装在公路上，距离地面有一定高度；
s2、所述的光束经过自由传播空间传播，在自由传播空间传播过程中形成带有像素间干扰(ipi)的可见光信号；
s3、接收端的cmos图像传感器以一定的速率捕捉来自led阵列的图像，所述的led阵列的图像经过图像处理模块，得出led阵列每个像素点的亮度值，其中，所述的cmos图像传感器安装在智能交通工具上；
s4、所述的led阵列每个像素点的亮度值经过ipi消除模块，利用ipi消除算法计算出led每个像素点的ipi分量，并通过最小均方误差滤波器滤除所述的ipi分量，得到消除ipi之后的第二信号，再将所述的第二信号经过解码器，得到原始的led阵列信息。
进一步地，所述的led阵列由32×32的led矩阵构成，设led(r,c)是led的位置，其中r代表led阵列的行，c代表led阵列的列，r和c均满足r,c＝1,2,…,32；所述的编码器产生持续时间为tb的非负矩形脉冲，并通过改变其亮度来对led进行模块化，其中，tb是位持续时间，因此，一个led的频率表示为：
rb＝1/tb(1)
其中led(r,c)在t时刻的亮度值为：
x(r,c)(t)＝∑ks(r,c,k)·a·g(t-(k-1)tb)(2)
其中k是索引号，s(r,c,k)，0≤s(r,c,k)≤1是确定led(r,c)的强度的系数；一个脉冲的函数g(t)的定义如下：
进一步地，所述的步骤s3具体如下：
s31、所述的cmos图像传感器以1000fps的帧速率拍摄捕捉来自led阵列的图像；
s32、所述图像经过图像处理模块，应用相应的图像处理技术得到图像中led阵列的每个像素点的亮度值。
进一步地，所述的步骤s4具体如下：
s41、cmos图像传感器捕捉到包含led阵列信息的图像，并且每个像素输出对应于接收到的光强度的光电流大小；假设光通道效应忽略不计，所述的第一信号在位置为(r,c)处可以表示为：
y(r,c)(t)＝x(r,c)(t)(4)
假设发射和接收完全同步，设时间采样周期为tb，则图像曝光函数可以被表示为：
l(t)＝∑igsh(t-(i-1)tb)(5)
其中，i是曝光间隔数，gsh(t)表示一个脉冲，其表达如下：
在第i个曝光间隔中对应于led(r,c)的像素的样本输出是：
其中，δ是描述电流转换效率的一个常量，p(u,v,i)是在时间索引为i，在像素位置为(u,v)处的亮度值；
s42、led的扩散仅限于led各个像素的周围像素，与led的亮度相比，它们的亮度值相当小，并且随着距离变长，led的扩散变小；由于像素尺寸的有限性，被捕获的led并非处在像素的中心，所以led的扩散不是对称分布的；因此，假定
(a)led的扩散仅限于周围的像素；
(b)若距离相同并且led的扩散均匀分布，则led扩散是相同的；
因此，如图1所示，led阵列中的单个led的扩散效应对周围像素点产生干扰与距离成正相关，因此则单个led的扩散造成捕获的图像中周围各个像素点的亮度值都可以被求解出来。若led阵列为3×3的点阵，则单个led像素点及其周围像素点的亮度值的表达式如图1所示。
像素间干扰(ipi)是由于一个led阵列中的每个led的扩散造成的，将像素间干扰(ipi)视为符号间干扰(isi)来表示数学模型，假设α1，α2是led的扩散因子集，其中：
利用扩散因子集，将公式(4)重新表示为：
其中，公式的第二和第三项是ipi分量，w(r,c)(t)是来自环境光的散粒噪声，当环境光具有高强度时，来自环境光的散粒噪声可以被模拟为高斯白噪声；假设w(r,c)(t)为具有双面功率谱密度
其中，β1和β1作为像素的扩散因子集：
p(u,v)跟公式(7)相同：
n(u,v)作为噪声分量，可表示为：
因此，如图2所示，led阵列中的每个led的扩散效应都会对周围的像素点产生干扰，根据上面的描述，所捕获的图像中的每个led阵列的像素点的亮度值都可以被求解出来。若led阵列为3×3的点阵，则每个led像素点及其周围像素点的亮度值的表达式如图2所示。
s43、cmos图像传感器输出图像，图像被送到图像处理模块，得出每个led的像素位置(u,v)，并输出其亮度值pipi(u,v)；将ipi视为在rf信道中的isi模型，所述ipi消除模块计算得出ipi分量，并通过最小均方误差滤波器(mmse)减少所述的ipi分量，得到消除ipi之后的信息
根据公开的实施例，本发明的另一目的通过以下技术方案实现：
一种基于its-vlc的像素间干扰消除系统，包括：ipi消除发射子系统、ipi消除传输子系统和ipi消除接收终端子系统。
携带可见光信息的led阵列的原始信息通过编码器编码形成使led阵列能够表达的信号，所述信号经过led驱动电路，驱动led阵列发射可见光信号；所述可见光信号经过自由空间到达cmos图像传感器；所述cmos图像传感器将可见光信号转化为图像信号；所述图像信号经过图像处理模块计算得出led每个像素点的亮度值，然后经过ipi消除模块计算得出每个像素点的ipi分量；所述ipi分量经过最小均方误差滤波器时被滤除，得到消除ipi分量之后信号；所述信号经过解码器进行解码，还原得到led原始信息；从而实现led阵列的消除ipi问题的可见光通信。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明利用ipi消除模块，利用提出的ipi消除算法并结合最小均方误差滤波器，解决了led阵列的图像之间的像素干扰问题，提高了通信距离。在距离较近的情况下，我们可以通过cmos图像传感器以及图像处理模块来获取led阵列传送的信息。在距离较远的情况下，通过本发明方法的应用，我们同样可以通过cmos图像传感器以及图像处理模块来获取led阵列传送的信息，其取得的效果与距离较近取得的效果相当。
(2)本发明将its和vlc相结合，通过对led阵列的图像之间的像素干扰问题的解决来实现its之间的信息传输。充分发挥像素间干扰消除方法的实际应用价值，提高了实际通信距离。
附图说明
图1是本发明中单个led扩散时周围像素点的亮度值的原理示意图；
图2是本发明中多个led扩散时各个像素点的亮度值的原理示意图；
图3是本发明中实现基于its-vlc的像素间干扰消除方法的原理框图；
图4是本发明中公开的基于its-vlc的像素间干扰消除系统的结构框图。
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
如图1所示，为单个led扩散时周围像素点的亮度值的原理示意图；
如图2所示，为多个led扩散时各个像素点的亮度值的原理示意图；
如图3所示，本发明中实现基于its-vlc的像素间干扰消除方法的原理框图；携带可见光信息的led阵列的原始信息通过编码器编码形成使led阵列能够表达的第一信号，所述的第一信号经过led驱动电路，驱动led阵列发射可见光信号；所述的可见光信号经过自由空间到达cmos图像传感器；所述的cmos图像传感器将可见光信号转化为图像信号；所述的图像信号经过图像处理模块计算得出led每个像素点的亮度值，然后经过ipi消除模块计算得出每个像素点的ipi分量；所述的ipi分量经过最小均方误差滤波器时被滤除，得到消除ipi分量之后的第二信号；所述的第二信号经过解码器进行解码，还原得到led原始信息；从而实现led阵列的消除ipi问题的可见光通信。
所述像素间干扰消除方法的实施例，其具体实施如下：
设pipi(u,v)是位置为(u,v)的像素点的接受像素矢量，矢量在长度为9的ipi长度上采样，其表达式可由下面的式子给出：
pipi(u,v)＝(pipi(u-1,v-1),…,pipi(u,v-1),pipi(u,v),pipi(u,v+1),…,pipi(u+1,v+1))t(12)
如果采用mmse准则，则根据公式(9)，pipi(u,v)可以由下面式子给出：
pipi(u,v)＝hp(u,v)+n(u,v)(13)
其中，p(u,v)是根据公式(7)得出的，对应于led(r,c)的像素的矢量表示，其表达式为：
p(u,v)＝(p(u-2,v-2),…,p(u,v-1),p(u,v),p(u,v+1),…,p(u+2,v+2))t(14)
其中，p(u,v)的长度为25，n(u,v)为噪音矢量，h是扩散因子矩阵，其矩阵的大小为9×25。
如果描述mmse标准滤波器的输出为
其中，m被定义为以下方程的解：
可以求出，权重向量m的表达式如下：
其中，i为一个单位矩阵，h的表达式如下所示：
假设扩散因子h在接收器处已知，那么我们可以通过以上的算法，抑制ipi，实现基于led阵列的可见光通信，从而实现基于its-vlc的像素间干扰消除。
实施例二
如图4所示，一种基于its-vlc的像素间干扰消除系统，该系统包括：ipi消除发射子系统、ipi消除传输子系统和ipi消除接收终端子系统。
所述的ipi消除发射子系统包括：编码器、led驱动电路和led阵列，编码器、led驱动电路和led阵列依次连接，原始信息经过编码器编码之后，携带可见光信息的led阵列的信息通过led驱动电路，驱动led阵列发射可见光信号；
所述的ipi消除传输子系统为自由空间；
所述的ipi消除接收终端子系统包括：cmos图像传感器、图像处理模块、ipi消除模块、最小均方误差滤波器和解码器，所述cmos图像传感器、图像处理模块、ipi消除模块、最小均方误差滤波器和解码器依次连接；所述的可见光信号经过自由空间后由cmos图像传感器捕获，cmos图像传感器将可见光信号转化为图像信号后首先经过图像处理模块计算得出led每个像素点的亮度值，然后经过ipi消除模块计算得出每个像素点的ipi分量，接着经过最小均方误差滤波器滤除ipi分量得到消除ipi之后的信号，所述信号经过解码器进行解码，还原得到led原始信息，从而实现没有像素间干扰的led阵列的可见光通信。
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。