一种采用led灯具mimo阵列架构的可见光摄像机通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明面向LED可见光通信定位领域，提出了一种采用LED灯具多输入多输出 (Μ頂0)阵列架构的可见光摄像机通信系统。
【背景技术】
[0002] 采用带有CMOS图像传感器(CIS)的手机接收LED光信号，可以通过检测闪烁LED形 成的明暗条纹图片，实现低速率信息传输。为使闪烁LED在成像平面上形成明暗条纹图片， CMOS图像传感器应采用卷帘式快门。有技术提出了一种可见光通信系统如图1所示，其发射 机采用开关键控(00K)调制驱动的LED光源，接收机采用CMOS图像传感器形成明暗条纹图 片，通过对明暗条纹图片进行图像处理来解调00K信号。现有技术1 "Christos Danakis， Mostafa Afgani,Gordon Povey, Ian Underwood and Harald Haas,"Using a CMOS Camera Sensor for Visible Light Communication，"2012 IEEE GL0BEC0M Workshops (GC Wkshps)，pp.l244-1248，December 2012."所提出的系统和解码方法在短距离通信（几 十厘米)和无背景环境光干扰的环境下，可以获得一定的通信性能。但是，如果将现有技术1 提出的系统和方法应用在实际常见的室内照明环境中，即实现2-6米的通信距离且存在环 境光干扰时，其通信性能将变得很差，无法满足实际应用。
[0003] 现有技术2"光信号解码方法和装置及系统：^103916185六[?].2014年07月."， "室内导航方法、装置和系统<1103940419六[?]，2014年7月."均提出了一种可见光信号传 输解码方法。其基本思想是发射端采用LED光源灯具以不同的频率进行闪烁，接收端采用 CMOS图像传感器获取闪烁光信号形成不同明暗条纹宽度的条纹图片。条纹图片的明暗条纹 宽度取决于LED光源的闪烁频率。发射机通过频移开关键控(FS00K)调制驱动LED灯具顺序 发出闪烁频率信息，每一种频率代表若干位比特的数据。接收端的CMOS图像传感器采用等 间隔时间拍照获取若干幅明暗条纹图片，然后对明暗条纹图片进行条纹数目检测。由于不 同的条纹数目代表不同的闪烁频率，进而解码出二进制数据。其提出的可见光通信系统如 图2所示。
[0004] 图2所示的0CC系统采用了多帧明暗条纹图片传输一组LED-ID信息，也就是用一幅 条纹图片代表若干个比特的二进制信息。然而，这种基于FS00K调制驱动的可见光摄像机通 信系统传输信息的速率很低，接收机对多帧条纹图片的处理也较为复杂，并且需要等待所 有图片解码完成后才能得到完整的LIED-ID，因此不可避免地带来一定的处理延迟，也对接 收机的连续拍摄和处理能力提出了较高的要求。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），本发明基于多输入多输出 (ΜΙΜ0)技术的思想，通过对CMOS图像传感器的成像系统进行数学建模分析，提供一种采用 LED灯具ΜΜ0阵列架构的可见光摄像机通信系统，可以有效地提高信息传输速率。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] -种采用基于MBTO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统，包括：
[0008] 系统发射机采用包含多个LED灯芯的Μπω阵列结构，其中每颗LED灯芯都配置一个 独立的FS00K调制驱动的电源与LED灯芯相连，发射机配置一个LED-ID数据调制映射器与多 个FS00K调制驱动电源相连。为降低拍照时相邻LED灯具所形成的条纹图片互相交叠所造成 的干扰，每颗LED灯芯可采用独立的反光罩。LED-ID数据调制映射器内部预置有一个"信息 映射表"，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行 的多个FS00K频率信号，并将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频 率进行闪烁。为了保证接收机的CMOS图像传感器能够形成多个明暗条纹图像，多个LED的闪 烁频率应大于CIS的行扫描频率，并小于帧频率。
[0009]系统接收机采用具有卷帘快门机制(Rolling Shutter Mode)的CMOS图像传感器 对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取合适的曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪 声干扰。LED阵列光源会在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，不同 的明暗条纹宽度代表不同的二进制信息，其中一种宽度的明暗条纹图片可定义为"帧头起 始符"（Start Frame Delimiter，SFD)。接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片 后，对该图片进行解码处理。图片解码的过程为，简述如下：
[0010]第1步:将图片进行灰度化，转换成灰度图片；
[0011]第2步:对图片进行图像分割，将一幅图片中的多个条纹子图形分离出来；
[0012]第3步:分别对多个条纹子图形进行解码，获取各个条纹子图形的条纹数目，进而 求出它们各自对应的LED闪烁频率；
[0013]第4步：从多个LED闪烁频率中识别出SFD，据此重组多个条纹子图形所代表的 FS00K信号，进而恢复出一组LED-ID信息。
[0014] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于多输入多输出 (ΜΙΜ0)技术的思想，通过对CMOS图像传感器的成像系统进行数学建模分析，提供一种采用 LED灯具ΜΜ0阵列架构的可见光摄像机通信系统，可以有效地提高信息传输速率。如果将此 系统应用在可见光定位(VLP)领域，由于信息传输速率的提升，CMOS图像传感器只需对LED 灯具阵列拍摄一张图片即可形成一组LED-ID标签信息，而不需要考虑多帧传输LED-ID的问 题，从而加快了解码处理时间，更好地满足实时性的定位要求。此外，本发明还可有效地解 决判定定位对象的运动方向问题。
【附图说明】
[0015] 图1是现有技术1所提出的可见光摄像机通信(0CC)系统结构图。
[0016] 图2是现有技术2所提出的可见光通信系统示意图。
[0017] 图3是图片处理的解码检测步骤流程图。
[0018] 图4是采用2*2MBTO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统图。
[0019]图5是CIS拍摄的2*2MBTO LED灯具阵列所形成的具有4个明暗条纹图形图。
[0020] 图6是系统判断定位对象运动方向示意图。
【具体实施方式】
[0021] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附 图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0022] 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解 的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0023] -种采用基于MBTO的LED灯具阵列架构的可见光摄像机通信系统，包括：
[0024]系统发射机采用包含多个LED灯芯的ΜΗ?阵列结构，其中每颗LED灯芯都配置一个 独立的FS00K调制驱动的电源与LED灯芯相连，发射机配置一个LED-ID数据调制映射器与多 个FS00K调制驱动电源相连。为降低拍照时相邻LED灯具所形成的条纹图片互相交叠所造成 的干扰，每颗LED灯芯可采用独立的反光罩。LED-ID数据调制映射器内部预置有一个"信息 映射表"，LED-ID数据调制映射器根据信息映射规则将串行二进制LED-ID数据调制成并行 的多个FS00K频率信号，并将信号映射到多个独立的LED电源上，驱动每颗灯芯以不同的频 率进行闪烁。为了保证接收机的CMOS图像传感器能够形成多个明暗条纹图像，多个LED的闪 烁频率应大于CIS的行扫描频率，并小于帧频率。
[0025]系统接收机采用具有卷帘快门机制(Rolling Shutter Mode)的CMOS图像传感器 对LED阵列光源进行拍照，拍照时需要选取合适的曝光时间以防止曝光过度引起的高光噪 声干扰。LED阵列光源会在CMOS图像传感器上形成多个不同明暗条纹宽度的条纹图片，不同 的明暗条纹宽度代表不同的二进制信息，其中一种宽度的明暗条纹图片可定义为"帧头起 始符"（Start Frame Delimiter，SFD)。接收机获取了由多个条纹子图形组成的完整图片 后，对该图片进行解码处理。图片解码的过程如图3所示，简述如下：
[0026] 第1步:将图片进