论文研究-基于手机摄像头的可见光通信技术研究 .pdf

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基于手机摄像头的可见光通信技术研究,陈子玉,杨大成,随着智能手机的普及以及可见光通信技术的发展,利用智能手机摄像头作为可见光通信接收端用于可见光通信已成为国内外通信领域的研
山国武技论文在丝 On off 图卷帘快门作模式下的图像 实验 图是系统实验框图,将输入数据经过编码之后,输入到驱动电路,驱动发射频 闪光信号,接收端用智能手机(华为荣耀)摄像头接攻光信号,改手机帧速率是帧秒。 传输信号由比特曼彻斯特编码的报头和比特的数据比特组成,报头用于同 步和时钟恢复。将拍摄到的视频文件经计算杋灰度化处理,只保留图片的亮度信息,因为 发射比特信息只与条纹亮度信息有关。条纹明喑等缴共有个灰度值等纵,灰度值 表示绝对黑,灰度值表示绝对亮。将拍摄的视频文件经计算机离线处理,进行解码 输出传输数据,并测量系统的性能。 发送端 数据输入 编码 驱动电路 LED 接收端 信道1 输出数据 解码 计算机 CMoS摄像头 图系统实验框图 消除光晕效应 图是经灰度化处理后的灰度化图片。从图中可以发现,图片中有一个亮的光斑,光 斑中心光强最强,沿着光斑中心到边缘亮度逐渐减小,这种效应称为光晕效应。广生光晕效 应的原因是手机摄像头接收到的光强过强,像素点接收到的光处于饱和状态,并溢出到相邻 像素点,形成光晕效应。从图中可以看出,在光斑区域,明暗条纹无法区分。因此,为了 解调出传输的比特信息,我们首先需要消除这种光晕效应。消除光晕效应办法主要分为两种, 一种釆用硬件,在生成图片前直接消除光斑效应,刀一种采用算法,对生成后的图片采用图 像处理算法,消除光斑效应。 山国武技论文在丝 图无灯罩的灰度化图像 发出的光是有个“直流光强”与信号产生的“交流光强”叠加,光晕效应的厂 生是由于摄像头的像素点接收到的光处于饱和状态,并溢岀到相邻的像素点。硬件 消除光晕效应的原理是消除或者降低发射光中的直流分量,消除或者降低直流分量后, 像素点就很难达到饱和状态,光晕效应就会破减弱或者消除。在本文中,我们在前面 加如图所示塑料灯罩减少了发射光中的直流分量,像素点接收到光低于饱和状态, 消除了光晕效应。图是有灯罩削弱直流光分量而得到的灰度化图片。 图有灯罩的灰度化图像 图灯置 山国武花论文在丝 采用算法消除光斑效应是在接收端采用图形处珄算法消除光晕效应,如直方图均衡增强 明暗条纹对比度,图像滤波器滤除直流分量和噪声等。因光晕效应的影响,一些像素点的像 素值是达到或者接近像素值最大值255,这些像素值被认为是无效的像素点。每行像素值被 认为记录相同比特信息,因此,可以从每行像素值中选取部分有效像素值用于信号解调。 信号解调 传输的比特信息“”和“”分别对应明条纹和暗条纹,因此,只需要设定一个亮度值 作为明眳糸纹的判决阈值,灰度值高」阈值的判决成“”,灰度值低于阈值的判决成“”。 由于数据速凇较低,每行像素点记录相同的比特信息,因此,我们只需要选取·列像素点的 灰度值用于信息的解调。图是选取的一列像素点的灰度值,以选取列像素点的火度值的 阶拟合曲线作为判决门限判决出比特信息“”和“”。为了解调出传输的比特信息,首先, 要确定每个比特周期时间内曝光的像素点的行数,即每个条纹宽度所对应的像素点行数,我 们称之为比特分辨家(行像紊点比特)。然后,利用拟合出线作为判决门限,高于判汏 门限的像素点灰度值的点判决为高电平,低于判决门限值的像素灰度值的点判决为低电平。 然后将连续的高低电平像素点转换为比特信息,将处于高低电平像素点个数对比特分辨率 取商,并进行四合五入,即为连续比特或者连续比特的个数。最后,经过解码即可解调 出传输的数据信息、 180 160 140 120 灰度值 二阶拟合曲线 100 0 1000200030004000 像素点 图卷帘快门工作图像 表表格示例 距离 误比特率(%) 系统性能测量及实验结果分析 我们在数据速※为条件下,分别测量了系统在传输距离, 和 的性能。在前添加如图所示的灯罩,诚弱发射光中的直流光分量,以减 弱光晕效应的干扰经信息解调,系统性能测量结果如表所示。系统在数据速率 山国武花论文在丝 条件下,可以实现传输距离无误码传输,在传输距离高于吋,误码率为 当传输距离髙于时,系统性能严重下降,误码率髙于,主要原因是发射光 强随传输距离的增加迅速降低,手机接收光信号产生的明暗条纹区分不眀显,系统误码性能 严重降低 结论 本文给山了利用手机摄像头作为可见光通信的接收端系统结构,详绀介绍了利用智能手 机摄像头作为可见光通信接收端的基本原理,包括 摄像头的电路基本原埋示意图 卷帘快门以及利用卷帘快门记录比特信息,利用灯罩消除可见光通信中的光晕效应, 最终对系统性能进行测量和分析。实验结果显示,利用手机摄像头作为可见光通信的 接收端,实现了无误码传输,这对利用智能于机摄像头作为可见光通信的接收端有 定的参考和实用价值。未来工作是提高系统的传输距离,实现长距离可见光通信 参考文献 李亮亮可见光并行通信系统方案及关键技术研究南京:南京邮电大学, 迟楠可见光通信技术,清华大学出版社

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