基于彩色LED阵列的光学相机通信系统实验研究_胡延静.pdf

2023年第1期0引言可见光通信（VLC）具有成本低、功耗小、安全性高、无电磁污染等优点，被视为解决当前无线频谱资源紧缺的一项新兴技术1。VLC技术分为2种：一种是采用单个光电二极管（PD）作为探测器，另一种是采用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）成像器件作为接收机。基于单个PD的VLC系统通过采用均衡、正交频分复用（OFDM）、多进制正交幅度调制（MQAM）等先进调制技术，或采用多输入多输出（MIMO）结合不同的调制技术来提高数据传输速率。目前，基于单个PD的通信系统最高通信速率已经达到了Gb/s2。采用成像器件的VLC被称为光学相机通信（OCC），是VLC最实用的变体3。此外，智能设基于彩色 LED 阵列的光学相机通信系统实验研究Experimental research on optical cameracommunication system based on color LED arrayHU Yanjing,CAI Xiping*,LU Yusong,CHENG Guidong（School of Physical Science and Technology,Heilongjiang University,Harbin 150080,China）Abstract:Aiming at the problems of low data transmission rate and difficulty in synchronization between receiver and transmitterin visible light communication（VLC）technology,an optical camera communication（OCC）system with color light-emittingdiode（LED）array as transmitter and mobile camera as receiver is proposed.Firstly,a special frame structure was designed tosolve the synchronization problem of the receiving and sending ends of the system,and an image processing algorithm was estab-lished to extract gray statistical characteristics of each channel of color LED to distinguish the color of LED.Then,the back prop-agation neural network classifier is introduced to improve the color recognition accuracy.Finally,the m pseudo-random sequenceis used as the test data to measure the system communication bit error rate,and the impact of the transmitter refresh rate,cameradeflection angle,transmission distance,LED color number on the bit error rate is studied.The experimental results show that thedesigned frame structure can ensure the stability of information transmission.The system can realize real-time communicationwith bit error rate of 10-6magnitude and communication rate of 4.824 kb/s within 2030 cm.Key words:visible light communication,optical camera communication,light-emitting diode array,multiple-input multiple-out-put technology,color coding胡延静，蔡喜平*，卢钰松，程贵东（黑龙江大学 物理科学与技术学院，哈尔滨150080）摘要：针对可见光通信（VLC）技术存在数据传输速率低、收发端同步困难等问题，提出一种以彩色发光二极管（LED）阵列为发射端、手机摄像头为接收端的光学相机通信（OCC）系统。首先，设计了一种特殊的帧结构来解决系统收发端同步问题，并通过建立图像处理算法提取出彩色 LED 各通道灰度统计特性以区分 LED 颜色；然后，引入反向传播神经网络分类器提高颜色识别准确率；最后，以m伪随机序列作为测试数据进行系统通信误码率的测量，研究发射端 LED 阵列刷新率、相机偏转角、传输距离、LED 颜色数对误码率的影响。实验结果表明：所设计的帧结构可以确保信息传输的稳定性；当使用 8 种颜色进行信息传输时，该系统可以在 2030 cm 内实现误码率为 10-6量级、通信速率为 4.824 kb/s 的实时通信。关键词：可见光通信；光学相机通信；发光二极管阵列；多输入多输出技术；颜色编码中图分类号：TN256文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0031-09DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.006开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：胡延静，蔡喜平，卢钰松，等.基于彩色LED阵列的光学相机通信系统实验研究J.光通信技术，2023，47（1）：31-39.收稿日期：2022-10-13。作者简介：胡延静（1997），女，黑龙江人，硕士研究生，现就读于黑龙江大学物理科学与技术学院，在校期间多次获得校级学业奖学金，主要研究方向为光电信息技术，研究生期间主要从事基于相机作为接收端的可见光通信系统研究工作。*通信作者：蔡喜平（1967），男，博士，教授，主要研究方向为光电信息技术。专 题:可 见 光 通 信312023年第1期备的普及为OCC的实用化提供了极大便利。手机、笔记本电脑、行车记录仪以及其它内置摄像头的设备都可以作为OCC的接收机进行通信，大大节省了接收端的铺设成本。OCC有着诸如智能交通、室内定位、机场、医院等场所的屏幕-相机通信等应用场景4。然而，OCC也面临着诸多挑战，比如接收端相机帧率较低（一般为30 f/s或60 f/s）。在这种低帧率的限制下，OCC的传输速率只能达到每秒几十比特5。利用相机卷帘快门传输是突破这一上限的一种有效方案6。卷帘快门将信息记录为图像中的明暗条纹，可以从条纹的宽度信息中解调出原始信息，以此来获得大于相机帧率的数据传输速率。张龙等人7提出了一种基于三原色的红绿蓝LED（RGB-LED）的OCC实现方案，以波分复用的方式分别对R、G、B灯芯进行调制，在智能手机上实现了21.6 kb/s的信息传输。但此种基于解调条纹宽度的传输方式往往需要在接收端进行复杂的图像处理过程，增加了图像解码过程中的时间开销。另一种有效解决方案是将MIMO结构引入OCC系统中。以LED阵列作为系统的发射端，阵列上每个LED都作为一个可以被单独调制的发射机，相机图像传感器上的像素可以被视为一个高度定向的接收元素阵列。LED阵列和相机的成像平面形成多个独立的自由空间通信链路并行传输信息。孙玉凤等人8在以44LED阵列为发射端的通信系统中，实现了5 m范围内126.3 b/s的通信速率。由于只使用了单色光进行开关键控（OOK）调制，所以未能发挥彩色相机对颜色处理所带来的传输速率倍增的优势。颜色强度调制（CIM）结合MIMO的实现方式能带来传输速率的大幅度提升4，但由于在信道传输过程中颜色的稀释使得基于颜色灰度级的识别较困难，因此有很多学者专门进行视觉MIMO系统中颜色识别的研究。为了提升OCC系统的传输速率，本文提出一种基于彩色LED阵列的OCC系统。1通信系统本文提出的OCC系统主要包含发射端、无线光信道、接收端3个部分，系统结构图如图1所示。在发射端，原始数据生成模块产生待传输的串行数据，校验数据生成模块产生帧头、帧尾等校验信息。二者经串/并转换后驱动阵列上的独立LED源发出相应颜色的光信号。光信号经空间多路光信道并行传输。在接收端，相机实时地捕捉图像进行采样，经图像阈值化、透视失真校正、LED区域分割等一系列图像处理后提取出每个独立源中的灰度统计特征，并以此为依据判别LED颜色，完成对数据的实时解调，从而获得通信数据信息。最后，将解调出的数据与发送数据进行比对，测量系统误码率。1.1系统发射端本文设计了基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的发射信号编码、数据包生成、串/并转换电路，完成了发射阵列的校验位及数据位设计。将发送信息并行地调制到LED阵列颜色上，以空间多路复用的形式提升单张图像所能传输的数据位进而提升OCC系统的数据传输速率。1.1.1 LED颜色编码本文采用型号为WS2812的RGB-LED，通过调制电路向WS2812的驱动芯片输入不同的24位“0”或“1”来分别控制其内部3个发光芯片，以发出不同强度的光。不同强度的三色光组合出不同的颜色，达到将信息加载到LED颜色上的目的。其中，24位数据代表GRB的亮度值，从高位到低位，每8位控制1个芯片，如图2所示。胡延静，蔡喜平，卢钰松，等.基于彩色LED阵列的光学相机通信系统实验研究图1基于彩色LED阵列的OCC系统结构图图2控制LED灯颜色的24位数据格式专 题:可 见 光 通 信322023年第1期每个LED可以发出224种颜色，每一种颜色代表一种信息，所以理论上每个LED每次可以传送24位二进制信息。但是，发光颜色数量越多，颜色之间的差异越小，识别的困难就越大。所以，实际通信中LED的发光颜色数量取决于探测系统对颜色的识别能力，每个LED实际每次可以传送的信息小于24位。每个LED能传输的二进制数据位数与使用的颜色数量的关系如下：l=log2M（1）其中，M为使用的颜色数，l为一个LED所能传输的二进制数据位数。类似于多进制幅移键控调制中进制数M与一次闪烁能传输的二进制位数关系，当使用2l种LED颜色时，每个LED可以传输l位数据，相较于单色系统有l倍的速率提升。RGB色彩空间模型如图3所示。点的坐标值表示该点相应3个通道灰度级，由原点出发沿着x、y、z轴方向红、绿、蓝色灰度值由0逐渐增大至255。为了确保解码过程中的准确率，需要选取差异大的颜色作为颜色数据。可以看出，任意2个顶点颜色至少在1个通道上相差255个灰度级，如蓝色和黑色在蓝色通道上灰度级相差255，黑色和白色在3个通道上灰度级均相差255。相对于模型内其它坐标点，顶点坐标具有更大的颜色差异，所以优先选取顶点颜色作为LED颜色数据。为方便描述，本文给每种颜色分配了一个唯一的颜色ID号。以4种颜色为例，编码规则及颜色ID号对应关系如表1所示，发光实物图及颜色与颜色ID号对应关系如图4所示。1.1.2帧结构手机摄像头内置CMOS图像传感器，采用卷帘快门的方式进行图像采集，工作过程如图5所示9。图像上的像素点逐行曝光，每行像素的采集存在一定的时间间隔。所以，在动态传输过程中，可能会出现在接收端采集的时刻，发射端正在进行两帧信息的切换。此时，采集到的图像是包含了相邻两帧不完整信息的混合帧图像，无法正确解码。而且，由于相机帧率不稳定，单倍采样过程中会出现采样重复或漏采样的情况，例如采集到1、2、3、3、5、6帧，重复采集了第三帧，没有采集到第四帧的情况，同样会造成解码错误。为了解决重复采样或漏采样的问题，