照相机通信关键技术研究及应用

摘要

可见光通信（VLC）系统通过LED发出的高速明暗的可见光信号来传输信息，在满足日常照明要求的同时实现高速的无线数据传输，其具有绿色低碳、光谱频段宽、通信速率高、不受电磁干扰，可用于射频通信受限区域等优势。VLC系统主要有两种，基于光电探测器（PD）的VLC速率高，但是由于环境、驱动电压的变化，接收端的光功率强度不稳定，影响通信性能；基于图像传感器的VLC（即照相机通信，OCC）具有在空间和颜色领域分离接收光信号的能力，同时具有高信噪比。OCC在未来无线光通信环境下具有广泛的前景，是物联网的关键技术之一，已成为一个热门的研究课题。 本文在现有的理论基础上对照相机通信的调制技术进行研究，并通过实验的方法对搭建的通信系统进行验证。本论文的主要研究内容如下： （1）当前OCC主要的调制方式有基于屏幕的调制、过采样调制以及欠采样调制。本论文首先介绍了这三种使用低帧率照相机检测器的OCC系统的调制原理，对信号编码方式以及各自的优缺点进行了简要分析，并给出了不同调制方式接收到的数字图像信号的处理方法。 （2）为了评估这些调制方案的性能，本论文对三种不同调制方式分别进行了实验分析，分别给出了测量的传输速率或误码率值。针对欠采样调制OCC，在现有速率受限的信号编码方式条件下，提出了一种欠采样调制方案的优化方式。通过多阶亮度多LED的调制方案来减小LED非线性的影响，以实现更高光谱效率的无闪烁OCC。对比传统的编码方式，通过比较不同距离下的误码率，验证了该方案具有更优的传输性能。 （3）本论文最后分析了当前国内外室内可见光定位方法的研究现状，将照相机通信结合后向传输神经网络算法应用于室内可见光定位，提出了基于照相机通信的室内可见光定位方法。通过搭建的实验系统验证，在指定区域内该系统的定位平均误差可以达到1.52厘米，充分满足定位要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2照相机通信发展与应用

1.3研究内容和结构安排

1.4本章小结

第二章 照相机通信系统概述

2.1理论基础

2.1.1概述

2.1.2屏幕调制

2.1.3过采样调制

2.1.4欠采样调制

2.2系统构成

2.2.1发射端

2.2.2接收端

2.3本章小结

第三章 照相机通信的数字图像处理方案

3.1获取的数据类型分析

3.2 数字图像处理方案

3.2.1灰度转换

3.2.2区域选取

3.2.3图像特征描述

3.2.4仿射变换

3.2.5直方图均衡

3.2.6判决

3.3本章小结

第四章 照相机通信方案实验分析

4.1概述

4.2屏幕调制方式性能分析

4.2.1系统分析

4.2.2实验论证

4.3过采样调制方式性能分析

4.3.1相机参数影响

4.3.2光晕效应影响

4.3.3实验论证

4.4欠采样调制方式实验分析以及性能优化

4.4.1 K-均值聚类

4.4.2传统欠采样脉幅调制

4.4.3多阶亮度调制

4.4.4实验论证

4.5本章小结

第五章 定位系统实现及实验论证

5.1可见光室内定位现状及方法分析

5.2神经网络在可见光定位中的应用

5.2.1神经网络概述

5.2.2神经网络应用于可见光定位

5.3基于照相机通信的可见光室内定位方案

5.4定位系统实现

5.5系统测试与结果分析

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢