手机摄像头基础下的可见光通信技术分析

手机摄像头基础下的可见光通信技术分析

杨尚明

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

[摘要]伴随现代通信事业持续的进步发展，通信技术得到了广泛应用及发展，尤其是可见光通信技术，现阶段备受社会各界的关注。在可见光通信技术之下，基本上可以覆盖室内环境灯光所能达到的范围，且电脑无需连接电线，开发应用前景十分广泛。鉴于此，本文主要探讨以手机摄像头为基础下的可见光通信技术，期望可以为后续更多技术工作者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

[关键词]摄像头；可见光；手机；通信技术；

前言：

伴随智能手机全面普及应用，可见光通信技术的持续进步发展，手机摄像头的可见光通信为主要接收端，可实现可见光的有效通信信息，现已逐渐成为通信领域重点研究内容。因而，对以手机摄像头为基础下可见光通信技术开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、概述可见光通信技术

可见光通信技术，即采用发光的二极管或荧光灯，能够把肉眼所能看到明暗高速的闪烁信号发出，实施信息传输，照明装置当中连接着高速网络电线系统装置，插入系统电源插头便可使用。可见光通信，此项技术所具备优势集中表现为：可见光的频谱资源相对丰富；能够充分利用现有各项基础照明设施，实施简单改造或优化，不会对正常照明产生影响的情况下实现可见光的通信运行，更不会产生电磁干扰[1]；此外，可见光还有着一定天然保密特性，即这种可见光基本上不受墙体阻挡，实际通信范围相对广泛。

2、以手机摄像头为基础下可见光通信技术基础原理及其实验分析

2.1基础原理

带有着摄像头的智能手机，现阶段已实现普及应用，手机拍照及录像也已成为智能手机最为基本功能。大部分智能手机当中所用摄像头，均为CMOS的摄像头，CMOS摄像头通常是以卷帘快门为运作模式。而针对卷帘快门实际运作模式，则指的是以CMOS摄像头所有像素点为基础，可实现逐行曝光，待曝光之后，所有光信号便可转换成电压信号，而电压信号再经放大器予以放大，经A/D实施采样操作，则模拟的电压信号便会转换成相应数字信号，对该部分数字信号实施图像处理之后，便会有图片生成。针对卷帘快门这种运作模式，其对移动物体拍摄较为不利。物体若是快速移动，则所拍摄到物体照片上面显示存在着倾斜现象，即果冻效应。若是以手机的摄像头为其接收端，实施可见光的通信便相对有利，依托于CMOS的卷帘快门运作模式，数据速率要比摄像头的帧速率可见光的通信高。CMOS摄像头，其每行的像素点呈极短曝光时间，可见光整个系统的发送端所发送信号若是OOK信号，比特数率比帕畸畏杳的摄像头实际像素点行相对较低扫描速率情况下，所拍摄获取图像上面会有明暗条纹显示[2]。发送端，其所发送出来的信号如果是比特“1”，则LED处于开启状态，LED所发射光强则相对较强，该CMOS摄像头的像素点实施扫描及记录的LED光相对较强，促使亮条纹形成；发送端所发送信号如果是比特“0”，则LED为关闭状态之中，LED所发射光强相对较弱，而CMOS摄像头的像素点实施扫描及记录的LED光相对较强，促使暗条纹形成。发送端所发送比特信息，在经过CMOS摄像头当中卷帘快门运作模式，且记录成相应的明暗条纹，经条纹处理，所传输比特相应信息则能够被解调出来。

2.2实验分析

2.2.1在光晕效应消除层面

如图1所示，为经过灰度化的处理之后灰度化显示图片。图片当中存在亮的光斑，且光斑中心呈最强的光强，沿着该光斑中心至边缘亮度呈逐渐减小趋势，即光晕效应。光晕效应成因，主要是因手机当中摄像头所接收光强过强，致使像素点所接收光为饱和状态，从至临近的像素点位置溢出，促使光晕效应形成。图1所当中所显示的光斑区域，则无法区分明暗条纹。故为解调出所传输比特相应信息，需先将光晕效应有效消除掉。光晕效应消除办法，包含着硬件消除和算法消除这两种。硬件消除，即生成图片之前，将光斑效应直接消除；算法消除，即能够生成所对应的图片，借助图像处理及相关算法，有效消除掉光斑效应。在一定程度上，LED所发出光，它属于直流光强和信号所产生交流光强的一种叠加，而针对光晕效应具体产生，则是因CMOS的摄像头相应像素点所接收光处在一种饱和状态，溢出至临近像素点。光晕效应硬件消除基本原理，即将LED所发射光当中直流分量降低或是消除掉，消除或者降低直流分量后，像素点则很难能够达到相对饱和状态，即可削弱或者是有效消除掉光晕效应。此次主要是对LED的前面加设塑料灯罩，促使LED所发射光当中直流分量减少，像素点所接收光则低于一种饱和状态，光晕效应得以消除。算法之下光斑效应消除，即接收端实施图形处理及计算，将光晕效应消除掉，如采取直方图的均衡方法，促使明暗条纹的对比度增强，再借助图像滤波装置，把直流分量及其噪声滤除。由于受光晕效应所影响，部分像素点实际像素值接近或是达到像素值的最大值，该部分像素值则为无效像素点，且每行的像素值所记录的比特信息相同。故从每行的像素值当中，便可选取有效的部分像素值，便于有效调节信号。

图1灰度化显示示意图

2.2.2在信号解调层面。

所传输比特信息“0”、“1”，其分别对应着暗条纹、明条纹。故仅需设一个亮度数值为明暗条纹最终判决阈值，其灰度值＞阈值，则成“1”；若灰度值＜阈值，则为“0”。因呈较低的数据速率，每行所有像素点则记录着同样的比特信息，便需选定一列的像素点灰度值，有效解调信息。选定一列像素点实际所对应的灰度值，以所选列像素点相应灰度值下二阶拟合的曲线为判决门限，实施比特的信息“1”及“0”判决。为充分了解所调出传输相应比特信息，应确定所有比特的周期时间范围所曝光像素点具体行数，也就是每个条纹实际宽度实际对应像素点具体行数，即比特的分辨率[3]；选的拟合曲线为其判决门限，若比判决门限高，则像素点的灰度值点为高电平；若比判决的门限值低，则像素的灰度值点为低电平。连续性高低电平的像素点，在转换成比特信息后，处高低电平的像素点具体个数则对比特的分辨率N进行取商，且需四舍五入，则是连续性比特1或是连续性比特0具体个数。经过解码，最终便能够将所传输数据信息解调出。

2.2.3在性能测定以及结果分析层面

数据处于2kbps的速率条件之下，分别测定整个系统处于20cm、15cm、10cm、5cm不同传输距离的BER具体性能情况。LED前面增设塑料灯罩，促使LED所发射光当中直流光的分量减少，光晕效应干扰被削弱。通过实施信息解调，系统数据则处于2kbps的速率条件之下，10cm传输距离可实现无误码式传输，传输距离＞15cm，误码率是2.75%；传输距离＞15cm，系统性能便会严重下降，误码率＞50%，因LED所发射光当中100%强将伴随传输距离持续增加而呈下降趋势，手机所接收到光信号实际产生明暗条纹，无法实现明显区分，系统的误码性能则必然严重下降。

3、结语

综上所述，通过此次对以手机摄像头为基础下可见光通信技术开展综合分析可了解到，以手机当中摄像头为可见光的通信主要接收端，不但可实现可见光有效通信信息，且长距离地进行可见光的通信可得以实现，应用价值显著。

参考文献：

[1]陈雄斌,闵成彧.看得见的无线通信技术——可见光通信[J].物理,2020,49(010):915-916.

[2]方俊彬,雷稳,黄霞,等.可见光通信技术中照明,定位,通信三用的编码方法,CN112511226A[P].2021,28（001）：317-318.

[3]王豪,周宇,周洁城.手机摄像头基础下的可见光通信技术[J].赤子,2017，14(011):149-150.