基于手机摄像头的可见光通信系统与应用研究

作     者：李宗泽 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔耀军

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：可见光通信 白光LED 手机摄像头 数字图像处理 

摘      要：随着人们通信需求的不断增加,无线通信频段资源枯竭、网络干扰的问题日益严重,与传统的无线通信方式相比,可见光通信具有高速率、无电磁干扰、不占用无线电频谱资源的优势,而且具有极强的安全性和保密性,所以可见光通信从兴起至今,受到各国学者的关注,得到迅速的发展。目前可见光通信系统采用的接收机类型有:光电二极管和图像传感器,光电二极管响应速度快,但是处理电路复杂,不利于推广使用;而图像传感器是智能手机摄像头的重要组成部分,智能手机在人们的生活中广泛普及,所以本文提出使用智能手机摄像头作为可见光的接收机。本文深入研究了基于手机摄像头的可见光通信系统,提出了条纹图像的处理方案,完成了整个系统的搭建,实现了手机接收应用程序,并且测试了系统的性能。论文的主要研究内容如下:(1)通过分析手机摄像头的成像原理,在成像过程中CMOS图像传感器产生的“果冻效应是摄像头接收可见光的基本原理,利用该效应,摄像头可以采集到明暗变化的条纹图像,通过对该图像处理和灰度值判决可以得到发送端原始比特序列。本论文提出一种基于数字图像处理的手机摄像头可见光接收方案,该方案包括灰度矫正、有效像素行选取、直方图均衡、图像高通滤波以及判决,其中有效像素行选取降低了 LED光斑和低灰度区域的干扰,直方图均衡提高了明暗条纹的消光比,图像高通滤波降低了光晕效应以及背景光的干扰,通过该数字图像处理方案提高了明暗条纹判决的准确性。(2)完成了基于手机摄像头的可见光通信系统的搭建,通过硬件电路实现了系统的发送端,基于Android手机平台实现了相应的数字图像处理算法,并完成了接收端应用程序的开发,该应用可以调用手机摄像头接收可见光并实时处理。通过对系统性能进行测试,研究了影响系统性能的三个因素:传输距离、信号发送速率以及环境光照。测试结果表明本系统具有较强的鲁棒性,可以有效抵抗干扰,与已有研究成果比较,本系统在传输距离上具有一定优势。(3)分析了可见光通信的应用场景,结合本系统的传输特点以及可见光通信安全性强的特性,利用可见光作为一种授权认证的方式,提出基于可见光通信的室内授权认证应用,并通过Android手机实现了该应用程序,为可见光通信的实用化提供了一种思路。