基于光学摄像头通信的可见光定位通用高效解码方案研究报告

作者及发表信息

本研究由Hongzhan Song（华南理工大学材料科学与工程学院与自动化科学与工程学院）、Shangsheng Wen（华南理工大学材料科学与工程学院，通讯作者）、Chen Yang（华南理工大学自动化科学与工程学院）、Danlan Yuan（华南理工大学电子与信息工程学院）及Weipeng Guan（华南理工大学自动化科学与工程学院，通讯作者）共同完成。论文《Universal and Effective Decoding Scheme for Visible Light Positioning Based on Optical Camera Communication》于2021年8月发表于期刊Electronics（2021年第10卷第16期，DOI:10.3390/electronics10161925）。

研究背景

科学领域：本研究属于可见光定位（Visible Light Positioning, VLP）与光学摄像头通信（Optical Camera Communication, OCC）的交叉领域，旨在解决室内定位服务（Indoor Location-Based Services, LBS）中的关键技术问题。

研究动机：尽管基于图像传感器（Image Sensor, IS）的VLP系统具有抗电磁干扰、低功耗等优势，但现有解码方案面临两大挑战：
1. 环境敏感性：传输信道易受距离、光照等因素影响，导致阈值分割性能不稳定；
2. 同步问题：LED发射器与CMOS摄像头接收器间的时钟不同步，需人工调整参数，难以适应多样化移动设备。

目标：提出一种名为像素到比特计算（Pixel-to-Bit Calculation, PBC）的通用解码方案，实现高鲁棒性阈值分割与自动时钟同步，提升VLP系统在动态环境下的解码率。

研究方法与流程

1. PBC解码方案设计

PBC方案包含分阶段阈值分割（Staged Threshold Scheme）与同步解码操作（Synchronous Decoding Operation）两大核心模块。

（1）分阶段阈值分割

• 背景过滤：设定背景阈值( T_b )，过滤干扰像素。
  
• 局部极值检测：通过平滑处理与邻域比较，识别局部极大/极小值点，将图像划分为子区域。
  
• 动态阈值计算：
  
  • 若子区域灰度极差＞20，则以平均值作为阈值；
    
  • 引入补偿值( Tc = 0.5 \times P{\text{lum}} - 35 )（( P_{\text{lum}} )为第三高灰度值），防止低亮度区域误判。
    
• 全局阈值优化：对未处理子区域应用全局阈值( T_c )，确保结果一致性。
  

（2）同步解码操作

• 条纹宽度计算：通过整数数组（Integer Array, IA）统计连续黑白像素数量，识别最宽条纹（对应头部序列）。
  
• 自适应同步策略：
  
  • 多头部场景：利用头部宽度均值( P{\text{bit}} = \frac{N{\text{num}}}{N{\text{bit}}} )自动校准比特宽度（( N{\text{bit}} )为头部连续比特数）。
    
  • 单头部场景：采用数据信息融合（Data Information Fusion, DIF）方法，拼接不完整数据段。
    
• 无采样解码：直接通过像素宽度映射比特逻辑，避免传统方案的采样频偏（Sampling Frequency Offset, SFO）问题。
  

2. 实验验证

研究通过机器人VLP系统与多设备兼容性测试两阶段实验验证方案性能。

（1）机器人平台实验

• 对象：三组LED发射器（UID: 01010101, 01100110, 01110101）与工业CMOS摄像头（搭载于TurtleBot3机器人）。
  
• 参数：垂直距离1.73~2.73 m，采集1200帧/高度。
  
• 结果：2.73 m高度下解码率达95.62%，显著优于文献[8]（2.0 m时仅20%）。
  

（2）多设备兼容性测试

• 对象：华为P30、iPhone7P等4款手机，LED频率5000~8000 Hz。
  
• 对比方案：多项式阈值（PL）、迭代阈值（IA）等传统方法。
  
• 结果：PBC平均解码率99.9%，且无需调整参数（传统方案换设备后解码率降至0）。
  

研究结果与结论

1. 核心成果

• 抗干扰性：分阶段阈值方案在光照变化下阈值误差降低50%以上（对比EVA算法[19]）。
  
• 通用性：同步解码操作支持未知摄像头滚动率（Rolling Rate）的自动适配，兼容4类手机。
  
• 效率提升：取消插值与采样操作，处理时间减少30%，内存占用降低40%。
  

2. 科学价值

• 理论创新：提出首个结合动态阈值与无采样同步的解码框架，为异步光通信提供新思路。
  
• 应用前景：可扩展至水下光通信[23]等复杂信道场景，助力物联网（IoT）设备定位。
  

3. 研究亮点

• 方法创新：DIF机制解决长距离传输中数据不完整问题，突破现有VLP系统高度限制。
  
• 技术优势：实验验证2.73 m解码率95.62%，较同类方案提升3倍以上。
  
• 开源贡献：算法可复现性高，无需依赖专有硬件。
  

其他价值

• 频率分集潜力：通过识别不同LED频率的条纹宽度，支持频分复用（FDM）多灯定位。
  
• 标准化建议：论文呼吁CMOS厂商公开滚动率参数，推动行业协议统一。
  

本研究为VLP系统的实际部署提供了关键技术支撑，其自动化与鲁棒性设计范式对下一代室内定位技术具有指导意义。