基于手机摄像头的可见光通信探讨

基于手机摄像头的可见光通信探讨

魏巍

三星高新电机（天津）有限公司 天津 300385

摘要：本文简要介绍了可见光通信技术，并尝试围绕系统组成、手机摄像头成像原理、手机获取的数据、数字图像处理技术等方面对基于手机摄像头的可见光通信技术进行探讨，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：手机摄像头；可见光通信；数字图像处理技术

引言

随着智能手机的普及以及手机摄像系统的飞速发展，利用手机摄像头作为可见光通信系统的接收机能明显降低相应的实践成本以及复杂度，相关研究自然得以广泛开展。从技术层面看，手机作为可见光通信系统中的接收端具有高度的可行性。而从应用角度看，智能手机的普及以及对既有手机硬件的利用，无疑能大幅降低可见光通信的应用难度和推广难度，另外智能手机本身的系统以及软件也能为通信带来更多支持。

一、可见光通信概述

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。顾名思义，可见光通信即将可见光作为媒介的无线通信方式，其核心原理在于利用发光二极管产生的明暗闪烁信号实现信息的传输。可见光通信系统通常由发送端与接收端组成，前者需要通过发光二极管将电信号调制为光波，后者则需要通过光电转换器将光信号转换为电信号，之后再通过调节处理手段实现对信号的有效输出。可见光通信中的光电探测器具有噪声低、灵敏度高、响应度高、体积小、线性关系良好等特性，能很好地满足通信需求，可谓是整个系统的关键部分。目前可见光通信大多是基于LED照明实现的，其相较于目前被广泛应用的射频通信而言具有频谱资源丰富、干扰小、能量消耗少、成本低廉、保密性强、对人体无害等特点和优势，并且在多个领域都有着良好应用前景，如海底通信、医院通信、航空通信、智能路灯通信等均是目前受到广泛关注的通信发展方向。

二、基于手机摄像头的可见光通信系统

手机摄像头的图像传感器实际上是由大量光电二极管构成，并且每个二极管均能独立接收可见光信号。利用手机摄像头进行可见光通信，光线会通过镜头的滤色镜进行滤波，然后照射至图像传感器上并被转换成手机系统可识别的电信号，之后手机系统会将电信号转换成数字信号，这样就能通过摄像头实现可见光通信中的光电转换功能。

（一）系统组成

基于手机摄像头的可见光通信系统从整体上来说和基于广电探测器的系统并没有本质上的区别，只不过前者的整个接收端便是智能手机本身。信号发生装置发出信号后，会由驱动电路控制LED将电信号转换成光信号并进行信道传输，而智能手机通过摄像头接收到光信号后会通过手机本身的软硬件系统实现对光信号的转换、处理及显示，整体上而言十分方便和快捷。其中摄像头作为代替传统可见光通信中光电探测器的部分，其能基于自身成像原理得到明暗相间的条纹图片，并依靠软硬件系统对图片进行处理和分析，从而实现光信号到电信号的转化以及处理、显示等功能。

（二）手机摄像头成像原理

手机摄像头模组的组成较为复杂。其中镜头是整个模组的基础部分，其能够依靠对进光量的控制实现成像；固定器与滤色片在整个模组中起到的作用是固定镜头以及对通过镜头的光线进行简单过滤；图像传感器则是整个模组中用于接受光线的部分，其能实现光电信号的有效转换，可谓是核心部分；数字信号处理芯片则是能够通过芯片的计算功能对图像信号进行处理并让图片直接显示在手机屏幕之上；摄像头印刷版则是整个模组的控制部分，主要发挥供电控制以及信号传输作用。手机摄像头模组相较于光电探测器的最大特点在于能将光信号转换为电信号的同时进一步生成相应的数字信号，进而为后续的信号处理和利用提供有力支持。手机摄像头成像过程为外界不同位置和方向光线经过镜头后会在图像传感器上不同位置聚焦，传感器的像素点便能接收到相应的光信号，之后再通过摄像头模组的其他部分实现光信号到数字信号的转换。传感器上不同像素点接收到的光信号由于曝光量、光谱分布等因素的影响，往往存在差异，相应的像素点输出电信号值也会有所不同。手机会对图像传感器所有像素点产生的电信号加以读取以及量化，进而得到照片原始数据，之后通过数据处理便能得到相应图片。目前大部分智能手机摄像头的图像传感器均为卷帘门曝光模式，即传感器的一列像素是最小曝光单位，摄像头模组运作时传感器上的像素点并不会全部同时曝光，而是连续地逐列进行曝光。利用手机摄像头卷帘门曝光模式的特点，可通过对可见光通信系统的发送端的发送信号序列以及速率进行调整的方式来控制手机最终获得的照片明暗条纹分布情况，同时摄像头本身的帧率也会对此产生影响，从而达到调整信号的目的。手机对接收到的图片的明暗条纹信息进行读取、处理和分析，则能将明暗条纹信息转变为二进制信息，从而实现对可见光通信信息的接收、读取和处理。

（三）手机获取的数据

智能手机在可见光通信中通过摄像头获取到图片后，可通过亮度与色度分离的方式对图片数据信息进行处理、存储和分析。目前常见的手机图片数据存储格式主要有两种，其一为NV21格式，即将图片数据分为两部分进行存储，分别是灰度值分量的存储和色度值U、V分量的混合存储；其二为YV12格式，即将图片数据分为三部分进行存储，分别是灰度值分量的存储以及色度值U、V分量的分别存储。

（四）数字图像处理技术

在基于手机摄像头的可见光通信中，数字图像处理技术的应用十分关键。手机摄像头生成的图片可能会出现条纹不清晰的情况，另外还可能遇到LED光斑干扰、光晕效应等的影响，如果不能对图像进行有效处理的话可能会对相应的可见光通信造成严重影响，难以保障通信的准确性和可靠性。目前基于手机摄像头的可见光通信中被广泛研究的数字图像处理技术主要有灰度矫正技术、有效行选取技术、直方图均衡技术、图像高通滤波技术等。其中灰度矫正技术根据智能手机与计算机在灰度值与颜色对应关系上的差异进行数字图像处理，通过调整灰度值的方式来保障通信的准确性与可靠性；有效行选取技术即将摄像头获得的明暗条纹图像中的无效信息或者有效信息较少的行去掉，从而避免这部分信息对通信信息的可靠性造成干扰；直方图均衡技术则是通过展宽像素个数较多的灰度级以及压缩像素个数较少的灰度级的方式，有效扩展灰度级范围，从而起到提高图像亮度以及对比度的作用，为后续的图像判决提供有力支持；图像高通滤波技术则是通过抑制图像低频分量的方式来凸显高频分量，从而起到锐化图像的作用，强化明暗条纹的对比，有利于图像判决。

结语：

综上可知，智能手机在可见光通信领域有着巨大的应用前景。目前基于手机摄像头的可见光通信技术研究工作在全世界范围内受到了普遍关注与有效推进，意味着基于手机市场的可见光通信工程发展前景光明，在可预见的将来必将有所突破，值得国内相关专业人员积极钻研和开发应用。

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