基于激光掃描的室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)方法

李家其

（蚌埠學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 安徽 蚌埠 233030）

可見光通信技術(shù)（VLC）[1]具備安全保密性強(qiáng)、部署簡(jiǎn)單等多種優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。VLC 有效融合了光通信技術(shù)與無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，避免了光通信技術(shù)與無線通信技術(shù)的缺陷，能夠?yàn)槿藗兲峁└鼉?yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。

可見光通信技術(shù)（VLC）實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是LED 技術(shù)。相較于傳統(tǒng)照明方式來看，LED 技術(shù)[2]具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、壽命長(zhǎng)、功耗低等特征。VLC 以LED 為光源與信號(hào)發(fā)射源，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)制，結(jié)合接收端與光電轉(zhuǎn)換器，共同形成VLC 無線網(wǎng)絡(luò)，以此來為人們提供良好的通信服務(wù)。依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景將VLC 劃分為兩類，分別為室內(nèi)VLC 與室外VLC。其中，室內(nèi)VLC 是一種新型的短距離數(shù)據(jù)交互方式，可以彌補(bǔ)WiFi 技術(shù)缺失的部分。室內(nèi)VLC 信號(hào)發(fā)射源為光源，信號(hào)接收裝置為終端設(shè)備。由此可見，如何合理地布局光源是提升室內(nèi)VLC 性能的關(guān)鍵所在。已有方法采用人工方式獲取室內(nèi)環(huán)境信息，存在一定偏差，致使光源布局合理性較差，無法滿足目前室內(nèi)VLC發(fā)展的需求，故提出基于激光掃描的室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)方法研究。

1 室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)方法

1.1 基于激光掃描的室內(nèi)信息獲取

要想得到最佳的室內(nèi)VLC光源布局設(shè)計(jì)方案，首要任務(wù)就是應(yīng)用激光掃描技術(shù)獲取完整的、精確的室內(nèi)信息，具體如下：

激光掃描平臺(tái)作業(yè)原理如圖1 所示。

圖1 激光掃描平臺(tái)作業(yè)原理示意圖

如圖1 所示，激光掃描平臺(tái)主要由移動(dòng)平臺(tái)、平面二維激光掃描儀與墻面三維激光掃描儀構(gòu)成，共同獲取室內(nèi)信息。需要注意的是，兩個(gè)掃描儀的相對(duì)位置必須保持不變，為后續(xù)激光掃描數(shù)據(jù)的處理提供便利[3]。

由于采集設(shè)備以及室內(nèi)環(huán)境等因素的影響，使獲得的室內(nèi)信息——激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)涉及多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，并存在著較多的稀疏離群點(diǎn)，無法對(duì)其進(jìn)行直接應(yīng)用，必須對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)處理[4]。

其中，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換涉及參數(shù)為四個(gè)，分別為2 個(gè)平移參數(shù)，1 個(gè)尺度參數(shù)與1 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式表示為

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)[6]轉(zhuǎn)換涉及參數(shù)與平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換相同，但參數(shù)數(shù)量存在著一定的差異。其中，平移參數(shù)數(shù)量為3 個(gè)，尺度參數(shù)數(shù)量為1個(gè)，旋轉(zhuǎn)參數(shù)數(shù)量為3 個(gè)?？臻g坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式表示為

應(yīng)用公式（1）與公式（2）即可以將室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息，提升了室內(nèi)信息的準(zhǔn)確性[7]。

此研究基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的稀疏離群點(diǎn)進(jìn)行剔除處理，具體過程如下所示：

步驟一、設(shè)定室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)總數(shù)量為n，數(shù)據(jù)集合為D=[D1,D2,…Dn]，對(duì)任意激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)Di的鄰近點(diǎn)距離均值進(jìn)行求取，計(jì)算公式為

步驟二、以步驟一輸出樣本集合 為基礎(chǔ)，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差與均值，表達(dá)式為

步驟三、對(duì)樣本集合進(jìn)行回溯遍歷，即可獲得剔除稀疏離群點(diǎn)后的室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合，表達(dá)式為

上述過程完成了室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理，為后續(xù)室內(nèi)VLC鏈路模型的構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 室內(nèi)VLC 鏈路模型構(gòu)建

以上述獲取的室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)VLC 信號(hào)傳輸特征構(gòu)建鏈路模型，分析不同鏈路的脈沖響應(yīng)情況，為后續(xù)光照度分布情況分析提供支撐。

在室內(nèi)VLC應(yīng)用過程中，信號(hào)傳輸存在兩種鏈路，分別為直射鏈路與非直射鏈路[9]。其中，直射鏈路中，光源發(fā)射光信號(hào)無需經(jīng)過墻壁反射作用，可直接到達(dá)接收器；而非直射鏈路中，光源發(fā)射光信號(hào)需要經(jīng)歷至少一次的墻壁反射才能到達(dá)接收器[10]。室內(nèi)VLC 鏈路模型如圖2 所示。

以圖2 構(gòu)建的室內(nèi)VLC鏈路模型為基礎(chǔ)，分析直射鏈路與非直射鏈路的脈沖響應(yīng)，為最終的光源布局設(shè)計(jì)提供幫助[11]。其中，直射鏈路脈沖響應(yīng)表示為

上述過程完成了室內(nèi)VLC鏈路模型的構(gòu)建，并分析了直射鏈路與非直射鏈路的脈沖響應(yīng)，為后續(xù)光照度分布探究提供支撐。

1.3 光照度分布情況分析

室內(nèi)VLC 是在光源照明前提下實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸性能的，要想獲得較好的無線光通信性能，應(yīng)該盡可能保障室內(nèi)光照度分布均勻[12]。但是，上述情況只在理想狀態(tài)下才會(huì)實(shí)現(xiàn)，故此研究采用光照度均方差衡量室內(nèi)照明均勻情況[13]。光照度均方差計(jì)算公式為

以直射鏈路為例，通過式（8）計(jì)算可獲得光照度分布情況如圖3 所示。

圖3 光照度分布情況示例圖

上述過程完成了光照度分布的計(jì)算與分析，為后續(xù)光源布局設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.4 室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)

以上述獲取的室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建的鏈路模型與分析的光照度分布情況為基礎(chǔ)，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，通過粒子群算法求解室內(nèi)VLC光源布局設(shè)計(jì)最佳方案。適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式為

式（10）中，（x,y）表示LED 光源的位置坐標(biāo)；PQ表示接收功率；s表示接收平面面積；表示直射鏈路與非直射鏈路占據(jù)的比例系數(shù)。

依據(jù)光源布局需求[14]，設(shè)置粒子相關(guān)參數(shù)初始數(shù)值，通過公式（10）計(jì)算粒子適應(yīng)度數(shù)值，隨著循環(huán)迭代的進(jìn)行，更新粒子相關(guān)參數(shù)，并計(jì)算新適應(yīng)度數(shù)值，提取最佳的適應(yīng)度數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的LED 光源的位置坐標(biāo)即為室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)最佳方案。

綜上所述，應(yīng)用激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)VLC光源的布局設(shè)計(jì)，為VLC——可見光通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供助力。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

選取文獻(xiàn)[15]可見光通信系統(tǒng)光源優(yōu)化布局模型作為對(duì)比方法，設(shè)計(jì)光源布局來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證提出方法光源布局設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，具體實(shí)驗(yàn)過程如下所示。

2.1 激光掃描平臺(tái)標(biāo)定

激光掃描技術(shù)是提出方法的關(guān)鍵所在。因此，在實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)激光掃描平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，以此來保障激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際黑白象棋網(wǎng)格作為標(biāo)定板，如圖4 所示。

圖4 標(biāo)定板示意圖

如圖4 所示，國(guó)際黑白象棋網(wǎng)格標(biāo)定板具有顏色梯度明顯、網(wǎng)格尺寸已知、制作過程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。固定住激光掃描平臺(tái)，任意移動(dòng)標(biāo)定板，獲取相應(yīng)的標(biāo)定板圖像，讀取圖像角點(diǎn)坐標(biāo)，以此來獲取激光掃描平臺(tái)的畸變參數(shù)，根據(jù)畸變數(shù)值對(duì)激光掃描平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)激光掃描平臺(tái)的標(biāo)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

以標(biāo)定后激光掃描平臺(tái)為依據(jù)，獲取室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其作為實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)。為了提升最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論的精度，在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理示例如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理示例圖

如圖5 所示，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，有效地剔除了稀疏離群點(diǎn)，保障了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性與有效性。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述標(biāo)定的激光掃描平臺(tái)，預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。為了直接顯示提出方法的應(yīng)用性能，選取光線追跡側(cè)視圖與均勻照明率數(shù)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如下所示。

通過實(shí)驗(yàn)獲得光線追跡側(cè)視圖如圖6 所示。

圖6 光線追跡側(cè)視圖

如圖6 所示，提出方法與對(duì)比方法光源布局方案的光線追跡側(cè)視圖中，提出方法更加符合朗伯輻射模型，光線覆蓋范圍更大，接收平面分布更加均勻，表明提出方法獲得的光源布局方案更加合理。

通過實(shí)驗(yàn)獲得均勻照明率如表1 所示。

表1 均勻照明率數(shù)據(jù)表

如表1 數(shù)據(jù)所示，相較于對(duì)比方法來看，應(yīng)用提出方法獲得的均勻照明率數(shù)值更大，最大值達(dá)到0.91lx，平均值達(dá)到0.78lx，超過了最小限值0.70lx。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：相較于對(duì)比方法來看，應(yīng)用提出方法獲得的光線追跡側(cè)視圖光線覆蓋范圍更大，均勻照明率數(shù)值更大，表明提出方法光源布局效果更好。

3 結(jié)束語

為了保證室內(nèi)光源充足，在獲取并處理室內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、光照傳輸鏈路、室內(nèi)光照度的基礎(chǔ)上，構(gòu)建布局優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。通過求解該函數(shù)獲得室內(nèi)VLC 光源布局設(shè)計(jì)的最佳方案。此研究應(yīng)用激光掃描技術(shù)提出了新的室內(nèi)VLC光源布局設(shè)計(jì)方法，提升了光線覆蓋范圍與均勻照明率，為室內(nèi)可見光通信技術(shù)性能穩(wěn)定提供更有效的保障，也為光源布局相關(guān)研究提供一定的參考。