李家其

（蚌埠學院 藝術設計學院 安徽 蚌埠 233030）

可見光通信技術（VLC）[1]具備安全保密性強、部署簡單等多種優(yōu)勢，廣泛應用于各個領域。VLC 有效融合了光通信技術與無線通信技術的優(yōu)勢，避免了光通信技術與無線通信技術的缺陷，能夠為人們提供更優(yōu)質的通信服務。

可見光通信技術（VLC）實現的基礎是LED 技術。相較于傳統(tǒng)照明方式來看，LED 技術[2]具有經濟環(huán)保、壽命長、功耗低等特征。VLC 以LED 為光源與信號發(fā)射源，并對信號進行一定的調制，結合接收端與光電轉換器，共同形成VLC 無線網絡，以此來為人們提供良好的通信服務。依據應用場景將VLC 劃分為兩類，分別為室內VLC 與室外VLC。其中，室內VLC 是一種新型的短距離數據交互方式，可以彌補WiFi 技術缺失的部分。室內VLC 信號發(fā)射源為光源，信號接收裝置為終端設備。由此可見，如何合理地布局光源是提升室內VLC 性能的關鍵所在。已有方法采用人工方式獲取室內環(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VLC發(fā)展的需求，故提出基于激光掃描的室內VLC 光源布局設計方法研究。

1 室內VLC 光源布局設計方法

1.1 基于激光掃描的室內信息獲取

要想得到最佳的室內VLC光源布局設計方案，首要任務就是應用激光掃描技術獲取完整的、精確的室內信息，具體如下：

激光掃描平臺作業(yè)原理如圖1 所示。

圖1 激光掃描平臺作業(yè)原理示意圖

如圖1 所示，激光掃描平臺主要由移動平臺、平面二維激光掃描儀與墻面三維激光掃描儀構成，共同獲取室內信息。需要注意的是，兩個掃描儀的相對位置必須保持不變，為后續(xù)激光掃描數據的處理提供便利[3]。

由于采集設備以及室內環(huán)境等因素的影響，使獲得的室內信息——激光點云數據涉及多個坐標系統(tǒng)，并存在著較多的稀疏離群點，無法對其進行直接應用，必須對其進行一定的預處理[4]。

其中，激光點云數據平面坐標轉換涉及參數為四個，分別為2 個平移參數，1 個尺度參數與1 個旋轉參數。平面坐標轉換公式表示為

激光點云數據空間坐標[6]轉換涉及參數與平面坐標轉換相同，但參數數量存在著一定的差異。其中，平移參數數量為3 個，尺度參數數量為1個，旋轉參數數量為3 個?？臻g坐標轉換公式表示為

應用公式（1）與公式（2）即可以將室內激光點云數據轉換為統(tǒng)一坐標系下的坐標信息，提升了室內信息的準確性[7]。

此研究基于統(tǒng)計學原理對室內激光點云數據中的稀疏離群點進行剔除處理，具體過程如下所示：

步驟一、設定室內激光點云數據總數量為n，數據集合為D=[D1,D2,…Dn]，對任意激光點云數據Di的鄰近點距離均值進行求取，計算公式為

步驟二、以步驟一輸出樣本集合 為基礎，計算其標準差與均值，表達式為

步驟三、對樣本集合進行回溯遍歷，即可獲得剔除稀疏離群點后的室內激光點云數據集合，表達式為

上述過程完成了室內激光點云數據的獲取與處理，為后續(xù)室內VLC鏈路模型的構建奠定堅實的基礎。

1.2 室內VLC 鏈路模型構建

以上述獲取的室內激光點云數據為依據，根據VLC 信號傳輸特征構建鏈路模型，分析不同鏈路的脈沖響應情況，為后續(xù)光照度分布情況分析提供支撐。

在室內VLC應用過程中，信號傳輸存在兩種鏈路，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)射光信號無需經過墻壁反射作用，可直接到達接收器；而非直射鏈路中，光源發(fā)射光信號需要經歷至少一次的墻壁反射才能到達接收器[10]。室內VLC 鏈路模型如圖2 所示。

以圖2 構建的室內VLC鏈路模型為基礎，分析直射鏈路與非直射鏈路的脈沖響應，為最終的光源布局設計提供幫助[11]。其中，直射鏈路脈沖響應表示為

上述過程完成了室內VLC鏈路模型的構建，并分析了直射鏈路與非直射鏈路的脈沖響應，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VLC 是在光源照明前提下實現無線數據傳輸性能的，要想獲得較好的無線光通信性能，應該盡可能保障室內光照度分布均勻[12]。但是，上述情況只在理想狀態(tài)下才會實現，故此研究采用光照度均方差衡量室內照明均勻情況[13]。光照度均方差計算公式為

以直射鏈路為例，通過式（8）計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算與分析，為后續(xù)光源布局設計提供依據。

1.4 室內VLC 光源布局設計

以上述獲取的室內激光點云數據，構建的鏈路模型與分析的光照度分布情況為基礎，構造適應度函數，通過粒子群算法求解室內VLC光源布局設計最佳方案。適應度函數表達式為

式（10）中，（x,y）表示LED 光源的位置坐標；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的比例系數。

依據光源布局需求[14]，設置粒子相關參數初始數值，通過公式（10）計算粒子適應度數值，隨著循環(huán)迭代的進行，更新粒子相關參數，并計算新適應度數值，提取最佳的適應度數值，其對應的LED 光源的位置坐標即為室內VLC 光源布局設計最佳方案。

綜上所述，應用激光掃描技術實現了室內VLC光源的布局設計，為VLC——可見光通信技術的應用與發(fā)展提供助力。

2 實驗與結果分析

選取文獻[15]可見光通信系統(tǒng)光源優(yōu)化布局模型作為對比方法，設計光源布局來設計實驗，以驗證提出方法光源布局設計的優(yōu)劣，具體實驗過程如下所示。

2.1 激光掃描平臺標定

激光掃描技術是提出方法的關鍵所在。因此，在實驗之前，需要對激光掃描平臺進行標定，以此來保障激光點云數據的準確性。實驗采用國際黑白象棋網格作為標定板，如圖4 所示。

圖4 標定板示意圖

如圖4 所示，國際黑白象棋網格標定板具有顏色梯度明顯、網格尺寸已知、制作過程簡單等優(yōu)勢。固定住激光掃描平臺，任意移動標定板，獲取相應的標定板圖像，讀取圖像角點坐標，以此來獲取激光掃描平臺的畸變參數，根據畸變數值對激光掃描平臺進行調整，實現激光掃描平臺的標定。

2.2 實驗數據預處理

以標定后激光掃描平臺為依據，獲取室內激光點云數據，將其作為實驗初始數據。為了提升最終實驗結論的精度，在實驗之前對實驗數據進行預處理。實驗數據預處理示例如圖5 所示。

圖5 實驗數據預處理示例圖

如圖5 所示，在實驗數據預處理后，有效地剔除了稀疏離群點，保障了實驗數據的完整性與有效性。

2.3 實驗結果分析

以上述標定的激光掃描平臺，預處理的實驗數據為基礎，進行室內VLC 光源布局設計實驗。為了直接顯示提出方法的應用性能，選取光線追跡側視圖與均勻照明率數值作為評價指標，實驗結果分析過程如下所示。

通過實驗獲得光線追跡側視圖如圖6 所示。

圖6 光線追跡側視圖

如圖6 所示，提出方法與對比方法光源布局方案的光線追跡側視圖中，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。

通過實驗獲得均勻照明率如表1 所示。

表1 均勻照明率數據表

如表1 數據所示，相較于對比方法來看，應用提出方法獲得的均勻照明率數值更大，最大值達到0.91lx，平均值達到0.78lx，超過了最小限值0.70lx。

上述實驗數據顯示：相較于對比方法來看，應用提出方法獲得的光線追跡側視圖光線覆蓋范圍更大，均勻照明率數值更大，表明提出方法光源布局效果更好。

3 結束語

為了保證室內光源充足，在獲取并處理室內激光點云數據、光照傳輸鏈路、室內光照度的基礎上，構建布局優(yōu)化目標函數。通過求解該函數獲得室內VLC 光源布局設計的最佳方案。此研究應用激光掃描技術提出了新的室內VLC光源布局設計方法，提升了光線覆蓋范圍與均勻照明率，為室內可見光通信技術性能穩(wěn)定提供更有效的保障，也為光源布局相關研究提供一定的參考。