基于激光掃描的室內VLC 光源布局設計方法

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。相較于傳統照明方式來看，LED 技術[2]具有經濟環保、壽命長、功耗低等特征。VLC 以LED 為光源與信號發射源，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：

激光掃描平臺作業原理如圖1 所示。

圖1 激光掃描平臺作業原理示意圖

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，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。空間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]可見光通信系統光源優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。