基于激光扫描的室内VLC 光源布局设计方法

李家其

（蚌埠学院 艺术设计学院 安徽 蚌埠 233030）

可见光通信技术（VLC）[1]具备安全保密性强、部署简单等多种优势，广泛应用于各个领域。VLC 有效融合了光通信技术与无线通信技术的优势，避免了光通信技术与无线通信技术的缺陷，能够为人们提供更优质的通信服务。

可见光通信技术（VLC）实现的基础是LED 技术。相较于传统照明方式来看，LED 技术[2]具有经济环保、寿命长、功耗低等特征。VLC 以LED 为光源与信号发射源，并对信号进行一定的调制，结合接收端与光电转换器，共同形成VLC 无线网络，以此来为人们提供良好的通信服务。依据应用场景将VLC 划分为两类，分别为室内VLC 与室外VLC。其中，室内VLC 是一种新型的短距离数据交互方式，可以弥补WiFi 技术缺失的部分。室内VLC 信号发射源为光源，信号接收装置为终端设备。由此可见，如何合理地布局光源是提升室内VLC 性能的关键所在。已有方法采用人工方式获取室内环境信息，存在一定偏差，致使光源布局合理性较差，无法满足目前室内VLC发展的需求，故提出基于激光扫描的室内VLC 光源布局设计方法研究。

1 室内VLC 光源布局设计方法

1.1 基于激光扫描的室内信息获取

要想得到最佳的室内VLC光源布局设计方案，首要任务就是应用激光扫描技术获取完整的、精确的室内信息，具体如下：

激光扫描平台作业原理如图1 所示。

图1 激光扫描平台作业原理示意图

如图1 所示，激光扫描平台主要由移动平台、平面二维激光扫描仪与墙面三维激光扫描仪构成，共同获取室内信息。需要注意的是，两个扫描仪的相对位置必须保持不变，为后续激光扫描数据的处理提供便利[3]。

由于采集设备以及室内环境等因素的影响，使获得的室内信息——激光点云数据涉及多个坐标系统，并存在着较多的稀疏离群点，无法对其进行直接应用，必须对其进行一定的预处理[4]。

其中，激光点云数据平面坐标转换涉及参数为四个，分别为2 个平移参数，1 个尺度参数与1 个旋转参数。平面坐标转换公式表示为

激光点云数据空间坐标[6]转换涉及参数与平面坐标转换相同，但参数数量存在着一定的差异。其中，平移参数数量为3 个，尺度参数数量为1个，旋转参数数量为3 个。空间坐标转换公式表示为

应用公式（1）与公式（2）即可以将室内激光点云数据转换为统一坐标系下的坐标信息，提升了室内信息的准确性[7]。

此研究基于统计学原理对室内激光点云数据中的稀疏离群点进行剔除处理，具体过程如下所示：

步骤一、设定室内激光点云数据总数量为n，数据集合为D=[D1,D2,…Dn]，对任意激光点云数据Di的邻近点距离均值进行求取，计算公式为

步骤二、以步骤一输出样本集合 为基础，计算其标准差与均值，表达式为

步骤三、对样本集合进行回溯遍历，即可获得剔除稀疏离群点后的室内激光点云数据集合，表达式为

上述过程完成了室内激光点云数据的获取与处理，为后续室内VLC链路模型的构建奠定坚实的基础。

1.2 室内VLC 链路模型构建

以上述获取的室内激光点云数据为依据，根据VLC 信号传输特征构建链路模型，分析不同链路的脉冲响应情况，为后续光照度分布情况分析提供支撑。

在室内VLC应用过程中，信号传输存在两种链路，分别为直射链路与非直射链路[9]。其中，直射链路中，光源发射光信号无需经过墙壁反射作用，可直接到达接收器；而非直射链路中，光源发射光信号需要经历至少一次的墙壁反射才能到达接收器[10]。室内VLC 链路模型如图2 所示。

以图2 构建的室内VLC链路模型为基础，分析直射链路与非直射链路的脉冲响应，为最终的光源布局设计提供帮助[11]。其中，直射链路脉冲响应表示为

上述过程完成了室内VLC链路模型的构建，并分析了直射链路与非直射链路的脉冲响应，为后续光照度分布探究提供支撑。

1.3 光照度分布情况分析

室内VLC 是在光源照明前提下实现无线数据传输性能的，要想获得较好的无线光通信性能，应该尽可能保障室内光照度分布均匀[12]。但是，上述情况只在理想状态下才会实现，故此研究采用光照度均方差衡量室内照明均匀情况[13]。光照度均方差计算公式为

以直射链路为例，通过式（8）计算可获得光照度分布情况如图3 所示。

图3 光照度分布情况示例图

上述过程完成了光照度分布的计算与分析，为后续光源布局设计提供依据。

1.4 室内VLC 光源布局设计

以上述获取的室内激光点云数据，构建的链路模型与分析的光照度分布情况为基础，构造适应度函数，通过粒子群算法求解室内VLC光源布局设计最佳方案。适应度函数表达式为

式（10）中，（x,y）表示LED 光源的位置坐标；PQ表示接收功率；s表示接收平面面积；表示直射链路与非直射链路占据的比例系数。

依据光源布局需求[14]，设置粒子相关参数初始数值，通过公式（10）计算粒子适应度数值，随着循环迭代的进行，更新粒子相关参数，并计算新适应度数值，提取最佳的适应度数值，其对应的LED 光源的位置坐标即为室内VLC 光源布局设计最佳方案。

综上所述，应用激光扫描技术实现了室内VLC光源的布局设计，为VLC——可见光通信技术的应用与发展提供助力。

2 实验与结果分析

选取文献[15]可见光通信系统光源优化布局模型作为对比方法，设计光源布局来设计实验，以验证提出方法光源布局设计的优劣，具体实验过程如下所示。

2.1 激光扫描平台标定

激光扫描技术是提出方法的关键所在。因此，在实验之前，需要对激光扫描平台进行标定，以此来保障激光点云数据的准确性。实验采用国际黑白象棋网格作为标定板，如图4 所示。

图4 标定板示意图

如图4 所示，国际黑白象棋网格标定板具有颜色梯度明显、网格尺寸已知、制作过程简单等优势。固定住激光扫描平台，任意移动标定板，获取相应的标定板图像，读取图像角点坐标，以此来获取激光扫描平台的畸变参数，根据畸变数值对激光扫描平台进行调整，实现激光扫描平台的标定。

2.2 实验数据预处理

以标定后激光扫描平台为依据，获取室内激光点云数据，将其作为实验初始数据。为了提升最终实验结论的精度，在实验之前对实验数据进行预处理。实验数据预处理示例如图5 所示。

图5 实验数据预处理示例图

如图5 所示，在实验数据预处理后，有效地剔除了稀疏离群点，保障了实验数据的完整性与有效性。

2.3 实验结果分析

以上述标定的激光扫描平台，预处理的实验数据为基础，进行室内VLC 光源布局设计实验。为了直接显示提出方法的应用性能，选取光线追迹侧视图与均匀照明率数值作为评价指标，实验结果分析过程如下所示。

通过实验获得光线追迹侧视图如图6 所示。

图6 光线追迹侧视图

如图6 所示，提出方法与对比方法光源布局方案的光线追迹侧视图中，提出方法更加符合朗伯辐射模型，光线覆盖范围更大，接收平面分布更加均匀，表明提出方法获得的光源布局方案更加合理。

通过实验获得均匀照明率如表1 所示。

表1 均匀照明率数据表

如表1 数据所示，相较于对比方法来看，应用提出方法获得的均匀照明率数值更大，最大值达到0.91lx，平均值达到0.78lx，超过了最小限值0.70lx。

上述实验数据显示：相较于对比方法来看，应用提出方法获得的光线追迹侧视图光线覆盖范围更大，均匀照明率数值更大，表明提出方法光源布局效果更好。

3 结束语

为了保证室内光源充足，在获取并处理室内激光点云数据、光照传输链路、室内光照度的基础上，构建布局优化目标函数。通过求解该函数获得室内VLC 光源布局设计的最佳方案。此研究应用激光扫描技术提出了新的室内VLC光源布局设计方法，提升了光线覆盖范围与均匀照明率，为室内可见光通信技术性能稳定提供更有效的保障，也为光源布局相关研究提供一定的参考。