如今,LED已成为主流室内照明技术,此外,由于LED灯还支持高频切换亮灭状态,使其具有了额外的用途——无线通信和室内定位。同基于射频的室内定位相比,可见光定位具有许多优势,比如带宽资源丰富、安全性高,以及最重要的,可见光传播几乎不受多径干扰。一个理想的能惠及普通用户的室内定位系统应该具有准确性（至少亚米级定位精度）,能利用常见移动设备（手机、平板电脑或可穿戴设备）进行定位,可部署在现有基础设施之上,并且对环境变化具有鲁棒性。但遗憾的是,包括可见光定位及其他无线定位在内,目前尚未出现能满足以上全部需求的室内定位系统。最近,基于相机或图像传感器的可见光通信（Light-to-Camera Communication,LCC）技术引起了室内定位领域的特别关注。已有的基于LCC的室内定位方案中,LED灯发射调制光信号广播其身份或坐标信息,相机拍摄LED灯（们）的影像并解码信息,然后利用摄影测量进行定位。然而,由于这类方案要求LED灯的拍摄影像必须达到足够的分辨率,所以只能在LED灯近距离范围内才能够定位。本文从LCC信道模型的研究出发,以普适性、健壮性、高精度、低成本为目标,提出了基于非视距LCC的室内定位解决方案,并构建原型系统进行了实际效果验证。本论文主要研究成果及创新工作如下:1)虽然LCC在短距离通信和室内定位等领域的研究已取得了很大进展,但是目前仍缺乏关于LCC信道模型的理论基础。本文在LED灯辐射模型、可见光信道模型和相机成像模型的研究基础上提出了LCC信道模型。由于LCC对可见光的调制主要采用强度调制/直接检测（Intensity Modulation with Direct Detection,IM/DD）方案,因此直流增益是表征信道最重要的单个参数。不同于可见光通信（Visible Light Communication,VLC）中光电探测器可以对光信号进行连续高频采样,直接将光信号转换为电信号,LCC利用卷帘快门机制实现对光信号的采样,采样结果为接收光功率波形与快门函数的卷积。2)针对现有LCC系统吞吐量低,不支持多入多出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）的问题,本文提出了一种支持空间多路复用的非视距LCC方案,HYCACO。为实现和多盏LED灯同时进行非视距通信,本文提出了一种混合相移键控调制（Hybrid Phase-Shift Keying,HPSK）方案来传输信号,同时还相应地提出一种叠加方波分解（SUperimposed Rect-wave Division,SURD）算法解调信号。通过对卷帘快门效应的深入研究,论证了LCC中拍摄曝光时长和光信号频率之间的对应关系,由此得出了光信号频率和曝光时长的最佳选择策略。同时还提出了一种简单的可以从信号层重建原始光信号的方法,从而提高了LCC系统的鲁棒性。3)针对目前基于LCC的室内定位方案存在信号传输距离短、定位范围小、定位时必须拍摄灯具的缺点,本文利用LCC信道模型提出了一种相机测量光信号接收信号强度（Received Signal Strength,RSS）方法,并在此基础上提出了基于非视距LCC的定位和定向方案,LIPO。由于在非视距LCC中,兴趣区域可以轻松占满图像而不受相机到LED灯距离的限制,所以相较于基于摄影测量的方案,LIPO不仅具有更远的定位距离,而且可以将定向范围从相机的视野扩展到360度。LIPO还设计了一种高占空比的可见光调制方案,使得LED灯经过调制后,亮度几乎没有降低。4)针对LIPO中存在的定位盲区问题,同时为进一步降低系统部署成本,提高用户体验,在LIPO研究成果的基础上,引入相机投影模型,提出了一种轻量级普适可见光定位方案,STARLIT。基于LCC信道模型和相机投影模型,得出针对相机中单个传感器像素的信道模型,提出一种利用智能手机相机创造出一组虚拟传感器来测量光信号RSS的方法。STARLIT利用虚拟传感器阵列测量一盏LED灯的信号强度,得到多个RSS值。最后用最优化算法计算出智能手机的3D位置。STARLIT原型系统实现了只需一盏LED灯的分米级精度的室内定位系统。LCC信道模型的研究不仅有助于提高系统吞吐量,设计新的可见光定位系统,将来还有望运用在可见光感知、入侵检测等研究领域。