基于高分辨率圖像傳感器的單幀光學(xué)相機(jī)通信

戴永恒　湯璇

摘要針對光學(xué)相機(jī)通信中存在的圖像傳感器有效像素受限以及多幀通信之間存在的通信不連續(xù)問題，提出利用高分辨率圖像傳感器在單幀圖像中完整接收數(shù)據(jù)包的非視線信道通信方案.非視線信道的方案解決光源造成的blooming效應(yīng)問題，并增加了圖像傳感器上的通信有效像素.同時(shí)，通過高精度的同步算法和多列信號累積，克服非視線信道帶來的大衰減問題.高分辨率圖像傳感器可感知更高速的信號變化，從而有助于同步精度和通信速率的提高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案可實(shí)現(xiàn)15 m距離上的215 kpbs通信速率，單幀內(nèi)數(shù)據(jù)包長度為16 bit，滿足室內(nèi)定位導(dǎo)航、光子標(biāo)記等應(yīng)用需求.關(guān)鍵詞光學(xué)相機(jī)通信；非視線信道；信號同步

中圖分類號O429

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）在照明工程中的廣泛應(yīng)用使得可見光通信（Visible Light Communication，VLC）研究進(jìn)展迅速.隨著智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和監(jiān)控?cái)z像頭的推廣，圖像傳感器也在現(xiàn)代生活中大量普及，記錄和豐富了人們的生活.除圖像和視頻采集功能以外，圖像傳感器也越來越多地被用于VLC.用圖像傳感器作為接收器的VLC被稱作光學(xué)相機(jī)通信（Optical Camera Communication，OCC）.近來，隨著OCC在車聯(lián)網(wǎng)、定位導(dǎo)航、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、近場通信等應(yīng)用領(lǐng)域需求的興起，OCC的研究引起國內(nèi)外研究者的廣泛興趣（包括美國、英國、中國臺灣、日本、韓國等國家和地區(qū)，以及北京郵電大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)）.目前OCC的系統(tǒng)方案主要有3類：單個(gè)LED與相機(jī)間（LEDtoCamera，LED2C）通信[15]、LED陣列與相機(jī)間（LED ArraytoCamera，LEDA2C）通信[68]以及顯示屏與相機(jī)間（ScreentoCamera，S2C）通信[910].其中后兩者采用并行通信的方式，為避免并行信道間的串?dāng)_，通常基于視線（Line of Sight，LOS）信道；前者只有一個(gè)發(fā)射源，可依應(yīng)用場景選擇LOS信道和非視線（NonLine of Sight，NLOS）信道.

單個(gè)LED與相機(jī)間（LED2C）通信可用于室內(nèi)定位導(dǎo)航、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域.在這些場景下，圖像傳感器通常部署在手持的智能移動終端上，如智能手機(jī)、平板電腦等，可同時(shí)完成圖像采集和數(shù)據(jù)處理.LED2C通信可基于LOS信道和NLOS信道.LOS信道衰減較小，可實(shí)現(xiàn)較長的通信距離.但隨著距離的增加，LED燈在圖像傳感器上形成的圖像就越小，通信有效的像素也越少，進(jìn)而限制了通信速率.此外，LOS信道需要對準(zhǔn)高亮度的光源，既不方便使用，也容易造成blooming效應(yīng)[11].NLOS信道衰減較大，但經(jīng)過反射，取得兩大優(yōu)勢.首先，反射擴(kuò)大了光照明的范圍，在遠(yuǎn)距離時(shí)依然可以在圖像傳感器上形成大量通信有效的像素，利于提高通信速率；其次，避免造成圖像傳感器的blooming效應(yīng).以室內(nèi)定位導(dǎo)航為例，如圖1所示，加載信息的LED燈光從天花板到地面（約3 m距離），經(jīng)過地面反射再到智能手機(jī)（約15 m）.隨著天花板到地面距離的增大，光照范圍也將增大，從而有利于增加通信有效的像素.

在OCC中，作為接收機(jī)的相機(jī)可以選用定制相機(jī)[1213]或者貨架產(chǎn)品，如智能手機(jī)和平板電腦等配備的相機(jī)[4，14]. Danakis等[4]采用智能手機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了基于NLOS信道的LED2C通信，在44 cm的距離上速率達(dá)到1 kpbs.Rajagopal等[14]利用智

能手機(jī)和平板電腦演示了多通道的LED2C通信，同時(shí)考慮了LOS信道和NLOS信道.貨架產(chǎn)品具有低成本優(yōu)勢，利于OCC的實(shí)施與推廣，并可進(jìn)一步推動VLC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與成熟，但也具有兩大缺點(diǎn).首先，貨架產(chǎn)品的相機(jī)，優(yōu)化目標(biāo)是圖像采集所需的大動態(tài)范圍而非通信所需的響應(yīng)速度[15]，限制了通信速率提升；其次，操作系統(tǒng)的資源重分配[4]、圖像采集的幀率波動[16]以及幀之間的讀取間隔[5]，造成多幀圖像間的接收中斷.

為了解決NLOS信道的高衰減和貨架產(chǎn)品的低響應(yīng)速度與接收中斷，本文提出了采用高分辨率的卷簾門快門（Rolling Shutter，RS）相機(jī)實(shí)現(xiàn)單幀內(nèi)有效的高速OCC.通過創(chuàng)新的同步算法和多列的累積，提高了接收信號噪聲比（SignaltoNoise Ratio，SNR）.單幀通信在一幀圖像內(nèi)完成信息傳輸，避免了多幀間的接收中斷，確保信息完整有效.高分辨率傳感器支持單幀內(nèi)傳輸了足夠數(shù)據(jù)，滿足室內(nèi)定位導(dǎo)航、光子標(biāo)記等應(yīng)用需求.本文接下來闡述卷簾門快門相機(jī)工作的基本原理、高分辨率單幀OCC方案和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并做出結(jié)論.

1卷簾門快門相機(jī)接收原理

數(shù)碼相機(jī)按快門種類可分為全局快門（Global Shutter，GS）和卷簾門快門（RS）.采用GS相機(jī)的OCC速率受限于相機(jī)的幀率（約30 fps），而RS相機(jī)可以在單幀圖像內(nèi)接收多比特信息，解決了相機(jī)低響應(yīng)速度的問題，極大地提升OCC速率.圖像傳感器分辨率越高，單幀圖像可接收的比特?cái)?shù)越多.隨著圖像傳感器工業(yè)的發(fā)展，某公司的IMX220型圖像傳感器實(shí)現(xiàn)了5 264×3 960的分辨率，并已應(yīng)用到智能手機(jī)終端，比如國內(nèi)某公司的MX系列與國外某公司的XPERIAZ系列.此外，高達(dá)2 400萬像素的OV23850型傳感器也已發(fā)布[17].高分辨?zhèn)鞲衅鞯某霈F(xiàn)與應(yīng)用，可支持更高通信速率和容量的單幀OCC.

RS相機(jī)的接收原理如圖2所示.按照RS相機(jī)的快門原理，圖像傳感器上每列像素的產(chǎn)生包括曝光（持續(xù)時(shí)間te）和數(shù)據(jù)讀出（持續(xù)時(shí)間tr）.數(shù)據(jù)依次讀取，每個(gè)時(shí)刻只能讀取一列.該列讀取完成后，即可開始下次曝光過程.因此，LED發(fā)射的光信號中每波特可被傳感器上多列像素采樣.該采樣方式在累積信號強(qiáng)度的同時(shí)帶來混疊，其特點(diǎn)可深入研究，但不包括在本文中.隨著信息的調(diào)制，LED光明暗變化，相機(jī)則生成具有明暗條紋的圖片.通過對圖片的處理和轉(zhuǎn)化，調(diào)制LED的信息可被解調(diào)出來.從圖2b可以看到，幀之間存在數(shù)據(jù)讀出時(shí)間缺口（持續(xù)時(shí)間tg）.這勢必影響基于多個(gè)連續(xù)幀的OCC，對可將完整數(shù)據(jù)包含在單幀內(nèi)的OCC沒有影響.

2OCC方案與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用NLOS信道的OCC系統(tǒng)包括基于LED的信號發(fā)射機(jī)、反射面以及基于RS相機(jī)的智能手機(jī).光信號采用強(qiáng)度調(diào)制，通過改變驅(qū)動LED的電流實(shí)現(xiàn).同時(shí)為避免信號調(diào)制產(chǎn)生閃爍影響LED的照明功能，發(fā)射機(jī)采用曼切斯特編碼，不會形成長“0”或者長“1”.反射面可選擇具有代表性的漫反射平面，例如報(bào)紙、布面或者墻壁等.智能手機(jī)選擇具有高分辨率相機(jī)的型號，同時(shí)選用開放性較好的Android系統(tǒng)，便于解調(diào)程序在手機(jī)上運(yùn)行.

解調(diào)程序包括6個(gè)主要模塊，如圖3所示.第1個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)RGB圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像，有利于降低需要處理的數(shù)據(jù)量，同時(shí)不丟失通信數(shù)據(jù).而尚未利用的顏色信息，可在未來進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率.第2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)二維的圖像轉(zhuǎn)為一維的信號波形.轉(zhuǎn)化采用將每列像素灰度值求平均的方式.第3個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）.由于LED照明燈具的設(shè)計(jì)，光照度存在不均勻的情況，通常中心位置照度高，邊緣降低，造成信號波形平均功率的急劇變化，嚴(yán)重影響判決閾值的設(shè)定.受限于變化的劇烈程度，傳統(tǒng)跟蹤平均功率的AGC方案難以實(shí)現(xiàn).通過多項(xiàng)式擬合的方式，是更為有效的方法[45].

第4個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)信號的同步，確定通信符號的起始位.與其他系統(tǒng)的起始位判斷不同[4，14]，高分辨率單幀OCC系統(tǒng)要求像素級的同步精度.起始位偏移一個(gè)像素列即可造成信號SNR的顯著降低.在實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析部分，將進(jìn)一步說明此問題.在通信方案中，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系統(tǒng)的同步模塊可以提供高精度的同步效果.參考OFDM的方案，本文采用添加同步訓(xùn)練符號的方法實(shí)現(xiàn)OCC信號序列的同步，如圖4所示.

同步訓(xùn)練符號的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵.高分辨率單幀OCC雖然具有比低分辨率OCC更多的采樣點(diǎn)數(shù)[45]，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)，因此必須使用很短的同步訓(xùn)練符號，以提高有效載荷比率.由于發(fā)射端采用了曼切斯特編碼，因此不可能出現(xiàn)連續(xù)的3個(gè)0.利用此特點(diǎn)，本文選用“0001”作為同步訓(xùn)練符號SYN，并利用以下算法實(shí)現(xiàn)通信符號的同步.

M（i）=P（i）R（i），（1）

P（i）=∑l-1k=0r（i+k）·r（i+k+l），（1）

R（i）=∑l-1k=0r（i+k）·r（i+k），（1）

l=3·1fLED·tr，（1）

其中M（i）是同步指示函數(shù)，當(dāng)M（i）取得最大值時(shí)，為通信符號的起始位，r（i）是信號波形，l是同步符號經(jīng)相機(jī)采樣后的長度，fLED是發(fā)射端的調(diào)制頻率.

M（i）取得最大值時(shí)，R（i）必位于“000”區(qū)域，且由于噪聲的存在，R（i）為一非零極小值.其他區(qū)域由于連續(xù)3位中必存在一個(gè)“1”，因而只有極小概率可產(chǎn)生比此區(qū)域更小的R（i）值.在那樣的情況下，“1”的灰度值已經(jīng)低于“0”的灰度值，即系統(tǒng)噪聲已經(jīng)嚴(yán)重到無法實(shí)現(xiàn)通信.

實(shí)現(xiàn)同步后，如前所述，LED發(fā)射的光信號中每波特可被傳感器上多列像素采樣，通過累加多列的像素灰度值可以提高信號能量，即提升NLOS信道中微弱信號下的SNR.

第5個(gè)模塊通過確定光信號每波特被采樣后形成的像素列數(shù)，將各列灰度值累加得到每個(gè)波特最終的灰度值.每波特被采樣后形成的像素列數(shù)可由兩個(gè)同步訓(xùn)練符號SYN之間的像素列數(shù)除以圖4中載荷的波特?cái)?shù)求得.第6個(gè)模塊取灰度值的平均值作為判決閾值，得出“1/0”判決后，通過曼切斯特解碼解調(diào)出LED發(fā)射的數(shù)據(jù).

為分析OCC方案的性能，本文利用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).系統(tǒng)包括LED驅(qū)動電路、LED燈、反射面和智能手機(jī).LED驅(qū)動電路采用芯片NU511設(shè)計(jì)，時(shí)鐘頻率為10 kHz.發(fā)送數(shù)據(jù)通過便攜式計(jì)算機(jī)加載到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用驅(qū)動電流脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的方式實(shí)現(xiàn)LED光強(qiáng)度的控制.PWM調(diào)制既可實(shí)現(xiàn)照明光的調(diào)節(jié)，也可以通過改變占空比控制照明光的直流成分，抑制可能出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象.LED燈由7個(gè)LED燈珠組成，總功率為7 W.反射面選用普通的打印紙.智能手機(jī)選擇配備IMX220型圖像傳感器的MX4手機(jī)，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定如表1所示.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，LED發(fā)送的數(shù)據(jù)包是16位“0111101111101010”.經(jīng)過曼切斯特編碼和添加同步訓(xùn)練符號，數(shù)據(jù)包長度增加到36位“000101101010100110101010100110011001”.可以看到，數(shù)據(jù)包中只有SYN符號出現(xiàn)了3個(gè)連續(xù)的“0”.數(shù)據(jù)包循環(huán)發(fā)送，無閃爍現(xiàn)象出現(xiàn)，不影響LED的照明功能.LED燈到反射面的距離di設(shè)定為1 m，反射面到智能手機(jī)的距離dr設(shè)定為05 m.使用HCJYET的HT1300型照度儀，測量反射面處的光照度和智能手機(jī)處的光照度分別為200和30 lux.根據(jù)ISENA的規(guī)定[18]，200 lux是室內(nèi)閱讀環(huán)境推薦的照度，具有典型性，這也是距離di選定為1 m的原因.為了探測弱光信號，相機(jī)的ISO設(shè)定為1 600.圖像傳感器分辨率設(shè)定為2 624×1 968，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他OCC通信所使用的傳感器分辨率[45].

高分辨率圖像傳感器采集的單幀圖像如圖6a所示.經(jīng)過解調(diào)程序的第1和第2模塊轉(zhuǎn)換，得到接收信號波形，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1 968，與圖像傳感器列數(shù)一致.

從圖6c可以看到，信號的平均功率波動劇烈，需要AGC模塊完成功率變化的跟蹤.如前所述，通過二階的多項(xiàng)式擬合[45]，如圖7所示，可以看到，在波形的大部分區(qū)域，二階多項(xiàng)式擬合性能良好，但是在信號很弱的末端，二階多項(xiàng)式擬合效果較差，需要進(jìn)一步優(yōu)化.為規(guī)避此問題，本文使用了較短的數(shù)據(jù)包，即在平坦區(qū)域已經(jīng)可以包含完整的數(shù)據(jù)包，不影響后續(xù)的解調(diào)程序.

經(jīng)過AGC后，同步模塊計(jì)算同步指示函數(shù)，函數(shù)波形如圖8所示.圖8中插圖顯示峰值處沒有平臺區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)精確的同步.由于發(fā)射端LED與接收端智能手機(jī)完全沒有時(shí)鐘信號關(guān)聯(lián)，因此每波特對應(yīng)的像素列數(shù)不能預(yù)先設(shè)定，必須根據(jù)同步指示函數(shù)計(jì)算.在同步指示函數(shù)波形中，2個(gè)峰值點(diǎn)之間的像素列數(shù)計(jì)算為427列.因此，每波特對應(yīng)的像素列數(shù)為436/36≈1211列.像素列數(shù)總數(shù)為1 968，即對應(yīng)163個(gè)波特.同時(shí)，數(shù)據(jù)包長度為36，單幀圖像內(nèi)將包含約45個(gè)完整數(shù)據(jù)包，即可以包含4～5個(gè)SYN同步訓(xùn)練符號.圖8中的同步指示函數(shù)出現(xiàn)了5個(gè)峰值，即有5個(gè)SYN同步訓(xùn)練符號出現(xiàn)在單幀圖像中，符合計(jì)算結(jié)果.

根據(jù)同步指示函數(shù)給出的信息，從起始位開始，每12列像素的灰度值累加得到發(fā)射信號每個(gè)波特的灰度值.注意到，每波特對應(yīng)的像素列數(shù)準(zhǔn)確值為1211列，因此每9個(gè)波特即需調(diào)整一次，跳過一個(gè)像素列，將累積的099列誤差清除.本文選擇第二個(gè)數(shù)據(jù)包起始位，經(jīng)過多列求和提高信號強(qiáng)度的結(jié)果如圖9所示.在圖9b看到，根據(jù)判決閾值與1和0的灰度值，可以零錯(cuò)誤地恢復(fù)LED發(fā)射的數(shù)據(jù)為“000101101010100110101010100110011001”.在高分辨率單幀OCC中，難以在有限的數(shù)據(jù)包中增加糾錯(cuò)編碼，因此通過提高信號強(qiáng)度，保證數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤地恢復(fù)是較好的選擇.

由于智能手機(jī)完成16 bit數(shù)據(jù)包的接收所需時(shí)間約為436列像素?cái)?shù)據(jù)讀出時(shí)間，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始s為43 kpbs.考慮到LED與智能手機(jī)間的不同步，數(shù)據(jù)包必須重復(fù)發(fā)射2次才能保證在任意時(shí)刻，相機(jī)都可以捕獲到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，因此凈數(shù)據(jù)傳輸速率為215 kpbs.在215 kpbs的速率下，單幀內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最長可達(dá)36 bit，可充分滿足室內(nèi)定位導(dǎo)航[14]、光子標(biāo)記等應(yīng)用需求.本方案中的通信速率與通信距離與其他NLOS信道OCC方案相比[4，14]，都有較大提升.

為說明像素級同步精度在高分辨率單幀OCC中的重要性，我們比較了不同同步偏差情況下信號的恢復(fù)情況，如圖10所示.可以看到，當(dāng)偏移量達(dá)到4個(gè)像素列以后，信號劣化已經(jīng)非常嚴(yán)重，產(chǎn)生數(shù)據(jù)恢復(fù)錯(cuò)誤.

4結(jié)束語

針對光學(xué)相機(jī)通信中存在的圖像傳感器有效像素受限以及多幀通信之間存在的通信不連續(xù)問題，本文提出利用卷簾門快門的高分辨率圖像傳感器在單幀圖像中完整接收數(shù)據(jù)包的非視線信道通信方案.實(shí)驗(yàn)表明，該方案可以在15 m的非視線信道上實(shí)現(xiàn)215 kpbs的光學(xué)相機(jī)通信，單幀內(nèi)實(shí)現(xiàn)接收16 bit的數(shù)據(jù)包，并可提升至36 bit，滿足室內(nèi)定位導(dǎo)航、光子標(biāo)記、LEDID等多種應(yīng)用需求.未來，通過進(jìn)一步研究卷簾門快門相機(jī)的采樣特性、改進(jìn)自動增益控制算法、利用顏色特性等，高分辨率單幀NLOSOCC可以實(shí)現(xiàn)更高的通信速率和接收更大的數(shù)據(jù)包.

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AbstractIn order to increase the effective area of image sensor and to avoid the interruption of communications in optical camera communications （OCC），a novel nonlineofsight （NLOS） OCC scheme is proposed，which uses a highresolution image sensor to receive completely a data packet within a single frame.The NLOS channel profits the mitigation of the blooming effect from the optical source，and also the increment of effective area of an image sensor for communications.Furthermore，the highaccuracy synchronization scheme has been adopted for the integration of multiple pixel columns to mitigate the signal loss in an NLOS channel.Highresolution image sensor has been applied for fast signal variation，as well as the increment of both synchronization accuracy and the data rate.The performances of OCC system with the data rate of 215 kpbs and a link range of 15 m has been verified experimentally.It has shown that a data packet of 16 bits could be reliably received within a single frame，which is applicable for indoor positioning and navigation，photonics labeling，and so on.

Key wordsoptical camera communication；nonline of sight channel；synchronization