光學成像通信研究現狀與展望

韓思齊，侯春寧，賈俊連，遲 楠

(1.復旦大學通信科學與工程系,電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海 200433；2.上海精密計量測試研究所，上海 201100)

引言

VLC使用發光二極管(LED)作為光源。LED 光源具有使用壽命長、節能和安全可靠等優勢。特別是白光 LED，具有更高的調制帶寬，現在已經被大量應用于信號發射、照明、顯示等領域。VLC 是將 LED 照明和無線通信技術結合起來的通信方式，可以作為現有的無線通信的有效補充，應用于射頻敏感、智能家居、智能交通以及水下通信等領域[1-4]。遲楠等[5]提出的一些技術可以支持 VLC 在自由空間中實現超過 10Gbit/s 的傳輸。文獻[6]中提出了基于單封裝 RGBYC LED、采用硬件預均衡的10.72 Gbit/s VLC 系統。然而，隨著智能手機和數碼相機的發展，圖像傳感器的應用越來越普及，相比較傳統的 VLC，直接用相機作為接收端更加簡單，系統的靈活性也得到提高，這一通信方式被稱為光學成像通信(OCC)。OCC 是一種與射頻技術等其他技術不同的新型廉價技術，它可以利用光學域中位于微波和 X 射線波長之間高達10 000 nm 的光譜資源。OCC 技術通過使用圖像傳感器作為接收器，繼承使用 VLC 的相關技術，可以在不修改硬件的前提下實現 OWC?；パa金屬氧化物半導體(CMOS)技術的發展使得相機的像素分辨率和快門速度逐年顯著提高，這為OCC 的發展創造了重要機遇。

1 OCC概述

OCC系統和VLC類似，包括獨立的發射器模塊和接收器模塊。OCC 是使用特殊接收器的VLC，也是VLC更加實用的版本。與基于光電二極管的VLC系統不同，OCC系統使用鏡頭組和彩色圖像傳感器陣列來捕獲一系列圖像幀中的入射光信號。同時，它需要更多的定向傳輸，這可以使用智能設備相機來實現[7]。由于具有這些獨特的特性，OCC能夠通過波長分離和空間投影等方法將多路并行的光信號分開，各種功能都可以輕松地在智能設備中實現。

OCC和VLC的發射端基本相同，都是對二進制數據進行編碼調制后通過 LED 發送，經過自由空間中的光信道傳輸后到達接收端。但與VLC不同的是，OCC的接收端用相機作為接收器，相機中的圖像傳感器接收像素點后， 然后經過像素掃模數轉換器(ADC)和像素解復用后再解調解碼得到最終的數據。如表1所示，在干擾、頻帶寬度和數據速率等方面對 OCC 和 VLC 兩種通信方式進行了對比。

表1 VLC和OCC的優缺點對比

OCC系統的具體設計中也涉及到一些與VLC系統不同的地方，包括接收端圖像傳感器的選擇，調制、解調方式選擇以及同步技術等的選擇。由于采樣的隨機性，在信號發送的任何符號期間攝像機都有可能進行采樣，任何時候都有可能丟失符號。此外，幀采樣的間隔是變化的，它取決于圖像傳感器和光學通道的性能。因此，在OCC中， 發射端和接受端的同步是一項具有挑戰性的工作。由于OCC使用相機作為接收器，因此圖像傳感器的特性會影響通信過程的好壞。在像素曝光的基礎上，相機可以分為兩類，即全局快門類和滾動快門類。全局快門類通常采用電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，滾動快門類的照相機通常采用互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。圖2分別畫出了 OCC 通信過程接收端全局快門模式相機和滾動快門模式相機下圖像傳感器的工作過程。

圖2 全局快門(a)和滾動快門(b)模式下圖像傳感器的工作過程Fig.2 The working process of global shutter(a) and rolling shutter(b)

在全局快門模式下，光電二極管同時收集所有的光，傳感器陣列中所有的像素同時開始和結束曝光。因此，圖像的所有像素同時從傳感器獲得信息，并且具有相同的持續時間。這種模式在移動物體捕獲的曝光和獲得高質量的多媒體文件方面具有優勢，但在 OCC 系統中，從全局快門圖像傳感器的每次曝光中僅能捕獲一個光源狀態，也就意味著通信過程僅編碼一個信息比特，這限制了全局快門模式的數據傳輸速率。

在滾動快門(又叫卷簾快門)模式下，光電二極管不同時收集所有的光，而是由 CMOS 圖像傳感器順序掃描像素，通過逐行或逐列掃描以及一次曝光一行或一列像素來生成圖像，傳感器陣列中每一行或每一列像素開始和結束曝光的時間都不同。在該模式下，從卷簾快門圖像傳感器中獲得的不同的像素線具有不同的光信號強度，也就意味著有多個比特的信息。雖然在目標足夠大且光源變化的足夠快的情況下，會使捕獲的圖像中發生運動模糊，但曝光時間的延遲使得我們可以根據時間來記錄目標的相對結構，這樣在光學成像通信中，就可以將光源的多個切換狀態捕獲在圖像中，從而編碼多個信息比特。因此，相比較全局快門模式，卷簾快門具有較高的數據傳輸速率。

但是在多輸入多輸出(MIMO)的拓撲結構中，全局快門模式的相機在實現和部署方面具有一定的優勢。在捕獲的一張圖像中，可以包含多個獨立的源，我們可以對從這些獨立的源中分離的數據分別進行調制。此外，全局快門中 CCD 傳感器在信號還是電子時就進行累加，這種累加是不會引入噪聲的，而卷簾快門中的 CMOS 傳感器是在像素變成電壓信號后累加，會引入熱噪聲，因此 CCD 的噪聲性能要優于 CMOS。在使用中，可以根據具體需求來選擇適合的圖像傳感器。

2 OCC 調制方式

與傳統的基于光電二極管(PD)的 VLC 系統相比，在 OCC 中采用相機作為接收器。相機中的圖像傳感器是采用的是光電二極管陣列，它收集光的形式與光電二極管類似，因此，VLC 的一些調制技術也適用于 OCC。但相機以圖片或者視頻幀的形式捕獲光信號，因此在傳統的調制方案上我們需要做一些調整會更加適合 OCC 系統。常見的調制方式有通斷鍵控調制(OOK)、頻移 OOK 調制和離散多音頻調制(DMT)等，在此基礎上，有閃爍可變脈沖位置調制(VPPM)、空間 2 相移鍵控(S2-PSK)和脈沖寬度調制(PWM)等先進的調制方式被提出。以下分析了 OCC 中使用的一些調制方式，并將其分為鍵控調制和顏色調制來討論。

1995 年開始，全國交通行業開始注重服務品質。已經到南航湖南分公司的程鳳萍告訴記者，當時湖南分公司打造的芙蓉乘務示范組被評為“全國青年文明號”。

2.1 鍵控調制

數字調制中，主要有三種方式：相移鍵控調制(PSK)、幅移鍵控調制(ASK)和頻移鍵控調制(FSK)，在本文中我們將其統稱為鍵控調制。以下將主要討論OOK調制[8-14]、頻移 OOK 調制，欠采樣頻移 OOK 調制(UFSOOK) 和欠采樣相移 OOK 調制(UPSOOK)。

1)OOK 調制。通斷鍵控調制(OOK)是最基礎的調制方式，也是一種特殊的幅度鍵控調制，它通過單極性不歸零碼序列來將一個幅度取為 0，另一個幅度取為非 0 來控制正弦波的啟閉。為了保證人眼察覺不到數據傳輸過程，LED 打開和關閉的速率應當大于人眼閃爍的最大頻率，通常為100 Hz[7]。因此，在基于 OOK 調制的 OCC 系統中，基帶信號的頻率通常應當高于 100 Hz，同時，為了滿足奈奎斯特采樣定理，不管是在全局快門模式下還是在卷簾快門模式下，相機幀采樣速率都應當高于200幀/s。

如圖3所示，為基于 OOK 調制的 OCC 系統框圖，也是 OCC 系統常見的框圖。在發射端，與 VLC 類似，原始的二進制比特流經過編碼和調制后，驅動 LED，對 LED 進行強度調制，將電信號轉化為光信號。而在接收端， OCC 系統使用圖像傳感器或者相機作為接收器，相機由成像鏡頭，圖像傳感器和讀出電路組成。成像鏡頭將光信號投射到包含多個光電探測器(PD)的圖像傳感器上，來檢測和處理入射光子。通過該處理的信號可以被視為圖像傳感器上的單個像素，每個激活的像素產生與撞擊在其上的光子數量成比例的電壓[8]。同時，每個像素連接到外部電路。最后，外部電路將像素電壓轉換為二進制數據，完成一次光學成像通信過程。

圖3 基于 OOK 調制的 OCC 系統框圖Fig.3 The OCC system based on OOK modulation

2)頻移 OOK 調制、UFSOOK 調制和 UPSOOK 調制。在 OOK 的基礎上，頻移 OOK 調制的概念被提出[15]，我們用“0”位和“1”位分別來表示頻率f1和頻率f2， 如圖4(a)所示。然而，OOK 調制和頻移 OOK 調制的缺點之一是閃爍問題。在 OOK 調制中，相機幀采樣速率應當大于 200 幀/s，但對于大多數相機來說，幀速率只有 30 幀/s，這就要求在 OOK 調制的 OCC 系統中，基帶信號的速率必須低于 15 bits/s，這是低于人眼閃爍速率的，也就意味著可以被人眼察覺到。為了避免閃爍，在相機幀速率較低的情況下，應當將基帶信號調制到較高的頻率，圖4(b)和(c)所示為在 OOK 基礎上兩種改進的方案。

圖4 (a)頻移 OOK 調制；(b)UFSOOK 調制；(c)UPSOOK 調制Fig.4 (a) Frequency shift OOK modulation；(b) UFSOOK modulation；(c) UPSOOK modulation

在文獻[16]中提出了欠采樣頻移 OOK 調制(UFSOOK)，圖4(b)所示是由幀頭(FH)、9 個周期的比特 1 和 8 個周期的比特 0 組成的 UFSOOK 調制的示例。其中，FH 為了支持異步通信所設計的獨特的幀結構[16]。在接收端，相機對可見光信號進行采樣，燈可能處于穩定狀態也就是“開”或“關”，也可能處在“開—關”或“關—開”的閃爍狀態。為了避免閃爍，空間(邏輯 1)和標記(邏輯 0)的頻率均需高于 100 Hz，這里取相機幀速率為 30 幀/s， 空間頻率為 105 Hz，標記頻率為 120 Hz。相機在采樣的位置捕獲連續幀，每個 UFSOOK 符號以 30 Hz 的頻率采樣兩次。如圖4(b)所示，對于邏輯 1，兩次采樣值是不同的，對于邏輯 0，兩次采樣值是相同的。但在 UFSOOK 調制中， 需要通過比較兩個連續的視頻幀是否相同來確定一個比特，并不能有效地利用采樣值。為了提高幀采樣的速率，文獻[18]中給出了一種基于欠采樣鍵控技術的欠采樣相移開關鍵控(UPSOOK)的調制方案，如圖4(c)所示， 一個視頻幀樣本代表一個比特，邏輯 1 和邏輯 0 信號以相同的頻率和幅度傳輸，但具有相反的相位載波。當捕獲到燈處于“開”、“關”或者“幀頭”的狀態時，視頻幀中的指示燈分別對應“完全點亮”、“完全熄滅”和“部分點亮”的狀態。然而由于相機采樣的隨機性，發射端和接收端可能會出現相位誤差，如圖4(c)中的兩幅圖所示，同一個接收信號會有兩個不同的采樣值，不確定接收到的“開”或“關”是代表“1”還是“0”。為了預防這種不確定性，文獻[18]中給出了一種對幀的處理方法，將每個幀設計成由一個起始定界符和由q個 UPSOOK 符號組成的有效載荷構成，這里不贅述。

3)S2-PSK 調制。另一種常見的用于 OCC 的鍵控調制技術是欠采樣和無閃爍空間二進制相移鍵控(S2-PSK)[22]，由于從屏幕發出的光不會像單個 LED 燈那樣影響人眼，因此光學時鐘的速率可以低于相機速率(通常為 30 幀/s)，此外，空間欠采樣還可以解決時間欠采樣中廣泛存在的噪聲偏差問題。圖5(a)所示為基于 S2-PSK 調制的 OCC 系統框圖，在發射端二進制信號經過游程長度壓縮限制編碼(RLL)后，進行信道編碼，再通過 S2-PSK 調制后驅動兩個 LED 光源， 經過可見光傳輸后，接收端的相機接收發射端傳來的光信號，然后對可見光信號進行 S2-PSK 解調，信道解碼和 RLL 解碼后得到最終的數據。圖4(b)所示為兩個 LED 的波形圖，比特為“0”時兩個波形相位相同，為“1”時兩個波形相位相反。對應地，接收端對接收圖像序列中的 LED 進行檢測，如圖4(c)所示，如果兩個 LED 相位相同，則解碼輸出“0”，反之則輸出“1”。

圖5 (a)基于 S2-PSK 調制的 OCC 系統框圖；(b)LED1 和 LED2 波形；(c)接收端檢測解調過程Fig.5 (a) The OCC system based on S2-PSK modulation；(b) waveform of LED1 and LED2;(c) the detection and demodulation at the receiving end

S2-PSK 解調過程如圖6所示，相機采樣過程中，如果兩個 LED 的狀態相同(都處于“開”或“關”)，解調為“0”，狀態相反則解調為“1”，輸出的比特值由異或運算得到?？梢钥吹?，輸出不受采樣時間隨機性和單一 LED 狀態的影響，這種解調方法很好地解決了發射端和接收端之間幀速率不匹配的問題。

由于相機之間是相互分離的，S2-PSK可以完全解調出隨機采樣的圖像，從而可以應用在可變幀率相機上。同時，在車載 OCC中，可以用無閃爍的2-PSK調制技術，能夠有效提升系統的傳輸速率[12]。

2.2 顏色調制

因為攝像機的最終輸出是圖像而不是電壓，所以OCC 在調制方式上需要進行一些調整。一些最近開發的圖像傳感器[20]能夠像光電二極管一樣解碼數據位，但是在大多數情況下，需要圖像處理技術，其中數據位通過像素亮度或色相值進行解碼，這就用到了與顏色有關的調制方法，本文中稱其為顏色調制。以下主要對顏色調制中常用的顏色強度調制(CIM)[23-26]和色移鍵控調制(CSK)[27，28]兩種方法進行分析。

1)CIM-MIMO 調制。白光LED大多由紅光、綠光和藍光(RGB)LED組成，同時智能設備內置相機的圖像傳感器上也都具有 RGB 顏色濾波器陣列。因此，在 OCC 系統中使用 RGB LED 陣列和彩色相機提高系統的傳輸速率。此外，相機中的像素本質上可以看作是高度定向的接收元素陣列，因此可以采用更多的 LED 來最大程度地利用相機的像素陣列，從而可以利用MIMO復用技術在成像時實現更高的吞吐量，繼而提高長距離傳輸空間利用效率。結合以上兩種技術，在 OCC 中提出了 CIM-MIMO 調制方法[23]。圖7(a)所示為基于 CIM-MIMO 調制的 OCC 系統框圖，數據經過串并轉換后分別插入同步序列和訓練序列，然后將這兩種序列通過 CIM 調制到 LED 陣列上，被分集的 LED 陣列復用后傳到接收端，內置相機采用現場可編程門陣列(FPGA)來控制圖像傳感器以連續方式捕獲圖像，像素映射后進行串并轉換和幀同步，最后再經過 CIM 解調出傳遞的數據。

圖7 (a)基于 CIM-MIMO 調制的 OCC 系統框圖；(b)拜耳濾波器原理圖；(c)單色調制和彩色調制對比Fig.7 (a) The OCC system based on CIM-MIMO modulation； (b) the schematic diagram of Bayer filter； (c) comparison of mono-color modulation and color modulation

彩色相機的圖像傳感器中帶有顏色濾波器陣列，最常見的濾波器陣列為拜耳濾波器[29]，如圖7(b)所示，分別有 25%的紅色區域、50%的綠色區域和 25%的藍色區域，分別允許紅色、綠色和藍色的光通過。其中綠色區域是紅色或藍色區域的兩倍，這是因為相比于紅光和藍光，人眼對綠光更加敏感，綠色通道的噪聲更小，因此綠色像素多的圖像噪聲更小。相比較單色調制，彩色調制利用了圖像的像素亮度和色調值等與圖像處理技術相關的參數。如圖7(c)所示，其中數據位可以從接受發射信號的像素(x，y)的亮度或色調值中解碼。由于幀速率是連續脈沖速率的兩倍，兩個幀將表示相同的數據位。但由于 LED 開啟和關閉的轉換，一幀可能表示 LED 的狀態不明(不完全開啟或完全關閉)，因此數據位可以由其他幀的像素亮度決定，這也提高了 OCC 系統的傳輸速率和準確率。

2)CSK-CDMA調制。除了顏色強度調制(CIM)外，色移鍵控調制(CSK)也是一種常見的利用于紅綠藍(RGB)發光二極管(LED)的調制方法。一個RGB LED實際上包含三個相互獨立的發不同顏色光的LED，這三種顏色分別被看作一種單色，在信息傳遞過程中，一種單色對其他單色的解碼解調造成的干擾稱為單色干擾。CSK 可以更改每個 LED 的發光強度來進行調制，從而可以通過提高每個符號的比特率來抵抗單色干擾，同時也提高了系統的吞吐量[30]。而碼分多址(CDMA) 是一種使多個用戶同時訪問網絡的技術[31]，結合這兩種技術，也是一種改進的 OCC 系統調制方式。如圖8所示，對 QAM 映射后的數據進行 CDMA 編碼，產生兩路編碼后的信號，結合這兩路信號進行 CSK 調制，接著驅動 RGB-LED 陣列傳輸，接收端有兩個相機接收CSK 信號，對接收的信號進行像素解復用、CSK 解調以及 CDMA 解碼后得到系統傳輸的數據。

圖8 基于 CSK-CDMA 調制的 OCC 系統框圖Fig.8 The OCC system based on CSK-CDMA modulation

由于在接收端對 RGB 的處理是獨立的，此處以紅色為例進行說明，藍色和綠色也是一樣的過程。每種顏色的顏色深度由 8 位二進制數來表示，因此顏色幅值的范圍為0～255。在發射端，圖9(a)所示為 CSK-CDMA 的調制編碼過程。用戶 1 的顏色[R，G，B]為[40，40，0]，用戶 2 的顏色[R，G，B]為[80，0，40]。用戶 1 的紅色幅度值為 40，通過擴展碼[1，-1，1，-1]擴展后變為[40，-40，40，-40]，同時用戶 2 的紅色幅度值被擴展為[80,80,-80,-80]，可以看到，擴展后的兩個碼彼此正交，將其疊加后增加 130 的偏移量，從而使得顏色幅值在 0～255 的范圍之內。在接收端，圖9(b)所示為 CSK-CDMA 的解調解碼過程，接收到的信號包含兩個用戶的幅值信息，因此兩個用戶的相機都接收相同的信號，首先對接收的信號減去 130 的偏移量，然后將其乘以各自的擴展碼后除以擴展碼的長度，兩個用戶分別得到各自的紅色幅度值，由此完成調制編碼和解調解碼的過程。

圖9 CSK-CDMA 調制解調過程Fig.9 The modulation and demodulation of CSK-CDMA

除了調制方式外，OCC系統性能的好壞還與發射器和接收器的類型有著密不可分的關系，由于OCC系統的接收器為相機的特殊性，可以實現很大范圍的信息傳輸速率。表2中，以調制方式為主，對部分文獻中的實驗數據速率、傳輸距離、圖像傳感器、系統設計以及它們各自的優缺點進行了對比。

表2 OCC 中的調制方式Table 2 The modulation of OCC

3 OCC的發展及局限性

光學成像通信(OCC)采用相機作為接收端的一部分，采用圖像傳感器巧妙地從多個光源接收調制數據，從而實現視線(LOS)鏈路和空間分離，使其可以應用于多種通信場合。OCC具有比VLC更加高的頻帶寬度，并且可以采用相機的變焦功能對其傳輸范圍進行擴展，在一定程度上優于VLC。

然而，OCC系統也存在一定的局限性。OCC的主要挑戰之一是其對接收器(相機)結構的依賴性，由于市售的相機幀速率都較低，大約為30幀/s，這限制了OCC的數據傳輸速率。因此，接收信號的質量和解碼速率都受相機的幀速和曝光時間的影響，這是OCC與其他技術競爭的主要障礙。此外，環境光的干擾是OCC噪聲的主要來源之一，即為閃爍噪聲，它會修改接收像素的亮度，使其在解碼過程中產生錯誤并因此導致信息丟失，而現有的無閃爍調制技術又受到短距離照相機的限制。當相機的視角不斷變化時，會出現透視失真，這是影響OCC性能的另一個問題。

由于相機性能、照明條件、系統因素以及幀速率的多樣性和可變性，基于屏幕-相機鏈接的智能手機的可視通信很難達到完美的幀同步，特別是在單向OCC中，發射端和相機接收端的幀速率之比是不匹配的，除了改進調制方法外，還需要在同步、編碼等技術上不斷研究。隨著智能設備相機幀速率的不斷提高，未來可以將OCC中的圖像傳感技術與VLC結合使用，仍然具有光明的發展前景。

4 總結

光學成像通信(OCC)技術是可見光通信(VLC)的擴展，與基于光電二極管的VLC系統不同，OCC接收器是內相機。本文對OCC進行了概述，首先介紹了OCC的工作原理及其應用場景，然后對其接收端特有的圖像傳感器進行了分析，就分鍵控調制和顏色調制兩個方面介紹了一些應用于OCC中的調制方式，其中鍵控調制包括OOK、頻移OOK、UFSOOK和UPSOOK，顏色調制包括CIM和CSK；還對OCC中的調制方案的速率以及傳輸距離等性能進行了對比。最后，對OCC的發展和局限性進行了展望。雖然OCC的數據傳輸速率還有待提高，但相比較VLC，OCC可以實現更高的定向信道，成本也更低，通過技術進步和持續研究，OCC系統具有巨大的發展潛力。