স্ক্রিন-টু-ক্যামেরা ভিত্তিক অপটিক্যাল ক্যামেরা কমিউনিকেশনে চ্যানেল ক্যারেক্টারাইজেশন

1. ভূমিকা

দৃশ্যমান আলো যোগাযোগ (ভিএলসি) ওয়্যারলেস ডেটা ট্রান্সমিশনের জন্য লাইট-এমিটিং ডায়োড (এলইডি) ব্যবহার করে। এই গবেষণাপত্র একটি নির্দিষ্ট উপসেটের উপর ফোকাস করে: স্মার্টফোন স্ক্রিনকে ট্রান্সমিটার এবং ক্যামেরাকে রিসিভার হিসেবে ব্যবহার করে অপটিক্যাল ক্যামেরা কমিউনিকেশন (ওসিসি), যা স্মার্টফোন-টু-স্মার্টফোন ভিএলসি (এসটুএসভিএলসি) নামে পরিচিত। এই গবেষণা ২০ সেমি লিঙ্কের উপর একটি এসটুএসভিএলসি সিস্টেম পরীক্ষামূলকভাবে প্রদর্শন করে, যার মূল উদ্দেশ্য হলো যোগাযোগ চ্যানেলের বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ এবং স্মার্টফোন স্ক্রিনের ল্যাম্বার্টিয়ান নির্গমন বৈশিষ্ট্য বিশ্লেষণ করা।

প্রেরণা এসেছে স্মার্টফোনের সর্বব্যাপীতা এবং নিরাপদ, নৈকট্যভিত্তিক ডিভাইস-টু-ডিভাইস যোগাযোগের প্রয়োজনীয়তা থেকে, যা নির্দিষ্ট ব্যবহারের ক্ষেত্রে এনএফসি বা ব্লুটুথের মতো আরএফ-ভিত্তিক প্রযুক্তির একটি বিকল্প হিসেবে কাজ করে।

2. সিস্টেম ডিজাইন

এসটুএসভিএলসি সিস্টেমের স্কিমাটিক একটি সরল কিন্তু কার্যকর ডিজাইন জড়িত:

• ট্রান্সমিটার (টিএক্স): ডেটা (টেক্সট/মিডিয়া) একটি বাইনারি স্ট্রিমে রূপান্তরিত হয়। এই স্ট্রিমটি একটি ইমেজে এনকোড করা হয় যেখানে বিটগুলি পিক্সেলের তীব্রতা মডুলেট করে—সাধারণত '১' এর জন্য সাদা পিক্সেল এবং '০' এর জন্য কালো পিক্সেল। এই ইমেজটি স্মার্টফোন স্ক্রিনে প্রদর্শিত হয়।
• রিসিভার (আরএক্স): স্মার্টফোনের রিয়ার ক্যামেরা স্ক্রিনের ইমেজ ক্যাপচার করে। একটি ইমেজ প্রসেসিং অ্যালগরিদম পিক্সেলের তীব্রতাকে আবার বাইনারি ডেটা স্ট্রিমে ডিকোড করে।

এই ডিজাইন বিদ্যমান হার্ডওয়্যারের সুবিধা নেয়, বিশেষায়িত উপাদানের প্রয়োজনীয়তা এড়িয়ে চলে, যা ব্যবহারিক মোতায়েনের জন্য একটি মূল সুবিধা।

3. চ্যানেল ক্যারেক্টারাইজেশন ও ল্যাম্বার্টিয়ান অর্ডার

গবেষণার একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ হলো অপটিক্যাল চ্যানেল মডেলিং। স্মার্টফোন স্ক্রিন একটি নিখুঁত ল্যাম্বার্টিয়ান উৎস নয় (যা সব দিকে সমানভাবে আলো বিকিরণ করে)। এর নির্গমন একটি সাধারণীকৃত ল্যাম্বার্টিয়ান প্যাটার্ন অনুসরণ করে যার একটি অর্ডার n রয়েছে। চ্যানেলের ডিসি গেইন, H(0), যা প্রাপ্ত অপটিক্যাল পাওয়ার নির্ধারণ করে, নিম্নরূপ মডেল করা হয়েছে:

$H(0) = \frac{(n+1)A}{2\pi d^2} \cos^n(\phi) \cos(\psi)$

যেখানে A হলো ডিটেক্টর এলাকা, d হলো দূরত্ব, \phi হলো বিকিরণ কোণ, এবং \psi হলো আপতন কোণ। গবেষণাপত্রের পরীক্ষার লক্ষ্য হলো পরীক্ষার শর্তাবলীর অধীনে নির্দিষ্ট স্মার্টফোন স্ক্রিনের জন্য n এর অভিজ্ঞতামূলক মান নির্ধারণ করা, যা সঠিক লিঙ্ক বাজেট গণনা এবং সিস্টেম পারফরম্যান্স পূর্বাভাসের জন্য মৌলিক।

4. পরীক্ষামূলক সেটআপ ও ফলাফল

পরীক্ষাটি ২০ সেমি দূরত্বে একটি পয়েন্ট-টু-পয়েন্ট লিঙ্ক স্থাপন করে। ট্রান্সমিটিং স্মার্টফোন একটি পরিচিত টেস্ট প্যাটার্ন প্রদর্শন করে। একটি নির্দিষ্ট অ্যালাইনমেন্টে স্থির করা রিসিভিং ক্যামেরা ইমেজ ক্যাপচার করে। বিভিন্ন কোণ বা দূরত্বে প্রাপ্ত পিক্সেল তীব্রতা বিশ্লেষণ করে ল্যাম্বার্টিয়ান অর্ডার n নির্ধারণ করা হয়।

মূল ফলাফল ও চার্ট বর্ণনা: যদিও প্রদত্ত অংশে নির্দিষ্ট সংখ্যাগত ফলাফল বিস্তারিতভাবে দেওয়া নেই, পদ্ধতিটি ইঙ্গিত দেয় যে ফলাফল সাধারণত দুটি রূপে উপস্থাপিত হবে:

1. ল্যাম্বার্টিয়ান অর্ডার প্লট: একটি গ্রাফ যা প্রাপ্ত অপটিক্যাল পাওয়ার (বা স্বাভাবিককৃত পিক্সেল তীব্রতা) বনাম নির্গমন কোণ (\phi) প্লট করে। ডেটা পয়েন্টগুলিকে একটি $\cos^n(\phi)$ কার্ভের সাথে ফিট করা হয়। n এর সেরা-ফিট মান (যেমন, n=1.8, 2.5) স্ক্রিনের দিকনির্দেশকতা পরিমাপ করে—একটি নিম্ন n একটি বিস্তৃত বিম নির্দেশ করে।
2. বিট এরর রেট (বিইআর) বনাম দূরত্ব/সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও (এসএনআর): একটি মূল পারফরম্যান্স মেট্রিক। একটি চার্ট দেখাবে কিভাবে দূরত্ব বৃদ্ধি বা এসএনআর হ্রাস পাওয়ার সাথে সাথে বিইআর বৃদ্ধি পায়। যে বিন্দুতে বিইআর একটি থ্রেশহোল্ড অতিক্রম করে (যেমন, $10^{-3}$) তা পরীক্ষিত মডুলেশন স্কিমের অধীনে লিঙ্কের ব্যবহারিক কার্যকরী সীমা নির্ধারণ করে (যেমন, সাদা/কালো পিক্সেলের মাধ্যমে অন-অফ কীং)।

২০ সেমি লিঙ্ক স্প্যান ইঙ্গিত দেয় যে গবেষণাটি নিয়ার-ফিল্ড, উচ্চ-এসএনআর শর্তাবলীর উপর ফোকাস করেছে, সম্ভবত খুব কম বিইআর অর্জন করেছে, যা মৌলিক সম্ভাব্যতা যাচাই করে।

5. মূল অন্তর্দৃষ্টি ও বিশ্লেষণ

6. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক মডেল

মূল প্রযুক্তিগত অবদান হলো একটি স্ক্রিন উৎসের জন্য আদর্শ ভিএলসি চ্যানেল মডেলের অভিযোজন। প্রাপ্ত শক্তি P_r নিম্নরূপ দেওয়া হয়েছে:

$P_r = P_t \cdot H(0) = P_t \cdot \frac{(n+1)A}{2\pi d^2} \cos^n(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$

যেখানে:

• $P_t$: স্ক্রিন এলাকা থেকে প্রেরিত অপটিক্যাল পাওয়ার।
• $T_s(\psi)$: অপটিক্যাল ফিল্টারের গেইন (যদি থাকে)।
• $g(\psi)$: অপটিক্যাল কনসেন্ট্রেটরের (লেন্স) গেইন।
• একটি ক্যামেরার জন্য, $A$ পিক্সেলের আকার এবং স্ক্রিনের ইমেজ করা এলাকার সাথে সম্পর্কিত।

রিসিভারে সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও (এসএনআর), যা বিইআর-এর জন্য গুরুত্বপূর্ণ, তা হলো:

$SNR = \frac{(R P_r)^2}{\sigma_{total}^2}$

যেখানে $R$ হলো ফটোডিটেক্টর রেসপনসিভিটি (একটি ক্যামেরার জন্য, এটি পিক্সেলের কোয়ান্টাম দক্ষতা এবং রূপান্তর গেইন জড়িত), এবং $\sigma_{total}^2$ হলো মোট নয়েজ ভ্যারিয়েন্স, যার মধ্যে শট নয়েজ এবং ক্যামেরার সেন্সর রিডআউট সার্কিটরি থেকে তাপীয় নয়েজ অন্তর্ভুক্ত।

7. বিশ্লেষণ কাঠামো: একটি কেস স্টাডি

পরিস্থিতি: নৈকট্যভিত্তিক পেমেন্ট প্রমাণীকরণ
কল্পনা করুন একটি কফি শপ যেখানে আপনার ফোন স্ক্রিন (একটি গতিশীল, এনকোডেড প্যাটার্ন প্রদর্শন করছে) মার্চেন্টের ট্যাবলেট ক্যামেরার কাছে ধরে রাখার মাধ্যমে পেমেন্ট অনুমোদিত হয়।

কাঠামোর প্রয়োগ:

1. চ্যানেল মডেলিং: প্রাপ্ত ল্যাম্বার্টিয়ান n এবং চ্যানেল মডেল ব্যবহার করে গ্রাহকের স্ক্রিনে ন্যূনতম প্রয়োজনীয় পিক্সেল উজ্জ্বলতা এবং কনট্রাস্ট রেশিও গণনা করুন যাতে একটি সাধারণ ১০-৩০ সেমি দূরত্বে, এমনকি পরিবেষ্টিত দোকানের আলোর নিচেও, মার্চেন্টের ক্যামেরা একটি ডিকোডযোগ্য সিগন্যাল পায়।
2. নিরাপত্তা বিশ্লেষণ: আলোর স্থানিক সীমাবদ্ধতা ($\cos^n(\phi)$ দ্বারা মডেল করা) একটি সম্পদ। ১ মিটার দূরে এবং ৪৫ ডিগ্রি অক্ষ-বহির্ভূত অবস্থানে রাখা একটি ইভসড্রপারের ক্যামেরা একটি সিগন্যাল পাবে যা $\cos^n(45^\circ)/ (d_{eve}/d_{legit})^2$ ফ্যাক্টর দ্বারা দুর্বল হয়ে যায়। n=2 এবং দূরত্ব ০.২মি (বৈধ) বনাম ১মি (ইভ) এর জন্য, ইভসড্রপারের সিগন্যাল শক্তি বৈধ সিগন্যালের প্রায় ১/৫০ ভাগ, যা অন্তর্নিহিত ফিজিক্যাল-লেয়ার নিরাপত্তা প্রদান করে।
3. পারফরম্যান্স ট্রেড-অফ: পরিবেষ্টিত আলোর নয়েজ মোকাবেলা করার জন্য, সিস্টেমটি রিসিভিং ক্যামেরায় দীর্ঘ এক্সপোজার সময় ব্যবহার করতে পারে, যা কার্যকর ডেটা রেট হ্রাস করে কিন্তু নির্ভরযোগ্যতা বৃদ্ধি করে। এই ট্রেড-অফ উপরের এসএনআর এবং বিইআর মডেল ব্যবহার করে পরিমাপ করা যেতে পারে।

8. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা

এসটুএসভিএলসির ভবিষ্যত ওয়াইফাইকে ছাড়িয়ে যাওয়ার মধ্যে নয়, বরং নতুন অ্যাপ্লিকেশন সক্ষম করার মধ্যে নিহিত:

• অতি-নিরাপদ নৈকট্যভিত্তিক পেয়ারিং: আইওটি ডিভাইস অনবোর্ডিং বা আর্থিক লেনদেনের জন্য, যেখানে সংক্ষিপ্ত, দিকনির্দেশক লিঙ্ক একটি নিরাপত্তা বৈশিষ্ট্য।
• ইনডোর লোকালাইজেশন ও নেভিগেশন: স্মার্টফোন ক্যামেরা সিলিং এলইডি বা সাইনেজ থেকে কোডেড আলো পড়ে সেন্টিমিটার-সঠিক অবস্থান নির্ধারণের জন্য, একটি ক্ষেত্র যা ইউনিভার্সিটি অফ এডিনবার্গের লিফাই গবেষণা ও উন্নয়ন কেন্দ্র এর মতো দলগুলি দ্বারা ব্যাপকভাবে গবেষণা করা হয়।
• অগমেন্টেড রিয়ালিটি (এআর) বিষয়বস্তু ট্রিগারিং: জাদুঘর বা খুচরা প্রদর্শনীতে স্ক্রিনগুলি অদৃশ্য ডেটা প্যাটার্ন নির্গত করে (সামান্য রঙ মডুলেশনের মাধ্যমে) যা এআর চশমা বা ফোন ক্যামেরা ডিজিটাল বিষয়বস্তু ওভারলে করার জন্য ডিকোড করে।
• ভবিষ্যত গবেষণা দিকনির্দেশনা:
  • ওওকের বাইরে: স্ক্রিনের আরজিবি সাব-পিক্সেল ব্যবহার করে উচ্চ-ক্রমের মডুলেশন (যেমন, কালার-শিফ্ট কীং) বাস্তবায়ন করে ডেটা রেট বৃদ্ধি করা, যেমন সাহিত্য পর্যালোচনায় ইঙ্গিত দেওয়া হয়েছে।
  • মিমো কৌশল: একাধিক স্ক্রিন অঞ্চল এবং ক্যামেরা পিক্সেলকে সমান্তরাল চ্যানেল হিসেবে ব্যবহার করা, উল্লিখিত "ভিজুয়াল মিমো" ধারণার অনুরূপ।
  • শক্তিশালী প্রোটোকল: স্ক্রিন ফ্লিকার রেট, কোডিং স্কিম এবং সিঙ্ক্রোনাইজেশনের জন্য মানদণ্ড বিকাশ করা যা মানুষের জন্য অলক্ষিত এবং ক্যামেরা রোলিং শাটার প্রভাবের প্রতি সহনশীল।

9. তথ্যসূত্র

1. Yokar, V. N., Le-Minh, H., Ghassemlooy, Z., & Woo, W. L. (Year). Channel characterization in screen-to-camera based optical camera communication. Conference/Journal Name.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi?. Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
4. MIT Media Lab. (n.d.). Optical Communications. Retrieved from https://www.media.mit.edu/projects/optical-communications/overview/
5. University of Edinburgh. (n.d.). LiFi Research and Development Centre. Retrieved from https://www.lifi.eng.ed.ac.uk/
6. Song, L., & Mittal, P. (2021). Inaudible Voice Commands: The Long-Range Attack and Defense. In 30th USENIX Security Symposium (USENIX Security 21).
7. Research cited in the PDF regarding barcode/color-based S2SVLC [5-9].