स्क्रीन-से-कैमरा आधारित ऑप्टिकल कैमरा संचार में चैनल विशेषता विश्लेषण

1. परिचय

दृश्य प्रकाश संचार (वीएलसी) वायरलेस डेटा संचरण के लिए प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) का उपयोग करता है। यह शोध पत्र एक विशिष्ट उपसमुच्चय पर केंद्रित है: ऑप्टिकल कैमरा संचार (ओसीसी) जो स्मार्टफोन स्क्रीन को ट्रांसमीटर और कैमरों को रिसीवर के रूप में उपयोग करता है, जिसे स्मार्टफोन-से-स्मार्टफोन वीएलसी (एस2एसवीएलसी) के रूप में जाना जाता है। यह शोध 20 सेमी लिंक पर एक एस2एसवीएलसी प्रणाली का प्रायोगिक प्रदर्शन करता है, जिसका मुख्य उद्देश्य संचार चैनल की विशेषता बताना और स्मार्टफोन स्क्रीन के लैम्बर्टियन उत्सर्जन गुणों का विश्लेषण करना है।

इसकी प्रेरणा स्मार्टफोन की सर्वव्यापकता और सुरक्षित, निकटता-आधारित डिवाइस-से-डिवाइस संचार की आवश्यकता से उत्पन्न होती है, जो विशिष्ट उपयोग के मामलों के लिए एनएफसी या ब्लूटूथ जैसी आरएफ-आधारित तकनीकों का एक विकल्प प्रदान करती है।

2. प्रणाली डिज़ाइन

एस2एसवीएलसी प्रणाली का योजनाबद्ध डिज़ाइन सीधा परंतु प्रभावी है:

• ट्रांसमीटर (टीएक्स): डेटा (टेक्स्ट/मीडिया) को एक बाइनरी स्ट्रीम में परिवर्तित किया जाता है। यह स्ट्रीम एक छवि में एन्कोड की जाती है जहाँ बिट्स पिक्सेल तीव्रता को मॉड्युलेट करते हैं—आमतौर पर '1' के लिए सफेद पिक्सेल और '0' के लिए काले पिक्सेल। यह छवि स्मार्टफोन स्क्रीन पर प्रदर्शित की जाती है।
• रिसीवर (आरएक्स): स्मार्टफोन का रियर कैमरा स्क्रीन छवि को कैप्चर करता है। एक छवि प्रसंस्करण एल्गोरिदम पिक्सेल तीव्रता को वापस बाइनरी डेटा स्ट्रीम में डिकोड करता है।

यह डिज़ाइन मौजूदा हार्डवेयर का लाभ उठाता है, विशेष घटकों की आवश्यकता से बचता है, जो व्यावहारिक तैनाती के लिए एक प्रमुख लाभ है।

3. चैनल विशेषता एवं लैम्बर्टियन ऑर्डर

अध्ययन का एक महत्वपूर्ण भाग ऑप्टिकल चैनल का मॉडलिंग करना है। स्मार्टफोन स्क्रीन एक आदर्श लैम्बर्टियन स्रोत (जो सभी दिशाओं में समान रूप से प्रकाश उत्सर्जित करता है) नहीं है। इसका उत्सर्जन एक क्रम n के साथ सामान्यीकृत लैम्बर्टियन पैटर्न का अनुसरण करता है। चैनल का डीसी लाभ, H(0), जो प्राप्त ऑप्टिकल शक्ति निर्धारित करता है, इस प्रकार मॉडल किया गया है:

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

जहाँ A डिटेक्टर क्षेत्र है, d दूरी है, \phi विकिरण कोण है, और \psi आपतन कोण है। पेपर का प्रयोग परीक्षण स्थितियों के तहत विशिष्ट स्मार्टफोन स्क्रीन के लिए n का प्रायोगिक मान निर्धारित करने का लक्ष्य रखता है, जो सटीक लिंक बजट गणना और प्रणाली प्रदर्शन पूर्वानुमान के लिए मौलिक है।

4. प्रायोगिक सेटअप एवं परिणाम

प्रयोग 20 सेमी पर एक बिंदु-से-बिंदु लिंक स्थापित करता है। ट्रांसमिटिंग स्मार्टफोन एक ज्ञात परीक्षण पैटर्न प्रदर्शित करता है। रिसीविंग कैमरा, एक विशिष्ट संरेखण पर स्थिर, छवियों को कैप्चर करता है। विभिन्न कोणों या दूरियों पर प्राप्त पिक्सेल तीव्रता का विश्लेषण करके, लैम्बर्टियन ऑर्डर n प्राप्त किया जाता है।

प्रमुख परिणाम एवं चार्ट विवरण: हालांकि प्रदत्त अंश में विशिष्ट संख्यात्मक परिणाम विस्तृत नहीं हैं, पद्धति से संकेत मिलता है कि परिणाम आमतौर पर दो रूपों में प्रस्तुत किए जाएंगे:

1. लैम्बर्टियन ऑर्डर प्लॉट: एक ग्राफ जो प्राप्त ऑप्टिकल शक्ति (या सामान्यीकृत पिक्सेल तीव्रता) को उत्सर्जन कोण (\phi) के विरुद्ध प्लॉट करता है। डेटा बिंदुओं को एक $\cos^n(\phi)$ वक्र के साथ फिट किया जाता है। n का सर्वोत्तम-फिट मान (जैसे, n=1.8, 2.5) स्क्रीन की दिशात्मकता को मात्रात्मक रूप से व्यक्त करता है—एक निम्न n व्यापक बीम को इंगित करता है।
2. बिट एरर रेट (बीईआर) बनाम दूरी/सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (एसएनआर): एक मुख्य प्रदर्शन मीट्रिक। एक चार्ट दिखाएगा कि बीईआर दूरी बढ़ने या एसएनआर घटने के साथ बढ़ता है। वह बिंदु जहाँ बीईआर एक सीमा (जैसे, $10^{-3}$) को पार करता है, परीक्षित मॉड्यूलेशन योजना (जैसे, सफेद/काले पिक्सेल के माध्यम से ऑन-ऑफ कीइंग) के तहत लिंक की व्यावहारिक संचालन सीमा को परिभाषित करता है।

20 सेमी लिंक स्पैन संकेत देता है कि अध्ययन निकट-क्षेत्र, उच्च-एसएनआर स्थितियों पर केंद्रित था, संभवतः बहुत कम बीईआर प्राप्त करते हुए, मूल व्यवहार्यता को मान्य करता है।

5. प्रमुख अंतर्दृष्टि एवं विश्लेषण

6. तकनीकी विवरण एवं गणितीय मॉडल

मुख्य तकनीकी योगदान स्क्रीन स्रोत के लिए मानक वीएलसी चैनल मॉडल का अनुकूलन है। प्राप्त शक्ति P_r इस प्रकार दी गई है:

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

जहाँ:

• $P_t$: स्क्रीन क्षेत्र से प्रेषित ऑप्टिकल शक्ति।
• $T_s(\psi)$: ऑप्टिकल फिल्टर का लाभ (यदि कोई हो)।
• $g(\psi)$: ऑप्टिकल कंसेंट्रेटर (लेंस) का लाभ।
• कैमरे के लिए, $A$ पिक्सेल आकार और स्क्रीन के इमेज क्षेत्र से संबंधित है।

रिसीवर पर सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (एसएनआर), जो बीईआर के लिए महत्वपूर्ण है, है:

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

जहाँ $R$ फोटोडिटेक्टर प्रतिसादशीलता है (कैमरे के लिए, इसमें पिक्सेल की क्वांटम दक्षता और रूपांतरण लाभ शामिल है), और $\sigma_{total}^2$ कुल शोर विचरण है, जिसमें शॉट नॉइज़ और कैमरे के सेंसर रीडआउट सर्किटरी से थर्मल नॉइज़ शामिल हैं।

7. विश्लेषण ढांचा: एक केस स्टडी

परिदृश्य: निकटता-आधारित भुगतान प्रमाणीकरण
एक कॉफी शॉप की कल्पना करें जहाँ भुगतान आपके फोन स्क्रीन (एक गतिशील, एन्कोडेड पैटर्न प्रदर्शित करते हुए) को व्यापारी के टैबलेट कैमरे के पास रखकर अधिकृत किया जाता है।

ढांचा अनुप्रयोग:

1. चैनल मॉडलिंग: व्युत्पन्न लैम्बर्टियन n और चैनल मॉडल का उपयोग ग्राहक की स्क्रीन पर न्यूनतम आवश्यक पिक्सेल चमक और कंट्रास्ट अनुपात की गणना करने के लिए करें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि व्यापारी का कैमरा एक सामान्य 10-30 सेमी दूरी पर, यहाँ तक कि परिवेश की दुकान रोशनी में भी, एक डिकोड करने योग्य सिग्नल प्राप्त करता है।
2. सुरक्षा विश्लेषण: प्रकाश का स्थानिक सीमन (जो $\cos^n(\phi)$ द्वारा मॉडल किया गया है) एक संपत्ति है। 1 मीटर दूर और 45 डिग्री ऑफ-एक्सिस पर रखा गया एक ईव्सड्रॉपर का कैमरा एक सिग्नल प्राप्त करेगा जो $\cos^n(45^\circ)/ (d_{eve}/d_{legit})^2$ के कारक से क्षीण हो गया है। n=2 और 0.2m (वैध) बनाम 1m (ईव) की दूरियों के लिए, ईव्सड्रॉपर का सिग्नल ताकत में ~1/50वाँ है, जो अंतर्निहित भौतिक-परत सुरक्षा प्रदान करता है।
3. प्रदर्शन ट्रेड-ऑफ: परिवेश के प्रकाश से शोर का मुकाबला करने के लिए, प्रणाली रिसीविंग कैमरे पर लंबे एक्सपोज़र समय का उपयोग कर सकती है, प्रभावी डेटा दर को कम करते हुए लेकिन विश्वसनीयता बढ़ाते हुए। इस ट्रेड-ऑफ को उपरोक्त एसएनआर और बीईआर मॉडल का उपयोग करके मात्रात्मक रूप से व्यक्त किया जा सकता है।

8. भविष्य के अनुप्रयोग एवं दिशाएँ

एस2एसवीएलसी का भविष्य वाईफाई से बेहतर प्रदर्शन करने में नहीं, बल्कि नए अनुप्रयोगों को सक्षम करने में निहित है:

• अति-सुरक्षित निकटता पेयरिंग: आईओटी डिवाइस ऑनबोर्डिंग या वित्तीय लेनदेन के लिए, जहाँ छोटी, दिशात्मक लिंक एक सुरक्षा विशेषता है।
• इनडोर स्थानीयकरण एवं नेविगेशन: स्मार्टफोन कैमरे छत की एलईडी या साइनेज से कोडेड प्रकाश पढ़कर सेंटीमीटर-सटीक स्थिति निर्धारण के लिए, एक क्षेत्र जिसका यूनिवर्सिटी ऑफ एडिनबर्ग में लाइफाई रिसर्च एंड डेवलपमेंट सेंटर जैसे समूहों द्वारा भारी शोध किया गया है।
• संवर्धित वास्तविकता (एआर) सामग्री ट्रिगरिंग: संग्रहालयों या खुदरा प्रदर्शनों में स्क्रीन अदृश्य डेटा पैटर्न (थोड़े रंग मॉड्यूलेशन के माध्यम से) उत्सर्जित करते हैं जिन्हें एआर चश्मे या फोन कैमरे डिजिटल सामग्री को ओवरले करने के लिए डिकोड करते हैं।
• भविष्य के शोध दिशाएँ:
  • ओओके से परे: स्क्रीन के आरजीबी उप-पिक्सेल का उपयोग करके उच्च-क्रम मॉड्यूलेशन (जैसे, कलर-शिफ्ट कीइंग) लागू करना ताकि डेटा दर बढ़ाई जा सके, जैसा कि साहित्य समीक्षा में संकेत दिया गया है।
  • एमआईएमओ तकनीकें: एकाधिक स्क्रीन क्षेत्रों और कैमरा पिक्सेल का उपयोग समानांतर चैनलों के रूप में करना, जैसा कि संदर्भित "विजुअल एमआईएमओ" अवधारणा में है।
  • मजबूत प्रोटोकॉल: स्क्रीन फ्लिकर दरों, कोडिंग योजनाओं और सिंक्रनाइज़ेशन के लिए मानक विकसित करना जो मनुष्यों के लिए अगोचर हों और कैमरा रोलिंग शटर प्रभावों के प्रति मजबूत हों।

9. संदर्भ

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.
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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].