1. Jedwali la Yaliyomo
- 2. Muhtasari
- 3. Utangulizi
- 4. Mbinu
- 5. Maelezo ya Kiufundi na Uundaji wa Hisabati
- 6. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Mchoro
- 7. Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi
- 8. Uchambuzi wa Asili
- 9. Ufahamu Mkuu, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Udhaifu, Maarifa Yanayotekelezeka
- 10. Matumizi ya Baadaye na Mtazamo
- 11. Marejeleo
2. Muhtasari
Mawasiliano ya mwanga unaoonekana (VLC) kwa kutumia vigunduzi vya picha (PDs) yamechunguzwa kwa upana, lakini zana sawa za mawasiliano ya kamera ya macho (OCC) kwa kutumia vitambuzi vya oksidi ya metali inayosaidiana (CMOS) hazipo. Mifumo ya VLC inayotegemea kamera ina viwango vya chini vya data kutokana na nyakati za mwangaza wa kamera. Miongoni mwa zana chache zilizopo za uigaji wa OCC, hakuna inayoruhusu uigaji wa picha wakati muda wa mwangaza ni mkubwa kuliko kipindi cha ishara. Tunapendekeza mbinu rahisi ya uigaji kwa OCC ambayo inaruhusu kupima utendaji wa mfumo kwa masafa zaidi ya kasi ya shutter ya kamera. Hii inawezesha uboreshaji wa kiwango cha data kwa kufanya kazi kwa masafa halisi ambayo algoriti ya usimbuaji inakoma kugundua badala ya kikomo cha mwangaza kinachotumiwa sasa. Usahihi wa uigaji ulithibitishwa kwa kulinganisha viwango vya mafanikio ya ugunduzi wa picha zilizoigwa na picha za majaribio kwa kamera mbili tofauti.
3. Utangulizi
Viwango vilivyopo vya mifumo ya VLC (IEEE 802.15.7 hadi 802.11bb) vinatanguliza PDs juu ya kamera kutokana na kasi ya juu. Hata hivyo, kuenea kwa kamera kunatoa matumizi muhimu kwa VLC inayotegemea kamera kama vile uwekaji wa ndani na mawasiliano ya magari. Vitambuzi vya bei nafuu vya CMOS vinaweza kutumika kwa mawasiliano ya mwelekeo mmoja ili kuwezesha uwekaji wa ndani. Uwekaji wa eneo la kisambaza data unaweza kupatikana kwa kutumia mbinu za alama za redio au zenye nguvu ya uga wa sumaku, lakini si sahihi kama VLC inayotegemea kamera. Ili kutambua kila kisambaza data kwa njia ya kipekee, urefu wa msimbo unaotumwa lazima uwe mkubwa, unaohitaji kiwango cha juu cha data. Zana za uigaji kwa ujumla hutumiwa kutambua masafa ya juu zaidi ya uendeshaji na kuamua idadi ya juu zaidi ya biti katika msimbo. Wakati VLC inayotegemea PD ina zana kadhaa za hili, VLC inayotegemea kamera haina.
Mbinu za sasa za uigaji wa OCC si sahihi kama zile za PDs, kutokana na njia tofauti za usindikaji zinazotumiwa na kamera za CMOS. Mbinu ya radiometriki yenye mfumo kamili wa usindikaji wa picha ilitengenezwa ili kupima utendaji wa kamera lakini athari ya shutter inayozunguka haikujumuishwa. Mfano wa Lambertian kwa kisambaza data ulitumika kujumuisha umbali, na data ya mwanga wa kisambaza data ilitumika katika Blender kuzalisha picha za kweli, lakini zote mbili hazina uwezo wa OCC. CamComSim hutumia mchakato wa Bernoulli unaodhibitiwa na Markov kuiga mtandao lakini hauzalishi picha ili kuwezesha upimaji wa algoriti za usimbuaji. Uigaji wa OCC umefanywa kwa kutumia faida ya DC ya kila pikseli na kutumia sifa za fotometriki, lakini zote mbili hazionyeshi uendeshaji zaidi ya kasi ya shutter. Mbinu nyingi za uigaji wa VLC zinazotegemea kamera hutumia kanuni za fizikia kuamua milinganyo ya vipimo vya utendaji moja kwa moja, na kusababisha ugumu. Tunashughulikia hili kwa kutumia wastani wa uzani rahisi wa nguvu za mwanga zinazotarajiwa katika vipindi vya mwangaza binafsi, kuruhusu uigaji wa picha karibu na ukweli.
4. Mbinu
Muhtasari wa mchakato umeelezwa katika Kielelezo 1, ambapo kisambaza data ni paneli ya taa ya LED. Msimbo wa biti 10 ulichaguliwa kwani unaruhusu tofauti 1024 za kipekee ambazo zinaweza kupewa taa nyingi katika kesi ya uwekaji wa kisambaza data kwa ajili ya uwekaji wa ndani. Msimbo huu kisha unasimbwa kwa kutumia usimbaji wa Manchester tofauti ili kupunguza urefu wa mfululizo wa biti. Mbinu ya uigaji hutumia wastani wa uzani wa nguvu za mwanga zinazotarajiwa katika vipindi vya mwangaza binafsi, kuwezesha uzalishaji sahihi wa picha hata wakati muda wa mwangaza ni mkubwa kuliko kipindi cha ishara. Uigaji unazingatia athari ya shutter inayozunguka ya kamera za CMOS, ambayo ni muhimu kwa uundaji sahihi wa OCC.
5. Maelezo ya Kiufundi na Uundaji wa Hisabati
Kiini cha uigaji kinategemea wastani wa uzani wa nguvu ya mwanga katika kipindi cha mwangaza. Kwa pikseli fulani $(i,j)$, nguvu iliyonaswa $I_{i,j}$ inatolewa na:
$I_{i,j} = \frac{1}{T_{exp}} \int_{t_0}^{t_0+T_{exp}} L_{i,j}(t) \cdot S(t) \, dt$
ambapo $T_{exp}$ ni muda wa mwangaza, $L_{i,j}(t)$ ni nguvu ya mwanga inayoanguka kwenye pikseli $(i,j)$ kwa wakati $t$, na $S(t)$ ni kazi ya shutter (kwa kawaida dirisha la mstatili kwa shutter ya jumla au dirisha la kuteleza kwa shutter inayozunguka). Kwa kamera ya shutter inayozunguka, kila safu $r$ ina wakati tofauti wa kuanza $t_0(r)$, na kusababisha:
$I_{i,j}^{(r)} = \frac{1}{T_{exp}} \int_{t_0(r)}^{t_0(r)+T_{exp}} L_{i,j}(t) \cdot S(t) \, dt$
Kwa ishara ya OOK (On-Off Keying) ya binary yenye kipindi $T_s$, kiungo kinaweza kugawanywa. Ikiwa muda wa mwangaza ni mrefu kuliko kipindi cha ishara ($T_{exp} > T_s$), nguvu iliyonaswa inakuwa jumla ya uzani wa biti nyingi. Uigaji hutumia makadirio ya diskreti:
$I_{i,j}^{(r)} \approx \frac{1}{N} \sum_{k=0}^{N-1} L_{i,j}(t_0(r) + k \cdot \Delta t) \cdot w_k$
ambapo $N = T_{exp} / \Delta t$ ni idadi ya vipindi vidogo, na $w_k$ ni uzani unaozingatia kazi ya shutter. Hii inaruhusu uigaji kwa masafa yoyote ya ishara, hata zaidi ya kiwango cha Nyquist cha kamera.
6. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Mchoro
Kielelezo 1: Mchoro wa Kizuizi cha Mfumo
Mchoro wa kizuizi cha mfumo unaonyesha kisambaza data (paneli ya taa ya LED) kinachozalisha msimbo wa biti 10, ambao unasimbwa kwa kutumia usimbaji wa Manchester tofauti. Ishara iliyosimbwa inasimamia mwanga wa LED. Kamera inanasa mwanga uliosimbwa, na picha inasindika na algoriti ya usimbuaji kwa kutumia mbinu za kukata kiwango. Uigaji unarudia mchakato huu, ukizalisha picha za sintetiki ambazo kisha zinasimbuliwa kwa kutumia algoriti hiyo hiyo.
Uthibitishaji wa Majaribio
Uigaji ulithibitishwa kwa kutumia kamera mbili tofauti: kamera ya simu mahiri na kamera ya maono ya mashine. Kiwango cha mafanikio cha ugunduzi kilipimwa kama kazi ya masafa ya ishara. Matokeo yalionyesha kuwa uigaji ulitabiri kwa usahihi masafa ambayo algoriti ya usimbuaji ilikoma kugundua, ikilingana na data ya majaribio ndani ya makosa ya 5%. Kwa mfano, kwa masafa ya ishara ya 1 kHz (muda wa mwangaza 1 ms), uigaji ulitabiri kiwango cha mafanikio cha 95%, wakati jaribio lilipata 93%. Kwa 5 kHz, uigaji na jaribio zote zilionyesha kushuka kwa kasi hadi chini ya 10% ya kiwango cha mafanikio, ikithibitisha uwezo wa uigaji wa kuiga utendaji zaidi ya kikomo cha kasi ya shutter.
7. Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi
Uchunguzi Kisa: Uwekaji wa Ndani kwa kutumia Misimbo ya Biti 10
Fikiria mfumo wa uwekaji wa ndani wenye taa 100 za LED, kila moja ikituma msimbo wa kipekee wa biti 10. Kwa kutumia usimbaji wa Manchester tofauti, urefu wa juu zaidi wa mfululizo umepunguzwa hadi biti 2, kuhakikisha urejeshaji wa saa unaotegemewa. Mfumo wa uigaji unaruhusu kupima mfumo kwa masafa tofauti ili kupata masafa ya juu zaidi ya uendeshaji ambapo misimbo yote 100 inaweza kusimbuliwa kwa mafanikio. Kwa kamera yenye 30 fps (mwangaza wa 33 ms), uigaji unaonyesha kuwa masafa hadi 500 Hz yanaweza kusimbuliwa kwa kiwango cha mafanikio cha >90%, kuwezesha kiwango cha data cha 500 bps kwa kila taa. Hii inatosha kwa utambuzi wa kipekee wa taa 100 ndani ya sekunde 0.2.
8. Uchambuzi wa Asili
Karatasi hii inawasilisha suluhisho la vitendo kwa kizuizi muhimu katika Mawasiliano ya Kamera ya Macho (OCC): kutokuwa na uwezo wa zana zilizopo za uigaji kuiga utendaji wa mfumo wakati muda wa mwangaza unazidi kipindi cha ishara. Hii ni mchango muhimu kwa sababu inapinga moja kwa moja hekima ya kawaida kwamba viwango vya data vya OCC vimezuiwa kimsingi na kasi ya shutter ya kamera. Kwa kutumia wastani wa uzani wa nguvu za mwanga katika kipindi cha mwangaza, waandishi wanaonyesha kwa ufanisi kuwa usimbuaji unawezekana kwa masafa zaidi ya kiwango cha Nyquist, mradi algoriti ya usimbuaji ina nguvu ya kutosha. Hii inalingana na matokeo katika nyanja nyingine, kama vile matumizi ya CycleGAN kwa tafsiri ya picha hadi picha (Zhu et al., 2017), ambapo mbinu za kujifunza zinaweza kurejesha taarifa kutoka kwa data iliyochukuliwa kidogo au iliyochanganywa. Uthibitishaji wa majaribio kwa kamera mbili tofauti unaongeza uaminifu, lakini karatasi inakosa uchambuzi wa kina wa kinadharia wa mipaka ya uwiano wa ishara kwa kelele (SNR). Mbinu ya uigaji ni maridadi kwa urahisi wake, lakini inachukulia majibu ya kamera ya mstari, ambayo yanaweza yasishike kwa vitambuzi vyote vya CMOS, haswa katika viwango vya chini vya mwanga. Matumizi ya usimbaji wa Manchester tofauti ni chaguo la busara kupunguza kuteleza kwa msingi, lakini karatasi haichunguzi mbinu nyingine za usimbaji kama 4B5B au 8B10B ambazo zinaweza kutoa sifa bora za spectral. Kutoka kwa mtazamo wa tasnia, kazi hii ni hatua kuelekea mifumo ya vitendo ya OCC kwa uwekaji wa ndani na mawasiliano ya magari, lakini viwango vya data (mamia ya bps) bado ni vya chini kwa mpangilio wa ukubwa ikilinganishwa na VLC inayotegemea PD (Mbps). Thamani halisi iko katika kutumia miundombinu iliyopo ya kamera bila gharama za ziada za vifaa. Kazi ya baadaye inapaswa kuzingatia udhibiti wa mwangaza unaobadilika na usimbuaji unaotegemea kujifunza kwa mashine ili kusukuma mipaka ya masafa zaidi.
9. Ufahamu Mkuu, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Udhaifu, Maarifa Yanayotekelezeka
Ufahamu Mkuu: Hoja kuu ya karatasi ni kwamba mifumo ya OCC inaweza kufanya kazi kwa masafa zaidi ya kasi ya shutter ya kamera kwa kutumia mbinu ya uigaji inayoiga kwa usahihi ujumuishaji wa mwanga katika kipindi cha mwangaza. Hii ni mabadiliko ya dhana kutoka kwa mazoezi ya sasa ya kupunguza uendeshaji hadi kiwango cha Nyquist.
Mtiririko wa Mantiki: Karatasi inaanza kwa kutambua pengo katika zana za uigaji wa OCC, kisha inapendekeza mbinu rahisi ya wastani wa uzani, inaithibitisha kwa majaribio, na inajadili athari. Mtiririko ni wa mantiki lakini unaweza kuimarishwa kwa kupata asili ya hisabati yenye ukali zaidi ya mipaka ya makosa.
Nguvu na Udhaifu: Nguvu ni pamoja na urahisi wa uigaji, uthibitishaji wa majaribio kwa kamera mbili, na athari wazi za vitendo. Udhaifu ni pamoja na dhana ya majibu ya kamera ya mstari, ukosefu wa uchambuzi wa SNR, na uchunguzi mdogo wa mbinu za usimbaji. Karatasi pia haishughulikii athari ya ukungu wa mwendo au hali tofauti za mwanga wa mazingira.
Maarifa Yanayotekelezeka: Kwa watendaji, kazi hii inatoa mfumo wa uigaji ulio tayari kutumika kwa kubuni mifumo ya OCC. Jambo kuu la kuchukua ni kwamba masafa ya juu zaidi ya uendeshaji yanapaswa kuamuliwa na hatua ya kushindwa ya algoriti ya usimbuaji, si kasi ya shutter. Kwa watafiti, karatasi inafungua njia za udhibiti wa mwangaza unaobadilika, usimbuaji unaotegemea kujifunza kwa mashine, na ujumuishaji na athari za shutter inayozunguka. Msimbo wa uigaji unapaswa kuwa wazi chanzo ili kuharakisha kupitishwa.
10. Matumizi ya Baadaye na Mtazamo
Mbinu iliyopendekezwa ya uigaji ina matumizi mapana katika muundo wa mfumo wa OCC. Katika uwekaji wa ndani, inawezesha matumizi ya misimbo mirefu kwa utambuzi wa kipekee wa mamia ya taa, kuboresha usahihi. Katika mawasiliano ya magari, inaruhusu usambazaji wa data unaotegemewa kutoka kwa taa za trafiki hadi kwa magari kwa kutumia kamera za kawaida. Mbinu inaweza kupanuliwa kwa visambaza data vya LED nyingi na mifumo ya MIMO-OCC. Maelekezo ya baadaye ni pamoja na:
- Udhibiti wa Mwangaza Unaobadilika: Kurekebisha kwa nguvu muda wa mwangaza kulingana na masafa ya ishara ili kuboresha SNR.
- Usimbuaji wa Kujifunza kwa Mashine: Kutumia mitandao ya neva ya mshikamano (CNNs) kusimbua picha moja kwa moja, ikiwezekana kurejesha taarifa kwa masafa ya juu zaidi.
- Ujumuishaji na Li-Fi: Kuchanganya OCC na VLC inayotegemea PD kwa mifumo mseto inayotumia nguvu za zote mbili.
- Usanifishaji: Mbinu inaweza kufahamisha viwango vya baadaye vya IEEE kwa OCC, kuwezesha utangamano.
11. Marejeleo
- Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV).
- IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Std 802.15.7-2018.
- Pathak, P. H., Feng, X., Hu, P., & Mohapatra, P. (2015). Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(4), 2047-2077.
- Danakis, C., Afgani, M., Povey, G., Underwood, I., & Haas, H. (2012). Using a CMOS camera sensor for visible light communication. IEEE Globecom Workshops, 1244-1248.
- Nguyen, T., Islam, A., & Jang, Y. M. (2017). Performance analysis of optical camera communication using rolling shutter and multi-level modulation. IEEE Access, 5, 24614-24624.
- Le, N. T., & Jang, Y. M. (2015). Performance evaluation of optical camera communication using OOK and rolling shutter. International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC), 1001-1005.