1. 概覽
本研究提出一種利用光學相機通訊（OCC）進行網絡存取的新穎應用。該系統利用智能手機的相機接收由LED發送的光學信號，這些信號已調製了數據（一種光學條碼）。經由自訂應用程式成功解碼後，智能手機會自動存取相應的網站。發射器透過Bluetooth進行無線控制，無需修改硬件即可動態更新所傳輸的資訊。此方法解決了射頻通訊中的頻譜稀缺問題，並利用了智能手機相機的普及性，將OCC定位為物聯網及智能環境中情境感知資訊傳遞的可行解決方案。
此演示重點展示了利用CMOS感測器中的滾動快門效應（RSE）來實現高於影片幀率的數據傳輸速率，這是相對於全域快門方法的一個關鍵優勢。潛在應用包括展覽導覽、會議簽到及動態產品資訊存取。
2. 創新
本示範嘅核心創新有三方面，重點在於模組化同以用戶為中心嘅設計。
2.1 藍牙控制LED驅動器
一個定製的LED驅動器模組使用STM32F1微控制器和HC-02藍牙低功耗（BLE）模組。由遙控應用程式經藍牙發送的指令被BLE模組接收，並由微控制器處理。微控制器隨後採用開關鍵控（OOK）調制來控制LED的狀態，從而實現光學信號負載的無線、實時更新，而無需在發射器硬件上本地儲存數據。
2.2 光學條碼應用
開發了一款智能手機應用程式，用於從前置鏡頭擷取影片，處理畫面以偵測及隔離LED訊號，並解碼光學條碼。該應用程式提供一個用戶介面，同時顯示解碼後的數據（例如一個URL）及已擷取光學條碼的視覺呈現。關鍵在於，它能與裝置的網頁瀏覽器整合，自動導航至解碼後的網站。
2.3 綜合OCC平台
該演示將藍牙控制發射器與智能手機接收應用程式整合為一個連貫的實驗平台。它驗證了完整的工作流程：無線指令傳輸、LED調製、透過滾動快門捕獲光學信號、圖像處理、數據解碼以及自動網絡訪問——所有步驟均實時進行。
3. 示範描述
3.1 系統架構
硬件設置包括一個VLC發射器和一個智能手機接收器。發射器的電源鏈將220V交流電轉換為5V直流電，為LED和驅動電路供電。另有一路經AMS1117穩壓器產生的3.3V電源軌，為STM32F1微控制器和HC-02 BLE模組供電。運行自訂應用程式的智能手機作為接收器。原始PDF中的圖1展示了此設置，顯示了相互連接的模組。
3.2 Signal Processing & Decoding
智能手機應用程式會擷取影片幀。它採用影像處理演算法來過濾幀、識別包含閃爍LED的區域，並提取透過OOK編碼的二進制序列。滾動快門效應讓相機能夠在單一幀內捕捉LED的多個狀態變化，因為不同像素行的曝光時間略有不同。此序列經過解碼後，即可擷取內嵌數據（例如URL字串）。
4. Technical Analysis & Core Insights
核心洞察： 這項工作的突破性不在於原始光學字符識別數據速率，而在於巧妙地將工程重點轉向 實用、低成本且賦能用戶的應用正如Haas (2011)關於Li-Fi嘅開創性研究，以及後來嘅高速傳輸示範所見，好多VLC/OCC研究都追求Gbps級速度，但呢個項目聰明地瞄準咗情境化裝置間信息獲取嘅「最後一米」問題。佢將智能手機鏡頭——一種無處不在嘅傳感器——從被動成像設備，重新定位為主動通信接收器，繞過咗對專用硬件嘅需求。整合藍牙作控制之用，更係神來之筆，將靜態嘅燈光信標轉變成可動態編程嘅信息點。
邏輯流程： 系統邏輯簡潔明瞭：1) 動態有效載荷： 資訊透過藍牙無線推送至發射器，打破預先燒錄靜態光學ID的傳統模式。2) 光學調製： 簡單而穩健的OOK將此數據編碼為光脈衝，兼容滾動快門檢測方法。3) 無處不在的接收： 任何智能手機鏡頭皆可成為接收器，利用其內置硬件。 4) 無縫行動： 該應用程式解碼訊號並觸發特定情境嘅動作（網頁導航），完成從光訊號到可操作數碼內容嘅閉環。呢個流程體現咗類似QR碼等框架嘅哲學，但具有關鍵優勢：內容可動態遠端更新，且無需視覺上突兀嘅圖案。
Strengths & Flaws: 主要優勢在於其 務實性同即時可部署性系統採用現成組件（STM32、HC-02、標準LED），且無需改動智能手機硬件，大幅降低應用門檻。藍牙反向通道在主要為單向的光學相機通信鏈路中，實現雙向傳輸能力是一項巧妙的解決方案。然而，該系統仍存在明顯缺陷。 數據傳輸速率與有效範圍嚴重受限 compared to RF alternatives like NFC or UWB, making it unsuitable for transferring large payloads. The system is highly susceptible to ambient light noise, camera shake, and requires precise alignment. The reliance on a custom app also creates a friction point for users, unlike the native QR code scanner in most camera apps. As noted in surveys on OCC challenges (e.g., by Chowdhury et al., IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019), ambient light interference and receiver sensitivity remain key hurdles.
可執行嘅見解： 對於研究人員嚟講，前進嘅方向係 強化技術以應對現實環境嘅挑戰研究如欠採樣頻移開關鍵控（UFSOOK）等先進調製方案，可提升抗噪能力。對於產品開發者而言，當前的機遇在於 特定、受控的環境 例如不適宜使用射頻的場所（醫院、飛機、危險區域），或是為實體物件增添一層環境背景資訊——設想博物館展品的說明能根據策展人輸入而更新，或工廠地面能透過機器的指示燈廣播其狀態。其殺手級應用可能不在於原始速度，而在於 對實體世界進行無形、動態的標記.
5. Technical Details & Mathematical Model
解碼嘅核心在於利用滾動快門效應。喺配備滾動快門嘅CMOS感測器中，每行像素會按順序曝光，連續行之間有微小嘅時間延遲 $\Delta t_{row}$。如果LED以頻率 $f_{LED}$ 調製，而相機嘅幀率係 $f_{frame}$，咁喺捕捉單一幀嘅期間，LED可以閃爍多次。
成功於一幀內擷取至少一個完整LED閃爍週期的條件與時序相關。每行曝光時間 $T_{exp}$ 與整幀讀出時間 $T_{read}$ 決定了調制的可見性。透過分析像素行之間的強度分佈，可以描述一個用OOK偵測二進制「1」（LED亮）與「0」（LED滅）的簡化模型。
Let $I_{raw}(x,y)$ be the raw intensity at pixel coordinate (x,y). After background subtraction and filtering to isolate the LED region, the signal $S(y)$ as a function of row index $y$ is obtained: $$S(y) = \frac{1}{N_x} \sum_{x=1}^{N_x} I_{processed}(x,y)$$ where $N_x$ is the number of pixel columns in the region of interest. This 1D signal $S(y)$ will show alternating bands of high and low intensity corresponding to the LED's ON and OFF states during the row-wise exposure. The binary data stream is recovered by thresholding $S(y)$: $$bit[k] = \begin{cases} 1 & \text{if } S(y_k) > \tau \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$$ where $\tau$ is an adaptive threshold and $y_k$ represents the row indices corresponding to the sampling points for each bit.
6. Experimental Results & Performance
該演示成功驗證了端到端功能。觀察到的主要結果包括：
- Successful Decoding & Web Access: 智能手機應用程式持續解讀LED發射的光學條碼，並自動開啟網頁瀏覽器至正確URL。此為演示的主要成功指標。
- 動態更新功能： 藍牙控制連結允許從遠端應用程式即時更改傳輸資訊（目標URL），智能手機接收器正確解碼了新資訊，證明了系統的靈活性。
- 操作限制： 在受控的室內照明下性能最佳。可靠工作距離有限（可能在數十厘米至數米範圍內），且需要LED與智能手機鏡頭之間保持相對直接的視線。數據速率受LED調制速度及鏡頭參數限制，適合傳輸URL等短字串，但不適用於高頻寬數據。
關鍵性能指標（從演示推斷）
負載類型： 短字母數字字串（網址）
調制： 開關鍵控 (OOK)
控制頻道： Bluetooth Low Energy (BLE)
接收器硬件： Standard Smartphone CMOS Camera
主要指标： 端到端鏈路的功能可靠性
7. 分析框架：一個用例場景
場景：動態博物館展品標籤
博物館使用此系統為文物提供資訊，而非採用靜態解說牌或固定二維碼：
- 設定： 一件細小、不顯眼的LED燈安裝於文物附近，並連接至藍牙控制的驅動模組。
- 控制： 博物館嘅內容管理系統 (CMS) 保存咗文物嘅網頁連結。透過策展人介面，呢個連結會經藍牙傳送到 LED 驅動器。
- 訪客互動： 訪客打開博物館專用應用程式（內置 OCC 解碼器），將手機鏡頭對準文物（同埋隱形閃爍嘅 LED）。
- 行動： 應用程式會解碼光學訊號，並開啟該文物對應嘅特定網頁。網頁可以包含文字、音訊、影片，甚至擴增實境內容。
- 優勢： 資料可以遠端更新（例如加入新嘅研究結果、更改語言選項），而無需觸碰展品。多個展品嘅內容可以從中央控制台同步更改。LED本身亦唔會造成干擾。
呢個框架突顯咗系統嘅價值主張： 將實體物件與可更新嘅數碼內容動態、無線、無縫地連結。
8. Future Applications & Development Directions
該技術開闢了多個前景廣闊嘅途徑：
- Smart Retail & Advertising: 設有LED燈嘅產品架，可以廣播推廣連結、詳細規格或即時優惠券網址。內容可以根據時間或存貨情況而改變。
- Industrial IoT & Asset Tracking: 喺對射頻敏感嘅環境中，機械狀態LED燈可以向技術人員嘅手機廣播診斷數據或維護記錄。
- Indoor Navigation & VLP Enhancement: 如PDF [2,3] 所提及，光學相機通訊（OCC）有助於可見光定位（VLP）。此系統可廣播位置識別碼，輔助三角測量算法，令室內導航更為穩健。
- 無障礙輔助工具： 透過用戶手機解碼的隱蔽光訊號，為實體物件（如在博物館、公共空間內）提供聽覺描述。
未來研究方向：
- 先進調製技術： 超越開關鍵控（OOK），採用如脈衝位置調製（PPM）或顏色偏移鍵控（CSK）等方案，以提升數據速率與穩健性。
- 多LED MIMO系統： 使用LED陣列進行並行數據傳輸或擴大覆蓋範圍。
- Standardization & Native Integration: 廣泛應用的最終目標，是將OCC解碼功能整合到流動操作系統中，類似於QR碼掃描，從而無需專用應用程式。
- 用於解碼的機器學習： 運用神經網絡處理極端環境光、局部遮擋或相機動態模糊等具挑戰性的現實條件。
9. References
- Haas, H. (2011). "Wireless data from every light bulb." TED Global. [Li-Fi嘅概念基礎]
- Chowdhury, M. Z., Hossan, M. T., Islam, A., & Jang, Y. M. (2019). "A Comparative Survey of Optical Wireless Technologies: Architectures and Applications." IEEE Access, 6, 9819-9840. [Survey on OCC challenges]
- IEEE 802.15.7 Standard. (2011). "IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light." [Relevant communication standard]
- Wang, Q., Giustiniano, D., & Puccinelli, D. (2015). "OpenVLC: Software-Defined Visible Light Embedded Networks." In 《第一屆ACM MobiCom可見光通訊系統研討會論文集》. [可編程VLC平台示例]
- 原PDF中引用的研究：[2] 多傳感器融合VLP/SLAM，[3] 基於ROS的機械人VLP，[4] 來自反射面的OCC，[5] 水下光學通訊（UWOC）。