1. 概述
本項工作展示了一種利用光學相機通訊實現網路存取的新穎應用。該系統利用智慧型手機的相機接收由LED發射、並以資料（一種光學條碼）調變的光學訊號。經由客製化應用程式成功解碼後，智慧型手機會自動存取對應的網站。發射器透過藍牙進行無線控制，允許動態更新傳輸的資訊，而無需修改硬體。此方法解決了射頻通訊中的頻譜稀缺問題，並利用了智慧型手機相機的普及性，將光學相機通訊定位為物聯網和智慧環境中情境感知資訊傳遞的可行解決方案。
此展示突顯了利用CMOS感測器中的滾動快門效應來實現高於影片幀率的資料傳輸速率，這是相較於全域快門方法的關鍵優勢。潛在應用包括展覽導覽、會議報到以及動態產品資訊存取。
2. 創新點
此展示的核心創新點有三，著重於模組化與以使用者為中心的設計。
2.1 藍牙控制LED驅動器
一個客製化的LED驅動器模組使用了STM32F1微控制器和一個HC-02藍牙低功耗模組。從遠端控制應用程式透過藍牙發送的指令由BLE模組接收，並由微控制器處理。接著，微控制器採用開關鍵控調變來控制LED的狀態，從而實現光學訊號承載資料的無線、即時更新，而無需將資料儲存在發射器硬體本地。
2.2 光學條碼應用程式
開發了一款智慧型手機應用程式，用於從前置鏡頭擷取影片、處理影格以偵測並隔離LED訊號，並解碼光學條碼。該應用程式提供了一個使用者介面，顯示解碼後的資料（例如一個URL）以及所擷取光學條碼的視覺化呈現。關鍵在於，它與裝置的網頁瀏覽器整合，能自動導航至解碼後的網站。
2.3 整合式光學相機通訊平台
此展示將藍牙控制的發射器與智慧型手機接收器應用程式整合成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調變、透過滾動快門擷取光學訊號、影像處理、資料解碼以及自動化網路存取——所有步驟皆為即時進行。
3. 展示說明
3.1 系統架構
硬體設置包含一個可見光通訊發射器和一個智慧型手機接收器。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。一個獨立的3.3V電源軌，透過AMS1117穩壓器產生，為STM32F1微控制器和HC-02 BLE模組供電。運行客製化應用程式的智慧型手機作為接收器。原始PDF中的圖1說明了此設置，展示了相互連接的模組。
3.2 訊號處理與解碼
智慧型手機應用程式擷取影片影格。它採用影像處理演算法來過濾影格、識別包含閃爍LED的區域，並提取透過開關鍵控編碼的二進位序列。滾動快門效應允許相機在單一影格內捕捉LED的多個狀態變化，因為不同的像素列是在略微不同的時間曝光的。此序列被解碼以擷取內嵌的資料（例如一個URL字串）。
4. 技術分析與核心見解
核心見解： 這項工作與其說是原始光學相機通訊資料速率的突破，不如說是一次朝向實用、低成本且賦能使用者之應用的精明工程轉向。儘管許多可見光通訊/光學相機通訊研究，如Haas（2011）關於Li-Fi的開創性工作或後期的高速展示，追求的是Gbps級速度，但本專案巧妙地瞄準了情境化、裝置對裝置資訊擷取的「最後一公尺」問題。它將智慧型手機相機——一個普及性無與倫比的感測器——從被動的成像裝置重新定位為主動的通訊接收器，繞過了對專用硬體的需求。整合藍牙進行控制是關鍵妙招，將靜態的光信標轉變為可動態編程的資訊點。
邏輯流程： 系統的邏輯優雅而線性：1) 動態承載資料： 資訊透過藍牙無線推送到發射器，打破了預燒錄靜態光學ID的模式。2) 光學調變： 簡單而穩健的開關鍵控將此資料編碼為光脈衝，與滾動快門偵測方法相容。3) 普及化接收： 任何智慧型手機相機都成為接收器，利用內建硬體。4) 無縫動作： 應用程式解碼訊號並觸發情境特定的動作（網頁導航），完成了從光到可操作數位內容的迴路。此流程反映了如QR碼等框架的哲學，但具有動態、可遠端更新內容且無需視覺上突兀的圖案的關鍵優勢。
優勢與缺陷： 主要優勢在於其實用主義與立即部署性。它使用現成元件（STM32、HC-02、標準LED）且無需修改智慧型手機，大幅降低了採用門檻。藍牙反向通道是為主要為單向的光學相機通訊鏈路提供雙向能力的一個聰明解決方案。然而，存在顯著缺陷。與NFC或UWB等射頻替代方案相比，資料速率和傳輸距離受到嚴重限制，使其不適合傳輸大量承載資料。系統極易受到環境光噪聲、相機晃動的影響，且需要精確對準。依賴客製化應用程式也為使用者創造了一個摩擦點，這與大多數相機應用程式中原生的QR碼掃描器不同。正如光學相機通訊挑戰調查（例如Chowdhury等人，IEEE Communications Surveys & Tutorials，2019）所指出的，環境光干擾和接收器靈敏度仍然是關鍵障礙。
可行動見解： 對於研究人員而言，前進的道路是強化技術以應對真實世界條件。研究如欠採樣頻移開關鍵控等先進調變方案可以提高抗噪性。對於產品開發者，立即的機會在於利基、受控環境，其中射頻是不受歡迎的（醫院、飛機、危險區域），或是為實體物件增加一層環境、情境資訊——例如博物館展品，其描述可根據策展人輸入而更新；或是工廠車間，機器狀態透過其指示燈廣播。殺手級應用可能不是原始速度，而是對物理世界的無形、動態標記。
5. 技術細節與數學模型
解碼的核心在於利用滾動快門效應。在具有滾動快門的CMOS感測器中，每一列像素是依序曝光的，連續列之間有一個小的時間延遲 $\Delta t_{row}$。如果一個LED以頻率 $f_{LED}$ 調變，且相機的幀率為 $f_{frame}$，則LED在擷取單一影格的期間可以閃爍多次。
成功在一個影格內捕捉至少一個完整LED閃爍週期的條件與時序有關。每列的曝光時間 $T_{exp}$ 和整個影格的讀取時間 $T_{read}$ 決定了調變的可見性。一個用於偵測使用開關鍵控的二進位「1」（LED亮）和「0」（LED滅）的簡化模型，可以透過分析跨像素列的強度模式來描述。
令 $I_{raw}(x,y)$ 為像素座標 (x,y) 處的原始強度。在進行背景減除和過濾以隔離LED區域後，得到作為列索引 $y$ 函數的訊號 $S(y)$： $$S(y) = \frac{1}{N_x} \sum_{x=1}^{N_x} I_{processed}(x,y)$$ 其中 $N_x$ 是感興趣區域中的像素行數。這個一維訊號 $S(y)$ 將顯示高強度和低強度的交替帶，對應於列式曝光期間LED的亮和滅狀態。透過對 $S(y)$ 進行閾值處理來恢復二進位資料流： $$bit[k] = \begin{cases} 1 & \text{if } S(y_k) > \tau \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$$ 其中 $\tau$ 是一個自適應閾值，$y_k$ 代表對應於每個位元取樣點的列索引。
6. 實驗結果與效能
此展示成功驗證了端到端功能。觀察到的主要結果包括：
- 成功解碼與網路存取： 智慧型手機應用程式持續解碼由LED傳輸的光學條碼，並自動啟動網頁瀏覽器導向正確的URL。這是此展示的主要成功指標。
- 動態更新能力： 藍牙控制鏈路允許從遠端應用程式即時更改傳輸的資訊（目標URL），且智慧型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效能最佳。可靠的工作距離有限（可能在數十公分到數公尺的範圍內），並且需要LED與智慧型手機相機之間有相對直接的視線。資料速率受到LED調變速度和相機參數的限制，適合傳輸如URL之類的短字串，但不適合高頻寬資料。
關鍵效能指標（根據展示推斷）
承載資料類型： 短英數字串（URL）
調變方式： 開關鍵控
控制通道： 藍牙低功耗
接收器硬體： 標準智慧型手機CMOS相機
主要指標： 端到端鏈路的功能可靠性
7. 分析框架：使用案例情境
情境：動態博物館展品標籤
一家博物館使用此系統為一件文物提供資訊。取代靜態的說明牌或固定的QR碼：
- 設置： 在文物附近安裝一個小型、不顯眼的LED。它連接到藍牙控制的驅動器模組。
- 控制： 博物館的內容管理系統儲存該文物的網頁URL。透過策展人介面，此URL經由藍牙發送到LED驅動器。
- 訪客互動： 訪客打開博物館的專用應用程式（內含光學相機通訊解碼器）。他們將手機的相機對準文物（以及看不見的閃爍LED）。
- 動作： 應用程式解碼光學訊號並開啟該文物的特定網頁。網頁可以包含文字、音訊、影片甚至擴增實境內容。
- 優勢： 資訊可以遠端更新（例如，添加新的研究發現、更改語言選項），而無需觸碰展品。可以從中央控制台同時更改多個展品的內容。LED本身不顯眼。
此框架突顯了系統的價值主張：動態、無線且無縫地將實體物件連結至可更新的數位內容。
8. 未來應用與發展方向
此技術開啟了幾個有前景的方向：
- 智慧零售與廣告： 配備LED的產品貨架，可廣播促銷連結、詳細規格或即時優惠券URL。內容可以根據一天中的時間或庫存情況而變化。
- 工業物聯網與資產追蹤： 在對射頻敏感的環境中，機器狀態LED可以向技術人員的手機廣播診斷數據或維護日誌。
- 室內導航與可見光定位增強： 如PDF [2,3] 中引用的，光學相機通訊可以輔助可見光定位。此系統可以廣播位置ID，輔助三角定位演算法以實現更穩健的室內導航。
- 無障礙輔助工具： 透過使用者手機解碼的隱蔽光訊號，提供實體物件（在博物館、公共空間）的聽覺描述。
未來研究方向：
- 先進調變： 超越開關鍵控，轉向如脈衝位置調變或顏色偏移調變等方案，以提高資料速率和穩健性。
- 多LED多輸入多輸出系統： 使用LED陣列進行平行資料傳輸或增加覆蓋區域。
- 標準化與原生整合： 廣泛採用的最終目標是將光學相機通訊解碼能力整合到行動作業系統中，類似於QR碼掃描，從而消除對專用應用程式的需求。
- 用於解碼的機器學習： 運用神經網路來處理具有挑戰性的真實世界條件，如極端環境光、部分遮擋或相機運動模糊。
9. 參考文獻
- Haas, H. (2011). "Wireless data from every light bulb." TED Global. [Li-Fi的概念基礎]
- 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. [關於光學相機通訊挑戰的調查]
- 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." [相關通訊標準]
- Wang, Q., Giustiniano, D., & Puccinelli, D. (2015). "OpenVLC: Software-Defined Visible Light Embedded Networks." In Proceedings of the 1st ACM MobiCom Workshop on Visible Light Communication Systems. [可編程可見光通訊平台範例]
- 原始PDF中引用的研究：[2] 多感測器融合可見光定位/同步定位與地圖構建，[3] 基於ROS的機器人可見光定位，[4] 來自反射表面的光學相機通訊，[5] 水下光學通訊。