基于图像传感器通信的光无线通信标准IEEE 802.15.7r1的新二维顺序码设计与性能比较

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）57www.elsevier.com/locate/icte基于图像传感器通信的无线光通信Trang Nguyen，Yeong MinJang，1韩国首尔国民大学电子工程系接收日期：2016年5月10日;接受日期：2016年2016年6月3日在线发布摘要IEEE 802.15.7r1光无线通信任务组（TG7r1），也被称为IEEE 802.15.7可见光通信标准的修订，针对可见光通信系统的商业用途，是本文的兴趣。本文主要涉及TG 7 r1的图像传感器通信（ISC）;然而，正如TG 7 r1的技术考虑文件（TCD）所述，ISC面临的主要挑战最具挑战性但最有趣的兼容性要求之一是需要支持已验证的帧速率变化。提出了一种新的二维顺序色码设计方法。与基于QR码的顺序传输相比，所提出的2D顺序码的设计可以克服上述挑战，即它与不同的帧速率变化和不同的快门操作兼容，并且具有减轻滚动效应以及旋转效应的能力，同时有效地最小化传输开销。实际的实现演示和性能比较。c2016出版服务由Elsevier B.V. 代表韩国通信信息科学研究所这是一个开放的访问文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：光无线通信（OWC）;图像传感器通信（ISC）; IEEE 802.15.7r1任务组（TG 7 r1）;二维顺序码;颜色码; QR码;图像传感器兼容性;可变帧速率;快门速度;采样率1. 介绍随着众多突破性的无线创新，无线设备技术出现了前所未有的增长。值得注意的是，光无线通信（OWC）的创新已经显著改善，并且该领域正在吸引大量的兴趣。通过无线光链路的连接预计将在不久的将来成为一种服务，因为光链路可以提供相当大的好处[1]。此外，使用可见光波段的无线通信技术不再被简单地认为是一种可能性，自从第一个IEEE可见光波段*通讯作者。电子邮件地址：yjang@kookmin.ac.kr（Y.M.Jang）。1IEEE TG7r1主席。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理金明禄光通信（VLC）于2011年出版[2]。就商业市场而言，LiFi应该已经准备好与RF竞争，并可能在不久的将来在工业环境中超过WiFi已经提出了一种有希望的场景，即异构WiFi和LiFi网络，其能够解决RF技术所遇到的任何无法缓解的挑战[3]。目前，OWC技术的标准化，特别是图像传感器通信（ISC）的标准化是非常有吸引力的，因为这种有前途的技术有望显示出其技术和经济可行性以及在标准中考虑和随后在国际市场上使用的突出性能。也就是说，正在进行的IEEE 802.15.7r1（TG 7 r1）光无线通信目前正在讨论中，并吸引了来自世界各地的公司，公司和研究人员的相当大的关注;因此，欢迎访问TG 7 r1官方网站[4]。欲了解更多信息，TG7r1会议时间表和最近一次会议的会议记录分别见[5，6]。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.05.0032405-9595/c2016出版服务由Elsevier B. V.代表韩国通信信息科学研究所 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。58T. 阮永明Jang/ICT Express 2（2016）57Fig. 1.提出了一种新颖的二维顺序色码系统结构。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）在2016年3月举行的TG7r1上一次会议上，获得主要考虑的提案包括十多项与ISC技术相关的提案。已提交的ISC技术清单见[7]。这些技术是围绕TG7r1委员会通过技术考虑文件（TCD）[8]批准的技术考虑因素进行介绍和讨论的有关公司和大学提交的ISC技术提案的详细信息，请参阅[9]。与这些提案中提出的技术相比，韩国国民大学的提案考虑了宽帧速率变化和图像传感器兼容性。本文的内容基于国民大学最近提交给TG7r1的一个子提案，其中提出了一种新颖的2D顺序色码设计，以支持大量的兼容性功能并提供可靠的链接。本文其余部分的结构如下。在第2节中提出了2D顺序码ISC系统，其中提出了两种不同类型的顺序传输协议，即，基于QR码的顺序传输和基于新型二维码的顺序传输。与基于QR码的顺序传输相比，我们的新型2D顺序码在链路速率利用率方面表现出最高的性能（即，它引起极低的开销）。与此同时，我们的2D序列代码保持了传输的可靠性，因为它支持图像传感器兼容性（帧速率变化支持以及任何滚动快门相机的快门效果检测和移除支持），旋转和透视失真缓解。随后，在第3节中讨论了实际的实现和演示，并进行了性能比较，以验证我们提出的代码的有效性。最后，对全文进行了讨论并得出结论.2. 建议的二维顺序码2.1. 相关工作和拟议系统与图像传感器的兼容性被认为是提交任何TG7r1如图所示，在TCD [8]中。 重要的兼容性功能包括：（i）图像传感器的快门类型（全局快门或滚动快门）;（ii）对不同帧速率的兼容性支持;（iii）对不同采样速率和不同快门速度的兼容性支持;以及（iv）对不同分辨率的兼容性支持。关于智能手机摄像头和工业摄像头趋势的重点调查[10，11]表明，这些是用户需要的兼容性功能。然而，与图像传感器兼容是不够的;此外，提供可靠链路的传输协议在顺序通信中也是必不可少的，特别是当使用2D码时，因为传输协议总是遵循2D码的形状支持图像传感器兼容性的第一个也是最关键的功能是支持具有不同帧速率的相机的能力。这一变化已被多项研究证实[12以前的系统，如COBRA [16]，通过简单地降低屏幕帧速率来实现帧同步，希望接收器能够成功地每隔一帧选择一个好帧。Langlotz等人[12]通过在多个正交颜色通道上重复帧将2D条形码嵌入到时分复用4D条形码中来解决该问题，从而基本上限制了发射机的帧速率。Microsoft [13]报告的后续工作在实现的复杂性和链路效率方面仍然存在根本性的缺陷。 我们提出的用于顺序传输的全新2D码克服了上述限制，并通过使用四个参考LED来支持出色的传输性能，通信的可靠性图1介绍了一个参考架构中的两种传输协议，其中QR码（下图）或新颖的2D顺序色码（上图）用作发射机的接口。在这方面，发射机的设计以及编码/解码方案对于保证顺序通信中的链路可靠性至关重要。因此，我们提出了一种新的接口的二维顺序码创建一个高性能的链接在实时顺序传输。我们开发顺序传输协议的方法是基于传输数据T. 阮永明Jang/ICT Express 2（2016）5759顺序地通过采用两种方法（QR码和我们提出的2D码），其中使用类似的数据编码和时钟信息。本文提出了一种设计方案，一台发射机，运行可靠。以下小节介绍了图1中介绍的满足传输可靠性的核心技术。2.2. 建议采用彩色QR码的顺序传输彩色QR序列码采用QR码，通过组合红、绿、蓝三种颜色来编码每个码帧的大量数据。我们借用QR码标准的接口格式和纠错能力。因此，需要每帧大量的开销来支持代码的检测和确定旋转角度。最感兴趣的挑战是顺序和异步地传输数据这意味着考虑了摄像机接收器上的帧速率变化，这已经被几位研究人员[12我们提出了一个异步传输协议，通过使用异步比特插入到每个QR码，使一个可变的帧速率接收器异步解码。时钟恢复模块（见图1）的功能是支持可变帧速率接收器在发送器和接收器之间帧速率不匹配的情况下解码和恢复数据2.3. 建议的二维顺序代码和操作2.3.1. 拟议设计有两种方法可以顺序传输数据。基于QR码的原型不需要重新设计代码接口。然而，应该记住，QR码是作为一种统计数据代码发明的，每个代码的大量开销。因此，使用QR码进行通信具有处理时间慢和每个码的开销极高的缺点。这鼓励我们为2D序列码设计一个全新的接口，以实现高效率的通信。此外，提出了一种新颖的2D码来克服基于QR的顺序协议的这些未减轻的挑战，如图1B所示。 二、图2中示出了所提出的代码的设计的一些益处，具体如下：代码由四个边缘（高梯度差）包围，使接收器能够实时检测和提取LED四个角的参考LED：– 传输时钟信息，以帮助可变帧速率接收器执行异步解码。这需要与帧速率变化兼容。– 减轻卷帘快门效果。这需要与全局快门相机和滚动快门相机兼容。图二. 二维序列码–一个参考LED总是与其他四个不同;因此，它允许接收器检测旋转角度。LED矩阵：LED的中间点与代码的四个角点一起形成一个正方形矩阵。这提供了实时解码。以下小节介绍了建议代码的操作细节，该代码实现了顺序传输的可靠性。2.3.2. 编码我们建议使用三种不同的颜色通道，即红色，绿色和蓝色的同时传输。这三种颜色的组合使代码界面上出现八种颜色在我们以前的工作中有描述[14]。2.3.3. 透视畸变减轻与基于QR码的顺序通信相比，我们提出的代码支持减轻透视失真的有效解决方案。这个想法是基于计算机视觉技术支持的发射机的设计。在我们以前的工作[14]中，霍夫变换图像处理技术引入了用于检测和处理2D颜色代码的实时过程。2.3.4. 异步译码这种异步解码方案具有在帧速率变化的情况下辅助接收机进行解码的功能。时钟信息与数据一起被编码，使得它可以以符号的形式被发送，该符号是统计2D码。在接收器侧，从四个参考LED之一提取时钟信息（位0，ON状态或位1，OFF状态）（注意，所有四个参考LED都传输相同的时钟信息）。之后，基于每个采样帧恢复的时钟信息比特，在恢复数据符号时应用多数表决来选择合适的帧。异步解码过程的工作也在会议上提出[14，15]，并提出了一个重要的···60T. 阮永明Jang/ICT Express 2（2016）57×= ×== × ×=伊什伊什S=有助于实现对各种类型的图像传感器的兼容性能够不小于20 fps的任何图像传感器可以用作发射机）。在此应当指出，在符号的间隔上捕获至少一个样本以避免任何丢失的分组。之后，实行多数表决制。包含时钟信息的位（通过参考LED传输）有助于识别符号表决的样本组。(a) 在相位0处旋转角度为0(b) 在相位π处旋转角度为0。2.3.5. 轮调缓解在本子条款中，四个参考LED仍用于传输代码的旋转信息。请记住，这四个LED已经在传输支持异步解码的时钟信息（如第4节所述）。幸运的是，通过使用多个颜色通道进行传输，颜色代码允许同时具有双重功能，并且建议如下：红色通道用于传输数据包的时钟信息。异步位的时钟输出为均匀开/关。蓝色通道用于传输编码的旋转信息。在任何时候，参考LED的状态总是与其他三个不同（见图3）。因此，通过检查参考LED的四种状态，可以轻松识别旋转。时钟信息和旋转信息一起向参考LED显示器输出颜色，该颜色如我们先前的工作[14]中所示进行编码。2.3.6. 滚动效应检测和消除滚动快门相机的数量远远超过全局快门相机，这可以从趋势调查中看出[10，11]。因此，具有顺序曝光的滚动相机可以在滚动影响的图像上以不同的传输间隔捕获不同的LED，直到发生错误的解码。为了检测滚动效果并去除受其影响的任何图像，四个参考LED再次发挥作用。假设在捕获的图像#k上，四个参考LED的状态创建2× 2矩阵。图三.旋转信息通过参考LED传输。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）值得注意的是，所提出的滚动效应检测在任何旋转条件下仍然是准确的（见图11）。 4）。3. 实效我们已经提出了两种不同的顺序传输协议，基于QR的顺序码和我们的新颖的2D顺序色码。我们进行了可行性评估，通过实施两个ISC系统中，所提出的设计。根据代码的使用情况指定和定制不同大小的代码。然而，为了有效地比较两种协议的性能，QR接口类型和我们提出的二维顺序代码类型，我们假设代码的大小为（21 - 21）。此外，我们假设数据量的7%旨在共享校正码，如QR码类型L纠错的开销的情况此外，设R比特/帧是每单个帧码每次能够发送的比特量。R符号是传输符号速率。这里，symbol/s指定通过介质输出的符号数。R比特是顺序传输的比特率（即，数据速率）。数据速率由下式表示：R比特=R符号×R比特/帧（2）其中，R比特/帧 3 152 456（比特/符号），在这种情况在所提出的二维顺序码的情况下，R比特/帧为343793%1218支持检测和去除滚动效应，以及多数表决，符号传输速率为K Kk1112K21 22（一）以比照相机的帧速率低得多的值建立。建议最大符号速率不大于每秒15个符号。表1显示了其中k表示采样图像的索引，并且s11、s12、s21和s22是图像#k上的四个参考LED的状态。通过简单的算法检测受滚动效应影响的图像在所提出的代码的数据速率方面的实际成就。4. 结论与讨论本文介绍了我们对IEEE TG7r1标准化的二维序列码的贡献。从我们的角度来看，并采取内部看TG7r1，我们已经显示了支持兼容性的重要作用，·····SKMT. 阮永明Jang/ICT Express 2（2016）5761见图4。使用参考LED矩阵检测滚动效应的图示。表1实现的数据速率比较。数据速率彩色QR序列码（kbps）建议的二维顺序码（kbps）数据速率为5 symbol/s2.286.09数据速率为10 symbol/s4.5612.18数据速率为15 symbol/s6.8418.27广泛的商用图像传感器。本文最有价值的贡献是所提出的二维顺序色码的设计和操作。可以看出，有助于这种颜色代码的设计和操作的新颖想法除此之外，能够支持旋转和消除滚动效应是一个全新的想法，以前从未展示过。在几种典型的摄像设备上的实现工作也有助于评估我们的想法的可行性与其他二维码传输方法相比，我们的新型顺序码具有低复杂度，低开销，并支持大量的顺序操作功能。总之，提出了两种顺序传输协议。2D顺序码的新颖设计是通过一些特定的参考LED传输时钟信息来最小化开销的微妙方式。此外，在存在变化的帧速率以及旋转和滚动效应的情况下支持顺序传输的想法是，时钟信息（与数据一起定义和输出）和旋转信息都被编码到特定的参考LED中。另一方面，使用现有QR码进行顺序传输是一种共存解决方案，其中时钟信息与数据合并并编码在数据分组上的某处。 因此，使用QR码接口的解决方案不需要参考LED。相比之下，建议的二维顺序码，因为其出色的性能。不仅是因为传输了大量的数据，更低的开销，当使用我们提出的代码时每帧的处理时间也被优化以支持增强现实应用。确认这项工作得到了韩国政府（MSIP）资助的信息通信技术促进研究所（IITP）赠款的支持（编号R 0127 -15-1025，光无线通信（OWC）标准化的发展）。引用[1] Li-Fi的潜力可在以下网址获得：http://purelifi.com/potential-of-li-fi/。[2] VLC规范，用于局域网和城域网的IEEE标准-第15.7部分：使用可见光 的 短 距 离 无 线 光 2011. 可 通 过 以 下 网 址 获 得 ：http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.7-2011.html。[3] LiFi 准 备 与 WiFi 竞 争 可 用 网 址 ： http ： //spectrum 。 ieee 。org/telecom/internet/lifi-gets-ready-to-competite-with-wifi.[4] IEEE802.15.7r1官方链接http：//www.ieee802.org/15/pub/IEEE%2080215%20WPAN%20157%20Revision1%20Task%20Group. htm.[5] TG7r1军事和时间表。https：//mentor. ieee。org/802。15/dcn/15/15-15-0274-03-007a-suggested-15-7r1-milestone-and-schedule. pptx。[6] TG 7 r1 一 月 会 议 纪 要 ： https ： //mentor 。 ieee 。 org/802 。15/dcn/16/15-16-0133-00-007a-january-2016-minutes. docx。[7] 文件草案D 0的ISC/L-PD PHY模式分类https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/16/15-16-0311-00-007a-isc-lr-pd-phy-modes-classification-for-draft-document-d0.pptx。[8] IEEE TG7r1的技术考虑文件（TCD）。可用-可在：https：//导师.ieee 。 org/802 。 15/dcn/15/15-15-0492-05-007a-technical-detailations-document.docx。[9] https://mentor.ieee.org/802.15/documents?是dcn=minu&是group=007a。[10] 图像和机器视觉欧洲-智能手机的一代。网址：//www.cn.cn imveurope。com/features/feature. php？特征ID=252。[11] FRAMOS趋势研究，2012年国际趋势调查结果-国际技术趋势研究，评估2010年至2012年工业相机技术的市场状况和当前趋势。[12] T. Langlotz ， O. Bimber ， Unsynchronized 4D barcodes coding anddecoding time-multiplexed 2D colorcodes ， in ： Proceedings of theInternational Symposium on Visual Computing，2007。62T. 阮永明Jang/ICT Express 2（2016）57[13] 胡文俊，顾浩，蒲启凡，LightSync：场景-摄像机链路上的非同步视觉通信，在：2013年。[14] T. Nguyen，N.T. Le，Y.M. Jang，基于屏幕到相机的光学相机通信的实用设计，在：2015年信息网络国际会议，ICOIN，2015年1月12日至14日，pp. 369-374.[15] T. Nguyen，N.T. Le，Y.M. Jang，基于基础设施的光学相机通信的异步方案-2-车辆，Int. J. Distrib。传感器网络（IJDSN），2015年。http://dx.doi.org/http://dx.doi.org/10.1155/ 2015/908139.[16] Tian Hao，Ruogu Zhou，Guoliang Xing，COBRA：Color BarcodeStreaming for Smartphone Systems，in：Proceedings of Pumps Sys，2012.