광학 카메라 통신(OCC, Optical Camera Communication)은 기존의 광다이오드 기반 가시광통신(VLC)과는 다르게 카메라를 수신부로 사용하여 데이터를 수신한다. 특히, 카메라의 CMOS 이미지 센서의 셔터 동작방식인 롤링셔터의 원리를 이용하면 픽셀별로 다른 신호를 수신할 수 있으므로 데이터 속도를 개선할 수 있다. 본 연구에서는 카메라의 CMOS 이미지 센서를 사용하여 LED로부터 송신되는 고속 데이터의 이미지를 실시간으로 획득하고 이를 처리할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 실험을 통해 성능을 검증하였다.
광학 카메라 통신(OCC, Optical Camera Communication)은 기존의 광다이오드 기반 가시광통신(VLC)과는 다르게 카메라를 수신부로 사용하여 데이터를 수신한다. 특히, 카메라의 CMOS 이미지 센서의 셔터 동작방식인 롤링셔터의 원리를 이용하면 픽셀별로 다른 신호를 수신할 수 있으므로 데이터 속도를 개선할 수 있다. 본 연구에서는 카메라의 CMOS 이미지 센서를 사용하여 LED로부터 송신되는 고속 데이터의 이미지를 실시간으로 획득하고 이를 처리할 수 있는 알고리즘을 제안하였으며, 실험을 통해 성능을 검증하였다.
Unlike conventional visible light communications (VLC) adopting photo detectors (PD), optical camera communications (OCC) employs cameras in detecting the transmitted data. Especially, the data rate of OCC can be enhanced by using the principle of rolling-shutter, which is the operating scheme of a ...
Unlike conventional visible light communications (VLC) adopting photo detectors (PD), optical camera communications (OCC) employs cameras in detecting the transmitted data. Especially, the data rate of OCC can be enhanced by using the principle of rolling-shutter, which is the operating scheme of a CMOS image sensor. In this study, we consider a novel OCC system for high-speed real time video processing to transmit high speed data from LED and to acquire image utilizing rolling-shutter effect of CMOS image sensor. Also, we demonstrate the improved performance of proposed system using a test-bed.
Unlike conventional visible light communications (VLC) adopting photo detectors (PD), optical camera communications (OCC) employs cameras in detecting the transmitted data. Especially, the data rate of OCC can be enhanced by using the principle of rolling-shutter, which is the operating scheme of a CMOS image sensor. In this study, we consider a novel OCC system for high-speed real time video processing to transmit high speed data from LED and to acquire image utilizing rolling-shutter effect of CMOS image sensor. Also, we demonstrate the improved performance of proposed system using a test-bed.
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문제 정의
LED 전송 데이터 속도는 일정한 반면 이를 수신하는 프레임의 속도가 불규칙하게 되면 각 프레임 사이에서 데이터 손실이 발생하게 된다[4,5]. 따라서 본 논문에서는 데이터 수신을 보상하기 위해 다음 그림 3과 같은 송신 데이터 구조를 제안하였다. 하나의 패킷은 두 개의 블록(N, N+1)으로 이루어지고, 이 때 두 블록은 동일한 데이터를 전송함으로써 불규칙한 프레임 속도에 의한 데이터 손실을 보상하였다.
대부분의 스마트 기기는 내장된 카메라를 이용함으로써 실용성이 높고 VLC의 응용기술로 실내 내비게이션, 사물인터넷(IoT) 등에 사용될 수 있어 다양한 분야에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 CMOS 카메라 이미지 센서의 롤링셔터효과(Rolling Shutter Effect)를 이용한 고속 데이터 송수신 시스템을 제안한다. 인코딩 된 송신 데이터를 이미지처리, 수신 알고리즘을 통해 데이터를 복원하였다.
본 논문에서는 기존 VLC 시스템의 응용기술로서 카메라를 수신부로 하여 카메라의 이미지 센서의 동작방식을 이용한 광학카메라 통신시스템을 제안하고 평가하였다. 송신부 LED로부터의 데이터를 이미지 처리를 통해 약 85 cm 거리까지는 오류 없이 수신이 가능함을 보였다.
제안 방법
그러나 위 계산은 30 fps를 일정하게 유지하는 경우에 해당하며, 실제로는 주변 밝기 등의 환경에 따라 프레임 속도와 비트당 라인 개수는 유동적이므로 본 연구에서는 실험적으로 이를 다시 추정하였다. 앞에서 제시한 패킷구조를 이용하면 한 프레임에 적어도 한개 이상의 프리앰블이 포함되며, 이 프리앰블은 3개의 비트 ‘1’ 신호를 가지고 있다.
다항식 회귀를 통해 구한 다항식을 기준 값으로 적용하여 그림 7과 같이 입력 신호값을 0과 1 두 개의 레벨로 구분하였다. 그림에서 다항식으로 표현된 붉은색 곡선과 실제 획득한 이미지에 대한 데이터의 차이가 0보다 크면(① 영역) 비트 1로 판별하고, 반대의 경우(② 영역) 비트 0으로 판별한다.
그러나 본 연구에서는 백색 LED 광원을 검출하기 때문에 필요하지 않다. 따라서 본 알고리즘에서는 휘도 성분(Y)만을 추출한다.
인코딩 된 송신 데이터를 이미지처리, 수신 알고리즘을 통해 데이터를 복원하였다. 또한, 성능을 검증하기 위해 일련의 문자 전송을 실시간 처리하여 패킷오율(PER, Packet Error Rate)을 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 광학 카메라통신 시스템의 성능을 측정하기 위해 그림 9와 같은 시스템을 구성하였으며, 최종 구현된 테스트베드를 그림 10에 보이고 있다. 이미지센서로는 노트북에 연결된 웹캠을 이용하였고, 수신 알고리즘은 매트랩을 이용하여 구현하였다. 송신부 데이터 변조속도는 900 bps이며 전송거리는 0~1 m 범위에서 변화하였다.
본 논문에서는 CMOS 카메라 이미지 센서의 롤링셔터효과(Rolling Shutter Effect)를 이용한 고속 데이터 송수신 시스템을 제안한다. 인코딩 된 송신 데이터를 이미지처리, 수신 알고리즘을 통해 데이터를 복원하였다. 또한, 성능을 검증하기 위해 일련의 문자 전송을 실시간 처리하여 패킷오율(PER, Packet Error Rate)을 측정하였다.
그림 11에서는 위 테스트베드를 이용한 광학카메라 통신 실험 결과를 보여주고 있다. 카메라 영상을 통해 획득한 이미지를 실시간으로 처리하여 데이터를 수신하고 이를 표시하였다. 송신 전송속도 900 bps 및 맨체스터 변조를 고려하고, 오버헤드(프리앰플, BSN)를 제외한다면 유효 데이터 속도는 약 300 bps가 된다.
한편, 전송거리의 한계를 극복하기 위해 수신부에 렌즈를 추가로 이용한 테스트를 수행하였다. 즉, 실험에 이용한 웹캠보다 구경이 큰 plano-convex 렌즈를 카메라 앞에 두면 렌즈를 통해 더욱 많은 빛이 집광되어 이미지센서에 공급되므로 근거리에서 실험하는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
성능/효과
본 논문에서는 기존 VLC 시스템의 응용기술로서 카메라를 수신부로 하여 카메라의 이미지 센서의 동작방식을 이용한 광학카메라 통신시스템을 제안하고 평가하였다. 송신부 LED로부터의 데이터를 이미지 처리를 통해 약 85 cm 거리까지는 오류 없이 수신이 가능함을 보였다. 그러나 95 cm 이상의 거리에서는 카메라 영상에 잡히는 LED의 이미지가 급격히 흐려지면서 데이터 판단에 어려움이 있었다.
위 실험 환경에서 패킷 오율을 측정하기 위해 임의의 문자를 전송하고 10만 개의 카메라 이미지 프레임을 처리하여 확인한 결과 그림 12와 같은 패킷오율을 확인할 수 있었다. 전송거리 85 cm 까지는 오류가 없는 상태이지만 이후 거리가 증가함에 따라 오류가 증가하다가 95 cm 이후에서는 성능이 급격히 저하됨을 확인하였다.
그림 14는 직경 1 인치의 렌즈를 이용하여 5 m 거리에서 수행한 전송실험결과로서 오류 없는 전송이 가능하였다. 이를 통해 볼 때 수신부 광학계 설계를 통해 원거리의 통신도 가능함을 알 수 있었다.
위 실험 환경에서 패킷 오율을 측정하기 위해 임의의 문자를 전송하고 10만 개의 카메라 이미지 프레임을 처리하여 확인한 결과 그림 12와 같은 패킷오율을 확인할 수 있었다. 전송거리 85 cm 까지는 오류가 없는 상태이지만 이후 거리가 증가함에 따라 오류가 증가하다가 95 cm 이후에서는 성능이 급격히 저하됨을 확인하였다.
한편, 전송거리의 한계를 극복하기 위해 수신부에 렌즈를 추가로 이용한 테스트를 수행하였다. 즉, 실험에 이용한 웹캠보다 구경이 큰 plano-convex 렌즈를 카메라 앞에 두면 렌즈를 통해 더욱 많은 빛이 집광되어 이미지센서에 공급되므로 근거리에서 실험하는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 그림 14는 직경 1 인치의 렌즈를 이용하여 5 m 거리에서 수행한 전송실험결과로서 오류 없는 전송이 가능하였다.
후속연구
카메라 이미지센서 수신 영상은 최초에 YUV 형태로 저장되는데, 여기에서 UV는 색차(Chrominance)성분이 포함된 것이다. 그러나 본 연구에서는 백색 LED 광원을 검출하기 때문에 필요하지 않다. 따라서 본 알고리즘에서는 휘도 성분(Y)만을 추출한다.
본 논문의 연구 결과를 활용한다면 광다이오드 없이 카메라가 부착된 스마트 기기를 이용해서 LED 조명이 전송하는 신호를 수신할 수 있으며, 실내위치인식이나 비콘 등의 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 제안된 고속 데이터 송수신 시스템은 무엇을 이용하였는가?
대부분의 스마트 기기는 내장된 카메라를 이용함으로써 실용성이 높고 VLC의 응용기술로 실내 내비게이션, 사물인터넷(IoT) 등에 사용될 수 있어 다양한 분야에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 CMOS 카메라 이미지 센서의 롤링셔터효과(Rolling Shutter Effect)를 이용한 고속 데이터 송수신 시스템을 제안한다. 인코딩 된 송신 데이터를 이미지처리, 수신 알고리즘을 통해 데이터를 복원하였다.
이미지 센서의 노출방식 중 글로벌 셔터 방식은 이미지를 어떻게 형성하는가?
이미지 센서의 노출방식은 글로벌 셔터(Global Shutter)와 롤링셔터(Rolling Shutter)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다. 글로벌 셔터 방식은 빛을 수신하기 위해 모든 픽셀을 동시에 빛에 노출시킴으로써 이미지를 형성한다. 반면 롤링셔터 방식은 이미지 센서의 한 행씩 순차적으로 노출시켜 이미지를 형성하며, 따라서 이 방식은 이미지 센서의 픽셀마다 다른 LED 의 ON, OFF 정보를 표현할 수 있어서 많은 양의 데이터를 수신할 수 있고, 고속으로 변조되는 LED의 데이터 수신에 적합한 방식이다[2].
카메라의 이미지 센서는 응용방식과 제조 공정에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?
카메라의 이미지 센서는 응용방식과 제조 공정에 따라 CCD(Charge-Coupled Device)이미지 센서와 CMOS 이미지 센서로 나눌 수 있다. 그 중 CMOS 이미지 센서는 소비전력이 적고 화소 내에 신호 증폭회 로나 노이즈 제거 회로가 탑재 가능하여 노이즈 특성이 좋으므로, 최근 스마트폰과 태블릿 PC 등 카메라 기능이 탑재된 모바일 기기의 확대와 더불어 사용 범위가 급격히 늘어나고 있다.
참고문헌 (7)
3rd Revision of The IEEE P802.15.7r1 Short-Range Optical Wireless Communications Task Group Technical Considerations Document [Online]. https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/15/15-15-0492-03-007a-technical-considerations-document.docx
Hui-Yu, Hao-Min Lin, Yu-Kin Wei, Hsin-I wu, Hsin-Mu Tsai, and Kate Ching-Ju Lin, "Rolling light: Enabling line-of-sight light to camera communication," in Proc. Conf. Mob. Syst., Appl., and Services, pp. 167-180, May 2015.
C. Danakis, M. Afhani, G. Povey, I. Underwood, and H. Hass, "Using a CMOS camera sensor for visible light communication," IEEE Globecom, pp. 1244-1248, Dec. 2012.
T. Nguyen, N. T. Le, and Y. M. Jang, "Asynchronous scheme for unidirectional optical camera communications(OCC)," ICUFN 2014, pp. 48-51, Shanghai, China, Jul. 2014.
C.-W. Chow, C.-Y. Chen, and S.-H. Chen, "Visible light communications using mobilephone camera with data rate higher than frame rate," Optics Express, vol. 23, pp. 26080-26085, Sept. 2015.
J. Lee, S. Lee, S. Hyun, Y. Park, and M. C. Ju, "Optical camera communications using rolling shutter effect of CMOS image sensor," Photonics Conf., pp. 19-20, Nov. 2014.
J. Lee, Y. Lee, S. Hyun, M. C. Ju, and Y. Park, "Optical camera communications using rolling shutter effect of CMOS image sensor," in Proc. Int. Conf. Commun., pp. 1469-1470, Jun. 2015.
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