[논문]가시광통신체계에서 난반사 조명을 고려한 인코딩 스킴

은성배; 김동규; 차신

doi:10.9717/kmms.2019.22.2.186

가시광통신체계에서 난반사 조명을 고려한 인코딩 스킴
An Encoding Scheme Considering Diffused Lights In a Visual Light Communication System 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.22 no.2, 2019년, pp.186 - 193

은성배 (Dept. of Information Communication Eng., Hannam University) , 김동규 (Dept. of Information Communication Eng., Hannam University) , 차신 (Dept. of Information Communication Eng., Hannam University)

Abstract ▼ AI-Helper

Visible light communication technology is being studied and developed in various ways due to advantages such as high transmission speed, excellent positioning and higher security. However, existing visible light communication systems have difficulties in entering the market because they use special transmitters and receivers. We will overcome the difficulty if we develope a VLC system that uses a conventional LED light as a transmitter and a smartphone camera as a receiver. What matters is that LED lights include a scatter filter to prevent glareness for human eyes, but the existing VLC(Visual Light Communication) method can not be applied. In this paper, we propose a method to encode data with On / Off patterns of LEDs in the lighting with $M{\times}N$ LEDs. We defined parameters like L-off-able and K-seperated to facilitate the recognition of On / Off patterns in the diffused Lights. We conducted experiments using an LED lighting and smart phones to determine the parameter values. Also, the maximum transmission rate of our encoding technique is mathematically presented. Our encoding scheme can be applied to indoor and outdoor positioning applications or settlement of commercial transactions.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Block Diagram of VLC System [1].
그림 Fig. 2. Applications of VLC [14].
그림 Fig. 3. 1-to-Many Approach in VLC.
그림 Fig. 4. System Configuration.
그림 Fig. 5. LED Light with Diffused Filter.
그림 Fig. 6. LED Pattern with 3-Off.
그림 Fig. 7. Example of LED Parameters.
그림 Fig. 8. Experimental LED Light.
그림 Fig. 9. Diffused LED Light Experiment with No Shutter Speed Control.
그림 Fig. 10. Diffused LED Light Experiment with Shutter Speed Control.
표 Table 1. KS Light Density Standard
표 Table 2. Result of L-off-able
그림 Fig. 11. Example of Communication Protocol.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 일반 LED 전등이 다수의 LED 점광원들의 M⨯N 모음으로 구성되는 점을 고려한다. 특정 점광원을 특정 시점에서 OFF하면 QR코드처럼 특정 패턴으로 인코딩할 수 있다.
본 논문에서는 일반 LED 조명을 송신기로 스마트폰의 전면 카메라를 수신기로 활용하는 VLC 기술을 제안하였다. 문제는 일반 LED 조명은 사람 눈의 피로를 줄이기 위하여 난반사 필터를 부착하고 있기 때문에 기존 VLC와 같이 단일 LED의 On/Off 깜박임으로는 통신이 어렵다는 것이다.
본 논문에서는 일반 LED 조명을 송신기로, 스마트폰의 전면 카메라를 수신기로 활용하는 VLC 기술을 개발하고자 한다[10]. 일반 LED 조명을 사용하는 가정이나 사무실을 포함한 다양한 실내 공간에서 스마트폰만으로 위치인식 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구에서는 송신기의 빛이 사람에 일시적으로 가려지는 경우까지 고려하여 빛의 세기의 변화를 측정하고 통신 방식을 시뮬레이션하였다. 본 논문은 송신기의 빛 자체가 난반사 필터를 거친 후 전송되는 것이므로 이 연구와는 다르다.

가설 설정

1) 전면 카메라를 활용하여야 사용자의 UI/UX에 도움이 된다. LED 전등 밑에 위치한 사용자가 VLC 통신 기술을 활용하여 정보를 수신할 때, 현재 수신되는 정보량이 화면에 표시되어야 사용자 UI/UX를 만족할 수 있다.

제안 방법

L-off-able 값을 결정하기 위하여 12⨯12 LED 조명과 ‘Lux Meter’라는 스마트폰 조도 감지 응용을 사용하였다[10].
L-off-able 값을 결정하기 위하여 12⨯12 LED 조명과 ‘Lux Meter’라는 스마트폰 조도 감지 응용을 사용하였다[10]. LED조명과 조도 확인 장치 사이의 거리를 2M로 설정한 후 LED 소자를 하나씩 껐을 때 조도를 확인하여 조명으로 사용 가능한 영역을 확인하였다. 조명으로 사용 가능한 영역은 Table 1 KS 조도 기준을 이용하여 한국 기준으로 200∼300 lx를 적정 조도로 설정하였다.
박물관이나 전시장의 특정 전시작품 상단에는 일반 LED조명이 켜져 있다. 그 조명에서는 사용자가 도착했을때 미리 지정된 데이터 값을 제안된 VLC 방식으로 데이터를 송신한다. 사용자가 스마트폰 응용을 실행하면 전면카메라가 1초에 수십 FPS(Frame Per Second)의 속도로 LED 조명을 촬영하고 그 이미지에서 데이터를 추출한다.
난반사 판이 부착된 일반 LED 조명과 스마트폰 카메라를 이용하여서 데이터 송수신을 위한 시스템 구성을 소개하며 주요 매개변수 및 인코딩 결과의 최대 전송속도를 이론적으로 제시한다.
또한 난반사판에 의한 해상도 저하를 고려하여 인접한 점광원이 얼마나 이격되어야 하는가를 지정하는 K-seperated라는 매개변수도 정의하였다. 난반사 필터를 갖는 LED 조명과 스마트폰 카메라를 이용한 실험을 통하여 2개 매개변수 값을 결정하였다. 이를 기반으로 통신 가능한 전송량의 최대치를 수학식으로 제시하였다.
또한 난반사판에 의한 해상도 저하를 고려하여 인접한 점광원이 얼마나 이격되어야 하는가를 지정하는 K-seperated라는 매개변수를 정의한다. 난반사 필터를 갖는 LED 조명과 스마트폰 카메라를 이용한 실험을 통하여 2개 매개변수 값을 결정한다. 이를 기반으로 통신 가능한 전송량의 최대치를 수학적으로 분석한다.
VLC 기술에서 난반사를 고려한 연구로서 송신기의 빛이 벽 등에 반사되어 발생한 난반사 빛을 수신기가 처리하는 연구[11]가 진행되었다. 이 연구에서는 송신기의 빛이 사람에 일시적으로 가려지는 경우까지 고려하여 빛의 세기의 변화를 측정하고 통신 방식을 시뮬레이션하였다. 본 논문은 송신기의 빛 자체가 난반사 필터를 거친 후 전송되는 것이므로 이 연구와는 다르다.
난반사 필터를 갖는 LED 조명과 스마트폰 카메라를 이용한 실험을 통하여 2개 매개변수 값을 결정하였다. 이를 기반으로 통신 가능한 전송량의 최대치를 수학식으로 제시하였다.
난반사 필터를 갖는 LED 조명과 스마트폰 카메라를 이용한 실험을 통하여 2개 매개변수 값을 결정한다. 이를 기반으로 통신 가능한 전송량의 최대치를 수학적으로 분석한다.
제안된 인코딩 기법에서는 M⨯N 개의 LED 점광원을 1개나 2개, 또는 그 이상을 Off하여 코드화한다. Off되는 LED 수가 커질수록 인코딩 경우의 수는 커지므로 단위 시간당 데이터 전송량도 커진다.

대상 데이터

ATmega128은 On/Off될 LED를 제어하는데 활용되었다. 스마트폰은 안드로이드 스마트폰으로서 갤럭시 7을 사용하였다. Fig.
Table 2는 실험 결과를 표시한다. 실험에 사용한 LED 조명은 총 144개의 LED 점광원을 갖는데 실험결과는 L-off-able이 15라는 것을 말해준다. 그 결과는 조명과의 거리와 스마트폰의 종류에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.
실험을 진행하기 위하여 10⨯10 LED 전등과 ATmega128을 이용하여 구현하였다. ATmega128은 On/Off될 LED를 제어하는데 활용되었다.

이론/모형

또한 스마트폰의 전면 카메라를 수신기에 활용한 연구[13]도 있었는데 스마트폰의 카메라의 Rolling Shutter 기능을 활용하여 빠르게 신호를 읽는 방식을 연구하였다. 이 연구의 송신기는 단일 LED의 깜빡임을 활용한 방식으로 본 논문의 방식과는 다르다.
하지만 Off되는 LED 수가 커질수록 전체 조도는 낮아지며 조명으로서의 역할도 떨어질 것이다. 이를 방지하기 위하여 본 논문에서는 L-off-able이라는 매개변수를 정의한다.
조명으로 사용 가능한 영역은 Table 1 KS 조도 기준을 이용하여 한국 기준으로 200∼300 lx를 적정 조도로 설정하였다.

성능/효과

3) 스마트폰 응용과 VLC 등 사이에 동기화 기능이 활용될 수도 있다. 응용이 실행되면 VLC에게 신호를 보내고 그 신호를 받은 순간 통신을 진행하는 방식이다.

후속연구

VLC 기술이 일회성 작업 처리를 위한 통합 플랫폼[15]에서 활용된다면 특정 공간에 사용자가 있을때 그 공간에서 웹 문서를 즉시 받아서 처리하는 응용에 활용될 수 있을 것이다. 예를 들어 보안이 요구되는 공간에 특정 사용자가 위치한다면 그 공간의 출입 허가를 받는 키를 VLC 조명으로부터 받을 수 있을 것이다.
본 논문에서 제안된 VLC 기술은 일반 LED 조명을 사용하는 가정이나 사무실, 기타 다양한 실내 공간에서 별도의 수신기없이 스마트폰 만으로 위치인식 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용될 수 있을 것이다. 향후 연구 방향은 우리의 인코딩 기법 기반의 전체 통신 프로토콜을 개발하여서 이를 실내 위치기반 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용하는 것이다.
좌하단은 전파간의 상호 간섭이 우려되는 비행기내에서 멀티미디어 데이터를 전송받는 사례를 표시하며 우하단은 교차로에서 신호등과 차량 간의 통신을 통하여 전방의 상황정보를 전송하는 사례를 보여준다. 이런 사례들은 향후 VLC 통신의 다양한 응용 분야를 보여주며 그 활용 사례는 더욱 증가할 것이다.
본 논문에서는 일반 LED 조명을 송신기로, 스마트폰의 전면 카메라를 수신기로 활용하는 VLC 기술을 개발하고자 한다[10]. 일반 LED 조명을 사용하는 가정이나 사무실을 포함한 다양한 실내 공간에서 스마트폰만으로 위치인식 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이때의 문제는 일반적인 LED 조명은 사람 눈의 피로를 줄이기 위하여 난반사 필터를 부착하고 있기 때문에 단일 LED의 On/Off 깜박임으로는 통신이 어렵다는 것이다.
본 논문에서 제안된 VLC 기술은 일반 LED 조명을 사용하는 가정이나 사무실, 기타 다양한 실내 공간에서 별도의 수신기없이 스마트폰 만으로 위치인식 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용될 수 있을 것이다. 향후 연구 방향은 우리의 인코딩 기법 기반의 전체 통신 프로토콜을 개발하여서 이를 실내 위치기반 응용이나 스마트폰 결재 등에 활용하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VLC란 무엇인가?	이에새로운 무선통신 기술로 관심 받는 분야가 VLC(Visual Light Communication)기술이다. VLC는 사람의 눈으로는 포착할 수 없는 LED의 깜박임을 이용하여 디지털 신호를 전송하는 무선통신기술이다[1].
	VLC 기술이 국내에서 활용하고 있는 곳은?	일반적으로 VLC 기술은 고속 데이터 전송과 위치기반 서비스[2]로 분류하여 연구 개발되고 있는데EU에서는 배선을 따로 사용하지 않고 1Gbps를 제공하는 홈 네트워크 시스템, 일본은 LED가로등을 이용한 200m내 사용자에게 100mbps의 네트워크 시스템제공, 한국에서는 쇼핑센터에서 위치기반 서비스로 실내 네비게이션 등에 활용하고 있다[3].
	스마트폰 응용은 어떠한 요구기능을 가져야 하는가?	1) 전면 카메라를 활용하여야 사용자의 UI/UX에 도움이 된다.LED 전등 밑에 위치한 사용자가 VLC통신 기술을 활용하여 정보를 수신할 때, 현재 수신되는 정보량이 화면에 표시되어야 사용자 UI/UX를 만족할 수 있다. 2) 카메라는 연속 이미지로 사진을 촬영하고 그 이미지를 분석하여 정보를 얻어야 한다. 이때 FPS(Frame PerSecond)가 클수록 전송되는 데이터 양을 놀릴 수 있다. 3) 스마트폰 응용과 VLC 등 사이에 동기화 기능이 활용될 수도 있다. 응용이 실행되면 VLC에게 신호를 보내고 그 신호를 받은 순간 통신을 진행하는 방식이다. 그 결과 불필요한 VLC 동작을 피할 수 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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