CN106605262A

CN106605262A - 编码光符号编码

Info

Publication number: CN106605262A
Application number: CN201580036386.4A
Authority: CN
Inventors: K.J.G.霍尔特曼
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2017-04-26
Also published as: EP3164950A1; WO2016001018A1; US20170170906A1; JP2017525258A

Abstract

本公开涉及以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym将被编码成由光源发射的可见光的数据的符号。每个符号被编码为在作为时间的函数的发射光电平中形成的至少两个不同符号波形的集合中的一个，符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的相应一个。代表不同数据值的符号波形之间的差仅在符号周期内以给定相位在预先确定的时间窗口内形成，预先确定的时间窗口的持续时间小于0.75﹒T_sym，该时间窗口内部的光电平对于不同的符号波形基本上不同，并且时间窗口外部的光电平对于不同的符号波形基本上相同。

Description

编码光符号编码

技术领域

本公开涉及一种用于将数据符号调制成由光源发射的光的编码方案。

背景技术

编码光是指将数据嵌入由诸如日常灯具之类的光源发射的光中的技术。光典型地包括用于照明诸如房间之类的目标环境的可见照明贡献（典型地，光的主要目的）和用于向环境提供信息的嵌入信号。为此，以一定的调制频率或多个调制频率，优选地，以足够高的频率，来调制光，以便超出人类感知，因此不影响主照明功能。在一些情况下，编码光发射器可能根本不具有照明功能。在这种情况下，可见光或不可见的红外光可以用作传输信息的介质。

编码光可以用于多种应用。例如，嵌入在光中的数据可以包括发射该光的光源的标识符。然后，可以在调试阶段使用该标识符来标识来自每个照明器的贡献，或者在操作期间可以使用该标识符来标识照明器，以便远程控制它（例如，经由RF反向信道）。在另一示例中，通过提供标识符与光源的已知位置和/或与该位置相关联的其它信息之间的映射，该标识可以用于导航或其它基于位置的功能性。在这种情况下，诸如接收（例如，通过内置相机）光的移动电话或平板的设备可以检测嵌入的标识符并且使用它来查找映射到标识符的对应位置和/或其它信息（例如，在通过诸如因特网之类的网络访问的位置数据库中）。在另外的应用中，可以将其它信息直接编码到光中（与基于嵌入在光中的ID来查找相反）。

WO2012/127439公开了一种技术，其中，可以使用日常的“滚动快门”型相机来检测编码光，如通常集成到如移动电话或平板之类的移动设备中一样。在滚动快门相机中，相机的图像捕获元件被划分为按照逐行的顺序暴露的多条线（典型地，水平线，即，行）。也就是说，为了捕获给定帧，首先一条线被暴露于目标环境中的光下，然后，该顺序中的下一条线在稍后的时间暴露等等。典型地，该顺序在整个帧上按次序“滚动”，例如，从上到下按行，因此，名称为“滚动快门”。当用于捕获编码光时，这意味着帧内的不同线在不同时间捕获光，并且因此，如果线速率相对于调制频率足够高，则在调制波形的不同相位捕获光。因此，可以检测到光中的调制。

通常，希望能够在滚动快门相机的尽可能少的行中检测到编码光信号。例如，这可以减少检测信号所需的时间量，其对于其自身目的而言可能是期望的（更快速检测）和/或节省功率（通过减少相机需要被开启的时间量和/或减少所需的信号处理量）。作为另一考虑，能够从较少数目的线检测编码光信号可以允许从在捕获的图像中具有较小覆盖区（footprint）的光源中检测信号。

然而，常规上讲，混叠的效果将符号速率限制为不大于采样速率的一半。在使用滚动快门相机检测编码光的情况下，这意味着每个数据符号至少捕获两条线，并且实际上，每个符号多于两条线。如果符号发送时钟和采样时钟在频率和相位上精确地同步，则可以无干扰地采样符号而没有混叠。然而，根据场景，这种同步并不总是方便或甚至可能的。希望能够以每两条线多于一个符号的速率，即，大于线速率的一半来传达编码光信号，而不必（需要）在编码信号和采样之间同步。进一步地，不仅仅对于使用滚动快门相机的检测，而且对于使用其它类型的光传感器（例如，慢速采样光电池）的检测，均期望能够以每两个样本多于一个符号的速率，即大于一半的采样速率，传达编码光信号，同样不必（需要）在编码信号和采样之间同步。

发明内容

根据本文中所公开的一个方面，提供了一种用于将数据的符号编码成由光源发射的光的编码器。编码器被配置成被配置成以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym将符号编码成光；并且所述符号中的每个符号被编码为在作为时间的函数的发射光电平中形成的至少两个不同的符号波形的集合中的一个，符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的不同的相应一个。代表不同的数据值的符号波形之间的差仅在符号周期内以给定相位在预先确定的时间窗口内形成，预先确定的时间窗口的持续时间小于0.2﹒T_sym，所述时间窗口内部的光电平对于不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的光电平对于不同的符号波形基本上相同。

根据本文中所公开的另一方面，提供了一种用于对被编码成由光源发射的光的数据的符号进行解码的解码器。解码器可操作以获得以具有采样周期T_samp=1/f_samp（例如，具有线周期1/T_line的滚动快门相机的线速率）的采样速率f_samp采样的光的样本；符号以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym在光中编码；所述符号中的每个符号被编码为在作为时间的函数的所述发射光的电平中形成的至少两个不同的符号波形的集合中的一个，符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的不同的相应一个。代表不同的数据值的符号波形之间的差仅在符号周期内以给定相位在预先确定的时间窗口内形成，预先确定的时间窗口的持续时间小于或等于0.2﹒T_sym（在实施例中，其也将小于或等于0.2﹒T_samp，比如，在滚动快门相机的情况下，小于或者等于0.2﹒T_line），所述时间窗口内的光电平对于不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的光电平对于不同的符号波形基本上相同。解码器被配置成基于在采样周期的多个相应实例中的每个实例期间采样的光的数量，来检测由符号的符号波形代表的所述数据值。

如将在附图和具体实施方式部分中更详细地例示的，该符号集合提供了“尖峰”编码，由此在其中窄脉冲（或“尖峰”）用于编码实际数据的位置之间留下“净空间”。

有利地是，本发明人已经发现，在符号周期的数据编码区域之间留下这个净空间允许以高于一半的采样速率的符号速率对数据进行编码（每两个样本多于一个符号，例如，滚动快门相机的每两条线）。即，在每个符号周期中存在具有与每个其它符号周期相同（‘净’）信号电平的区域，并且其具有该净区域，相对于下一个符号具有相同或大致相同的符号时钟相位偏移，其给予编码其“抗混叠”或“交叉符号干扰减少”的特性。

一般而言，净空间越大，交叉符号干扰的抗混叠或减少越有效。因此，在实施例中，所述预先确定的时间窗口的持续时间小于或等于0.1﹒T_sym或者甚至0.05﹒T_sym；并且在解码侧，优选地也小于或等于0.1﹒T_samp或甚至0.05﹒T_samp（例如，小于或等于0.1﹒T_line或甚至0.05﹒T_line）。然而，如果窗口大小做得太小，则符号信息可能不再能被一些检测器检测到，因为符号之间的能量差低于检测器的信噪比。因此，当选择窗口大小时，可以在具有较小窗口（更好的抗混叠特性）和较大窗口（更好地支持检测器或检测具有较高噪声本底的环境）之间进行折衷。

在实施例中，采样速率f_samp大于或等于符号速率f_sym。即，可以以每样本高达一个符号（例如，滚动快门相机的每条线）的速率对数据进行编码。例如，在一个特别有利的实施例中，为了确保没有混叠，采样周期T_samp小于或等于T_sym减去预先确定的时间窗口的持续时间。但是可替代地，在一些其它实施例中，采样速率f_samp（例如，线速率f_line）实际上可以小于符号速率f_sym，其中解码器包括纠错算法，以纠正由于较低线速率而丢失的样本。

实际上，在实施例中，如果采样速率高于符号速率或更低，则纠错码可能是有用的；并且在任一情况下，可以向解码器提供纠错算法以纠正由于交叉符号干扰而丢失的符号。

在实施例中，符号不一定是二进制的。即，所述符号中的每个符号可以被编码为在发射光电平中形成的三个或更多个符号波形的集合中的一个，所述三个或更多个符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的相应一个。

在另外的实施例中，编码器可以被配置成至少一次更改相位，并且以更改的相位继续所述编码。例如，编码器可以被配置成在发送数据至少一次之后更改相位，并且以更改的相位（即，使用相同的编码方案但是不同的相位）重复数据的所述编码。这样，如果解码器由于跨越线样本的符号脉冲而未能从一个帧中捕获的图像中检测到数据，则解码器可以重新尝试在后续帧中的检测，并且当符号现在处于新的相位，并且因此相对于采样的新的时间对准时，此时成功地实现检测。

可替代地或附加地，编码器可以被配置成更改所述时间窗口的符号速率至少一次，且以更改的符号速率继续所述编码。例如，编码器可以被配置成在传输数据至少一次之后，更改所述时间窗口的符号速率，并且以更改的符号速率重复数据的所述编码（即，使用相同的编码方案，但是使用不同的符号速率）。

在另外的实施例中，在使用滚动快门相机进行检测的情况下，每条线被暴露等于线周期T_line的暴露时间T_exp。可替代地，每条线可以被暴露大于线周期T_line的暴露时间T_exp，其中解码器包括滤波器，其被布置成对来自所述多条线的测量值进行滤波，以便获得所述样本，使得在所述滤波之后的所述样本中的每个样本代表在短于暴露时间T_exp的相应时间段期间接收到的光的强度，在代表在T_line的相应实例期间接收的光强度的实施例中（尽管一些可行滤波器可能具有与线速率不同的输出采样频率）。

在实施例中，相机可以被配置成仅从图像传感器的子区域（“感兴趣区域”）捕获像素，其中，子区域包括光源出现的区域或由光源出现的区域组成。即，子区域与图像传感器上的光源的覆盖区或者围绕包含覆盖区和一些背景但仍然排除一个或多个其它区域的光源的覆盖区的稍宽的区域相对应。

根据本文中所公开的另一方面，提供了一种系统，包括：光源，包括编码器，用于发射所述光的至少一个发光元件，以及耦合在编码器和至少一个发光元件之间的驱动器，经由该驱动器，编码器被布置成将符号编码成发射光；和包括解码器和滚动快门相机的接收装备。

根据本文中所公开的另一方面，提供了一种对应的编码方法、解码方法、用于按照本文中所公开的编码器或解码器侧特征中的任一个编码的计算机程序产品和用于按照本文中所公开的编码器或解码器侧特征中的任一个解码的计算机程序产品。在计算机程序产品的情况下，这包括体现在一个或多个计算机可读介质上的软件，被配置成从其下载或以其它方式检索，并且被配置成以便当在一个或多个处理器上执行时，执行相关的编码器或解码器侧操作。

附图说明

为了辅助理解本公开并且示出如何实施实施例，通过示例参照附图，其中：

图1是其中一个或多个光源发射编码光的环境的示意图示，该编码光由具有滚动快门相机的设备检测；

图2是由滚动快门相机捕获的一个或多个光源的图像的示意性代表；

图3是包括滚动快门图像传感器的各条线的由滚动快门相机捕获的图像的一部分的示意性代表；

图4是示出了发射光随时间的强度以及由滚动快门相机的每条线测量的相应光量的草图；

图5是示意性地示出了使用备选编码方案的编码光源发射的光的强度和由滚动快门相机的每条线测量的对应光量的草图；

图6是示意性地示出了使用另一备选编码方案的由编码光源发射的光的强度和再次由滚动快门相机的每条线测量的对应光量的草图；

图7是包括光源和接收设备的系统的示意性方框图；

图8是示意性地图示了滚动快门图像捕获过程的时序图；

图9是示意性地图示了在滚动快门线序列上的一系列编码光符号的采样的时序图；

图10是示意性地图示了在滚动快门线序列上的一系列编码光符号的采样的另一时序图；

图11是示意性地图示了在滚动快门线序列上的一系列编码光符号的采样的另一时序图；

图12是示意性地图示了在滚动快门线序列上的一系列编码光符号的采样的另一时序图；

图13是示意性地图示了示例符号集合的草图；

图14是示意性地图示了另一示例符号集合的草图；

图15是示意性地图示了又一示例符号集合的草图；和

图16是一些实验结果的图。

具体实施方式

下面描述了其中编码光用于室内导航的示例。然而，应当领会，将存在可以受益于能够在滚动快门相机的更少线中或者更通常地在光传感器的更少样本中检测到编码光信号的许多其它应用。

存在设备确定其位置的多种方式，诸如GPS。然而，在室内，GPS工作得不是非常好。当前的行业共识是，在室内，智能电话中的感测模态的组合应当优选地用于以最低功耗获得最准确的位置确定。这些感测模态包括：

手机塔身份和信号强度测量；

WiFi接入点标识和信号强度测量；

加速度计和陀螺仪（陀螺仪在智能手机中尚未普及，但是越来越多地被纳入）；

基于蓝牙的位置信标（如果可用的话）；和/或

基于编码光的位置信标（如果可用的话）。

编码光可以用高采样速率光电二极管（在大多数智能手机中还不可用）读取，或者可以使用智能电话的内置相机读取。注意，将就智能电话来描述以下内容，但是将理解，教导可以同样地应用于其它类型的接收装置，例如，其它移动设备，诸如平板、膝上型电脑、头戴式耳机、遥控器、钥匙扣、智能手表或其它“智能”服装。

图1图示了使用智能电话101的相机对编码光的检测。智能电话101具有其中出现一个或多个光源103，104相机视场102。光源103，104中的至少一个是被设立为传输嵌入在其发射的照明中的标识符（和/或其它信息）的编码光源104。

在实施例中，光源103，104是具有照明室内或室外环境100的主要目的的照明器，使得至少一个编码光源104将标识符和/或其它信息嵌入其发射的可见照明中。可替代地，不排除至少一个光源104可以是具有经由可见光或红外（IR）光传输信息的主要目的的专用编码光源。例如，可以检测IR光的低成本CMOS相机也存在，因此本文中所公开的技术还可以应用于其中使用IR光来创建“不可见”信标的应用，诸如在增强现实游戏情形中。

图7示出了光源104（或103）和智能电话101的更多细节。光源104包括至少一个发光元件703（例如，LED或LED阵列）、具有耦合到至少一个照明元件703的输入的输出的驱动器704、以及具有耦合到驱动器704的输入的输出的编码器705。编码器705被配置成经由驱动器704控制至少一个光源703以便以高频率调制其光，以便嵌入诸如光源104的标识符之类的数据。编码器705可以是光源104的本地或远程部件，或本地部件和远程部件的组合。其可以以存储在一个或多个存储器上并且被布置成用于在一个或多个处理器上执行的软件来实现，或者可以以专用硬件电路或可配置或可重配置电路（诸如PGA或FPGA）或这些可能性的任何组合来实现。

智能电话101包括并入在智能手机101的外壳中的相机701和解码器702。解码器702具有耦合到相机701的输出的输入，被布置成接收静止图像或运动图像（=多个后续图像）。可替代地，解码器702可以在外部设备上，例如，个人计算机或服务器，并且可以经由外部连接（例如，诸如USB端口之类的有线连接，或诸如Wi-Fi、Zigbee或蓝牙之类的无线连接）和/或远程连接（例如，通过诸如3GPP蜂窝网络和/或因特网之类的网络）从相机701接收图像。解码器702可以以存储在一个或多个存储器上并且被布置成在一个或多个处理器上执行的软件来实现，或者其可以以专用硬件电路或可配置或可重配置电路（诸如PGA或FPGA）或者这些的组合来实现。

在本地化场景下，编码器705被布置成将光源104的标识符编码成其发射的光，从而允许智能电话101基于标识符查找光源104的位置。例如，可以发送32位的标识符，或者64或128位的值，其对标识符进行加密编码。

典型地，一旦发送标识符的第一实例（可能具有短间隔，以在实例之间进行区分），光源104就重复标识符的传输一次或多次，从而最大化发送的至少一个实例即使在电话101和光源104之间没有任何同步的情况下也由相机捕获的机会。

执行基于相机的位置测量的能量使用有时很受（但并不总是）关注。例如，本发明人估计具有活动相机的电话将比在相机关闭的电话消耗约250 mW，并且进行一些图像处理以检测编码光。如果用户在导航购物中心的同时，正在使用实时地图五分钟，则在这些五分钟期间由于智能手机相机正在连续操作中的大约250 mW的功率耗用可能不是关于电话的电池的使用寿命而很受关注。

然而，对于如“增强现实”或“推送广告”的始终开启的应用，其中可能需要连续几个小时的位置信号，如果相机保持连续，则智能手机电池上的250 mW耗用可能是显着的。

比如，考虑诸如智能眼镜之类的增强现实型应用，其中通过平视显示器产生视场上的覆盖物。为了得到准确且实时的位置/取向信号，而不使电池耗用太多，解决方案将要短暂地接通相机，例如每5秒仅一次，以采取快速位置固定并且依靠始终开启的加速度计和陀螺仪来测量发生在两者之间的位置/取向的改变。加速度计和陀螺仪在连续保持时仅消耗约10 mW。在这种场景中，相机只偶尔用于纠正它们的漂移。

作为另一示例，考虑基于推送的广告应用，其中每30秒需要一次位置固定，以便判定用户是否已经进入了广告需要被服务的位置。在这种情况下，加速度计和陀螺仪不需要连续保持开启，尽管加速度计可能会间歇性地开启，以确定用户正在步行还是站立。期望通过非常简单地开启相机来获得位置固定，如，每30秒一次。

用于手机中的滚动快门CMOS相机可以简单地开启，例如，以仅捕获一个单个帧，并且在不使用时被操作为处于“待机”模式。它们在待机模式下消耗可忽略不计的功率。

图2示出了假设捕获了单个帧，图1的编码光源103，104如何出现在由滚动快门相机701捕获的图像200中。图3是图像200的右上角的放大图。如图3所图示的，在滚动快门相机中，图像传感器的像素被分组成与所捕获的图像200中的等效线300相对应的多条线，典型地，水平行。滚动快门相机701通过按序列（即，时间序列）一个接一个地暴露多条线中的每条线来工作。即，相机701首先开始暴露线300中的一条线（例如，顶部线或底部线），然后在稍后的时间开始暴露序列中的下一条线（例如，从顶部向下的下一条线或从底部向上的下一条线）等等。相机701的特征在于暴露时间T_exp，在滚动快门相机的情况下，暴露时间Texp是线暴露时间，使得每条线300被暴露从序列中的不同相应点开始的暴露时间T_exp的实例。

图3示出了出现编码光源104的各个扫描线301，302，303，304。因此，解码器702能够从每条线获得相应的样本，从而测量从该条线采样的光的量。在实施例中，对于每条线300，解码器702接收该条线的各个像素值的一些或全部，并且通过组合（例如，求平均）针对该条线接收的那些各个像素值中的一些或全部来获得线的样本。可替代地，这种组合（例如，求平均）可以由相机的图像传感器和解码器702（例如，嵌入在相机701中）之间的单独的预处理级（未示出）来执行，使得解码器702简单地通过从预处理级接收线样本来获得每条线300的组合（例如，平均）样本。作为另一示例，每个线样本可以通过从该条线获取单个代表像素值来获得。

通过任何方式，获得线样本，因此，解码器702从其中出现编码光的多条线301，302，303，304...中的每条线中获得样本。当每条线按序列在稍微不同的时间被暴露时，这意味着每条线301，302，303，304...在不同的时刻捕获编码光，因此编码信号的调制可以通过不同的线显现。

对于可以用滚动快门相机读取的编码光存在几种编码。比如，DPR（数字脉冲识别）是利用滚动快门机构以使可以通过捕获单个帧来读取编码的编码。在DPR中，编码产生在帧中的相继相机扫描线上可见的交替的更亮/更暗条纹图案，并且可以测量这些条纹的宽度以提取编码信息。这里假设每条扫描线300的滚动快门暴露时间T_exp等于读出单条扫描线300（即，线周期）所花费的时间T_line。如一会将要讨论的，一般而言，不总是这种情况，并且暴露时间T_exp常常实际上更长（见图8），但是可以应用滤波器来恢复仅代表在相应线周期期间捕获的光的样本因此恢复了图4、图5和图6所代表的情形。

图4示出了DPR在常规情况下如何工作。图的X轴是时间，图的Y轴是光强度。X轴细分301，302，303，304，305，306示出了读取每条扫描线300的不同时间。具有区段401，402，403的粗线示出了由编码光源104发射的光强度I_e。交叉阴影线条411，412，413，414，415，416分别示出了如由（相关像素的）每条扫描线301，302，303，304，305，306测量的光量Ie。在图4中，可以看出，在扫描线303中，其中所发射的信号从高强度状态转变到低强度状态，从扫描线303读出中间量的光：线条413大约是顶部水平和底部水平之间的一半。

为了精确地测量如401或402之类的DPR条纹的宽度，需要跨越多条扫描线300。比如，如果线扫描速率是20 KHz，则只有频率小于10 KHz（20 KHz/2）的音调可以明确地得以区分。比如30 KHz的音调将创建“混叠”效果，其将使其看起来与10 KHz的音调相同。由于混叠，因此，使用开关键控（OOK，在两个信号电平之间驱动LED）进行的DPR（和基于音调的编码光）由于混叠具有限制，在于比特率不能高于线扫描速率的1/2。如果使用多级键控（具有多于两个可能振幅的条纹），则比特率可以稍微增加，但是仍然存在基本比特率限制。

上述的比特率限制暗示其可能采取多个帧来读取编码光源，尤其是，如果编码光源104在其中是可见的扫描线300的数目很少。例如，如果需要读取编码为32位的位置信标ID，则该帧需要包含其中编码光源104可见的至少64条线（假设OOK）。如果它在更少的线中可见，则需要捕获多个帧，并且需要复杂的多帧重新组装过程以将来自不同帧的数据“拼接”在一起。

因此，提供能够将更多信息挤压到更少数目的扫描线300中的编码可能是有利的。一个优点是更快的检测，其可以期望用于其自身目的（更快的操作）和/或节省能量（因为相机701需要读取更少的帧和/或扫描更少的线300，所以对于移动设备，更长的电池寿命）。可替代地或附加地，另一优点是可以使编码光源物理上更小（或者更远离并且因此在图像中看起来更小），而不影响电话中的电池功率消耗。这可以降低用编码光装备环境的成本，和/或可以意味着在较大的室内空间中需要较低密度的（某个尺寸的）编码光源，因为它们可以从更远的地方读取。和/或作为又一可能的优点，能够将更多信息挤压到更少扫描线中的编码还支持从发射器到智能手机相机的更高比特率数据传输的应用，例如，尽可能快地传输MP3文件。

为了解决一个或多个这样的问题，下面公开了一种用于使用滚动快门相机将信息编码成要使用滚动快门相机读取的光的“尖峰符号”方法。

根据这个尖峰符号编码，使用光电平中的短上升或下降尖峰（窄脉冲）来对符号进行编码，其中尖峰基本上短于相机的线采样速率（并且优选地，短得多）。编码减少了混叠效应或符号间干扰，并且在实施例中，从而使得对于相同的相机，比特率是已知编码的两倍高。

在接收器侧，滚动快门相机701可以以特定方式被驱动以优化该尖峰符号编码的接收。也就是说，在实施例中，接收器可以被配置成驱动相机701以使用：（i）等于发射编码光的时钟速率（符号速率）f_sym的线扫描速率f_line，以及（ii）等于一个符号周期T_sym的快门时间（暴露时间）T_exp。通过假设这些条件，可以最容易地理解图5和图6的示例。然而，如稍后将更详细地讨论的，这两个条件中的任一个对于所有可能的实施例通常不是不可缺少的。

图5示出了所提出的尖峰编码的一个实施例。在该图中，编码光发射器的线扫描速率f_line和符号时钟速率f_sym相等。再有，粗线代表由编码光源104发射的光强度电平I_e，并且交叉阴影线条代表由相机701采样的光强度I_s。多条滚动快门扫描线301，302，303，304，305，306中的每条滚动快门扫描线对相应的光强度水平511，512，513，514，515，516进行采样，这些光强度水平511，512，513，514，515，516是在相应线的暴露周期中采样的光的总量或整体量。根据尖峰编码方案，符号1’被编码为向下尖峰501，502，503，504；并且通过不存在这种尖峰502，505来对符号‘0’进行编码。这相对于在用于‘0’符号的相应线302，305中接收的光512，515的数目，导致在用于1’符号的相应线301，303，304，306中接收到不同数目的光511，513，514，516。因此，解码器702能够基于在相应线中接收的光的总量或整体量来检测符号值。进一步地，因为尖峰的持续时间（宽度）D基本上小于扫描线300的时间周期T_line的持续时间（宽度），所以几乎没有或没有混叠，并且净符号1或0在所测量的光强度511，512，513中可见。

图6示出了图5的实施例的变型，其中编码方案支持多于两个可能的符号。这里，符号‘1’用短持续时间D₁的尖峰501'编码，符号‘2’用具有更长持续时间D₂的尖峰502'编码，例如。D₂是D₁的两倍长（尽管仍然基本上短于线周期T_line），并且‘0’又不用尖峰503'编码。再有，不同的符号导致在相应的线301，302，303中接收的不同数量的光511'，512'，513'，解码器702可以基于该数量来检测相应的符号值。进一步地，因为最大尖峰宽度D₂基本上小于线周期T_line，所以几乎没有或没有混叠，并且可以检测到净符号2，1或0。

另一可能变型可能例如要使用“无尖峰”加上七个不同的尖峰宽度来编码八个不同的符号。

在实施例中，可以针对特定相机或具有特定线速率T_line的相机定制编码方案，使得每个尖峰（每个脉冲）的最大宽度（例如，D或D₂）小于线速率T_line的某一部分，例如，小于或等于T_line的十分之一。然而，更一般地，编码方案可以被设计成至少以使每个符号周期的任何脉冲被限制到小于每个符号周期T_sym的某一部分的持续时间，例如，小于或等于T_sym的十分之一。

图13图示了图5的符号集合。符号集合包括持续时间T_sym的一对符号波形，每个符号波形代表不同的数据值，使得在编码信号中将存在每个符号周期编码一个（且仅一个）符号的一个（且仅一个）符号波形。根据本文中所公开的编码方案，符号波形中的任何实质性活动被限制到在符号周期内给定相位处的窗口W，其中，窗口W基本上短于符号周期T_sym的持续时间。在窗口W外部，波形对于该集合中的两个符号波形基本上相同，并且仅在窗口W内部，存在波形之间的任何实质性差异。在图5的二进制示例中，数据值0由在整个窗口内部和外部两者的基本上平坦（相同的光电平）的波形代表；并且数据值1由窗口W中的持续时间D的脉冲代表（在这种情况下，定义为等于窗口W的持续时间）。

图14图示了根据类似原理配置的图6的符号集合。这里，符号集合包括具有持续时间T_sym的三个（或更多个）符号波形，其中，在编码信号中还将存在每个符号周期编码一个（且仅一个）符号的符号波形中的一个（且仅一个）符号波形。这里，数据值0由在整个窗口W内部和外部两者的基本上平坦（相同的光电平）的波形代表；数据值1由窗口W内的持续时间为D₁的短脉冲（短于窗口W的持续时间）代表；并且数据值2由在相同窗口W（在这种情况，其作为最大脉冲长度等于窗口W的持续时间）中的持续时间D₂的略长的脉冲代表。因此，再有，符号波形中的任何实质性活动被限制到在符号周期内给定相位处的窗口W，其中，窗口W基本上短于符号周期T_sym的持续时间。

这确保了在编码实际数据的脉冲（“尖峰”）之间留有“净空间”。在符号周期的数据编码区域之间留出该净空间允许以高于一半的采样速率的符号速率（每两个样本多于一个符号，例如，滚动快门相机的每两条线）对数据进行编码。即，在每个符号周期中存在具有与每个其它符号周期相同（‘净’）信号电平的区域，并且其具有该净区域，相对于下一符号具有相同或大致相同的符号时钟相位偏移，其给予编码其“抗混叠”或“交叉符号干扰减少”特性。

注意，图5、图13、图6和图14的示例不是满足所公开的准则的唯一可能的编码方案。具有该特性的另一示例符号集合在图15中示出。这里，提供了二进制编码方案的另一示例，此时，数据值0由短持续时间D₀的脉冲代表，并且数据值1由持续时间D₁（例如，D₀的两倍长）的略长的脉冲代表。更进一步地，在相位中，代表0的脉冲D₀不完全落在代表1的脉冲D₁内或者甚至不与代表1的脉冲D₁重叠。尽管如此，两个脉冲均落在具有基本上短于符号周期T_sym的持续时间的持续时间的符号周期内给定相位（即，位置）处的窗口W内。即，就它们在图15所示的符号周期内的相位，该集合中的最早脉冲D₀的最早边缘与该集合中的最后脉冲D₁的最后边缘之间的差等于W，其中，W基本上小于T_sym。

进一步地，注意，尽管在附图中示出了向下尖峰，但是如果使用向上尖峰，则该技术也可工作。向下尖峰可能更适合于旨在用作诸如房间之类的环境的照明源的灯，其还用作编码光发射器。向上尖峰更适合于目的使用尽可能少的能量和/或产生尽可能少的人类可见伪影的发射器。

向上尖峰可能更与具有许多位的符号的目的兼容，因为它们在理论上可以更好地利用相机AD转换器的动态范围。更进一步地，注意，窗口W内部的尖峰或脉冲不一定必须是矩形或任何特定形状，只要符号波形符合存在于它们之间的任何实质性差异的条件，即，运送不同的数据值的差被限制到再现的符号周期内给定相位（时间位置）处的窗口W。

原则上，小于T_sym的任何窗口持续时间W将减少混叠或交叉符号干扰，但是对于本公开的目的来说，不大于0.2﹒T_sym（20 ％）的窗口持续时间被认为是实际限制。如果在发射侧和接收侧之间使用某个粗略相位对准机构，则这种大小的窗口可以是特别可行的。这种粗略相位对准可以由仅具有稍微不同的发送和接收时钟速度组成，并且在接收器处等待一些时间，直到相位足够好地对准为止，特别地，如果期望占空相机以节省能量，则这种途径有吸引力。进一步地，较大的窗口大小给出了更好的SNR，因此每个符号可以潜在地编码更多的信息。

然而，优选地，窗口持续时间事实上短于该时间，不超过0.1·T_sym（10 ％）。

更一般地，窗口W的宽度相对于符号周期T_sym定义，其实质上短于T_sym。然而，在实施例中，编码还可以被具体地设计成用于特定相机或具有特定滚动快门线速率T_line的相机（例如，特定型号或类别的相机）。在这种情况下，窗口W还可以相对于T_line定义，其基本上短于T_line。例如，W可以被限制成小于或等于或小于或等于0.1·T_line。

注意，在其中据说符号波形在窗口W等外部是“基本上”相同的情况下，这意味着除了不显着影响编码的抗混叠特性并且不被编码方案用来运送信息的任何可忽略的变化之外的相同。例如，如果编码器向在时间窗口W外部发送的光添加少量噪声，则这不会落入本公开的范围外部。还有，在本文中据说符号波形在窗口W内部是“基本上”不同的情况下，这意味着至少足够不同，以允许基于在不同的相应样本中测量的不同光量，来检测不同的数据值。

关于灵敏度，可以编码到符号周期的单个窗口中的不同符号的数量受到智能手机相机精确测量由不同符号导致的光511'、512'、513'的量的差异的能力的限制。在典型的现代CMOS相机芯片中的模数（AD）转换器可以具有每像素10至12比特的动态范围。然而，灵敏度限制主要受到信噪比方面的影响，特别是在短线暴露时间的情况下。发明人的实验已经表明，对于指向具有典型室内光源强度的光源的CMOS相机，即使当线暴露时间是1/20000秒（对应于每秒20,000个符号/线的符号时钟和线扫描速率）时，（使用两个以上符号）区分两个以上光量是现实的。在这种情况下，将许多水平像素值（看到光源104的多个像素）相加（或平均）在一起以提高信/噪比是有利的。这种相加可以使用水平合并模式由大多数CMOS芯片在硬件中部分地完成。（使用水平合并模式通常也将有助于节省能量，尽管节省多少也还取决于相机芯片的设计。）一些CMOS相机芯片支持在信号进入相机模数（AD）转换器之前为像素信号设置模拟前置放大器的增益级：对于支持此的相机，可能需要设置高增益。

关于相位，其中如上所述，窗口W是依据符号周期内的给定相位进行定义的，这意味着窗口在当前符号周期内相对于当前符号周期的位置与窗口在后续相邻符号周期中相对于后续符号周期的位置相同，依此类推，甚至适用于不同的符号值。因此，从一个符号到下一个符号，窗口位置没有根据符号值四处移位。但是，请注意，这并不一定意味着相位是永久固定的。例如，时间窗口在符号周期内的时间偏移有时可能被编码器改变，例如，在偶尔的步骤中。此外，上述条件不排除在编码的相位中可能存在抖动或者伪静态漂移，只要抖动或漂移的程度小到足以满足相邻符号的脉冲不落在足够小的预定窗口之外的条件。例如，如果编码被设计成脉冲落在0.1﹒T_sym的窗口内，但是抖动增加+/-0.05﹒T_sym，这仍然满足脉冲落在0.2﹒T_sym的窗口内的条件。

如上所述，关于图4、5和6的讨论假设每个扫描线300的滚动快门暴露时间T_exp等于读取单个扫描线所花费的时间T_line（即，线周期T_line，其是线速率f_line的倒数）。在软件控制下的CMOS相机可以通过软件配置成使用等于（或者有时甚至短于）线周期T_line的（相对短的）暴露时间T_exp。然而，如图8所示，请注意，一般而言并不一定是T_exp=T_line的情况。通常，暴露时间T_exp大于线周期T_line，使得尽管每个扫描线300的暴露在序列中不同的交错时刻开始，但是其暴露时间是重叠的。将线暴露时间T_exp设置成等于线扫描时间T_line降低了复杂度。然而，另一方面，这可能导致图像暴露不足。虽然可以通过将像素值与某个因子相乘来校正暴露不足，但是结果将稍有噪声的，与使用较长暴露时间可以获得的质量相比质量较差。在一些应用中，其中相机图像具有更多用途，而不仅仅是编码光解码，因此，从具有例如是线采样周期T_line和/或符号时钟时间T_sym的4或5倍的暴露时间T_exp的图像中读取尖峰编码，可能是有利的。

为了适应更长的暴露时间T_exp，解码器702可以被配置成应用滤波器来恢复仅表示在各个样本的相应线时间T_line期间接收到的光的样本的版本。下面给出这种滤波器的示例。

在经典（频域）维纳滤波中，具有两个独立静止的零均值随机过程X和N₀。在典型的应用中，X表示输入到滤波器H的输入信号，而N₀表示在滤波器H的输出处添加的加性噪声。维纳滤波器G被布置成均衡滤波器H，即，在存在噪声N的情况下，消除滤波器H对输入信号X的影响（以达到最佳逼近）。经典维纳滤波器（在频域中）的公式如下：

其中S(f)是输入信号X的频谱密度，而N(f)是噪声项N₀的频谱密度。

在利用滚动快门相机检测编码光的应用中，等效数字信号处理问题对应于已经通过时间盒函数滤波的数字信号的恢复。也就是说，输入信号X表示由滚动快门相机捕获的编码光信号，并且滤波器H表示滚动快门获取过程的滤波效果。该滤波器H通过每条线的暴露来创建。它相当于具有宽度T_exp的时域中的盒函数（即，矩形函数），即，线暴露了时间T_exp，在该时间中捕获信号（滤波器H在时域中的传递函数一致“开启”），并且在该时间之前和之后不捕获任何信号（H在时域中的传递函数为零）。时域中的盒函数对应于频域中的正弦函数。该滤波器的影响可以是产生符号间干扰。因此，在下文中，由T_exp创建的滤波器可以依据其不想要的效果被称为“ISI滤波器”。

任务是找到仅使用Y来提供X的最小均方误差估算的线性滤波器G。为此，基于要均衡（即，消除）的滤波器H以及N₀的假设知识来预先配置维纳滤波器G。进行分析性配置使得（理论上已知的H知识和X和N的频谱）将维纳滤波器G应用于Y（其中Y是输入信号X加上噪声N）将产生相对于原始输入信号X使均方误差（MSE）最小化的输出信号X^∧。

从中可以看出，维纳滤波器的公式包括要均衡的滤波器的表示，在这种情况下是H*和|H|²（=HH*）的形式。传统上在经典维纳滤波器中，假设要均衡的滤波器H(f)和噪声谱密度N(f)是精确已知的。在均衡由滚动快门获取过程创建的ISI滤波器的情况下，这意味着T_exp的精确知识。还假定过程X和N的频谱密度S(f)和频谱密度N₀(f)分别是已知的。

然而，维纳滤波器事实上对H(f)的估算中的误差非常敏感。过去已经开发了一些技术来处理未知失真，诸如，迭代法（耗时），其中尝试改变目标响应直到获得最佳结果；或者最小-最大法，其中尝试识别最坏情况H(f)并且为此优化维纳滤波器。然而，仍然不能非常准确地知道要均衡的滤波器。

因此，要消除接收器侧的ISI，将需要提供对H(f)的定义中的不准确性不敏感的更“强大”的均衡滤波器。在实施例中，这可以通过计算固定的“平均维纳滤波器”来实现，“维纳类滤波器”在ISI滤波器H(f)的未知变化下具有鲁棒性。给定H(f)的相关参数的统计分布，该“鲁棒维纳滤波器”可以在MSE方面产生更优的输出。

在编码光的应用中，该理论允许在相机的T_exp仅仅近似已知的情况下重建编码光信号，通常是这种情况。

在下文中，在频域中（因此，如前所述，在H(f)方面）对问题进行描述。请注意，在对编码光的应用中，鲁棒维纳滤波器可以在基于相机（智能电话）的解码算法中实时构建为T_exp，并且因此H(f)在实际读取灯的期间被定义或更改。

鲁棒维纳滤波是基于指出H(f)并非精确已知，但是实际上是取决于至少一个未知量θ，即其值未知而且实际上在任何给定情况下可以在值的范围内（例如在两个限值-Δ和+Δ（或者通常Δ1和Δ2）之间）找到的H的参数。也就是说，假设滤波器H（f;θ）取决于与X和N无关的随机参数θ。

对于宽度θ的盒函数，即频域中的sinc函数，可以写为：

并且在由盒创建的ISI滤波器的情况下，θ是T_exp。

然后通过采用以上给出的经典维纳滤波器表示，并且在出现将被均衡的滤波器的表示的情况下，通过利用在未知参数θ的潜在值（例如平均值）上平均（例如，Δ和+Δ之间或更通常Δ1和Δ2之间的平均值）的对应平均表示进行替换，创建鲁棒维纳滤波器。也就是说，在出现基于H(f)的项的任何地方，用相对于θ平均的等效平均项替换。

从以上经典公式开始，给出：

其中，E是关于θ的平均值。给定上述示例，因此可以看出，在所有实施例中并不一定是T_exp=T_line。此外，在这种情况下，本公开的范围不仅仅限于这里描述的滤波器，并且诸如其它类型的均衡器之类的其他类型的滤波器也可以适用于消除暴露时间T_exp的符号间影响，以及从而恢复对应于线时间T_line的样本。

进一步地，到目前为止，已经依据与符号时钟速率f_sym完全相同的线扫描速率f_line对上述实施例进行了解释，但是这对于所有可能的实施例而言也不是必需的。例如，这可能具有如下缺点：如果时钟的相位差使得尖峰与两个扫描线的暴露周期之间的边界重叠，则不能无歧义地对符号进行采样。通过保持小的尖峰宽度，例如，扫描线时间的1/10，这种情况发生的机率只有十分之一。关于图9、图10、图11和图12对这种问题进行更详细的讨论。

首先考虑其中相机的线采样率恰好等于发射器的符号时钟速率的情况。例如，假如二者均使用10 kHz时钟。这给出了0.1 ms的符号持续时间。假如尖峰宽度是符号持续时间的1/10，因此为0.01 ms。CMOS相机以10 kHz读取线，因此（只要其是视野中具有来自光源的光的采样扫描线），每隔0.1 ms其产生来自发射器的编码光的一个样本。假设在该示例中线暴露时间也是0.1 ms。每个样本对在0.1 ms时间间隔内接收的光进行平均。

图9图示了这种布置。在该附图的图中，X轴都表示时间（以秒为单位），Y轴表示传输的光电平（顶部图）或者在样本中接收的光量（下三个图）。在底部的三个图中，每个叉号绘制了从相机获得的单个线样本值。所使用的编码具有两个符号：在其符号发送周期期间由常开'光电平表示的‘0’；以及由在符号周期的开始处插入的尖峰表示的‘1’，其中光在尖峰中关闭0.01 ms。附图的顶部图图示了由于发送示例符号序列‘0101010...’而因此交替‘0’和‘1’符号得到的光电平。

从顶部开始的第二个图显示了在尖峰（和其中可以放置尖峰的窗口）不跨越采样边界的情况下，即，每个尖峰完全处于单个样本的采样周期内，在顶部图中的编码光采集的样本。可以看出，后续样本显示了与‘0’和‘1’符号相对应的光量1和0.9。

现在考虑当尖峰跨越两个采样周期时会发生什么。在这种情况下，单个采样周期看到来自两个相邻符号的尖峰或缺少尖峰：在样本中存在交叉符号干扰。从顶部开始的第三个图显示了当尖峰跨越两个采样周期时的采样信号，但是其中每个尖峰在两个后续采样周期中具有不相等的部分：在这种情况下，在第一采样周期中的尖峰比在下一个采样周期中的尖峰更多。符号彼此干扰，但是没有达到不再能够检测到在采样周期中产生最大贡献的符号的值的程度。但是注意，该图没有显示采样噪声：它是通过假设零采样噪声的模拟创建的。如果存在一些采样噪声，则可能不再可能精确地过滤掉贡献较小的符号。

在图9最下面的图中，显示了当尖峰的中间与采样边界完全对准时发生的情况。在这种情况下，010101...符号序列不再产生可检测信号：符号完全破坏性地干扰。

使用符号时钟时间的1/10的尖峰大小，并且假设没有采取措施来使发射器和接收器时钟相位同步但其相位差是偶然的，则尖峰跨越采样边界只有1/10的机会。

但是，这10分之1的机会提出了可靠性问题。可以简单地以忍受1/10的可靠性。然而，如果希望对其进行改进，那么现在讨论几种解决方案。

第一个选项是在发送器和接收器之间使用相位同步机构，以便避免使尖峰跨越采样间隔的相位差。包含尖峰符号的稍微小的窗口大小确保了与使用非尖峰符号的系统相比，这种同步机构不需要非常准确。这种机构的一种可能的实现方式是，当接收器检测到其处于不良相位的状态时，接收器停止并重新启动CMOS相机芯片时钟，以（有希望地）创建良好状态。另一种可能的实现方式是接收器使用到发射器的反向信道，以便告知发射器改变其相位，但是一般而言，出于成本和简单的原因，我们希望避免需要反向信道的设计选项。

第二个选项是发射器定期地改变其发射器时钟的相位，或改变尖峰在其符号周期内占据的时间偏移位置。因此，处于不良相位状态的接收器可以只是等待，直到发射器改变相位。例如，在每个消息之后，相位可以提前符号周期的2/10。作为另一示例，在消息中的每4个比特之后，相位可以提前2/10，其中消息用纠错码编码，使得如果消息中的10 ％的比特是不可读的，消息仍然可以被重建。

第三个选项是接收器使用小于或等于符号的长度减去（最大可能的）尖峰长度（或者更通常减去窗口W的长度）的采样周期长度。这确保了相邻符号中的两个尖峰或非尖峰不能同时对在单个线样本中测量的光量贡献。因此，避免了每个样本中的交叉符号干扰。

该第三选项在图10中示出。图10中的轴和符号如图9所示。最上面的图显示了发送的信号，具有0.1 ms符号长度和0.01 ms尖峰长度：注意，发射器在所示的时间段内没有独立地进行任何时钟相位或尖峰偏移调整（与以上第二个选项不同）。从顶部开始的第二个图显示了接收器中具有0.042 ms的样本时间（样本长度）的样本。大多数样本显示了1的正常光量，即没有任何尖峰。一些样本显示了清晰的尖峰，其落在采样边界内，产生约0.76的光量。一些尖峰跨越两个相邻的样本，导致两者中产生介于1和0.76之间的中间光量。这两个相邻样本的平均光量始终为0.88，恰好介于0.76和1之间。通过找到序列中具有中间光量的样本，并且注意其位置，解码器可以以一定的精度恢复发送器时钟的频率和相位。基于这些，很容易识别以将符号中的（可能的）尖峰位置映射到需要考虑的（多个）样本的位置，以便对尖峰（的存在、不存在或长度）进行测量。图10中从顶部开始的第三个图还图示了第三个选项，这次采样时间为0.084 ms。

第四个选项是使用比上述第三个选项更长的接收器采样周期长度，但不完全等于符号长度。例如，采样时间可以是0.093 ms，如在图11中从顶部开始的第二个图中所示。图11中的信号和轴与图10中的相同。对于0.093 ms的采样时间，可以再次看到具有中间值的样本对，在这种情况下介于0.9和1之间，并且在至少一个样本中存在交叉符号干扰。这种干扰有时可以被解决，如先前在图9的上下文中所讨论的，但是并不一定总是能够被解决。为了解决这个问题，可以使用纠错码来补偿不能读取的符号的最多10%。图11中的最下面的图显示了0.106 ms的采样长度。可以看出，许多符号仍然可以被清楚地读取，其尖峰（或缺少尖峰）落在单个样本内。但是，再次，存在交叉符号干扰，并且这次该交叉干扰稍微影响超过10%的符号。为了进行恢复，在不利的噪声条件下，可以使用比在0.093 ms采样时间的情况下更强的纠错码。

在发射器多次重复相同消息的情况下，例如作为位置信标的发射器的信标消息的情况下，可能使用纠错码的备选方案。为了补偿丢失的符号，接收器可以等待并读取消息的第二副本，期望在消息的第二副本中将丢失（即，由于交叉符号干扰而从样本中不可读）不同的符号。接收器可以保持读取消息，或者消息的片段，直到所有需要的符号已经被成功读取。因此，重复的消息提供了在接收器处执行纠错的备选方式。

因此，上面已经公开了可应用于发射器和接收器的各种技术，这些技术可以组合以构建可以处理相位同步问题以及发射器和接收器中的不同时钟速度的问题的成功组合。

由于CMOS相机的线采样率典型地是由晶体驱动时钟控制，因此不同的相机在其线速率之间可能稍微不同，并且当暴露于非常高或非常低的环境温度时，单个相机也可能具有稍微不同的速率。低成本编码光发射器甚至可能不具有晶体驱动时钟，因此其时钟速度可能根据环境温度而（以单位数百分比值）显著变化。总的来说，试图实现发射器和接收器时钟之间的精确同步是一个有点昂贵的建议。因此，当成本考虑发挥作用时，可优选使用检测和补偿时钟速度和相位失准的技术。

图12显示了如何对消息进行采样的附加示例。轴和符号与图10中的相同，但是这次，正在显示的是真实消息，而不是符号序列010101。该图显示了以载波信号开始的消息：8个‘0’符号后跟两个‘1’符号。图12中的最下面的图显示了有些异常的情况：以是符号长度的两倍的样本长度对消息进行采样。该图显示了两个相邻的‘00’和‘11’符号将产生1和0.9的样本值，而相邻的‘10’和‘01’符号产生0.95的值。这意味着即使采样时钟远低于符号时钟，仍然可以读取来自消息的一些信息。非常强的纠错码，或者随后在相位对准改变时读取相同消息的许多副本，可以最终恢复整个消息内容。然而，具有0.1 ms符号长度的码与具有0.2 ms采样时间的接收器不能非常好地匹配：如果要支持这种接收器，在区域中具有0.2ms的符号长度的码将为这些接收器带来更高的有效比特率和更简单的结构。

图16显示了具有0.2﹒T_sym（20%）的窗口大小和图5的编码方案的一些实验结果，其中使用具有16274Hz的线采样率的相机进行检测，对符号序列‘01010101...’进行编码。块波发生器用于以90 ％占空比将8.1808 kHz块波置于LED灯上，因此大于90 ％的时间光是开启的，大于10 ％的时间是关闭的。这对应于具有16361.6 Hz符号时钟的尖峰符号编码符号串，交替编码‘1’和‘0’符号，符号具有时钟周期的2/10。相机暴露时间T_exp设置为等于线周期T_line。图16的图是通过包含光源104的图像获取垂直切片，并且将每个水平扫描线301，303...的亮度值相加，并绘制扫描线上的亮度差得到的。扫描线数字在X轴上显示，差在Y轴上显示。在图中可以看到线的两个部分，从X=100到X=180的部分和从X=240到X=280的部分，其中‘1’和‘0’符号之间的差在该线中是清楚可见的。在从X=180到X=240的部分中，符号跨过线采样边界，因此变得不可见。本实验中使用的相机是在普通平板电脑中可用的640×480分辨率相机。在绘制的相机信号上进行一些软件降噪，并且这种降噪可能有助于在X=180到X=240处的信号性质发生相对突然的转变。其他相机和其他降噪算法可能产生稍微不同的实验结果。当从相机701中获得输入到解码器702中的相机信号时，如果可能，可能需要关闭用于相机信号的降噪处理。然而，这不会在所有可能的相机平台上都是可能的。

现在描述一些进一步可选特征，其中的任何一个或多个可以结合本文公开的所公开的编码和解码方案来使用。

在实施例中，照明元件703可以包括一个或多个LED。例如，对于每秒20000线的符号时钟，最大脉冲宽度将是例如1/200000秒。这意味着当这种信号编码用于驱动通常使用的基于磷光体的白色LED时，尖峰将仅如实地在发射光的蓝光分量中再现，磷光体将会稍微使在光的黄色（较低频率）分量中显示的尖峰形状平滑。在一些情况下，在不试图保持时钟相位同步的实施例中，因此优选仅使用蓝色分量（由相机测量的蓝色像素），特别是对于关于其相位靠近暴露间隔的边缘的符号。

在另外的实施例中，编码器可以被配置成混合多个编码。也就是说，编码光发射器可以以交错的方式发射“快速”尖峰码和“较慢”基于DPR或基于符号的码，以便与其他类型的编码光检测器向后兼容。在这种情况下，如果以可预测的速率发射快速码，则可能是有利的。当智能手机知道下一个快速码正在到来时，智能手机然后可以激活其相机以准确地获取光源的快照。

在另外的实施例中，相机可以被配置成仅捕获潜在图像区域的子区域，以便减少耗电量。在软件控制下的相机可以被编程为在整个视场内仅采样像素的子集，有时被称为“感兴趣区域”（ROI），或者空间窗口。在本公开的实施例中，该技术可以用来节省甚至更多的电能：与对整个帧进行采样相比，对小窗口进行采样所使用的电能通常成比例地更小。然而，使用ROI来节省电能的确需要智能手机了解一些感兴趣的编码光源可能在视场中的何处。

例如，光源的位置可以通过图像识别算法检测，或者由用户手动指定。进一步地，可以使用加速度计和/或陀螺仪来跟踪电话的移动。在这种情况下，窗口可以被放置和调整尺寸以覆盖基于其在视场中的较早位置以及同时测量的电话的移动而确定的编码光源的可能位置。周围帧的像素可以被添加到窗口，并调整大小以将最坏情况的加速度计/陀螺仪漂移考虑在内。通过允许使用较小的窗口来捕获编码，与已知编码相比，所公开的编码方案增强了该技术的省电潜力。

对该技术的进一步添加可以如下操作。首先，相机被设定成以非常低的分辨率捕获单个帧，这可以使用比捕获全分辨率帧更少的功率来完成。分析该帧以找到具有高亮度的位置：可以包括编码光的可能的光源。然后，以较高分辨率用小ROI（窗口）再次对这些位置进行采样，直到找到并且解码了（足够的）编码光源为止。还有，应当指出，与已知编码相比，通过允许使用更小的窗口，所公开的编码方案增强了该技术的功率节省潜力。

在另外的实施例中，可以针对多个线扫描速率来优化编码。典型的640×480分辨率CMOS相机能够产生高达30 fps的帧速率。这意味着最多输出每秒30×480=14,400线。

因为这些相机以“垂直消隐间隔（没有线输出的帧之间的周期）”工作，所以实际线扫描速率实际上略高于每秒14,400线。对于一个这样的所测试的相机，它是每秒16274线：线采样速率16274 Hz。根据一个实施例，略低于16274 Hz的尖峰符号编码时钟可能是最佳的。当每个符号编码一个比特时，这可能意味着约16 Kbit/s的物理层比特率。

现代手机（或平板）往往在每一侧都带有一个相机，其中一个典型地是旨在主要用于视频会议的640×480分辨率相机，而第二个是用于拍摄照片的较高分辨率相机。比如说，该第二个相机有能力以30 fps捕获1920×1080视频。这与约35 kHz的线采样速率相对应。对于该相机，在实施例中，较高的35 kHz符号时钟意味着35 Kbit/s的比特率可能是最佳的。

在一个实施例中，因此编码光发射器可以以交错方式发射具有不同符号时钟速率（如16 kHz和35 kHz）的编码光消息，其中每个消息和时钟速率在可预测时间（例如，以固定时间间隔）出现，以使适当的相机可以仅在恰当的时间开启，从而节省能量。

在另一实施例中，可能使用可以由两种类型的相机读取的编码。例如，可能使用16×2=32 kHz的符号编码时钟，其中尖峰宽度是符号编码时钟速率的1/10。这可能允许1920×1080的相机以干净的方式捕获9/10的所有符号。然而，640×480相机将看到，如果没有与扫描线时间间隔的边重叠，则在单个扫描线中有两个符号a和b，因此它将读取光值a+b，然后仅针对所有符号对a和b的8/10。假设符号是二进制的，640×480相机可能看到三个信号电平，一个为a=b=0，一个为a+b=1，一个为a=b=1。纠错码可以用于补偿丢失的信息，从而允许640×480相机在采样足够的3级信号之后对整个消息进行解码。不同的编码设计是可能的，从而当由1920×1080相机与640×480相机读取时，在开销之间进行不同的权衡。

如先前所描述的，在实施例中，编码器可以多次发送相同的消息并且改变消息之间的相位，以增加由更大数目的接收设备进行检测的机会。更一般地，该技术不需要仅在消息之间改变相位。相反，在一些实施例中，可能有益的是，经常改变相位甚至在单个信标消息的发送期间改变相位，以便将消息中丢失的符号的数目限制为低百分比，从而允许纠错码工作。在这种情况下，在发送具有恒定相位的至少两个符号之后，可以更改相位至少一次。进一步地，在实施例中，还可能有利的是，更改信标消息之间的符号速率以更好地支持一系列相机中的功率节省；但是更一般地，该技术不需要受限于仅在消息之间改变符号速率，并且这也可以在单个消息的发送期间改变。

作为进一步的考虑，如本文所讨论的不同符号波形对于不同符号产生不同的光电平。这创建了这样的可能性：如果传输某些符号序列，还用于照明的编码光源可能示出可见的“闪烁”。例如，使用10 kHz的符号时钟和如图15所示的符号，如果一个重复传输一千个‘0’符号后跟一千个‘1’符号，则这可能导致在发射光中可见的显著的5 Hz闪烁。因此，在实施例中，可能期望使用具有闪烁减少或闪烁避免特性的消息编码方案，和/或避免其中一个符号平均在序列中显著比其它符号更经常出现的长符号序列的方案。一种可能的方案是使用纠错码对消息进行编码，该纠错码具有所产生的编码序列总是包含相等数目的‘1’和‘0’符号的特性。一般而言，闪烁减少或避免的问题可以通过使用得出‘无DC’或‘DC平衡’码的编码构造方案来解决：许多这样的方案是已知的。

应当理解，上述实施例仅通过示例进行描述。

比如，所公开的技术不仅可适用于智能电话。在其它实施例中，所公开的编码和解码方案可以与移动或固定的任何接收侧装备一起使用，并且要么与并入到相同单元中或者彼此外部或甚至远程的相机和解码器一起使用。类似地，所公开的编码和解码方案可以与传输侧的任何光源一起使用，无论具有照亮诸如环境之类的房间的主要功能的照明器还是专用编码光源；以及光源是否具有并入到一个单元或者彼此外部或甚至远程的两个或更多单元中的编码器、驱动器和（多个）发光元件。

更进一步地，所公开的技术不仅可适用于使用滚动快门相机的检测。可替代地，所公开的编码和解码方案也可以与用作检测器的其它形式的传感器（例如，连接到慢A/D转换器的光电二极管，或者具有足够快的帧速率的全局快门相机）结合是有价值的。在这种情况下，更一般地，上文对“线”的引用变成“样本”，更一般地，对线速率f_line的引用变成采样速率f_samp，并且更一般地，对线周期时间T_line的引用变成采样周期T_samp。

更一般地，本公开的范围不限于仅仅定位应用或者仅限于编码光源的标识符，并且一般而言，所公开的编码和解码方案可以用于传达任何种类的数据。还有，注意，尽管在优选实施例中，在单个帧中捕获整个编码，但是这在所有可能的实施例中也不是必需的。如果编码需要两个或更多个帧完全足够用于解码，则可以使用“拼接”过程来组合在不同帧中接收的编码的部分。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括（comprising）”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中阐述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中阐述某些措施的纯粹事实并不指示不能使用这些措施的组合以获益。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其它形式分布，诸如经由因特网或其它有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims

1.一种用于将数据的符号编码成由光源（104）发射的光的编码器（705）；其中

所述编码器被配置成以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym将所述符号编码成所述光；

所述符号中的每一个符号被编码为在作为时间的函数的所述发射光电平中形成的至少两个不同的符号波形的集合中的一个，所述符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的不同的相应一个；和

所述符号波形之间的所述差仅在预先确定的时间窗口内形成，所述预先确定的时间窗口在所述符号周期内处于给定相位，并且具有小于0.2﹒T_sym的持续时间，所述时间窗口内部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上相同。

2.根据权利要求1所述的编码器，其中，所述编码器（705）被配置成至少一次更改所述相位，并且以所述更改的相位继续所述编码。

3.根据权利要求1或2所述的编码器，其中，所述编码器（705）被配置成至少一次更改所述时间窗口的所述符号速率，并且以所述更改的符号速率继续所述编码。

4.一种用于对被编码成由光源（104）发射的光的数据的符号进行解码的解码器（702），其中：

所述解码器可操作以获得所述光的样本；

所述符号以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym在所述光中编码；

所述符号中的每个符号被编码为在作为时间的函数的所述发射光电平中形成的至少两个不同的符号波形的集合中的一个，所述符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的不同的相应一个；

所述符号波形之间的所述差仅在预先确定的时间窗口内形成，所述预先确定的时间窗在所述符号周期内处于给定相位，并且具有小于或等于0.2﹒T_sym的持续时间，所述时间窗口内部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上相同；

所述解码器被配置成基于在所述采样周期的多个相应实例中的每个实例期间采样的光的数量，来检测由所述符号的所述符号波形代表的所述数据值。

5.根据权利要求4所述的解码器，其中，所述样本以具有采样周期T_samp=1/f_samp的采样速率f_samp进行采样，并且所述采样周期T_samp小于或等于T_sym减去所述预先确定的时间窗口的所述持续时间。

6.根据权利要求4或5所述的解码器，其中，所述解码器（702）包括纠错算法，以纠正由于交叉符号干扰而丢失的符号。

7.根据权利要求1，2或3中的任一项所述的编码器，其中，所述预先确定的时间窗口的所述持续时间小于或等于0.1﹒T_sym。

8.根据权利要求4至6中的任一项所述的解码器，其中，所述采样以具有采样周期T_samp=1/f_samp的采样速率f_samp进行采样，并且所述预先确定的时间窗口的所述持续时间小于或等于0.1﹒T_sym并且小于或等于0.1﹒T_samp。

9.一种接收装备（101），包括根据权利要求4至6或8中的任一项所述的解码器（702）和具有用于捕获所述光的图像的图像传感器的滚动快门相机（701），其中

所述样本中的每个样本与所述图像中的多条线中的相应一条相对应，所述滚动快门相机按顺序在不同的相应时间捕获所述线。

10.根据权利要求9所述的接收装备，其中，所述滚动快门以具有线周期T_line=1/f_line的线速率f_line捕获所述线，并且每条线被暴露等于T_line的暴露时间T_exp。

11.根据权利要求9所述的接收装备，其中，所述滚动快门以具有线周期T_line=1/f_line的线速率捕获所述线，并且每条线被暴露大于所述线周期T_line的暴露时间T_exp；并且所述解码器（702）包括滤波器，所述滤波器被布置成对来自所述多条线的测量值进行滤波，以便获得所述样本，使得所述滤波之后的所述样本的每个样本代表在短于所述暴露时间T_exp的时间周期的时间周期期间接收的所述光的强度。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的接收装备，其中，所述相机（701）被配置成捕获仅来自所述图像传感器的子区域的像素，所述子区域包括或由其中出现所述光源的区域组成。

13.一种将数据的符号编码成由光源发射的光的方法，其中

以具有符号周期T_sym=1/f_sym的符号速率f_sym将所述符号编码成所述光；

14.一种对被编码成由光源发射的光的数据的符号进行解码的方法，其中

所述符号中的每一个符号被编码为在作为时间的函数的所述发射光电平中形成的至少两个不同的符号波形的集合中的一个，所述符号波形中的每个符号波形代表对应的不同的数据值集合中的不同的相应一个；

所述符号波形之间的所述差仅在预先确定的时间窗口内形成，所述预先确定的时间窗口在所述符号周期内处于给定相位，并且具有小于或者等于0.2﹒T_sym的持续时间，所述时间窗口内部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上相同；

所述方法包括：基于在所述采样周期的多个相应实例中的每个实例期间采样的光的数量，来检测由所述符号的所述符号波形代表的所述数据值。

15.一种用于对被编码成由光源发射的可见光的数据的符号进行解码的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括在一个或多个计算机可读存储介质上体现的软件，从中能够检索或能够下载；其中

所述计算机程序产品的所述软件还被配置成以便当在所述一个或多个处理器上执行时，基于在所述采样周期的多个相应实例中的每个实例期间采样的光的数量，来检测由所述符号的所述符号波形代表的所述数据值。

16.一种用于经由光源输出以将数据的符号编码成由所述光源发射的可见光的信号，其中

所述符号波形之间的所述差仅在预先确定的时间窗口内在所述符号周期内的以给定相位形成，所述预先确定的时间窗口具有持续时间小于或者等于0.2﹒T_sym的持续时间，所述时间窗口内的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上不同，并且所述时间窗口外部的所述光电平对于所述不同的符号波形基本上相同。