CN107210815A - 用于提供光学编码信息的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种有源光学机器可读标签(即，光学标签)，其在相当远的距离处的读取器设备(诸如配备有照相机的移动设备)的视线内是可寻址的和可读的。提供了用于有源光学标签及其基于照相机的读取器的方法和系统，其促进以对于实际使用来说足够高的数据速率进行异步通信，同时将与低频光载波相关联的闪烁降低到几乎不被人们察觉到的程度。光学标签可以形成为在一维(线性)或二维(平面)装置中布置的发光元件阵列。该阵列可以被实施为大型显示单元的一部分。

Description

用于提供光学编码信息的系统和方法

发明领域

本发明涉及编码信息。更具体地说，本发明涉及用于有源光学编码标签及其基于照相机的传感器的系统和方法。

发明背景

近年来，越来越多的各种技术已被用于改善用户对物理对象和场景的参与，例如使用移动设备的软件应用。这种“环境意识”应用通常从外部源(例如，互联网)获取对象相关的内容并将其呈现给用户。现实世界的移动参与通常以两种方式中的一个发生，其中信息内容基于位置(“推送”交互)或在与对象的交互(“拉(pull)”交互)时被传递给用户，使得用户被授予对他们消费的信息内容的完全控制。

虽然有几种移动设备定位技术可用于面向“推送”的应用(例如，GPS等)的部署，但是面向“拉”的应用对于许多室内和室外场景来说仍然是不切实际的。这主是因为目前的移动参与技术就定向定位(targeting)、操作范围和基本安全性而言存在固有的局限性。具体来说，这些技术要求利用近场通信(NFC)的短距离的操作、要用快速响应(QR)码从一定距离被检测到的足够大的标签，或者提供关于距离的信息，而不是关于用蓝牙低能耗(BLE)通信到对象的方向的信息。图像识别也可能是有问题的，因为它通常受到高延迟的影响，并且因为不唯一地标识对象。

为了使拉交互在任何室内和室外环境中有效工作，感兴趣的对象应该从用户的即时位置可靶向，而不必接近对象。用户应该还能够获取与其所针对的确切对象相关的信息。例如，在驾车路过时获取有关房地产项目的促销信息，或者在从远距离观看广告牌广告时获得优惠券。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种有源光学机器可读标签(即，光学标签)，其在相当远的距离处的读取器设备的视线内是可寻址的和可读的，所述读取器是配备有摄像机的移动设备。

本发明的另一个目的是提供用于有源光学标签及其基于照相机的读取器的方法和系统，其促进以对于实际使用来说足够高的数据速率进行异步通信，同时将与低频光载波相关联的闪烁降低到几乎不被人们察觉到的程度。

提供了用于使用云服务器通信来传送包括光学标签的信息的系统和方法，其中，读取器设备接收光学标签的唯一标识符代码(UID)，从而传送与光学标签有关的或与附加在标签上的现实世界对象有关的数字信息。

因此，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于传送机器可读信息的系统，该系统包括：光学标签，其包括发光元件阵列，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；控制器，其可操作地耦合到光学标签，并被配置成允许对来自发光元件的光发射进行调制；以及接收机设备，其被配置成允许检测由光学标签传送的信息，其中，调制被配置成控制发光元件的照明方案，其中，使用参考时钟信号来同步检测到的信息，并且其中，对所述光发射的调制提供比每秒30次改变更快并且基本上不被人眼察觉的照明变化。

此外，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于传送机器可读信息的方法，该方法包括：利用发光元件阵列来发射光信号，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；对来自发光元件的光发射进行调制，能够传送携带调制信息的信号；接收和检测经调制的信号；使用参考时钟信号来同步所检测的信号；以及对接收到的信号进行解码，其中，调制基本上不被人眼察觉。

此外，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于传送机器可读信息的方法，该方法包括：利用发光元件阵列来发射光信号；对来自发光元件的光发射进行调制，能够使用差分编码来传送携带调制信息的信号；接收和检测经调制的信号；对二进制时钟信号进行相位编码；以及对接收到的信号进行解码，其中，调制基本上不被人眼察觉。

此外，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于利用视频显示器传送机器可读信息的系统，该视频显示器具有能够以不同波长照明的多个像素，该系统包括：视频显示器内的至少一个不同的像素簇(cluster)，其中，至少一个像素发射预定义的参考时钟信号；控制器，其可操作地耦合到不同的像素簇，并且被配置成允许对来自像素的光发射进行调制；以及接收机设备，其被配置成允许检测由像素簇传送的信息，其中，调制被配置成控制像素簇的照明波长方案，其中，使用参考时钟信号来同步检测到的信息，并且其中，对所述光发射的调制提供比每秒30次改变更快并且基本上不被人眼察觉的照明时间的变化。

此外，根据本发明的优选实施例，提供了一种用于利用视频显示器传送机器可读信息的系统，该视频显示器具有能够以不同波长照明的多个像素，该系统包括：视频显示器内的至少一个不同的像素簇；控制器，其可操作地耦合到不同的像素簇，并且被配置成允许使用差分编码来对来自像素的光发射进行调制；以及接收机设备，其被配置成允许检测由像素簇传送的信息，其中，调制被配置成控制像素簇的照明波长方案，并且其中，对所述光发射的调制提供比每秒30次改变更快并且基本上不被人眼睛察觉的照明时间的变化。

此外，根据本发明的优选实施例，提供了一种机器可读光学标签，其包括：发光元件阵列，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；以及控制器，其被配置成允许对来自发光元件的光发射进行调制，其中，调制被配置成控制至少一个发光元件的照明方案，并且其中，对所述光发射的调制提供比每秒30次改变更快并且基本上不被人眼察觉的照明时间的变化。

附图简述

关于本发明的主题在说明书的结束部分中被特别指出并被清楚地要求保护。然而，就操作的组织和方法两者而言，本发明及其目的、特征和优点可在阅读附图时通过参考以下详细描述而得到最好的理解，在附图中：

图1示意性地图示根据本发明的实施例的用于传送机器可读信息的系统；

图2示意性地图示根据本发明的实施例的光学标签的发光元件的不同形状阵列的若干表示；

图3示意性地图示根据本发明的实施例的多LED发光元件以及子阵列的若干概念；

图4示意性地图示根据本发明的实施例的布置(arrangement)，其中投影的光学标签被在由视频显示器投影的视频流中体现；

图5示出说明根据本发明的实施例的光学标签的传输过程的流程图；

图6示出根据本发明的实施例的演示由光学标签传输并在接收机侧恢复的比特流的框图；

图7示意性图示根据本发明的实施的九个LED的阵列；

图8图示根据本发明的实施例的由光学标签传送的数据包的可选结构；

图9图示根据本发明的实施例的其中沿着窄条布置LED的线性光学标签的示意表示；

图10示意性地图示根据本发明的实施例的用于限定空间中的特定平面的线性光学标签；

图11示意性地图示根据本发明的实施例的用于确定接收机设备的位置的局部光学标签；

图12示意性地图示根据本发明的实施例的发射机处的时间比特序列的基本编码和由接收机协商的编码信号；

图13示意性地图示根据本发明的实施例的使用单个RGB LED的两个互补的颜色通道传输的时间比特序列；

图14示意性地图示根据本发明的实施例的当使用互补通道方案时的完全曝光的数据块的两种可能的表现；

图15示意性地图示根据本发明的实施例的使用冗余的、相移的、颜色通道传输的时间比特序列；

图16示意性地图示根据本发明的实施例的偶数周期逆变换及其对闪烁缓解的作用；

图17示意性地图示根据本发明的实施例的在无时钟传输中使用差分编码编码的由单个数据通道传送的比特序列；

图18示意性地图示根据本发明的实施例的在接收机侧恢复的在无时钟传输中使用差分编码传送的比特序列；

图19图示根据本发明的实施例的作为减少与低频载波相关联的闪烁的手段的互补的颜色对；

图20示出根据本发明的实施例的接收机在对标签传输进行解码时使用的基本过程的框图；

图21是根据本发明的实施例的由接收机在对使用冗余相移通道传输的信号进行解码时使用的逻辑的框图；

图22示意性地图示根据本发明的实施例的光学标签在户外(OOH)广告领域中的可能实用；

图23示意性地图示根据本发明的实施例的使用与店内零售(A)和展览(B)相关的线性光学标签可能实现的两个实用；以及

图24示意性地图示根据本发明的实施例的光学标签装置，其中读取器设备不位于标签的视线内。

将认识到，为了说明的简单和清楚，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可以相对于其他元素被放大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可在图中重复以指示对应或类似的元素。

本发明的详细描述

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将理解的是，可不没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免模糊本发明的实施例。

根据本发明的一些实施例，可以使用可见光通信(VLC)来操作有源光学机器可读标签(即，光学标签)。应当理解，VLC允许利用普适计算(ubiquitous computing)来经由对由一个或更多个发光元件发射的光束的调制无线传输数字信息，例如发光二极管(LED)可以以500MHz传输信号，并且一些LED也可以以更快的频率进行传输。

然而，使用一些市售的移动照相机作为用于接收机的光传感器可能提出了几个挑战，主要涉及低采样率，通常在大多数当前移动设备中为每秒30帧左右。应当注意的是，主要问题是：低频光振荡可能被认为是对人眼的干扰闪烁；低比特率可能导致不可接受的长的传输时间；以及接收机(即照相机)可能不与发射机(即光学标签)同步。

在本发明的一些实施例中，提供了一种光学标签，其包括单个发光元件或通常以某种形状的阵列分布的多个发光元件。应当理解，发光元件中的至少一些可以包括相邻的子发射器，每个子发射器发射不同波长的光。

现在参考图1，图1示意性地图示根据本发明的一些实施例的用于传送机器可读信息的系统，该系统一般被指示为100。系统100包括具有多个发光元件的光学机器可读标签101、可操作为光学标签101的读取器的移动设备102和与移动设备102通信的外部计算机化设备103。应当理解，移动设备102可以是具有用于读取标签的装置(例如，照相机)的任何计算机化设备，诸如移动电话、平板电脑、数字照相机、膝上型计算机、诸如智能手表的可穿戴设备、任何其他移动计算机化设备，或其组合。此外，应当理解，外部计算机化设备103可以是与移动设备102进行网络(有线或无线)通信的任何设备，其具有诸如PC、服务器、数据库或其组合的处理和存储器装置。

在一些实施例中，外部计算机化设备103可被配置成允许对来自移动设备102的数据进行处理，例如，外部计算机化设备103可以是与移动设备102进行无线通信的基于云的服务器。在一些实施例中，光学标签101的发光元件可以被布置成单个二维阵列。

在一些实施例中，光学标签101可以连接到有形物体104，有形物体104在用户105以及还有移动设备102的视线内。移动设备102可以包括市售的摄像机，用户105可以将其对准光学标签101的方向，以从其读取机器可读信息106。应当注意，可以通过对来自多个发光元件的光束进行调制来传送机器可读信息106。

应当理解，通过使用足够高的载波频率，所述光束调制对于普通人眼来说可以表现为几乎均匀的照明(具有可忽略可察觉的闪烁或者完全没有可察觉的闪烁)。然而，可以以与市售移动照相机的帧速率(通常约每秒30帧)相当的较低频率(或速率)传送相应的机器可读信息。

根据一些实施例，光学标签101的发光元件是单色LED，其中，发光元件也可以是多色LED。每个LED可以发射以至少三种原色的光(通常为：红、绿、蓝)。红外(IR)LED也可以与光学标签101一起使用，只要它们的发射波长可以由市售的移动照相机中发现的图像传感器检测到，如下文进一步描述的。应当理解，本文公开的光学标签101可以采用能够发射单色或多色光的任何类型的光源，其强度可以以非常高的速率变化。除非另有规定，否则术语LED在此之后应被用于表示发光元件。

根据一些实施例，光学标签101的发光元件可以是均传输相应和/或相同信息的几个LED的簇。在将发光元件设计成占据一个区域和/或具有比使用单个LED可实现的光束强度大的光束强度的情况下，该特征可能是特别有用的。类似地，发光元件可以是在电视机、计算机、移动设备等中发现的类型的视频显示器中的不同的照射像素的簇。

根据一些实施例，由光学标签101传送的机器可读信息106可以包括至少一个唯一标识码(UID)107。读取器设备102可以使用UID来例如经由无线网络连接获取存储在外部计算机化设备103中的标签特定的内容。在一些实施例中，UID可以被硬编码，使得每个光学标签101被明确地识别，并且因此可以实现针对仿制或复制尝试的抵抗。

应当理解，从光学标签101的各种发光元件发出的经调制的光束可以经由一些间接路径到达读取器设备102的图像传感器。例如，光束可在到达位于最远的反射表面的视线内的读取器设备102之前被一个或更多个连续的反射表面偏转。所述最远的反射表面可以在某种程度上扩散，以允许多个接收机102在相对于该最远的反射表面以不同的角度定位时读取光学标签101的信息106。

根据一些实施例，与光学标签的读取器通信的云服务器可以接收光学标签的UID，从而向读取器发送回与该特定光学标签有关的数字内容和/或关于所述数字内容的正确使用的指令。在一些实施例中，云服务器还可以从光学标签的读取器接收与场景相关的附加信息，其中，光学标签可以被嵌入和/或属于读取器设备和/或属于操作读取器设备的用户。这样的信息可以由服务器结合UID来进行处理，使得服务器可以向读取器设备发送回与操作读取器设备的用户的偏好和/或光学标签的所有者的偏好相匹配的数字内容。

现在参考图2，其示意性地图示了根据本发明的一些实施例的光学标签101的发光元件202的不同形状的阵列201a-201f的若干表示。应当理解，多色LED通常发射三原色(红、绿、蓝)，并且因此可以使用简单的开关键控(OOK)来传送多达三个离散的二进制信息的流或通道，如下文进一步描述的。

应当理解，可以基于诸如光学标签101的标称读取距离以及所需的比特率(即传输吞吐量)的各种设计参数来确定嵌入在光学标签101的阵列(或子阵列)中的LED 202的数量和LED的空间分散。设计考虑可以包括支配光脉冲在接收机移动设备102的图像传感器上具有的投影尺寸(以像素为单位)的光学效应。因此，期望避免相邻的LED投影的过度重叠，以便允许读取器算法区分由LED 202传送的信号。

因此，总的比特率和光学标签101的尺寸之间可能存在折衷。在一些实施例中，期望在最大化吞吐量的同时使光学标签101的尺寸最小化。由于LED 202的单个颜色通道的可行比特率可能受到接收机的采样率的限制(例如，～30帧/秒)，所以阵列中的LED 202的数量实际上可能是关键的设计参数。对于许多实际用途，3x3LED阵列在形状因数与吞吐量方面可能是实用的选择。然而，任何数量的发光元件202，例如但不限于：1、2、4、5、7、9、16或17可以在空间上布置在光学标签101的每个阵列或子阵列中。

现在参考图3，其示意性地图示了根据本发明的一些实施例的多LED发光元件202以及子阵列的若干概念。在一些实施例中，光学标签101的LED阵列可以包括九个子阵列301，每个子阵列301由例如四个LED 202组成。这样的子阵列301可以传送独立的数据包，并因此光学标签101可以同时传送九条不同的信息。可选地，子阵列301的所有LED 202可以被配置成传输相同的信号，从而使每个子阵列301呈现成提供更强光源的“单个”发光元件。后一种情况在市售LED的尺寸和/或照明功率对于特定标签设计的要求可能不足的情况下可能是有用的。

在一些实施例中，光学标签101可以包括内部(或外部)控制器。该控制器可以对由光学标签101的每个LED的每个子发射器发射的光的强度进行调制，以便使用以下进一步描述的信号编码方案中的一个或更多个来传送信息。传输协议可以另外包括用于光通信的各种信号操作技术。

根据一些实施例，可以使用开关键控(OOK)来对LED的光发射进行调制，将数字数据表示为载波的存在或缺失。也就是说，特定原色(例如，红、绿或蓝)的规定强度的光脉冲在该通道中表示“1”符号，并且光的缺失表示“0”符号。然而，也可以使用诸如(但不限于)幅移键控(ASK)的其他编码方案来对LED的光发射进行调制。

应当注意的是，这里使用的“通道”的概念依赖于这样一个事实，即典型的移动照相机包含不同的红、绿和蓝光传感器(或彩色滤光片)，其对于类似于RGB LED发射的波长的波长敏感。因此，基于照相机的标签读取器可以检测和评估由单个LED的三种不同颜色元件发送的三种不同信号。因此，RGB LED可以被认为是同时传输三个离散数据通道。可选地，可以执行颜色归一化以便改善颜色对比度并减少交叉通道错误。

现在参考图4，其示意性地图示了根据本发明的一些实施例的一种布置，其中投影的光学标签401在由视频显示器400(或通过投影到反射屏幕上的视频投影仪)投影的视频流中体现。应当理解，每个发光元件202可以是协同工作的RGB像素簇，使得可以创建投影的光学标签401。

应当注意，携带光学标签101的信息的数据包可以被连续传输，使得在一个数据包的结束之后是第二顺序和相同的数据包的开始。具体来说，以重复的方式传输相同的包，使得一个包的尾部可以跟着下一个包的报头。在一些实施例中，顺序数据包中只有部分是相同的，而其他部分(例如，安全码)可以随着时间变化，如下文进一步描述的。

在一些实施例中，可以在检测光学标签101外部的一些唤醒信号之后传输有限数量的数据包或甚至单个包。例如，由读取器设备启动的照相机闪光灯的闪光(burst)可以启动至少一个数据包的传输。应当注意，在光学标签101是电池操作的并且能量必须是守恒的情况下，这种启动可能是特别有用的。

在一些实施例中，光学标签101的信息可以被布置成具有有限长度的单个数据包或几个独立的数据包。可以使用布置在光学标签101的发射表面上的不同位置中的LED的单独的簇(或子阵列)来传输独立的数据包。应当理解，此后，对数据包的传输的引用也可以意味着均基于单个时钟或几个同步时钟信号的多个独立数据包的同时传输。

在一些实施例中，可以使用时空多路复用来分割例如子阵列301(如图3所示)的相应子阵列中的LED 202中的至少一些中的数据包的传输。因此，每个LED 202可以基于公共时钟与所有其他LED同时传输数据的一部分。例如：可以使用八个单色LED对24比特的数据包进行编码，其中，每个LED在三个连续的时钟周期内传输三个连续的二进制数字。

根据一些实施例，可以通过基于LED类型的光束角度(例如，半强度的空间角度)选择LED类型来约束光学标签的有效视角。例如，激光二极管发射器可被用于构建将信息传送到空间中的局部区域的定向光学标签和/或获得更长的有效距离。

现在参考图5，其示出了说明根据本发明的一些实施例的光学标签101的传输过程的流程图。应当注意，携带光学标签101的信息的比特流501可在被LED 202传输之前使用时空编码器502来进行编码。

可以通过多种方式跨越光载波的三个维度对二进制信号流进行多路复用：时间维度、空间维度和颜色维度。一种基本方法是将要传输的数据包分割成“Np”个数据块503，使得每个数据块使用阵列(或子阵列)中的所有LED来进行空间编码和传输。经由LED的经调制的光束504以与接收机设备(例如，照相机)的典型帧速率相当的速率连续传输数据块。可选地，一旦已经传输了所有数据块，就可以传输整个数据包。

现在参考图6，其示出了根据本发明的一些实施例的演示由光学标签101传输并在接收机侧恢复的比特流501的框图。应当注意，首先可以由接收机移动设备的图像传感器在至少“Np”个连续的视频帧序列601上记录LED的调制的光束504。传输协议保证由光学标签101发送的每个数据块可以被所述连续视频帧601中的至少一个捕获，其中，传输的性质可以是异步的。然后可以由解码器602使用“Np”个视频帧601来恢复包括原始数据包的比特流501。在一些实施例中，根据传输的常规实际的误差级别，也可以使用更大数量的视频帧601。

应当理解，包含在数据包中的信息可以是恒定的，或者它可以随时间改变。它也可以源自不同的源：信息的部分可以被永久存储在光学标签的存储器中。可以由一些内部或外部部件(诸如温度传感器或压力表)将信息的其他部分传递到光学标签的控制器。然而，信息的其他部分可以是用于安全目的和/或用于光学标签的认证的时间相关变量。信息的另外的部分可能与错误恢复机制有关。

在一些实施例中，可以在实际传输之前使用某些纠错码来转换光学标签的二进制信息，以实现在接收机侧的某种程度的错误恢复。纠错码可以包括(但不限于)“BCH码”、“里德-所罗门码(Reed–Solomon codes)”、“turbo码”、“汉明码(Hamming codes)”等。

根据一些实施例，提供对应于光学标签的读取器装置(例如，如图6所示)，其包括摄像机、处理单元和兼容的标签读取算法。在一些实施例中，读取器可以是例如执行专用标签读取器应用的装备有照相机的移动设备，诸如(但不限于)智能电话。

当读取由光学标签发送的信息时，专用标签读取算法(嵌入在读取器设备中)可以指示照相机的图像传感器捕获一系列连续的视频帧并将这些图像存储在设备的存储器中。应当注意，连续捕获的帧的数量应该足够大以包括由光学标签传输的数据包的至少一个实例的二进制数据。

如果读取器设备位于光学标签的视线内，则针对标签(或其最远的反射表面)，由接收机设备捕获的每个帧可以包括在该帧的曝光时间期间由LED发射的单色或多色光脉冲的投影。在一些实施例中，专用标签读取算法可以控制照相机的设置(诸如快门速度)，以便确保曝光符合传输协议的要求。

在一些实施例中，光脉冲可以由接收机设备的图像传感器记录为在至少一个颜色通道中具有升高的亮度的像素簇。簇的尺寸和形状以及色调和亮度分布可以取决于各种因素，例如：光源(例如，LED)的照明强度、光源和接收机设备(例如，照相机)之间的距离和角度、接收机的光学器件及其设置、大气效应、环境光等。

在一些实施例中，可以修改由LED发射的彩色脉冲的照明强度，以提供不干扰人眼的照明，因为对于观察者，类似强度的一些颜色可能看起来不同。

一旦被捕获，专用标签读取算法可以分析一系列连续的视频帧，以便检测在帧的曝光时间期间发射的光脉冲的所有投影。脉冲检测可以基于专用于计算机视觉和对象识别的算法，其可以利用LED投影的不同特性(如颜色、形状和间歇性)，以将它们与图像背景区分开。

现在参考图7-8，其分别图示了根据本发明的一些实施例的具有九个LED的阵列的光学标签700和由光学标签700传送的数据包的可选的相应结构。应当注意，在该示例中，光学标签700包括九个LED，每个LED传输单个数据通道。数据包的相同结构可通过一些细微的修改来适用于任何其他数量的LED。

应当理解，该示例中的数据包由“Np”个数据块707组成。数据包可以分为三部分：报头部分701(或起始帧定界符)，其由第一数据块(“块1”)707表示；有效负载(或主体)部分702，其由Np-2个数据块707表示；以及报尾(trailer)部分703，其由最后一个数据块(“块Np”)707表示。应当理解，在接收机照相机的单个帧到帧周期期间，每个块可以被LED发射传送。在一些实施例中，报头部分701可以包括多个数据块，并且类似地，报尾部分703可以包括多个数据块。应当注意，通常，可以在接收机照相机的每个帧到帧周期期间传输几个相同的数据块，以适应光学标签的基本上高于普通接收机照相机的帧速率的载波频率。

报头部分701表示包的有效负载部分702的传输的开始。报头部分701可以由一些非适用的比特序列组成，解码器可以将该比特序列解译为报头标记。它还可以包括特殊的识别码(例如，巴克序列码)。此外，报头部分701可以具有与用于传输数据包的其他部分的物理属性有实质区别的一些可区分的物理属性，诸如颜色和/或光强度。

在一些实施例中，使用阵列(或子阵列)中的所有LED来对报头图案(pattern)进行空间编码，使得其可以由接收机使用最小数量的视频帧检测。在九个LED的阵列的示例(如图7所示)中，每个块707可以携带使用八个数据LED#0-#7进行空间编码的信息，其中，LED#8传送时钟信号704，使得总共有九个二进制信号(或子块)708。

应当注意，如果预先定义时钟LED 704的空间位置，例如在3×3阵列的中心，则接收机设备可以对由该LED传送的信息进行解码作为时钟信号，以便正确地同步其他LED。可选地，可以提供例如3x3、4x4或线性阵列的预定义的阵列模板，其中，接收机可以基于预定义的模板来定位时钟LED或几个时钟LED。例如，接收机设备识别具有4x4LED阵列的光学标签，并识别左上角的时钟LED。在一些实施例中，在接收机设备和至少一个光学标签之间可能需要校准，以便校准信号之间的同步。

报头部分701可以包括解码器被指示以将其解译为报头的唯一比特序列(例如，全“1”)。它可以表示数据包的其余部分的传输的开始。在一些实施例中，报头还可以包括特殊标记(或定位标记(anchor))位705(在该示例中为“0”)，其指示光学标签的直立取向。在光学标签没有固定在适当位置以及由接收机进行的对原始信息的重建可以取决于识别光学标签的正确的角度取向的情况下，这样的标记可能是特别重要的。

在一些实施例中，有效负载部分702可以包含光学标签的信息，其通常包括UID107。报尾部分703可以由诸如特殊安全码的管理信息组成。

根据一些实施例，光学标签可以被预先配置有至少一个唯一标识符号码(UID)，其永久存储在光学标签的非易失性存储器中并被包括在数据包的传输中。可选地，每个数据包可以由相应的单个UID组成。

现在参考图9，其示出了根据本发明的一些实施例的线性光学标签900的示意表示，其中沿着窄条布置LED 202。应当注意，标签900的每一段901、902、...、903表示构成数据包的总共“Np”个块中的一个数据块。换句话说，每个段是在接收机设备的不同连续的帧到帧周期期间的单一颜色通道的空间状态。应当注意，图9表示简化示例，而在更一般的情况下，可以使用一些多色编码方案对每个数据块进行编码。

应当理解，作为示例性配置，LED 202被分组成几个子阵列914，每个子阵列914包括九个LED 202，而任何其它数量的LED 202也可以是可能的。如果子阵列914在电气上/逻辑上(和/或光学上)被隔离，则每个子阵列914可以传送与该子阵列914沿着光学标签900的大致位置相关联的不同数据包。特别地，可以将不同的UID分配给沿着光学标签的不同部位，使其“可线性寻址”。

在一些实施例中，线性光学标签的LED 202可以沿着其纵向轴线均匀间隔开，因此将需要定界符符号以允许读取器移动设备在相邻子阵列914之间进行区分。因此，子阵列914中的每个的LED#0(指示为915)可以通过在报头块901中传送逻辑零(“0”)作为定界符符号来执行，否则其包含所有逻辑1(“1”)。尽管如此，可能有多种不同的方法来区分相邻的子阵列914。

根据一些实施例，沿着线性光学标签900的所有子阵列914中的时钟LED#8(例如，线性子阵列中的最后一个)可以相对于光学标签900的公共时钟同相操作。在一些实施例中，子阵列914的时钟可以相对于彼此具有一些相移，如下文进一步描述的。

应当理解，利用适当的相位差，相邻子阵列的光脉冲被接收机移动设备同时“部分曝光”(即不可读)的可能性较小。在子阵列传送类似或相同的信息的情况下，这可能有助于纠错。引入子阵列914之间的相位差的另外的优点可以在相邻子阵列914的时钟之间以0°和180°的可变相移实现，其可以用于以比子阵列914的比例大的比例传送附加的信息层。换句话说，如果沿着线性光学标签的时钟信号在远远大于常规数据LED 202的的距离的距离处是明显可辨认的(例如使用几个更亮的LED 202来传送每个时钟信号)，则多个同相和异相的时钟信号可以联合对与子阵列914传送的信息不相关的信息流进行编码(即，时钟LED可以作为较高层的数据LED执行)。

现在参考图10，其示意性地图示了根据本发明的一些实施例的线性光学标签1010，其被用于在空间中限定特定平面1011并且对该平面内的不同点进行寻址。一维阵列可对于在空间中限定包括该阵列的2D平面是有用的。特别地，水平LED条可以被约束以限定垂直或水平平面，并且垂直LED条可以限定任何有用的垂直平面。

应当注意，可以使用接收机移动设备的专用标签读取算法来决定对包含标签的轴的无限数量的2D平面中的哪个平面进行寻址。然而，在许多实际情况下，将可能会引用(在接收机的坐标中的)垂直平面或水平平面。

此外，如果线性光学标签1010被限制为在空间中限定特定平面1011，则分配给UID(例如，时钟LED的UID)的绝对位置以及与线性光学标签1010的轴垂直的距离ΔY可被用于唯一地对该特定2D平面内的任何点进行寻址。可选地，可以使用用于测量沿着线性光学标签1010的轴的距离的相同单位来测量与标签垂直的距离ΔY。

应当理解，存在通过其可以沿着线性光学标签1010测量距离的两个尺度：粗略尺度，作为子阵列的长度；以及精细尺度，作为LED到LED的间隔。由于线性光学标签1010可以使用多个LED簇(例如，使用子阵列)来传输多个数据包，所以线性光学标签1010可以传输对应于沿着光学标签的轴的不同部位的多个UID。因此，如果LED均匀间隔并且子阵列具有相同的长度，则UID可以沿着线性光学标签1010的轴标记规则隔开的间隔。因为子阵列通常传送UID，所以粗略尺度基本上可以指由UID指定的有形点之间的距离。

在一些实施例中，用于轴向ΔX的尺度也可用于测量在预定义平面1011中的垂直于线性光学标签1010的轴的距离ΔY。例如，如果将2D平面的原点设置在线性光学标签1010的左端，表示为(0,0)，则可以使用从原点测量的向量[Δx,Δy]来分配轴下方或上面的通用点1012。类似地，可以测量垂直于平面1011的距离Δz，并使用从原点测量的向量[Δx,Δy,Δz]对3D空间中的通用点进行寻址。

如果接收机移动设备1013任意定位，其中其图像读取装置(例如照相机)面向线性光学标签1010，则其可以捕获线性光学标签1010的一些透视投影。了解LED的实际间距(基于标签的UID)，可能可以测量接收机移动设备1013的图像传感器上的LED印象(impressions)的分布(以像素为单位)，然后使用该信息来计算线性光学标签1010相对于接收机移动设备1013的位置以及取向。如果进一步使线性光学标签1010的绝对位置和取向可用于接收机移动设备1013(例如，通过具有UID数据的服务器)，则接收机可能够计算其自己的绝对位置。应当理解，可以以其确定接收机移动设备1013的位置的精度取决于许多因素。然而，如果在空间中具有不同取向的两个或更多个线性光学标签被一起捕获和处理，则准确度可能会提高。

在一些实施例中，光学标签可被用作推断位置的机制，其中，接收机可以推断其自身相对于光学标签的已知位置的位置。可选地，可以使用至少一个光学标签来实现室内定位机制(与例如基于外部卫星定位的室外定位相反)，其中，接收机可以推断其自身相对于光学标签的已知位置的位置。

现在参考图11，其示意性地图示了根据本发明的一些实施例的局部光学标签1100(在该示例中具有方形LED矩阵)，局部光学标签1100被用于以类似于线性光学标签的方式确定接收机设备1101的位置。

应当理解，知道LED阵列的实际几何形状，可能可以测量接收机移动设备1101的图像传感器上的LED印象的分布，并且使用该信息来基于几何视角考虑跟踪光学标签1100在接收机移动设备1101的坐标中的位置。如果进一步使得光学标签1100的绝对位置和角度取向(例如，已知的尺寸“D”)可用于接收机移动设备1101，则接收机可能够计算其自己的绝对位置。这里再次，如果两个或更多个光学标签1102被同时捕获和处理，则可以确定移动设备1101的位置的准确度可提高，其中，可以通过服务器基于光学标签的UID知道光学标签的特性。

在一些实施例中，光学标签的至少一个LED的RGB通道不传送机器可读信息。相反这样的通道提供标签的装饰方面(decorative aspects)或传达对人类观察者可读的消息。例如，闪烁的LED可以指示光学标签的信息已被改变。

尽管如此，光学标签的传送机器可读信息的RGB通道也可以提供标签的装饰方面和/或标记(branding)方面，或者它们可以传送对人类观察者可读的消息。例如，时钟LED可以使用与数据LED的颜色方案不同的颜色方案，并从而有助于光学标签的特征视觉图案。

再次参考传输协议的数据包(例如，如图7和图9所示)，对于由光学标签传输的每个数据包，至少一个LED的至少一个颜色通道传输时钟信号(即时钟LED)。时钟信号可以包括规则间隔的光脉冲序列。也就是说，每个时钟周期都具有光脉冲(“1”)，之后没有光(“0”)，其中转变发生在周期的中点。以下进一步描述用于无时钟传输的方法。

根据一些实施例，阵列(或子阵列)中不传送时钟信号的LED(即，数据LED)服从于相应的时钟信号。这些LED可以传送使用时钟信号进行相位编码(或曼彻斯特编码)的二进制数据。根据该方案，要传输的每个比特可以根据诸如“表1”中所描述的编码约定由脉冲(“1”)和脉冲的缺失(“0”)的组合表示：

表1

由于存在与逻辑“1”和逻辑“0”两者相关联的光脉冲，所以这种编码可以在传输任意比特序列时增加感知到的脉冲频率。因此，该编码方案可对于缓解由于低频光载波引起的可见闪烁是有用的。

为了恢复光学标签的信息，接收机设备可以将其检测的每个时间比特流与对应的时钟信号相关联。由于最初已经使用该时钟信号对所有比特流进行相位编码，所以现在可以通过逆转用于编码的方案(例如，“表1”的方案)来对其进行解码。

现在参考图12，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的发射机处的时间比特序列的基本编码方案和由接收机协商的编码信号。可选地，可以使用开关键控(OOK)来对光载波进行调制。可以使用时钟信号1202对原始数据信号1201进行相位(或曼彻斯特)编码，以获得编码信号1203。

在接收机设备处，可以使用曝光时间(表示为“T曝光”)由视频帧序列1204对相位编码的信号进行规则采样。在一些实施例中，发射机的时钟信号1202的时钟周期(表示为“T时钟”)或其某个整数倍可被设置为比照相机的帧到帧的时间间隔(表示为“T帧”)稍微长了因子Δ，使T时钟＝T帧+Δ。发射机和接收机之间的重复率的差异可能导致稳定的相位漂移，其防止两个时钟(即发射机和接收机的时钟)的相位锁定。

应当注意，由于帧获取并不总是与传入数据信号同步，所以有些帧1204偶尔可能会捕获经历从“1”到“0”的转变的光脉冲，反之亦然(表示为1205)。这样的脉冲可被称为是“部分曝光的”。在单通道传输中，部分曝光的脉冲图像通常比其完全曝光的对应物更小和更不亮。

应当理解，曝光时间“T曝光”可以是关键设计参数，为了最佳整体性能可将其最优化。一方面，曝光应该是短的，以最小化由不明确的脉冲曝光引起的读数错误。另一方面，曝光应该长，以允许图像传感器积累足够的光并记录不同的脉冲图像。在一些实施例中，长于光学标签的时钟周期“T时钟”的约1/4的曝光可能导致不可接受的低信噪比。

现在参考图13，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的使用单个RGB LED的两个互补色通道传输的时间比特序列。应当注意，次(minor)信号1301是主相位编码的信号1302的反相(二进制补码)。

由于一种颜色的每个脉冲(例如，具有次信号1301)总是跟着第二种颜色的脉冲(例如，具有主信号1302)，并且由于载波信号的频率通常被设置为超过人眼的颜色融合阈值，因此观察者可以感知作为主颜色和次颜色的颜色组合的LED颜色。应当理解，与单个通道传输相比，使用两个互补色通道可以减少与低频传输相关联的可见闪烁。

在接收机处，大多数图像曝光1204记录主颜色的光脉冲或次颜色的光脉冲。然而，在脉冲转变1205期间发生的帧曝光1204可以集成一些主颜色的光和一些次颜色的光，产生具有正常亮度以及主颜色和次颜色的混合的颜色的LED图像(或其部分区域)。

现在参考图14，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的当使用互补通道方案时的完全曝光的数据块的两种可能的表现。

应当注意，段“A”描绘了其中在例如位于光学标签的3×3LED阵列的中心处的主时钟1401的脉冲期间发生帧曝光1204的情况。段“B”描绘了其中相同的数据块在次时钟1402的脉冲期间被曝光的情况。应当理解，为了确定数据块的实际比特值，接收机设备必须首先评估相应时钟的状态。

根据一些实施例，为了将光学闪烁限制到人们几乎不能察觉的程度，经调制的光的脉冲频率必须高于通常称为人眼“闪烁融合阈值”的程度。虽然这个阈值取决于各种客观和主观因素，但普遍认为的是，大多数人将光的单调振荡视为从大约30赫兹的频率开始的均匀照明。

显然，每秒30个周期的时钟速率可能不足以消除真实世界传输的闪烁，因为任意相位(或曼彻斯特)编码的比特序列呈现低频含量，其中，数据序列1,0,1,0,1，0...例如可能以时钟频率的一半出现。在一些实施例中，为了有效地缓解任意二进制序列的闪烁，发射机的时钟速率应为60Hz或更高。这意味着在以30帧每秒(fps)操作的接收机照相机的单个帧到帧时间间隔期间将过去至少两个时钟周期。因此，传入信号可能被接收机设备欠采样。

根据一些实施例，光学标签的时钟速率可以被设置为接收机设备的帧速率的某整数倍(可选地，具有小的扰动，如下文进一步描述的)。那么为了避免比特丢失，每个编码符号可以在接收机设备的单个帧到帧间隔期间发生的时钟周期数内被重复传输(例如，在90Hz，每个比特可被重复三次)。

根据一些实施例，可以通过使用“冗余”信号来进一步减少由低的载波频率产生的可见闪烁。可选地，携带主编码信号的反相版本(即二进制补码)的次(“冗余”)颜色通道可以由相同的LED在主通道旁边传送。

因此，第一颜色通道的每个脉冲可以与第二颜色通道的脉冲的缺失互补，反之亦然。如果转变以超出人眼的“颜色融合”阈值的速率发生，则观察者可以看到作为主颜色和次颜色的颜色组合的LED颜色，而不考虑引入脉冲的顺序。给定时钟频率，对于每对主和次的颜色，将会有一定比率的照明强度使感知到的闪烁最小化。

现在参考图15，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的使用冗余的、相移的颜色通道传输的时间比特序列。应当注意，光学标签的时钟速率可以是接收机设备(例如，照相机)的帧速率的大约两倍，并因此每个比特符号可以重复两次。这个特定的时钟速率仅仅是为了简化演示而选择的。可选地，这样的速率可能对于防止可见的闪烁而言太低。通常可以以可商购的移动照相机的帧速率(例如，～120Hz)的四倍以及更高的倍数的实际时钟速率实现无闪烁传输。

次数据信号1501(作为第1颜色通道)具有与主相位编码信号1502(作为第二颜色通道)对应的形状，相对于其具有大约90度的相移。类似地，次时钟信号1503相对于主时钟信号1504具有大约90度的相移。可选地，任何小于90°的相移可供次通道使用，只要该相移的时间等效值等于或大于接收机设备的照相机的曝光时间。应当注意，信号1507描绘了原始比特序列，已经使用主时钟信号1504对其进行相位编码以产生主数据信号1502。

当视频帧1505被主信号1502、1504部分曝光时，可使用这样的冗余次通道，其中该视频帧还被次信号1501、1503完全曝光。在这种情况下，接收机可以恢复到对次信号1504的解码，从而克服与主数据信号1502的脉冲转变1506的方向有关的模糊。

根据一些实施例，主通道和次通道具有相同的颜色。然而，一个通道的脉冲强度远低于第二通道的脉冲强度，使得接收机可将它们区分为不同的数据通道。

在更详细的方案中，两个或三个原(RGB)色可以用作两个或三个不重叠的主通道。对于每种主颜色，包含该颜色的“白色互补色(white-complement)”的两个剩余原色(由于所有三种颜色的组合可产生白色)，用作反相(即二进制补码)的次通道，如下文进一步描述的。

已经发现，包括互补相位编码通道对的调制方案仅以相对高的时钟速率将闪烁降低到可接受的程度，时钟速率通常太高以至于不能维持部分曝光的视频帧的低计数。

因此，通过对光学标签的所有颜色通道应用变换，可以进一步减少闪烁。对于每个时钟通道，偶数周期可以由它们的反相形式(二进制补码)代替。也就是说，普通序列1,0,1,0,1,0，...现在变成具有原始序列的脉冲频率的一半的1,1,0,0,1,1,0,0，...。奇数周期保持不变。类似地，数据通道可以以与其对应的时钟通道相同的方式进行变换。即，偶数周期由它们的反相形式代替，而奇数周期保持不变。

由于时间比特序列通常使用其对应的时钟信号进行相位编码，所以对数据信号和时钟信号两者应用相同的变换可能不影响由数据信号携带的信息。上述变换(在此之后称为“偶数周期逆变换”)可以有效地减少闪烁，因为它可以消除与任意比特转变相关联的大部分低频含量。变换的信号在比特改变期间经历更高(双倍)的频率相位，而原始信号经历低频相位。

根据一些实施例，可以使用一些相位抵消方案进一步减少由于低载波频率引起的可见闪烁。也就是说，针对每个颜色通道中的每个脉冲调整光强度，以补偿与相位编码的比特流相关联的低频含量。

现在参考图16，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的偶数周期逆变换及其对闪烁缓解的作用。应当注意，首先使用普通时钟信号1602对比特序列1601进行相位编码(例如，以接收机设备的频率几乎两倍的频率)，以产生普通相位编码信号1603。然后可以将偶数周期逆变换应用于时钟信号1602和数据信号1603，以产生变换的时钟信号1604和变换的数据信号1605。

这可以通过对数据信号和时钟信号两者的每第二个周期同时进行反相(二进制补码)来执行。具体来说，从时钟脉冲的上升沿开始，每隔一个周期，脉冲(“1”)可以被脉冲的缺失(“0”)代替，反之亦然。由于以完全相同的方式变换数据信号和对应的时钟信号，所以由变换的数据信号携带的信息不会受到影响，只要使用变换的时钟信号对其进行解码。

应当注意，变换的时钟信号1604现在可以具有原始时钟信号1602的两倍的脉冲宽度(和一半的频率)。类似地，变换的数据信号1605的“主导”脉冲宽度也可以加倍，其中，由于比特重复，任意比特流具有主导频率。同时，最初涉及主导宽度的两倍的脉冲宽度1606的比特转变(“0”到“1”，反之亦然)现在可能涉及主导宽度的一半的脉冲1607。应当理解，当应用偶数周期逆变换时，发射机的基本时钟频率和比特重复的对应数量可以被加倍，以便恢复无闪烁的传输。

结合时钟频率的增加来应用偶数周期逆变换可能存在积极的方面和消极的方面。积极的结果是由于去除与随机比特转变相关联的低频含量引起的可见闪烁的减少。消极的结果是由于变换的信号中每个传输符号的脉冲转变的较高计数引起的模糊脉冲读取的适度增加(平均)。

根据一些实施例，如果省去时钟LED并且仅使用数据LED传输光学标签的信息，则光学标签可能更有效。当光学标签的阵列包含少量的LED(因此传输开销高)时，情况尤其如此。本文公开的一般的编码方案仅使用时钟信号来解决接收机侧的相位(或曼彻斯特)编码信号的“极性”(180°相位)模糊度。无时钟传输通过采用差分编码来避免极性问题，差分编码忽略绝对比特值并集中于比特转变。

本质上，可以实现差分编码，使得编码序列的每个比特是编码序列的前一比特和原始序列的当前比特的和(二进制加法)。也就是说，如果xi是要传输的比特，并且yi是实际传输的比特，则然后可以使用本文所公开的用于非差分信号的任何方法来由光学标签传输差分编码的信号。

在接收机侧，差分编码信号的恢复可以以与非差分信号相同的方式开始。然而，代替通过与时钟的相关性来对原始比特序列进行解码，可以通过反转差分编码过程来对其进行解码。也就是说，可以通过从前一比特y(i-1)中减去差分编码信号的对应比特yi来重构原始比特序列的每个比特值xi，使得：

无时钟传输的优点可能伴随着纠错所需的额外努力的弊端。在接收期间检测到的任何错误(例如由部分曝光的光脉冲引起的)可能会影响对两个连续比特的解码，而不是非差分情况下的一个比特。

现在参考图17，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的由单个数据通道传送的比特序列，其在无时钟传输中使用差分编码进行编码。应当理解，可以变换原始比特序列1701，使得差分编码的比特序列1702的比特转变表示原始比特序列的逻辑“1”，以及没有转变表示逻辑“0”。接下来，可以使用普通时钟信号1703来对编码信号1702进行相位编码。然后它可以经历偶数周期逆变换，以获得实际传输的信号1704。

现在参考图18，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的在无时钟传输中使用差分编码传送的比特序列，其在接收机侧恢复。

参考图17的示例，相位(或曼彻斯特)编码信号1704现在可以由接收机设备(例如，由照相机)检测。应当理解，在传输中没有时钟信号的情况下，解码器不能建立所接收的信号的“极性”(180°相位模糊度)。如果虚拟时钟信号1801被用于解码，则可以恢复信号1802，而如果反相时钟信号1803被使用，则可以恢复信号1804。差分编码的优点变得清晰，注意到最终处理哪个信号1802或1804并不重要。对两个信号的差分解码产生相同的原始比特序列1701。

可以通过检查与视频帧1806相关联的模糊1805来理解无效脉冲读取对差分编码信号的解码的影响。当对传入信号1704进行解码时，模糊1805可能导致可互换的、差分编码信号1802和1804中的未解析的比特值(用“？”标记)。由于在原始比特序列1701的恢复期间该比特可被用于后向差分和前向差分的计算，所以最终在恢复的比特序列中有两个未解析的比特1807和1808。

在一些实施例中，光学标签和基于照相机的标签读取器之间的单向通信使得同步两个设备的时钟变得不可能。如果发射机的时钟速率被迫匹配(或非常接近)接收机设备的时钟速率或其任何整数倍，则接收机可能偶尔被锁定，仅捕获部分曝光的帧。

根据一些实施例，可以强制发射机的时钟速率与接收机设备的帧速率或其整数倍相匹配。然后可以通过接收机的算法来检测相位锁定情况，该算法可以在检测到问题时忽略坏的视频序列，并指示接收机的照相机捕获至少Np个视频帧的新序列。由于新数据采集的定时可以是任意的，所以新的视频序列很可能捕获完整的一组完全曝光的脉冲图像，其可被用于重建有效数据包。

根据一些实施例，可以通过有意地将光学标签的时钟设置为稍微慢于接收机的帧速率的指定的“谐波”来避免相位锁定情况。换句话说，如果标称时钟周期“T时钟”被选择为帧到帧间隔“T帧”(例如，如图12所示)的1/n，则实际时钟周期将是T时钟-ac＝T帧/n+Δ，其中，Δ<1/2T时钟是时间偏移。

该频率扰动可能导致两个时钟之间的相位差的(以取决于Δ的速率的)稳定漂移，其周期性地可能导致一些视频帧包括部分曝光的脉冲。如果由RGB LED传输两个互补颜色通道，则部分曝光的LED投影的颜色可以是这两种颜色的某种颜色组合。可选地，部分曝光的脉冲图像可能不被解码，因为实际上已经丢失关于脉冲转变方向的信息。

根据一些实施例，可以通过将照相机的曝光时间“T曝光”设置为发射机的时钟周期的一部分来缓解这种类型的由接收机引起的误差。具体地说，曝光时间可被设定为时钟周期的1/4或更小。这可确保与具有部分曝光的帧相比有更多的帧捕获光脉冲(“1”)或脉冲的缺失(“0”)。

根据一些实施例，在处理期间模糊曝光的视频帧可被丢弃(或忽略)，并由包含相同数据包的其他实例的随后的或先前的“Np”个连续帧的组的等效帧替换。可替代地，例如当从短距离读取光学标签并且图像传感器的滚动快门效应变得明显时，在帧中捕获的LED图像中仅一部分被部分地曝光。然后，接收机移动设备的专用标签读取算法可以通过传输协议的一般的纠错机制来对模糊的LED图像进行处理。

现在参考图19，其图示了根据本发明的一些实施例的互补的颜色对，其作为减少与低频载波相关联的闪烁的手段。CIE 1931色度图1900上的RGB LED的颜色空间(色域)由三角形1901限定，其顶点对应于三原色：红、绿、蓝。在基本实现中，LED可以使用两种原色来传送单个数据流。主颜色通道传送相位(或曼彻斯特)编码的比特序列。次要冗余的颜色通道可以传送主信号的反相形式(二进制补码)，使得次信号的每个脉冲可以与主信号的脉冲的缺失对齐，反之亦然。因此，纯的主颜色和纯的次颜色的三种可能的对是：红&绿、红&蓝和绿&蓝。在每种情况下，人类观察者可以感知到LED照明，其是相应颜色对的颜色组合：黄色、品红色和青色，只要标签的时钟速率超出了人眼的颜色融合阈值。

应当理解，主通道和次通道不限于使用纯RGB颜色。对于每个通道，可以使用包含不同相对强度的两个或三个重叠原色的混合颜色。将主颜色和次颜色放置在CIE图上，可能将感知到的颜色定位在连接两种颜色的向量的中点处。

虽然可以为主颜色和次颜色选择任何纯色或混合色，但两种颜色之间的对比度(即CIE图上的欧几里德距离)应该足够大，使得通道可在运行条件下由接收机设备充分唯一地检测。

例如，原色红的脉冲可以由作为绿和蓝的组合的青色补充。如果对于每个主颜色，所述两种剩余原色的强度被适当地校准，则在足够高的脉冲速率下，RGB LED的组合发射可以由人类观察者感知为纯白色(或至少某种灰度级)。总而言之，这样的方案可以允许通过RGB LED传输六个不同的符号(即，红色&青色、蓝色&黄色、绿&品红色)。因此，每个LED可能在接收机的单个帧到帧时间间隔期间传送多达信息的2.585(＝log[6]/log[2])二进制比特。可将该值与每周期的3.0个二进制比特进行比较，该二进制比特可以由RGB LED使用无约束的OOK调制传送。

应当注意，互补的主通道和次通道不限于使用三个原色RGB。事实上，只要对于每个主颜色都存在要被用作次信号的作为该主颜色的白色互补色的纯色或混合色，就可以使用任何数量的纯色或混合色(RGB颜色的不同强度级别的组合)来传输主信号。这样的颜色对通常在本领域中称为颜色白色的同色异谱匹配。

根据一些实施例，可以进一步扩展互补的颜色对的基本方案，使得可以使用多对主颜色通道和次颜色通道来每个LED发射器传送多个信息流。对最小闪烁的要求可能指示所使用的所有主和次颜色的对将都是相同颜色的“同色异谱匹配”。也就是说，所有颜色对在以超过人眼的颜色融合阈值的时钟速率顺序显示时可产生相同感知的颜色。

显然，最有价值的颜色对系统是具有白色的感知颜色的系统。该系统采用三种原色RGB作为主颜色，并将其相应的白色互补色作为次颜色。因此，使用的颜色对是：红色&青色、蓝色&黄色、绿&品红色。白色互补色与相应的原色相反驻留在LED的色域图的边缘上。因此，该系统可能具有最高可能的对比度。与三个无约束的RGB颜色的情况下的八个符号相比，三种颜色对可以每个RGB LED传送多达六个符号。

应当理解，可以使用主颜色和次颜色的各种对来创建除白色之外的组合(感知)颜色。然而，当感知的颜色从LED的CIE颜色空间的中心偏离时，与白色不同的颜色的同色异谱匹配的数量显著下降。此外，即使使用感知的略白的颜色(whitish colors)，由于对在主颜色和次颜色之间以及它们本身的对之间的显著对比度的需求，对可以供光学标签的LED使用的颜色对的数量有限制。通常将希望最大化在所使用的所有颜色中的CIE颜色空间中的欧几里德距离，以使得接收机在现实世界条件下更容易将它们区分为不同的数据通道。

现在参考图20，其示出了根据本发明的一些实施例的接收机在对(不使用冗余通道)标签传输进行解码时使用的基本过程的框图。该过程可以始于接收机照相机捕获包括调制光束的图像的至少“Np”个视频帧序列2001，“Np”是包含在数据包中的数据块的数量。接下来，专用标签读取算法可以分析视频帧，试图检测所有帧中的所有脉冲图像，以获得完整的一组空间和时间的原始数据2002。然而，一些帧可能包括由于部分曝光的脉冲图像引起的或由于通道/接收机噪声的其他源引起的模糊。

在一些实施例中，当检测到坏帧2003时，专用标签读取算法可以指示照相机捕获“Np”个视频帧的另一序列2004，其然后可以以上述的相同方式被处理2005。在这一点上，应该有足够的视频帧来标识表示数据包的有效负载部分的开始的至少两个报头部分2006。一旦建立了数据块的正确顺序，就可以很容易地将帧的一个序列中的坏的块替换为帧的另一序列中的好的对应物，以便获得包含恢复数据包所需的所有信息的单个连续数据集2007。在好的数据块仍然丢失的情况下，可以捕获至少“Np”个视频帧的附加序列，直到获得好的数据块的连续组2008。然后可以通过反转用于对数据进行编码的方案来恢复原始数据包2009。

通常通过适当地调整系统的时间变量可能使得每一拍摄的“Np”个视频帧序列都会出现一个部分曝光的帧，或者甚至比那个更不频繁，例如，在单个数据包的传输期间不具有两个坏帧。此外，可能可以使部分曝光的帧的重复不等于“Np”或其整数倍。此外，可能可以一次只能有一个部分曝光的帧(即从不连续两个)。可选地，即使单个报头块被部分曝光，也可能识别该单个报头块，因为该数据包中没有数据块也被部分曝光。

现在参考图21，其示出了根据本发明的一些实施例的由接收机在对使用冗余相移通道传输的信号进行解码时使用的逻辑的框图。

该过程可以始于接收机的照相机捕获包括光学标签的调制光束的记录的至少“Np”个视频帧的序列2101。接下来，接收机的专用标签读取算法可以分析帧以在空域、时域和色域上获得完整的原始数据组2102。然后，可以在数据中定位报头部分，以指示数据包的有效负载部分的开始2103。可以针对部分曝光的LED图像检查每个数据帧2104，并且如果没有发现，则可以使用主通道进行解码2105。如果发现模糊的LED图像，则使用次通道恢复对应的比特值2106。一旦已正确地恢复所有数据块并且已重建原始数据包，该过程就可以完成。

现在参考图22，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的光学标签在户外(OOH)广告领域中的可能实用。应当注意，标签101可以固定到广告牌框架2201并用作与所显示的广告互补的在线内容的链接。

当用户105使移动设备102对准光学标签101时，设备102的专用标签读取算法可以使用照相机来对与光学标签101的光发射相关联的二进制信号106进行识别和解码。如此传送的信息可以包括明确标识广告牌的至少一个唯一标识符(UID)107。专用标签读取算法还可以通过某种局域网或广域网与外部计算机化设备103进行通信。因此，它可以将光学标签101的UID连同附加信息一起发送到外部计算机化设备103，以便获取广告相关内容2202。发送到服务器的附加信息可以包括例如：读取器设备的识别数据、读取器设备的地理位置、与读取器设备的用户有关的信息、要发送的文本消息等。外部计算机化设备103(例如，基于云的服务器)可以聚合、存储、管理、分析和进一步传输通常与服务器通信的多个光学标签及其读取器相关的信息。

现在参考图23，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的使用与店内零售(A)和展览(B)相关的线性光学标签可能实现的两个实用。应当注意，当线性光学标签2301沿着产品陈列(A)的底部或展示墙(B)的顶部水平放置时，它可以限定其中每个点是可寻址的垂直二维平面。

然而，应当理解，线性光学标签2301可以在指定的二维平面内以任何高度和任何取向放置。特别地，光学标签可以垂直定位。当用户瞄准配置成光学标签的读取器的配备有照相机的移动设备时，设备的专用标签读取算法可以读取沿着线性光学标签由各个部位(或子阵列)传送的信息(包括但不限于UID)，并使用该信息以通过无线网络从服务器计算机获取规定的信息。

然后，专用标签读取算法可以使用图像传感器上的LED投影之间的像素测量结果，以将信息的不同部分与由线性光学标签限定的2D平面内的不同点相关。可选地，信息的某些部分2302可以以图形方式呈现给最终用户，使得图形覆盖在移动设备的屏幕上显示的实际场景。

根据一些实施例，覆盖在屏幕上的信息的部分可以是交互式2303。也就是说，它们可以作为触发设备相关事件的按钮或作为附加信息的超链接来执行。

在一些实施例中，图形地覆盖在读取器设备的显示屏幕上的信息的部分本质上可以是三维的。例如，图形可以体现产品或建筑物的视觉表示。这样的3D画面(visuals)可以是动态的和/或交互的。也就是说，用户可能够使用他的手指的手势或者通过步行到附近的位置同时3D画面相应地改变其外观来移动或旋转虚拟对象。

现在参考图24，其示意性地图示根据本发明的一些实施例的光学标签装置，其中读取器设备2401不位于标签2402的视线内。

在一些实施例中，标签的各种发光元件的光束可以投射到一个或更多个反射表面2403上，光束在被读取器设备2401的图像传感器捕获之前从一个或更多个反射表面2403以一定角度偏转。为了有效，这样的实施例可以使用发射准直光束的定向发光元件，例如激光二极管。可选地，光学标签2402同时发射调制光束的至少两个结构化组，每组传送不同的信息流。每组光束可以(例如使用声光调制器)定向到不同的反射表面2403上：例如表面A和表面B。

应当理解，尽管单个光学标签可以发射瞄准几个方向(例如，半球形)的光束的多个结构化的组，但是每个组可以携带不同的信息流。在一些实施例中，每组光束的路径上最远的反射表面可以是扩散的，以允许多个接收机设备读取由那些光束从不同的角度传送的信息。

除非另有明确说明，本文描述的方法实施例不限于特定的时间次序或时间顺序。此外，在方法的操作顺序期间，可以跳过所描述的方法元素中的一些，或者可以重复它们。

已经提出了各种实施例。这些实施例中的每一个当然可以包括所提出的其它实施例的特征，并且未具体描述的实施例可以包括本文描述的各种特征。

Claims (40)

1.一种用于传送机器可读信息的系统，所述系统包括：

光学标签，所述光学标签包括发光元件阵列，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；

控制器，所述控制器可操作地耦合到所述光学标签，并且被配置成允许对来自所述发光元件的光发射进行调制；以及

接收机设备，所述接收机设备被配置成允许检测由所述光学标签传送的信息，

其中，所述调制被配置成控制所述发光元件的照明方案，

其中，使用所述参考时钟信号来同步所检测到的信息，以及

其中，对所述光发射的所述调制提供照明改变，所述照明改变比每秒30次改变更快并基本上不可被人眼察觉。

2.如权利要求1所述的系统，其中，发射参考时钟信号的所述至少一个发光元件在所述发光元件阵列内具有预定义的空间位置。

3.如权利要求1所述的系统，其中，每个发光元件包括被配置成发射不同波长的光的至少两个不相关的发光子元件。

4.如权利要求3所述的系统，其中，使用第一发光子元件传送的信号是由第二发光子元件传送的信号的反相。

5.如权利要求3所述的系统，其中，由第一发光子元件发射的信号的相位相对于由第二发光子元件发射的信号以一定角度偏移。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述偏移显著小于90度。

7.如权利要求1所述的系统，其中，不传送时钟信号的至少一个发光元件的发射服从于所述时钟信号，并且传送二进制信息，并且其中，所述二进制信息利用所述时钟信号进行相位编码。

8.如权利要求7所述的系统，其中，相位编码的信息被重复传送，使得所述发光元件的传输速率为所述接收机设备的检测速率的整数倍。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述发光元件是视频显示器的不同的像素簇。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收机是固定的，而所述光学标签是可移动的。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收机是可移动的，而所述光学标签是固定的。

12.如权利要求1所述的系统，其中，由所述光学标签传送的信息的附加部分防止对所述光学标签的未授权复制或仿制以及由此防止对传送的信息的未授权复制或仿制。

13.如权利要求1所述的系统，其中，在检测到所述光学标签外部的唤醒信号之后，有限数量的相同数据包由所述光学标签传送。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述唤醒信号由照相机闪光灯启动。

15.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收机是计算机化设备，并且还被配置成允许对所接收的信息进行解码。

16.如权利要求1所述的系统，还包括网络连接，所述网络连接适用于将由所述接收机设备接收的信息传输到外部设备。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述外部设备是计算机化设备，并且被配置成允许对所接收的信息进行解码。

18.如权利要求1所述的系统，其中，每个发光元件包括至少两个发光元件，所述至少两个发光元件被配置成发射相应波长的光，使得基本上相同的信息被传输。

19.如权利要求1所述的系统，其中，至少一个发光元件被配置成传送人眼基本上可察觉的信息。

20.如权利要求1所述的系统，其中，由所述光学标签传送的信息的部分被永久存储在所述光学标签的非易失性存储器中。

21.如权利要求20所述的系统，其中，被永久存储的信息包括所述光学标签的至少一个唯一标识符(UID)。

22.一种用于传送机器可读信息的方法，所述方法包括：

利用发光元件阵列来发射光信号，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；

对来自所述发光元件的光发射进行调制，能够传送携带调制的信息的信号；

接收和检测经调制的信号；

使用所述参考时钟信号来同步所检测的信号；以及

对所接收的信号进行解码，

其中，所述调制基本上不可被人眼察觉。

23.如权利要求22所述的方法，其中，每个发光元件包括被配置成发射不同波长的光的至少两个不相关的发光子元件。

24.如权利要求23所述的方法，其中，使用第一发光子元件传送的信号是由第二发光子元件传送的信号的反相。

25.如权利要求23所述的方法，其中，由第一发光子元件发射的信号的相位相对于由第二发光子元件发射的信号以一定角度偏移。

26.如权利要求24所述的方法，其中，不传送时钟信号的至少一个发光元件的发射服从于所述时钟信号，并且传送二进制信息，并且其中，所述二进制信息利用所述时钟信号进行相位编码。

27.如权利要求26所述的方法，还包括重复地传送相位编码的信息，使得所述发光元件的传输速率为所述接收机设备的检测速率的整数倍。

28.如权利要求22所述的方法，其中，所述发光元件是视频显示器的不同的像素簇。

29.一种用于传送机器可读信息的方法，所述方法包括：

利用发光元件阵列来发射光信号；

对来自所述发光元件的光发射进行调制，能够使用差分编码传送携带调制的信息的信号；

接收和检测经调制的信号；

对所述二进制时钟信号进行相位编码；以及

对所接收的信号进行解码，

其中，所述调制基本上不可被人眼察觉。

30.一种用于利用视频显示器传送机器可读信息的系统，所述视频显示器具有能够以不同波长照明的多个像素，所述系统包括：

所述视频显示器内的至少一个不同的像素簇，其中，至少一个像素发射预定义的参考时钟信号；

控制器，所述控制器可操作地耦合到所述不同的像素簇，并且被配置成允许对来自所述像素的光发射进行调制；以及

接收机设备，所述接收机设备被配置成允许检测由所述像素簇传送的信息，

其中，所述调制被配置成控制所述像素簇的照明波长方案，

其中，使用所述参考时钟信号来同步所检测到的信息，以及

其中，对所述光发射的调制提供照明时间的改变，所述照明时间的改变比每秒30次改变更快并基本上不可被人眼察觉。

31.如权利要求30所述的系统，其中，发射参考时钟信号的所述至少一个像素在所述视频显示器内具有预定义的空间位置。

32.如权利要求30所述的系统，其中，每个像素包括被配置成发射不同波长的光的至少两个不相关的子像素。

33.如权利要求32所述的系统，其中，使用第一子像素传送的信号是由第二子像素传送的信号的反相。

34.如权利要求32所述的系统，其中，由第一子像素发射的信号的相位相对于由第二子像素发射的信号以某一角度偏移。

35.如权利要求30所述的系统，其中，不传送时钟信号的至少一个像素的发射服从于所述时钟信号，并且传送二进制信息，并且其中，所述二进制信息利用所述时钟信号进行相位编码。

36.如权利要求35所述的系统，其中，相位编码的信息被重复传送，使得所述像素的传输速率为所述接收机设备的检测速率的整数倍。

37.一种用于利用视频显示器传送机器可读信息的系统，所述视频显示器具有能够以不同波长照明的多个像素，所述系统包括：

所述视频显示器内的至少一个不同的像素簇；

控制器，所述控制器可操作地耦合到所述不同的像素簇，并且被配置成允许使用差分编码来对来自所述像素的光发射进行调制；以及

接收机设备，所述接收机设备被配置成允许检测由所述像素簇传送的信息，

其中，所述调制被配置成控制所述像素簇的照明波长方案，以及

其中，对所述光发射的调制提供照明时间的改变，所述照明时间的改变比每秒30次改变更快并基本上不可被人眼察觉。

38.一种机器可读光学标签，包括：

发光元件阵列，其中，至少一个发光元件发射预定义的参考时钟信号；以及

控制器，所述控制器被配置成允许对来自所述发光元件的光发射进行调制，

其中，所述调制被配置成控制所述至少一个发光元件的照明方案，以及

其中，对所述光发射的调制提供照明时间的改变，所述照明时间的改变比每秒30次改变更快并基本上不可被人眼察觉。

39.如权利要求38所述的光学标签，其中，所述发光元件是视频显示器的不同的像素簇。

40.如权利要求38所述的光学标签，还包括电源。