KR101622362B1

KR101622362B1 - 깜빡임이 없는 칼라 가시광 통신 시스템

Info

Publication number: KR101622362B1
Application number: KR1020150068176A
Authority: KR
Inventors: 이문기
Original assignee: 이문기
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US20150003837A1; US9385808B2; KR20150063986A; WO2013100743A1; JP2015510302A; CN104081753A; JP6053822B2; KR20130079301A; CN104081753B

Abstract

본 발명은 삼원색 광을 각각 점멸하여 정보를 송신하되 사람 눈에는 백색으로 보이도록 점멸 패턴에 제한을 가한 가시광 통신에 관한 것이다. 삼원색 광원을 사용하면 백색광을 사용한 경우보다 고속의 통신이 가능하다. 이러한 통신은 조명용 광원 또는 칼라 디스플레이 화면을 사용하여 구현될 수 있다.

Description

깜빡임이 없는 칼라 가시광 통신 시스템{FLICKER FREE COLOR VISIBLE LIGHT COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 색(color)을 이용한 가시광 통신의 깜빡임을 제거하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 조명광의 깜빡임을 이용하여 정보를 전송하고 광센서로 그 깜빡임을 감지하여 깜빡임의 패턴이 의미하는 정보를 수신하는 가시광 통신에 관한 것이다. 이러한 가시광 통신의 전송 속도를 높이기 위하여 여러 색의 광원을 동시에 사용하는 칼라 가시광 통신이 제안되었다. 즉,대한민국 특허 출원번호10-2009-7020581호 '가시광 송신 장치,가시광 수신장치,가시광 통신 시스템,및 가시광 통신 방법'(특허문헌1)에는 정보의 고속 전송을 위하여 다른 칼라로 서로 다른 정보를 표시하는 기술이 제시되어있다. 그리고 대한민국 특허 출원번호 10-2010-0116002호 '가시광통신 시스템에서 색차 정보를 이용해서 통신하는 송수신 장치 및 방법'(특허문헌2) 에는 조명 통신용 광원의 깜빡임을 완화하기 위하여 밝기 변화는 억제하고 색 변화만으로 정보를 표시하는 기술이 제시되어 있다.

본 발명은 상기 특허문헌1과 2와 같은 칼라 가시광 통신의 광원의 깜빡임을 완화 또는 제거하기 위한 기술에 관한 것으로 크게 조명용 광원을 사용한 경우와 LCD 모니터,OLED모니터,빔 프로젝터 등과 같은 칼라 디스플레이를 사용한 경우로 분류할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가시광 통신을 하는 송신부와 수신부를 포함하는 통신 시스템에 있어서, 상기 송신부는, 디지털 값을 인코딩용 매트릭스 값에 대응시키는 광 인코딩부, 상기 인코딩용 매트릭스 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하는 발광 제어부 및 상기 발광 패턴에 따라 서로 다른 색으로 발광하는 발광부를 포함하고, 상기 수신부는, 빛을 감지하는 수광부, 상기 수광부의 수광량 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스 값을 계산하는 수광 계산부 및 상기 수광 계산부에서 계산된 디코딩된 매트릭스 값을 상기 디지털 값에 대응시키는 광 디코딩부를 포함하되, 상기 인코딩용 매트릭스와 디코딩된 매트릭스는 0에서 1 사이의 실수 값들이 행렬 요소인 3행 n열 매트릭스이고(단, n은 3 이상의 자연수), 상기 발광 제어부는 매 주기마다 주어진 상기 인코딩용 매트릭스에 대응하여 광원의 출력 광량을 제어하되, 인코딩용 매트릭스의 1행의 숫자들에 대응하여 제1칼라 광원의 발광을 제어하고, 인코딩용 매트릭스의 2행의 숫자들에 대응하여 제2칼라 광원의 발광을 제어하고, 인코딩용 매트릭스의 3행의 숫자들에 대응하여 제3칼라 광원의 발광을 제어하고, 상기 수광 계산부는, 매 주기마다 수광된 제1칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 1행의 숫자들을 계산하고, 수광된 제2칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 2행의 숫자들을 계산하고, 수광된 제3칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 3행의 숫자들을 계산하되, 상기 제1,제2,제3칼라 광원은 가시광 광원이고, 상기 인코딩용 매트릭스의 하나의 행은, 비트 정보와 주기 시작을 나타내는 신호를 모두 포함하는 블록 코딩된 신호인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 칼라 통신 시스템을 사용하면 깜빡임이 없는 조명광원으로 고속 통신을 수행할 수 있다.

도1은 본 발명의 제2 실시예,
도2는 표2의 비트0을 여러 주기 동안 계속 출력할 때의 삼원색 광원에서 방사되는 빛의 세기를 나타낸 그래프,
도3은 표2의 비트1을 여러 주기 동안 계속 출력할 때의 삼원색 광원에서 방사되는 빛의 세기를 나타낸 그래프,
도4는 파랑광원으로 비트 1을 출력한 후 시각 s1에서 비트 0을 출력하고 다시 시각 s2에서 비트 1을 출력하는 그래프,
도5는 칼라평면(UV평면)위의 16개 격자점이다.

실시예1

가시광 조명 통신 시스템은 조명광의 점멸로 정보를 송신하고 광센서로 그 점멸을 감지하여 정보를 수신하는 시스템이다. 이러한 통신 시스템에 사용되는 광원에는 LED가 사용될 수 있다. 또한 조명장치의 LED뿐만 아니라 LCD디스플레이의 백라이트로 사용되는 LED도 고속으로 점멸시킴으로써 정보를 송신 할 수 있다. 광원을 점멸시키는 방법으로 예를 들면 맨체스터 코딩을 사용할 수 있다. 맨체스터코딩으로 비트0을 출력하려면 정해진 짧은 시간구간(이를 본 발명에서는 1주기라 한다. 사람은 1초에 100번 정도 깜빡이는 것은 감지하지 못하므로 1주기는 0.01초 정도로 하는 것이 바람직하다)을 이등분 하여 그 앞쪽 구간 동안은 빛을 방사하지 않고 뒷부분 구간 동안만 빛을 방사하면 된다. 마찬가지로 맨체스터코딩으로 비트1을 출력하려면 정해진 1주기를 이등분 하여 그 앞쪽 구간 동안은 빛을 방사하고 뒷부분 구간 동안은 빛을 방사하지 않으면 된다. 이러한 출력방식은 다음 표와 같이 정리할 수 있다.

출력할 비트값	광 코딩 매트릭스
0	(0,1)
1	(1,0)

위 표의 2열은 1행2열 매트릭스(w1,w2)를 나타내고 있다.본 발명에서는 이러한 매트릭스를 광 코딩 매트릭스라 한다. 광 코딩 매트릭스 (w1,w2)의 행렬요소 w1과 w2는 각각 1주기를 이등분한 두 구간 중 앞 구간과 뒤 구간 동안에 방사되는 빛의 세기를 나타내는 값으로 정의된다. 그 값이 0이면 빛이 방사되지 않음을 의미하고 1이면 빛이 최대밝기로 방사됨을 의미한다. 만약 그 값이 0과 1 사이 실수(예를 들어서 0.5)라면 최대 밝기의 반으로 어둡게 빛이 방사됨을 의미한다. 이러한 백색광원의 점멸은 삼원색 광원의 특별한 점멸로 볼 수 있다. 즉 백색 LED를 점멸하는 것은 빨강,파랑,녹색 LED를 동시에 점멸하는 것으로 볼 수 있고 이를 광코딩 매트릭스로 나타내면 다음과 같이 3행2열 매트릭스가 된다.

위 매트릭스의 1,2,3행은 각각 빨강,녹색,파랑 광원이 방사하는 빛의 세기(밝기)를 나타낸다.그리고 위 매트릭스의 1열과 2열은 각각 1주기의 앞쪽과 뒤쪽 구간에서의 방사되는 빛의 밝기를 나타낸다. 삼원색 광원을 동일 클록 신호에 맞춰서 각각 맨체스터 코딩하면 (즉, 삼원색 광원을 각각 독립된 통신 채널로 사용하면) 백색 광원 1개를 사용한 경우보다 3배 빠르게 통신을 할 수 있다. 또한 맨체스터 코딩을 하면 1주기를 이등분한 두 구간 중 한 구간에는 반드시 삼원색 광원이 광을 방출하기 때문에 사람 눈은 백색광을 보게 되므로 조명의 기능도 수행 할 수 있다. 그러나 고속 광센서는 빛이 1주기의 앞 구간과 뒤 구간 중 어느 쪽에서 방출됐는지를 감지하여 정보를 수신 할 수 있다.

1주기를 2등분 하는 것을 n등분 하는 것으로 일반화 할 수 도 있다. 여기서 n은 2보다 큰 자연수이다. 이 경우 광 코딩 매트릭스는 다음과 같이 3행 n열 매트릭스가 된다.

예를 들어서 n=3인 경우

와 같은 광 코딩 매트릭스는 빨강 광원은 1주기를 3등분한 첫 구간 동안 최대로 밝게 출력한 후 나머지 두 구간 동안은 빛을 방출하지 않는 것을 의미하고,

녹색 광원은 뒤쪽 두 구간 동안 밝기를 반으로 어둡게 조절해서 빛을 방출하는 것을 의미하고,

파랑 광원은 첫 두 구간 동안 밝기를 반으로 어둡게 조절해서 빛을 방출하는 것을 의미한다. 빨강은 밝기를 최대로 하는 대신 한 구간 동안만 출력하고 녹색과 파랑은 밝기는 반으로 어둡게 조절 하는 대신 두 구간 동안에 출력함으로써 1주기 동안 방출된 총 빛의 합은 백색이 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같이 광 코딩 매트릭스의 각 행의 값을 모두 더한 값은 1이 되는 것으로 나타낼 수 있다.

본 발명의 칼라 통신 시스템은 1주기를 n개의 구간으로 분할(이때 각 구간은 동일 시간 간격이 되도록 하는 것이 시스템을 간단하게 하므로 바람직하다)하여 전송할 정보(예를 들면 m진수 숫자)에 대응하는 상기 3행 n열 광코딩 매트릭스가 나타내는 삼원색 광원의 점멸 패턴에 따라 삼원색 광원을 점멸 시켜서 정보를 전송하되 이때 1주기는 사람이 깜빡임을 느끼지 못할 만큼 충분히 짧게 정하고 상기 3행 n열 광 코딩 매트릭스의 각 행의 값의 합은 1이 되게 점멸 패턴을 제한하여 사람 눈에는 점멸하는 삼원색 광이 백색 광으로 보이게 되는 것을 특징으로 한다.

수신부는 송신부에서 사용한 1주기의 시간 간격과 1주기를 몇 등분 했는지의 정보를 사용하여 수신된 삼원색 광 신호로부터 클록 신호를 복원하고 각 주기의 시작 순간을 알아내고 매 주기의 각 구간마다 삼원색 광의 세기를 조사하여 점멸 패턴을 인식하여 광 코딩 매트릭스를 구하고 그 매트릭스에 할당된 정보를 출력한다. 수신부에서 클록신호를 복원하기 쉽도록 송신할 정보를 적당히 블록코딩(예를 들면 4b/5b코딩)한 후 전송하는 것이 바람직하다. 그리고 각 주기의 시작 순간을 검출하기 용이하도록 전송할 데이타 프레임 앞에 미리 정의하여 송신기와 수신기가 그 정보를 공유하고 있는 동기화 패턴(sync word) 또는 프리앰블(preamble)을 추가하여 전송하는 것이 바람직하다.

상기 특허문헌1과 2의 기술은 본 발명에서 정의한 광코딩 매트릭스가 3행1열인 경우에 해당하여 매 주기마다 임의의 색이 출력되어 사람 눈에 색의 깜빡임이 보이게 되어 통신용 광원으로는 가능하지만 조명용 광원으로는 부적합하다. 이처럼 본 발명에의한 칼라 조명 통신 시스템은 광원으로 깜빡임 없는 조명의 기능과 통신 기능을 모두 수행할 수 있다.

상기 수학식 4를 다음과 같이 일반화할 수 있다.

즉 매 주기 동안 방사된 삼원색의 밝기의 합이 백색이 아닌 임의의 색(빨강이 C1,녹색이 C2,파랑이 C3인 색)으로 일정하게 할 수 있다. C1,C2,C3는 0에서 1 사이의 실수이다. 만약 C1=C2=C3=1이면 이렇게 1주기 동안 방사한 빛은 사람 눈에 백색으로 보일 것이다. 그러나 C1,C2,C3가 매주기마다 그 값이 일정하다면 광원은 백색이 아닌 다른 색으로 보이지만 깜빡임은 보이지 않게 된다. 예를 들어서 C1=0.9,C2=0.7,C3=0.7이라면 사람은 깜빡임이 없는 약간 붉은 기가 도는 백색광을 보게 된다.

본 발명의 칼라 가시광 통신 시스템의 수신기는 송신기로부터의 거리가 변하면 수신된 빛의 세기가 변할 수 있으나 삼원색 광원의 광이 모두 동일하게 세기가 변하므로 수신된 삼원색 광의 세기의 비율(즉 빨강,파랑,녹색 광의 세기의 비율)은 유지된다. 따라서 수신된 삼원색 빛의 밝기의 절대값보다는 삼원색 빛의 유무 또는 삼원색의 빛의 세기의 비율을 감지하여 정보를 수신하는 것이 바람직하다.

실시예2

백색 LED를 백라이트로 사용하는 LCD 디스플레이에서 백색 백라이트 LED를 고속으로 점멸하여 정보를 전송하고 광센서로 점멸 패턴을 감지하여 정보를 수신하는 기술은 삼성전자 소프트웨어 멤버십 싸이트인 http://www.secmem.org/exhibition/ssm2011ex/w/viewProject.asp?p_num=40 에 '가시광 통신 기반 스마트 디스플레이'라는 기술로 소개되어있다. 본 실시예는 상기 기술처럼 단순히 백색 광의 점멸이 아니라 LCD나 OLED 또는 빔 프로젝터와 같은 칼라 디스플레이의 화면의 칼라의 변화로 정보를 전송하고 광센서로 그 칼라 변화를 감지하여 정보를 수신하는 기술에 관한 것으로, 그러한 칼라 변화가 디스플레이 화면에 출력되고 있는 원래 영상의 화질을 저하시키지 않고 화면의 깜빡임을 유발하지 않는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 고속 디스플레이에 상기 실시예1의 경우처럼 1주기를 n등분하고 각 구간에 원래 출력할 영상의 삼원색 성분값을 변화시켜서 생성한 영상들(이를 본 발명에서는 구간 영상이라 한다.)을 출력함으로써 사람 눈에는 원래의 칼라 영상이 출력되는 것으로 보이지만 고속 광센서는 칼라 변화를 감지하여 정보를 수신할 수 있다. 즉 1주기를 충분히 짧게 정함으로써 그 1주기 동안 출력되는 다수의 구간 영상들이 사람 눈에는 겹쳐서 원래의 하나의 칼라 영상으로 보이게 된다. 이러한 구간 영상은 상기 실시예1에서 정의한 광 코팅 매트릭스의 행렬 요소 값을 원래 영상의 삼원색 성분에 곱함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어서 상기 실시예1의 수학식 3과 같은 광 코딩 매트릭스가 주어졌다면 1주기를 3등분한 첫 구간 동안 출력할 구간 영상(이를 제1구간 영상이라 한다)은 원래 영상의 모든 픽셀의 빨강,녹색,파랑 성분값(R,G,B)에 상기 매트릭스의 첫 열의 세 숫자(1, 0, 0.5)를 각각 곱한 세 수(R*1, G*0, B*0,5)로 원래 픽셀 값을 바꾼 영상이다.(본 발명에서 *는 곱셈을 의미한다.) 마찬가지로 제2구간 동안에 출력할 제2구간 영상은 원래 영상의 모든 픽셀의 빨강,녹색,파랑 성분값(R,G,B)에 상기 매트릭스의 두째 열의 세 숫자(0, 0.5, 0.5)를 각각 곱한 세 수(R*0, G*0.5, B*0,5)로 원래 픽셀 값을 바꾼 영상이다. 그리고 제3구간 동안에 출력할 구간 영상은 원래 영상의 모든 픽셀의 빨강,녹색,파랑 성분값(R,G,B)에 상기 매트릭스의 세째 열의 세 숫자(0, 0.5, 0)를 각각 곱한 세 수(R*0, G*0.5, B*0)로 원래 픽셀값을 바꾼 영상이다. 이처럼 세 구간에 걸쳐 각각 출력된 세 구간 영상은 사람 눈에 겹쳐져서 원래의 하나의 칼라 영상으로 보이게 되지만 고속 광센서는 칼라 변화를 감지할 수 있어서 칼라 변화가 표시하는 정보를 수신할 수 있다. 디스플레이에 출력되는 원래 영상의 칼라는 예측하기 어렵게 변하므로 상기 실시예1과 같이 삼원색의 비율에 정보를 실어 보내기는 어렵다. 따라서 1주기 안의 각 구간에 삼원색 성분 중 어느 성분의 빛이 검출 됐는지 여부(즉 광코딩 매트릭스의 행렬 요소의 값이 0인지 아닌지의 여부)만 검출하여 정보를 수신하는 것이 바람직하다. 또한 원래 영상이 검정인 경우에는 구간 영상도 검정이므로 칼라 변화를 이용해서 정보를 송신할 수 없으므로 어두운 회색을 원래 영상에 합성해서 구간 영상을 만드는 것이 바람직하다.

이처럼 1주기 안의 각각의 구간에 광코딩 매트릭스를 이용하여 생성한 구간 영상을 출력하되 수학식 4와 같은 구속 조건을 광코딩 매트릭스에 부가함으로써 사람 눈에는 원래의 칼라 영상이 보여지게 할 수 있다. 단 여러 구간에 걸쳐서 원래의 영상을 나눠서 출력하기 때문에 전체적으로 밝기가 저하될 수 있으므로 원래 영상의 밝기를 밝게 조정한 후 구간 영상을 생성하여 출력하는 것도 가능하다.(또는 디스플레이 장치의 밝기 값을 더 밝게 조정할 수도 있다.) 비록 영상의 밝기는 저하되지만 전체적인 삼원색의 비율은 유지되므로 화질의 저하나 색감의 변질은 없다.

수학식 2와 같이 1주기를 n등분 한 경우의 광 코딩 매트릭스가 주어진 경우 i번째 구간 이미지는 다음과 같이 구할 수 있다.(i는 1이상 n이하의 자연수이다.) 즉 주어진 주기 동안 출력할 원래 영상의 각 픽셀의 빨강,녹색,파랑색 성분 값에 수학식 2의 광 코딩 매트릭스의 i열의 세 숫자 Ri,Gi,Bi 를 각각 곱한 새로운 빨강 녹색 파랑 색 성분의 영상을 구한다. 이를 수식으로 표시하면 다음과 같다.

i번째 구간 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 빨강성분 값=

원래 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 빨강성분 값 * Ri

i번째 구간 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 녹색성분 값=

원래 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 녹색성분 값 * Gi

i번째 구간 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 파랑성분 값=

원래 이미지에서 좌표가(x,y)인 픽셀의 파랑성분 값 * Bi

이와 같은 구간 영상을 생성하는 것은 디스플레이 장치 안에 별도의 회로를 포함하여 동영상 재생과 병행하여 실시간으로 구현할 수도 있고 미리 준비한 동영상파일의 매 프레임 영상을 이용하여 소프트웨어 프로그램으로 구간 영상들을 생성한 후 매 프레임 영상 대신 새로 생성한 구간 영상들로 새로운 동영상 파일을 만든 후 일반적인 고속 디스플레이에서 재생할 수도 있다.

수학식 3과 같은 광코딩 매트릭스로 구간 영상을 생성해서 영상을 출력해보면 약간 붉은 백색(빨강색이 녹색과 파랑색보다 더 밝게 보인다)으로 보인다. 그 이유는 디스플레이의 비선형 특성 때문이다. 따라서 화질 저하를 막기 위해서는 실제로 출력에 사용할 디스플레이의 감마값을 사용하여 수학식 3에 감마 보정을 한 광코딩 매트릭스를 이용하여 구간 영상을 생성하여 출력하는 것이 바람직하다. 예를 들어서 감마값이 2.2인 디스플레이를 사용한다면 수학식 3의 각 행렬 요소값을 1/2.2제곱한 값으로 바꾼 새로운 매트릭스를 사용하여 출력하는 것이 바람직하다. 0.5를 1/2.2제곱하면 0.72가된다. 따라서 녹색과 파랑색 성분 영상은 밝기가 0,5인 경우보다 좀더 밝게 조정되어 출력된다. 실시예1의 경우도 광원의 입력과 출력 사이의 비선형성(감마값)을 고려하여 광코딩 매트릭스를 보정한 후 광원을 구동하는 것이 바람직하다.

디스플레이를 여러 구간(예를 들면 다수의 사각형 영역)으로 나눠서 각 구간마다 서로 다른 통신 채널로 사용할 수도 있다. 예를 들면 화면에 다수의 상품 사진을 매트릭스 형태로 배열하고 그 사진마다 그 사진의 상품 id 또는 url을 본 실시예에의한 칼라 가시광 통신으로 전송할 수 있다. 이렇게 함으로써 기존의 qr코드가 화면을 차지하는 문제를 해결할 수 있다. 사용자는 스마트폰에 설치된 본 실시예에의한 통신 장치의 수신 장치를 자신이 관심 있는 상품 사진에 향하게 하여 상품 정보를 수신할 수 있다. 도1은 디스플레이(ds)에 표시된 다수의 상품 사진 중 하나의 영역(pt)에서 송신되는 본 실시예에의한 칼라 광 신호를 스마트폰(sm)의 광센서 또는 고속 카메라를 사용하여 수신하는 모습이다.

응용예1

수광 소자로 포토트랜지스터와 같은 광센서 뿐만 아니라 고속 이미지 센서를 사용할 수도 있다. 이 경우 이미지 센서로 촬영한 영상 위에 본 발명에의한 가시광 통신에 의해 수신한 정보를 증강 현실 영상으로 합성하여 출력할 수 도 있다.

응용예2

다음 표 2는 수학식 1과 같이 3행 2열 광 코딩 매트릭스로 비트값을 나타내는 예이다.

출력할 비트값	3행 2열 광 코딩 매트릭스
0
1

위 표의 광 코딩 매트릭스의 2행은 모두 0.5이다. 이는 2행이 의미하는 녹색 광은 항상 빛을 방사한다는 것을 의미한다. 이는 사람 눈에 삼원색 중 가장 밝게 보이는 녹색을 점멸시키지 않고 항상 빛을 방사하게 함으로써 깜빡임을 최소화하는 효과가 있다. 그리고 위 표의 광 코딩 매트릭스의 1행은 클록 신호에 해당한다.즉 1행 1열은 항상 1이고 1행 2열은 항상 0이므로 일정 간격으로 1행이 의미하는 빨강 광원이 점멸하게 된다. 수신부는 빨강 빛의 점멸을 감지하여 클록 신호를 복원할 수 있다. 클록 신호를 복원한다는 뜻은 1주기의 시작 순간을 인식한다는 뜻이다. 위 매트릭스의 3행은 비트 신호이다. 1주기를 2등분한 첫 구간에 3행이 의미하는 파랑빛이 방사되면 비트 1을 의미하고 두째 구간에 파랑 빛이 방사되면 비트 0을 의미한다. 빨강 대신 파랑을 비트 신호로 사용한 이유는 파랑이 빨강에 비해 사람 눈에 더 어둡게 보이므로 파랑의 불규칙한 깜빡임이 빨강의 불규칙한 깜빡임보다 덜 눈에 뜨이기 때문이다. 위 매트릭스의 각 행의 값의 합은 항상 1이므로 항상 백색으로 보이게 된다. 도2는 상기 표2의 비트0을 여러 주기 동안 계속 출력할 때의 삼원색 광원에서 방사되는 빛의 세기를 그래프로 나타낸 것이고, 도3은 표2의 비트1을 여러 주기 동안 계속 출력할 때의 삼원색 광원에서 방사되는 빛의 세기를 그래프로 나타낸 것이다.

위와 같은 광코딩 매트릭스를 사용하여 모스부호를 전송할 수도 있다. 즉 전송할 정보를 모스부호로 변환하고 모스 통신의 전류의 흐름(on)과 흐르지 않음(off)을 상기 표의 비트1과 0에 대응시켜 그에 대응하는 광코딩 매트릭스로 삼원색 광원을 제어하고 수신부는 주기적인 빨강 신호를 검출하여 빨강 펄스가 감지된 순간에 파랑이 검출 됐는지를 조사하여 비트 0 또는 1을 수신하여 모스 부호를 복원할 수 있다.즉 모스통신에서 전류가 흐르는 상태는 본 응용예의 통신에서 비트 1을 전송하는 상태에 해당한다. 모스통신에서 전류가 짧게 흐르는 것과 길게 흐르는 것은 연속된 비트 1의 지속 시간이 짧은 것과 긴 것에 해당한다. 수신부는 매순간 수신한 비트값을 조사해서 그 값이 1이면 1의 지속 시간을 조사해서 모스부호를 수신할 수 있다.

녹색광을 상기 표의 파랑광과 같이 1주기의 두 구간 중 한 구간에만 방사하여 2채널 통신을 수행 할 수도 있다. 즉 파랑색 광원을 이용한 통신채널과 그와 병행하여 녹색 광원을 이용한 통신 채널이 가능하다. 이러한 광코딩 매트릭스는 상기 실시예1의 광원 또는 상기 실시예2의 디스플레이에 모두 적용할 수 있다.

상기 표2의 통신의 빛의 깜박임을 완화시키기 위하여 다음 표3과 같이 변형된 광코딩 매트릭스를 사용할 수도 있다.

출력할 비트값	3행 2열 광 코딩 매트릭스
0
1

위 표에서 A,Z는 각각 0에서 1사이 실수이고 A가 Z보가 크다. 즉

0 <= Z < A <= 1 이고 A + Z = 1 이다.

상기 표2의 빨강 광원은 클록 신호로 사용되기 때문에 빨강 광원으로는 비트정보를 송신 할 수 없다. 그러나 송신할 비트열을 4b/5b와 같은 블록코딩을 한 후 맨체스터코딩으로 빨강 광원을 제어하면 클록신호와 비트 신호를 모두 송신 할 수 있다. 이 경우 빨강,녹색,파랑 광원을 각각을 통신 채널로 사용할 수 있다. 그러면 한 주기에 8진수 숫자 하나를 전송할 수 있다. 도4는 파랑광원으로 비트 1을 출력한 후 시각 s1에서 비트 0을 출력하고 다시 시각 s2에서 비트 1을 출력하는 그래프이다. 이처럼 출력하는 비트값이 바뀌는 순간에는 빛이 방사되지 않는 기간(dt1)이 길거나 빛이 방사되는 기간(dt2)이 길어서 그 기간 검출하여 그 중심 시각(s1,s2)을 구하면 그 지점이 주기의 시작점이 된다. 4b/5b와 같은 블록코딩을 하면 이처럼 출력하는 비트값이 반드시 일정 시간 안에 바뀌게 되어 주기의 시작점을 검출 하기가 용이하다.

응용예3

도5는 특허문헌2의 도8을 나타낸 것으로 칼라평면(UV평면)위의 16개 격자점을 나타낸 것이다. 각 격자점은 서로 다른 칼라를 나타낸다. 이 격자점에 해당하는 삼원색 값을 r(i),g(i),b(i) 라 하고 그 보색(complementary color)의 삼원색 값을 cr(i),cg(i),cb(i)라하면

*r(i) + cr(i) = g(i) + cg(i) = b(i) + cb(i) = 1

이다. 단 i는 1에서 16까지의 자연수이다.

이러한 칼라들을 이용해서 본 발명 3행 2열 광 코딩 매트릭스를 다음과 같이 구성할 수 있다.

상기 수학식6과 같은 16개의 광코딩 매트릭스로 16진수 숫자를 전송 할 수 있다. 주1기를 이등분한 첫 구간과 둘째 구간에서 방사된 빛은 서로 보색 관계이므로 사람은 백색광을 보게 된다. 도6의 격자점 사이의 간격을 좀더 줄여서 더 많은 격자점을 생성하여 더 고속의 통신을 수행 할 수도 있다. UV 칼라 공간 대신 다른 칼라 평면에서 격자점을 생성하여 광코딩 매트릭스를 구성 할 수 도 있다.

상기 수학식 6을 다음과 같이 3행 3열 매트릭스로 변형 할 수도 있다.

상기 매트릭스의 첫 열은 모든 칼라 성분값이 0이다. 즉 1주기를 3등분 한 경우 첫 구간에는 아무런 빛도 방사하지 않는다. 수신부는 이처럼 주기적으로 빛이 검출되지 않는 순간을 검출해서 클록을 복원(즉, 1주기의 시작순간을 검출)할 수 있다. 그리고 1주기의 나머지 두 구간에 방출된 빛을 감지해서 정보를 수신 할 수 있다. 이를 다음과 같이 좀더 일반화할 수 있다.

위 매트릭스에서 w는 0에서 1 사이의 실수이다. 위 매트릭스에서 첫번 열은 삼원색성분 밝기비율이 모두 같으므로 회색에 해당한다. 수신부는 회색이 검출된 순간을 주기의 시작점으로 인식하여 정보를 수신 할 수 있다. 이 경우

w + r(i) + cr(i) = w + g(i) + cg(i) = w+ b(i) + cb(i) = 1

가 되도록 행렬 요소의 값을 조정해야 한다.

이와 같은 검정색이나 회색은 주기의 시작 순간을 검출하기 위한 특별한 패턴의 일 예이다. 일반적으로 검정이나 회색 이외의 미리 정한 칼라를 주기의 시작 순간을 검출하기 위한 패턴으로 사용할 수 있다. 그리고 그러한 패턴을 매주기마다 출력하는 대신 여러 주기 마다 출력하여 고속 통신을 수행 할 수 있다.

ds : 디스플레이
pt : 상품 사진 중 하나의 영역
sm : 스마트폰

Claims

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가시광 통신을 하는 송신부와 수신부를 포함하는 통신 시스템에 있어서,
상기 송신부는,
디지털 값을 인코딩용 매트릭스 값에 대응시키는 광 인코딩부;
상기 인코딩용 매트릭스 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하는 발광 제어부; 및
상기 발광 패턴에 따라 서로 다른 색으로 발광하는 발광부를 포함하고,
상기 수신부는,
빛을 감지하는 수광부;
상기 수광부의 수광량 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스 값을 계산하는 수광 계산부; 및
상기 수광 계산부에서 계산된 디코딩된 매트릭스 값을 상기 디지털 값에 대응시키는 광 디코딩부를 포함하되,
상기 인코딩용 매트릭스와 디코딩된 매트릭스는 0에서 1 사이의 실수 값들이 행렬 요소인 3행 n열 매트릭스이고(단, n은 3 이상의 자연수),
상기 발광 제어부는 매 주기마다 주어진 상기 인코딩용 매트릭스에 대응하여 광원의 출력 광량을 제어하되,
인코딩용 매트릭스의 1행의 숫자들에 대응하여 제1칼라 광원의 발광을 제어하고,
인코딩용 매트릭스의 2행의 숫자들에 대응하여 제2칼라 광원의 발광을 제어하고,
인코딩용 매트릭스의 3행의 숫자들에 대응하여 제3칼라 광원의 발광을 제어하고,
상기 수광 계산부는,
매 주기마다 수광된 제1칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 1행의 숫자들을 계산하고,
수광된 제2칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 2행의 숫자들을 계산하고,
수광된 제3칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 3행의 숫자들을 계산하되,
상기 제1,제2,제3칼라 광원은 가시광 광원이고,
상기 송신부는 다수 개의 인코딩용 매트릭스들의 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하고, 상기 다수 개의 인코딩용 매트릭스들 중 어느 하나의 인코딩용 매트릭스는 주기의 시작을 표시하는 정해진 칼라인 열을 포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
가시광 통신을 하는 송신부와 수신부를 포함하는 통신 시스템에 있어서,
상기 송신부는,
디지털 값을 인코딩용 매트릭스 값에 대응시키는 광 인코딩부;
상기 인코딩용 매트릭스 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하는 발광 제어부; 및
상기 발광 패턴에 따라 서로 다른 색으로 발광하는 발광부를 포함하고,
상기 수신부는,
빛을 감지하는 수광부;
상기 수광부의 수광량 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스 값을 계산하는 수광 계산부; 및
상기 수광 계산부에서 계산된 디코딩된 매트릭스 값을 상기 디지털 값에 대응시키는 광 디코딩부를 포함하되,
상기 인코딩용 매트릭스와 디코딩된 매트릭스는 0에서 1 사이의 실수 값들이 행렬 요소인 3행 n열 매트릭스이고(단, n은 3 이상의 자연수),
상기 발광 제어부는 매 주기마다 주어진 상기 인코딩용 매트릭스에 대응하여 광원의 출력 광량을 제어하되,
인코딩용 매트릭스의 1행의 숫자들에 대응하여 제1칼라 광원의 발광을 제어하고,
인코딩용 매트릭스의 2행의 숫자들에 대응하여 제2칼라 광원의 발광을 제어하고,
인코딩용 매트릭스의 3행의 숫자들에 대응하여 제3칼라 광원의 발광을 제어하고,
상기 수광 계산부는,
매 주기마다 수광된 제1칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 1행의 숫자들을 계산하고,
수광된 제2칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 2행의 숫자들을 계산하고,
수광된 제3칼라 광의 광량의 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스의 3행의 숫자들을 계산하되,
상기 제1,제2,제3칼라 광원은 가시광 광원이고,
상기 송신부는 다수 개의 인코딩용 매트릭스들의 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하고, 상기 다수 개의 인코딩용 매트릭스들 각각의 한 열은 주기의 시작을 표시하는 정해진 칼라인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 주기의 시작을 표시하는 정해진 칼라는 검정 또는 회색인 것을 특징으로하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1칼라 내지 제3칼라는 삼원색인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 인코딩용 매트릭스의 각 행의 숫자의 총 합은 0 에서 1 사이의 상수값인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 발광 제어부는 매 주기를 상기 인코딩용 매트릭스의 열의 수(n)만큼의 시간 구간으로 나눠서 i번째 시간 구간에는 상기 인코딩용 매트릭스의 i번째 열의 숫자에 비례하는 광량을 출력하도록 광원의 발광을 제어하고(단, i는 1이상 n이하의 자연수),
상기 수광 계산부는 매 주기를 상기 디코딩된 매트릭스의 열의 수(n)만큼의 시간 구간으로 나눠서 i번째 시간 구간에 수광한 광량에 비례한 값을 상기 디코딩된 매트릭스의 i번째 열의 숫자로 계산하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 발광부는 조명용 광원 또는 디스플레이인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
발광부는 영상을 출력하는 디스플레이이고
상기 발광 제어부는 i번째 시간 구간에는 i번째 구간 영상을 출력하되(단, i는 1이상 n이하의 자연수),
상기 i번째 구간 영상은, 주어진 주기 동안 출력할 원래 영상의 각 픽셀의 삼원색 성분값(R,G,B)에 상기 인코딩용 매트릭스의 i번째 열의 세 숫자(Ri,Gi,Bi)를 각각 곱한 새로운 픽셀값(R*Ri,G*Gi,B*Bi)으로 바꾼 영상인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 발광 제어부는, 디스플레이의 전체 영역을 다수의 부분 영역들로 나누고, 각 부분 영역에 서로 다른 통신 채널을 할당하여 동시에 다수의 통신을 수행하도록 화면의 발광을 제어하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 수신부는, 영상 촬영 수단을 포함하고, 수신된 정보를 상기 영상 촬영 수단으로 촬영된 영상 위에 표시하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템.
칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법에 있어서, 상기 통신 시스템은 가시광 통신을 수행하는 발광부를 포함하는 송신부를 구비하고,
디지털 값을 인코딩용 매트릭스 값에 대응시키는 단계;
상기 인코딩용 매트릭스 값에 대응되는 발광 패턴을 생성하는 단계; 및
상기 발광 패턴에 따라 서로 다른 색으로 발광하는 단계를 구비하고,
상기 인코딩용 매트릭스는 3 행 n열 매트릭스이고, 상기 인코딩용 매트릭스의 값들 각각은 0에서 1 사이의 실수 값을 가지며(단, n은 3 이상의 정수),
상기 발광하는 단계는, 매 주기마다 상기 인코딩용 매트릭스에 대응하여 광원의 출력 광량을 제어하되, 상기 인코딩용 매트릭스의 제1행의 숫자들에 대응하여 제1칼라 광원의 발광을 제어하고, 상기 인코딩용 매트릭스의 제2행의 숫자들에 대응하여 제2칼라 광원의 발광을 제어하며, 상기 인코딩용 매트릭스의 제3행의 숫자들에 대응하여 제3칼라 광원의 발광을 제어하고,
상기 인코딩용 매트릭스의 n 개의 열들 중 어느 하나의 열은 상기 주기의 시작을 나타내는 신호를 포함하고,
다른 하나 이상의 열은 정보 비트를 포함하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제12항에 있어서,
상기 주기의 시작을 나타내는 신호를 포함하는 열은 정해진 칼라인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제12항에 있어서,
상기 제1칼라 내지 제3칼라는 삼원색인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제12항에 있어서,
상기 인코딩용 매트릭스의 각 행의 숫자의 총 합은 0에서 1 사이의 상수값인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제12항에 있어서,
상기 송신부는 발광 제어부를 구비하고,
상기 발광 제어부는, 매 주기를 상기 인코딩용 매트릭스의 열의 개수만큼의 시간 구간으로 나눠서, i 번째 시간 구간에는 상기 인코딩용 매트릭스의 i 번째 열의 숫자에 비례하는 광량을 출력하도록 광원의 발광을 제어하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법(단, i는 1 이상 n 이하의 자연수).
제12항에 있어서,
상기 통신 시스템은 수광부를 포함하는 수신부를 더 구비하고,
상기 송신부로부터의 빛을 감지하는 단계;
상기 수광부의 수광량 패턴으로부터 디코딩된 매트릭스 값을 계산하는 단계; 및
상기 디코딩된 매트릭스 값을 상기 디지털 값에 대응시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제17항에 있어서,
상기 디코딩된 매트릭스의 값을 계산하는 단계는,
수광된 제1칼라 광의 광량의 패턴으로부터 상기 디코딩된 매트릭스의 1행의 숫자들을 계산하고,
수광된 제2칼라 광의 광량의 패턴으로부터 상기 디코딩된 매트릭스의 2행의 숫자들을 계산하며,
수광된 제3칼라 광의 광량의 패턴으로부터 상기 디코딩된 매트릭스의 3행의 숫자들을 계산하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제12항에 있어서,
상기 발광부는 영상을 출력하는 디스플레이이고, 상기 디스플레이는 발광을 제어하는 발광 제어부를 포함하며,
상기 발광 제어부는, i 번째 시간 구간에는 i 번째 구간 영상을 출력하되(단, i는 1 이상 n 이하의 자연수),
상기 i 번째 구간 영상은, 주어진 주기 동안 출력할 원래 영상의 각 픽셀의 삼원색 성분값(R,G,B)에 상기 인코딩용 매트릭스의 i번째 열의 세 숫자(Ri,Gi,Bi)를 각각 곱한 픽셀값(R*Ri,G*Gi,B*Bi)으로 바꾼 영상인 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.
제19항에 있어서,
상기 발광 제어부는, 상기 디스플레이의 전체 영역을 다수의 부분 영역들로 나누고,
각 부분 영역에 서로 다른 통신 채널을 할당하여 동시에 다수의 통신을 수행하도록 화면의 발광을 제어하는 것을 특징으로 하는 깜빡임 없는 칼라 가시광 통신 시스템의 동작방법.