KR102123166B1 - A color modulation based visual light communication method and apparatus - Google Patents

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KR102123166B1
KR102123166B1 KR1020180158780A KR20180158780A KR102123166B1 KR 102123166 B1 KR102123166 B1 KR 102123166B1 KR 1020180158780 A KR1020180158780 A KR 1020180158780A KR 20180158780 A KR20180158780 A KR 20180158780A KR 102123166 B1 KR102123166 B1 KR 102123166B1
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color modulation
modulation
macadam
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김종옥
배지상
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

According to the present invention, disclosed are a color modulation-based visible light communication apparatus and a method thereof. According to the present invention, provided is the color modulation-based visible light communication apparatus comprising: an input unit for receiving an original frame; a color modulation unit for generating a color modulated frame for hiding data by color modulating the original frame based on a MacAdam model; and a display unit for displaying the color modulated frame at a predetermined refresh rate. A receiving device disposed adjacent to the display unit captures the color modulated frame through a camera, and decodes the hidden data in the captured frame.

Description

색상 변조 기반 가시광 통신 방법 및 장치{A color modulation based visual light communication method and apparatus}A color modulation based visual light communication method and apparatus

본 발명은 색상 변조 기반 가시광 통신 방법 및 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 디스플레이가 영상 재생 기능과 정보 송신 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a color modulation-based visible light communication method and apparatus, and more particularly, to a method and apparatus for allowing a display to simultaneously perform an image reproduction function and an information transmission function.

정보은닉 분야에서, 암호화된 이미지에 부가 정보를 삽입하는 기술 및 의도적으로 이미지를 왜곡하여 정보를 보호하는 기술(예: 워터마킹)이 끊임없이 연구되어왔다.In the field of information hiding, techniques for inserting additional information into an encrypted image and techniques for protecting information by intentionally distorting the image (eg, watermarking) have been continuously studied.

CSC(Camera-Screen Communication)는 LED 또는 OLED 디스플레이와 디지털 카메라를 사용하는 단거리 광 정보은닉 기술이다.CSC (Camera-Screen Communication) is a short-range optical information concealment technology that uses an LED or OLED display and a digital camera.

이 기법은 높은 재생률로 화면의 상태를 교대로 변경하여 메시지의 비트 스트림을 전송한다. 광 수신기는 스크린으로부터 방출되는 빛의 미세한 변화를 감지함으로써 데이터를 재구성한다.This technique alternately changes the state of the screen at a high refresh rate and sends a bit stream of the message. The optical receiver reconstructs the data by detecting minute changes in light emitted from the screen.

CSC는 안정적인 실현을 위해 두 가지 주요 과제를 동시에 충족시켜야 한다. 즉, 전송 정확도가 높은 비트 스트림을 송신하고, 영상을 시청하는 사용자에게 방해가 되지 않아야 한다. .CSC must meet two major challenges at the same time to achieve a stable realization. That is, it should not interfere with a user who transmits a bit stream with high transmission accuracy and views an image. .

도 1은 CSC의 기본 개념을 도시한 도면이다.1 is a view showing the basic concept of the CSC.

도 1에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 바와 같이 상보적 프레임(complementary frame)은 데이터 '1'또는 '0'을 변조하는데 사용될 수 있는 비디오 스트림 내의 한 쌍의 순차적인 프레임을 나타낸다. As shown in FIG. 1, a complementary frame as shown in FIG. 1 represents a pair of sequential frames in a video stream that can be used to modulate data '1' or '0'.

원본 프레임

Figure 112018123903584-pat00001
가 주어질 때, 은닉 비트 '1'은
Figure 112018123903584-pat00002
를 2개의 상보적 프레임
Figure 112018123903584-pat00003
으로 분해하고, 비트 '0' 원본 프레임의 복제
Figure 112018123903584-pat00004
함에 의해 삽입될 수 있다.Original frame
Figure 112018123903584-pat00001
When is given, the hidden bit '1' is
Figure 112018123903584-pat00002
2 complementary frames
Figure 112018123903584-pat00003
Decompose into, and duplicate the original frame with bit '0'
Figure 112018123903584-pat00004
Can be inserted.

도 2(a)는 그레이 이미지

Figure 112018123903584-pat00005
및 캐리어 이미지를 통해 전송되는 2D 데이터 블록의 예를 도시한 것이다. Figure 2 (a) is a gray image
Figure 112018123903584-pat00005
And an example of a 2D data block transmitted through a carrier image.

도 2에 도시된 바와 같이, 변조 크기

Figure 112018123903584-pat00006
가 클수록 전송 정확도는 높아지지만 변조된 프레임
Figure 112018123903584-pat00007
이 원본 프레임
Figure 112018123903584-pat00008
대신 교대로 디스플레이될 때 눈에 띄는 시각적 깜박임이 커져 시청자에게 미치는 영향이 커진다. As shown in Figure 2, the modulation size
Figure 112018123903584-pat00006
The greater the transmission accuracy, the higher the modulated frame.
Figure 112018123903584-pat00007
This original frame
Figure 112018123903584-pat00008
Instead, noticeable visual flickering when displayed alternately increases the impact on the viewer.

대한민국등록특허 10-1794933Korea Registered Patent 10-1794933

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 CSC에서 사용자의 시청을 방해하지 않는 시각적 품질을 유지하면서도 전송 정확도를 높일 수 있는 색상 변조 기반 가시광 통신 방법 및 장치를 제안하고자 한다. In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention is to propose a color modulation-based visible light communication method and apparatus that can increase transmission accuracy while maintaining visual quality that does not interfere with user viewing in CSC.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 색상 변조 기반 가시광 통신 장치로서, 원본 프레임을 입력 받는 입력부; MacAdam 모델에 기초하여 상기 원본 프레임의 색상 변조하여 데이터 은닉을 위한 색상 변조 프레임을 생성하는 색상 변조부; 소정 재생률(refresh rate)로 상기 색상 변조 프레임을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하되, 상기 디스플레이부에 인접하게 배치된 수신 장치는 카메라를 통해 상기 색상 변조 프레임을 캡쳐하고, 캡쳐된 프레임에서 은닉된 데이터를 디코딩하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치가 제공된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, a color modulation-based visible light communication device, the input unit for receiving an original frame; A color modulator for color-modulating the original frame based on the MacAdam model to generate a color-modulated frame for data hiding; It includes a display unit for displaying the color modulation frame at a predetermined refresh rate (refresh rate), the receiving device disposed adjacent to the display unit captures the color modulation frame through the camera, and decodes the hidden data in the captured frame A color modulation based visible light communication device is provided.

상기 MacAdam 모델은 소정 색상에 대한 복수의 MacAdam 타원을 포함하며, 상기 색상 변조부는, 상기 복수의 MacAdam 타원 각각과의 벡터 가중합을 통해 상기 원본 프레임의 입력 색상에 대한 색상 변조 벡터를 생성할 수 있다. The MacAdam model includes a plurality of MacAdam ellipses for a predetermined color, and the color modulator may generate a color modulation vector for the input color of the original frame through vector weighting with each of the plurality of MacAdam ellipses. .

상기 벡터 가중합을 위한 가중치는 상기 복수의 MacAdam 타원 각각의 중심과 상기 입력 색상의 유클리드 거리를 통해 계산될 수 있다. The weight for the vector weighted sum may be calculated through the center of each of the plurality of MacAdam ellipses and the Euclidean distance of the input color.

상기 원본 프레임은 소정 개수의 블록으로 분할되며, 상기 색상 변조부는 블록 단위로 색상 변조 프레임을 생성할 수 있다. The original frame is divided into a predetermined number of blocks, and the color modulator may generate a color modulated frame in block units.

상기 색상 변조부는 하나의 원본 프레임을 색상 변조하여 한 쌍의 상보적 프레임을 생성하며, The color modulator generates a pair of complementary frames by color-modulating one original frame,

상기 수신 장치의 캡쳐 속도는 상기 재생률의 n배(n은 2이상의 자연수)이고, 상기 수신 장치는 하나의 원본 프레임에 대한 복수의 캡쳐 프레임으로부터 상기 한 쌍의 상보적 프레임을 추출하고, 추출된 한 쌍의 상보적 프레임을 분석하여 데이터를 디코딩할 수 있다. The capture rate of the receiving device is n times the refresh rate (n is a natural number of 2 or more), and the receiving device extracts the pair of complementary frames from a plurality of capture frames for one original frame, and extracts the Data can be decoded by analyzing the complementary frames of the pair.

상기 수신 장치는 상기 복수의 캡쳐 프레임의 색상 평균값을 이용하여 상기 한 쌍의 상보적 프레임을 추출할 수 있다. The receiving device may extract the pair of complementary frames using the color average value of the plurality of capture frames.

상기 수신 장치는 신경망을 통해 학습된 네트워크를 통해 상기 데이터 디코딩을 수행할 수 있다. The receiving device may perform the data decoding through a network learned through a neural network.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 색상 변조 기반 가시광 통신 장치로서, 송신 장치에서 소정 재생률로 디스플레이하는 색상 변조 프레임을 캡쳐하는 카메라-상기 색상 변조 프레임은 하나의 원본 프레임을 색상 변조하여 생성된 한 쌍의 상보적 프레임을 포함함-; 상기 캡쳐된 프레임으로부터 상보적 프레임을 추출하는 상보적 프레임 추출부; 및 상기 추출된 상보적 프레임을 이용하여 은닉 데이터를 디코딩하는 데이터 디코딩부를 포함하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, a color modulation-based visible light communication device, a camera capturing a color modulation frame displayed at a predetermined refresh rate by a transmitting device, wherein the color modulation frame is a pair of colors generated by color modulation of one original frame Including complementary frames-; A complementary frame extraction unit extracting a complementary frame from the captured frame; And a data decoding unit decoding the hidden data using the extracted complementary frame.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 색상 변조 기반 가시광 통신 방법으로서, 원본 프레임을 입력 받는 입력 받는 단계; MacAdam 모델에 기초하여 상기 원본 프레임의 색상 변조하여 데이터 은닉을 위한 색상 변조 프레임을 생성하는 단계; 소정 재생률(refresh rate)로 상기 색상 변조 프레임을 디스플레이하는 단계; 카메라를 통해 상기 색상 변조 프레임을 캡쳐하는 단계; 및 상기 캡쳐된 프레임에서 은닉된 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하는 색상 변조 기반 가시광 통신 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a color modulation based visible light communication method comprising: receiving an input of receiving an original frame; Generating a color modulation frame for data hiding by color-modulating the original frame based on the MacAdam model; Displaying the color modulation frame at a predetermined refresh rate; Capturing the color modulation frame through a camera; And decoding the hidden data in the captured frame.

본 발명에 따르면, 색상 기반의 영상 변조 기술은 기존의 밝기 변조 기법 대비 사용자 인지 화질이 우수하여 거부감을 크게 줄일 수 있고, 높은 전송 효율을 보장할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, the color-based image modulation technique has an advantage in that the user perceived image quality is superior to the conventional brightness modulation technique, thereby greatly reducing rejection and ensuring high transmission efficiency.

도 1은 CSC의 기본 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 그레이 이미지 및 캐리어 이미지를 통해 전송되는 2D 데이터 블록의 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 색상 변조 기반 가시광 통신 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 송신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 타원형 색도 다이어그램의 윤곽이 표시된 MacAdam 타원을 나타낸 것이다.
도 6은 MacAdam 타원을 Lab 색공간으로 변환한 것을 도시한 것이다.
도 7은 임의의 입력 색상에 대한 색상 변조의 예를 도시한 것이다.
도 8은 본 실시예에 따른 수신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 원본 프레임과 색상 변조된 한 쌍의 상보적 프레을 소정 재생률로 교대로 표시하는 것을 도시한 것이다.
도 10은 캡쳐된 프레임에서 발생하는 인터-블록 크로스토크 및 가중 투표 방식의 예를 도시한 것이다.
1 is a view showing the basic concept of the CSC.
2 illustrates an example of a 2D data block transmitted through a gray image and a carrier image.
3 is a view showing the configuration of a color modulation-based visible light communication system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the configuration of a transmission device according to the present embodiment.
5 shows the MacAdam ellipse with the outline of the elliptic chromaticity diagram.
FIG. 6 shows the MacAdam ellipse converted to a Lab color space.
7 shows an example of color modulation for any input color.
8 is a diagram showing the configuration of a receiving device according to the present embodiment.
FIG. 9 shows alternate display of the original frame and a pair of color-modulated complementary frames at a predetermined refresh rate.
10 shows an example of an inter-block crosstalk and weighted voting method occurring in the captured frame.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은 인간의 시각 체계가 빛의 밝기 변화보다 색상 변화에 덜 민감하다는 사실에 근거를 두고 있다. 실제로 색상을 감지하는 원추세포가 밝기를 감지하는 간상세포보다 덜 민감하다. The present invention is based on the fact that the human visual system is less sensitive to changes in color than changes in light brightness. In fact, cone cells that sense color are less sensitive than rods that sense brightness.

이에, 본 발명은 CSC 기법에서 원본 영상과 동일한 밝기를 유지하면서 색상 변조만으로 송신 데이터를 표현한다. 이를 위해, 본 실시예에 따르면, 색상 변조를 위해 MacAdam 타원(ellipse)이 이용된다. Accordingly, the present invention expresses transmission data only by color modulation while maintaining the same brightness as the original image in the CSC technique. To this end, according to this embodiment, a MacAdam ellipse is used for color modulation.

이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 가시광 통신 방식을 상세하게 설명한다. Hereinafter, a visible light communication method according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 색상 변조 기반 가시광 통신 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a view showing the configuration of a color modulation-based visible light communication system according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시스템은 원본 프레임을 색상 변조하여 은닉 데이터(비트)에 대한 색상 변조 프레임을 송신하는 송신 장치(300) 및 변조된 프레임을 캡쳐하여 색상 변조 프레임에 포함된 은닉 데이터를 디코딩하는 수신 장치(302)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 3, the system according to the present embodiment is a color modulation of the original frame to transmit the color modulation frame for the concealed data (bit) and the transmission device 300 and capture the modulated frame to the color modulation frame It may include a receiving device 302 for decoding the included hidden data.

송신 장치(300) 및 수신 장치(302)는 각각 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다. The transmitting device 300 and the receiving device 302 may each include a processor and memory.

프로세서는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다. The processor may include a central processing unit (CPU) capable of executing computer programs or other virtual machines.

메모리는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.The memory may include non-volatile storage devices such as fixed hard drives or removable storage devices. The removable storage device may include a compact flash unit, a USB memory stick, and the like. The memory may also include volatile memory, such as various random access memories.

이와 같은 메모리에는 프로세서에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들이 저장된다.Program instructions executable by the processor are stored in the memory.

도 4는 본 실시예에 따른 송신 장치의 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram showing the configuration of a transmission device according to the present embodiment.

도 4에 도시된 바와 같이, 송신 장치(300)는 원본 프레임을 입력 받는 입력부(400), MacAdam 모델에 기초하여 상기 원본 프레임을 색상 변조하여 데이터 은닉을 위한 색상 변조 프레임을 생성하는 색상 변조부(402)및 색상 변조 프레임을 소정 재생률(refresh rate)로 재생하는 디스플레이부(404)를 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 4, the transmitting device 300 includes an input unit 400 that receives an original frame, and a color modulator for color-modulating the original frame based on a MacAdam model to generate a color modulation frame for data concealment ( 402) and a display unit 404 for reproducing the color modulation frame at a predetermined refresh rate.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 색상 변조부(402)는 인간의 시각이 색상 변화에 덜 민감하다는 점을 고려하여 MacAdam 모델 기반으로 원본 프레임의 색상이 변조된 상보적 프레임을 생성한다. 이때, 색상 변조부(402)는 하나의 원본 프레임에 대해 색상이 변조된 한 쌍의 상보적 프레임을 생성한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the color modulator 402 generates a complementary frame in which the color of the original frame is modulated based on the MacAdam model, considering that the human vision is less sensitive to color changes. At this time, the color modulator 402 generates a pair of complementary frames whose colors are modulated with respect to one original frame.

이때, 원본 프레임은 복수의 블록으로 분할되고, 색상 변조부(402)는 블록 단위로 은닉 데이터를 포함하는 색상 변조 프레임을 생성한다. At this time, the original frame is divided into a plurality of blocks, and the color modulator 402 generates a color modulated frame including hidden data in block units.

MacAdam 타원은 일부 대표 색상에 대해 25개의 타원만 존재하기 때문에 원본 프레임에 MacAdam 모델에 속하지 않는 입력 색상이 존재하면 MacAdam 타원의 25개의 벡터의 가중합을 통해 색상 변조 벡터를 추정한다.Since the MacAdam ellipse has only 25 ellipses for some of the representative colors, if an input color that does not belong to the MacAdam model exists in the original frame, the color modulation vector is estimated by weighting the 25 vectors of the MacAdam ellipse.

여기서, 벡터 가중합을 위한 가중치는 복수의 MacAdam 타원 각각의 중심과 입력 색상의 유클리드 거리를 통해 계산된다. Here, the weight for vector weighting is calculated through the Euclidean distance of the center and input color of each of the plurality of MacAdam ellipses.

도 5는 타원형 색도 다이어그램의 윤곽이 표시된 MacAdam 타원을 나타낸 것이다. 5 shows the MacAdam ellipse with the outline of the elliptic chromaticity diagram.

MacAdam 타원의 윤곽선은 색도(chromaticity)의 변화를 식별할 수 있는 최소한의 차이(JND, just noticeable difference)를 나타낸다. 이는 인간의 평균적인 눈으로 각 타원 영역의 색을 타원의 중심 색과 구별할 수 없다는 것을 의미한다The outline of the MacAdam ellipse represents just a noticeable difference (JND) that can discern a change in chromaticity. This means that the color of each elliptic region cannot be distinguished from the center color of the ellipse by the average human eye.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 색상 변조부(402)는 MacAdam 타원을 도 6과 같이, Lab 색공간으로 변환하여 데이터를 변조한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the color modulator 402 modulates data by converting a MacAdam ellipse to an L ab color space, as shown in FIG. 6.

본 실시예에 따르면, Lab 색공간에서의 MacAdam 타원은 중심 색상에 대해 인간이 색상의 차이를 인지하지 못하는 경계를 나타내므로 타원 내에서 최대 거리를 가지는 장축 방향의 양 끝 색상을 색상 변조의 결과 값을 이용한다. According to the present embodiment, the MacAdam ellipse in the L ab color space represents a boundary in which a human does not recognize the color difference with respect to the center color, and thus results of color modulation of the color of both ends in the long axis direction having the maximum distance within the ellipse. Use values.

이와 같은 색상 변조를 통해 인간의 눈에 띄지 않는 최대 색거리를 이용함으로써 인지 화질을 높게 유지하면서고 전송 정확도를 향상시킬 수 있다. Through such color modulation, it is possible to improve the transmission accuracy while maintaining a high cognitive image quality by using the maximum color distance that is invisible to humans.

MacAdam 타원은 일부 대표 색상에 대해 25개의 타원만 존재하기 때문에 MacAdam 모델에 속하지 않는 입력 색상이 존재하면 MacAdam 타원의 25개의 벡터의 가중합을 통해 색상 변조 벡터를 추정한다. Since the MacAdam ellipse has only 25 ellipses for some representative colors, if there is an input color that does not belong to the MacAdam model, the color modulation vector is estimated by weighting the 25 vectors of the MacAdam ellipse.

다음의 수식은 입력 색상에 대한 색상 변조의 방향과 크기를 예측하기 위한 것이다. The following equation is for predicting the direction and size of color modulation for the input color.

Figure 112018123903584-pat00009
Figure 112018123903584-pat00009

여기서,

Figure 112018123903584-pat00010
는 임의의 색상 포인트 x에서의 색상 변조 벡터이다.
Figure 112018123903584-pat00011
Figure 112018123903584-pat00012
는 각각
Figure 112018123903584-pat00013
번째 MacAdam 타원의 가중치와 벡터를 나타낸다.here,
Figure 112018123903584-pat00010
Is a color modulation vector at any color point x.
Figure 112018123903584-pat00011
Wow
Figure 112018123903584-pat00012
Each
Figure 112018123903584-pat00013
Represents the weight and vector of the second MacAdam ellipse.

각 타원의 가중치는 입력 색상과 MacAdam 타원 중심 간의 유클리드 거리를 기반으로 계산된다. 이는 다음과 같이 표현된다.The weight of each ellipse is calculated based on the Euclidean distance between the input color and the center of the MacAdam ellipse. It is expressed as follows.

Figure 112018123903584-pat00014
Figure 112018123903584-pat00014

여기서,

Figure 112018123903584-pat00015
는 입력 색상 포인트
Figure 112018123903584-pat00016
에서
Figure 112018123903584-pat00017
번째 타원의 중심까지의 유클리드 거리를 나타낸다.here,
Figure 112018123903584-pat00015
Input color point
Figure 112018123903584-pat00016
in
Figure 112018123903584-pat00017
Denotes the Euclidean distance to the center of the ellipse.

도 7은 임의의 입력 색상에 대한 색상 변조의 예를 도시한 것이다. 7 shows an example of color modulation for any input color.

도 7의 왼쪽 하단에 있는 검은색 원은 입력 색상의 위치를 나타내고,

Figure 112018123903584-pat00018
표시는 입력 색상의 변조된 색상 위치를 나타낸다.The black circle at the bottom left of FIG. 7 indicates the location of the input color,
Figure 112018123903584-pat00018
The mark indicates the modulated color position of the input color.

도 7과 수학식 2에서 볼 수 있듯이 입력 색상과 MacAdam 타원들의 중심 사이의 거리는 새로운 타원과의 유사도를 나타낸다. 거리가 가까울수록 유사한 색상이며 입력 색상의 크기와 방향에 더 큰 가중치가 할당된다. As shown in FIG. 7 and Equation 2, the distance between the input color and the center of the MacAdam ellipse indicates the similarity with the new ellipse. The closer the distance, the more similar the color, and the greater the weight and orientation of the input color.

위치

Figure 112018123903584-pat00019
의 변조 색상과 위치
Figure 112018123903584-pat00020
의 다른 변조 색상은 본래 입력 색상 대신 높은 재생률(refresh rate)로 디스플레이에 교대로 표시된다.location
Figure 112018123903584-pat00019
Modulation color and position
Figure 112018123903584-pat00020
The different modulation colors of are alternately displayed on the display at a high refresh rate instead of the original input color.

한편, 2D 데이터 블록 임베딩을 위해 본 실시예에 따른 색상 변조를 실제로 구현할 때,

Figure 112018123903584-pat00021
블록으로 분할된 원본 프레임을 블록 단위로 색상 변조하여 은닉 비트 '1'을 전달한다.On the other hand, when actually implementing the color modulation according to this embodiment for 2D data block embedding,
Figure 112018123903584-pat00021
The original frame divided into blocks is color-modulated in block units to transmit the hidden bit '1'.

비트 '0'을 전달하기 위해서는 블록을 복제한다. '0'블록과 '1'블록의 경계에서 발생할 수 있는 인터-블록 크로스토크(inter-block crosstalk)를 완화하기 위해 색상 변조 벡터의 크기를 조정하여 공간 평활화 방법을 추가로 적용한다.To pass bit '0', the block is duplicated. In order to mitigate inter-block crosstalk that may occur at the boundary between the '0' block and the '1' block, a spatial smoothing method is additionally applied by resizing the color modulation vector.

본 실시예에서는 송신 장치(300)가 기존의 일반적인 경우보다 높은 재생률을 가지는 것을 고려한다. MacAdam 타원은 일반적인 재생률로 모델링되므로 더 높은 재생률로 더 큰 색상 변조가 가능하다.In this embodiment, it is considered that the transmission device 300 has a higher refresh rate than the conventional case. MacAdam ellipses are modeled at normal refresh rates, allowing for greater color modulation with higher refresh rates.

즉, MacAdam 모델의 원본 JNCD)보다 더 큰 색상 변조가 허용될 수 있으며 수신기에서 데이터 재구성 정확도를 향상시키기 위해 더 많은 색차(chrominance) 차이가 허용된다.That is, a larger color modulation than the original JNCD of the MacAdam model may be allowed, and more chrominance differences are allowed to improve data reconstruction accuracy at the receiver.

다양한 실험을 통해, 색상 변조 벡터의 최대 크기는 공간 블록의 중심에서 원래 MacAdam 모델의 5배()로 설정되는 것이 바람직하다는 점을 확인하였다. 그 길이는 경계(δ)로 이동할 때 점차 줄어든다.Through various experiments, it was confirmed that the maximum size of the color modulation vector is preferably set to 5 times ( ) of the original MacAdam model at the center of the spatial block. Its length gradually decreases as it moves to the boundary ( δ ).

도 8은 본 실시예에 따른 수신 장치의 구성을 도시한 도면이다. 8 is a diagram showing the configuration of a receiving device according to the present embodiment.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수신 장치(302)는 카메라(800), 상보적 프레임 추출부(802) 및 데이터 디코딩부(804)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 8, the reception device 302 according to the present embodiment may include a camera 800, a complementary frame extraction unit 802 and a data decoding unit 804.

카메라(800)는 소정 캡쳐 속도로 디스플레이부(404)가 소정 재생률로 재생하는 색상 변조 프레임을 캡쳐한다. The camera 800 captures a color modulation frame that the display unit 404 reproduces at a predetermined refresh rate at a predetermined capture rate.

본 실시예에 따르면, 캡쳐 속도는 디스플레이부(404)의 재생률의 n배일 수 있고, 이에 따라 하나의 원본 프레임에 대해 복수의 캡쳐 프레임을 획득할 수 있다. According to the present embodiment, the capture rate may be n times the refresh rate of the display unit 404, and accordingly, a plurality of capture frames may be obtained for one original frame.

예를 들어, 캡쳐 속도가 재생률의 2배인 경우, 하나의 원본 프레임에 대해 한 쌍의 상보적 프레임이 생성되는 것을 고려할 때, 수신 장치(302)는 하나의 원본 프레임에 대해 4개의 캡쳐 프레임을 발생시킨다. For example, when the capture rate is twice the refresh rate, considering that a pair of complementary frames are generated for one original frame, the receiving device 302 generates four capture frames for one original frame Order.

상보적 프레임 추출부(802)는 4개의 캡쳐 프레임의 RGB 평균값을 이용하여 한 쌍의 상보적 프레임을 추출한다. The complementary frame extracting unit 802 extracts a pair of complementary frames using the RGB average values of the four capture frames.

도 9는 원본 프레임

Figure 112018123903584-pat00022
과 색상 변조된 한 쌍의 상보적 프레임
Figure 112018123903584-pat00023
Figure 112018123903584-pat00024
Figure 112018123903584-pat00025
의 재생률로 교대로 표시하는 것을 도시한 것이다. 9 is the original frame
Figure 112018123903584-pat00022
And color modulated pair of complementary frames
Figure 112018123903584-pat00023
And
Figure 112018123903584-pat00024
of
Figure 112018123903584-pat00025
It is shown that the alternating rate is displayed alternately.

도 9c는 디스플레이부(404)와 카메라(800)가 이상적으로 동기화가 이루어진 경우를 도시한 것이다. 9C illustrates a case in which the display unit 404 and the camera 800 are ideally synchronized.

이상적인 경우 자원의 낭비 없이 캡쳐된 모든 프레임이 은닉 비트를 디코딩하는데 사용된다. Ideally, every frame captured without wasting resources is used to decode the hidden bits.

도 9d는 동기화가 이루어지지 않은 경우이다. 9D is a case where synchronization is not performed.

롤링 셔터 효과는 단일 프레임 내에서 다른 순간에 캡쳐된 프레임을 발생시키고, 이것은 순차적인 상보적 프레임의 비교를 통해 은닉 데이터를 추출하는 것을 어렵게 만든다.The rolling shutter effect generates frames captured at different moments within a single frame, making it difficult to extract hidden data through sequential comparison of complementary frames.

도 9e의 case 3은 카메라 캡쳐 속도

Figure 112018123903584-pat00026
가 화면 재생률
Figure 112018123903584-pat00027
의 두 배인 경우를 도시한 것이다. Case 3 of FIG. 9E shows the camera capture speed
Figure 112018123903584-pat00026
There screen refresh rate
Figure 112018123903584-pat00027
It shows the case of twice.

캡쳐된 프레임 중 일부(도 9에서 'X'로 표시)는 롤링 셔터 효과로 인해 디코딩에 유용하지 않지만 나머지 프레임(도 9에서 'O'로 표시)는 원본 프레임 전체를 성공적으로 캡쳐할 수 있다. .Some of the captured frames (denoted by'X' in FIG. 9) are not useful for decoding due to the rolling shutter effect, but the remaining frames (denoted by'O' in FIG. 9) can successfully capture the entire original frame. .

도 9f의 case 4는 불안정한 카메라 캡쳐 속도로 인한 상황을 나타낸다. 이 경우에도 상보적 프레임을 추출하기 어렵다.Case 4 of Figure 9f shows the situation due to the unstable camera capture speed. Even in this case, it is difficult to extract a complementary frame.

다시 도 9e를 참조하면, 캡쳐 속도가 재생률의 두 배인 경우, 하나의 원본 프레임

Figure 112018123903584-pat00028
에 대해 4개의 캡쳐된 프레임이 존재한다. 여기서, 'O'로 표시된 두 개의 프레임
Figure 112018123903584-pat00029
은 상보적 프레임이며, 두 개의 혼합 프레임은 디스플레이의 프레임 전환에만 사용된다. Referring back to FIG. 9E, when the capture speed is twice the refresh rate, one original frame
Figure 112018123903584-pat00028
There are 4 captured frames for. Here, two frames marked with'O'
Figure 112018123903584-pat00029
Is a complementary frame, and the two mixed frames are used only for frame switching of the display.

본 실시예에 따르면, 하나의 원본 프레임에 대해 4개의 캡쳐된 프레임 중 두 개의 혼합 프레임(X)을 추출하기 위해 각 캡쳐된 프레임의 RGB 평균값을 사용한다.According to this embodiment, an RGB average value of each captured frame is used to extract two mixed frames (X) of four captured frames for one original frame.

2개의 혼합 프레임은 4개의 캡쳐된 프레임의 평균에 가까운 RGB값을 가지며, 4개의 평균으로부터 먼 RGB값을 갖는 다른 2개의 프레임이 상보적 프레임(O)으로 추출된다.The two mixed frames have RGB values close to the average of the four captured frames, and two other frames having RGB values far from the four averages are extracted as complementary frames (O).

데이터 디코딩부(804)는 추출된 상보적 프레임에서 은닉 데이터를 추출한다. The data decoding unit 804 extracts hidden data from the extracted complementary frame.

본 실시예에 따르면, 데이터 디코딩부(804)는 신경망 기반으로 데이터 디코딩을 수행한다. According to the present embodiment, the data decoding unit 804 performs data decoding based on a neural network.

데이터 디코딩부(804)의 학습을 위해, 추출된 상보적 프레임 및 이들의 유클리드 거리가 신경망으로 입력되고, 신경망은 카메라가 캡쳐한 색상 변조된 은닉 비트 간의 관계를 학습한다. For learning of the data decoding unit 804, the extracted complementary frames and their Euclidean distances are input to the neural network, and the neural network learns the relationship between the color modulated hidden bits captured by the camera.

본 실시예에 따르면, 신경망 기반 디코딩은 픽셀 기반으로 수행되며, 각 블록의 디코딩 결과는 가중 투표 방식을 사용한 데이터 재구성을 위해 결합된다. According to this embodiment, neural network based decoding is performed on a pixel basis, and the decoding results of each block are combined for data reconstruction using a weighted voting method.

서로 다른 색상은 서로 다른 색상 변조 벡터 크기를 가지므로 카메라가 캡쳐하는 상보적 프레임의 색상은 입력 색상에 따라 상이한 거리를 가지며, 선형 분류기 또는 선형 SVM(Support Vector Machine)을 다양한 이미지 블록의 디코딩에 적용하기 어려운 점이 있다. Since different colors have different color modulation vector sizes, the colors of the complementary frames captured by the camera have different distances depending on the input color, and a linear classifier or linear support vector machine (SVM) is applied to the decoding of various image blocks. There is something difficult to do.

또한, 디스플레이에는 각 장치 고유의 재생 가능한 색상 범위가 있어 모든 변조된 색상이 디스플레이부에서 제대로 재생되지 않을 수 있다. 결과적으로 송신 장치(300)에서 변조된 색상과 동일한 색상을 캡쳐하기가 어려울 수 있다. In addition, the display has a playable color range unique to each device, so that all modulated colors may not be reproduced properly in the display unit. As a result, it may be difficult to capture the same color as the modulated color in the transmitting device 300.

따라서 색상 변조 프레임의 디스플레이되는 동안 발생할 수 있는 색상 왜곡을 디코딩 과정에서 고려해야 한다. Therefore, color distortion that may occur during the display of the color modulation frame must be considered in the decoding process.

이에, 본 실시예에 따르면, 은닉 데이터를 추출하기 위해 순방향 신경망(feed forward neural network)을 이용하는 신경망 기반 디코딩 방법이 제안된다. Accordingly, according to the present embodiment, a neural network based decoding method using a feed forward neural network to extract hidden data is proposed.

캡쳐된 상보적 프레임

Figure 112018123903584-pat00030
Figure 112018123903584-pat00031
의 픽셀 RGB값
Figure 112018123903584-pat00032
Figure 112018123903584-pat00033
및 이들의 유클리드 거리가 신경망으로 입력된다. 신경망은 카메라가 캡쳐한 색상과 은닉 비트 간의 관계를 학습한다.Complementary frame captured
Figure 112018123903584-pat00030
Wow
Figure 112018123903584-pat00031
Pixel RGB value of
Figure 112018123903584-pat00032
Wow
Figure 112018123903584-pat00033
And their Euclidean distances are input to the neural network. The neural network learns the relationship between the color captured by the camera and the hidden bit.

즉, 카메라가 캡쳐한 RGB값의 입력에 대해 상보적 프레임 사이의 변조된 색상 거리를 생성한다.That is, a modulated color distance between complementary frames is generated for the input of the RGB values captured by the camera.

본 실시예에 따른 신경망은 색상 거리를 사용하여 상보적 프레임의 한 쌍의 픽셀이 동일한지 여부를 결정하는데 사용될 수 있다.The neural network according to this embodiment may be used to determine whether a pair of pixels in a complementary frame are the same using a color distance.

신경망 기반 디코딩은 픽셀 기반으로 수행되며, 각 블록의 디코딩 결과는 다음에서 설명하는 가중 투표 방식(weighted voting method)를 사용한 데이터 재구성을 위해 결합된다. Neural network based decoding is performed on a pixel basis, and the decoding results of each block are combined for data reconstruction using a weighted voting method described below.

본 실시예에 따르면, 데이터는 블록 단위로 인코딩된다. 또한, MacAdam 모델에서 JNCD의 색상 의존성 때문에 변조 크기가 입력 색상에 따라 달라진다. 따라서, 색상 변조 프레임에서 블록킹 현상(blocking artifact)이 발생할 수 있다. 마찬가지 이유로, 도 10a에서와 같이, 수신 장치(302)의 의 카메라(800)에 의해 캡쳐된 프레임에서 인터-블록 크로스토크(inter-block crosstalk)가 관찰된다. According to this embodiment, data is encoded in units of blocks. Also, because of the color dependence of JNCD in the MacAdam model, the modulation size depends on the input color. Therefore, blocking artifacts may occur in the color modulation frame. For the same reason, as in FIG. 10A, inter-block crosstalk is observed in the frame captured by the camera 800 of the receiving device 302.

블로킹 현상을 줄이기 위해 색상 변조의 크기에 공간 평활화가 적용된다.To reduce blocking, spatial smoothing is applied to the size of the color modulation.

본 실시예에 따르면, 카메라 캡쳐 프레임에서 균일한 색상 블록의 경우 경계부분은 이웃 블록의 색상에 의해 영향을 받기 때문에 중심 색과 경계 색이 다르다는 것을 확인하였다. According to this embodiment, in the case of a uniform color block in the camera capture frame, it was confirmed that the center color and the border color are different because the border portion is affected by the color of the neighboring block.

이러한 블록 간 간섭을 완화하기 위해 가중 투표 방식을 제안한다.In order to alleviate such inter-block interference, a weighted voting method is proposed.

픽셀 별 복조 결과는 가중 투표 결과와 결합된다. 복조 결과가 '1'인 픽셀에는 양수 '1'이 할당되고, 결과가 '0'인 픽셀에는 음수 '-1'이 할당된다. 블록 내에서 할당된 숫자의 합은 블록의 디코딩 결과를 제공한다.Pixel-by-pixel demodulation results are combined with weighted voting results. A positive '1' is assigned to a pixel whose demodulation result is '1', and a negative'-1' is assigned to a pixel whose result is '0'. The sum of the numbers allocated within the block provides the decoding result of the block.

즉, 합이 양수이면 블록의 은닉 비트는 '1'이고, 그렇지 않으면 은닉 비트는 '0'이다.That is, if the sum is positive, the hidden bit of the block is '1', otherwise the hidden bit is '0'.

D 는 픽셀 단위 복조 결과('1'과 '-1')를 갖는 행렬을 나타내며,

Figure 112018123903584-pat00034
는 2D 가우스 함수이며 블록의 중앙에 위치한다. 그러면 블록의 디코딩 결과는 다음과 같이 주어진다. D denotes a matrix having pixel-wise demodulation results ('1'and'-1'),
Figure 112018123903584-pat00034
Is a 2D Gaussian function and is located in the center of the block. Then, the decoding result of the block is given as follows.

Figure 112018123903584-pat00035
Figure 112018123903584-pat00035

여기서,

Figure 112018123903584-pat00036
은 블록의 디코딩 결과이고,
Figure 112018123903584-pat00037
는 단위 함수이고,
Figure 112018123903584-pat00038
Figure 112018123903584-pat00039
는 블록 내의 행과 열 인덱스이다.here,
Figure 112018123903584-pat00036
Is the decoding result of the block,
Figure 112018123903584-pat00037
Is a unit function,
Figure 112018123903584-pat00038
Wow
Figure 112018123903584-pat00039
Is the row and column index within the block.

도 10b는 가중 투표 방식의 예를 보여준다.10B shows an example of a weighted voting method.

픽셀 단위 디코딩 결과의 회색 이미지에 도시된 바와 같이, 경계부분의 픽셀은 이웃 블록의 색상에 영향을 받으며 블록 중심의 픽셀과 다른 결과를 나타낸다. 이러한 가중 투표 디코딩 방법은 전송 정확도를 감소시키는 블록 간 크로스토크를 줄일 수 있다.As shown in the gray image of the pixel-by-pixel decoding result, the pixels in the border portion are affected by the color of the neighboring block and exhibit different results from the pixel in the center of the block. Such a weighted voting decoding method can reduce crosstalk between blocks that reduces transmission accuracy.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art having various knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. It should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (9)

색상 변조 기반 가시광 통신 장치로서,
원본 프레임을 입력 받는 입력부;
MacAdam 모델에 기초하여 상기 원본 프레임의 색상 변조하여 데이터 은닉을 위한 색상 변조 프레임을 생성하는 색상 변조부;
소정 재생률(refresh rate)로 상기 색상 변조 프레임을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하되,
상기 디스플레이부에 인접하게 배치된 수신 장치는 카메라를 통해 상기 색상 변조 프레임을 캡쳐하고, 캡쳐된 프레임에서 은닉된 데이터를 디코딩하며,
상기 MacAdam 모델은 소정 색상에 대한 복수의 MacAdam 타원을 포함하며,
상기 색상 변조부는, 상기 복수의 MacAdam 타원 각각과의 벡터 가중합을 통해 상기 원본 프레임의 입력 색상에 대한 색상 변조 벡터를 생성하고,
상기 벡터 가중합을 위한 가중치는 상기 복수의 MacAdam 타원 각각의 중심과 상기 입력 색상의 유클리드 거리를 통해 계산되는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치.
A color modulation based visible light communication device,
An input unit that receives an original frame;
A color modulator for color-modulating the original frame based on the MacAdam model to generate a color-modulated frame for data hiding;
It includes a display unit for displaying the color modulation frame at a predetermined refresh rate (refresh rate),
The receiving device disposed adjacent to the display unit captures the color modulation frame through a camera, decodes the hidden data in the captured frame,
The MacAdam model includes a plurality of MacAdam ellipses for a given color,
The color modulator generates a color modulation vector for the input color of the original frame through vector weighting with each of the plurality of MacAdam ellipses,
The weight for the vector weighting is a color modulation-based visible light communication device calculated through the center of each of the plurality of MacAdam ellipses and the Euclidean distance of the input color.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 원본 프레임은 소정 개수의 블록으로 분할되며,
상기 색상 변조부는 블록 단위로 색상 변조 프레임을 생성하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치.
According to claim 1,
The original frame is divided into a predetermined number of blocks,
The color modulation unit is a color modulation-based visible light communication device for generating a color modulation frame in block units.
제1항에 있어서,
상기 색상 변조부는 하나의 원본 프레임을 색상 변조하여 한 쌍의 상보적 프레임을 생성하며,
상기 수신 장치의 캡쳐 속도는 상기 재생률의 n배(n은 2이상의 자연수)이고,
상기 수신 장치는 하나의 원본 프레임에 대한 복수의 캡쳐 프레임으로부터 상기 한 쌍의 상보적 프레임을 추출하고, 추출된 한 쌍의 상보적 프레임을 분석하여 데이터를 디코딩하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치.
According to claim 1,
The color modulator generates a pair of complementary frames by color-modulating one original frame,
The capture speed of the receiving device is n times the refresh rate (n is a natural number of 2 or more),
The receiving device extracts the pair of complementary frames from a plurality of captured frames for one original frame, analyzes the extracted pair of complementary frames, and decodes data based on color modulation.
제5항에 있어서,
상기 수신 장치는 상기 복수의 캡쳐 프레임의 색상 평균값을 이용하여 상기 한 쌍의 상보적 프레임을 추출하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치.
The method of claim 5,
The reception device extracts the pair of complementary frames using the color average value of the plurality of capture frames.
제1항에 있어서,
상기 수신 장치는 신경망을 통해 학습된 네트워크를 통해 상기 데이터 디코딩을 수행하는 색상 변조 기반 가시광 통신 장치.
According to claim 1,
The reception device is a color modulation-based visible light communication device that performs the data decoding through a network learned through a neural network.
삭제delete 색상 변조 기반 가시광 통신 방법으로서,
원본 프레임을 입력 받는 입력 받는 단계;
MacAdam 모델에 기초하여 상기 원본 프레임의 색상 변조하여 데이터 은닉을 위한 색상 변조 프레임을 생성하는 단계;
소정 재생률(refresh rate)로 상기 색상 변조 프레임을 디스플레이하는 단계;
카메라를 통해 상기 색상 변조 프레임을 캡쳐하는 단계; 및
상기 캡쳐된 프레임에서 은닉된 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하되,
상기 MacAdam 모델은 소정 색상에 대한 복수의 MacAdam 타원을 포함하며,
색상 변조부는, 상기 복수의 MacAdam 타원 각각과의 벡터 가중합을 통해 상기 원본 프레임의 입력 색상에 대한 색상 변조 벡터를 생성하고,
상기 벡터 가중합을 위한 가중치는 상기 복수의 MacAdam 타원 각각의 중심과 상기 입력 색상의 유클리드 거리를 통해 계산되는 색상 변조 기반 가시광 통신 방법.
A color modulation based visible light communication method,
An input receiving step of receiving an original frame;
Generating a color modulation frame for data concealment by color-modulating the original frame based on the MacAdam model;
Displaying the color modulation frame at a predetermined refresh rate;
Capturing the color modulation frame through a camera; And
Decoding the concealed data in the captured frame,
The MacAdam model includes a plurality of MacAdam ellipses for a given color,
The color modulator generates a color modulation vector for the input color of the original frame through vector weighting with each of the plurality of MacAdam ellipses,
The weight for the vector weighting is a color modulation based visible light communication method calculated through the center of each of the plurality of MacAdam ellipses and the Euclidean distance of the input color.
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