KR20160128881A - Optical Camera Communications Based on Compressed Sensing - Google Patents

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KR20160128881A
KR20160128881A KR1020150124772A KR20150124772A KR20160128881A KR 20160128881 A KR20160128881 A KR 20160128881A KR 1020150124772 A KR1020150124772 A KR 1020150124772A KR 20150124772 A KR20150124772 A KR 20150124772A KR 20160128881 A KR20160128881 A KR 20160128881A
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Abstract

Provided is an optical camera communication system which receives light emitting diode (LED) optical data based on a camera sensor. The optical camera communication system includes: a transmission apparatus for transmitting a visible light signal of a first rate as an optical rate; and a reception apparatus for receiving the visible light signal at a second rate less than the first rate. The transmission apparatus includes: a signal modulation module for modulating source data in an M-ary pulse position modulation (PPM); a pseudo noise (PN) code generation module for generating a PN code to randomly project the signal modulated by the signal modulation module; an LED driving module for generating a driving signal to control an on or off state of at least one LED according to the randomly projected signal; and an LED module for transmitting the visible light signal through the at least one LED according to the driving signal. The reception apparatus includes: a camera module having a second rate as a frame rate; an interest region detection module for detecting a transmission region of the visible light signal in the frame received through the camera module; and a signal detection module for detecting the source data in the visible light signal transmitted through the detected interest region.

Description

압축 센싱 기반의 광 카메라 통신{Optical Camera Communications Based on Compressed Sensing}Technical Field [0001] The present invention relates to an optical camera communication based on compression sensing,

본 명세서는 압축 센싱 기반의 광 카메라 통신 방법 및 이를 지원하기 위한 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical camera communication method based on compression sensing and an apparatus for supporting the same.

광학 카메라 통신(Optical Camera Communication; Optical Camcom)은 카메라 센서를 기초로 하여 LED(Light Emitting Diode) 광 데이터를 수신하는 새로운 컨셉의 기술이다.Optical Camera Communication (Optical Camcom) is a new concept technology that receives LED (Light Emitting Diode) optical data based on camera sensor.

적어도 하나의 LED로부터 생성된 LED 광 데이터는 카메라 센서에 의해 검출될 수 있다. 포토 다이오드를 리시버 컴포넌트로서 사용하는 종래의 가시 광선 통신(Visible Light Communications; VLC)과는 다르게, 본 명세서의 Optical Camcom은 휴대폰, CCTV와 같은 전자 기기 등에 장착되어 있는 카메라에 적용하는 데 있어 추가적인 비용이 들지 않는다.LED light data generated from at least one LED can be detected by a camera sensor. Unlike conventional Visible Light Communications (VLC), which uses a photodiode as a receiver component, the Optical Camcom of this disclosure adds an additional cost to the application to cameras mounted on cellular phones, electronic devices such as CCTV I do not.

LED 광을 기초로 한 데이터 통신에 있어서, 송신 장치는 데이터 변조를 위해 보다 넓은 범위의 디밍 레벨을 제공해야 하며, 플리커 현상이 없어야 한다.For data communication based on LED light, the transmitting device must provide a wider range of dimming levels for data modulation and no flicker.

여기서, 플리커 현상은 빛의 깜박거림 현상을 나타내는 것으로, LED 광의 깜빡거림(플리커링)이 사람의 육안으로 인식되는 현상을 의미한다. 일반적으로, 100Hz 이하의 주파수로 LED가 플리커링되는 경우, 상기 플리커링은 사람의 육안으로 인식될 수 있다. 따라서, 이러한 플리커링 현상을 방지하기 위해 Optical Camcom의 LED는 100Hz가 초과하는 주파수로 플리커링될 수 있다. IEEE 802.15.7 VLC 표준에서는, 최대 플리커링 주기(maximum flickering time period; MFTP)는 5ms라고 보고하고 있다. Here, the flicker phenomenon refers to a phenomenon in which the flicker of the light is perceived by a human eye. In general, when the LED is flickered at a frequency of 100 Hz or less, the flickering can be perceived by a human eye. Therefore, in order to prevent such a flickering phenomenon, the LED of the Optical Camcom can be flickered to a frequency exceeding 100 Hz. In the IEEE 802.15.7 VLC standard, the maximum flickering time period (MFTP) is reported to be 5 ms.

일반적인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 카메라의 캡쳐 레이트(또는 프레임 레이트)는 초당 대략 30 프레임에 불과하다. 그 결과, Optical Camcom은 데이터 송신 레이트보다 더 낮은 샘플링 레이트로 신호를 획득하게 된다. 그 결과, 샘플링되지 않은 데이터가 발생하게 되어 데이터 손실이 발생하고, 그로 인해 정확한 신호 검출 확률이 현저하게 낮아진다. 또한, 카메라에 포함된 고속 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 실행에 있어, 비용과 복잡도 측면에서 불리한 효과가 발생할 수 있다. The capture rate (or frame rate) of a typical CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) camera is only about 30 frames per second. As a result, the Optical Camcom acquires the signal at a sampling rate lower than the data transmission rate. As a result, unsampled data is generated, resulting in data loss, thereby significantly reducing the probability of correct signal detection. In addition, in implementing a high-speed ADC (Analog-to-Digital Converter) included in the camera, adverse effects may occur in terms of cost and complexity.

이를 해결하기 위해, LED-LCD 카메라 통신에서 RGB 코딩 방법이 제안된 바 있다. To solve this problem, an RGB coding method has been proposed in LED-LCD camera communication.

여기서, RGB 코딩 방법은 QR(Quick Response) 코드를 색 공간으로 확장한 코딩 방식이다. 그러나, RGB 코딩 방법에 있어서, LED/LCD는 데이터 송신기로서만 기능을 수행하며, 일반적인 디스플레이 기능은 수행하지 못한다는 단점이 존재한다.Here, the RGB coding method is a coding method in which a QR (Quick Response) code is extended to a color space. However, in the RGB coding method, there is a disadvantage that the LED / LCD functions only as a data transmitter and does not perform a general display function.

디스플레이 기능 및 통신 기능의 수행을 위하여 LED 광원을 고려했을 때, 특정 CMOS 이미지 센서를 포함한 플리커-프리 Optical Camcom 스킴이 제안될 수 있다. Considering the LED light source for performing the display function and the communication function, a flicker-free optical Camcom scheme including a specific CMOS image sensor may be proposed.

상기 특정 CMOS 이미지 센서는 광의 세기 변화에 즉각적으로 반응할 수 있다. The specific CMOS image sensor can respond instantaneously to changes in intensity of light.

여기서, 특정 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드로 구성된 적어도 하나의 통신용 픽셀을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 특정 CMOS 이미지 센서는 비용 효율이 높은 일반적인 CMOS 이미지 센서에 직접적으로 적용될 수 없다는 단점이 존재한다.Here, a specific CMOS image sensor may include at least one communication pixel composed of a photodiode. However, there is a disadvantage that such a specific CMOS image sensor can not be directly applied to a cost effective general CMOS image sensor.

이를 해결하기 위해, 최근에는 엘리어싱(aliasing) 특성을 이용한 undersampled frequency shift ON-OFF keying (UFSOOK) 스킴이 제안되었다. 그러나, 이 스킴은 특정 패턴의 주파수를 가정한 상태에서만 신호를 디코딩할 수 있다. 이는, 시스템의 플렉시빌리티(flexibiltiy)를 제한한다.In order to solve this problem, an undersampled frequency shift ON-OFF keying (UFSOOK) scheme using an aliasing characteristic has recently been proposed. However, this scheme can only decode the signal assuming a certain pattern of frequencies. This limits the flexibilty of the system.

최근, Candes et al.과 Donoho는 낮은 샘플링 레이트로 신호를 복원하는 압축 센싱 이론을 발전시켰다. 확률 신호의 스파스 발생 특성에 기초하여, 압축 센싱은 높은 비트 레이트의 신호를 나이퀴스트 레이트(Nyquist rate) 보다 낮은 샘플링 레이트로 복원하는 것을 가능하게 한다. Recently, Candes et al. And Donoho developed a compression sensing theory that restores the signal at a low sampling rate. Based on the sparse generation characteristics of the probability signal, the compression sensing makes it possible to restore the signal with a high bit rate to a sampling rate lower than the Nyquist rate.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에 있어서, 제 1 레이트를 옵티컬 레이트(optical rate)로 가지는 가시광 신호를 전송하는 송신 장치; 및 상기 가시광 신호를 상기 제1 레이트보다 낮은 제2 레이트로 수신하는 수신 장치를 포함하되, 상기 송신 장치는, 소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈; 상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈; 상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED(Light Emitting Diode)의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하며, 상기 수신 장치는, 상기 제2 레이트를 프레임 레이트(frame rate)로 가지는 카메라 모듈; 상기 카메라 모듈을 통해 수신된 프레임 내에서 상기 가시광 신호의 전송 영역을 검출하는 관심 영역 검출 모듈; 및 상기 검출된 관심 영역을 통해 전송된 가시광 신호에서 상기 소스 데이터를 검출하는 신호 검출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided an optical camera communication system, comprising: a transmitter for transmitting a visible light signal having a first rate at an optical rate; And a receiving device for receiving the visible light signal at a second rate lower than the first rate, wherein the transmitting device modulates the source data using an M-ary pulse position modulation (PPM) method Signal modulation module; A PN code generation module for generating a PN code (Pseudo Noise code) for random projection of a signal modulated through the signal modulation module; An LED driving module for generating a driving signal for controlling an on or off state of at least one light emitting diode according to the randomly projected signal; And an LED module for transmitting a visible light signal through the at least one LED according to the driving signal, wherein the receiving device comprises: a camera module having the second rate at a frame rate; A region of interest detection module that detects a transmission region of the visible light signal in a frame received through the camera module; And a signal detection module for detecting the source data in a visible light signal transmitted through the detected ROI.

또한, 상기 제 2 레이트는 상기 PN 코드의 길이에 따라 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.The second rate may be determined according to the length of the PN code.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the signal modulation module may convert the source data into pulse positions in any one of a plurality of time intervals within each time frame.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the signal modulation module outputs the input signal as a K-sparse signal having K non-zero values through the M-ary pulse position modulation (PPM) method .

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에서 신호를 전송하기 위한 송신 장치에 있어서, 소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈; 상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈; 상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a transmitting apparatus for transmitting a signal in an optical camera communication system according to another embodiment of the present invention, source data is modulated by using M-ary Pulse Position Modulation (PPM) Signal modulation module; A PN code generation module for generating a PN code (Pseudo Noise code) for random projection of a signal modulated through the signal modulation module; An LED driving module for generating a driving signal for controlling an on or off state of at least one LED according to the randomly projected signal; And an LED module that transmits a visible light signal through the at least one LED according to the driving signal.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the signal modulation module may convert the source data into pulse positions in any one of a plurality of time intervals within each time frame.

또한, 상기 신호 변조 모듈은, 상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the signal modulation module outputs the input signal as a K-sparse signal having K non-zero values through the M-ary pulse position modulation (PPM) method .

본 발명의 일 실시예에 따른 광 카메라 통신(Optical Camcom) 방법은 송신 장치에서 PPM 방식 및 PN 코드를 이용하여 신호를 전송함으로써, 카메라를 이용하는 수신 장치에서 낮은 샘플링 비율로도 신호의 복원 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.In an optical camera communication method according to an embodiment of the present invention, a signal is transmitted using a PPM method and a PN code in a transmitting apparatus, thereby improving the signal restoration performance even at a low sampling rate in a receiving apparatus using a camera There is an effect that can be.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 Optical Camcom 방법은 PN 코드를 이용한 랜덤 프로젝션을 통해 나이퀴스트 레이트보다 낮은 샘플링 레이트에서 신호 검출을 수행함으로써, 수신 장치의 구현 복잡도를 줄일 수 있는 효과가 있다. 압축 센싱 기반 신호 검출 스킴을 제공할 수 있다. In addition, the optical camera method according to an embodiment of the present invention can perform signal detection at a sampling rate lower than a Nyquist rate through random projection using a PN code, thereby reducing the complexity of implementation of a receiving apparatus. A compression sensing based signal detection scheme can be provided.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 Optical Camcom 방법은 다운 샘플링 레이트를 특정 레이트로 제한하지 않기 때문에, Optical Camcom 시스템에 대한 자유로운 디자인이 가능하다는 장점이 있다. In addition, since the optical camcom method according to the embodiment of the present invention does not limit the downsampling rate to a specific rate, there is an advantage that it is possible to freely design an optical camcom system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 센싱(CS) 기반의 광 카메라 통신(Optical CamCom) 시스템 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-ary PPM 방식을 이용한 전송 신호 구조를 나타낸 도이다.
도 3a 및 3b는 다양한 DSR(Down Sampling Rate)에 따른 신호의 검출(detection) 확률 결과 그래프의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4는 PN 코드의 길이 및 DSR에 따른 신호의 검출 확률을 3차원 이미지로 도시한 도이다.
1 is a diagram illustrating a structure of an optical camera communication (Optical CamCom) based on a compression sensing (CS) according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a transmission signal structure using a 4-ary PPM scheme according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are graphs illustrating an example of a signal detection probability result graph according to various down sampling rates (DSR).
4 is a diagram showing the detection probability of a signal according to the length of the PN code and the DSR in a three-dimensional image.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.As used herein, terms used in the present specification are taken into consideration in considering the function of the present invention. However, this may vary depending on the intention of the person skilled in the art, custom or the emergence of a new technique. Also, in some cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description of the corresponding embodiment. Therefore, it is intended that the terminology used herein should be interpreted relative to the meaning of the term rather than to the nomenclature of the term, and the entire content of the specification.

더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Furthermore, the embodiments are described in detail below with reference to the accompanying drawings and the accompanying drawings, but are not limited or limited by the embodiments.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

압축 compression 센싱Sensing (Compressed (Compressed Sensing:CSSensing: CS ) 이론) theory

압축 센싱 이론은 통상적으로 다루는 자연계의 신호는 대부분 특정한 신호 공간(space)로 변형(transform)시켜 보았을 때, 대부분의 값들이 0을 가지는 “스파스(sparse)” 신호라는 것이다.Compression sensing theory is a "sparse" signal in which most of the signals in nature are zero, most of which are zero when transformed into a specific signal space.

여기서, Sparse 신호는 x-y 그래프(graph) 상에 신호를 표시할 때, 대부분의 x 값에서 y는 0(zero) 이고, 상대적으로 아주 적은 수의 x 값에서 non-zero의 y값을 가지는 신호를 말한다.Here, when a signal is displayed on an xy graph, a signal having a y value of non-zero at a relatively small number of x values and y is zero at most x values It says.

또한, 원래 신호에서 0이 아닌 수들의 개수는 'sparsity'라 부른다. 즉, 원래 신호에서의 0이 아닌 값들의 수를 'sparsity'라고 정의하고, 상기 sparsity를 특정 변수로 표현할 수 있다.Also, the number of non-zero numbers in the original signal is called 'sparsity'. That is, the number of non-zero values in the original signal is defined as 'sparsity', and the sparsity can be expressed by a specific variable.

압축 센싱(CS) 이론에 따르면, 상기 sparse 신호는 아주 적은 수의 선형 측정(linear measurements)만으로도 원래의 신호를 거의 완벽하게 복원시킬 수 있다.According to the compression sense (CS) theory, the sparse signal can restore the original signal almost perfectly even with only a very small number of linear measurements.

이하에서, 압축 센싱에 기초한 광 카메라 통신(Optical CamCom) 방법에 대해 살펴보기로 한다.Hereinafter, a method of optical camera communication (Optical CamCom) based on compression sensing will be described.

먼저, 광 카메라 통신(Optical Camcom) 시스템은 데이터 전송 신호가 실수(real-valued) 및 양수(positive-valued)를 가질 것을 요구한다. 왜냐하면, LED들은 광(또는 빛)의 세기를 이용하여 데이터를 전송하는데 사용되기 때문이다.First, the Optical Camcom system requires that the data transmission signal be real-valued and positive-valued. This is because LEDs are used to transmit data using the intensity of light (or light).

NX1 신호 벡터 X 를 고려해보자.Consider the NX1 signal vector X.

여기서, 상기 X는 실수 및 양수이고, 유한한 길이를 가지는 신호 벡터이다.Here, X is a signal vector having a real number and a positive number, and having a finite length.

Figure pat00001
가 성립하는 특정 신호 벡터 X는 NX1의 기본 벡터(
Figure pat00002
)로 표현될 수 있다고 가정한다. 이 경우, 상기 신호 벡터 X는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
Is the base vector of NX1 (
Figure pat00002
). ≪ / RTI > In this case, the signal vector X can be expressed by the following equation (1).

여기서, 상기 NX1의 기본 벡터는 자연계의 모든 신호를 표현할 수 있는 벡터를 의미한다.Herein, the basic vector of NX1 means a vector capable of expressing all natural signals.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00003
,
Figure pat00003
,

여기서,

Figure pat00004
는 계수 세트(coefficient set)를 나타내며, 기본 벡터 앞에 곱해지는 스칼라(scalar) 값이다. here,
Figure pat00004
Represents a coefficient set and is a scalar value that is multiplied before the base vector.

상기 NX1 신호 벡터 X를 행렬 형식으로 표현하면

Figure pat00005
로 표현될 수 있다.When the NX1 signal vector X is expressed in a matrix form
Figure pat00005
. ≪ / RTI >

여기서,

Figure pat00006
는 기본 벡터들과
Figure pat00007
로 구성된 NXN 행렬을 나타낸다.here,
Figure pat00006
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure pat00007
Gt; NXN < / RTI >

여기서,

Figure pat00008
Figure pat00009
의 전치 행렬(transposed matrix)을 나타낸다.here,
Figure pat00008
The
Figure pat00009
(Transposed matrix).

압축 센싱 이론에 따르면, 만일 X가 K(=N) 기본 벡터들의 선형 결합(linear combination)으로서 표현 가능한 경우, X는 K-sparse 신호로서 정의될 수 있다.According to compression sensing theory, if X can be represented as a linear combination of K (= N) basis vectors, X can be defined as a K-sparse signal.

이는 계수 벡터

Figure pat00010
가 K개의 논-제로(non-zero) 요소(element)들을 가지며, 나머지 요소들은 제로 임을 의미한다.The coefficient vector
Figure pat00010
Has K non-zero elements, and the remaining elements are zero.

따라서, 신호 X는

Figure pat00011
Figure pat00012
로부터 선택된 K 벡터들의 선형 결합으로서 재표현될 수 있으며, 이는 수학식 2와 같다. Thus, the signal X
Figure pat00011
And
Figure pat00012
Lt; RTI ID = 0.0 > K < / RTI >

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00013
Figure pat00014
,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
Figure pat00013
Figure pat00014
,
Figure pat00015
,
Figure pat00016

여기서,

Figure pat00017
는 자연수 세트를 나타낼 수 있다. here,
Figure pat00017
Can represent a set of natural numbers.

여기서, 상기 NX1 신호 벡터 x가 직접적으로 K-sparse 신호가 아닌 경우에는 아래 수학식 3과 같이 특정 선형 변형 과정을 거쳐 K-sparse 신호로 표현될 수 있다.If the NX1 signal vector x is not directly a K-sparse signal, it may be represented as a K-sparse signal through a specific linear transformation process as shown in Equation (3) below.

구체적으로,

Figure pat00018
를 DXN(D=cK, c≥1이고, D는 N보다 작은 자연수) 랜덤 측정 행렬(random measurement matrix)라고 하고, y를 DX1 크기의 압축 측정 벡터라고 했을 때, y는 행렬
Figure pat00019
를 기초로 프로젝션 변형(projection transformation)되어 이하의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. Specifically,
Figure pat00018
Is a DXN (D = cK, c? 1, D is a natural number less than N) random measurement matrix, and y is a DX1 compression measurement vector, y is a matrix
Figure pat00019
And can be expressed by the following equation (3). &Quot; (3) "

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서,

Figure pat00021
는 수신 장치에서의 다운 샘플링을 의미하며,
Figure pat00022
는 송신 장치에서의 랜덤 프로젝션을 의미하며,
Figure pat00023
는 K-sparse 신호를 의미한다.here,
Figure pat00021
Quot; means downsampling in the receiving apparatus,
Figure pat00022
Quot; refers to random projection in a transmitting apparatus,
Figure pat00023
Means a K-sparse signal.

즉, 수학식 3의 y는

Figure pat00024
라는 K-sparse 신호를 랜덤 프로젝션한 뒤, 다운 샘플링한 결과를 나타낸다. That is, y in the equation (3)
Figure pat00024
And a downsampling result after randomly projecting a K-sparse signal called " K-sparse "

수학식 3에 따를 때, 원본 신호의 복원을 위한 샘플링 레이트(또는 측정 개수)는 행렬

Figure pat00025
의 요소들 및 계수 벡터
Figure pat00026
의 스파시티 레벨(Sparsity level)에 의해 결정될 수 있다. 이때, 압축률(D/N)은 대응하는 다운 샘플링 비율(down sampling ratio)과 관련될 수 있다.According to Equation (3), the sampling rate (or number of measurements)
Figure pat00025
And the coefficient vector
Figure pat00026
And the sparsity level of the signal. At this time, the compression ratio (D / N) may be related to a corresponding down sampling ratio.

이하에서는 상술한 내용들에 기초하여, 본 발명에서 제안하는 CS 기반의 광 카메라 통신(Optical Camcom) 방법에 관해 관련 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.Hereinafter, a CS-based optical camera communication method (optical camcom) proposed by the present invention will be described in detail with reference to the related drawings based on the above-mentioned contents.

즉, 본 발명은 sparse 신호 조건(예: Ristricted Isometry Property:RIP)를 만족하는 입력 신호를 (1) 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 K-sparse 신호로 출력하고, (2) 이를 PN 코드를 통해 랜덤 프로젝션(random projection)함으로써, 낮은 샘플링 레이트를 가지는 카메라 기반의 수신 장치에서 전송된 sparse 신호를 복원 또는 검출하는 방법을 제공한다.That is, the present invention outputs an input signal satisfying a sparse signal condition (for example, Ristricted Isometry Property: RIP) as (1) a K-sparse signal using a pulse position modulation (PPM) ) This method provides a method of restoring or detecting a sparse signal transmitted from a camera-based receiving apparatus having a low sampling rate by random projection through a PN code.

도 1은 본 명세서에서 제안하는 압축 센싱(CS) 기반의 광 카메라 통신(Optical CamCom) 시스템 구조의 일 예를 나타낸 도이다.1 is a diagram illustrating an example of a structure of an optical camera communication (Optical CamCom) based on a compression sense (CS) proposed in the present specification.

도 1을 참조하면, 광학 카메라 시스템(100)은 송신 장치(transmitter, 110)과 수신 장치(receiver, 120)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an optical camera system 100 includes a transmitter 110 and a receiver 120.

상기 송신 장치(110)은 입력 신호를 PPM 변조 및 PN 코드를 이용하여 K-sparse 신호를 생성하고, 적어도 하나의 LED를 통해 출력되는 가시광 신호를 (채널을 통해) 외부로 전송한다.The transmitter 110 generates a K-sparse signal using the PPM modulation and the PN code of the input signal, and transmits the visible light signal output through the at least one LED (through the channel) to the outside.

이하, 상기 송신 장치(110)의 구성 요소들에 대해 좀 더 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, the components of the transmission apparatus 110 will be described in more detail.

상기 송신 장치(110)은 신호 변조(signal modulation) 모듈(111), PN 코드 생성 모듈(112), LED 구동 모듈(113) 및 LED 모듈(114)를 포함한다.The transmission device 110 includes a signal modulation module 111, a PN code generation module 112, an LED driving module 113, and an LED module 114.

도 1에 도시된 송신 장치(110)의 구성 요소들은 일 예로서, 상기 송신 장치(110)는 그보다 많은 구성 요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 가지고 구현될 수도 있다.The components of the transmission apparatus 110 shown in FIG. 1 are examples, and the transmission apparatus 110 may be implemented with components having fewer or fewer components.

상기 신호 변조 모듈(111)은 M-ary PPM 방식을 이용하여 입력 신호를 변조(modulation) 한다.The signal modulation module 111 modulates an input signal using an M-ary PPM scheme.

이때, 상기 입력 신호는 sparse 신호가 되기 위한 RIP(Ristricted Isometry Property) 조건을 만족하는 신호일 수 있다. 또한, 상기 입력 신호는 입력 데이터, 입력 비트, 소스 데이터 등으로 표현될 수도 있다.At this time, the input signal may be a signal satisfying a RIP (Ristricted Isometry Property) condition to be a sparse signal. The input signal may be represented by input data, input bits, source data, or the like.

즉, 상기 신호 변조 모듈(111)은 입력 신호를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격(time interval)들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션(pulse position)으로 전환한다.That is, the signal modulation module 111 converts the input signal into a pulse position in any one of a plurality of time intervals within each time frame.

여기서, 상기 펄스 포지션으로 변조된 신호는 K-sparse 신호이며, 상기 K-sparse 신호는 살핀 것처럼 0이 아닌 값(non-zero value)가 K개인 신호를 의미한다.Here, the signal modulated with the pulse position is a K-sparse signal, and the K-sparse signal means a signal having a non-zero value K, as shown in FIG.

앞서 살핀 수학식 3에서 PPM 신호 벡터

Figure pat00027
는 상기 신호 변조 모듈을 통해 출력되는 신호에 해당한다.In equation (3), PPM signal vector
Figure pat00027
Corresponds to a signal output through the signal modulation module.

후술할 도 2에 도시된 바와 같이, 4-ary PPM 방식을 사용하는 경우, 상기 신호 변조 모듈로부터 출력되는 K-sparse 신호는 1-sparse 신호일 수 있다.2, if the 4-ary PPM scheme is used, the K-sparse signal output from the signal modulation module may be a 1-sparse signal.

그 이유는 상기

Figure pat00028
에 포함된 M 요소(element)들 중 논-제로(non-zero) 요소들의 개수가 하나이기 때문이다.The reason is as follows.
Figure pat00028
The number of non-zero elements among the M elements included in the matrix is one.

상기 PN 코드 생성 모듈(112)는 상기 변조된 PPM 신호를 (CS 이론에 기초하여) 랜덤 프로젝션하기 위한 PN(Pseudo noise) code를 생성한다.The PN code generation module 112 generates a PN (pseudo noise) code for randomly projecting the modulated PPM signal (based on the CS theory).

상기 PN 코드는 송신 장치에서 전송되는 신호의 랜덤도(randomness)와 랜덤 개수(random number)들을 포함하는 다운 샘플링된 신호를 수치화하기 위해 사용된다.The PN code is used to digitize a downsampled signal including randomness and random numbers of a signal transmitted from a transmitting apparatus.

상기 PN 코드를 이용하여 K-sparse 신호를 랜덤 프로젝션함으로써, 송신 장치(110)에서의 전송 신호가 다운 샘플링되더라도 수신 장치에서 수신한 신호의 랜덤도는 동일한 레벨로 유지될 수 있게 된다.By randomly projecting the K-sparse signal using the PN code, even if the transmission signal in the transmission apparatus 110 is down-sampled, the randomness of the signal received by the reception apparatus can be maintained at the same level.

즉, 송신 장치(110)에서의 전송 신호 자체가 랜덤한 특성을 가지고 있으므로, 수신 장치(120)는 송신 장치(110)에서의 전송되는 신호의 싱크(sync.)를 정확하게 잡지 않더라도 K-sparse 전송 신호를 복원하는데 크게 문제가 되지 않는다.That is, since the transmission signal itself in the transmission apparatus 110 has a random characteristic, the reception apparatus 120 can transmit the K-sparse transmission even if the reception apparatus 120 does not accurately catch the sync signal transmitted from the transmission apparatus 110 It is not a big problem in restoring the signal.

또한, 상기 송신 장치(110)는 상기 PN 코드의 길이 조절을 통해 수신 장치(120)에서의 다운 샘플링된 신호의 복원 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the transmission apparatus 110 can improve the restoration performance of the downsampled signal in the reception apparatus 120 by adjusting the length of the PN code.

또한, 상기 송신 장치(110)는 상기 PN 코드의 길이 조절을 통해 VLC에서 발생할 수 있는 깜박거림 현상(flicker)을 없앨 수 있도록 할 수 있다.In addition, the transmitter 110 can eliminate the flicker that may occur in the VLC by adjusting the length of the PN code.

상기 송신 장치(110)는 상기 PPM 변조 신호와 상기 PN 코드를 결합하여 수학식 1 내지 수학식 3에서 살핀 전송 신호 X를 생성한다.The transmission apparatus 110 combines the PPM modulation signal and the PN code to generate a transmission signal X from Equation (1) to Equation (3).

상기 PPM 변조 신호와 상기 PN 코드는 incoherent property를 가진다.The PPM modulation signal and the PN code have incoherent properties.

상기 K-sparse 신호와 PN 코드를 결합하는 과정에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 송신 장치(110)는 스파스 신호 벡터

Figure pat00029
를 랜덤 기초 벡터 셋트(random basis vector set)로 프로젝션하기 위해
Figure pat00030
를 (Ns+(M-1))XM 크기의 랜덤 프로젝션 행렬(random projection matrix)
Figure pat00031
와 곱할 수 있다. 이때, 랜덤 프로젝션 행렬
Figure pat00032
와 관련하여, 랜덤 시퀀스로서 통계적으로 모델링된 PN 코드가 고려될 수 있다.More specifically, the transmitting apparatus 110 transmits a sparse signal vector
Figure pat00029
To project on a random basis vector set < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00030
(Ns + (M-1)) XM-sized random projection matrix.
Figure pat00031
≪ / RTI > At this time, the random projection matrix
Figure pat00032
, A statistically modeled PN code as a random sequence can be considered.

상기 랜덤 프로젝션 행렬

Figure pat00033
는 첫 번째 열을 (
Figure pat00034
)로 가지는 순환(circulant) 행렬로 결정될 수 있다.The random projection matrix
Figure pat00033
Is the first column (
Figure pat00034
) Can be determined as a circulant matrix.

여기서, C는 Ns 길이를 갖는 PN 코드 벡터를 나타내며, 0은 (M-1)X1 길이를 갖는 제로 벡터를 나타낼 수 있다.Here, C denotes a PN code vector having a length of Ns, and 0 denotes a zero vector having a length of (M-1) X1.

즉, 송신 장치(110)는

Figure pat00035
Figure pat00036
와 곱함으로써 전송 신호 X를 생성하게 된다.That is, the transmitting apparatus 110 transmits
Figure pat00035
To
Figure pat00036
To generate a transmission signal X.

상기 송신 장치(110)를 통해 생성된 전송 신호 x는 상기 LED 구동 모듈(113)로 입력된다.The transmission signal x generated through the transmission device 110 is input to the LED driving module 113.

상기 LED 구동 모듈(113)은 변조된 신호에 따라서 적어도 하나의 LED의 켜짐과 꺼짐 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하고, 이를 상기 LED 모듈(113)로 출력한다.The LED driving module 113 generates a driving signal for controlling on and off states of at least one LED according to the modulated signal and outputs the driving signal to the LED module 113.

특히, 상기 LED 구동 모듈(113)은 관심 영역(Region Of Interest: ROI)에 대응하는(또는, ROI에 위치한) LED를 제어하여 상기 LED 모듈(113)에서 이에 따른 광 신호를 출력할 수 있도록 한다.In particular, the LED driving module 113 controls an LED corresponding to a region of interest (ROI) (or located in an ROI) so that the LED module 113 can output an optical signal corresponding thereto .

예를 들어, 상기 LED 구동 모듈(113)은 ROI에 위치한 적어도 하나의 LED의 광의 세기, 광 주파수(또는 플리커링 주파수) 등을 조절함으로써 LED 모듈(114)에서 광 신호를 출력할 수 있도록 할 수 있다.For example, the LED driving module 113 can control the light intensity, the optical frequency (or flickering frequency) of at least one LED located in the ROI, and thereby output the optical signal from the LED module 114 have.

상기 LED 모듈(114)은 상기 LED 구동 모듈(113)의 구동 신호에 따라 점등되어, 적어도 하나의 LED로부터 발광되는 빛을 이용하여 가시광 변조 신호를 생성하고, 이를 외부로 전송한다.The LED module 114 is turned on in response to a driving signal of the LED driving module 113 to generate a visible light modulation signal using light emitted from at least one LED and transmits the visible light modulation signal to the outside.

상기 LED 모듈(114)은 적어도 하나의 LED를 포함할 수 있다.The LED module 114 may include at least one LED.

여기서, 상기 LED 구동 모듈(113)과 상기 LED 모듈(114)은 하나의 광원 발광 모듈로 구현될 수 있다.Here, the LED driving module 113 and the LED module 114 may be implemented as one light emitting module.

상기 수신 장치(120)는 카메라 모듈(121)을 통해 다운 샘플링된 신호를 수신하고, ROI 검출(Region-Of-Interest detection)을 통해 입력 신호를 복원한다.The receiving device 120 receives the down-sampled signal through the camera module 121, and restores the input signal through ROI detection (Region-Of-Interest Detection).

이하, 상기 수신 장치(120)의 구성 요소들에 대해 좀 더 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, the components of the receiving apparatus 120 will be described in more detail.

상기 수신 장치(120)은 카메라 모듈(121), ROI 검출 모듈(122) 및 신호 검출(signal detection) 모듈(123)을 포함한다.The receiving apparatus 120 includes a camera module 121, an ROI detecting module 122, and a signal detection module 123.

도 1에 도시된 수신 장치(120)의 구성 요소들은 일 예로서, 상기 수신 장치(120)는 그보다 많은 구성 요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 가지고 구현될 수도 있다.The components of the receiving device 120 shown in FIG. 1 are examples, and the receiving device 120 may be implemented with fewer or more components.

상기 카메라 모듈(121)은 송신 장치(110)에서 전송되는 가시광 신호를 수신한다.The camera module 121 receives a visible light signal transmitted from the transmission device 110.

상기 카메라 모듈(121)은 CCD 카메라 모듈일 수 있다.The camera module 121 may be a CCD camera module.

상기 수신된 가시광 신호는 상기 카메라 모듈(121)의 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)로 샘플링된다.The received visible light signal is sampled at the frame rate (or capture rate) of the camera module 121.

여기서, 상기 카메라 모듈(121)의 프레임 레이트는 LED의 옵티컬 레이트보다 작기 때문에, 상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신되는 가시광 신호는 다운 샘플링된 신호에 해당한다.Since the frame rate of the camera module 121 is smaller than the optical rate of the LED, the visible light signal received through the camera module 121 corresponds to a downsampled signal.

상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신된 신호는 D X (Ns+M-1)의 크기를 갖는 측정 행렬

Figure pat00037
에 의해 모델링될 수 있다.The signal received through the camera module 121 is a measurement matrix having a size of DX (Ns + M-1)
Figure pat00037
Lt; / RTI >

여기서, 측정 행렬

Figure pat00038
는 (Ns+M-1) X (Ns+M-1) 크기의 단위 행렬로부터 D개의 행을 선택적으로 포함하는 행렬을 나타낸다.Here,
Figure pat00038
Represents a matrix including D rows from (Ns + M-1) X (Ns + M-1) -type unitary matrices.

이 경우,

Figure pat00039
는 랜덤 프로젝션 프로시져(random projection procedure), 채널 이득(channel gain) 및 프레임-레이트(frame-rate) ADC를 포함하는 행렬이 될 수 있다.in this case,
Figure pat00039
May be a matrix that includes a random projection procedure, a channel gain, and a frame-rate ADC.

상기 ROI 검출 모듈(122)은 상기 카메라 모듈(121)을 통해 수신되는 프레임 영역 중 통신 수행을 위한 가시광 신호가 전송되는 영역 즉, 관심 영역(ROI; Region Of Interest)를 검출한다.The ROI detection module 122 detects a region in which a visible light signal for communication is transmitted, that is, a region of interest (ROI), among frame regions received through the camera module 121.

상기 ROI 검출 모듈(122)은 심플 이미지 처리 방법(Simple image processing scheme)을 사용하여 ROI를 검출할 수 있다.The ROI detection module 122 may detect the ROI using a simple image processing scheme.

즉, 상기 ROI 검출 모듈(122)은 프레임 스타트 시점을 기준으로 딜레이된 시간과 통신 수행을 위한 특정 광 신호를 검출한다.That is, the ROI detection module 122 detects a delayed time based on the frame start time and a specific optical signal for performing communication.

상기 신호 검출 모듈(123)은 상기 변조 방식(PPM)에 대응하는 복조 방식을 통해 입력 신호를 복원 또는 검출한다. The signal detection module 123 restores or detects an input signal through a demodulation scheme corresponding to the modulation scheme (PPM).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4-ary PPM 방식을 이용한 전송 신호 구조를 나타낸 도이다. 2 is a diagram illustrating a transmission signal structure using a 4-ary PPM scheme according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, PN 코드의 칩 듀레이션(chip duration)을 tc(=1/optical rate)라고 정의하고, PPM 펄스 간격

Figure pat00040
이 tc와 같다고 가정하기로 한다. 이 경우, 심볼 듀레이션(symbol duration) ts는 이하의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다. As shown in FIG. 2, the chip duration of the PN code is defined as tc (= 1 / optical rate), and the PPM pulse interval
Figure pat00040
Is equal to tc. In this case, the symbol duration ts can be defined as Equation (4) below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

ts=tc X (Ns+3) ts = tc X (Ns + 3)

여기서, Ns는 PN 코드의 길이를 나타낸다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 Ns가 5인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.Here, Ns represents the length of the PN code. Hereinafter, for convenience of explanation, the case where Ns is 5 will be described as an example.

M-ary 구조의 경우, a개의 비트(들)을 포함한 블록은 Ns+(M-1) 길이의 시간 프레임에서 M=2^a 위치 간격(interval position 또는 position interval)을 나타낸다. For an M-ary structure, a block containing a bit (s) represents an M = 2 ^ a position interval (interval position or position interval) in a time frame of length Ns + (M-1).

따라서, PN 코드의 위치를 통해 프레임에서 a-bits 데이터를 확인할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 2 비트들을 포함한 블록은 5+4-1=8 길이의 시간 프레임 내에 4개의 서로 다른 위치에 위치할 수 있다.Thus, a-bits data can be identified in the frame through the location of the PN code. For example, as shown in FIG. 2, a block including two bits may be located at four different positions within a time frame of length 5 + 4-1 = 8.

즉, 상기 2 비트들을 포함하는 블록은 총 2^2=4개의 위치 간격들로 표현될 수 있다. 살핀 것처럼, 시간 프레임 내의 PN 코드의 위치는 데이터를 나타낸다. That is, the block including the 2 bits can be represented by a total of 2 2 = 4 position intervals. As we have seen, the position of the PN code within the time frame represents the data.

본 발명의 심볼 구조로부터 비트 레이트(bit rate)는 옵티컬 레이트(Optical rate,

Figure pat00041
), PN 코드의 길이(Ns), 및 PPM ary(M)에 의해 결정될 수 있으며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 5와 같다.From the symbol structure of the present invention, the bit rate can be expressed as an optical rate,
Figure pat00041
), The length of the PN code (Ns), and the PPM ary (M), which can be expressed by Equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00042
Figure pat00042

압축 센싱 이론의 RIP 조건(Restricted Isomtry Property condition)을 만족하기 위해, PN 코드의 엔트리는 가우시안 분포(Gaussian distributions) 또는 베르누이 분포(Bernoulli distributions)에 기초하여 생성될 수 있다. 여기서, RIP 조건은 압축 센싱 이론에 있어서, 노이즈에 대한 강인성 정도(Robustness)를 나타낸다. To satisfy the RIP condition of the compression sensing theory, the PN code entry may be generated based on Gaussian distributions or Bernoulli distributions. Here, the RIP condition indicates the degree of robustness to noise in the compression sensing theory.

보다 상세하게는, 일 실시예로서 PN 코드는 평균 값 0.5, 분산 값

Figure pat00043
을 갖는 i.i.d.(Independent and Identically Distributed) 가우시안 엔트리를 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, PN 코드는 유니폼 베르누이 분포(Uniform Bernoulli distribution)로부터 i.i.d.로서 0 과 1의 랜덤 변수들을 포함할 수 있다. More specifically, in one embodiment, the PN code has an average value of 0.5, a variance value
Figure pat00043
Lt; RTI ID = 0.0 > (iid) < / RTI > As another example, the PN code may contain random variables of 0 and 1 as iid from the Uniform Bernoulli distribution.

이와 같은 PN 코드의 생성 조건 하에 본 발명은, 대략 50%에 가까운 디밍 라이트 레벨(dimming light level)을 제공할 수 있다. 이는, 일반적으로 시간 프레임 길이가 Ns+(M-1)이고, tc=ts 조건을 만족하는 경우, 광 레벨은 PN 코드의 통계적 특성에 의해 큰 영향을 받기 때문이다. 보다 넓은 범위의 디밍 레벨을 보장하기 위하여, 본 발명에 아날로그 디밍 컨트롤이 적용될 수 있다. Under such conditions of PN code generation, the present invention can provide a dimming light level close to 50%. This is because, in general, when the time frame length is Ns + (M-1) and the condition of tc = ts is satisfied, the light level is greatly influenced by the statistical characteristic of the PN code. To ensure a wider range of dimming levels, analog dimming control may be applied to the present invention.

채널을 통해 수신된 광 신호는 카메라의 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)로 샘플링될 수 있다. 이때, 프레임 레이트(또는 캡쳐 레이트)는 송신 장치 LED의 옵티컬 레이트보다 작을 수 있다. 이때, 수신된 광 신호는 D X (Ns+M-1)의 크기를 갖는 측정 행렬

Figure pat00044
에 의해 모델링될 수 있다. 여기서 측정 행렬
Figure pat00045
는 (Ns+M-1) X (Ns+M-1) 크기의 단위 행렬로부터 D개의 행을 선택적으로 포함하는 행렬을 나타낸다. 이 경우,
Figure pat00046
는 랜덤 프로젝션 프로시져, 채널 이득 및 프레임-레이트 ADC를 포함하는 행렬이 될 수 있다. The optical signal received via the channel may be sampled at the frame rate (or capture rate) of the camera. At this time, the frame rate (or capture rate) may be less than the optical rate of the transmitter LED. At this time, the received optical signal is a measurement matrix having a size of DX (Ns + M-1)
Figure pat00044
Lt; / RTI > Here,
Figure pat00045
Represents a matrix including D rows from (Ns + M-1) X (Ns + M-1) -type unitary matrices. in this case,
Figure pat00046
May be a matrix that includes a random projection procedure, a channel gain, and a frame-rate ADC.

송신 장치로부터 전송된 광 신호를 검출하기 전, 수신 장치는 ROI 검출 알고리즘을 수행할 수 있다. ROI 검출 알고리즘은 다양한 광 신호들을 출력하는 송신 장치의 LEDs 영역 중 통신 수행을 위한 특정 광 신호가 출력되는 ROI를 검출하기 위한 알고리즘이다. Before detecting the optical signal transmitted from the transmitting apparatus, the receiving apparatus can perform the ROI detection algorithm. The ROI detection algorithm is an algorithm for detecting a ROI in which a specific optical signal for performing communication among the LEDs of the transmitting apparatus that outputs various optical signals is outputted.

ROI에서 출력되는 LED 광 신호에 포함된 VLC 데이터는 수신 장치 카메라에 의해 캡쳐된 연속된 프레임 내에서 다양한 분포를 가질 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 수신 장치는 심플 이미지 처리 스킴(Simple image processing scheme; 예를 들어, weighted differential image)을 적용함으로써 ROI를 검출할 수 있다. 그 결과, 수신 장치는 프레임 스타트 시점을 기준으로 딜레이된 시간과 송신 장치로부터 수신된 특정 광 신호를 검출하여 송신 장치로부터 수신된 광 신호에 대응하는 데이터를 획득하게 된다.The VLC data contained in the LED optical signal output from the ROI may have a variety of distributions within successive frames captured by the receiving device camera. Using this characteristic, the receiving apparatus can detect the ROI by applying a simple image processing scheme (e.g., weighted differential image). As a result, the receiving apparatus detects the delayed time based on the frame start time and the specific optical signal received from the transmitting apparatus, and obtains data corresponding to the optical signal received from the transmitting apparatus.

또한, 본 발명은 코스한 동기화(corse synchronization)를 위해 고주파수(예를 들어, 10kHz 이상의 주파수)를 갖는 스퀘어 웨이브(square wave)로 구성된 프레임 헤더(frame header)를 차용할 수 있다. 이 경우, 잔여 동기 오프셋(residual synchronization offset)이 다운 샘플링 인터벌(1/프레임 레이트) 사이에 잔존할 수 있다. 본 발명은 전송 신호의 랜덤도(randomness)와 랜덤 숫자들로 구성된 다운 샘플링 신호를 수치화하기 위해 PN 코드를 사용한다. 따라서, 비록 전송 신호가 다운 샘플링되더라도 랜덤도는 동일한 레벨로 유지될 수 있다. 즉, 전송 신호 자체가 랜덤 특성을 가지고 있으므로, 전송 신호의 싱크를 정확하게 잡지 않더라도 원본 신호를 복원하는 데 크게 문제되지 않는다.In addition, the present invention can borrow a frame header composed of a square wave having a high frequency (for example, a frequency of 10 kHz or more) for corse synchronization. In this case, the residual synchronization offset may remain between the down sampling interval (1 / frame rate). The present invention uses a PN code to digitize a downsampling signal composed of a randomness of a transmission signal and random numbers. Therefore, even if the transmission signal is downsampled, the randomness can be maintained at the same level. That is, since the transmission signal itself has a random characteristic, there is not much problem in restoring the original signal even if the transmission signal is not accurately synchronized.

압축 센싱 이론에 따르면, 스파시티 기본 행렬

Figure pat00047
과 랜덤 측정 행렬
Figure pat00048
이 incoherent property를 갖는 경우, 압축된 신호 y로부터 원본 신호가 성공적으로 복원될 수 있다고 본다. 변조된 PPM 신호는 스파스한 특성을 가지며, PN 코드
Figure pat00049
는 incoherent property를 가지므로, 컨벡스 최적화(covex optimization)을 해결함으로써 원본 신호가 복원될 수 있다. 이를 수식으로 표현한 식은 이하의 수학식 6과 같다.According to compression sensing theory,
Figure pat00047
And a random measurement matrix
Figure pat00048
If we have this incoherent property, we see that the original signal can be successfully recovered from the compressed signal y. The modulated PPM signal has sparse characteristics, and the PN code
Figure pat00049
Has an incoherent property, so that the original signal can be reconstructed by solving the covex optimization. The equation expressed by the equation is shown in Equation (6) below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00050
Figure pat00050

여기서,

Figure pat00051
는 복원된 K-sparse 계수를 의미한다. 수신 장치는 컨벡스 최적화가 가장 잘되는
Figure pat00052
값을 선택하여 적용할 수 있다. here,
Figure pat00051
Is the reconstructed K-sparse coefficient. The receiving device may be a
Figure pat00052
Value can be selected and applied.

이러한 컨벡스 최적화 문제는, 만일 전송 신호가 실수 형태인 경우, 선형 프로그래밍 기술(linear programming technique)을 적용함으로써 해결될 수 있다.

Figure pat00053
의 최대 크기(또는 진폭)의 위치를 검출함으로써 PPM 신호는 성공적으로 복원(또는 복조)될 수 있게 된다.This convex optimization problem can be solved by applying a linear programming technique if the transmitted signal is in real form.
Figure pat00053
The PPM signal can be successfully restored (or demodulated) by detecting the position of the maximum size (or amplitude) of the PPM signal.

나이퀴스트 레이트(Nyquist rate)로 샘플링될 필요가 있는 대역폭이 제한된 신호(band-limited signal)에 기초한 종래의 샘플링 이론과 다르게, 본 발명은 나이퀴스트 레이트보다 낮은 레이트로 신호를 (다운) 샘플링할 수 있다.Unlike conventional sampling theory, which is based on a band-limited signal that needs to be sampled at a Nyquist rate, the present invention provides a technique for down-sampling a signal at a rate lower than the Nyquist rate can do.

이 경우, 샘플링되는 신호는 스파스한 특성을 가진 신호일 수 있다. 이는, 육안으로 인식 가능한 플리커 현상의 발생 없이 광 신호의 전송이 가능하도록, 송신 장치의 적어도 하나의 LED는 보다 높은 변조 주기로 광 신호를 변조할 수 있음을 의미한다. 수신 장치는 송신 장치로부터 출력되는 광 신호를 검출하기 위하여 낮은 프레임 레이트의 ADC 기능을 갖는 카메라만을 요구하게 되므로, 추가적인 제조 비용이 필요 없게 되어, 제조 단가 및 제품 적용 가능성 측면에서 유리하다.In this case, the sampled signal may be a signal having a sparse characteristic. This means that at least one LED of the transmitting apparatus can modulate the optical signal with a higher modulation period so that the optical signal can be transmitted without the occurrence of a visually recognizable flicker phenomenon. The receiving apparatus requires only a camera having a low frame rate ADC function in order to detect an optical signal outputted from the transmitting apparatus, so that no additional manufacturing cost is required, which is advantageous in terms of manufacturing cost and product applicability.

시뮬레이션 결과Simulation result

상술한 내용을 증명하기 위해 압축 센싱 이론을 기초로 한 Optical camcom의 신호 검출검출 성능(detection performance)에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션과 관련하여, 다운 샘플링 비율(down-sampling ratio, DSR)은 수신 장치의 카메라의 옵티컬 레이트(또는 플리커 레이트)에 대한 상대적인 샘플링 간격을 의미한다. In order to prove the above, a simulation was performed on the detection performance of the optical camcom based on the compression sensing theory. In connection with this simulation, the down-sampling ratio (DSR) refers to the sampling interval relative to the optical rate (or flicker rate) of the camera of the receiving device.

예를 들어, DSR이 5인 경우, 신호 복조를 위한 샘플링 레이트는 LED의 옵티컬 레이트의 1/5이 된다. 이는, 송신 장치의 LED로부터 출력되는 광 신호의 옵티컬 레이트가 150/300Hz인 경우, 수신 장치 카메라의 샘플링 레이트가 30/60Hz가 됨을 의미한다. For example, if the DSR is 5, the sampling rate for signal demodulation is 1/5 of the optical rate of the LED. This means that when the optical rate of the optical signal output from the LED of the transmitting apparatus is 150/300 Hz, the sampling rate of the receiving apparatus camera becomes 30/60 Hz.

본 시뮬레이션에서 가우시안 분포에 기초한 PN 코드의 경우, 분산

Figure pat00054
은 0.25로 설정하였다. 채널 DC 이득은 광 신호의 파워 감쇄를 고려하여 0.6으로 설정하였다. In the case of the PN code based on the Gaussian distribution in this simulation,
Figure pat00054
Was set to 0.25. The channel DC gain was set to 0.6 in consideration of the power attenuation of the optical signal.

데이터 검출 프로세스에서는 코스 동기화로 인한 타이밍 오프셋의 존재가 고려되었다. 본 발명의 신호 복원 성능을 평가하기 위해 PPM 신호의 성공적인 검출 가능성은 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 획득하였다.In the data detection process, the presence of timing offset due to course synchronization has been considered. In order to evaluate the signal restoration performance of the present invention, the likelihood of successful detection of the PPM signal was obtained using Monte Carlo simulation.

도 3a 및 3b는 다양한 DSR에 따른 신호의 검출 확률 결과 그래프이다. 보다 상세하게는, 도 3a는 8-PPM 신호를 다양한 DSR에 따른 신호의 검출 확률 결과 그래프이며, 도 3b는 16PPM 신호를 다양한 DSR로 복조한 결과 그래프이다.3A and 3B are graphs of detection probability results of signals according to various DSRs. More specifically, FIG. 3A is a graph of detection probability of a signal according to various DSRs of an 8-PPM signal, and FIG. 3B is a graph of a result of demodulating a 16PPM signal with various DSRs.

도 3a 및 3b에 도시된 시뮬레이션 결과에 따르면, 베르누이 분포를 갖는 PN 코드보다 가우시안 분포를 갖는 PN 코드의 검출 확률(또는 복조 성능, 복조 확률)이 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 모든 DSR 값에서, PN 코드의 길이 Ns는 측정 벡터의 길이에 비례하다는 것을 알 수 있었다. 측정 벡터의 길이는 데이터 복조에 있어 중요한 팩터이다. 따라서, 높은 신호 검출 확률을 위해 PN 코드의 길이 Ns는 증가할 수 있다. According to the simulation results shown in Figs. 3A and 3B, it can be seen that the detection probability (or demodulation performance, demodulation probability) of a PN code having a Gaussian distribution is higher than that of a PN code having a Bernoulli distribution. Also, it can be seen that in all the DSR values, the length Ns of the PN code is proportional to the length of the measurement vector. The length of the measurement vector is an important factor in data demodulation. Therefore, the length Ns of the PN code may increase for a high signal detection probability.

도 3a의 시뮬레이션 결과 그래프를 참조하면, Ns가 27 이상인 경우에는 DSR이 6인 경우라도, 가우시안 분포 또는 베르누이 분포를 갖는 PN 코드들의 검출 확률이 93% 초과로 유지된다는 것을 알 수 있다. 본 시뮬레이션에서 PN 코드의 길이 Ns가 20~36의 범위를 갖는 경우, Ns+M-1 식에 의해 프레임 길이의 범위는 27~43이 될 수 있다(M=8). Referring to the simulation result graph of FIG. 3A, it can be seen that the detection probability of PN codes having Gaussian distribution or Bernoulli's distribution is maintained at over 93% even when DSR is 6 when Ns is 27 or more. In this simulation, if the length Ns of the PN code is in the range of 20 to 36, the range of the frame length can be 27 to 43 by the expression of Ns + M-1 (M = 8).

도 3b의 시뮬레이션 결과 그래프를 참조하면, DSR이 6에서 약 90% 이상의 검출 확률이 유지되기 위해서는 PN 코드의 길이 Ns가 30 이상이어야 함을 알 수 있다. 도 3a의 경우에는 Ns가 24 이상인 경우에 검출 확률이 90% 이상으로 유지되었다. 이는, 높은 차수의 변조는 고정된 타겟 검출 확률, 프레임 레이트 및 플리커링 주파수와 함께 데이터 레이트에 있어 유리함을 의미한다. 본 시뮬레이션에서 PN 코드의 길이 Ns가 20~36의 범위를 갖는 경우, Ns+M-1 식에 의해 프레임 길이의 범위는 35~51이 될 수 있다(M=16). Referring to the simulation result graph of FIG. 3B, it can be seen that the length Ns of the PN code must be 30 or more so that the detection probability of about 90% or more is maintained at 6 in DSR. 3A, the detection probability is maintained at 90% or more when Ns is 24 or more. This means that high order modulation is advantageous for data rates with fixed target detection probability, frame rate and flickering frequency. In this simulation, if the length Ns of the PN code is in the range of 20 to 36, the range of the frame length can be 35 to 51 by the expression of Ns + M-1 (M = 16).

도 3a 및 3b를 통해, 본 발명은 타겟 검출 확률을 고려하여 신호 변조율 선택의 자유도를 제공한다는 것을 알 수 있다. 또한, 만일 전송 신호가 스파스한 경우, 나이퀴스트 레이트보다 낮은 샘플링 레이트로써 원본 신호를 복원할 수 있음을 알 수 있다.3A and 3B, it can be seen that the present invention provides a degree of freedom in signal modulation rate selection in consideration of the target detection probability. It can also be seen that if the transmission signal is sparse, the original signal can be reconstructed with a sampling rate lower than the Nyquist rate.

도 4는 가우시안 분포를 갖는 PN 코드에 기초한 8-PPM 신호와 0.6 채널 이득을 고려했을 때, PN 코드의 길이 및 DSR에 따른 검출 확률을 3차원 이미지로 도시한 도면이다. FIG. 4 is a three-dimensional image showing the detection probability according to the length of the PN code and the DSR in consideration of the 8-PPM signal and the 0.6-channel gain based on the PN code having the Gaussian distribution.

도 4를 참조하면, PN 코드의 길이가 30 초과 및 DSR이 6 이하인 경우, 검출 확률이 포화되는 것을 알 수 있다. 이는, 30 길이를 갖는 PN 코드를 기초로 한 8-PPM 신호가 180/360Hz의 옵티컬 레이트로 전송되는 경우, 30/60Hz의 프레임 레이트를 갖는 일반 카메라에 의해서도 검출이 가능함을 의미한다. 만일, PN 코드의 길이가 PPM 인터벌 포지션의 3배 초과인 경우에는 매우 낮은 DSR에서도 약 95%의 검출 확률로 신호가 복원됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, when the length of the PN code is more than 30 and the DSR is 6 or less, the detection probability is saturated. This means that if an 8-PPM signal based on a PN code having a length of 30 is transmitted at an optical rate of 180/360 Hz, it can also be detected by a general camera having a frame rate of 30/60 Hz. If the length of the PN code is more than three times the PPM interval position, the signal is restored with a detection probability of about 95% even at a very low DSR.

결론conclusion

앞에서, 본 발명에서 제안하는 압축 센싱 기반의 광 카메라 통신(Optical camcom) 방법에 관하여 살펴보았다.In the foregoing, a method of optical camera communication (optical camcom) based on the compression sensing proposed in the present invention has been described.

즉, 본 발명에서 제안하는 CS 기반의 광 카메라 통신 방법은 PPM 방식 및 PN 코드를 이용하여 낮은 샘플링 레이트에서 전송 신호를 복원하는 방법이다.That is, the CS-based optical camera communication method proposed by the present invention is a method for restoring a transmission signal at a low sampling rate using a PPM scheme and a PN code.

본 발명은 빠르게 깜빡이는 광원 소스(flickering light source)에 비해 상업용 카메라의 낮은 프레임 레이트로 인해 수신 장치에서 신호 복원 성능이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해, PPM 기반의 PN 코드로 표현되는 K-sparse 신호를 정의하였다.In order to solve the problem that the signal restoration performance of a receiver is degraded due to a low frame rate of a commercial camera as compared with a flickering light source of a fast flickering, the present invention provides a K-sparse signal represented by a PPM-based PN code Respectively.

또한, 본 발명은 송신 장치에서 PN 코드를 이용하여 랜덤 프로젝션을 수행함으로써 수신 장치의 간단한 구현이 가능하며, 수신 장치에서 낮은 샘플링 레이트를 가지고도 전송 신호의 검출을 수행할 수 있다.In addition, the present invention can perform a simple implementation of a receiving apparatus by performing a random projection using a PN code in a transmitting apparatus, and can detect a transmission signal even at a low sampling rate in a receiving apparatus.

또한, 도 3 및 도 4의 시뮬레이션 결과는 나이퀴스트 레이트보다 훨씬 낮은 샘플링 레이트를 가지고도 신호 복원을 성공적으로 할 수 있음을 보여준다.In addition, the simulation results of FIGS. 3 and 4 show that the signal restoration can be successfully performed even at a sampling rate much lower than the Nyquist rate.

또한, 본 발명은 송신 장치에서의 LED 플리커 주파수 선택의 자유도를 높이며, 디스플레이 및 통신 성능을 동시에 향상시킨다는 이점을 갖는다.Further, the present invention has the advantage of increasing the freedom of selecting the LED flicker frequency in the transmitting apparatus, and simultaneously improving display and communication performance.

설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.Although the drawings have been described for the sake of convenience of explanation, it is also possible to design a new embodiment by incorporating the embodiments described in each drawing. In addition, the present invention is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments described above may be modified such that all or some of the embodiments are selectively combined .

또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It should be understood that various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention.

100: 광 카메라 통신 시스템
110: 송신 장치
120: 수신 장치
100: Optical camera communication system
110: Transmitting device
120: Receiver

Claims (7)

광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에 있어서,
제 1 레이트를 옵티컬 레이트(optical rate)로 가지는 가시광 신호를 전송하는 송신 장치; 및
상기 가시광 신호를 상기 제1 레이트보다 낮은 제2 레이트로 수신하는 수신 장치를 포함하되,
상기 송신 장치는,
소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈;
상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈;
상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED(Light Emitting Diode)의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및
상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하며,
상기 수신 장치는,
상기 제2 레이트를 프레임 레이트(frame rate)로 가지는 카메라 모듈;
상기 카메라 모듈을 통해 수신된 프레임 내에서 상기 가시광 신호의 전송 영역을 검출하는 관심 영역 검출 모듈; 및
상기 검출된 관심 영역을 통해 전송된 가시광 신호에서 상기 소스 데이터를 검출하는 신호 검출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템.
In an optical camera communication system,
A transmitter for transmitting a visible light signal having an optical rate at a first rate; And
And a receiving device for receiving the visible light signal at a second rate lower than the first rate,
The transmitting apparatus includes:
A signal modulation module for modulating the source data using an M-ary Pulse Position Modulation (PPM) scheme;
A PN code generation module for generating a PN code (Pseudo Noise code) for random projection of a signal modulated through the signal modulation module;
An LED driving module for generating a driving signal for controlling an on or off state of at least one light emitting diode according to the randomly projected signal; And
And an LED module for transmitting a visible light signal through the at least one LED according to the driving signal,
The receiving apparatus includes:
A camera module having the second rate as a frame rate;
A region of interest detection module that detects a transmission region of the visible light signal in a frame received through the camera module; And
And a signal detection module for detecting the source data in a visible light signal transmitted through the detected region of interest.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 레이트는 상기 PN 코드의 길이에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 광 카메라 통신 시스템.
The method according to claim 1,
And the second rate is determined according to the length of the PN code.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 변조 모듈은,
상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the signal modulation module comprises:
And said source data is switched into a pulse position in any one of a plurality of time intervals within each time frame.
제 3 항에 있어서,
상기 신호 변조 모듈은,
상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는, 광 카메라 통신 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the signal modulation module comprises:
And outputs the input signal as a K-sparse signal having K non-zero values through the M-ary Pulse Position Modulation (PPM) scheme. .
광 카메라 통신(Optical camera communication) 시스템에서 신호를 전송하기 위한 송신 장치에 있어서,
소스 데이터를 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 이용하여 변조하는 신호 변조 모듈;
상기 신호 변조 모듈을 통해 변조된 신호를 랜덤 프로젝션(random projection)하기 위한 PN 코드(Pseudo Noise code)를 생성하는 PN 코드 생성 모듈;
상기 랜덤 프로젝션된 신호에 따라 적어도 하나의 LED의 온(On) 또는 오프(Off) 상태를 제어하는 구동 신호를 생성하는 LED 구동 모듈; 및
상기 구동 신호에 따라 상기 적어도 하나의 LED를 통해 가시광 신호를 전송하는 LED 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
A transmitting apparatus for transmitting a signal in an optical camera communication system,
A signal modulation module for modulating the source data using an M-ary Pulse Position Modulation (PPM) scheme;
A PN code generation module for generating a PN code (Pseudo Noise code) for random projection of a signal modulated through the signal modulation module;
An LED driving module for generating a driving signal for controlling an on or off state of at least one LED according to the randomly projected signal; And
And an LED module for transmitting a visible light signal through the at least one LED according to the driving signal.
제 5 항에 있어서,
상기 신호 변조 모듈은,
상기 소스 데이터를 각 시간 프레임 내에서 복수의 시간 간격들 중 어느 하나의 시간 간격에서 펄스 포지션으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the signal modulation module comprises:
And said source data is switched into a pulse position in any one of a plurality of time intervals within each time frame.
제 5 항에 있어서,
상기 신호 변조 모듈은,
상기 M-ary 펄스 포지션 변조(Pulse Position Modulation: PPM) 방식을 통해 상기 입력 신호를 0이 아닌(non-zero) 값을 K개 가지는 K-sparse 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the signal modulation module comprises:
And outputs the input signal as a K-sparse signal having K non-zero values through the M-ary pulse position modulation (PPM) scheme.
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