信息显示与可见光通信的融合

作     者：刘凯旋 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武筱林

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：信息显示 可见光通信 同步算法 时域心理视觉调制 MIMO 

摘      要：可见光通信是一种利用可见光波段(波长400到760nm)的光作为信息载体,在空间中直接传输光信号的通信方式。与蓝牙、红外通信、WIFI相似,可见光通信属于一种无线通信技术。最近几年,可见光通信引起了学术界和工业界的极大关注。可见光通信具有保密性强、连接方便、对人体无害、能提供足够的带宽等特点,对解决当前的频谱危机和在一些不适合射频信号进行传输的特殊地点(如水底、机舱、医院的MRI室等)进行通信具有重大意义。目前该技术已经被应用到室内定位、城市交通、物联网等诸多应用中。传统的可见光通信技术是利用LED的开和关作为“0和“1信号,将需要传送的信息编码成由信号“0和“1组成的比特流,通过调制器控制LED的开和关,从而将LED作为信号的发送源。由于LED的闪烁频率非常快,所以人眼无法察觉其迅速的明暗跳变。然而在接收端,利用光敏二极管则可以将人眼察觉不到的快速变化的光信号转换成电平高低不同的电信号,然后通过放大器、滤波器、模数转换装置和解调器,我们可以将信号源发送的数据恢复出来。高速刷新的显示设备和高速相机的日益普及,为将可见光通信与信息显示相结合这一新的想法提供了实现的可能和现实的土壤。心理视觉领域有一个广为人知的重要发现,即通常情况下人眼无法分辨出闪烁频率超过60Hz的物体。然而,目前主流的3D显示屏幕已经能至少达到120Hz的刷新率;商场、车站等公共场所常见的LED屏幕则甚至可以提供比此高几个量级的刷新率。利用这些生活中很普及和常见的显示设备,我们可以进行信号的调制,从而实现可见光通信,而不影响它们原先正常的显示功能。在接收端,我们借助于高速相机,则可以将调制在显示设备画面中的信号帧捕捉到并解码出来。本文首先提出了一套完整的将信息显示与可见光通信相融合的技术方案。该方案利用高速刷新的显示设备作为信号的发送端,在不影响其正常的信息显示功能的前提下,设计了一套切实可行的编解码方案,对其显示的每一帧画面上的像素点区域进行独立的信号调制,将其作为一个二维平面的多输入多输出(MIMO)信号发送阵列;同时借助于高速相机,捕捉加载信号的每一个原子帧,并将其中隐藏的数据信号恢复出来。此外,我们还设计了一套行之有效的同步方案,来解决相机与显示帧的同步问题。与此类课题的其他现有方案相比,本文提出的方案很好地考虑到了在实际应用中由于液晶的拖尾效应和相机的不同步造成的捕捉到的信号帧的混叠问题,通过分析和建模高速相机捕捉到的数据帧的混叠情况,我们可以修复被污染和损坏的数据,从而降低了信号传输的误码率,提高了系统的鲁棒性。同时,本文也参考了该领域其他研究方案的经验,提出了一套有效的信号隐藏的算法,将信息隐藏对显示设备的使用者造成的视觉干扰降低到最小。