光通信传送和接收装置和方法及光通信系统和方法与流程

本发明是关于一种光通信传送和接收装置与方法及光通信系统与方法。

背景技术：
光通信是一种使用光来完成通信的无线通信技术，其中光可以是由一或多个光二极管(photodiode)、或一图像传感器来感测。例如，光可以是，但不限于，X-射线、紫外光(ultra-violetlight)、可见光(visiblelight)、或从109Hz至1019Hz的频率范围内的红外线(infrared)。无线电波(RF)的带宽是一种珍贵的资源。所以，光通信可以提供一种满足强劲需求的无线通信的替代技术。例如，从一或多个发光二极管(LED)发出的可见光在家庭和办公室中被广泛使用，因此它使得从一或多个LEDs发出的可见光足以适用于无处不在的数据传送器(datatransmitter)。相机已经普遍使用于手机、笔记本计算机、以及许多手持式电子设备。因此图像传感器不仅可作为一输入图像侦测器(incomingimagedetector)，也可以作为可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)系统中的接收器。图1是使用一LED阵列112和一图像传感器122如高速相机，的光通信系统的一范例示意图。如图1所示，在一传送器110的一编码器114可以执行物理层处理(physicallayerprocessing)，例如错误修正编码(error-correctionencoding)、调制(modulation)、正交频分复用调制(OFDM)等。在一接收器120的一译码器124可以执行编码器114的逆信号处理(inversesignalprocessing)。图2是使用一单一LED212和一图像传感器222如高速相机，的光通信系统的一范例示意图。一图像传感器可以由一阵列的感光单元(photosensite)组成。电荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)和互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS)是两种基本类型的数字传感器。一CCD传感器阵列的第一行感光单元被读入于一输出缓存器，再被输送至一放大器(amplifier)和一模拟-数字转换器(ADC)。在第一行被读出之后，它从读出的缓存器被倾倒出来，并且此阵列的下一行感光单元被读入于此缓存器。在CMOS传感器中的每一感光单元有至少三个的晶体管(transistor)。这些晶体管被允许在感光单元做感光处理，并且每一像素/感光单元可以分别被单独存取。在一些现有的光通信技术中，在此两种类型的任一种图像传感器中，只有一或少数几个共享的ADCs被用于感测图像中的所有像素。图3是一可见光通信技术的一范例示意图。在图3中，一感测图像(sensedimage)中非兴趣区域(non-interestedregion)的像素在一接收器320中的图像传感器也由共享ADC取样，然后被接收器320中的一接收器(Rx)-基频处理单元(basebandprocessinguint)326丢弃。换句话说，此技术从图像传感器322采取拍摄的所有像素，并且使用一亮度变化侦测(luminancechangedetection)来侦测兴趣区域(RegionOfInterest，ROI)。采取图像中所有像素可能会限制最高可达每秒几百张画面的画面速率(framerate)。然而，通常用于无线通信的数据速率(datarate)要求是每秒10M至1G位。图4是一可见光通信技术的另一范例示意图。在图4的可见光通信系统中，一传送器400有一调制电路(modulationcircuit)410以及一光发射驱动电路(light-emittingdrivecircuit)420。调制电路410产生不同的调制信号412。光发射驱动电路420根据从调制电路410输出的调制信号412并作为一驱动信号421，来驱动一发光元件422。当驱动信号421保持在一高电平时，光发射驱动电路420使得发光元件422发出与信号402迭加的可见光440。当驱动信号421保持在一低电平时，光发射驱动电路420使得发光元件422不发光。光通信对于全球无线频谱短缺仍然是一个潜在的解决方案。可见光通信技术的各种解决方案已被提出。通常，光发射元件如LED，和图像传感器如相机，都是可见光通信解决方案的现存元件。然而，LED的频率响应具有低的带宽，并且图像传感器因为共享ADC而具有低的画面速率。因此，对于可见光通信的高数据传输率(highdatatransmissionrate)的解决方案仍然存在很多的挑战。

技术实现要素：
本发明实施例提供一种光通信传送和接收装置与方法及光通信系统与方法。本发明的一实施例是关于一种光通信的传送装置，此传送装置可包含一图样产生单元，被配置为产生一或多个图样，来决定至少一或多个参考区域；一光通信(LC)控制单元，连接到一传送器-基频处理单元，并且此LC控制单元从此传送器-基频处理单元或从此图样产生单元来选择其输入；以及一发光元件，从此一或多个图样或此一或多个图样决定的此一或多个参考区域中发射光。本发明的另一实施例是关于一种光通信的传送方法，此传送方法可包含：经由使用一发光元件，在至少一周期的期间，传送一或多个图样来决定一或多个参考区域；以及使用此发光元件，通过从此一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光来传送数据。本发明的又一实施例是关于一种光通信的接收装置，此接收装置可包含一兴趣区域(ROI)决定单元、一图像感测元件(imagesensingelement)、以及一图像处理单元。此ROI决定单元被配置为侦测一感测图像中的光的一或多个图样，并且根据至少一侦测到的图样(detectedpattern)来决定此至少一ROI。此图像感测元件被配置为产生此感测图像，并且根据此ROI决定单元产生的一输出来感测光。此图像处理单元在此至少一ROI中，根据此图像感测元件的输出来进行图像处理。本发明的又一实施例是关于一种光通信的接收方法，此接收方法可包含：在一获取模式(acquisitionmode)下，采用比一图像感测元件的一感测图像的一像素总量较少量的一第一多个测量，来侦测被接收的一或多个图样，并且根据一或多个侦测到的图样来决定至少一ROI；以及在一数据接收模式(datareceivingmode)下，使用此至少一ROI中光的所有像素数据来处理光通信。本发明的又一实施例是关于一种光通信系统。此光通信系统包含一传送装置以及一接收装置。此传送装置被配置为产生一或多个图样来决定至少一参考区域，并且通过从此一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光来传送数据。此接收装置被配置为侦测此一或多个图样，并且根据一或多个侦测到的一或多个图样来决定至少一ROI，然后使用此至少一ROI中的光的所有信号来处理光通信。本发明的又一实施例是关于一种光通信方法。此方法可包含：在一传送装置中，产生光的一或多个图样来决定至少一参考区域，并且通过从此一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光来传送数据；以及一接收装置中，采用比一感测图像的一像素总量较少量的一第一多个测量，来侦测光的此一或多个图样，并且根据一或多个侦测到的图样来决定至少一ROI，然后使用此至少一ROI中光的所有像素数据来处理光通信。现配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其他优点详述于后。附图说明图1是使用一LED阵列和一图像传感器的光通信系统的一范例示意图。图2是使用一单一LED和一图像传感器的光通信系统的一范例示意图。图3是一可见光通信技术的一范例示意图。图4是另一可见光通信技术的一范例示意图。图5是根据本发明一实施例，说明一光通信系统。图6A是根据本发明一实施例，说明一光通信的传送方法。图6B是根据本发明一实施例，说明一被传送的图样可以决定一参考区域的一范例示意图。图7A是根据本发明一实施例，说明在三个不同时间由一16×16LED阵列发射出三个不同的图样的范例。图7B是根据本发明一实施例，说明一参考区域由多个点状的LEDs来表示。图7C是根据本发明一实施例，说明由一LED阵列发射的其他三图样。图8是根据本发明一实施例，说明在五个不同的时间由一单一LED传送器发射的一范例图样。图9是根据本发明一实施例，说明多个光源传送图样的另一范例。图10是根据本发明一实施例，说明一光通信的接收方法的运作。图11A至图11F是根据本发明一实施例，说明一光通信系统的运作流程。图12是根据本发明一实施例，说明一光通信方法。图13是根据本发明一实施例的，说明在获取模式或追踪模式中侦测一图样的方法。【主要元件符号说明】110传送器112LED阵列114编码器120接收器122图像传感器124译码器212单一LED222图像传感器320接收器322图像传感器326接收器-基频处理单元400传送器410调制电路412调制信号421驱动信号420光发射驱动电路422发光元件440可见光500光通信系统510传送装置512图样产生单元512a一或多个图样514传送器-基频处理单元516光通信控制单元516a一或多个信号520接收装置517驱动器单元518发光元件555通道522图像感测元件524兴趣区域决定单元524a至少一兴趣区域526图像处理单元528接收器-基频处理单元610传送一或多个图样，并且形成一或多个形状的图样，来决定一或多个参考区域615从此一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光来传送数据620被传送的图样625参考区域T1、T2、T3时间a、b、c、d光源1101、1102、1103图像1130参考区域1140兴趣区域1160追踪区域1210产生一或多个光的图样，并且此图样可以形成一或多个的形状来决定的一或多个参考区域1220经由一发光元件在一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光1230获取模式采取比一感测图像的一像素总量较少量的测量来侦测一或多个光的图样，并且根据一或多个侦测到的图样来决定至少一兴趣区域1240数据接收模式采取此至少一兴趣区域所有的光信号来进行光通信的后续处理1250追踪模式采取比一追踪区域的一像素总量较少量的测量来追踪此发光元件所发射的光的此一或多个图样1310将感测图像的所有直线量化为一参数空间1315推导出一逆转换1320采取比来自感测图像或来自至少一追踪区域的像素的随机组合的一总量较少量的随机测量1325应用一修正的正交匹配追踪于此少量随机的测量上，以得到此参数空间中此图样的参数1330重复步骤1320和1325，直到达到此图样的一最后画面为止具体实施方式本发明实施例提供一种增加数据传输率(datarate)的光通信技术。此技术侦测光通信的兴趣区域(ROI)，大幅地减少在图像传感器中的一或多个共享的ADCs的采样率(samplingrate)。一旦接收器决定此ROI后，此ADC可以只被使用于此兴趣区域中的像素。相比于现有的光通信技术，本发明实施例可以大幅增加画面速率，还可以大幅降低执行光通信的占用时间(acquisitiontime)。要完成此特征，一传送器可发射一或多个图样的光，而此一或多个图样可以形成一或多种形状，来决定参考区域。此发射光可以是，但不限于，X-射线、紫外光、可见光、或是从109Hz至1019Hz频率范围的红外线。然后，此传送器可以通过从此一或多个图样决定的参考区域中发射光，来传送信号。在一接收器中，可采取比一传感图像的一像素总量较少量的测量，来侦测此传送器发射的光的一或多个图样。测量可以包括此感测图像中的像素的随机组合。一旦此接收器根据侦测到的此一或多个图样，决定出此感测图像的兴趣区域，此接收器可采用此兴趣区域中所有的信号来进行光通信的处理。图5是根据本发明的一实施例的一光通信系统。如图5所示，此光通信系统500可包含一传送装置510以及一接收装置520。在传送装置510中，一图样产生单元512可以被配置为产生一或多个图样512a，并且图样512a可以形成一或多个形状来决定一或多个参考区域；一发光元件518可以在一或多个图样512a所决定的一或多个参考区域中发射光；以及一光通信(LC)控制单元516连接到一传送器-基频处理单元514。此发光元件可以是，但不限于，一单一LED或一LED阵列。此LC控制单元516可从此传送器-基频处理单元514、或从此图样产生单元512，来选择它的输入。连接到光通信(LC)控制单元516的传送器-基频处理单元514可执行无线通信的一多个基频运作，如错误修正编码、交错(interleaving)、调制、IFFT等。当传送装置510在一数据传送期间时，则从传送器-基频处理单元514选择此LC控制单元516的输入。当此传送装置是在一参考区域指示期间(referenceregionindicationperiod)时，则从图样产生单元512选择此LC控制单元516的输入。一驱动器单元517，例如一LED驱动器，可将LC控制单元516产生的一或多个信号516a的每一信号，作为一AC电流或电压，附加于发光元件518的一个直流(DC)偏压，并且可驱动此发光元件518在一或多个图样512a所决定的一或多个参考区域中发射光。在此一或多个参考区域中所发射的光经由一通道555传送到接收装置520。在接收装置520中，一图像感测元件522，例如图像传感器，被配置为根据一兴趣区域(ROI)决定单元524产生的输出来感测光；此ROI决定单元524被配置为侦测从传送装置510发射的光的一或多个图样，并根据一或多个侦测到的图样来决定从图像感测元件522的一感测图像的至少一ROI524a；以及一图像处理单元525根据ROI524a中图像感测元件522的输出，来执行光通信的处理。此输出可以是，例如RGB至YUV(或YCbCr)、颜色调整、滤波等。此ROI决定单元可采取比感测图像的一像素总量较少量的测量来侦测被收到的光的图样。测量可以包括感测图像中像素的随机组合。图像处理单元525还可以采取比至少一追踪区域的一像素总量较少量的测量，来追踪由此传送装置发射的光的图样。接收装置520还可包括连接到图像处理单元526的一接收器-基频处理单元528，来执行基频处理，例如FFT，解调，去交错，错误修正等，以复原收到的数据。依此，一光通信方法的运作如下。在一传送装置中，此光通信方法可产生一或多个图样的光，此图样可以形成一或多个形状来决定至少一参考区域；并且在一或多个图样决定的至少一参考区域中发射光来传送数据。并且，在一接收装置中，此光通信方法可采取比一感测图像的一像素总量较少量的测量来侦测光的一或多个图样，并根据一或多个侦测到的一或多个图样来决定此感测图像的至少一ROI，然后采取此至少一ROI中所有的光信号来处理光通信。在此接收装置中，此光通信方法还可以采取比至少一追踪区域的一像素总量较少量的测量来追踪此传送装置发射的光的一或多个图样。此测量可以包括此至少一追踪区域中像素的随机组合。从图中可以看出，因为传送装置510所发射的光的一或多个图样，而可大幅降低在接收装置520的图样侦测中的两个数量，例如共享的ADC取样量以及计算复杂度。从而大幅减少占用时间。在接收装置520决定ROI之后，ADC(s)可以只使用于ROI中的像素。所以，当执行光通信时，因而大幅地提高画面速率。图6A是根据本发明一实施例，说明一种光通信的传送方法。在图6A中，此传送方法首先传送一或多个图样512a，并且在至少一个周期的期间可以形成一或多个形状的此图样，来决定一或多个参考区域(步骤610)。对于光通信的使用，此传送方法可以通过使用一发光元件，从此一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光来传送数据(步骤615)。图6B是根据本发明一实施例，说明一被传送的图样620可以决定一参考区域625的一范例示意图。此一或多个图样决定的一或多个参考区可以辨识传送装置的位置，例如在多光源的情况下，或是被用于光通信中来传送信号。此传送方法还可包括使用一光通信控制单元，来选择一或多个图样作为它的输入，或是从一传送器-基频处理单元来选择它的输入，此传送器-基频处理单元执行无线通信的多个基频运作。此传送的一或多个图样可以形成一随时间变化的(time-invariant)序列。图7A是根据本发明一实施例，说明在三个不同时间由一16×16LED阵列发射出三个不同的图样的范例。在图7A中，斜线的小方块代表已接通的(turnedon)LED，空白的方块代表已关闭的(turnedoff)LED灯。三个箭头表示三个不同的时间，即分别为时间T1、时间T2、以及时间T3。所以，已接通的LED可形成一随时间变化的图样序列，并且每一图样可以包含在此LED阵列的边界或中心，并且可以决定一参考区域。为了减少在接收器端的侦测复杂度和时间，一被传送的图样可以只包括两条线。图7B是根据本发明一实施例，说明一参考区域由多个点状的LEDs来表示。此参考区域中的数据可以经由接通-关闭键控调制(on-offkeyingofmodulation)方式由此多个LEDs来传送。图7C是根据本发明一实施例，说明由一LED阵列发射的其他三图样。图8是根据本发明一实施例，说明在五个不同的时间由一单一LED传送器发射的一范例图样。在图8中，一灰色泡罩(bubble)表示此单一LED被关闭，一白色泡罩表示此单一LED被接通。通过定期地接通和关闭此单一LED来形成此图样。五个箭头分别代表第一周期至第五周期。参考区域是相等于此单一LED的照明区域。在此图样形成后，经由接通-开闭或调整此单一LED的电压或电流的准位(level)，此单一LED可以开始传送数据。图9是根据本发明一实施例，说明多个光源传送图样的另一范例。如图9所示，有四个光源，以光源a到光源d表示，并且只有光源a被用作光通信的一传送器。所以，只有光源a发射出一预定且随时间变化的图样，来辨识其位置。换句话说，由预定且随时间变化的图样所决定的参考区域可以被用来辨识发射此预定且随时间变化的图样的光源的位置。图10是根据本发明一实施例，说明一光通信的接收方法的运作。此接收方法可包括三种运作模式，即获取模式((acquisitionmode)、数据接收(datareceiving)模式、以及追踪(tracking)模式。在获取模式下，此接收方法从一图像感测元件的一感测图像中多个像素采取少量的测量，来侦测一或多个传送图样(transmittedpattern)。此测量可以包括此感测图像中多个像素的随机组合。在获取获模式中采取的测量的数量是少于在此感测图像中的一像素总量，例如，在一图像传感器中的图像感测阵列(imagesensingarray)。此接收方法然后比较所侦测到的图样与一或多个图样，此图样例如可保存在一存储器装置(memorymeans)中。如果从比较中获得一成功的匹配结果，此接收方法根据所侦测到的图样来决定一兴趣区域(ROI)。如果没有从比较中获得这样的一成功的匹配结果，此接收方法继续执行上述获取模式中图样侦测的运作。在决定ROI之后，此接收方法可以进入数据接收模式。在数据接收模式下，此接收方法采取此ROI中所有像素资料进行光通信的处理，例如图像处理和接收器(Rx)-基频处理。此像素数据可以从感测图像，或从光信号被采取。此ROI的光通信的处理结束后，此接收方法可以进入追踪模式。在追踪模式下，此接收方法采取比至少一追踪区域的一像素总量较少量的测量来追踪传送一或多个图样的传送器，例如传送器的位置。根据追踪模式下的一图样侦测结果，此ROI可以再被改善(refined)。当ROI被改善完成时，此接收方法返回到数据接收模式来接收数据。此数据接收模式与追踪模式的处理可以迭代地继续，直到完成光通信为止。图11A至图11F是根据本发明一实施例，说明一光通信系统的运作流程，此光通信系统备有以一LED阵列实现的一发光元件。在图11A中，在三个不同的时间，图像传感器中的一图像感测阵列感测到三个图像1101到1103，其中在每一图像中的小灰色方块是在获取模式下被接收装置中的一ADC所采取的测量，其中此测量是多个像素的多个RGB值，并且在每一图像中的粗体线条是由此传送装置传送的图样。在此ADC为每一图像上采取的测量上进行图像处理后，例如将这些像素的RGB值转换为代表像素值的亮度、应用正交匹配追踪(OrthogonalMatchingPursuit，OMP)到代表像素值的有决定性的亮度以及一相乘矩阵(productmatrix)，可侦测形成每一个图像上的图样的线条的参数，如图11B所示。在图11C中，一参考区域1130是根据所侦测到的三个图像的图样来决定，如虚线部分所示。此参考区域可以是，但不限于，图11B中侦测到的线条所包围的一最大区域。此接收装置的ADC采取含有参考区域1130的ROI1140的每一取样，并且以垂直线填充的方块表示，如图11D所示，用于光通信的后续处理。在各种实现方式中，此ROI1140的大小可以大于、小于或等于参考区域1130。并且，一ROI可以包括的一区域、或是多个更小区域的联集，如图11E所示。在图11F中，水平线表示一追踪区域1160，其中，接收装置可采用比追踪区域1160的一像素总量较少量的测量，来追踪传送装置的位置。图12是根据本发明一实施例，说明一光通信方法。如图12所示，此光通信方法可以产生一或多个光的图样，并且此图样可以形成一或多个的形状来决定一或多个参考区域(步骤1210)，并且可经由一发光元件在一或多个图样决定的一或多个参考区域中发射光(步骤1220)。在一获取模式1230中，此光通信方法可以采取比一感测图像的一像素总量较少量的测量(一第一多个测量)来侦测一或多个光的图样，并且根据一或多个侦测到的图样来决定至少一ROI。在一数据接收模式1240中，此光通信方法可采取此至少一ROI所有的光信号来进行光通信的后续处理。此光通信方法还可以进入一追踪模式。在此追踪模式1250中，此光通信方法可以采取比一追踪区域的一像素总量较少量的测量(一第二多个的测量)来追踪此发光元件所发射的光的此一或多个图样。产生光的一或多个图样以及此一或多个图样的细节已在较早的实施例中描述，并在此省略。压缩感测(compressivesensing)以及广义的(generalized)Hough转换(GHT)或是Radon转换的技术可以被应用于来自侦测有决定性的(under-determinant)随机测量的被传送的图样。详细的过程说明如下。令P＝{π1，π2，...，πN}是参数空间中的一组可能参数(possibleparameter)，其中参数空间可以是直线、圆、或是任意形状的几何图形的组合或是任何组合的集合。令一参数向量p是一指针函数(indicatorfunction)，即如果图像包含参数πk，则p的第k个元素是非零。例如，图7A中三个感测图像分别对应于三个指针函数P1，p2和p3。图7A中的每一图像包含两直线，所以每一指针函数只包含两个非零元素。换句话说，二维图像空间中的M条直线等于参数空间经过GHT后的M个点。对于一图像f，f与p之间的关系可写为f＝Hp，其中H是GHT的一逆运算(inverseoperator)或是随机转换(randomtransform)的一逆运算。由于指针函数p是稀疏的(sparse)，压缩感测的理论可以被应用。因此，本发明实施例中的接收装置可以采取有决定性的随机测量，而不是一整个图像的取样，来侦测指针函数p所传送的图样。令y是多个随机测量，并且y的大小远小于整个图像的大小。一关系式y＝Ψf＝ΨHp是保持的，其中Ψ是一组随机测量的基底向量(basisvector)的集合。指针函数p可经由满足y＝ΨHp条件的的一估计器来被复原。所以，包含在一转换的图样(transformedpattern)中的直线的数目是尽可能小是比较好的。图13是根据本发明一实施例的，说明在获取模式或追踪模式中侦测一图样的方法。如图13所示，此方法首先将感测图像的所有直线量化为一参数空间(步骤1310)，并且推导出一逆转换(步骤1315)，例如一Hough转换或一随机转换。产生逆Hough转换的一矩阵的应用范例可以先经由采用0°到180°的范围内的角度θ，以及-25到25的范围内的半径r，例如，Δθ等于2°及Δr等于3，然后得到(r，θ)坐标系统中参数空间的大小(size)，其中此大小可计算为(180/Δθ)×(50/Δr)，即等于1530。然后，此方法采取比来自感测图像(一第一测量)或来自至少一追踪区域(一第二测量)的像素的随机组合的一总量较少量的随机测量(第一测量或第二测量中的多个测量)(步骤1320)，并且应用一修正的OMP在此少量随机的测量上，以得到此参数空间中此图样的参数(步骤1325)。此图样需要采取的此少量测量的数量可以计算为C×k×log(N/k)，其中C是一常数，k是此图样中直线的数目，并且N是此感测图像中像素的数量。此方法重复步骤1320和1325，直到达到此图样的一最后画面为止(步骤1330)。综上所述，本发明上述的实施例提供了一种光通信传送和接收装置和方法，以及光通信系统和方法。此光通信系统包含一传送装置和一接收装置。此传送装置产生光的一或多个图样，并且此图样可以形成一或多个形状，以决定一或多个参考区域；以及从经由一或多个图样所决定一或多个参考区域中发射光来传送信号。在一获取模式下，此接收装置采取比一感测图像的一像素总量的一较少量(第一数量)的测量来侦测光的一或多个图样，并且根据一或多个侦测到的图样来决定一感测图像的至少一ROI。在一数据接收模式下，此接收装置采取此至少一ROI中的所有信号来处理光通信。在一追踪模式下，此接收装置采取比至少一追踪区域的一像素总量的一较少量(第二数量)的测量来侦测由此传送装置发射出的光的一或多个图样。与现有的光通信技术相比，当光通信被执行时，本发明实施例可以大幅增加画面速率以及大幅减少占用时间。以上所述仅为本发明实施例，当不能依此限定本发明实施的范围。即但凡本发明权利要求所作的等同变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围。