可见光通信系统及方法与流程

本发明乃是关于一种可见光通信系统及方法，特别是指一种可直接以行动装置上之影像传感器(如：CMOS影像传感器)作为信号接收器的一种可见光通信系统及方法。

背景技术：

可见光通信(Visible Light Communications，VLC)所使用的通信信号是用肉眼可看到的唯一无线通信信号，大部分是利用荧光灯或发光二极管等等光源来发出高速明暗闪烁信号来传输数据。尤其当所使用的光源为白光LED时，因其亮度很高，且调制速率亦高，人眼感受不到光的闪烁，因此，此种可见光通信技术即为一种在照明的同时亦能传输数据的通信技术。

于传统的可见光通信技术中，多以光传感器(Photo Detector；PD)来接收可见光信号。然而，设置光传感器将使得信号接收器具有一定的体积，且还需要外接电源来驱动光传感器。另外，于传统的可见光通信技术中，为了能使信号封包完整地被接收，于一个影像捕获周期内需将同一个封包信号至少传送三次，然而，此种作法仍可能使封包遗失。

技术实现要素：

本发明提供一种可见光通信系统，包括信号发射器与信号接收器。信号发射器用以发送可见光信号。信号接收器用以捕获可见光信号之影像，并根据可见光信号之影像还原出可见光信号。于此种可见光通信系统中，信号接收器包括影像捕获模块、图像处理模块与信号还原模块。图像处理模块连接于影像捕获模块，信号还原模块连接于图像处理模块。影像捕获模块用以捕获可见光信号之影像。图像处理模块用以对可见光信号之影像进行图像处理。信号还原模块用以根据经处理之可见光信号之影像判断可见光信号之影像中是否具有完整之一信号封包。若信号还原模块判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包，则信号还原模块根据可见光信号之影像直接还原出可见光信号，并取得该信号封包。然而，若信号还原模块判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包，则信号还原模块根据可见光信号之影像执行封包还原处理，以取得该信号封包，并还原出信号发射器所发送之可见光信号。

于此种可见光通信系统的一实施例中，影像捕获模块为一CMOS影像传感器。另外，影像捕获模块之一影像捕获周期恰等于信号发射器发送可见光信号时发送两个相同信号封包的时间，其中影像捕获周期包含一快门开启时间与一快门关闭时间。

本发明另提供一种可见光通信方法，适用于一种可见光通信系统。此种可见光通信系统包括信号发射器与信号接收器。信号发射器用以发送可见光信号，信号接收器用以捕获可见光信号之影像，并根据可见光信号之影像还原出可见光信号。信号接收器包括影像捕获模块、图像处理模块与信号还原模块，且图像处理模块连接于影像捕获模块，信号还原模块连接于图像处理模块。此种可见光通信方法包括：通过影像捕获模块，捕获可见光信号之影像；通过图像处理模块，对可见光信号之影像进行图像处理；通过信号还原模块，根据经处理之可见光信号之影像判断可见光信号之影像中是否具有完整之一信号封包。若信号还原模块判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包，则通过信号还原模块，根据可见光信号之影像直接还原出可见光信号，并取得该信号封包。然而，若信号还原模块判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包，则通过信号还原模块，根据可见光信号之影像执行一封包还原处理，以取得该信号封包，并还原出信号发射器所发送之可见光信号。

于此种可见光通信方法的一实施例中，影像捕获模块为一CMOS影像传感器。另外，影像捕获模块之一影像捕获周期恰等于信号发射器发送可见光信号时发送两个相同信号封包的时间，其中影像捕获周期包含一快门开启时间与一快门关闭时间。

综上所述，不同于传统之可见光通信系统另需设置体积较大的光传感器(Photo Detector；PD)于系统中可见光信号的接收端，本发明所提供之可见光通信系统与方法可直接利用行动装置上的相机(如：CMOS影像传感器)作为可见光信号接收器中的影像捕获模块。再者，于本发明所提供之可见光通信系统与方法中，信号发射器在发送可见光信号时，相同的信号封包仅须连续发送两次，可提升可见光通信系统的信号传输效能，另外，藉由封包还原处理的机制，还能有效地避免封包遗失的现象。

为使能更进一步了解本发明之特征及技术内容，请参阅以下有关本发明之详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅系用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统之方块图。

图2A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号接收器所捕获到之可见光信号的影像。

图2B为根据本发明例示性实施例绘示之根据经处理之可见光信号的影像所获得之灰阶值对像素的曲线图。

图2C为根据本发明例示性实施例绘示之根据经处理之可见光信号的影像所获得之二值化灰阶值对像素的关系图。

图3A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号还原模块判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包且信号还原模块执行封包还原处理的示意图。

图3B为用以显示图4A中不完整之信号封包的灰阶值对像素作图。

图3C为用以显示将图4A中不完整之信号封包进行封包还原处理后的灰阶值对像素作图。

图4A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号还原模块判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包的示意图。

图4B为用以显示图3A中完整之信号封包的灰阶值对像素作图。

图5A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法之流程图。

图5B为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法中图像处理模块对可见光信号之影像进行图像处理的步骤之流程图。

图5C为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法中信号还原模块根据可见光信号之影像执行封包还原处理的步骤之流程图。

具体实施方式

在下文将参看随附图式更充分地描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述之例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸图式中，类似数字始终指示类似组件。

以下将以多个实施例说明本发明所提供之可见光通信系统与方法，然而，下述实施例并非用以限制本发明。

〔可见光通信系统的一实施例〕

请参见图1，图1为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统之方块图。如图1所示，本实施例所提供之可见光通信系统1主要包括信号发射器TX与信号接收器RX。信号发射器TX用以发送可见光信号，且信号接收器RX用以捕获信号发射器TX所发送之可见光信号的影像，并根据所捕获的影像还原出发射器TX所发送之可见光信号。信号发射器TX所发送之可见光信号的信号源可为荧光灯或发光二极管(LED)…等。一般来说，可见光的波长介于375nm至780nm之间。举例来说，若信号源为普通的日光灯，则其所发出的可见光信号之传输能力约为10kbit/s；若信号源为发光二极管，则其所发出的可见光信号之传输能力可达500Mbit/s。

复如图1所示，于可见光通信系统1中，信号接收器RX主要包括影像捕获模块10、图像处理模块20与信号还原模块30。图像处理模块20连接于影像捕获模块10，且信号还原模块30连接于图像处理模块20。信号接收器RX系藉由影像捕获模块10来捕获信号发射器TX所发送之可见光信号的影像。本实施例所提供之可见光通信系统1的特点之一即在于，影像捕获模块10可为一CMOS影像传感器。进一步说明，以CMOS影像传感器作为信号接收器RX之影像捕获模块10的其一好处在于，可见光通信系统1可直接利用行动装置(如：智能型手机、平板计算机…等)的相机来做为影像捕获模块10，如此一来，便无需使用外接电源来驱动影像捕获模块10。再者，相较于传统之可见光通信系统使用光传感器(Photo Detector；PD)来接收可见光信号，使用CMOS影像传感器来接收可降光信号将可大幅地缩小信号接收器RX的体积。另外，由于CMOS相机其滚动式快门(Rolling Shutter)的特性，信号接收器RX将可接收传送速度高于相机帧速率的信号。

接着说明，于可见光通信系统1中，图像处理模块20系用以对可见光信号之影像进行图像处理，以使得信号还原模块30能够根据经处理之可见光信号的影像来判断该影像中是否具有完整之信号封包。本实施例所提供之可见光通信系统1的主要工作机制即在于，若信号还原模块30判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包，则信号还原模块30便会根据可见光信号之影像取得该信号封包，并还原出信号发射器TX所发送的可见光信号。然而，若信号还原模块30判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包，则信号还原模块30根据可见光信号之影像执行一封包还原处理，以取得该信号封包，并还原出信号发射器TX所发送的可见光信号。

于以下说明中，首先将进一步阐述于可见光通信系统1中图像处理模块20如何可见光信号之影像进行图像处理，以使得信号还原模块30能够根据经处理之可见光信号的影像来判断该影像中是否具有完整之信号封包。

请参照图2A～图2C，图2A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号接收器所捕获到之可见光信号的影像，图2B为根据本发明例示性实施例绘示之根据经处理之可见光信号的影像所获得之灰阶值对像素的曲线图，以及图2C为根据本发明例示性实施例绘示之根据经处理之可见光信号的影像所获得之二值化灰阶值对像素的关系图。

由于本实施例所提供之可见光通信系统1系藉由荧光灯或发光二极管所发出的明暗闪烁信号来实现信号传输，因此如图2A所示，影像捕获模块10所捕获到之可见光信号的影像会具有多个亮暗条纹。于影像捕获模块10捕获到可见光信号的影像后，图像处理模块20会对可见光信号之影像进行图像处理，以使得信号还原模块30能够根据经处理之可见光信号的影像来判断该影像中是否具有完整之信号封包。

首先，图像处理模块20会对可见光信号之影像进行边缘侦测，以获得一灰阶影像。须说明地是，本发明所属技术领域中具有通常知识者应可理解图像处理模块20对可见光信号之影像进行边缘侦测并获得灰阶影像之原理，故本发明于此便不另赘述相关细节。接着，为了排除可见光信号之影像被捕获时由于过度曝光而使得可见光信号无法正确地被还原，图像处理模块20将对所获得的灰阶影像进行二值化处理。于图像处理模块20对所获得的灰阶影像进行二值化处理的过程中，图像处理模块20首先会针对该灰阶影像作出灰阶值对像素之一曲线图，此曲线图即如图2B所示。以Iphone6的CMOS传感器为例，图2B中的横轴即为可见光信号之影像中任一行之第1列至第1080列的像素，图2B中的纵轴即为任一行之各列像素的灰阶值。由图2B中，图像处理模块20可获得复数个局部灰阶极大值与局部灰阶极小值。为了对各列像素的灰阶值进行二值化，图像处理模块20会先计算出一阀值，此阀值即为图2B中两两相邻之局部灰阶极大值与局部灰阶极小值的一灰阶平均值(即，图2B所示之曲线Cavg。最后，根据所计算出之该些灰阶平均值，图像处理模块20对每一像素之灰阶值进行二值化，亦即，图像处理模块20将大于该些灰阶平均值(即，曲线Cavg)之灰阶值二值化为1，且将小于该些灰阶平均值之灰阶值二值化为0，以得出图2C所示之二值化灰阶值对像素的关系图。

一般来说，一个完整的信号封包包含标头(Header)与数据(Data)两个部分。承上述，标头所处位置之像素的二值化灰阶值系为0。因此，于本实施例中，信号还原模块30会判断图2B中二值化灰阶值为0之多个连续像素是否达到一预设像素个数，若二值化灰阶值为0之多个连续像素达到该预设像素个数，则信号还原模块30即判断有一信号封包的标头H位于该些连续像素(即，图2C中约于第195～205列之像素的位置，以及图2C中约于第990～1000列之像素的位置)。

本实施例所提供之可见光通信系统1的另一特点即在于，影像捕获模块10之影像捕获周期恰等于信号发射器TX发送可见光信号时传送两个相同信号封包的时间。较详细地说，以CMOS影像传感器为例，影像捕获周期包含快门开启时间与快门关闭时间。于快门开启时间内，CMOS影像传感器能够接收可见光信号，但于快门关闭时间内，CMOS影像传感器便无法接收可见光信号。藉由此种特点，本发明所提供之可见光通信系统1之信号发射器TX在发送可见光信号时，相同的信号封包仅需连续发送两次，此信号封包便能完整地被取得，可有效地避免封包遗失的现象。

于以下说明中，接着将进一步阐述于可见光通信系统1中信号还原模块30如何根据经处理之可见光信号的影像来判断该影像中是否具有完整之信号封包，以及若该影像中不具有完整之信号封包时，信号还原模块30如何执行封包还原处理。

承上述，根据经图像处理模块20处理之可见光信号的影像，信号还原模块30便能判断出该影像中具有几个信号封包之标头H，以及信号封包之标头H位于哪些连续像素上。

于是，若信号还原模块30于可见光信号之影像中找出两个信号封包的标头H，则信号还原模块30便判断此可见光信号之影像中具有完整的信号封包。另一方面，若信号还原模块30于可见光信号之影像中仅找出两个信号封包其中之一的标头H，则信号还原模块30判断此可见光信号之影像中不具有完整之信号封包，并对此可见光信号之影像执行封包还原处理。

请参照图3A～3C，图3A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号还原模块判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包且信号还原模块执行封包还原处理的示意图，图3B为用以显示图3A中不完整之信号封包的灰阶值对像素作图，以及图3C为用以显示将图3A中不完整之信号封包进行封包还原处理后的灰阶值对像素作图。

如图3A所示，于信号还原模块30于可见光信号之影像中仅找出两个信号封包其中之一的标头H之情况下，信号还原模块30首先会将影像捕获模块10的快门开启时间换算为对应前述可见光信号之影像的总像素列数，并据此换算出对应影像捕获模块10的快门关闭时间的像素列数。举例来说，若影像捕获模块10为Iphone6的CMOS相机，由于只有在于快门开启时间内，CMOS相机才能够接收可见光信号，因此快门开启时间即会被换算成可见光信号之影像的总像素列数。另外，对应快门关闭时间的像素列数则可藉由式1获得。

Frame Time＝(PCMOS+Pgap)x(取样率)^-1x(封包长度)^-1x(Packet Time) [式1]

于式1中，PCMOS为对应可见光信号之影像的总像素数量，Pgap为对应快门关闭时间的像素数量，取样率为可见光通信系统1的取样频率，其单位为像素数量/位，封包长度的单位为位(bit)，Packet Time为封包由信号源被传送至接收端所经历的时间，Frame Time则为影像捕获模块10之影像捕获周期。也就是说，PCMOS与Pgap系有关于影像捕获模块10的硬件规格。举例来说，就相同规格的CMOS相机而言，即会具有相同的PCMOS与Pgap。如图3A所示，于已知由快门开启时间换算出的总像素为1～1080pixel的情况下，若已知取样率为4.01(bit/pixel)，封包长度为84bit(即，12bit(标头)+72bit(资料))，Packet Time为1/120秒，Frame Time为1/60秒，则可由式1计算出Pgap约为396pixel。

于计算出对应可见光信号之影像的总像素列数PCMOS，以及对应快门关闭时间的像素列数Pgap后，信号还原模块30便可根据前述经处理之可见光信号之影像来获得信号封包之标头H所在的像素位置，并将标头H所在的像素位置作标记(即，图3A中的H)。如此一来，信号还原模块30便可根据对应可见光信号之影像的总像素列数PCMOS以及对应快门关闭时间的像素列数Pgap，找出一信标B的位置(即，如图3A所示之B)。信号还原模块30系根据一信标位置公式(即，以下式2)来找出信标B的位置。

Pbeacon＝PCMOS-(PCMOS+Pgap)/2+1 [式2]

于式2中，Pbeacon为信标B的位置，PCMOS为对应可见光信号之影像的总像素列数，且Pgap为对应快门关闭时间的像素列数。承上例，由于PCMOS＝1080且Pgap＝396，便可得出Pbeacon＝373。也就是说，信标B的位置即在于可见光信号之影像之总像素中第373个像素的位置。

由图3A可看出，由于部分的封包数据送达信号接收器RX的时间系落于快门关闭时间内(即，由快门开启时间起始点start至快门开启时间结束点end内)，即，由快门开启时间结束点end(可见光信号之影像之总像素中第1080个像素的位置)至另一封包信号之标头H的封包数据系落于快门关闭时间内，因此影像捕获模块10仅获得于快门开启时间内由标头H(根据如图3B所示之灰阶值对像素作图，标头H始于可见光信号之影像之总像素中第700个像素的位置)至快门开启时间结束点end的不完整信号封包。然而，由图3A亦可看出，前述落于快门关闭时间内之部分封包数据即由信标B(可见光信号之影像之总像素中第373个像素的位置)至标头H的封包数据。因此，当信号还原模块30找到信标B的位置后，只要将位于信标B之位置的像素至位于标头H之位置的前一个像素(第700-1个像素)之一信号封包片段补齐至前述不完整之信号封包(H至end)的尾端，便可以还原整个信号封包。

若图3B与图3C所示之灰阶值对像素作图来看，图3B中信标B至封包信号之标头H前一个像素之间的像素数据(即，灰阶值)即被补齐至图3C中信标B处，以还原出整个信号封包(即，图3C中约700个像素的像素资料)。

另一方面，若于信号还原模块30于可见光信号之影像中找出两个信号封包的标头H之情况下，请参照图4A与图4B，图4A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信系统中信号还原模块判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包的示意图，且图4B为用以显示图4A中完整之信号封包的灰阶值对像素作图。

如图4A所示，信号还原模块30于可见光信号之影像中能找出两个信号封包的标头H，也就是说，于影像捕获模块10的一个影像捕获周期内，其中一个封包信号送达信号接收器RX的时间系完全地落于快门开启时间内(即，由快门开启时间起始点start至快门开启时间结束点end内)。于此情况下，信号还原模块30便可直接取得该信号封包的完整数据，以还原出信号发射器TX所发送之可见光信号。

由以上说明可知，即便信号还原模块30于可见光信号之影像中仅找出两个信号封包其中之一的标头，通过封包还原处理的执行，也能将此信号封包完整地取得。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，传统的可见光通信系统需于一个影像捕获周期内将同一个封包信号至少传送三次，且仍可能使封包遗失。相较于此，本发明所提供之可见光通信系统1不仅只需于一个影像捕获周期内将同一个封包信号传送两次，还能有效地避免封包遗失的现象。

〔可见光通信方法的一实施例〕

请参照图5A，图5A为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法之流程图。本实施例所提供之可见光通信方法500可以于由图1、2A～2B、3A～3C与4A～4B所阐述之可见光通信系统1执行，因此请一并照图1、2A～2B、3A～3C与4A～4B以利理解。

可见光通信方法500主要包括以下步骤：过影像捕获模块10捕获可见光信号之影像(步骤S510)；通过图像处理模块20对可见光信号之影像进行图像处理(步骤S520)；通过信号还原模块30，根据经处理之可见光信号之影像判断可见光信号之影像中是否具有完整之信号封包(步骤S530)。于步骤S530中，若信号还原模块30判断可见光信号之影像中具有完整之信号封包，则进入步骤S540，通过该信号还原模块，根据可见光信号之影像直接取得该信号封包，并还原出信号发射器TX所发送之可见光信号。然而，于步骤S530中，若信号还原模块30判断可见光信号之影像中不具有完整之信号封包，则进入步骤S550，通过信号还原模块30，根据可见光信号之影像执行一封包还原处理，以取得该信号封包，并还原出信号发射器TX所发送之可见光信号。

须说明地是，于本实施例所提供之可见光通信方法500中，图像处理模块20对可见光信号之影像进行图像处理的步骤主要包括以下步骤。请参照图5B，图5B为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法中图像处理模块对可见光信号之影像进行图像处理的步骤之流程图。

于本实施例所提供之可见光通信方法500中，图像处理模块20对可见光信号之影像进行图像处理的步骤S510主要包括：通过图像处理模块20，对可见光信号之影像进行边缘侦测，以获得一灰阶影像(步骤S511)；通过图像处理模块20，针对该灰阶影像，获得灰阶值对像素之一曲线图，以于该曲线图中获得复数个局部灰阶极大值与局部灰阶极小值，并计算两两相邻之局部灰阶极大值与局部灰阶极小值的一灰阶平均值(步骤S512)；以及通过图像处理模块20，根据所计算出之该些灰阶平均值，对每一像素之灰阶值进行二值化，将大于该些灰阶平均值之灰阶值二值化为1，且将小于该些灰阶平均值之灰阶值二值化为0(步骤S513)。

须说明地是，于本实施例所提供之可见光通信方法500中，信号还原模块30根据可见光信号之影像执行封包还原处理的步骤S550主要包括以下步骤。请参照图5C，图5C为根据本发明例示性实施例绘示之可见光通信方法中信号还原模块根据可见光信号之影像执行封包还原处理的步骤之流程图。

于本实施例所提供之可见光通信方法500中，信号还原模块30根据可见光信号之影像执行封包还原处理的步骤S550主要包括：通过信号还原模块30，将快门开启时间换算为对应可见光信号之影像的总像素列数，并据此换算出对应快门关闭时间的像素列数(步骤S551)；通过信号还原模块30，根据对应可见光信号之影像的总像素列数以及对应快门关闭时间的像素列数，找出一信标位置(步骤S552)；以及通过信号还原模块30，将位于该信标位置之像素至位于标头之位置的前一个像素之一信号封包片段补齐至该信号封包的尾端，以还原整个信号封包(步骤S553)。

关于适用于可见光通信系统1之可见光通信方法500中各步骤的相关细节在上述图1、2A～2B、3A～3C与4A～4B所阐述之实施例已详细说明，在此恕不赘述。但须说明的是，本实施例中各步骤仅为方便说明之须要，本实施例中各步骤间的顺序并不作为本发明于实施时地限制条件。

〔实施例的可能功效〕

综上所述，不同于传统之可见光通信系统另需设置体积较大的光传感器于系统中可见光信号的接收端，本发明所提供之可见光通信系统与方法可直接利用行动装置上的相机(如：CMOS影像传感器)作为可见光信号接收器中的影像捕获模块。好处之一在于，行动装置上的CMOS相机无需藉由外接电源来驱动。

另一好处在于，相较使用光传感器来接收可见光信号的可见光通信系统，本发明所提供之可见光通信系统与方法使用CMOS影像传感器来接收可见光信号将可大幅地缩小信号接收器的硬件体积。再者，由于CMOS相机其滚动式快门的特性，本发明所提供之可见光通信系统中的信号接收器将可接收传送速度高于相机帧速率的信号。

最重要地是，传统的可见光通信系统需于一个影像捕获周期内将同一个封包信号至少传送三次，且仍可能使封包遗失。相较于此，本发明所提供之可见光通信系统与方法只需于一个影像捕获周期内将同一个封包信号传送两次，可提升可见光通信系统的信号传输效能，同时，藉由封包还原处理的机制，还能有效地避免封包遗失的现象。

以上所述仅为本发明之实施例，其并非用以局限本发明之专利范围。

【符号说明】

1：可见光通信系统

TX：信号发射器

RX：信号接收器

10：影像捕获模块

20：图像处理模块

30：信号还原模块

H：标头

B：信标

start：快门开启时间起始点

end：快门开启时间结束点

500：可见光通信方法

S510～S550：步骤

S511～S513：步骤

S551～S553：步骤。