Phân tích các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền thông quang sử dụng camera

Nội dung text: Phân tích các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền thông quang sử dụng camera

1. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) 46 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG SỬ DỤNG CAMERA ANALYSIS OF PARAMETERS AFFECTING THE PERFORMANCE OF OPTICAL CAMERA COMMUNICATION SYSTEM Nguyễn Duy Thông1, Phạm Văn Khoa2 1Trường Đại học Quy Nhơn, Việt Nam 2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, Việt Nam Ngày toà soạn nhận bài 21/6/2021, ngày phản biện đánh giá 3/7/2021, ngày chấp nhận đăng 15/7/2021. TÓM TẮT Hệ thống truyền thông quang sử dụng camera (OCC) là mô hình sử dụng đèn LED và cảm biến hình ảnh (IS) để truyền và nhận tín hiệu. Tuy nhiên, các ứng dụng của OCC vẫn còn giới hạn do tốc độ dữ liệu thấp và khoảng cách truyền ngắn. Để cải thiện hơn nữa hiệu suất của hệ thống, nghiên cứu này sẽ đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Các kết quả phân tích và thực nghiệm cho thấy rằng, hiện tượng nhấp nháy và khoảng cách giữa hai khung (IFG) làm giảm đáng kể tốc độ dữ liệu của hệ thống. Hiện tượng chói (Blooming) cũng làm cho khoảng IFG trở nên lớn hơn, và tác động đến khoảng cách truyền tín hiệu. Bên cạnh đó, cường độ ánh sáng của phía phát cần phải xem xét để phù hợp với hệ thống chiếu sáng và tránh hiện tượng bão hòa. Bài báo cũng đưa ra so sánh hiệu suất của hệ thống với tốc độ dữ liệu 1.8 kbps và 3.6 kbps. Các kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng có sự đánh đổi giữa tốc độ dữ liệu và khoảng cách truyền. Do đó, phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, các thông số của cảm biến hình ảnh cần được xem xét một cách cẩn thận và phù hợp. Từ khóa: Hệ thống quang sử dụng camera (OCC); cảm biến hình ảnh (IS); hiện tượng nhấp nháy; khoảng giữa hai khung (IFG); hiện tượng bão hòa. ABSTRACT Optical camera communication (OCC) system is a scheme that uses LED and an image sensor (IS) to transmit and receive signal. However, the applications of OCC are still limited due to low data rate and short transmission distance. To further enhance the system performance, this study will evaluate the parameters that affect the system performance. The experimental and analytical results show that flickering and inter-frame gap (IFG) significantly reduce the data rate of the system. Blooming phenomenon also causes the IFG to become wider, and affects the transmission distance. The light intensity of the transmitter needs to be considered to conform the lighting system and avoid the saturation problem. In this paper, the performent of system is compared with data rate of 1.8 kbps and 3.6 kbps. The experimental results show that there is a trade-off between data rate and transmission distance. Therefore, depending on the specific application, the parameters of the image sensor should be considered carefully and appropriately. Keywords: Optical camera communication (OCC); image sensor (IS); flickering; inter-frame gap (IFG); saturation. 1. GIỚI THIỆU đến sự gia tăng lưu lượng truy cập của các Trong thập kỉ qua, với sự phát triển mạng viễn thông bao gồm cả mạng không mạnh mẽ của các dịch vụ băng thông rộng, dây. Trong những năm qua, công nghệ truyền sự gia tăng của các thiết bị di động đã dẫn thông không dây giữ vai trò quan trọng trong Doi: 10.54644/jte.65.2021.136
2. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 47 hệ thống viễn thông. Tuy nhiên, nhu cầu sử 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN dụng mạng vô tuyến ngày càng cao đã làm THÔNG QUANG SỬ DỤNG cho các phổ băng tần vô tuyến (RF) trở nên CAMERA (OCC- OPTICAL quá tải. Việc nghiên cứu và phát triển các CAMERA COMMUNICATIONS) công nghệ truyền thông mới là yêu cầu hết Cũng giống như hệ thống VLC, hệ thống sức cấp bách để giảm tải cho công nghệ RF OCC cũng sử dụng ánh sáng nhìn thấy làm truyền thống. phương tiện truyền dẫn. Tuy nhiên, hệ thống Cùng với sự phát triển của công nghệ OCC sử dụng một IS tại phía thu. Như trong bán dẫn là sự phát triển của công nghệ đèn Hình 1, tín hiệu đầu vào được điều chế trước LED (Light Emitting Diode), cảm biến hình khi gởi đến khối LED driver. Khối điều chế ảnh và công nghệ truyền không dây sử dụng sẽ thực hiện hai nhiệm vụ chính. Thứ nhất, ánh sáng khả kiến VLC (Visible Light điều chế tín hiệu thành các dạng tín hiệu hiệu Communication) [1]. Nó được xem là một quả hơn trước khi truyền đi. Thông thường, giải pháp bổ sung và thay thế cho công nghệ đối với hệ thống OCC, tín hiệu chủ yếu được vô tuyến trong tương lai bởi những ưu điểm điều chế dưới dạng biên độ. Điều chế OOK của nó. VLC là công nghệ có các tính năng (On-Off Keying) [2, 5] hay điều chế tín hiệu nỗi bật như tận dụng ánh sáng của hệ thống nhiều mức [6] thường được sử dụng trong hệ chiếu sáng, không ảnh hưởng đến sức khỏe thống OCC. Nguyên nhân là do, IS chỉ có thể con người, và tiêu tốn ít năng lượng. Công nhận biết cường độ ánh sáng của tín hiệu. Tín nghệ VLC sử dụng các nguồn ánh sáng như hiệu có nhiều mức sẽ đồng nghĩa với việc sẽ là một máy phát tín hiệu. Nói chung, máy có nhiều dữ liệu được mang đi hơn. Tuy phát thường là đèn LED có thể dễ dàng tích nhiên hiệu suất về khoảng cách truyền của hệ hợp trong các hệ thống chiếu sáng hiện có. thống bị giảm đi. Trong hệ thống OCC, bộ Trong khi các thiết bị ở phía thu là diode phát sẽ được tích hợp trong hệ thống chiếu quang hay cảm biến hình ảnh (IS). Truyền sáng trong nhà. Do đó, nhiệm vụ thứ hai của thông ánh sáng khả kiến sử dụng camera khối điều chế là cần phải loại bỏ hiện tượng (OCC- Optical Camera Communication) là nhấp nháy. Hiện tượng này xảy ra khi tần số một nhánh của truyền thông VLC, trong đó tín hiệu thấp hơn 100 Hz [5] hoặc khi tín hiệu OCC sử dụng IS như một bộ nhận tại phía có cùng biên độ truyền đi trong một khoảng thu [2-3]. Công nghệ OCC có tốc độ dữ liệu thời gian dài. Tiếp theo, tín hiệu sẽ được đưa thấp hơn nhiều so với VLC [4]. Tuy nhiên tới khối LED Driver để chuyển tín hiệu thành với sự tích hợp của IS trong hầu hết các thiết các mức điện áp. Các mức điện áp sẽ tương bị di động hiện nay đã mở ra một tiềm năng ứng với các mức sáng của đèn LED. to lớn cho việc ứng dụng công nghệ OCC vào thực tế. Tx Các máy ảnh hiện nay đều nhằm mục Tín hiệu Điều chế LED Driver đích là quay phim, chụp ảnh. Do đó, nó tồn đầu vào tín hiệu tại những hạn chế nhất định khi được sử dụng cho các hệ thống truyền thông. Nghiên cứu này sẽ đi phân tích các thông số của IS cũng như các thông số quan trọng khác trong hệ thống làm ảnh hưởng đến hiệu năng của Tín hiệu Giải điều Bộ xử lý hệ thống OCC. Nội dung các chương được đầu ra chế tín hiệu trình bày như sau: Phần 1 giới thiệu, đặt vấn Cảm biến hình ảnh đề; Phần 2 giới thiệu tổng quan về hệ thống Rx quang sử dụng camera OCC; Phần 3 phân tích các thông số trong hệ thống OCC và cuối Hình 1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống cùng là phần kết luận. OCC
3. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) 48 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Tại phía thu, tín hiệu sẽ được nhận bởi Read-out time cảm biến hình ảnh CMOS (Complementary Exposing time t Metal Oxide Semiconductor). Cảm biến hình w Row 1 ảnh sẽ phân biệt các mức tín hiệu dựa trên Row 2 (a) cường độ ánh sáng nhận được. Cuối cùng tín hiệu ánh sáng sẽ được tổng hợp bởi các pixel (điểm ảnh) và đưa tới bộ xử lý để giải mã. Row n Frame interval t Readout time 3. PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ CỦA f tr HỆ THỐNG OCC Row 1 Row 2 3.1 Cơ chế màn trập cuộn và vấn đề (b) khoảng cách giữa các khung hình (IFG) Row n t Một trong những nguyên nhân không thể IFG tránh khỏi tác động đến hiệu suất của hệ t r Inter frame gap thống OCC khi sử dụng camera là khoảng cách giữa các khung hình IFG (Inter-frame Hình 2. Quá trình xử lý các khung liền kề gap). Điều này xảy ra chủ yếu đối với các của cảm biến CMOS cảm biến hình ảnh sử dụng công nghệ (a) Trường hợp lý tưởng CMOS. So với cảm biến sử dụng công nghệ CCD (Charge Coupled Device), cảm biến (b) Trường hợp thực tế CMOS được sử dụng nhiều hơn. Nguyên Tuy nhiên, trong thực tế, quá trình tổng nhân là do, cảm biến CMOS rẻ hơn và được hợp dữ liệu của các hàng pixel khác nhau có tích hợp vào hầu hết các dòng điện thoại và thể trùng lặp vì mỗi hàng pixel có bộ chuyển các thiết bị thông minh ngày nay. Sự khác đổi tương tự- số ADC (Analog to Digital biệt chính giữa hai công nghệ này là phương Converter) riêng, như được chỉ ra trong Hình pháp mà mỗi cảm biến nhận và tổng hợp 2(b). Do đó xuất hiện một khoảng thời gian thông tin từ các điểm ảnh. Tất cả các điểm "trống" giữa hai khung hình liên tiếp mà ảnh của cảm biến CCD được phơi sáng trong khoảng thời gian này các hàng pixel (exposing) đồng thời, sau đó thông tin nhận không được phơi sáng. Khoảng thời gian này được của tất cả các điểm ảnh được tổng hợp được gọi là IFG, 푡 퐹 , như được minh họa cùng một lúc. Trong khi cảm biến CMOS trong Hình 2(b). Khoảng thời gian này là cần tổng hợp và đọc dữ liệu theo trình tự từng thiết để bộ xử lý của camera tổng hợp toàn hàng pixel để tránh hiện tượng nghẽn cổ bộ dữ liệu của một khung, hoặc để chuẩn bị chai. Cơ chế này được gọi là cửa trập cuộn cho khung tiếp theo [7]. Thời gian đọc của (rolling shutter). Như trong Hình 2(a), thời một khung hình chiếm tương ứng từ 60% đến gian đọc được đo dựa trên khoảng thời gian 90% khoảng thời gian của một khung, như giữa hai hàng pixel liền kề, và không có được chỉ ra trong [8]. Khoảng khung 푡 và tốc khoảng IFG giữa hai khung hình liên tiếp. độ khung hình 퐹 được ước tính là: Trong trường hợp này khung hình tiếp theo sẽ được phơi sáng khi hàng cuối cùng của 푡 = 푡 + 푡 퐹 (1) khung hình trước hoàn thành. Đây là trường 1 1 퐹 = = (2) hợp lý tưởng đối với cảm biến CMOS. Khi 푡 푡 +푡 퐹 đó, tốc độ khung hình được tính bằng phép Khoảng thời gian của một khung hình nhân số hàng pixel và thời gian đọc mỗi được chỉ ra trong Hình 3. Thời gian trung hàng. Các hàng của khung tiếp theo phải chờ bình của một khung là khoảng 33 ms Nó một khoảng thời gian 푡 để đảm bảo rằng 휔 tương ứng với khung tốc độ là 30 khung quá trình đọc của khung hiện tại phải hoàn hình/giây. Thời gian 0.033 ms là bao gồm cả thành trước khi bắt đầu phơi sáng các hàng thời gian đọc 푡 và thời gian IFG 푡 . Và thật tương ứng của khung kế tiếp. 퐹 khó để tách 푡 và 푡 퐹 ra khỏi nhau vì chúng
4. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 49 phụ thuộc vào từng loại cảm biến hình ảnh và khoảng thời gian giữa hai lần sáng-tắt liên môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, thời tiếp dài. Như đã đề cập ở trên, tần số cao hơn gian của các khung hình cũng bị biến thiên. 100 Hz là đủ để loại bỏ nhấp nháy. Đối với Một số khung hình sẽ mất nhiều thời gian điều chế OOK, vấn đề này có thể xảy ra khi hơn các khung khác, như được chỉ ra ở nhiều bit giống nhau được gửi trong một khung hình 11 và 23 trong kết quả đo đạc của khoảng thời gian dài. Vì thế, mã đường Hình 3. Khoảng thời gian này là do camera truyền được thêm ở bước cuối của quá trình dành nhiều thời gian để tổng hợp dữ liệu và điều chế trước tín hiệu được gửi đến LED. do đó làm cho khoảng thời gian 푡 퐹 cũng dài Mã hóa Manchester, scramber, và mã hóa hơn. Chính nguyên nhân đó làm cho dữ liệu giới hạn độ dài RLL (Run Length Limited) là đã truyền đi không được đọc bởi camera, gây những cách đơn giản để loại bỏ hiện tượng khó khăn hơn cho việc khôi phục dữ liệu nếu nhấp nháy. không có mã sửa lỗi hoặc việc truyền dữ liệu Đối với điều chế biên độ nhiều mức như lặp lại. PAM, nhấp nháy là kết quả của sự biến thiên điện áp. Nhấp nháy xảy ra khi có sự chênh lệch lớn về cường độ sáng của hai ký tự liền kề. Do đó, cường độ ánh sáng của các của các ký tự liền kề cần được kiểm soát. Muốn đạt được điều đó, cường độ ánh sáng trung bình phát ra luôn ổn định. Cường độ ánh sáng nhận được ở máy ảnh là tỉ lệ thuận với hiệu điện thế ở máy phát. Tuy nhiên, tỉ lệ biến thiên của điện áp cấp cho đèn không cùng với tỉ lệ biến thiên của cường độ ánh sáng ở ngõ ra. Do đó, việc xác định điện áp cho từng mức cũng quan trọng để tránh trường hợp các mức cường độ ánh sáng phát ra của hai kí tự liền kề có sự chênh lệch lớn, gây ra hiện tượng nhấp nháy. Hơn nữa, hiện Hình 3. Thời gian cho mỗi khung hình tượng này sẽ dẫn đến việc khó xác định Để khắc phục vấn đề này, các hệ thống ngưỡng tín hiệu. Ngoài ra, hiện tượng nhấp OCC thường truyền dữ liệu lặp lại nhiều lần nháy cũng có thể bị tác động bởi ánh sáng để một trong số chúng có thể được nhận bởi môi trường xung quanh và độ nhạy của mắt camera. Nếu một phần gói tin bị mất tại IFG người. thì các gói tin còn lại có thể được sử dụng để 3.3 Tốc độ dữ liệu và độ dài gói tin khôi phục dữ liệu. Ngoài ra, có thể sử dụng mã sửa lỗi để khôi phục lại các bit bị mất tại Trong hệ thống OCC, tốc độ dữ liệu và IFG. Và tất nhiên các phương pháp này đều độ dài gói có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. làm giảm hiệu suất dữ liệu của hệ thống. Tốc độ dữ liệu càng cao có thể cho phép sử dụng một gói tin dài hơn (về mặt số lượng 3.2 Hiện tương nhấp nháy - Flickering bit). Bên cạnh đó, độ dài của gói tin còn phụ Nhấp nháy là một trong những vấn đề thuộc số lượng bit nhận được trong một cần được xem xét khi thiết kế bất kì một hệ khung hình, khi mà nó phụ thuộc vào từng thống OCC. Trong hệ thống OCC, ánh sáng loại IS. Ngoài ra, độ dài gói tin cũng phụ được sử dụng cho cả hai mục đích chiếu sáng thuộc vào khoảng cách truyền vì số lượng bit và truyền thông. Do đó, hiện tượng nhấp mất giữa hai khung tỉ lệ thuận với khoảng nháy cần phải được loại bỏ để không ảnh cách truyền. Để khắc phục sự cố IFG, dữ liệu hưởng đến mắt người. Vấn đề này xảy ra khi được truyền lặp lại nhiều lần. Một gói tin bao đèn sáng ở tần số thấp, điều đó có nghĩa rằng gồm nhiều gói tin con giống nhau về nội
5. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) 50 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh dung nhưng khác nhau về tiêu đề. Số lượng Để đáp ứng tần số lấy mẫu Nyquist, thời gói tin con trong một gói phụ thuộc vào kích gian cho một bit dữ liệu phải lớn hơn thời thước IFG và khoảng cách truyền. Điều đó gian phơi sáng của một hàng pixel ít nhất là có nghĩa rằng IFG càng rộng thì số lần truyền hai lần. Hay nói cách khác, một bit sẽ được lặp lại dữ liệu càng nhiều để đảm bảo một lấy mẫu bởi càng nhiều hàng pixel càng tốt. trong các gói con có thể được nhận bởi IS. Kết quả là, tốc độ dữ liệu của OCC bị giới Kết quả là lượng thông tin hữu ích truyền đi hạn bởi thời gian phơi sáng. Theo biểu thức bị giảm. Bên cạnh đó, độ dài của một gói tin (4) có thể thấy rằng, thời gian phơi sáng tỉ lệ con bị giới hạn bởi số bit nhận được của một thuận với độ phân giải cũng như tốc độ khung 퐿 . Độ dài của gói tin con phải nhỏ khung của IS. Sử dụng một máy ảnh chất hơn 퐿 , như minh họa ở Hình 4 (a). Một gói lượng tốt sẽ nâng cao tốc độ của dữ liệu tin con dài hơn độ dài khung sẽ dẫn đến việc nhưng cần cân nhắc chi phí cho hệ thống. phần dữ liệu giống nhau có thể bị mất trong 3.4 Hiệu ứng chói (Blooming) hai IFG liền kề, như thể hiện trong Hình 4(b). Với cảm biến CMOS sử dụng cơ chế IFG màn trập, các hàng pixel không nhận ánh Khung #1 Khung #2 sáng đồng thời. Khoảng thời gian mà cảm Gói #1-1 Gói #1-2 Gói #2-1 Gói #2-2 Gói #3-1 Gói #3-2 (a) biến hình ảnh nhận được ánh sáng phụ thuộc vào khoảng thời gian mở và đóng của cửa Phần giống nhau Khung #1 Khung #2 trập. Với cơ chế cuộn của cửa trập, các hàng pixel ở giữa khung có nhiều thời gian để Gói #1-1 Gói #1-2 (b) nhận ánh sáng hơn so với các hàng pixel ở hai rìa của khung. Và do đó phần trung tâm Hình 4. Mối quan hệ giữa độ rộng khung và của khung hình luôn thu được nhiều ánh sáng độ dài gói hơn, đồng nghĩa với biên độ tín hiệu nhận được cũng cao hơn các vùng khác. Nói cách (a) Gói tin con ngắn hơn độ dài khung khác, cường độ sáng nhận được không tuyến (b) Gói tin con dài hơn độ dài khung tính tại máy thu. Nó được gọi là hiệu ứng Tùy theo độ dài khung mà độ dài của gói blooming (chói), do cơ chế màn trập gây ra. tin được thiết kế sao cho phù hợp. Sử dụng Hiệu ứng blooming được chỉ ra trong Hình 5. gói ngắn sẽ là bất lợi vì số lượng tiêu đề chèn Khoảng dữ liệu bị mất vào các gói tin càng nhiều, yêu cầu cần nhiều giữa 2 khung thời gian hơn để để phân đoạn và giải mã. Một gói tin dài hơn một khung là cần thiết để nâng cao hiệu suất của OCC. Các bit nhận được của một khung 퐿 được biểu thị bằng công thức (3), với 푅 là tốc độ dữ liệu. IFG 퐿 = 푅 ⁄퐹 (3) Giả sử rằng tốc độ khung hình không đổi. Kết quả là 퐿 chỉ phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu. Đối với hệ thống OCC, thời gian Vùng dữ liệu mất ở rìa phơi sáng của cảm biến hình ảnh được xem mỗi khung là tỷ lệ lấy mẫu. Mỗi lần phơi sáng là mỗi lần Hình 5. Hiệu ứng blooming của cảm biến cảm biến thu được tín hiệu ánh sáng. Thời hình ảnh gian phơi sáng 푡 được tính như trong (4), 푒 Do hiệu ứng blooming, biên độ tín hiệu với 푛 là số hàng pixel của IS. bị biến thiên đột ngột dẫn đến khó khăn trong 푡푒 = 퐹 × 푛 (4) quá trình xác định ngưỡng tín hiệu. Các đa thức hồi quy [2], thuật toán entropy [7], hoặc
6. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 51 thuật toán học máy [9] được áp dụng cho 3.5 Các thông số khác ảnh hưởng đến việc xác định ngưỡng trong hệ thống OCC. hiệu suất của OCC Trong Hình 5, tín hiệu tại cạnh của mỗi Tăng cường độ ánh sáng có thể cải thiện khung cũng được xem là lỗi vì các hàng pixel khoảng cách truyền. Tuy nhiên, công suất đèn trong vùng này không nhận được ánh sáng. có giới hạn, và cường độ ánh sáng của đèn Vấn đề này trở nên nghiêm trọng ở khoảng cũng phải được thiết kế để không ảnh hưởng cách xa hơn. Vì số lượng các hàng pixel nhận đến mắt người và phù hợp với hệ thống chiếu được ánh sáng phụ thuộc vào khoảng cách sáng. Bên cạnh đó, vấn đề bão hòa giữa đèn và IS. Như được chỉ ra trong Hình 0 (saturation) cần phải được xem xét cẩn thận 6, 퐹 là góc của vùng quan sát, 퐿푠푖 푒 là khi cường độ ánh sáng của đèn cao hơn giá trị kích thước của đèn LED và là tiêu cự của nhận được lớn nhất của một pixel. Hiện tượng máy ảnh. này làm cho biên độ của mức tín hiệu cao nhất bão hòa, và biên độ tín hiệu của mức kế tiếp d 2 Image sensor có thể tiến sát tới giá trị bão hòa. Do đó, hiện tượng bão hòa dễ xảy ra trong hệ thống điều chế biên độ nhiều mức. Nhìn chung, vấn đề Lsize Nrow _1 N AFOV o row _2 bão hòa sẽ làm giảm hiệu suất hệ thống. Tốc f độ màn trập, công suất nguồn sáng và khoảng cách truyền cần được xem xét cẩn thận để tránh các ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa. LED Hình 6. Mối quan hệ giữa khoảng cách và Trong hệ thống OCC, tốc độ khung hình vùng cảm biến nhận được ánh sáng cao có thể cải thiện tốc độ dữ liệu nhưng chi phí cho các loại cảm biến như vậy thường Có thể thấy rằng, với cùng một tiêu cự , cao. Hơn nữa, tốc độ khung hình không ổn số lượng các hàng pixel trên cảm biến nhận định và bị giới hạn, thường là 30 fps. Nguyên được ánh sáng tỉ lệ nghịch với khoảng cách nhân được cho là do thời gian phơi sáng, giữa đèn LED và IS. Các hàng pixel không thông số phần cứng hay phần mềm. Tốc độ nhận được ánh sáng nằm ở rìa mỗi khung. khung hình thay đổi là một nguyên nhân của Dữ liệu bị mất tại vùng rìa cùng với dữ liệu vấn đề đồng bộ hóa; dẫn đến việc không xác bị mất do IFG gây ra sẽ làm cho khoảng dữ định được phần tín hiệu bị mất do IFG. Bên liệu bị mất giữa hai khung liên tiếp càng lớn. cạnh đó, nhiễu trong hệ thống OCC đến từ Chính điều này gây khó khăn cho việc khôi nguồn ánh sáng xung quanh. Nó làm thay đổi phục dữ liệu. Việc xác định ngưỡng dựa trên biên độ tín hiệu nhận được tại camera và là toàn bộ dữ liệu của khung sẽ dẫn đến lỗi vì nguyên nhân gây ra lỗi. Đặc biệt là nhiễu cường độ của mỗi hàng pixel khác nhau rất nhấp nháy, nó sẽ làm sai lệch hoàn toàn tín nhiều. Để khắc phục vấn đề này, vùng quan hiệu truyền đi. Bên cạnh đó, hiện tượng nhòe tâm ROI (Region of Interest) được đề xuất để và lệch do chuyển động của máy thu, góc chọn vùng có biên độ tương đồng nhau (chủ giữa máy phát và máy thu, tác động của các yếu là vùng giữa của khung) trong một chướng ngại vật khác là lý do gây ra lỗi trong khung để khôi phục lại dữ liệu. Do đó, hệ thống OCC. phương pháp này được kỳ vọng sẽ cải thiện 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM hiệu suất hệ thống thông qua việc xác định ngưỡng chính xác. Tuy nhiên, phương pháp Để đánh giá các thông số đã phân tích, này đạt hiệu quả cao khi kết hợp với việc bài báo này sẽ xây dựng một hệ thống OCC, truyền dữ liệu lặp lại nhiều lần, mà chính sau đó đánh giá và phân tích các thông số điều này lại làm giảm hiệu suất tốc độ dữ ảnh hưởng đến hệ thống. Một bo mạch liệu. Do đó, cần phải có sự cân nhắc giữa tốc Arduino dùng để nhận và mã hóa tín hiệu sử độ dữ liệu và khoảng cách truyền. dụng mã hóa Manchester, sau đó tín hiệu được đưa đến LED driver để chuyển tín hiệu
7. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) 52 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh thành các mức điện áp. Cuối cùng, một đèn Gói 1 SF1 40 bit SF2 40 bit LED (công suất 15W) được sử dụng để phát ra mức sáng tương ứng với các mức điện áp tại ngõ vào. Tại phía thu, một máy tính được kết nối với camera (độ phân giải 640 × 480, Gói 2 SF1 16 bit SF2 16 bit tốc độ khung 30 fps) để nhận tín hiệu ánh sáng. Phần mềm Matlab được sử dụng để xử Hình 6. Độ dài gói tin với tốc độ dữ liệu lý và giải mã tín hiệu nhận được. khác nhau Để đánh giá được ảnh hưởng của các thông số phần cứng cũng như độ dài của gói tin, trong nghiên cứu này hai mức tốc độ dữ liệu 1.8 kbps và 3.6 kbps được thực nghiệm để so sánh và đánh giá. Dựa hai mức tốc độ trên có thể tính toán gần đúng số lượng các bit nhận được trong mỗi khung , như được biểu diễn trong (5). 퐹 . = (5) 푅 Trong đó, là số hàng pixel của cảm biến, 푅 là tốc độ dữ liệu. Dựa vào số bit nhận được của mỗi khung , bài báo đề xuất độ dài gói tin là 96 bit và 48 bit, tương ứng. Trong đó, 8 bit được sử dụng cho bit khởi đầu khung (SF- Start Frame Bit) cho mỗi gói con. Các bit còn lại là dữ liệu sau khi được mã hóa Mancheter. Hơn nữa, dữ liệu được Hình 7. Hiệu suất của hệ thống với tốc độ dữ truyền lặp lại hai lần để có thể khôi phục lại liệu khác nhau dữ liệu mất tại IFG, như đã đề cập trong phần 5. KẾT LUẬN trước. Điều đó có nghĩa rằng, dữ liệu hữu ích Trong bài báo này, các kết quả phân tích, được truyền đi trong mỗi gói sẽ là 20 bit và 8 đánh giá đã xác định được các yếu tố tác bit. Hai gói tương ứng với các tốc độ khác động đến hiệu suất của hệ thống OCC và đề nhau được chỉ ra trong Hình 6. xuất các phương pháp phù hợp để cải thiện Một kết quả đo tỉ lệ lỗi bit BER (Bit hiệu suất của hệ thống. Có nhiều nguyên Error Rate) được thể hiện như trong Hình 7. nhân tác động đến hiệu suất của hệ thống Có thể thấy được rằng, hệ thống OCC với tốc OCC. Các nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ độ thấp hơn sẽ đạt được hiệu suất cao hơn, phần cứng. Điều này là rõ ràng vì cảm biến trong trường hợp này là khoảng cách truyền. hình ảnh không phải được tạo ra cho mục Với tốc độ dữ liệu 1.8 kbps, BER bằng 0 ở đích truyền tín hiệu. Tuy nhiên, các thông số khoảng cách 160 cm. Trong khi đó tại cùng của hệ thống OCC có mối liên hệ chặt chẽ một khoảng cách, BER là 2.5x10-4 với tốc độ với nhau. Do đó, có sự đánh đổi trong việc dữ liệu 3.6 kbps. Sự chênh lệch về khoảng lựa chọn các thông số cho hiệu suất của hệ cách truyền là 50 cm tại BER bằng 10-4. thống, tăng tốc độ dữ liệu sẽ làm giảm Theo như kết quả này, hệ thống đạt được tỉ lệ khoảng cách truyền và ngược lại. Kết quả BER chấp nhận được ở khoảng cách 150 cm thực nghiệm đã cho thấy rằng hệ thống với và 200 cm. Tuy nhiên, khoảng cách này có tốc độ dữ liệu 1.8 kbps đạt được khoảng cách thể được cải thiện hơn nữa nếu một camera truyền xa hơn 50 cm so với hệ thống có tốc tốt hơn được sử dụng, hoặc tăng cường độ độ 3.6 kbps. Việc sử dụng các cảm biến chất nguồn sáng. lượng hơn chắc chắn sẽ cải thiện đáng kể
8. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 53 hiệu suất của hệ thống, tuy nhiên cách này sẽ LỜI CẢM ƠN tăng chi phí hệ thống. Do đó, các cách tiếp Nghiên cứu này được thực hiện trong cận hiện nay đối với hệ thống OCC là sử khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ cấp cơ dụng các phương pháp mã hóa thích hợp để sở của Trường Đại học Quy Nhơn với mã số nâng cao hiệu suất của hệ thống. T2021.714.17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE STANDARD ASSOCIATION, “802.15.7-2011 - IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light,” 2011. [2] C. Danakis, M. Afgani, G. Povey, I. Underwood, and H. Haas, “Using a CMOS camera sensor for visible light communication,” in 2012 IEEE Globecom Workshops, GC Wkshps 2012, 2012, pp. 1244–1248. [3] Zhaocheng Wang; Qi Wang; Wei Huang; Zhengyuan Xu, "Optical Camera Communication: Modulation and System Design," IEEE, pp.291-35, 2018 [4] D. T. Nguyen, S. Park, Y. Chae, and Y. Park, “VLC/OCC Hybrid Optical Wireless Systems for Versatile Indoor Applications,” IEEE Access, vol. 7, pp. 22371–22376, 2019. [5] R. D. Roberts, “Undersampled frequency shift ON-OFF keying (UFSOOK) for camera communications (CamCom),” in Proceedings - 2013 Wireless and Optical Communications Conference, WOCC 2013, 2013. [6] V. P. Rachim and W. Chung, "Multilevel Intensity-Modulation for Rolling Shutter- Based Optical Camera Communication," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 30, no. 10, pp. 903-906, May, 2018 [7] K. Liang, C.-W. Chow, Y. Liu, and C.-H. Yeh, “Thresholding schemes for visible light communications with CMOS camera using entropy-based algorithms,” Opt. Express, 2016. [8] Chi-Wai Chow, Chung-Yen Chen, Shih-Hao Chen, Visible light communication using mobile-phone camera with data rate higher than frame rate, Opt. Express, vol. 23 (20) (2015). [9] Younus, Othman Isam et al. “The Utilization of Artificial Neural Network Equalizer in Optical Camera Communications.” Sensors, vol. 21,8 2826. 16 Apr. 2021 Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: TS. Nguyễn Duy Thông Trường Đại học Quy Nhơn Email: nguyenduythong@qnu.edu.vn