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一文了解光学相机通信技术

来源：阅读：584 发布时间：2021-12-23 10:04:57

随着用户需求的日益增长，传统无线通信技术的频谱资源呈现紧张态势。而电磁波中的可见光波段频谱资源丰富，频段宽阔，在通信领域中尚未得到有效开发与利用，因此可见光通信（VisibleLightCommunication,VLC）技术一经提出，就被视为解决传统无线电频谱资源危机的有效方案，得到了通信领域中科研学者越来越广泛的关注。

与此同时，发光二极管（LED）产品在照明领域的优势日益显著，并且兼具能够快速切换、易于调制的特点，为VLC技术的实现提供了较好的信源传输方案。

此外，随着光电技术以及半导体技术的飞速发展，图像传感器也有了里程碑式的进步。凭借着小体积，低功耗，长寿命的优点，图像传感器在智能设备中也获得了大规模应用。

当VLC技术的科研学者将视线投射到同样可以获取可见光信息的图像传感器上时，光学相机通信（OpticalCameraCommunication，OCC）技术便应运而生。

OCC技术作为VLC技术的分支，继承了VLC技术的优点，通过将可见光波段的光作为信息载体，在空气中直接传播光信号来进行通信。

发送端可以利用LED，液晶显示器等发光器件进行工作，但与采用光电二极管作为接收端的传统VLC系统不同，OCC系统的接收端可以采用搭载着图像传感器的数码相机、网络摄像头、智能设备内置相机等。

利用互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器的卷帘快门工作方式可将传送的光信号捕获并记录下来，将所得到的图像进行图像处理，经过解码恢复出所传送的信息。

OCC技术通常将待发送的数据信息经过调制后加载到发光器件上，通过发出高频闪灭的光信号来将数据信息发送出来，而这种闪灭人眼无法察觉，因此不影响其照明功能。

接收端通过利用CMOS图像传感器的卷帘快门工作方式来捕捉和记录这种光信号，经过后续图像分析处理，能够将其中包含的数据信息解调与恢复。

OCC技术实现通信的方式主要是通过在自然环境中直接传播载有信息的调制光信号，因此使得OCC技术有着诸多优于传统无线通信技术的特点。

（1）频谱资源丰富随着用户需求的日益增长，传统无线通信技术的频谱资源呈现紧张态势。可见光频谱的带宽达到400THz，约是射频频谱的1万倍，这表明OCC技术能够带来更大的带宽以及更快的速度。使用OCC技术，丝毫不需要担心频谱资源问题，并且还将缓解全世界无线频谱资源紧张的危机。

（2）绿色环保OCC系统与传统无线通信系统相比，不需要建设基站和信号发射塔，在有LED照明的地方即可提供通信服务，发送端通过LED照明系统向外发出光信号，所以信息传输过程中几乎没有额外的能量使用。并且，LED光源是目前照明光源中节能环保的，这使得OCC系统更为绿色环保，与当今社会绿色环保低碳的能源发展趋势相符合。

（3）安全性高OCC系统的安全性高主要表现在两个方面：一个方面是OCC系统对人体是相对安全的。众所周知，传统无线通信技术往往伴随着电磁辐射问题，而OCC系统通过利用光波作为信息载体来完成通信，对人的身体健康不会产生影响，也因此对于医院等对电磁信号敏感的部门，OCC系统也能够满足其需求。另一个方面是OCC系统保密性相对较高。随着社会的进步与发展，对通信的保密性要求越来越高，传统无线通信信号可以穿透墙体，所传输的信息很容易被窃取。而光波无法穿过墙体，因此通信网络的范围很容易被控制，通信的安全性显著增强。

（4）成本低廉OCC系统发送端通常采用价格低廉的LED照明光源发送光信号，而接收端采用智能设备内置的相机来接收光信号，随着智能手机的快速发展与广泛应用，几乎人手一部智能手机，因此OCC系统相较于需要部署基站和信号发射塔的传统无线通信系统而言，成本显著降低，具备应用价值。

OCC技术能够在如下几个方面得以应用：

（1）特殊场所无线通信OCC技术利用光波作为信息载体来传输数据信息，与传统无线通信技术采用的电磁波有显著不同，可以应用于某些特殊场所，例如在飞机客舱、医院等地方。传统无线通信技术使用的电磁波会对地面与飞机之间的通信产生干扰，而通信设备产生的电磁辐射会对一些特殊医院病患形成伤害，因此传统无线通信方式在这些特殊场所被严格限制。而OCC技术既不会干扰飞机与地面间的通信电磁波，又没有电磁辐射，所以可以在这些场合提供无线通信的服务。此外，众所周知光波信号没有办法穿过室内墙壁等建筑物，因此OCC技术拥有较高的通信安全性与保密性。在一些对保密传输有特定需求的场合，用户可以通过窗帘等遮光物来确保通信内容不被泄露。

（2）室内定位当前已经存在的室内定位系统在定位精度以及部署成本方面尚无法满足广大用户需要，而相对成熟的室外卫星定位技术在复杂的室内环境下也束手无策，因此在室内定位领域一直渴望新兴技术的出现。使用光波进行通信的OCC技术由于具有高密度覆盖、无电磁辐射、成本低廉、绿色环保等天然优势，在室内定位领域得到广泛关注。OCC技术集通信与照明于一身，可使用室内的照明系统作为位置ID或定位信息的发射源，再通过利用智能手机内置的相机将信息捕获记录下来，通过图像处理以及信息解码等操作可将位置ID提取出来，从而实现用户的室内定位，同时也大大的降低了部署成本。并且光波不能够穿墙的特性也可以减小照明节点之间的干扰，有利于提高定位的精度。在不久的将来，基于智能手机的高精度OCC室内定位系统将可以为用户提供高效便捷的室内定位服务。

（3）智能交通智能交通系统有利于保障交通安全，控制交通流量，可以通过对交通行为的监控实现交通效率的提升，并进一步节约能源，改善人们的生活。目前基于射频的传统无线通信技术可实现“车-路”、“车-车”的双向通信，为智能交通系统提供了主要的支持。

但除了基于射频的传统无线通信技术外，OCC技术也可应用到智能交通系统领域。如今越来越多的汽车前灯和尾灯使用LED照明系统，而记录行车影像的行车记录仪也普遍被安装，这一情况对OCC技术应用到智能交通系统领域提供了良好的硬件平台。

并且OCC技术与基于射频的传统无线通信技术相比较，在智能交通系统领域有如下优势：1)LED灯已经广泛应用于交通信号灯、路灯以及车灯，同时道路上，车辆上也安装有摄像头，因此无需额外专用通信设备部署，有助于降低成本；2)由于光波的直线传输特性，OCC系统采用视距传输，可提供较为精确的定位服务，基于可见光的室内定位方案定位精度可达厘米级，高于基于射频的定位方案；3)在交通流量大，车辆密度高时，射频系统会不可避免的出现信号干扰、信号延时等问题，而OCC系统仅接收附近车辆的灯光信息并且可实现信号的空间分离，因此抗干扰性能更好一些。

（4）物联网与智能家庭当前“万物互联”逐渐成为社会发展趋势，家居电器日益智能化，物联网与智能家庭领域想要使更多的家居电器加入到家庭网络中，这无疑将给网络造成一定负担。并且传统无线射频通信技术在室内环境中有一些潜在不足，因此渴望有新的无线通信技术来填补这一空白。OCC技术由于利用光信号实现通信的特点能够显著弥补这些不足，因此在物联网以及智能家庭技术领域引发了巨大的关注。

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