Raspberry Piで可視光通信器を作る #2
概要
gijin94yobu.hatenablog.jp
この続きをする．
ローリングシャッター現象による画像は取得できたので，この縞模様を波形として切り出すことを目指す．
波形の解析には，pythonを用いた．
また，試行錯誤しやすいようにjupyter notebookで進めている．
結論
- 送信機のオンオフを波形として切り出すことができた
- 波形の切り出しはまだ自動化できていない
実行したこと
実行環境
手順
- 画像を読み出す．
ここではopencvを使った．
画像が大きすぎるのでcv2.resizeで調節した．
- 画像を信号波形に変換する．
ひとまず，グレースケール化する．
現状はまだ，背景光雑音などは考えないようにするために，ざっくり二値化する．
しきい値は今後自動で決定したい．ここではしきい値60．
そして，画像をarray化して積分する．
積分にはnp.sumを使い，画像の縞模様に対して水平に積算する．
これで扱いやすそうな信号になった．
- 信号の正規化
取得画像からわかるように光源が円形なので，積算すると，中心に近いほど，輝度の大きさが蓄積されるので山なりになっている．これではまだ扱いにくいので，正規化する．
正規化には信号処理分野において様々あるかと思うが，ここではまだ簡易的に，信号の大きさが0以上であれば，1にするようにした．
かなり，縞々が波形らしく見えた．オンオフがしっかりと分かる．
- 信号の切り出し
ここが結構厄介．
本当は自動化したいところであるが，今回の成果としては，手動で切り出した．
先頭と末尾が汚いが，このあたりも含めてスマートに切り出したいものである．
しかしこれで，Arduinoで送信したLチカの500μsのオンオフが，信号波形として可視化できた．
縞の数はだいたい24個．一山が500μsのため，この画像には24×500 [μs] = 0.0012 sの時間の波形が取得できたということである．
あとがき
これで，ローリングシャッター現象を用いた可視光通信の受信機の大本ができた．まだまだ手動で波形を抽出していたりするので，連続画像を撮った場合や，背景光雑音が混じったとき，光源の大きさが変化したりしたときなど不安要素はたくさんある．しかし，それよりも，実際に意味のある送信データを送信して，復号ができるようにすることをまずは目指したい．現状はサンプリングレートにも相当するオンオフしか送受信していない．ここから，簡単な固定データ，文字列，連続データ，と通信ができるようにしたい．
また，露光時間とLEDのオンオフの関係性はもう少し，関係性を整理できるようにしたい．学術的にはこちらの論文*1で説明されていたりとすでに広く知られたものになっているが，自分で構築したシステムで置き換えられるようにもしたい．
研究室時代はこのような解析をすべてmatlabでしていたが，python jupyter notebookに置き換えている．matlab特有の関数ややり方のほうがまだやりやすいと思いながらも，pythonは無料で調べればすぐに解決策があるのがいい．また，jupyter notebookはmatlabのように使えるので，試行錯誤した形跡も残せるのが気に入っている．
参考
ローリングシャッター現象の元祖の論文：
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6477759
