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研究生： 陳震瑜
Chen Chen Yu
論文名稱： 高速成像通訊系統可行性之研究
Study of the High Speed Imaging Communication System
指導教授： 孫慶成
Ching-Cherng Sun
楊宗勳
Tsung-Hsun Yang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 92
中文關鍵詞： 稀疏碼 、高速成像通訊系統
外文關鍵詞： Sparse Code, High Speed Imaging Communication System
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    • 本論文中，我們希望藉由Micro LEDs能夠高速切換亮暗態的特性，設計出一套全新的通訊系統，目前市面上的通訊系統幾乎都是使用無線電波來傳輸資訊，雖然也有以光做為傳輸媒介的論文被發表，但大多數是以雷射光作為輸出端，只有少數的論文是以Micro LEDs作為輸出端，並且都只使用少量光源，藉由調控頻率與振幅來傳遞資訊，尚未有人於實驗中使用大量的光源做為輸出端，因此我們想以此做為突破口，建立一套全新的成像通訊系統。
    為了建立一套異於他人的通訊系統，我們首先須針對傳輸資料進行編碼，這也是本團隊在本實驗中最大的創新，我們利用稀疏碼的觀念為基礎，分別建立了以七位元與九位元為基底的編碼圖形，每頁以七位元為基底的編碼圖形可帶有226,802位元的資料量，而每頁以九位元為基底的編碼圖形可帶有291,600位元的資料量。接著本團隊研究出一項較不同的編碼規則，建立了以十四位元為基底的編碼圖形，此圖形為本團隊設計出的最高資料量共含有453,600位元的編碼。
    在經過多次實驗後，驗證了所有位元編碼的可行性，並嘗試以不同光學系統來提升傳遞距離，期望能設計出一套可以高速且可遠距離傳輸的通訊系統。

    In this thesis, our team hopes to use the fast switching ability of the Micro LEDs display to build a high speed imaging communication system. The communication system on the market now usually transmit data by using the amplitude and frequency of the radio wave. Only few experiments use laser diode or Micro LEDs as the source of the communication system, and the total number of the light sources are usually less than five. Therefore, using the high number of light sources to transmit data is the advantage of our design.
    In order to lower the error rate of our communication, we form some special specifications for our coding. Finally, we got three different kinds of coding. The coding graphics based on seven bits and nine bits are established first. The coding graphics based on seven bits per page can contain 226,802 bits of data, and the coding graphics based on nine bits per page can contain 291600 bits of data. Then our team researched a different coding rule and established a coding pattern based on 14 bits, which has the highest data volume coding rule designed by our team and contain 453,600 bits of data per page. After many experiments, three codings were verified and proved that our design is successful . After the feasibility of our design had been proven, we try to improve the transmission distance with different optical systems, hoping to design a set of communication systems that can transmit at high speed and can be transmitted over long distances.

    摘要 i Abstract ii 致謝 iv 目錄 vi 圖目錄 ix 第一章 緒論 1 1-1研究背景 1 1-2 歷代行動通訊技術標準 4 1-3 研究動機 7 1-4 論文大綱 9 第二章 基礎原理 10 2-1 編碼孔徑 10 2-2 點擴散函數 13 2-3 稀疏碼(Sparse Code) 15 2-4 像差介紹 17 第三章 二維傳輸碼編碼規則 20 3-1 七位元基底二維傳輸碼編碼規則 21 3-2 九位元基底二維傳輸碼編碼規則 28 3-3 十四位元基底二維傳輸碼編碼規則 33 第四章 二維傳輸碼解碼規則 40 4-1 定位碼編解碼規則 40 4-2 七位元基底二維傳輸碼解碼規則 43 4-3 九位元基底二維傳輸碼解碼規則 45 4-4 十四位元基底二維傳輸碼解碼規則 48 第五章 實驗結果 51 5-1 近距離傳輸測試 51 5-2 遠距離傳輸測試 54 5-3 解碼速度統計 62 第六章 結論 65 參考文獻 67 中英文名詞對照表 71   圖目錄 圖1-1 全球歷年網際網路使用總人口數[6]。 3 圖1-2無線電波的波長分布介紹[46]。 8 圖2-1 球面像差光追跡圖 17 圖2-2 (a)輸入成像光學系統的物的影像 (b)虛線正方形為完美成像後所形成的像，為光學系統有畸變所成像的圖形。 19 圖2-3 (a)輸入成像光學系統的物的影像 (b)成像後因光學系統所產生的桶狀畸變的影像(c) 〖"L" _1〗^'' 〖"L" _2〗^''成像後因光學系統所產生的枕狀畸變的影像 19 圖3-1 七位元基底二維傳輸碼編碼流程 21 圖3-2 七位元為基底編碼頁放大後最右上角的部分 22 圖3-3整頁資料頁中最左上角四乘四畫素的編碼規則，共有560種排列組合方式，共可帶有九位元的資料量。 23 圖3-4此區域編碼方式關閉左方紅色部份的四格畫素，只剩剩下的12格畫素可供使用，因此可帶有七位元的資料量。 24 圖3-5此區域編碼方式關閉上方紅色部份的四格畫素，只剩剩下的12格畫素可供使用，因此可帶有七位元的資料量。 25 圖3-6此區域編碼方式須關閉上方紅色部份的三格畫素，與左方紅色部份的三格畫素，只剩下10格畫素可供使用，並且在原本的編碼只有點亮其中三格畫素的排列方式，因此只可帶有六位元的資料量。 26 圖3-7此區域編碼方式須關閉上方紅色部份的三格畫素，與左方紅色部份的三格畫素，只剩剩下10格畫素可供使用，並經過修改後，除了原本只點亮三格畫素的排列方式，還加入點亮一格畫素的排列方式，因此共可帶有七位元的資料量。 26 圖3-8七位元基底二維傳輸碼正頁編碼頁 28 圖3-9每組紅色框範圍內的12個畫素共會有三格畫素被點亮，因此此區域共可帶有七位元的資料量。 29 圖3-10整頁編碼頁最左右兩直行的編碼規則，每一對同色方塊戴有一個位元的資料量。 30 圖3-11整頁編碼頁的上下兩橫列的編碼規則，每一對紅色框範圍內的畫素帶有一個位元的資料量。 31 圖3-12此圖列出此區域所有可能的排列圖形。 32 圖3-13九位元基底二維傳輸碼編碼圖形。 33 圖3-14 十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除在四格點亮的畫素包圍一格沒點亮的畫素的組合方式。 34 圖3-15十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除在邊緣三格點亮的畫素包圍一格沒點亮的畫素的組合方式。 35 圖3-16十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除在四個角落兩格點亮的畫素包圍一格沒點亮的畫素的組合方式。 35 圖3-17十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除如圖中有包含ㄈ字形排列方式的圖形。 36 圖3-18十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除如圖中有包含一整行或列均為沒點亮的畫素的排列方式的圖形。 37 圖3-19十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除如圖中有包含五格點亮畫素包圍一格沒點亮的畫素的排列方式的圖形。 37 圖3-20十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除如圖中有包含六格點亮畫素包圍一格沒點亮的畫素的排列方式的圖形。 38 圖3-20十四位元為基底的傳輸碼編碼時所需刪除的排列方式之一，需刪除如圖中有包含五格點亮畫素依照途中排列方式排序的圖形。 39 圖3-21十四位元基底二維傳輸碼編碼圖片 39 圖4-1接收端接收到帶有編碼資料的照片(校正前)。 41 圖4-2 MURA圖形 41 圖4-3 整頁定位碼頁 42 圖4-4 做完反捲積後，轉換成多個狄拉克函數的定位碼頁，取得所有狄拉克函數座標後可矯正圖片。 42 圖4-5拍攝的定位碼頁 42 圖4-6校正後的資料頁 43 圖4-7七位元二維傳輸碼最左上角 44 圖4-8 在解九位元基底傳輸碼時，第一個解碼的區域。 45 圖4-9在解九位元基底傳輸碼時，第二個解碼的區域為最左右兩邊的直行。 46 圖4-10在解九位元基底傳輸碼時，第二個解碼區為上下兩橫列。 47 圖4-11用圖中紅色箭頭處的最亮的暗點與最暗的亮點來求閥值。 50 圖5-1 短距離傳輸實驗架構。 52 圖5-2 短距離傳輸實際實驗架構。 52 圖5-3 長距離傳輸實驗架構。 55 圖5-4 長距離傳輸實際實驗架構。 55 圖5-5校正前的資料照片(有畸變)，整頁資料頁的邊緣沒貼齊紅色直線。 57 圖5-6校正後的資料照片(畸變消失)。 57 圖5-7七位元基底傳輸碼圖片(總畫素: 120×120) 58 圖5-8七位元基底傳輸碼圖片(總畫素: 240×240) 59 圖5-9七位元基底傳輸碼圖片(總畫素: 360×360) 59 圖5-10 圖中為整頁二維傳輸碼總畫素為(a)240×240與(b)360×360時，解碼後解碼錯誤畫素分佈，黑色點為錯誤畫素分布。 61

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