FOVLC: Foveation based data hiding in display transmitters for visible light communications

Abstract

Visible light communications is an emerging architecture with unlicensed and huge bandwidth resources, security, and experimental implementations and standardization e orts. Display based transmitter and camera based receiver architectures are alternatives for device-to-device (D2D) and local area networking (LAN) systems by utilizing widely available TV, tablet and mobile phone screens as transmitters while commercially available cameras as receivers. Current architectures utilizing data hiding and unobtrusive steganography methods promise data transmission without user distraction on the screen. However, current architectures have challenges with the limited capability of data hiding in translucency or color shift based methods of hiding by uniformly distributing modulation throughout the screen and keeping eye discomfort at an acceptable level. In this article, foveation property of human visual system is utilized to de ne a novel modulation method denoted by FoVLC which adaptively improves data hiding capability throughout the screen based on the current eye focus point of viewer. Theoretical modelling of modulation and demodulation mechanisms hiding data in color shifts of pixel blocks is provided while experiments are performed for both FoVLC method and uniform data hiding denoted as conventional method. Experimental tests for the simple design as a proof of concept decreases average bit error rate (BER) to approximately half of the value obtained with the conventional method without user distraction while promising future e orts for optimizing block sizes and utilizing error correction codes.

Görünür ışıkla haberleşme (VLC) son zamanlarda yoğun olarak güvenlik ve standartlaştırma üzerine deneysel çalışmaları yapılan, lisans ihtiyacı olmayan, yüksek bant genişliğine sahip kablosuz haberleşme teknolojisidir. Günlük hayatta sıkça karşılaştığımız televizyon, tablet ve mobil telefon ekranlarını verici, kameraları ise alıcı olarak kullanarak kurulabilecek bir VLC mimarisi, günümüzde kullanılan cihazdan cihaza iletişim (D2D) ve yerel ağ bağlantısı (LAN) sistemleri için iyi bir alternatif olacaktr. VLC ve görüntüleme işleminin birlikte yapılabilmesi için günümüz teknolojileri, resim uzerindeki bilgi gizleme işlemini insan gözünün göremeyeceği ve alıcı kameranın algılayabileceği şekilde optimize etmektedirler. Fakat bu teknolojiler, insan gözünün resim üzerindeki renk ve luminans değişikliklerine olan hassasiyeti sebebiyle sınırlı bir şekilde yapılan bilgi gizleme işleminden dolayı hala yüksek bit hata oranları (BER) ve düşük kanal kapasitesi gibi sıkıntılar içermektedir. Bu çalışmada özgün bir bilgi modulasyon tekniği olan, insan gözünün görüntüleme ekranı üzerinde odaklandığı nokta ve odaklanmadığı bölgelerdeki görüş kaybına uyarlanabilir bir şekilde bilgi gizleme tekniğini geliştirmeyi amaçlayan FoVLC ele alınmıştır. İnsan görüş sisteminin (HVS) görüntüleme ekranı üzerinde odaklanmadığı bölgelerdeki görüş kaybı matematiksel olarak modellenerek, FoVLC ve "geleneksel metot" olarak adlandırılan resmin her bölgesine eşit büyüklükte bilgi gizleyen sistem için renk kaydırma yöntemi ile modulasyon ve demodulasyon tekniği anlatılmıştır. Yapılan karşılaştırmalı testler sonucunda önerilen sistemin (FoVLC) geleneksek method'a göre belirtilen koşullar altında bit hata oranını (BER) ortalama yarı yarıya indirdiği ve aynı zamanda insan gözü tarafından daha zor algılandığı gözlenmiştir.