JP2005523458A - 周期的光源を同定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は全般に位置を定める装置に関し、特に、基本周波数と波形信号を放射する周辺ソースを同定するシステムに関する。センサ（101）は基本周波数と波形信号を放射する周辺ソース（105）を記録し、信号は、増幅され（102）、デジタル化され（103）、処理され、保存された特定の波形特性と比較される（104）。比較結果に基づいて、置かれた位置および／または装置位置が定められる。本発明はさらに方法およびプロセッサにその方法を実行させるプログラムを有するコンピュータで読むことの可能な媒体に関する。

Description

本発明は全般に位置を定める装置に関するものであり、特に基本周波数および波長信号を放出する周辺ソース（environmental source）を同定する方法に関する。

本発明はさらにその方法を実行するシステムおよびその方法を実行するコンピュータプログラムに関する。

現代の様々なアプリケーションにおいて、装置がその位置を検知することは極めて重要である。通常は、装置のある場所がわかれば十分である。これはアプリケーションが装置ユーザーの場所に適合されることを可能にする。この方法、いわゆる状況認識装置は、装置が置かれた状況に合うようにその動作を調整することができる。状況とは実体の状態を特徴付けることに利用され得る全ての情報である。実体とは、ユーザーとアプリケーション自体を含み、ユーザーとアプリケーション間の相互作用に関して考慮される人物、場所または物体である。相互作用の間に利用できるほとんど全ての情報は状況情報として理解され得る。いくつかの例を挙げると、
・空間情報−例えば位置、方位、速度および加速度
・環境情報−例えば温度、大気圧力、光および雑音レベル
・近くの備品−例えばアクセス可能な装置、ホスト
・備品の利用性−例えば電池、ディスプレイ、ネットワークおよびバンド幅
・生理学上の測量−例えば血圧、心拍数、呼吸速度および筋力
システムは状況情報を抽出し、解釈し、利用し、現在の使用状況にその機能を適合させることが可能であるときに、状況認識する。そのようなシステムの課題は状況データの採取、表現および処理の難しさにある。一般に状況情報を採取するにはある追加的なセンサおよび／またはプログラムが必要である。状況情報をアプリケーションに伝達し、異なるアプリケーションで同じ状況情報を利用することができるようにするには、そのような情報の共通の表現形式が必要となる。状況情報の取得が可能であることに加えて、アプリケーションには情報を処理し、意味を推察する、ある種の「知能」が備わっていなければならない。状況情報の異なる断片をつなぎ合わせることにより、状況は間接的なものとなったり、推察的なものとなったりする場合が多く、これはおそらく最大の難問である。例えば、もし3人の人物がある時間にある事務所で会っている場合、これは毎週開催される戦略会議であると捉えることが可能である。別の状況では状況認識携帯電話のような状況認識アプリケーションが仕事でユーザーのパーソナルコンピュータの前に置かれているとき、アプリケーションに、ユーザーは私的な電話で妨害されることを望んでいないという情報を付与することが可能である。

状況認識アプリケーションには特徴的特性がある。1つは、現在の状況に応じて情報およびサービスをユーザーに提供することができることである。これには過去の情報およびサービスの選定並びに状況指示の選定が含まれる。2番目は、ある状況になったときにサービスの自動実行が行われることである。これには状況誘発動作および状況への適合が含まれる。前者の例はユーザーが特定の部屋に入ったとき、近接の端末からメールが示されるような場合である。後者の例は、現在の雑音レベルによって電話音声ボリュームを変化させることである。

極めて明解なアプリケーションのタイプは付近にある備品の検出能である。これには入力および出力装置、すなわちプリンタ、ディスプレイ、スピーカ、ファクシミリ、ビデオカメラ、サーモスタットなどが含まれる。純粋なサービスの自動照合においては実際上、位置情報は利用に必要ない。例えば距離計算がなされる状況においては装置の位置情報が必要となる。

状況データを採取し、表現し、処理することの難関性と困難性ゆえ、状況情報の利用は今のところ極めて限定されている。状況情報のうち最も利用されているのは位置、同一性および時間の情報である。状況認識アプリケーション開発は主としてユーザーインターフェース、仮想現実および拡張現実、移動式、手持ち式および着用式コンピュータに関するものに集中している。状況情報を利用した市販製品はこの分野での実現困難性のため、未だ極めて僅かしかない。

必要な位置情報を得るにはいくつかの方法がある。追跡システムには多くのものがあり、その中には、全地球測位システム(GPS)に基づいて装置の位置を定めることができるものがある。GPSのような位置を定めるネットワークシステムは地上のいかなる場所をも事実上、探し当てることができるという効果で知られる。しかしながらそのような追跡システムは極めて高価であり、低コストの消費者向け電子機器の場合には利用できない。他の解決法としてはGSM、DECTまたはブルートゥースビーコン等のような位置を定める装置の導入がある。さらに位置情報源として作用する装置を適合させることが知られている。

光源を特定の既知の周波数で作動するように修正することで、装置がこれを検知し、ある位置に転送することができるようになる。米国特許第5657145号明細書には、例えば電灯のような光源からの出力を変調することにより符号化データ信号を伝送する方法が開示されている。可視光の波が搬送波として利用され、それにより信号は伝送される。音声および映像内容物等のような広範囲のデジタル情報でも伝送は可能である。当然、この変調は光源の同定に利用することが可能である。

しかしながら光源は必要な情報を伝送できるように変更し、同定されるようにしなければならない。しかしながらいくつかの理由により周囲の光源を変更しないということは利点となる。
米国特許第5657145号明細書

本発明の課題は周辺ソースの変更を必要としない、装置の位置を定める方法を提供することである。

さらに本発明の課題は他の処理に再利用できる位置パラメータを保存する方法を提供することである。

上記の課題は基本周波数と波形信号を放出する周辺ソースを同定する方法（および対応装置）によって解決され、その方法は、既定の時間間隔においてソースの波形信号を測定するステップと、測定された波形信号から放射された波形特性を予測するステップと、予想された特性に基づいて多数の動作を定めるステップと、を有する。

周辺ソースの変更を必要としないため、本発明による位置検出装置は予備操作を必要とせず、より消費者志向的である。

従って高度なハードウェアを導入することを要せず、本発明の方法による装置を新しい環境に速やかに適合させることが可能となる。従って本発明の方法は人工的変調による新しいパターンを導入しなくても、周辺ソースの自然な信号パターンによって、周辺ソースを認識し、処理を行うことができる。

さらに、本発明の方法は例えば光源のような周辺ソースの「指紋」を同定すること、およびこの指紋をメモリに保存することに供される。指紋は本発明の実施例においては光強度の波形である。指紋はその後、例えば指紋データと関連する情報を利用することによって、装置が所与の位置にあることを確認することに利用できる。関連する情報は例えば、ユーザー通知、外部装置制御、データ収集など多数の動作を実行する指令であっても良い。光源が周期的に作動する場合、すなわちソースに交流電圧が印加される場合、光強度が測定されるのみならず、光波形特性の履歴が信号処理によって得られる。これにより本発明の手段を利用して、絶えず光源の追跡をすることができる。白熱灯照明は蛍光灯およびLEDベースの光等と区別することができる。さらにブラウン管の有無が検知され、ブラウン管のリフレッシュ速度および燐光特性をも区別することができる。すなわち、光源の変更を行う必要は全くない。従って本発明の位置を定める装置に必要なのは周辺ソースの通常の特性のみに限られる。

周辺ソースはさらに、例えば特定のブーンという音を発するファンまたは電気モータや交流機等から出る電磁放射のような音波信号を出す装置をカウントする。

情報は本発明の装置に保存され、情報は多数の波形特性と関連付けられる。情報は指示、ユーザー入力、データポインタ等のようないかなる種類のデータであっても良い。波形特性は、例えばサンプル光源の周波数と波形に基づく計算で定められる。光特性は例えば、サンプル信号の代表的なスペクトル解析値である。処理された信号が周期的なものである場合、通常は基本周波数が得られる。得られた基本周波数（波形から計算されるスペクトル帯の間隔を表す最低の妥当な信号周波数）は一連の信号と比較し妥当性が判断される。基本周波数を知ることにより、信号比較の実行の際、より有効な信号検出アルゴリズムを適用することができる。

周期信号に自己相関計算を行うことにより、信号内のいかなる不要な信号も抑制できる。これは周知の技術であり、不要な雑音を抑制あるいは場合によっては排除し、正常な測定信号を得ることができる。雑音排除のような信号正常化の他の技術は、信号を複数周期にわたり平均化することで雑音を抑制している。これにより、雑音が抑制されるのみならず、ジッター、時間エラー等のような信号採取中のいかなる電位サンプルエラーも効果的に抑制または排除することができる。光強度特性が計算されたとき、例えば正規化、再サンプル化、時間伸延等によって振幅は変換され、均一で、保存および比較の可能な特性信号になる。

デジタルサンプル化信号の基本周波数は光束フーリエ変換（FFT）の利用により行われる。FFTは安定で効果的な方法として一般に知られているが、サンプル化データの種類に応じて他の方法を代わりに適用しても良い。FFT計算は正確な結果や妥当な結果、この場合は基本周波数、を出力しない場合があり、そのときはFFT出力は内挿法を有する方法を用いて補正される。この補正は通常、確実性を許容できるレベルまで信頼性を向上させる。

妥当な光強度特性を得た後、この光強度特性と特定の特性との比較がサンプル毎に行われる。予測特性は通常、別個の波形を平均した期間からなる。2つの信号を比較する場合、信号の位相を合わせることが有益であることが多い。従って同期位相を得るため、信号の1つの位相をシフトすることが有効である。この目的のためリングバッファが用いられる。サンプルに必要な分だけバッファを回転することにより、２つのサンプルの位相が揃えられる。これにより、直接的で単純なサンプル毎の比較が可能となる。２つの波形をオフセット値および／または偏差の大きさで比較して、ほぼ等しい波形をより広い範囲で認めても良い。

予測した波形がいかなる既知の保存された波形とも同一と認められないときは、より大きな偏差を許容するように定めても良い。または必要であれば、新しい比較できない波形を新しい特定の光強度特性として保存するよう定めても良い。それによって将来の処理タスク向けの、認識可能で別個の光強度特性が多数蓄えられる。

本発明のこれらのおよび他の態様は、以下に示される実施例と図面を参照することで明らかとなるであろう。

図1には、周辺ソース（以下光源という）を同定する本発明の実施例を示す。光トランジスタ（101）は線形領域におけるプルアップ抵抗器（106）によるバイアス電圧で作動し、周囲光源から放射される光を取り入れる。光トランジスタ（101）出力は増幅され（102）、A/D変換器（ADC）（103）に搬送される。ADC(103)で測定された電流は、光が著しく明るくない限り、光強度と比例する。処理装置（104）は以下に示す信号処理アルゴリズムに対して計算を実行する。ほとんどの人工的光源は普通、数百ヘルツの作動周波数を有するため、ADC（103）における通常数千Hzの信号をサンプル化すれば十分である。従って処理装置（104）におけるアルゴリズムの仕事負荷は、対象信号が比較的低周波数であるため、平坦化される。これにより、安価で、さらに消費者志向の製品として好ましい構成物を利用することが可能となる。信号の特性を得るため、信号の基本周波数および追加的に信号の波形を同定することが有益である。従って光強度特性を得るため利用されるDSP（104）における信号処理方法は、以下に示すステップを有する。サンプル速度およびサンプル長さ等の以下の値は、所与の実施例に適合するように変更されることが容易に理解される。
１）ADCからの入力信号は8kHzでサンプル化されたパルス符号変調(PCM)信号である。信号はN=2048サンプルの非重複フレームに区切られる。各サンプルはスペクトル漏れを最小限にするため、ガウス表示関数で増大される。高速フーリエ変換（FFT）のフレームの計算の結果、Nのスペクトル係数が得られる。低周波数および高周波数成分(＜10Hz、＞7Hz）は例えばバンドパスフィルタによって除去される。信号のこれらの部分は認識される信号に寄与しないためである。最大のパワースペクトル係数が定められ、基本周波数の大まかな予測が可能となる。これによりステップ2において見出される予想周波数の指標が検出される。
２）ステップ1に利用されるものと同じ入力信号が基本周波数予測の向上のため使用される。周波数の予測は周期、ここではサンプルの数、の予想に相当する。ステップ1で予想される信頼区間における各電位周期Tに対して、x[k]−x[k-T]の平均パワーが計算される。ここでx[0]、…x[N-1]はフレームのサンプルである。最小パワーの位置Tは例えば2次内挿によって位置づけられる。このような周波数予測は通常、自己相関表示のサイズ選択の妥当性に依存する単一サンプルの間隔に比べてより高精度である。
３）信号周期Tの高精度予測には周期的信号の波形抽出が利用される。これは入力信号を非重複フレームに分割することにより行われ、k番目のフレームは大体(k*T）で始まることになる。フレームは1次ローパスフィルタで平均化され、予測波形および波形の各位置の信頼区間が得られる。この例ではローパスフィルタは、y[n]=(1-a)y[n+1]+ax[n]、a=0.1として定義される。ステップ2がTのサブサンプルの高精度予測を返すことは重要である。さもなければ周期はドリフトし、平均化処理によって波形の細部が除去される可能性があるからである。この平均化処理によって、例えばフリッカー雑音、熱雑音等のような好ましくない雑音は最小化され、より正常な信号が得られる。
４）最終処理ステップは周期に対して一定の関係で置かれたフレーム内での波形回転である。例えば、波形のピークが1つのみである場合、ピークはいつも同じ位置に現れる。波形内の一定の照合位置を見出すため、信号のFFTの第1の非DC係数が計算される。この複素位相は波形が逆回転されたときの位相シフトを示す。この方法の結果、フレーム内に極めて安定な波形が得られる。これは最大値のような局部的特徴だけではなく、波形の全体的特徴を利用するためである。

本発明の好適実施例においてアルゴリズムは入力として8kHzの線形PCMサンプル化信号を読み取り、約4Hzで最も高出力の周期信号速度の主要周波数と波形の予測を出力し、サンプル化信号は2048サンプルの非重複フレームに区分けされる。

増幅器（102）は入力信号によるADC（103）の過負荷を避けるための手段を有する。受ける光が極めて強い場合は、増幅器の利得または例えば信号圧縮器はこれを解決するよう調整される。同様にサンプル化信号は同等の振幅レベルを維持するため、DSP（104）において信号比較に対して正規化される。

DSP（104）は多数の計算された光強度特性を保存するため、メモリ（107）有することが好ましい。DSP（104）は２つの信号特性を許容された偏差の範囲で比較することが可能である。好適実施例においては、装置はさらに記録手段、すなわち波形のような新しい計算された光特性を保存する手段を有する。

図2には50HzのACを印加された白熱灯から放射された光の波形を示す。供給電流は50Hzで振動するため、光変調は100Hzの正弦波の波形に似たものとなる。サンプリング周波数が上述の実施例のように8kHzの場合、およびサンプリング表示が2048のサンプルサイズである場合、サンプル化信号の平均は例えば10周期分によって与えられる。これは劣悪な雑音環境においても適切な信号近似には十分であることが多い。それにより不規則雑音のような非同期信号は実質的に排除される。

図3には50HzのACを印加された蛍光灯から放射された光の波形を示す。白熱灯の場合と同様、変調された光周波数は約100Hzであるが、図2のような平滑なカーブとはなっていない。図2および図3それぞれの同じ波形のサンプル毎の比較によって、波形に相対的な差異が見られる。それにより、DSPは２つの光特性が同じ光源に由来するものではないことを導き出せる。しかしながら、例えばより同等な波形形状が保存されていない場合、２つの波形は同一とみなせると結論付けられることがある。選定のしきいは保存情報によって変化することが理解される。

図4には76Hzのリフレッシュ速度のコンピュータモニタから放射された光の波形を示す。リフレッシュ周波数は、形が表示内容によって変化するパルスとして容易に検知できる。波形の長さは50Hzで印加された信号とは異なるため、76Hzとのサンプル毎の比較は不要である。波形の長さを比較することにより、信号が異なるカテゴリー（それぞれ100Hzおよび76Hz）に属することが示される。

図5には100Hzのリフレッシュ速度のコンピュータモニタから放射された光の波形を示す。この場合も最初にサンプル長さをメモリに保存された波形の長さと比較する必要がある。その結果、76Hzの信号はサンプル数がより長くなっており、76Hzで作動するモニタは新しい100Hzのモニタ信号に類別されないことになる。しかしながら、図2および図3の波形は100Hzのモニタ信号と関連する同一の可能性のある波形として類別される場合がある。

次のステップは上述の、信号がどのくらい似ているかを明らかにするためのサンプル毎の比較である。測定および／または計算の不正確性を補正する、比較のDSPアルゴリズムは例えば、周波数の許容偏差、波形データ等である。

図6には本発明の別の実施例を示す。ここでDSP（104）は2つの光検知回路（108a、108b）からの入力を処理し、光検知回路はプルアップ抵抗器（106a、106b）、光トランジスタ（101a、101b）、増幅器（102a、102b）およびADC（103a、103b）を有する。2または3以上の入力を利用することにより、1つの光センサのみの利用によって装置の相対位置が定められる。この場合、異なる感度特性を有する検出器を利用することが必要である。標準のデジタルカメラと比較して、2、3の画素のみを有するこのカメラは、方向の計算が極めて速く、さらに周期的な光源にのみ感応する。この考えられる用途は位置を定める装置であって、この場合周期的な光源がある限り一定の照合は不要である。

周期的な光源の「指紋」を同定するという本発明の方法には以下に示すようないくつかの用途がある。
・「以前ここにいたこと」：光源の同定では光検出器の位置に関する情報を提供する。特に検出器を備える移動装置は、部屋の光またはCRT画面の光を利用した検査により、ユーザーが過去にいた部屋に今いることを認識できる。
・「これを思い出すこと」：前述のようにただし、検出器は「記録」ボタンを押すとある光源を明確に記憶するよう、設定される。その後、他の中からこの光源が個別的に同定される。例えば、あるCRTを再発見できる。あるいは光源は特に、例えば周期的に繰り返される一定のビット系列を送る赤外線LEDのような「ビーコン」として設計される。移動装置はこの特定の痕跡を照合ポイントとして記憶する。
「任意照合ポイントを用いた位置センサ」：本発明の方法では任意の周期的光源を同定することが可能であり、検出器および光源の相対的位置を定めることに容易に拡張できる。この場合、異なる感度を有するいくつかの検出器が必要となる。検出器の連結信号が周期的光源に固定された後は、検出器の相対強度の比較によって光源の到達方向を計算できる。標準的なデジタルカメラとの対比では、この「いくつかの画素のみを有するカメラ」は方向の計算が極めて高速であり、（偶然または故意に置かれた）周期的光源にのみ感応する。この考えられる用途は指示装置であり、付近に周期的光源がある限り固定の照合は不要である。
・「周期的干渉の抑制」：完全に別個の用途として、本発明の方法は光検出器から到達する信号から主要な周期信号を分離することに利用できる。例えば、TLランプは消費者用のリモコンに干渉することが知られている。

これは通常、リモコンを30kHz程度で変調し、強度信号にバンドパスフィルタを利用することにより解決される。しかしながら干渉のパワーは伝達信号より著しく大きい場合がある。本発明の方法では、周期的な干渉を予測することができ、光信号からそれを排除して正常な伝達信号を得ることができる。検出器の過負荷を避けるため、光検出器の前置増幅器の調整に、予測された信号を用いることも可能である。
・「ランプの品質制御」：別の異なる用途は製作期間または使用期間におけるランプの品質制御である。一般タイプのランプの大部分は周期的な光を発生させ、この光には、波形の細部に実際の光源の特性を表す特徴がある。

例えば、寿命間近のTLランプは著しく多量のフリッカーおよび雑音を示す。本発明による改良により、この公称特性からのずれは明確に示される。従って近い将来作動しなくなりそうなランプを検出することによって、それをサービスおよびメンテナンスに利用することが可能となる。現在、余寿命と光パターンの間の実際の関係性は把握されていない。もし把握が有望ならこれは更なる発明の課題となる。
・「デジタルスコープのトリガ」：さらに別の用途は、光センサ部を除く本発明の信号処理法を含むものである。（電気信号を示すための）デジタルスコープの重要で難しい部分はトリガインパルスの発生部である。本発明の方法では周期信号に対して安定なトリガを発生させることができる。これは「ピークトリガ」等のような信号の局部的特性に基づくトリガ発生法の拡張である。

DSPに代えての汎用マイクロプロセッサの使用は、あるシステム設計において利用可能なオプションである。専用DSPはシステムにおける信号処理タスクを適切に扱うように調整されているものの、大部分の設計には経路管理等のような他の処理タスク用のマイクロプロセッサも必要である。1つのプロセッサへのシステム機能の統合は、システム部品点数削減、電力消費の削減、形状最小化および低コスト化のようないくつかの共通設計目的を実現させる上で最良の方法である。プロセッサ数を削減し1つにすることは、実行のための一連の指令の組および一連のツールの減少を意味することにもなる。

本発明の特定の実施例を参照して上記の説明を行ったが、上記の詳細な説明は単なる例示であって、本発明の範囲から逸脱しないで変更が可能であることは当業者に理解されるであろう。

添付の請求項は、本発明の意図および概念の範囲にあるそのような変更を含むことを意図している。従って開示された実施例は全ての点において例示的かつ非限定的なものとみなされ、本発明の範囲は前記の説明ではなく、添付の請求の範囲に示されており、従って以下の請求の範囲の意図および等価な範囲にある全ての変更は、請求の範囲に包含されることを意図するものである。

波形検知、信号変換および信号処理の本発明の実施例を示す図である。 50Hzの交流を印加された白熱灯によって放射される光の波形を示す図である。 50Hzの交流を印加された蛍光灯によって放射される光の波形を示す図である。 76Hzのリフレッシュ速度を有するコンピュータモニタによって放射される光の波形を示す図である。 100Hzのリフレッシュ速度を有するコンピュータモニタによって放射される光の波形を示す図である。 2つの独立した光検知回路を有する光検知、信号変換および信号処理の本発明の実施例を示す図である。

Claims (19)

1. 基本周波数と波形信号を放射する周辺ソースを同定する方法であって：
   a）既定の時間間隔において前記ソースの前記波形信号を測定するステップ；
   b）測定された波形から放射された波形特性を予測するステップ；
   c）予測された特性に基づいて多くの動作を定めるステップ；
   を有する方法。
2. 定められた多くの動作は前記波形特性とメモリに保存された関連情報を有する特定の波形特性とを比較する動作を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記関連情報は位置パラメータを有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
4. 高速フーリエ変換によって予測された波形特性の前記基本周波数を得ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. 非所望の信号は抑制されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
6. 前記基本周波数は予測された波形特性の自己相関関数における最大値を見出すことによって正常化されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
7. 予測された波形特性は、多数の予測された波形特性を平均化することによって算出されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
8. 予測された波形に対して位相シフトが行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
9. 定められた動作は、予測された波形特性を特定の波形特性として保存するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
10. 前記方法は、2以上の放射検出器を用いて検出装置と周辺ソースの相対的位置を定めることを可能にすることを特徴とする請求項1に記載の方法。
11. 前記方法は特定の周期的信号を予測し、抑制することを特徴とする請求項1に記載の方法。
12. 前記周辺ソースは光を放射するソースであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
13. 前記周辺ソースは音波信号を放射するソースであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
14. 前記周辺ソースは電磁波信号を放射するソースであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
15. 前記周辺ソースは機械的移動信号を放射するソースであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
16. 基本周波数と波形信号を放射する周辺ソースを同定するシステムであって、
    a）既定の時間間隔において前記ソースの波形信号を測定し；
    b）測定された波形から放射された波形特性を予測し；
    c）予測された特性に基づいて多くの動作を定める；
    手段を有するシステム。
17. 定められた多くの動作は前記波形特性とメモリに保存された関連情報を有する特定の波形特性とを比較する動作を有することを特徴とする請求項16に記載のシステム。
18. 前記関連情報は位置パラメータを有することを特徴とする請求項17に記載のシステム。
19. 請求項1ないし15のいずれかに記載の方法をプロセッサに実行させるプログラムを有するコンピュータで読むことの可能な媒体。

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