JP2008015970A - 光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤランプの輝度を下げることなく光通信が行え、かつ信号機に対する死角を生じ難くした光通信システムを提供する。
【解決手段】ＬＥＤ信号機２の赤，黄，青の各色のランプ２ａ，２ｂ，２ｃは、信号機制御盤３と送信装置１０により点灯制御される。送信装置１０は、送信データＤｓを符号化した符号化信号Ｓｃにより点灯中のＬＥＤランプを駆動する。ＬＥＤ信号機２に向かって走行する車両には、複数のＬＥＤ信号機２を撮影するカメラ２１、撮影画像をＲＧＢからＨＶＣ表色系に変換する処理、信号色フィルタ処理及び円形状認識処理を行う画像処理部２２、円形状認識の処理結果に基づいて点滅部分から光信号を取り出して復号化する復号化部２４を備えた受信装置２０が搭載されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、道路を走行する車両が、交差点の信号機等に設置された送信設備から交通信号機の表示状態や渋滞等の道路交通情報を光通信により取得するための光通信システムに関する。

交差点等に設置された交通信号機は、高輝度の青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ）が開発されたことから、赤、黄、青のランプを従来の白熱ランプからＬＥＤランプに代替されつつある。また、ＬＥＤは、高速応答が可能であることから、従来より、光通信に用いられている。そこで、交通信号機のＬＥＤランプを交通情報等のための光通信の発光源に兼用することが考えられている。

例えば、交通管制に従って点灯が制御されている信号機に対し、赤、黄、青のＬＥＤランプが点灯する毎に、その点灯中のＬＥＤランプを光変調して点滅させ、その変調光を信号機方向に走行している車両で受光して復調することにより道路交通情報が得られるようにした光空間通信装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２１４３９６号公報

しかし、従来の通信装置は、光変調の際のＬＥＤランプの点滅が、５０％以下のデューティ比になった場合、信号機としての輝度が低下し、車両の運転者には暗く見えるようになる。また、従来の光通信装置は、送信側と受信側がともに光の指向性があり、通信可能範囲が限られていた。

従って、本発明の目的は、ＬＥＤランプの輝度を下げることなく光通信が行え、かつ通信可能範囲が広い光通信システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、交通信号機の赤、黄及び青のＬＥＤランプをオン／オフしてデータを送信する送信装置と、車両に搭載され、前記赤、黄及び青のＬＥＤランプの点滅を含んだ車両前方を撮影して画像信号を出力する撮影装置と、前記画像信号に基づいて前記データを生成する受信装置と、を有することを特徴とする光通信システムを提供する。

このような構成によれば、交通信号機のＬＥＤランプは、交通信号を行うための本来の３色順番の点灯とともに送信データにより点滅され、この交通信号機が路上を走行する車両に搭載の受信装置で映像化されることにより、映像内のいずれかのＬＥＤランプの点滅状態から光信号を取り出して受信データが生成される。

本発明の光通信システムによれば、撮影した画像内に存在する複数の信号機の画像から受信データを生成することにより、信号機が撮影装置に映る範囲全てを通信可能範囲にすることができる。また、信号機として必要なＬＥＤランプの輝度を確保することができる。

（光通信システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る光通信システムを示す。この光通信システム１は、ＬＥＤランプ方式による交通信号機（以下、「ＬＥＤ信号機」という）２と、ＬＥＤ信号機２の３つのランプの点灯時間、点灯順序等を制御する信号機制御盤３と、ＬＥＤ信号機２または近傍に設置された送信装置１０と、公道を走行する車両に搭載された受信装置２０とを備えている。

ＬＥＤ信号機２は、赤色ＬＥＤによる赤ランプ２ａ（例えば、発光波長６３０ｎｍ）、黄色ＬＥＤによる黄ランプ２ｂ（例えば、発光波長５９２ｎｍ）及び青色ＬＥＤによる青ランプ２ｃ（例えば、発光波長５０３ｎｍ）を備えている。各ランプは、多数のＬＥＤ素子を規則的に配設して、全体が１つの丸いランプになる様に構成されている。なお、黄ランプ２ｂは、橙色ＬＥＤを用いた構成であってもよい。

信号機制御盤３は、交通管制センター等から送られてくるデータに基づいて青ランプ２ｃ→黄ランプ２ｂ→赤ランプ２ａ→青ランプ２ｃ、・・・の順にランプ２ａ〜２ｃを点灯させる制御回路（図示せず）を備えている。

送信装置１０は、復号化同期信号Ｓｆに基づいて送信データＤｓを符号化する符号化部１１と、ＬＥＤ信号機２の赤ランプ２ａ、黄ランプ２ｂ及び青ランプ２ｃの点灯を制御する信号機制御盤３と、赤ランプ２ａを駆動するＬＥＤドライバ１２と、黄ランプ２ｂを駆動するＬＥＤドライバ１３と、青ランプ２ｃを駆動するＬＥＤドライバ１４と、符号化部１１及び信号機制御盤３の出力信号に基づいてＬＥＤドライバ１２〜１４を制御する信号点灯制御部１５とを備えて構成されている。

受信装置２０は、車両前方のＬＥＤ信号機２及びその周囲が視野になるように設定された撮影装置としてのカメラ２１と、カメラ２１から出力されるＲＧＢによる映像信号Ｓｉを画像処理する画像処理部２２と、画像処理部２２による信号に基づいて復号のための復号化同期信号Ｓｆを生成する復号同期部２３と、読み取りデータＤｒ及び復号化同期信号Ｓｆに基づいて受信信号Ｓｒを生成する復号化部２４と、読み取りデータＤｒ及び復号化同期信号Ｓｆに基づいて復号化信号Ｓｄｃ、即ち、復号化信号Ｓｄｃを生成する受信データ処理部２５と、受信データ処理部２５からの復号化信号Ｓｄｃに基づいて表示信号を生成する表示制御部２６と、表示制御部２６の表示制御によって交通情報等が表示される液晶ディスプレイ等によるディスプレイ２７とを備えて構成されている。

（光通信システムの動作）
図２は、受信装置で得られる画像を示し、同図中、（ａ）はカメラによる撮影画像、（ｂ）は画像処理部で処理した後の処理画像の一例を示す。また、図３は、光通信システムの各部の動作を示す波形図である。図１〜図３を参照して、以下に光通信システム１の動作を説明する。

送信装置１０では、図３の（ａ），（ｂ）に示す２００Ｈｚの符号化同期信号パルスＰｓと、２００ｂｐｓの送信データＤｓを符号化部１１に入力する。

送信データＤｓは、信号の立ち下がりに基づいてスタートビットが生成され、このスタートビットに続いて送信信号が送出される。なお、通信速度は、カメラフレームレート÷２［ｂｐｓ］が上限になる。通常は、通信の信頼性を向上させるため、フレームレート÷６［ｂｐｓ］とする。

また、送信データＤｓは、“１”レベルが続くのは最大２Ｔ（ただし、１Ｔ＝３サンプル＝３フレーム）であるため、“１”レベルが４Ｔ以上続き、その後に“０”レベルが検出されれば、それがスタートビットであると判断できる。送信データＤｓの速度を２００ｂｐｓとし、信号の点灯情報などを４０ｂｉｔにして送信したとき、毎秒５回のデータ送信となる。

符号化部１１は、符号化同期信号パルスＰｓと送信データＤｓに基づいて、マンチェスタ符号（Manchester code）化した信号（符号化信号Ｓｃ）を図３の（ｃ）のように生成し、信号点灯制御部１５へ送出する。マンチェスタ符号化は、デューティ５０％の符号化同期信号パルスＰｓを基本とし、送信データＤｓの前半が“Ｈ”レベルで後半が“Ｌ”レベルの場合をデータ“０”、前半が“Ｌ”レベルで後半が“Ｈ”レベルの場合をデータ“１”とする処理を符号化同期信号パルスＰｓに対応して行うものである。マンチェスタ符号化の内容は、ハードウェア的には復号化同期信号Ｓｆと送信データＤｓの排他的論理和になるが、実際には、ＣＰＵとプログラムを用いたソフトウェアで処理される。

一方、信号点灯制御部１５は、通常の交通整理用のランプ制御信号Ｓｓに符号化信号Ｓｃを重畳した駆動信号ＳｄをＬＥＤドライバ１２〜１４へ出力する。なお、駆動信号Ｓｄは、ＬＥＤドライバ１２〜１４に順番に出力される。

ＬＥＤドライバ１２〜１４は、信号点灯制御部１５からの駆動信号Ｓｄに基づいて、ＬＥＤ信号機２の赤ランプ２ａ、黄ランプ２ｂ及び青ランプ２ｃを点灯する。このとき、駆動信号Ｓｄにより駆動されているランプが符号化信号Ｓｃにより、光変調された駆動タイミングで点滅する。

上記のように点灯しているＬＥＤ信号機２は、ＬＥＤ信号機２に向かって走行して来る車両の受信装置２０のカメラ２１によって撮影され、図２の（ａ）のような画像内容のカラーによる映像信号Ｓｉが得られる。

図２の（ａ）に示すように、撮影画像３０には、道路３１、道路３１の両側に設置された複数のＬＥＤ信号機２、道路３１の両側に植えられている複数の樹木３２、受信装置２０を搭載した車両の前方を走行している車両３３等が映されている。

映像信号Ｓｉは、画像処理部２２に入力され、画像処理部２２によって、数値的処理によりＲＧＢ表色系からＨＶＣ（色相・明度・彩度）表色系に変換される。映像信号ＳｉをＨＶＣ表色系に変換することで、画素の色相情報が得られる。

ＬＥＤ信号機２の赤ランプ２ａ、黄ランプ２ｂ及び青ランプ２ｃのそれぞれの発光波長は上記したように互いに異なっており、また、カメラ２１の感度は波長毎に異なる。そのため、ＨＶＣ表色系の色相値を使うことにより、カメラ２１からの映像信号ＳｉのＲＧＢの輝度値を使ってランプ色を検出する場合に比べ、ランプ色毎の検出率の差を小さくすることができる。

このように、ランプ色と色相との対応付けを行い、例えば、青のランプ色検出の閾値を算出し、この閾値に基づいてフィルタ処理をする。次に、図２の（ｂ）のように、ランプ色の色相値が閾値内にある画素のみを残した２値画像（図２の（ｂ）ではハッチングで示す樹木の葉の部分）を作成する。更に、赤ランプ２ａ、黄ランプ２ｂに対しても、青ランプ２ｃと同様に処理される。３色のそれぞれに対してフィルタ処理を施した３つの画像の論理和をとったものを処理画像４０とする。

次に、図２の（ｂ）の処理画像４０に対して、円形ハフ（Hough）変換等の形状認識アルゴリズムを用いて、ランプ色の円形状を検出する。処理画像４０からＬＥＤ信号機２を抽出するため、検出対象のＬＥＤ信号機２は１つでも複数でも対応可能である。このとき、似たような色で円形状のもの、例えば、車両３３のテールランプ３３ａ等も検出対象とし、点滅の情報読み取りのターゲットとする。ターゲットが点滅していない場合、常にＯＮ状態であるとして検出する。

処理画像４０の次のフレームでは、前フレームで検出した読み取りターゲットの周辺を探索する。検索して円形状が見つからない場合は、消灯していると判断する。なお、読み取りターゲットは、ＬＥＤ信号機２でない物体やＬＥＤ信号機２でない信号機の円形状部分も含め、映像から消えるまで追跡を続ける。また、ランプ色が変わるときに備えて、例えば、青色灯を検出中は隣の黄ランプ２ｂも同時に探索する。

画像処理部２２は、複数の読み取り対象のＬＥＤ信号機２のオン／オフ状態を、復号同期部２３、復号化部２４に送出する。

復号同期部２３は、処理画像４０から読み取ったデータに基づいて、各ＬＥＤ信号機２が送出する信号の復号タイミング、即ち、スタートビットを検出し、復号化部２４に復号化同期信号Ｓｆを印加する。復号化部２４は、復号同期部２３からの復号化同期信号Ｓｆに基づいて、画像処理部２２から送られた読み取りデータＤｒに対して復号化を実施する。

受信装置２０では、図３の（ｄ）に示すカメラ２１のシャッタタイミング（データ読み取りタイミングＴｄｒ）が１２００ｆｐｓであるので、このタイミングで送信データＤｓが図３の（ｅ）に示すように読み取られる。図３の（ａ），（ｄ）に示すように、復号化同期信号Ｓｆの１Ｔに対して、カメラ２１のシャッタタイミングは６回生じる。

受信信号Ｓｒは、図３の（ｆ）に示すように、復号化同期信号Ｓｆの立ち下がり時点からの３フレームの多数決により確定する。図３の（ｃ），（ｅ）に示すように、“１”が連続した後、最初の立ち下がり時点ｔ０から最初の３フレーム中２フレームに“０”があったことをもって復号の開始時点を判定する。ついで、ｔ０時点以後の復号化同期信号Ｓｆの立ち下がり時点ｔ１（ｔ０より７番目の読み取りデータ“１”）から復号化を開始する。

ｔ１からの信号列は、２Ｔの中に「１，１，１，０，０，０」のパルスが発生するので、これを「１，０」とする。この組み合わせは、マンチェスタ符号化時に“１”としていたので、これを“１”として復調する。以後、同じ信号列が６Ｔ分続くので、図３の（ｇ）に示すように、復号化信号Ｓｄｃは、「１，１，１」となる。

ｔ１から７Ｔ目のｔ２になると、２Ｔの中に「０，０，０，１，１，１」のパルスが発生するので、これを「０，１」とする。この組み合わせは、マンチェスタ符号化前は、データ“０”であったので、これを“０”として復号化する。以後、同様にして９Ｔ〜１４Ｔの復調処理を実施し、図３の（ｇ）に示すように、復号化信号Ｓｄｃとして「“０”、“１”、“１”」を得る。

得られた復号化信号Ｓｄｃに対して、受信データ処理部２５はデータの意味解釈を行った後、表示制御部２６へ出力する。表示制御部２６は、受信データ処理部２５からの受信信号Ｓｒに基づいた表示内容（文字、地図等）をディスプレイ２７に表示する。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）ＬＥＤ信号機２からマンチェスタ符号化を施した符号化信号Ｓｃをランプ２ａ〜２ｃから光信号にして送信することで、発光デューティ比が一定の５０％になり、ＬＥＤ信号機２のランプの輝度を一定にすることができる。
（ロ）カメラ２１及び画像処理部２２を受信側センサとして使うことで、画像内の全てのＬＥＤ信号機２を読み取り対象とすることが可能になり、ＬＥＤ信号機２の１つが画像内から消えた場合でも、更に先方にある他のＬＥＤ信号機２からの情報を受信して受信情報の欠損を補完することができる。これにより、交差点の安全通過支援装置等の動作を決定するための信号機情報センシング装置として使用することができる。
（ハ）送信装置１０は相互に同期をとることなく送信でき、かつ、受信装置２０はシャッタタイミング（データ読み取りタイミングＴｄｒ）でサンプリングするので、送信側の同期パルスのタイミングがずれていても、受信することができる。また、ＬＥＤ信号機２のそれぞれのスタートビットの発生時間がずれていても、復号化を正確に行うことができる。
（ニ）レーンキープ用のカメラを共用することで、新たなセンサを追加することなく、機能追加が可能になる。
（ホ）ＬＥＤ信号機２のＩＤやランプ切り替えまでの時間等の情報を受信データ処理部２５による受信信号Ｓｒから取得できるため、例えば、ランプ切り替えまでの時間に基づいて、車両のアイドリングストップからの復帰動作を自動的に行わせる制御が可能になる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る光通信システムを示す結線図である。 受信装置で得られる画像を示し、同図中、（ａ）はカメラによる撮影画像図、（ｂ）は画像処理部で処理した後の処理画像図である。 光通信システムの各部の動作を示す波形図である。

符号の説明

１ 光通信システム
２ ＬＥＤ信号機（交通信号機）
２ａ 赤ランプ
２ｂ 黄ランプ
２ｃ 青ランプ
３ 信号機制御盤
１０ 送信装置
１１ 符号化部
１２〜１４ ＬＥＤドライバ
１５ 信号点灯制御部
２０ 受信装置
２１ カメラ
２２ 画像処理部
２３ 復号同期部
２４ 復号化部
２５ 受信データ処理部
２６ 表示制御部
２７ ディスプレイ
３０ 撮影画像
３１ 道路
３２ 樹木
３３ 車両
３３ａ テールランプ
４０ 処理画像

Claims (10)

1. 交通信号機の赤、黄及び青のＬＥＤランプをオン／オフしてデータを送信する送信装置と、
   車両に搭載され、前記赤、黄及び青のＬＥＤランプの点滅を含んだ車両前方を撮影して画像信号を出力する撮影装置と、
   前記画像信号に基づいて前記データを生成する受信装置と、を有することを特徴とする光通信システム。
2. 前記送信装置は、前記交通信号機毎に設けられた複数台からなり、それぞれは相互に同期をとることなく送信することを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
3. 前記送信装置は、前記送信データをマンチェスタ符号化して前記光変調を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の光通信システム。
4. 前記撮影装置は、前記車両前方にある複数の交通信号機を含む範囲を視野とすることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
5. 前記受信装置は、前記撮影装置のシャッタタイミングでサンプリングして前記データを生成することを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
6. 前記受信装置は、前記撮影を行うカメラと、
   前記カメラによる画像信号を処理する画像処理部と、
   前記画像処理部による処理結果に基づいて復号化し、受信データを生成する復号化部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
7. 前記画像処理部は、前記カメラで撮影されたカラーによる画像をＨＶＣ表色系画像に変換する構成を有することを特徴とする請求項６に記載の光通信システム。
8. 前記画像処理部は、前記ＨＶＣ表色系に変換した画像に対し、色相フィルタによる処理を施すことを特徴とする請求項７に記載の光通信システム。
9. 前記画像処理部は、前記ＨＶＣ表色系に変換した画像に対し、円形状認識処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の光通信システム。
10. 前記画像処理部は、前記円形状認識処理の結果に対し、円形状の内の点滅状態にあるもの複数から受信信号を生成することを特徴とする請求項９に記載の光通信システム。
    

Images