JP2020162081A - 光送信機および光送信方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】送信機間および送信機と受信機との間で非同期での稼働が可能となり、それぞれの間を接続する同期用信号線及び同期信号発生器が不要な光送信機および光送信方法を提供することを目的とする。【解決手段】光送信機は、装置に固有の識別情報を含み複数のビットで構成される送信情報を生成し、生成した送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成する生成部と、生成された送信データに応じて、発光部の点灯と消灯を制御することで固有のビーコン信号を送信する送信部と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、光送信機および光送信方法に関する。
特定の通信コードを持つ複数発光部(例えば発光ダイオード光源)と、露光時間が限られる受光部(例えばカメラなど)で通信を行う場合は、単純に1bitを光の明と暗で信号を送ると、各発光部間および発光部と受光部の間で、信号の同期が必要であった(例えば特許文献1参照)。すなわち、特許文献1に記載の技術では、発光部と受光部それぞれに対し電源供給のほかに同期のための信号線と同期信号発生装置が必要となる。
図20は、従来技術の構成例を示す図である。断続的なサンプリングデータ(例えばカメラによる画像)などを用いて通信を行う場合は、図20に示すように、送信部(発光部901)、受信部(カメラ911)ともに同期(位相が一致)し、かつキャリア周波数が完全に同一であることが不可欠である。このため、断続的なサンプリングデータ(例えばカメラによる画像)などを用いて通信を行う場合は、同期信号発生器903と同期用信号線902が全ての機器間に必要であった。なお、図20において、TX904は送信部であり、RX913は受信部である。また、画像処理装置912は、カメラ911が撮影した画像に対して画像処理を行う。また、撮影された画像には、発光部901によって発光された画像が含まれている。この従来技術の場合は、発光部と受光部それぞれに対し電源供給のほかに同期のための信号線と同期信号発生装置が必要となる。
また、発光部が発光した光信号を受光部で受光する装置としては、異なる色の光を発光する複数の発光部を有し、送信データを色度座標上の色度点に対応付け、送信データに対応する色度点の色光が放射されるように各発光部の発光量を算出し、チャネル行列の推定に用いるプリアンブル信号を生成し、プリアンブル信号、及び算出した発光量に基づいて各発光部を発光させる送信装置と、異なる色の光信号を受信する複数の受光部を有し、プリアンブル信号に対応する光信号が各受光部で受信されると光信号に基づいてチャネル行列を推定し、推定したチャネル行列に基づいて色度点に対応する光信号に伝搬路補償を施し、伝搬路補償後の信号に基づいて色度座標上の色度点を検出して送信データを復調する受信装置と、を含む可視光通信システムが提案されている(例えば特許文献2参照)。特許文献2に記載の技術では、送信装置において、同期符号に基づき生成されたプリアンブル信号が各発光部に接続されている。特許文献2に記載の技術においても、発光部と受光部それぞれに対し電源供給のほかに同期のための信号線と同期信号発生装置が必要となる。
しかしながら、各従来技術の場合、発光部と受光部それぞれに対し電源供給のほかに同期のための信号線と同期信号発生装置が必要となる。例えば「ユニークID(識別子)を持つ複数発光体とカメラを用いた位置同定システム」の設置を考えた場合、インフラに対する工事が大掛かりとなり導入コストが高額となる。さらに片方が移動体の場合は、有線接続が困難である事が多く無線での通信となるため、これによりさらにシステムが複雑となり遅延や誤作動の問題も発生する。特に受光部が移動体上にある場合は、無線による通信を選択することになるが、遅延が許容されないのでシステム構築が難しい。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、送信機間および送信機と受信機との間で非同期での稼働が可能となり、それぞれの間を接続する同期用信号線及び同期信号発生器が不要な光通信装置および光通信方法を提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る光送信機<送信機2>は、装置に固有の識別情報<ID>を含み複数のビットで構成される送信情報を生成し、生成した前記送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成する生成部<送信情報生成部21、エンコーダ22>と、生成された前記送信データに応じて、発光部<24>の点灯と消灯を制御することで固有のビーコン信号を送信する送信部<23>と、を備える。
(2)また、本発明の一態様に係る光送信機において、前記送信データの1ビットは、所定時間<1単位>点灯する点灯期間と、前記所定時間消灯する消灯期間とを備えるようにしてもよい。
(3)また、本発明の一態様に係る光送信機において、前記送信データの0の発光パターンは、第1の所定点灯時間と第1の所定消灯時間との組み合わせによる発光パターンであり、前記送信データの1の発光パターンは、前記第1の所定点灯時間と異なる第2の所定点灯時間と前記第1の所定消灯時間と異なる第2の所定消灯期間との組み合わせによる発光パターンであるようにしてもよい。
(4)また、本発明の一態様に係る光送信機において、前記送信データの1ビットは、6つの前記所定時間で構成されているようにしてもよい。
(5)また、本発明の一態様に係る光送信機において、前記送信データは、0の発光パターン、および1の発光パターンの少なくとも1つを備え、前記0の発光パターンは、2つの前記所定時間連続して点灯の後、4つの前記所定時間連続して消灯であり、前記1の発光パターンは、4つの前記所定時間連続して点灯の後、2つの前記所定時間連続して消灯であるようにしてもよい。
(6)また、本発明の一態様に係る光送信機において、前記送信データは、前記送信情報の前に所定の時間全てが消灯または点灯のスタートビットと、前記送信情報の後にパリティビットとによって構成されるようにしてもよい。
(7)上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る光送信機方法は、発光部を有する光通信装置における光通信方法であって、生成部が、装置に固有の識別情報を含み複数のビットで構成される送信情報を生成し、生成した前記送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成する生成手順と、送信部が、生成された前記送信データに応じて、前記発光部の点灯と消灯を制御することでビーコンを送信する送信手順と、を含む。
上述した(1)または(7)によれば、送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成するようにしたので、送信機間および送信機と受信機との間で非同期での稼働が可能となり、それぞれの間を接続する同期用信号線及び同期信号発生器が不要とすることができる。
また、上述した(2)〜(5)によれば、送信データのタイミングと、受信機側の露光タイミングにずれがあっても、受信機側で送信データを誤判定無く受信することができる送信データを送信することができる。
また、上述した(6)によれば、全ての所定期間が消灯または点灯のスタートビットを設けたので、送信データに含まれる送信情報の開始位置を受信側で見つけることができる送信データを送信することができる。また、上述した(6)によれば、パリティビットを設けたので、受信機側は、これを用いてデータを正しく受信できたか否かを判別することができる送信データを送信することができる。
また、上述した(6)によれば、全ての所定期間が消灯または点灯のスタートビットを設けたので、送信データに含まれる送信情報の開始位置を受信側で見つけることができる送信データを送信することができる。また、上述した(6)によれば、パリティビットを設けたので、受信機側は、これを用いてデータを正しく受信できたか否かを判別することができる送信データを送信することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
[光通信システムの構成]
まず、光通信システムの構成例を説明する。
図1は、本実施形態に係る光通信システム1の構成例を示す図である。図1に示すように、光通信システム1は、送信機2a,2b,2c,…と受信機3を備える。なお、以下の説明において、送信機2a,2b,2c,…のうちの1つを特定しない場合は送信機2という。送信機2は、固有のビーコン信号(g1a、g1b、g1c、…)を発光と消灯によって送信する。また、受信機3は、撮影部31と処理部32を備える。後述するように、ビーコン信号には、各送信機2を識別するための識別情報(ID)が含まれている。
まず、光通信システムの構成例を説明する。
図1は、本実施形態に係る光通信システム1の構成例を示す図である。図1に示すように、光通信システム1は、送信機2a,2b,2c,…と受信機3を備える。なお、以下の説明において、送信機2a,2b,2c,…のうちの1つを特定しない場合は送信機2という。送信機2は、固有のビーコン信号(g1a、g1b、g1c、…)を発光と消灯によって送信する。また、受信機3は、撮影部31と処理部32を備える。後述するように、ビーコン信号には、各送信機2を識別するための識別情報(ID)が含まれている。
次に、送信機2と受信機3それぞれの構成例を説明する。なお、以下の説明では、図1に示した送信機2a,2b,2c,…の構成が同じ場合を説明する。なお、送信機2a,2b,2c,…の構成は、異なっていてもよい。
図2は、本実施形態に係る光通信システム1の構成例を示すブロック図である。図2に示すように、光通信システム1は、送信機2と受信機3を備える。
送信機2は、送信情報生成部21(生成部)、エンコーダ22(生成部)、送信部23、発光部24を備える。
受信機3は、撮影部31、処理部32を備える。処理部32は、露光制御部321、画像処理部322、記憶部323、判定部324、デコーダ325、CALデータ記憶部326、方向演算部327、地図データ記憶部328、自己位置演算部329、および出力部330を備える。
送信機2は、送信情報生成部21(生成部)、エンコーダ22(生成部)、送信部23、発光部24を備える。
受信機3は、撮影部31、処理部32を備える。処理部32は、露光制御部321、画像処理部322、記憶部323、判定部324、デコーダ325、CALデータ記憶部326、方向演算部327、地図データ記憶部328、自己位置演算部329、および出力部330を備える。
図2に示すように、本実施形態の光通信システム1は、従来技術とは異なり、送信機2は互いに非同期であり、かつ受信機3とも非同期である。このため、本実施形態の光通信システム1は、送信機2同士は、互いに同期信号の送受信を行わない。また、本実施形態の光通信システム1は、送信機2と受信機3も、互いに同期信号の送受信を行わない。
送信機2は、固有のビーコン信号(符号g1)を発光と消灯によって送信する。なお、従来技術とは異なり、送信機2は互いに非同期であり、かつ受信機3とも非同期である。このため、送信機2同士は、互いに同期信号の送受信を行わない。また、送信機2と受信機3も、互いに同期信号の送受信を行わない。なお、送信部23が取り付けられているワールド座標系における位置(以下、ビーコン座標ともいう)は既知である。
送信情報生成部21は、送信情報を生成して、生成した送信情報をエンコーダ22に出力する。なお、送信情報には、送信機2を識別するための識別情報(ID)が含まれている。また、送信情報には、ビーコン座標を示す情報が含まれていてもよい。
エンコーダ22は、送信情報生成部21が出力する送信情報を、後述するようにエンコード処理して送信データを生成する。エンコーダ22は、生成した送信データを送信部23に出力する。なお、後述するように、送信データにおける1ビットは、例えば6単位(6つの所定時間)のH(ハイ)レベルとL(ロー)レベルによって構成されている。また、1セットのメインデータには、後述するようにスタートビットと、データビットと、パリティビットが含まれている。なお、単位および送信データの構成等については後述する。
送信部23は、エンコーダ22が出力する送信データに基づいて、Hレベルの信号に対して発光部24を点灯するように制御し、Lレベルの信号に対して発光部24を消灯するように制御することで、ビーコン信号を送信するように制御する。なお、送信部23は、発光部24に供給する電流値または電圧値を制御することで点灯と消灯を制御する。
発光部24は、例えばLED(発光ダイオード)であり、送信部23の制御に応じて点灯と消灯を行うことで、ビーコン信号を送信する。なお、光源の波長は、例えば赤外線(IR(Infrared Rays))である。なお、光源の波長は赤外線に限らない。
受信機3は、受信したビーコン信号から送信情報を抽出する。また、受信機3は、複数の送信機2から受信したビーコン信号に基づいて、自己位置を求める。なお、受信機3は、各送信機2の位置情報を、ビーコン信号から取得してもよく、外部装置(不図示)から取得してもよく、予め地図データ記憶部328に記憶させておいてもよい。
撮影部31は、露光制御部321の制御に応じて送信データを1単位のフレームレートで撮影を行い、撮影した画像を処理部32に出力する。撮影部31は、慣性センサ(不図示)、距離センサ(不図示)等を備えている。撮影部31は、センサが検出した検出結果を自己位置演算部329に出力する。
処理部32は、撮影された画像に対して画像処理を行って送信情報を抽出する。
処理部32は、撮影された画像に対して画像処理を行って送信情報を抽出する。
露光制御部321は、撮影部31の露光タイミングを制御する。なお、露光タイミングについては後述する。
画像処理部322は、撮影部31が撮影した画像を取得し、取得した画像を記憶部323に記憶させる。画像処理部322は、取得した画像に対して画像処理を行う。なお、画像処理については後述する。画像処理部322は、画像処理した結果を判定部324と方向演算部327に出力する。画像処理部322が出力する結果には、カメラ座標におけるビーコン信号による輝点の座標(u,v)が含まれている。なお、撮影された画像等については後述する。
記憶部323は、撮影された画像を記憶する。記憶部323は、撮影された画像に含まれる各信号に対応する画素領域がHレベルであるかLレベルであるかを判定するための画像に対する閾値を記憶する。記憶部323は、送信情報のビットの判定に用いられる判定基準を記憶する。なお、判定基準については後述する。記憶部323は、画像処理に必要な情報を記憶する。記憶部323は、デコードに必要な情報を記憶する。
判定部324は、画像処理部322が出力する画像処理された画像に対して、記憶部323が記憶する閾値に基づいて、撮影された画像に含まれる各信号に対応する画素領域がHレベルであるのかLレベルであるのか判定する。判定部324は、判定した判定結果をデコーダ325に出力する。
デコーダ325は、記憶部323が記憶する判定基準に基づいて、ビットが“0”の発光パターンであるのか、“1”の発光パターンであるのか判定する。なお、“0”の発光パターンと“1”の発光パターンについては後述する。デコーダ325は、判定した結果に基づいて、ビーコン信号から情報を抽出する(デコードする)。デコーダ325は、抽出した情報を自己位置演算部329と出力部330に出力する。
CALデータ記憶部326は、撮影部31が有するレンズや撮像素子等の組み合わせに固有のキャリブレーションデータを記憶する。
方向演算部327は、CALデータ記憶部326が記憶するキャリブレーションデータを用いて、画像処理部322が出力する画像処理された画像に基づいて、ビーコン信号が送信された方向を演算する。なお、方向の演算方法については後述する。方向演算部327は、演算した方向を示す方向情報を自己位置演算部329に出力する。なお、方向演算部327が出力する方向情報には、撮影部31に対するビーコン信号の方向(方位角ω、仰角θ)が含まれている。
地図データ記憶部328は、例えば光通信システム1が使用される領域の地図データを記憶する。
自己位置演算部329は、撮影部31が出力する検出結果と、方向演算部327が出力する方向情報を取得する。自己位置演算部329は、検出結果と、方向情報と、地図データ記憶部328が記憶する地図データを用いて、送信機2の自己位置を演算する。自己位置演算部329は、演算した位置を示す位置情報を出力部330に出力する。自己位置演算部329が出力する位置情報には、ワールド座標系における自己位置(x,y,z,θz)が含まれている。なお、位置の演算方法については後述する。
出力部330は、デコーダ325が出力する情報と、自己位置演算部329が出力する位置情報とを外部装置(例えば表示装置、信号処理装置等)(不図示)に出力する。
[送信データの構成]
次に、送信データの構成について、図3〜図4を用いて説明する。
まず、本実施形態におけるビーコン信号の発光パターンを説明する。
図3は、本実施形態に係るビーコン信号の“0”と“1”の発光パターンを示す図である。図3において、横軸は経過時間であり、縦軸は信号のレベル(Hレベル、Lレベル)である。なお、“0”と“1”は、ビーコン信号におけるビットである。本実施形態では、図3に示すようにビットを発光部24の発光時間の長短(光信号)で表現する。また、以下の説明では、1ビットは6単位の通信時間である。なお、1単位は、所定時間であり、図3においてtn(nは1以上の整数)〜tn+1の期間である。
次に、送信データの構成について、図3〜図4を用いて説明する。
まず、本実施形態におけるビーコン信号の発光パターンを説明する。
図3は、本実施形態に係るビーコン信号の“0”と“1”の発光パターンを示す図である。図3において、横軸は経過時間であり、縦軸は信号のレベル(Hレベル、Lレベル)である。なお、“0”と“1”は、ビーコン信号におけるビットである。本実施形態では、図3に示すようにビットを発光部24の発光時間の長短(光信号)で表現する。また、以下の説明では、1ビットは6単位の通信時間である。なお、1単位は、所定時間であり、図3においてtn(nは1以上の整数)〜tn+1の期間である。
時刻t1〜t7の期間の信号が“0”の発光パターンである。“0”の発光パターンは、時刻t1〜t3の期間(第1の所定点灯時間)が点灯(Hレベル)であり、時刻t3〜t7の期間(第1の所定消灯時間)が消灯(Lレベル)である。すなわち、“0”の発光パターンは、2単位時間が点灯であり、4単位時間が消灯である。換言すると、“0”の発光パターンは、所定の点灯時間(第1の所定点灯時間)と所定の消灯時間(第1の所定消灯時間)との組み合わせで構成されている。
また、時刻t11〜t17の期間の信号が“1”の発光パターンである。“1”の発光パターンは、時刻t11〜t15の期間(第2の所定点灯時間)が点灯(Hレベル)であり、時刻t15〜t17の期間(第2の所定点灯時間)が消灯(Lレベル)である。すなわち、“1”の発光パターンは、4単位時間が点灯であり、2単位時間が消灯である。換言すると、“1”の発光パターンは、“0”の発光パターンとは異なる所定の点灯時間(第2の所定点灯時間)と、“0”の発光パターンとは異なる所定の消灯時間(第2の所定点灯時間)との組み合わせで構成されている。
このように、送信機2のエンコーダ22は、“0”に対して“HHLLLL”に変換(エンコード)し、“1”に対して“HHHHLL”に変換(エンコード)する。そして、送信機2の送信部23は、Hレベルに対して発光部24を点灯するように制御し、Lレベルに対して発光部24を消灯するように制御する。
次に、ビーコン信号の構成例を説明する。
図4は、本実施形態におけるビーコン信号の構成例を示す図である。図4において、符号g5が示す図は、ビーコン信号に対する発光部24への制御電圧の測定値例を示している。また、符号g7が示す図は、符号g5のビーコン信号のうち、メインデータセットを示している。なお、図4において、横軸は経過時間であり、符号g5の縦軸は信号レベル[V]であり、符号g7の縦軸は信号レベル(HレベルとLレベル)である。
図4は、本実施形態におけるビーコン信号の構成例を示す図である。図4において、符号g5が示す図は、ビーコン信号に対する発光部24への制御電圧の測定値例を示している。また、符号g7が示す図は、符号g5のビーコン信号のうち、メインデータセットを示している。なお、図4において、横軸は経過時間であり、符号g5の縦軸は信号レベル[V]であり、符号g7の縦軸は信号レベル(HレベルとLレベル)である。
図4に示すように、ビーコン信号のメインデータセットは、スタートビット(Start,S)と、データビット(Data)と、パリティビット(Parity,P)とで構成されている。図3のルールで作成されたデータビットは、“1”、“0”、“1”、“1”、“0”、“0”、“0”、“1”であり、パリティビットが“1”である。
スタートビットは、1ビット(6単位)であり、データビットの前に設けられている。また、スタートビットは、連続した消灯信号であり、図4に示す例では6単位の消灯である。このように、スタートビットは、データ列の開始または終了を表し、所定の時間に全消灯の発光パターンであり、“0”および“1”の発光パターンと異なる発光パターンである。
データビットは、スタートビットの後に連続して設けられ、例えば8ビット以上の情報を有する。なお、データビットには、エラー検出符号や、エラー訂正符号が含まれていてもよい。
パリティビットは、1ビット(6単位)であり、データビットに連続して設けられ、例えば奇数パリティである。パリティビットは、パリティ自身を含め、ビット全体で“1”の個数が奇数となるように設定されている。なお、6単位の場合の受信機3における露光については、図9と図10を用いて後述する。
なお、図4に示した例では、1ビットが6単位の例を示したが、1ビットは例えば6単位以下であってもよく、6単位以上であってもよい。
データビットは、スタートビットの後に連続して設けられ、例えば8ビット以上の情報を有する。なお、データビットには、エラー検出符号や、エラー訂正符号が含まれていてもよい。
パリティビットは、1ビット(6単位)であり、データビットに連続して設けられ、例えば奇数パリティである。パリティビットは、パリティ自身を含め、ビット全体で“1”の個数が奇数となるように設定されている。なお、6単位の場合の受信機3における露光については、図9と図10を用いて後述する。
なお、図4に示した例では、1ビットが6単位の例を示したが、1ビットは例えば6単位以下であってもよく、6単位以上であってもよい。
例えば、1ビットに対して3単位を割り当て、スタートビットをLLLとし、“0”の発光パターンをHLLとし、“1”の発光パターンをHHLとしてもよい。この場合、撮影部31が、1単位に対して2倍の露光回数で撮影することで、1ビットを6単位とした場合と同等の効果を得ることができる。この場合であっても、メインデータセットは、スタートビットが1ビット、データセットがnビット、パリティビットが1ビットの計n+2ビットである。
なお、図3に示した例では、“0”と“1”の発光パターンがHレベルから開始される例を説明したが、これに限らない。例えば、“0”の発光パターンがLレベルから開始され、4単位の消灯後に2単位の点灯であってもよく、“1”の発光パターンがLレベルから開始され、2単位の消灯後に4単位の点灯であってもよい。また、Hレベルが消灯であり、Lレベルが点灯であってもよい。この場合のスタートビットは、連続した点灯信号であり、6単位の点灯である。スタートビットは、データ列の開始または終了を表し、所定の時間に全点灯の発光パターンであり、“0”および“1”の発光パターンと異なる発光パターンである。
[サブデータセット]
次に、サブデータセットの例を説明する。
ビーコン信号は、図4に示したメインデータセットに加え、さらにメインデータセットに重畳されるサブデータセットを有していてもよい。図5は、本実施形態に係るメインデータセットに重畳されるサブデータセットの例を示す図である。なお、図5に示す例では、メインデータの1ビット(6単位)に対し、サブデータは1ビット(60単位)とする例である。
次に、サブデータセットの例を説明する。
ビーコン信号は、図4に示したメインデータセットに加え、さらにメインデータセットに重畳されるサブデータセットを有していてもよい。図5は、本実施形態に係るメインデータセットに重畳されるサブデータセットの例を示す図である。なお、図5に示す例では、メインデータの1ビット(6単位)に対し、サブデータは1ビット(60単位)とする例である。
図5に示す例では、メインデータセットは、スタートビット(1ビット)、データビット(48ビット)およびパリティビット(1ビット)の計50ビットである。そして、データビットとパリティビットにサブデータが重畳されている。符号g11は、2ビット目のデータビットを拡大して示した図である。また、図5の例は、サブデータセットの重畳に、メインデータセットの正転=1、反転=0を用いた場合である。
まず、スタートビットは、1ビット=サブデータの60単位が全て点灯状態である。
次に、サブデータビットは、データビットが“1”の発光パターンである符号g12が正転であり、データビットが“0”の発光パターンである符号g13が逆転である。
そして、パリティビットは“0”の発光パターンであるので逆転である。
なお、スタートビットの60単位の間は、メインデータの送信を不可とする。
次に、サブデータビットは、データビットが“1”の発光パターンである符号g12が正転であり、データビットが“0”の発光パターンである符号g13が逆転である。
そして、パリティビットは“0”の発光パターンであるので逆転である。
なお、スタートビットの60単位の間は、メインデータの送信を不可とする。
図5に示したように、メインデータセットの正転と反転を繰り返し送信することで、メインデータにサブデータを重畳して連続送信するこができる。このサブデータセットに、例えば処理頻度の低い情報を割り当てることで、常時処理が必要な情報を、より高速に取得することが可能である。
なお、図5に示したデータビットのビット数や、サブデータの単位数は一例であり、これに限らない。また、サブデータセットの重畳は、メインデータセットの正転=0、反転=1であってもよい。また、サブデータの1ビットは、50単位以下であってもよく、50単位以上であってもよい。
[送信機の送信処理]
次に、送信機2が行う送信処理手順例を説明する。
図6は、本実施形態に係る送信機2が行う送信処理手順のフローチャートである。
次に、送信機2が行う送信処理手順例を説明する。
図6は、本実施形態に係る送信機2が行う送信処理手順のフローチャートである。
(ステップS1)送信情報生成部21は、送信情報を生成する。
(ステップS2)エンコーダ22は、送信情報生成部21が出力する送信情報をエンコード処理して送信データを生成する。なお、エンコーダ22は、サブデータが含まれている場合、サブデータも含めてエンコード処理を行う。また、上述したように、送信データには、スタートビットとデータビットとパリティビットが含まれる。このため、エンコーダ22は、エンコード処理の際、スタートビットをデータビットの前に付与し、さらにパリティビットを計算して、計算したパリティビットをデータビットの後に付与する。
(ステップS3)送信部23は、エンコーダ22が出力する送信データを基づいて、Hレベルのデータに対して発光部24を点灯するように制御し、Lレベルのデータに対して発光部24を消灯するように制御することで、ビーコン信号を送信するように制御する。
[受信機の画像処理]
次に、受信機3が行う画像処理について説明する。
図7は、本実施形態に係る送信機からの光を含む画像を撮影部の全感度領域で撮影した画像例を示す図である。図7において、符号g101は、ビーコン信号の輝点の画像であり、符号g102とg103はダウンライト照明による光の画像である。このように、受信機3が撮影した画像には、送信機2以外の他の光源による画像が撮影される場合がある。なお、図7では、説明のために白と黒とを反転させている。
次に、受信機3が行う画像処理について説明する。
図7は、本実施形態に係る送信機からの光を含む画像を撮影部の全感度領域で撮影した画像例を示す図である。図7において、符号g101は、ビーコン信号の輝点の画像であり、符号g102とg103はダウンライト照明による光の画像である。このように、受信機3が撮影した画像には、送信機2以外の他の光源による画像が撮影される場合がある。なお、図7では、説明のために白と黒とを反転させている。
図8は、本実施形態に係る光学系にフィルタ処理を行った後撮影した画像例を示す図である。なお、図8に示す例は、図7に示した撮影された画像に対して、IR帯域を通過させるBPF(バンドパスフィルタ)を用いた後の画像である。すなわち、本実施形態では、撮影部31が有する撮像素子の前段の光学系でBPFをかけている。この理由は、撮影部31が白黒の撮影装置の場合は、撮影後に輝度情報となってしまうためである。また、図8では、説明のために白と黒とを反転させている。符号g121は、ビーコン信号の輝点の画像であり、符号g122とg123はダウンライト照明による光の画像である。このように、本実施形態では、BPFを用いることで、不要な可視光照明による画像を除去または減衰させることができ検出精度を向上させることができる。なお、処理部32は、さらに例えばクラスタリング処理等を行って、面積が閾値以上の白領域の画像を抽出することで、符号g122やg123の領域の画像を除去するようにしてもよい。
[受信機側の点灯と消灯の判定]
次に、消灯と点灯の判定例について、図9〜図11を用いて説明する。
図9は、本実施形態に係る“0”の発光パターンにおける消灯と点灯の判定例を示す図である。図10は、本実施形態に係る“1”の発光パターンにおける消灯と点灯の判定例を示す図である。図11は、本実施形態に係る判定基準例を示す図である。図9と図10において、横軸は経過時間であり、縦軸は信号レベル(HレベルとLレベル)である。
次に、消灯と点灯の判定例について、図9〜図11を用いて説明する。
図9は、本実施形態に係る“0”の発光パターンにおける消灯と点灯の判定例を示す図である。図10は、本実施形態に係る“1”の発光パターンにおける消灯と点灯の判定例を示す図である。図11は、本実施形態に係る判定基準例を示す図である。図9と図10において、横軸は経過時間であり、縦軸は信号レベル(HレベルとLレベル)である。
また、図9と図10において、符号g201とg205とg221とg225は、発光部24の点灯と消灯を表す。符号g202とg222は、第1ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g203とg223は、第2ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g204とg224は、第3ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g206とg226は、第4ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g207とg227は、第5ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g208とg228は、第6ケースにおける撮影装置の露光タイミングである。符号g209と符号229が示す範囲は、HレベルとLレベルの判定結果を示す。
なお、図9と図10は、露光時間が5/6単位の例である。この露光時間および露光タイミングは、受信機3の露光制御部321が制御する。また、発光部24と撮影部31のフレームレートの周波数のズレは、撮影部のレートを100とすると98.33〜101.66(±1.66%)が許容される。ただし、図9と図10は、発光部24と撮影部31のフレームレートの周波数完全一致した場合の図である。
また、図9と図10において、第1ケース〜第3ケースは、高感度判定例である。なお、高感度判定とは、撮影画像を2値化する際の白判定感度が高い場合(=少しの入光で白と判定)、もしくは素子への入光量が大きい場合である。図9と図10の第1ケース〜第3ケースでは、5/6単位の露光時間のうち、1/6単位以上の入光があったらHと判定する。
また、第4ケース〜第6ケースは、低感度判定例である。なお、低感度判定とは、撮影画像を2値化する際の白判定感度が低い場合(=多くの入光で白と判定)、もしくは素子への入光量が小さい場合である。図9と図10の第4ケース〜第6ケースでは、5/6単位の露光時間のうち、5/6単位の全てに入光があった場合にHと判定する。
また、第4ケース〜第6ケースは、低感度判定例である。なお、低感度判定とは、撮影画像を2値化する際の白判定感度が低い場合(=多くの入光で白と判定)、もしくは素子への入光量が小さい場合である。図9と図10の第4ケース〜第6ケースでは、5/6単位の露光時間のうち、5/6単位の全てに入光があった場合にHと判定する。
高感度判定における符号g202とg222の第1ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが一致している例である。符号g202のように、第1ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が2個であり、消灯(Lレベル)が4個であると判定される。符号g222のように、第1ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が4個であり、消灯(Lレベル)が2個であると判定される。
高感度判定における符号g203とg223の第2ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが2/6単位(120[deg])進んでいる例である。符号g203のように、第2ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。符号g223のように、第2ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が5個であり、消灯(Lレベル)が1個であると判定される。
高感度判定における符号g204とg224の第3ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが4/6単位(240[deg])進んでいる例である。符号g204のように、第3ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。符号g224のように、第3ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が5個であり、消灯(Lレベル)が1個であると判定される。
低感度判定における符号g206とg226の第4ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが一致している例である。符号g206のように、第4ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が2個であり、消灯(Lレベル)が4個であると判定される。符号g226のように、第4ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が4個であり、消灯(Lレベル)が2個であると判定される。
低感度判定における符号g207とg227の第5ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが2/6単位(120[deg])進んでいる例である。
符号g207のように、第5ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が1個であり、消灯(Lレベル)が5個であると判定される。このため、第5ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
符号g227のように、第5ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。このため、第5ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。
符号g207のように、第5ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が1個であり、消灯(Lレベル)が5個であると判定される。このため、第5ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
符号g227のように、第5ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。このため、第5ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。
低感度判定における符号g208とg228の第6ケースの場合は、発光部24の立ち上がりタイミングと、露光時間の立ち上がりタイミングが4/6単位(240[deg])ずれている例である。
符号g208のように、第6ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。このため、第6ケースの“0”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
符号g228のように、第6ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が5個であり、消灯(Lレベル)が1個であると判定される。このため、第6ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。
符号g208のように、第6ケースでは、“0”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が3個であり、消灯(Lレベル)が3個であると判定される。このため、第6ケースの“0”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
符号g228のように、第6ケースでは、“1”の発光パターンに対して、点灯(Hレベル)が5個であり、消灯(Lレベル)が1個であると判定される。このため、第6ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。
次に、記憶部323が記憶する判定基準について説明する。
なお、ここでは、説明が煩雑になることを避けるため、上述したサブデータ処理を除外してメインデータのデコード処理について説明する。
図11に示すようにHレベルの個数が0個の場合、受信機3のデコーダ325は、スタートビット(Start bit)と見なす、または光量不足等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす。Hレベルの個数が1個の場合、デコーダ325は、光量不足等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす。また、Hレベルの個数が2個以上、3個以下の場合、デコーダ325は、“0”とみなす。Hレベルの個数が4個以上、5個以下の場合、デコーダ325は、“1”とみなす。Hレベルの個数が6個の場合、デコーダ325は、光量過剰等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす、または発光部24以外の光源であるとみなす。これらの判定基準は、受信機3の記憶部323が記憶している。なお、図11に示した判定基準は、1ビットが6単位の場合である。このため、判定基準は、1ビットが6単位以外の場合、1ビットの単位数に合わせて設定される。
なお、ここでは、説明が煩雑になることを避けるため、上述したサブデータ処理を除外してメインデータのデコード処理について説明する。
図11に示すようにHレベルの個数が0個の場合、受信機3のデコーダ325は、スタートビット(Start bit)と見なす、または光量不足等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす。Hレベルの個数が1個の場合、デコーダ325は、光量不足等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす。また、Hレベルの個数が2個以上、3個以下の場合、デコーダ325は、“0”とみなす。Hレベルの個数が4個以上、5個以下の場合、デコーダ325は、“1”とみなす。Hレベルの個数が6個の場合、デコーダ325は、光量過剰等によりID(識別情報)読み取りができない(不可)とみなす、または発光部24以外の光源であるとみなす。これらの判定基準は、受信機3の記憶部323が記憶している。なお、図11に示した判定基準は、1ビットが6単位の場合である。このため、判定基準は、1ビットが6単位以外の場合、1ビットの単位数に合わせて設定される。
このように、第1ケース〜第4ケースの“0”の発光パターンと“1”の発光パターンは、図11に示した判定基準に基づいて、“0”または“1”が適切に判定される。
第5ケースと第6ケースの“0”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
また、第5ケースと第6ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。なお、第5ケースと第6ケースの場合は、例えば奇数パリティと合わせ解読不能な信号列であることを識別する。
第5ケースと第6ケースの“0”の発光パターンは、Hレベルが1個であるためID読み取り不可と判定される。
また、第5ケースと第6ケースの“1”の発光パターンは、Hレベルが3個であるため“0”と判定され、誤判定される。なお、第5ケースと第6ケースの場合は、例えば奇数パリティと合わせ解読不能な信号列であることを識別する。
次に、受信機3が撮影した画像に対して行う処理例を説明する。
図12は、本実施形態に係る撮影された画像に対して行う処理を説明するための図である。なお、図12に示す例では、データビットが8ビットの例である。受信機3の撮影部31は、発光パターンを、1ビットあたり6枚、10(=1+8+1)ビットに対して計60枚撮影する。なお、図12は白と黒とを反転してある。
また、符号g301が示す領域の画像(01〜06)は、スタートビットの発光パターンを撮影した画像である。符号g302〜g309が示す領域の画像(07〜12、13〜18、19〜24、25〜30、31〜36、37〜42、43〜48、49〜54、55〜60)は、1ビット目〜8ビット目の発光パターンを撮影した画像である。
図12は、本実施形態に係る撮影された画像に対して行う処理を説明するための図である。なお、図12に示す例では、データビットが8ビットの例である。受信機3の撮影部31は、発光パターンを、1ビットあたり6枚、10(=1+8+1)ビットに対して計60枚撮影する。なお、図12は白と黒とを反転してある。
また、符号g301が示す領域の画像(01〜06)は、スタートビットの発光パターンを撮影した画像である。符号g302〜g309が示す領域の画像(07〜12、13〜18、19〜24、25〜30、31〜36、37〜42、43〜48、49〜54、55〜60)は、1ビット目〜8ビット目の発光パターンを撮影した画像である。
1単位目(01)がL、2単位目(02)がL、…、6単位目(06)がLである。このため、受信機3の判定部324は、1〜6単位をスタートビットであると判定する。
続けて、判定部324は、データビットの1ビット目の1単位目(07)〜6単位目(12)の順に判定する。判定部324は、HHHHLL、すなわちHが4個のため“1”と判定する。
続けて、判定部324は、データビットの2ビット目の1単位目(08)〜6単位目(18)の順に判定する。判定部324は、HHLLLL、すなわちHが2個のため“0”と判定する。
続けて、判定部324は、データビットの2ビット目の1単位目(08)〜6単位目(18)の順に判定する。判定部324は、HHLLLL、すなわちHが2個のため“0”と判定する。
以下、判定部324は、3ビット目、…、8ビット目を順に判定する。
続けて、判定部324は、符号g310の1単位目(55)〜6単位目(60)の順に判定する。判定部324は、HHHHLL、すなわちHが4個のため“1”と判定する。なお、判定部324は、符号g310に続いて、符号g301のLLLLLLの発光パターン、すなわちスタートビットを受信した際、そのスタートビットの前のビットをパリティビットであると判定する。または、データビット長が予め決められている場合、判定部324は、所定のデータビットの後に付与されているビットをスタートビットであると判定する。
続けて、判定部324は、符号g310の1単位目(55)〜6単位目(60)の順に判定する。判定部324は、HHHHLL、すなわちHが4個のため“1”と判定する。なお、判定部324は、符号g310に続いて、符号g301のLLLLLLの発光パターン、すなわちスタートビットを受信した際、そのスタートビットの前のビットをパリティビットであると判定する。または、データビット長が予め決められている場合、判定部324は、所定のデータビットの後に付与されているビットをスタートビットであると判定する。
図12に示したように、発光パターンが輝点(図12では黒点)として連続画像に撮影されるため、処理部32は、これらの画像に対してHかLかを判定した後、ビット毎に“0”か“1”を判定する。そして、受信機3の処理部32は、判定結果を用いて、ビーコン信号に含まれるデータに対してデコードを行うことができる。
なお、上述したように、本実施形態では、送信機2は、送信機2のタイミングでビーコン信号を送信する。そして、受信機3は、送信機2からの同期信号を用いずに画像から送信データに対してデコードを行う。このように、受信機3が、送信機2からの同期信号を用いずに画像に対してデコードを行える理由は、上述したようにビーコン信号の信号列(メインデータセット)の構成を、1ビットを複数単位で構成し、HレベルとLレベルの発光の組み合わせ(“0”の発光パターンをHHLLLL、“1”の発光パターンをHHHHLL)で定義したためである。また、受信機3が、送信機2からの同期信号を用いずに画像に対してデコードを行える理由は、データnビットと、スタートビット(1ビット)とパリティビット(1ビット)で構成したためである。
なお、本実施形態の位置同定精度は、送信機2の設置数と受信機3の撮影部31の画素数に依存するが、例えば20cm以下が可能である。
なお、本実施形態の位置同定精度は、送信機2の設置数と受信機3の撮影部31の画素数に依存するが、例えば20cm以下が可能である。
[画像処理手順]
次に、受信機3の処理部32が行う画像処理手順例を説明する。
図13は、本実施形態に係る受信機3の処理部32が行う画像処理手順のフローチャートである。
次に、受信機3の処理部32が行う画像処理手順例を説明する。
図13は、本実施形態に係る受信機3の処理部32が行う画像処理手順のフローチャートである。
(ステップS101)撮影部31は、露光制御部321の制御に基づいて撮影する。
(ステップS102)画像処理部322は、撮影された多値(例えばグレースケール、256階調)の画像を2値化する。
(ステップS103)画像処理部322は、2値化された画像に対してクラスタリング処理を行う。なお、画像処理部322は、クラスタリング処理を行うクラスタごとに画素数、縦横比および充填率等の属性を付加する。なお、画像処理部322は、例えば記憶部323が記憶する閾値以上の画素に対してクラスタリング処理を行う。
(ステップS104)画像処理部322は、クラスタリング処理を行った結果に基づいて、光源候補の領域の画像を抽出する。なお、画像処理部322は、ステップS103で付加した属性に基づいて光源候補を抽出する。
(ステップS105)画像処理部322は、系列で光源候補が蓄積されたら光源候補を追跡する。なお、画像処理部322は、追跡に必要なデータを記憶部323に記憶させる。例えば、画像処理部322は、例えば6フレーム後を探して近傍(例えば5画素×5画素)に類似の光源があれば同一の光源と仮定してその間の信号強度を抽出する。画像処理部322は、HレベルとLレベルに不適切な強度であれば信号候補から外す。画像処理部322は、現時刻から後の時刻に見つかった光源を基準にしてその後の光源を探すことを光源が見つからなくなるまで繰り返す。
以下、判定部324は、画像処理された結果に基づいてHレベルとLレベルを判定する。そして、判定部324は、1ビットにおけるHレベルの個数に基づいて“0”の発光パターンであるか“1”の発光パターンであるか判定する。続けて、デコーダ325は、画像処理部322が追跡した信号列について信号列の長さを検証し、必要に応じてエラー訂正もしくはエラー検出信号を利用して信号を補正して、送信情報を得る。
なお、上述した画像処理手順は一例であり、これに限らない。画像処理部322は、画像処理において、例えばエッジ検出、特徴量検出等の処理を行ってもよい。
[方向の演算方法]
次に、受信機3が行うビーコン信号の方向の演算方法について、図14と図15を用いて説明する。
図14は、本実施形態に係る撮影された画像における座標を示す図である。図14において、水平方向をU軸方向、垂直方向をV軸方向とする。符号g401は、撮影された画像内のビーコン信号の輝点を表す。ビーコン信号の輝点の座標(u,v)を、以下、輝点座標という。
次に、受信機3が行うビーコン信号の方向の演算方法について、図14と図15を用いて説明する。
図14は、本実施形態に係る撮影された画像における座標を示す図である。図14において、水平方向をU軸方向、垂直方向をV軸方向とする。符号g401は、撮影された画像内のビーコン信号の輝点を表す。ビーコン信号の輝点の座標(u,v)を、以下、輝点座標という。
本実施形態では、受信機3の処理部32は、輝点座標(u,v)からビーコン信号が送信された方向(方位角ω,仰角θ)を演算する。なお、方向演算部327は、ビーコン信号の方向を計算する際に、CALデータ記憶部326が記憶するキャリブレーションデータを使用する。
図15は、本実施形態に係るカメラ座標を示す図である。
図15に示すように、カメラ座標の原点をカメラ光学中心とする。例として,複数のレンズからなる光学系においては物側主点とする。さらに、カメラ座標軸をXc,Yc,Zcとする。また、カメラ座標は、−Yc方向を撮影部31前方とし且つ移動体前方とし、+Zc方向を天井方向とする左手系とする。
図15に示すように、カメラ座標の原点をカメラ光学中心とする。例として,複数のレンズからなる光学系においては物側主点とする。さらに、カメラ座標軸をXc,Yc,Zcとする。また、カメラ座標は、−Yc方向を撮影部31前方とし且つ移動体前方とし、+Zc方向を天井方向とする左手系とする。
輝点座標(u,v)(図14)に対し、内部パラメータならびにレンズ歪みの補正データを使用することで,カメラ座標上の点に変換する。
ビーコン信号の輝点座標(u,v)と、ビーコン信号のカメラ座標系での座標(Xc,Yc,Zc)(以下、ビーコン座標ともいう)との関係は次式(1)で表される。
ビーコン信号の輝点座標(u,v)と、ビーコン信号のカメラ座標系での座標(Xc,Yc,Zc)(以下、ビーコン座標ともいう)との関係は次式(1)で表される。
ただし、式(1)において、(fx,fy)はピクセル単位の焦点距離であり、(Cx,Cy)はピクセル単位の光学的中心(主点)であり、Sはスケールファクタである。カメラレンズの半径方向と円周方向の歪みが、このXc,Yc,Zcに反映されている。
半径方向の歪み係数kと円周方向の歪み係数pを用いて、カメラ座標系における拡張表記すると次式(2)のように表すことができる。
半径方向の歪み係数kと円周方向の歪み係数pを用いて、カメラ座標系における拡張表記すると次式(2)のように表すことができる。
式(2)において、Xcにおけるx’(1+k1r2+k2r4+k3r6)の項と、Ycにおけるy’(1+k1r2+k2r4+k3r6)の項は、撮影部31が有するレンズによる歪み成分の内、半径方向の歪みを表している。また、Xcにおける{2p1x’y’+p2(r2+2x’2)}の項と、Ycにおける{p1(r2+2y’2)+2p2x’y’}の項は、撮影部31が有するレンズによる歪み成分の内、円周方向の歪みを表している。
方向演算部327は、例えば規定画像や送信機2の配置パターンを用いたキャリブレーションターゲットによるカメラキャリブレーションを行う。そして、方向演算部327は、既知の座標に対応する理論上の撮像内座標と実際に撮影された座標とを比較してk値とp値を決定する。これにより、本実施形態によれば、レンズの歪みが算出されるカメラ座標に与える影響を除去することができるので、以降の自己位置算出を精度良く行うことができる。
カメラ座標系におけるビーコン信号の方向(方位角ω,仰角θ)は、次式(3)のように表すことができる。
カメラ座標系におけるビーコン信号の方向(方位角ω,仰角θ)は、次式(3)のように表すことができる。
[自己位置の演算方法]
次に、受信機3が行う自己位置の演算方法について、図16〜図18を用いて説明する。
図16は、本実施形態におけるカメラ座標とワールド座標を示す図である。図16では、2つの送信機2a,2bを用いて説明する。(Xw,Yw,Zw)がワールド座標系であり、(Xc,Yc,Zc)がカメラ座標系である。符号g421は、カメラ座標系における送信機2aの座標(X1c,Y1c,Z1c)、ワールド座標系における送信機2aの座標(X1w,Y1w,Z1w)を表している。符号g422は、カメラ座標系における送信機2bの座標(X2c,Y2c,Z2c)、ワールド座標系における送信機2bの座標(X2w,Y2w,Z2w)を表している。また、ワールド座標系におけるカメラ座標系の原点Ocの座標を(t1,t2,t3)とする。
次に、受信機3が行う自己位置の演算方法について、図16〜図18を用いて説明する。
図16は、本実施形態におけるカメラ座標とワールド座標を示す図である。図16では、2つの送信機2a,2bを用いて説明する。(Xw,Yw,Zw)がワールド座標系であり、(Xc,Yc,Zc)がカメラ座標系である。符号g421は、カメラ座標系における送信機2aの座標(X1c,Y1c,Z1c)、ワールド座標系における送信機2aの座標(X1w,Y1w,Z1w)を表している。符号g422は、カメラ座標系における送信機2bの座標(X2c,Y2c,Z2c)、ワールド座標系における送信機2bの座標(X2w,Y2w,Z2w)を表している。また、ワールド座標系におけるカメラ座標系の原点Ocの座標を(t1,t2,t3)とする。
式(1)で演算したカメラ座標系におけるビーコン座標と、既知のワールド座標系におけるビーコン座標を複数使用すると、回転行列と併進行列を求められる。従って、ワールド座標系を使用した既知の地図上での自己位置を算出することができる。
ここで、カメラ座標系からワールド座標系への変換は、3次元アフィン変換により行う。この変換に使用される変換行列の各値は、参照するビーコン信号を必要数確保すれば算出可能である。しかしながら、実施形態では位置同定に必要な,X,Y,θzのみに限定し、他のパラメータはセンサからの入手や固定値とした。
ワールド座標とカメラ座標との関係は、要素rnmからなる回転行列と、要素tnからなる併進行列を用いて、次式(4)のように表すことができる。
ワールド座標とカメラ座標との関係は、要素rnmからなる回転行列と、要素tnからなる併進行列を用いて、次式(4)のように表すことができる。
回転行列要素であるr11〜r33は、カメラ座標がワールド座標系に対して,Xw軸周りにα、Yw軸周りにβ、Zw軸周りにγ回転しているとした場合の変数であるとする。
ここでαとβは、例えば移動体や撮影部31に内蔵された慣性センサの、重力に対する値を用いて取得することができる。また、t3も、床面との距離センサより取得可能である。
この結果、位置同定のために求めなければならない変数は、t1(X),t2(Y)と、Zw軸周りの回転角度γ(θZ)となる。
ここで、ワールド座標系におけるビーコン座標は既知であるため、複数の送信機2を用いて連立方程式を解き,撮影部31の撮影位置と方向を得ることができる(自己位置と方向の同定)。
ここでαとβは、例えば移動体や撮影部31に内蔵された慣性センサの、重力に対する値を用いて取得することができる。また、t3も、床面との距離センサより取得可能である。
この結果、位置同定のために求めなければならない変数は、t1(X),t2(Y)と、Zw軸周りの回転角度γ(θZ)となる。
ここで、ワールド座標系におけるビーコン座標は既知であるため、複数の送信機2を用いて連立方程式を解き,撮影部31の撮影位置と方向を得ることができる(自己位置と方向の同定)。
図17は、天井に取り付けられている複数の送信機2からの光を撮影した際の画像のイメージ図である。符号g431が示す領域は、撮影部31によって撮影された画像である。符号g433が示す領域は、送信機2が天井に取り付けられている部屋の外形を示している。また、符号g441〜g445は、各送信機2が送信したビーコン信号を示している。また、受信機3は、受信した送信データに対してデコードを行い、符号g441の送信機2のID(識別情報)がID1、符号g442の送信機2のIDがID2、符号g443の送信機2のIDがID3、符号g444の送信機2のIDがID4を得る。図17の例では、撮影範囲以外であったため、受信機3は、符号g445のIDを取得できていない。
上述したように、各送信機2のワールド座標系における位置は既知である。そして、受信機3は、ビーコン信号を受信できた送信機2のIDを送信データから取得し、かつ方向を演算して求める。さらに、複数の送信機2の位置から、自己位置を同定する。この結果、図17に示すように、ワールド座標系における受信機3の位置が同定される。なお、図17において、紙面の上側を受信機3の後方(REAR)とし、紙面の下側を受信機3の前方(FRONT)とする。
受信機3は、図18に示すように、同定した自己位置を地図上の座標に変換する。図18は、本実施形態に係る地図上の自己位置を示す図である。図18において、横軸はX軸であり、縦軸はY軸である。また、図18に示す例は、4つの送信機2を撮影して、IDを取得できた場合の例である。なお、IDが5の送信機2(図17の符号g445)は、撮影範囲外であったため撮影できていない。図18に示す例の自己位置は、例えばXw=2855、Yw=3140、θz=303度である。
このように、本実施形態によれば、受信機3を起動して画像を撮影すれば即時に自己位置の座標と向きが得られる。また、本実施形態によれば、図18に示すように送信機2のIDに紐付けた地図を得ることができる。
[位置同定の処理手順]
次に、受信機3が行う位置同定の処理手順例を説明する。
図19は、本実施形態に係る受信機3が行う位置同定の処理手順のフローチャートである。
次に、受信機3が行う位置同定の処理手順例を説明する。
図19は、本実施形態に係る受信機3が行う位置同定の処理手順のフローチャートである。
(ステップS201)撮影部31は、露光制御部321の制御に応じて撮影する。
(ステップS202)画像処理部322は、撮影された画像に対して画像処理(図13のステップS102〜S105)の処理を行う。
(ステップS202)画像処理部322は、撮影された画像に対して画像処理(図13のステップS102〜S105)の処理を行う。
(ステップS203)判定部324は、画像処理部が出力する情報に基づいて、判定処理を行って、ビーコン信号による画像を確定する。続けて、デコーダ325は、ビーコン信号からIDを含む送信データを抽出する。これにより、デコーダ325は、ビーコン信号のIDを確定する。
(ステップS204)方向演算部327は、画像処理部が出力する情報と、CALデータ記憶部326が記憶するキャリブレーション情報と、上述した式(1)、式(2)を用いて、カメラ座標系におけるビーコン信号の位置(ビーコン座標)を確定する。続けて、方向演算部327は、画像処理部が出力する情報を用いて、上述した式(3)によってビーコン信号の方向(撮影部31から見た送信機2の方向)を演算する。
(ステップS205)自己位置演算部329は、デコーダ325が出力する送信データを取得する。続けて、自己位置演算部329は、IDを2つ以上検出できたか否かを判別する。自己位置演算部329は、IDを2つ以上検出できたと判別した場合(ステップS205;YES)、ステップS206の処理に進める。自己位置演算部329は、IDを2つ以上検出できていないと判別した場合(ステップS205;NO)、ステップS201の処理に戻る。
(ステップS206)自己位置演算部329は、撮影部31が出力する検出結果と、方向演算部327が出力する方向情報を取得する。続けて、自己位置演算部329は、検出結果と、方向情報と、地図データ記憶部328が記憶する地図データを用いて、上述した式(4)によって送信機2の自己位置を演算して同定する。
以上のように、本実施形態では、測位のための基準となるビーコン信号に点光源の光信号を使用した。本実施形態のビーコン信号は、ユニークなID(識別情報)を持ち、既知の座標に複数設置される。本実施形態では、撮影部31によりビーコン信号を撮影することで、各ビーコン信号の識別と撮影部31からの方位を取得するようにした。そして、本実施形態では、この撮影データと既知のビーコン信号の座標データ(ビーコン座標)から現在の自己位置(カメラ撮影位置)を推定するようにした。
本実施形態によれば、ビーコン信号に光を使用することにより、鏡面以外では電波のようなマルチパスの影響がないため、設置後の設置環境個別のキャリブレーションが不要である。また、本実施形態によれば、電波の様に他の機器との干渉やノイズの影響を受けにくい。
以上のように、本実施形態では、送信データの1ビットに対して例えば6単位を割り当てた。そして、本実施形態では、この送信データを1単位のフレームレートの撮影部31で撮影して画像処理することによって、送信機2のキャリア周波数と受光部のフレームレートの完全一致、及びシャッタータイミングの同期(位相の一致)を不要とした。
また、本実施形態では、送信データを、例えばデータビットのnビットに加えて、スタートビットを1ビット、パリティビットを1ビットの計n+2ビットで構成した。
また、本実施形態では、データのデコードを、連続して撮影した複数画像の発光部24の輝度により1単位毎のHレベルまたはLレベルを判定し,さらに判定基準に基づいて1bit毎の“0”または“1”を決定するようにした。
また、本実施形態では、送信データを、例えばデータビットのnビットに加えて、スタートビットを1ビット、パリティビットを1ビットの計n+2ビットで構成した。
また、本実施形態では、データのデコードを、連続して撮影した複数画像の発光部24の輝度により1単位毎のHレベルまたはLレベルを判定し,さらに判定基準に基づいて1bit毎の“0”または“1”を決定するようにした。
これにより、本実施形態によれば、各送信機2間および送信機2と受信機3の間の完全な非同期での稼働が可能となり、それぞれの間を接続する同期用信号線及び同期信号発生器が不要となる。また、本実施形態によれば、送信機2が複数の場合、電源線の接続のみで設置コストの低減が図れ、用途によっては送信機2の電池による独立電源駆動も可能であり、イベント限定の仮設向けなど、さらなる容易な設置が可能となる。
また、本実施形態によれば、6倍でオーバーサンプリング(1ビットを6単位)した信号形式を採用することにより、断続的なサンプリングデータ(例えば撮影部31が撮影した画像)を用いながら、送信機2と受信機間で、非同期かつ近似したキャリア周波数での通信を実現することができる。
また、本実施形態によれば、6倍でオーバーサンプリング(1ビットを6単位)した信号形式を採用することにより、断続的なサンプリングデータ(例えば撮影部31が撮影した画像)を用いながら、送信機2と受信機間で、非同期かつ近似したキャリア周波数での通信を実現することができる。
なお、本発明における送信機2の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより送信機2が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。
1…光通信システム、2,2a,2b,2c,・・・…送信機、3…受信機、21,21a,21b,21c,・・・…送信情報生成部、22,22a,22b,22c,・・・…エンコーダ、23,23a,23b,23c,・・・…送信部、24,24a,24b,24c,・・・…発光部、31…撮影部、32…処理部、321…露光制御部、322…画像処理部、323…記憶部、324…判定部、325…デコーダ、326…、CALデータ記憶部、327…方向演算部、328…地図データ記憶部、329…自己位置演算部、330…出力部
Claims (7)
- 装置に固有の識別情報を含み複数のビットで構成される送信情報を生成し、生成した前記送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成する生成部と、
生成された前記送信データに応じて、発光部の点灯と消灯を制御することで固有のビーコン信号を送信する送信部と、
を備える光送信機。 - 前記送信データの1ビットは、所定時間点灯する点灯期間と、前記所定時間消灯する消灯期間とを備える、請求項1に記載の光送信機。
- 前記送信データの0の発光パターンは、第1の所定点灯時間と第1の所定消灯時間との組み合わせによる発光パターンであり、
前記送信データの1の発光パターンは、前記第1の所定点灯時間と異なる第2の所定点灯時間と前記第1の所定消灯時間と異なる第2の所定消灯期間との組み合わせによる発光パターンである、請求項1または請求項2に記載の光送信機。 - 前記送信データの1ビットは、6つの前記所定時間で構成されている、請求項2または請求項3に記載の光送信機。
- 前記送信データは、0の発光パターン、および1の発光パターンの少なくとも1つを備え、
前記0の発光パターンは、2つの前記所定時間連続して点灯の後、4つの前記所定時間連続して消灯であり、
前記1の発光パターンは、4つの前記所定時間連続して点灯の後、2つの前記所定時間連続して消灯である、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の光送信機。 - 前記送信データは、
前記送信情報の前に所定の時間全てが消灯または点灯のスタートビットと、前記送信情報の後にパリティビットとによって構成される、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の光送信機。 - 発光部を有する光通信装置における光通信方法であって、
生成部が、装置に固有の識別情報を含み複数のビットで構成される送信情報を生成し、生成した前記送信情報の各ビットを消灯と点灯の組み合わせによって送信データを生成する生成手順と、
送信部が、生成された前記送信データに応じて、前記発光部の点灯と消灯を制御することで固有のビーコン信号を送信する送信手順と、
を含む光送信方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019062465A JP2020162081A (ja) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 光送信機および光送信方法 |
US16/821,978 US10979145B2 (en) | 2019-03-28 | 2020-03-17 | Optical transmitter and optical transmission method |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2024062617A1 (ja) * | 2022-09-22 | 2024-03-28 | 株式会社センチュリーアークス | 光通信システム |
-
2019
- 2019-03-28 JP JP2019062465A patent/JP2020162081A/ja active Pending
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