JP4021970B2 - 高精度位置確定データ伝送システム及びその方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、あらかじめ決められた場所にある電子機器への電子データの伝送を可能にするシステム、特に、ポータブル電子機器の位置をサブメートルの精度で決定するシステムに関し、それらの既知の場所に応じてのポータブル電子機器間のデータの伝送を可能にする。
【0002】
【従来の技術】
現在利用可能なポータブルコンピュータ機器にはラップトップ型、ノート型、サブノート型、ポケットコンピュータ、携帯情報端末、電子手帳、パーソナル通信機器(双方向ポケットベル)またはデジタルスマートカード(メモリカード)などがある。これらのポータブル機器は急速によりパワフルで、精巧になり、高速プロセッサ、付属ハードディスク、PCMCIAモデム、カーソルコントローラ、小型キーボード、あるいはグラフィック用入力装置(たとえばペン型の携帯情報端末)といったものを備えている。これらの機器の処理能力の向上に伴い、ユーザ側の、アプリケーション限定データを送りたいという要望も高まってきている。たとえば携帯情報端末は(無線や赤外線といった)コードレス接続によって結ばれ、電子アドレス帳の内容をデスクトップ型コンピュータに送ることもできる。スマートカードは送金などの金融業務を可能にすることもでき、また双方向ポケットベルは範囲の限定された既定の応答を送受できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワイヤレスリンクを持つポータブル電子機器の数が増えるにつれ、潜在的な通信の問題も増加してきた。一例として、データファイルを第一の携帯情報端末(PDA)から第二のPDAに送る場合を考える。もし直接の有線通信がこれらのPDA間で行えるならば、データファイルの受信などについて不確定さが伴うことはない。第一のPDAのユーザは第一のPDAから第二のPDAへデータを送っていることを確信できる。しかしながら、もしネットワークを介したワイヤレス通信リンクが使用されている場合は、第二のPDAのネットワーク上のアドレスが既知でなければならない。加えて、盗用を防ぎ手動起動の特定の機器のみへのデータの伝送を確かなものにするためのハンドシェークプロトコルや暗号のルーチンといったことも既知でなければならない。不運にもこのような手続きは特定の機器を識別できなかったり、またはすぐに使えなかったりするような一般的情報の伝送を限定することになりかねない。
【0004】
データを特定の場所に直接送ることができれば、アドレス不明の機器に関する問題を最小限にすることができる。たとえば、PDAが置かれる場所を感知しやすいように作成してあれば、ユーザは場所を特定した他の機器にデータを送ることもできる。この機能は沢山のPDAが動作中であるような混雑している部屋に名刺データを送るといったような情報交換に特に有効であろう。第一のPDAのユーザは近隣の第二のPDAのネットワークアドレス、電子メールアドレス、論理アドレスその他の識別アドレス情報がわかっていなくても、そこへの情報伝送を開始するのにボタンを押すだけでよい。ワイヤレスリンクを通して両方のPDAと交信でき、またPDAの場所に関する情報を記憶できるコンピュータネットワークが第一のPDAからの情報を受け、どのPDAが第一のPDAに近いか判断し、そのPDAに情報を伝送する。このような場所の扱いが可能な機能は、PDAのユーザが名刺データを特定の場所、特定の半径内やエリア、さらにはビルのなかの特定の部屋にあるすべてのPDAに送ることができるように拡張可能である。
【0005】
したがって、必要とされているのは他の電子機器の位置を突き止めたり、それらの位置や方向に基づいて特定の電子機器にのみデータを送受信したりできるシステムである。近隣の電子機器への伝送時に場所の範囲を特定することができれば好適である。たとえば部屋のすべての電子機器とか、特定の方向にあるすべての電子機器とか特定の範囲(たとえば2メートル以内などのように)にあるすべての電子機器などのようにである。
【0006】
本発明は、ユーザインターフェイスの観点からポータブル電子機器のユーザがネットワークアドレスや名前といったもので限定される論理的な場所でなく、物理的、空間的位置に基づいて他のポータブル機器と直観的に交信することを可能にする高精度位置確定データ伝送システム及び方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、無線通信をサポートする位置確定の可能な複数のポータブル電子機器へデジタル情報を伝送するシステムにおいて、前記各ポータブル電子機器の論理アドレスを予め知ることなくその相対的ないし絶対的位置をサブメートル精度で確定するための位置確定モジュールと、前記位置確定モジュールに接続され、一の前記ポータブル電子機器と、ユーザが限定した場所にある他の前記ポータブル電子機器との間の無線通信を仲介する通信モジュールとを有し、前記位置確定モジュールは、第一のこま速度で画像を連続して撮影できるよう構成された少なくとも二つのビデオカメラと、各電子機器に取り付けられ、前記第一のこま速度よりも遅く設定された第二のこま速度で空間的に離れ、前記ビデオカメラで捕らえられる信号群を発生する識別タグと、一連の画像から前記識別タグの三次元での位置を確定するよう構成された画像処理システムとを有することを特徴とする。
【0008】
また、本発明は、位置確定可能な電子機器へのデジタル情報の伝送方法であって、複数の電子機器の各々につきその相対的ないし絶対的位置をサブメートルの精度で確定をするステップと、前記複数の電子機器の論理アドレスを予め知ることなく、前記複数の電子機器と通信するための、ユーザが限定した領域を選択するステップと、第一のポータブル電子機器と前記のユーザが限定した領域内にある複数のポータブル電子機器のメンバーとの間の無線通信を確立するステップとを有し、さらに、少なくとも二つのビデオカメラからの第一のこま速度の連続画像を受信するステップと、各電子機器に取り付けられた識別タグにより、前記第一のこま速度よりも遅く設定された第二のこま速度で空間的に離れ、前記ビデオカメラで捕らえられる信号群を発生するステップと、画像処理システムにより一連の画像から前記識別タグの三次元での位置を確定するステップとを有することを特徴とする。
【0010】
本発明において、例えば好適な実施形態例としては、ワイヤレス送受信機能を持ったコンピュータネットワークがすべてのポータブル電子機器の位置に関する情報を維持するのに使われる。複数の電子機器の位置をセンチメートルやミリメートルのオーダーの精度で識別することは電子機器に付属もしくは組み込まれた赤外線信号装置(赤外線識別タグ)を使う低価格位置確定システムによって可能である。位置確定システムは、既存の広く商業的に流通しているCCDビデオカメラを少なくとも2つ備え、各ビデオカメラを撮像範囲を重複させて配置する。ビデオカメラは、可視光および赤外線の検出が可能で、所定のこま送り速度の画像が撮れるように作られている。変調赤外線信号を出すための一つ以上の赤外線識別タグは、ビデオカメラの重複する視野におさまる空間または場所に置かれており、画像処理システムが連続する画像の中から変調赤外線信号を取り出し、また、可視光や赤外線の画像で得られる情報を使って赤外線識別タグの位置を識別する。
【0011】
様々な赤外線信号モードの操作が考えられる。ある好適な実施形態例では、赤外線識別タグは位置を知らせるための赤外線検出信号を断続的にビデオカメラのこま送り速度よりも遅く発信している。複数のビデオカメラを通して比べられた赤外線信号の点滅パターンは赤外線識別タグを明確に識別し、識別信号や他のデータを送るのに使われる。好都合なことに赤外線識別タグは、空間的には同じビデオカメラの同一撮像範囲であってかつ離れているので、複数のタグの識別や追跡が同時に可能である。一部屋からのデータ補足のために物体に付けられる識別用赤外線タグを利用することも実用的である。つまり、電子機器といった物体に加えて赤外線タグは、特定の位置、場所、一部屋内のどこにあるかといった空間的な位置を表す指標を提供するよう配置できる。
【0012】
ある種の実施の形態の例では、移動体に取り付けられた複数のタグがその物体の方向や場所をきめたり追跡したりするのに使われる。これは電子機器の所在方向を限定したデータの伝送を可能にする。たとえば、ある特定のユーザの電子機器の左側にある他の電子機器にデータを送るという指令が可能となる。また、他の利点として、二つ以上の付随タグの使用で物体の回転の方向を認識することができる。複数のタグの使用は物体や電子機器の所在の曖昧さに伴う問題を軽減し、また位置確定の精度を向上させる。さらに複数の識別タグによってデータ伝送率を増やすことができる。
【0013】
赤外線の代わりの可視光の使用や様々な赤外線信号用のデータ符号化方法、赤外線信号の配置といった他の変形例も本発明の範囲内で実施可能である。たとえば赤外線タグの位置を確定するために用いられる赤外線検出信号と実質的に同時に発せられる赤外線識別信号の受信のための別な赤外線通信回線受信機を使用することもできる。同時伝送方法を用いれば、単独のビデオカメラによる複数の画像を使用して比較的ゆっくりしたデータの伝送率よりずっと速く識別データを送ることができる。加えて要求される電力を減らすため、受動赤外線反射機をタグ(別個に部屋に備え付けられ、必要に応じて赤外線を発する赤外線フラッシュ)として使うことも可能である。また、識別要求にのみ応じて動作する赤外線識別タグも使用可能である。
【0014】
好都合なことには、識別タグのついた電子機器の位置を高精度に決めるために本発明では比較的安価で入手しやすい赤外線送信機やCCDビデオカメラといった部品を利用することが可能である。適切な高品質CCDビデオカメラは、消費者セキュリティシステムに広く使われている。そのようなCCDビデオカメラは、まったく安価であり、そのような経済的観点からこの応用に理想的である。
【0015】
赤外線信号は、CCDビデオカメラでは容易に見えるが肉眼では見えないため赤外線信号システムは本質的にユーザには見えない。一方で赤外線信号システムは、手のこんだ画像処理技術を用いずに位置を確定したり、解釈したりする自動システムに簡単に使える。本発明は、ビデオカメラに接続されたコンピュータネットワークが設置されれば簡単に実現でき、複雑な設定や初期化も必要としない。安価なビデオカメラを個数を限定して使うことで本発明は識別タグのついた多数の電子機器の位置を追跡し、適切に構成されたコンピュータネットワークを使ってサブメートル精度で特定の場所にある適切な電子機器間でデータを転送することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【0017】
図1に位置のわかっている電子機器への電子データの伝送を可能にするシステム100を示す。システム100は特定の電子機器の位置を検出する機能を持つ位置確定モジュール190,192を含む。位置確定モジュール190,192は電子機器の位置を追跡し、コンピュータネットワーク180とともに電子データの伝送をするためのメカニズムを提供する。このような技術に熟達した者には位置確定モジュール190,192の位置、大きさ、数は代表的なものとしてあげられており、本発明を限定するものではないことが理解されるであろう。同様にコンピュータネットワーク180は、多数のコンピュータ、ワークステーション、画像処理ハードウェア、サーバその他の情報処理および接続用ハードウェアを含んでもよい。コンピュータネットワーク180につながれた複数の位置確定モジュール190,192が使用可能であり、位置確定のための多様なメカニズム、たとえば画像に基づく技術や超音波、他の音響技術、ひいては差動GPSなどのような無線に基づく技術を含むメカニズムが採用できる。
【0018】
図1において、位置確定モジュール190,192は、円で図示される複数の電子機器170〜178を追跡する。それらの電子機器170〜178は、ビルディング150の二つの部屋152,154に配置されている。各部屋152,154には、位置確定モジュール190,192がそれぞれ配置されている。なお、図1には、1メートルの長さを示す標示101がスケールとして示されている。ビルディング150内の電子機器170〜178は、たとえば携帯情報端末、双方向ポケットベル、ラップトップやノートブックコンピュータ、ポケットコンピュータなどの無線、赤外線、音波その他の伝送リンクを介したワイヤレス通信のできるどのような電子機器でもよい。また、位置確定モジュール190,192には、各電子機器170〜178間の無線通信を仲介する通信モジュールが設けられている。図1では、データ伝送のための通信リンクを波線161,163,165,167,181,183,185,187で示している。
【0019】
動作時にはシステム100はサブメートルの精度で電子機器の相対的および絶対的位置を決めることができる。また、それらの相対的および絶対的位置に基づいて電子機器170〜178のうちの特定の電子機器のみへのデータ伝送および受信を仲介する。図2を用いて後に述べられる特定の好適な実施の形態においては、センチメートルやミリメートルのスケールでの位置確定が可能である。しかし、多くの場合にはサブメートルの精度が適切である。確定位置をもとにした電子機器のまたは電子機器間のデータ伝送には多数の形態がある。たとえば、電子機器170のユーザは近隣に位置する電子機器172にしかデータを伝送したくないかもしれない。ユーザは電子機器172へのデータ伝送を開始するのに適切なボタンを押すだけでよく、メニューの中の「近隣へ伝送」など適切な開始動作の指令をクリックするのにマウスを使用したりできる。サブメートルの精度で動作するシステム100は、周りの電子機器174,176が電子機器172ほど電子機器170に近くにないことを判定することができ、したがって、これらの電子機器174,176にはデータを送らないことを決めることができる。
【0020】
近接する電子機器のみへの伝送のかわりに、ある半径以内にある電子機器への伝送という位置確定データ伝送モードも可能である。たとえば、電子機器170のユーザは、半径5メートル以内にあるすべての機器にデータを送ることができる。電子機器172,174,176は、その半径内(点線195で示される)にあり、伝送されたデータを受け取ることができる。しかし、点線195の外にある電子機器178は、伝送されたデータを受け取ることはできない。このデータ伝送モードは、大部屋の中で人々がグループごとに独立して行動している時に特に有効である。部屋内伝送は、ビルディング150内に備えられたシステム100によって行われるデータ伝送の他のモードである。たとえば、ユーザは部屋154にあるすべての電子機器171,173,175,177にだけデータを送り、部屋152にある他の電子機器にはいっさい送らないこともできる。場所に基づくデータ伝送の他のモードとしては図1に示すような概略図を表示できるグラフィックインターフェイスを持つ電子機器によるものがある。マウス、 ポインタ、カーソルその他の適切なメカニズムによってユーザは電子機器の相対的および絶対的位置を調べることができ、データを受信する(または受信しない)電子機器をグラフィックに選ぶことができる。好都合なことには、本発明はポータブル電子機器のユーザがどのような場所の限定方法をとろうとも選択的データ伝送が可能であるので、ユーザが物理的所在に基づき、他のポータブル電子機器ともっと直観的に交信することを可能にする。電子機器のユーザは、他の電子機器と交信するためのネットワークアドレスや他の不明瞭な記述などで限定される論理上の所在を知っている必要はない。ただ、サブメートルからビルディング大までのどのような空間的なスケールの場所かという認識が必要なだけである。
【0021】
技術に通じた者には本発明の主な観点はサブメートルのスケールの精度での電子機器の所在を速く、しかも効果的に決めるメカニズムの使用にあることが理解されるであろう。最善の結果を得るため、ミリメートルのスケールの位置確定システムが使用可能であるが、多くのデータ伝送アプリケーションにはセンチメートル精度の絶対的な位置がわかればたいていは十分である。図2はセンチメートルまたはそれ以下の精度での赤外線信号源(赤外線タグ)45の位置を精密に決めるシステム10の例である。システム10は、部屋12にある複数のCCDビデオカメラ群25を含む。これらのCCDビデオカメラ群25は、CCDビデオカメラ20,21,22,62のように撮像範囲を固定的にしてもよいし、移動可能なビデオカメラ24によって移動可能な撮像範囲を持たせるようにしてもよい。位置確定に適した赤外線信号源45は、空間の境界や領域を限定するために壁(タグ51,40,41,42)机(タグ44)といった静的もしくは移動可能な物体の上に配置することができる。赤外線信号源45はまた、いつでも移動可能な物体、たとえばポータブル電子機器70(タグ72)や電子機器74(タグ76)などの上に配置するようにしてもよい。この例では、位置確定やデータのための画像処理を行う手段としてコンピュータシステム60を利用する。位置確定モジュールとして、また画像処理システムとしてのコンピュータシステム60は、部屋12の外部にあってもよく、そのローカルなコンピュータとしてプロセス制御をするための特別な必要条件もない。コンピュータシステム60は、ワイヤレスもしくはケーブルでCCDビデオカメラ群25に接続しており、スタンドアロン型であってもよいし、または高速データ伝送を可能にし、画像処理作業を分配できるようなコンピュータネットワークに接続したものでもよい。
【0022】
本システム10は人間には見えないが、CCDビデオカメラ群25では見ることのできる赤外線信号発光を効果的に利用している。適切な画像処理のあと、複数の赤外線タグから発せられた赤外線信号はそれらのタグの一つ一つの三次元的な位置を示す。発せられる赤外線信号は、典型的にはCCDビデオカメラのこまに可視光画像とともに現れる赤外線の断続的なフラッシュである。CCDビデオカメラ群25は、典型的には画像を1秒間に10乃至30こま撮れるので、他のものと間違えることなく赤外線の画像を確実にカメラに補足するために、CCDビデオカメラ群25の第一のこま速度よりも遅く設定された第二のこま速度、例えば1秒間に5乃至15こま以下の発光間隔を選択する。近接する画像のこまどうしの間での減算的な画像処理や、他の適切な画像処理技術が、画像の背景から赤外線信号を分離し、また強めるのに用いられ、画像処理された個々のこまの中の赤外線の点滅の二次元的なパターンを決めることができる。好都合なことには、本システムの動作に必要な、ほとんどが可視光で撮られている画像の中から赤外線の点滅を区別し、強調するための画像処理技術は相対的にあまり複雑なものでなく、画像を理解するための熟考されたアルゴリズムを必要としない。
【0023】
二次元での赤外線源の検出が完了したら、CCDビデオカメラ群25の複数のこまは、部屋12の各赤外線信号源の三次元での位置を求めるための画像処理技術を用いて空間的に重ね合わされる。ここで利用する画像処理技術は、従来からある手法でよい。最大限の範囲をカバーし、三次元での位置確定を確かなものにするために、CCDビデオカメラ群25は、部屋12の各部を最低二つ以上のカメラで撮像できるように配置されている。CCDビデオカメラ群25の各カメラは、カメラ台の調整や基準となる物体を使うなどして位置確定用に調整されている。たとえば、固定された焦点距離を持つCCDビデオカメラ20は、画像中の二点の位置に基づいて、そのレンズに入ってくる二つの光の角度を計算できるよう調整されている。技術に熟達した者は、この角度が既知のレンズの焦点距離から求められることを理解するであろう。必要ならば、焦点距離の違いやレンズの歪みを補正する正確なマッピングをきめるための実験を限定して行うこともできる。調整は光の角度の計算を可能にするための永久もしくは半永久的基準源として使われるカメラからある既知の距離だけ離れた赤外線信号源を用いることによって続けられる。典型的にはこれらの基準源は、部屋の交わるところ(たとえばタグ40,42が使える)に配置される。新しい物体(たとえば赤外線タグ41など)は、もし少なくとも一つのカメラがその新しい物体と二つの基準源の画像を撮り、一方で第二のカメラがその新しい物体と少なくとも一つの基準源を撮ることができれば位置を確定できる。複数のカメラで更に多くの赤外線源が検出されれば、基準源に対するカメラの位置を初めに知らなくてもよいように、この方法を応用できる。
【0024】
様々な赤外線信号源45がカメラの調整や位置の確定、識別、データ伝送などに使用可能である。本実施の形態で使用する赤外線信号源45は、概念的に、内部で赤外線52(たとえばポータブル電子機器70に取り付けられたタグ72)を生成する能動赤外線タグ50と、赤外線源30から発せられる投射赤外線32に応じて投射赤外線54を制御的に反射する受動赤外線タグ51とに分けられる。能動赤外線タグ50は、一般的には受動赤外線タグ51よりもより大型で、高価で、電池その他の電源、赤外線LEDなどのような赤外線発光器、適切なデジタル制御器を要する。たとえば図7に示されるように能動赤外線タグ110は、従来から広く使用されている四つのモジュールを接続することによって構成されている。それらは赤外線発信器LED122を含むバッファ112、赤外線検出器124を含む増幅器114、マイクロ制御器116、そしてトリガー回路118を含む。リチウム電池光電セル、他の長寿命電源120は、モジュールを駆動するために低電圧電源を供給する。デフォルトとしてモジュール112,114,116は、節電モードにされている。第四のモジュールであるトリガー回路118は常時動作するが、低電力消費ですむように設計されている。赤外線または光パルスなどの外部からの信号130によってトリガー回路118が始動する時、モジュール112,114,116に電力が供給される。アドレス信号131は、モジュール114で受信されてモジュール116によって復号され、その後モジュール112から発信器LED122を用いて応答信号132が返送されてもよい。マイクロ制御器116は、時間の記録を保持し、何ミリ秒後か、または受信活動のないときにモジュール112,114とともに節電モードに戻る。応答信号132(赤外線パルス)は、活動中の赤外線タグの識別情報やその他の必要なデータを含む。
【0025】
後に明らかになろうが、多様なタイプのトリガー回路が使用可能である。単純なトリガー回路は(繰り返しタグ信号の衝突を避けるために)、長周期で、少しランダムな周期の低電力非安定オシレータを含むものである。トリガー回路118は、特に強烈な赤外線フラッシュによって始動するよう設計されてもよいし、受信動作によって、または特定の無線周波数といった媒体を使用して始動してもよい。ある熟考された実施の形態では、赤外線検出/増幅モジュール114が不要なようにトリガー回路を設計することもできる。
【0026】
受動赤外線タグ51は、能動赤外線タグ50の安価な代替品である。受動赤外線タグ51は、赤外線源30から発せられる赤外線32を制御的に反射する。赤外線源30は、必要に応じて継続的に、断続的に、もしくは周期的に動作できる。本実施の形態における受動赤外線タグ51は、それぞれ透光性もしくは吸光性のシャッターによって覆われた赤外線反射材を含んでいる。典型的にはそのシャッターは、電子的に制御された液晶ディスプレイ(LCD)で、通常はあまり赤外線を発しない。低電力の電子信号がこのシャッターを赤外線を透過させない状態から透過させる状態に変えるのに使用されている。透過状態と非透過状態を適宜切り替えることによって、CCDビデオカメラ群25によって検出される赤外線タグ51からの反射赤外線54のパターンとして情報を符号化できる。
【0027】
情報伝達と節電の信頼性を高めるため、赤外線源30と受動赤外線タグ51の両方への様々な始動方法、データ伝送、タイミングの修正が可能であることが、この技術に通じた者には理解されるであろう。受動赤外線タグ51と能動赤外線タグ50についてすでに論じてきた技術と類似した技術を用いることで、受動赤外線タグ51は赤外線トリガー信号に反応して識別コードやその他のデータを送るよう始動できる。これはLCDシャッター機構の連続動作の必要性をなくし、長期的電力消費を大幅に削減する。能動赤外線タグ50とともに複数の受動タグが同時に操作できる。なぜなら本発明の位置確定カメラシステムは同じ始動信号に反応した情報を送る複数のタグ51の存在を区別するからである。
【0028】
本実施の形態には、様々な情報伝送や信号化機構が使用可能である。図3および図4に示した一形態によれば、能動赤外線タグ50または受動赤外線タグ51によって随意に使用できる。図3は赤外線パルス検出と時間との関係を示すグラフで、パルス操作の3つの異なるモードが示されている。位置確定または初期化モードの赤外線タグ50または赤外線タグ51の操作は、括弧106で示される検出された周期的赤外線パルス104によって表される。節電のため、これらのパルス104は、それぞれのパルス104をカメラによって明らかに継続して検出できるようにする速度で発せられる複数の短時間の赤外線パルスもしくはスパイクから構成するようにしてもよい。もちろん、もし電力が限られていなければ、各パルス104の持続中は赤外線強度は脈動ではなく継続して保持されていてもよい。
【0029】
周期的に検出される赤外線パルス104はCCDビデオカメラ群25と連続パルス104間でのパルス間隔103を決めることによって、タグのついた物体(たとえば電子機器70又は電子機器74)を三次元で位置確定することを可能にする。後に明らかになるが、信号の変質エラーを防ぎ、パルスの間隔を精密にするために、カメラのこま速度102は、パルス間隔103よりもずっと速く、その2、3倍にしてカメラを操作する。
【0030】
短時間(1秒より短い)の後に周期的発光がとまり、識別情報とデータの伝送が始まる。タグ50やタグ51の発光を介してのデータ伝送は、括弧108で示される。パルス104がないことはバイナリの0を示し、あれば1を示す。後に明らかになるが、これはどのような符号化体制を用いての情報の符号化も可能にする。最良の結果のためには、一つ以上のエラー修正符号化の使用が好ましい。識別情報とデータが送られた後(何度か再送することもあろうが)、タグ50またはタグ51からの赤外線パルス104は、括弧110に示すように節電のため停止することもできる。タグはもちろん必要に応じてあらかじめ決められた時間、任意の時間、または始動信号に反応して再始動するようにしてもよい。
【0031】
CCDビデオカメラ群25による赤外線の検出は図4に概略的に示す位置確定や情報の伝送を可能にする。二つの画像処理済み画像の一連のこま122(カメラ1)とこま124(カメラ2)が図示されている。二つのカメラは三つの潜在的赤外線パルス源を含む、部分的に重なる視野を持つ。一連のこま122,124のそれぞれのこまは、複数のこまの合成であり、赤外線パルスを分離するために非赤外線の背景は除いてある。
【0032】
カメラ1のこま130において、赤外線パルス150,151,152の潜在的位置が点線で示されている。これらの位置はカメラ1とは異なった場所に置かれたカメラ2のこま170の中の160,161,162の位置に対応する。前述のような画像処理技術を用いて、カメラ1とカメラ2のこま122,124の中で赤外線パルスが隔離され、基準位置として使われる。各カメラからの二次元の情報が得られ、赤外線パルスの三次元の位置を確定するための調整時の情報と照らし合わされる。
【0033】
こま122,124には、三つの違うモードのパルスの動作が示されている。位置確定モードもしくは始動モードのタグ50またはタグ51の動作が位置150にある周期的赤外線パルスによって示されている。合成され画像処理された各々のこま130〜138は、単一のパルス間隔を示し(図3に示すパルス間隔103に対応)、赤外線パルスは一連のこま122の各こま130〜138の中の位置150に見出される。対応する赤外線パルスは、もちろんカメラ2の一連のこま124の位置160にも見られる。これは図3に示す括弧106で示された周期的赤外線パルス104の連続したものと同じである。
【0034】
他の赤外線タグからの情報伝送は、一連のこま122のこま130〜138の位置151(そして一連のこま124ではそれらに対応する161)にある非周期的赤外線の発光で示される。こま内の赤外線パルスの欠落は、バイナリーの0と解釈され(つまり、こま131,132,137)、パルスがある場合にはバイナリーの1と解釈される(こま130,133,135,136,138)。したがって図4に示すようにバイナリの数字の連続したもの(1001...1101)が決定される。この数字の連続は、タグ50または51から発せられるヘッダ情報、データ、識別情報、パケット制御情報、エラー補正情報その他のどんな必要な情報でもよい。
【0035】
前述のように適切な識別情報とデータが送られた後、赤外線パルスを節電のため停止することができる。タグはもちろん、タグの位置の再認識や識別情報およびその他のデータの伝送のために再始動できる。図4では一連のこま122の位置152(そしてそれに対応する一連のこま124内での位置162)の赤外線パルスのパターンとして描かれている。節電のため、こま130〜136の間、赤外線パルスは発光されていない。始動信号に反応して周期的赤外線パルスの連続がこま137,138に示すように位置確定や初期化の目的で発光される。
【0036】
本システムは、複数のポータブル物体(たとえば識別タグ72,76をつけた電子機器70,74)の追跡を可能にする。好都合なことに多数のポータブル物体を高精度にしかもタグ識別用の複雑な追跡技術を必要とせずに追跡できる。
【0037】
しかしながら、高速カメラの使用をしないと、先の実施の形態には相対的にデータ伝送率が低いという限界がある。ビット伝送はカメラのこま速度に緊密に結びついているので、広く使用されている低価格カメラの相対的に低いこま速度では論理的データ伝送率は10乃至20ビット毎秒ぐらいが限度である。実際には、エラー制御にともなう必要な制限によってビット伝送率はもっと低くなるであろう。この問題を解決する一つの方法は、データ伝送用の二次的高速データ通信回線を使用し、かつ赤外線パルス/カメラ検出システムのデータ伝送率を低くして使用することである。二重の通信回線システムの一例が図5と図6に示されている。
【0038】
図5は二つの異なる赤外線通信回線に対する時間と赤外線の検出を表すグラフを示した図である。通信回線1の赤外線パルス204は、図3と図4を使って説明された前述の処理をしながらこま速度202で動作するカメラによって検出される。通信回線1と別の、より高速でパルス間隔がもっと短い赤外線通信回線2が異なる(カメラを用いない)赤外線通信システムによって検出される。好適な実施の形態では、応用可能なIRDA(赤外線データ通信)基準による赤外線パルスが通信回線2を使ったデータ伝送に用いられる。しかし、無線や光通信を含むどんな高速通信回線でも使用可能である。動作中、通信回線1の赤外線パルスは、赤外線タグの位置確定に使用できる。一方、通信回線2の同時進行の通信は、高速データ伝送を供する。たとえば、図1および2において、19.2キロビット毎秒程度で動作する高速赤外線通信システムは、赤外線タグ57とコンピュータ60に付随した赤外線検出器64を含む。位置確定は低速赤外線パルスを検出するCCDビデオカメラ群25を使って行われる。一方、同時進行のデータはその位置におけるタグとともに高速回線上で受信される。もちろん、同時進行通信の使用は統計的に起こりうるデータの衝突(二つ以上のタグが同時にデータを送ってしまい、データの重複でデータが壊される時)によっていささかデータのスループットが減少してしまうという結果になる。しかし、ほとんどの状況では同時進行通信の使用は適切である。
【0039】
本実施の形態における同時進行データ伝送方法は、図6を参照すればよりよく理解できる。異なるカメラで撮影され、画像処理された一連のこま222,224と、指示されたこまと同時に受信された高速データ(四角の中に図示したデータ270,272,274,276)とが図示されている。データは三つの異なる場所に置かれている三つの異なるタグによって受信可能である(一連のこま222内の250,251,252と一連のこま224内の260,261,262)。前述の技術を用いて赤外線パルス(星印で示される)は、二次元の一連のこま222,224から三次元で位置確定できる。もし可能ならば、位置確定データはポータブル電子機器および他の物体に付けられた特別の識別タグの位置を示す高速データに対比される。
【0040】
また、図6は本実施の形態における同時進行の位置確定方法のいくつかの考えられうる結果を図示している。こま230は、位置250にある位置確定可能な赤外線パルスを示す。同時進行データ270は、データの衝突がないと仮定して、位置250で赤外線パルスを発するタグに起因するものである。データの衝突は、二つ以上のデータパケットが同時に受信された時もしくは位置確定の赤外線パルスが重なった時に発生する。こま231は、データ衝突のない状態を示しており、位置252の赤外線パルスは識別データ272に対応している。しかしながら、こま232に見られるように、同じ期間に二つ以上のタグが始動されると、受信された信号274は、図示したようにデータパケットの衝突による歪んだ信号になり、その結果、その信号は無視される。事前にプログラムしたランダムな遅延を発生させたり(こま233参照)、再送の要求をすることによって、タグは、単一に識別できるよう重なりのないデータを伝送しながら再始動する。ある場合の赤外線パルスの重なりにおいては、データの衝突は必ずしも発生せず、以前に受信された赤外線の位置を考慮することで位置とデータを結び付けることも可能であろう。
【0041】
前述の赤外線タグやCCDカメラの組み合わせは、ポータブル電子機器の位置確定のための好ましい低価格システムであるが、センチメートル単位の精度の位置確定ための代替技術も使用可能である。たとえば差動GPSに基づくシステム、超音波による捜索、慣性追跡、マルチステーション、低電力無線受信などに適用可能である。しかしながら、これらの代替システムは概して調整、制御、センチメートル精度の維持がCCDビデオカメラを用いる前述の赤外線タグ追跡システムより難しい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施の形態における高精度位置確定データ伝送システムの概略図である。
【図2】 本実施の形態における赤外線識別タグのついた電子機器の位置を精密に確定するためのCCDビデオカメラシステムの概略図である。
【図3】 本実施の形態における赤外線強度と時間との関係をグラフで示した図であり、位置確定のための周期的パルスのあとに、情報を伝送するためのデータパルスが続いたものを示した図である。
【図4】 本実施の形態において使用する二つのビデオカメラの画像処理されたこまの一部であって位置確定のために対比される赤外線データ信号の点滅を示した図である。
【図5】 本実施の形態において位置確定をし、データ伝送をするための同時通信回線を二つ用いた別のパルス信号を示した図である。
【図6】 図5のパルス信号に合わせて動作する二つのビデオカメラの選択画像処理したこまの一部を示した図であって、第一の通信回線上で位置確定用に対比できる赤外線データ信号が点滅し、データは実質上同時に第二の通信回線上にあることを示した図である。
【図7】 本実施の形態における動作中の赤外線タグの構成の概要図である。
【符号の説明】
10,100 システム、20,21,22,24,62 CCDビデオカメラ、25 CCDビデオカメラ群、30 赤外線源、32,54 投射赤外線、40,41,42,44,51,72,76 (赤外線)タグ、45 赤外線信号源(赤外線タグ)、60 コンピュータシステム、70,74,170〜178 (ポータブル)電子機器、110 能動赤外線タグ、112 バッファ、114 増幅器、116 マイクロ制御器、118 トリガー回路、120 長寿命電源、122 赤外線発信器LED、124 赤外線検出器、180 コンピュータネットワーク、190,192 位置確定モジュール。
Claims (2)
- 無線通信をサポートする位置確定の可能な複数のポータブル電子機器へデジタル情報を伝送するシステムにおいて、
前記各ポータブル電子機器の論理アドレスを予め知ることなくその相対的ないし絶対的位置をサブメートル精度で確定するための位置確定モジュールと、
前記位置確定モジュールに接続され、一の前記ポータブル電子機器と、ユーザが限定した場所にある他の前記ポータブル電子機器との間の無線通信を仲介する通信モジュールと、
を有し、
前記位置確定モジュールは、
第一のこま速度で画像を連続して撮影できるよう構成された少なくとも二つのビデオカメラと、
各電子機器に取り付けられ、前記第一のこま速度よりも遅く設定された第二のこま速度で空間的に離れ、前記ビデオカメラで捕らえられる信号群を発生する識別タグと、
一連の画像から前記識別タグの三次元での位置を確定するよう構成された画像処理システムと、
を有することを特徴とする高精度位置確定データ伝送システム。 - 位置確定可能な電子機器へのデジタル情報の伝送方法であって、
複数の電子機器の各々につきその相対的ないし絶対的位置をサブメートルの精度で確定をするステップと、
前記複数の電子機器の論理アドレスを予め知ることなく、前記複数の電子機器と通信するための、ユーザが限定した領域を選択するステップと、
第一のポータブル電子機器と前記のユーザが限定した領域内にある複数のポータブル電子機器のメンバーとの間の無線通信を確立するステップと、
を有し、さらに、
少なくとも二つのビデオカメラからの第一のこま速度の連続画像を受信するステップと、
各電子機器に取り付けられた識別タグにより、前記第一のこま速度よりも遅く設定された第二のこま速度で空間的に離れ、前記ビデオカメラで捕らえられる信号群を発生するステップと、
画像処理システムにより一連の画像から前記識別タグの三次元での位置を確定するステップと、
を有することを特徴とする高精度位置確定データ伝送方法。
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