JP4661599B2

JP4661599B2 - データ識別方法およびその装置

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Publication number: JP4661599B2
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Inventors: 雅明原
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Description

本発明は、いわゆるスパース符号と称される記録変調符号によってデータが記録された記録媒体の読み出し信号から、前記データを識別するデータ識別方法と、その装置とに関する。

最近、ホログラム記録の原理を応用した情報記録装置の研究開発が活発になっている（非特許文献１参照）。
ホログラム記録を用いることで、今までの光ディスクよりもはるかに高い記録密度を達成できる可能性があることは以前から知られていた。半導体レーザーなどの光源やフォトポリマーなどを用いたホログラム記録媒体の登場など、周辺技術が整ってきたことが最近の活発な研究開発の背景にある。

ホログラム記録用の記録変調符号としては、ひとつのシンボルを構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”であるような、スパース符号と呼ばれる記録変調符号が好んで用いられる（非特許文献２参照）。
以下、スパース符号について非特許文献２からの引用を中心に説明する。

ホログラム記録媒体の重ね書き性能の指標であるＭナンバーを“Ｍ＃”、ホログラムにユーザーが実際に重ね書きできる多重化枚数を“Ｍ”により表すと、ページ単位の回折効率ηpageは、次式(1)のようになる。

［数１］
ηpage＝（Ｍ＃／Ｍ)^２…(1)

記録変調符号の“１”の割合をスパース率π１と定義すると、１ページのピクセル数が“Ｎ”のホログラムでは、ピクセル単位の回折効率ηpixelは、次式(2)で表される。

［数２］
ηpixel＝（Ｍ＃／Ｍ)^２／(π１・Ｎ)…(2)

したがって、ひとつのピクセルが得ることのできる回折効率は、記録変調符号のスパース率π１が小さいほど大きくなる。
多重化数によらずノイズは一定であると仮定すると、回折効率一定η*で多重化できる枚数Ｍ*は、次式(3)のようになる。

［数３］
Ｍ*∝Ｍ＃／√(π１・Ｎ)…(3)

また、スパース率がπ１となる理想符号化器の情報エントロピーＩ(π１)は、記録変調符号の“０”の割合を示すスパース率π０を用いると次式(4-1)のようになり、また理想符号化器によるユーザー容量Ｃは次式(4-2)を用いて計算することができる。

［数４］
Ｉ(π１)＝−π１・log_２(π１)−π０・log_２(π０)…(4-1)
[ただし、π０＝１−π１]
Ｃ＝Ｉ(π１)・Ｍ* …(4-2)

情報エントロピーというと分かりにくいが、ｋビットのユーザー・データをｎビットの符号語（シンボル）に変換する記録変調符号の符号化率ｒ＝ｋ／ｎと等価であり、理想符号化器の情報エントロピーは、ｎが無限大の場合の符号化率に相当する。

図１７に、スパース率π１を０から１まで変化させたときのユーザー容量Ｃを計算した結果を示す。
ＭナンバーＭ＃の具体的な値はなんでもよいので、ここでは情報エントロピーＩ(π１)が１となるスパース率π１＝０.５（“１”と“０”の数が同じ）で、ユーザー容量Ｃが１になるように規格化している。
この結果より、ホログラム記録では、スパース率π１＝０.２５程度が最適値であり、“１”と“０”の数が同じスパース率π１＝０.５の場合と比較して、１５％ほどユーザー容量が増加していることがわかる。

実際の記録変調符号では、符号語のビット数ｎを大きくすると符号化や復号が難しくなってしまうので、符号語のビット数ｎは有限な値を取ることになり、理想符号化器の符号化率よりも小さくなってしまう。実現可能なスパース符号は、１シンボルのビット数ｎ、１シンボル中の“１”のビット数ｍ、ユーザーのビット数ｋを用いてＥ(ｎ,ｍ,ｋ)により定義することができる。ここで“シンボル”とは、例えば４×４画素で構成するホログラフィック再生像の最小単位であり、１シンボルが１符号語（スパース符号）に対応する。
非特許文献２には、スパース符号の集合であるページ（スパースページ）がＥ(５２,１３,３９)によりコーディングされた実施例が示されている。

データ検出方式として最も簡便なのは、読み出し信号のビット振幅が予め定められたしきい値よりも大きければ“１”と識別し、小さければ“０”と識別する「しきい値検出」である。これに対して、スパース符号を用いたホログラム記録では、「ソート検出」と「相関検出」と呼ばれるビット検出方式が好んで使われる。
ホログラム記録ではページ内でのビット振幅の変化が大きく、しきい値検出のためのしきい値を定めることが難しいため、しきい値検出ではエラーが非常に多くなってしまう。

ソート検出は、次の手順で行う。
まず、例えばスパース符号がＥ(１６,３,８)の場合、読み出し信号を構成する１６ビット符号語（１シンボル符号）のビット振幅を調べて、振幅が大きい符号語ビットから順番に＃１〜＃１６までの番号を付ける。
つぎに、番号＃１〜＃３の符号語ビットを“１”に、番号＃４〜＃１６の符号語ビットを”０”にしたものを識別結果とする。

読み出し信号が８ビット（０〜２５５）にＡＤ変換されていると仮定すると、相関検出は、次の手順で行う。
読み出し信号が８ビットにＡＤ変換されている場合、０〜２５５の範囲の値を取るので、その分布の３／４の値１９３を“１”の目標値とし、その分布の１／４の値６４を“０”の目標値とするのが適切である。そして、記録された可能性のある２５６通りの符号語に対して、“１”のビットでは目標値１９１と読み出し信号との振幅差の２乗を計算し、“０”のビットでは目標値６４と読み出し信号との振幅差の２乗を計算し、この２乗誤差の１６ビット分の和を計算して各符号語が記録された確からしさの評価値を得る。
つぎに、上記評価値を比較して、確からしさが最も大きいものを、識別結果とする。
「テラバイト・ディスク実現へ勢いづくホログラフィック」日経エレクトロニクス2005年8月15日号,No.906, pp. 51-58 B. M. King and M. A. Neifield "Sparse modulation coding for increased capacity in volume holographic storage" APPLIED OPTICS, VOL.39, pp. 6681-6688, DECEMBER 2000 B. M. King and M. A. Neifield "Low-complexity maximum-likelihood decoding of shortened enumerative permutation codes for holographic storage", IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATION, VOL.19, No.4, pp.783-790, APRIL 2001

しきい値検出と比べて、ソート検出や相関検出では、振幅変動の影響を受けないという大きなメリットがある。
ソート検出は１６通りの値を比較してソートするだけなので回路化は簡単であるが、振幅が最大から３番目までの番号＃１〜＃３の１６ビット信号を“１”にするだけなので符号語でない識別結果を出力する可能性がある。
相関検出は、記録された可能性のある符号語の中から最も確からしいものを選ぶ最尤検出なので識別性能は優れているが、加算と乗算を組み合わせて２５６通りの評価値を計算する必要があり、かつ、２５６通りの確からしさ値の中から最も小さい値を選ぶので、回路的に非常に複雑になるという問題点がある。

１ページが１６３２シンボルからなる読み出し信号に対して、上の３種類の検出方式を適用する計算機シミュレーションを行ったところ、以下のような結果が得られた。
１ページ、１６３２シンボル中の検出エラー数は、しきい値検出：１３１６、ソート検出：２０７、相関検出：１１８であった（単位：ビット誤りがあるシンボル数）。
また、計算機シミュレーションの時間は、しきい値検出：０.３４、ソート検出：１.０８、相関検出：１４４であった（単位：秒）。

このようにしきい値検出では、１６３２シンボルのほとんどがエラーであり、使い物にならない。ソート検出ではかなりエラー数が少なくなっており、計算時間の増加も３倍程度である。一方、相関検出の検出エラーは、ソート検出よりもさらに少なくなるが、計算時間はソート検出の１００倍以上である。
以上より、ソート検出とほとんど同じ簡便さと、相関検出とほとんど同じ性能を、兼ね備えた検出方式が望まれている。

なお、前記非特許文献２と同じ著者による非特許文献３を見ると、「ソート検出は最尤検出である。」という説明がある。しかしながら、１シンボルが１６ビットのときに、以下の２つの場合のいずれかに該当しなければならない。
（１）未使用符号語が無い場合、つまり、１６ビットのうち３ビットだけが“１”になる_１６Ｃ_３＝５６０通りの組み合わせすべてを符号語として使う場合。
（２）５６０通りの組み合わせを１６ビットの２進数とみなして大きさの順番に＃０〜＃５５９という番号を付け、小さいものから順番に番号＃０〜＃２５５のものを符号語として選び、特別なアルゴリズムを用いて復号する場合。
ここで２^９＝５１２＜_１６Ｃ_３＝５６０＜２^１０＝１０２４であるから、ユーザーのｋビットをｎビットにマッピングしようとすると上記（１）の場合に該当しない。また、（２）の場合に該当するためはＥ(１６,３,８)のスパース符号は一意に決まってしまう。このため、後述するような「シンボル内で縦または横に１が連続しない」という記録変調符号に対する要求を満たすことはできない。

本発明が解決しようとする課題は、任意のスパース符号において、ソート検出とほとんど同じ簡便さと、相関検出とほとんど同じ性能を、兼ね備えたデータ識別方法およびその装置を提供することである。

本発明に係るデータ識別方法は、ひとつの符号語を構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”である記録変調符号を用いて、ホログラム記録のシンボルが縦と横に連続したページの情報として記録されている記録媒体からの読み出し信号を入力し、前記データを識別する際に、前記読み出し信号を符号語単位に区分し、区分した一のｎビット符号語について、各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に各ビットに＃１から＃ｎまでの番号を付ける第１ステップと、番号＃１〜＃ｍのｍ個のビットを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎの（ｎ−ｍ）個のビットを“０”にしたｎビット符号語を最初の識別結果の候補とする第２ステップと、前記シンボル内では縦と横に連続して“１”が配列されず、かつ、シンボル間では“１”が２つ連続することはあるが３つ以上連続することがないように記録変調符号が記録されたテーブルを参照して、符号語の前記識別結果の候補が当該テーブルに含まれているかどうかを調べ、調べた前記識別結果の候補が記録変調符号として前記テーブルに含まれていれば、当該識別結果の候補を識別結果として出力する第３ステップと、前記第３ステップで前記識別結果の候補が前記テーブルに含まれていない場合は、１からｍまでの番号の和をＭとしたときに、番号の和が(Ｍ＋１)になる識別結果の候補を選択し、番号の和が(Ｍ＋１)となる組み合わせが全て選ばれたときは番号の和が(Ｍ＋２)になる識別結果の候補を選ぶというように、ビット振幅の大きさを示す前記番号の和を確からしさの評価値として用い、かつ、当該評価値の数字が小さいものから順番に前記次の識別結果の候補として選択する第４ステップと、を有し、前記第３ステップで前記テーブルに含まれる識別結果が得られるまで、前記第３および第４ステップを繰り返す。

本発明に係るデータ識別装置は、ひとつの符号語を構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”であるような記録変調符号を用いて、ホログラム記録のシンボルが縦と横に連続したページの情報として記録されている記録媒体から読み出された前記情報の読み出し信号を符号語単位に区分し、区分した一のｎビット符号語について、各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に各ビットに＃１から＃ｎまでの番号を付ける番号付与手段と、番号＃１〜＃ｍのｍ個のビットを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎの（ｎ−ｍ）個のビットを“０”にしたｎビット符号語を最初の識別結果の候補とする候補選定手段と、前記シンボル内では縦と横に連続して“１”が配列されず、かつ、シンボル間では“１”が２つ連続することはあるが３つ以上連続することがないように記録変調符号が記録されたテーブルを参照して、符号語の前記識別結果の候補が前記記録変調符号のテーブルに含まれているかどうかを調べ、調べた前記識別結果の候補が記録変調符号として前記テーブルに含まれていれば、当該識別結果の候補を識別結果として出力する照合手段と、を有し、前記照合手段および前記候補選定手段は、前記識別結果の候補が前記テーブルに含まれていない場合は、１からｍまでの番号の和をＭとしたときに、番号の和が(Ｍ＋１)になる識別結果の候補を選択し、番号の和が(Ｍ＋１)となる組み合わせが全て選ばれたときは番号の和が(Ｍ＋２)になる識別結果の候補を選ぶというように、ビット振幅の大きさを示す前記番号の和を確からしさの評価値として用い、かつ、当該評価値の数字が小さいものから順番に前記次の識別結果の候補として選択し、前記識別結果の候補選定、照合、結果出力または候補再選択を、前記テーブルに含まれる識別結果が得られるまで繰り返す。

本発明では、記録媒体に記録されているデータの記録変調符号が複数の符号語からなり、そのひとつの符号語を構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”である。
上記構成によれば、読み出し信号を、記録時の記録変調符号体系に応じた符号語単位に区分し、区分した一のｎビット符号語について、各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に各ビットに＃１から＃ｎまでの番号を付ける。
つぎに、番号＃１〜＃ｍのｍ個のビットを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎの（ｎ−ｍ）個のビットを“０”にしたｎビット符号語を最初の識別結果の候補とする。
そして、この識別結果の候補を、記録変調符号のテーブルと記録変調符号の符号語単位で照らし合わせる。これにより、符号語ごとに前記識別結果の候補が前記記録変調符号のテーブルに含まれているかどうかが検出される。この検出の結果、テーブル内に検出結果の候補が存在する場合は、当該識別結果の候補が識別結果として出力される。
一方、識別結果の候補がテーブルに含まれていない場合は、予め定めた順番で、候補選定手段が次の識別結果の候補を選択し、識別結果の候補選定、照合、結果出力または候補再選択を、テーブルに含まれる識別結果が得られるまで繰り返す。
ここで予め定められた順番とは、例えば、“１”ビットの番号の和を評価値として、その評価値に所定の優先度を設けること等によって定められる。

このデータ識別では、ビット振幅の大きな順番で、“１”ビットを所定数だけ得る。そのこと自体はソート検出と同じである。ただし、本発明では、このとき優先順位をつけた識別結果の候補を順次変えながら、テーブル参照が実行され、テーブルに含まれていない誤った識別結果が出力されないようにしている。

本発明によれば、任意のスパース符号において、ソート検出とほとんど同じ簡便さと、相関検出とほとんど同じ性能を、兼ね備えたデータ識別が可能となるという利点がある。

本実施形態のデータ識別方法は、スパース符号を記録変調符号として用いるホログラム記録等に適した識別方法に関する。本実施形態は、記録変調符号の符号語を単位として、読み出し信号の符号語単位ごとに、ビット振幅の大きいものから順番に定められた数だけ“１”にしていくソート検出の結果にエラーが含まれている場合には、次に確からしい候補を選択し、これにエラーが含まれているかどうかを調べることを繰り返すことで、簡便で良好な識別性能を実現する方法を提供するものである。このデータ識別方法を、後述するように識別結果の候補にエラーが含まれている場合にリトライすることを特徴としているので、リトライ検出法という。
以下、本実施形態のデータ識別方法を、ホログラム記録読出システムに適用した場合を例として説明する。

まず、本実施形態で用いるスパース符号（記録変調符号）について説明する。
前述したように、任意のスパース符号は、１シンボルのビット数ｎ、１シンボル中の“１”のビット数ｍ、ユーザーのビット数ｋを用いてＥ(ｎ,ｍ,ｋ)により定義することができる。ここで“シンボル”とは、例えば４×４画素で構成するホログラフィック再生像の最小単位であり、１シンボルが１符号語（スパース符号）に対応する。
既に説明したように、理想符号化器におけるユーザーが利用可能な記録容量（ユーザー容量）Ｃは、ｎビットの符号化率に対応するスパース率π１と相関し、スパース率π１＝０.２５付近で極大値を持つ（図１７参照）。

図１に、スパース符号のビット数ｎを４〜６４まで変化させたときの、スパース率π１とユーザー容量Ｃとの関係を示す。
図１において、スパース符号のビット数ｎが大きいほど、符号化率ｒ＝ｋ／ｎが大きくなり、理想化符号器（ｎ＝∞）に近くなることが分かる。符号化率ｒは、ｎ個のものからｍ個を選択する組み合わせ_ｎＣ_ｍと２^ｋとの関係から決められており、２^ｋ＜_ｎＣ_ｍという条件を満たす最大の整数ｋがユーザーのビット数になる。例えばｎ＝１６、ｍ＝３の場合において、ｋ＝９と８で比較すると、組み合わせｎＣｍの数（図１の横軸に比例）が同じでも２^９＞２^８であるから、Ｅ(１６,３,９)のユーザー容量Ｃが、Ｅ(１６,３,８)のそれより大きいことが図１から分かる。

図２に、実際のホログラム記録における記録ページの例を示す。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図２を線図により簡略化して示す図、図３（Ｃ）は、その説明を記す説明図である。
図３（Ａ）および図３（Ｃ）に示すように、記録ページ１は５１個のデータ記録用のサブ・ページ１１と、１個の同期用のサブ・ページ（ページ・シンク(page sync.)）１２とからなる。
各サブ・ページ１１は、図３（Ｂ）に示すように、６×６個のシンボル１３からなり、そのうち中心の４シンボルでシンク(sync.)１４を形成している。シンク１４は、中央の１シンボル相当の領域が白、周囲を黒で形成されている。
各シンボルは白を“１”データビット、黒を“０”データビットとする４×４ビット構成となっている。
したがって、図３（Ｃ）に示すように、総ビット数３６８６４（＝１９２×１９２）のうち、記録ページ１の有効シンボル数は１６３２ビットである。

ここで、スパース符号としてＥ(１６,３,８)が用いられている。１６ビットのうちの３ビットを“１”にするのであれば、１６ビットから３個を選ぶ組み合わせは_１６Ｃ_３＝５６０通りあるので、２^９＝５１２＜５６０より、ユーザー・ビット数ｋを９にしてＥ(１６,３,９)を作ることが可能である。ただし、本実施形態では、あえて２^８＝２５６通りのシンボルしか使っていない。これは、以下の理由による。
第１に、未使用シンボルの存在を有効に利用する検出方式を使えば、検出エラーの数を少なくすることができる（この検出方法については後述する）。
第２に、縦と横に連続する“１”の個数を制限して、記録データの持つ低域成分をできるだけ少なくしたい。つまり、後述するようにスパース符号のシンボル内では、縦と横に連続して“１”が配列されない。また、シンボル間では“１”が２つ連続することはあるが、３つ以上連続することはない。シンボル間の区分けはシンク１４で精度よく行えるが、その場合でも、“１”ビットが２つ連続する箇所を出来るだけ少なくしたい。

図４〜図１０に、記録変調符号のテーブルの記録内容を示す。
これらの図は、スパース符号Ｅ(１６,３,８)で採用されている２５６通りのシンボルをまとめたものである。これらは、１６ビットのうち３ビットだけが“１”であり、なおかつ、シンボル内で縦または横に“１”が連続しないというルールを満たすものを探した結果である。このルールを満たすシンボルは２７６通りあったが、左上端を最下位ビットＬＳＢ、右下端を最上位ビットＭＳＢとして１６ビットの２進数にしたときの値が小さい２５６個を選んで用いている。

図１１に、ホログラム記録再生装置のシステム構成を示す。なお、この図では処理フローも併せて示すものであり、処理手順を矢印により示す。各部内には処理の内容を示す。
図示例のホログラム記録再生装置２０は、記録データ生成ブロック２１、読み出し信号の検出（記録データ再生）ブロック２２、特性評価ブロック２３、および、ホログラム記録読出装置２４を有する。このうち各ブロックを個別の装置として形成してもよいし、例えばホログラム記録読出装置２４を除く他のブロックを１つの処理装置から形成してもよい。

記録データ生成ブロック２１は、乱数発生部２５（乱数発生ステップＳＴ１）、符号変換部２６（符号変換ステップＳＴ２）、マッピング部２７（マッピングステップＳＴ３）、ファイル書き込み部２８（ファイル書き込みステップＳＴ４）を有する。

ホログラム記録読出装置２４は、特に図示しないが、記録用ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）としてのＤＭＤ(Digital Micromirror Device）、読み出し光を検出する撮像素子としてのＣＭＯＳセンサー、ホログラム記録媒体、ＤＭＤにより変調された信号光（物理光）の光源およびその照明光学系、記録時にホログラム記録媒体に信号とともに照射される参照光およびその照明光学系、読み出し時の読み出し光の像をＣＭＯＳセンサーの撮像面に結像させる読出光学系、データ変換部、それらの制御部が内蔵されている。ホログラム記録読出装置２４は、これらの各部を駆使して、ファイル書き込み部２８（ファイル書き込みステップＳＴ４）からの記録データファイルの信号によって、光源からの光を所定のＤＭＤで光変調し、これを記録媒体に参照光と共に照射してホログラム記録し、記録時と同じ条件の参照光の照射により記録データを読み出し、読み出し信号（ファイル）として出力する。
これらの一連の処理を実行するステップを、ホログラム記録読出処理ステップＳＴ５とする。

読み出し信号検出ブロック２２は、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）部２９（ＬＰＦ処理ステップＳＴ６）、アップコンバータ３０（アップコンバートステップＳＴ７）、シンク検出部３１（シンク検出ステップＳＴ８）、リサンプリング部３２（リサンプリングステップＳＴ９）、および、シンボル検出部３３（シンボル検出ステップＳＴ１０）を有する。
このうちシンボル検出部３３（シンボル検出ステップＳＴ１０）が、本発明のデータ識別方法を主に実行する部分である。なお、不図示の全体の制御部（ＣＰＵ等）が、本発明のデータ識別方法の一部を実行してもよい。

特性評価ブロック２３は、リサンプリング部３２（リサンプリングステップＳＴ９）からの信号、または、シンボル検出後の信号からデータ表示のヒストグラムを作成するヒストグラム表示部３４（ヒストグラム表示ステップＳＴ１１）、リサンプリング部３２（リサンプリングステップＳＴ９）からの信号、または、シンボル検出後の信号から信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を計算するＳＮＲ計算部３５（ＳＮＲ計算ステップＳＴ１２）、および、エラー表示を行うエラー表示部３６（エラー表示ステップＳＴ１３）を有する。

つぎに、上記構成の動作を説明する。
記録データ生成ブロック２１では、まず、８ビットの乱数を１ページ分のユーザー・データ数ｋである３２×５１＝１６３２バイト（１３０５６ビット）発生させる。本例では、図３並びに図４〜図１０に示すように、１シンボルが８ビット（１バイト）のデータを表記し、１ページの有効シンボル数が１６３２シンボルとなるため、そのシンボル数と同じ数の乱数を発生させる。
乱数により生成した８ビットのデータは、符号変換部２６（符号変換ステップＳＴ２）に送られ、ここで１６ビットのうち３ビットだけが“１”で残りは“０”であるスパース符号のシンボルに変換される。なお、所定の音声、映像、文書等のコンテンツデータから記録データを作成する場合は乱数発生部２５（乱数発生ステップＳＴ１）が省略され、コンテンツデータの大きさに応じたスパース符号が符号変換部２６（符号変換ステップＳＴ２）にて生成される。
つぎのマッピング部２７（マッピングステップＳＴ３）にて、スパース符号のシンボルと、シンク１４およびページ・シンク１２（図３参照）とを組み合わせて、記録ページが作成される。
最後に、ファイル書き込み部２８（ファイル書き込みステップＳＴ４）にて、記録ページが、ホログラム記録の実験装置で読み込めるファイル形式（たとえばビットマップ・ファイル）に変換される。

記録データ生成ブロック２１で生成されたビットマップ・ファイルはホログラム記録読出装置２４に送られ、ここでホログラム記録及び読み出しが実行される。
まず、記録用のＳＬＭ（Spatial Light Modulator）として用いているＤＭＤ(Digital Micromirror Device）の各ピクセルをビットマップの“１”,“０”に応じてON,OFFした像をホログラム記録媒体に照射する。このとき媒体の光参照位置、参照光の条件に応じて多重記録が可能である。
読み出しでは、参照光を上記記録時と同じ位置および条件でホログラム記録媒体に照射する。このとき媒体からの光（読み出し光）を、所定の光学系でＣＭＯＳセンサーの撮像面に合焦させる。またＣＭＯＳセンサーの位置をできるだけ厳密に合わせて読み出しを行う。２×２＝４個のＣＭＯＳセンサーの受光部に対し、ＤＭＤの１つのピクセルからの光が照射されるように、ＣＭＯＳセンサー（または読み出し光）の位置とともに倍率を合わせる。なお、このホログラム記録および読み出しは様々な方式があるが、ここでは方式は任意である。

ＣＭＯＳセンサーからは撮像信号が出力され、これが読み出し信号ファイルに変換されて読み出し信号検出ブロック２２に出力される。
読み出し信号検出ブロック２２では、その初段の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）部２９（ＬＰＦ処理ステップＳＴ６）にて、まず、２×２にオーバーサンプリングされた読み出し信号を簡単な２次元ＬＰＦを通して、帯域を制限する。オーバーサンプリングの方法は任意であるが、ここでは４つのセンサー出力を単純に平均している。
次に、リサンプリングの精度を上げるために、アップコンバータ３０（アップコンバートステップＳＴ７）にて、４×４にアップ・コンバートする。
そして、シンク検出部３１（シンク検出ステップＳＴ８）にて、ページ・シンクおよびサブ・ページ・シンクを順に検出する。具体的には、図３（Ａ）に示すページ・シンク１２を検出し、ページの先頭であることを検出する。その後、周期的に表れる４×４ビットの白い正方形（シンク１４）に対応した信号部分を検出するごとに、シンク１４を基準に換算されるサブ・ページ１１、さらには、それを構成する４×４ビットのシンボル１３を区分けする。以後、この区分けがずれないように同期をとって、次のリサンプリング部３２（リサンプリングステップＳＴ９）およびシンボル検出部３３（シンボル検出ステップＳＴ１０）を実行する。
リサンプリング部３２（リサンプリングステップＳＴ９）では、ホログラム記録読出装置２４内のＳＬＭ（ＤＭＤ）のピクセルと１対１（１×１）で対応させるようにリサンプリングを行ってシンボル１３単位に分解する。そして、つぎのシンボル検出部３３（シンボル検出ステップＳＴ１０）にて、例えば「１６ビットのうち振幅の大きい３ビットを“１”にし、かつ、確からしさが高くなる検出方法」、すなわち本発明のリトライ検出を実行する。リトライ検出の詳細は後述する。
シンボル検出部３３には、リトライ検出に用いるテーブル３７が設けられている。このテーブル３７の記憶内容は、図４〜図１０の決められたスパース符号の組み合わせデータである。また、符号変換部２６（符号変換ステップＳＴ２）のスパース符号の変換結果に応じてテーブル３７を書き換えるようにしてもよい。

リトライ検出により復元された記録データ（検出信号データ）は、特性評価ブロック２３に送られ、所定の評価処理が実行される。
この評価処理は任意であるが、ここではヒストグラム表示、ＳＮＲ計算、エラー表示を例示する。
エラー表示部３６（エラー表示ステップＳＴ１３）では、エラーが発生したビットおよびシンボル１３（図３）をページにマッピングして、エラーが発生した位置を表示する。
また、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）計算部３５（信号対ノイズ比（ＳＮＲ）計算ステップＳＴ１２）にて、ページ全体の“１”と“０”の平均値および分散を計算して信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を求める。さらに、“１”データの振幅分布と“０”データの振幅分布を計算してヒストグラムを表示する。

図１２に、ホログラム記録の読み出し信号例を示す。
図１２（Ａ）は、記録された１ビットのデータに対して２×２＝４個のセンサー受光部を割り当てて、２×２でオーバーサンプリングした読み出し信号のビットマップである。これから、上述した処理を行って１×１にリサンプリングした結果を、図１２（Ｂ）に示す。ここでは、周辺の不要なノイズ部分を削除して、図３に対応した部分だけになっている。
なお、ＤＭＤのピクセル数は横幅（Ｗ）１２４０×縦高さ（Ｈ）７２６であるが、実際に使用しているのは参照光を含めてＷ２５６×Ｈ２５６のみである。また、参照光などを考慮せずに１記録ページを１９２×１９２＝３６８６４ビット分とすると、ユーザー・ビット数ｋは有効シンボル数１６３２×８ビット＝１３０５６ビットとなる。したがって、符号化率は、１３０５６／３６８６４＝０.３５４である。

図１３に、リトライ検出のフローチャートを示す。
図１３は、基本的な手順を示すリトライ検出のフローチャートである。これは、読み出し信号を符号語単位に区分した後について説明したものである。
ステップＳＴ２０にて、前記読み出し信号を構成する一のｎ（本例ではｎ＝１６）ビット符号語について各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に＃１から＃ｎまでの番号を付ける。
ステップＳＴ２１では、番号＃１〜＃ｍを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎを“０”にしたものを最初の識別結果の候補とする。

つぎのステップＳＴ２２では、識別結果の候補が記録変調符号のテーブル３７（図１１）に含まれているかどうかを、記録変調符号のテーブル３７（図１１）の記録内容と識別結果の候補とを照らし合わせることにより調べる。
識別結果の候補が記録変調符号としてテーブル３７に含まれていれば、当該識別結果の候補を識別結果として出力する（ステップＳＴ２３）。
一方、ステップＳＴ２２で識別結果の候補がテーブル３７に含まれていない場合は、予め定めた順番で、次の識別結果の候補を選択し（ステップＳＴ２４）、再度ステップＳＴ２２の判断を行う。
このステップＳＴ２２とＳＴ２４の繰り返しを、ステップＳＴ２２の判断が「ＹＥＳ」となるまで繰り返す。この繰り返しループ処理では、識別結果の候補を予め定めた順番で変えていくが、同じ候補について重複判断はしない。
ステップＳＴ２３の後は、つぎのステップＳＴ０にてリターンとなり、つぎのｎビット符号語の入力があれば、上記ステップＳＴ２０〜ＳＴ２３を繰り返し、入力がなければ、そのまま終了となる。

この候補選択に制限を設けることが望ましい。制限回数に達した場合は、そのとき最後に判断した識別結果の候補を識別結果として出力させるためである。
図１４に、この場合のフローチャートを示す。
この図１４の処理が、図１３と異なる点は、候補選択回数をカウントするパラメータ“ｉ”を設け、図１３のステップＳＴ２０に対応する図１４のステップＳＴ２０Ａでは、トライ数ｉ＝０に初期化する。また、ステップＳＴ２１（図１３）に対応する図１４のステップＳＴ２１Ａでは、最初の候補選択であるためトライ数ｉ＝１とする。さらに、ステップＳＴ２２で「Ｎｏ」と判断された場合に、トライ数ｉを所定の制限数ｉmaxと比較するステップＳＴ２５を新たに設けている。この比較の結果、トライ数ｉが制限数ｉmax以下のときはステップＳＴ２４Ａに進むが、制限数ｉmaxより大きいときは処理フローをステップＳＴ２３にスキップさせる。ステップＳＴ２４Ａでは、予め定められた順番で識別結果の候補が選択され、トライ数ｉがインクリメント（ｉ＝ｉ＋１）され、ステップＳＴ２２を再度実行する。
図１４に示す処理フローでは、ステップＳＴ２３とＳＴ２４Ａによるループ処理を抜ける経路がもう一つ設けられ、この経路の場合は、最後の照合に用いられた識別結果の候補を、そのまま出力し、リターン状態となる（ステップＳＴ２３とＳＴ０）。

図１５に、より具体的な候補選択手法を２つ示す。図１５（Ａ）は参考のため示すフローチャートであり、基本的には図１４と同じである。図１５（Ｂ）には第１の方法（具体的選択手順）を定めた図表であり、図１５（Ｃ）には第２の方法（具体的選択手順）を定めた図表である。これらの具体例ではスパース符号Ｅ(１６,３,８)を用いることとする。
図１５（Ａ）の手順が図１４と異なる点は、スパース符号のビット数ｎ＝１６、“１”ビット数ｍ＝３としている点と、図１４のステップＳＴ２４Ａに代わるステップＳＴ２４Ｂにおいては、所定の順番を図１５（Ｂ）または（Ｃ）の図表に従うことである。また、ステップＳＴ２５での制限数ｉmaxを“１１”と規定している。この制限数ｉmaxの数は任意であり、この例に限定されない。

まず、図１５（Ｂ）を用いる第１の方法を説明する。
図１５（Ａ）の処理を図１４と同様に進める最中に、ステップＳＴ２２で最初の識別結果の候補（トライ数ｉ＝１）に関する参照が実行される。この参照では、トライ数ｉ＝１であるから、図１５（Ｂ）に示すように、検出結果の候補について、その最大から３つの番号＃１,２,３の“１”ビットが立っているパターンがテーブル３７に含まれるかが調べられる。このとき番号の和Ｍ＝６である。
含まれない場合、ステップＳＴ２５にてトライ数ｉが１１より大きいかが調べられる。
トライ数ｉが１１以下であるから、ステップＳＴ２４Ｂにて、まず、トライ数ｉがインクリメントされた後（ｉ＝２）、図１５（Ｂ）に従って選別結果の候補が再度選択される。このとき番号の和Ｍ＝６の他の組み合わせはない（番号の重複はない）ので、Ｍ＋１＝７となる条件で番号が選択される。この場合、番号＃１,２,４の組み合わせのみ存在し、この組み合わせで“１”ビットが立っているパターンがテーブル３７に含まれるかが調べられる。
同様にして、ステップＳＴ２２、ＳＴ２５およびＳＴ２４Ｂが繰り返すループ処理が実行される。
この間、ステップＳＴ２２の判断が「Ｙｅｓ」となるか、ステップＳＴ２５でトライ数ｉが１１を超えた場合に、当該ループ処理を抜ける。

トライ数ｉが制限数まで達する場合を考えると、図１５（Ｂ）に示すように、つぎに番号の和Ｍ＝８となる候補が選ばれるが、この場合は、番号＃１,２,５と、番号＃１,３,４との２通りの組み合わせがある。このような場合、「より番号の小さいビットが出来るだけ多く含まれるものを優先する」という基準が適用される。したがって前者の番号＃１,２,５が先に選択される。
以後、番号の和Ｍ＝９の場合、Ｍ＝１０の場合も同様な基準で番号が選択され、その番号の組み合わせと同じ位置に“１”ビットを有するパターンがテーブル３７に含まれるかが判断される。
上記ループ処理を抜けると、図１４の場合と同様に、参照結果または最後の参照時の候補が、識別結果として出力され、リターン状態または終了となる。

図１５（Ｃ）を用いる第２の方法も処理の流れそのものは、上記と同様である。
ここでは、同じ番号の和Ｍにおける選択の基準が異なる。ここで用いるのは、「最も番号が小さいビットの当該番号がより大きいものを優先する」という基準である。例えば、番号の和Ｍ＝９の場合、第１の方法では番号＃１,２,６が優先して選ばれたが、第２の方法では最小の番号が＃２でより大きい＃２,３,４が先に選ばれる。
番号の和Ｍ＝１０の場合も同様な基準で番号が選択され、その番号の組み合わせと同じ位置に“１”ビットを有するパターンがテーブル３７に含まれるかが判断される。
上記ループ処理を抜けると、図１４の場合と同様に、参照結果または最後の参照時の候補が、識別結果として出力され、リターン状態または終了となる。

なお、詳細は省略するが、振幅の大きさを表す番号の和が同じになる組み合わせが２つ以上ある場合には、“１”となるべきｍ個のビットの振幅の和が大きいものから優先して、次の識別結果の候補を選択する方法を採用してもよい。

図１６に、本実施形態の効果を、閾値検出、ソート検出、相関検出と比較して示す。図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）の横軸は検出方法の相違、縦軸は図１６（Ａ）では１６３２シンボル中のエラー数、図１６（Ｂ）は処理時間を示す。また、図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）および（Ｂ）の元データを図表にまとめたものである。
使用したコンピュータのＯＳは、「Windows XP Pro（商標名）」、シンボル検出部３３（シンボル検出ステップＳＴ１０）の処理に用いたＣＰＵは、「Celeron（商標名）２ＧＨｚ」、テーブル３７としての７６８ＭＢのＲＡＭを用いている。また、シミュレーション・プログラムは「Matlab Version7.0(Ｒ１４) （商標名）」上で作成したものを用いた。
図１６において、「リトライ検出」と書いたのが本発明である。ここでグラフの横軸ｘ＝２はｉmax＝１，ｘ＝３はｉmax＝３，ｘ＝４はｉmax＝６，ｘ＝５はｉmax＝１１に相当する。
ｉmaxが“０”のソート検出から始めてリトライの数を増やしていくことで、エラーの数が減っていくことがわかる。ｉmax＝１１の時に、すべての識別結果が符号語に含まれるようになっているので、これ以上ｉmaxの値を大きくしてもエラーを少なくすることはできない。ｉmax＝１１(ｘ＝５)に設定した場合、エラー数は１１９個であり、ソート検出よりはずっと性能が良く、相関検出の１１８個とほとんど同じ性能が得られている。
一方、計算時間はほとんど変化しない。シミュレーションに用いたのが専用の計算機ではなくて汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）だったので、計算時間が最小になるリトライ回数があるように見えるが、これはバラツキの範囲の差しか生じてないことを意味している。実際の回路にする場合には、リトライの回数を増やせばその分だけ回路規模も増大するが、計算時間が１００倍以上も大きい相関検出と比べればずっと小さな規模で実現できることは明らかである。
以上より、ソート検出とほとんど同じ簡便さと、相関検出とほとんど同じ性能を、兼ね備えたデータ識別方法が本発明の適用によって実現できていることが分かる。

なお、本発明はホログラム記録を応用した情報記録装置を対象に考えられたものであるが、その本質はデータ識別法にあるため、必ずしも、ホログラム記録データ検出に限定されず、広い応用が可能である。

スパース符号のビット数ｎを４〜６４まで変化させたときの、スパース率π１とユーザー容量Ｃとの関係を示すグラフである。実際のホログラム記録における記録ページの例を示す図である。図２を線図により簡略化して示す図とその説明図である。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（０〜３９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（４０〜７９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（８０〜１１９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（１２０〜１５９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（１６０〜１９９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（２００〜２３９番まで）。記録変調符号のテーブルの記録内容を示す図である（２４０番以降）。ホログラム記録再生装置のシステム構成図である。ホログラム記録の読み出し信号のマップ図である。リトライ検出の基本フローチャートである。リトライ検出の具体的フローチャートである。リトライ検出の他の具体的を示すフローチャートと図表である。リトライ検出の効果を示すシミュレーション結果を示すグラフおよび図表である。スパース率π１を０から１まで変化させたときのユーザー容量Ｃを計算した結果を示すグラフである。

符号の説明

１…記録ページ、１１…サブ・ページ、１２…ページ・シンク、１３…シンボル、１４…シンク、２１…記録データ生成ブロック、２２…読み出し信号検出ブロック、２３…特性評価ブロック、２４…ホログラム記録読出装置、３１…シンク検出部（シンク検出ステップＳＴ８）、３３…シンボル検出部（シンボル検出ステップＳＴ１０）、３７…テーブル

Claims

ひとつの符号語を構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”である記録変調符号を用いて、ホログラム記録のシンボルが縦と横に連続したページの情報として記録されている記録媒体からの読み出し信号を入力し、前記データを識別する際に、前記読み出し信号を符号語単位に区分し、区分した一のｎビット符号語について、各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に各ビットに＃１から＃ｎまでの番号を付ける第１ステップと、
番号＃１〜＃ｍのｍ個のビットを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎの（ｎ−ｍ）個のビットを“０”にしたｎビット符号語を最初の識別結果の候補とする第２ステップと、
前記シンボル内では縦と横に連続して“１”が配列されず、かつ、シンボル間では“１”が２つ連続することはあるが３つ以上連続することがないように記録変調符号が記録されたテーブルを参照して、符号語の前記識別結果の候補が当該テーブルに含まれているかどうかを調べ、調べた前記識別結果の候補が記録変調符号として前記テーブルに含まれていれば、当該識別結果の候補を識別結果として出力する第３ステップと、
前記第３ステップで前記識別結果の候補が前記テーブルに含まれていない場合は、１からｍまでの番号の和をＭとしたときに、番号の和が(Ｍ＋１)になる識別結果の候補を選択し、番号の和が(Ｍ＋１)となる組み合わせが全て選ばれたときは番号の和が(Ｍ＋２)になる識別結果の候補を選ぶというように、ビット振幅の大きさを示す前記番号の和を確からしさの評価値として用い、かつ、当該評価値の数字が小さいものから順番に前記次の識別結果の候補として選択する第４ステップと、を有し、
前記第３ステップで前記テーブルに含まれる識別結果が得られるまで、前記第３および第４ステップを繰り返す
データ識別方法。
前記振幅の大きさを表す番号の和が同じになる組み合わせが２つ以上ある場合には、より番号の小さいビットが出来るだけ多く含まれるものを優先して、前記次の識別結果の候補を選択する
請求項１に記載のデータ識別方法。
前記振幅の大きさを表す番号の和が同じになる組み合わせが２つ以上ある場合には、最も番号が小さいビットの当該番号がより大きいものを優先して、前記次の識別結果の候補を選択する
請求項１に記載のデータ識別方法。
前記振幅の大きさを表す番号の和が同じになる組み合わせが２つ以上ある場合には、“１”となるべきｍ個のビットの振幅の和が大きいものから優先して、前記次の識別結果の候補を選択する
請求項１に記載のデータ識別方法。
前記振幅の大きさを表す番号の和が同じになる組み合わせが２つ以上ある場合には、識別結果確定後のビット誤りが最も少なくなるように、前記次の識別結果の候補を選択するための前記順番を決める
請求項１に記載のデータ識別方法。
前記次の識別結果の候補を選択して前記記録変調符号のテーブルに含まれるかどうかを調べる回数を予め定められた回数に限定し、記録変調符号に含まれる識別結果が得られなかった場合には最後の候補を識別結果として出力する
請求項１〜５の何れか一項に記載のデータ識別方法。
前記識別対象のｎビット符号語を順次変えて、前記第１〜第３ステップまたは前記第３および第４ステップを、前記第３ステップで前記テーブルに含まれる識別結果が得られるまで繰り返す
請求項１〜６の何れか一項に記載のデータ識別方法。
ひとつの符号語を構成するｎビットのうち、ｍビットが“１”で（ｎ−ｍ）ビットが“０”であるような記録変調符号を用いて、ホログラム記録のシンボルが縦と横に連続したページの情報として記録されている記録媒体から読み出された前記情報の読み出し信号を符号語単位に区分し、区分した一のｎビット符号語について、各ビットの振幅を調べ、大きいものから順番に各ビットに＃１から＃ｎまでの番号を付ける番号付与手段と、
番号＃１〜＃ｍのｍ個のビットを“１”に、番号＃(ｍ+１)〜＃ｎの（ｎ−ｍ）個のビットを“０”にしたｎビット符号語を最初の識別結果の候補とする候補選定手段と、
前記シンボル内では縦と横に連続して“１”が配列されず、かつ、シンボル間では“１”が２つ連続することはあるが３つ以上連続することがないように記録変調符号が記録されたテーブルを参照して、符号語の前記識別結果の候補が前記記録変調符号のテーブルに含まれているかどうかを調べ、調べた前記識別結果の候補が記録変調符号として前記テーブルに含まれていれば、当該識別結果の候補を識別結果として出力する照合手段と、
を有し、
前記照合手段および前記候補選定手段は、前記識別結果の候補が前記テーブルに含まれていない場合は、１からｍまでの番号の和をＭとしたときに、番号の和が(Ｍ＋１)になる識別結果の候補を選択し、番号の和が(Ｍ＋１)となる組み合わせが全て選ばれたときは番号の和が(Ｍ＋２)になる識別結果の候補を選ぶというように、ビット振幅の大きさを示す前記番号の和を確からしさの評価値として用い、かつ、当該評価値の数字が小さいものから順番に前記次の識別結果の候補として選択し、前記識別結果の候補選定、照合、結果出力または候補再選択を、前記テーブルに含まれる識別結果が得られるまで繰り返す
データ識別装置。