JP5199771B2 - 光受信装置及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光受信装置及び光通信システムに係り、特に、複数の発光素子の点滅によって送信されたデータを受信すると共に、光送信装置との距離を計測する光受信装置及び光通信システムに関する。

従来より、光通信で測距を行うシステムとして位置検出システムが知られている（たとえば、特許文献１）。この位置検出システムでは、トランスポンダが、基地局から送信される識別情報と測距用信号を光通信で受信する手段と、受信識別情報とトランスポンダ固有の識別情報が一致したときにこれらの情報を基地局に電波で送信する手段とを有している。また、３つ以上の基地局が、それぞれトランスポンダからの送信識別情報と測距用信号を受信する手段と、受信情報に基づいて、トランスポンダとの距離を測定する手段と、トランスポンダの識別情報と距離情報とを管理端末に送信する手段とを有している。そして、管理端末が、基地局から受信したトランスポンダの識別情報と距離情報とに基づいて、トランスポンダとの距離が近い少なくとも３つの基地局を検出し、検出した基地局の位置情報に基づいて、トランスポンダの位置を三角測量により特定している。このように、トランスポンダが、基地局から送信される識別情報と測距用信号とを光通信で受信し、これらの情報を基地局へ電波で送信することで、測距を実現している。
特開２００５−２４１３０１

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、測距を行うために、受信装置からも送信装置へ信号伝送を行わなければならないため、受信装置に、信号伝送のための装置が必要となる、という問題がある。

また、測距のために測距用信号を伝送するため、測距用信号を伝送している間は情報データを伝送できず、伝送効率が低下してしまう、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる光受信装置及び光通信システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る光受信装置は、送信データに応じて点灯される複数の発光素子が配列された光源の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像に基づいて、前記送信データを復調する復調手段と、前記復調手段によって復調された前記送信データの誤り率又は誤り個数を算出する誤り算出手段と、前記誤り算出手段によって算出された誤り率又は誤り個数に基づいて、前記光源までの距離を計測する計測手段とを含んで構成されている。

本発明に係る光受信装置によれば、撮像手段によって、送信データに応じて点灯される複数の発光素子が配列された光源の複数の発光素子を撮像し、復調手段によって、撮像手段によって撮像された画像に基づいて、送信データを復調する。

そして、誤り算出手段によって、復調手段によって復調された送信データの誤り率又は誤り個数を算出し、計測手段によって、誤り算出手段によって算出された誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測する。

このように、復調された送信データの誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測することにより、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる。

本発明に係る誤り算出手段は、復調手段によって復調された送信データと、送信データを記憶した記憶手段に記憶された送信データとを比較して、誤り率又は誤り個数を算出することができる。これによって、受信側で既知の送信データと復調された送信データとを比較して、誤り率又は誤り個数を算出することができる。

本発明に係る光受信装置は、復調手段によって復調された送信データに対して、誤り訂正を行なう誤り訂正手段を更に含み、誤り算出手段は、復調手段によって復調された送信データと誤り訂正手段によって誤り訂正が行なわれた送信データとを比較して、誤り率又は誤り個数を算出することができる。これによって、誤り訂正が行なわれた送信データと誤り訂正が行なわれていない送信データとを比較して、誤り率又は誤り個数を算出することができる。

本発明に係る計測手段は、予め求めた距離と誤り率又は誤り個数との関係、及び誤り算出手段によって算出された誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測することができる。

上記の光源は、複数の段階に分けられた空間周波数の各段階に対して点灯させる少なくとも一つの発光素子からなる発光素子群が定められ、送信データに応じた点灯パターンの空間周波数の段階に対応する発光素子群の発光素子を、送信データに応じて点灯させ、誤り算出手段は、段階毎に、送信データの誤り率又は誤り個数を算出し、計測手段は、誤り算出手段によって算出された段階毎の誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測することができる。これによって、空間周波数の段階に応じて変動する誤り率又は誤り個数を考慮して、光源までの距離を精度よく計測することができる。

本発明に係る光通信システムは、複数の発光素子が配列された光源の複数の発光素子を送信データに応じて点灯させる光送信装置と、上記の光受信装置とを含んで構成されている。

本発明に係る光通信システムによれば、光送信装置によって、複数の発光素子が配列された光源の複数の発光素子を送信データに応じて点灯させる。

そして、光受信装置において、撮像手段によって、光源の複数の発光素子を撮像し、復調手段によって、撮像された画像に基づいて、送信データを復調する。そして、誤り算出手段によって、復調手段によって復調された送信データの誤り率又は誤り個数を算出し、計測手段によって、誤り算出手段によって算出された誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測する。

このように、復調された送信データの誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測することにより、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる。

以上説明したように、本発明の光受信装置及び光通信システムによれば、復調された送信データの誤り率又は誤り個数に基づいて、光源までの距離を計測することにより、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、車両に搭載された車載カメラと、ＬＥＤ信号機との間で、光通信によってデータを送受信する光通信システムに、本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る光通信システム１０は、例えば、ＬＥＤ信号機を用いて構成され、ＬＥＤ信号機のＬＥＤを高速に点滅させてデータを送信する光送信装置１２と、車両に搭載された車載カメラを用いて構成され、車載カメラによって光送信装置１２のＬＥＤを撮像してデータを受信する光受信装置１４とを備えている。

図２に示すように、光送信装置１２は、ＬＥＤ信号機に設けられ、かつ、複数のＬＥＤを二次元配列（例えば、１６×１６）した発光源としてのＬＥＤアレイ１６と、送信データ生成装置１８から送信データを入力するためのインタフェース２０と、インタフェース２０によって入力された送信データに基づいて、ＬＥＤアレイ１６の各ＬＥＤを駆動するための駆動信号を生成する信号生成部２２と、信号生成部２２によって生成された駆動信号に基づいて、ＬＥＤアレイ１６の各ＬＥＤを駆動する駆動回路２４とを備えている。各ＬＥＤは、多量のデータを送信するために、高速にスイッチング（オンオフ）される。

光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の複数のＬＥＤは、任意の形に並べられている。また、送信すべきデータが、各ＬＥＤの輝度の変化に変調される。ＬＥＤは、点灯及び消灯によって輝度を変化させるが、本実施の形態では、その輝度を高速に変化させるため、人間の目では輝度の変化をはっきりと見ることが出来ない。また、並べられたＬＥＤ全てを用いる必要はなく、一部のＬＥＤのみの輝度を変化させるようにしてもよい。

ここで、ＬＥＤの輝度は光の強さを表し、複数のＬＥＤの各々の輝度の変化を用いて情報が伝送される。ＬＥＤの輝度の変化は、ＬＥＤの点灯時間の変化によって実現される。

光送信装置１２の信号生成部２２は、コンピュータで構成され、ＣＰＵ、プログラムを記憶したＲＯＭ、データ等を記憶するＲＡＭ、ＨＤＤ、データの入出力を行なうためのＩ／Ｏポート、及びこれらを接続するバスを含んで構成されている。

信号生成部２２は、送信データ生成装置１８で生成された送信データに基づいて、輝度係数ｘ_ｕ,ｖを算出する。ここで、下付き文字ｕ,ｖは、ｕ行ｖ列の位置に配置されているＬＥＤを表わす。この輝度係数ｘ_ｕ,ｖに応じて、ｕ行ｖ列の位置に配置されているＬＥＤの輝度が駆動され、光伝送が行われる。

信号生成部２２は、入力された送信データに基づき、ＬＥＤを駆動するための輝度値を算出する。ここで、この操作を符号化と呼ぶことにする。また、送信データ生成装置１８で生成される送信データが６４ビット同時に処理される場合を考え、送信データをｄ_ｍ,ｎと表わす。ただしｍ,ｎ＝１,２,・・・,８である。

符号化を行うにあたり、送信データを以下の（１）式に示すような８×８の行列形に配置する。

ただし、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２はそれぞれ４×４の正方行列であり、ｄｍ,ｎ＝｛−１、１｝である。

信号生成部２２は、２次元高速ハールウェーブレット変換（２Ｄ ＦＨＷＴ）を用いて符号化を行なう。信号生成部２２を、ハードウエアとソフトウエアとに基づいて定まる機能実現手段毎に分割した機能ブロックで説明すると、図３に示すように、データが持つ空間周波数成分に応じて、送信データを各ＬＥＤに割り当てるマッピング部３０と、各ＬＥＤに割り当てられた送信データに対して、２次元高速ウェーブレッド逆変換（２Ｄ ＩＦＨＷＴ）を行うウェーブレット逆変換部３２と、２次元高速ウェーブレッド逆変換されたデータの正規化を行うと共に、バイアスを付加する正規化バイアス付加部３４と、正規化バイアス付加部３４の出力データに基づいて、駆動信号を生成する駆動信号生成部３６とを備えている。

マッピング部３０は、送信データを、３段階の空間周波数成分の点灯パターンを持つデータに分けて、複数のＬＥＤに割り当てる。例えば、上記（１）式におけるＤ１１の部分に対応するＬＥＤ群に、低い空間周波数成分の点灯パターンを持つデータが割り当てられ、この部分の合計のデータレートは例えば１６Ｒｂである。また、Ｄ１２とＤ２１との部分に対応するＬＥＤ群には、それほど高くない空間周波数成分の点灯パターンを持つデータが割り当てられ、この部分の合計のデータレートは例えば３２Ｒｂである。また、Ｄ２２の部分に対応するＬＥＤ群には、高い空間周波数成分の点灯パターンを持つデータが割り当てられ、この部分の合計のデータレートは例えば１６Ｒｂである。

ウェーブレット逆変換部３２は、上記（１）式の形になった送信データに対して、スケール１の２次元高速ハールウェーブレット逆変換を行う。逆変換後、送信データと同じく８×８の行列が得られ、出力行列の各要素ｘ´_ｕ,ｖは以下の（２）式で表される。

ここで、Ｈ^８ _ｍ,ｎ は、以下の（３）式に示すような８×８の行列Ｈ^８のｍ行ｎ列の要素を表す。

上記のｘ´_ｕ,ｖ の取り得る値の範囲は、−２≦ｘ´_ｕ,ｖ≦２である。ｘ´_ｕ,ｖ の取り得る値を０から１の範囲にするために、正規化バイアス付加部３４は、以下の（４）式のように、バイアスを加えた後に正規化する。

上述した処理の結果、ｘ_ｕ,ｖ の取り得る値は、｛０,１／４，１／２，３／４，１｝の５通りとなる。

駆動回路２４は、信号生成部２２によって生成された駆動信号に基づいて、ＬＥＤアレイ１６を点滅させて、送信すべきデータを送信する。

光受信装置１４は、図４に示すように、車載の光通信用カメラ（２次元イメージセンサ）で構成され、かつ、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６を高速に連続して撮像する高速カメラ４０と、高速カメラ４０によって撮像された画像データに対して、種々の画像処理を行って、デジタルデータである画像を生成すると共に、生成された画像に基づいて、データ復調を行なう画像処理部４２とを備えている。光受信装置１４は、画像処理部４２の出力データを、出力装置６０に出力する。

高速カメラ４０は、レンズ等の光学系４４と、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサで構成される撮像素子４６と、及び撮像素子４６からの出力信号に基づいて、撮像した画像データを生成する信号処理回路４８とを備えている。

高速カメラ４０は、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の点滅を撮像し、ＬＥＤアレイ１６の各ＬＥＤの輝度は、ＬＥＤの点灯時間の変化で表されるため、ＬＥＤの輝度を撮影するために、高速カメラ４０は、１シンボル期間の点灯の変化を捉えて、ＬＥＤの輝度を検出する。

画像処理部４２は、コンピュータで構成され、ＣＰＵ、プログラムを記憶したＲＯＭ、データ等を記憶するＲＡＭ、ＨＤＤ、高速カメラ４０とデータの入出力を行なうためのＩ／Ｏポート、及びこれらを接続するバスを含んで構成されている。

画像処理部４２は、適切な処理を施すことでＬＥＤに関する相対位置(ｕ行ｖ列に関する情報)と輝度値に関する情報Ｒ_ｕ,ｖとを得る。以下、このＲ_ｕ,ｖから送信データを再生することを復調と呼ぶ。

画像処理部４２をハードウエアとソフトウエアとに基づいて定まる機能実現手段毎に分割した機能ブロックで説明すると、図５に示すように、高速カメラ４０によって撮像された画像からＬＥＤ１つ１つの位置を検出すると共に、各ＬＥＤの輝度値を取得する輝度値取得部６２と、取得した各ＬＥＤの輝度値に逆バイアスを加える逆バイアス部６４と、逆バイアスが加えられた各ＬＥＤの輝度値に対して、２次元高速ハールウェーブレット変換（２Ｄ ＦＨＷＴ）を行なうウェーブレット変換部６６と、２次元高速ハールウェーブレット変換を行なった各ＬＥＤの輝度値について、値が０より大きいか否かを判定して、各ＬＥＤの輝度を＋１、−１で表わされる出力データに変換する閾値判定部６８と、±１で表わされる出力データに基づいて、受信データ系列を生成するデータ生成部７０とを備えている。

輝度値取得部６２は、撮像された画像から、ＬＥＤアレイ１６の位置を検出し、１つのＬＥＤが光っている範囲を見付け、ＬＥＤの位置を検出すると共に、見付かった範囲から、輝度値を検出する。

また、撮像画像から得られたＲ_ｕ,ｖを８×８の正方行列とすると、逆バイアス部６４は、以下の（５）式のように、行列のそれぞれの要素ｘ´_ｕ,ｖに逆バイアスを加える。

ただし、ｂはバイアス値であり、以下の（６）式に示すようにＲ_ｕ,ｖ の平均値から算出される値である。なお、本実施の形態では、適切なバイアス値を求めるために時間的に平均する必要もあるため、時間のパラメータi を考慮して計算している。

ウェーブレット変換部６６は、逆バイアスを加えた行列に対して、以下の（７）式のように、２次元高速ハールウェーブレッド変換（２Ｄ ＦＨＷＴ）を行なう。

閾値判定部６８は、閾値判定を行い、出力データを得る。上記（７）のｄ´_ｍ,ｎのハットが正の値であれば、ｄ_ｍ,ｎのハットの推定値ｄ´_ｍ,ｎのハットを１とし、ｄ´_ｍ,ｎのハットが負の値であれば、ｄ_ｍ,ｎのハットの推定値ｄ_ｍ,ｎのハットを−１として、出力データに変換する。

また、画像処理部４２は、所定の送信データ（例えば、同期用プリアンブルデータ）を記憶したデータ記憶部７２と、データ生成部７０によって生成された受信データ、及びデータ記憶部７２に記憶された送信データを比較して、受信データの品質としてビット誤り率を算出する誤り率算出部７４と、ビット誤り率と光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離との関係を表わした距離決定テーブルデータを記憶したテーブル記憶部７６と、算出されたビット誤り率及び距離決定テーブルデータに基づいて、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を計測する距離計測部７８とを備えている。

ここで、本実施の形態の原理について説明する。説明を簡単にするため、光送信装置１２によって次の２つの点灯パターンによって伝送する場合を考える。２つの点灯パターンは、図６（Ａ）に示すような空間周波数成分が高い点灯パターンと、図６（Ｂ）に示すような空間周波数成分が低い点灯パターンとである。これらの点灯パターンは、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の各ＬＥＤの輝度値を制御することで生成される。すなわち、点灯パターンは、送信データに依存する。

上記の空間周波数成分が高い点灯パターンが伝送された場合には、光受信装置１４の高速カメラ４０によって、図６（Ｃ）に示すような空間周波数成分が高い画像が撮像され、上記の空間周波数が低い点灯パターンが伝送された場合には、光受信装置１４の高速カメラ４０によって、図６（Ｄ）に示すような空間周波数が低い画像が撮像される。

このように、ＬＥＤアレイ１６の個々のＬＥＤを個別に変調した場合、点灯パターンの空間周波数成分に応じて、撮像される画像の空間周波数が高くなる場合と低くなる場合とがある。

次に、それぞれの点灯パターンによる送信データを、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離を変えて受信する場合について説明する。

光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が近い場合には、高速カメラ４０で撮像された画像によって、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の個々のＬＥＤを、くっきりと判別することができる。このため、図６（Ａ）に示すように空間周波数が高い点灯パターンをしっかり捉えることができる。

また、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６を、１５ｍ離れた位置から高速カメラ４０によって撮像した場合には、図７（Ａ）に示すように、撮像画像によって、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の各々のＬＥＤをきれいに判別することができる。これより、空間周波数が高い点灯パターンを正確に受信できる。なお、上記図７（Ａ）におけるＬＥＤアレイ１６の点灯パターンは、全てのＬＥＤが点灯しているパターンである。

一方、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が遠い場合には、高速カメラ４０によって撮像された画像で、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６の個々のＬＥＤを、くっきりと判別することが困難である。ＬＥＤアレイ１６との距離が遠い場合には、たとえ、ある程度の間隔を設けてＬＥＤが配置されているＬＥＤアレイであっても、高速カメラ４０によって、複数のＬＥＤをひとつの点光源としてしか捉えることができないためである。

言い換えると、ＬＥＤアレイ１６との距離が遠い位置で、光受信装置１４がデータを受信する場合、高速カメラ４０の撮像画像において、複数の点光源が重なって捉えられるため、空間周波数の高周波成分が失われてしまうことになる。

光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６を、５０ｍ離れた位置から高速カメラ４０によって撮像した場合には、図７（Ｂ）に示すように、撮像画像において、個々のＬＥＤが重なってしまうため、ぼやけており、空間周波数の高周波成分が失われてしまう。

以上説明したように、通信距離と撮像画像の空間周波数との間には、通信距離が伸びるほど、撮像画像において高い空間周波数成分が減少する関係があることが分かる。これは、通信路が、通信距離に応じた低域通過フィルタでモデル化できることを意味している。すなわち、光受信装置１４の高速カメラ４０で撮像した画像が持つ空間周波数成分を解析することで、通信距離の推定が可能となる。

また、光受信装置１４において復調した受信データの品質と、高速カメラ４０によって撮像した画像が持つ空間周波数成分との間には、受信データの品質が低くなるほど、撮像画像が持つ空間周波数成分が低くなり、受信データの品質が高くなるほど、撮像画像が持つ空間周波数成分が高くなる関係がある。

そこで、本実施の形態では、画像処理部４２において、復調された受信データの信頼性に基づいて、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を計測する。例えば、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離が遠い場合には、受信データの品質が低く、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離が近い場合には、受信データの品質が高くなる。このように、受信データの品質を求めることで、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を計測する。

データ記憶部７２には、比較対象の基準となる送信データとして、同期用プリアンブルデータを記憶しておく。

誤り率算出部７４は、復調された受信データのうちの同期用プリアンブルデータと、記憶された同期用プリアンブルデータとを比較して、誤ったデータ数を求め、誤りデータ数を全受信データ数で除算することで、受信データ品質としてのビット誤り率を算出する。

テーブル記憶部７６には、予め実験等により求められたビット誤り率と、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離との関係を表わした距離決定テーブルを記憶しておく。

次に、第１の実施の形態に係る光通信システム１０の作用について説明する。まず、送信データ生成装置１８によって送信データが生成され、光送信装置１２に入力される。そして、光送信装置１２において、入力された送信データに応じた点滅パターンで、ＬＥＤアレイ１６を点滅させて、データの伝送を行なう。

また、光受信装置１４において、高速カメラ４０によって、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６を連続して撮像する。そして、画像処理部４２において、図８に示す通信測距処理ルーチンを実行する。

まず、ステップ１００において、高速カメラ４０によって撮像された画像を取得し、ステップ１０２において、上記ステップ１００で取得した画像に基づいて、受信データを復調する。

そして、ステップ１０４において、上記ステップ１０２で復調された受信データが、同期用プリアンブルデータであるか否かを判定し、同期用プリアンブルデータでない場合には、ステップ１０６で、上記ステップ１０２で復号化された受信データを、受信データ系列として出力装置６０に出力して、上記ステップ１００へ戻る。

一方、上記ステップ１０４で、復調された受信データが、同期用プリアンブルデータである場合には、ステップ１０８において、データ記憶部７２に記憶された基準となる同期用プリアンブルデータを読み込む。

そして、ステップ１１０において、上記ステップ１０２で復調された同期用プリアングルデータと、上記ステップ１０８で読み込まれた基準となる同期用プリアンブルデータとを比較して、誤りデータ数を計測し、誤りデータ数及び全受信データ数に基づいて、誤りビット率を算出する。

次のステップ１１２では、テーブル記憶部７６から、距離決定テーブルを読み込み、ステップ１１４において、上記ステップ１１２で読み込んだ距離決定テーブルから、上記ステップ１１０で算出された誤りビット率に対応する距離を決定し、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を計測する。

そして、ステップ１１６において、上記ステップ１１４で計測された距離を出力装置６０に出力して、上記ステップ１００へ戻る。

次に、本実施の形態に係る距離計測方法に関する実験結果について説明する。

実験は、試作した光送信装置を用いて行なった。この試作した光送信装置は、送信データ生成装置及び信号生成部を実現するＦＰＧＡ、駆動回路（Ｄｒｉｖｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、及びＬＥＤアレイで構成した。

光送信装置では、ＦＰＧＡと駆動回路とをＩ／Ｏポートで接続し、駆動回路をＬＥＤアレイに接続した。個々のＬＥＤは、実際のＬＥＤ信号機で用いられているものを用い、また、実際のＬＥＤ信号機よりＬＥＤの数が少なく、かつ、ＬＥＤの間隔（２ｃｍ）が実際のＬＥＤ信号機のＬＥＤ配置と同じＬＥＤアレイを用いた。

また、光送信装置では、送信データに対して６４ビットごとに符号化を行なった。６４ビットのデータを、データに応じた点灯パターンが持つ空間周波数成分ごとに３グループに分割し、スケール１の２次元高速ハールウェーブレット逆変換を行うことで、データを空間周波数軸上に割り当てた。その後、正規化した後バイアスを加え、非負の値にしてＬＥＤの輝度を変調した。

また、実験で用いた光受信装置は、光通信用カメラと画像処理装置であるＰＣとで構成した。光受信装置では、まず光通信用カメラで光送信装置のＬＥＤアレイの画像を撮影した。そして、撮影された画像に対して画像処理を行い、各ＬＥＤに対応する輝度値を求めて、輝度値に逆バイアスをかけた。そして、求められた数値に対してスケール１の２次元高速ハールウェーブレット変換を行い、その後閾値判定を行い、受信データ系列を得た。

また、実験諸元を以下に示す。実験は、室内で行ない、ＬＥＤの点灯周期を１／２０００ｓとし、データレートを１２８ｋｂｐｓとした。また、光通信用カメラの撮影速度を４０００ｆｐｓ(ＬＥＤ点灯周波数の２倍）とし、光通信用カメラの画素数を１６０ ｘ １２８ｐｉｘｅｌとし、レンズのフォーカスを無限遠とした。また、レンズの焦点距離を３５ｍｍ、レンズの絞りを３．５、通信距離を１０〜５０ｍとした。また、室内の蛍光灯を全て点灯させた状態で実験を行った。

次に、実験結果について説明する。光送信装置のＬＥＤアレイと光受信装置との通信距離が、１０ｍ、３０ｍ、及び５０ｍの各々である場合に、光受信装置において、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す受信画像が撮像された。上記図９の画像は、いずれも光送信装置の６４個のＬＥＤが全て最大輝度で点灯しているときに撮影されたものである。

通信距離が１０ｍである場合には、受信画像内のＬＥＤ６４個の領域が示すピクセル数は、４６×４６ｐｉｘｅｌであり、通信距離が５０ｍである場合には、受信画像内のＬＥＤ６４個の領域が示すピクセル数は、１１×１１ｐｉｘｅｌであった。また、通信距離が３０ｍである場合には、受信画像内のＬＥＤ６４個の領域が示すピクセル数は、１５×１５ｐｉｘｅｌとなっており、ＬＥＤひとつあたり約２×２ｐｉｘｅｌのサイズになった。

なお、実験では、カメラレンズのフォーカスを無限遠に設定し、ズームは固定のままにした。このため、通信距離が遠くなれば、画像内のＬＥＤのサイズが小さくなった。

上記の実験において、通信距離を変えて、上記（１）式のＤ１１の部分に対応するＬＥＤ群に割り当てられた低い空間周波数成分の点灯パターンを持つデータ、Ｄ１２、Ｄ２１の部分に対応するＬＥＤ群に割り当てられた中ぐらい空間周波数成分の点灯パターンを持つデータ、及びＤ２２の部分に対応するＬＥＤ群に割り当てられた高い空間周波数成分の点灯パターンを持つデータの各々についてビット誤り率を算出すると、図１０に示すような通信距離とビット誤り率との関係が得られた。通信距離が３０ｍよりも短い場合には、いずれの空間周波数成分の点灯パターンを持つデータにおいても、誤りが発生しなかった。すなわち、全てのデータが誤り無く受信できるのは通信距離が３０ｍとなる位置までであり、ビット誤り率に基づいて、３０ｍより遠い通信距離の推定が可能になることがわかった。

本実施の形態では、受信画像全体に基づいて復調された受信データに基づいて、ビット誤り率を算出するため、上記図１０の関係において、各空間周波数成分の点灯パターンを持つデータに対する値を平均することにより得られるビット誤り率と通信距離との関係を用いて、ビット誤り率から通信距離を計測すればよい。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る光通信システムによれば、光受信装置において、復調された送信データのビット誤り率に基づいて、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測することにより、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる。

また、光送信装置から送信された送信データを、光受信装置によって受信すると共に、受信した送信データに基づいて、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測することができる。

なお、上記の実施の形態では、ＬＥＤアレイを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、発光素子として、レーザーダイオード（ＬＤ）を用いても良い。

また、受信データの品質として、ビット誤り率を算出し、ビット誤り率に基づいて、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測する場合を例に説明したが、誤りデータ数に基づいて、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測するようにしてもよい。この場合には、誤りデータ数と通信距離との関係を示す距離決定テーブルを予め求めて、テーブル記憶部に記憶しておけばよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となっている部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、誤り訂正符号化を用いて受信データに対して誤り訂正を行なっている点と、復調された受信データ及び誤り訂正を行なった受信データを比較して、ビット誤り率を算出している点とが主に第１の実施の形態と異なっている。

第２の実施の形態に係る光送信装置では、誤り訂正符号化によって、送信データを符号化し、符号化された送信データに応じて、ＬＥＤアレイ１６を駆動して、データ伝送を行なう。

図１１に示すように、第２の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部２４２は、輝度値取得部６２と、逆バイアス部６４と、ウェーブレット変換部６６と、閾値判定部６８と、データ生成部７０と、データ生成部７０によって生成された受信データに対して、誤り訂正を行なう誤り訂正部２７２と、データ生成部７０によって生成された誤り訂正を行なっていない受信データ及び誤り訂正を行なった受信データを比較して、受信データの品質としてビット誤り率を算出する誤り率算出部２７４と、テーブル記憶部７６と、距離計測部７８とを備えている。

誤り訂正部２７２は、データ生成部７０によって生成された受信データ系列に対して、誤り訂正を行い、最終的な受信データを得る。なお、誤り訂正符号化方式については、従来既知の技術を用いればよく、本実施の形態では、誤り訂正符号化方式に関する説明を省略する。

誤り率算出部２７４は、誤り訂正部２７２によって得られたデータを、正しい受信データとし、データ生成部７０によって生成された受信データ及び誤り訂正を行なった受信データを比較して、誤ったデータ数を求め、誤りデータ数を全受信データ数で除算することで、ビット誤り率を算出する。

なお、光通信システムの他の構成及び他の処理については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、光受信装置において、復調された送信データと誤り訂正を行なった送信データとを比較して、ビット誤り率を算出し、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測することにより、簡易な装置構成で、伝送効率を低下させずに、距離を計測することができる。

また、光受信装置側で送信データが未知であっても、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測することができる。

また、誤り訂正を行なって送信データを復調することにより、より正確なデータ品質を得ることができる。

なお、上記の実施の形態において、誤り訂正能力が固定である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、誤り訂正能力を調整することができるように構成してもよい。これによって、距離決定テーブルが示す通信距離とビット誤り率との関係を調整することができるため、計測できる距離の範囲を調整することができる。

次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第３の実施の形態に係る光通信システムの構成は、第１の実施の形態と同様の構成となっているため、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、データに応じた点灯パターンの空間周波数成分の段階毎に、ビット誤り率を算出している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

第３の実施の形態に係る光受信装置１４では、データ記憶部７２に、空間周波数成分の各段階に分けて、送信データを記憶している。

誤り率算出部７４は、データ生成部７０で生成された受信データを、データに応じた点灯パターンの空間周波数成分の各段階に分けて、空間周波数成分の段階毎に、データ記憶部７２に記憶された既知の送信データと比較して、誤りデータ数を求め、ビット誤り率を算出している。

テーブル記憶部７６には、上記図１０に示したように、予め実験等により求められたビット誤り率と、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離との関係を表わした距離決定テーブルを、空間周波数成分の段階毎に記憶しておく。

ここで、上記図１０に示すように、上記（１）式におけるＤ１１の部分に対応するＬＥＤ群には、空間周波数成分が低い点灯パターンのデータが割り当てられているため、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が遠距離でも、データ品質が劣化しにくい。すなわち、遠距離でも誤りなく送信データを受信することができることになる。従って、低い空間周波数成分の点灯パターンを持つデータに対する距離決定テーブルは、通信距離が遠くなっても、ビット誤り率が上昇しにくい関係を示している。

また、Ｄ２２の部分に対応するＬＥＤ群には、空間周波数成分が高い点灯パターンのデータが割り当てられているため、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が遠距離になるとデータ品質が低く、近距離になるとデータ品質が高くなる。従って、高い空間周波数成分を持つ点灯パターンのデータに対する距離決定テーブルは、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が遠くなると、ビット誤り率が上昇し、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が近くなると、ビット誤り率が低下する関係を示している。

また、Ｄ１２とＤ２１との部分に対応するＬＥＤ群には、空間周波数成分が中ぐらいの点灯パターンのデータが割り当てられているため、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離に対するデータ品質の特性は、Ｄ１１の部分の特性とＤ２２の部分の特性との中間の特性となる。従って、中ぐらいの空間周波数成分を持つ点灯パターンのデータに対する距離決定テーブルは、高い空間周波数を持つ点灯パターンのデータに対する距離決定テーブルが示す関係と低い空間周波数を持つ点灯パターンのデータに対する距離決定テーブルが示す関係との中間の関係を示している。

例えば、データの点灯パターンが持つ空間周波数成分の各段階におけるビット誤り率が１０^−２である場合には、データの点灯パターンが持つ空間周波数成分の低い順に、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６との距離が２８ｍ、３１ｍ、３５ｍとなる。

距離計測部７８は、何れかの段階の空間周波数成分を持つ点灯パターンのデータについて、距離決定テーブルに基づいて、算出されたビット誤り率に対応する距離を決定し、光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を計測する。

例えば、低い空間周波数成分の点灯パターンのデータについて、距離決定テーブルに基づいて、算出されたビット誤り率に対応する通信距離を決定することができない場合（算出されたビット誤り率に対応する通信距離が複数ある場合や、復調された受信データに誤りがなかった場合）には、中ぐらい空間周波数成分の点灯パターンのデータ又は高い空間周波数成分の点灯パターンのデータについて、距離決定テーブルに基づいて、算出されたビット誤り率に対応する光送信装置１２のＬＥＤアレイ１６までの距離を決定する。

なお、光通信システムの他の構成及び他の処理については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、データに応じた点灯パターンの空間周波数成分の段階毎に、ビット誤り率を算出し、何れかの段階の空間周波数成分の点灯パターンのデータについて、ビット誤り率と距離決定テーブルとに基づいて、光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離を計測することにより、距離を計測可能な空間周波数成分の点灯パターンのデータを選択して、通信距離を計測することができるため、精度よく通信距離を計測することができる。

次に、第４の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となっている部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第４の実施の形態では、２次元高速ウォルシュ変換の符号化方式を用いている点が主に第１の実施の形態と異なっている。

図１２に示すように、第４の実施の形態に係る光送信装置の信号生成部４２２は、２次元高速ウォルシュ変換（２Ｄ ＦＷＴ）を用いて符号化を行なう。信号生成部４２２は、データの送信パターンが持つ空間周波数成分に応じて、送信データを各ＬＥＤに割り当てるマッピング部４３０と、各ＬＥＤに割り当てられた送信データに対して、２次元高速ウォルシュ逆変換（２Ｄ ＩＦＷＴ）を行うウォルシュ逆変換部４３２と、２次元高速ウォルシュ逆変換されたデータの正規化を行うと共に、バイアスを付加する正規化バイアス付加部４３４と、正規化バイアス付加部４３４の出力データに基づいて、駆動信号を生成する駆動信号生成部３６とを備えている。

マッピング部４３０は、送信データを、１０段階の空間周波数成分を持つ点灯パターンのデータに分けて、複数のＬＥＤに割り当てる。４×４ポイント２次元高速ウォルシュ変換を用いた場合に、例えば、図１２に示すように、４×４のデータが、点灯パターンの周波数成分に応じて、高周波数成分から低周波数成分までの１０段階に分けられる。図１３に示すように、最も低い周波数成分の点灯パターンのデータ、５番目に低い周波数成分の点灯パターンのデータ、３番目に高い周波数成分の点灯パターンのデータ、及び最も高い周波数成分の点灯パターンのデータの各々の合計のデータレートは、４Ｒｂであり、その他の周波数成分の点灯パターンのデータの合計のデータレートは、８Ｒｂである。

ウォルシュ逆変換部４３２は、上記（１）式の形になった送信データに、４回に分けて、４×４ポイント２次元高速ウォルシュ逆変換を行う。逆変換後、送信データと同じく８×８の行列が得られる。出力行列の各要素ｘ´_ｕ,ｖは以下の（８）式で表される。

ここで、Ｗ^４ _ｍ,ｎ は、以下の（９）式に示すような４×４の行列Ｗ^４のｍ行ｎ列の要素を表す。

上記のｘ´_ｕ,ｖ の取り得る値の範囲は、−１≦ｘ´_ｕ,ｖ≦１である。ｘ´_ｕ,ｖ の取り得る値を、０から１の範囲にするために、正規化バイアス付加部４３４は、以下の（１０）式のように、バイアスを加えた後に正規化する。

上記の処理の結果、ｘ_ｕ,ｖ の取り得る値は、｛０,１／１６，１／８，３／１６，１／４，５／１６，３／８，７／１６，１／２，９／１６，５／８，１１／１６，３／４，１３／１６，７／８，１５／１６，１｝の１７通りとなる。

図１４に示すように、画像処理部４４２は、輝度値取得部６２と、取得した各ＬＥＤの輝度値に逆バイアスを加える逆バイアス部４６４と、逆バイアスが加えられた各ＬＥＤの輝度値に対して、２次元高速ウォルシュ変換（２Ｄ ＦＷＴ）を行なうウォルシュ変換部４６６と、２次元高速ウォルシュ変換を行なった各ＬＥＤの輝度値について、値が０より大きいか否かを判定して、各ＬＥＤの輝度を＋１、−１で表わされる出力データに変換する閾値判定部４６８と、データ生成部７０と、データ記憶部７２と、誤り率算出部７４と、テーブル記憶部７６と、距離計測部７８とを備えている。

撮像画像から得られたＲ_ｕ,ｖを８×８の正方行列とすると、逆バイアス部４６４は、以下の（１１）式のように、行列のそれぞれの要素ｘ´_ｕ,ｖに逆バイアスを加える。

ここで、ｂはバイアス値であり、以下の（１２）式に示すようにＲ_ｕ,ｖ の平均値から算出される。なお、本実施の形態では、適切なバイアス値を求めるために時間的に平均する必要もあるため、時間のパラメータi を考慮して算出している。

ウォルシュ変換部４６６は、逆バイアスを加えた行列に対して、以下の（１３）式のように、４×４ポイント２次元高速ウォルシュ変換（２Ｄ ＦＷＴ）を行なう。

閾値判定部４６８は、閾値判定を行い、出力データを得る。ｄ´_ｍ,ｎのハットが正の値であれば、ｄ_ｍ,ｎのハットの推定値ｄ´_ｍ,ｎのハットを１とし、ｄ´_ｍ,ｎのハットが負の値であれば、ｄ_ｍ,ｎのハットの推定値ｄ_ｍ,ｎのハットを−１として、出力データに変換する。

なお、光通信システムの他の構成及び他の処理については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

上記の第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、２次元高速ハールウェーブレット変換を用いた場合、又は２次元高速ウォルシュ変換を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、２次元高速フーリエ変換、２次元離散コサイン変換等の２次元直交変換を利用して、送信データの符号化及び復調を行なうようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る光通信システムの構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光送信装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光送信装置の信号生成部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光受信装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。 （Ａ）空間周波数が高い点灯パターンを示すイメージ図、（Ｂ）空間周波数が低い点灯パターンを示すイメージ図、（Ｃ）空間周波数が高い点灯パターンを撮像した画像を示すイメージ図、及び（Ｃ）空間周波数が低い点灯パターンを撮像した画像を示すイメージ図である。 （Ａ）ＬＥＤアレイを１５ｍ離れた位置から撮像した画像を示すイメージ図、及び（Ｂ）ＬＥＤアレイを５０ｍ離れた位置から撮像した画像を示すイメージ図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光受信装置における通信測距処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 （Ａ）実験においてＬＥＤアレイを１０ｍ離れた位置から撮像した画像を示すイメージ図、（Ｂ）実験においてＬＥＤアレイを３０ｍ離れた位置から撮像した画像を示すイメージ図、及び（Ｃ）実験においてＬＥＤアレイを５０ｍ離れた位置から撮像した画像を示すイメージ図である。 ビット誤り率と光送信装置のＬＥＤアレイまでの距離との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光送信装置の信号生成部の構成を示すブロック図である。 ４×４ポイント２次元高速ウォルシュ変換を用いた場合の空間周波数成分の各段階におけるデータとデータレートとを示す表である。 本発明の第４の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 光通信システム
１２ 光送信装置
１４ 光受信装置
１６ ＬＥＤアレイ
１８ 送信データ生成装置
２２、４２２ 信号生成部
２４ 駆動回路
４０ 高速カメラ
４２、２４２、４４２ 画像処理部
６２ 輝度値取得部
６４、４６４ 逆バイアス部
６６ ウェーブレット変換部
６８、４６８ 閾値判定部
７０ データ生成部
７２ データ記憶部
７４、２７４ 誤り率算出部
７６ テーブル記憶部
７８ 距離計測部
２７２ 誤り訂正部
４６４ 逆バイアス部
４６６ ウォルシュ変換部

Claims (6)

1. 送信データに応じて点灯される複数の発光素子が配列された光源の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された画像に基づいて、前記送信データを復調する復調手段と、
   前記復調手段によって復調された前記送信データの誤り率又は誤り個数を算出する誤り算出手段と、
   前記誤り算出手段によって算出された誤り率又は誤り個数に基づいて、前記光源までの距離を計測する計測手段と、
   を含む光受信装置。
2. 前記誤り算出手段は、前記復調手段によって復調された前記送信データと、前記送信データを記憶した記憶手段に記憶された前記送信データとを比較して、前記誤り率又は誤り個数を算出する請求項１記載の光受信装置。
3. 前記復調手段によって復調された前記送信データに対して、誤り訂正を行なう誤り訂正手段を更に含み、
   前記誤り算出手段は、前記復調手段によって復調された前記送信データと前記誤り訂正手段によって誤り訂正が行なわれた前記送信データとを比較して、前記誤り率又は誤り個数を算出する請求項１記載の光受信装置。
4. 前記計測手段は、予め求めた前記距離と前記誤り率又は誤り個数との関係、及び前記誤り算出手段によって算出された前記誤り率又は誤り個数に基づいて、前記光源までの距離を計測する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の光受信装置。
5. 前記光源は、複数の段階に分けられた空間周波数の各段階に対して点灯させる少なくとも一つの発光素子からなる発光素子群が定められ、前記送信データに応じた点灯パターンの空間周波数の段階に対応する前記発光素子群の発光素子を、前記送信データに応じて点灯させ、
   前記誤り算出手段は、前記段階毎に、前記送信データの誤り率又は誤り個数を算出し、
   前記計測手段は、前記誤り算出手段によって算出された前記段階毎の前記誤り率又は誤り個数に基づいて、前記光源までの距離を計測する請求項１〜請求項４の何れか１項記載の光受信装置。
6. 複数の発光素子が配列された光源の前記複数の発光素子を送信データに応じて点灯させる光送信装置と、
   請求項１〜請求項５の何れか１項記載の光受信装置と、
   を含む光通信システム。