JP6353349B2 - 送信装置、受信装置、可視光通信システム、それらの方法及びプログラム - Google Patents
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Description
例えば、図1のように対象者に心電図等のセンサを装着し、心臓が動いたタイミングでLED等を点灯させ、人間に対しては図中のAとBのタイミングで心臓が動いたことをおおまかに知らせるとともに、LEDの点滅を撮影するカメラには伝送レートと同等の精度で心臓が動いたタイミングを知らせる。
フレームレート:映像(動画)において、単位時間あたりに処理させるフレーム数(静止画像数、コマ数)である。本実施形態では、1秒あたりの数値で表し、fpsという単位で表す。
伝送レート:受光部に用いるカメラの性能(フレームレート)によって決まる、送信装置と受信装置の間で点滅情報が伝送できる1秒あたりの頻度であり、fとする。本実施形態では受光部にカメラを想定し、伝送レートをカメラのフレームレートの半分としている。なお、伝送レートはフレームレートと同等以下であればよい。
伝送フレーム:点滅情報を一回送るのに使う時間区間であり、(1/f)秒の長さを持つ。
サンプリングレート:単位時間あたりにサンプルを採る頻度であり、fsとする。本実施形態では1秒あたりの頻度を表し、Hzで表す。
図2は本実施形態に係る可視光通信システム100の機能ブロック図を、図3はその処理フローを示す。
送信装置110は、情報取得部111とイベント検出部112と符号化部113と発光部114とを含む。例えば、送信装置110は、各部が一体化されたユニットからなる。例えば、送信装置110は、心拍計からなる情報取得部111と、マイコンからなるイベント検出部112及び符号化部113と、LEDからなる発光部114とが一体化された装置である。
情報取得部111は、伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、所定の情報をサンプリングし(s111)、出力する。ここで、伝送レートの時間間隔とは点滅情報を一回送るのに使う時間間隔(=1/f)であり、サンプリングレートの時間間隔とはサンプルを1個取得するのに使う時間間隔(=1/fs)である。例えば、情報取得部111は、心電図の電気的な波形や、腕や足につけた加速度計の波形を所定のサンプリングレート(例えば500Hz)でサンプリングし、サンプル値をイベント検出部112に出力する。なお、心電図の波形や、加速度計の波形の元となる情報を測定する心電計や加速度計自体を情報取得部として用い、波形となる前のサンプル値を出力してもよい。
イベント検出部112は、情報取得部111でサンプリングした情報を受け取り、この情報から所定のイベントを検出し(s112)、所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を出力する。
(参考文献1) B.-U. Kohler, C. Hennig, and R. Orlgmeister, “The principles of software QRS detection”, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2002, vol. 21, no. 1, pp. 42-57.
符号化部113は、タイミング情報を受け取り、タイミング情報を符号化し(s113)、送信信号を生成し、出力する。
発光部114は、送信信号を受け取り、この信号に基づき点滅する(s114)。なお、送信装置110は、発光部114の点滅により光信号を送信する。例えば、発光部114は、一個のLEDからなり、点滅パターン信号に基づき点滅する。また、例えば、発光部114は、情報取得部111のサンプリングの対象となるものに取り付けてもよい。例えば、心電図の波形をサンプリングする場合には、心電計を取り付けられた人間に発光部114を取り付ける。このような構成とすることで、発光部114の示す点滅パターン信号が何に対する情報かを視覚的に分かりやすく表現することができる。
受信装置120は、受光部121と復号部122とを含む。なお、可視光通信の伝送レートは、受信装置120の受光部121のフレームレートにより定まる。受信装置120は、光信号を受信し、タイミング情報を出力する。
受光部121は、光信号を所定のフレームレートで受信し(s121)、電気信号に変換して出力する。受光部121は、例えば、カメラからなり、発光部114の点滅を撮影し、その位置情報と点滅の01に戻した情報とを復号部122に送る。例えば、伝送レートの倍のフレームレートで撮影し、その画像情報から発光部114(例えばLED)が写っている領域を抜き出してその位置情報を保持し、発光部114が光っていたか否かを示す信号(例えば、点灯状態を1とし、消灯状態を0とする信号)を復元する。
復号部122は、受光部121で受信し、電気信号に変換された光信号を受け取り、この信号を用いて、送信装置110で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号し(s122)、出力する。
このような構成により、人間に視覚を通してタイミング情報を送ることができるとともに、送信装置110と受信装置120との間の伝送レートの精度でイベント情報を送ることができる。
サンプリングの対象は、心電図の電気的な波形や加速度計の波形に限らない。信号処理において、時間的に連続する信号を一定の間隔をおいて測定することにより、離散信号として収集することができればよい。人間に視覚を通してタイミング情報を送ることができるとともに、送信装置110と受信装置120との間の伝送レートの精度でイベント情報を送ることができればよい。
第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
符号化部213は、タイミング情報を受け取り、タイミング情報を符号化し、送信信号を生成し(s213)、発光部114へ出力する。例えば、所定のイベントを検出した直後の伝送フレームflame(T)を用いて(図5参照)、直前の伝送フレームflame(T-1)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように送信信号を生成し、伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームを用いて、伝送フレームflame(T-1)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すように送信信号を生成する。ただし、mは、1以上の何れかの整数である。
復号部222は、受光部121で受信し、電気信号に変換された光信号を受け取り、この信号を用いて、タイミング情報を復号し(s222)、出力する。復号部222は、伝送フレームflame(T-1)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、伝送フレームflame(T-1)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示す、伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームを復号する。例えば、復号部222は、m個の伝送フレームを用いて、伝送フレームflame(T-1)に含まれるa個のサンプルの中の何番目のサンプルにおいて、イベントを検出したかを示すイベント情報を復号する。
このような構成とすることで、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、人間におおよその伝送レートの精度でタイミング情報を与えつつ、可視光通信上の送信装置と受信装置との間では詳細なサンプリングレートの精度でタイミング情報を伝送可能とすることができる。なお、本実施形態と他の実施形態またはその変形例とを組合せてもよい。
本実施形態のポイントは、伝送レートの時間間隔よりも小さい時間間隔でタイミング情報を伝えることである。よって、必ずしもイベントを検出した直後の伝送フレームflame(T)において、flame(T-1)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように送信信号を生成しなくともよい。例えば、イベントを検出した後の伝送フレームであれば、x個前の伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように送信信号を生成すればよく、その符号化のルールを受信装置220と共有すればよい。ただし、人間は、発光部114の点滅を見て、所定のイベントが発生したタイミングを知覚するため、知覚のズレが大きくなり過ぎないようにxを設定する必要がある。また、必ずしも、伝送フレームflame(T)の後の連続したm個の伝送フレームflame(T+1),flame(T+2),…,flame(T+m)を用いなくともよく、連続していないm個の伝送フレームを用いてもよい。
第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。
符号化部313は、タイミング情報を受け取り、伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームflame(T+1),flame(T+2),…,flame(T+m)を用いて、伝送フレームflame(T-1)を2a個に等分割したときに、2a-1個に等分割した時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すように送信信号を生成し(s313)、出力する(図6参照)。言い換えると、伝送フレームflame(T-1)を2a-1個に等分割したしたときに、その時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すように伝送フレームflame(T+a)を設定し、送信信号を生成する。ただし、a=1,2,…,mとする。
復号部322は、光信号を受け取り、伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームflame(T+1),flame(T+2),…,flame(T+m)を用いて、伝送フレームflame(T-1)を2a個に等分割したときに、2a-1個に等分割した時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すイベント情報を復号する(s322)。言い換えると、伝送フレームflame(T-1)を2a-1個に等分割したしたときに、その時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すイベント情報を復号する。例えば、図8に示す以下のアルゴリズムで復号する。
このような構成により、第二実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第三実施形態によれば、任意のビット長(「判断フレームの更新回数L」)でタイミング情報を精度よく送信できる。本実施形態と他の実施形態またはその変形例とを組合せてもよい。
stop bitパターンや「判断フレームの更新回数」を調節することにより、人間の視覚にはひとつのタイミング情報と認知される発光パターンに調節してもよい。
第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。
イベントとイベントの時間間隔の中に含まれると想定される最大のサンプル数をaとし、最小のサンプル数をbとし、0以上b以下の何れかの整数をcとし、log2(a-c)≦mとする。
復号部422は、光信号を受け取り、伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームflame(T+1),flame(T+2),…,flame(T+m)を用いて、伝送フレームflame(T-1)で検出したイベントを、その1つ前に検出したイベントから何番目のサンプルにおいて、検出したかを示すイベント情報を復号する(s422)。
このような構成により、第二実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態と他の実施形態またはその変形例とを組合せてもよい。
第三実施形態と異なる部分を中心に説明する。
符号化部513は、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、光信号が点灯状態になるように、送信信号を生成する(図10参照)。
復号部522は、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、光信号が点灯状態になるように生成された送信信号を、タイミング情報を復号する際に利用しない。本実施形態では第三実施形態の復号部322に変更を加えた場合を図8を用いて示す。
このような構成により、第三実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、人間の視覚にはひとつのタイミング情報と認知される情報を送りつつ、かつ伝送レートより高い精度のタイミング情報を送信できる。例えば、第二〜第四実施形態の発光部114の明滅スピードでは、(1)1回のイベントで2回光った場合と、(2)2回のイベントでそれぞれ1回ずつ光った場合、の区別がつきにくい場合がある。これに対し、第五実施形態では、1回のイベント中に関する点滅を視認しづらくしてイベント中は発光部114がずっと光っているように見せかける。このような構成とすることで(1)と(2)の場合を区別可能とし、イベントと点灯状態との対応関係が把握できるようになる。なお、本実施形態と他の実施形態またはその変形例とを組合せてもよい。
本実施形態では、発光部114が、2回分の伝送フレームの時間間隔のうち、1回分の伝送フレームに対応する時間間隔で必ず発光するパターンを想定したが、3回に1回でも、4回に1回でも良い。人間の目の時間分解能と伝送フレームの時間間隔の長さとから、イベントと点灯状態との対応関係が把握できるように送信信号を生成すれば、何回分の伝送フレームに一度、必ず発光するようにしてもよい。
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
また、上記の実施形態及び変形例で説明した各装置における各種の処理機能をコンピュータによって実現してもよい。その場合、各装置が有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記各装置における各種の処理機能がコンピュータ上で実現される。
Claims (14)
- 可視光通信において用いられる送信装置であって、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、
伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、所定の情報をサンプリングする情報取得部と、
サンプリングした情報から所定のイベントを検出するイベント検出部と、
前記所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を符号化し、送信信号を生成する符号化部とを含み、
m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記符号化部は、前記所定のイベントを検出した後にx番目に生成する伝送フレームflame(T)を用いて、x個前の伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように前記送信信号を生成し、前記所定のイベントを検出した後に生成するm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すように送信信号を生成する、
送信装置。 - 請求項1の送信装置であって、
1つの伝送フレームの時間間隔の中に含まれるサンプル数をaとし、
前記符号化部は、m個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)に含まれるa個のサンプルの中の何番目のサンプルにおいて、イベントを検出したかを示すように送信信号を生成する、
送信装置。 - 請求項1の送信装置であって、
a=1,2,…,mとし、前記符号化部は、m個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)を2a個に等分割したときに、2a-1個に等分割した時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すように送信信号を生成する、
送信装置。 - 請求項1の送信装置であって、
イベントとイベントの時間間隔の中に含まれると想定される最大のサンプル数をaとし、最小のサンプル数をbとし、0以上b以下の何れかの整数をcとし、log2(a-c)≦mとし、
前記符号化部は、前記伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)で検出したイベントを、その1つ前に検出したイベントから何番目のサンプルにおいて、検出したかを示すように送信信号を生成する、
送信装置。 - 可視光通信において用いられる受信装置であって、
送信装置が生成した送信信号に基づき点滅する光信号を所定のフレームレートで受信する受光部と、
受光部で受信した光信号を用いて、送信装置で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号する復号部とを含み、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、送信装置は伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、サンプリングした情報に基づき所定のイベントを検出するものとし、m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記復号部は、伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すm個の伝送フレームを復号する、
受信装置。 - 請求項5の受信装置であって、
1つの伝送フレームの時間間隔の中に含まれるサンプル数をaとし、
前記復号部は、m個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)に含まれるa個のサンプルの中の何番目のサンプルにおいて、イベントを検出したかを示すイベント情報を復号する、
受信装置。 - 請求項5の受信装置であって、
a=1,2,…,mとし、前記復号部は、m個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)を2a個に等分割したときに、2a-1個に等分割した時間区間の前半、または、後半のどちらにおいてイベントを検出したかを示すイベント情報を復号する、
受信装置。 - 請求項5の受信装置であって、
イベントとイベントの時間間隔の中に含まれると想定される最大のサンプル数をaとし、最小のサンプル数をbとし、0以上b以下の何れかの整数をcとし、log2(a-c)≦mとし、
前記復号部は、前記伝送フレームflame(T)の後のm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)で検出したイベントを、その1つ前に検出したイベントから何番目のサンプルにおいて、検出したかを示すイベント情報を復号する、
受信装置。 - 送信装置と受信装置とを含み、送信装置と受信装置との間で可視光通信を行う可視光通信システムであって、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、
前記送信装置は、
伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、所定の情報をサンプリングする情報取得部と、
サンプリングした情報から所定のイベントを検出するイベント検出部と、
前記所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を符号化し、送信信号を生成する符号化部とを含み、
m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記符号化部は、前記所定のイベントを検出した後にx番目に生成する伝送フレームflame(T)を用いて、x個前の伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように前記送信信号を生成し、前記所定のイベントを検出した後に生成するm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すように送信信号を生成し、
前記受信装置は、
送信装置が生成した送信信号に基づき点滅する光信号を所定のフレームレートで受信する受光部と、
受光部で受信した光信号を用いて、送信装置で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号する復号部とを含み、
前記復号部は、伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すm個の伝送フレームを復号し、
前記送信装置の前記符号化部は、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、前記光信号が点灯状態になるように、送信信号を生成し、
前記受信装置の前記復号部は、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、前記光信号が点灯状態になるように生成された送信信号を、タイミング情報を復号する際に利用しない、
可視光通信システム。 - 可視光通信における送信装置を用いる送信方法であって、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、
送信装置が、伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、所定の情報をサンプリングする情報取得ステップと、
送信装置が、サンプリングした情報から所定のイベントを検出するイベント検出ステップと、
送信装置が、前記所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を符号化し、送信信号を生成する符号化ステップとを含み、
m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記符号化ステップは、前記所定のイベントを検出した後にx番目に生成する伝送フレームflame(T)を用いて、x個前の伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように前記送信信号を生成し、前記所定のイベントを検出した後に生成するm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すように送信信号を生成する、
送信方法。 - 可視光通信における受信装置を用いる受信方法であって、
受信装置が、送信装置が生成した送信信号に基づき点滅する光信号を所定のフレームレートで受信する受光ステップと、
受信装置が、受光ステップで受信した光信号を用いて、送信装置で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号する復号ステップとを含み、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、送信装置は伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、サンプリングした情報に基づき所定のイベントを検出するものとし、m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記復号ステップは、伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すm個の伝送フレームを復号する、
受信方法。 - 送信装置と受信装置とを用いて、可視光通信を行う可視光通信方法であって、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、
前記送信装置が、伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、所定の情報をサンプリングする情報取得ステップと、
前記送信装置が、サンプリングした情報から所定のイベントを検出するイベント検出ステップと、
前記送信装置が、前記所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を符号化し、送信信号を生成する符号化ステップとを含み、
m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記符号化ステップは、前記所定のイベントを検出した後にx番目に生成する伝送フレームflame(T)を用いて、x個前の伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中でイベントを検出したことを示すように前記送信信号を生成し、前記所定のイベントを検出した後に生成するm個の伝送フレームを用いて、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すように送信信号を生成し、
前記受信装置が、送信装置が生成した送信信号に基づき点滅する光信号を所定のフレームレートで受信する受光ステップと、
前記受信装置が、受光ステップで受信した光信号を用いて、送信装置で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号する復号ステップとを含み、
前記復号ステップは、伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すm個の伝送フレームを復号し、
前記符号化ステップは、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、前記光信号が点灯状態になるように、送信信号を生成し、
前記復号ステップは、人間が見たときに消灯していることに気付かない時間間隔で、前記光信号が点灯状態になるように生成された送信信号を、タイミング情報を復号する際に利用しない、
可視光通信方法。 - 請求項1から請求項4の何れかの送信装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
- 可視光通信において用いられ、送信装置が生成した送信信号に基づき点滅する光信号を所定のフレームレートで受信する受光部の出力信号を入力とし、
前記出力信号を用いて、送信装置で所定のイベントを検出したタイミングを示すタイミング情報を復号する復号部を含み、
可視光通信の伝送レートは、受信装置の受光部のフレームレートにより定まるものとし、送信装置は伝送レートよりも時間間隔が小さいサンプリングレートで、サンプリングした情報に基づき所定のイベントを検出するものとし、m及びxをそれぞれ1以上の何れかの整数とし、前記復号部は、伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中で所定のイベントを検出したことを示す伝送フレームflame(T)を復号し、さらに、前記伝送フレームflame(T-x)の時間間隔の中のどの時点でイベントを検出したかを示すm個の伝送フレームを復号する受信装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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