WO2020045272A1 - 光変調方法、光復調方法、送信機、受信機 - Google Patents

Abstract

新たな光変調方法では、シンボル期間Ｔ_ｓｙｍの間、光信号の色を所定の複数色＃１～＃ｎで巡回的に遷移させる。そして、各シンボル期間Ｔ_ｓｙｍの先頭の色を、複数色＃１～＃ｎの中から送信データにもとづいて選択する。

Description

光変調方法、光復調方法、送信機、受信機

　本発明は、カメラを用いた光通信に関する。

　近年、スマートフォンなど多くの情報端末にカメラが搭載されている。情報端末に搭載されるカメラを利用して、直感的に情報を取得する方式として、ＬＥＤ（発光ダイオード）－カメラ間通信が提案されている（特許文献１）。

　ＬＥＤ－カメラ間通信は、（i）カメラのフレームレート以下の速さで低速に点滅したＬＥＤから１フレーム１シンボル以下で情報を取得する方式（非特許文献１，２）と、（ii）フレームレート以上の速さで高速に点滅したＬＥＤからローリングシャッター現象のもとで情報を取得する方式（非特許文献３～８）に大別される。

特開２０１８－１２１１６９号公報

カシオ計算機株式会社、"可視光通信システムPicalico",http://picalico.casio.com/ja/about/, 2018年5月検索 倉木健介、加藤圭造、田中竜太、"モノに情報を付与できるＬＥＤ照明技術"　FUJITSU, vol. 66, no.5, pp. 88-93, Mar. 2015 H. Park, I. Yeom, and Y. Kim, "Watch me if you can exploiting the nature of light for light-to-camera communications," Proceedings of the 2017 International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks, pp.329-334, Feb. 2017. Z. Yang, Z. Wang, J. Zhang, C. Huang, and Q. Zhang, "Wearables can afford: Light-weight indoor positioning with visible light," Proceedings of the 13th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, pp.317{330, May. 2015. F.L. Julia, C.M. Daniel, and P.A. Josep, "A reliable asynchronous protocol for VLC communications based on the rolling shutter effect," Proceedings of IEEE Global Communications Conference (GLOBE-COM), pp.1-6, Dec. 2015. H. Du, J. Han, X. Jian, T. Jung, C. Bo, Y. Wang, and X.Y. Li, "Martian: Message broadcast via LED lights to heterogeneous smartphones," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.35, no.5, pp.1154-1162, May. 2017. N. Rajagopal, P. Lazik, and A. Rowe, "Visual light landmarks for mobile devices," Proceedings of the 13th international symposium on Information processing in sensor networks, pp.249-260, Apr. 2014. Y. Yang, J. Hao, and J. Luo, "CeilingTalk: Lightweight indoor broadcast through LED-camera communication," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol.16, no.12, pp.3308{3319, Dec. 2017.

　前者の方式（i）では、ＬＥＤ光がカメラの画面に写る領域がわずか数ピクセルであってもＬＥＤの色が認識できれば通信が可能であるが、ＬＥＤの低速な点滅が人間の眼に知覚されるフリッカーが問題となる。非特許文献１では、ＲＧＢ－ＬＥＤの色を１００ｍｓ周期で切り替え、色度座標の違いに情報量を与えるＣＳＫ(Color Shift Keying)によって数１０ｂｐｓの通信を実現している。しかしながら、１００ｍｓ周期の色切り替えではフリッカーが生じるため、非特許文献１を利用できる環境は限られる。

　非特許文献２では、ＲＧＢ－ＬＥＤの各素子から発する光の強弱をそれぞれ時系列で制御し、光の色をわずかに変化させるＣＳＫにより、フリッカーフリーで最大１０ｂｐｓの通信を実現している。しかしながら、非特許文献２では、ＬＥＤ光をモノごとに照射し、その反射波を利用して一つのモノから情報を受信することを想定しており、複数の送信機が生成した光を遠方から同時に受信することについて検討されていない。また、１６ｂｉｔの伝送に２秒以上かかり、通信速度の観点からアプリケーションが限定される。

　後者の方式（ii）は、ＬＥＤ-カメラ間の通信速度を高速化する方式として注目されているものの、短い通信距離が課題となる。ローリングシャッター現象によるＬＥＤ光の縞が画面に写る領域の大きさが、通信速度および通信の信頼性に関して支配的な影響を持つためである。

　このようにフリッカーを抑制しながら、カメラの画面に数ピクセルのみ写るＬＥＤ光からの復調を可能とする長距離型ＬＥＤ－カメラ間通信は存在しない。

　本発明は係る状況に応じてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、新たな光通信方式の提供にある。

　本発明のある態様は、光変調方法に関する。光変調方法は、複数色を所定の順序で巡回的に遷移する光信号を生成し、各シンボル期間の先頭の色を、複数色の中から送信データにもとづいて選択する。

　本発明の別の態様は、上記光変調方法に対応する光復調方式である。この復調方式は、ローリングシャッター方式のカメラで光信号を撮影するステップと、光信号が含まれる画素を特定するステップと、当該画素において、各フレームで得られた色にもとづいて、受信データを取得するステップと、を備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、新たな光通信方式を提供できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態に係る光通信システムを示す図である。 実施の形態に係る変調方法を説明する図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、４－ＤＣＳＫの信号設計の一例を示す図である。 ４－ＤＣＳＫによるデータ送信の一例を示す図である。 ラインごとの露出タイミングを説明する図である。 カメラによって光信号を撮影して得られる画像を説明する図である。 フレーム周期Ｔ_ｆｃとシンボル周期Ｔ_ｓｙｍの関係を示す図である。 照射位置の変化に対応する復調処理を説明する図である。 色境界を説明する図である。 手ぶれによるシンボルエラーの発生および検出方法を説明する図である。 ＳＥＲの測定結果を示す図である。 ＡＲブラウザの一例を示す図である。

　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　本実施の形態では、色を用いた光通信技術を説明する。本明細書において「色」が異なるとは、色相、彩度、明度の少なくともひとつが異なることをいう。

１．　システム構成
　図１（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態に係る光通信システムを模式的に示す図である。光通信システム１００は、送信機２００および受信機３００を備える。この光通信では、予め定めた異なる複数（ｎ≧２）の色が使用される。便宜的に複数色に＃１～＃ｎの番号を付し、それらを区別する。

　図１（ｂ）を参照する。送信機２００は、光源２１０および変調器２２０を備える。光源２１０は、所定の複数色＃１～＃ｎで切り替え可能な光信号Ｓ１を生成可能である。光源２１０の種類や構成は限定されないが、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子などを用いることができる。あるいは光源２１０として、白色光源と液晶デバイスの組み合わせを用いてもよい。詳しくは後述するが、変調器２２０は送信すべき情報（送信データＳ２）に応じて、光源２１０を制御する。

　受信機３００は、カメラ３１０と、復調器３２０を備える。たとえば受信機３００は、スマートフォンやタブレット端末など、動画撮影機能付きの情報端末である。カメラ３１０は、所定のフレーム周期Ｔ_ｆｃで、送信機２００が出力する光信号Ｓ１を撮影する。送信機２００と受信機３００との距離は、数ｍ～数十ｍの長距離であり、光信号Ｓ１は、カメラ３１０の数画素にわたりスポット的に照射される。

　復調器３２０は、カメラ３１０が生成する画像を処理し、光信号Ｓ１に含まれる情報（受信データＳ３）を復調する。復調器３２０は、情報端末に搭載されるプロセッサ（ＣＰＵ）と、ソフトウェアプログラムの組み合わせにより実装することができる。

　図１（ａ）には、１個の送信機２００と１個の受信機３００のペアが示されるが、実際には、１個の受信機３００が複数の光源２１０からの光信号を受信可能であり、また、１個の光源２１０は、複数の受信機に対して光信号を送信可能である。

　以上が光通信システム１００の概要である。続いて送信機２００における変調方法について説明する。

２．　変調方法（ＤＣＳＫ）
　図２は、実施の形態に係る変調方法を説明する図である。本明細書においてこの変調方式を、ＤＣＳＫ（Differential Color Shift Keying）と称する。光信号Ｓ１の色は、１シンボル期間Ｔ_ｓｙｍの間、複数色＃１～＃ｎを所定の順序で巡回的に遷移する。図２において横軸は時間であり、光信号Ｓ１の色遷移を示す。Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}は色が遷移する周期（遷移周期）である。シンボル周期Ｔ_ｓｙｍは、カメラ３１０のフレーム周期Ｔ_ｆｃの整数倍であることが好ましく、本実施の形態ではＴ_ｓｙｍ＝Ｔ_ｆｃである。Ｔ_ｃは、ｎ色の巡回周期を表しおり、Ｔ_ｃ＝Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}×ｎである。Ｔ_ｃをキャリア周期という。図２に示すように、先頭の色はシンボル期間Ｔ_ｓｙｍごとに可変であり、＃１～＃ｎのｎ色から選択可能である。

　ＤＣＳＫでは、各シンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿ｃｕｒ}の先頭の色＃ｙは、１つ前のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿ｐｒｅ}の先頭の色＃ｘを基準として相対的に決定され、したがって、連続する２フレームの先頭の色番号の差（色偏移量Δ＝ｙ－ｘ）が、情報を表す。ｎ色を用いたＤＣＳＫ（ｎ－ＤＣＳＫという）では、１シンボルでｎ値の情報を伝送できる。なお任意の色番号ｘ，ｙについて、ｘ＝ｘ±ｎ，ｙ＝ｙ±ｎが成り立つものとする。色の巡回および先頭の色の決定は、図１の変調器２２０によって行われる。

　図３（ａ）、（ｂ）は、４－ＤＣＳＫの信号設計の一例を示す図である。４－ＤＣＳＫでは、シンボルごとに、２ビット（４値）の情報を伝送可能であり、図３（ａ）に示すように、"00","01","10","11"を、色偏移量Δの０，１，２，３に割り当てることができる。

　図３（ｂ）は、４－ＤＣＳＫの信号空間ダイアグラムの一例である。ここでは便宜的に、４個の色＃１～＃４を、原点からの距離が等しく、位相差がπ／２となるような４個の信号点にマッピングしている。したがって、色偏移量Δは、図３（ｂ）の信号空間における位相差に対応付けることができる。

　信号点は、シンボル周期Ｔ_ｓｙｍの先頭の色に対応付けられており、そのシンボル期間においては、信号点の色を始点として、遷移周期Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}ごとに反時計回りに色遷移することを表す。デジタル通信とのアナロジーで考えると、一巡する色遷移＃１～＃ｎは、キャリア周期Ｔ_ｃで一巡する搬送波（ｃｏｓ波）に対応づけることができる。そして先頭色が＃ｉであるｉ番目の信号点＃ｉ（１≦ｉ≦ｎ）は、ｃｏｓ（θ＋２π（ｉ－１）／ｎ）に対応付けることができる。

　図４は、４－ＤＣＳＫによるデータ送信の一例を示す図である。図４には、連続する５個のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿０}～Ｔ_{ｓｙｍ＿４}が示され、送信すべきデータが、"01","01","10","00"であるとする。また初期のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿０}の先頭の色は＃１である。

　Ｔ_{ｓｙｍ＿０}に着目する。送信データが"01"であるから、色偏移量Δは１であり、次のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿１}の先頭の色は、ｙ＝ｘ＋Δ＝１＋１＝２となる。

　続いてＴ_{ｓｙｍ＿１}に着目する。送信データが"01"であるから、色偏移量Δは１であり、次のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿２}の先頭の色は、ｙ＝ｘ＋Δ＝２＋１＝３となる。

　続いてＴ_{ｓｙｍ＿２}に着目する。送信データが"10"であるから、色偏移量Δは２であり、次のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿３}の先頭の色は、ｙ＝ｘ＋Δ＝３＋２＝１となる。

　続いてＴ_{ｓｙｍ＿３}に着目する。送信データが"00"であるから、色偏移量Δは０であり、次のシンボル期間Ｔ_{ｓｙｍ＿４}の先頭の色は、ｙ＝ｘ＋Δ＝１＋０＝１となる。

　以上がＤＣＳＫの説明である。ｎ＝２^ｍ、フレームレートをＦ_Ｒ＝１／Ｔ_ｆｃとするとき、ｎ－ＤＣＳＫにおける通信速度は、ｍ×Ｆ_Ｒ（ｂｐｓ）となる。一般的なスマートフォンのカメラでは、共通して３０ｆｐｓのフレームレートに設定可能であるから、４－ＤＣＳＫの場合で６０ｂｐｓの通信速度が達成できる。なお、色数ｎは、通信速度とＳＥＲ（Symbol Error Rate）のトレードオフを考慮して決定すればよい。

　続いてＤＣＳＫの利点を説明する。従来のＣＳＫでは、１シンボル期間の間、光信号Ｓ１の色は同一である。したがって１シンボル時間が数十ｍｓを超える場合、フリッカーが発生する。これに対して、ＤＣＳＫによれば、遷移周期Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}を数ｍｓ（たとえば５ｍｓ）程度と十分に短くとることにより、色の変化が人間の目に知覚されなくなり、フリッカーの発生を抑制できる。

３．　復調方法
　続いて、受信機３００におけるＤＣＳＫ信号の復調を説明する。図１に戻る。カメラ３１０は、ローリングシャッター方式のカメラであり、１ライン、あるいは数ラインを１ブロックとして、一定間隔Ｔ_ｒごとに、ブロックを単位として画素値を取り込む。本実施の形態では、１ブロックは１ラインを含むものとする。

　図５は、ラインごとの露出タイミングを説明する図である。ＣＭＯＳイメージセンサは、ラインごとに露出時間Ｔ_ｅの間入射光を集め、直後にセンサが受光した光の量をＴ_ｒの時間をかけて読み出していく。Ｔ_ｒは受信機３００の機種によって長さが異なり、同じ機種では一定である。各ラインの読み出しタイミングは重複できないため、あるラインの露出開始からＴ_ｒ後に次のラインの露出時間が開始する。ライン数ｈのカメラ３１０では、１ライン目の露出開始からｈライン目の露出終了までのフレーム時間Ｔ_Ｆは式（１）で表される。
　　　Ｔ_Ｆ＝（ｈ－１）Ｔ_ｒ＋Ｔ_ｅ　　　…（１）
　一方、カメラ３１０はフレーム周期Ｔ_ｆｃを設定することができ、Ｔ_ｆｃ－Ｔ_Ｆの間が撮像不能なギャップ時間Ｔ_Ｇとして存在する。次のフレームに向けた準備を行う間、カメラは撮像不能となる。Ｔ_ｅはカメラの自動露出補正機能によって、環境光の輝度に応じて変動する。通常の撮像設定では、Ｔ_ｅがＴ_ｒと比べ非常に長く、ＬＥＤの点滅による輝度の変化が均一化されてライン間の画素値の変化は極めて小さくなる。ＬＥＤ－カメラ間通信では、各ラインにおいてＬＥＤの色を鮮明に観測するため、露出時間は可能な限りＴ_ｒよりも小さく設定される。

　図６は、カメラ３１０によって光信号Ｓ１を撮影して得られる画像を説明する図である。簡単のために、まずは送信機２００からの光信号Ｓ１が、カメラ３１０の全画素に均一に照射されている場合を考える。上述のように、カメラ３１０のフレーム周期Ｔ_ｆｃはシンボル周期Ｔ_ｓｙｍと等しく、光信号Ｓ１の色は、遷移周期Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}で巡回的に変化する。一方、ローリングシャッター方式では、ライン（ブロック）ごとに露光タイミングが異なる。したがってカメラ３１０により、光信号Ｓ１に含まれる複数色＃１～＃ｎが縞模様として撮影される。各色の帯の幅は、Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}とＴ_ｒに応じて定まり、隣接する（Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}／Ｔ_ｒ）本のラインに、同じ色が表れる。図６の例では２ラインごとに色が変化している。

　実際には、光信号Ｓ１は、カメラ３１０の一部の画素にのみスポット的に照射される。そこで復調器３２０は、光信号Ｓ１が写っている画素を検出する。そして、その画素の画素値を毎フレーム、取得する。そして得られた画素値から、光信号Ｓ１が複数色＃１～＃ｎのいずれであるかを判定する。

　そして復調器３２０は、同一画素について、現在のフレームで得られた色＃ｐと、１個前のフレームで得られた色＃ｑの差分（色偏移量）にもとづいて、受信データを復調する。以上がＤＣＳＫにおける復調処理である。

　続いてＤＣＳＫ通信におけるさらなる利点を説明する。図７は、フレーム周期Ｔ_ｆｃとシンボル周期Ｔ_ｓｙｍの関係を示す図である。ここでも引き続き４－ＤＣＳＫを例とする。送信機２００と受信機３００は非同期であり、フレーム周期Ｔ_ｆｃの先頭ｔ_０とシンボル周期Ｔ_ｓｙｍの先頭ｔ_１は必ずしも一致するとは限らない。一般に、フレーム周期Ｔ_ｆｃの先頭のタイミングｔ_０は、カメラ３１０の起動タイミングによって変化する。

　図７の（i）は、ｔ_０＝ｔ_１の場合を示す。点Ａに光信号Ｓ１が照射されている場合、先のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ}では、点Ａに対応する画素において色＃４が測定され、次のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ＋１}では色＃３が測定される。したがって色偏移量Δは３となり、データ"11"を復調できる。

　図７の（ii）は、ｔ_０＜ｔ_１の場合を示す。先のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ}では、点Ａに対応する画素において色＃１が測定され、次のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ＋１}では色＃４が測定される。したがって色偏移量Δは３となり、この場合もデータ"11"を復調できる。

　このように、ＤＣＳＫ通信によれば、フレーム周期Ｔ_ｆｃとシンボル周期Ｔ_ｓｙｍのタイミングに依存せずに、信号を復調することができる。

　光信号Ｓ１の照射位置は、受信機３００の位置や向きに応じて決まり、一定でない。図７において、点Ｂに光信号Ｓ１が照射される場合を考える。このとき、（i）のｔ_０＝ｔ_１の場合、先のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ}では、点Ｂに対応する画素において色＃２が測定され、次のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ＋１}では色＃１が測定される。したがって色偏移量Δは３となり、データ"11"を復調できる。

　（ii）のｔ_０＜ｔ_１の場合、先のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ}では、点Ｂに対応する画素において色＃３が測定され、次のシンボル周期Ｔ_{ｓｙｍ＿ｊ＋１}では色＃２が測定される。したがって色偏移量Δは３となり、この場合もデータ"11"を復調できる。

　このように、ＤＣＳＫ通信によれば、光信号Ｓ１の照射位置に依存せずに、データを復調できるという利点もある。

　さらに、受信機３００がユーザの手によって保持される場合、通信中、光信号Ｓ１が常に同じ位置に維持される保証はなく、手ぶれによって、フレームごとに光信号Ｓ１の照射位置が異なる状況が生じうる。

　図８は、照射位置の変化に対応する復調処理を説明する図である。先行フレームでは、光信号Ｓ１が点Ａに照射され、後続フレームでは、光信号Ｓ１が点Ｂに照射されたとする。点Ａでは、先行するフレームにおいて色＃３が検出される。点Ｂでは、後続フレームにおいて色＃３が検出される。

　復調器３２０は、点Ａと点Ｂのスキャン方向の距離にもとづいて、２点Ａ，Ｂで同じ光信号を測定したときに、色番号がいくつシフトするか計算する。そしてシフト量を利用して、一方の点の色の実測値から、他方の点の色を推定する。図８の例では、シフト量は３である。

　たとえば復調器３２０は、先行フレームにおける点Ａの色番号＃３に、シフト量３を加算することにより、先行フレームにおいて、点Ｂで測定されたであろう色番号＃２を推定する。そして、先行フレームにおける点Ｂの色番号の推定値＃２と、後続フレームにおける点Ｂの色番号の実測値＃３の差分を計算し、色偏移量Δ＝１を求めることができる。

　あるいは復調器３２０は、後続フレームにおける点Ｂの色番号＃３から、シフト量３を減算することにより、後続フレームにおいて、点Ａで測定されたであろう色番号＃４を推定してもよい。そして、後続フレームにおける点Ａの色番号の推定値＃４と、先行フレームにおける点Ａの色番号の実測値＃３の差分を計算し、色偏移量Δ＝１を求めてもよい。

４．　タイミング設計
　続いて、受信機側で設定する１ライン露出時間Ｔ_ｅと、送信機側で設定するシンボル内の遷移周期Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}の条件を説明する。画面に写る色の境界を明瞭にするためには、Ｔ_ｅをＴ_ｒより短く設定する必要がある。ローリングシャッター方式のもとでは、一定間隔Ｔ_ｒごとに次のラインの露出を開始するため、Ｔ_ｅ＞Ｔ_ｒである場合隣接するライン同士で露出時間が重なり、色の境界が不明瞭となる。一方、Ｔ_ｅを過度に短くすると、ＣＭＯＳイメージセンサが受光する光の量が少なくなるため、ＬＥＤ光の色が画面に写らなくなる。１ラインを露出する全ての時間をかけて１色が撮像された場合には少なくとも、受信機がその色を認識できる必要がある。

　この最小の露出時間をＴ_{ｅ＿ｍｉｎ}とすると、式（２）を満たす範囲でＴ_ｅを設定し固定することで、画面に写る色の境界が明瞭に現れるようにすることができる。
　　Ｔ_{ｅ＿ｍｉｎ}≦Ｔ_ｅ≦Ｔ_ｒ　　　…（２）
　ただし、Ｔ_{ｅ＿ｍｉｎ}は送信機側の消費電力、環境光、通信距離などの要因で変動するため、Ｔ_ｅは可能な限りＴ_ｒに近づけて設定するとよい。一部の機種ではＴ_ｅをプログラムで設定することができないが、自動露出補正機能によって露出時間が短くなったタイミングで露出時間を固定することはできる。

　なお、必ずしも式（２）を満たす必要はなく、Ｔ_ｒ≦Ｔ_ｅとなった場合、画面の隣接ラインの露出時間に被りが生ずるため、隣接ラインの色の差が曖昧になるが、この場合でも復調は可能である。

　またフリッカーを抑制するためには、Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}はカメラのフレーム周期よりも短く設定する必要がある。一方、Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}を過度に短くすると、光信号Ｓ１が画面に写ったとしても、１ラインを露出している間に色が切り替わってしまうことから、その色を識別することができない。フリッカーを抑制可能な最大のＴｃｏｌｏｒの値をＴ_{ｆｌｉｃｋｅｒ}とすると、式（３）を満たす範囲でＴ_{ｃｏｌｏｒ}を設定することで、少なくとも１ラインには識別可能な色が現れる。
　Ｔ_ｅ＋Ｔ_ｒ≦２Ｔ_ｒ≦Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}≦Ｔ_{ｆｌｉｃｋｅｒ}　　　…（３）
　式（３）を満たす範囲でＴ_{ｃｏｌｏｒ}を大きくするほど、ＳＥＲ(Symbol Error Rate)は減少する。ただし、Ｔ_{ｆｌｉｃｋｅｒ}は利用する色の数および種類によって変動することに注意されたい。

５．　色境界（Color Boundaries）について
　通信中に手ぶれが生じ、光信号Ｓ１の画面内位置が変動した場合に、フレーム間における光信号Ｓ１の撮像時間間隔がフレーム周期からずれた時間を推定する必要がある。画面内でシンボルの色が切り替わる境界ラインを受信機が把握することで、正確なずれの推定が可能となる。たとえば、Ｔ_ｓｙｍ＝Ｔ_ｆｃに設定することから、色が切り替わる境界ラインを一度でも撮像することができれば、画面内の全境界ラインＹを計算することができる。Ｙを計算することで、色切り替えの正確なタイミングを把握できるため、ずれた時間の正確な推定が可能となる。演算処理によって、画面内境界ラインを複数通り予測しながら、復調することも可能である。

　図９は、色境界を説明する図である。図９には、第（ｉ－１）ラインと第ｉラインにおいて色の境界が撮像された場合が示される。第（ｉ－１）ラインではなく第ｉラインをＹの要素と定義する。境界ラインは整数値であるが、Ｔ_ｒなどの時間パラメータは整数値とは限らないため、各境界においてそれぞれ２ラインの境界候補が存在する。これらの候補のうちライン番号が大きいものをＹの要素と定義する。これらの定義に従うと、Ｙの要素は変数ｋ_１とｋ_２（ｋ_１は１以上の整数，Ｋ_２は非負整数）を用いて、式（４）で表される。

　しかしながら、実際はシンボル長Ｔ_ｓｙｍと受信機のフレーム周期Ｔ_ｆｃには誤差Ｔ_０（Ｔ_０＝Ｔ_ｓｙｍ－Ｔ_ｆｃ)が存在し、その誤差は機種ごとに異なる。そのため、フレームごとに色境界ラインが僅かに変動する。これを考慮にいれて、第ｉラインをＹの要素として採用したフレームからｊフレーム後における境界Ｙ_ｒｅａｌは式（５）で表される。

　通信中に手ぶれが生じ、光信号Ｓ１の画面内位置が変動した場合に、Ｙ_ｒｅａｌを用いることで、フレーム間における光信号Ｓ１の撮像時間間隔がフレーム周期からずれた時間を、Ｔ_ｅ＋Ｔ_ｒの誤差以内で推定することができる。

６．　シンボルエラー検出
　図１０は、手ぶれによるシンボルエラーの発生および検出方法を説明する図である。フレーム周期Ｔ_ｆｃの先頭と、シンボル周期Ｔ_ｓｙｍの先頭はタイミングがずれている。この場合において、受光位置が常にある座標に固定されているときには、正しいデータを復調できる。

　手ぶれにより、先行するフレーム期間Ｔ_ｆｃ＿ｉにおいては、座標Ｂに光信号Ｓ１が照射され、後続のフレーム期間Ｔ_{ｆｃ＿ｉ＋１}においては、座標Ａに光信号Ｓ１が照射されたとする。シンボルの境界ラインＺが、後続のフレーム期間Ｔ_{ｆｃ＿ｉ＋１}において、座標Ａと座標Ｂの間に位置するとき、すなわち、境界ラインＺを跨ぐ手ぶれが発生するとき、シンボルエラーが発生する。なぜなら、このケースでは、連続する２フレームで、先行するシンボルを測定することとなり、後続するシンボルの情報が得られず、同一座標について、連続する２シンボルの両方の色を取得することができず、連続シンボル間の差動色偏移Δを把握することができないためである。このシンボルエラーに対しては、リードソロモン符号などの誤り訂正符号による対策は有効である。しかしながら、受光位置がシンボル境界ラインＺをまたがる手ぶれが頻発すると、シンボルエラーが大量に発生するため、正しく情報を復調できない。情報を円滑に取得するため、シンボル境界ラインを受信機が検知し、そのラインをアプリケーション側でユーザに通知する機能を実装することが望ましい。

　シンボルエラーの検出のために、シンボル期間ごとに、信号空間にマッピングする複数色のセットを切りかえることが有効である。たとえば、光源２１０がｎ色の色を発生可能である場合、それらを２組に分け、連続シンボル間で利用する色の組を変更することで、受信機がシンボルエラーの検知が可能となる。フリッカーを抑制するため、各組の合成色が同一となるように組み分けを行うとよい。

　図１０の例では、４色２つのグループに分け、２－ＤＣＳＫを行う場合を示す。奇数番目のシンボルは、第１のセット＃１ｅ、＃２ｅが使用され、偶数番目のシンボルでは、第２のセット＃１ｏ、＃２ｏが使用される。先行するフレーム周期Ｔ_ｆｃ＿ｉでは受光位置Ｂに光信号Ｓ１が照射され、手ぶれによって後続フレームでは受光位置Ａにおいて光信号Ｓ１が照射された場合、連続する２フレームにおいて同じ組の色＃２ｏが撮像される。そのため、受信機は両座標Ａ，Ｂ間にシンボル境界ラインＺが存在することを把握することができる。

７．　実験
　ＤＣＳＫ通信に関する検証実験について説明する。実験では、利用する色の数ｎと通信距離を変え、１０００シンボル送信中のＳＥＲを測定した。
７．１　実験条件
　初期的評価として、利用する色は、通信速度とＳＥＲのトレードオフを考慮して、ＣＩＥＸＹＺ色空間上で合成色が白色となる組み合わせを２色、４色、８色の３パターン選択する。各パターンにおいて、色の変化が人間の眼に知覚されないように、Ｔ_{ｃｏｌｏｒ}をそれぞれ６ｍｓ、３ｍｓ、２ｍｓに設定する。評価には、ＲＧＢ－ＬＥＤとしてEP204K-35G1R1B1-CA を利用し、口径１０ｍｍの拡散キャップを装着することで光の拡散を行った。ＬＥＤの制御にはワンボードマイコンArduino UNOを用いた。受信機は、Asus社のスマートフォンZenfone 2 Laser ZE601KL (Android（登録商標）5.0.2) を使用し、解像度を１９２０ｘ１０８０に、フレームレートを３０ｆｐｓに設定した。実験は照度が約５００ｌｕｘの屋内で行ない、５人のユーザがカメラを手で持ちながら計測した。
７．２　実験結果
　図１１は、ＳＥＲの測定結果を示す図である。８色を利用したＤＣＳＫでは、通信距離の増加に伴い色の識別が困難となり、ＳＥＲが著しく増加することが確認できる。また、２色と４色を利用した場合、通信速度はそれぞれ３０ｂｐｓ，６０ｂｐｓであり、どちらも最大通信距離は３．２ｍを達成し、この時のＳＥＲはそれぞれ０．０９２５，０．１０４となった。通信距離が３．２ｍを超えた場合では、カメラがＬＥＤの色を認識可能なピクセル数が１ピクセル以下となり、画面内で色が切り替わる境界ラインを計算できず通信不可となった。
７．３　まとめ
　ＤＣＳＫにより、口径１０ｍｍの小型ＬＥＤから、60 bps の通信を最大3。2 m の通信距離で実現できることが確認できる。ＤＣＳＫはカメラの画面に数ピクセルのみ写るＬＥＤ光から情報を取得することができるため、ＬＥＤの口径を増加させることで、通信距離を拡大することができる。

８．　用途
　長距離型ＬＥＤ－カメラ間通信のユースケースとして、「屋内ＡＲ(Augmented Reality)ブラウザ」、「屋内位置推定の軽量実装」、「ＩｏＴデバイスの構築」などが挙げられる。

８．１　屋内ＡＲブラウザ
　図１２は、ＡＲブラウザの一例を示す図である。ＡＲブラウザは、商業施設内のナビゲーションや、翻訳サービスなどに利用される。施設内には複数の送信機２００が設置されており、各送信機２００は、それが設置される箇所に関連する情報（ここではアイコンに関するデータ）を光信号Ｓ１を利用して受信機３００に送信する。受信機３００は、複数の送信機２００からの光信号Ｓ１を受信し、そのディスプレイにカメラの画像とオーバーラップさせて、アイコン（あるいはその他の情報）を表示する。

　電波が届きにくい地下や屋内環境において、スマートフォンのカメラをかざした範囲からコンテンツを取得するＡＲサービスを実現するためには、ＧＰＳ情報を利用しない方式が求められる。決まった形の図形をカメラに認識させるマーカー方式があるが、マーカーの貼付と管理は運用面での課題が多く、美観を損ねる場合もある。一方、マーカーを用いず、実空間解析や特徴点抽出などの技術を用いる方式も提案されているが、計算量の観点から、スマートフォンの機種非依存に情報の伝達を実現することは難しい。

　これらの方式に対し、長距離型ＬＥＤ-カメラ間通信を利用することで、カメラをかざした範囲からの直感的な情報取得を機種非依存に実現できる。

８．２　屋内位置情報サービス
　屋内での位置情報サービスの需要は高く、屋内位置推定技術の研究開発が進められている。しかしながら、現在の屋内位置推定技術では高精度かつ低コストな運用ができない。無線周波数を利用する利用する方式は、マルチパス反射やシャドウイングおよび動的環境に対しロバストな設計ができないことが問題として指摘されている。この問題を解消するために可視光を利用した方式があるが、いずれも人的コストや金銭的コストが高く、システム構築の敷居が高い。独自に変調したＬＥＤを用いるものでは、ＬＥＤを屋内の天井に密に設置する必要がある。建物に導入済みの蛍光灯を用いるものでは、新たに照明器具を設置する必要はないが、事前に蛍光灯が発する光の特徴量を計測する必要があり、これをスマートフォンの機種ごとに行うことは敷居が高い。

　これらの方式に対し、長距離型ＬＥＤ-カメラ間通信を利用することで、設置するＬＥＤの数を大幅に減らし、低コストに屋内位置推定を実現できる。具体的には、数十ｍ間隔でＬＥＤを設置し、それぞれ固有のＩＤ（識別子）を発信させる。スマートフォンのカメラは、受信したＩＤと、光源までの距離や角度の情報を利用することで、現在の屋内位置を推定することが可能となる。

８．３　ＩｏＴデバイスの構築
　ＩｏＴデバイスの構築には、温度や照度などのセンサデータを可視化する機能が求められる。本実施の形態で説明した長距離型の通信を利用すれば、情報を発信するＩｏＴデバイスの特定や、ノードＩＤなどの小容量なデータ伝送を実現できる。

８．４　まとめ
　ＤＣＳＫの採用により、ＬＥＤの大きさと消費電力を調節することで、通信距離を数十ｍ以上に拡大することが可能である。そのため、図１２に示す屋内ＡＲブラウザのような直感的な情報取得アプリケーションを、低コストかつ汎用的に実現できる。本通信方式では、ＬＥＤの色切り替えパターンを調節することのみで情報の伝達を実現できるため、通信システムの導入・運用を低コストに抑えることができる。また、送信機としてのＬＥＤを照明用途としても利用可能である点で、利用環境の美観を損ねることなく運用することができる。

　それに対して、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ－Ｆｉを用いる方式では、周囲数メートルに存在する複数のデバイスから通信対象を選択する必要があり、通信の直感性を実現することが難しい。ＮＦＣを用いる方式では、通信距離が短いため、アプリケーションが限定される。既存のAR 技術の中には、実空間解析などの技術を用いることで、ＧＰＳ機能の利用が困難な屋内環境においても空間からコンテンツを取得することができる方式があるが、スマートフォンの機種非依存に情報の伝達を実現することは難しい。これらの方式に対し、長距離型ＬＥＤ－カメラ間通信方式は、カメラをかざした範囲から複数の通信対象デバイスをわかりやすく特定して情報を取得することができる。また、高い計算機能を有する最新のスマートフォンに限らず、機種非依存に情報の伝達を実現することができる。

　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

＜変形例＞
　変形例では、ＤＣＳＫと同様に、１シンボル期間の間、光信号Ｓ１の色は、＃１～＃ｎを繰り返し巡回する。そして、各シンボル期間の先頭の色が、前のシンボルに依存せずに、送信データのみにもとづいて決定される。たとえば、図３（ｂ）の信号空間を利用する場合、送信データ"00","01","10","11"に対して、シンボルの先頭の色を、＃１，＃２，＃３，＃４のように割り当てることができる。たとえば、送信データ"01"に対応するシンボル期間において、光信号Ｓ１の色は、＃２，＃３，＃４，＃１…と巡回する。

　この変形例は、送信機２００と受信機３００が１対１通信を行い、さらに通信開始に先立ち、送信機２００と受信機３００とのタイミング合わせが可能である場合に有効である。この場合、送信機２００のシンボル周期の先頭のタイミングと、受信機３００におけるフレーム周期Ｔ_ｆｃの先頭のタイミングを揃えることで、データ伝送が可能となる。

　この変形例によれば、カメラの全画素に渡って光が照射される必要はなく、ＤＣＳＫと同様に、数画素のみにスポット照射される微小な光信号Ｓ１を用いた通信が可能であるから、遠距離通信が可能である。またＤＣＳＫと同様に、光信号Ｓ１の受光位置が変化しても、データ伝送が可能である。

　実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

　本発明は、光通信に利用できる。

　１００　光通信システム
　２００　送信機
　２１０　光源
　２２０　変調器
　３００　受信機
　３１０　カメラ
　３２０　復調器
　Ｓ１　光信号
　Ｓ２　送信データ
　Ｓ３　受信データ

Claims (13)

1. 　シンボル期間の間、光信号の色を所定の複数色で巡回的に遷移させるとともに、各シンボル期間の先頭の色を、前記複数色の中から送信データにもとづいて選択することを特徴とする光変調方法。
2. 　各シンボル期間の先頭の色は、１つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定されることを特徴とする請求項１に記載の光変調方法。
3. 　前記シンボル期間の長さは、前記光信号を撮像するカメラのフレームレートと等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光変調方法。
4. 　シンボル期間ごとに、前記複数色のセットを切りかえることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調方法。
5. 　請求項１から４のいずれかに記載の光変調方法により変調された光信号の光復調方法であって、
   　ローリングシャッター方式のカメラで前記光信号を撮影するステップと、
   　前記光信号が含まれる画素を特定するステップと、
   　前記画素において得られた色にもとづいて受信データを取得するステップと、
   　を備えることを特徴とする光復調方法。
6. 　各シンボル期間の先頭の色は、１つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定され、
   　前記受信データは、前記画素において、各フレームで得られた色と１つ前のフレームで得られた色との関係にもとづいて取得されることを特徴とする請求項５に記載の光復調方法。
7. 　連続する２フレームで、前記光信号が含まれる画素が、前記カメラのスキャン方向に異なるとき、一方の画素において取得した色をシフトさせ、他方の画素において検出されるべき色を推定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の光復調方法。
8. 　所定の複数色を生成可能な光源と、
   　送信データにもとづいて前記光源が生成する光信号の色を制御する変調器と、
   　を備え、
   　前記変調器は、シンボル期間の間、前記光信号の色を前記複数色で巡回的に遷移させるとともに、前記シンボル期間の先頭の色を、前記送信データにもとづいて変化させることを特徴とする送信機。
9. 　各シンボル期間の先頭の色は、１つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定されることを特徴とする請求項８に記載の送信機。
10. 　前記シンボル期間の長さは、前記光信号を撮像するカメラのフレームレートと等しいことを特徴とする請求項８または９に記載の送信機。
11. 　シンボル期間ごとに、前記複数色のセットを切りかえることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の送信機。
12. 　請求項９に記載の送信機からの光信号を撮影するローリングシャッター方式のカメラと、
    　前記カメラの出力を処理する復調器と、
    　を備え、
    　前記復調器は、前記光信号が含まれる画素を特定し、当該画素において、現在のフレームで得られた色と１つ前のフレームで得られた色との関係にもとづいて、受信データを取得することを特徴とする受信機。
13. 　連続する２フレームで、前記光信号が含まれる画素が、前記カメラのスキャン方向に異なるとき、一方の画素において取得した色をシフトさせ、他方の画素において検出されるべき色を推定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の受信機。

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