JP7167628B2 - 光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラム - Google Patents

Description

本発明は、可視光を用いた通信において、複数の光源がある場合に、光源の分離を行う技術に関する。

近年、無線通信分野では、無線通信に用いる周波数資源の逼迫により、電波より高い周波数帯の可視光を用いた通信（可視光通信と称する）が検討されている。可視光通信は、例えば光の点滅により情報の伝送を行う通信であり、照明器具等の光源と組合せた利用方法が検討されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－２９７９９号公報

ところが、照明器具は同じ空間に複数設置される場合があり、通信先の光源を分離することが難しいという問題がある。また、間接照明の場合、反射面を介して光源の光を照射するため、光源を直接確認することができず、複数の光源が有る場合は、信号の判別が困難となる。このように、照明器具の光源を可視光通信として利用する通信システムにおいて、複数の光源が混在する場合や光源を直接確認できない場合に各々の光源を分離することが難しいという問題があった。

本発明は、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムにおいて、複数の光源が混在する場合や光源を直接確認できない場合でも各々の光源を分離することができる光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラムを提供することを目的とする。

第１の発明は、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムで、複数の前記光源から放射され共通の反射面で反射された後に受光された光を前記光源別に分離する光源分離方法であって、前記反射面上の通信領域の輝度情報を取得する輝度取得処理と、前記輝度情報に基づいて前記通信領域を複数の区画に分割する領域分割処理と、前記区画毎の輝度の変動パターンから、受光された光を前記光源別に分離する光源分離処理と、前記光源分離処理により分離された複数の前記光源からの光をそれぞれ受信信号に変換して出力する光信号変換処理とを実行することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記領域分割処理では、前記通信領域をメッシュ状の小領域に分け、隣接する小領域の輝度の変動パターンが類似する小領域を統合する処理を全ての前記通信領域に対して行うことにより、前記通信領域を複数の区画に分割することを特徴とする。

第３の発明は、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムで、複数の前記光源から放射され共通の反射面で反射された後に受光された光を前記光源別に分離する光源分離装置において、前記反射面上の通信領域の輝度情報を取得する輝度取得部と、前記輝度情報に基づいて前記通信領域を複数の区画に分割する領域分割部と、前記区画毎の輝度の変動パターンから、受光された光を前記光源別に分離する光源分離部と、前記光源分離部により分離された複数の前記光源からの光をそれぞれ受信信号に変換して出力する光信号変換部とを有することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記領域分割部は、前記通信領域をメッシュ状の小領域に分け、隣接する小領域の輝度の変動パターンが類似する小領域を統合する処理を全ての前記通信領域に対して行うことにより、前記通信領域を複数の区画に分割することを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明または第４の発明の光源分離装置で行う処理をコンピュータに実行させる光源分離プログラムであることを特徴とする。

本発明に係る光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラムは、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムにおいて、複数の光源が混在する場合や光源を直接確認できない場合でも各々の光源を分離することができる。

本実施形態に係る光源分離装置の一例を示す図である。 光源の分離方法の一例を示す図である。 通信用照明器具を斜め方向から見た様子を示す図である。 光源分離装置の一例を示す図である。 本実施形態に係る光源分離装置における光源の分離方法を示す図である。 輝度の変動パターンの一例を示す図である。 光源分離方法のフローチャートを示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラムの実施形態について説明する。ここで、本発明に係る光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラムは、照明器具などによる複数の光源が存在する環境下において、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う場合に、複数の光源から通信先の光源を分離して通信を行うことができる。

図１は、本実施形態に係る光源分離装置１０１の一例を示す。図１において、送信装置２０１と受信装置２０２は、可視光通信を行う。ここで、受信装置２０２は、送信装置２０１と同様の機能を有する送信装置２０１ａなどの複数の送信装置との間で通信を行ってもよい。また、図１では、説明が分かり易いように、受光部１０２と光源分離装置１０１とを受信装置２０２とは別の装置として説明するが、受光部１０２と光源分離装置１０１とを受信装置２０２に内蔵してもよい。

図１において、送信装置２０１は、通信用照明器具３０１の光源部の光を変調してデータを送信する。ここで、通信用照明器具３０１の光源部は、通常の照明器具として可視光で周囲を照らす必要があるので、データを送信するための変調は、人間の目に感知されにくい方法で行われるものとする。例えば、デジタル信号の”１”、”０”に応じて、非常に短い時間間隔で高速に光源を点滅させて変調する。

このようにして、通信用照明器具３０１の光源部から照射される光は、受光部１０２で受光される。そして、光源分離装置１０１は、受光部１０２で受光された光を光源別に分離する処理を行う。図１の例では、送信装置２０１の通信用照明器具３０１の光源以外に、送信装置２０１ａの通信用照明器具３０２の光源、さらには通常の照明器具３０３および照明器具３０４の光源など、可視光を放つ複数の光源が受光部１０２の周辺に存在しているので、光源分離装置１０１は、受光部１０２で受光された光の中から複数の光源の光をそれぞれ分離し、光源別に受光する光信号を”１”、”０”のデジタル信号に変換して受信装置２０２に出力する。ここで、受光部１０２は、例えば受光する光の点滅パターンを二次元画像として取得可能なイメージセンサやイメージセンサを備えるデジタルカメラなどで構成される。

図２は、光源の分離方法の一例を示す。図２の例では、１つの通信用照明器具４００の中に、別々の通信を行う光源部４０１と光源部４０２の２つの可視光通信用の光源が内蔵されている。そして、光源部４０１および光源部４０２は、照明カバー４０３で隠されており、受光部１０２が直接、光源部４０１および光源部４０２を観測することはできない。しかし、光源部４０１および光源部４０２が放射する光は、通信用照明器具４００の反射面４０４で反射された光として受光部１０２で受光することができる。

図２において、光源部４０１から放射される光は、反射面４０４上の円形の領域４１０を照射し、受光部１０２側に反射される。同様に、光源部４０２から放射される光は、反射面４０４上の円形の領域４１１を照射し、受光部１０２側に反射される。ここで、図２の例では、光源部４０１から放射される光と光源部４０２から放射される光の両方の光が領域４１０と領域４１１とが重複する木の葉状の領域４１２を照射するので、領域４１２からは光源部４０１と光源部４０２の両方の光が混ざって受光部１０２で受光される。なお、受光部１０２は、例えばデジタルカメラのように、反射面４０４の輝度情報を二次元画像（動画）として撮影し、光源分離装置１０１に出力する。そして、光源分離装置１０１は、受光部１０２から取得する画像を解析して、例えば反射面４０４で反射される光を判別して、光源部４０１からの光信号と、光源部４０２からの光信号とを分離する。なお、光源分離方法については、後で詳しく説明する。

図３は、図２に示した通信用照明器具４００を斜め方向から見た様子を示す。通信用の光源部４０１および光源部４０２は、照明カバー４０３に隠れているので、受光部１０２から光源部４０１および光源部４０２の光を直接観測することはできない。

図４は、光源分離装置１０１の一例を示す。ここで、光源分離装置１０１は、光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信の光源を分離する装置である。図４において、光源分離装置１０１は、輝度取得部１１０、分割部１１１、パターン認識部１１２、光源別推定部１１３および光信号変換部１１４を備える。

輝度取得部１１０は、受光部１０２により、通信可能な周囲の通信領域の輝度情報（輝度データ）を取得する。ここで、受光部１０２がデジタルカメラである場合、受光部１０２により撮影された画像が取得される。

分割部１１１は、先ず、輝度取得部１１０が取得する画像を予め決められたサイズの小領域にメッシュ状に分割する。ここで、小領域のサイズは、例えば８画素×８画素の領域であってもよいし、１６画素×１６画素の領域であってもよい。あるいは、１画素を１つの小領域としてもよい。さらに、分割部１１１は、隣接する小領域のうち、輝度情報が類似する小領域を統合する処理を行い、画像領域を複数の区画に分割する。例えば、分割部１１１は、隣接する小領域の輝度値や輝度の変動パターンなどの輝度情報を比較して類似度を求め、類似度が予め決められた閾値以上の小領域を統合する処理を全領域に対して行うことにより、画像領域を複数の区画に分割することができる。ここで、１つの小領域が８画素×８画素など複数の画素で構成される場合は、例えば複数の画素の平均値を当該小領域の輝度値とする。

パターン認識部１１２は、分割部１１１により複数の区画に分割された区画毎に、輝度の変動パターンを認識する。ここで、変動パターンは、光をオンオフする時間間隔、周期、輝度レベルなどの少なくとも１つの情報に基づいて認識される。

光源別推定部１１３は、区画毎の輝度の変動パターンに基づいて光源を分離する。ここで、輝度の変動パターンの例については、後で詳しく説明する。

光信号変換部１１４は、光源別推定部１１３により分離された各区画の光源別に受光する光をそれぞれデジタル信号に変換して、受信装置２０２に出力する。

このようにして、本実施形態に係る光源分離装置１０１は、受光部１０２で受光された光の中から複数の光源の光の変動パターンに基づいて、複数の光源から受光する光信号を分離することができるので、複数の可視光通信を同時に運用することが可能になる。

ここで、本実施形態に係る光源分離装置１０１は、図４に示した各ブロックを有する装置として説明したが、各ブロックが行う処理に対応するプログラムを実行するコンピュータでも実現できる。なお、プログラムは、記録媒体に記録して提供されてもよいし、ネットワークを通して提供されてもよい。

次に、複数の光源からの光が受光される環境下において、光源を分離する方法について説明する。

図５は、本実施形態に係る光源分離装置１０１における光源の分離方法を示す。ここで、図５は、図２に対応する図であり、図２と同符号の部分は、図２と同じものを示す。

図５において、光源部４０１の光のみが反射面４０４を照射する領域を区画５１０、光源部４０２の光のみが反射面４０４を照射する領域を区画５１１、光源部４０１と光源部４０２との両方の光が反射面４０４を照射する領域を区画５１２とする。

本実施形態に係る光源分離装置１０１は、上述の区画を認識するために、受光部１０２から輝度情報（ここでは、二次元画像の動画データ）を取得し、取得した画像領域全体をメッシュ状に複数の小領域に分割する。図５（ａ）は、図５の枠５００の部分をメッシュ５０１により、複数の小領域に分割する様子を示す。なお、図５（ａ）の例では、縦が８個、横が８個の６４個の小領域に分割されている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）で分割した小領域のうち、隣接する小領域を輝度情報の類似度に応じて統合する様子を示す。例えば、光源分離装置１０１は、隣接する小領域の輝度値や輝度の変動パターンなどの輝度情報に基づいて類似度を求め、類似度が予め決められた閾値以上の小領域を統合する処理を全領域に対して繰り返し実行する。このようにして、本実施形態に係る光源分離装置１０１は、二次元画像全体を輝度値や輝度の変動パターンなどの輝度情報が類似する複数の区画に分割することができる。図５（ｂ）の例では、上述の方法により、枠５００の部分が区画５１０、区画５１１、区画５１２および区画５１３の４つの区画に分割されている。

このようにして、本実施形態に係る光源分離装置１０１は、光源部４０１の光のみが照射される区画５１０と、光源部４０２の光のみが照射される区画５１１と、光源部４０１と光源部４０２の両方の光が照射される区画５１２と、いずれの光も照射されない区画５１３とに分離することができる。

図６は、輝度の変動パターンの一例を示す。ここで、図６に示した変動パターンは、受光部１０２により取得された二次元画像の各区画に対応する領域の輝度値の時間軸方向の変化の一例である。なお、各区画に対応する領域の輝度値は、例えば、各区画の全画素の輝度値の平均値であってもよいし、区画の中央近傍の複数の画素の平均値であってもよい。

図６（ａ）は、図５で説明した区画５１０の領域における輝度の変化を示している。同様に、図６（ｂ）、図６（ｃ）および図６（ｄ）は、図５で説明した区画５１１、区画５１２および区画５１３の各領域におけるそれぞれの輝度の変化を示している。

ここで、図６に示した輝度の変動パターンは、光源のオンオフのパターンを示し、人間の目には感知されない程度の微小期間Ｔ１だけ光源をオフする。そして、例えば、所定期間Ｔ２の期間内に微小期間Ｔ１のパルスがある場合はデジタル信号の”１”を表し、所定期間Ｔ２の期間内にパルスが無い場合はデジタル信号の”０”を表す。このようにして、照明器具の光源を予め決められたルールに従ってオンオフすることにより、デジタル信号を送受信することができる。例えば図６（ａ）の場合、区画５１０の領域で受光される光の変動パターンが”１１１００１１０１１１００１１０１０１００・・・”のデジタル信号に変換される。同様に、図６（ｂ）の場合、区画５１１の領域で受光される光の変動パターンが”１０００１０１０００１０１１００１００１０・・・”のデジタル信号に変換され、図６（ｃ）の場合、区画５１２の領域で受光される光の変動パターンが”１１１０１１１０１１１０１１１０１０１１０・・・”のデジタル信号に変換される。なお、図６（ｄ）の場合、区画５１３の領域では、図５に示すように、いずれの光源からの光も受光されないので、全て”１”のデジタル信号に変換される。

このようにして、本実施形態に係る光源分離装置１０１は、複数の光源からの光が混在する場合でも類似する輝度の変動パターン毎に通信領域を複数の区画に分割して、各々の区画毎に受光する光を分離して、別々のデジタル信号に変換して出力することができる。なお、図５および図６の例では、光源部４０１の光を受光する区画５１０および光源部４０２の光を受光する区画５１１以外の区画５１２の光も分離してデジタル信号に変換して受信装置２０２に出力するが、受信装置２０２側で所望の通信先の信号を判別して受信することができる。例えば、受信装置２０２は、通信先毎に予め決められた信号（データブロック毎に付加されるプリアンブル信号やヘッダ信号など）により、所望の通信先の信号であるか否かと判別することができる。例えば、図６（ｃ）の区画５１２で受光される光は、図５に示すように、光源部４０１の光と光源部４０２の光の両方の光が混ざっているので、光源分離装置１０１から受信装置２０２に出力されても、受信装置２０２側で所望の通信先の信号ではないと判断され、除外される。

次に、上述した光源分離装置１０１における光源分離方法の処理の流れについて説明する。

図７は、光源分離方法のフローチャートを示す。なお、図７の処理は、例えば図４で説明した光源分離装置１０１の各部により実行される。

ステップＳ１０１において、輝度取得部１１０は、受光部１０２から通信可能な周囲の通信領域の画像など輝度情報を取得する。

ステップＳ１０２において、分割部１１１は、ステップＳ１０１で取得した画像領域全体を予め決められたサイズの小領域にメッシュ状に分割し、さらに、隣接する小領域のうち、輝度情報が類似する小領域を統合して、画像領域全体を複数の区画に分割する。

ステップＳ１０３において、パターン認識部１１２は、ステップＳ１０２で複数の区画に分割された各区画における輝度の変動パターンを認識する。

ステップＳ１０４において、光源別推定部１１３は、各区画の輝度の変動パターンから、可視光通信を行う通信先の光源を光源別に推定する。

ステップＳ１０５において、光信号変換部１１４は、ステップＳ１０４で分離された各区画の光を光源別に光信号に変換する。

このようにして、本実施形態に係る光源分離方法では、受光部１０２で受光された光の中から複数の光源の光を判別し、各光源から受光する光信号を分離することができるので、複数の可視光通信を同時に運用することが可能になる。

以上、各実施形態で説明したように、本発明に係る光源分離方法、光源分離装置および光源分離プログラムは、可視光通信において、複数の光源が混在する場合や光源を直接確認できない場合でも各々の光源を分離することができる。

１０１・・・光源分離装置；１０２・・・受光部；１１０・・・輝度取得部；１１１・・・分割部；１１２・・・パターン認識部；１１３・・・光源別推定部；１１４・・・光信号変換部；２０１，２０１ａ・・・送信装置；３０１，３０２・・・通信用照明器具；３０３，３０４・・・照明器具；４０１，４０２・・・光源部；４０３・・・照明カバー

Claims (5)

1. 光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムで、複数の前記光源から放射され共通の反射面で反射された後に受光された光を前記光源別に分離する光源分離方法であって、
   前記反射面上の通信領域の輝度情報を取得する輝度取得処理と、
   前記輝度情報に基づいて前記通信領域を複数の区画に分割する領域分割処理と、
   前記区画毎の輝度の変動パターンから、受光された光を前記光源別に分離する光源分離処理と、
   前記光源分離処理により分離された複数の前記光源からの光をそれぞれ受信信号に変換して出力する光信号変換処理と
   を実行することを特徴とする光源分離方法。
2. 請求項１に記載の光源分離方法において、
   前記領域分割処理では、前記通信領域をメッシュ状の小領域に分け、隣接する小領域の輝度の変動パターンが類似する小領域を統合する処理を全ての前記通信領域に対して行うことにより、前記通信領域を複数の区画に分割する
   ことを特徴とする光源分離方法。
3. 光源の輝度を変化させて情報を送信する可視光通信を行う通信システムで、複数の前記光源から放射され共通の反射面で反射された後に受光された光を前記光源別に分離する光源分離装置において、
   前記反射面上の通信領域の輝度情報を取得する輝度取得部と、
   前記輝度情報に基づいて前記通信領域を複数の区画に分割する領域分割部と、
   前記区画毎の輝度の変動パターンから、受光された光を前記光源別に分離する光源分離部と、
   前記光源分離部により分離された複数の前記光源からの光をそれぞれ受信信号に変換して出力する光信号変換部と
   を有することを特徴とする光源分離装置。
4. 請求項３に記載の光源分離装置において、
   前記領域分割部は、前記通信領域をメッシュ状の小領域に分け、隣接する小領域の輝度の変動パターンが類似する小領域を統合する処理を全ての前記通信領域に対して行うことにより、前記通信領域を複数の区画に分割する
   ことを特徴とする光源分離装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の光源分離装置で行う処理をコンピュータに実行させることを特徴とする光源分離プログラム。

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