JP5750837B2 - 情報伝送システム、情報伝送方法、受光装置、受光方法、及び、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、輝度変調された光を媒体にして情報を伝送する情報伝送システム、情報伝送方法、輝度変調された光を媒体にして情報を受光する受光装置、受光方法、及び、プログラムに関する。

輝度変調された光を媒体にして情報を伝送する情報伝送システムの一種に、いわゆる可視光通信システムと呼ばれているものがある。なお、可視光通信システムは、白熱灯などに比べて応答性（点・消灯の速度が速い）に優れたＬＥＤ等の光源を利用するものであり、とりわけ、人の目に感知される波長域の光（可視光）を利用するものをいうが、本件発明では、それに限定されない。輝度変調された光を媒体にして情報を伝送する情報伝送システムであればよく、赤外光などの目に見えない光（不可視光）を利用するものであってもよい。

可視光通信システムの原理を説明する。このシステムは、送信すべき情報（二値化されたデジタル情報、以下、送信情報ＴＸという）の各ビット論理（論理１と論理０）に、それぞれ特定のパターン系列を割り当て、そのパターン系列にしたがって光源の輝度を変調する一方、受信側では、その変調光を電気信号に変換して、この電気信号に含まれるパターン系列に対応したビット論理を復元して、送信情報ＴＸを再生するというものである。特定のパターン系列は、互いに相関度が低い任意の二つのビットパターン系列であり、送信情報ＴＸの二値論理に対応した二つの系列（以下、第１のパターン系列ＳＡ、第２のパターン系列ＳＢという）があらかじめ用意される。

具体例をあげて説明する。今、ＳＡを「００１０１」、ＳＢを「００１０１」とし、送信情報ＴＸを「０１０１１０００・・・・」とする。この場合、ＴＸの論理１にＳＡを割り当て、論理０にＳＢを割り当てるものとすると、送信情報ＴＸに対応するＳＡ、ＳＢの並びは「ＳＢ、ＳＡ、ＳＢ、ＳＡ、ＳＡ、ＳＢ、ＳＢ、ＳＢ・・・・」になり、光源は、この順番にしたがって時系列的に輝度変調されることになる。

つまり、ＳＡおよびＳＢの論理０を消灯、論理１を点灯とすれば、ＳＡ＝「消灯、消灯、点灯、消灯、点灯」、ＳＢ＝「点灯、点灯、消灯、点灯、消灯」となり、結局、送信情報ＴＸに対応する光源の点滅パターンは「点灯、点灯、消灯、点灯、消灯、消灯、消灯、点灯、消灯、点灯、点灯、点灯、消灯、点灯、消灯、消灯、消灯、点灯、消灯、点灯、消灯、消灯、点灯、消灯、点灯、点灯、点灯、消灯、点灯、消灯、点灯、点灯、消灯、点灯、消灯、点灯、点灯、消灯、点灯、消灯・・・・」になる。

そして、受信側で、この点滅パターンを受光し、光電変換して「ＳＢ、ＳＡ、ＳＢ、ＳＡ、ＳＡ、ＳＢ、ＳＢ、ＳＢ・・・・」の系列を復元し、それらのＳＡ、ＳＢに対応する論理値を並べることにより、元の送信情報ＴＸ（０１０１１０００・・・・）を再生することができる。

ここで、可視光通信システムにおいては、情報伝送量の大小に対応した二つのタイプが考えられている。これらの二タイプを便宜的に「基本型」と「発展型」と称することにすると、基本型は、上記の原理説明における第１のパターン系列ＳＡ、第２のパターン系列ＳＢの変調を所定の低速周期で行い、発展型は、上記の変調を所定の高速周期で行うというものである。基本型の用途は簡易な通信（たとえば、ビーコン用途など）であり、発展型の用途はそれよりも複雑な通信（たとえば、交通情報通信や屋外広告通信など）である。

このような二つのタイプに対応した可視光通信システムの従来技術としては、たとえば、下記の特許文献１に記載のものが知られている。この文献には、光源の輝度変化パターンを「低速変調」と「高速変調」の組み合わせとし、受光ユニットにおいて、低速変調の輝度変化パターンを長い撮像周期とシャッター時間で観測する一方、高速変調の輝度変化パターンを短い撮像周期とシャッター時間で観測するようにした多重変調の技術（以下、従来技術という）が記載されている。これによれば、低速変調の輝度変化パターンを用いた第１の処理と、高速変調の輝度変化パターンを用いた第２の処理とを行うことができる。

図１３は、従来技術における輝度変動パターンを示す図である。この図において、（Ａ）は、十分長いサイクルで見た場合の輝度変動パターンを示し、全体（輝度変動信号のエンベロープ）として、輝度が拡散符号パターン（ここでは便宜的に前記のＳＡに相当する００１０１）に応じて変化し、かつ、非常に短い時間で明滅するとともに、その点灯時の輝度を高低二段階に変化させたものを示している。「低速変調」は、拡散符号パターンの変化周期Ｔｐの部分であり、「高速変調」は、当該拡散符号パターン内部の明滅周期Ｔｐｂの部分である。以下、消灯時の輝度をＯＦＦと称するとともに、高輝度点灯時の輝度をＯＮ（Ｈ）と称し、低輝度点灯時の輝度をＯＮ（Ｌ）と称することにする。

なお、中段（Ｂ）は、伝送データビットが固定長（たとえば、６４ビットで１つのパターン）のパターンビット周期を示し、下段（Ｃ）は、短いサイクルで見た場合の輝度変動パターンを示す。

この図によれば、受光ユニットにおいて長めの撮像周期とシャッター時間で（Ａ）を観測すると、ローパスフィルタをかけた（Ａ）のエンベロープとなる拡散符号パターン（ＳＡ）による輝度変動を捉えることができる一方、短めの撮像周期とシャッター時間で（Ａ）を観測すると、（Ｃ）で表すような元信号レベルの輝度変動を捉えることができる。

図１４は、従来技術における高速変調復号モードの概念図である。この図において、高速変調復号モードでは、所定のスレッシュレベルを用いて論理判定を行っており、スレッシュレベル未満を論理信号０、スレッシュレベル以上を論理信号１として伝送データを判定している。従来技術におけるスレッシュレベルは、固定値であり、たとえば、消灯時の輝度をＯＦＦと低輝度点灯時の輝度ＯＮ（Ｌ）との中間の値としてスレッシュレベルが設定されている。

特開２００３−１７９５５６号公報

上記のとおり、従来技術では、低速変調の輝度変化パターンと高速変調の輝度変化パターンとを多重化しているため、低速変調の復号データを用いて簡易な通信（たとえば、ビーコン用途など）を行うことができるとともに、高速変調の復号データを用いて複雑な通信（たとえば、交通情報通信や屋外広告通信など）を行うことができるという利点が得られる。
しかしながら、この従来技術では、受信側で低速変調の復号処理後に“必ず”高速変調の復号処理を行う仕組みになっていたため、基本型の光、つまり、低速変調のみの信号を受信した際の無駄な処理を否めなかった。すなわち、基本型の光を受信した際は、本来であれば高速変調の復号処理を行う必要が無いところ、従来技術では、この高速変調の復号部分において無駄な処理が発生し、可視光通信システムの応答性悪化を招いていた。

そこで、本発明の目的は、受信側における無駄な処理を回避することができる情報伝送システム、情報伝送方法、輝度変調された光を媒体にして情報を受光する受光装置、受光方法、及び、プログラムを提供することにある。

請求項１記載の発明は、輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光する受光手段と、この受光手段によって受光された光から第１の情報へ復号する復号手段と、この復号手段によって復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断手段と、この判断手段による判断結果に基づいて、前記受光手段に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう前記受光手段を制御する制御手段と、を備え、更に、前記受光手段は受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列されたものであり、前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御手段を更に備えることを特徴とすることを特徴とする受光装置である。
請求項４記載の発明は、受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列された受光部にて輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光する受光ステップと、この受光ステップにて受光された光から第１の情報へ復号する復号ステップと、この復号ステップにて復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２の情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断ステップと、この判断ステップでの判断結果に基づいて、前記受光部に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう制御する制御ステップと、を含み、更に、前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光部から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光部から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御ステップを含むことを特徴とする受光方法である。
請求項５記載の発明は、受光装置が有するコンピュータを、受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列された受光部にて輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光させる受光手段、この受光手段によって受光された光から第１の情報へ復号する復号手段、この復号手段によって復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２の情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断手段、この判断手段による判断結果に基づいて、前記受光部に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう制御する制御手段、として機能させ、更に、前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御手段として機能させることを特徴とするプログラムである。

本発明によれば、受信側における無駄な処理を回避することができる情報伝送システムおよび情報伝送方法を提供することができる。

発光ユニット１０の電気的な内部構成図である。 発光窓１８を介して時系列的に出力される光Ｐの波形例を示す図である。 光Ｐの論理フォーマットを示す図である。 受光ユニット２０の電気的な内部構成図である。 受光ユニット２０の動作フローチャートを示す図である。 高周波信号が多重変調された信号波形と、そのサンプリング概念図である。 ゲイン設定の概念図である。 ２つの系列の最大値と最小値の範囲がかぶる場合の概念図である。 ビットデコードの概念図である。 ＳＨ状態からＳＬ状態への遷移図である。 改良例を示す図である。 判定表を示す図である。 従来技術における輝度変動パターンを示す図である。 従来技術における高速変調復号モードの概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、発光ユニット１０の電気的な内部構成図である。この図において、発光ユニット１０は送出データメモリ１１、パターンビットカウンタ１２、バイトカウンタ１３、パターンデータメモリ１４、タイミングジェネレータ１５、ＣＰＵ１６、発光部１７及び発光窓１８を有して構成されている。

タイミングジェネレータ１５は、後述の受光ユニット２０におけるタイミングジェネレータの画像キャプチャクロック信号ＰＣＫと同期する所定周期の安定したクロック信号ＣＫを発生する。

ＣＰＵ１６はタイミングジェネレータ１５からのクロック信号ＣＫに同期して、パターンデータメモリ１４からパターンデータの１ビットを順次に取り出すとともに、送出データメモリ１１から１バイト分のビットデータを順次に取り出し、その取り出しの度に、パターンデータのビット論理を判定（論理信号０であるか、論理信号１であるかを判定）する。

そして、論理信号１であれば、そのときに送出データメモリ１１から取り出された１バイト分のビットデータについて、そのビット値に対応した第１の変調条件を適用する一方、論理信号０であれば、送出データメモリ１１から取り出された１バイト分のビットデータについて、そのビット値に対応した第２の変調条件を適用するという動作をすべての送出データについて繰り返す。

第１および第２の変調条件は、以下のとおりである。
＜第１の変調条件＞
パターンデータのビットが１のときに適用する。
送出データの１バイトのビットが０のとき→第１の輝度レベル
送出データの１バイトのビットが１のとき→第２の輝度レベル

＜第２の変調条件＞
パターンデータのビットが０のときに適用する。
送出データの１バイトのビットが０のとき→第３の輝度レベル
送出データの１バイトのビットが１のとき→第４の輝度レベル

以下、これらの第１〜第４の輝度レベルについて、以下の符号を与えることにする。
第１の輝度レベル：ＳＨ＿ＦＨ
第２の輝度レベル：ＳＨ＿ＦＬ
第３の輝度レベル：ＳＬ＿ＦＨ
第４の輝度レベル：ＳＬ＿ＦＬ

これらの符号の意味は、次のとおりである。
アンダーバー記号（＿）の前２文字はパターンデータのビット期間に対応し、アンダーバー記号（＿）の後２文字は送出データの１バイト期間に対応する。また、Ｓは低速変調を、Ｆは高速変調を示し、さらに、Ｈは論理信号１（つまりハイレベル）を、Ｌは論理信号０（つまりローレベル）を表している。

ここで、第１〜第４の輝度レベルは、それぞれ発光部１７に対する輝度指定値を示し、その大小関係は「第１の輝度レベル＞第２の輝度レベル＞第３の輝度レベル＞第４の輝度レベル」であり、したがって、「ＳＨ＿ＦＨ＞ＳＨ＿ＦＬ＞ＳＬ＿ＦＨ＞ＳＬ＿ＦＬ」の関係になる。

発光部１７は、上記の第１の変調条件および第２の変調条件で駆動され、これにより、パターンデータのビットが１のときには、送出データの１バイトのビットが０であれば第１の輝度レベルＳＨ＿ＦＨで発光するとともに、送出データの１バイトのビットが１であれば第１の輝度レベルＳＨ＿ＦＨよりも低輝度の第２の輝度レベルＳＨ＿ＦＬで発光し、または、パターンデータのビットが０のときには、送出データの１バイトのビットが０であれば第２の輝度レベルＳＨ＿ＦＬよりも低輝度の第３の輝度レベルＳＬ＿ＦＨで発光するとともに、送出データの１バイトのビットが１であれば第３の輝度レベルＳＬ＿ＦＨよりも低輝度の第４の輝度レベルＳＬ＿ＦＬで発光するという動作を行い、発光窓１８を介して時系列的な輝度変化パターンを持つ光Ｐを出力する。なお、最も低輝度の第４の輝度レベルＳＬ＿ＦＬが輝度値０を示す場合、発光部１７は当然ながら消灯となる（発光しない）。

図２は、発光窓１８を介して時系列的に出力される光Ｐの波形例を示す図である。この図において、（ａ）は全体の波形を示し、（ｂ）はその要部の波形を示している。（ａ）に示すように、光Ｐはパターンデータのビット周期に対応した「低速変調」の期間と、送出データの１バイトのビット周期に対応した「高速変調」の期間とからなり、たとえば、「低速変調」の１期間は１ｍＳ（１ＫＨｚの周期）、「高速変調」の１期間は１μＳ（１ＭＨｚの周期）、つまり、１：１０００の周波数比率である。ただし、この比率は一例である。低速変調と高速変調とを区別できる任意の比率であればよく、たとえば、１：２などの比率であってもよい。

発光窓１８を介して時系列的に出力される光Ｐは、パターンデータのビット値と送出データの１バイトのビット値との組み合わせに従った第１〜第４の輝度レベルの輝度変化を呈するものであり、前記のとおり、第１〜第４の輝度レベルは、「ＳＨ＿ＦＨ＞ＳＨ＿ＦＬ＞ＳＬ＿ＦＨ＞ＳＬ＿ＦＬ」の関係にあるから、要するに光Ｐは、最大輝度値のＳＨ＿ＦＨ、それに次ぐ輝度値のＳＨ＿ＦＬ、次位輝度値のＳＬ＿ＦＨ、最低輝度値のＳＬ＿ＦＬの４段階の輝度変化を呈するものである。

（ａ）において、図中に示す二つの符号Ｌｖ＿ＳＨとＬｖ＿ＳＬは、後述の受光ユニット２０においてデータ復号の際に用いられるスレッシュレベル（論理判定の閾値）を示している。ここで、Ｌｖ＿ＳＨは「低速変調」の期間でかつ当該期間のパターンデータのビット値が１のときに用いられるスレッシュレベルであり、Ｌｖ＿ＳＬは「低速変調」の期間でかつ当該期間のパターンデータのビット値が０のときに用いられるスレッシュレベルである。

これら二つのスレッシュレベルの設定条件は、（ａ）からも明らかなとおり、「ＳＨ＿ＦＨ＞Ｌｖ＿ＳＨ＞ＳＨ＿ＦＬ」、「ＳＬ＿ＦＨ＞Ｌｖ＿ＳＬ＞ＳＬ＿ＦＬ」である。すなわち、Ｌｖ＿ＳＨは、第１の輝度レベル（ＳＨ＿ＦＨ）より小さくかつ第２の輝度レベル（ＳＨ＿ＦＬ）より大きく、また、Ｌｖ＿ＳＬは、第２の輝度レベル（ＳＬ＿ＦＨ）より小さくかつ第４の輝度レベル（ＳＬ＿ＦＬ）より大きいことが条件である。

なお、以上の説明は、第１〜第４の輝度レベルが「ＳＨ＿ＦＨ＞ＳＨ＿ＦＬ＞ＳＬ＿ＦＨ＞ＳＬ＿ＦＬ」の関係にあるときのものである。第１〜第４の輝度レベルの大小関係は、これに限らず、たとえば、（ｂ）のようなものであってもよい。すなわち、（ｂ）に示すような「ＳＨ＿ＦＨ＞ＳＬ＿ＦＨ＞ＳＨ＿ＦＬ＞ＳＬ＿ＦＬ」の関係であってもよく、この場合の二つのスレッシュレベルの設定条件は、「ＳＨ＿ＦＨ＞Ｌｖ＿ＳＨ＞ＳＬ＿ＦＨ」、「ＳＨ＿ＦＬ＞Ｌｖ＿ＳＬ＞ＳＬ＿ＦＬ」になる。

次に、本実施形態の光Ｐの論理フォーマットを説明する。
図３は、光Ｐの論理フォーマットを示す図である。この図において、論理フォーマット１９は低速変調に用いられるものであり、この論理フォーマット１９は、ヘッダ部１９ａ、データ本体部１９ｂおよびＦＣＳ等のデータ訂正部１９ｃから構成されており、さらに、ヘッダ部１９ａがフレームタイプ情報部１９ｄ、多重化フラグ部１９ｅおよび多重化変調タイプ部１９Ｆを含むことに構成上の特徴がある。

フレームタイプ情報部１９ｄは、この論理フォーマット１９が単なるビーコン用途（位置捕捉用途）だけのものか、あるいは、任意の伝送データを含むものであるのかを示す情報ビットを保持するものであり、たとえば、情報ビット１：伝送データあり、情報ビット０：ビーコン用途のみである。なお、ここでは、情報ビット０：ビーコン用途のみとしたが、これは一例に過ぎない。ビーコン以外の他の用途を意味するものであってもかまわないことは当然である。

多重化フラグ部１９ｅは、この論理フォーマット１９の中に、高速信号が多重化されているかを示す情報ビットを保持するものであり、この多重化フラグ部１９ｅの存在は、本実施形態の特徴とする点の一つである。すなわち、情報ビット１：高速変調データ多重あり、情報ビット０：多重なし（低速変調データのみ）である。したがって、後述するように、受信側の受光ユニット２０において、この多重化フラグ部１９ｅの情報ビットを判定して、ビット０の場合にデータの復号処理を行わないようにすることができ、無駄な処理を回避することができる。

多重化変調タイプ部１９Ｆは、多重化変調方法を示す情報フラグビットを保持するものであり、たとえば、情報ビット０：乗算型の多重化変調方法、情報ビット１：変調パルス加算型の多重化変調方法である。これは、冒頭で説明した従来技術における変調方法（乗算型）との共存を意図したものである。

次に、受光ユニット２０について説明する。
図４は、受光ユニット２０の電気的な内部構成図である。この図において、受光ユニット２０は、光学レンズ部２１、撮像部２２、キャプチャ画像バッファ２３、表示バッファ２４、液晶ディスプレイ２５、タイミングジェネレータ２６、読み取り位置制御メモリ２７、サブサンプリング制御メモリ２８、ＣＰＵ２９、パターンデータメモリ３０、基準画像バッファ３１、フレーム時系列バッファ３２、相関度評価画像バッファ３３、二値化等作業用バッファ３４、データリストメモリ３５、シャッターキー３６、読み出し条件リスト３７を含み、データリストメモリ３５はさらに更新要求リスト３８、リストエントリ３９およびビットバッファ４０を含む。

撮像部２２は、たとえば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの二次元イメージセンサで構成されており、光学レンズ部２１を介して取り込まれた被写体の像を電気的なフレーム画像信号に変換し、タイミングジェネレータ２６で作られたキャプチャ画像クロック信号ＰＣＫに同期した周期でキャプチャ画像バッファ２３に出力するものであり、特に、任意サイズの部分読み出しが可能な二次元イメージセンサである。

ここで、「部分読み出し」とは、二次元イメージセンサの全撮像面積のうちの任意の領域を指定して、その領域内の画像を部分的に読み出すことをいい、とりわけ、近年のＣＭＯＳ型二次元イメージセンサの多くに搭載されている機能のことをいう。本実施形態における撮像部２２は、この部分読み出しの機能を備えるものであり、特に、必要に応じて、フルドット読み出し（たとえば、１２８０×９６０ドット読み出し）と、そのフルドット読み出しよりも小サイズの第１の部分読み出し（たとえば、３２０×２４０ドット読み出し）と、さらに、その第１の部分読み出しよりも小サイズの第２の部分読み出し（たとえば、３×３ドット読み出し）とを適宜に切り替えながら行うことができるものである。

加えて、本実施形態における撮像部２２は、フルドット読み出しの際のフレームレートに対して、第１の部分読み出しの際のフレームレートを高速にし、さらに、第２の部分読み出しの際のフレームレートを第１の部分読み出しの際のフレームレートよりも高速にした点にポイントがあり、これら３種類のフレームレートは、たとえば、
・フルドット読み出しの際のフレームレート：３０Ｆｐｓ
・第１の部分読み出しの際のフレームレート：２，０００Ｆｐｓ
・第２の部分読み出しの際のフレームレート：２０，０００Ｆｐｓ
である。
フルドット読み出しは通常のカメラ撮影用であるが、二つの部分読み出しは可視光通信システムの受信用であって、詳細には、第１の部分読み出しは当該通信システムの低速変調受信用、第２の部分読み出しは当該通信システムの高速変調受信用である。

キャプチャ画像バッファ２３は部分読み出しの際に読み出されたフレーム（画像）を一時記憶するのに十分な容量を持ち、表示バッファ２４は撮像部２２の全画素数分のデータを確保できる分の容量を持つ。また、フレーム時系列バッファ３２は各々部分読み出しデータを時系列に格納していくものであるため、各々が少なくともその部分読み出しデータに対応するだけの容量を持ち、基準画像バッファ３１および相関度評価画像バッファ３３ならびに二値化等作業用バッファ３４は各々部分読み出しデータを時系列に格納していくものであるため、各々が少なくともその部分読み出しデータに対応するだけの容量を持ち、さらに、読み出し位置制御メモリ２７は全画角画像における第１および第２の部分読み出しの領域情報を保持することができるだけの容量を持つ。

ＣＰＵ２９は、受光ユニット２０の全体動作を統括制御し、たとえば、キャプチャ画像バッファ２３に取り込まれたフレーム画像をそのまま表示バッファ２４に送って液晶ディスプレイ２５に表示させる処理や、シャッターキー３６の操作時に、表示バッファ２４に取り込まれた画像を不図示の画像メモリにキャプチャする処理などを行うほか、さらに以下の処理を行う。

すなわち、ＣＰＵ２９は、キャプチャクロック信号ＰＣＫに同期してキャプチャ画像バッファ２３に取り込まれたフレーム画像を、そのフレーム画像ごとに、フレーム時系列バッファ３２の各プレーンに順次に格納する。ここで、フレーム時系列バッファ３２は、いずれも１枚のフレーム画像のサイズに相当する記憶容量を持つ第１プレーンから第ｎプレーンまでを備えており、プレーン数ｎは少なくとも発光ユニット１０におけるパターン系列（パターンデータメモリ１４から読み出されるパターンデータ）のビット数Ｎに対応する。たとえば、ビット数Ｎを５とした場合、フレーム時系列バッファ３２のプレーン数ｎは少なくとも第１プレーンから第５プレーンまでの５プレーンとなる。以下、説明の便宜上、パターン系列のビット数Ｎを５ビットにするとともにプレーン数ｎも５とすることにする。

第１プレーンから第５プレーンへのフレーム画像の書き込み順は以下の通りである。
１番目のフレーム画像＝第１プレーン
２番目のフレーム画像＝第２プレーン
３番目のフレーム画像＝第３プレーン
４番目のフレーム画像＝第４プレーン
５番目のフレーム画像＝第５プレーン
６番目のフレーム画像＝第１プレーン
７番目のフレーム画像＝第２プレーン
８番目のフレーム画像＝第３プレーン
９番目のフレーム画像＝第４プレーン
１０番目のフレーム画像＝第５プレーン
このように順次第１プレーンから第５プレーンまでの書き込み動作をサイクリックに行う。

ＣＰＵ２９は、各プレーンへの書き込み順を制御（実際はバッファポインタｎの値を制御）するとともに、並行して、各プレーンに書き込まれたフレーム画像の中から時系列的な輝度変化パターンを持つ画素領域を抽出し、その輝度変化パターンを二値化等作業用バッファ３４で二値化する処理、及び、その二値化されたデータと、パターンデータメモリ３０に保持されていた基準パターン系列とを比較し、第１の基準パターン系列と一致した場合には論理信号１を発生し、第２の基準パターン系列と一致した場合には論理信号０を発生して、それらの論理信号をデータリストメモリ３５に格納するという処理を実行する。また、受光ユニット２０の液晶ディスプレイ２５は、発光ユニット１０による発光領域を含めた被写体像を表示し、さらに、その表示領域の特定部分（たとえば、画面中央部分）にこの発光領域に関する情報を吹き出しなどの図形を模してオーバラップ表示する。なお、基準画像バッファ３１は手ぶれ補正のためのものである。

次に、本実施形態における受光ユニット２０の動作について説明する。
図５は、受光ユニット２０の動作フローチャートを示す図である。この図において、受光ユニット２０の動作フローチャートは、大別して、低速変調の処理を行う前段パート（ステップＳ１１からステップＳ１５まで）と、高速変調の処理を行う後段パート（ステップＳ１６からステップＳ２６まで）とからなる。

＜前段パート／低速変調処理＞
前段パートでは、まず、低速モードで信号（光Ｐ）の有無を探索し（ステップＳ１１）、低速データを復号（ステップＳ１２）し、ついで、低速データのヘッダ部１９ａの情報を読み込み（ステップＳ１３）、そのヘッダ部１９ａの多重化フラグ部１９ｅの情報を調べて高速データが多重化されているか否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、高速データが多重化された信号でない場合は、低速データによる動作・表示（ステップＳ１５）を実行した後、前段パートを繰り返し、高速データが多重化された信号である場合は後段パートに進む。

このように、ステップＳ１１からステップＳ１５は、低速変調信号の処理であり、冒頭の従来技術にも記載されているように、観測スロットパルスの２倍の周期のおおむね周期時間の露光時間によって２つの位相系列で観測すれば、少なくとも一方の系列はかならず最適タイミングになり、また、その最適位相を決定することができる。

そして、高周波信号が多重変調されている場合にも、露光時間で平均化され、しかも、その高周波信号がマンチェスター符号のように１：１の０／１バランスであるとすれば、最適位相の系列のサンプルデータは、高周波信号の多重にかかわらず、加算前パルスのみの値の系列が得られる。

図６は、高周波信号が多重変調された信号波形と、そのサンプリング概念図である。この図に示すように、多重化された高周波信号の０／１バランスがとれているとすれば、二つの位相系列二つの位相系列Ａ、Ｂのうちの最適化された位相系列Ａを用いてサンプリングデータを得ることができる。

ここで、ステップＳ１４における判定（高速データが多重化された信号であるか否かの判定）は、受信信号中の多重化フラグ部１９ｅ（図３参照）を調べることによって行うことができる。多重化フラグ部１９ｅの情報ビットが“１”であれば「高速変調データ多重あり」、“０”であれば「多重なし」を示すからである。これにより、「多重なし」の場合における無駄な処理、すなわち、無駄な後段パートの処理（ステップＳ１６〜ステップＳ２６）を回避することができ、受光ユニット２０の応答性悪化を招かない。

＜後段パート／高速変調処理＞
後段パートでは、まず、画像内の一つの領域を選択し（ステップＳ１６）、選択領域に着目して、低速モードのままゲインを調整するとともに、Ｌｖ＿ＳＨとＬｖ＿ＳＬの値を記憶する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１６およびステップＳ１７の処理は、低速観測を利用して、ＨとＬのレベル（飽和内レベル）を決定するものであり、ここでは、低速の受信作業において、以下のように決定する。今、多様な環境と多様な光源がある場合を考えると、センサの露光・ゲインに対して信号が強すぎる場合があり得る。このような場合、高周波パルスの最大振幅まで考えたときに、低周波信号のＨレベルの値が、飽和の関係で正しい平均値にならないことが起こり得るからである。

本件発明者が提案したこれまでのイメージセンサ通信関連の技術（冒頭の特許文献１など）では、低周波変調の検出に関して、このような飽和の問題を全く考慮する必要がなかった。処理に必要な最低限の輝度差があればよかったからである。しかしながら、本発明においては、低速信号の観測結果から高速変調信号のビットデコード値を決定するので、低速変調パルスの観測値が正確に高速変調の中間値に収まっている必要がある。そこで、ステップＳ１６およびステップＳ１７の処理において、低速変調信号の観測を必要な低速パルス期間分行って最適なゲインを設定するようにしたのである。

図７は、ゲイン設定の概念図である。この図において、低速周期での観測ではＳＨ＿ＦＨのレベルがどこまで伸びているか不明なので、低速変調信号としてパルスが取れていたとしても、同図（ａ）に示すように、ゲイン設定として不適となる場合がある。これは、実際のパルスの値としては、送信信号の規格として、たとえば、同図（ｂ）のような値で低速が取れていると、高周波パルスのＨも飽和領域内に収まっている（飽和領域内の平均化になっている）ことになるからである。

このため、ダイナミックレンジの範囲を広げて（ゲインを下げて）、同図（ｂ）を満たすようにすれば、より輝度の高い信号も飽和しないように最適調整できるようになる。

なお、たとえ光源がＯＦＦであっても、実際にカメラでその光源を観測した場合は、太陽光等の周囲の明るさの関係から光源の輝度は完全な０にならない。したがって、同図（ｂ）に示したように、Ｌレベル側のスレッシュレベル（Ｌｖ＿ＳＬ）の値も考慮した式「Ｌｖ＿ＳＨ＋（Ｌｖ＿ＳＨ−Ｌｖ＿ＳＬ）／２＜Ｓａｔ」にすることが望ましい。ここで、Ｓａｔは飽和レベルである。

ステップＳ１７の処理は、必要に応じて何回か繰り返され、露出が微調整された後、その調整結果に応じて適正化されたスレッシュレベル（Ｌｖ＿ＳＨとＬｖ＿ＳＨ）が記憶される。

なお、本実施形態では、前述したように多様な環境と多様な輝度の光源があるとして、このステップＳ１７の処理は、特定部分読み出し領域を決定し受信する光源を決めてからとしているが、光源の輝度、センサの感度が固定的な関係である場合には、このようなゲイン最適化処理を不要とすることもできる。

以上のように、適正化されたスレッシュレベル（Ｌｖ＿ＳＨとＬｖ＿ＳＨ）を記憶すると、次に、高速変調用のスレッシュレベル（Ｔｈ＿ＳＨ，Ｔｈ＿ＳＬ）を設定する（ステップＳ１８）。このステップＳ１８では、最適に観測された低速変調信号のＨレベルおよびＬレベルの値から高速変調パルス用の閾値（スレッシュレベルＴｈ＿ＳＨ，Ｔｈ＿ＳＬ）を決定する。

これは、第１の部分読み出しのフレームレートと第２の部分読み出しのフレームレートでおおむね同じようなダイナミックレンジに入るようにゲイン調整がなされるが、両者に同じ値の閾値を適用できないためである。しかしながら、両者の関係は線形であるため、低速パルスで確実にダイナミックレンジ内に入る調整値がわかれば、それにあわせて高速Ｆｐｓ（第２の部分読み出しのフレームレート）の場合の閾値設定を単純な比率計算で行うことができる。このように最適設定された値を、高速変調パルス用の閾値（スレッシュレベルＴｈ＿ＳＨ，Ｔｈ＿ＳＬ）として算出し、それを記憶する。

以上の処理の結果、高速変調を取り込むための準備ができたので、高速変調受信を行うべき部分に対して、高速部分読み出しのモードに入り（ステップＳ１９）、ついで、デコード位相系列を決定する（ステップＳ２０）。すなわち、この高速変調信号においても低速変調信号と同様の２倍のサンプリング周期でデコードすべき位相を決定する。

このデコード位相系列の決定では、変調の方式から、必ず高速変調のＨレベルとＬレベルが含まれる必要数をサンプルする。たとえば、マンチェスタ符号ならば３回以上のＨレベル連続またはＬレベル連続はないので、３パルス分の観測で済み、２倍周期であれば６サンプルの観測でよい。あるいは、４−ＰＰＭならば、７回以上の同一値連続はないので、７×２＝１４サンプルの観測でよい。

この位相系列の決定は簡単である。Ｈ／Ｌが必ず含まれるなら、必ず位相ロックしたサンプルが極大値と極小値をとるはずなので、２つの系列の最大値と最小値を比較して、変動幅が一方を包含できる系列をロック位相とすればよい。ただし、低速変調周波数がＨ／Ｌの変化をしているところに、この判定タイミングがかかった場合は、２つの系列の最大値と最小値の範囲がかぶることもある。

図８は、２つの系列の最大値と最小値の範囲がかぶる場合の概念図である。図示のような場合には、処理の簡単化のために観測結果を棄却し、再度、次の必要サンプル数で判定すればよい。もちろん、同図のように、低周波信号の変化にかかった場合を排除するためには、より多くの判定サンプルを取って判断する等の手段を講じる必要があるが、本実施形態では、判定不可の場合、判定棄却で次のサンプル系列をとることにする。

次に、シンボル同期位置（パルスレベルの上位のシンボルの切れ目）を決定する（ステップＳ２１）。この決定により、ビットデコードをとりあえず行うことができる状態になり、ビット系列をとることが可能になる。シンボル同期位置決定の実際は、マンチェスタ符号の任意のビット列「１１０１００１１・・・・」を例にすると０または１の同じ値が続くパターンがシンボルの切れ目である。たとえば、当該ビット列の「１１０」ときている場合、最初の１は捨てて「１｜１０｜１０｜０１｜・・・・」と決定すればよい。「｜」記号が決定されたシンボル同期位置である。ちなみに、 このようなシンボル同期は公知であり、他のＰＰＭなどのコーディングでも同様に探索可能である。

次に、ビット／シンボルデコードし、上位レイヤーへ移動する（ステップＳ２２）。つまり、通常のビットデコード処理に入り、高周波変調信号をビットデコード（シンボルデコード）して、元ビット列（伝送データ）の復元を行う。

図９は、ビットデコードの概念図である。この図に示すように、たとえば、低速変調のＨ状態（ＳＨ状態）であれば、Ｔｈ＿ＳＨをスレッシュレベルに用いて１／０デコードする一方、低速変調のＬ状態（ＳＬ状態）であれば、Ｔｈ＿ＳＬをスレッシュレベルに用いて１／０デコードすればよい。

ただし、より詳細には、高速変調パルスの開始タイミングがそのＳＬ状態期間ないしＳＨ状態期間のどこなのか不明のまま処理が始まっているので、いつＳＨ状態／ＳＬの遷移が起こるか全く予想がつかないから、以下の点を考慮することが望ましい。

図１０は、ＳＨ状態からＳＬ状態への遷移図である。なお、この遷移図はマンチェスターコーディングされている例を示している。まず、ＳＨ状態で１／０判定しながらも、Ｔｈ＿ＳＬより小さい値がないかを常に監視しておき、Ｔｈ＿ＳＬより小さい値がきたと判定された場合に、以下の処理を行う。

同図（ｂ）、（ｃ）に示すように、シンボルの１パルス目なら直ちにＳＬ状態に遷移する。ただし、同図（ａ）、（ｄ）に示すように、シンボルの２パルス目でかつＴｈ＿ＳＬを下回った場合は、たとえば、同図（ａ）であれば「１０｜１０」のところが「１０｜０・・・・」とビットデコードが進んでいるが、２パルス目でＴｈ＿ＳＬを下回った時点で、手間のビットを訂正し、手前のビットからＳＬ状態になっていた前提でビットデコードし、シンボル判定する。

ＳＬ状態からＳＨ状態への遷移についても同様である。すなわち、Ｔｈ＿ＳＨより値が大きくなったタイミングを判定して状態遷移を行うとともに、必要に応じて１ビット前の値判定の差し戻しを行う。この判定は、たとえば、４−ＰＰＭであれば、４パルス分の手前履歴を使った処理になる。

このような処理により、高速変調信号と低速変調信号のフォーマットレベルの同期が任意であっても、二つの高速信号用スレッシュレベル（Ｔｈ＿ＳＨ／Ｔｈ＿ＳＬ）とシンボル履歴とを利用して、安定したデコードを行うことができる。すなわち、高速データの受信完了を判定（ステップＳ２３）するまで、以上のステップＳ２１を繰り返し実行することにより、発光ユニット１０からの伝送データの再生を行うことができるようになり、その伝送データを用いて所要の処理（高速データによる動作・表示処理等）を行うことができる（ステップＳ２４）。

さらに、すべての多重化信号の受信完了を判定（ステップＳ２５）するまで、以上のステップＳ１４〜ステップＳ２４を繰りした後、受信完了を判定すると、再び低速全画面モードに戻して（ステップＳ２６）すべての処理を再開（ステップＳ１１以降）することができ、新たな信号検出に備えることができる。

なお、以上の説明では、撮像部２２の部分読み出しについて、第１の部分読み出しと第２の部分読み出しの二つとしているが、これに限定されない。近年、二次元イメージセンサのアーキテクチャの作り方によっては高速の部分選択読み出し（ないしは、高速読み出しピクセル）を単一ではなく、限界数以下で複数設定できるものが出てきているので、そのような複数設定可能な部分読み出しであってもかまわない。

また、以下のように改良してもよい。
図１１は、改良例を示す図である。この改良例は、前記のステップＳ２２、および図９、図１０に対応するものであり、ビット判定の状態（ＳＨ状態とＳＬ状態）にかからない他の方法を提案するものである。図１１に示すように、出力パルスとして、ＳＨでの高速変調レベル変動と、ＳＬでの高速変調のレベル変動が重ならず、一定以上レベル差がある条件とした場合、たとえば、「（ＳＨ＿ＦＨ−ＳＨ＿ＦＬ）／３＝（ＳＬ＿ＦＨ−ＳＬ＿ＦＬ）／３＝（ＳＨ＿ＦＬ−ＳＬ＿ＦＨ）」の場合、高速変調のＳＨ側とＳＬ側との間は、変動幅の１／３のレベルギャップが保証される。したがって、この場合は、一意的に値領域の判定により、高速変調信号の１／０判定が可能になる。

図１２は、その判定表を示す図である。この表に示すように、値の範囲がＳＨ＿ＦＨ〜Ｌｖ＿ＳＨであればビット値１を、Ｌｖ＿ＳＨ〜ＳＨ＿ＦＬであればビット値０を、また、ＳＨ＿ＦＬ〜ＳＬ＿ＦＨであればエラー（ビット値０、１いずれにも該当しない）を判定でき、さらに、ＳＬ＿ＦＨ〜Ｌｖ＿ＳＬであればビット値１を、Ｌｖ＿ＳＬ〜ＳＬ＿ＦＬであればビット値０を判定できる。

以上のとおりであるから、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）変調方式が単純加算変調であるため、ＣＣＤ等の二次元イメージセンサを用いた端末のみならず、アナログフィルタとＰＤを用いた既存の端末との相互運用が可能になる。特に、高速通信だけを行う受信端末の場合は、基本的にハイパスフィルタだけで構成可能であり、高速変調波だけのパルス波を観測できるので、これまでの作り方に対して変更をせまることなく、大きな汎用性が得られる。
（２）また、低速信号が単に高速信号のための位置ビーコン的な役割だけを持つのか、あるいは、低速信号自体もデータを持つのかを自由に選択できるようにしたので、単なるビーコン用途の場合の無駄な処理を回避することができ、受信端末の応答性改善を図ることができる。
（３）加えて、変調方式について制御するビットを設けたので、高速変調の多重化を自由に選択することができ、また、多重化されてない信号についての高速デコード処理をスキップすることができるので、多重化あり・なしの光源が多数光源しているような複雑な環境での処理効率の向上を図ることができるうえ、変調方法についても、先の発明に述べた方式と切り分けができるようになり、複数の変調方式を並存させることができる。
（４）低速変調の変動にかかわらず、時間波形を観測するだけで、確実に高速変調データのデコードを行うことができ、アナログの周波数フィルタや高価な高速サンプリングのデジタルフィルタなどを備える必要がない。

Ｐ：光
１９：論理フォーマット
１９ｅ：情報部

Claims (5)

1. 輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光する受光手段と、
   この受光手段によって受光された光から第１の情報へ復号する復号手段と、
   この復号手段によって復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断手段と、
   この判断手段による判断結果に基づいて、前記受光手段に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう前記受光手段を制御する制御手段と、
   を備え、更に、
   前記受光手段は受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列されたものであり、
   前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御手段を更に備えることを特徴とすることを特徴とする受光装置。
2. 前記受光手段は撮像手段を含むことを特徴とする請求項１記載の受光装置。
3. 前記第１の情報とは、前記低速データの論理フォーマットに保持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光装置。
4. 受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列された受光部にて輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光する受光ステップと、
   この受光ステップにて受光された光から第１の情報へ復号する復号ステップと、
   この復号ステップにて復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２の情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断ステップと、
   この判断ステップでの判断結果に基づいて、前記受光部に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう制御する制御ステップと、
   を含み、更に、
   前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光部から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光部から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御ステップを含むことを特徴とする受光方法。
5. 受光装置が有するコンピュータを、
   受光能力を有する複数の素子が二次元平面上に配列された受光部にて輝度変調された光を特定の周期で連続的に受光させる受光手段、
   この受光手段によって受光された光から第１の情報へ復号する復号手段、
   この復号手段によって復号された第１の情報より、前記輝度変調された光が、前記特定の周期で第２の情報が変調された低速データと前記特定の周期よりも速い周期で前記第２の情報が変調された高速データとが多重化されているか否かを判断する判断手段、
   この判断手段による判断結果に基づいて、前記受光部に対し、前記特定の周期よりも速い周期で連続的に前記変調された光を受光するよう制御する制御手段、
   として機能させ、更に、
   前記特定の周期よりも速い周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲は、前記特定の周期で受光した場合の前記受光手段から読み出す受光範囲よりも小サイズにするよう制御する読出制御手段として機能させることを特徴とするプログラム。
   

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