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同期タイミング検出システム及び検出方法、測距システム及び測位システム、並びに受信装置及びそのプログラム 新技術説明会

国内特許コード P160013151
整理番号 (S2015-0041-N0)
掲載日 2016年8月4日
出願番号 特願2015-196873
公開番号 特開2016-085208
出願日 平成27年10月2日(2015.10.2)
公開日 平成28年5月19日(2016.5.19)
優先権データ
  • 特願2014-216549 (2014.10.23) JP
発明者
  • 橋爪 宏達
  • 杉本 雅則
  • 秋山 尚之
出願人
  • 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 同期タイミング検出システム及び検出方法、測距システム及び測位システム、並びに受信装置及びそのプログラム 新技術説明会
発明の概要 【課題】従来技術に比較して短時間でしかも高精度で同期タイミングを検出することができる。
【解決手段】所定のクロックに同期して変調された光信号及び音響信号を発生して送信する送信装置と、光信号及び音響信号を受信する受信装置とを備えた同期タイミング検出システムであって、受信装置は、光信号を撮像して、複数のラインを含むビデオストリーム信号及びフレームストローブ信号を含む画像信号を発生して出力するCMOSビデオカメラと、ビデオストリーム信号から光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力する同期タイミング抽出処理部と、同期タイミングカーブ信号を発生し、ビデオストリーム信号と当該発生した同期タイミングカーブ信号との相関値を計算し、最大の相関値を検索基準として上記光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力する同期タイミング抽出処理部とを備える。
【選択図】図10
従来技術、競合技術の概要


電波や音波を使用し、移動端末と位置のわかったビーコンとの間の伝搬遅延時間を測定すれば、伝搬速度を既知として距離がわかり、多点測量により移動端末の座標値を決定できる。屋外ではマイクロ波を使用し、衛星をビーコンとしたGNSS(Global Navigation Satellite System:GPSに代表される衛星測位システム)の利用が普及しているが、その電波の届かない屋内では、音波を使用したシステムの使われることが多い。音波としては非可聴の超音波や、利用者に不快感を与えない高域可聴音などの使用が提唱されている。



近年、スマートホンやタブレット端末のようなスマート端末(多機能端末)の一般化により、屋内においてその位置を精密に計測し、建物内の案内など、位置に依存するサービスを提供したいという要望が多い。それらスマート端末は可聴音域のマイクロホンを装備していることから、15kHz~22kHz程度の高域可聴音の音波を使うと、特に付加装備なしに、また測定音響で使用者を煩わせることなしに、多点測量による測位を実施できる。



伝搬遅延に基づく多点測量の原理にはTDoA(Time Difference of Arrival)とToA(Time of Arrival)の2種がある。TDoA計測はビーコン系と被計測スマート端末の間に時刻同期の成立していない場合に採用される方式で、三次元計測なら、その三次元座用(x,y,z)に加え、時刻tも未知数として扱う。そのため未知数の総数に対応し最低4台のビーコンを使用する。また、ToA計測は両者の時刻同期の成立している場合に採用される方式である。全システム要素は共通の時計をもち、スマート端末はビーコンからいつ音波が発信されるかを既知とする。よって音波到着の時刻からその伝搬時間を直接に抽出でき、三次元計測には未知数(x,y,z)と同数の3台のビーコンがあればよい。



TDoAとToAの計測性能上の優劣は、単に必要ビーコン数だけではない。計測原理から、TDoAではスマート端末の位置を、固定ビーコンを焦点とする双曲線の交点として求める。それに対しToAでは固定ビーコンを中心とする円の交点として求める。両者の幾何学的性質の違いから、TDoA計測は計測精度が計測信号源の方向(距離方向)で劣化する現象が知られている。TDoA計測を行っているGNSSを使うカーナビで、経度緯度情報は比較的良好だが、高度情報は対して大きな誤差を伴うことは周知である。

産業上の利用分野


本発明は、例えばスマートホンやタブレット端末などの多機能携帯端末(スマート端末)等で、その屋内における測位(座標位置の決定)を高精度で行うため、端末と計測システムの間の時刻同期を高速かつ高精度で行う同期タイミング検出システム及び検出方法、上記同期タイミング検出システムを用いた測距システム、並びに、上記測距システムを用いた測位システム、並びに受信装置及びそのプログラムに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
所定の周期を有する同期タイミングカーブ信号に従って変調された光信号を発生して送信する送信装置と、
上記光信号を受信する受信装置とを備えた同期タイミング検出システムであって、
上記受信装置は、
ローリングシャッター効果を有するビデオカメラであって、上記光信号を撮像して、複数のラインを含むビデオストリーム信号及びフレームストローブ信号を含む画像信号を発生して出力するビデオカメラと、
上記同期タイミングカーブ信号と同一の同期タイミングカーブ信号を発生し、上記ビデオストリーム信号と当該発生した同期タイミングカーブ信号との相関値を計算し、最大の相関値を検索基準として上記光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力する同期タイミング抽出処理部とを備えることを特徴とする同期タイミング検出システム。

【請求項2】
上記同期タイミングカーブ信号は、上記画像信号のフレーム周期の2倍の周期を有する信号であって、奇数次調波成分から構成される信号であることを特徴とする請求項1記載の同期タイミング検出システム。

【請求項3】
上記検出タイミングを上記ビデオストリーム信号の各ラインと比較することで、上記フレームストローブ信号を基準とする上記検出タイミングの時刻を、所定の同期タイミングとして検出する計測処理部をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2記載の同期タイミング検出システム。

【請求項4】
上記送信装置は、上記同期タイミングカーブ信号に従って変調された光信号及び音響信号を発生して送信し、
上記受信装置は、上記光信号及び上記音響信号を受信し、
上記計測処理部は、上記フレームストローブ信号を基準とする上記検出タイミングの時刻を、上記受信された音響信号の同期タイミングとして検出することを特徴とする請求項3記載の同期タイミング検出システム。

【請求項5】
上記同期タイミング抽出処理部は、上記光信号の特徴点タイミングが上記ビデオストリーム信号のいずれかのラインの開始タイミングと一致するときに当該一致したタイミングを検出タイミングとして出力することを特徴とする請求項4記載の同期タイミング検出システム。

【請求項6】
上記計測処理部は、上記光信号の特徴点タイミングが上記ビデオストリーム信号のk番目のラインの開始タイミングと一致するときに、次式を用いて、上記フレームストローブ信号から上記検出タイミングまでの時間Sを計算し、
S=((k-1)/N)Tp
ここで、Nは上記ビデオストリーム信号の最大ライン数であり、上記フレームストローブ信号のフレーム周期であり、
上記フレームストローブ信号に上記時間Sを加算することで上記検出タイミングを検出することを特徴とする請求項5記載の同期タイミング検出システム。

【請求項7】
上記計測処理部は、上記光信号の特徴点タイミングが上記ビデオストリーム信号のk番目のラインの開始タイミングと一致するときに、次式を用いて、上記フレームストローブ信号から上記検出タイミングまでの時間Sを計算し、
S=((k-1)/N)(Tp-D)
ここで、Nは上記ビデオストリーム信号の最大ライン数であり、上記フレームストローブ信号のフレーム周期であり、Dは上記ビデオストリーム信号の各ライン間のデットタイムであり、
上記フレームストローブ信号に上記時間Sを加算することで上記検出タイミングを検出することを特徴とする請求項5記載の同期タイミング検出システム。

【請求項8】
上記同期タイミング抽出処理部は、上記光信号の特徴点タイミングが、上記ビデオストリーム信号の隣接する2つのラインの開始タイミング間で補間した時刻と一致するときに当該一致したタイミングを検出タイミングとして出力することを特徴とする請求項1~4のうちのいずれか1つに記載の同期タイミング検出システム。

【請求項9】
請求項4~8のうちのいずれか1つに記載の同期タイミング検出システムを備え、
上記計測処理部は、上記検出タイミングと、上記受信された音響信号の受信タイミングとの時間差から上記音響信号の伝搬時間を計算し、当該伝搬時間に音響信号の伝搬速度を乗算することにより、上記送信装置と上記受信装置との間の距離を計算することを特徴とする測距システム。

【請求項10】
請求項9記載の測距システムを備え、
上記送信装置は、互いに異なる位置に設けられる複数のスピーカであって、互いに異なる周波数を有する複数の音響信号、もしくは同一の周波数を有し所定の時間差で順次送信される複数の音響信号をそれぞれ送信する複数のスピーカを備え、
上記計測処理部は、複数の音響信号に基づいて、上記複数のスピーカと上記受信装置との間の各距離を計算し、上記計算した各距離に基づいて上記受信装置の位置を測位することを特徴とする測位システム。

【請求項11】
所定の周期を有する同期タイミングカーブ信号に従って同期して変調された光信号を発生して送信する送信装置と、
上記光信号を受信する受信装置とを備えた同期タイミング検出システムのための同期タイミング検出方法であって、
ローリングシャッター効果を有するビデオカメラが、上記光信号を撮像して、複数のラインを含むビデオストリーム信号及びフレームストローブ信号を含む画像信号を発生して出力するステップと、
同期タイミング抽出処理部が、上記同期タイミングカーブ信号と同一の同期タイミングカーブ信号を発生し、上記ビデオストリーム信号と当該発生した同期タイミングカーブ信号との相関値を計算し、最大の相関値を検索基準として上記光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力するステップとを含むことを特徴とする同期タイミング検出方法。

【請求項12】
上記同期タイミングカーブ信号は、上記画像信号のフレーム周期の2倍の周期を有する信号であって、奇数次調波成分から構成される信号であることを特徴とする請求項11記載の同期タイミング検出方法。

【請求項13】
計測処理部が、上記検出タイミングを上記ビデオストリーム信号の各ラインと比較することで、上記フレームストローブ信号を基準とする上記検出タイミングの時刻を、所定の同期タイミングとして検出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項11又は12記載の同期タイミング検出方法。

【請求項14】
同期タイミング検出システムのための受信装置であって、
上記受信装置は、
ローリングシャッター効果を有するビデオカメラであって、所定の周期を有する同期タイミングカーブ信号に従って変調された光信号を撮像して、複数のラインを含むビデオストリーム信号及びフレームストローブ信号を含む画像信号を発生して出力するビデオカメラと、
上記ビデオストリーム信号と所定の同期タイミングカーブ信号との相関値を計算し、最大の相関値を検索基準として上記光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力する同期タイミング抽出処理部と、
上記検出タイミングを上記ビデオストリーム信号の各ラインと比較することで、上記フレームストローブ信号を基準とする上記検出タイミングの時刻を、所定の同期タイミングとして検出する計測処理部とを備えることを特徴とする受信装置。

【請求項15】
上記同期タイミングカーブ信号は、上記画像信号のフレーム周期の2倍の周期を有する信号であって、奇数次調波成分から構成される信号であることを特徴とする請求項14記載の受信装置。

【請求項16】
コンピュータにより実行される、同期タイミング検出システムのための受信装置用プログラムであって、
ローリングシャッター効果を有するビデオカメラにより、所定の周期を有する同期タイミングカーブ信号に従って変調されて受信された変調光信号を撮像して、複数のラインを含むビデオストリーム信号及びフレームストローブ信号を含む画像信号が発生されて出力されるビデオストリーム信号と上記同期タイミングカーブ信号との相関値を計算し、最大の相関値を検索基準として上記変調光信号の特徴点タイミングを検出して当該検出タイミングを出力するステップと、
上記検出タイミングを上記ビデオストリーム信号の各ラインと比較することで、上記フレームストローブ信号を基準とする上記検出タイミングの時刻を、所定の同期タイミングとして検出するステップとを含むことを特徴とする、コンピュータにより実行されるプログラム。

【請求項17】
上記同期タイミングカーブ信号は、上記画像信号のフレーム周期の2倍の周期を有する信号であって、奇数次調波成分から構成される信号である請求項15記載のプログラム。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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出願権利状態 公開
※ 情報・システム研究機構 国立情報学研究所(NII)は、我が国唯一の情報系に特化した研究所です。NIIでは、外部資金による研究成果の社会還元を中心に、技術移転活動に積極的に取り組んでいます。上記の発明にライセンス対象や共同開発対象として関心をお持ちいただいた方は、国立情報学研究所 社会連携推進室までお気軽にお問合せください。


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