光送信装置、光受信装置、及び光通信システム
【課題】複数の発光素子が配列された光源を用いた光通信において、誤り率を向上させることができるようにする。
【解決手段】階層分割部３０によって、複数種類の空間周波数成分が対応する複数の階層に分類された複数の送信データに対して、それぞれの階層に分類されたデータ毎に誤り訂正符号化部３２によって誤り訂正符号化を行い，それぞれの階層に対応する誤り訂正符号化された送信データを重畳部３４によって１つの信号に重畳することで階層的符号化を実現し、これをバイアス部３６によってバイアスを加え、駆動信号生成部３８によって各発光素子に対する輝度値データに変換することで、それぞれの送信データを前記複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、各空間周波数成分が混在したパターンとして前記複数の発光素子を点灯させ，データ伝送を実現する。
【解決手段】階層分割部３０によって、複数種類の空間周波数成分が対応する複数の階層に分類された複数の送信データに対して、それぞれの階層に分類されたデータ毎に誤り訂正符号化部３２によって誤り訂正符号化を行い，それぞれの階層に対応する誤り訂正符号化された送信データを重畳部３４によって１つの信号に重畳することで階層的符号化を実現し、これをバイアス部３６によってバイアスを加え、駆動信号生成部３８によって各発光素子に対する輝度値データに変換することで、それぞれの送信データを前記複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、各空間周波数成分が混在したパターンとして前記複数の発光素子を点灯させ，データ伝送を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置、光受信装置、及び光通信システムに係り、特に、複数の発光素子の点灯によってデータ通信を行う光送信装置、光受信装置、及び光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、可視光を使った通信方式が知られている（例えば、特許文献１）。特に、複数のＬＥＤを利用した光空間通信では、個々のＬＥＤをそれぞれ変調して情報伝送を行う。受信側では、カメラで取得した個々のＬＥＤの位置、及び輝度情報から復調を行う。
【０００３】
このとき、送受信装置間の距離が離れている場合、カメラの受信画像でＬＥＤが重なり合ってしまい、個々のＬＥＤを識別できなくなる。ＬＥＤが重なり合い、個々のＬＥＤが識別できない受信画像は、高周波数成分が失われ、低周波数成分が多い画像である。つまり、送受信機間の距離が遠い場合に得られる受信画像は、高周波数成分が劣化しており、低周波数成分が多く残った画像となっている。
【０００４】
このような個々のＬＥＤが重なり合った低周波数成分の画像からでも、重要なデータだけは取り出せるようにした方法として、階層的符号化が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許公開２０１０−２８４８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の発明者は、階層的符号化を用いた光送信装置、光受信装置、及び光通信システムを既に特許出願している（特許公開２０１０−２８４８１）。この方法によれば、送受信機間の距離が長い場合には高優先度データのみ、送受信間距離が短い場合には高優先度データに加えて低優先度データも受信できる。しかしながら、上記の階層的符号化は２次元高速ハールウェーブレット変換などの２次元直交変換に基づくため設計の自由度が低く、十分な誤り率が得られないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、誤り率を向上させることができる光送信装置、光受信装置、及び光通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る光送信装置は、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む構成となっている。
【０００９】
第１の発明に係る光送信装置によれば、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データに対して、それぞれの階層に分類された送信データの少なくとも1つに対し、誤り訂正符号化を行う。次にこれらの階層に分かれた送信データを１つの信号に重畳することで、それぞれの送信データを前記複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、階層的符号化を実現する。
【００１０】
次に複数の階層に対応する送信データを複数の発光素子からなる発光素子群に割り当て、複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、複数の階層に対応する送信データを、各空間周波数成分が混在したパターンとして、複数の発光素子群の輝度値データに変換し、輝度値データに基づいて発光素子を点灯させる。
【００１１】
このように、複数種類の空間周波数成分が対応する階層毎に、送信データを独立に生成でき、また複数種類に階層化されたデータは単純な重畳により階層的符号化を実現できるため、従来技術のような高速ハールウェーブレット変換に基づく階層的符号化で問題となった、ＬＥＤ数が４のべき乗で無ければならない、正方配置で無ければならない、などの制約が無くなる。さらに、単純な重畳により階層的符号化を実現するために装置構成が簡単であり、演算量も小さくなる。
【００１２】
従って、ＬＥＤ信号機のようにＬＥＤを丸く配置した場合、一時停止の規制標識のようにＬＥＤを逆三角形に配置した場合でも複数種類の空間周波数成分に分かれた階層的符号化が実現できることになり、設計の自由度が向上し、結果として誤り率を向上できる。
【００１３】
第２の発明に係る光受信装置は、上記の第１の発明に係る光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行う復号化手段とを含んで構成されている。
【００１４】
第２の発明に係る光受信装置によれば、撮像手段によって、上記の第１の発明に係る光送信装置の複数の発光素子を撮像する。復調手段によって、撮像手段によって撮像された画像が表わす複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に復調あるいは復調と誤り訂正復号を行う。低い空間周波数成分の画像は送受信間距離が長くても劣化無く撮像されるため低い空間周波数成分に割り当てられた送信データは誤り無く受信できる。従って、低い周波数成分に割り当てられた送信データから順に復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで、送受信間距離に応じて各階層に割り当てられたデータの再生ができる。
【００１５】
第３の発明に係る光通信システムは、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置と上記の光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで送信データを再生する光受信装置とを含んで構成されている。
【００１６】
このような光通信システムを用いることで、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データを重畳することで階層的符号化を実現できるため、従来技術のような高速ハールウェーブレット変換に基づく階層的符号化より装置構成が簡単であり、演算量も小さくなる。よって、結果として階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００１７】
第４の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置を含む構成となっている。
【００１８】
このように、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化を行うことで、各空間周波数成分に適した誤り訂正符号化を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００１９】
第５の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、各々符号化率が異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置を含む構成となっている。
【００２０】
このように、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、各々符号化率が異なる誤り訂正符号化を行うことで、各空間周波数成分により適した誤り訂正符号化を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２１】
第６の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い重畳送信データと輝度値を対応させることで重畳送信データの変調を行い、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段と、を含む光送信装置を含む構成となっている。
【００２２】
このように、複数の階層に分類された複数の空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い、重畳送信データと輝度値を対応させることで、他の空間周波数成分に対応する階層のデータの影響を減少させることができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２３】
第７の発明に係る光受信装置は、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除く復調手法を含んで構成されている。
【００２４】
このように、復調において、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除くことができ、各空間周波数成分に対応する階層の送信データについて、他の空間周波数成分の影響を受けずに、誤り訂正を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２５】
第８の発明に係る光受信装置は、上記の第７の発明に係る光受信装置で再生した送信データに対し、上記第４の発明に係る光送信装置および第５の発明に係る光送信装置および第６の発明に係る光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行うことで該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データから減算する減算手段を含む構成となっている。
【００２６】
こうすることで、複数の階層に対応する空間周波数成分毎に誤り訂正符号化が行われた送信データに対して、低い空間周波数成分に割り当てられた送信データがそれより高い周波数成分に割り当てられた送信データに与える干渉を除去することができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２７】
第９の発明に係る光受信装置は、上記第８の発明に係る光受信装置において再生した送信データに対し、上記第４の発明に係る光送信装置および第５の発明に係る光送信装置および第６の発明に係る光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行い、それぞれの発光素子が周りの発光素子へ与える干渉と光通信路の特徴を表すフィルタを通すことで、該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを発光素子の輝度値データから減算することで該送信データが他の階層のデータに与える影響を取り除く手段を含む構成となっている。
【００２８】
こうすることで、複数の階層に対応する空間周波数成分毎に誤り訂正符号化が行われた送信データに対して、低い空間周波数成分に割り当てられた送信データがそれより高い周波数成分に割り当てられた送信データに与える干渉を該送信データに対応する発光素子が周りの発光素子に与える干渉と光通信路特徴を表すフィルタの両者を用いてより正確に表すことができるため、干渉の影響がより軽減できるようになり、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２９】
第１０の発明に係る光受信装置は、上記第８の発明に係る光受信装置および第９の発明に係る光受信装置の一連の手段を繰り返し実行することで受信誤り率特性を改善する手段を含む構成となっている。
【００３０】
このように上記第８の発明に係る光受信装置および第９の発明に係る光受信装置の一連の手段を繰り返し行うことで、各空間周波数成分に割り当てられた送信データを精度良く復調し、復号することができるようになるばかりでなく、該データを用いて該データに対応する発光素子が周りの発光素子に与える干渉と光通信路特徴を表すフィルタの両者を用いて該データによる干渉をより正確に表すことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明の光送信装置、光受信装置、及び光通信システムによれば、各階層の送信データを重畳することで階層的符号化を実現し、また、他の階層の影響を受けないように低い空間周波数成分に割り当てられたデータから順に復調、誤り訂正復号を行うことで各空間周波数成分に対応する階層の送信データについて、他の空間周波数成分の影響を取り除くことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る光通信システムの光送信装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光通信システムの光受信装置の構成を示す概略図である。
【図３】（ａ）高優先度データを空間周波数が最も低くなるようにＬＥＤアレイに割り当てたイメージ図、（ｂ）は低優先度データを空間周波数が最も高くなるようにＬＥＤアレイに割り当てたイメージ図、（ａ’）高優先度データをＬＥＤアレイ全体の１／４のＬＥＤが同じように点滅するようにＬＥＤアレイを割り当てたイメージ図、及び（ｂ’）低優先度データを２×２の４個のＬＥＤに割り当てたイメージ図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光送信装置の信号生成部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の本実施の形態に係る高優先度データのＢＥＲ特性と従来方法（特許公開２０１０−２８４８１）によるＢＥＲ特性を比較したグラフ。
【図７】本発明の本実施の形態に係る低優先度データのＢＥＲ特性と従来方法（特許公開２０１０−２８４８１）によるＢＥＲ特性を比較したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、車両に搭載された車載カメラと、ＬＥＤ信号機との間で、光通信によってデータを送受信する光通信システムに、本発明を適用した場合を例に説明する。
＜実施形態＞
実施の形態に係る光通信システムは、例えば、ＬＥＤ信号機の複数のＬＥＤ発光素子を用いて構成され、それらのＬＥＤを高速に点滅させてデータを送信する光送信装置１２と、車両に搭載された光受信装置１４とを備えている。
【００３４】
図１に示すように、光送信装置１２は、ＬＥＤ信号機に設けられ、かつ、複数のＬＥＤを二次元配列（例えば、１６×１６）した発光源としてのＬＥＤアレイ２６と送信データ生成装置２２で生成された送信データからＬＥＤアレイを駆動するための信号を生成する信号生成部２４を備えている。
【００３５】
光送信装置１２のＬＥＤアレイ２６の複数のＬＥＤは、任意の形に並べられている。本実施の形態では、ＬＥＤが１６×１６の正方行列上に配置された２５６個のＬＥＤから構成される場合について説明する。ｕ行ｖ列の位置に配置されているＬＥＤをＬＥＤ（ｕ,ｖ）と表わし、ｕ、ｖは１, ２, . . . ,１６である。
【００３６】
また、信号生成部２４では送信データ生成装置２２で送信された送信データを各ＬＥＤの輝度値に変換する。各ＬＥＤは、点灯および消灯によって輝度を変化させるが、本実施の形態では、その輝度を高速に変化させるため、人間の目では輝度の変化をはっきりと見ることが出来ない。また、並べられたＬＥＤ全てを用いる必要はなく、一部のＬＥＤのみの輝度を変化させるようにしてもよい。
【００３７】
図４に示すように、信号生成部２４ではＬＥＤアレイ２６を駆動するための信号を生成する。
信号生成部２４は階層分離部３０、誤り訂正符号化部３２、重畳部３４、バイアス部３６、駆動信号生成部３８を備えている。
【００３８】
階層分離部３０では、データの優先度毎に複数種類の空間周波数成分が対応するようにデータを複数の階層に分離する。
例えば、２種類の階層に分離されたデータを考える。これを高優先度データと低優先度データとする。
【００３９】
階層分離部３０では、高優先度データを低空間周波数成分に、低優先度データを高空間周波数成分に割り当てる。これは、ＬＥＤアレイのどのＬＥＤを用いて高優先度データあるいは低優先度データを伝送するのかを対応づけることになる。
【００４０】
図３に高優先度データと低優先度データをＬＥＤアレイに割り当てた場合の一例を示す。図３（ａ）は高優先度データを空間周波数が最も低くなるようにＬＥＤアレイに割り当てた場合であり、ＬＥＤアレイ全体、すなわち全てのＬＥＤが同じように点滅することで高優先度データを伝送する。図３（ｂ）は低優先度データを空間周波数が最も高くなるようにＬＥＤアレイに割り当てた場合であり、２５６個のＬＥＤがそれぞれ個別に低優先度データを伝送する。こうすることで、高優先度データはＬＥＤアレイのＬＥＤ全てを用いて伝送するため、通信距離が遠くとも画像として認識できることになる。これは低空間周波数成分に高優先度データを割り当てていることになり、よって、遠距離でも通信ができることになる。一方、低優先度データに対しては高空間周波数成分に割り当てているため、通信距離が遠くなると画像の劣化のため、個々のＬＥＤの識別が困難となり受信できなくなる。図３（ａ’）は高優先度データをＬＥＤアレイ全体の１／４のＬＥＤが同じように点滅することで高優先度データを伝送する場合であり、図３（ｂ’）は低優先度データを２×２の４個のＬＥＤに割り当てて低優先度データを伝送する場合である。
【００４１】
以下、高優先度データは図３（ａ）、低優先度データは図３（ｂ）のように割り当てるものとして説明する。
誤り訂正符号化部３２では、階層分離部３０によってデータの優先度毎に複数種類の空間周波数成分が対応するように分類されたデータが入力され、そのデータに対してそれぞれの階層に応じた誤り訂正符号化処理が施されることで、その階層の優先度データが生成される。それぞれの優先度データは重畳部３４にて重畳、すなわち各誤り訂正符号化部３２で誤り訂正符号化された各優先度信号を加算することで階層的符号化を実現している。そしてバイアス部３６でバイアスが与えられ、駆動信号生成部３８によりＬＥＤアレイ２６を駆動する信号を生成する。
【００４２】
重畳部３４では、各優先度信号を重畳することで階層的符号化を実現する。
例えば、誤り訂正符号化後の高優先度信号が｛−１，＋１｝の値を取り、誤り訂正符号化後の低優先度信号も同様に｛−１，＋１｝の値を取る場合、重畳された信号は｛−２，０，＋２｝の３値を取る。
【００４３】
バイアス部３６では、重畳された信号に対し、バイアスを加える。これにより出力は｛０，＋２，＋４｝の３値に変換される。
駆動信号生成部３８では、バイアスされた信号を用いＬＥＤアレイを駆動するための信号を生成する。例えば、個々のＬＥＤを０〜２５５の輝度値で制御する場合、バイアス部の出力を対応する輝度値、例えば｛０，１２８，２５５｝に変換する。そして、駆動信号生成部３８によって生成された駆動信号に基づいて、ＬＥＤアレイ２６を点滅させて、送信すべきデータを送信する。
【００４４】
光受信装置１４は、図２に示すように、車載の光通信用カメラ（２次元イメージセンサ）で構成され、かつ、光送信装置１２のＬＥＤアレイ２６を高速に連続して撮像する高速カメラ５２と、高速カメラ５２によって撮像された撮像画像に対して、種々の画像処理を行って、デジタルデータである画像を生成すると共に、生成された画像に基づいて、データ復調を行なう画像処理部５４とを備えている。光受信装置１４は、画像処理部５２の出力データを、受信データとして出力装置５６に出力する。
【００４５】
正規化部６４では輝度値取得部６２の出力に対し、正規化を行い、階層信号受信部６６へ入力され、それぞれの階層に対応する優先度データが再生される。
ここで、階層信号受信部６６は、優先度の高いデータから順にデータ再生を行う。
【００４６】
階層信号受信部６６は、光通信路等化部７２、平均部７４、誤り訂正復号部７６、しきい値判定部７８を含んで構成される。
光通信路等化部７２では、正規化部の出力、すなわち光通信路を通ってきた光信号に対して光通信路等化を施し、光信号の歪みを修正する。
【００４７】
光通信路等化後の信号は平均部７４にて平均をとる。ここで、平均は該優先度データの領域で平均をとる。たとえば、高優先度データを図３（ａ）のようにＬＥＤアレイの全てのＬＥＤに割り当てている場合、ＬＥＤ（ｕ,ｖ）の全てのＬＥＤ（２５６個）で平均をとる。正規化、光通信路等化後の信号が｛−１，０，＋１｝を取るものとすると、高優先度データは全てのＬＥＤで同じ値、すなわち｛−１，＋１｝のいずれかであるのに対し、低優先度データはＬＥＤ毎に異なることになる。ここで、低優先度データも｛−１，＋１｝のいずれかであるため、これを全てＬＥＤで平均をとると、平均値は概ね０に収束する。これより、低優先度データによる干渉の影響無く高優先度データが再生できる。
【００４８】
平均部７４の出力は誤り訂正復号部７６にて誤りが訂正され、さらにしきい値判定部７８によってデータが再生される。以上の処理は優先度の高いデータから順に行う。
次に高優先度データについては、階層信号再生成部６７にて、該階層の信号が再生成された後、干渉除去部６８によって、正規化部６４の出力から該階層信号による干渉成分が除去される。
【００４９】
階層信号再生成部６７は、誤り訂正符号化部８２、光通信路フィルタ部８４を含んで構成される。
しきい値判定部７８によって再生されたデータは、光送信装置１２と同じ誤り訂正符号部８２によって誤り訂正符号化され、光通信路フィルタ部８４にて該優先度信号が再生される。この信号を用いて干渉除去部６８によって該信号が他の階層信号に与える干渉を除去する。ここでは階層信号再生成部６７によって再生された信号を正規化部６４の出力から減算する単純な操作を行うものとする。
【００５０】
例えば、高優先度データと低優先度データの２階層のデータが重畳されて伝送される場合、最初の階層信号受信部６６では高優先度データが再生される。
再生された高優先度データをもとに、階層信号再生成部６７にて高優先度信号が再生される。正しくデータが再生された場合、この高優先度信号は｛−１，＋１｝のいずれかの値を持つ。
【００５１】
これを正規化部６４の出力から減算する。先に述べたように正規化部６４の出力は｛−１，０，＋１｝の３値をとるが、干渉除去部６８において高優先度信号を減算するため、その出力は｛−１，＋１｝の値をもつ信号となる。
【００５２】
以上のように高優先度データが与える干渉を取り除いた信号、すなわち干渉除去部６８の出力は階層信号受信部６６にて低優先度データが再生される。なお、この階層信号受信部６６の平均部７４においては低優先度データのデータ領域で平均をとる。低優先度データは図３（ｂ）のように、個々のＬＥＤにデータを割り当てているため平均をとる領域は１である。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る階層的符号化に関する実験結果について説明する。
実験は、従来方法として、特許公開２０１０−２８４８１の階層的符号化にハールウェーブレット変換を用いた場合と、本実施の形態である重畳により階層的符号化を行った場合とを行った。
【００５４】
実験諸元を表１に示す。
【００５５】
【表１】
実験においては、通信距離を２０ｍ〜７０ｍとし、５ｍごとに静止環境で測定した。図６は従来方法と本実施の形態に係る階層的符号化による高優先度データのＢＥＲ特性を示しており、実線は本実施の形態に係る階層的符号化を用いた時のＢＥＲ特性であり、点線は従来方法を用いた時のＢＥＲ特性を示している。
【００５６】
図６より、本実施の方法の高優先度データは通信距離２０ｍ〜７０ｍの区間で誤り訂正符号（ターボ符号）を用いた場合は言うに及ばず、誤り訂正符号を用いない場合でもエラーフリーを達成した。一方、従来方法では、誤り訂正符号（ターボ符号）を用いた場合はエラーフリーとなったが、誤り訂正符号を用いない場合は３５ｍまでしかエラーフリーとならない。
【００５７】
従来方法では、階層的符号化を行うためにウェーブレット変換を採用しているため、設計の自由度が低く、結果として、本実施の方法のように低い空間周波数成分を利用することができない。加えて、輝度値が５値を取るため、輝度値が正確に得られないと受信に失敗してしまう。一方、本実施の方法では、従来方法より低い空間周波数成分に高優先度データを割り当てることができ、かつ、輝度値も３値であり、受信時のロバスト性が向上している。以上の理由により、従来方法より誤り率が向上できる。
【００５８】
図７に従来方法と本実施の形態に係る階層的符号化による低優先度データのＢＥＲ特性を示す。図７より誤り訂正符号（ターボ符号）が無い場合は、従来方法および本実施の方法では、ほぼ同じＢＥＲ特性であり、両者に優位な差は見られない。一方、誤り訂正符号（ターボ符号）の効果は、従来方法および本実施の方法の両者で顕著であり、本実施の方法では、４５ｍまでエラーフリーを達成している。しかし、従来方法では３５ｍまでしかエラーフリーを達成できていない。以上より、本実施の方法は低優先度データに対しても誤り率の向上ができることが分かる。
【００５９】
なお、上記の実施の形態では、２つの階層に分類された場合について例を示したが２つ以上の階層に分類する場合でも良い。
また、２つの階層に分類された高優先度データと低優先度データに対して、同じ誤り訂正符号化を行った例を示したが、これに限定されるものでは無く、各優先度毎に異なる誤り訂正符号化、あるいは誤り訂正符号化を行わない場合を含めても良い。
【００６０】
また、発光素子として、ＬＥＤを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、発光素子として、レーザーダイオード（ＬＤ）を用いても良い。
また、送信データに対して定められた優先度に基づいて、送信データを階層に分類する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、予め階層に分類された送信データが、光送信装置に入力されるようにしてもよい。
【００６１】
また、信号生成部２４は、階層分離部３０により、送信データを３種以上（例えば、３種、４種、５種、６種・・・）に分離し、それらを重畳部３４において重畳してもよい。その場合、信号生成部２４は、送信データを分離する数に応じた誤り訂正符号部３２を備えればよい。
【００６２】
また、光受信装置１４は、送信データを上記のように３種以上に分離する場合は、図５に示す画像処理部５４の構成を、送信データの種類の数と同じ数の階層信号受信部６６、階層信号再生成部６７、干渉除去部６８を持つ構成になるように変えればよい。
【符号の説明】
【００６３】
１２ 光送信装置
１４ 光受信装置
２２ 送信データ生成装置
２４ 信号生成部
２６ ＬＥＤアレイ
３０ 階層分離部
３２ 誤り訂正符号化部
３４ 重畳部
３６ バイアス部
３８ 駆動信号生成部
５２ 高速カメラ
５４ 画像処理部
５６ 出力装置
６２ 輝度値取得部
６４ 正規化部
６６ 階層信号受信部
６７ 階層信号再生成部
６８ 干渉除去部
７２ 光通信路等化部
７４ 平均部
７６ 誤り訂正復号部
７８ しきい値判定部
８２ 誤り訂正符号化部
８４ 光通信路フィルタ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置、光受信装置、及び光通信システムに係り、特に、複数の発光素子の点灯によってデータ通信を行う光送信装置、光受信装置、及び光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、可視光を使った通信方式が知られている（例えば、特許文献１）。特に、複数のＬＥＤを利用した光空間通信では、個々のＬＥＤをそれぞれ変調して情報伝送を行う。受信側では、カメラで取得した個々のＬＥＤの位置、及び輝度情報から復調を行う。
【０００３】
このとき、送受信装置間の距離が離れている場合、カメラの受信画像でＬＥＤが重なり合ってしまい、個々のＬＥＤを識別できなくなる。ＬＥＤが重なり合い、個々のＬＥＤが識別できない受信画像は、高周波数成分が失われ、低周波数成分が多い画像である。つまり、送受信機間の距離が遠い場合に得られる受信画像は、高周波数成分が劣化しており、低周波数成分が多く残った画像となっている。
【０００４】
このような個々のＬＥＤが重なり合った低周波数成分の画像からでも、重要なデータだけは取り出せるようにした方法として、階層的符号化が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許公開２０１０−２８４８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の発明者は、階層的符号化を用いた光送信装置、光受信装置、及び光通信システムを既に特許出願している（特許公開２０１０−２８４８１）。この方法によれば、送受信機間の距離が長い場合には高優先度データのみ、送受信間距離が短い場合には高優先度データに加えて低優先度データも受信できる。しかしながら、上記の階層的符号化は２次元高速ハールウェーブレット変換などの２次元直交変換に基づくため設計の自由度が低く、十分な誤り率が得られないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、誤り率を向上させることができる光送信装置、光受信装置、及び光通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る光送信装置は、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む構成となっている。
【０００９】
第１の発明に係る光送信装置によれば、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データに対して、それぞれの階層に分類された送信データの少なくとも1つに対し、誤り訂正符号化を行う。次にこれらの階層に分かれた送信データを１つの信号に重畳することで、それぞれの送信データを前記複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、階層的符号化を実現する。
【００１０】
次に複数の階層に対応する送信データを複数の発光素子からなる発光素子群に割り当て、複数の階層の各々に対応する空間周波数成分に分離されたパターンとみなし、複数の階層に対応する送信データを、各空間周波数成分が混在したパターンとして、複数の発光素子群の輝度値データに変換し、輝度値データに基づいて発光素子を点灯させる。
【００１１】
このように、複数種類の空間周波数成分が対応する階層毎に、送信データを独立に生成でき、また複数種類に階層化されたデータは単純な重畳により階層的符号化を実現できるため、従来技術のような高速ハールウェーブレット変換に基づく階層的符号化で問題となった、ＬＥＤ数が４のべき乗で無ければならない、正方配置で無ければならない、などの制約が無くなる。さらに、単純な重畳により階層的符号化を実現するために装置構成が簡単であり、演算量も小さくなる。
【００１２】
従って、ＬＥＤ信号機のようにＬＥＤを丸く配置した場合、一時停止の規制標識のようにＬＥＤを逆三角形に配置した場合でも複数種類の空間周波数成分に分かれた階層的符号化が実現できることになり、設計の自由度が向上し、結果として誤り率を向上できる。
【００１３】
第２の発明に係る光受信装置は、上記の第１の発明に係る光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行う復号化手段とを含んで構成されている。
【００１４】
第２の発明に係る光受信装置によれば、撮像手段によって、上記の第１の発明に係る光送信装置の複数の発光素子を撮像する。復調手段によって、撮像手段によって撮像された画像が表わす複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に復調あるいは復調と誤り訂正復号を行う。低い空間周波数成分の画像は送受信間距離が長くても劣化無く撮像されるため低い空間周波数成分に割り当てられた送信データは誤り無く受信できる。従って、低い周波数成分に割り当てられた送信データから順に復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで、送受信間距離に応じて各階層に割り当てられたデータの再生ができる。
【００１５】
第３の発明に係る光通信システムは、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置と上記の光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで送信データを再生する光受信装置とを含んで構成されている。
【００１６】
このような光通信システムを用いることで、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データを重畳することで階層的符号化を実現できるため、従来技術のような高速ハールウェーブレット変換に基づく階層的符号化より装置構成が簡単であり、演算量も小さくなる。よって、結果として階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００１７】
第４の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置を含む構成となっている。
【００１８】
このように、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化を行うことで、各空間周波数成分に適した誤り訂正符号化を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００１９】
第５の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、各々符号化率が異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段とを含む光送信装置を含む構成となっている。
【００２０】
このように、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、各々符号化率が異なる誤り訂正符号化を行うことで、各空間周波数成分により適した誤り訂正符号化を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２１】
第６の発明に係る光送信装置によれば、複数の発光素子が配列された光源と、複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって行う誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、前記空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い重畳送信データと輝度値を対応させることで重畳送信データの変調を行い、前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段と、を含む光送信装置を含む構成となっている。
【００２２】
このように、複数の階層に分類された複数の空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い、重畳送信データと輝度値を対応させることで、他の空間周波数成分に対応する階層のデータの影響を減少させることができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２３】
第７の発明に係る光受信装置は、前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除く復調手法を含んで構成されている。
【００２４】
このように、復調において、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除くことができ、各空間周波数成分に対応する階層の送信データについて、他の空間周波数成分の影響を受けずに、誤り訂正を行うことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２５】
第８の発明に係る光受信装置は、上記の第７の発明に係る光受信装置で再生した送信データに対し、上記第４の発明に係る光送信装置および第５の発明に係る光送信装置および第６の発明に係る光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行うことで該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データから減算する減算手段を含む構成となっている。
【００２６】
こうすることで、複数の階層に対応する空間周波数成分毎に誤り訂正符号化が行われた送信データに対して、低い空間周波数成分に割り当てられた送信データがそれより高い周波数成分に割り当てられた送信データに与える干渉を除去することができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２７】
第９の発明に係る光受信装置は、上記第８の発明に係る光受信装置において再生した送信データに対し、上記第４の発明に係る光送信装置および第５の発明に係る光送信装置および第６の発明に係る光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行い、それぞれの発光素子が周りの発光素子へ与える干渉と光通信路の特徴を表すフィルタを通すことで、該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを発光素子の輝度値データから減算することで該送信データが他の階層のデータに与える影響を取り除く手段を含む構成となっている。
【００２８】
こうすることで、複数の階層に対応する空間周波数成分毎に誤り訂正符号化が行われた送信データに対して、低い空間周波数成分に割り当てられた送信データがそれより高い周波数成分に割り当てられた送信データに与える干渉を該送信データに対応する発光素子が周りの発光素子に与える干渉と光通信路特徴を表すフィルタの両者を用いてより正確に表すことができるため、干渉の影響がより軽減できるようになり、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【００２９】
第１０の発明に係る光受信装置は、上記第８の発明に係る光受信装置および第９の発明に係る光受信装置の一連の手段を繰り返し実行することで受信誤り率特性を改善する手段を含む構成となっている。
【００３０】
このように上記第８の発明に係る光受信装置および第９の発明に係る光受信装置の一連の手段を繰り返し行うことで、各空間周波数成分に割り当てられた送信データを精度良く復調し、復号することができるようになるばかりでなく、該データを用いて該データに対応する発光素子が周りの発光素子に与える干渉と光通信路特徴を表すフィルタの両者を用いて該データによる干渉をより正確に表すことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明の光送信装置、光受信装置、及び光通信システムによれば、各階層の送信データを重畳することで階層的符号化を実現し、また、他の階層の影響を受けないように低い空間周波数成分に割り当てられたデータから順に復調、誤り訂正復号を行うことで各空間周波数成分に対応する階層の送信データについて、他の空間周波数成分の影響を取り除くことができるため、階層的符号化を用いた光通信において、誤り率を向上させることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る光通信システムの光送信装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光通信システムの光受信装置の構成を示す概略図である。
【図３】（ａ）高優先度データを空間周波数が最も低くなるようにＬＥＤアレイに割り当てたイメージ図、（ｂ）は低優先度データを空間周波数が最も高くなるようにＬＥＤアレイに割り当てたイメージ図、（ａ’）高優先度データをＬＥＤアレイ全体の１／４のＬＥＤが同じように点滅するようにＬＥＤアレイを割り当てたイメージ図、及び（ｂ’）低優先度データを２×２の４個のＬＥＤに割り当てたイメージ図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光送信装置の信号生成部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光受信装置の画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の本実施の形態に係る高優先度データのＢＥＲ特性と従来方法（特許公開２０１０−２８４８１）によるＢＥＲ特性を比較したグラフ。
【図７】本発明の本実施の形態に係る低優先度データのＢＥＲ特性と従来方法（特許公開２０１０−２８４８１）によるＢＥＲ特性を比較したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、車両に搭載された車載カメラと、ＬＥＤ信号機との間で、光通信によってデータを送受信する光通信システムに、本発明を適用した場合を例に説明する。
＜実施形態＞
実施の形態に係る光通信システムは、例えば、ＬＥＤ信号機の複数のＬＥＤ発光素子を用いて構成され、それらのＬＥＤを高速に点滅させてデータを送信する光送信装置１２と、車両に搭載された光受信装置１４とを備えている。
【００３４】
図１に示すように、光送信装置１２は、ＬＥＤ信号機に設けられ、かつ、複数のＬＥＤを二次元配列（例えば、１６×１６）した発光源としてのＬＥＤアレイ２６と送信データ生成装置２２で生成された送信データからＬＥＤアレイを駆動するための信号を生成する信号生成部２４を備えている。
【００３５】
光送信装置１２のＬＥＤアレイ２６の複数のＬＥＤは、任意の形に並べられている。本実施の形態では、ＬＥＤが１６×１６の正方行列上に配置された２５６個のＬＥＤから構成される場合について説明する。ｕ行ｖ列の位置に配置されているＬＥＤをＬＥＤ（ｕ,ｖ）と表わし、ｕ、ｖは１, ２, . . . ,１６である。
【００３６】
また、信号生成部２４では送信データ生成装置２２で送信された送信データを各ＬＥＤの輝度値に変換する。各ＬＥＤは、点灯および消灯によって輝度を変化させるが、本実施の形態では、その輝度を高速に変化させるため、人間の目では輝度の変化をはっきりと見ることが出来ない。また、並べられたＬＥＤ全てを用いる必要はなく、一部のＬＥＤのみの輝度を変化させるようにしてもよい。
【００３７】
図４に示すように、信号生成部２４ではＬＥＤアレイ２６を駆動するための信号を生成する。
信号生成部２４は階層分離部３０、誤り訂正符号化部３２、重畳部３４、バイアス部３６、駆動信号生成部３８を備えている。
【００３８】
階層分離部３０では、データの優先度毎に複数種類の空間周波数成分が対応するようにデータを複数の階層に分離する。
例えば、２種類の階層に分離されたデータを考える。これを高優先度データと低優先度データとする。
【００３９】
階層分離部３０では、高優先度データを低空間周波数成分に、低優先度データを高空間周波数成分に割り当てる。これは、ＬＥＤアレイのどのＬＥＤを用いて高優先度データあるいは低優先度データを伝送するのかを対応づけることになる。
【００４０】
図３に高優先度データと低優先度データをＬＥＤアレイに割り当てた場合の一例を示す。図３（ａ）は高優先度データを空間周波数が最も低くなるようにＬＥＤアレイに割り当てた場合であり、ＬＥＤアレイ全体、すなわち全てのＬＥＤが同じように点滅することで高優先度データを伝送する。図３（ｂ）は低優先度データを空間周波数が最も高くなるようにＬＥＤアレイに割り当てた場合であり、２５６個のＬＥＤがそれぞれ個別に低優先度データを伝送する。こうすることで、高優先度データはＬＥＤアレイのＬＥＤ全てを用いて伝送するため、通信距離が遠くとも画像として認識できることになる。これは低空間周波数成分に高優先度データを割り当てていることになり、よって、遠距離でも通信ができることになる。一方、低優先度データに対しては高空間周波数成分に割り当てているため、通信距離が遠くなると画像の劣化のため、個々のＬＥＤの識別が困難となり受信できなくなる。図３（ａ’）は高優先度データをＬＥＤアレイ全体の１／４のＬＥＤが同じように点滅することで高優先度データを伝送する場合であり、図３（ｂ’）は低優先度データを２×２の４個のＬＥＤに割り当てて低優先度データを伝送する場合である。
【００４１】
以下、高優先度データは図３（ａ）、低優先度データは図３（ｂ）のように割り当てるものとして説明する。
誤り訂正符号化部３２では、階層分離部３０によってデータの優先度毎に複数種類の空間周波数成分が対応するように分類されたデータが入力され、そのデータに対してそれぞれの階層に応じた誤り訂正符号化処理が施されることで、その階層の優先度データが生成される。それぞれの優先度データは重畳部３４にて重畳、すなわち各誤り訂正符号化部３２で誤り訂正符号化された各優先度信号を加算することで階層的符号化を実現している。そしてバイアス部３６でバイアスが与えられ、駆動信号生成部３８によりＬＥＤアレイ２６を駆動する信号を生成する。
【００４２】
重畳部３４では、各優先度信号を重畳することで階層的符号化を実現する。
例えば、誤り訂正符号化後の高優先度信号が｛−１，＋１｝の値を取り、誤り訂正符号化後の低優先度信号も同様に｛−１，＋１｝の値を取る場合、重畳された信号は｛−２，０，＋２｝の３値を取る。
【００４３】
バイアス部３６では、重畳された信号に対し、バイアスを加える。これにより出力は｛０，＋２，＋４｝の３値に変換される。
駆動信号生成部３８では、バイアスされた信号を用いＬＥＤアレイを駆動するための信号を生成する。例えば、個々のＬＥＤを０〜２５５の輝度値で制御する場合、バイアス部の出力を対応する輝度値、例えば｛０，１２８，２５５｝に変換する。そして、駆動信号生成部３８によって生成された駆動信号に基づいて、ＬＥＤアレイ２６を点滅させて、送信すべきデータを送信する。
【００４４】
光受信装置１４は、図２に示すように、車載の光通信用カメラ（２次元イメージセンサ）で構成され、かつ、光送信装置１２のＬＥＤアレイ２６を高速に連続して撮像する高速カメラ５２と、高速カメラ５２によって撮像された撮像画像に対して、種々の画像処理を行って、デジタルデータである画像を生成すると共に、生成された画像に基づいて、データ復調を行なう画像処理部５４とを備えている。光受信装置１４は、画像処理部５２の出力データを、受信データとして出力装置５６に出力する。
【００４５】
正規化部６４では輝度値取得部６２の出力に対し、正規化を行い、階層信号受信部６６へ入力され、それぞれの階層に対応する優先度データが再生される。
ここで、階層信号受信部６６は、優先度の高いデータから順にデータ再生を行う。
【００４６】
階層信号受信部６６は、光通信路等化部７２、平均部７４、誤り訂正復号部７６、しきい値判定部７８を含んで構成される。
光通信路等化部７２では、正規化部の出力、すなわち光通信路を通ってきた光信号に対して光通信路等化を施し、光信号の歪みを修正する。
【００４７】
光通信路等化後の信号は平均部７４にて平均をとる。ここで、平均は該優先度データの領域で平均をとる。たとえば、高優先度データを図３（ａ）のようにＬＥＤアレイの全てのＬＥＤに割り当てている場合、ＬＥＤ（ｕ,ｖ）の全てのＬＥＤ（２５６個）で平均をとる。正規化、光通信路等化後の信号が｛−１，０，＋１｝を取るものとすると、高優先度データは全てのＬＥＤで同じ値、すなわち｛−１，＋１｝のいずれかであるのに対し、低優先度データはＬＥＤ毎に異なることになる。ここで、低優先度データも｛−１，＋１｝のいずれかであるため、これを全てＬＥＤで平均をとると、平均値は概ね０に収束する。これより、低優先度データによる干渉の影響無く高優先度データが再生できる。
【００４８】
平均部７４の出力は誤り訂正復号部７６にて誤りが訂正され、さらにしきい値判定部７８によってデータが再生される。以上の処理は優先度の高いデータから順に行う。
次に高優先度データについては、階層信号再生成部６７にて、該階層の信号が再生成された後、干渉除去部６８によって、正規化部６４の出力から該階層信号による干渉成分が除去される。
【００４９】
階層信号再生成部６７は、誤り訂正符号化部８２、光通信路フィルタ部８４を含んで構成される。
しきい値判定部７８によって再生されたデータは、光送信装置１２と同じ誤り訂正符号部８２によって誤り訂正符号化され、光通信路フィルタ部８４にて該優先度信号が再生される。この信号を用いて干渉除去部６８によって該信号が他の階層信号に与える干渉を除去する。ここでは階層信号再生成部６７によって再生された信号を正規化部６４の出力から減算する単純な操作を行うものとする。
【００５０】
例えば、高優先度データと低優先度データの２階層のデータが重畳されて伝送される場合、最初の階層信号受信部６６では高優先度データが再生される。
再生された高優先度データをもとに、階層信号再生成部６７にて高優先度信号が再生される。正しくデータが再生された場合、この高優先度信号は｛−１，＋１｝のいずれかの値を持つ。
【００５１】
これを正規化部６４の出力から減算する。先に述べたように正規化部６４の出力は｛−１，０，＋１｝の３値をとるが、干渉除去部６８において高優先度信号を減算するため、その出力は｛−１，＋１｝の値をもつ信号となる。
【００５２】
以上のように高優先度データが与える干渉を取り除いた信号、すなわち干渉除去部６８の出力は階層信号受信部６６にて低優先度データが再生される。なお、この階層信号受信部６６の平均部７４においては低優先度データのデータ領域で平均をとる。低優先度データは図３（ｂ）のように、個々のＬＥＤにデータを割り当てているため平均をとる領域は１である。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る階層的符号化に関する実験結果について説明する。
実験は、従来方法として、特許公開２０１０−２８４８１の階層的符号化にハールウェーブレット変換を用いた場合と、本実施の形態である重畳により階層的符号化を行った場合とを行った。
【００５４】
実験諸元を表１に示す。
【００５５】
【表１】
実験においては、通信距離を２０ｍ〜７０ｍとし、５ｍごとに静止環境で測定した。図６は従来方法と本実施の形態に係る階層的符号化による高優先度データのＢＥＲ特性を示しており、実線は本実施の形態に係る階層的符号化を用いた時のＢＥＲ特性であり、点線は従来方法を用いた時のＢＥＲ特性を示している。
【００５６】
図６より、本実施の方法の高優先度データは通信距離２０ｍ〜７０ｍの区間で誤り訂正符号（ターボ符号）を用いた場合は言うに及ばず、誤り訂正符号を用いない場合でもエラーフリーを達成した。一方、従来方法では、誤り訂正符号（ターボ符号）を用いた場合はエラーフリーとなったが、誤り訂正符号を用いない場合は３５ｍまでしかエラーフリーとならない。
【００５７】
従来方法では、階層的符号化を行うためにウェーブレット変換を採用しているため、設計の自由度が低く、結果として、本実施の方法のように低い空間周波数成分を利用することができない。加えて、輝度値が５値を取るため、輝度値が正確に得られないと受信に失敗してしまう。一方、本実施の方法では、従来方法より低い空間周波数成分に高優先度データを割り当てることができ、かつ、輝度値も３値であり、受信時のロバスト性が向上している。以上の理由により、従来方法より誤り率が向上できる。
【００５８】
図７に従来方法と本実施の形態に係る階層的符号化による低優先度データのＢＥＲ特性を示す。図７より誤り訂正符号（ターボ符号）が無い場合は、従来方法および本実施の方法では、ほぼ同じＢＥＲ特性であり、両者に優位な差は見られない。一方、誤り訂正符号（ターボ符号）の効果は、従来方法および本実施の方法の両者で顕著であり、本実施の方法では、４５ｍまでエラーフリーを達成している。しかし、従来方法では３５ｍまでしかエラーフリーを達成できていない。以上より、本実施の方法は低優先度データに対しても誤り率の向上ができることが分かる。
【００５９】
なお、上記の実施の形態では、２つの階層に分類された場合について例を示したが２つ以上の階層に分類する場合でも良い。
また、２つの階層に分類された高優先度データと低優先度データに対して、同じ誤り訂正符号化を行った例を示したが、これに限定されるものでは無く、各優先度毎に異なる誤り訂正符号化、あるいは誤り訂正符号化を行わない場合を含めても良い。
【００６０】
また、発光素子として、ＬＥＤを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、発光素子として、レーザーダイオード（ＬＤ）を用いても良い。
また、送信データに対して定められた優先度に基づいて、送信データを階層に分類する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、予め階層に分類された送信データが、光送信装置に入力されるようにしてもよい。
【００６１】
また、信号生成部２４は、階層分離部３０により、送信データを３種以上（例えば、３種、４種、５種、６種・・・）に分離し、それらを重畳部３４において重畳してもよい。その場合、信号生成部２４は、送信データを分離する数に応じた誤り訂正符号部３２を備えればよい。
【００６２】
また、光受信装置１４は、送信データを上記のように３種以上に分離する場合は、図５に示す画像処理部５４の構成を、送信データの種類の数と同じ数の階層信号受信部６６、階層信号再生成部６７、干渉除去部６８を持つ構成になるように変えればよい。
【符号の説明】
【００６３】
１２ 光送信装置
１４ 光受信装置
２２ 送信データ生成装置
２４ 信号生成部
２６ ＬＥＤアレイ
３０ 階層分離部
３２ 誤り訂正符号化部
３４ 重畳部
３６ バイアス部
３８ 駆動信号生成部
５２ 高速カメラ
５４ 画像処理部
５６ 出力装置
６２ 輝度値取得部
６４ 正規化部
６６ 階層信号受信部
６７ 階層信号再生成部
６８ 干渉除去部
７２ 光通信路等化部
７４ 平均部
７６ 誤り訂正復号部
７８ しきい値判定部
８２ 誤り訂正符号化部
８４ 光通信路フィルタ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子が配列された光源と、
複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、
前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、
前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段と、
を含む光送信装置。
【請求項２】
前記訂正符号化手段は、誤り訂正符号化を行う送信データについては、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって訂正符号化を行うことを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項３】
前記異なる誤り訂正符号化方式とは、各々符号化率が異なる訂正符号化方式であることを特徴とする請求項２記載の光送信装置。
【請求項４】
前記点灯制御手段は、前記空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い重畳送信データと輝度値を対応させることで重畳送信データの変調を行うことを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項記載の光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで送信データを再生する光受信装置。
【請求項６】
前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除く復調手法を含むことを特徴とする請求項５記載の光受信装置。
【請求項７】
再生した送信データに対し、前記光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行うことで該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データから減算する減算手段を含むことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の光受信装置。
【請求項８】
前記減算手段は、再生した送信データに対し、前記光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行い、それぞれの発光素子が周りの発光素子へ与える干渉と光通信路の特徴を表すフィルタを通すことで、該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを発光素子の輝度値データから減算することを特徴とする請求項７記載の光受信装置。
【請求項９】
前記減算手段は、その処理を繰り返し実行することを特徴とする請求項７又は請求項８記載の光受信装置。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信装置と、請求項５〜９のいずれか１項に記載の光受信装置と、から構成される光通信システム。
【請求項１】
複数の発光素子が配列された光源と、
複数種類の空間周波数成分が対応するように定められた複数の階層に分類された複数の送信データの少なくとも１つに対し、誤り訂正符号化を行う訂正符号化手段と、
前記訂正符号化手段による誤り訂正符号化の後、前記複数の送信データを１つの信号に重畳して重畳送信データを生成する重畳送信データ生成手段と、
前記重畳送信データのパターンに基づいて前記複数の発光素子を点灯させる点灯制御手段と、
を含む光送信装置。
【請求項２】
前記訂正符号化手段は、誤り訂正符号化を行う送信データについては、複数の階層に分類された複数の送信データ毎に、異なる誤り訂正符号化方式によって訂正符号化を行うことを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項３】
前記異なる誤り訂正符号化方式とは、各々符号化率が異なる訂正符号化方式であることを特徴とする請求項２記載の光送信装置。
【請求項４】
前記点灯制御手段は、前記空間周波数成分に対応する輝度値分布に従い重畳送信データと輝度値を対応させることで重畳送信データの変調を行うことを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項記載の光送信装置の前記複数の発光素子を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、低い空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子から成る複数の発光素子群に割り当てられた送信データから順に、復調あるいは復調と誤り訂正復号を行うことで送信データを再生する光受信装置。
【請求項６】
前記撮像手段によって撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データを、それぞれの階層の空間周波数成分に対応する前記複数の発光素子群に割り当てられた該送信データの領域で平均を取ることで、該空間周波数成分より高い空間周波数成分に割り当てられた送信データの影響を取り除く復調手法を含むことを特徴とする請求項５記載の光受信装置。
【請求項７】
再生した送信データに対し、前記光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行うことで該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを撮像された画像が表わす前記複数の発光素子の輝度値データから減算する減算手段を含むことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の光受信装置。
【請求項８】
前記減算手段は、再生した送信データに対し、前記光送信装置と同様に誤り訂正符号化、データ変調を行い、それぞれの発光素子が周りの発光素子へ与える干渉と光通信路の特徴を表すフィルタを通すことで、該階層の複数の発光素子の輝度値データを再生成し、それを発光素子の輝度値データから減算することを特徴とする請求項７記載の光受信装置。
【請求項９】
前記減算手段は、その処理を繰り返し実行することを特徴とする請求項７又は請求項８記載の光受信装置。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信装置と、請求項５〜９のいずれか１項に記載の光受信装置と、から構成される光通信システム。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【図７】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６５３０２（Ｐ２０１２−１６５３０２Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７１６（Ｐ２０１１−２５７１６）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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