カメラを用いた可視光通信の高速化のための回転式LED送信機

3.　回転式LED送信機を用いたISCシステムモデル

図5に回転式LED送信機を用いたISCのシステムモデルを示す。送信機の構成，及び，動作については概ね第2章で説明した通りであることから，ここでは受信機の動作について説明する。

受信機はカメラ，画像処理部，デコーダーで構成されている。まず，回転式LED送信機が回転しながら送信するデータをカメラが画像として捉える。画像処理部ではその撮影画像から回転毎の点灯パターン（つまり，LED光の残像）の位置を検出し，それらを輝度値として抽出する。

デコーダーでは抽出された輝度値を基にデータを復調する。本研究ではOOK変調された信号が送信されてくるため，デコーダーでは輝度値を閾値判定し，設定した閾値以上であれば‘1’，そうでなければ‘0’と判定する。

4.　実験

第3章で説明したシステムモデルを用いて通信実験を行った。表1に実験パラメータを示す。ここでデータ伝送角度範囲について説明する。図4で示した通り，300 rpmで回転する送信機を撮影速度 5 fpsのカメラで撮影した場合，点灯パターン180度分を1枚の画像で捉えられる。

しかしながら，図4から分かるように，捉えられた点灯パターンの左端と右端では，点灯パターン同士が重なってしまう。これは本送信機が垂直軸を中心に回転することに起因しており，重なった点灯パターンからデータを復調するのは困難である。

そこで，捉えられた点灯パターンの画像の中心から±30°の範囲（合計60°の範囲）をデータ伝送角度範囲と設定し，受信機ではこの範囲の信号を復調した。

図6に実験風景を示す。この図のように，送信機のLEDと受信機のカメラが互いに向かい合うように送受信機を設置した。そして，送受信機間の通信距離を変えながら通信実験を行い，ビット誤り率を測定して本通信システムの復調性能を評価した。本実験では，カメラで捉えられた回転毎のLED点灯パターンの位置は既知とした。また，復調時に用いる閾値は，LEDの点灯時と消灯時の輝度値を基に事前に決めた値を用いた。

実験結果のグラフは文献^11）に掲載されているものを参照していただきたく，本稿では割愛する。実験の結果，通信距離2.5 mまで誤りが発生することなく，エラーフリーを達成した。また，距離3.0 mからエラーが発生することも確認した。本稿では説明を割愛したが，筆者らは事前に通信実験のシミュレーションも行っており，シミュレーション結果と実験結果を文献11）では比較している。

比較の結果，2つのグラフが似たようなカーブを描いていることから，実験で得られた通信性能の妥当性は十分であると結論付けた。本結果で示した通信距離を短く感じるかもしれないが，本実験で用いたチップLEDのサイズは非常に小さいものであり，カメラのセンサ上に写る大きさも非常に小さい。そのサイズは通信距離が長くなるにつれてさらに小さくなり，ある距離を超えるとカメラのセンサではチップLEDを認識できなくなってしまう。

その距離が本実験のパラメータでは約4 m前後であり，エラーが生じたことを裏付ける結果となっている。通信距離をさらに延ばすためには，LEDの物理的なサイズを大きくする，もしくは，カメラレンズの焦点距離を大きくすればよい。

回転式LED送信機を用いたこの実験での通信速度は2.7 kbps であった。なお，表1のパラメータを用いて9個のLEDが回転せずにOOK変調された信号を送信する従来手法の場合の通信速度は45 bpsである。このことから，今回の回転式LED送信機を用いた実験では従来手法の60倍の通信速度向上に成功したと言える。この通信速度はLED数を増やすなどパラメータを変更することでさらに増加可能である。