JP4511246B2 - 光学識別情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学的な信号を発するタグにより、タグの付された対象物を識別するための光学識別情報取得装置の構成に関する。

人や物を識別し位置を特定するための光学タグが研究されている（たとえば、非特許文献１、非特許文献２を参照）。

このような光学タグの目的として、拡張現実感（Augmented Reality）システムやコンテキストアウェアネスサービスなどへの適用が想定されている。

光学タグは、無線や超音波方式のタグとは違い、光源の点滅信号をイメージセンサが撮影するため、比較的長距離（数ｍ）から、少数の構成（最少で１つの発信機と１つの受信機）で、精度の高い位置特定と、タグの付された対象物の識別のための識別情報取得（ＩＤ取得）を同時に行うことができる。

一方で、受信側に使用する識別情報取得装置（ＩＤトラッカ）に内蔵したイメージセンサは、フォトダイオードの高密度アレイであり、ダイナミックレンジが狭く低感度であるため、受信速度を上げることができないという問題がある。

このため、多くの光学タグ研究では、数バイト程度のＩＤなどを点滅により送信し、トラッカが受信したＩＤをもとに、ＬＡＮなどのネットワークを経由して、データベースから各種サービス用のデータを得ている（たとえば、非特許文献３、非特許文献４を参照）。
D. Moore, R. Want, B. Harrison, A. Gujar, and K. Fishkin: "Implementing Phicons: Combining Computer Vision with InfraRed Technology for Interactive Physical Icons", Proceedings of UIST’99, pp. 67-68, 1999. 松下伸行, 日原大輔, 後輝行, 吉村真一, 暦本純一:"ID Cam: シーンとID を同時に取得可能なスマートカメラ", 情報処理学会論文誌, Vol. 43, No. 12, pp. 3664-3674, 2003. S. Feiner, B. MacIntyre, M. Haupt and E. Solomon: "Windows on the world: 2d windows for 3d augmented reality", Proceedings of UIST’93, pp. 145-155, 1993. Jun Rekimoto, Katashi Nagao: "The World through the Computer: Augmented Interaction with Real World Environment", Proceedings of UIST’95, pp. 29-36, 1995.

図９は、このような従来のＩＤタグ５００．１〜５００．ｎとＩＤトラッカ６００の構成の一例を示す図である。

図９では、ｎ個の観測対象物にそれぞれ付されたＩＤタグ５００．１〜５００．ｎのうち、ＩＤタグ５００．１の構成を代表的に示している。

すなわち、ＩＤタグ５００．１には、赤外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）５０２が設けられ、この赤外線ＬＥＤ５０２がＩＤに対応するビットパターンで発光するように、マイクロコントローラ５０４が制御している。

一方、ＩＤトラッカ６００では、イメージセンサ、たとえば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ６０２が、２次元画像中において発光している赤外線ＬＥＤ５０２を検知し、マイクロコントローラ６０４が、２次元画像データに変換して、モバイルパーソナルコンピュータ７００に送信する。このような２次元画像データ中からは、赤外線ＬＥＤ５０２の発光パターンに対応するビットパターンの識別情報信号を検出できる。モバイルパーソナルコンピュータ７００は、外部ネットワークを介して、識別情報データベースサーバ８００にアクセスして、獲得した識別情報信号に対応する対象物の属性等の情報を得る。

この場合、例えば、あるマシンに取り付けたタグのＩＤをもとに、マシンの稼動状態を参照するサービスを想定すると、マシンの状態を常に反映するデータベースが必要になる。このようなデータベースと外部ネットワークの設置は、設備コストや通信効率、セキュリティの面から望ましいとは言えない。

本発明の目的は、上記のような従来のアプローチの問題点を解決するためになされたものであって、低コストで通信の高効率化が可能な光学識別情報取得装置を提供することである。

本発明の他の目的は、セキュリティの確保が可能な光学識別情報取得装置を提供することである。

このような目的を達成するために、本発明の光学識別情報取得装置は、複数の対象物を光学的に撮影することにより、複数の対象物をそれぞれ識別するための光学識別情報取得装置であって、複数の対象物にそれぞれ付され、対応する対象物を識別するための識別タグ装置を備え、識別タグ装置は、制御信号に応じて第１の通信期間において対応する対象物を識別する識別情報に対応した第１の発光パターンで光を送出し、制御信号に応じて第１の通信期間とは異なる第２の通信期間において対応する対象物の識別情報および属性情報を表現するための第２の発光パターンで光を送出する第１の発光手段とを備え、第１の発光手段を制御するための制御信号を受信する第１の受光手段と、属性情報を格納するための第１の記憶手段とを含み、識別タグ装置からの光を受けて、識別情報に基づいて、識別タグ装置の位置を特定し、属性情報を獲得するとともに、制御信号を識別タグ装置に対して送出する識別情報追跡装置をさらに備え、識別情報追跡装置は、識別タグ装置からの光を２次元画像として撮影するための撮影手段と、属性情報を受信するための第２の受光手段と、制御信号を送出するための第２の発光手段と、撮影手段および第２の発光手段を制御するための制御手段とを含み、制御手段は、２次元画像中において第１の発光パターンに基づいて識別情報により位置を検知された識別タグ装置を順次選択して、選択された識別タグ装置ごとに第２の発光パターンで属性情報の送出を行わせるための制御信号を第２の発光手段から送出させる。

好ましくは、第１の発光パターンは、第２の発光パターンよりも低速で変化するパターンである。

好ましくは、第１の記憶手段は、対応する識別タグ装置に固有な第１の秘密鍵を格納し、識別情報追跡装置は、固有な第２の秘密鍵を格納するための第２の記憶手段をさらに含み、識別タグ装置と記識別情報追跡装置との間の通信は、相手方の秘密鍵に対応する公開鍵により暗号化される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

本発明では、以下に詳しく説明するとおり、光学タグ自身によるデータ記録と、光学タグ−トラッカ間の通信の高速化により、タグとトラッカが直接データを送受信し、外部ネットワークを使用しないシステムの構成をとる。これにより、対象物のステイタス情報などをＩＤトラッカが直接取得可能となり、システムの低コスト化、通信の高効率化が期待できる。

［実施の形態１］
［本発明の構成］
図１は、本発明の光学識別情報取得装置である、光学タグ１０．１〜１０．ｎおよびＩＤトラッカ２０の構成を説明するためのブロック図である。

図１では、ｎ個の観測対象物にそれぞれ付されたＩＤタグ１０．１〜１０．ｎのうち、ＩＤタグ１０．１の構成を代表的に示している。

すなわち、ＩＤタグ１０．１には、赤外線ＬＥＤ１２が設けられる。マイクロコントローラ１６は、後に詳しく説明するように、通信の所定の期間期間において、この赤外線ＬＥＤ１２がＩＤ情報に対応するビットパターンで低速で発光するように制御するとともに、他の所定期間においては、赤外線ＬＥＤ１２がＩＤ情報および対象物の属性等を示すデータ（属性情報）に対応するビットパターンで高速で発光するように制御する。このような対象物の属性情報は、メモリ１８中に格納されている。

さらに、ＩＤタグ１０．１には、フォトダイオード１４が設けられ、ＩＤトラッカ２０からの制御信号を受信する。マイクロコントローラ１６は、この制御信号に基づいて動作する。

一方、ＩＤトラッカ２０では、イメージセンサ、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ２４が、２次元画像中において発光している赤外線ＬＥＤ１２を検知し、マイクロコントローラ２８が、２次元動画像データに変換して、モバイルパーソナルコンピュータ１００に送信する。このような２次元画像データ中からは、赤外線ＬＥＤ１２の低速の発光パターンに対応するビットパターンの識別情報信号を検出できる。さらに、ＩＤトラッカ２０には、フォトダイオード２２も設けられ、フォトダイオード２２は、高速で発光する際の赤外線ＬＥＤ１２からのＩＤ情報および対象物の属性情報に対応する発光パターンをビットパターンに変換したデータをマイクロコントローラ２８に出力する。マイクロコントローラ２８は、これらＣＭＯＳイメージセンサ２４からの出力およびフォトダイオード２２からの出力をモバイルパーソナルコンピュータ１００に送信する。モバイルパーソナルコンピュータ１００は、マイクロコントローラ２８からの信号に基づいて、２次元画像中の赤外線ＬＥＤ１２を識別し、かつその位置を特定するとともに、対象物のＩＤ情報を獲得する。

すなわち、ＩＤタグ１０．１の赤外線ＬＥＤ１２からの発信は、ＩＤタグ１０．１の位置取得を行うためのイメージセンサ２４用の低速発信と、データ通信を行うフォトダイオード２２用の高速発信の２種類とされている。

一方、ＩＤトラッカ２０には、赤外線ＬＥＤ２６がさらに設けられ、赤外線ＬＥＤ２６は、モバイルパーソナルコンピュータ１００の制御の下、マイクロコントローラ２８から与えられる制御信号に対応する高速な発光パターンで発光する。

以上のような構成において、ＩＤタグ１０．１の赤外線ＬＥＤ１２からの固定長のＩＤ情報はマンチェスタ符号化され２００Ｈｚの赤外線信号に変調し発信される。データも同様にマンチェスタ符号化され１０ｋＨｚの赤外線信号に変調し発信される。イメージセンサ２４では、４００Ｈｚのフレームレートで撮影することで、ＩＤ情報の受信と位置情報を取得し、フォトダイオード２２ではデータを受信する。ＩＤトラッカ２０が取得した位置情報、ＩＤ情報、データは、たとえば、ＲＳ−２３２Ｃ等の通信路を経由し、モバイルパーソナルコンピュータ１００へ送られる。

なお、モバイルパーソナルコンピュータ１００は、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）などのウェアラブルデバイスを用いてもよい。

以上のような構成を試験的に実装した場合、４．８ｋｂｐｓの通信速度を確認している。さらに、回路変更を行うことにより、通信速度の向上が期待できる。

また、ＩＲタグ１０．１側からの動的なデータ送信、およびＩＤトラッカ２０側での受信処理機能については、動的に変化する８ビットのデータ列をＩＲタグ１０．１側より随時、２００Ｈｚの赤外線信号として発信し、イメージセンサ２４によるデータの取得を確認した。

すなわち、図１に示した構成では、赤外線ＬＥＤ１２とフォトダイオード２２ならびに赤外線ＬＥＤ２６とフォトダイオード１４とによる赤外線通信の機能を追加することで、通信速度の高速化が図られる。また、ＩＤタグ１０．１を制御するマイクロコントローラ１６に接続されるメモリに、対象物のステイタス情報（対象物の状況変化、対象物の形状、アノテーション等）を記録し、動的なデータ送信と受信処理機能を持たせることで、外部ネットワークを必要としないシステムの構築を可能にする。

すなわち、本システムの特徴は、ユビキタスＩＤセンターのようにＩＤを集中して管理する大規模なシステムを利用せず、小規模なシステムで同様の機能を有するシステムの構築が可能な点である。

（プロトコル）
ＩＤトラッカ２０のフォトダイオード２２では、複数のタグからの信号を同時に受信すると赤外線信号のパターンを誤認識する恐れがある。

そのため、同時に複数のタグから信号を発信させないよう、タグを制御する必要がある。

図２は、このような通信のプロトコルを説明するための通信シーケンス図である。

特定のタグにデータ送信をさせる方法として、まず、ＩＤトラッカ２０はイメージセンサ２４により発信中のＩＤタグのＩＤ情報を検知する（Ｓ０１，Ｓ０２）。次に、ＩＤトラッカ２０は、検知したＩＤ情報を持つＩＤタグのうちの１つ（図中、タグ１）にデータ送信を許可するスタート信号を当該ＩＤタグのＩＤ情報とともに、赤外線ＬＥＤ２６から発信する（Ｓ０３）ことにより、タグ１にデータの送信を始めさせる（Ｓ０４）。

このとき、他のＩＤタグ（図中、タグ２）は、自身以外のＩＤ情報を持つＩＤタグに対して、スタート信号は発せられていることにより、データ送信が不許可であることを認識する（Ｓ０３´）。

タグ１からのデータの受信を完了したＩＤトラッカ２０は、タグ１に対してストップ信号をタグ１のＩＤ情報とともに送信することで、タグ１にデータ送信を停止させる（Ｓ０５）。イメージセンサ２４内の別のタグに対して、これらの処理を繰り返すことで、すべてのタグからデータを取得する（Ｓ０６〜Ｓ０８）。

（アプリケーションの適用例）
本発明のアプリケーションとしては、個々の対象物が持つ個別の情報を組み合わせ、より多くの情報をユーザに提供するシステムを想定している。

まず、上述したようなＩＲタグ１０．１〜１０．ｎから情報を獲得するためのＩＤトラッカ２０およびモバイルパーソナルコンピュータ１００の構成についてさらに説明する。

なお、以下では、モバイルパーソナルコンピュータ１００はＰＤＡであるものとして説明を行う。

［ＰＤＡ１００の構成］
図３は、ＰＤＡ１００の構成をブロック図形式で示す図である。

図３を参照して、ＰＤＡ１００は、メモリカードなどの外部媒体１５０上の情報を読込むための外部媒体ドライブ１１６と、それぞれバスＢＳ１に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit ）１１０と、ＲＯＭ（Read Only Memory)およびＲＡＭ（Random Access Memory）を含むメモリ１１２と、システムにより使用される時刻を提供するためのタイマ１２２とを備える。好ましくは、ＰＤＡ１００は、無線等による接続を用いてＬＡＮとデータの授受を行うための通信インタフェース１１８を備えていてもよい。

さらに、ＰＤＡ１００は、必要に応じてＰＤＡ１００に接続され、ユーザによるデータ入力に使用される入力装置１６０からのデータを受け取るための外部装置インタフェース１２０を備える。この外部装置インタフェース１２０は、観測者２が、その頭部に装着するヘッドセット１４０に装着されたＩＤトラッカ２０からのデータを受け取る。必要に応じて、ＩＤトラッカ２０自身にも、ＩＲタグ１０．ｉが付されていてもよい。

なお、外部媒体１５０は、コンピュータ本体に対してインストールされるプログラム等の情報を記録可能な媒体である。

以上のような構成を有するＰＤＡ１００とＩＤトラッカ２０とを備えるシステムのアプリケーションの例として、以下では、会社や学校でメンバーの在席・退席を表示するホワイトボードから、ＩＤトラッカ２０を持ったユーザがメンバーの状況と履歴を即座に入手できるシステムについて説明する。

図４は、このようなメンバーの在席・退席を表示するホワイトボードの構成の一例を示す図である。

図４を参照して、本システムは実世界にある対象物として、在席管理用ホワイトボード３００、ネームタグ１０．１１〜１０．１４、マグネット１０．２１〜１０．２４から構成される。

図５は、各対象物の有する属性情報であって、ＩＤトラッカ２０が獲得する情報の例を示す図である。

図４に示すとおり、ホワイトボード３００自身にも、ＩＤタグ１０．０１〜１０．０３が付されており、図５のように、固有の属性情報として、ホワイトボード３００は名称、形状、在席や退席といったマグネットを貼り付ける範囲に関する情報を持つ。

すなわち、形状のデータとしては、ホワイトボードの左下角ａと右上角ｂの座標（０，０）および（１２０，９０）がある。

同様に、ホワイトボード３００上の在席の範囲は、その４頂点ｃ、ｄ、ｇ、ｈの座標で与えられ、退席の範囲は、その４頂点ｄ、ｅ、ｈ、ｉの座標で与えれれ、休みの範囲は、その４頂点ｅ、ｆ、ｉ、ｂの座標で与えられる。

また、ネームタグ１０．１１〜１０．１４およびマグネット１０．２１〜１０．２４は、それぞれ光学タグを内蔵し、固有の属性情報として、ネームタグ１０．１１〜１０．１４は名称、形状、所有者名を持ち、マグネット１０．２１〜１０．２４は名称、所有者名、形状、操作時間に関する情報を持つ。形状の情報は、（縦の寸法）×（横の寸法）で表される。

図６は、ＩＤトラッカ２０により取得された情報を基に、ＰＤＡ１００において、ＩＲタグ１０．１１の付された対象物と、ＩＲタグ１０．２１が付された対象物とのホワイトボード上での位置を認識した結果を示す図である。

すなわち、ＩＤトラッカ２０から取得する位置情報と、それぞれのＩＲタグが発信する固有の情報を組み合わせることにより、ＰＤＡ１００においてユーザへの情報が生成される。

図６に示した例では、ＩＲタグ１０．１１の付された対象物が、所有者「太郎」のネームタグであって、その座標が（２５，６５）であり、ＩＲタグ１０．２１の付された対象物が、所有者「太郎」のマグネットであって、その座標が（６０，６５）であることが認識されている。この結果、太郎のマグネットは、「在席」の範囲にあるので、現在、太郎が在席中であると判断できる。

このように、本システムの特徴は、形状が小さくネットワークを接続できない対象物のデータ通信を可能にすることや、外部ネットワークに接続するシステムと仕べ、設備コストを低くすることができる点である。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１では、赤外線ＬＥＤ１２が発する信号も、赤外線ＬＥＤ２６が発する信号も、特に暗号化を行ってはいない。外部ネットワークを用いない分、セキュリティは向上しているといえるものの、このような構成では、タグから発せられる信号に含まれる対象物の属性情報に対するセキュリティが十分とはいえない。

そこで、実施の形態１の変形例として、赤外線ＬＥＤ１２が発する信号も、赤外線ＬＥＤ２６が発する信号も、公開鍵で暗号化した構成について説明する。

図７は、このような実施の形態１の変形例の光学タグ１０．１〜１０．ｎおよびＩＤトラッカ２０の構成を説明するためのブロック図である。

図１の構成と異なる点は、ＩＤトラッカ３０にもメモリ３０が設けられ、このメモリ３０中に、少なくともＩＤトラッカ３０に固有の秘密鍵１が格納される構成となっている点である。さらに、図７では、ＩＲタグ１０．１中のメモリ１８には、少なくともＩＲタグ１０．１に固有の秘密鍵２が格納される。他のＩＲタグについてもそれぞれ固有の秘密鍵が格納される。

このとき、赤外線ＬＥＤ１２が発する信号のうち、属性情報等のデータは、ＩＤトラッカ２０の公開鍵１でマイクロコントローラ１６により暗号化されて送信される。ただし、ＩＤ情報については、平文で送信される。

一方、赤外線ＬＥＤ２６が発する信号のうち、制御信号は、選択したＩＲタグ１０．ｉ（ｉ：ｎ以下の自然数）の公開鍵２でマイクロコントローラ２８により暗号化されて送信される。ただし、ＩＤ情報については、平文で送信される。

なお、送信相手の公開鍵については、予めメモリ１８またはメモリ３０に格納されていてもよい。あるいは、周知の方法で相互認証を行った上で、ＩＲタグ１０．１〜１０．ｎとＩＤトラッカ２０との間で、公開鍵の交換を行ってもよい。

図８は、赤外線ＬＥＤ１２が発する信号の構成の例を示す図である。

ヘッダには、平文でＩＤ情報が含まれ、ボディには、送信相手のＩＤトラッカ２０の公開鍵１で暗号化されたデータが含まれる。

以上のような構成により、ＩＲタグ１０．１〜１０．ｎ、ＩＤトラッカ２０は、相手方から送信されてきた情報を自身の秘密鍵で復号することにより獲得する事ができるが、秘密鍵を知らない装置は、情報の内容を知ることができない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の光学識別情報取得装置である、光学タグ１０．１〜１０．ｎおよびＩＤトラッカ２０の構成を説明するためのブロック図である。 通信のプロトコルを説明するための通信シーケンス図である。 ＰＤＡ１００の構成をブロック図形式で示す図である。 メンバーの在席・退席を表示するホワイトボードの構成の一例を示す図である。 各対象物の有する属性情報であって、ＩＤトラッカ２０が獲得する情報の例を示す図である。 ＩＤトラッカ２０により取得された情報を基に、ＰＤＡ１００において、ＩＲタグ１０．１１の付された対象物と、ＩＲタグ１０．２１が付された対象物とのホワイトボード上での位置を認識した結果を示す図である。 実施の形態１の変形例の光学タグ１０．１〜１０．ｎおよびＩＤトラッカ２０の構成を説明するためのブロック図である。 赤外線ＬＥＤ１２が発する信号の構成の例を示す図である。 従来のＩＤタグ５００．１〜５００．ｎとＩＤトラッカ６００の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１０．１〜１０．ｎ ＩＲタグ、１２ 赤外線ＬＥＤ、１４ フォトダイオード、１６ マイクロコントローラ、１８ メモリ、２０ ＩＤトラッカ、２２ フォトダイオード、２４ 赤外線イメージセンサ、２６ 赤外線ＬＥＤ、２８ マイクロコントローラ、３０ メモリ。

Claims (3)

1. 複数の対象物を光学的に撮影することにより、前記複数の対象物をそれぞれ識別するための光学識別情報取得装置であって、
   前記複数の対象物にそれぞれ付され、対応する前記対象物を識別するための識別タグ装置を備え、
   前記識別タグ装置は、
   制御信号に応じて第１の通信期間において前記対応する対象物を識別する識別情報に対応した第１の発光パターンで光を送出し、前記制御信号に応じて前記第１の通信期間とは異なる第２の通信期間において前記対応する対象物の前記識別情報および属性情報を表現するための第２の発光パターンで光を送出する第１の発光手段とを備え、
   前記第１の発光手段を制御するための前記制御信号を受信する第１の受光手段と、
   前記属性情報を格納するための第１の記憶手段とを含み、
   前記識別タグ装置からの光を受けて、前記識別情報に基づいて、前記識別タグ装置の位置を特定し、前記属性情報を獲得するとともに、前記制御信号を前記識別タグ装置に対して送出する識別情報追跡装置をさらに備え、
   前記識別情報追跡装置は、
   前記識別タグ装置からの光を２次元画像として撮影するための撮影手段と、
   前記属性情報を受信するための第２の受光手段と、
   前記制御信号を送出するための第２の発光手段と、
   前記撮影手段および前記第２の発光手段を制御するための制御手段とを含み、
   前記制御手段は、前記２次元画像中において前記第１の発光パターンに基づいて前記識別情報により前記位置を検知された前記識別タグ装置を順次選択して、選択された前記識別タグ装置ごとに前記第２の発光パターンで前記属性情報の送出を行わせるための前記制御信号を前記第２の発光手段から送出させる、光学識別情報取得装置。
2. 前記第１の発光パターンは、前記第２の発光パターンよりも低速で変化するパターンである、請求項１記載の光学識別情報取得装置。
3. 前記第１の記憶手段は、対応する前記識別タグ装置に固有な第１の秘密鍵を格納し、
   前記識別情報追跡装置は、固有な第２の秘密鍵を格納するための第２の記憶手段をさらに含み、
   前記識別タグ装置と前記識別情報追跡装置との間の通信は、相手方の秘密鍵に対応する公開鍵により暗号化される、請求項１記載の光学識別情報取得装置。

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