立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (C) ］

視覚障害者支援のための頑健かつ高精度な屋内可視光位置認識
Robust and Accurate Indoor Visible Light Positioning for Assisting the Visually Impaired2197006

研究代表者

北海道大学大学院
情報科学研究科

博士後期課程嶋田祥太

・二次元測位精度が 1 m 未満であること[研 究 の 目 的]・方位を推定可能なシステムであること
本研究の目的は，視覚障害者のための音声案[研究の内容，成果］

内普及である。現在世界で約 3 億，日本で約150 万人の視覚障害者がいる。国土交通省によると，国内で視覚障害者の駅構内転落事故が年提案手法に 100 件程度発生しているなど，音声案内の重提案手法の目標は屋内に存在する携帯端末の要性が指摘されている [1]。音声案内は専用の

6 自由度 (x, y, z)，(θ  , θ  , θ ) を推定すること端末ではなく，近年保有率が急増しているスである。概要は図 1 で示される。

マートフォン (スマホ) によるものが有効とされ，スマホ保持者を駅構内で乗車口の前まで案内するといった応用のためには，スマホの位置を高精度に認識する必要がある。そして危険回避のために，様々な環境に対し頑健であるべきである。我々はこれを，可視光通信の知見を用いて達成し，視覚障害者が安心できる世の中を実現する。しかし，既存の実システムでは，測位精度の不足が指摘されている。例えば国土交通省により平成 29 年に行われた調査では，屋

図1

提案手法の概要

内ナビゲーション手法に電波を用いた場合における測位性能の悪さや，方位が計算できないこ

スマートフォンは未知の座標 3 次元座標 (x,とによって，目的地に行く際に迷ってしまう，y, z) に存在する。本研究はカメラを用いた手進むべき方向がわからない，などといったユー法であるので，この 3 次元座標は正確には撮像ザエクスペリエンスの低下が指摘されている素子の位置情報を示している。この時の端末の[2]。本研究では高精度な屋内スマートフォン

姿勢 (傾き) をそれぞれピッチ角，ロール角，測位手法の提案によりこれら応用例を実現可能ヨー角と呼ぶ。伝送路モデル構築のためにまずとするため，満たすべき要件を次のように定めは理想的な環境として，天井と床のみが存在すた。

る空間を想定し，図 1 のように，3 つ以上のLED を天井に設置する。天井と床面は X-Y 平― 1 ―立石科学技術振興財団

面に並行であるとし，3 つ以上の LED を天井

まず送信機は LED を正弦波で変調する。時に設置する。床面の Z 座標は 0，天井の Z 座

刻 t における k 番目の LED の発光強度 b (t)標，すなわち高さは z とする。この時ユーザは次の式で表される。に与えられる k 番目の LED の既知の 3 次元座b (t)=sin (2πt (A f +m))+α標を (x , y , z) とする。LED をただ 1 つだ(1)

け点灯させた場合，床面は LED の光を反射す

f  は信号の基本周波数，m は周波数キャリアる。カメラでこの床を撮影した場合，その明るのインデックス，α は b (t) が負の値とならなさは LED からの距離によって減衰し，暗くないよう追加される DC バイアス，A は信号がる。提案手法では，スマートフォンカメラでこちらつかないよう十分高い周波数を確保するたの明るさを計測し，LED 直下と撮影された床めの任意自然数である。ただし，信号同士が干面間の距離を推定することでターゲットの位置渉しないようにするため，各 LED に異なるを計算する。

m を割り当てる必要がある。
次に受信機は各 LED のキャリアインデック

この時，課題が 3 点存在する。実際には点灯ス情報を事前に取得しカメラを用いて光を検出している LED が複数存在するため，これらする。そして信号の受信強度を周波数解析によLED を識別する必要がある点，互いの変調光り求める。カメラのフレームレートを f =f ，が重なり合い，干渉する点，低速で動作する動フレーム周期を T=1/f ，撮影する画像の枚

画カメラに対し，変調光は人の目に有害な刺激

数 を N =f  と す る。サ ン ブ リ ン グ 定 理 よ り，を与えないようちらつきを感じさせない設計にm<N/ 2 を 満 た す 必 要 が あ り，検 出 で き るする必要がある点，である。

LED の数は最大で N/2−1 である。このとき，これらを解決するために，各 LED は直流印

各 LED から送信された床面反射光 b (t) をカ加 直 交 周 波 数 分 割 多 重 (DC-biased optical-メラで撮影し，n 番目に得る画像に注目する。

orthogonal frequency division multiplexing :撮像素子の動作は時間領域に対して積分的であDCO-OFDM) 方式 [3] を用いて各 LED は固るので，露光時間比を η，シャッタスビードを有に割り当てられた周波数の正弦波で変調されηTとし，カメラが得る輝度 I はる。これによって環境光や LED 同士の干渉を2πX dT最小限にし，可能な限り多くの LED を検出でI =∑きる。そして，カメラが床面を向いた状態で撮 bt+δT +nT dt
 0



(2)

影すると，図 1 のように，床面の一部を抽出でである。ただし，δ は信号に対するシャッタタ

き，画素ごとに撮影した床面の明るさから，エイミングの遅れで，X d は距離d と伝送効率イリアス，距離減衰，周波数フィルタを考慮しによって決まる受信信号の減衰関数である。

た周波数解析を行うと，その座標を推定できる。

従って，本研究の目的である距離d の計算は，そして撮影された各画素と床面の射影関係にI を用いたX d の逆関数により達成される。

よって，画像平面の 6 自由度，すなわちスマー 1C  2πX dd= ∑cos h 1ρ |B|T

トフォンの 6 自由度を推定する。以上の手順を要約する。

(3)

ここで，ρ は光の反射光の拡散度合いを表す係・LED 直下と撮影された床面間の距離推定数，C  は k 番目の LED が持つ固有のパワーの・推定された床面の座標推定関連する係数である。これらの係数は計測時に・スマートフォンの 6 自由度推定推定するか，計測前にキャリブレーションを行― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

Hz として記録される。

う。
受信機は，事前に取得する各 LED の配置と，各計測点で推定された座標の重心は図 3 の円上式より得られた各 LED からの距離を用いて，で示され，P からのずれが矢印で示される。

3 辺測量の原理によって二次元位置を推定する。

すなわちこの図は各測定点における系統誤差をそして，画像内の複数のピクセルを用いて同様示している。系統誤差が非常に少ない箇所との手順を行うと，画像内のピクセル配置と，推10 cm 以上の系統誤差が存在する箇所が見て取定される二次元座標の射影関係を表すカメラ行れた。全体として，いずれかの LED に近い箇列によって 6 自由度が推定できる。

所では精度がよく，カバレッジの外縁部付近で精度が悪化していることがわかる。このことか

計測実験

ら，提案手法におけるカバレッジの限界が示唆

二次元測位の環境：まず，スマートフォンの 2されている。推定された全ての位置による絶対次元座標を推定する実験を行なった。実験環境

誤差の累積分布関数は図 3 で示され，90 パーは図 2 で示される。特に断りのない限り，実験センタイル誤差 0.42 m 未満を達成できることは全て下記の条件で行った。iPhone 7 を人が手が確認された。応用例として述べた，高精度なで持つことを想定し，三脚を用いて高さ 1.15

屋内ナビゲーションに必要な測位誤差 1 m 以m に固定，背面カメラを地面に正対させた。

内を満たしている。

影や遮蔽ができないよう周辺の障害を取り払っ

6 自由度推定：同様の環境で，スマートフォンた。LED ビーコンを高さ 2.6 m の天井に設置の姿勢をいくつか変更し，角度推定への影響をし，各 LED 0, 1, 2, 3 の二次元座標はそれぞれ調査した。人がスマートフォンを持つことを想(1, 0.5)，(1, 3.0)，(3.2, 0.5)，(3.2, 3.0) で，こ定し，ロール角，ピッチ角，ヨー角をそれぞれれは，実験環境における既存照明と同じ配置として設定された。また，LED は間隔が近すぎな い 適 当 な 周 波 数 と し て，m= (1, 6, 13, 20)(k=0, 1, 2, 3) とした。すなわち，LED はそれ
ぞれ 101, 106, 113, 120 Hz で変調される。これは折り返し雑音により，カメラでは 1, 6, 13, 20図2計測環境― 3 ―図3LED の配置と測位結果

図4

測位結果の累積分布関数

立石科学技術振興財団

る。これは，直接光源を撮影する手法と比較して，測位精度に大きな差はない一方で，LEDの設置間隔を 2.0 m 以上と大きくできることに起因している。
[今後の研究の方向，課題］
本研究では，床面反射光をモデル化し，床面を 撮 影 し た カ メ ラ の 画 像 を 用 い て，複 数 の
図56 自由度推定結果の各条件における 90 パーセンタイ
ル誤差

LED−撮影点間の距離から撮影画像の二次元座標を求める手法を提案した。さらに，画像内から撮影した床座標を複数用いて，到来角推定によってスマートフォンの 6 自由度を推定する方法を提案した。今後は，提案手法を実際の応用例へと適用すべく，実環境での大規模な実験に取り組む。
[成果の発表，論文等］
1．嶋田，橋爪，杉本：LED 照明の床面反射光を利用したスマートフォン可視光測位システム，電子情報通 信 学 会 論 文 誌，Vol. J104-D, No. 4, pp. 308-317

図6(2021)．

パフォーマンスインデックスの比較

2．Shimada, S., Hashizume, H., Sugimoto, M. : RefRec :Indoor Positioning Using a Camera Recording Floor−30 度から 30 度，0 度から 30 度，0 度から 90

Reflections of Lights, In Proceedings of UBICOMM度までとし，それぞれ 10 度ずつ変更してス

2022, Nice, France, pp. 55-63, 2020.

マートフォンの姿勢を 100 回ずつ推定した。各角度の推定結果より，得られた角度の 90 パー
セ ン タ イ ル 誤 差 を 図 5 で 示 す。各 角 度 の 90
パーセンタイル誤差の平均は，ピッチ，ロール，
ヨ ー で そ れ ぞ れ 5.78 度，5.69 度，3.96 度 であった。

[参 考 文 献][1]

国土交通省，“新技術等を活用した駅ホームにおけ る 視 覚 障 害 者 の 安 全 対 策 検 討 会，
”https : //www. mlit. go. jp/tetudo/tetudo_fr7_000032. html. 参照 Dec 2020．
[ 2 ] 国 土 交 通 省，
“第 7 回 位 置 情 報 基 盤 WG，”
https : //www.gsi.go.jp/sokuchikijun/ ichikibanWG

考察_7.html. 参照 Dec 2020．

まず，カバレッジと LED 配置数に関して考察 す る。Afzalan ら は，測 位 精 度 に 対 す る
LED 配置数の少なさと，カバレッジの広さを[ 3 ] 嶋 田 祥 太，橋 爪 宏 達，杉 本 雅 則，
“CMOS イメージセンサを用いた OFDM 速可視光通信，”電子情報通信学会論文誌 B，vol. 102，no. 8，pp. 605613，2019．

示す指標として，パフォーマンスインデックス[ 4 ] M. Afzalan and F. Jazizadeh, “Indoor positioning(PerformanceIndex : PI) を提案した [4]。提based on visible light communication : A perfor-

案手法の PI は 0.0675 であり，他の先行研究と比較して非常に低く，良い値であることがわか― 4 ―mance-based survey of real-world prototypes,”
ACM Computing Surveys, vol. 52, no. 2, pp. 1-36,
2019. DOI : 10.1145/3299769.

Tateisi Science and Technology Foundation[5]

Y. -S. Kuo, P. Pannuto, K. -J. Hsiao, and P. Dutta,[ 7 ] C. Zhang and X. Zhang, “Pulsar : Towards“Luxapose : Indoor positioning with mobile phones

ubiquitous visible light localization,” Proceedings ofand visible light,” Proceedings of the 20th annual

the 23rd Annual International Conference on Mobileinternational conference on Mobile computing andComputing and Networking, pp. 208-221, 2017. DOI :networking, pp. 447-458, 2014. DOI : 10. 1145/2639108.2639109.
[6]10.1145/3117811.3117821.
[ 8 ] L. Li, P. Xie, and J. Wang, “Rainbowlight :Z. Yang, Z. Wang, J. Zhang, C. Huang, and Q.

Towards low cost ambient light positioning withZhang, “Wearables can afford : Light-weight indoor

mobile phones,” Proceedings of the 24th Annual

positioning with visible light,” Proceedings of theInternational Conference on Mobile Computing and13th Annual International Conference on MobileNetworking, pp. 445-457, 2018. DOI : 10. 1145/Systems, Applications, and Services, pp. 317-330,3241539.3241545.

2015. DOI : 10.1145/2742647.2742648.

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