LED Tile Block: パターン描画による機能設定可能な相互接続型ブロック型デバイス
秋

田純

一†

マイコン (MCU) や表示デバイス，センサデバイスとブロック間通信機能を持つインテリジェントなブロックを接続してシステム全体を構成し，その動作を制御やプログラムできるブロック型のシステムは，その応用分野も含めて広く研究されている．しかしそれらの基本ブロック自身の機能は固定であり，これがブロック型システムの可能性の制限要因の一つとなる．
本稿では，著者が開発した，マトリクス LED ユニットを受光素子と表示素子の両者に用いるパターン描画・表示機能と，ブロック間通信機能による連結拡張性，およびインラクション機能をもつブロック型デバイスをベースとし，デバイスへのパターン描画によってブロック自体の機能を動的に設定・再構成可能な平面状ブロックデバイス，およびその応用例について述べる．

LED Tile Block: Connectable Block Device
with Function Deﬁnition by Pattern Drawing
Junichi Akita†
Block systems with intelligent building blocks with microcontroller, display, sensors, andcommunication units for building entire system are widely studied, whose global behaviour
can be controlled or programmed. However, the functions of each building block can not be
dynamically changed, which may restrict the possibility of block systems.
In this paper, the block device system with the matrix LED unit which has the functions ofpattern drawing, display, communication, and interactions is described, which enables the user
dynamically to conﬁgure the functions of each block by drawing, as well as its applications.

1 種類のブロックから多種多様な機能を持つブロック

1. は じ め にを動的に作成できるため，システムとしての再利用性

正方形や立方体などの形状のブロック状の構成単や応用可能性が大きく広がることが期待される．

位を組み合わせて種々の形状を構成するシステムは，著者は，マトリクス LED ユニットを受光素子と表LEGO などの構造物のみのものが古くから玩具や教示素子の両者に用いた可視光によるパターン描画機能材として広く用いられていた．近年の電子技術や通信をもち，ブロック間通信機能による連結拡張性と加速技術の進歩や普及により，基本ブロックにマイクロコ

度センサによるインタラクション機能をもつ平面状ブントローラ (MCU) や LED 等の表示デバイス，各種ロックユニット LED Tile6) を開発してきた．本稿でセンサ等を搭載し，またブロック間の通信機能を持たは，この LED Tile システムを拡張し，パターン描画

1)∼5)

．

によって機能を動的に設定・再構成可能な平面状ブロッ

そのようなインテリジェントなブロックでは，構成さクデバイス LED Tile Block の設計と実装，およびそれる構造物の動作を動的に制御したり，プログラムしの応用例について述べる．

せてインテリジェント化したものが現れてきたたりすることが実現できるようになり，ブロック型システムの用途が大きく広がってきた．
一方，各ブロック自体の機能が，動作前または動作中に設定・再構成が可能であるならば，システムとしての動作・挙動が大きく増すだけでなく，物理的には

2. LED Tile Block の設計と実装
2.1 デバイスの設計方針
まず LED Tile Block の設計方針として，以下の 3つを設定する．

(1)† 金沢大学
Kanazawa University

ブロックのパターン描画 (入力) 機能とパターン表示機能 (出力) をもつこと(2)

各ブロックが電源やコントローラをもち，自立情報処理学会 インタラクション 2011

(a)

(a)

(b)

図 1 LED Tile Block の単位デバイス (a) と，その連結部分 (b)．

図2

(b)

不完全な描画パターンの例．(a) 十字， (b) 横線．

的に動作すること(3)

隣接ブロック間の相互通信機能をもち，着脱が容易であること(1) はブロックの機能を独立かつ動的に設定，再構成可能とし，またブロックに設定された機能の表示や動

図3

途切れたパターンの補完処理．丸印の画素を補完する．

作中の情報提示のために必要となる．(2) は各ブロック単体で動作をするために必要となる．(3) はブロッ

432クデバイスの接続によって動作するシステムを構築す

501るため，およびその操作性を高めるために必要である．

6782.2 LED Tile Block のハードウエア

図 4 8 近傍画素 xi の添え字 i の定義

著者は，マトリクス LED ユニットを受光素子と表示素子の両者に用いることで，レーザーポインタや赤のマトリクス LED の画素数が 8 × 8 と非常に少ない

色 LED 等の光源によるパターン描画が可能であり，ため，描画されたパターンは低解像度の荒い図形となまたブロック間通信機能による連結拡張性をもつ平面る．そのため，LED Tile Block に対する機能設定を，状ブロック型デバイス LED Tile6) を開発してきた．

描画するパターンの認識で行うアルゴリズムは，低解

本稿で述べる LED Tile Block の設計に際しては，こ像度な不完全画像であることを考慮する必要がある．の LED Tile に以下の 2 点の改良を加えた．

また LED Tile Block に搭載される MCU の性能の制• ブロックデバイスごとに独立した電源を持ち，単体動作を可能とする• ブロックの着脱を容易とするために，連結部分にマグネットを用いる開発した LED Tile Block を図 1 に示す．電源には約から，境界探索やパターンマッチング等の計算負荷の高い処理は避けるべきである．
そこで描画されたパターンに対して，(1) 補完処理，(2) 特徴点抽出，(3) 形状認識の段階を経て，描画されたパターンを認識するアルゴリズムを構築する．

充電可能なボタン型の Li ポリマ電池を用い，連続でまず (1) 補完処理としては，一般には膨張・収縮，ま5 時間程度の単体動作が可能である．またブロック間

たは細線化処理が用いられる．しかし LED Tile Blockの接続に必要な端子は GND 端子と双方向通信端子

上の描画パターンは画素数が 8 × 8 と極めて少ない低の 2 個であることから，ブロック間の連結部分には解像度な画像であるため，描かれた線分同士が近くに3 × 3 × 5mm の強力ネオジム磁石 2 個を用いてブロッ存在する場合が多くあり，通常の膨張処理ではパタークの着脱を容易としつつ，平面上に配置した状態でのンがつぶれてしまう．そこで，描画パターンは基本的接続動作時の十分な機械的強度を確保している．なおに「線」(直線，曲線) であることを考慮し，図 3 のよブロック間接続端子の磁石が 2 個であるため，磁石のうに，垂直水平または斜め方向に一直線上に途切れて高さの精度がそれほど高くなくても，端子が接続しないる画素のみを補完する処理を行う．これにより，途い問題は発生せず，バネで端子の接触を確保するスプ切れたパターンのみを効率よく補完することができる．

リングコンタクトの機構は必要ない．

続く (2) 特徴点抽出は，描画パターンが「線」であ2.3 描画によるブロック機能設定アルゴリズム

ることを考慮し，線分の端点を特徴点として抽出し，LED Tile Block へのパターン描画は，レーザーポその数や位置を描画パターンの認識に用いることとす

インタ等を用いてユーザが手描きで行うため，描画さる．線分の端点は，次式で定義される二値画像の 8 近

れるパターンは図 2 のように曲がりや途切れなどを8 7)
傍連結数 NCが 1 となる点と定義できる．

もつ不完全なパターンとなる．また LED Tile BlockLED Tile Block: パターン描画による機能設定可能な相互接続型ブロック型デバイス

図5

連続する端点の消去アルゴリズム．図中の丸印の端点を残す．

図7

LED Tile Block 上に実装した電子回路シミュレータ

3. LED Tile Block の応用例: 電子回路シミュレータ
(a)

(b)

(c)

以上で述べた LED Tile Block の応用例として，電子回路シミュレータを試作した．まずブロックに描画したパターンによって，配線や電源，抵抗などの回路素子の機能を設定する．それらのブロックを，電子回路の回路図のように接続することで，実際の電子回路の挙動をシミュレーションによって求める．設定可能(d)(e)(f)

な回路素子は直流電源と抵抗，配線を定義する．
まずブロックへの機能設定としては，描画されたパターンに対して 2.3 節のアルゴリズムによって特徴8点の位置とその数 NCを求め，以下のアルゴリズムによって，描画されたパターンと回路素子とを対応づける．

(g)

(h)

• NC8 = 2 ならば，直線，折れ線，斜め線のいずれかとする．この 3 者の識別は，特徴点が存在する

図 6 実際に描画したパターンと，求められた端点 (丸印) の位置の例

NC8 =

∑

領域 (上下左右の辺付近，または四隅付近) によって行う．

• NC8 = 4 ならば，特徴点が端付近に 3 つ存在する{f¯(xk ) − f¯(xk )f¯(xk+1 )f¯(xk+2 )}

k=1,3,5,7

ここで f (xi ) は画素 xi の値 (1 または 0)，f¯(xi ) =

場合は分岐とし，そうでない場合のうち並んだ特徴点間の長さの差が 1 以下の場合はコンデンサ，それ以外の場合は直流電源とする．

1 − f (xi ) とし，図 4 で定義される添え字 i は 8 で除• NC8 ≥ 5 ならば，4 辺付近の領域のすべてに特徴8した余り (mod 8) とする．この NC= 1 となる画素点が存在する場合は交差を持つ配線とし，それ以を特徴点とした 8 × 8 画素の平面を求める．

外の場合は抵抗とする．

この特徴点は，元のパターンで 2× 2 画素でかたまっ実際に LED Tile 上に描画された元画像に対して，以た領域などでは連結して求められるため，端が 2 × 2上の (1)(2) 処理で求められた特徴点の例を，元画像画素分に太くなった線分などでは意図しない特徴点がとともに図 6 に示す．

求められてしまう．そこでパターンの特徴点が描画領以上の LED Tile Block 回路シミュレータを実装し，域の端付近に存在するという仮定をおき，4 近傍で連実際にパターンを描画したところ，定量的な評価実験結している特徴点に対して，図 5 のように，端に近いはまだ十分には行っていないものの，実用上は十分なほうの特徴点のみを残す処理を行い，本質的な特徴点認識精度を得ることができた．パターンを誤認識したのみを残すとする．

場合でも，ブロックを振って機能設定を再度行うこと

なお LED Tile Block は 3 軸加速度センサを備えるができるため，実用上は問題がないと考えられる．

ため，ブロックに設定した機能の消去は，ブロックをまた設定された素子からなる回路の挙動を，連結振る操作によって行うこととする．

されたブロック間の電圧・電流のやりとりによってシ

情報処理学会 インタラクション 2011

ミュレーションする，いわゆるイベントドリブン型回路シミュレータを LED Tile Block 上も実装し，直流5. ま と め

電源と抵抗からなる回路のシミュレーションを実現し本稿では，マトリクス LED ユニットを受光素子とた (図 7．接続した回路の動作は，直流電源ブロック表示素子の両者に用いたパターン描画・表示機能と，に光をあててパターンを描画することで開始し，またブロック間通信機能による連結拡張性をもつブロック回路を流れる電流を可視化するために，素子を流れる型デバイス LED Tile をもとにした，ブロックへのパ電流量に応じてパターンの点滅速度を変えるようにしターン描画によってブロック自体の機能を動的に設定・てある．

再構成可能な平面状ブロック LED Tile Block につい4. 議

論て述べた．またブロックへの機能設定をパターン描画によって行うためのパターン認識アルゴリズムについ本稿で述べた LED Tile System デバイス自体に関て述べた．またこのブロック型システムの応用として，しては，描画パターンの認識によって，あらかじめ定種々の電子回路の素子として機能を定義するブロック

義したブロックの機能・モデルを設定する手法をとっを接続して回路の挙動をシミュレーションする電子回た．これにより，ブロック単体は同一のものを用意し路シミュレータについて述べた．ておき，使用場面にあわせてブロックの機能を設定，あるいは消去後に再構成することが可能となり，シス

今後は，LED Tile Block の特長を生かしたアプリ
ケーションの検討と開発を進めたい．

テム構成要素の単純化，およびシステム全体として使謝辞 本稿で述べた描画パターン認識アルゴリズム用できるブロックごとの個数に関する制約を解消するの構築に際しては，公立はこだて未来大学の戸田真志ことができる．すなわちブロック型システムが持つ物氏に多大な助言をいただいた．ここに深く謝意を示す．

理的な制限の一つを解消できたことになり，ブロック型システムの可能性を広げることができると考えられる．またブロック間の接続機構にマグネットを用いたことで，ブロックの着脱が格段に容易となり，ユーザが動的にブロックを着脱しながら用いるアプリケーションとの親和性が高まったと考えられる．

LED Tile System では描画パターンによってブロックの機能を設定する手法をとるため，パターン認識アルゴリズムの変更により，別の種類のブロック，例えば物理現象シミュレータのためのおもりやバネ，斜面などのブロックなどを設定することも，本稿で述べた手法を応用することで可能である．
ブロック型システム全体の挙動の設定としては，本稿で述べた回路シミュレーション以外にも，例えば前述のような物理現象シミュレーションや，それを応用した，いわゆる「ピタゴラ装置」の実現も可能であると考えられる．
また本稿で述べた電子回路シミュレータは，ブロックデバイスに設定される機能と，それらを組み合わせてくみ上げるシステム全体との関連・制限が非常に強いため，LED Tile Block の特長を生かし切っていないと考えられる．そこで，LED Tile Block がもつパターン描画と傾け操作という直接的なユーザとのインタラクション性を生かしたアプリケーションの模索を進めたい．

参 考文献

1) M.G.Gorbet, M.Orth and H.Ishii: Triangles:
Tangible Interface for Manipulation and Exploration of Digital Information Topography,
Proc. of CHI’98, pp.49–56 (1998).
2) J.Lee, Y.Kakehi and T.Naemura: Bloxels:
Glowing Blocks as Volumetric Pixels, ACM
SIGGRAPH 2009 Emerging Technologies, p.
ET 331 (2009).
3) H.Suzuki and H.Kato: AlgoBlock: a Tangible Programming Language for Collaborative
Learning, Proc. of ED-Media, p.770 (1994).
4) 伊藤雄一，北村喜文，河合道広，岸野文郎：リアルタイム 3 次元形状モデリングとインタラクションのための双方向ユーザインタフェース ActiveCube，情報処理学会論文誌，Vol.42, No.6, pp.
1338–1347 (2001).
5) 暦本純一，大場晴夫，B.Ullmer：DataTiles: 物理
操作と視覚的インタフェースとを融合したプラットフォーム環境，インタラクション 2001 予稿集，p.11 (2001).
6) J.Akita: Matrix LED Unit with Pattern Drawing and Extensive Connection (2010).
7) 鳥脇純一郎：画像理解のためのディジタル画像処理 [II]，昭晃堂 (1988).