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高速高精度デバイス間同期技術
とその応用
北海道大学 大学院情報科学研究科
教授 杉本 雅則
国立情報学研究所 アーキテクチャ科学研究系
教授 橋爪 宏達
総合研究大学院大学 複合科学研究科
博士課程 秋山 尚之
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Laboratory of Intelligent Information Systems
Department of Computer Science, Hokkaido University
http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/
概要
• 携帯端末などのデバイス間のマイクロ秒オーダーの
時刻同期を、１秒程度の動作で実現する手法
• 端末により撮影されたLED照明のビデオ映像を利用
• CMOS画像センサのローリングシャッター機構特有
の動体歪特性に注目
• 音響測位・測距、多視点3D映像、可視光通信などへ
の応用
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従来技術とその問題点
• ネットワーク上のデバイス間の時刻同期
− NTP（Network Time Protocol)
− PTP (Precision Time Protocol)
− WiFi環境では長時間（数十分以上）を要する
• カメラ撮影による時刻同期
– フレームレート(～60 fps)に依存
– フォトセンサ出力の積分（Phased-Lock Loop)
– 精度が低い、長時間を要する、特殊なカメラが必要
高速高精度の同期を達成するのは容易ではない
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来の同期技術に比べて、高速かつ高精度
である （1秒間で8マイクロ秒の精度）
• LED光と市販のビデオカメラ付き端末（スマー
トフォンなど）により実現可能であり、特殊な装
置を必要としないため、導入が容易である
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CCDとCMOS
×消費電力
×高速化
〇消費電力
〇高速化
http://www.sony.jp/products/Professional/c_c/hdv/support/info/technical_01.html
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CCDとCMOS
グローバルシャッター vs ローリングシャッター
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時刻同期の原理
1フレームでの精度は
ローリングシャッターの分解能＝フレーム時間/走査線数
(1/60)/1080 = 15.4 マイクロ秒 程度 (Full HDの場合）
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実験装置
変調周波数: 29.97 Hz
ビデオフレームレート：59.94 fps
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提案手法
A( x)  p( x) f ( x)  b( x)
B ( x)  (1  p ( x)) f ( x)  b( x)
1つのフレーム組から
p ( x)
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のピークを求める
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実験結果
(a) フレーム組のピーク位置
(c) 標準偏差
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(b) 回帰式から求めたピーク位置
(d) 誤差
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実験結果
• １つのフレーム組を用いることで、ピーク検出が可能
となり、原理的には1組の画像で同期が実現できる
• フレーム組数を増やすことで、測定精度を向上させる
ことができる
• 27フレーム組（1秒未満）の時間で
標準偏差 0.5 行 = 8 マイクロ秒
（3秒程度で0.2 行 = 3 マイクロ秒）
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想定される用途
• 高速、高精度音響測位・測距
• 多視点３D映像のための複数カメラ同期
• 高速可視光通信
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スマートフォンによる音響測位
• スピーカ＋スマートフォン
– 室内設置のオーディオスピーカ（位置は既知）
– スピーカから異なる周波数の音を同時送信（周波数多重分割)
• スピーカとスマートフォンの同期ずれが1 ms→約34 cmの誤差
– 複数スピーカからの信号の到着時刻差（TDoA)
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17 kHz
18 kHz
ts
tr
19 kHz
TDoA
t
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スマートフォンによる音響測位
• LEDの明滅に合わせ、測位用音響を発生させる
• そのタイミングをセンサーの特定ライン（例、最も
明るいライン）のシャッタータイミングで検出する
• 3マイクロ秒 → 1.0 mm
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想定される用途
• 高速、高精度音響測位・測距
• 多視点３D映像のための複数カメラ同期
• 高速可視光通信
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実用化に向けた課題
• マイクロ秒オーダーの同期については実証済み。更な
る高性能技術の構築に向けて、理論的解析等を実施
中
• noisyな環境での実証実験
• 各応用分野での利用環境や要求性能を想定した展開
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企業への期待
• 高精度音響計測技術の応用（ジェスチャ認識、精密
計測、ロボットアーム制御など）等に関する共同研究
• 複数カメラの高精度同期を必要とする基礎技術、応
用システム等に関する共同研究
• 室内LED照明等を用いた高速可視光通信とその応
用等に関する共同研究
• その他、提案技術の応用、高機能化に関する共同研
究
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称： 同期タイミング検出システム及び検出方法、
測距システム及び測位システム、並びに
受信装置及びそのプログラム
• 出願番号 ： 特願2014-216549
• 出願人
: 国立大学法人北海道大学
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構
• 発明者
： 橋爪 宏達、秋山 尚之、杉本 雅則
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産学連携の経歴
• 2009年-2012年 H社と共同研究実施
• 2011年-2012年 D社と共同研究実施
• 2011年-2012年 M社と共同研究実施
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お問い合わせ先
北海道大学産学連携本部
産学連携マネージャー
齋藤 幸隆
TEL:
011-706-9554
FAX:
011-706-9550
E-mail: [email protected]
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