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 1 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 2 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 3 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 4 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 5 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ CCDとCMOS グローバルシャッター vs ローリングシャッター http://www.sony.jp/products/Professional/c_c/hdv/support/info/technical_01.html 6 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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） 7 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 8 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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) 9 のピークを求める Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 実験結果 (a) フレーム組のピーク位置 (c) 標準偏差 10 (b) 回帰式から求めたピーク位置 (d) 誤差 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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） 11 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 12 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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) 13 17 kHz 18 kHz ts tr 19 kHz TDoA t Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 14 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 15 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 16 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 17 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 18 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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 19 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/ 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] 20 Laboratory of Intelligent Information Systems Department of Computer Science, Hokkaido University http://aiwww.main.ist.hokudai.ac.jp/
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