[論文レビュー] High Accuracy VLP based on Image Sensor using Error Calibration Method

Shihuan Chen, Weipeng Guan|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、商業用画像センサを用いて、回転補正と分散円補正の2つの新規な誤差補正手法を導入することで、高精度な可視光定位（VLP）システムを提案する。回転中心の正確な推定と座標変換誤差の補正により、平均定位誤差を0.82 cmまで低減し、市販の画像センサを用いたVLP分野で最先端の性能を達成した。

ABSTRACT

In this paper, visible light positioning (VLP) where the receiver adopts a commercial image sensor is considered. We firstly analyze the theoretical limits and error source of the VLP system using image sensor. And then, we develop a VLP positioning model on the receiver movement and further propose two novel error calibration algorithms, namely Rotation Calibration Method and dispersion circle calibration method. The rotation algorithm estimates the rotation center in the image instead of treating the image center as the rotation center, leading to reduced positioning error. For the dispersion circle, it can offset the shift error created by the conversation between different coordinate during the positioning calculation. According to the experimental results, the average positioning error of the proposed methods can be reduced to 0.82cm, which achieve state-of-the-art in the VLP field.

研究の動機と目的

• 画像センサを用いたVLPシステムにおける理論的限界と誤差要因を分析すること。
• VLPシステムにおいて、画像中心を回転中心と誤って仮定することで生じる定位誤差を解消すること。
• VLP定位計算における座標変換によって生じるシフト誤差を補正すること。
• 専用ハードウェアを必要としない補正手法の開発。
• 商業用画像センサを用いて1cm未満の定位精度を達成すること。

提案手法

• 画像中心を仮定するのではなく、実際の回転中心を推定する回転補正手法を提案する。
• 定位処理中の座標変換に起因するシフト誤差を補正するための分散円補正手法を導入する。
• 受信機の移動と幾何的歪みを考慮したVLP定位モデルを構築する。
• 実験データを用いて、現実の環境条件下で誤差補正モデルのキャリブレーションと検証を実施する。
• 最小二乗推定法を用いて、キャリブレーション済みパラメータに基づき位置推定値を精緻化する。
• 両補正手法を統合したフレームワークを構築し、VLP定位における累積誤差を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 画像中心を回転中心と仮定することで、VLPの精度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 画像センサを用いたVLPにおいて、座標系変換が定位誤差に与える影響は何か？
• RQ3 専用ハードウェアを必要としない補正アプローチで定位誤差を低減できるか？
• RQ4 適切な誤差補正を施した商業用画像センサのみで、どの程度の精度が達成可能か？
• RQ5 受信機の運動とセンサの幾何配置は、VLPシステムにおける定位誤差にどのように寄与するか？

主な発見

• 提案された回転補正手法により、画像面上の真の回転中心を正確に推定することで、誤差が顕著に低減された。
• 分散円補正手法により、定位処理中の座標変換に起因するシフト誤差が効果的に補正された。
• 両補正手法を併用することで、平均定位誤差が0.82 cmまで低減された。
• 達成された0.82 cmの誤差は、画像センサを用いたVLPシステムにおいて最先端の性能を示している。
• 実験的評価により、受信機の動的移動下でも高い精度を維持していることが確認された。
• 本手法は商業用画像センサのみを用いることで実用的かつ導入可能であり、カスタムハードウェアを必要としない。