CN109716061B - 标记器和使用了标记器的姿势推定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够维持平面性并在大角度范围内唯一地推定姿势的标记器、使用了该标记器的姿势推定方法。标记器包括:二维图案码;以及姿势检测图案,其绕该二维图案码所成的二维平面上的第一轴,根据该二维图案码的观测方向而发出不同的光。使用了标记器的姿势推定方法包括:使用标记器的拍摄图像来确定上述光的颜色或者上述光描绘的花纹的第一步骤;根据在第一步骤中确定的颜色或花纹来判定标记器的绕上述第一轴的姿势的第二步骤;及根据在第二步骤中判定的绕上述第一轴的姿势与构成上述拍摄图像的要素的位置关系来决定标记器的姿势的第三步骤。
Description
技术领域
本发明涉及用于推定姿势的标记器、使用了本标记器的姿势推定方法。
背景技术
设计出通过利用单眼相机进行拍摄而能够计测三维空间内的位置或姿势的俯视图案,通常称为平面视觉标记器。
这样的平面视觉标记器在增强现实(Augmented Reality:AR)或机器人学的领域等中粘贴于物体来使用,根据平面视觉标记器的轮廓形状的表观上的变形而通过射影转换的原理来推定上述姿势。
然而,根据条件的不同而平面视觉标记器M的向图像上的投影相比图13A所示的透视投影而更接近图13B所示的正投影,产生无法唯一推定该平面视觉标记器相对于相机而具有图14所示的平面视觉标记器M1、M2的哪个姿势这样的姿势的不定性的问题。
因此,到目前为止,本申请发明者提出了具备4个莫尔条纹(干涉条纹)图案的平面视觉标记器(参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开WO/2016/024555号公报
发明内容
发明的概要
发明要解决的问题
然而,以浅的角度观察平面视觉标记器时,即后述的视线角度大时,绕某坐标轴的视线角度无论是正还是负,表观的图案都一致或者无法进行图案的判别,因此存在无法唯一地推定该物体的姿势的问题。
本发明为了解决上述那样的问题而作出,目的在于提供能够维持平面性并在大角度范围内能够唯一地推定姿势的标记器、使用了本标记器的姿势推定方法。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题,本发明提供一种标记器,其具备:二维图案码;及第一姿势检测图案,其绕二维图案码所成的二维平面上的第一轴,根据二维图案码的观测方向而发出不同的光。
另外,为了解决上述问题,本发明提供一种使用了标记器的姿势推定方法,该标记器具备二维图案码和第一姿势检测图案,该第一姿势检测图案在二维图案码所成的二维平面上的第一轴周围,根据二维图案码的观测方向而发出不同的光,所述使用了标记器的姿势推定方法包括:使用标记器的拍摄图像来确定上述光的颜色或者上述光描绘的花纹的第一步骤;根据在第一步骤中确定的颜色或花纹,来判定标记器的绕上述第一轴的姿势的第二步骤;及根据在第二步骤中判定的绕上述第一轴的姿势与构成拍摄图像的要素的位置关系,来决定标记器的姿势的第三步骤。
发明效果
根据本发明,能够提供一种维持平面性并能够在大角度范围内唯一地推定姿势的标记器、使用了本标记器的姿势推定方法。
附图说明
图1是用于说明视线及视线角度的定义的图。
图2是用于说明姿势反转的定义的图。
图3是表示本发明的实施方式1的平面视觉标记器1的结构的俯视图。
图4是表示图3所示的姿势检测图案Fy的结构的立体图。
图5是用于说明图4所示的姿势检测图案Fy的另一结构的图,分别地,图5(a)是表示将图4所示的姿势检测图案Fy沿着该图的X轴剖切时的剖面结构的剖视图,图5(b)是表示在姿势检测图案Fy的一连串的侧面3a上描绘的文字“A”的图,图5(c)是表示在姿势检测图案Fy的一连串的侧面3b上描绘的文字“B”的图。
图6是表示将图4所示的并列设置的多个三棱柱3沿X轴剖切时的剖面结构的剖视图。
图7A是用于说明图3及图4所示的姿势检测图案Fy的功能的图,是表示姿势检测图案Fy的从视线角度为正的方向观察时的观察样式的示意图。
图7B是用于说明图3及图4所示的姿势检测图案Fy的功能的图,是表示姿势检测图案Fy的从视线角度为负的方向观察时的观察样式的示意图。
图8是表示使用了图3所示的平面视觉标记器1的姿势推定方法的流程图。
图9是表示图4所示的姿势检测图案Fy的结构的另一例的立体图。
图10是表示能够同时检测绕正交的两轴的姿势反转的姿势检测图案F的结构的俯视图。
图11A是用于说明图10所示的姿势检测图案F的制作方法的一例的第一图,是表示姿势检测图案Fy的结构的立体图。
图11B是用于说明图10所示的姿势检测图案F的制作方法的一例的第二图,是图11A所示的姿势检测图案Fy的从上方观察时的俯视图。
图11C是用于说明图10所示的姿势检测图案F的制作方法的一例的第三图,是表示将图11B所示的姿势检测图案Fy沿着相交的两条虚线剖切而得到的姿势检测图案Fy3的结构的俯视图。
图12是表示本发明的实施方式2的平面视觉标记器10的结构的俯视图。
图13A是用于说明平面视觉标记器的姿势的不定性的问题的第一图,是表示平面视觉标记器M的向图像上的透视投影的图。
图13B是用于说明平面视觉标记器的姿势的不定性的问题的第一图,是表示平面视觉标记器M的向图像上的正投影的图。
图14是用于说明平面视觉标记器的姿势的不定性的问题的第二图。
具体实施方式
以下,参照附图,详细说明本发明的实施方式。需要说明的是,图中相同附图标记表示相同或相当部分。
首先,参照图1及图2,来说明用语的定义。需要说明的是,以下,以绕X轴的现象为例进行说明,但是绕任意的轴的现象当然也可以同样定义。
将图1所示的连结观测视点VP与作为对象物体B的中心的原点0的线L称为视线。而且,如图1所示,将包含成为对象物体B中的XY平面上的垂线的Z轴和与Z轴正交的X轴在内的平面设为平面P1、将包含表示视线的线L和X轴在内的平面设为平面P2时,将平面P1与平面P2所成的角SA称为绕X轴的视线角度。
因此,如图2所示,观测视点VP的Y坐标为正时,绕X轴的视线角度的符号成为正(+),观测视点VP的Y坐标为负时,绕X轴的视线角度的符号成为负(-)。此时,将上述视线角度的符号成为正负颠倒的情况称为绕X轴的姿势反转。
[实施方式1]
图3是表示本发明的实施方式1的平面视觉标记器1的结构的俯视图。如图3所示,平面视觉标记器1具备:包含二维图案码的矩形的AR标记器2;在与AR标记器2相同的平面上,与AR标记器2的相邻的两条边分别平行地配置的平面矩形形状的姿势检测图案Fx、Fy。
在此,姿势检测图案Fx、Fy具有即使从浅的角度观察平面视觉标记器1的情况下,通过外表即外观也能够检测平面视觉标记器1的姿势反转的图案(FDP:Flip DetectionPattern),姿势检测图案Fx检测图3所示的绕X轴的姿势反转,姿势检测图案Fy检测图3所示的绕Y轴的姿势反转。
并且,为了实现本功能,如图3所示,姿势检测图案Fx、Fy在AR标记器2的附近,以在与AR标记器2相同的平面上相互正交的方式,即分别与X轴或Y轴正交的方式配置。
需要说明的是,在图3中,姿势检测图案Fx可以配置于AR标记器2的左侧(XY平面上的第二及第三象限),姿势检测图案Fy可以配置于AR标记器2的下侧(XY平面上的第三及第四象限)。因此,AR标记器2周边的姿势检测图案Fx、Fy的布局成为合计4种。
图4是表示图3所示的姿势检测图案Fy的结构的立体图。需要说明的是,图3所示的姿势检测图案Fx也具有与图4所示的姿势检测图案Fy同样的结构,因此以下的关于姿势检测图案Fy的说明也可以适用于姿势检测图案Fx。
如图4所示,姿势检测图案Fy由多个三棱柱3、4构成,该多个三棱柱3、4的对应的侧面位于同一平面即XY平面上并且中心轴都与Y轴平行地沿X轴方向并列设置。
需要说明的是,图4所示的姿势检测图案Fy具有并列设置有合计8个的三棱柱3、4的结构,但是并列设置的三棱柱3、4的个数并不局限于8个,只要为1个以上即可,可以为任意的个数。
在此,各个三棱柱3、4的3个侧面中的未处于XY平面上的2个相邻的侧面被涂成在拍摄图像中也容易辨别的不同的颜色而被区分。
例如图4所示,在第一及第四象限并列设置的三棱柱3的侧面3a被涂成白色,侧面3b被涂成黑色,在第二及第三象限并列设置的三棱柱4的侧面4a被涂成黑色,侧面4b被涂成白色。由此,姿势检测图案Fy在姿势反转的判定中成为基准的与Y轴正交的X轴方向上,三棱柱3的侧面从原点0起向正的朝向以黑色、白色的顺序交替涂覆,三棱柱4的侧面从原点0起向负的朝向以黑色、白色的顺序交替涂覆。
需要说明的是,上述的黑色及白色只要是如上所述在拍摄图像中容易辨别的不同颜色即可,也可以是其他的颜色,例如可以设为上述的黑色与白色交替的结构。
另外,在上述中,在涂成相同颜色的一连串的侧面中,也可以不将该一连串的侧面整体涂成特定的颜色而在该一连串的侧面整体上描绘文字或图形等的图样(花纹)。即,例如,可以如图5(b)所示,在上述的涂成白色的一连串的侧面3a上整体描绘文字“A”,如图5(c)所示,在上述的涂成黑色的一连串的侧面3b上整体描绘文字“B”。需要说明的是,这样的花纹的利用也能够适用于图9及图10所示的后述的姿势检测图案Fy、F。
另外,如上所述,通过将三棱柱3、4的相邻的侧面涂成不同的颜色,在该侧面上反射的光的颜色成为不同的情况自不必说,但是也可以设为自身发出不同颜色的光的结构。而且,姿势检测图案Fy也可以取代上述三棱柱3、4而由圆柱或半圆柱等柱状体构成。
图6是表示将图4所示的并列设置的多个三棱柱3沿着X轴剖切时的剖面结构的剖视图。如图6所示,各三棱柱3都是夹着顶角VA的2个侧面3a、3b中的X值小的一方的侧面3b被涂成黑色,X值大的一方的侧面3a被涂成白色。
在这些三棱柱3中,在改变了其高度h的情况下,虽然姿势检测图案Fy的厚度和外表的粗糙度变化,但是视线角度与颜色的深浅变化的关系在本质上没有变化。另一方面,在改变了顶角VA的情况下,视线角度为0度附近的黑白深浅的对比度变化,顶角VA越小,则从视线角度的绝对值小的范围能观察到越强的上述对比度。
图7A及图7B是用于说明图3及图4所示的姿势检测图案Fy的功能的图,图7A是表示姿势检测图案Fy的从视线角度为正的方向观察时的观察样式的示意图,图7B是表示姿势检测图案Fy的从视线角度为负的方向观察时的观察样式的示意图。在此,姿势检测图案Fy具有以下功能:向通过包含成为对于XY平面的垂线的Z轴和Y轴在内的平面而分割得到的两个空间、即X值为正的空间和负的空间反射相互不同的颜色的光,以下详细说明本功能。
如上所述三棱柱3、4的相邻的两个侧面3a、3b、4a、4b交替地涂成白与黑,因此呈现出由黑白的细的条纹花纹构成的外观,但是白或黑的各条纹的粗细的比例根据视线角度而变化,因此在从上述X的值为正的空间,即视线角度为正的方向观察姿势检测图案Fy时,如图7A所示,关于三棱柱4,较多地观察到侧面4a具有的黑色,关于三棱柱3,较多地观察到侧面3a具有的白色。
另一方面,从上述X值为负的空间,即视线角度为负的方向观察姿势检测图案Fy时,如图7B所示,关于三棱柱4,较多地观察到侧面4b具有的白色,关于三棱柱3,较多地观察到侧面3b具有的黑色。因此,如果将图7A与图7B进行对比,则可知在从视线角度为正的方向观察姿势检测图案Fy时和从负的方向观察姿势检测图案Fy时,看起来为黑色的区域与看起来为白色的区域的X轴方向上的位置关系颠倒。
需要说明的是,如图5所示在该侧面描绘有花纹的情况下,根据姿势检测图案Fy的绕某旋转轴的旋转的方向,在侧面3a上描绘的图样与在侧面3b上描绘的花纹切换地被观察到。因此,通过对这样的观察样式中的图案的变化进行图像识别,能够判别姿势检测图案Fy的倾斜的方向。
图8是表示使用了本发明的实施方式1的平面视觉标记器1的姿势推定方法的流程图。以下,使用图8说明上述姿势推定方法。
在最初的步骤S1中,使用平面视觉标记器1的拍摄图像,分别确定从两个姿势检测图案Fx、Fy发出的光的颜色。具体而言,例如关于姿势检测图案Fy而言,确定看起来为黑色的区域与看起来为白色的区域处于图7A和图7B的哪个位置关系。
接下来,在步骤S2中,根据在步骤S1中确定的颜色,来判定平面视觉标记器1的绕规定轴的姿势。具体而言,例如,通过以往使用的AR标记器2来预先推定平面视觉标记器1的姿势,根据推定的姿势来判断预想的颜色与在步骤S1中确定的颜色是否一致。
并且,在这两个颜色不一致的情况下,判定为关于姿势检测图案Fx绕X轴、关于姿势检测图案Fy绕Y轴的平面视觉标记器1的实际的姿势相对于上述的预先推定的姿势处于反转关系。需要说明的是,在上述两个颜色一致的情况下,判定为上述的绕X轴或绕Y轴的平面视觉标记器1的实际的姿势与上述的预先推定的姿势处于正转关系。
接下来,在步骤S3中,根据在步骤S2中判定的姿势及构成拍摄图像的要素的位置关系,来决定平面视觉标记器1的姿势。具体而言,例如,如果在步骤S2中判定的绕X轴及Y轴的姿势为上述正转关系,则如预先推定那样,根据平面视觉标记器1的构成拍摄图像的AR标记器2的要素的位置关系而最终决定平面视觉标记器1的实际的姿势。另一方面,在步骤S2中判定为绕X轴或绕Y轴的姿势处于上述反转关系的情况下,关于该绕轴的姿势,将上述的预先推定的姿势按照反转模型进行转换,最终决定将得到的转换后的姿势作为平面视觉标记器1的该绕轴的实际的姿势。
需要说明的是,上述基于反转模型的转换可以使用例如国际公开WO/2015/045834号公报记载的方法等公知的手法来实现。
图9是表示图4所示的姿势检测图案Fy的结构的另一例的立体图。需要说明的是,图9所示的例子当然在姿势检测图案Fx的结构中也能够同样适用。
如图9所示,姿势检测图案Fy2具有仅保留有构成姿势检测图案Fy的图4所示的三棱柱3、4的涂成白色的侧面3a、4b的结构,这些侧面3a、4b的背面和位于XY平面上的三棱柱3、4的侧面部分都被涂成黑色。
需要说明的是,图9所示的结构例如通过向设置在上述XY平面上的与Y轴平行的多个引导件(未图示)嵌入板状的上述侧面3a、4b来实现。
具有这样的结构的姿势检测图案Fy2呈现出与观测方向(视线角度)对应的黑白花纹,因此可以说能发挥与上述姿势检测图案Fy同样的功能。
然而,如上所述,姿势检测图案Fx、Fy、Fy2都是具有检测绕X轴或Y轴这样的一轴的姿势反转的功能的图案,但是也可以在同一平面上一体形成具有这样的功能的多个姿势检测图案。以下,作为一例,说明通过一个图案能够同时检测绕正交的两轴的姿势反转的姿势检测图案F。
图10是表示上述姿势检测图案F的结构的俯视图。需要说明的是,在图10中,黑色部分对应于图4所示的黑色的侧面3b、4a,白色部分对应于图4所示的白色的侧面3a、4b。
如图10所示,姿势检测图案F是使通过形成与X轴平行的条纹花纹来检测绕X轴的姿势反转的图案、和通过形成与Y轴平行的条纹花纹来检测绕Y轴的姿势反转的图案合体的图案。
具有这样的结构的姿势检测图案F具有同时检测绕正交的X轴及Y轴的姿势反转的功能,因此在图3所示的平面视觉标记器1中,可以取代两个姿势检测图案Fx、Fy而使用一个姿势检测图案F。
图11A~图11C是用于说明图10所示的姿势检测图案F的制作方法的一例的图,分别地,图11A是表示姿势检测图案Fy的结构的立体图,图11B是图11A所示的姿势检测图案Fy的从上方观察时的俯视图,图11C是表示将图11B所示的姿势检测图案Fy沿着相交的两条虚线剖切而得到的姿势检测图案Fy3的结构的俯视图。需要说明的是,与图10同样,图11B及图11C的黑色部分对应于图11A所示的姿势检测图案Fy的黑色侧面,白色部分对应于该姿势检测图案Fy的白色侧面。
在此,图11B所示的姿势检测图案Fy的平面形状整体上呈正方形,图11C所示的姿势检测图案Fy3设为沿着该正方形的两条对角线将姿势检测图案Fy剖切的图案。然后,使通过这样的方法得到的姿势检测图案Fy以图11C的原点为中心旋转90度,并与处于旋转前的位置的另一个其他的姿势检测图案Fy合体,由此制作图10所示的姿势检测图案F。
如以上所述,根据本发明的实施方式1的平面视觉标记器1及使用了该平面视觉标记器1的姿势推定方法,由于姿势检测图案Fx、Fy、F具有平面形状并呈现出与视线角度对应的黑白花纹等,因此即使视线角度大的情况下,即从浅的角度观测平面视觉标记器1的情况下,也能够维持平面视觉标记器1的平面性并准确地检测平面视觉标记器1的姿势。
需要说明的是,图3所示的平面视觉标记器1具备两个姿势检测图案Fx、Fy,但是例如粘贴平面视觉标记器的对象物体B可采取的姿势存在限制,在仅关于绕某一轴具有姿势的自由度的情况下,为了决定该对象物体B的姿势,当然只要使用具备一个姿势检测图案的平面视觉标记器即可,其中,该姿势检测图案具有与姿势检测图案Fx、Fy、Fy2同样的结构,并且检测绕该一轴的姿势。
[实施方式2]
图12是表示本发明的实施方式2的平面视觉标记器10的结构的俯视图。如图12所示,平面视觉标记器10具备矩形的AR标记器2、对应于AR标记器2的顶点而设置于平面视觉标记器10的四个角的参照点RP1~RP4、在AR标记器2的相邻的两条边分别并列设置的姿势检测图案Fx、Fy、隔着AR标记器2而配设在与姿势检测图案Fx相对的位置的可变莫尔条纹图案VMPx、隔着AR标记器2而配设在与姿势检测图案Fy相对的位置的可变莫尔条纹图案VMPy。
在此,可变莫尔条纹图案VMPx、VMPy是日本特开2012-145559号公报记载的公知的图案,具有通过设置在描绘的花纹上的透镜而生成与观测方向相应的干涉条纹(花纹数据)的功能,在被分割的各个观测方向范围,根据观测到的花纹数据的位置能够唯一地推定观测方向。
需要说明的是,上述的可变莫尔条纹图案VMPx、VMPy根据视线角度而看起来黑色的线一维地移动,但是也可以取代这样的可变莫尔条纹图案VMPx、VMPy而使用看起来黑色的点二维地移动的公知的可变莫尔条纹图案(参照H.Tanaka,Y.Sumi,and Y.Matsumoto,”Ahigh-accuracy visual marker based on a microlens array”,in Proceedings of2012 IEEE/RSJ International Conference of Intelligent Robots and Systems,pp.4192-4197,2012)等。
另外,作为上述的姿势检测图案Fx、Fy,除了图4所示的结构之外,也可以使用具有图9所示的结构的姿势检测图案,还可以取代两个姿势检测图案Fx、Fy而使用图10所示的一个姿势检测图案F。
另外,通过使用具有这样的结构的平面视觉标记器10,也与使用图3所示的平面视觉标记器1的情况同样,通过图8所示的姿势推定方法,能够唯一地决定平面视觉标记器10的姿势。
根据本发明的实施方式2的平面视觉标记器10,在通过姿势检测图案生成的花纹的对比度降低的视线角度小的范围内使用可变莫尔条纹图案进行姿势决定,在除此以外的范围内使用姿势检测图案能够进行姿势决定,因此能够维持平面视觉标记器10的平面性,并在视线角度的全部范围内更高精度地唯一决定平面视觉标记器10的姿势。
附图标记说明
1、10 平面视觉标记器
2 AR标记器
3、4 三棱柱
3a、3b、4a、4b 侧面
F、Fx、Fy、Fy2、Fy3 姿势检测图案
VMPx、VMPy 莫尔条纹图案形成部
SA 视线角度
Claims (8)
1.一种标记器,其特征在于,具备:
二维图案码;
第一姿势检测图案,其绕所述二维图案码所成的二维平面上的第一轴,根据所述二维图案码的观测方向而发出不同的光;及
第二姿势检测图案,该第二姿势检测图案绕在所述二维平面上与所述第一轴正交的第二轴,根据所述二维图案码的观测方向而发出不同的光,
所述第一姿势检测图案向通过包含相对于所述二维平面的垂线和所述第一轴在内的平面进行分割而得到的两个空间发出相互不同的光,并且所述第二姿势检测图案向通过包含相对于所述二维平面的垂线和所述第二轴在内的平面进行分割而得到的两个空间发出相互不同的光。
2.根据权利要求1所述的标记器,其特征在于,
所述第一姿势检测图案及第二姿势检测图案分别由至少一个三棱柱构成,该三棱柱的发出所述不同的光的相邻的两个侧面被配色成不同的颜色或者带有不同的花纹,构成所述第一姿势检测图案的所述三棱柱的中心轴以与所述第一轴平行的方式配设,构成所述第二姿势检测图案的所述三棱柱的中心轴以与所述第二轴平行的方式配设。
3.根据权利要求2所述的标记器,其特征在于,
所述第一姿势检测图案及第二姿势检测图案分别由多个所述三棱柱构成,
该多个所述三棱柱,对应的侧面都位于同一平面上且中心轴相互平行地并列设置。
4.根据权利要求1所述的标记器,其特征在于,
所述二维图案码呈矩形,
所述第一姿势检测图案相对于构成所述矩形的第一边平行地配设,并且所述第二姿势检测图案相对于构成所述矩形且与所述第一边相邻的第二边平行地配设。
5.根据权利要求1所述的标记器,其特征在于,
所述第一姿势检测图案及第二姿势检测图案一体地形成在同一平面上。
6.根据权利要求1所述的标记器,其特征在于,
所述标记器还具备花纹数据生成机构,该花纹数据生成机构通过设置在花纹上的透镜来生成与观测方向相应的花纹数据,并在被分割的所述观测方向的各个范围,根据观测到的所述花纹数据的位置而唯一地推定所述观测方向。
7.一种使用了权利要求1至6中任一项所述的标记器的姿势推定方法,其特征在于,包括:
使用所述标记器的拍摄图像来确定所述光的颜色或者所述光描绘的花纹的第一步骤;
根据在所述第一步骤中确定的所述颜色或所述花纹,来判定所述标记器的绕所述第一轴的姿势的第二步骤;及
根据在所述第二步骤中判定的绕所述第一轴的姿势与构成所述拍摄图像的要素的位置关系,来决定所述标记器的姿势的第三步骤。
8.一种使用了权利要求1所述的标记器的姿势推定方法,其特征在于,包括:
使用所述标记器的拍摄图像来确定所述光的颜色或者所述光描绘的花纹的第一步骤;
根据在所述第一步骤中确定的所述颜色或所述花纹,来判定所述标记器的绕所述第一轴的姿势的第二步骤;及
根据在所述第二步骤中判定的绕所述第一轴的姿势与构成所述拍摄图像的要素的位置关系,来决定所述标记器的姿势的第三步骤,
在所述第一步骤中,确定来自所述第一姿势检测图案及第二姿势检测图案的所述光,
在所述第二步骤中,判定所述标记器的绕所述第一轴及第二轴的姿势,
在所述第三步骤中,进一步构成为根据在所述第二步骤中判定的绕所述第一轴及第二轴的姿势,来决定所述标记器的姿势。
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