JP2001508210A - 物体の位置を決定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 既知の寸法パラメータ（Ｄ_m）を有する少なくとも１つのオブジェクト（１１）を備えた物体（１２）の位置（Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_m）を、センサ装置（１５）、該センサ装置から決定可能な距離（ｃ）にある光学素子（１４）および検索・計算手段（２２）を備えた少なくとも１台のカメラユニット（１０）によって決定する方法およびシステム。センサ装置（１５）上に再生されるオブジェクト（１１）の像（１６）の座標（ｘ_p，ｙ_p）を算出する。既知の寸法パラメータ（Ｄ_m）に対応するオブジェクト（１１）の寸法パラメータ（ｄ）を算出する。得られたパラメータの比率を算出して、オブジェクト（１１）の位置（Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_m）を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 物体の位置を決定する方法およびシステム ［技術分野］ 本発明は、既知の寸法パラメータを有する少なくとも１つのマーカーオブジェ クトを備えた物体の位置を、センサデバイス、該センサデバイスから決定可能な 距離にある光学素子ならびに検索および計算手段を備えた少なくとも１台のカメ ラユニットによって決定する方法およびシステム（アレンジメント）に関する。 ［背景技術］ 動き解析は、例えば人や動物のバイオメカニクス（生体力学）またはロボット ・アームの動きなどを解析するためにカメラユニットとコンピュータ支援を用い る周知の方法である。 簡単なシステムでは、分析しようとする物体に複数のマーカーを付ける。以前 は、このようなマーカーを付けた物体を、まず撮影してから、手作業で分析し、 デジタル化してマーカーの正しい位置を決定していたが、これは、時間のかかる 作業である。 現在は、いわゆるＣＣＤセンサを備えたカメラを用いる。ＣＣＤセンサは、一 種の光センサで、一般に、必要な光学素子と組み合わせて配置される。ＣＣＤセ ンサは、１また はそれ以上の色に対して、行列として配列された（即ち、ＸＹ座標系に配列され た）電荷結合センサ（以降、ＣＣＤ画素と称する）の列から成り、Ｘ個からなる 各行をＹ方向に走査することにより（前記の光学素子から）そのＣＣＤセンサに 投射される光を変換して、テレビ（ビデオ）信号を生成する。こうすることによ り、この信号を種々の方法で分析して、その物体に付けたマーカーの位置を検出 することができる。 ここでは、物体までの距離を測定するために、２台以上のカメラユニットを用 いる。 ［発明の開示］ 本発明の目的は、少なくとも一台のカメラユニットを用いて物体の位置、好ま しくは３次元の位置をほぼ実時間で正確に決定する方法およびデバイスを提供す ることである。 これらの目的は、次のステップを含む方法を用いて達成される。 −前記センサデバイス上に再生される前記オブジェクトの像の座標（ｘ_p，ｙ_p ）を算出するステップ； −前記与えられた寸法パラメータに対応する前記オブジェクトの寸法パラメー タを算出するステップ；および −得られたパラメータの比率を算出して前記オブジェクトの位置を決定するス テップ。 また、本発明は、物体に対して既知の寸法パラメータを有するオブジェクトを 備えた物体の位置を決定するシステ ムであって、前記システムが、センサデバイス、該センサ装置から決定可能な距 離にある光学素子、並びに検索および計算手段を備えた、少なくとも１台のカメ ラユニット、ここで前記カメラユニットは、前記センサ装置上に再生されるとこ ろの、前記オブジェクトの像の座標を算出し、前記既知の寸法パラメータに対応 する、前記オブジェクトの寸法パラメータを算出し、得られたパラメータの比率 を計算して前記オブジェクトの位置を決定するようにアレンジされており、およ び算出された位置を提示する手段、 を備えたことを特徴とする物体の位置を決定する装置。 本発明によるその他の効果を有する実施例は、請求の範囲に記載する。 ［図面の簡単な説明］ 以降、添付図面を参照して本発明を説明する。 図１は、本発明による簡単な動き解析システムの略図である。 図２は、図１によるカメラの主要な機能に関するブロック図である。 図３は、本発明によるマーカーによる像を概略的に示す。 図４は、本発明の原理を概略的に示す図である。 ［発明を実施するための最良の形態］ 基本原理 類似のシステムでは、基本的に、カメラからの通常のビデオ信号を入力として 用いる。この信号を基に、光の強度 に基づいてマーカーが背景から分離され、このマーカーのＸＹ座標が計算される 。目的は、マーカーの動きを可能な限り正確に測定することである。即ち、有限 個の点の集合からなるビデオ信号の結果である不正確さを最小にすることである 。 ビデオ信号は、多数の線からなり、これらの線は、順次走査されたものである。 マーカーにより１つの像が生成されるが、この像は、１またはそれ以上の線に渡 って存在することになる。比較器により、１本の線上のマーカー部分の開始と終 了を決定することができる。１本の線上のマーカーの像を区画と呼ぶことにする 。線の開始から区画の開始（Ｘ_s）までの時間、および線の開始から区画の終了 （Ｘ_e）までの時間を計測する。これら２つの時間の平均値は、その区画の水平 方向（線が水平である場合）の空間的位置の尺度であり、一方、その線のシリア ル番号（Ｓ）は、その区画の垂直方向の位置の尺度である。よって、区画の長さ （１）は、Ｘ_e−Ｘ_sである。 マーカーのXY座標（Ｘ_m、Ｘ_m）は、それぞれ次の式（１）および（２）により 得られる。 ただし、Σ記号は、そのマーカーの像の要素である総ての区画について総和を取 ることを示す。 以上の事柄は、類似の信号に応用可能である。デジタル検出器からの像点が線 形以外のオーダーに転送される場合も、類似の計算を行うことができる。そうす ることで、同じマーカーの要素である総ての像要素に対して中心点が計算される 。まず、像要素を総て線に変換して、次に前記の類似の場合として計算を行うこ とができる。 時刻Ｘ_sおよびＸ_eは、（画素の値を水平方向に走査する場合は、）発信器に接 続された電子計数器によって計測することができる。計数器は、線の開始時に始 動し、区画の開始および終了に達した時に読み出される。問題は、技術的かつ経 済的な理由から、発信器の周波数が制限されることである。デジタルの場合、こ の問題は、像の要素を必要なだけ小さくできないということになる。 同様の場合、この問題を克服するためには、比較器を供給し、これで積分器を始 動して線形の電位傾斜を発生させ、時刻Ｘ_sに電位Ｖ_aから開始して電位Ｖ_bに至 るようにすればよい。電位の傾斜は、計数器が２つの値の間で変化するときに、 標本化されて計測される。傾斜が所定の閾値を通る時刻を算出し、時刻Ｘ_ssを決 定するのに使用する。Ｘ_sとＸ_ssとの差は、一定であり得、積分器と比較器の遅 延と によって決定される。電位の傾斜上の少なくとも２点を計測すれば、計数器が変 化する時刻の傾斜上の測定点から、時刻Ｘ_ssは容易に計算することができる。例 えば、２つの電圧Ｖ₁およびＶ₂が時刻ｔ₁およびｔ₂にそれぞれ計測され、且つＶ₀ がＶ₁とＶ₂の間である場合、Ｘ_ssは、次の式によって補間される。 時刻Ｘ_eも同様に計測される。実施例では、計算を簡単にするため、線形の傾 斜を用いるが、その他の曲線を用いても良い。 実施態様の詳細 本発明による簡単なシステムを概略的に図１に示す。このシステムは、分析する べき物体（この場合は、人体１２）に向けた少なくとも１台のカメラ１０と人体 １２に付けた少なくとも１つのマーカー１１とを含む。 カメラ１０からの信号をさらに処理するため、カメラ１２はコンピュータ装置 １３に接続されてよい。 以降、赤外線領域で動作するシステムの実施例を述べることとする。即ち、カ メラは、赤外線を放射する対象または物体を「見る」ものとする。好ましい実施 例では、マーカーは、反射性の表面を備えほぼ球形の構造を有する。カメラ１２ は、赤外線を放射する手段を備えても良い。放射された赤外線はマーカーで反射 される。マーカーを特別な 設計にすることにより、異なる角度からのカメラが円形を捕らえて正確な位置測 定が可能となる。 この実施例では、カメラ１０は、前記とほぼ同様に動作するＣＣＤユニットを 備えている。図２のブロック図は、本発明による方法を実施するように意図され たカメラ１２の主要な部分を概略的に示す。 カメラ１０は、マーキングデバイス１１の像１６をＣＣＤユニット１５に投影 するレンズまたはその他の集光手段（図示せず）のような光学素子１４を含む。 ＣＣＤユニット１５の表面が走査されと、画素情報を含む画像信号が、変換手段 １７によって適切なビデオ信号へと変換され、ＣＣＤユニット内に集積される。 そして、画像の線を表すビデオ信号が、処理ユニット１８へとシリアルまたはパ ラレルに送られる。処理ユニット１８は、受信したビデオ信号を例えばＡ／Ｄ変 換ユニット１９を用いてデジタル化する。また、ビデオ信号は、ユニット１７で デジタル化してもよい。処理ユニット１８は、これを制御する命令集合を収容す るメモリユニット（図示せず）に接続しても良い。 前記の「基本原理」の部分に関して言えば、画像の要素を複数行に配列し、低 域通過フィルタにより何らかの連続信号を与えるようにしてもよい。そうすれば 、この連続信号を前記の類似の信号として処理することができるしかし、好まし い実施例としては、画像の各要素を個別に計測し、基本原理の部分と同様に、閾 値Ｔを何時通るかを判断して、計測値から値を補間するのが良い。 デジタル化された信号は、次に比較器２０に渡される。比較器２０は、所定の 閾値Ｔに関する個々の標本値を補間する。閾値Ｔは、ビデオレベルとも言い、メ モリユニット２１から得ることができる。上述のように、目的は、信号の振幅が 何時、閾値Ｔを通るかを決定することである。各通過により、各区画の開始およ び終了の座標が高解像度で表される。解像度は、１行の画素数の約３０倍まで可 能である。計算ユニット２２は、次の計算を実行する。 ただし、Ｖ₁およびＶ₂は、先行する画素と後続の画素の信号レベルであり、比 較器２０から受け取る。 画素（ピクセル）番号は、計数器（図示せず）から得ることができる。使用さ れる部品によって、レベルＶ１およびＶ２を１０ビットの解像度で計測すること ができ、画素番号（最上位ビット）が９ビットで、(Ｔ-Ｖ₁)/(Ｖ₂-Ｖ₁)が７ビビ ットである。この時、計算ユニット22は、メモリユニット２３に格納されている 前の値によって、次の式を用いて、マーカーの中心点ｘ'を計算する。 ここで、ｌ_kは、図５における区画ｋ（即ち、Ｘ_ek−Ｘ_sk）の長さ、 Ｓは、画像の要素のシリアル番号、 デジタルの場合は、式（１）および（２）は、式（５）および（６）でそれぞれ 置き換えることができる。しかし、式（１）および（２）だけでは、望ましい正 確な値を得ることはできない。より正確、安定かつ高解像度のｘ'を得るために 、長さｌ_kのｎ乗を算出する。好まし実施例では、ｌ_kの二乗（即ち、ｎ＝２）を 計算する。 図３は、マーカーの、デジタル化された２次元画像２６を概略的に示す。 更なる計算のため、長さｌ_kは、メモリユニット２３に記憶しても良い。例え ば、像の面積Ａは、面積用の式Ａ≒Σｌ_kを用いて計算できる。円形のマーカー に対しては、Ａ＝πｒ²を用いて、式（７） が得られるので、これにより半径を計算することができる。これは、計算ユニ ット２２で計算できる。 ここで、図４に本発明の基本原理を概略的に示す。オブジェクト１１の位置は 、以下のように計算することができる。 既知のデータ： Ｘ'検出器表面２８、即ちＣＣＤ板１５上のマーカー像２６の中心で、式（５ ）を用いて算出される。 ｃ 検出器表面２８からレンズ１４までの距離。 Ｘ₀，Ｙ₀ 検出器表面の中心、レンズの中心に対応し、これらの中心はカメラの定数 である。 Ｄ_mマーカー１１の直径。 計算ユニット２２は、次のパラメータを算出する。 ｘ_p Ｘ₀−ｘ'、即ち、検出器表面１１のマーカー像の、検出器表面の中心に 対するＸ座標。 ｙ_p Ｙ₀−ｙ'、即ち、検出器表面上のマーカー像の、検出器表面の中心に対 するＹ座標。 ｄ r×2、ｒは前述の半径である。 図４の三角形ＡおよびＢの間には、相似関係があるので、 次のような比例関係も存在する。即ち、Ｘ_m／ｘ_p＝Ｙ_m／ｙ_p＝Ｚ_m／ｃ＝Ｄ_m／ｄ が成立する。これにより、ユニット２２において次の計算が可能となる。ただし、Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_mは、マーカーの３次元位置（ベクトル成分）である。特 に、カメラ（レンズ）とオブジェクト１１との距離は、次式で与えられる。 距離ｃは、焦点調整動作（即ち、レンズの移動）と共に変化するので、距離は 、当然のことながら正確に決める必要がある。 処理の結果は、インタフェースユニット２４に送られ、さらにコンピュータ装 置１３に転送される。コンピュータ装置１３は、シュミレーション、位置決定お よびその他の用途のために、計算値を用いてマーカーの位置を画面上に 表示することができる。 好ましい実施例を図示して説明したが、本発明は、この実施例に限定されず、 請求の範囲内において種々の変形および修正を為し得る。処理ユニット１８は、 カメラ１０または周辺装置と一体化することができる。処理ユニット１８におけ る装置数およびそれらの機能も変えることができる。 さらに、マーカーの形状は、応用分野によって変えることができる。また、本 発明によるシステムは、他の分野、例えば乗り物、航空機のような移動装置にお いて距離を計測するために使用することができる。 参照符号リスト １０ カメラユニット １１ マーカー １２ 物体 １３ コンピュータ １４ レンズ １５ ＣＣＤユニット １６ 像 １７ 変換ユニット １８ 処理ユニット １９ Ａ／Ｄ変換ユニット ２０ 比較器 ２１ メモリユニット ２２ 計算ユニット ２３ メモリユニット ２４ インタフェースユニット ２５ マーカー ２６ マーカー像 ２７ 測定平面 ２８ 検出器表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）既知の寸法パラメータ（Ｄ_m）を有する少なくとも１つのマーカーオブジ ェクト（１１）を備えた物体（１２）の位置（Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_m）を、センサデバ イス（１５）、該センサデバイスから決定可能な距離（ｃ）にある光学素子（１ ４）ならびに検索および計算手段（２２）を備えた少なくとも１台のカメラユニ ット（１０）によって決定する方法であって、 前記センサデバイス（１５）上に再生される前記オブジェクト（１１）の像（ １６）の座標（ｘ_p，ｙ_p）を算出するステップ； 前記与えられた寸法パラメータ（Ｄ_m）に対応する前記オブジェクト（１１） の寸法パラメータ（ｄ）を算出するステップ；および 得られたパラメータの比率を算出して前記オブジェクト（１１）の位置（Ｘ_m 、Ｙ_m、Ｚ_m）を決定するステップ、 を含むことを特徴とする物体の位置を決定する方法。 （２）前記オブジェクトまでの距離（Ｚ_m）を、前記オブジェクトまでの距離（ Ｚ_m）と、前記光学素子とセンサ表面との間の距離（ｃ）との比例性、前記セン サデバイス（１５）上のオブジェクトの像（１６）の寸法パラメータ（ｄ）およ び該オブジェクトの該寸法パラメータ（Ｄ_m）を用いて算出することを特徴とす る請求項１記載の方法。 （３）前記像の中心座標（ｘ_p，ｙ_p）が、前記像の中心点（ｘ'，ｙ'）と前記セ ンサデバイス上の中心点（Ｘ₀，Ｙ₀）との距離であることを特徴とする請求項１ 記載の方法。 （４）前記センサデバイス（１５）上の前記像の中心（ｘ'，ｙ'）が、 前記再生された像（１６）に対する画素データを含む前記センサデバイスから の信号を補間し、および、前記像の ップ；およびて次の式： により中心座標（ｘ'）を決定するステップ； を用いて計算されることを特徴とする請求項３記載の方法。 （５）式： （ここで、Ｔは所定の閾値であり、Ｖ₁およびＶ₂はそれぞれ先行する画素および 後続の画素の信号レベルであり、且つｐはｍ番目の画素の番号である） を用いて、始点または終点（Ｘ_k）を算出することを特徴とする請求項３記載の 方法。 （６）前記再生された像（１６）に対する画素データを含む信号を補間し、お よび、前記像の一部を表す区画の長さ（ｌ_k）を算出するステップ；および 該像の面積（Ａ）を、Ａ＝Σｌ_kにより計算するために、前記の算出された長 さ（ｌ_k）を用いるステップ； を特徴とする請求項１または２記載の方法。 （７）前記マーキングオブジェクト（１１）が、実質的に球状であることを特徴 とする請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。 （８）前記既知の寸法パラメータ（Ｄ_m）が、前記オブジェクト（１１）の直径 であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。 （９）物体（１２）に対して既知の寸法パラメータ（Ｄ_m）を有するオブジェク ト（１１）を備えた物体（１２）の位置（Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_m）を決定するシステム であって、前記システムが、 センサデバイス（１５）、該センサデバイスから決定可能な距離（ｃ）にある 光学素子（１４）、並びに検索および計算手段（２２）を備えた、少なくとも１ 台のカメラユニット（１０）、ここで 前記カメラユニットは、前記センサデバイス（１５）上に再生される前記オ ブジェクト（１１）の像（１６）の座標（ｘ_p，ｙ_p）を算出し、前記の与えられ た寸法パラメータ（Ｄ_m）に対応する前記オブジェクト（１１）の寸法パラメー タ（ｄ）を算出し、得られたパラメータの比率を計算して前記オブジェクト（１ １）の位置（Ｘ_m、Ｙ_m、Ｚ_m）を決定するようにアレンジされており、および 算出された位置を提示する手段、 を備えたことを特徴とする物体の位置を決定するシステム。 （１０）前記物体に対する像のデータを収集する手段（１５）； 前記再生された像（１６）に対する画素データを含むデジタル信号を生成する 変換手段（１９）； 画素信号のレベルと閾値（Ｔ）との差を生成する比較器ユニット（２０）； を算出し、前記像の図心座標（ｘ'）及び／又は前記像の面積及び／又は前記像 の半径を算出する計算ユニット（２２）、 をさらに備えたことを特徴とする請求項９記載のシステム。 （１１）前記センサデバイス（１５）がＣＣＤ板であることを特徴とする請求項 ９または１０の何れか１つに記載のシステム。