JP2005351869A - Positioning method and system - Google Patents

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Kazutake Kamihira
員丈 上平
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Yokohama TLO Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positioning method and a positioning system capable of solving problems in a conventional positioning method, being utilized outdoors and indoors, and constantly measuring from a small space of several meters square to a wide space of several 100 meters square with high accuracy, without lowering the accuracy even when a substance disturbing the magnetic field such as metal, exists near the system. <P>SOLUTION: This positioning system comprises indicators emitting the light flashing with various patterns, of which positional coordinates in a three-dimensional space are known, an image pick-up means for picking up an image including at least two or more indicators among the indicators, a calculating means for calculating the positional coordinates in the three-dimensional space of the image pick-up means from the positional coordinates in the image of the indicators, and a storing means for storing the calculated positional coordinates of the image pick-up means. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、各種情報機器の3次元空間における位置座標を高精度に取得する技術に関する。   The present invention relates to a technique for acquiring position coordinates of various information devices in a three-dimensional space with high accuracy.

近年、3次元空間内に存在する物体の位置座標を取得する技術として、GPSを利用する方法が広く用いられている。
この方法は、GPS衛星から送信される衛星の位置や時刻などの情報を1台のアンテナで受信することにより、衛星から電波が発信されてから受信機に到達するまでに要した時間を測り、距離に変換するもので、位置のわかっているGPS衛星を動く基準点として、4個以上の衛星から観測点までの距離を同時に知ることにより、観測点の位置を決定するもので、衛星の位置誤差や衛星からの電波が対流圏や電離層を通過するときの電波の遅れなどから、約10mの誤差が生じる。
In recent years, a method using GPS is widely used as a technique for acquiring the position coordinates of an object existing in a three-dimensional space.
This method measures the time required to reach the receiver after the radio wave is transmitted from the satellite by receiving information such as the position and time of the satellite transmitted from the GPS satellite with one antenna. It is converted into distance, and the position of the observation point is determined by simultaneously knowing the distance from four or more satellites to the observation point by using a GPS satellite whose position is known as a moving reference point. An error of about 10 m occurs due to an error or a delay of the radio wave when the radio wave from the satellite passes through the troposphere or the ionosphere.

この測定誤差をより小さくし、高精度の位置計測を行う方法に、DGPS(ディファレンシャルGPS)測位およびRTK−GPS(リアルタイムキネマティック−GPS)測位とよばれる方法がある。
これらの方法は、ともに位置の分かっている基準局と位置を求めようとする観測点で同時にGPS観測を行い、基準局で観測したデータを無線等を用いて観測点ヘリアルタイムに送信し、基準局の位置成果に基づき観測点の位置をリアルタイムに求めるものである。
There are methods called DGPS (Differential GPS) positioning and RTK-GPS (Real-time kinematic-GPS) positioning as methods for reducing the measurement error and performing highly accurate position measurement.
Both of these methods simultaneously perform GPS observations at a reference station whose position is known and the observation point for which the position is to be obtained, and transmit the data observed at the reference station to the observation point in real time using radio etc. Based on the results, the position of the observation point is obtained in real time.

DGPSは、両点で単独測位を行い、基準局において位置成果と観測された座標値の差を求め、観測点に補正情報として送信する。
一方、RTK−GPSは、両点で位相の測定を行い基準局で観測した位相データを観測点に送信する。観測点のGPS受信機では、受信データと基準局から送信されたデータをリアルタイムで解析することにより、観測点の位置を決定する。
これらの方法では、各種の誤差要因が消去されることから、DGPSは数m、RTK−GPSは数cmの誤差で位置を計測することが可能である。
以上述べたGPSを用いる方法は、人工衛星を用いることから地球規模の広範囲な場所で使用可能である。このため、カーナビゲーションをはじめ移動体の位置計測などに用いられている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。
DGPS performs independent positioning at both points, obtains the difference between the position result and the observed coordinate value at the reference station, and transmits the difference to the observation point as correction information.
On the other hand, RTK-GPS measures the phase at both points and transmits the phase data observed at the reference station to the observation point. The GPS receiver at the observation point determines the position of the observation point by analyzing the received data and the data transmitted from the reference station in real time.
In these methods, since various error factors are eliminated, it is possible to measure the position with an error of several meters for DGPS and several centimeters for RTK-GPS.
Since the method using GPS described above uses an artificial satellite, it can be used in a wide range of places on a global scale. For this reason, it is used for the position measurement of a moving body including car navigation (for example, refer nonpatent literature 1 and nonpatent literature 2).

これに対し、数m四方程度の小空間における位置計測法として、図7にその原理を示す磁界を利用する方法がある。図7において、71は磁界を発生するトランスミッタ、72は空間において磁界の強さを測定するセンサである。また、73および74はそれぞれドライブ回路、検出回路であり、さらに75はコンピュータであり、76は出力部である。トランスミッタ71およびセンサ72は共に、互いに直交する3つのコイルで構成されている。   On the other hand, as a position measuring method in a small space of about several meters square, there is a method using a magnetic field whose principle is shown in FIG. In FIG. 7, 71 is a transmitter that generates a magnetic field, and 72 is a sensor that measures the strength of the magnetic field in space. Reference numerals 73 and 74 denote a drive circuit and a detection circuit, 75 denotes a computer, and 76 denotes an output unit. Both the transmitter 71 and the sensor 72 are composed of three coils orthogonal to each other.

その原理は、まずx、y、z方向に直交させたトランスミッタのコイルに交流電流を加えることにより交流磁界を発生させる。それぞれのコイルは時分割で順番に交流電流が加えられる。この交流磁界の中にセンサを置くと、センサのx、y、zのそれぞれのコイルに電流が誘起され、その電流の強さはトランスミッタからの距離と方向で決定される。これらの相関関係により得られる3×3の9通りのデータを基にして連立方程式を解くことによって、センサの3次元位置座標x、y、zと向きを測定する。
このような磁界を用いる方式は、非接触で計測でき、物理的な障害物にも影響されずに計測できるという特徴がある(例えば、特許文献1参照)。
The principle is that an alternating magnetic field is first generated by applying an alternating current to a transmitter coil orthogonal to the x, y, and z directions. An alternating current is applied to each coil in order in a time division manner. When a sensor is placed in this alternating magnetic field, a current is induced in each of the x, y, and z coils of the sensor, and the strength of the current is determined by the distance and direction from the transmitter. The three-dimensional position coordinates x, y, z and the direction of the sensor are measured by solving simultaneous equations based on 9 × 3 data obtained by these correlations.
Such a method using a magnetic field is characterized in that it can be measured without contact and can be measured without being affected by a physical obstacle (see, for example, Patent Document 1).

坂井丈泰著、「GPS技術入門」、東京電機大学出版局、2003年3月、p.1〜p.131Takey Sakai, “Introduction to GPS Technology”, Tokyo Denki University Press, March 2003, p. 1-p.131 ITS情報通信システム推進会議編、「図解 これでわかったGPS」、森北出版株式会社、2004年3月、p.44〜p.80ITS Information Communication System Promotion Conference, “Illustration of GPS”, Morikita Publishing Co., Ltd., March 2004, p.44-p.80 特開平10−51711号公報JP-A-10-51711

しかしながら、前記GPSを用いる方法は、電波が届かない屋内や地下街などでは使用することができない。また、屋外であっても、高層ビル街などでは電波のビルでの反射により正確な位置計測が困難となる。
一方、磁界を利用する方法は、屋内での利用が可能であるが、磁気センサの近傍に金属などの磁界を乱す物体がある場合、正確な測定が困難になるという問題がある。また、最大測定範囲がトランスミッタから3m程度と狭いという問題もある。
However, the method using the GPS cannot be used indoors or underground shopping areas where radio waves do not reach. Even in the outdoors, accurate location measurement becomes difficult due to reflection of radio waves in high-rise buildings and the like.
On the other hand, the method using a magnetic field can be used indoors, but there is a problem that accurate measurement becomes difficult when there is an object such as a metal that disturbs the magnetic field in the vicinity of the magnetic sensor. There is also a problem that the maximum measurement range is as narrow as about 3 m from the transmitter.

本発明はこのような課題に鑑み、従来の位置計測法の問題点を解決するためのものであって、屋外、屋内にかかわらず利用でき、かつ付近に金属のような磁界を乱すような物体がある場合でも精度の低下をまねくことなく、更に、数m四方の小空間から数百m四方の広い空間まで常に精度の高い測定ができる位置計測方法を提供するものである。   In view of such problems, the present invention is intended to solve the problems of the conventional position measurement method, and can be used regardless of whether it is outdoors or indoors, and an object that disturbs a magnetic field such as metal nearby. The present invention also provides a position measurement method that can always perform highly accurate measurement from a small space of several square meters to a wide space of several hundred square meters without causing a decrease in accuracy even in the case where there is a problem.

前記課題の解決に際し、本発明に係る測位方法及び測位システムは、第一に、3次元空間内の位置座標が未知の撮像手段を用いて3次元空間内の位置座標が既知の複数の指標から2つ以上の指標を含む画像を撮像し、この画像内の指標の位置座標から撮像手段の位置座標を特定する測位方法を提供するものである。   In solving the above-described problems, the positioning method and positioning system according to the present invention first uses a plurality of indices whose position coordinates in the three-dimensional space are known using imaging means whose position coordinates in the three-dimensional space are unknown. It is an object of the present invention to provide a positioning method for capturing an image including two or more indices and specifying the position coordinates of the imaging means from the position coordinates of the indices in the image.

第二に、3次元空間内の位置が既知である複数の指標と、前記指標のうち少なくとも2つ以上の指標を含む画像を撮像する撮像手段と、撮像された画像における指標の画像内の位置座標から撮像手段の3次元空間内の位置座標を算出する演算手段と、算出された撮像手段の位置を記憶する記憶手段とを備え、前記撮像手段は、撮像光学系及び撮像素子とで構成し、その撮像光学系の前方、撮像光学系内、及び撮像光学系後端から撮像素子まで間のいずれかの箇所に、所定幅の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを配置してもよく、前記複数の指標は、光を発する光源で、複数の指標の各々が互いに異なるパタンで点滅する光を発光するものであって、前記指標の点滅パタンが前記指標の識別情報または位置情報を表し、この指標の点滅は、指標であることを特定する役目を果たし、更に、前記指標のうち少なくとも1つの指標が複数の光源から構成される場合には、各光源問の距離と方向を所定に定めることで、撮像画像中の指標を特定する役目を果たすものである。   Second, a plurality of indices whose positions in the three-dimensional space are known, imaging means for capturing an image including at least two indices among the indices, and positions of the indices in the captured image in the image Computation means for calculating position coordinates in the three-dimensional space of the image pickup means from the coordinates, and storage means for storing the calculated position of the image pickup means, the image pickup means comprises an image pickup optical system and an image pickup element. A band-pass filter that allows only light of a predetermined width to pass may be disposed in front of the imaging optical system, in the imaging optical system, and anywhere between the rear end of the imaging optical system and the imaging element. The plurality of indicators are light sources that emit light, and each of the plurality of indicators emits light that blinks in different patterns, and the blinking pattern of the indicator represents identification information or position information of the indicator. Of this indicator In the case where at least one of the indicators is composed of a plurality of light sources, the distance and direction of each light source question is determined in a predetermined manner. It serves to specify the index in the captured image.

本発明は撮像手段の自己の位置座標を、光源である複数の指標を3次元空間内に配置し、これを撮像手段で撮像した画像における指標の位置座標から算術するため、視界内に指標が存在すれば高精度で屋外、屋内を問わず自己位置の特定ができ、且つ、光源に安価なLEDを、撮像手段に低コスト化が進んでいるCCD撮像素子を利用することで、高性能な測位システムを低コストに構築でき、工業上顕著な効果を奏するものである。   In the present invention, the position coordinates of the image pickup means are calculated from the position coordinates of the indices in the image captured by the image pickup means by arranging a plurality of indices serving as light sources in a three-dimensional space. If it exists, it is possible to specify the self-position with high accuracy regardless of whether it is outdoors or indoors, and an inexpensive LED is used as the light source, and a CCD imaging device whose cost is being reduced is used as the imaging means. The positioning system can be constructed at a low cost, and has a remarkable industrial effect.

本発明における測位は、位置座標が未知の撮像手段を複数の位置座標が既知の指標を少なくとも2つ以上を撮像し、その撮像画像内における指標の位置座標から撮像手段の位置座標を特定するものである。
以下、図1を用いて本発明の詳細を説明する。
In the positioning in the present invention, at least two or more indices with known position coordinates are imaged from an imaging means whose position coordinates are unknown, and the position coordinates of the imaging means are specified from the position coordinates of the indices in the captured image. It is.
Hereinafter, the details of the present invention will be described with reference to FIG.

図1は、本発明に係る測位方法及び測位システムの原理説明図である。
図1において、P、Pは指標を示し、Cは撮像手段を構成するレンズの瞳位置、P’、P’は指標P、Pが撮像面Sに投影される像を示す。
ここで、撮像手段や指標が存在する空間を図1(a)に示すように3次元座標系(x、y、z)で表すことにし、撮像手段の座標、より正確にはレンズの瞳位置Cの座標を(x、y、z)とする。この座標(x、y、z)が特定されるべき撮像手段の位置座標である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of a positioning method and positioning system according to the present invention.
In FIG. 1, P 1 and P 2 indicate indices, C is the pupil position of the lens constituting the imaging means, and P 1 ′ and P 2 ′ are images on which the indices P 1 and P 2 are projected onto the imaging surface S. Show.
Here, the space where the imaging means and the index exist is represented by a three-dimensional coordinate system (x, y, z) as shown in FIG. 1A, and the coordinates of the imaging means, more precisely, the pupil position of the lens. Let the coordinates of C be (x 0 , y 0 , z 0 ). These coordinates (x 0 , y 0 , z 0 ) are position coordinates of the imaging means to be specified.

次に、便宜上もうひとつの3次元座標系(X、Y、Z)を考える。この3次元座標系(X、Y、Z)は以下のように座標を選ぶ。
先ず撮像手段のレンズの瞳位置Cを原点とし、撮像手段のレンズの光軸をZ軸と平行になるように配置してZ軸を撮像面と垂直となるようにする。更に、撮像面では、撮像素子の水平走査方向をX軸と、また垂直走査方向をY軸と、それぞれ平行になるようにする。
Next, another three-dimensional coordinate system (X, Y, Z) is considered for convenience. In this three-dimensional coordinate system (X, Y, Z), coordinates are selected as follows.
First, the pupil position C of the lens of the imaging unit is set as the origin, and the optical axis of the lens of the imaging unit is arranged to be parallel to the Z axis so that the Z axis is perpendicular to the imaging surface. Further, on the imaging surface, the horizontal scanning direction of the imaging device is made parallel to the X axis, and the vertical scanning direction is made parallel to the Y axis.

これら2つの座標系は平行移動と回転の操作によって相互に変換可能である。
座標系(x、y、z)における(x、y、z)なる位置が座標系(X、Y、Z)における原点であることから、移動量はx、y、zの各軸に沿ってそれぞれ、x、y、zである。一方、回転については、座標系(x、y、z)をx軸、y軸、z軸について、それぞれθ、φ、ψ回転させることによって座標系(X、Y、Z)が得られるとすると、座標系(X、Y、Z)と座標系(x、y、z)間には数1で表される関係が成りたっている。
These two coordinate systems can be converted into each other by operations of translation and rotation.
Since the position of (x 0 , y 0 , z 0 ) in the coordinate system (x, y, z) is the origin in the coordinate system (X, Y, Z), the amount of movement is the x, y, z axis. X 0 , y 0 , and z 0 , respectively. On the other hand, for rotation, suppose that the coordinate system (X, Y, Z) is obtained by rotating the coordinate system (x, y, z) by θ, φ, ψ about the x-axis, y-axis, and z-axis, respectively. The relationship expressed by Equation 1 is established between the coordinate system (X, Y, Z) and the coordinate system (x, y, z).

Figure 2005351869
Figure 2005351869

ここで、3次元座標系(X、Y、Z)を段落0015のように選択したことから座標軸、レンズ瞳面、撮像面は図1(b)に示す位置関係で表すことができる。
図1(b)において、レンズの瞳位置Cと撮像面Sとの距離fは、レンズの焦点距離を表し、3つの指標P、PおよびP(図中では省略)の座標をそれぞれ(X、Y、Z)、(X、Y、Z)、(X、Y、Z)とする。又これらの指標が撮像面上でレンズにより結像されている位置の座標を図1(c)に示すように、それぞれ(x’、y’)、(x’、y’)、(x’、y’)(図1cでは(x’、y’)を省略)とすると、これらの座標の間には相似の関係から数2が成り立つ。なお、ここで、(x’、y’)、(x’、y’)、(x’、y’)は撮像面上での2次元座標を表し、レンズの光軸との交点を原点とし、水平走査方向をx’、垂直走査方向をy’、と選んだ場合の座標である。
Here, since the three-dimensional coordinate system (X, Y, Z) is selected as in paragraph 0015, the coordinate axis, the lens pupil plane, and the imaging plane can be represented by the positional relationship shown in FIG.
In FIG. 1B, the distance f between the pupil position C of the lens and the imaging surface S represents the focal length of the lens, and the coordinates of three indices P 1 , P 2 and P 3 (omitted in the figure) are respectively shown. (X 1 , Y 1 , Z 1 ), (X 2 , Y 2 , Z 2 ), (X 3 , Y 3 , Z 3 ). Also, the coordinates of the positions where these indexes are formed on the imaging surface by the lens are (x 1 ′, y 1 ′), (x 2 ′, y 2 ′) as shown in FIG. , (X 3 ′, y 3 ′) ((x 3 ′, y 3 ′ is omitted in FIG. 1 c)), Equation 2 is established between these coordinates due to a similar relationship. Here, (x 1 ′, y 1 ′), (x 2 ′, y 2 ′), (x 3 ′, y 3 ′) represent two-dimensional coordinates on the imaging surface and represent the optical axis of the lens. Is the coordinate when the horizontal scanning direction is selected as x ′ and the vertical scanning direction is selected as y ′.

Figure 2005351869
Figure 2005351869

次に、前記3つの指標を撮像した画像信号から(x’、y’)、(x’、y’)、(x’、y’)を求め、既知の座標である(X、Y、Z)、(X、Y、Z)、(X、Y、Z)とで、式(2)に数1を代入すれば、数2は未知数がx、y、z、θ、φ、ψの6で、式の数が6個の連立方程式となる。従って、この連立方程式を解くことにより、撮像手段の位置(x、y、z)を求めることができる。更に、撮像手段の向き(θ、φ、ψ)も求めて知ることができる。 Next, (x 1 ′, y 1 ′), (x 2 ′, y 2 ′), (x 3 ′, y 3 ′) are obtained from image signals obtained by imaging the three indexes, and are known coordinates. If (X 1 , Y 1 , Z 1 ), (X 2 , Y 2 , Z 2 ), (X 3 , Y 3 , Z 3 ) are substituted into Formula (2), Formula 2 is The unknown is x 0 , y 0 , z 0 , θ, φ, ψ, and the number of equations becomes six simultaneous equations. Therefore, the position (x 0 , y 0 , z 0 ) of the imaging means can be obtained by solving the simultaneous equations. Further, the orientation (θ, φ, ψ) of the imaging means can be obtained and known.

以上は、撮像手段のレンズ光軸がx、y、zの3方向へ平行移動ができ、又x軸、y軸、z軸の3つの各軸の回りに回転できるという6自由度を前提としたが、撮像手段のレンズ光軸を常に水平に向け、y軸を回転軸とする回転のみを許すとすれば、未知数はx、y、z、θの4つとなり、同時に撮像すべき指標の数も2つとなる。   The above is based on the premise of six degrees of freedom that the lens optical axis of the image pickup means can be translated in three directions of x, y, and z, and can be rotated around each of the three axes of the x, y, and z axes. However, if the lens optical axis of the image pickup means is always horizontally oriented and only rotation with the y axis as the rotation axis is allowed, the unknowns are x, y, z, and θ, and the indices to be imaged simultaneously. The number is also two.

前記原理から明らかなように本発明は空間内に所定の指標を配置することにより、屋外だけでなく屋内においても実施可能となる。加えて、高層ビル街においても視界内に指標が存在すればビルの影響を受けることなく実施可能でもある。   As is apparent from the above principle, the present invention can be implemented not only outdoors but also indoors by arranging a predetermined index in the space. In addition, even in high-rise buildings, if there is an indicator in the field of view, it can be implemented without being affected by the building.

本発明の測位システムの測定精度は撮像素子の解像度に依存し、指標と撮像手段の距離を撮像素子の1つの方向の画素数で割った値が概ねの精度となる。近年、数百万画素の撮像素子が安価に入手可能となっているが、これらの撮像素子では1つの方向についての画素数が1000を超える。例えば、指標と撮像手段の距離が数mの場合、その測定精度は数mmとなり、高精度の測定が可能である。   The measurement accuracy of the positioning system of the present invention depends on the resolution of the image sensor, and a value obtained by dividing the distance between the index and the image pickup means by the number of pixels in one direction of the image sensor is an approximate accuracy. In recent years, image sensors with millions of pixels are available at low cost, but in these image sensors, the number of pixels in one direction exceeds 1000. For example, when the distance between the index and the imaging means is several meters, the measurement accuracy is several millimeters, and high-precision measurement is possible.

光を利用するため、付近に金属などがあってもこれに影響を受けることなく高精度の測定が可能である。さらに、光の届く範囲で測定が可能であり、磁界を用いる方法に比べ、測定範囲を拡大できる。更に、本発明で使用する上述の指標は、例えばLEDなどの安価な光源使用することができ、また撮像手段も近年CCD撮像素子の低コスト化が進んで安価であることから、低コストでシステムを構築できるという特徴も併せ持っている。   Since light is used, even if there is a metal nearby, high-precision measurement is possible without being affected by it. Furthermore, measurement is possible within the reach of light, and the measurement range can be expanded as compared with a method using a magnetic field. Further, the above-described index used in the present invention can be an inexpensive light source such as an LED, and the imaging unit is also inexpensive because the cost of the CCD imaging device has been reduced in recent years. It also has the feature that can be built.

以下、本発明の実施形態の詳細を図2〜図6を用いて説明する。
(実施例1)
本発明の第1の実施形態を図2に示す。図2は測位システムの基本構成を示すブロック図である。図2で、測位システム1は、指標21〜2nと測位装置3とから構成される。
Details of the embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
(Example 1)
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 2 is a block diagram showing the basic configuration of the positioning system. In FIG. 2, the positioning system 1 includes indices 21 to 2n and a positioning device 3.

指標21は、発光手段211と、点滅制御手段212と、記憶手段213とから構成される。発光手段211は、点滅制御手段212の指示に基づいて点滅光を発光する。点滅制御手段212は、記憶手段213に記憶されている発光パタン情報を読み出し、その発光パタンで発光手段211が点滅発光するように制御する。この発光パタンの例を図3に示す。   The indicator 21 includes a light emitting unit 211, a blinking control unit 212, and a storage unit 213. The light emitting means 211 emits blinking light based on an instruction from the blinking control means 212. The blinking control unit 212 reads the light emission pattern information stored in the storage unit 213, and controls the light emitting unit 211 to blink by the light emission pattern. An example of this light emission pattern is shown in FIG.

図3において、発光時を「1」、消光時を「0」として、あるいはその逆の発光時を「0」、消光時を「1」として、時間方向に2値でコード化された情報とする。この情報の中には少なくとも各指標の固有IDが含まれる。なお、「T」で示す発光手段の点滅周期は撮像手段のフレーム周期、あるいはフィールド周期に等しいか、あるいはそれ以上とする。
ここまで、指標21について、その構成と発光パタンについて説明したが、他の指標22〜2nについても同様である。但し、各指標には各々固有IDが付与されており、各々の記憶手段には、固有IDを考慮した発光パタンが記憶されている。
従って、各指標は、異なる発光パタンで発光する。本実施例では指標の発光手段として、発光スペクトルの半値幅が数十nm程度のLEDを使用する。又、指標の数と配置場所は、撮像手段が通常の使用において取りうるいかなる方向を向いている場合でも、撮像画像中に常に最低3つの指標が写るように、撮像画角等を考慮して決定する。
In FIG. 3, information encoded by binary values in the time direction, with “1” at the time of light emission and “0” at the time of extinction, or “0” at the time of light emission and “1” at the time of extinction. To do. This information includes at least the unique ID of each index. The blinking cycle of the light emitting means indicated by “T” is equal to or longer than the frame period or field period of the imaging means.
So far, the structure and the light emission pattern of the index 21 have been described, but the same applies to the other indices 22 to 2n. However, a unique ID is assigned to each index, and a light emission pattern considering the unique ID is stored in each storage unit.
Therefore, each indicator emits light with a different light emission pattern. In this embodiment, an LED having an emission spectrum half-width of about several tens of nanometers is used as the indicator light emitting means. In addition, the number and location of the indicators should be taken into consideration such as the angle of view of the imaging so that at least three indicators are always captured in the captured image, regardless of the direction the imaging means can take in normal use. decide.

測位装置3は、撮像手段31と演算手段32および記憶手段33から構成される。なお、撮像手段31には撮像光学系の前方、撮像光学系内および撮像光学系後端から撮像素子間のいずれかの場所に光学的バンドパスフィルタ4を配置される。
この光学的バンドパスフィルタ4の透過光の中心波長は発光手段であるLEDの発光の中心波長と同じあるいはその近傍とし、また半値幅はLEDの発光スペクトルの半値幅と同程度あるいはそれ以下とする。
The positioning device 3 includes an imaging unit 31, a calculation unit 32, and a storage unit 33. The optical band-pass filter 4 is disposed in the imaging means 31 in front of the imaging optical system, in the imaging optical system, and at any location between the imaging optical system and the rear end of the imaging optical system.
The center wavelength of the transmitted light of the optical bandpass filter 4 is the same as or near the center wavelength of the light emission of the LED as the light emitting means, and the half width is equal to or less than the half width of the emission spectrum of the LED. .

本実施例の撮像手段31は前記バンドパスフィルタを用いることにより、撮像素子上に到達する光のうち、指標からの光はその強度について大きな影響を受けないのに対し、指標以外からの光は強度が著しく低下させられる。このようにして撮像手段31で撮像された画像は演算手段32に伝送される。演算手段32ではまず適当な閾値を用いて撮像画像を2値化し指標を抽出する。
即ち、前記バンドパスフィルタの効果により、指標以外からの光は強度が低下しているため適切な閾値を設定することにより、点灯している指標のみを抽出することができる。次に、抽出された指標の画素の座標から撮像面上での位置を認識し、時間的に連続しているフレーム画像から指標の点滅パタンを読み取り、指標のIDを読み取る。
The image pickup means 31 of the present embodiment uses the bandpass filter, so that light from the index among the light reaching the image sensor is not greatly affected by the intensity, whereas light from other than the index is not received. The strength is significantly reduced. The image picked up by the image pickup means 31 in this way is transmitted to the calculation means 32. The computing means 32 first binarizes the captured image using an appropriate threshold and extracts an index.
That is, due to the effect of the bandpass filter, since the intensity of light from other than the index is reduced, it is possible to extract only the lit index by setting an appropriate threshold value. Next, the position on the imaging surface is recognized from the coordinates of the extracted index pixel, the index blink pattern is read from the temporally continuous frame image, and the index ID is read.

各指標の3次元座標情報は夫々のIDに対応して記憶手段33に格納されている。演算手段32は点滅パタンからIDを読み取ると、そのIDに対応した3次元座標情報を記憶手段33より読み取る。以上の方法により、撮像画像中に映された3つの指標について各々IDに対応した3次元座標情報を取得し、該3次元座標情報を用いて、前記式(1)および式(2)から撮像手段の位置を求めて出力する。なお、撮像画像中に4つ以上の指標が写っている場合は、任意の3つを選び前記処理を実行する。   The three-dimensional coordinate information of each index is stored in the storage means 33 corresponding to each ID. When the calculation unit 32 reads the ID from the blinking pattern, the calculation unit 32 reads the three-dimensional coordinate information corresponding to the ID from the storage unit 33. By the above method, the three-dimensional coordinate information corresponding to the ID is obtained for each of the three indexes shown in the captured image, and the three-dimensional coordinate information is used to capture an image from the formula (1) and the formula (2). The position of the means is obtained and output. If four or more indices are shown in the captured image, any three are selected and the process is executed.

(実施例2)
本発明の第2の実施形態による実施例を図4、図5を用いて説明する。
測位システムの基本構成は実施例1の図2に示す測位システムの基本構成と同じであり、複数の指標と測位装置とから構成される。
本実施例では、指標が図4に示すように隣接して配置された2つの発光手段211Aおよび211Bを有する。これら2つの発光手段のうち、発光手段211Aは実施例1の発光手段21と同様に動作する。即ち、点滅制御手段212の指示に基づいて点滅光を発光する。そして、点滅制御手段212は、記憶手段213に記憶されている発光パタン情報を読み出し、その発光パタンで発光手段211Aが点滅発光するように制御する。
(Example 2)
An example according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The basic configuration of the positioning system is the same as the basic configuration of the positioning system shown in FIG. 2 of the first embodiment, and includes a plurality of indicators and positioning devices.
In this embodiment, the indicator has two light emitting means 211A and 211B arranged adjacent to each other as shown in FIG. Of these two light emitting means, the light emitting means 211A operates in the same manner as the light emitting means 21 of the first embodiment. That is, blinking light is emitted based on an instruction from the blinking control unit 212. Then, the blinking control unit 212 reads the light emission pattern information stored in the storage unit 213, and controls the light emitting unit 211A to blink by the light emission pattern.

他方の発光手段211Bは、図5に示すような撮像手段のフレーム周期と同じ周期で点滅光を発光する。図5において、Tは撮像手段のフレーム周期、fは奇数フィールド期間、fは偶数フィールド期間を示している。 The other light emitting means 211B emits flashing light at the same period as the frame period of the imaging means as shown in FIG. In FIG. 5, T F is the frame period, f 0 is the odd field period of the image pickup means, f e represents an even field period.

前記指標を用いることで、指標の誤抽出の防止とフレーム毎の位置測定を実現する。
先ず指標の誤抽出の防止効果は、発光手段211Bは、フレーム周波数と同じ周波数で点滅しているため、発光期間をフィールド期間よりも短く設定すれば、奇数フィールド或いは偶数フィールドのいずれかで抽出され連続したフィールドでは抽出されない。従って、1つのフレーム内でいずれか一方のフィールドでのみ抽出されれば本実施例で用いる指標の発光手段であり、この近傍の発光手段の点滅パタンから位置情報を取得する。
By using the index, prevention of erroneous index extraction and position measurement for each frame are realized.
First, since the light emitting means 211B blinks at the same frequency as the frame frequency, if the light emission period is set shorter than the field period, the light emission means 211B is extracted in either the odd field or the even field. Not extracted for consecutive fields. Accordingly, if only one of the fields in one frame is extracted, it is the indicator light emitting means used in this embodiment, and the position information is acquired from the blinking pattern of the light emitting means in the vicinity.

一方、一つのフレーム内の両方のフィールドで抽出されれば指標以外の発光物体と認識する。なお、発光手段211Bの発光期間が奇数フィールドと偶数フィールドにまたがる場合は、両フィールドで抽出されることになる。そこで、画面内に常にフレーム内の両フィールドで抽出される物体がある場合は、撮像手段のフィールド周波数の位相を発光手段211Bの発光期間程度シフトさせる。これにより、発光期間は奇数フィールドと偶数フィールドのいずれかの期間内になり、連続したフィールドでは抽出されなくなる。この場合でも、なお両フィールドで検出される物体は、本実施例で用いる指標の発光手段以外の物体と判断できる。
以上のように、指標以外の高輝度の発光物体がある場合でも、指標のみを正確に抽出することができる。
On the other hand, if it is extracted in both fields in one frame, it is recognized as a light emitting object other than the index. In addition, when the light emission period of the light emitting means 211B extends over the odd field and the even field, the light is extracted in both fields. Therefore, when there is an object that is always extracted in both fields in the frame in the screen, the phase of the field frequency of the imaging means is shifted by the light emission period of the light emitting means 211B. As a result, the light emission period falls within either the odd field or the even field, and is not extracted in consecutive fields. Even in this case, the object detected in both fields can be determined to be an object other than the indicator light emitting means used in this embodiment.
As described above, even when there is a high-luminance luminescent object other than the index, only the index can be accurately extracted.

次に、フレーム毎の位置測定が可能であることを説明する。
実施例2においても、実施例1と同様に、発光手段の点灯と消灯に「1」、「0」を割り振ることにより、各指標の固有IDを時間方向の2値化コードで表す。1ビットの情報を取得するには最低でも撮像手段の1フィールド期間を必要とするから、例えば指標のIDが8ビットからなるとすれば、IDを読み取るまでに最低8フィールド期間、すなわち4フレーム期間を必要とする。ここで、最初は8フィールド期間をかけてIDを読み取って抽出した指標を特定できれば、その後は、指標が画面中を移動してもこれを追跡することで、その特定に8フィールド期間をかけて8ビットの情報を読み取る必要はない。
Next, it will be described that position measurement for each frame is possible.
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, “1” and “0” are assigned to turn on and off the light emitting means, and the unique ID of each index is represented by a binary code in the time direction. Since at least one field period of the imaging means is required to acquire 1-bit information, for example, if the ID of the index is 8 bits, at least 8 field periods, that is, 4 frame periods are required before reading the ID. I need. Here, if it is possible to identify the index extracted by reading the ID over the first 8 field periods, then tracking this even if the index moves through the screen, it takes 8 field periods to identify There is no need to read 8-bit information.

前記実施例1では、発光手段が1つでIDに対応したパタンの点滅を行い、「0」が続く場合もあり得る。「0」の場合は消灯でありそのフィールド又はフレームにおいては位置情報が得られない。又、この消灯状態のフィールドまたはフレームが長く続くと指標の追跡が困難となる。
ところが、実施例2では、ID情報を発する発光手段とは別にフレーム周期で点滅する発光手段を設けたために、その追跡が容易になり、一旦IDを読み取って抽出した指標を特定した後は、常にフレーム毎に指標の位置を取得することが可能になる。
In the first embodiment, there may be a case where the number of light emitting means is one, the pattern corresponding to the ID is blinked, and “0” continues. In the case of “0”, the light is extinguished and position information cannot be obtained in the field or frame. In addition, if this unlit field or frame continues for a long time, it becomes difficult to track the index.
However, in the second embodiment, since the light emitting means that blinks in the frame period is provided separately from the light emitting means that emits the ID information, the tracking becomes easy. It is possible to acquire the position of the index for each frame.

(実施例3)
本発明の第3の実施例について図6を用いて説明する。
測位システムの基本構成は先の実施例1の図2に示される測位システムの基本構成と同じく複数の指標と測位装置とから構成されるが、実施例3が用いる指標は、複数の光源で構成し、この複数の光源のうち点灯している光源の配置パタンにより各指標に付与されたIDを表すものである。
(Example 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the positioning system is composed of a plurality of indicators and positioning devices in the same manner as the basic configuration of the positioning system shown in FIG. 2 of the first embodiment, but the index used in the third embodiment is composed of a plurality of light sources. In addition, the ID assigned to each index is represented by the arrangement pattern of the light sources that are lit among the plurality of light sources.

図6は実施例3で用いる指標の例を示したものであるが、P〜Pで示される等間隔の位置に光源が配置され、そのうちPとPの位置の光源は常時点灯しているものとする。一方、P、P及びPの位置の光源は3桁の2進数としてIDを表し、点灯している場合は「1」、消灯している場合は「0」を表すとする。図6では「101」を表している。 FIG. 6 shows an example of an index used in the third embodiment. Light sources are arranged at equal intervals indicated by P 0 to P 4 , and light sources at positions P 0 and P 1 are always lit. Suppose you are. On the other hand, the light sources at the positions P 2 , P 3 and P 4 represent ID as a three-digit binary number, and represent “1” when turned on and “0” when turned off. In FIG. 6, “101” is represented.

次に、撮像手段の自己位置の特定方法は、先ず、撮像手段が撮像して伝送された画像を演算手段により、その画像の2値化及び光学的バンドバスフィルタによるフィルタリングを施し、指標を構成する光源を抽出する。なお、撮像手段は通常の撮像時と同様に、水平走査方向が水平方向と平行にして用いるものとし、傾きが生じても常に±90度以内の傾きであるとする。   Next, the method for identifying the self-position of the image pickup means is as follows: first, an image picked up and transmitted by the image pickup means is subjected to binarization of the image and filtering by an optical bandpass filter to constitute an index. The light source to be extracted is extracted. Note that, as in normal imaging, the imaging means is used with the horizontal scanning direction parallel to the horizontal direction, and the inclination is always within ± 90 degrees even if an inclination occurs.

図6において、PとPの位置の光源は、いずれの指標においても点灯しているため、撮像された画像から光源群を抽出すると、まず最も左側にある光源とその一つ右側にある光源が抽出される。この2つの光源間の距離Dと方向を求める。次に、P、P、PはPからPへ引いた線の延長線上において、PよりそれぞれD、2D及び3Dの距離に位置する。よってこの2値化後の画像内で、これらの位置に相当する画素の輝度を調べることにより、これらの位置に配置された光源が点灯しているか消灯しているかを調べる。以上の処理を行うことにより該指標のIDが求められる。 In FIG. 6, the light sources at the positions of P 0 and P 1 are lit at any of the indices. Therefore, when a light source group is extracted from the captured image, the light source on the leftmost side and the light source on the right side thereof are first. A light source is extracted. The distance D and direction between the two light sources are obtained. Next, P 2 , P 3 , and P 4 are located at distances of D, 2D, and 3D, respectively, from P 1 on the extension of the line drawn from P 0 to P 1 . Therefore, by checking the luminance of the pixels corresponding to these positions in the binarized image, it is checked whether the light sources arranged at these positions are turned on or off. By performing the above processing, the index ID is obtained.

次に、各指標の3次元座標情報は夫々のIDに対応して記憶手段に格納され、演算手段はIDを求めると、そのIDに対応した3次元座標情報を記憶手段より読み取る。
以上の方法により、画像に映された3つの指標について各々IDに対応した3次元座標情報を取得し、そして、その3次元座標情報を用いて、前記式(1)及び式(2)から撮像手段の位置座標を求めて出力する。実施例3においても、撮像した画像内に4つ以上の指標が写っている場合は、任意の3つの指標を選び前記処理を実行する。
Next, the three-dimensional coordinate information of each index is stored in the storage unit corresponding to each ID, and when the calculation unit obtains the ID, the three-dimensional coordinate information corresponding to the ID is read from the storage unit.
By the above method, the three-dimensional coordinate information corresponding to the ID is obtained for each of the three indices shown in the image, and the three-dimensional coordinate information is used to capture an image from the equations (1) and (2). The position coordinates of the means are obtained and output. Also in the third embodiment, when four or more indexes are shown in the captured image, arbitrary three indexes are selected and the above process is executed.

前記で3つの実施例を用いて本発明を説明したが、本発明範囲内であれば種々の実施態様を採れるのは言うまでもなく、例えば、前記3つの実施例においては、いずれも指標の発光手段から発せられる情報は指標を特定するためのID情報であり、位置情報はこのID情報と対応して格納された記憶手段より取得したが、発光手段から発せられる情報に指標の位置情報を含ませて、発光手段から直接指標の位置情報を読み取らせることもできる。   Although the present invention has been described above using three examples, it goes without saying that various embodiments can be adopted within the scope of the present invention. For example, in the three examples, all of the indicator light emitting means are used. The information emitted from the ID is ID information for identifying the index, and the position information is obtained from the storage means stored in correspondence with this ID information. Thus, the position information of the index can be read directly from the light emitting means.

又、実施例2においては、指標を指標以外の発光物体と区別する方法として、発光手段を2つ備え、そのうちの一つをフレーム周期で点滅させる方法を述べたが、この方法は実施例3でも用いることができ、前記方法以外にも、例えば、指標以外の発光物体が指標に比べ十分に大きな場合には、発光物体の面積や周囲長を公知の方法で演算して求めることにより指標と指標以外の発光物体と区別することも可能である。   In the second embodiment, as a method for distinguishing the index from the light emitting object other than the index, a method is described in which two light emitting means are provided and one of them is blinked at a frame period. In addition to the above method, for example, when the luminescent object other than the index is sufficiently larger than the index, the index and the perimeter of the luminescent object can be calculated and obtained by a known method. It is also possible to distinguish from light emitting objects other than the index.

前記3つの実施例においては、測位装置3は撮像手段31と演算手段32及び記憶手段33から構成されるとしたが、撮像手段31と演算手段32および記憶手段33はそれぞれ独立した装置として物理的に離れた位置に設置することも可能である。
又、本発明は発光手段としていかなる波長の発光手段を用いても、該波長に対応する
撮像手段が存在する限り実施可能である。したがって、赤外光等の不可視光を用いること
も可能であり、この場合は指標の存在を目立たなくすることができる。
In the above three embodiments, the positioning device 3 is composed of the image pickup means 31, the calculation means 32, and the storage means 33. However, the image pickup means 31, the calculation means 32, and the storage means 33 are each physically independent devices. It is also possible to install them at positions far away from each other.
In addition, the present invention can be implemented by using any light emitting means of any wavelength as the light emitting means as long as there is an imaging means corresponding to the wavelength. Therefore, invisible light such as infrared light can be used, and in this case, the presence of the index can be made inconspicuous.

なお、前記の各実施例において、演算手段で実行される位置計測のための処理手順をコンピュータに実行させることができることは言うまでもなく、コンピュータにその処理手順を実行させるためのプログラムを、そのコンピュータが読み取り可能な記憶媒体、例えば、フレキシブル磁気ディスクや、光磁気ディスク、ROM、メモリカード、CD、DVD、リムーバブルディスクなどに記録して提供、配布することができる。   In each of the embodiments described above, it goes without saying that the computer can execute a processing procedure for position measurement executed by the computing means, and the computer executes a program for causing the computer to execute the processing procedure. It can be provided and distributed by being recorded on a readable storage medium such as a flexible magnetic disk, a magneto-optical disk, a ROM, a memory card, a CD, a DVD, or a removable disk.

本発明原理の説明図(a)xyz座標系、(b)XYZ座標系である。Explanatory drawing of the principle of the present invention (a) xyz coordinate system, (b) XYZ coordinate system. 本発明の実施例1における構成図である。It is a block diagram in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における指標の発光手段の発光パタン例を示した図である。It is the figure which showed the example of the light emission pattern of the light emission means of the parameter | index in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2で用いる発光手段の構成図である。It is a block diagram of the light emission means used in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における指標の複数の発光手段のうちの1つの発光手段の発光パタンの例を示した図である。It is the figure which showed the example of the light emission pattern of one light emission means among the several light emission means of the parameter | index in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における指標の複数の発光手段の配置例を示した図である。It is the figure which showed the example of arrangement | positioning of the some light emission means of the parameter | index in Example 3 of this invention. 従来の磁界を用いる方法の構成図である。It is a block diagram of the method using the conventional magnetic field.

符号の説明Explanation of symbols

、P 指標
’、P’ 撮像画像面上に投影された指標P、Pの像
C 撮像手段を構成するレンズの瞳位置
S 撮像面
撮像手段のフレーム周期
撮像手段の奇数フィールド期間
撮像手段の偶数フィールド期間
、P、P、P、P 発光手段
1 測位システム
21〜2n 指標
211、211A、211B 発光手段
212 点滅制御手段
213 記憶手段
3 測位装置
31 撮像手段
32 演算手段
33 記憶手段
4 光学的バンドパスフィルタ
71 磁界を発生するトランスミッタ
72 空間において磁界の強さを測定するセンサ
73 ドライブ回路
74 検出回路
75 コンピュータ
76 出力部
P 1 , P 2 indices P 1 ′, P 2 ′ Images of indices P 1 and P 2 projected onto the captured image plane C The pupil position S of the lens constituting the imaging means S Imaging plane TF Frame period f of the imaging means 0 Odd-numbered field period fe Imaging means even-numbered field periods P 0 , P 1 , P 2 , P 3 , P 4 Light emitting means 1 Positioning systems 21 to 2n Indicators 211, 211 A, 211 B Light emitting means 212 Flashing control means 213 Storage means 3 Positioning device 31 Imaging means 32 Calculation means 33 Storage means 4 Optical bandpass filter 71 Transmitter 72 that generates a magnetic field Sensor 73 that measures the strength of the magnetic field in the space 73 Drive circuit 74 Detection circuit 75 Computer 76 Output section

Claims (8)

3次元空間内に存在する位置が未知の物体の位置座標を特定する測位方法であって、3次元空間内の位置座標が未知の撮像手段を用いて3次元空間内の位置座標が既知の複数の指標から2つ以上の前記指標を含む画像を撮像し、撮像された画像内の前記指標の位置座標から3次元空間内の前記撮像手段の位置座標を特定することを特徴とする測位方法。 A positioning method for specifying position coordinates of an object whose position in the three-dimensional space is unknown, and a plurality of positions whose coordinates in the three-dimensional space are known by using an imaging means whose position coordinates in the three-dimensional space are unknown A positioning method characterized in that an image including two or more of the indices is picked up from the indices and the position coordinates of the imaging means in a three-dimensional space are specified from the position coordinates of the indices in the picked-up image. 3次元空間内に存在する位置が未知の物体の位置座標を特定する測位システムであって、3次元空間内の位置座標が既知である複数の指標と、前記指標のうち少なくとも2つ以上の指標を含む画像を撮像する撮像手段と、撮像された画像における前記指標の位置座標から前記撮像手段の3次元空間内の位置座標を算出する演算手段と、算出された撮像手段の位置座標を記憶する記憶手段とを備えることを特徴とする測位システム。 A positioning system for identifying position coordinates of an object whose position in the three-dimensional space is unknown, a plurality of indices whose position coordinates in the three-dimensional space are known, and at least two or more indices among the indices An imaging unit that captures an image including the image, a calculation unit that calculates a position coordinate of the imaging unit in a three-dimensional space from a position coordinate of the index in the captured image, and a calculated position coordinate of the imaging unit A positioning system comprising storage means. 前記撮像手段は、撮像光学系及び撮像素子とで構成され、前記撮像光学系の前方、撮像光学系内及び撮像光学系後端から撮像素子まで間のいずれかの箇所に、所定幅の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項2記載の測位システム。 The imaging means is composed of an imaging optical system and an imaging element, and has a wavelength of a predetermined width at any position in front of the imaging optical system, in the imaging optical system, and between the rear end of the imaging optical system and the imaging element. The positioning system according to claim 2, wherein a band-pass filter that allows only light to pass is disposed. 前記複数の指標は光を発する光源であり、複数の指標の各々が互いに異なるパタンで点滅する光を発光することを特徴とする請求項2記載の測位システム。 3. The positioning system according to claim 2, wherein the plurality of indicators are light sources that emit light, and each of the plurality of indicators emits light that blinks in different patterns. 前記指標の点滅パタンが前記指標の識別情報または位置情報を表すことを特徴とする請求項4記載の測位システム。 The positioning system according to claim 4, wherein the blinking pattern of the index represents identification information or position information of the index. 前記指標が点滅することにより、指標であることを特定する請求項4記載の測位システム。 The positioning system according to claim 4, wherein the index is specified by blinking the index. 前記指標のうち少なくとも1つの指標が複数の光源から構成されることを特徴とする請求項4記載の測位システム。 The positioning system according to claim 4, wherein at least one of the indices is composed of a plurality of light sources. 前記複数の光源から構成される指標において、各光源問の距離と方向を所定に定めることにより、撮像画像中から指標を特定することを特徴とする請求項7記載の測位システム。
The positioning system according to claim 7, wherein, in the index composed of the plurality of light sources, the index is specified from the captured image by predetermining the distance and direction of each light source.
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