JP2006003140A - Marker for three-dimensional measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元計測用マーカーの測定精度を高めるための技術に関する。 The present invention relates to a technique for improving the measurement accuracy of a three-dimensional measurement marker.
従来から、例えば、建物等の大型構造物の構築要素として工場で製造された大型物体の三次元変位を計測するために、当該大型物体にマーカーを装着する手法が採られている。このマーカーは、大型物体上の計測すべき位置に装着され、複数の撮像位置から(最も簡単には複数のカメラを用いて)撮像されることにより、前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるためのものである。このようなマーカーとしては、さまざまな形状のものが用いられている。例えば、特許文献1には、菱形のマーカーが開示されている。
Conventionally, for example, in order to measure the three-dimensional displacement of a large object manufactured at a factory as a construction element of a large structure such as a building, a technique of attaching a marker to the large object has been adopted. This marker is mounted at a position to be measured on a large object and is imaged from a plurality of imaging positions (most simply using a plurality of cameras), thereby obtaining a three-dimensional coordinate from the two-dimensional coordinates of the position. It is for seeking. As such a marker, those having various shapes are used. For example,
上記の菱形マーカーは、回転や傾きが生じたときには、カメラから見た見かけの面積が変わることがある。見かけの面積が変われば、重心計算を行うときに求める輝度積算値が変わる(すなわち輝度プロファイルが変わる)ので、求めた重心の精度が回転や傾きにより変わることになる。よって、ノイズの多い環境では、求めた重心値が回転や傾きにより変わることになるので、測定精度が低下してしまうという問題点があった。 When the rhombus marker is rotated or tilted, the apparent area viewed from the camera may change. If the apparent area changes, the integrated luminance value obtained when the center of gravity is calculated changes (that is, the luminance profile changes), so the accuracy of the obtained center of gravity changes depending on the rotation and inclination. Therefore, in a noisy environment, the obtained center of gravity value changes depending on the rotation and inclination, so that there is a problem that measurement accuracy is lowered.
また、三次元計測においては、菱形ではなく円形のマーカーが用いられることもあるが、菱形の場合と同様に、回転や傾きにより見かけの面積が変わるので、測定精度が低下してしまうという問題点があった。 In 3D measurement, a circular marker may be used instead of a rhombus, but as with the rhombus, the apparent area changes due to rotation and tilt, resulting in a decrease in measurement accuracy. was there.
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、回転や傾きが生じた場合においても測定精度が低下しない三次元計測用マーカーを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional measurement marker that does not reduce measurement accuracy even when rotation or tilt occurs.
上記の課題を解決するために、第一発明に係る三次元計測用マーカーは、計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、多面体状物体と、多面体状物体の各面に配置された発光手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the 3D measurement marker according to the first invention is mounted at a position to be measured and is imaged from a plurality of imaging positions to obtain 3D coordinates from the 2D coordinates of the position. The three-dimensional measuring marker comprises a polyhedral object and light emitting means arranged on each surface of the polyhedral object.
また、第二発明に係る三次元計測用マーカーは、計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、球状の光拡散手段と、光拡散手段に光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、光拡散手段および発光手段を覆うように配置され光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板とを備えることを特徴とする。 The 3D measurement marker according to the second invention is a 3D measurement marker for obtaining a 3D coordinate from a 2D coordinate of a position by being mounted at a position to be measured and captured from a plurality of imaging positions. A spherical light diffusing means, a light emitting means for irradiating the light diffusing means with light from outside the light diffusing means, a light diffusing means and a light diffusing means arranged so as to cover the light diffusing means and diffusing the light diffused in the light diffusing means And a light diffusing plate.
第一発明に係る三次元計測用マーカーは、多面体状物体と、多面体状物体の各面に配置された発光手段とを備えることを特徴とし、第二発明に係る三次元計測用マーカーは、球状の光拡散手段と、光拡散手段に光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、光拡散手段および発光手段を覆うように配置され光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板とを備えることを特徴とするので、回転したり傾いたりした場合にも、輝度プロファイルがほとんど変化しない。従って、これらの三次元計測用マーカーにおいては、輝度プロファイルを用いた演算により算出された特徴点位置もほとんど変化しない。よって、高精度な測定を行うことが可能となる。 The three-dimensional measurement marker according to the first invention comprises a polyhedral object, and light emitting means arranged on each surface of the polyhedral object, and the three-dimensional measurement marker according to the second invention is spherical A light diffusing means, a light emitting means for irradiating the light diffusing means with light from outside the light diffusing means, a light diffusing plate disposed so as to cover the light diffusing means and the light diffusing means and diffusing the light diffused in the light diffusing means, The luminance profile hardly changes even when it is rotated or tilted. Therefore, in these three-dimensional measurement markers, the feature point positions calculated by the calculation using the luminance profile hardly change. Therefore, highly accurate measurement can be performed.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る三次元計測用のマーカー100を示す構成図である。
図1においては、多面体状物体1以外の要素については、その断面を示している。このマーカー100は、大型物体上の計測すべき位置に装着され、複数の撮像位置から(最も簡単には複数のカメラを用いて)撮像されることにより、前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるためのものである。
<
FIG. 1 is a configuration diagram showing a
In FIG. 1, elements other than the
図1において、多面体状物体1の各々の面2上には発光ダイオード(LED)3が装着されている。多面体状物体1は、その中心となる点4に関して対称な形状を有し、固定軸5により台座6に固定されている。球形状の光拡散板7は、発光ダイオード3が装着された多面体状物体1の全体を覆い、その中心が点4と一致するように配置されている。この光拡散板7は、光量そのものはできるだけ低下させずに光を四方八方に散乱させ拡散させるための板から構成されている。
In FIG. 1, a light emitting diode (LED) 3 is mounted on each
多面体状物体1の各々の面2の法線は、点4を通るので、発光ダイオード3からの光は、点4からほぼ等方に放射すると考えられる。放射されたこの光は、光拡散板7に達すると、光拡散板7内で乱反射を起こし散乱される。その結果、光拡散板7の表面の輝度はほぼ均一になり、特徴点位置を算出する演算に適した輝度プロファイルを形成することができる。ここで、特徴点位置を算出する演算とは、輝度重心計算や関数フィッティングなどにより、一画素以下の精度まで位置を求める演算を指す。また、光拡散板7は、半球以上の立体角(すなわち2π以上の立体角)を有するので、どの方向から見てもほぼ球形状に観測される。従って、マーカー100が回転したり傾いたりした場合にも、輝度プロファイルがほとんど変化しないので、上記の演算により算出された特徴点位置もほとんど変化しない。よって、高精度な測定を行うことが可能となる。
Since the normal line of each
多面体状物体1の面数は、任意であり、多ければ多いほどより多くの発光ダイオード3を装着することができ全体の輝度が向上するので測定精度は高くなるが、20面以上であることが望ましい。以下では、図2〜4を用いてその理由について説明する。
The number of faces of the
図2は、マーカー100における多面体状物体1、発光ダイオード3および光拡散板7の位置関係を示す図である。図2において、発光ダイオード3の放射角度θ(発光ダイオード3から放射される円錐光の頂角)と、多面体状物体1の隣り合う面2同士がなす角α(言い換えれば、多面体状物体1の隣り合う面2の法線同士がなす角)と、光拡散板7の半径r1と、多面体状物体1の面2と点4との間の距離r2とが、以下の式(1)を満たす場合に、光拡散板7の内面に一様に光が照射されることが分かっている。
FIG. 2 is a diagram showing the positional relationship between the
r1×(α/2)<(r1−r2)×(θ/2)・・・(1)
ここで、寸法比R=r2/r1とおいて式(1)を整理することにより、以下の式(2)が得られる。
r1 × (α / 2) <(r1−r2) × (θ / 2) (1)
Here, the following formula (2) is obtained by rearranging the formula (1) with the dimensional ratio R = r2 / r1.
α<θ×(1−R)・・・(2)
図3は、放射角度θ=45°,90°,120°の場合について、式(2)におけるαの上限値を用いて、寸法比Rと角αとの関係を示したグラフである。
α <θ × (1-R) (2)
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the dimensional ratio R and the angle α using the upper limit value of α in Equation (2) for the radiation angles θ = 45 °, 90 °, and 120 °.
ところで、発光ダイオード3としては、様々なタイプのものが市販されており、その放射角度θは、10°程度の狭角タイプのものから140°程度の広角タイプのものまでがあるが、発光強度が高く容易に入手できるのは放射角度θが90°以下のものである。また、寸法比Rについては、その値が小さ過ぎる場合には発光ダイオード3と光拡散板7との距離が大きくなり過ぎてしまうので、光拡散板7における輝度の低下を招く。従って、実用的には、寸法比Rの値は0.5以上であることが望ましい。よって、式(2)において、θ<90°,R>0.5とすると、以下の式(3)が得られ、αの範囲が定められる。
By the way, various types of light emitting diodes 3 are commercially available, and the emission angle θ ranges from a narrow angle type of about 10 ° to a wide angle type of about 140 °. Is easily available with a radiation angle θ of 90 ° or less. Further, when the value of the dimensional ratio R is too small, the distance between the light emitting diode 3 and the light
α<45°・・・(3)
図4に、代表的な面数を有する多面体状物体1について、隣り合う面2同士がなす角αの例を示す。図4に示すように、面数が多くなるのに従い、角αが小さくなる。式(3)に示すようにαは45°以下であることが望ましいので、図4より、多面体状物体1の面数は概ね20以上が望ましいことが分かる。
α <45 ° (3)
FIG. 4 shows an example of the angle α formed between the
前述したように、多面体状物体1の面数は、多ければ多いほど全体の輝度が向上するが、光拡散板7全体にわたって均一な輝度を得るためには、多面体状物体1の形状が点4に関して対称であることが望ましい。32面体は、切頂20面体とも呼ばれ、正20面体の頂点を切り落とした形状となっているので、角α(32面体においては隣り合う面2同士がなす角が複数存在するが、それらのうちの最大のもの)は、正20面体と同様に、約42°であり、形状は点4に関して対称である。従って、32面体においては、角αが45°以下であり、形状が点4に関して対称であり、且つ面数が正20面体に比べて多いので、多面体状物体1として形状が32面体であるものを用いることにより、マーカー100による測定精度をさらに高めることができる。
As described above, the larger the number of faces of the
マーカー100は、発光手段として発光ダイオード3を用いているので、発光に必要な消費電力を低減することができる。従って、電池による駆動が可能となるので、電源供給用のケーブルが不要となり、取り扱いを容易にすることができる。また、発光ダイオード3を用いることにより、耐久性を高め寿命を延ばすことが可能となる。さらに、発光ダイオード3として、チップ型のものを用いることにより、多面体状物体1への装着を容易に行うことが可能となる。
Since the
本実施の形態に係るマーカー100には、様々な適用先が考えられるが、例えば、大地震により起こる建物の崩壊過程を計測するための振動試験装置へ適用してもよい。このような計測においては、対象とする物体が数mから数十mと非常に大きいことから、特徴点位置の算出演算等の画像処理を行うためには大きな寸法のマーカーが必要となる。マーカーは背景との区別を容易にするために発光手段を有することが望ましいが、従来はこのような適用先を想定した大型の発光マーカーは無かった。本実施の形態に係るマーカー100においては、チップ型の発光ダイオード3を用いることにより、装着を容易とし消費電力を低減することが可能となるので、容易に大型化できる。従って、変位量の比較的大きなアプリケーションにおいて十分な精度で測定することが可能となる。
Although various application destinations can be considered for the
<実施の形態2>
図5〜7は、発光ダイオード3としてチップ型のものを用い多面体状物体1として32面体を用いた場合のマーカー100の輝度プロファイルの測定例を示したものである。図5〜7において、横軸はピクセルを表し、縦軸は光量レベルを表している。また、図5〜7においては、光拡散板7の光線透過率がそれぞれ異なっている。すなわち、図5〜7においては、光線透過率は、86%、58%、そして37%と、順に低くなっている。
<
FIGS. 5 to 7 show measurement examples of the luminance profile of the
この光線透過率は、対象物の所定の面に光線を入射させた場合に、入射させた面の反対側の面に到達する全ての光の光量を、入射光量で割ったものである。入射された光は、対象物を直接に透過する場合には直接光として反対側の面に到達する。また、対象物内で1回以上の散乱を経た散乱光は、その一部が反対側の面に到達する。反対側の面に到達したこのような散乱光を透過散乱光と呼ぶことにすると、光線透過率は、直接光の光量と透過散乱光の光量との和を入射光量で割ったものであると言い換えられる。 The light transmittance is obtained by dividing the light amount of all light reaching the surface opposite to the incident surface by the incident light amount when the light beam is incident on a predetermined surface of the object. The incident light reaches the opposite surface as direct light when passing directly through the object. Moreover, a part of the scattered light that has been scattered one or more times within the object reaches the opposite surface. If such scattered light reaching the opposite surface is called transmitted scattered light, the light transmittance is the sum of the direct light amount and the transmitted scattered light amount divided by the incident light amount. In other words.
一般的な光拡散板においては、光線透過率が低いということは、直接光に対する散乱光の割合が高い(高拡散)ことを意味し、逆に、光線透過率が高いということは、散乱光に対する直接光の割合が高い(低拡散)ことを意味する。 In a general light diffusing plate, a low light transmittance means that the ratio of scattered light to direct light is high (high diffusion). Conversely, a high light transmittance means that scattered light is scattered. This means that the ratio of direct light to is high (low diffusion).
なお、上記の光線透過率は、ニュートラルデンシティフィルタ(NDフィルタ)等の光を減衰させるためのものに対しても同様の定義がなされる。しかし、フィルタ(特にNDフィルタ)においては、直接光に対する透過散乱光の割合がきわめて低いので、光線透過率はすなわち入射光量に対する直接光の割合を示す場合がある。つまり、光線透過率は、フィルタにおいては、遮光性能を表すものである場合がある。 The light transmittance described above is defined in the same manner for a light attenuating device such as a neutral density filter (ND filter). However, in a filter (particularly an ND filter), the ratio of transmitted scattered light to direct light is extremely low, and thus the light transmittance may indicate the ratio of direct light to the amount of incident light. That is, the light transmittance may represent a light shielding performance in the filter.
図5,6においては、各発光ダイオード3による直接光が測定されるので、輝度プロファイルは、特徴点位置の算出演算に適さないいびつな形状となっている。それに対して、図7においては、各発光ダイオード3による直接光はもはや検出されないので、輝度プロファイルは、特徴点位置の算出演算に適したほぼ均一な形状となっている。図6において光線透過率が58%の場合には拡散度が不足し、図7において光線透過率が37%の場合には十分拡散されているので、光拡散板7を均一に発光させるために必要な光線透過率は、概ね40%以下であることが分かる。このような光拡散板7を用いることにより、マーカー100の輝度プロファイルの形状を均一にすることができるので、マーカー100の回転や傾きが発生した場合であっても十分な測定精度を得ることができる。
5 and 6, since the direct light from each light emitting diode 3 is measured, the luminance profile has an irregular shape that is not suitable for the calculation of the feature point position. On the other hand, in FIG. 7, since the direct light from each light emitting diode 3 is no longer detected, the luminance profile has a substantially uniform shape suitable for the calculation of the feature point position. In FIG. 6, when the light transmittance is 58%, the diffusivity is insufficient, and when the light transmittance is 37% in FIG. 7, the light diffuser is sufficiently diffused. It can be seen that the required light transmittance is approximately 40% or less. By using such a
また、上記のような光線透過率を有する光拡散板7の材質としては、プラスチックやガラスなどが考えられるが、軽量化するためには、プラスチックであることが望ましい。また、プラスチックを用いることにより、マーカー100が落下等により破損した場合における飛散の恐れを低減し安全性を高めることができる。
Moreover, as a material of the
<実施の形態3>
図8は、実施の形態3に係る三次元計測用のマーカー200を示す構成図である。
<Embodiment 3>
FIG. 8 is a configuration diagram showing a
図8は、図1において、発光ダイオード3を多面体状物体1上にではなく台座6上に配置し、多面体状物体1に代えて、球状の光拡散手段としての光拡散球8を固定軸5により台座6に固定したものである。光拡散球8は、図1における多面体状物体1と同様に、その中心が点4と一致するように配置されている。ここで、光拡散球8は、光拡散板7とは異なり、その内部に至るまで材料で充填されている。また、図8において、図1と同様の要素については同一の符号を付してしてあるので、それらのここでの詳細な説明は省略する。
In FIG. 8, the light-emitting diode 3 is arranged not on the
発光ダイオード3から点4に向けて放射された光は、光拡散球8に達し、光拡散球8で散乱される。光拡散球8で散乱された光は、光拡散板7に達し、さらに光拡散板7においても散乱される。その結果、光拡散板7の表面の輝度をほぼ均一にすることができる。
The light emitted from the light emitting diode 3 toward the
このように、本実施の形態に係るマーカー200は、多面体状物体1に代えて光拡散球8を用いるので、実施の形態1と同様の効果を有する。
Thus, since the
1 多面体状物体、2 面、3 発光ダイオード、4 点、5 固定軸、6 台座、7 光拡散板、8 光拡散球、100,200 マーカー。
1 polyhedral object, 2 surfaces, 3 light emitting diodes, 4 points, 5 fixed axes, 6 pedestals, 7 light diffusion plates, 8 light diffusion spheres, 100, 200 markers.
Claims (7)
多面体状物体と、
前記多面体状物体の各面に配置された発光手段と
を備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。 A marker for three-dimensional measurement for obtaining a three-dimensional coordinate from a two-dimensional coordinate of the position by being mounted at a position to be measured and imaged from a plurality of imaging positions,
A polyhedral object,
A three-dimensional measurement marker comprising: light emitting means arranged on each surface of the polyhedral object.
前記多面体状物体および前記発光手段を覆うように配置され前記発光手段から照射された光を拡散させる光拡散板
をさらに備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。 The three-dimensional measurement marker according to claim 1,
A marker for three-dimensional measurement, further comprising a light diffusing plate that is disposed so as to cover the polyhedral object and the light emitting means and diffuses light emitted from the light emitting means.
前記多面体状物体は20以上の面を有する
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。 The three-dimensional measurement marker according to claim 1 or 2,
The three-dimensional measurement marker, wherein the polyhedral object has 20 or more surfaces.
前記多面体状物体は32面体状である
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。 The three-dimensional measurement marker according to claim 3,
The three-dimensional measurement marker according to claim 1, wherein the polyhedral object is a 32-hedral object.
前記光拡散板は40%以下の光線透過率を有する
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。 The three-dimensional measurement marker according to any one of claims 2 to 4,
The three-dimensional measurement marker, wherein the light diffusion plate has a light transmittance of 40% or less.
球状の光拡散手段と、
前記光拡散手段に前記光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、
前記光拡散手段および前記発光手段を覆うように配置され前記光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板と、
を備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。 A three-dimensional measurement marker for obtaining a three-dimensional coordinate from a two-dimensional coordinate of the position by being mounted at a position to be measured and imaged from a plurality of imaging positions,
A spherical light diffusing means;
A light emitting means for irradiating the light diffusing means with light from outside the light diffusing means;
A light diffusing plate disposed so as to cover the light diffusing means and the light emitting means and diffusing the light diffused in the light diffusing means;
A marker for three-dimensional measurement, comprising:
前記発光手段はチップ型の発光ダイオードを含む
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。
The three-dimensional measurement marker according to any one of claims 1 to 6,
The three-dimensional measuring marker, wherein the light emitting means includes a chip type light emitting diode.
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