JP2006153506A - 位置検出装置及び位置検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は、外的要因による影響を受けにくく、かつ、安価とすることが可能な、位置検出装置及び方法を提供しようとするものである。
【解決手段】
投写部1から、2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を投写する。
受光部2は、投写部1から投射された光の少なくとも一部を受光する。受光部で得られた光の特徴は算出部に送られる。
算出部3は、受光部2で受光された光の特徴に基づいて、受光部2の位置を算出する。これにより、受光部2の位置を検出することができる。
【選択図】図1
本発明は、外的要因による影響を受けにくく、かつ、安価とすることが可能な、位置検出装置及び方法を提供しようとするものである。
【解決手段】
投写部1から、2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を投写する。
受光部2は、投写部1から投射された光の少なくとも一部を受光する。受光部で得られた光の特徴は算出部に送られる。
算出部3は、受光部2で受光された光の特徴に基づいて、受光部2の位置を算出する。これにより、受光部2の位置を検出することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、目的物の位置を検出する装置及び方法に関するものである。
従来の位置検出装置としては、(1)光学に基づくもの、(2)磁気センサを用いるもの、(3)超音波センサを用いるものがある。
前記のうち、光学に基づく位置検出装置としては、検出用マーカーの位置をカメラで計測するシステムが主流である。このシステムでは、理論的な計測精度が、カメラの画素分解能とカメラの光軸間角度で決まってしまう。そこで、輝度情報やマーカーの形状情報を合わせて使うことで検出精度を向上させている。しかし、このシステムでは、システムが高額であること、カメラを使うために、計測対象空間よりもさらに大きな空間を必要とすること、カメラから隠れる部位の計測が出来ないので計測範囲が限られることという不都合があり、さらに改善の余地がある。
また、前記のうち、磁気センサを用いる装置は、計測空間に傾斜した静磁場を発生させ、その静磁場中に置かれたセンサユニットの位置と姿勢の6自由度を計測するものである。このシステムでは、1つのセンサで6自由度の計測ができ、演算処理をほとんど必要としないためリアルタイムな計測が可能である。このため、光学を用いる前記のシステムに比べると安価であり、さらに、光に対する遮蔽物があっても計測できる。しかし、この磁気センサを用いるシステムでは、同時に計測できるセンサの数を増やすことが困難でありまた、計測対象空間の磁性体や誘電体の影響を受けやすく、さらには、空間内に金属が多い場合は検出精度が大きく劣化するという種々の問題がある。
さらに、超音波センサを用いる装置は、超音波発信器を計測物体に取り付け、空間に固定した受信機との距離関係から、位置を検出するものである。ジャイロセンサや加速度計を併用して計測物体の姿勢を検出するものもある。超音波を使っているため、カメラよりは遮蔽物に強いが、遮蔽物が発信器の真上にある時は計測が困難な場合があり、また、システム全体が高価になりがちである。
本発明は、前記の状況に鑑みてなされたもので、簡易な構成で対象物の位置検出が可能な装置及び方法を提供しようとするものである。
請求項1記載の位置検出装置は、投写部と、受光部と、算出部とを備えている。前記投写部は、2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を投写する構成となっている。前記受光部は、前記投写部から投射された光の少なくとも一部を受光する構成となっている。前記算出部は、前記受光部で受光された光の特徴に基づいて、前記受光部の位置を算出する構成となっている。
請求項2記載の位置検出装置は、請求項1に記載のものにおいて、前記算出部における、前記受光部の位置の算出が、以下のステップを含んでいる:
(1)前記受光部で受光された光の特徴に基づいて、前記マーカーの重心位置を算出するステップ;
(2)前記マーカーの重心位置から、前記受光部の位置までのずれ量と、前記マーカーの投写位置とに基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。
(1)前記受光部で受光された光の特徴に基づいて、前記マーカーの重心位置を算出するステップ;
(2)前記マーカーの重心位置から、前記受光部の位置までのずれ量と、前記マーカーの投写位置とに基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。
請求項3記載の位置検出装置は、請求項1又は2に記載のものにおいて、
前記投写部が、前記光を対象物に向けて投写する構成となっており、
前記受光部が、集光用のレンズと、前記レンズで集光された光を受光する受光素子とを備えており、
さらに、前記受光部が、前記投写部から投写された前記光が前記対象物により反射又は散乱された光を、前記レンズを介して、前記受光素子により受光する構成となっている
ものである。
前記投写部が、前記光を対象物に向けて投写する構成となっており、
前記受光部が、集光用のレンズと、前記レンズで集光された光を受光する受光素子とを備えており、
さらに、前記受光部が、前記投写部から投写された前記光が前記対象物により反射又は散乱された光を、前記レンズを介して、前記受光素子により受光する構成となっている
ものである。
請求項4記載の位置検出方法は、以下のステップを備えている:
(1)2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を空間中に投写するステップ;
(2)前記投写された光の少なくとも一部を受光部により受光するステップ;
(3)前記ステップ(2)において受光された光の特徴に基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。
(1)2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を空間中に投写するステップ;
(2)前記投写された光の少なくとも一部を受光部により受光するステップ;
(3)前記ステップ(2)において受光された光の特徴に基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。
本発明の位置検出装置及び位置検出方法によれば、簡易な構成で対象物の位置検出が可能な装置及び方法を提供することが可能となる。
(第1実施形態の構成)
本発明の第1実施形態に係る位置検出装置の構成を、添付図面を参照して説明する。この位置検出装置は、図1に示されるように、投写部1と、受光部2と、算出部3とを基本的な要素として備えている。
本発明の第1実施形態に係る位置検出装置の構成を、添付図面を参照して説明する。この位置検出装置は、図1に示されるように、投写部1と、受光部2と、算出部3とを基本的な要素として備えている。
投写部1は、2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を投写する構成となっている。投写部1としては、このような機能を有すればどのような構成であってもよい。例えば、投写部1としては、液晶プロジェクタ、DLPプロジェクタなどの各種のプロジェクタ、PDP(プラズマディスプレイ)、有機又は無機のELディスプレイなどを使用することができる。
投写部1によって投写される光で構成されるマーカーの一例を図2及び図3に示す。この実施形態では、この2種類のマーカーを選択して又は同時に投写できるものとなっている。図2に示すマーカーは、中央において輝度が高くなるガウシアン状の輝度分布となっている。図3に示すマーカーは、角度に応じて異なる輝度分布となっている。
受光部2は、投写部1から投射された光の少なくとも一部を受光する構成となっている。この実施形態では、受光部2は、図4に示されるように、板状の本体21と、複数の受光素子22と、長尺状の把持部23とから構成されている。
さらに、受光部2は、図示しない無線通信装置を介して、各受光素子22の出力を、算出部3に送り出すことができるようになっている。無線通信装置とは、例えば赤外線通信やブルートゥース(商標)用のインタフェース装置であるが、他のプロトコルないし変調方式を用いた装置でもよい。また、例えばUSBのように、有線で通信する構成であってもよい。
受光部2の受光素子22は、本体21の一面に固定されている。受光素子22の数は、本実施形態では9個となっている。また、本実施形態では、受光素子22として、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの、点で受光する素子が用いられている。ただし、受光素子としては、CCD、CMOSセンサ、2次元PSD(位置検出素子)のような、面で受光する素子を用いても良い。要するに、受光素子22としては、マーカーを構成する光の少なくとも一部を受光できればよい。
把持部23は、その一端が本体21に固定されている。把持部23の他端側は、使用者が把持できるようになっている。
算出部3は、図5に示されるように、インタフェース部31と、受信部32aと、増幅部32bと、センサ位置推定部33と、位置予測演算部34と、メモリ35と、描画判定部36と、センサ位置判定部37と、投影パターン生成部38と、映像生成部39と、出力部40とを主な構成要素として備えている。算出部3の機能は、後述する第1実施形態の動作において詳述する。
(第1実施形態の動作)
以下、第1実施形態に係る位置検出装置を用いた位置検出方法を、図6のフローチャートを参照しながら説明する。まず、初回の動作から説明する。
以下、第1実施形態に係る位置検出装置を用いた位置検出方法を、図6のフローチャートを参照しながら説明する。まず、初回の動作から説明する。
[初回の動作]
(ステップ6−1)
まず、投影パターン生成部38は、検出目的に従って、マーカーを選択する。この実施形態では、2次元位置検出用のマーカー(図2)と、角度検出用のマーカー(図3)とがメモリ35に格納されており、これらのいずれかを選択できるようになっている。選択は、使用者が手動で選択しても良いし、何らかの条件に基づいて投影パターン生成部38が自動的に選択する構成であってもよい。
(ステップ6−1)
まず、投影パターン生成部38は、検出目的に従って、マーカーを選択する。この実施形態では、2次元位置検出用のマーカー(図2)と、角度検出用のマーカー(図3)とがメモリ35に格納されており、これらのいずれかを選択できるようになっている。選択は、使用者が手動で選択しても良いし、何らかの条件に基づいて投影パターン生成部38が自動的に選択する構成であってもよい。
選択されたマーカーの画像は、映像生成部39からの映像と合成されて、出力部40,インタフェース部31を介して、投写部1に送られて、投写される。より正確には、マーカーを含む画像を生成すべき光が投写部1から空間中に投写される。ここで、映像生成部39は、メモリ35に格納された情報に基づいて、原映像(マーカーとは別に、情報伝達用に投写されるべき映像)を生成するものである。ただし、投射すべき原映像がない場合は、映像生成部39自体を用いなくても良い。
図1には、投写部1からスクリーン4に向けて照射された光によりスクリーン4の前面にマーカー5が描画されている状態を示している。図1においては、図2に示すパターンのマーカー5が描画されている。もちろん、図3のパターンを描画することも可能である。
ここで、投影パターン生成部38は、投影される全画像の座標上におけるマーカーの位置を指定しており、投写部1から投影される全画像中の指定の位置において、マーカーが表示されるようになっている。また、画像中におけるマーカーの位置を示す情報(座標)は、メモリ35に記憶される。
(ステップ6−2)
ついで、マーカーの初期位置を検出する。この検出方法としては、種々のものが考えられるが、例えば、特開2000−56924号公報に記載された領域分割方法を使用できる。この領域分割法自体は周知の技術なのでここでは説明を省略する。
ついで、マーカーの初期位置を検出する。この検出方法としては、種々のものが考えられるが、例えば、特開2000−56924号公報に記載された領域分割方法を使用できる。この領域分割法自体は周知の技術なのでここでは説明を省略する。
(ステップ6−3)
図6中ステップ6−3は初回の動作では行われないので、このステップは後述する。
図6中ステップ6−3は初回の動作では行われないので、このステップは後述する。
(ステップ6−4及び6−5)
次に、受光部2における各受光素子22の出力を、インタフェース部31a、受信部31b、増幅部32を介して、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、以下の手順により、マーカーの重心位置を推定する。
次に、受光部2における各受光素子22の出力を、インタフェース部31a、受信部31b、増幅部32を介して、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、以下の手順により、マーカーの重心位置を推定する。
受光素子22の出力をa00からamnまでの行列aij(通常のaijは2行2列以上の行列)で表すとすれば、重心位置(Gx,Gy)は以下の式で表せる。
この実施形態は、この式において、aijを3行3列の行列としたものである。図7には、受光素子の配置状態に対応したaijの配置例を示した。
これにより、受光部2を基準とした、マーカーの重心位置を算出することができる。つまり、本実施形態によれば、受光部2で受光された光の特徴に基づいて、マーカーの重心位置を算出することができる。これにより、受光部2の中心からマーカーの重心位置までのずれ量を得ることができる。
(ステップ6−6)
ついで、センサ位置推定部33は、前記したマーカーの重心位置に基づいて、受光部の位置を算出する。具体的には、まず、センサ位置推定部は、投写部1から投写されたマーカーの位置を、メモリ35から取得する。ついで、前記した、メモリに記憶されたマーカーの位置に、前記ステップ6−5で取得された、受光部2の中心からマーカーの重心位置までのずれ量を加算する。これにより、受光部2の位置を算出することができる。
ついで、センサ位置推定部33は、前記したマーカーの重心位置に基づいて、受光部の位置を算出する。具体的には、まず、センサ位置推定部は、投写部1から投写されたマーカーの位置を、メモリ35から取得する。ついで、前記した、メモリに記憶されたマーカーの位置に、前記ステップ6−5で取得された、受光部2の中心からマーカーの重心位置までのずれ量を加算する。これにより、受光部2の位置を算出することができる。
したがって、本実施形態の装置によれば、画像におけるマーカーの重心位置から受光部の位置までのずれ量と、マーカーの投写位置とに基づいて、受光部2の位置を算出することができる。もちろん、画像中の座標系とワールド座標系とのキャリブレーションを行っておけば、受光部2の絶対位置を知ることもできる。
より本質的には、算出部3は、受光部2で受光された光の特徴に基づいて、受光部2の位置を算出する構成となっている。
(ステップ6−7)
ついで、位置予測演算部34において、動きベクトルに基づく位置予測を行う。この動作は、初回の動作で意味を持たないので、このステップも後述する。ただし、動きベクトルの検出は、映像のフレーム内の比較でも実行は可能である。例えば、1/30フレーム内の時間でも(画面が書き換えられなくても)、受光素子のがマーカーに対して移動すれば、受光素子の出力値は変化する。もし、受光素子の出力値の読み取り速度が画面のフレーム速度に対し十分早ければ、速度ベクトルを検出することが可能である。
ついで、位置予測演算部34において、動きベクトルに基づく位置予測を行う。この動作は、初回の動作で意味を持たないので、このステップも後述する。ただし、動きベクトルの検出は、映像のフレーム内の比較でも実行は可能である。例えば、1/30フレーム内の時間でも(画面が書き換えられなくても)、受光素子のがマーカーに対して移動すれば、受光素子の出力値は変化する。もし、受光素子の出力値の読み取り速度が画面のフレーム速度に対し十分早ければ、速度ベクトルを検出することが可能である。
(ステップ6−8)
ついで、描画判定部36は、位置予測演算部34で得られた受光部2の位置が、前回の動作で検出された位置からずれているかどうかを判定する。ただし、初回においては、ずれ量は当然に0なので、ずれがないと判定され、ステップ6−4に戻る。
ついで、描画判定部36は、位置予測演算部34で得られた受光部2の位置が、前回の動作で検出された位置からずれているかどうかを判定する。ただし、初回においては、ずれ量は当然に0なので、ずれがないと判定され、ステップ6−4に戻る。
[2回目の動作]
(ステップ6−4〜6−6)
その後、受光部2の各受光素子22の出力を、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、前記と同様にして、マーカーの位置を推定し、これにより、マーカーから受光部2までのずれ量を得ることができる。さらに、このずれ量を用いることで、前記と同様に、受光部2の位置を算出することができる。
(ステップ6−4〜6−6)
その後、受光部2の各受光素子22の出力を、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、前記と同様にして、マーカーの位置を推定し、これにより、マーカーから受光部2までのずれ量を得ることができる。さらに、このずれ量を用いることで、前記と同様に、受光部2の位置を算出することができる。
(ステップ6−7)
ついで、位置予測演算部34は、ステップ6−6で得られた受光部2の位置と、その前の位置検出動作で得られた受光部2の位置とを比較して、その差分を算出する。さらに、位置予測演算部34は、この差分から、受光部2の動きベクトルを検出し、所定時間経過後(例えば、次にマーカーを描画する時点)における受光部2の位置を予測する。予測された位置はメモリ35に格納される。なお、動きベクトルの検出や位置予測の手法自体は、動画像の圧縮等において広く知られているので、この明細書においては記載を省略する。
ついで、位置予測演算部34は、ステップ6−6で得られた受光部2の位置と、その前の位置検出動作で得られた受光部2の位置とを比較して、その差分を算出する。さらに、位置予測演算部34は、この差分から、受光部2の動きベクトルを検出し、所定時間経過後(例えば、次にマーカーを描画する時点)における受光部2の位置を予測する。予測された位置はメモリ35に格納される。なお、動きベクトルの検出や位置予測の手法自体は、動画像の圧縮等において広く知られているので、この明細書においては記載を省略する。
(ステップ6−8)
ついで、描画判定部36は、位置予測演算部34で予測された受光部2の位置が、前回描画した位置からずれているかどうかを判定する。ずれている場合はステップ6−9に進む。ずれていない場合はステップ6−4に戻るが、この場合の動作は前記した通りなので説明を省略する。
ついで、描画判定部36は、位置予測演算部34で予測された受光部2の位置が、前回描画した位置からずれているかどうかを判定する。ずれている場合はステップ6−9に進む。ずれていない場合はステップ6−4に戻るが、この場合の動作は前記した通りなので説明を省略する。
(ステップ6−9)
ついで、センサ位置判定部37は、受光部2が、投写部1から投写される光の投影領域内にあるかどうかを判定する。この判定の方法としては種々のものが考えられるが、例えば、「受光素子からの出力値が本来取りうる値の範囲からずれ、さらに一定時間経ったかどうか」により判断することができる。
ついで、センサ位置判定部37は、受光部2が、投写部1から投写される光の投影領域内にあるかどうかを判定する。この判定の方法としては種々のものが考えられるが、例えば、「受光素子からの出力値が本来取りうる値の範囲からずれ、さらに一定時間経ったかどうか」により判断することができる。
投影領域内にあればステップ6−3に進み、そうでなければステップ6−1からの動作を繰り返す。以降のステップは、前記した通りであるが、ステップ6−3については説明を省略していたので、以下に説明する。
(ステップ6−3)
ステップステップ6−9において、センサが投影領域内になると判断された場合、投影パターン生成部38は、ステップ6−7において予測された位置に描画できるマーカーの画像を生成する。さらに、投影パターン生成部38は、生成されたマーカーの位置を、メモリ35に格納する。以降のステップは前記の通りである。生成されたマーカーの画像は、ステップ6−1と同様にして、投写部1により受光部2に向けて投写される。
ステップステップ6−9において、センサが投影領域内になると判断された場合、投影パターン生成部38は、ステップ6−7において予測された位置に描画できるマーカーの画像を生成する。さらに、投影パターン生成部38は、生成されたマーカーの位置を、メモリ35に格納する。以降のステップは前記の通りである。生成されたマーカーの画像は、ステップ6−1と同様にして、投写部1により受光部2に向けて投写される。
本実施形態では、2次元方向に情報が分散されたマーカーを用いているので、マーカーの一部が受光素子22で受光できなかったとしても、前記したように、受光部2の位置を検出することができる。したがって、この方法は、外的要因による影響を受けにくいという利点がある。しかも、この方法を実行するためには、複雑で高価なシステムを必要としないので、システム全体を簡易かつ安価とすることが可能である。
なお、前記第1実施形態の説明においては、一つのマーカーを投写することとしているが、図8に示されるように、複数のマーカーを同時に投射してもよい。また、それぞれのマーカーの光を複数の受光部2で検出しても良い。
また、前記実施形態では、図2に示す位置検出用のマーカーを用いた例を示したが、図3に示す角度検出用のマーカーを用いることも可能である。この場合、ステップ6−4〜6−6は以下の通りとなる。他のステップは前記と同様である。
(角度検出におけるステップ6−4〜6−6)
前記実施形態と同様に、受光部2における各受光素子22の出力を、インタフェース部31a、受信部31b、増幅部32を介して、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、以下の手順により、マーカーの重心位置を推定する。
前記実施形態と同様に、受光部2における各受光素子22の出力を、インタフェース部31a、受信部31b、増幅部32を介して、センサ位置推定部33に入力する。センサ位置推定部33は、以下の手順により、マーカーの重心位置を推定する。
受光素子22の出力を、最も小さい値のa0から時計回りにanまでの行列ajと置く(もちろん反対回りでも良い)。a0を基点とした角度重心Gθと受光部2の角度θは以下の式で求められる。
この実施形態は、この式において、n=7としたものである。図9には、受光素子の配置状態に対応したajの配置例を示した。
これにより、受光部2の回転角度を求めることができる。なお、本発明における位置とは角度を含む概念として用いている。
また、センサの出力が輝度に対してリニアである場合には、受光素子の出力を極座標に展開し、何らかのフィッティング手法を用いて、二等辺三角形に最も近い形状となる角度を算出しても良い(図10参照)。
さらに、第1実施形態において、受光素子の全体の輝度量の変化に基づいて、受光部2の奥行き方向の位置(3次元位置)も検出可能である。例えば、受光部2が投写部1側に移動すると、各受光素子の合計の光量が減少し、受光部2が投写部1側から離れると合計光量が増加する。したがって、合計光量の変化を併用することにより、受光部2の3次元での位置を検出することができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図11に基づいて説明する。この実施形態では、マーカーのパターンとして、図11に示されるように、格子状のものが用いられている。この場合も、受光素子22の出力に基づいて、受光部2の、2次元平面内での位置と傾き(角度)とを検出することができる。第1実施形態では、受光素子の出力値(具体的には輝度変化)をもって速度ベクトルを検出していた。これに対して、図11のようなマーカー(格子模様)では、受光素子が検出した明滅の回数をもって速度ベクトルを検出することになる(ロータリーエンコーダと同様の原理に基づく)。
次に、第2実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図11に基づいて説明する。この実施形態では、マーカーのパターンとして、図11に示されるように、格子状のものが用いられている。この場合も、受光素子22の出力に基づいて、受光部2の、2次元平面内での位置と傾き(角度)とを検出することができる。第1実施形態では、受光素子の出力値(具体的には輝度変化)をもって速度ベクトルを検出していた。これに対して、図11のようなマーカー(格子模様)では、受光素子が検出した明滅の回数をもって速度ベクトルを検出することになる(ロータリーエンコーダと同様の原理に基づく)。
第2実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図12に基づいて説明する。この例では、受光部2の前面側(投写部1に面する側)に、偏光フィルタ6が取り付けられている。
次に、第3実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図12に基づいて説明する。この例では、受光部2の前面側(投写部1に面する側)に、偏光フィルタ6が取り付けられている。
液晶プロジェクタから投写される光は、一般には直線偏光となっている。このため、受光部2の回転に伴い、受光部2に取り付けられた偏光フィルタ6が回転すると、受光部2における受光量が増減する。したがって、例えば受光量の初期値にロックオンしてその明滅を追従することにより、受光部2の相対的な回転量を取得することができる。もちろん、受光部2の回転角と受光量との関係を予め取得しておけば、受光部2の絶対的な回転量も取得できる。
第3実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図13に基づいて説明する。この実施形態では、第3実施形態と同様に、受光部2の前面に、偏光フィルタ6が取り付けられている。ただし、この第4実施形態では、偏光フィルタ6は、受光部2とは独立に回転できるようになっている。
次に、第4実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図13に基づいて説明する。この実施形態では、第3実施形態と同様に、受光部2の前面に、偏光フィルタ6が取り付けられている。ただし、この第4実施形態では、偏光フィルタ6は、受光部2とは独立に回転できるようになっている。
さらに、第4実施形態では、投写部1の前面側(投写する対象物の側)に、投写部1とは独立に回転できる偏光フィルタ7が取り付けられている。なお、第4実施形態では、投写部1から投射される光はほぼ円偏波であり、この光が偏光フィルタ7で直線偏波になるものとする。
第4実施形態でも、第3実施形態と同様に、投写部1の前面にある偏光フィルタ6を、受光部2と共に回転させることで、受光部2の回転角度を取得することができる。
また、第4実施形態では、投写部1の前面にある偏光フィルタ7を、偏光フィルタ6と同期して回転させることにより、信号のチャンネル数を増やすことが容易になるという利点がある。すなわち、複数のマーカーを投写し、これらのマーカーを複数の受光部2で受光するとする。この場合、第1実施形態の方法では、マーカーどうしが近接した位置に投写された場合などは、マーカーの情報どうしが混信する可能性がある。第4実施形態の装置では、複数の投写部1と複数の受光部2とを用い、それぞれに備えた偏光フィルタどうしを同期して回転させる。さらに、異なる受光部2(又は投写部1)に対応する偏光フィルタどうしの回転周波数を異ならせておく。このようにすれば、異なるマーカーを受光している場合は、明滅パターンが設定と異なるので、情報を取得すべきマーカーを識別することができる。つまり、情報の混信を防ぎ、使用できるチャンネル数を増加させることができる。
第4実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図14に基づいて説明する。この例では、マーカーのパターンを、複数のフレームにおいて異ならせている。例えば、最初のフレームでは、50+16のレベルの輝度を持つマーカー画像を投写する。次のフレームでは、50−16のレベルの輝度を持つマーカー画像を投写する。
次に、第5実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図14に基づいて説明する。この例では、マーカーのパターンを、複数のフレームにおいて異ならせている。例えば、最初のフレームでは、50+16のレベルの輝度を持つマーカー画像を投写する。次のフレームでは、50−16のレベルの輝度を持つマーカー画像を投写する。
しかも、第5実施形態では、基準値(例えばレベル50)からのずれ量を、マーカーの2次元的な位置に応じて異ならせておく。すると、受光部2は、複数のフレームを受光し、そのフレーム間での輝度の差分に基づいて、マーカーに埋め込まれた2次元位置情報を取得することができる。この2次元位置情報を用いて、第1実施形態と同様に、受光部2の位置を検出することができる。
また、前記のような複数のフレームを見た観察者は、あたかもレベル50の輝度の画像が投写されているように見えるので、通常の投写画像の中にマーカーを埋め込むことが可能となる。
なお、前記の説明では、二つのフレームを用いた例を説明したが、一般には、それ以上の数のフレームを用いて一つのマーカー画像を得ることもできる。
さらに、前記の説明では、輝度情報を複数のフレームに分割することとしたが、例えば、色情報を複数のフレームで分割しても良い。この場合、RGBのいずれかを変化させても良いし、輝度情報を含まない色空間だけで変化させても良い。特に、RやBを変化させるようにし、Gを変化させないようにすると、観察者からはフリッカが見えにくいという利点がある。異ならせる色どうしを、二つのフレーム間で補色の関係とすると、フリッカをさらに認識しにくいという利点もある。
マーカーを色情報のパターンで構成した場合は、受光部2の受光素子22は、色に対して感度を有する素子である必要がある。そのような素子は、例えば、赤や青等のセロファンをフォトトランジスタに被せたり、当該色にのみ感度を持つフォトトランジスタを用いたりする等の手段で容易に得ることができる。
なお、本明細書において、「2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカー」とは、前記第5実施形態のように、複数のフレームを組み合わせて初めてそのような特徴を持つマーカーを含む。
第5実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図15に基づいて説明する。この例では、3台のロボット8に向けて、2台の投写部1から画像が投影される。また、この例では、スクリーン4を用いず、計測対象物(図示例ではロボット8のアーム81の先端)に向けて、マーカーが投写される。さらに、計測対象物には、マーカーの光を受光する受光部2(図15には図示せず)が取り付けられている。
次に、第6実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図15に基づいて説明する。この例では、3台のロボット8に向けて、2台の投写部1から画像が投影される。また、この例では、スクリーン4を用いず、計測対象物(図示例ではロボット8のアーム81の先端)に向けて、マーカーが投写される。さらに、計測対象物には、マーカーの光を受光する受光部2(図15には図示せず)が取り付けられている。
この例によれば、受光部2でマーカーの光を受光し、受光部2の位置を検出することで、計測対象物の位置を検出することが可能となる。この場合の処理アルゴリズムは第1実施形態と同様でよい。
さらに、第6実施形態によれば、複数の投写部1を用いているので、3点測量と同じ原理により、3次元空間中での計測対象物の位置を特定することも可能となるという利点がある。
第6実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第7実施形態)
次に、第7実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図16に基づいて説明する。この例では、受光部2に代えて、マーカーの光の反射光ないし散乱光を取得する受光部200が用いられている。この受光部200は、集光用レンズ201と、光学系202と、複数の受光素子22とを備えている。
次に、第7実施形態に係る位置検出装置及び方法を、図16に基づいて説明する。この例では、受光部2に代えて、マーカーの光の反射光ないし散乱光を取得する受光部200が用いられている。この受光部200は、集光用レンズ201と、光学系202と、複数の受光素子22とを備えている。
集光用レンズ201は、マーカーの光がスクリーンなどの対象物で反射ないし散乱した光を集光するものである。
光学系202は、集光用レンズ201で集光された光で形成される像(つまりマーカーの像)を受光素子22の位置で形成するように構成されている。
受光素子22は、前記した第1実施形態と同様に構成されている。
第7実施形態においては、第1実施形態と同様のアルゴリズムにより、受光部200の位置または姿勢を検出することができる。すると、受光部200が画面のどこを指しているかを知ることができ、いわゆるライトペンとして受光部200を使用することも可能となる。
第7実施形態における他の構成及び利点は、第1実施形態と基本的に同様なので、説明を省略する。
(第8実施形態)
つぎに、位置と角度とを一つのマーカーで検出できる例を、図17及び図18に基づいて説明する。
つぎに、位置と角度とを一つのマーカーで検出できる例を、図17及び図18に基づいて説明する。
このマーカー5は、角度及び位置に応じて異なる輝度情報(もちろん色情報でも良い)を持っている。さらに、マーカー5の中心には輝度を50%とした部分が形成されている。また、受光部2としては、図18に示される符号A〜Eの位置にそれぞれ受光素子を配置している。つまり、この実施形態では、合計5個の受光素子を使っている。
図17のようなパターン(中心に50%輝度マーカーを有する)に受光部2を重ねた場合、
E=外乱光の影響
A−C=X方向の変位
B−D=Y方向の変位
(A+B+C+D)/4−E=角度変化
となる。
E=外乱光の影響
A−C=X方向の変位
B−D=Y方向の変位
(A+B+C+D)/4−E=角度変化
となる。
ただし、上記の式においてA,B,C,D,Eは、各受光素子の出力値を示している。
なお、外乱光の影響が気にならない場合は、中心の受光素子Eは必須ではない。この場合は、
(A+B+C+D)の変化量=角度変化
という式になる。
(A+B+C+D)の変化量=角度変化
という式になる。
なお、前記各実施形態においては、マーカーを構成する光を可視光としたが、赤外線や紫外線のような非可視光でもよい。さらに、レーザやLEDを用いて、短時間のパルスでマーカーを構成することにより、視認しにくいマーカーとすることもできる。
さらには、マーカーを構成する光を周波数軸上で変調することでマーカーを構成することも可能である。この場合も、観察者から視認しにくいマーカーとすることができる。
なお、本発明の装置及び方法は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
例えば、前記した各構成要素は、機能ブロックとして存在していればよく、独立したハードウエアとして存在しなくても良い。また、実装方法としては、ハードウエアを用いてもコンピュータソフトウエアを用いても良い。さらに、本発明における一つの機能要素が複数の機能要素の集合によって実現されても良く、本発明における複数の機能要素が一つの機能要素により実現されても良い。
また、機能要素は、物理的に離間した位置に配置されていてもよい。この場合、機能要素どうしがネットワークにより接続されていても良い。
1 投写部
2・200 受光部
21 本体
22 受光素子
23 把持部
201 受光用レンズ
202 光学系
3 算出部
31 インタフェース部
32 増幅部
33 センサ位置推定部
34 位置予測演算部
35 メモリ
36 描画判定部
37 センサ位置判定部
38 投影パターン生成部
39 映像生成部
40 出力部
4 スクリーン
5 マーカー
6 偏光フィルタ(受光部用)
7 偏光フィルタ(投写部用)
8 ロボット
81 ロボットアーム
2・200 受光部
21 本体
22 受光素子
23 把持部
201 受光用レンズ
202 光学系
3 算出部
31 インタフェース部
32 増幅部
33 センサ位置推定部
34 位置予測演算部
35 メモリ
36 描画判定部
37 センサ位置判定部
38 投影パターン生成部
39 映像生成部
40 出力部
4 スクリーン
5 マーカー
6 偏光フィルタ(受光部用)
7 偏光フィルタ(投写部用)
8 ロボット
81 ロボットアーム
Claims (4)
- 投写部と、受光部と、算出部とを備え、
前記投写部は、2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を投写する構成となっており、
前記受光部は、前記投写部から投射された光の少なくとも一部を受光する構成となっており、
前記算出部は、前記受光部で受光された光の特徴に基づいて、前記受光部の位置を算出する構成となっている
ことを特徴とする位置検出装置。 - 前記算出部における、前記受光部の位置の算出は、以下のステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の位置検出装置:
(1)前記受光部で受光された光の特徴に基づいて、前記マーカーの重心位置を算出するステップ;
(2)前記マーカーの重心位置から、前記受光部の位置までのずれ量と、前記マーカーの投写位置とに基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。 - 前記投写部は、前記光を対象物に向けて投写する構成となっており、
前記受光部は、集光用のレンズと、前記レンズで集光された光を受光する受光素子とを備えており、
さらに、前記受光部は、前記投写部から投写された前記光が前記対象物により反射又は散乱された光を、前記レンズを介して、前記受光素子により受光する構成となっている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の位置検出装置。 - 以下のステップを備えることを特徴とする位置検出方法:
(1)2次元平面上の位置に応じて異なる特徴を持つマーカーを構成する光を空間中に投写するステップ;
(2)前記投写された光の少なくとも一部を受光部により受光するステップ;
(3)前記ステップ(2)において受光された光の特徴に基づいて、前記受光部の位置を算出するステップ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004340967A JP2006153506A (ja) | 2004-11-25 | 2004-11-25 | 位置検出装置及び位置検出方法 |
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Family Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007310683A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 情報入出力システム |
KR101280104B1 (ko) | 2010-05-13 | 2013-06-28 | 세이코 엡슨 가부시키가이샤 | 광학식 검출 장치, 표시 장치 및 전자 기기 |
KR101371388B1 (ko) | 2012-06-29 | 2014-03-10 | 국방과학연구소 | 다중 선형검출기를 이용한 회전형 전방위 360도 파노라믹 적외선 영상 생성장치 |
JP2014240779A (ja) * | 2013-06-11 | 2014-12-25 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置及びエンコーダ |
JP2016110469A (ja) * | 2014-12-09 | 2016-06-20 | レノボ・シンガポール・プライベート・リミテッド | 協働動作をする情報処理装置、携帯式電子機器、および位置の特定方法 |
-
2004
- 2004-11-25 JP JP2004340967A patent/JP2006153506A/ja active Pending
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JP4538610B2 (ja) * | 2006-05-18 | 2010-09-08 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 情報入出力システム |
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