JP2009031086A - マーカー像識別装置及びマーカー像識別方法 - Google Patents
マーカー像識別装置及びマーカー像識別方法Info
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Abstract
【解決手段】 エピポーララインL間で最も離れているエピポーララインLを基準エピポーララインとして選択する基準エピポーラライン選択部32と、基準エピポーララインに距離が最も近いマーカー像18を、基準エピポーララインに対応するマーカー像18と同一のマーカー18の画像であると認識するマーカー像認識部33と、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18に対する残りのマーカー像18の位置関係を決定するマーカー像位置決定部34と、マーカー像位置決定部34で決定されたマーカー像18の位置関係に基づいて、第一画像A上における残りのマーカー像18と第二画像B上における残りのマーカー像18との組を対応付けるマーカー像識別部35とを備えることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
磁気測定方式は、磁気センサが移動する空間に磁界が発生している限り特に制限なく使用することができるものの、磁気センサが移動する空間の磁気情報を予め測定し、磁気マッピングしておく必要がある。また、この空間内に金属等の磁気歪を生じる物体が存在すると、その影響で測定誤差を生じてしまうので、その補正を行う必要がある。
光学測定方式では、マッピングの補正を行う必要がなく、また、金属等による影響を受けることはないので、磁気歪の影響を受けやすい環境や場所では光学測定方式によるものが使いやすい。
例えば、ヘルメット状の頭部装着型表示装置で具体的に説明すると、頭部装着型表示装置のヘルメットの外表面に、互いに異なる発光波長の赤外光を発光するLED(発光ダイオード)をマーカーとして、互いに離隔するようにして3箇所に取り付け、これら3つのLEDのヘルメットに固定されたヘルメット座標上の位置関係を予め測定し定めておく。これら3つのLEDを、ステレオ視が可能でかつ設置場所が固定された2台のカメラで(すなわち2台のカメラ間の距離が既知の条件の下で)、それぞれのカメラで同時に撮影して、発光波長の差により各LEDをそれぞれ識別した上で、いわゆる三角測量の原理により、3つのLEDの絶対座標(一対のカメラ装置に対して定めた座標)を測定する。そして、これら3つのLEDの位置を用いて、絶対座標と、頭部装着型表示装置上に固定されたヘルメット座標の位置関係とを対応付けることにより、絶対座標に対する頭部装着型表示装置の位置や角度を特定する。
また、識別情報を持たないLEDで、個々のLEDを識別しようとするなら、LEDを1つ1つ点灯させて識別すればよいが、その場合、全てのLEDを順次点灯させなければならず、一巡するまでに長時間必要となるため、時々刻々変化する動きをモニタリングすることは困難である。
図4に示すように、第一カメラ12で撮影された第一画像Aには、点灯中の3つのLED18a、18b、18cのいずれにそれぞれ対応するかは認識できないが、3つのLED像18x、18y、18zが映し出されている。一方、第二カメラ14で撮影された第二画像Bにも、点灯中の3つのLED18a、18b、18cのいずれにそれぞれ対応するかは認識できないが、3つのLED像18s、18t、18uが映し出されている。このとき、第一画像Aにおける各LED像18x、18y、18zが、第二画像BにおけるLED像18s、18t、18uのいずれにそれぞれ対応するかも認識できない。
一方、第二画像Bにおいて、3つのLED18a、18b、18cに対応する各LED像18s、18t、18uは、3つのLED18a、18b、18cを映し出したものであるので、それぞれ対応することになるエピポーララインLx、Ly、Lzのいずれかの上の位置に存在することになる。したがって、第二画像B上に映し出されるLED像のうちで、エピポーララインLx上に存在するものがあれば、それがLED像18xに対応するLED像であると特定することができる。同様に、他の2つのLED像18y、18zに対応するLED像ついても特定することにより、第一画像Aに映し出された3つのLED像18x、18y、18zと、第二画像Bに映し出された3つのLED像18s、18t、18uとのそれぞれの組の対応付けを行うことができる。
(他の課題を解決するための手段および効果)
なお、第一カメラ12及び第二カメラ14は、ヘルメット16の全体像が視野内に入るように、ヘルメット16から距離を隔てた位置に設置してもよい。この場合は、ヘルメット16に取り付けるLEDの数を比較的少なくしても、第一カメラ12及び第二カメラ14の視野内に3つのLEDを含ませることができる。
一方、第一カメラ12及び第二カメラ14を、ヘルメット16に接近させてヘルメット16の一部だけが視野内に入るようにしてもよい。この場合は、ヘルメット16に取り付けるLEDの数を増やして、視野内に少なくとも3つのLEDが含まれるようにしなければならないが、LEDの位置を精度よく測定することができる。
また、ヘルメット16が動く範囲に応じて、ヘルメット16上でのLED群18を取り付ける範囲を調整してもよい。すなわち、ヘルメット16の動く範囲が小さい場合は、その領域に限ってLED群18を取り付ければよい。一方、ヘルメット16があらゆる方向に動く場合は、ヘルメット16の全体にわたってLED群18を取り付ける必要がある。
また、メモリ41には、制御演算部20が処理を実行するために必要な種々のデータを蓄積する領域が形成してあり、絶対座標(XYZ座標)を記憶する絶対座標記憶部42と、ヘルメット座標(X’Y’Z’座標)とヘルメット座標でのLED18a、18b、18c、・・・、18fの位置とを記憶するヘルメット座標記憶部44とを有する。
さらに、ヘルメット16の現在位置と現在角度とを、XYZ座標系を用いて表現するために、ヘルメット16上の基準点をLED18a(ヘルメット座標の原点)と定め、さらにX’軸方向を基準方向と定めている。これにより、ヘルメット16の現在位置と現在角度とは、絶対座標(XYZ座標)におけるLED18aの位置(x,y,z)と、X’軸方向のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に対するそれぞれの角度(θ,φ,ψ)とを用いて表現することができる。
例えば、図6(b)に示すように、第二画像B上において、第二画像B上の中心を通りかつXb軸に対して垂直となる垂線lを作成することにより、垂線lとエピポーララインLx、Ly、Lzとの交点lx、ly、lzの位置を算出する。さらに、各交点lx、ly、lz間の距離を算出することで、最も離れている交点lxを選択する。この結果、図6(c)に示すように、選択された交点lxに対応するエピポーララインLxを基準エピポーララインとして選択することになる。
例えば、図7(a)に示すように、第一画像A上において、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18xを始点として、他の2つのマーカー像18y、18zを終点とするベクトル<18x18y>、ベクトル<18x18z>を作成して外積<18x18y>×<18x18z>を算出することにより、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18xに対する残りのマーカー像18y、18zの位置関係を決定する。同様に、第二画像B上において、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18sを始点として、他の2つのマーカー像18t、18uを終点とするベクトル<18s18t>、ベクトル<18s18u>を作成して外積<18s18t>×<18s18u>を算出することにより、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18sに対する残りのマーカー像18t、18uの位置関係を決定する。
なお、下述するように、<18x18y>は、18xを始点として18yを終点とするベクトルのことであり、<18x18z>、<18s18t>、<18s18u>も同様である。
例えば、第一画像A及び第二画像Bのそれぞれの画像上において、それぞれ算出された外積<18x18y>×<18x18z>と外積<18s18t>×<18s18u>とを比較して、外積が同符号となる場合には、図 7(b)に示すように、マーカー像18xを中心としたマーカー像18yからマーカー像18zへの方向と、マーカー像18sを中心としたマーカー像18sからマーカー像18tへの方向とが同じ回転方向となるとして、マーカー像18yとマーカー像18tとの組及びマーカー像18zとマーカー像18uとの組を対応付け、一方、外積が異符号となる場合には、マーカー像18xを中心としたマーカー像18yからマーカー像18zへの方向と、マーカー像18sを中心としたマーカー像18sからマーカー像18tへの方向とが異なる回転方向となるとして、LED像18yとマーカー像18tとの組及びマーカー像18zとマーカー像18uとの組を対応付ける。よって、図5に示すように、第二画像Bにおいて、2つのLED像18y、18zに対応するエピポーララインLb、Lcが極近い距離に存在する場合でも、外積を用いて、第一画像A上におけるLED像18y、18zと第二画像上におけるLED像18t、18uとの組をそれぞれ対応付けることができる。
基準マーカー間距離選択部36aは、マーカー点灯部21で点灯したLEDについて、ヘルメット座標(X’Y’Z’座標)上において最も短いマーカー間距離を基準マーカー間距離として選択する制御を行うものである。
例えば、ヘルメット座標記憶部44に記憶されているデータに基づいて、マーカー点灯部21で点灯したLED18a、18b、18cのマーカー間距離a、b、cを比較することにより、最も短いマーカー間距離aを基準マーカー間距離として選択する。
具体的には、まず、図3に示すように、絶対座標(XYZ座標)におけるLED18lの位置は、第一カメラ12からLED18lへの方向角αと、第二カメラ14からLED18lへの方向角βと、第一カメラ12と第二カメラ14との間のカメラ間距離dとがわかれば一意的に算出できる。方向角αは、第一カメラ12の撮影方向と第一画像AにおけるLED像18xの位置とにより定めることができ、同様に、方向角βは、第二カメラ14の撮影方向と第二画像BにおけるLED像18sの位置とにより定めることができる。また、カメラ間距離dは既知であることから、絶対座標(XYZ座標)における探索用LED18lの位置が算出される。同様に、絶対座標(XYZ座標)における他の探索用LED18m、18nの位置についても算出される。その後、探索用マーカー間距離を比較することで、最も短い探索用マーカー間距離を、基準マーカー間距離と同一のマーカー間距離であると認識する。このとき、探索用LED18l、18m、18nが、LED18a、18b、18cのいずれにそれぞれ対応するかは認識できない。
映像表示部25は、ヘルメット16の位置(x,y,z)と角度(θ,φ,ψ)とに基づいて、映像表示光を出射する制御を行うものである。これにより、装着者は、表示器による表示映像を視認することができるようになる。
まず、ステップS101の処理において、マーカー点灯部21は、3つのLED(ただし3つのLEDの位置関係が正三角形とならないもの)を点灯し、それ以外のLEDを消灯する。
次に、ステップS104の処理において、基準エピポーラライン選択部32は、第二画像B上において、エピポーラライン間で最も離れているエピポーララインを基準エピポーララインとして選択する。例えば、図6(b)に示すように、第二画像B上において、第二画像B上の中心を通りかつXb軸に対して垂直となる垂線lを作成することにより、垂線lとエピポーララインLa、Lb、Lcとの交点la、lb、lcの位置を算出する。さらに、各交点la、lb、lc間の距離を算出することで、最も離れている交点laを選択する。この結果、選択された交点laに対応するエピポーララインLaを基準エピポーララインとして選択することになる。
次に、ステップS106の処理において、マーカー像位置決定部34は、第一画像A及び第二画像Bのそれぞれの画像上において、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像に対する残りのマーカー像の位置関係を決定する。例えば、図7(a)に示すように、第一画像A上において、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18xを始点として、他の2つのマーカー像18y、18zを終点とするベクトル<18x18y>、ベクトル<18x18z>を作成して外積<18x18y>×<18x18z>を算出することにより、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18xに対する残りのマーカー像18y、18zの位置関係を決定する。同様に、第二画像B上において、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18sを始点として、他の2つのマーカー像18t、18uを終点とするベクトル<18s18t>、ベクトル<18s18u>を作成して外積<18s18t>×<18s18u>を算出することにより、マーカー像認識部33で認識されたマーカー像18sに対する残りのマーカー像18t、18uの位置関係を決定する。
次に、ステップS109の処理において、マーカー間距離認識部36bは、マーカー像認識部33及びマーカー像識別部35により対応付けられた各LED像の組について、絶対座標(XYZ座標)上での探索用LED18l、18m、18nの位置を三角測量で算出することにより、最も短い探索用マーカー間距離を、基準マーカー間距離と同一のマーカー間距離であると認識する。
次に、ステップS111の処理において、映像表示部25は、ヘルメット16の位置(x,y,z)と角度(θ,φ,ψ)とに基づいて、映像表示光を出射する。
一方、本フローチャートを終了させると判断されたときには、本フローチャートを終了させる。
以上の演算処理により、空間(絶対座標)に対するヘルメット16の位置、角度を決定し、ヘルメットの位置や方向を特定することができる。すなわち、時々刻々変化するヘルメット16の位置や方向を特定することができる。
12 第一カメラ
14 第二カメラ
16 ヘルメット(物体)
18 LED群(マーカー群)
20 演算制御部
21 マーカー点灯部
31 エピポーラライン作成部
32 基準エピポーラライン選択部
33 マーカー像認識部
34 マーカー像位置決定部
35 マーカー像識別部
Claims (6)
- 物体の外表面に取り付けられた少なくとも3つの点灯可能なマーカーを識別するためのマーカー像識別装置であって、
点灯した少なくとも3つのマーカーが含まれる第一画像を撮影する第一カメラと、
前記第一カメラと異なる方向から、少なくとも3つのマーカーが含まれる第二画像を同時に撮影する第二カメラと、
前記第一カメラで映し出された各マーカー像のエピポーララインを、前記第二画像上に作成するエピポーラライン作成部と、
前記第二画像上において、エピポーラライン間で最も離れているエピポーララインを基準エピポーララインとして選択する基準エピポーラライン選択部と、
前記第二画像上において、基準エピポーララインに距離が最も近いマーカー像を、前記基準エピポーララインに対応するマーカー像と同一のマーカーの画像であると認識するマーカー像認識部と、
前記第一画像及び第二画像のそれぞれの画像上において、前記マーカー像認識部で認識されたマーカー像に対する残りのマーカー像の位置関係を決定するマーカー像位置決定部と、
前記マーカー像位置決定部で決定されたマーカー像の位置関係に基づいて、前記第一画像上における残りのマーカー像と第二画像上における残りのマーカー像との組を対応付けるマーカー像識別部とを備えることを特徴とするマーカー像識別装置。 - 前記マーカーは、前記物体上に定義される物体固定座標上での位置を定められるとともに、
前記第一カメラ及び第二カメラを用いて、空間上に定義された絶対座標が記憶され、
さらに、前記マーカー像認識部及びマーカー像識別部により対応付けられた各マーカー像の組について、前記絶対座標上での位置を三角測量で算出することで探索用マーカーを作成することにより、前記探索用マーカーとマーカーとの組を対応付けて絶対座標上での物体の位置と角度とを決定する物体モニタリング部を備えることを特徴とする請求項1に記載のマーカー像識別装置。 - 点灯した少なくとも3つのマーカーをそれぞれ結んだ線は、等距離でなく、
前記物体モニタリング部は、前記物体固定座標上において、最も短い又は最も長いマーカー間距離を基準マーカー間距離として選択する基準マーカー間距離選択部と、
前記マーカー像認識部及びマーカー像識別部により対応付けられた各マーカー像の組について、前記絶対座標上での探索用マーカーの位置を三角測量で算出することにより、最も短い又は最も長い探索用マーカー間距離を、前記基準マーカー間距離と同一のマーカー間距離であると認識するマーカー間距離認識部と、
前記マーカー間距離認識部で認識されたマーカー間距離を基準にして、前記物体の外表面に取り付けられたマーカーと、探索用マーカーとの組を対応付けることにより、前記絶対座標上での物体の位置と角度とを決定するマーカー識別部とを備えることを特徴とする請求項2に記載のマーカー像識別装置。 - 物体の外表面に取り付けられた少なくとも3つの点灯可能なマーカーと、
点灯した少なくとも3つのマーカーが含まれる第一画像を撮影する第一カメラと、
前記第一カメラと異なる方向から、点灯した少なくとも3つのマーカーが含まれる第二画像を撮影する第二カメラとを備えるマーカー像識別システムにおけるマーカー像識別方法であって、
(a)前記第一カメラで映し出された各マーカー像のエピポーララインを、前記第二カメラで映し出された第二画像上に作成するエピポーラライン作成工程と、
(b)前記第二画像上において、エピポーラライン間で最も離れているエピポーララインを基準エピポーララインとして選択する基準エピポーラライン選択工程と、
(c)前記第二画像上において、基準エピポーララインに距離が最も近いマーカー像を、前記基準エピポーララインに対応するマーカー像と同一のマーカーの像であると認識するマーカー像認識工程と、
(d)前記第一画像及び第二画像のそれぞれの画像上において、前記マーカー像認識工程で認識されたマーカー像に対する残りのマーカー像の位置関係を決定するマーカー像位置決定工程と、
(e)前記マーカー像位置決定工程で決定されたマーカー像の位置関係に基づいて、前記第一画像上における残りのマーカー像と第二画像上における残りのマーカー像との組を対応付けるマーカー像識別工程とを含むことを特徴とするマーカー像識別方法。 - 前記マーカーは、前記物体上に定義される物体固定座標上での位置を定められるとともに、
前記第一カメラ及び第二カメラを用いて、空間上に定義された絶対座標が記憶され、
さらに、(f)前記マーカー像認識工程及びマーカー像識別工程により対応付けられた各マーカー像の組について、前記絶対座標上での位置を三角測量で算出することで探索用マーカーを作成することにより、前記探索用マーカーとマーカーとの組を対応付けて絶対座標上での物体の位置と角度とを決定する物体モニタリング工程を含むことを特徴とする請求項4に記載のマーカー像識別方法。 - 点灯した少なくとも3つのマーカーをそれぞれ結んだ線は、等距離でなく、
(f)物体モニタリング工程は、(f−1)前記物体固定座標上において、最も短い又は最も長いマーカー間距離を基準マーカー間距離として選択する基準マーカー間距離選択工程と、
(f−2)前記マーカー像認識部及びマーカー像識別部により対応付けられた各マーカー像の組について、前記絶対座標上での探索用マーカーの位置を三角測量で算出することにより、最も短い又は最も長い探索用マーカー間距離を、前記基準マーカー間距離と同一のマーカー間距離であると認識するマーカー間距離認識工程と、
(f−3)前記マーカー間距離認識部で認識されたマーカー間距離を基準にして、前記物体の外表面に取り付けられたマーカーと、探索用マーカーとの組を対応付けることにより、前記絶対座標上での物体の位置と角度とを決定するマーカー識別工程とを含むことを特徴とする請求項5に記載のマーカー像識別方法。
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