JP2011059006A

JP2011059006A - 位置計測用標識体および位置計測システム

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Publication number: JP2011059006A
Application number: JP2009210701A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Sumiya; 和彦住谷; Yasuji Seko; 保次瀬古
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】位置計測用の標識を有する物体がある軸周りに回転した場合でも、その物体の３次元位置や角度を測定することができる位置計測用標識体および位置計測システムを提供する。
【解決手段】本位置計測用標識体は、複数の標識組８Ａ〜８Ｈを有する位置計測用標識体１と、位置計測用標識体１の標識組を撮像する２次元撮像素子２を有する撮像装置３と、撮像装置３により撮像した位置計測用標識体１の標識組の画像に基づいて物体５の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う演算装置４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置計測用標識体および位置計測システムに関する。

対象物の３次元位置を計測する手段として、２台のカメラで対象物を撮影し、カメラ間の距離を基線とした三角測量によって対象物の位置座標を算出する方法がよく用いられる。また、３次元空間中に配置される６点の位置関係が予めわかっている場合は、これらの点をカメラで撮影して得られた画像から、６点により形成される対象物の３次元位置および３軸角度（ロール角、ピッチ角およびヨー角）を計算することが可能である。また、１台のカメラをつかった簡便な方法で、高精度に対象物の３次元位置と３軸角度を測定する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、対象物の平面上に互いの位置が特定されている３つの第１の基準点と、さらにその平面から一定距離だけ離れ、第１の基準点からの位置が特定されている第２の基準点を設け、これらの４つの基準点を撮影した２次元画像から、第１の基準点と第２の基準点の画像位置関係に基づいて対象物の３次元位置と３軸角度を演算するシステムが開示されている。

特開２００９−６８９６８号公報

本発明の目的は、位置計測用の標識を有する物体がある軸周りに回転した場合でも、その物体の３次元位置や角度を測定することができる位置計測用標識体および位置計測システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の位置計測用標識体および位置計測システムを提供する。
（１）物体の外面を回転軸周りに区分した複数の領域と、前記各領域に、仮想平面を形成する位置関係の分かっている３つ以上の第１の標識と、前記仮想平面から離隔し位置関係の分かっている第２の標識とを有し、前記各領域における前記第１の標識が、隣接する領域における前記第１の標識を兼ねるものであり、前記各領域における前記第１および第２の標識を観測可能な前記物体の回転軸周りに形成される複数の観測可能空間に対応して設けられる複数の標識組とを備えた位置計測用標識体。
（２）前記物体が角柱であり、前記第１の標識が前記角柱側面の平面部に配置され、前記第２の標識が前記角柱側面の角部に配置される上記（１）記載の位置計測用標識体。
（３）前記第１の標識が前記平面部において第１の広がり角を有する第１の穴部に配置され、前記第２の標識が前記角部において前記第１の広がり角の半分の第２の広がり角を有する第２の穴部に配置される上記（２）記載の位置計測用標識体。
（４）前記各標識組が、それぞれを識別するための第３の標識を有する上記（１）〜（３）のいずれかに記載の位置計測用標識体。
（５）前記各標識が、それぞれ発光ダイオードにより構成される上記（１）〜（４）のいずれかに記載の位置計測用標識体。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の位置計測用標識体と、前記位置計測用標識体の標識組を撮像する２次元撮像素子を有する撮像装置と、前記撮像装置により撮像した前記位置計測用標識体の標識組の画像に基づいて前記物体の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う演算装置とを備えた位置計測システム。

請求項１に記載の位置計測用標識体によれば、位置計測用の標識を有する物体がある軸周りに回転した場合でも、その物体の３次元位置や角度を測定することができる。
請求項２に記載の位置計測用標識体によれば、物体の形状を利用して第１および第２の標識を配置することができる。
請求項３に記載の位置計測用標識体によれば、本構成を有しないものに比べ各標識組の観察可能空間を正確に規定することができる。
請求項４に記載の位置計測用標識体によれば、撮像装置により撮像された標識組がどれかを特定することができる。
請求項５に記載の位置計測用標識体によれば、本構成を有しないものに比べ各標識を明瞭な撮像画像として得ることができる。
請求項６に記載の位置計測システムによれば、位置計測用の標識を有する物体がある軸周りに回転した場合でも、その物体の３次元位置や角度を測定することができる。

本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、物体に設けた位置計測用の標識の撮像装置に対する位置関係を例示する図である。（Ａ），（Ｂ）は、標識としてＬＥＤを用いた場合の一例を説明するための図である。物体の標識設置面がある軸周りにα°以上回転した場合の撮像装置との関係の一例を示す図である。本発明に係る位置計測用標識体の一実施例を示す図である。各標識の角柱側面への配置の例を示す図である。テーパーをつけた穴部の例を示す図である。円柱状の形状をした穴部の例を示す図である。溝状の形状をした穴部の例を示す図である。各領域における標識を観測可能な複数の観測可能空間に対応して設けられる複数の標識組の例を示す図である。第１および第２の標識とは別に標識組を識別するための第３の標識を設けた例を示す図である。図１の演算装置の一例を示すブロック図である。物体の３次元位置の演算方法の一例を説明するための図である。

図１は、本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、複数の標識組を有する位置計測用標識体１と、位置計測用標識体１の標識組を撮像する２次元撮像素子２を有する撮像装置３と、撮像装置３により撮像した位置計測用標識体１の標識組の画像に基づいて物体５の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う演算装置４とを備える。
位置計測用標識体１は、物体５の外面を回転軸６の周りに区分した複数の領域と、各領域に、仮想平面７を形成する位置関係の分かっている３つの第１の標識ａ１，ａ２，ａ３と、前記仮想平面７から離隔し位置関係の分かっている第２の標識ａ４とを有し、各領域における第１の標識が、隣接する領域における第１の標識を兼ねるものであり、各領域における第１および第２の標識を観測可能な物体の回転軸周りに形成される複数の観測可能空間に対応して設けられる複数の標識組８Ａ〜８Ｈとを備える。ここで、仮想平面７とは、物理的に形成される平面ではなく、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３を結ぶことで仮想的に形成される平面をいう。

本例では、物体５は八角柱であり、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３は角柱側面の平面部に配置され、第２の標識ａ４は角柱側面の角部に配置されている。位置計測用標識体１は、特定の標識組だけが撮像装置３により撮像されるように構成される。図１の例では、撮像装置３からは標識組８Ａのみが撮像可能であり、標識組８Ａの第１の標識ａ１，ａ２，ａ３および第２の標識ａ４の撮像画像を用いて物体５の３次元位置計測を行う。３次元位置計測の計算方法については後述する。ここで、第１の標識は４つ以上でもよく、また第２の標識は２つ以上でもよい。

第１の標識ａ１，ａ２，ａ３および第２の標識ａ４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源を用いることができ、さらに光源の代わりに再帰反射板を用い、その再帰反射板を照明するための照明装置を備えるようにしてもよいが、これらに限定されない。撮像装置３は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の２次元撮像素子２を搭載したデジタルカメラが用いられるが、これに限定されない。演算装置４は、撮像装置３の図示しない通信手段と有線あるいは無線で接続され、撮像装置３と通信できるように構成される。演算装置４は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のコンピュータが用いられるが、これに限定されない。以下、位置計測用標識体１について詳述するが、その前に位置計測用標識体１を上記のように構成した理由を述べる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、物体に設けた位置計測用の標識の撮像装置に対する位置関係を例示する図である。本例の物体は直方体形状の基板２１であり、基板２１の上面２２に位置計測用の第１の標識ａ１，ａ２，ａ３が設けられ、基板２１の上面２２から離隔して第２の標識ａ４が設けられている。図２（Ａ）の例では、基板２１の標識設置面が撮像装置３に正対している。この場合、撮像装置３は基板２１に設置された標識ａ１〜ａ４を撮像することができる。図２（Ｂ）の例では、基板２１の標識設置面がある軸周りの太矢印方向に回転して撮像装置３に対して傾斜している。この場合、撮像装置３は基板２１の回転角が小さいときは標識ａ１〜ａ４を撮像できるが、回転角が大きいときは撮像できない。図２（Ｃ）の例では、基板２１の標識設置面が撮像装置３に対して太矢印方向に大きく回転角しており、標識設置面は基板２１の陰になっている。この場合、撮像装置３は標識設置面が視野に入らず標識ａ１〜ａ４を撮像できない。なお、図２（Ｂ）の場合、標識としてＬＥＤを用いるときは、ＬＥＤの指向特性により撮像装置３による撮像範囲は制限を受ける。これについて次に述べる。

図３（Ａ），（Ｂ）は、標識としてＬＥＤを用いた場合の一例を説明するための図である。例えば、図３（Ａ）に示すように、標識ａ１〜ａ４としてＬＥＤを用い、各ＬＥＤの発光の指向性（広がり角）が基板上面２２の法線を中心にしてそれぞれ±α°である場合、撮像装置３が基板２１上の標識間の距離にくらべ十分遠方にあるときは、図３（Ｂ）のように考えてよく、撮像可能な角度範囲は、基板上面２２の法線を中心に±α°の円錐３１の範囲となる。つまり、図４に示すように、物体の標識設置面がある軸周りに回転し、α°以上傾くとＬＥＤの光像を得ることができなくなり、物体の３次元位置や角度を測定することができなくなる。図１に示す位置計測用標識体１の場合は、標識設置面がある軸周りに回転した場合でも物体の３次元位置や角度を測定することができる。以下、位置計測用標識体１について詳述する。

図５は、本発明に係る位置計測用標識体の一実施例を示す図である。本例は、位置計測用標識体の断面形状を正八角形としたものである。本図は、正八角柱の上面から下面方向を見た場合の各標識の位置関係を示す。本例では、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３は角柱側面の平面部に配置され、第２の標識ａ４は角柱側面の角部に配置される。図５に示すように、角柱側面の角部を挟む各領域に、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３および第２の標識ａ４を有する標識組Ａ，標識組Ｂ，標識組Ｃ・・・がそれぞれ形成される。各領域における第１の標識は、隣接する領域における第１の標識を兼ねる。すなわち、角柱側面の平面部に配置される第１の標識は、隣接する標識組の双方に属する。たとえば、図５において符号５１で示す第１の標識ａ２，ａ３は、標識組Ａと標識組Ｂの双方に属している。

図６は、各標識の角柱側面への配置の例を示す図である。本例では、標識組Ｂにおいて、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３が角柱側面の平面部において第１の広がり角を有する第１の穴部６１に配置され、第２の標識が角柱側面の角部において第１の広がり角の半分の第２の広がり角を有する第２の穴部６２に配置される。すなわち、本例のように断面形状が正八角形の場合、図示のように、第１の標識は、９０°のテーパーを持った穴部６１の底部に配置され、第２の標識は、４５°のテーパーを持った穴部６２の底部に配置される。このような構造とすることにより、角柱の軸周りの角度範囲６３では、標識組Ｂのみが見えるので、そこの標識の撮像画像を用いて物体５の３次元位置や角度を測定することができる。他の標識組の場合も同様である。

図７は、テーパーをつけた穴部の例を示す図である。本例の穴部７１は、角柱側面７０の開口の内径７２よりも穴部の底部７３の内径が小さい。この穴部の深さ７３の底部に標識７４が配置される。しかしながら、穴部は、テーパーをつけたものに限定されず、他の形状でもよい。図８は、円柱状の形状をした穴部の例を示す図である。本例の穴部８１は、角柱側面８０の開口の内径８２と穴部の深さ８３の底部の内径が同じである。この底部に標識８４が配置される。図７および図８に示す穴部は、角柱側面における開口の内径と穴部の深さが同等であれば、同様に作用する。図９は、溝状の形状をした穴部の例を示す図である。本例の穴部９１は、角柱の回転方向が一軸まわりのときに用いることができる。角柱側面９０における開口幅９２と穴部の深さ９３が図７または図８に示す穴部と同等であれば、同様に作用する。この場合、標識９４は溝部９１の底部に配置される。

図１０は、各領域における標識を観測可能な複数の観測可能空間に対応して設けられる複数の標識組の例を示す図である。本図には、複数の標識組が空間を分割する形で、ある角度範囲でのみ観測できる様子が示される。例えば、標識組８Ａは、観測可能空間ａからのみ観測できるので、撮像装置３がこの範囲にあるとき、これらの標識を用いて物体５の３次元位置や角度を測定することができる。また、標識組８Ｂは、観測可能空間ｂからのみ観測できるので、撮像装置３がこの範囲にあるとき、これらの標識を用いて物体５の３次元位置や角度を測定することができる。他の標識組８Ｃ・・・８Ｈに対しても同様である。すなわち、各標識組８Ａ〜８Ｈは、各領域における第１および第２の標識を観測可能な物体５の回転軸周りに形成される複数の観測可能空間ａ〜ｈに対応して設けられる。

図１１は、第１および第２の標識とは別に標識組を識別するための第３の標識を設けた例を示す図である。本図は、図１に示す位置計測用標識体１の隣接する２つの平面部を示す。本例の標識組は、第１の標識ａ１，ａ２，ａ３および第２の標識ａ４のほかに位置関係の分かっている第３の標識ｓ１（ＩＤマーカー）を第１の標識ａ２とａ３との間に備える。第３の標識ｓ１の位置は本例の位置に限定されず、他の位置にしてもよい。第３の標識ｓ１の位置は、標識組ごとに異なる。第３の標識ｓ１の位置が各標識組で異なることで標識組を識別する。標識組の特定は、撮像装置３により撮像した標識組における第３の標識ｓ１の画像位置と演算装置４の例えば記憶部に格納された第３の標識ｓ１の位置とを照合することにより行われる。本例では第３の標識ｓ１は１つとしたが、２つ以上設けてもよい。

図１２は、図１の演算装置の一例を示すブロック図である。演算装置４は、撮像装置３で撮像した位置計測用標識体１の標識組の画像情報を入力する入力部４１と、入力した標識組の画像情報に基づいて物体５の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う演算部（ＣＰＵ）４２と、演算した物体５の３次元位置および角度の少なくとも一方を例えばモニタ等の表示装置に出力する出力部４３とを備える。演算部４２には記憶部４４が接続され、両者間で情報の授受が行われる。記憶部４４には、位置計測用標識体１の各標識組の位置計測用の第１および第２の標識の位置情報並びに必要に応じて標識組識別用の第３の標識の位置情報を格納したテーブルが用意されている。演算部４２は、記憶部４４から、各標識の位置情報を取得し、この位置情報に基づいて物体の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う。なお、記憶部４４は演算部４２で実行されるプログラムやそこで用いられる各種情報を格納するものであり、内部メモリとして構成することができるが、これに限定されず、外部に接続した記憶装置でもよい。

以上の手順は、コンピュータに例えば次のプログラムを実行させることで実施することができる。すなわち、このプログラムは、コンピュータに、上述の位置計測用標識体の標識組を撮像装置により撮像した画像情報を入力する手順、この画像情報に基づいて物体の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う手順を実行させるものである。本例では、プログラムを演算装置の記憶部に格納した実施形態として説明したが、このプログラムをＣＤＲＯＭ等の記憶媒体に格納して又は通信手段によって提供することも可能である。

以上の例では、物体の回転軸周りの空間を８分割するものを示したが、標識を撮像する際の特性に応じて、空間の分割数を変えることができる。その場合、標識を配置する穴部は、空間の分割数に応じたテーパー角度（広がり角）とされる。また、物体は角柱に限定されず、他の形状を用いることができ、例えば円柱でもよい。さらに、以上の例では、物体の回転軸を一軸としたが、二軸以上でも可能である。この場合、各軸周りに上述と同様な構成を備えるようにする。これにより、物体を任意の軸周りに回転しても、物体上に配置された標識の撮像画像を用いて３次元位置や角度の計測を行うことができる。以下、物体の３次元位置の演算方法の一例について述べる。

図１３は、物体の３次元位置の演算方法の一例を説明するための図である。以下、各標識をＬＥＤ等で構成された光源として説明する。本例では、位置関係の分かっている３つの第１の標識ａ１，ａ２，ａ３を例えば正方形の平面上の３つの角に配置し、この平面上から離隔した突出部の先端に第２の標識ａ４を設ける。この突出部の位置と高さｈは既知である。まず、３つの第１の標識ａ１，ａ２，ａ３を用いて、以下の計算から２つの解を導出する。第２の標識ａ４の画像位置ｃ４は算出した２つ解の中から正解を求めるために使用される。これについては後述する。

まず、図１３において、光源（第１の標識）ａ１，ａ２，ａ３の画像面（カメラの２次元撮像素子面）１０上の画像位置ｃ１，ｃ２，ｃ３とカメラの光学中心２０との関係から、カメラ座標系における光源位置の方向ベクトルｄｉ（ｉ＝１，２，３）を算出する。ｄｉは規格化した単位ベクトルとする。

光源ａ１，ａ２，ａ３の空間の位置ベクトルをｐ１，ｐ２，ｐ３とすると、これらはｄｉの延長線上に存在するので、その係数をｔ１，ｔ２，ｔ３として、
p1=t1・d1
p2=t2・d2 式１
p3=t3・d3
で表すことができる。

三角形の形状は最初からわかっており、その長さを各々
p1p2=L1
p2p3=L2 式２
p3p1=L3
とすると次式が得られる。式中「^」は累乗を表す。
(t1x1-t2x2)^2+(t1y1-t2y2)^2+(t1z1-t2z2)^2=L1^2
(t2x2-t3x3)^2+(t2y2-t3y3)^2+(t2z2-t3z3)^2=L2^2 式３
(t3x3-t1x1)^2+(t3y3-t1y1)^2+(t3z3-t1z1)^2=L3^2

整理すると
t1^2-2t1t2(x1x2+y1y2+z1z2)+t2^2-L1^2=0
t2^2-2t2t3(x2x3+y2y3+z2z3)+t3^2-L2^2=0 式４
t3^2-2t3t1(x3x1+y3y1+z3z1)+t1^2-L3^2=0
が得られ、次式となる。式中「sqrt」は平方根を表す。
t1=A1・t2±sqrt((A1^2-1)・t2^2+L1^2)
t2=A2・t3±sqrt((A2^2-1)・t3^2+L2^2) 式５
t3=A3・t1±sqrt((A3^2-1)・t1^2+L3^2)
ここで、A1,A2,A3は次式のとおりである。
A1=x1x2+y1y2+z1z2
A2=x2x3+y2y3+z2z3 式６
A3=x3x1+y3y1+z3z1

実数解を持つために、式５の平方根の中が正になる。
t1≦ sqrt(L3^2/(1-A3^2))
t2≦ sqrt(L1^2/(1-A1^2)) 式７
t3≦ sqrt(L2^2/(1-A2^2))

この条件を満たす実数ｔ１、ｔ２、ｔ３を順次、式５に代入し、式５が成立するすべてのｔ１，ｔ２，ｔ３を算出する。次に上記の式１からｐ１，ｐ２，ｐ３を、すなわち、光源の３次元位置を算出する。この場合、２つの解ができる。そこで、３つの第１の標識ａ１，ａ２，ａ３の位置する平面上から離隔した地点にある第２の標識ａ４の画像面１０における画像位置ｃ４を用いて正解を求める。まず、上記の２つの解の第１の標識ａ１，ａ２，ａ３の位置から位置関係の分かっている第２の標識ａ４のそれぞれの位置を計算する。この計算値とカメラで撮影した第２の標識ａ４の画像面上の位置の実際値とを比較し、この実際値に近い方の計算値に対応する解を正解とする。このようにして光源セット（物体）の３次元位置を決定することができる。物体の角度は、その３次元位置から物体の向く方向として求めることができる。光源（第１の標識）の３次元位置の算出方法は上記に限定されず、例えば特許文献１に記載の方法などを用いて行ってもよい。

１位置計測用標識体
２２次元撮像素子
３撮像装置
４演算装置
５物体
６回転軸
７仮想平面
８Ａ〜８Ｈ標識組
ａ１，ａ２，ａ３第１の標識
ａ４第２の標識

Claims

物体の外面を回転軸周りに区分した複数の領域と、
前記各領域に、仮想平面を形成する位置関係の分かっている３つ以上の第１の標識と、前記仮想平面から離隔し位置関係の分かっている第２の標識とを有し、前記各領域における前記第１の標識が、隣接する領域における前記第１の標識を兼ねるものであり、前記各領域における前記第１および第２の標識を観測可能な前記物体の回転軸周りに形成される複数の観測可能空間に対応して設けられる複数の標識組と
を備えた位置計測用標識体。
前記物体が角柱であり、前記第１の標識が前記角柱側面の平面部に配置され、前記第２の標識が前記角柱側面の角部に配置される請求項１記載の位置計測用標識体。
前記第１の標識が前記平面部において第１の広がり角を有する第１の穴部に配置され、前記第２の標識が前記角部において前記第１の広がり角の半分の第２の広がり角を有する第２の穴部に配置される請求項２記載の位置計測用標識体。
前記各標識組が、それぞれを識別するための第３の標識を有する請求項１〜３のいずれかに記載の位置計測用標識体。
前記各標識が、それぞれ発光ダイオードにより構成される請求項１〜４のいずれかに記載の位置計測用標識体。
請求項１〜５のいずれかに記載の位置計測用標識体と、前記位置計測用標識体の標識組を撮像する２次元撮像素子を有する撮像装置と、前記撮像装置により撮像した前記位置計測用標識体の標識組の画像に基づいて前記物体の３次元位置および角度の少なくとも一方を求める演算を行う演算装置とを備えた位置計測システム。