JP3357175B2 - 光学的位置検出方法 - Google Patents

光学的位置検出方法

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JP3357175B2 JP9934494A JP9934494A JP3357175B2 JP 3357175 B2 JP3357175 B2 JP 3357175B2 JP 9934494 A JP9934494 A JP 9934494A JP 9934494 A JP9934494 A JP 9934494A JP 3357175 B2 JP3357175 B2 JP 3357175B2
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    • G01S3/785—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system
    • G01S3/786—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically
    • G01S3/7864—T.V. type tracking systems

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、測定対象となる光源を
イメージセンサで撮像してその位置を計測する光学的位
置検出方法に関する。より詳しくは、光学的位置検出方
法における周囲の太陽光や照明光等に起因する外乱除去
技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、測定対象となる光源をイメー
ジセンサで撮像してその位置を計測する光学的位置検出
方法が知られており、例えば特開平６−５９８０７号公
報に開示されている。この従来技術では光ポインタを利
用してコンピュータのディスプレイ上に表示されるカー
ソルの位置制御を行なっている。即ち、光ポインタに組
み込まれた点光源の位置を、コンピュータ本体側に内蔵
したイメージセンサで撮像し、画像処理により点光源の
位置を抽出する。抽出結果に基づいてカーソル位置を制
御するものである。この様な光学的位置検出方法は室内
で操作される光ポインタ等の他に、例えば土木測量等に
も利用されている。ＬＥＤ等の点光源を備えた位置指示
器を測定地点にセットし、遠隔からテレビカメラ等で位
置指示器を撮像し土木測量を行なうものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光を媒体とした位置計
測においては、太陽光や室内照明光等の周囲光に起因す
る外乱要因を除去する必要がある。特に、光源とイメー
ジセンサとの間の距離が大きくなると、光源から発した
投光の強度が弱くなるとともに相対的に周囲光強度が強
くなる為正確な位置測定を阻害する事になる。この為、
従来から外乱を除去する対策が種々講じられている。例
えば、測定対象となる光源を点灯状態で撮像した画像デ
ータと、同じく光源を消灯した状態で撮像した画像デー
タとを互いに差し引く事により正味の信号成分を抽出
し、周囲光の影響を除いている。しかしながら、この様
な従来方法では、光源側の点灯及び消灯タイミングと、
イメージセンサ側の撮像タイミングを同期させる必要が
あり、構造が複雑になるという課題があった。両者を同
期化する為ケーブルが必要となり光源側のワイヤレス化
が困難である。例えば、光ポインタの場合ワイヤレス化
が難しい為コード付きとなり操作性が著しく損なわれ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は非同期方式で外乱除去を可能とし光
学的位置検出方法においてワイヤレス化を実現する事を
目的とする。又、非同期方式に基づく外乱除去を利用し
て位置情報に加え付随する情報の伝送を可能とする事を
目的とする。かかる目的を達成する為以下の手段を講じ
た。即ち本発明にかかる光学的位置検出方法は、対象と
なる光源をイメージセンサで撮像してその位置を計測す
る際、以下の操作及び処理を行なう事を特徴とする。先
ず投光操作を行ない、該光源からある周期波形で強度変
調された投光を放射する。次に撮像処理を行ない、イメ
ージセンサで該投光を受光し逐次該光源を撮像して対応
する画像データを画素毎に蓄積する。続いて読み取り処
理を行ない、該周期波形の１／４以下の周期で少なくと
も４回連続してイメージセンサをアクセスし画素毎に画
像データを読み取って時系列データを形成する。さら
に、強度変調に用いた該周期波形と非同期であって且つ
周期が近い基準波形を用いて該時系列データの積和演算
を行ない、外乱除去された第１の積和データを求める。
同時に、該基準波形と９０°位相の異なる直交波形を用
いて該時系列データの積和演算を行ない外乱除去された
第２の積和データを求める。最後に、画素毎に求めた第
１及び第２の積和データを用いて画像演算を行ない、該
光源の位置を抽出する。
【０００５】好ましくは前記投光操作において所定の付
加情報に従って該周期波形の周期を変更する。一方、該
第１及び第２の積和データに基づいて該周期波形の位相
を演算する。さらに異なるサンプリングタイミングで求
めた該位相の時間的変化に基づいて、該周期波形の変更
された周期を演算し該付加情報を抽出する。
【０００６】
【作用】本発明にかかる光学的位置検出方法では、所定
の周期波形を用いて光源から発する投光を強度変調（振
幅変調）している。一方、イメージセンサ側では適当な
フレーム周期で画像データを逐次読み取り強度変調され
た投光に対応する時系列データを形成している。この
時、系列データを所定の基準波形を用いて積和演算し投
光に含まれる変調成分のみを選択的に抽出（フィルタリ
ング）して外乱を除去している。この積和演算に用いら
れる基準波形は投光の振幅変調に用いられる周期波形と
非同期であって且つ周期が近いものである。従って、所
謂ヘテロダインないしホモダイン的な手法で投光に含ま
れる変調成分の検波を行なうものである。光源側で用い
られる周期波形とイメージセンサ側で用いられる基準波
形とは非同期である為、両者の間で同期をとる必要がな
く、容易にワイヤレス化が実現できる。
【０００７】積和演算を行なう際互いに位相が９０°異
なる一対の基準波形及び直交波形を用いているので、投
光に含まれる周期成分の振幅のみならず位相も検出する
事ができる。従って、異なるサンプリングタイミングで
抽出された位相の変化分を演算する事により、投光に含
まれる変調成分の周期も検出可能である。よって、位置
情報に付随する追加情報に基づいて周期波形の周期を変
更する事により、他の情報も同時に伝送する事が可能に
なる。
【０００８】
【実施例】図１を参照して本発明にかかる光学的位置検
出方法を説明する前に、実施例の理解を容易にする為図
２を参照して本発明が適用される一例となる光デジタイ
ザの構成を説明する。図２に示す様に、光デジタイザは
ワイヤレスの光スタイラス１を用いて座標入力を行な
う。光スタイラス１はその先端（ペン先）に光源となる
ＬＥＤ２を備えている。パッド３の表面に沿って光スタ
イラス１を手動で操作する事により（Ｘ，Ｙ）座標入力
を行なう。この（Ｘ，Ｙ）座標はＬＥＤ２の位置情報と
して与えられる。本光デジタイザは位置情報に加え筆圧
情報も入力できる様にしている。場合によってはスイッ
チ情報も入力できる様にしても良い。
【０００９】パッド３の上方にはスタンド４によって支
えられたＴＶカメラ５が取り付けられている。このＴＶ
カメラ５は二次元撮像素子（例えばＣＣＤ）からなるイ
メージセンサを内蔵しており、ＬＥＤ２を撮像して対応
する画像データを出力する。出力された画像データは画
像処理装置６に転送されＬＥＤ２の位置を抽出する。
【００１０】図３は、図２に示した光スタイラス１の具
体的な構成例を示す模式的な断面図である。図示する様
に、光スタイラス１のペン先７には前述した光源となる
ＬＥＤ２が装着されている。又、光スタイラス１のペン
軸８には発振器９が内蔵されており、ＬＥＤ２を制御し
てある周期波形で強度変調された投光を放射する。さら
に筆圧検出器１０が内蔵されており、ペン先７に加わる
筆圧に応じて発振器９の周波数を変更もしくは変化させ
る。即ち発振器９は周波数可変型である。本例では位置
情報に付随する追加情報として筆圧を挙げているが、本
発明はこれに限られるものではなく、例えばペン先７の
タッチダウン等スイッチ情報を伝送する様にしても良
い。
【００１１】次に、図１のタイミングチャートを参照し
て、図２に示した光デジタイザで行なわれる光学的位置
検出方法を詳細に説明する。本実施例ではＬＥＤから発
する投光の周期波形としてデューティ比５０％の矩形波
を用いており、その周期Ｐは筆圧に応じて随時変更され
る。投光強度はこの矩形波に従って周期的に変化する。
【００１２】一方ＴＶカメラ５側では内蔵されたイメー
ジセンサが上記投光を受光し、逐次光スタイラス１側の
ＬＥＤ２を撮像して対応する画像データを画素毎に蓄積
する。蓄積された画像データは所定のフレーム周期で読
み出される。本発明では、投光の周期波形の周期Ｐの１
／４以下の周期で少なくとも４回連続してイメージセン
サをアクセスし、画素毎に画像データを読み取って時系
列データを形成する。本実施例では丁度４回連続して画
像データを読み取り時系列データＳを得ている。
【００１３】次に、基準波形Ｉと時系列データＳとの間
で積算処理を行ない第１の積データＳ×Ｉを得る。図示
する様に、基準波形Ｉは強度変調に用いた周期波形と同
様の矩形波である。但しこの基準波形Ｉは＋１レベルと
−１レベルとの間で変動し直流成分を含まない。又、基
準波形Ｉと周期波形は互いに非同期であり、且つ基準波
形Ｉの周期Ｒは周期波形の周期Ｐと比較的近い値に設定
されている。タイミングチャートから理解される様に、
基準波形Ｉの１周期分には丁度４回連続して読み出され
た１単位分の時系列データＳが含まれる。本実施例では
周期Ｒで繰り返し時系列データＳのサンプリングを行な
う。最初のサンプリングタイミングをＴ＝０で表わし、
次のサンプリングタイミングをＴ＝１で表わし、以下順
にＴ＝２，Ｔ＝３，…，で表わす。
【００１４】さらに、基準波形Ｉと９０°位相の異なる
直交波形Ｑを用いて、同様に時系列データＳの積算を行
ない、対応する積データＳ×Ｑを得ている。積データＳ
×Ｉは時系列データＳを直交分解した一方の成分を含
み、Ｓ×Ｑは他方の成分を含む。これらの積データＳ×
Ｉ，Ｓ×Ｑを夫々基準波形の１周期分Ｒに渡って加算す
る事により、各々外乱除去された第１の積和データ及び
第２の積和データが得られる。積データＳ×Ｉは基準信
号Ｉと周期信号の周波数差に従ってビートが現われてお
り、サンプリングタイミングＴ毎に振幅が徐々に変化す
る。又他方の積データＳ×Ｑにもビートが現われてお
り、Ｓ×Ｉと相補的な関係で振幅がサンプリングタイミ
ング間で徐々にシフトしている。
【００１５】次に図４のフローチャートを参照して、本
発明にかかる光学的位置検出方法で採用される演算処理
の具体例を詳細に説明する。演算処理ルーチンをスター
トした後、先ずステップＡ１でサンプリングタイミング
Ｔを０にセットする。このサンプリングタイミングＴは
基準波形Ｉの１周期分Ｒに相当し、且つ演算処理の１サ
イクル分に相当する。次にステップＡ２で演算処理ルー
チンが１サイクル終了する毎に、Ｔを１だけインクリメ
ントする。次いでステップＡ３で画像データを画素毎に
４回連続して読み込み、バッファＢＵＦに格納する。全
ての画素（Ｘ，Ｙ）について１回目に読み込まれた画像
データはＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，０〕で表わされる。同様に２
回目に読み込まれた画像データはＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，１〕
で表わされ、３回目に読み込まれた画像データはＢＵＦ
〔Ｘ，Ｙ，２〕で表わされ、４回目に読み込まれた画像
データはＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，３〕で表わされる。この様に
して、図１に示した時系列データＳが画素毎に得られ
る。
【００１６】次にステップＡ４で全ての画素（Ｘ，Ｙ）
について時系列データＳの積和演算を行なう。基準波形
Ｉを用いた積和演算により第１の積和データＩＶＡＬが
得られる。具体的にはＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，０〕−ＢＵＦ
〔Ｘ，Ｙ，１〕−ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，２〕＋ＢＵＦ〔Ｘ，
Ｙ，３〕の演算によりＩＶＡＬが得られる。換言する
と、基準波形Ｉの極性変化に従って時系列データＳの符
号を変化させ（積算）その合計をとる（和算）様にして
いる。ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，０〕とＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，３〕の
合計からＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，１〕とＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，２〕
の合計を引く事により外乱要因が相殺除去されるととも
に、時系列データＳを直交分解した一方の成分が得られ
る事になる。同様に、時系列データＳを直交波形Ｑで積
和演算処理する事により、第２の積和データＱＶＡＬが
得られ、ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，０〕＋ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，１〕
−ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，２〕−ＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，３〕で表わ
される。この第２積和データＱＶＡＬも外乱要因が除去
されており且つ時系列データＳを直交分解した他方の成
分が含まれる。
【００１７】次にＩＶＡＬの絶対値とＱＶＡＬの絶対値
を加算処理してＡＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ〕を求める。周期波
形、基準波形Ｉ、直交波形Ｑとして矩形波を用いた場合
には、第１積和データの絶対値と第２積和データの絶対
値を単純に足し合わせる事により、合成画像データの強
度（振幅値）が得られＡＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ〕で表わされる
事になる。なお、変調波形として正弦波を用いた場合に
は合成画像データの強度は第１積和データの二乗と第２
積和データの二乗を足し合わせその平方根をとる事によ
り算出される。
【００１８】さらに、ＰＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，Ｔ〕＝ＰＦＡ
ＮＣ（ＩＶＡＬ，ＱＶＡＬ）を演算する。ＰＦＡＮＣは
ＩＶＡＬ及びＱＶＡＬの関数であり、サンプリングタイ
ミングＴにおける周期波形の位相を表わしている。前述
した様に、基準波形Ｉと周期波形は非同期であり且つ周
期が異なっている。従って、基準波形Ｉに対して、周期
波形の位相は各サンプリングタイミング毎に徐々にシフ
トする事になる。このシフト量は基準波形Ｉの周期Ｒと
周期波形の周期Ｐとの差が開く程大きなものになる。換
言すると、異なるサンプリングタイミングで求めた周期
波形の位相ＰＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，Ｔ〕の時間的変化に基づ
いて、周期波形の周期Ｐを演算する事ができる。具体的
には、ΔＰＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ〕＝ＭＯＤ（（ＰＢＵＦ
〔Ｘ，Ｙ，Ｔ〕−ＰＢＵＦ〔Ｘ，Ｙ，Ｔ−Ｎ〕），２
π）／Ｎを演算すれば良い。ＭＯＤは剰余演算子であ
り、Ｎは予め設定した定数である。上記式から理解され
る様に、定数Ｎは異なるサンプリングタイミングＴとＴ
−Ｎの間隔を表わしている。ＭＯＤの（）の項の値は両
サンプリングタイミングで各々算出された位相ＰＢＵＦ
の時間的変化（シフト）を表わしている。但し２π未満
の正味のシフト量を抽出している。このシフト量をＮで
除する事により周期波形の周期Ｐが、ΔＰＢＵＦ〔Ｘ，
Ｙ〕で与えられる。
【００１９】最後にステップＡ５に進み上述した演算処
理で求められたデータに基づいて、光源の位置情報及び
付随情報を抽出する。前述した様にＡＢＵＦは外乱を除
去した合成画像データであり、ΔＰＢＵＦは光源から発
した投光に含まれる変調成分の周期である。全画素に渡
って合成画像データＡＢＵＦを演算処理する事により、
イメージセンサの撮像から光源位置を通常の画像処理に
従って割り出す。又、ΔＰＢＵＦに基づき投光の変調成
分が有する周期に応じた付加情報を抽出する。この様に
してステップＡ３からステップＡ５に渡る１サイクル分
の演算処理ルーチンが終了すると、再びステップＡ２に
戻って次のサンプリングタイミングに対応する演算処理
サイクルを実行する。
【００２０】図５は前述したフローチャートのステップ
Ａ４で用いられたＰＦＡＮＣを説明する為のダイヤグラ
ムである。前述した様に周期波形の位相を表わすＰＦＡ
ＮＣはＩＶＡＬとＱＶＡＬの関数である。具体的には、
図５のダイヤグラムに示す様に、ＰＦＡＮＣはＩＶＡＬ
／（｜ＩＶＡＬ｜＋｜ＱＶＡＬ｜）とリニアな関係にあ
る。即ち矩形波を用いた場合には周期波形の位相は比較
的単純な形式として、第１積和データの絶対値と第２積
和データの絶対値の合計に対する第１積和データの比に
対してリニアな関係にある。但し、ダイヤグラムから容
易に理解される様に、ＩＶＡＬ／（｜ＩＶＡＬ｜＋｜Ｑ
ＶＡＬ｜）の値のみでは、０〜π／２と３π／２〜２π
との間でＰＦＡＮＣの値を区別する事ができない。同様
に、π／２〜πと、π〜３π／２との間でも区別する事
ができない。この点に鑑み、ＰＦＡＮＣの値を決定する
にあたっては、ＱＶＡＬ／（｜ＩＶＡＬ｜＋｜ＱＶＡＬ
｜）の値も参照している。これにより、第１積和データ
及び第２積和データに基づいて周期波形の位相を一義的
に演算する事ができる。
【００２１】図６は、本発明にかかる光学的位置検出方
法が適用される他の例を表わしている。本例では、複数
の位置指示器１１と、ＴＶカメラ１２の組み合わせによ
り、土木測量を行なっている。複数の位置指示器１１は
各々光源を備えており、測定対象に選定された山の斜面
に適当な間隔でセットされている。一方ＴＶカメラ１２
は山の斜面から遠隔配置され、複数の位置指示器１１を
撮像し個々の位置を画像演算処理により求める。この
為、ＴＶカメラ１２には画像処理装置１３が接続されて
いる。個々の位置指示器１１の位置をＴＶカメラ１２で
経時的に観測する事により、地盤の挙動を監視できる。
位置指示器１１はＴＶカメラ１２から離間配置されてお
り、光源から放射される投光の受光強度は比較的微弱で
ある。この為、太陽光等の外乱要因を除去する事は必要
不可欠であり、前述した本発明にかかる外乱除去手法は
極めて有効である。特に、位置指示器１１とＴＶカメラ
１２は非同期の状態で外乱除去可能であり実用性に優れ
ている。
【００２２】図７は、図６に示した位置指示器１１の具
体的な構成例を示す模式図である。図示する様に位置指
示器１１の頂部には光源となるＬＥＤ１４が組み込まれ
ている。又位置指示器１１の内部には発振器１５が組み
込まれており、ＬＥＤ１４を駆動して所定の周期波形で
強度変調された投光を放射する。発振器１５は個々の位
置指示器１１毎に異なった発振周波数を有している。従
って各位置指示器１１から放射された投光は異なる周期
で強度変調されている。受信側は夫々異なる投光の強度
変調周期を前述した手法により検出する事により、位置
指示器１１を個々に識別でき、地盤の挙動監視等をより
精密に行なう事ができる。なお、位置指示器１１には根
部１６が設けられており、測定対象となる山の斜面等に
対して安定的に固定できる様にしている。
【００２３】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、光
源側とイメージセンサ側を互いに非同期の状態にしたま
まで、外乱要因を除去しつつ光源の位置を光学的に計測
する事が可能である。従って、本発明にかかる光学的位
置検出方法を例えば光デジタイザのスタイラスに適用し
た場合にはそのワイヤレス化が極めて容易になり操作性
が向上するという効果が得られる。又、土木計測等に応
用した場合には位置指示器とＴＶカメラを互いに非同期
の状態にしたままで外乱要因を除去できる為土木計測シ
ステム全体の構成が簡略化できるという効果がある。
又、光源から発射される投光の強度変調に用いられる周
期波形の周期を所望の付加情報に従って変更する事によ
り、位置情報の他に種々の情報も伝送できる。例えば、
この手法を手書き入力システムにおける光スタイラスに
適用して筆圧情報やペンダウン情報等を伝送する事が容
易になる。あるいは土木計測システムに適用した場合に
は個々の位置指示器の識別情報を転送する事が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光学的位置検出方法を示すタイ
ミングチャートである。
【図２】本発明にかかる光学的位置検出方法が適用され
る光デジタイザを示す模式図である。
【図３】光デジタイザに用いられる光スタイラスの一例
を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明にかかる光学的位置検出方法で実行され
る演算処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】図４に示した演算処理ルーチンで用いられる関
数ＰＦＡＮＣを説明するダイヤグラムである。
【図６】本発明にかかる光学的位置検出方法が適用され
る土木計測システムを示す模式図である。
【図７】図６に示した土木計測システムに用いられる位
置指示器の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 光スタイラス ２ ＬＥＤ ５ ＴＶカメラ ６ 画像処理装置 ９ 発振器 １０ 筆圧検出器 １１ 位置指示器 １２ ＴＶカメラ １３ 画像処理装置 １４ ＬＥＤ １５ 発振器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06F 3/03 - 3/037 G01B 11/00 - 11/30

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象となる光源をイメージセンサで撮像
    してその位置を計測する光学的位置検出方法であって、 該光源からある周期波形で強度変調された投光を放射す
    る投光操作と、 イメージセンサで該投光を受光し逐次該光源を撮像して
    対応する画像データを画素毎に蓄積する撮像処理と、 該周期波形の１／４以下の周期で少なくとも４回連続し
    てイメージセンサをアクセスし画素毎に画像データを読
    み取って時系列データを形成する読取処理と、 強度変調に用いた該周期波形と非同期であって且つ周期
    が近い基準波形を用いて該時系列データの積和演算を行
    ない外乱除去された第１の積和データを求める演算処理
    と、 該基準波形と９０°位相の異なる直交波形を用いて該時
    系列データの積和演算を行ない外乱除去された第２の積
    和データを求める演算処理と、 画素毎に求めた第１及び第２の積和データを用いて画像
    演算を行ない該光源の位置を抽出する演算処理とを含む
    事を特徴とする光学的位置検出方法。
  2. 【請求項２】 前記投光操作において所定の付加情報に
    従って該周期波形の周期を変更する一方、該第１及び第
    ２の積和データに基づいて該周期波形の位相を演算し、
    さらに異なるサンプリングタイミングで求めた該位相の
    時間的変化に基づいて該周期波形の変更された周期を演
    算し該付加情報を抽出する追加の演算処理を行なう事を
    特徴とする請求項１記載の光学的位置検出方法。
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