JP4867837B2 - モーショントラッカ装置 - Google Patents
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Description
そこで、撮影領域を拡大するようにカメラには広角レンズが使用されたものがある。しかし、広角レンズを使用したカメラをHMT装置に用いた場合、広角レンズは一般的に高歪であることに加え、撮影領域を拡大することによる分解能が低下しているので、広角レンズを使用したカメラで作成された画像ではLEDの位置を精度よく検出することができないことがあった。すなわち、画像中のLEDの位置を誤認識することがあるため、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を正確に特定することができなくなることがあった。
そこで、本発明は、飛行体等の基準対象物に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット等の測定対象物の移動範囲が大きくても、基準対象物に対する測定対象物の位置や角度を正確に特定することができるモーショントラッカ装置を提供することを目的とする。
また、第一カメラにより撮影される撮影領域と第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に少なくとも3個の同一の光学マーカーが存在していなかったり、第一カメラにより撮影される撮影領域や第二カメラにより撮影される撮影領域から特定の光学マーカーが外れかかったりすれば、駆動機構制御部は、第一カメラや第二カメラにより撮影される撮影領域を変更する駆動信号を出力するとともに、第一カメラと第二カメラとの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報を記憶させる。
その結果、移動された第一カメラは、光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する。また、移動された第二カメラは、第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する。これにより、光学マーカー位置情報算出部は、第一画像と第二画像とに基づいて三角測量の原理を用いて、カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する。そして、相対情報算出部は、光学マーカー位置情報とカメラ装置位置情報とを用いて、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を含む相対情報を算出する。
また、上記の発明において、前記固定軸は、前記基準対象物に対して回転可能に取り付けられているようにしてもよい。
また、上記の発明において、前記測定対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、前記基準対象物は、前記搭乗者が搭乗する移動体であるようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、前記カメラ装置には、低歪レンズが使用されているようにしてもよい。
本発明のMT装置によれば、基準対象物に対する測定対象物の移動範囲が大きくても、第一カメラにより撮影される撮影領域と、第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも3個の同一の光学マーカーが存在するように、第一カメラや第二カメラを移動させるので、低歪レンズを使用した第一カメラと第二カメラとをMT装置に用いても、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を常に特定することができる。さらに、第一カメラと第二カメラとに低歪レンズを使用しているので、分解能を低下させずに、第一画像と第二画像中の光学マーカーの位置を精度よく検出することができる。
搭乗体30は、パイロット3が搭乗する飛行体のコックピットであり、パイロット3が着席する座席30aを備える。
頭部装着型表示装置付ヘルメット10は、表示器(図示せず)と、表示器から出射される画像表示光を反射することにより、パイロット3の目に導くコンバイナ8と、LED群(光学マーカー群)7とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット10を装着したパイロット3は、表示器による表示映像とコンバイナ8の前方実在物とを視認することが可能となっている。
ここで、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図2に示すように、原点をLED7aの位置とし、前方方向をX’軸方向とし、前方方向に垂直方向をY’軸方向とし、X’軸方向及びY’軸方向に垂直方向をZ’軸方向とするように定義するように、後述するデータ記憶部44に設定されている。また、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)上での3個のLED7a、7b、7cの位置関係(初期データ)も、データ記憶部44に記憶されている。これにより、後述する三角測量の手法で、現時点における3個のLED7a、7b、7cの位置を算出し、初期データを参照することで、頭部装着型表示装置ヘルメット10の現在位置及び現在角度が、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)を用いて表現されるようになっている。
ここで、図3に示すように、カメラ装置2に対するLED7aの位置は、第一カメラ2aと第二カメラ2bとに撮影された第一画像と第二画像中に映し出されているLED7aの位置を抽出し、さらに第一カメラ2aからの方向角度(α)と第二カメラ2bからの方向角度(β)とを抽出し、第一カメラ2aと第二カメラ2bとの間の距離(d1)を用いることにより、三角測量の手法で算出することができる。他の光学マーカーであるLED7b、7cのカメラ装置2に対する位置についても、同様に算出される。
よって、上述したように三角測量の手法で算出することにより、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)におけるLED7a、7b、7cの位置座標は、(Xa’’、Ya’’、Za’’)、(Xb’’、Yb’’、Zb’’)、(Xc’’、Yc’’、Zc’’)として表現できる。カメラ装置2に対する3つのLED7a、7b、7cの位置座標(Xa’’、Ya’’、Za’’)、(Xb’’、Yb’’、Zb’’)、(Xc’’、Yc’’、Zc’’)が特定されれば、LED7a、7b、7cが位置決めされて取り付けられている頭部装着型表示装置付ヘルメット10の位置及び角度は、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に対するヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)及び角度(Θh’’、Φh’’、Ψh’’)を用いて表現できるようになる。なお、角度(Θh’’)は、ロール方向(X’’軸に対する回転)の角度であり、角度(Φh’’)は、エレベーション方向(Y’’軸に対する回転)の角度であり、角度(Ψh’’)は、アジマス方向(Z’’軸に対する回転)の角度である。また、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)は、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の原点であるLED7aの現在の位置座標(Xa’’、Ya’’、Za’’)で表現することとする。
第一カメラ2aには、使用されている低歪レンズや広角レンズ等により撮影できる撮影領域の大きさと形状とが定められる。例えば、第一カメラ2aの撮影領域の形状は、第一カメラ2aを頂点とする円錐となっている。また、第二カメラ2bにも、第一カメラ2aと同様に、使用されている低歪レンズや広角レンズ等により撮影できる撮影領域の大きさと形状とが定められる。そして、第二カメラ2bの撮影領域の形状も第二カメラ2bを頂点とする円錐となっている。
カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)におけるLED7aの位置座標(Xa’’、Ya’’、Za’’)を表現するためには、三角測量の原理を用いるので、第一カメラ2aにより撮影される撮影領域と、第二カメラ2bにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、LED7aが存在していなければならない。つまり、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に対するLED7aの位置座標(Xa’’、Ya’’、Za’’)を表現することができるのは、第一カメラ2aにより撮影される撮影領域と第二カメラ2bにより撮影される撮影領域とが重なった領域となるカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)の特定範囲Sとなる。
したがって、LED7aが特定範囲S内に存在しなければ、第一カメラ2aや第二カメラ2bに撮影されずに、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に対するLED7aの位置座標を表現することができなくなる。他の光学マーカーであるLED7b、7cのカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に対する位置座標を表現する場合についても、同様となる。
上述したように、本実施形態では第一カメラ2aと第二カメラ2bとが固定された固定軸2dは、搭乗体30の天井に対して移動可能となるように固定軸2cを介して取り付けられている。
具体的には、図5に示すように、固定軸2cは、相対座標系(XYZ座標系)のXY方向に移動可能となるように、搭乗体30の天井に取り付けられている。よって、固定軸2cがXY方向に移動することで、カメラ装置2が固定された固定軸2dも、相対座標系(XYZ座標系)のXY方向に移動する。これにより、カメラ装置2に固定されたカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)と、カメラ装置2の初期位置で定められる相対座標系(XYZ座標系)とは、位置ずれ(ΔX、ΔY)が生じることになる。つまり、特定範囲Sは、位置ずれ(ΔX、ΔY)だけ相対座標系(XYZ座標系)上を移動する。
さらに、図6に示すように、固定軸2dは、カメラ座標系(Xa’’、Ya’’、Za’’)の原点を中心としてエレベーション方向(Y軸に対する回転)と、アジマス方向(Z軸に対する回転)とに回転移動可能となるように、固定軸2cに取り付けられている。これにより、カメラ装置2に固定されたカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)と、カメラ装置2の初期位置で定められる相対座標系(XYZ座標系)とは、位置ずれ(ΔΦ、ΔΨ)が生じることになる。つまり、特定範囲Sは、位置ずれ(ΔΦ、ΔΨ)だけ相対座標系(XYZ座標系)上を移動する。
また、メモリ41には、制御部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、相対座標系(XYZ座標系)とカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)とを記憶する座標記憶部43と、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)を記憶するデータ記憶部44と、カメラ装置位置情報を順次記憶するカメラ装置位置情報記憶部45と、光学マーカー位置情報を順次記憶する光学マーカー位置情報記憶部46とを有する。
なお、データ記憶部44は、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)を記憶し、さらに、X’Y’Z’座標系上での3個のLED7a、7b、7cの位置関係(初期データ)も記憶している。
光学マーカー位置情報算出部27は、第一画像と第二画像とに基づいて、カメラ装置2(カメラ座標系)に対するLED7a、7b、7cの現在位置である光学マーカー位置情報を算出して、光学マーカー位置情報を光学マーカー位置情報部46に順次記憶させる制御を行うものである。
具体的には、LED7aのカメラ装置2に対する位置は、第一カメラ2aと第二カメラ2bとに撮影された第一画像と第二画像中に映し出されているLED7aの位置を抽出し、さらに第一カメラ2aからの方向角度(α)と第二カメラ2bからの方向角度(β)とを抽出し、第一カメラ2aと第二カメラ2bとの間の距離(d1)を用いることにより、三角測量の手法で算出する。このとき、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)におけるLED7aの位置座標(Xa’’、Ya’’、Za’’)として表現する。また、LED7b、7cのカメラ装置2に対する位置についても、同様に算出する。
例えば、光学マーカー位置情報を用いて3個のLED7a、7b、7cで形成される三角形の重心の位置を算出して、三角形の重心の位置が特定範囲Sの中央の領域に存在しなければ、特定範囲Sから3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れかかったと判定する。外れかかったと判定したときには、3個のLED7a、7b、7cで形成される三角形の重心の位置が特定範囲Sの中央に存在するように、固定軸2cを相対座標系(XYZ座標系)のXY方向に移動させたり、固定軸2dをカメラ座標系(Xa’’、Ya’’、Za’’)の原点を中心としてエレベーション方向やアジマス方向に回転移動させたりする駆動信号を出力する。このとき、駆動信号を出力すれば、第一カメラ2aと第二カメラ2bとの初期位置及び初期角度からの移動距離量(ΔX、ΔY)及び移動角度量(ΔΦ、ΔΨ)を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部45に記憶させる。
一方、三角形の重心の位置が特定範囲Sの中央の領域に存在していれば、特定範囲Sから3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れかかっていないと判定して、駆動信号を出力しない。
まず、カメラ装置2(カメラ座標系)に対するLED7a、7b、7cの現在位置である光学マーカー位置情報と、データ記憶部44に記憶されている初期データとを比較することにより、LED群7が固定された頭部装着型表示装置付ヘルメット10のカメラ装置2(カメラ座標系)に対する位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)及び角度(Θh’’、Φh’’、Ψh’’)を算出する。なお、位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)及び角度(Θh’’、Φh’’、Ψh’’)は、カメラ装置2の移動に伴い、搭乗体30中を移動するカメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に対して表現されている。
よって、次に、第一カメラ2aと第二カメラ2bとのの初期位置及び初期角度からの移動距離量(ΔX、ΔY)及び移動角度量(ΔΦ、ΔΨ)を含むカメラ装置位置情報を用いて、カメラ装置2(カメラ座標系)に対する位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)及び角度(Θh’’、Φh’’、Ψh’’)から、カメラ装置2の移動とは連動せずに、搭乗体30中に固定された搭乗体30(相対座標系)に対する位置(Xh、Yh、Zh)及び角度(Θh、Φh、Ψh)に変換する。具体的には、カメラ装置2(カメラ座標系)に対して算出されたパイロット3の頭部位置(Xh’’、Yh’’、Zh’’)及び頭部角度(Θh’’、Φh’’、Ψh’’)に、カメラ装置2による移動距離量(−ΔX、−ΔY)を並進させる演算と、移動角度量(−ΔΦ、−ΔΨ)を回転させる演算とを行うこと(座標変換行列による座標変換処理)により、カメラ座標系(X’’Y’’Z’’座標系)に代えて、相対座標系(XYZ座標系)に対するパイロット3の頭部位置(Xh、Yh、Zh)及び頭部角度(Θh、Φh、Ψh)を含む相対情報を算出する。
まず、ステップS101の処理において、カメラ装置撮影部28が、LED群7に点灯させる指令信号を出力することにより、LED群7が点灯する。
次に、ステップS102の処理において、カメラ装置撮影部28は、第一カメラ2aでLED群7を撮影し、第一画像を取得するとともに、第二カメラ2bでLED群7を撮影し、第二画像を取得する。なお、第一画像と第二画像とは同時に取得する。
次に、ステップS104の処理において、相対情報算出部22は、光学マーカー位置情報とカメラ装置位置情報とに基づいて、搭乗体30(相対座標系)に対するパイロット3の頭部位置(Xh、Yh、Zh)及び頭部角度(Θh、Φh、Ψh)を含む相対情報を算出する。
第一カメラ2aと第二カメラ2bとを移動させると判定したときには、ステップS106の処理に進み、駆動機構制御24は、特定範囲Sに3個のLED7a、7b、7cの全てが存在するように駆動機構4に駆動信号を出力する。
次に、ステップS107の処理において、駆動機構制御24は、相対座標系(XYZ座標系)に対する第一カメラ2aと第二カメラ2bとの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部45に記憶させ、ステップS102の処理に戻る。
一方、ステップS105の処理において、第一カメラ2aと第二カメラ2bとを移動させないと判定したときには、ステップS108の処理において、搭乗体30が飛行しているか否かを判定する。搭乗体30が飛行していると判定したときには、ステップS102の処理に戻る。
一方、搭乗体30が飛行していると判定したときには、本フローチャートを終了させる。
(1)上述したHMT装置1では、第一カメラ2aと第二カメラ2bとは固定軸2dで一体的に固定されている構成としたが、第一カメラ2aと第二カメラ2bとは一体的に固定されておらず、別々に独立して移動可能となるような構成としてもよい。
(2)上述したHMT装置1では、第一カメラ2aにより撮影される撮影領域と第二カメラ2bにより撮影される撮影領域とが重なった領域(特定範囲S)から3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、特定範囲Sから3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れたと判定したときに駆動信号を出力するような構成としてもよい。
(3)上述したHMT装置1では、LED群7は3個のLED7a、7b、7cであり、特定範囲Sから3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、LED群7は4個以上のLEDであり、特定範囲Sから特定のLEDのうちいずれか1個のLEDが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力するような構成としてもよい。
(4)上述したHMT装置1では、特定範囲Sから3個のLED7a、7b、7cのうちいずれか1個のLEDが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、3個のLED7a、7b、7cで形成される三角形の重心の位置が特定範囲Sの中央に存在するように駆動信号を、光学マーカー位置情報を算出する毎に出力する構成としてもよい。
(5)上述したHMT装置1では、固定軸2cをXY方向に移動させたり、固定軸2dをカメラ座標系(Xa’’、Ya’’、Za’’)の原点を中心としてエレベーション方向と、アジマス方向とに回転移動させたりする構成としたが、さらに、第固定軸2cをZ方向に移動させたり、固定軸2dをカメラ座標系(Xa’’、Ya’’、Za’’)の原点を中心としてロール方向に回転移動させたりするような構成としてもよい。
2 カメラ装置
2a 第一カメラ
2b 第二カメラ
3 パイロット(搭乗者)
4 駆動機構
7 LED(光学マーカー)
10 頭部装着型表示装置付ヘルメット(測定対象物)
22 相対情報算出部
24 駆動機構制御部
27 光学マーカー位置情報算出部
30 搭乗体(基準対象物)
45 カメラ装置位置情報記憶部
Claims (3)
- 測定対象物に取り付けられた3個以上の光学マーカーと、
前記光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する第一カメラと、前記第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する第二カメラとを有し、かつ、前記第一カメラと前記第二カメラとが固定軸で一体的に固定され、当該固定軸が基準対象物に対して少なくとも水平方向に移動可能となるように取り付けられたカメラ装置と、
前記第一画像及び第二画像に基づいて、前記カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する光学マーカー位置情報算出部と、
前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記基準対象物に対する測定対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出する相対情報算出部とを備えるモーショントラッカ装置であって、
前記第一カメラ及び第二カメラにより撮影される撮影領域の位置を変更する駆動信号に基づいて、前記第一カメラ及び第二カメラが固定された固定軸を移動させる駆動機構と、
前記駆動機構に駆動信号を出力するともに、前記第一カメラ及び第二カメラの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部に記憶させる駆動機構制御部とを備え、
前記駆動機構制御部は、前記第一カメラにより撮影される撮影領域と、前記第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも3個の同一の光学マーカーが存在するように駆動信号を出力して、
前記相対情報算出部は、前記駆動機構制御部から駆動信号が出力された後には、前記光学マーカー位置情報及びカメラ装置位置情報に基づいて相対情報を算出することを特徴とするモーショントラッカ装置。 - 前記固定軸は、前記基準対象物に対して回転可能となるように取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載のモーショントラッカ装置。
- 前記測定対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、
前記基準対象物は、前記搭乗者が搭乗する移動体であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のモーショントラッカ装置。
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