JP5019478B2 - Marker automatic registration method and system - Google Patents
Marker automatic registration method and system Download PDFInfo
- Publication number
- JP5019478B2 JP5019478B2 JP2008247348A JP2008247348A JP5019478B2 JP 5019478 B2 JP5019478 B2 JP 5019478B2 JP 2008247348 A JP2008247348 A JP 2008247348A JP 2008247348 A JP2008247348 A JP 2008247348A JP 5019478 B2 JP5019478 B2 JP 5019478B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- marker
- video camera
- coordinate system
- algorithm
- camera
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
本発明は、拡張現実感の運用等に用いるのに好適なマーカの自動登録方法及びシステムに関する。 The present invention relates to a marker automatic registration method and system suitable for use in augmented reality operations and the like.
拡張現実感(Augmented Reality)が原子力発電プラント内で使用することができるようになれば、プラントで働く作業者に対して様々な支援を行なうことが可能となる。 If Augmented Reality can be used in a nuclear power plant, it will be possible to provide various support for workers working in the plant.
拡張現実感を使用するためには、作業者の位置と方向をリアルタイム計測するトラッキング技術が必要であるが、GPS(Global Positioning System)・磁気センサ・超音波センサ・慣性センサ等の既存のトラッキング技術は、単独では、原子力発電プラント内部で使用することができない。 In order to use augmented reality, tracking technology that measures the position and direction of the worker in real time is required, but existing tracking technologies such as GPS (Global Positioning System), magnetic sensor, ultrasonic sensor, inertial sensor, etc. Alone cannot be used inside a nuclear power plant.
そこで、発明者らは、原子力発電プラント内部でも使用可能なトラッキング手法として、カメラと遠近両用マーカを用いたトラッキング手法を開発してきた。 Thus, the inventors have developed a tracking method using a camera and a far / near marker as a tracking method that can be used even inside a nuclear power plant.
カメラと遠近両用マーカを用いたトラッキング手法は、作業環境内に複数のマーカを貼り付け、それらをカメラで撮影し、画像処理と幾何計算によりカメラとマーカの間の相対的な位置関係を求める手法である。 The tracking method using both camera and perspective markers is a method of pasting multiple markers in the work environment, shooting them with the camera, and obtaining the relative positional relationship between the camera and the marker by image processing and geometric calculation. It is.
この手法は、屋内でも使用可能、金属や騒音の影響を受けない、時間経過による精度低下や安定性低下がない等の利点があるが、事前に複数のマーカを作業環境内に貼り付け、その3次元位置と方向を計測して記憶しておくことが必要である。 This method has the advantage that it can be used indoors, is not affected by metal and noise, and does not degrade accuracy or stability over time. It is necessary to measure and store the three-dimensional position and direction.
前述したカメラと遠近両用マーカを用いたトラッキング手法において、貼り付けたマーカの3次元位置と方向を予め計測して記憶させる作業は、手作業で行なってきたが、作業環境が原子力発電プラントであるような場合には、マーカの貼り付け方が複雑になり、非常に手間がかかると共に計測ミスも発生する問題があった。 In the tracking method using the above-described camera and perspective marker, the work of measuring and storing the three-dimensional position and direction of the attached marker in advance has been performed manually, but the working environment is a nuclear power plant. In such a case, there is a problem that the method of attaching the marker becomes complicated, which is very time-consuming and causes measurement errors.
従って、本発明の1つの目的は、遠近両用マーカの3次元位置と方向の計測と計測結果の記憶を自動化することにより手間を省くと共に計測ミスの発生を低減しようとすることにある。 Accordingly, one object of the present invention is to save labor and reduce the occurrence of measurement errors by automating the measurement of the three-dimensional position and direction of the bifocal marker and the storage of the measurement results.
本発明の他の目的は、更に、前記マーカの位置と方向を世界座標系の形態で記憶することにある。 Another object of the present invention is to store the position and direction of the marker in the form of a world coordinate system.
本発明のマーカ自動登録方法及びシステムは、小型コンピュータで制御可能なビデオカメラ、レーザ距離計測器、電動雲台等を使用して作業環境に貼り付けられている遠近両用マーカの3次元位置と方向を自動的に計測し、計測結果を登録(記憶)する構成であり、
具体的には、
環境の基準となる位置及び適宜な位置にマーカを貼り付け、ビデオカメラで撮影可能かつレーザ距離計測器で距離を計測可能な範囲にある総てのマーカの世界座標系で表された3次元位置と方向を全自動で計測して記憶する方法において、
前記マーカとして、四角形の台紙の中心に配置した1つの大円と、台紙の4隅に配置した4つの小円を備え、前記大円は、10個の同型の扇形を円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカのID番号を表現するように構成したものを使用し、
ビデオカメラの焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する第1のステップと、
焦点距離を設定可能な最も短い値に設定した前記ビデオカメラの稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラの撮影方向を回転させ、各撮影方向において、ビデオカメラを用いて撮影してマーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、環境に貼り付けられたマーカとの距離と存在する方向を認識して記憶する第2のステップと、
ビデオカメラの焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定して前記第2のステップを繰り返す第3のステップと、
第1のステップから第3のステップにより認識して記憶した個々のマーカに対してレーザ距離計測器を用いてマーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総てのマーカの3次元位置と方向を計測して記憶する第4のステップと、
第4のステップで記憶した総てのマーカの3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系で表された3次元位置と方向を求めて記憶する第5のステップを行うことを特徴とするマーカ自動登録方法。
The marker automatic registration method and system according to the present invention includes a three-dimensional position and direction of a bifocal marker affixed to a work environment using a video camera, a laser distance measuring instrument, an electric pan head, etc. that can be controlled by a small computer. Is a configuration that automatically measures and registers (stores) the measurement results,
In particular,
Paste the marker serving as a reference position 置及 beauty appropriate position of the environment, represented in the world coordinate system of all of the markers in the distance shooting and laser distance measuring device with a video camera to the extent
The marker includes one large circle arranged at the center of a square mount and four small circles arranged at the four corners of the mount. By using a configuration in which the ID number of each marker is expressed by setting the white sector to 0 and the black sector to 1.
A first step of setting the focal length of the video camera to the shortest possible value;
The shooting direction of the video camera is rotated at equal intervals so that all areas of the operating range of the video camera set to the shortest settable focal length are shot at least once. A second step of recognizing and storing the distance to the marker pasted in the environment and the existing direction by executing an algorithm that captures the distance between the marker and the existing direction by photographing with a camera When,
A third step of repeating the second step by setting the focal length of the video camera to a value twice and three times the shortest value;
By executing the algorithm for measuring the position of a point on the marker using a laser distance measuring instrument for each marker stored recognized by the third step from the first step, all recognized A fourth step of measuring and storing the three-dimensional position and direction of the marker;
Applying an algorithm that converts the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional position and direction of all markers stored in the fourth step, the three-dimensional position and direction expressed in the world coordinate system The marker automatic registration method characterized by performing the 5th step which calculates | requires and memorize | stores.
また、環境の基準となる位置及び適宜な位置に貼り付けられたマーカのうち、ビデオカメラで撮影可能かつレーザ距離計測器で距離を計測可能な範囲にある総てのマーカの世界座標系で表された3次元位置と方向を全自動で計測して記憶するシステムにおいて、
電動雲台によって向きを変えることができるようにしたビデオカメラと、電動雲台によって向きを変えることができるようにしたレーザ距離計測器と、前記ビデオカメラとレーザ距離計測器電動雲台と接続されてこれらを制御する小型コンピュータとを備え、
前記マーカは、四角形の台紙の中心に配置した1つの大円と、台紙の4隅に配置した4つの小円を備え、前記大円は、10個の同型の扇形を円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカのID番号を表現するように構成し、
前記小型コンピュータは、
前記ビデオカメラの焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する第1のステップと、
焦点距離を設定可能な最も短い値に設定した前記ビデオカメラの稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラの撮影方向を回転させ、各撮影方向において、前記ビデオカメラを用いて撮影してマーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、環境に貼り付けられたマーカとの距離と存在する方向を認識して記憶する第2のステップと、
前記ビデオカメラの焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定して前記第2のステップを繰り返す第3のステップと、
第1ステップから第3のステップにより認識して記憶した個々のマーカに対して前記レーザ距離計測器を用いてマーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総てのマーカの3次元位置と方向を計測して記憶する第4のステップと、
第4のステップで記憶した総てのマーカの3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系で表された3次元位置と方向を求めて記憶する第5のステップを行うプログラムを備えたことを特徴とする。
In addition, among the markers that are pasted at appropriate positions and positions that serve as the reference for the environment, all markers that can be photographed with a video camera and that can be measured with a laser distance meter are represented in the world coordinate system. In a system that automatically measures and stores the three-dimensional position and direction,
Connected to a video camera that can be turned by an electric head, a laser distance measuring device that can be turned by an electric head, and the video camera and the laser distance measuring device. And a small computer that controls them,
The marker includes one large circle arranged at the center of a square mount and four small circles arranged at the four corners of the mount. The white fan shape is set to 0 and the black fan shape is set to 1, so that the ID number of each marker is expressed.
The small computer is
A first step of setting the focal length of the video camera to the shortest possible value;
The shooting direction of the video camera is rotated at equal intervals so that the entire range of the operating range of the video camera set to the shortest settable focal length is shot at least once. A second method for recognizing and storing the distance to the marker pasted in the environment and the existing direction by executing an algorithm for obtaining the distance between the marker and the existing direction by photographing using a video camera Steps,
A third step of repeating the second step by setting the focal length of the video camera to a value twice and three times the shortest value;
By executing the algorithm for measuring the position of a point on the marker using the laser distance measuring device for each marker recognized and stored by the third step from the first step, all recognized A fourth step of measuring and storing the three-dimensional position and direction of the marker;
Applying an algorithm that converts the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional position and direction of all markers stored in the fourth step, the three-dimensional position and direction expressed in the world coordinate system A program for performing the fifth step for obtaining and storing the above is provided.
本発明によれば、遠近両用マーカの3次元位置と方向の計測と計測結果を世界座標系の形態で記憶する処理を自動化することにより手間を省くと共に計測ミスの発生を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to save labor and reduce the occurrence of measurement errors by automating the measurement of the three-dimensional position and direction of the near / far marker and the process of storing the measurement results in the form of a world coordinate system.
本発明は、環境の基準となる位置(世界座標系の原点や座標軸上の点)及び適宜な位置に貼り付けられたマーカのうち、ビデオカメラで撮影可能かつレーザ距離計測器で距離を計測可能な範囲にある総てのマーカの世界座標系で表された3次元位置と方向を全自動で計測して記憶するシステムにおいて、
電動雲台によって向きを変えることができるようにしたビデオカメラと、電動雲台によって向きを変えることができるようにしたレーザ距離計測器と、前記ビデオカメラとレーザ距離計測器電動雲台と接続されてこれらを制御する小型コンピュータとを備え、
前記小型コンピュータは、
前記ビデオカメラの焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する第1のステップと、
前記ビデオカメラの稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラの撮影方向を回転させ、各撮影方向において、前記ビデオカメラを用いてマーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、環境に貼り付けられたマーカとの距離と存在する方向を認識して記憶する第2のステップと、
前記ビデオカメラの焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定して前記第2のステップを繰り返す第3のステップと、
第3のステップまでに認識して記憶した個々のマーカに対して前記レーザ距離計測器を用いてマーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総てのマーカの3次元位置と方向を計測して記憶する第4のステップと、
第4のステップで記憶した総てのマーカの3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系で表された3次元位置と方向を求めて記憶する第5のステップを行うプログラムを備え、
前記マーカは、四角形の台紙の中心に配置した1つの大円と、台紙の4隅に配置した4つの小円を備え、前記大円は、10個の同型の扇形を円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカのID番号を表現するように構成したものとする。
The present invention is capable of photographing with a video camera and measuring a distance with a laser distance measuring instrument among the reference position of the environment (the origin of the world coordinate system or a point on the coordinate axis) and the marker attached at an appropriate position. In a system that automatically measures and stores the three-dimensional positions and directions of all markers in the global range expressed in the world coordinate system,
Connected to a video camera that can be turned by an electric head, a laser distance measuring device that can be turned by an electric head, and the video camera and the laser distance measuring device. And a small computer that controls them,
The small computer is
A first step of setting the focal length of the video camera to the shortest possible value;
The shooting direction of the video camera is rotated at equal intervals so that all areas of the operating range of the video camera are shot at least once, and in each shooting direction, the distance from the marker A second step of recognizing and storing the distance to the marker pasted in the environment and the existing direction by executing an algorithm for determining the existing direction;
A third step of repeating the second step by setting the focal length of the video camera to a value twice and three times the shortest value;
By executing an algorithm for measuring the position of one point on the marker using the laser distance measuring device for each marker recognized and stored up to the third step, 3 of all the recognized markers A fourth step of measuring and storing the dimension position and direction;
Applying an algorithm that converts the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional position and direction of all markers stored in the fourth step, the three-dimensional position and direction expressed in the world coordinate system A program for performing a fifth step of determining and storing
The marker includes one large circle arranged at the center of a square mount and four small circles arranged at the four corners of the mount, and the great circle has ten identical fan shapes arranged in an annular shape, It is assumed that the white fan shape is 0 and the black fan shape is 1, so that the ID number of each marker is expressed.
図1は、この実施例1において使用する遠近両用マーカの平面図である。この遠近両用マーカ1は、四角形の白色の台紙11の中心に配置した1つの大円12と、台紙11の4隅に配置した4つの小円130〜133によって構成し、大円12と小円130〜133の中心を特徴点(画像処理により認識可能であり、トラッキングの基準となる点)とする。
FIG. 1 is a plan view of a perspective marker used in the first embodiment. The
大円12の中には、10個の同型の扇形12a〜12jを円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカ1のID番号を表現するようにする。
In the
そして、この遠近両用マーカ1は、以下のようにしてトラッキングに使用する。
The near / far
1)作業環境内に複数の遠近両用マーカ1を予め貼り付けて各遠近両用マーカのID番号と作業環境内での3次元位置を計測して記憶しておく。
1) A plurality of
2)遠近両用マーカ1が貼り付けられた作業環境を作業者が装着したカメラで撮影する。
2) Photograph the work environment with the far /
3)撮影して得られたカメラ画像データを処理して各遠近両用マーカ1のID番号と特徴点のカメラ撮影画像上での位置を認識する。
3) The camera image data obtained by shooting is processed to recognize the ID number of each
4)カメラ撮影画像上での特徴点の位置と、作業環境内での各遠近両用マーカ1の3次元位置情報を用いて、PnP問題(Perspective N-Point Problem)(非特許文献1参照)を解いてカメラと遠近両用マーカ1とカメラの間の相対的な位置と方向を求める。
4) A PnP problem (Perspective N-Point Problem) (see Non-Patent Document 1) is obtained by using the position of the feature point on the camera-captured image and the three-dimensional position information of each
このようにして行なうトラッキングにおいて、カメラと遠近両用マーカ1の間の相対的な位置と方向を一意に求めるためには、最低4個の特徴点が同時に認識されることが必要である。遠近両用マーカでは、カメラとマーカの間の距離が長いときには複数のマーカの大円の中心の特徴点を利用し、距離が短いときには、1つの遠近両用マーカの4つの小円の中心の特徴点を利用する。
In tracking performed in this way, in order to uniquely obtain the relative position and direction between the camera and the far / far
したがって、この手法では、作業環境内に貼り付けた遠近両用マーカの総ての特徴点の3次元位置(もしくは、マーカ上の1点の3次元位置とマーカの方向)を事前に計測して記憶しておくことが必要である。 Therefore, in this method, the three-dimensional positions of all the feature points of the dual-purpose markers pasted in the work environment (or the three-dimensional position of one point on the marker and the direction of the marker) are measured and stored in advance. It is necessary to keep it.
図2は、このような作業環境に貼り付けられた遠近両用マーカを自動的に計測して計測結果を登録するマーカ自動登録システムのハードウエア構成を示す斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view showing a hardware configuration of an automatic marker registration system that automatically measures a distance-use marker pasted in such a work environment and registers a measurement result.
2は小型コンピュータで制御可能な電動雲台を内蔵するビデオカメラ、3はレーザ距離計測器、4はレーザ距離計測器3を載置する電動雲台、5は前記ビデオカメラ2とレーザ距離計測器3と電動雲台4と通信ケーブル6を介して接続されてこれらを制御する小型コンピュータ(携帯用パーソナルコンピュータ)、7は前記ビデオカメラ2と電動雲台4を取り付けて作業環境内に貼り付けられた遠近両用マーカを見渡せる位置に設置する三脚である。
2 is a video camera with a built-in electric pan head that can be controlled by a small computer, 3 is a laser distance measuring device, 4 is an electric pan head on which the laser
ビデオカメラ2は、小型コンピュータ5からの制御信号により、方向,ズーム値,シャッタースピード等が制御される。そして、ビデオカメラ2の撮影画像データは、ビデオキャプチャデバイス(図示省略)を用いて小型コンピュータ5に入力する。
In the
レーザ距離計測器3は、小型コンピュータ5からの制御信号により、電動雲台4が制御されることによりレーザ光照射方向を目標である遠近両用マーカ1に向け、この目標の遠近両用マーカ1に向けてレーザ光を照射し、その反射光と照射光の位相差をもとにレーザ距離計測器3と目標の遠近両用マーカ1との間の距離を計測し、計測結果を小型コンピュータ5に伝送する。
The laser
具体的には、例えば、次のような各機器を使用することにより実現することができる。 Specifically, for example, it can be realized by using the following devices.
ビデオカメラ2
メーカ・型:SonyEVI−D30
映像出力 :NTSC
焦点距離 :5.4mm〜64.8mm
回転範囲 :水平±100度、垂直±25度
制御端子 :RS−232C
レーザ距離計測器3
メーカ・型:Leica Geosystems DISTO Pro 4a
測定範囲 :0.3m〜40m
測定精度 :標準±1.5mm 最大±2mm
制御端子 :RS−232C
電動雲台4
メーカ・型:Directed Perception PTU−D46−70
分解能 :0.012857度
最高速度 :60度/秒
回転範囲 :水平±159度、垂直−31度+48度
制御端子 :RS−232C
ビデオキャプチャ
メーカ・型:IO・DATA機器 USB−CAP2
画像入力 :NTSC
解像度 :最大352×288
画像出力 :USB1.1・RGB24bit
取得速度 :30fps
小型コンピュータ5
メーカ・型:ASUS M5N
CPU :Pentium M1.4GHz (Pentiumは登録商標)
メモリ :DDR333 768MB
OS :Microsoft Windows XP Home Edition (Microsoft Windowsは登録商標)
このようにして構成したマーカ自動登録システムは、作業環境に貼り付けられている遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を自動的に計測し、計測結果を記憶する構成である。
Manufacturer / model: Sony EVI-D30
Video output: NTSC
Focal length: 5.4 mm to 64.8 mm
Rotation range: Horizontal ± 100 degrees, vertical ± 25 degrees Control terminal: RS-232C
Laser
Manufacturer & Model: Leica Geosystems DISTO Pro 4a
Measurement range: 0.3m to 40m
Measurement accuracy: Standard ± 1.5mm, Maximum ± 2mm
Control terminal: RS-232C
Electric pan head 4
Manufacturer & Model: Directed Perception PTU-D46-70
Resolution: 0.012857 degrees Maximum speed: 60 degrees / second Rotation range: Horizontal ± 159 degrees, Vertical -31 degrees +48 degrees Control terminal: RS-232C
Video Capture Manufacturer / Model: IO / DATA device USB-CAP2
Image input: NTSC
Resolution: Maximum 352 x 288
Image output: USB1.1, RGB24bit
Acquisition speed: 30 fps
Manufacturer & Model: ASUS M5N
CPU: Pentium M1.4GHz (Pentium is a registered trademark)
Memory: DDR333 768MB
OS: Microsoft Windows XP Home Edition (Microsoft Windows is a registered trademark)
The marker automatic registration system configured as described above is configured to automatically measure the three-dimensional position and direction of the far and
このマーカ自動登録システムを用いて遠近両用マーカを計測して記憶(登録)するための具体的な方法は、次のようになる。 A specific method for measuring and storing (registering) the near-far marker using this marker automatic registration system is as follows.
ステップS1
作業環境の基準となる位置(世界座標系の原点や座標軸上の点)及び適宜な位置に遠近両用マーカ1を貼り付ける。
Step S1
The near-
ステップS2
作業環境に貼り付けた遠近両用マーカ1を見渡せる位置にマーカ自動登録システムを設置する。
Step S2
An automatic marker registration system is installed at a position where the two-
ステップS3
マーカ自動登録システムを用いて作業環境に貼り付けられた総ての遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を計測する。
Step S3
Using the automatic marker registration system, the three-dimensional positions and directions of all the
ステップS4
計測結果をファイルに保存し、拡張現実感を使用するシステムに転送する。
Step S4
Save the measurement results to a file and transfer it to a system that uses augmented reality.
前記ステップS3における遠近両用マーカ1の計測は、次のようにして自動的に実行する。
The measurement of the near /
ステップS31
ビデオカメラ2を稼動範囲全体で等間隔に回転させながら撮影し、ビデオカメラ2に写った遠近両用マーカ1のID番号,大きさ,方向から、どの遠近両用マーカ1がどの位置に貼り付けられているかを画像処理により求める。ここで得られる位置情報には、比較的大きな誤差が含まれる。
Step S31
The
ステップS32
前記ステップS31において求めた総ての遠近両用マーカ1に対して、より正確な3次元位置と方向を、次のようにして計測する。
Step S32
More accurate three-dimensional positions and directions are measured in the following manner for all the near-
ステップS321
前記ステップS31において得られた遠近両用マーカ1の位置情報をもとに、ビデオカメラ2の撮影画像の中心に目標の遠近両用マーカ1の映像が写るようにビデオカメラ2の方向とズームを調整制御する。
Step S321
Based on the position information of the near /
ステップS322
前記ステップS31において得られた遠近両用マーカ1の位置情報をもとに、レーザ距離計測器3のレーザ照射方向を目標の遠近両用マーカ1の方向に向けるように電動雲台4を制御する。
Step S322
Based on the position information of the far /
ステップS323
レーザ照射前のビデオカメラ2の撮影画像と、レーザ照射後のビデオカメラ2の撮影画像を比較することによりレーザ照射位置(レーザ照射スポットの位置)を認識する。
Step S323
The laser irradiation position (the position of the laser irradiation spot) is recognized by comparing the captured image of the
ステップS324
レーザ照射位置が目標の遠近両用マーカ1の中心(大円12の中心と同じ)になるように電動雲台4を制御してレーザ距離計測器3の向きを微調整する。
Step S324
The direction of the laser
ステップS325
目標の遠近両用マーカ1とレーザ距離計測器3の間の距離を計測する。
Step S325
The distance between the target
ステップS326
前記ステップS324で調整したレーザ距離計測器3の向きとステップS325で計測した距離に基づいて、目標の遠近両用マーカ1の3次元位置を求める。
Step S326
Based on the orientation of the laser
ステップS327
前述したステップS322〜ステップS326と同様な方法により、目標の遠近両用マーカ1の4隅の小円近傍の3次元位置を求める。
Step S327
The three-dimensional positions near the small circles at the four corners of the target
ステップS33
作業環境の基準となる位置に貼り付けた遠近両用マーカ1の3次元位置の情報を用いて、世界座標系を基準とした各遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を計算により求める。
Step S33
Using the information of the three-dimensional position of the
以上のように、このマーカ自動登録システムは、遠近両用マーカ1を貼り付けた作業環境に設置された後は、全自動で各遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を計測するために、計測中に作業員がシステムを操作する必要がなく、多数の遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を計測するのに要する労力を大幅に低減することができる。
As described above, this marker automatic registration system is used to measure the three-dimensional position and direction of each
また、各遠近両用マーカ1の計測結果は、最終的には、世界座標系を基準とした値に変換されるために、マーカ自動登録システムを作業環境の何処に置いて使用しても、計測誤差を除いて、常に同じ結果を得ることができる。
In addition, since the measurement result of each
一方、前記方法では、このマーカ自動登録システムから見えない位置に貼り付けられている遠近両用マーカ1は計測することができないため、入り組んだ環境に貼り付けられた遠近両用マーカ1の総てを一度に計測することはできない。このような場合には、最低4個の遠近両用マーカ1を重複して計測することができることを条件にして、マーカ自動登録システムの設置位置を複数回移動させて遠近両用マーカ1を計測し、重複して計測した遠近両用マーカの位置情報を用いて、それらの計測結果を統合することが可能である。
On the other hand, in the above-described method, since the near-
ここで、前述した遠近両用マーカの自動計測を実現するアルゴリズムを説明する。このアルゴリズムは、小型コンピュータ5に組み込んだ制御及び情報処理プログラムを実行することにより実現する。
Here, an algorithm for realizing the above-described automatic measurement of the bifocal marker will be described. This algorithm is realized by executing a control and information processing program incorporated in the
図3は、このマーカ自動登録システムで取り扱う座標系を示している。座標系は、総て右手系とする。 FIG. 3 shows a coordinate system handled by the marker automatic registration system. The coordinate system is all right-handed.
世界座標系Wは、拡張現実感を利用する作業環境内に固定され、1番の遠近両用マーカの中心を原点、この1番の遠近両用マーカの中心から2番の遠近両用マーカの中心へ向う方向をX軸とし、1番、2番、3番の遠近両用マーカの中心を含む平面をXY平面とする。 The world coordinate system W is fixed in a working environment that uses augmented reality, and the center of the first perspective marker is the origin, and from the center of the first perspective marker to the center of the second perspective marker. The direction is the X axis, and the plane including the centers of the first, second, and third bifocal markers is the XY plane.
レーザ雲台座標系Aは、レーザ距離計測器3を搭載する電動雲台4のチルト(上下)方向の回転軸と、パン(左右)方向の回転軸の交点を原点とし、電動雲台4が初期化されたときの上下方向をZ軸、正面方向をX軸の負の方向とする。レーザ距離計測器座標系Lは、レーザ雲台座標系Aの原点を通る電動雲台4の回転台面に垂直な直線と回転台面の交点を原点とし、電動雲台4が初期化されたときの上下方向をZ軸、正面方向をX軸の負の方向とする。
The laser head coordinate system A has an origin at the intersection of the rotation axis in the tilt (up and down) direction and the rotation axis in the pan (left and right) direction of the electric camera platform 4 on which the laser
撮影画像(スクリーン)座標系Sは、ビデオカメラ2のCCD素子平面上に設定され、ビデオカメラ2の撮影方向を見て左上隅を原点、右向きをX軸、下向きをY軸とする。
The photographed image (screen) coordinate system S is set on the CCD element plane of the
カメラ雲台座標系Bは、ビデオカメラ2に内蔵の電動雲台のチルト方向の回転軸と、パン方向の回転軸の交点を原点とし、電動雲台が初期化されたときの上方向をZ軸、正面方向をX軸の負の方向とする。
The camera head coordinate system B uses the intersection of the tilt direction rotation axis and the pan direction rotation axis of the electric camera platform built in the
カメラ座標系Cは、ビデオカメラ2の焦点を原点、画像平面の中央を通り、該画像平面に垂直な方向をX軸負の方向、撮影画像座標系SのX軸に平行な方向をY軸とする。
The camera coordinate system C has the focal point of the
ID番号がiの遠近両用マーカ1のマーカi座標系Miは、遠近両用マーカ1の種類の数だけ設定され、遠近両用マーカ1の中心を原点、マーカ面の法線方向をZ軸とし、遠近両用マーカ1の番号を表す扇形12a(〜12j)の最上位ビットと最下位ビットの境界をX軸とする。
The marker i coordinate system Mi of the
この説明では、スカラー変数を小文字で表し、ベクトルや行列を大文字で表す。また、各変数の基準座標系(観測座標系)をWR12のように左上添え字で表す。 In this description, scalar variables are represented in lowercase letters, and vectors and matrices are represented in uppercase letters. Further, the reference coordinate system (observation coordinate system) of each variable is represented by an upper left subscript such as W R 12 .
この実施例では、カメラ雲台座標系Bとカメラ座標系Cの原点は同じであると近似し、レーザ雲台座標系Aとカメラ雲台座標系Bは、各軸が平行になるように予め固定されているものとする。また、レーザ距離計測器3をチルト方向に回転させる際、レーザ距離計測器座標系Lの原点は、回転軸から距離dAL離れた円周上を回転するものとする。
In this embodiment, it is approximated that the origins of the camera pan coordinate system B and the camera coordinate system C are the same, and the laser pan head coordinate system A and the camera pan coordinate system B are preliminarily set so that the respective axes are parallel to each other. It shall be fixed. Further, when the laser
マーカ認識アルゴリズムについて説明する。このアルゴリズムは、ビデオカメラ2に写った遠近両用マーカ1のID番号、大円12の特徴点の位置(xl,yl)、小円130〜133の特徴点の位置(xsi,ysi)(i=0,1,2,3)、大円12の大きさrimage(楕円の長軸半径)を認識するアルゴリズムである。このアルゴリズムは、遠近両用マーカ1を用いてトラッキングするときに用いるアルゴリズムと同じである。
A marker recognition algorithm will be described. The algorithm ID number
ビデオカメラ2から取得したカラー撮影画像データをグレー画像データに変換し、各画素の輝度値を対数変換することにより、高輝度領域と低輝度領域の輝度の変化を強調する。
Color photographed image data acquired from the
その後、3×3のSobelフィルタを適用し、予め定めた閾値で2値化することにより、画像のエッジ(輝度の変化の大きい部分)を認識する。 After that, by applying a 3 × 3 Sobel filter and binarizing with a predetermined threshold value, an edge of the image (a portion with a large change in luminance) is recognized.
その後、エッジとして認識された画素間の連結性(隣り合っているかどうか)を調べ、連結していると認識された個々のエッジ群が、楕円にフィッティングできるかどうかを判定する。楕円にフィッティングできると判定されたエッジ群の中の領域を解析し、その領域が遠近両用マーカ1であるかどうかを判定する。遠近両用マーカ1である場合は、このマーカのID番号と大円の長軸を認識すると共に大円と小円の中心を特徴点として認識する。
Thereafter, the connectivity between pixels recognized as edges (whether they are adjacent to each other) is examined, and it is determined whether or not each edge group recognized as connected can be fitted to an ellipse. The region in the edge group determined to be able to fit to the ellipse is analyzed, and it is determined whether or not the region is the
次に、ビデオカメラを用いて遠近両用マーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを説明する。このアルゴリズムは、遠近両用マーカ1の大円12の半径rreal、カメラ撮影画像上のマーカの中心座標(xl,yl)、カメラ撮影画像上の大円の長軸半径rimage、ビデオカメラ2の内部パラメータ(焦点距離f、CCD素子の幅wCCD、画像の解像度wreso、hreso)から、ビデオカメラ2に写った遠近両用マーカ1とビデオカメラ2の間の距離dCMと、カメラ雲台座標系Bで表された遠近両用マーカ1のパン方向BθMとチルト方向BφMを求めるアルゴリズムである。
Next, an algorithm for obtaining the distance between the distance marker and the existing direction using a video camera will be described. This algorithm, perspective radius r real of dual
ビデオカメラ2のCCD素子の幅と解像度は、ビデオカメラ2とビデオキャプチャデバイスの仕様書から得ることができ、遠近両用マーカ1の大円12の半径は、事前に遠近両用マーカ1を調べておくことにより得ることができる。
The width and resolution of the CCD element of the
ステップS41
マーカ認識アルゴリズムを用いてカメラ撮影画像上の遠近両用マーカの中心座標(xl,yl)と大円の長軸半径rimageを求める。
Step S41
Using the marker recognition algorithm, the center coordinates (x l , y l ) and the major axis radius r image of the great circle are obtained.
ステップS42
ビデオカメラ2と通信して前記カメラ撮影画像を撮影したときの該ビデオカメラ2のパン方向BθC、チルト方向BφC、焦点距離fを得る。
Step S42
The pan direction B θ C , the tilt direction B φ C , and the focal length f of the
ステップS43
ビデオカメラ2と遠近両用マーカ1の間の距離dCMを式(数1)により求める。
Step S43
The distance d CM between the
ステップS44
カメラ雲台座標系Bで表された遠近両用マーカ1のパン方向BθM、チルト方向BφMを式(数2)、(数3)により求める。
Step S44
The pan direction B θ M and the tilt direction B φ M of the
次に、レーザ距離計測器3を用いて遠近両用マーカ1上の1点の位置を計測するアルゴリズムを説明する。このアルゴリズムは、レーザ距離計測器3を搭載する電動雲台4のパン方向AθL、チルト方向AφLと、レーザ距離計測器3と遠近両用マーカ1上の1点の間の距離dから遠近両用マーカ1上の1点の高精度な3次元位置ATAPを求めるアルゴリズムである。
Next, an algorithm for measuring the position of one point on the
ステップS51
後述する自動化方法により、レーザの照射位置を計測対象となる遠近両用マーカ1上の1点に合わせる。
Step S51
The laser irradiation position is adjusted to one point on the
ステップS52
レーザ距離計測器3を制御して該レーザ距離計測器1と計測対象の点の間の距離dlpを得る。
Step S52
The laser
ステップS53
レーザ距離計測器1を搭載する電動雲台4から、前記距離を得たときのパン方向AθLとチルト方向AφLを得る。
Step S53
The pan direction A θ L and the tilt direction A φ L when the distance is obtained are obtained from the electric pan head 4 on which the laser
ステップS54
計測対象となる遠近両用マーカ1上の1点のレーザ雲台座標系Aで表した3次元位置ATAPを式(数4)により求める。
Step S54
The three-dimensional position A T AP expressed in laser camera platform coordinate system A point on the
次に、1つの遠近両用マーカの位置と方向を自動的に計測するアルゴリズムについて説明する。このアルゴリズムは、ビデオカメラ2に遠近両用マーカ1が写っている状態から、その遠近両用マーカ1の中心の正確な3次元位置ATAMと方向ARAMを自動的に計測するアルゴリズムである。
Next, an algorithm for automatically measuring the position and direction of one perspective marker will be described. This algorithm is an algorithm for automatically measuring the accurate three-dimensional position A T AM and direction A R AM of the center of the
ステップS601
ビデオカメラを用いて遠近両用マーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを用いて、カメラ雲台座標系Bで表された遠近両用マーカ1のパン方向BθM、チルト方向BφMを求める。
Step S601
A panning direction B θ M and a tilt direction B φ M of the
ステップS602
前記ステップS601で求めた情報に基づいて、遠近両用マーカ1がビデオカメラ2の撮影画像の中心に写るようにビデオカメラ2の撮影方向を調整する。
Step S602
Based on the information obtained in step S601, the shooting direction of the
ステップS603
遠近両用マーカ1の大円12のカメラ撮影画像上での長軸半径rimageが、ビデオカメラ2の縦方向の解像度の30%になるように、ビデオカメラ2の焦点距離を調整する。その際、焦点距離を調整する前の長軸半径rimageが、ビデオカメラ2の縦方向の解像度の20%よりも小さい場合には、一旦、長軸半径rimageがビデオカメラ2の解像度の20%になるように焦点距離を調整した後にステップS601とステップS602を繰り返して、遠近両用マーカ1の中心が再度ビデオカメラ2の撮影画像の中心に来るようにビデオカメラ2の撮影方向を調整し、その後、長軸半径rimageがビデオカメラ2の縦方向の解像度の30%となるように焦点距離を調整する。長軸半径rimageがビデオカメラ2の縦方向の解像度のa%になる焦点距離fa%は、式(数5)により求める。
Step S603
The focal length of the
ステップS604
ステップS601とステップS602を繰り返し、遠近両用マーカ1の中心がカメラ撮影画像の中心に来るように再度ビデオカメラ2の撮影方向を調整する。
Step S604
Steps S601 and S602 are repeated, and the shooting direction of the
ステップS605
ステップS601を実行し、カメラ雲台座標系Bで表された遠近両用マーカ1の中心へのパン方向BθM、チルト方向BφM、遠近両用マーカ1とビデオカメラ2の間の距離dCMを求める。このとき、カメラ撮影画像上での遠近両用マーカ1の中心座標(xl,yl)、4つの小円13の中心座標(xsi,ysi)(i=0,1,2,3)、大円12の短軸半径dを記憶しておく。
Step S605
Step S601 is executed, the pan direction B θ M to the center of the
ステップS606
遠近両用マーカ1の中心の3次元位置ベクトルATAMを式(数6)により求める。
Step S606
A three-dimensional position vector A T AM at the center of the
ステップS607
ステップS606で求めた遠近両用マーカ1の中心の3次元位置ベクトルATAM=(AxM,AyM,AzM)から、式(数7)および(数8)を用いて、レーザ雲台座標系Aで表された遠近両用マーカ1の中心のパン方向AθMとチルト方向AφMを求め、レーザ距離計測器3の向きを遠近両用マーカ1の中心の方向に向ける。
Step S607
From the three-dimensional position vector A T AM = ( A x M , A y M , A z M ) of the center of the
ステップS608
ビデオカメラ2のシャッタースピードを短くすることによってカメラ撮影画像の全体的な明るさを下げる。これは、後の処理において、レーザの照射位置の認識を容易にするためである。
Step S608
By reducing the shutter speed of the
ステップS609
リーザ距離計測器3によるレーザ照射を止める。
Step S609
Laser irradiation by the laser
ステップS610
カメラ撮影画像データをIoffとして保存する。
Step S610
Save the camera image data as I off .
ステップS611
レーザ距離計測器3によるレーザ照射を再開する。
Step S611
The laser irradiation by the laser
ステップS612
レーザ照射再開後のカメラ撮影画像データをIonとして保存する。
Step S612
The camera captured image data after the laser irradiation resume to save as I on.
ステップS613
カメラ撮影画像データIoffとIonの差分を取り、予め定めた閾値よりも差が大きい画素の面積Sdiffを求める。
Step S613
The difference between the camera-captured image data I off and I on is taken, and the area S diff of the pixels having a difference larger than a predetermined threshold is obtained.
ステップS614
面積Sdiffが予め定めた閾値(レーザ照射スポットの面積)よりも小さい場合はビデオカメラ2にレーザの照射スポットが写っていないと判断してステップS615へ進み、大きい場合はステップS616へ進む。
Step S614
If the area S diff is smaller than a predetermined threshold (the area of the laser irradiation spot), it is determined that the laser irradiation spot is not captured in the
ステップS615
レーザ照射方向をステップS607で求めた遠近両用マーカ1の3次元位置方向を中心にして螺旋状に等間隔で回転させながら、ステップS609〜ステップS614を繰り返す。ただし、この繰り返し回数が規定の回数を超えた場合は、自動計測が失敗したと判断する。
Step S615
Steps S609 to S614 are repeated while rotating the laser irradiation direction at a regular interval in a spiral manner around the three-dimensional position direction of the near-
ステップS616
ステップS613の差分計算で得た画素の重心座標G=(xG,yG)を求める。
Step S616
The barycentric coordinate G = (x G , y G ) of the pixel obtained by the difference calculation in step S613 is obtained.
ステップS617
重心座標GとステップS605で認識した遠近両用マーカ1の中心座標(xl,yl)の差のベクトルを計算し、その長さがステップS605で認識した遠近両用マーカ1の大円12の短軸半径bの1.5倍よりも小さい場合はステップS618へ進み、大きい場合はステップS615へ戻る。
Step S617
A vector of the difference between the center-of-gravity coordinates G and the center coordinates (x 1 , y 1 ) of the
ステップS618
ステップS617で求めたベクトルが予め定めた閾値よりも小さい場合は、レーザが遠近両用マーカ1の中心に照射されていると判断してステップS620へ進み、大きい場合はステップS619に進む。
Step S618
If the vector obtained in step S617 is smaller than a predetermined threshold value, it is determined that the laser is emitted to the center of the
ステップS619
ステップS617で求めたベクトルを用いて、レーザの照射位置を遠近両用マーカ1の中心に近づけた後、ステップS609へ戻る。レーザ距離計測器3を向けるべき方向は、式(数9)および(数10)により求める。
Step S619
Using the vector obtained in step S617, the laser irradiation position is brought close to the center of the
ステップS620
レーザ距離計測器を用いて遠近両用マーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを用いて遠近両用マーカ1の中心の正確な3次元位置ATAMを求める。
Step S620
Obtain an accurate three-dimensional position A T AM in the center of the
ステップS621
遠近両用マーカ1の大円12と小円13の間の領域(台紙の白色の領域)の中間点の座標(xlsi,ylsi)(i=0,1,2,3)を式(数11)および(数12)により求める。
Step S621
The coordinates (x lsi , y lsi ) (i = 0, 1, 2, 3) of the area between the
ステップS622
ステップS609〜ステップS620と同様の処理をステップS621で求めた4点に対して行い、これらの正確な3次元位置ATAMi(i=0,1,2,3)を計測する。
Step S622
It performs the same processing as step S609~ Step S620 with respect to four points obtained in step S621, measuring these precise three-dimensional position A T AMi (i = 0,1,2,3) .
ステップS623
遠近両用マーカ1のX軸、Y軸、Z軸方向のベクトルAXM、AYM、AZMを式(数13)〜(数15)により求める。
Step S623
Vectors A X M , A Y M , and A Z M in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the near-
ステップS624
AXM、AYM、AZMの単位ベクトルAXMu、AYMu、AZMuから式(数16)により遠近両用マーカ1の方向ARAMを求める。
Step S624
From the unit vectors A X Mu , A Y Mu , and A Z Mu of A X M , A Y M , and A Z M , the direction A R AM of the near-
この1つの遠近両用マーカの位置と方向を自動的に計測するアルゴリズムにおける前記ステップS617において、レーザの照射位置と遠近両用マーカ1の中心位置の距離がカメラ撮影画像上での遠近両用マーカ1の大円12の短軸半径の1.5倍よりも小さいときにのみステップS618を実行するようにしたのは、原子力発電プラント内部のような複雑な環境では、レーザが遠近両用マーカ1の背面を通過する場合があり、カメラ撮影画像上に写し出されたレーザと遠近両用マーカ1の位置関係だけでは、レーザの照射方向をどの方向に変更するべきかが判断できないためである。一方、レーザの照射位置と遠近両用マーカ1の中心位置の間の距離が遠近両用マーカ1の大円12のカメラ撮影画像上での短軸半径の1.5倍よりも小さい場合は、レーザは既に遠近両用マーカ1上に照射していると判断することができ、遠近両用マーカ1は必ず平面であるため、ステップS619により、必ずレーザの照射位置を遠近両用マーカ1の中心に近い方に調整することができる。ここで、短軸半径の1.5倍としたのは、遠近両用マーカ1の周辺には空白の領域があり、その領域も平面であるからである。
In step S617 in the algorithm for automatically measuring the position and direction of this one far / far marker, the distance between the laser irradiation position and the center position of the far /
また、ステップS621以降において、小円13の中心位置を計測するのではなく、小円13と大円12の間の白色の領域を計測するのは、小円13の中心のように黒色の中心は、レーザの反射が弱く、遠近両用マーカ1を斜めから計測した場合に、レーザ距離計測器3では距離を計測することができない場合があるためである。
In step S621 and subsequent steps, instead of measuring the center position of the
なお、このアルゴリズムを実行する際には、電動雲台を駆動制御した後は、次の処理に移る前に0.5秒〜1秒程度の猶予(動作休止)期間を設けることが必要である(この猶予期間は、電動雲台の動作の大きさに依存する。)。これは、電動雲台を駆動制御すると、システム全体が振動するためで、ビデオカメラ2で取得するカメラ撮影画像データやレーザの照射先(レーザ照射スポット)が静止するのを待つ必要があるためである。
When this algorithm is executed, it is necessary to provide a grace period (operation pause) of about 0.5 seconds to 1 second after the drive control of the electric pan head before moving to the next process. (This grace period depends on the movement of the electric head.) This is because when the electric pan head is driven and controlled, the entire system vibrates, and it is necessary to wait for the camera image data acquired by the
次に、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムについて説明する。 Next, an algorithm for converting the marker position and direction to the world coordinate system will be described.
このアルゴリズムは、前述した1つの遠近両用マーカ1の位置と方向を自動的に計測するアルゴリズムにより得られたレーザ雲台座標系Aで表された遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を、世界座標系Wで表された3次元位置と方向に変換するアルゴリズムである。このアルゴリズムを実行するにあたっては、計測対象となる遠近両用マーカ1に加え、1番と2番の遠近両用マーカが世界座標系Wの原点とX軸上の点にそれぞれ貼り付けられており、3番の遠近両用マーカがXY平面上に貼り付けられているものとする。
In this algorithm, the three-dimensional position and direction of the
ステップS701
前述した1つの遠近両用マーカの位置と方向を自動的に計測するアルゴリズムを用いて、変換対象の遠近両用マーカ1の3次元位置ATAMiと方向ARAMiおよび1番から3番の遠近両用マーカの3次元位置ATAMj(j=1,2,3)を求める。
Step S701
Using the aforementioned algorithm for automatically measuring the position and direction of one perspective marker, the three-dimensional position A T AMi and direction A R AMi of the conversion
ステップS702
レーザ雲台座標系Aで表された世界座標系WのX,Y,Z軸方向の単位ベクトルAXWu,AYWu,AZWuを式(数17)〜(数19)を用いて求める。
Step S702
The unit vectors A X Wu , A Y Wu , and A Z Wu in the X, Y, and Z axis directions of the world coordinate system W represented by the laser head coordinate system A are expressed using the equations (17) to (19). Ask.
ステップS703
世界座標系Wからレーザ雲台座標系Aへの回転行列WRWAを式(数20)により求める。
Step S703
A rotation matrix W R WA from the world coordinate system W to the laser head coordinate system A is obtained by the equation (Equation 20).
ステップS704
世界座標系Wからレーザ雲台座標系Aへの平行移動ベクトルWTWAを式(数21)により求める。
Step S704
A parallel movement vector W T WA from the world coordinate system W to the laser head coordinate system A is obtained by Expression (21).
ステップS705
レーザ雲台座標系Aから世界座標系Wへの同次変換行列AT44 AWを式(数22)により求める。
Step S705
A homogeneous transformation matrix A T 44 AW from the laser head coordinate system A to the world coordinate system W is obtained by the equation (Equation 22).
ステップS706
式(数23)により、レーザ雲台座標系Aで表された遠近両用マーカの3次元位置ATAMiを世界座標系Wで表された3次元位置WTWMiに変換する。
Step S706
The three-dimensional position A T AMi of the bifocal marker represented in the laser head coordinate system A is converted into a three-dimensional position W T WMi represented in the world coordinate system W by the equation (Equation 23).
ステップS707
前述した1つの遠近両用マーカの位置と方向を自動的に計測するアルゴリズムにおけるステップS623の処理の前に、ATAMi(i=0,1,2,3)を式(数23)で変換することにより、世界座標系Wで表された遠近両用マーカ1の方向WRWMiを得る。
Step S707
Before the process in step S623 in algorithm that automatically measures the position and orientation of one bifocal markers described above, to convert A T AMi the (i = 0, 1, 2, 3) in equation (23) Thus , the direction W R WMi of the
次に、総ての遠近両用マーカの位置と方向を自動的に計測して登録するアルゴリズムを説明する。このアルゴリズムは、ビデオカメラ2で撮影可能かつレーザ距離計測器3で距離を計測可能な範囲にある総ての遠近両用マーカ1の世界座標系Wで表された3次元位置と方向を全自動で計測して記憶(登録)するアルゴリズムである。
Next, an algorithm for automatically measuring and registering the positions and directions of all the perspective markers will be described. In this algorithm, the three-dimensional position and direction represented by the world coordinate system W of all the
ステップS801
ビデオカメラ2の焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する(ビデオカメラ2を最も広角にする)。
Step S801
The focal length of the
ステップS802
ビデオカメラ2の稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラ2の撮影方向を回転させ、各撮影方向において、前述したビデオカメラを用いて遠近両用マーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、作業環境に貼り付けられた遠近両用マーカ1との距離と存在する方向を認識して記憶する。
Step S802
The shooting direction of the
ステップS803
ビデオカメラ2の焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定してステップS802を繰り返す。
Step S803
Step S802 is repeated with the focal length of the
ステップS804
ステップS803までに認識して記憶した個々の遠近両用マーカ1に対して前述したレーザ距離計測器を用いて遠近両用マーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総ての遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を計測して記憶する。
Step S804
By executing an algorithm for measuring the position of one point on the perspective marker using the laser distance measuring instrument described above for each of the
ステップS805
ステップS804で記憶した総ての遠近両用マーカ1の3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系Wで表された3次元位置と方向を求めて記憶(登録)する。
Step S805
A three-dimensional position represented in the world coordinate system W by applying an algorithm for converting the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional positions and directions of all the
以上の方法で計測した遠近両用マーカ1の3次元位置と方向は、以下の方法で利用することができる。
The three-dimensional position and direction of the
作業環境である原子力発電プラント内で使用するときには、壁や作業対象機器の周辺に貼り付けられた複数の遠近両用マーカ1について、事前に、前述したようにしてその3次元位置と方向を計測して得た世界座標系Wで表された3次元位置と方向の情報として拡張現実感に取得(記憶)しておく。
When used in a nuclear power plant, which is a work environment, the three-dimensional position and direction of a plurality of
拡張現実感を使用するときの機器としてHMD(Head Mounted Display)を用いる場合には、ビデオカメラをMHDの前面か作業員のヘルメットの前部に取り付け、PDA(Personal Digital Assistant)等の小型ディスプレイを用いる場合には、ビデオカメラを機器画面の裏側に取り付ける。 When using HMD (Head Mounted Display) as equipment when using augmented reality, attach a video camera to the front of the MHD or the front of the worker's helmet, and install a small display such as a PDA (Personal Digital Assistant). If used, attach the video camera to the back of the device screen.
遠近両用マーカ1と作業員(ビデオカメラ)の間の距離が長いときは、ビデオカメラには多数の遠近両用マーカ1が小さく写ることになり、遠近両用マーカの大円の中心は認識することができるが、4つの小円の中心は認識することが困難である。従って、1つの遠近両用マーカ1からは1つの特徴点しか得ることができないが、複数の遠近両用マーカの特徴点を同時に得ることができるので、遠近両用マーカ1についての記憶情報を参照してトラッキングするのに必要な数の特徴点の認識が可能になる。
When the distance between the
遠近両用マーカ1と作業員(ビデオカメラ)の間の距離が短いときは、ビデオカメラには少数の遠近両用マーカ1が大きく写ることになり、小円の特徴も認識することができることから、遠近両用マーカ1上の総ての特徴点を認識することが可能となり、1つの遠近両用マーカ1が写るだけでトラッキングするのに必要な数の特徴点の認識が可能になる。
When the distance between the near /
このように、この実施例で使用する遠近両用マーカ1は、1つの遠近両用マーカ1が近距離と遠距離の両方で効果的にトラッキングに利用することが可能となり、作業環境に貼り付ける遠近両用マーカ1の数を減らすことができる利点がある。
As described above, the
この実施例で例示したマーカ自動登録システムによる計測精度と計測に要する時間に関する実験結果について説明する。 An experimental result relating to measurement accuracy and time required for measurement by the marker automatic registration system exemplified in this embodiment will be described.
この実験は、大型プリンタを用いて図4に示すように9個の遠近両用マーカ1を印刷した紙を壁に貼り付け、前記9個の遠近両用マーカ1の3次元位置と方向を自動登録システムを用いて自動計測して登録する処理における登録結果とそれに要した時間を記録するように行った。
In this experiment, as shown in FIG. 4, using a large printer, a paper on which nine
遠近両用マーカ1は、大円12の半径を50mm、小円130〜133の半径を6mm、大円12の中心と小円130〜133の中心の間の距離を71mmとした。マーカ自動登録システムの設置位置は、図5に示すように、中央の1番の遠近両用マーカ1から2mの位置と4mの位置、中央の1番の遠近両用マーカ1の法線方向から0°の位置、20°の位置、40°の位置に変化させ(計6箇所)、総ての位置で5回繰り返して総ての遠近両用マーカ1を自動計測して登録した。
その結果、総ての場合において、失敗することなく、遠近両用マーカ1を計測することができた。
As a result, in all cases, the near /
計測に要した時間は、可動範囲全体でビデオカメラ2を回転させて遠近両用マーカ1の位置と方向を認識して記憶する処理(ステップS801〜ステップS803の処理)で平均195秒、レーザ距離計測器3を用いて遠近両用マーカ1の正確な3次元位置と方向を認識して記憶する処理(ステップS804〜ステップS805)では遠近両用マーカ1の1個当たり平均50秒であった。
The time required for the measurement is an average of 195 seconds in the process of rotating and recognizing the position and direction of the
電動雲台を駆動制御した後に振動が収まるまでの猶予期間は、ビデオカメラ2とレーザ距離計測器3を異なる三脚を用いて設置したり、防振部材を用いてシステムの振動を低減する対策を行えば、猶予期間を短縮して所要時間を短縮することが可能となる。
During the grace period after vibration control is stopped after driving the electric pan head, measures to reduce the vibration of the system by installing the
表1は、遠近両用マーカ1の計測結果と真値(大型プリンタにより遠近両用マーカ1を印刷する際に設定した遠近両用マーカ1の位置と方向から計算)を比較した結果(座標の規準となる1番〜3番の遠近両用マーカを除く)を示している。
Table 1 shows a result of comparison between the measurement result of the near /
マーカ自動登録システムを設置した総ての位置での計測結果の二乗平均誤差(Root Mean Square Error)を求めた結果、位置に関してX,Y,Zの各軸方向に2mm程度の誤差があり、方向に関しては、各軸を中心に1°未満の回転誤差があることが分かった(総ての軸を纏めた場合、位置は3.4mm、方向は1.1°の誤差)。 As a result of calculating the root mean square error of the measurement results at all positions where the marker automatic registration system is installed, there is an error of about 2 mm in each of the X, Y, and Z axes with respect to the position. In regard to, it has been found that there is a rotation error of less than 1 ° around each axis (when all axes are combined, the position is 3.4 mm and the direction is an error of 1.1 °).
図6は、遠近両用マーカ1の計測結果(登録情報)を用いて実際にトラッキングを行った際の精度を示している。
FIG. 6 shows the accuracy when tracking is actually performed using the measurement result (registered information) of the
解像度XVGA、水平画角約33°のトラッキング用ビデオカメラを1番の遠近両用マーカ1の正面約0.5mの位置から約0.5m間隔で約5.0m移動させ、各位置で10回ずつトラッキングを行う処理を、前述した方法で登録した30セットのマーカ配置情報の総てを用いて繰り返し行い、それらの総ての結果に対する平均二乗誤差を求めた。その結果、トラッキング範囲全体で平均二乗誤差が200mm未満であり、危険箇所表示機能等を備えた拡張現実感環境を実現することが可能であることが分かった。
A tracking video camera with a resolution of XVGA and a horizontal angle of view of about 33 ° is moved about 5.0 m from the position of about 0.5 m in front of the first far-and-
1…遠近両用マーカ、11…台紙、12…大円、130〜133…小円、2…ビデオカメラ、3…レーザ距離計測器、4…電動雲台、5…小型コンピュータ、7…三脚。 1 ... bifocal marker, 11 ... mount, 12 ... great circle, 13 0-13 3 ... small circle, 2 ... video camera, 3 ... laser distance measuring device, 4 ... electric pan head, 5 ... small computer, 7 ... tripod .
Claims (2)
前記マーカとして、四角形の台紙の中心に配置した1つの大円と、台紙の4隅に配置した4つの小円を備え、前記大円は、10個の同型の扇形を円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカのID番号を表現するように構成したものを使用し、
ビデオカメラの焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する第1のステップと、
焦点距離を設定可能な最も短い値に設定した前記ビデオカメラの稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラの撮影方向を回転させ、各撮影方向において、ビデオカメラを用いて撮影してマーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、環境に貼り付けられたマーカとの距離と存在する方向を認識して記憶する第2のステップと、
ビデオカメラの焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定して前記第2のステップを繰り返す第3のステップと、
第1のステップから第3のステップにより認識して記憶した個々のマーカに対してレーザ距離計測器を用いてマーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総てのマーカの3次元位置と方向を計測して記憶する第4のステップと、
第4のステップで記憶した総てのマーカの3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系で表された3次元位置と方向を求めて記憶する第5のステップを行うことを特徴とするマーカ自動登録方法。 Paste the marker serving as a reference position 置及 beauty appropriate position of the environment, represented in the world coordinate system of all of the markers in the distance shooting and laser distance measuring device with a video camera to the extent possible measurement 3 It is a method of measuring and storing the dimension position and direction fully automatically,
The marker includes one large circle arranged at the center of a square mount and four small circles arranged at the four corners of the mount. By using a configuration in which the ID number of each marker is expressed by setting the white sector to 0 and the black sector to 1.
A first step of setting the focal length of the video camera to the shortest possible value;
The shooting direction of the video camera is rotated at equal intervals so that all areas of the operating range of the video camera set to the shortest settable focal length are shot at least once. A second step of recognizing and storing the distance to the marker pasted in the environment and the existing direction by executing an algorithm that captures the distance between the marker and the existing direction by photographing with a camera When,
A third step of repeating the second step by setting the focal length of the video camera to a value twice and three times the shortest value;
By executing the algorithm for measuring the position of a point on the marker using a laser distance measuring instrument for each marker stored recognized by the third step from the first step, all recognized A fourth step of measuring and storing the three-dimensional position and direction of the marker;
Applying an algorithm that converts the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional position and direction of all markers stored in the fourth step, the three-dimensional position and direction expressed in the world coordinate system The marker automatic registration method characterized by performing the 5th step which calculates | requires and memorize | stores.
電動雲台によって向きを変えることができるようにしたビデオカメラと、電動雲台によって向きを変えることができるようにしたレーザ距離計測器と、前記ビデオカメラとレーザ距離計測器電動雲台と接続されてこれらを制御する小型コンピュータとを備え、
前記マーカは、四角形の台紙の中心に配置した1つの大円と、台紙の4隅に配置した4つの小円を備え、前記大円は、10個の同型の扇形を円環状に配置し、白色の扇形を0、黒色の扇形を1とすることにより、各マーカのID番号を表現するように構成し、
前記小型コンピュータは、
前記ビデオカメラの焦点距離を設定可能な最も短い値に設定する第1のステップと、
焦点距離を設定可能な最も短い値に設定した前記ビデオカメラの稼動範囲の総ての領域を最低1回は撮影するように等間隔でビデオカメラの撮影方向を回転させ、各撮影方向において、前記ビデオカメラを用いて撮影してマーカとの間の距離と存在する方向を求めるアルゴリズムを実行することにより、環境に貼り付けられたマーカとの距離と存在する方向を認識して記憶する第2のステップと、
前記ビデオカメラの焦点距離を最も短い値の2倍の値および3倍の値に設定して前記第2のステップを繰り返す第3のステップと、
第1ステップから第3のステップにより認識して記憶した個々のマーカに対して前記レーザ距離計測器を用いてマーカ上の1点の位置を計測するアルゴリズムを実行することにより、認識した総てのマーカの3次元位置と方向を計測して記憶する第4のステップと、
第4のステップで記憶した総てのマーカの3次元位置と方向に対して、マーカの位置と方向を世界座標系に変換するアルゴリズムを適用して世界座標系で表された3次元位置と方向を求めて記憶する第5のステップを行うプログラムを備えたことを特徴とするマーカ自動登録システム。 Of the markers that are pasted at appropriate positions and the reference position of the environment, all markers in the range that can be photographed with a video camera and that can be measured with a laser distance meter are expressed in the world coordinate system. A system that automatically measures and stores 3D positions and directions,
Connected to a video camera that can be turned by an electric head, a laser distance measuring device that can be turned by an electric head, and the video camera and the laser distance measuring device. And a small computer that controls them,
The marker includes one large circle arranged at the center of a square mount and four small circles arranged at the four corners of the mount. The white fan shape is set to 0 and the black fan shape is set to 1, so that the ID number of each marker is expressed.
The small computer is
A first step of setting the focal length of the video camera to the shortest possible value;
The shooting direction of the video camera is rotated at equal intervals so that the entire range of the operating range of the video camera set to the shortest settable focal length is shot at least once. A second method for recognizing and storing the distance to the marker pasted in the environment and the existing direction by executing an algorithm for obtaining the distance between the marker and the existing direction by photographing using a video camera Steps,
A third step of repeating the second step by setting the focal length of the video camera to a value twice and three times the shortest value;
By executing an algorithm for measuring the position of one point on the marker using the laser distance measuring device for each marker recognized and stored in the first step to the third step, A fourth step of measuring and storing the three-dimensional position and direction of the marker;
Applying an algorithm that converts the marker position and direction to the world coordinate system to the three-dimensional position and direction of all markers stored in the fourth step, the three-dimensional position and direction expressed in the world coordinate system An automatic marker registration system comprising a program for performing a fifth step for obtaining and storing
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008247348A JP5019478B2 (en) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | Marker automatic registration method and system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008247348A JP5019478B2 (en) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | Marker automatic registration method and system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010078466A JP2010078466A (en) | 2010-04-08 |
JP5019478B2 true JP5019478B2 (en) | 2012-09-05 |
Family
ID=42209088
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008247348A Expired - Fee Related JP5019478B2 (en) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | Marker automatic registration method and system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5019478B2 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH703740B1 (en) * | 2010-09-10 | 2016-12-15 | Ge Hitachi Nuclear Energy Americas Llc | Photogrammetric system and method for testing an inaccessible system. |
JP5192598B1 (en) * | 2012-07-03 | 2013-05-08 | 貴章 春日 | Work system with self-propelled device |
JP6316568B2 (en) | 2013-10-31 | 2018-04-25 | 株式会社トプコン | Surveying system |
JP6326237B2 (en) * | 2014-01-31 | 2018-05-16 | 株式会社トプコン | Measuring system |
CN104376328B (en) * | 2014-11-17 | 2023-10-24 | 国家电网公司 | Coordinate-based distributed coding mark identification method and system |
CN104596474A (en) * | 2015-01-30 | 2015-05-06 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | Laser ranging measurement base |
CN110231023B (en) * | 2019-04-29 | 2020-02-21 | 金钱猫科技股份有限公司 | Intelligent visual sampling method, system and device |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001296124A (en) * | 2000-02-10 | 2001-10-26 | Nkk Corp | Method and apparatus for measurement of three- dimensional coordinates |
JP3626400B2 (en) * | 2000-08-31 | 2005-03-09 | 株式会社東芝 | Method for measuring position of object using target marker and robot system |
JP3626141B2 (en) * | 2001-08-10 | 2005-03-02 | 株式会社ソキア | Automatic collimation surveying instrument with imaging device |
JP4782958B2 (en) * | 2001-09-21 | 2011-09-28 | 株式会社リコー | Surface shape measuring apparatus and method, program, and storage medium |
-
2008
- 2008-09-26 JP JP2008247348A patent/JP5019478B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010078466A (en) | 2010-04-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5019478B2 (en) | Marker automatic registration method and system | |
US8699005B2 (en) | Indoor surveying apparatus | |
US8520067B2 (en) | Method for calibrating a measuring system | |
US10060739B2 (en) | Method for determining a position and orientation offset of a geodetic surveying device and such a surveying device | |
CN111127568B (en) | Camera pose calibration method based on spatial point location information | |
JP4607095B2 (en) | Method and apparatus for image processing in surveying instrument | |
US20170337743A1 (en) | System and method for referencing a displaying device relative to a surveying instrument | |
CN112492292B (en) | Intelligent visual 3D information acquisition equipment of free gesture | |
Aliakbarpour et al. | An efficient algorithm for extrinsic calibration between a 3d laser range finder and a stereo camera for surveillance | |
JP2017120551A (en) | Autonomous traveling device | |
Núnez et al. | Data Fusion Calibration for a 3D Laser Range Finder and a Camera using Inertial Data. | |
CN112955711A (en) | Position information determining method, apparatus and storage medium | |
JP2001148025A (en) | Device and method for detecting position, and device and method for detecting plane posture | |
JP2003065714A (en) | Guiding device and guiding method for camera calibration, and camera calibration apparatus | |
Mi et al. | A vision-based displacement measurement system for foundation pit | |
JP2009175012A (en) | Measurement device and measurement method | |
JP2001296124A (en) | Method and apparatus for measurement of three- dimensional coordinates | |
EP4257924A1 (en) | Laser scanner for verifying positioning of components of assemblies | |
CN108564626B (en) | Method and apparatus for determining relative pose angle between cameras mounted to an acquisition entity | |
WO2023094273A1 (en) | Matching a building information model | |
EP3943979A1 (en) | Indoor device localization | |
WO2022207687A2 (en) | Configuration method for the display of a building information model | |
WO2022078444A1 (en) | Program control method for 3d information acquisition | |
CN112304250B (en) | Three-dimensional matching equipment and method between moving objects | |
WO2005073669A1 (en) | Semi and fully-automatic camera calibration tools using laser-based measurement devices |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120214 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120321 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120522 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120607 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5019478 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150622 Year of fee payment: 3 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |