JP5292725B2 - モーショントラッカ装置 - Google Patents
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Description
ここで、光学方式のHMT装置とは、反射板や発光体等の光学マーカーを取り付けたヘルメット等を頭部に装着して、光学マーカーの位置を立体視が可能なカメラ装置で測定することにより、頭部の動きを追跡する装置等のことをいう。
また、識別情報を有さない3個の光学マーカーを、1個1個順番に点灯させることにより、識別することも考えられるが、1個1個順番に点灯させなければならないので、時々刻々と変化する頭部装着型表示装置付ヘルメットの動きをモニタリングすることには困難である。
また、「カメラ装置での光線の検出間隔時間」とは、例えば、カメラ装置による撮影と撮影との間隔時間(例えば、16msec)等のこという。
本発明のモーショントラッカ装置によれば、例えば、時間がt1、t2’(t2の直前)、t2と順に流れたとすると、時間t1に記憶された3個以上の光学マーカーのそれぞれの位置と、時間t1から時間t2’で対象物に作用する対象物角速度とにより、対象物の角度移動量を算出することで、時間t2’での光学マーカーの予想移動位置を推定する。次に、例えば、推定された各光学マーカーの予想移動位置を中心とする球状である予想移動範囲を設定することにより、時間t2に予想移動範囲に存在する光学マーカーを、時間t2’に設定された予想移動範囲に対応する光学マーカーと同一のものであると識別する。
また、上記の発明において、前記光学マーカー位置情報算出部は、前記光学マーカーの予想移動位置に基づいて、前記光学マーカーの予想移動範囲を設定することで、前記3個以上の光学マーカーをそれぞれ識別するようにしてもよい。
また、上記の発明において、前記光学マーカーの予想移動範囲は、各光学マーカーの予想移動位置を中心とする球状であるようにしてもよい。
本発明によれば、例えば、時間t1から時間t2’で対象物に作用する対象物角速度により、対象物の角度移動量を算出することで、時間t1から時間t2’までの光学マーカーの移動距離量を算出する。これにより、1個の光学マーカーの予想移動位置を中心とする予想移動範囲の大きさを、例えば、光学マーカーの移動距離量が長い場合には大きくし、一方、光学マーカーの移動距離量が短い場合には小さくすることができる。よって、対象物の移動速度が速い場合にも、予想移動範囲に光学マーカーが存在しなくなることをより防ぐとともに、対象物の移動速度が遅い場合に、予想移動範囲に2個以上の光学マーカーが同時に存在することをより防ぐことができる。
ここで、「移動体角速度検出センサ」とは、対象物角速度検出センサと同様に、センサ自体に3軸が定義されて、この3軸を基準とする角速度を短時間(例えば、4msec)で検出できるもののことをいい、具体的には、ジャイロセンサ等が用いられる。
本発明によれば、対象物角速度検出センサで、移動体中では搭乗者の頭部の動きと移動体の動きとが合成された動きの情報が検出されるが、移動体角速度検出センサで移動体の動きのみの情報が検出されるため、対象物角速度と移動体角速度とを用いて、移動体の動きを除外した搭乗者の頭部の動きのみの情報を算出することができる。これにより、例えば、搭乗者が移動体に搭乗していても、推定された光学マーカーの予想移動位置を中心とする予想移動範囲を設定することができるので、対象物の移動速度が速い場合にも、予想移動範囲に光学マーカーが存在しなくなることを防ぐことができる。
図1は、本発明の一実施形態であるHMT装置の概略構成を示す図であり、図2は、図1に示す頭部装着型表示装置付ヘルメットの平面図である。本実施形態は、ゲーム機で遊戯者が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置及び現在角度を算出するものである。つまり、HMT装置1は、ゲーム機30に設定された相対座標系(XYZ座標系)に対する、遊戯者3の頭部位置及び頭部角度を含む相対情報を算出するものである。なお、相対座標系(XYZ座標系)は、後述するカメラ装置2(2a、2b)を基準とするものであり、相対座標記憶部43に記憶されている。
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、遊戯者3の目に導くコンバイナ8と、位置や角度(すなわち、頭部位置や頭部角度)を測定する際の指標となる光学マーカーとして機能するLED群7と、3軸ジャイロセンサ(対象物角速度検出センサ)4とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット10を装着した遊戯者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。
3軸ジャイロセンサ4は、頭部装着型表示装置付ヘルメット10に作用する角速度を短時間(例えば、4msec)で検出するものである。なお、3軸ジャイロセンサ4は、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)に軸を合わせられている。よって、ロール方向(X’軸に対する回転)、エレベーション方向(Y’軸に対する回転)、アジマス方向(Z’軸に対する回転)における対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)が検出される。また、3軸ジャイロセンサ4は、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の原点に取り付けられているが、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の原点以外の位置に取り付けられた場合には、ヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の原点の位置での角速度を求めるために、原点位置と取付位置とのオフセット分を調整するためのオフセット行列M0を乗算したりする一般的な計算方法等で、対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)を変換することになる。
カメラ装置2(2a、2b)は、2台のカメラ2a、2bからなり、撮影方向が頭部装着型表示装置付ヘルメット10に向けられているとともに、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の立体視が可能な一定の距離(d1)を隔てるように、ゲーム機30の天井に固定軸を介して設置されている。
よって、図3に示すように、LED7aのカメラ装置2(2a、2b)に対する位置は、カメラ装置2(2a、2b)に撮影された画像中に映し出されているLED7aの位置を抽出し、さらにカメラ2aからの方向角度(α)とカメラ2bからの方向角度(β)とを抽出し、カメラ2aとカメラ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ようにしてある。他の光学マーカーであるLED7b、7cのカメラ装置2(2a、2b)に対する位置についても、同様に算出されるようにしてある。
ここで、相対座標系(XYZ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3に示すように、カメラ2bからカメラ2aへの方向をX軸方向とし、X軸方向に垂直かつ天井に垂直で下向き方向をZ軸方向とし、X軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をY軸方向とするように定義し、原点をカメラ2a、カメラ2bの中点として定義するように相対座標記憶部43に設定されている。
また、時間記憶部44は、カメラ装置2でLED7a、7b、7cが検出される毎に更新される時間(t)と、3軸ジャイロセンサ4で対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)が検出される毎に更新される時間(s)とを記憶する。ただし、ここでの時間は、実時間を単位とする代わりに、後述するモーショントラッカ駆動部28や角度移動量算出部23が、画像データ、角度移動量(RLDEP、ELDEP、AZDEP)を算出するプログラム(図4、図8、図9参照)を実行する際の処理回数カウンタt、sの値を、「時間」として扱うものであり、例えば、s0はs=0(すなわちカウンタ値sが0)に対応し、t1はt=1(すなわちカウンタ値が1)に対応する。
例えば、まず、3軸ジィイロセンサ4で検出された時間s0の対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)を積分演算することにより、時間tnに記憶された頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角度(Θ、Φ、Ψ)からの角度移動量(RLs0、ELs0、AZs0)を算出する。次に、3軸ジィイロセンサ4で検出された時間s1の対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)を積分演算することにより、時間tn+s0に記憶された頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角度(Θ、Φ、Ψ)からの移動角度量(RLs1、ELs1、AZs1)を算出する。このように角度移動量を算出していき、時間s0〜s2に算出された移動角度量を合計して、時間tから時間tn+s2までの頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角度移動量(RLDEP、ELDEP、AZDEP)を算出する。
例えば、時間tnから時間tn+s2までの頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角度移動量(RLDEP、ELDEP、AZDEP)を用いて下記式(1)により、頭部装着型表示装置付ヘルメット10に位置決めして取り付けられたLED7aの時間tnから時間tn+s2までの移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出する。そして、下記式(2)により、時間tnのLED7aの位置(XLED、YLED、ZLED)に移動距離量(ΔX、ΔY、ΔZ)を加算することで、時間tn+s2でのLED7aの予想移動位置17a(XDEP、YDEP、ZDEP)を推定する(図5参照)。また、LED7b、7cについても、同様に移動距離量を算出して、時間tn+s2でのLED7b、7cの予想移動位置17b、17cを推定する。
まず、図6に示すように、光学マーカー推定部26により推定された時間tn+s2でのLED7a、7b、7cのそれぞれの予想移動位置17a、17b、17cを中心としd2を直径とする球状である予想移動範囲(Da、Db、Dc)をXYZ座標系に設定する。これにより、時間tn+1に、予想移動範囲(Da、Db、Dc)に存在するLEDを、時間tn+s2に設定された予想移動範囲(Da、Db、Dc)に対応するLEDと同一のものであると識別する。例えば、図7に示すように、時間tn+1に、予想移動範囲(Da)に存在するLED7aを、時間tn+s2に設定された予想移動範囲(Da)に対応するLED7aと同一のものであると識別する。同様に、予想移動範囲(Db)に存在するLED7bを、LED7bと同一のものであるとし、予想移動範囲(Dc)に存在するLED7cを、LED7cと同一のものであると識別する。このようにして、LED7a、7b、7cのそれぞれの現在位置を含む時間tn+1の光学マーカー位置情報が算出される。
つまり、光学マーカーであるLED群7から発光される赤外光を検出することにより3個のLED7a、7b、7cのそれぞれの現在の位置座標である時間tn+1の光学マーカー位置情報を得ることで、カメラ装置2a、2bに対する3個の現在位置が特定されるので、XYZ座標系に対するLED7a、7b、7cが固定されている頭部装着型表示装置付ヘルメット10の現在位置(X、Y、Z)や現在角度(Θ、Φ、Ψ)が算出される。
映像表示部25は、相対情報に基づいて、表示器から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、遊戯者3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、頭部装着型表示装置付ヘルメット10を装着した遊戯者3に特定方向(初期位置)を向くように指示する。
次に、ステップS102の処理において、時間(t)にtn=t0と時間記憶部42に記憶させる。
次に、ステップS104の処理において、時間(s)にsn=s0と時間記憶部42に記憶させる。
次に、ステップS105の処理において、3軸ジャイロセンサ4が、対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)を検出する。
一方、sn>s1を満たすと判定されたときには、ステップS108の処理において、角度移動量算出部23は、3軸ジャイロセンサ4で検出された時間tnから時間tn+s2までの対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)を積分演算することにより、時間tnから時間tn+s2までのヘルメット座標系(X’Y’Z’座標系)の角度移動量(RLDEP、ELDEP、AZDEP)を算出する。
次に、ステップS110の処理において、光学マーカー位置情報算出部24は、時間tn+s2でのLED7a、7b、7cのそれぞれの予想移動位置17a、17b、17cを用いて、LED7a、7b、7cのそれぞれの予想移動範囲(Da、Db、Dc)を相対座標系(XYZ座標系)に設定する。
次に、ステップS112の処理において、相対頭部情報算出部22は、時間tn+1の光学マーカー位置情報に基づいて、カメラ装置2(2a、2b)(相対座標系)に対する遊戯者3の位置(X、Y、Z)及び角度(Θ、Φ、Ψ)を算出する。
したがって、時間tnに記憶されたLED7a、7b、7cの位置を中心とする予想移動範囲(Da、Db、Dc)を設定するのではなく、対象物角速度(VRL、VEL、VAZ)により推定されたLED7a、7b、7cの位置を中心とする予想移動範囲(Da、Db、Dc)を設定するので、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の移動速度が速い場合にも、予想移動範囲(Da、Db、Dc)にLED7a、7b、7cが存在しなくなることを防ぐことができる。
図12は、本発明の他の一実施形態であるHMT装置の概略構成を示す図である。本実施形態は、飛行機(移動体)でパイロットが着用する頭部装着型表示装置付ヘルメットの現在位置及び現在角度を算出するものである。つまり、HMT装置61は、飛行機62に設定された相対座標系(XYZ座標系)に対する、パイロット63の頭部位置及び頭部角度を含む相対情報を算出するものである。なお、上述した実施形態1と同様のものについては、同じ符号を付して、説明を省略することとする。
3軸ジャイロセンサ(対象物角速度検出センサ)4は、頭部装着型表示装置付ヘルメット10と飛行体62とに作用する角速度を短時間(例えば、4msec)で検出するものである。つまり、パイロット63は飛行体62に乗っており、飛行体62も動いているので、対象物角速度は、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角速度だけでなく、飛行機62の角速度も含んだものとなる。
一方、3軸ジャイロセンサ64は、飛行体62のみに作用する角速度を、3軸ジャイロセンサ4と同時間で検出するものである。なお、3軸ジャイロセンサ64は、相対座標系(XYZ座標系)に軸を合わせられている。よって、ロール方向(X軸に対する回転)、エレベーション方向(Y軸に対する回転)、アジマス方向(Z軸に対する回転)における移動体角速度が検出される。
また、予想移動範囲記憶部45には、LED7a、7b、7cの移動距離量と、予想移動範囲(Da、Db、Dc)の大きさとを対応させたテーブルが記憶されている。
例えば、LED7aの予想移動位置17aを中心とする予想移動範囲(Da)の大きさを、LED7aの移動距離量が長い場合には大きくし、一方、LED7aの移動距離量が短い場合には小さくする。
また、予想移動範囲決定部66は、時間tnから時間tn+s2で頭部装着型表示装置付ヘルメット10の角度移動量を算出することで、時間tnから時間tn+s2までのLED7a、7b、7cの移動距離量を算出する。これにより、LED7aの予想移動位置LED17aを中心とする予想移動範囲(Da)の大きさを、LED7aの移動距離量が長い場合には大きくし、一方、LED7aの移動距離量が短い場合には小さくする。よって、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の移動速度が速い場合にも、予想移動範囲(Da、Db、Dc)にLED7a、7b、7cが存在しなくなることをより防ぐとともに、頭部装着型表示装置付ヘルメット10の移動速度が遅い場合に、予想移動範囲(Da、Db、Dc)に2個以上のLED7a、7b、7cが同時に存在することをより防ぐことができる。
2 カメラ装置
3 遊戯者
4 3軸ジャイロセンサ(対象物角速度検出センサ)
7 LED群(光学マーカー)
10 頭部装着型表示装置付ヘルメット(対象物)
22 相対情報算出部
23 角度移動量算出部
24 光学マーカー位置情報算出部
26 光学マーカー推定部
44 光学マーカー記憶部
Claims (5)
- 対象物に位置決めされて取り付けられた3個以上の同一の光学マーカーと、
前記光学マーカーからの光線を立体視で検出するカメラ装置と、
検出された光線に基づいて、前記3個以上の光学マーカーのそれぞれの現在位置を含む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を記憶する光学マーカー記憶部と、
前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記カメラ装置に対する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、
前記対象物に位置決めされて取り付けられ、前記対象物に作用する対象物角速度を、前記カメラ装置での光線の検出間隔時間より短時間で検出する対象物角速度検出センサと、
前記対象物角速度に基づいて、前記対象物の角度移動量を算出する角度移動量算出部と、
前記光学マーカー記憶部に記憶された光学マーカー位置情報及び角度移動量に基づいて、前記光学マーカーの予想移動位置を推定する光学マーカー推定部とを備え、
前記光学マーカー位置情報算出部は、前記光学マーカーの予想移動位置に基づいて、前記3個以上の光学マーカーをそれぞれ識別することを特徴とするモーショントラッカ装置。 - 前記光学マーカー位置情報算出部は、前記光学マーカーの予想移動位置に基づいて、前記光学マーカーの予想移動範囲を設定することで、前記3個以上の光学マーカーをそれぞれ識別す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。
- 前記光学マーカーの予想移動範囲は、各光学マーカーの予想移動位置を中心とする球状であることを特徴とする請求項2に記載のモーショントラッカ装置。
- 前記角度移動量に基づいて、前記光学マーカーの移動距離量を算出することで、前記光学マーカーの予想移動範囲の大きさを決定する予想移動範囲決定部を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載のモーショントラッカ装置。
- 前記対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、
前記カメラ装置は、前記搭乗者が搭乗する移動体に取り付けられ、
さらに、前記移動体に取り付けられ、前記移動体に作用する移動体角速度を、前記対象物角速度検出センサと同時間に検出する移動体角速度検出センサを備え、
前記角度移動量算出部は、前記対象物角速度と移動体角速度とに基づいて、前記カメラ装置に対する対象物の角度移動量を算出することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のモーショントラッカ装置。
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