JP5297942B2 - 位置情報マーク作製装置および位置情報マークの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の位置および方位角を同定するためのマーク設置位置指示装置およびマーク設置方法に関する。

従来、移動体に搭載されたカメラで移動体経路近傍に設置された位置情報マークを撮影し、その画像に基づいてマークと移動体との相対的な位置関係を算出し、移動体の位置および方位角を同定する技術が知られている（特許文献１、特許文献２）。また、サイズが既知のダミーマークを所望の場所に設置し、位置と方位角が既知のカメラでダミーマークを撮影した画像に基づきダミーマークの真の位置を算出し、ダミーマークの替わりに設置されるべき位置情報マークを作製する技術が知られている（特許文献３）。

特開２００６−１９５９１３号公報 特開２００７−１６４４４１号公報 特開２００８−３１１７８９号公報

特許文献１乃至３によれば、位置情報マークおよびダミーマークの例として、正方形の二次元バーコードの利用が有利であるとされる。しかしながら、位置情報マークの正面にカメラが位置する状況は稀であり、多くの場合、カメラ画像における二次元バーコード像は歪むため、カメラから遠ざかる方向に存在するセル（二次元バーコードを構成する単色小図形）ほど縮小された画像となる。したがって、想定される最小のセル画像サイズを基に、正方形のマーク全体のサイズの下限が決定されるが、マークのサイズが過大とならないことが一般に要請される。
そこで、本発明は、サイズが過大とならない位置情報マークの提供と、そのマークの作製方法の提供を目的とする。

本願で開示する発明の概要を説明すれば以下の通りである。

すなわち、複数の単色セルの組み合わせであるシンボルを形成し、第１の二次元射影変換パラメータに従い、前記シンボルから位置情報マークへ二次元射影変換し、第２の二次元射影変換パラメータに従い、前記位置情報マークを投影用画像へ二次元射影変換し、前記投影装置は、前記投影用画像を投影し、前記カメラは、投影された前記投影用画像を撮像し、前記情報処理装置は、前記カメラにより撮像された撮像画像と前記シンボルの各単色セルの色が一致する比率を算出することにより、前記投影用画像の読み取り品質を評価することを特徴とする位置情報マーク作成装置である。

本発明によれば、単色セルのサイズが均一の二次元コードを位置情報マークとして利用する場合に比べ、読み取り失敗の可能性の抑制と、位置情報マークの設置面積の削減を両立できる。

本発明の一実施形態の位置情報マークを利用した、店舗内ナビゲーションシステムの構成を示す図である。 従来一般に用いられている二次元コードのセル配置を示す図である。 正方形の二次元コードを下方から撮影した場合の変形を示す図である。 二次元射影変換を示す図である。 二次元射影変換を示す図である。 二次元射影変換の一種である台形化変換を示す図である。 本発明による位置情報マークの一例を示す図である。 本発明の一実施形態の位置情報マーク作製装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の位置情報マーク作製装置と位置情報マークが設置される場所との位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態の位置情報マーク試作評価処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態の位置情報マークを利用した、店舗内ナビゲーションシステムの構成を示す図である。

店舗９００内部の壁９０１の表面の特定の場所９０２に、位置情報マーク１００が設置されている。壁９０１は、通路９０３に隣接しており、通路９０３には買物客９０４が通行する。買物客９０４はカート８００を利用して商品を運搬する。カート８００には、位置方位角同定装置８１０と、情報表示装置８７０が搭載されている。位置方位角同定装置８１０には、カメラ８１１が備えられており、カメラ８１１は常時撮像する。位置情報マークが設置された場所９０２は、カメラ８１１よりも高所に位置する。カート８００が通路９０３を通過する過程で、カメラ８１１が位置情報マーク１００の撮影に成功すると、その結果得られた画像を基に、位置方位角同定装置８１０は、カート８００の位置を示す座標値Ｘ、Ｙおよび方位角θを算出する。算出された座標値Ｘ、Ｙおよび方位角θを基に、カートを表す記号が、店舗内の地図と共に情報表示装置８７０に表示され、買物客９０４の利便性向上に供される。

なお、位置情報マーク１００を設置する場所９０２は、壁の表面に限定されず、柱や梁や天井の表面であってもよい。また、設置場所９０２は、通路９０３に対し直角を成す平面に限定されない。

図２は、従来一般に用いられている二次元コードのセル配置を示す図である。二次元コード１１０には、単色セルが規則的に配置されており、各単色セルのサイズは等しい。すなわち、周囲との境界を表すクワイエットゾーン１１３を除くシンボル１１１の最上行に位置する単色セル１１２ａと、最下行に位置する単色セル１１２ｂは、どちらも正方形であり、一辺の長さが等しい。このため、図３（ａ）に例示する二次元コード１１０ａを、図１の場所９０２に設置し、カメラ８１１により下方から撮影すると、その画像は例えば図３（ｂ）に示す図形１１０ｂのように変形し、上に位置する単色セルほどサイズが小さくなる。この変形は、座標変換の一種である平面図形の射影変換として一般に表現可能であるという性質がある。以下、平面図形の射影変換を、二次元射影変換と表記する。画像処理により二次元コードを正常にデコードするためには、画像内において最もサイズの小さくなる単色セルでも識別可能となるように、単色セル１１２ａや１１２ｂの一辺の長さを十分に大きくする必要がある。その結果、位置情報マーク全体の面積が過剰に大きくなり、位置情報マークを所望の場所に設置する上での無視できない制約となっていた。

ここで、以下の説明の便宜のために、二次元射影変換の一般的な性質について説明する。

図４のような中心投影の視点を原点Ｏとする視点座標系において、カメラの焦点距離ｆに相当するｚ＝ｆの位置に、透視投影面（カメラにより投影された撮影画像２０２を含んでいる平面）π２が存在する。この三次元空間内に存在する平面図形（原図）２０１を含んでいる平面π１は、一般に透視投影面π２と平行でなく、撮影画像２０２は、原図２０１のアフィン変換によって表現することができない。原図２０１を含んでいる平面π１を、ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃと表すと、原図２０１上の点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、透視投影面π２では点Ｑ（Ｘ，Ｙ，ｆ）に変換される。ただし、Ｘ＝ｆ・ｘ／ｚ＝ｆ・ｘ／（ａｘ＋ｂｙ＋ｃ）、Ｙ＝ｆ・ｙ／ｚ＝ｆ・ｙ／（ａｘ＋ｂｙ＋ｃ）である。一方、原図２０１は、平面π１上の局所二次元直交座標系（ｕ，ｖ）で表現することができる。この（ｕ，ｖ）から（Ｘ，Ｙ）への変換が、二次元射影変換である。二次元射影変換の逆変換も、二次元射影変換である。

二次元射影変換は、図５（ａ）に示すような（ｕ，ｖ）座標系における４点Ｐ１（０，０）、Ｐ２（１，０）、Ｐ３（１，１）、Ｐ４（０，１）の、図５（ｂ）に示すような（Ｘ，Ｙ）座標系における４点Ｑ１（Ｘ１，Ｙ１）、Ｑ２（Ｘ２，Ｙ２）、Ｑ３（Ｘ３，Ｙ３）、Ｑ４（Ｘ４，Ｙ４）への変換であり、８個の独立したパラメータで特定可能であるが、６個の独立したパラメータで特定可能なアフィン変換でない。上記のＰ１とＱ１、Ｐ２とＱ２のような変換前後の図形の対応点を、以下、標定点と表記する。また、二次元射影変換を特定するパラメータを、以下、二次元投影変換パラメータと表記する。

図６に示す座標変換は、一辺の長さが１の正方形２２１の、台形２２２への変換であり、二次元射影変換の特殊な例である。この変換を、以下、台形化変換と表記し、図中の３個のパラメータｅ（上底長さと下底長さの差の１／２倍）、ｇ（下底長さ）、ｈ（高さ）を、台形化パラメータと表記する。

図７は、本発明による位置情報マーク１００の一例を示す図である。位置情報マーク１００には、複数の単色セルの組み合わせであるデータセル群１０１が存在する。図７の例では、２１行２１列の合計４４１個の単色セルによりデータセル群１０１が構成されている。個々の単色セルは、明度の異なる２種類の色のいずれか一方でセル全体が塗られている。単色セルの２種類の色は、確実に区別されることが要請されるため、白と黒の２色であることが好ましいが、設置環境の美観等に配慮して、例えば白と青の２色のような、白と黒以外の組み合わせであってもよい。以下、白と黒の２色の場合を例に説明する。
データセル群１０１の外側には、白色領域１０３が存在する。データセル群１０１および白色領域１０３は、図２のシンボル１１１およびクワイエットゾーン１１３を台形化変換することにより作成できる。この変換により、位置情報マークは台形となり、個々の単色セルのサイズは、上への変位に応じて単調に増加する。すなわち、例えば最上行に位置する単色セル１０２ａは、最下行に位置する単色セル１０２ｂよりもサイズが大きい。

白色領域１０３の外側には、周囲との境界を表す黒色領域１０４が存在し、白色領域１０３と黒色領域１０４の境界線１０５は、標定用シンボルとして機能する。すなわち、境界線１０５の４個の頂点１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄを標定点として、カメラ８１１により撮影された画像が正方形となるように二次元射影変換することにより、図２に例示する従来の二次元コードと同様のデコード手順を適用することが可能である。

位置情報マーク１００に記載される情報符号は、データセル群１０１を構成する単色セルの組み合わせの形でエンコードされる。このエンコード方法は、エラー訂正符号を含む二次元コードのエンコード方法を利用することが有利である。例えば、図７に示す２１行２１列のデータセル群は、２１×２１モジュールで構成される１型の二次元コードと同じ配色パターンとすることが好ましい。

前述の情報符号の一例は、位置情報マーク１００を構成する４個の標定点１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄの、場所９０２における４個の対応点１６５ａ、１６５ｂ、１６５ｃ、１６５ｄの三次元座標値である。これらの数値を直接記述する代わりに、代表となる点の座標と方向ベクトルや姿勢角との組み合わせの形で記述してもよい。また、前述の情報符号は位置情報マーク１００を識別するためのＩＤ番号としてもよいが、この場合は、位置方位角同定装置８１０に、ＩＤ番号から全標定点の座標値を求めるデータベース機能を備える。

図８は、本発明の一実施形態の位置情報マーク作製装置３００を構成を示す図である。また、図９は、位置情報マーク作製装置３００と、位置情報マークが設置される場所９０２との位置関係を示す図である。

位置情報マーク作製装置３００は、操作者の操作を受け付ける入力装置３０１、操作者に情報を提供する出力装置３０２、投影用画像を所望の場所に投影する投影装置３０３、所望の場所を撮影するカメラ３０４、位置情報マークを印刷する印刷装置３０５、各種の情報を処理する情報処理装置３０８により構成される。情報処理装置３０８は、正方形のシンボル１１１を作製する正方形シンボル作製部３８１、シンボル１１１を基に位置情報マークを作製するマーク作製部３８２、位置情報マークを基に投影用の画像を作製する投影用画像作製部３８３、カメラ３０４が撮影した画像を解析する画像解析部３８４、画像解析結果を基に投影用画像を評価する投影用画像評価部３８５、各部および装置を制御する制御部３８０により構成される。

入力装置３０１は、キーボード、マウス、タッチパネル、トラックボール等の、計算機の入力装置として一般に普及している装置である。

出力装置３０２は、計算機の出力装置として一般的な画像ディスプレイ装置である。

印刷装置３０５は、レーザープリンタやインクジェットプリンタ、感熱紙プリンタ等である。

カメラ３０４は、カラーまたはモノクロのいずれの型でもよいが、撮影された画像を非可逆圧縮して出力する型の場合、後述の画像解析処理による標定点の位置算出精度を低下させる恐れがあるため、非圧縮画像または可逆圧縮された画像を出力する型が好ましい。カメラ３０４は、所望の設置場所９０２に投影された位置情報マーク１００を撮影することを目的としており、後述の試作評価処理の際には、事前に適切な位置および姿勢に設置される。

投影装置３０３は、位置情報マーク１００を、所望の設置場所９０２に投影することを目的としており、後述の試作評価処理の際には、事前に適切な位置および姿勢に設置される。

図１０は、本発明の一実施形態の位置情報マーク試作評価処理を示すフローチャートである。操作者３９０から入力装置３０１を介して与えられた処理開始の命令を制御部３８０が受信すると、制御部３８０が正方形シンボル作製部３８１に対し、シンボル１１１の作製を指示する（ステップｓ６０１）。正方形シンボル作製部３８１は、予め指定された特定の情報符号を基に、必要に応じてエラー訂正符号の付加やマスクパターンとの排他的論理和演算を施し、データセル群１０１の各単色セルの色を決定し、正方形のシンボル１１１を作製する。

シンボル１１１の作製が完了すると、制御部３８０はマーク作製部３８２に対し、位置情報マーク１００の作成を指示する（ステップｓ６０２）。マーク作製部３８２は、ステップｓ６０１において作製されたシンボル１１１を基に、予め操作者３９０により入力された台形化パラメータに従い、ラスタ画像またはベクタ画像の形で位置情報マーク１００を作製する。ここで、特定の情報符号とは、ＩＤ番号でもよいし、仮に与えられた標定点の座標値でもよいし、事前に操作者により入力された値でもよい。入力装置３０１は、操作者３９０による台形化パラメータの入力を随時受け付ける。台形化パラメータの変更操作を、本ステップの処理開始命令としてもよい。

位置情報マーク１００の作製が完了すると、制御部３８０は、投影用画像作製部３８３に対し、投影用画像１５０の作製を指示する（ステップｓ６０３）。これは、後述のステップｓ６０４において、位置情報マーク設置場所９０２に位置情報マーク１００が正しく台形として投影されるように、投影用の画像を作製することを目的としている。一般に投影装置３０３が位置情報マーク設置場所９０２の正面に位置していないため、位置情報マーク１００をそのまま投影すると、その投影像１６０は台形とは異なる形状になってしまうため、この変換が必要とされる。投影用画像作製部３８３は、ステップｓ６０２において作製された位置情報マーク１００を二次元射影変換することにより、投影用画像１５０を作製する。この際に用いられる二次元射影変換パラメータは、事前に操作者３９０により入力されていた値でもよく、制御部３８０が試行錯誤により決定する値でもよい。また、位置情報マーク設置場所９０２と、投影装置３０３の相対位置および相対姿勢が既知の場合は、その値を基に算出された値でもよい。

投影用画像１５０の作製が完了すると、制御部３８０は、投影装置３０３に対し、投影用画像１５０を送信し、投影開始を指示する（ステップｓ６０４）。

投影が開始されると、制御部３８０は、カメラ３０４に対し、撮影された画像の提供を指示する（ステップｓ６０５）。この結果、位置情報マーク設置位置９０２に、位置情報マークの投影像１６０が表示される。

制御部３８０は、カメラ３０４により撮影された撮影画像１７０の受信が完了すると、画像解析部３８４に対し、撮影画像１７０を送信し、位置情報マーク１００の算出および読み取り品質の算出を指示する（ステップｓ６０６）。画像解析部３８４は、撮影画像１７０内の黒色領域１０４および白色領域１０３の候補となる部分画像をエッジ抽出手法により検出し、それらの境界線から標定点の候補となる４個の点１７５a、１７５ｂ、１７５ｃ、１７５ｄを算出するとともに、白色領域の候補の内側の部分画像をデータセル群１０１の候補とする。

次に画像解析部３８４は、投影装置の透視投影面２５９に含まれる投影用画像１５０を構成する４個の標定点１５５a、１５５ｂ、１５５ｃ、１５５ｄの座標値（２次元）と、カメラの透視投影面２７９に含まれる撮影画像１７０を構成する４個の標定点の候補１７５a、１７５ｂ、１７５ｃ、１７５ｄの座標値（２次元）と、投影装置３０３の位置および姿勢角と、カメラ３０４の位置および姿勢角とを基にして、位置情報マーク設置場所９０２に投影された４個の標定点の投影像１６５a、１６５ｂ、１６５ｃ、１６５ｄの座標値（３次元）を算出する（ステップｓ６０７）。なお、投影装置３０３の位置および姿勢角と、カメラ３０４の位置および姿勢角とは、事前に操作者３９０により入力装置３０１を介して入力されていた値を用いてもよいし、投影装置３０３やカメラ３０４が位置あるいは姿勢角の計測手段を備えていて、その計測値を用いてもよい。

さらに画像解析部３８４は、得られたデータセル群１０１の候補画像を、前記の標定点の候補１７５a、１７５ｂ、１７５ｃ、１７５ｄの座標値を基に正方形に二次元射影変換し、各単色セルの色が、ステップｓ６０２において作製された位置情報マーク１００の単色セルの色と一致する比率（以下、一致率と表記する）を算出する（ステップｓ６０８）。黒色領域１０４および白色領域１０３の候補が複数存在する場合は、一致率が最大となる候補を真の位置情報マーク１００とみなし、その候補の一致率を読み取り品質の値として採用する。

位置情報マーク設置位置９０２に投影された像１６０は、この位置に設置する位置情報マーク１００の代わりに一時的に表示されるダミーマークとして機能することが求められるため、ステップｓ６０８において一致率が最大となる候補について、ステップｓ６０７で算出された４個の標定点の投影像１６５a、１６５ｂ、１６５ｃ、１６５ｄの座標値（３次元）は、同一平面上の台形であることが必要とされる。前記の読み取り品質の算出が完了すると、制御部３８０は、投影用画像評価部３８５に対し、この４点が台形か否かを評価する処理を指示する（ステップｓ６０９ａ）。この結果、台形でない場合は、ステップｓ６０２で用いた二次元射影変換パラメータが不適切であることを意味するので、制御部３８０は、新たな二次元射影変換パラメータを生成し、ステップｓ６０３へ戻る（ステップｓ６０９ｂ）。

適切な二次元射影変換パラメータのもとで位置情報マーク１００の算出と読み取り品質の算出が完了すると、制御部３８０は、出力装置３０２に対し、読み取り品質の値を送信し、読み取り品質の値の表示を指示する（ステップｓ６１０）。出力装置３０２は、読み取り品質の値を画面に表示することで、ステップｓ６０２で指定された台形化パラメータが適切であるか否かを判断する操作者３９０の利便性向上に寄与し、その結果、位置情報マーク１００が過大な面積となることを避けられる。

なお、出力装置３０２が読み取り品質の値を表示する際に、ステップｓ６０２で指定された台形化パラメータや、ステップｓ６０６で算出された位置情報マーク１００ならびに標定点座標値を、併せて表示してもよい。さらに、異なる複数の台形化パラメータとそれに対応する読み取り品質の値を並べて表示して、操作者３９０がその中から最も適切と判断する台形化パラメータを選択し易くしてもよい。

読み取り品質の値の表示が完了すると、制御部３８０は、入力装置３０１を介した操作者３９０の判断結果を待つ（ステップｓ６１１）。入力された判断結果が、台形パラメータの再指定を指示する内容であるならば、ステップｓ６０１へ戻る。

操作者３９０により入力された判断結果が、台形化パラメータの採用ならびに印刷開始を指示する内容である場合は、制御部３８０が印刷装置３０５に対し、採用された位置情報マーク１００の印刷を指示する（ステップｓ６１２）。

投影装置３０３を同一の位置および姿勢に静置することで、投影装置３０３と位置情報マーク設置場所９０２との相対位置および相対姿勢角が保たれるので、ステップｓ６０３で用いられる二次元射影変換パラメータがひとたび定まれば、台形化パラメータが変更されても再度二次元射影変換パラメータを定める必要はない。その一方で、カメラ３０４の位置および姿勢角をカート８００の可動範囲内で多様に変化させ、そのいずれの場合にも読み取り品質が高くエラー訂正符号により情報符号が正常にデコードされるように台形化パラメータを決定することが要請される。したがって、カメラ３０４が投影装置３０３に固定されていないことは実用上有利である。この場合、カメラ３０４として、実際にカート８００に搭載されているカメラ８１１を用いてもよい。

また、実施例では、シンボル１１１は正方形としたが、これに限られるものではなく、例えば、長方形などでも良い。

Claims (4)

1. 所定の平面に設置し、もって撮像により、その設置場所からの移動体の相対位置および方位角を解析するための位置情報マークの像を前記所定の平面に投影する投影装置と、
   前記位置情報マークの評価のために、投影された前記位置情報マークの像を撮影するカメラと、
   情報処理装置とを有し、
   前記情報処理装置は、
   複数の単色セルの組み合わせである正方形のシンボルを形成し、正方形を台形へ変換する第１の二次元射影変換パラメータに従い、前記正方形のシンボルから評価すべき台形形状の位置情報マークへ二次元射影変換し、次に、前記投影装置の相対位置および相対姿勢から算出した第２の二次元射影変換パラメータに従い、前記投影装置から前記所定の平面に投影した際に、前記評価すべき台形形状の位置情報マークが正しく投影されるような元画像である投影用画像へ前記位置情報マークの台形形状を二次元射影変換し、更にカメラにより撮像された撮像画像と前記シンボルの各単色セルの色が一致する比率を算出することにより、前記投影用画像の読み取り品質を評価することを特徴とする位置情報マーク作製装置。
2. 請求項１に記載の位置情報マーク作成装置において、
   前記情報処理装置は、特定の情報符号へエラー訂正符号の付加及びマスクパターンとの排他的論理和演算を施すことにより、前記シンボルの各単色セルの色を決定することを特徴とする位置情報マーク作製装置。
3. 所定の平面に設置し、もって撮像により、その設置場所からの移動体の相対位置および方位角を解析するための位置情報マークの像を、投影装置から前記所定の平面に投影し、投影された前記位置情報マークの像をカメラで撮像して前記位置情報マークの品質の評価を行う位置情報マークの作成方法において、
   複数の単色セルの組み合わせである正方形のシンボルを形成し、
   正方形を台形へ変換する第１の二次元射影変換パラメータに従い、前記正方形のシンボルから評価すべき台形形状の位置情報マークへ二次元射影変換し、
   次に、前記投影装置から前記所定の平面の投影位置の相対位置および相対姿勢から算出した第２の二次元射影変換パラメータに従い、前記位置情報マークを投影用画像へ二次元射影変換し、
   前記投影用画像を投影し、
   カメラにより、投影された前記投影用画像を撮像し、
   前記カメラにより撮像された撮像画像と前記シンボルの各単色セルの色が一致する比率を算出することにより、前記投影用画像の読み取り品質を評価することを特徴とする位置情報マークの製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法において、
   前記シンボルの各単色セルの色は、特定の情報符号へエラー訂正符号の付加及びマスクパターンとの排他的論理和演算を施すことにより決定されることを特徴とする位置情報マークの製造方法。

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