JP5705514B2 - 発光マーカ装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置測定やモーションキャプチャに用いられる発光マーカ装置に関するものである。

被測定体の位置測定やモーションキャプチャの技術としては、自発光体である発光マーカ装置を、被測定体上の代表点に固定し、複数台のカメラで被測定体を撮影した画像に対する画像認識処理によって算出した各発光マーカ装置の三次元座標やその変化を、被測定体上の代表点の三次元座標やその変化として計測する技術が知られている。

そして、このような発光マーカ装置としては、たとえば、ＬＥＤなどの発光素子と、発光素子からの出射光の散乱角を調整するためのレンズとを備えた発光マーカ装置が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２００５-２６５４８１号公報

位置測定やモーションキャプチャの被測定体が、水や海水等の液体上に浮かぶ浮体であるときには、浮体に固定した発光マーカ装置の姿勢が、浮体の姿勢の変動と共に変化するために、浮体の姿勢によっては発光マーカ装置の出射光が波等の液面に反射して、カメラによって観測されてしまい、発光マーカ装置の出射光の液面上の反射点が、出射光の出射位置すなわち発光マーカ装置の位置として誤計測されてしまうことがあった。

そこで、本発明は、液面の反射による誤測定を排して、浮体の位置測定やモーションキャプチャを良好に行える発光マーカ装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、自発光する発光マーカ装置として、球形の中空を有する透明な外体と、前記外体の前記中空内に配置された内体とを有する発光マーカ装置を提供する。ここで、前記内体は、前記外体の中空の内部において前記外体に対して自由回転可能に配置された透明な球体と、当該球体内部に固定配置されたバッテリと、当該球体内部に固定配置された、前記バッテリを電源として稼働する発光装置とを備えたものであり、前記発光装置は、発光素子と前記発光素子の発光を駆動する駆動部とを備えたものである。また、前記内体の重心は、前記球体の中心より偏っている。

このような発光マーカ装置によれば、外体を浮体に固定して使用しているときに、外体が浮体の姿勢の変動に伴って変化すると、外体内部の球体は、外体に対して、内体の重心が下方に位置するように回転する。よって、外体の姿勢が浮体の姿勢の変動に伴って変化しても内体の上下方向は変化せず、球体の内部に固定された発光素子の出射光の上下方向は一定に維持される。

よって、発光素子の球体に対する固定の姿勢を適当に設定することにより、発光マーカ装置の出射光が水面に向かわないようにすることが可能となり、発光マーカ装置の出射光の水面の反射による発光マーカ装置の三次元座標の誤測定は抑止される。
ここで、以上のような発光マーカ装置は、前記発光素子を当該発光素子からの光が、前記球体の中心から前記内体の重心に向かう方向と反対方向に出射するように前記球体内に固定配置するようにしてもよい。
また、前記外体は球形状の外形を有するものとしてもよい。
また、以上のような発光マーカ装置は、球体を外体の内部において外体に対して自由回転可能とするための手段として、前記外体と前記球体の間に配置された複数の球状のベアリングを備えたものとしてもよい。または、以上のような発光マーカ装置は、球体を外体の内部において外体に対して自由回転可能とするための手段として、前記外体と前記球体の間に封入された液体を有するものとしてもよい。

また、以上の発光マーカ装置は、前記発光装置に、前記外体の外部よりカメラのシャッタータイミングを示す同期信号を無線受信する無線受信部を備え、前記駆動部において、当該無線受信部が受信した同期信号に同期したタイミングで、前記発光素子が間欠的に発光するように、前記発光素子を駆動するように構成することも、発光素子の無用の発光による電力消費を抑制する上で好ましい。

また、以上の発光マーカ装置に、前記球体内部に固定配置された、前記バッテリから前記発光装置への電力供給の有無の切替動作を行う、当該切替動作を、前記外体の外部から磁力によって操作可能な電源供給制御部を備えることも好ましい。

以上のように、本発明によれば、浮体の位置測定やモーションキャプチャを、液面の反射による誤測定を排して良好に行える発光マーカ装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るモーションキャプチャシステムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る発光マーカ装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る発光マーカ装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る発光制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＬＥＤの駆動タイミングを示す図である。 本発明の実施形態に係る電源供給制御部の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るモーションキャプチャシステムの構成を示す。
図示するように、モーションキャプチャシステムは、水槽に蓄えられた水２００の水上に浮かぶ浮体２０１の運動を計測するシステムであり、浮体２０１の上に固定された複数の発光マーカ装置１、浮体２０１の移動空間を上方より撮影する複数のビデオカメラ２、各ビデオカメラ２が撮影したビデオより発光マーカ装置１の各時点における三次元座標を計測するモーションキャプチャ装置３、無線送信装置４を備えている。

次に、発光マーカ装置１の構成について説明する。
図２ａに発光マーカ装置１の斜視図を、図２ｂに発光マーカ装置１の上面図を、図２ｃに発光マーカ装置１の下面図を、図２ｄに図２ｂの断面線Ａ-Ａによる発光マーカ装置１の断面図を、図２ｅに発光マーカ装置１の模式的な組み立て図を示す。
図示するように、発光マーカ装置１は、球形状の透明な球形状の中空を有する外球体１１と、外球体１１の内部に外球体１１と入れ子状に配置した中空球形状の透明な内球体１２を備えている。そして、外球体１１の内壁と内球体１２の外壁の間には、球形状の複数のベアリング１３が挿入されており、内球体１２は、外球体１１の内部の下方に重力によって集まったベアリング１３の上に、ベアリング１３によって下部を支持された形態で配置されている。

そして、内球体１２の内部には、内球体１２及び内球体１２の収容物（後述する錘１４と回路基盤１７）との全体との重心を内球体１２の中心から偏った位置とするための錘１４が固定されており、内球体１２の中心から前記重心に向かう方向を下方向として、内球体１２の内側の上下方向中央部分には、発光マーカ装置１の発光機能を実現するための発光装置１５とバッテリ１６を搭載した回路基盤１７が、発光装置１５が備えるＬＥＤ１５１の出射光の中心方向が上方向となるように固定されている。

さて、このような発光マーカ装置１は、図３ａに示すように、浮体２０１に固定された固定具５によって、外球体１１の下部を外側から固定することにより、浮体２０１に固定される。
そして、このような発光マーカ装置１によれば、図３ｂ、ｃに示すように、外球体１１の姿勢が浮体２０１の姿勢の変動に伴って変化すると、内球体１２は、外球体１１の内部で、下方に重力によって集まるベアリング１３上で、錘１４によって設定された重心が下方に位置するように回転する。よって、外球体１１の姿勢が浮体２０１の姿勢の変動に伴って変化しても内球体１２の上下方向は変化せず、内球体１２の内部に固定された回路基盤１７に設けられたＬＥＤ１５１の出射光の中心方向も上方向に維持される。なお、図３ａ-ｃ中における白の星印は、外球体１１上の同一点を表し、図３ａ-ｃ中における黒の星印は、内球体１２上の同一点を表している。

よって、発光マーカ装置１の出射光が水面に向かうことはなく、発光マーカ装置１の出射光の水面の反射による発光マーカ装置１の三次元座標の誤測定は抑止される。
なお、以上では、外球体１１の内壁と内球体１２の外壁の間にベアリング１３を挿入することにより、外球体１１に対して内球体１２が自由回転できるようにしたが、これは、図３ｄに示すように、ベアリング１３に代えて、外球体１１の内壁と内球体１２の外壁の間に水、油等の液体１８を封入して、外球体１１に対して内球体１２が自由回転できるようにしてもよい。このようにしても、ベアリング１３を用いた場合と同様に、外球体１１の姿勢が浮体２０１の姿勢の変動に伴って変化しても内球体１２の上下方向は変化せず、内球体１２の内部に固定された回路基盤１７に設けられたＬＥＤ１５１の出射光の中心方向も上方向に維持されることとなる。

また、内球体１２の外壁と外球体１１の内壁との間の滑降性が外球体１１に対して内球体１２が自由回転できるほど充分に大きい（摩擦が充分に小さい）場合には、外球体１１の内壁と内球体１２の外壁の間に、何も設けないようにしてもよい。
次に、発光マーカ装置１の回路基盤１７に搭載される発光装置１５について説明する。
図４ａに、発光装置１５の構成を示す。
図示するように発光装置１５は、上述したＬＥＤ１５１と、ＬＥＤ１５１の発光を制御する発光制御部１５２と、発光制御部１５２へのバッテリ１６からの電力供給を制御する電源供給制御部１５３とを備えている。
また、回路基盤１７には、バッテリ１６と発光装置１５の他に、外部より非接触給電を受け、バッテリ１６を充電する非接触充電回路１９も搭載するようにしてもよく、この場合、図４ｂに示すように、非使用時に発光マーカ装置１を収容しておくためのスタンド５を設け、スタンド５に、電磁誘導等によって発光マーカ装置１の非接触充電回路１９に非接触で給電を行う給電装置５１を内蔵するようにする。

さて、図４ａに戻り、発光制御部１５２は、無線受信装置４０１、駆動信号生成部４０２、スリープ制御部４０３、ＬＥＤ１５１を駆動するＬＥＤ駆動部４０４とを備えている。
ここで、図１に戻り、モーションキャプチャ装置３は、ビデオカメラ２の撮影実行中、図５ａに示す所定周期のパルス信号であるＳＹＮＣ信号をビデオカメラ２に出力し、ビデオカメラ２は図５ｂに示すようにＳＹＮＣ信号のパルスに同期したタイミングで、所定のシャッタースピード（たとえば、1/1000)でシャッターを開く（画像を取り込む）撮影動作を行う。

また、モーションキャプチャ装置３は、発光マーカ装置１の利用開始時に、オン制御信号を無線送信装置４から無線送信し、発光マーカ装置１の利用終了時にオフ制御信号を無線送信装置４から無線送信する。また、発光マーカ装置１の利用中はモーションキャプチャ装置３がビデオカメラ２に出力するＳＹＮＣ信号を無線送信装置４に無線送信させる。

一方、図４ａにおいて、無線受信装置４０１は、無線送信装置４から無線送信された信号を受信し、受信したＳＹＮＣ信号を駆動信号生成部４０２に中継する。また、無線受信装置４０１は、受信したオン制御信号とオフ制御信号を受信した場合には、その旨を、スリープ制御部４０３に通知する。

そして、駆動信号生成部４０２は、図５ｃに示すような無線受信装置４０１から中継されたＳＹＮＣ信号であるＲＳＹＮＣ信号に同期した、図５ｄに示すＬＥＤＯＮ信号を生成しＬＥＤ駆動部４０４に出力する。
ここで、この図５ｄに示すＬＥＤＯＮ信号は、自走式で生成した、ＳＹＮＣ信号と同周期でビデオカメラ２のシャッタースピードと同じ時間長ＯＮとなるクロック信号の、ＯＮへの変化タイミングを、ＲＳＹＮＣを用いて、当該ＬＥＤＯＮ信号がＯＮとなる期間が、図５ｂに示すビデオカメラ２のシャッターが開く期間と一致するように調整することにより生成される。

ここで、このようにＬＥＤＯＮ信号は、自走式で生成したクロック信号のタイミングを調整することにより生成されるものであるため、ＳＹＮＣ信号の受信漏れ、すなわち、ＲＳＹＮＣ信号におけるパルス欠けが発生した場合でも、ＬＥＤＯＮ信号にはパルス欠けは発生しない。

さて、図４ａに戻り、スリープ制御部４０３は、無線受信装置４０１から、オン制御信号を受信すると、ＬＥＤ駆動部４０４のＬＥＤ駆動動作を開始させ、オフ制御信号を受信すると、ＬＥＤ駆動部４０４のＬＥＤ駆動動作を停止させる。
一方、ＬＥＤ駆動部４０４は、ＬＥＤ駆動動作中、ＬＥＤＯＮ信号がＯＮである期間中のみ、ＬＥＤ１５１を駆動し発光させ、ＬＥＤ駆動動作停止中は、ＬＥＤ１５１の駆動を行わない。
結果、このようなスリープ制御部４０３の動作により、発光マーカ装置１のＬＥＤ１５１の駆動動作のオン/オフは、モーションキャプチャ装置３からリモート制御できることとなる。よって、非計測時には、適宜、ＬＥＤ１５１の駆動動作をリモート制御でオフさせて、不要なＬＥＤ１５１の発光や、ＬＥＤ１５１の駆動による電力消費を抑止することができる。
また、ＬＥＤ１５１の駆動動作中も、ビデオカメラ２のシャッターが開いている期間中のみＬＥＤ１５１は発光することとなり、無用の発光による電力消費が抑えられる。

次に、図６ａに、電源供給制御部１５３の構成を示す。
図示するように、電源供給部は、リードスイッチ６０１、第１抵抗６０２（Ｒ１）、第２抵抗６０３（Ｒ２）、コンデンサ６０４、バッファ６０５、Ｄ型フリップフロップ６０６、ＦＥＴスイッチ６０７とを備えている。なお、バッファ６０５とＤ型フリップフロップ６０６には、バッテリ１６から常時給電されている。

さて、このような構成において、リードスイッチ６０１は、磁石が接近すると磁力によってＯＮとなり、磁石が遠ざかるとオフとなる。
リードスイッチ６０１がオンとなると、バッテリ１６からの電力が、第１抵抗６０２を介してコンデンサ６０４に蓄電され、これによりバッファ６０５の入力電圧が上昇し、バッファ６０５の出力がＬからＨに変化する。そして、バッファ６０５の出力がＬからＨに変化すると、バッファ６０５の出力をクロック入力とするＤ型フリップフロップ６０６は反転出力/Ｑをラッチし、出力Ｑが反転する。そして、出力Ｑをゲート電圧とするＦＥＴスイッチ６０７がオン/オフ状態が反転し、バッテリ１６から発光制御部１５２への電力供給の有無が切り替わる。

一方、リードスイッチ６０１がオフとなると、第１抵抗６０２、第２抵抗６０３を介してコンデンサ６０４は放電され、バッファ６０５の入力電圧が下降し、バッファ６０５の出力がＨからＬに変化する。
結果、図６ｂに示すように、磁石８を、外部から発光マーカ装置１に近づけて、リードスイッチ６０１がオンする度に、バッテリ１６から発光制御部１５２への電力供給の有無を、回路基盤１７に機械的にアクセスすることなく切り替えることができるようになる。
以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、ＬＥＤ１５１の出射光の中心方向を上方向としたが、これは用途に応じて所望の方向としてもよい。
また、以上の実施形態では、発光マーカ装置１を浮体２０１に固定して用いたが、発光マーカ装置１は任意の物体に固定して当該物体の位置や運動を計測するために用いることができる。
また、発光マーカ装置単体を他の物体に固定せずに用いて、状況の変化に伴う当該発光マーカ装置１の運動を計測するために用いることもできる。
また、以上の実施形態では、外球体１１の外形を球形状としたが、外球体１１の外形は必ずしも球形状である必要はなく、球形状の中空を有する任意の形状としてよい。

１…発光マーカ装置、２…ビデオカメラ、３…モーションキャプチャ装置、４…無線送信装置、５…固定具、５…スタンド、８…磁石、１１…外球体、１２…内球体、１３…ベアリング、１４…錘、１５…発光装置、１６…バッテリ、１７…回路基盤、１８…液体、１９…非接触充電回路、５１…給電装置、１５１…ＬＥＤ、１５２…発光制御部、１５３…電源供給制御部、２００…水、２０１…浮体、４０１…無線受信装置、４０２…駆動信号生成部、４０３…スリープ制御部、４０４…ＬＥＤ駆動部、６０１…リードスイッチ、６０２…第１抵抗、６０３…第２抵抗、６０４…コンデンサ、６０５…バッファ、６０６…Ｄ型フリップフロップ、６０７…ＦＥＴスイッチ。

Claims (6)

1. 自発光する発光マーカ装置であって、
   球形の中空を有する透明な外体と、
   前記外体の前記中空内に配置された内体とを有し、
   前記内体は、
   前記外体の中空の内部において前記外体に対して自由回転可能に配置された透明な球体と、
   当該球体内部に固定配置されたバッテリと、
   当該球体内部に固定配置された、前記バッテリを電源として稼働する発光装置とを有し、
   前記発光装置は、発光素子と前記発光素子の発光を駆動する駆動部とを備え、
   前記内体の重心は、前記球体の中心より偏っており、かつ、
   前記発光装置は、前記外体の外部よりカメラのシャッタータイミングを示す同期信号を無線受信する無線受信部を備え、
   前記駆動部は、当該無線受信部が受信した同期信号に同期したタイミングで、前記発光素子が間欠的に発光するように、前記発光素子を駆動することを特徴とする発光マーカ装置。
   
2. 請求項１記載の発光マーカ装置であって、
   前記発光素子は当該発光素子からの光が、前記球体の中心から前記内体の重心に向かう方向と反対方向に出射するように前記球体内に固定配置されていることを特徴とする発光マーカ装置。
   
3. 請求項１または２記載の発光マーカ装置であって、
   前記外体は球形状の外形を有することを特徴とする発光マーカ装置。
   
4. 請求項１、２または３記載の発光マーカ装置であって、
   前記外体と前記球体の間に配置された複数の球状のベアリングを有することを特徴とする発光マーカ装置。
   
5. 請求項１、２または３記載の発光マーカ装置であって、
   前記外体と前記球体の間に封入された液体を有することを特徴とする発光マーカ装置。
   
6. 請求項１、２、３、４または５記載の発光マーカ装置であって、
   前記球体内部に固定配置された、前記バッテリから前記発光装置への電力供給の有無の切替動作を行う、当該切替動作を、前記外体の外部から磁力によって操作可能な電源供給制御部を備えることを特徴とする発光マーカ装置。