JPH0682242A - ３次元位置・姿勢検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音響システムでの音像制御やヘッド・マウン
ティッド・ディスプレイシステムでの映像制御等におけ
る視聴者の３次元的な位置・姿勢の検出方法として超音
波を利用した検出方法を提供し、検出可能エリアを広範
囲にすると共に高精度なバーチャルリアリティを実現す
る。 【構成】 ヘッドフォン(検出対象)1側が同期基準信号
(電気信号又は光信号)を発信させると共に各超音波発生
器E1,E2,E3から時間帯を異にして超音波を発信させ、音
像制御ユニット2が同期信号の検出に基づいて各超音波
の発信時から各超音波センサS1,S2,S3の超音波検出時ま
での遅延時間を計測し、その遅延時間に基づいて各超音
波センサS1,S2,S3と各超音波発生器E1,E2,E3と距離情報
を求め、その距離情報から検出対象の位置と姿勢を検出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は３次元位置・姿勢検出方
法に係り、物体の動作を３次元的に検出し、各種の制御
情報として利用する場合に適用され、超音波を用いた簡
単な装置によって広いエリアでの安定した検出を可能に
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機やロボット等の姿勢制御システム
だけでなく、物体の３次元的な動作を検出して各種の制
御を行う方式は様々な分野で行われているが、最近では
音響システムでの音像制御やヘッド・マウンテッド・ディ
スプレイシステムでの映像制御においてもそのバーチャ
ルリアリティ(Virtual reality)を得るために視聴者の
３次元的な位置や姿勢を正確に検出することが必要にな
っている。

【０００３】そして、その種の検出装置としては、図５
に示されるような磁場を利用した簡易な３次元デジタイ
ザが提案されており、実際にヘッド・マウンテッド・ディ
スプレイシステム等に応用されている。このデジタイザ
の検出原理は、固定されたソースコイル(３次元直交コ
イル)51にドライブ回路52で交流を通電させ、ソースコ
イル51が発生させる磁界53を検出対象に取付けられたセ
ンサコイル(３次元直交コイル)54で検出するものであ
り、センサコイル54に誘起される電圧を信号検出回路55
で検出し、コンピュータ56が前記の各検出信号レベルを
用いてセンサコイル54の位置と姿勢を演算して制御情報
を作成するようになっている。

【０００４】従って、センサコイル54を検出対象である
ディスプレイゴーグル又はそれを装着した者の頭部等に
取付けておけば、装着者の位置・姿勢情報を得ることが
でき、その情報を用いて映像の制御を実行することによ
りバーチャルリアリティを実現した映像表現が可能にな
る。

【０００５】そして、この検出方法は２個の３次元直交
コイルを用いた極めて簡単な構成で実現できるため、航
空機の姿勢制御に用いられているジャイロ等と異なり、
検出精度はそれほど高くないが、小型で軽量な装置で位
置・姿勢情報を検出できるという利点を有している。ま
た、前記の検出原理からみて、聴取者の位置・姿勢に対
応させて音像制御を実行させる音響システムに適用でき
ることは明らかである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の３次
元デジタイザを用いたヘッド・マウンテッド・ディスプレ
イシステムや音響システムにおいては、センサコイル54
が有効な検出信号を得られる磁界の範囲内に存在してい
なければならず、視聴者の行動範囲が極めて狭い範囲に
制限されるという問題がある。即ち、ソースコイル51に
よって発生せしめられる磁界は弱いものであり、現実に
実施されているヘッド・マウンテッド・ディスプレイシス
テムにおいても半径1.5m程度のエリア内でしかセンサコ
イル54が有効な信号を検出できず、そのエリア外になる
と正常な映像制御が不可能になっている。その場合、ソ
ースコイル51側への通電電流を大きくすれば強い磁界を
発生させて有効エリアを広くすることも可能であるが、
電力の消費が大きくなると共に強い磁界によってシステ
ムの電子回路に悪影響を及ぼす可能性がある。

【０００７】また、前記の３次元デジタイザがリアクタ
ンス要素を用いた検出方法であるために応答速度が遅く
なり、前記のヘッド・マウンテッド・ディスプレイシステ
ムの実例によれば、センサコイル54の移動や回転に対し
て検出信号が0.25〜0.33sec程度も遅れて出力されるこ
とから、映像表現の追跡制御が遅延してバーチャルリア
リティの品質が低下している。

【０００８】そこで、本発明は、超音波を利用した新規
な３次元位置・姿勢検出方法を提供し、上記の従来技術
における問題点を解消させることを目的として創作され
た。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、検出対象の３
箇所以上の異なる位置に固定された超音波発生器に対し
て、前記検出対象から離隔した３箇所以上の異なる位置
に固定配置されて前記検出対象の各超音波発生器から発
信される超音波を検出する超音波検出器と、電気信号又
は光信号により前記の各超音波発生器の超音波発信タイ
ミングと前記の各超音波検出器の超音波検出タイミング
の同期をとる同期手段を設けておき、前記の各超音波発
生器から時間帯を異にして超音波を発信させ、前記同期
手段から得られる前記の各超音波発生器の超音波発信タ
イミングに対する前記の各超音波検出器の超音波検出タ
イミングの遅延時間を求め、その各遅延時間に比例した
前記の各超音波検出器と前記の各超音波発生器の間の距
離情報と既知である各超音波検出器の位置情報を用いて
検出対象の３次元位置・姿勢を求めることを特徴とした
３次元位置・姿勢検出方法に係る。

【００１０】

【作用】超音波の伝播速度は電気信号や光信号と比較し
て遥かに小さいが、室内等の一定の範囲内であれば、超
音波は超音波発生器と超音波検出器の間をバーチャルリ
アリティの実現等に支障がない程度の時間で伝播する。
本発明は、超音波の伝播速度と電気信号や光信号の伝播
速度の差を有効に利用して各超音波検出器と各超音波発
生器の距離情報を求め、その各距離情報と既知である各
超音波検出器の位置情報から検出対象の３次元位置・姿
勢を求める。

【００１１】各超音波発生器の超音波発信タイミングと
各超音波検出器の超音波検出タイミングは電気信号又は
光信号で同期がとられており、同期信号の伝播時間は無
視できるが、超音波が各超音波検出器へ到達するまでの
時間(遅延時間)は発信元の超音波発生器と各超音波検出
器の距離に比例する。例えば、その距離を10mとしても
遅延時間は30msec程度となり、また最終的に検出対象の
姿勢を検出する場合には各超音波発生器と各超音波検出
器の距離相互間の差が問題になるが、その距離の差を約
1cmとしても時間差にすると約30μsec程度であり、それ
らの時間は通常の検出システムで十分な分解能をもたせ
て正確に計測できる時間である。

【００１２】本発明では、各超音波発生器から時間帯を
異にして順次超音波を発信させ、その度に各超音波検出
器で超音波を受信して前記の各遅延時間を求める。そし
て、超音波発生器と超音波検出器がそれぞれ検出対象と
固定位置に３箇所以上設けられていることから、前記の
各遅延時間に基づく各超音波発生器と各超音波検出器の
間の距離情報と既知である各超音波検出器の位置情報を
用いて各超音波発生器の３次元的な位置情報を一義的に
求めることができ、その超音波発生器の位置情報から検
出対象の位置と姿勢を検出することが可能になる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図４を用い
て詳細に説明する。本実施例は、本発明の３次元位置・
姿勢検出方法を音響システムにおける音像制御に利用し
たものであり、図１はその基本的構成を示す。同図にお
いて、1はヘッドホンであり、そのバンドの頭頂部と各
イヤフォン部の外側に超音波発生器E1,E2,E3が取付けら
れており、また壁面の異なる位置に３個の超音波センサ
S1,S2,S3が取付けられている。一方、2は音像制御ユニ
ット、3は音像制御回路を内蔵したアンプユニット、4は
アンプユニット3に各種の音声信号を出力するソースで
あり、各超音波センサS1,S2,S3の超音波検出信号が信号
線L1,L2,L3を介して音像制御ユニット2へ入力され、音
像制御ユニット2から信号線L4を介して音像制御信号が
アンプユニット3へ出力されるようになっている。ま
た、ヘッドフォン1へはアンプユニット3から信号線L5を
介して左右のイヤフォン1R,1Lへ音声信号が入力され、
ヘッドフォン1から音像制御ユニット2へ信号線L6を介し
て同期基準信号が入力されるようになっている。

【００１４】前記のヘッドフォン1と超音波センサS1,S
2,S3と音像制御ユニット2とアンプユニット3の詳細な接
続関係は図２のシステム回路図で示される。同図から明
らかなように、ヘッドフォン1はマイクロコンピュータ
回路(以下、「マイコン回路」という)1aを内蔵して各超音
波発生器E1,E2,E3のドライバ5,6,7及び同期基準信号を
制御するようになっており、また音像制御ユニット2も
マイコン回路2aを内蔵し、各超音波センサS1,S2,S3の信
号を検出して音像制御信号を作成するようになってい
る。尚、前記の同期基準信号に関しては、信号線L6を用
いずに光信号を用いることも可能であり、その場合には
音像制御ユニット2側に光センサを設ける。

【００１５】以下、この音響システムにおける音像制御
動作を、図３の信号タイミングチャート及び音像制御ユ
ニット2側での信号処理手順を示した図４のフローチャ
ートを参照しながら説明する。先ず、ヘッドフォン1の
マイコン回路1aは図３に示すようにT0の周期で同期基準
信号を作成し、信号線L6を介して音像制御ユニット2へ
出力させている。そして、ヘッドフォン1側のマイコン
回路1aでは前記の同期信号を送信する度にTaの周期で各
ドライバ5,6,7を起動させ、超音波発生器E1,E2,E3から
順次Tb時間だけ超音波を発生させる。即ち、同期基準信
号を送信すると時間帯を異にして各超音波発生器E1,E2,
E3を作動させ、周期T0の時間内にE1→E2→E3の順で超音
波を発信させる。尚、各超音波発生器E1,E2,E3が発信す
る超音波の周波数は同一であり、図３においてT0は約10
0msec、Taは約25msec、Tbは約10msecに設定されてお
り、(Ta-Tb)は約15msecとなっている。

【００１６】一方、超音波センサS1,S2,S3は前記の各超
音波発生器E1,E2,E3が順次発信する超音波を検出するこ
とになるが、先ず超音波発生器E1は同期基準信号と同時
に超音波を発信しており、音像制御ユニット2では同期
基準信号を検出すると同時にマイコン回路2aがタイマを
セットし、超音波発生器E1の超音波を各超音波センサS
1,S2,S3が検出する度にその時間ΔT11,ΔT21,ΔT31を内
蔵RAMにセーブさせる(F1〜F9)。尚、その場合に各超音
波センサS1,S2,S3による検出順序は、図１におけるヘッ
ドフォン1の位置や姿勢によって異なる。

【００１７】次に、マイコン回路2aは時間Taが経過した
時点でタイマをリセットして再度カウントを開始させ、
前記と同様に各超音波センサS1,S2,S3が検出する度にそ
の時間ΔT12,ΔT22,ΔT32を内蔵RAMにセーブさせる(F9,
F10→F11→F3〜F9)。即ち、この場合には、超音波発生
器E1の次に発信している超音波発生器E2の超音波を各超
音波センサS1,S2,S3で検出することになる。

【００１８】更に、マイコン回路2aは前記の手順を繰返
し、超音波発生器E2の次に発信している超音波発生器E3
の超音波を各超音波センサS1,S2,S3で検出し、同期基準
信号を検出してから時間2Taを経過した時点を基準に各
超音波センサS1,S2,S3による超音波の検出時点までの時
間ΔT13,ΔT23,ΔT33を内蔵RAMにセーブさせる(F9,F10
→F11→F3〜F9)。

【００１９】その結果、マイコン回路2aのRAMには時間
データ(ΔT11,ΔT21,ΔT31,ΔT12,ΔT22,ΔT32,ΔT13,
ΔT23,ΔT33)がセーブされたことになるが、図１と図３
から明らかなように、それらの時間データはヘッドフォ
ン1側の各超音波発生器E1,E2,E3と各超音波センサS1,S
2,S3の間を超音波が伝播するために要した時間を与えて
いることになる。

【００２０】そこで、マイコン回路2aは前記の全データ
がセーブされた時点で各時間データに超音波の音速Vsを
乗算することによって各超音波発生器E1,E2,E3と各超音
波センサS1,S2,S3の間の距離データ(D11,D21,D31,D12,D
22,D32,D13,D23,D33)を求め、それらを内蔵RAMにセーブ
する(F12)。

【００２１】ところで、各超音波センサS1,S2,S3は壁面
に固定されているものであることから、それらの位置座
標(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3)は既知のデータで
あり、マイコン回路2aはそのデータを予め内蔵ROMに格
納させている。そして、その既知の位置座標データと前
記に求めた距離データを用いて各超音波発生器E1,E2,E3
の位置座標(XE1,YE1,ZE1),(XE2,YE2,ZE2),(XE3,YE3,ZE
3)を演算によって求める(S13)。具体的には、次の数式
１で示される３組の各３元連立方程式を解くことによっ
て各超音波発生器E1,E2,E3の位置座標が求まることにな
る。

【００２２】

【数１】

【００２３】そして、マイコン回路2aは前記に求めた各
超音波発生器E1,E2,E3の位置座標を一旦内蔵RAMにセー
ブし、それらからヘッドフォン1の姿勢係数を求め、そ
の姿勢係数も内蔵RAMにセーブする(S14)。更に、前記に
求めた各超音波発生器E1,E2,E3の位置座標とヘッドフォ
ン1の姿勢係数からアンプユニット3に対する音像制御信
号を作成し、その音像制御信号を信号線L4を介してアン
プユニット3へ出力させる(S15,S16)。尚、それまでの手
順でセーブされたデータはこの時点でクリアされる。

【００２４】その結果、アンプユニット3では音像制御
信号を用いてイヤフォン1R,1Lへの音声出力信号を制御
し、両チャンネルの再生音で生成される音像をヘッドフ
ォン1の位置と姿勢に対応させて制御させることが可能
になる。即ち、ヘッドフォン1を着用している聴取者の
頭の位置や姿勢に対応させて音像が制御されることにな
る。尚、以上の手順は同期基準信号の１周期(100msec)
内での音像制御動作であり、ヘッドフォン1側と音像制
御ユニット2側では同期基準信号が出力される度に以上
の手順を繰返して実行し、聴取者の頭の位置とその姿勢
が変化すると、その変化に応じて再生音の音像が連続的
に変化せしめられる(F16→F1)。

【００２５】そして、本実施例では、図３においてT0を
約100msecに、(Ta-Tb)を約15msecに設定していることか
ら極めて短い周期での検出が可能であり、音像制御の応
答性に優れ、またヘッドフォン1と各超音波センサS1,S
2,S3の距離が約10m程度でも正常に機能させることがで
きる。従って、聴取者が急激に頭を動かしたり、室内を
動き回ったりした場合にも正確な音像制御が実行でき、
高精度なバーチャルリアリティを実現できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の３次元位置・姿勢検出方法は、
以上の構成を有していることにより、次のような効果を
奏する。超音波を利用して検出対象の３箇所以上の位置
と空間の３箇所以上の固定位置との距離情報を連続的に
求めて検出対象の３次元的な位置と姿勢を検出するた
め、検出可能エリアを大きくすることができ、検出対象
が広範囲に移動しても正確で安定した検出が可能にな
る。また、従来技術である磁気的検出方法と比較して、
検出対象の動きに対する応答信号を迅速に得られるため
に急激な動作を伴う検出対象に対しても適用でき、更
に、超音波を利用していることから指向性や検出対象の
材質による制限を受けず、自由度の大きい検出システム
が構成できるという利点を有している。特に、音響シス
テムでの音像制御やヘッド・マウンテッド・ディスプレイ
システムでの映像制御における頭の位置・姿勢を検出す
る方法として適用することにより、簡易で安価なシステ
ム構成で高精度なバーチャルリアリティを実現させるこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元位置・姿勢検出方法を音響シス
テムにおける音像制御に利用した場合の基本的構成を示
す図である。

【図２】ヘッドフォンと超音波センサと音像制御ユニッ
トとアンプユニットの接続関係を示すシステム回路図で
ある。

【図３】同期基準信号と各超音波発生器による発信信号
と各超音波センサによる検出信号のタイミングを示した
信号タイミングチャートである。

【図４】音像制御ユニットの信号処理手順を示すフロー
チャートである。

【図５】従来の磁気的な３次元位置・姿勢検出方法を示
す原理図である。

【符号の説明】

1…ヘッドフォン(検出対象)、1R,1L…イヤフォン、1a,2
a…マイクロコンピュータ回路(同期手段)、2…音像制御
ユニット(マイクロコンピュータ回路2aによる位置・姿勢
の検出)、3…アンプユニット、4…ソース、5,6,7…ドラ
イバ、E1,E2,E3…超音波発生器、L1〜L6…信号線、S1,S
2,S3…超音波センサ(超音波検出器)。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出対象の３箇所以上の異なる位置に固
   定された超音波発生器に対して、前記検出対象から離隔
   した３箇所以上の異なる位置に固定配置されて前記検出
   対象の各超音波発生器から発信される超音波を検出する
   超音波検出器と、電気信号又は光信号により前記の各超
   音波発生器の超音波発信タイミングと前記の各超音波検
   出器の超音波検出タイミングの同期をとる同期手段を設
   けておき、前記の各超音波発生器から時間帯を異にして
   超音波を発信させ、前記同期手段から得られる前記の各
   超音波発生器の超音波発信タイミングに対する前記の各
   超音波検出器の超音波検出タイミングの遅延時間を求
   め、その各遅延時間に比例した前記の各超音波検出器と
   前記の各超音波発生器の間の距離情報と既知である各超
   音波検出器の位置情報を用いて検出対象の３次元位置・
   姿勢を求めることを特徴とした３次元位置・姿勢検出方
   法。