JPH11305935A

JPH11305935A - 位置検出システム

Info

Publication number: JPH11305935A
Application number: JP10153534A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sakai; 優酒井; Shigenori Ura; 重則浦
Original assignee: IMAGE TEC KK
Current assignee: IMAGE TEC KK
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、照準位置、または、照準装置の空
間座標、向き、を求めることを目的とするものである。【構成】的７の近辺に配置した１個または複数個の赤
外線光源２と、撮像装置１と、撮像結果を解析して照準
位置を求める解析手段３とよりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、配置した標識を撮
像装置で撮像し、その結果を解析することによって、照
準位置、または、撮像装置の空間座標、向きを求める、
位置検出システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ブラウン管の映像を標的とする遊
戯機では、ブラウン管の走査線の発光を受光素子で検出
し、検出のタイミングによって照準位置を求める方式が
広く利用されているが、この方式では検出の際、ブラウ
ン管全体または一部を明るく光らせる必要がある。

【０００３】このため、頻繁に照準を検出する必要のあ
る応用では頻繁にブラウン管を光らせることになり使用
者において煩わしく感じさせる結果となる。また、常時
照準を検出するということができない、といった不都合
があった。

【０００４】また、光通信又は超音波通信における、送
信側と受信側との指向特性を利用して、照準を求める方
式もある。この方式では、ブラウン管の発光を必要とせ
ず、前記の不都合は解消される。しかし、この方式で
は、送信器または受信器そのものが標的となるため、標
的に対する正確な照準位置を検出することができない。
例えば、ブラウン管に映し出された特定の標的に対する
当たり判定には利用できない、といった不都合があっ
た。

【０００５】さらに、超音波測量技術を利用して、照準
を求める方式もある。この方式は標的を狙う側の１点を
測量する方式と、２点を測量する方式とがあるが、１点
を測量する方式では、標的を狙う側の軸の角度による誤
差を補正する手段がない。また、２点を測量する方式で
は、標的を狙う側の軸の角度による誤差は補正できる
が、受信器または送信器が標的を狙う側の物体そのもの
の影になる可能性が否定できない。さらに、いずれの方
式でも、標的までの距離をあまり遠くに設定できない、
といった不都合があった。

【０００６】又、特開平６−３０１４７４、特開平６−
３０１４７５、特開平６−３０１４７６に、撮像装置を
使った「位置検出装置」が開示されている。この位置検
出装置を利用した射撃ゲームの実施例を図１１に示す。
先端に発光素子１４を備えた銃１５で、ブラウン管１２
に表示される標的を狙って射撃するゲームである。撮像
装置１１で撮像した結果より、発光素子１４の像を特異
点として検出し、検出位置を照準とすることで、射撃を
可能としている。

【０００７】しかし、図１１の実施例に示す方式では、
銃の傾きを検出できないため、図１２に示すように間違
った照準位置を認識することになる。撮像装置１１で発
光素子１４を撮像した結果、撮像範囲をブラウン管に映
し出した時の、発光素子１４の位置を照準位置とするた
め、Ｙを照準位置として認識する。ところが、図１２を
みれば明らかなように、Ｘが本当の照準位置であり、間
違った位置を照準としてしまう、といった不都合があっ
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ブラウン管
を光らせることなく、また遠くの標的でも、簡単な画像
解析により、正確な照準位置を求めることを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、位置検出シス
テムであって、上記問題を解決するために、輝度によっ
て容易に標識を特定できるように、外光とは明らかに区
別できる程度に明るく、かつ人間の目には見えず、撮像
装置には撮像可能な、赤外線光源を、標的の近辺に配置
し、撮像した結果を画像解析することで正確な照準を求
める、という手段を講じたものである。

【００１０】

【作用】本発明は、標識を撮像装置で撮像し、画像解析
を行って使用する。

【００１１】なお、標識の位置関係は、校正等その他の
手段で既知であるものとする。また、照準位置は撮像範
囲に対して任意の定位置に結像するものとする。

【００１２】標識の検出を容易にするため、赤外線光源
の輝度を、外乱光と区別できる程度に上げる。

【００１３】照準位置を検出する時は、解析手段によっ
て、撮像の結果より、標識の像の位置をもとめ、既知で
あるところの、標識の位置関係を利用して、幾何学的解
析手法により照準位置を算出する。このとき、標識を４
つ以上設置すれば、撮像装置の位置、向き、も同時に求
めることができる。

【００１４】標識を１つだけ設置した場合、撮像装置の
軸と標的の軸が並行であり、撮像装置と標識との距離が
わかっていれば、照準位置と標識との距離が判る。

【００１５】標識を２つ設置した場合、撮像装置の軸と
標的の軸が並行であれば、照準位置と各標識との距離が
判る。また、撮像装置の軸を中心とした回転範囲が１８
０゜未満であれば、照準位置の標的内座標が判る。

【００１６】この様に、標識の数を増やすにしたがっ
て、制限が緩くなり、照準位置の算出精度が上がる。

【００１７】前述の照準検出の際、撮像装置に可視光線
を除去し赤外線を透過するフィルター１０を装着すれ
ば、標識以外の多くの外乱光を除去する事ができ、撮像
の結果を解析する際の計算量を大幅に減ずることができ
る。

【００１８】赤外線光源を、赤外線を含む発光素子と、
可視光線を除去し赤外線を透過するフィルターとで構成
すれば、発光素子の選択肢が広くなり、設計の自由度を
高めることができる。また、故障の際、発光素子のみの
交換で対応可能である。

【００１９】撮像装置が軸Ｚを中心に回転することを許
すシステムにおいては、解析手段に該回転を補正する機
能を備えることにより、照準誤差を補正することができ
る。

【００２０】撮像装置の軸Ｚと標的の軸Ｔとが、自由に
角度をもつことを許すシステムにおいては、解析手段に
該角度を補正する機能を備えることにより、照準誤差を
補正することができる。

【００２１】撮像装置と標的との距離を、自由に変える
ことのできるシステムにおいては、撮像装置に制御可能
なズーム機能を備えることにより、常に標的が最適な大
きさで撮像されるようにズームを制御することにより、
正確な照準位置を検出できる。

【００２２】赤外線光源を点灯消灯の制御を行うことで
変調し、変調を検出できる程度の枚数を撮像すれば、赤
外線光源の像の特定をより簡単、確実に行うことができ
る。

【００２３】赤外線光源の輝度の制御を行うことで輝度
変調し、変調を検出できる程度の枚数を撮像すれば、赤
外線光源の像の特定をより簡単、確実に行うことができ
る。

【００２４】撮像装置と解析手段の接続を無線によって
行えば、撮像装置の移動を自由に行うことができる。

【００２５】撮像装置に制御可能な上下、左右のパン機
能を備え、解析手段と外部に設けたパン機能制御装置と
の協調によって、撮像装置に対して移動している標的を
自動的に追尾することができる、自動追尾システムを構
成できる。

【００２６】撮像装置を乗物の一部に装着し、道標とし
て赤外線光源を設置すれば、本発明によれば標識（赤外
線光源）と撮像装置の位置関係が検出できるので、乗物
が今何処を走行しているかを知る事ができる。この特徴
を利用し、例えば、遊戯場における自動操縦システムを
構築したり、あるいは、走行位置の検出結果をコンピュ
ータグラフィックスに反映したゲームを構築することが
できる。

【００２７】また、撮像装置を使用者の人体の一部に装
着し、使用環境内の適当な位置に標識を設置すれば、使
用者の位置、向きを検出できる。この特徴を利用し、使
用者の位置、向きをコンピュータグラフィックスに反映
して、ヘッドマウントディスプレイに表示する様な、バ
ーチャルリアリティ・ゲームへの応用が可能である。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。

【００２９】まず、図１の実施例をもとに、基本的な解
析手順を説明する。

【００３０】図１は、本発明を、いわゆるガンシューテ
ィングゲームに応用した例である。ブラウン管７に標的
の絵をコンピュータグラフィックスによって描画し、そ
れを銃６で狙い撃ちするゲームである。

【００３１】銃６には、撮像装置１が取り付けてあり、
ブラウン管７の周囲に配置した赤外線光源２を撮像する
様になっている。撮像装置１は、赤外線のみを透過する
フィルター１０を備えていて、赤外線光源２の光と、そ
れ以外の外乱光を容易に区別できるようになっている。
撮像結果を、解析手段３へ送り、画像解析して銃の照準
位置をもとめ、銃６のトリガが引かれたことを知らせる
信号と、求めた照準位置とを、ゲーム本体４へ送る。ゲ
ーム本体４は、コンピュータシステムを搭載しており、
送られて来たデータと、現在のブラウン管の表示内容と
より、標的に当たったかどうか、又、標的のどこに当た
ったかを調べることができる。

【００３２】ここで、撮像結果から照準位置を求める方
法を詳しく説明する。

【００３３】図３は、撮像した結果である。図３には、
ブラウン管の絵も描いてあるが、実際には、フィルター
１０の効果によって、光源の像は突出して輝度が高くな
る。このため、光源の像の特定を極めて容易に行うこと
ができる。例えば、撮像結果の画素を順次チェックし、
輝度のピーク点を求める、といった簡単な手法により、
光源の像の位置が検出できる。また、フィルター１０を
備えていない撮像装置でも、多少厳しく判定する必要は
あるが、基本的には同様の方法で光源の像の位置を検出
できる。

【００３４】このように検出した標識位置を、ｘｙ座標
にプロットすると、図４の様になる。点Ｐ２は、撮像範
囲に対して任意の、予め決められた照準点である。

【００３５】図５は、標識の位置関係を示すｕｖ座標系
である。解法を一般化するため、四角形ＡＢＣＤは、任
意の四角形であるとする。図４の標識位置は図５のＡ、
Ｂ、Ｃ、Ｄの写像であり、各々、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ
２と符号を付ける。

【００３６】銃が撮像軸Ｚを中心に自由に回転すること
を想定すると、本実施例ではＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、各標識を
特定することは困難である。これは、例えばＡ、Ｂ、の
中点付近に更に標識Ｅを追加する等の工夫で簡単に解決
できる。その場合でも、照準解析方法は全く同様に行え
る。ここでは、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、各標識の特定
が自明であるとして、解析を進める。

【００３７】撮像結果図４で、直線Ａ２Ｃ２、Ｂ２Ｄ２
つまり、対角線を各々ｔ２軸、ｓ２軸とし、その交点を
Ｍ２とする。図５のｕｖ座標系でも、同様に対角線を各
々ｔ軸、ｓ軸とし、その交点をＭとする。

【００３８】図４上の点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｍ２
の座標は、画像解析により既知である。また、点Ｐ２
は、ｘｙ座標上の予め決った照準点である。さらに、図
５上の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｍの座標は校正等の手段によ
り、予め判っているものとする。

【００３９】照準位置は、点Ｐ２をｕｖ座標系へ写像し
た点Ｐを求めることにより、得られる。

【００４０】さて、ここで、対角線ＡＣ、に着目してみ
る。点Ｍで区切られた２本の線分ＡＭ、ＭＣの長さの比
をｒ１とする。点Ａ、Ｍ、Ｃの座標が判っているので、
ｒ１は簡単に求められる。同様に、線分Ａ２Ｍ２、Ｍ２
Ｃ２の長さの比も求められる。この２つの比より、撮像
時における、線分ＡＣと撮像面ｘｙ平面とのなす角が求
められる。これより、直線ＡＣまたは、Ａ２Ｃ２上の任
意の点について、ｘｙ座標系とｕｖ座標系との間で互い
に写像可能となる。

【００４１】同様にして、直線ＢＤまたは、Ｂ２Ｄ２上
の任意の点についてもｘｙ座標系とｕｖ座標系との間で
互いに写像可能となる。

【００４２】ここで、図６の様に、ｘｙ座標系におい
て、点Ｐ２を通り、ｔ２軸、ｓ２軸と交わる、適当な直
線を２本引く。各直線と、ｔ２軸、ｓ２軸との交点を図
６の様に、各々Ｈ２、Ｉ２、Ｊ２、Ｋ２とする。

【００４３】Ｈ２、Ｉ２、Ｊ２、Ｋ２各点の座標は、ｘ
ｙ座標系において、既に判っている。また、Ｈ２、Ｊ２
はｓ２軸上の点であり、Ｉ２、Ｋ２はｔ２軸上の点なの
で、各々、ｕｖ座標系への写像が可能である。ｕｖ座標
系へ写像した点を、それぞれ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋとする。

【００４４】点Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋが求まったので、線分Ｈ
Ｉ、ＪＫの交点Ｐも求まる。ここで求まった点Ｐが照準
位置である。

【００４５】ここまでに、照準計算の概略を述べた。次
に、各手順の詳細を述べる。

【００４６】まず、対角線Ａ２Ｃ２上の任意の点のｕｖ
座標系への写像を求める。線分Ａ２Ｃ２は、線分ＡＣを
透視投影して得た図形である事に着目すると、図７に示
す様に、線分Ａ２Ｃ２は、視点Ｅ、線分ＡＣを含む平面
Ｓ上に存在することが判る。

【００４７】ｚ軸を、平面Ｓに対して垂直に並行投影し
たものをｚ２軸とすると、ｚ２軸は線分Ａ２Ｃ２を含む
ｔ２軸と直交することは自明であるので、平面Ｓをｔ２
ｚ２の直交座標系で、図８の様に表すことができる。

【００４８】視点Ｅのｔ２ｚ２座標をＥ（ｅ，０）とす
る。ｅの求め方は、後述する。ここでは定数として扱
う。さらに、ｔ軸とｚ２軸の交点をＬ（ｌ，０）とし、
点Ｌにおいてｔ＝０とする。また、ｔ軸とｚ２軸のなす
角θとする。

【００４９】ところで、点Ａ２、Ｃ２、Ｍ２、Ｉ２、Ｋ
２のｔ２座標を、各々、Ａ２ｔ、Ｃ２ｔ、Ｍ２ｔ、Ｉ２
ｔ、Ｋ２ｔとする。同様に、点Ｂ２、Ｄ２、Ｍ２、Ｈ
２、Ｊ２のｓ２座標を、各々、Ｂ２ｓ、Ｄ２ｓ、Ｍ２
ｓ、Ｈ２ｓ、Ｊ２ｓとする。

【００５０】図８より、ｔとｔ２の関係は、

【数１】

【数２】となる。これより、線分ＡＭ、ＭＣの長さをそれぞれ
ａ、ｂとすると、

【数３】

【数４】となる。

【００５１】さて、

【数５】であることが判っているので、

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】となる。

【数１０】のとき、

【数１１】であるので、ｔａｎθが求まれば、ｓｉｎθ、ｃｏｓθ
も求まる。

【００５２】次に、ｔ２軸上の任意の点Ｋ２のｔ軸への
写像Ｋを求める。線分ＡＭ、ＭＫの長さをａ、ｂとし、

【数１２】とすると、上記と同様に、

【数１３】

【数１４】と、ｋが求まるので、点Ｋのｔ座標が求まる。

【００５３】図５より、ｔ軸上の位置が求まれば、ｕｖ
座標も求まる。

【００５４】同様の手順で、点Ｉのｕｖ座標が求まる。
また、ｓ軸についても、同様の手順を行えば、点Ｈ、Ｊ
のｕｖ座標が求まる。

【００５５】点Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋのｕｖ座標が求まったの
で、線分ＨＩ、ＪＫの交点Ｐのｕｖ座標も求まる。

【００５６】さて、ここで、ｔ２ｚ２座標系における視
点Ｅの座標（ｅ，０）の求め方を説明する。図９は、図
７の原点付近を拡大したものである。図９の様に、原点
をとおり、直線ＡＣに垂直に交わる直線をｙ２軸とし、
ｙ２軸と、直線ＡＣの交点をＱとする。

【００５７】ｚ２軸が、点Ｑを通るのは自明であるの
で、ｚｙ２座標をみると、図１０の様になる。点Ｅのｘ
ｙｚ座標を（０，０，Ｅｚ）、点Ｑと原点の距離をｎと
すると、線分ＥＱの長さは−ｅなので、

【数１５】

【数１６】である。これより、

【数１７】となり、ｓｉｎγ、ｃｏｓγが求まる。

【数１８】より、点Ｅのｚ２座標ｅが求まる。なお、−Ｅｚは撮像
装置の焦点距離である。

【００５８】以上、詳しく述べたように本発明によれ
ば、撮像結果より、照準位置を正確に求めることができ
る。

【００５９】ここでは、ガンシューティングの例を用い
て照準座標を利用する例を説明したが、本発明は遊戯機
に限らず、例えば、コンピュータの座標入力装置とか、
その他の多くの用途に用いることができる。

【００６０】また、照準座標のみならず、標的を基準と
した撮像装置の空間座標、撮像装置の向き、を検出する
ことが可能である。

【００６１】

【発明の効果】以上に述べたように本発明は、標識を撮
像装置で撮像することによって照準位置を求めるため、
ブラウン管を発光させることなくかつ、正確に照準位置
を求めることができるようになる、という効果を奏す
る。

【００６２】さらに、照準座標のみならず、撮像装置の
空間座標、及びその向きを求めることができる、という
これまでの方式では得られなかった、効果を奏する。

【００６３】赤外線光源の発光は人間には見えないの
で、外乱光と明確に区別できる程度にまで、輝度を上げ
ても、使用者に煩わしさを与えない、という効果を奏す
る。

【００６４】また、標的はブラウン管である必要がな
く、任意の物体、任意の平面、その他あらゆるものを標
的として採用できる、という効果を奏する。

【００６５】撮像装置と解析手段との接続を無線で行え
ば、撮像装置をどの様にでも自由に動かす事ができる、
という効果を奏する。

【００６６】本発明を利用したシステムを構築する際、
結果的に標識と標的の位置関係が判っていれば良いの
で、組み立て精度を要求しない、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施態様を構成する位置検
出システムの概略図である

【図２】撮像装置を模式的に示す図である

【図３】撮像結果を示す図である

【図４】撮像結果をプロットした図である

【図５】標識の本来の位置関係をプロットした図で
ある

【図６】点Ｐ２を２直線の交点で示す図である

【図７】線分ＡＣを解析する平面を示す図である

【図８】ｔ２ｚ２座標を示す図である

【図９】図７の原点付近の拡大図である

【図１０】ｚ２、ｚ軸を含む平面の図である

【図１１】特開平６−３０１４７６による１つの実
施態様を構成する位置検出システムの概略図である

【図１２】照準誤差を例示する図である

【図１３】撮像装置の構成を例示する図である

【図１４】赤外線光源の構成を例示する図である

【符号の説明】

１−撮像装置２−標識３−解析手段４−ゲーム本体５−ゲーム筐体６−銃７−ブラウン管８−撮像素子９−発光素子１０−赤外線フィルター１１−撮像装置１２−ブラウン管１３−射撃ゲーム筐体１４−標識１５−銃

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】標識として配置した１個又は数個の、赤
外線光源（２）と、赤外線を撮像可能な撮像装置（１）
と、撮像結果を解析して照準位置を求める解析手段
（３）とよりなる、位置検出システム。
【請求項２】標識として配置した１個又は数個の、赤
外線光源（２）と、赤外線を撮像可能な撮像装置（１）
と、撮像結果を解析して撮像装置の位置と向きを求める
解析手段（３）とよりなる、位置検出システム。
【請求項３】前記撮像装置は、位置指示装置に取り付
けられている、請求項１または２に記載の位置検出シス
テム。
【請求項４】前記位置指示装置は、遊戯機における位
置指示手段である、請求項１、２または３に記載の位置
検出システム。
【請求項５】前記位置指示装置は、手持ち可能な形状
である、請求項１、２、３または４に記載の位置検出シ
ステム。
【請求項６】前記位置指示装置は、銃の形状である、
請求項１、２、３、４または５に記載の位置検出システ
ム。
【請求項７】前記撮像装置は、使用者の体に装着して
使用する、請求項１から６のいずれか１つに記載の位置
検出システム。
【請求項８】前記撮像装置は、乗物の一部に装着して
使用する、請求項１から７のいずれか１つに記載の位置
検出システム。
【請求項９】前記解析手段は撮像装置の軸Ｚを中心と
する回転を補正する機能を有している、請求項１から８
のいずれか１つに記載の位置検出システム。
【請求項１０】前記解析手段は撮像装置の軸Ｚと標的
の軸Ｔとのなす角を補正する機能を有している、請求項
１から９のいずれか１つに記載の位置検出システム。
【請求項１１】前記撮像装置は制御可能なズーム機能
を備えている、請求項１から１０のいずれか１つに記載
の位置検出システム。
【請求項１２】前記撮像装置は制御可能な左右へのパ
ン機能を備えている、請求項１から１１のいずれか１つ
に記載の位置検出システム。
【請求項１３】前記撮像装置は制御可能な上下へのパ
ン機能を備えている、請求項１から１２のいずれか１つ
に記載の位置検出システム。
【請求項１４】前記撮像装置は撮像素子（８）と、可
視光線を除去し赤外線を透過するフィルター（１０）と
よりなる、請求項１から１３のいずれか１つに記載の位
置検出システム。
【請求項１５】前記撮像装置と前記解析手段との接続
を無線により行う、請求項１から１４のいずれか１つに
記載の位置検出システム。
【請求項１６】前記赤外線光源は赤外線を含む発光素
子（９）と、可視光線を除去し赤外線を透過するフィル
ター（１０）とよりなる、請求項１から１５のいずれか
１つに記載の位置検出システム。
【請求項１７】前記赤外線光源は制御可能な点灯消灯
機能を備えている、請求項１から１６のいずれか１つに
記載の位置検出システム。
【請求項１８】前記赤外線光源は制御可能な輝度変調
機能を備えている、請求項１から１７のいずれか１つに
記載の位置検出システム。