JP2001508210A - 物体の位置を決定する方法およびシステム - Google Patents
物体の位置を決定する方法およびシステムInfo
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Abstract
(57)【要約】
既知の寸法パラメータ(Dm)を有する少なくとも1つのオブジェクト(11)を備えた物体(12)の位置(Xm、Ym、Zm)を、センサ装置(15)、該センサ装置から決定可能な距離(c)にある光学素子(14)および検索・計算手段(22)を備えた少なくとも1台のカメラユニット(10)によって決定する方法およびシステム。センサ装置(15)上に再生されるオブジェクト(11)の像(16)の座標(xp,yp)を算出する。既知の寸法パラメータ(Dm)に対応するオブジェクト(11)の寸法パラメータ(d)を算出する。得られたパラメータの比率を算出して、オブジェクト(11)の位置(Xm、Ym、Zm)を決定する。
Description
【発明の詳細な説明】
物体の位置を決定する方法およびシステム
[技術分野]
本発明は、既知の寸法パラメータを有する少なくとも1つのマーカーオブジェ
クトを備えた物体の位置を、センサデバイス、該センサデバイスから決定可能な
距離にある光学素子ならびに検索および計算手段を備えた少なくとも1台のカメ
ラユニットによって決定する方法およびシステム(アレンジメント)に関する。
[背景技術]
動き解析は、例えば人や動物のバイオメカニクス(生体力学)またはロボット
・アームの動きなどを解析するためにカメラユニットとコンピュータ支援を用い
る周知の方法である。
簡単なシステムでは、分析しようとする物体に複数のマーカーを付ける。以前
は、このようなマーカーを付けた物体を、まず撮影してから、手作業で分析し、
デジタル化してマーカーの正しい位置を決定していたが、これは、時間のかかる
作業である。
現在は、いわゆるCCDセンサを備えたカメラを用いる。CCDセンサは、一
種の光センサで、一般に、必要な光学素子と組み合わせて配置される。CCDセ
ンサは、1また
はそれ以上の色に対して、行列として配列された(即ち、XY座標系に配列され
た)電荷結合センサ(以降、CCD画素と称する)の列から成り、X個からなる
各行をY方向に走査することにより(前記の光学素子から)そのCCDセンサに
投射される光を変換して、テレビ(ビデオ)信号を生成する。こうすることによ
り、この信号を種々の方法で分析して、その物体に付けたマーカーの位置を検出
することができる。
ここでは、物体までの距離を測定するために、2台以上のカメラユニットを用
いる。
[発明の開示]
本発明の目的は、少なくとも一台のカメラユニットを用いて物体の位置、好ま
しくは3次元の位置をほぼ実時間で正確に決定する方法およびデバイスを提供す
ることである。
これらの目的は、次のステップを含む方法を用いて達成される。
−前記センサデバイス上に再生される前記オブジェクトの像の座標(xp,yp
)を算出するステップ;
−前記与えられた寸法パラメータに対応する前記オブジェクトの寸法パラメー
タを算出するステップ;および
−得られたパラメータの比率を算出して前記オブジェクトの位置を決定するス
テップ。
また、本発明は、物体に対して既知の寸法パラメータを有するオブジェクトを
備えた物体の位置を決定するシステ
ムであって、前記システムが、センサデバイス、該センサ装置から決定可能な距
離にある光学素子、並びに検索および計算手段を備えた、少なくとも1台のカメ
ラユニット、ここで前記カメラユニットは、前記センサ装置上に再生されるとこ
ろの、前記オブジェクトの像の座標を算出し、前記既知の寸法パラメータに対応
する、前記オブジェクトの寸法パラメータを算出し、得られたパラメータの比率
を計算して前記オブジェクトの位置を決定するようにアレンジされており、およ
び算出された位置を提示する手段、
を備えたことを特徴とする物体の位置を決定する装置。
本発明によるその他の効果を有する実施例は、請求の範囲に記載する。
[図面の簡単な説明]
以降、添付図面を参照して本発明を説明する。
図1は、本発明による簡単な動き解析システムの略図である。
図2は、図1によるカメラの主要な機能に関するブロック図である。
図3は、本発明によるマーカーによる像を概略的に示す。
図4は、本発明の原理を概略的に示す図である。
[発明を実施するための最良の形態]
基本原理
類似のシステムでは、基本的に、カメラからの通常のビデオ信号を入力として
用いる。この信号を基に、光の強度
に基づいてマーカーが背景から分離され、このマーカーのXY座標が計算される
。目的は、マーカーの動きを可能な限り正確に測定することである。即ち、有限
個の点の集合からなるビデオ信号の結果である不正確さを最小にすることである
。
ビデオ信号は、多数の線からなり、これらの線は、順次走査されたものである。
マーカーにより1つの像が生成されるが、この像は、1またはそれ以上の線に渡
って存在することになる。比較器により、1本の線上のマーカー部分の開始と終
了を決定することができる。1本の線上のマーカーの像を区画と呼ぶことにする
。線の開始から区画の開始(Xs)までの時間、および線の開始から区画の終了
(Xe)までの時間を計測する。これら2つの時間の平均値は、その区画の水平
方向(線が水平である場合)の空間的位置の尺度であり、一方、その線のシリア
ル番号(S)は、その区画の垂直方向の位置の尺度である。よって、区画の長さ
(1)は、Xe−Xsである。
マーカーのXY座標(Xm、Xm)は、それぞれ次の式(1)および(2)により
得られる。
ただし、Σ記号は、そのマーカーの像の要素である総ての区画について総和を取
ることを示す。
以上の事柄は、類似の信号に応用可能である。デジタル検出器からの像点が線
形以外のオーダーに転送される場合も、類似の計算を行うことができる。そうす
ることで、同じマーカーの要素である総ての像要素に対して中心点が計算される
。まず、像要素を総て線に変換して、次に前記の類似の場合として計算を行うこ
とができる。
時刻XsおよびXeは、(画素の値を水平方向に走査する場合は、)発信器に接
続された電子計数器によって計測することができる。計数器は、線の開始時に始
動し、区画の開始および終了に達した時に読み出される。問題は、技術的かつ経
済的な理由から、発信器の周波数が制限されることである。デジタルの場合、こ
の問題は、像の要素を必要なだけ小さくできないということになる。
同様の場合、この問題を克服するためには、比較器を供給し、これで積分器を始
動して線形の電位傾斜を発生させ、時刻Xsに電位Vaから開始して電位Vbに至
るようにすればよい。電位の傾斜は、計数器が2つの値の間で変化するときに、
標本化されて計測される。傾斜が所定の閾値を通る時刻を算出し、時刻Xssを決
定するのに使用する。XsとXssとの差は、一定であり得、積分器と比較器の遅
延と
によって決定される。電位の傾斜上の少なくとも2点を計測すれば、計数器が変
化する時刻の傾斜上の測定点から、時刻Xssは容易に計算することができる。例
えば、2つの電圧V1およびV2が時刻t1およびt2にそれぞれ計測され、且つV0
がV1とV2の間である場合、Xssは、次の式によって補間される。
時刻Xeも同様に計測される。実施例では、計算を簡単にするため、線形の傾
斜を用いるが、その他の曲線を用いても良い。
実施態様の詳細
本発明による簡単なシステムを概略的に図1に示す。このシステムは、分析する
べき物体(この場合は、人体12)に向けた少なくとも1台のカメラ10と人体
12に付けた少なくとも1つのマーカー11とを含む。
カメラ10からの信号をさらに処理するため、カメラ12はコンピュータ装置
13に接続されてよい。
以降、赤外線領域で動作するシステムの実施例を述べることとする。即ち、カ
メラは、赤外線を放射する対象または物体を「見る」ものとする。好ましい実施
例では、マーカーは、反射性の表面を備えほぼ球形の構造を有する。カメラ12
は、赤外線を放射する手段を備えても良い。放射された赤外線はマーカーで反射
される。マーカーを特別な
設計にすることにより、異なる角度からのカメラが円形を捕らえて正確な位置測
定が可能となる。
この実施例では、カメラ10は、前記とほぼ同様に動作するCCDユニットを
備えている。図2のブロック図は、本発明による方法を実施するように意図され
たカメラ12の主要な部分を概略的に示す。
カメラ10は、マーキングデバイス11の像16をCCDユニット15に投影
するレンズまたはその他の集光手段(図示せず)のような光学素子14を含む。
CCDユニット15の表面が走査されと、画素情報を含む画像信号が、変換手段
17によって適切なビデオ信号へと変換され、CCDユニット内に集積される。
そして、画像の線を表すビデオ信号が、処理ユニット18へとシリアルまたはパ
ラレルに送られる。処理ユニット18は、受信したビデオ信号を例えばA/D変
換ユニット19を用いてデジタル化する。また、ビデオ信号は、ユニット17で
デジタル化してもよい。処理ユニット18は、これを制御する命令集合を収容す
るメモリユニット(図示せず)に接続しても良い。
前記の「基本原理」の部分に関して言えば、画像の要素を複数行に配列し、低
域通過フィルタにより何らかの連続信号を与えるようにしてもよい。そうすれば
、この連続信号を前記の類似の信号として処理することができるしかし、好まし
い実施例としては、画像の各要素を個別に計測し、基本原理の部分と同様に、閾
値Tを何時通るかを判断して、計測値から値を補間するのが良い。
デジタル化された信号は、次に比較器20に渡される。比較器20は、所定の
閾値Tに関する個々の標本値を補間する。閾値Tは、ビデオレベルとも言い、メ
モリユニット21から得ることができる。上述のように、目的は、信号の振幅が
何時、閾値Tを通るかを決定することである。各通過により、各区画の開始およ
び終了の座標が高解像度で表される。解像度は、1行の画素数の約30倍まで可
能である。計算ユニット22は、次の計算を実行する。
ただし、V1およびV2は、先行する画素と後続の画素の信号レベルであり、比
較器20から受け取る。
画素(ピクセル)番号は、計数器(図示せず)から得ることができる。使用さ
れる部品によって、レベルV1およびV2を10ビットの解像度で計測すること
ができ、画素番号(最上位ビット)が9ビットで、(T-V1)/(V2-V1)が7ビビ
ットである。この時、計算ユニット22は、メモリユニット23に格納されている
前の値によって、次の式を用いて、マーカーの中心点x'を計算する。
ここで、lkは、図5における区画k(即ち、Xek−Xsk)の長さ、
Sは、画像の要素のシリアル番号、
デジタルの場合は、式(1)および(2)は、式(5)および(6)でそれぞれ
置き換えることができる。しかし、式(1)および(2)だけでは、望ましい正
確な値を得ることはできない。より正確、安定かつ高解像度のx'を得るために
、長さlkのn乗を算出する。好まし実施例では、lkの二乗(即ち、n=2)を
計算する。
図3は、マーカーの、デジタル化された2次元画像26を概略的に示す。
更なる計算のため、長さlkは、メモリユニット23に記憶しても良い。例え
ば、像の面積Aは、面積用の式A≒Σlkを用いて計算できる。円形のマーカー
に対しては、A=πr2を用いて、式(7) が得られるので、これにより半径を計算することができる。これは、計算ユニ
ット22で計算できる。
ここで、図4に本発明の基本原理を概略的に示す。オブジェクト11の位置は
、以下のように計算することができる。
既知のデータ:
X'検出器表面28、即ちCCD板15上のマーカー像26の中心で、式(5
)を用いて算出される。
c 検出器表面28からレンズ14までの距離。
X0,Y0
検出器表面の中心、レンズの中心に対応し、これらの中心はカメラの定数
である。
Dmマーカー11の直径。
計算ユニット22は、次のパラメータを算出する。
xp X0−x'、即ち、検出器表面11のマーカー像の、検出器表面の中心に
対するX座標。
yp Y0−y'、即ち、検出器表面上のマーカー像の、検出器表面の中心に対
するY座標。
d r×2、rは前述の半径である。
図4の三角形AおよびBの間には、相似関係があるので、
次のような比例関係も存在する。即ち、Xm/xp=Ym/yp=Zm/c=Dm/d
が成立する。これにより、ユニット22において次の計算が可能となる。ただし、Xm、Ym、Zmは、マーカーの3次元位置(ベクトル成分)である。特
に、カメラ(レンズ)とオブジェクト11との距離は、次式で与えられる。
距離cは、焦点調整動作(即ち、レンズの移動)と共に変化するので、距離は
、当然のことながら正確に決める必要がある。
処理の結果は、インタフェースユニット24に送られ、さらにコンピュータ装
置13に転送される。コンピュータ装置13は、シュミレーション、位置決定お
よびその他の用途のために、計算値を用いてマーカーの位置を画面上に
表示することができる。
好ましい実施例を図示して説明したが、本発明は、この実施例に限定されず、
請求の範囲内において種々の変形および修正を為し得る。処理ユニット18は、
カメラ10または周辺装置と一体化することができる。処理ユニット18におけ
る装置数およびそれらの機能も変えることができる。
さらに、マーカーの形状は、応用分野によって変えることができる。また、本
発明によるシステムは、他の分野、例えば乗り物、航空機のような移動装置にお
いて距離を計測するために使用することができる。
参照符号リスト
10 カメラユニット
11 マーカー
12 物体
13 コンピュータ
14 レンズ
15 CCDユニット
16 像
17 変換ユニット
18 処理ユニット
19 A/D変換ユニット
20 比較器
21 メモリユニット
22 計算ユニット
23 メモリユニット
24 インタフェースユニット
25 マーカー
26 マーカー像
27 測定平面
28 検出器表面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M
W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY
,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM
,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,
CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E
S,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU,ID
,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,
LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M
G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT
,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,
TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V
N,YU,ZW
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)既知の寸法パラメータ(Dm)を有する少なくとも1つのマーカーオブジ ェクト(11)を備えた物体(12)の位置(Xm、Ym、Zm)を、センサデバ イス(15)、該センサデバイスから決定可能な距離(c)にある光学素子(1 4)ならびに検索および計算手段(22)を備えた少なくとも1台のカメラユニ ット(10)によって決定する方法であって、 前記センサデバイス(15)上に再生される前記オブジェクト(11)の像( 16)の座標(xp,yp)を算出するステップ; 前記与えられた寸法パラメータ(Dm)に対応する前記オブジェクト(11) の寸法パラメータ(d)を算出するステップ;および 得られたパラメータの比率を算出して前記オブジェクト(11)の位置(Xm 、Ym、Zm)を決定するステップ、 を含むことを特徴とする物体の位置を決定する方法。 (2)前記オブジェクトまでの距離(Zm)を、前記オブジェクトまでの距離( Zm)と、前記光学素子とセンサ表面との間の距離(c)との比例性、前記セン サデバイス(15)上のオブジェクトの像(16)の寸法パラメータ(d)およ び該オブジェクトの該寸法パラメータ(Dm)を用いて算出することを特徴とす る請求項1記載の方法。 (3)前記像の中心座標(xp,yp)が、前記像の中心点(x',y')と前記セ ンサデバイス上の中心点(X0,Y0)との距離であることを特徴とする請求項1 記載の方法。 (4)前記センサデバイス(15)上の前記像の中心(x',y')が、 前記再生された像(16)に対する画素データを含む前記センサデバイスから の信号を補間し、および、前記像の ップ;およびて次の式: により中心座標(x')を決定するステップ; を用いて計算されることを特徴とする請求項3記載の方法。 (5)式: (ここで、Tは所定の閾値であり、V1およびV2はそれぞれ先行する画素および 後続の画素の信号レベルであり、且つpはm番目の画素の番号である) を用いて、始点または終点(Xk)を算出することを特徴とする請求項3記載の 方法。 (6)前記再生された像(16)に対する画素データを含む信号を補間し、お よび、前記像の一部を表す区画の長さ(lk)を算出するステップ;および 該像の面積(A)を、A=Σlkにより計算するために、前記の算出された長 さ(lk)を用いるステップ; を特徴とする請求項1または2記載の方法。 (7)前記マーキングオブジェクト(11)が、実質的に球状であることを特徴 とする請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。 (8)前記既知の寸法パラメータ(Dm)が、前記オブジェクト(11)の直径 であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。 (9)物体(12)に対して既知の寸法パラメータ(Dm)を有するオブジェク ト(11)を備えた物体(12)の位置(Xm、Ym、Zm)を決定するシステム であって、前記システムが、 センサデバイス(15)、該センサデバイスから決定可能な距離(c)にある 光学素子(14)、並びに検索および計算手段(22)を備えた、少なくとも1 台のカメラユニット(10)、ここで 前記カメラユニットは、前記センサデバイス(15)上に再生される前記オ ブジェクト(11)の像(16)の座標(xp,yp)を算出し、前記の与えられ た寸法パラメータ(Dm)に対応する前記オブジェクト(11)の寸法パラメー タ(d)を算出し、得られたパラメータの比率を計算して前記オブジェクト(1 1)の位置(Xm、Ym、Zm)を決定するようにアレンジされており、および 算出された位置を提示する手段、 を備えたことを特徴とする物体の位置を決定するシステム。 (10)前記物体に対する像のデータを収集する手段(15); 前記再生された像(16)に対する画素データを含むデジタル信号を生成する 変換手段(19); 画素信号のレベルと閾値(T)との差を生成する比較器ユニット(20); を算出し、前記像の図心座標(x')及び/又は前記像の面積及び/又は前記像 の半径を算出する計算ユニット(22)、 をさらに備えたことを特徴とする請求項9記載のシステム。 (11)前記センサデバイス(15)がCCD板であることを特徴とする請求項 9または10の何れか1つに記載のシステム。
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