JP2009270893A - 位置計測装置、位置計測方法およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で対象物の位置計測を行うことができ、また、高精度に位置計測を行うことができる位置計測装置等を提供する。
【解決手段】対象物100に設けられた4点のLED11〜14を、撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定し撮影するカメラ30と、LED11〜14の位置関係を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されているLED11〜14の位置関係を読み出し、この位置関係およびカメラ30により撮影されたLED11〜14の像の位置関係から対象物100の位置を求める演算部と、を備えることを特徴とする位置計測装置300。
【選択図】図1
【解決手段】対象物100に設けられた4点のLED11〜14を、撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定し撮影するカメラ30と、LED11〜14の位置関係を記憶する記憶部と、記憶部に記憶されているLED11〜14の位置関係を読み出し、この位置関係およびカメラ30により撮影されたLED11〜14の像の位置関係から対象物100の位置を求める演算部と、を備えることを特徴とする位置計測装置300。
【選択図】図1
Description
本発明は、位置計測装置、位置計測方法、プログラムに関する。
所定の対象物の三次元空間における位置を計測する手段として、2台のカメラで対象物を撮影し、カメラ同士の間の距離を基線とした三角測量によって対象物の位置座標を算出する方法が知られている。
例えば、特許文献1には、基準体上の少なくとも3点の三次元座標を求めることにより基準体上に基準座標系を定め、被検体上の所定点の三次元座標を求めることにより所定点の基準座標系上の位置を求める三次元座標計測方法が開示されている。
また、特許文献2には、最小二乗法等でカメラ姿勢の行列Tを求め、この行列からカメラの回転角(ψn,θn,φn)をn個求め、この回転角からオイラー角等で回転させた行列T’を求め、行列TとT’の各要素の差の絶対値の和を差Sとして求め、この差Sが最小になるものの回転角をカメラの姿勢として出力するカメラ姿勢の検出装置が開示されている。
本発明は、対象物に備えられた点光源を撮影し、撮影された画像における点光源の位置を高精度に計測することで、対象物の位置計測を高精度に行うことができる位置計測装置等を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、対象物に設けられた4点以上の点光源を、撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定し撮影する撮影部と、前記点光源の位置関係を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記点光源の位置関係を読み出し、当該位置関係および前記撮影部により撮影された点光源の像の位置関係から前記対象物の位置を求める演算部と、を備えることを特徴とする位置計測装置である。
請求項2に係る発明は、前記撮影部は、前記点光源の像の半径が飽和露光時間における点光源の像の半径の2倍以上になるときの時間を前記露光時間として設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項3に係る発明は、前記撮影部は、飽和露光時間の4倍以上となる時間を前記露光時間として設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項4に係る発明は、前記撮影部は、当該撮影部が撮影するフレーム毎に前記露光時間を変更し、撮影された点光源の像の大きさに応じて露光時間を設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項5に係る発明は、前記撮影部は、球面収差により前記点光源の像がリング状になる光学系を備えることを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項6に係る発明は、前記撮影部は、前記点光源から出射される赤外光を撮影することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項7に係る発明は、前記撮影部により撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて、前記演算部で前記対象物の位置を求めるための点光源の像を選択する選択部を更に有することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項3に係る発明は、前記撮影部は、飽和露光時間の4倍以上となる時間を前記露光時間として設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項4に係る発明は、前記撮影部は、当該撮影部が撮影するフレーム毎に前記露光時間を変更し、撮影された点光源の像の大きさに応じて露光時間を設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項5に係る発明は、前記撮影部は、球面収差により前記点光源の像がリング状になる光学系を備えることを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項6に係る発明は、前記撮影部は、前記点光源から出射される赤外光を撮影することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項7に係る発明は、前記撮影部により撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて、前記演算部で前記対象物の位置を求めるための点光源の像を選択する選択部を更に有することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置である。
請求項8に係る発明は、対象物に設けられた4点以上の点光源を撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定して撮影し、前記対象物における前記点光源の位置関係および撮影された点光源の像の位置関係から当該対象物の位置を求めることを特徴とする位置計測方法である。
請求項9に係る発明は、前記露光時間は、撮影を行うフレーム毎に変更され、撮影された点光源の像の大きさに応じて選択され設定されることを特徴とする請求項8に記載の位置計測方法である。
請求項10に係る発明は、撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて前記対象物の位置を求めるための点光源を更に選択することを特徴とする請求項8に記載の位置計測方法である。
請求項10に係る発明は、撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて前記対象物の位置を求めるための点光源を更に選択することを特徴とする請求項8に記載の位置計測方法である。
請求項11に係る発明は、コンピュータに、対象物に設けられた4点以上の点光源を撮像素子の飽和露光量以上で撮影するための露光時間を設定する機能と、メモリから前記点光源の位置関係を読み出し、当該位置関係および撮影された点光源の像の位置関係から前記対象物の位置を求める機能と、を実現させるプログラムである。
請求項1の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、簡単な構成で撮影された画像において点光源の像の位置をより高精度に求めることができるため、対象物の位置をより高精度に求めることができる位置計測装置を得ることができる。
請求項2の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像において点光源の像の位置をより高精度に求めることができる。
請求項3の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より簡易な手法で撮影部の露光時間を設定することができる。
請求項4の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物が移動するような場合でも対象物の位置計測の精度への影響を受けにくくすることができる。
請求項5の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像において点光源の像の位置をより簡単に求めることができる。
請求項6の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像中で背景と点光源の像とのコントラストの差が生じやすくなるため、点光源の像をより抽出しやすくなる。
請求項7の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物の位置を求める点光源の選択を行うことができ、対象物の位置をより高精度に求めることができる。
請求項8の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、簡単な構成で撮影された点光源の像の位置をより高精度に求めることができるため、対象物の位置をより高精度に行うことができる位置計測方法を得ることができる。
請求項9の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物が移動するような場合でも対象物の位置計測の精度への影響を受けにくくすることができる。
請求項10の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物の位置を求める点光源の選択を行うことができ、対象物の位置をより高精度に求めることができる。
請求項11の発明によれば、対象物の位置計測を高精度に行う機能を、コンピュータにより実現できる。
請求項2の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像において点光源の像の位置をより高精度に求めることができる。
請求項3の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より簡易な手法で撮影部の露光時間を設定することができる。
請求項4の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物が移動するような場合でも対象物の位置計測の精度への影響を受けにくくすることができる。
請求項5の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像において点光源の像の位置をより簡単に求めることができる。
請求項6の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、撮影された画像中で背景と点光源の像とのコントラストの差が生じやすくなるため、点光源の像をより抽出しやすくなる。
請求項7の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物の位置を求める点光源の選択を行うことができ、対象物の位置をより高精度に求めることができる。
請求項8の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、簡単な構成で撮影された点光源の像の位置をより高精度に求めることができるため、対象物の位置をより高精度に行うことができる位置計測方法を得ることができる。
請求項9の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物が移動するような場合でも対象物の位置計測の精度への影響を受けにくくすることができる。
請求項10の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、対象物の位置を求める点光源の選択を行うことができ、対象物の位置をより高精度に求めることができる。
請求項11の発明によれば、対象物の位置計測を高精度に行う機能を、コンピュータにより実現できる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
<装置構成>
図1は、本実施形態が適用される位置計測装置、および位置計測を行う対象物を含んだ全体構成を説明した図である。
図1に示した全体構成では、位置計測対象である対象物100と、対象物100の三次元位置および三軸角度を計算する位置計測装置300とを有する。そして、対象物100には点光源の一例としてのLED(Light Emitting Diode)が4点以上備えられている。図1に示した形態では、対象物100は、4点のLEDであるLED11〜14を備える。また、位置計測装置300は、対象物100を撮影する撮影部の一例としてのカメラ30と、カメラ30により撮影された画像に基づいて対象物100の三次元位置および三軸角度を演算する演算装置40とを備える。
<装置構成>
図1は、本実施形態が適用される位置計測装置、および位置計測を行う対象物を含んだ全体構成を説明した図である。
図1に示した全体構成では、位置計測対象である対象物100と、対象物100の三次元位置および三軸角度を計算する位置計測装置300とを有する。そして、対象物100には点光源の一例としてのLED(Light Emitting Diode)が4点以上備えられている。図1に示した形態では、対象物100は、4点のLEDであるLED11〜14を備える。また、位置計測装置300は、対象物100を撮影する撮影部の一例としてのカメラ30と、カメラ30により撮影された画像に基づいて対象物100の三次元位置および三軸角度を演算する演算装置40とを備える。
図2は、カメラ30の構成例を示す図である。
カメラ30は、LED11〜14から出射された光を収束する光学系31と、光学系31により収束された光を検出する撮像素子の一例であるイメージセンサ32とを備える。
カメラ30は、LED11〜14から出射された光を収束する光学系31と、光学系31により収束された光を検出する撮像素子の一例であるイメージセンサ32とを備える。
光学系31は、単一のレンズまたは複数のレンズを組み合わせて構成される。例えば、2つの半球レンズを使用し、その球面側を向かい合わせに組み合わせたツインレンズが用いられる。
イメージセンサ32は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等を配列して構成される。このイメージセンサ32の表面がカメラ30の撮像面となる。イメージセンサ32の前面に、LED11〜14の発光波長に応じたフィルタを設置することにより、余計な光が排除され、LED11〜14の像のみが撮影されることとなる。本実施の形態の場合、フィルタとして、赤外光を透過させるものを使用し、イメージセンサ32により赤外光を撮影することが好ましい。このようにすることで、撮影された画像中で背景とLED11〜14の像とのコントラストの差が生じやすく、LEDの像をより抽出しやすくなる。具体的には例えば、LED11〜14の発光波長を900nmとした場合、イメージセンサ32の前面に850nmよりも長い波長だけを透過するフィルタを設置する。
また、カメラ30は、露光時間が設定できるようになっており、撮影された画像におけるLEDの像の位置を求めるために、適当な露光時間を設定する。
本実施の形態では、この露光時間は、イメージセンサ32の飽和露光量以上になるように設定を行う。このように露光時間の設定をすることにより、イメージセンサ32上でのLEDの像がより大きく撮影され、画像におけるLEDの像の位置をより高精度に求めることができる。
本実施の形態では、この露光時間は、イメージセンサ32の飽和露光量以上になるように設定を行う。このように露光時間の設定をすることにより、イメージセンサ32上でのLEDの像がより大きく撮影され、画像におけるLEDの像の位置をより高精度に求めることができる。
図3(a)〜(b)は、露光時間を、イメージセンサ32の飽和露光量以上になるように設定を行なった場合と行なわなかった場合とで、LEDの像を比較した図である。
このうち、図3(a)は、露光時間を、イメージセンサ32の飽和露光量以上になるような設定を行なわなかった場合のLEDの像である。また、図3(b)は、露光時間をイメージセンサ32の飽和露光量以上になるような設定を行なった場合のLEDの像である。なお、撮影条件としては、LEDとして光源のサイズが1mmのものを使用し、LEDからカメラ30を1m離して撮影した。またイメージセンサ32としては、100万画素のものを使用した。
このうち、図3(a)は、露光時間を、イメージセンサ32の飽和露光量以上になるような設定を行なわなかった場合のLEDの像である。また、図3(b)は、露光時間をイメージセンサ32の飽和露光量以上になるような設定を行なった場合のLEDの像である。なお、撮影条件としては、LEDとして光源のサイズが1mmのものを使用し、LEDからカメラ30を1m離して撮影した。またイメージセンサ32としては、100万画素のものを使用した。
図3(a)〜(b)において、格子状に区切られた各ブロックは、イメージセンサ32の1ピクセルに対応する。図3(a)〜(b)で示したように、LEDの像は、二重の円状となる。このうち内側の円状の部分は、高い輝度の部分である。そして、その回りを弱い輝度の部分が外側の円状の像として撮影される。図3(a)におけるLEDの像では、内側の円状の部分の大きさは、イメージセンサ32の1ピクセルのサイズとなる。しかしながら、このような1ピクセル程度の画像情報では、単にそのピクセル位置にLEDの像が撮影されたという情報しか得られない。
一方、図3(b)において、LEDの像は、内側の円状の部分が4ピクセルのサイズとなる。即ち、図3(a)におけるLEDの像に比較して、その半径が2倍となっている。このようにLEDの像を撮影することで、画像中でのLEDの像の位置をより正確に抽出することができる。また、画像中でのLEDの像がよりはっきりと撮影されるため、背景とのコントラストの差がより大きくなり、画像中からLEDの像を抽出するのが、より容易になりやすい。
一方、図3(b)において、LEDの像は、内側の円状の部分が4ピクセルのサイズとなる。即ち、図3(a)におけるLEDの像に比較して、その半径が2倍となっている。このようにLEDの像を撮影することで、画像中でのLEDの像の位置をより正確に抽出することができる。また、画像中でのLEDの像がよりはっきりと撮影されるため、背景とのコントラストの差がより大きくなり、画像中からLEDの像を抽出するのが、より容易になりやすい。
次に、このようなLEDの像を撮影するための具体的な手段について更に詳しく説明を行う。
図4(a)は、露光時間とイメージセンサ32の出力電圧との関係を説明した図である。また、図4(b)は、露光時間とイメージセンサ32に撮影されるLEDの像の半径との関係を説明した図である。
図4(a)において、露光時間が0から経過するに従い、イメージセンサ32の出力電圧は比例的に増加するが、一定の露光時間(t1)経過すると、出力電圧は、上限値である飽和出力電圧で飽和し、その後は、出力電圧は飽和出力電圧で一定のままであることがわかる。この露光時間(t1)においてイメージセンサ32は、飽和露光量に達している。ここでは、この露光時間(t1)を、以降、「飽和露光時間」と呼ぶ。
図4(a)は、露光時間とイメージセンサ32の出力電圧との関係を説明した図である。また、図4(b)は、露光時間とイメージセンサ32に撮影されるLEDの像の半径との関係を説明した図である。
図4(a)において、露光時間が0から経過するに従い、イメージセンサ32の出力電圧は比例的に増加するが、一定の露光時間(t1)経過すると、出力電圧は、上限値である飽和出力電圧で飽和し、その後は、出力電圧は飽和出力電圧で一定のままであることがわかる。この露光時間(t1)においてイメージセンサ32は、飽和露光量に達している。ここでは、この露光時間(t1)を、以降、「飽和露光時間」と呼ぶ。
また図4(b)において、露光時間が0からt1において、イメージセンサ32に撮影されるLEDの像の半径は、r1で一定であるが、飽和露光時間経過後は、LEDの像の半径は、比例的に増加することがわかる。ここで、飽和露光時間においてイメージセンサ32に蓄積された電荷は、単位面積当たりの電荷をDsとすると、πr1 2Dsとなり、毎秒Ir=πr1 2Ds/t1で増えたことになる。ここで、LEDの像の半径を、飽和露光時間のときのLEDの像と比較して、その半径を2倍とするためには、電荷が、π(2r1)2Ds必要となる。この電荷を蓄積するための露光時間(t2)は、π(2r1)2Ds/Ir=4t1である。即ち、露光時間を飽和露光時間の4倍以上とすることで、飽和露光時間におけるLEDの像に比較して、その半径を2倍以上とすることができる。
なお、撮影されるLEDの像は、図3(a)〜(b)に示したような二重円状のものに限られるものではない。
図5(a)は、撮影されるLEDの像の他の例として、リング状のものを示した図である。図5(a)において、5点のLEDの像がリング状に撮影されていることがわかる。このような画像を撮影するには、図5(b)に示した半球レンズを光学系31(図2参照)として使用すればよい。半球レンズは球面収差を有するため、この球面収差によりイメージセンサ32に撮影されるLEDの像がリング状となる。そして、実際にLEDの像の位置を求めるためには、このリング状のLEDの像の中心位置をLEDの像の位置とすればよい。
図5(a)は、撮影されるLEDの像の他の例として、リング状のものを示した図である。図5(a)において、5点のLEDの像がリング状に撮影されていることがわかる。このような画像を撮影するには、図5(b)に示した半球レンズを光学系31(図2参照)として使用すればよい。半球レンズは球面収差を有するため、この球面収差によりイメージセンサ32に撮影されるLEDの像がリング状となる。そして、実際にLEDの像の位置を求めるためには、このリング状のLEDの像の中心位置をLEDの像の位置とすればよい。
また、露光時間の設定は、カメラ30(図2参照)が撮影するフレーム毎に露光時間を変更し、撮影されたLEDの像の大きさに応じて、最適な露光時間を選択し設定することが好ましい。
図6は、カメラ30が撮影するフレーム毎に露光時間を変更し、撮影されたLEDの像の大きさに応じて、最適な露光時間を選択し設定する具体的な手法を説明した図である。
図6において、横軸はフレーム数を表し、縦軸は露光時間を表す。そして、カメラ30が撮影するフレーム数とそれに対応する露光時間との関係を示した。
ここでは、4フレームを1セットとし、この1セットにおいて露光時間を1フレーム毎に4段階に変更して撮影を行う。即ち、図6における黒丸の箇所に対応した露出時間でフレーム毎に撮影を行っていく。そして、1セット毎に撮影されたLEDの像の大きさが適当な大きさとなったものを選択する。
図6は、カメラ30が撮影するフレーム毎に露光時間を変更し、撮影されたLEDの像の大きさに応じて、最適な露光時間を選択し設定する具体的な手法を説明した図である。
図6において、横軸はフレーム数を表し、縦軸は露光時間を表す。そして、カメラ30が撮影するフレーム数とそれに対応する露光時間との関係を示した。
ここでは、4フレームを1セットとし、この1セットにおいて露光時間を1フレーム毎に4段階に変更して撮影を行う。即ち、図6における黒丸の箇所に対応した露出時間でフレーム毎に撮影を行っていく。そして、1セット毎に撮影されたLEDの像の大きさが適当な大きさとなったものを選択する。
このような形態で適宜最適な露光時間で撮影した画像中から、LEDの像を抽出することで、後述する対象物100(図1参照)の位置を求める演算を精度よく行うことができる。例えば、対象物100が移動するような場合に、その時々において対象物100に設けられているLEDの像の位置や輝度が変化するが、このような場合でも適宜最適な露光時間で撮影したLEDの像を選択できるため、影響を受けにくい。よって、後述するLEDの位置を求めることにより対象物100の位置を求める演算を行う際に計算変動が生じにくくなる。
図7は、演算装置40の構成を説明した図である。
演算装置40は、図7に示したように、対象物100(図1参照)に設けられたLEDの位置関係を記憶する記憶部41と、カメラ30により撮影された入力画像としてのLEDの像を取り込み、4点以上のLEDの像を選択する選択部42と、記憶部41よりLEDの位置関係を読み出し、この位置関係および画像におけるLEDの像の位置関係から対象物100の三次元位置および三軸角度を求める演算部43とからなる。
演算装置40は、図7に示したように、対象物100(図1参照)に設けられたLEDの位置関係を記憶する記憶部41と、カメラ30により撮影された入力画像としてのLEDの像を取り込み、4点以上のLEDの像を選択する選択部42と、記憶部41よりLEDの位置関係を読み出し、この位置関係および画像におけるLEDの像の位置関係から対象物100の三次元位置および三軸角度を求める演算部43とからなる。
また、図8は、演算装置40の動作を説明したフローチャートである。
以下、図7と図8に基づき、演算装置40の動作の概略を説明する。
演算装置40は、例えばパーソナルコンピュータ等で実現される。選択部42は、カメラ30により撮影されたLEDの像を取得する(ステップ101)。そして、LEDの像の中から所定の条件を満たす4点以上のLEDの像を選択する(ステップ102)。この選択は、例えば、前述したようにイメージセンサ32(図2参照)の飽和露光時間におけるLEDの像に比較して、半径が2倍以上となるLEDの像を選択してもよく、また後述する演算部43における演算において計算変動が小さくなるようなLEDの像を選択してもよい。次に、演算部43が、選択されたLEDの像に対応するLEDの位置関係を記憶部41から読み出す(ステップ103)。そして、演算部43は、この位置情報と、選択部42により選択されたLEDの像の位置関係とに基づき、LEDが設けられた対象物100の三次元位置、三軸角度を求め、対象物100の位置計測結果として出力する(ステップ104)。
以下、図7と図8に基づき、演算装置40の動作の概略を説明する。
演算装置40は、例えばパーソナルコンピュータ等で実現される。選択部42は、カメラ30により撮影されたLEDの像を取得する(ステップ101)。そして、LEDの像の中から所定の条件を満たす4点以上のLEDの像を選択する(ステップ102)。この選択は、例えば、前述したようにイメージセンサ32(図2参照)の飽和露光時間におけるLEDの像に比較して、半径が2倍以上となるLEDの像を選択してもよく、また後述する演算部43における演算において計算変動が小さくなるようなLEDの像を選択してもよい。次に、演算部43が、選択されたLEDの像に対応するLEDの位置関係を記憶部41から読み出す(ステップ103)。そして、演算部43は、この位置情報と、選択部42により選択されたLEDの像の位置関係とに基づき、LEDが設けられた対象物100の三次元位置、三軸角度を求め、対象物100の位置計測結果として出力する(ステップ104)。
次に、選択されたLEDの像が4点で同一平面上にある場合を例として対象物100の三次元位置、三軸角度を算出する方法について説明を行う。ここでは、対象物100には、図1で説明した場合と同様に4点のLEDであるLED11〜14が備えられているものとする。
LED11の位置について、対象物100を基準とした座標系における座標を[X1,Y1,Z1]Tとする。また、カメラ30により撮影された画像上(イメージセンサ32上)(図2参照)の座標系におけるLED11の点の像の座標を[u1,v1]とする。なお以下の説明で、カメラ30の位置を原点とした座標系をカメラ座標系とし、このカメラ座標系におけるLED11の座標を[Xc1,Yc1,Zc1]Tとする。
この場合、射影行列Pとして3行4列の行列を用いて、以下の関係式が成り立つ。
LED11の位置について、対象物100を基準とした座標系における座標を[X1,Y1,Z1]Tとする。また、カメラ30により撮影された画像上(イメージセンサ32上)(図2参照)の座標系におけるLED11の点の像の座標を[u1,v1]とする。なお以下の説明で、カメラ30の位置を原点とした座標系をカメラ座標系とし、このカメラ座標系におけるLED11の座標を[Xc1,Yc1,Zc1]Tとする。
この場合、射影行列Pとして3行4列の行列を用いて、以下の関係式が成り立つ。
数1式の中の射影行列Pは定数倍の不定性があり、これが数1式の左辺の係数hによって吸収される。よって、P34=1とおくことができる。また、LED11〜14は同一平面上にあるために、Z座標を0とすることができる。そこで、Z1=0とすると、数1式のZ1に対応する射影行列Pの第3列を省略することができる。そのため数1式は、以下のように変形できる。この場合の射影行列の未知数は8個となる。
この数2式から次の2つの拘束式が得られる。
数3式で示した関係は、LED12〜14についても同様に成り立つ。即ち、LED12〜14に対して、以下の関係式が成り立つ。なお、ここで、LED12〜14の対象物100を基準とした座標系における座標をそれぞれ、[X2,Y2,Z2]T、[X3,Y3,Z3]T、[X4,Y4,Z4]Tとし、カメラ30により撮影された画像上の座標系におけるLED12〜14の点の像の座標をそれぞれ、[u2,v2]、[u3,v3]、[u4,v4]としている。またLED11と同様にZ2=Z3=Z4=0としている。
数3式および数4式を整理すると次式が得られる。
数6式の両辺にAの逆行列を左からかけると、
となり、P3を求めることができる。
また、射影行列Pは、カメラ内部行列Cとカメラ外部行列[r1 r2 r3 t]との積で表すことができる。
また、射影行列Pは、カメラ内部行列Cとカメラ外部行列[r1 r2 r3 t]との積で表すことができる。
ここで、r1、r2、r3は、対象物100上の座標系をカメラ座標系に変換する回転ベクトルであり、tは、平行移動ベクトルである。そして、これらのベクトルは全て3つの要素を有する列ベクトルとして表される。P3は射影行列Pの第3列目がない行列であるので、
となる。よって、
となり、列ベクトルr1、r2、tを算出することができる。また、r3は、r1、r2と直交することから、
と表すことができる。よって数11式よりr3を算出することができる。以上のようにして回転ベクトルr1、r2、r3と、平行移動ベクトルtが全て算出できたことになる。そこで、R=[r1 r2 r3]とすると、LED11〜14の三次元位置は、カメラ座標系を使用して、以下のように表すことができる。なおここで、カメラ座標系におけるLED12〜14の座標をそれぞれ[Xc2,Yc2,Zc2]T、[Xc3,Yc3,Zc3]T、[Xc4,Yc4,Zc4]Tとしている。
数12式の関係式から、LED11〜14のカメラ座標が特定できるため、対象物100の三次元位置および三軸角度が求まることとなる。よって、以上のようにして対象物100の位置が計測できる。
なお、以上の説明は、選択されたLEDが4点の場合を説明したが、5点以上になった場合も同様の手法を用いて算出可能である。
なお、以上の説明は、選択されたLEDが4点の場合を説明したが、5点以上になった場合も同様の手法を用いて算出可能である。
なお、以上詳述した本実施の形態において、点光源をLEDにより構成されるとしたが、これに限定するものではない。例えば、点光源としてLEDの代わりに再帰反射板を設け、カメラ30の近くに設けられた照明装置から光を照射し、再帰反射板による反射光をカメラ30により撮影するようにしても良い。
11〜14…LED、30…カメラ、31…光学系、32…イメージセンサ、40…演算装置、41…記憶部、42…選択部、43…演算部、100…対象物、300…位置計測装置
Claims (11)
- 対象物に設けられた4点以上の点光源を、撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定し撮影する撮影部と、
前記点光源の位置関係を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記点光源の位置関係を読み出し、当該位置関係および前記撮影部により撮影された点光源の像の位置関係から前記対象物の位置を求める演算部と、
を備えることを特徴とする位置計測装置。 - 前記撮影部は、前記点光源の像の半径が飽和露光時間における点光源の像の半径の2倍以上になるときの時間を前記露光時間として設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 前記撮影部は、飽和露光時間の4倍以上となる時間を前記露光時間として設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 前記撮影部は、当該撮影部が撮影するフレーム毎に前記露光時間を変更し、撮影された点光源の像の大きさに応じて露光時間を設定することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 前記撮影部は、球面収差により前記点光源の像がリング状になる光学系を備えることを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 前記撮影部は、前記点光源から出射される赤外光を撮影することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 前記撮影部により撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて、前記演算部で前記対象物の位置を求めるための点光源の像を選択する選択部を更に有することを特徴とする請求項1に記載の位置計測装置。
- 対象物に設けられた4点以上の点光源を撮像素子の飽和露光量以上になるように露光時間を設定して撮影し、
前記対象物における前記点光源の位置関係および撮影された点光源の像の位置関係から当該対象物の位置を求めることを特徴とする位置計測方法。 - 前記露光時間は、撮影を行うフレーム毎に変更され、撮影された点光源の像の大きさに応じて選択され設定されることを特徴とする請求項8に記載の位置計測方法。
- 撮影された前記点光源の像から、当該点光源の像の大きさに応じて前記対象物の位置を求めるための点光源を更に選択することを特徴とする請求項8に記載の位置計測方法。
- コンピュータに、
対象物に設けられた4点以上の点光源を撮像素子の飽和露光量以上で撮影するための露光時間を設定する機能と、
メモリから前記点光源の位置関係を読み出し、当該位置関係および撮影された点光源の像の位置関係から前記対象物の位置を求める機能と、
を実現させるプログラム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008120562A JP2009270893A (ja) | 2008-05-02 | 2008-05-02 | 位置計測装置、位置計測方法およびプログラム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012027000A (ja) * | 2010-06-22 | 2012-02-09 | Itt:Kk | 単一カメラによる画像計測処理装置,画像計測処理方法および画像計測処理プログラム |
KR20170085388A (ko) * | 2016-01-14 | 2017-07-24 | 삼성전자주식회사 | 디스플레이 컨트롤러, 그리고 이를 포함하는 어플리케이션 프로세서 |
-
2008
- 2008-05-02 JP JP2008120562A patent/JP2009270893A/ja active Pending
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