JP2010190763A

JP2010190763A - 位置計測システム

Info

Publication number: JP2010190763A
Application number: JP2009036104A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hotta; 宏之堀田; Yasuji Seko; 保次瀬古; Yasuyuki Saguchi; 泰之佐口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】対象物の位置や角度に関し許容範囲を超える誤差を含むと判断される場合に計測結果の導出を避けることができる位置計測システムを提供することにある。
【解決手段】位置計測システムは、３つ以上の基本標識を有する標識セット１と、標識セットを撮像するカメラ２と、カメラで撮像した標識セットの画像に基づいて、基本標識により形成される基本標識面１１とカメラの画像面１２とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断し、両面のなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合は標識セットの位置および角度を演算せず、予め決められた角度以上と判断された場合はカメラで撮像した標識セットの画像に基づいて標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する演算部１３とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、位置計測システムに関するものである。

従来から発光点や光の反射点等の基本標識の３次元位置を計測する手段として、種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を一つのカメラで撮像することにより、その３次元位置を計測する技術が開示されている。この技術は、レンズの球面収差を利用して、点光源をリング像に変換し、そのリング像のサイズから光源までの距離を計測し、リング像の中心位置から光源が存在する方向を決定することで、光源の３次元座標を計測するものである。また、特許文献２には、対象物の位置や方向を簡易かつ高精度に測定することができる技術が開示されている。この技術は、例えば矩形状のカードの頂点に配置した複数のＬＥＤ光源からの光により光リング像を形成し、この光リング像を撮像素子により検出し、その検出情報および各光源の位置関係に基づいて各光源の位置を計測するものである。

特開２００４−２１２３２８号公報特開２００８−５８２０４号公報

本発明の目的は、対象物の位置や角度に関し許容範囲を超える誤差を含むと判断される場合に計測結果の導出を避けることができる位置計測システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の位置計測システムおよびプログラムを提供する。
（１）対象物に取り付けられる位置関係の分かっている３つ以上の基本標識を有する標識セットと、前記標識セットを撮像する２次元撮像素子を有するカメラと、前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて、前記３つ以上の基本標識により形成される基本標識面と前記カメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断し、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合は前記標識セットの位置および角度を演算せず、前記予め決められた角度以上と判断された場合は前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する演算部とを備えた位置計測システム。
（２）前記標識セットと前記カメラの位置を相対的に変更する位置変更機構を備え、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記位置変更機構により前記標識セットと前記カメラの位置を相対的に変更し、前記演算部により前記変更後の位置において前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記演算を行う上記（１）記載の位置計測システム。
（３）前記カメラが前記位置変更機構に取り付けられ、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記位置変更機構により前記カメラを移動させまたは傾ける上記（２）記載の位置計測システム。
（４）前記標識セットを複数備え、前記複数の標識セットの基本標識面が前記予め決められた角度以上の角度で設置され、特定の標識セットについて前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記カメラが前記特定の標識セットとは別の標識セットを撮像し、前記演算部が前記別の標識セットの画像に基づいて前記演算を行う上記（１）記載の位置計測システム。
（５）コンピュータに、対象物に取り付けられる位置関係の分かっている３つ以上の基本標識を有する標識セットを２次元撮像素子を有するカメラで撮像した画像に基づいて、前記３つ以上の基本標識により形成される基本標識面と前記カメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断する手順、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合は前記標識セットの位置および角度の演算を見合わせる手順、前記予め決められた角度以上と判断された場合は前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する手順を実行させるプログラム。

請求項１に記載の位置計測システムによれば、対象物の位置や角度に関し許容範囲を超える誤差を含むと判断される場合に計測結果の導出を避けることができる。
請求項２に記載の位置計測システムによれば、対象物の位置や角度に関し本構成を有しないものに比べ精度よく計測することができる。
請求項３に記載の位置計測システムによれば、本構成を有しないものに比べ標識セットの基本標識面とカメラの画像面とのなす角度を容易に予め決められた角度以上とすることができる。
請求項４に記載の位置計測システムによれば、対象物の位置や角度に関し本構成を有しないものに比べ精度よく計測することができる。
請求項５に記載のプログラムによれば、対象物の位置や角度に関し許容範囲を超える誤差を含むと判断される場合に計測結果の導出を避けることができる。

３つ以上の基本標識を有する標識セットの３次元位置の演算方法の一例を示す図である。（ａ）〜（ｆ）は、対象物に配置された複数の基本標識により形成される基本標識面とカメラの画像面とのなす角度の例およびその場合の計測結果の例を示す図である。本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断する方法の一例を説明するための図である。本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。

以下、本発明に係る位置計測システムの一実施例を説明するが、その前に、この種の位置計測システムの計測方法の一例とその場合の測定結果の誤差について説明する。
図１は、３つ以上の基本標識を有する標識セットの３次元位置の演算方法の一例を示す図である。以下、基本標識をＬＥＤ等で構成された光源として説明する。本例では、４つの光源を例えば正方形の角に配置し、そのうちの３つの光源の組み合わせを２つ考える。そして、各々の３点を用いて、以下の計算から２つの解を導出する。その２つの解の内一つは光源位置が全く同じ値を示すので、それを正解とする。これにより、光源セットの位置と角度を決定することができる。

まず、図１において、光源（基本標識）ａ１，ａ２，ａ３の画像面（カメラの２次元撮像素子面）１２上の画像位置ｃ１，ｃ２，ｃ３とカメラの光学中心２０との関係から、カメラ座標系における光源位置の方向ベクトルｄｉ（ｉ＝１，２，３）を算出する。ｄｉは規格化した単位ベクトルとする。

光源ａ１，ａ２，ａ３の空間の位置ベクトルをｐ１，ｐ２，ｐ３とすると、これらはｄｉの延長線上に存在するので、その係数をｔ１，ｔ２，ｔ３として、
p1=t1・d1
p2=t2・d2 式１
p3=t3・d3
で表すことができる。

三角形の形状は最初からわかっており、その長さを各々
p1p2=L1
p2p3=L2 式２
p3p1=L3
とすると次式が得られる。式中「^」は累乗を表す。
(t1x1-t2x2)^2+(t1y1-t2y2)^2+(t1z1-t2z2)^2=L1^2
(t2x2-t3x3)^2+(t2y2-t3y3)^2+(t2z2-t3z3)^2=L2^2 式３
(t3x3-t1x1)^2+(t3y3-t1y1)^2+(t3z3-t1z1)^2=L3^2

整理すると
t1^2-2t1t2(x1x2+y1y2+z1z2)+t2^2-L1^2=0
t2^2-2t2t3(x2x3+y2y3+z2z3)+t3^2-L2^2=0 式４
t3^2-2t3t1(x3x1+y3y1+z3z1)+t1^2-L3^2=0
が得られ、次式となる。式中「sqrt」は平方根を表す。
t1=A1・t2±sqrt((A1^2-1)・t2^2+L1^2)
t2=A2・t3±sqrt((A2^2-1)・t3^2+L2^2) 式５
t3=A3・t1±sqrt((A3^2-1)・t1^2+L3^2)
ここで、A1,A2,A3は次式のとおりである。
A1=x1x2+y1y2+z1z2
A2=x2x3+y2y3+z2z3 式６
A3=x3x1+y3y1+z3z1

実数解を持つために、式５の平方根の中が正になる。
t1≦ sqrt(L3^2/(1-A3^2))
t2≦ sqrt(L1^2/(1-A1^2)) 式７
t3≦ sqrt(L2^2/(1-A2^2))

この条件を満たす実数ｔ１、ｔ２、ｔ３を順次、式５に代入し、式５が成立するすべてのｔ１，ｔ２，ｔ３を算出する。次に上記の式１からｐ１，ｐ２，ｐ３を、すなわち、光源の３次元位置を算出する。光源が３つの場合には２つの解ができるが、本例の場合は光源が４つあるので、他の３つの光源、例えばａ１，ａ３，ａ４について上記と同様の計算を行い別の２つの解を導出する。その２つの解の内一つは光源位置が全く同じ値を示すので、それを正解とする。このようにして光源セットの位置と角度を決定することができる。光源が３つの場合は例えば２つの解の平均値あるいは既知の初期値に近い方を求める値とすることができる。光源（基本標識）の３次元位置の算出方法は上記に限定されず、別の方法で行ってもよい。

図２（ａ）〜（ｆ）は、対象物に配置された複数の基本標識により形成される基本標識面とカメラの画像面とのなす角度の例およびその場合の計測結果の例を示す図である。図２（ａ）は、カメラ２の画像面１２に対して複数の基本標識（例えば、光源）により形成される基本標識面５が左へ１０度以上（角度θ１）傾いている場合を示し、この場合は、図２（ｂ）に示すように、計測結果６も角度θ１傾いており正しい。図２（ｃ）は、カメラ２の画像面１２に対して基本標識面５が左へ５度〜右へ５度（角度θ２）傾いている場合を示し、この場合は、図２（ｄ）に示すように、計測結果６は角度θ２とは異なる角度θｘ傾いており誤差が大きい。図２（ｅ）は、カメラ２の画像面１２に対して基本標識面５が右へ１０度以上（角度θ３）傾いている場合を示し、この場合は、図２（ｆ）に示すように、計測結果６も角度θ３傾いており正しい。このように、カメラ２の画像面１２と基本標識面５とのなす角度が左右１０度以上の場合は計測結果は正しいが、左へ５度〜右へ５度の場合は計測結果の誤差が大きい。すなわち、両面のなす角度が例えば１０度未満の場合は計測結果に誤差が含まれる可能性があり、計測誤差に注意が必要である。この誤差の発生過程は、２次元平面であるカメラの画像面（撮像素子面）上で基本標識の位置を求めた後に、３次元位置や角度を計算していく過程にあることが分かっている。

図３は、本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、例えばカード等の対象物３に取り付けられる位置関係の分かっている４つの基本標識ａ１，ａ２，ａ３，ａ４を有する標識セット１と、標識セット１を撮像する２次元撮像素子１４を有するカメラ２と、カメラ２で撮像した標識セット１の画像から標識セット１の位置や角度を演算する演算部１３とを備える。演算部１３は、カメラ２で撮像した標識セット１の画像に基づいて、４つの基本標識ａ１，ａ２，ａ３，ａ４により形成される基本標識面１１とカメラ１の画像面１２とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断し、両面のなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合は、標識セット１の位置および角度を演算せず、予め決められた角度以上と判断された場合は、カメラ２で撮像した標識セット１の画像に基づいて標識セット１の位置および角度の少なくとも一方を演算する。ここで、予め決められた角度は例えば１０度とされるが、これに限定されず、演算部１３を含む全体システムの特性に基づいて定めることができる。

基本標識面１１とカメラ１の画像面１２とのなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合、特別な機構を用いることなく標識セット１とカメラ２の位置を相対的に変更して再度カメラ２で標識セット１を撮像することもできるが、図示のようにカメラ２の位置を変更する位置変更機構３０を用いて標識セット１とカメラ２の位置を相対的に変更して再度カメラ２で標識セット１を撮像することもできる。また、位置変更機構３０は、演算部１３からの信号に基づいて自動的にカメラを例えば矢印３１のように左右方向あるいは矢印３２のように上下方向にそれぞれ移動させることができ、また矢印３３の両方向に軸回転して傾けることができる。位置変更機構３０の構成はこれに限定されず、これ以外の方法で移動または回転するようにしてもよい。この場合、演算部１３は、変更後の位置において再度カメラ２で撮像した標識セット１の画像に基づいて前記演算を行う。

図４（ａ）〜（ｄ）は、基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断する方法の一例を説明するための図である。図４（ａ）に示すように、例えば基本標識がａ１，ａ２，ａ３，ａ４の４つで、カード等の対象物３上の基本標識の外周を結んだ線で四角形が構成される場合、四角形の辺の長さを求めておく（例えば、長い順にＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４）。一方、図４（ｂ）に示すように、カメラの画像面上での画像位置ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４の外周を結んだ線で構成される四角形に関して、四角形の辺の長さを計算する（例えば、長い順にＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）。そして、Ａ２／Ａ１，Ａ３／Ａ１，Ａ４／Ａ１とＢ２／Ｂ１，Ｂ３／Ｂ１，Ｂ４／Ｂ１とをそれぞれ比較して、その差が特定の値以内であれば基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満である、すなわちカード等の対象物がカメラの正面に近いと判断する。また、図４（ｃ）に示すように、例えば基本標識がａ１，ａ２，ａ３の３つで、カード等の対象物３上の基本標識の外周を結んだ線で三角形が構成される場合、三角形の辺の長さを求めておく（例えば、長い順にＡ１，Ａ２，Ａ３）。一方、図４（ｄ）に示すように、カメラの画像面上での画像位置ｃ１，ｃ２，ｃ３の外周を結んだ線で構成される三角形に関して、三角形の辺の長さを計算する（例えば、長い順にＢ１，Ｂ２，Ｂ３）。そして、Ａ２／Ａ１，Ａ３／Ａ１とＢ２／Ｂ１，Ｂ３／Ｂ１とをそれぞれ比較して、その差が特定の値以内であれば基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満であると判断する。すなわちカード等の対象物がカメラの正面に近いと判断する。上述の例は四角形と三角形の例であるが、これらに限定されず、それ以外の多角形でも同様に行うことができる。

図５は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。本実施例が図３の実施例と異なる点は、標識セットを複数備えた点である。図示のように、例えば２つの標識セット１，１’の基本標識面１１と１１’が予め決められた角度以上の角度で設置され、一方の標識セット１について基本標識面１１とカメラ２の画像面１２とのなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合、カメラ２が標識セット１１とは別の標識セット１１’を撮像し、演算部１３が別の標識セット１１’の画像に基づいて前記演算を行うものである。ここで、予め決められた角度は例えば１０度とされるが、これに限定されず、演算部１３を含む全体システムの特性に基づいて定めることができる。また、本システムでは、基本標識面１１または１１’とカメラ２の画像面１２とのなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合、その旨を報知する報知器１５を備える。本例の報知器１５は、ＬＥＤ等の発光体を用いて視覚的に報知するものであるが、これに限定されず、例えばブザー等を用いて聴覚的に、あるいはバイブレータ等を用いて触覚的に報知することができる。なお、図５では、図３に示す位置変更機構３０を図示していないが、本実施例において図３の位置変更機構３０を併用することもできる。

上記実施例において、標識セットを構成する各基本標識は、例えばＬＥＤ等の光源を用いることができる。この場合、光源の発光を制御する図示しない発光制御装置が対象物３に配置される。また、上述の光源の代わりに再帰反射板を用い、その再帰反射板を照明するための照明装置を備えるようにしてもよい。また基本標識は、ＬＥＤ等の光源や再帰反射板に限定されず、これ以外のものを用いてもよい。さらに、カメラ２は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等を搭載したデジタルカメラが用いられるが、これに限定されない。演算部１３は、カメラ２の図示しない通信手段と有線あるいは無線で接続され、カメラ２と通信できるように構成される。演算部１３は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のコンピュータが用いられるが、これに限定されない。

以上の手順は、コンピュータに次のプログラムを実行させることで実施することができる。すなわち、このプログラムは、コンピュータに、対象物に取り付けられる位置関係の分かっている３つ以上の基本標識を有する標識セットを２次元撮像素子を有するカメラで撮像した画像に基づいて、３つ以上の基本標識により形成される基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断する手順、両面のなす角度が予め決められた角度未満と判断された場合は標識セットの位置および角度の演算を見合わせる手順、予め決められた角度以上と判断された場合はカメラで撮像した標識セットの画像に基づいて標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する手順を実行させるものである。

このように、カメラの画像面（撮像素子上）の基本標識の２次元配置を参考にして、基本標識面とカメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満、すなわち基本標識を配置したカード等の対象物がカメラの正面に近いか否かを判断し、正面に近い場合は対象物の位置や角度の計算は行わない。そして、カメラを移動することが可能な場合は、カメラを移動したり傾けたりすることによって、対象物がカメラの正面に近い状態を回避する。また、複数の対象物を例えば互いに１０度以上傾けて設置しておき、正面に近いと判断された対象物以外の対象物を撮像して位置および角度計算を行う。すなわち、計算した結果から判断するのではなく、その前段階で判断し、撮像素子上の基本標識の配置から対象物が正面に近くはないと分かった場合に３次元位置や角度の計算を行う。これにより、対象物とカメラのなす角度に起因する計測誤差を回避して、対象物の位置や角度を広い範囲で正確に計算することができる。

１、１’ 標識セット
２カメラ
３、３’ 対象物
５、１１、１１’ 基本標識面
６計測結果
１２カメラの画像面
１３演算部
１４撮像素子
１５報知器
２０カメラの光学中心

Claims

対象物に取り付けられる位置関係の分かっている３つ以上の基本標識を有する標識セットと、前記標識セットを撮像する２次元撮像素子を有するカメラと、前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて、前記３つ以上の基本標識により形成される基本標識面と前記カメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断し、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合は前記標識セットの位置および角度を演算せず、前記予め決められた角度以上と判断された場合は前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する演算部とを備えた位置計測システム。
前記標識セットと前記カメラの位置を相対的に変更する位置変更機構を備え、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記位置変更機構により前記標識セットと前記カメラの位置を相対的に変更し、前記演算部により前記変更後の位置において前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記演算を行う請求項１記載の位置計測システム。
前記カメラが前記位置変更機構に取り付けられ、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記位置変更機構により前記カメラを移動させまたは傾ける請求項２記載の位置計測システム。
前記標識セットを複数備え、前記複数の標識セットの基本標識面が前記予め決められた角度以上の角度で設置され、特定の標識セットについて前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合、前記カメラが前記特定の標識セットとは別の標識セットを撮像し、前記演算部が前記別の標識セットの画像に基づいて前記演算を行う請求項１記載の位置計測システム。
コンピュータに、対象物に取り付けられる位置関係の分かっている３つ以上の基本標識を有する標識セットを２次元撮像素子を有するカメラで撮像した画像に基づいて、前記３つ以上の基本標識により形成される基本標識面と前記カメラの画像面とのなす角度が予め決められた角度未満かどうかを判断する手順、前記両面のなす角度が前記予め決められた角度未満と判断された場合は前記標識セットの位置および角度の演算を見合わせる手順、前記予め決められた角度以上と判断された場合は前記カメラで撮像した前記標識セットの画像に基づいて前記標識セットの位置および角度の少なくとも一方を演算する手順を実行させるプログラム。