JP4449051B2 - 3D motion measurement method and 3D motion measurement apparatus for an object - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の物体の動きあるいは更にその物体の一部の動き、例えば身体の各部位の空間における三次元運動の実態を、半導***置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector ） を用いて観測する方法と、その方法で物体の三次元運動を観測する測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
身体各部の前後、左右、上下の動きのような、種々の物体（以下、対象物という）の三次元運動を、その対象物の三次元空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）の時間的変化として捉える手段として、複数のカメラでその対象物を異なる方向から撮影し、それらの撮像を画像処理してその対象物の動的位置を測定するＤＬＴ（Direct Linear Transformation ）法が多用されている。しかし撮像の画像処理によって対象物の動的位置を測定するＤＬＴ法のような測定方法・装置では、測定に必要な画像情報量とその情報処理量が極めて多くなることから、測定に要する時間（情報処理に要する時間）が長くなり、また測定に要する時間を短縮するためには高度な画像処理回路が必要となる。
【０００３】
一方、空間にある対象物の位置を一方向から見た二次元座標として電気的に検出するセンサーとしてＰＳＤ（Position Sensitive Detector）が知られている。ＰＳＤは、対象物からの光を受光して、その対象物の位置を検出することができる光センサー（半導***置検出素子）で、基本的にはフォトダイオードのような接合面をもつＰＩＮ構造の半導体である。
【０００４】
すなわち、ＰＳＤは、図５に示すように、Ｐ層、Ｎ層それぞれの対向縁にＸ軸方向電極P_x1，P_x2ならびにＺ軸方向電極P_z1，P_z2を形成したものであり、Ｘ軸とＺ軸は二次元直交座標軸に相当する。そしてＰＳＤの受光面に対象物Ｑから発するスポット状の光が受光点Ｑ'に当たるとそこに電荷が発生し、Ｐ層で発生した電荷はＸ軸方向電極P_x1，P_x2にそれぞれ電流I_x1，I_x2となって分流し、Ｎ層で発生した電荷はＺ軸方向電極P_z1，P_z2にそれぞれ電流I_z1，I_z2なって分流する。そしてＸ軸方向電極P_x1，P_x2に分流する電流I_x1，I_x2と、Ｚ軸方向電極P_z1，P_z2に分流する電流I_z1，I_z2の大きさは、それぞれ各電極P_x1，P_x2，P_z1，P_z2から受光点Ｑ'までの距離に反比例する。
【０００５】
ちなみにＸ軸とＺ軸の二次元面について見れば、Ｘ軸方向電極P_x1，P_x2間の距離をS_x 、Ｚ軸方向電極P_z1，P_z2間の距離をS_z 、対象物Ｑすなわち受光点Ｑ'の位置を座標Q_x ，Q_zで表せば、I_x1＝I_xo（１／２ ＋ Q_x／S_x）、I_x2＝I_x0（１／２ − Q_x／S_x）、I_z1＝I_z0（１／２ − Q_z／S_z）、I_z2＝I_z0（１／２ ＋ Q_z／S_z）、I_x0＝I_x1＋I_x2、I_z0＝I_z1＋I_z2となる。従ってこれらの電流I_x1，I_x2，I_z1，I_z2に対応するＰＳＤのＸ軸方向出力電圧V_xとＺ軸方向出力電圧V_zを検知することにより、対象物Ｑの位置を二次元座標Q_x ，Q_zの視点から検出することができる。
【０００６】
同様にＸ軸をＹ軸に置き換えて、Ｙ軸とＺ軸に関する二次元面のＰＳＤについて見れば、図示は略すが、Ｘ軸方向電極Px₁，Px₂がＹ軸方向電極P_Y1，P_Y2に、電流I_x1，I_x2が電流I_y1，I_y2に、座標Q_xが座標Q_yにそれぞれ置き換わることから、Ｙ軸方向電極P_Y1，P_Y2間の距離をS_Y 、Ｚ軸方向電極P_z1，P_z2間の距離をS_z 、対象物Ｑの位置すなわち受光点Ｑ'の座標を座標Q_y ，Q_zで表せば、I_Y1＝I_Yo（１／２＋ Q_y ／S_Y）、I_Y2＝I_Y0（１／２ − Q_y／S_Y）、I_z1＝I_z0（１／２ − Q_z／S_z）、I_z2＝I_z0（１／２ ＋ Q_z／S_z）、I_Y0＝I_Y1＋I_Y2、I_z0＝I_z1＋I_z2となる。従ってこれらの電流I_Y1，I_Y2，I_z1，I_z2に対応するＰＳＤのＹ軸方向出力電圧V_yとＺ軸方向出力電圧V_zを検知することにより、対象物Ｑの位置を二次元座標Q_y ，Q_zの視点から検出することができる。このことから Ｘ軸とＺ軸に関するＰＳＤならびにＹ軸とＺ軸に関するＰＳＤを用いて、互いに直交する三次元座標軸Ｘ，Ｙ，ＺのＸ軸方向とＹ軸方向から同時に対象物Ｑ座標Q_x，Q_y，Q_z を検出することにより、対象物Ｑの三次元の運動を観測し測定することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、対象物からの光を二次元面のＰＳＤで受光して直ちにその対象物の二次元座標を検知し得る既知のＰＳＤカメラを２基用いて、対象物の三次元運動測定システムを構成し、これにより従来のＤＬＴ方式の三次元運動測定システムに比し、高度な画像処理装置などを要することなく、極めて簡単迅速に対象物の三次元運動を測定できるようにしようとするものである。そして所与の測定現場が、従来の測定手段では測定環境の設定が困難なところであっても、様々な測定現場で適用し得る三次元運動測定システムを構築しようとするものである。
【０００８】
またこの発明は、測定に必須の２基のＰＳＤカメラを、そのＰＳＤ受光画面を見ながら容易に所要の位置に正確に位置決めして設置し得る三次元運動測定システムを構築しようとするものである。
【０００９】
またこの発明は、例えば人体の歯や指先の動きなど、比較的狭い空間で三次元運動する対象物の動きを、その対象物から比較的近い測定位置から簡便に測定できるように、予め測定条件を満たす位置にＰＳＤカメラが設置されている測定手段を構成しようとするものである。
【００１０】
またこの発明は、限られた測定空間において対象物とＰＳＤカメラの間の距離が十分に得られない測定環境下において、ＰＳＤカメラの視野を等価的に拡大し、対象物のより広範な三次元運動を測定し得るようにすると共に、一旦設置したＰＳＤカメラの設定状態を変えることなく対象物の動きを異なる視点から測定しようとするものである。
【００１１】
さらにこの発明は、三次元空間で運動する対象物の時々の位置を表す三次元座標の演算を単純化しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
２基のＰＳＤカメラを用いて対象物の三次元運動を迅速・簡単に測定するために、この発明は、三次元運動する対象物の運動領域を含む三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に少なくとも３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を直立させ、この基準面上における較正用ポールP_a ，P_b ，P_cの各設置点Ａ，Ｂ，Ｃを、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_yで且つ設置点Ａで直交するように設定し、較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置すると共にそれらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定し、焦点距離F_yが既知で前記較正用ポールP_a およびP_bから等距離に置かれるＰＳＤカメラと焦点距離F_xが既知で前記較正用ポールP_a およびP_cから等距離に置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを、前記三次元空間の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの中の異なる座標軸方向に設置し、前記較正用ポールP_a，P_b ，P_c上の較正用光体を２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを構成する別方向の二次元座標軸に対応する二次元座標軸を、２基の各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に分担させて較正設定し、前記各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ前記各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離L_y ，L_x を隔てて設定し、その後、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して対象物の三次元運動を測定する。
【００１３】
この三次元運動測定方法に用いる測定装置として、この発明は、三次元運動する対象物の位置を表すための三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に直立させる少なくとも３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c と、その各較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_b から等距離で且つ三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_y を隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_c から等距離で且つ三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Lx を隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、その２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に対象物に付した位置検出用光体を撮像して得た対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータとで測定装置の主要部を構成し、前記各較正用ポールP_a ，P_b ，P_c の設置点Ａ，Ｂ，Ｃ に関し、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_yで且つ設置点Ａで直交するように設定し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の基準面からの高さh₀ を等しく設定する。
【００１４】
また、対象物の三次元運動の測定に必要な２基のＰＳＤカメラを、そのＰＳＤ受光画面を見ながら容易に所要の位置に正確に位置決めして設置できるようにするために、この発明は、三次元運動する対象物の運動領域を含む三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に５本の較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを設け、設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、線分ＡＢと線分ＡＣが設置点Ａで直交するように設置点Ａ，Ｂ，Ｃを配設し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_yに設定し、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ， P_e を位置させて前記基準面上に5本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_eを直立させ、較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれに１個の較正用光体d₀ ，e₀を設置し、較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置し、それらの対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれの較正用光体d₀ ，e₀ の前記基準面からの高さh₀ と等しく設定し、焦点距離F_yが既知で前記較正用ポールP_a およびP_bから等距離に置かれるＰＳＤカメラと、焦点距離F_xが既知で前記較正用ポールP_a およびP_cから等距離に置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを前記三次元空間の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの中の別の二つの座標軸方向（例えばＸ軸方向とＹ軸方向）に設置し、較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ， P_e 上の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ ；d₀ ，e₀ を２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像しながら、前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを構成する別方向の二次元座標軸に対応する二次元座標軸を２基の各ＰＳＤカメラの各ＰＳＤ受光面上に分担させて較正設定し、２基の各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離L_y ，L_xを隔てて設定し、その後、２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に対象物の位置検出用光体を撮像して得た対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して対象物の三次元運動を測定する。
【００１５】
そして、測定に必要な２基のＰＳＤカメラをそのＰＳＤ受光画面を見ながら容易に所要の位置に正確に位置決めできる測定装置として、この発明は、三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に配設された５個の設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ直立させる5本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_e と、その較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれに１個設置される較正用光体d₀ ，e₀ と、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正ポールP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_y を隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_x を隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、その２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータとで測定装置の主要部を構成し、前記５本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_e の設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_y で設置点Ａで直交するように設定し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の前記基準面からの高さh₀ を前記較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれの較正用光体d₀ ，e₀ の前記基準面からの高さh₀ と等しく設定する。
【００１６】
また比較的狭い空間で三次元運動する対象物を近い位置から簡便に測定できるように、この発明は、三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが設定される三次元空間内に、直角三角形を含む基準面を設定し、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃをそれぞれ較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃとして、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を位置させて前記基準面上に３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を直立させ、前記直角三角形の線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_yに設定し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置すると共にそれらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定し、既知の焦点距離F_yを備え前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_yを隔てて置かれるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Lxを隔てて置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを前記基準面と共に予めセットアップし、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_c上の較正用光体を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の三次元運動を測定する。
【００１７】
上記の測定方法に用いる測定装置として、この発明は、位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される直角三角形を含む基準面と、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃにそれぞれ位置する設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ直立させる３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c と、これらの各較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_yを隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Lxを隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを一体的にセットアップし、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記直角三角形の線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_y に設定し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定して必要に応じて簡単に移動設置できる三次元運動測定装置を構成する。
【００１８】
また、対象物とＦＳＤカメラの間の距離を十分とることができない測定環境下においてもＰＳＤカメラの視野を等価的に広げて対象物のより広範な三次元運動を測定できるようにするために、また一旦設置したＰＳＤカメラの設定状態を変えることなく対象物の動きを異なる視点・角度から測定するために、この発明は、予め設定された運動領域で三次元運動する対象物に設置した位置検出用光体を映す鏡を配設し、その鏡に映った対象物の位置検出光体を２基のＰＳＤカメラで撮像して得た前記対象物の時系列位置データを三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して対象物の三次元運動を測定する。
【００１９】
さらに、三次元運動する対象物の時々の位置を表す三次元座標の演算を簡略化するために、この発明は、前述の測定方法あるいは測定装置において、設置点Ａ，Ｂ間の長さK_x と設置点Ａ，Ｃ間の長さK_y を等しく設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点と２基の各ＰＳＤカメラとの間のそれぞれの距離L_y ，L_x を等しく設定し、２基のＰＳＤカメラの各焦点距離F_y ，F_x を等しく設定し、また線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の高さと、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の高さと、設置点Ａ，Ｂ間の長さK_x と、設置点Ａ，Ｃ間の長さK_y とを等しく設定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の基本的な実施形態の一つは、三次元運動する対象物の運動領域を含む三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に少なくとも３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を直立させ、これら較正用ポールP_a ，P_b ，P_cの前記基準面上における各設置点Ａ，Ｂ，Ｃを、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_yで且つ設置点Ａで直交するように設定し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置すると共にそれらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定し、焦点距離F_yが既知で前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_bから等距離に置かれるＰＳＤカメラと焦点距離F_xが既知で前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_cから等距離に置かれるＰＳＤカメラの２基のＰＳＤカメラを設置し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_c上の較正用光体を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、前記三次元空間内における前記対象物の位置を表すための前記三次元空間内の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ前記各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離L_y ，L_x を隔てて設定し、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知する物体の三次元運動測定方法である。
【００２１】
この発明の実施形態は、三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが設定される三次元空間内に、直角三角形を含む基準面を設定し、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃをそれぞれ較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃとして、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を位置させて前記基準面上に３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を直立させ、前記直角三角形の線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_yに設定し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置すると共にそれらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定し、既知の焦点距離F_yを備え前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_yを隔てて置かれるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Lxを隔てて置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを前記基準面と共に予めセットアップし、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_c上の較正用光体を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知する物体の三次元運動測定方法である。
【００２２】
この発明の他の実施形態は、三次元運動する対象物の運動領域を含む三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に５本の較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを設け、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、線分ＡＢと線分ＡＣが設置点Ａで直交するように設置点Ａ，Ｂ，Ｃを配設し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、前記線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_yに設定し、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ較正用ポールP_a ，P_b，P_c ，P_d ， P_e を位置させて前記基準面上に5本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c，P_d ，P_e 直立させ、前記較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれに１個の較正用光体d₀ ，e₀を設置し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ をそれぞれ設置し、それらの対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の間の中点の前記基準面からの高さh₀ を前記較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれの較正用光体d₀ ，e₀ の前記基準面からの高さh₀ と等しく設定し、焦点距離F_yが既知で前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_bから等距離に置かれるＰＳＤカメラと、焦点距離F_xが既知で前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールP_a およびP_cから等距離に置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを設置し、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ， P_e 上の較正用光体a₁，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ ；d₀ ，e₀ を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、前記三次元空間内における前記対象物の位置を表すための前記三次元空間内の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離L_y ，L_xを隔てて設定し、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知する物体の三次元運動測定方法である。
【００２３】
この発明の他の基本的な実施形態は、位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に配設された少なくとも３個の設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ直立させる少なくとも３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c と、これらの各較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_b から等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_y を隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_c から等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Lx を隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃ に関し、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_yで且つ設置点Ａで直交するように設定し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定した物体の三次元運動測定装置である。
【００２４】
この発明の他の実施形態は、位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される直角三角形を含む基準面と、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃにそれぞれ位置する設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ直立させる３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c と、これらの各較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_yを隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_xを隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを一体的にセットアップし、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記直角三角形の線分ＡＢと線分ＡＣを既知の長さK_x ，K_y に設定し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の前記基準面からの高さh₀ を等しく設定した物体の三次元運動測定装置である。
【００２５】
この発明の他の実施形態は、位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に配設された５個の設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ直立させる5本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_e と、前記較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれに１個設置される較正用光体d₀ ，e₀ と、前記較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ と、既知の焦点距離F_yを備え前記較正用ポールP_a および較正ポールP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_y を隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離F_xを備え前記較正用ポールP_a および較正用ポールP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離L_x を隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さK_x ，K_y で設置点Ａで直交するように設定し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、前記対をなす２個の較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂の各中点の前記基準面からの高さh₀ を前記較正用ポールP_d ，P_e のそれぞれの較正用光体d₀ ，e₀ の前記基準面からの高さh₀ と等しく設定した物体の三次元運動測定装置である。
【００２６】
この発明の他の基本的な実施形態は、予め設定された運動領域で三次元運動する対象物に設置した位置検出用光体を映す鏡を配設し、その鏡に映った対象物の位置検出光体を２基のＰＳＤカメラで撮像して得た前記対象物の時系列位置データを三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知する物体の三次元運動測定方法ならびに三次元運動測定装置である。
【００２７】
【実施例】
以下図面を参考にこの発明の実施例を説明する。図１ないし図３はこの発明に係る物体の三次元運動測定装置の一実施例を示すもので、床面上で前後・左右・上下に動く人体の特定部位の運動状態をその特定部位の三次元座標変化として観測する三次元運動測定装置の例である。図１は同装置の基本構成を示す斜視図、図２は同装置の機能説明用の平面図、図3は同装置の機能説明用の立面図である。
【００２８】
図１ないし図３において、Ｈは三次元空間内で前後・左右・上下に三次元運動する人体で、人体Ｈの一部の箇所を測定の対象物として、その対象物に位置検出用光体Ｒが設置されている。したがってＲは実質的に対象物である。位置検出用光体Ｒは、ＬＥＤ (Light Emitting Diode)などの発光体あるいは対象物に照射される光を反射する光反射体である。
【００２９】
Ｇは対象物Ｒの運動領域を含む三次元空間内に形成した基準面で、この実施例では人体が立つ水平な床面である。そして運動測定範囲の三次元空間とその三次元空間内の三次元直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを決定するために、基準面Ｇ上に５個の設置点（較正用ポールを設置する点）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを設定する。その場合、線分ＡＢと、線分ＡＣとが設置点Ａで直交するように計測して設置点Ａ，Ｂ，Ｃを配設し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、設置点Ａ，Ｂ間の距離（線分ＡＢの長さ）を予め定めた長さK_xに設定し、設置点Ａ，Ｃ間の距離（線分ＡＣの長さ）を予め定めた長さK_yに設定している。また、対象物Ｒの位置の測定演算を簡易化するために、設置点Ｄを頂点とし線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の高さを線分ＡＣの長さK_yに合わせ、設置点Ｅを頂点とし線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の高さを線分ＡＢの長さK_xに合わせている。
【００３０】
次に各設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにおいて、それぞれ較正用ポールP_a，P_b，P_c，P_d，P_eを基準面Ｇに対し直立させ（垂直に立て）、較正用ポールP_d，P_eには基準面Ｇから高さh₀の位置にそれぞれ１個の較正用光体d_o，e₀を設置し、較正用ポールP_a，P_b，P_cのそれぞれには、基準面Ｇからの高さを違えて対をなす２個の較正用光体a₁，a₂；b₁，b₂；c₁，c₂をそれぞれ設置し、それらの対をなす２個の較正用光体a₁，a₂；b₁，b₂；c₁，c₂の間の中点の前記基準面Ｇからの高さh₀を前記較正用ポールPd，Peのそれぞれの較正用光体do，e₀の前記基準面Ｇからの高さh₀と等しく設定している。
【００３１】
そして前記三次元空間内に三次元座標軸（三次元直交座標軸）Ｘ，Ｙ，Ｚが仮想設定される。点Ｏは三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点を示している。座標軸Ｘは線分ＡＢと平行に、座標軸Ｙは線分ＡＣと平行に、かつ座標軸Ｘ，Ｙが基準面Ｇに対し平行になるように設定され、座標軸Ｚは基準面Ｇに対し垂直で、線分ＡＢからの距離がKy／２、線分ＡＣからの距離がKx／２にある点Ｏ'（座標軸Ｚが基準面Ｇを通る点）を通るように設定されている。そして設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅおよび点O'の設定位置関係から、点Ｏ'と設置点Ｅ間の距離（三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏと較正用ポールPeの間の距離）はKx／２となり、点Ｏ'と設置点Ｄ間の距離（三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏと較正用ポールPdの間の距離）はKy／２になっている。
【００３２】
１０はＸ軸方向ＰＳＤカメラで、座標軸Ｘの方向に向けて設置されて対象物Ｒの動きを撮像する。Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０はレンズ１１とＰＳＤ受光面１２を備え、レンズ１１の焦点距離Fxは既知である。そしてＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０は、そのレンズ１１の光軸が座標軸Ｘと合致し、ＰＳＤカメラ１０（レンズ１１）は仮想の原点Ｏから距離Lxだけ離れて設置される。また２０はY軸方向ＰＳＤカメラで、座標軸Yの方向に向けて対象物Ｒの動きを撮像する。Y軸方向ＰＳＤカメラ２０はレンズ２１とＰＳＤ受光面２２を備え、レンズ２１の焦点距離Fyは既知である。そしてY軸方向ＰＳＤカメラ２０は、そのレンズ２１の光軸が座標軸Yと合致し、ＰＳＤカメラ（レンズ２１）は仮想の原点Ｏから距離Lyだけ離れた状態で設置されている。
【００３３】
図１ならびに図２に示したように、設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ較正用ポールPa（較正用光体a₁，a₂），較正用ポールPb（較正用光体b₁，b₂），較正用ポールPc（較正用光体ｃ₁，c₂），較正用ポールPd（較正用光体d₀），較正用ポールPe（較正用光体e₀）を設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚと原点Oを仮想設定して、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０をＸ軸方向に向けて較正ポールPa，Pb，Pc，Pd，Peを捉えると、各較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀からの光をＰＳＤ受光面１２で受光して、図２に示すようにＰＳＤ受光面１２のＹ軸・Ｚ軸座標面上に、較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀のそれぞれの三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚにおけるｙ座標・ｚ座標に対応する位置関係で撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´が現れる。したがって、ＰＳＤ受光面１２上の撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´の位置を見ながら、線分d₀´ e₀´がＰＳＤ受光面１２上に定められた座標軸Yと合致し、ＰＳＤ受光面１２上の撮像e₀´がＰＳＤ受光面１２上に表された原点ｎと合致するようにＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０の位置と向きを調整することにより、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０を所要の正確な位置に極めて簡単に設置できる。
【００３４】
同様にＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０についても、Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０をＹ軸方向に向けて較正ポールP_a，P_b，P_c，P_d，P_eを捉えると、各較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀からの光をＰＳＤ受光面２２で受光して、図２に示すように、ＰＳＤ受光面２２のＸ軸・Ｚ軸座標面上に、較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀のそれぞれの三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚにおけるｘ座標・ｚ座標に対応する位置関係で撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´が現れる。したがってＰＳＤ受光面２２上の撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´の位置を見ながら線分d₀´e₀´がＰＳＤ受光面２２上に定められた座標軸Ｘと合致し、ＰＳＤ受光面２２上の撮像e₀´がＰＳＤ受光面２２上に表された原点ｎと合致するようにY軸方向ＰＳＤカメラ２０の位置と向きを調整することにより、Y軸方向ＰＳＤカメラ２０を所要の正確な位置に極めて簡単に設定できる。
【００３５】
しかし対象物の運動領域の三次元空間に仮想設定した三次元座標Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏの位置を直接実測して確認することは現実問題として極めて困難であり、したがって原点ＯとＰＳＤカメラ1０の間の距離L_xならびに原点ＯとＰＳＤカメラ2０の間の距離L_yも実測は事実上できない。そこで三次元座標Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏの位置と、距離L_xならびに距離L_yは、較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀の既知の位置（較正用ポールPa，Pb，Pc，Pd，Peの既知の位置）とこれらに対するＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０およびY軸方向ＰＳＤカメラ２０の関係位置を基に演算によって求める。すなわち図２に示すように、既知の位置に正確に設置された較正用光体a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂，d₀，e₀の撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´がＸ方向ＰＳＤカメラ1０のＰＳＤ受光面１２上と、Y方向ＰＳＤカメラ２０のＰＳＤ受光面２２上に表示される。Ｘ方向ＰＳＤカメラ1０のＰＳＤ受光面１２上について見れば、撮像a₁´と撮像c₂´を結ぶ線分と、撮像a₂´と撮像c₁´を結ぶ線分の交点が三次元座標Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏに対応するＰＳＤ受光面１２上の原点ｎとなる。そして撮像a₁´，a₂´，c₁´，c₂´の座標を基に、撮像a₁´と撮像c₂´を結ぶ線分、撮像a₂´と撮像c₁´を結ぶ線分、およびその両線分の交点ｎを演算で求めて表示することができる。これらの演算処理はコンピュータＷで行われる。同様にＹ方向ＰＳＤカメラ２０のＰＳＤ受光面２２上について見れば、撮像a₁´と撮像b₂´を結ぶ線分と、撮像a₂´と撮像b₁´を結ぶ線分の交点が三次元座標Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏに対応するＰＳＤ受光面2２上の原点ｎとなり、ここでも撮像a₁´，a₂´，b₁´，b₂´の座標を基に原点ｎの位置を演算してＰＳＤ受光面２２上表示することができる。したがってＸ方向ＰＳＤカメラ1０ならびにＹ方向ＰＳＤカメラ２０の設定位置・角度を調整して、Ｘ方向ＰＳＤカメラ1０においては撮像e₀´を原点ｎと合致させ、Ｙ方向ＰＳＤカメラ２０においては撮像d₀´を原点ｎと合致させてＸ方向ＰＳＤカメラ1０ならびにＹ方向ＰＳＤカメラ２０を設置すれば、Ｘ方向ＰＳＤカメラ1０ならびにＹ方向ＰＳＤカメラ２０を正しい位置・角度に正確に設置することができる。
【００３６】
次に考察上、図２中に幾つかの点、点１０１（Ｘ方向ＰＳＤカメラのレンズ１１の位置），点１０２（設置点Ａ，Ｃの中点），点１０３（Ｘ方向ＰＳＤカメラ1０の光軸すなわち三次元座標軸のＸ軸とＸ方向ＰＳＤカメラの受光面１２の交点），点１０４（撮像c₁´，撮像c₂´のｙ座標位置），点２０１（Ｙ方向ＰＳＤカメラのレンズ２０の位置），点２０２（設置点Ａ，Bの中点），点２０３（Ｙ方向ＰＳＤカメラ２０の光軸すなわち三次元座標軸のＹ軸とＹ方向ＰＳＤカメラの受光面２２の交点），点２０４（撮像b₁´，撮像b₂´のｘ座標位置）を置いてみる。これらの点の関係位置から、点１０３，１０１，１０４からなる三角形と、点１０２，１０１，Cからなる三角形は互いに相似の三角形である。そして点１０１，１０３間の長さはレンズ１１の焦点距離Fxで既知であり、点１０３，１０４間の長さはPSD受光面１２上で測定可能であり、点１０２，Ｃ間の長さはKy/2に設定されて既知であることから、これらの知られた数値から、点１０１，１０２間の長さ（Lx−Kx/2）を簡単な演算で求めることができ、したがってＸ方向ＰＳＤカメラ1０（レンズ１１）と原点Ｏの間の距離はＸ方向ＰＳＤカメラ１０を正しく設置したときに簡単な演算で算出できる。
【００３７】
またＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０につても全く同様で、点２０３，２０１，２０４からなる三角形と、点２０２，２０１，Ｂからなる三角形は互いに相似の三角形で、レンズ２１の焦点距離Fyは既知であり、点２０３，２０４間の長さはPSD受光面２２上で測定可能であり、点２０２，Ｂ間の長さはKx/2に設定されて既知であることから、これらの知られた数値から、点２０１，２０２間の長さ（Ly−Ky/2）を簡単な演算で求めることができ、したがってY方向ＰＳＤカメラ２０（レンズ２１）と原点Ｏの間の距離はＸ方向ＰＳＤカメラ1０を正しく設置したときに簡単な演算で算出できる。
【００３８】
この状態において、座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが仮想形成された空間で三次元運動する対象物Ｒの位置は、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０で捉えられて、それぞれのＰＳＤ受光面１２，２２上に撮像ｒ'として現れる。なお、三次元運動領域における三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する対象物Ｒのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標をそれぞれR_x ，R_y ，R_z で示し、ＰＳＤ受光面１２上の座標軸Y，ＺならびにＰＳＤ受光面２２上の座標軸Ｘ，Ｚに対する撮像ｒ'のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標をそれぞれr'_x ，r'_y ，r'_z で示す
【００３９】
一方見方を変えれば、ＰＳＤ受光面１２，２２上に表された対象物の撮像ｒ'がそれぞれ逆にレンズ１１，２１を通して運動空間の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，ＺのＹ軸・Ｚ軸座標面とＸ軸・Ｚ軸座標面に拡大されて対象物Ｒの投影像が形成されると見ることができる。そしてＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０で捉えた対象物Ｒの見掛けの（上記投影像の）ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標をそれぞれr_x ，r_y ，r_z で示す。ここでＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０の焦点距離F_xと原点Ｏまでの距離L_x、ならびにＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０の焦点距離F_yと原点Ｏまでの距離L_yが分かっているので、ＰＳＤ受光面１２，２２上に表れた対象物Rの撮像ｒ'の位置（座標r'_x ，r'_y ，r'_z）を読み取って、前記Ｙ軸・Ｚ軸座標面とＸ軸・Ｚ軸座標面のそれぞれにおける対象物Ｒの見掛けの座標r_x ，r_y ，r_zを算出することができ、さらにその座標r_x ，r_y ，r_zを基にして運動空間における三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する対象物Ｒの現場の真の位置を示す座標R_x ，R_y ，R_zを演算して算出することができる。
【００４０】
先に図５でＰＳＤの機能について記したところから、対象物Rの撮像ｒ'の位置（二次元座標）とＰＳＤカメラの出力電圧の関係は次式：（式1）（式２）（式３）で示される。
但し、r'_x ，r'_y ，r'_z ：対象物Ｒの撮像ｒ'のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標．
V_x ：ＰＳＤカメラのＸ軸方向出力電圧．
V_y ：ＰＳＤカメラのＹ軸方向出力電圧．
V_z ：ＰＳＤカメラのＺ軸方向出力電圧．
J_x ，J_y ，J_z ：ＰＳＤカメラの固有の定数（Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０とY軸方向ＰＳＤカメラ２０の特性によって定まる定数）．
そして、ＰＳＤカメラの出力電圧V_x ，V_y ，V_z と座標r'_x ，r'_y ，r'_z
を実測することにより、定数J_x ，J_y ，J_z の値が分かる。
【００４１】
【数１】

【００４２】
また図２を参考にすれば明らかなように、校正用光体e₀は運動空間の座標軸Ｘ上にあるので校正用光体e₀自体の位置と、運動空間のＸ軸・Ｚ軸座標面に対する校正用光体e₀の前記投影像の位置は合致しており、校正用光体d₀は運動空間の座標軸Ｙ上にあるので校正用光体d₀自体の位置と、運動空間のＹ軸・Ｚ軸座標面に対する校正用光体d₀の前記投影像の位置は合致している。したがって校正用光体e₀の位置とその撮像e₀´の位置の関係、ならびに校正用光体d₀の位置とその撮像d₀´の位置の関係は次式：（式４）ないし（式１３）で示される。
但し、θ_ex：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０から見た校正用光体e₀のＸ軸方向角度．
θ_dy ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た校正用光体d₀ のＹ軸方向角度．
e_0x＝e₀´：校正用光体e₀の撮像e₀´のｘ座標（原点ｎからの長さ）
d_0y＝d₀´：校正用光体d₀の撮像d₀´のｙ座標（原点ｎからの長さ）
【００４３】
【数２】

【００４４】
そして運動空間の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する較正用光体e₀ のｘ座標（原点Oからの距離）が既知の値、K_x ／２に設定されていることから、Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０のＰＳＤ受光面２２の上の撮像e₀´のＸ軸方向長さ（ｘ座標）e_0x 、すなわちそのＸ軸方向長さ（ｘ座標）e_0x に対応するＸ軸方向出力電圧V_xを検知することにより、Ｘ軸方向出力電圧V_x の単位電圧当たりの対象物の現場のＸ座標の換算値（式８に示したK_x ／2V_x）が分かる。また、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する較正用光体d₀ のｙ座標（原点Oからの距離）が既知の値、K_y ／２に設定されていることから、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０のＰＳＤ受光面１２の上の撮像d₀´のＹ軸方向長さ（ｙ座標）d_0y 、すなわちそのＹ軸方向長さ（ｙ座標）d_0y に対応するＹ軸方向出力電圧V_yを検知することにより、Ｙ軸方向出力電圧V_yの単位電圧当たりの対象物の現場のＹ座標の換算値（式１３に示したK_y ／2V_y）が分かる。同様にしてＰＳＤカメラのZ軸方向出力電圧 V_z の単位電圧当たりの対象物の現場のZ座標の換算値についても算出されて知ることができる。
【００４５】
このようにＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０を関係付けて設置した後、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０で対象物Ｒの動きを撮像しながら測定する。そしてその場合の撮像時系列のある時点Ｔ＝t_nにおける対象物Ｒのｘ座標R_x ，ｙ座標R_y ，z座標R_z は、前記の式１ないし式１３の関係と図２および図３に示すところから明らかなように、次式：（式１４）ないし（式３０）に基づいて演算し算出することができる。
但し、F_x ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０のレンズ１１の焦点距離．
F_y ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０のレンズ２１の焦点距離．
L_x ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０（レンズ１１）と原点Ｏの間の距離．
L_y ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０（レンズ２１）と原点Ｏの間の距離．
M_x ，M_y ，M_z ：対象物Ｒの見掛けのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標と
真のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標とのそれぞれの差
θ_rx ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０から見た対象物ＲのＸ軸方向角度
θ_ry ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た対象物ＲのＹ軸方向角度
θ_rz ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た対象物ＲのＺ軸方向角度
【００４６】
【数３】

【００４７】
ここで（式２３）を（式１８）に代入すると、
【００４８】
【数４】

【００４９】
ここで（式１８）を（式２３）に代入すると、
【００５０】
【数５】

【００５１】
【数６】

【００５２】
すなわち、対象物Ｒの各時点での位置（対象物Ｒのｘ座標R_x，ｙ座標R_y，ｚ座標R_z は、それぞれ（式２５）、（式２７）、（式３０）で算出されるが、ＰＳＤカメラの焦点距離F_x ，F_x 、距離L_x ，L_y 、定数 J_x ，J_y ，J_z は既知であるから、ＰＳＤカメラの出力電圧V_x ，V_y ，V_z を計測することにより対象物Ｒの位置を測定することができ、その測定位置を時系列に連ねれば対象物の運動を測定することができる。
【００５３】
Ｗはコンピュータで、ＰＳＤカメラの出力電圧V_x ，V_y ，V_z を入力する入力装置W₁と、対象物Ｒのｘ座標R_x，ｙ座標R_y，ｚ座標R_z を求める（式２５）、（式２７）、（式３０）の演算プログラムを備えた記憶装置W₂ と、この演算プログラムでＰＳＤカメラの出力電圧V_x ，V_y ，V_z を演算処理するＣＰＵ（W₃） と、その演算結果を対象物Ｒの運動測定値として出力する出力装置W₄からなる。そして対象物Ｒの動きを、２基のＰＳＤカメラで捉えた撮像ｒ’の位置を基にコンピュータＷで前記数式に沿う演算をして対象物Ｒの位置を時系列的に算出し対象物Ｒの三次元運動を測定することができる。また対象物Ｒの運動範囲や運動測定データの使用目的によっては、演算数式をより単純化した近似式としてコンピュータＷの演算処理を簡略化することもできる。
【００５４】
図４は、この発明の他の実施例であるところの歯の動きを測定する三次元運動測定装置の機能説明用の平面図である。対象物Ｒが人体の一部であっても、その対象物Ｒが図４におけるように歯の場合、あるいは指先の動きなどを解析する場合には、対象物Ｒの運動範囲（運動空間）は極めて狭く極めて狭い視野の中で撮像することができる。したがって広い測定空間は必要でなく、むしろ対象物を近距離から撮像することが効果的である場合も多い。また機械的に固定された視野において三次元空間を得たい場合もある。図４の実施形態は、そのような対象物あるいは測定環境下で簡便に適用できる三次元運動測定方法と測定装置に関する。図４に示す方式は基本的には図１、図２に共通するところが多いが、図１、図２の方式で用いた較正用ポールP_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_e のうち 較正用ポールP_d ，P_e を省き、３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c のみを組み入れて用いると共に、２基のＰＳＤカメラを予め設定位置調整してアームに装着し必要に応じて基準面も含めて汎用装置としてセットアップしたものである。
【００５５】
すなわち図１、図２を参考に図４に示すように、位置検出用光体が付着された対象物Ｒの比較的狭い運動領域を含む三次元空間に配設される基準面４１を設け、その三次元空間には対象物Ｒの位置を表すための三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが仮想形成され、基準面４１上には直角三角形（頂点Ｂ，Ａ，Ｃからなる直角三角形）を形成し、その直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃにそれぞれ位置する設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ着脱自在に直立させる３本の較正用ポールP_a ，P_b ，P_c を設け、また既知の焦点距離F_yを有し較正用ポールP_a および較正用ポールP_bから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏから距離L_yをもって設置されるＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０と、既知の焦点距離F_xを有し較正用ポールP_a および較正用ポールP_cから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点Ｏから距離Lxをもって設置されるＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０を設けている。各較正用ポールP_a ，P_b ，P_cのそれぞれには基準面４１からの高さを違えて２個の対をなす較正用光体a₁ ，a₂ ；b₁ ，b₂ ；c₁ ，c₂ が装着されている。
【００５６】
そして、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０を数１０cm離して且つ両者の光軸がＸ軸、Ｙ軸として直交するように調整してアーム４０に一体的にセットアップしたものである。また必要に応じて、基準面４１もアーム４０にＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０およびＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０と共に一体的にセットアップされる。アーム４０は雲台を介してカメラ三脚上に据付けられ、歯などの小さな動きをする対象物Ｒの近くに設置される。またＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０は、点Ｏ，Ａを通る線を基準に左右対称に矢印Ｉ方向に移動調節が可能である。そして図１および図２で示したところと同様に、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０とＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０でそのＰＳＤ受光面１２，２２上に対象物Ｒの撮像ｒ’を捉え、撮像ｒ’の位置を基にコンピュータＷで演算して対象物Ｒの動きを測定することができる。また、基準面４１上の直角三角形の角に位置する設置点Ａ，Ｂ，ＣとＸ軸方向ＰＳＤカメラ１０ならびにＹ軸方向ＰＳＤカメラ２０の基本的な相対関係位置は、それらの全体が占めるエリアが狭いことから、事前に正確に実測して設定している。なお、Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０、Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０、コンピュータＷ、鏡３０などの作用ならびには、前記の図１および図２に示したものと同じである。このように図４に示す三次元運動測定装置は、基準面、較正用ポール、ＰＳＤカメラからなる測定主要部が予めコンパクトに纏められているので、汎用性が高く測定現場に容易に持ち込んで簡単に設置して簡便に測定操作することができる。
【００５７】
【発明の効果】
上記の実施例からも明らかなように、この発明による物体の３次元運動の測定方法およびその測定装置は、２基のＰＳＤカメラを用いてＰＳＤ受光面上に捉えた対象物のスポット画像の位置を基に対象物の運動位置を算出するもので、物体の３次元の動きをその物体の撮像の形状を画像処理して求めるものではないので、演算処理に関わる情報量と情報処理量は極めて少なくて済み、一方ＰＳＤによる発光体（対象物）の位置検出応答速度は極めて早いことから、物体の高速運動に対してもその運動を迅速に測定することができる。また５本の較正用ポールを設置することにより、ＰＳＤカメラの受光面に捉えた較正用ポールの較正用光体の撮像を見ながら容易に２基のＰＳＤカメラを所要の位置に正確に設置することができる。
【００５８】
また、基準面とその基準面上の較正用ポール設置点と、２基のＰＳＤカメラの相対関係位置を予めコンパクトにセットアップすることにより、汎用性が高く対象物の近くに手軽に設置し得る三次元運動測定装置を較正することができる。
【００５９】
さらに、鏡を付加設置し、その鏡を介してＰＳＤカメラが対象物を撮像するようにすることにより、一旦設置したＰＳＤカメラの設定状態を変えることなく、対象物の動きを異なる方向から捉えて測定することができ、また対象物とＰＳＤカメラの間に十分な距離が取れない測定環境下においても、鏡を介することにより、ＰＳＤカメラの視野を等価的に拡大して、対象物のより広範な三次元運動を測定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す物体の三次元運動測定装置の基本構成を示す斜視図。
【図２】同装置の機能説明用の平面図。
【図３】同装置の機能説明用の立面図。
【図４】この発明の他の実施例を示す三次元運動測定装置の機能説明用の平面図。
【図５】ＰＳＤ（半導***置検出素子）の基本構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１０ ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ
１１ ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラのレンズ
１２ ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面
２０ ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ
２１ ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラのレンズ
２２ ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面
３０ ：鏡
４０ ：アーム
４１ ：基準面
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ ：設置点
a₁ ，a₂ ，b₁ ，b₂ ，c₁ ，c₂ ，d₀ ，e₀ ：較正用光体
a₁´ ，a₂´，_b1´，b₂´，c₁´，c₂´，d₀´，e₀´：較正用光体の撮像
Ｇ ：基準面
Ｈ ：人体
ｎ ：ＰＳＤ受光面１２，２２上の座標軸の原点
Ｏ ：三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点
Ｏ´：点（座標軸Ｚが基準面Ｇを通る点）
P_a ，P_b ，P_c ，P_d ，P_e ：較正用ポール
Ｒ ：対象物（位置検出用光体）
R_x ，R_y ，R_z ：対象物Ｒのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標
r_x ，r_y ，r_z ：対象物Ｒの見掛けのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標
r'_x ，r'_y ，r'_z ：対象物Ｒの撮像ｒ'のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標
Ｗ ：コンピュータ
W₁ ：入力装置
W₂ ：記憶装置
W₃ ：ＣＰＵ
W₄ ：出力装置
Ｘ，Ｙ，Ｚ ：三次元座標軸（三次元直交座標軸）
F_x ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０のレンズ１１の焦点距離
F_y ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０のレンズ２１の焦点距離
h₀ ：高さ
J_x ，J_y ，J_x ：定数
L_x ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０（レンズ１１）と原点Ｏの間の距離
L_y ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０（レンズ２１）と原点Ｏの間の距離
e_0x ：較正用光体e₀の撮像e₀´のｘ座標（原点ｎからの長さ）
d_0y ：較正用光体d₀の撮像d₀´のｙ座標（原点ｎからの長さ）
K_x ：設置点Ａ，Ｂ間の距離（線分ＡＢの長さ）
K_y ：設置点Ａ，Ｃ間の距離（線分ＡＣの長さ）
M_x ，M_y ，M_z ：対象物Ｒの見掛けのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標と真のｘ座標，ｙ座標，ｚ座標とのそれぞれの差
V_x ：ＰＳＤカメラのＸ軸方向出力電圧
V_y ：ＰＳＤカメラのＹ軸方向出力電圧
V_z ：ＰＳＤカメラのＺ軸方向出力電圧
θ_ex ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０から見た校正用光体e₀ のＸ軸方向角度
θ_dy ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た校正用光体d₀ のＹ軸方向角度
θ_rx ：Ｙ軸方向ＰＳＤカメラ２０から見た対象物ＲのＸ軸方向角度
θ_ry ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た対象物ＲのＹ軸方向角度
θ_rz ：Ｘ軸方向ＰＳＤカメラ１０から見た対象物ＲのＺ軸方向角度[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention observes the movement of various objects or even a part of the object, for example, the actual state of three-dimensional movement in the space of each part of the body, using a semiconductor position detector (PSD). The present invention relates to a method and a measuring apparatus for observing a three-dimensional motion of an object by the method.
[0002]
[Prior art]
Three-dimensional movements of various objects (hereinafter referred to as objects) such as back and forth, left and right, and up and down movements of each part of the body are represented as temporal changes in the three-dimensional spatial coordinates (x, y, z) of the objects. As a means for capturing, a DLT (Direct Linear Transformation) method is often used in which a plurality of cameras are used to photograph the object from different directions, and the captured image is processed to measure the dynamic position of the object. However, in a measurement method / apparatus such as the DLT method that measures the dynamic position of an object by imaging image processing, the amount of image information required for measurement and the amount of information processing thereof are extremely large. In order to shorten the time required for measurement, an advanced image processing circuit is required.
[0003]
On the other hand, PSD (Position Sensitive Detector) is known as a sensor that electrically detects the position of an object in space as two-dimensional coordinates viewed from one direction. A PSD is a light sensor (semiconductor position detection element) that can receive light from an object and detect the position of the object, and basically has a PIN structure having a junction surface like a photodiode. It is a semiconductor.
[0004]
That is, as shown in FIG. 5, the PSD has an X-axis direction electrode P on the opposite edge of each of the P layer and the N layer._x1, P_x2And Z-axis direction electrode P_z1, P_z2The X axis and the Z axis correspond to two-dimensional orthogonal coordinate axes. Then, when spot-like light emitted from the object Q hits the light receiving point Q ′ on the light receiving surface of the PSD, charges are generated there, and the charges generated in the P layer are X-axis direction electrodes P_x1, P_x2Current I_x1, I_x2The charge generated in the N layer is Z-axis direction electrode P_z1, P_z2Current I_z1, I_z2And divert. And X-axis direction electrode P_x1, P_x2Current I shunted into_x1, I_x2Z-axis direction electrode P_z1, P_z2Current I shunted into_z1, I_z2The size of each electrode P_x1, P_x2, P_z1, P_z2Is inversely proportional to the distance from the light receiving point Q ′.
[0005]
By the way, the X-axis direction electrode P_x1, P_x2The distance between S_x Z-axis direction electrode P_z1, P_z2The distance between S_z , The position of the object Q, ie the light receiving point Q ′_x , Q_zI_x1= I_xo(1/2 + Q_x/ S_x), I_x2= I_x0(1/2-Q_x/ S_x), I_z1= I_z0(1/2-Q_z/ S_z), I_z2= I_z0(1/2 + Q_z/ S_z), I_x0= I_x1+ I_x2, I_z0= I_z1+ I_z2It becomes. Therefore these currents I_x1, I_x2, I_z1, I_z2PSD output voltage V corresponding to_xAnd Z-axis output voltage V_zBy detecting the position of the object Q, the two-dimensional coordinate Q_x , Q_zCan be detected from the viewpoint.
[0006]
Similarly, if the X-axis is replaced with the Y-axis and the two-dimensional PSD regarding the Y-axis and the Z-axis is seen, the illustration is omitted, but the X-axis direction electrode Px₁, Px₂Y-axis direction electrode P_Y1, P_Y2Current I_x1, I_x2Is the current I_y1, I_y2The coordinate Q_xIs the coordinate Q_yAre replaced by Y-axis direction electrode P._Y1, P_Y2The distance between S_Y Z-axis direction electrode P_z1, P_z2The distance between S_z , The position of the object Q, that is, the coordinates of the light receiving point Q '_y , Q_zI_Y1= I_Yo(1/2 + Q_y / S_Y), I_Y2= I_Y0(1/2-Q_y/ S_Y), I_z1= I_z0(1/2-Q_z/ S_z), I_z2= I_z0(1/2 + Q_z/ S_z), I_Y0= I_Y1+ I_Y2, I_z0= I_z1+ I_z2It becomes. Therefore these currents I_Y1, I_Y2, I_z1, I_z2PSD output voltage V corresponding to_yAnd Z-axis output voltage V_zBy detecting the position of the object Q, the two-dimensional coordinate Q_y , Q_zCan be detected from the viewpoint. From this, using the PSD for the X and Z axes and the PSD for the Y and Z axes, the object Q coordinate Q from the X axis direction and the Y axis direction of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z orthogonal to each other at the same time_x, Q_y, Q_z By detecting, the three-dimensional motion of the object Q can be observed and measured.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a system for measuring a three-dimensional motion of an object using two known PSD cameras that can detect light from the object with a PSD on a two-dimensional surface and immediately detect the two-dimensional coordinates of the object. This makes it possible to measure the three-dimensional motion of an object very easily and quickly without the need for an advanced image processing device or the like as compared with the conventional three-dimensional motion measurement system of the DLT method. is there. Then, even if a given measurement site is a place where it is difficult to set a measurement environment with the conventional measurement means, an attempt is made to construct a three-dimensional motion measurement system that can be applied to various measurement sites.
[0008]
Further, the present invention is intended to construct a three-dimensional motion measurement system that can easily position and install two PSD cameras essential for measurement while accurately observing the PSD light receiving screen at a required position. .
[0009]
In addition, the present invention provides a measurement condition in advance so that the movement of an object that moves three-dimensionally in a relatively narrow space, such as the movement of a human tooth or fingertip, can be easily measured from a measurement position relatively close to the object. It is intended to constitute measuring means in which a PSD camera is installed at a position that satisfies the above.
[0010]
In addition, the present invention equivalently expands the field of view of the PSD camera in a measurement environment where a sufficient distance between the object and the PSD camera cannot be obtained in a limited measurement space, and a wider three-dimensional range of the object. In addition to being able to measure motion, it is intended to measure the motion of an object from different viewpoints without changing the setting state of the PSD camera once installed.
[0011]
Furthermore, the present invention is intended to simplify the calculation of three-dimensional coordinates representing the position of an object that moves in a three-dimensional space.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to quickly and easily measure the three-dimensional movement of an object using two PSD cameras, the present invention sets a reference plane in a three-dimensional space including a movement area of the three-dimensional movement object, At least three calibration poles P on this reference plane_a , P_b , P_c The calibration pole P on this reference plane_a , P_b , P_cThe installation points A, B, and C of the line segment AB and line segment AC are known lengths K, respectively._x , K_yAnd set to be orthogonal at installation point A, and calibration pole P_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the height h from the reference plane at the midpoint between the two calibration light bodies that are paired with each other₀ Are set equal and focal length F_yIs known and the calibration pole P_a And P_bPSD camera and focal length F placed equidistant from_xIs known and the calibration pole P_a And P_cTwo PSD cameras of the PSD camera placed equidistant from each other are placed in different coordinate axis directions among the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z of the three-dimensional space, and the calibration pole P_a, P_b , P_cBy imaging the calibration light body on the PSD light receiving surfaces of two PSD cameras, two two-dimensional coordinate axes corresponding to two-dimensional coordinate axes in different directions constituting the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z are obtained. Each PSD camera is assigned and calibrated on the PSD light-receiving surface, the optical axis of each PSD camera is aligned with the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and each PSD camera is distanced L from the origin._y , L_x Then, the time-series position data of the object obtained by imaging the object position detection light body simultaneously and time-series with the two PSD cameras are set as the three-dimensional coordinate axes X, It is converted into time series coordinate data for Y and Z, and the three-dimensional motion of the object is measured.
[0013]
As a measuring device used in this three-dimensional motion measurement method, the present invention provides a reference plane set in a three-dimensional space in which three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z for representing the position of a three-dimensionally moving object are formed. At least 3 calibration poles P upright_a , P_b , P_c And each calibration pole P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_b Distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_y A PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_c Two PSD cameras, which are equidistant from each other and spaced from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z by a distance Lx, and the two PSD cameras simultaneously and in time series The main part of the measuring apparatus is composed of a computer that converts the time-series position data of the object obtained by imaging the position detection light body attached to to the time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z. And each calibration pole P_a , P_b , P_c , The line segment AB and the line segment AC are respectively known lengths K._x , K_yAnd two calibration light bodies a which are set so as to be orthogonal to each other at the installation point A and make a pair.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height of each midpoint from the reference plane h₀ Are set equal.
[0014]
Further, in order to enable the two PSD cameras necessary for measuring the three-dimensional motion of the object to be accurately positioned and installed at a required position while looking at the PSD light receiving screen, the present invention provides: A reference plane is set in a three-dimensional space including a motion area of a three-dimensional moving object, and five calibration pole installation points A, B, C, D, E are provided on the reference plane. Regarding the positional relationship between A, B, C, D, and E, the installation points A, B, and C are arranged so that the line segment AB and the line segment AC are orthogonal to each other at the installation point A, and the line segment AB is the bottom. An installation point D is arranged at the apex of the equilateral triangle, an installation point E is arranged at the apex of the isosceles triangle whose base is the line segment AC, and the line segment AB and the line segment AC are set to a known length K._x , K_yAnd each of these installation points A, B, C, D, E has a calibration pole P_a , P_b , P_c , P_d , P_e 5 calibration poles P on the reference plane_a , P_b , P_c , P_d , P_eThe pole P for calibration_d , P_e One calibration light d for each₀ , E₀Install the calibration pole P_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ , And two calibration light beams a₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂The height h from the reference plane of the midpoint between₀ The calibration for pole P_d , P_e Each calibration light body d₀ , E₀ The height h from the reference plane₀ Set equal to the focal length F_yIs known and the calibration pole P_a And P_bPSD camera placed equidistant from the camera and focal length F_xIs known and the calibration pole P_a And P_cTwo PSD cameras, which are placed equidistant from each other, are installed in two other coordinate axis directions (for example, the X-axis direction and the Y-axis direction) among the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z in the three-dimensional space. Calibration pole P_a , P_b , P_c , P_d , P_e Upper calibration light a₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂  D₀ , E₀ The two-dimensional coordinate axes corresponding to the two-dimensional coordinate axes in the different directions constituting the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z are received by the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras. The calibration is set by sharing them on the surface, the optical axes of the two PSD cameras are aligned with the origins of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and each PSD camera is set at a distance L from the origin._y , L_xThen, the time-series position data of the object obtained by imaging the object position detecting light body simultaneously and time-series with two PSD cameras are set as the three-dimensional coordinate axes X, Y, It is converted into time-series coordinate data for Z, and the three-dimensional motion of the object is measured.
[0015]
As a measuring device that can easily position two PSD cameras necessary for measurement accurately at a required position while looking at the PSD light receiving screen, the present invention includes a motion region of a three-dimensionally moving object. Each of the five installation points A, B, C, D, E arranged on the reference plane set in the three-dimensional space in which the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z representing the position of the object are formed is set upright. 5 calibration poles P_a , P_b , P_c , P_d , P_e And its calibration pole P_d , P_e One calibration light d installed in each₀ , E₀ And the calibration pole P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_y A PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_cAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_x Time series of the object obtained by imaging the two PSD cameras of the PSD camera set apart from each other and the position detection light body simultaneously and in time series by the two PSD cameras A computer for converting the position data into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z constitutes a main part of the measuring device, and the five calibration poles P_a , P_b , P_c , P_d , P_e As for the positional relationship between the installation points A, B, C, D, and E, the line segment AB and the line segment AC are each of a known length K_x , K_y Is set to be orthogonal at the installation point A, the installation point D is arranged at the apex of the isosceles triangle with the line segment AB as the base, and the installation point E is set at the apex of the isosceles triangle with the line segment AC as the base. Two calibration light bodies a arranged and paired with each other₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height h of each midpoint from the reference plane₀ The calibration pole P_d , P_e Each calibration light body d₀ , E₀ The height h from the reference plane₀ Set equal to.
[0016]
In addition, in order to easily measure an object moving three-dimensionally in a relatively narrow space from a close position, the present invention includes a three-dimensional coordinate axis X, which represents the position of the object including the movement region of the object moving three-dimensionally. A reference plane including a right triangle is set in a three-dimensional space in which Y and Z are set, and the right vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle are set as calibration calibration points A, B, C is a calibration pole P at each of these installation points A, B, C._a , P_b , P_c 3 calibration poles P on the reference plane_a , P_b , P_c , And the line segment AB and line segment AC of the right triangle are of known length K_x , K_ySet the calibration pole P to_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the height h from the reference plane at the midpoint between the two calibration light bodies that are paired with each other₀ Set equal and known focal length F_yEach of the two calibration poles P on the one line segment AB_a And P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_yWith a PSD camera and a known focal length F_xEach of the two calibration poles P on the other line AC_a And P_cTwo PSD cameras, which are equidistant from each other and spaced apart from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z by a distance Lx, are set up with the reference plane in advance, and the object is for position detection. Install the light body and the calibration pole P_a , P_b , P_cThe above calibration light bodies are imaged on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras, so that the two-dimensional coordinate axes corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z are calibrated on the PSD light receiving surfaces of the PSD cameras. The time series position data of the object obtained by imaging the object position detecting light body simultaneously and time series with the two PSD cameras is obtained with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. The three-dimensional motion of the object is measured by converting into series coordinate data.
[0017]
As a measuring apparatus used in the above-described measuring method, the present invention has three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z representing the position of the object including the motion region of the object that moves three-dimensionally with the position detection light body. A reference plane including a right triangle set in the three-dimensional space to be formed, and upright at the installation points A, B, and C respectively located at the right vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle 3 Book calibration pole P_a , P_b , P_c And each of these calibration poles P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_yA PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_cSet up two PSD cameras, which are equidistant from each other and spaced apart from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z by a distance Lx. A computer for converting and calculating time-series position data of the object obtained by imaging the object position detection light body in time series into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z; A line segment AB and a line segment AC of the right triangle are set to a known length K._x , K_y And the two calibration light bodies a₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height h of each midpoint from the reference plane₀ Are set to be equal to each other, and a three-dimensional motion measuring apparatus which can be easily moved and installed as necessary is configured.
[0018]
In addition, in order to be able to measure a broader three-dimensional motion of an object by equivalently expanding the field of view of the PSD camera even in a measurement environment where the distance between the object and the FSD camera cannot be sufficiently secured, In addition, in order to measure the movement of an object from different viewpoints / angles without changing the setting state of the PSD camera once installed, the present invention detects the position installed on the object that moves three-dimensionally in a preset movement area. A mirror for projecting a light object is arranged, and the position detection light body of the object reflected on the mirror is imaged with two PSD cameras, and the time-series position data of the object obtained by three-dimensional coordinate axes X, Y , Z is converted into time series coordinate data, and the three-dimensional motion of the object is measured.
[0019]
Furthermore, in order to simplify the calculation of the three-dimensional coordinates representing the position of the object that moves three-dimensionally, the present invention provides a method for measuring the length K between the installation points A and B in the above-described measurement method or apparatus._x And length K between installation points A and C_y Are set equal, and the respective distances L between the origins of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z and the two PSD cameras are set._y , L_x Are set equal and each focal length F of two PSD cameras_y , F_x Are set equal to each other, and the height of an isosceles triangle whose base is the line segment AB, the height of an isosceles triangle whose base is the line segment AC, and the length K between the installation points A and B_x And length K between installation points A and C_y And are set equal.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In one basic embodiment of the present invention, a reference plane is set in a three-dimensional space including a motion region of a three-dimensional moving object, and at least three calibration poles P are provided on the reference plane._a , P_b , P_c The calibration pole P_a , P_b , P_cThe installation points A, B, and C on the reference plane of the line segment AB and line segment AC are known lengths K, respectively._x , K_yAnd set to be orthogonal at the installation point A, and the calibration pole P_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁, B₂ C₁ , C₂ And the height h from the reference plane at the midpoint between the two calibration light bodies that are paired with each other₀ Are set equal and focal length F_yIs known and each of the two calibration poles P on the one line segment AB_a And P_bPSD camera and focal length F placed equidistant from_xEach of the two calibration poles P on the other line segment AC_a And P_cTwo PSD cameras that are placed equidistant from each other are installed, and the calibration pole P_a , P_b , P_cBy imaging the calibration light body on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras, the three-dimensional coordinate axes X and Y in the three-dimensional space for representing the position of the object in the three-dimensional space. , Z is calibrated and set on the PSD light-receiving surface of each PSD camera, the optical axis of each PSD camera is aligned with the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and each PSD camera is Distance L from the origin_y , L_x The object obtained by setting a position detection light body on the object and imaging the position detection light body of the object simultaneously and in time series with the two PSD cameras This is a method for measuring the three-dimensional motion of an object by detecting the movement of the object by converting time-series position data of the object into time-series coordinate data with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z.
[0021]
In an embodiment of the present invention, a reference plane including a right triangle is provided in a three-dimensional space in which a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z representing the position of the target object including the motion region of the target object moving three-dimensionally is set. The right angle vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle are set as the calibration pole installation points A, B and C, respectively, and the calibration poles P are connected to the installation points A, B and C, respectively._a , P_b , P_c 3 calibration poles P on the reference plane_a , P_b , P_c , And the line segment AB and line segment AC of the right triangle are of known length K_x , K_ySet the calibration pole P to_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the height h from the reference plane at the midpoint between the two calibration light bodies that are paired with each other₀ Set equal and known focal length F_yEach of the two calibration poles P on the one line segment AB_a And P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_yWith a PSD camera and a known focal length F_xEach of the two calibration poles P on the other line AC_a And P_cTwo PSD cameras, which are equidistant from each other and spaced apart from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z by a distance Lx, are set up with the reference plane in advance, and the object is for position detection. Install the light body and the calibration pole P_a , P_b , P_cThe above calibration light bodies are imaged on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras, so that the two-dimensional coordinate axes corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z are calibrated on the PSD light receiving surfaces of the PSD cameras. The time series position data of the object obtained by imaging the object position detecting light body simultaneously and time series with the two PSD cameras is obtained with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. This is a method for measuring the three-dimensional motion of an object, which is converted into series coordinate data and detects the motion of the object.
[0022]
In another embodiment of the present invention, a reference plane is set in a three-dimensional space including a motion region of a three-dimensional moving object, and five calibration pole installation points A, B, C are provided on the reference plane. , D, E are provided, and the installation points A, B, C are arranged so that the line segment AB and the line segment AC are orthogonal to the installation point A with respect to the positional relationship between the installation points A, B, C, D, E. An installation point D is arranged at the apex of the isosceles triangle whose base is the line segment AB, and an installation point E is arranged at the apex of the isosceles triangle whose base is the line segment AC. Minute AC is known length K_x , K_yAnd each of these installation points A, B, C, D, E has a calibration pole P_a , P_b, P_c , P_d , P_e 5 calibration poles P on the reference plane_a , P_b , P_c, P_d , P_e Let the calibration pole P stand upright_d , P_e One calibration light d for each₀ , E₀The calibration pole P_a , P_b , P_cTwo calibration light bodies a that are paired with different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ , And two calibration light beams a₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂The height h from the reference plane of the midpoint between₀ The calibration pole P_d , P_e Each calibration light body d₀ , E₀ The height h from the reference plane₀ Set equal to the focal length F_yIs known and each of the two calibration poles P on the one line segment AB_a And P_bPSD camera placed equidistant from the camera and focal length F_xEach of the two calibration poles P on the other line segment AC_a And P_cTwo PSD cameras, which are equidistant from the camera, are installed, and the calibration pole P_a , P_b , P_c , P_d , P_e Upper calibration light a₁, A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂  D₀ , E₀ Are imaged on the PSD light-receiving surfaces of the two PSD cameras, and the two corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z in the three-dimensional space for representing the position of the object in the three-dimensional space. The dimensional coordinate axes are calibrated and set on the PSD light-receiving surface of each PSD camera, the optical axes of the PSD cameras are aligned with the origins of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and each PSD camera is a distance L from the origin._y , L_xThe object obtained by setting a position detection light body on the object and imaging the position detection light body of the object simultaneously and in time series by the two PSD cameras This is a method for measuring the three-dimensional motion of an object by detecting the movement of the object by converting time-series position data of the object into time-series coordinate data with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z.
[0023]
In another basic embodiment of the present invention, three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z representing the position of the object including the motion region of the object that moves three-dimensionally by installing the position detection light body are formed. And at least three calibration poles P, which stand upright at at least three installation points A, B, C arranged on a reference plane set in a three-dimensional space._a , P_b , P_c And each of these calibration poles P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_b And the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_y A PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_c The two PSD cameras of the PSD camera that are equidistant from each other and spaced from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z by the distance Lx and the two PSD cameras simultaneously and in time series A computer for converting the time-series position data of the object obtained by imaging the position-detecting light body of the object into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z; For B and C, line segment AB and line segment AC are known lengths K, respectively._x , K_yAnd two calibration light bodies a which are set so as to be orthogonal to each other at the installation point A and make a pair.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height h of each midpoint from the reference plane₀ Is a three-dimensional motion measuring apparatus for an object with equality set.
[0024]
In another embodiment of the present invention, a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z is formed that includes a motion region of a target object that is three-dimensionally moved by installing a position detection light body and that represents the position of the target object. A reference plane including a right triangle set in space, and three calibration poles standing upright at installation points A, B, and C respectively located at the right vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle P_a , P_b , P_c And each of these calibration poles P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_yA PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_cAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_xThe two PSD cameras of the PSD cameras installed at a distance from each other are set up integrally, and the two PSD cameras are used to simultaneously and time-sequentially image the position detection light body. A computer that converts the time-series position data of the object into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and the line segment AB and the line segment AC of the right triangle are known lengths K;_x , K_y And the two calibration light bodies a₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height h of each midpoint from the reference plane₀ Is a three-dimensional motion measuring apparatus for an object with equality set.
[0025]
In another embodiment of the present invention, a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z is formed that includes a motion region of a target object that is three-dimensionally moved by installing a position detection light body and that represents the position of the target object. Five calibration poles P standing upright at five installation points A, B, C, D, E arranged on a reference plane set in the space_a , P_b , P_c , P_d , P_e And the calibration pole P_d , P_e One calibration light d installed in each₀ , E₀ And the calibration pole P_a , P_b , P_cTwo pairs of calibration light bodies a that are installed at different heights from the reference plane.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ And the known focal length F_yThe calibration pole P_a And calibration pole P_bAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_y A PSD camera installed across the camera and a known focal length F_xThe calibration pole P_a And calibration pole P_cAnd the distance L from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_x Two PSD cameras installed at a distance from each other, and the object obtained by imaging the position detecting light body of the object simultaneously and in time series with the two PSD cameras. A computer for converting the sequence position data into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and regarding the positional relationship between the installation points A, B, C, D, and E, the line segment AB and the line segment AC; Each has a known length K_x , K_y Is set to be orthogonal at the installation point A, the installation point D is arranged at the apex of the isosceles triangle with the line segment AB as the base, and the installation point E is set at the apex of the isosceles triangle with the line segment AC as the base. Two calibration light bodies a arranged and paired with each other₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂Height h of each midpoint from the reference plane₀ The calibration pole P_d , P_e Each calibration light body d₀ , E₀ The height h from the reference plane₀ Is a device for measuring the three-dimensional motion of an object set equal to.
[0026]
According to another basic embodiment of the present invention, a mirror that reflects a position detecting light body installed on an object that moves three-dimensionally in a predetermined motion region is provided, and the position of the object reflected in the mirror is arranged. An object for detecting the movement of the object by converting the time-series position data of the object obtained by imaging the detection light body with two PSD cameras into the time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z 3D motion measuring method and 3D motion measuring apparatus.
[0027]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 3 show an embodiment of a three-dimensional motion measuring apparatus for an object according to the present invention. The motion state of a specific part of a human body that moves back and forth, left and right, and up and down on the floor surface is represented by the tertiary of the specific part. It is an example of the three-dimensional motion measuring apparatus observed as original coordinate change. 1 is a perspective view showing the basic configuration of the apparatus, FIG. 2 is a plan view for explaining the function of the apparatus, and FIG. 3 is an elevation view for explaining the function of the apparatus.
[0028]
1 to 3, H is a human body that moves three-dimensionally back and forth, left and right, and up and down in a three-dimensional space, and a part of the human body H is an object to be measured, and a position detecting light body is attached to the object. R is installed. Accordingly, R is substantially an object. The position detection light body R is a light reflector such as an LED (Light Emitting Diode) or the like, or a light reflector that reflects light applied to an object.
[0029]
G is a reference plane formed in a three-dimensional space including the motion region of the object R, and in this embodiment is a horizontal floor on which a human body stands. Then, in order to determine the three-dimensional space of the motion measurement range and the three-dimensional orthogonal coordinate axes X, Y, Z in the three-dimensional space, five installation points (points where calibration poles are installed) A on the reference plane G , B, C, D, E are set. In that case, the line segment AB and the line segment AC are measured so that they are orthogonal to each other at the installation point A, the installation points A, B, and C are arranged, and installed at the apex of an isosceles triangle with the line segment AB as the base A point D is provided, an installation point E is provided at the apex of an isosceles triangle with the line segment AC as a base, and a distance between the installation points A and B (the length of the line segment AB) is determined in advance. K_xThe distance between the installation points A and C (the length of the line segment AC) is a predetermined length K._yIs set. In order to simplify the measurement calculation of the position of the object R, the height of the isosceles triangle with the installation point D as the apex and the line segment AB as the base is the length K of the line segment AC._yThe height of the isosceles triangle with the installation point E as the apex and the line segment AC as the base is the length K of the line segment AB._xTo match.
[0030]
Next, at each installation point A, B, C, D, E, the calibration pole P_a, P_b, P_c, P_d, P_eIs upright with respect to the reference plane G (vertical), and the calibration pole P_d, P_eHas a height h from the reference plane G₀One calibration light body d at each of the positions_o, E₀Install the calibration pole P_a, P_b, P_cEach includes two calibration light bodies a which are paired with different heights from the reference plane G.₁, A₂B₁, B₂C₁, C₂, And two calibration light beams a₁, A₂B₁, B₂C₁, C₂The height h from the reference plane G of the midpoint between₀The calibration light beams do, e of the calibration poles Pd, Pe₀Height from the reference plane G₀Is set equal to
[0031]
Then, three-dimensional coordinate axes (three-dimensional orthogonal coordinate axes) X, Y, Z are virtually set in the three-dimensional space. A point O indicates the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. The coordinate axis X is set parallel to the line segment AB, the coordinate axis Y is set parallel to the line segment AC, and the coordinate axes X and Y are set parallel to the reference plane G. The coordinate axis Z is perpendicular to the reference plane G. It is set so as to pass through a point O ′ (a point where the coordinate axis Z passes through the reference plane G) whose distance from the line segment AB is Ky / 2 and whose distance from the line segment AC is Kx / 2. The distance between the point O ′ and the installation point E (the origin O of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z and the calibration pole Pe) is determined from the set positional relationship of the installation points A, B, C, D, E and the point O ′. The distance between the point O ′ and the installation point D (the distance between the origin O of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z and the calibration pole Pd) is Ky / 2. .
[0032]
An X-axis direction PSD camera 10 is installed in the direction of the coordinate axis X and images the movement of the object R. The X-axis direction PSD camera 10 includes a lens 11 and a PSD light receiving surface 12, and the focal length Fx of the lens 11 is known. In the X-axis direction PSD camera 10, the optical axis of the lens 11 coincides with the coordinate axis X, and the PSD camera 10 (lens 11) is set away from the virtual origin O by a distance Lx. Reference numeral 20 denotes a Y-axis direction PSD camera that images the movement of the object R in the direction of the coordinate axis Y. The Y-axis direction PSD camera 20 includes a lens 21 and a PSD light receiving surface 22, and the focal length Fy of the lens 21 is known. The Y-axis direction PSD camera 20 is installed in a state where the optical axis of the lens 21 coincides with the coordinate axis Y, and the PSD camera (lens 21) is separated from the virtual origin O by the distance Ly.
[0033]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, calibration poles Pa (calibration light beams a) are provided at installation points A, B, C, D, and E, respectively.₁, A₂), Calibration pole Pb (calibration light body b)₁, B₂), Calibration pole Pc (calibration light body c)₁, C₂), Calibration pole Pd (calibration light body d)₀), Calibration pole Pe (calibration light body e)₀), Three-dimensional coordinate axes X, Y, Z and origin O are virtually set, and the calibration poles Pa, Pb, Pc, Pd, Pe are captured with the PSD camera 10 in the X-axis direction facing the X-axis direction. Each calibration light a₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Is received by the PSD light-receiving surface 12, and the calibration light a is placed on the Y-axis / Z-axis coordinate surface of the PSD light-receiving surface 12 as shown in FIG.₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Imaging in a positional relationship corresponding to the y-coordinate and z-coordinate in the respective three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z₁´, a₂´, b₁´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀'Appears. Therefore, imaging a on the PSD light receiving surface 12₁´, a₂´, b₁´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀While looking at the position of ´, line segment d₀´ e₀'Coincides with the coordinate axis Y defined on the PSD light receiving surface 12, and the imaging e on the PSD light receiving surface 12₀By adjusting the position and orientation of the X-axis direction PSD camera 10 so that 'coincides with the origin n represented on the PSD light receiving surface 12, the X-axis direction PSD camera 10 can be very easily and accurately positioned. Can be installed.
[0034]
Similarly, with respect to the Y-axis direction PSD camera 20, the calibration pole P is set so that the Y-axis direction PSD camera 20 faces the Y-axis direction._a, P_b, P_c, P_d, P_eEach calibration light a₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Is received by the PSD light-receiving surface 22 and, as shown in FIG. 2, the calibration light body a is placed on the X-axis / Z-axis coordinate surface of the PSD light-receiving surface 22.₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Imaging a with a positional relationship corresponding to the x-coordinate and z-coordinate in each of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z₁´, a₂´, b₁´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀'Appears. Therefore, imaging a on the PSD light receiving surface 22₁´, a₂´, b₁´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀While looking at the position of ´₀´e₀'Coincides with the coordinate axis X defined on the PSD light receiving surface 22, and imaging e on the PSD light receiving surface 22₀By adjusting the position and orientation of the Y-axis direction PSD camera 20 so that 'coincides with the origin n represented on the PSD light-receiving surface 22, the Y-axis direction PSD camera 20 can be very easily and accurately positioned. Can be set.
[0035]
However, it is extremely difficult to directly measure and confirm the position of the origin O of the three-dimensional coordinates X, Y, and Z virtually set in the three-dimensional space of the movement region of the object. Therefore, the origin O and the PSD camera are extremely difficult. Distance L between 10_xAnd the distance L between the origin O and the PSD camera 20_yHowever, actual measurements are not possible. Therefore, the position of the origin O of the three-dimensional coordinates X, Y, Z and the distance L_xAnd distance L_yA calibration light a₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Are obtained by calculation based on the known positions (known positions of the calibration poles Pa, Pb, Pc, Pd, Pe) and the relative positions of the PSD camera 10 in the X-axis direction and the PSD camera 20 in the Y-axis direction. That is, as shown in FIG. 2, a calibration light body a accurately placed at a known position a.₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂, D₀, E₀Imaging of a₁´, a₂´, b₁´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀'Is displayed on the PSD light receiving surface 12 of the X direction PSD camera 10 and on the PSD light receiving surface 22 of the Y direction PSD camera 20. When looking on the PSD light receiving surface 12 of the PSD camera 10 in the X direction, imaging a₁´ and imaging c₂Line connecting ´ and imaging a₂´ and imaging c₁The intersection of the line segments connecting ′ is the origin n on the PSD light receiving surface 12 corresponding to the origin O of the three-dimensional coordinates X, Y, Z. And imaging a₁´, a₂´, c₁´, c₂Based on the coordinates of ´₁´ and imaging c₂Line connecting ´, imaging a₂´ and imaging c₁The line segment connecting 'and the intersection n of both line segments can be obtained by calculation and displayed. These arithmetic processes are performed by the computer W. Similarly, when looking at the PSD light-receiving surface 22 of the Y-direction PSD camera 20, the imaging a₁´ and imaging b₂Line connecting ´ and imaging a₂´ and imaging b₁The intersection of the line segments connecting ′ becomes the origin n on the PSD light-receiving surface 22 corresponding to the origin O of the three-dimensional coordinates X, Y, and Z.₁´, a₂´, b₁´, b₂Based on the coordinates of ′, the position of the origin n can be calculated and displayed on the PSD light receiving surface 22. Therefore, the setting position and angle of the X direction PSD camera 10 and the Y direction PSD camera 20 are adjusted, and the X direction PSD camera 10 takes an image e.₀'Is matched with the origin n, and in the Y direction PSD camera 20, the image is d₀If the X-direction PSD camera 10 and the Y-direction PSD camera 20 are installed with ′ matched with the origin n, the X-direction PSD camera 10 and the Y-direction PSD camera 20 can be accurately installed at the correct positions and angles.
[0036]
Next, in consideration, several points in FIG. 2, point 101 (the position of the lens 11 of the X direction PSD camera), point 102 (the midpoint of the installation points A and C), and point 103 (the X direction PSD camera 10). The optical axis, that is, the intersection of the X axis of the three-dimensional coordinate axis and the light receiving surface 12 of the X direction PSD camera), point 104 (imaging c₁', Imaging c₂'Y coordinate position), point 201 (position of lens 20 of Y direction PSD camera), point 202 (midpoint of installation points A and B), point 203 (optical axis of Y direction PSD camera 20, that is, three-dimensional coordinate axis) Intersection point of light receiving surface 22 of Y axis and Y direction PSD camera), point 204 (imaging b)₁', Imaging b₂Let's put 'x coordinate position). From the relational positions of these points, the triangle composed of the points 103, 101, 104 and the triangle composed of the points 102, 101, C are similar to each other. The length between the points 101 and 103 is known from the focal length Fx of the lens 11, the length between the points 103 and 104 can be measured on the PSD light receiving surface 12, and the length between the points 102 and C is Since it is set to Ky / 2 and is known, the length (Lx−Kx / 2) between the points 101 and 102 can be obtained from these known numerical values by a simple calculation, and therefore, the PSD in the X direction The distance between the camera 10 (lens 11) and the origin O can be calculated by a simple calculation when the X-direction PSD camera 10 is correctly installed.
[0037]
The same applies to the PSD camera 20 in the Y-axis direction. The triangle composed of the points 203, 201, 204 and the triangle composed of the points 202, 201, B are similar to each other, and the focal length Fy of the lens 21 is known. Yes, since the length between the points 203 and 204 can be measured on the PSD light-receiving surface 22, and the length between the points 202 and B is set to Kx / 2 and known, Therefore, the length (Ly−Ky / 2) between the points 201 and 202 can be obtained by a simple calculation, and therefore the distance between the Y direction PSD camera 20 (lens 21) and the origin O is the X direction PSD camera 10. Can be calculated with a simple calculation when installed correctly.
[0038]
In this state, the position of the object R that moves three-dimensionally in the space in which the coordinate axes X, Y, and Z are virtually formed is captured by the PSD camera 10 in the X-axis direction and the PSD camera 20 in the Y-axis direction. Appears on the surfaces 12 and 22 as imaging r ′. The x, y, and z coordinates of the object R with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z in the three-dimensional motion region are R, respectively._x , R_y , R_z The x, y, and z coordinates of the imaging r ′ with respect to the coordinate axes Y and Z on the PSD light receiving surface 12 and the coordinate axes X and Z on the PSD light receiving surface 22 are denoted by r ′._x , R '_y , R '_z Indicated by
[0039]
On the other hand, if the view is changed, the imaging r ′ of the object represented on the PSD light-receiving surfaces 12 and 22 passes through the lenses 11 and 21 respectively, and the Y-axis and Z-axis coordinates of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z of the motion space. It can be seen that the projection image of the object R is formed by being enlarged to the plane and the X-axis / Z-axis coordinate plane. The apparent x coordinate, y coordinate, and z coordinate of the object R captured by the X axis direction PSD camera 10 and the Y axis direction PSD camera 20 are respectively r_x , R_y , R_z It shows with. Here, the focal length F of the PSD camera 10 in the X-axis direction_xDistance L to origin O_x, And the focal length F of the Y-axis direction PSD camera 20_yDistance L to origin O_yIs known, the position (coordinate r ′) of the imaging r ′ of the object R appearing on the PSD light receiving surfaces 12 and 22_x , R '_y , R '_z) And the apparent coordinates r of the object R on each of the Y-axis / Z-axis coordinate plane and the X-axis / Z-axis coordinate plane_x , R_y , R_zAnd the coordinates r_x , R_y , R_zA coordinate R indicating the true position of the object R in the field with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z in the motion space_x , R_y , R_zCan be calculated.
[0040]
From the above description of the PSD function in FIG. 5, the relationship between the position (two-dimensional coordinates) of the imaging r ′ of the object R and the output voltage of the PSD camera is expressed by the following formulas: (Formula 1) (Formula 2) (Formula 3).
However, r '_x , R '_y , R '_z : X-coordinate, y-coordinate, z-coordinate of imaging r ′ of object R.
V_x  : Output voltage in the X-axis direction of the PSD camera.
V_y  : Y-axis direction output voltage of the PSD camera.
V_z  : Output voltage in the Z-axis direction of the PSD camera.
J_x , J_y , J_z : Inherent constant of the PSD camera (a constant determined by the characteristics of the PSD camera 10 in the X-axis direction and the PSD camera 20 in the Y-axis direction).
The output voltage V of the PSD camera_x , V_y , V_z And coordinates r '_x , R '_y , R '_z
By measuring the constant J_x , J_y , J_z The value of is understood.
[0041]
[Expression 1]

[0042]
As is clear from FIG. 2, the calibration light e₀Is on the coordinate axis X of the motion space, so the calibration light e₀Calibration body e for the position of itself and the X-axis / Z-axis coordinate plane of the motion space₀The positions of the projected images of the calibration light body d match.₀Is on the coordinate axis Y of the motion space, so the calibration light body d₀Calibration body for the position of itself and the Y-axis / Z-axis coordinate plane of the motion space₀The positions of the projected images are matched. Calibration light e₀Position and its imaging₀′ Position relationship and calibration light body d₀Position and its imaging₀The relationship of the position of ′ is represented by the following formulas: (Formula 4) to (Formula 13).
Where θ_ex: Calibration light body viewed from the PSD camera 20 in the Y-axis direction e₀X-axis direction angle.
θ_dy : Calibration light body d viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction₀ Y-axis direction angle.
e_0x= E₀': Calibration light e₀Imaging₀'X coordinate (length from origin n)
d_0y= D₀': Calibration light d₀Imaging₀'Y coordinate (length from origin n)
[0043]
[Expression 2]

[0044]
Then, a calibration light body e for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z of the motion space₀ X coordinate (distance from origin O) is a known value, K_x Since it is set to / 2, the image on the PSD light receiving surface 22 of the PSD camera 20 in the Y-axis direction e₀´ length in X-axis direction (x coordinate) e_0x That is, its length in the X-axis direction (x coordinate) e_0x X-axis direction output voltage V corresponding to_xX-axis direction output voltage V_x X-coordinate converted value of the object per unit voltage of the object (K shown in Equation 8)_x / 2V_x) Further, a calibration light body d for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z₀ Y coordinate (distance from origin O) is a known value, K_y Since it is set to / 2, imaging d on the PSD light receiving surface 12 of the PSD camera 10 in the X-axis direction₀'Y-axis direction length (y coordinate) d_0y That is, the length in the Y-axis direction (y coordinate) d_0y Y-axis direction output voltage V corresponding to_yY-axis direction output voltage V_yThe converted value of the local Y coordinate of the object per unit voltage (K shown in Equation 13)_y / 2V_y) Similarly, output voltage V in the Z-axis direction of the PSD camera_z The calculated value of the Z coordinate of the object per unit voltage of the field can also be calculated and found.
[0045]
After the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20 are related and installed in this way, the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20 measure the movement of the object R while imaging. And a certain time T = t in the imaging time series in that case_nX coordinate R of object R at_x , Y coordinate R_y , Z coordinate R_z Can be calculated and calculated based on the following equations: (Equation 14) to (Equation 30), as is clear from the relationship of Equations 1 to 13 and the location shown in FIGS.
However, F_x  : The focal length of the lens 11 of the PSD camera 10 in the X-axis direction.
F_y  : Focal length of the lens 21 of the PSD camera 20 in the Y-axis direction.
L_x  : Distance between the PSD camera 10 (lens 11) in the X-axis direction and the origin O.
L_y  : Distance between the Y-axis direction PSD camera 20 (lens 21) and the origin O.
M_x  , M_y , M_z : Apparent x coordinate, y coordinate, z coordinate of the object R
Difference between true x-coordinate, y-coordinate and z-coordinate
θ_rx : X-axis direction angle of the object R viewed from the Y-axis direction PSD camera 20
θ_ry : Y-axis direction angle of the object R viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction
θ_rz : Z-axis direction angle of the object R viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction
[0046]
[Equation 3]

[0047]
If (Equation 23) is substituted into (Equation 18),
[0048]
[Expression 4]

[0049]
Here, if (Equation 18) is substituted into (Equation 23),
[0050]
[Equation 5]

[0051]
[Formula 6]

[0052]
That is, the position of the object R at each time point (the x-coordinate R of the object R_x, Y coordinate R_y, Z coordinate R_z Are calculated by (Equation 25), (Equation 27), and (Equation 30), respectively, but the focal length F of the PSD camera is calculated._x , F_x , Distance L_x , L_y , Constant J_x , J_y , J_z Is known, the output voltage V of the PSD camera_x , V_y , V_z The position of the object R can be measured by measuring, and the movement of the object can be measured by connecting the measurement positions in time series.
[0053]
W is a computer, output voltage V of the PSD camera_x , V_y , V_z Input device W₁And the x-coordinate R of the object R_x, Y coordinate R_y, Z coordinate R_z The storage device W having the calculation program of (Equation 25), (Equation 27), and (Equation 30)₂ And the output voltage V of the PSD camera_x , V_y , V_z CPU (W_Three) And an output device W that outputs the calculation result as a motion measurement value of the object R_FourConsists of. Then, based on the position of the imaging r ′ captured by the two PSD cameras, the motion of the object R is calculated by the computer W according to the above mathematical formula, and the position of the object R is calculated in time series. It is possible to measure the three-dimensional motion. Further, depending on the purpose of use of the motion range of the object R and the motion measurement data, the computation processing of the computer W can be simplified as an approximation formula obtained by simplifying the computation formula.
[0054]
FIG. 4 is a plan view for explaining functions of a three-dimensional motion measuring apparatus for measuring tooth movement according to another embodiment of the present invention. Even if the object R is a part of a human body, when the object R is a tooth as shown in FIG. 4 or when the movement of the fingertip is analyzed, the movement range (movement space) of the object R is Images can be taken in a very narrow and very narrow field of view. Therefore, a wide measurement space is not necessary, and it is often effective to image an object from a short distance. There are also cases where it is desired to obtain a three-dimensional space in a mechanically fixed field of view. The embodiment of FIG. 4 relates to a three-dimensional motion measurement method and a measurement apparatus that can be easily applied under such an object or measurement environment. The method shown in FIG. 4 is basically common to FIGS. 1 and 2, but the calibration pole P used in the method of FIGS._a , P_b , P_c , P_d , P_e Out of calibration pole P_d , P_e 3 calibration poles P_a , P_b , P_c In addition, two PSD cameras are pre-adjusted and mounted on an arm and set up as a general-purpose device including a reference surface as necessary.
[0055]
That is, as shown in FIG. 4 with reference to FIG. 1 and FIG. 2, a reference plane 41 is provided that is disposed in a three-dimensional space including a relatively narrow motion region of the object R to which the position detection light body is attached, In the three-dimensional space, three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z for representing the position of the object R are virtually formed, and a right triangle (a right triangle composed of vertices B, A, and C) is formed on the reference plane 41. The three calibration poles P are detachably upright at the installation points A, B and C respectively located at the right vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle._a , P_b , P_c And a known focal length F_yCalibration pole P_a And calibration pole P_bAnd the distance L from the origin O of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z_yY-axis direction PSD camera 20 installed with a known focal length F_xCalibration pole P_a And calibration pole P_cThe X-axis direction PSD camera 10 is provided at an equal distance from the origin O and at a distance Lx from the origin O of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. Each calibration pole P_a , P_b , P_cEach of which has two pairs of calibration light bodies a with different heights from the reference plane 41.₁ , A₂ B₁ , B₂ C₁ , C₂ Is installed.
[0056]
Then, the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20 are set to be integrated with the arm 40 by adjusting them so that their optical axes are orthogonal to each other as the X and Y axes. . If necessary, the reference surface 41 is also set up integrally with the arm 40 together with the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20. The arm 40 is installed on a camera tripod through a pan head, and is installed near an object R that makes a small movement such as a tooth. Further, the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20 can be moved and adjusted in the arrow I direction symmetrically with respect to a line passing through the points O and A. 1 and FIG. 2, the X-axis direction PSD camera 10 and the Y-axis direction PSD camera 20 capture the imaging r ′ of the object R on the PSD light receiving surfaces 12 and 22 and capture the imaging r ′. The movement of the object R can be measured by calculating with the computer W based on the position of. Further, the basic relative positions of the installation points A, B, C located at the corners of the right triangle on the reference plane 41 and the PSD camera 10 in the X-axis direction and the PSD camera 20 in the Y-axis direction are the areas occupied by the whole Because of the narrowness, it is measured and set accurately in advance. The operations of the X-axis direction PSD camera 10, the Y-axis direction PSD camera 20, the computer W, the mirror 30, and the like are the same as those shown in FIGS. As described above, the three-dimensional motion measuring apparatus shown in FIG. 4 is preliminarily compactly integrated with the main measurement unit consisting of the reference plane, calibration pole, and PSD camera, so it is highly versatile and easily brought into the measurement site. It can be installed and installed for easy measurement.
[0057]
【The invention's effect】
As is clear from the above embodiments, the method and apparatus for measuring the three-dimensional motion of an object according to the present invention is the position of the spot image of the object captured on the PSD light-receiving surface using two PSD cameras. Since the motion position of the object is calculated based on the image, and the three-dimensional motion of the object is not obtained by image processing of the shape of imaging of the object. On the other hand, the position detection response speed of the illuminant (object) by the PSD is extremely fast, so that the movement can be measured quickly even for a high-speed movement of the object. In addition, by installing five calibration poles, two PSD cameras can be easily installed accurately at the required positions while observing the image of the calibration light body of the calibration pole captured on the light receiving surface of the PSD camera. be able to.
[0058]
In addition, by setting up the reference plane, the calibration pole installation point on the reference plane, and the relative positions of the two PSD cameras in advance in a compact manner, the tertiary is highly versatile and can be easily installed near the object. The original motion measuring device can be calibrated.
[0059]
Furthermore, by adding a mirror and allowing the PSD camera to capture the object through the mirror, the movement of the object can be captured from different directions without changing the setting state of the PSD camera once installed. Even in a measurement environment in which measurement is possible and a sufficient distance between the object and the PSD camera cannot be obtained, the field of view of the PSD camera is equivalently enlarged by using a mirror, so that a wider range of the object can be obtained. 3D movement can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the basic configuration of an object three-dimensional motion measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view for explaining functions of the apparatus.
FIG. 3 is an elevation view for explaining the function of the apparatus.
FIG. 4 is a plan view for explaining functions of a three-dimensional motion measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a basic configuration of a PSD (semiconductor position detection element).
[Explanation of symbols]
10: X-axis direction PSD camera
11: X-axis direction PSD camera lens
12: PSD light receiving surface of the PSD camera in the X-axis direction
20: Y-axis direction PSD camera
21: Y-axis direction PSD camera lens
22: PSD light-receiving surface of the Y-axis direction PSD camera
30: Mirror
40: Arm
41: Reference plane
A, B, C, D, E: Installation point
a₁ , A₂ , B₁ , B₂ , C₁ , C₂ , D₀ , E₀  : Calibration light
a₁´ 、 a₂´,_b1´, b₂´, c₁´, c₂´, d₀´, e₀': Imaging of light body for calibration
G: Reference plane
H: Human body
n: Origin of coordinate axes on PSD light receiving surfaces 12 and 22
O: Origin of 3D coordinate axes X, Y, Z
O ′: point (point where coordinate axis Z passes through reference plane G)
P_a , P_b , P_c , P_d , P_e  : Calibration pole
R: Object (position detection light body)
R_x , R_y , R_z : X coordinate, y coordinate, z coordinate of the object R
r_x , R_y , R_z  : Apparent x coordinate, y coordinate, z coordinate of the object R
r '_x , R '_y , R '_z : X coordinate, y coordinate, z coordinate of imaging r ′ of object R
W: Computer
W₁ : Input device
W₂ :Storage device
W_Three : CPU
W_Four : Output device
X, Y, Z: 3D coordinate axis (3D Cartesian coordinate axis)
F_x  : Focal length of the lens 11 of the PSD camera 10 in the X-axis direction
F_y  : Focal length of the lens 21 of the PSD camera 20 in the Y-axis direction
h₀  :height
J_x , J_y , J_x :constant
L_x  : Distance between the PSD camera 10 (lens 11) in the X-axis direction and the origin O
L_y  : Distance between the Y-axis direction PSD camera 20 (lens 21) and the origin O
e_0x : Calibration light e₀Imaging₀'X coordinate (length from origin n)
d_0y : Calibration light d₀Imaging₀'Y coordinate (length from origin n)
K_x  : Distance between installation points A and B (length of line segment AB)
K_y  : Distance between installation points A and C (length of line segment AC)
M_x  , M_y , M_z : The difference between the apparent x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate of the object R and the true x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate
V_x  : PSD camera X-axis direction output voltage
V_y  : PSD camera Y-axis direction output voltage
V_z  : PSD camera Z-axis output voltage
θ_ex : Calibration light body viewed from the PSD camera 20 in the Y-axis direction e₀ X-axis direction angle
θ_dy : Calibration light body d viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction₀ Y-axis direction angle
θ_rx : X-axis direction angle of the object R viewed from the Y-axis direction PSD camera 20
θ_ry : Y-axis direction angle of the object R viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction
θ_rz : Z-axis direction angle of the object R viewed from the PSD camera 10 in the X-axis direction

Claims (12)

三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが設定される三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に少なくとも３本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃを前記三次元座標軸Ｚと並行に直立させ、これら較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃの前記基準面上における各設置点Ａ，Ｂ，Ｃを、前記三次元座標軸Ｘと平行する線分ＡＢと、前記三次元座標軸Ｙと平行する線分ＡＣとが、それぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙで且つ設置点Ａで直交するように設定し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２をそれぞれ設置すると共に、それらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さｈ_０を等しく設定し、焦点距離Ｆ_ｙが既知で前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｂから等距離に置かれるＰＳＤカメラと、焦点距離Ｆ_ｘが既知で前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｃから等距離に置かれるＰＳＤカメラの２基のＰＳＤカメラを設置し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ上の較正用光体を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、前記三次元空間内における前記対象物の位置を表すための前記三次元空間内の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ前記各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを隔てて設定し、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知することを特徴とする物体の三次元運動測定方法。At least three regions of motion of the object three-dimensional coordinate axes X representing the position of the object containing miso, Y, and sets a reference plane in the three-dimensional space Z is set, on the reference plane movement three-dimensional The calibration poles P _a , P _b , and P _c are set upright in parallel with the three-dimensional coordinate axis Z, and the installation points A, B, and C of the calibration poles P _a , P _b , and P _{c on} the reference plane are set. Is set so that the line segment AB parallel to the three-dimensional coordinate axis X and the line segment AC parallel to the three-dimensional coordinate axis Y are orthogonal to each other at the installation points A with known lengths K _x and K _y. Then, two calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c paired with the calibration poles P _a , P _b , P _c at different heights from the reference plane, respectively. _1, c ₂ and with installed respectively, before the midpoint between the two calibration light body forming those pairs Set equal to the height h ₀ of the reference plane, and PSD camera focal length F _y are placed from the two respective calibration pole P _a and P _b of the said one line segment AB in a known equidistant, focal length F _x is set up two PSD camera 2 group of the PSD camera placed equidistant from each calibration pole P _a and P _c on the other line segment AC known, the calibration pole P _{In the} three-dimensional space for representing the position of the object in the three-dimensional space by imaging the calibration light bodies on _a , P _b , and P _c on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras. The two-dimensional coordinate axes corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z are calibrated on the PSD light-receiving surface of each PSD camera, and the optical axis of each PSD camera is set to the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. And align each PSD camera from the origin. The distances L _y and L _x are set apart from each other, a position detection light body is installed on the object, and the position detection light of the object is simultaneously and time-series by the two PSD cameras. A third order of an object characterized in that time series position data of the object obtained by imaging a body is converted into time series coordinate data with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z to detect the movement of the object. Former motion measurement method. 三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが設定される三次元空間内に、直角三角形を含む基準面を設定し、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃをそれぞれ較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃとして、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃに３本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃをそれぞれ位置させて前記基準面上に直立させ、前記三次元座標軸Ｘと平行する前記直角三角形の線分ＡＢと、前記三次元座標軸Ｙと平行する前記直角三角形の線分ＡＣを、それぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙに設定し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２をそれぞれ設置すると共に、それらの対をなす２個の較正用光体の間の中点の前記基準面からの高さｈ_０を等しく設定し、既知の焦点距離Ｆ_ｙを備え前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｂから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌ_ｙを隔てて置かれるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離Ｆ_ｘを備え前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｃから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌｘを隔てて置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを前記基準面と共に予めセットアップし、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ上の較正用光体を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知することを特徴とする物体の三次元運動測定方法。A reference plane including a right triangle is set in a three-dimensional space in which the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z representing the position of the object including the motion region of the three-dimensional moving object are set. The right vertex A and the other two vertices B and C are set as calibration pole installation points A, B, and C, respectively, and three calibration poles P _a , P _b , and P _c are provided at the installation points A, B, and C, respectively. Are positioned upright on the reference plane, and the right triangle line segment AB parallel to the three-dimensional coordinate axis X and the right triangle line segment AC parallel to the three-dimensional coordinate axis Y are respectively known. Two calibration light bodies a ₁ , a which are set to lengths K _x , K _y and are paired with different heights from the reference plane on the calibration poles P _a , P _b , P _c respectively. _{2; b 1, b 2;} c 1, with _{c 2} the installation respectively, their And two set equal to the height h ₀ from the reference surface of the middle point between the calibration light body which forms a two respective calibration on a known focal length F _y to comprise segments of said one AB use pole P _a and P _b from and the three-dimensional coordinate axes X equidistantly, Y, the other line segment AC with the PSD camera placed at a distance L _y from the origin of the Z, the known focal length F _x and said three-dimensional coordinate axes X of two each calibration pole P _a and P _c at equidistant above, Y, of the PSD camera placed at a distance Lx from the origin of Z, the reference PSD camera 2 group Set up in advance with a surface, a position detecting light body is installed on the object, and the calibration light bodies on the calibration poles P _a , P _b , and P _{c are} placed on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras. Two-dimensional seats corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z by imaging A time series of the object obtained by calibrating and setting the axis on the PSD light receiving surface of each PSD camera and imaging the position detecting light body of the object simultaneously and time series by the two PSD cameras. A method for measuring a three-dimensional motion of an object, wherein position data is converted into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z to detect the movement of the object. 設置点Ａ，Ｂ間の長さＫ_ｘと設置点Ａ，Ｃ間の長さＫ_ｙを等しく設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点と２基の各ＰＳＤカメラとの間のそれぞれの距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを等しく設定し、前記２基のＰＳＤカメラの各焦点距離Ｆ_ｙ，Ｆ_ｘを等しく設定したことを特徴とする請求項２に記載した物体の三次元運動測定方法。The length K _x between the installation points A and B and the length K _y between the installation points A and C are set to be equal to each other between the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y and Z and the two PSD cameras. 3. The method for measuring a three-dimensional motion of an object according to claim 2, wherein the distances L _y and L _x are set equal to each other, and the focal lengths F _y and F _x of the two PSD cameras are set equal to each other. 三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが設定される三次元空間内に基準面を設定し、この基準面上に５本の較正用ポールの設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを設け、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、前記三次元座標軸Ｘと平行する線分ＡＢと、前記三次元座標軸Ｙと平行する線分ＡＣとが設置点Ａで直交するように設置点Ａ，Ｂ，Ｃを配設し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、前記線分ＡＢと前記線分ＡＣをそれぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙに設定し、これら各設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ，Ｐ_ｄ，Ｐ_ｅ，を位置させて前記基準面上に５本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ，Ｐ_ｄ，Ｐ_ｅ直立させ、前記較正用ポールＰ_ｄ，Ｐ_ｅのそれぞれに１個の較正用光体ｄ_０，ｅ_０を設置し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２をそれぞれ設置し、それらの対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２の間の中点の前記基準面からの高さｈ_０を前記較正用ポールＰ_ｄ，Ｐ_ｅのそれぞれの較正用光体ｄ_０，ｅ_０の前記基準面からの高さｈ_０と等しく設定し、焦点距離Ｆ_ｙが既知で前記一つの線分ＡＢ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｂから等距離に置かれるＰＳＤカメラと、焦点距離Ｆ_ｘが既知で前記他の線分ＡＣ上の２本の各較正用ポールＰ_ａおよびＰ_ｃから等距離に置かれるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを設置し、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ，Ｐ_ｄ，Ｐ_ｅ上の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２；ｄ_０，ｅ_０を前記２基のＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面に撮像することにより、前記三次元空間内の三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する二次元座標軸を前記各ＰＳＤカメラのＰＳＤ受光面上に較正設定し、前記各ＰＳＤカメラの光軸を前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点に合わせ且つ各ＰＳＤカメラを前記原点からそれぞれ距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを隔てて設定し、前記対象物には位置検出用光体を設置し、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知することを特徴とする物体の三次元運動測定方法。 Three-dimensional coordinate axes X representing the position of an object in a moving region including miso object moving three-dimensional, Y, and sets a reference plane in the three-dimensional space Z is set, five on the reference plane The calibration pole installation points A, B, C, D, and E are provided, and regarding the positional relationship between the installation points A, B, C, D, and E, the line segment AB parallel to the three-dimensional coordinate axis X and the tertiary original coordinate axis Y and parallel installation point as the line segment AC is orthogonal at the installation point a a, B, and disposed C, provided the installation point D at the vertex of an isosceles triangle to the base of the segment AB and, disposed installation point E on the apex of the isosceles triangle to base line segment AC, and set the line segment AC and the line segment AB respective known length K _x, the K _y, installation respective Calibration poles P _a , P _b , P _c , P _d , and P _e are positioned at points A, B, C, D, and E, respectively, on the reference plane. Five calibration pole _{P a, P b, P c} , P d, is _{P e} upright, the calibration pole _P d, installed one of the calibration light body _d 0, _{e 0} in each of _{P e} , Two calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ that are paired with the calibration poles P _a , P _b , and P _c at different heights from the reference plane. , C _2, and the height from the reference plane at the midpoint between the _two calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ , c ₂ that make a pair of them h ₀ is set equal to the height h ₀ from the reference plane of the calibration light bodies d ₀ and e ₀ of the calibration poles P _d and P _e , the focal length F _y is known, and the one line and PSD camera from minute two poles for each calibration on AB _{P a} and _{P b} are placed equidistant, the other line segment AC focal length _{F x} is known Of two each calibration pole _{P a} and _{P c} of the PSD camera placed equidistant, the PSD camera 2 group is installed, the calibration pole _{P a, P b, P c} , P d, P e The three-dimensional space is obtained by imaging the calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ , c ₂ ; d ₀ , e ₀ on the PSD light receiving surfaces of the two PSD cameras. The two-dimensional coordinate axes corresponding to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z are calibrated on the PSD light-receiving surface of each PSD camera, and the optical axis of each PSD camera is the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. And each PSD camera is set at a distance L _y and L _x from the origin, and a position detecting light body is installed on the object, and the two PSD cameras are simultaneously and in time series. When the object is obtained by imaging the object position detection light A method for measuring a three-dimensional motion of an object, wherein the movement of the object is detected by converting the series position data into time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. 設置点Ｄを頂点とし線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の高さと、設置点Ｅを頂点とし線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の高さと、設置点Ａ，Ｂ間の長さＫ_ｘと、設置点Ａ，Ｃ間の長さＫ_ｙとを等しく設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点と２基の各ＰＳＤカメラの間のそれぞれの距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを等しく設定し、前記２基のＰＳＤカメラの各焦点距離Ｆ _ｙ ，Ｆ _ｘ を等しく設定したことを特徴とする請求項４に記載した物体の三次元運動測定方法。The height of an isosceles triangle with the installation point D as the vertex and the line segment AB as the base, the height of the isosceles triangle with the installation point E as the vertex and the line segment AC as the base, and the length K between the installation points A and B _x and the length K _y between the installation points A and C are set to be equal, and the distances L _y and L _x between the origins of the three-dimensional coordinate axes X, Y and Z and the two PSD cameras are set to be equal. set, the focal length F y of the PSD camera in the 2 _groups, the three-dimensional movement measuring method of an object according to claim 4, characterized in that set equal F _x. 予め設定された運動領域で三次元運動する対象物に設置した位置検出用光体を映す鏡を配設し、その鏡に映った対象物の位置検出光体を２基のＰＳＤカメラで撮像して得た前記対象物の時系列位置データを三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換して前記対象物の動きを検知することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかの項に記載した物体の三次元運動測定方法。  A mirror for reflecting the position detection light body installed on the object that moves three-dimensionally in a predetermined motion area is arranged, and the position detection light body of the object reflected in the mirror is imaged by two PSD cameras. 6. The time-series position data of the object obtained in this way is converted into time-series coordinate data for three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z to detect the movement of the object. A method for measuring a three-dimensional motion of an object according to any one of the items. 位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に配設された少なくとも３個の設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ直立させる少なくとも３本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃと、これらの各較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２と、既知の焦点距離Ｆ_ｙを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正用ポールＰ_ｂから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌ_ｙを隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離Ｆ_ｘを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正用ポールＰ_ｃから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌｘを隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃに関し、前記三次元座標軸Ｘと平行する線分ＡＢと、前記三次元座標軸Ｙと平行する線分ＡＣがそれぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙで且つ設置点Ａで直交するように設定し、前記対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２の各中点の前記基準面からの高さｈ_０を等しく設定したことを特徴とする物体の三次元運動測定装置。A reference plane set in a three-dimensional space in which a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z representing the position of the target object including the motion region of the target object that moves three-dimensionally by installing the position detection light body is formed At least three calibration poles P _a , P _b , and P _c that stand upright on at least three installed points A, B, and C, respectively, and these calibration poles P _a , P _b , and P _c. , Two pairs of calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ , c ₂ and a known focal length F that are installed at different heights from the reference plane. the calibration pole P comprises a _{y a} and calibration and the pole P _b equidistant the three-dimensional coordinate axes X, Y, and PSD camera installed at a distance L _y from the origin of the Z, known focal length F equidistant from the calibration pole P _a and calibration pole P _c comprises a _x The position of the object is simultaneously and time-sequentially by two PSD cameras of the PSD camera installed at a distance Lx from the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y, Z and the two PSD cameras. A computer for converting the time-series position data of the object obtained by imaging the detection light body into the time-series coordinate data for the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z, and the installation points A, B, and C The line segment AB parallel to the three-dimensional coordinate axis X and the line segment AC parallel to the three-dimensional coordinate axis Y are set to have known lengths K _x , K _y and orthogonal at the installation point A, respectively, The height h ₀ from the reference plane of each of the midpoints of the _two calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ , c _{2 that make} a pair is set equal A device for measuring the three-dimensional motion of an object. 位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される直角三角形を含む基準面と、この直角三角形の直角頂点Ａと他の２頂点Ｂ，Ｃにそれぞれ位置する設置点Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ直立させる３本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃと、これらの各較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２と、既知の焦点距離Ｆ_ｙを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正用ポールＰ_ｂから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌ_ｙを隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離Ｆ_ｘを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正用ポールＰ_ｃから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌｘを隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラを一体的にセットアップし、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記直角三角形において前記三次元座標軸Ｘに平行する線分ＡＢと、前記直角三角形において前記三次元座標軸Ｙに平行する線分ＡＣをそれぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙに設定し、前記対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２の各中点の前記基準面からの高さｈ_０を等しく設定したことを特徴とする物体の三次元運動測定装置。A right-angled triangle set in a three-dimensional space in which a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z representing the position of the target object including the motion region of the target object that moves three-dimensionally by installing the position detection light body is formed. Including a reference plane, and three calibration poles P _a , P _b , and P _c that stand upright at the installation points A, B, and C respectively located at the right vertex A and the other two vertices B and C of the right triangle. Each of these calibration poles P _a , P _b , and P _c has two pairs of calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , installed at different heights from the reference plane. b _{2; c} 1, and _{c 2,} and from said known focal length _F pole for the calibration comprises a _{y P a} and calibration pole _{P b} equidistant three-dimensional coordinate axes X, Y, the distance from the origin of Z _{L y} and PSD camera installed at a, for the calibration with known focal length F _x Lumpur P _a and calibration and the pole P _c equidistant the three-dimensional coordinate axes X, Y, the PSD camera installed at a distance Lx from the origin of Z, integrally set up the PSD camera 2 group The time-series position data of the object obtained by imaging the object position detection light body simultaneously and time-series with the two PSD cameras are time-series with respect to the three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. A computer for converting to coordinate data, and a line segment AB parallel to the three-dimensional coordinate axis X in the right triangle and a line segment AC parallel to the three-dimensional coordinate axis Y in the right triangle are respectively known lengths K _x. , K _y , and the height h ₀ from the reference surface of each of the midpoints of the _two calibration light bodies a ₁ , a ₂ ; b ₁ , b ₂ ; c ₁ , c _{2 that make} the pair Features characterized by equality Three-dimensional movement measuring device. 設置点Ａ，Ｂ間の長さＫ_ｘと設置点Ａ，Ｃ間の長さＫ_ｙを等しく設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点と２基の各ＰＳＤカメラとの間のそれぞれの距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを等しく設定し、前記２基のＰＳＤカメラの各焦点距離Ｆ_ｙ，Ｆ_ｘを等しく設定したことを特徴とする請求項８に記載した物体の三次元運動測定装置。The length K _x between the installation points A and B and the length K _y between the installation points A and C are set to be equal to each other between the origin of the three-dimensional coordinate axes X, Y and Z and the two PSD cameras. The distances L _y and L _x of the two PSD cameras are set to be equal, and the focal lengths F _y and F _x of the two PSD cameras are set to be equal to each other. 位置検出用光体が設置されて三次元運動する対象物の運動領域を含みその対象物の位置を表す三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが形成される三次元空間内に設定される基準面に配設された５個の設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにそれぞれ直立させる５本の較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃ，Ｐ_ｄ，Ｐ_ｅと、前記較正用ポールＰ_ｄ，Ｐ_ｅのそれぞれに１個設置される較正用光体ｄ_０，ｅ_０と、前記較正用ポールＰ_ａ，Ｐ_ｂ，Ｐ_ｃのそれぞれに前記基準面からの高さを違えて設置される２個の対をなす較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２と、既知の焦点距離Ｆ_ｙを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正ポールＰ_ｂから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌ_ｙを隔てて設置されるＰＳＤカメラと、既知の焦点距離Ｆ_ｘを備え前記較正用ポールＰ_ａおよび較正用ポールＰ_ｃから等距離で且つ前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点から距離Ｌ_ｘを隔てて設置されるＰＳＤカメラの、２基のＰＳＤカメラと、前記２基のＰＳＤカメラで同時且つ時系列的に前記対象物の位置検出用光体を撮像して得た前記対象物の時系列位置データを前記三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備え、前記設置点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの位置関係に関して、線分ＡＢと線分ＡＣがそれぞれ既知の長さＫ_ｘ，Ｋ_ｙで設置点Ａで直交するように設定し、線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｄを配設し、線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の頂点に設置点Ｅを配設し、前記対をなす２個の較正用光体ａ_１，ａ_２；ｂ_１，ｂ_２；ｃ_１，ｃ_２の各中点の前記基準面からの高さｈ_０を前記較正用ポールＰ_ｄ，Ｐ_ｅのそれぞれの較正用光体ｄ_０，ｅ_０の前記基準面からの高さｈ_０と等しく設定したことを特徴とする物体の三次元運動測定装置。A reference plane set in a three-dimensional space in which a three-dimensional coordinate axis X, Y, Z representing the position of the target object including the motion region of the target object that moves three-dimensionally by installing the position detection light body is formed disposed the five installation points a, B, C, D, calibration pole _P a of five to erect each _{E, P b, P c,} P d, and _{P e,} the calibration pole _{P d} , P _e , one for each of the calibration light bodies d ₀ , e ₀ and the calibration poles P _a , P _b , P _c are installed with different heights from the reference plane. calibration optical body _a 1 forming two _{pairs, a 2; b 1, b} 2; a _c 1, c _2, equal from pole for the calibration with known focal length _{F y P a} and calibration pole _{P b} distance and in the three-dimensional coordinate axes X, Y, and PSD camera installed at a distance L _y from the origin of the Z, known Focal length F pole for the calibration comprises a _x P _a and calibration and the pole P _c equidistant the three-dimensional coordinate axes X, Y, the PSD camera installed at a distance L _x from the origin of the Z, 2 group Time series position data of the object obtained by imaging the object position detecting light body simultaneously and time series by the PSD camera and the two PSD cameras, the three-dimensional coordinate axes X, Y, A computer for converting to time-series coordinate data for Z, and regarding the positional relationship between the installation points A, B, C, D, and E, the line segment AB and the line segment AC have known lengths K _x and K _y , respectively. It is set to be orthogonal at the installation point A, the installation point D is arranged at the vertex of the isosceles triangle whose base is the line segment AB, and the installation point E is arranged at the vertex of the isosceles triangle whose base is the line segment AC. was set, two calibration optical body _a 1 forming the _{pair, a} 2; _{1, b 2;} the reference plane of c 1, the height _{h 0} of the calibration pole _P d from the reference plane of the midpoint of _{c 2,} each of the calibration light body _d 0 of _{P e, e 0} An apparatus for measuring a three-dimensional motion of an object, characterized in that it is set equal to a height h ₀ from the object. 設置点Ｄを頂点とし線分ＡＢを底辺とする二等辺三角形の高さと、設置点Ｅを頂点とし線分ＡＣを底辺とする二等辺三角形の高さと、設置点Ａ，Ｂ間の長さＫ_ｘと、設置点Ａ，Ｃ間の長さＫ_ｙとを等しく設定し、三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの原点と２基の各ＰＳＤカメラの間のそれぞれの距離Ｌ_ｙ，Ｌ_ｘを等しく設定し、前記２基のＰＳＤカメラの各焦点距離Ｆ _ｙ ，Ｆ _ｘ を等しく設定したことを特徴とする請求項１０に記載した物体の三次元運動測定装置。The height of an isosceles triangle with the installation point D as the vertex and the line segment AB as the base, the height of the isosceles triangle with the installation point E as the vertex and the line segment AC as the base, and the length K between the installation points A and B _x and the length K _y between the installation points A and C are set to be equal, and the distances L _y and L _x between the origins of the three-dimensional coordinate axes X, Y and Z and the two PSD cameras are set to be equal. The apparatus for measuring a three-dimensional motion of an object according to claim 10, wherein the focal lengths F _y and F _x of the two PSD cameras are set equal to each other. 予め設定された運動領域で三次元運動する対象物に設置した位置検出用光体を映す鏡と、その鏡に映った対象物の位置検出光体を撮像する２基のＰＳＤカメラと、その２基のＰＳＤカメラで撮像して得た前記対象物の時系列位置データを三次元座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する時系列座標データに変換演算するコンピュータを備えたことを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれかの項に記載した物体の三次元運動測定装置。  A mirror that reflects a position detection light body installed on an object that moves three-dimensionally in a predetermined motion region, two PSD cameras that image the position detection light body of the object reflected in the mirror, and 2 8. A computer for converting time-series position data of the object obtained by imaging with a basic PSD camera into time-series coordinate data for three-dimensional coordinate axes X, Y, and Z. Item 12. A three-dimensional motion measuring apparatus for an object according to any one of Items 11 to 10.

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