位置計測装置、位置計測方法及びマーカー
【課題】撮像画像における画素より小さな単位により画像中におけるマーカー位置を高精度に特定することを可能とする。
【解決手段】位置計測装置１では、マーカー画像が画像取得部１０により取得され、二値化画像生成部１１によりマーカー画像に基づき複数の異なる閾値ごとに二値化マーカー画像が生成され、マーカー重心座標算出部１２により二値化マーカー画像におけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、当該二値化マーカー画像におけるマーカーの位置が特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素の階調値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像が生成され、複数の二値化マーカー画像ごとにマーカー重心座標が算出され、マーカー座標算出部１３により複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力される。
【解決手段】位置計測装置１では、マーカー画像が画像取得部１０により取得され、二値化画像生成部１１によりマーカー画像に基づき複数の異なる閾値ごとに二値化マーカー画像が生成され、マーカー重心座標算出部１２により二値化マーカー画像におけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、当該二値化マーカー画像におけるマーカーの位置が特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素の階調値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像が生成され、複数の二値化マーカー画像ごとにマーカー重心座標が算出され、マーカー座標算出部１３により複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置計測装置、位置計測方法及び位置計測に用いるためのマーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物から離れた場所において当該対象物の位置を計測する方法として、例えばＣＣＤやＣＭＯＳといった撮像素子を有するカメラにより対象物を捉えた画像により、対象物の位置を特定する方法が挙げられる。三角測量の原理に基づく、いわゆるステレオ法では、２台のカメラを用いてマーカーが装着された対象物を撮像する。カメラにより得られる画像は、３次元空間を２次元に投影したものであるので、撮像された画像中におけるマーカーの位置に基づき、カメラの撮像素子の位置とマーカーの位置とを結ぶ視線を求めることができる。そして、両カメラの視線の交点をマーカーの３次元空間における位置として特定することができる。
【０００３】
一方、カメラの撮像素子における受光素子が一定の大きさを有することに起因して、受光素子が検出する反射光の撮像対象物における反射位置が離散的となるので、画像中における対象物の位置計測に際して誤差が生じる。以下、この誤差を量子化誤差という。
【０００４】
このような量子化誤差を軽減する技術として、特許文献１には、所定の間隔で配置された３台以上のカメラのうち２台のカメラを異なる組合せで選定して、各組合せにおいて対象物までの距離を算出し、その平均値をとる距離計測方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
位置計測の精度向上のためには、撮像画像中における対象物（例えば、マーカー）の位置を特定する精度を向上させる必要がある。また、上述した特許文献１記載の距離計測方法は、量子化誤差を軽減する技術として有効であるが、更なる量子化誤差の軽減のために、撮像画像中における測定対象の位置を特定する精度の向上が望まれる。
【０００７】
高解像度のカメラを使用することにより精度向上を図ることは可能であるが、高速で移動する測定対象物を撮影するための高速度撮影カメラでは高解像度化が困難である。また、移動中の測定対象物を撮像するためには、測定の安全のために対象物の移動軌跡から一定以上離れた場所にカメラを設置しなければならない。かかる状況では、位置測定の精度向上のために十分な解像度を有する撮像画像を得ることはできない。このため、位置測定のために測定対象物に付されたマーカーは、撮像画像中では、複数の画素にわたってモザイク状に表される。
【０００８】
かかる事情に鑑みた上で位置測定の精度向上を図るためには、撮像画像において一定の大きさを有すると共にモザイク状に表されたマーカーの領域のうち、マーカーの位置を特定するための代表点を適切に定め、当該代表点の位置を、撮像画像を構成する最小単位である画素の大きさよりも小さな単位で求めることにより、マーカーの位置を特定する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、撮像画像中におけるマーカー位置を撮像画像における画素より小さな単位により高精度に特定することにより、量子化誤差を低減可能な位置計測装置、位置計測方法及び位置計測に用いるためのマーカーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の位置計測装置は、マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像におけるマーカーの位置を、画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置であって、マーカー画像を取得する画像取得手段と、マーカー画像における画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成手段と、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出手段と、複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出手段と、マーカー座標算出手段により算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力するマーカー座標出力手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の位置計測方法は、マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像におけるマーカーの位置を、画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置における位置計測方法であって、マーカー画像を取得する画像取得ステップと、マーカー画像における画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成ステップと、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出ステップと、複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出ステップと、マーカー座標算出ステップにおいて算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力するマーカー座標出力ステップとを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の位置計測装置及び位置計測方法によれば、二値化マーカー画像におけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、二値化マーカー画像におけるマーカーの代表点が適切に定められると共に、当該二値化マーカー画像におけるマーカーの位置が、マーカー画像の画素の大きさより小さな単位により特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素の階調値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像が生成され、複数の二値化マーカー画像ごとにマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力されるので、マーカー画像中におけるマーカーの位置を高精度に特定することが可能となる。
【００１３】
なお、本発明におけるマーカーは、意図的に位置測定の対象物に付す物に限られず、対象物の構成として予め含まれている物も含む。
【００１４】
また、本発明の位置計測装置では、マーカー画像は、階調値としてグレイスケール値を有し、二値化画像生成手段は、グレイスケール値に関する閾値に基づき二値化マーカー画像を生成することを特徴とする。
【００１５】
この場合には、マーカー画像の二値化処理が容易であるので、好適に二値化マーカー画像が生成される。
【００１６】
また、本発明の位置計測装置では、マーカー座標算出手段は、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像に基づき算出されたマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数のマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することを特徴とする。
【００１７】
マーカーを捉えた画素をより多く含む二値化マーカー画像は、マーカー画像におけるマーカーの位置をより高精度に反映していると考えられる。従って、複数のマーカー重心座標の重心を算出する際に、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素数を重み付けに用いることにより、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００１８】
本発明のマーカーは、対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーであって、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加方向又は減少方向に変化するように色が付された階調変化領域とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の位置計測装置では、マーカーは、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域とを有することが好ましい。
【００２０】
上記マーカーは、所定色領域から遠ざかるに従って階調が増加方向又は減少方向に変化する階調変化領域を有するので、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像から閾値を変更しながら複数の二値化マーカー画像を生成した場合において、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素が複数の領域に分離する可能性が低い。従って、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
撮像画像における画素より小さな単位でマーカー位置を高精度に特定することにより、量子化誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る位置計測装置の一実施形態であり、位置計測装置を含むシステム及び位置測定の対象物であるバイクを示す図である。
【図２】位置計測の対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーの一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図３】位置計測装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図４】マーカー画像のグレイスケール値を複数の異なる閾値により二値化して生成された二値化マーカー画像の例を示す図である。
【図５】マーカー重心座標の算出を説明するための図である。
【図６】本発明に係る位置計測方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】マーカー画像から生成される二値化マーカー画像の一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図８】本発明に係るマーカーの一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図９】マーカー画像から生成される二値化マーカー画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、位置測定対象物及び当該位置計測対象物の位置を測定するためのシステムの一例を示す図である。図１に示されるシステムは、位置計測対象物Ｂの位置を、いわゆるステレオ法により測定するシステムであり、位置計測装置１、カメラ２Ａ，２Ｂ、表示部３及び記憶部４を備える。
【００２５】
カメラ２Ａ，２Ｂは、例えばＣＣＤやＣＭＯＳといった撮像素子を有し、位置計測対象物Ｂを捉えた撮像画像を位置計測装置１に送出する。表示部３は、カメラ２Ａ，２Ｂにより撮像された画像データや位置計測装置１によって算出された結果等を表示するディスプレイ等により構成される。記憶部４は、カメラ２Ａ，２Ｂにより撮像された画像データや位置計測装置１によって算出された結果等を記憶するための記憶媒体であり、例えばＨＤＤやメモリカード等により構成される。
【００２６】
位置計測対象物Ｂにおける所定位置には、位置測定のためのマーカーＭが装着されている。図２（ａ）は、マーカーの一例を示す図である。図２（ａ）に示される例では、マーカーＭＡは、直径数ｃｍから十数ｃｍ程度の円形状を有し、黒色が付されている。なお、マーカーの形状、大きさ及び色は、図２（ａ）に示される例に限定されない。
【００２７】
本実施形態の位置測定では、図１に示されるように、２台のカメラ２Ａ，２Ｂは、マーカーが装着された位置計測対象物Ｂを撮像する。カメラにより得られる画像は、３次元空間を２次元に投影したものであるので、撮像された画像中におけるマーカーＭの位置に基づき、カメラの撮像素子の位置とマーカーＭの位置とを結ぶ視線を求めることができる。そして、両カメラの視線の交点をマーカーの３次元空間における位置として特定することができる。従って、３次元空間におけるマーカーの位置計測の精度向上のためには、撮像画像中におけるマーカーの位置を特定する精度を向上させる必要がある。
【００２８】
カメラ２により撮像された画像は、撮像素子における受光素子の配列に対応した多数の画素により構成されている。このため、マーカーＭＡを捉えた画像であるマーカー画像ＰＡにおけるマーカーに起因する階調値を有する画素部分は、例えば図２（ｂ）に示されるようなモザイク状に表される。また、本実施形態では、各画素はそれぞれ、グレイスケール値を有する。かかる画素により構成されるマーカー画像を取得することにより、マーカー画像の二値化処理が容易となる。これにより、マーカー画像を二値化した画像が好適に生成される。なお、本実施形態におけるマーカー画像の各画素はグレイスケール値を有することとしたが、これには限られず、マーカー画像の各画素が何らかの階調値を有していれば、本発明を実施可能である。
【００２９】
続いて、位置計測装置１の機能を説明する。図３は、位置計測装置１の機能的構成を示すブロック図である。位置計測装置１は、マーカー画像ＰにおけるマーカーＭの位置を、マーカー画像Ｐの画素の大きさより小さい最小単位を有する２次元座標系により特定する装置であり、各種演算処理を実施可能なコンピュータ等により構成される。位置計測装置１は、画像取得部１０（画像取得手段）、二値化画像生成部１１（二値化画像生成手段）、マーカー重心座標算出部１２（マーカー重心座標算出手段）、マーカー座標算出部１３（マーカー座標算出手段）、及びマーカー座標出力部１４（マーカー座標出力手段）を備える。
【００３０】
なお、本実施形態では、複数のカメラを用いたステレオ法による位置計測に本発明に係る位置計測装置を適用した例を説明しているが（図１参照）、これには限定されない。本発明に係る位置計測装置は、マーカー画像におけるマーカーの位置を、マーカー画像の画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する装置であるので、１台のカメラにより撮像されたマーカー画像におけるマーカーの位置を特定する装置としてシステムに適用されることとしてもよい。引き続き、図３を参照し、位置計測装置１の各機能部について詳細に説明する。
【００３１】
画像取得部１０は、カメラ２からマーカー画像Ｐを取得する部分である。画像取得部１０は、マーカー画像Ｐを二値化画像生成部１１に送出する。
【００３２】
二値化画像生成部１１は、マーカー画像Ｐにおける画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する部分である。図４を参照して、二値化マーカー画像の生成について詳細に説明する。
【００３３】
図４は、画像取得部１０から送出されたマーカー画像Ｐ、及びマーカー画像Ｐに基づき生成された複数の二値化マーカー画像Ｔを示す図である。マーカー画像Ｐの各画素は、マーカーＭに起因する様々なグレイスケール値を有する。
【００３４】
図４に示される例では、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する７つの閾値を設定し、それぞれの閾値ごとに二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７を生成する。より具体的には、二値化画像生成部１１は、マーカー画像Ｐにおける各画素のグレイスケール値が閾値未満である場合には、当該画素のグレイスケール値を「０」（黒色）とし、閾値以上である場合には当該画素のグレイスケール値を最大値（白色）とすることにより、マーカー画像の各画素を二値化する。二値化マーカー画像では、グレイスケール値が「０」とされた画素が、以後の処理においてマーカーが捉えられた画素として扱われる。
【００３５】
また、二値化画像生成部１１は、例えば、グレイスケール値における最小値から最大値までの幅を所定数に等分に分割し、その分割点の値をグレイスケール値に関する閾値として採用することができる。二値化マーカー画像を生成するための閾値には、任意の複数の値を設定することが可能である。
【００３６】
マーカー重心座標算出部１２は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の座標に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像Ｔごとに算出する部分である。図５を参照して、マーカー重心座標の算出処理の例を具体的に説明する。
【００３７】
図５に示される二値化マーカー画像Ｔ６は、マーカーが捉えられた３画素を有している。マーカーが捉えられた３画素の画素座標はそれぞれ、（ｘ０＋１，ｙ０＋１）、（ｘ０＋２，ｙ０＋１）、（ｘ０＋２，ｙ０＋２）である（ｘ０及びｙ０は整数）。従って、二値化マーカー画像Ｔ６のマーカー重心座標（Ｘｇ６，Ｙｇ６）は、式（１）及び式（２）により算出される。
Ｘｇ６＝（（ｘ０＋１）＋（ｘ０＋２）＋（ｘ０＋２））／３＝ｘ０＋５／３ …（１）
Ｙｇ６＝（（ｙ０＋１）＋（ｙ０＋１）＋（ｙ０＋２））／３＝ｙ０＋４／３ …（２）
【００３８】
画素座標が整数で表されるのに対して、マーカー重心座標は、式（１）及び式（２）に示されるように、分数又は小数により表されることとなる。従って、マーカー重心座標は、整数を最小単位とする画素座標よりも小さな最小単位を有する。即ち、マーカー重心座標は、画素の大きさより小さい単位により構成される座標系で特定されることとなる。
【００３９】
図５に示す例では、二値化マーカー画像Ｔ６に基づくマーカー重心座標の算出処理を説明したが、マーカー重心座標算出部１２は、二値化画像生成部１１により生成された全ての二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のそれぞれに基づき、マーカー重心座標を算出する。これにより、１つのマーカーＭを捉えたマーカー画像Ｐに基づき、複数のマーカー重心座標を得ることが可能となる。
【００４０】
本発明の発明者は、多数のマーカーが装着された位置計測対象物の画像を取得し、画像中に捉えられたマーカーの重心位置の座標を算出し、算出された重心位置の座標を位置計測対象物の位置特定に用いると、１つのマーカーを用いた位置計測と比較して精度が著しく向上することを知見として得た。しかしながら、この方法では、複数のマーカーを位置計測対象物における複数の点に装着することとなるので、位置測定対象物における１点の位置及びその位置の移動を計測することは不可能である。
【００４１】
本発明では、１つのマーカーＭを捉えたマーカー画像Ｐに基づき複数のマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標に基づき位置計測対象物の位置が特定されるので、位置計測の精度が向上すると共に、位置計測対象物における１点の位置計測が可能となる。
【００４２】
マーカー座標算出部１３は、マーカー重心座標算出部１２により算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する部分である。マーカー座標算出部１３は、算出されたマーカー座標をマーカー座標出力部１４に送出する。例えば、図４に示されるように、７つの二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７が二値化画像生成部１１により生成された場合には、二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のそれぞれに基づき７つのマーカー重心座標がマーカー重心座標算出部１２により算出されるので、マーカー座標算出部１３は、マーカー重心座標算出部１２により算出された７つマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する。
【００４３】
また、マーカー座標算出部１３は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像Ｔに基づき算出されたマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数のマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することとしてもよい。図４に示される例では、二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７においてマーカーが捉えられた画素の数はそれぞれ、１４、１２、９、７、５、３、１であるので、マーカー座標算出部１３は、これらの数を用いて各々のマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされたマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することができる。
【００４４】
マーカーＭを捉えた画素をより多く含む二値化マーカー画像Ｔは、マーカー画像ＰにおけるマーカーＭの位置をより高精度に反映していると考えられる。従って、複数のマーカー重心座標の重心を算出する際に、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素数を重み付けに用いることにより、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００４５】
マーカー座標出力部１４は、マーカー座標算出部１３により算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力する部分である。マーカー座標出力部１４は、例えば、表示部３にマーカー座標を表示させたり、記憶部４にマーカー座標を記憶させたりすることができる。
【００４６】
続いて、図６を参照して、本実施形態の位置計測方法における位置計測装置１の動作について説明する。図６は、位置計測装置１において実施される処理内容を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、ステップＳ１において、画像取得部１０は、カメラ２からマーカー画像Ｐを取得すると共に、取得したマーカー画像Ｐを二値化画像生成部１１に送出する。
【００４８】
ステップＳ２において、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する所定の閾値を設定する。ステップ２における閾値の設定は、例えば、図４における二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のうちのいずれか１つの二値化マーカー画像Ｔを生成するためである。
【００４９】
ステップＳ３において、二値化画像生成部１１は、ステップＳ２で設定された閾値を用いて、マーカー画像Ｐから二値化マーカー画像Ｔを生成する。
【００５０】
ステップＳ４において、マーカー重心座標算出部１２は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の座標に基づき、マーカー重心座標を算出する。さらに、マーカー重心座標算出部１２は、算出したマーカー重心座標を記憶部４に記憶させる。
【００５１】
ステップＳ５において、位置計測装置１における制御部（図示せず）は、予め設定された所定のループ回数を超えたか否かを判断する。ループ回数は、二値化マーカー画像Ｔを生成するための閾値を変更する回数である。即ち、ステップＳ３〜Ｓ５の処理が実施された回数は、二値化画像生成部１１により生成される二値化マーカー画像Ｔの数に相当する。所定のループ回数を超えたと判断された場合には処理手順はステップＳ７に進められ、所定のループ回数を超えたと判断されなかった場合には処理手順はステップＳ６に進められる。
【００５２】
ステップＳ６では、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する所定の閾値を予め設定された値に変更する。この後に、処理手順はステップＳ３に戻る。グレイスケール値に関する所定の閾値が変更されながら、ステップＳ３〜Ｓ４の処理が実施されることにより、例えば、図４における複数の二値化マーカー画像Ｔが生成されると共に、二値化マーカー画像Ｔごとのマーカー重心座標が算出される。
【００５３】
ステップＳ７において、マーカー座標算出部１３は、ステップＳ４でマーカー重心座標算出部１２により算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する。
【００５４】
そして、ステップＳ８において、マーカー座標出力部１４は、マーカー座標算出部１３により算出されたマーカー座標を出力する。こうして、本実施形態の処理を終了する。
【００５５】
（マーカーについて）
次に、本実施形態において、位置計測対象物Ｂに付されるマーカーＭについて説明する。図２（ａ）に示されるような一様な黒色が付された円形状のマーカーＭＡをカメラ２により撮像した場合であっても、マーカー画像ＰＡにおけるマーカーを捉えた各画素は、図２（ｂ）に示されるように、様々なグレイスケール値を持つ。このようなマーカー画像ＰＡの濃淡は、撮像時の光源の位置や、マーカーＭＡの表面における光の反射状態のむら等、様々な事象に起因して発生する。
【００５６】
かかるマーカー画像ＰＡに基づき、ある閾値により二値化マーカー画像Ｔを生成すると、図７に示されるような二値化マーカー画像ＴＡ１が生成される場合がある。二値化マーカー画像ＴＡ１では、二値化処理の際にグレイスケール値が「０」とされた画素の領域が分離している。かかる二値化マーカー画像ＴＡ１に基づいてマーカー重心座標を算出することは可能ではあるものの、算出されたマーカー重心座標がマーカーの真の重心位置を指し示す精度は低い。
【００５７】
マーカー重心座標の算出精度向上のために、本実施形態では、図８（ａ）に示されるようなマーカーＭＢを位置計測に用いることができる。マーカーＭＢは、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域Ｃ１と、所定色領域Ｃ１から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域Ｃ２とを有する。具体的には、マーカーＭＢは、黒色が付された円形状の所定色領域Ｃ１を有する。また、階調変化領域Ｃ２は、所定色領域Ｃ１と同一の中心位置を有する複数の円環状の領域を含む。複数の円環状の領域の各々のグレイスケール値は、所定色領域Ｃ１から遠ざかるにつれて段階的に大きくなっている。マーカーＭＢをカメラ２により撮像した画像は、例えば図８（ｂ）に示されるマーカー画像ＰＢのようになる。そして、マーカー画像ＰＢに基づき生成される二値化マーカー画像は、図９の二値化マーカー画像ＴＢ１，ＴＢ２に例示される。図９の二値化マーカー画像ＴＢ１，ＴＢ２に示されるように、二値化処理の際にグレイスケール値が「０」とされた画素の領域は分離されない。
【００５８】
マーカーＭＢは、意図的に変えられたグレイスケール値を有する領域である階調変化領域Ｃ２を有するので、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像から閾値を変更しながら複数の二値化マーカー画像を生成した場合において、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素が複数の領域に分離する可能性が低い。従って、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００５９】
なお、本実施形態のマーカーＭＢは、一例として、黒色の所定色領域Ｃ１及びグレイスケール値が段階的に変化する階調変化領域Ｃ２を有することとしたが、このような例には限定されない。例えば、マーカーＭＢは、複数の次元の階調値がそれぞれ連続的又は離散的に変化するように色が付された階調変化領域Ｃ２を有することとしてもよい。
【００６０】
以上説明した本実施形態の位置計測装置１及び位置計測方法によれば、二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーの代表点が適切に定められると共に、当該二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーの位置が、マーカー画像の画素の大きさより小さな単位により特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素のグレイスケール値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像Ｔが生成され、複数の二値化マーカー画像Ｔごとにマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力されるので、マーカー画像中におけるマーカーの位置を高精度に特定することが可能となる。
【００６１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１…位置計測装置、２，２Ａ，２Ｂ…カメラ、３…表示部、４…記憶部、１０…画像取得部、１１…二値化画像生成部、１２…マーカー重心座標算出部、１３…マーカー座標算出部、１４…マーカー座標出力部、Ｂ…位置計測対象物、Ｃ１…所定色領域、Ｃ２…階調変化領域、Ｍ，ＭＡ，ＭＢ…マーカー、Ｐ，ＰＡ，ＰＢ…マーカー画像、Ｔ，Ｔ１-Ｔ７，ＴＡ１，ＴＢ１，ＴＢ２…二値化マーカー画像。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置計測装置、位置計測方法及び位置計測に用いるためのマーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物から離れた場所において当該対象物の位置を計測する方法として、例えばＣＣＤやＣＭＯＳといった撮像素子を有するカメラにより対象物を捉えた画像により、対象物の位置を特定する方法が挙げられる。三角測量の原理に基づく、いわゆるステレオ法では、２台のカメラを用いてマーカーが装着された対象物を撮像する。カメラにより得られる画像は、３次元空間を２次元に投影したものであるので、撮像された画像中におけるマーカーの位置に基づき、カメラの撮像素子の位置とマーカーの位置とを結ぶ視線を求めることができる。そして、両カメラの視線の交点をマーカーの３次元空間における位置として特定することができる。
【０００３】
一方、カメラの撮像素子における受光素子が一定の大きさを有することに起因して、受光素子が検出する反射光の撮像対象物における反射位置が離散的となるので、画像中における対象物の位置計測に際して誤差が生じる。以下、この誤差を量子化誤差という。
【０００４】
このような量子化誤差を軽減する技術として、特許文献１には、所定の間隔で配置された３台以上のカメラのうち２台のカメラを異なる組合せで選定して、各組合せにおいて対象物までの距離を算出し、その平均値をとる距離計測方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
位置計測の精度向上のためには、撮像画像中における対象物（例えば、マーカー）の位置を特定する精度を向上させる必要がある。また、上述した特許文献１記載の距離計測方法は、量子化誤差を軽減する技術として有効であるが、更なる量子化誤差の軽減のために、撮像画像中における測定対象の位置を特定する精度の向上が望まれる。
【０００７】
高解像度のカメラを使用することにより精度向上を図ることは可能であるが、高速で移動する測定対象物を撮影するための高速度撮影カメラでは高解像度化が困難である。また、移動中の測定対象物を撮像するためには、測定の安全のために対象物の移動軌跡から一定以上離れた場所にカメラを設置しなければならない。かかる状況では、位置測定の精度向上のために十分な解像度を有する撮像画像を得ることはできない。このため、位置測定のために測定対象物に付されたマーカーは、撮像画像中では、複数の画素にわたってモザイク状に表される。
【０００８】
かかる事情に鑑みた上で位置測定の精度向上を図るためには、撮像画像において一定の大きさを有すると共にモザイク状に表されたマーカーの領域のうち、マーカーの位置を特定するための代表点を適切に定め、当該代表点の位置を、撮像画像を構成する最小単位である画素の大きさよりも小さな単位で求めることにより、マーカーの位置を特定する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、撮像画像中におけるマーカー位置を撮像画像における画素より小さな単位により高精度に特定することにより、量子化誤差を低減可能な位置計測装置、位置計測方法及び位置計測に用いるためのマーカーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の位置計測装置は、マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像におけるマーカーの位置を、画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置であって、マーカー画像を取得する画像取得手段と、マーカー画像における画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成手段と、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出手段と、複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出手段と、マーカー座標算出手段により算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力するマーカー座標出力手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明の位置計測方法は、マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像におけるマーカーの位置を、画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置における位置計測方法であって、マーカー画像を取得する画像取得ステップと、マーカー画像における画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成ステップと、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出ステップと、複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出ステップと、マーカー座標算出ステップにおいて算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力するマーカー座標出力ステップとを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の位置計測装置及び位置計測方法によれば、二値化マーカー画像におけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、二値化マーカー画像におけるマーカーの代表点が適切に定められると共に、当該二値化マーカー画像におけるマーカーの位置が、マーカー画像の画素の大きさより小さな単位により特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素の階調値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像が生成され、複数の二値化マーカー画像ごとにマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力されるので、マーカー画像中におけるマーカーの位置を高精度に特定することが可能となる。
【００１３】
なお、本発明におけるマーカーは、意図的に位置測定の対象物に付す物に限られず、対象物の構成として予め含まれている物も含む。
【００１４】
また、本発明の位置計測装置では、マーカー画像は、階調値としてグレイスケール値を有し、二値化画像生成手段は、グレイスケール値に関する閾値に基づき二値化マーカー画像を生成することを特徴とする。
【００１５】
この場合には、マーカー画像の二値化処理が容易であるので、好適に二値化マーカー画像が生成される。
【００１６】
また、本発明の位置計測装置では、マーカー座標算出手段は、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像に基づき算出されたマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数のマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することを特徴とする。
【００１７】
マーカーを捉えた画素をより多く含む二値化マーカー画像は、マーカー画像におけるマーカーの位置をより高精度に反映していると考えられる。従って、複数のマーカー重心座標の重心を算出する際に、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素数を重み付けに用いることにより、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００１８】
本発明のマーカーは、対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーであって、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加方向又は減少方向に変化するように色が付された階調変化領域とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の位置計測装置では、マーカーは、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域とを有することが好ましい。
【００２０】
上記マーカーは、所定色領域から遠ざかるに従って階調が増加方向又は減少方向に変化する階調変化領域を有するので、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像から閾値を変更しながら複数の二値化マーカー画像を生成した場合において、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素が複数の領域に分離する可能性が低い。従って、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
撮像画像における画素より小さな単位でマーカー位置を高精度に特定することにより、量子化誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る位置計測装置の一実施形態であり、位置計測装置を含むシステム及び位置測定の対象物であるバイクを示す図である。
【図２】位置計測の対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーの一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図３】位置計測装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図４】マーカー画像のグレイスケール値を複数の異なる閾値により二値化して生成された二値化マーカー画像の例を示す図である。
【図５】マーカー重心座標の算出を説明するための図である。
【図６】本発明に係る位置計測方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】マーカー画像から生成される二値化マーカー画像の一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図８】本発明に係るマーカーの一例、及び当該マーカーを捉えた画像であるマーカー画像におけるマーカーに起因するグレイスケール値を有する画素部分を示す図である。
【図９】マーカー画像から生成される二値化マーカー画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、位置測定対象物及び当該位置計測対象物の位置を測定するためのシステムの一例を示す図である。図１に示されるシステムは、位置計測対象物Ｂの位置を、いわゆるステレオ法により測定するシステムであり、位置計測装置１、カメラ２Ａ，２Ｂ、表示部３及び記憶部４を備える。
【００２５】
カメラ２Ａ，２Ｂは、例えばＣＣＤやＣＭＯＳといった撮像素子を有し、位置計測対象物Ｂを捉えた撮像画像を位置計測装置１に送出する。表示部３は、カメラ２Ａ，２Ｂにより撮像された画像データや位置計測装置１によって算出された結果等を表示するディスプレイ等により構成される。記憶部４は、カメラ２Ａ，２Ｂにより撮像された画像データや位置計測装置１によって算出された結果等を記憶するための記憶媒体であり、例えばＨＤＤやメモリカード等により構成される。
【００２６】
位置計測対象物Ｂにおける所定位置には、位置測定のためのマーカーＭが装着されている。図２（ａ）は、マーカーの一例を示す図である。図２（ａ）に示される例では、マーカーＭＡは、直径数ｃｍから十数ｃｍ程度の円形状を有し、黒色が付されている。なお、マーカーの形状、大きさ及び色は、図２（ａ）に示される例に限定されない。
【００２７】
本実施形態の位置測定では、図１に示されるように、２台のカメラ２Ａ，２Ｂは、マーカーが装着された位置計測対象物Ｂを撮像する。カメラにより得られる画像は、３次元空間を２次元に投影したものであるので、撮像された画像中におけるマーカーＭの位置に基づき、カメラの撮像素子の位置とマーカーＭの位置とを結ぶ視線を求めることができる。そして、両カメラの視線の交点をマーカーの３次元空間における位置として特定することができる。従って、３次元空間におけるマーカーの位置計測の精度向上のためには、撮像画像中におけるマーカーの位置を特定する精度を向上させる必要がある。
【００２８】
カメラ２により撮像された画像は、撮像素子における受光素子の配列に対応した多数の画素により構成されている。このため、マーカーＭＡを捉えた画像であるマーカー画像ＰＡにおけるマーカーに起因する階調値を有する画素部分は、例えば図２（ｂ）に示されるようなモザイク状に表される。また、本実施形態では、各画素はそれぞれ、グレイスケール値を有する。かかる画素により構成されるマーカー画像を取得することにより、マーカー画像の二値化処理が容易となる。これにより、マーカー画像を二値化した画像が好適に生成される。なお、本実施形態におけるマーカー画像の各画素はグレイスケール値を有することとしたが、これには限られず、マーカー画像の各画素が何らかの階調値を有していれば、本発明を実施可能である。
【００２９】
続いて、位置計測装置１の機能を説明する。図３は、位置計測装置１の機能的構成を示すブロック図である。位置計測装置１は、マーカー画像ＰにおけるマーカーＭの位置を、マーカー画像Ｐの画素の大きさより小さい最小単位を有する２次元座標系により特定する装置であり、各種演算処理を実施可能なコンピュータ等により構成される。位置計測装置１は、画像取得部１０（画像取得手段）、二値化画像生成部１１（二値化画像生成手段）、マーカー重心座標算出部１２（マーカー重心座標算出手段）、マーカー座標算出部１３（マーカー座標算出手段）、及びマーカー座標出力部１４（マーカー座標出力手段）を備える。
【００３０】
なお、本実施形態では、複数のカメラを用いたステレオ法による位置計測に本発明に係る位置計測装置を適用した例を説明しているが（図１参照）、これには限定されない。本発明に係る位置計測装置は、マーカー画像におけるマーカーの位置を、マーカー画像の画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する装置であるので、１台のカメラにより撮像されたマーカー画像におけるマーカーの位置を特定する装置としてシステムに適用されることとしてもよい。引き続き、図３を参照し、位置計測装置１の各機能部について詳細に説明する。
【００３１】
画像取得部１０は、カメラ２からマーカー画像Ｐを取得する部分である。画像取得部１０は、マーカー画像Ｐを二値化画像生成部１１に送出する。
【００３２】
二値化画像生成部１１は、マーカー画像Ｐにおける画素の階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する部分である。図４を参照して、二値化マーカー画像の生成について詳細に説明する。
【００３３】
図４は、画像取得部１０から送出されたマーカー画像Ｐ、及びマーカー画像Ｐに基づき生成された複数の二値化マーカー画像Ｔを示す図である。マーカー画像Ｐの各画素は、マーカーＭに起因する様々なグレイスケール値を有する。
【００３４】
図４に示される例では、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する７つの閾値を設定し、それぞれの閾値ごとに二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７を生成する。より具体的には、二値化画像生成部１１は、マーカー画像Ｐにおける各画素のグレイスケール値が閾値未満である場合には、当該画素のグレイスケール値を「０」（黒色）とし、閾値以上である場合には当該画素のグレイスケール値を最大値（白色）とすることにより、マーカー画像の各画素を二値化する。二値化マーカー画像では、グレイスケール値が「０」とされた画素が、以後の処理においてマーカーが捉えられた画素として扱われる。
【００３５】
また、二値化画像生成部１１は、例えば、グレイスケール値における最小値から最大値までの幅を所定数に等分に分割し、その分割点の値をグレイスケール値に関する閾値として採用することができる。二値化マーカー画像を生成するための閾値には、任意の複数の値を設定することが可能である。
【００３６】
マーカー重心座標算出部１２は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の座標に基づき、マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を二値化マーカー画像Ｔごとに算出する部分である。図５を参照して、マーカー重心座標の算出処理の例を具体的に説明する。
【００３７】
図５に示される二値化マーカー画像Ｔ６は、マーカーが捉えられた３画素を有している。マーカーが捉えられた３画素の画素座標はそれぞれ、（ｘ０＋１，ｙ０＋１）、（ｘ０＋２，ｙ０＋１）、（ｘ０＋２，ｙ０＋２）である（ｘ０及びｙ０は整数）。従って、二値化マーカー画像Ｔ６のマーカー重心座標（Ｘｇ６，Ｙｇ６）は、式（１）及び式（２）により算出される。
Ｘｇ６＝（（ｘ０＋１）＋（ｘ０＋２）＋（ｘ０＋２））／３＝ｘ０＋５／３ …（１）
Ｙｇ６＝（（ｙ０＋１）＋（ｙ０＋１）＋（ｙ０＋２））／３＝ｙ０＋４／３ …（２）
【００３８】
画素座標が整数で表されるのに対して、マーカー重心座標は、式（１）及び式（２）に示されるように、分数又は小数により表されることとなる。従って、マーカー重心座標は、整数を最小単位とする画素座標よりも小さな最小単位を有する。即ち、マーカー重心座標は、画素の大きさより小さい単位により構成される座標系で特定されることとなる。
【００３９】
図５に示す例では、二値化マーカー画像Ｔ６に基づくマーカー重心座標の算出処理を説明したが、マーカー重心座標算出部１２は、二値化画像生成部１１により生成された全ての二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のそれぞれに基づき、マーカー重心座標を算出する。これにより、１つのマーカーＭを捉えたマーカー画像Ｐに基づき、複数のマーカー重心座標を得ることが可能となる。
【００４０】
本発明の発明者は、多数のマーカーが装着された位置計測対象物の画像を取得し、画像中に捉えられたマーカーの重心位置の座標を算出し、算出された重心位置の座標を位置計測対象物の位置特定に用いると、１つのマーカーを用いた位置計測と比較して精度が著しく向上することを知見として得た。しかしながら、この方法では、複数のマーカーを位置計測対象物における複数の点に装着することとなるので、位置測定対象物における１点の位置及びその位置の移動を計測することは不可能である。
【００４１】
本発明では、１つのマーカーＭを捉えたマーカー画像Ｐに基づき複数のマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標に基づき位置計測対象物の位置が特定されるので、位置計測の精度が向上すると共に、位置計測対象物における１点の位置計測が可能となる。
【００４２】
マーカー座標算出部１３は、マーカー重心座標算出部１２により算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する部分である。マーカー座標算出部１３は、算出されたマーカー座標をマーカー座標出力部１４に送出する。例えば、図４に示されるように、７つの二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７が二値化画像生成部１１により生成された場合には、二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のそれぞれに基づき７つのマーカー重心座標がマーカー重心座標算出部１２により算出されるので、マーカー座標算出部１３は、マーカー重心座標算出部１２により算出された７つマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する。
【００４３】
また、マーカー座標算出部１３は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像Ｔに基づき算出されたマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数のマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することとしてもよい。図４に示される例では、二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７においてマーカーが捉えられた画素の数はそれぞれ、１４、１２、９、７、５、３、１であるので、マーカー座標算出部１３は、これらの数を用いて各々のマーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされたマーカー重心座標に基づきマーカー座標を算出することができる。
【００４４】
マーカーＭを捉えた画素をより多く含む二値化マーカー画像Ｔは、マーカー画像ＰにおけるマーカーＭの位置をより高精度に反映していると考えられる。従って、複数のマーカー重心座標の重心を算出する際に、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素数を重み付けに用いることにより、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００４５】
マーカー座標出力部１４は、マーカー座標算出部１３により算出されたマーカー座標をマーカーの位置として出力する部分である。マーカー座標出力部１４は、例えば、表示部３にマーカー座標を表示させたり、記憶部４にマーカー座標を記憶させたりすることができる。
【００４６】
続いて、図６を参照して、本実施形態の位置計測方法における位置計測装置１の動作について説明する。図６は、位置計測装置１において実施される処理内容を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、ステップＳ１において、画像取得部１０は、カメラ２からマーカー画像Ｐを取得すると共に、取得したマーカー画像Ｐを二値化画像生成部１１に送出する。
【００４８】
ステップＳ２において、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する所定の閾値を設定する。ステップ２における閾値の設定は、例えば、図４における二値化マーカー画像Ｔ１〜Ｔ７のうちのいずれか１つの二値化マーカー画像Ｔを生成するためである。
【００４９】
ステップＳ３において、二値化画像生成部１１は、ステップＳ２で設定された閾値を用いて、マーカー画像Ｐから二値化マーカー画像Ｔを生成する。
【００５０】
ステップＳ４において、マーカー重心座標算出部１２は、二値化マーカー画像Ｔにおいてマーカーが捉えられた画素の座標に基づき、マーカー重心座標を算出する。さらに、マーカー重心座標算出部１２は、算出したマーカー重心座標を記憶部４に記憶させる。
【００５１】
ステップＳ５において、位置計測装置１における制御部（図示せず）は、予め設定された所定のループ回数を超えたか否かを判断する。ループ回数は、二値化マーカー画像Ｔを生成するための閾値を変更する回数である。即ち、ステップＳ３〜Ｓ５の処理が実施された回数は、二値化画像生成部１１により生成される二値化マーカー画像Ｔの数に相当する。所定のループ回数を超えたと判断された場合には処理手順はステップＳ７に進められ、所定のループ回数を超えたと判断されなかった場合には処理手順はステップＳ６に進められる。
【００５２】
ステップＳ６では、二値化画像生成部１１は、グレイスケール値に関する所定の閾値を予め設定された値に変更する。この後に、処理手順はステップＳ３に戻る。グレイスケール値に関する所定の閾値が変更されながら、ステップＳ３〜Ｓ４の処理が実施されることにより、例えば、図４における複数の二値化マーカー画像Ｔが生成されると共に、二値化マーカー画像Ｔごとのマーカー重心座標が算出される。
【００５３】
ステップＳ７において、マーカー座標算出部１３は、ステップＳ４でマーカー重心座標算出部１２により算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出する。
【００５４】
そして、ステップＳ８において、マーカー座標出力部１４は、マーカー座標算出部１３により算出されたマーカー座標を出力する。こうして、本実施形態の処理を終了する。
【００５５】
（マーカーについて）
次に、本実施形態において、位置計測対象物Ｂに付されるマーカーＭについて説明する。図２（ａ）に示されるような一様な黒色が付された円形状のマーカーＭＡをカメラ２により撮像した場合であっても、マーカー画像ＰＡにおけるマーカーを捉えた各画素は、図２（ｂ）に示されるように、様々なグレイスケール値を持つ。このようなマーカー画像ＰＡの濃淡は、撮像時の光源の位置や、マーカーＭＡの表面における光の反射状態のむら等、様々な事象に起因して発生する。
【００５６】
かかるマーカー画像ＰＡに基づき、ある閾値により二値化マーカー画像Ｔを生成すると、図７に示されるような二値化マーカー画像ＴＡ１が生成される場合がある。二値化マーカー画像ＴＡ１では、二値化処理の際にグレイスケール値が「０」とされた画素の領域が分離している。かかる二値化マーカー画像ＴＡ１に基づいてマーカー重心座標を算出することは可能ではあるものの、算出されたマーカー重心座標がマーカーの真の重心位置を指し示す精度は低い。
【００５７】
マーカー重心座標の算出精度向上のために、本実施形態では、図８（ａ）に示されるようなマーカーＭＢを位置計測に用いることができる。マーカーＭＢは、所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域Ｃ１と、所定色領域Ｃ１から遠ざかるに従って連続的又は離散的に階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域Ｃ２とを有する。具体的には、マーカーＭＢは、黒色が付された円形状の所定色領域Ｃ１を有する。また、階調変化領域Ｃ２は、所定色領域Ｃ１と同一の中心位置を有する複数の円環状の領域を含む。複数の円環状の領域の各々のグレイスケール値は、所定色領域Ｃ１から遠ざかるにつれて段階的に大きくなっている。マーカーＭＢをカメラ２により撮像した画像は、例えば図８（ｂ）に示されるマーカー画像ＰＢのようになる。そして、マーカー画像ＰＢに基づき生成される二値化マーカー画像は、図９の二値化マーカー画像ＴＢ１，ＴＢ２に例示される。図９の二値化マーカー画像ＴＢ１，ＴＢ２に示されるように、二値化処理の際にグレイスケール値が「０」とされた画素の領域は分離されない。
【００５８】
マーカーＭＢは、意図的に変えられたグレイスケール値を有する領域である階調変化領域Ｃ２を有するので、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像から閾値を変更しながら複数の二値化マーカー画像を生成した場合において、二値化マーカー画像においてマーカーが捉えられた画素が複数の領域に分離する可能性が低い。従って、算出されるマーカー座標の精度向上が可能となる。
【００５９】
なお、本実施形態のマーカーＭＢは、一例として、黒色の所定色領域Ｃ１及びグレイスケール値が段階的に変化する階調変化領域Ｃ２を有することとしたが、このような例には限定されない。例えば、マーカーＭＢは、複数の次元の階調値がそれぞれ連続的又は離散的に変化するように色が付された階調変化領域Ｃ２を有することとしてもよい。
【００６０】
以上説明した本実施形態の位置計測装置１及び位置計測方法によれば、二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーが捉えられた画素に基づきマーカー重心座標が算出されるので、二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーの代表点が適切に定められると共に、当該二値化マーカー画像Ｔにおけるマーカーの位置が、マーカー画像の画素の大きさより小さな単位により特定される。また、１つのマーカーが捉えられたマーカー画像に基づき、画素のグレイスケール値に関する閾値を変えて複数の異なる二値化マーカー画像Ｔが生成され、複数の二値化マーカー画像Ｔごとにマーカー重心座標が算出され、算出された複数のマーカー重心座標の重心の座標がマーカー座標として算出・出力されるので、マーカー画像中におけるマーカーの位置を高精度に特定することが可能となる。
【００６１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１…位置計測装置、２，２Ａ，２Ｂ…カメラ、３…表示部、４…記憶部、１０…画像取得部、１１…二値化画像生成部、１２…マーカー重心座標算出部、１３…マーカー座標算出部、１４…マーカー座標出力部、Ｂ…位置計測対象物、Ｃ１…所定色領域、Ｃ２…階調変化領域、Ｍ，ＭＡ，ＭＢ…マーカー、Ｐ，ＰＡ，ＰＢ…マーカー画像、Ｔ，Ｔ１-Ｔ７，ＴＡ１，ＴＢ１，ＴＢ２…二値化マーカー画像。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像における前記マーカーの位置を、前記画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置であって、
前記マーカー画像を取得する画像取得手段と、
前記マーカー画像における前記画素の前記階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成手段と、
前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素に基づき、前記マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を前記二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出手段と、
複数の前記マーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出手段と、
前記マーカー座標算出手段により算出された前記マーカー座標を前記マーカーの位置として出力するマーカー座標出力手段と
を備えることを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記マーカー画像は、前記階調値としてグレイスケール値を有し、
前記二値化画像生成手段は、グレイスケール値に関する閾値に基づき前記二値化マーカー画像を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記マーカー座標算出手段は、前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像に基づき算出された前記マーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数の前記マーカー重心座標に基づき前記マーカー座標を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記マーカーは、
所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、
前記所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に前記階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域と
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置計測装置。
【請求項５】
マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像における前記マーカーの位置を、前記画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置における位置計測方法であって、
前記マーカー画像を取得する画像取得ステップと、
前記マーカー画像における前記画素の前記階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成ステップと、
前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素に基づき、前記マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を前記二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出ステップと、
複数の前記マーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出ステップと、
前記マーカー座標算出ステップにおいて算出された前記マーカー座標を前記マーカーの位置として出力するマーカー座標出力ステップと
を有することを特徴とする位置計測方法。
【請求項６】
対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーであって、
所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、
前記所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に前記階調が増加方向又は減少方向に変化するように色が付された階調変化領域と
を有することを特徴とするマーカー。
【請求項１】
マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像における前記マーカーの位置を、前記画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置であって、
前記マーカー画像を取得する画像取得手段と、
前記マーカー画像における前記画素の前記階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成手段と、
前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素に基づき、前記マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を前記二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出手段と、
複数の前記マーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出手段と、
前記マーカー座標算出手段により算出された前記マーカー座標を前記マーカーの位置として出力するマーカー座標出力手段と
を備えることを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記マーカー画像は、前記階調値としてグレイスケール値を有し、
前記二値化画像生成手段は、グレイスケール値に関する閾値に基づき前記二値化マーカー画像を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記マーカー座標算出手段は、前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素の数に基づき、当該二値化マーカー画像に基づき算出された前記マーカー重心座標に重み付けを行い、重み付けされた複数の前記マーカー重心座標に基づき前記マーカー座標を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記マーカーは、
所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、
前記所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に前記階調が増加又は減少するように色が付された階調変化領域と
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置計測装置。
【請求項５】
マーカーを捉えた画像であって、階調値を有する複数の画素からなる画像であるマーカー画像における前記マーカーの位置を、前記画素の大きさより小さい最小単位を有する座標系により特定する位置計測装置における位置計測方法であって、
前記マーカー画像を取得する画像取得ステップと、
前記マーカー画像における前記画素の前記階調値を所定の閾値で二値化した画像である二値化マーカー画像を、複数の異なる閾値ごとに生成する二値化画像生成ステップと、
前記二値化マーカー画像において前記マーカーが捉えられた画素に基づき、前記マーカーの重心位置の座標であるマーカー重心座標を前記二値化マーカー画像ごとに算出するマーカー重心座標算出ステップと、
複数の前記マーカー重心座標の重心の座標をマーカー座標として算出するマーカー座標算出ステップと、
前記マーカー座標算出ステップにおいて算出された前記マーカー座標を前記マーカーの位置として出力するマーカー座標出力ステップと
を有することを特徴とする位置計測方法。
【請求項６】
対象物に装着され撮像されることにより、当該対象物の位置計測に用いるためのマーカーであって、
所定の階調により表される単一色が付された一定範囲の所定色領域と、
前記所定色領域から遠ざかるに従って連続的又は離散的に前記階調が増加方向又は減少方向に変化するように色が付された階調変化領域と
を有することを特徴とするマーカー。
【図１】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−９８２０７（Ｐ２０１２−９８２０７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７４９２（Ｐ２０１０−２４７４９２）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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