JP7729595B2 - Coordinate alignment system for range image sensors and other measurement systems - Google Patents
Coordinate alignment system for range image sensors and other measurement systemsInfo
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Description
本発明は、距離画像センサーを用いた動作計測システムと他の計測システムの座標合わせに関するものである。 The present invention relates to the alignment of a motion measurement system using a distance image sensor with other measurement systems.
スポーツやリハビリテーションの分野では、被験者の運動を記録・分析するために、モーションキャプチャを用いた3次元動作解析が行われる。モーションキャプチャ技術としては、従来より、光学式モーションキャプチャや慣性センサーを用いたモーションキャプチャが知られているが、近年、マーカーや慣性センサーを用いることがない、いわゆるマーカレス・モーションキャプチャが登場してきた。マーカレス・モーションキャプチャとしては、例えば、赤外線やLiDAR(Light Detection and Ranging)を用いて、TOF(Time Of Flight)方式で1枚の距離画像(深度画像)を取得し、取得した1枚の深度画像から関節位置を推定する手法が知られている(非特許文献1)。また、距離画像に基づいた骨格情報推定については、例えば、特許文献1~3にも記載されている。近年、距離画像方式を採用した比較的安価なモーションキャプチャが市場に登場しており(非特許文献2)、臨床現場での活用が期待されている(非特許文献3)。 In the fields of sports and rehabilitation, three-dimensional motion analysis using motion capture is performed to record and analyze the movements of subjects. While optical motion capture and motion capture using inertial sensors have been well-known motion capture technologies, in recent years, so-called markerless motion capture, which does not use markers or inertial sensors, has emerged. For example, a markerless motion capture technique uses infrared or LiDAR (Light Detection and Ranging) to acquire a single distance image (depth image) using a Time of Flight (TOF) method, and then estimates joint positions from the acquired depth image (Non-Patent Document 1). Skeletal information estimation based on distance images is also described in Patent Documents 1 to 3, for example. In recent years, relatively inexpensive motion capture using distance imaging has appeared on the market (Non-Patent Document 2), and its use in clinical settings is expected (Non-Patent Document 3).
一方、被験者の歩行解析を行うための計測するシステムとして、床反力計を用いた計測システム、いわゆるフォースプレートや圧力分布センサーが知られている(特許文献4、特許文献5)。ここで、距離画像センサーを使用した動作分析システムと他のシステム(例えば、圧力分布センサーやフォースプレート)と同期計測を行い、相互の情報を利用して被験者の動作に対するより深い理解を行うことができれば有用である。例えば、リハビリテーションの場合では、距離画像センサーと他の機器で総合的に被験者の動作を理解することで、適切な治療方針決定のための有用な情報を得ることができる。 Meanwhile, measurement systems using force plates and pressure distribution sensors, which use floor reaction force sensors, are known as measurement systems for analyzing a subject's gait (Patent Document 4, Patent Document 5). It would be useful to perform synchronized measurements between a motion analysis system using a distance image sensor and another system (e.g., a pressure distribution sensor or force plate) and use the mutual information to gain a deeper understanding of the subject's movements. For example, in the case of rehabilitation, a comprehensive understanding of the subject's movements using a distance image sensor and other devices can provide useful information for determining an appropriate treatment plan.
しかしながら、通常の距離画像センサーは、他の機器との座標合わせ手段を有しておらず、同じ座標系での計測を行うことができない。動作分析装置と他の外部機器との位置合わせ機能の先行技術として、特許文献6が挙げられる。この手法は、フォースプレートのみならず、他の機器でも利用可能である。しかしながら、次の理由からこの手法を、赤外線を利用した距離画像センサーを用いた動作計測システムに適用することはできない。 However, ordinary distance image sensors do not have a means for aligning coordinates with other devices, and are unable to perform measurements in the same coordinate system. Patent Document 6 is an example of prior art for a function for aligning a motion analysis device with other external devices. This method can be used not only with force plates, but also with other devices. However, for the following reasons, this method cannot be applied to motion measurement systems that use infrared distance image sensors.
第1に、距離画像センサーにおいて、赤外線反射マーカーはセンサーからの距離取得が不可能となるため、マーカーの位置を特定できない。本発明者が実験したところ、赤外線反射素材に対して、距離画像センサーで距離を取得しようとした場合に適切な距離が計算できないという知見を得た。第2に、距離画像センサーでは、DLT法(特許文献6で採用されている)を使用しているわけではないので、特許文献6で用いた計算式を利用することができない。 First, with a range image sensor, it is not possible to obtain the distance from an infrared reflective marker, and therefore the position of the marker cannot be identified. Through experiments conducted by the inventors, it was discovered that when attempting to obtain the distance from an infrared reflective material using a range image sensor, it is not possible to calculate an appropriate distance. Second, because range image sensors do not use the DLT method (adopted in Patent Document 6), the calculation formula used in Patent Document 6 cannot be used.
本発明は、距離画像センサーを使用した動作分析システムと、他の計測システム(圧力分布シートが例示される)の座標合わせを実現するにあたり、上記課題を解決することを目的とするものである。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems when achieving coordinate alignment between a motion analysis system using a distance image sensor and another measurement system (such as a pressure distribution sheet).
本発明が採用した第1の技術手段は、
中央の第1反射面と、前記第1反射面を囲むように設けた第2反射面と、からなるターゲット面を備え、
前記第2反射面は、赤外線反射材料から形成されている、
赤外線を利用した距離画像センサーと共に用いられる測距用治具、である。
1つの態様では、前記ターゲット面及び前記第1反射面は同心円であり、前記第2反射面はリング状である。
1つの態様では、前記ターゲット面の向きが可変である。
The first technical means adopted by the present invention is:
a target surface including a first reflecting surface at the center and a second reflecting surface provided so as to surround the first reflecting surface;
the second reflecting surface is formed from an infrared reflecting material;
It is a distance measuring tool used in conjunction with an infrared distance image sensor.
In one embodiment, the target surface and the first reflecting surface are concentric circles, and the second reflecting surface is ring-shaped.
In one aspect, the orientation of the target surface is variable.
本発明が採用した第2の技術手段は、
カメラと、赤外線を利用した距離画像センサーと、測距用治具と、を用いた測距方法であって、
前記測距用治具は、
中央の第1反射面と、前記第1反射面を囲むように設けた第2反射面と、からなるターゲット面を備え、
前記第2反射面は、赤外線反射材料から形成されており、
前記カメラにより取得した画像に基づく画像処理によって、前記ターゲット面の領域を検出し、前記第1反射面上の特定点を検出すること、
前記距離画像センサーから照射された赤外線を用いて、前記第1反射面上の前記特定点までの距離を取得すること、
を含む測距方法、である。
1つの態様では、前記画像処理は、
位置・姿勢が固定されたカメラで、所定位置に設置された測距用治具を含む第1画像を取得すること、
前記カメラで、前記測距用治具を設置しない状態で第2画像を取得すること、
前記第1画像と前記第2画像の輝度の差分に基づいて、前記ターゲット面の領域を検出し、前記第1反射面上の特定点を検出すること、
からなる。
1つの態様では、前記特定点は、前記ターゲット面の中心である。
1つの態様では、前記カメラは、赤外線カメラである。
The second technical means adopted by the present invention is:
A distance measurement method using a camera, a distance image sensor using infrared rays, and a distance measurement jig,
The distance measuring jig is
a target surface including a first reflecting surface at the center and a second reflecting surface provided so as to surround the first reflecting surface;
the second reflecting surface is formed from an infrared reflecting material;
detecting an area of the target surface by image processing based on the image acquired by the camera, and detecting a specific point on the first reflecting surface;
acquiring a distance to the specific point on the first reflecting surface using infrared rays emitted from the distance image sensor;
A ranging method including:
In one aspect, the image processing comprises:
acquiring a first image including a distance measuring jig installed at a predetermined position using a camera whose position and orientation are fixed;
acquiring a second image with the camera without the distance measuring jig installed;
detecting a region of the target surface based on a difference in brightness between the first image and the second image, and detecting a specific point on the first reflecting surface;
It consists of:
In one embodiment, the particular point is the center of the target surface.
In one embodiment, the camera is an infrared camera.
本発明が採用した第3の技術手段は、測距方法を用いたターゲット上の特定点の座標値の取得であり、
前記距離画像センサーにより取得した深度画像の3D座標値(U,V,D)が3次元座標系の3D座標値(X,Y,Z)へ変換可能となっており、
前記距離画像センサー及び前記測距方法を用いて、前記ターゲット面上の前記特定点の深度画像上の3D座標値(U,V,D)を取得し、
前記3D座標値(U,V,D)に対応する3次元座標系の3D座標値(X,Y,Z)を取得する。
The third technical means adopted by the present invention is to obtain the coordinate values of a specific point on the target using a distance measurement method;
The 3D coordinate values (U, V, D) of the depth image acquired by the distance image sensor can be converted into 3D coordinate values (X, Y, Z) of a three-dimensional coordinate system,
Using the distance image sensor and the distance measurement method, obtain 3D coordinate values (U, V, D) on a depth image of the specific point on the target surface;
The 3D coordinate values (X, Y, Z) in the three-dimensional coordinate system corresponding to the 3D coordinate values (U, V, D) are obtained.
本発明が採用した第4の技術手段は、
赤外線を利用した距離画像センサーを備えた第1計測システムと、第2計測システムと、を備えた複合計測システムにおける座標合わせシステムであって、
前記座標合わせシステムは、前記第2計測システムの所定位置に着脱可能に設置される3つの校正用治具と、カメラと、を備え、
各校正用治具は、
中央の第1反射面と、前記第1反射面を囲むように設けた第2反射面と、からなるターゲット面を備え、
前記第2反射面は、赤外線反射材料から形成されており、
前記第1反射面上の特定点がターゲットとなっており、
前前記3つの校正用治具は、前記第2計測システムにおいて、第1ターゲット、第2ターゲット、第3ターゲットが不等辺三角形の頂点となるような位置関係で設置されており、
前記第1計測システムにおいて、前記距離画像センサーにより取得した深度画像の3D座標値(U,V,D)が第1座標系の3D座標値(X,Y,Z)へ変換可能となっており、
前記座標合わせシステムは、処理部と、記憶部と、を備え、
前記記憶部には、第1計測システムの第1座標系と第2計測システムの第2座標系を座標合わせした時の距離画像センサーの第1座標系(X,Y,Z)における各ターゲットの参照座標値が格納されており、
前記処理部は、
前記カメラにより取得した画像に基づく画像処理によって、前記ターゲット面の領域を検出し、前記第1反射面上の特定点をターゲットとして検出し、
前記距離画像センサーを用いて、各ターゲットの第1座標系上の測定座標値(X,Y,Z)を取得し、
各ターゲットの測定座標値と参照座標値を対応させ、前記測定座標値を前記参照座標値と一致させるような変換式を取得するように、構成されている。
The fourth technical means adopted by the present invention is:
A coordinate alignment system in a composite measurement system including a first measurement system having a distance image sensor using infrared rays and a second measurement system,
the coordinate alignment system includes three calibration jigs detachably installed at predetermined positions of the second measurement system, and a camera;
Each calibration jig is
a target surface including a first reflecting surface at the center and a second reflecting surface provided so as to surround the first reflecting surface;
the second reflecting surface is formed from an infrared reflecting material;
a specific point on the first reflecting surface is a target,
the three calibration jigs are installed in the second measurement system in a positional relationship such that the first target, the second target, and the third target form vertices of a scalene triangle;
In the first measurement system, 3D coordinate values (U, V, D) of the depth image acquired by the distance image sensor can be converted into 3D coordinate values (X, Y, Z) of a first coordinate system;
the coordinate alignment system includes a processing unit and a storage unit;
the storage unit stores reference coordinate values of each target in the first coordinate system (X, Y, Z) of the range image sensor when the first coordinate system of the first measurement system and the second coordinate system of the second measurement system are coordinate-aligned;
The processing unit
detecting an area of the target surface by image processing based on the image acquired by the camera, and detecting a specific point on the first reflecting surface as a target;
Using the range image sensor, obtain measurement coordinate values (X, Y, Z) of each target on a first coordinate system;
The system is configured to associate measurement coordinate values with reference coordinate values for each target and obtain a transformation formula that matches the measurement coordinate values with the reference coordinate values.
本発明は、距離画像センサーを使用した動作分析システムと、他の計測システム(圧力分布シートが例示される)の座標合わせの機能を実装したシステムを提供することを可能とする。距離画像センサーを使用した動作分析システムと、他の計測システム(圧力分布シートが例示される)の座標系を合わせることで、複合システムとしての有用性を高めることができる。例えば、リハビリテーションにおいて、複合システムによって歩行分析を行うことで、患者等への治療指針決定に有用な情報を取得することができる。 The present invention makes it possible to provide a system that implements a function for aligning the coordinates of a motion analysis system using a distance image sensor with another measurement system (such as a pressure distribution sheet). By aligning the coordinate systems of a motion analysis system using a distance image sensor with another measurement system (such as a pressure distribution sheet), the usefulness of the combined system can be increased. For example, in rehabilitation, gait analysis can be performed using the combined system to obtain information useful for determining treatment guidelines for patients, etc.
[A]複合計測システム
本実施形態に係る複合計測システムについて説明する。図1に示すように、本実施形態に係る計測システムは、第1計測システムと第2計測システムとからなる。第1計測システムは、距離画像センサーを用いた動作計測システムであり、第2計測システムは、圧力分布センサーを備えた圧力分布シートである。
[A] Composite Measurement System The composite measurement system according to this embodiment will now be described. As shown in Figure 1, the measurement system according to this embodiment consists of a first measurement system and a second measurement system. The first measurement system is a motion measurement system using a distance image sensor, and the second measurement system is a pressure distribution sheet equipped with a pressure distribution sensor.
第1計測システムは、対象の深度画像を取得する距離画像センサーと、距離画像センサーにより取得した対象の深度画像に基づいて、対象の3D関節位置を取得する3D関節位置推定手段と、を備えており、圧力分布シート上を歩行する対象の動作計測を行う。 The first measurement system includes a distance image sensor that acquires a depth image of the object, and a 3D joint position estimation means that acquires the 3D joint positions of the object based on the depth image of the object acquired by the distance image sensor, and measures the movement of the object walking on the pressure distribution sheet.
本実施形態に係る3D関節位置推定手段は、メモリとプロセッサを備えたコンピュータから構成することができる。第1計測システムに係る3D関節位置推定手段は、深度データ(距離画像データ)に基づいて人物領域を取得し、学習済モデルからなる識別器に人物領域の距離情報を入力することで関節位置を推定する。コンピュータのメモリには、対象の深度データに基づいて当該対象の3D関節位置を推定するプログラムが格納されており、当該プログラムがプロセッサに実行されることで、対象の3D関節位置を推定して出力する。対象の深度画像に基づいて、対象の関節の3次元座標値を推定すること自体は公知であり、特許文献1~3や非特許文献1にも記載されている。 The 3D joint position estimation means according to this embodiment can be configured from a computer equipped with a memory and a processor. The 3D joint position estimation means according to the first measurement system acquires a person area based on depth data (distance image data) and estimates joint positions by inputting distance information about the person area into a classifier consisting of a trained model. A program that estimates the 3D joint positions of an object based on the object's depth data is stored in the computer's memory, and the program is executed by the processor to estimate and output the 3D joint positions of the object. Estimating the three-dimensional coordinate values of an object's joints based on a depth image of the object is itself well known, and is described in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1.
本明細書において、距離画像センサーの3D座標値を、距離画像センサー使って得られた座標値(Xc Yc, Zc)とする。距離画像センサーの2D座標値を、距離画像センサー使って得られた座標値を2Dで表示した際の座標値(U, V, D)とする。座標値(U, V)はモニター上の座標値であり、Dはセンサーからの奥行き方向距離である。第1計測システムの距離画像センサーにおいて、2D座標値(U, V, D)から3D座標値(Xc, Yc, Zc)への変換関数が実装されている。図1の第1計測システムの第1座標系は、距離画像センサーの3D座標値(Xc Yc, Zc)である。 In this specification, the 3D coordinate values of the range image sensor are defined as the coordinate values (Xc Yc, Zc) obtained using the range image sensor. The 2D coordinate values of the range image sensor are defined as the coordinate values (U, V, D) obtained when the coordinate values are displayed in 2D. The coordinate values (U, V) are the coordinate values on the monitor, and D is the depth distance from the sensor. The range image sensor of the first measurement system implements a conversion function from the 2D coordinate values (U, V, D) to the 3D coordinate values (Xc, Yc, Zc). The first coordinate system of the first measurement system in Figure 1 is the 3D coordinate values (Xc Yc, Zc) of the range image sensor.
第1計測システムは、対象の深度画像(距離画像)を取得する距離画像センサーに加えて、対象のカラー画像(RGB画像)を取得するビデオカメラ(RGBカメラ)を備えていてもよく、この場合、深度画像の座標値とビデオカメラの3次元座標値は相互に変換可能となっていることが望ましい。1つの態様では、RGB画像に基づいて2D関節位置を推定する2D関節位置推定プログラムをコンピュータのメモリに格納しておき、ビデオカメラにより取得した対象のカラー画像(RGB画像)に基づいて、対象の2D関節位置を取得するポーズ推定(2D関節位置推定)を実行し、距離画像センサーから推定された3D関節位置を、カメラ画像から推定された2D関節位置を用いて補正してもよい。この場合、距離画像センサーとビデオカメラは一体型で複合センサーを構成してもよく、あるいは、距離画像センサーとビデオカメラが別体として提供されてもよい。このような複合センサ・システムの代表例として、kinect(登録商標)を挙げることができる。Kinectは赤外線投光器、奥行カメラ、カラー画像カメラから複合センサーが構成されており、赤外線投光器と赤外線カメラから距離画像センサ(深度センサ)が構成されている(RGB画像に基づくポーズ推定手段は備えていない)。 The first measurement system may include a distance image sensor that acquires a depth image (distance image) of the object, as well as a video camera (RGB camera) that acquires a color image (RGB image) of the object. In this case, it is desirable that the coordinate values of the depth image and the 3D coordinate values of the video camera are mutually convertible. In one aspect, a 2D joint position estimation program that estimates 2D joint positions based on an RGB image is stored in computer memory, and pose estimation (2D joint position estimation) is performed to acquire the 2D joint positions of the object based on the color image (RGB image) of the object acquired by the video camera. The 3D joint positions estimated from the distance image sensor may be corrected using the 2D joint positions estimated from the camera image. In this case, the distance image sensor and video camera may be integrated into a composite sensor, or the distance image sensor and video camera may be provided separately. Kinect (registered trademark) is a typical example of such a composite sensor system. Kinect is a composite sensor consisting of an infrared projector, a depth camera, and a color image camera, and the infrared projector and infrared camera form a distance image sensor (depth sensor) (it does not have a pose estimation method based on RGB images).
第2計測システムとしての圧力分布シートは、シート上を歩行する対象の足底荷重分布を取得する。足底荷重分布は、第2座標系(xy平面)にしたがって取得される。第2の計測システムの3D座標系について、本実施形態では、床の上に載置して使用するシステム(圧力分布シート)を想定しているため、(Xs, Ys, 0)とする。図1の第2計測システムの第2座標系は、圧力分布シートの3D座標値(Xs, Ys, 0)である。第2計測システムは、圧力分布シートの荷重センサーで取得されたデータを処理するプロセッサ、データを記憶するメモリを含むコンピュータを備えている。第2計測システムは、外部入力機能(1つの態様では、同期ケーブルの外部入力端子)を備えており、第1計測システム(マスター)からの同期信号が入力されるようになっている。なお、第2計測システムをマスターとして、同期信号を第1計測システムに出力するようにしてもよい。本実施形態に係る第2計測システムは圧力分布シートであるが、第2計測システムは圧力分布シートに限定されるものではなく、例えば、フォースプレートであってもよい。 The pressure distribution sheet serving as the second measurement system acquires the plantar load distribution of a subject walking on the sheet. The plantar load distribution is acquired according to a second coordinate system (xy plane). In this embodiment, the 3D coordinate system of the second measurement system is assumed to be (Xs, Ys, 0), since the system (pressure distribution sheet) is placed on the floor for use. The second coordinate system of the second measurement system in Figure 1 is the 3D coordinate value (Xs, Ys, 0) of the pressure distribution sheet. The second measurement system includes a computer including a processor that processes data acquired by the load sensor of the pressure distribution sheet and memory for storing the data. The second measurement system has an external input function (in one embodiment, an external input terminal of a synchronization cable) and is configured to input a synchronization signal from the first measurement system (master). Note that the second measurement system may also be configured as the master to output a synchronization signal to the first measurement system. While the second measurement system in this embodiment is a pressure distribution sheet, the second measurement system is not limited to a pressure distribution sheet and may be, for example, a force plate.
第1計測システムの第1座標系と第2計測システムの第2座標系は座標合わせされており、また、第1計測システムによって取得された計測データと、第2計測システムによって取得された計測データは同期している。第1計測システムによって取得された対象の歩行時の動作データ(ある時点の姿勢データを含む)と、第2計測システムによって取得された歩行時の時間因子・距離因子に基づいて、対象の歩行分析を行うようになっている。 The first coordinate system of the first measurement system and the second coordinate system of the second measurement system are coordinate-aligned, and the measurement data acquired by the first measurement system and the measurement data acquired by the second measurement system are synchronized. Gait analysis of the subject is performed based on the motion data of the subject while walking (including posture data at a certain point in time) acquired by the first measurement system and the time and distance factors while walking acquired by the second measurement system.
同期方法については、例えば、計測スタートの瞬間にLED発光と同時に同期信号を出力する治具を用意し、第1計測システムの距離画像センサーのカラーカメラ(距離画像センサーと予め同期されている)でLEDが光った瞬間と、第2計測システムが同期信号を受信した瞬間のタイミングでスタートを合わせる等の方法がある。本実施形態では、スピーカーでブザーを鳴らすことで同期をとっている。第1計測システムと第2計測システムを同期させる手段については、公知の様々な手段を適宜採用することができる。 One synchronization method is, for example, to prepare a jig that outputs a synchronization signal at the same time as illuminating an LED at the moment measurement starts, and to synchronize the start with the moment the LED lights up on the color camera of the range image sensor of the first measurement system (which is pre-synchronized with the range image sensor) and the moment the second measurement system receives the synchronization signal. In this embodiment, synchronization is achieved by sounding a buzzer with a speaker. Various known means can be used as appropriate to synchronize the first and second measurement systems.
[B]座標合わせシステム
座標合わせシステムは、距離画像センサーを備えた第1計測システムと第2計測システムからなる複合計測システムに加えて、カメラ(赤外線カメラ)、3つの測距用治具(校正用治具)、メモリ及びプロセッサを備えたコンピュータを備えている。複合計測システムを構成するコンピュータと座標合わせシステムを構成するコンピュータは兼用されていてもよい。
[B] Coordinate Alignment System The coordinate alignment system includes a composite measurement system consisting of a first measurement system and a second measurement system each equipped with a distance image sensor, as well as a camera (infrared camera), three distance measurement jigs (calibration jigs), and a computer equipped with a memory and a processor. The computer constituting the composite measurement system and the computer constituting the coordinate alignment system may be the same computer.
[B-1]測距用治具(校正用治具)
本実施形態に係る測距用治具について説明する。本実施形態に係る測距用治具は、赤外線を利用した距離画像センサーと共に用いられる測距用治具である。本実施形態に係る距離画像センサーは、内蔵する赤外線LEDの光を対象物に照射し、反射して帰ってくるまでの時間を測定して距離を求める測距手段である。本実施形態に係る測距用治具は、座標値取得用治具1と、座標値取得用治具の設置用治具(以下、「設置用治具」と言う)2の組み合わせから構成されている。本実施形態に係る測距用治具は、第1計測システムの第1座標系と第2計測システムの第2座標系の座標合わせに用いる校正用治具である。
[B-1] Distance measurement jig (calibration jig)
A distance measuring jig according to this embodiment will be described. The distance measuring jig according to this embodiment is a distance measuring jig used together with a distance image sensor that uses infrared rays. The distance image sensor according to this embodiment is a distance measuring means that irradiates an object with light from a built-in infrared LED and measures the time it takes for the light to reflect and return to determine the distance. The distance measuring jig according to this embodiment is composed of a coordinate value acquisition jig 1 and an installation jig 2 for the coordinate value acquisition jig (hereinafter referred to as the "installation jig"). The distance measuring jig according to this embodiment is a calibration jig used to align the first coordinate system of a first measurement system and the second coordinate system of a second measurement system.
図2に示すように、座標値取得用治具1は、ターゲット面を含む本体3と、本体3の支持部4と、支持部4の下端に位置する台座5と、からなる。ターゲット面は、中央の第1反射面6と、第1反射面6を囲むように設けた第2反射面7と、からなり、第2反射面7は、赤外線反射材料から形成されている。本発明者の研究によって、赤外線反射素材に対して、距離画像センサーで距離を取得しようとした場合には、適切な距離が計算できないという知見を得た。そのため、特許文献6に開示された球体の赤外線反射マーカーを校正用治具として利用しようとしても、距離画像の座標値(U, V, D)の距離Dが取得できない)ことになる。この問題を解決するために、異なる物性の2つの反射面(第1反射面6と第2反射面7)からなるターゲット面を備えた測距用治具(校正用治具)を開発した。 As shown in Figure 2, the coordinate value acquisition jig 1 comprises a main body 3 including a target surface, a support portion 4 of the main body 3, and a base 5 located at the bottom of the support portion 4. The target surface comprises a first reflective surface 6 in the center and a second reflective surface 7 surrounding the first reflective surface 6, with the second reflective surface 7 being made of an infrared-reflective material. Through research by the inventors, we have discovered that when attempting to acquire distance from an infrared-reflective material using a distance image sensor, an appropriate distance cannot be calculated. Therefore, even if the spherical infrared reflective marker disclosed in Patent Document 6 is used as a calibration jig, the distance D of the coordinate values (U, V, D) of the distance image cannot be acquired. To solve this problem, we developed a distance measurement jig (calibration jig) with a target surface consisting of two reflective surfaces (first reflective surface 6 and second reflective surface 7) with different physical properties.
第2反射面7の赤外線反射素材は、赤外線の投光とカメラ(赤外線カメラ)によって輝度の高い領域が生成される素材(赤外線距離画像センサーによって、距離が計測できない素材)である。赤外線反射材料は公知であり、例えば、市販の赤外線反射テープをターゲット面の所定部位に貼ることで第2反射面7を形成することができる。 The infrared reflective material of the second reflective surface 7 is a material that produces a high-brightness area when infrared light is projected onto it and a camera (infrared camera) is used (a material from which distance cannot be measured using an infrared distance image sensor). Infrared reflective materials are well known, and for example, the second reflective surface 7 can be formed by applying commercially available infrared reflective tape to a predetermined location on the target surface.
第2反射面7に囲まれた第1反射面6の材質は、赤外線距離画像センサーによって、赤外線の反射で距離を取得できる素材(赤外線を吸収・乱反射する素材でない)であることが条件である。赤外線の性質上、日常生活における身の回りの多くの素材がこの条件を満たしていることが理解される。 The material of the first reflective surface 6 surrounded by the second reflective surface 7 must be a material that allows the infrared distance image sensor to obtain distance by reflecting infrared rays (it is not a material that absorbs or scatters infrared rays). Due to the nature of infrared rays, it is understood that many materials around us in everyday life meet this condition.
本実施形態に係る測距用治具において、ターゲット面及び第1反射面6は同心円であり、第2反射面7はリング状である。ターゲット面の中心、すなわち、第1反射面6の中心が測距ターゲットであり、測距用治具は、当該測距ターゲットまでの距離を測定するようになっている。本実施形態では、第2反射面7として帯状の赤外線反射テープが貼られており、ターゲット面において、第2反射面7(赤外線反射テープ部位)については、距離画像センサーによって距離を取得できない。ここで、ターゲット面の中央の領域(第1反射面6)には赤外線反射テープが貼られていないのが特徴である。ターゲット面は、赤外線反射カメラでハレーションが生じて全体が輝度の高い領域となるが、輝度の高い領域の中心は、赤外線反射テープが張られていないため、距離画像センサーによって中心までの距離を取得することができる。すなわち、距離画像センサーによって、ターゲットの座標値(U, V, D)を取得できるようになっている。 In the distance measurement jig according to this embodiment, the target surface and the first reflecting surface 6 are concentric circles, and the second reflecting surface 7 is ring-shaped. The center of the target surface, i.e., the center of the first reflecting surface 6, is the distance measurement target, and the distance measurement jig measures the distance to this distance measurement target. In this embodiment, a strip of infrared reflective tape is attached to the second reflecting surface 7, and the distance to the second reflecting surface 7 (the area of the infrared reflective tape) on the target surface cannot be obtained by the range image sensor. A key feature of this embodiment is that the central region of the target surface (first reflecting surface 6) does not have infrared reflective tape attached. While the target surface appears as a high-brightness area due to halation in the infrared reflective camera, the center of the high-brightness area does not have infrared reflective tape attached, so the distance to the center can be obtained by the range image sensor. In other words, the range image sensor can obtain the target's coordinate values (U, V, D).
1つの態様では、リング状の第2反射面7の幅は中心までの輝度が高くなるような幅に設定されている。具体的には、赤外線反射テープは距離画像センサーから出力される赤外線を反射し、赤外線反射カメラでハレーションが生じて、中心まで輝度が高くなるような赤外線反射テープの幅にしてある。後述するように、画像処理によってターゲット面の領域を検出する時に、この治具を置く前と置いた後で取得した画像における輝度の差をとり、大きな差のある領域をターゲット面として検出する。その際に、一定輝度領域の中心の位置を計算しているため、中心部までが光っていることが望ましい。なお、必ずしも、中心部まで光っていなくても、画像処理プログラムの設計によって、ターゲット面を検出し得ることは当業者に理解される。 In one embodiment, the width of the ring-shaped second reflective surface 7 is set so that brightness is high all the way to the center. Specifically, the infrared reflective tape is set to a width that reflects infrared light output from the distance image sensor, causing halation in the infrared reflective camera, resulting in high brightness all the way to the center. As described below, when detecting the target surface area through image processing, the difference in brightness between images acquired before and after placing the jig is taken, and the area with the largest difference is detected as the target surface. Since the center position of the constant brightness area is calculated at this time, it is desirable that the area be illuminated all the way to the center. However, it will be understood by those skilled in the art that even if the area is not necessarily illuminated all the way to the center, the target surface can be detected by designing the image processing program.
測距用治具の本体3は、垂直姿勢の円板状であり、台座5は、水平姿勢の円板状であり、支持部4は、立ち上がり部40と、立ち上がり部40の下端の方形プレート状の基部41と、からなり、基部41が台座5の上面に一体化されている。 The main body 3 of the distance measuring jig is a vertically oriented disk, the base 5 is a horizontally oriented disk, and the support part 4 consists of a raised part 40 and a square plate-shaped base part 41 at the lower end of the raised part 40, with the base part 41 being integrated with the upper surface of the base 5.
設置用治具2は、座標値取得用治具1と組み合わさることで、第1計測システム(距離画像センサ)の第1座標系と第2計測システム(圧力分布シート)の第2座標系を合わせるための治具でる。図3に示すように、設置用治具2は、平面視方形状の本体8と、本体8の中央に形成された円形状の開口80と、方形状の本体8の1辺から延びる固定部9と、を備えており、固定部9を介して圧力分布シートの所定位置に取り付け可能となっている。 The installation jig 2 is a jig that, when combined with the coordinate value acquisition jig 1, aligns the first coordinate system of the first measurement system (distance image sensor) with the second coordinate system of the second measurement system (pressure distribution sheet). As shown in Figure 3, the installation jig 2 comprises a main body 8 that is rectangular in plan view, a circular opening 80 formed in the center of the main body 8, and a fixing part 9 extending from one side of the rectangular main body 8, and can be attached to a predetermined position on the pressure distribution sheet via the fixing part 9.
本実施形態に係る設置用治具2の本体8は所定厚のシート状ないし板状体である。本体8の厚さに対して、固定部9の厚さは肉薄であり、圧力分布シートの端縁に本体8の端面を当接させ、本体8を床面に載置し、固定部9を圧力分布シートに重ね合わせた状態で、圧力分布シートに固定するようになっている。設置用治具2は、複合計測システムを構成する第2計測システムの構成や形状を利用して、所定位置に再現性良く固定されるようになっており、本実施形態に係る設置用治具2は、圧力分布シートの特定の位置に再現性良く固定できるような構成を備えている。本実施形態では、圧力分布センサー間の接続部に固定するための形状とすることで、圧力分布シートの特定の位置に精度良く取付可能となっている。本実施形態に係る設置用治具2の固定部9には、圧力分布シートの一対の突起要素を受け入れる平面視U形状の溝部90が形成されており、溝部に突起要素を受け入れるようにして、圧力分布シートの端縁に本体8の端面を当接させることで、圧力分布シートに対する設置用治具(すなわち、測距用治具ないし校正用治具)の位置が決定されるようになっている。なお、図示の設置用治具2の構成(特に固定部9の構成)は一例に過ぎないものであり、例えば、固定部9は、複合計測システムを構成する第2計測システムの具体的な構成に対応するように設計し得ることが当業者に理解される。 The main body 8 of the installation jig 2 in this embodiment is a sheet-like or plate-like body of a predetermined thickness. The fixing portion 9 is thinner than the thickness of the main body 8, and is fixed to the pressure distribution sheet by abutting the end face of the main body 8 against the edge of the pressure distribution sheet, placing the main body 8 on the floor, and overlapping the fixing portion 9 on the pressure distribution sheet. The installation jig 2 is designed to be fixed to a predetermined position with high reproducibility by utilizing the configuration and shape of the second measurement system that constitutes the integrated measurement system, and the installation jig 2 in this embodiment is configured to be fixed to a specific position on the pressure distribution sheet with high reproducibility. In this embodiment, the shape is designed to be fixed to the connection between the pressure distribution sensors, allowing it to be attached to a specific position on the pressure distribution sheet with high precision. The fixing portion 9 of the installation jig 2 according to this embodiment has a U-shaped groove 90 in plan view that receives a pair of protruding elements on the pressure distribution sheet. By receiving the protruding elements in the groove and abutting the end face of the main body 8 against the edge of the pressure distribution sheet, the position of the installation jig (i.e., the distance measurement jig or calibration jig) relative to the pressure distribution sheet is determined. Note that the illustrated configuration of the installation jig 2 (particularly the configuration of the fixing portion 9) is merely one example, and it will be understood by those skilled in the art that the fixing portion 9 can be designed to correspond to the specific configuration of the second measurement system that makes up the composite measurement system, for example.
座標値取得用治具1の台座5を、設置用治具2の本体8の円形の開口80に設置することで、座標値取得用治具1は圧力分布シートの所定位置に設置される。座標値取得用治具1の台座5の底面は、圧力分布シートが載置された床面に載置される。円板状の台座5が円形の開口80内に位置するので、台座6は開口80内で回転可能となっており、すなわち、測距用治具を圧力分布シートの所定位置に取り付けた状態で、座標値取得用治具1のターゲット面の向きが可変となっている。 By placing the base 5 of the coordinate value acquisition jig 1 in the circular opening 80 of the main body 8 of the installation jig 2, the coordinate value acquisition jig 1 is installed at a predetermined position on the pressure distribution sheet. The bottom surface of the base 5 of the coordinate value acquisition jig 1 is placed on the floor surface on which the pressure distribution sheet is placed. Because the disc-shaped base 5 is located within the circular opening 80, the base 6 can rotate within the opening 80. In other words, with the ranging jig attached at a predetermined position on the pressure distribution sheet, the orientation of the target surface of the coordinate value acquisition jig 1 can be changed.
上述のように、座標値取得用治具1の台座5は、設置用治具2の本体8の開口80内で回転可能であり、設置用治具2の本体8に対して座標値取得用治具1が回転可能となっている。すなわち、座標値取得用治具1のターゲット面が回転可能に支持されており、座標値取得用治具1を回転させることで、ターゲット面の向きが可変となっている。よって、距離画像センサーの向きに合わせて、ターゲット面の向きを変えることができる。なお、座標値取得治具と設置用治具を一体化(座標値取得用治具の台座が設置用治具を兼用する)して測距用治具を構成し、座標値取得用治具の支持部が台座に対して回動可能としてもよい。また、本実施形態では、ターゲット面は垂直面であるが、ターゲット面の傾きを、可変としてもよい。 As described above, the base 5 of the coordinate value acquisition jig 1 is rotatable within the opening 80 of the main body 8 of the installation jig 2, making the coordinate value acquisition jig 1 rotatable relative to the main body 8 of the installation jig 2. In other words, the target surface of the coordinate value acquisition jig 1 is rotatably supported, and the orientation of the target surface can be changed by rotating the coordinate value acquisition jig 1. Therefore, the orientation of the target surface can be changed to match the orientation of the range image sensor. Note that the coordinate value acquisition jig and the installation jig may be integrated (the base of the coordinate value acquisition jig doubles as the installation jig) to form a ranging jig, and the support part of the coordinate value acquisition jig may be rotatable relative to the base. Furthermore, although the target surface is vertical in this embodiment, the inclination of the target surface may be variable.
本実施形態では、同心円状のターゲット面及び第1反射面6を採用したが、ターゲット面や第1反射面6の形状は、円形に限定されない。ターゲット面は、中央の第1反射面6と、第1反射面6を囲むように設けた第2反射面7と、からなり、第2反射面7は、赤外線反射材料から形成されており、画像から抽出されたターゲット面の領域に基づいてターゲット面(第1反射面6)上の特定点(例えば、中心)が計算可能である形状であればよく、例えば、方形状のターゲット面、第1反射面6(同心状の四角形)であってもよい。 In this embodiment, a concentric target surface and first reflecting surface 6 are used, but the shapes of the target surface and first reflecting surface 6 are not limited to circles. The target surface consists of a central first reflecting surface 6 and a second reflecting surface 7 surrounding the first reflecting surface 6. The second reflecting surface 7 is made of an infrared reflective material. Any shape is acceptable as long as it allows a specific point (e.g., the center) on the target surface (first reflecting surface 6) to be calculated based on the area of the target surface extracted from the image; for example, the target surface and first reflecting surface 6 may be rectangular (concentric rectangles).
本実施形態では、座標値取得用治具1の台座5が円板状であり、設置用治具2に対して座標値取得用治具1を回転させることで、ターゲット面をカメラのレンズ面と対向させることができ、カメラへの平面投影像に対して中点を計算した場合にも、中点の位置が変化しないような仕組みを有している。 In this embodiment, the base 5 of the coordinate value acquisition jig 1 is disk-shaped, and by rotating the coordinate value acquisition jig 1 relative to the installation jig 2, the target surface can be made to face the lens surface of the camera, and a mechanism is provided in which the position of the midpoint does not change even when calculated for the planar projection image onto the camera.
[B-2]カメラ
本実施形態では、赤外線カメラを用いて取得した画像に基づく画像処理によって、測距用治具のターゲート面を検出する。なお、通常のカメラでもターゲット面の輝度が他の領域に比べて強いので抽出可能であり、赤外線カメラは必須ではないものの、より良好にターゲット面の領域を検出するためには、赤外線カメラの画像を用いることが有利である。距離画像センサーの座標系と赤外線カメラ(カメラ)の座標系は予め一致させてある。距離画像センサーの2D座標系とカメラの2D座標系の変換情報は予め得られており、変換可能となっている。また、距離画像センサーの2D座標系(深度画像の座標系)と3D座標系は変換可能となっている。
[B-2] Camera: In this embodiment, the target surface of the distance measuring jig is detected by image processing based on images acquired using an infrared camera. Note that the target surface can be extracted using a normal camera because its brightness is stronger than other areas. While an infrared camera is not required, it is advantageous to use an infrared camera image to more effectively detect the target surface area. The coordinate system of the range image sensor and the coordinate system of the infrared camera (camera) are matched in advance. Conversion information between the 2D coordinate system of the range image sensor and the 2D coordinate system of the camera is obtained in advance and is convertible. Furthermore, the 2D coordinate system of the range image sensor (the coordinate system of the depth image) and the 3D coordinate system are convertible.
[B-3]測距用治具(校正用治具)のターゲットの座標値の取得
図6を参照しつつ、測距用治具(校正用治具)のターゲットの座標値の取得ステップについて説明する。
(ア)赤外線カメラにより、圧力分布シート上の所定位置に設置された測距用治具を含む画像を第1画像として取得する。
(イ)赤外線カメラ(同じ位置・姿勢)により、測距用治具を設置しない状態の圧力分布シートの画像を第2画像として取得する。第1画像と第2画像の取得する順番は限定されない。
(ウ)画像処理によって、第1画像と第2画像の輝度の差分に基づいて、測距用治具のターゲット面の領域を検出する。
(エ)検出した領域に基づいて、ターゲット面の第1反射面6上の特定点(中心)の座標値(U, V)を取得する。
(オ)距離画像センサーを用いて、第1反射面6上の特定点(中心)までの距離Dを取得する。
(カ)ターゲット面上の特定点の座標値(U, V, D)を、座標値(Xc, Yc, Zc)へ変換する。
[B-3] Acquisition of Coordinate Values of Targets of Distance Measuring Jig (Calibration Jig) The steps for acquiring coordinate values of targets of a distance measuring jig (calibration jig) will be described with reference to FIG.
(a) An infrared camera is used to obtain an image including a distance measuring jig placed at a predetermined position on the pressure distribution sheet as a first image.
(a) An image of the pressure distribution sheet without the distance measuring jig is acquired as a second image using an infrared camera (at the same position and posture). The order in which the first image and the second image are acquired is not limited.
(c) By image processing, the area of the target surface of the distance measuring jig is detected based on the difference in brightness between the first image and the second image.
(d) Based on the detected area, the coordinate values (U, V) of a specific point (center) on the first reflecting surface 6 of the target surface are obtained.
(e) Using a distance image sensor, the distance D to a specific point (center) on the first reflecting surface 6 is obtained.
(f) The coordinate values (U, V, D) of a specific point on the target surface are converted into coordinate values (Xc, Yc, Zc).
[B-4]座標合わせステップ
座標合わせステップについて説明する。事前に、3つの校正用治具を圧力分布シートの所定位置に設置し、座標合わせが行われた時の3点のターゲット(第1ターゲット、第2ターゲット、第3ターゲット)の3次元座標値が参照座標値として設定される。計測時に3点の校正用治具の3点のターゲット(第1ターゲット、第2ターゲット、第3ターゲット)の座標を測定し、3点のターゲットの測定座標値を取得する。ターゲットの測定座標値を設定された参照座標値と一致させるように平行移動・回転を行うことで座標合わせを行う。
[B-4] Coordinate Alignment Step The coordinate alignment step will now be described. Three calibration jigs are installed in predetermined positions on the pressure distribution sheet in advance, and the three-dimensional coordinate values of the three targets (first target, second target, third target) when coordinate alignment is performed are set as reference coordinate values. During measurement, the coordinates of the three targets (first target, second target, third target) on the three calibration jigs are measured, and the measured coordinate values of the three targets are obtained. Coordinate alignment is performed by translating and rotating the targets so that their measured coordinate values match the set reference coordinate values.
次の内容を事前に設定し、コンピュータの記憶部に格納しておく。
(i) 圧力分布シートの原点位置が距離画像センサーのどこに当たるかについての情報
設定ファイルにおいて、X方向の平行移動量とY方向の平行移動量(例えば、mm単位)、回転量(deg)が設定される。
(ii) 圧力分布シートと距離画像センサーの座標系の位置合わせが行われた場合に、校正用治具の座標値がどこにあるかについての情報
設定ファイルに、3点のターゲットの距離画像センサーの3D座標系の座標値を参照座標値として設定しておく。
The following contents are set in advance and stored in the memory of the computer.
(i) Information about where the origin position of the pressure distribution sheet corresponds to on the distance image sensor. The amount of parallel translation in the X direction and the Y direction (for example, in mm) and the amount of rotation (deg) are set in the configuration file.
(ii) Information about where the coordinate values of the calibration jig are located when the pressure distribution sheet and the coordinate system of the range image sensor are aligned. In the configuration file, set the coordinate values of the 3D coordinate system of the range image sensor of the three targets as reference coordinate values.
各座標系の設定で設定された3点をPs c1=(Xs c1, Ys c1, Zs c1), Ps c2=(Xs c2, Ys c2, Zs c2), Ps c3= (Xs c3, Ys c3, Zs c3)とする(移動後の座標値)。この時、この3点からなる三角形の各辺の長さを異なるようにしておく。3点、Ps c1=(Xs c1, Ys c1, Zs c1), Ps c2=(Xs c2, Ys c2, Zs c2), Ps c3= (Xs c3, Ys c3, Zs c3)は、シートに再現性があるように設置することができ、直線上ではない、任意の3点かなる。本実施形態では、Ps c1はシート座標系のシートに固定可能な一点であり、Ps c2はPs c1とシート座標系において、Y座標値が同じ一点であり、Ps c3はPs c2とシート座標系において、X座標値が同じ一点を用いている。 The three points set in each coordinate system are Psc1 = ( Xsc1 , Ysc1 , Zsc1 ), Psc2 = ( Xsc2 , Ysc2 , Zsc2 ), Psc3 = ( Xsc3, Ysc3, Zsc3) (coordinate values after movement). At this time, the lengths of each side of the triangle formed by these three points are set to be different. The three points, Psc1 = ( Xsc1 , Ysc1 , Zsc1), Psc2 = (Xsc2, Ysc2 , Zsc2 ) , Psc3 = ( Xsc3 , Ysc3 , Zsc3 ) , can be set reproducibly on the sheet and can be any three points that are not on a straight line . In this embodiment, P s c1 is a point that can be fixed to the seat in the seat coordinate system, P s c2 is a point in the seat coordinate system that has the same Y coordinate value as P s c1 , and P s c3 is a point in the seat coordinate system that has the same X coordinate value as P s c2 .
計測前に、3つの校正用治具の3D座標値を取得する。校正用治具を置かない状態で赤外線画像を第1画像として取得する。3つの校正用治具を所定位置に設置し、赤外線画像を第2画像として取得する。第1画像と第2画像の輝度の差分をとり、一定値以上の位置をターゲット面として特定し、各ターゲット面の中心の座標値(U, V)を取得する。距離画像センサーの2D画像を使用して(U, V, D)を取得し、変換を行って、座標値(Xc1, Yc1, Zc1)、座標値(Xc2, Yc2, Zc2)、座標値(Xc3, Yc3, Zc3)を取得する。これらの3つの座標値について、3点からなる三角形の辺の長さにより、第1ターゲット、第2ターゲット、第3ターゲットとの対応関係を取得する。このようにして、変換前の3点の座標値Pc1=(Xc1, Yc1, Zc1), Pc2=(Xc2, Yc2, Zc2), Pc3=(Xc3, Yc3, Zc3)を取得する(移動前の座標値)。 Before measurement, the 3D coordinate values of the three calibration jigs are obtained. An infrared image is captured as the first image without the calibration jigs in place. The three calibration jigs are placed in their designated positions, and an infrared image is captured as the second image. The difference in brightness between the first and second images is calculated, and positions above a certain value are identified as target surfaces, and the coordinate values (U, V) of the center of each target surface are obtained. The 2D image from the range image sensor is used to obtain (U, V, D), and conversion is performed to obtain coordinate values (X c1 , Y c1 , Z c1 ), coordinate values (X c2 , Y c2 , Z c2 ), and coordinate values (X c3 , Y c3 , Z c3 ). The correspondence between these three coordinate values and the first, second, and third targets is obtained using the lengths of the sides of a triangle formed by the three points. In this way, the coordinate values of the three points before transformation are obtained: Pc1 = ( Xc1 , Yc1, Zc1 ), Pc2 = ( Xc2 , Yc2 , Zc2 ), Pc3 = ( Xc3 , Yc3 , Zc3 ) (coordinate values before movement).
3つのターゲットの計測座標値Pc1, Pc2 ,Pc3 が、3つのターゲットの設定ファイルの座標値Ps
c1, Ps
c1, Ps
c1になるように変換を行う。具体的には次のような計算を行う。
(1)移動前の座標値について、
Vs
e1 = Vs
2→1 = ( Ps
c2 - Ps
c1 ) / | Ps
c2 - Ps
c1 |
Vs
3→1 = ( Ps
c3 - Ps
c1 ) / | Ps
c3 - Ps
c1 |とし、
Vs
2→1とVs
3→1への単位法線ベクトルをVs
e2とする。
Vs
e2とVs
e1の法線ベクトルをVs
e3とする。
行列MsをMs = ( Vs
e1, Vs
e2, Vs
e3)とする。
The measurement coordinate values Pc1 , Pc2 , and Pc3 of the three targets are converted to the coordinate values Psc1 , Psc1 , and Psc1 of the setting files of the three targets. Specifically, the following calculation is performed.
(1) Regarding the coordinate values before movement,
V s e1 = V s 2→1 = ( P s c2 − P s c1 ) / | P s c2 − P s c1 |
V s 3→1 = ( P s c3 − P s c1 ) / | P s c3 − P s c1 |,
Let V s e2 be the unit normal vector to V s 2→1 and V s 3→1 .
The normal vector between Vs e2 and Vs e1 is defined as Vs e3 .
Let the matrix M s be M s = ( V s e1 , V s e2 , V s e3 ).
(2)移動後の座標値について、
Vc
e1 = V2→1 = ( Pc2 - Pc1 ) / | Pc2 - Pc1 |
V3→1 = ( Pc3 - Pc1 ) / | Pc3 - Pc1 |とし、
V2→1とV3→1への単位法線ベクトルをVc
e2とする。
Vc
e2とVc
e1の法線ベクトルをVc
e3とする。
行列McをMc = ( Vc
e1, Vc
e2, Vc
e3)とする。
(2) Regarding the coordinate values after movement,
V c e1 = V 2→1 = ( P c2 − P c1 ) / | P c2 − P c1 |
Let V 3→1 = ( P c3 − P c1 ) / | P c3 − P c1 |,
Let V c e2 be the unit normal vector to V 2→1 and V 3→1 .
The normal vector between V c e2 and V c e1 is V c e3 .
Let the matrix Mc be Mc = ( Vc e1 , Vc e2 , Vc e3 ).
(3)移動前の座標値P0 = (Xp, Yp, Zp)Tに対して、Pc1が原点にくるようにし、3点が床面に一致するような変換はP0’= (Ms)-1(P0-PC1)となる。
(4)(3)で変換した座標を変換後の座標値P0”に変換する式はP0”= Mc P0’+ PC1となる。
(3)と(4)を同時に処理するとP0” = Mc (Ms)-1(P0-PC1)+ PC1で計算できる。
この計算によって、任意の点に対して、圧力分布シートの座標系と距離画像センサーの座標系を合わせることができる。その後、設定ファイルにある「圧力分布シートの原点位置が距離画像センサーのどこに当たるかについての情報(設定ファイルの情報)」を用いて平行移動することによって、距離画像センサーの原点に対して圧力分布シートの原点を任意の場所置くことが可能となる。
(3) For the coordinate value before movement P 0 = (X p , Y p , Z p ) T , the transformation that places P c1 at the origin and makes the three points coincide with the floor surface is P 0 ' = (M s ) -1 (P 0 -P C1 ).
(4) The formula for converting the coordinates converted in (3) into the converted coordinate value P 0 ″ is P 0 ″=M c P 0 ′+P C1 .
By processing (3) and (4) simultaneously, P 0 '' can be calculated as P 0 '' = M c (M s ) -1 (P 0 -P C1 ) + P C1 .
This calculation makes it possible to align the coordinate system of the pressure distribution sheet and the coordinate system of the range image sensor for any point. After that, by translating it using the "information about where the origin position of the pressure distribution sheet corresponds on the range image sensor (information in the setting file)" in the setting file, it becomes possible to place the origin of the pressure distribution sheet at any location relative to the origin of the range image sensor.
1 座標値取得治具
2 座標値取得治具の設置治具
3 座標値取得治具の本体
4 支持部
5 台座
6 第1反射面
7 第2反射面
8 設置治具の本体
REFERENCE SIGNS LIST 1 Coordinate value acquisition jig 2 Installation jig for coordinate value acquisition jig 3 Main body of coordinate value acquisition jig 4 Support part 5 Base 6 First reflection surface 7 Second reflection surface 8 Main body of installation jig
Claims (6)
前記座標合わせシステムは、前記圧力分布シートの所定位置に着脱可能に設置される3つの校正用治具と、赤外線カメラと、前記距離画像センサーと、を備え、
各校正用治具は、
中央の第1反射面と、前記第1反射面を囲むように設けた第2反射面と、からなるターゲット面を備え、
前記第2反射面は、赤外線反射材料から形成されており、
前記第1反射面は、前記距離画像センサーによって、赤外線の反射で距離を取得できる素材から形成されており、前記第1反射面上の特定点がターゲットとなっており、
各校正用治具は、前記ターゲット面が垂直姿勢で前記圧力分布シート上に設置されており、
前記3つの校正用治具は、前記圧力分布シート上において、第1ターゲット、第2ターゲット、第3ターゲットが不等辺三角形の頂点となるような位置関係で設置されており、
前記第1計測システムにおいて、前記距離画像センサーにより取得した深度画像の3D座標値(U,V,D)が第1座標系の3D座標値(X,Y,Z)へ変換可能となっており、
前記座標合わせシステムは、処理部と、記憶部と、を備え、
前記記憶部には、第1計測システムの第1座標系と第2計測システムの第2座標系を座標合わせした時の距離画像センサーの第1座標系(X,Y,Z)における各ターゲットの参照座標値が格納されており、
前記処理部は、
前記赤外線カメラにより取得した画像に基づく画像処理によって、前記ターゲット面の領域を検出し、前記第1反射面上の特定点をターゲットとして検出し、
前記距離画像センサーにより取得した各ターゲットの3D座標値(U,V,D)を用いて、各ターゲットの第1座標系上の測定座標値(X,Y,Z)を取得し、
各ターゲットの測定座標値と参照座標値を対応させ、前記測定座標値を前記参照座標値と一致させるような変換式を取得するように、構成されている、
座標合わせシステム。 A coordinate alignment system in a composite measurement system including a first measurement system, which is a motion measurement system equipped with a distance image sensor that irradiates an object with infrared light and measures the time it takes for the infrared light to reflect and return to determine the distance, and a second measurement system made of a pressure distribution sheet ,
the coordinate alignment system comprises three calibration jigs detachably installed at predetermined positions on the pressure distribution sheet , an infrared camera, and the distance image sensor ;
Each calibration jig is
a target surface including a first reflecting surface at the center and a second reflecting surface provided so as to surround the first reflecting surface;
the second reflecting surface is formed from an infrared reflecting material;
the first reflecting surface is formed of a material that allows the distance image sensor to acquire distance by reflecting infrared rays, and a specific point on the first reflecting surface serves as a target;
Each calibration jig is placed on the pressure distribution sheet with the target surface in a vertical position,
the three calibration jigs are installed on the pressure distribution sheet in a positional relationship such that the first target, the second target, and the third target are vertices of a scalene triangle;
In the first measurement system, 3D coordinate values (U, V, D) of the depth image acquired by the distance image sensor can be converted into 3D coordinate values (X, Y, Z) of a first coordinate system;
the coordinate alignment system includes a processing unit and a storage unit;
the storage unit stores reference coordinate values of each target in the first coordinate system (X, Y, Z) of the range image sensor when the first coordinate system of the first measurement system and the second coordinate system of the second measurement system are coordinate-aligned;
The processing unit
detecting an area of the target surface by image processing based on the image acquired by the infrared camera, and detecting a specific point on the first reflecting surface as a target;
Using the 3D coordinate values (U, V, D) of each target acquired by the range image sensor, measurement coordinate values (X, Y, Z) of each target on a first coordinate system are acquired;
and obtaining a transformation formula for matching measurement coordinate values and reference coordinate values of each target, and for matching the measurement coordinate values with the reference coordinate values.
Coordinate alignment system.
請求項1に記載の座標合わせシステム。 the target surface and the first reflecting surface are concentric circles, and the second reflecting surface is ring-shaped;
The coordinate alignment system of claim 1 .
請求項1に記載の座標合わせシステム。 The orientation of the target surface is variable.
The coordinate alignment system of claim 1 .
請求項1に記載の座標合わせシステム。 The tilt of the target surface is variable.
The coordinate alignment system of claim 1 .
請求項2に記載の座標合わせシステム。 The specific point is the center of the target surface.
The coordinate alignment system of claim 2 .
位置・姿勢が固定された赤外線カメラで、所定位置に設置された校正用治具を含む第1画像を取得すること、
前記赤外線カメラで、前記校正用治具を設置しない状態で第2画像を取得すること、
前記第1画像と前記第2画像の輝度の差分に基づいて、前記ターゲット面の領域を検出し、前記第1反射面上の特定点を検出すること、
からなる、
請求項1~5いずれか1項に記載の座標合わせシステム。 The image processing
acquiring a first image including the calibration jig installed at a predetermined position using an infrared camera whose position and orientation are fixed;
acquiring a second image with the infrared camera without the calibration jig installed;
detecting a region of the target surface based on a difference in brightness between the first image and the second image, and detecting a specific point on the first reflecting surface;
Consists of:
The coordinate alignment system according to any one of claims 1 to 5 .
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