JPH01259204A - 三次元自動位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は三次元自動位置検出装置に係り、特に、２台の
′ｒＶカメラを用いた三次元空間において移動する物体
の移動量、又は位置を検出するのに好適な三次元自動位
置検出装置に関する。

〔従来の技術〕 従来の三次元自動位置検出装置としては、ＴＶカメラを
用いて三次元位置髪計測するものとして特開昭５８−１
６７９０５号公報に記載のように、ＴＶカメラ１台を被
写体に対し２つの定点に各々移動して被写体の映像を各
々の点で手動により入力した後、自動的に被写体の三次
元位置を計算して検出する方法がある。この方法は、被
写体が移動せず、固定した座標上の被写体を各々２つの
定点からＴＶカメラで見て、ＴＶモニタ上における位置
情報を抽出する場合においてのみ正確な、被写体の三次
元位置を計算できるものであり、被写体がＴＶカメラの
移動速度に対して比較的速い速度で移動している状態に
おいては正確な位置が検出できない。また、この従来の
方式では手動により被写体の映像上の位置を入力する必
要がある。

一般に自動監視を行なう場合、実用的には（Ｉ）、駆動
機構等稼動部分が少なく非接触で遠くから検出でき、か
つ、信頼性が高いこと。

（２）、より広範囲に精度よく検出できること。

（３）、−旦調整した後にはメンテナンスフリーである
こと。

等が機能的に必要とされるケースが多い。

従来、１つの被写体を２つの点からＴＶカメラにより映
写して、上下、左右９前後の位置を幾何学的に算出する
ような原理は、２組のＴＶカメラを一体に形成した立体
テレビ、又は１つのカメラを２点に移動させて同様な計
算を行なう前記特開昭５８−　’１６７９０５号公報の
ような例がある。

しかしながら、立体ＴＶのように２台のＴＶカメラが接
近して固定されている場合、例えば５ｍ先で±２ｍ程度
の被写体の前後移動を捕える場合等においては、ＴＶモ
ニタ上に写し出される映像の変位量は、ＴＶカメラを数
ｍ離して見る場合に比べて少なくなり、従って映像上で
の読み取り精度は低下する。また、従来例に示した方法
は、基本的に被写体が移動する場合は適用できないが、
これに加えて前記（１）の条件に反し駆動部があること
、同じ＜（２）の条件に反しＴＶカメラの位置が制限さ
れること、（３）の条件に反し駆動部のメンテナンスお
よび手動入力が必要であること、等のネックがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

即ち、上記従来技術は三次元空間において任意の方向に
移動する移動物体を被写体とした場合、被写体が時々刻
々変動すると、被写体の三次元空間の位置データをリア
ルタイムで採り込む配慮がされておらす、正確な三次元
空間の位置を計算出来ないという問題があった。

本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その目的とす
るところは、被写体の三次元空間における位置情報を２
個所の定点に固定したＴＶカメラによってリアルタイム
に採り込み組立処理し正確な位置の検出をすることがで
きる三次元自動位置検出装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕 本発明は三次元空間において任意の方向に移動する移動
体の固定され、この移動体と共に移動する標的を視野内
に捕えるように地上の離れた位置に各々固定された２台
のＴＶカメラにより各々検　　′出され、画像処理装置
によって抽出された標的のＴＶモニタ」乙における二次
元座標をもとに標的の三次元空間における座標を算出す
ることにより移動体の三次元空間での位置、又は移動量
を自動的に検出することにより、所期の目的を達成する
ようになしたものである。

〔作用〕

本発明では被写体に対し一定の角度と距離をもつ２定点
にＴＶカメラを各々固定し、被写体が晴晴刻々移動する
移動体であっても、被写体の三次元空間位置データを２
定点に固定した各々のＴＶカメラにより同時に画像処理
装置に取り込みリアルタイムに移動物体の三次元空間位
置の検出ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて説
明する。第１図に本発明の三次元自動位置検出装置の基
本構成を示す。該図に示す如く、本装置は三次元空間（
座標ｘ、ｙ、ｚ、により定義される）において、任意の
方向に移動する移動体３と、これに固定され移動体３と
共に移動する標的４および標的４を視野内しこ捕えるよ
うに地上の離れた位置に各々固定された２台のＴＶカメ
ラ１、および２（以下ＴＶカメラ１に関しての座標には
１の符号を、２に関しては２の符号を用いる）、さらに
ＴＶカメラ１および２の映像入出力、および処理が可能
なようにこれと接続された画像処理装置１５から構成さ
れる。本システムによる検出は、画像処理装置１５内に
設けられたプロセッシングユニツ１〜によるコン１〜ロ
ールを中心として行なわれる。まず、標的４の画像はＴ
Ｖカメラ１および２の各々について順次画像入出力回路
７を経由してＡ／Ｄ変換された後、画像メモリ８に送ら
れる。このとき入力された映像には、背景の映像も含ま
れているため前処理回路１０において次のような処理を
行なう。即ち、（１）、標的４の映像のみ白く、背景は
黒くなるよう分離する（また逆でも可）。あるいは（２
）、標的４と背景の色を分離する。等の２値化処理を加
える。従って、用いる標的４には明るさ（白又は黒等）
色環背景と分離等背景と分離しやすいマークを用いるこ
とが必要であり、また、容易に選定できる。そこで、次
に後処理回路１１において２値化された標的４の映像の
位置を抽出する。この方法としては、一般に画像平面上
の輝度分布から被写体の中心位置を求める等の方法でＴ
Ｖモニタ上に映し出された２つの各々の標的の位置を平
面画像上で簡単に計算することができる。

以上の一連のプロセスによって得られた、標的の２つの
映像の画像平面における各々の座標は一旦プログラムメ
モリ１３に記憶されると同時に、これらを用いて次に二
次元空間（Ｘ、Ｙ、Ｚ、座標系）での位置を計算する。

第２図にその原理を示す。本例はＴＶカメラ１の光軸線
を空間座標のＸ線と一致させ、これを含む水平面上にあ
ってＸ軸と直角な交軸をＹ軸、これらＸ−Ｙ軸のつくる
平面（水平面と考えても可）と直角で、かつ、Ｘ軸とＹ
軸の交点を通る軸をＹ軸（鉛直方向と考えても可）とし
て座標を定め、ＴＶカメラ２はＸ軸と直角、かつ、Ｘ−
Ｙ平面上にあって、ＴＶカメラ１からＱだけ離れた位置
に設置された例を示す。

このとき、 ４ａ：ＴＶカメラ１とＴＶカメラ２の光軸線の交点又は
座標の原点 ４８′　：標的の移動後又は移動中の位置θ：ＴＶカメ
ラ２の光軸のＴＶカメラ１の交軸に対する設定角。

として、原点４ａに対し空間上で標的が４ａ’　に移動
した場合を考える。第２図（ａ）に示すように、ＴＶカ
メラ中心から見た側面図（第２図（ａ　ｓ　）　）にお
いて２７、平面図（第２図（ａ２））においてＸ、およ
びＹの変位量が原点４ａに対して生じる。

このとき、前記システム機能により画像上においては、
第２図（ｂ）に示すように、ＴＶカメラ１の映像上では
Δｙ１ｙΔｚ１の変位が（第２図（ｂｌ）に示す）、一
方、ＴＶカメラ２の映像上ではΔｙ２＋Δｚ２の変位が
（第２図（ｂｚ）に示す）、各々原点の映像４ａｚ、４
ａｚに対して映し出される。そして、移動後の座標は４
ｂ１（Δｙｌ＋　ｂｚ１）。

４ｂ２（Δｙｔ＋　Δｚ２）として画像処理装置により
算出されている。

上記、ｘ、ｙ、ｚの各々の移動量、又は変位量を求める
には第２図（ａ）に示すＴＶカメラｌ、および２の視野
における抑角θ１．　１９２．　　θ８がわかれば計算
できる。つまり、 Ｘ−ρｔａｎθ−Ｌ Ｙ　＝　Ｌ　ｔａｎ　Ｄ　ｚ Ｚ”Ｌｔａｌ　θ３ となる。ここで、ａ工、　０２．　θ３、は第２図（ｃ
）の原理によって、画像処理装置に与えられたプログラ
ムにより計算できる。そこで、第２図（ｃ）により計算
法を説明する。第２図（ａ）に示すように、まず、Ｏ工
、ＯｓはＴＶカメラ１の情報であるから、第２図（ｃ）
を等価モデルとして見ると、ＴＶカメラの基準点１６と
ＴＶカメラ上の映像１７と、実際の移動座標の関係は相
似三角形上にある。今、ＴＶカメラ１の基準点と画像位
置との距離をＤとす九ば、 となる。次に０２は第２図＜ｃ、＞　をＴＶカメラ２と
してみた場合において（記号は（）内に示す）で表わさ
れる。以上から移動量（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることがで
きる。また、一般にり、Δｙｔ。

Δｚ１．Δｙ２、を算出して入力するよりも、ＴＶモニ
タ上の画素数（ＴＶモニタ上の縦、横、方向の分割数を
云う。従って、映像の位置は原点からの画素数によりカ
ウントできる）により距離、又は角度を求めた方が計算
が単純であり、次のような方法で近似的に算出してもよ
い。即ち、ΔＹ１＋Δｚｔ、Δｙ２、を画素数として取
扱いＴＶカメラ１の固有値である最大視野角Ｏｔｍａｘ
　、　　ｆＪ　ａ＋ｎａｘおよびＴＶカメラ２の固有値
である最大視野角０２ｒｎａｘと各々のＴＶモニタ上で
等分布に区切られたＴＶカメラ１の画素数（縦ｍ　ｉ　
、横ｎ１）、およびＴＶカメラ２の画素数（横ｎ２）を
それぞれ対応させることにより近似的に として求めることが出来る。

以上、第１図の装置の機能と第２図に示す原理から、画
像処理装置におけるプロセッシングユニットのコントロ
ールによりリアルタイムの三次元空間座標位置、あるい
は移動量を検出できる。

このように本発明によれば、 （１）、リアルタイムで三次元空間での移動体の移動量
が自動的に検出できる。

（２）、駆動部分が無く信頼性の高いシステムが得られ
る。

（３）、移動条件に応じて広範囲、かつ、精度の良い検
出ができる。

（４）、稼動部分、及び−旦調整後の入出力部のメンテ
ナンスがほとんど不要である。

等の効果が得られる。また、検出の方法として、移動量
としての座標（ｘ、ｙ、ｚ）を一定時間Δを毎に検出記
憶して、前回の測定データとの差計算することにより、
移動体の移動速度も検出可能である。これにより移動体
の移動の安定性等も判断しうると云う効果が得られる。

さらに第３図の例は、上記装置の構成において標的を移
動体の表面上に２つ設置し、ｘ、ｙ、ｚ各座標軸廻りの
回転変位、あるいは揺動変位を検出する方式である。上
記した第１図、および第２図の基本的な原理を用い、Ｘ
Ｙ平面に対し傾斜のある状態で設置されｉ＝　２つの標
的４ａ、４ａ’の座標の各々の移動量を求めて、Ｘ軸廻
りの回転で１．　Ｚ軸廻りの回転で２、Ｘ軸廻りの変位
ψ８を各々求めることができる。

第３図（ａ）、（ｂ）’、（ｃ）は各々各軸廻りの回転
モデルと移動前後の位置座標を示す。

同図において、２点の標的がＹ軸となす角度を’ｆ’ｘ
ｏ、また移動前の標的位置４−　ａ　’　とこれからＹ
軸１こ垂直しこ降した線の交点と４８を結んでできる三
角形の各辺Ａ、Ｂ、Ｃの動きからそれぞれの回転角を求
める。４ａ、４ａ’　が移動した後、前記画像処理装置
によって計算された座標を各々４ｂ（Ｘ、Ｙ、Ｚ’）、
４ｂ’　（Ｘ’　　、Ｙ’　　、Ｚ’　）　　とすると
、 （］）、Ｘ＝Ｘ’　のときＸ＠廻りの回転であり、第３
（２）、　　Ｘ−Ｘ　　＋　Ｙ’−Ｙ　　＝ＣのときＺ
軸廻（３）、（Ｙ’　−ｙ）”＝ｃのときＹ軸廻りの回
転であとして、各々の回転変位を計算することができる
。

この方法により、移動体の運動の状態をより確実に把握
できるという効果が得られる。もちろん、このような原
理を用いれば必要に応した各種の変化量が計算できる。

その他、これら実施例を用い２台のＴＶカメラを移動体
上に固定し、逆に標的を地上に固定しても、これらと同
様の効果が得られる。また、プログラムメモリに予め上
記で計算したような、三次元空間内での移動量又は速度
の限界の判定条件と機能を付加しておき、その検出値が
これをこえる場合に異常としてデータ出力装置１４から
警報、又はプリン１−アウト等の出力を行なうことがで
きる。この方法により自動監視機能を備え得るという効
果が生じる。

なお、今回の発明において使用する標的には、例えば円
形、四角形等の色々な特徴をもたせて、かつ、白色又は
黒色等に色分けし画像処理で２値化しやすいマークを選
定することができ、これは移動体に直接塗布しても良い
し、はりつけても使用できる。また、場所によってはラ
ンプ等特に明るい標的を選定しても良い。このような標
的の工夫により検出の信頼性を向上させ得るという効果
が出る。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明の三次元自動位置検出装置によれば
、三次元空間において任意の方向に移動する移動体に固
定され、この移動体と共に移動する標的を視野内に捕え
るように地上の離れた位置に各々固定された２台のＴＶ
カメラにより各々検出され、画像処理装置によって抽出
された標的のＴＶモニタ上における二次元座標をもとに
標的の三次元空間における座標を算出することにより移
動体の三次元空間での位置、又は移動量を自動的に検出
するようにしたものであるから、離れた点に置かれた２
台のＴＶカメラと画像処理装置により、移動体上に固定
された標的の移動量、又は位置を三次元空間座標として
計算することができるので、動いている移動体の移動量
を自動的に検出するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の三次元自動位置検出装置の一実施例を
示す概略構成図、第２図（ａ）、（ｂ）。 （ｃ）は本発明の詳細な説明するための図、第３図（ａ
）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の装置における検出の応用
例を示す図である。 １．２・・・ＴＶカメラ、３・・・移動体、４・・標的
、５・・・固定部、６・・・移動座標、７・・・画像入
出力回路、８・・画像メモリ、９・・・ＴＶモニタ、１
０・・・前処理回路、１１・・・後処理回路、１２・・
・プロセッシングユニット、１３・・プログラムメモリ
、１４　・データ入出力回路、１５・・・画像処理装置
、１６・・基準（ｂ＋）　　　　　　（ｂｚ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、三次元空間において任意の方向に移動する移動体と
   、この移動体に固定され、該移動体と共に移動する標的
   と、該標的を視野内に捕えるように地上の離れた位置に
   各々固定された２台のＴＶカメラと、これら２台のＴＶ
   カメラにより与し出された標的の映像を各々のＴＶカメ
   ラ、および画像入出力回路を経由して２値化情報として
   画像メモリに取込み、その２値化情報をもとに前処理回
   路および後処理回路を用いて標的のＴＶモニタ上におけ
   る各々の二次元座標を抽出し記憶すると共に、これらの
   情報をもとに画像間演算も可能なようにプロセッシング
   ユニットによりコントロールされるような機能を備えた
   画像処理装置とから成る三次元自動位置検出装置におい
   て、前記２台のＴＶカメラにより各各検出され、前記画
   像処理装置によつて抽出された標的のＴＶモニタ上にお
   ける二次元座標をもとに該標的の三次元空間における座
   標を算出することにより移動体の三次元空間での位置、
   又は移動量を自動的に検出することを特徴とする三次元
   自動位置検出装置。 ２、前記標的が三次元空間で時々刻々移動する場合に一
   定時間毎に標的の三次元空間での座標を検出し、これら
   の情報から標的の三次元空間での移動速度も検出可能と
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の三次
   元自動位置検出装置。 ３、前記移動体に標的を２つ以上設置し、三次元空間で
   のこれらの標的の位置、又は移動量を検出すると共に、
   これらの情報をもとに移動体の回転、あるいは揺動変位
   を計算し検出することを特徴とした特許請求の範囲第１
   項記載の三次元自動位置検出装置。 ４、前記標的を地上の一点に固定し、２台のＴＶカメラ
   を移動体上に設置したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の三次元自動位置検出装置。 ５、前記移動体の三次元空間内での許容移動量、又は移
   動速度を設定しておき、これら許容量を標的の移動量、
   又は速度が越えた場合に異常としてデータ入出力回路か
   ら出力することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の三次元自動位置検出装置。 ６、前記構成移動体上に描いた特定のマークを標的とし
   て使用することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の三次元自動位置検出装置。 ７、前記特定のマークとなる物体を移動体上に固定し、
   これを標的として使用することを特徴とする特許請求の
   範囲第６項記載の三次元自動位置検出装置。