(57)【要約】【課題】電磁界の測定に使用される光学認識システムを提供する。【解決手段】光学認識システムは、位置決めデバイス（２）上の物体（３）の位置および／または運動を確定する。位置決めデバイスには、物体を、回転駆動し、および／または、曲線または直線の経路に沿って駆動する手段（２０，２１，２２）が含まれる。そして、光学認識システムは、物体の位置または向きを検出するための、デジタル・カメラ（６）などの光学検出手段と、検出手段によって供給されるデータのためのデータ処理ステーション（７）とを含む。所定数の異なる図形または基準は、物体の外部表面にわたって分布されている。物体の外部表面上での各図形の配置は、検出手段が、データ処理ステーションと連携して、位置決めデバイス上の物体の位置または向きを確定することを可能にする。図形は、円形バーコード（１０）によって形成され、各円形バーコードは、位置決めデバイス上の物体（３）の正確な位置を規定する。【選択図】  図１
2014044207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置決めデバイス（２）上の物体（３）の位置および／または運動の光学認識システムであって、前記位置決めデバイス（２）には、前記物体を、回転駆動し、および／または、曲線または直線の経路に沿って駆動する駆動手段が含まれ、そして、光学認識システムは、前記物体の位置または向きを検出する光学検出手段（６）と、前記光学検出手段によって供給されるデータのためのデータ処理ステーション（７）とを備え、所定数の異なる図形または基準（１０）が、前記物体の外部表面にわたって分布させられ、前記物体の外部表面上での各図形の配置は、前記光学検出手段が、前記データ処理ステーションと連携して、前記位置決めデバイス上の前記物体の位置または向きを確定できるよう構成されており、
前記物体は、電磁界を放射する送信アンテナ（４’）を備えた電子デバイス（４）用の球状支持要素であり、
前記図形または基準は、円形バーコード（１０）によって形成され、その円形バーコード（１０）は、互いに異なり、前記球状要素の外部表面上に規則正しい間隔で、一様に分布させられており、各円形バーコードは、前記位置決めデバイス上の前記球状要素（３）の正確な位置を規定するものであり、
さらに、前記位置決めデバイスの駆動手段は、前記電磁界の測定に干渉しないプラスチックまたは非導電性材料で構成されている
ことを特徴とする電磁界の測定に使用される光学認識システム。
【請求項２】
デジタル・カメラなどの前記光学検出手段にとって視認可能な前記物体の外部表面を、一様に照明する照明デバイス（９）をさらに含み、該照明デバイスが前記球状要素から離れた光源であって前記光学認識システムのコンポーネントの少なくとも一部を収容する無反射チャンバの外側に設置された光源によって生成される光を誘導する光ファイバ（９２）のセットを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学認識システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動の光学認識システムに関する。位置決めデバイスは、物体を、回転駆動し、および／または、曲線または直線の経路に沿って駆動をする手段を含む。システムは、さらに、物体の位置または向きを光学的に検出する検出手段と、その検出手段によって供給されるデータのデータ処理ステーションとを含む。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置および／または向きを認識するために、光学認識システムの幾つかは、その支持体、たとえば、位置決めデバイス上で物体の輪郭を主に確定することができる。これを行うために、カメラなどの光学検出手段は、物体の輪郭の少なくとも１つの画像を撮像し、物体の輪郭に関連するデータ信号をデータ信号処理ステーションに供給することができる。処理ステーションでは、物体の検出された輪郭と、所定空間内でその位置がわかっている格納された基準形状との間で比較が行われる。こうして、この比較に基づいて、処理システムは、位置決めデバイス上の物体の位置または向きを確定することができる。
【０００３】
これらの光学認識システムの１つの欠点は、本質的に、その輪郭によって確定される物体の位置または向きが正確でないことにある。さらに、これらの認識システムは、物体の形状が球である場合、物体の輪郭の確定が、いずれの位置または向きにおいても同一であるため、使用されることができない。したがって、これらの光学認識システムは、たとえば、位置決めデバイス上で回転するように駆動される、中空球状物体内に配置される送信アンテナの放射図を測定するためのシステムにおいて使用されることができない。
【０００４】
仏国特許第２ ５９０ ６８１号は、宇宙船上に配列された受動ターゲット・パターンを備える物体を追跡するシステムを開示する。追跡システムは、近接センサ回路を含み、近接センサ回路は、デジタル撮像デバイス、および、物体上のターゲット・パターンの方向に光を送る光源を含む。物体は、光源からの光ビームによって走査されて、撮像デバイスが、種々の位置決め用ターゲット・パターンを識別することを可能にする。これらのターゲット・パターンは、互いに異なり、長方形または台形形状の平行バーコードを形成する。たとえば、物体の平坦面上で、互いからある距離のところに分布した、４つのこれらのバーコードが存在する。この追跡システムの１つの欠点は、追跡システムが、センサ回路を基準にして物体の位置の正確な測定値を提供しないことである。さらに、追跡システムは、位置決めデバイス上で物体の制限された角度向きを検出することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した技術水準の欠点を克服するために物体の全ての角度向きにおいて単純でかつより迅速な、正確な方式で位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動を光学的に認識するシステムを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明は、独立請求項１に規定される特徴を含む、位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動の光学認識システムに関する。
【０００７】
認識システムの特定の実施形態は、従属請求項２から１４に規定される。
【０００８】
本発明による光学認識システムの１つの利点は、好ましくは球である物体の外部表面にわたって、種々の図形または基準が、一様に分布することにある。これらの図形は、有利には、物体の外部表面（たとえば、薄く色付けされる（白））上の付加的な外部境界確定ビット（たとえば、黒）と共に、４ビットの符号化をした円バーコードである。これは、デジタル・カメラなどの検出手段が、位置認識アルゴリズムが格納されたデータ処理ステーションと連携して、所定期間にわたって物体の各位置を認識することを可能にする。
【０００９】
有利には、球状物体を３つの支持点で支持して重力によって保持する位置決めデバイスは、球状物体の外部表面に接触するホイールによって形成される駆動部材、および、前記駆動ホイール用の支持体を備える。ホイールの回転軸は、支持体の端部に搭載され、支持体は、球状物体の外部表面上でのホイールの接触点と球状物体の中心とを通る別の軸に沿って回転することができる。位置決めデバイスの機械構造上に回転可能に搭載された支持体および駆動ホイールは、圧縮空気手段によって回転駆動される。
【００１０】
デジタル・カメラが良好な画像を撮像できるように、有利には、球状物体の視認可能表面のために等方性（一様性）を持つ照明デバイスが設けられる。光ファイバのセットは、遠方の光源によって提供される光を誘導して、物体を照明する。光ファイバのセットは、物体の近傍ではいくつかのサブセットに分離される。たとえば、サブセット当たり６つである１つのサブセットの光ファイバの端は、照明構造に固定されたプラスチック・スタッド内に固定される。好ましくは、各々が６つの光ファイバ端を保持する６つのプラスチック・スタッドは、照明構造上で互いから等距離に固定される。この照明構造は、リングの形状で構成され、物体についてのデジタル・カメラの視野を妨げることなく、デジタル・カメラの側面で、物体のすぐ前に設置される。
【００１１】
位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動の光学認識システムの目的、利点、および特徴は、図面を参照して以下の説明でより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】送信アンテナの放射図測定システムの一部を形成する、本発明による光学認識システムを構成する種々の要素を単純な方法で示す図である。
【図２】本発明による光学認識システムの位置決めデバイス上に設置された、球状要素として規定される物体を照明する照明デバイスの一部を示す図である。
【図３Ａ】本発明による光学認識システムの位置決めデバイスのボールおよびソケット接合部の部分縦断面図である。
【図３Ｂ】本発明による光学認識システムの位置決めデバイスのボールおよびソケット接合部の平面図である。
【図４】本発明による光学認識システムの位置決めデバイス上で球状要素としての物体の位置を確定するのに使用される球座標の図である。
【図５】本発明による光学認識システムの位置決めデバイス上の物体の位置を確定するための、球状物体の外部表面上の図形または基準の位置を示す図である。
【図６】本発明による光学認識システムの位置または向きを確定するために、球状物体の外部表面上に配置される円バーコードの形状の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動の光学認識システムにおける、当業者によく知られている要素は、簡単に説明される。光学認識システムは、支持体または位置決めデバイス上に配置された物体の正確な位置が知られなければならない種々の用途において制限されることなく使用されることができることが留意されるべきである。物体は、また、位置決めデバイス上で正確に向き制御されなければならない、無線周波数信号を受信する受信アンテナであってよい。物体は、また、投影機、拡声器、インジケータ、あるいは、任意の他の電子オブジェクトまたは機器であってよい。しかし、以下の説明では、電子デバイスの送信アンテナ用の放射測定システムの一部を形成する光学認識システムについて参照して説明がされる。
【００１４】
図１は、位置決めデバイス２上の物体３の光学認識システムの要素の全てを概略的に示し、その位置決めデバイス２は、電子送信機デバイス４の送信アンテナ４’用の放射図測定システム１の一部をなしている。本質的に、測定システム１は、位置決めデバイス２を備え、その位置決めデバイス２上で、物体、たとえば電子デバイス用の球状支持要素３として構成された物体は、部材２０，３０，４０の３つの支持点Ｐ、Ｐ’、Ｐ”で担持され、重力によって保持される。測定すべき送信アンテナ４’を有する前記電子デバイスは、中空球状要素３の内部に保持され、中空球状要素３は、電子デバイスを囲むための任意の公知手段によって相互に突き合わされる２つの部品を含む。送信アンテナ４’は、好ましくは、球状要素または中空球の中心の近くに位置決めされる。
【００１５】
測定システムは、さらに、送信アンテナ４’からの電磁界（ＲＦ信号）を受信する少なくとも１つの受信アンテナ５’を備える受信機デバイス５と、位置決めデバイス２上で移動する球状要素の位置または向きを検出する手段６を含む。球状要素は、以下で説明されるように、要素の外部表面にわたって分布された、球状要素の位置を確定するのに使用される所定数の図形または基準１０を含む。受信アンテナによって受信される電磁界に関連する信号および検出手段によって提供される位置信号は、好ましくはコンピュータ・ステーション７であるデータ処理ステーションに、自動的か、または、オンデマンドで送信される。受信機デバイス５およびデジタル・カメラ６によって形成される検出手段は、コンピュータ・ステーションと独立に、または、前記コンピュータ・ステーションによって電力供給されることができる。
【００１６】
デジタル・カメラは、好ましくは、物体から約１または数メートルの距離に設置された７６８×１０２４ピクセルを有する白黒ＭＯＳカメラである。取り込まれた画像信号がコンピュータ・ステーションに転送されるように、入手カードが、デジタル・カメラとコンピュータ・ステーションとの間に設けられることができる。このデジタル・カメラ・カード、特に、ＰＣＩ６２２９と呼ばれるカードは、ＩＥＥＥ１３９４カメラ用のＮＩ−ＩＭＡＱモジュールによる、ファイアワイヤ接続を備え、デジタルまたはアナログ信号を生成する、または、入手することができる。
【００１７】
簡潔にするために、図１では、位置決めデバイス２は、測定システムの送信アンテナによって生成される電磁界を測定するために、球状要素３を担持する部材２０，３０，４０によって表されるだけである。こうして、この位置決めデバイス２は、球状要素の外部表面に接触する駆動部材２０を含む。この駆動部材は、位置決めデバイス上で全ての方向にランダムに球状要素３を回転させるように構成される。
【００１８】
この駆動部材２０は、球状要素を回転するように駆動するために、球状要素の外部表面に接触するホイール２１で形成される。ホイールは、摺動させることなく球状要素を駆動するための、ゴムで作られ、かつ、プーリの円形溝内に配列されたリング要素を含むことができる。ホイール２１の回転軸は、支持体２２またはロッドの端部に搭載される。この支持体２２は、球状要素の外部表面上でのホイールの接触点Ｐと前記要素の中心を通る別の軸に沿って回転することができる。これは、ホイールによって、全ての方向に球状要素に対してランダム回転が課されることができることを意味する。球状要素が全ての位置を通過するのに、およそ１０分の時間がかかる。この期間中に、送信アンテナによって送信される、電磁界についての約６，０００回の測定が行われ得る。
【００１９】
球状要素のために３つの支持点を形成した、従来技術のデバイスの３つの駆動ホイールに代わって、単一の駆動ホイール２１は、球状要素の外部表面に接触した状態で横滑り（スキッド）しない。これは、球状要素３が、高い均一性の程度をもって、全体の位置空間をランダムに移動することを可能にする。この駆動ホイールは、好ましくは、図示しない、前記ホイール２１に近接して支持体内に収容される、または、ホイールの回転軸上の、モータまたは圧縮空気タービンによって駆動される。少なくとも１つの圧縮空気可撓性パイプまたは管が、支持体内に作られて、圧縮空気タンクからモータの方へ圧縮空気を循環させる。
【００２０】
位置決めデバイス２は、また、図３Ａおよび３Ｂを参照して以下で説明される、２つのボールおよびソケット接合部３０および４０を含む。ボールおよびソケット接合部内の各ボールは、球状要素３の外部表面に接触するように配列される。そのため、ホイール２１の接触部と２つのボールのボールおよびソケット接合部３０、４０の接触部は、球状要素がその上に載る３つの支持点（Ｐ、Ｐ’、Ｐ”）を形成する。これらの３つの支持点は、好ましくは水平に配列された正三角形の端を形成するように規則正しい間隔であることができる。もちろん、球状要素３の重心は、位置決めデバイス上で保持されるように、正三角形内の位置になければならない。各支持点間の間隔は、好ましくは、球状要素の半径より大きく、かつ、前記球状要素の半径の１．５倍より小さくなければならない。
【００２１】
別のモータまたは圧縮空気タービンは、駆動ホイール２１の支持体２２を回転駆動するのに使用できる。こうした場合、前記モータと支持体２２との間の、プーリおよび駆動ベルトのセット（図示せず）が、支持体に対して所望の回転を課して、駆動ホイールの回転軸を回転させることができる。この単一駆動ホイールによって、球状要素は、３つの支持点上でもはやジャンプしない。球状要素の中心からの移動が観測されるのは、自然の真円度およびミリメートル程度の軸受（プーリ）の遊び（ｐｌａｙ）によるだけである。これは、測定システムにおいて、０．０５°程度の角度計算誤差を伴う可能性があり、無視できる。
【００２２】
図３Ａおよび図３Ｂは、球状要素用の支持点のうちの１つとして使用される位置決めデバイスのボールおよびソケット接合部３０の１つを示す。全体が円柱外部形状であることができるボールおよびソケット接合部３０は、合成ボール用のハウジング３２を含む。ハウジングは、ボールがハウジング内部で自由に回転するような大きさに作られる。ハウジングは、球または円柱であってよい。好ましくは、ボールおよびソケット接合部は、自由に回転するボールのために、テフロン（登録商標）などの摩擦係数が低い非導電性材料で作られる。
【００２３】
ボール３１の一部は、ボールおよびソケット接合部３０内の上部アパーチャ（開口）を介してハウジング３２から露出して、球状要素の外部表面に接触する。球状要素の重量の一部を表す力Ｆは、ボール上で支持点Ｐ’に加えられる。このアパーチャの径は、ボールの径より小さいため、ボールはハウジング３２内部で保持される。
【００２４】
球形状のハウジングの場合、ボールおよびソケット接合部は、ハウジング内にボールを閉じ込めるために縦に互いに適合する２つの部品を含む。しかし、円柱ハウジングの場合、上部アパーチャ（開口）は、ハウジングを部分的に閉じるカバー（図示せず）内に作られる。ボールおよびソケット接合部は、また、ノズルの形態で構成されて、ボールおよびソケット接合部内のパイプ３３を介して、圧縮空気をちょうどボールハウジング３２内にもたらす。こうして、ボールは、空気クッションでハウジング内に保持される。
【００２５】
球状要素３が、流量調節のできる２つの圧縮空気ノズル上にだけ設置され、一方、第３支持点が駆動ホイールである場合、球状要素を浮遊させ、回転させることが容易である。しかし、場合によっては、振動運動が球状要素を励起する。要素は、ノズルの近くに移動し、ノズルは、空気圧を高め、要素をわずかに押し出す。局所圧力、したがって、支持力が減少する場合、球状要素は、元のノズル上に落ち、ノズルは、その後、要素を再び押し出す。その結果、圧縮空気ノズルに関して、空気圧は、球の重量に応じて調節されなければならず、それは、本発明によるボールおよびソケット接合部によって解決される。その圧力が球状要素の重量に依存する、圧縮空気の細流は、ボールの周りのハウジングアパーチャから出現し、単純な圧縮空気ノズルの問題を回避する。球状要素は、全ての方向にサージ無しで回転するように自由に駆動されることができる。
【００２６】
３つの支持点上での球状要素の平衡の欠如に関連する任意の問題を解決するために、球の先端に対して付加的なボールおよびソケット接合部または圧力球状接合部を導入することによって、球状要素の重量を増加することができる。このボールおよびソケット接合部は、圧縮空気管内で摺動し、バネのように球状要素に対して一定の力を生成するボールを使用して作られることができる。駆動ホイールと接触した状態で得られる通常圧は、前記ホイールがよりよく固着することを可能にする。
【００２７】
デジタルカメラを備える測定システムのコンポーネントはほとんど、図１において８で参照される要素によって示される無反射チャンバ内に収容される。これは、送信アンテナ放射測定に有害であり得る、送信アンテナ４’によって生成される電磁界の障害物上での反射を防止する。さらに、送信アンテナに近接する、すなわち、前記チャンバ内部の位置決めデバイスの部品はどれも、金属材料で作られてはならないため、位置決めデバイス２の部品は、送信アンテナ４’によって生成される電磁界の測定に干渉しない。プラスチックまたは非導電性材料で作られた位置決めデバイス２用の駆動手段は、圧縮空気を使用して動作する。これらの駆動手段は、タップを有するパイプによって圧縮空気タンクに接続されたモータまたは圧縮空気タービンであってよい。そのため、２つの軸に沿ってホイールおよびホイール支持体を駆動するこれらの非金属モータは、送信アンテナに近接して設置されることができる。
【００２８】
球状要素３、したがって、球状要素３に含まれる、被測定の送信アンテナ４’の位置または向きを正確に確定するために、特定の図形または基準１０が、球状要素３の外部表面上に配置される。これらの図形または準は、円バーコードによって形成され、各円バーコードは、位置決めデバイス上での球状要素の正確な位置を規定する。各円バーコード１０は、球の外部表面上に印刷されるか、または、接着される、あるいは、他の手段で作られることができる。
【００２９】
たとえば、図５および６を参照して以下で説明されるように、球状要素の外部表面にわたって均一に分布する１４の同じ直径の異なる円バーコードが存在する。各バーコードは、４ビットおよび球状要素の外部表面に対して異なる色の１つの外部境界確定ビットで符号化をされている。球状要素の外部表面は、好ましくは、淡く色付けされ、たとえば、白であり、一方、少なくとも１つの付加的な外部境界確定ビットは、暗く色付けされ、たとえば、黒である。
【００３０】
たとえば、１５画像／秒で撮像できなければならないデジタル・カメラによって取り込まれる画像を改善するために、光学認識システムは、さらに、等方性（一様性）を持つ照明デバイス９を含む。この照明デバイス９は、デジタル・カメラ６の側面で、球状要素３の外部表面の少なくとも半分の方向に光ビームＬを供給するよう構成される。
【００３１】
種々の円バーコードを備え、かつ、位置決めデバイスの部材２０、３０，４０の３つの支持点上に担持された球状要素または中空球３の照明デバイス９が、ここで図２を参照して説明される。
【００３２】
光学位置認識の場合、測定システム内の光学認識システムは、照明の一様性に関して高レベルで敏感であることが実証された。以前は、無反射チャンバの吸収コーン間に配列された、ＬＥＤタイプ光源による照明が使用された。しかし、１ＷのＬＥＤを使用すると、良好なレベルの照明を提供するのに電力が不十分であること確認された。さらに、ＬＥＤのアパーチャ角度は、１１０℃程度であり、ＬＥＤの前に収束レンズの使用を必要とする。そのうえ、無反射チャンバ内にＬＥＤを固定し、電力供給することは、送信アンテナ放射測定にとって有害である可能性がある金属ワイヤによる各ＬＥＤへの接続のため、問題が生じる。
【００３３】
本発明による照明デバイスの場合、光ファイバ９２のセットが使用され、各ファイバの一端は、受光のために、図示しない光源（１５０Ｗ）に近接して配列される。この光源は、たとえば、無反射チャンバ（図示せず）の外側に設置される。この光源は、同軸顕微鏡照明用のタイプを使用できる。光ファイバのセットは、プラスチック・シース９４内にまとめられて、無反射チャンバ内に送られ、プラスチック照明構造９０に達する。
【００３４】
使用される光ファイバ９２は、好ましくは、合成ファイバであり、ファイバが焼損することを防止するために、光源側の端は、光源からある距離のところ、たとえば、３．５ｃｍのところにある。その可撓性のため、これらの合成ファイバは、操作するのが容易である。これらの合成ファイバは、１ｍｍ程度の径を有することができる。
【００３５】
光ファイバのセットは、プラスチック外側シース９４によって保護された３６の十分に長い（４ｍ）光ファイバをまとめる。光ファイバのセットは、また、外側シース９４の内部の別のプラスチック・シース９３によって保護された光ファイバのいくつかのサブセット、好ましくは、それぞれが別のシース９３によって保護された６つの光ファイバの６つのサブセットに分割される。
【００３６】
各サブセットの光ファイバの端は、３．５ｃｍ辺を有し、かつ、１ｃｍ厚である四角形プラスチック・スタッド内に固定される。光ファイバの端は、１．５ｃｍの辺の正三角形の形状で各スタッド内において互いから等距離に配列される。６つのプラスチック・スタッド９１は、リング形状照明構造９０の外周上に規則的に配列される。各サブセットのプラスチック・スタッド内に固定された光ファイバの端は、光ビームを球状要素の中心方向に向くように向き制御される。こうして、球状要素は、金属材料を全く使用しない状態で、光ファイバおよび球状要素に近接した光ファイバの配置によって、一様に照明される。
【００３７】
リング形状照明構造９０は、球状要素に近接するが、デジタル・カメラと球状要素３との間に配列される。リング形状照明構造９０は、位置決めデバイスに機械式に接続されることができる。照明構造の寸法は、１２ｃｍ程度であってよい球状要素の寸法よりわずかに大きい。球状要素から１〜２メートルの距離のところにあってよいデジタル・カメラは、照明構造９０を通して球状要素全体を観察することができなければならない。
【００３８】
送信アンテナ放射図を確定するために、測定システム内の本発明による光学認識システムの動作の方法は、以下の図４〜６を参照して述べられる。測定動作の全てを実行するために、ＧＨｚ程度であってよい周波数で電磁界を発生するように、送信アンテナは、常にアクティブであることが最初に留意されるべきである。そのため、送信アンテナを有する電子デバイスは、球状要素内に閉じこめられると仮定すると、電池または充電式アキュミュレータなどのそれ自体の電力源を含む。この測定システムの場合、球状要素内に閉じこめら得る、たとえば、携帯電話（ＧＳＭ（登録商標））、または、任意の他の装置の送信アンテナが測
【００３９】
球状要素の外部表面上に含まれる種々の円バーコードを用いる球状要素位置測定の場合には、測定のタイプは、回転平面の仰角、方位角、偏波角を規定するオイラー角θ、φ、ψに基づく。機械式用途では、球状要素などの固体の位置を確定するためにオイラー角を使用することが好ましい。
【００４０】
３次元空間内に位置するある点Ｐは、一般に３次元座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）で表される。これらの座標は、選択された座標（または、基準座標系（ｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ））のタイプに依存する。デカルト基準座標系は、３つの直交ベクトルｘ，ｙ，ｚを含む。用途のタイプに応じて、使用される基準座標系は、計算または表示を容易にするために変化する。
【００４１】
空間内の物体またはアンテナの位置は、６つの値で特徴付けられる。最初の３つの値は、その重心の座標に過ぎない。他の３つの値は、３つのオイラー角θ、φ、ψ（回転平面の仰角、方位角、偏波角）であり、その中で、２つの角度だけが図４に示される。
【００４２】
位置決めデバイスは、被測定送信アンテナを含む球状要素を、任意の位置または向き、すなわち、３つのオイラー角（仰角θ、方位角φ、偏波角ψ）の全空間内に設置することができる。
【００４３】
３次元空間内で回転を計算する場合には、観察される画像、特に、位置決めデバイス上の球状要素または中空球における球状変形を、デジタル・カメラが生成させることが、先ず、指摘されるべきである。１ｍより長いカメラと球状要素との間の距離の場合、誤差は０．２％未満である。
【００４４】
上記の球状変形を無視すると、３番目の座標を計算することが容易に可能になる（ｙ、ｚが測定されたため、式ｘ＝（ｒ2−ｙ2−ｚ2）1/2によってｘが確定される）。３つのオイラー角における回転は、底変換と呼ばれる変換である。この変換の数学的解決は、３つの式、すなわち、１つの基準ベクトルについて１つの式を必要とする。しかし、回転は、角度を維持するというフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）を有する等角変換である。本発明の球状要素の場合、第３の未知数が、先に述べた等角フィーチャに含まれるため、底変換を完全に確定するのに、２つの変換ベクトルを測定することで十分である。システムを解く非常に単純でかつ効率的な方法は、最初の２つのベクトルのベクトル積によって第３のベクトルを構築し、第３のベクトルを行列解法システムに含ませることである。
【００４５】
プロセッサの負荷を低減し、形状または円バーコードを認識するのに利用可能なパワーを増すために、それぞれのベクトル対に関連する逆行列が、測定段階の前に、容易に、事前計算され、かつ、コンピュータ・ステーションのメモリに格納されることができることが留意されるであろう。こうして計算された行列Ｒは、従来の三角関数によって既に変換された値を含む。
【００４６】
球状要素上でカバーされる点の数は測定中に指示される。こうして、測定の進行に関する客観的データが取得される。この解析は、回転行列に基づく。一旦計算されると３つのオイラー角が得られる。θおよびφを考え、また、球座標の図４の図に基づくと、これは、点Ｐが、球Ｓ2上の点の全てをカバーするかどうかを調べることを意味する。このことは、（θ，φ）が、長方形Ｒ＝［０，π］×［−π，π］の点の全てをカバーするかどうかを確認することと同じである。ここで、θはＰの経度であり、φはＰの緯度である。Ｓ2の北極と南極は、球座標について特異点である。したがって、θおよびφを計算するときに、ある程度の注意が払われなければならない。
【００４７】
位置決めデバイス上での球状要素の位置または向きの認識に関して、７６８×１０２４ピクセルのＭＯＳ白黒デジタル・カメラが使用される。このカメラは、１秒当たり１５画像を撮像し、迅速でかつ正確である格納された認識ソフトウェアを含むコンピュータ・ステーションに対して相当する露出信号を供給する。カメラが白黒カメラであるため、したがって、好ましくは円バーコード１０である図形の形状に対して仕事をすることが可能である。
【００４８】
選択される図形（円バーコード）の寸法は、球状要素の径の１／１０を表す１２ｍｍを越えない。球状要素が、カメラによって取り込まれる画像を満たすと、１２ｃｍにわたって７６８ピクセル、すなわち、図形（１２ｍｍ）当たり７６．８ピクセルが存在し、それで十分である。球状要素の形状が与えられたと仮定すると、円形バーコードは、好ましくは、球状要素の外部表面をカバーするのに使用される。球状要素の凸状が無視される場合、接平面上への投影は、円を楕円に変換する。こうして、円の中心は、楕円の中心に変換され、楕円の中心の位置は、こうして、円形バーコード図形の円の位置を正確に規定する。
【００４９】
デジタル・カメラは、コンピュータ・ステーションと連携して、位置およびカメラにとって視認可能な２つのバーコード間の間隔の変動を制御することによって、球状要素による曲線運動または併進運動を検出することもできることが留意されるべきである。球状要素上に設置された種々の図形を使用して、回転または併進速度が確定されることができる。
【００５０】
カメラによって取り込まれた画像において３つ以上の円形バーコードを適切に見るために、１４の円形バーコードが、以下の通りに、すなわち、図５で部分的に示すように、各極について２つ、赤道について４つ、各半球について４つが、球状要素にわたって分布する。半球内に位置する各図形１０は、極と、赤道上の２つの図形とから等距離にある。
【００５１】
こうして、１４の図形（円形バーコード）を符合化するのに、４ビット、および、図６に示すように、常に黒であり、かつ、図形のエッジを規定する１つの外部境界確定ビットが使用される。各円形バーコードの中心は最下位ビット（ＬＳＢ）を規定し、一方、外側ビットは最上位ビット（ＭＳＢ）を規定する。状態１の各ビットは黒であり、一方、状態０の各ビットは薄く色付けされ、特に、白である。１２ｍｍ径のパターンによって、１符合化バー当たり約７．６８ピクセルが存在する。
【００５２】
以下の表は、１６進コードと球の位置座標（ｃｍ単位）によって、球状要素の外部表面上の図形の位置を示す。
【００５３】
【表１】
2014044207.tif 000003
【００５４】
コンピュータ・ステーションにおいて回転を計算するために、回転行列が、位置決めデバイス上の初期位置に対して球状要素の回転を規定する。しかし、放射図が測定システムについてセットアップされる場合、通常記述される回転は、測定される送信アンテナを含む球状要素に対する、受信アンテナの回転、そのため、デジタル・カメラの回転である。こうして、これは、Ｒ-1と呼ばれる逆回転（相対運動の逆回転）である。Ｒが等角変換であるため、Ｒ-1は、ＲTと呼ばれる、Ｒの転置に全く等しい。その後、θ、φ、およびψの角度値が、再構築されなければならない。この再構築は、考えられる任意の不定を明確にするために、非常に秩序立った、逆三角関数に対するプロシジャ・コールによって実行される。
【００５５】
コンピュータ・ステーション７において図１に示すデジタル・カメラ６によって取り込まれた画像を処理するために、較正段階が、球状要素３の中心を検出するために、最初に実行され、その半径が測定される。その後、画像の２つの図形１０（円形バーコードである）が認識され、図形の位置が計算される。そして、導入される計算誤差についての推定が行われる。
【００５６】
光学認識システムを較正するために、球状要素３の輪郭を通過する円の半径と中心が計算される。このオペレーションは、基準を確定し、処理されるべき画像表面を減少させる。０．９５倍の半径の辺を有し、かつ、球状要素に中心がある１つの正方形領域だけが維持される。次に、画像がデジタル化される。最適閾値が、統計的方法によって確定される。
【００５７】
コンピュータ・ステーションに格納された認識ソフトウェアによるデータ処理の場合、プログラミング・ループは、撮影された球画像の位置を計算する。各反復において、このデータは、テーブルに格納され、テーブルは、プログラムが進行するにつれて徐々に埋まる。第２のループは、撮影される球状要素の位置を計算する。各反復において、画像が解析されて、中心に最も近い２つの視認可能な図形およびそのピクセル位置が確定される。次に、オイラー角が計算され、次に、テーブルに格納される。最後に、取られた全ての測定値がセーブされる。
【００５８】
図形位置検出アルゴリズム（認識ソフトウェア）は、計算された位置における系統的誤差をなくすために、正確なユニバーサル基準座標系を必要とする。そのため、閾値処理法と相関法である２つの自動検出アルゴリズムが開発された。
【００５９】
閾値処理法は、閾値処理による輪郭検出に基づく。立上りエッジは、球状要素の上半球上で円の弧内に設置されたセグメントに関して識別される。点が見出されると、最小２乗アルゴリズムが、対応する円の式を補間する。このアルゴリズムを使用するとき、照明の一様性の欠如による球状要素のエッジ上の影が輪郭検出に干渉することが留意されるであろう。したがって、より頑健なアルゴリズムが必要である。
【００６０】
相関法は、球状要素の輪郭の境界を確定する円の座標を見出すために２つの画像の相関度を使用する。第１の画像は、デジタル・カメラ６によって取り込まれた画像である。第２の画像は、その半径が既知であり、黒い背景上に中心を持つ白い円板を示す。相関関数が計算される場合、最大値が球状要素の中心を確定する。半径を見出すために、可変半径の基準円に関して、計算反復が実施される。
【００６１】
２００×２００ピクセルの画像の場合、計算時間は１秒程度である。したがって、７６８×１０２４ピクセルの画像に対して実施するのに長い時間がかかる。その結果、画像の一部分だけが利用される。円を確定するのに３点が必要とされるという理解において、３つのゾーンが画像に取り込まれる。
【００６２】
３つのゾーンの２次元相関関数の和の最大値を与える機能を根拠として、最大値のコラムおよびラインの指数を検出し、したがって、球状要素の中心の位置を計算することが可能である。計算は、その後、可変半径に関して反復される。これを行うために、幾何学的方法が使用される。計算は、２８０〜３８０まで２５ステップで変動する半径に対して４回反復される。相関関数が最大になる２つの半径は、その間隔内で、５のステップについて５回、再反復するために識別される。１のステップによる最後の反復が半径を確定する。この方法は、全ての半径に関する反復を回避する。
【００６３】
２つの画像の相関積を正しく実行するために、画像の連続成分が削除されなければならない。そのため、相関積の前に、画像エレメントの平均が、元の画像から減算される。いくつかの試験の後、見出された半径が、ＤＣ成分の値に著しく依存することが確認される。２５６レベルにわたる連続値は、４５の値を有する。
【００６４】
手作業による検出の場合、上述した２つのアルゴリズムの結果が、照明、したがって、ソース画像のＤＣ成分に著しく依存することが留意される。これが、自動検出ではなく、ユーザによる手作業の較正が選択される理由である。人間の目は、球状要素の輪郭をほぼ完全に見分けることができ、このことは、測定値の全てを歪ませることになる無駄な誤差をなくす。
【００６５】
ここで、図形位置検出アルゴリズムが述べられるであろう。とりわけ、図形の認識に関連する制限が明確でなければならない。球状要素の照明は、一連の鏡面反射を生じ、鏡面反射は、図形１０（円形バーコード）のコントラストを局所的に破壊し、物体の位置および符合化に関する誤差を生成する可能性がある。
【００６６】
カメラ６の露出時間は、所与の回転速度および図形位置について、図形のエッジに関するぼけを発生する。球のエッジおよび１秒当たり１回転の回転速度に関して１つの図形を取ると、１０ｍｓの露出時間についてのぼけは、Δｄ＝１０ｍｓ・（２π／１０００）・０．０６ｍであり、４ｍｍに等しい。最終的に選択される露出時間は約３ｍｓである。さらに、２つの図形の一方が中心に近く、他方が円周にある場合、また、偏波回転の場合、２つの図形間の角度が歪む可能性がある。
【００６７】
実際の位置認識は、２値画像に作用し、また、画像処理アルゴリズムを使用する２つの機能を使用する。図形タイプ検出アルゴリズムに関して、球状要素の位置が確定され、中心、長軸、および短軸の計算が実行されると、図形認識プロシジャは、観測される図形１０を確定することができる。図形は、定義されると、中心と２つの軸によって表される。
【００６８】
第１のアルゴリズムは、検出された図形を処理して、最も代表的な半長軸を選択する。反射は、一般に、低いコントラストおよび大きな輝度の形態で現れるため、半長軸に沿う平均輝度が比較され、最低値が選択される。完全な黒円は禁止パターンであるため、第２のアルゴリズムは、選択された半長軸に沿って画像ラインを抽出し、その後、平均値を減算することによって連続レベルを除去する。第３のアルゴリズムは、先に得られたプロファイルを、１４の図形を表す１４のベクトルを用いて乗算し、総計する。これらのベクトルのサイズおよび半長軸のサイズは、較正段階中に取得された球状要素の半径から計算することによって直接導出される。図形は、１４の乗算−積の最大値によって確定される。
【００６９】
ソース・ベクトルのサイズは、球状要素上の図形の位置に応じて変動し、エッジにおいてより小さい。そのため、ベクトルのサイズは、常に等しいわけではない。位相シフトを発生させるベクトルからエレメントを除去するのではなく、ソース・ベクトル・サイズが値Ｎを有すると仮定すると、ソース・ベクトルのエレメントは５回反復される（次元＝５・Ｎ）。そのため、ベクトルのサイズは等しく、アルゴリズムは、うまく働く可能性がある。
【００７０】
計算された位置のθ−φグラフは、コンピュータ・ステーション・スクリーン上に連続して表示される。取り込まれた画像は、リアルタイムに表示されることもでき、図形は長方形によって境界確定される。これにより、検出された図形が容易に観察される。その運動が、球状要素の運動に相当する立方体も表示されることができる。各画像について表示が更新される。誤差がある場合、最後の正しい位置が維持される。
【００７１】
計算された回転が正しいかどうかをチェックする１つの方法は、２つの連続する回転間の角度差を計算することである。半径１の球上での、１つの点の２つの連続する回転の距離が計算される。この距離が特定の閾値より大きい場合、誤差が存在する。
【００７２】
以上の説明から、当業者は、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、位置決めデバイス上の物体の位置および／または運動の光学認識システムのいくつかの変形を考案することができる。検出手段は、位置決めデバイス上に配列されることができ、コンピュータ・ステーションを介して制御されることができる。位置決めデバイス上に配列された物体は、円柱または卵要素であってよく、円形バーコードが物体の外部表面にわたって分布する。物体の外部表面の色は、暗い、たとえば、黒であり、一方、図形の色は、薄い、たとえば、白であってよい。
【符号の説明】
【００７３】
１  測定システム
２  位置決めデバイス
３  球状支持要素（物体）
４  送信アンテナを備える電子デバイス
６  光学検出手段
７  データ処理ステーション
９  照明デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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