(57)【要約】【課題】回転や傾きが生じた場合においても測定精度が低下しない三次元計測用マーカーを提供する。【解決手段】多面体状物体１の各々の面２上には発光ダイオード（ＬＥＤ）３が装着されている。多面体状物体１は、その中心となる点４に関して対称な形状を有し、固定軸５により台座６に固定されている。球形状の光拡散板７は、発光ダイオード３が装着された多面体状物体１の全体を覆い、その中心が点４と一致するように配置されている。この光拡散板７は、光量そのものはできるだけ低下させずに光を四方八方に散乱させ拡散させるための板から構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、
多面体状物体と、
前記多面体状物体の各面に配置された発光手段と
を備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元計測用マーカーであって、
前記多面体状物体および前記発光手段を覆うように配置され前記発光手段から照射された光を拡散させる光拡散板
をさらに備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の三次元計測用マーカーであって、
前記多面体状物体は２０以上の面を有する
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元計測用マーカーであって、
前記多面体状物体は３２面体状である
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の三次元計測用マーカーであって、
前記光拡散板は４０％以下の光線透過率を有する
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項６】
計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、
球状の光拡散手段と、
前記光拡散手段に前記光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、
前記光拡散手段および前記発光手段を覆うように配置され前記光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板と、
を備えることを特徴とする三次元計測用マーカー。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の三次元計測用マーカーであって、
前記発光手段はチップ型の発光ダイオードを含む
ことを特徴とする三次元計測用マーカー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元計測用マーカーの測定精度を高めるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、建物等の大型構造物の構築要素として工場で製造された大型物体の三次元変位を計測するために、当該大型物体にマーカーを装着する手法が採られている。このマーカーは、大型物体上の計測すべき位置に装着され、複数の撮像位置から（最も簡単には複数のカメラを用いて）撮像されることにより、前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるためのものである。このようなマーカーとしては、さまざまな形状のものが用いられている。例えば、特許文献１には、菱形のマーカーが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１８９５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の菱形マーカーは、回転や傾きが生じたときには、カメラから見た見かけの面積が変わることがある。見かけの面積が変われば、重心計算を行うときに求める輝度積算値が変わる（すなわち輝度プロファイルが変わる）ので、求めた重心の精度が回転や傾きにより変わることになる。よって、ノイズの多い環境では、求めた重心値が回転や傾きにより変わることになるので、測定精度が低下してしまうという問題点があった。
【０００５】
また、三次元計測においては、菱形ではなく円形のマーカーが用いられることもあるが、菱形の場合と同様に、回転や傾きにより見かけの面積が変わるので、測定精度が低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、回転や傾きが生じた場合においても測定精度が低下しない三次元計測用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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、第一発明に係る三次元計測用マーカーは、計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、多面体状物体と、多面体状物体の各面に配置された発光手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第二発明に係る三次元計測用マーカーは、計測すべき位置に装着され複数の撮像位置から撮像されることにより位置の二次元座標から三次元座標を求めるための三次元計測用マーカーであって、球状の光拡散手段と、光拡散手段に光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、光拡散手段および発光手段を覆うように配置され光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第一発明に係る三次元計測用マーカーは、多面体状物体と、多面体状物体の各面に配置された発光手段とを備えることを特徴とし、第二発明に係る三次元計測用マーカーは、球状の光拡散手段と、光拡散手段に光拡散手段外部から光を照射する発光手段と、光拡散手段および発光手段を覆うように配置され光拡散手段において拡散された光を拡散させる光拡散板とを備えることを特徴とするので、回転したり傾いたりした場合にも、輝度プロファイルがほとんど変化しない。従って、これらの三次元計測用マーカーにおいては、輝度プロファイルを用いた演算により算出された特徴点位置もほとんど変化しない。よって、高精度な測定を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る三次元計測用のマーカー１００を示す構成図である。
図１においては、多面体状物体１以外の要素については、その断面を示している。このマーカー１００は、大型物体上の計測すべき位置に装着され、複数の撮像位置から（最も簡単には複数のカメラを用いて）撮像されることにより、前記位置の二次元座標から三次元座標を求めるためのものである。
【００１１】
図１において、多面体状物体１の各々の面２上には発光ダイオード（ＬＥＤ）３が装着されている。多面体状物体１は、その中心となる点４に関して対称な形状を有し、固定軸５により台座６に固定されている。球形状の光拡散板７は、発光ダイオード３が装着された多面体状物体１の全体を覆い、その中心が点４と一致するように配置されている。この光拡散板７は、光量そのものはできるだけ低下させずに光を四方八方に散乱させ拡散させるための板から構成されている。
【００１２】
多面体状物体１の各々の面２の法線は、点４を通るので、発光ダイオード３からの光は、点４からほぼ等方に放射すると考えられる。放射されたこの光は、光拡散板７に達すると、光拡散板７内で乱反射を起こし散乱される。その結果、光拡散板７の表面の輝度はほぼ均一になり、特徴点位置を算出する演算に適した輝度プロファイルを形成することができる。ここで、特徴点位置を算出する演算とは、輝度重心計算や関数フィッティングなどにより、一画素以下の精度まで位置を求める演算を指す。また、光拡散板７は、半球以上の立体角（すなわち２π以上の立体角）を有するので、どの方向から見てもほぼ球形状に観測される。従って、マーカー１００が回転したり傾いたりした場合にも、輝度プロファイルがほとんど変化しないので、上記の演算により算出された特徴点位置もほとんど変化しない。よって、高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１３】
多面体状物体１の面数は、任意であり、多ければ多いほどより多くの発光ダイオード３を装着することができ全体の輝度が向上するので測定精度は高くなるが、２０面以上であることが望ましい。以下では、図２〜４を用いてその理由について説明する。
【００１４】
図２は、マーカー１００における多面体状物体１、発光ダイオード３および光拡散板７の位置関係を示す図である。図２において、発光ダイオード３の放射角度θ（発光ダイオード３から放射される円錐光の頂角）と、多面体状物体１の隣り合う面２同士がなす角α（言い換えれば、多面体状物体１の隣り合う面２の法線同士がなす角）と、光拡散板７の半径ｒ１と、多面体状物体１の面２と点４との間の距離ｒ２とが、以下の式（１）を満たす場合に、光拡散板７の内面に一様に光が照射されることが分かっている。
【００１５】
ｒ１×（α／２）＜（ｒ１−ｒ２）×（θ／２）・・・（１）
ここで、寸法比Ｒ＝ｒ２／ｒ１とおいて式（１）を整理することにより、以下の式（２）が得られる。
【００１６】
α＜θ×（１−Ｒ）・・・（２）
図３は、放射角度θ＝４５°，９０°，１２０°の場合について、式（２）におけるαの上限値を用いて、寸法比Ｒと角αとの関係を示したグラフである。
【００１７】
ところで、発光ダイオード３としては、様々なタイプのものが市販されており、その放射角度θは、１０°程度の狭角タイプのものから１４０°程度の広角タイプのものまでがあるが、発光強度が高く容易に入手できるのは放射角度θが９０°以下のものである。また、寸法比Ｒについては、その値が小さ過ぎる場合には発光ダイオード３と光拡散板７との距離が大きくなり過ぎてしまうので、光拡散板７における輝度の低下を招く。従って、実用的には、寸法比Ｒの値は０．５以上であることが望ましい。よって、式（２）において、θ＜９０°，Ｒ＞０．５とすると、以下の式（３）が得られ、αの範囲が定められる。
【００１８】
α＜４５°・・・（３）
図４に、代表的な面数を有する多面体状物体１について、隣り合う面２同士がなす角αの例を示す。図４に示すように、面数が多くなるのに従い、角αが小さくなる。式（３）に示すようにαは４５°以下であることが望ましいので、図４より、多面体状物体１の面数は概ね２０以上が望ましいことが分かる。
【００１９】
前述したように、多面体状物体１の面数は、多ければ多いほど全体の輝度が向上するが、光拡散板７全体にわたって均一な輝度を得るためには、多面体状物体１の形状が点４に関して対称であることが望ましい。３２面体は、切頂２０面体とも呼ばれ、正２０面体の頂点を切り落とした形状となっているので、角α（３２面体においては隣り合う面２同士がなす角が複数存在するが、それらのうちの最大のもの）は、正２０面体と同様に、約４２°であり、形状は点４に関して対称である。従って、３２面体においては、角αが４５°以下であり、形状が点４に関して対称であり、且つ面数が正２０面体に比べて多いので、多面体状物体１として形状が３２面体であるものを用いることにより、マーカー１００による測定精度をさらに高めることができる。
【００２０】
マーカー１００は、発光手段として発光ダイオード３を用いているので、発光に必要な消費電力を低減することができる。従って、電池による駆動が可能となるので、電源供給用のケーブルが不要となり、取り扱いを容易にすることができる。また、発光ダイオード３を用いることにより、耐久性を高め寿命を延ばすことが可能となる。さらに、発光ダイオード３として、チップ型のものを用いることにより、多面体状物体１への装着を容易に行うことが可能となる。
【００２１】
本実施の形態に係るマーカー１００には、様々な適用先が考えられるが、例えば、大地震により起こる建物の崩壊過程を計測するための振動試験装置へ適用してもよい。このような計測においては、対象とする物体が数ｍから数十ｍと非常に大きいことから、特徴点位置の算出演算等の画像処理を行うためには大きな寸法のマーカーが必要となる。マーカーは背景との区別を容易にするために発光手段を有することが望ましいが、従来はこのような適用先を想定した大型の発光マーカーは無かった。本実施の形態に係るマーカー１００においては、チップ型の発光ダイオード３を用いることにより、装着を容易とし消費電力を低減することが可能となるので、容易に大型化できる。従って、変位量の比較的大きなアプリケーションにおいて十分な精度で測定することが可能となる。
【００２２】
＜実施の形態２＞
図５〜７は、発光ダイオード３としてチップ型のものを用い多面体状物体１として３２面体を用いた場合のマーカー１００の輝度プロファイルの測定例を示したものである。図５〜７において、横軸はピクセルを表し、縦軸は光量レベルを表している。また、図５〜７においては、光拡散板７の光線透過率がそれぞれ異なっている。すなわち、図５〜７においては、光線透過率は、８６％、５８％、そして３７％と、順に低くなっている。
【００２３】
この光線透過率は、対象物の所定の面に光線を入射させた場合に、入射させた面の反対側の面に到達する全ての光の光量を、入射光量で割ったものである。入射された光は、対象物を直接に透過する場合には直接光として反対側の面に到達する。また、対象物内で１回以上の散乱を経た散乱光は、その一部が反対側の面に到達する。反対側の面に到達したこのような散乱光を透過散乱光と呼ぶことにすると、光線透過率は、直接光の光量と透過散乱光の光量との和を入射光量で割ったものであると言い換えられる。
【００２４】
一般的な光拡散板においては、光線透過率が低いということは、直接光に対する散乱光の割合が高い（高拡散）ことを意味し、逆に、光線透過率が高いということは、散乱光に対する直接光の割合が高い（低拡散）ことを意味する。
【００２５】
なお、上記の光線透過率は、ニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）等の光を減衰させるためのものに対しても同様の定義がなされる。しかし、フィルタ（特にＮＤフィルタ）においては、直接光に対する透過散乱光の割合がきわめて低いので、光線透過率はすなわち入射光量に対する直接光の割合を示す場合がある。つまり、光線透過率は、フィルタにおいては、遮光性能を表すものである場合がある。
【００２６】
図５，６においては、各発光ダイオード３による直接光が測定されるので、輝度プロファイルは、特徴点位置の算出演算に適さないいびつな形状となっている。それに対して、図７においては、各発光ダイオード３による直接光はもはや検出されないので、輝度プロファイルは、特徴点位置の算出演算に適したほぼ均一な形状となっている。図６において光線透過率が５８％の場合には拡散度が不足し、図７において光線透過率が３７％の場合には十分拡散されているので、光拡散板７を均一に発光させるために必要な光線透過率は、概ね４０％以下であることが分かる。このような光拡散板７を用いることにより、マーカー１００の輝度プロファイルの形状を均一にすることができるので、マーカー１００の回転や傾きが発生した場合であっても十分な測定精度を得ることができる。
【００２７】
また、上記のような光線透過率を有する光拡散板７の材質としては、プラスチックやガラスなどが考えられるが、軽量化するためには、プラスチックであることが望ましい。また、プラスチックを用いることにより、マーカー１００が落下等により破損した場合における飛散の恐れを低減し安全性を高めることができる。
【００２８】
＜実施の形態３＞
図８は、実施の形態３に係る三次元計測用のマーカー２００を示す構成図である。
【００２９】
図８は、図１において、発光ダイオード３を多面体状物体１上にではなく台座６上に配置し、多面体状物体１に代えて、球状の光拡散手段としての光拡散球８を固定軸５により台座６に固定したものである。光拡散球８は、図１における多面体状物体１と同様に、その中心が点４と一致するように配置されている。ここで、光拡散球８は、光拡散板７とは異なり、その内部に至るまで材料で充填されている。また、図８において、図１と同様の要素については同一の符号を付してしてあるので、それらのここでの詳細な説明は省略する。
【００３０】
発光ダイオード３から点４に向けて放射された光は、光拡散球８に達し、光拡散球８で散乱される。光拡散球８で散乱された光は、光拡散板７に達し、さらに光拡散板７においても散乱される。その結果、光拡散板７の表面の輝度をほぼ均一にすることができる。
【００３１】
このように、本実施の形態に係るマーカー２００は、多面体状物体１に代えて光拡散球８を用いるので、実施の形態１と同様の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１に係る三次元計測用マーカーを示す構成図である。
【図２】実施の形態１に係る三次元計測用マーカーを示す構成図である。
【図３】実施の形態１に係る三次元計測用マーカーの特性を示すグラフである。
【図４】実施の形態２に係る三次元計測用マーカーの特性を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る三次元計測用マーカーの特性を示すグラフである。
【図６】実施の形態２に係る三次元計測用マーカーの特性を示すグラフである。
【図７】実施の形態２に係る三次元計測用マーカーの特性を示すグラフである。
【図８】実施の形態３に係る三次元計測用マーカーを示す構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  多面体状物体、２  面、３  発光ダイオード、４  点、５  固定軸、６  台座、７  光拡散板、８  光拡散球、１００，２００  マーカー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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