(57)【要約】  モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスおよびその設計方法が提供される。一構成では、デバイスは、取付け面を備える取付け本体を備える。複数の発光ユニットが、取付け面のそれぞれの取付け部分に取り付けられている。制御システムは、発光ユニットの選択されたサブセットから同時に光が放出されるように、複数の発光ユニットを制御する。取付け面には、複数の光学素子が取り付けられている。各光学素子は、発光ユニットのうちの異なる１つをカバーし、光学素子の内面が発光ユニットの外面から分離されるように構成される。各光学素子は、光学素子によってカバーされた発光ユニットによって放出された光の一部を、発光ユニットの取付け部分により平行になるようにリダイレクトする。
2021533391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスであって、
取付け面を備える取付け本体と、
各発光ユニットが、前記取付け面のそれぞれの取付け部分に取り付けられている、複数の発光ユニットと、
前記複数の発光ユニットによる発光を制御するように構成された制御システムであって、前記発光ユニットのサブセットを選択することと、残りの前記発光ユニットが発光しない一方で、発光ユニットの前記選択されたサブセットから同時に光が放出されるように、前記複数の発光ユニットを制御することとを行うように構成される、制御システムと、
前記取付け面に取り付けられ、前記取付け面から突き出ている複数の光学素子であって、各光学素子が内面と外面を有する、複数の光学素子と、
を備え、
各光学素子が、前記発光ユニットのうちの異なる１つをカバーし、前記光学素子の前記内面が前記発光ユニットの外面から分離されるように構成され、
各光学素子が、前記光学素子によってカバーされた前記発光ユニットによって放出された光の少なくとも一部を、前記発光ユニットが取り付けられている前記取付け部分により平行になるようにリダイレクトするように構成される、アクティブマーカデバイス。
【請求項２】
前記発光ユニットのうちの１つの前記取付け部分が、少なくとも１つの他の発光ユニットの前記取付け部分と同一平面上にある、請求項１に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項３】
前記光学素子のうちの１つまたは複数の各々が、前記発光ユニットと前記光学素子の前記内面との間を伝搬する光の分布に対して、前記発光ユニットによって放出される全光の５０％を含む最小の立体角のサイズを大きくするように、前記光学素子によってカバーされる前記発光ユニットによって放出される光をリダイレクトするように構成される、請求項１または２に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項４】
前記光学素子のうちの１つまたは複数の各々が、前記光学素子によってカバーされる前記発光ユニットによって放出される光を、前記発光ユニットによって放出される全光の５０％を含む最小の立体角が、π／２ステラジアンより大きくなるようにリダイレクトするように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項５】
各光学素子の前記内面および前記光学素子によってカバーされる前記発光ユニットの前記取付け部分が、前記発光ユニットを囲む閉じたボリュームを一緒に形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項６】
前記光学素子のうちの１つまたは複数の各々がフィルタを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項７】
前記フィルタが、他の波長の光よりも赤外線を通過させるように構成される、請求項６に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項８】
前記制御システムが、前記発光ユニットをパルスするように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項９】
前記制御システムが、外部信号に基づいて前記発光ユニットのパルシングを制御する、請求項８に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１０】
外部ソースから前記外部信号を受信するための無線周波数受信機をさらに備える、請求項９に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１１】
前記発光ユニットのうちの１つまたは複数の各々が、発光ダイオードを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１２】
各発光ユニットが、
光を生成するように構成された光生成コンポーネントと、
前記光生成コンポーネントと一体でそれを封入する透過性カプセル化部材と、
を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１３】
前記光生成コンポーネントが発光ダイオードを備える、請求項１２に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１４】
前記発光ユニットのうちの１つまたは複数の各々が、主に赤外線を放射するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１５】
前記取付け面が平面である、請求項１から１４のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１６】
前記取付け面に平行なすべての視線方向について、前記光学素子のうちの少なくとも２つが互いに重なり合う、請求項１５に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１７】
前記発光ユニットのうちのすべての前記取付け部分が同一平面上にある、請求項１から１６のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１８】
前記複数の発光ユニットが、少なくとも４つの発光ユニットを備え、
前記発光ユニットの前記選択されたサブセットが、少なくとも３つの発光ユニットを備え、
前記取付け面上の前記発光ユニットの配置が、発光ユニットの前記選択されたサブセットによって形成される空間パターンが、前記アクティブマーカデバイスのすべての可能な並進と回転について、少なくとも３つの発光ユニットの任意の他の可能なサブセットによって形成される空間パターンと識別できるようなものである、請求項１から１７のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項１９】
モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスであって、
取付け面を備える取付け本体と、
各発光ユニットが、前記取付け面のそれぞれの取付け部分に取り付けられている、少なくとも４つの発光ユニットと、
前記少なくとも４つの発光ユニットによる発光を制御するように構成された制御システムであって、前記発光ユニットのうちの少なくとも３つのサブセットを選択することと、残りの前記発光ユニットが発光しない一方で、発光ユニットの前記選択されたサブセットから同時に光が放出されるように、前記少なくとも４つの発光ユニットを制御することとを行うように構成される、制御システムと、
を備え、
前記取付け面上の前記発光ユニットの配置が、発光ユニットの前記選択されたサブセットによって形成される空間パターンが、前記アクティブマーカデバイスのすべての可能な並進と回転について、少なくとも３つの発光ユニットの任意の他の可能なサブセットによって形成される空間パターンと識別できるようなものである、アクティブマーカデバイス。
【請求項２０】
発光ユニットの前記選択されたサブセットによって形成される前記空間パターンが、前記アクティブマーカデバイスのすべての可能な並進または回転の下でそれ自体と識別可能である、請求項１８または１９に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２１】
前記取付け面上の前記発光ユニットの前記配置が３つ未満の対称性を有する、請求項１８から２０のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２２】
前記取付け面上の前記発光ユニットの前記配置が同一性以外の回転対称性を持たない、請求項１８から２１のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２３】
前記取付け面上の前記発光ユニットの前記配置が同一性以外の反射対称性を持たない、請求項１８から２２のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２４】
前記制御システムが、前記選択されたサブセットによって形成される空間パターンが同一性以外の反射対称性を持たないように、発光ユニットの前記サブセットを選択するように構成される、請求項１８から２３のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２５】
前記制御システムが、前記選択されたサブセットによって形成される空間パターンが同一性以外の回転対称性を持たないように、発光ユニットの前記サブセットを選択するように構成される、請求項１８から２４のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２６】
前記取付け面上の発光ユニットの数および前記発光ユニットの前記配置が、少なくとも３つの発光ユニットのサブセットによって少なくとも５つの異なる空間パターンを形成することができるようなものである、請求項１８から２５のいずれか一項に記載のアクティブマーカデバイス。
【請求項２７】
モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスを設計するコンピュータ実装方法であって、前記アクティブマーカデバイスが、
取付け面を備える取付け本体と、
前記取付け面に取り付けられた少なくとも４つの発光ユニットと、
を備え、
前記コンピュータ実装方法が、
ａ）前記取付け面上の前記発光ユニットの初期の位置のセットを選択するステップと、
ｂ）前記初期の位置のセットの自己類似性を決定するステップと、
ｃ）摂動された位置のセットを生成するために、前記初期の位置のセットを変更するステップと、
ｄ）前記摂動された位置のセットの自己類似性を決定するステップと、
ｅ）前記初期の位置のセットの前記決定された自己類似性と前記摂動された位置のセットの前記決定された自己類似性との間の比較に基づいて、前記初期の位置のセットまたは前記摂動された位置のセットを新しい初期の位置のセットとして選択するステップと、
ｆ）あらかじめ定められた終了条件が満たされるまで、ステップｃ）からｅ）を繰り返すステップと、
を備える、コンピュータ実装方法。
【請求項２８】
ステップａ）が、前記取付け面上の前記発光ユニットの許容位置のあらかじめ定められたメッシュから前記発光ユニットの前記初期の位置の各々を選択するステップを備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
ステップａ）が、発光ユニットの各ペアの間の最小距離があらかじめ定められたしきい値を超えるように前記発光ユニットの前記初期の位置のセットを選択するステップを備える、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
ステップｃ）において生成された前記摂動された位置のセットが、前記取付け面上の前記発光ユニットの許容位置のあらかじめ定められたメッシュから選択された位置である、請求項２７から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
ステップｃ）が、前記発光ユニットのうちの１つまたは複数を、その現在の位置から許容位置の前記メッシュから選択された隣接位置に移動させるステップを備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
ステップｃ）が、前記発光ユニットのうちの１つまたは複数を、その現在の位置から許容位置の前記メッシュからランダムに選択された位置に移動させるステップを備える、請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
ステップｂ）およびｄ）における位置のセットの前記自己類似性を決定する前記ステップが、
位置の前記セットから発光ユニットのＣ位置の第１のサブセットを選択するステップであって、Ｃが正の整数である、ステップと、
位置の前記セットから発光ユニットのＣ位置の第２のサブセットを選択するステップと、
前記第１および第２のサブセットの類似性を決定するステップと、
を備える、請求項２７から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１および第２のサブセットの前記類似性を決定する前記ステップが、前記第１および第２のサブセットのうちの１つを前記第１および第２のサブセットの他方に対して回転および並進することのいずれかまたは両方によって、位置の前記第１のサブセットと位置の前記第２のサブセットとの間の差の最小二乗最小化を実行するステップを備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１および第２のサブセットの前記類似性を決定する前記ステップが、Ｃ位置の前記第１のサブセットの各位置とＣ位置の前記第２のサブセットの対応する位置との間の距離を備える距離のセットを決定するステップと、距離の前記セットから最小の距離を選択するステップとを備える、請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項３６】
第１および第２のサブセットを選択する前記ステップ、および前記第１および第２のサブセットの前記類似性を決定する前記ステップが、位置の前記セット内の発光ユニットのＣ位置のすべての可能なサブセットに対して繰り返される、請求項３３から３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
第１および第２のサブセットを選択する前記ステップ、および前記第１および第２のサブセットの前記類似性を決定する前記ステップが、２つ以上の異なるＣの値に対して繰り返される、請求項３３から３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
ステップｅ）が、前記摂動された位置のセットの前記決定された自己類似性が前記初期の位置のセットの前記決定された自己類似性以下である場合に、前記摂動された位置のセットを選択するステップを備える、請求項２７から３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
ステップｅ）が、前記摂動された位置のセットの前記決定された自己類似性が前記初期の位置のセットの前記決定された自己類似性よりも大きい場合、前記初期の位置のセットの前記決定された自己類似性と、前記摂動された位置のセットの前記決定された自己類似性との間の差に依存する確率で、前記摂動された位置のセットを選択するステップを備える、請求項２７から３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記摂動された位置のセットを選択する前記確率が、ステップｆ）の繰返しの数が増加するにつれて減少する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
ステップｅ）が、前記摂動された位置のセット内の位置の任意のペア間の距離があらかじめ定められたしきい値未満である場合に、前記初期の位置のセットを選択するステップを備える、請求項２７から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記初期の位置のセットの前記自己類似性があらかじめ定められたしきい値を下回る場合、前記あらかじめ定められた終了条件が満たされる、請求項２７から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記あらかじめ定められた回数の繰返しが実行された場合、前記あらかじめ定められた終了条件が満たされる、請求項２７から４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスを製造する方法であって、
請求項２７から４３のいずれか一項に記載の方法を使用してアクティブマーカデバイスを設計するステップと、
前記設計されたアクティブマーカデバイスを製造するステップと、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイス、およびアクティブマーカデバイスを設計する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モーションキャプチャおよびモーショントラッキングシステムは、映画やビデオゲームの設計から、歩行分析などの医療用途まで、様々な用途において使用されている。これらのシステムは通常、被験者の体の様々な部分に取り付けられたマーカの位置を追跡することによって機能する。マーカは、モーションキャプチャボリュームの周囲に配置された複数のカメラを使用して被験者の画像をキャプチャすることと、異なるカメラによって記録されたビデオフレームを比較することによってボリューム内のマーカの３次元位置を推定することとを行うことによって、光学的に追跡することができる。モーショントラッキングシステムは、マーカの位置、およびカメラと被験者の体へのマーカの配置に関する既存の知識を使用して、被験者の位置および姿勢を時間の関数として決定することができる。
【０００３】
使用されるマーカは、パッシブマーカとアクティブマーカに大まかに分けることができる。パッシブマーカは、モーションキャプチャボリュームの周囲の光源から放出された光を反射し、キャプチャされた画像において明るく表示されるため、容易に識別することができる。アクティブマーカはそれ自体が発光するため、キャプチャされた画像において識別することが可能である。
【０００４】
光学マーカを使用するモーショントラッキングシステムの問題は、モーショントラッキングシステムのカメラがマーカを見失う可能性があることである。これは、モーションキャプチャボリューム内のオブジェクトまたは被験者の体の一部によってマーカが遮られていることが原因である可能性がある。マーカは特定のカメラの反対側を向いている場合もあるため、マーカによって放出または反射された光はそのカメラに到達することができない。これは、マーカが記録時間の一部またはすべての間、カメラのサブセットにのみ表示される可能性があることを意味し、これにより、そのマーカの位置を決定できる精度が低下する。さらに、マーカが特定のカメラに再び表示されるようになると、モーショントラッキングシステムがそのカメラからのビデオ内のマーカを識別し、被験者の位置および姿勢を決定する際にその位置を使用して再開することができるようになるまでに数フレームかかる場合がある。これにより、モーショントラッキングシステムの精度およびパフォーマンスがさらに低下する。
【０００５】
これらの問題は、モーショントラッキングシステムにより多くのカメラとマーカを提供することによって対処することができる。これは、被験者のモーショントラッキングを正確かつ確実に実行するために、十分な数のマーカが十分に多数のカメラに継続的に表示される可能性が高いことを意味する。しかしながら、より多くのカメラとマーカを提供すると、システムのコストが増加し、モーショントラッキングセッションのセットアップに必要な時間が増加する。したがって、必要なカメラとマーカの数を増やすことなく、これらの問題に対処する方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、モーショントラッキングシステムにおいて使用するための改良されたアクティブマーカデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、取付け面を備える取付け本体と、各発光ユニットが、取付け面のそれぞれの取付け部分に取り付けられている、複数の発光ユニットと、複数の発光ユニットによる発光を制御するように構成された制御システムであって、発光ユニットのサブセットを選択することと、残りの発光ユニットが発光しない一方で、発光ユニットの選択されたサブセットから同時に光が放出されるように、複数の発光ユニットを制御することとを行うように構成される、制御システムと、取付け面に取り付けられ、取付け面から突き出ている複数の光学素子であって、各光学素子は内面と外面を有する、複数の光学素子とを備え、各光学素子は、発光ユニットのうちの異なる１つをカバーし、光学素子の内面が発光ユニットの外面から分離されるように構成され、各光学素子は、光学素子によってカバーされた発光ユニットによって放出された光の少なくとも一部を、発光ユニットが取り付けられている取付け部分により平行になるようにリダイレクトするように構成される、モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスが提供される。
【０００８】
光学素子により、放出された光が確実に広範囲の角度に効率的に拡散される。したがって、マーカが広範囲の角度および位置にわたってしっかりと識別されることを可能にするデバイスが提供される。これにより、モーショントラッキングシステムのカメラからマーカが遮られる可能性が低くなる。発光ユニットのサブセットから光を放出することによって、デバイスは異なるパターンの光を生成することができる。これにより、同じ被験者に配置された複数のデバイスを、モーショントラッキングシステムによって一意に識別することができるようになる。
【０００９】
一実施形態では、各光学素子の内面および光学素子によってカバーされる発光ユニットの取付け部分は、発光ユニットを囲む閉じたボリュームを一緒に形成する。したがって、デバイスの構造は単純化され、光学素子はまた、発光ユニットを保護することができる。
【００１０】
一実施形態では、光学素子のうちの１つまたは複数の各々はフィルタを備える。したがって、デバイスによって放出される光の波長をより容易に制御することができ、マーカをカメラによってよりしっかりと識別することができるようになる。フィルタはまた、発光ユニットがデバイス上で特定の色を表示することを可能にする美的機能を実行し得る。
【００１１】
一実施形態では、制御システムは、発光ユニットをパルスするように構成される。したがって、マーカはまた、モーショントラッキングシステムのカメラによるフレームのキャプチャと同期してのみオンになるように構成され得る。これにより、発光ユニットがアクティブ化される時間が短縮され、それによってデバイスの消費電力が削減される。これにより、消費電力を抑えながら発光体をより明るくすることができ、それによって発光体が見える範囲が広がる。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、取付け面を備える取付け本体と、各発光ユニットが、取付け面のそれぞれの取付け部分に取り付けられている、少なくとも４つの発光ユニットと、複数の発光ユニットによる発光を制御するように構成された制御システムであって、発光ユニットのうちの少なくとも３つのサブセットを選択することと、残りの発光ユニットが発光しない一方で、発光ユニットの選択されたサブセットから同時に光が放出されるように、複数の発光ユニットを制御することとを行うように構成される、制御システムとを備え、取付け面上の発光ユニットの配置は、発光ユニットの選択されたサブセットによって形成される空間パターンが、デバイスのすべての可能な並進と回転について、少なくとも３つの発光ユニットの任意の他の可能なサブセットによって形成される空間パターンと識別可能であるようなものである、モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスが提供される。
【００１３】
したがって、デバイスによって放出される光の可能なパターンが互いに容易に識別可能であるデバイスが提供される。これは、複数のデバイスが使用されている場合、各デバイスは、カメラによってキャプチャされた単一のフレーム内の発光ユニットの空間パターンによって一意に識別できることを意味する。したがって、システムは、マーカからのパルスの時間的コーディングなどの他の識別方法に依存せず、マーカの位置は、それが遮られた期間の後に、より迅速に再確立することができる。
【００１４】
一実施形態では、発光ユニットの選択されたサブセットによって形成される空間パターンは、デバイスのすべての可能な並進または回転の下でそれ自体と識別可能である。したがって、モーショントラッキングシステムのカメラからキャプチャされた画像において、マーカの位置だけでなく向きも迅速に識別できるデバイスが提供される。
【００１５】
一実施形態では、取付け面上の発光ユニットの数および発光ユニットの配置は、少なくとも３つの発光ユニットのサブセットによって少なくとも５つの異なる空間パターンを形成することができるようなものである。したがって、いくつかの識別可能なパターンが可能であるデバイスが提供され、複数のマーカデバイスが同時に使用され、互いに容易に識別されることが可能になる。
【００１６】
本発明の第３の態様によれば、モーショントラッキングシステムにおいて使用するためのアクティブマーカデバイスを設計するコンピュータ実装方法が提供され、アクティブマーカデバイスは、取付け面を備える取付け本体と、取付け面に取り付けられた少なくとも４つの発光ユニットとを備え、本方法は、ａ）取付け面上の発光ユニットの初期の位置のセットを選択するステップと、ｂ）初期の位置のセットの自己類似性を決定するステップと、ｃ）摂動された位置のセットを生成するために、初期の位置のセットを変更するステップと、ｄ）摂動された位置のセットの自己類似性を決定するステップと、ｅ）初期の位置のセットの決定された自己類似性と摂動された位置のセットの決定された自己類似性との間の比較に基づいて、初期の位置のセットまたは摂動された位置のセットを新しい初期の位置のセットとして選択するステップと、ｆ）あらかじめ定められた終了条件が満たされるまで、ステップｃ）からｅ）を繰り返すステップとを備える。
【００１７】
したがって、デバイスによって生成される可能なパターンの識別可能性を最適化することができる方法が提供される。本方法により、発光体の位置を、異なる形状のマーカデバイスおよび異なる数の発光体に対して効率的に最適化することができる。
【００１８】
一実施形態では、ステップａ）は、発光ユニットの各ペアの間の最小距離があらかじめ定められたしきい値を超えるように発光ユニットの初期の位置のセットを選択するステップを備える。したがって、位置の最適化が発光体の配置に関する制約を考慮に入れることができる方法が提供される。これにより、マーカの取付け面に他の機能が存在する場合の設計プロセスが簡素化される。
【００１９】
一実施形態では、ステップｂ）およびｄ）における位置のセットの自己類似性を決定するステップは、位置のセットから発光ユニットのＣ位置の第１のサブセットを選択するステップであって、Ｃが正の整数である、ステップと、位置のセットから発光ユニットのＣ位置の第２のサブセットを選択するステップと、２つのサブセットの類似性を決定するステップとを備える。したがって、発光体のサブセットの識別可能性が最適化される方法が提供される。これは、同じモーショントラッキングシステムにおいて複数のデバイスが同時に使用されている場合に、異なるサブセットの誤認を防ぐのに役立つ。
【００２０】
一実施形態では、ステップｅ）は、摂動された位置のセットの決定された自己類似性が初期の位置のセットの決定された自己類似性以下である場合に、摂動された位置のセットを選択するステップを備える。したがって、位置のセットの識別可能性が繰り返し改良される方法が提供される。これにより、最適化のための効率的で容易に実装されるプロセスが提供される。
【００２１】
一実施形態では、ステップｅ）は、摂動された位置のセットの決定された自己類似性が初期の位置のセットの決定された自己類似性よりも大きい場合、初期の位置のセットの決定された自己類似性と、摂動された位置のセットの決定された自己類似性との間の差に依存する確率で、摂動された位置のセットを選択するステップを備える。したがって、最適化プロセスが、位置の関数としての識別可能性の変化における局所的な勾配に必ずしも従わない方法が提供される。これにより、最適化によって、局所的な最大識別可能性ではなく、グローバルな最大識別可能性が得られる可能性が高くなる。
【００２２】
一実施形態では、ステップｅ）は、摂動された位置のセット内の位置の任意のペア間の距離があらかじめ定められたしきい値未満である場合に、初期の位置のセットを選択するステップを備える。したがって、発光体があまり接近して配置されず、モーショントラッキングシステムのカメラによって常に別個の発光体として解決することができる方法が提供される。
【００２３】
次に、本発明の実施形態を、例としてのみ、対応する参照記号が対応する部品を表す以下の添付の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】例示的なモーショントラッキングシステムを示す図である。
【図２】本発明の第１および第２の態様の実施形態の等角図である。
【図３】図２の実施形態の上面図である。
【図４】図２の実施形態の側面図である。
【図５】図２の実施形態の上面断面図である。
【図６】本発明の実施形態において使用される光学素子の側面図である。
【図７】本発明の実施形態において使用される光学素子の第２の側面図である。
【図８】本発明の第３の態様の実施形態におけるステップを示す流れ図である。
【図９】図８の方法におけるステップのさらなる詳細を示す流れ図である。
【図１０】図８の方法における決定ステップのさらなる詳細を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に説明する図および実施形態では、本発明の第１および第２の態様の特徴は、同じアクティブマーカデバイス内で組み合わせて提供される。したがって、本明細書に示される実施形態は、第１の態様によって提供される発光体の改良された視認性の利点と、第２の態様によって提供される改良された識別可能性の利点を組み合わせる。しかしながら、これらの機能を組み合わせて提供する必要はなく、必要に応じて個別に提供することもできる。本発明の第２の態様によるアクティブマーカデバイスを設計するために、本発明の第３の態様によって提供される方法が使用され得る。本方法はまた、他のアクティブマーカデバイスの改良されたデザインを作成するために使用され得る。
【００２６】
モーショントラッキングシステム３０において使用するために、アクティブマーカデバイス２が提供される。モーショントラッキングシステムの例が図１に示されている。例示的なモーショントラッキングシステム３０は、モーションキャプチャボリューム２８内に配置された複数のカメラ２０、トランシーバ２２、コントローラ２４、コンピュータ２６、および複数のアクティブマーカデバイス２を備える。トランシーバ２２は、モーショントラッキングシステム３０の異なるコンポーネントの動作をワイヤレスで同期するために使用される。カメラ２０は、モーションキャプチャボリューム２８のビデオを記録する。カメラ２０は、たとえば、画像をしきい値化してそれらを圧縮し、各画像を表すために使用されるデータの量を減らすことによって、ビデオに対して処理を実行し得る。ビデオは、コントローラ２４およびコンピュータ２６に送信される。コンピュータ２６は、カメラ２０の各々によってキャプチャされたビデオのフレームの各々に対して処理を実行する。そうすることによって、コンピュータ２６は、モーションキャプチャボリューム２８内のマーカデバイス２の各々の位置を計算することができる。
【００２７】
アクティブマーカデバイス２の実施形態が、図２から図５の異なる視野角から示されている。アクティブマーカデバイス２は、取付け本体３を備える。取付け本体３は、プラスチックまたは金属などの任意の適切な材料から形成されている。取付け本体３は、取付け面４を備える。取付け本体３は、アクティブマーカデバイス２が適用される用途に適した任意の形状を有し得る。たとえば、取付け本体３は、取扱い、輸送、および保管を容易にするために、小さい規則的な形状（たとえば、正方形）であり得る。あるいは、取付け本体３は、被験者への固定を容易にし、および／または使用中の被験者の快適さを高めるために、肢または体の一部の形状に適合し得る。さらなる代替案として、取付け本体３は、別のタイプの物体、たとえば、銃または剣として形作られ得、これは、モーショントラッキングシステムがフィルムまたはビデオゲームの設計に使用されるときに特に興味深い可能性がある。
【００２８】
取付け面４は、取付け本体３の任意の適切な表面である。異なる実施形態では、取付け面は、様々な異なる形状およびサイズを有することができる。一実施形態では、取付け面４は平面である。別の実施形態では、取付け面４は湾曲している。
【００２９】
デバイス２は、複数の発光ユニット６をさらに備え、各発光ユニット６は、取付け面４のそれぞれの取付け部分８に取り付けられている。一実施形態では、発光ユニット６のうちの１つまたは複数の各々の各々は発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。ＬＥＤは効率的な発光体であり、同等の明るさの他の発光体よりも消費電力が少ない。一実施形態では、アクティブマーカデバイス２は電池式であり、発光ユニット６に電力を供給するための電池を備える。発光体としてのＬＥＤの使用は、デバイス２が電池の充電の間に使用することができる時間を延長するので、この実施形態において特に有利である。一実施形態では、発光ユニット６のうちの１つまたは複数の各々は、主に赤外線を放射するように構成される。赤外線は一般的なカメラシステムで検出することができるが、人間の被験者には見えない。これは、追跡されている被験者、またはモーショントラッキングシステム３０のオペレータにとって、赤外線の使用をより邪魔にならない、および／または気を散らすものにする。一実施形態では、デバイス２は、少なくとも４つの発光ユニット６、任意で少なくとも６つの発光ユニット６、任意で少なくとも８つの発光ユニット６を備える。
【００３０】
一実施形態では、各発光ユニット６は、光を生成するように構成された光生成コンポーネントと、光生成コンポーネントと一体でそれを封入する透過性カプセル化部材とを備える。透過性カプセル化部材は、アクティブマーカデバイス２の送達および組立て中に光生成コンポーネントを保護し得る。一実施形態では、透過性カプセル化部材はまた、光学的機能を提供し、たとえば、光生成コンポーネントからの光を拡散して、透過性カプセル化部材と光学素子との組合せによって提供される光の拡散がさらに改善される。一実施形態では、光生成コンポーネントは、ＬＥＤを備える。
【００３１】
一実施形態では、発光ユニット６のうちの１つの取付け部分８は、少なくとも１つの他の発光ユニット６の取付け部分と同一平面上にある。任意で、各発光ユニット６の取付け部分８は、他のすべての発光ユニット６の取付け部分８と同一平面上にある。発光ユニット６を平面に取り付けることにより、アクティブマーカデバイス２の構造を単純化することができる。
【００３２】
デバイス２は、複数の光学素子１０をさらに備える。各光学素子１０は、取付け面４のそれぞれの取付け部分８に取り付けられた複数の発光ユニット６のうちの異なる１つをカバーする。光学素子１０は、所望の波長の光を透過するガラスまたはプラスチックなどの任意の適切な材料から形成される。一実施形態では、光学素子１０は、ポリカーボネートを備える。
【００３３】
光学素子１０は、発光ユニット６をカバーするために取付け面４に取り付けられている。一実施形態では、光学素子１０は、インサート成形を用いて取付け面４に取り付けられている。一実施形態では、光学素子は、発光ユニット６に対して光学素子１０を配置するために、取付け面４の穴９に挿入することができるペグ１７を備える。これは、光学素子１０が発光体６に対して正しく配置されることを確実にし、デバイス２の組立てを単純化する。一実施形態では、光学素子はそれぞれ、取付け面に別々に取り付けられる。代替の実施形態では、１つまたは複数の光学素子を、取付け面に取り付けられた単一のコンポーネントに統合することができる。これにより、複数の光学素子を同時に取り付けることができ、製造プロセスの複雑さを軽減する。
【００３４】
図６は、発光ユニット６をカバーする光学素子１０の例を示している。発光ユニット６は、取付け面４の取付け部分８に取り付けられ、外面７を有する。光学素子１０は、内面１４および外面１２を有する。光学素子１０は、光学素子の内面１４が発光ユニットの外面７から分離されるように構成されている。一実施形態では、取付け面４に平行なすべての視線方向について、光学素子１０のうちの少なくとも２つが互いに重なり合う。
【００３５】
図７に示されるように、各光学素子１０は、光学素子１０によってカバーされた発光ユニット６によって放出された光の少なくとも一部を、発光ユニット６が取り付けられている取付け部分８により平行になるようにリダイレクトするように構成される。したがって、発光ユニット６から放出された光は、光学素子１０が存在しない場合よりも広い割合の光がより広い範囲の角度にわたって分配されるように分散される。
【００３６】
アクティブマーカデバイス２がモーショントラッキングシステム３０において使用される場合、発光ユニット６からの光は、アクティブマーカデバイス２の位置および向きが決定されるように、モーショントラッキングシステム３０のカメラ２０のうちのいくつかに到達しなければならない。発光ユニット６からの光を拡散することにより、任意の所与のカメラ２０に対して、より広い範囲の角度および位置にわたってアクティブマーカデバイス２を検出することが可能になる。図７の例では、光学素子１０がない場合、発光ユニット６からの光は、破線によって示される領域全体に広がるであろう。光学素子１０がない場合、カメラ２０は、アクティブマーカデバイス２によって放出された光を検出することができないであろう。光学素子１０がある場合、光は実線によって示される領域に広がる。したがって、カメラ２０は、アクティブマーカデバイス２を検出することができる。
【００３７】
この機能は、カメラ２０に対するアクティブマーカデバイス２のより広い範囲の向きについて、アクティブマーカデバイス２が所与のカメラ２０によって検出されることを可能にするので、マーカデバイスを見失う問題を解決するために役立つ。これにより、特定のカメラ２０がマーカデバイス２を見失う可能性が低くなる。これは、アクティブマーカデバイス２が、モーショントラッキング期間中により長い割合の時間にわたって追跡され得、その位置および向きの決定の精度を改良することを意味する。それはまた、マーカがより大きい割合の時間にわたって各カメラ２０に見えるので、所与のレベルの精度を提供するためにモーショントラッキングシステムにおいて必要とされるカメラ２０がより少ないことを意味する。
【００３８】
一実施形態では、光学素子１０のうちの１つまたは複数の各々は、発光ユニットと光学素子１０の内面との間を伝搬する光の分布に対して、発光ユニット６によって放出される全光の５０％を含む最小の立体角のサイズを大きくするように、光学素子１０によってカバーされる発光ユニット６によって放出される光をリダイレクトするように構成される。一実施形態では、光学素子１０のうちの１つまたは複数の各々は、光学素子１０によってカバーされる発光ユニット６によって放出される光を、発光ユニットによって放出される全光の５０％を含む最小の立体角が、π／２ステラジアンより大きく、任意でπステラジアンより大きく、任意で３π／２ステラジアンより大きく、任意で６ステラジアンより大きくなるようにリダイレクトするように構成される。
【００３９】
光学素子１０からの光の拡散はまた、光学素子１０の外側の角度の関数としての配光の半値全幅（ＦＷＨＭ）を使用して特徴付けられ得る。それぞれの発光ユニット６の取付け部分８の法線から離れる角度の関数としての光学素子１０を出る光の強度の分布のＦＷＨＭは、６０度より大きくてもよく、任意で９０度より大きくてもよく、任意で１２０度より大きくてもよく、任意で１５０度より大きくてもよい。
【００４０】
一実施形態では、各光学素子１０の内面１４と、光学素子１０によってカバーされる発光ユニット６の取付け部分８は、発光ユニット６を囲む閉じたボリューム１６を一緒に形成する。そのような配置は、衝撃による損傷、または液体または汚れの侵入を防ぐことによって、発光ユニット６を保護することができる。
【００４１】
一実施形態では、光学素子１０のうちの１つまたは複数の各々はフィルタを備える。このフィルタは、ある波長の光を吸収し、他の波長の光を透過する光学フィルタである。一実施形態では、フィルタは、光学素子１０の表面のうちの１つの上のコーティングであり、任意で外面１２である。一実施形態では、光学素子１０の材料は、本質的に光をフィルタリングするように選択される。任意で、フィルタは、他の波長の光よりも赤外線を通過させるように構成される。これは、発光体６を隠すことによって美的効果を提供することができる。また、たとえ発光ユニット６がより広い波長範囲の光を放出する場合でも、デバイス２から放出される光を特定の波長範囲に制限することができる。
【００４２】
デバイス２は、複数の発光ユニット６による発光を制御するように構成された制御システムであって、発光ユニット６のサブセットを選択することと、残りの発光ユニット６が発光しない一方で、選択された発光ユニット６のサブセットから同時に光が放出されるように、複数の発光ユニット６を制御することとを行うように構成される、制御システムをさらに備える。発光させるために発光ユニット６のサブセットのみを選択することによって、デバイス２は、発光体６の異なるサブセットを照らすことによって異なるパターンを生成することができる。これにより、同じモーショントラッキングシステム３０において同じ被験者に対して複数のデバイス２を同時に使用することができるようになる。各デバイス２の制御システムは発光体６の異なるサブセットを選択するので、デバイス２は、モーショントラッキングシステムのカメラ２０に対して互いに識別可能である。
【００４３】
一実施形態では、制御システムは、発光ユニット６をパルスするように構成される。発光ユニット６のパルシングは、パルシングの時間的符号化を使用して異なるデバイス２を識別する代替手段として使用することができる。また、発光体６が発光している時間を、モーショントラッキングシステム３０のカメラ２０によってキャプチャされたフレームのタイミングと同期させるためにパルシングを使用することができる。これは、カメラ２０によって検出されるためにそれらがアクティブである必要がある場合にのみ発光体６をオンにすることによって電力を節約する。一実施形態では、制御システムは、外部信号に基づいて発光ユニット６のパルシングを制御する。一実施形態では、外部信号は、モーショントラッキングシステム３０によって提供される。これにより、発光ユニット６のパルシングを、モーショントラッキングシステムのカメラ２０によってキャプチャされたフレームのタイミングなど、モーショントラッキングシステムの動作の他の態様と同期させることができる。一実施形態では、デバイス２は、外部ソースから外部信号を受信するための無線周波数受信機をさらに備える。無線周波数受信機は十分に開発されており、広く利用できるため、デバイスに簡単に統合することができる。外部信号は、無線周波数信号の代わりに、または無線周波数信号と組み合わせて、他のタイプの信号、たとえば、ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ、または光信号を備え得る。そのような実施形態では、デバイス２は、適切なタイプの信号を受信するために適した１つまたは複数の受信機を備える。
【００４４】
一実施形態では、外部信号はまた、制御システムによる発光ユニット６のサブセットの選択を調整するために使用される。同じモーショントラッキングシステム３０において使用されるアクティブマーカデバイス２の異なるものの制御システムが、発光ユニット６の異なるサブセットを選択することを確実にするために、外部信号を使用することができる。これにより、すべてのデバイス２が互いに識別可能であることが保証される。
【００４５】
上記で説明したように、モーショントラッキングシステムにおいてマーカを見失う問題の一部は、特定のカメラでマーカが再び表示されるようになると、マーカを識別するために数フレームのビデオが必要になる可能性があることである。これにより、マーカの位置を追跡するために使用できるフレームの数が減り、被験者の位置決定の精度が低下する。被験者の位置がリアルタイムで計算および報告されるリアルタイムアプリケーションでは、これにより待ち時間が長くなり、パフォーマンスが低下する。データ収集後に処理が行われるオフラインアプリケーションでは、これにより被験者の位置決定の精度と信頼性が低下する。
【００４６】
アクティブマーカデバイス２の実施形態は、取付け面４上の発光ユニット６の配置を注意深く選択することによって、マーカをより迅速に識別することを可能にする。したがって、デバイス２が少なくとも４つの発光ユニット６を備える実施形態では、取付け面４上の発光ユニット６の配置は、少なくとも３つの発光ユニット６のサブセットによって形成される空間パターンが、デバイスのすべての可能な並進と回転について、少なくとも３つの発光ユニット６の任意の他の可能なサブセットによって形成される空間パターンと識別可能であるようなものである。
【００４７】
この識別可能性は、デバイス２が、単一のビデオフレームのみを使用して、同じモーショントラッキングシステム３０において使用されている別の同様のデバイス２と識別できることを意味する。したがって、マーカの位置は、マーカがそのカメラに見えなかった期間の後、モーショントラッキングシステム３０の特定のカメラ２０によって可能な限り迅速に再獲得され得る。
【００４８】
一実施形態では、発光ユニット６のサブセットによって形成されるパターンはまた、デバイスのすべての可能な並進または回転の下でそれ自体と識別可能である。これは、同一性だけでなく、デバイス２の向きも、単一のビデオフレームのみを使用して再獲得できることを意味する。
【００４９】
発光ユニット６のサブセットの識別可能性は、部分的には、対称性がほとんどない取付け面４上の発光ユニットの配置に起因する。これは、発光ユニット６の第１のサブセットが、デバイスの回転または並進の下で、発光ユニット６の第２のサブセットに類似する可能性が低いことを意味する。一実施形態では、取付け面４上の発光ユニット６の配置は、３つ未満の対称性、任意で２つ未満の対称性を有する。一実施形態では、取付け面４上の発光ユニット６の配置は、同一性以外の回転対称性を持たない。一実施形態では、取付け面４上の発光ユニット６の配置は、同一性以外の反射対称性を持たない。
【００５０】
特定の対称性のないパターンを形成する発光ユニット６のサブセットを選択するように制御システムを構成することによって、誤認の可能性を減らすことができる。一実施形態では、制御システムは、選択されたサブセットによって形成される空間パターンが同一性以外の反射対称性を持たないように、発光ユニット６のサブセットを選択するように構成される。一実施形態では、制御システムは、選択されたサブセットによって形成される空間パターンが同一性以外の回転対称性を持たないように、発光ユニット６のサブセットを選択するように構成される。
【００５１】
同じモーショントラッキングシステム３０においてアクティブマーカデバイス２のうちのいくつかを使用できることが望ましい。したがって、各デバイス２は、発光ユニット６のサブセットを使用して、複数の識別可能な空間パターンを形成できなければならない。一実施形態では、取付け面４上の発光ユニット６の数および発光ユニット６の配置は、少なくとも３つの発光ユニットのサブセットによって少なくとも５つの異なる空間パターン、任意で、少なくとも１０の異なる空間パターン、任意で少なくとも２０の異なる空間パターン、任意で少なくとも４０の異なる空間パターンを形成することができるようなものである。
【００５２】
発光ユニット６のサブセットによって形成される異なる空間パターンの識別可能性は、本開示の第３の態様による反復設計方法を使用することによって改良することができる。図８は、本方法をまとめた流れ図を示している。本方法は、アクティブマーカデバイス２の取付け面４上の発光ユニット６の配置のコンピュータ実装設計を提供する。本方法は、ステップＳ１０において、取付け面４上の発光ユニット６の初期の位置のセットを選択するステップと、ステップＳ２０において、初期の位置のセットの自己類似性を決定するステップとを含む。初期の位置のセットは、ステップＳ３０において、摂動された位置のセットを生成するために摂動され、ステップＳ４０において、摂動された位置のセットの自己類似性が決定される。次いで、初期および摂動された位置のセットの自己類似性の比較に基づいて、初期または摂動された位置のセットのうちの１つが、新しい初期の位置のセットとしてステップＳ５０およびＳ６０において選択される。次いで、初期の位置のセットの摂動、摂動された位置のセットの自己類似性の決定、および初期および摂動された位置のセットのうちの１つの選択が、あらかじめ定められた終了条件が満たされるまで繰り返される。位置の各セットは、取付け面４上の発光ユニット６の配置を定義する。初期の位置のセットの自己類似性の決定を繰り返す必要はない。これは、元の初期セットの自己類似性として、または以前の摂動セットの自己類似性としてすでに知られているためである。
【００５３】
このように発光ユニット６の配置を徐々に変更することによって、発光ユニット６の配置の識別可能性を最適化することができる。これにより、発光ユニットのサブセットの識別可能性が最大化され、デバイス２の使用中に多くの異なるサブセットを選択できるようになり、サブセットが別のサブセットと間違われる可能性が低くなる。さらに、本方法は、コンピュータ上に効率的に実装することができ、その形状またはサイズに関係なく、任意の取付け面４上の任意の数の発光ユニット６に適用することができる。
【００５４】
一実施形態では、発光ユニット６の各位置は、座標の３次元セットを備える。一実施形態では、これらは、アクティブマーカデバイスの３次元モデルにおける座標である。一実施形態では、初期の位置のセットは、取付け面４上の発光ユニット６の許容位置のメッシュから選択される。許容位置のメッシュは、点のメッシュに分割された取付け面４の３次元モデルを使用して取得される。取付け面４上の発光ユニット６の実行可能な位置は、関連する構造上の考慮事項に基づいて識別される。次いで、取付け面４上の発光ユニット６の許容位置のメッシュが、取付け面４上の点のメッシュ内の点のサブセットとして選択される。
【００５５】
たとえば、取付け面４の曲がりすぎた部分に発光ユニット６を取り付けることができない場合がある。この場合、取付け面４の曲率が高い取付け面４上の点のメッシュ内の点は、発光ユニット６の許容位置のメッシュには含まれない。同様に、光学素子を含む実施形態では、上記のように、光学素子１０を取付け面４に取り付けるために、発光ユニット６の周囲に一定の空間が必要となる場合がある。したがって、取付け面４の端部に近すぎる、または取付け面４の他の特徴に近すぎる、取付け面４上の点のメッシュ内の点は、発光ユニット６の許容位置のメッシュに含まれない場合がある。
【００５６】
位置の初期セットを選択する際に、他の考慮事項が行われる場合がある。カメラは、単一の光源ではなく、別々の点としてそれらを識別するために、発光ユニット６間の最小距離を必要とすることが多い。一実施形態では、初期の位置のセットは、発光ユニット６の任意のペア間の最小距離があらかじめ定められたしきい値を超えるように選択される。これにより、各発光ユニット６は、同じアクティブマーカデバイス２上の他のすべての発光ユニット６と識別可能であることが保証される。一実施形態では、これは、位置のセットを選択し、発光ユニット６の可能な各ペア間の最小距離があらかじめ定められたしきい値を超えていることを確認することによって達成され得る。最小距離のいずれかがあらかじめ定められたしきい値を下回る場合は、新しい初期位置のセットが選択され、それ以外の場合は、位置のセットが初期の位置のセットとして受け入れられる。あらかじめ定められたしきい値は、モーショントラッキングシステム３０におけるカメラ２０の解像度、または使用中のカメラ２０からのアクティブマーカデバイス２の典型的な距離などの考慮事項に基づいて選択され得る。そのような考慮事項は、カメラ２０が２つの発光ユニット６を別個の発光ユニット６として分解するために必要な特徴の最小分離を決定するであろう。
【００５７】
摂動された位置のセットを生成するために初期の位置のセットが変更される場合にも、同様の原則を適用することができる。一実施形態では、摂動された位置は、取付け面４上の発光ユニット６の許容位置のメッシュから選択された位置である。これは、本方法が、発光ユニット６を取付け面４上の不適切な位置に配置しないことを確実にする。
【００５８】
一実施形態では、摂動された位置のセットは、発光ユニット６のうちの１つまたは複数をその現在の位置から許容位置のメッシュ内の隣接する位置に移動することによって、初期の位置のセットから生成される。初期の位置セットにおける位置のうちの１つまたは複数の各々が、初期位置に隣接する異なる許容位置に変更される。新しい位置は、許容位置のメッシュ内の点から選択される。この実施形態では、発光ユニット６の位置は、各繰返しの間に徐々に変化する。これにより、配置を段階的に改良することができる。
【００５９】
一実施形態では、摂動された位置のセットは、発光ユニット６のうちの１つまたは複数をその現在の位置から許容位置のメッシュ内のランダムな位置に移動することによって、初期の位置のセットから生成される。新しい位置は、許容位置のメッシュ内の点から選択されるが、任意の許容位置であってもよい。この実施形態は、発光ユニット６の配置におけるより大きな変更を可能にし、最適化プロセスにおける極小値を回避するのを助けることができる。
【００６０】
一実施形態では、摂動された位置のセットを生成するために、初期の位置のセット内のすべての位置が移動される。
【００６１】
初期位置を隣接する位置に移動することは、初期位置をランダムな位置に移動することと組み合わせることができる。一実施形態では、初期位置のサブセットは、隣接する許容位置に移動され、初期位置の異なるサブセットは、本方法の同じステップにおいてランダムな許容位置に移動される。一実施形態では、初期位置は、第１にランダムな位置に移動され、その後の繰返しにおいて隣接する位置に移動される。これにより、本方法はメソッドの早い段階において多種多様な異なる構成をサンプリングし、次いで、本方法の後半において最も有望な構成を最適化することができるようになる。
【００６２】
自己類似性スコアは、一連の位置の自己類似性を特徴付けるために使用される。また、２つの異なる位置のセットの類似性を比較するために、同様の方法で計算された類似性スコアを使用することができる。類似性メトリックは、第１の位置のセットのサブセットが第２の位置のセットのサブセットからどれだけ容易に識別できるかを測定する。自己類似性を測定する場合、比較は同じ位置のセットの異なるサブセット間で行われる。
【００６３】
一例が図９に示されている一実施形態では、自己類似性は、ステップＳ２１において、位置のセットから発光ユニット６のＣ位置の第１のサブセットを選択することであって、Ｃは正の整数である、ことと、位置のセットから発光ユニット６のＣ位置のステップＳ２２において第２のサブセットを選択することと、ステップＳ２３において２つのサブセットの類似性を決定することとによって決定される。図９のような一実施形態では、これは、Ｃ位置のすべての可能なサブセットに対して繰り返される。それによって、可能な各サブセットと他のすべての可能なサブセットとの類似性が決定される。一実施形態では、自己類似性を決定するプロセスもまた、Ｃの２つ以上の値について繰り返される。一実施形態では、第１および第２のサブセットは異なる。
【００６４】
一実施形態では、サブセットのペアの類似性は、サブセットの一方を他方に対して回転および並進することによって、一方のサブセットの位置を他方のサブセットの位置に最小二乗適合を実行することによって決定される。最小二乗適合は、一方のサブセットと他方のサブセットの違いを最小限に抑える。一実施形態では、最小二乗最適化は、第１のサブセットにおける位置と第２のサブセットにおける対応する位置との間の距離の二乗の合計を最小限に抑えることによって実行される。一実施形態では、最小二乗適合は、レーベンバーグマルカートアルゴリズムを使用して実行される。最小二乗適合を実行すると、２つのサブセットの相対位置が取得され、２つのサブセット内の発光ユニット６の位置が最も類似する。
【００６５】
次いで、対応するポイントペアの最大絶対距離を取得することによって、２つのサブセットの類似性スコアが計算される。一実施形態では、最大絶対距離は、一方におけるサブセットの各位置と他方のサブセットにおける対応する位置との間の絶対距離を計算することによって決定される。これにより、Ｃ位置のサブセットが与えられると、Ｃ距離のセットが生成される。一実施形態では、２つのサブセットの類似性スコアは、距離のセットにおける距離の最大のものである。別の実施形態では、たとえば距離の平均を使用して、距離を組み合わせるために他の方法が使用され得る。一実施形態では、対応する位置は、２つのサブセットにおける同じ発光ユニット６の位置である。別の実施形態では、２つのサブセット内の対応する位置は、２つのサブセット間で最も類似している位置、すなわち、１つのサブセットにおける位置、および第２のサブセットにおけるその位置に最も近い位置である。
【００６６】
一実施形態では、図９に示されるように、位置のセットのサブセットの１つまたは複数のペアの類似性は、位置のセットの自己類似性スコアを生成するために、ステップＳ２５において組み合わされる。一実施形態では、位置のセットの自己類似性スコアは、位置のセットのサブセットに対して決定された類似性スコアの最小のものである。したがって、位置のセットの自己類似性スコアは、位置のセットのサブセットの最も類似したペアによって決定され、自己類似性スコアが低いほど、自己類似性のより高い位置のセットを示す。
【００６７】
初期および摂動された位置のセットの各々の自己類似性がわかると、次の反復の初期セットとして選択する位置のセットについて選択が行われる。これは、初期の位置のセットへの摂動が拒否される、または受け入れられることを意味する。受け入れられる場合、摂動された位置のセットが次の繰返しの初期セットを形成する。次に、摂動されたセットがさらに摂動され、プロセスが繰り返される。拒否された場合、現在の繰返しと次の繰返しの間で、初期の位置のセットは変更されない。初期セットの別の摂動が実行され、本方法が続行される。
【００６８】
初期セットと摂動されたセットのどちらが新しい初期セットを形成するかの選択は、初期セットと摂動されたセットの位置の自己類似性の比較に基づいている。一実施形態では、これは、決定された自己類似性スコアを比較することを備える。これにより、本方法は自己類似性の低い構成を生成することができる。初期セットと摂動されたセットのうちの１つを選択する例が図１０に示されている。
【００６９】
一実施形態では、摂動された位置のセットの自己類似性が初期の位置のセットの自己類似性以下である場合、摂動された位置のセットがステップＳ５４において選択される。したがって、発光体６の配置の自己類似性が低下する場合、変更は常に受け入れられる。一実施形態では、これは、自己類似性スコアが高いほど、自己類似性の低い位置のセットを示すので、その自己類似性スコアが初期の位置のセットの自己類似性スコア以上である場合、摂動された位置のセットを選択することによって達成される。
【００７０】
その例が図１０に示される一実施形態では、摂動された位置のセットの自己類似性が初期の位置のセットの自己類似性よりも大きい場合、初期の位置のセットの自己類似性と摂動された位置のセットの自己類似性との間の差に依存する、ステップＳ５６において計算された確率で、摂動された位置のセットがステップＳ５８において選択される。これは、たとえ自己類似性の増加を引き起こしたとしても、変更が受け入れられる可能性があることを意味する。これにより、本方法はより多様な配置をサンプリングすることができ、最適化によって、グローバル最小値ではなく、ローカル最小値の自己類似性を有する配置が生成される可能性を減らすことができるようになる。
【００７１】
一実施形態では、シミュレーションされたアニーリング手順が使用され、摂動された位置のセットを選択する確率は、繰返しの数が増加するにつれて減少する。これは、プロセスの早い段階において不利な可能性のある変更を加え、次いで、プロセスの後半においてのみ改善を行うことで特定の配置を最適化することによって、より多様な配置をサンプリングできることを意味する。
【００７２】
一実施形態では、摂動された位置のセットを選択する確率は、以下の関数を使用して計算される。
【００７３】
【数１】
2021533391.tif 000003
【００７４】
上式で、Ｐは摂動された位置のセットを選択する確率であり、Ｄｐは摂動された位置のセットの非類似性スコアであり、Ｄｉは初期の位置のセットの非類似性スコアであり、αはあらかじめ定められたパラメータであり、Ｔは温度パラメータである。一実施形態では、非類似性スコアは、自己類似性スコアから決定される。一実施形態では、非類似性スコアは、より低い非類似性スコアがより低い自己類似性を示すようなものである。したがって、そのような実施形態では、非類似性スコアを最小限に抑えることが望ましい。一実施形態では、温度パラメータＴは、方法が進行するにつれて減少する。これにより、摂動されたセットの自己類似性が初期セットの自己類似性よりも高い場合に、変更が受け入れられる可能性が低くなる。
【００７５】
図１０に示されるような一実施形態では、摂動された位置のセットにおける位置の任意のペア間の距離があらかじめ定められたしきい値未満である場合、ステップＳ５２において、初期の位置のセットが選択される。初期の位置のセットの選択に関連して上記で説明したように、これにより、発光体のすべてのペアを２つの別個の発光体６として解決できることが確実になる。本方法は、発光体のペアが解決できない可能性がある場合、変更を受け入れることはない。
【００７６】
一実施形態では、初期の位置のセットの自己類似性があらかじめ定められたしきい値を下回る場合、あらかじめ定められた終了条件が満たされる。これは、自己類似性の望ましいレベルを設定できることを意味し、本方法は目標に到達するまで続行される。
【００７７】
一実施形態では、初期の位置のセットの自己類似性の変化が、あらかじめ定められた回数の繰返しについてあらかじめ定められたしきい値を下回る場合、あらかじめ定められた終了条件が満たされる。したがって、何度も繰り返して配置の自己類似性にそれ以上の改善がなされない場合、プロセスを終了することができる。これは、自己類似性の最小値が得られたことを示す。
【００７８】
一実施形態では、あらかじめ定められた回数の繰返しが実行された場合、あらかじめ定められた終了条件が満たされる。これにより、プロセスが無期限に継続するのを防ぐ。
【００７９】
一実施形態では、本方法は、あらかじめ定められた終了条件が満たされた場合に、現在の初期の位置のセットを出力するステップをさらに備える。一実施形態では、位置は、３次元座標のセットとして出力される。一実施形態では、本方法は、発光体の位置を含む取付け面の３次元モデルを出力する。これにより、作業図面などの設計を迅速かつ簡単に作成して、デバイスを製造できるようになる。
【００８０】
一実施形態では、上記の方法を使用してアクティブマーカデバイス２を設計するステップと、次いでアクティブマーカデバイス２を製造するステップとを備える製造方法が提供される。アクティブマーカデバイス２を製造するステップは、たとえば、発光ユニット以外の構成要素の配置を決定するなど、さらなる設計ステップを備え得る。
【符号の説明】
【００８１】
２  アクティブマーカデバイス
３  取付け本体
４  取付け面
６  発光ユニット、発光体
７  外面
８  取付け部分
９  穴
１０  光学素子
１２  外面
１４  内面
１６  閉じたボリューム
１７  ペグ
２０  カメラ
２２  トランシーバ
２４  コントローラ
２６  コンピュータ
２８  モーションキャプチャボリューム
３０  モーショントラッキングシステム
【図１】
2021533391.tif 000004
【図２】
2021533391.tif 000005
【図３】
2021533391.tif 000006
【図４】
2021533391.tif 000007
【図５】
2021533391.tif 000008
【図６】
2021533391.tif 000009
【図７】
2021533391.tif 000010
【図８】
2021533391.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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