(57)【要約】【課題】計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行うことが可能なモーショントラッカ装置を提供する。【解決手段】このモーショントラッカ装置１は、第１カメラ１１と、第２カメラ１２と、第１カメラ１１および第２カメラ１２をそれぞれ移動させて、第１カメラ１１および第２カメラ１２の間のカメラ間距離Ｄｃを調整するための移動機構１４と、第１カメラ１１および第２カメラ１２の２次元画像に基づいて、対象物ＯＢの３次元位置座標を算出する位置算出手段１５と、対象物ＯＢの３次元位置座標に基づいて、第１カメラ１１と対象物ＯＢとの間の第１距離Ｄ１と、第２カメラ１２と対象物ＯＢとの間の第２距離Ｄ２と、カメラ間距離Ｄｃとが所定の関係になるようにカメラ間距離Ｄｃを調整する制御を行うカメラ位置制御手段１６とを備える。【選択図】図３
2016151566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の２次元画像を取得する第１カメラと、
前記第１カメラとは異なる方向から前記対象物の２次元画像を取得する第２カメラと、
前記第１カメラおよび前記第２カメラをそれぞれ移動させて、前記第１カメラおよび前記第２カメラの間のカメラ間距離を調整するための移動機構と、
前記第１カメラおよび前記第２カメラの２次元画像に基づいて、前記対象物の３次元位置座標を算出する位置算出手段と、
前記対象物の３次元位置座標に基づいて、前記第１カメラと前記対象物との間の第１距離と、前記第２カメラと前記対象物との間の第２距離と、前記カメラ間距離とが所定の関係になるように前記カメラ間距離を調整する制御を行うカメラ位置制御手段とを備える、モーショントラッカ装置。
【請求項２】
前記カメラ位置制御手段は、前記カメラ間距離と、前記第１距離と、前記第２距離と、を互いに近づける制御を行うように構成されている、請求項１に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項３】
前記カメラ位置制御手段は、前記カメラ間距離と、前記第１距離と、前記第２距離と、を所定の許容範囲内で互いに一致させる制御を行うように構成されている、請求項２に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項４】
前記カメラ位置制御手段は、前記カメラ間距離、前記第１距離および前記第２距離のいずれかが前記許容範囲外となった場合に、所定の単位距離ごとに前記第１カメラおよび前記第２カメラを移動させることにより、前記カメラ間距離を調整するように構成されている、請求項３に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項５】
前記位置算出手段は、所定の時間間隔毎に前記対象物の３次元位置座標を算出し、
前記カメラ位置制御手段は、前記位置算出手段により算出された前記３次元位置座標を用いてフィードバック制御を行うことにより、前記対象物の移動に応じて前記カメラ間距離の調整を行うように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項６】
前記移動機構は、直線状のレールと、前記レール上で前記第１カメラおよび前記第２カメラをそれぞれ支持する複数の台座と、前記複数の台座をそれぞれ前記レールに沿って移動させるための複数のモータとを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項７】
前記第１カメラ、前記第２カメラおよび前記移動機構は、利用者が搭乗する移動体に設けられ、
前記対象物は、前記移動体に搭乗する利用者の頭部に装着されるヘルメットである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のモーショントラッカ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーショントラッカ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数台のカメラを用いて対象物の３次元位置を計測するモーショントラッカ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、所定間隔を隔てて固定された２台のカメラ（ステレオカメラ）と制御装置とを備えたモーショントラッカ装置が開示されている。このモーショントラッカ装置は、２台のカメラで撮影した対象物の２次元位置情報から、三角測量の原理の応用によって、対象物の３次元位置情報を取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−９５５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステレオカメラを用いた３次元位置の計測精度は、原理上、それぞれのカメラと対象物との相対位置関係に影響を受ける。特に奥行き方向については、カメラ間の距離（カメラ間距離）が小さいと誤差が大きくなる。一方、カメラ間距離を大きくしすぎると、対象物がカメラの視野（画角）から外れやすくなったり、カメラと対象物との間の距離が大きくなり過ぎて精度低下の要因になったりする不都合がある。そのため、計測誤差を低減してより高精度な３次元計測を可能とすることが望まれている。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行うことが可能なモーショントラッカ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面におけるモーショントラッカ装置は、対象物の２次元画像を取得する第１カメラと、第１カメラとは異なる方向から対象物の２次元画像を取得する第２カメラと、第１カメラおよび第２カメラをそれぞれ移動させて、第１カメラおよび第２カメラの間のカメラ間距離を調整するための移動機構と、第１カメラおよび第２カメラの２次元画像に基づいて、対象物の３次元位置座標を算出する位置算出手段と、対象物の３次元位置座標に基づいて、第１カメラと対象物との間の第１距離と、第２カメラと対象物との間の第２距離と、カメラ間距離とが所定の関係になるようにカメラ間距離を調整する制御を行うカメラ位置制御手段とを備える。
【０００８】
この発明の一の局面によるモーショントラッカ装置では、上記のように、第１カメラおよび第２カメラをそれぞれ移動させて、第１カメラおよび第２カメラの間のカメラ間距離を調整するための移動機構と、対象物の３次元位置座標に基づいて、第１カメラと対象物との間の第１距離と、第２カメラと対象物との間の第２距離と、カメラ間距離とが所定の関係になるようにカメラ間距離を調整する制御を行うカメラ位置制御手段とを設ける。これにより、カメラ間距離を調整することにより、対象物と、第１カメラと、第２カメラとの相対位置関係を、より高精度な計測が可能な所定の関係になるように調整することができる。つまり、対象物と各カメラとの間の距離（第１距離、第２距離）に対して、カメラ間距離が相対的に小さくまたは大きくなり過ぎないように調整して、対象物と、第１カメラおよび第２カメラとの相対位置関係を高精度な計測に適した適切な位置関係に調整することができる。その結果、本発明によれば、計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行うことができる。
【０００９】
上記一の局面によるモーショントラッカ装置において、好ましくは、カメラ位置制御手段は、カメラ間距離と、第１距離と、第２距離と、を互いに近づける制御を行うように構成されている。このように構成すれば、カメラ間距離が小さくなり過ぎて奥行き方向の誤差が大きくなることを抑制可能で、かつ、カメラと対象物との間の距離（第１距離および第２距離）が大きくなり過ぎて精度低下の要因になることも抑制可能な適切な相対位置関係になるように、カメラ間距離を調整することができる。その結果、対象物とカメラとの相対位置関係に起因した計測誤差を効果的に低減することができる。
【００１０】
この場合、好ましくは、カメラ位置制御手段は、カメラ間距離と、第１距離と、第２距離と、を所定の許容範囲内で互いに一致させる制御を行うように構成されている。このように構成すれば、対象物と第１および第２カメラとが略正三角形の各頂点に配置される相対位置関係で、３次元計測を行うことができる。この結果、過度に装置が大型化することを抑制し、かつ、計測誤差を更に効果的に低減することが可能となる。また、各距離を厳密に一致させる制御を行う場合と異なり、各距離が許容範囲内で互いに異なる場合も許容されるので、第１カメラおよび第２カメラの位置制御（カメラ間距離の制御）が煩雑化するのを抑制することができる。
【００１１】
上記カメラ位置制御手段がカメラ間距離と第１距離と第２距離とを所定の許容範囲内で互いに一致させる構成において、好ましくは、カメラ位置制御手段は、カメラ間距離、第１距離および第２距離のいずれかが許容範囲外となった場合に、所定の単位距離ごとに第１カメラおよび第２カメラを移動させることにより、カメラ間距離を調整するように構成されている。このように構成すれば、いずれかの距離が許容範囲外となる場合にカメラ間距離を調整して、対象物と第１および第２カメラとを適切な相対位置関係に調整することができる。この際、完全に任意の位置に第１および第２カメラを移動させるのではなく、所定の単位距離ごとに第１および第２カメラを移動させるので、３次元計測のためのキャリブレーションを予め所定の単位距離ごとに行っておくだけで済む。その結果、第１および第２カメラを移動させる構成においても、移動後の各位置での３次元計測を容易に行うことができる。
【００１２】
上記一の局面によるモーショントラッカ装置において、好ましくは、位置算出手段は、所定の時間間隔毎に対象物の３次元位置座標を算出し、カメラ位置制御手段は、位置算出手段により算出された３次元位置座標を用いてフィードバック制御を行うことにより、対象物の移動に応じてカメラ間距離の調整を行うように構成されている。このように構成すれば、対象物が移動しても対象物と第１および第２カメラとの相対位置関係を維持することができる。そのため、対象物の移動によって相対位置関係が変化する場合でも、３次元計測精度を維持することができる。
【００１３】
上記一の局面によるモーショントラッカ装置において、好ましくは、移動機構は、直線状のレールと、レール上で第１カメラおよび第２カメラをそれぞれ支持する複数の台座と、複数の台座をそれぞれレールに沿って移動させるための複数のモータとを含む。このように構成すれば、第１カメラおよび第２カメラをレールに沿って移動させる簡素な構成で、カメラ間距離を調整することができる。この結果、カメラ間距離を調整するための装置構成および制御が複雑化するのを抑制することができる。
【００１４】
上記一の局面によるモーショントラッカ装置において、好ましくは、第１カメラ、第２カメラおよび移動機構は、利用者が搭乗する移動体に設けられ、対象物は、移動体に搭乗する利用者の頭部に装着されるヘルメットである。ここで、移動体の利用者がＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を備えたヘルメットを装着して、ヘルメットの現在角度に合わせてＨＭＤの映像を変化させる際に、モーショントラッカ技術が用いられている。このような分野では、ヘルメットの現在角度を高精度に計測することが求められている。そこで、本発明では、上記のように構成することによって、計測誤差を低減してヘルメットの現在角度を高精度に計測することが可能なモーショントラッカ装置（ヘッドモーショントラッカ）を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記のように、計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ヘッドマウントディスプレイシステムの全体構成を示した模式図である。
【図２】本発明の一実施形態によるモーショントラッカ装置の構造を説明するための模式的な背面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるモーショントラッカ装置を説明するための模式的な平面図である。
【図４】図３において対象物が移動した場合のモーショントラッカ装置の動作を説明するための模式図である。
【図５】本発明の一実施形態によるモーショントラッカ装置のカメラ間距離の調整処理を説明するためのフロー図である。
【図６】本実施形態による対象物、第１カメラおよび第２カメラの相対位置関係（Ａ）と、カメラ間距離が小さい場合の相対位置関係（Ｂ）を示した模式図である。
【図７】カメラ間距離を変更して対象物の３次元位置計測を行った実験結果を説明するための図である。
【図８】対象物、第１カメラおよび第２カメラの所定の相対位置関係の変形例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態によるモーショントラッカ装置１について説明する。本実施形態では、モーショントラッカ装置１が、自動車、航空機、船舶など、人を搭乗させて移動する移動体に搭載されるヘッドマウントディスプレイシステム（以下、「ＨＭＤシステム」という）に適用される例について説明する。より具体的には、図１に示すように、特に航空機（飛行機やヘリコプタ）などの上空（空中）を移動する移動体４に搭載されるＨＭＤシステム１００において、利用者であるパイロットが装着するヘルメット２３の向き（パイロットの頭部の向き）を計測するためのモーショントラッカ装置に本発明を適用した例について説明する。
【００１９】
（ヘッドマウントディスプレイシステムの全体構成）
図１に示すように、ＨＭＤシステム１００は、モーショントラッカ装置１と、撮影装置２１および表示画面２２を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」という）２と、撮影装置２１により撮影された画像を表示画面２２に表示させるための画像処理装置３とを備える。
【００２０】
ＨＭＤシステム１００は、撮影装置２１により撮影された動画像を、ＨＭＤ２の表示画面２２に表示させることにより、表示画面２２を透過して視認される光景と、表示画面２２に表示される動画像とを重ねて利用者に視認させることが可能である。これにより、ＨＭＤシステム１００は、夕方や夜間など肉眼では外界を把握し難い低照度の環境下において、肉眼よりも感度の高い撮影装置２１の動画像により視野を補完したり、表示画面２２を透過して視認される物体に重ねて各種情報表示を行ったりすることができる。
【００２１】
ＨＭＤ２は、撮影装置２１および表示画面２２を備える頭部装着型の表示装置である。図１では、ヘルメット型形状のＨＭＤ２の例を示している。ＨＭＤ２は、バイザー状の表示画面２２と、撮影装置２１とが取り付けられたヘルメット２３を備えている。また、ＨＭＤ２は、表示画面２２に画像を投影するための表示素子２４および光学系２５を備えている。
【００２２】
表示画面２２は、透光性を有し、利用者が表示画面２２を透過して視線方向前方の光景を視認することができる。撮影装置２１は、図示しないレンズと撮像素子とを含み、利用者の視線方向前方に撮影光軸方向が向くようにヘルメット２３に固定されている。表示素子２４は、左目用画像と右目用画像とを光学系２５によりそれぞれコリメートさせて表示画面２２に投影するように構成されている。表示画面２２で反射された左目用画像と右目用画像とが、外部から表示画面２２を透過した外界光とともに、利用者の左目および右目にそれぞれ視認される。なお、図１に示すヘルメット２３には、モーショントラッカ装置１による検出用のマーカ２３ａが取り付けられている。
【００２３】
画像処理装置３は、ＨＭＤ２の映像信号の処理装置として、ヘルメット２３内に組み込まれている。画像処理装置３は、撮影装置２１により撮影された動画像を受け取り、画像処理を行って表示素子２４に出力することにより、表示画面２２に動画像を表示させる機能を有する。画像処理装置３は、モーショントラッカ装置１により計測された利用者の頭部５の動きに追従させて、表示画面２２への画像表示を行うように構成されている。
【００２４】
本実施形態によるモーショントラッカ装置１は、移動体４に設けられ、利用者の頭部５に装着されたヘルメット２３の向きを検出することにより、ヘルメット２３に固定された撮影装置２１の姿勢（向き）を検出するように構成されている。
【００２５】
モーショントラッカ装置１は、第１カメラ１１と、第２カメラ１２と、制御部１３とを備える。モーショントラッカ装置１は、移動体４に搭乗する利用者（パイロット）の頭部５に装着されるヘルメット２３（マーカ２３ａ）を対象物ＯＢとして、ヘルメット２３（マーカ２３ａ）の３次元位置計測を行うように構成されている。
【００２６】
モーショントラッカ装置１は、ヘルメット２３に設けられたマーカ２３ａを第１カメラ１１および第２カメラ１２によって撮影する。マーカ２３ａは、たとえばＬＥＤなどの発光素子であり、ヘルメット２３の３次元の姿勢を決定できるように、３つ以上設けられている。それぞれのマーカ２３ａは、第１カメラ１１および第２カメラ１２によって撮影可能なヘルメット２３の表面上の位置に固定的に取り付けられている。
【００２７】
モーショントラッカ装置１は、第１カメラ１１および第２カメラ１２により撮像された２次元画像から、各マーカ２３ａの空間位置座標（３次元位置座標）を算出する。各マーカ２３ａはヘルメット２３に所定の相対位置座標で固定されているため、モーショントラッカ装置１は、３点以上のマーカ２３ａの空間位置座標とマーカ間の相対位置座標とに基づいて、ヘルメット２３の現在の角度（向き）を算出する。
【００２８】
モーショントラッカ装置１は、検出したヘルメット２３の現在の角度（姿勢）の検出信号を、画像処理装置３に送るように構成されている。この結果、ＨＭＤシステム１００は、モーショントラッカ装置１によって計測した利用者（パイロット）の頭部５の向き（視線方向）に合わせて、ＨＭＤ２の表示画面２２に各種の画像を表示させる。
【００２９】
（モーショントラッカ装置の構成）
次に、モーショントラッカ装置１の構成について詳細に説明する。
【００３０】
第１カメラ１１および第２カメラ１２は、それぞれ、ＣＣＤカメラなどからなり、対象物ＯＢ（ヘルメット２３）の２次元画像を取得するように構成されている。第２カメラ１２は、第１カメラ１１とは異なる方向から対象物ＯＢを撮影するように構成されている。
【００３１】
モーショントラッカ装置１は、第１カメラ１１および第２カメラ１２の移動機構１４を備えている。第１カメラ１１、第２カメラ１２および移動機構１４は、利用者（パイロット）が搭乗する移動体４に設けられている。移動機構１４は、第１カメラ１１および第２カメラ１２をそれぞれ移動させて、第１カメラ１１および第２カメラ１２の間のカメラ間距離Ｄｃを調整することが可能である。カメラ間距離Ｄｃは、第１カメラ１１と第２カメラ１２との間の間隔である。
【００３２】
本実施形態では、図２に示すように、移動機構１４は、第１カメラ１１および第２カメラ１２を共通の移動軸（レール１４ａ）に沿って直線移動させる１軸の移動機構である。具体的には、移動機構１４は、直線状のレール１４ａと、レール１４ａ上で第１カメラ１１および第２カメラ１２をそれぞれ支持する複数（２つ）の台座１４ｂと、複数（２つ）の台座１４ｂをそれぞれレール１４ａに沿って移動させるための複数（２つ）のモータ１４ｃとを含む。
【００３３】
レール１４ａは、支持部材１４ｄ（図１参照）を介して移動体４に取り付けられている。レール１４ａは、台座１４ｂをレール１４ａに沿って直線移動可能に支持している。以下では、レール１４ａの延びる方向をＸ方向（図３参照）、Ｘ方向と直交する奥行き方向をＹ方向（図３参照）という。
【００３４】
台座１４ｂは、レール１４ａに沿って移動可能なスライダである。各台座１４ｂは、第１カメラ１１と第２カメラ１２とをそれぞれ支持している。第１カメラ１１および第２カメラ１２はそれぞれの台座１４ｂに対して固定されており、第１カメラ１１（第２カメラ１２）は、いわゆる首振り（パンまたはチルト）機能を有していない。本実施形態では、第１カメラ１１および第２カメラ１２は、カメラ光軸がそれぞれレール１４ａに対してα１およびα２（図１参照）の角度をなすように台座１４ｂに取り付けられている。本実施形態では、α１およびα２の大きさはそれぞれ約６０°であり、第１カメラ１１および第２カメラ１２のカメラ光軸は、互いに近付く方向に向けて傾斜している。
【００３５】
モータ１４ｃは、台座１４ｂに内蔵または外部取り付けされており、駆動量に応じて台座１４ｂを移動させるように構成されている。それぞれのモータ１４ｃは、制御部１３によって独立して駆動制御されるように構成されている。そのため、第１カメラ１１および第２カメラ１２は、それぞれ独立して移動可能である。モータ１４ｃは、たとえばステッピングモータまたはサーボモータなどからなり、モータ１４ｃの駆動量制御によって第１カメラ１１および第２カメラ１２の位置制御が可能である。すなわち、第１カメラ１１および第２カメラ１２のカメラ間距離Ｄｃは、それぞれのモータ１４ｃの駆動制御によって調整される。
【００３６】
図１に示すように、制御部１３は、ＣＰＵ１３ａおよびメモリ１３ｂを含むコンピュータである。
【００３７】
本実施形態では、ＣＰＵ１３ａは、メモリ１３ｂに記憶されたプログラムを実行することにより、第１カメラ１１および第２カメラ１２の２次元画像に基づいて、対象物ＯＢの３次元位置座標を算出する位置算出手段１５として機能するように構成されている。
【００３８】
位置算出手段１５は、第１カメラ１１および第２カメラ１２により撮像された２次元画像から各マーカ２３ａを抽出し、それぞれ抽出した各マーカ２３ａの２次元座標（画像におけるマーカ２３ａの位置座標）を取得する。そして、位置算出手段１５は、それぞれの２次元画像におけるマーカ２３ａの２次元座標を用いて、三角測量の原理に基づくＤＬＴ法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｌｉｎｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）により各マーカ２３ａの３次元位置座標を算出する。位置算出手段１５は、所定の時間間隔（計測タイミング）毎に対象物ＯＢの３次元位置座標を算出するように構成されている。
【００３９】
また、本実施形態では、ＣＰＵ１３ａは、メモリ１３ｂに記憶されたプログラムを実行することにより、対象物ＯＢの３次元位置座標に基づいて、カメラ間距離Ｄｃを調整する制御を行うカメラ位置制御手段１６として機能するように構成されている。
【００４０】
図３に示すように、カメラ位置制御手段１６は、対象物ＯＢの３次元位置座標に基づいて移動機構１４を制御して、第１カメラ１１と対象物ＯＢとの間の第１距離Ｄ１と、第２カメラ１２と対象物ＯＢとの間の第２距離Ｄ２と、カメラ間距離Ｄｃとが所定の関係になるようにカメラ間距離Ｄｃを調整する。言い換えると、カメラ位置制御手段１６は、移動機構１４を制御して第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させることにより、対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２との相対位置関係を調整する。カメラ位置制御手段１６は、位置算出手段１５により算出された３次元位置座標を用いてフィードバック制御を行うことにより、対象物ＯＢの移動に応じてカメラ間距離Ｄｃの調整を行う（カメラと対象物との相対位置関係を維持させる）ように構成されている。
【００４１】
本実施形態では、カメラ位置制御手段１６は、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２と、カメラ間距離Ｄｃとの所定の関係にする制御として、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とを互いに近づける制御を行う。より具体的には、カメラ位置制御手段１６は、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とを、所定の許容範囲ＲＡ内で互いに一致させる制御を行うように構成されている。最も典型的なケースでは、カメラ位置制御手段１６は、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２と、を互いに一致（Ｄｃ＝Ｄ１＝Ｄ２）させる。この場合、カメラ位置制御手段１６は、対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２とが図３のように正三角形を成す（対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２とが正三角形の各頂点に位置する）ように、第１カメラ１１と、第２カメラ１２とを移動させる。カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とが互いに一致していなくても、各距離間の相違（残差）が許容範囲ＲＡ内であれば、カメラ間距離Ｄｃは維持される。
【００４２】
カメラ位置制御手段１６は、カメラ間距離Ｄｃ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２のいずれかが許容範囲ＲＡ外となった場合に、カメラ間距離Ｄｃを調整するように構成されている。たとえば、図３において対象物ＯＢがＹ２方向に移動して第１カメラ１１（第２カメラ１２）に近付いた場合、カメラ位置制御手段１６は、第１カメラ１１および第２カメラ１２をＸ方向に互いに近付くように移動させ、カメラ間距離Ｄｃを小さくする。逆に、対象物ＯＢがＹ１方向に遠ざかった場合、カメラ位置制御手段１６は、第１カメラ１１および第２カメラ１２をＸ方向に互いに遠ざかるように移動させ、カメラ間距離Ｄｃを大きくする。
【００４３】
本実施形態では、カメラ位置制御手段１６は、所定の単位距離Ｄ３ごとに第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させることにより、カメラ間距離Ｄｃを調整する。そのため、カメラ間距離Ｄｃの調整を行うか否かの許容範囲ＲＡの大きさは、単位距離Ｄ３の大きさに応じて決定されている。すなわち、許容範囲ＲＡは、単位距離Ｄ３と同じかまたは単位距離Ｄ３よりも大きい。
【００４４】
また、カメラ位置制御手段１６は、第１カメラ１１を移動させることによる第１距離Ｄ１の調整、および、第２カメラ１２を移動させることによる第２距離Ｄ２の調整を行うように構成されている。図３において、対象物ＯＢがＸ方向にのみ移動する場合、カメラ位置制御手段１６は、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２の大きさを互いに近づけるように第１カメラ１１および第２カメラ１２をＸ方向に移動させる。つまり、第１カメラ１１および第２カメラ１２のＸ方向位置の中間位置を、対象物ＯＢのＸ方向位置に近づけるように第１カメラ１１および第２カメラ１２が移動される。
【００４５】
実際の対象物ＯＢの移動はランダムであるので、カメラ位置制御手段１６は、図４に示すように、対象物ＯＢのＹ方向移動に応じてカメラ間距離Ｄｃを増減させつつ、対象物ＯＢのＸ方向移動に応じて、第１カメラ１１および第２カメラ１２の中間位置をＸ方向に移動させる。これにより、カメラ位置制御手段１６は、対象物ＯＢ、第１カメラ１１および第２カメラ１２が略正三角形をなす位置関係を維持させる。
【００４６】
なお、ＤＬＴ法による対象物ＯＢの３次元位置計測には、各カメラの２次元画像の２次元座標系と３次元の空間座標系との座標変換を行うためのカメラ定数が必要であり、カメラ定数には、空間座標系における第１カメラ１１および第２カメラ１２の位置（カメラ間距離Ｄｃ）に関わるパラメータが含まれる。そのため、第１カメラ１１および第２カメラ１２が移動可能な各位置（単位距離Ｄ３毎の各位置）において事前にキャリブレーションが行われることによって、それぞれ位置でのカメラ定数がメモリ１３ｂに予め記憶されている。３次元位置計測の際に、第１カメラ１１および第２カメラ１２の各位置に応じたカメラ定数が位置算出手段１５によってメモリ１３ｂから読み出されることにより、対応するカメラ定数を用いた３次元位置計測が行われる。
【００４７】
（カメラ間距離の調整処理）
次に、図２、図３および図５を参照して、モーショントラッカ装置１のカメラ間距離Ｄｃの調整処理について説明する。カメラ間距離Ｄｃの調整処理は、制御部１３のＣＰＵ１３ａ（カメラ位置制御手段１６、位置算出手段１５）により行われる。以下では、カメラ位置制御手段１６および位置算出手段１５を区別せずに、ＣＰＵ１３ａが行う処理として説明する。
【００４８】
図５のステップＳ１において、ＣＰＵ１３ａは、第１カメラ１１および第２カメラ１２のそれぞれから、対象物ＯＢを撮影した２次元画像を取得する。
【００４９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ１３ａは、第１カメラ１１および第２カメラ１２の現在位置に応じたカメラ定数をメモリ１３ｂから読み出す。なお、第１カメラ１１および第２カメラ１２の現在位置は、ＣＰＵ１３ａによる移動機構１４のそれぞれのモータ１４ｃ（図２参照）の位置制御によって常時把握されている。
【００５０】
ステップＳ３において、ＣＰＵ１３ａは、ステップＳ１で得られたそれぞれの２次元画像と、カメラ定数とを用いて、２次元画像における対象物ＯＢの２次元座標から３次元の空間座標系における対象物ＯＢの位置座標に座標変換を行う。これにより、対象物ＯＢの３次元位置が取得される。
【００５１】
ステップＳ４において、ＣＰＵ１３ａは、第１カメラ１１および第２カメラ１２のそれぞれの現在位置と、ステップＳ３で取得した対象物ＯＢの３次元位置とに基づいて、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を算出する。また、ＣＰＵ１３ａは、第１カメラ１１および第２カメラ１２のそれぞれの現在位置から、カメラ間距離Ｄｃ（図３参照）を取得する。
【００５２】
ステップＳ５において、ＣＰＵ１３ａは、カメラ間距離Ｄｃ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２が許容範囲ＲＡ（図３参照）内で一致しているか否かを判断する。すなわち、ＣＰＵ１３ａは、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とのそれぞれの差分(残差)が許容範囲ＲＡ（閾値）以下か否かを判断する。全ての差分が許容範囲ＲＡ以下となる場合、ＣＰＵ１３ａはステップＳ１に処理を戻す。この結果、カメラ間距離Ｄｃ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２が許容範囲ＲＡ内で一致する相対位置関係が維持される。
【００５３】
ステップＳ５において、いずれかの差分が許容範囲ＲＡ（閾値）よりも大きい場合、ＣＰＵ１３ａはステップＳ６に処理を進める。ステップＳ６において、ＣＰＵ１３ａは、カメラ間距離Ｄｃと第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とを許容範囲ＲＡ内で一致させるように第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させ、カメラ間距離Ｄｃを調整する。カメラ間距離Ｄｃの調整後、ＣＰＵ１３ａはステップＳ１に処理を戻す。
【００５４】
以上の処理が所定の時間間隔（計測タイミング）毎に繰り返されることにより、ＣＰＵ１３ａは、カメラ間距離Ｄｃと第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが許容範囲ＲＡ内で一致しているか否かを監視する。そして、各距離の差分が許容範囲ＲＡに対応する閾値よりも大きくなった場合に、ＣＰＵ１３ａがカメラ間距離Ｄｃを調整するフィードバック制御を行うことにより、カメラ間距離Ｄｃと第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とが所定の関係（本実施形態ではＤｃ≒Ｄ１≒Ｄ２となる関係）に維持される。
【００５５】
（本実施形態の作用）
図６を参照して、本実施形態の作用を説明する。図６に示すように、対象物ＯＢが２次元画像の対応画素Ｐｘに映る場合、その対応画素Ｐｘを通る光の範囲が、計測の誤差範囲となる。そのため、図６（Ａ）に示すように、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とが近い場合（一致する場合）、奥行き方向の誤差範囲はＥ１となる。一方、図６（Ｂ）に示すように、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２と比較してカメラ間距離Ｄｃが小さい場合には、奥行き方向の誤差範囲はＥ２となる。このように、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２に対してカメラ間距離Ｄｃを適切に調整することによって、誤差範囲が小さくなる（計測誤差が低減される）。
【００５６】
なお、カメラ間距離Ｄｃを大きくし過ぎると、図３から分かるように、第１カメラ１１の視野（画角）Ａ１と第２カメラ１２の視野（画角）Ａ２との重複領域（計測可能範囲）がＹ１方向に遠ざかって狭くなる。また、カメラ間距離Ｄｃを大きくするほど第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を大きくとることになるので、その分、精度向上の阻害要因となる。さらに、対象物ＯＢの移動に伴って第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させるための移動範囲を大きくする必要が生じ、移動機構１４を含めたモーショントラッカ装置１が大型化してしまう。そのため、対象物ＯＢと、第１カメラ１１および第２カメラ１２との相対位置関係として、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とを互いに近づける（正三角形に近づける）関係にすることが、計測精度と計測可能範囲および装置サイズとのバランスの点から好ましい。
【００５７】
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００５８】
本実施形態では、上記のように、第１カメラ１１および第２カメラ１２をそれぞれ移動させて、第１カメラ１１および第２カメラ１２の間のカメラ間距離Ｄｃを調整するための移動機構１４と、対象物ＯＢの３次元位置座標に基づいて、第１カメラ１１と対象物ＯＢとの間の第１距離Ｄ１と、第２カメラ１２と対象物ＯＢとの間の第２距離Ｄ２と、カメラ間距離Ｄｃとが所定の関係になるようにカメラ間距離Ｄｃを調整する制御を行うカメラ位置制御手段１６とを設ける。これにより、カメラ間距離Ｄｃを調整することにより、対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２との相対位置関係を、より高精度な計測が可能な所定の関係になるように調整することができる。つまり、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２に対して、カメラ間距離Ｄｃが相対的に小さくまたは大きくなり過ぎないように調整して、高精度な計測に適した適切な位置関係にすることができる。その結果、本実施形態のモーショントラッカ装置１によれば、計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行うことができる。
【００５９】
また、本実施形態では、上記のように、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２と、を互いに近づける制御を行うようにカメラ位置制御手段１６を構成する。これにより、カメラ間距離Ｄｃが小さくなり過ぎて奥行き方向の誤差が大きくなることを抑制可能で、かつ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２が大きくなり過ぎて精度低下の要因になることも抑制可能な適切な相対位置関係になるように、カメラ間距離Ｄｃを調整することができる。その結果、計測誤差を効果的に低減することができる。
【００６０】
また、本実施形態では、上記のように、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２と、を所定の許容範囲ＲＡ内で互いに一致させる制御を行うようにカメラ位置制御手段１６を構成する。これにより、対象物ＯＢと第１カメラ１１および第２カメラ１２とが略正三角形の各頂点に配置される相対位置関係で、３次元計測を行うことができる。この結果、過度に装置が大型化することを抑制し、かつ、計測誤差を更に効果的に低減することが可能となる。また、各距離（カメラ間距離Ｄｃ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２）を厳密に一致させる制御を行う場合と異なり、各距離が許容範囲ＲＡ内で互いに異なる場合も許容されるので、第１カメラ１１および第２カメラ１２の位置制御（カメラ間距離Ｄｃの制御）が煩雑化するのを抑制することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、上記のように、カメラ間距離Ｄｃ、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２のいずれかが許容範囲ＲＡ外となった場合に、単位距離Ｄ３ごとに第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させることにより、カメラ間距離Ｄｃを調整するようにカメラ位置制御手段１６を構成する。これにより、いずれかの距離が許容範囲ＲＡ外となる場合（精度低下が大きくなる場合）に、対象物ＯＢと第１カメラ１１および第２カメラ１２とを適切な相対位置関係に調整することができる。この際、単位距離Ｄ３ごとに第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させるので、キャリブレーションを予め単位距離Ｄ３ごとの複数個所で行うだけで済む。その結果、移動後の各位置での３次元計測を容易に行うことができる。
【００６２】
また、本実施形態では、上記のように、位置算出手段１５により算出された３次元位置座標を用いてフィードバック制御を行うことにより、対象物ＯＢの移動に応じてカメラ間距離Ｄｃの調整を行うようにカメラ位置制御手段１６を構成する。これにより、対象物ＯＢと第１カメラ１１および第２カメラ１２との相対位置関係を維持することができるので、対象物ＯＢの移動によって相対位置関係が変化する場合でも、３次元計測精度を維持することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、上記のように、直線状のレール１４ａと、レール１４ａ上で第１カメラ１１および第２カメラ１２をそれぞれ支持する複数の台座１４ｂと、複数の台座１４ｂをそれぞれレール１４ａに沿って移動させるための複数のモータ１４ｃとを含む移動機構１４を設ける。これにより、第１カメラ１１および第２カメラ１２をレール１４ａに沿って移動させる簡素な構成で、カメラ間距離Ｄｃを調整することができる。この結果、カメラ間距離Ｄｃを調整するための装置構成および制御が複雑化するのを抑制することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、上記のように、第１カメラ１１、第２カメラ１２および移動機構１４を、利用者が搭乗する移動体４に設け、移動体４に搭乗する利用者の頭部５に装着されるヘルメット２３（マーカ２３ａ）を対象物ＯＢとする。これにより、ヘルメット２３の現在角度を高精度に計測することが可能なモーショントラッカ装置１（ヘッドモーショントラッカ）を提供することができる。
【００６５】
(実験結果の説明)
次に、図７を参照して、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
【００６６】
実験は、図７に示すように、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２に対してカメラ間距離Ｄｃを変更した複数の計測条件で、対象物ＯＢの３次元位置計測を行い、実際に測定した対象物ＯＢの３次元位置（実測値）と計測値との誤差の大きさを評価した。対象物ＯＢの３次元位置計測は、対象物ＯＢの位置を変更して１５回行い、それぞれの計測における誤差の平均値を評価した。
【００６７】
計測条件は、以下の３種類である。各計測で、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２は一定値（５００ｍｍ）とした。まず、本実施形態の計測条件として、カメラ間距離Ｄｃを５００ｍｍに設定し、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２とカメラ間距離Ｄｃとを一致させた。
【００６８】
比較例１として、カメラ間距離Ｄｃを２００ｍｍに設定した。また、比較例２として、カメラ間距離Ｄｃを３５０ｍｍに設定した。比較例１および２は、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２に対してカメラ間距離Ｄｃが相対的に小さい。比較例１が、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２に対するカメラ間距離Ｄｃの大きさが最も小さい。
【００６９】
得られた計測誤差の平均は、本実施形態での誤差平均を１．００とした場合に、比較例１では１．４７、比較例２では１．１３となり、比較例では誤差が大きくなった。これにより、本実施形態によれば、効果的に計測誤差を低減して高精度な３次元計測を行えることが確認された。
【００７０】
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００７１】
たとえば、上記実施形態では、ＨＭＤシステムに用いられるモーショントラッカ装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、ＨＭＤシステム以外の用途に用いられるモーショントラッカ装置に適用してもよい。対象物の動き（３次元位置の変化）をデータとして記録するためのモーションキャプチャー用途などに本発明を適用してもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、航空機（飛行機やヘリコプタ）などの移動体に搭載されるＨＭＤシステムに本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、自動車などの陸上移動体や、船舶などの水上移動体に搭載されるＨＭＤシステムに本発明を適用してもよい。また、たとえばゲーム用途に用いられるＨＭＤシステムや、日常生活においてユーザに装着されて使用されるＨＭＤシステムに本発明を適用してもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、第１カメラ１１および第２カメラ１２により対象物の３次元位置を光学的に計測するモーショントラッカ装置１の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、モーショントラッカ装置は、カメラに加えて、たとえば対象物に取り付けられる加速度センサおよびジャイロセンサ等のセンサを用いて対象物の３次元位置を計測してもよい。また、３つ以上のカメラを設けてもよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、第１カメラ１１および第２カメラ１２を直線移動させる１軸の移動機構１４を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、移動機構は、カメラを所定の平面内で移動させる２軸の移動機構であってもよいし、カメラを３次元的に移動させる３軸以上の移動機構であってもよい。また、第１カメラおよび第２カメラは、別々の移動機構によって互いに独立して移動してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２との所定の関係の一例として、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とを互いに一致させる例（対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２とが正三角形を成すように配置される例）を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２とカメラ間距離Ｄｃとを異ならせてもよい。たとえば、図８に示すように、対象物ＯＢと、第１カメラ１１と、第２カメラ１２とが直角二等辺三角形を成すようにしてもよい。この場合、Ｄｃ：Ｄ１：Ｄ２＝√２：１：１という関係となる。ただし、この場合、上記実施形態と比較して移動機構が大型化してしまうため、カメラ間距離Ｄｃと、第１距離Ｄ１と、第２距離Ｄ２とを互いに近づけることが好ましい。
【００７６】
また、上記実施形態では、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とを互いに近づける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２とを異ならせてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、第１カメラ１１および第２カメラ１２を台座１４ｂ上で固定した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１カメラおよび第２カメラを台座上で首振り可能に構成し、対象物の位置に追従してカメラの向きを調整してもよい。
【００７８】
また、上記実施形態では、単位距離Ｄ３ごとに第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させる構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、単位距離を設定せずに、任意の距離だけ第１カメラ１１および第２カメラ１２を移動させるように構成してもよい。この場合、各カメラのキャリブレーションは、移動後の位置に応じてリアルタイムで行えばよい。すなわち、ＨＭＤ２のヘルメット２３にジャイロセンサなどを設けて、ヘルメット２３（マーカ２３ａ）の向きを検出できるようにする。そして、第１カメラ１１および第２カメラ１２の移動後の対象物ＯＢの３次元位置計測結果と、センサの検出結果（実測値）とに基づいて、キャリブレーションを行うことが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１  モーショントラッカ装置
４  移動体
５  頭部
１１  第１カメラ
１２  第２カメラ
１４  移動機構
１４ａ  レール
１４ｂ  台座
１４ｃ  モータ
１５  位置算出手段
１６  カメラ位置制御手段
２３  ヘルメット
Ｄ１  第１距離
Ｄ２  第２距離
Ｄ３  単位距離
Ｄｃ  カメラ間距離
ＯＢ  対象物
ＲＡ  許容範囲
【図１】
2016151566.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016151566.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016151566.tif 000009
【図８】
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