(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に取り付けられた３個以上の光学マーカーと、
前記光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する第一カメラと、前記第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する第二カメラとを有し、かつ、前記第一カメラと前記第二カメラとが固定軸で一体的に固定され、当該固定軸が基準対象物に対して少なくとも水平方向に移動可能となるように取り付けられたカメラ装置と、
前記第一画像及び第二画像に基づいて、前記カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する光学マーカー位置情報算出部と、
前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記基準対象物に対する測定対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出する相対情報算出部とを備えるモーショントラッカ装置であって、
前記第一カメラ及び第二カメラにより撮影される撮影領域の位置を変更する駆動信号に基づいて、前記第一カメラ及び第二カメラが固定された固定軸を移動させる駆動機構と、
前記駆動機構に駆動信号を出力するともに、前記第一カメラ及び第二カメラの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部に記憶させる駆動機構制御部とを備え、
前記駆動機構制御部は、前記第一カメラにより撮影される撮影領域と、前記第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在するように駆動信号を出力して、
前記相対情報算出部は、前記駆動機構制御部から駆動信号が出力された後には、前記光学マーカー位置情報及びカメラ装置位置情報に基づいて相対情報を算出することを特徴とするモーショントラッカ装置。
【請求項２】
前記固定軸は、前記基準対象物に対して回転可能となるように取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のモーショントラッカ装置。
【請求項３】
前記測定対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、
前記基準対象物は、前記搭乗者が搭乗する移動体であることを特徴とする請求項１又は請求項２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、光学マーカーの位置を検出する機能を備えるモーショントラッカ（ＭＴ）装置に関する。本発明は、例えば、ゲーム機や乗物等で用いられる頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置及び角度（すなわち、頭部位置及び頭部角度）を検出するヘッドモーショントラッカ（ＨＭＴ）装置等に利用される。
【背景技術】
【０００２】
時々刻々と変動する物体の位置や角度を正確に測定する技術は、様々な分野で利用されている。例えば、ゲーム機では、バーチャルリアリティ（ＶＲ）を実現するために、頭部装着型表示装置付ヘルメットを用いることにより、映像を表示することがなされている。このとき、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度に合わせて、映像を変化させる必要がある。よって、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を測定するために、ＨＭＴ装置が利用されている。
【０００３】
また、救難飛行艇による救難活動において、発見した救難目標を見失うことがないようにするため、頭部装着型表示装置付ヘルメットにより表示される照準画像と救難目標とが対応した時にロックすることにより、ロックされた救難目標の位置を演算することが行われている。このとき、その救難目標の位置を演算するために、飛行体の緯度、経度、高度、姿勢に加えて、飛行体に設定された相対座標系に対するパイロットの頭部角度及び頭部位置を測定している。このため、ＨＭＴ装置が利用されている。
【０００４】
頭部装着型表示装置付ヘルメットに利用されるＨＭＴ装置としては、光学的に頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を測定するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、光学マーカーとして複数の反射板を頭部装着型表示装置付ヘルメットの外周面上に取り付けるとともに、光源と２台のカメラとを飛行体に固定することにより、光源から光を照射したときの反射板からの反射光を２台のカメラでモニタする。また、発光体を互いに離隔するようにして複数箇所に取り付けた光学方式のＨＭＴ装置もある（例えば、特許文献２参照）。具体的には、頭部装着型表示装置付ヘルメットの外周面上に、光学マーカーとして発光体であるＬＥＤ（発光ダイオード）を互いに離隔するようにして３箇所に取り付け、これら３つのＬＥＤの位置関係をＨＭＴ装置に予め記憶させておく。そして、これら３つのＬＥＤを、立体視が可能でかつ飛行体に固定された２台のカメラで同時に撮影することで、所謂、三角測量の原理により、現在の３つのＬＥＤの位置関係を測定している。これにより、２台のカメラに対する頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を特定している。
【特許文献１】特表平９−５０６１９４号公報
【特許文献２】特願２００５−１０６４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような光学方式のＨＭＴ装置で、２台のカメラに対する頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を特定するためには、三角測量の原理を用いるため、１台のカメラにより撮影される撮影領域と他の１台のカメラにより撮影される撮影領域とが重なった撮影領域に、３個のＬＥＤの全てが存在していなければならなかった。
そこで、撮影領域を拡大するようにカメラには広角レンズが使用されたものがある。しかし、広角レンズを使用したカメラをＨＭＴ装置に用いた場合、広角レンズは一般的に高歪であることに加え、撮影領域を拡大することによる分解能が低下しているので、広角レンズを使用したカメラで作成された画像ではＬＥＤの位置を精度よく検出することができないことがあった。すなわち、画像中のＬＥＤの位置を誤認識することがあるため、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を正確に特定することができなくなることがあった。
【０００６】
一方、画像中のＬＥＤの位置を誤認識しないように、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を正確に特定するため、分解能が高い低歪レンズを使用したカメラをＨＭＴ装置に用いた場合、頭部装着型表示装置付ヘルメットの移動距離が長かったときには、１台のカメラにより撮影される撮影領域と他の１台のカメラにより撮影される撮影領域との重なった領域に、３個のＬＥＤのうちいくつかのＬＥＤが存在しなくなることがあった。すなわち、頭部装着型表示装置付ヘルメットの移動範囲が大きいものについては、画像中に３個のＬＥＤの全てが撮影されていないことがあり、その結果、頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を特定することができなくなることがあった。
そこで、本発明は、飛行体等の基準対象物に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット等の測定対象物の移動範囲が大きくても、基準対象物に対する測定対象物の位置や角度を正確に特定することができるモーショントラッカ装置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】
上記課題を解決するためになされた本発明のＭＴ装置は、測定対象物に取り付けられた３個以上の光学マーカーと、前記光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する第一カメラと、前記第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する第二カメラとを有し、かつ、前記第一カメラと前記第二カメラとが固定軸で一体的に固定され、当該固定軸が基準対象物に対して少なくとも水平方向に移動可能となるように取り付けられたカメラ装置と、前記第一画像及び第二画像に基づいて、前記カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する光学マーカー位置情報算出部と、前記光学マーカー位置情報に基づいて、前記基準対象物に対する測定対象物の現在位置及び現在角度を含む相対情報を算出する相対情報算出部とを備えるモーショントラッカ装置であって、前記第一カメラ及び第二カメラにより撮影される撮影領域の位置を変更する駆動信号に基づいて、前記第一カメラ及び第二カメラが固定された固定軸を移動させる駆動機構と、前記駆動機構に駆動信号を出力するともに、前記第一カメラ及び第二カメラの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部に記憶させる駆動機構制御部とを備え、前記駆動機構制御部は、前記第一カメラにより撮影される撮影領域と、前記第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在するように駆動信号を出力して、前記相対情報算出部は、前記駆動機構制御部から駆動信号が出力された後には、前記光学マーカー位置情報及びカメラ装置位置情報に基づいて相対情報を算出するようにしている。
【０００８】
本発明のＭＴ装置によれば、第一カメラは、光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する。また、第二カメラは、第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する。これにより、光学マーカー位置情報算出部は、第一画像と第二画像とに基づいて三角測量の原理を用いて、カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する。このとき、第一カメラにより撮影される撮影領域と、第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在していれば、相対情報算出部は、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を含む相対情報を算出する。
また、第一カメラにより撮影される撮影領域と第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在していなかったり、第一カメラにより撮影される撮影領域や第二カメラにより撮影される撮影領域から特定の光学マーカーが外れかかったりすれば、駆動機構制御部は、第一カメラや第二カメラにより撮影される撮影領域を変更する駆動信号を出力するとともに、第一カメラと第二カメラとの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報を記憶させる。
その結果、移動された第一カメラは、光学マーカーを撮影することにより第一画像を作成する。また、移動された第二カメラは、第一カメラが撮影すると同時に第一カメラと異なる方向から光学マーカーを撮影することにより第二画像を作成する。これにより、光学マーカー位置情報算出部は、第一画像と第二画像とに基づいて三角測量の原理を用いて、カメラ装置に対する光学マーカーの現在位置である光学マーカー位置情報を算出する。そして、相対情報算出部は、光学マーカー位置情報とカメラ装置位置情報とを用いて、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を含む相対情報を算出する。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明のＨＭＴ装置によれば、第一カメラにより撮影される撮影領域と、第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在するように、第一カメラや第二カメラを移動させるので、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を常に特定することができる。
【００１０】
（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記固定軸は、前記基準対象物に対して回転可能に取り付けられているようにしてもよい。
また、上記の発明において、前記測定対象物は、搭乗者の頭部に装着されるヘルメットであり、かつ、前記基準対象物は、前記搭乗者が搭乗する移動体であるようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、前記カメラ装置には、低歪レンズが使用されているようにしてもよい。
本発明のＭＴ装置によれば、基準対象物に対する測定対象物の移動範囲が大きくても、第一カメラにより撮影される撮影領域と、第二カメラにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、少なくとも３個の同一の光学マーカーが存在するように、第一カメラや第二カメラを移動させるので、低歪レンズを使用した第一カメラと第二カメラとをＭＴ装置に用いても、基準対象物に対する測定対象物の現在位置や現在角度を常に特定することができる。さらに、第一カメラと第二カメラとに低歪レンズを使用しているので、分解能を低下させずに、第一画像と第二画像中の光学マーカーの位置を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態であるＨＭＴ装置の概略構成を示す図であり、図２は、図１に示す頭部装着型表示装置付ヘルメットの平面図である。本実施形態のＨＭＴ装置１は、搭乗体（移動体）３０に対するパイロット（搭乗者）３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を含む相対情報を算出するものである。つまり、飛行体に設定された相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する、パイロット３が着用する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に設定されたヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置及び角度を算出する。なお、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、搭乗体３０を基準として設定されたものであり、メモリ４１の座標記憶部４３に記憶され、一方、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）は、後述するＬＥＤ群７を基準として設定されたものであり、メモリ４１のデータ記憶部４４に記憶されている。
【００１３】
ＨＭＴ装置１は、パイロット３の頭部に装着される頭部装着型表示装置付ヘルメット１０と、搭乗体３０の天井に取り付けられたカメラ装置２と、搭乗体３０に取り付けられたカメラ装置２を移動させる駆動機構４と、コンピュータにより構成される制御部２０とから構成される。
搭乗体３０は、パイロット３が搭乗する飛行体のコックピットであり、パイロット３が着席する座席３０ａを備える。
頭部装着型表示装置付ヘルメット１０は、表示器（図示せず）と、表示器から出射される画像表示光を反射することにより、パイロット３の目に導くコンバイナ８と、ＬＥＤ群（光学マーカー群）７とを有する。なお、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０を装着したパイロット３は、表示器による表示映像とコンバイナ８の前方実在物とを視認することが可能となっている。
【００１４】
ＬＥＤ群７は、図２に示すように、互いに異なる波長の赤外光を出射する３個（あるいは３個以上の数）のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが互いに離隔するようにして、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の外周面上に取り付けられたものである。
ここで、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図２に示すように、原点をＬＥＤ７ａの位置とし、前方方向をＸ’軸方向とし、前方方向に垂直方向をＹ’軸方向とし、Ｘ’軸方向及びＹ’軸方向に垂直方向をＺ’軸方向とするように定義するように、後述するデータ記憶部４４に設定されている。また、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）上での３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置関係（初期データ）も、データ記憶部４４に記憶されている。これにより、後述する三角測量の手法で、現時点における３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置を算出し、初期データを参照することで、頭部装着型表示装置ヘルメット１０の現在位置及び現在角度が、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を用いて表現されるようになっている。
【００１５】
カメラ装置２は、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとからなる。第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとは、撮影方向が異なりかつ頭部装着型表示装置付ヘルメット１０に向けられているとともに、立体視が可能な一定の距離（ｄ１）を隔てるように固定軸２ｄで一体的に固定されている。さらに、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとが固定された固定軸２ｄは、搭乗体３０の天井に対して移動可能となるように固定軸２ｃを介して取り付けられている。
ここで、図３に示すように、カメラ装置２に対するＬＥＤ７ａの位置は、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとに撮影された第一画像と第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａの位置を抽出し、さらに第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを抽出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ１）を用いることにより、三角測量の手法で算出することができる。他の光学マーカーであるＬＥＤ７ｂ、７ｃのカメラ装置２に対する位置についても、同様に算出される。
【００１６】
このときの各ＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置を、空間座標で表現することができるようにするために、カメラ装置２に固定され、カメラ装置２とともに移動する座標系であるカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）を設定して用いる。カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図３に示すように、第二カメラ２ｂの現在位置から第一カメラ２ａの現在位置への方向をＸ’’軸方向とし、Ｘ’’軸方向に垂直かつ天井に垂直で下向き方向をＺ’’軸方向とし、Ｘ’’軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をＹ’’軸方向とするように定義し、原点を第一カメラ２ａの現在位置と第二カメラ２ｂの現在位置との中点として定義するように座標記憶部４３に設定されている。
よって、上述したように三角測量の手法で算出することにより、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）におけるＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標は、（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）、（Ｘｂ’’、Ｙｂ’’、Ｚｂ’’）、（Ｘｃ’’、Ｙｃ’’、Ｚｃ’’）として表現できる。カメラ装置２に対する３つのＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置座標（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）、（Ｘｂ’’、Ｙｂ’’、Ｚｂ’’）、（Ｘｃ’’、Ｙｃ’’、Ｚｃ’’）が特定されれば、ＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが位置決めされて取り付けられている頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置及び角度は、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対するヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）及び角度（Θｈ’’、Φｈ’’、Ψｈ’’）を用いて表現できるようになる。なお、角度（Θｈ’’）は、ロール方向（Ｘ’’軸に対する回転）の角度であり、角度（Φｈ’’）は、エレベーション方向（Ｙ’’軸に対する回転）の角度であり、角度（Ψｈ’’）は、アジマス方向（Ｚ’’軸に対する回転）の角度である。また、頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）の原点であるＬＥＤ７ａの現在の位置座標（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）で表現することとする。
【００１７】
ここで、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と、第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とについて図４を用いて説明する。
第一カメラ２ａには、使用されている低歪レンズや広角レンズ等により撮影できる撮影領域の大きさと形状とが定められる。例えば、第一カメラ２ａの撮影領域の形状は、第一カメラ２ａを頂点とする円錐となっている。また、第二カメラ２ｂにも、第一カメラ２ａと同様に、使用されている低歪レンズや広角レンズ等により撮影できる撮影領域の大きさと形状とが定められる。そして、第二カメラ２ｂの撮影領域の形状も第二カメラ２ｂを頂点とする円錐となっている。
カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）におけるＬＥＤ７ａの位置座標（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）を表現するためには、三角測量の原理を用いるので、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と、第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とが重なった領域に、ＬＥＤ７ａが存在していなければならない。つまり、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対するＬＥＤ７ａの位置座標（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）を表現することができるのは、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とが重なった領域となるカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）の特定範囲Ｓとなる。
したがって、ＬＥＤ７ａが特定範囲Ｓ内に存在しなければ、第一カメラ２ａや第二カメラ２ｂに撮影されずに、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対するＬＥＤ７ａの位置座標を表現することができなくなる。他の光学マーカーであるＬＥＤ７ｂ、７ｃのカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対する位置座標を表現する場合についても、同様となる。
【００１８】
次に、相対座標系（ＸＹＺ座標系）について図４を用いて説明する。相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、搭乗体３０に固定され、搭乗体３０とともに移動する座標系である。つまり、本実施形態ではカメラ装置２が移動可能に設けられており、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）はカメラ装置２の移動に伴い、搭乗体３０中を移動することになるが、一方、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、カメラ装置２の移動とは連動せずに、搭乗体３０中に固定されたものとなる。そして、相対座標系（ＸＹＺ座標系）は、原点及び各座標軸の方向を任意に定めることができるが、本実施形態では図４に示すように、カメラ装置２が初期位置にあるときにはカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）と同一となるように、第二カメラ２ｂの初期位置から第一カメラ２ａの初期位置への方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ天井に垂直で下向き方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向に垂直かつ天井に水平で右向き方向をＹ軸方向とするように定義し、原点を第一カメラ２ａの初期位置と第二カメラ２ｂの初期位置との中点として定義するように座標記憶部４３に設定されている。よって、カメラ装置２が初期位置にあるときには、相対座標系（ＸＹＺ座標系）とカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）とは同一となるように設定されている。したがって、カメラ装置２が初期位置にあるときには、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するＬＥＤ７ａの位置座標は、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対するＬＥＤ７ａの位置座標をそのまま用いて表現されることができる。なお、このときには、相対座標系（ＸＹＺ座標系）におけるＬＥＤ７ａの位置座標を表現することができる範囲の位置も、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）の特定範囲Ｓと全く同一となる。
【００１９】
次に、カメラ装置２が移動したことにより、相対座標系（ＸＹＺ座標系）における特定範囲Ｓの位置が変更されることについて図５、６を用いて説明する。
上述したように、本実施形態では第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとが固定された固定軸２ｄは、搭乗体３０の天井に対して移動可能となるように固定軸２ｃを介して取り付けられている。
具体的には、図５に示すように、固定軸２ｃは、相対座標系（ＸＹＺ座標系）のＸＹ方向に移動可能となるように、搭乗体３０の天井に取り付けられている。よって、固定軸２ｃがＸＹ方向に移動することで、カメラ装置２が固定された固定軸２ｄも、相対座標系（ＸＹＺ座標系）のＸＹ方向に移動する。これにより、カメラ装置２に固定されたカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）と、カメラ装置２の初期位置で定められる相対座標系（ＸＹＺ座標系）とは、位置ずれ（ΔＸ、ΔＹ）が生じることになる。つまり、特定範囲Ｓは、位置ずれ（ΔＸ、ΔＹ）だけ相対座標系（ＸＹＺ座標系）上を移動する。
さらに、図６に示すように、固定軸２ｄは、カメラ座標系（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）の原点を中心としてエレベーション方向（Ｙ軸に対する回転）と、アジマス方向（Ｚ軸に対する回転）とに回転移動可能となるように、固定軸２ｃに取り付けられている。これにより、カメラ装置２に固定されたカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）と、カメラ装置２の初期位置で定められる相対座標系（ＸＹＺ座標系）とは、位置ずれ（ΔΦ、ΔΨ）が生じることになる。つまり、特定範囲Ｓは、位置ずれ（ΔΦ、ΔΨ）だけ相対座標系（ＸＹＺ座標系）上を移動する。
【００２０】
駆動機構４は、固定軸２ｃを相対座標系（ＸＹＺ座標系）のＸＹ方向に移動させたり、固定軸２ｄをカメラ座標系（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）の原点を中心としてエレベーション方向と、アジマス方向とに回転移動させたりするために駆動モータを備える。なお、駆動機構４の制御は、コンピュータ２０の駆動機構制御部２４（後述する）から出力された駆動信号が与えられることによって実行される。
【００２１】
制御部２０は、ＣＰＵ２１、メモリ４１等からなるコンピュータにより構成され、各種の制御や演算処理を行うものである。ＣＰＵ２１が実行する処理を、機能ブロックごとに分けて説明すると、カメラ装置撮影部２８と、光学マーカー位置情報算出部２７と、相対情報算出部２２と、駆動機構制御部２４と、映像表示部２５とを有する。
また、メモリ４１には、制御部２０が処理を実行するために必要な種々のデータを蓄積する領域が形成してあり、相対座標系（ＸＹＺ座標系）とカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）とを記憶する座標記憶部４３と、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を記憶するデータ記憶部４４と、カメラ装置位置情報を順次記憶するカメラ装置位置情報記憶部４５と、光学マーカー位置情報を順次記憶する光学マーカー位置情報記憶部４６とを有する。
なお、データ記憶部４４は、ヘルメット座標系（Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系）を記憶し、さらに、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系上での３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの位置関係（初期データ）も記憶している。
【００２２】
カメラ装置撮影部２８は、ＬＥＤ群７を点灯する指令信号を出力するとともに、カメラ装置２でＬＥＤ群７を撮影し、第一画像と第二画像とを取得する制御を行うものである。
光学マーカー位置情報算出部２７は、第一画像と第二画像とに基づいて、カメラ装置２（カメラ座標系）に対するＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの現在位置である光学マーカー位置情報を算出して、光学マーカー位置情報を光学マーカー位置情報部４６に順次記憶させる制御を行うものである。
具体的には、ＬＥＤ７ａのカメラ装置２に対する位置は、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとに撮影された第一画像と第二画像中に映し出されているＬＥＤ７ａの位置を抽出し、さらに第一カメラ２ａからの方向角度（α）と第二カメラ２ｂからの方向角度（β）とを抽出し、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの間の距離（ｄ１）を用いることにより、三角測量の手法で算出する。このとき、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）におけるＬＥＤ７ａの位置座標（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）として表現する。また、ＬＥＤ７ｂ、７ｃのカメラ装置２に対する位置についても、同様に算出する。
【００２３】
駆動機構制御２４は、光学マーカー位置情報に基づいて、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とが重なった領域（特定範囲Ｓ）から３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定したときには、駆動機構４に駆動信号を出力するともに、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部４５に記憶させる制御を行うものである。
例えば、光学マーカー位置情報を用いて３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃで形成される三角形の重心の位置を算出して、三角形の重心の位置が特定範囲Ｓの中央の領域に存在しなければ、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定する。外れかかったと判定したときには、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃで形成される三角形の重心の位置が特定範囲Ｓの中央に存在するように、固定軸２ｃを相対座標系（ＸＹＺ座標系）のＸＹ方向に移動させたり、固定軸２ｄをカメラ座標系（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）の原点を中心としてエレベーション方向やアジマス方向に回転移動させたりする駆動信号を出力する。このとき、駆動信号を出力すれば、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの初期位置及び初期角度からの移動距離量（ΔＸ、ΔＹ）及び移動角度量（ΔΦ、ΔΨ）を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部４５に記憶させる。
一方、三角形の重心の位置が特定範囲Ｓの中央の領域に存在していれば、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかっていないと判定して、駆動信号を出力しない。
【００２４】
相対情報算出部２２は、光学マーカー位置情報とカメラ装置位置情報とに基づいて、搭乗体３０（相対座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を含む相対情報を算出する制御を行うものである。
まず、カメラ装置２（カメラ座標系）に対するＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの現在位置である光学マーカー位置情報と、データ記憶部４４に記憶されている初期データとを比較することにより、ＬＥＤ群７が固定された頭部装着型表示装置付ヘルメット１０のカメラ装置２（カメラ座標系）に対する位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）及び角度（Θｈ’’、Φｈ’’、Ψｈ’’）を算出する。なお、位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）及び角度（Θｈ’’、Φｈ’’、Ψｈ’’）は、カメラ装置２の移動に伴い、搭乗体３０中を移動するカメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に対して表現されている。
よって、次に、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとのの初期位置及び初期角度からの移動距離量（ΔＸ、ΔＹ）及び移動角度量（ΔΦ、ΔΨ）を含むカメラ装置位置情報を用いて、カメラ装置２（カメラ座標系）に対する位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）及び角度（Θｈ’’、Φｈ’’、Ψｈ’’）から、カメラ装置２の移動とは連動せずに、搭乗体３０中に固定された搭乗体３０（相対座標系）に対する位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）に変換する。具体的には、カメラ装置２（カメラ座標系）に対して算出されたパイロット３の頭部位置（Ｘｈ’’、Ｙｈ’’、Ｚｈ’’）及び頭部角度（Θｈ’’、Φｈ’’、Ψｈ’’）に、カメラ装置２による移動距離量（−ΔＸ、−ΔＹ）を並進させる演算と、移動角度量（−ΔΦ、−ΔΨ）を回転させる演算とを行うこと（座標変換行列による座標変換処理）により、カメラ座標系（Ｘ’’Ｙ’’Ｚ’’座標系）に代えて、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を含む相対情報を算出する。
【００２５】
映像表示部２５は、パイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を含む相対情報に基づいて、表示器から映像表示光を出射する制御を行うものである。これにより、パイロット３は、表示器による表示映像を視認することになる。
【００２６】
次に、ＨＭＴ装置１により、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を測定する測定動作について説明する。図７は、ＨＭＴ装置１による測定動作について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、カメラ装置撮影部２８が、ＬＥＤ群７に点灯させる指令信号を出力することにより、ＬＥＤ群７が点灯する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、カメラ装置撮影部２８は、第一カメラ２ａでＬＥＤ群７を撮影し、第一画像を取得するとともに、第二カメラ２ｂでＬＥＤ群７を撮影し、第二画像を取得する。なお、第一画像と第二画像とは同時に取得する。
【００２７】
次に、ステップＳ１０３の処理において、光学マーカー位置情報算出部２７は、第一画像と第二画像とに基づいて、カメラ装置２（カメラ座標系）に対するＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの現在位置である光学マーカー位置情報を算出して、光学マーカー位置情報を光学マーカー位置情報部４６に記憶させる。
次に、ステップＳ１０４の処理において、相対情報算出部２２は、光学マーカー位置情報とカメラ装置位置情報とに基づいて、搭乗体３０（相対座標系）に対するパイロット３の頭部位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）及び頭部角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を含む相対情報を算出する。
【００２８】
次に、ステップＳ１０５の処理において、駆動機構制御２４は、光学マーカー位置情報に基づいて、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったか否かを判定することにより、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとを移動させるか否かを判定する。
第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとを移動させると判定したときには、ステップＳ１０６の処理に進み、駆動機構制御２４は、特定範囲Ｓに３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃの全てが存在するように駆動機構４に駆動信号を出力する。
次に、ステップＳ１０７の処理において、駆動機構制御２４は、相対座標系（ＸＹＺ座標系）に対する第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとの現在位置及び現在角度を含むカメラ装置位置情報をカメラ装置位置情報記憶部４５に記憶させ、ステップＳ１０２の処理に戻る。
一方、ステップＳ１０５の処理において、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとを移動させないと判定したときには、ステップＳ１０８の処理において、搭乗体３０が飛行しているか否かを判定する。搭乗体３０が飛行していると判定したときには、ステップＳ１０２の処理に戻る。
一方、搭乗体３０が飛行していると判定したときには、本フローチャートを終了させる。
【００２９】
以上のように、ＨＭＴ装置１によれば、搭乗体３０に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の移動範囲が大きくても、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と、第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とが重なった領域（特定範囲Ｓ）に、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃが存在するように、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとを移動させるので、搭乗体３０に対する頭部装着型表示装置付ヘルメット１０の現在位置（Ｘｈ、Ｙｈ、Ｚｈ）や現在角度（Θｈ、Φｈ、Ψｈ）を常に特定することができる。
【００３０】
（他の実施形態）
（１）上述したＨＭＴ装置１では、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとは固定軸２ｄで一体的に固定されている構成としたが、第一カメラ２ａと第二カメラ２ｂとは一体的に固定されておらず、別々に独立して移動可能となるような構成としてもよい。
（２）上述したＨＭＴ装置１では、第一カメラ２ａにより撮影される撮影領域と第二カメラ２ｂにより撮影される撮影領域とが重なった領域（特定範囲Ｓ）から３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れたと判定したときに駆動信号を出力するような構成としてもよい。
（３）上述したＨＭＴ装置１では、ＬＥＤ群７は３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃであり、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、ＬＥＤ群７は４個以上のＬＥＤであり、特定範囲Ｓから特定のＬＥＤのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力するような構成としてもよい。
（４）上述したＨＭＴ装置１では、特定範囲Ｓから３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃのうちいずれか１個のＬＥＤが外れかかったと判定したときに駆動信号を出力する構成としたが、３個のＬＥＤ７ａ、７ｂ、７ｃで形成される三角形の重心の位置が特定範囲Ｓの中央に存在するように駆動信号を、光学マーカー位置情報を算出する毎に出力する構成としてもよい。
（５）上述したＨＭＴ装置１では、固定軸２ｃをＸＹ方向に移動させたり、固定軸２ｄをカメラ座標系（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）の原点を中心としてエレベーション方向と、アジマス方向とに回転移動させたりする構成としたが、さらに、第固定軸２ｃをＺ方向に移動させたり、固定軸２ｄをカメラ座標系（Ｘａ’’、Ｙａ’’、Ｚａ’’）の原点を中心としてロール方向に回転移動させたりするような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のＨＭＴ装置は、例えば、ゲーム機や乗物等で用いられる頭部装着型表示装置付ヘルメットの位置や角度を測定するものとして利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態であるＨＭＴ装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す頭部装着型表示装置付ヘルメットの平面図である。
【図３】カメラ座標系の設定を説明するための図である。
【図４】第一カメラにより撮影される撮影領域と第二カメラにより撮影される撮影領域とについて説明するための図である。
【図５】カメラ装置が移動したことにより相対座標系に対して特定範囲の位置が変更されることについて説明するための図である。
【図６】カメラ装置が移動したことにより相対座標系に対して特定範囲の位置が変更されることについて説明するための図である。
【図７】ＨＭＴ装置による測定動作について説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１  ヘッドモーショントラッカ装置
２  カメラ装置
２ａ  第一カメラ
２ｂ  第二カメラ
３  パイロット（搭乗者）
４  駆動機構
７  ＬＥＤ（光学マーカー）
１０  頭部装着型表示装置付ヘルメット（測定対象物）
２２  相対情報算出部
２４  駆動機構制御部
２７  光学マーカー位置情報算出部
３０  搭乗体（基準対象物）
４５  カメラ装置位置情報記憶部
【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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