JP4738888B2 - Three-dimensional position measuring device and software program - Google Patents
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Description
本発明は、三次元位置測定装置及びソフトウエアプログラムに関し、特に装置の設置作業を簡略化することのできる三次元位置測定装置及びソフトウエアプログラムに関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional position measuring device and a software program, and more particularly to a three-dimensional position measuring device and a software program capable of simplifying the installation work of the device.
空間内、例えばトイレや浴室、ベッド等での対象物、例えば人物の動きを検出する動き検出装置として、従来から、動き検出センサが提案されている。代表的な例としては、トイレ等の室内に二次元の格子状パターンに分割されたスポット(輝点)を投影し、投影されたスポットを撮像した画像の各スポットの座標の変化から、前記室内での人物の位置・姿勢状態を監視する装置があった(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら以上のような従来の装置によれば、監視する空間の形状や広さは様々で、また、空間内に設置されているもの、例えば便座の位置、大きさや形状等が種々異なるため、例えば、装置の設置の度に基本的な初期設定を手動で行う必要があり、設置作業が煩雑となることがあった。 However, according to the conventional apparatus as described above, the shape and size of the space to be monitored are various, and what is installed in the space, for example, the position, size, shape, etc. of the toilet seat are different. The basic initial setting must be manually performed each time the apparatus is installed, and the installation work may be complicated.
そこで本発明は、装置の設置作業を簡略化することのできる三次元位置測定装置及びソフトウエアプログラムを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a three-dimensional position measuring device and a software program that can simplify the installation work of the device.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による三次元位置測定装置は、例えば図5又は図9に示すように、第1の平面4と第1の平面4と異なる第2の平面5a、5d、5cで画成される対象領域3に存在する対象物2(例えば図1参照)の位置を測定する三次元位置測定装置において;対象領域3の第1の平面4と第2の平面5a、5d、5cにパターン11aを形成するパターン光11bを投影する投影装置11と;パターン光11bが投影された、対象物2(例えば図1参照)の存在する対象領域3を撮像する撮像装置12と;対象領域3に対象物2が存在しないときに第1の平面4と第2の平面5a、5d、5cに投影されたパターン光11bを基準として、撮像された像上のパターン11aの移動を測定し、該測定されたパターン11aの移動に基づいて、対象物2に投影されたパターン光11bの三次元位置を算出する測定手段14と;パターン光の投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8における仮想のパターン光であって投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光11bの位置と、実際に撮像されるパターン光11bの位置とを比較して、第2の平面5a、5d、5c上での基準の位置を算出する基準位置算出手段24を備え、光学配置は、少なくとも投影装置11又は撮像装置12に関する、基準位置算出手段24にあらかじめ入力された第1の平面4に対する設置高さ及び設置角度に基づいて定められるように構成される。 In order to achieve the above object, a three-dimensional position measuring apparatus according to the invention according to claim 1 is a second plane different from the first plane 4 and the first plane 4, for example, as shown in FIG. 5 or 9. In a three-dimensional position measuring apparatus that measures the position of an object 2 (see, for example, FIG. 1) existing in an object area 3 defined by 5a, 5d, and 5c; a first plane 4 and a second surface of the object area 3 Projection device 11 that projects pattern light 11b that forms pattern 11a on planes 5a, 5d, and 5c; and imaging that captures target area 3 on which target object 2 (see, for example, FIG. 1) is projected. The pattern 12a on the imaged image with reference to the pattern light 11b projected on the first plane 4 and the second planes 5a, 5d, 5c when the object 2 is not present in the target area 3; Measuring the movement of the measured An imaginary plane 8 as compared to the projection range of the pattern light virtually wide enough ones; based on the movement of the turn 11a, the measuring means 14 for calculating the three-dimensional position of the pattern projected light 11b to the object 2 The position of the virtual pattern light 11b calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 is compared with the position of the pattern light 11b that is actually imaged. Reference position calculation means 24 for calculating a reference position on the second plane 5a, 5d, 5c is provided, and the optical arrangement is input in advance to the reference position calculation means 24 for at least the projection device 11 or the imaging device 12 . It is configured to be determined based on the installation height and the installation angle with respect to the first plane 4.
このように構成すると、投影装置は、対象領域の第1の平面と第2の平面にパターンを形成するパターン光を投影し、撮像装置は、パターン光が投影された、対象物の存在する対象領域を撮像する。測定手段は、対象領域に対象物が存在しないときに第1の平面と第2の平面に投影されたパターン光を基準として、撮像された像上のパターンの移動を測定し、該測定されたパターンの移動に基づいて、対象物に投影されたパターン光の三次元位置を算出する。さらに、基準位置算出手段は、パターン光の投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面における仮想のパターン光であって少なくとも投影装置又は撮像装置に関する基準位置算出手段にあらかじめ入力された第1の平面に対する設置高さ及び設置角度に応じて定められる光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光の位置と、実際に撮像されるパターン光の位置とを比較して、第2の平面上でのパターンの移動測定の基準の位置を算出するので、装置の設置作業を簡略化することのできる三次元位置測定装置を提供することができる。 When configured in this way, the projection device projects pattern light that forms a pattern on the first plane and the second plane of the target region, and the imaging device projects the pattern light on which the target exists. Image the area. The measuring means measures the movement of the pattern on the captured image with reference to the pattern light projected on the first plane and the second plane when there is no object in the target area, and the measured Based on the movement of the pattern, the three-dimensional position of the pattern light projected on the object is calculated. Furthermore, the reference position calculation means is inputted in advance to the virtual reference position calculating means for at least a projection device or an imaging device a pattern light of which definitive virtual plane compared to the projected range virtually made sufficiently wide light pattern The position of the virtual pattern light calculated based on the optical arrangement determined according to the installation height and the installation angle with respect to the first plane is compared with the position of the pattern light that is actually imaged. Since the position of the reference for measuring the movement of the pattern on the plane is calculated, it is possible to provide a three-dimensional position measuring apparatus that can simplify the installation work of the apparatus.
また、請求項1に記載の三次元位置測定装置では、例えば図5又は図9に示すように、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される、第1の平面4上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置と、第1の平面4上に実際に投影され、撮像装置12によって撮像されたパターン光11bであって、前記第1の平面4上での前記投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置に最も近いパターン光11bの位置に基づいて、少なくとも投影装置11の第1の平面4に対する設置高さ及び設置角度を用いて、光学配置に基づいてあらかじめ定められている投影装置11の光軸角度と実際の投影装置11の光軸角度とのずれを算出して、投影装置11の光軸の傾きを補正する光軸角度補正手段25を備え;投影装置11は、当該投影装置11の光軸が第1の平面4と交差するように配設され、基準位置算出手段24は、補正された傾きに応じて、基準の位置を算出するように構成される。 Also, a three-dimensional position-measuring device according to claim 1, for example 5 or 9, is calculated on the basis of the optical arrangement of the projection unit 11 and the imaging device 12, the first plane 4 The pattern light 11b on the optical axis of the projection device 11 above and the pattern light 11b actually projected onto the first plane 4 and imaged by the imaging device 12, Based on the position of the pattern light 11b closest to the position where the pattern light 11b on the optical axis of the projection device 11 on the first plane 4 is to be imaged, at least the installation height of the projection device 11 with respect to the first plane 4 The deviation between the optical axis angle of the projection apparatus 11 and the actual optical axis angle of the actual projection apparatus 11 that are determined in advance based on the optical arrangement is calculated using the height and the installation angle, and the optical axis of the projection apparatus 11 is calculated . Optical axis angle compensation to correct tilt The projection device 11 is disposed so that the optical axis of the projection device 11 intersects the first plane 4, and the reference position calculation unit 24 is configured to change the reference position according to the corrected inclination. It is configured to calculate.
このように構成すると、投影装置は、当該投影装置の光軸が第1の平面と交差するように配設され、光軸角度補正手段は、投影装置と撮像装置との光学配置に基づいて算出される第1の平面上での投影装置の光軸上のパターン光が撮像されるべき位置と、第1の平面上に実際に投影され、撮像装置によって撮像されたパターン光であって、前記第1の平面上での前記投影装置の光軸上のパターン光が撮像されるべき位置に最も近いパターン光の位置に基づいて、投影装置の光軸の傾きを補正する。基準位置算出手段は、補正された投影装置の光軸の傾きに応じて、パターンの移動測定の基準の位置を算出するので、投影装置の光軸と撮像装置の光軸との傾きの影響を排除することができる。したがって、測定手段によるパターンの移動の測定をより正確に行うことができる。 With this configuration, the projection device is arranged so that the optical axis of the projection device intersects the first plane, and the optical axis angle correction unit calculates based on the optical arrangement of the projection device and the imaging device. The pattern light on the optical axis of the projection device on the first plane to be imaged and the pattern light that is actually projected on the first plane and imaged by the imaging device, The inclination of the optical axis of the projection apparatus is corrected based on the position of the pattern light closest to the position where the pattern light on the optical axis of the projection apparatus on the first plane is to be imaged. Since the reference position calculation means calculates the reference position of the pattern movement measurement according to the corrected inclination of the optical axis of the projection apparatus, the influence of the inclination between the optical axis of the projection apparatus and the optical axis of the imaging apparatus is calculated. Can be eliminated. Therefore, it is possible to more accurately measure the movement of the pattern by the measuring means.
また請求項2に記載のように、請求項1に記載の三次元位置測定装置では、例えば図5又は図9に示すように、第1の平面4上の実際のパターン11aに関してハフ変換を実行して第1の角度ピークを算出し、仮想平面8上の一定範囲の仮想のパターン光11bによって形成される仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して、投影装置11を投影装置11の光軸周りに一定角度回転させる毎に第2の角度ピークを算出し、第1の角度ピークと第2の角度ピークとが略一致した際の、光軸周りの回転角を、投影装置11の実際の回転角として設定する回転角算出手段26を備え;基準位置算出手段24は、光軸角度補正手段25による光軸の傾きを補正した後、投影装置11の実際の回転角に応じて、基準の位置を算出するように構成してもよい。 Further, as described in claim 2 , in the three-dimensional position measuring apparatus according to claim 1 , for example, as shown in FIG. 5 or FIG. 9, the Hough transform is performed on the actual pattern 11a on the first plane 4. Then, the first angle peak is calculated, the Hough transform is performed on the virtual pattern 11a formed by the virtual pattern light 11b in a certain range on the virtual plane 8, and the projection apparatus 11 is moved to the optical axis of the projection apparatus 11. The second angle peak is calculated every time the lens is rotated by a certain angle around, and the rotation angle around the optical axis when the first angle peak and the second angle peak substantially coincide with each other is calculated. Rotation angle calculation means 26 for setting the rotation angle is provided; the reference position calculation means 24 corrects the inclination of the optical axis by the optical axis angle correction means 25 and then changes the reference angle according to the actual rotation angle of the projection device 11. Configured to calculate position It may be.
このように構成すると、回転角算出手段は、第1の平面上の実際のパターンに関してハフ変換を実行して第1の角度ピークを算出する。さらに、仮想平面上の一定範囲の仮想のパターン光によって形成される仮想のパターンに関してハフ変換を実行して、投影装置を投影装置の光軸周りに一定角度回転させる毎に第2の角度ピークを算出する。さらに、第1の角度ピークと第2の角度ピークとが略一致した際の、光軸周りの回転角を、投影装置の実際の回転角として設定する。基準位置算出手段は、投影装置の実際の回転角に応じて、パターンの移動測定の基準の位置を算出するので、例えば、測定手段によるパターンの移動の検出範囲を広くとりながら、当該回転角αの影響を排除することができる。したがって、測定手段によるパターンの移動の測定をより正確に行うことができる。 If comprised in this way, a rotation angle calculation means will perform a Hough transform regarding the actual pattern on a 1st plane, and will calculate a 1st angle peak. Further, a Hough transform is performed on a virtual pattern formed by a certain range of virtual pattern light on the virtual plane, and a second angle peak is obtained each time the projector is rotated by a certain angle around the optical axis of the projector. calculate. Further, the rotation angle around the optical axis when the first angle peak and the second angle peak substantially coincide is set as the actual rotation angle of the projection apparatus. Since the reference position calculation means calculates the reference position of the pattern movement measurement according to the actual rotation angle of the projection apparatus, for example, while taking a wide detection range of the pattern movement by the measurement means, the rotation angle α The influence of can be eliminated. Therefore, it is possible to more accurately measure the movement of the pattern by the measuring means.
また請求項3に記載のように、請求項1又は請求項2に記載の三次元位置測定装置では、例えば図5又は図9に示すように、基準の位置の第2の平面5a、5d、5cに垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラム(例えば、図11参照)に応じて第2の平面5a、5d、5cの位置を特定する第2の平面特定手段27を備え;基準位置算出手段24は、特定された第2の平面5a、5d、5cの位置に基づいて補正された基準の位置を算出するように構成してもよい。 Further, as described in claim 3 , in the three-dimensional position measuring apparatus according to claim 1 or 2 , as shown in FIG. 5 or 9, for example, the second planes 5a, 5d of the reference position are provided. A second plane specifying unit 27 that specifies the positions of the second planes 5a, 5d, and 5c according to a frequency histogram (for example, see FIG. 11) relating to a position in a direction perpendicular to 5c; The reference position corrected based on the specified positions of the second planes 5a, 5d, and 5c may be calculated.
このように構成すると、第2の平面特定手段は、基準の位置の第2の平面に垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラムに応じて第2の平面の位置を特定する。さらに、基準位置算出手段は、特定された第2の平面の位置に基づいて補正されたパターンの移動測定の基準の位置を算出するので、当該基準の位置の算出でのノイズ等の影響による誤差を軽減することができる。したがって、測定手段によるパターンの移動の測定をより正確に行うことができる。
また、請求項4に記載のように、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の三次元位置測定装置では、例えば図4及び図6に示すように、投影装置11が、レーザ光束L1を発生する光束発生部105と、光ファイバー121を複数平行にシート状に並べて構成されたファイバーグレーティング120を含んで構成され;光学配置は、レーザ光束L1の波長、光ファイバー121の径、及び撮像装置12の結像面15’と結像レンズ13aとの距離に基づいて定められるように構成してもよい。
If comprised in this way, a 2nd plane specific | specification means pinpoints the position of a 2nd plane according to the frequency histogram regarding the position of the direction of a reference | standard perpendicular | vertical to the 2nd plane. Further, since the reference position calculation means calculates the reference position of the movement measurement of the pattern corrected based on the position of the specified second plane, an error due to the influence of noise or the like in the calculation of the reference position Can be reduced. Therefore, it is possible to more accurately measure the movement of the pattern by the measuring means.
In addition, as described in claim 4 , in the three-dimensional position measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 , for example, as shown in FIGS. A light beam generation unit 105 that generates a light beam L1 and a fiber grating 120 formed by arranging a plurality of optical fibers 121 in parallel in a sheet form are configured; the optical arrangement is the wavelength of the laser beam L1, the diameter of the optical fiber 121, and imaging You may comprise so that it may be determined based on the distance of the imaging surface 15 'of the apparatus 12, and the imaging lens 13a.
上記目的を達成するためのソフトウエアプログラムとして、例えば図9又は図18に示すように、コンピュータにインストールして、該コンピュータを三次元位置測定装置として作動させるソフトウエアプログラムであって;第1の平面4と第1の平面4と異なる第2の平面5a、5d、5cで画成される対象領域3に存在する対象物2(例えば、図1参照)の位置を測定する処理において;対象領域3の第1の平面4と第2の平面5a、5d、5cにパターン11aを形成するパターン光11bを投影する処理(S100)と;パターン光11bが投影された、対象物2の存在する対象領域3を撮像する処理(S102)と;対象領域3に対象物2が存在しないときに第1の平面4と第2の平面5a、5d、5cに投影されたパターン光11bを基準として、撮像された像上のパターン11aの移動を測定し、該測定されたパターン11aの移動に基づいて、対象物2に投影されたパターン光11bの三次元位置を算出する処理(S114)と;パターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8における仮想のパターン光であってパターン光11bを投影する投影装置11と対象領域3を撮像する撮像装置12との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光11bの位置と、実際に撮像されるパターン光11bの位置とを比較して、第2の平面5a、5d、5c上での基準の位置を算出する処理(S108)とを実行するようにコンピュータを制御し、前記光学配置は、少なくとも投影装置11又は前記撮像装置12に関する、コンピュータにあらかじめ入力された第1の平面4に対する設置高さ及び設置角度に基づいて定められるように構成してもよい。 As software program for achieving the above object, for example, as shown in FIG. 9 or 18, and installed in a computer, a software program for operating the computer as a three dimensional position measuring apparatus; first In the process of measuring the position of the object 2 (see, for example, FIG. 1) existing in the target area 3 defined by the second plane 5a, 5d, 5c different from the plane 4 and the first plane 4; A process of projecting pattern light 11b that forms the pattern 11a on the first plane 4 and the second planes 5a, 5d, and 5c (S100); and the target 2 on which the pattern light 11b is projected A process of imaging the region 3 (S102); pattern light 1 projected on the first plane 4 and the second planes 5a, 5d, and 5c when the object 2 does not exist in the target region 3 Processing for measuring the movement of the pattern 11a on the imaged image with reference to b, and calculating the three-dimensional position of the pattern light 11b projected on the object 2 based on the measured movement of the pattern 11a ( S114); a projection device 11 that projects the pattern light 11b, which is a virtual pattern light on the virtual plane 8 that is assumed to be sufficiently wide compared to the projection range of the pattern light 11b, and an imaging device that images the target region 3 12 is compared with the position of the virtual pattern light 11b calculated based on the optical arrangement with the position of the pattern light 11b that is actually imaged, and the reference plane on the second plane 5a, 5d, 5c is compared. The computer is controlled to execute the process of calculating the position (S108), and the optical arrangement is at least related to the projection device 11 or the imaging device 12. It may be configured to be determined based on the height and installation angle set up against the first plane 4 which is Luo beforehand input.
このように構成すると、対象領域の第1の平面と第2の平面にパターンを形成するパターン光を投影し、パターン光が投影された対象物の存在する対象領域を撮像する。さらに、対象領域に対象物が存在しないときに第1の平面と第2の平面に投影されたパターン光を基準として、撮像された像上のパターンの移動を測定し、該測定されたパターンの移動に基づいて、対象物に投影されたパターン光の三次元位置を算出する。さらに、パターン光の投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面における仮想のパターン光であって少なくとも前記投影装置又は前記撮像装置に関するコンピュータにあらかじめ入力された第1の平面に対する設置高さ及び設置角度に基づいて定められる光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光の位置と、実際に撮像されるパターン光の位置とを比較して、第2の平面上でのパターンの移動測定の基準の位置を算出するので、装置の設置作業を簡略化することのできるソフトウエアプログラムを提供することができる。 If comprised in this way, the pattern light which forms a pattern will be projected on the 1st plane and 2nd plane of a target area | region, and the target area | region where the target object in which the pattern light was projected exists will be imaged. Further, the movement of the pattern on the captured image is measured with reference to the pattern light projected on the first plane and the second plane when there is no target in the target area, and the measured pattern Based on the movement, the three-dimensional position of the pattern light projected on the object is calculated. Furthermore, installation to the first plane previously entered into the computer for at least the projection device or the imaging device to a virtual pattern light definitive to the virtual plane is virtually made sufficiently large compared to the projection range of the pattern light The position of the virtual pattern light calculated based on the optical arrangement determined based on the height and the installation angle is compared with the position of the pattern light actually captured, and the pattern on the second plane is compared. Since the position of the reference for movement measurement is calculated, it is possible to provide a software program that can simplify the installation work of the apparatus.
以上のように本発明によれば、装置の設置作業を簡略化することができる。 According to the present invention as described above, it is a Turkey to simplify the installation work of the equipment.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、本実施の形態で用いられる主な数式には、数式(1)から数式(24)までがある。これらの数式については、順次説明していく。また、図19に、数式(1)から数式(24)についてまとめた図を示す。以下の説明では、適宜図19を参照する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Further, the main mathematical formulas used in the present embodiment include the mathematical formulas (1) to (24). These mathematical expressions will be described sequentially. FIG. 19 is a diagram summarizing the formulas (1) to (24). In the following description, FIG. 19 will be referred to as appropriate.
図1は、本発明の実施の形態に係る三次元位置測定装置としての室内監視装置1の模式的斜視図である。室内監視装置1は、第1の平面と前記第1の平面と異なる第2の平面で画成される対象領域としての監視領域に存在する対象物の位置を測定し、典型的には、対象物を監視するように構成されている。本実施の形態では監視領域はトイレ3である。また、第1の平面と第2の平面とは典型的には交差し、さらに典型的には直交する。さらにここでは、第1の平面が床面4に平行な面であり、第2の平面が壁面としての正面壁面5aに平行な面、及び側面壁面5c、側面壁面5dに平行な面である。トイレ3は、床面4に平行な面、正面壁面5aに平行な面、及び側面壁面5c、側面壁面5dに平行な面とで画成される空間である。なお床面4に平行な面は床面4と一致してもよい。また正面壁面5aに平行な面も正面壁面5aと一致してもよい。同様に、側面壁面5c、側面壁面5dに平行な面も側面壁面5c、側面壁面5dと一致してもよい。即ち床面4に平行な面は床面4であってもよいし、正面壁面5aに平行な面は正面壁面5aであってもよい。さらに、側面壁面5c、側面壁面5dに平行な面は側面壁面5c、側面壁面5dであってもよい。本実施の形態では、第1の平面は床面4であり、第2の平面は正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dである。またここで平行とは、およそ平行であることを含む概念である。さらに、この平行な面は、実際の平面だけでなく仮想的な平面を含むものとする。また、前記空間は、典型的にはさらに床面4に対向する天井6と正面壁面5aに対向する裏面壁面5b、及び側面壁面5c、側面壁面5dを有する閉空間である。前記閉空間はトイレ3を形成している。また、対象物は、典型的には、トイレ3でその姿勢を変化させるものである。本実施の形態では、対象物は人物2の場合で説明する。 FIG. 1 is a schematic perspective view of an indoor monitoring device 1 as a three-dimensional position measuring device according to an embodiment of the present invention. The indoor monitoring device 1 measures the position of an object existing in a monitoring area as a target area defined by a first plane and a second plane different from the first plane, and typically It is configured to monitor things. In the present embodiment, the monitoring area is the toilet 3. In addition, the first plane and the second plane typically intersect, and more typically are orthogonal. Further, here, the first plane is a plane parallel to the floor surface 4, and the second plane is a plane parallel to the front wall surface 5a as a wall surface, and a plane parallel to the side wall surface 5c and the side wall surface 5d. The toilet 3 is a space defined by a surface parallel to the floor surface 4, a surface parallel to the front wall surface 5a, and a surface parallel to the side wall surface 5c and the side wall surface 5d. A plane parallel to the floor surface 4 may coincide with the floor surface 4. A surface parallel to the front wall surface 5a may also coincide with the front wall surface 5a. Similarly, surfaces parallel to the side wall surface 5c and the side wall surface 5d may also coincide with the side wall surface 5c and the side wall surface 5d. That is, the surface parallel to the floor surface 4 may be the floor surface 4, and the surface parallel to the front wall surface 5a may be the front wall surface 5a. Furthermore, the surface parallel to the side wall surface 5c and the side wall surface 5d may be the side wall surface 5c and the side wall surface 5d. In the present embodiment, the first plane is the floor surface 4, and the second plane is the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d. Here, “parallel” is a concept including being approximately parallel. Further, the parallel plane includes not only an actual plane but also a virtual plane. The space is a closed space typically having a ceiling 6 facing the floor 4 and a back wall 5b facing the front wall 5a, a side wall 5c, and a side wall 5d. The closed space forms a toilet 3. In addition, the object typically changes its posture in the toilet 3. In the present embodiment, the case where the object is the person 2 will be described.
ここで、本実施の形態で用いるトイレ3について説明する。トイレ3は、床面4と、床面4に直交する(典型的には鉛直に配置される)ように形成された平面が周囲に4面形成されている。平面は、正面壁面5aと(図中手前)、正面壁面5aに対向する裏面壁面5bと(図中奥)、正面壁面5aに直交し、互いに対向する第2の平面としての2つの側面壁面5c(図中右)、5d(図中左)がある。さらに上記各壁面の上部には、床面4とおよそ平行に配置された天井6が形成されている。さらに床面4には、便器7が載置されている。便器7は、床面4の裏面壁面5b近傍に載置されている。さらに、正面壁面5aには、不図示の扉が形成されており、人物2は、この扉により正面壁面5aからトイレ3内に進入、またはトイレ3内から退室できる。なお、本実施の形態では、第1の平面としての床面4に対して、本発明の第2の平面の関係にある平面としては、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの3面があるが、いずれか1面しかない場合の実施の形態もあり得る。また、本実施の形態では、後述する投影装置11の設置角度等の関係から、裏面壁面5bは、投影装置11によってパターン光が投影される第2の平面ではないが、設置角度等に応じて、裏面壁面5bもパターン光が投影される第2の平面となることがある。 Here, the toilet 3 used in the present embodiment will be described. The toilet 3 has a floor surface 4 and four planes formed so as to be orthogonal to the floor surface 4 (typically arranged vertically). The plane is a front wall surface 5a (front side in the drawing), a back wall surface 5b facing the front wall surface 5a (back in the drawing), and two side wall surfaces 5c as second planes orthogonal to the front wall surface 5a and facing each other. (Right in the figure) and 5d (left in the figure). Furthermore, a ceiling 6 disposed approximately in parallel with the floor surface 4 is formed at the top of each wall surface. Further, a toilet 7 is placed on the floor surface 4. The toilet bowl 7 is placed near the back wall surface 5b of the floor surface 4. Further, a door (not shown) is formed on the front wall surface 5a, and the person 2 can enter the toilet 3 from the front wall surface 5a or leave the toilet 3 by using this door. In the present embodiment, with respect to the floor surface 4 as the first plane, the three planes of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d are the planes in the relationship of the second plane of the present invention. However, there may be an embodiment in which there is only one side. In the present embodiment, the back wall surface 5b is not the second plane on which the pattern light is projected by the projection device 11 because of the relationship such as the installation angle of the projection device 11 to be described later. The back wall surface 5b may also be a second plane on which pattern light is projected.
室内監視装置1は、監視領域であるトイレ3の第1の平面としての床面4と前記第2の平面としての正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dにパターンを形成するパターン光を投影する投影装置11と、前記パターン光が投影された、対象物としての人物2の存在するトイレ3を撮像する撮像装置12とを備えている。また室内監視装置1は、演算装置20を備えている。演算装置20は、室内監視装置1全体を制御するものである。投影装置11と撮像装置12は、床面4と正面壁面5aに対向する位置に配置される。さらに言えば、投影装置11と撮像装置12は、天井6と裏面壁面5bの近傍に配置される。本実施の形態では、投影装置11と撮像装置12は、裏面壁面5bのおよそ上部に配置される。また、トイレ3に人物2が存在するときには、パターンは人物2にも投影される。さらに本実施の形態では、投影されるパターンは、図4で後述する略正方格子状に配列された複数の輝点11bで形成される。 The indoor monitoring device 1 projects pattern light that forms a pattern on the floor surface 4 as the first plane of the toilet 3 that is the monitoring area and the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d as the second plane. And an imaging device 12 that images the toilet 3 on which the person 2 as an object is projected, on which the pattern light is projected. In addition, the indoor monitoring device 1 includes a calculation device 20. The arithmetic device 20 controls the entire indoor monitoring device 1. The projection device 11 and the imaging device 12 are disposed at positions facing the floor surface 4 and the front wall surface 5a. Furthermore, the projection device 11 and the imaging device 12 are arranged in the vicinity of the ceiling 6 and the back wall surface 5b. In the present embodiment, the projection device 11 and the imaging device 12 are arranged approximately on the back wall surface 5b. When the person 2 exists in the toilet 3, the pattern is also projected on the person 2. Furthermore, in the present embodiment, the projected pattern is formed by a plurality of bright spots 11b arranged in a substantially square lattice shape, which will be described later with reference to FIG.
さらに、室内監視装置1は、撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定する測定手段としての測定装置14を備えている。投影装置11と撮像装置12は、測定装置14に電気的に接続され、測定装置14に制御されている。なお、本実施の形態では、測定装置14は、演算装置20と一体に構成されている。 Furthermore, the indoor monitoring device 1 includes a measuring device 14 as a measuring unit that measures the movement of the pattern on the image captured by the imaging device 12. The projection device 11 and the imaging device 12 are electrically connected to the measurement device 14 and controlled by the measurement device 14. In the present embodiment, the measurement device 14 is configured integrally with the arithmetic device 20.
まず、投影装置11と撮像装置12の設置について説明する。前述のように、投影装置11と撮像装置12は、裏面壁面5bの上方に配置されている。撮像装置12は、投影装置11から間隔dをもって配置されている。なお、投影装置11と撮像装置12の距離(間隔d)を基線長という。基線長は、三角測量法の基線方向の投影装置11と撮像装置12の間隔である。基線方向は、本実施の形態では、およそ床面4且つ正面壁面5aに平行な方向である。 First, installation of the projection device 11 and the imaging device 12 will be described. As described above, the projection device 11 and the imaging device 12 are disposed above the back wall surface 5b. The imaging device 12 is disposed at a distance d from the projection device 11. The distance (interval d) between the projection device 11 and the imaging device 12 is referred to as a baseline length. The baseline length is the distance between the projection device 11 and the imaging device 12 in the baseline direction of the triangulation method. In the present embodiment, the base line direction is a direction approximately parallel to the floor surface 4 and the front wall surface 5a.
投影装置11と撮像装置12は、それぞれその光軸を、床面4の垂直方向に対して、傾けて設置する。すなわち、図示では、投影装置11と撮像装置12の床面4に対する設置角度として、床面4の垂直方向に対して角度θで傾けた場合を示している。また、さらに、投影装置11と撮像装置12のそれぞれの光軸を、互いに略平行方向に向けて設置している。本実施の形態では、θ≒30°であるが、室内(トイレ3)の縦横比によって適宜定めるが、15〜60°とするとよい。また、本実施の形態では、投影装置11は、光軸が床面4と交差するように配設されている。 The projection device 11 and the imaging device 12 are installed with their optical axes inclined with respect to the vertical direction of the floor surface 4. That is, in the figure, the installation angle with respect to the floor surface 4 of the projection device 11 and the imaging device 12 is illustrated as being inclined at an angle θ with respect to the vertical direction of the floor surface 4. Further, the respective optical axes of the projection device 11 and the imaging device 12 are installed in directions substantially parallel to each other. In the present embodiment, θ≈30 °, but is appropriately determined according to the aspect ratio of the room (toilet 3), but may be 15 to 60 °. In the present embodiment, the projection device 11 is disposed so that the optical axis intersects the floor surface 4.
なお、本実施の形態では、投影装置11と撮像装置12は、筐体18内に収納されて設置されている。このようにすることで、例えばトイレ3を利用する人物2に撮像装置(CCDカメラ)の設置を意識させずに済む。また、筐体18により投影装置11や撮像装置12を保護することができる。 In the present embodiment, the projection device 11 and the imaging device 12 are housed and installed in the housing 18. In this way, for example, the person 2 who uses the toilet 3 does not need to be aware of the installation of the imaging device (CCD camera). In addition, the projection device 11 and the imaging device 12 can be protected by the housing 18.
なお、室内監視装置1は、測定装置14により撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定するように構成されているものである。例えば図2に示すように、投影装置11と撮像装置12を天井6のおよそ中央部に、それぞれその光軸を、床面4の垂直方向に向けて配置した場合には、対象物(ここでは人物2)の高さ又は高さ方向の動きが大きくなればなるほど、パターンを形成する輝点の移動量も大きくなる。このため、図6で後述する概念によると、輝点の移動量が大きいと、比較すべき輝点が隣の輝点の基準位置を飛び越してしまう現象が起こることがある。この場合、隣の輝点から移動したと判断され、測定される輝点の移動量は小さいことになってしまう。即ち、正確に輝点の移動量を測定できない。さらに言えば、人物2までの距離を正確に測定出来なくなる場合がある。図2の場合のように、例えばこの現象が人物2の頭部で発生してしまうと、頭部の高さが正確に測定できない。いわば頭部が死角となってしまう。ひいては人物2の存在が正確に測定できなくなってしまう。また、パターン(輝点)の移動量を測定する際の測定範囲と分解能が相反してしまうので、例えば、この飛び越えが発生しないように測定範囲を広げると、十分な分解能が得られなくなる。なお、ここで言う死角とは、例えばパターンの移動を正確に測定できない領域のことである。ひいては撮像装置12の画角内で上記の輝点の飛び越えを発生してしまう領域のことをいう。 The indoor monitoring device 1 is configured to measure the movement of the pattern on the image captured by the imaging device 12 by the measuring device 14. For example, as shown in FIG. 2, when the projection device 11 and the imaging device 12 are arranged at approximately the center of the ceiling 6 and their optical axes are oriented in the vertical direction of the floor surface 4, the object (here, The greater the movement of the person 2) in the height or height direction, the greater the amount of movement of the bright spots forming the pattern. For this reason, according to the concept described later with reference to FIG. 6, if the amount of movement of the bright spot is large, a phenomenon may occur in which the bright spot to be compared jumps over the reference position of the adjacent bright spot. In this case, it is determined that the light has moved from the adjacent bright spot, and the amount of movement of the bright spot to be measured is small. That is, the movement amount of the bright spot cannot be measured accurately. Furthermore, the distance to the person 2 may not be measured accurately. For example, if this phenomenon occurs in the head of the person 2 as in the case of FIG. 2, the height of the head cannot be measured accurately. In other words, the head becomes a blind spot. As a result, the presence of the person 2 cannot be measured accurately. Further, since the measurement range and the resolution at the time of measuring the movement amount of the pattern (bright spot) are contradictory, for example, if the measurement range is widened so that this jump does not occur, sufficient resolution cannot be obtained. The blind spot referred to here is, for example, a region where the movement of the pattern cannot be measured accurately. As a result, it refers to a region where the above bright spot jump occurs within the angle of view of the imaging device 12.
このため、室内監視装置1は、投影装置11と撮像装置12を図1で前述したように設置することで、輝点の飛び越えの影響を大幅に低減することができる。例えば、図3に示す場合を説明する。この実施の形態では、第1の平面としての床面4と第2の平面としての正面壁面5a、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)に基準となるパターンが投影されている。投影装置11と撮像装置12は、便器7の上方に設置されており、例えば、投影装置11と撮像装置12から正面壁面5aまでの距離は、床面4までの距離より小さい。したがって、投影装置11と撮像装置12から正面壁面5aに向かう方向では輝点の飛び越えが発生する領域が小さくなる。すなわち死角は便器7の上方の小さい部分となり、便器7上ではしゃがんだり、便器7に腰掛ける人物2が死角に入る可能性が低くなる。言い換えれば、人物2が立っている場合では、輝点の飛び越えが発生する範囲の外で、輝点が人物2の体に投影されるので、正確な測定が行なえる((a)の状態)。また、人物2が便器7に座っている場合にも、輝点の飛び越えが発生する範囲の外に人物2が存在することになるので、正確な測定が行なえる((b)の状態)。このように、室内監視装置1は、投影装置11と撮像装置12を図1で前述したように設置することで、後述の人物2の状態の判定を安定且つ正確に行なうことができるようになる。 For this reason, the indoor monitoring device 1 can significantly reduce the influence of the bright spot jumping by installing the projection device 11 and the imaging device 12 as described above with reference to FIG. For example, the case shown in FIG. 3 will be described. In this embodiment, a reference pattern is projected onto the floor surface 4 as the first plane and the front wall surface 5a, the side wall surface 5c (see FIG. 1), and the side wall surface 5d (see FIG. 1) as the second plane. Has been. The projection device 11 and the imaging device 12 are installed above the toilet bowl 7. For example, the distance from the projection device 11 and the imaging device 12 to the front wall surface 5a is smaller than the distance to the floor surface 4. Therefore, in the direction from the projection device 11 and the imaging device 12 toward the front wall surface 5a, the region where the bright spot jumps is small. That is, the blind spot becomes a small portion above the toilet bowl 7, and it is less likely that the person 2 squatting on the toilet bowl 7 or sitting on the toilet bowl 7 enters the blind spot. In other words, when the person 2 is standing, the bright spot is projected onto the body of the person 2 outside the range where the bright spot jumps over, so that accurate measurement can be performed (state (a)). . Further, even when the person 2 is sitting on the toilet bowl 7, the person 2 exists outside the range where the bright spot jump occurs, so that accurate measurement can be performed (state (b)). As described above, the indoor monitoring device 1 can determine the state of the person 2 described later stably and accurately by installing the projection device 11 and the imaging device 12 as described above with reference to FIG. .
なお、投影装置11と撮像装置12をこのように設置することで、天井6の中央部に設置する場合(図2参照)と比較して、例えばトイレ3の中央に人物2が立った場合に人物2に投影されるパターン(輝点の数)が飛躍的に多くなり、取得できる情報量が増大する。 In addition, when the projection device 11 and the imaging device 12 are installed in this way, for example, when the person 2 stands at the center of the toilet 3 as compared with the case where the projection device 11 and the imaging device 12 are installed at the center of the ceiling 6 (see FIG. 2). The pattern (number of bright spots) projected on the person 2 increases dramatically, and the amount of information that can be acquired increases.
図4の模式的斜視図を参照して、室内監視装置1に適した投影装置11について説明する。なおここでは、説明のために、監視領域に含まれる撮像装置12に正対する平面を平面102とし、後述のレーザ光束L1を平面102に対して垂直に投射する場合で説明する。なお、正対するとは、例えば真直ぐ対することである。投影装置11は、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部105と、ファイバーグレーティング120(以下、単にグレーティング120という)とを備えている。光束発生部105により投射される可干渉性の光束は、典型的には近赤外光レーザである。光束発生部105は、平行光束を発生するように構成されている。光束発生部105は、典型的には不図示のコリメータレンズを含んで構成される半導体レーザ装置であり、発生される平行光束は、レーザ光束L1である。そしてレーザ光束L1は、断面が略円形状の光束である。なお、この略円形状は、略楕円形状を含む概念である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。 With reference to the schematic perspective view of FIG. 4, the projection apparatus 11 suitable for the indoor monitoring apparatus 1 is demonstrated. Here, for the sake of explanation, a case will be described in which the plane that faces the imaging device 12 included in the monitoring area is the plane 102, and a laser beam L1 described later is projected perpendicularly to the plane 102. Note that to face directly means to face straight, for example. The projection apparatus 11 includes a light beam generation unit 105 serving as a light beam generation unit that generates a coherent light beam, and a fiber grating 120 (hereinafter simply referred to as a grating 120). The coherent light beam projected by the light beam generation unit 105 is typically a near infrared laser. The light beam generation unit 105 is configured to generate a parallel light beam. The light flux generation unit 105 is typically a semiconductor laser device including a collimator lens (not shown), and the generated parallel light flux is a laser light flux L1. The laser light beam L1 is a light beam having a substantially circular cross section. In addition, this substantially circular shape is a concept including a substantially elliptical shape. Here, the parallel light flux only needs to be substantially parallel, and includes a nearly parallel light flux.
またここでは、グレーティング120は、平面102に平行に(Z軸に直角に)配置される。グレーティング120に、レーザ光束L1を、Z軸方向に入射させる。するとレーザ光束L1は、個々の光ファイバー121により、そのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面102に複数の輝点アレイであるパターン11aが投影される。なお、グレーティング120を平面102に平行に配置するとは、例えば、グレーティング120を構成するFG素子122の各光ファイバー121の軸線を含む平面と、平面102とが平行になるように配置することである。 Further, here, the grating 120 is disposed in parallel to the plane 102 (perpendicular to the Z axis). A laser beam L1 is incident on the grating 120 in the Z-axis direction. Then, the laser beam L1 is collected in a plane having the lens effect by each optical fiber 121, and then spreads as a divergent wave, interferes, and interferes with a plurality of bright spot arrays on the plane 102 as a projection plane. A pattern 11a is projected. Note that the arrangement of the grating 120 in parallel with the plane 102 means, for example, that the plane including the axis of each optical fiber 121 of the FG element 122 constituting the grating 120 and the plane 102 are parallel.
また、グレーティング120は、2つのFG素子122を含んで構成される。本実施の形態では、各FG素子122の平面は、互いに平行である。以下、各FG素子122の平面を素子平面という。また、本実施の形態では、2つのFG素子122の光ファイバー121の軸線は、互いにほぼ直交している。 The grating 120 includes two FG elements 122. In the present embodiment, the planes of the FG elements 122 are parallel to each other. Hereinafter, the plane of each FG element 122 is referred to as an element plane. In the present embodiment, the axes of the optical fibers 121 of the two FG elements 122 are substantially orthogonal to each other.
FG素子122は、例えば、直径が数10ミクロン、長さ10mm程度の光ファイバー121を数10〜数100本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、2つのFG素子122は、接触して配置してもよいし、それぞれの素子平面の法線方向に距離を空けて配置してもよい。この場合には、2つのFG素子122の互いの距離は、パターン11aの投影に差支えない程度とする。レーザ光束L1は、典型的には、グレーティング120の素子平面に対して垂直に入射させる。 The FG element 122 is configured by arranging, for example, several tens to several hundreds of optical fibers 121 having a diameter of several tens of microns and a length of about 10 mm in parallel in a sheet shape. Further, the two FG elements 122 may be arranged in contact with each other, or may be arranged at a distance from each other in the normal direction of the element plane. In this case, the distance between the two FG elements 122 is set so as not to interfere with the projection of the pattern 11a. The laser beam L1 is typically incident perpendicular to the element plane of the grating 120.
このように、投影装置11は、2つのFG素子122を含んで構成されたグレーティング120が光学系となるので、複雑な光学系を必要とすることなく、光学筐体を小型化できる。さらに投影装置11は、グレーティング120を用いることで、単純な構成で、複数のパターン光としての輝点11bをパターン11aとして監視領域に投影できる。なお、パターン11aは、典型的には正方格子状に配列された複数の輝点11bである。また、パターン11aは、FG素子122に入射した光束の光軸が平面102に垂直な場合、光軸付近では正方格子状に配列された複数の輝点11bとなるが、光軸から離れるにしたがって、格子の間隔に若干のズレを生じる。また、輝点の形状は楕円形を含む略円形である。 Thus, since the grating 120 configured to include the two FG elements 122 serves as an optical system, the optical housing can be downsized without requiring a complicated optical system. Furthermore, by using the grating 120, the projection device 11 can project the bright spots 11b as a plurality of pattern lights as a pattern 11a onto the monitoring area with a simple configuration. The pattern 11a is typically a plurality of bright spots 11b arranged in a square lattice pattern. Further, when the optical axis of the light beam incident on the FG element 122 is perpendicular to the plane 102, the pattern 11a becomes a plurality of bright spots 11b arranged in a square lattice pattern near the optical axis, but as the distance from the optical axis increases. A slight deviation occurs in the lattice spacing. The bright spot has a substantially circular shape including an ellipse.
図1に戻って説明する。撮像装置12は、典型的にはCCDカメラである。撮像装置12は、結像光学系13a(図6参照)と撮像素子15(図6参照)を有するものである。撮像素子15は、典型的にはCCD撮像素子である。また、撮像素子15として、CCDの他にCMOS構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。 Returning to FIG. The imaging device 12 is typically a CCD camera. The imaging device 12 includes an imaging optical system 13a (see FIG. 6) and an imaging element 15 (see FIG. 6). The image sensor 15 is typically a CCD image sensor. In addition to the CCD, an element having a CMOS structure has recently been actively announced as the image pickup element 15, and these can naturally be used. In particular, some of the elements themselves have inter-frame difference calculation and binarization functions, and it is preferable to use these elements.
撮像装置12は、前述の光束発生部105(図4参照)により発生されるレーザ光束L1の波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ13b(図6参照)を備えるとよい。フィルタ13bは、典型的には干渉フィルタ等の光学フィルタであり、結像光学系13aの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置12は、撮像素子15に受光する光のうち、投影装置11より投影されたパターン11aの光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。また、光束発生部105により発生されるレーザ光束L1は、典型的には赤外光レーザの光束である。また、レーザ光束L1は、継続的に照射してもよいし、断続的に照射してもよい。断続的に照射する場合には、撮像装置12による撮像を、照射のタイミングに同期させて行うようにする。 The imaging device 12 may include a filter 13b (see FIG. 6) that attenuates light having a wavelength other than the peripheral portion of the wavelength of the laser light beam L1 generated by the light beam generation unit 105 (see FIG. 4). The filter 13b is typically an optical filter such as an interference filter, and may be disposed on the optical axis of the imaging optical system 13a. In this way, the imaging device 12 can reduce the influence of disturbance light because the light intensity of the pattern 11a projected from the projection device 11 out of the light received by the imaging device 15 is relatively increased. The laser beam L1 generated by the beam generator 105 is typically an infrared laser beam. Further, the laser beam L1 may be irradiated continuously or intermittently. When irradiating intermittently, imaging by the imaging device 12 is performed in synchronization with the timing of irradiation.
図5は、本発明の実施の形態に係る室内監視装置1の構成例を示すブロック図である。本図を参照して、室内監視装置1の構成例について説明する。前述のように、演算装置20は、測定装置14と一体に構成されている。さらにここでは、測定装置14は、後述の制御部21に一体に構成される。そして投影装置11と、撮像装置12は、測定装置14に電気的に接続されており、制御されている。本実施の形態では、演算装置20は、投影装置11と、撮像装置12に対し遠隔的に配置されている。具体的には、例えば、トイレ3とは別の部屋に設置される。また演算装置20は、典型的にはパソコン等のコンピュータである。なお本実施の形態では、演算装置20は、投影装置11と撮像装置12と別に設置する場合で説明するが、投影装置11と撮像装置12のどちらか一方又は両方と一体に設置してもよく、例えば投影装置11と撮像装置12が収納された筐体18内に収納して設置してもよい。 FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the indoor monitoring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. With reference to this figure, the structural example of the indoor monitoring apparatus 1 is demonstrated. As described above, the arithmetic device 20 is configured integrally with the measuring device 14. Further, here, the measuring device 14 is configured integrally with a control unit 21 described later. The projection device 11 and the imaging device 12 are electrically connected to the measurement device 14 and controlled. In the present embodiment, the arithmetic device 20 is remotely arranged with respect to the projection device 11 and the imaging device 12. Specifically, for example, it is installed in a room different from the toilet 3. The arithmetic device 20 is typically a computer such as a personal computer. In the present embodiment, the calculation device 20 is described as being installed separately from the projection device 11 and the imaging device 12, but may be installed integrally with either or both of the projection device 11 and the imaging device 12. For example, the projector 11 and the imaging device 12 may be housed and installed in the housing 18 in which the projector 11 and the imaging device 12 are housed.
演算装置20は、上述したように、室内監視装置1を制御する制御部21を有している。さらに制御部21には、記憶部31が接続されている。記憶部31は、撮像装置12から取得した像を時系列的に記憶するようにするとよい。また記憶部31には算出された情報等のデータが記憶できる。なお、記憶部31は、像そのものではなく、像中の輝点(重心)位置(人物不在の時の基準位置と、各時点のデータとしての輝点位置)か、輝点位置から計算した空間内の3次元位置を記憶するように構成してもよい。この場合、像そのものを記憶するよりもメモリが節約できて好適である。 As described above, the arithmetic device 20 includes the control unit 21 that controls the indoor monitoring device 1. Furthermore, a storage unit 31 is connected to the control unit 21. The storage unit 31 may store the images acquired from the imaging device 12 in time series. The storage unit 31 can store data such as calculated information. Note that the storage unit 31 is not an image itself, but a bright spot (centroid) position in the image (a reference position when no person is present and a bright spot position as data at each time point) or a space calculated from the bright spot position. You may comprise so that the three-dimensional position of inside may be memorize | stored. In this case, the memory can be saved rather than storing the image itself.
制御部21は、前述した測定装置14と、測定装置14により測定されたパターンの移動に基づいて、人物2の状態を判定する判定手段としての状態判定部23と、パターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8(図9参照)に投光され、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光の位置と、実際に撮像されるパターン光の位置とを比較して、測定装置14が撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定する際の正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)上での基準の位置を算出する基準位置算出手段としての基準位置算出部24とを含んで構成されている。 The control unit 21 includes the measurement device 14 described above, a state determination unit 23 as a determination unit that determines the state of the person 2 based on the movement of the pattern measured by the measurement device 14, and the projection range of the pattern light 11b. The position of the virtual pattern light that is projected on the virtual plane 8 (see FIG. 9) that is assumed to be sufficiently wide as compared to the virtual pattern light calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 The front wall surface 5a (see FIG. 1) and the side wall surface 5c (see FIG. 1) when the measuring device 14 measures the movement of the pattern on the image captured by the imaging device 12 by comparing the position of the pattern light to be imaged. And a reference position calculation unit 24 as reference position calculation means for calculating a reference position on the side wall surface 5d (see FIG. 1).
さらに、制御部21は、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される、床面4(図1参照)上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置と、床面4(図1参照)上に実際に投影され、撮像装置12によって撮像されたパターン光11bであって、床面4(図1参照)上での前記投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置に最も近いパターン光11bの位置に基づいて、投影装置11の光軸の傾きを補正する光軸角補正手段としての光軸角度補正部25と、床面4上の実際のパターンに関してハフ変換を実行して第1の角度ピークを算出し、前記仮想平面8(図9参照)上の一定範囲の仮想のパターン光によって形成される仮想のパターンに関してハフ変換を実行して、投影装置11を投影装置11の光軸周りに一定角度回転させる毎に第2の角度ピークを算出し、第1の角度ピークと第2の角度ピークとが略一致した際の、光軸周りの回転角を、投影装置11の実際の回転角として設定する回転角算出手段としての回転角算出部26を含んで構成される。さらに、制御部21は、各基準の位置の正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)に垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラムに応じて正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)の位置を特定する第2の平面特定手段としての壁面特定部27を含んで構成される。 Furthermore, the control unit 21 captures the pattern light 11b on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 (see FIG. 1), which is calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12. The pattern light 11b that is actually projected on the floor surface 4 (see FIG. 1) and picked up by the image pickup device 12, and is the position of the projection device 11 on the floor surface 4 (see FIG. 1). An optical axis angle correcting unit 25 as optical axis angle correcting means for correcting the inclination of the optical axis of the projection device 11 based on the position of the pattern light 11b closest to the position where the pattern light 11b on the optical axis is to be imaged; A virtual pattern formed by performing a Hough transform on an actual pattern on the floor surface 4 to calculate a first angle peak and forming a certain range of virtual pattern light on the virtual plane 8 (see FIG. 9). Perform a Hough transform on the projection A second angle peak is calculated every time the device 11 is rotated around the optical axis of the projection device 11 by a certain angle, and the rotation around the optical axis when the first angle peak and the second angle peak substantially coincide with each other. The rotation angle calculation unit 26 is configured as a rotation angle calculation unit that sets the angle as an actual rotation angle of the projection device 11. Furthermore, the control unit 21 responds to the frequency histogram regarding the position in the direction perpendicular to the front wall surface 5a (see FIG. 1), the side wall surface 5c (see FIG. 1), and the side wall surface 5d (see FIG. 1) at each reference position. It includes a wall surface specifying unit 27 as second plane specifying means for specifying the positions of the front wall surface 5a (see FIG. 1), the side wall surface 5c (see FIG. 1), and the side wall surface 5d (see FIG. 1).
また、制御部21は、状態判定部23が人物2が危険な状態であると判定した際に、警報を発する警報手段としての警報装置41に警報信号を送信する警報信号部28を含んで構成される。制御部21には、状態判定部23の判定結果を出力する情報出力手段としてのディスプレイ40と、室内監視装置1を操作するための情報を入力する入力装置35が接続されている。ディスプレイ40は典型的にはLCDである。入力装置35は例えばタッチパネル、キーボードあるいはマウスである。本図では、入力装置35は、演算装置20に外付けするものとして図示されているが、内蔵されていてもよい。さらに、制御部21には、警報信号部28を介して警報装置41によって発せられる警報を解除するための警報解除手段としての警報解除ボタン42と、状態判定部23が人物2が危険な状態ではないと判定している際に、何らかの事情により人物2の意思で警報装置41に警報を発せさせるための緊急通報ボタン43とが接続されている。
以下、各構成について詳細に説明する。
The control unit 21 includes an alarm signal unit 28 that transmits an alarm signal to an alarm device 41 as an alarm unit that issues an alarm when the state determination unit 23 determines that the person 2 is in a dangerous state. Is done. Connected to the control unit 21 are a display 40 as information output means for outputting the determination result of the state determination unit 23 and an input device 35 for inputting information for operating the room monitoring device 1. The display 40 is typically an LCD. The input device 35 is, for example, a touch panel, a keyboard, or a mouse. Although the input device 35 is illustrated as being externally attached to the arithmetic device 20 in this figure, it may be incorporated. Further, the control unit 21 includes an alarm release button 42 as an alarm release unit for releasing an alarm issued by the alarm device 41 via the alarm signal unit 28, and a state determination unit 23 when the person 2 is in a dangerous state. When it is determined that there is not, an emergency call button 43 for causing the alarm device 41 to issue an alarm with the intention of the person 2 for some reason is connected.
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
まず測定装置14について説明する。測定装置14は、撮像装置12で撮像された像上のパターンの移動を測定するものである。測定装置14は、撮像装置12で撮像した像を取得できるように構成されている。なお、測定装置14は、撮像装置12で撮像した像を例えばデータとして、さらに典型的にはデジタルデータとして取得する。さらに測定装置14は、撮像装置12により撮像された像上の各輝点の移動を測定するように構成されている。なおここでは、投影された輝点も撮像された像上の輝点の像も、便宜上単に輝点という。またここでは、輝点の移動を測定するとは、輝点の移動の量(以下移動量という)を測定することをいう。さらに、測定される輝点の移動量は、輝点の移動方向を含む概念である。即ち、測定される輝点の移動量には、移動した方向の情報も含まれるものとする。さらにここでは、測定装置14は、測定したパターンの移動に基づいて、人物2に投影されたパターンを形成する各輝点の三次元座標を算出するように構成される。 First, the measuring device 14 will be described. The measuring device 14 measures the movement of the pattern on the image picked up by the image pickup device 12. The measuring device 14 is configured to acquire an image captured by the imaging device 12. Note that the measurement device 14 acquires an image captured by the imaging device 12 as data, for example, more typically as digital data. Further, the measuring device 14 is configured to measure the movement of each bright spot on the image picked up by the image pickup device 12. Here, the projected bright spot and the image of the bright spot on the captured image are simply referred to as bright spot for convenience. Here, measuring the movement of the bright spot means measuring the amount of movement of the bright spot (hereinafter referred to as the movement amount). Further, the measured moving amount of the bright spot is a concept including the moving direction of the bright spot. That is, it is assumed that the moving amount of the bright spot to be measured includes information on the moving direction. Further, here, the measuring device 14 is configured to calculate the three-dimensional coordinates of each bright spot forming the pattern projected on the person 2 based on the movement of the measured pattern.
さらに、測定装置14は、トイレ3に人物2が存在しないときに床面4(図1参照)と正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)に投影されたパターン光としての輝点を基準として、パターンを形成する各輝点の移動を測定するように構成されている。 Furthermore, when the person 2 does not exist in the toilet 3, the measuring device 14 has a floor surface 4 (see FIG. 1), a front wall surface 5a (see FIG. 1), a side wall surface 5c (see FIG. 1), and a side wall surface 5d (FIG. 1). The movement of each bright spot forming the pattern is measured with reference to the bright spot as the pattern light projected on the reference).
さらに、測定装置14は、測定されたパターンの移動に基づいて、投影装置11と撮像装置12の各位置及び設置角度と、床面4と正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの各位置とに応じた人物2に投影されたパターン光の三次元位置としての三次元座標を算出するように構成されている。 Furthermore, the measuring device 14 determines each position and installation angle of the projection device 11 and the imaging device 12 and each position of the floor surface 4, the front wall surface 5 a, the side wall surface 5 c, and the side wall surface 5 d based on the movement of the measured pattern. The three-dimensional coordinates as the three-dimensional position of the pattern light projected on the person 2 according to the above are calculated.
ここで、測定装置14による輝点(パターン)の移動の測定について詳述する。測定装置14は、撮像装置12からそれぞれ取得した異なる2時点の像に基づいて、輝点の移動を測定するように構成されている。異なる2時点は、任意の時点(現在)と、トイレ3に人物2が存在しないときの時点とする。以下、任意の時点(現在)で取得した像を取得像、トイレ3に人物2が存在しない時点に取得した像を基準像として説明する。すなわち、輝点(パターン)の移動は、基準像を基準として測定される。なお、基準像は、記憶部31内に保存される。 Here, the measurement of the movement of the bright spot (pattern) by the measuring device 14 will be described in detail. The measuring device 14 is configured to measure the movement of the bright spot based on two different time points acquired from the imaging device 12. Two different time points are an arbitrary time point (current) and a time point when the person 2 does not exist in the toilet 3. Hereinafter, an image acquired at an arbitrary time (current) will be described as an acquired image, and an image acquired when no person 2 is present in the toilet 3 will be described as a reference image. That is, the movement of the bright spot (pattern) is measured with reference to the reference image. The reference image is stored in the storage unit 31.
なお、取得像の取得間隔は、例えば装置の処理速度や、上述のように検出したい移動の内容により適宜決めるとよいが、例えば0.1〜3秒、好ましくは0.1〜0.5秒程度とするとよい。ここでは0.1〜0.25秒とする。また、より短い時間間隔で像を取得し、平均化またはフィルタリングの処理を行うことで、例えばランダムノイズの影響を低減できるので有効である。 The acquisition interval of acquired images may be appropriately determined depending on, for example, the processing speed of the apparatus and the content of movement to be detected as described above, but is, for example, 0.1 to 3 seconds, preferably 0.1 to 0.5 seconds. It is good to have a degree. Here, it is set to 0.1 to 0.25 seconds. In addition, it is effective to acquire images at shorter time intervals and perform averaging or filtering to reduce the influence of random noise, for example.
ここで、取得像と基準像は、例えば撮像装置12により撮像された像であるが、それぞれの像上での、輝点の位置情報も含む概念である。即ち、取得像と基準像は、各々の時点で、投影装置11の投影により形成されたパターン11a(図6参照)の像である。なお、本実施の形態では、基準像は、例えば、いわゆる像としてではなく、各輝点の位置に関する、座標等の位置情報の形で、記憶部31に保存される。このようにすると、後述する輝点の移動量を測定する際に、例えば輝点の座標や方向を比較するだけで済むので処理が単純になる。さらに、ここでは、輝点の位置は、輝点の重心位置とする。このようにすることで、僅かな輝点の移動も測定することができる。 Here, the acquired image and the reference image are images picked up by the image pickup device 12, for example, and are concepts including the position information of the bright spot on each image. That is, the acquired image and the reference image are images of the pattern 11a (see FIG. 6) formed by the projection of the projection device 11 at each time point. In the present embodiment, the reference image is stored in the storage unit 31 in the form of positional information such as coordinates regarding the position of each bright spot, for example, not as a so-called image. In this way, when measuring the movement amount of the bright spot, which will be described later, for example, it is only necessary to compare the coordinates and direction of the bright spot, so the processing becomes simple. Further, here, the position of the bright spot is the barycentric position of the bright spot. By doing in this way, the movement of a slight bright spot can also be measured.
また、輝点の移動量は、記憶部31に保存された基準像上の各輝点の位置情報と、取得像上の各輝点の位置情報とを比較することで、輝点の移動量を測定する。なお、それぞれの移動量は、例えば、輝点の位置が移動した画素数(何画素移動したか)を計数することで求められる。このようにすると、後述のように、差分像を生成しないで済むので処理を単純化できる。 Further, the movement amount of the bright spot is obtained by comparing the position information of each bright spot on the reference image stored in the storage unit 31 with the position information of each bright spot on the acquired image. Measure. Each amount of movement can be obtained, for example, by counting the number of pixels to which the position of the bright spot has moved (how many pixels have moved). In this way, as will be described later, it is not necessary to generate a difference image, so that the processing can be simplified.
なお上記では、輝点の位置情報を比較する場合で説明したが、基準像と取得像との差分像を作成してもよい。この場合、この差分像から対応する輝点の位置に基づいて、輝点の移動量を測定する。このようにすると、移動した輝点のみが差分像上に残るので、処理量を減らすことができる。 In the above description, the position information of the bright spots is compared. However, a difference image between the reference image and the acquired image may be created. In this case, the movement amount of the bright spot is measured based on the position of the corresponding bright spot from the difference image. In this way, since only the moved bright spot remains on the difference image, the processing amount can be reduced.
さらに、測定装置14により測定された輝点の移動量は、過去一定回数測定された、または過去一定期間内に測定された輝点の移動量の移動平均値、または期間平均値としてもよい。このようにすることで、ランダムノイズや窓から差し込む日光のちらつきなどによる突発的なノイズが軽減でき、測定した輝点の移動量の信頼性が向上する。 Furthermore, the moving amount of the bright spot measured by the measuring device 14 may be a moving average value or a period average value of the moving amount of the bright spot that has been measured a certain number of times in the past or measured within the past fixed period. By doing so, it is possible to reduce random noise and sudden noise caused by sunlight flickering through a window, and the reliability of the measured moving amount of bright spots is improved.
なお、投影装置11と撮像装置12とは、ある程度距離を離して設置するとよい。このようにすることで、距離d(基線長d、図13参照)が長くなるので、輝点の移動を敏感に検出できるようになる(検出感度がよくなる)。なお、基線長は長く取ることが好ましいが、短くてもよい。但しこの場合には、小さな動きを検出しにくくなるが、輝点の重心位置を検出するようにすれば、小さな動きの検出も可能である。基線長を短く取ると図2、図3を参照して説明した死角領域が小さくなる。 The projection device 11 and the imaging device 12 may be installed with a certain distance. By doing so, the distance d (base line length d, see FIG. 13) becomes longer, so that the movement of the bright spot can be detected sensitively (detection sensitivity is improved). The base line length is preferably long, but may be short. However, in this case, it is difficult to detect a small movement, but if a barycentric position of a bright spot is detected, a small movement can be detected. When the base line length is shortened, the blind spot area described with reference to FIGS. 2 and 3 becomes small.
測定装置14は、以上のような、輝点の移動の測定を、パターン11a(図6参照)を形成する各輝点11b(図6参照)毎に行うように構成される。即ち複数の輝点11bの位置が複数の測定点となる。 The measuring device 14 is configured to measure the movement of the bright spot as described above for each bright spot 11b (see FIG. 6) forming the pattern 11a (see FIG. 6). That is, the positions of the plurality of bright spots 11b become a plurality of measurement points.
図6は、本発明の実施の形態での輝点の移動の概念について説明する概念的斜視図である。ここで、本図を参照して、輝点の移動の概念について説明する。ここでは、解りやすく、対象領域を平面102、対象物を物体103として説明する。さらにここでは、説明のために、前述の基準像と取得像を用いる場合で説明する。なお基準像は、物体103が平面102に存在しないときのパターン11aの像であり、取得像は、物体103が平面102に存在しているときのパターン11aとして説明する。 FIG. 6 is a conceptual perspective view for explaining the concept of bright spot movement in the embodiment of the present invention. Here, the concept of bright spot movement will be described with reference to FIG. Here, it is easy to understand and the target area will be described as the plane 102 and the target object as the object 103. Further, here, for the sake of explanation, the case where the above-described reference image and acquired image are used will be described. Note that the reference image is an image of the pattern 11 a when the object 103 is not present on the plane 102, and the acquired image is described as the pattern 11 a when the object 103 is present on the plane 102.
図中物体103が、平面102上に載置されている。またXY軸を平面102内に置くように、直交座標系XYZがとられており、物体103はXY座標系の第1象限に置かれている。一方、図中Z軸上で平面102の上方には、投影装置11と、撮像装置12とが配置されている。撮像装置12は、投影装置11によりパターン11aが投影された平面102を撮像する。即ち平面102上に載置された物体103を撮像する。 In the figure, an object 103 is placed on the plane 102. Further, the orthogonal coordinate system XYZ is taken so that the XY axis is placed in the plane 102, and the object 103 is placed in the first quadrant of the XY coordinate system. On the other hand, a projection device 11 and an imaging device 12 are arranged above the plane 102 on the Z axis in the drawing. The imaging device 12 images the plane 102 on which the pattern 11 a is projected by the projection device 11. In other words, the object 103 placed on the plane 102 is imaged.
撮像装置12の結像光学系としての結像レンズ13aは、ここでは、その光軸がZ軸に一致するように配置されている。なおここでは、座標系XYZの原点を結像レンズ13aの位置とする。そして、結像レンズ13aは、平面102あるいは物体103上のパターン11aの像を、撮像装置12の撮像素子15の結像面15’(イメージプレーン)に結像する。結像面15’は、結像レンズ13aから距離はl(エル)(結像レンズ13aの焦点とほぼ等しい)の位置に配置されている。結像面15’は、典型的にはZ軸に直交する面である。さらに、結像面15’内に直交座標系uvをとり、Z軸が、uv座標系の原点(0,0,l)を通るようにする。平面102から結像レンズ13aと等距離で、結像レンズ13aからY軸の負の方向に距離d(基線長d)だけ離れたところに、投影装置11が配置されている。即ち、投影装置11の配置された座標は(0,−d,0)である。物体103と平面102には、投影装置11により複数の輝点11bが形成するパターン11aが投影される。なお、v軸方向は、三角測量法の基線方向でもある。 Here, the imaging lens 13a as the imaging optical system of the imaging device 12 is disposed so that its optical axis coincides with the Z-axis. Here, the origin of the coordinate system XYZ is the position of the imaging lens 13a. The imaging lens 13 a forms an image of the pattern 11 a on the plane 102 or the object 103 on the imaging surface 15 ′ (image plane) of the imaging device 15 of the imaging device 12. The imaging plane 15 'is disposed at a position of 1 (el) from the imaging lens 13a (substantially equal to the focal point of the imaging lens 13a). The image plane 15 'is typically a plane orthogonal to the Z axis. Further, an orthogonal coordinate system uv is taken in the image plane 15 'so that the Z axis passes through the origin (0, 0, l) of the uv coordinate system. The projection device 11 is disposed at a distance equidistant from the imaging lens 13a from the plane 102 and a distance d (base line length d) from the imaging lens 13a in the negative direction of the Y axis. That is, the coordinates at which the projection device 11 is arranged are (0, −d, 0). A pattern 11 a formed by a plurality of bright spots 11 b is projected onto the object 103 and the plane 102 by the projection device 11. The v-axis direction is also the baseline direction of the triangulation method.
投影装置11により平面102に投影されたパターン11aは、物体103が存在する部分では、物体103に遮られ平面102には到達しない。ここで物体103が存在していれば、平面102上の点102aに投射されるべき輝点11bは、物体103上の点103aに投射される。輝点11bが点102aから点103aに移動したことにより、また結像レンズ13aと投影装置11とが距離d(基線長d)だけ離れているところから、結像面15’上では、点102a’(u,v)に結像すべきところが点103a’(u,v+δ)に結像する。即ち、物体103が存在しない時点と物体103が存在する時点とは、輝点11bの像がv軸方向にδだけ移動することになる。 The pattern 11 a projected onto the plane 102 by the projection device 11 is blocked by the object 103 and does not reach the plane 102 in a portion where the object 103 exists. Here, if the object 103 exists, the bright spot 11 b to be projected onto the point 102 a on the plane 102 is projected onto the point 103 a on the object 103. Since the bright spot 11b has moved from the point 102a to the point 103a and the imaging lens 13a and the projection device 11 are separated from each other by a distance d (baseline length d), the point 102a is formed on the imaging plane 15 ′. An image to be imaged at '(u, v) is imaged at a point 103a' (u, v + δ). That is, when the object 103 does not exist and when the object 103 exists, the image of the bright spot 11b moves by δ in the v-axis direction.
これは、例えば図7に示すように、撮像素子15の結像面15’に結像した輝点は、高さのある物体103により、δだけv軸方向に移動することになる。 For example, as shown in FIG. 7, the bright spot imaged on the imaging surface 15 ′ of the image sensor 15 moves in the v-axis direction by δ by the object 103 having a height.
このように、この輝点の移動量δを測定することにより、物体103上の点103aの位置が三次元的に特定できる。即ち、例えば点103aの三次元座標がわかる。このように、ある点が、物体103が存在しなければ結像面15’上に結像すべき点と、結像面15’上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体103の三次元座標が測定できる。あるいは、結像レンズ13aから物体103上の各点までの距離が測定できる。また、輝点11bの対応関係が不明にならない程度に、パターン11aのピッチ、即ち輝点11bのピッチを細かくすれば、物体103の三次元座標はそれだけ詳細に測定できることになる。 Thus, by measuring the movement amount δ of the bright spot, the position of the point 103a on the object 103 can be specified three-dimensionally. That is, for example, the three-dimensional coordinates of the point 103a are known. In this way, by measuring the difference between a point that should be imaged on the imaging plane 15 ′ if the object 103 is not present and the actual imaging position on the imaging plane 15 ′, The three-dimensional coordinates of the object 103 can be measured. Alternatively, the distance from the imaging lens 13a to each point on the object 103 can be measured. Further, if the pitch of the pattern 11a, that is, the pitch of the bright spot 11b is made so fine that the correspondence relationship of the bright spot 11b is not unknown, the three-dimensional coordinates of the object 103 can be measured in detail.
なお本実施の形態では、横640×縦480ピクセルの画像を取得した場合には、輝点の位置(重心位置)から、縦50ピクセル、横1ピクセルの範囲内に輝点が存在するときに移動量δを測定するようにしている。移動量δが1ピクセル以上であれば、その輝点が移動したものと判断するようにして処理するデータ量を減らすようにしてもよい。 In this embodiment, when an image of 640 × 480 pixels is acquired, when a luminescent spot exists within the range of 50 pixels vertically and 1 pixel horizontally from the position of the bright spot (center of gravity position). The movement amount δ is measured. If the movement amount δ is 1 pixel or more, the amount of data to be processed may be reduced by determining that the bright spot has moved.
さらに、図6に戻って三次元座標の算出について説明する。三次元座標(X,Y,Z)は、結像レンズ13aから平面102までの距離をhとすると、図19に示す数式(1)、(2)、(3)で算出できる。
以上のようにして、移動量δを算出することで、人物2に投影された輝点の三次元座標を算出でき、対象物の三次元形状情報を得ることができる。
Further, returning to FIG. 6, the calculation of the three-dimensional coordinates will be described. The three-dimensional coordinates (X, Y, Z) can be calculated by mathematical formulas (1), (2), and (3) shown in FIG. 19, where h is the distance from the imaging lens 13a to the plane 102.
By calculating the movement amount δ as described above, the three-dimensional coordinates of the bright spot projected on the person 2 can be calculated, and the three-dimensional shape information of the object can be obtained.
ここで、トイレ3での基準像のパターンを形成する各輝点の三次元座標の算出について説明する。前述のようにここでは、基準像は、トイレ3に人物2が存在しないとき(以下空室時という)の各輝点の位置に関する座標を含む位置情報である。 Here, calculation of the three-dimensional coordinates of each bright spot forming the pattern of the reference image in the toilet 3 will be described. As described above, here, the reference image is position information including coordinates relating to the position of each bright spot when the person 2 does not exist in the toilet 3 (hereinafter referred to as “vacant”).
図8は、本発明の実施の形態でのトイレ3の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの境界とトイレ3に人物2が存在しない時に撮像装置12により撮像された像の一例を示す模式的平面図である。ここで、投影装置11、撮像装置12は、実際には上述したように、設置角度として光軸を床面4の垂直方向に対して角度θだけ傾けて設置される(図1参照)。したがって、投影装置11(図1参照)から投影されるパターン11aは、図6で述べたような単純な平面(例えば、図6に示す平面102)に投影されるわけではなく、幾つかの平面、すなわち、本図で示すように、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dが組み合わさった平面に投影される。輝点(パターン)の移動は、上述したように基準像を基準として測定されることから、各平面上での基準像の位置を算出する必要がある。 FIG. 8 shows an image captured by the imaging device 12 when the person 2 is not present on the boundary between the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d of the toilet 3 and the toilet wall 3 according to the embodiment of the present invention. It is a schematic plan view which shows an example. Here, the projection device 11 and the imaging device 12 are actually installed with the optical axis inclined at an angle θ with respect to the vertical direction of the floor surface 4 as the installation angle (see FIG. 1). Therefore, the pattern 11a projected from the projection device 11 (see FIG. 1) is not projected onto a simple plane (for example, the plane 102 shown in FIG. 6) as described in FIG. That is, as shown in this figure, the projection is projected onto a plane in which the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d are combined. Since the movement of the bright spot (pattern) is measured with reference to the reference image as described above, it is necessary to calculate the position of the reference image on each plane.
そこで、基準位置算出部24は、実際のパターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8(図9参照)に投光され、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光11bの位置と、実際に撮像されるパターン光11bの位置とを比較して、測定装置14が撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定する際の正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)上での基準の位置、すなわち、基準像を算出するように構成される。 Therefore, the reference position calculation unit 24 projects light on a virtual plane 8 (see FIG. 9) that is assumed to be sufficiently wide compared to the projection range of the actual pattern light 11b, and the projection device 11 and the imaging device 12 The position of the virtual pattern light 11b calculated based on the optical arrangement is compared with the position of the pattern light 11b that is actually picked up, and the pattern on the image picked up by the measuring device 12 by the measuring device 14 is moved. Is configured to calculate a reference position on the front wall surface 5a (see FIG. 1), the side wall surface 5c (see FIG. 1), and the side wall surface 5d (see FIG. 1), that is, a reference image. .
図9は、本発明の実施の形態に係る投影装置11によって投影されるパターン11aの一例を示す図であり、(a)は、トイレ3に投影される場合の模式的斜視図、(b)は、仮想平面8に投影される場合の模式的斜視図である。なお、(a)では、トイレ3室内の様子を見やすくするため、天井6、正面壁面5a、側面壁面5dを想像線により図示してある。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a pattern 11a projected by the projection device 11 according to the embodiment of the present invention. FIG. 9A is a schematic perspective view when projected onto the toilet 3, FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view when projected onto a virtual plane 8. In (a), the ceiling 6, the front wall surface 5a, and the side wall surface 5d are illustrated by imaginary lines in order to make it easy to see the inside of the toilet 3 room.
ここで、パターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8とは、例えば、図6で述べたような平面102のように、投影装置11から投影されたパターン11aが、当該仮想平面8と交差するような他の平面に遮られたりせずに投影される理想的な平面である。ここでは、仮想平面は、以下で説明する基準位置算出部24による基準像の位置の算出が可能な程度に広い平面であればよい。 Here, the virtual plane 8 that is assumed to be sufficiently wide compared to the projection range of the pattern light 11b is, for example, a pattern 11a projected from the projection device 11 like the plane 102 described in FIG. Is an ideal plane that is projected without being blocked by another plane that intersects the virtual plane 8. Here, the virtual plane may be a plane that is wide enough to calculate the position of the reference image by the reference position calculation unit 24 described below.
仮想平面8は、図9(b)に示すように、本実施の形態では、床面4と略平行な平面であり、投影装置11からの距離が、床面4と投影装置11との距離と略等しい位置にある平面である。また、ここでの投影装置11と撮像装置12は、トイレ3室内に設置される場合と同様に、それぞれその光軸を、床面4の垂直方向に対して角度θだけ傾けて設置されるものとして仮想する。言い換えれば、本実施の形態では、仮想平面8は、トイレ3において正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d、便器7等が取り払われた状態の床面4であって、十分広い面積に拡張された床面4を想定すればよい。仮想平面8に投光される仮想のパターン11aを形成する仮想のパターン光としての輝点11bの結像面15’(図6参照)上での位置は、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出することができる。 As shown in FIG. 9B, the virtual plane 8 is a plane substantially parallel to the floor surface 4 in the present embodiment, and the distance from the projection device 11 is the distance between the floor surface 4 and the projection device 11. It is a plane at a position substantially equal to. Further, the projection device 11 and the imaging device 12 are installed with their optical axes inclined by an angle θ with respect to the vertical direction of the floor surface 4 as in the case of installing in the toilet 3 room. As virtual. In other words, in the present embodiment, the virtual plane 8 is the floor surface 4 in a state where the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, the side wall surface 5d, the toilet bowl 7 and the like are removed from the toilet 3, and is expanded to a sufficiently wide area. What is necessary is just to assume the floor 4 made. The position on the imaging surface 15 ′ (see FIG. 6) of the bright spot 11b as the virtual pattern light that forms the virtual pattern 11a projected on the virtual plane 8 is the position between the projection device 11 and the imaging device 12. It can be calculated based on the optical arrangement.
ここで、投影装置11と撮像装置12との光学配置は、少なくとも投影装置11又は撮像装置12に関する床面4に対する設置高さ、ここでは、結像レンズ13a(図6参照)から床面4までの設置高さh、及び上述した設置角度としての光軸の角度θに基づいて定められる。さらに、当該光学配置は、典型的には、設置高さh、光軸角度θに加えて、設計上予め決められる数値、すなわち、基線長dや、撮像装置12の結像面15’(図6参照)と結像レンズ13a(図6参照)との距離l(≒結像レンズ焦点距離、図6参照)、投影装置11のレーザ波長λ、ファイバー径r1、r2、レーザ光がFG素子122(図4参照)を通過する際の出力角度φX、φY等の種々の値によって定まる。したがって、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出するとは、典型的には、光学配置を決定づけるこれらの種々の数値に基づいて算出することをいう。投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出するというときには、これらの光学配置を決定づける種々の数値の全てを用いて算出する場合だけでなく、該種々の数値のうち少なくとも設置高さh、光軸角度θを含むいくつかの数値を用いて算出する場合を含む。すなわち、光学配置を決定づける数値のうち少なくとも設置高さh、光軸角度θを用いて算出すれば、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出したということができる。 Here, the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 is at least the installation height relative to the floor surface 4 with respect to the projection device 11 or the imaging device 12, here, from the imaging lens 13a (see FIG. 6) to the floor surface 4. Is determined based on the installation height h and the optical axis angle θ as the installation angle described above. Further, the optical arrangement typically includes a numerical value predetermined in design in addition to the installation height h and the optical axis angle θ, that is, the base line length d and the imaging plane 15 ′ of the imaging device 12 (see FIG. 6) and the imaging lens 13a (see FIG. 6), the distance l (≈imaging lens focal length, see FIG. 6), the laser wavelength λ of the projection device 11, the fiber diameters r 1 and r 2 , and the laser beam is FG It is determined by various values such as output angles φ X and φ Y when passing through the element 122 (see FIG. 4). Therefore, calculating based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 typically means calculating based on these various numerical values that determine the optical arrangement. When calculating based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12, not only the calculation using all the various numerical values that determine the optical arrangement, but also at least the installation height of the various numerical values. This includes the case where calculation is performed using several numerical values including h and the optical axis angle θ. That is, it can be said that the calculation is based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 by calculating at least the installation height h and the optical axis angle θ among the numerical values that determine the optical arrangement.
ここでは、FG素子122(図4参照)から出力される輝点11bの投影角度は、FG素子122(図4参照)のファイバー径r1、r2とレーザ波長λに依存する。レーザ光がFG素子122を通過すると、回折光として輝点11bが広がるので、基準位置算出部24は、レーザ光がFG素子122(図4参照)を通過する際の出力角度φX、φYを図19に示す数式(4)、(5)で近似して算出することができる。ここで、n、mは正数であり、輝点11bのインデックスである。 Here, the projection angle of the bright spot 11b output from the FG element 122 (see FIG. 4) depends on the fiber diameters r 1 and r 2 of the FG element 122 (see FIG. 4) and the laser wavelength λ. When the laser light passes through the FG element 122, the bright spot 11b spreads as diffracted light, so that the reference position calculation unit 24 outputs the output angles φ X and φ Y when the laser light passes through the FG element 122 (see FIG. 4). Can be approximated and calculated by Equations (4) and (5) shown in FIG. Here, n and m are positive numbers and are indices of the bright spot 11b.
さらに、基準位置算出部24は、設置高さh、光軸角度θから図19に示す数式(6)、(7)を用いて、輝点11bのインデックスm、nに対応した仮想の輝点11bの三次元座標に応じた結像面15’(図6参照)上での位置座標uideal,m,n、videal,m,nを算出することができる。基準位置算出部24は、以上のようにして算出した仮想の輝点11b群の結像面15’上での位置座標を基準として、図9(a)に示すように、実際に床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5に投光される輝点11bの実際に撮像される輝点11bの結像面15’(図6参照)上での位置座標ureal,m,n、vreal,m,nから空室時の各輝点11bの仮想の移動量δを算出する。基準位置算出部24は、算出した各移動量δと数式(1)、(2)、(3)(図19参照)から、空室時でのトイレ3の形状に則した、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出する。 Further, the reference position calculation unit 24 uses the formulas (6) and (7) shown in FIG. 19 based on the installation height h and the optical axis angle θ to create virtual luminescent spots corresponding to the indices m and n of the luminescent spot 11b. The position coordinates u ideal, m, n , v ideal, m, n on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) according to the three-dimensional coordinates of 11b can be calculated. The reference position calculation unit 24 actually uses the position coordinates on the image plane 15 ′ of the virtual bright spot 11b group calculated as described above as a reference, as shown in FIG. , Position coordinates u real, m, b on the imaging surface 15 ′ (see FIG. 6) of the bright spot 11b actually picked up by the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the bright spot 11b projected on the side wall surface 5. The virtual movement amount δ of each bright spot 11b at the time of vacancy is calculated from n, v real, m, n . The reference position calculation unit 24 calculates each bright spot 11b according to the shape of the toilet 3 when the room is empty from each calculated movement amount δ and the mathematical expressions (1), (2), (3) (see FIG. 19). The reference three-dimensional coordinates for measuring the amount of movement on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d are calculated.
ところで、撮像装置12の光軸と投影装置11の光軸が平行であることが理想であるが、実際にはある程度誤差が生じる。実際の光軸や輝点群は、実際にはこの傾きの影響を受ける。そこで、光軸角度補正部25(図5参照)は、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される床面4(図1参照)上での投影装置11の光軸上のパターン光としての輝点11b(図6参照)が撮像されるべき位置uideal,0,0、videal,0,0と、床面4(図1参照)上に実際に投影され、撮像装置12によって撮像されたパターン光としての輝点11bであって、位置uideal,0,0、videal,0,0に最も近い輝点11bの位置に基づいて、投影装置11の光軸の傾きを補正するように構成される。 By the way, it is ideal that the optical axis of the imaging device 12 and the optical axis of the projection device 11 are parallel, but in reality, some error occurs. The actual optical axis and bright spot group are actually affected by this inclination. Therefore, the optical axis angle correction unit 25 (see FIG. 5) is on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 (see FIG. 1) calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12. The bright spot 11b (see FIG. 6) as the pattern light is projected onto the floor surface 4 (see FIG. 1) and the positions u ideal, 0,0 and v ideal, 0,0 to be imaged. Based on the position of the bright spot 11b as the pattern light imaged by the apparatus 12 and closest to the position u ideal, 0,0 , v ideal, 0,0 , the optical axis of the projection apparatus 11 It is configured to correct the tilt.
傾きのない理想の状態における投影装置11のレーザ光軸の結像面15’(図6参照)上での位置座標uideal,光軸、videal,光軸は、設置高さh、光軸角度θ、基線長dに基づいて図19に示す数式(8)、(9)となる。したがって、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される床面4(図1参照)上での投影装置11の光軸上の輝点11b(図6参照)が撮像されるべき位置の、結像面15’(図6参照)上での座標uideal,0,0、videal,0,0も、同様に、図19に示す数式(8)、(9)であらわすことができる。実際に取得した輝点群の中で、位置座標uideal,0,0、videal,0,0に最も近い輝点11bの結像面15’(図6参照)上の位置座標をureal、vrealと仮定する。そのときの撮像装置12の光軸とレーザ光軸の傾きGapu、Gapvは、図19に示す数式(10)、(11)と表される。 Positional coordinates u ideal, optical axis , v ideal, and optical axis on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) of the laser optical axis of the projection apparatus 11 in an ideal state with no inclination are the installation height h and the optical axis. Based on the angle θ and the base line length d, equations (8) and (9) shown in FIG. 19 are obtained. Therefore, the bright spot 11b (see FIG. 6) on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 (see FIG. 1) calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 is imaged. The coordinates u ideal, 0,0 and v ideal, 0,0 on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) of the power position are similarly expressed by the equations (8) and (9) shown in FIG. be able to. Among the acquired bright spot groups, the position coordinates on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) of the bright spot 11b closest to the position coordinates u ideal, 0,0 , v ideal, 0,0 are represented by u real. , V real . The inclinations Gap u and Gap v of the optical axis of the imaging device 12 and the laser optical axis at that time are expressed by equations (10) and (11) shown in FIG.
上述した数式(4)、(5)(図19参照)で算出される出力角度φX、φYにレーザ光軸の傾きGapu、Gapvを補正すると、光軸補正後の出力角度φ’X、φ’Yは、図19に示す数式(12)、(13)で算出することができる。光軸角度補正部25(図5参照)は、以上のようにして、光学配置に基づいて算出される床面4(図1参照)上での投影装置11の光軸上の輝点11b(図6参照)が撮像されるべき位置に応じた結像面15’(図6参照)上での位置座標uideal,0,0、videal,0,0と、床面4上に実際に投影され、床面4上での光軸の位置に最も近い輝点11b(図6参照)の位置に応じた結像面15’(図6参照)上での位置座標ureal、vrealに基づいて、投影装置11と撮像装置12の設置角度、すなわち、予め定められている光学配置としての光軸角度θに対する実際の投影装置11の光軸角度のずれを算出して、投影装置11の光軸の傾きを補正することができる。言い換えれば、投影装置11の光軸と撮像装置12の光軸との平行からのずれの補正量を算出して、投影装置11の光軸の傾きを補正することができる。 When the inclinations Gap u and Gap v of the laser optical axis are corrected to the output angles φ X and φ Y calculated by the above formulas (4) and (5) (see FIG. 19), the output angle φ ′ after the optical axis correction is performed. X 1 and φ ′ Y can be calculated by Equations (12) and (13) shown in FIG. The optical axis angle correction unit 25 (see FIG. 5), as described above, the bright spot 11b (on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 (see FIG. 1)) calculated based on the optical arrangement. (See FIG. 6), the position coordinates u ideal, 0,0 , v ideal, 0,0 on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) according to the position to be imaged, and actually on the floor surface 4 The position coordinates u real and v real on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) according to the position of the bright spot 11b (see FIG. 6) that is projected and closest to the position of the optical axis on the floor surface 4 Based on the installation angle of the projection device 11 and the imaging device 12, that is, the deviation of the optical axis angle of the actual projection device 11 with respect to the optical axis angle θ as a predetermined optical arrangement is calculated. The inclination of the optical axis can be corrected. In other words, it is possible to correct the inclination of the optical axis of the projection device 11 by calculating a correction amount of deviation from the parallel between the optical axis of the projection device 11 and the optical axis of the imaging device 12.
基準位置算出部24は、光軸角度補正部25によって算出された出力角度φ’X、φ’Yを用いて、上述した数式(6)、(7)(図19参照)に出力角度φX=φ’X、φY=φ’Yを代入する。これにより、基準位置算出部24は、光軸角度補正部25によって補正された光軸の傾きに応じて、光軸補正後の仮想の輝点11bの結像面15’(図6参照)上での位置座標u’ideal,m,n、v’ideal,m,nを算出し、上述したように、当該位置座標u’ideal,m,n、v’ideal,m,nと実際の位置座標ureal,m,n、vreal,m,nから、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出することができる。 Reference position calculating section 24, the optical axis angle correcting unit 25 outputs the angle φ 'X, φ' which is calculated by using the Y, above-mentioned equation (6), (7) the output angle (see FIG. 19) phi X = Φ ′ X , φ Y = φ ′ Y is substituted. Thereby, the reference position calculation unit 24 is on the image plane 15 ′ (see FIG. 6) of the virtual bright spot 11b after the optical axis correction according to the inclination of the optical axis corrected by the optical axis angle correction unit 25. Calculate the position coordinates u ′ ideal, m, n , v ′ ideal, m, n at, and as described above, the position coordinates u ′ ideal, m, n , v ′ ideal, m, n and the actual position Three-dimensional reference for measuring the amount of movement of each bright spot 11b on the floor surface 4, front wall surface 5a, side wall surface 5c, and side wall surface 5d from the coordinates u real, m, n, v real, m, n Coordinates can be calculated.
ここで再び図8を参照する。測定装置14(図5参照)が測定できる輝点移動量δは、上述したような飛び越えが発生しない範囲、すなわち、隣接する輝点までの距離に制限される。そこで、本実施の形態では、この検出範囲を広くするため、投影装置11のFG素子122(図4参照)を基線方向(v軸方向)に対して光軸周りに回転させて使用する。FG素子122を回転させて使用することで、本図に示すように、正方格子状のパターン11aは、基線方向に対して傾きを有することになる。本実施の形態のように、基線方向に対する投影装置11の光軸周りの回転量をFG素子122の回転角αとすると、この回転角αを算出して、当該回転角αに応じて各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出すれば、より正確な、基準の三次元座標とすることができる。従って、より正確な人物2の状態の判別をすることができる。なお、基線方向に対する投影装置11の光軸周りの回転量、すなわち、FG素子122の回転角αは、基線方向に対する正方格子状のパターン11aの回転角ということもできる。また、ここで、投影装置11を光軸周りに回転させて使用するという場合、要するに、正方格子状のパターン11aが基線方向に対して傾きを有するように回転させて使用すればよく、必ずしも、投影装置11の全体を回転させて使用しなくともよい。 Reference is again made to FIG. The bright spot movement amount δ that can be measured by the measuring device 14 (see FIG. 5) is limited to a range in which the above jump does not occur, that is, a distance to an adjacent bright spot. Therefore, in this embodiment, in order to widen this detection range, the FG element 122 (see FIG. 4) of the projection apparatus 11 is used by rotating around the optical axis with respect to the baseline direction (v-axis direction). By rotating and using the FG element 122, the square lattice pattern 11a has an inclination with respect to the base line direction as shown in FIG. As in the present embodiment, when the rotation amount around the optical axis of the projection device 11 with respect to the baseline direction is the rotation angle α of the FG element 122, the rotation angle α is calculated and each brightness corresponding to the rotation angle α is calculated. If the reference three-dimensional coordinates for measuring the amount of movement of the point 11b on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d are calculated, the reference three-dimensional coordinates are more accurate. Can do. Therefore, the state of the person 2 can be more accurately determined. The rotation amount around the optical axis of the projection device 11 with respect to the base line direction, that is, the rotation angle α of the FG element 122 can also be referred to as the rotation angle of the square lattice pattern 11a with respect to the base line direction. In addition, here, when the projection device 11 is used while being rotated around the optical axis, in short, it may be used by rotating the square lattice pattern 11a so as to have an inclination with respect to the baseline direction. It is not necessary to rotate the entire projection apparatus 11 for use.
そこで、回転角算出部26は、床面4上の実際のパターン11aに関してハフ変換(Hough変換)を実行して第1の角度ピークを算出し、前記仮想平面8(図9参照)上の一定範囲の仮想のパターン光11bによって形成される仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して、投影装置11のFG素子122を投影装置11の光軸周りに一定角度回転させる毎に、すなわち、ここでは0°から180°まで0.1°刻みで仮定したときの各回転角α毎に第2の角度ピークを算出し、第1の角度ピークと第2の角度ピークとが略一致した際の、光軸周りの回転角αを、投影装置11の実際の回転角αとして設定するように構成される。 Therefore, the rotation angle calculation unit 26 performs a Hough transform (Hough transform) on the actual pattern 11a on the floor surface 4 to calculate a first angle peak, and is constant on the virtual plane 8 (see FIG. 9). Every time the FG element 122 of the projection device 11 is rotated by a certain angle around the optical axis of the projection device 11 by performing the Hough transform on the virtual pattern 11a formed by the virtual pattern light 11b in the range, here, When the second angle peak is calculated for each rotation angle α when assumed from 0 ° to 180 ° in increments of 0.1 °, the first angle peak and the second angle peak substantially coincide with each other. The rotation angle α around the optical axis is set as the actual rotation angle α of the projection device 11.
ここで、仮想平面8(図9参照)上の一定範囲の領域の仮想のパターン11aの三次元座標に応じた結像面15’(図6参照)上での各位置座標は、仮想平面8(図9参照)と同じ平面上に位置する床面4上のパターン11aの三次元座標に応じた結像面15’(図6参照)上での各位置座標とのみ一致しているはずである。したがって、ここでは、仮想平面8(図9参照)上の一定範囲の領域として、図8に示す取得画像のうち、破線で示す床面4を含む床面領域を仮定する。回転角算出部26は、床面4上の実際のパターン11aに関してハフ変換(Hough変換)を実行して第1の角度ピークを算出する。さらに、回転角算出部26は、仮想平面8(図9参照)上の床面領域の仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して第2の角度ピークを算出する。 Here, each position coordinate on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) according to the three-dimensional coordinates of the virtual pattern 11a in a certain range of region on the virtual plane 8 (see FIG. 9) is the virtual plane 8 It should match only the position coordinates on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) corresponding to the three-dimensional coordinates of the pattern 11a on the floor surface 4 located on the same plane as (see FIG. 9). is there. Therefore, here, a floor surface region including the floor surface 4 indicated by a broken line in the acquired image illustrated in FIG. 8 is assumed as a certain range of the region on the virtual plane 8 (see FIG. 9). The rotation angle calculation unit 26 performs a Hough transform (Hough transform) on the actual pattern 11a on the floor surface 4 to calculate a first angle peak. Further, the rotation angle calculation unit 26 calculates the second angle peak by performing Hough transform on the virtual pattern 11a of the floor area on the virtual plane 8 (see FIG. 9).
図10は、本発明の実施の形態に係るハフ変換の概念について説明する図である。ここで、本図を参照してハフ変換について説明する。線図形の解析を行うようなデジタル画像処理において、直線的な線分を見つけ出すことは重要な作業である。係る線分を見つけ出す方法のうち数学的な計算論理をベースとした線分検出方法の一例としてハフ変換がある。ハフ変換は、P.V.C.Houghによって考案された手法であり、直線の検出や円の検出に用いられる。この手法は、多数決原理に基づいており、本実施の形態のように、点(ここでは輝点11b)が線状(ここでは正方格子状)に顕著に分布している場合に有効である。また、複数の直線を同時に検出できる利点もある。 FIG. 10 is a diagram for explaining the concept of the Hough transform according to the embodiment of the present invention. Here, the Hough transform will be described with reference to FIG. In digital image processing such as analysis of line figures, finding a straight line segment is an important task. Among the methods for finding such a line segment, there is a Hough transform as an example of a line segment detection method based on mathematical calculation logic. The Hough transform is based on P.I. V. C. This is a method devised by Hough, and is used to detect straight lines and circles. This method is based on the majority rule, and is effective when the points (here, the bright spots 11b) are remarkably distributed in a linear shape (here, a square lattice shape) as in the present embodiment. There is also an advantage that a plurality of straight lines can be detected simultaneously.
以下、本図を参照してハフ変換の一般的な概略を説明する。一般的に直線の式は、図10に示す数式(a)で表すことができる。ここで、数式(a)中、a0、b0は定数である。この直線上に任意のM個の点、{(x1,y1)、(x2,y2)、・・・、(xM,yM)}を選んだとすると、図10に示す数式(b)が成り立つ。ここで、数式(b)中i=1、2、・・・、Mである。 Hereinafter, a general outline of the Hough transform will be described with reference to FIG. In general, a straight line expression can be expressed by a mathematical expression (a) shown in FIG. Here, in Formula (a), a 0 and b 0 are constants. If arbitrary M points {(x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ),..., (X M , y M )} are selected on this straight line, the mathematical formula ( b) holds. Here, i = 1, 2,..., M in the formula (b).
ここでa0、b0を変数とみなして(a,b)平面を考えると、x−y座標系のある1点(xi,yi)が与えられたとき、 そこを通るすべての直線を表す式は、図10に示す数式(c)となる。 Here, considering a 0 and b 0 as variables and considering the (a, b) plane, when a certain point (x i , y i ) in the xy coordinate system is given, all straight lines passing there The formula representing the formula is the formula (c) shown in FIG.
数式(c)で示す直線は、点(xi,yi)ごとに異なるが、 上記のように点(xi,yi)が、数式(a)で示す直線上の点であるとすれば、すべて点(a0、b0)を通るはずである。上記と同じことを極座標系で考えると、x−y座標系のある1点(xi,yi)が与えられたとき、それを通るすべての直線群は、図10に示す数式(d)で表すことができる。 Straight line shown by Equation (c), the point (x i, y i) is different for each, by the points as described above (x i, y i) is, as a point on the straight line shown by Equation (a) All should pass through the points (a 0 , b 0 ). Considering the same thing as the above in the polar coordinate system, when a certain point (x i , y i ) in the xy coordinate system is given, all straight line groups passing through the point are expressed by the formula (d) shown in FIG. Can be expressed as
ここで、図10のグラフに示すように、ρは原点から直線への垂線の長さ、θαは当該垂線とx軸との角度である。この場合、ρ、θαの値をρ0、θα0に固定すれば、(x,y)
平面上での1本の直線を特定したことになる。
Here, as shown in the graph of FIG. 10, ρ is the length of the perpendicular line from the origin to θ, and θα is the angle between the perpendicular line and the x axis. In this case, [rho, value [rho 0 of theta alpha, be fixed to the θ α0, (x, y)
One straight line on the plane is specified.
したがって、ρ0=xcosθα0+ysinθα0上の任意のM個の点、{(x1,y1)、(x2,y2)、・・・、(xM,yM)}に対応する(θα,ρ)平面上の曲線は、全て(θα0、ρ0)で交わる。θαは、−πからπまで有限の範囲を細かく分割すればよく、また、ρもある程度の大きさまで取ればよいので、ハフ変換による直線検出は、(θα,ρ)平面上で実行されるのが一般的である。すなわち、候補点(xi,yi)の集合が与えられたとき、全ての曲線が最も多く交差する点(θα0、ρ0)を見つければ、数式(a)で表す直線を抽出することができる。 Therefore, it corresponds to arbitrary M points on ρ 0 = x cos θ α0 + ysin θ α0 , {(x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ),..., (X M , y M )}. The curves on the (θ α , ρ) plane all intersect at (θ α0 , ρ 0 ). Since θ α only needs to be subdivided into a finite range from −π to π, and ρ needs only to have a certain size, straight line detection by the Hough transform is performed on the (θ α , ρ) plane. It is common. That is, when a set of candidate points (x i , y i ) is given, if a point (θ α0 , ρ 0 ) where all the curves intersect most frequently is found, a straight line represented by the formula (a) is extracted. Can do.
例えば、いま点A:(−2,0)、点B:(0,2)、点C:(4,6)の3点が与えられたとき、それぞれに対して、点A:ρ0=−2cosθα0、点B:ρ0=2sinθα0、点C:ρ0=4cosθα0+6sinθα0が成り立つ。ここで、当該3つの式に関してθα0、ρ0について解くと、θα0=135°、ρ0=√2となる。よってこの3点から抽出される直線はy=x+2となる。 For example, when three points of point A: (−2, 0), point B: (0, 2), point C: (4, 6) are given, point A: ρ 0 = −2 cos θ α0 , point B: ρ 0 = 2 sin θ α0 , point C: ρ 0 = 4 cos θ α0 +6 sin θ α0 . Here, when θ α0 and ρ 0 are solved for the three equations, θ α0 = 135 ° and ρ 0 = √2. Therefore, the straight line extracted from these three points is y = x + 2.
なお、ハフ変換による直線の検出には、例えば、1)線が実線でも、破線でも、一部かすれていても抽出できる、2)線の太さにばらつきがあってもよい、3)画素ごとに独立な写像のため並列処理による高速化が可能、4)線が画像中に何本あっても一括処理できる、等の利点がある。 In addition, for the detection of straight lines by Hough transform, for example, 1 ) Lines can be extracted even if they are solid lines, broken lines, or partly blurred, 2 ) Line thickness may vary, 3 ) Each pixel Because of independent mapping, it is possible to increase the speed by parallel processing. 4 ) It is possible to perform batch processing regardless of how many lines are in the image.
回転角算出部26は、床面4上の床面領域の実際のパターン11aに関してハフ変換を実行して、第1の角度ピークとして、実際の輝点11b群から抽出される直線の支配的な角度θreal,α0を算出する。さらに、回転角算出部26は、仮想平面8(図9参照)上の床面領域の仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して、第2の角度ピークとして、仮想平面8(図9参照)上の床面領域の仮想の輝点11b群から抽出される直線の支配的な角度θideal,α0を算出する。 The rotation angle calculation unit 26 performs Hough transform on the actual pattern 11a of the floor area on the floor 4, and controls the straight line extracted from the actual bright spot 11b group as the first angle peak. The angles θ real and α0 are calculated. Further, the rotation angle calculation unit 26 performs Hough transform on the virtual pattern 11a of the floor area on the virtual plane 8 (see FIG. 9), and uses the virtual plane 8 (see FIG. 9) as the second angle peak. A dominant angle θ ideal, α0 of a straight line extracted from the virtual bright spot 11b group in the upper floor area is calculated.
ここで、回転角算出部26は、角度θideal,α0を算出する際には、まず、回転角αを、0°から180°まで0.1°刻みで仮定したときの各回転角αについての仮想のパターン11aの位置座標を算出する。具体的には、回転角算出部26は、上述した数式(12)、(13)(図19参照)で算出される光軸補正後の出力角度φ’X、φ’Yに、回転角αを導入することで得られる回転角補正後の出力角度φ’’X、φ’’Yを、図19に示す数式(14)、(15)に基づいて各回転角毎に算出する。回転角算出部26は、出力角度φ’’X、φ’’Yを用いて、上述した数式(6)、(7)(図19参照)に出力角度φX=φ’’X、φY=φ’’Yを代入する。これにより、0°から180°まで0.1°刻みに仮定される各回転角αに応じて、仮想の輝点11bの結像面15’(図6参照)上での各位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nを算出する。回転角算出部26は、床面領域の仮想の輝点11bにより形成される仮想のパターン11aに関して、0°から180°まで0.1°刻みで仮定したときの各回転角αごとにハフ変換を実行して、角度θideal,α0を算出する。 Here, when the rotation angle calculation unit 26 calculates the angle θ ideal, α0 , first, for each rotation angle α when the rotation angle α is assumed in increments of 0.1 ° from 0 ° to 180 °. The position coordinates of the virtual pattern 11a are calculated. Specifically, the rotation angle calculation unit 26 adds the rotation angle α to the output angles φ ′ X and φ ′ Y after optical axis correction calculated by the above-described mathematical expressions (12) and (13) (see FIG. 19). output angle after the rotation angle correction obtained by introducing φ '' X, φ 'a' Y, equation shown in FIG. 19 (14), is calculated for each rotation angle based on (15). The rotation angle calculation unit 26 uses the output angles φ ″ X , φ ″ Y and outputs the output angles φ X = φ ″ X , φ Y to the above-described formulas (6) and (7) (see FIG. 19). = Φ '' Y is substituted. Thereby, each position coordinate u ′ on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) of the virtual bright spot 11b according to each rotation angle α assumed in increments of 0.1 ° from 0 ° to 180 °. ' ideal, m, n , v''Calculate ideal, m, n . The rotation angle calculation unit 26 performs the Hough transform for each rotation angle α when the hypothetical pattern 11a formed by the virtual bright spot 11b in the floor area is assumed in increments of 0.1 ° from 0 ° to 180 °. To calculate the angle θ ideal, α0 .
回転角算出部26は、角度θreal,α0と各回転角毎の角度θideal,α0とを比較して、角度θreal,α0と角度θideal,α0とが、略一致した際の回転角αを、実際のFG素子122の回転角αとして設定する。なお、ここで、角度θreal,α0と角度θideal,α0とが略一致した際の回転角αは、角度θreal,α0と角度θideal,α0とが完全に一致した際の回転角αだけでなく、角度θreal,α0と角度θideal,α0とが最も近い際の回転角αとしてもよい。この場合、当該最も近い場合の回転角を、実際のFG素子122の回転角αとする。ここでは、回転角αを0°から180°まで0.1°刻みに仮定しているので、角度θreal,α0と角度θideal,α0とが最も近い際の回転角を実際の回転角αとしてもほとんど誤差はない。 The rotation angle calculation unit 26 compares the angles θ real and α0 with the angles θ ideal and α0 for each rotation angle , and the rotation angle when the angles θ real and α0 substantially match the angles θ ideal and α0. α is set as the actual rotation angle α of the FG element 122. Here, the angle theta real, .alpha.0 the angle theta ideal, the α rotation angle at where the .alpha.0 was substantially matches the angle theta real, .alpha.0 the angle theta ideal, rotation angle at where the .alpha.0 exactly matches α In addition to the angle θ real, α0 and the angle θ ideal, α0 may be the rotation angle α. In this case, the rotation angle in the closest case is set as the actual rotation angle α of the FG element 122. Here, since the rotation angle α is assumed to be in increments of 0.1 ° from 0 ° to 180 °, the rotation angle when the angle θ real, α0 and the angle θ ideal, α0 are closest is the actual rotation angle α. There is almost no error.
基準位置算出部24は、回転角算出部26によって設定された実際のFG素子122の回転角αに応じた回転角補正後の出力角度φ’’X、φ’’Yを用いて、上述した数式(6)、(7)(図19参照)に出力角度φX=φ’’X、φY=φ’’Yを代入する。これにより、基準位置算出部24は、回転角算出部26によって設定された実際のFG素子122の回転角αに応じて、回転角補正後の仮想の輝点11bの結像面15’(図6参照)上での位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nを算出し、上述したように、当該位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nと実際の位置座標ureal,m,n、vreal,m,nから、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出することができる。言い換えれば、基準位置算出部24は、回転角算出部26によって設定された実際のFG素子122の回転角αにおける仮想の輝点11bの位置と、実際に撮像されたパターン光輝点11bの位置に基づいて、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出しているということができる。 The reference position calculation unit 24 uses the output angles φ ″ X and φ ″ Y after the rotation angle correction according to the rotation angle α of the actual FG element 122 set by the rotation angle calculation unit 26 as described above. The output angles φ X = φ ″ X and φ Y = φ ″ Y are substituted into Equations (6) and (7) (see FIG. 19). As a result, the reference position calculation unit 24 determines the image plane 15 ′ of the virtual bright spot 11b after correction of the rotation angle according to the actual rotation angle α of the FG element 122 set by the rotation angle calculation unit 26 (FIG. 6) and calculate the position coordinates u ″ ideal, m, n , v ″ ideal, m, n above, and as described above, the position coordinates u ″ ideal, m, n , v ″ ideal , M, n and the actual position coordinates ureal, m, n, vreal, m, n , the amount of movement of each bright spot 11b on the floor 4, front wall 5a, side wall 5c, and side wall 5d. A reference three-dimensional coordinate for measurement can be calculated. In other words, the reference position calculation unit 24 sets the position of the virtual bright spot 11b at the actual rotation angle α of the FG element 122 set by the rotation angle calculation unit 26 and the position of the pattern bright spot 11b actually captured. Based on this, it can be said that the reference three-dimensional coordinates for measuring the amount of movement of each bright spot 11b on the floor surface 4, front wall surface 5a, side wall surface 5c, and side wall surface 5d are calculated.
なお、基準位置算出部24は、すべての回転角についての出力角度φ’’X、φ’’Yの算出、位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nの算出、角度θideal,α0の算出をそれぞれ一括で行い、その後、各角度θideal,α0とθreal,α0を比較して実際の回転角αを設定してもよいし、各回転角毎に出力角度φ’’X、φ’’Y、位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,n、角度θideal,α0を算出し、その都度比較を行って回転角αを設定してもよい。各回転角毎にその都度比較を行って回転角αを設定する場合には、適切な回転角αが見つかった場合に、以降の処理を省略することで計算量を軽減することができる。また、基準位置算出部24は、実際の回転角αに応じた各仮想の輝点11bの位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nを算出する際に、回転角算出部26が実際の回転角αを設定する際に算出した各位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nを読み出すことで、位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal を算出したものとしても良い。この場合、回転角算出部26が算出した各位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nを記憶部31(図5参照)に記憶しておくことで、計算量を少なくすることができる。 The reference position calculation unit 24 calculates output angles φ ″ X and φ ″ Y for all rotation angles, and calculates position coordinates u ″ ideal, m, n , and v ″ ideal, m, n . The angles θ ideal and α0 can be calculated together, and then the angles θ ideal and α0 can be compared with θ real and α0 to set the actual rotation angle α or output for each rotation angle. Calculate the angle φ ″ X , φ ″ Y , position coordinates u ″ ideal, m, n , v ″ ideal, m, n , angle θ ideal, α0 and compare each time to calculate the rotation angle α It may be set. When the rotation angle α is set by comparing each rotation angle, the calculation amount can be reduced by omitting the subsequent processing when an appropriate rotation angle α is found. Further, the reference position calculation unit 24 performs rotation when calculating the position coordinates u ″ ideal, m, n , v ″ ideal, m, n of each virtual bright spot 11b according to the actual rotation angle α. By reading out each position coordinate u ″ ideal, m, n , v ″ ideal, m, n calculated when the angle calculation unit 26 sets the actual rotation angle α, the position coordinate u ″ ideal, m , N , v ″ ideal may be calculated. In this case, by storing each position coordinate u ″ ideal, m, n , v ″ ideal, m, n calculated by the rotation angle calculation unit 26 in the storage unit 31 (see FIG. 5), the calculation amount Can be reduced.
上述したように、基準位置算出部24によって算出される光軸補正、回転角補正後の仮想の輝点11b群の結像面15’(図6参照)上での位置座標u’’ideal,m,n、v’’ideal,m,nと実際の位置座標ureal,m,n、vreal,m,nから、各輝点11bの仮想の移動量δを算出し、数式(1)、(2)、(3)(図19参照)に代入することで、空室時の各壁面上での輝点11b群の三次元位置、すなわち、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの移動量の測定のための基準となる三次元座標を算出することができる。さらに言えば、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの移動量の測定のための基準となる三次元座標に基づいて、トイレ3を画成する壁面の位置を特定することができる。 As described above, the position coordinates u ″ ideal on the imaging plane 15 ′ (see FIG. 6) of the virtual bright spot 11b group after the optical axis correction and the rotation angle correction calculated by the reference position calculation unit 24 , The virtual movement amount δ of each bright spot 11b is calculated from m, n , v ″ ideal, m, n and the actual position coordinates u real, m, n, v real, m, n , and Expression (1) , (2), (3) (see FIG. 19), the three-dimensional position of the bright spot 11b group on each wall surface at the time of vacant space, that is, the floor surface 4, the front wall surface 5a, and the side wall surface 5c. The three-dimensional coordinates serving as a reference for measuring the movement amount of each bright spot 11b on the side wall surface 5d can be calculated. More specifically, the toilet 3 is defined based on the three-dimensional coordinates serving as a reference for measuring the amount of movement of each bright spot 11b on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d. The position of the wall surface can be specified.
ただし、理想的には、壁面上の輝点は、ここでトイレの形状がきれいに表れるはずだが、実際には、ノイズや補正しきれないパラメータの影響により、きれいにトイレの形状が表れない場合がある。 However, ideally, the bright spot on the wall should show the shape of the toilet neatly, but in reality, the shape of the toilet may not appear neatly due to the influence of noise and parameters that cannot be corrected. .
図11は、本発明の実施の形態に係る光軸補正、回転角補正後の仮想の輝点11b群に基づいて算出した床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量測定の基準位置となる三次元座標をプロットした投影図である。(a)は、正面壁面5a側から裏面壁面5b方向を見た図、(b)は、側面壁面5c側から側面壁面5d方向を見た図である。 FIG. 11 is a diagram of the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d calculated based on the virtual bright spot 11b group after the optical axis correction and the rotation angle correction according to the embodiment of the present invention. It is the projection figure which plotted the three-dimensional coordinate used as the reference position of movement amount measurement. (A) is the figure which looked at the back wall surface 5b direction from the front wall surface 5a side, (b) is the figure which looked at the side wall surface 5d direction from the side wall surface 5c side.
壁面特定部27は、各基準の位置の正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラムに応じて正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置を特定するように構成される。すなわち、本図中下段に示す各平面上の輝点11bの位置の頻度ヒストグラムをとることにより、その頻度の最も大きいところに壁面位置を求めることができる。 The wall surface specifying unit 27 specifies the positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d according to the frequency histogram regarding the positions in the direction perpendicular to the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d at each reference position. Configured as follows. That is, by taking a frequency histogram of the position of the bright spot 11b on each plane shown in the lower part of the figure, the wall surface position can be obtained at the place where the frequency is the highest.
ここで、投影装置11、撮像装置12が取り付けられている裏面壁面5bと、設置高さhの基準となっている床面4の位置は既に特定されている。頻度ヒストグラムのピークを取る位置に壁面があるものと推定できることから、図11(a)下段の頻度ヒストグラムより、側面壁面5c、側面壁面5dの位置を特定することができ、両壁面の相対的な位置関係からトイレ3の幅W(図9(a)も参照)を特定することができる。同様に、図11(b)下段の頻度ヒストグラムより、正面壁面5aの値を特定することができ、正面壁面5aと裏面壁面5bとの相対的な位置関係からトイレ3の奥行きD(図9(a)も参照)を特定することができる。 Here, the positions of the rear wall surface 5b to which the projection device 11 and the imaging device 12 are attached and the floor surface 4 serving as a reference for the installation height h have already been specified. Since it can be estimated that there is a wall surface at the position where the peak of the frequency histogram is taken, the positions of the side wall surface 5c and the side wall surface 5d can be specified from the frequency histogram in the lower part of FIG. The width W of the toilet 3 (see also FIG. 9A) can be specified from the positional relationship. Similarly, the value of the front wall surface 5a can be identified from the frequency histogram in the lower part of FIG. 11B, and the depth D of the toilet 3 (FIG. 9 (FIG. 9) from the relative positional relationship between the front wall surface 5a and the back wall surface 5b. see also a)).
本図中、例えば図11(a)の投影図中に、特定された側面壁面5dよりも外側にプロットされている輝点11bが存在しているが、当該輝点11bは、上述したようにノイズや補正しきれないパラメータの影響による誤差と見ることができる。そこで、本実施の形態では、当該誤差を軽減してより正確な移動量δの測定を行うため、基準位置算出部24は、特定された正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置に基づいて補正された移動量測定の基準位置となる三次元座標を算出するように構成される。 In this figure, for example, in the projection view of FIG. 11A, there is a bright spot 11b plotted outside the specified side wall surface 5d, but the bright spot 11b is as described above. This can be regarded as an error due to the influence of noise or parameters that cannot be corrected. Therefore, in the present embodiment, in order to reduce the error and measure the movement amount δ more accurately, the reference position calculation unit 24 is positioned at the specified positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d. A three-dimensional coordinate serving as a reference position for movement amount measurement corrected based on the three-dimensional coordinate is calculated.
図12は、本発明の実施の形態に係るトイレ3のX軸(図6参照)を通る断面の模式的線図である。なお、本図は、側面壁面5c方向を見るように図示し、便器7や撮像装置12の結像レンズ13a、結像面15’以外の構成等、以下の説明に応じて省略できるものは適宜省略して図示してある。 FIG. 12 is a schematic diagram of a cross section passing through the X-axis (see FIG. 6) of the toilet 3 according to the embodiment of the present invention. In addition, this figure is shown so that it may look at the side wall surface 5c direction, and what can be abbreviate | omitted according to the following description, such as structures other than the imaging lens 13a of the toilet bowl 7 and the imaging device 12, and imaging plane 15 ', is suitably used. The illustration is omitted.
ここで、特定された正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置に基づいて、各面上での基準となる各輝点11bの三次元座標を算出するには、各輝点11bと結像レンズ13aの中心を結ぶ直線の方程式を求める必要がある。輝点は、結像レンズ13aを通して、結像面15’に結像する。言い換えれば、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに投影された輝点は、結像面15’に結像した輝点と結像レンズ13aの中心点を結んだ直線の延長線上にある。したがって、結像面15’上の輝点の位置(Δu,Δv)、結像レンズ13aから結像面15’までの結像レンズ焦点距離lを用いて、結像レンズ13aと輝点を結ぶ直線の方程式が、図19に示す数式(16)と求められる。 Here, in order to calculate the three-dimensional coordinates of each bright spot 11b serving as a reference on each surface based on the specified positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d, It is necessary to obtain a linear equation connecting the centers of the imaging lens 13a. The bright spot forms an image on the imaging surface 15 'through the imaging lens 13a. In other words, the bright spot projected on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d is a straight line connecting the bright spot imaged on the imaging plane 15 'and the central point of the imaging lens 13a. It is on the extension line. Accordingly, the bright spot position (Δu, Δv) on the imaging plane 15 ′ and the focal length l of the imaging lens from the imaging lens 13a to the imaging plane 15 ′ are used to connect the bright spot to the imaging lens 13a. A linear equation is obtained as Equation (16) shown in FIG.
数式(16)から、Z=(l/Δu)・X、Y=(Δv/Δu)・Xを導きだし、これを平面方程式の一般的な形aX+bY+cZ=dに代入すると、その平面上の各輝点の三次元座標のうちのX座標が、図19に示す数式(17)で求められる。同様に、数式(16)から、Z=(l/Δv)・Y、X=(Δu/Δv)・Yを導きだし、aX+bY+cZ=dに代入すると、その平面上の各輝点の三次元座標のうちのY座標が、図19に示す数式(18)で求められる。さらに、数式(16)から、X=(Δu/l)・Z、Y=(Δv/l)・Zを導きだし、aX+bY+cZ=dに代入すると、その平面上の各輝点の三次元座標のうちのZ座標が、図19に示す数式(19)で求められる。 From Equation (16), Z = (l / Δu) · X, Y = (Δv / Δu) · X is derived, and when this is substituted into the general form aX + bY + cZ = d of the plane equation, The X coordinate of the three-dimensional coordinates of the bright spot is obtained by Expression (17) shown in FIG. Similarly, when Z = (l / Δv) · Y and X = (Δu / Δv) · Y are derived from Equation (16) and substituted into aX + bY + cZ = d, the three-dimensional coordinates of each bright spot on the plane Y coordinate is obtained by the mathematical formula (18) shown in FIG. Furthermore, when X = (Δu / l) · Z and Y = (Δv / l) · Z are derived from Equation (16) and substituted into aX + bY + cZ = d, the three-dimensional coordinates of each bright spot on the plane are calculated. Among them, the Z coordinate is obtained by Expression (19) shown in FIG.
トイレ3には、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、5d、便器7の上面の5個の平面が存在すると仮定する。ここで、トイレ3の奥行D、幅W、投影装置11、撮像装置12の設置高さh、光軸角度θ、便器7の高さHseatを入力しておく(図9(a)も参照)。なお、投影装置11、撮像装置12の設置高さhの代わりに、トイレ高さHを用いてもよいが、投影装置11は、床面4の方向に輝点11bを投影しているので、投影装置11よりも上方の壁面は、実質的に輝点11bの移動の測定には関係しない。よって、ここでは設置高さhを用いることとしている。 It is assumed that the toilet 3 has five planes including a floor surface 4, a front wall surface 5a, side wall surfaces 5c and 5d, and an upper surface of the toilet bowl 7. Here, the depth D of the toilet 3, the width W, the installation height h of the projection device 11 and the imaging device 12, the optical axis angle θ, and the height H seat of the toilet 7 are input (see also FIG. 9A). ). In addition, although the toilet height H may be used instead of the installation height h of the projection device 11 and the imaging device 12, since the projection device 11 projects the bright spot 11b in the direction of the floor surface 4, The wall surface above the projection device 11 is not substantially related to the measurement of the movement of the bright spot 11b. Therefore, the installation height h is used here.
図19に示す数式(20)、(21)、(22)、(23)、(24)に、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、5d、便器7の上面の5個の平面の面方程式を示す。ここで、それぞれが、上述した面の方程式aX+bY+cZ=dに相当するものと考え、数式(17)、(18)、(19)のa、b、c、dに、数式(20)、(21)、(22)、(23)、(24)の対応する値を代入すれば、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、5d、便器7の上面上の輝点11bの三次元座標が、結像面15’上の輝点の位置(Δu,Δv)から求まる。なお、ここで、Δu,Δvは、上述した結像面15’上での実際の輝点の位置座標ureal,m,n、vreal,m,nに相当する。 19 are the five planes of the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surfaces 5c and 5d, and the upper surface of the toilet bowl 7. In the equations (20), (21), (22), (23), and (24) shown in FIG. The surface equation is shown. Here, it is considered that each corresponds to the above-described surface equation aX + bY + cZ = d, and the equations (20), (21) are added to a, b, c, d in the equations (17), (18), (19). ), (22), (23), and the corresponding values of (24) are substituted, the three-dimensional coordinates of the bright surface 11b on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surfaces 5c, 5d, and the upper surface of the toilet 7 are obtained. , From the position (Δu, Δv) of the bright spot on the image plane 15 ′. Here, Δu and Δv correspond to the position coordinates u real, m, n, v real, m, n of the actual bright spot on the image plane 15 ′ described above.
例えば、床面4上の輝点11bの場合は、a=0、b=−sinθ、c=cosθ、d=hを、数式(17)、(18)、(19)に代入することで、床面4の上面上の輝点11bの三次元座標が算出される。上述したように、すでに各輝点11bの概ねの位置は、各仮想の輝点11bとの比較で求められているので、各輝点11bがいずれの面上にあるかは判っているものとすると、各輝点11bに対応する面方程式としての数式(20)、(21)、(22)、(23)、(24)と、数式(17)、(18)、(19)とを用いて、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の輝点の三次元座標を算出することができる。 For example, in the case of the bright spot 11b on the floor surface 4, by substituting a = 0, b = −sin θ, c = cos θ, and d = h into equations (17), (18), and (19), The three-dimensional coordinates of the bright spot 11b on the upper surface of the floor surface 4 are calculated. As described above, since the approximate position of each bright spot 11b has already been obtained by comparison with each virtual bright spot 11b, it is understood that on which surface each bright spot 11b is located. Then, mathematical expressions (20), (21), (22), (23), (24) and mathematical expressions (17), (18), (19) are used as surface equations corresponding to each bright spot 11b. Thus, the three-dimensional coordinates of the reference bright spot for measuring the amount of movement of each bright spot 11b on the floor 4, front wall 5a, side wall 5c, and side wall 5d can be calculated.
以上のようにして、基準位置算出部24は、壁面特定部27によって特定された正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置に基づいて補正された移動量測定の基準位置となる輝点の三次元座標を算出することで、ノイズや補正しきれないパラメータの影響による誤差を軽減することができる。 As described above, the reference position calculation unit 24 is a bright spot that serves as a reference position for movement amount correction based on the positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d specified by the wall surface specification unit 27. By calculating the three-dimensional coordinates, it is possible to reduce errors due to the influence of noise and parameters that cannot be corrected.
なお、対象物(ここでは人物2)が存在するときの測定装置14による三次元座標の算出は、以下のように行なう。まず、撮像装置12に正対した平面に基準となる輝点が含まれるものとして、数式(1)から数式(3)に従って、当該輝点の基準位置からの移動量δにより、図6に示す座標系での輝点の位置(三次元座標)を求める。次にこの位置を、撮像装置12の結像レンズ13a(図6参照)の主面の位置と光軸の方向θ(図1参照)とから、監視領域(ここではトイレ3)の位置に座標変換する。 Note that the calculation of the three-dimensional coordinates by the measuring device 14 when the object (here, the person 2) is present is performed as follows. First, assuming that the reference bright spot is included in the plane directly facing the imaging device 12, the amount of movement δ from the reference position of the bright spot is shown in FIG. 6 according to Formula (1) to Formula (3). The position (three-dimensional coordinate) of the bright spot in the coordinate system is obtained. Next, this position is coordinated to the position of the monitoring region (here, toilet 3) from the position of the main surface of the imaging lens 13a (see FIG. 6) of the imaging device 12 and the direction θ of the optical axis (see FIG. 1). Convert.
状態判定部23(図5参照)は、上述したように、測定装置14により測定されたパターンの移動に基づいて、人物2の状態を判定するように構成される。具体的には、状態判定部23は、測定装置14により得られた人物2の形状又は動きに関する情報、ここでは、パターン11aの移動に関する情報としての形状情報をブロック化して、ニューラルネットワークの入力層に入力することで出力層から得られる出力に基づいて、人物2の状態を判定するように構成されている。なお、状態判定部23により判定する人物2の状態は、典型的には、危険な状態と安全な状態の2種類を含む。危険な状態は、例えば、人物2が倒れている状態等の人物2の身体に異常が起こったと推測できる状態である。
以下、状態判定部23による人物2の姿勢の判定について説明する。
As described above, the state determination unit 23 (see FIG. 5) is configured to determine the state of the person 2 based on the movement of the pattern measured by the measurement device 14. Specifically, the state determination unit 23 blocks information on the shape or movement of the person 2 obtained by the measuring device 14, in this case, shape information as information on movement of the pattern 11a, and blocks the input layer of the neural network. The state of the person 2 is determined based on the output obtained from the output layer. The state of the person 2 determined by the state determination unit 23 typically includes two types, a dangerous state and a safe state. The dangerous state is a state where it can be inferred that an abnormality has occurred in the body of the person 2 such as a state where the person 2 has fallen.
Hereinafter, the determination of the posture of the person 2 by the state determination unit 23 will be described.
図13は、本発明の実施の形態に用いる形状情報と、形状情報をブロック化した情報の一例を示す模式図である。本図中、上段に形状情報、下段にブロック化した情報を図示する。なお、本図(a)は、人物2が立っている姿勢を示す模式図、(b)は、人物2が便器7の上面に座っている姿勢を示す模式図、(c)は、人物2が倒れている姿勢を示す模式図である。また、本図では、形状情報、形状情報をブロック化した情報を、判りやすくするため、これらの情報を床面4、便器7の位置、形状を表示した画像に重ね合わせ、側面壁面5d側から見た画像として示している。 FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an example of shape information used in the embodiment of the present invention and information obtained by blocking the shape information. In the figure, the shape information is shown in the upper part, and the block information is shown in the lower part. In addition, this figure (a) is a schematic diagram which shows the attitude | position which the person 2 stands, (b) is a schematic diagram which shows the attitude | position in which the person 2 is sitting on the upper surface of the toilet bowl 7, (c) is the person 2 It is a schematic diagram which shows the attitude | position which has fallen. Moreover, in this figure, in order to make it easy to understand the shape information and the information obtained by blocking the shape information, these pieces of information are superimposed on an image displaying the position and shape of the floor surface 4 and the toilet bowl 7 and are viewed from the side wall surface 5d side. Shown as a seen image.
ここで、上述した測定装置14は、算出された人物2に投影された各輝点の三次元座標に基づいて、人物2の形状情報を生成するように構成されている。形状情報とは、人物2の形状を示す情報であり、ここでは、測定装置14で算出された人物2に投影された各輝点の三次元座標を、移動した全輝点について、トイレ3室内の三次元空間にプロットした情報である。 Here, the measurement device 14 described above is configured to generate shape information of the person 2 based on the calculated three-dimensional coordinates of each bright spot projected onto the person 2. The shape information is information indicating the shape of the person 2. Here, the three-dimensional coordinates of each bright spot projected on the person 2 calculated by the measuring device 14 are used for all the bright spots that have been moved in the toilet 3 room. Information plotted in the three-dimensional space.
状態判定部23は、さらに、測定装置14が生成した形状情報をブロック化するように構成されている。さらに言えば、状態判定部23は、形状情報を、投影される輝点の間隔よりも広い領域のブロック毎の情報に変換する。具体例としては、トイレ3内の空間を所定の間隔に区切った領域をブロックとして、そのブロック内にある形状情報をまとめた情報量の少ないデータに変換する。所定の間隔は、例えばトイレ3内で15cm程度に相当する間隔である。ここでは、ブロックは、トイレ3の空間を15cmの立方体のメッシュ状に分割して、幅方向に6個×高さ方向に14個×奥行方向に12個、計1008個にブロック化した。ブロック毎の情報は例えば2進数データで示すとよい。この場合には、例えばブロック内に形状情報(輝点)があれば1、全く無ければ0、といったように変換するとよい。 The state determination unit 23 is further configured to block the shape information generated by the measurement device 14. Furthermore, the state determination unit 23 converts the shape information into information for each block in a region wider than the projected bright spot interval. As a specific example, an area obtained by dividing the space in the toilet 3 at a predetermined interval is used as a block, and the shape information in the block is converted into data with a small amount of information. The predetermined interval is an interval corresponding to about 15 cm in the toilet 3, for example. Here, the space of the toilet 3 was divided into 15 cm cubic meshes, and the blocks were divided into 6 blocks in the width direction × 14 blocks in the height direction × 12 blocks in the depth direction, for a total of 1008 blocks. The information for each block may be indicated by binary data, for example. In this case, for example, it may be converted to 1 if there is shape information (bright spot) in the block and 0 if there is no shape information.
さらに、状態判定部23は、前記ブロック化した情報をニューラルネットワークに入力することで、人物2の状態の判定結果を得るように構成されている。本実施の形態では、ニューラルネットワークに入力することで得られる人物2の状態の判定結果は、「危険な状態」、「安全な状態」の2つの状態である。ニューラルネットワークは、典型的にはフィードフォワード型ニューラルネットワークである。
図14のブロック図に、状態判定部23による人物2の状態の判定の概念を示す。
Further, the state determination unit 23 is configured to obtain the determination result of the state of the person 2 by inputting the block information to the neural network. In the present embodiment, the determination result of the state of the person 2 obtained by inputting to the neural network is two states of “dangerous state” and “safe state”. The neural network is typically a feedforward neural network.
The block diagram of FIG. 14 shows the concept of determination of the state of the person 2 by the state determination unit 23.
ここでニューラルネットワークについて説明する。ニューラルネットワークモデルは、人間の脳での情報処理メカニズムをヒントに考案された情報処理モデルである。本実施の形態では、ニューラルネットワークのモデルの1つであるフィードフォワード型ネットワークにおいてバックプロパゲーションアルゴリズム(誤差逆伝播アルゴリズム)を用いて結合の重みを学習する場合で説明する。 Here, the neural network will be described. The neural network model is an information processing model devised based on the information processing mechanism in the human brain. In this embodiment, a case will be described in which a connection weight is learned using a back-propagation algorithm (error back-propagation algorithm) in a feedforward network that is one of neural network models.
バックプロパゲーションアルゴリズムについて説明する。図15に示すように、ニューラルネットワークモデルは、ユニットと呼ばれる多入力、1出力素子がシナプス結合と呼ばれる、一方向だけに信号が伝わり、ある重みを持った結合で結ばれている。また、ユニットはそれらの重みと入力値を掛けた値の総和を入力とし、応答関数f(x)による変形の後、出力される。この出力が各ユニットの状態となる。今回は応答関数f(x)には、準線形の飽和型の特性をもたせるため、シグモイド関数を用いた。 The backpropagation algorithm will be described. As shown in FIG. 15, the neural network model has a multi-input called unit and one-output element called synaptic connection, a signal is transmitted only in one direction, and connected by a connection having a certain weight. Further, the unit receives the sum of values obtained by multiplying those weights by the input value, and outputs the result after transformation by the response function f (x). This output becomes the state of each unit. In this case, a sigmoid function is used for the response function f (x) in order to have a quasi-linear saturation type characteristic.
また、図16に示すように、図15のユニットが、入力層、中間層、出力層からなる階層構造で結ばれたネットワークを多層パーセプトロンと言う。そして、このネットワークから出されたデータを正解である教師信号と比較して、その誤差を極小化させるように、入力層、中間層、出力層を相互に関連づける重み係数としての各結合の重みWiを変更、更新することにより、ネットワークに学習させる方法をバックプロパゲ−ションアルゴリズムという。バックプロパゲ−ションアルゴリズムは、各入力に対する出力と、理想の出力(教師信号)の誤差を用いて、ユニット間の重みWiを更新(学習)していくものである。また、バックプロパゲ−ションアルゴリズムは、複雑な入出力関係を学習することが可能な方法であると言われている。 Also, as shown in FIG. 16, a network in which the units of FIG. 15 are connected in a hierarchical structure including an input layer, an intermediate layer, and an output layer is called a multilayer perceptron. Then, the weight W of each connection as a weighting coefficient that correlates the input layer, the intermediate layer, and the output layer is compared so that the data output from this network is compared with the correct teacher signal and the error is minimized. A method of making the network learn by changing and updating i is called a back-propagation algorithm. Bakkupuropage - Deployment algorithm output for each input, using the error of the ideal output (teaching signal), but to continue to update the weights W i between the units (learning). The backpropagation algorithm is said to be a method capable of learning complicated input / output relationships.
図17に示すように、状態判定部23は、以上ようなニューラルネットワークを用いて人物2の状態を判定する。なおここでは、学習済みのニューラルネットワークのデータにより、人物2の状態の判定を行う場合を示している。またニューラルネットワークへの入力は、図13で前述したブロック化した情報である。さらに、各ブロックの出力が各入力層Sの出力に相当する。すなわち、ここでは、入力層Sの数は、ブロックの数と等しい1008個である。また、中間層Aの数は、例えば、2〜5個程度、ここでは3個である。出力層Rは安全ノード、危険ノードの2個とした。 As shown in FIG. 17, the state determination unit 23 determines the state of the person 2 using the above neural network. In this example, the state of the person 2 is determined based on learned neural network data. The input to the neural network is the block information described above with reference to FIG. Further, the output of each block corresponds to the output of each input layer S. That is, here, the number of input layers S is 1008, which is equal to the number of blocks. Further, the number of intermediate layers A is, for example, about 2 to 5, and three here. There are two output layers R, a safety node and a dangerous node.
状態判定部23は、安全ノードの出力が危険ノードの出力よりも高い値を示したときは、トイレ3内の人物2は安全な状態であると判定し、逆に危険ノードの出力が安全ノードの出力よりも高い値を示したときは、危険な状態であると判定する。例えば、本図では、安全な状態の一例として、図13(a)に示した人物2が「立っている」場合の情報が入力されると、出力層Rの中で、安全ノードの方が危険ノードよりも高い値を持ち、入力データが「安全な状態」であることがわかる。 When the output of the safety node indicates a higher value than the output of the dangerous node, the state determination unit 23 determines that the person 2 in the toilet 3 is in a safe state, and conversely, the output of the dangerous node is the safety node. When a value higher than the output of is shown, it is determined that the state is dangerous. For example, in this figure, as an example of the safe state, when information when the person 2 shown in FIG. 13A is “standing” is input, the safety node in the output layer R It has a higher value than the dangerous node, and it can be seen that the input data is in a “safe state”.
なお、ここでは、まず最初に、ニューラルネットワークの学習段階として、模擬トイレを用いて、被験者に実際にトイレを利用する姿勢と、転倒時の姿勢の演技を行い、その中から、安全な状態2500シーンの形状情報と、危険な状態2500シーンの形状情報とを抽出し、学習セットとする。そして、教師信号として、安全な状態の形状情報については、安全ノードに1、危険ノードに0を、逆に危険な状態の形状情報については、安全ノードに0、危険ノードに1を与え、バックプロパゲ−ションアルゴリズムにて各結合の重みWiを設定する。なお、1シーンは、1つの取得像に応じた画像データであり、したがって、例えば、2500シーンの形状情報を取得するという場合には、2500個の取得像に応じた画像データを取得するということである。 Here, first, as a learning stage of the neural network, using a simulated toilet, the subject performs the posture of actually using the toilet and the posture at the time of the fall, and the safe state 2500 is then selected. The shape information of the scene and the shape information of the dangerous state 2500 scene are extracted as a learning set. As the teacher signal, the safe state shape information is given to the safety node as 1 and the dangerous node as 0, and the dangerous state shape information as 0 as the safety node and 1 to the dangerous node. -Set a weight W i for each connection with the algorithm. One scene is image data corresponding to one acquired image. Therefore, for example, when acquiring shape information of 2500 scenes, it means acquiring image data corresponding to 2500 acquired images. It is.
ここで、再び図5を参照する。状態判定部23は、上述のように、学習させたデータにより、トイレ3室内の人物2の安否の判定を行う。状態判定部23は、人物2が危険な状態であると判定し、当該危険な状態が、例えば3秒から60秒、好ましくは5秒から15秒、ここでは、5秒以上続いた場合に、上述した警報信号部28に危険信号を送信する。警報信号部28は、危険信号を受信すると、当該警報信号部28に接続され、トイレ3内に設置されている警報装置41に警報信号を送信する。警報装置41は、例えば、音声や警報音等を発生させるスピーカによって構成されており、警報信号を受信すると、音声や警報音等を発生させ、トイレ3内の人物2に警報を発する。なお、警報装置41は、スピーカでなくても警報を発せられるものであればなんでもよく、例えば、文字情報等によって警報を発するモニタなどでもよい。 Here, FIG. 5 will be referred to again. As described above, the state determination unit 23 determines the safety of the person 2 in the toilet 3 based on the learned data. The state determination unit 23 determines that the person 2 is in a dangerous state, and when the dangerous state continues, for example, from 3 seconds to 60 seconds, preferably from 5 seconds to 15 seconds, in this case, 5 seconds or more, A danger signal is transmitted to the alarm signal unit 28 described above. When the warning signal unit 28 receives the danger signal, the warning signal unit 28 is connected to the warning signal unit 28 and transmits the warning signal to the warning device 41 installed in the toilet 3. For example, the alarm device 41 is configured by a speaker that generates sound, alarm sound, and the like. When an alarm signal is received, the alarm device 41 generates sound, alarm sound, and the like, and issues an alarm to the person 2 in the toilet 3. The alarm device 41 may be anything that can issue an alarm without being a speaker. For example, a monitor that issues an alarm using character information or the like may be used.
さらに、警報信号部28には、トイレ3内に設置される警報解除ボタン42と緊急通報ボタン43とが接続されている。警報解除ボタン42は、例えば、警報装置41によって警報が発せられた際に、実際には人物2が安全な状態であった場合、すなわち、状態判定部23による危険な状態の判定が誤っていた場合に、人物2が当該警報解除ボタン42を押すことで、警報解除信号を警報信号部28に送信するように構成される。警報信号部28は、警報解除信号を受信すると警報を解除する。 Furthermore, an alarm release button 42 and an emergency call button 43 installed in the toilet 3 are connected to the alarm signal unit 28. For example, when the alarm is issued by the alarm device 41, the alarm release button 42 is actually in a safe state when the person 2 is in a safe state, that is, the dangerous state is determined by the state determination unit 23. In this case, when the person 2 presses the alarm release button 42, the alarm release signal is transmitted to the alarm signal unit 28. The alarm signal unit 28 cancels the alarm when receiving the alarm cancel signal.
警報信号部28は、例えば3秒から30秒、好ましくは5秒から10秒、ここでは、7秒間警報が解除されなかった場合には、通報信号を通報装置(不図示)に送信し、例えば、別室に待機している医師や看護士等に対して人物2が危険な状態であることを通報する。緊急通報ボタン43は、状態判定部23による状態の判定には関係なく、人物2が当該緊急通報ボタン43を押すことで、緊急通報信号を警報信号部28に送信するように構成される。警報信号部28は、緊急通報信号を受信すると、同様に通報信号を通報装置(不図示)に送信する。 The alarm signal unit 28 transmits a notification signal to a notification device (not shown), for example, when the alarm is not canceled, for example, 3 seconds to 30 seconds, preferably 5 seconds to 10 seconds. The person 2 is in a dangerous state with a doctor or nurse waiting in a separate room. The emergency call button 43 is configured to transmit an emergency call signal to the alarm signal unit 28 when the person 2 presses the emergency call button 43 regardless of the state determination by the state determination unit 23. When receiving the emergency notification signal, the alarm signal unit 28 similarly transmits the notification signal to a notification device (not shown).
図18は、本発明の実施の形態に係る室内監視装置1による処理工程の概略を示すフロー図である。本図を参照して室内監視装置1による床面4と床面4とは異なる正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dで画成されるトイレ3に存在する人物2の位置を測定する方法、ここでは位置を測定して、人物2の状態を監視する方法について説明する。なお、室内監視装置1の構成については適宜図5又は図9を参照する。なお、室内監視装置1の構成の説明と重複する説明はできる限り省略するものとする。 FIG. 18 is a flowchart showing an outline of processing steps by the room monitoring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. A method for measuring the position of a person 2 existing in a toilet 3 defined by a floor wall 4, a side wall surface 5 c, and a side wall surface 5 d different from the floor surface 4 by the indoor monitoring apparatus 1 with reference to this figure Here, a method for measuring the position and monitoring the state of the person 2 will be described. For the configuration of the room monitoring apparatus 1, refer to FIG. In addition, the description which overlaps with description of the structure of the indoor monitoring apparatus 1 shall be abbreviate | omitted as much as possible.
まず、投影工程として、トイレ3の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに対して、投影装置11によるパターン11aを形成するパターン光(輝点)11bの投影を開始し(S100)、撮像工程として、パターン光(輝点)11bが投影されたトイレ3の撮像装置12による撮像を開始する(S102)。投影装置11によるパターン光(輝点)11bの投影は、監視が終了するまで継続される。撮像装置12による撮像も、同様に、監視が終了するまで0.1〜0.25秒程度の取得間隔で継続される。また、ここでは、トイレ3は空室の状態、すなわち、人物2が存在しない状態であり、後述する第2の基準位置算出工程(S112)までは、当該空室の状態で各工程は実行される。言い換えれば、第2の基準位置算出工程(S112)までの各処理は、室内監視装置1の自動設定のための処理と言うことができる。 First, as a projection process, projection of pattern light (bright spot) 11b forming the pattern 11a by the projection device 11 is started on the floor surface 4, front wall surface 5a, side wall surface 5c, and side wall surface 5d of the toilet 3 ( S100) As an imaging process, imaging by the imaging device 12 of the toilet 3 on which the pattern light (bright spot) 11b is projected is started (S102). The projection of the pattern light (bright spot) 11b by the projection device 11 is continued until the monitoring is completed. Similarly, the imaging by the imaging device 12 is continued at an acquisition interval of about 0.1 to 0.25 seconds until the monitoring is completed. Further, here, the toilet 3 is in a vacant state, that is, a state in which the person 2 does not exist, and each step is executed in the vacant state until the second reference position calculation step (S112) described later. The In other words, each process up to the second reference position calculation step (S112) can be said to be a process for automatic setting of the room monitoring apparatus 1.
次に、光軸角度補正工程として、光軸角度補正部25によって、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される、床面4上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置と、床面4上に実際に投影され、撮像装置12によって撮像されたパターン光11bであって、床面4上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置に最も近いパターン光11bの位置に基づいて、投影装置11の光軸の傾きを補正する(S104)。 Next, as the optical axis angle correction step, the optical axis angle correction unit 25 calculates the optical axis of the projection apparatus 11 on the floor 4 calculated based on the optical arrangement of the projection apparatus 11 and the imaging apparatus 12. The position where the pattern light 11b is to be imaged and the pattern light 11b actually projected on the floor surface 4 and imaged by the imaging device 12, and the pattern on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 The inclination of the optical axis of the projection device 11 is corrected based on the position of the pattern light 11b closest to the position where the light 11b is to be imaged (S104).
さらに、回転角算出工程として、回転角算出部26によって、床面4上の床面領域の実際のパターン11aに関してハフ変換を実行して、第1の角度ピークとして、床面4上の実際の輝点11b群から抽出される直線の支配的な角度θreal,α0を算出する。さらに、仮想平面8上の床面領域の仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して、投影装置11のFG素子122を投影装置11の光軸周りに0°から180°まで0.1°刻みで仮定したときの各回転角α毎に、第2の角度ピークとして、仮想平面8上の床面領域の仮想の輝点11b群から抽出される直線の支配的な角度θideal,α0を算出する。角度θreal,α0と各回転角α毎の角度θideal,α0とが略一致した際の、光軸周りの回転角αを、投影装置11の実際の回転角αとして設定する(S106)。 Further, as the rotation angle calculation step, the rotation angle calculation unit 26 performs the Hough transform on the actual pattern 11a of the floor surface area on the floor surface 4 to obtain the actual angle on the floor surface 4 as the first angle peak. The dominant angles θ real and α0 of the straight lines extracted from the bright spot 11b group are calculated. Further, the Hough transform is performed on the virtual pattern 11a in the floor area on the virtual plane 8, and the FG element 122 of the projection apparatus 11 is incremented by 0.1 ° from 0 ° to 180 ° around the optical axis of the projection apparatus 11. As a second angle peak, the dominant angle θ ideal, α0 of the straight line extracted from the virtual bright spot 11b group in the floor area on the virtual plane 8 is calculated for each rotation angle α when To do. The rotation angle α around the optical axis when the angle θ real, α0 and the angle θ ideal , α0 for each rotation angle α substantially coincide with each other is set as the actual rotation angle α of the projection device 11 (S106).
次に、第1の基準位置算出工程として、基準位置算出部24によって、パターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8(図9参照)に投光され、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される光軸補正、回転角補正後の仮想のパターン光(輝点)11bの位置を算出する。さらに、光軸補正、回転角補正後の仮想のパターン光(輝点)11bの位置と実際に撮像されるパターン光11bの位置とを比較して、測定装置14が撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定する際の正面壁面5a(図1参照)、側面壁面5c(図1参照)、側面壁面5d(図1参照)上での基準の位置を算出する。すなわち、基準像を算出し、各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での移動量の測定のための基準の三次元座標を算出する(S108)。 Next, as a first reference position calculation step, the reference position calculation unit 24 projects and projects on a virtual plane 8 (see FIG. 9) that is assumed to be sufficiently wider than the projection range of the pattern light 11b. The position of the virtual pattern light (bright spot) 11b after the optical axis correction and the rotation angle correction calculated based on the optical arrangement of the device 11 and the imaging device 12 is calculated. Further, the position of the virtual pattern light (bright spot) 11b after optical axis correction and rotation angle correction is compared with the position of the pattern light 11b that is actually imaged, and the measuring device 14 is imaged by the imaging device 12. A reference position on the front wall surface 5a (see FIG. 1), the side wall surface 5c (see FIG. 1), and the side wall surface 5d (see FIG. 1) when measuring the movement of the pattern on the image is calculated. That is, a reference image is calculated, and reference three-dimensional coordinates for measuring the amount of movement of each bright spot 11b on the floor 4, front wall 5a, side wall 5c, and side wall 5d are calculated (S108).
次に、壁面特定工程として、壁面特定部27によって、各基準の位置の正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラム(図11参照)に応じて正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置を特定する。すなわち、各平面上の輝点11bの位置の頻度ヒストグラムをとることにより、その頻度の最も大きいところに壁面位置を求める(S110)。 Next, as the wall surface specifying step, the front wall surface 5a is determined by the wall surface specifying unit 27 according to the frequency histogram (see FIG. 11) regarding the positions in the direction perpendicular to the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d. The positions of the side wall surface 5c and the side wall surface 5d are specified. That is, by taking a frequency histogram of the position of the bright spot 11b on each plane, the wall surface position is obtained at the place with the highest frequency (S110).
続いて、第2の基準位置算出工程として、基準位置算出部24によって、特定された正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置に基づいて補正された移動量測定の基準位置となる三次元座標を算出する(S112)。以上で室内監視装置1の自動設定のための処理は終了する。以降の処理は、トイレ3内に人物2が存在する状態で実行される。 Subsequently, as a second reference position calculation step, the reference position calculation unit 24 serves as a reference position for movement amount measurement corrected based on the specified positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d. The original coordinates are calculated (S112). Thus, the process for automatically setting the room monitoring device 1 is completed. Subsequent processing is executed in a state where the person 2 is present in the toilet 3.
次に、測定工程として、以上のようにして算出した、トイレ3が空室時の各輝点11bの床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上でのパターン光(輝点)11bの三次元座標を基準として、測定装置14によって、撮像装置12で実際に撮像された像上の各パターン光(輝点)11bの移動量δを測定する。さらに、測定した当該移動量に基づいて人物2に投影された各パターン光(輝点)11bの三次元座標を算出し、人物2の形状情報(図13参照)を生成する(S114)。 Next, as a measurement process, the pattern light (bright spot) calculated on the floor surface 4, front wall surface 5a, side wall surface 5c, and side wall surface 5d of each bright spot 11b when the toilet 3 is empty is calculated as described above. ) The moving amount δ of each pattern light (bright spot) 11b on the image actually picked up by the image pickup device 12 is measured by the measuring device 14 using the three-dimensional coordinates of 11b as a reference. Further, the three-dimensional coordinates of each pattern light (bright spot) 11b projected on the person 2 is calculated based on the measured movement amount, and the shape information (see FIG. 13) of the person 2 is generated (S114).
さらに、状態判定工程として、状態判定部23によって、測定装置14が生成した形状情報をブロック化し(図13参照)、ニューラルネットワークの入力層S(図17参照)に入力することで出力層R(図17参照)から得られる出力に基づいて、人物2の状態を判定する(S116)。 Further, as the state determination step, the state determination unit 23 blocks the shape information generated by the measurement device 14 (see FIG. 13) and inputs it into the input layer S (see FIG. 17) of the neural network, thereby outputting the output layer R ( The state of the person 2 is determined based on the output obtained from (see FIG. 17) (S116).
状態判定部23は、出力層Rの安全ノードの出力が危険ノードの出力よりも高い値を示したときは、トイレ3内の人物2は安全な状態であると判定し(S118;NO)、S120に移行して、さらに監視を継続する場合(S120;YES)は、測定工程(S114)に戻って、以降の各処理を繰り返し実行する。監視を継続しない場合(S120;NO)には、監視を終了する。 When the output of the safety node in the output layer R shows a higher value than the output of the dangerous node, the state determination unit 23 determines that the person 2 in the toilet 3 is in a safe state (S118; NO) When the process proceeds to S120 and monitoring is further continued (S120; YES), the process returns to the measurement step (S114) and the subsequent processes are repeated. If the monitoring is not continued (S120; NO), the monitoring is terminated.
出力層Rの危険ノードの出力が安全ノードの出力よりも高い値を示したときは、危険な状態であると判定し(S118;YES)、危険な状態が5秒以上継続したか否かを判定する(S122)。5秒以上継続していない場合(S122;NO)は、測定工程(S114)に戻って、以降の各処理を繰り返し実行する。5秒以上継続していない場合(S122;YES)は、状態判定部23は、警報信号部28に危険信号を送信し、次段の警報発報工程(S124)に移行する。 When the output of the dangerous node in the output layer R shows a higher value than the output of the safety node, it is determined that the state is dangerous (S118; YES), and whether or not the dangerous state has continued for 5 seconds or more. Determination is made (S122). If it has not continued for more than 5 seconds (S122; NO), the process returns to the measurement step (S114) and the subsequent processes are repeated. When it has not continued for 5 seconds or more (S122; YES), the state determination unit 23 transmits a danger signal to the alarm signal unit 28, and proceeds to the next alarm generation step (S124).
警報発報工程では、危険信号を受信した警報信号部28によって、警報装置41に警報信号が送信され、当該警報装置41によってトイレ3内の人物2に対して警報が発せられる(S124)。続いて、警報信号部28によって、人物2が当該警報解除ボタン42を押すことで、警報が解除されたか否かを判断し(S126)、警報が解除されたと判断した場合(S126;YES)は、S120に移行して、さらに監視を継続する場合(S120;YES)は、測定工程(S114)に戻って、以降の各処理を繰り返し実行する。監視を継続しない場合(S120;NO)には、監視を終了する。 In the alarm issuing step, an alarm signal is transmitted to the alarm device 41 by the alarm signal unit 28 that has received the danger signal, and an alarm is issued by the alarm device 41 to the person 2 in the toilet 3 (S124). Subsequently, the alarm signal unit 28 determines whether or not the alarm has been canceled by the person 2 pressing the alarm cancel button 42 (S126). If it is determined that the alarm has been canceled (S126; YES) When the process proceeds to S120 and monitoring is further continued (S120; YES), the process returns to the measurement step (S114) and the subsequent processes are repeated. If the monitoring is not continued (S120; NO), the monitoring is terminated.
警報が解除されていないと判断した場合(S126;NO)は、警報信号部28によって、警報が解除されない期間が、7秒間以上継続したか否かを判断し(S128)、7秒間以上継続していない場合に(S128;NO)は、S126に戻って、以降の各処理を繰り返し実行する。 When it is determined that the alarm is not released (S126; NO), the alarm signal unit 28 determines whether or not the period during which the alarm is not released continues for 7 seconds or more (S128), and continues for 7 seconds or more. If not (S128; NO), the process returns to S126 and the subsequent processes are repeated.
7秒間以上継続した場合に(S128;YES)は、通報工程として、警報信号部28によって、通報装置(不図示)に通報信号を送信し、例えば、別室に待機している医師や看護士等に対して人物2が危険な状態であることを通報し(S130)、監視を終了する。 When it continues for 7 seconds or more (S128; YES), as a notification process, the alarm signal unit 28 transmits a notification signal to a notification device (not shown), for example, a doctor or a nurse waiting in a separate room, etc. Is notified that person 2 is in a dangerous state (S130), and the monitoring is terminated.
なお、ここで、演算装置20の各部での各処理、上述の方法は、コンピュータにインストールして、該コンピュータを室内監視装置として作動させ、各処理を実行するようにコンピュータを制御するソフトウエアプログラムとして実現することが可能であり、係るソフトウエアプログラムを記録する記録媒体としても実現可能である。ソフトウエアプログラムはコンピュータ内蔵のプログラム部(不図示)に記録されて使用されても良く、外付けの記憶装置やCD−ROMに記録され、プログラム部(不図示)に読み出されて使用されても良く、またインターネットからプログラム部(不図示)にダウンロードされて使用されても良い。 Here, each process in each part of the arithmetic unit 20 and the above-described method are installed in a computer, operate the computer as an indoor monitoring apparatus, and control the computer so as to execute each process. And can also be realized as a recording medium for recording the software program. The software program may be recorded and used in a program unit (not shown) built in the computer, recorded in an external storage device or CD-ROM, and read and used by the program unit (not shown). Alternatively, it may be downloaded from the Internet to a program unit (not shown) and used.
以上で説明した本発明の実施の形態に係る室内監視装置1又はソフトウエアプログラムによれば、基準位置算出部24は、パターン光11bの投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面8に投光され、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光の位置と、実際に撮像されるパターン光11bの位置とを比較して、測定装置14が撮像装置12により撮像された像上のパターンの移動を測定する際の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの基準の位置を算出するように構成される。したがって、例えば、監視する空間の形状や広さ、空間内に設置されているもの、便座の位置、大きさや形状等の種々の条件にあわせて、装置の設置の度に基本的な初期設定を手動で行う必要がなく、装置の設置作業を簡略化することのできる室内監視装置1又はソフトウエアプログラムを提供することができる。 According to the indoor monitoring device 1 or the software program according to the embodiment of the present invention described above, the reference position calculation unit 24 is assumed to be a virtual plane that is assumed to be sufficiently wide compared to the projection range of the pattern light 11b. 8, the position of the virtual pattern light calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12 is compared with the position of the pattern light 11 b that is actually imaged. Calculates the reference position of each bright spot 11b on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d when measuring the movement of the pattern on the image captured by the imaging device 12. Composed. Therefore, for example, in accordance with various conditions such as the shape and size of the space to be monitored, what is installed in the space, the position of the toilet seat, size and shape, etc. It is possible to provide the indoor monitoring apparatus 1 or the software program that does not need to be performed manually and can simplify the installation work of the apparatus.
さらに、光軸角度補正部25は、投影装置11と撮像装置12との光学配置に基づいて算出される、床面4上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置と、床面4上に実際に投影され、撮像装置12によって撮像されたパターン光11bであって、床面4上での投影装置11の光軸上のパターン光11bが撮像されるべき位置に最も近いパターン光11bの位置に基づいて、投影装置11の光軸の傾きを補正するように構成される。したがって、撮像装置12の光軸と投影装置11の光軸との傾きの誤差を補正することができ、基準位置算出部24は、補正された投影装置11の光軸の傾きに応じた光軸角度補正後の仮想のパターン光(輝点)11bに基づいて、パターンの移動を測定する際の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの基準の位置を算出することで、当該傾きの影響を排除することができる。したがって、移動の測定をより正確に行うことができ、結果的に、状態判定部23による人物2の状態の判定もより正確に行うことができる。 Furthermore, the optical axis angle correction unit 25 should image pattern light 11b on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 calculated based on the optical arrangement of the projection device 11 and the imaging device 12. Position and pattern light 11b that is actually projected on the floor surface 4 and imaged by the imaging device 12, and the pattern light 11b on the optical axis of the projection device 11 on the floor surface 4 is to be imaged Is configured to correct the inclination of the optical axis of the projection device 11 based on the position of the pattern light 11b closest to the. Therefore, an error in tilt between the optical axis of the imaging device 12 and the optical axis of the projection device 11 can be corrected, and the reference position calculation unit 24 can correct the optical axis corresponding to the corrected tilt of the optical axis of the projection device 11. Based on the virtual pattern light (bright spot) 11b after the angle correction, the reference of each bright spot 11b on the floor surface 4, the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d when measuring the movement of the pattern. By calculating the position, the influence of the tilt can be eliminated. Therefore, movement can be measured more accurately, and as a result, the state determination unit 23 can also determine the state of the person 2 more accurately.
また、回転角算出部26は、床面4上の実際のパターン11aに関してハフ変換を実行して第1の角度ピークを算出し、前記仮想平面8上の一定範囲の仮想のパターン光11bによって形成される仮想のパターン11aに関してハフ変換を実行して、投影装置11のFG素子122を投影装置11の光軸周りに一定角度回転させる毎に第2の角度ピークを算出する。回転角算出部26は、第1の角度ピークと第2の角度ピークとが略一致した際の、光軸周りの回転角αを、投影装置11の実際の回転角αとして設定することができる。したがって、基準位置算出部24は、設定された回転角αに応じた回転角補正後の仮想のパターン光(輝点)11bに基づいて、パターンの移動を測定する際の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの基準の位置を算出することで、当該回転角αの影響を排除することができる。したがって、測定装置14(図5参照)による輝点移動量δの測定において、上述したような飛び越えが発生しない範囲、すなわち、検出範囲を広くとるために、投影装置11のFG素子122(図4参照)を基線方向(v軸方向)に対して回転させて使用しても、移動の測定を正確に行うことができる。結果的に、状態判定部23による人物2の状態の判定もより正確に行うことができる。 Further, the rotation angle calculation unit 26 calculates the first angle peak by executing the Hough transform on the actual pattern 11a on the floor surface 4, and is formed by the virtual pattern light 11b in a certain range on the virtual plane 8. A Hough transform is performed on the virtual pattern 11a, and a second angle peak is calculated each time the FG element 122 of the projection apparatus 11 is rotated by a certain angle around the optical axis of the projection apparatus 11. The rotation angle calculation unit 26 can set the rotation angle α around the optical axis when the first angle peak and the second angle peak substantially coincide with each other as the actual rotation angle α of the projection device 11. . Therefore, the reference position calculation unit 24 measures the movement of the pattern on the floor surface 4 and the front wall surface based on the virtual pattern light (bright spot) 11b after the rotation angle correction corresponding to the set rotation angle α. By calculating the reference position of each bright spot 11b on 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d, the influence of the rotation angle α can be eliminated. Therefore, in the measurement of the bright spot movement amount δ by the measurement device 14 (see FIG. 5), the FG element 122 (FIG. 4) of the projection device 11 is used in order to increase the range where the above-mentioned jump does not occur, that is, the detection range. The movement can be accurately measured even if the reference is rotated with respect to the base line direction (v-axis direction). As a result, the state determination unit 23 can also determine the state of the person 2 more accurately.
さらに、壁面特定部27は、以上のようにして算出されたパターン光(輝点)11bの各基準の位置の正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに垂直な方向の位置に関する頻度ヒストグラム(図11参照)に応じて正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置を特定する。基準位置算出部24は、壁面特定部27によって特定された正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dの位置に基づいて、補正されたパターンの移動を測定する際の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの基準の位置を算出する。これにより、基準の位置の算出におけるノイズや補正しきれないパラメータの影響による誤差を軽減することができる。 Further, the wall surface specifying unit 27 calculates a frequency histogram (position histograms) regarding the positions in the direction perpendicular to the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d of each reference position of the pattern light (bright spot) 11b calculated as described above. The positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d are specified according to FIG. Based on the positions of the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d specified by the wall surface specifying unit 27, the reference position calculation unit 24 measures the floor surface 4 and the front wall surface 5a when measuring the movement of the corrected pattern. The reference position of each bright spot 11b on the side wall surface 5c and the side wall surface 5d is calculated. As a result, it is possible to reduce errors due to the influence of noise and uncorrectable parameters in the calculation of the reference position.
また、以上のように、本実施の形態の室内監視装置1は、トイレ3の床面4と正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上にパターンを形成するパターン光を投影する投影装置11と、前記パターン光が投影された、対象物としての人物2の存在するトイレ3を撮像する撮像装置12と、トイレ3に人物2が存在しないときに床面4と正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5dに投影されたパターン光を基準として、撮像された像上のパターンの移動を測定し、該測定されたパターンの移動に基づいて、人物2に投影されたパターン光の三次元位置を算出する測定装置14を備える。 As described above, the indoor monitoring device 1 according to the present embodiment projects the pattern light that forms the pattern on the floor surface 4 and the front wall surface 5a, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d of the toilet 3. And the imaging device 12 that images the toilet 3 on which the person 2 as an object is projected, on which the pattern light is projected, and the floor surface 4, the front wall surface 5a, and the side wall surface 5c when the person 2 is not present on the toilet 3. The movement of the pattern on the captured image is measured with reference to the pattern light projected on the side wall surface 5d, and the three-dimensional position of the pattern light projected on the person 2 based on the measured movement of the pattern A measuring device 14 for calculating
このように構成されていることで、例えばトイレ3に人物2が存在することにより、人物2にパターンが投影されることで、撮像装置12により撮像された像上でパターンが移動し、さらにこの移動量を測定することで、人物2の形状を測定できる。これにより、トイレ3に存在する人物2をより正確に監視できる。 With this configuration, for example, when the person 2 is present in the toilet 3, the pattern is projected onto the person 2, so that the pattern moves on the image captured by the imaging device 12. The shape of the person 2 can be measured by measuring the movement amount. Thereby, the person 2 existing in the toilet 3 can be monitored more accurately.
さらに、投影装置11と撮像装置12は、床面4と正面壁面5aに対向する位置に配置されるので、例えば必要な測定範囲と分解能を容易に確保できる。さらに言えばパターンを形成する輝点の移動量を測定する際に発生する輝点の飛び越えの影響を大幅に低減できる。しかも、トイレ3の人物2に多くの輝点が当り、多くの位置情報(三次元座標)を得ることができる。 Furthermore, since the projection device 11 and the imaging device 12 are disposed at positions facing the floor surface 4 and the front wall surface 5a, for example, a necessary measurement range and resolution can be easily ensured. Furthermore, the influence of the bright spot jumping that occurs when measuring the movement amount of the bright spot forming the pattern can be greatly reduced. In addition, many bright spots hit the person 2 in the toilet 3, and a lot of position information (three-dimensional coordinates) can be obtained.
また、室内監視装置1は、測定装置14により測定されたパターンの移動に基づいて、人物2の状態を判定する状態判定部23を備え、状態判定部23は、測定装置14により測定されたパターンの移動に関する情報としての形状情報をブロック化して、ニューラルネットワークに入力することで、判定結果を得るように構成されている。 The indoor monitoring device 1 also includes a state determination unit 23 that determines the state of the person 2 based on the movement of the pattern measured by the measurement device 14, and the state determination unit 23 includes the pattern measured by the measurement device 14. It is configured to obtain a determination result by making shape information as information relating to movement of the block into blocks and inputting them into a neural network.
このように構成することで、例えば状態判定部23は、測定装置14で算出された人物2に投影された各輝点の三次元座標に基づいた人物2の形状情報を、さらにブロック化するので、ニューラルネットワークに入力する情報量を少なくできる。即ち処理が容易になる。また、人物2の状態の判定結果をニューラルネットワークに入力することで得るので、人物2の状態に対して判定を行う系の応答を最適化し、トイレ3に存在する人物2をより正確に監視できる。 With this configuration, for example, the state determination unit 23 further blocks the shape information of the person 2 based on the three-dimensional coordinates of each bright spot projected on the person 2 calculated by the measurement device 14. The amount of information input to the neural network can be reduced. That is, processing becomes easy. Moreover, since the determination result of the state of the person 2 is obtained by inputting the result into the neural network, the response of the system for determining the state of the person 2 can be optimized, and the person 2 existing in the toilet 3 can be monitored more accurately. .
また、室内監視装置は、トイレ3に人物2が進入し、人物2がどのような状態にあるか、また退出したかといった一連の動きを単純な装置で追従することができる。このように室内監視装置1は、例えば、人物2の状態を判断して、人物2が倒れたとかどうかといった監視を非常に容易に行なうことができる。さらに簡易な装置で高速処理が可能である。 Further, the indoor monitoring device can follow a series of movements such as whether the person 2 enters the toilet 3, what state the person 2 is in, and whether the person 2 has exited with a simple device. As described above, the indoor monitoring apparatus 1 can very easily monitor, for example, whether or not the person 2 has fallen by judging the state of the person 2. Furthermore, high-speed processing is possible with a simple device.
なお、本発明の実施の形態である室内監視装置1又はソフトウエアプログラムは、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、三次元位置測定装置として室内監視装置1である場合で説明したが、これに限られない。なお、監視は測定を含む概念であり、例えば本実施の形態の室内監視装置1は、対象物の位置分布を測定することもできる。 In addition, the indoor monitoring apparatus 1 or software program which is embodiment of this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change is possible in the range described in the claim. In the above description, the indoor monitoring device 1 is described as the three-dimensional position measuring device, but the present invention is not limited to this. Note that monitoring is a concept that includes measurement. For example, the indoor monitoring device 1 of the present embodiment can also measure the position distribution of an object.
また、以上の説明では、基準位置算出部24は、光軸角度補正、回転角補正後の仮想のパターン光(輝点)11bに基づいて、パターンの移動を測定する際の床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの基準の位置を算出し、さらに、床面4、正面壁面5a、側面壁面5c、側面壁面5d上での各輝点11bの位置を特定し、当該特定された位置に基づいて、補正された当該基準の位置を算出するものとして説明した。しかしながら、光軸角度補正、回転角補正、壁面位置特定後の補正の3つの補正を、必ず行う必要はなく、例えば、3つの補正のうちの2つを組み合わせてもよい。ただし、上記3つの補正を行った方が、基準位置の算出をより正確に行うことができることはいうまでもない。 In the above description, the reference position calculation unit 24 measures the movement of the pattern based on the virtual pattern light (bright spot) 11b after the optical axis angle correction and the rotation angle correction. The reference position of each bright spot 11b on the wall surface 5a, the side wall face 5c, and the side wall face 5d is calculated, and further, the bright spot 11b on the floor surface 4, the front wall face 5a, the side wall face 5c, and the side wall face 5d is calculated. It has been described that the position is specified, and the corrected reference position is calculated based on the specified position. However, the three corrections of the optical axis angle correction, the rotation angle correction, and the correction after specifying the wall surface position are not necessarily performed. For example, two of the three corrections may be combined. However, it goes without saying that the reference position can be calculated more accurately by performing the above three corrections.
また、以上の説明では、第1の平面は床面4であるものとして説明したが、例えば、投影装置11、撮像装置12の光軸が正面壁面5aと交差するように配設されている場合には、正面壁面5aを第1の平面、床面4、側面壁面5c、側面壁面5dを第2の平面としてもよい。この場合、光学配置として結像レンズ13aから床面4までの設置高さhの代わりに、結像レンズ13aから正面壁面5aまでの水平方向の距離が分かっていればよい。また、この場合、仮想平面8は、正面壁面5aを含むようなパターン光11bの投影範囲に比較して十分に広い平面を仮想すればよい。 In the above description, the first plane has been described as the floor surface 4. However, for example, when the optical axes of the projection device 11 and the imaging device 12 are arranged so as to intersect the front wall surface 5a. Alternatively, the front wall surface 5a may be a first plane, the floor surface 4, the side wall surface 5c, and the side wall surface 5d may be a second plane. In this case, it is only necessary to know the horizontal distance from the imaging lens 13a to the front wall surface 5a instead of the installation height h from the imaging lens 13a to the floor surface 4 as an optical arrangement. In this case, the virtual plane 8 may be a virtual plane that is sufficiently wide as compared to the projection range of the pattern light 11b including the front wall surface 5a.
また、光軸角度補正部25(図5参照)は、投影装置11と撮像装置12の設置角度、すなわち、予め定められている光学配置としての光軸角度θに対する実際の投影装置11の光軸角度のずれを算出して、投影装置11の光軸の傾きを補正するものとして説明したが、予め定められている光学配置としての光軸角度θに対する実際の撮像装置12の光軸角度のずれを算出して、撮像装置12の光軸の傾きを補正してもよいし、投影装置11、撮像装置12両方の光軸の傾きを補正してもよい。ただし、本実施の形態のように、撮像装置12の光軸角度のずれを補正しなくとも、設置高さh等は、撮像装置12の光軸角度が若干ずれている程度であれば、大きな誤差にはならないので、特に問題はない。 Further, the optical axis angle correction unit 25 (see FIG. 5) is configured so that the installation angle of the projection device 11 and the imaging device 12, that is, the optical axis of the actual projection device 11 with respect to the optical axis angle θ as a predetermined optical arrangement. Although it has been described that the angle deviation is calculated and the inclination of the optical axis of the projection apparatus 11 is corrected, the actual deviation of the optical axis angle of the imaging apparatus 12 with respect to the optical axis angle θ as a predetermined optical arrangement is described. May be calculated to correct the tilt of the optical axis of the imaging device 12, or the tilt of the optical axis of both the projection device 11 and the imaging device 12 may be corrected. However, the installation height h or the like is large as long as the optical axis angle of the imaging device 12 is slightly shifted without correcting the optical axis angle shift of the imaging device 12 as in the present embodiment. Since there is no error, there is no particular problem.
なお、以上の説明では、状態判定部23は、測定装置14により得られた前記対象物の形状又は動きに関する情報としての測定されたパターンの移動に関する情報をブロック化して、ニューラルネットワークの入力層S(図17参照)に入力するものとして説明したが、必ずブロック化しなければならないわけではない。例えば、壁以外で検出した輝点群の重心位置や慣性主軸の方向などをニューラルネットの入力パラメータとすることができる。また、測定装置14により得られた前記対象物の動きに関する情報を用いて入力する際も、必ずしもブロック化する必要はない。 In the above description, the state determination unit 23 blocks the information about the movement of the measured pattern as the information about the shape or movement of the object obtained by the measuring device 14 and blocks the input layer S of the neural network. Although described as an input to (see FIG. 17), it does not necessarily have to be blocked. For example, the barycentric position of the bright spot group detected outside the wall, the direction of the principal axis of inertia, and the like can be used as the input parameters of the neural network. Moreover, when inputting using the information regarding the movement of the object obtained by the measuring device 14, it is not always necessary to make a block.
また、以上の説明では入力装置35、ディスプレイ40を備えるものとして説明したが、これらの代わりにより単純な構成として、装置の操作上、リセットや装置の起動・終了を行うスイッチ類と、その状況を表示する何らかのインジケータを備える構成としても良い。 In the above description, the input device 35 and the display 40 have been described. However, instead of these, the switches that perform reset and start / stop of the device, and the status thereof, are operated as a simpler configuration. It is good also as a structure provided with the some indicator to display.
なお、ニューラルネットについては、各層のノード数を識別対象の特性に応じて吟味する必要がある。入力層S数は、人物2の状態の判定にどの程度の空間分解能が必要かで決まっており、以上の説明では、ブロックの数と等しく1008個とした。出力層Rの数は識別したいカテゴリ数で決まっている。以上の説明では、安全ノード、危険ノードの2個とした。中間層Aの数は、判定が可能な範囲でできるだけ少ないことが望ましく、これが多すぎると、未学習の入力パターンに対する判定が正しく得られないケースが多くなる、すなわち、汎化能力が低くなる場合がある。以上の説明では、3個とした。 As for the neural network, it is necessary to examine the number of nodes in each layer according to the characteristics of the identification target. The number of input layers S is determined by how much spatial resolution is required for determining the state of the person 2, and in the above description, the number of input layers S is 1008, which is equal to the number of blocks. The number of output layers R is determined by the number of categories to be identified. In the above description, the safety node and the dangerous node are assumed to be two. It is desirable that the number of intermediate layers A be as small as possible within the range that can be determined. If this is too large, there are many cases where the determination for an unlearned input pattern cannot be obtained correctly, that is, the generalization ability is low. There is. In the above description, the number is three.
出力層Rの数は、安全ノード、危険ノードの2個としたが、例えば、人物2が立っている状態、座っている状態、倒れている状態の様に、人物2の姿勢に関してカテゴリ分けして、その姿勢から安全、危険を判定するように構成しても良い。 Although the number of output layers R is two, a safety node and a dangerous node, for example, the posture of the person 2 is classified into categories such as a standing state, a sitting state, and a falling state. Thus, safety and danger may be determined from the posture.
また、以上で用いた階層型のニューラルネットの代わりに、自己組織化マップ型のニューラルネットを用いることができる場合がある。これは、階層型とは異なり、基本的には入力層Sと出力層Rのみ構造で、入力パターンに対して、出力層Rで最も高い出力を得たノードとその周囲のノードが更に高い出力を得られるように結合を強めていく、教師無し学習を行うニューラルネットである。多くの学習パターンを提示している内に、自然に、類似した入力パターンに対して、出力層の近い位置のノードが発火するようになる。したがって、出力層Rのノード位置を安全、危険の判定に対応させることで、判定機能を持たせることができる。 In some cases, a self-organizing map type neural network may be used instead of the hierarchical type neural network used above. Unlike the hierarchical type, this is basically a structure of only the input layer S and the output layer R, and the node that has obtained the highest output in the output layer R and the surrounding nodes have a higher output than the input pattern. It is a neural network that performs unsupervised learning that strengthens the connection so that it can be obtained. While many learning patterns are presented, a node near the output layer is ignited naturally for a similar input pattern. Therefore, the determination function can be provided by making the node position of the output layer R correspond to the determination of safety and danger.
1 室内監視装置
2 人物
3 トイレ
4 床面
5a 正面壁面
5b 裏面壁面
5c 側面壁面
5d 側面壁面
6 天井
7 便器
8 仮想平面
11a パターン
11b パターン光(輝点)
11 投影装置
12 撮像装置
13a 結像レンズ
14 測定装置
15’ 結像面
15 撮像素子
18 筐体
20 演算装置
21 制御部
23 状態判定部
24 基準位置算出部
25 光軸角度補正部
26 回転角算出部
27 壁面特定部
28 警報信号部
31 記憶部
35 入力装置
40 ディスプレイ
41 警報装置
42 警報解除ボタン
43 緊急通報ボタン
102 平面
103 物体
105 光束発生部
120 グレーティング
121 光ファイバー
122 FG素子
R 出力層
S 入力層
A 中間層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Indoor monitoring apparatus 2 Person 3 Toilet 4 Floor surface 5a Front wall surface 5b Back wall surface 5c Side wall surface 5d Side wall surface 6 Ceiling 7 Toilet bowl 8 Virtual plane 11a Pattern 11b Pattern light (bright spot)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Projector 12 Imaging device 13a Imaging lens 14 Measuring device 15 'Imaging surface 15 Imaging element 18 Case 20 Arithmetic device 21 Control unit 23 State determination unit 24 Reference position calculation unit 25 Optical axis angle correction unit 26 Rotation angle calculation unit 27 Wall surface identification unit 28 Alarm signal unit 31 Storage unit 35 Input device 40 Display 41 Alarm device 42 Alarm release button 43 Emergency call button 102 Plane 103 Object 105 Light flux generation unit 120 Grating 121 Optical fiber 122 FG element R Output layer S Input layer A Intermediate layer
Claims (4)
前記対象領域の第1の平面と前記第2の平面にパターンを形成するパターン光を投影する投影装置と;
前記パターン光が投影された、前記対象物の存在する対象領域を撮像する撮像装置と;
前記対象領域に前記対象物が存在しないときに前記第1の平面と前記第2の平面に投影されたパターン光を基準として、前記撮像された像上のパターンの移動を測定し、該測定されたパターンの移動に基づいて、前記対象物に投影されたパターン光の三次元位置を算出する測定手段と;
前記パターン光の投影範囲に比較して十分に広いものと仮想した仮想平面における仮想のパターン光であって前記投影装置と前記撮像装置との光学配置に基づいて算出される仮想のパターン光の位置と、実際に撮像されるパターン光の位置とを比較して、第2の平面上での前記基準の位置を算出する基準位置算出手段を備え;
前記光学配置は、少なくとも前記投影装置又は前記撮像装置に関する、前記基準位置算出手段にあらかじめ入力された前記第1の平面に対する設置高さ及び設置角度に基づいて定められ;
前記投影装置と前記撮像装置との光学配置に基づいて算出される、前記第1の平面上での前記投影装置の光軸上のパターン光が撮像されるべき位置と、前記第1の平面上に実際に投影され、前記撮像装置によって撮像されたパターン光であって、前記第1の平面上での前記投影装置の光軸上のパターン光が撮像されるべき位置に最も近いパターン光の位置に基づいて、少なくとも前記投影装置の前記第1の平面に対する設置高さ及び設置角度を用いて、前記光学配置に基づいてあらかじめ定められている前記投影装置の光軸角度と実際の前記投影装置の光軸角度とのずれを算出して、前記投影装置の光軸の傾きを補正する光軸角度補正手段をさらに備え;
前記投影装置は、当該投影装置の光軸が前記第1の平面と交差するように配設され、
前記基準位置算出手段は、補正された前記傾きに応じて、前記基準の位置を算出するように構成される、
三次元位置測定装置。 A three-dimensional position measuring apparatus for measuring a position of an object existing in a target area defined by a first plane and a second plane different from the first plane;
A projection device that projects pattern light that forms a pattern on the first plane and the second plane of the target area;
An imaging device for imaging a target area where the target object exists, onto which the pattern light is projected;
The movement of the pattern on the captured image is measured with reference to the pattern light projected on the first plane and the second plane when the object does not exist in the target area, and the measurement is performed. Measuring means for calculating a three-dimensional position of the pattern light projected on the object based on the movement of the pattern;
The position of the virtual pattern light that is a virtual pattern light in a virtual plane that is sufficiently wide as compared with the projection range of the pattern light and is calculated based on the optical arrangement of the projection device and the imaging device And a reference position calculation means for calculating the reference position on the second plane by comparing the position of the pattern light that is actually imaged;
The optical arrangement is determined based on an installation height and an installation angle with respect to the first plane input in advance to the reference position calculation means, at least with respect to the projection apparatus or the imaging apparatus ;
On the first plane, the position where the pattern light on the optical axis of the projection apparatus on the first plane is calculated, which is calculated based on the optical arrangement of the projection apparatus and the imaging apparatus, and on the first plane The position of the pattern light that is actually projected onto the first plane and is imaged by the imaging device, the pattern light closest to the position where the pattern light on the optical axis of the projection device on the first plane is to be imaged Based on the optical axis angle of the projection apparatus determined in advance based on the optical arrangement and the actual projection apparatus using at least the installation height and the installation angle of the projection apparatus with respect to the first plane. It calculates the deviation between the optical axis angle, further comprising an optical axis angle correcting means for correcting the inclination of the optical axis of the projection device;
The projection device is disposed such that an optical axis of the projection device intersects the first plane;
The reference position calculation means is configured to calculate the reference position according to the corrected inclination.
Three-dimensional position measuring device.
前記基準位置算出手段は、前記光軸角度補正手段による前記光軸の傾きを補正した後、前記投影装置の実際の回転角に応じて、前記基準の位置を算出するように構成される、
請求項1に記載の三次元位置測定装置。 A Hough transform is performed on the actual pattern on the first plane to calculate a first angle peak, and a Hough transform is performed on the virtual pattern formed by the virtual pattern light in a certain range on the virtual plane. The second angle peak is calculated every time the projection apparatus is rotated by a certain angle around the optical axis of the projection apparatus, and the first angle peak and the second angle peak substantially coincide with each other. A rotation angle calculating means for setting the rotation angle around the optical axis as an actual rotation angle of the projection device;
The reference position calculation unit is configured to calculate the reference position according to an actual rotation angle of the projection device after correcting the inclination of the optical axis by the optical axis angle correction unit .
The three-dimensional position measuring apparatus according to claim 1 .
前記基準位置算出手段は、前記特定された第2の平面の位置に基づいて補正された前記基準の位置を算出するように構成される、
請求項1又は請求項2に記載の三次元位置測定装置。 Second plane specifying means for specifying a position of the second plane according to a frequency histogram relating to a position of the reference position in a direction perpendicular to the second plane;
The reference position calculation means is configured to calculate the reference position corrected based on the position of the specified second plane.
The three-dimensional position measuring apparatus according to claim 1 or 2 .
前記光学配置は、前記レーザ光束の波長、前記光ファイバーの径、及び前記撮像装置の結像面と結像レンズとの距離に基づいて定められる、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の三次元位置測定装置。 The projection device includes a light beam generation unit that generates a laser light beam, and a fiber grating that includes a plurality of optical fibers arranged in parallel in a sheet shape;
The optical arrangement is determined based on the wavelength of the laser beam, the diameter of the optical fiber, and the distance between the imaging surface of the imaging device and the imaging lens.
The three-dimensional position measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 .
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