JP7576153B2 - ３次元空間内の標識の配向及び位置検出のためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

３次元空間内の標識の配向及び位置検出のためのデバイスが説明される。したがって、標識の配向及び位置検出中、規定された空間座標系に対する空間内のそれらの配向及び位置が決定される。本発明は、上述のデバイスを用いた配向及び位置検出を実施するための方法並びにコンピュータプログラム製品にさらに関する。

提案されるデバイスは、特に物体に固定することができる少なくとも１つの標識配置を有する。したがって、標識配置上の標識の配向及び位置を決定することにより、次に物体の配向に逆算することも可能である。標識配置は、（直線状の非曲線パスの意味で）パスに沿って配置された光学活性照明手段をそれぞれ有する少なくとも２つの標識ユニットを含む。好ましくは、標識ユニットの１つ又は各々の照明手段は、正確に１つの直線パスに沿って配置され、標識ユニットは、非共線的に配置される。標識ユニットの各々は、標識及び／又は通信要素として設計された少なくとも３つの照明手段を有する。

また、標識及び通信要素のそれぞれは、常に、後述されるように少なくともそれらの機能が異なる光学活性要素である。本明細書において、用語「照明手段」は、常に光学活性要素、すなわちオンに切り替えられるか又は光を反射する照明デバイスを意味することも理解される。標識ユニット上に存在するが、オンに切り替えられないか又は光を反射しない照明デバイスは、（光学活性）照明手段、すなわち標識又は通信要素と考えられない。これは、動作時の標識ユニットが、光学画像取り込みユニットによって確実に検出され得る、動作時に存在する特定の数の照明手段を有するように構成されることを意味する。好ましい実施形態によれば、これらは、オン又はオフに切り替えられ、したがって光学活性であるＬＥＤなどの発光デバイスである。しかし、原理上、照明手段の意味で非被覆光反射面も光学活性であり得る。したがって、デバイス内で用いられるように適合された標識ユニットは、標識ユニットの動作中、この目的に適合された照明デバイスが活性化されるか、光を放出するか、又は例えば照明デバイスの反射面が被覆されないため、それらに当たる光を反射することをもたらす。

動作中にオンに切り替えられない（すなわち動作中にオフに切り替えられる）か、又は例えば被覆のために反射性でない他の照明デバイスは、照明手段と見なされない。これは、標識ユニットが動作中でなく、デバイスが位置検出のために用いられないとき、全ての例えば電気動作式照明手段がオフに切り替えられること（すなわち一時的に電力を供給されないこと）を除外しない。

デバイスは、例えば、デジタルカメラの形態における、標識配置の画像を取り込むように構成された少なくとも１つの光学画像取り込みユニット並びに光学画像取り込みユニットの１つの正確に１つの画像から標識配置上の標識及び／又は通信要素の配向及び位置を明確に決定するように適合された評価ユニットも有する。この目的のために、標識ユニット上の照明手段（標識又は通信要素）の位置並びに標識配置上の標識／通信要素を有する標識ユニットの位置は、評価ユニットに既知である。好ましい実施形態によれば、標識のみからその配向及び位置を決定するように評価ユニットが構成されることが提供され得る。

好ましい基本的に既知の実施形態によれば、各標識ユニットは、好ましくは、オンに切り替えられたとき、好ましくは光学的に可視又は非可視の波長範囲内の光波を放出するいくつかの（少なくとも３つの）ＬＥＤの線形アレイ状の、オン及びオフに切り替えられ得る照明デバイスＬＥＤ（発光ダイオード）として形成され得る。特に好ましい実施形態は、赤外ＬＥＤを提供する。好ましくは、これらのＬＥＤは、例えば、等距離の距離を置いて配置されたＬＥＤを有するＬＥＤパスアレイ又は所定の距離を置いて特定の位置に配置されたＬＥＤとして、規定の距離を置いて回路板上に配置され得る（必要に応じて回路板上に個々に固定される）。

直線パス内の標識及び／又は通信要素の任意の配置（のみ）が本発明に係る標識ユニットであると考えられ、このようなパス上に位置しない標識及び／又は通信要素は、したがって、本発明に係る標識ユニットを構成しない。光学活性照明手段の射影のみが、２つの他の光学活性照明手段を接続するパス上に位置するが、光学活性照明手段が別の平面内に配置される場合、この光学活性照明手段は、２つの他の発光手段を接続する本発明の意味でのパス上に位置しない。

標識ユニットは、その独自の（個々の）ハウジング内に配置され得、これにより、いくつかの個々のハウジングは、共に標識配置を形成する。しかし、本発明によれば、いくつかの標識ユニット（例えば、２つ又は３つの標識ユニット）が共通ハウジング内で互いに対して規定の配置で組み合わされ、したがって本発明に係る標識配置を形成することもできる。

物体に固定された標識配置を取り込むことによって空間内の物体の配向及び位置を決定することができるシステム及び方法は、公報欧州特許出願公開第１８１３９１１Ａ１号、米国特許出願公開第２００５／０２０１６１３Ａ１号、欧州特許第１４９８６８８Ｂ１号、国際公開第２００４／１１４１１２Ａ１号、米国特許出願公開第２００８／０１１１９８５Ａ１号、国際公開第２００６／０６９７４８Ａ１号、米国特許第５２２７９８５Ａ号、米国特許第７７４２８９５Ｂ２号及び独国特許第１０２０１４０１２６９３Ｂ４号から周知である。この目的のために、光学的に視認可能な標識は、固定された幾何学的配置で標識配置上に設けられる。多くの異なる配置が評価のために可能である。提案される配置の大部分は、少なくとも４つの標識を提供し、その少なくとも３つの標識は、平面を張り、少なくとも１つの標識は、この平面の外側に位置する。平面内に配置された少なくとも３つの標識は、平面を張る少なくとも２つの非平行直線上に位置し得る。標識のこのような配置は、光学画像取り込みユニット（例えば、カメラ、特にデジタルカメラ）を用いて取り込まれた、標識配置の単一の取り込まれた２次元画像からの空間内における標識配置の配向及び位置の確実な決定を可能にする。

独国特許第１０２０１４０１２６９３Ｂ４号は、確実に動作するものの、複雑であるシステム及び方法を記載している。位置及び配向の決定は、物体に取り付けられた、少なくとも７つの標識を設けられた標識配置の単一の２次元画像に基づく。システムは、物体又は物体上に配置された標識配置の２次元画像を取得するための画像取り込みユニットと、取り込まれた画像に基づいて物体の配向及び位置を明確に決定するための評価ユニットとをさらに備える。標識配置の７つの標識は、互いに固定された空間関係にあり、これらの標識の６つは、平面を形成する一方、７番目の標識は、その平面の外側に又はその平面から距離を置いて配置される。６つの標識は、９０°の角度で交わる２つの異なる直線上に位置するグループに分割される。第１の直線は、少なくとも４つの標識を含み、第２の直線は、少なくとも２つの他の標識を含む。平面の上面図内では、７番目の平面外標識も、第１の直線の少なくとも２つの標識から遠ざかる方に面した第２の直線の側でこの第１の直線上に位置する。これは、画像標識、すなわち画像内に示された標識の明確な割り当て並びにしたがって空間内の標識の配向及び位置の再構成のために重要である。評価時、いくつかのホモグラフィが可能な割り当てのために算出される。これらのホモグラフィから、位置決定がそれぞれの場合に再構成される。これに基づいて、（標識配置上の標識の既知の実際の配置と比較した）平均再射影誤差が位置決定ごとに全ての画像標識のために算出される。最も低い誤差を有するホモグラフィが正しいものであり、一意の位置決定のために用いられる。

この評価は、実際に良好な結果をもたらすが、特に２つ以上のホモグラフィを計算し、Levenberg-Marquardtソルバを毎回適用することによって配向を推定する必要性のため、システムの画像評価及び計算能力の面で非常にコストがかかる。さらに、再生誤差が共面的標識及び非共面的標識のために計算され、整合最小値が配向の評価のために用いられる。特に、１つの標識配置のみがシステム内で監視されるのではなく、場合により１つの画像内でも複数の標識配置が監視される場合、実際に用いられるシステムの計算能力が十分でないため、この複雑な計算及び特に多数の標識の考慮は、高速移動物体のライブ追跡時に問題を引き起こす。

理論上、各標識配置を、異なるラベルによって画像内に取り込まれた他の標識配置と区別することができる。しかし、これらの標識（例えば、ステッカの形態のもの）が画像内で正確に視認可能でない場合、画像内の標識配置の周囲の評価は、通常、移動物体を追跡する際に曖昧さを生じさせる。原理上、標識を幾何学的に異なる方法で標識配置上に配置することも想定可能であろう。しかし、これは、多くの異なって配置された標識のより複雑な評価をもたらす。

工業環境では、特に生産ライン内でリアルタイムの適用を用いることが可能であるように、ときに標識配置の配向及び位置を非常に迅速に決定できることが望まれる。この目的のために、カメラ画像の評価並びに配向及び位置の決定は、例えば、運動制御のための、生産プロセス内における直接の適用を可能にするために十分に高速でなければならない。平面内に配置された標識の十字形状を見出すことは、時間がかかり、位置決定の速度を落とす。平面内の標識の十字形状は、標識の比較的大きい平面面積を生じさせる。これは、特に、高くされた標識が、他の標識が覆われることを引き起こし得るため、標識を３６０°の方位角内に配置することを困難にする。これは、カメラの視野角によって異なる検出精度をもたらす。

したがって、本発明は、カメラ視野角が非常に異なっても、高速の評価並びに高い精度及び検出率を可能にする、冒頭で述べた種類の配向及び位置検出のためのデバイスのための標識ユニットの配向及び位置検出のための単純化された可能性を提供することを目的とする。

この課題は、請求項１の特徴を有するデバイス及び請求項８の特徴を有する方法によって解決される。具体的には、標識ユニットの少なくとも１つは、少なくとも３つ又は好ましくは正確に３つの標識を有する第１の標識ユニットタイプに属し、標識ユニットの少なくとも１つの他のものは、正確に２つの標識及び少なくとも１つの通信要素を有する第２の標識ユニットタイプに属することが提供される。第２の標識ユニットタイプ内の少なくとも１つの通信要素は、２つの標識間に配置される。好ましくは － いくつかの通信要素の場合には － 全ての通信要素は、２つの標識間に配置される。本発明によれば、標識ユニットは、同じ標識配置の別の標識ユニットと共線的に配置されてはならず、すなわち同一の直線上に位置してはならない。

良好な配向検出を達成するために、第１の標識ユニットタイプの標識ユニットの少なくとも１つ及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニットの少なくとも１つは、非共面的に配置される。それぞれの線形標識ユニットは、－ 使用及び適用に応じて － 標識配置内で比較的自由に位置付けることができ、これにより、特に好ましい実施形態によれば、個々の標識ユニットは、標識ユニットが互いに交差しないという意味において、標識配置内で重なり合うことなく配置される。この制約は、配向及び位置検出のために用いられる標識への、画像内の検出された照明手段の割り当てを非常に単純化する。したがって、本発明に係る最小の標識配置は、第１のタイプの正確に１つの標識配置及び第２のタイプの正確に１つの標識配置からなり（タイプによって意味されるのは、標識ユニットタイプである）、本発明によれば、好ましくは画像評価において考慮されるが、ただし例えばステータスＬＥＤを含まないさらなる照明手段を有しないことが可能である。正確に２つの標識ユニットを有するこのような標識配置では、標識ユニット（すなわち照明手段を有するパス）は、平行に配置されず、これにより、標識ユニットは、互いに共面でない。このような最小の標識配置は、例えば、単にそれらの独自のハウジングをそれぞれ有し、自由に本体に個々に固定され得る標識ユニットを用いて実現され得る。評価ユニットは、例えば、後述される方法を用いて、標識ユニットの配置を教え込まなければならない。代替的に、標識ユニットの配置は、測定し、測定値として評価ユニットに送り込むこともできる。

本発明によれば、評価ユニットは、第１の標識ユニットタイプ及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニットを認識するように設計される。これは、標識配置が、標識配置内における個々の標識ユニットの可能な自由配置にもかかわらず、迅速に及び単純な画像評価を用いて検出され、それらの配向及び位置が決定されることを可能にする。この目的のために、本発明によれば、評価ユニットが、第１の標識ユニットタイプ及び第２の標識ユニットタイプの認識された標識ユニットの標識のみを用いて、標識配置の配向及び位置を明確に決定するように適合されることが提供される。これは、標識ユニットの第１又は第２のタイプに対応する記録された画像内のわずかの既知のパターンのみに基づいて、標識ユニットの異なる配置、例えば物体の周囲に配置されたものも非常に柔軟に認識し、任意の視野角、特に方位角からの配向及び位置検出を有効にすることを可能にする。

好ましい実施形態によれば、第１及び第２の標識ユニットタイプの各々の標識は、デバイスの全ての標識配置について同じである。具体的には、これは、第１の標識ユニットタイプの標識ユニット内及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニット内の標識が同じ位置にそれぞれ配置されることを意味する。標識に関して、好ましい実施形態によれば、したがって、第１の標識ユニットタイプの全ての標識ユニット及び第２の標識ユニットタイプの全ての標識ユニットは、同一である。これは、特に多数の標識配置を有するシステム又はデバイスにおいて、標識配置の標識の配向及び位置を決定するために同じアルゴリズムを用いることを可能にする。次に、（例えば、デバイス内の一意の相対配置のために）明確な識別を可能にする通信要素を介して異なる標識配置の区別が行われる。これらの通信要素は、通信要素を含む標識に対する通信要素の符号化が、同じデバイス内で動作される第２のタイプの全ての標識ユニットについて異なるような方法で標識ユニットの第２のタイプの標識ユニット内に設けられる。

場合により同じ照明デバイスによってハードウェアとして実現され得る標識と通信要素との相違は、評価ユニットにおいて、評価ユニット内の照明デバイスの配置が標識ユニットタイプの各々について既知であり、すなわち互いに対する照明デバイスの位置が既知であり、機能「標識」又は「通信要素」が各位置に割り当てられるか又は割り当てられ得るという事実によりもたらされる。本発明に係る特に好ましい実施形態によれば、標識ユニットタイプの各々における照明手段の正確に１つの位置は、機能「標識」又は「通信要素」の正確に１つのみを割り当てられる。すなわち、機能の二重の割り当ては、存在しない。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニットの各々は、３つ～７つの活性照明手段、すなわち標識及び／又は通信要素を有し得る。ただし、必要に応じて、より多くの照明デバイスが設けられ得る。しかし、好ましい実施形態の標識ユニットは、動作時、動作時に活性化される３つ～５つ以下の活性照明デバイスを有するように構成される。

好ましい実施形態は、標識（機能「標識」を有する活性照明手段）の数を最大５つ、さらに好ましくは最大４つ及び特に好ましくは最大３つに限定する。設けられた標識が多いほど、標識の配向及び位置の決定に時間がかかる。したがって、本発明に係る特に好ましい実施形態は、第１の標識ユニットタイプの標識ユニットが正確に３つの照明デバイス及び正確に３つの標識を有することを提供する。

好ましくは以前の実施形態と組み合わされ得るさらなる実施形態によれば、標識ユニットの第２のタイプの標識ユニットは、６～１４、好ましくは８～１２及び特に好ましくは１０の照明デバイスを有し得、それらの（好ましくは正確に）２つは、標識として用いられ、２つ～５つは、通信要素として用いられる。好ましくは、システム又はデバイス内で用いられる第２のタイプの全ての標識ユニットは、それらの通信要素の配置が異なる。これは、第２の標識ユニットタイプの各標識ユニット内では、少なくとも識別を可能にするために異なる照明デバイスが通信要素として活性化されることを意味する。

好ましい実施形態では、第１及び第２の標識ユニットタイプ内の照明手段の線形配置が異なる長さのものであることも可能である。例えば、第２の標識ユニットタイプ内の照明手段の線形配置は、第１の標識ユニットタイプ内よりも短いものであり得る。第１及び第２の標識ユニットタイプは、少なくとも３つの照明手段のパスによって形成され、パスは、機能「標識」が割り当てられた端部照明手段（端部標識）によって各端部において境界される。各標識ユニットタイプ内の端部標識間では、少なくとも１つのさらなる照明手段は、端部照明手段を接続するパス上に配置される。好ましい実施形態では、第１の標識ユニットタイプのパスは、第２の標識ユニットタイプのパスよりも長い。これは、標識の配向検出において特に有利に活用され得る。

より多くの通信要素は、時間単位当たりに通信され得るデータの数を増大させる。これは、標識配置を識別することに加えて、通信要素が、例えば、時分割多重化プロセスにおいてさらなるデータを伝送するためにも用いられる場合に活用され得る。しかし、これは、異なる通信パターンの数も増大させ、これは、通信パターンからのデータ情報の読み取りを長くする。加えて、活性照明手段（標識及び／又は通信要素）の数は、標識ユニット及び標識配置当たりの電力消費を増大させる。多くの場合、特に通信要素が標識配置及び／又は標識ユニットを識別するためにのみ用いられる場合、より多数の通信要素は、必要ない。第２の標識ユニットタイプの標識ユニット内の少なくとも２つの通信要素及び（好ましくは正確に）２つの標識は、２つの標識ユニットタイプの標識ユニットの識別性を促進する。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、標識ユニットの（及びまたいくつかの標識ユニットを含む標識配置の）エネルギー供給は、再充電可能バッテリーによって提供されるため、標識ユニット当たり３つの活性標識への制限は、特に有利である。標識ユニットがより大きい被工作物に取り付けられる場合、例えば、それらは、より大きい被工作物のエネルギー供給（例えば、いずれにしても電気的に動作する作業工具）にも接続され得る。この場合、電力供給は、使用中の光学活性標識及び／又は通信要素の数を制限する決定的因子にならない。しかし、蓄電池を備える標識配置の場合、対応する電力供給インターフェース又は充電インターフェース、例えば有線充電接続又は例えば誘導充電インターフェースの形態の無線充電オプションが蓄電池を充電するために必要である。これは、製造及び維持のためにより費用がかかる。

本発明に従って特許請求される標識配置内の標識ユニットの配置を用いると、（本発明の光学画像取り込みユニットの意味で）校正されたカメラを用いて２次元画像内に記録された標識から、空間内の標識配置の配向及び位置に逆算することが可能である。この目的のために、当業者に知られた様々な解法が存在する。これらは、Ｐ３Ｐ（透視３点）、特に透視３点問題のための周知の代数的解法アルゴリズム（ＡＰ３Ｐ法）又は透視３点問題のための反復解法アルゴリズム（反復Ｐ３Ｐ）などの解法を含む。これらの解法は、当技術分野の当業者に周知であり、記載されており、例えば刊行物AP3P: Tong Ke and Stergios Roumeliotis. An efficient algebraic solution to the perspective-three-point problem. In Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2017 IEEE Conference on. IEEE, 2017, P3P: Xiao-Shan Gao, Xiao-Rong Hou, Jianliang Tang, and Hang-Fei Cheng. Complete solution classification for the perspective-three-point problem. Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, 25(8):930-943, 2003に記載されている。これらのよく知られたアルゴリズムは、あらかじめ規定された条件が満たされることを前提として、物体上の標識と、校正されたカメラの画像内のそれらの２次元画像との間の既知の関係の対応から空間内の物体の配向及び位置を見出す。

これらのアルゴリズムを画像内の点再構成における外れ値に対してより強固にするために、画像内で検出された（第１及び第２の標識ユニットタイプの）標識ユニット間の初期相関を確立する、いわゆるＲＡＮＳＡＣ（ランダムサンプルコンセンサス）法が用いられる。これらの最初の相関は、画像内で検出可能な検出された標識ユニット間の関係の全体及びしたがって標識ユニットが知られるまで反復的に改善することができる。この情報を用いて、標識の相互関係を評価することができ、これから空間内の標識配置の配向及び位置を決定することができる。ＲＡＮＳＡＣ手順は、外れ値が推定の値に影響を及ぼすべきでないとき、外れ値を包含する観測データのセットから数学モデルのパラメータを推定するための反復的方法である。したがって、それは、外れ値検出方法と解釈することもできる。例えば、論文Martin A. Fischler, Robert C. Bolles: Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography, Communications of the ACM, June 1981, https://doi.org/10.1145/358669.358692にこのアルゴリズムの説明を見出すことができる。

これらの方法の適用は、当業者に周知である。それらは、上述された方法で本発明に適用され、必要に応じて、熟練を要する最適化の範囲内で適合され得る。

原理上、本発明は、配向及び位置検出のための（当技術分野において既知の）特定の種類のアルゴリズムに依存しない。

本発明に従って提案される標識配置の特別な利点は、単純で明確に構造化された標識配置を用いることで、（通常の工業的製造及び組み立てプロセス、例えば遠隔制御された内視鏡下で実施される手術に関連する医療適用又は例えば工業部品の検査における同等の適用に対する）標識配置の配向及び位置を事実上（すなわち人間の運動シーケンスに対して）リアルタイムに決定することが可能になることであり、これによりリアルタイムでの標識配置の追跡も可能になる。これは、標識配置を提供された工具、デバイス又は本体部分の移動のリアルタイムの追跡を可能にする。

多くの適用では、評価速度は、マニピュレータ（口語的にロボットとも称される制御機械移動デバイス）によって実施される移動のためにも十分であり、これにより、本発明は、汎用的に用いることができる。構造の単純さ及び柔軟性のため、配向及び位置検出を含む画像点の評価は、従来技術と比べてより単純であり、より高速である。従来技術から知られた十字形状と異なり、例えば標識ユニットをある種の円筒の表面上に配置することにより、３６０°の配向検出も容易に達成することができる。本発明の重要な利点は、特に、配置の対称軸（すなわち例えば同じく円筒表面の配置の場合には円筒軸）を中心とする方位角に関係なく、記録された画像が同等であり、３６０°の全方位角にわたって一定の精度がもたらされるという事実にある。これは、特に、標識ユニット間の交差点が存在しない直線パス標識ユニットの好ましい配置に当てはまる。

本発明の好ましい実施形態によれば、（デバイスの少なくとも１つの標識配置の１つ、２つ以上又は各々の意味での）標識配置は、評価ユニットに知られた規定の配置で互いに対して固定された、第１の標識ユニットタイプの少なくとも２つの標識ユニット及び第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニットを含む。

好ましい実施形態では、標識配置は、さらなる標識ユニット又は標識が設けられないという意味で第１の標識ユニットタイプの正確に２つの標識ユニット及び第２の標識ユニットタイプの正確に１つの標識ユニットを有する。好ましくは、これは、デバイスの全ての標識配置に当てはまり、これにより、全ての標識配置内の標識の場所は、同じであり、デバイスの各々の好ましい標識配置は、第２の標識ユニットタイプの正確に１つの含まれる標識ユニットの通信要素（のみ）がデバイスの別の標識配置と異なる。これらの標識配置のいくつかは、共通構造内、例えばフレーム内又はハウジング内に互いに対して固定して配置され、多標識配置を共に形成することができ、したがってその内部でいくつかの標識配置が互いに対して固定して配置される。配向及び位置検出のために用いられる全ての照明手段（すなわち標識）が同一に配置された、標識配置の常に同一の構造のため、著しく効果的で高速のアルゴリズムを位置検出のために用いることができる。

しかし、第２のタイプの少なくとも１つの標識ユニットが第１のタイプの２つの標識ユニット間に常に配置される、本発明に係る標識配置の一実施形態も想定可能である。第２の標識ユニットタイプのより多くの標識ユニットが標識配置内で隣接して配置される場合、例えば多くの異なる標識配置が大型システム（本発明に係る大型デバイス）内で共に動作されなければならない場合、又は例えばデータ情報が順々に伝送される、順次に提示される異なる符号の１つの符号のみを用いたデータ伝送によるか、若しくはいくつかの符号を用いたデータ伝送によるかにかかわらず、多くの追加の情報が伝送なければならないため、高いデータ伝送速度が必要である場合、通信速度を著しく増大させることができる。さらなる実施形態は、非平面表面、例えば円筒、円錐又は別の基本的に任意の形状を有する本体上において、第１及び第２のタイプのいくつかの標識ユニットが、（規則的に繰り返す又は任意の配置で）第１のタイプの少なくとも１つの標識ユニット及び第２のタイプの１つの標識ユニットが互いに隣接して配置され、写真内で視認可能になるような方法で配置されることを提供し得る。例えば、円筒表面上における標識ユニットの平行配置の場合、第１のタイプの好ましくは２つの標識ユニットは、全ての標識ユニットが互いに共面ではないような方法で第２のタイプの１つの標識ユニットに隣接して配置される。この種の好ましい実施形態は、第１及び第２のタイプの平行に配置された標識ユニットが表面全体上又は（周囲に対する）少なくとも区分内に円筒軸に沿って配置された円筒本体表面上の配置であり得る。

標識配置の特に好ましい実施形態、例えば正確に３つの標識ユニット（第１のタイプの２つ及び第２のタイプの１つ）を有する実施形態では、第１の標識ユニットタイプの標識ユニットの照明手段のパスは、好ましくは、照明手段のパスが平行四辺形の２つの対辺を形成するような方法で共通平面内に位置する。照明手段のパスが終わる、標識ユニットの各々の端部標識は、角点を形成する。特に好ましい実施形態では、照明手段（角点）を接続する直線パスは、長方形の角の各々において端部標識を有する長方形を形成し得る。さらに、第２の標識ユニットタイプの標識ユニットのパスは、第１の標識ユニットタイプよりも短いものであり得る。すなわち、第２の標識ユニットタイプのための端部標識間の距離は、第１の標識ユニットタイプよりも短いものであり得る。このような実施形態では、第２の標識ユニットタイプの標識ユニットは、このとき、第１の標識ユニットタイプの標識ユニットによって張られた平行四辺形若しくは長方形内又はより一般的には第１の標識ユニットタイプの標識ユニットの端部標識を接続することによって形成された表面形状内に配置され得る。これは、標識配置の１つの画像内で標識を見出すことをより容易にし、次にそれらに基づいて配向及び位置検出が実施される。

特別な実施形態では、標識ユニットの第２のタイプの標識ユニットは、標識ユニットの第１のタイプの２つの標識ユニットによって張られた平面の外側に、特にこの平面に対して高くされて配置され得る。高くされた配置とは、照明手段が視認可能である、（第１のタイプの標識ユニットによって張られた）平面に垂直な視線方向における標識ユニットの照明手段の配置を指す。このような配置では、したがって、第２の標識ユニットタイプの標識ユニットの標識は、必ず第１の標識ユニットタイプの標識ユニットの標識と共面にならない。これは、配向及び位置検出における精度を改善する。好ましい実施形態によれば、しかし、第２の標識ユニットタイプの照明手段のパスは、第１の標識ユニットタイプの標識によって張られた平面と平行な平面内に位置することができる。これは、特に空間内の標識の配向検出を容易にする。

本発明の好ましい実施形態は、標識配置の標識ユニットの照明手段の直線パスが平行に配置されることを提供する。これは、本明細書において、標識ユニットの平行配置とも略記される。この記述は、同義的に理解されるべきである。これは、標識配置、特に第１の標識ユニットタイプの正確に２つの標識ユニット（同義語によれば、また「第１のタイプの標識ユニット」）及び第２の標識ユニットタイプの正確に１つの標識ユニット（同義語によれば、また「第２のタイプの標識ユニット」）を有する標識配置の全ての標識ユニットの照明手段の（直線）パスに沿った直線が交差しないことを意味する。直線は、数学的な意味で無限に長いと理解されるべきでなく、所与の長さにわたって交差しない、直線の配置の延長されたパスと理解されるべきである。互いに例えば最大５°の小角度で整列したパスも本発明の目的のために平行であると考えられる。これは、特に製作公差を含む。

標識配置の選択された又は全ての標識ユニットの平行配置は、標識ユニットに属する標識配置の選択のための非常に効果的な基準を提示し、配向及び位置検出のためのアルゴリズムの適用における非常に精密な境界条件となる。これは、特に好ましくは、第１のタイプの２つの標識ユニットに適用される。本実施形態では、第２の標識ユニットタイプは、第１のタイプに対して任意の位置に配置することもできる。特に好ましくは、しかし、それは、第１のタイプの標識ユニット間に配置することができ、これは、標識の割り当てを著しく容易にする。しかし、本発明は、特に、正確に３つの標識ユニットが標識配置内に存在するときに非常に有用になり得るこの好ましい実施形態に限定されない。

原理上、第１の標識ユニットタイプの標識ユニットが、（標識配置全体内又は標識配置の区分内のみにおいて）第２の標識ユニットタイプの標識ユニットに隣接して標識配置内に配置されることが提案され得る。ここで、隣接した配置とは、第１の標識ユニットタイプの１つの標識ユニットが２つの側の少なくとも一方で標識ユニットの長手方向に対して横方向に配置され、好ましくはまた標識ユニットの第１のタイプの１つの標識ユニットが２つの側の各々において、同じく長手方向に配置されることを意味する。長手方向とは、具体的には、第１及び第２のタイプの標識ユニットのパス間の（最も量が小さい）角度が４５°未満であり、（直線パスに対する横方向において互いに隣接した）直線パスが（パスの長手方向において）少なくとも５０％まで重なり合うことを意味するものとする。

標識配置の標識ユニットの少なくとも一部又は全ての平行配置を有するこの特に好ましい実施形態は、原理上、－ 上述されたように － いくつかの標識配置が共通構造に組み合わされ、したがって多標識配置を形成する場合にも用いることができる。しかし、本発明は、これに限定されず、原理上、１つの標識配置が多標識配置内に数回配置されるのではなく、標識配置内の第１及び／又は第２の標識ユニットタイプの自由な数の標識ユニットを可能にする。一空間配置では、標識配置は、特に好ましくは、さらなる実施形態のために以下でも説明されるように、凸状本体を形成する。

したがって、本発明の一実施形態によれば、第１のタイプの少なくとも１つの標識ユニット及び第２のタイプの１つの標識ユニットを含む複数の標識配置が組み合わされて、個々の標識配置が互いに対して規定された方法で配置され、及び多標識配置を形成し、共通構造の外部輪郭が凸状本体を形成する共通構造を形成することができる。

幾何学的に単純な可能性は、直線パス上において各標識ユニット内に配置された標識（又は対応して全ての照明手段）が、円形、楕円形又は同様に曲線状の断面を有するスリーブ上に位置し、照明手段がスリーブの軸方向に互いに平行に整列した全てのパスが断面区域と垂直に延びることを提案する。これは、例えば、照明手段（標識又は通信要素）を有する全てのパスが円筒スリーブの軸方向に、すなわち互いに平行に円筒スリーブ上に配置されるときに当てはまる。これは、凸状本体をもたらす。

本発明の目的のために、凸状本体は、直接隣接しないか又は同じ標識ユニット内に共線的に配置されない２つの標識（又は場合により照明手段）間の直線接続が本体の外部輪郭内又はそれに沿って延びる場合に存在する。本体の形状が例えば円筒本体の場合と同じほど明確でない場合、外部輪郭は、いずれの場合にも、互いに最短距離を有する３つの標識（又は照明手段）が三角形面によって接続されるように形成され得る。このように、いずれの場合にも、外部輪郭であって、それに基づいて凸状外部輪郭の存在をチェックすることができる外部輪郭が形成される。例えば、本体の端面における、縁部区域内に残った開口部は、個々の輪郭表面の交点から開始する三角形領域によって閉じられる。このような多標識配置は、任意の本体の周囲に配置することができ、凸状本体形状は、配向及び位置検出のために用いられる標識の最適な視認性を保証する。

好ましい実施形態によれば、評価ユニットは、後述される方法又はその部分を実施するように構成される。特に、後述される方法又はその特定の実施形態は、上述された実施形態の特定のものに特に適し得る。

したがって、本発明は、特に上述されたデバイスの実施形態の１つを用いて、３次元空間内の標識の配向及び位置を検出するための方法にも関し、評価ユニットは、本方法又は本方法の部分を実施するように構成される。本発明によれば、本方法は、特に後述されるシーケンスで実施され得る以下のステップを含む。しかし、技術的に可能な場合、シーケンスは、本発明の主題から逸脱することなく変更することもできる。
－ パスに沿って配置された少なくとも３つの光学活性照明手段をそれぞれ含む、第１の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット及び第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニットを含む少なくとも１つの標識配置の画像を取り込むこと。好ましい実施形態によれば、第１のタイプの標識ユニットは、各標識ユニット内の同一の位置内に配置され、標識の機能を有する固定数、特に３つの照明手段を有し得る。第２のタイプの標識ユニットは、照明手段がパス内に配置された方式において、特に２つの反対端部における、標識（端部標識とも称される）の役割を果たす照明手段を有する。２つの標識間に配置された、第２のタイプの標識ユニットの他の全ての照明手段は、本発明に係るデバイスの好ましい実施形態によれば、通信要素の役割を果たすことができ、通信要素は、好ましくは、本発明によれば、特にそれぞれ異なる照明デバイスを光学的に活性化するか又はオンに切り替えることにより、第２のタイプの標識ユニットごとに異なって配置され得る。これらは、第１及び第２のタイプの標識ユニットを、（光学活性）照明手段により、それらの位置及び／又はそれらの数に基づいて、特に好ましくは少なくともそれらの数によって区別することができるように選択することもできる。したがって、第２のタイプの標識ユニットは、好ましくは、正確に２つ～５つ、すなわち正確に２つ、３つ、４つ又は５つの通信要素並びに（それぞれパスの始まり及び終わりにおける）正確に２つの標識を有することができる。
－ 取り込まれた画像内の照明手段の検出。従来の画像検出ソフトウェアを用いて、個々の照明手段は、画像内の照明された点として認識され、ピクセル座標としても知られる一意の２次元画像座標（ｘ_Ｂ，ｙ_Ｂ）が画像内の点に割り当てられる。次に、これら画像座標を、その後、さらなる評価を実施するために用いることができる。この例が後述される。
－ 検出された照明手段を、専ら標識として設計された照明手段を有する第１の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニットに割り当て、検出された照明手段を、標識及び通信要素として設計された照明手段を有する第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニットに割り当てること。これは、検出された照明手段の画像座標を評価することと、画像内の特定の照明手段の選択（すなわちそれらの画像座標）が、（ステップを実施する評価ユニットにおいて知られた）第１又は第２の標識ユニットタイプ内の標識の配置と一致するか又は一致し得るであろうかどうかの判断とによって行われる。好適な選択基準がこの目的のために指定される。
－ 標識機能又は通信機能要素を、画像内で検出された照明手段に割り当てること。これは、特に２つの標識ユニットタイプの一方への照明手段の割り当てに基づいて行われ得る。
－ 標識配置上の標識の配置、それぞれ本発明の意味で同義である、標識ユニット上の標識の配置及び標識配置内の標識ユニットの配置を知った上で、標識に基づいて、すなわち割り当てられた機能「標識」を有する照明手段に基づいて標識配置の配向及び位置を決定すること。本発明によれば、これは、上述されたアルゴリズム及びＲＡＮＳＡＣ法を用いて行われ得る。

好ましくは、本発明によれば、第１又は第２の標識ユニットへの標識ユニットの割り当ては、取り込まれた画像内において、合計で正確に３つの照明手段（すなわち合計３つの標識及び／又は通信要素）を有する全ての直線パスを決定するステップを含むことができる。これは、画像内で確実に検出され得、直線パス内に配置された全ての正確に３つの照明手段（標識及び／又は通信要素）が、照明手段が標識であるか又は通信要素であるかに関係なく、３つの（光学活性）照明手段を有する直線パスの全体内で収集されることを意味する。これらのパスは、記録され、例えば、例として正確に３つの標識／通信要素の各々の画像座標を有する３タプルとしてリスト内に保持され得る。したがって、３タプルは、取り込まれた画像内で認識することができる３つの標識／通信要素を有する直線パスを記述する。このように決定された全ての３タプルは、このとき、直線パスの全体を形成する。３タプルは、例えば、［ｘ_Ｂ（１），ｙ_Ｂ（１）；ｘ_Ｂ（２），ｙ_Ｂ（２）；ｘ_Ｂ（３），ｙ_Ｂ（３）］の形式を有する。ここで、括弧内の数字は、検出された照明手段（標識／通信要素）の番号付けである。パスは、好ましくは、いずれの場合にも照明手段で終わり、それらの間に別の照明手段が存在する。直線パスが終わる照明手段は、端点とも称される。

取り込まれた画像内に直線パス上に配置された４つ以上の標識又は通信要素が存在する場合、正確に３つの標識又は通信要素（すなわち３つの照明手段）を有する各部分的組み合わせは、正確に３つの標識／通信要素を有する決定された直線パスの１つであると考えられ、直線パスの全体内に記録され、例えば３タプルのリスト内に含まれる。以下では、直線パスは、ときに簡単にするために単にパスと称される。そのため、これらの用語は、同義的に使用される。

第１及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニット（それぞれ照明手段が配置されたパス）の長さがおよそ同じ長さである、すなわち特に最大１０％、好ましくは最大５％異なるのみである、本発明に係る好ましいデバイスでは、画像取り込み中に生じ得る射影ひずみにもかかわらず、パスの長さ（それぞれ端部標識によって形成されたパスの端点間の距離）がおよそ同じ長さのものであると仮定することができる。これは、特に３～１５センチメートル、好ましくは３～６センチメートルの範囲内の標識ユニットの典型的な長さ及び少なくとも１メートルを超える、好ましくは２～５又は２～１０メートルの、取り込まれた標識配置までのカメラ（画像取り込みユニット）の距離について当てはまる。これは、典型的な適用にとって通常のことである。この場合、標識配置に属する可能性のあるパスのための選択基準として、それらのパスは、直線パスの端点間の距離が同等である、決定された直線パスの全体から決定することができる。このようなパスは、パケットにまとめることができ、これにより、必要に応じて、特にいくつかの異なる標識配置が１つの画像内で検出された場合、いくつかのパケットを１つの画像内で決定することができる。

標識ユニット（それぞれ照明手段が配置されたパス）が平行に配置される、本発明に係るデバイスでは、この平行配置を、１つの標識配置に属する可能性のあるパスのための代替又はさらなる選択基準として用いることができる。画像取り込み中の射影ひずみのため、当然のことながら、数学的な意味で無限に長い直線に延長されたパスが画像の２次元座標系内で交差しないと仮定することはできない。

非常に単純な評価では、少なくとも画像座標系内で直接交差するパスを非平行として除外することができる。この選択基準の使用における好ましい変形形態では、一方又は両方の端部における特定の延長係数、例えば延長係数１．５及び５による直線パスの延長が、延長されたパスの交差を生じさせるかどうかをチェックすることができるであろう。この場合にも、延長されたパスとして交差するこのようなパスを非平行として除外することが可能であり得、延長係数は、特に適用事例及び／又は取得の幾何学的構成に依存して、パラメータ化可能にもなり得る。上述された好ましい範囲外にもあり得る好適な延長係数の選択は、当業者の理解の範囲内にある。このようなパスを組み合わせてパッケージを形成することもできる。－ 例えば、２つの標識ユニットのみを有する標識配置内において、－ 平行な直線パスが単に除外されるべきである場合には － 類似的に逆の基準を適用することができる。

このような基準が照明手段の画像に適用される場合並びに特にこれらの基準及び／又はさらなる基準が組み合わされる場合、照明手段の画像の評価のみに基づいてパスのパッケージを事前に選択することができ、これは、実際に、標識配置に属する照明手段の効果的な事前選択をもたらす。基本的に、それらの配置のため、標識ユニットの照明手段として可能性がある照明手段の事前選択は、評価速度を相当に増大させる。なぜなら、配向及び位置検出のための時間のかかる算出を、可能性のある標識の有望なグループに限定することができるからである。これは、例えば、特定の標識がいずれの時点で特定の位置に到達したかを決定するための（追跡）、検出された運動シーケンスにおける事実上リアルタイムの適用を可能にする。

標識配置内の標識ユニットの配置及び数が既知である場合、さらなる選択基準を決定することができる。例えば、デバイスの一実施形態では、第２の標識ユニットタイプの標識ユニットの両側にそれぞれ第１の標識ユニットタイプの標識ユニットタイプが配置された方式で合計３つの標識ユニットが標識配置内で組み合わされる場合、パスのこのような配置を画像内で探索することができる。具体的には、照明手段の同様の相対配置を有する２つの直線パス間において、照明手段の異なる相対配置を有する少なくとも１つのパスが配設されるパスは、パスの選択されたパケットから選択され得る。したがって、中央に配置されたパスは、第２の標識ユニットタイプのパスである可能性があり得、外側に配置された直線パスは、第１の標識ユニットタイプのパスである可能性があり得る。第１の標識ユニットタイプのパスのためのさらなる基準として、第１及び第２のタイプの標識ユニットが非常に明確に区別可能である場合、パス上の照明手段の間隔の相対比も基準になり得る。このとき、このような分類基準を満たすパスを、可能性のある標識ユニットタイプに割り当てることができる。これは、特に、本発明の特に好ましい実施形態によれば、全ての標識ユニットが標識ユニットの基本的に同一の配置を有する場合に当てはまる。

より一般的なアプローチによれば、第１の標識ユニットタイプへの決定された直線パスの割り当て前に、第２の標識ユニットタイプへのパスの割り当てが行われることが本発明に従って提供され得る。これは、配置に基づいて標識配置の明確な識別が行われ得るか又は実際に行われる通信要素を包含する。本発明によれば、互いに対するそれらの標識ユニットの相対配置でシステム内に構成された標識配置は、評価ユニットにおいて既知である。

識別された標識配置内における第１及び第２のタイプの標識ユニットの配置の知識を用いて、識別された標識配置に属し得るパスを、取り込まれた画像内で決定することができる。したがって、第２のタイプの標識ユニットの近傍において、この標識配置に属する標識ユニットのために、対象を定めた探索を行うことができる。この方法でも、実際に、記録された画像の画像評価のみにより、可能性のある標識ユニットを迅速及び確実に識別することができる。したがって、特に好ましい実施形態によれば、第２の標識ユニットタイプの標識ユニットタイプに属するそれらのパスが、決定された直線パスから選択され、及び標識配置の識別が第２の標識ユニットの通信要素から導出されることが提供され得る。したがって、標識ユニットの構造及び標識ユニット上の標識の配置が知られる。

特に好ましい実施形態では、したがって、標識ユニットの第２のタイプの標識に基づいて、標識が探索される探索区域を、記録された画像内で規定することが可能である。照明手段が、記録された画像内の探索区域内で見出された場合、それらは、標識として標識ユニットに割り当てられ、配向及び位置を決定するために用いられ得る。

単純な実施形態では、標識ユニットの第２のタイプの直線パスは、それらが、互いに対する照明手段の配置が標識ユニットの第１のタイプのパスと著しく異なる比を有するという事実によって認識され得る。

標識ユニットの第２のタイプの標識ユニットが、照明手段のパスの端部標識としての（正確に）２つの標識、標識間のパス上に配置された少なくとも２つの通信要素を有し、（正確に）２つの標識、すなわち端部標識がデバイス（すなわちシステム又は設備全体）内の第２のタイプの全ての標識ユニットについて同じである場合、検出のより単純でより安全な可能性が生じる。他方で、（端部）標識間に設けられた通信要素は、システム内の標識ユニットごとに識別可能に異なる。

本発明によれば、決定された直線パスから、取り込まれた画像内の同じ端点（それぞれ検出された照明手段）を有するそれらのパスを選択することにより、第２のタイプのこれらの標識ユニットを容易に決定することができる。少なくとも２つの通信要素の場合、したがって同じ端点及び異なる照明手段を有する少なくとも２つの直線パスが端点間のパス上で見出される。したがって、端点（照明手段）には、機能「標識」が割り当てられ、端点間に配置された照明手段には、機能「通信要素」が割り当てられる。したがって、１つの画像から、通信要素の符号化を用いて第２のタイプの標識ユニットを再構成することができ、符号化は、例えば、符号化の既知のパターンとの比較によって読み取ることができる。これは、配向及び／又は位置検出を必要とすることなく、取り込まれた画像のみから可能である。

通信要素は、この標識ユニットの一意の識別子（識別）を表示することができるであろう。それを介して例えば標識配置を一意に識別することができる。加えて、本発明によれば、通信要素は、評価ユニット内で集積され、復号化される符号化データを用いて、場合によりいくつかの連続的に記録された画像内でさらなる情報を通信するために用いることもできる。この情報は、例えば、工具のバッテリステータス、工具によって実行される機能又は検出データ値など、標識ユニットが取り付けられた工具に関する情報を包含することができる。当業者は、例えば、独国特許出願公開第１０２０１９１１４５３１Ａ１号からこの具体的な可能性を熟知している。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２の標識ユニットタイプに属する直線パスが決定された後、ここで識別された標識配置の標識ユニットの配置を知った上で、第１の標識ユニットタイプに属する直線パスの探索が行われる探索区域を規定することができる。このような標識ユニットが見出された場合、標識配置が確実に識別されたと仮定することができる。画像内で検出された照明手段は、ここで、「標識」機能を、画像内で検出された照明手段に割り当てることにより、できる限り標識ユニットの残りの標識に割り当てられる。

これらの標識は、次に、例えば上述されたアルゴリズムを用いて、標識配置上の標識の配置を知った上で標識に基づいて標識配置の配向及び位置を決定するために用いられる。

例えば、標識ユニットの第１及び第２のタイプの個々の標識ユニットが、好ましくは、標識の少なくとも１つが標識配置の標識ユニットの残りの標識と共通平面内に位置しない方式において、標識配置を基本的に任意の方法で形成するために物体に共線的に固定されないため、標識配置内の標識ユニットの配置が先験的に知られていない場合、本発明は、特に３次元空間内における標識の配向及び位置検出のための提案される方法に関連して、配向及び位置検出のための上述された方法の実行前に少なくとも１度実行され、標識及び通信要素の位置を学習する方法を提案する。

本発明に係る本方法は、パスに沿って配置された少なくとも３つの光学活性照明手段をそれぞれ有する、第１の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット及び第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニットが位置付けられた標識配置内の標識及び通信要素の構成を教え込むためのものである。第１の標識ユニットタイプ及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニット内で標識又は通信要素として用いられる照明手段の配置は、先験的に知られている。好ましくは、上述された第１の標識ユニットタイプ及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニットが用いられる。

本発明に係る方法では、以下のステップが実施される。
－ 固定された標識ユニットを有する標識配置を画像取り込みユニットに対して移動させ、及び前記移動中に画像シーケンスを取り込むこと。全ての標識ユニットは、画像捕捉手段により、事前に決定された若しくは事前に決定可能な最小期間にわたり及び事前に決定された若しくは事前に決定可能な最小回転にわたり、すなわち捕捉された画像シーケンスの画像の各々内で視認可能である。標識配置の相対移動は、標識配置又は画像取り込みデバイスによって実施される並進移動及び／又は回転であり得る。
－ 画像シーケンスの画像内の潜在的な標識配置の検出。本発明によれば、これは、上述された方法に関連して説明された画像評価、特に記録された画像内における合計で正確に３つの照明手段を有する直線パスの検出及び次に第１又は第２の標識ユニットタイプの潜在的な標識ユニットへのそれらの割り当てを用いて行われ得る。
－ 画像シーケンスのいくつかの画像にわたる潜在的な標識ユニットの追跡。本発明によれば、潜在的な標識ユニットの追跡は、移動がフレームレートと比べて小さくなるように実現することができる（すなわち、本発明によれば、対応して低速の回転及び／又は並進移動が行われる）。次に、潜在的な標識ユニット及び潜在的な標識ユニットの距離が互いに変化しないという事実に基づいて、もっともらしさの考察を画像検出に関連して行うことができる。
－ 基本的に周知であり、すでに説明されたＲＡＮＳＡＣ法により、部分アレイ間の初期関係を作成し、及び回転運動を有する画像シーケンス全体にわたる関係の全体が知られるまで、数値最適化を通して画像シーケンス全体にわたって関係を反復的に改善することが可能である。
－ 幾何学的割り当てに基づいて、関係全体から標識ユニットの配置を導出すること。この手順は、画像評価のための方法に関連して当業者に知られている。

したがって、標識配置内の標識ユニットの配置が決定され、次に上述された配向及び位置検出方法が実施され得る。本発明によれば、標識配置内の標識及び通信要素の配置を教え込むための方法を、これが知られていない場合、標識の配向及び位置検出の繰り返し実行前に少なくとも１度実施することができる。

干渉を回避し、精度を改善するために、標識配置内の標識及び通信要素の配置を教え込むための提案される方法の実施中、好ましくは、１つの標識ユニット内に配置されない照明手段は、画像シーケンスの取得中に画像取り込みユニットの画像区域内に配置されないことが確実にされる。

本発明のさらなる利点、特徴及び適用の可能性は、好ましい実施形態例の以下の説明及び図面からもたらされる。これにより、全ての説明及び／又は図示された特徴は、共に又は任意の技術的に妥当な組み合わせで、また説明若しくは図示された実施形態例又は請求項におけるそれらの概要に関係なく、本発明の主題に属する。

本発明に係るデバイスの好ましい実施形態の概略図である 図１に示される標識配置の側面図である。 本発明に係る標識配置の代替的実施形態の側面図である。 ２つの標識配置が画像内で視認可能である、本発明に係る方法の好ましい実施形態の実施中に取得された画像の概略図である。 図４に係る画像のための方法の好ましい実施形態の実施中に決定された３つの照明手段を有する直線パスの概略図である。 図１の標識配置内の標識及び通信要素の空間配置の概念図である。 図３に示されるものと同様の標識配置内の標識及び通信要素の空間配置の概念図である。

図１は、標識配置２を有する３次元空間内の標識の配向及び位置を検出するためのデバイス１を概略的に示す。図示の例において、標識配置２は、パス１３に沿って配置された照明デバイス１０を有する合計３つの標識ユニット１１、１２を有する。照明デバイス１０は、オンに切り替えられ、光又は特に好ましくは赤外光を放出するときに光学活性である。照明デバイス１０は、特に、例えば回路板上に配置され得る、オン及びオフに切り替えることができるＬＥＤとして構成され得る。光学活性状態では、照明デバイス１０は、図４～図７において暗色で示された照明手段２０とも称される。図１では、照明デバイス１０の全ては、オフ状態で示されている。デバイス１の動作時、標識ユニット１１、１２の各々は、少なくとも３つの照明手段２０、すなわちオンに切り替えられた照明デバイス１０を有し、照明手段２０は、標識２１及び／又は通信要素２２として設計される。

デバイス１は、空間的に校正された、特にカメラ（デジタルカメラ）として設計された光学画像取り込みユニット３を備える。画像取り込みユニット／カメラ３は、標識配置２の画像９０を取り込むように構成される。カメラ３は、１つの光学画像取り込みユニット３の正確に１つの画像９０からの標識配置２の配向及び位置の明確な決定のために上述された方法で適合された評価ユニット４に接続される。

標識配置２は、動作時に３つの照明手段２０を有する第１の標識ユニットタイプの２つの標識ユニット１１を有する。ここで示される例では、したがって、２つの標識ユニット１１の全ての３つの照明デバイス１０は、オンに切り替えられ、標識２１の機能を取る。この機能は、図１において、照明デバイス１０内に示される十字によって指示される。したがって、動作時の全ての標識ユニット１１は、３つの照明手段２０を同一の位置に有するように同一に形成される。これらは、通常、取り込まれた画像内の照明手段２０の相対間隔によって事前に識別され得る。

標識ユニットの第１のタイプの２つの標識ユニット１１間において、動作時、正確に２つの標識２１（照明デバイス１０内の十字）及び少なくとも１つの通信要素２２を有する、標識ユニットの第２のタイプの標識ユニット１２が標識配置２内に配置される。この「通信要素」機能は、図１において、照明デバイス１０内に示されるＸによって指示される。しかし、ハードウェア面では、照明デバイス１０は、好ましくは、それらの「標識」又は「通信要素」機能に関係なく、同じ設計を有することができる。

第２の標識ユニットタイプの標識ユニット１２では、標識２１の役割を果たす２つの照明手段２０は、標識ユニットの２つの端部に配置され、端部標識とも称される。この定義は、本明細書で一般的に適用される。これらの（正確に２つの）標識２１間において、通信要素２２の機能を取る標識ユニット１２の少なくとも１つの照明手段２０、ただし好ましくは少なくとも２つ～５つの照明手段２０が配置される。

本発明に係るデバイス１の好ましい実施形態によれば、標識配置２の第２のタイプの少なくとも１つの標識ユニット１２の通信要素２２は、標識配置２を一意に識別する役割を果たす。これは、デバイス１において、用いられる全ての標識ユニット２が通信要素２２の一意の組み合わせを示すようにそれぞれ構成されることによって達成される。

標識ユニット１１、１２の全ての照明デバイス１０並びに対応して全ての標識２１及び適用可能な場合には通信要素２２は、パス１３上に位置し、（全ての）通信要素２２は、標識ユニット１２の２つの標識２１間に配置される。これは、評価を容易にする。さらに、（先に定義された意味での）端部標識の距離は、第１の標識ユニットタイプの標識ユニット１１及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニット１２について異なり、好ましくは、端部標識の距離は、第２のタイプの標識ユニット１２ついて第１のタイプの標識ユニット１１よりも小さい。さらに、標識配置２の全ての標識ユニット１１、１２は、平行に配置される。すなわち、それらの照明手段１０のパス１３は、平行に延びる。特に好ましいのは、第１の標識ユニットタイプの標識ユニット１１が長方形を張り、標識ユニットの第２のタイプの標識ユニット１２が長方形内でこの長方形の中心軸に沿って対称に配置される図示の変形形態である。結果として得られる、標識２１の配置は、記録された画像９０内で好適な選択基準によって容易に認識し、評価のために選択することができる。

図２に係る標識ユニット２の側面図において見ることができるように、第２のタイプの標識ユニット１２は、第１のタイプの標識ユニット１１間において高くされた位置内に配置される。これは、標識ユニット１２が、平面を張った２つの標識ユニット１１と共面的に配置されないことを確実にする。

標識配置２内の標識ユニット１１、１２の配置を知った上で、評価ユニット４は、第１の標識ユニットタイプの標識ユニット１１及び第２の標識ユニットタイプの標識ユニット１２又は均等にそれらの標識２１を認識し、第１の標識ユニットタイプ及び第２の標識ユニットタイプの認識された標識ユニット１１、１２の標識２１を（好ましくは排他的に）用いて標識配置２の配向及び位置を明確に決定するように適合される。

図３は、いくつかの標識配置２が中空円筒の形状に配置され、これにより照明デバイス１０が少なくとも近似的に仮想円筒表面６上に位置する多標識配置５を示す。したがって、多標識配置５は、空間内にカメラ３が１つのみであっても、多標識配置５のほぼ全ての位置において配向及び位置を確実に検出することができる、凸状本体のための実施形態例を表す。したがって、このような多標識配置５の好ましい使用法は、多標識配置５が作業工具の周囲に固定される使用法である。

図４及び図５を参照して、配向及び位置を決定するための提案される方法の適用に関連する画像評価のための基本手順が後述される。

図４は、評価及び本発明に係る方法の実行のために評価ユニット４に送り込まれた、カメラ又は光学画像取り込みユニット３からの画像９０を示す。

画像９０は、空間内に異なる距離及び配向で配置された２つの標識配置２、２’を示す。特に、標識配置２、２’は、運動シーケンスを追跡することができるように、工具又は本体部分など、図示されない空間内の物体に固定することができる。

画像内では、照明手段２０のみが光点として視認可能である。照明手段２０が配置されたパス１３も、標識ユニット１１、１２上に配置された位置において破線の円として図４に示された、（オンに切り替えられず、したがって光学不活性である）照明デバイス１０も視認可能でない。また、照明手段は、画像９０内で全て同じに見える。異なる形状（標識２１について円及び通信要素２２について正方形）を画像自体から収集することはできない。この情報は、まず、以下において説明される画像評価の過程で決定される。

プロセスステップにおいて、画像９０内の全ての照明手段２０が検出され、２次元画像座標（ｘ_Ｂ，ｙ_Ｂ）がそれらに割り当てられる。これは、取り込まれた画像９０内の各照明手段２０を識別する。

その後、図５に概略的に示されるように、合計３つの照明手段２０を有する全ての直線パス３０－０１、３０－０２、３０－０３、３０－０４、３０－０５、３０－０６及び３０－１１、３０－１２、３０－１３、３０－１４、３０－１５、３０－１６が画像９０内で決定される。標識配置２、２’に潜在的に属することができる全ての平行な直線パス３０は、パケット３１－１及び３１－２にまとめられる。さらに、およそ同じ長さのものである、すなわち同等の端点（端部標識）間距離を有する直線パス３０－０１、３０－０２、３０－０３、３０－０６及び３０－１１、３０－１２、３０－１３、３０－１６がパケット３１－１及び３１－２から選択される。図示の例では、直線パス３０－０４及び３０－０５並びに３０－１４及び３０－１５は、著しくより短い。したがって、これらは、標識配置２、２’のいずれにも割り当てることができず、パケット３１－１及び３１－２からそれぞれ削除される。

パッケージ３１－１及び３１－２の残りの直線パス３０のうち、端点間に異なって位置付けられた照明手段２０を伴う同じ端点（それぞれ直線パスの端部に配置された照明手段２０の意味での端部標識）を有する直線パス３０－０２、３０－０３及び３０－１２、３０－１３が選択される。これらのパス３０－０２、３０－０３及び３０－１２、３０－１３は、画像９０内で重ね合わせられ（図４に対応する）、それらの端点は（それぞれパケット３１－１及び３１－２ごとに）同じ画像座標をそれぞれ有することが留意される。これらのパスは、この評価ステップを例示するために、図５において並んで示されている。

パス３０－０２及び３０－０３は、したがって、一方の標識配置２の第２のタイプの標識ユニット１２に割り当てることができ、パス３０－１２及び３０－１３は、したがって、他方の標識配置２’の第２のタイプの標識ユニット１２に割り当てることができる。したがって、次に、標識２１及び通信要素２２の割り当てが可能である。通信要素２２のパターンから、さらに標識ユニット２又は２’を明確に識別することができる。

残りのパス３０－０１、３０－０６及び３０－１１、３０－１６の照明手段２０は、第１のタイプの標識ユニット１１に従って割り当てられる。照明手段２０は、このとき、対応する標識２１である。

検出された標識配置２、２’の各々にここで割り当てられた標識２１から、評価ユニット４は、すでに説明された及び当業者に基本的に既知の方法で標識配置２、２’の配向及び位置を算出する。

図６は、５つの通信要素２２が設けられた標識配置２のための標識２１及び通信要素２２の３次元配置を示す。

図７は、図３に示される多標識配置５と基本的に同様である、凸状本体として設計された標識配置７のための標識２１及び通信要素２２の３次元配置を示す。

標識２１及び通信要素２２は、第１のタイプの標識ユニット１１及び第２のタイプの標識ユニット１２が常に隣接して交互に配置された円筒表面６上に位置付けられる。その反対端部における標識２１に加えて、各標識ユニット１２は、１つの第２のタイプの標識ユニット１２のみが画像取り込みユニット３によって捕捉された場合でも、標識配置７に接続された物体の配向認識を可能にする、それぞれ異なる符号化による５つの通信要素２２を有する。

１ デバイス
２、２’ 標識配置
３ デジタルカメラとして設計された画像取り込みユニット
４ 評価ユニット
５ 多標識配置
６ 仮想円筒表面
７ 凸状本体として形成された標識配置
１０ 照明デバイス
１１ 第１の標識ユニットタイプの標識ユニット
１２ 第２の標識ユニットタイプの標識ユニット
１３ パス
２０ 照明手段
２１ 標識
２２ 通信要素
３０ 画像評価からの直線パス
３１ 直線パスで構成されたパッケージ
９０ 取り込まれた画像

Claims (12)

1. ３次元空間内の標識（２１）の配向及び位置検出のためのデバイスであって、
   － 少なくとも１つの標識配置（２、７）であって、パス（１３）に沿って配置された照明手段（２０）を有する少なくとも２つの標識ユニット（１１、１２）を含み、前記標識ユニット（１１、２１）の各々は、少なくとも３つの照明手段（２０）を有し、及び前記照明手段（２０）は、標識（２１）及び／又は通信要素（２２）として設計される、少なくとも１つの標識配置（２、７）と、
   － 前記標識配置（２、７）の画像（９０）を取り込むように適合された少なくとも１つの光学画像取り込みユニット（３）と、
   － 前記光学画像取り込みユニット（３）の１つの正確に１つの画像（９０）から、前記標識配置（２、７）の配向及び位置を明確に決定するように適合された評価ユニット（４）と
   を有するデバイスにおいて、
   － 前記標識ユニット（１１）の少なくとも１つは、少なくとも３つの標識（２１）を有する第１の標識ユニットタイプに属し、
   － 前記標識ユニット（１２）の少なくとも１つの他のものは、正確に２つの標識（２１）及び少なくとも１つの通信要素（２２）を有する第２の標識ユニットタイプに属し、前記少なくとも１つの通信要素（２２）は、前記２つの標識（２１）間に配置され、
   － 前記第１の標識ユニットタイプの前記標識ユニット（１１）の少なくとも１つ及び前記第２の標識ユニットタイプの前記標識ユニット（１２）の少なくとも１つは、非共面的に配置され、
   － 前記評価ユニット（４）は、前記第１の標識ユニットタイプ及び前記第２の標識ユニットタイプの前記標識ユニット（１１、１２）を認識し、及び前記第１の標識ユニットタイプ及び前記第２の標識ユニットタイプの認識された標識ユニット（１１、１２）の前記標識（２１）を用いて、前記標識配置（２、７）の前記配向及び前記位置を明確に決定するように適合され、
   － 前記標識配置（２、７）は、前記第１の標識ユニットタイプの２つの標識ユニット（１１）及び前記第２の標識ユニットタイプの１つの標識ユニット（１２）を含むことを特徴とするデバイス。
2. 前記第２の標識ユニットタイプの前記標識ユニット（１２）は、前記第１の標識ユニットタイプの前記２つの標識ユニット（１１）によって張られた平面の外側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記標識配置（２、７）の前記標識ユニット（１１、１２）の前記照明手段（２０）の直線パス（３０）は、互いに平行に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記第１の標識ユニットタイプの１つの標識ユニット（１１）は、常に前記標識配置（２、７）内で前記第２の標識ユニットタイプの１つの標識ユニット（１２）に隣接して配置されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. いくつかの標識配置（２）は、前記個々の標識配置（２）が互いに対して規定された方法で配置され、及び多標識配置（５）を形成する共通構造に組み合わされ、前記共通構造の外部輪郭は、凸状本体を形成することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. デバイス（１）を用いる、３次元空間内における標識（２１）の配向及び位置検出のための方法において、
   － パス（１３）に沿って配置された少なくとも３つの照明手段（２０）をそれぞれ含む、第１の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット（１１）及び第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット（１２）を含む少なくとも１つの標識配置（２、７）の画像（９０）を取り込むステップ、
   － 前記取り込まれた画像（９０）内で前記照明手段（２０）を検出するステップ、
   － 検出された照明手段（２０）を、専ら標識（２１）として設計された照明手段（２０）を有する第１の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット（１１）に割り当てるステップ、
   － 検出された照明手段（２０）を、標識（２１）及び通信要素（２２）として設計された照明手段（２０）を有する第２の標識ユニットタイプの少なくとも１つの標識ユニット（１２）に割り当てるステップ、
   － 標識機能及び／又は通信要素機能を、前記画像（９０）内で検出された前記照明手段（２０）に割り当てるステップ、
   － 前記標識配置（２、７）上の前記標識（２１）の配置に関する知識を有して、前記標識（２１）に基づいて前記標識配置（２、７）の配向及び位置を決定するステップ
   を含み、
   － 前記標識配置（２、７）は、前記第１の標識ユニットタイプの２つの標識ユニット（１１）及び前記第２の標識ユニットタイプの１つの標識ユニット（１２）を含むことを特徴とする方法。
7. 検出された照明手段（２０）を、前記第１の標識ユニットタイプ又は前記第２の標識ユニットタイプの標識ユニット（１１、１２）に前記割り振ることは、前記取り込まれた画像（９０）内において、合計で正確に３つの照明手段（２０）を有する全ての直線パス（３０）を決定するステップを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記決定された直線パス（３０）の全体から、前記直線パス（３０）の端点間の距離が同等であるパスが決定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記決定された直線パス（３０）の全体から、平行に位置する直線パスが決定されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記第２の標識ユニットタイプの標識ユニット（１２）に属する直線パスは、前記決定された直線パス（３０）から選択され、及び前記標識配置（２、７）の識別は、前記第２の標識ユニットタイプの前記標識ユニット（１２）の前記通信要素（２２）から導出されることを特徴とする、請求項７～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第２の標識ユニットタイプに属する前記直線パス（３０）の周りに探索区域が規定され、前記探索区域内において、前記第１の標識ユニットタイプに属する標識ユニット（１１）の直線パス（３０）が探索されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記評価ユニット（４）は、請求項６～１１のいずれか一項に記載の方法を実施するように適合されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のデバイス。

Images