JP2003061936A - 動立体モデル生成装置及び方法 - Google Patents
動立体モデル生成装置及び方法Info
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Abstract
パタン光を照射し、近赤外カメラアレイ10bで受光
し、対象物体の三次元形状データ及び動きデータを取得
する。また、同時刻にカラーカメラ10cで得られた画
像から色彩データを取得し、三次元形状データと色彩デ
ータを合成してモデリングする。三次元形状データから
細線化処理により骨格データを抽出し、データ量を削減
する。
Description
置及び方法、特に動く対象物についての複数枚の画像デ
ータから対象物の動き立体モデル(三次元モデル)を生
成する三次元モデリング技術に関する。
して、モーションキャプチャシステムが実用化されてお
り、映画製作などに応用されている。これは、主に人の
動きデータを獲得することを目的とし、人の関節にマー
カあるいはセンサをつけ、人の動きに応じてその位置を
検出することで、人の骨格の動きデータを得るものであ
る。
ステムは2種類に分けられ、磁気センサを用いるもの、
および光学的手法によるものが存在する。磁気センサを
用いるものは、関節に磁気センサを取り付け、空間内の
磁場に基づいて各センサは自身の位置を得る。人間の動
きにしたがって、各センサの位置が変わり、これが関節
の動きデータとして獲得されるものである。但し、この
手法では、各センサにケーブルを接続する必要があり、
これが人の動きを不自由にするという問題がある。ま
た、磁場を乱す環境では正確に動きデータが得られない
と言う問題もある。
にマーカとして取り付ける。これを複数のカメラにて観
測し、三角測量原理で各LEDの位置を検出する。但
し、この手法では、データ入力空間を暗めにしなければ
ならず、また、リアルタイムでの動きデータ獲得は難し
いと言う問題がある。
方法においても、動きデータのみ獲得するものであり、
動いている物体(人)自体の三次元形状データを得るも
のではない。
(カーネギーメロン大学)では、複数カメラを配置した
空間内で人が動作し、ステレオ法によって対象物体
(人)の動き付き三次元データを得る方法を発表してい
る。
次元データは得られるものの、 (1)受動的ステレオ法に基づいているため、対象物に
十分なテクスチャ情報がない場合、きわめて精度の悪い
形状データとなる (2)三次元データの羅列を得ているため、獲得データ
量はきわめて多大となるという問題を有しており、実際
の応用分野に適切なデータを提供しているとは言えな
い。
みなされたものであり、その目的は、対象物体の表面色
彩に影響されることなく、高精度に対象物の動立体モデ
ル(三次元動画像データ)を取得することができる装置
及び方法を提供することにある。
に、本発明は、三次元物体の三次元形状データ及び色彩
データ並びに動きデータを生成する動立体モデル生成装
置であって、動きのある前記三次元物体に対してパタン
光を照射する照射手段と、前記三次元物体から反射した
前記パタン光を順次受光することにより前記三次元形状
データ及び動きデータを取得するパタン光受光手段と、
前記三次元物体を撮影することにより前記色彩データを
取得する撮影手段と、同時刻に取得された前記三次元形
状データと前記色彩データとを合成する処理手段とを有
し、前記パタン光は、前記撮影手段の感度波長以外の波
長を有することを特徴とする。
ムパタン光であることが好適である。また、本装置にお
いて、前記パタン光は、近赤外波長であることが好適で
ある。また、本装置において、さらに、合成された前記
三次元形状データから骨格データを生成する手段と、前
記骨格データの動きから前記骨格データを複数の剛体グ
ループに区分する手段と、前記剛体グループ毎に運動パ
ラメータを算出する手段とを有することができる。
セルデータは連続した時間にわたって取得され、前記骨
格データを生成する手段は、ある時刻に取得された前記
ボクセルデータの細線化処理を少なくとも複数時刻にわ
たって実行することにより前記骨格データを生成するこ
とが好適である。
は、前記骨格データの動きの方向及び大きさが略同一で
ある骨格要素を同一剛体グループに属するとして区分す
ることができる。
は、前記骨格データの動きの方向及び大きさを前記細線
化処理後の一部の連続したボクセル座標の1次関数とし
て記述し、この1次関数記述との誤差が一定値以下とな
る連続したボクセルを同一剛体グループに属するとして
区分することもできる。
データ及び剛体グループ毎の運動パラメータを前記三次
元形状データ及び色彩データとは別に記憶する手段とを
有することが好適である。
毎の運動パラメータと、異なる対象物について得られた
前記三次元形状データ及び色彩データとを合成する手段
とを有することもできる。
データ及び色彩データ並びに動きデータを生成する動立
体モデル生成方法を提供する。この方法は、動きのある
前記三次元物体に対してパタン光を照射するステップ
と、前記三次元物体から反射した前記パタン光を順次受
光することにより前記三次元形状データ及び動きデータ
を取得するステップと、前記三次元物体を撮影すること
により前記色彩データを取得するステップと、同時刻に
取得された前記三次元形状データと前記色彩データとを
合成するステップとを有し、前記パタン光は可視光波長
以外の波長を有することを特徴とする。
ムパタン光であることが好適である。また、本方法にお
いて、前記パタン光は、近赤外波長であることが好適で
ある。また、本方法において、さらに、合成された前記
三次元形状データから骨格データを生成するステップ
と、前記骨格データの動きから前記骨格データを複数の
剛体部分に区分するステップと、前記剛体部分毎に運動
パラメータを算出するステップとを有することが好適で
ある。
プは、ある時刻に取得された前記ボクセルデータを少な
くとも複数時刻にわたって細線化するステップを含むこ
とができる。
は、前記骨格データの動きの方向及び大きさに基づき区
分することができる。
は、前記骨格データの動きの方向及び大きさを前記細線
化処理後の一部の連続したボクセル座標の1次関数とし
て記述し、この1次関数記述との誤差が一定値以下とな
る連続したボクセルを同一剛体グループに属するとして
区分することもできる。
データ及び剛体部分毎の運動パラメータを前記三次元形
状データ及び色彩データとは分離してコンピュータのメ
モリに記憶するステップとを有することができる。
及び剛体部分毎の運動パラメータと、予め前記メモリに
記憶された異なる対象物について得られた前記三次元形
状データ及び色彩データとを合成するステップとを有す
ることもできる。
形態について説明する。
概念について説明する。対象物体の表面色彩に左右され
ず精度良く三次元動画データを入力するためには、受動
的手法ではなく、能動的手法が有効である。すなわち、
何らかのパタン光を対象物に照射し、これを観測するこ
とで対象物の形状を得る方法である。ここで使用される
パタンとして、スリット光などの構造化光やランダム光
などが代表的である。
得することを前提にした場合、一方向だけでなく、複数
の方向から同時にパタンを照射する必要がある。ここ
で、スリット光などの構造化光はパタンそのものに意味
があるため、これを複数方向から同時に同じ対象物に照
射すると互いのパタン光が干渉しあい、その結果、誤っ
た形状データをえることになる。
には意味をもたない。したがって、複数方向からの同時
照射を行っても問題ない。ただし、入力カメラは複数必
要であり、これらでステレオ法を適用すればよい。
(テクスチャ)データを獲得するためには、複数方向か
らカラーカメラにて対象物を撮影する必要がある。ま
た、このテクスチャデータ獲得は、上記の三次元データ
入力と同時に行わなければならないが、上記のパタン光
はカラーカメラで撮影される画像には写るべきではな
い。なぜなら、このパタン光は本来の対象物の持つ色彩
以外の不要な情報を与えるためである。
る入力ユニットを用いることが好適となる。
ランダムパタン照射プロジェクタ (b)近赤外カメラアレイ (c)カラーカメラ そして、このユニットを対象物に対して複数配置するこ
とにより、対象物全周囲の動きつき三次元データ入力が
可能となる。
装置の構成が示されている。図1(A)は動立体モデル
作成装置の入力ユニットであり、図1(B)は動立体モ
デル生成装置の全体構成図である。
ダムパタンを照射するプロジェクタ10a、プロジェク
タ10aから照射され対象物で反射されたランダムパタ
ンを受光する近赤外カメラアレイ10b及び対象物の色
彩テクスチャを取得するためのカラーカメラ10cから
構成される。
例えば図1(B)に示されるように入力ユニット10、
12、14、16と4つ、対象物(例えば人)の周囲に
配置し、それぞれのユニット内の近赤外カメラアレイ1
0bで得られた近赤外画像及びカラーカメラ10cで得
られたカラー画像を処理用コンピュータ18に供給す
る。なお、各ユニット内の近赤外カメラアレイ10b及
びカラーカメラ10cの相対的位置関係は既知で固定で
あり、また、各ユニット間の相対的位置関係も予め正確
に算出しておく。さらに、配置された全ユニット間にて
近赤外カメラアレイ10bは相互に同期することが望ま
しく、カラーカメラ10cも同期することが望ましい。
の構成ブロック図が示されている。入出力インターフェ
ースI/F、CPU、ROM、画像メモリ、三次元形状
データベース及び骨格データベースを有して構成され
る。
画像データはインターフェースI/Fからコンピュータ
18に取り込まれ、画像メモリに記憶される。
ータから後述する処理を実行して三次元形状データ及び
色彩データを取得し、三次元形状データベースに登録す
る。本実施形態では、動きのある三次元物体をモデリン
グするため、三次元形状データベースには時間的に連続
した三次元形状データが記憶される。ある時刻における
三次元形状データをフレームと言うことができる。ま
た、CPUは三次元形状データベースに記憶された三次
元形状データ及び色彩データから骨格データ及びその動
きデータを分離抽出し、骨格データベースに登録する。
するための処理プログラムを格納し、CPUはこのRO
Mに記憶されたプログラムを読み出し順次実行すること
で動きのある三次元物体をモデリングする。なお、この
実施例ではプログラムをROMに格納しているが、この
他ハードディスク、CD−ROMなど他の記憶媒体に格
納されていてもよい。
対象物の画像データの処理の流れを示すと以下の通りで
ある。
ータの獲得とは、各ユニットにおいて獲得される部分的
三次元データを獲得することである。ここでは、対象物
に対し、近赤外線プロジェクタ10aからランダムパタ
ンが照射されている。この画像を近赤外線カメラアレイ
10bにて撮影したものが入力画像になる。良く知られ
たマルチベースラインステレオなどの方法により、対象
物のうち、全カメラの共通視野部分についてはカメラア
レイ10bからの距離データ(奥行きデータ)を求める
ことができる。
のとおりである。今、図3に示されるように対象物10
0の周囲に3つのカメラA、B、Cを配置し、それぞれ
のカメラで得られた画像が画像102(カメラAの画
像)、画像104(カメラBの画像)、画像106(カ
メラCの画像)であるとする。カメラAの画像102に
おける点aの対応点として、カメラBの画像104にお
ける対応点候補は図4に示されるようにb1、b2、b
3のように複数存在する。これらの対応点候補それぞれ
に応じて奥行きがz1、z2、z3と計算される。この
段階ではどれが正しい奥行き候補かは特定できない。し
かしながら、3つ以上のカメラを用いた場合、これらの
複数候補から絞込みを行うことができる。たとえば、図
5のようにカメラCが存在した場合、Cにおいてもカメ
ラAの画像102の点aに対応する対応点候補が複数存
在し、それぞれの奥行きが存在する。しかし、これらの
候補のうち、正しい対応点候補については奥行き値が一
致するはずである。すなわち、複数カメラを用いて対応
点候補を得た後、これらのなかで奥行きが一致するもの
(図中Q)を最終的に真の対応点とし、その点の奥行き
値を最終的な奥行きデータとする。但し、これらの奥行
きデータは、この時点では各ユニットから見た部分的な
情報に過ぎない。次に、これらを統合する必要がある。
図1(B)に示されるように4つの入力ユニット10、
12、14、16から構成されている場合、4つのユニ
ットの視野に共通な空間が存在する。そして、対象物は
この共通空間に存在すると仮定することができる。さも
なければ、対象物の少なくとも一部分についてデータが
獲得できなくなるからである。そして、この共通空間を
ボクセル空間、すなわち微小な立方体の集合で表現す
る。
り、各ユニット毎に部分奥行きデータが算出される。各
ユニットからの奥行きデータをDz、ボクセル空間の各
ボクセルとユニット間の距離をDvとすると、これらの
部分奥行きデータは以下の処理により統合される。
について、かつ、全ボクセルについてDv>Dzであれ
ば、そのボクセルに1点を加える。つまり、全ボクセル
のうち、奥行きデータ以遠にあるボクセルについて1点
を加える。4つのユニットについて行うことで、各ボク
セルは0〜4のいずれかの値をとることになる。ちなみ
に、0は奥行きデータより手前に位置するボクセルであ
り、物体の外に対応するボクセルである。
し、これらを対象物に対応したボクセルとみなす。
は、ステップ(2)にてn点を獲得したボクセルを抽出
すればよい。また、nが大きい場合、ステップ(2)に
て(n−1)点、さらにより一般的には(n−m)点
(n>m)を獲得したボクセルを抽出してもよい。
ルを抽出し、ボクセル空間で表現されたデータをポリゴ
ン表現に変換する。
ポリゴンに対し、割り当てる色彩データ(テクスチャデ
ータ)を、同じ時刻にカラーカメラ10cによって撮影
した画像を参照して獲得する。
行うことで、精度の良い三次元動画像データを求めるこ
とができる。
三次元形状データベースに登録され、必要に応じてCP
Uがこれを読み出し、出力装置20に出力することがで
きる。
は、三次元画像データの羅列を求めていた。しかし、こ
の羅列から、さらに動きデータと形状データを分離する
ことにより、三次元動画像データをきわめて少ないデー
タ量で表現可能となる、また、動きデータのみを取り出
し別の形状データに適用可能になる、等の利点が発生す
る。
状データを分離する方法について説明する。なお、装置
の構成は図1及び図2と同様であり、すべての画像は1
/30秒毎に同期して撮影され、これら同時刻に撮影さ
れた画像を同一時刻フレームと呼ぶことにする。同時刻
フレームの情報を使って、各フレームでの三次元データ
(形状+色彩)を求めることになる。
実施形態で述べたように、各フレームでの三次元形状デ
ータについては、一旦ボクセルデータとして表現され
る。ここで、画像処理分野で良く知られた細線化処理を
行う。細線化処理については、例えば、「コンピュータ
画像処理入門」(田村秀行著、日本工業技術センタ編)
に記載されている。細線化とは、与えられた図形から線
幅を狭めて幅1の中心線を抽出する操作であり、「画像
中の境界点の中から消去可能要素でありかつ線の端点で
はない画素をすべて消去する」アルゴリズムを基本とす
る。この基本アルゴリズムを画像全体の画素に施す1回
の操作とし、これを消去される画素がなくなるまで反復
することで実行することができる。
表現された二次元画像を対象に行われるが、これを三次
元画像すなわちボクセル空間に拡張することは容易であ
る。この細線化処理の結果が、対象物、例えば人間の骨
格に相当する。
が模式的に示されている。図7(A)はボクセルデータ
を二次元的に表現したものであり、図7(B)はこのボ
クセルデータを細線化処理したものである。図7(B)
の実線は、単位ボクセルが連結したものである。
は、細線化処理の結果得られた点列の位置を、連続した
フレーム間で比較し、点列の動きを求める。
める。
づけを行う。
を行う。
また、その動きは撮影時間間隔に対し十分緩やかである
と仮定している。したがって、隣接フレーム間におい
て、上記特徴点は十分に近傍に存在するという前提とな
っている。(1)での点列の特徴点は、前フレームにお
ける各特徴点の近傍について、次フレームでの対応点を
探索すれば良い。これが(2)の処理になる。そして、
特徴点の間に挟まれた点列について、それぞれ対応づけ
をする。
るが、画像処理誤差などから必ずしも実際には一致しな
い。このため、ほぼ平均的に割り当てるなどの方法を用
いることが好適である。
の点のフレーム間対応関係に基づき、それぞれのフレー
ム間での移動ベクトルを計算する。そして、点のグルー
ピングを行う。具体的には隣接点において移動ベクトル
が同じ方向であり、かつ大きさがほぼ等しいものについ
ては同じグループであるとする。そして、さらに同じグ
ループのものは剛体運動となるという制約を満たすかど
うかの判定を行う。これは、例えば、腕を曲げるという
動きをした場合において、下腕と上腕とで各々の骨格に
属する点列は同じ剛体運動を行うが、別骨格のものは異
なる剛体運動をすることに相当する。したがって、グル
ープピングとは、点列を複数の剛体グループに分離する
と表現することもできる。最後に、これらグループ分け
された点列について、剛体運動パラメータ(並進と回
転)を決定する。
きデータを抽出することができる。
2における骨格データベースに登録される。得られた骨
格データと動きデータは、CGなどで生成された類似骨
格を持つ別のデータに適用し、同様の動きをつけること
ができるため、極めて有用となる。
骨格と動きデータを読み出し、分離された形状データを
他の対象物についての形状データに置き換えて合成する
ことで、コンピュータ上で任意の形状を有する対象物に
同じような動きをさせることも可能となる。すなわち、
骨格と動きデータをΦ、形状データをΨとした場合、元
の動立体モデルはΦ+Ψであるが、Ψの代わりに予め三
次元形状データベースに登録されている他の対象物につ
いての三次元形状データΩを用いてΦ+Ωを生成するこ
とで、Ωの形状にΦの動きをさせることができる。
法について述べたが、あるフレームにおいて、手動で骨
格を割り当て、以後、これを基本に骨格の動きを追跡し
て動きデータを得ても良い。
対象物体の表面色彩に影響されることなく、高精度に対
象物の動立体モデル(三次元動画像データ)を取得する
ことができる。
る。
ュータ、20 出力装置。
Claims (18)
- 【請求項1】 三次元物体の三次元形状データ及び色彩
データ並びに動きデータを生成する動立体モデル生成装
置であって、 動きのある前記三次元物体に対してパタン光を照射する
照射手段と、 前記三次元物体から反射した前記パタン光を順次受光す
ることにより前記三次元形状データ及び動きデータを取
得するパタン光受光手段と、 前記三次元物体を撮影することにより前記色彩データを
取得する撮影手段と、 同時刻に取得された前記三次元形状データと前記色彩デ
ータとを合成する処理手段と、 を有し、前記パタン光は、前記撮影手段の感度波長以外
の波長を有することを特徴とする動立体モデル生成装
置。 - 【請求項2】 請求項1記載の装置において、 前記パタン光は、ランダムパタン光であることを特徴と
する動立体モデル生成装置。 - 【請求項3】 請求項1、2のいずれかに記載の装置に
おいて、 前記パタン光は、近赤外波長であることを特徴とする動
立体モデル生成装置。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の装置に
おいて、さらに、 合成された前記三次元形状データから骨格データを生成
する手段と、 前記骨格データの動きから前記骨格データを複数の剛体
グループに区分する手段と、 前記剛体グループ毎に運動パラメータを算出する手段
と、 を有することを特徴とする動立体モデル生成装置。 - 【請求項5】 請求項4記載の装置において、 前記三次元形状データであるボクセルデータは連続した
時間にわたって取得され、前記骨格データを生成する手
段は、ある時刻に取得された前記ボクセルデータの細線
化処理を少なくとも複数時刻にわたって実行することに
より前記骨格データを生成することを特徴とする動立体
モデル生成装置。 - 【請求項6】 請求項4記載の装置において、 前記剛体グループに区分する手段は、前記骨格データの
動きの方向及び大きさが略同一である骨格要素を同一剛
体グループに属するとして区分することを特徴とする動
立体モデル生成装置。 - 【請求項7】 請求項4記載の装置において、 前記剛体グループに区分する手段は、前記骨格データの
動きの方向及び大きさを前記細線化処理後の一部の連続
したボクセル座標の1次関数として記述し、この1次関
数記述との誤差が一定値以下となる連続したボクセルを
同一剛体グループに属するとして区分することを特徴と
する動立体モデル生成装置。 - 【請求項8】 請求項4〜7のいずれかに記載の装置に
おいて、さらに、 前記骨格データ及び剛体グループ毎の運動パラメータを
前記三次元形状データ及び色彩データとは別に記憶する
手段と、 を有することを特徴とする動立体モデル生成装置。 - 【請求項9】 請求項8記載の装置において、 前記骨格データ及び剛体グループ毎の運動パラメータ
と、異なる対象物について得られた前記三次元形状デー
タ及び色彩データとを合成する手段と、 を有することを特徴とする動立体モデル生成装置。 - 【請求項10】 三次元物体の三次元形状データ及び色
彩データ並びに動きデータを生成する動立体モデル生成
方法であって、 動きのある前記三次元物体に対してパタン光を照射する
ステップと、 前記三次元物体から反射した前記パタン光を順次受光す
ることにより前記三次元形状データ及び動きデータを取
得するステップと、 前記三次元物体を撮影することにより前記色彩データを
取得するステップと、 同時刻に取得された前記三次元形状データと前記色彩デ
ータとを合成するステップと、 を有し、前記パタン光は可視光波長以外の波長を有する
ことを特徴とする動立体モデル作成方法。 - 【請求項11】 請求項10記載の方法において、 前記パタン光は、ランダムパタン光であることを特徴と
する動立体モデル作成方法。 - 【請求項12】 請求項10、11のいずれかに記載の
方法において、 前記パタン光は、近赤外波長であることを特徴とする動
立体モデル作成方法。 - 【請求項13】 請求項10〜12のいずれかに記載の
方法において、さらに、 合成された前記三次元形状データから骨格データを生成
するステップと、 前記骨格データの動きから前記骨格データを複数の剛体
部分に区分するステップと、 前記剛体部分毎に運動パラメータを算出するステップ
と、 を有することを特徴とする動立体モデル生成方法。 - 【請求項14】 請求項13記載の方法において、 前記三次元形状データであるボクセルデータは連続した
時間にわたって取得され、前記骨格データを生成するス
テップは、ある時刻に取得された前記ボクセルデータを
少なくとも複数時刻にわたって細線化するステップを含
むことを特徴とする動立体モデル生成方法。 - 【請求項15】 請求項13記載の方法において、 前記剛体部分に区分するステップでは、前記骨格データ
の動きの方向及び大きさに基づき区分することを特徴と
する動立体モデル生成方法。 - 【請求項16】 請求項13記載の方法において、 前記剛体部分に区分するステップでは、前記骨格データ
の動きの方向及び大きさを前記細線化処理後の一部の連
続したボクセル座標の1次関数として記述し、この1次
関数記述との誤差が一定値以下となる連続したボクセル
を同一剛体グループに属するとして区分することを特徴
とする動立体モデル生成方法。 - 【請求項17】 請求項13〜16のいずれかに記載の
方法において、さらに、 前記骨格データ及び剛体部分毎の運動パラメータを前記
三次元形状データ及び色彩データとは分離してコンピュ
ータのメモリに記憶するステップと、 を有することを特徴とする動立体モデル生成方法。 - 【請求項18】 請求項17記載の方法において、さら
に、 前記骨格データ及び剛体部分毎の運動パラメータと、予
め前記メモリに記憶された異なる対象物について得られ
た前記三次元形状データ及び色彩データとを合成するス
テップと、 を有することを特徴とする動立体モデル生成方法。
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