JP2011257609A - 光学投影制御方法、光学投影制御装置、光学投影制御システムおよびプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するステップと、スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で予め撮影しておいた背景画像データと撮影画像データとの光量の差に応じた差分画像データを作成するステップと、差分画像データに基づき、プロジェクタから照射される光学像の光量に対して、スクリーン上に投影されている投影像の光量が変化したプロジェクタを投影像が遮断されているプロジェクタであると判断するステップと、を備えることを特徴とする
【選択図】図1
Description
この非特許文献1に記載されている技術は、複数台のプロジェクタを用いて1台分の照度になるように重畳投影しておき、カメラで観測された影領域だけ全プロジェクタの照度を上げ、明るさを補填することで影を除去するものである。この手法では、少なくとも1台のプロジェクタの光が当たっている領域においては、影を除去することが可能である。
特に3台以上のプロジェクタを扱う場合、複数のプロジェクタから生じた影がオーバーラップした部分についてのプロジェクタ投影光の遮蔽判断に関しては検討されておらず、上記非特許文献2のように1台ずつプロジェクタを切り替えても、影がオーバーラップしている領域については、どのプロジェクタの光が遮蔽されているかを判定することができない問題があった。
これにより、各プロジェクタに対して、スクリーン上の影を除去しつつ、スクリーンとプロジェクタの間の物体への光の照射を抑える制御を迅速にできない問題があった。
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る光学投影制御システムの一例を示す概略図である。
図1に示す通り、光学投影制御システムは、光学投影制御装置100と、カメラ1000と、複数のプロジェクタ1010と、スクリーン1090を含む。
本実施形態において複数のプロジェクタ1011、1012、・・・、101Nは、それぞれ同一の画像データに基づく光学像を照射するとともに、スクリーン1090上の光学像の輝度(つまりプロジェクタ1010が投影する投影像の照度)が光学投影制御装置100によって制御された画像データに基づき投影する。
図2に示す通り、事前校正部1080は、キャリブレーション処理部181と、アルファマスク初期化処理部182と、重畳投影処理部183と、背景画像作成処理部184を含む。
この事前校正部1080は、以下に説明する通り、平面射影変換行列データと、背景画像データと、事前変形させたコンテンツ映像の生成、および保持しているデータの出力を行う。
ここでは、対象の扱いを簡単にするため、プロジェクタ1010とカメラ1000の投影幾何がピンホールカメラモデルであって、且つ、スクリーン1090は平面であると仮定する。プロジェクタ1010から投影されるパターンの例として、カメラ1000で観測可能な程度の点(以下、参照点)を用いる。なお、参照点は、各プロジェクタ1011、1012、・・・、101Nから、それぞれ出力される。
ここで、アルファ値αとは、画像データの各画素に設定される透過度情報のことであり、無色透明から、背景の色を全く透過しない不透明まで設定することができる。また、1枚の画像中における全画素のアルファ値αをアルファマスクと呼ぶ。さらに、説明の便宜上、ここではアルファ値αは[0,1]の値を取るものとする。
ここでは、N台のプロジェクタ1011、1012、・・・、101Nを用いて、スクリーン面上においてプロジェクタ1台分の照度になるよう各プロジェクタ1011、1012、・・・、101Nから照射される光学像の照度を調整して、各光学像を重ね合わせて投影する。よって、各プロジェクタに出力されるアルファマスクは、次に示す式(5)の条件を満たす。
この重畳投影処理部183は、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、事前変形させたアルファマスク初期化処理で初期化したアルファマスクデータD15を、各プロジェクタ1011、1012、・・・、101Nが投影可能なデータ形式へ変換し、そのデータを各プロジェクタ1011、1012、・・・、101Nへ出力する。言い換えると、重畳投影処理部183は、コンテンツ映像記憶部1070から読み出した投影用のコンテンツ映像データD10を平面射影変換行列データD14(Hcp,Hsc,Hsp,)を用いて事前変形させ、この事前変形させたコンテンツ映像データD16と事前変形させたアルファマスクデータD15を、重畳投影部1060に出力する。
スクリーン1090とプロジェクタ1010間の平面射影変換Hspが得られているので、重畳投影処理部183は、スクリーン上の任意の目標点Pj (m)へ投影させるため、プロジェクタ面上の2次元座標Pj (r)=(xj (r),yj (r))として、次に示す式(6)を算出する。つまり、重畳投影処理部183は、キャリブレーション処理部181から入力する平面射影変換行列データD14(Hcp,Hsc,Hsp,)に基づき、式(6)に従って、目標点Pj (m)へ投影させるためのプロジェクタ面上の2次元座標Pj (r)=(xj (r),yj (r))を算出する。
この差分画像データD13を、以下の式(7)にΔt(u,v)として示す。
一般的に、スクリーン1090とプロジェクタ1010の間に物体Oがある場合、プロジェクタの台数と同じ数の影がスクリーン1090上に生じる。特にスクリーン1090と物体Oが近い位置にある場合、複数のプロジェクタ1011,1012,1013の遮蔽から生じた影が重複する。なお、スクリーン1090上に少なくとも1台のプロジェクタから光が当たっているものとする。
但し、全てのプロジェクタ1011,1012,1013の影が重なり、スクリーン1090上に光が当たっていない領域の影は、原理上除去することができないため、本発明では処理対象外とする。
ここで、各プロジェクタ1011,1012,1013の照度を、それぞれα(i)(u,v) {i=1,2,3}としたとき、スクリーン1090上の照度(輝度)は、各プロジェクタ1011,1012,1013のアルファ値の合計で与えられるため、プロジェクタの遮蔽による図3(b)における各領域の照度の減少量L(u,v)を、下に示す式(8)とする。
なお、非特許文献3は、D. Comaniciu and P. Meer: “Mean shift analysis and applications”, Proc. of InternationalConference on Computer Vision (ICCV), vol.2, pp.1197-1203 (1999)である。
また、遮蔽光源推定部1040による領域分割処理には、Meanshift(非特許文献3)を用いた処理のほか、watershedアルゴリズムやグラフカットによるセグメンテーションなどを用いてもよい。
ここでは、照度制御部1050が、時刻tにおけるi番目のプロジェクタのアルファマスクデータを、αt (i)(u,v) {i=1,2,・・・,N}としたとき、時刻t+1におけるアルファマスクデータは、αt+1 (i)(u,v) {i=1,2,・・・,N}と、次の式(14)により算出され、更新する。
なお、フィードバックループのパラメータσは、更新量の大きさを調整するための係数である。σの値が大きくなるにつれ更新量も大きくなるため、α(t+1)の値は大きく変動しながら目的の値に近づくが、更新回数は少なくて済む。
一方、σの値が小さくなると更新量が小さくなるため、少しずつ変化しながら目的の値にゆっくりと近づいていく。このため、α(t+1)が収束するまでには時間がかかる。例えば、初期(t=0)のとき、α1=0.2、α2=0.3、α3=0.4の状態から開始した時では、σ=0.4程度の値が適当である。
この照度制御部1050は、得られた事前変形された後のアルファマスクデータを、重畳投影部1060へ出力し、事前変形される前のアルファマスクデータは次の更新時に使用するため保存しておく。上記の更新処理を影除去処理および照射光抑制処理を継続する間、繰り返す。
上述の通り、差分画像作成部1030が差分画像データD13を作成し、遮蔽光源推定部1040が遮蔽マップD18を作成し、照度制御部1050が事前変形済みアルファマスクデータD19を作成して、この事前変形済みアルファマスクデータD19をプロジェクタ1010に出力することで、光学像と投影像の照度が異なるとして検出されたプロジェクタとは異なるプロジェクタに対して、光学像と投影像の照度の差分を補正したコンテンツデータを作成してプロジェクタに出力することができる。
光学投影制御装置100は、コンテンツ映像記憶部1070から読み出したコンテンツ映像データD10に基づき、事前変形させたアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、事前変形済みアルファマスクデータD19とを作成して、プロジェクタが投影可能なデータ形式へ変換し、このデータを対応するプロジェクタ1011、1012、・・・101Nのそれぞれに出力する。各プロジェクタ1011、1012、・・・101Nは、入力するコンテンツ映像データD10に基づき、コンテンツ映像の投影像をスクリーン1090に投影する。この投影像が投影されているスクリーン1090を、カメラ1000が撮影して、撮影画像データD11を光学投影制御装置100の画像入力部1020に出力する。
そして、事前校正部1080は、この撮影画像データD11およびコンテンツ映像記憶部1070から読み出すコンテンツ映像データD10に基づき、事前校正処理、すなわち、キャリブレーション処理、アルファマスク初期化処理、重畳投影処理、および背景画像作成処理を行う(ステップST2010)。事前校正部1080は、これにより、平面射影変換行列データD14と、事前変形させたアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、背景画像データD17を生成するとともに、保持しているデータの出力を行う。なお、具体的な事前校正部1080における処理については、図5を参照して詳細に説明する。
そして、キャリブレーション処理部181は、平面射影変換行列データD14を、照度制御部1050、重畳投影処理部183、および背景画像作成部184に出力するとともに、画像入力部1020から入力する撮影画像データD11をアルファマスク初期化処理部182に出力する。
つまり、遮蔽物により生じるスクリーン上の影がどのプロジェクタからの投影光によるものかを推定し、推定結果から全プロジェクタの投影光を制御することで、スクリーン上の影を除去し、遮蔽物に当たる投影光を抑制することができる。
言い換えると、遮蔽物により生じるスクリーン上の影がどのプロジェクタからの投影光によるものかを推定し、遮蔽物に投影光が当たっていると推定されたプロジェクタの投影光を抑えることで、遮蔽物に当たる投影光を抑制し、投影光がスクリーンを照らしていると推定されたプロジェクタの投影光量を上げることでスクリーン上の影を除去することができる。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、スクリーン全体を撮影した1枚の観測画像から、観測画像中で影が複数重なる状況下においてもプロジェクタごとの光の遮蔽領域を推定する方法を提供することにある。
また、遮蔽領域の推定結果に基づきプロジェクタごとに異なる照度制御フィードバック系を構成し、遮蔽領域の照度を変化させることで、影除去と物体への照射光抑制を同時に実現する方法を提供することにある。
次に、本発明に係る第2実施形態について説明する。図6は、本発明に係る第2実施形態の光学投影制御システムの一例を示す概略図である。
図7に示す通り、ホストPC401は、画像入力部4020と、事前校正部4100と、差分画像作成部4030と、コンテンツ映像記憶部4090と、遮蔽光源推定部4040と、情報送信部4070を有する。また、各レンダリング専用PC402は、照度制御部4050と、重畳投影部4060と、情報受信部4080と、記憶部4101を有している。なお、ここでは、レンダリング専用PC4021を例に説明するが、他のレンダリング専用PC4022,・・・,402Nも同様の構成と機能を有し、詳細な説明は省略する。
情報受信部4080は、各レンダリング専用PC402に対してホストPC401から送信された情報を受信し、差分画像データD13、平面射影変換行列データD14、アルファマスクデータD15、背景画像データD17および遮蔽マップD18を照度制御部4050に出力し、事前変形させたコンテンツ映像データD16を重畳投影部4060に出力する。
記憶部4101は、例えば、初期設定により、オフラインで事前にキャリブレーションされた初期値(例えば、事前変形させたアルファマスクデータD15、および事前変形させたコンテンツ映像データD16)を記憶する。この場合、各レンダリング専用PC402は、画像入力部402と事前校正部4100とコンテンツ映像記憶部4090に相当する構成をそれぞれ有しており、各プロジェクタ1011,1012,・・・101Nが投影する投影像をスクリーン1090上の同一位置に重ねるためのキャリブレーションを行い、事前変形させたアルファマスクデータD15、および事前変形させたコンテンツ映像データD16を得るものであってもよい。
ホストPC401とレンダリング専用PC402は、コンテンツ映像記憶部4090から読み出したコンテンツ映像データD10に基づき、事前変形させたアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、事前変形済みアルファマスクデータD19とを作成して、プロジェクタが投影可能なデータ形式へ変換し、このデータを対応するプロジェクタ1011、1012、・・・101Nのそれぞれに出力する。各プロジェクタ1011、1012、・・・101Nは、入力するコンテンツ映像データD10に基づき、コンテンツ映像の投影像をスクリーン1090に投影する。この投影像が投影されているスクリーン1090を、カメラ1000が撮影して、撮影画像データD11をホストPC401の画像入力部4020に出力する。
そして、事前校正部4100は、この撮影画像データD11およびコンテンツ映像記憶部4090から読み出したコンテンツ映像データD10に基づき、事前校正処理、すなわち、キャリブレーション処理、アルファマスク初期化処理、重畳投影処理、および背景画像作成処理を行う(ステップST5010)。
事前校正部4100は、これにより、平面射影変換行列データD14と、アルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、背景画像データD17を生成するとともに、保持しているデータの出力を行う。事前校正部4100は、背景画像データD17を差分画像作成部4030に、平面射影変換行列データD14と、アルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と、背景画像データD17を情報送信部4070へ出力する。
重畳投影部4060は、第1実施形態に記載の事前校正部1080における重畳投影処理部183による重畳投影処理と同様に、全プロジェクタ1010による各投影像をスクリーン1090上の同一位置に重ね合わせるように投影するため、照度制御部4050から伝送された事前変形させたコンテンツ映像データD16と、事前変形済みアルファマスクデータD19をプロジェクタが投影可能なデータ形式へ変換し、それらデータを各プロジェクタ1010へ出力する(ステップST5020)。
以上の処理を、影除去処理および照射光抑制処理を継続する間、繰り返す(ステップST5060)。
そして、ホストPC401の事前校正部4100のキャリブレーション処理部181は、平面射影変換行列データD14を、事前校正部4100の重畳投影処理部183と背景画像作成部184に出力するとともに、情報送信部4070を介してレンダリング専用PC4021に送信する。
また、事前校正部4100のキャリブレーション処理部181は、画像入力部4020から入力する撮影画像データD11を事前校正部4100のアルファマスク初期化処理部182に出力する。
次いで、事前校正部4100は、上述の通り得られた、平面射影変換行列データD14と、初期化したアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16と情報送信部4070に出力する。この情報送信部4070は、入力する平面射影変換行列データD14と、初期化したアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16とを、ネットワークNWを介してレンダリング専用PC4021に送信する(ステップST6040)。
レンダリング専用PC4021の情報受信部4080は、平面射影変換行列データD14と、初期化したアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16とを受信し、平面射影変換行列データD14と、初期化したアルファマスクデータD15とを照射制御部4050に出力し、事前変形させたコンテンツ映像データD16を重畳投影部4060に出力する(ステップST6050)。
そして、照度制御部4050は、情報受信部4080から入力する平面射影変換行列データD14と、初期化したアルファマスクデータD15と、事前変形させたコンテンツ映像データD16に基づき、事前変形済みアルファマスクデータD19とを作成して、重畳投影部4060に出力する。
重畳投影部4060は、全プロジェクタ1010による各投影像をスクリーン1090上の同一位置に重ね合わせるように投影するため、情報受信部4080から伝送された事前変形させたコンテンツ映像データD16と、照度制御部4050から伝送された事前変形済みアルファマスクデータD19をプロジェクタが投影可能なデータ形式へ変換し、それらデータを各プロジェクタ1010へ出力する(ステップST6060)。
次に、本発明に係る第3実施形態について説明する。
上述の第1実施形態は、プロジェクタ間の照度差を用いて、スクリーン1090上の影領域がどのプロジェクタが遮蔽されたことにより生じたかを推定するものである。これに対して、本実施形態は、プロジェクタからの投影像に対して色の差をつけることで、色の直行性に基づいてプロジェクタ1010の遮蔽と影領域とを関係づける点で異なる。以降は、プロジェクタ投影像の色を操作する処理を含む部分についてのみ説明する。なお、ハードウェア資源としては、第1実施形態で説明した光学投影制御装置100が利用可能であり、当該光学投影制御装置100を用いて本実施形態を実行する例について、以下説明する。
例えば、各プロジェクタ1011,1012,1013は、異なる色の映像(投影像)を投影しているため、プロジェクタの光がさえぎられると、図3(b)のスクリーン1090上の各影領域にごとに異なる色の影が生じる。
差分画像生成部1030から出力された差分画像データΔt(u,v)の赤、緑、青の画素値をそれぞれ、ΔRt(u,v)、ΔGt(u,v)、ΔBt(u,v)としたとき、遮蔽光源推定部1040は、差分画像データD13の各色の変化量から、次式にあるように図3(b)の各影領域A〜Fを判定することができる。
なお、非特許文献4は、K. Fujii, M.D.Grossberg, and S.K.Nayar: “A Projector-Camera System with Real-Time PhotometricAdaptation for Dynamic Environments“, Proc. of Computer Vision and PatternRecognition (CVPR), vol. 1, pp.814-821 (2005)である。
Claims (8)
- 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御方法において、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するステップと、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた背景画像データと、前記撮影画像データとの、光量の差に応じた差分画像データを作成するステップと、
当該差分画像データに基づき、前記プロジェクタから照射される光学像の光量に対して、前記スクリーン上に投影されている投影像の光量が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断するステップと、
を備えることを特徴とする光学投影制御方法。 - 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御方法において、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が各プロジェクタに割り当てられたそれぞれ異なる色で投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するステップと、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた背景画像データと、前記撮影画像データとの、色の差に応じた差分画像データを作成するステップと、
当該差分画像データに基づき、前記スクリーン上に投影されている投影像における各色の変化量を算出して、各プロジェクタに対応する色が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断するステップと、
を備えることを特徴とする光学投影制御方法。 - 前記光学像と投影像の照度が異なるとして検出されたプロジェクタとは異なるプロジェクタに対して、前記光学像と投影像の照度の差分を補正したコンテンツデータを作成して当該プロジェクタに出力するステップとを備えることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の光学投影制御方法。
- 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御装置において、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するカメラから前記撮影画像データを入力する画像入力部と、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた遮蔽なし撮像画像データと、前記撮影画像データとの、光量の差に応じた差分画像データを作成する差分画像作成部と、
当該差分画像データに基づき、前記プロジェクタから照射される光学像の光量に対して、前記スクリーン上に投影されている投影像の光量が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断する遮蔽光源推定部を備える光学投影制御装置と
を備えることを特徴とする光学投影制御装置。 - 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御装置において、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が各プロジェクタに割り当てられたそれぞれ異なる色で投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するカメラから前記撮影画像データを入力する画像入力部と、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた背景画像データと、前記撮影画像データとの、色の差に応じた差分画像データを作成する差分画像作成部と、
当該差分画像データに基づき、前記スクリーン上に投影されている投影像における各色の変化量を算出して、各プロジェクタに対応する色が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断する遮蔽光源推定部と、
を備えることを特徴とする光学投影制御装置。 - 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御システムにおいて、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するカメラと、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた背景画像データと、前記撮影画像データとの、光量の差に応じた差分画像データを作成する差分画像作成部と、当該差分画像データに基づき、前記プロジェクタから照射される光学像の光量に対して、前記スクリーン上に投影されている投影像の光量が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断する遮蔽光源推定部とを備える光学投影制御装置と
を備えることを特徴とする光学投影制御システム。 - 複数のプロジェクタからの光学像をスクリーン上に重ねて投影する光学投影制御システムにおいて、
前記複数のプロジェクタによってコンテンツデータに基づく光学像が各プロジェクタに割り当てられたそれぞれ異なる色で投影されているスクリーンを撮影して撮影画像データを取得するカメラと、
前記スクリーンとプロジェクタとの間に遮蔽物が存在しない状態で前記コンテンツデータに基づく光学像をスクリーンに投影して予め撮影しておいた背景画像データと、前記撮影画像データとの、色の差に応じた差分画像データを作成する差分画像作成部と、当該差分画像データに基づき、前記スクリーン上に投影されている投影像における各色の変化量を算出して、各プロジェクタに対応する色が変化した前記プロジェクタを、投影像の少なくとも一部が遮断されているプロジェクタであると判断する遮蔽光源推定部とを備える光学投影制御装置と、
を備えることを特徴とする光学投影制御システム。 - コンピュータを、請求項1〜3のいずれか一項に記載の各工程を実行させるためのプログラム。
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