JP2014102246A - 位置姿勢検出システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロレンズアレイを用いたマーカと、マーカを撮影するカメラと、計算機とを備える位置姿勢検出システムであって、マーカは、マイクロレンズアレイとこのマイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによってモアレパターンを生じるように構成されたレンズエリアと、4つの基準点とを備える。4つの基準点に基づいてマーカの位置姿勢を判定し、モアレパターンを解析して、モアレパターンによってレンズエリアに出現する統合マークの中心とマーカの観測点とを結ぶ直線がマーカに対して成す角度を算出し、算出された角度を用いてマーカの位置姿勢を修正する位置姿勢検出システム。
【選択図】図8
Description
(ArrayMarkのデザイン)
図1は、本実施形態に係る位置姿勢検出システムに用いられるARマーカであるArrayMarkの一例を示す。図1に示されるArrayMark100は、正方形の板状のマーカである。また、ArrayMark100の外枠(フレーム)の正方形の一辺の長さは15mmである。ArrayMarkのデザインの一例を図2に示す。図2に示されるArrayMarkは、画像変換と初期の位置・姿勢推定を行うための4つの基準点(Reference points)120a、120b、120c、120dを備える。また、マーカ100の向きを識別するため、1つの基準点(本例では基準点120a)は他の3つ(本例では基準点120b、120c、120d)より小さくなっている。マーカ100は、その中央に、二次元のモアレパターンが表示される円形のレンズエリア110を備える。マーカを識別するためのIDは、例えば、ArrayMark100の脇に何らかのパターンを導入すること等で実装可能である。
図3にレンズエリア110の構造を示す。多くの“+”記号111がマイクロレンズアレイ112の裏面に印刷されている。図4はマイクロレンズアレイ112を構成する各レンズと+記号111の位置関係を示す図である。+記号111の配列はマイクロレンズアレイ112の配列と相似であるが、本実施形態に係るArrayMarkでは、一例として、マイクロレンズアレイ112のレンズ配列のピッチよりも、+記号111の配列のピッチは少し小さくなっている。なお、マイクロレンズアレイ112のレンズ配列のピッチと+記号111の配列のピッチの大小関係が逆の場合は、レンズエリア110に出現する+マーク(後述)の移動する向きが逆になるが、これは本質的な問題ではない。つまり、+記号111の配列のピッチのほうがマイクロレンズアレイ112のそれより少し大きくなるようになっていても良い。
まず、本実施形態に係るArrayMarkの挙動について説明する。図6に視線角度に応じてレンズエリア110に出現する+マーク115の見た目の動きの様子を示す。図7はパターン変化の原理を示す概略図である。マイクロレンズアレイ112を構成する各レンズは、それぞれ、各レンズに対応する(小さい)+記号111について、+記号111の異なる部分を拡大する。ここで、マーカ100のレンズエリア110に現れる大きな+マーク115は、各レンズによって拡大された各+記号の各部分が統合されることで生成されるイメージである。これは、一次元モアレ効果の拡張である二次元のモアレ効果で生成される。これは3次元表示で用いられるintegral-imagingの技術(例えば、非特許文献4)と同じ機構をもつ。本実施形態に係る位置姿勢検出システムでは、この機構は、視線角度を求めるために使用される。(本明細書中、各レンズに対応する+記号111は“+記号”、複数の+記号111の各部分が拡大され、統合されてレンズエリア110に出現する大きい+マーク115を“+マーク”とそれぞれ呼称して区別する。)
本実施形態に係る位置姿勢検出システムでは下記の手順によってArrayMarkの位置・姿勢を推定する(図8参照)。
A) 4つの基準点120a、120b、120c、120dを用いて六自由度の位置・姿勢を計算する。
B) +マーク115の位置を検出する。
C) 視線角度を計算する。
D) 視線角度の情報を用いて三自由度の姿勢成分を修正する。
このフェーズは下記の手順で実行する。
1) カメラ200によって撮影されたマーカ100を含むマーカ画像150について、輪郭検出処理によりマーカ100の画像に該当する矩形領域を検出する。
2) 1)で検出された領域を囲む矩形領域151を設定する。
3) 2)で設定された矩形領域151を一定の大きさにリサイズする。
4) 3)でリサイズされた画像(矩形領域)を二値化し領域分割する。
5) 面積、幅、縦横比のフィルタによって画像中の4つの基準点120を検出する。
6) 検出された4つの基準点120を、それらの位置関係を用いてラベリングする。
7) 原画像中での各基準点の位置を計算する。
8) 7)で計算された4つの基準点の位置を用い、画像平面から実空間のマーカ100への同次変換行列を求める。
9) 6)でラベリングされた4つの基準点120が正方形の四隅にくるような透視変換を計算する。
10) 3)でリサイズされた画像を、9)の変換によってマーカ100を正面から見たときのような歪みのない画像に変換する。そのときの画像サイズは300pixel×300pixelになるようにする。
11) 10)の処理が実行された画像を二値化し、図8に示される画像マスク130によってマスク処理をし、白い画像に貼り付ける。
12) 10)の処理が実行された画像に、図8に示される画像マスク130によってマスク処理をし、黒い画像に貼り付ける。
13) 11)の処理が実行された画像を領域分割し、黒い部分の面積が最大の領域およびその重心を検出する。これを+マーク115の粗位置とする。
14) 12)の処理が実行された画像において+マーク115の粗位置の周りに64pixel×64pixelの探索領域を設定する。
15) 12)の処理が実行された画像において、図8に示されるサンプリング点集合(十字型)で輝度値のスキャンを行う。スキャンはサンプリング点集合の中心が14)で設定された探索領域の中にある範囲で行う。輝度vdは下記によって計算される。
vd=有効サンプリング点の輝度値の合計/有効サンプリング点の数
本明細書中においては、「視線」(Visual line)を、+マーク115の中心と観測視点(Viewpoint)を結ぶ直線と定義する(図9)。また、「視線角度」θvc,φvcは、図9に示されるように定義される。θvcは“π/2−仰角”、φvcは“方位角”に相当する。すなわち、「視線角度」は、モアレパターンによってレンズエリア110に出現するマークであって複数のマーク(+記号111)と相似形状のマーク(+マーク115)の中心と、マーカ100の観測点(例えば、カメラ200の撮影位置)とを結ぶ直線である視線が、マーカ100に対して成す角度と言うこともできる。また、図4に示すようなマイクロレンズ112と+パターン111の位置関係により、(θvc, φvc)の組は+マーク115の位置(xc, yc)と一対一に対応する。
上記A.で求められる六自由度のArrayMark100の位置・姿勢のうち、三自由度の姿勢成分を修正することでArrayMark100の六自由度の位置・姿勢が求められる。
(1) θvcとφvcから視線Lvcを求める。
PvrからPvcへの姿勢修正は、ある回転軸周りの角度ρの回転として表現できる。回転軸ベクトルa=(ax, ay, az)Tは、以下の式(7)で計算できる。
従来手法と比較しつつ、本実施形態に係る位置姿勢検出システムの性能を検証した。
図14は、本実施形態に係る位置姿勢検出システムの性能検証を行った際の測定環境を示す図である。まず、ArrayMarkの試験片を回転テーブルに乗せた。回転軸の方向はマーカ座標で (-1 1 0)T である。ビジョンセンサはUSB2.0 CMOSカメラのARTCAM-036SS-BW(ARTRAYCO., LTD.)である。画像解像度は752x480[pixel]であり、すべての計算処理はラップトップコンピュータ(CPU 64bit, 2.8GHz, RAM 8GB)によって行った。処理プログラムはC/C++言語で記述した。画像処理にはOpenCV2.3ライブラリを用いた。測定は通常のオフィス照明環境下で行った。
計算速度
一つのArrayMarkの位置姿勢推定は、上記にて説明したラップトップコンピュータで28[Hz]程度の速度で実行できた。
通常照明下で安定したマーカ認識を行うためには、画像上で約20[pixel]以上のマーカのサイズが必要であった。
ArrayMarkを±1[deg]ずつ回転させながら姿勢推定を行った。姿勢誤差は、マーカ座標の各軸ベクトルの真値と推定値との角度差の絶対値によって評価した。その標準偏差も測定し、誤差バーで表示した。比較のため、従来手法による姿勢推定も同時に行った。ArrayMarkの画像上でのサイズは92[pixel]であった(図15)。
視線角度がある値以上に大きくなると、+マーク115はレンズエリア113の外に出てしまう。本測定においては、+マーク115を検知可能な視線角度θvcの最大値は約10[deg]であった(ただし、この視線角度の値は一例であり、マーカ100の構造などによって異なる)。そこで、例えば、+マーク115の検知できる範囲では本発明の一実施形態に係るArrayMarkの位置姿勢検出方法で、それ以外では従来の位置姿勢検出方法で、というように姿勢推定の手法を視線角度に応じて切り替えるというアプローチを採用してもよい。
観測距離に対する本発明の一実施形態に係る姿勢推定の精度の変化を調べた。姿勢誤差はマーカ100の垂線ベクトルの真値と推定値との角度誤差で評価した。結果を図16に示す。これより、本発明の一実施形態に係る姿勢推定の精度は観測距離が長くなってもそれほど悪化しないことが分かる。
照明強度に対する本発明の一実施形態に係る姿勢推定の精度の変化を調べた。誤差評価の仕方は前節と同様である。結果を図17に示す。これより、本発明の一実施形態に係る姿勢推定の誤差は照明が暗くなってもそれほど悪化しないことが分かる。
図18および図19は、本実施形態に係る位置姿勢検出システムを利用したアプリケーションの具体例を示す図である。
上記説明したように、本実施形態に係る位置姿勢検出システムにおいては、従来とは異なる全く新しい原理により、マーカを正面付近から観測したときでも高精度かつ安定な姿勢推定が可能なARマーカ(ArrayMark)および、姿勢推定のための画像処理アルゴリズムが提供される。また、本実施形態に係るARマーカは、従来よりも精度の高いCGの重畳表示が必要なアプリケーション等で非常に有用である。
11 CPU
13 ROM
15 RAM
17 ハードディスク
19 ディスプレイインタフェース
21 ユーザ入力デバイス
23 ネットワークインタフェース
25 リムーバブルメディアインタフェース
27 プリンタインタフェース
100 マーカ
110 レンズエリア
111 +記号
112 マイクロレンズアレイ
113 センターレンズ
115 +マーク
120a、120b、120c、120d 基準点
200 カメラ
300 計算機
310 位置姿勢判定部
320 角度算出部
321 マーク位置判定部
330 位置姿勢修正部
410 交点判定部
420 表示部
500 スクリーン
1801 ポインタ
1802 破線(仮想的なレーザービーム)
1803 スクリーン
1804 カメラ
1901 移動体(自動車、移動ロボット等)
1902 カメラ
1903 マーカポスト
Claims (13)
- マイクロレンズアレイを用いたマーカと、前記マーカを撮影するカメラと、前記カメラが撮影した前記マーカの画像を含むマーカ画像を受信する計算機と、を備える位置姿勢検出システムであって、
前記マーカは、
前記マイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによって、モアレ(干渉縞)パターンを生じるように構成されたレンズエリアと、
4つの基準点と、
を備え、
前記計算機は、
前記マーカ画像に含まれる前記4つの基準点に基づいて、前記マーカの位置姿勢を判定する位置姿勢判定部と、
前記モアレパターンを解析して、前記モアレパターンによって前記レンズエリアに出現するマークであって前記複数のマークと相似形状のマークである統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す角度を算出する角度算出部と、
前記角度算出部において算出された前記角度を用いて、前記位置姿勢判定部において判定された前記マーカの前記位置姿勢を修正する位置姿勢修正部と、
を備えることを特徴とする位置姿勢検出システム。 - 前記位置姿勢判定部は、
前記マーカ画像中における前記マーカの画像を含む画像領域を拡大して前記4つの基準点の重心を算出した後、前記マーカの画像を含む画像領域を元のサイズにリサイズして、前記基準点の重心をサブピクセル精度で判定することにより、前記マーカ画像中における前記4つの基準点の位置を検出し、
検出された前記マーカ画像中における前記4つの基準点の位置を用いて前記マーカの前記位置姿勢を判定すること
を特徴とする請求項1に記載の位置姿勢検出システム。 - 前記マーカは正方形状であり、
前記角度算出部は、前記4つの基準点が正方形の4隅に位置し、かつ前記マーカに正対する方向から観察される外観と同一となるように、前記マーカの画像を変換することを特徴とする請求項1又は2に記載の位置姿勢検出システム。 - 前記角度算出部は、
前記マーカ画像中における前記マーカの前記レンズエリアの画像を含む画像領域を拡大して前記統合マークの位置を算出した後、前記レンズエリアの画像を含む画像領域を元のサイズにリサイズして、前記統合マークの位置をサブピクセル精度で判定するマーク位置判定部を有し、
前記マーク位置判定部で判定された前記統合マークの位置を用いて、前記角度を算出すること
を特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の位置姿勢検出システム。 - 前記マーク位置判定部は、前記レンズエリアの画像を二値化処理して領域分割した後の画像において黒色部分の面積が最大である領域の重心を前記統合マークの位置とすることを特徴とする請求項4に記載の位置姿勢検出システム。
- 前記統合マークは十字型であり、
前記マーク位置判定部は、複数のサンプリング点が十字型に並んだサンプリング点集合を用いて前記レンズエリアの画像内をスキャンし、各サンプリング点の計測値の合計が最大または最小であるサンプリング点の集合の中心位置を前記統合マークの位置とすることを特徴とする請求項4に記載の位置姿勢検出システム。 - 前記角度算出部は、前記複数のマークが配列された二次元平面上における前記統合マークの位置を所定の線形の変換式を用いて変換することによって前記角度を算出し、
前記位置姿勢修正部は、前記位置姿勢判定部において判定された前記マーカの前記位置姿勢から算出される点Pvrを、前記統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線上の点Pvcであって前記レンズエリアの中心からの距離が前記レンズエリアの中心と前記点Pvrとの距離と同一である点Pvcとするような回転行列を算出し、前記回転行列の逆行列を前記マーカの前記位置姿勢を示す行列に乗算することで前記マーカの前記位置姿勢を修正すること
を特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の位置姿勢検出システム。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の位置姿勢検出システムと、前記位置姿勢検出システムの前記マーカが付されたポインタによって指し示されるスクリーンと、を備えるポインタシステムであって、
前記位置姿勢修正部によって修正された前記マーカの前記位置姿勢に基づいて、前記マーカの垂線と前記スクリーンとの交点を判定する交点判定部と、
前記交点を前記スクリーン上に表示する表示部と、
を備えるポインタシステム。 - マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによってモアレ(干渉縞)パターンを生じるように構成されたレンズエリアと4つの基準点とを備えるマーカと、前記マーカを撮影するカメラと、前記カメラが撮影した前記マーカの画像を含むマーカ画像を受信する計算機と、を備える位置姿勢検出システムが実行する方法であって、
前記計算機が、前記マーカ画像に含まれる前記4つの基準点に基づいて、前記マーカの位置姿勢を判定するステップと、
前記計算機が、前記モアレパターンを解析して、前記モアレパターンによって前記レンズエリアに出現するマークであって前記複数のマークと相似形状のマークである統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す角度を算出するステップと、
前記計算機が、算出された前記角度を用いて、前記マーカの前記位置姿勢を修正するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによってモアレ(干渉縞)パターンを生じるように構成されたレンズエリアと4つの基準点とを備えるマーカが付されたポインタと、前記マーカを撮影するカメラと、前記カメラが撮影した前記マーカの画像を含むマーカ画像を受信する一または複数の計算機と、前記ポインタによって指し示されるスクリーンと、を備えるポインタシステムが実行する方法であって、
前記一または複数の計算機が、前記マーカ画像に含まれる前記4つの基準点に基づいて、前記マーカの位置姿勢を判定するステップと、
前記一または複数の計算機が、前記モアレパターンを解析して、前記モアレパターンによって前記レンズエリアに出現するマークであって前記複数のマークと相似形状のマークである統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す角度を算出するステップと、
前記一または複数の計算機が、算出された前記角度を用いて、前記マーカの前記位置姿勢を修正するステップと、
前記一または複数の計算機が、修正された前記マーカの前記位置姿勢に基づいて、前記マーカの垂線と前記スクリーンとの交点を判定するステップと、
前記一または複数の計算機が、前記交点を前記スクリーン上に表示するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによってモアレ(干渉縞)パターンを生じるように構成されたレンズエリアと4つの基準点とを備えるマーカと、前記マーカを撮影するカメラと、前記カメラが撮影した前記マーカの画像を含むマーカ画像を受信する計算機と、を備えるコンピュータシステムに位置姿勢検出処理を実行させるためのプログラムであって、前記コンピュータシステムに、
前記計算機が、前記マーカ画像に含まれる前記4つの基準点に基づいて、前記マーカの位置姿勢を判定するステップと、
前記計算機が、前記モアレパターンを解析して、前記モアレパターンによって前記レンズエリアに出現するマークであって前記複数のマークと相似形状のマークである統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す角度を算出するステップと、
前記計算機が、算出された前記角度を用いて、前記マーカの前記位置姿勢を修正するステップと、
を実行させるためのプログラム。 - マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイを構成する複数のレンズ間のピッチと相似に複数のマークが配列されたマーク列とによってモアレ(干渉縞)パターンを生じるように構成されたレンズエリアと4つの基準点とを備えるマーカが付されたポインタと、前記マーカを撮影するカメラと、前記カメラが撮影した前記マーカの画像を含むマーカ画像を受信する一または複数の計算機と、前記ポインタによって指し示されるスクリーンと、を備えるコンピュータシステムに仮想的レーザポインティング処理を実行させるためのプログラムであって、前記コンピュータシステムに、
前記一または複数の計算機が、前記マーカ画像に含まれる前記4つの基準点に基づいて、前記マーカの位置姿勢を判定するステップと、
前記一または複数の計算機が、前記モアレパターンを解析して、前記モアレパターンによって前記レンズエリアに出現するマークであって前記複数のマークと相似形状のマークである統合マークの中心と前記マーカの観測点とを結ぶ直線が前記マーカに対して成す角度を算出するステップと、
前記一または複数の計算機が、算出された前記角度を用いて、前記マーカの前記位置姿勢を修正するステップと、
前記一または複数の計算機が、修正された前記マーカの前記位置姿勢に基づいて、前記マーカの垂線と前記スクリーンとの交点を判定するステップと、
前記一または複数の計算機が、前記交点を前記スクリーン上に表示するステップと、
を実行させるためのプログラム。 - 請求項11または12に記載のプログラムを記憶するプログラム記憶媒体。
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