JP2017129567A - 情報処理装置、情報処理方法、プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮像装置100によって撮像された画像を取得する画像取得手段1010と、画像から第一の特徴を検出する第一の検出手段1020と、第一の検出手段とは異なる方法により、画像から第一の特徴と異なる第二の特徴とを検出する第二の検出手段1040と、画像から検出された第一の特徴に基づいて、撮像装置の位置姿勢を第一の位置姿勢として導出する第一の位置姿勢導出手段1030と、画像から検出された第二の特徴に基づいて、撮像装置の位置姿勢を第二の位置姿勢として導出する第二の位置姿勢導出手段1050と、第一の位置姿勢と第二の位置姿勢とに基づいて、撮像装置の位置姿勢を決定する決定手段1060とを備える。
【選択図】図1
Description
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
以上の処理により、特徴点(画像内で輝度勾配を有する画素(点))の画像座標とその画素(点)のもつ輝度値を求める。特徴点としては室内を撮影した画像であれば、その室内に存在するテーブルや椅子、等の物体の線分となる画素や床のテクスチャを示す画素など様々なものが検出される。また、屋外で撮影した画像であれば、ビルの窓や看板やその看板に含まれる文字の線分となる画素等が特徴点として検出される。
本実施形態ではレンズ歪みは存在しないか、もしくは補正されていると仮定し、カメラはピンホールカメラであると想定している。式(2)は、図5に示すように、空間中の点と、該点の画像上の投影点とカメラ位置(視点)は同一直線上に存在することを示しており、共線条件式とも呼ばれる。
ω(回転角ra、回転軸ベクトルr)と3×3回転変換行列Rとの関係は式(5)のように表される。
理想的には、t、ω、xwをもとに式(7)から計算される投影位置(計算位置)と実際に観察される位置(観察位置)は一致する。そのため、計算位置と観察位置の画像の水平方向のずれをF、垂直方向のずれをG、観察位置をvo=[voxvoy]tとした場合、式(8)に示すようにF、Gは0となる。
F、Gはカメラ位置t、カメラ姿勢ω、観察対象である基準座標上での点の位置xwに関する関数である。観察対象が特徴点である場合には、式(9)に示すように、F、Gはカメラ位置t、カメラ姿勢ω、特徴点の基準座標系における位置xwに関する関数となる。
G(tx,ty,tz,ωx,ωy,ωz,xw,yw,zw)=0・・・(式9)
式(10)は式(9)を線形化したものである。Δtx、Δty、Δtzはカメラの位置、Δωx、Δωy、Δωzはカメラの姿勢の近似値に対する補正量を表す。
ここで、式(10)のF0、G0は、式(8)のF、Gにカメラ位置及び姿勢、特徴点の位置を代入したときの投影位置の計算位置と観察位置voとの差である。式(10)は、ある画像上で観察される一個の特徴点についての観測方程式である。
そのため、式(12)に示すように、F、Gも、カメラ位置t、カメラ姿勢ω、四角形指標の位置tm及び四角形指標の姿勢ωmの関数となる。
F(tx,ty,tz,ωx,ωy,ωz,tmx,tmy,tmz,ωmx,ωmy,ωmz)=0
G(tx,ty,tz,ωx,ωy,ωz,tmx,tmy,tmz,ωmx,ωmy,ωmz)=0
・・・式(12)
式(12)はカメラの位置及び姿勢、四角形指標の位置及び姿勢について非線形な方程式となっている。そこで、1次の項までのテイラー展開を用いてカメラの位置及び姿勢、四角形指標の位置及び姿勢の近似値の近傍で線形化し、繰返し計算によってカメラの位置及び姿勢、指標の位置及び姿勢を求める。
未知数が、カメラの位置及び姿勢の6個のパラメータであるので、ヤコビ行列Jの行数は、観測方程式の数2×(4×DJ)個である。ヤコビ行列Jの列数は6個である。Δはすべての補正値をベクトルで表しており、補正値ベクトルと呼ぶ。補正値ベクトルの要素数は未知数の数6個である。Eはすべての誤差をならべてベクトルで表しており、誤差ベクトルと呼び、近似値による投影位置の計算位置と観察位置の差−F0、−G0を要素として持つ。Eの要素数は、観測方程式の数2×(4×DJ)個である。
誤差ベクトルEが予め定めた閾値より小さいかどうか、あるいは、補正値Δが予め定めた閾値より小さいかどうかといった判断基準を用いて、計算が収束しているか否かの判定を行う。収束している場合には、その時点での状態ベクトルを用いて、複数の四角形指標の位置及び姿勢を決定する。収束していない場合には、収束するまで繰り返し補正値を求める。このとき、補正された補正後の状態ベクトルtが、次のt0として使用される。
第1の実施形態では、第一の位置姿勢または第二の位置姿勢の推定において、カメラの位置及び姿勢の近似値を、位置が既知の特徴に基づいて求めていた。しかし、近似値の推定は、これに限るものではない。位置姿勢出力判定部1060が出力判定したカメラの位置姿勢を、不図示の概略値設定部が、出力判定されなかったカメラの位置姿勢の概略値(繰り返し計算における初期値)として以降の位置姿勢導出処理のために設定してもよい。次フレーム(以降のフレーム)の第一のカメラ位置姿勢推定または第二の位置姿勢推定において、不図示の概略値設定部が設定した概略値に基づいてカメラの位置姿勢推定を行ってもよい。
第1の実施形態では、第一の特徴に基づいて推定する第一のカメラ位置姿勢、または第二の特徴に基づいて推定する第二の位置姿勢のどちらか一方を出力していた。しかし、第一の位置姿勢も第二の位置姿勢も両方推定ができている場合、位置姿勢出力判定部1060は、両方を出力すると判定してもよい。両方のカメラ位置姿勢を出力するように判定するかどうかは、不図示のUIでユーザが設定してもよいし、システムに予め設定情報を組み込んでおいてもよい。位置姿勢出力判定部1060が、第一と第二のカメラ位置姿勢を両方出力するように判定した場合には、カメラ位置姿勢出力部1070に第一のカメラ位置姿勢と第二のカメラ位置姿勢が出力される。
第1及び第2の実施形態では、第一または第二の位置姿勢推定が、失敗しているかどうか、または第一または第二のカメラ位置の差が閾値以上であるかどうかによって、どちらかの位置姿勢を出力するように判定していた。または、予め、両方の位置姿勢を出力するように設定していた場合、第一または第二の位置姿勢を両方出力し、合成した第三の位置姿勢を用いてCGを描画していた。しかし、第一の位置姿勢または、第二の位置姿勢、または第一と第二の位置姿勢の両方を出力する判定は、これに限るものではない。第一の位置姿勢または、第二の位置姿勢の安定度に基づいて出力する位置姿勢を判定してもよい。
第1〜第3の実施形態では、時系列で取得した画像における、ある時刻tにおけるカメラの位置姿勢を推定する説明を行っていたが、カメラの位置姿勢推定に基づいて求めるのであればこれに限るものではない。
上記第1〜第4の各実施形態の構成はそれぞれ単独で実施される必要はなく、それぞれの実施形態の構成を組み合わせてもよい。
上記第1〜第4の各実施形態ではヘッドマウントディスプレイに接続された情報処理装置1000を説明した。しかしながら、本発明はこの形態に限られない。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ自体に情報処理装置1000の各機能を備えていてもよい。
上記第1〜第4の各実施形態ではビデオシースルー型のヘッドマウントディスプレイで説明した。しかしながら、本願発明はこれには限られず、光学シースルー型のヘッドマウントディスプレイでもよい。
上記第1〜第4の各実施形態ではユーザの頭部に装着するヘッドマウントディスプレイで説明した。しかしながら、本願発明はこれには限られず、ユーザが手に持ってCGを観察するハンドヘルドディスプレイでもよい。
(変形例6)
本願明細書は以下のような実施形態も含む。例えば、まず第二の特徴検出部1040が撮像画像から四角形指標を検出し、検出された四角形指標の数、分布、画像内に占める四角形指標の大きさに基づいて信頼度を計算する。信頼度は、四角形指標の数が多ければ多いほど高くなるように計算される。また、信頼度は、分布が広ければ広いほど高くなるように計算される。また、信頼度は画像内に占める四角形指標の大きさが大きければ大きいほど高くなるように計算される。計算された信頼度が閾値よりも大きければ、第二の位置姿勢推定部1050は、四角形指標に基づいて、撮像装置の位置および姿勢の計算を行う。
一方で、信頼度が閾値以下の場合には、第一の特徴検出部1020は、自然特徴を検出する。そして、第一の位置姿勢推定部1030は、検出された自然特徴に基づいて撮像装置の位置及び姿勢の計算を行う。
本変形例により、常に2つの位置姿勢計算を行う必要がなくなり、処理負荷を軽減することができる。
(変形例7)
本願明細書は以下のような実施形態も含む。例えば、まず第一の特徴検出部1020が撮像画像から自然特徴を検出し、検出された自然特徴の数、分布に基づいて信頼度を計算する。信頼度は、検出された自然特徴の数が多ければ多いほど高くなるように計算される。また、信頼度は、分布が広ければ広いほど高くなるように計算される。計算された信頼度が閾値よりも大きければ、第一の位置姿勢推定部1030は、自然特徴に基づいて、撮像装置の位置および姿勢の計算を行う。
一方で、信頼度が閾値以下の場合には、第二の特徴検出部1040は、自然特徴を検出する。そして、第二の位置姿勢推定部1050は、検出された自然特徴に基づいて撮像装置の位置及び姿勢の計算を行う。
本変形例により、常に2つの位置姿勢計算を行う必要がなくなり、処理負荷を軽減することができる。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Claims (23)
- 撮像装置によって撮像された画像を取得する画像取得手段と、
前記画像から第一の特徴を検出する第一の検出手段と、
前記第一の検出手段とは異なる方法により、前記画像から該第一の特徴と異なる第二の特徴とを検出する第二の検出手段と、
前記画像から検出された前記第一の特徴に基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を第一の位置姿勢として導出する第一の位置姿勢導出手段と、
前記画像から検出された前記第二の特徴に基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を第二の位置姿勢として導出する第二の位置姿勢導出手段と、
前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢とに基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を決定する決定手段とを備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢のいずれか一方を、前記撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項1に記載に情報処理装置。
- 前記第一の位置姿勢の導出および前記第二の位置姿勢の導出がそれぞれ所定の条件を満たしているかを判定する判定手段を更に備えることを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
- 前記第一の位置姿勢の導出および前記第二の位置姿勢の導出の両方とも所定の条件を満たしていないと判定された場合には、前記第一の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。
- 前記第一の位置姿勢の導出が所定の条件を満たしていると判定され、前記第二の位置姿勢の導出が所定の条件を満たしていないと判定された場合に、前記第二の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定し、
前記第二の位置姿勢の導出が所定の条件を満たしていると判定され、前記第一の位置姿勢の導出が所定の条件を満たしていないと判定された場合に、前記第一の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。 - 前記第一の位置姿勢の導出および前記第二の位置姿勢の導出の両方が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記画像よりも前に取得された画像に基づいて決定された位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項3に記載の情報処理装置。
- 前記判定手段は、位置姿勢の導出が失敗していることを前記所定の条件として判定することを特徴とする請求項3乃至6の何れか1項に記載の情報処理装置。
- 前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢の差が閾値よりも大きい場合に前記第二の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定し、
前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢の差が閾値以下の場合に前記第一の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。 - 前記決定手段が前記第一の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定した場合に、前記決定手段が決定した第一の位置姿勢を、前記第二の位置姿勢導出手段による処理の初期値として設定し、
前記決定手段が前記第二の位置姿勢を前記撮像装置の位置姿勢として決定した場合に、前記決定手段が決定した第二の位置姿勢を、前記第一の位置姿勢導出手段による処理の初期値として設定する設定手段を備え、
前記第一の導出手段または前記第二の導出手段は、前記設定された初期値に基づいて処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢とを所定の割合で重みづけして得られた位置姿勢を、前記第撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。
- 更に、前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢の導出の安定度を取得する手段を備え、
前記決定手段は、前記第一の位置姿勢導と前記第二の位置姿と前記安定度とに基づいて前記位置姿勢を決定することを行うことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 更に、時刻tにおいて出力された位置姿勢と、時刻tよりも過去の時刻のフレームにおいて出力された位置姿勢から、前記撮像装置の動きの変化を推定する推定手段を備え、
前記決定手段は、前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢と前記動きの変化に基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を決定することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 撮像装置によって撮像された画像を取得する画像取得手段と、
前記画像から第二の特徴を検出する第二の検出手段と、
前記検出手段の結果が第一の条件を満たしている場合は、前記第二の特徴に基づいて導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定し、
前記検出手段の結果が前記第一の条件を満たしていない場合は、前記第2の特徴と異なる検出方法により検出された第一の特徴に基づき導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定する決定手段を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記決定手段は、
前記第二の検出手段で検出された第二の特徴の数が閾値よりも大きい場合に、前記第二の特徴に基づいて導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定し、
前記検出手段の結果で検出された第二の特徴の数が閾値以下の場合に、前記第2の特徴と異なる検出方法により検出された第一の特徴に基づき導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定することを特徴とする請求項13に記載の情報処理装置 - 前記第一の検出手段は、前記画像に所定のフィルタを施すことにより、前記画像において所定の値以上の輝度勾配を有する画素を前記第1の特徴として検出し、
前記第二の検出手段は、前記画像から所定の形状を有する領域を検出した後に、前記領域の内部の識別情報を読み取ることにより、前記第2の特徴を検出することを特徴とする請求項1乃至14の何れか1項に記載の情報処理装置。 - 前記第一の特徴は、前記画像における輝度勾配を有する特徴点であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記第二の特徴は、矩形の形状を有し、該矩形の内部に識別情報を有するマーカであることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 更に、前記出力された位置姿勢に基づいてCG画像を生成する生成手段を備えることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 更に、前記画像と前記CG画像とを合成した合成画像を生成する手段と、
前記合成画像を表示装置に表示させる表示制御手段とを備えることを特徴とする請求項18に記載の情報処理装置。 - 前記表示装置は、ユーザの頭部に装着するヘッドマウントディスプレイであることを特徴とする請求項19に記載の情報処理装置。
- 撮像装置によって撮像された画像を取得する画像取得工程と、
前記画像から第一の特徴を検出する第一の検出工程と、
前記第一の検出工程における検出方法とは異なる方法により、前記画像から該第一の特徴と異なる第二の特徴とを検出する第二の検出工程と、
前記画像から検出された前記第一の特徴に基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を第一の位置姿勢として導出する第一の位置姿勢導出工程と、
前記画像から検出された前記第二の特徴に基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を第二の位置姿勢として導出する第二の位置姿勢導出工程と、
前記第一の位置姿勢と前記第二の位置姿勢とに基づいて、前記撮像装置の位置姿勢を決定する決定工程とを備えることを特徴とする情報処理方法。 - 撮像装置によって撮像された画像を取得する画像取得工程と、
前記画像から第二の特徴を検出する第二の検出工程と、
前記検出手段の結果が第一の条件を満たしている場合は、前記第二の特徴に基づいて導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定し、
前記検出手段の結果が前記第一の条件を満たしていない場合は、前記第2の特徴と異なる検出方法により検出された第一の特徴に基づき導出された前記撮像装置の位置姿勢を、該撮像装置の位置姿勢として決定する決定工程を備えることを特徴とする情報処理方法。 - コンピュータを、請求項1乃至20のいずれか1項に記載の情報処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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