JP4522140B2 - 指標配置情報推定方法および情報処理装置 - Google Patents
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Description
図2は本実施形態における指標位置姿勢推定装置2の機能構成を示すブロック図である。撮像部210はカメラであり、指標が配置されたシーンを撮影する。画像取り込み部220は、撮像部210によって撮影された画像をコンピュータ内に取り込む。画像取り込み部220によってコンピュータ内に取り込まれた画像から、指標検出同定部230によって指標を検出し、検出されたそれぞれの指標の同定を行う。指標配置条件設定部240では、指標の配置に関する拘束条件を設定する。指標位置姿勢算出部250は、指標検出同定部230の指標検出結果を基に、指標配置条件設定部240で設定した指標の配置に関する拘束条件を満たすように指標の位置及び姿勢を算出する。
撮像部210において、指標が配置されたシーンの画像を多数撮影する。撮影された画像は画像取り込み部220によってコンピュータ内に取り込まれる。
指標検出同定部230において、コンピュータ内に取り込まれた撮影画像から指標を検出し同定を行う。ここで、指標の検出とは、2次元画像上での指標の画像座標を求めることであり、点指標の場合は画像上での重心の画像座標を、正方形指標では各頂点の画像座標を求める。指標の画像座標は、自動で求めてもよいし、ユーザが画像上をマウスでクリックするなどして手動で指定してもよい。点指標の位置を自動で求める場合には、例えば指標と同一の色を有する画素を該色に対応するYUV色空間画像の特定領域にあるかどうかで抽出し、同一色として連結している画素をラベリングすることで指標領域を求め、画像内での指標領域の重心を計算する。また、正方形指標の各頂点の位置を自動で求める場合には、例えば入力画像を二値化して、正方形指標の黒枠領域を検出し、黒枠領域に内接する四角形を求める。
指標配置条件設定部240において、指標の配置に関する拘束条件を設定する。本実施形態では、指標の配置に関する拘束条件として、複数の指標が同一平面上に存在するという拘束条件を与える。平面は未知の平面であるとし、未知な平面は複数存在するとする。図5は同一平面上に存在する複数の指標を設定するGUIを説明する図である。GUI上には、撮影画像表示部分があり、撮像装置によって撮影された画像が表示される。撮影画像は、撮影画像切替部分のボタンによって表示を切り替えることが可能である。Previousボタンをマウスでクリックすると、一つ前の撮影画像を表示し、Nextボタンをクリックすると一つ後の撮影画像を表示する。ユーザは撮影画像を見ながら、同一平面上にある指標を設定する。撮影画像上では、同定された指標の周辺に、各指標に固有の名前が表示される。図5では、点指標が2つ(図中POINT1、POINT2)、正方形指標(図中SQUARE1、SQUARE2)が2つ撮影されている撮影画像を撮影画像表示部分に表示している場合である。このうち点指標POINT1と正方形指標SQUARE1が同一平面上にあるとする。ユーザは、撮影画像中のPOINT1かSQUARE1のどちらかの指標の周辺をマウスでクリックし、選択する。選択された指標の名前表示は太字に変わる。次に、選択した指標と同一平面に存在する指標の周辺をシフトキーを押しながらマウスを左クリックすることで、同一平面上にある指標をグループ化する。すでに同一平面上に存在するとグループ化されている指標をクリックした場合には、同一グループ内のすべての指標の名前表示が太字に変わる。この状態で、他の指標をシフトキーを押しながら左クリックすると、グループに追加することができる。また、グループ化されている指標の周辺をシフトキーを押しながらマウスを右クリックすると、グループから外れ、シフトキーを押さないで右クリックするとグループ全体が解除される。
指標の検出同定結果、指標の配置に関する拘束条件をもとに、基準座標系における指標の位置及び姿勢の算出を行う。はじめに透視投影変換について説明する。図6はカメラ座標系及び画面座標系を説明する図である。画面座標系の原点oiは視軸と画像面との交点にとり、画像の水平方向をxi軸、垂直方向をyi軸にとる。また、カメラ座標系の原点ocと画像面との距離(焦点距離)をfとし、カメラ座標系のzc軸は視軸の反対方向、xc軸は画像の水平方向と平行に、yc軸は画像の垂直方向と平行にとる。
(指標を平面上に拘束しない場合)
点指標の場合には、点指標の基準座標系における位置をtpn=[tpnxtpnytpnz]tとすると、式(9)に示すように、xwとtpnは同じになる。
まず平面の定義方法について説明する。図8に示すように、平面を極座標表現r=[rθφ]によって表現する。平面座標系のzp軸は平面の法線方向に平行であり、基準座標系における原点を通過する。平面の姿勢は、y軸まわりの回転θと、x軸まわりの回転φによって定義する。また、rは平面と基準座標系の原点owとの符号付き距離である。平面の姿勢を表す回転行列Rpは式(13)のように表される。
第一実施形態では、指標の配置に関する拘束条件として、複数の指標が同一平面上に存在するという拘束条件を与えたときに、拘束条件を満たすように指標の位置姿勢を推定方法について説明した。第二実施形態では、複数の指標が同一平面上に存在し、かつそれらの平面のなす角度が既知である場合について説明する。
第三実施形態では、指標の配置に関する拘束条件として、複数の平面図形様の指標の法線ベクトルの方向が同じである場合の、指標の位置及び姿勢推定方法について説明する。
第一、第二、第三実施形態では、指標の配置に関する拘束条件の種類を一つとして、指標の位置及び姿勢を求めていた、第四実施形態では、複数の拘束条件が存在する場合の、指標の位置及び姿勢を求める方法について説明する。
図13に示すように、指標を円筒の側面部分に拘束してもよい。円筒は、円筒の中心に円筒座標系の原点をとり、図のように円筒座標系をとる。円筒の姿勢はx軸まわりの回転θとy軸まわりの回転φで表される。円筒の姿勢を表す回転行列Rcylは式(56)のように表される。
図14に示すように、指標を球面上に拘束してもよい。球の中心に球座標系をとる。球は方向性を持たないため、基準座標系に対する位置だけで表される。球座標系の原点の基準座標系での位置がtsph=[tsph xtsph ytsph z]tとすると、球座標系上の点xshp=[xshpyshpzshp]tの基準座標系の位置xwは式(59)のようになる。
図15に示すように、指標を直線上に拘束してもよい。直線の通る点tl=[tlxtlytlz]t、方向ベクトルをd=[dxdydz]tとすると、直線上にある指標の基準座標系の位置は式(61)のように表せる。sは直線上での指標位置を表す変数である。
上記実施形態では、指標の配置情報の補正方法として、観測方程式をテイラー展開しその1次の項までを利用して繰り返し補正していく方法を述べた。これは、ある繰り返しの一過程において、局所的に観測方程式を線形近似し、誤差0となると仮定した場合の未知パラメータの補正量を推定する方法であり、一般にニュートン法と呼ばれている方法と等価な方法である。ニュートン法は非線形方程式を数値演算により求解する代表的な方法であるが、上記実施形態に利用する繰り返し演算方法はこの方法に限ったものではない。例えば、ニュートン法と同様に周知の技術として知られているLevenberg−Marquardt法のように、一過程において推定される未知パラメータの補正量のばらつきに基づいて、補正量を動的に変更してもよい。また、テイラー展開した結果をより高次の項まで考慮して、繰り返し演算を行うような方法であっても良い。本発明の本質は、配置情報量の異なる複数種類の指標が混在して存在している場合であっても、それぞれの種類の指標を有効に利用して最適な解を求めることにあり、数値解法としての繰り返し演算の具体的な方法によって本質が失われるものではない。
Claims (7)
- 空間中に幾何拘束のもとに存在する指標の空間中での配置情報を推定する情報処理装置が行う指標配置情報推定方法であって、
前記情報処理装置が有する指標検出手段が、指標を含む撮影画像から指標を検出する指標検出工程と、
前記情報処理装置が有する拘束条件設定手段が、指標の拘束条件を設定する拘束条件設定工程と、
前記情報処理装置が有する指標投影位置計算手段が、前記撮影画像の撮像部の位置及び姿勢の近似値と、指標の配置情報の近似値とを基にして、指標が画像面に投影される位置を計算する指標投影位置計算工程と、
前記情報処理装置が有する補正値計算手段が、前記指標検出工程が検出した指標の画像面上での位置と、前記指標投影位置計算工程により得られた指標の画像面上での投影位置との誤差が小さくなるように、かつ、前記拘束条件設定工程により設定された指標の拘束条件を満たすように、指標の配置情報を補正する補正値を求める補正値計算工程と、
前記情報処理装置が有する配置情報補正手段が、前記補正値計算工程によって求めた補正値によって指標の配置情報を補正する配置情報補正工程と、
前記情報処理装置が有する繰り返し演算手段が、前記配置情報補正工程により補正された指標の配置情報を前記指標投影位置計算工程の近似値のかわりに利用して、前記指標投影位置計算工程と前記補正値計算工程と前記配置情報補正工程とを繰返し行うことにより指標の配置情報を算出する繰り返し演算工程とを備え、
前記拘束条件は、指標が未知の同一平面上に存在することであるという拘束条件であり、該拘束条件に固有な平面の方程式によって表現され、該拘束条件を満たす指標の配置情報は、該拘束条件に固有の指標の平面上の位置と平面の法線ベクトルを回転軸とした回転角によって表現されることを特徴とする指標配置情報推定方法。 - 前記指標は平面図形であることを特徴とする請求項1に記載の指標配置情報推定方法。
- 空間中に幾何拘束のもとに存在する指標の空間中での配置情報を推定する情報処理装置が行う指標配置情報推定方法であって、
前記情報処理装置が有する指標検出手段が、指標を含む撮影画像から指標を検出する指標検出工程と、
前記情報処理装置が有する拘束条件設定手段が、指標の拘束条件を設定する拘束条件設定工程と、
前記情報処理装置が有する指標投影位置計算手段が、前記撮影画像の撮像部の位置及び姿勢の近似値と、指標の配置情報の近似値とを基にして、指標が画像面に投影される位置を計算する指標投影位置計算工程と、
前記情報処理装置が有する補正値計算手段が、前記指標検出工程が検出した指標の画像面上での位置と、前記指標投影位置計算工程により得られた指標の画像面上での投影位置との誤差が小さくなるように、かつ、前記拘束条件設定工程により設定された指標の拘束条件を満たすように、指標の配置情報を補正する補正値を求める補正値計算工程と、
前記情報処理装置が有する配置情報補正手段が、前記補正値計算工程によって求めた補正値によって指標の配置情報を補正する配置情報補正工程と、
前記情報処理装置が有する繰り返し演算手段が、前記配置情報補正工程により補正された指標の配置情報を前記指標投影位置計算工程の近似値のかわりに利用して、前記指標投影位置計算工程と前記補正値計算工程と前記配置情報補正工程とを繰返し行うことにより指標の配置情報を算出する繰り返し演算工程とを備え、
前記空間中に存在する指標は,位置と姿勢をその配置情報とするような、法線方向の定義可能な指標であって、
前記拘束条件は、複数の指標の法線ベクトルの方向が同一であるという拘束条件であり、前記拘束条件に固有な法線ベクトルの方程式で表現され、該拘束条件を満たす指標の配置情報は、指標の位置と該法線ベクトルを回転軸とした回転角によって表現されることを特徴とする指標配置情報推定方法。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の指標配置情報推定方法をコンピュータに実現させるためのプログラム。
- 請求項4に記載のプログラムを格納するためのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
- 空間中に幾何拘束のもとに存在する指標の空間中での配置情報を推定する情報処理装置であって、
指標を含む撮影画像から指標を検出する指標検出手段と、
指標の拘束条件を設定する拘束条件設定手段と、
前記撮影画像の撮像部の位置及び姿勢の近似値と、指標の配置情報の近似値とを基にして、指標が画像面に投影される位置を計算する指標投影位置計算手段と、
前記指標検出手段が検出した指標の画像面上での位置と、前記指標投影位置計算手段により得られた指標の画像面上での投影位置との誤差が小さくなるように、かつ、前記拘束条件設定手段により設定された指標の拘束条件を満たすように、指標の配置情報を補正する補正値を求める補正値計算手段と、
前記補正値計算手段によって求めた補正値によって指標の配置情報を補正する配置情報補正手段と、
前記配置情報補正手段により補正された指標の配置情報を前記指標投影位置計算手段の近似値のかわりに利用して、前記指標投影位置計算手段での計算と前記補正値計算手段での計算と前記配置情報補正手段での補正とを繰返し行うことにより指標の配置情報を算出する繰り返し演算手段とを備え、
前記拘束条件は、指標が未知の同一平面上に存在することであるという拘束条件であり、該拘束条件に固有な平面の方程式によって表現され、該拘束条件を満たす指標の配置情報は、該拘束条件に固有の指標の平面上の位置と平面の法線ベクトルを回転軸とした回転角によって表現されることを特徴とする情報処理装置。 - 空間中に幾何拘束のもとに存在する指標の空間中での配置情報を推定する情報処理装置であって、
指標を含む撮影画像から指標を検出する指標検出手段と、
指標の拘束条件を設定する拘束条件設定手段と、
前記撮影画像の撮像部の位置及び姿勢の近似値と、指標の配置情報の近似値とを基にして、指標が画像面に投影される位置を計算する指標投影位置計算手段と、
前記指標検出手段が検出した指標の画像面上での位置と、前記指標投影位置計算手段により得られた指標の画像面上での投影位置との誤差が小さくなるように、かつ、前記拘束条件設定手段により設定された指標の拘束条件を満たすように、指標の配置情報を補正する補正値を求める補正値計算手段と、
前記補正値計算手段によって求めた補正値によって指標の配置情報を補正する配置情報補正手段と、
前記配置情報補正手段により補正された指標の配置情報を前記指標投影位置計算手段の近似値のかわりに利用して、前記指標投影位置計算手段と前記補正値計算手段と前記配置情報補正手段とを繰返し行うことにより指標の配置情報を算出する繰り返し演算手段とを備え、
前記空間中に存在する指標は,位置と姿勢をその配置情報とするような、法線方向の定義可能な指標であって、
前記拘束条件は、複数の指標の法線ベクトルの方向が同一であるという拘束条件であり、前記拘束条件に固有な法線ベクトルの方程式で表現され、該拘束条件を満たす指標の配置情報は、指標の位置と該法線ベクトルを回転軸とした回転角によって表現されることを特徴とする情報処理装置。
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