JP5620343B2 - 物体座標系変換装置、物体座標系変換方法、及び物体座標系変換プログラム - Google Patents
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Description
このようなカメラポーズ・3D推定装置では、例えば、非特許文献1に記載の方法が用いられている。具体的には、カメラポーズ、実空間内における特徴点の3次元座標の初期値、及びフレーム画像を入力し、(1)フレーム画像における特徴点に対応する画像点を決定、(2)特徴点の3次元座標と画像点の座標との組から非線形最小自乗法によってカメラポーズの算出、(3)過去に亘った複数時刻のフレーム画像を用いて特徴点の3次元座標を更新する処理を時々刻々繰り返すことによって正確にカメラポーズと3次元座標とを算出することを実現している。
ここで、フレーム画像中の物体に対してコンピュータグラフィクス等を合成する場合には、物体を基準とする物体座標系でのカメラポーズと3次元座標とが必要となる。
しかしながら、前述のカメラポーズ・3D推定装置では、前述の通り、物体に関係なく予め設定したワールド座標系を基準としてカメラポーズと3次元座標とを算出するため、当該カメラポーズを用いてフレーム画像中において対象物体に対してコンピュータグラフィクスを合成しても、対象物体と、コンピュータグラフィクスとの位置がずれることがある。
図1は、本明細書において用いる座標系の一例を示す図である。同図に示すように、ワールド座標系(WXYZ)は、空間全体を表す座標系であり、カメラポーズ及び3次元座標を推定する処理において、初期時刻に予め設定したものが利用される。カメラ座標系(CXYZ)は、フレーム画像を出力する撮像装置であるカメラの投影中心を原点とする座標系であり、ワールド座標系に関連付けられている。なお、本明細書における「カメラポーズ」とは、ワールド座標系に対するカメラの位置、及び向き(併進、及び回転)を示す情報である。最後に、物体座標系(OXYZ)は、ワールド座標系で表現される空間の中にある個別の対象物体ごとに設定する座標系である。また、物体座標系は、対象物体における任意の点を原点とする座標系である。
カメラパラメータ記憶部12には、フレーム画像を撮像したカメラの焦点距離又は画角を示すカメラパラメータが予め記憶されている。
図3は、テンプレート画像記憶部11に記憶されている照合テンプレート画像の一例を示す図である。以下の説明において、テンプレート画像記憶部11には、対象物体の照合テンプレート画像として、図3に示した3つの照合テンプレート画像(a)、(b)、及び(c)が予め記憶されているものとする。ここで、原点テンプレートとは、照合テンプレート画像のうち、対象物体に対応する物体座標系の原点を特徴点として含む照合テンプレート画像である。鉛直軸上テンプレートとは、物体座標系において原点から鉛直方向にある特徴点を含む照合テンプレート画像である。なお、以下の説明では物体座標系変換装置1が時刻tに起動されたものとする。
物体座標系変換装置1において、カメラなどから撮像した現時刻のフレーム画像が入力される(ステップS101)。
入力された画像は、2次元テンプレート照合部13、カメラポーズ・3次元座標推定部14、及び座標系変換部15に入力される。2次元テンプレート照合部13及びカメラポーズ・3次元座標推定部14それぞれは、フレーム画像が入力されると起動する(ステップS102、ステップS103)。
2次元テンプレート照合部13は、3つ以上の照合テンプレート画像が照合した場合(ステップS104:Yes)、照合位置を座標系変換部15に出力して座標系変換部15を起動させ、座標系変換部15に座標系変換処理を行わせる(ステップS105)。
一方、座標系変換部15は、ユーザからの終了指示がある場合(ステップS106:Yes)、物体座標系変換処理を終了させる。
また、ステップS104において、2次元テンプレート照合部13は、3つ以上の照合テンプレート画像が照合しなかった場合(ステップS104:No)、処理をステップS106に進める。
物体座標系変換装置1では、まずカメラポーズ・3D推定部と2Dテンプレート照合部とが起動される(ステップS102、及びステップS103)。
ステップS103において、カメラポーズ・3次元座標推定部14は、起動すると、入力されたフレーム画像と、カメラパラメータ記憶部12から読み出したカメラパラメータとに基づいて、フレーム画像から特徴点を抽出する。カメラポーズ・3次元座標推定部14は、フレーム画像から抽出した特徴点の時系列での追跡結果によって、特徴点の3次元座標の時系列と、現時刻のカメラポーズとを算出し、夫々3次元座標の時系列を示すリストとカメラポーズとを出力する。このカメラポーズを算出する処理と、特徴点の3次元座標を算出する処理には、公知の技術を用いる。例えば、非特許文献1に記載の方法によって、各処理を実現できる。
図5は、本実施形態における対象物体の特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する処理結果の一例を示す図である。本実施形態では、図5に示すように、対象物体の特徴点(図5において○で示されている点)の3次元座標と、カメラポーズとがそれぞれ算出され、出力されるものとする。
図6は、本実施形態における照合テンプレート画像と照合位置との対応の一例を示す図である。本実施形態では、図3に示した照合テンプレート画像(a)、(b)、及び(c)について、図6に示すように、点(xa,ya)、点(xb,yb)、及び点(xc,yc)が照合位置として夫々決定され出力されるものとする。
座標系変換部15は、起動すると、まず3次元座標抽出部151を起動する。
同図に示すように、3次元座標抽出部151は、起動すると、外部より入力されたフレーム画像と、2次元テンプレート照合部13が決定した照合位置と、カメラポーズ・3次元座標推定部14が出力した3次元情報とを受信する(ステップS201、ステップS202)。
ここで、3次元座標からフレーム画像における射影点を算出する処理について述べる。まず3次元座標(X,Y,Z)とその射影点の座標(x,y)には下式(1)の関係がある。
一方、3次元座標抽出部151は、すべての照合テンプレート画像に対して処理が終わって異な場合(ステップS204:No)、処理をステップS205に進める。
3次元座標抽出部151は、未処理の照合テンプレート画像に対して、フレーム画像において対応する照合位置を中心に抽出ウィンドウを設定する(ステップS205)。
続いて、3次元座標抽出部151は、抽出ウィンドウに含まれる射影点を決定する(ステップS206)。この処理は、3次元座標抽出部151が、射影点記憶部154から射影点の座標を読み出し、読み出した射影点の座標の抽出ウィンドウに対する内外判定によって行う。図8に示す例では、2点が抽出ウィンドウに含まれる射影点として決定される。
3次元座標抽出部151は、2次元テンプレート照合部13から受信した全照合テンプレート画像に対して、上記の処理(ステップS205〜ステップS207)を行う。3次元座標抽出部151は、照合テンプレート画像それぞれに対して、照合テンプレート画像の照合位置と3次元座標とを対応付けて3次元座標記憶部155に記憶させて(ステップS208)、処理を終える。
図9は、剛体変換部153における剛体変換処理を示すフローチャートである。
剛体変換部153は、起動すると、まず基準平面算出部152から平面の法線ベクトルを受信し、照合テンプレート画像の照合位置と、当該照合位置に関連付けられた3次元座標とを3次元座標記憶部155から読み出す(ステップS301)。
図10は、本実施形態における剛体変換部153が算出する並進ベクトルの一例を示す図である。同図に示すように、剛体変換部153は、物体座標系の原点となる照合テンプレート画像の3次元座標が(Xo,Yo,Zo)である場合、剛体変換の並進ベクトルTを(−Xo,−Yo,−Zo)とすることで算出することができる。
続いて、剛体変換部153は、回転角度Angを次式(3)を用いて求める。
剛体変換部153は、式(2)及び式(3)を用いて、回転軸ベクトルAと、回転角度Angとを算出し、算出した回転軸ベクトルAと回転角度Angとから回転行列Rを示す、回転クオータニオンを生成する。剛体変換部153は、カメラポーズ・3次元座標推定部14が算出した特徴点の3次元座標のリストとカメラポーズとに対して、算出した併進ベクトルTと、回転行列Rとを適用する。
続いて、剛体変換部153は、照合テンプレート画像のうち、剛体変換された平面上での物体座標系の原点となる特徴点の3次元座標と、鉛直軸上の特徴点の3次元座標とから、ロール角を算出決定する(ステップS304)。
図12は、本実施形態に係る剛体変換部153が算出するロール角の一例を示す図である。ここでは、鉛直軸上の特徴点を含み、図6に示した鉛直軸上テンプレート(c)が予め設定されているので、図12に示すように、剛体変換部153は、図3の原点テンプレート(a)に含まれる特徴点を剛体変換した3次元座標と、図3の鉛直軸上テンプレート(c)に含まれる特徴点を剛体変換した3次元座標から平面鉛直軸Ypを決定する。続いて、剛体変換部153は、物体座標系の鉛直軸Yoと平面鉛直軸Ypとが揃うように変換する角度をロール角として算出し、算出したロール角に応じた回転行列R’を算出する。このロール角度算出は、ベクトルYpとベクトルYoとの内積によって算出することができる。
すなわち、剛体変換部153は、基準平面算出部152が算出した基準平面と、照合テンプレート画像に含まれる特徴点が含まれる平面とを一致させる剛体変換行列を算出し、算出した剛体変換行列を用いて、特徴点の3次元座標及びカメラポーズを、対象物体を基準とした3次元座標系における3次元座標及びカメラポーズに変換して出力する。この剛体変換行列は、上述の並進ベクトルT、回転行列R、回転行列R’により定義される行列である。
例えば、本実施形態の説明において、剛体変換での回転変換は、回転行列の算出と、ロール角の算出処理に分けて説明したが、一度に算出しても良いし、夫々求めた回転行列を乗算したものを利用して1回の剛体変換演算のみとしても良い。
また、カメラパラメータ記憶部12に、フレーム画像を撮像したカメラの焦点距離がカメラパラメータとして記憶されている構成について説明したが、焦点距離に加えて、レンズの歪曲パラメータ(ラジアル方向歪曲及び接線方向歪曲)をカメラパラメータとして記憶するようにしてもよい。
Claims (3)
- 対象物体の特徴点を含む3つ以上の照合テンプレート画像が予め記憶されている照合テンプレート記憶部と、
前記照合テンプレート画像のうち少なくとも3つの照合テンプレート画像それぞれのフレーム画像における位置である照合位置を検出する2次元テンプレート照合部と、
過去のフレーム画像から最新のフレーム画像までにおいて前記特徴点を検出し、前記フレーム画像における前記特徴点の位置の時系列変化と、前記フレーム画像を撮像した撮像装置の焦点距離とに基づいて、予め定められたワールド座標系における、前記撮像装置の位置及び向きを示すカメラポーズと、前記特徴点の3次元座標とを算出するカメラポーズ・3次元座標推定部と、
前記2次元テンプレート照合部が検出した照合位置と、前記カメラポーズ・3次元座標推定部が算出したカメラポーズ、及び前記特徴点の3次元座標とに基づいて、前記対象物体を基準として定められた3次元座標系である物体座標系における、カメラポーズ、及び前記特徴点の3次元座標を算出する座標系変換部と
を具備し、
前記座標系変換部は、
前記ワールド座標系におけるカメラポーズに基づいて、前記特徴点の3次元座標を前記フレーム画像における座標に変換し、変換した座標と前記照合位置とを対応付け、前記照合位置に対応する3次元座標を算出する3次元座標抽出部と、
前記3次元座標抽出部が算出した3次元座標で示される点が属する基準平面を算出する基準平面算出部と、
前記基準平面算出部が算出した基準平面と、前記特徴点が属する平面とを一致させる剛体変換行列を算出し、算出した剛体変換行列を用いて、前記3次元座標抽出部が算出した3次元座標、及び、前記ワールド座標系におけるカメラポーズを、前記物体座標系に変換する剛体変換部と
を備える
ことを特徴とする物体座標系変換装置。 - 対象物体の特徴点を含む3つ以上の照合テンプレート画像が予め記憶されている照合テンプレート記憶部を備える物体座標系変換装置が行う物体座標系変換方法であって、
前記物体座標系変換装置が、前記照合テンプレート画像のうち少なくとも3つの照合テンプレート画像それぞれのフレーム画像における位置である照合位置を検出する2次元テンプレート照合ステップと、
前記物体座標系変換装置が、過去のフレーム画像から最新のフレーム画像までにおいて前記特徴点を検出し、前記フレーム画像における前記特徴点の位置の時系列変化と、前記フレーム画像を撮像した撮像装置の焦点距離とに基づいて、予め定められたワールド座標系における、前記撮像装置の位置及び向きを示すカメラポーズと、前記特徴点の3次元座標とを算出するカメラポーズ・3次元座標推定ステップと、
前記物体座標系変換装置が、前記2次元テンプレート照合ステップにおいて検出した照合位置と、前記カメラポーズ・3次元座標推定ステップにおいて算出したカメラポーズ、及び前記特徴点の3次元座標とに基づいて、前記対象物体を基準として定められた3次元座標系である物体座標系における、カメラポーズ、及び前記特徴点の3次元座標を算出する座標系変換ステップと
を有し、
前記座標系変換ステップには、
前記物体座標系変換装置が、前記ワールド座標系におけるカメラポーズに基づいて、前記特徴点の3次元座標を前記フレーム画像における座標に変換し、変換した座標と前記照合位置とを対応付け、前記照合位置に対応する3次元座標を算出する3次元座標抽出ステップと、
前記物体座標系変換装置が、前記3次元座標抽出ステップで算出した3次元座標で示される点が属する基準平面を算出する基準平面算出ステップと、
前記物体座標系変換装置が、前記基準平面算出ステップで算出した基準平面と、前記特徴点が属する平面とを一致させる剛体変換行列を算出し、算出した剛体変換行列を用いて、前記3次元座標抽出ステップで算出した3次元座標、及び、前記ワールド座標系におけるカメラポーズを、前記物体座標系に変換する剛体変換ステップと、
が含まれる
ことを特徴とする物体座標系変換方法。 - 対象物体の特徴点を含む3つ以上の照合テンプレート画像が予め記憶されている照合テンプレート記憶部を備える物体座標系変換装置が有するコンピュータに、
前記照合テンプレート画像のうち少なくとも3つの照合テンプレート画像それぞれのフレーム画像における位置である照合位置を検出する2次元テンプレート照合ステップと、
過去のフレーム画像から最新のフレーム画像までにおいて前記特徴点を検出し、前記フレーム画像における前記特徴点の位置の時系列変化と、前記フレーム画像を撮像した撮像装置の焦点距離とに基づいて、予め定められたワールド座標系における、前記撮像装置の位置及び向きを示すカメラポーズと、前記特徴点の3次元座標とを算出するカメラポーズ・3次元座標推定ステップと、
前記2次元テンプレート照合ステップにおいて検出した照合位置と、前記カメラポーズ・3次元座標推定ステップにおいて算出した前記ワールド座標系における撮像装置の位置及び向き、並びに前記特徴点の3次元座標とに基づいて、前記対象物体を基準として定められた3次元座標系である物体座標系における、カメラポーズ、及び前記特徴点の3次元座標を算出する座標系変換ステップと
を実行させ、
前記座標系変換ステップにおいて、
前記ワールド座標系におけるカメラポーズに基づいて、前記特徴点の3次元座標を前記フレーム画像における座標に変換し、変換した座標と前記照合位置とを対応付け、前記照合位置に対応する3次元座標を算出する3次元座標抽出ステップと、
前記3次元座標抽出ステップで算出した3次元座標で示される点が属する基準平面を算出する基準平面算出ステップと、
前記基準平面算出ステップで算出した基準平面と、前記特徴点が属する平面とを一致させる剛体変換行列を算出し、算出した剛体変換行列を用いて、前記3次元座標抽出ステップで算出した3次元座標、及び、前記ワールド座標系におけるカメラポーズを、前記物体座標系に変換する剛体変換ステップと、
を実行させる
ための物体座標系変換プログラム。
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