JP6073123B2 - 立体表示システム、立体像生成装置及び立体像生成プログラム - Google Patents
立体表示システム、立体像生成装置及び立体像生成プログラム Download PDFInfo
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Description
更に、複数のIP方式の立体表示装置を組み合わせることで、より多方向から観察可能に立体像を表示することも可能となる。
これによって、立体表示システムは、複数の立体表示装置によって表示される立体像の位置合わせを行うことができる。
これによって、立体表示システムは、各立体表示装置に能動的に動作するセンサなどの計測機器を設けずにマーカーのみを設け、カメラをセンサとして用いることで、各立体表示装置の位置及び方向を検出することができる。
これによって、計測の誤差が累積されることなく、第1立体表示装置と第2立体表示装置との間の相対的な位置及び方向を算出することができる。
かかる構成によれば、立体表示システムは、複数の立体表示装置によって表示される立体の位置合わせを行い、多方向から観察可能なIP方式の立体像を表示する。
かかる構成によれば、立体表示システムは、複数の立体表示システムを積み重ねて配置することができる。
これによって、立体表示システムは、複数の立体表示装置を、表示対象である3次元形状モデルの形状や大きさに合わせて自由に配置することができる。
これによって、第1立体表示装置が表示する立体像に対して、第2立体表示装置が表示する立体像が位置合わせされる。
これによって、第2立体表示装置が表示する立体像が、第1立体表示装置が表示する立体像に対して位置合わせされる。
請求項2に記載の発明によれば、立体表示システムは、個々の立体表示装置に特別なセンサを設けることなく、立体表示装置の位置及び方向を検出することができる。
請求項3に記載の発明によれば、第1立体表示装置と第2立体表示装置との間の相対的な位置及び方向を、計測誤差を累積することなく検出することができるため、立体像の位置合わせを高精度に行うことができる。
請求項4に記載の発明によれば、立体表示システムは、複数の立体表示装置により表示される立体像が位置合わせされるため、IP方式で表示される立体像について、方向を変えながら観察する際に不連続性を感知されることが抑制される。
請求項5に記載の発明によれば、立体表示システムは、立体像の位置合わせのための座標変換式を算出する演算量を低減することができる。
請求項6に記載の発明によれば、立体表示システムは、表示対象である立体像の形状や大きさに合わせて、複数の立体表示装置を容易に配置することができる。
請求項7乃至請求項10に記載の発明によれば、立体像生成装置は、他の立体表示装置で表示される立体像との位置合わせがなされるように、対応する立体表示装置が表示する立体像の画像データを生成することができる。
<第1実施形態>
[立体表示システムの構成]
まず、第1実施形態に係る立体表示システム100の構成の概要について、図1を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態においては、立体表示システム100は、背面にマーカー2が設けられた2台の立体表示装置である第1立体表示装置10及び第2立体表示装置11(以下、これらを適宜に「立体表示装置1」という)と、カメラ4と、第1立体像生成装置5と、第2立体像生成装置6と、から構成されている。
2台の立体表示装置1は、立体像再生領域3を取り囲むように配置されており、何れも背面にマーカー2が設けられている。また、マーカー2には、それぞれが設けられた立体表示装置1を識別する模様として、数字「1」又は「2」が含まれている。
なお、本実施形態に係る立体表示システム100では、説明を簡単にするために立体表示装置1は2台としたが、2台以上の任意の台数を構成に含めることができる。
なお、再生空間座標系と、第1立体表示装置10の座標系とは所定の関係があればよく、一致する必要はないが、本実施形態では説明を簡単にするために、両者は一致し、3次元形状モデルは、第1立体表示装置10の座標系(より詳細には、後記するレンズアレー座標系)で定義されているものとする。
また、立体表示装置1は裸眼方式の立体表示装置であり、本実施形態では、IP方式の立体表示装置を例として説明する。
(マーカー(位置・方向計測手段))
まず、図2を参照(適宜図1参照)して、マーカー2について説明する。
マーカー2は、各立体表示装置1の背面に設けられ、カメラ4で撮影される。カメラ4で撮影されたマーカー画像は、第1立体像生成装置5によって解析され、各マーカー2が設けられた立体表示装置1の位置及び方向を検出するために用いられる。すなわち、本実施形態では、マーカー2とカメラ4とを組み合わせて、立体表示装置1の位置及び方向を計測する手段として用いるものである。
なお、模様2b自体が、回転対称性を有さない場合は、図2(b)に示した例のように、外枠図形2aの中心部に模様2bを配置するようにしてもよい。
また、図1に示した例では、各立体表示装置1を識別するために、マーカー2の模様2bとして、それぞれ異なる数字が用いられている。
次に、図3を参照(適宜図1参照)して、立体表示装置1の構成について説明する。
立体表示装置1には、前記したように、再生空間座標系の基準となる第1立体表示装置10と、その他の第2立体表示装置11とがあるが、何れも同様の構成を有している。
図3に示すように、本実施形態における立体表示装置1は、IP方式で立体表示するものであり、画像表示手段11と、その画像表示面に対向するように配置されたレンズアレー12とから構成される。また、画像表示手段11の画像表示面とは反対側の面、すなわち背面には、所定形状の図形として、正方形の外枠図形2aを有するマーカー2が設けられている。本実施形態における立体表示装置1はIP方式であるため、画像表示面に対する観察方向を上下左右に変えることにより、異なる方向から見た立体像が観察できるように表示される。
なお、座標系の詳細については後記する。
カメラ4は、図1に示したように、2台の立体表示装置1の後方に配置され、それぞれの立体表示装置1の背面に設けられたマーカー2が1画面に同時に撮影できるように、撮影範囲4aが設定されている。カメラ4は、撮影したマーカー画像を第1立体像生成装置5に出力する。
また、カメラ4には、カメラを基準とするカメラ座標(x,y,z)が定義される。
なお、カメラ座標の詳細については後記する。
(第1立体像生成装置(立体像生成装置))
第1立体像生成装置5は、カメラ4からマーカー画像を入力し、このマーカー画像の幾何学的な変形状態を解析することで、各立体表示装置1の位置及び方向を検出し、立体表示装置中の第1立体表示装置10の座標系から第2立体表示装置11の座標系への座標変換式を算出するとともに、再生空間座標系、すなわち本実施形態では、第1立体表示装置10を基準とする座標系で定義された3次元形状モデルを用いて、第1立体表示装置10に立体像を再生するための画像データであるIP立体像データを生成するものである。
なお、マーカー画像中の所定形状の図形についての幾何学的な変形状態を解析して、各立体表示装置1の位置及び方向を算出する方法については後記する。
なお、マーカー像と立体表示装置1との対応付けは、これに限定されるものではなく、任意の手法を用いることができる。
なお、座標変換式を算出する方法については後記する。
また、複数の第2立体表示装置11が1台の第2立体像生成装置6を共有する場合は、座標変換式算出手段52は、各第2立体表示装置11に対応付けて座標変換式を第2立体像生成装置6に出力するようにすればよい。
なお、IP立体像データの生成方法については後記する。
なお、本実施形態では、3次元形状モデルのデータを第1立体像生成装置5内に記憶するように構成したが、これに限定されるものではない。例えば、有線、無線を問わず、通信回線を介して、外部のサーバから3次元形状モデルのデータを適宜入力するように構成してもよい。
第2立体像生成装置6は、第1立体像生成装置5から前記した座標変換式を入力し、この座標変換式で座標変換した3次元形状モデルを用いて、第2立体表示装置11に立体像を再生するための画像データであるIP立体像データを生成するものである。
このために、第2立体像生成装置6は、座標変換手段61と、IP立体像生成手段62と、3次元形状モデル記憶手段63と、を備えている。
なお、IP立体像データの生成方法は、第1立体像生成装置5のIP立体像生成手段53と同様である。
また、第1立体像生成装置5又は第2立体像生成装置6は、各構成手段をハードウェア回路で構成してもよいが、演算装置、記憶装置などを備えた一般的なコンピュータ(例えば、パーソナルコンピュータ)を、第1立体像生成装置5又は第2立体像生成装置6の各構成手段として機能させるプログラムを実行させることで実現することもできる。
次に、第1立体像生成装置5及び第2立体像生成装置6の各部で行われる演算方法について順次に説明する。
(1.座標系)
まず、図3及び図4を参照して、立体表示システム100において用いられる座標系について説明する。
本実施形態では、立体像を再生する空間の座標系(再生空間座標系)は、第1立体表示装置10に定義されるレンズアレー座標系とする。すなわち、立体像再生領域3は、第1立体表示装置10のレンズアレー座標系で定義され、当該立体像再生領域3に表示される立体像の形状を示す3次元立体形状モデルは、第1立体表示装置10のレンズアレー座標系で定義されるものとする。
マーカー座標は、図3(a)、(b)に示すように、マーカー2の中心を原点とし、マーカー2の外枠図形2aの辺に平行な2方向を、それぞれx軸(X’軸)及びy軸(Y’軸)とし、マーカー面の法線をz軸(Z’軸)とする。また、マーカー面に上向きを+z軸方向とする。
なお、本実施形態で用いる直交座標系は、特に断らない限りすべて右手系とする。
以下、マーカー座標は、(X’,Y’,Z’)で表すものとする。
なお、本実施形態では、図3(a)に示すように、マーカー2とレンズアレー12とのz軸方向の距離をDとする。
以下、レンズアレー座標は、(X,Y,Z)で表すものとする。
以下、カメラ座標は、(x,y,z)で表すものとする。
次に、立体表示装置位置・方向算出手段51によって算出される立体表示装置の位置及び方向に関する情報の算出方法について説明する。なお、本実施形態では、立体表示装置の位置及び方向に関する情報として、マーカー座標からカメラ座標への座標変換式が算出される。
式(1)をカメラ画像に適用し、マーカー2を基準とするカメラ4の位置及び方向を算出する。
まず、画像中の正方形の外枠図形2aの輪郭を追跡し、その折れ点を検出することにより、4頂点A〜Dの画像座標を得ることができる。これらの頂点の画像座標から、各辺を直線の方程式として表すことができる。
ここで、向かい合う2つの辺AD及び辺BCの直線の方程式を式(2)で表す。
次に、式(2)を式(1)に代入することで式(3)を得る。
また、式(3)の下側の式は、辺BCとカメラ座標原点で決定される平面であり、その法線ベクトルは、式(4)の下側の式のように表わすことができる。
そこで、マーカー2の外枠図形2aの内側に描かれている模様2bを検出して、マーカー2に対する撮影方向(カメラ4の方向)を特定する。模様2bは、マーカー2を非回転対称な図形とするためのものである。従って、その模様2bを検出することにより、z軸まわりの回転対称性によるカメラ方向の不確定性を排除することができる。この模様2bはマーカー2を、z軸回りの回転操作に対して非対称にすることができれば、任意の模様を用いることができる。
なお、マーカー2とカメラ4とを用いた位置及び方向に関する情報を検出する計算は、例えば、以下の参考文献1に記載の方法を応用することもできる。
参考文献1:Kato,H.,Billinghurst,M.,"Marker Tracking and HMD Calibration for a video-based Augmented Reality Conferencing System",Proceedings of the 2nd International Workshop on Augmented Reality(IWAR99)
次に、座標変換式算出手段52によって算出される第1立体表示装置10のレンズアレー座標から第2立体表示装置11のレンズアレー座標への座標変換式の算出方法について説明する。
式(12)において、rot1は、第1立体表示装置10のマーカー座標から第2立体表示装置11のマーカー座標への回転行列であり、tra1は、第1立体表示装置10のレンズアレー座標から第2立体表示装置11のレンズアレー座標への平行移動ベクトルである。
次に、IP立体像生成手段53によって行われるIP立体像の生成方法について説明する。
ここで、図6を参照して、3次元形状モデルからIP立体像の要素画像Gを生成する手順について説明する。
IP立体像の要素画像Gは、次の手順(a)〜(d)を行うことで生成することができる。なお、ここでは、レンズアレー12を構成する各要素レンズを、要素レンズの中心位置にピンホールが設けられたものとみなして説明する。また、画像表示手段11は、レンズアレー12から、要素レンズの焦点距離Fだけ離れた位置に配置されているものとする。
(b)仮想カメラVcを、ピンホールBに向けて撮像する。
(c)仮想カメラVcによって撮影される画像の中心画素には、画素A及びピンホールBを通る直線が、3次元形状モデルObjの表面と交わる点Cが射影される。そして、3次元形状モデルObjの表面上の点CのRGB値(色データ)を画素Aの画素値とする。
(d)レンズアレー12は光線をサンプリングするため、折り返し雑音が生じないように仮想カメラVcが撮影した画像に帯域制限フィルタ(ローパスフィルタ)処理を施す。より具体的には、仮想カメラVcが撮影した画像において、点Cが射影された画素を中心とする近傍における所定範囲の画素の画素値の平均又は重み付き平均を、当該画素の画素値とする。
これらの処理(a)〜(d)を、要素画像のすべての画素について行う。
更に、すべての要素画像について、同様の処理を行う。
参考文献2:Y.Iwadate and M.Katayama,"Generating Integral image from 3D object by using Oblique projection",IDW2011,3Dp-1,2011
参考文献3:特開2012−84105号公報
次に、座標変換手段61によって行われる3次元形状モデルの座標変換について説明する。
本実施形態では、座標変換式として、式(12)を用いて、3次元形状モデルの座標データを再生空間座標系である第1立体表示装置10のレンズアレー座標から第2立体表示装置11のレンズアレー座標へ座標変換する。例えば、3次元形状モデルが、三角形パッチを繋ぎ合わせたポリゴンモデルを用いたCG(コンピュータグラフィックス)データである場合は、3次元形状モデルを構成する三角形パッチの頂点の座標を、第2立体表示装置11のレンズアレー座標に変換する。
第2立体像生成装置6のIP立体像生成手段62においては、第2立体表示装置11のレンズアレー座標に変換された3次元形状モデルを用いて、IP立体像のデータが生成される。3次元形状モデルの座標系が変換されていること以外は、第1立体像生成装置5のIP立体像生成手段53と同様にしてIP立体像を生成することができるため、IP立体像データの生成手順の説明は省略する。
次に、図7を参照(適宜図4参照)して、立体表示システム100の動作として、第1立体像生成装置5及び第2立体像生成装置6の動作を主体として説明する。
まず、図7(a)を参照して、第1立体像生成装置5を主体とする動作について説明する。
図7(a)に示すように、まず、第1立体像生成装置5は、カメラ4によって複数の立体表示装置1に設けられたマーカー2が撮影されたマーカー画像のデータを立体表示装置位置・方向算出手段51に入力する(ステップS10)。
また、第1立体像生成装置5は、立体表示装置位置・方向算出手段51によって、算出した各立体表示装置1の位置及び方向に関する情報である式(6)及び式(7)を座標変換式算出手段52に出力する。
第1立体像生成装置5は、座標変換式算出手段52によって、ステップS14で算出した座標変換式を、第2立体像生成装置6の座標変換手段61に送信する(ステップS15)。
第1立体像生成装置5は、IP立体像生成手段53によって生成したIP立体像のデータを第1立体表示装置10の画像表示手段11に出力する。
ここで、ステップS16の処理と、ステップS10からステップS15の処理とは、何れを先に行ってもよく、並行して行うようにしてもよい。
第2立体像生成装置6は、ステップS15で第1立体像生成装置5の座標変換式算出手段52から送信された座標変換式(式(12))を受信し、受信した座標変換式を座標変換手段61に入力する(ステップS20)。
第2立体像生成装置6は、IP立体像生成手段62によって生成したIP立体像のデータを第2立体表示装置11の画像表示手段11に出力する。
IP方式の立体表示装置1では、画像表示面に対する観察方向を上下左右に変えることにより、異なる方向から見た立体像が表示されるため、回り込んで観察するかのように立体像を表示することができる。ここで、画像表示面は一般に平面であるため、1台の装置では立体像を回り込んで観察できる方向に限度がある。そこで、本発明のように複数台の立体表示装置1を用いて、基準となる第1立体表示装置10が表示する立体像に位置を合わせるように分散表示することにより、更に多方向から観察可能なように1つの立体像を表示することができる。
次に、図8を参照して、本発明の第2実施形態に係る立体表示システムの構成について説明する。
図8(a)に示すように、第2実施形態に係る立体表示システム100Aは、1台のカメラ4と、1台の第1立体表示装置1A0及び8台の第2立体表示装置1A1〜1A8(以下、適宜に立体表示装置1Aという)と、第1立体像生成装置5と、各第2立体表示装置1A1〜1A8に対応する第2立体像生成装置6と、から構成されている。立体表示装置1Aは、何れも箱型の筐体の一面(図8(a)において、ハッチングを施した面)にレンズアレー12を備えた画像表示手段11が設けられている。
なお、第1立体像生成装置5及び第2立体像生成装置6は、例えば、1台のコンピュータを用いて、一体として構成するようにしてもよい。
なお、筐体は、辺の部分だけで構成される枠体であってもよく、立体表示装置1A同士を積層又は連結可能な構造のものであればよい。
このように、立体表示装置1Aを積み重ね可能に構成することにより、より多彩な形状や大きさの立体像を適切に分散表示することができる。
10 第1立体表示装置
11 第2立体表示装置
1A 立体表示装置
1A0 第1立体表示装置
1A1〜1A8 第2立体表示装置
11 画像表示手段
12 レンズアレー
13 筐体
2 マーカー(位置・方向計測手段)
2a 外枠図形
2b 模様
2c 台紙
3 立体像再生領域
4 カメラ(位置・方向計測手段)
5 第1立体像生成装置(立体像生成装置)
51 立体表示装置位置・方向算出手段(位置・方向算出手段)
52 座標変換式算出手段
53 IP立体像生成手段(第1立体像生成手段)
54 3次元形状モデル記憶手段
6 第2立体像生成装置(立体像生成装置)
61 座標変換手段
62 IP立体像生成手段(第2立体像生成手段)
63 3次元形状モデル記憶手段
100,100A 立体表示システム
Claims (10)
- 裸眼方式の複数の立体表示装置の中から任意に定めた1つを第1立体表示装置とし、その他を第2立体表示装置として、共通する3次元形状モデルについての立体像を分散表示する立体表示システムであって、
複数の前記立体表示装置と、
前記第1立体表示装置に立体像表示用の画像データを生成する第1立体像生成装置と、
前記第2立体表示装置に立体像表示用の画像データを生成する第2立体像生成装置と、
前記複数の立体表示装置の位置及び方向を検出するための計測を行う、位置・方向計測手段と、を備え、
前記第1立体像生成装置は、
前記位置・方向計測手段が計測した位置及び方向に関する計測データを用いて、前記第1立体表示装置及び前記第2立体表示装置のそれぞれについての位置及び方向に関する情報を算出する位置・方向算出手段と、
前記第1立体表示装置についての前記位置及び方向に関する情報と、前記第2立体表示装置についての前記位置及び方向に関する情報とを用いて、前記第1立体表示装置を基準とする座標系から、当該第2立体表示装置を基準とする座標系に変換する座標変換式を算出し、算出した座標変換式を前記第2立体像生成装置に送信する座標変換式算出手段と、
前記第1立体表示装置を基準とする座標系で定義された前記3次元形状モデルを用いて、前記第1立体表示装置に当該3次元形状モデルについての立体像を表示するための画像データを生成する第1立体像生成手段と、を備え、
前記第2立体像生成装置は、
前記第1立体像生成装置の前記座標変換式算出手段が算出した前記座標変換式を受信し、受信した当該座標変換式を用いて、前記3次元形状モデルの座標データを座標変換する座標変換手段と、
前記座標変換された3次元形状モデルを用いて、前記第2立体表示装置に当該3次元形状モデルについての立体像を表示するための画像データを生成する第2立体像生成手段と、を備えることを特徴とする立体表示システム。 - 前記位置・方向計測手段として、
前記複数の立体表示装置のそれぞれに、所定形状の図形を有するマーカーを設けるとともに、前記マーカーを撮影するカメラを備え、
前記位置・方向算出手段は、
前記カメラが撮影した画像中の、前記立体表示装置に設けられたマーカーの像の前記所定形状の図形の変形状態を解析して、前記立体表示装置の位置及び方向に関する情報を算出することを特徴とする請求項1に記載の立体表示システム。 - 前記カメラは、前記第1立体表示装置に設けられたマーカーと、前記第2立体表示装置に設けられたマーカーとを、同時に撮影し、
前記位置・方向算出手段は、前記第1立体表示装置に設けられたマーカーと、前記第2立体表示装置に設けられたマーカーとが同時に撮影された画像中のそれぞれのマーカーの前記所定形状の図形の変形状態を解析することで、前記第1立体表示装置及び前記第2立体表示装置の位置及び方向に関する情報を算出することを特徴とする請求項2に記載の立体表示システム。 - 前記裸眼方式は、IP(インテグラル・フォトグラフィ)方式であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の立体表示システム。
- 前記立体表示装置は、
複数の要素画像からなる要素画像群を表示する画像表示手段と、
前記要素画像群のそれぞれの要素画像に対応する要素レンズを二次元配列したレンズアレーと、を備え、
前記立体表示装置に定義された座標系は、前記レンズアレーを基準として定められたレンズアレー座標系であり、前記マーカーを基準として定められたマーカー座標系が、前記レンズアレー座標系と平行移動の関係となるように、前記マーカーが設けられたことを特徴とする請求項2又は請求項3の何れかを引用する請求項4に記載の立体表示システム。 - 前記立体表示装置は、互いに積み重ね可能な箱型に形成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の立体表示システム。
- 裸眼方式の複数の立体表示装置に、共通する3次元形状モデルについての立体像を分散表示する立体表示システムで用いられ、前記立体表示装置に前記3次元形状モデルについての立体像を表示するための画像データを生成する立体像生成装置であって、
請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の第1立体像生成装置であることを特徴とする立体像生成装置。 - 裸眼方式の複数の立体表示装置に、共通する3次元形状モデルについての立体像を分散表示する立体表示システムで用いられ、前記立体表示装置に前記3次元形状モデルについての立体像を表示するための画像データを生成する立体像生成装置であって、
請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の第2立体像生成装置であることを特徴とする立体像生成装置。 - コンピュータを、請求項7に記載の立体像生成装置として機能させるための立体像生成プログラム。
- コンピュータを、請求項8に記載の立体像生成装置として機能させるための立体像生成プログラム。
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