JP6425406B2 - 情報処理装置、情報処理方法、プログラム - Google Patents
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本実施形態では、物体の特性として形状変化の分布、具体的には物体表面の法線方向の変化の分布を考慮し、法線方向の変化が激しい方向の距離点を密に計測できるよう投影パターンの向きを決定する。本実施形態では法線方向の変化が激しい方向を、対象物体を撮影した二次元画像をフーリエ変換し周波数のフーリエスペクトルが大きい方向とみなしてパターンの向きを決定する。これは法線方向の変化が激しい方向の周波数のフーリエスペクトルは大きくなると考えるからである。一般的に平行線のパターンを用いたアクティブステレオ方式の三次元計測では平行線の方向で最も密に距離点が計測できるので物体の法線方向の変化が激しい方向に平行線の方向が合うように投影パターンの向きを決定する。
ステップS301では、形状変化算出部150が、対象物体の形状変化の分布を算出する。この処理についてはさらに図4のフローチャートを用いて詳しく説明する。
ステップS401では、カメラ110が、対象物体の画像をプロジェクタでパターンを投影していない状態で撮影する。図5(a)はこのようにして取得した対象物体の画像を表す図である。
ステップS402では、形状変化算出部150は、取得した画像f(x、y)の離散的フーリエ変換F(u、v)を得る。(x、yは取得画像上の画素の二次元座標であり、fは当該画素の輝度値である。u、vはそれぞれx方向、y方向の空間周波数を表しFは当該周波数の複素数である。)
(ステップS403)
ステップS403では、形状変化算出部150は、パターンの方向を表すbinを作成する。ここでは180度を22.5度毎に分割して8個のbinを作成する。それぞれのbinは0度、22.5度、45度、67.5度、90度、112.5度、135度、157.5度を基準としたパターンの方向を表し、binのスコアはその方向が三次元計測にどの程度適しているかを示す数値である。各binのスコアは0で初期化する。本実施形態ではbinの数を8としたが、プロジェクタが切り替え可能なパターン方向の分解能に応じて分割数とその方向を決めてもよい。
ステップS404では、形状変化算出部150は、離散的フーリエ変換で得られた各u、vにおいてフーリエスペクトルを計算し、u、vに対応するbinのスコアに加算する。ここでフーリエスペクトルとはu、vにおける複素数Fの絶対値
であり
で定義される値である。ただし、Re{F(u、v)}、Im{F(u、v)}はそれぞれF(u、v)の実部と虚部を表す。こうして全てのデータにおいて、対応するbinのスコアにフーリエスペクトルの値を加算したものを形状変化の分布とする。図5(b)は離散的フーリエ変換の結果をu、v平面上にフーリエスペクトルを輝度として画像にしたものである。この図上で線分で区切られた領域400〜470がそれぞれ上記で説明したbinの0度、22.5度、45度、67.5度、90度、112.5度、135度、157.5度に対応している。このようにして各領域において輝度(フーリエスペクトル)を加算したものを形状変化の分布とする。図5(c)は形状変化の分布をヒストグラムにして図示したものである。
ステップS302では、パターン方向決定部160が、形状変化の分布で最もスコアが高いbinが表す方向をパターン方向として決定する。図5(c)の例では0度方向が取得される。本実施形態ではbinのスコアのみに基づいてパターン方向を決定したが、binのスコア以外の指標を組み合わせて使っても良い。例えば液晶プロジェクタの場合はパターン方向によってはアンチエイリアスがかかりパターンの像がボケるのでbinのスコアが良い方向の中からアンチエイリアスがかからない方向を優先的に選択しても良い。
ステップS303では、パターン出力部140が、ステップS302で決定した方向でパターンを投影する。液晶プロジェクタでは内蔵する液晶パネルに出力した画像がそのまま投影パターンになるので決定されたパターン方向の画像を生成し液晶プロジェクタに出力することで決定された方向でパターンを投影する。
ステップS304では、画像取得部130が、パターンが投影されている状態の対象物体の画像を取得する。
ステップS305では、三次元形状算出部170が、取得した画像を処理して対象物体の三次元形状、具体的には対象物体の表面上の距離点群を計算する。
ステップS306では、位置姿勢導出部190が、モデル保持部180から対象物体の形状モデルを取得する。
ステップS307では、位置姿勢導出部190が、対象物体の距離点群に対象物体の形状モデルをフィッティングすることで対象物体の位置姿勢を算出する。モデルフィッティングは具体的には公知のICPアルゴリズムを使って対象物体の距離点群とモデルの間の三次元距離を最小化する位置姿勢を算出する。この時、対象物体の距離点群が凹凸に乏しく平面的であると平面内での位置が定まりにくい。本実施形態では上記で説明したように対象物体の凹凸が激しい方向を密に距離点群を計測することで位置が定まりやすくなり、位置姿勢の計測精度を向上することができる。
第1の実施形態では、ステップS301において、形状変化算出部150が、形状変化の分布を法線方向の変化の分布とみなし、法線方向の変化の分布を対象物体の画像の離散的フーリエ変換によって算出する例を説明した。しかし、法線方向の変化の分布が求められるのであれば算出方法はこの方法に限るものではない。例えば対象物体の法線方向が激しく変化する方向は観測される画像の輝度変化も激しくなると考えて画像の輝度勾配に基づいて求めても良い。その場合は対象物体を撮影した画像の各画素における輝度勾配ベクトルを算出し、その輝度勾配ベクトルの方向に対応するbinのスコアに輝度勾配ベクトルの大きさを加算したものを形状変化の分布とする。
第1の実施形態ではステップS301において、形状変化算出部150が、対象物体の画像全体から形状変化の分布を算出した。しかし、画像中に対象物体以外のものが写り込んでいる場合は先にテンプレートマッチングなどで対象物体の画像中における位置を絞り込んで、その領域についてのみ形状変化の分布を算出してパターン方向を決めてもよい。こうすることで対象物体以外の物体や背景の影響を除くことができる。さらに対象物体が画像中に複数あり、領域的に分離可能な場合は、領域を分割して各領域に対して形状変化の分布を算出してパターン方向を決めても良い。この場合、プロジェクタが液晶プロジェクタのように領域毎にパターン方向を切り替えることができる装置であれば一回の計測で領域毎に最適なパターン方向で計測することが可能である。
第1の実施形態では決定したパターン方向で対象物体の三次元形状を計測する方法を説明したが、さらに決定されたパターン方向をユーザへ提示する手段を伴ってもよい。この場合はパターン出力部140が外部の表示装置に決定されたパターン方向を出力し、表示装置は、パターン方向を提示する画面を表示する。
第1の実施形態では対象物体を撮影した二次元画像に基づいて形状変化の分布を算出したが、本実施形態では対象物体の三次元形状に基づいて形状変化の分布を算出する方法を説明する。本実施形態においても第1の実施形態と同様に、物体の特性として形状変化の分布、具体的には物体表面の法線方向の変化の分布を考慮し、法線方向の変化が激しい方向が密に計測できるよう投影パターンの向きを決める。ここでは法線方向の変化が激しい方向を対象物体の位置姿勢と形状モデルとから生成した距離画像をフーリエ変換し周波数のフーリエスペクトルが大きい方向とみなしてパターンの向きを決定する。このように対象物体の二次元画像ではなく三次元形状に基づいて形状変化の分布を算出することで物体の凹凸が激しい方向をパターン方向として、より正確に決定することができる。
ステップS801では、形状変化算出部750が、モデル保持部780から対象物体の形状モデルを取得する。
ステップS802では、画像取得部730が、カメラ110から対象物体の画像を取得する。
ステップS803では、形状変化算出部750が、テンプレートマッチングで対象物体の位置姿勢を算出(推定)する。具体的には事前に対象物体の形状モデルに基づいて対象物体の様々な姿勢の画像をシミュレーションにより生成し、テンプレート画像としておく。ステップS802で取得した対象物体の画像上でテンプレート画像をスライドさせて照合し、最もマッチするテンプレート画像を生成した対象物体の姿勢とその検出位置を対象物体の位置姿勢とする。
ステップS804では、形状変化算出部750が、カメラから見た物体の距離画像をシミュレーションで生成する。具体的にはステップS703までで算出した対象物体の位置姿勢と形状モデル情報とを用いてカメラで撮影した場合の各画素の光線方向でぶつかる物体表面の距離を算出し各画素の値とすることで距離画像とする。
ステップS805では、形状変化算出部750が、距離画像f(x、y)の離散的フーリエ変換F(u、v)を得る。(x、yは距離画像上の画素の二次元座標であり、fは当該画素の距離値である。u、vはそれぞれx方向、y方向の空間周波数を表しFは当該周波数の複素数である。)
ステップS806、ステップS807はそれぞれステップS403、ステップS404と同様の処理を距離画像の離散的フーリエ変換結果に対して行う。
本実施形態では精度よく位置姿勢計測を行うためには三次元距離点の精度が高くなるよう三次元形状を計測することが望ましいと考える。一般的に平行線のパターンを用いたアクティブステレオ方式の三次元計測ではパターンが当たっている表面がパターンの平行線の方向に直交する方向に傾斜すると光の線が太くなり、画像中から線を検出する精度が落ちる。一方でパターンの平行線の方向に傾斜している場合は光の線の太さは変わらないため検出精度も落ちない。そこで本実施形態では物体の特性として形状変化の分布、具体的にはパターンが当たる対象物体の表面の法線方向の分布を考慮する。そして、対象物体の傾斜方向と平行線の方向が同じ方向になるようパターンの投影方向を決めることで三次元形状計測を高精度に行う方法を説明する。
ステップS901では、形状変化算出部750は、対象物体の形状モデルを取得する。
ステップS902では、形状変化算出部750は、対象物体の位置姿勢を算出する。この算出方法は第2の実施形態で説明したステップS803の処理と同様であるのでここでの説明は割愛する。
ステップS903では、形状変化算出部750は、プロジェクタから対象物体の表面を観測した時の、表面法線の方向を算出する。具体的にはステップS902までで算出した対象物体の位置姿勢と形状モデル情報を用いてカメラで撮影した場合の各画素の光線方向でぶつかる物体表面の法線方向を算出する。
ステップS904では、形状変化算出部750は、パターンの方向を表すbinを作成する。ここでは180度を22.5度毎に分割して8個のbinを作成する。そして各binのスコアを0で初期化する。
ステップS905では、形状変化算出部750は、ステップS803で算出した各画素における対象物体の法線方向のカメラ視線方向に対する傾斜方向を算出する。そして、傾斜方向に対応するbinのスコアに1を加算する。こうして全ての画素においてbinのスコアに加算したものを形状変化の分布とする。
本実施形態の情報処理装置の構成は、図2の第1の実施形態に係る情報処理装置10と同様である。第1の実施形態のステップS307において対象物体の位置姿勢計算部260が行うモデルフィッティングでは対象物体の距離点群とモデルの間の三次元距離を最小化する方式を説明したが、本実施形態では、異なる方式でフィッティングを行う。
(ステップS301)
ステップS301では、形状変化算出部150は、取得した対象物体の画像に基づいて勾配の変化の画像,すなわちエッジ画像を算出する。
ステップS302では、パターン方向決定部160は、ステップS301で得られた二次元画像の輝度勾配の変化に基づいて、投影するパターンの方向を決定する。本実施形態では、上記のように、ステップS307で行うフィッティングの方式が第1の実施形態と異なるため、パターンの方向の決定についても異なる処理を行う。
ステップS307では、位置姿勢導出部190は、上記のハイブリッドなフィッティング方式で、対象物体の位置姿勢を導出する。
本実施形態の情報処理装置90は、図10に示すように、外部に表示装置91が接続されている。プロジェクタの外部パラメータが定まっていないシステムにおいては、第1の実施形態のステップS303において決定されたパターン方向をプロジェクタに自動的に設定することができない。このようなシステムでは第1〜第4の実施形態のいずれかに係る方法で決定したパターン方向をユーザがプロジェクタに設定するのを補助する機能を備えてもよい。本実施形態ではユーザがプロジェクタに決定したパターン方向を設定するのを補助する手段を伴う実施方法を説明する。
第1〜第5の実施形態では三次元計測システムの構成においてカメラが1台の場合の説明をしたが本実施形態ではカメラが複数台の場合について説明する。複数台のカメラを用いる構成においては第1〜第5の実施形態のいずれかに係る方法で決定した方向でパターンを投影して対象物体の三次元形状を計測する際に、三次元形状計測を行うべき画像を決定する手段を備える必要がある。画像の決定は当該画像の三次元形状の計算における適性に基づいて決定する。平行線のパターンを用いたアクティブステレオ方式の三次元計測においては画像中におけるステレオの対応探索を行うエピポーラ線の方向と平行線のパターン方向が90度に近い程対応を精度よく求めることができる。そこで本実施形態では画像中におけるエピポーラ線の方向と平行線のパターン方向が90度に近い程、三次元形状の計算における適性が高いとする。複数台のカメラから取得され得る各画像に対して三次元形状の計算における適性を算出して最も適性が高い画像を三次元形状計算に用いるべき画像として決定する。以下本実施形態による対象物体の位置姿勢の算出方法を説明する。なお、本実施形態においても第1の実施形態と同様に物体の特性として形状変化の分布、具体的には物体表面の法線方向の変化の分布を考慮し、法線方向の変化が激しい方向が密に計測できるよう投影パターンの向きを決める。
ステップS1301では、形状変化算出部1250が、形状変化の分布を算出する。複数のカメラで取得した各画像に対してこれまでの実施形態で説明したいずれかの方法で算出した対象物体の形状変化の分布の和を本実施形態における形状変化の分布とする。
ステップS1304では、画像取得部1230が複数のカメラで画像を取得する。
ステップS1305では、画像決定部1291が、三次元形状計算に使用すべき画像を選択する。まず、各カメラが取得する画像中におけるパターンの方向を求める。この方向はステップS1302で決められたパターン方向とあらかじめキャリブレーションによって求められているプロジェクタと当該カメラとの相対位置姿勢によって算出される。次にステレオの対応付けに用いるエピポーラ線の方向を求める。この方向は当該カメラとプロジェクタとの相対位置姿勢によって算出される。この相対位置姿勢もあらかじめキャリブレーションによって求められている。こうして画像中における平行線のパターンの方向とエピポーラ線の方向の成す角度を各カメラの画像について求め、角度が最も90度に近いカメラの画像に決定する。
アクティブステレオ方式の三次元計測では画像中からパターンの検出が困難な鏡面反射が起こっている領域やパターンが届かない領域では三次元点が計測できない。そこで、本変形例では、三次元形状の計算における適性として上記で説明した画像中におけるパターンの方向とエピポーラ線の方向の成す角度の他に、計測可能領域を考慮する例を説明する。
本実施形態で説明した画像の決定部1291はステップS1305において決定したカメラ及びその画像をユーザに提示しても良い。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
本発明における物体の特性とは三次元計測で得られる結果を特徴づける物体の特性であればどのようなものであってもよい。一例が第1〜3の実施形態の形状変化の分布である。
120 プロジェクタ
130 画像取得部
140 パターン出力部
150 形状変化算出部
160 パターン方向決定部
170 三次元形状計算部
180 モデル保持部
190 位置姿勢導出部
Claims (15)
- 撮像手段により撮像された、対象物体を含む画像を取得する画像取得手段と、
前記画像に基づいて、前記対象物体の形状の変化を示す情報を算出する算出手段と、
前記形状の変化を示す情報に基づいて、投影手段により前記対象物体に投影するパターンの向きを決定する決定手段と、
前記決定手段で決定されたパターンの向きを有するパターンを投影する投影手段と、
前記パターンが投影された対象物体を撮像する複数の撮像手段とを備え、
前記画像取得手段は、前記複数の撮像手段で撮像された複数の画像を取得し、
更に、前記取得した複数の画像それぞれにおいて、前記画像中で、前記対象物体の三次元計測が不能な領域を導出し、該導出された領域の大きさに基づいて、前記対象物体の三次元計測に用いるための画像を決定する画像決定手段を備えることを特徴する情報処理装置。 - 前記算出手段は、前記画像に基づいて、前記対象物体の位置姿勢を推定し、該位置姿勢に基づいて、前記形状の変化を示す情報を算出することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。
- 前記形状の変化を示す情報は、前記対象物体の表面の法線方向の分布または前記対象物体の表面の法線方向の変化の分布であ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。
- 前記決定手段は、前記形状の変化を示す情報に基づいて、形状の変化がより多く現れる方向を前記パターンの向きとして決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記決定手段は、前記形状の変化を示す情報と前記投影手段が投影可能なパターンの向きとに基づいて前記パターンの向きを決定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記画像決定手段は、前記複数の撮像装置それぞれと前記投影装置との配置に基づいて、前記取得した複数の画像のうちから、前記対象物体の三次元計測に用いるための画像を決定することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記画像決定手段で決定された画像を撮像した撮影手段を表示手段に表示させる表示制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 更に、前記画像決定手段により決定された画像に基づいて、前記対象物体の三次元形状を導出する手段を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 対象物体を含む二次元画像と該対象物体を示す距離点群それぞれと、前記対象物体のモデルとを対応づけることにより、前記対象物体の位置姿勢を取得する位置姿勢計測システムで用いられる前記距離点群を取得するためのパターンの方向を決定するための情報処理装置であって、
撮像手段により撮像された、対象物体を含む画像を取得する画像取得手段と、
前記画像に基づいて、前記画像の輝度勾配の変化を導出する導出手段と、
前記導出した輝度勾配の変化に基づいて、投影手段により前記対象物体に投影するパターンの向きを決定する決定手段とを備えることを特徴する情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記輝度勾配がより少なく現れる方向を前記パターンの向きとして決定することを特徴とする請求項9に記載の情報処理装置。
- 前記決定手段により決定された前記パターンの向きを表示手段に表示させる表示制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 更に、前記決定手段により決定したパターンの向きで前記対象物体にパターンを投影する投影手段を備えることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 撮像手段により撮像された、対象物体を含む画像を取得する画像取得工程と、
前記画像に基づいて、前記対象物体の形状の変化を示す情報を算出する算出工程と、
前記形状の変化を示す情報に基づいて、投影手段により前記対象物体に投影するパターンの向きを決定する決定工程と、
前記決定工程で決定されたパターンの向きを有するパターンを投影する投影工程とを備え、
前記画像取得工程では、前記パターンが投影された対象物体を複数の撮像手段で撮像した複数の画像を取得し、
更に、前記取得した複数の画像それぞれにおいて、前記画像中で、前記対象物体の三次元計測が不能な領域を導出し、該導出された領域の大きさに基づいて、前記対象物体の三次元計測に用いるための画像を決定する画像決定工程を備えることを特徴する情報処理方法。 - 対象物体を含む二次元画像と該対象物体を示す距離点群それぞれと、前記対象物体のモデルとを対応づけることにより、前記対象物体の位置姿勢を取得する位置姿勢計測システムで用いられる前記距離点群を取得するためのパターンの方向を決定するための情報処理方法であって、
撮像手段により撮像された、対象物体を含む画像を取得する画像取得工程と、
前記画像に基づいて、前記画像の輝度勾配を導出する導出工程と、
前記導出した輝度勾配に基づいて、投影手段により前記対象物体に投影するパターンの向きを決定する決定工程とを備えることを特徴する情報処理方法。 - コンピュータで実行されることにより、該コンピュータ装置を請求項1乃至12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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