JP6565465B2 - 画像表示装置、コンピュータープログラム、および画像表示システム - Google Patents
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Description
本実施形態では、以下の項目に沿って順番に説明する。
A−1.頭部装着型表示装置の構成:
A−2.キャリブレーションについて:
A−3.オフラインキャリブレーション:
A−3−1.キャリブレーションデータ収集処理:
A−3−2.最適化処理:
A−4.オンラインキャリブレーション:
A−4−1.キャリブレーションデータ処理:
A−4−2.コスト関数最適化処理:
図1は、本発明の第1実施形態における画像表示装置としての頭部装着型表示装置の概略構成を示す説明図である。頭部装着型表示装置100は、頭部に装着する表示装置であり、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display、HMD)とも呼ばれる。HMD100は、使用者が、虚像を視認すると同時に外景も直接視認可能な光学透過型のヘッドマウントディスプレイである。
IMU71、IMU15、およびカメラ60を用いたキャリブレーション(以降、IMU−カメラ・キャリブレーションとも呼ぶ)は、慣性センサーであるIMUの性能によって精度が異なる。精度が高くない安価なIMUが用いられると、キャリブレーションには、大きな誤差やドリフトが発生する。
(1)IMU71およびIMU15の検出と、カメラ60による撮像とが静的な位置で行なわれるため、時間の同期(シンクロ)が問題にならない。
(2)複数の位置における検出値や撮像画像を用いることで、フィルタリングにより、IMU(に含まれる各センサー)およびカメラ60のノイズを少なくできる。
(3)図5に示すように、IMUにおけるジャイロセンサー、加速度センサー、磁気センサーの出力が融合されてIMUの配向が求められることから、各センサーのドリフトが修正され、IMUの配向が高精度ある。
(4)制御部10に配置された識別マーカーMK1を用いることで、複雑なキャリブレーションを実行するための装置やHMD100以外の他の装置が不要になる。
なお、本実施形態では、IMU71とカメラ60との間の並進については、製造時の設計データを用いる。
次に、CPU140は、HMDのオフラインキャリブレーションを実行する(ステップS20)。オフラインキャリブレーションでは、識別マーカーMK1に固定された座標系からIMU15に固定された座標系への回転行列(Rmarker2conImu)と、カメラ60に固定された座標系からIMU71に固定された座標系への回転行列(Rcam2hmdImu)とが、導出される。つまり、オフラインキャリブレーションでは、識別マーカーMK1とIMU15との間の空間的関係と、カメラ60とIMU71との間の空間的関係とが、導出される。
また、式(10)、(11)、および(13)から、IMU15について、下記の式(16)、(17)のように表される。
図11は、本実施形態において、オフラインキャリブレーションを実行するために異なる静的な位置で、IMU15、71からのデータを収集するとともに識別マーカーMK1を撮像する処理のフローチャートである。具体的にはこの処理によって、上述のキャリブレーションデータ(1)〜(5)が収集される。マーカー撮像処理では、初めに、カメラ60の撮像範囲の中で、識別マーカーMK1の位置や向き(以下、IMU15の姿勢とも呼ぶ)を変更する(ステップS43)。算出部167は、カメラ60の静的な位置が固定された状態で、異なる姿勢のそれぞれでのキャリブレーションデータを収集する(ステップS45)。算出部167は、HMDに対する識別マーカーMK1の姿勢が異なるN個のキャリブレーションデータを収集したか否かを判定する(ステップS47)。算出部167は、N個未満のキャリブレーションデータしか取得できていないと判定した場合には(ステップS47:NO)、識別マーカーMK1の姿勢の変化がN個以上になるように使用者に促して、ステップS43移行の処理を行なう。なお、当該処理および以降の処理も含め、使用者への各種処理を促す方法としては、イヤホン32,34による音声出力および光学像表示部26,28による文字画像の表示などの方法がある。
本実施形態では、非線形のコスト関数を定義して、定義したコスト関数を最小化することで、キャリブレーションの誤差を低減する最適化処理を実行する。コスト関数としては、ガウス・ニュートン法を用いたエネルギー関数が用いられる。ガウス・ニュートン法を用いると、マーカー撮像処理によって取得された画像表示部20のM個の姿勢の撮像データにおける数値の二乗和を最小化することで、キャリブレーションの誤差を最小にできる。ガウス・ニュートン法を用いたコスト関数Eは、下記の式(21)で表される。
オンラインキャリブレーションも、オフラインキャリブレーションと同様に、上記式(1)から式(31)に基づいている。本実施形態では、カメラ60のレンズ部62は、カメラ基部61に対して矢印CS1(図1)に沿って回動可能である。すなわち、レンズ部62は、カメラ基部61に対して、1軸を中心軸として回動し、その他の2軸に対しては向きを変えない、すなわち回動しない。そのため、本実施形態のオンラインキャリブレーション実行処理では、カメラ基部61が中心軸の回りの1自由度の回転としてモデル化できる。カメラ基部61が上下のそれぞれに最も回動した場合の2端点の間を補間するために、球面線形補完(SLERP)および四元数(p、q、θ、t)を用いて、式(32)が導出される。
図13は、静状態の判定を加えた撮像データ取得処理の流れを示す説明図である。図13では、以上で説明した使用者の頭部の静状態の確率判定の処理も含めた1軸回転のカメラ60を有するHMD100の撮像データ処理が示されている。撮像データ取得処理では、初めに、マーカー識別部165は、カメラ60の撮像範囲に識別マーカーMK1が含まれるか否かを判定する(ステップS71)。マーカー識別部165は、ROM121に記憶された識別マーカーMK1に対応する画像データを用いて、識別マーカーMK1を撮像範囲から抽出する。マーカー識別部165は、撮像範囲に識別マーカーMK1が含まれていないと判定した場合には(ステップS71:NO)、撮像範囲に識別マーカーMK1が含まれるように、識別マーカーMK1の位置を変化させるよう使用者に促す(ステップS73)。
本実施形態では、式(32)であらわすパラメーターtを0から1までの0.25毎(t=0,t=0.25,t=0.5,0.75,1)に検索する(サーチする)荒いコスト関数と、パラメーターとを0から1までを0.1毎(t=0,t=0.1,t=0.2,・・・t=1)にサーチする高精度のコスト関数と、のいずれのコスト関数によってキャリブレーションが実行されてもよい。荒いコスト関数では、最適化した後のパラメーターtに相当するパラメーターt*は、下記の式(39)で表される。
第2実施形態では、第1実施形態の「A−3−5.コスト関数最適化処理」についてのみ異なるため、コスト関数最適化処理について説明し、その他の構成および処理等については、説明を省略する。
図16は、第3実施形態のHMD100aを含む画像表示システム500を機能的に示すブロック図である。第3実施形態では、第1実施形態の識別マーカーMK1の代わりに、HMD100とは異なる他の装置であるマーカー表示装置400の表示パネルに、識別マーカーMK1に対応する画像が表示されることで、キャリブレーションが実行される。
なお、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
15…IMU(第2慣性センサー)
20…画像表示部
21…右保持部
22…右表示駆動部
23…左保持部
24…左表示駆動部
26…右光学像表示部
28…左光学像表示部
30…イヤホンプラグ
32…右イヤホン
34…左イヤホン
40…接続部
42…右コード
44…左コード
46…連結部材
48…本体コード
51,52…送信部
53,54…受信部
60…カメラ
61…カメラ基部
62…レンズ部
71…IMU(第1慣性センサー)
90…装着帯
91…装着基部
92…ベルト部
93…連結部
100…HMD
121…ROM
122…RAM
128…通信部(算出部)
130…電源
135…操作部
139…識別対象記憶部
140…CPU
150…オペレーティングシステム
160…画像処理部
165…マーカー識別部
167…算出部(算出部)
170…音声処理部
180…インターフェイス
190…表示制御部
200…融合部
201…右バックライト制御部
202…左バックライト制御部
211…右LCD制御部
212…左LCD制御部
221…右バックライト
222…左バックライト
241…液晶ディスプレイ
251…右投写光学系
261…右導光板
262…左導光板
300…融合部
310…測定部
311…ローパスフィルター
312…ローパスフィルター
313…チルト角測定部
314…ヨー角測定部
320…予測部
330…更新部
340…重力取消部
350…回転補正部
400…マーカー表示装置
410…表示パネル
420…送受信部(識別部)
430…パネル制御部
440…IMU(第2慣性センサー)
500…画像表示システム
AP…先端部
CS1…矢印
EL…左光学像表示部の端部
ER…右光学像表示部の端部
IMG…マーカー画像
LE…左眼
RE…右眼
MK1…識別マーカー(マーカー)
OA…外部機器
P0、P1,P2,P3…頂点
PM1…第1変換パラメーター
PM2…第2変換パラメーター
Claims (8)
- 画像表示装置であって、
第1慣性センサーと、
撮像部と、
算出部と、を備え、
前記算出部は、
前記撮像部が、前記第1慣性センサーに対して可動な第2慣性センサーを備えた識別部が提示するマーカーを撮像し撮像画像を取得した場合に前記撮像画像に少なくとも基づいて前記マーカーと前記撮像部との間の第1空間位置関係を算出し、
前記マーカーが撮像された場合の前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーからそれぞれ得られる前記第1慣性センサーの第1配向を含む第1データおよび前記第2慣性センサーの第2配向を含む第2データと、前記第1空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記撮像部と前記第1慣性センサーとの間の第2空間位置関係を算出する、
画像表示装置。 - 請求項1に記載の画像表示装置であって、さらに、
前記第1データを格納する第1メモリ領域と、
前記第2データを格納する第2メモリ領域と、
前記第1空間位置関係を格納する第3メモリ領域と、を備え、
前記算出部は、前記第1メモリ領域に格納された前記第1データと、前記第2メモリ領域に格納された前記第2データと、前記第3メモリ領域に格納された前記第1空間位置関係と、を用いて、前記第2空間位置関係を算出する、
画像表示装置。 - 請求項1記載の画像表示装置であって、
さらに、静状態判定部を備え、
前記静状態判定部が、前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーからの出力に基づいて、前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーが静状態にあると判定した場合に前記撮像部が前記マーカーを撮像するとともに、前記算出部が前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーからそれぞれ前記第1データおよび前記第2データを取得し、
前記算出部は、前記取得された前記第1データと、前記第2データと、前記マーカーを撮像することにより得られた撮像画像に基づく前記第1空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記第2空間位置関係を算出する、
画像表示装置。 - 請求項3記載の画像表示装置であって、
さらに、前記マーカーと前記第2慣性センサーとの間の第3空間位置関係を記憶する記憶部を有し、
前記算出部は、前記第1データと、前記第2データと、前記第1空間位置関係と、前記第3空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記第2空間位置関係を算出する、
画像表示装置。 - 請求項3に記載の画像表示装置であって、
さらに、前記マーカーと前記第2慣性センサーとの間の第3空間位置関係を記憶する記憶部を有し、
前記静状態判定部が、前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーが静状態にあると判定した場合に、前記算出部は、さらに、前記第1慣性センサーが計測した第1加速度および前記第1配向を含む前記第1データと、前記第2慣性センサーが計測した第2加速度および前記第2配向を含む前記第2データと、を取得し、
前記算出部は、取得された前記第1加速度と、前記第1配向と、前記第2加速度と、前記第2配向と、前記第1空間位置関係と、前記第3空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記第2空間位置関係を算出する、
画像表示装置。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の画像表示装置であって、
前記撮像部は、所定の1軸を中心に回転可能に形成され、前記所定の1軸と直交する他の2軸に対しては回転できないように形成されている、画像表示装置。 - 加速度を検出可能な第1慣性センサーと、外景を撮像可能な撮像部と、を備える画像表示装置のためのコンピュータープログラムであって、
算出機能は、
前記撮像部が、前記第1慣性センサーに対して可動な第2慣性センサーを備えた識別部が提示するマーカーを撮像し撮像画像を取得した場合に前記撮像画像に少なくとも基づいてマーカーと前記撮像部との間の第1空間位置関係を算出し、
前記マーカーが撮像された場合の前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーからそれぞれ得られる前記第1慣性センサーの第1配向を含む第1データおよび前記第2慣性センサーの第2配向を含む第2データと、前記第1空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記撮像部と前記第1慣性センサーとの間の第2空間位置関係を算出する機能を、画像表示装置に実現させるためのコンピュータープログラム。 - 画像を表示可能な第1表示部を有する頭部装着型表示装置と、マーカーの画像を表示可能な第2表示部を有するマーカー表示装置と、を備える画像表示システムであって、
前記頭部装着型表示装置は、
第1慣性センサーと、
撮像部と、
前記マーカーの画像を送信する算出部と、を備え、
前記マーカー表示装置は、
前記算出部から送信された前記マーカーの画像を受信する被識別部と、
前記被識別部に設けられた第2慣性センサーと、を備え、
前記算出部は、
前記撮像部が、前記第2表示部に表示された前記マーカーを撮像し撮像画像を取得した場合に前記撮像画像に少なくとも基づいて前記マーカーとの前記撮像部と間の第1空間位置関係を算出し、
前記マーカーが撮像された場合の前記第1慣性センサーおよび前記第2慣性センサーからそれぞれ得られる前記第1慣性センサーの第1配向を含む第1データおよび前記第2慣性センサーの第2配向を含む第2データと、前記第1空間位置関係と、に少なくとも基づいて、前記撮像部と前記第1慣性センサーとの間の第2空間位置関係を算出する、画像表示システム。
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