JP6701277B2 - 情報処理装置、情報処理方法、プログラム - Google Patents
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Description
第1の実施形態では、プロジェクタと複数台のカメラによって構成される三次元計測装置のうち、カメラとプロジェクタをステレオペアとして三次元計測を行う三次元計測装置に本発明を適用した場合について説明する。三次元計測方法として、複数台のカメラの夫々についてカメラ毎に設定されたパターンをプロジェクタが投影し、選択されたカメラによって撮像された画像に基づいて三次元計測を行うことを逐次的に行う方法を想定する。本実施形態では、そのような三次元計測方法を実施する前に行うカメラ毎のパターンの設定方法について説明する。具体的には、カメラ毎に最も適したパターンの方向をユーザが選択する。
N. G. Durdle, J. Thayyoor, and V. J. Raso, “An improved structured light technique for surface reconstruction of the human trunk,” IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering 1998, vol.2, pp.874−877, 1998.
ステップS1000において、カメラ選択部90は、初期化を行う。初期化では、全てのカメラについて対応する投影パターンが未決定の状態にする。
ステップS1010において、カメラ選択部90は、カメラの選択を行う。具体的には、まず、ユーザ操作取得部110が操作部120からの操作信号を受信し、受信した信号をカメラ選択部90が受信可能な形式で送信する。そして、カメラ選択部90は、受信した信号に基づいて、パターンを設定する対象のカメラの識別情報を撮像部50に送出することにより、カメラの選択を行う。ユーザによる操作部120の操作(カメラの選択)は、図3のカメラ選択UI(1100)を操作部120で操作することにより行う。ユーザは、ランタイムの計測時に投影するパターンが決定されていないカメラを選択する。本実施形態では、カメラ選択UIへのユーザ指示によりカメラの選択が行われるが、予めカメラ選択の順番を決めておき、その決められた順番で自動的に選択を行ってもよい。
ステップS1020では、パターン情報設定部30は、ステップS1010で選択したカメラに対してパターンを設定する。つまり、選択したカメラが撮像する際に投影部から投影するパターンをカメラごとに設定する。まず、ユーザ操作取得部110が操作部120からの操作信号を受信し、受信した信号をパターン情報設定部30が受信可能な形式で送信する。ユーザによる操作部120の操作(パターンの設定)は、は図3のパターン情報設定UI(1120)を操作部120で操作することにより行う。パターン情報設定部30は、設定されたパターンの情報を、投影部10に送出する。
ステップS1030において、三次元計測部80は、三次元計測を行う。具体的には、まず、投影部10は、ステップS1020で設定されたパターンを投影する。そして、画像取得部70は、パターンが投影されたシーンを、ステップS1010で選択されたカメラで撮像した画像を入力する。そして、撮影された画像をもとに三次元計測を行う。三次元計測は次のように行う。
ステップS1040では、表示部100は、ステップS1030での三次元計測の結果を各カメラと関連付けて表示する。ユーザは表示部100中の図3の3次元点群表示UI(1110)に表示される三次元計測結果を確認して、選択されているパターンが妥当か否かの判定を行う。この判定は、前述したように、三次元計測結果が実際の値(実際の形状)とどれだけずれているかをユーザが判断して行う。そして、ユーザは選択されたパターンが妥当であると判断した場合には、操作装置110により妥当であることを示す信号をユーザ操作取得部110に入力する。ユーザは視点位置や方向を変えて三次元点群を観察してもよい。また、ユーザは精度を示す色によって三次元計測が精度よく行われているかを確認してもよい。また、カメラ選択部90が、所定の値からのずれを自動的に判断してもよい。
ステップS1050では、カメラ選択部90は、ユーザが現在選択されているカメラを用いる場合に現在選択されているパターンをランタイムの三次元計測時に投影するパターンとして採用する指示があったか否かを判定する。具体的には、ユーザ操作取得部110からの信号に基づいて判定する。現在設定されているパターンに決定する(処理を終了する)場合にはステップS1060に進み、そうでない場合にはステップS1020に戻って異なるパターンを選択する。なお、例えば、三次元計測の測定対象物の形状が既知であれば、測定した値と実際の値とのずれを評価し、評価値の高いパターンを、ユーザ指示を待たずに自動的に設定するようにしてもよい。
ステップS1060において、ユーザ操作取得部110は、ユーザから終了指示があるかの判定を行う。全てのカメラについて決定している場合にはステップS1070に進み、そうでない場合にはステップS1010に戻りまだ決定していないカメラを選択する。なお、撮像部50を構成する全てのカメラについて投影パターンが決定されている場合にもステップS1070に進む。
ステップS1070では、パターン情報保持部40は、撮像部50を構成する各カメラについて選択されたパターンの情報を、各カメラと関連づけて記憶する。この情報は、ランタイムの三次元計測を行う際に参照される。
第2の実施形態では、プロジェクタと複数台のカメラによって構成される三次元計測装置のうち、カメラとカメラをステレオペアとして三次元計測を行う三次元計測装置に本発明を適用した場合について説明する。本実施形態では、三次元計測として複数台のカメラのうち2台のカメラ(カメラペア)を選択し、選択されたカメラペアに適したパターンをプロジェクタが投影し、選択されたカメラペアによって撮像された複数の画像に基づいて三次元計測を行う方法を想定する。
ステップS2000において、カメラ選択部90は初期化を行う。初期化では、全てのカメラペアについて対応する投影パターンが未決定の状態にする。
ステップS2010において、カメラ選択部90は、カメラペアの選択を行う。カメラの選択は図5のカメラ選択UI(2100)を介して入力されるユーザの指示により行われる。ユーザは、ランタイムの計測時に投影するパターンが決定されていないカメラペアを、カメラ選択UI(2100)を通じて選択する。
ステップS2020において、パターン情報設定部30は、ステップS2010で選択したカメラペアに対する投影パターンを選択する。投影パターンの選択は図5のパターン情報入力UI(2120)を介して入力されるユーザの指示により行われる。
ステップS2030において、三次元計測部80は、三次元計測を行う。具体的には、まず、投影部10は、ステップS2020で選択されたパターンを投影する。そして、ステップS2010で選択されたカメラペアを構成する2台のカメラによってパターンが投影されたシーンを撮影する。そして、撮影された画像をもとに三次元計測を行う。三次元計測は次のように行う。
ステップS2040において、表示部100は、ステップS2030での三次元計測の結果を表示する。ユーザは表示部中の情報表示UI(2110)(図5)に表示される三次元計測結果を確認して、選択されているパターンが妥当か否かの判定を行う。この判定については、S1040における処理と同様である。
ステップS2050では、カメラ選択部90は、ユーザは現在選択されているカメラペアを用いる場合に現在選択されているパターンを投影して三次元計測を行うかどうかを決定する。選択されているパターンに決定する場合にはステップS2060に進み、そうでない場合にはステップS2020に戻って異なるパターンを選択する。
ステップS2060において、カメラ選択部90は、予め決められた全てのカメラペアについて投影パターンが決定されているか判定を行う。そして、全てのカメラペアについて決定している場合にはステップS2070に進み、そうでない場合にはステップS2010に戻りまだ決定していないカメラペアを選択する。
ステップS2070において、パターン情報保持部40は、ステップS2010〜ステップS2060を繰り返すことにより、予め決められた全てのカメラペアについて選択されたパターンの情報を保存する。この情報は、ランタイムの三次元計測を行う際に参照される。
第1及び第2の実施形態では、選択したカメラまたはカメラペアについてユーザが投影するパターンを選択し、三次元計測の結果を見て判断を行っていた。第3の実施形態では、カメラとプロジェクタの配置に基づいて、適した投影するパターンを自動的に算出してユーザに提示する。第3の実施形態では第1の実施形態と同様にカメラとプロジェクタのペアから三次元計測を行う場合について説明する。
ステップS3010において、カメラ選択部90は、カメラの選択を行う。カメラの選択は図3のカメラ選択UI(1100)を介してユーザが行う。ユーザは、ランタイムの計測時に投影するパターンが決定されていないカメラを選択する。
ステップS3025では、パターン情報設定部90は、ステップS3010で選択したカメラに対する最適な投影パターンの算出を行う。最適な投影パターンの算出は、カメラとプロジェクタの内部パラメータ及びカメラ−プロジェクタ間の外部パラメータに基づいて行う。ここで、投影するパターンの候補としては、プロジェクタ画像の垂直方向に平行なマルチラインパターンとプロジェクタ画像の水平方向に平行なマルチラインパターンがあるものとする。具体的には、3次元空間においてプロジェクタのレンズ中心からカメラのレンズ中心に向かうベクトルをプロジェクタ画像上に投影したときの画像上の方向を算出する。そして、算出された方向とプロジェクタ画像の水平方向とのなす角が45度以下の場合には、プロジェクタ画像の垂直方向に平行なマルチラインパターンを選択し、45度より大きい場合にはプロジェクタ画像の水平方向に平行なマルチラインパターンを選択する。
ステップS3030では、三次元計測部80は、三次元計測を行う。具体的には、まず、ステップS3025またはS3020で選択されたパターンをプロジェクタ(投影部)が投影する。そして、ステップS3010で選択されたカメラ(撮像部)によってパターンが投影されたシーン(計測対象)を撮影し、撮影された画像をもとに三次元計測を行う。三次元計測部80は、三次元計測結果を表示部100に送出する。
ステップS3040において、表示部100は、ステップS3030での三次元計測の結果を表示する。図3のデータ表示UI(1110)は表示部100による表示結果の例である。ユーザは図3のUIに表示される三次元計測結果を確認して、選択されているパターンが妥当か否かの判定を行い、操作部120で判定結果を情報処理装置3に送出する。前述したように、ユーザは視点位置や方向を変えて三次元点群を観察してもよい。また、ユーザは精度を示す色によって三次元計測が正常に行われているかを確認してもよい。
ステップS3050において、パターン情報設定部30は、ユーザは現在選択されているカメラを用いる場合に現在選択されているパターンを投影して三次元計測を行うかどうかを決定する。選択されているパターンに決定する場合にはステップS3060に進み、そうでない場合にはステップS3020に進んで異なるパターンを選択する。
ステップS3020において、パターン情報設定部30は、ステップS3010で選択したカメラに対する投影パターンの設定を行う。投影パターンの選択は図3のパターン情報入力UI(1120)を介してユーザが行う。
ステップS3060において、カメラ選択部90は、ユーザにより終了指示が入力されているか判定を行う。そして、入力されている場合にはステップS3070に進み、そうでない場合にはステップS3010に戻りまだ決定していないカメラを選択する。撮像部50を構成する全てのカメラについて投影パターンが決定されている場合にもステップS3070に進む。
ステップS3070において、パターン情報保持部40は、撮像部50を構成する各カメラについて選択されたパターンの情報をパターン情報保持手段40に保存する。この情報は、ランタイムの三次元計測を行う際に参照される。
第4の実施形態では、カメラもしくはカメラペアごとに投影パターンの色を変える場合について説明する。本実施形態では第2の実施形態と同様に、カメラペアを選択して各カメラペアに最適なパターンを設定するものとする。
(変形例1)
以上述べた実施形態では、画像に撮像される領域のうち特定の領域に限定することなく三次元計測に最適なパターンの選択を行っていた。しかしながら、パターンの選択方法はこれに限るものではなく、特定の領域内の三次元計測結果を見てユーザが選択したパターンの利用を判断してもよい。図7を用いて本変形例に係るGUIについて説明する。図7は第1の実施形態におけるGUIのデータ表示UI(1110)である。三次元計測の対象物体1160の画像内での大きさが画像サイズより小さい場合、ユーザは操作部120であるマウスによりマウスカーソル1170を操作して画像内で矩形領域1160を指定する。三次元計測手段80は、矩形領域1160で指定された領域内の三次元点群のみを算出する。ユーザは指定された領域内の三次元計測結果を見てパターンの採否を判断する。これによって、計測対象以外の領域の三次元計測結果に影響されることなく、計測対象に最も適したパターンを選択することができる。
以上述べた実施形態では、カメラまたはカメラペアごとに異なるパターンの切り替え・投影・撮像を逐次的に行っていた。しかしながら、異なるカメラまたはカメラペアで共通のパターンが投影される場合には、パターンを切り替えることなく撮影を行ってもよい。例えば、図2においてカメラ1とカメラ3のカメラペア、及びカメラ2とカメラ4のカメラペアに対して共通のパターンが設定される場合は以下のようにする。すなわち、カメラ1とカメラ3用のパターンを投影してカメラ1とカメラ3で撮影を行った後、パターンを切り替えてカメラ2とカメラ4で撮影を行う。つまり、パターンが共通の場合に切り替えを行わないようにすることで、撮影にかかる時間を短縮することが可能になる。
以上の実施形態で説明した図3や図5に示すGUIでは、カメラを選択するためのUI、パターンに関する情報を入力するためのUI、選択したカメラとパターンで計測された三次元計測結果を表示するデータ表示UIから構成されていた。
以上述べた各実施形態では、離散的に設定された投影するパターンの方向をユーザが選択していた。しかしながら、ユーザが設定するパターンに関する情報はこれに限るものではない。パターンの方向は離散的ではなく、スライダなどを利用して連続値として設定してもよい。また、例えば、図9に示すようなGUIを介してマルチラインパターン(線パターン)の線の間隔や幅をユーザが決定してもよい。線の間隔は、計測したい対象の形状の細かさに応じ決定する必要がある。細かい形状を計測したい場合には線間隔を狭める必要があり、大まかな形状を計測するのであれば線間隔を広げてもよい。また、線間隔が狭い場合には、ボケの影響や動的な環境を計測する場合にはモーションブラーによって線が広がり異なる線が画像上で重なる場合があり、計測精度が低下する。ユーザはGUIを介して三次元計測結果を観察することで、ボケやモーションブラーなどの影響も考慮しながら最適な線間隔を決定することができる。また、線の幅に関しては、カメラとプロジェクタの解像度の比に基づいて決定する必要がある。カメラ側の1画素より線幅が狭い場合には線を十分な精度で検出することができないため、線幅を広くする必要がある。線間隔と同様にユーザはGUIを介して三次元計測結果を参照しながら最適な線幅を決定することができる。
以上述べた各実施形態では、ユーザはパターン選択GUI上に提示されたパターンを区別なく選択していた。しかし、例えばカメラとプロジェクタ(もしくはカメラとカメラ)のエピポーラライン方向とカメラが撮影する投影パターンの画像上での方向が近い場合は高精度に計測することが困難になるため、ユーザはそのようなパターンを選択するべきではない。そこで、エピポーラライン方向とカメラが撮影する投影パターンの画像上での方向を算出し、図10に示すように方向の差の絶対値が所定の閾値以上のパターンとそれ以外のパターンの表示方法を変えて、ユーザが誤った選択をしないようにしてもよい。図10では、選択すべきではないパターンは選択できないようにグレーアウト(図中では破線で表示)されている。
以上述べた実施形態では、三次元計測結果を精度によって色を変えてユーザに提示していた。しかしながら、三次元計測結果の提示方法はこれに限るものではない。例えば、図12に示すように、精度や計測点数を数値として提示してもよい。三次元計測は計測に失敗する場合もあるため、計測点数を三次元計測の安定性を示す指標として用いる。このときの精度は、例えば平面を計測対象としたときに、計測された3次元点群に平面フィッティングしたときのRMS(Root Mean Squared)誤差を用いる。また、平面以外で形状既知な物体を計測し、該物体の3次元モデルを3次元点群にフィッティングしたときのRMS誤差を表示してもよい。さらには、ユーザが目標精度を入力するフィールドをGUI内に設けて、目標精度を達成するようなパターンを自動的に選択しユーザに提示してもよい。
以上述べた実施形態では、基本的にユーザが選択するパターンの表示は同一であった。しかしながら、パターンの表示を同一にする必要は必ずしもなく、カメラとプロジェクタの配置に応じて、ユーザが選択すべきパターンがわかるように表示していてもよい。すなわち、カメラとプロジェクタの配置から決定されるエピポーラ線の方向と画像上での投影パターンの線の方向のなす角度が最も大きいパターンの画像の外枠を太くして表示して、ユーザに選択すべきパターンをわかりやすくしてもよい。
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。
第1の実施形態により、実際に三次元計測を行った結果をユーザに提示することで、カメラとプロジェクタをステレオペアとして三次元計測を行う三次元計測装置において各カメラについてプロジェクタが投影する適切なパターンを決定することができる。また、事前に設定したカメラ毎の投影パターンの情報を保存しておくことで、ランタイムの計測時に同様の作業が不要になる。また、計測した三次元点群の計測結果のみを表示するだけでなく、精度などの計測性能に関する情報を付与して表示することで、ユーザが選択したパターンの妥当性を容易に判断することができる。三次元点群を観察する位置や方向をユーザが自由に変更できることで、固定された視点では判断しにくい精度なども判断できるようになる。さらに、選択したカメラの2次元画像を表示し、エピポーララインを重畳表示して投影パターンに対する向きを観察可能にすることで適切なパターンを決定することができる。
第1の実施形態における撮像部を構成するカメラとしてモノクロカメラを用いた。しかしながら、カメラはこれに限るものではなく、カラーカメラであってもよいし、赤外カメラなどの可視光以外の波長の光を撮影するカメラであってもよい。カラーカメラを用いる場合には、投影するパターンはモノクロのパターンに限らず、カラーのパターンであってもよい。カラーのパターンとしては、例えば、以下の非特許文献に開示されるBoyerらの色でインデックス付けされたマルチラインパターンを用いてもよい。また、赤外カメラを用いる場合には、赤外光源を用いてモノクロのマルチラインパターンを照射してもよい。
K. L. Boyer and A. C. Kak, “Color−encoded structured light for rapid active ranging,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.9, no.1, pp.14−28, 1987.
M. Maruyama and S. Abe, “Range sensing by projecting multiple slits with random cuts,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.15, no.6, pp.647−651, 1993.
30 パターン情報設定部
40 パターン情報保持部
50 撮像部
70 画像取得部
80 三次元計測部
90 カメラ選択部
100 表示部
110 ユーザ操作取得部
120 操作部
Claims (11)
- 投影手段と複数の撮像部とに接続された情報処理装置であって、
前記投影手段に明暗の縞パターンを複数回投影させる投影制御手段と、
前記投影手段によって前記縞パターンが投影された計測対象を前記複数の撮像部の少なくとも1つにより撮像した画像を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得される画像に基づいて、前記計測対象の三次元計測を行う計測手段と、
前記三次元計測の結果と前記三次元計測に用いた画像を撮像した撮像部を示す情報と前記三次元計測に用いた縞パターンを示す情報とを関連付けて表示手段に表示させる表示制御手段と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記投影制御手段は、互いに縞の向きが異なる縞パターンを含む明暗の縞パターンを前記投影手段に複数回投影させることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記互いに縞の向きが異なる縞パターンは、互いに略直交する縞パターンを含むことを特徴とする請求項2記載の情報処理装置。
- 前記投影手段が投影する縞パターンの縞の向きと対応させて、前記撮像部を切り替えることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記取得手段は、前記投影手段により前記縞パターンが投影されるたびに前記複数の撮像部の少なくとも1つにより撮像した画像を取得することを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記計測手段で計測のために用いる画像はステレオペア画像であることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記投影制御手段は、前記投影手段の投影中心から、前記投影手段に投影される縞パターンを撮像する前記撮像部の撮像中心に向かうベクトルを前記縞パターンが投影される面に投影される方向を算出し、前記縞パターンの縞の向きを前記方向と、平行に近くならない向きに決定し、前記投影手段に前記決定した縞の向きで前記縞パターンを投影させることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記複数の撮像部の相対的な位置及び姿勢は予めキャリブレーションされていることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 前記複数の撮像部は、少なくとも4つの撮像部であることを特徴とする請求項1記載の情報処理装置。
- 投影手段と複数の撮像部とに接続された情報処理装置が実行する情報処理方法であって、
前記投影手段に明暗の縞パターンを複数回投影させる投影工程と、
前記投影手段によって前記縞パターンが投影された計測対象を前記複数の撮像部の少なくとも1つにより撮像した画像を取得する取得工程と、
前記取得工程において取得される画像に基づいて、前記計測対象の三次元計測を行う計測工程と、
前記三次元計測の結果と前記三次元計測に用いた画像を撮像した撮像部を示す情報と前記三次元計測に用いた縞パターンを示す情報とを関連付けて表示手段に表示させる表示制御手段と、
を有する情報処理方法。 - コンピュータを、請求項1乃至9の何れか1項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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