JP6934224B2 - 三次元形状モデル生成装置、三次元形状モデル生成方法及びプログラム - Google Patents
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Description
上記三次元復元手法の一つとして、複数枚の多視点画像の各々における局所領域の正規化相互相関を行い、対象物の三次元形状を示す三次元点群における各点の三次元座標を求める手法がある(第1の三次元復元手法)。例えば、この第1三次元復元手法において、ある視点に対応する撮像画像におけるピクセルの三次元空間での三次元座標を、複数の特徴点の含まれる局所領域に対するプレーンスイーピングを用い、その局所領域に含まれるピクセルの三次元座標を求める。すなわち、プレーンスイーピングにおいては、全探索を前提として、複数の多視点画像の各々の局所領域間の正規化相互相関の相関値を加算した数値が最も高くなる三次元座標及び法線ベクトルを求めている。
この第2の三次元復元手法は、上述した局所領域間の正規化相互相関に比較して、局所領域に含まれるピクセルの三次元座標を、高い精度で求めることができる。これにより、第2の三次元復元手法は、上述した局所領域間の正規化相互相関を行なう第1の三次元復元手法に比較して、対象物の三次元形状モデルを、より高精度に生成することができる。
この画像ピラミッドを用いた粗密探索においては、多視点画像をより低解像度の低解像度画像に変換し、この低解像度画像の局所領域に対してフーリエ変換を行ない、プレーンスイーピングにより、局所領域間の位相スペクトルの位相差に基づいて、局所領域のピクセルの三次元座標を求める。これにより、プレーンスイーピングにおける全探索が、低解像度画像にのみ限定され、第2の三次元復元手法を用いた三次元復元処理にかかる時間を短縮することができる。
一方、誤差の伝搬する領域を抑制するため、画像ピラミッドの階層数を低下させた場合、プレーンスイーピングにおける全探索を行なうピクセル数が増加する。このピクセル数の増加に伴い、プレーンスイーピングによる処理時間が増加してしまう。
図1は、本発明の一実施形態による三次元形状モデル生成装置の構成例を示すブロック図である。図1において、三次元形状モデル生成装置1は、多視点画像入力部11、デプスマップ生成部12、三次元点群生成部13、視点選択部14、三次元座標算出部15、三次元形状モデル生成部16、多視点画像記憶部17、三次元点群記憶部18及び三次元形状モデル記憶部19の各々を備えている。
ここで、視点識別情報は、多視点画像を撮像した視点を識別する情報である。視点座標は、世界座標系における多視点画像を撮像した視点の三次元座標を示している。視点方向は、世界座標系における多視点画像を撮像した視点の三次元座標における向き(視点ベクトル)を示している。カメラパラメータは、上述した外部パラメータと内部パラメータなどである。画像インデックスは、多視点画像のデータが書き込まれて記憶されている領域の多視点画像記憶部17におけるアドレスである。
本実施形態において、デプスマップ生成部12は、例えば、デプスマップを生成する際に、パッチマッチステレオ(PatchMatch Stereo)法を用いている。パッチマッチステレオ法においては、各視点の多視点画像それぞれのピクセルのデプスマップ及び法線ベクトルマップの各々を乱数により初期化することで生成する。
そして、三次元点群生成部13は、三次元点群の三次元点それぞれの推定した法線ベクトルを法線ベクトルマップとして、三次元点群記憶部18に書き込んで記憶させる。三次元点群生成部13は、法線ベクトルマップを書き込んだ領域のアドレスを取得し、法線ベクトルマップインデックスとして、三次元点群テーブルに書き込んで記憶させる。
Sij=(Cj・rij)*(−ni・rij) …(1)
Sij=Vij*(Cj・rij)*(−ni・rij) …(2)
(2)式において、係数Vijは、i番目の三次元点がj番目の視点から見えるか否かを示す可視性のパラメータである。ここで、係数Vijは、i番目の三次元点がj番目の視点から見える場合に「1」であり、i番目の三次元点がj番目の視点から見えない場合に「0」である。すなわち、係数Vijは、i番目の三次元点がj番目の視点から見えるか否かの判定を行なう。このとき、視点選択部14は、j番目の視点とi番目の三次元点との間に他の三次元点の有無を検出することにより、i番目の三次元点がj番目の視点から見えるか否かの判定を行なう。そして、視点選択部14は、j番目の視点とi番目の三次元点との間に他の三次元点が存在しない(三次元点に対応するピクセルが多視点画像に有る視点の)場合に、係数Vijを「1」とし、(2)式の計算を行なう。一方、視点選択部14は、j番目の視点とi番目の三次元点との間に他の三次元点が存在する(三次元点に対応するピクセルが多視点画像に無い視点の)場合に、係数Vijを「0」とし、(2)式の計算を行なう。
三次元座標算出部15は、再計算した三次元座標に基づく三次元点群を、三次元点群記憶部18に書き込んで記憶させ、書き込んだ領域のアドレスを再計算点群インデックスとして、三次元点群テーブルに書き込んで記憶させる。
そして、三次元形状モデル生成部16は、生成した三次元形状モデルに対して形状モデル識別情報を付与し、この三次元形状モデルのデータを三次元形状モデル記憶部19に書き込んで記憶させる。また、三次元形状モデル生成部16は、三次元形状モデル記憶部19において三次元形状モデルのデータを書き込んだ領域のアドレスを、形状モデルインデックスとして、三次元形状モデル記憶部19の三次元形状モデルテーブルに書き込んで記憶させる。
多視点画像入力部11は、異なった複数の視点で撮像装置により撮像した複数の多視点画像を外部装置(不図示)から入力し、多視点画像を撮像した視点の各々に視点識別情報を付与する。
そして、多視点画像入力部11は、入力した多視点画像の各々を、多視点画像記憶部17に対して書き込んで記憶し、多視点画像の各々を書き込んだ領域のアドレスを取得する。多視点画像入力部11は、多視点画像の各々に付与した視点識別情報に対応させ、視点の視点座標、視点の視点方向、撮像装置のカメラパラメータ及び多視点画像を書き込んだ領域のアドレスそれぞれを、画像インデックスとして多視点画像記憶部17の多視点画像テーブルに書き込んで記憶させる。
デプスマップ生成部12は、多視点画像記憶部17の多視点画像テーブルから、視点座標、視点方向、カメラパラメータ及び多視点画像インデックスの各々を読み出す。そして、デプスマップ生成部12は、多視点画像インデックスに基づき、多視点画像記憶部17から多視点画像の各々を読み出す。
デプスマップ生成部12は、視点座標、視点方向、カメラパラメータ及び多視点画像の各々を用いて、各視点に対応するデプスマップ及び法線ベクトルマップを生成する。デプスマップ生成部12は、生成したデプスマップ及び法線ベクトルマップの各々を、三次元点群記憶部18に書き込んで記憶させる。デプスマップ生成部12は、デプスマップ及び法線ベクトルマップの各々を書き込んだ領域のアドレスを取得し、デプスマップインデックス及び法線ベクトルマップインデックスとして、視点識別情報に対応させて三次元点群記憶部18の三次元点群生成テーブルに書き込んで記憶させる。
三次元点群生成部13は、生成された三次元点群に対して、すでに述べたボクセルグリッドフィルタを用いた、同一三次元点と見なされる複数の三次元点の選択による統合、ノイズとされる外れ点である三次元点の除去、及び複数視点間においてデプスマップとの整合性の取れない三次元点の除去などの調整処理を行なう。
そして、三次元点群生成部13は、生成した三次元点群を三次元点群記憶部18に対して書き込んで記憶させ、書き込んだ領域のアドレスを取得する。三次元点群生成部13は、取得したアドレスを三次元点群インデックスとして、三次元点群テーブルに対して書き込んで記憶させる。
また、三次元点群生成部13は、作成した三次元点群における三次元点の各々の法線ベクトルを推定し、三次元点群を三次元点群記憶部18に対して書き込んで記憶させ、書き込んだ領域のアドレスを取得する。三次元点群生成部13は、取得したアドレスを法線ベクトルマップインデックスとして、三次元点群テーブルに対して書き込んで記憶させる。
視点選択部14は、三次元点群における各三次元点のマッチングを行なうための複数、例えば2個の視点を選択する。
このとき、視点選択部14は、マッチングを行なう対象の三次元点のなるべく正面にあり、かつ三次元点に対応するピクセルがなるべく中央にある視点であり、この三次元点に対応するピクセルが存在する多視点画像を撮像した視点を選択する。
すなわち、視点選択部14は、三次元点群におけるマッチング対象の三次元点の法線ベクトルを、三次元点群記憶部18の法線ベクトルマップから読み出す。
視点選択部14は、(1)式あるいは(2)式により、三次元点のマッチングに用いる視点を選択するための選択コストSijを、多視点画像テーブルにおける全ての視点毎に算出する。このとき、視点選択部14は、(2)式を用いて選択コストSijを算出する際、視点jから三次元点iが可視性の有無(視点から見えるか見えないか)を示す係数Vijを求める。
視点選択部14は、全視点の選択コストSijを求めた後、全視点のなかから選択コストSijが最も大きい順番に、所定の数の複数の視点を選択する。
三次元座標算出部15は、三次元点群におけるマッチング対象の三次元点の法線ベクトルを、三次元点群記憶部18の法線ベクトルマップから読み出す。
そして、三次元座標算出部15は、三次元点の三次元座標及び法線ベクトルの各々から、選択された複数の視点における多視点画像の各々において同一サイズの局所領域を設定する。三次元座標算出部15は、選択された多視点画像の各々の局所領域の画像の位相スペクトルから位相限定相関関数を計算し、相関値のピークを求めることにより、多視点画像間の微少な(サブピクセル単位の)平行移動量を推定する。
これにより、三次元座標算出部15は、対象の三次元点の三次元座標をサブピクセルの単位で高い精度で再計算する。
三次元座標算出部15は、選択された多視点画像の各々の局所領域における画像の位相スペクトルから上記ステップS6において位相限定相関関数を計算することで求められた相関値(マッチングスコア)が、予め設定された閾値以上か否かの判定を行なう。このとき、三次元座標算出部15は、上記マッチングスコアが閾値以上の場合、処理をステップS8へ進める。一方、三次元座標算出部15は、上記マッチングスコアが閾値未満の場合、処理をステップS9へ進める。
三次元座標算出部15は、マッチングスコアが閾値以上の場合、上記ステップS6において再計算された対象の三次元点の三次元座標を、一旦、自身内の記憶部に再計算点群における三次元点として書き込む。
三次元座標算出部15は、マッチングスコアが閾値未満の場合、この対象の三次元点を三次元点群から除去する。
三次元座標算出部15は、三次元点群における全ての三次元点の三次元座標の再計算が終了したか否かの判定を行なう。このとき、三次元点群における全ての三次元点の三次元座標の再計算が終了した場合、処理をステップS11へ進める。三次元点群における全ての三次元点の三次元座標の再計算が終了していない場合、処理をステップS6へ進め、三次元点群における次の三次元点の三次元座標の再計算を行なう。
三次元座標算出部15は、三次元点群記憶部18の三次元点群インデックスの示すさきに記憶されている三次元点群における三次元点の全ての再計算が終了した後、自身内の記憶部に記憶されている再計算点群を、三次元点群記憶部18に書き込んで記憶させる。そして、三次元座標算出部15は、上記再計算点群を書き込んだ領域のアドレスを取得し、再計算点群インデックスとして、三次元点群記憶部18の三次元点群テーブルに書き込んで記憶させる。
三次元形状モデル生成部16は、三次元点群記憶部18の三次元点群テーブルを参照し、再計算点群インデックスを読み出す。
そして、三次元形状モデル生成部16は、再計算点群インデックスに基づき、三次元点群記憶部18から、再計算点群のデータを読み出す。
三次元形状モデル生成部16は、読み出した再計算点群から、三次元形状モデルを例えば、メッシュ再構築の手法を用いて三次元メッシュモデルとして生成する。三次元形状モデル生成部16は、生成した三次元形状モデルに形状モデル識別情報を付与し、この三次元形状モデルのデータを三次元形状モデル記憶部19に対して書き込んで記憶させる。三次元形状モデル生成部16は、三次元形状モデルのデータを書き込んだアドレスを取得し、形状モデル識別情報に対応させ、三次元形状モデルインデックスとして、三次元形状モデル記憶部19の三次元形状モデルテーブルに書き込んで記憶させる。
図6(c)及び図6(d)の各々は、非特許文献1に記載されている手法で生成した三次元形状モデルを、図6(a)、図6(b)それぞれの視点から観察される画像を示している。この図6(c)及び図6(d)の画像の三次元形状には、オクルージョン境界や三次元形状モデルの端部に誤差によるノイズが確認できる。この図6(c)及び図6(d)に示す画像の三次元形状モデルの生成にかかった時間は、約11300秒であった。
図6の結果から判るように、本実施形態による三次元形状モデル生成装置によれば、従来例に比較して、三次元形状モデルの生成に要する時間を短縮し、かつ対象物の三次元形状に近い、精度の高い三次元形状モデルを生成することができる。
11…多視点画像入力部
12…デプスマップ生成部
13…三次元点群生成部
14…視点選択部
15…三次元座標算出部
16…三次元形状モデル生成部
17…多視点画像記憶部
18…三次元点群記憶部
19…三次元形状モデル記憶部
Claims (6)
- 対象物を異なる視点から撮像した2枚以上の多視点画像と、当該多視点画像を撮像した撮像装置のカメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状モデルを生成する三次元形状モデル生成装置であり、
前記多視点画像と前記カメラパラメータとから、前記視点毎の当該多視点画像に対応するデプスマップを生成するデプスマップ生成部と、
前記デプスマップと前記カメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状を示す三次元点群を生成する三次元点群生成部と、
前記三次元形状モデルが形成される三次元座標系において、前記三次元点群における三次元点の視点の光軸ベクトル及び視点から当該三次元点に向かう視点ベクトルの内積と、前記三次元点における法線ベクトル及び前記視点ベクトルとの内積とから、前記視点の各々の選択コストを算出し、当該選択コストの高い順番に、前記三次元点群における各三次元点のマッチング処理を行なう2個以上の視点を選択する視点選択部と、
前記選択された視点により前記三次元点のマッチングを位相限定相関法により行ない、三次元点群における各三次元点の三次元空間における三次元座標を再算出する三次元座標算出部と
を備えることを特徴とする三次元形状モデル生成装置。 - 前記三次元点群生成部が、
同一の座標値にある前記三次元点が前記多視点画像に対応する前記デプスマップの各々において異なる深度情報を有している場合、当該三次元点を前記三次元点群から除去する
ことを特徴とする請求項1に記載の三次元形状モデル生成装置。 - 前記三次元点群生成部が、
前記三次元点群の存在する三次元空間において、処理対象の三次元点を中心とした所定の大きさの処理枠を生成し、当該処理枠の内部に含まれる三次元点の数が所定の閾値を超えるか否かを判定し、閾値以下であった場合、前記処理対象の三次元点を除去する
ことを特徴とする請求項1に記載の三次元形状モデル生成装置。 - 前記デプスマップ生成部が、
パッチマッチステレオ(PatchMatch Stereo)法を用いて、前記多視点画像の各々に対応するデプスマップを生成している
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の三次元形状モデル生成装置。 - 対象物を異なる視点から撮像した2枚以上の多視点画像と、当該多視点画像を撮像した撮像装置のカメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状モデルを生成する三次元形状モデル生成方法であり、
デプスマップ生成部が、前記多視点画像と前記カメラパラメータとから、前記視点毎の当該多視点画像に対応するデプスマップを生成するデプスマップ生成過程と、
三次元点群生成部が、前記デプスマップと前記カメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状を示す三次元点群を生成する三次元点群生成過程と、
視点選択部が、前記三次元形状モデルが形成される三次元座標系において、前記三次元点群における三次元点の視点の光軸ベクトル及び視点から当該三次元点に向かう視点ベクトルの内積と、前記三次元点における法線ベクトル及び前記視点ベクトルとの内積とから、前記視点の各々の選択コストを算出し、当該選択コストの高い順番に、前記三次元点群における各三次元点のマッチング処理を行なう2個以上の視点を選択する視点選択過程と、
三次元座標算出部が、前記選択された視点により前記三次元点のマッチングを位相限定相関法により行ない、三次元点群における各三次元点の三次元空間における三次元座標を
再算出する三次元座標算出過程と
を含むことを特徴とする三次元形状モデル生成方法。 - 対象物を異なる視点から撮像した2枚以上の多視点画像と、当該多視点画像を撮像した撮像装置のカメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状モデルを生成する三次元形状モデル生成装置としてコンピュータを動作させるプログラムであり、
前記コンピュータを、
前記多視点画像と前記カメラパラメータとから、前記視点毎の当該多視点画像に対応するデプスマップを生成するデプスマップ生成手段、
前記デプスマップと前記カメラパラメータとから、前記対象物の三次元形状を示す三次元点群を生成する三次元点群生成手段、
前記三次元形状モデルが形成される三次元座標系において、前記三次元点群における三次元点の視点の光軸ベクトル及び視点から当該三次元点に向かう視点ベクトルの内積と、前記三次元点における法線ベクトル及び前記視点ベクトルとの内積とから、前記視点の各々の選択コストを算出し、当該選択コストの高い順番に、前記三次元点群における各三次元点のマッチング処理を行なう2個以上の視点を選択する視点選択手段、
前記選択された視点により前記三次元点のマッチングを位相限定相関法により行ない、三次元点群における各三次元点の三次元空間における三次元座標を再算出する三次元座標算出手段
として動作させるためのプログラム。
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