JPS613286A - 回転運動計測方法 - Google Patents

回転運動計測方法

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JPS613286A
JPS613286A JP59123473A JP12347384A JPS613286A JP S613286 A JPS613286 A JP S613286A JP 59123473 A JP59123473 A JP 59123473A JP 12347384 A JP12347384 A JP 12347384A JP S613286 A JPS613286 A JP S613286A
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dimensional
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projected
parallel
rotational motion
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Hideo Tsukune
築根 秀男
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、画像中の回転運動の計測方法に関するもの
である。
〔従来技術〕
運動する3次元物体をテレビカメラ等を用いて連続撮像
することにより動画像を得ることができる。このような
動画像は元の3次元運動に関する情報を含んでおり、画
像処理によりこれを計測できれば運動のみならず運動物
体の認識も可能となる。回転運動の計測は、機械的な運
動の多くが回転運動であり、さらに一般に瞬間的な運動
は並進運動と回転運動の和で表されることから、重要な
計測の1つである。
この種の計測方法は、単に1つの回転運動を計測するだ
けでなく、複数個の回転運動をも分離抽出し得るもので
なければならない。
従来より、動画像を用いた運動の計測方法は種種提案さ
れている。大部分の方法は、rEditor:2次元速
度ベクトル場を求める方法としては、たとえば、r D
 、 T 、 L avton、 ” P roces
singT ranslational  Motio
n S equences、”Comput−er  
Vision Graphics、and Image
  Process−ing、  Vol、22.pp
、11B−144(11383)J テ用いているよう
に、連続した2枚の画像中の特徴点を照合し、照合の成
功した特徴点で基点と終点を定めて2次元速度ベクトル
場を決める方法がある。
また、たとえば、rB、に、P、Horn、B、GSc
hunck、”Deter+sining   0pt
ical   Flow、”A rtjficial 
I nteligence、 Vol、1?、pp、1
85−203(11381)Jで提案されているように
、画像の空間差分と2枚の画像で定義される時間差分の
間に成立する時空間方程式に制限条件を付加することに
より決める方法がある。
このような2次元速度ベクトル場から運動情報を計算す
る手法としては、rB、L、Yen、T、−S、 Hu
ang、  “D etermining  3−D 
 Motionand 5tructure of a
 Rigid  Body Using theS、p
herical  Projection 、”Com
puter Vision。
Graphics、and  Image  Proc
essing、Vol−21pp、21−32 、 (
1983)Jや、rH、C、Longuet−Higg
ins、 K、 Prazdny、  ”The  I
nterpreta−tion of Moving 
Retinal  Images、” Proc。
R,Soc、 Lond、  B2O3,pp、385
−3117Jなどがあるが、これらの方法は2次元速度
ベクトル場の値の正確さや分布の稠密さが要求されてお
り、現実の動画像から得られる2次元速度ベクトル場が
この条件を満たすことは難しい。
また、複数の運動が共存する場合は考慮されていない。
一方、rG、 Adiv、 ”Recovering 
MotionParameters  in 5cen
es Conta’inig  Multip−Ie 
 Moving 0bjects、 ” IEEE  
 Proc、ofComputer  Vision 
 and  Pattern   Recogniti
on(1983)、pp、3!a9−400 Jでは2
次元運動により励起される2次元速度ベクトル場にハフ
変換を適用して運動の分離・抽出を行ったが、この手法
を3次元運動に拡張することはできない。
したがって、3次元運動を2次元速度ベクトル場上で分
離抽出しその計測を行う方法は提案されていない。
〔発明の概要〕
この発明は上記の点にかんがみなされたもので、3次元
回転運動の射影である2次元速度ベクトル場にハフ変換
を適用して回転運動の分離抽出を行う計測方法を提供す
るものである。以下、図面を参照してこの発明の詳細な
説明する。
〔発明の実施例〕
第1図は3次元空間内で回転運動を行っている点Pを示
す、ωを角速度、1を回転軸の向きを示すベクトル、名
を回転軸の座標原点からの偏位ベクトル、1を点Pの回
転軸からの偏位ベクトルとする。固定座標系を0−xy
zとし、これを名だけ平行移動した座標系をo ’ −
xy zとする。すると回転軸の向きは2つの角度θ、
φで表わすこともできる。また、点Pの回転中心0″は
0゛からS±の位置にある。Sはある実数である。
点Pにおける瞬間速度ベクトル旦1は次のようになる。
dx=ω(tXr)  ・・・・・・・・・・:・・旧
・・・・団・(1)3次元空間中の回転運動はωとベク
トル19文の各要素の計7つのパラメータで記述できる
。しかし、l t l=1 、至・1;0とおけるので
5つのパラメータで十分である。
次に、視線方向を示すベクトルをeとし、これが2軸と
一致するような平行射影を考える。この場合xy平面が
像平面となり、すべての3次元ベクトルの2成分が無視
された像が生成される。すなわち、ある3次元ベクトル
χとその像平面への2次元射影ベクトルχ1は次の関係
にある。
χ=(χ”、z)   ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・(2)像平面への射像は透視射影
によるものが一般的であるが、多くの場合、平行射影で
近似できる。
2次元速度ベクトル場は、基点X”とベクトルdx’で
定められ画像から計算される0回転運動に対する2次元
速度ベクトル場の例を第2図に示す。
このような3次元の回転運動の2次元速度ベクトル場を
射影回転場と呼ぶ、しかしながら、射影により2次分が
欠落しているので、ω、t、Uのすべてのパラメータを
1つの射影回転場から決定できるわけではない。
第(1)式を成分に分解し、2次分を消去して次式を得
る。
dx+Kdy=ω”  (K (x−Lx)−y)・・
・・・・(3) ここで、K、LX、ω8は次のような量である。
K=tanφ。
Lx=立x−(文y/K)。
ω9=ωCO8θ 3つのパラメータの組(K、Lx、ω”)を射影回転場
のパラメータと呼ぶ、にとLxは射影された回転軸を定
める。ω”を射影角速度と呼ぶ、したがって、1つの射
影回転場が与えられた場合、5つのパラメータのうち3
つが射影回転場のパラメータとして計算可能である。
理論上は像平面の3つの2次元速度ベクトル場が与えら
れれば連立方程式 %式%) を解いてこれら3つのパラメータを決定できる。
しかし、第(4)式は3次方程式に帰着し、3ベクトル
の選び方を工夫しないと安定な解を得ることが難しい6
また、複数の射影回転場が共存する場合には、すべての
3ベクトルの組み合わせにつき第(4)式を解き、これ
らの解を各射影回転場に対応したいくつかの群に分ける
必要があり、全体の計算量は美大dものとなる。
そこで、この発明では射影回転場中の3つの平行ベクト
ルに着目する。これらの幾何学的な関係は次の3つのい
ずれかである。
[1] 3つの平行ベクトルの基点が一直線上にない。
第3図(a)参照。
[2] 3つの平行ベクトルの基点が一直線上にあり、
かつそれらのベクトル長が等しくない、第3図(b)参
照。
[3コ 3つの平行ベクトルの基点が一直線上にあり、
かつそれらのベクトル長が等しい、t!s3図(c)参
照。
[1]の場合を考える。一般に次の性質1.2が成立す
る。
性質1:同一の回転運動に属する2点が回転軸を含む同
一平面上にあればその2次元速度ベクトル場は平行であ
る。
性質2二回転軸が像平面に平行でないとき、回転運動に
属する2点の2次元速度ベクトルが平行であれば、2点
は回転軸を含む同一平面上にある。
したがって、一群の平行ベクトルは第4図のように回転
軸を含む平面の存在を示唆している。像平面に垂直な第
3の軸を設定し、これをベクトルの長さに対応させた空
間A’:0−xyvを作る。すなわち、基点をχ”に持
つ2次元速度ベクトルdx”をA6空間中のベクトルχ
0=(χ” 、ldx” l)に対応させる。すると次
の性質が成り立つ。
性質3:もし一群の平行ベクトルが同一の回転運動に属
する魚群の2次元速度ベクトル場であるならば、それら
はA0空間で第5図に示すような1つの平面π上にある
。射影回転軸はこの平面πとxy平面(像平面)との交
線で与えられる。
これにより、にとLxを推定することができる。実際に
は2次元速度ベクトル場中のすべての平行な3つのベク
トルの組み合せについてA0空間での平面方程式を計算
し、その交線V=K(x  Lx)を求める。その結果
はたとえば第6図(a)のようになる0次いで第6図(
b)に示すようにφ= arctan  KとLxで張
られる2次元ヒストグラム(2次元アキュムレータアレ
イ)Hl  (φ、LX)をとる、各交線のφ、LXを
計算し、対応位置にあるアキュムレータを1ずつ増加さ
せる(ハフ変換)、Hs(φ、Lx)の極大値を与える
点で(K、LX)を推定することができる。
このようにして、(K 、 Lx )が決まれば第(3
)式を変形した の右辺が各ベクトルにつき計算でき、ω”に関する1次
元ヒストグラム(1次元アキュムレータアレイ)h(G
9)をとってその極大値を与える点でG8を推定できる
次に[2]の場合を考える。このとき次の性質が成り立
つ。
性質4:3つの平行な2次元速度ベクトルが同一の回転
運動に属するものであるならば、それらはAO空間で一
直線上にあり、その直線は1点(Xo * ’Io )
で像平面に交わる。
3つの平行ベクトルから適当に2つ取り出し、第(3)
式を適用してG8を消去すればAKLx+BK+C=0
   ・・・・・・・・・(6)を得る。
ここで、A=1−γ。
B=−(XI−γX2)。
C=”jr −γy2 で、γは2つのベクトルの長さの比でγxt、(XI 
tY+)+ (X21y2)はそれぞれ2つのベクトル
の基点である。
第(6)式は射影回転場のある偏角を持つ平行ベクトル
群Gに対して成立する式である。また、第(3)式から
Lxを消去すれば、 dx+Kdy=ω’  (K (x−Xo )(y  
yo))  ・・・・・・・・・(7)となる。ただし
、Xo−B/A、 y6 =C/Aである。
異なる偏角を持つ2つの平行ベクトル群G1 。
G2につき、第(7)式を連立させてG8を消去し次の
Kに関する2次式を得る。
DK2+EK+F=O・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・(8)ただし、D、E、Fはxi  、Y
、、dX、。
dY+  (t = 1.2) で与えラレル。xI=
xi  xo l  + Yl =yi   VOI 
 + dXi =d X l  + d ” I = 
d Y 1 ’ +であり、)N+V++dXl  *
 dY+はG、の1つのベクトルで与えられ、(Xoi
+Vol)はGlの定めるA0空間上の直線と像平面と
の交点である。
第(8)式よりK、すなわちφが決まり、第(6)式よ
り、Lxが求まる。[1]の場合と同様にφとLxで張
られる2次元ヒストグラムH2(φ、Lx)上で極大値
を与える点を求め、(K 、 LX )を推定すること
ができる。G8は[1,] と同様にh(ω”)を構成
し求めることができる。
[3]の場合を考える。γ=1であり、3つの平行な2
次元速度ベクトルはA0空間上でxy平面に平行な一直
線上にある。第(6)式よりKは直ちに、 K=  (yl   V2)/ (XI   X2) 
 ・・・ (8)として求まる。ただし、(Xl+V+
)+(X2 、Y2)は3つの平行ベクトルから選んだ
2つのベクトルの基点である。
2つの異なる平行ベクトル群G、、G2につき@(3)
式を連立させることにより、 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10)でLx
が決まる。ただし、 であり、xi  + Yi + dx、+ dV+はG
、 (7)1つのベクトルで与えられる。[1]の場合
と同様にφとLxで張られる2次元ヒストグラムH3(
φ、LX)上で極大値を与える点により(K。
LX)を推定する。G8はh(ω*)を構成して求めら
れる。
実際の処理手順をまとめると次のようになる。
2次元速度ベクトル場中のすべてのベクトルを平行ベク
トル群に分ける。各ベクトル群に属するすべての3つの
ベクトルの組について、前記[1]  、[2] :、
[3]の場合のいずれになるかを判定し、次の処理を行
う。
[1]の場合は3つのベクトルの組で1つのφ、LXの
値を計算し、対応する位置にあるHl(φ、LX)上の
アキュムレータの値を1つ増加させる。[2]の場合は
3つのベクトルの組で決まる第(7)式と他の平行ベク
トル群に属する3つのベクトルの組で決まる第(7)式
を連立させ第(8)式によりφ、LXの値を決定する。
対応する位置にあるK2 (φ、LX)上のアキュムレ
ータの値を1つ増加させる。[3]の場合は3つのベク
トルの組に対し、第(8)式によりKが計算できる。他
の平行ベクトル群に属する3つのベクトルの組のうち第
(8)式で定まるKが等しいものを取り出す。2つの3
ベクトルの組を用い第(lO)式のLxを計算する。求
めたφ、Lxに対応する位置にあるK3  (φ、LX
)上の7キユムレータの値を1つ増加させる。すべての
3つのベクトルの組につき以上の処理を行い、2次元ヒ
ストグラムH+(φ、Lx)(+=1〜3)を得る。
H+  (φ、LX)中の極大点を選びそれにより、K
 、 L xを決定する。この極大点に対応するアキュ
ムレータの増加に寄与したすべてのベクトルに対しω8
の値を計算し、1次元ヒストグラムh(ω”)上の対応
するアキュレータの値をそれぞれ1つ増加させる。h(
ω”)の極大点を選びそれによりω”が決定できる。
2つのヒストグラムH+  (φ、LX)、h(ω8)
で決定されたパラメータ(K、Lx。
ω”)を用い、次式を満たすベクトルを元の2次元速度
ベクトル場から選び出すことにより、このパラメータで
記述される射影回転場を抽出できる。
≦ε         ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・(11)ここでεは適当な正のし
きい値である。
以上の処理は2次元速度ベクトル場に複数の射影回転場
があっても差支えなく、その場合はHl(φ、Lx)、
h(ω*)のヒストグラムに複数個の極大点が表れるこ
とになる。これらを順次選んで上述の処理を繰り返すこ
とにより、すべての射影回転場を抽出することができる
さらに87図のように同一平面上に視軸のある2つのカ
メラが同一の回転運動を観測するようにすれば、パラメ
ータLX、ω”を分解し3次元の回転運動を定める5つ
のパラメータがすべて決定できる。
第8図に示すように、連続撮像装置として2つのカメラ
を用い、その視軸方向をjl+82としその交角をψと
する。ただし、ψ#0.e、を2軸に一致させ、!2を
yz平面上に置き、ψがX軸回りの回転角となるように
座標系を設定する。
!、から観測した回転運動パラメータφ1 。
θ1と月2から観測した回転運動パラメータφ2゜θ2
 、およびψの間には次の関係が成立する。
cosφL @  sinθ1= cosφ2・ si
nθ2sinφ(*  sinθl @  CO8ψ−
cosθ1 @  sinψ= sinφ2ssinθ
2 sinφH*  sinθ1*  sinψ+CO5θ
I @  CoSψ= Co3O4 ・・・・・・・・・・・・・・・(12)これより、 を得る。したがって、η と乳 は射影回転場の解析に
より求まる値である。これより、・・・・・・・・・・
・・・・・(14)を得る。複号士は真の解の他に鏡像
の解があることを示す。この分離は平行射影を用いる限
り不可能である。また、 ψ= ・・・・・・・・・・・・・・・(15)ここで、K1
 =  tanφ1  、に2 =  tanφ2であ
る。
回転軸の原点からの偏位ベクトル廖はφ1 。
θ1  + IIX l  + LX 2  +ψから
求めることができる。
また、複数個の回転運動があってもこの発明による回転
運動計測方法は適用可能である。簡単のため、2個の回
転運動を観測しているとする。
elにより観測された射影回転場F、のパラメータを(
K+  、Lxl  、ω”1)(i=1.2)。
!2により観測された射影回転場F /、のパラメータ
を(K’J  + L’x J  +ω”’j)(j=
1゜2)とする。2つのカメラにより観測された射影゛
回転場の対応関係は次の2つがあり得る。
■  [F 1+ F′1 ]  +  [F2  +
 F’2 ]■  [F+  l F′2]  +  
[F2  + F’+ ]各々の場合につき、第(15
)式に従い、ψを計算する。
■ψ11 、ψ22 、■ψ12 、ψ21が求まる。
対応関係が正しいならばψは2つの組み合わせにつき共
通であるはずである。すなわち、ψ1、=ψ22か、ま
たはψ12=ψ21のいずれかである。等号の成立する
対応関係■または■を正しい対応関係であるとする。こ
れにより、2つの回転運動のパラメータが決定できる。
以上の手続きは観測される回転運動が3個以上であって
も同様に適用できる。また、3次元回転運動が決まれば
各2次元速度ベクトル場に第(1)式を用いて2および
dz、すなわち、3次元の位置情報を得ることができる
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように、この発明は回転する3次元
物体をテレビカメラ等の連続撮像装置で観測した画像か
ら得られる2次元速度ベクトル場に対し八ツ変換を適用
することにより画像中に投影された複数の3次元物体の
回転運動を分離抽出するものであって、平行な2次元速
度ベクトル間に成立する幾何学的な関係に基づきパラメ
ータ空間を構成し、射拳回転軸と射影角速度を決定する
ことで回転運動を計測することができ、ざらに視軸が同
一平面上にある2つのテレビカメラ等の連続撮像装置に
より観測した2つの2次元速度ベクトル場を用いること
により、各2次元速度ベクトル場に含まれる射影回転場
の対応関係を決定し3次元回転運動のパラメータを計算
できるようになるなど、視覚機能の機械化とその産業応
用のための要素技術として極めて重要な意義を有するの
もである。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第6図はこの発明の一実施例を示すもので、第
1図は3次元空間内での点の回転運動の説明図、第2図
は射影回転場の例を示す図、第3図は射影回転項中の3
つの平行ベクトルの関係を示す図、第4図は平行ベクト
ル群と射影回転軸を含む平面の関係を示す図、第5図は
AO空間中での平行ベクトル群と射影回転軸との関係を
示す図、第6図は2次元ヒストグラムH1(φ。 LX)の説明図、第7図、第8図はこの発明の他の寧流
側を示すもので、第7図はある回転運動を視軸が同一平
面上にある2つのカメラで観測している図、第8図は第
7図における座標系の設定図である。 図中、Pは点、X+y、zは軸、1は点Pの回転軸から
の偏位ベクトル、Aは回転軸の座l1rIN点からの偏
位ベクトル、1は回転軸の向きを示すベクトル、φ、θ
は角度、ωは角速度、Sは実数を示す。 第1図 1・ 第2図 第3図 (a)                   (b)
(c) 第4図 第5図 第6図 ■ 第7図 第8図 ド・

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)回転する3次元物体を連続撮像装置で観測した画
    像から得られる2次元速度ベクトル場に対しハフ変換を
    適用し、前記画像中に平行射影された回転運動を分離抽
    出し計測するものであって、前記回転運動の分離抽出を
    行うのに平行な2次元速度ベクトル間に成立する幾何学
    的な関係に基づきパラメータ空間を構成し、射影回転軸
    と射影角速度を決定することを特徴とする回転運動計測
    方法。
  2. (2)回転する3次元物体を視軸が同一平面上にある2
    つの連続撮像装置により観測した画像から得られる2つ
    の2次元速度ベクトル場において、平行射影された回転
    運動間の対応関係を、射影回転軸と射影角速度によって
    計算される両視軸の交角の一致を判定基準に用いて求め
    、3次元の回転運動のパラメータを決定することを特徴
    とする回転運動計測方法。
JP59123473A 1984-06-15 1984-06-15 回転運動計測方法 Granted JPS613286A (ja)

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