JP2006242943A - 位置姿勢計測方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 空間中に配置された指標を含む画像を撮像し、撮像画像から指標を検出する。複数の指標が検出された場合には、その分布範囲を求め、その大きさに応じて位置姿勢算出に適用するアルゴリズムを選択する(S3033、S3050、S3060)。例えば、指標が十分広い範囲に分布している場合は、撮像装置の位置及び姿勢の6パラメータを未知数として算出する(S3070)。指標の分布範囲が小さくなるほど、求めるべき未知パラメータの自由度を小さくする(S3035,S3025)。
【選択図】 図3
Description
請求項1記載の発明は、計測対象物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測方法であって、撮像画像を取得する撮影画像取得工程と、前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出工程と、前記指標検出工程により検出された前記指標の分布範囲に関する評価値を算出する分布範囲算出工程と、前記検出された指標の画像座標に関する情報および前記分布範囲に関する評価値を用いて、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出工程とを有することを特徴とする。
を評価基準として用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする。
[第1の実施形態]
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、撮像装置と計測対象物体の位置及び姿勢の計測を行う。以下、本実施形態に係る位置姿勢計測装置及び位置姿勢計測方法について説明する。
上述した各構成要素は、バス1010によって相互に接続される。
以上によって、撮像装置の位置及び姿勢が計測される。
s = ωWC = [ξWC ψWC ζWC]T
によって内部的に表現している。
以上のステップS4000からS4060までの工程は、複数の観測方程式からなるsに関する非線形連立方程式をニュートン法によって求解する工程である。この一連の工程は、後述する変形例5に示すとおり、他のいかなる非線形解法を用いても良い。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、室内等に設定された基準座標系における任意の計測対象物体の位置及び姿勢の計測を行う。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、室内等の空間中における撮像装置の位置及び姿勢の計測を行う。以下、本実施形態に係る位置姿勢計測装置について説明する。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、室内等の空間中における任意の計測対象物体の位置及び姿勢の計測を行う。以下、本実施形態に係る位置姿勢計測装置について説明する。本実施形態においては、撮像装置ではなく、任意の計測対象物体の位置及び姿勢を計測することが、第3の実施形態と異なっている。以下では、第3の実施形態との相違点のみを説明する。
位置姿勢算出部1420はさらに、得られた撮像部1430の位置及び姿勢と、既知の値として予め保持している撮像部1430と計測対象物体1470との相対的な位置姿勢の関係についての情報(具体的には、計測対象物体1470上のどの位置に撮像部1430が設置されているかという情報。計測対象物体1470によって定義される物体座標系における、撮像部1430の位置及び姿勢によって表現される)から、基準座標系における計測対象物体1470の位置及び姿勢を算出し、I/F1009を介してこのデータを外部へと出力する。あるいは、このデータを、他のアプリケーションから利用可能な状態としてRAM1002上に格納する。なお、この変換工程は必ずしも必要ではなく、撮像部1430の位置及び姿勢をそのまま出力することも可能である。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、室内等の空間中における撮像装置の位置及び姿勢の計測を行う。以下、本実施形態に係る位置姿勢計測装置について説明する。
位置姿勢算出部1520はさらに、ステップS15005で設定した姿勢の初期値と求められた姿勢との変化分を算出し、その方位成分を方位ドリフト誤差補正値の更新値φとする。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置によれば、ステップS15034やステップS15050によって指標の分布範囲の大きさを考慮した手法の選択(方位ドリフト誤差補正値の更新を行うか否かの判断)が行われるため、画像上の一部の領域に指標が偏在して観測されている場合に、方位ドリフト誤差補正値の更新を不正確に行ってしまうという状況を回避することができる。
(変形例1)
上記の実施形態の各々では、画像上における指標の分布に基づいて、適用する補正アルゴリズムが選択される。これらの補正アルゴリズム(第1の実施形態におけるステップS3025,S3035,S3070、第2乃至第4の実施形態におけるこれらの変形、及び、第5の実施形態におけるステップS15025,S15036,S15038,S15070)は、必ずしも上記の実施形態で示したものである必要はなく、指標の分布に従って見込まれる画像情報の情報量に応じて適切に設定されたものであれば、他の補正アルゴリズムに変更することも可能である。
上記第1乃至第4の実施形態では、画像上における指標の分布の尺度に基づいて、3種類のアルゴリズムへと処理を分岐させていた(ステップS3033、ステップS3050及びステップS3060)。しかし、指標の分布の尺度に基づいて行う分岐数は3通りに限られるものではない。例えば、ステップS3050の処理を省いて、閾値T3と凸包の面積の大小関係によってステップS3035あるいはステップS3070へと処理を分岐させるだけでもよい。また、より多数の閾値を設けて、4通り以上の分岐を行ってもよい。例えば、補正対象とするパラメータの数(2〜6)を凸包の面積に応じて変更し、これを未知数として同様な方法により位置姿勢を算出してもよい。
上記の実施形態の各々では、位置姿勢センサや姿勢センサによる計測値と、撮像装置によって得られる画像情報を併用することにより、計測対象(計測対象物体や撮像装置)の位置及び姿勢を求めていた。しかし、画像上における指標の分布に基づいて、位置及び姿勢を求めるために用いるアルゴリズムを選択するという基本的な技術思想は、これらのセンサによる計測値を用いずに、画像情報のみから計測対象の位置及び姿勢を得る場合であっても適用できる。
上記の実施形態の各々では、指標の分布を計る評価値として、指標が3点以上検出されている場合には、指標が成す凸包を求めてその面積を利用していた。しかし、指標の分布を評価する尺度はこれに限られるものではなく、他の尺度を用いてもよい。例えば、画像中心から最も遠い位置にある指標を第1の指標として選択し、第1の指標から最も遠い位置にある指標を第2の指標として選択し、さらに、第1,第2の指標を結ぶ直線から最も遠い距離にある指標を第3の指標として選択し、これら第1,第2,第3の指標が成す三角形の面積を分布の尺度として、凸包の面積の変わりに用いても良い。また、簡易的には、このような第1,第2の指標間の距離を分布の尺度としても良いし、指標の画像座標の分散や標準偏差といった、分布を数値で表しうる他の任意の情報を分布の尺度として用いてもよい。
第1の実施形態におけるステップS3035では、図4のステップS4040にて詳細に説明したように、誤差ベクトルUと行列Θに基づく補正値Δsの算出に、式11で表現される方法を用いている。また、その結果のΔs を用いてsをs+Δsに置き換えるというニュートン法によってsの算出を行っている。しかしながら、そのsを算出する方法は、このニュートン法に限ったものではない。例えば公知の非線形方程式の反復解法であるLM法(Levenberg-Marquardt法)を用いて求めてもよいし、公知のロバスト推定手法であるM推定等の統計的手法を組み合わせてもよいし、他の何れの数値計算手法を適用しても発明の本質が損なわれないことは言うまでもない。また、上記の実施形態におけるsを状態ベクトル、式4を観測方程式とすることで、画像ヤコビアンを利用して位置姿勢センサによる計測値のうちの一部のパラメータのみを補正するという効果を有した拡張カルマンフィルタ(Extended Kalman Filter)や、反復拡張カルマンフィルタ(iterative Extended Kalman Filter)を構成することができる。なお、拡張カルマンフィルタ及び反復拡張カルマンフィルタについては非特許文献2に記載されるように周知であるので、その詳細に関するこれ以上の説明は省略する。
上記の実施形態の各々においては、各々が一つの座標を表すような指標(以下、これを点指標と呼ぶ)を用いていた。しかし、点指標以外の指標を用いることも可能である。例えば、公知の位置姿勢計測装置(例えば、非特許文献3を参照)に用いられているような、線特徴によって構成される指標(以下、これを線指標と呼ぶ)を用いてもよい。例えば、原点から線指標までの距離を評価のための基準として画像からの検出値とsによる推定値から算出する誤差によって誤差ベクトルUを構成し、観測方程式をsの各要素で偏微分した解を各要素に持つ1行×6列のヤコビ行列によって行列Θを構成することで、上記実施形態と同様にして位置及び姿勢の計測(補正)を行うことができる。また、線指標と点指標、その他の指標から得られる誤差及び画像ヤコビアンを積み重ねることによって、それらの特徴を併用することも可能である。
上記の実施形態の各々では、画像面積に対する指標の分布に応じて以降の処理を選択していた。しかし、計測対象物体に対する相対的な比率を尺度としてもよい。例えば、第1の実施形態において、ステップS3040で、全検出指標の成す凸包の面積SHに加えて、画像上への計測対象物体170(その大まかな形状を表す3次元データが記憶されているものとする)の投影像の面積SOを求め、これらの比率(SH/SO)を得る。そして、上記比率に対して適宜設定した閾値を用いてステップS3050とステップS3060での条件分岐を行えばよい。
上記第1乃至第5の実施形態では、位置及び姿勢を算出するいくつかの手法の中から、指標の分布に応じて一つの手法を選択していた。本実施形態では、一つの手法を選択するのとは異なる方法によって、指標の分布を加味した位置及び姿勢の安定計測を実現する。
上記の実施形態では、検出された指標の分布状況を明示的に数値化し、その値に基づいて、注目フレームにおける検出指標以外の情報の影響度を制御していた。本実施形態は、指標の分布状況に応じて指標以外の情報の影響度を制御する方法である点では共通するが、指標の分布の明示的な数値化は行わない点で異なる。
本実施形態に係る位置計測装置は、環境側に配置した複数台の撮像装置及び指標、計測対象物体に設置した複数台の撮像装置、指標、及び姿勢センサを用いて、任意の計測対象物体の位置と姿勢の計測を行う。以下では、本実施形態に係る位置計測装置及び位置計測方法について説明する。
(変形例7)
上記第7及び第8の実施形態では、姿勢センサ2040による姿勢計測値から離れすぎてはいけないという制約条件を考慮しながら、計測対象物体(撮像装置2030または計測対象物体2270)の位置及び姿勢を推定していた。しかし、上記実施形態で述べた技術的思想の適用範囲は、姿勢計測値から離れすぎてはいけないという制約条件だけを考慮することに限定されるものではない。
上記第7及び第8の実施形態に追加する形で、さらに、計測対象物体(撮像装置2030または計測対象物体2270)上に位置センサが設置されている場合を考える。この場合、姿勢センサから得られる姿勢計測値と位置センサから得られる位置計測値の双方を制約条件として用いることができる。
上記第7及び第8の実施形態と変形例7及び8の夫々では、計測対象物体(撮像装置2030または計測対象物体2270)の位置及び姿勢の6自由度のパラメータを推定していた。しかし、上記実施形態で述べた技術的思想の適用範囲は、推定パラメータが位置及び姿勢の6値の場合のみに限定されるものではない。
上記第7及び第8の実施形態と変形例7乃至9の夫々においては、重みパラメータwの値は予め定めた固定値であるか、あるいは、重み設定部2060を介してユーザが設定した値であった。しかし、重みパラメータの値はこれらの方法で設定することに限定されるものではない。本変形例では、検出された指標の分布に応じて重みパラメータを能動的に調整することで、指標から得られる情報量に応じて指標の影響度を調整する効果を、より積極的に実現する。
上記第7及び第8の実施形態と変形例7乃至10の夫々は、式37で表現される方法を用いて補正値Δsを算出している。また、sをs+Δsに置き換えることで推定値sの更新を行っている。しかしながら、行列Θ、行列Θ'、及び誤差ベクトルUに基づいてsを算出する方法はこの方法に限ったものではない。例えば公知の非線形方程式の反復解法であるLM法(Levenberg-Marquardt法)を組み合わせて求めてもよい。また、公知のロバスト推定手法であるM推定等の統計的手法を組み合わせてもよい。他の何れの数値計算手法を併用しても発明の本質が損なわれないことは言うまでもない。
上記の夫々の実施形態や変形例では、式3で表されるような3値によって姿勢を表現し、これを最適化計算の工程で用いていた。しかし、最適化計算の工程で用いる姿勢の表現はこれに限定されるものではない。例えば、オイラー角によって姿勢を3値で表現し、このオイラー角を未知パラメータとして最適化計算を行ってもよい。この場合、式3の代わりに、オイラー角から3×3の回転行列Rを求める式を得て、これを夫々の観測方程式に組み込めばよい。また、姿勢計測値や前フレームの姿勢推定値による拘束を行う場合には、夫々のパラメータを同様にオイラー角に変更すればよい。もちろん、その他の表現方法を未知パラメータとした場合であっても同様に解くことが可能であり、パラメータの表現方法は本質的問題ではない。なお、オイラー角を用いた非線形最適化計算によるカメラの位置及び姿勢の推定方法は例えば非特許文献7に開示されているので、詳細な説明は省略する。
Claims (27)
- 計測対象物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測方法であって、
撮像画像を取得する撮影画像取得工程と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出工程と、
前記指標検出工程により検出された前記指標の分布範囲に関する評価値を算出する分布範囲算出工程と、
前記検出された指標の画像座標に関する情報および前記分布範囲に関する評価値を用いて、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出工程とを有することを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 前記計測対象物体は撮像装置であり、
前記撮影画像は、前記撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。 - 前記撮影画像は、前記計測対象物体との相対位置関係が既知である撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記撮影画像は、前記計測対象物体を撮影する撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記位置姿勢算出工程は、前記分布範囲の評価値に応じて、予め定められた複数の算出方法から1つの算出方法を選択することを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記分布範囲に関する評価値は、前記検出された指標の3次元的な分布範囲に関する評価値であることを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記分布範囲に関する評価値は、前記検出された指標の前記撮像画像上における分布範囲に関する評価値であることを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記位置姿勢算出工程は、前記指標の分布範囲に関する評価値に応じて、前記検出された指標の画像座標に関する情報が、前記計測対象物体の位置及び姿勢の算出に与える影響度を制御することを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。
- 前記位置姿勢算出工程は、
前記指標検出工程で検出された前記指標の画像座標に関する情報を利用して、異なる方法を用いて、前記計測対象物体の第1位置姿勢と第2位置姿勢を算出し、
前記分布範囲算出工程で算出された前記指標の分布範囲に関する評価値に基づいて、前記第1位置姿勢と第2位置姿勢から、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出することを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。 - さらに、前記計測対象物体の位置及び姿勢を表すパラメータのうちの少なくとも一つを計測部から、計測結果を取得する計測結果取得工程を有し、
前記位置姿勢算出工程は、前記指標の分布範囲に関する評価値に基づいて、前記指標の画像座標に関する情報の影響度と、前記計測結果の影響度とを制御することにより、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出することを特徴とする、請求項1に記載の位置姿勢計測方法。 - 前記計測部は、前記計測対象物体に装着された位置及び/または姿勢センサであることを特徴とする請求項10に記載の位置姿勢計測方法。
- さらに、過去のフレームの撮影画像から算出された前記計測対象物体の位置及び姿勢を表すパラメータのうちの少なくとも一つを保持する保持工程を有し、
前記位置姿勢算出工程は、
前記指標の分布範囲に関する評価値に基づいて、前記指標の画像座標に関する情報の影響度と、前記過去のフレームの撮影画像から算出された位置及び姿勢を表すパラメータの影響度とを制御することにより、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出することを特徴とする請求項1に記載の位置姿勢計測方法。 - さらに、前記計測対象物体の姿勢を計測する姿勢センサから姿勢計測値を取得する姿勢計測値取得工程を有し、
前記位置姿勢算出工程は、前記指標の画像座標に関わる情報の情報量の大小に応じて、前記指標の画像座標に関する情報の影響度と前記姿勢計測値の影響度を設定し、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする請求項1記載の位置姿勢計測方法。 - さらに、前記計測対象物体の姿勢を計測する姿勢センサから姿勢計測値を取得する姿勢計測値取得工程を有し、
前記位置姿勢算出工程は、前記指標検出工程で検出された前記指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される当該画像座標に関する情報の理論値との間の差異と、前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異との双方を評価基準として用いて前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする請求項13に記載の位置姿勢計測方法。 - 計測対象物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測方法であって、
前記計測対象物体に装着された姿勢センサから姿勢計測値を入力する姿勢計測値入力工程と、
撮像画像を取得する撮影画像取得工程と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出工程と、
前記検出された指標の画像座標に関する情報と、前記姿勢計測値とを用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出工程とを有し、
前記位置姿勢算出工程は、
前記検出された指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される前記検出された指標の画像座標に関する情報の理論値との間の差異、および、
前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異
を評価基準として用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 前記計測対象物体は撮像装置であり、
前記撮影画像は、前記撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項15記載の位置姿勢計測方法。 - 前記撮影画像は、前記計測対象物体との相対位置関係が既知である撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項15記載の位置姿勢計測方法。
- 前記撮影画像は、前記計測対象物体を撮影する撮像装置によって撮影された画像であることを特徴とする請求項15記載の位置姿勢計測方法。
- さらに、過去のフレームの撮影画像から算出された前記計測対象物体の位置及び姿勢を表すパラメータのうちの少なくとも一つを保持する保持工程を有し、
前記位置姿勢算出工程は、
前記指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記検出された指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される前記検出された指標の画像座標に関する情報の理論値との間の差異、
前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異を前記推定値と前記保持手段が保持する過去の位置姿勢を表すパラメータのうちの少なくとも一つとの間の差異、および、
前記推定値と前記過去のフレームの撮影画像から算出された位置姿勢を表すパラメータのうちの少なくとも一つとの間の差異
をと評価機銃として用いて、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出することを特徴とする請求項15記載の位置姿勢計測方法。 - 計測対象物体としての撮像装置の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測方法であって、
前記撮像装置に装着した姿勢センサから姿勢計測値を入力する姿勢計測値入力工程と、
前記撮像装置が撮影した撮像画像を入力する画像入力工程と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出工程と、
オペレータが入力した重みを設定する重み設定工程と、
前記指標検出工程で検出された前記指標の画像座標に関する情報と、前記姿勢計測値とを用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出工程とを有し、
前記位置姿勢算出工程は、前記重み設定工程で設定された重みに応じて、前記指標の画像座標に関する情報と前記姿勢計測値の影響度を変更し、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 前記位置姿勢算出工程は、前記指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される当該画像座標に関する情報の理論値との間の差異と、前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異、の少なくともいずれかを、前記重み設定工程で設定された重みに応じて加重し、当該差異を評価基準として用いて前記撮像装置の位置と姿勢を算出することを特徴とする、請求項20に記載の位置姿勢計測方法。
- 計測対象物体としての撮像装置の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測方法であって、
前記撮像装置に装着した姿勢センサから姿勢計測値を入力する姿勢計測値入力工程と、
前記撮像装置が撮影した撮像画像を入力する画像入力工程と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出工程と、
前記指標の画像座標に関する情報を重視する第1のモード、前記姿勢計測値を重視する第2のモード、前記第1のモード及び第2のモードの中間的なモードである第3のモードのいずれかを選択するモード選択工程と、
前記指標検出工程で検出された前記指標の画像座標に関する情報と、前記姿勢計測値とを用いて、前記モード選択工程で選択されたモードに応じた手法を適用することで、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出工程とを有することを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 前記位置姿勢算出工程は、
前記モード選択工程によって前記第1のモードが選択されている場合に、前記姿勢計測値を規定値や評価基準として使用せずに、前記指標検出工程で検出される前記指標の画像座標に関する情報に基づいて前記撮像装置の位置及び姿勢を算出し、
前記モード選択工程によって前記第3のモードが選択されている場合に、前記指標検出工程で検出される前記指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される当該画像座標に関する情報の理論値との間の差異と、前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異との双方を評価基準として、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出し、
前記モード選択工程によって前記第2のモードが選択されている場合に、前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータを規定値として、前記指標検出工程で検出される前記指標の画像座標に関する情報に基づいて、前記撮像装置の位置及び姿勢の内の未知パラメータを算出することを特徴とする請求項22に記載の位置姿勢計測方法。 - 請求項1乃至請求項23のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法をコンピュータに実行させるための制御プログラム。
- 請求項24に記載の制御プログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 計測対象物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測装置であって、
撮像画像を取得する撮影画像取得手段と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出手段と、
前記指標検出手段により検出された前記指標の分布範囲に関する評価値を算出する分布範囲算出手段と、
前記検出された指標の画像座標に関する情報および前記分布範囲に関する評価値を用いて、前記計測対象物体の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出手段とを有することを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 計測対象物体の位置及び姿勢を計測する位置姿勢計測装置であって、
前記計測対象物体に装着された姿勢センサから姿勢計測値を入力する姿勢計測値入力手段と、
撮像画像を取得する撮影画像取得手段と、
前記撮像画像に含まれる指標を検出する指標検出手段と、
前記検出された指標の画像座標に関する情報と、前記姿勢計測値とを用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出手段とを有し、
前記位置姿勢算出手段は、
前記検出された指標の画像座標に関する情報の実測値と、前記撮像装置の位置及び姿勢の推定値に基づいて計算される前記検出された指標の画像座標に関する情報の理論値との間の差異、および、
前記推定値と前記姿勢計測値の少なくとも一部のパラメータとの間の差異
を評価基準として用いて、前記撮像装置の位置及び姿勢を算出することを特徴とする位置姿勢計測装置。
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