JP2008070267A - 位置姿勢計測方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 主観視点カメラ160の撮像画像から現実空間中の指標を
検出する主観視点指標検出部130と、主観視点カメラ160と空間分解
能の異なる追加主観視点カメラ170の撮像画像から現実空間中の指標を
検出する追加主観視点指標検出部140と、検出された指標の画像座標に
関する情報を用いて主観視点カメラ160の位置及び姿勢を算出する位置
姿勢推定部150とを有する。
【選択図】 図1
Description
特許文献1乃至2及び非特許文献1には、位置姿勢センサを用いてカメラの位置姿勢を計測する手法が開示されている。また、これら従来技術には、現実空間中の配置位置が既知のマーカ、又は現実空間中の位置が既知の特徴点(以下、マーカと特徴点をまとめて指標という)を用い、位置姿勢センサの計測誤差を補正する手法についても開示している。
一方で、非特許文献2乃至3において開示されているように、位置姿勢センサを用いず、カメラで撮像したマーカの情報からカメラの位置姿勢を推定する方法も知られている。そして、これら非特許文献においては、正方形の指標を利用し、正方形の4頂点の座標を基にして、カメラの位置姿勢を推定している。ただし、正方形はその中心点(対角線の交点)を通り、面に垂直な軸を回転軸として90°毎の回転対称形であることから、頂点の座標からだけでは方向性(上下左右)の判定を行うことができない。そのため、正方形の指標内部に、指標を撮像した画像から上下左右を判定するための、方向性を有する図形等が描画されている。さらに、指標を複数利用する場合に、カメラで撮像した画像のみに基づいて複数の指標のどれを捉えているのかを識別する必要があるため、指標内部には指標毎に異なる固有のパターンや符号などの図形情報も描画されている。
また、特許文献3において開示されているように、ステレオカメラで指標を撮像することで、カメラを1台だけ使う場合と比べて検出される指標の総数を増やして、カメラの位置姿勢推定の精度や安定性を向上させる方法も知られている。特許文献3においては、ステレオカメラを構成する夫々のカメラは同一の解像度及び画角となっている。また、夫々のカメラの光軸の向きはほぼ同一となっている。
画角の異なる複数のカメラを利用したシステムにおいて、カメラの位置姿勢を推定する方法が、特許文献5において開示されている。特許文献5においては、一方の画角のカメラが位置姿勢の推定に利用され、他方の画角のカメラは外界の映像の撮像に利用されている。そして、頭部搭載型の表示装置に、夫々の画角のカメラで撮像された映像を合成して表示している。
一方、非特許文献7においては、近距離用と遠距離用の2種類の2眼ステレオカメラによる計測結果を相互に補完して、被写体の3次元計測を行う装置が開示されている。非特許文献7の装置では、近距離用と遠距離用に対応して基線長と焦点距離が選ばれており、近距離の対象物と遠距離の対象物を同時に計測することができるようになっている。
このような複雑な特徴を有する指標を撮像画像から検出しなければならないため、撮像画像面の中で十分に大きな面積を占めるように指標を捉えなければ、指標の認識ができないという問題があった。換言すれば、現実空間の広い領域を指標配置のために確保しなければならない。あるいは、カメラが指標に十分に近づかなければならない。または、指標の配置条件が厳しいということもできる。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る位置姿勢計測装置は、主観視点カメラ及び追加主観視点カメラで撮像した画像から検出された指標に基づいて、主観視点カメラの位置及び姿勢を算出する。
・主観視点指標検出部130によって検出された各々の主観視点指標の画像座標uQkn
・追加主観視点指標検出部140によって検出された各々の主観視点指標の画像座標uQkm
・既知な情報として予め保持されている主観視点指標の世界座標xW Qk
の組を、データ記憶部120から取得する。
上述の通り、本実施形態では、画像入力部110、データ記憶部120、主観視点指標検出部130、追加主観視点指標検出部140、位置姿勢算出部150の夫々を、プログラムの実行によりソフトウェア的に実現する。
表示部1006は、CRTモニタやLCDなどであり、例えば、主観視点カメラ160の位置姿勢計測のために表示すべきメッセージ等を表示することができる。
バス1010は、上述の各部を相互に通信可能に接続する。
図3は、本実施形態の位置姿勢計測装置における位置姿勢算出部150の動作を説明するフローチャートである。
上述のように、本実施形態では、CPU1001がプログラムを実行することで位置姿勢算出部150として機能する。なお、以下に説明する処理を行う前に、この処理をCPU1001が実現するために必要なプログラムコードは、RAM1002にロードされているものとする。本実施形態において、主観視点カメラ160の位置及び姿勢は、繰り返し演算による数値計算的手法によって算出される。
主観視点カメラ160の画角(°)/追加主観視点カメラ170の画角(°)=α
である場合、
wm=α×wn
となるように定めることができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、まず、主観視点カメラで撮像した画像から検出された指標に基づいて主観視点カメラの位置及び姿勢を算出する。そして、その位置及び/又は姿勢を、空間分解能の高い追加主観視点カメラで撮像した画像から検出された指標に基づいて補正する。
以上の処理によって、主観視点画像のみを用いる場合よりも高い精度で主観視点カメラ160の位置及び姿勢を算出することができる。
上記の実施形態の夫々において、主観視点カメラの画角よりも追加主観視点カメラの画角の方が広くなるようにしても良い。そうすれば、追加主観視点カメラの視野内に含まれる指標が増加し、主観視点カメラの位置及び姿勢を安定して算出することができる。
上記の実施形態の夫々において、主観視点カメラの位置又は姿勢又はそれらの時間微分に関する情報を計測するセンサを主観視点カメラに設置して、主観視点カメラの位置及び姿勢を算出しても良い。
上記の実施形態の夫々において、主観視点カメラを撮像する客観視点カメラを併用しても良い。図5は、図1の位置姿勢計測装置に客観視点カメラを追加接続した際の構成を示すブロック図である。
上記の実施形態の夫々において、追加主観視点カメラ170が1台の場合について説明したが、追加主観視点カメラ170の台数は1台に限らず、複数台であっても良い。この場合、第1の実施形態と同様の処理によって、主観視点カメラ160の位置及び姿勢を算出することができる。
上記の実施形態の夫々において、追加主観視点カメラ170として、可視光とは異なる波長の光を撮像するカメラを使うことも可能である。例えば、追加主観視点カメラ170として赤外光を撮像するカメラを使い、追加主観視点指標として赤外光を発光又は反射する指標を使っても良い。この場合、例えば、天井に配置した赤外光を発光する指標を、追加主観視点カメラ170によって撮像することによって、可視光を撮像するカメラを用いる場合と比較して安定して指標を検出することができる。
上記の実施形態の夫々は、式14で表現される方法を用いて補正値Δsを算出し、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定されない。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良い。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良い。他の何れの数値計算手法を併用してもよい。
上述の実施形態は、システム或は装置のコンピュータ(或いはCPU、MPU等)によりソフトウェア的に実現することも可能である。
従って、上述の実施形態をコンピュータで実現するために、該コンピュータに供給されるコンピュータプログラム自体も本発明を実現するものである。つまり、上述の実施形態の機能を実現するためのコンピュータプログラム自体も本発明の一つである。
つまり、上述の実施形態を実現するためのプログラムファイルをクライアントコンピュータに提供するサーバ装置も本発明の一つである。
さらに、上述の実施形態を実現するためのコンピュータプログラムは、その一部をコンピュータに装着される拡張ボード等のファームウェアで構成してもよいし、拡張ボード等が備えるCPUで実行するようにしてもよい。
Claims (17)
- 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力工程と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力工程と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出工程と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出工程と、
前記第1の検出工程及び前記第2の検出工程で検出された、前記指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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備え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が、前記第1及び第2の検出工程のうち、空間分解能が高い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に、前記空間分解能が低い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された前記指標の画像座標に関わる特徴量よりも高い重み付けを行って、前記位置及び姿勢の算出を行なうことを特徴する請求項1記載の位置姿勢算出方法。
- 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力工程と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力工程と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出工程と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出工程と、
前記第1及び第2の検出工程のうち、空間分解能が低い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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、
前記第1及び第2の検出工程のうち、空間分解能が高い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記位置姿勢算出工程で算出された前記第1の撮像装置の位置及び姿勢の少なくとも一方を補正する補正工程と、
を備えることを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力工程と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力工程と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出工程と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出工程と、
前記第1及び第2の検出工程のうち、空間分解能が高い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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、
前記第1及び第2の検出工程のうち、空間分解能が低い撮像装置で撮像された画像に関わる検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記位置姿勢算出工程で算出された前記第1の撮像装置の位置を補正する補正工程と、
を備えることを特徴とする位置姿勢計測方法。 - 前記第1の撮像装置と前記第2の撮像装置は、画像解像度が同じで、画角が異なることを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。
- 前記第1の撮像装置の位置又は姿勢又はそれらの時間微分に関する情報を計測するセンサから計測値を入力するセンサ計測値入力工程をさらに備え、
前記位置姿勢算出工程では、前記第1の検出工程及び前記第2の検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量と、前記センサ計測値入力工程で入力された計測値とに基づいて、前記第1の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乃至請求項5のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。 - 前記第1の撮像装置を撮像する、位置姿勢が固定された第3の撮像装置で撮像された第3の画像を入力する第3の画像入力工程と、
前記第3の画像から、前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定された第2の指標の画像座標に関わる特徴量を検出する第3の検出工程とをさらに備え、
前記位置姿勢算出工程では、前記第1の検出工程及び前記第2の検出工程で検出された指標の画像座標に関わる特徴量と、該第3の検出工程で検出された前記第2の指標の画像座標に関わる特徴量とに基づいて、前記第1の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乃至請求項6のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。 - 前記第1の画像は、観察者に提示するための画像であり、前記第1の撮像装置は、前記観察者に前記第1の画像を提示するための表示手段との相対的な位置又は姿勢、又は画角が固定されていることを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。
- 前記第1の撮像装置の光軸の向きと前記第2の撮像装置の光軸の向きが異なることを特徴とする、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。
- 前記第2の撮像装置が、複数の撮像装置を含み、
前記第2の画像入力工程が、前記複数の撮像装置の各々から前記第2の画像を入力し、
前記第2の検出工程では、前記第2の画像入力工程で入力された複数の前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関わる特徴量を夫々検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。 - 前記複数の撮像装置が、前記第1の撮像装置よりも空間分解能の高い撮像装置と、前記第1の撮像装置よりも空間分解能の低い撮像装置とを含むことを特徴とする、請求項10記載の位置姿勢計測方法
- 前記複数の撮像装置のうちの少なくとも一つの光軸の向きが、他の撮像装置のうちの少なくとも一つの光軸の向きと異なることを特徴とする、請求項10又は請求項11に記載の位置姿勢計測方法。
- 前記第1の撮像装置と前記第2の撮像装置は、異なる波長領域で観察される画像を撮像することを特徴とする、請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の位置姿勢計測方法。
- 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力手段と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力手段と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出手段と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出手段と、
前記第1の検出手段及び前記第2の検出手段で検出された、前記指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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備えることを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力手段と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力手段と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出手段と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出手段と、
前記第1及び第2の検出手段のうち、空間分解能が低い撮像装置で撮像された画像に関わる検出手段で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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、
前記第1及び第2の検出手段のうち、空間分解能が高い撮像装置で撮像された画像に関わる検出手段で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記位置姿勢算出手段で算出された前記第1の撮像装置の位置及び姿勢の少なくとも一方を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 現実空間を撮像する第1の撮像装置で撮像された第1の画像を入力する第1の画像入力手段と、
前記第1の撮像装置との相対的な位置及び姿勢が固定で、かつ前記第1の撮像装置と空間分解能の異なる第2の撮像装置で撮像された第2の画像を入力する第2の画像入力手段と、
前記第1の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第1の検出手段と、
前記第2の画像から、前記現実空間中の指標の画像座標に関する特徴量を検出する第2の検出手段と、
前記第1及び第2の検出手段のうち、空間分解能が高い撮像装置で撮像された画像に関わる検出手段で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記第1の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、
前記第1及び第2の検出手段のうち、空間分解能が低い撮像装置で撮像された画像に関わる検出手段で検出された指標の画像座標に関わる特徴量に基づいて、前記位置姿勢算出手段で算出された前記第1の撮像装置の位置を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする位置姿勢計測装置。 - コンピュータに、請求項1乃至請求項13のいずれか1項に記載の位置姿勢算出方法を実行させるプログラム。
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