JP4785416B2 - 位置姿勢計測方法及び装置 - Google Patents
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J.Park,B.Jiang,and U.Neumann:"Vision−based pose computation:robust and accurate augmented reality tracking,"Proc.2nd International Workshop on Augmented Reality(IWAR’99),pp.3−12,1999. D.G.Lowe:"Fitting parameterized three−dimensional models to images,"IEEE Transactions on PAMI,vol.13,no.5,pp.441−450,1991. K.Satoh,S.Uchiyama,H.Yamamoto,and H.Tamura:"Robust vision−based registration utilizing bird’s−eye view with user’s view,"Proc.2nd International Symposium on Mixed and Augmented Reality(ISMAR’03),pp.46−55,2003. E.Foxlin,Y.Altshuler,L.Naimark and M.Harrington:"FlightTracker:A novel optical/inertial tracker for cockpit enhanced vision,"Proc.3rd International Symposium on Mixed and Augmented Reality(ISMAR’04),pp.212−221,2004.
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。
観測方程式を、
観測方程式を、
観測方程式を
△un=un−un * ・・・式(10)
s+△s→s ・・・式(15)
本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、二つの計測対象物体の位置及び姿勢の計測を行う。例えば、現実空間の像を透過させつつ情報を重畳表示することが可能な光学シースルーHMDを用いて、手持ちの物体の上に何らかの情報を重畳表示するアプリケーションを実現する場合に、当該HMDと手持ち物体の双方の位置及び姿勢を計測する目的に、本実施形態に係る位置姿勢計測装置を用いることができる。本実施形態に係る位置姿勢計測装置は、主観視点画像を撮影する複数の主観視点カメラと、物体の姿勢を計測する複数の姿勢センサを有している点が、第1の実施形態とは異なっている。以下では、第1の実施形態との相違点に焦点を絞って、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。
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。以下では、第1及び第2の実施形態との相違点に焦点を絞って、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。
(変形例1)
上記実施形態の各々では、誤差ベクトルUと行列Θに基づく補正値△sの算出に、式14で表現されるNewton−Raphson法を用いている。しかし、補正値△sの算出は必ずしもNewton−Raphson法によって行わなくてもよい。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本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未知パラメータsを含むようなカルマンフィルタの状態ベクトルを定義し、式2,式5,及び式8などで定義される観測方程式を利用し、さらに、例えば等加速度などの予測モデルを用いることで、計測対象間の相対位置姿勢に関する情報と各計測対象の絶対位置姿勢に関する情報の双方に矛盾しないように各計測対象の位置と姿勢を同時に更新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1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。
上記第2及び第3の実施形態では、夫々の計測対象(撮像装置150及び計測対象物体160)に姿勢センサ470が装着されていたが、姿勢センサは必ずしも必要ではない。姿勢センサ470を装着せずに、第1の実施形態と同様に夫々の計測対象の位置及び姿勢の12パラメータを未知として、画像情報のみからこれらを算出することも可能である。この場合、夫々の観測方程式における姿勢に関するパラメータを、いずれも未知数として取り扱えばよい。例えば、式16及び式17ではRWO2及びRWO1を姿勢センサから得ていたが、これをそれぞれR(ωWO2)及びR(ωWO1)とおき、未知数としてωWO2,ωWO1を追加すればよい。同様に、式18,式19,式20ではRWO及びRWCを姿勢センサから得ていたが、これをそれぞれR(ωWO)及びR(ωWC)とおき、未知数としてωWO,ωWCを追加すればよい。
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2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×12列(または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。例えば、第3の実施形態において、計測対象物体160上の指標として物体の輪郭線等の線特徴を用い、かつ、環境側には指標として人為的なマーカを設置するという組み合わせを用いることが可能である。
第1の実施形態に係る位置姿勢計測装置は、第2の実施形態における主観視点カメラ450に相当する構成要素を有していなかった。しかし、第2の実施形態と同様に、計測対象物体160に主観視点カメラ450をさらに装着し、撮像装置150上に設定した指標をこれによって観測することで、撮像装置150及び計測対象物体160の位置及び姿勢の算出にその情報を用いてもよい。この場合、主観視点カメラ450による撮影画像を画像入力部110へ入力し、指標検出部120で座標を検出し、位置姿勢算出部130による解の算出工程に第2の実施形態と同様な観測方程式(式17及び式4)を組み込めばよい。同様に、撮像装置150に主観視点カメラ450を装着してもよいし、この場合は、撮像装置150による指標の観測は必須とはならない。
上記の実施形態の各々に係る位置姿勢計測装置は2つの物体を計測対象としていたが、計測する物体の数は2つに限定されるものではない。例えば第1の実施形態において、1台の撮像装置と複数の計測対象物体を計測する場合には、夫々の計測対象物体上に指標を設定し、これを撮像装置150及び客観視点カメラ140によって観測し、各物体の位置及び姿勢を未知パラメータとして解けばよい。第2、第3の実施形態においても同様であり、夫々に必要な主観視点カメラや姿勢センサを設置することで、前述した実施形態における技術思想の範疇において実現可能である。
Claims (14)
- 第一の撮像装置の位置及び姿勢と、該第一の撮像装置による被観測物体の位置及び姿勢とを計測する位置姿勢計測方法であって、
前記第一の撮像装置が撮像した第一の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第一の指標検出工程と、
環境中に設置された第二の撮像装置が撮像した第二の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第二の指標検出工程と、
前記第二の撮像画像から前記第一の撮像装置上の指標を検出する第三の指標検出工程と、
前記第一、第二、及び第三の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記第一の撮像装置の位置及び姿勢と前記被観測物体の位置及び姿勢と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。 - 第一の撮像装置の位置及び姿勢と、該第一の撮像装置による被観測物体の位置及び姿勢とを計測する位置姿勢計測方法であって、
前記第一の撮像装置が撮像した第一の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第一の指標検出工程と、
前記被観測物体に装着された第二の撮像装置が撮像した第二の撮像画像から、環境中の指標を検出する第二の指標検出工程と、
前記第一の撮像画像または前記第一の撮像装置に装着された第三の撮像装置が撮像した第三の撮像画像から、環境中の指標を検出する第三の指標検出工程と、
前記第一、第二、及び第三の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記第一の撮像装置の位置及び姿勢と前記被観測物体の位置及び姿勢と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。 - 複数の計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは当該計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係を計測する位置姿勢計測方法であって、
前記計測対象物体のいずれか一つ以上に装着された第一の撮像装置によって、他の計測対象物体上の指標を観測し検出する第一の指標検出工程と、
環境中に設置された第二の撮像装置によって、前記夫々の計測対象物体上の指標を観測し検出する第二の指標検出工程と、
前記第一及び第二の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは前記計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係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。 - 複数の計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは当該計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係を計測する位置姿勢計測方法であって、
前記計測対象物体のいずれか一つ以上に装着された第一の撮像装置によって、他の計測対象物体上の指標を観測し検出する第一の指標検出工程と、
前記計測対象物体の夫々に装着した第二の撮像装置によって、環境中の指標を観測し検出する第二の指標検出工程と、
前記第一及び第二の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは前記計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係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、前記夫々の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報と、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢のパラメータの推定値を用いて求められた当該画像座標に関する情報の計算値との間の誤差に基づき、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢のパラメータの推定値を補正することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の位置姿勢計測方法。
- 前記位置姿勢算出工程は、前記推定値の補正を行う際の補正値の算出処理を、前記計測対象物体の夫々に関して同時に行うことを特徴とする請求項5に記載の位置姿勢計測方法。
- 前記計測対象物体の少なくとも一つ以上の位置または/及び姿勢を計測するセンサから位置または/及び姿勢の計測値を入力するセンサ計測値入力工程をさらに有し、
前記位置姿勢算出工程は、前記夫々の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報に加えて、前記センサ計測値入力工程において入力された前記計測対象物体の位置または/及び姿勢の計測値を用いて、前記計測対象物体の夫々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のいずれかに記載の位置姿勢計測方法。 - 前記位置姿勢算出工程は、前記センサ計測値入力工程において入力された前記計測対象物体の位置または/及び姿勢の計測値のうちの少なくともいずれかのパラメータを既知の値として利用して、前記夫々の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢のうちの残されたパラメータを算出することを特徴とする請求項7に記載の位置姿勢計測方法。
- 第一の撮像装置の位置及び姿勢と、該第一の撮像装置による被観測物体の位置及び姿勢とを計測する位置姿勢計測装置であって、
前記第一の撮像装置が撮像した第一の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第一の指標検出手段と、
環境中に設置された第二の撮像装置が撮像した第二の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第二の指標検出手段と、
前記第二の撮像画像から前記第一の撮像装置上の指標を検出する第三の指標検出手段と、
前記第一、第二、及び第三の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記第一の撮像装置の位置及び姿勢と前記被観測物体の位置及び姿勢と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。 - 第一の撮像装置の位置及び姿勢と、該第一の撮像装置による被観測物体の位置及び姿勢とを計測する位置姿勢計測装置であって、
前記第一の撮像装置が撮像した第一の撮像画像から、前記被観測物体上の指標を検出する第一の指標検出手段と、
前記被観測物体に装着された第二の撮像装置が撮像した第二の撮像画像から、環境中の指標を検出する第二の指標検出手段と、
前記第一の撮像画像または前記第一の撮像装置に装着された第三の撮像装置が撮像した第三の撮像画像から、環境中の指標を検出する第三の指標検出手段と、
前記第一、第二、及び第三の指標検出手段において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記第一の撮像装置の位置及び姿勢と前記被観測物体の位置及び姿勢と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。 - 複数の計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは当該計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係を計測する位置姿勢計測装置であって、
前記計測対象物体のいずれか一つ以上に装着された第一の撮像装置によって、他の計測対象物体上の指標を観測し検出する第一の指標検出手段と、
環境中に設置された第二の撮像装置によって、前記夫々の計測対象物体上の指標を観測し検出する第二の指標検出手段と、
前記第一及び第二の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは前記計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係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。 - 複数の計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは当該計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係を計測する位置姿勢計測装置であって、
前記計測対象物体のいずれか一つ以上に装着された第一の撮像装置によって、他の計測対象物体上の指標を観測し検出する第一の指標検出手段と、
前記計測対象物体の夫々に装着した第二の撮像装置によって、環境中の指標を観測し検出する第二の指標検出手段と、
前記第一及び第二の指標検出工程において検出された指標の画像座標に関する情報を用いて、前記計測対象物体の夫々の位置及び姿勢あるいは前記計測対象物体間の相対的な位置及び姿勢の関係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。 - 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13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。
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