JP5063023B2 - 位置姿勢補正装置、位置姿勢補正方法 - Google Patents
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Description
上記の(3)の工程を実現する代表的な方法のひとつに、繰り返し演算によって指標の再投影誤差を最小化する非線形最適化手法がある(非特許文献1を参照)。この手法では、カメラの位置及び姿勢の推定値と各指標の基準座標に基づいて、この指標の画像座標の計算上の値(理論座標)が算出される。そして、この理論座標が指標の実際の検出座標に極力近づくように、カメラの位置及び姿勢の推定値に補正が加えられる。この理論座標の算出と推定値の補正を繰り返し行うことで、最適な位置及び姿勢が算出される。連続的に撮影される時系列画像に対してカメラの位置及び姿勢を求める場合には、入力されたフレーム毎に上述の最適化処理を実行する。これによって、個々のフレームにおいて最適な位置及び姿勢を算出する。
一方、時系列画像におけるフレーム間の連続性を加味しながら上記の(3)の工程を実現する方法も提案されている。例えば、「前フレームでの位置及び姿勢から大きく外れない」という拘束条件を前述の非線形最適化手法に組み込むことで、フレーム間の連続性を極力維持しながら誤差最小化を行う手法が提案されている(非特許文献2を参照)。
また、拡張カルマンフィルタを用いてカメラの位置及び姿勢を連続的に求めることが一般的に行われている(非特許文献3を参照)。拡張カルマンフィルタを利用する方法では、カメラの運動モデルが、等速度・等角速度運動、あるいは、等加速度・等角加速度運動といった仮定を用いてモデル化される。拡張カルマンフィルタの状態変数の構成要素としては、カメラの位置、姿勢、速度、加速度、角速度等が設定される。また、観測値として、各フレームにおける指標の画像座標と基準座標の組が入力される。拡張カルマンフィルタを用いた手法では、あるフレームにおいて出力される位置及び姿勢は、そのフレームの観測値だけでなく、仮定した運動モデルに基づいて、過去の状態の影響を受けたものとなる。仮定した運動モデルに対して実際のカメラの動きが大きく異なっていなければ、フレーム間の整合性が取れた状態で位置及び姿勢の推定値が変動し、時系列上でスムーズな動きを得ることができる。
また、位置姿勢センサをカメラに装着することでカメラの位置及び姿勢を直接計測し、さらに、撮影した指標を利用してその誤差を補正することが行われている。特許文献1では、フレーム間で異なる補正値が得られた場合の不連続性を回避するために、複数フレームで求めた補正値を平均化した後に適用する工夫がなされている。
佐藤,内山,山本:UG+B法:主観及び客観視点カメラと姿勢センサを用いた位置合わせ手法,日本バーチャルリアリティ学会論文誌,vol.10, no.3, pp.391-400, 2005. I. Skrypnyk and D. Lowe: "Scene modeling, recognition and tracking with invariant image features," Proc. 3rd International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR’04), pp.110-119, 2004. 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.
現在のフレーム及び過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像中に撮像されている指標を検出し、当該指標の画像座標に関する情報を取得する指標検出手段と、
前記現在のフレーム及び前記過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像から検出した指標の画像座標に関する情報を用いて、該フレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第1の位置姿勢算出手段と、
前記指標検出手段が前記現在のフレームの映像から検出した指標と、前記指標検出手段が前記過去のフレームの映像から検出した指標と、で共通の指標を共通指標として判別する指標判別手段と、
前記指標検出手段が前記過去のフレームについて取得した前記共通指標の画像座標に関する情報を用いて、前記過去のフレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第2の位置姿勢算出手段と、
前記指標検出手段が前記過去のフレームの映像から検出した指標のうち、前記指標検出手段が前記現在のフレームの映像から検出した指標には含まれていない消失指標による前記現在のフレームと前記過去のフレームとの間での不連続性を緩和する為の前記撮像装置の位置姿勢の補正値を、前記過去のフレームにおいて補正された前記撮像装置の位置姿勢と、前記第2の位置姿勢算出手段が算出した位置姿勢と、を用いて算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段が算出した補正値を用いて、前記第1の位置姿勢算出手段が前記現在のフレームについて算出した位置姿勢を補正する位置姿勢補正手段と
を有することを特徴とする。
本実施形態では、撮像装置が撮像した現実空間の動画像を用いて、この撮像装置の位置姿勢の計測を行う。図1は、撮像装置の位置姿勢を計測するための本実施形態に係るシステムの機能構成を示すブロック図である。同図に示す如く、本実施形態に係るシステムは、撮像装置150、情報処理装置100により構成されている。更に、情報処理装置100は、画像入力部110、指標検出部120、指標選択部130、位置姿勢算出部140により構成されている。
(2) フラグAppFlgの値(0または1)
(3) フラグDisappFlgの値(0または1)、
(4) AppFlg=1である場合にのみ、注目フレームの画像上に位置する共通指標の識別子と画像座標
(5) DisappFlg=1である場合にのみ、前フレームの画像上に位置する共通指標の識別子と画像座標
図3に示した画像410,420を例に取り説明すると、注目フレームの画像が画像420、前フレームの画像が画像410である場合、前フレームの画像上には指標Q2,Q3,Q4が、注目フレームの画像上には指標Q2,Q4,Q6が検出されている。データ比較部230は、それぞれのフレームの画像上に位置する指標の識別子を比較し、前フレームから注目フレームに移行した場合に、画像420上でQ3が消失、Q6が出現したと判定し、Q2,Q4を共通指標として検出する。その結果、データ比較部220は、上記(1)〜(5)に対応する情報として、以下の情報を位置姿勢算出部140へ出力する。
(2) AppFlg=1
(3) DisappFlg=1
(4) 注目フレームの画像上に位置する共通指標の識別子(2,4)と画像座標
(5) 前フレームの画像上に位置する共通指標の識別子(2,4)と画像座標
位置姿勢算出部140は、データ比較部220から受けた指標の画像座標を用いて、撮像装置150の位置姿勢を算出する処理を行う。図4は、位置姿勢算出部140の機能構成を示すブロック図である。同図に示す如く、位置姿勢算出部140は、データ入力部410、第一位置姿勢演算部420、第二位置姿勢演算部430、第三位置姿勢演算部440、位置姿勢統合部450によって構成されている。
ここで、Drは補正期間を表している。補正期間とは、あるフレーム間で指標の出現や消失が生じた際に、その現象に起因する不整合の回避処理(補正処理)をどの程度の期間行うかを表すパラメータである。例えば、30フレームの期間で補正処理を行う場合は、Drを30に設定する。この値は予め設定された所定値としても良いし、情報処理装置100の使用者がキーボード1004やマウス1005を用いて対話的に調整してもよい。(式1)において、Ct=0の時にw=1となり、Ct=Drの時にw=0となる。このようにwの値が徐々に減衰していく関数であれば、(式1)以外の関数によってwを決定してもよい。例えば、次式を用いてもよい。
次に、ステップS6040では、位置姿勢統合部450が、ステップS6030で求めた重みwを、現在の補正値の基準値に乗算することで、補正値の基準値を更新する。ここで、補正値とは、ステップS6010で得た位置姿勢の推定値(位置推定値t1、姿勢推定値R1)を、フレーム間での整合性が維持できるように補正するためのパラメータである。従って、ステップS6040では、位置の補正値Δtと、姿勢の補正値の回転成分Δθを、次式によって算出する。
Δθ=w×θb (式4)
ここで、tbは、位置の補正値の基準値を表している。また、θbは、姿勢の補正値の基準値Rbの回転角を表している。さらにステップS6040では、(式4)で求めたΔθと、姿勢の補正値の基準値Rbの回転軸ωb=[ξb ψb ζb]Tを用いて以下の(式5)に従った計算処理を行い、姿勢の補正値ΔRを算出する。
重みwは時間経過と共に減衰していくので、位置の補正値の値は、時間経過に応じて徐々に0向かって減少していくことになる。同様に、姿勢の補正値は、時間経過に応じて徐々に単位行列へと近づいていくことになる。
ΔRd=R0×R3−1 (式7)
なお、本ステップで得られる変化量は、指標の消失によって生じる位置及び姿勢の不連続性を直接的に表したものとなる。
R2’=ΔR×R2 (式9)
t2’は補正後の位置の推定値、R2’は補正後の姿勢の推定値である。
ΔRa=R2’×R1−1 (式11)
なお、本ステップで得られる変化量は、指標の出現によって生じる撮像装置150の位置姿勢の不連続性を直接的に表したものとなる。
Rb=ΔRa×ΔRd (式13)
補正値の基準値とは、あるフレーム間で指標の出現や消失が生じた場合に、そのフレーム間における不整合を回避するための補正値である。注目フレームにおけるt1,R1にそれぞれtb、Rbを付加することで、このフレームにおけるフレーム間の不整合を回避することができる。さらに、その後に続くフレームでは、時間経過に応じて減少していく重みをこの値に乗算することで得た補正値を付加していく。補正値を減衰させていくことで、補正を行わない状態(すなわち、フレーム内で最適な位置及び姿勢が得られている状態)に徐々に近づけていく。
Δθ=θb (式15)
以上説明したステップS6060からステップS6140における処理を行うことで、前フレームと注目フレームとの間で消失指標、出現指標が存在した場合に対処するために、補正値の基準値を設定することができる。
R1’=ΔR×R1 (式17)
ここで、指標の見え隠れがフレーム間で生じない期間がDrフレーム以上継続すると、Δtが0、ΔRが単位行列となるので、t1’、R1’としてt1,R1がそのまま用いられることになる。
本実施形態では、現実空間中に配した複数の撮像装置を用いて、計測対象物体の位置を計測する。図7は、複数の撮像装置を用いて計測対象物体の位置を計測するための本実施形態に係るシステムの機能構成を示すブロック図である。同図に示す如く、本実施形態に係るシステムは、撮像装置750a〜750d、情報処理装置700により構成されている。更に、情報処理装置700は、画像入力部710、指標検出部720、指標選択部730、位置算出部740により構成されている。
(2) フラグAppFlgの値(0または1)
(3) フラグDisappFlgの値(0または1)、
(4) AppFlg=1である場合 → 前フレーム、注目フレームの両方のフレームから指標770が検出された場合に、この2つのフレームの画像を撮像した撮像装置から受けた注目フレームの画像上に位置する指標770の画像座標
(5) DisappFlg=1である場合 → 前フレーム、注目フレームの両方のフレームから指標770が検出された場合に、この2つのフレームの画像を撮像した撮像装置から受けた前フレームの画像上に位置する指標770の画像座標
ここで、AppFlgは、注目フレームの画像からは指標770が検出されたものの、前フレームの画像からは指標770が検出されなかった、というような両方のフレームを撮像した撮像装置が1以上の存在した場合に1となるものである。AppFlgはデフォルトでは0に初期化されている。
次に、ステップS8140では、ステップS8130で算出した補正値の基準値を、注目フレームに対する補正値として、上記(式14)に示す如く設定する。
<変形例1>
第1の実施形態では、撮像装置により撮像された画像のみを用いて、この撮像装置の位置姿勢の計測を行った。換言すれば、第1の実施形態に係る位置姿勢計測方法は、撮像装置により撮像された画像のみを用いて位置姿勢の計測を行う一般的な位置姿勢計測方法を、スムーズかつ高精度な計測が可能なように改良したものといえる。しかし、指標を利用して位置姿勢を求める方法であれば、これ以外の方法であっても、第1の実施形態に係る計測方法との組み合わせによって同様な改良を行うことができる。
上記非特許文献1には、計測対象物体に装着した1台以上の主観視点カメラと、天井や壁に配置した1台以上の客観視点カメラを用いて、物体の位置及び姿勢を計測する方法が開示されている。この方法では、主観視点カメラの撮影画像から環境中の指標が検出され、客観視点カメラの撮影画像から計測対象物体上の指標が検出される。そして、これらの全ての検出指標の情報を利用して、計測対象物体の位置及び姿勢が算出される。
(B) フラグAppFlg(0または1)
(C) 注目フレームの入力画像に対する、全カメラの共通指標の識別子と画像座標(出現した指標が存在する場合のみ)
(D) フラグDisappFlg(0または1)
(E) 前フレームの入力画像に対する、全カメラの共通指標の識別子と画像座標(消失した指標が存在する場合のみ)
位置姿勢算出部140の動作は、位置姿勢演算部420、430、440の夫々が複数のカメラからの情報を利用すること以外は、第1の実施形態と同様である。なお、複数のカメラからの情報を利用して計測対象物体の位置及び姿勢を求める方法は、非特許文献1に開示されているので、ここでの詳細な説明は省略する。
一方、撮像装置150に姿勢センサを装着し、その姿勢計測値と指標の検出座標とを併用することで、撮像装置150の位置及び姿勢を求めることがなされている。例えば、非特許文献1では、姿勢センサで計測した姿勢を、撮像装置150の姿勢としてそのまま利用する方法が開示されている。この方法では、撮像装置150の位置のみが未知パラメータであり、この未知パラメータが指標の検出座標を用いて算出される。また、非特許文献1には、撮像装置150の位置と方位角を未知パラメータとして、指標の検出座標を用いて該未知パラメータを算出する方法も開示されている。
上記の実施形態では、前フレームで検出された全ての指標と、注目フレームで検出された全ての指標とを比較していた。しかし、指標の比較方法はこれに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態で示した提案手法は、誤検出や誤同定された指標の情報(アウトライア)を除去するような位置及び姿勢の算出方法と組み合わせることができる。この場合、フレーム毎の処理においてアウトライアと判定された指標は、比較の対象として使用されない。
また、本発明の目的は、以下のようにすることによって達成されることはいうまでもない。即ち、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体(または記憶媒体)を、システムあるいは装置に供給する。そして、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記録媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行する。この場合、記録媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。
Claims (6)
- 撮像装置から各フレームの映像を入力する映像入力手段と、
現在のフレーム及び過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像中に撮像されている指標を検出し、当該指標の画像座標に関する情報を取得する指標検出手段と、
前記現在のフレーム及び前記過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像から検出した指標の画像座標に関する情報を用いて、該フレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第1の位置姿勢算出手段と、
前記指標検出手段が前記現在のフレームの映像から検出した指標と、前記指標検出手段が前記過去のフレームの映像から検出した指標と、で共通の指標を共通指標として判別する指標判別手段と、
前記指標検出手段が前記過去のフレームについて取得した前記共通指標の画像座標に関する情報を用いて、前記過去のフレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第2の位置姿勢算出手段と、
前記指標検出手段が前記過去のフレームの映像から検出した指標のうち、前記指標検出手段が前記現在のフレームの映像から検出した指標には含まれていない消失指標による前記現在のフレームと前記過去のフレームとの間での不連続性を緩和する為の前記撮像装置の位置姿勢の補正値を、前記過去のフレームにおいて補正された前記撮像装置の位置姿勢と、前記第2の位置姿勢算出手段が算出した位置姿勢と、を用いて算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段が算出した補正値を用いて、前記第1の位置姿勢算出手段が前記現在のフレームについて算出した位置姿勢を補正する位置姿勢補正手段と
を有することを特徴とする位置姿勢補正装置。 - 更に、
前記指標検出手段が前記現在のフレームについて取得した前記共通指標の画像座標に関する情報を用いて、前記現在のフレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第3の位置姿勢算出手段を備え、
前記補正値算出手段は、
前記指標検出手段が前記現在のフレームの映像から検出した指標のうち、前記指標検出手段が前記過去のフレームの映像から検出した指標には含まれていない出現指標による前記現在のフレームと前記過去のフレームとの間での不連続性を緩和する為の前記撮像装置の位置姿勢の補正値を、前記第1の位置姿勢算出手段が前記現在のフレームについて算出した位置姿勢と、前記第3の位置姿勢算出手段が算出した位置姿勢と、を用いて算出することを特徴とする請求項1に記載の位置姿勢補正装置。 - 前記補正値算出手段は、算出した補正値に、その時点からの時間経過に応じて減衰する重みを掛け合わせることで該補正値を更新することを特徴とする請求項1又は2に記載の位置姿勢補正装置。
- コンピュータを請求項1乃至3の何れか1項に記載の位置姿勢補正装置が有する各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
- 請求項4に記載のコンピュータプログラムを格納した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 位置姿勢補正装置が行う位置姿勢補正方法であって、
前記位置姿勢補正装置の映像入力手段が、撮像装置から各フレームの映像を入力する映像入力工程と、
前記位置姿勢補正装置の指標検出手段が、現在のフレーム及び過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像中に撮像されている指標を検出し、当該指標の画像座標に関する情報を取得する指標検出工程と、
前記位置姿勢補正装置の第1の位置姿勢算出手段が、前記現在のフレーム及び前記過去のフレームのそれぞれについて、該フレームの映像から検出した指標の画像座標に関する情報を用いて、該フレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第1の位置姿勢算出工程と、
前記位置姿勢補正装置の指標判別手段が、前記指標検出工程で前記現在のフレームの映像から検出した指標と、前記指標検出工程で前記過去のフレームの映像から検出した指標と、で共通の指標を共通指標として判別する指標判別工程と、
前記位置姿勢補正装置の第2の位置姿勢算出手段が、前記指標検出工程で前記過去のフレームについて取得した前記共通指標の画像座標に関する情報を用いて、前記過去のフレームにおける前記撮像装置の位置姿勢を算出する第2の位置姿勢算出工程と、
前記位置姿勢補正装置の補正値算出手段が、前記指標検出工程で前記過去のフレームの映像から検出した指標のうち、前記指標検出工程で前記現在のフレームの映像から検出した指標には含まれていない消失指標による前記現在のフレームと前記過去のフレームとの間での不連続性を緩和する為の前記撮像装置の位置姿勢の補正値を、前記過去のフレームにおいて補正された前記撮像装置の位置姿勢と、前記第2の位置姿勢算出工程で算出した位置姿勢と、を用いて算出する補正値算出工程と、
前記位置姿勢補正装置の位置姿勢補正手段が、前記補正値算出工程で算出した補正値を用いて、前記第1の位置姿勢算出工程で前記現在のフレームについて算出した位置姿勢を補正する位置姿勢補正工程と
を有することを特徴とする位置姿勢補正方法。
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