JP5439277B2 - 位置姿勢計測装置及び位置姿勢計測プログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。
初期値算出部11は、図2の平面51上に撮像対象52が配置されている状態を、図3に示すように、平面61上に半径rの球体の近似撮像対象62が配置されている状態であると近似し、前述の仮定のもとで、カメラ座標系原点から並進成分T0、回転成分R0を設置して、初期カメラポーズを決定する。
図6は、撮像対象における特徴点の一例を示す図である。初期値決定部12は、受信した撮像画像において、図6に示すように、画像上の角や交点となる特徴点Aを抽出する。
図7は、抽出した特徴点Aと、初期3次元座標値とが対応付けられた組の一例を示す図である。初期値決定部12は、図7に示すように、特徴点Aの座標値と初期3次元座標値との組を対応付けて、初期カメラポーズと併せてメモリ4に記録し、初期値決定部12における処理を終了する(ステップS101)。
次に本発明における第2実施の形態を具体的に説明する。
前述の第1の実施形態では、位置姿勢計測装置が、図2に示したように、ユーザが撮像装置1により、平面51上に配置された撮像対象52のほぼ中心を斜め下向きに撮影するものと仮定する。そして、位置姿勢計測装置は、図3に示したように、撮像対象の初期3次元座標値を平面61上に半径rの球体が近似撮像対象62として据えられているものと近似して、カメラポーズを設定し、撮像対象の初期3次元座標を算出している。
しかしながら、撮像対象52の大きさ、撮像対象52の形状、撮像時の撮像装置1の向きによっては、このような所定の半径の球体を近似撮影対象として初期3次元座標を求めたのでは、初期値が真値から離れることがある。
本発明の第2の実施形態では、図8(A)〜図8(D)に示すように、半径の異なる複数の近似撮像対象62a〜62dが用いられる。つまり、撮像対象の大きさ、或いは、画像上での撮像対象の大きさ(即ち撮像対象と撮像装置1との間の距離)が不明な場合に対処するために、半径(i=0〜N−1)を有するN個の球体が予め準備され、これらの球体と平面とが撮像対象として設定される。このような処理を行うために、図8(A)〜図8(D)に示すような大きさの異なる複数の近似撮像対象62a〜62dが生成され、これらが初期3次元座標候補としてハードディスクドライブ装置5等の記録媒体に記録される。
また、本発明の第2の実施形態では、図9(A)〜図9(D)に示すように、形状の異なる複数の近似撮像対象62e〜62hが用いられる。つまり、例えば、撮像対象の形状が不明の時に対処するために、例えば、球形、立方体、円柱、角錐、円錐などの複数の基本形状が予め準備され、これらの基本形状と平面が撮像対象として設定される。このような処理を行うために、図9(A)〜図9(D)に示すような形状の異なる複数の近似撮像対象62e〜62hが予め生成され、これらが初期3次元座標候補としてハードディスクドライブ装置5等の記録媒体に記録される。
また、本発明の第2の実施形態では、図10(A)〜図10(H)に示すように、撮像装置1と異なる位置関係を有する複数の近似撮像対象62i〜62pが用いられる。つまり、例えば、撮像時の撮像装置1の向き(即ち初期カメラポーズの回転成分R0)が不明の場合に対処するために、例えば、撮像装置1の光軸周りに45度ずつ回転させる行列が、回転成分R0として設定される。このような処理を行うために、図10に示すような位置関係の異なる近似撮像対象62i〜62pが複数生成され、これらが初期3次元座標候補としてハードディスクドライブ装置5等の記録媒体に記録する。
図11は、本実施形態における位置姿勢計測装置の位置姿勢計測処理を示すフローチャートである。本実施形態の初期値決定部12において、第1の実施形態と第2の実施形態の異なる点は、複数の初期3次元座標候補のうちいずれか1つを初期3次元座標に決定する動作が加わったところである。以下、本発明の第2の実施形態における初期値決定部12の処理の詳細を説明する。
2…位置姿勢計測装置
3…モニタ装置
4…メモリ
5…ハードディスクドライブ装置
11…初期値算出部
12…初期値決定部
13…特徴点追跡部
14…カメラポーズ推定部
15…3次元座標算出部
16…最適化処理部
Claims (9)
- 撮像装置から入力される少なくとも1枚の入力画像列から、該撮像装置の位置及び姿勢を示すカメラポーズと、該撮像装置により撮像される撮像物体の3次元座標を逐次計測する位置姿勢計測装置であって、
予め設定された前記撮像装置の内部パラメータと、初期時刻におけるカメラポーズである初期カメラポーズと、前記撮像装置に対する前記撮像物体の位置関係と、前記撮像物体の大きさを表す値とから、初期時刻における前記撮像物体の3次元座標である初期3次元座標を算出する初期値算出手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻における画像である初期時刻画像から前記撮像物体の特徴点の画像における座標である特徴点座標を抽出し、前記初期カメラポーズと初期3次元座標とから前記特徴点座標に対応する初期3次元座標を算出する初期値決定手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻画像から順に、現時刻における画像である現時刻画像と、前時刻における画像である前時刻画像とそれぞれの前記撮像物体の特徴点座標を対応付ける特徴点追跡手段と、
前記現時刻画像内の特徴点座標と、前記特徴点追跡手段が対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから、現時刻におけるカメラポーズを算出するカメラポーズ推定手段と、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズと特徴点座標とから、現時刻の撮像画像内の特徴点各々の3次元座標を算出して更新する3次元座標算出手段と、
現時刻画像から予め定められた一定時刻前までの撮像画像列に亘り、前記カメラポーズ推定手段が算出したカメラポーズと、前記3次元座標算出手段が算出した特徴点の3次元座標と、前記特徴点追跡手段により対応付けられた特徴点座標とから予め定められた誤差関数を最小化する特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する最適化処理手段と、
を有し、
前記初期値算出手段は、
撮像物体として予め定められた半径を有する球体が平面上に配置された近似撮像対象を、前記撮像装置が予め定められた位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出し、
前記初期値決定手段は、
前記初期3次元座標に基づいた距離画像において特徴点に対応する点を抽出し、抽出した点の距離を用いて特徴点の初期値3次元座標を算出する
ことを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 撮像装置から入力される少なくとも1枚の入力画像列から、該撮像装置の位置及び姿勢を示すカメラポーズと、該撮像装置により撮像される撮像物体の3次元座標を逐次計測する位置姿勢計測装置であって、
予め設定された前記撮像装置の内部パラメータと、初期時刻におけるカメラポーズである初期カメラポーズと、前記撮像装置に対する前記撮像物体の位置関係と、前記撮像物体の大きさを表す値とから、初期時刻における前記撮像物体の3次元座標である初期3次元座標を算出する初期値算出手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻における画像である初期時刻画像から前記撮像物体の特徴点の画像における座標である特徴点座標を抽出し、前記初期カメラポーズと初期3次元座標とから前記特徴点座標に対応する初期3次元座標を算出する初期値決定手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻画像から順に、現時刻における画像である現時刻画像と、前時刻における画像である前時刻画像とそれぞれの前記撮像物体の特徴点座標を対応付ける特徴点追跡手段と、
前記現時刻画像内の特徴点座標と、前記特徴点追跡手段が対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから、現時刻におけるカメラポーズを算出するカメラポーズ推定手段と、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズと特徴点座標とから、現時刻の撮像画像内の特徴点各々の3次元座標を算出して更新する3次元座標算出手段と、
現時刻画像から予め定められた一定時刻前までの撮像画像列に亘り、前記カメラポーズ推定手段が算出したカメラポーズと、前記3次元座標算出手段が算出した特徴点の3次元座標と、前記特徴点追跡手段により対応付けられた特徴点座標とから予め定められた誤差関数を最小化する特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する最適化処理手段と、
を有し、
前記初期値算出手段は、
撮像物体として予め定められた複数の半径を有する球体のうち1つが平面上に配置された近似撮像対象を、前記撮像装置が予め定められた位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出する処理を、前記複数の半径を有する球体に亘って行って初期3次元座標候補を算出する
ことを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 撮像装置から入力される少なくとも1枚の入力画像列から、該撮像装置の位置及び姿勢を示すカメラポーズと、該撮像装置により撮像される撮像物体の3次元座標を逐次計測する位置姿勢計測装置であって、
予め設定された前記撮像装置の内部パラメータと、初期時刻におけるカメラポーズである初期カメラポーズと、前記撮像装置に対する前記撮像物体の位置関係と、前記撮像物体の大きさを表す値とから、初期時刻における前記撮像物体の3次元座標である初期3次元座標を算出する初期値算出手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻における画像である初期時刻画像から前記撮像物体の特徴点の画像における座標である特徴点座標を抽出し、前記初期カメラポーズと初期3次元座標とから前記特徴点座標に対応する初期3次元座標を算出する初期値決定手段と、
前記入力画像列のうち初期時刻画像から順に、現時刻における画像である現時刻画像と、前時刻における画像である前時刻画像とそれぞれの前記撮像物体の特徴点座標を対応付ける特徴点追跡手段と、
前記現時刻画像内の特徴点座標と、前記特徴点追跡手段が対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから、現時刻におけるカメラポーズを算出するカメラポーズ推定手段と、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズと特徴点座標とから、現時刻の撮像画像内の特徴点各々の3次元座標を算出して更新する3次元座標算出手段と、
現時刻画像から予め定められた一定時刻前までの撮像画像列に亘り、前記カメラポーズ推定手段が算出したカメラポーズと、前記3次元座標算出手段が算出した特徴点の3次元座標と、前記特徴点追跡手段により対応付けられた特徴点座標とから予め定められた誤差関数を最小化する特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する最適化処理手段と、
を有し、
前記初期値算出手段は、
予め定められた複数の基本形状のうち1つが平面上に配置された近似撮像対象を、前記撮像装置が予め定められた位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出する処理を、前記複数の基本形状に亘って行って初期3次元座標候補を算出する
ことを特徴とする位置姿勢計測装置。 - 前記初期値算出手段は、
平面上に配置する近似撮像対象を、前記撮像装置が予め入力される複数の位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出する処理を、前記複数の位置関係に亘って行って初期3次元座標候補を算出する
ことを特徴とする請求項2又は請求項3のいずれかに記載の位置姿勢計測装置。 - 前記初期値決定手段は、
算出された前記初期3次元座標候補のうちいずれか1つを初期3次元座標に選択する際に、
前記初期3次元座標候補から順に1つを選択し、選択した初期3次元座標候補に基づいて、初期時刻の撮像画像の特徴点に対応する3次元座標を初期3次元座標に設定し、
初期時刻から時刻を1つ進めた現時刻の撮像画像を前記撮像画像列から取り出し、
現時刻と初期時刻のそれぞれの画像の特徴点座標を対応付け、
前記現時刻の特徴点座標と、対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから現時刻におけるカメラポーズを算出し、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズ及び特徴点座標から、前記現時刻の特徴点座標各々の3次元座標を算出して更新する処理を、予め定められた期間に亘って繰り返した後に、該期間の撮像画像に亘って最適化処理を実施して誤差値を算出する処理を、全ての初期3次元座標候補に亘って行い、
算出した誤差値のうち最小の誤差値に対応する初期3次元座標候補を初期3次元座標に選択する
ことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の位置姿勢計測装置。 - 前記初期値決定手段は、
前記初期3次元座標候補から初期3次元座標を選択する際に、
前記初期3次元座標候補に対応する近似撮像対象と、初期時刻画像とに基づいて初期3次元座標候補を選択する
ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の位置姿勢計測装置。 - 前記初期値決定手段は、
前記初期3次元座標候補から初期3次元座標を選択する際に、
初期時刻の撮像画像を撮像対象の特徴に基づいて複数の領域に分割し、前記撮像画像の中心を含む前記領域の輪郭線を抽出し、
前記初期3次元座標候補に対応する距離画像を領域分割し、前記距離画像の中心を含む領域の輪郭線を抽出し、
前記撮像画像から抽出した輪郭線の長さと、前記距離画像から抽出した輪郭線の長さとの差が予め定められた閾値以下の前記初期3次元座標候補を初期3次元座標に選択する
ことを特徴とする請求項6に記載の位置姿勢計測装置。 - 撮像装置から入力される少なくとも1枚の入力画像列から、該撮像装置の位置及び姿勢を示すカメラポーズと、該撮像装置により撮像される撮像物体の3次元座標を逐次計測する位置姿勢計測装置が有するコンピュータを、
予め設定された前記撮像装置の内部パラメータと、初期時刻におけるカメラポーズである初期カメラポーズと、前記撮像装置に対する前記撮像物体の位置関係と、前記撮像物体の大きさを表す値とから、初期時刻における前記撮像物体の3次元座標である初期3次元座標を算出する初期値算出手段、
前記入力画像列のうち初期時刻における画像である初期時刻画像から前記撮像物体の特徴点の画像における座標である特徴点座標を抽出し、前記初期カメラポーズと初期3次元座標とから前記特徴点座標に対応する初期3次元座標を算出する初期値決定手段、
前記入力画像列のうち初期時刻画像から順に、現時刻における画像である現時刻画像と、前時刻における画像である前時刻画像とそれぞれの前記撮像物体の特徴点座標を対応付ける特徴点追跡手段、
前記現時刻画像内の特徴点座標と、前記特徴点追跡手段が対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから、現時刻におけるカメラポーズを算出するカメラポーズ推定手段、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズと特徴点座標とから、現時刻の撮像画像内の特徴点各々の3次元座標を算出して更新する3次元座標算出手段、
現時刻画像から予め定められた一定時刻前までの撮像画像列に亘り、前記カメラポーズ推定手段が算出したカメラポーズと、前記3次元座標算出手段が算出した特徴点の3次元座標と、前記特徴点追跡手段により対応付けられた特徴点座標とから予め定められた誤差関数を最小化する特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する最適化処理手段
として機能させ、
前記初期値算出手段は、
撮像物体として予め定められた半径を有する球体が平面上に配置された近似撮像対象を、前記撮像装置が予め定められた位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出し、
前記初期値決定手段は、
前記初期3次元座標に基づいた距離画像において特徴点に対応する点を抽出し、抽出した点の距離を用いて特徴点の初期値3次元座標を算出する
ことを特徴とする位置姿勢計測プログラム。 - 撮像装置から入力される少なくとも1枚の入力画像列から、該撮像装置の位置及び姿勢を示すカメラポーズと、該撮像装置により撮像される撮像物体の3次元座標を逐次計測する位置姿勢計測装置が有するコンピュータを、
予め設定された前記撮像装置の内部パラメータと、初期時刻におけるカメラポーズである初期カメラポーズと、前記撮像装置に対する前記撮像物体の位置関係と、前記撮像物体の大きさを表す値とから、初期時刻における前記撮像物体の3次元座標である初期3次元座標を算出する初期値算出手段、
前記入力画像列のうち初期時刻における画像である初期時刻画像から前記撮像物体の特徴点の画像における座標である特徴点座標を抽出し、前記初期カメラポーズと初期3次元座標とから前記特徴点座標に対応する初期3次元座標を算出する初期値決定手段、
前記入力画像列のうち初期時刻画像から順に、現時刻における画像である現時刻画像と、前時刻における画像である前時刻画像とそれぞれの前記撮像物体の特徴点座標を対応付ける特徴点追跡手段、
前記現時刻画像内の特徴点座標と、前記特徴点追跡手段が対応付けた現時刻画像と前時刻画像とそれぞれの特徴点座標と、前時刻画像内の特徴点の3次元座標とから、現時刻におけるカメラポーズを算出するカメラポーズ推定手段、
初期時刻から現時刻に亘るカメラポーズと特徴点座標とから、現時刻の撮像画像内の特徴点各々の3次元座標を算出して更新する3次元座標算出手段、
現時刻画像から予め定められた一定時刻前までの撮像画像列に亘り、前記カメラポーズ
推定手段が算出したカメラポーズと、前記3次元座標算出手段が算出した特徴点の3次元座標と、前記特徴点追跡手段により対応付けられた特徴点座標とから予め定められた誤差関数を最小化する特徴点の3次元座標及びカメラポーズを算出する最適化処理手段
として機能させ、
前記初期値算出手段は、
撮像物体として予め定められた複数の半径を有する球体のうち1つが平面上に配置された近似撮像対象を、前記撮像装置が予め定められた位置関係から観測するものとして、初期時刻における初期3次元座標を算出する処理を、前記複数の半径を有する球体に亘って行って初期3次元座標候補を算出する
ことを特徴とする位置姿勢計測プログラム。
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