JP6860620B2 - 情報処理装置、情報処理方法、及びプログラム - Google Patents
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位置が可変の撮像装置から被写体の撮像画像を取得する取得手段と、
予め定められた領域内の被写体の撮像画像から得られる第1の特徴点の、被写体が位置する空間に設定された基準座標系における三次元位置を示す情報を含む三次元マップであって、該領域内を撮像した前記撮像画像の集合から作成された三次元マップを保持する保持手段と、
前記取得手段により取得された撮像画像及び前記保持手段に保持されている三次元マップを用いて、前記撮像装置の位置を導出する導出手段と、
前記保持手段が保持する三次元マップにおける前記予め定められた領域の外の領域の被写体を撮像した前記撮像画像に基づいて得た、第2の特徴点の三次元位置を示す情報と、前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報と、の前記基準座標系における特徴点の真の三次元位置に対する信頼性を示す情報であって、前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報より前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報の信頼性が高く設定された信頼性を示す情報を用いて、前記三次元マップを補正する補正手段と、
を備える。
実施形態1では、シーンの三次元マップのうち事前に作成した部分の信頼度を高く、ランタイム時に拡張された部分の信頼度を低くして三次元マップの補正を行う。
ステップS1040で作成部140は、まず、三次元マップを拡張するか否か、すなわち三次元マップに新たなキーフレームを追加するか否かを判定する。ここで、作成部140は、ステップS1030で導出した撮像装置170の位置姿勢に基づいて、以下のように判定を行うことができる。
図5は、ステップS1060における三次元マップ補正の処理手順を示すフローチャートである。最適化処理では、概して、特徴が三次元位置にある場合に視点(キーフレームの位置姿勢)において観測される観測結果と、視点において実際に観測された観測結果と、の誤差が小さくなるように、特徴の三次元位置を示す情報が更新される。本実施形態においては、特徴の色情報と、視点において三次元位置について観測された色情報と、との誤差が小さくなるように、特徴の三次元位置を示す情報が更新される。具体的には、特徴点の色情報及び三次元位置情報が既存キーフレームから取得される。また、特徴点の三次元位置に従って判定できる、新規キーフレーム上の対応点において、観測された特徴点の色情報も取得される。そして、既存キーフレーム及び新規キーフレームでの特徴点の色差(例えば輝度差)が近くなるように、既存キーフレームと新規キーフレームとの相対的な位置姿勢が算出される。ステップS1210〜S1220でこのような処理を行った後で、ステップS1230では、この相対的な位置姿勢に適合するように、新規キーフレーム(及び場合によっては既存キーフレーム)の位置姿勢情報が更新される。以下、ステップS1060の処理について具体的に説明する。
実施形態1では、三次元マップはキーフレームの集合であった。また、特徴の三次元位置を示す情報としては、被写体が位置する空間に設定された基準座標系における視点の位置姿勢情報(キーフレームの位置姿勢)と、この視点を基準とする座標系における特徴の位置情報(画像座標(u,v)及び奥行きd)が用いられた。そして、各キーフレームについて、特徴点の画像座標(u,v)とキーフレームを基準とした奥行きdとが撮像座標系における三次元座標に変換され、特徴点の三次元座標が位置及び姿勢の計測に利用された。さらに、補正部160は、基準座標系における視点の位置姿勢情報(キーフレームの位置姿勢)を更新することにより、三次元マップを最適化した。しかしながら、三次元マップの形式はこれに限られない。例えば、画像上の特徴を用いて撮像装置の位置姿勢の計測が可能な任意の形式の三次元マップを用いることができる。
実施形態1では、事前マップはSLAM技術により作成された。しかしながら、事前マップの作成方法はSLAM技術に限られない。ランタイム時に位置姿勢の導出に利用可能な事前マップを作成するための任意の方法を使用することができる。例えば、複数の視点位置から撮像された画像群をもとに、オフラインで行われるStructure from motion技術(例えば、I. Skrypnyk and D. G. Lowe, “Scene modelling, recognition and tracking with invariant image features,” Proc. 3rd IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR), pp.110-119, 2004.)を用いて、事前マップを作成してもよい。
実施形態1では、シーンの三次元マップのうち事前に作成された部分の信頼度を高くすることで、三次元マップの精度を維持しつつ位置姿勢の計測可能範囲が拡大された。実施形態2では、被写体が位置する空間(シーン)には、撮像画像に基づいて撮像装置170の位置姿勢を計測するための補助的な指標(以下、補助指標)が配置されている。この補助指標は、シーン中に元来存在する特徴とは別のものである。そして、特徴の三次元位置を示す情報には、補助指標の情報に基づく信頼度が与えられる。例えば、特徴の三次元位置を示す情報には、特徴の補助指標からの距離に応じた信頼度が与えられる。具体例として、補助指標に近い特徴には、補助指標から離れた特徴よりも高い信頼度を与えることができる。このようにして、三次元マップのうち補助指標周辺部分の信頼度を高くすることができる。このような方法により、三次元マップの精度を維持しながら位置姿勢の計測可能範囲が広げられる。
実施形態1の変形例と同様に、三次元マップには特徴点が登録され、各特徴点の世界座標系における三次元座標が三次元マップに保持されていてもよい。この場合、設定部150は、補助指標に近接する特徴点の三次元座標の信頼度をHIGHに設定し、それ以外の三次元座標の信頼度をLOWに設定してもよい。例えば、補助指標に近接する特徴点の三次元座標を、補助指標に基づいて推定された撮像装置の位置姿勢に基づいて算出しておき、バンドル調整を行う際に、補助指標に近接する特徴点の三次元座標を固定してそれ以外の特徴点の三次元座標のみを補正してもよい。また、上記のように、補助指標が検出されたキーフレームの信頼度をHIGHに設定し、それ以外のキーフレームの信頼度をLOWに設定してもよい。すなわち、バンドル調整を行う際に、補助指標が検出されたキーフレームの位置姿勢を固定してそれ以外のキーフレームの位置姿勢のみを補正してもよい。このような方法によっても、補助指標を用いて得られた精度の高い情報を活用しつつ、撮像装置の位置姿勢の計測範囲を広げることができる。
補助指標の形状は正方形(四角形)には限られない。例えば、三角形、六角形、円形、又は楕円形の補助指標を用いてもよい。画像から安定的に検出可能な形状を適宜選択することができる。また、補助指標の識別子を画像から特定することは必須ではない。例えば、円形の補助指標を用いる場合、導出部130が導出しようとする撮像装置の位置姿勢に基づいて補助指標の画像上の位置を算出し、この位置の近傍で検出された補助指標と対応付けることで、補助指標を識別することができる。また、識別子つきの補助指標と識別子のない補助指標とを併用してもよい。この場合、識別子つきの補助指標から算出される撮像装置の位置姿勢をもとに、識別子のない補助指標の画像上の位置を算出し、近傍で検出された補助指標と対応付けてもよい。
実施形態1,2では、キーフレーム又は特徴点の信頼度はHIGH又はLOWの二値であった。また、三次元マップを補正する際には、信頼度はキーフレームの位置姿勢又は特徴点の三次元位置を固定するか否かを決定するために用いられた。すなわち、信頼度がHIGHのキーフレームの位置姿勢又は特徴点の三次元位置は固定され、信頼度がLOWのキーフレームの位置姿勢又は特徴点の三次元位置のみ補正された。しかしながら、特徴の三次元位置を示す情報(例えばキーフレーム又は特徴点)の信頼度は二値に限られず、多値又は実数値でありうる。
実施形態1,2では、撮像装置が位置姿勢の計測可能範囲から外れそうになると、新しいキーフレームが三次元マップに追加され、また三次元マップ全体の整合が取れるように補正が行われた。実施形態3では、撮像装置が位置姿勢の計測可能範囲から外れそうになると、事前マップとは別に、撮像装置による撮像画像に基づいて一時的なマップ(以下、一時マップ)が作成され、撮像装置の位置姿勢の計測が継続される。本実施形態では、一時マップを用いて位置姿勢の計測は、デッドレコニングにより行われる。
選択部390はまず、撮像装置170の位置姿勢の予測値に基づいて、事前マップにおける近傍キーフレームを選択する。撮像装置170の位置姿勢の予測値としては、例えば、前回のステップS1030で導出された位置姿勢を利用することができる。近傍キーフレームの選択は、実施形態1のステップS1040と同様の方法を用いて行うことができる。さらに、選択部390は、撮像装置170が位置姿勢計測範囲から外れているか否かを判断する。この判断は、実施形態1のステップS1040と同様に、入力画像内に含まれる近傍キーフレームの特徴点の割合Rincに基づいて行うことができる。Rincが閾値Tinc未満の場合に、選択部390は、撮像装置170が事前マップによる位置姿勢の計測範囲を外れていると判定する。
本実施形態においては、作成部140は、被写体が有する特徴の三次元位置を示す情報を有する一時マップを作成する。一時マップの作成は次のように行うことができる。まず、作成部140は、一時マップを作成するために、入力画像Icurrentとステレオペアになる画像Ipairを選択する。ステップS1030において事前マップが選択された場合、選択された近傍キーフレームがIpairとして選択される。一方、ステップS1030において一時マップが選択された場合、過去の入力画像がIpairとして選択される。ここで、Ipairは、過去の入力画像のうち、Icurrentの撮像位置との差が閾値Tp以上であり、かつ撮像時刻がIcurrentと最も近い入力画像である。
実施形態3では、撮像装置170が計測可能範囲か外れそうか否かに関係なく、入力画像を取得する毎に一時マップが作成された。しかしながら、一時マップを作成するタイミングはこれに限られない。例えば、ステップS1040では、直前のステップS1030で導出された位置姿勢に基づいて、ステップS1030と同様の方法を用いて撮像装置170が事前マップによる位置姿勢の計測範囲を外れそうであることを示す所定の範囲にいる否かを判定できる。そして、撮像装置170が事前マップによる位置姿勢の計測範囲を外れそうと判定された場合に、作成部140は一時マップを作成してもよい。
実施形態1,2では、高い信頼度が与えられた特徴の三次元位置を示す情報を固定し、低い信頼度が与えられた特徴の三次元位置を示す情報を更新することで精度を維持しながら位置姿勢の計測可能範囲を拡大した。一方で、特徴の三次元位置を示す情報(例えばキーフレーム又は特徴点)の信頼度の高さに応じて補正量が大きくなるように、キーフレームの位置姿勢又は特徴点の三次元位置を補正してもよい。
キーフレームに写っている被写体の位置が変化したかどうかの判定方法は、前述の方法には限られない。例えば、導出した撮像装置の位置姿勢に基づいて算出されるキーフレームの特徴点の入力画像上での画像座標と、入力画像上で検出された対応する特徴点の画像座標との差に基づいて、この判定を行ってもよい。また、キーフレームの特徴点に対応する特徴点の三次元位置をキーフレーム追加以後に撮影された画像をもとに算出し、算出された三次元位置とキーフレームに登録された三次元位置との差に基づいて、この判定を行ってもよい。
図6は、実施形態1に従って作成した三次元マップをユーザに提示するGUI(ウィンドウ)の例を表す。このウィンドウには、シーンの三次元マップが表示されている。図6の例では、所定の仮想視点からみた時の、三次元マップの特徴点が表示されている。この視点は、例えばユーザ指示等に従って、任意に選択することができる。また、このウィンドウには、キーフレームを表すオブジェクトと、現在の撮像装置を表すオブジェクトとが描画されている。本実施形態において、特徴点は丸い点で表され、キーフレーム及び撮像装置の位置姿勢は、カメラを模した錐体型のオブジェクトにより表現されている。
実施形態1,2では、シーンの三次元マップのうち事前に作成された部分、又は補助指標周辺部分の信頼度が高く設定され、それ以外の部分を補正することにより、位置姿勢計測の精度を維持しながら位置姿勢の計測可能範囲が広げられた。しかしながら、位置姿勢計測の精度を維持しながら位置姿勢の計測可能範囲を広げる方法は、これに限られない。例えば、シーンの三次元マップのうち事前に作成された部分(例えばキーフレーム又は幾何特徴)の三次元情報を固定し、それ以外の部分を補正してもよい。また、補助指標が画像上から検出されるキーフレームの位置姿勢を補助指標をもとに導出して固定し、三次元マップ補正時にはそれ以外のキーフレームの位置姿勢を補正してもよい。同様に、補助指標をもとに三次元座標が算出された特徴点の三次元座標を固定し、三次元マップ補正時にはそれ以外の特徴点の三次元座標を導出してもよい。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Claims (15)
- 位置が可変の撮像装置から被写体の撮像画像を取得する取得手段と、
予め定められた領域内の被写体の撮像画像から得られる第1の特徴点の、被写体が位置する空間に設定された基準座標系における三次元位置を示す情報を含む三次元マップであって、該領域内を撮像した前記撮像画像の集合から作成された三次元マップを保持する保持手段と、
前記取得手段により取得された撮像画像及び前記保持手段に保持されている三次元マップを用いて、前記撮像装置の位置を導出する導出手段と、
前記保持手段が保持する三次元マップにおける前記予め定められた領域の外の領域の被写体を撮像した前記撮像画像に基づいて得た、第2の特徴点の三次元位置を示す情報と、前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報と、の前記基準座標系における特徴点の真の三次元位置に対する信頼性を示す情報であって、前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報より前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報の信頼性が高く設定された信頼性を示す情報を用いて、前記三次元マップを補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報に、前記信頼性を示す情報として、信頼度を設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の情報処理装置。
- 前記設定手段は、前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報に、前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報よりも高い信頼度を設定することを特徴とする、請求項2に記載の情報処理装置。
- 被写体が位置する空間には、前記撮像画像に基づいて前記撮像装置の位置を計測するための補助指標が配置されており、
前記設定手段は、前記特徴点の三次元位置を示す情報に、前記補助指標の情報に基づく信頼度を設定することを特徴とする、請求項2に記載の情報処理装置。 - 前記設定手段は、前記撮像画像に基づいて作成される特徴点の三次元位置を示す情報に対しては、前記撮像画像中の前記補助指標の数に基づく信頼度を設定することを特徴とする、請求項4に記載の情報処理装置。
- 前記補正手段は、前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報を更新せず、前記第1の特徴点より信頼性の低い前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を更新し、更新した前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を含む三次元マップを作成することを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記補正手段は、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報の信頼性が高いほど補正量を小さくして、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を更新することを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記補正手段は、前記基準座標系における前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を更新することを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報は、前記基準座標系における視点の位置姿勢情報と、前記視点を基準とする座標系における前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の位置情報との組み合わせによって表され、
前記補正手段は、前記基準座標系における前記視点の位置姿勢情報を更新することを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の情報処理装置。 - 前記三次元マップは、複数の視点のそれぞれにおける被写体の観測結果を示す情報を含んでおり、
前記補正手段は、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点が前記三次元位置にある場合に前記視点において観測される観測結果と、前記視点において実際に観測された観測結果と、の誤差が小さくなるように、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を更新することを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の情報処理装置。 - 前記補正手段は、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の色情報と、前記視点において前記三次元位置について観測された色情報と、の誤差が小さくなるように、前記第1の特徴点と前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報を更新することを特徴とする、請求項10に記載の情報処理装置。
- 前記補正手段は、前記視点から前記三次元位置への方向と、前記視点において観測された前記視点から前記特徴点への方向と、の誤差が小さくなるように、前記特徴点の三次元位置を示す情報を更新することを特徴とする、請求項10に記載の情報処理装置。
- 撮像装置から被写体の撮像画像を取得する取得手段と、
予め定められた領域内の被写体の撮像画像から得られる特徴点の、被写体が位置する空間に設定された基準座標系における三次元位置を示す情報を含む三次元マップであって、該領域内を撮像した前記撮像画像の集合から作成された三次元マップを保持する保持手段と、
前記取得手段により取得された撮像画像及び前記保持手段に保持されている三次元マップを用いて、前記撮像装置の位置を導出する導出手段と、
撮像画像に基づいて前記撮像装置の位置を計測するための、被写体が位置する空間に配置された補助指標に基づいて作成された前記特徴点の三次元位置を示す情報を固定しながら、前記三次元マップを補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 情報処理装置が行う情報処理方法であって、
位置が可変の撮像装置から被写体の撮像画像を取得する工程と、
予め定められた領域内の被写体の撮像画像から得られる第1の特徴点の、被写体が位置する空間に設定された基準座標系における三次元位置を示す情報を含む三次元マップであって、該領域内を撮像した前記撮像画像の集合から作成された、保持手段に保持されている三次元マップと、前記撮像装置により取得された撮像画像とを用いて、前記撮像装置の位置を導出する工程と、
前記保持手段が保持する三次元マップにおける前記予め定められた領域の外の領域の被写体を撮像した前記撮像画像に基づいて得た、第2の特徴点の三次元位置を示す情報と、前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報と、の前記基準座標系における特徴点の真の三次元位置に対する信頼性を示す情報であって、前記第2の特徴点の三次元位置を示す情報より前記第1の特徴点の三次元位置を示す情報の信頼性が高く設定された信頼性を示す情報を用いて、前記三次元マップを補正する工程と、
を有することを特徴とする情報処理方法。 - コンピュータを、請求項1乃至13の何れか1項に記載の情報処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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