JP2007048068A - Information processing method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、指標を撮影した画像を用いて指標の配置情報を算出するものに関する。 The present invention relates to a method for calculating index arrangement information using an image obtained by photographing an index.
近年、現実空間と仮想空間の繋ぎ目のない融合を目的とした、複合現実感(Mixed Reality,MR)に関する研究が盛んに行われている。MR技術の中でも、現実空間に仮想空間を重ね合わせて表示するAugmented Reality(AR、拡張現実感、増強現実感とも呼ばれる)技術が特に注目を集めている。ARシステムで利用される画像表示装置は、ビデオシースルー方式によって主に実現される。そして、表示画像は、ビデオカメラなどの撮像装置によって撮影された現実空間の画像に、撮像装置の位置姿勢に応じて生成した仮想空間(たとえばコンピュータ・グラフィックスにより描画された仮想物体や文字情報など)の画像を重畳描画することにより生成される。 In recent years, research on mixed reality (MR) has been actively conducted for the purpose of seamless fusion of real space and virtual space. Among MR technologies, Augmented Reality (also referred to as AR, augmented reality, augmented reality) technology that displays a virtual space superimposed on a real space is attracting particular attention. An image display device used in the AR system is mainly realized by a video see-through method. The display image is a virtual space generated in accordance with the position and orientation of the imaging device (for example, a virtual object or character information drawn by computer graphics) on a real space image taken by an imaging device such as a video camera. ) Is superimposed and drawn.
AR技術における最も重要な課題の一つは、現実空間と仮想空間の間の位置合わせをいかに正確に行うかということであり、従来から多くの取り組みが行われてきた。ARにおける位置合わせの問題は、仮想の情報を重畳しようとする対象に対する撮像装置の位置姿勢を求める問題に帰結される。 One of the most important issues in AR technology is how to accurately align the real space and the virtual space, and many efforts have been made so far. The problem of alignment in AR results in a problem of obtaining the position and orientation of the imaging device with respect to a target on which virtual information is to be superimposed.
この問題を解決する方法として、複数の方法が提案されている。 A plurality of methods have been proposed as a method for solving this problem.
コンピュータビジョンや写真測量の分野では、以下の方法が行われている。環境中や対象物体上に、対象の座標系(以下、基準座標系)における配置情報が既知である指標を設置あるいは設定する。そして、指標の三次元座標と、撮像装置が撮像した画像内における指標の投影像の二次元座標との対応を利用して、重畳対象に対する撮像装置の位置姿勢を求める(非特許文献1)。 The following methods are used in the fields of computer vision and photogrammetry. An index whose arrangement information in the target coordinate system (hereinafter referred to as a reference coordinate system) is known is set or set in the environment or on the target object. Then, using the correspondence between the three-dimensional coordinates of the index and the two-dimensional coordinates of the projected image of the index in the image captured by the imaging apparatus, the position and orientation of the imaging apparatus with respect to the superimposition target are obtained (Non-Patent Document 1).
また、撮像装置に磁気センサなどの6自由度位置姿勢センサを装着し、センサから得られる撮像装置の位置姿勢を指標の画像情報をもとに補正する方法も提案されている。(非特許文献2)。 In addition, a method has been proposed in which a 6-DOF position / orientation sensor such as a magnetic sensor is attached to the imaging apparatus, and the position / orientation of the imaging apparatus obtained from the sensor is corrected based on image information of an index. (Non-patent document 2).
指標を利用した現実空間と仮想空間の位置合わせ手法では、計測対象である撮像装置の基準座標系における位置及び姿勢を求めるために、指標の情報が必要である。 In the alignment method of the real space and the virtual space using the index, information of the index is necessary to obtain the position and orientation in the reference coordinate system of the imaging device that is the measurement target.
図6(A)に示すような点指標の場合は基準座標系における位置が必要であり、図5(A)に示すような2次元形状指標(例えば、正方形指標)の場合は基準座標系における位置及び姿勢が必要である。正方形指標を利用する場合には、基準座標系を別途設けることなく、正方形指標そのものを座標系の基準とすることができる。ただし、複数の正方形指標を用いる場合には、互いの位置姿勢の関係が既知である必要があるため、基準座標系が必要である。 In the case of a point index as shown in FIG. 6 (A), a position in the reference coordinate system is required, and in the case of a two-dimensional shape index (for example, a square index) as shown in FIG. 5 (A), in the reference coordinate system. Position and posture are required. When a square index is used, the square index itself can be used as a reference for the coordinate system without providing a reference coordinate system separately. However, when a plurality of square indices are used, a reference coordinate system is necessary because the relationship between the positions and orientations of each other must be known.
指標の位置姿勢の計測は、巻尺や分度器を用いた手作業や、測量器によって行うことが可能である。しかし、この方法は、手間と時間がかかり、精度にも問題があることから、画像を利用した計測が提案されている。 The position and orientation of the index can be measured manually using a tape measure or a protractor, or by a surveying instrument. However, since this method takes time and effort and has a problem with accuracy, measurement using an image has been proposed.
点指標の位置計測は、バンドル調整法と呼ばれる方法で求めることができる。バンドル調整法は、複数の点指標の撮影画像を使用して撮影装置の位置姿勢と点指標の位置を求める方法である。撮影画像における指標の投影位置を検出する。次に、撮像装置の位置姿勢と指標の位置とから投影位置を推測する。そして、検出された投影位置と推測された投影位置とのとの誤差(投影誤差)の総和が最小化されるように、繰返し演算によって画像を撮影した撮像装置の位置姿勢と、点指標の位置を求める。 The position measurement of the point index can be obtained by a method called a bundle adjustment method. The bundle adjustment method is a method for obtaining the position and orientation of the photographing apparatus and the position of the point index using the photographed images of a plurality of point indices. The projection position of the index in the captured image is detected. Next, the projection position is estimated from the position and orientation of the imaging apparatus and the position of the index. Then, the position and orientation of the imaging device that captured the image by iterative calculation and the position of the point index so that the sum of errors (projection errors) between the detected projection position and the estimated projection position is minimized. Ask for.
非特許文献3には3次元空間中に配置された多数の正方形マーカの位置姿勢を計測する方法が記載されている。非特許文献3に記載の方法は、3次元空間中に配置された多数の正方形マーカの画像を多数撮影する。そして、投影誤差の総和が最小になるように繰返し演算を行うことにより、各画像を撮影した撮像装置の位置姿勢と、正方形マーカの位置姿勢を求める。
Non-Patent
非特許文献4では、指標の配置情報を高精度に求めるために、指標の配置に関する先験的知識をバンドル調整法における拘束条件として利用している。例えば指標が平面上に配置されていることがあらかじめ分かっている場合には、指標を平面上に拘束し,指標の平面上の位置及び平面の方程式をバンドル調整法によって求めている。 In Non-Patent Document 4, a priori knowledge about index placement is used as a constraint condition in the bundle adjustment method in order to obtain index placement information with high accuracy. For example, when it is known in advance that the index is arranged on the plane, the index is constrained on the plane, and the position of the index on the plane and the equation of the plane are obtained by the bundle adjustment method.
また、バンドル調整法を効率よく計算する方法が考案されている(非特許文献5,非特許文献6)。これらは、バンドル調整法の計算で用いられるヤコビ行列において0を多く含む疎行列がある決まったパターンで現れることに着目している。これらは、撮像装置の位置姿勢と計測点の位置を分割して解くことによって、無駄な計算を省き、効率化している。
従来技術で述べたバンドル調整法の高速化手法は、未知パラメータとして撮像装置の位置姿勢と計測点の位置を対象としている。そのため、計測対象の指標として点指標と正方形指標が混在している場合は、従来のバンドル調整法の高速化手法をそのまま適用することはできない。また、非特許文献6で示されるように指標の配置情報が拘束される場合においては未知パラメータが異なるため、非特許文献6で示される場合も従来のバンドル調整法の高速化手法をそのまま適用することはできない。 The speed-up method of the bundle adjustment method described in the prior art targets the position and orientation of the imaging device and the position of the measurement point as unknown parameters. Therefore, when a point index and a square index are mixed as an index to be measured, the conventional method for speeding up the bundle adjustment method cannot be applied as it is. Also, as shown in Non-Patent Document 6, the unknown parameter is different when the index arrangement information is constrained. Therefore, the conventional method for speeding up the bundle adjustment method is also applied to the case shown in Non-Patent Document 6. It is not possible.
このように、従来は未知パラメータが撮像装置の位置姿勢と計測点の位置でない場合のバンドル調整計算を高速に行うことができなかった。 As described above, conventionally, the bundle adjustment calculation when the unknown parameter is not the position and orientation of the imaging apparatus and the position of the measurement point cannot be performed at high speed.
本発明は以上を鑑みてなされたものであり、従来のバンドル調整法の高速化手法が適用できない未知パラメータの場合でも、バンドル調整計算を高速化することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to speed up the bundle adjustment calculation even in the case of an unknown parameter to which the conventional method of speeding up the bundle adjustment method cannot be applied.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention has the following structure.
請求項1記載の発明は、指標の配置情報を計測する情報処理方法であって、前記指標を撮影した画像から検出された指標の画像座標に関する情報を取得する取得工程と、
前記指標の配置情報の初期値を設定する設定工程と、前記指標の画像座標に関する情報と、前記画像の撮影時における撮像装置の位置姿勢と、前記指標の配置情報の初期値とについての観測方程式を解くことにより、前記指標の配置情報を算出する算出工程とを有し、
前記配置情報算出工程は、前記観測方程式における未知パラメータを3個以上に分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出することを特徴とする。
The invention according to
An observation equation for a setting step for setting an initial value of the marker placement information, information regarding the image coordinate of the marker, a position and orientation of the imaging device at the time of shooting the image, and an initial value of the marker placement information A calculation step of calculating the placement information of the index by solving
The arrangement information calculating step divides the unknown parameter in the observation equation into three or more, and calculates the divided unknown parameter stepwise.
請求項9記載の発明は、指標を撮影した画像を取得する取得工程と、前記画像から前記指標を検出し、前記検出された指標の画像座標に関する情報を取得する指標画像座標取得工程と、前記指標に関する指標情報を取得する指標情報取得工程と、前記指標の画像情報および前記指標情報に基づき観測方程式を設定する設定工程と、前記指標情報に基づき前記観測方程式における未知パラメータの分割方法を設定する分割方法設定工程と、前記設定された分割方法に基づき、前記観測方程式の未知パラメータを分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出する算出工程とを有することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is an acquisition step of acquiring an image obtained by photographing an index, an index image coordinate acquisition step of detecting the index from the image, and acquiring information on image coordinates of the detected index, An index information acquisition step for acquiring index information regarding the index, a setting step for setting an observation equation based on the image information of the index and the index information, and a method for dividing an unknown parameter in the observation equation based on the index information A division method setting step; and a calculation step of dividing the unknown parameter of the observation equation based on the set division method and calculating the divided unknown parameter stepwise.
本発明によれば、バンドル調整法を高速化することができる。 According to the present invention, the bundle adjustment method can be speeded up.
請求項1記載の発明によれば、従来のバンドル調整法の高速化手法が適用できない未知パラメータの場合でも、バンドル調整計算を高速化することができる。 According to the first aspect of the present invention, the bundle adjustment calculation can be speeded up even in the case of an unknown parameter to which the conventional method for speeding up the bundle adjustment method cannot be applied.
また、請求項9記載の発明によれば、未知パラメータの種類に応じた処理法を用いてバンドル調整方法を高速化することができる。 According to the ninth aspect of the invention, the bundle adjustment method can be speeded up using a processing method according to the type of unknown parameter.
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本件は、指標が撮影された撮影画像を利用して、指標の配置情報を算出する方法に関する。本件は、未知パラメータの種類(拘束条件の有無,点マーカ,2次元形状マーカなど)に応じて、観測方程式における未知パラメータを分割し、分割した未知パラメータを段階的に算出する。 The present case relates to a method of calculating index placement information using a captured image obtained by shooting an index. In this case, the unknown parameter in the observation equation is divided according to the type of the unknown parameter (presence / absence of constraint condition, point marker, two-dimensional shape marker, etc.), and the divided unknown parameter is calculated step by step.
以下、未知パラメータの種類が異なる複数の場合の各々における実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in each of a plurality of cases where the types of unknown parameters are different will be described.
[第一の実施形態]
本実施形態は、点指標と正方形指標といった異なる自由度の配置情報パラメータを持つ指標の配置情報を計測する際のバンドル調整計算を高速化する。以下、本実施形態に係る指標の配置情報計測装置について詳細に説明する。
[First embodiment]
This embodiment speeds up the bundle adjustment calculation when measuring the placement information of an index having placement information parameters with different degrees of freedom such as a point index and a square index. Hereinafter, the index arrangement information measuring apparatus according to the present embodiment will be described in detail.
図1は、本実施形態に係る指標の配置情報計測装置3000の概略構成を示している。図1に示すように、指標の配置情報計測装置3000は、画像入力部3020、指標検出部3030、撮像装置概略位置姿勢入力部3040、指標概略位置姿勢入力部3050、データ管理部3060、位置姿勢算出部3070によって構成されている。そして、配置情報計測装置3000には、撮像装置3010が接続されている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an index arrangement
図1に示すように、環境中または対象物体上には、撮像装置3010に撮影される指標が複数配置されている。本実施形態では、図5(A)に示すような2次元形状指標をPk(k=1,,,Ko)で表し、図6(A)に示す画像中の特徴点や円の重心点で示される点指標をQj(j=1,,,J0)で表す。但し、Koは配置された2次元形状指標の数(図1の例ではKo=3)であり、J0は配置された特徴点または点指標の数(図1の例ではJ0=2)である。また、図5(B)で示すように2次元形状指標Pkは頂点pki(i=1,,,Nk)により構成される。但し、Nkは、指標Pkを構成する頂点の総数(本実施形態の場合はNk=4)を表す。
As shown in FIG. 1, a plurality of indices photographed by the
以下では、計測の基準とする座標系(ここでは、環境中または対象物体上の一点を原点として定義し、互いに直交する3軸を夫々X軸、Y軸、Z軸として定義した座標系)を基準座標系と呼び、基準座標系における各指標の位置または位置姿勢を計測対象とする。 In the following, a coordinate system (here, a coordinate system in which one point in the environment or on the target object is defined as an origin and three axes orthogonal to each other are defined as an X axis, a Y axis, and a Z axis) is used as a measurement reference. This is called a reference coordinate system, and the position or orientation of each index in the reference coordinate system is a measurement target.
指標Pk及びQjは、撮影画像上における投影像の画面座標が検出可能であって、かつ、いずれの指標であるか(2次元形状指標の場合は指標を構成する各頂点も)が識別可能であるような指標であれば、何れの形態であってもよい。 The indices P k and Q j can detect the screen coordinates of the projected image on the photographed image, and identify which index (in the case of a two-dimensional shape index, each vertex constituting the index). Any form may be used as long as it is possible.
例えば点指標Qjは図6(B)に示すようなそれぞれ違う色領域の重心点を有する指標であるが、画像中で観察される特徴量を持つ特徴点で識別可能であれば他の形態であってもよい。 For example, the point index Q j is an index having centroid points of different color regions as shown in FIG. 6B, but other forms can be used as long as they can be identified by feature points having feature quantities observed in the image. It may be.
図5(B)に示すような四角形指標は内部に識別子を表すパターンを持ち、一意に同定可能である。このような指標を検出する際は、撮影画像に2値化処理を施した後にラベリング処理を行い、一定面積以上の領域の中から4つの直線によって形成されているものを指標候補として抽出する。さらに、候補領域の中に特定のパターンがあるか否かを判定することによって候補領域が指標領域であるかを判定し、内部のパターンを読み出すことによって指標の方向と識別子を取得する。 A square index as shown in FIG. 5B has a pattern representing an identifier inside and can be uniquely identified. When such an index is detected, a binarization process is performed on the captured image and then a labeling process is performed, and an area formed by four straight lines is extracted as an index candidate from a region having a certain area or more. Further, it is determined whether or not the candidate area is an index area by determining whether or not there is a specific pattern in the candidate area, and the direction and identifier of the index are acquired by reading the internal pattern.
撮像装置3010によって撮影された画像は、画像入力部3020を介して指標検出部3030に送信される。
An image captured by the
指標検出部3030は、画像入力部3020を介して取得した画像から撮影された2次元形状指標Pkを構成する各頂点pkiの画像座標及び点指標Qjの画像座標を検出する。
The
さらに、指標検出部3030は、検出された2次元形状指標Pknのそれぞれを識別する。そして、2次元形状指標の識別子knと各頂点pkniの画像座標uPkni、及び点指標の識別子kaと各点指標の画像座標uQkaを、データ管理部3060へと出力する。ここで、n(n=1,,,N)は検出された2次元形状指標夫々に対するインデックスであり、Nは検出された指標の総数を表している。また、画像中で検出されたN個の指標の頂点の総数をNTotalとする。
Furthermore, the
例えば、図1の場合は、識別子が1、2、3である四角形形状の指標が撮影される場合を示しており、N=3であり、識別子k1=1、k2=2、k3=3とこれらに対応する画像座標uPk1i、uPk2i、uPk3i、(i=1、2、3、4)が出力される。NTotalは、12(=3×4)になる。また、a(a=1,,,A)は検出された点指標夫々に対するインデックスであり、Aは検出された点指標の総数を表している。
For example, the case of FIG. 1 shows a case where a square-shaped
ここで、ある三次元座標系Bに対する三次元の座標系Aの原点位置を表す三次元ベクトルをt、姿勢を表す3×3回転行列をRとすると、A上での位置がxA(三次元ベクトル)で表される点のB上での座標xB(三次元ベクトル)は、次式のように表される。 Here, if a three-dimensional vector representing the origin position of a three-dimensional coordinate system A with respect to a certain three-dimensional coordinate system B is t, and a 3 × 3 rotation matrix representing a posture is R, the position on A is x A (third order A coordinate x B (three-dimensional vector) on the point B represented by (original vector) is represented by the following equation.
本実施形態においては、位置を表す三次元ベクトルtと、姿勢を表す3×3回転行列Rを座標系Bに対する座標系Aの位置姿勢を表す手段として用いる。 In this embodiment, a three-dimensional vector t representing a position and a 3 × 3 rotation matrix R representing a posture are used as means for representing the position and posture of the coordinate system A with respect to the coordinate system B.
撮像装置概略位置姿勢入力部3040は、画像撮影時の基準座標系における撮像装置3010の概略位置姿勢t及びRを求め、これをデータ管理部3060へと出力する。
The imaging device approximate position /
ここで、撮像装置の概略位置姿勢を求める方法について簡単に述べる。撮像装置の概略位置姿勢は、基準座標系を規定する位置が既知である指標や、概略位置姿勢が既知な指標の画像情報を用いて求める。画像中で検出されるマーカが同一平面上にない場合にはDLT(Direct Linear Transformation)法を、同一平面上にある場合には平面ホモグラフィーによる手法によって撮像装置の位置姿勢を求める。複数の点の画像座標と基準座標の対応から撮像装置の位置と姿勢を求める方法(一般にPnP問題と呼ばれる)は写真測量やコンピュータビジョンの分野で広く公知であるので、その詳細な説明は省略する。 Here, a method for obtaining the approximate position and orientation of the imaging apparatus will be briefly described. The approximate position and orientation of the imaging device are obtained using an index whose position defining the reference coordinate system is known and image information of an index whose approximate position and orientation are known. When the marker detected in the image is not on the same plane, the position and orientation of the imaging apparatus are obtained by a DLT (Direct Linear Transformation) method, and when the marker is on the same plane, the method by plane homography is used. A method for obtaining the position and orientation of the imaging device from the correspondence between the image coordinates of a plurality of points and the reference coordinates (generally referred to as the PnP problem) is widely known in the field of photogrammetry and computer vision, and will not be described in detail. .
なお、概略位置姿勢の取得方法はこれに限られるものではなく、例えば、6自由度位置姿勢センサを撮像装置に装着してその出力値を撮像装置の概略位置姿勢として用いてもよいし、3自由度姿勢センサを撮像装置に装着させることによって得られる撮像装置の姿勢と指標の画像情報を用いて求めてもよい。あるいは、その他の技術を用いて撮像装置の概略位置姿勢を求めてもよい。 Note that the method for acquiring the approximate position and orientation is not limited to this. For example, a 6-DOF position and orientation sensor may be attached to the imaging apparatus and the output value may be used as the approximate position and orientation of the imaging apparatus. You may obtain | require using the image information of the attitude | position of an imaging device and an index | index obtained by attaching a freedom degree attitude | position sensor to an imaging device. Alternatively, the approximate position and orientation of the imaging apparatus may be obtained using other techniques.
指標概略位置姿勢入力部3050は、点指標の概略位置tpn及び2次元形状指標の概略位置姿勢Rs、tsを求め、データ管理部3060へと出力する。点指標の概略位置tpn及び2次元形状指標の概略位置姿勢Rs、tsは、巻尺や分度器、測量器などを用いて手動で測定した概略の値を用いてもよいし、本実施形態の方法等で一度推定された値を用いてもよい。指標概略位置姿勢入力部3050で入力する点指標の位置および2次元形状指標の位置姿勢は、初期値にすぎず、本実施形態の方法で最適化される。したがって、従来のように、点指標の位置および2次元形状指標の位置姿勢を高精度に求める必要はない。よって、例え、手動で測定するとしても従来に比べてユーザの負荷を軽減することができる。
The index approximate position and
位置姿勢算出部3070は、データ管理部3060から、撮影されたすべての画像フレームにおける撮像装置の概略位置姿勢と、同フレームで検出された各2次元形状指標の識別子、各頂点の画像座標と基準座標系における概略位置、及び各点指標の識別子、基準座標系における概略位置を入力する。そして、入力された情報から未知パラメータの種類を判定する。これらの情報をもとに観測方程式をたて、指標の位置姿勢算出処理を行い、その結果として得られた2次元形状指標Pknの位置姿勢情報と点指標Qkaの位置情報を出力する。
The position / orientation calculation unit 3070 receives, from the
次に、位置姿勢算出部3070における指標の配置情報計測方法の詳細について述べる。指標の検出同定結果をもとに、基準座標系における指標の位置姿勢の算出を行う。 Next, details of an index arrangement information measuring method in the position and orientation calculation unit 3070 will be described. Based on the detection and identification result of the index, the position and orientation of the index in the reference coordinate system are calculated.
はじめに、透視投影変換について説明する。図8はカメラ座標系及び画面座標系を説明する図である。視軸と画像面との交点を画面座標系の原点oiとし、画像の水平方向をxi軸、垂直方向をyi軸とする。また、カメラ座標系の原点ocと画像面との距離(焦点距離)をfとし、カメラ座標系のzc軸は視線ベクトルの反対方向、xc軸は画像の水平方向と平行に、yc軸は画像の垂直方向と平行にとる。 First, perspective projection conversion will be described. FIG. 8 is a diagram for explaining the camera coordinate system and the screen coordinate system. The intersection of the visual axis and the image plane is the origin o i in the screen coordinate system, x i axis in the horizontal direction of the image, the vertical direction and y i axes. The distance between the origin o c and the image plane of the camera coordinate system (focal length) is f, the opposite direction of the z c axis of the camera coordinate system is the line of sight vector, x c-axis parallel to the horizontal direction of the image, y The c axis is parallel to the vertical direction of the image.
透視投影変換により、カメラ座標系上の点xc=[xc yc zc]tは次式のように画面座標がu=[ux uy]tである点に投影される。 By perspective projection transformation, a point x c = [x c y c z c ] t on the camera coordinate system is projected to a point whose screen coordinates are u = [u x u y ] t as shown in the following equation.
ここではレンズ歪みは存在しないか、もしくは補正されていると仮定し、撮像装置はピンホールカメラであると想定している。式(2)は、図9に示すように、空間中の点と、該点の画像上の投影点と撮像装置位置(視点)は同一直線上に存在することを示しており、共線条件式とも呼ばれる。 Here, it is assumed that the lens distortion does not exist or is corrected, and the imaging apparatus is assumed to be a pinhole camera. As shown in FIG. 9, the expression (2) indicates that a point in space, a projection point on the image of the point, and the imaging device position (viewpoint) exist on the same straight line. Also called a formula.
基準座標系における撮像装置の位置をt=[tx ty tz]t、撮像装置の姿勢(実際には、カメラ座標系に対する基準座標系の姿勢)をω=[ωx ωy ωz]とする。ωは3自由度の姿勢表現方法であり、姿勢を回転軸ベクトル及び回転角で表現している。回転角をraとすると、raはωによって次式のように表される。 The position of the imaging apparatus in the reference coordinate system t = [t x t y t z] t, ( in fact, the attitude of the reference coordinate system relative to the camera coordinate system) and orientation of the imaging apparatus ω = [ω x ω y ω z ]. ω is a posture expression method with three degrees of freedom, and the posture is expressed by a rotation axis vector and a rotation angle. If the rotation angle is r a , r a is expressed by ω as follows:
また、回転軸ベクトルをraxis=[rx ry rz]tとすると、raxisとωの関係は次式のように表される。
[ωx ωy ωz]=[rarx rary rarz] ・・・(4)
ω(回転角ra、回転軸ベクトルraxis)と3×3回転変換行列Rとの関係は次式のように表される。
When the rotation axis vector is r axis = [r x r y r z ] t , the relationship between r axis and ω is expressed as the following equation.
[Ω x ω y ω z] = [r a r x r a r y r a r z] ··· (4)
The relationship between ω (rotation angle r a , rotation axis vector r axis ) and 3 × 3 rotation transformation matrix R is expressed by the following equation.
基準座標系上の点xw=[xw yw zw]tのカメラ座標xcは、tおよびRによって次式のように表される。 X w = [x w y w z w] camera coordinate x c in t points on the reference coordinate system is expressed as follows by t and R.
式(2)、(6)から、透視投影変換によって、基準座標上の点xw=[xw yw zw]tは次式のように画像上の点u=[ux uy]tに投影される。 From the expressions (2) and (6), the point x w = [x w y w z w ] t on the reference coordinate is converted to the point u = [u x u y ] on the image by the perspective projection transformation as in the following expression. projected onto t .
理想的には、t、ω、xwをもとに式(7)から計算される投影位置(計算位置)と実際に観察される位置(観察位置)は一致する。そのため、計算位置と観察位置の画像の水平方向のずれをF、垂直方向のずれをG、観察位置をuo=[uox uoy]tとすると、次式に示すようにF、Gは0となる。 Ideally, t, ω, projection position, which is calculated from equation (7) on the basis of the x w (calculated position) and actually observed the position (observation position) is consistent. Therefore, if the horizontal displacement between the calculation position and the observation position image is F, the vertical displacement is G, and the observation position is u o = [u ox u oy ] t , then F and G are 0.
F、Gは撮像装置位置t、撮像装置姿勢ω、観察対象点の基準座標上での位置xwに関する関数である。 F, G is a function related to the position x w on the reference coordinates of the imaging apparatus position t, the imaging device orientation omega, viewed point.
点指標の基準座標系における位置をtpn=[tpnx tpny tpnz]tとすると、次式に示すように、xwとtpnは同じになる。 Assuming that the position of the point index in the reference coordinate system is t pn = [t pnx t pny t pnz ] t , x w and t pn are the same as shown in the following equation.
正方形指標は、基準座標系における位置ts=[tsx tsy tsz]t及び基準座標系に対する姿勢ωs=[ωsx ωsy ωsz](ωsに対応した3×3回転変換行列をRsとする)で表現される。正方形指標の頂点の正方形指標座標系における位置をxs=[xs ys 0]tとし、正方形指標の各頂点は正方形指標座標系においてxs−ys平面上にあるとする。 The square index is a 3 × 3 rotation transformation matrix corresponding to a position t s = [t sx t sy t sz ] t in the reference coordinate system and an attitude ω s = [ω sx ω sy ω sz ] (ω s ) with respect to the reference coordinate system. It is represented by a and R s). The position in the square marker coordinate system of the vertices of the square indices and x s = [x s y s 0] t, and each vertex of the square marker is on x s -y s plan in square marker coordinate system.
正方形指標の頂点の基準座標系における位置xwは次式のようにtsとωs(Rs)に関する関数となる。 Position x w in the reference coordinate system of the vertices of the square indices becomes t s and ω s (R s) about functions as follows.
このため、次式に示すように、F、Gは、撮像装置位置t、撮像装置姿勢ω、点指標の基準座標系における位置tp、正方形指標の位置ts及び正方形指標の姿勢ωsの関数となる。 Therefore, as shown in the following equation, F, G, the imaging device location t, the imaging device orientation omega, the position t p in the reference coordinate system of the point indicators, position t s and square markers square markers posture omega s It becomes a function.
式(11)は、撮像装置の位置姿勢、指標の位置姿勢について非線形な方程式となっている。そこで1次の項までのテイラー展開を用いて撮像装置の位置姿勢、指標の位置姿勢の概略値の近傍で線形化し、繰り返し計算によって撮像装置の位置姿勢、指標の位置姿勢を求める。 Expression (11) is a nonlinear equation regarding the position and orientation of the imaging apparatus and the position and orientation of the index. Therefore, using Taylor expansion up to the first order term, linearization is performed in the vicinity of the approximate values of the position and orientation of the imaging apparatus and the index, and the position and orientation of the imaging apparatus and the position and orientation of the index are obtained by repeated calculation.
式(12)は、式(11)を線形化したものである。△tx、△ty、△tzは撮像装置の位置、△ωx、△ωy、△ωzは撮像装置の姿勢、△tpx、△tpy、△tpzは点指標の位置、△tsx、△tsy、△tszは正方形指標の位置、△ωsx、△ωsy、△ωszは正方形指標の姿勢の概略値に対する補正量を表す。 Equation (12) is a linearization of equation (11). Δt x , Δt y , Δt z are the positions of the imaging device, Δω x , Δω y , Δω z are the postures of the imaging device, Δt px , Δt py , Δt pz are the positions of the point indicators , Δt sx , Δt sy , and Δt sz represent the position of the square marker, and Δω sx , Δω sy , and Δω sz represent the correction amount for the approximate value of the posture of the square marker.
ここで式(12)のF0、G0は定数であり、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置または正方形指標の位置姿勢の概略値から求まる指標の投影位置(計算位置)と観察位置uoとの差である。 Here, F 0 and G 0 in Expression (12) are constants, and the projected position (calculated position) of the index and the observation position u obtained from the approximate values of the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, or the position and orientation of the square index. It is the difference from o .
式(12)は、ある画像上で観察される一個の点指標または正方形指標の一個の頂点についての観測方程式である。実際には複数の画像上で複数の点指標や正方形指標の頂点が観察されるため、式(12)は複数得られる。そこで複数の式(12)を、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値に対する補正値についての連立方程式として解き、概略値を補正することを繰り返すことによって撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢を求める。図2は、本実施形態における撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢を求める手順を示すフローチャートである。なお、指標を含むシーンの撮影及び撮影画像からの指標の抽出及び同定は終了しているものとする。 Equation (12) is an observation equation for one vertex or one vertex of a square marker observed on a certain image. Actually, a plurality of point indices and square indices are observed on a plurality of images, and thus a plurality of expressions (12) are obtained. Therefore, by solving a plurality of equations (12) as simultaneous equations for correction values for the approximate values of the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the position and orientation of the square index, and correcting the approximate value, the imaging device is repeated. Position, orientation of the point index, and position and orientation of the square index. FIG. 2 is a flowchart illustrating a procedure for obtaining the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the point index, and the position and orientation of the square index in the present embodiment. Note that it is assumed that shooting of a scene including the index and extraction and identification of the index from the captured image have been completed.
ステップS5010は、各画像を撮影した撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値の設定を行う。ステップS5020以降において、ステップS5010で設定された概略値を補正するための補正値を求める。ステップS5020は、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値から、投影誤差と各未知パラメータに対する偏微分係数(画像ヤコビアン)を求める。ステップS5030は、配置情報パラメータを求めるのに必要な係数行列を算出する。ステップS5040は、算出した係数行列を用いて後退代入を行い、各未知パラメータの補正値を求める。ステップS5050は、ステップS5040において求めた補正値によって概略値を補正し、新たな概略値とする。ステップS5060は、ステップS5050において補正された撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢が収束しているかどうかの判定を行う。S5070は、指標の配置情報を出力する。 Step S5010 sets the approximate values of the position and orientation of the imaging device that captured each image, the position of the point index, and the position and orientation of the square index. In step S5020 and subsequent steps, a correction value for correcting the approximate value set in step S5010 is obtained. In step S5020, a projection error and a partial differential coefficient (image Jacobian) for each unknown parameter are obtained from the approximate values of the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the point index, and the position and orientation of the square index. In step S5030, a coefficient matrix necessary for obtaining the arrangement information parameter is calculated. In step S5040, backward substitution is performed using the calculated coefficient matrix, and a correction value for each unknown parameter is obtained. In step S5050, the approximate value is corrected by the correction value obtained in step S5040 to obtain a new approximate value. In step S5060, it is determined whether the position and orientation of the imaging apparatus corrected in step S5050, the position of the point index, and the position and orientation of the square index have converged. In step S5070, index arrangement information is output.
以下、各ステップについて詳細に説明する。 Hereinafter, each step will be described in detail.
ステップS5010において、各画像を撮影した撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値を入力する。ここで、撮影された画像の枚数をN枚とし、それぞれの画像を撮影した撮像装置の位置をti=[tix tiy tiz]t(i=1,・・・,N)、姿勢をωi=[ωix ωiy ωiz](i=1,・・・,N)とする。また、点指標の数をKp1個とし、点指標の位置をtpi=[tpix tpiy tpiz]t(i=1,・・・,Kp1)とする。また、正方形指標の数をKs1個とし、それぞれの正方形指標の位置をtsi=[tsix tsiy tsiz]t(i=1,・・・,Ks1)とし、姿勢をωsi=[ωsix ωsiy ωsiz](i=1,・・・,Ks1)とする。 In step S5010, the approximate values of the position and orientation of the imaging device that captured each image, the position of the point index, and the position and orientation of the square index are input. Here, the number of the captured images is N sheets, the position of the t i = the imaging device taken each image [t ix t iy t iz] t (i = 1, ···, N), posture Ω i = [ω ix ω iy ω iz ] (i = 1,..., N). Further, the number of points index and p1 pieces K, the position of the point indicator t pi = [t pix t piy t piz] t (i = 1, ···, K p1) and. Further, the number of square indices is K s1, the positions of the square indices are t si = [t six t siy t siz ] t (i = 1,..., K s1 ), and the posture is ω si = [ω six ω siy ω siz] (i = 1, ···, K s1) and.
次に、ステップS5020において、指標の画像座標の未知パラメータについての偏微分係数と残差を求める。また、残差は、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値によって計算される各指標の投影位置と実際の画像上での観察位置の差から求める。 Next, in step S5020, partial differential coefficients and residuals for unknown parameters of index image coordinates are obtained. Further, the residual is obtained from the difference between the projected position of each index calculated from the approximate values of the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the position and orientation of the square index and the actual observation position on the image.
式(12)の観測方程式は、画像上で観察される指標の数(正方形指標の場合には頂点の数)だけ成り立つ。式(12)は、一台の撮像装置の位置姿勢の補正値と、一個の点指標の位置の補正値または一個の正方形指標の位置姿勢の補正値を未知パラメータとして含む観測方程式である。ここでは、式(13)に示すように、N台の撮像装置の位置姿勢、Kp1個の点指標の位置、Ks1個の正方形指標の位置姿勢についての観測方程式が成り立つ。この場合、未知数となる補正値の数は、(6×N+3×Kp1+6×Ks1)個である。 The observation equation of Expression (12) holds as many as the number of indices observed on the image (the number of vertices in the case of a square index). Expression (12) is an observation equation that includes a position and orientation correction value of one imaging apparatus and a position index correction value of one point index or a position and orientation correction value of one square index as unknown parameters. Here, as shown in Expression (13), the observation equations for the position and orientation of the N imaging devices, the position of K p1 point indices, and the position and orientation of K s1 square indices are established. In this case, the number of correction values to be unknown is (6 × N + 3 × K p1 + 6 × K s1 ).
画像i(i=1,・・・,N)から検出される点指標の数をdpi個、正方形指標の数をdsi個とすると、N枚の画像から検出される点指標の数Dp、正方形指標のDsは次式のようになる。 When the number of point indices detected from the image i (i = 1,..., N) is d pi and the number of square indices is d si , the number D of point indices detected from N images. p and Ds of the square index are as follows.
N枚の画像から検出される点指標の数がDp、正方形指標の数がDs個である場合には、観測方程式(13)が(Dp+4×Ds)組、つまり2×(Dp+4×Ds)本の観測方程式が立つ。式(13)の観測方程式の左辺の定数項F0、G0を右辺に移項し、連立方程式を立てると、この連立方程式は次式のように行列形式で書くことができる。
J・△=E ・・・(15)
Jはヤコビ行列と呼ばれ、F、Gの撮像装置位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢についての偏微分係数を並べたものである。ヤコビ行列Jの行数は、観測方程式の数(2×(Dp+4×Ds))と同じであり、列数は未知数の数(6×N+3×Kp1+6×Ks1)と同じである。Δは補正値ベクトルである。補正値ベクトルの要素数は未知数の数(6×N+3×Kp1+6×Ks1)と同じである。Eは誤差ベクトル(残差)であり、概略値による投影位置の計算位置と観察位置uoの差−F0、−G0を要素として持つ。Eの要素数は、観測方程式の数(2×(Dp+4×Ds))と同じである。
When the number of point indices detected from N images is D p and the number of square indices is D s , the observation equation (13) is (D p + 4 × D s ), that is, 2 × ( D p + 4 × D s ) This observation equation stands. When the constant terms F 0 and G 0 on the left side of the observation equation of Equation (13) are moved to the right side and a simultaneous equation is established, this simultaneous equation can be written in matrix form as the following equation.
J · △ = E (15)
J is called a Jacobian matrix, and is an array of partial differential coefficients for F and G imaging device positions and orientations, point index positions, and square index positions and orientations. The number of rows of the Jacobian matrix J is the same as the number of observation equations (2 × (D p + 4 × D s )), and the number of columns is the same as the number of unknowns (6 × N + 3 × K p1 + 6 × K s1 ). is there. Δ is a correction value vector. The number of elements of the correction value vector is the same as the number of unknowns (6 × N + 3 × K p1 + 6 × K s1 ). E is an error vector (residual), and has the difference −F 0 , −G 0 between the calculation position of the projection position based on the approximate value and the observation position u o . The number of elements of E is the same as the number of observation equations (2 × (D p + 4 × D s )).
なお、基準座標系における位置が既知である点指標または位置姿勢が既知の正方形指標を同時に撮影することによって、基準座標系の原点、スケール、姿勢を明示的に指定することができる。これらの指標についての式(13)の方程式では、指標の位置及び指標についての偏微分係数の値はすべて0となる。基準座標系の原点、スケール、姿勢を明示的に指定するためには、点指標であれば位置が既知の点指標を3個用いればよく、正方形指標であれば位置姿勢が既知の正方形指標を1個用いればよい。 Note that the origin, scale, and orientation of the reference coordinate system can be explicitly specified by simultaneously photographing a point index whose position in the reference coordinate system is known or a square index whose position and orientation are known. In the equation (13) for these indices, the positions of the indices and the partial differential coefficients for the indices are all zero. In order to explicitly specify the origin, scale, and orientation of the reference coordinate system, it is sufficient to use three point indicators whose positions are known if they are point indicators, and square indicators whose positions and orientations are known if they are square indicators. One may be used.
式(15)のヤコビ行列Jが正方行列ではない場合には、式(16)に示すように両辺にヤコビ行列Jの転置行列をかけ、最小二乗法を用いて補正値ベクトル△を求めることができる。
(Jt・J)△=Jt・E ・・・(16)
すなわち、ヤコビ行列Jの転置行列をかけることで正方行列JTJを作り、その逆行列(JTJ)−1を求めて両辺にかけることによって補正値を得ることができる。
When the Jacobian matrix J in the equation (15) is not a square matrix, the transpose matrix of the Jacobian matrix J is applied to both sides as shown in the equation (16), and the correction value vector Δ is obtained using the least square method. it can.
(J t · J) Δ = J t · E (16)
That is, a correction value can be obtained by creating a square matrix J T J by applying the transposed matrix of the Jacobian matrix J, and obtaining the inverse matrix (J T J) −1 and applying it to both sides.
行列JTJは未知パラメータの数に応じてサイズが大きくなるため、その逆行列の計算は一般に計算負荷が大きい。一方で、ヤコビ行列Jは0を多く含む疎行列である。したがって、逆行列(JTJ)−1を求めて直接的に補正値ベクトル△を求めるよりも、この疎行列の構造を利用し、未知パラメータを分割して求めることによって効率的に計算を行うことができる。 Since the matrix J T J increases in size according to the number of unknown parameters, the calculation of the inverse matrix generally requires a large calculation load. On the other hand, the Jacobian matrix J is a sparse matrix including many zeros. Therefore, rather than obtaining the inverse matrix (J T J) −1 and directly obtaining the correction value vector Δ, the calculation is efficiently performed by dividing the unknown parameter using the structure of this sparse matrix. be able to.
図14にヤコビ行列の構造を示す。図14は、点指標を3個、正方形指標を2個が撮影されるように画像を3枚撮影した場合のヤコビ行列の構造を表している。図の白い部分は必ず0が入ることを表しており、黒い部分は必ずしも0が入らない部分を示している。 FIG. 14 shows the structure of the Jacobian matrix. FIG. 14 shows the structure of the Jacobian matrix when three images are taken so that three point indicators and two square indicators are taken. The white portion of the figure indicates that 0 is always included, and the black portion indicates a portion where 0 is not necessarily included.
図15にヤコビ行列にその転置をかけた行列(JTJ)の構造を示す。図15(A)において、白の部分には必ず0が入り、黒で示されるサブ行列は、行列(JTJ)の対角に位置する正方行列であり,未知パラメータごとに各サブ行列のサイズが等しい((Di×Di)で表す)。ここで、白の部分、つまり要素が必ず0となる部分の計算は行う必要がない。斜線部は、0以外の要素が入る可能性のある領域である。 FIG. 15 shows the structure of a matrix (J T J) obtained by transposing the Jacobian matrix. In FIG. 15A, the white part always contains 0, and the sub-matrix shown in black is a square matrix located at the diagonal of the matrix (J T J). The sizes are equal (represented by (D i × D i )). Here, it is not necessary to calculate the white portion, that is, the portion where the element is always 0. The shaded area is an area where an element other than 0 may enter.
ステップS5030では、段階的に未知パラメータを求めるための係数行列を求める。ここで、配置情報パラメータは種類ごとにまとめ、N台の撮像装置の位置姿勢、Kp1個の点指標の位置、Ks1個の正方形指標の位置姿勢はそれぞれ別々に求める。補正値ベクトル△は、式(17)のように、撮像装置の位置姿勢の補正値ベクトル△c、点指標の位置の補正値ベクトル△p、正方形指標の位置姿勢の補正値ベクトル△sに分割される。式(16)の行列JtJを配置情報パラメータごとに分割し、右辺をまとめると次式のようになる。 In step S5030, a coefficient matrix for obtaining unknown parameters step by step is obtained. Here, the arrangement information parameters are collected for each type, and the position and orientation of the N imaging devices, the position of K p1 point indices, and the position and orientation of K s1 square indices are obtained separately. The correction value vector Δ is divided into a position / orientation correction value vector Δ c , a point index position correction value vector Δ p , and a square index position / orientation correction value vector Δ s as in Expression (17). Is done. When the matrix J t J of Expression (16) is divided for each arrangement information parameter and the right side is collected, the following expression is obtained.
ここで、分割した係数行列について説明する。 Here, the divided coefficient matrix will be described.
U=αTαであり、撮像装置の位置姿勢に関するヤコビ行列αとその転置αTをかけた行列である。V=βTβであり、点指標の位置に関するヤコビ行列βとその転置βTをかけた行列である。T=γTγ、であり、正方形指標の位置姿勢に関するヤコビ行列γとその転置γTをかけた行列である。また、W1=αTβであり、W2=αTγである。 U = α T α, which is a matrix obtained by multiplying the Jacobian matrix α related to the position and orientation of the imaging apparatus and its transposition α T. V = β T β, which is a matrix obtained by multiplying the Jacobian matrix β related to the position of the point index and its transposition β T. T = γ T γ, which is a matrix obtained by multiplying the Jacobian matrix γ related to the position and orientation of the square index and its transposition γ T. Also, W 1 = α T β and W 2 = α T γ.
点指標の位置と平面指標の位置姿勢はそれぞれ独立であるのでX=βTγ=0となる。さらにα、β、γのサブ行列成分のみを計算することによりαTα、βTβ、γTγを求めることができる。 Since the position of the point index and the position and orientation of the plane index are independent from each other, X = β T γ = 0. Furthermore, α T α, β T β, and γ T γ can be obtained by calculating only the sub-matrix components of α, β, and γ.
よって、本実施形態の方法は、通常通り計算する場合に比べて、コンピュータにおいて計算する際に確保するメモリを少なくすることができる。 Therefore, the method of this embodiment can reduce the memory secured when performing calculations in the computer, as compared with the case of performing calculations as usual.
すなわち,U、V、Tの対角にあるサブ行列をそれぞれUi、Vj、Tkとすると,次式となる。
Ui=αii Tαii ・・・(18)
That is, when sub-matrices on the diagonal of U, V, and T are U i , V j , and T k , respectively, the following equations are obtained.
U i = α ii T α ii (18)
α、β、γのサブ行列をそれぞれαii、βij、γjkによって表す。Nは,撮影した画像の枚数を表す。 The α, β, and γ sub-matrices are represented by α ii , β ij , and γ jk , respectively. N represents the number of captured images.
従って、未知パラメータの係数行列であるJTJ行列を求める際には、U、V、T、W1、W2、のみ求めればよい。すなわち、次式のようになる。 Accordingly, when obtaining the J T J matrix that is the coefficient matrix of the unknown parameter, only U, V, T, W 1 , and W 2 need be obtained. That is, the following equation is obtained.
図15(A)で示したJt・J行列は、図15(B)のように表せる。 The J t · J matrix shown in FIG. 15A can be expressed as shown in FIG.
ステップS5040では、後退代入によって段階的に補正値を算出する。 In step S5040, correction values are calculated stepwise by backward substitution.
ここで、Uの行列サイズは(6N×6N)、Vの行列サイズは(3Dp×3Dp)、Tの行列サイズは(6Ds×6Ds)である。△を求めるために、逆行列を計算しているが、上記のような分割を行わずに△をすべて同時に解く場合には、((6N+3Dp+6Ds)×(6N+3Dp+6Ds))のサイズの逆行列を求める必要がある。しかし、補正値を求めるための逆行列計算において分割して解くことにより、△Sは(6Ds×6Ds)、△Pは(3Dp×3Dp)、△Cは(6N×6N)、のサイズに縮約した逆行列を求めればよい。 Here, the matrix size of U is (6N × 6N), the matrix size of V is (3D p × 3D p ), and the matrix size of T is (6D s × 6D s ). In order to obtain Δ, an inverse matrix is calculated, but when all Δ are solved simultaneously without performing the above division, the size of ((6N + 3D p + 6D s ) × (6N + 3D p + 6D s )) It is necessary to find the inverse matrix of. However, by solving divided in inverse matrix calculation for obtaining the correction value, △ S is (6D s × 6D s), the △ P (3D p × 3D p ), △ C is (6N × 6N), The inverse matrix reduced to the size of
また、U、V、Tのような、正方行列であるサブ行列が対角にあり,かつ各サブ行列のサイズが等しい行列をN11として次式にN11の行列の形を示す。 Also, U, V, such as T, then the sub-matrix is a square matrix is in diagonal, and shows the shape of a matrix of N 11 the following equation of equal size matrix of each sub-matrix as N 11.
N11のような正方行列であるサブ行列が対角にあり,かつ各サブ行列のサイズが(D×D)で等しい行列の逆行列演算は、次式のように(Dn×Dn)の逆行列演算を求める問題が、n個の(D×D)の逆行列演算を求める問題へと縮約できる。 An inverse matrix operation of a matrix in which a sub-matrix such as N 11 is diagonal and the size of each sub-matrix is equal to (D × D) is the inverse of (Dn × Dn) as in the following equation: The problem of obtaining a matrix operation can be reduced to a problem of obtaining n (D × D) inverse matrix operations.
このように正方行列であるサブ行列が対角にあり、かつ各サブ行列のサイズが(D×D)で等しい行列の逆行列演算を高速化することができる。このように、本実施形態によれば、疎行列の構造を利用して計算を高速化することができる。 In this way, it is possible to speed up the inverse matrix operation of a matrix in which the sub-matrix that is a square matrix is diagonal and the size of each sub-matrix is equal (D × D). As described above, according to the present embodiment, the calculation can be speeded up using the structure of the sparse matrix.
ステップS5050では、ステップS5040で得られた各概略値の補正値△、つまりここでは撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値に対する補正値を概略値に加え、それを新しい概略値とする。 In step S5050, the correction value Δ for each approximate value obtained in step S5040, that is, the correction value for the approximate value of the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the position and orientation of the square index is added to the approximate value. Is a new approximate value.
次にステップS5060において、収束判定を行う。収束判定は、補正値の絶対値の最大値が指定した閾値を下回る、投影位置の計算位置と観察位置の差の和または平均値が指定した閾値を下回る、投影位置の計算位置と観察位置の差の和が極小となる、などの条件を判定することにより行う。本ステップで収束していると判定された場合は、指標の配置情報計測を終了する。一方、収束していないと判定された場合は、ステップS5020に戻り、補正された撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢の概略値をもとに再度連立方程式を立式する。 Next, in step S5060, a convergence determination is performed. In the convergence judgment, the absolute value of the correction value is below the specified threshold, the sum of the difference between the calculated position of the projected position and the observation position or the average value is below the specified threshold, the calculated position of the projected position and the observed position This is performed by determining a condition such that the sum of differences is minimized. If it is determined in this step that convergence has been achieved, the marker placement information measurement is terminated. On the other hand, if it is determined that it has not converged, the process returns to step S5020, and the simultaneous equations are formulated again based on the approximate values of the corrected position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the position and orientation of the square index. To do.
以上、説明したように、本実施形態では、指標が配置されたシーンの画像を多数撮影し、撮影された画像から指標を検出・同定する。そして、画像上の指標観察位置から、撮影した撮像装置の位置姿勢、指標の配置情報の概略値に対する補正値を、異なる種類の配置情報パラメータごとに分割して段階的に求めて、概略値を補正する操作を繰返し行うことによって、指標の配置情報を求める。 As described above, in the present embodiment, a large number of scene images in which indices are arranged are captured, and the indices are detected and identified from the captured images. Then, from the index observation position on the image, the correction value for the position and orientation of the imaged image pickup device and the approximate value of the index placement information is divided into different types of placement information parameters and obtained step by step. By repeatedly performing the correction operation, index placement information is obtained.
(変形例1−1)
第一実施形態では、正方形指標のような二次元形状指標のサイズはすべて既知であるとして、正方形指標の位置姿勢を求めていたが、サイズが未知な正方形指標とサイズが既知な正方形指標が混在する場合でも、未知パラメータの計算を高速化することができる。
(Modification 1-1)
In the first embodiment, the positions and orientations of the square indices are obtained on the assumption that the sizes of the two-dimensional shape indices such as the square indices are all known, but a square index of unknown size and a square index of known size are mixed. Even in this case, the calculation of the unknown parameter can be speeded up.
サイズ未知な正方形指標の位置の補正値を△tusx、△tusy、△tusz、サイズ未知な正方形指標の姿勢の補正値を△ωusx、△ωusy、△ωusz、サイズ未知な正方形指標のサイズの補正値を△sとすると、サイズ未知な正方形指標の一つの頂点に関する観測方程式は、次式のようになる。 Size unknown position of the square marker correction value △ t usx, △ t usy, △ t usz, the correction value of the orientation of the size unknown square index △ ω usx, △ ω usy, △ ω usz, size unknown square Assuming that the correction value of the index size is Δs, the observation equation regarding one vertex of the square index of unknown size is as follows.
第一実施形態と同様に補正値Δを求める際に、配置情報パラメータの種類で分割する。ここでは、撮像装置の位置姿勢パラメータ、サイズ既知な正方形指標の位置姿勢パラメータ(位置、姿勢)、サイズ未知な正方形指標の位置姿勢パラメータ(位置、姿勢、サイズ)によって分割することができる。第一実施形態と同様に分割した配置情報パラメータごとに補正値を段階的に求めて、概略値を補正する操作を繰返し行うことによって、指標の配置情報を求めることができる。 As in the first embodiment, when the correction value Δ is obtained, it is divided according to the type of arrangement information parameter. Here, the image can be divided according to the position and orientation parameters of the imaging device, the position and orientation parameters (position and orientation) of a square index with a known size, and the position and orientation parameters (position, orientation and size) of a square index with an unknown size. Similar to the first embodiment, the correction information is obtained step by step for each divided arrangement information parameter, and the operation for correcting the approximate value is repeatedly performed, whereby the index arrangement information can be obtained.
[第二実施形態]
本実施形態に係る指標の配置情報計測装置では、指標が同一平面上に配置されているといった拘束条件を用いたバンドル調整計算を高速化する。以下、本実施形態に係る指標の配置情報計測装置について詳細に説明する。
[Second Embodiment]
In the marker arrangement information measuring apparatus according to the present embodiment, the bundle adjustment calculation using the constraint condition that the markers are arranged on the same plane is accelerated. Hereinafter, the index arrangement information measuring apparatus according to the present embodiment will be described in detail.
図3は、本実施形態に係る指標の配置情報計測装置2000の概略構成を示している。図3に示すように、本実施形態に係る指標の配置情報計測装置2000は、画像入力部2020、指標検出部2030、拘束条件設定部2040、撮像装置概略位置姿勢入力部2050、指標概略位置入力部2060、データ管理部2070、位置姿勢算出部2080によって構成されている。そして配置情報計測装置2000には、撮像装置2010が接続されている。
FIG. 3 shows a schematic configuration of an index arrangement
環境中または対象物体上には、撮像装置2010に撮影される図3に示すような指標Qjが複数配置されている。これらの指標は、第一実施形態で説明した点指標と同様のものであるとする。
On the environment or the object, the index Q j as shown in FIG. 3 to be photographed in the
以下では、計測の基準とする座標系(ここでは、環境中の一点を原点として定義し、互いに直交する3軸を夫々X軸、Y軸、Z軸として定義した座標系)を基準座標系と呼び、基準座標系における各指標の位置を計測対象とする。 In the following, a coordinate system used as a reference for measurement (here, a coordinate system in which one point in the environment is defined as an origin and three axes orthogonal to each other are defined as an X axis, a Y axis, and a Z axis) is referred to as a reference coordinate system. The position of each index in the reference coordinate system is the measurement target.
撮像装置2010によって撮影された画像は、画像入力部2020を介して配置情報計測装置2000へと入力され、指標検出部2030に送信される。
An image captured by the
指標検出部2030は、画像入力部2020を介して画像を入力し、入力された画像中に撮影されている点指標Qjの画像座標を検出する。
さらに、指標検出部2030は、点指標の識別子kaと各点指標の画像座標uQkaを、データ管理部2070へと出力する。ここで、a(a=1,,,A)は検出された点指標夫々に対するインデックスであり、Aは検出された点指標の総数を表している。
Furthermore, the
拘束条件設定部2040では、指標の配置に関する拘束条件を設定する。本実施形態では、指標の配置に関する拘束条件として、複数の指標が同一平面上に存在するという拘束条件を与える。平面は未知の平面であるとし、未知な平面は複数存在するとする。
The constraint
図7は同一平面上に存在する複数の指標を設定するGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)を説明する図である。GUI上には、撮影画像表示部分があり、撮像装置によって撮影された画像が表示される。撮影画像は、撮影画像切替部分のボタンによって表示を切り替えることが可能である。Previousボタンをマウスでクリックすると、一つ前の撮影画像を表示し、Nextボタンをクリックすると一つ後の撮影画像を表示する。ユーザは撮影画像を見ながら、同一平面上にある指標を設定する。撮影画像上では、同定された指標の周辺に、各指標に固有の名前が表示される。 FIG. 7 is a diagram for explaining a GUI (graphical user interface) for setting a plurality of indices existing on the same plane. On the GUI, there is a captured image display portion, and an image captured by the imaging device is displayed. The display of the captured image can be switched by a button in the captured image switching portion. Clicking the Previous button with the mouse displays the previous captured image, and clicking the Next button displays the next captured image. The user sets an index on the same plane while viewing the captured image. On the photographed image, a name unique to each index is displayed around the identified index.
図7では、点指標(図中POINT1、POINT2)が2つ撮影されている撮影画像を撮影画像表示部分に表示している場合である。このうち点指標POINT1と点指標POINT2が同一平面上にあるとする。ユーザは、撮影画像中のPOINT1かPOINT2のどちらかの指標の周辺をマウスでクリックし、選択する。選択された指標の名前表示は太字に変わる。次に、選択した指標と同一平面に存在する指標の周辺をシフトキーを押しながらマウスを左クリックすることで、同一平面上にある指標をグループ化する。すでに同一平面上に存在するとグループ化されている指標をクリックした場合には、同一グループ内のすべての指標の名前表示が太字に変わる。この状態で、他の指標をシフトキーを押しながら左クリックすると、グループに追加することができる。また、グループ化されている指標の周辺をシフトキーを押しながらマウスを右クリックすると、グループから外れ、シフトキーを押さないで右クリックするとグループ全体が解除される。
FIG. 7 shows a case where a captured image in which two point indicators (
このようにして指標に拘束条件を設定し、平面を極座標表現で表現する平面のパラメータr=[r θ φ]と、設定した平面上での座標系(以降、平面座標系とする)での点指標の位置xp=[xp yp 0]t、をデータ管理部2070へと出力する。平面座標系のzp軸は平面の法線方向に平行であり、基準座標系における原点を通過する。また、平面上の指標は平面座標系で常にz=0であるとする詳細は後述する。
In this way, the constraint condition is set for the index, the plane parameter r = [r θ φ] representing the plane in polar coordinate representation, and the coordinate system on the set plane (hereinafter referred to as the plane coordinate system) The point index position x p = [x p y p 0] t is output to the
ここで、ある三次元座標系Bに対する三次元の座標系Aの原点位置を表す三次元ベクトルをt、姿勢を表す3×3回転行列をRとすると、A上での位置がxA(三次元ベクトル)で表される点のB上での座標xB(三次元ベクトル)は、式(26)に示すように表される。 Here, if a three-dimensional vector representing the origin position of a three-dimensional coordinate system A with respect to a certain three-dimensional coordinate system B is t, and a 3 × 3 rotation matrix representing a posture is R, the position on A is x A (third order A coordinate x B (three-dimensional vector) on a point B represented by (original vector) is expressed as shown in Expression (26).
第一実施形態と同様に、位置を表す三次元ベクトルtと、姿勢を表す3×3回転行列Rを座標系Bに対する座標系Aの位置姿勢を表す手段として用いる。撮像装置概略位置姿勢入力部2050は、基準座標系における撮像装置2010の概略位置姿勢t及びRを求め、これをデータ管理部2070へと出力する。撮像装置の概略位置姿勢は第一実施形態と同様に求める。
As in the first embodiment, a three-dimensional vector t representing a position and a 3 × 3 rotation matrix R representing a posture are used as means for representing the position and posture of the coordinate system A with respect to the coordinate system B. The imaging device approximate position and
指標概略位置姿勢入力部2060は、点指標の概略位置tpnを求め、データ管理部2070へと出力する。点指標の概略位置tpnは、巻尺や分度器、測量器などを用いて手動で測定した概略の値を用いてもよいし、本実施形態の方法等で一度推定された値を用いてもよい。平面のパラメータの概略値は、同一平面上にのる指標がすべて点指標であるならば、点指標の位置の概略値から回帰平面を求めることによって得る。さらに、指標の位置の概略値から求めないで、平面のパラメータをユーザが直接指定してもよい。平面上に拘束される指標の位置の概略値は、上記で述べた平面パラメータを求めた後、平面座標系での位置に変換することで得る。
The index approximate position /
位置姿勢算出部2080は、データ管理部2070から、あるフレームにおける撮像装置の概略位置姿勢と、同フレームで検出された各2次元形状指標の識別子、各頂点の画像座標と基準座標系における概略位置、及び各点指標の識別子、基準座標系における概略位置を入力し、これをもとに観測方程式をたて、指標の位置姿勢算出処理を行い、その結果として得られた2次元形状指標Pknと点指標Qkaの位置姿勢情報を出力する。位置姿勢算出部2080は、観測方程式における未知の配置情報パラメータの種類で分割して各未知パラメータを順番に求める。
The position /
次に位置姿勢算出部2080における指標の配置情報計測方法の詳細について述べる。
Next, the details of the index arrangement information measuring method in the position and
指標の検出同定結果、指標の配置に関する拘束条件をもとに、基準座標系における指標の位置の算出を行う。はじめに透視投影変換について説明する。図8はカメラ座標系及び画面座標系を説明する図である。画面座標系の原点oiは視軸と画像面との交点にとり、画像の水平方向をxi軸、垂直方向をyi軸にとる。また、カメラ座標系の原点ocと画像面との距離(焦点距離)をfとし、カメラ座標系のzc軸は視線ベクトルの反対方向、xc軸は画像の水平方向と平行に、yc軸は画像の垂直方向と平行にとる。 The position of the index in the reference coordinate system is calculated based on the detection and identification result of the index and the constraint conditions regarding the layout of the index. First, perspective projection conversion will be described. FIG. 8 is a diagram for explaining the camera coordinate system and the screen coordinate system. Origin o i in the screen coordinate system is taken at the intersection of the visual axis and the image plane, take the horizontal direction of the image x i axis, a direction perpendicular to the y i axis. The distance between the origin o c and the image plane of the camera coordinate system (focal length) is f, the opposite direction of the z c axis of the camera coordinate system is the line of sight vector, x c-axis parallel to the horizontal direction of the image, y The c axis is parallel to the vertical direction of the image.
透視投影変換により、カメラ座標系上の点xc=[xc yc zc]tは次式のように画面座標がu=[ux uy]tである点に投影される。 By perspective projection transformation, a point x c = [x c y c z c ] t on the camera coordinate system is projected to a point whose screen coordinates are u = [u x u y ] t as shown in the following equation.
本実施形態ではレンズ歪みは存在しないか、もしくは補正されていると仮定し、撮像装置はピンホールカメラであると想定している。式(27)は、図9に示すように、空間中の点と、該点の画像上の投影点と撮像装置位置(視点)は同一直線上に存在することを示しており、共線条件式とも呼ばれる。 In this embodiment, it is assumed that the lens distortion does not exist or is corrected, and the imaging apparatus is assumed to be a pinhole camera. As shown in FIG. 9, equation (27) indicates that a point in space, a projection point on the image of the point, and the position of the imaging device (viewpoint) exist on the same straight line. Also called a formula.
基準座標系における撮像装置の位置をt=[tx ty tz]t、撮像装置の姿勢(実際には、カメラ座標系に対する基準座標系の姿勢)をω=[ωx ωy ωz]であるとする。ωは3自由度の姿勢表現方法であり、姿勢を回転軸ベクトル及び回転角で表現している。回転角をraとすると、raはωによって次式のように表される。 The position of the imaging apparatus in the reference coordinate system t = [t x t y t z] t, ( in fact, the attitude of the reference coordinate system relative to the camera coordinate system) and orientation of the imaging apparatus ω = [ω x ω y ω z ]. ω is a posture expression method with three degrees of freedom, and the posture is expressed by a rotation axis vector and a rotation angle. If the rotation angle is r a , r a is expressed by ω as follows:
また、回転軸ベクトルをraxis=[rx ry rz]tとすると、raxisとωの関係は次式のように表される。
[ωx ωy ωz]=[rarx rary rarz] ・・・(29)
ω(回転角ra、回転軸ベクトルraxis)と3×3回転変換行列Rとの関係は次式のように表される。
When the rotation axis vector is r axis = [r x r y r z ] t , the relationship between r axis and ω is expressed as the following equation.
[Ω x ω y ω z] = [r a r x r a r y r a r z] ··· (29)
The relationship between ω (rotation angle r a , rotation axis vector r axis ) and 3 × 3 rotation transformation matrix R is expressed by the following equation.
基準座標系上の点xw=[xw yw zw]tのカメラ座標xcはt、Rによって次式のように表される。 The camera coordinate x c of the point x w = [x w y w z w ] t on the reference coordinate system is expressed by t and R as follows.
式(27)、(31)から、透視投影変換によって、基準座標上の点xw=[xw yw zw]tは次式のように画像上の点u=[ux uy]tに投影される。 From the equations (27) and (31), the point x w = [x w y w z w ] t on the reference coordinates is converted to the point u = [u x u y ] on the image by the perspective projection transformation as in the following equation. projected onto t .
理想的には、t、ω、xwをもとに式(32)から計算される投影位置(計算位置)と実際に観察される位置(観察位置)は一致する。そのため、計算位置と観察位置の画像の水平方向のずれをF、垂直方向のずれをG、観察位置をuo=[uox uoy]tとすると、次式に示すようにF、Gは0となる。 Ideally, t, omega, projection position calculated from equation (32) based on x w (calculated position) actually observed is a position (observation position) coincides. Therefore, if the horizontal displacement between the calculation position and the observation position image is F, the vertical displacement is G, and the observation position is u o = [u ox u oy ] t , then F and G are 0.
F、Gは撮像装置位置t、撮像装置姿勢ω、観察対象点の基準座標上での位置xwに関する関数である。ここで、基準座標上での点の位置xwは、指標の種類や、平面上に拘束するかどうかによって異なる変数の関数である。よってF、Gも指標の種類や、平面上に拘束するかどうかによって異なる変数の関数となる。以下では、指標を平面上に拘束する場合について説明する。 F, G is a function related to the position x w on the reference coordinates of the imaging apparatus position t, the imaging device orientation omega, viewed point. Here, the position x w of a point on the reference coordinates, the type and the index is a function of different variables depending on whether bound on the plane. Therefore, F and G are functions of different variables depending on the type of the index and whether or not the constraint is made on the plane. Below, the case where an index | index is restrained on a plane is demonstrated.
(指標を平面上に拘束する場合)
まず平面の定義方法について説明する。図10に示すように、平面を極座標表現r=[r θ φ]によって表現する。平面座標系のzp軸は平面の法線方向に平行であり、基準座標系における原点を通過する。平面の姿勢は、y軸まわりの回転θと、x軸まわりの回転φによって定義する。また、rは平面と基準座標系の原点owとの符号付き距離である。基準座標系に対する平面の姿勢を表す回転行列Rpは次式のように表される。
(When constraining the indicator on a plane)
First, the plane definition method will be described. As shown in FIG. 10, the plane is expressed by polar coordinate expression r = [r θ φ]. Z p axis of the plane coordinate system is parallel to the normal direction of the plane, passing through the origin in the reference coordinate system. The orientation of the plane is defined by the rotation θ around the y axis and the rotation φ around the x axis. Further, r is a signed distance between the origin o w plane and the reference coordinate system. A rotation matrix R p representing the orientation of the plane with respect to the reference coordinate system is expressed as follows.
また、平面座標系の原点opの基準座標系における位置tpl=[tplx tply tplz]tは、zp軸と平面との交点とし、次式のように求める。ただし The position t pl = [t plx t ply t plz] t in the reference coordinate system of the origin o p of the plane coordinate system, the intersection of the z p axis and the plane is calculated as follows. However,
は平面の法線ベクトルを表す。 Represents the normal vector of the plane.
上述の極座標表現r=[r θ φ]で表される平面座標系上の点xp=[xp yp 0]tの基準座標系における位置xwは次式のように表される。次式から、xwはxp、rの関数であることがわかる。 Position x w in the reference coordinate system of the above-described polar representation r = [r θ φ] points on a plane coordinate system is expressed by x p = [x p y p 0] t is expressed as follows. From the following equation, x w it can be seen that is a function of x p, r.
平面上に拘束される点指標は、平面座標系上の位置tpl p=[tpl px tpl py 0]tで表される。次式のように、xpはtpl pと同じになる。 A point index constrained on the plane is represented by a position t pl p = [t pl px t pl py 0] t on the plane coordinate system. As shown in the following equation, x p becomes the same as t pl p .
そのため、xwはtpl p、rの関数であり、F、Gは次式に示すように、撮像装置位置t、撮像装置姿勢ω、点指標の平面上の位置tpl p及び平面のパラメータrの関数となる。 Therefore, xw is a function of t pl p , r, and F and G are imaging device position t, imaging device attitude ω, position t pl p on the plane of the point index, and plane parameters as shown in the following equations: It becomes a function of r.
式(38)は撮像装置の位置姿勢、指標の位置、平面のパラメータについて非線形な方程式となっている。そこで、1次の項までのテイラー展開を用いて撮像装置の位置姿勢、指標の位置、平面のパラメータの概略値の近傍で線形化し、繰返し計算によって撮像装置の位置姿勢、指標の位置、平面のパラメータを求める。 Expression (38) is a nonlinear equation regarding the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the index, and the plane parameters. Therefore, the Taylor expansion up to the first term is used to linearize in the vicinity of the approximate values of the position and orientation of the imaging device, the position of the index, and the plane parameters, and the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the index, and the plane Find the parameters.
式(39)は、式(38)を線形化したものである。△tx、△ty、△tzは撮像装置の位置、△ωx、△ωy、△ωzは撮像装置の姿勢、△tpl px、Δtpl pyは平面に拘束される点指標の平面上での位置、△r、△θ、△φは平面のパラメータの概略値に対する補正量を表す。 Equation (39) is a linearization of equation (38). △ t x, △ t y, △ t z position, △ ω x, △ ω y , △ ω z is the posture of the imaging device, △ t pl px, Δt pl py indicators point to be bound to the plane of the imaging device The positions on the plane, Δr, Δθ, and Δφ represent correction amounts for the approximate values of the plane parameters.
ここで式(39)のF0、G0は定数であり、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面パラメータの概略値から求まる指標の投影位置(計算位置)と観察位置uoとの差である。 Here, F 0 and G 0 in Expression (39) are constants, and the projection position (calculation position) of the index obtained from the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the approximate value of the plane parameter, and the observation position u o It is a difference.
式(39)は、ある画像上で観察される一個の点指標についての観測方程式である。実際には複数の画像上で複数の点指標や正方形指標の頂点が観察されるため、式(39)は複数得られる。そこで複数の式(39)を、撮像装置の位置姿勢、平面上に拘束される点指標の位置、平面のパラメータの概略値に対する補正値についての連立方程式として解き、概略値を補正することを繰り返すことによって撮像装置の位置姿勢、平面上に拘束される点指標の位置、平面のパラメータを求める。 Expression (39) is an observation equation for one point index observed on a certain image. Actually, a plurality of point indices and vertices of square indices are observed on a plurality of images, and thus a plurality of expressions (39) are obtained. Accordingly, the plurality of equations (39) are solved as simultaneous equations for correction values for the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the point index constrained on the plane, and the approximate value of the plane parameter, and the correction of the approximate value is repeated. Thus, the position and orientation of the imaging device, the position of the point index constrained on the plane, and the plane parameters are obtained.
図4は、本実施形態における撮像装置の位置姿勢、平面に拘束される点指標の位置を求める手順を示すフローチャートである。なお、指標を含むシーンの撮影及び撮影画像からの指標抽出及び同定は終了しているものとする。ステップS4010では、各画像を撮影した撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータの概略値の設定を行う。ステップS4020以降において、ステップS4010で設定された概略値を補正するための補正値を求める。ステップS4020では、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータの概略値から、投影誤差と各未知パラメータに対する偏微分係数(画像ヤコビアン)を求める。ステップS4030では、配置情報パラメータを求めるのに必要な係数行列を算出する。ステップS4040では、算出した係数行列を用いて後退代入を行い、各未知パラメータの補正値を求める。ステップS4050では、ステップS4040において求めた補正値によって概略値を補正し、新たな概略値とする。ステップS4060では、ステップS4050において補正された撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータが収束しているかどうかの判定を行う。以下、各ステップについて詳細に説明する。 FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for obtaining the position and orientation of the imaging apparatus and the position of the point index constrained by the plane in the present embodiment. Note that it is assumed that shooting of a scene including an index and index extraction and identification from the captured image have been completed. In step S4010, the position and orientation of the imaging device that captured each image, the position of the point index, and the approximate values of the plane parameters are set. In step S4020 and subsequent steps, a correction value for correcting the approximate value set in step S4010 is obtained. In step S4020, a projection error and a partial differential coefficient (image Jacobian) for each unknown parameter are obtained from the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, and the approximate values of the plane parameters. In step S4030, a coefficient matrix necessary for obtaining the arrangement information parameter is calculated. In step S4040, backward substitution is performed using the calculated coefficient matrix to obtain correction values for the unknown parameters. In step S4050, the approximate value is corrected by the correction value obtained in step S4040 to obtain a new approximate value. In step S4060, it is determined whether or not the position and orientation of the imaging apparatus corrected in step S4050, the position of the point index, and the plane parameters have converged. Hereinafter, each step will be described in detail.
ステップS4010において、各画像を撮影した撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータの概略値を入力する。ここで、撮影された画像の枚数をN枚とし、それぞれの画像を撮影した撮像装置の位置をti=[tix tiy tiz]t(i=1,・・・,N)、姿勢をωi=[ωix ωiy ωiz] (i=1,・・・,N)とする。また、平面上に拘束される点指標の数をKp2個とし、tpl pi=[tpl pix tpl piy]t(i=1,・・・,Kp2)とする。 In step S4010, the position and orientation of the imaging device that captured each image, the position of the point index, and approximate values of the plane parameters are input. Here, the number of the captured images is N sheets, the position of the t i = the imaging device taken each image [t ix t iy t iz] t (i = 1, ···, N), posture Ω i = [ω ix ω iy ω iz ] (i = 1,..., N). Further, the number of point indexes constrained on the plane is K p2 , and t pl pi = [t pl pix t pl pi ] t (i = 1,..., K p2 ).
次にステップS4020において、指標の画像座標の未知パラメータについての偏微分係数と残差を求める。また、残差は、撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータの概略値によって計算される各指標の投影位置と実際の画像上での観察位置の差から求める。 Next, in step S4020, a partial differential coefficient and a residual for an unknown parameter of the index image coordinates are obtained. Further, the residual is obtained from the difference between the projected position of each index calculated from the position and orientation of the imaging apparatus, the position of the point index, and the approximate value of the plane parameter, and the observation position on the actual image.
式(39)の観測方程式は画像上で観察される指標の数だけ成り立つ。式(39)は、一台の撮像装置の位置姿勢の補正値と、一個の点指標の位置の補正値、一個の平面のパラメータの補正値についての観測方程式である。ここでは、次式に示すように、N台の撮像装置の位置姿勢、Kp2個の平面上に拘束される点指標の位置、P個の平面のパラメータについての観測方程式を立てる。この場合、未知数となる補正値の数は、(6×N+2×Kp2+3×P)個である。 The observation equation of Equation (39) holds as many as the number of indices observed on the image. Expression (39) is an observation equation for the position and orientation correction value of one imaging apparatus, the correction value of the position of one point index, and the correction value of one plane parameter. Here, as shown in the following equation, an observation equation is established for the position and orientation of the N imaging devices, the position of the point index constrained on the K p2 planes, and the parameters of the P planes. In this case, the number of correction values to be unknown is (6 × N + 2 × K p2 + 3 × P).
画像i(i=1,・・・,N)から検出される点指標の数をdpi個とすると、N枚の画像から検出される点指標の数Dpは次式のようになる。 If the number of point indices detected from the image i (i = 1,..., N) is d pi , the number D p of point indices detected from the N images is as follows.
N枚の画像から検出される点指標の数がDpである場合には、観測方程式(37)がDp組、つまり2×Dp本の観測方程式が立つ。式(39)の観測方程式の左辺の定数項F0、G0を右辺に移項し、連立方程式を立てると、この連立方程式は次式のように行列形式で書くことができる。
J・△=E ・・・(42)
Jはヤコビ行列と呼ばれ、F、Gの撮像装置位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータについての偏微分係数を並べたものである。ヤコビ行列Jの行数は、観測方程式の数2×Dp個であり、列数は未知数の数(6×N+2×Kp2+3×P)と同じである。△は補正値ベクトルである。補正値ベクトルの要素数は未知数の数(6×N+2×Kp2+3×P)と同じである。Eは誤差ベクトルであり、概略値による投影位置の計算位置と観察位置uoの差−F0、−G0を要素として持つ。Eの要素数は、観測方程式の数2×Dpと同じである。
When the number of point indices detected from N images is D p , the observation equation (37) has D p sets, that is, 2 × D p observation equations. When the constant terms F 0 and G 0 on the left side of the observation equation of Equation (39) are transferred to the right side and a simultaneous equation is established, this simultaneous equation can be written in matrix form as the following equation.
J · △ = E (42)
J is called a Jacobian matrix, and is an array of F and G imaging device positions and orientations, point index positions, and partial differential coefficients for plane parameters. The number of rows of the Jacobian matrix J is the number of
なお、基準座標系における位置が既知である点指標を同時に撮影することによって、基準座標系の原点、スケール、姿勢を明示的に指定することができる。これらの指標についての式(40)の方程式では、指標の位置についての偏微分係数の値はすべて0となる。基準座標系の原点、スケール、姿勢を明示的に指定するためには、点指標であれば位置が既知の点指標を3個用いればいい。 It should be noted that the origin, scale, and orientation of the reference coordinate system can be explicitly specified by simultaneously photographing point indices whose positions in the reference coordinate system are known. In the equation (40) for these indices, the values of the partial differential coefficients for the positions of the indices are all zero. In order to explicitly specify the origin, scale, and orientation of the reference coordinate system, it is sufficient to use three point indices whose positions are known as point indices.
式(42)のヤコビ行列Jが、正方行列ではない場合には、次式に示すように両辺にヤコビ行列Jの転置行列をかけることにより最小二乗法によって補正値ベクトル△を求めることができる。
(Jt・J)△=Jt・E ・・・(43)
すなわち、ヤコビ行列Jの転置行列をかけることで正方行列JTJを作り、その逆行列(JTJ)−1を求めて両辺にかけることによって補正値を得る。しかしながら、行列JTJは未知パラメータの数に応じてサイズが大きくなるため、その逆行列の計算は一般に計算負荷が大きい。一方で、ヤコビ行列Jは0を多く含む疎行列であることから、逆行列(JTJ)−1を求めて直接的に補正値ベクトル△を求めるよりも、この疎行列の構造を利用し、未知パラメータを分割して求めることによって効率的に計算を行うことができる。
When the Jacobian matrix J in the equation (42) is not a square matrix, the correction value vector Δ can be obtained by the least square method by multiplying both sides by the transposed matrix of the Jacobian matrix J as shown in the following equation.
(J t · J) Δ = J t · E (43)
That is, a square matrix J T J is formed by applying a transposed matrix of the Jacobian matrix J, and an inverse matrix (J T J) −1 is obtained and applied to both sides to obtain a correction value. However, since the size of the matrix J T J increases with the number of unknown parameters, the calculation of the inverse matrix generally has a heavy calculation load. On the other hand, since the Jacobian matrix J is a sparse matrix containing many 0s, the structure of this sparse matrix is used rather than obtaining the inverse matrix (J T J) −1 and obtaining the correction value vector Δ directly. The calculation can be performed efficiently by dividing and obtaining the unknown parameters.
ステップS4030では段階的に未知パラメータを求めるための係数行列を求める。ここで、配置情報パラメータを種類ごとにまとめ、N台の撮像装置の位置姿勢、Kp2個の点指標の位置、P個の平面パラメータをそれぞれ別々に求めることを考える。補正値ベクトル△は、次式のように、撮像装置の位置姿勢の補正値ベクトル△c、点指標の位置の補正値ベクトル△p、平面の補正値ベクトル△PLに分割される。式(43)の行列Jt・Jを配置情報パラメータごとに分割し、右辺をまとめると次式のようになる。 In step S4030, a coefficient matrix for obtaining unknown parameters is obtained step by step. Here, it is considered that the arrangement information parameters are collected for each type, and the position and orientation of the N imaging devices, the positions of the K p2 point indicators, and the P plane parameters are obtained separately. The correction value vector Δ is divided into a position / orientation correction value vector Δ c , a point index position correction value vector Δ p , and a planar correction value vector Δ PL as in the following equation. When the matrix J t · J of Expression (43) is divided for each placement information parameter and the right side is collected, the following expression is obtained.
ここで、分割した係数行列について説明する。撮像装置の位置姿勢に関するヤコビ行列αとその転置αTをかけた行列をU=αTα、点指標の位置に関するヤコビ行列βとその転置βTをかけた行列をV=βTβ、平面パラメータに関するヤコビ行列γとその転置γTをかけた行列をT=γTγ、またW1=αTβ、W2=αTγである。点指標の位置と平面パラメータはそれぞれ関連しているのでX=βTγ≠0となる。さらに第一実施形態と同様にα、β、γのサブ行列成分のみを計算することでαTα、βTβ、γTγが求まるのでコンピュータにおいて計算する際に確保するメモリが通常通り計算するよりも少なくてすむ。すなわち,U、V、Tの対角にあるサブ行列をそれぞれUi、Vj、Tkとすると,次式となる。
Ui=αii Tαii ・・・(18)
Here, the divided coefficient matrix will be described. A matrix obtained by multiplying the Jacobian matrix α related to the position and orientation of the imaging apparatus and its transposition α T is U = α T α, a Jacobian matrix β related to the position of the point index and a matrix multiplied by the transposition β T is V = β T β, and a plane A matrix obtained by multiplying the Jacobian matrix γ related to the parameter and its transposition γ T is T = γ T γ, W 1 = α T β, and W 2 = α T γ. Since the position of the point index and the plane parameter are related to each other, X = β T γ ≠ 0. Further, as in the first embodiment, α T α, β T β, and γ T γ are obtained by calculating only α, β, and γ sub-matrix components, so that the memory that is secured when calculating in the computer is calculated as usual. Less than you do. That is, if the sub-matrices on the diagonal of U, V, and T are U i , V j , and T k , respectively, the following equations are obtained.
U i = α ii T α ii (18)
α、β、γのサブ行列をそれぞれαii、βij、γikによって表す。Nは,撮影した画像の枚数を表す。 The α, β, and γ sub-matrices are represented by α ii , β ij , and γ ik , respectively. N represents the number of captured images.
従って、未知パラメータの係数行列であるJt・J行列を求める際には、U、V、T、W1、W2、Xを求めればよい。 Therefore, U, V, T, W 1 , W 2 , and X may be obtained when obtaining a J t · J matrix that is a coefficient matrix of unknown parameters.
ステップS5040では、まず右上三角行列を作り、そのあと後退代入によって段階的に補正値を算出する。分割したJt・J行列と誤差ベクトルを並べて計算すると、次のようになる。 In step S5040, an upper right triangular matrix is first created, and then correction values are calculated stepwise by backward substitution. When the divided Jt · J matrix and the error vector are calculated side by side, the calculation is as follows.
以下で、分割したブロックを行ごとに変形し、右上三角行列をつくる。 In the following, the divided block is transformed for each row to create an upper right triangular matrix.
ここで、P22=V−W1 TU−1W、P23=X−W1 TU−1W2、F2=E2−W1 TU−1E1、P32=XT−W2 TU−1W、P33=T−W2 TU−1W2、F3=E3−W2 TU−1E1、と置くと、
Here, P 22 = V-W 1 T U -1 W, P 23 =
ここで、L33=P33−P32P22 −1P23、G3=F3−P32P22 −1F2、と置くと
Here, L 33 = P 33 -P 32 P 22 -1 P 23,
となり、式(48)は、式(52)のように右上三角行列に変形できる。 Equation (48) can be transformed into an upper right triangular matrix as shown in Equation (52).
ステップS5050では、式(53)の補正値ベクトルについて後退代入を行うと、次式のように配置情報パラメータの概略値の補正値ベクトルが求まる。
△PL=L33 −1G3
△P=P22 −1F2−(P22 −1P23)△3 ・・・(54)
△C=U−1E1−(U−1W1)△2−(U−1W2)△3
ここで、Uの行列サイズは(6N×6N)、P22の行列サイズは(2Kp2×2Kp2)は、L11の行列サイズは(3P×3P)である。△Cを求めるために、Uの逆行列を計算しているが、上記のような分割を行わずに△をすべて同時に解く場合には、((6N+2Kp2+3P)×(6N+2Kp2+3P))のサイズの逆行列を求める必要がある。しかし、補正値を求めるための逆行列計算において分割して解くことにより、△Cは(6N×6N)、△Pは(2Kp2×2Kp2)、△PLは(3P×3P)、のサイズに縮約した逆行列を求めればよい。
In step S5050, when backward substitution is performed for the correction value vector of Expression (53), a correction value vector of the approximate value of the placement information parameter is obtained as in the following expression.
△ PL = L 33 -1 G 3
△ P = P 22 -1 F 2 - (P 22 -1 P 23) △ 3 ··· (54)
△ C = U -1 E 1 - (U -1 W 1) △ 2 - (U -1 W 2) △ 3
Here, the matrix size of U is (6N × 6N), the matrix size of P 22 is (2K p2 × 2K p2 ), and the matrix size of L 11 is (3P × 3P). Δ In order to obtain C , the inverse matrix of U is calculated. However, if all Δ are solved simultaneously without performing the above division, ((6N + 2K p2 + 3P) × (6N + 2K p2 + 3P)) It is necessary to obtain an inverse matrix of size. However, by solving divided in inverse matrix calculation for obtaining the correction value, △ C is (6N × 6N), △ P is (2K p2 × 2K p2), △ PL is (3P × 3P), the size of the What is necessary is just to obtain the inverse matrix reduced to.
また、次式のような正方行列であるサブ行列が対角にあり,かつ各サブ行列のサイズがDで等しい行列は、式(56)のように(Dn×Dn)の逆行列演算を求める問題が、n個の(D×D)の逆行列演算を求める問題へと縮約でき、高速化できることを第一の実施形態で述べた。 In addition, a sub-matrix that is a square matrix such as the following equation is diagonal, and the size of each sub-matrix is equal to D, an inverse matrix operation of (Dn × Dn) is obtained as in equation (56). The first embodiment described that the problem can be reduced to the problem of obtaining n (D × D) inverse matrix operations, and the speed can be increased.
上記で説明した補正値△の算出過程では、Uについてのみ式(56)のような計算ができる。しかし、最も効率よく計算を行うためには、配置情報パラメータの計算順序を考慮して、U、V、Tのうち最もサイズの大きい行列に式(56)のような計算を行うように式変形を行い、連立方程式を解けばよい。 In the process of calculating the correction value Δ described above, only the calculation for U can be performed as in Expression (56). However, in order to perform the calculation most efficiently, the calculation order of the expression (56) is applied to the matrix having the largest size among U, V, and T in consideration of the calculation order of the arrangement information parameters. To solve the simultaneous equations.
ステップS5060では、ステップS5050で後退代入して得られた結果から各概略値の補正値△、つまりここでは撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、正方形指標の位置姿勢、平面のパラメータの概略値に対する補正値を求める。ステップS5070では、求めた補正値を概略値に加え、それを新しい概略値とする。 In step S5060, the correction value Δ of each approximate value from the result obtained by backward substitution in step S5050, that is, the position and orientation of the imaging device, the position of the point index, the position and orientation of the square index, and the approximate value of the plane parameter here. The correction value for is obtained. In step S5070, the obtained correction value is added to the approximate value, and is set as a new approximate value.
次にステップS5080において、収束判定を行う。収束判定は、補正値の絶対値が指定した閾値を下回る、投影位置の計算位置と観察位置の差が指定した閾値を下回る、投影位置の計算位置と観察位置の差が極小となる、などの条件を判定することにより行う。本ステップで収束していると判定された場合、指標の配置情報計測を終了し、収束していない場合は、ステップS5020に戻り、補正された撮像装置の位置姿勢、点指標の位置、平面のパラメータの概略値をもとに再度連立方程式を立式する。 In step S5080, convergence determination is performed. Convergence determination is such that the absolute value of the correction value falls below a specified threshold, the difference between the calculated position of the projected position and the observed position falls below the specified threshold, the difference between the calculated position of the projected position and the observed position becomes minimal, etc. This is done by determining the conditions. If it is determined in this step that it has converged, the marker placement information measurement ends. If it has not converged, the process returns to step S5020, and the corrected position and orientation of the imaging device, the position of the point index, the plane Formulate simultaneous equations again based on the approximate values of the parameters.
以上、説明したように、本実施形態では、指標が配置されたシーンの画像を多数撮影し、撮影された画像から指標を検出・同定し、同一平面上に存在する複数の指標を指定し、画像上の指標観察位置と、指標が同一平面上に存在するという拘束条件とから、撮影した撮像装置の位置姿勢、平面上に拘束される指標の配置情報、平面のパラメータの概略値に対する補正値を、観測方程式を満たす配置情報パラメータごとに分割して段階的に求めて、概略値を補正する操作を繰返し行うことによって、高速に指標の配置情報を求める。 As described above, in the present embodiment, a large number of images of a scene in which indices are arranged are captured, the indices are detected and identified from the captured images, and a plurality of indices existing on the same plane are designated, From the index observation position on the image and the constraint condition that the index exists on the same plane, the position and orientation of the imaged imaging device, the arrangement information of the index constrained on the plane, and the correction value for the approximate value of the plane parameter Is obtained stepwise by dividing it into arrangement information parameters satisfying the observation equation, and the operation for correcting the approximate value is repeatedly performed to obtain the arrangement information of the index at high speed.
(変形例2−1)
第二実施形態では、指標の配置に関する拘束条件として、複数の指標が同一平面上に存在するという拘束条件を与えたときにでも、指標の配置情報計測を高速化したが、指標の配置に関する拘束条件として、複数の平面指標の法線ベクトルの方向が同じであるという拘束条件であってもよい。
(Modification 2-1)
In the second embodiment, even when a constraint condition that a plurality of indexes exist on the same plane is given as a constraint condition related to the marker placement, the marker placement information measurement is speeded up. The condition may be a constraint condition that the directions of the normal vectors of a plurality of plane indices are the same.
図12は本実施形態を適用可能な指標配置を示す図である。図では、正方形指標が4個配置されており、4個の正方形指標の法線ベクトル、すなわち各正方形指標のzs軸の方向が同じであるとする。 FIG. 12 is a diagram showing an index arrangement to which this embodiment can be applied. In the figure, it is assumed that four square markers are arranged, and the normal vectors of the four square markers, that is, the directions of the z s axes of the square markers are the same.
正方形指標の法線ベクトルの向きをθ、φで表す。法線ベクトルは、基準座標系のz軸の単位ベクトルをx軸まわりにθだけ回転し、次にy軸まわりにφだけ回転したベクトルであるとする。θ、φは、法線ベクトルが同じ方向である複数の正方形指標にとって共通の値を持つ。個々の正方形指標のz軸まわりの回転をψとすると、正方形指標の基準座標系に対する姿勢Rsは次式によって表される。 The direction of the normal vector of the square index is represented by θ and φ. The normal vector is a vector obtained by rotating the z-axis unit vector of the reference coordinate system by θ around the x axis and then rotating by φ around the y axis. θ and φ have a common value for a plurality of square indices whose normal vectors are in the same direction. When rotation about the z-axis of each square index is ψ, the posture R s of the square index with respect to the reference coordinate system is expressed by the following equation.
個々の正方形指標の基準座標系における位置をts=[tsx tsy tsz]tとすると、正方形指標上の点xs=[xs ys]tの基準座標系における位置xwは次式によって表される。 Assuming that the position of each square index in the reference coordinate system is t s = [t sx t sy t sz ] t , the position x w of the point x s = [x s y s ] t on the square index is It is expressed by the following formula.
正方形指標の各頂点の基準座標系における位置は、法線ベクトルの向きθ、φ、正方形指標のz軸まわりの姿勢ψ、正方形指標の基準座標系における位置tsの関数となる。よって、法線ベクトルが拘束される場合の正方形指標の観測方程式は次式のようになる。 Position in the reference coordinate system of each vertex of the square marker, the orientation θ of the normal vector, phi, orientation around the z axis of the square indices [psi, a function of the position t s in the reference coordinate system of the square marker. Therefore, the observation equation of the square index when the normal vector is constrained is as follows.
指標の配置情報を求める際には、複数の観測方程式(68)をもとに連立方程式を立て、撮像装置の位置姿勢、指標の配置情報、法線ベクトルの向きθ、φの概略値に対する補正値を求め、繰返し計算によって概略値を最適化する。第二実施形態と同様に、未知パラメータを段階的に求める。図16は、ある法線ベクトルを共通に持つ正方形指標が2個、別の法線ベクトルを共通に持つ正方形指標が2個シーン中に存在する場合に、シーンの画像を3枚撮影した場合のヤコビ行列の構造を表している。図の白い部分は必ず0が入ることを表しており、黒い部分は必ずしも0が入らない部分を示している。図16で示すような疎行列の構造を利用することで、第二実施形態と同様に未知パラメータをカメラの位置姿勢、正方形指標の位置姿勢、法線ベクトルのパラメータに分割して求めることができるため、バンドル調整計算が高速化される。また、第二実施形態と同様に後退代入で補正値を求める際に、最も未知係数の多い種類のパラメータを最後に求めることで、逆行列計算を効率化することも可能である。 When obtaining the index placement information, a simultaneous equation is established based on a plurality of observation equations (68), and corrections are made to the approximate values of the position and orientation of the imaging apparatus, the placement information of the index, and the normal vector orientations θ and φ. Find the value and optimize the approximate value by iterative calculation. As in the second embodiment, unknown parameters are obtained in stages. FIG. 16 shows a case where three images of a scene are taken when two square markers having a common normal vector and two square markers having another normal vector are present in the scene. It represents the structure of the Jacobian matrix. The white portion of the figure indicates that 0 is always included, and the black portion indicates a portion where 0 is not necessarily included. By using the structure of the sparse matrix as shown in FIG. 16, the unknown parameters can be obtained by dividing into the camera position, the square index position and orientation, and the normal vector parameters as in the second embodiment. Therefore, the bundle adjustment calculation is speeded up. Similarly to the second embodiment, when obtaining a correction value by backward substitution, the inverse matrix calculation can be made more efficient by obtaining the parameter having the largest number of unknown coefficients last.
以上説明したように、指標の配置に関する拘束条件として、複数の指標の法線ベクトルの向きが共通である場合でも、配置情報パラメータごとに分割して段階的に求めて、指標の配置情報を高速に求めることができる。 As described above, as a constraint condition regarding index placement, even when the normal vectors of multiple indicators have the same orientation, they are divided into placement information parameters and obtained step by step, and index placement information can be obtained at high speed. Can be requested.
(変形例2−2)
第二実施形態では、指標の配置に関する拘束条件の種類を一つとして、指標の配置情報を求めていたが、複数の拘束条件が存在する場合であっても指標の配置情報を求めることができる。
(Modification 2-2)
In the second embodiment, the arrangement information of the index is obtained with one kind of constraint condition regarding the arrangement of the index. However, the arrangement information of the index can be obtained even when there are a plurality of constraint conditions. .
図13は、本実施形態を適用可能な指標配置を示す図である。図は、点指標1、正方形指標1が同一平面(平面1)上に存在し、正方形指標2、正方形指標3の法線ベクトルの向きが共通であり、点指標2、正方形指標4は配置に関して拘束条件がない場合を示している。
FIG. 13 is a diagram showing an index arrangement to which the present embodiment can be applied. In the figure, the
図13に示すシーンを撮像装置で撮影すると、点指標1については観測方程式(62)が、正方形指標1については観測方程式(63)が、正方形指標2、3については観測方程式(68)が、点指標2については平面に拘束されない点指標の位置を△tpx、△tpy、△tpzとすると観測方程式(69)が成り立ち、正方形指標4については平面に拘束されない正方形指標の位置を△tsx、△tsy、△tsz、平面に拘束されない正方形指標の姿勢を△ωsx、△ωsy、△ωszとすると観測方程式(70)が成り立つ。
When the scene shown in FIG. 13 is photographed by the imaging device, the observation equation (62) for the
式(62)、(63)、(68)〜(70)は一台の撮像装置の位置姿勢の補正値と、一個の指標の配置情報、一個の平面のパラメータ、一個の法線ベクトルの向きの補正値についての観測方程式である。次式に示すように、N台の撮像装置の位置姿勢、Kp1個の平面上に拘束されない点指標の位置、Kp2個の平面上に拘束される点指標の位置、Ks1個の平面上に拘束されない正方形指標の位置姿勢、Ks2個の平面上に拘束される正方形指標の位置姿勢、Ks3個の法線ベクトルが拘束される正方形指標の位置姿勢、P個の平面のパラメータ、V個の法線ベクトルの向きの補正値についての観測方程式を立てる。 Expressions (62), (63), (68) to (70) are the position and orientation correction values of one imaging apparatus, the arrangement information of one index, the parameters of one plane, and the direction of one normal vector. It is an observation equation about the correction value. As shown in the following equation, the position and orientation of the N imaging devices, the position of the point index not constrained on the K p1 planes, the position of the point index constrained on the K p2 planes, the K s1 plane The position and orientation of a square index not constrained above, the position and orientation of a square index constrained on K s2 planes, the position and orientation of a square index where K s3 normal vectors are constrained, the parameters of P planes, Establish an observation equation for the correction value of the direction of V normal vectors.
撮影画像上で検出された点指標及び、正方形指標の各頂点について式(71)の観測方程式を立て連立方程式として解く。これにより、未知パラメータ(撮像装置位置ti、撮像装置姿勢ωi、配置に関する拘束のない点指標の位置tpi、配置に関する拘束のない正方形指標の位置tsi、姿勢ωsi、平面上に拘束される点指標の位置tpl pi、平面上に拘束される正方形指標の位置tpl si、姿勢θpl i、法線ベクトルが拘束される正方形指標の位置tv si、姿勢ψi、平面のパラメータri、法線ベクトルの向きθv i、φv i)の概略値に対する補正値を求める。そして、繰返し演算によって概略値の補正を最適化する。 The observation equation of Expression (71) is set up and solved as simultaneous equations for each point index detected on the captured image and each vertex of the square index. As a result, unknown parameters (imaging device position t i , imaging device orientation ω i , position index position t pi without constraint on arrangement, square index position t si without orientation constraint, orientation ω si , constraint on plane Point index position t pl pi , square index position t pl si constrained on the plane, orientation θ pl i , square index position t v si , normal vector constrained, orientation ψ i , plane A correction value for the approximate value of the parameter r i and the direction of the normal vector θ v i , φ v i ) is obtained. Then, the correction of the approximate value is optimized by iterative calculation.
各未知パラメータの補正値を求める際には、第二実施形態と同様に、未知パラメータを段階的に求める。図17は、点指標1、正方形指標1が同一平面(平面1)上に存在し、正方形指標2、正方形指標3の法線ベクトルの向きが共通であり、点指標2、正方形指標4は配置に関して拘束条件がない場合に、これらすべての指標が撮影されるように画像を2枚撮影した場合のヤコビ行列の構造を表している。図の白い部分は必ず0が入ることを表しており、黒い部分は必ずしも0が入らない部分を示している。図17で示すような疎行列の構造を利用することで、未知パラメータを分割して求めることができる。また、第二実施形態と同様に後退代入で補正値を求める際に、最も未知パラメータ数の多い種類のパラメータを最後に求めることで、逆行列計算を効率化することも可能である。
When obtaining the correction value of each unknown parameter, the unknown parameter is obtained stepwise as in the second embodiment. In FIG. 17, the
以上説明したように、本実施形態では、指標の配置に関する拘束条件が複数存在する場合でも高速に指標の配置情報を求めることができる。 As described above, in the present embodiment, even when there are a plurality of constraint conditions related to marker placement, marker placement information can be obtained at high speed.
[第三実施形態]
第二実施形態では、指標の配置情報に拘束が存在する場合について詳細に説明したが、撮像装置の配置に拘束がある場合であっても、高速に指標及び撮像装置の配置情報を計算することができる。また、第一実施形態及び第二実施形態は、ヤコビ行列の撮像装置の位置姿勢に関する部分は、必ず正方行列であるサブ行列が対角にあり,かつ各サブ行列のサイズが6×6であった。しかし、本実施形態では、ヤコビ行列の撮像装置の位置姿勢に関する部分は、拘束条件の種類や有無によって分割される。
[Third embodiment]
In the second embodiment, the case where there is a constraint on the placement information of the index has been described in detail, but the placement information of the index and the imaging device can be calculated at high speed even when the placement of the imaging device is restrained. Can do. In the first embodiment and the second embodiment, the portion of the Jacobian matrix relating to the position and orientation of the imaging device always has a sub-matrix that is a square matrix diagonally and the size of each sub-matrix is 6 × 6. It was. However, in the present embodiment, the portion of the Jacobian matrix relating to the position and orientation of the imaging device is divided according to the type and presence / absence of constraint conditions.
例えば、撮像装置が平面に拘束される場合には、第二実施形態と同様に平面を極座標で表現する平面のパラメータをr=[r θ φ]、設定した平面座標系での撮像装置の位置をtpl=[tx pl ty pl 0]t、姿勢をω=[ωx ωy ωz]、平面に拘束される撮像装置の平面上での位置の補正値を△tx pl、△ty pl、平面に拘束されない点指標の位置をtp=[tpx tpy tpz]t、とすると、観測方程式は、次式のようになる。 For example, when the imaging apparatus is constrained to a plane, the plane parameter for expressing the plane in polar coordinates is set to r = [r θ φ], and the position of the imaging apparatus in the set plane coordinate system, as in the second embodiment. T pl = [t x pl t y pl 0] t , posture is ω = [ω x ω y ω z ], and the correction value of the position on the plane of the imaging device constrained by the plane is Δt x pl , If Δt y pl and the position of the point index not constrained by a plane is t p = [t px t py t pz ] t , the observation equation is as follows.
第二実施形態と同様に、未知パラメータを段階的に求める。図18は、平面に拘束されない撮像装置が1個、平面に拘束される撮像装置が2個、拘束されない点指標が2個シーン中に存在する場合に、シーンの画像をそれぞれの撮像装置で1枚撮影した場合のヤコビ行列の構造を表している。図の白い部分は必ず0が入ることを表しており、黒い部分は必ずしも0が入らない部分を示している。図18で示すような疎行列の構造を利用することで、第二実施形態と同様に未知パラメータを平面に拘束されない撮像装置の位置姿勢、平面に拘束される撮像装置の位置姿勢、平面のパラメータ、点指標の位置、に分割して求めることができるため、バンドル調整計算が高速化される。また、第二実施形態と同様に後退代入で補正値を求める際に、最も未知パラメータの多い種類のパラメータを最後に求めることで、逆行列計算を効率化することも可能である。 As in the second embodiment, unknown parameters are obtained in stages. FIG. 18 shows that when there are one imaging device that is not constrained to a plane, two imaging devices that are constrained to a plane, and two unconstrained point indexes in a scene, the image of the scene is 1 for each imaging device. This shows the structure of the Jacobian matrix when taking a picture. The white portion of the figure indicates that 0 is always included, and the black portion indicates a portion where 0 is not necessarily included. By using the structure of the sparse matrix as shown in FIG. 18, as in the second embodiment, the position and orientation of the imaging device in which the unknown parameters are not constrained by the plane, the position and orientation of the imaging device constrained by the plane, and the plane parameters Therefore, the bundle adjustment calculation is speeded up. Similarly to the second embodiment, when calculating a correction value by backward substitution, it is possible to improve the efficiency of inverse matrix calculation by determining the type of parameter having the most unknown parameters last.
以上説明したように、本実施形態では、撮像装置の配置に関する拘束条件が存在する場合でも高速に指標及び撮像装置の配置情報を求めることができる。また、撮像装置が平面上に拘束される以外の拘束条件によって拘束される場合であっても、指標の拘束条件として述べてきた他の拘束条件がある場合と同様に撮像装置の拘束条件も扱うことが可能であることは言うまでもない。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain the index and the arrangement information of the imaging device at high speed even when the constraint condition regarding the arrangement of the imaging device exists. In addition, even when the imaging apparatus is constrained by a constraint condition other than being constrained on a plane, the constraint condition of the imaging apparatus is handled in the same manner as when there are other constraint conditions described as the index constraint conditions. It goes without saying that it is possible.
[他の実施形態]
(他の実施形態−1)
上記実施形態のそれぞれでは、代表的な未知パラメータの種類のそれぞれにおける具体的な処理方法を説明した。未知処理パラメータの種類を判定し、その判定結果に応じた処理方法を用いることにより、未知パラメータの種類に応じて、上記複数の実施形態の処理方法を適応的に実行可能な配置情報計測装置を提供することができる。
[Other Embodiments]
(Other embodiment-1)
In each of the above embodiments, a specific processing method for each of the types of typical unknown parameters has been described. An arrangement information measuring apparatus capable of adaptively executing the processing methods of the plurality of embodiments according to the types of unknown parameters by determining the types of unknown processing parameters and using a processing method according to the determination result. Can be provided.
例えば、第一の実施形態では、指標検出部3030によって検出される指標の情報に基づき、未知パラメータの種類を判定することができる。すなわち、指標検出部3030によって検出される点指標の位置、かつ指標検出部3030によって検出される正方形指標の位置姿勢、及びそれらの指標を撮影する撮像装置の位置姿勢を、未知パラメータの種類であると判定する。
For example, in the first embodiment, the type of the unknown parameter can be determined based on the index information detected by the
第二の実施形態では、指標検出部2030によって検出される指標の情報及び、拘束条件設定部2040に基づき、未知パラメータの種類を判定することができる。すなわち、指標検出部2030によって検出される点指標の位置、拘束条件設定部2040によって設定される平面拘束条件における平面パラメータ、及びそれらの指標を撮影する撮像装置の位置姿勢を、未知パラメータの種類であると判定する。
In the second embodiment, the type of the unknown parameter can be determined based on the index information detected by the
このように、未知パラメータの種類は、データ管理部に入力される情報から判定することができる。 In this way, the type of unknown parameter can be determined from information input to the data management unit.
(他の実施形態−2)
上記実施形態では、拘束条件がある場合にはその拘束条件を満たすように観測方程式を解いた。そして、配置情報パラメータの概略値に対する補正値を、観測方程式を満たす配置情報パラメータごとに分割して段階的に求めた。そして、概略値を補正する操作を繰返し行うことによって、指標及び撮像装置の配置情報を求めた。しかし、観測方程式を分割する方法は、観測方程式に表れる配置情報パラメータの種類の違いを利用した分割方法であれば何でもよい。
(Other embodiment-2)
In the above embodiment, when there is a constraint condition, the observation equation is solved so as to satisfy the constraint condition. Then, a correction value for the approximate value of the arrangement information parameter was obtained stepwise by dividing the arrangement information parameter satisfying the observation equation. Then, the index and the arrangement information of the imaging device were obtained by repeatedly performing the operation of correcting the approximate value. However, any method may be used for dividing the observation equation as long as it uses a difference in the type of arrangement information parameter appearing in the observation equation.
観測方程式の連立方程式は、次式となるが、
(Jt・J)△=Jt・E ・・・(73)
観測方程式を満たす配置情報パラメータであれば、補正値ベクトル△の係数行列であるJt・J行列を分割することができる。Jt・J行列を配置情報パラメータごとにブロックとして分割し、右辺をまとめると次式のようになる。
The simultaneous equations of observation equations are as follows,
(J t · J) Δ = J t · E (73)
If the arrangement information parameter satisfies the observation equation, the J t · J matrix that is the coefficient matrix of the correction value vector Δ can be divided. The J t · J matrix is divided into blocks for each arrangement information parameter, and the right side is summarized as follows.
ここでmは、配置情報パラメータの種類の数だけ存在する。分割したブロックごとに前進消去を行うと、次式のような1つのパラメータがブロックとなる右上三角行列ができる。 Here, m exists as many as the types of arrangement information parameters. When forward erasure is performed for each divided block, an upper right triangular matrix in which one parameter is a block as shown in the following equation is formed.
分割したブロックごとに後退代入を行い、後退代入して得られた結果から各概略値の補正値△を求める。 Backward substitution is performed for each divided block, and a correction value Δ for each approximate value is obtained from the result obtained by backward substitution.
第一実施形態及び第二実施形態と同様に未知パラメータの種類によって分割して疎行列の構造を利用することでバンドル調整計算が高速化される。また、第一実施形態及び第二実施形態と同様に後退代入で補正値を求める際に、最も未知パラメータの多い種類のパラメータを最後に求めることで、逆行列計算を効率化することも可能である。 Similar to the first embodiment and the second embodiment, the bundle adjustment calculation is speeded up by using the structure of the sparse matrix by dividing according to the types of unknown parameters. In addition, as in the first embodiment and the second embodiment, when calculating the correction value by backward substitution, it is possible to improve the efficiency of the inverse matrix calculation by obtaining the parameter with the most unknown parameters last. is there.
以上、説明したように配置情報パラメータの概略値に対する補正値を、観測方程式を満たす配置情報パラメータの種類に応じて分割し段階的に求めて、概略値を補正する操作を繰返し行うことによって、指標及び撮像装置の配置情報を求める計算を高速化することができる。 As described above, the correction value for the approximate value of the placement information parameter is divided according to the type of the placement information parameter that satisfies the observation equation, is obtained in stages, and the operation for correcting the approximate value is repeatedly performed, thereby providing an index. In addition, the calculation for obtaining the arrangement information of the imaging device can be speeded up.
(他の実施形態−3)
上記実施形態では、指標の配置情報の補正方法として、観測方程式をテイラー展開しその1次の項までを利用して繰り返し補正していく方法を述べた。これは、ある繰り返しの一過程において、局所的に観測方程式を線形近似し、誤差0となると仮定した場合の未知パラメータの補正量を推定する方法であり、一般にニュートン法と呼ばれている方法と等価な方法である。ニュートン法は非線形方程式を数値演算により求解する代表的な方法であるが、上記実施形態に適用可能な繰り返し演算方法はこの方法に限ったものではない。例えば、ニュートン法と同様に周知の技術として知られているLevenberg−Marquardt法のように、一過程において推定される未知パラメータの補正量のばらつきに基づいて、補正量を動的に変更してもよい。また、テイラー展開した結果をより高次の項まで考慮して、繰り返し演算を行うような方法であっても良い。上記実施形態の特徴は、配置情報量の異なる複数種類の指標が混在して存在している場合であっても、それぞれの種類の指標を有効に利用して最適な解を求めることである。
(Other embodiment-3)
In the above embodiment, as a method for correcting the index arrangement information, a method has been described in which the observation equation is Taylor-expanded and repeatedly corrected using up to the first order term. This is a method of linearly approximating the observation equation locally in one iteration and estimating the correction amount of the unknown parameter when it is assumed that the error is zero. It is an equivalent method. The Newton method is a typical method for solving a nonlinear equation by numerical calculation, but the iterative calculation method applicable to the above embodiment is not limited to this method. For example, even if the correction amount is dynamically changed based on the variation in the correction amount of the unknown parameter estimated in one process, such as the Levenberg-Marquardt method, which is known as a well-known technique as in the Newton method. Good. Further, it may be a method in which the result of Taylor expansion is taken into consideration up to higher order terms and repeated calculation is performed. The feature of the above embodiment is that even when a plurality of types of indicators having different arrangement information amounts exist together, an optimal solution is obtained by effectively using each type of indicator.
(他の実施形態−4)
本発明の目的は、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憶媒体(または記録媒体)を、システムあるいは装置に供給し、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)が記憶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とによっても、達成されることは言うまでもない。この場合、記憶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憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム(OS)などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
(Other embodiment-4)
An object of the present invention is to supply a storage medium (or recording medium) in which a program code of software for realizing the functions of the above-described embodiments is recorded to a system or apparatus, and a computer (or CPU or MPU) of the system or apparatus Needless to say, this can also be achieved by reading and executing the program code stored in the storage medium. In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiment, and the storage medium storing the program code constitutes the present invention. Further, by executing the program code read by the computer, not only the functions of the above-described embodiments are realized, but also an operating system (OS) running on the computer based on the instruction of the program code. It goes without saying that a case where the function of the above-described embodiment is realized by performing part or all of the actual processing and the processing is included.
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。 Furthermore, after the program code read from the storage medium is written into a memory provided in a function expansion card inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function is determined based on the instruction of the program code. It goes without saying that the CPU or the like provided in the expansion card or the function expansion unit performs part or all of the actual processing and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.
本発明を上記記憶媒体に適用する場合、その記憶媒体には先に説明したフローチャートに対応するプログラムコードが格納されることになる。 When the present invention is applied to the above-mentioned storage medium, the program code corresponding to the flowchart described above is stored in the storage medium.
Claims (14)
前記指標を撮影した画像から検出された指標の画像座標に関する情報を取得する取得工程と、
前記指標の配置情報の初期値を設定する設定工程と、
前記指標の画像座標に関する情報と、前記画像の撮影時における撮像装置の位置姿勢と、前記指標の配置情報の初期値とについての観測方程式を解くことにより、前記指標の配置情報を算出する算出工程とを有し、
前記配置情報算出工程は、前記観測方程式における未知パラメータを3個以上に分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出することを特徴とする情報処理方法。 An information processing method for measuring index placement information,
An acquisition step of acquiring information related to the image coordinates of the index detected from the image obtained by capturing the index;
A setting step for setting an initial value of the placement information of the index;
A calculation step of calculating the placement information of the index by solving an observation equation for information on the image coordinate of the index, the position and orientation of the imaging device at the time of capturing the image, and the initial value of the placement information of the index And
The information processing method characterized in that the arrangement information calculation step divides the unknown parameter in the observation equation into three or more and calculates the divided unknown parameter stepwise.
前記未知パラメータには、前記撮像装置の位置姿勢に関するパラメータ、前記第一の指標の配置情報に関するパラメータおよび前記第二の指標の配置情報に関するパラメータが含まれ、
前記分割した未知パラメータには、前記撮像装置の位置姿勢に関するパラメータ、前記第一の指標の配置情報に関するパラメータおよび前記第二の指標の配置情報に関するパラメータが含まれることを特徴とする請求項1に記載の情報処理方法。 The indicators include first and second indicators of different types,
The unknown parameters include parameters related to the position and orientation of the imaging device, parameters related to the placement information of the first index, and parameters related to the placement information of the second index,
2. The divided unknown parameter includes a parameter related to a position and orientation of the imaging apparatus, a parameter related to arrangement information of the first index, and a parameter related to arrangement information of the second index. The information processing method described.
前記未知パラメータには拘束条件に関するパラメータが含まれることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の情報処理方法。 Furthermore, it has an index constraint condition acquisition step of acquiring a constraint condition related to the index,
The information processing method according to claim 1, wherein the unknown parameter includes a parameter related to a constraint condition.
前記未知パラメータには拘束条件に関するパラメータが含まれることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の情報処理方法。 Furthermore, based on a limited geometric constraint in which the imaging device exists, an imaging device constraint condition acquisition step of acquiring a constraint condition that the imaging device may exist in the space,
The information processing method according to claim 1, wherein the unknown parameter includes a parameter related to a constraint condition.
前記画像から前記指標を検出し、前記検出された指標の画像座標に関する情報を取得する指標画像座標取得工程と、
前記指標に関する指標情報を取得する指標情報取得工程と、
前記指標の画像情報および前記指標情報に基づき観測方程式を設定する設定工程と、
前記指標情報に基づき前記観測方程式における未知パラメータの分割方法を設定する分割方法設定工程と、
前記設定された分割方法に基づき、前記観測方程式の未知パラメータを分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出する算出工程とを有することを特徴とする情報処理方法。 An acquisition step of acquiring an image of the index;
An index image coordinate acquisition step of detecting the index from the image and acquiring information relating to image coordinates of the detected index;
An index information acquisition step of acquiring index information related to the index;
A setting step for setting an observation equation based on the image information of the index and the index information;
A division method setting step of setting a division method of unknown parameters in the observation equation based on the index information;
An information processing method comprising: dividing an unknown parameter of the observation equation based on the set division method and calculating the divided unknown parameter stepwise.
前記未知パラメータには、前記撮像装置の位置姿勢に関するパラメータ、前記第一の指標の配置情報に関するパラメータおよび前記第二の指標の配置情報に関するパラメータが含まれ、
前記観測方程式における未知パラメータを、前記撮像装置の位置姿勢に関するパラメータ、前記第一の指標の配置情報に関するパラメータおよび前記第二の指標の配置情報に関するパラメータに分割することを特徴とする請求項1に記載の情報処理方法。 The indicators include first and second indicators of different types,
The unknown parameters include parameters related to the position and orientation of the imaging device, parameters related to the placement information of the first index, and parameters related to the placement information of the second index,
The unknown parameter in the observation equation is divided into a parameter relating to a position and orientation of the imaging device, a parameter relating to arrangement information of the first indicator, and a parameter relating to arrangement information of the second indicator. The information processing method described.
前記分割した未知パラメータには、指標の配置情報に関するパラメータおよび指標の拘束条件に関するパラメータが含まれることを特徴とする請求項9記載の情報処理方法。 The index information includes arrangement information of the index and constraint conditions of the index,
10. The information processing method according to claim 9, wherein the divided unknown parameters include a parameter related to index arrangement information and a parameter related to index constraint conditions.
前記指標を撮影した画像から検出された指標の画像座標に関する情報を取得する取得手段と、
前記指標の配置情報の初期値を設定する設定手段と、
前記指標の画像座標に関する情報と、前記画像の撮影時における撮像装置の位置姿勢と、前記指標の配置情報の初期値とについての観測方程式を解くことにより、前記指標の配置情報を算出する算出手段とを有し、
前記配置情報算出手段は、前記観測方程式における未知パラメータを3個以上に分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出することを特徴とする情報処理装置。 An information processing apparatus for measuring index arrangement information,
Obtaining means for obtaining information on image coordinates of an index detected from an image obtained by photographing the index;
Setting means for setting an initial value of the placement information of the index;
Calculation means for calculating the placement information of the index by solving an observation equation for information on the image coordinate of the index, the position and orientation of the imaging device at the time of capturing the image, and the initial value of the placement information of the index And
The arrangement information calculating means divides an unknown parameter in the observation equation into three or more, and calculates the divided unknown parameter stepwise.
前記画像から前記指標を検出し、前記検出された指標の画像座標に関する情報を取得する指標画像座標取得手段と、
前記指標に関する指標情報を取得する指標情報取得手段と、
前記指標の画像情報および前記指標情報に基づき観測方程式を設定する設定手段と、
前記指標情報に基づき前記観測方程式における未知パラメータの分割方法を設定する分割方法設定手段と、
前記設定された分割方法に基づき、前記観測方程式の未知パラメータを分割し、該分割した未知パラメータを段階的に算出する算出手段とを有することを特徴とする情報処理装置。 An acquisition means for acquiring an image of the index;
Index image coordinate acquisition means for detecting the index from the image and acquiring information relating to image coordinates of the detected index;
Index information acquisition means for acquiring index information related to the index;
Setting means for setting an observation equation based on the image information of the index and the index information;
A division method setting means for setting a division method of unknown parameters in the observation equation based on the index information;
An information processing apparatus comprising: a calculation unit that divides unknown parameters of the observation equation based on the set division method and calculates the divided unknown parameters stepwise.
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