JP3453769B2 - 3D information restoration device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、3次元空間中の物体を
写した2次元動画像より3次元情報を復元する3次元情
報復元装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional information restoring apparatus for restoring three-dimensional information from a two-dimensional moving image of an object in a three-dimensional space.
【0002】[0002]
【従来の技術】3次元空間中の物体を画面で表現する場
合、2次元画面に表示される。図2は物体が2次元画面
上に表わされる状況を説明する図である。X,Y,Z座
標で表わされる点は、イメージ画面上の(x,y)点で
表わされ、奥行を表わすZ値は、イメージ画面上で重な
りがある場合、Z値の小さい値をイメージ画面上に表わ
す。このようにして表わされる動画像から物体の3次元
運動を推定する方法として次の方法が用いられている。2. Description of the Related Art When an object in a three-dimensional space is represented on a screen, it is displayed on a two-dimensional screen. FIG. 2 is a diagram illustrating a situation where an object is represented on a two-dimensional screen. The point represented by the X, Y, and Z coordinates is represented by an (x, y) point on the image screen. When the Z value representing the depth is overlapped on the image screen, a small Z value is represented by an image. Show on screen. The following method is used as a method for estimating the three-dimensional motion of an object from the moving image represented in this manner.
【0003】例えば、物体の剛体性を仮定すると、その
運動はある基準点での並進速度ベクトル〔tx ,ty ,
tz 〕と回転速度ベクトル〔wx ,wy ,wz 〕とで一
意に決まる。この時、2次元画像上の点の位置ベクトル
を〔x,y〕、その時間微分である速度ベクトル場(オ
プティカルフロー)を〔x’,y’〕とする。図3はオ
プティカルフローの概念を説明する図で円筒を回転した
ときのオプティカルフローを示す。復元方程式は次のよ
うになる。For example, assuming the rigidity of an object, its motion is represented by a translation velocity vector [t x , t y ,
t z ] and the rotation speed vector [w x , w y , w z ]. At this time, the position vector of the point on the two-dimensional image is [x, y], and the velocity vector field (optical flow) that is the time derivative thereof is [x ', y']. FIG. 3 is a view for explaining the concept of the optical flow and shows the optical flow when the cylinder is rotated. The restoration equation is as follows.
【0004】[0004]
【数1】 (Equation 1)
【0005】この(1)式を解くことによって物体の運
動(並進速度ベクトルと回転速度ベクトル)と形状(奥
行き画像Z)が算出される。By solving equation (1), the motion (translation speed vector and rotation speed vector) and shape (depth image Z) of the object are calculated.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法では
奥行き画像Zにオプティカルフローのノイズが各点ごと
に直接きいてくることから、物体形状の推定精度は十分
ではなかった。本発明は、上述の問題点に鑑みてなされ
たもので、多数のフレームにおけるデータを利用するこ
とにより、奥行き座標値に対するノイズの影響を低減す
る3次元情報復元装置を提供することを目的とする。However, in this method, since the optical flow noise is directly detected at each point in the depth image Z, the estimation accuracy of the object shape is not sufficient. The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to provide a three-dimensional information restoration apparatus that reduces the influence of noise on depth coordinate values by using data in many frames. .
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、時系列画像からその画像に含まれる物体の並進速度
と回転速度の時系列を算出する剛体運動抽出部1と、物
体が従う運動法則を設定する運動法則設定部2と、前記
運動法則設定部2の設定した運動法則から回転運動式を
求め前記物体の姿勢を表わす3つのオイラー角の時系列
を記述するパラメータを前記回転速度の時系列より算出
する回転運動パラメータ算出部3と、前記運動法則設定
部2により設定された運動法則により前記物体の重心位
置の時系列を記述するパラメータを前記並進速度と前記
回転速度の時系列より算出する並進運動パラメータ算出
部4とを備え、入力画像の物体に対して、その物体の重
心位置と姿勢の時系列を算出する。In order to achieve the above object, a rigid body motion extraction unit 1 for calculating a time series of a translation speed and a rotation speed of an object contained in a time-series image, and a motion law which the object follows. And a parameter describing a time series of three Euler angles representing the posture of the object is obtained when the rotational speed is obtained, based on the motion law set by the motion law setting unit 2 and the motion law set by the motion law set unit 2. A parameter describing a time series of the position of the center of gravity of the object is calculated from the time series of the translation speed and the rotation speed according to the motion law set by the motion law setting unit 2 and the rotation motion parameter calculation unit 3 calculated from the series. And a translational motion parameter calculation unit 4 that calculates a time series of the position and orientation of the center of gravity of the object in the input image.
【0008】また、時系列画像からその画像に含まれる
物体の並進速度、回転速度および奥行き座標画像の時系
列を算出する剛体運動抽出部1と、物体が従う運動法則
を設定する運動法則設定部2と、前記運動法則設定部2
の設定した運動法則から回転運動式を求め、前記物体の
姿勢を表わす3つのオイラー角の時系列を記述するパラ
メータを前記回転速度の時系列より算出する回転運動パ
ラメータ算出部3と、前記運動法則により前記物体の重
心位置の時系列を記述するパラメータを前記並進速度と
前記回転速度の時系列より算出する並進運動パラメータ
算出部4と、前記剛体運動抽出部1の算出した奥行き座
標画像の時系列を前記回転運動パラメータ算出部3の算
出したオイラー角の時系列と前記並進運動パラメータ算
出手段4の算出した重心位置の時系列より前記物体の重
心を原点とする座標系である剛体固定座標系に換算する
座標変換部5と、この剛体固定座標系で表わされた前記
物体の形状を滑らかな形状とする物体表面形状算出部6
とを備えたものである。A rigid body motion extracting unit 1 for calculating a time series of a translation speed, a rotation speed and a depth coordinate image of an object included in the time-series image, and a motion-law setting unit for setting a motion law to be followed by the object. 2 and the motion law setting unit 2
A rotational motion equation is obtained from the motion rule set in the above, and a rotational motion parameter calculating unit 3 for calculating a parameter describing a time series of three Euler angles representing the posture of the object from the time series of the rotational speed; The translational motion parameter calculator 4 calculates a parameter describing the time series of the center of gravity position of the object from the time series of the translation speed and the rotation speed, and the time series of the depth coordinate image calculated by the rigid body motion extractor 1 From the time series of the Euler angles calculated by the rotation motion parameter calculation unit 3 and the time series of the center of gravity calculated by the translational motion parameter calculation means 4 to a rigid fixed coordinate system that is a coordinate system with the center of gravity of the object as the origin. A coordinate conversion unit 5 for conversion, and an object surface shape calculation unit 6 for smoothing the shape of the object represented by the rigid fixed coordinate system
It is provided with.
【0009】また、前記運動法則設定部2が運動法則を
前記物体の受ける力は変位の一次式で表わされるように
設定したものである。Further, the motion law setting unit 2 sets the motion law so that the force received by the object is expressed by a linear expression of displacement.
【0010】[0010]
【作用】奥行き座標値に対するノイズの影響を低減する
ためには、多数フレームのデータ(物体形状の時系列デ
ータ)を利用すればよいが、物体(剛体)上の点が画像
に投影される位置は剛体の動きに伴って変化するため、
奥行き座標値をフレーム間で対応づける(つまり物体形
状の時系列データを整合的に統合する)ことは必ずしも
容易ではない。In order to reduce the influence of noise on the depth coordinate value, data of many frames (time-series data of the shape of the object) may be used. Changes with the movement of the rigid body,
It is not always easy to associate depth coordinate values between frames (that is, to integrate time-series data of object shapes consistently).
【0011】この問題を解決するため、本発明は剛体の
重心を原点とする座標系(剛体固定座標系)でフレーム
間のデータの対応をとることにした。これを実現するた
めに奥行き座標値を、剛体固定座標系での値に換算する
必要がある。そのためには、時々刻々の物体の重心位置
と方位(姿勢)が判っていなければならない。並進速度
ベクトルや回転速度ベクトルをそのまま積分する方法で
は誤差が累積してしまい望ましくないので、これらの量
の時系列データと、運動方程式の知識を導入することに
よって得られるこれらの量の関数形を比較することによ
り、これらの関数形の係数を算出して、運動方程式を求
める。この運動方程式を元に各時刻の剛体の重心位置と
方位を算出するようにする。この結果を使えば各時刻に
おいて画像上の各点の奥行き座標値を剛体固定座標系に
写像することができ、多数のフレームで算出された奥行
き座標値を剛性固定座標系の上で平均化することで精度
よく剛体の形状が復元できる。In order to solve this problem, the present invention uses a coordinate system (rigid rigid coordinate system) with the origin of the center of gravity of a rigid body to correspond data between frames. In order to realize this, it is necessary to convert the depth coordinate value into a value in a rigid fixed coordinate system. For that purpose, the position of the center of gravity and the azimuth (posture) of the object must be known every moment. Integrating the translational velocity vector and the rotational velocity vector as they are is undesirable because errors accumulate. Therefore, the time series data of these quantities and the functional form of these quantities obtained by introducing the knowledge of the equation of motion are used. By comparison, the coefficients of these functional forms are calculated to obtain the equation of motion. Based on this equation of motion, the position and orientation of the center of gravity of the rigid body at each time are calculated. By using this result, the depth coordinate value of each point on the image at each time can be mapped to the rigid fixed coordinate system, and the depth coordinate values calculated for many frames are averaged on the rigid fixed coordinate system As a result, the shape of the rigid body can be accurately restored.
【0012】図4は物体形状の時系列データを整合的に
総合する説明図で、物体を剛体固定座標系で表わすと、
並進運動は座標系そのもの運動となるので表われず、回
転運動のみを表われる。1,2,3は慣性主軸を表わ
し、原点は剛体固定座標系の原点と一致する。左側は各
時刻における回転運動を表わす。この3つを重ねると右
側のようになるが、3つの円は一致しない。この不一致
量がノイズであり、このノイズがなければ3つの円は一
致するはずである。そこで本発明は、剛体固定座標上で
奥行き座標値を平均化することによりノイズの影響を少
くし、精度よく剛体の形状を復元するようにしたもので
ある。FIG. 4 is an explanatory diagram for consistently integrating the time series data of the object shape. When the object is represented by a rigid fixed coordinate system,
The translational motion does not appear because it is the coordinate system itself, but only the rotational motion. 1, 2, and 3 represent the principal axes of inertia, and the origin coincides with the origin of the rigid fixed coordinate system. The left side shows the rotational movement at each time. When these three are overlapped, they are on the right, but the three circles do not match. This mismatch amount is noise, and without this noise, the three circles should match. Therefore, the present invention reduces the influence of noise by averaging depth coordinate values on rigid body fixed coordinates, and restores the rigid body shape with high accuracy.
【0013】剛体運動抽出部1は時系列画像から、その
画像に含まれる物体の並進速度と回転速度の時系列を算
出する。回転運動パラメータ算出部3は設定された運動
法則に基づき運動方式をたて、この係数を回転速度の時
系列より算出し、物体の姿勢(方位)を表わす3つのオ
イラー角θ,ψ,φ,の時系列を算出する。並進運動パ
ラメータ算出部4は設定された運動法則により運動方程
式をたて、この係数を並進速度および回転速度の時系列
より算出し、物体の重心位置を算出する。これにより物
体の重心位置と姿勢が復元できる。The rigid body motion extracting unit 1 calculates a time series of the translation speed and the rotation speed of the object included in the time-series image. The rotational motion parameter calculation unit 3 sets a motion method based on the set motion law, calculates this coefficient from a time series of rotational speed, and obtains three Euler angles θ, ψ, φ, Is calculated. The translational motion parameter calculation unit 4 calculates a motion equation according to the set motion rule, calculates the coefficient from a time series of the translation speed and the rotation speed, and calculates the position of the center of gravity of the object. Thereby, the position and orientation of the center of gravity of the object can be restored.
【0014】剛体運動抽出部1では回転速度、並進速度
の外にさらに奥行き座標画像の時系列も求める。座標変
換部5はこの奥行き座標画像の時系列を、回転運動パラ
メータ算出部3の算出したオイラー角の時系列と並進運
動パラメータ算出部4の算出した重心位置の時系列から
剛体固定座標系で表わす。物体表面形状算出部6はこの
剛体固定座標系で表わされた奥行座標画像(これは物体
の表面の形状を表わしている)を所定の条件を与えて滑
らかにする。この滑らかにするということは図4で示し
たノイズを含んだデータの平均値を取ることに相当す
る。In addition to the rotation speed and the translation speed, the rigid body motion extraction unit 1 also obtains a time series of a depth coordinate image. The coordinate conversion unit 5 expresses the time series of the depth coordinate image in a rigid fixed coordinate system from the time series of the Euler angles calculated by the rotation motion parameter calculation unit 3 and the time series of the center of gravity calculated by the translation motion parameter calculation unit 4. . The object surface shape calculation unit 6 smoothes the depth coordinate image (which represents the shape of the surface of the object) represented by the rigid fixed coordinate system by giving a predetermined condition. This smoothing corresponds to taking the average value of the data including noise shown in FIG.
【0015】運動法則としては、物体の受ける力は変位
の1次式で表わされるように設定する。これは物体(剛
体)は2次式で表わされるポテンシャルの中を運動し、
力のモーメントを受けないものとした場合に相当する。
これにより回転運動の方程式も容易にたてられるように
なり、かつ現実にもかなり即したものとなっている。ま
た剛体の重心座標は単振動または等加速度運動を行う場
合に相当するので、現実の運動をよく再現できる。As a law of motion, the force received by the object is set so as to be expressed by a linear expression of displacement. This means that the object (rigid body) moves in the potential expressed by the quadratic equation,
This corresponds to the case where no moment of force is applied.
This makes it easy to formulate the equations of rotational motion and is quite realistic. In addition, since the coordinates of the center of gravity of the rigid body correspond to the case of performing a simple vibration or a constant acceleration movement, an actual movement can be well reproduced.
【0016】[0016]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は本発明の実施例の構成を示すブロック図で
ある。図5は実験室系と剛体固定系の座標の関係を示す
図である。図5において、実験室系とは通常のX,Y,
Z座標を有する座標系であり、剛体固定系は物体(剛体
とする)に固定された座標系でその原点を剛体の重心G
にとる。実験室系でP=(Px ,Py ,Pz )t で表わ
される点は、剛体固定系ではP0 =(P1 ,P 2 ,
P3 )t で表わされる。剛体の重心座標をG=(Gx ,
Gy ,Gz )t とし、剛体固定系の実験室系に対する回
転を表わす行列をRとすると次式が成立する。なお、
P,Gの下線付文字はベクトルを表わす。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
I do. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
is there. FIG. 5 shows the relationship between the coordinates of the laboratory system and the rigid fixed system.
FIG. In FIG. 5, the laboratory system is a normal X, Y,
A coordinate system having Z coordinates, and a rigid fixed system is an object (rigid
) And its origin is the center of gravity G of the rigid body
To take. In the laboratory systemP= (Px, Py, Pz)tRepresented by
Is that the rigid fixed systemP 0 = (P1, P Two,
PThree)tIs represented by The coordinates of the center of gravity of the rigid bodyG= (Gx,
Gy, Gz)tAnd the time for the rigid fixed system
If the matrix representing the inversion is R, the following equation holds. In addition,
Underlined characters of P and G represent vectors.
【0017】P=G+RP0 …(2)
ここで剛体固定系は実験室系と同じ向き(実験室系が右
手系ならば剛体固定系も右手系)を持つものとする。[0017] P = G + R P 0 ... (2) where a rigid fixed-line shall have the same orientation as the laboratory system (if the laboratory system is right-handed rigid fixation system is also right-handed).
【0018】図1において、剛体運動抽出部1は入力画
像の時系列から、実験室系の原点を基準とする並進速
度、回転速度および奥行き座標画像の時系列を算出す
る。運動法則設定部2は重心の回転運動および並進運動
の従う運動法則を設定する。回転運動パラメータ算出部
3は設定された運動法則から剛体の回転運動方程式をた
て、回転速度の時系列からこの運動方程式の係数(パラ
メータ)を算出する。並進運動パラメータ算出部4は設
定された運動法則から剛体の重心の運動方程式をたて、
回転速度および並進速度の時系列から運動方程式の係数
を算出する。座標変換部5は回転運動パラメータ算出部
3より得られる剛体の方位を表わす3つのオイラー角の
時系列より図5に示したRを求め、並進運動パラメータ
算出部4より得られた剛体の重心位置とから、奥行き座
標値を剛体固定系の座標に変換する。物体表面形状算出
部6はこの変換した奥行き座標値を極座標表示に変換
し、滑らかさ条件を満たすようにして剛体表面の形状を
求める。In FIG. 1, a rigid motion extraction unit 1 calculates a time series of a translation speed, a rotation speed and a depth coordinate image based on the origin of a laboratory system from a time series of an input image. The motion rule setting unit 2 sets a motion rule according to the rotational motion and the translational motion of the center of gravity. The rotational motion parameter calculation unit 3 calculates a rigid body rotational motion equation from the set motion law, and calculates a coefficient (parameter) of the motion equation from a time series of rotation speed. The translational motion parameter calculation unit 4 calculates a motion equation of the center of gravity of the rigid body from the set motion law,
The coefficient of the equation of motion is calculated from the time series of the rotation speed and the translation speed. The coordinate transformation unit 5 obtains R shown in FIG. 5 from a time series of three Euler angles representing the azimuth of the rigid body obtained from the rotational motion parameter calculation unit 3, and the position of the center of gravity of the rigid body obtained from the translational motion parameter calculation unit 4 Then, the depth coordinate values are converted into the rigid fixed system coordinates. The object surface shape calculation unit 6 converts the converted depth coordinate values into polar coordinates and obtains the shape of the rigid body surface so as to satisfy the smoothness condition.
【0019】以下、実施例で行う3次元情報復元方法に
ついて説明するが、まず全体的な流れを説明する。
まず、オプティカルフローから計算される回転速度ベ
クトルwの大きさfが、係数未知数の運動方程式に従う
ことを示し、その係数を最小二乗法で定める。
次にその運動方程式を解き、それを元に剛体固定系の
回転を表わす行列Rを決定する。
次に剛体の重心の運動方程式を運動法則に基づいて設
定し、並進速度および回転速度の時系列を用いて、運動
方程式の係数を最小二乗法により求め剛体の重心Gの運
動を計算する。
その後、行列R、剛体の重心Gの時系列を用いて、奥
行き座標値Zを剛体固定系の座標に変換する。
最後に、この奥行き座標値Zを滑らかさ条件を付け加
えた評価関数が最小となるように選び剛体表面形状を求
める。The three-dimensional information restoring method performed in the embodiment will be described below. First, the overall flow will be described. First, it is shown that the magnitude f of the rotation speed vector w calculated from the optical flow follows the equation of motion of unknown coefficients, and the coefficients are determined by the least square method. Next, the equation of motion is solved, and a matrix R representing the rotation of the rigid fixed system is determined based on the equation. Next, the equation of motion of the center of gravity of the rigid body is set based on the law of motion, and the coefficient of the equation of motion is obtained by the least squares method using the time series of the translation speed and the rotational speed to calculate the motion of the center of gravity G of the rigid body. Thereafter, the depth coordinate value Z is converted into a rigid fixed system coordinate using the matrix R and the time series of the center of gravity G of the rigid body. Finally, the depth coordinate value Z is selected such that the evaluation function to which the smoothness condition is added is minimized to obtain the rigid body surface shape.
【0020】以下、詳細に説明する。並進速度ベクトル
と回転速度ベクトルのノイズを含んだ時系列が与えられ
ているとする。この時これらの時系列データから、剛体
の運動の厳密解を表す諸パラメータを求め、あわせて物
体の力学的な特徴量を求める手法を考える。3次元空間
中の剛体の運動は、重心位置と剛体の向きを表す回転行
列(又はオイラー角)で記述される。今、剛体は2次式
で表すことができるポテンシャルの中を運動し、力のモ
ーメントは受けないものと仮定する。(これは剛体の受
ける力は変位の1次式で表わされることを示す。)この
時一般の剛体の回転の状態の厳密解が求まり、最小二乗
法によりそれを記述するパラメータ(慣性モーメント、
初期状態)を求める事が出来る。The details will be described below. It is assumed that a time series including the noise of the translation speed vector and the rotation speed vector is given. At this time, a method of obtaining various parameters representing an exact solution of the motion of the rigid body from these time series data, and also obtaining a dynamic feature amount of the object is considered. The motion of the rigid body in the three-dimensional space is described by a rotation matrix (or Euler angle) representing the position of the center of gravity and the orientation of the rigid body. Now, it is assumed that the rigid body moves in a potential that can be expressed by a quadratic equation and receives no moment of force. (This shows that the force received by the rigid body is expressed by a linear expression of displacement.) At this time, an exact solution of the general state of rotation of the rigid body is obtained, and parameters (moment of inertia, moment of inertia,
(Initial state).
【0021】今、剛体の向きを表す回転行列をRとす
る。即ち重心を原点とするような剛体に固定された座標
系で(P1 ,P2 ,P3 )で表される様な点Pは、実験
室系では次のように表わされる。Now, it is assumed that a rotation matrix representing the direction of the rigid body is R. That is, a point P represented by (P 1 , P 2 , P 3 ) in a coordinate system fixed to a rigid body having the center of gravity as the origin is represented as follows in a laboratory system.
【0022】[0022]
【数2】 (Equation 2)
【0023】(Gx ,Gy ,Gz )は実験室系における
重心の座標である。(G x , G y , G z ) are the coordinates of the center of gravity in the laboratory system.
【0024】Rはオイラー角を用いて次式で表わされ
る。R is expressed by the following equation using Euler angles.
【0025】[0025]
【数3】 (Equation 3)
【0026】この時回転速度ベクトルは実験室系、剛体
固定系でそれぞれ次のように表わされる。At this time, the rotational speed vector is expressed as follows in the laboratory system and the rigid body fixed system, respectively.
【0027】[0027]
【数4】 (Equation 4)
【0028】[0028]
【数5】 (Equation 5)
【0029】慣性モーメント対称行列をIとすると次式
のように表わしても一般性を失なわない。Assuming that the inertia moment symmetric matrix is I, the generality is maintained even if it is expressed by the following equation.
【0030】[0030]
【数6】 (Equation 6)
【0031】即ち剛体固定系の座標軸として慣性主軸の
方向を選ぶ。今の場合、剛体が力のモーメントを受けな
いので、角運動量L=IwとエネルギーE=(w,L)
/2は定数となり、これを運動方程式の厳密解を表すパ
ラメータとして使うことができる。That is, the direction of the principal axis of inertia is selected as the coordinate axis of the rigid fixed system. In this case, since the rigid body does not receive the moment of force, the angular momentum L = Iw and the energy E = (w, L)
/ 2 is a constant, which can be used as a parameter representing an exact solution of the equation of motion.
【0032】角運動量の保存より剛体の回転運動の方程
式(オイラーの方程式)が得られる。From the conservation of the angular momentum, the equation of the rotational motion of the rigid body (Euler's equation) is obtained.
【0033】[0033]
【数7】 (Equation 7)
【0034】角運動量の方向をZ軸、大きさをMとする
と、次式が成立つ。
wz =2E/MAssuming that the direction of the angular momentum is Z axis and the magnitude is M, the following equation is established. w z = 2E / M
【0035】自由剛体の回転運動の方程式は、ヤコビの
楕円関数を使って厳密解を書き下すことができる。M2
−2EI2 が正か負か零かによって解の挙動は異なる
が、ここではM2 −2EI2 >0の場合について説明す
る。その時次式が成立する。An exact solution for the rotational motion equation of the free rigid body can be written down using the Jacobi elliptic function. M 2
Although the behavior of the solution differs depending on whether −2EI 2 is positive, negative or zero, a case where M 2 −2EI 2 > 0 will be described here. Then, the following equation holds.
【0036】[0036]
【数8】 (Equation 8)
【0037】測定にかかる量は(wx ,wy ,wz )で
あり、(w1 ,w2 ,w3 )を直接求めることはできな
いが、これらの厳密解を組み合せることにより、
(wx ,w y ,wz )から計算される次の様な量が求め
られる。
wz =2E/E…(10)The amount required for the measurement is (wx, Wy, Wz)so
Yes, (w1, WTwo, WThree) Can not be asked directly
However, by combining these exact solutions,
(Wx, W y, Wz) Is calculated from
Can be
wz= 2E / E ... (10)
【0038】[0038]
【数9】 (Equation 9)
【0039】[0039]
【数10】 (Equation 10)
【0040】但し、Φ=tan -1(wy /wx )Where Φ = tan -1 (w y / w x )
【0041】(11)式において、 w2 x +w2 y →f (2EI3 −M2 )(M2 −2EI1 )/I1 I3 M2 →b と置き直せば(11)式は次式のように表わされる。 f=−α2 k2sn2(αt+β,k2 )+b…(13)In equation (11), if w 2 x + w 2 y → f (2EI 3 −M 2 ) (M 2 -2EI 1 ) / I 1 I 3 M 2 → b is replaced, equation (11) becomes It is expressed like an equation. f = −α 2 k 2 sn 2 (αt + β, k 2 ) + b (13)
【0042】先ず(10)式から、回転速度ベクトルの頂
点が描く軌跡の乗っている平面を求めれば,その法線方
向がZ軸(角運動量の方向)、平面の原点からの距離が
2E/Mである事がわかる。この結果を使ってwx 2 +
wy 2 やΦを計算する事が出来、(12)式よりM2 −2
EI2 の符号を判定することが出来る。最後に(13)式
に最もよく合うように係数α,β,k2 ,bを決めてや
れば、これらから慣性モーメントや初期位置、初速度が
全て求まり、厳密解に代入することが出来る様になる。First, the plane on which the locus drawn by the vertex of the rotation speed vector is found from equation (10) is obtained. The normal direction is the Z axis (direction of angular momentum), and the distance from the origin of the plane is 2E / It turns out that it is M. Using this result, w x 2 +
it is possible to calculate the w y 2 and Φ, M 2 -2 than (12)
The sign of EI 2 can be determined. Finally, if the coefficients α, β, k 2 , and b are determined so as to best fit the equation (13), the moment of inertia, initial position, and initial velocity can all be determined from these and substituted into the exact solution. become.
【0043】関数f=−α2 k2 sn2 (αt+β,
k2 )+bの係数を一度に求める事は困難なので、先ず
β以外の係数を求める。関数fは、
(f’)2 =−4f3 +Af2 +Bf+C…(14)
但し、
A=4{3b−α2 (1+k2 )}
B=4(3b2 −α4 k2 )−2bA
C=4b3 −Ab2 −Bb
なる関係式を満たすから、(14)式の左辺から右辺を引
いたものの二乗和を最小にするように最小二乗法でA,
B,Cを決めてやればこれらから、α,k,bを導き出
せる。The function f = −α 2 k 2 sn 2 (αt + β,
Since it is difficult to obtain the coefficient of k 2 ) + b at a time, a coefficient other than β is first determined. The function f is (f ′) 2 = −4f 3 + Af 2 + Bf + C (14) where A = 4 {3b−α 2 (1 + k 2 )} B = 4 (3b 2 −α 4 k 2 ) −2b A C = 4b 3 -Ab 2 -Bb, the least squares method is used to minimize the sum of squares of the left side minus the right side of equation (14).
Once B and C are determined, α, k and b can be derived from these.
【0044】先ずbには、
4b3 −Ab2 −Bb−C=0 …(15)
なる関係式が成り立つから、この3次方程式を解いてb
を求める事が出来る。First, b has a relational expression of 4b 3 -Ab 2 -Bb-C = 0 (15).
Can be requested.
【0045】さらに、 α2 (1+k2 )=3b−A/4 …(16) α4 k2 =3b2 −Ab/2−B/4…(17) なる関係を使ってαとkを求める事が出来る。Further, α and k are obtained by using the following relationship: α 2 (1 + k 2 ) = 3b−A / 4 (16) α 4 k 2 = 3b 2 −Ab / 2−B / 4 (17) I can do things.
【0046】最後に、次式が一次式αt+βに最も良く
フィットするように、最小二乗法でβを選べば良い。Finally, β may be selected by the least squares method so that the following equation best fits the linear equation αt + β.
【0047】[0047]
【数11】 (Equation 11)
【0048】(14)式自身は(f’)2 と言った形の項
を含んでいるので、誤差が一方向に累積される恐れが有
る。その場合、(14)式を微分した
f’’+6f2 −Af−B/2=0 …(19)
を使って評価してやる事も可能である。Since equation (14) itself includes a term of the form (f ′) 2 , errors may accumulate in one direction. In this case, it is also possible to evaluate using f ″ + 6f 2 −Af−B / 2 = 0 (19) obtained by differentiating the equation (14).
【0049】剛体の受ける力は変位の1次式で表される
としたから、剛体の重心座標(XG,YG ,ZG )は単
振動を行うか等加速度運動を行うかである。すぐ後で述
べるように、後者は前者の極限的な場合と考えられるか
ら、此処では前者の場合のみ説明する。この時、重心の
運動は次式で表わされる。Since the force received by the rigid body is represented by a linear expression of displacement, the coordinates of the center of gravity (X G , Y G , Z G ) of the rigid body are whether to perform a simple vibration or a uniform acceleration movement. As will be described shortly, the latter is considered to be the extreme case of the former, and thus only the former case will be described here. At this time, the motion of the center of gravity is expressed by the following equation.
【0050】[0050]
【数12】 (Equation 12)
【0051】ここでα1 ,α2 ,α3 は互に直交するベ
クトルである。Here, α 1 , α 2 and α 3 are vectors orthogonal to each other.
【0052】(20)式において、α1 ,α2 ,α3 →
∞、β1 ,β2 ,β3 →0等の極限をとると、これは等
加速度運動を表す。実験室系の原点を基準とした並進速
度ベクトルは次式で表わされる。In the equation (20), α 1 , α 2 , α 3 →
Taking the limits of ∞, β 1 , β 2 , β 3 → 0, etc., this represents a constant acceleration motion. The translation speed vector based on the origin of the laboratory system is expressed by the following equation.
【0053】[0053]
【数13】 (Equation 13)
【0054】(20)式のパラメータを定めるため、先ず
(21)式を微分したものに最も良くフィットするように
最小二乗法でα、β、δを選び、更に(21)式自身に最
も良くフィットするように(XG0,YG0,ZG0)を最小
二乗法で選べば良い。これにより剛体の重心の運動式が
求まる。In order to determine the parameters of equation (20), first, α, β, and δ are selected by the least squares method so as to best fit the derivative of equation (21). (X G0 , Y G0 , Z G0 ) may be selected by the least square method so as to fit. Thus, the equation of motion of the center of gravity of the rigid body is obtained.
【0055】上記の様な方法で剛体の運動を記述するパ
ラメータが求まったので、これを用いて奥行き座標値Z
i を重心を原点とする剛体に固定された座標値(Li ,
Mi,Ni )に次式を用いて換算することが出来る。The parameters describing the motion of the rigid body have been obtained by the above-described method.
i a is fixed to the rigid body as the origin centroid coordinate values (L i,
M i , N i ) can be converted using the following equation.
【0056】[0056]
【数14】 [Equation 14]
【0057】但し、Rは(4)式で示したオイラー角で
ある。Here, R is the Euler angle shown by the equation (4).
【0058】この奥行き座標値(Li ,Mi ,Ni )は
剛体の表面の座標であり、剛体の表面形状を表わしてい
る。そこで更にこれら剛体座標値を極座標表示ri (θ
i ,φi )に変換し、滑らかさ条件を付け加えた次式の
評価関数を最小にするようにr(θ,φ)を選んで剛体
表面の形状を求める。The depth coordinate values (L i , M i , N i ) are the coordinates of the surface of the rigid body, and represent the surface shape of the rigid body. Therefore, these rigid body coordinate values are further displayed in polar coordinate display r i (θ
i , φ i ), and r (θ, φ) is selected so as to minimize the evaluation function of the following equation to which the smoothness condition is added, and the shape of the rigid body surface is obtained.
【0059】[0059]
【数15】 (Equation 15)
【0060】(23)式の評価関数において、時間に関し
て積分する代りにri を時間に関して平均した値をとっ
た次式を用いても同値となる。(24)式の方が計算する
場合計算量やメモリ量が少くてよい。[0060] (23) in the evaluation function of the equation, it is equivalent with the following equation taking values averaged over time r i instead of integration with respect to time. When the formula (24) is used for calculation, the calculation amount and the memory amount may be smaller.
【0061】[0061]
【数16】 (Equation 16)
【0062】次に本実施例を用いた場合を理論的に得ら
れる値と比較して説明する。回転楕円体の形状を持つ剛
体が重力場中を自由に運動する場合を対象として、理論
的に得られるオプティカルフローの時系列を使ってシミ
ュレーションを行った。様々な大きさを持つ正規白色雑
音をそのフローに加え、剛体の3次元運動と形状を推定
した。本実施例の有効性を検証するため、(1)式を用
いた従来例と本実施例による推定結果を比較する。Next, the case where the present embodiment is used will be described in comparison with theoretically obtained values. A simulation was performed using a theoretically obtained optical flow time series for a case where a rigid body having a spheroidal shape freely moves in a gravitational field. Regular white noise of various magnitudes was added to the flow to estimate the three-dimensional motion and shape of the rigid body. In order to verify the effectiveness of the present embodiment, the estimation results of the present embodiment and a conventional example using equation (1) are compared.
【0063】本シミュレーションでは100 フレームから
なる時系列のオプティカルフローを用い、最終時刻にお
ける運動パラメータと奥行き座標値を両手法の間で比較
した。ただし、並進速度ベクトルはその大きさを1に正
規化して比較した。フレーム毎にフローの平均的な大き
さを評価し、それに比例するように5段階の大きさの雑
音をフローに加えた。それぞれ100 回算出して、真値と
の差の相対誤差を評価した。焦点距離を単位として画像
の大きさは0.281 ×0.281 であり、200 ×200 の画
素で表現した。回転楕円体の内部は一様であると仮定
し、慣性モーメントを1,2,2.6 とした。剛体がカメ
ラに最も近く接近したときに剛体が画像の縁にほぼ内接
し、剛体がカメラから最も遠ざかったときに、剛体の最
大径が画像の一辺の長さのほぼ1/2になるように剛体
の運動を設定した。In this simulation, a time-series optical flow consisting of 100 frames was used, and the motion parameters and the depth coordinate values at the final time were compared between the two methods. However, the translation velocity vectors were compared with their magnitudes normalized to one. The average size of the flow was evaluated for each frame, and five levels of noise were added to the flow in proportion thereto. Each calculation was performed 100 times, and the relative error of the difference from the true value was evaluated. The size of the image is 0.281 × 0.281 in units of the focal length, and is represented by 200 × 200 pixels. Assuming that the inside of the spheroid is uniform, the moment of inertia was set to 1, 2, 2.6. When the rigid body is closest to the camera, the rigid body is almost inscribed on the edge of the image, and when the rigid body is farthest from the camera, the maximum diameter of the rigid body is almost half the length of one side of the image. Rigid body motion was set.
【0064】図6はシミュレーション結果を示す。図に
おいてAは本実施例による奥行き座標値を示し、Bは
(1)式を用いた従来の方式による奥行き座標値を示
す。本実施例によれば、ノイズが多くなっても算出誤差
はあまり増加しないのに対し、従来の方式だと急激に増
加する。FIG. 6 shows simulation results. In the figure, A indicates the depth coordinate value according to the present embodiment, and B indicates the depth coordinate value according to the conventional method using equation (1). According to the present embodiment, the calculation error does not increase so much even if the noise increases, while the conventional method sharply increases.
【0065】[0065]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、オプティカルフローから算出された剛体の運動パラ
メータを元に運動方程式を用いて実験室系と剛体固定系
の関係を求め、剛体固定系で奥行き座標値を平均するこ
とによって、精度よく剛体の形状を復元することができ
る。As is apparent from the above description, the present invention obtains the relationship between a laboratory system and a rigid fixed system using the equation of motion based on the motion parameters of the rigid body calculated from the optical flow, By averaging the depth coordinate values in the system, the shape of the rigid body can be accurately restored.
【図1】本発明の実施例の構成を示すブロック図であ
る。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
【図2】2次元画像表示を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a two-dimensional image display.
【図3】オプティカルフローを説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an optical flow.
【図4】物体形状の時系列データを整合的に統合する説
明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of integrating time-series data of an object shape in a consistent manner.
【図5】実験室系と剛体固定系との関係を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a laboratory system and a rigid fixed system.
【図6】本実施例のシミュレーション結果を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of the present embodiment.
1 剛体運動抽出部 2 運動法則設定部 3 回転運動パラメータ算出部 4 並進運動パラメータ算出部 5 座標変換部 6 物体表面形状算出部 1 Rigid body motion extraction unit 2 Motion law setting section 3 Rotational motion parameter calculation unit 4 Translational motion parameter calculator 5 Coordinate conversion unit 6 Object surface shape calculation unit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G06T 7/20 G06T 7/60 150C 7/60 150 G01B 11/24 K (56)参考文献 田川憲男,鳥生隆,遠藤利生,オプテ ィカルフローを用いた閉形式の3次元剛 体運動復元方式,電子情報通信学会技術 研究報告,日本,社団法人電子情報通信 学会,1991年 3月19日,Vol.90 No.490(PRU90−139),pp.23 −29 金谷健一,画像理解 −3次元認識の 数理−,日本,森北出版,1991年11月20 日,第1版,pp.79−82,115−128 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 17/17 G01B 11/24 G01P 3/36 G06F 3/153 G06T 1/00 G06T 7/00 - 7/60 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI G06T 7/20 G06T 7/60 150C 7/60 150 G01B 11/24 K (56) References Norio Tagawa, Takashi Torii, Toshio Endo, Closed-form three-dimensional rigid body motion recovery method using optical flow, IEICE Technical Report, Japan Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, March 19, 1991, Vol. 90 No. 490 (PRU90-139) pp. 23-29 Kenichi Kanaya, Image Understanding-Mathematics for 3D Recognition-, Japan, Morikita Publishing, November 20, 1991, 1st edition, pp. 79-82, 115-128 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G06F 17/17 G01B 11/24 G01P 3/36 G06F 3/153 G06T 1/00 G06T 7/00-7 / 60 JICST file (JOIS)
Claims (3)
の並進速度と回転速度の時系列を算出する剛体運動抽出
部と、 物体が従うべき運動法則を設定する運動法則設定部と、 前記運動法則設定部により設定された運動法則から回転
運動式を求め、前記回転速度の時系列から前記物体の姿
勢を表わす3つのオイラー角の時系列を記述するパラメ
ータを算出する回転運動パラメータ算出部と、 前記運動法則設定部により設定された運動法則により、
前記並進速度と前記回転速度の時系列から前記物体の重
心位置の時系列を記述するパラメータを算出する並進運
動パラメータ算出部とを備え、 入力画像の物体に対して、その物体の重心位置と姿勢の
時系列を算出することを特徴とする3次元情報復元装
置。1. A rigid body motion extraction unit that calculates a time series of a translation speed and a rotation speed of an object included in a time-series image, a motion law setting unit that sets a motion law to be followed by the object, and the motion obtains a rotary motion type from the set motion law the law setting unit, and the rotational motion parameter calculation unit configured to output calculate the parameters describing the time series of the three Euler angles from the time series of the rotational speed representative of the orientation of the object by motion rules set by the law of motion setting unit,
And a translation parameter calculating unit which exits calculate the parameters describing the time series of the center of gravity of the object from the time series of the rotational speed and the translational speed, with respect to the object of the input image, and the position of the center of gravity of the object A three-dimensional information restoration apparatus, which calculates a time series of postures.
の並進速度、回転速度および奥行き座標画像の時系列を
算出する剛体運動抽出部と、 物体が従うべき運動法則を設定する運動法則設定部と、 前記運動法則設定部の設定した運動法則から回転運動式
を求め、前記回転速度の時系列から前記物体の姿勢を表
わす3つのオイラー角の時系列を記述するパラメータを
算出する回転運動パラメータ算出部と、 前記運動法則により、前記並進速度と前記回転速度の時
系列から前記物体の重心位置の時系列を記述するパラメ
ータを算出する並進運動パラメータ算出部と、 前記剛体運動抽出部の算出した奥行き座標画像の時系列
を、前記回転運動パラメータ算出部の算出したオイラー
角の時系列と前記並進運動パラメータ算出部の算出した
重心位置の時系列から、前記物体の重心を原点とする座
標系である剛体固定座標系に換算する座標変換部と、 この剛体固定座標系で表わされた奥行座標画像の時系列
を所定の条件を与えて平均化する物体表面形状算出部と
を備えたことを特徴とする3次元情報復元装置。2. A rigid body motion extraction unit for calculating a time series of a translation speed, a rotation speed, and a depth coordinate image of an object included in a time-series image, and a motion law setting unit for setting a motion law to be followed by the object. when obtains the rotational movement equation from the set motion law of the law of motion setting unit, the parameters describing the time series of the three Euler angles representing the attitude of the object from the time series of the rotational speed
And rotational motion parameter calculation unit configured to output calculated by the law of motion, when said translational speed of the rotational speed
A translation parameter calculation unit, the time series of depth coordinate image calculated in the rigid body motion extractor was calculated in the rotational motion parameter calculator Euler for calculating the parameters describing the time series of the center of gravity of the object from the series from the time series of the calculated position of the center of gravity of the time series and the translational motion parameter calculating section corner, and a coordinate conversion unit for converting the centroid of the object to the rigid fixed coordinate system is a coordinate system with the origin, the rigid body fixed coordinate system Time series of depth coordinate image represented by
Three-dimensional information reconstruction apparatus characterized by comprising a <br/> the object surface shape calculating unit for averaging gives a predetermined condition.
る力は変位の一次式で表わされるように運動法則を設定
したものであることを特徴とする請求項1または2記載
の3次元情報復元装置。Wherein the law of motion setting unit, three-dimensional information according to claim 1 or 2, wherein the force received by the said object is obtained by setting the law of motion as represented by a linear equation of the displacement Restoration device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16049192A JP3453769B2 (en) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 3D information restoration device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16049192A JP3453769B2 (en) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 3D information restoration device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH064566A JPH064566A (en) | 1994-01-14 |
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Family
ID=15716093
Family Applications (1)
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| JP16049192A Expired - Fee Related JP3453769B2 (en) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 3D information restoration device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106286154B (en) * | 2016-09-28 | 2020-01-31 | 北京天诚同创电气有限公司 | System for measuring azimuth angle of wind wheel of wind driven generator |
| JP7313054B2 (en) * | 2019-10-30 | 2023-07-24 | 学校法人立教学院 | Method, apparatus and program for measuring dynamic friction coefficient |
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1992
- 1992-06-19 JP JP16049192A patent/JP3453769B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 田川憲男,鳥生隆,遠藤利生,オプティカルフローを用いた閉形式の3次元剛体運動復元方式,電子情報通信学会技術研究報告,日本,社団法人電子情報通信学会,1991年 3月19日,Vol.90 No.490(PRU90−139),pp.23−29 |
| 金谷健一,画像理解 −3次元認識の数理−,日本,森北出版,1991年11月20日,第1版,pp.79−82,115−128 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH064566A (en) | 1994-01-14 |
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