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JP4667900B2 - 3D analysis method from 2D image and system to execute it - Google Patents
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JP4667900B2 - 3D analysis method from 2D image and system to execute it - Google Patents

3D analysis method from 2D image and system to execute it Download PDF

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Description

本発明は1枚の二次元画像から被写体の三次元情報を解析する方法とそれを実行するシステムに関し、特に時系列二次元画像情報から被写体の三次元的運動を把握するのに適した方法及びシステムに関する。   The present invention relates to a method for analyzing three-dimensional information of a subject from a single two-dimensional image and a system for executing the method, and in particular, a method suitable for grasping the three-dimensional motion of a subject from time-series two-dimensional image information and About the system.

従来、カメラによって撮影した二次元画像から三次元情報を得る手法としては、異なる視角からの複数画像を用いることが知られている。ステレオ視による立体画像や三次元形状情報を抽出したりする技術、また2台のカメラの視角を90°異ならせて配置し、正面画像と側面画像を得て解析するといった技術である。
特許文献1には、ステレオ視により三次元情報を抽出する際、同一センサで複数回の撮影を行わずに三次元情報を抽出することができ、また抽出に使用するパラメータ設定の自動化を容易に行えるようにすることを目的とした「ステレオ視による三次元情報抽出装置」が開示されている。図5に示されるように、パラメータ設定手段からは、SARセンサでの収集位置*1と観測エリアの距離、光学センサでの収集位置*2と観測エリアの距離、SARセンサでの収集位置*1と光学センサでの収集位置*2の距離等の各種観測パラメータと、収集位置*1からのSAR画像*3と収集位置*2からの光学センサ画像*4中に存在する複数の特徴点の対応情報をオペレータが手動入力する。画像処理手段では、2枚の画像*3,*4中の複数の特徴点について、パラメータ設定手段から与えられた情報を元にした三角関数演算を行い、2枚の二次元画像*3,*4中の特徴点の三次元情報を抽出するというものである。ステレオ視によるものであるから、二次元画像は2枚必要である。
Conventionally, as a technique for obtaining three-dimensional information from a two-dimensional image photographed by a camera, it is known to use a plurality of images from different viewing angles. A technique for extracting stereoscopic images and three-dimensional shape information by stereo viewing, and a technique for obtaining and analyzing a front image and a side image by arranging two cameras at different viewing angles.
In Patent Document 1, when extracting three-dimensional information by stereo vision, it is possible to extract three-dimensional information without performing multiple photographing with the same sensor, and it is easy to automate parameter setting used for extraction. A “stereoscopic three-dimensional information extraction device” that aims to be able to do this is disclosed. As shown in FIG. 5, from the parameter setting means, the distance between the collection position * 1 of the SAR sensor and the observation area, the distance between the collection position * 2 of the optical sensor and the observation area, the collection position * 1 of the SAR sensor Correspondence between various observation parameters such as the distance of the collection position * 2 and the optical sensor, and a plurality of feature points existing in the SAR image * 3 from the collection position * 1 and the optical sensor image * 4 from the collection position * 2 Information is manually entered by the operator. The image processing means performs a trigonometric function calculation based on the information given from the parameter setting means for a plurality of feature points in the two images * 3, * 4, and the two two-dimensional images * 3, * The three-dimensional information of the feature points in 4 is extracted. Since it is based on stereo vision, two two-dimensional images are required.

また、特許文献2には二次元画像からコンピュ−タ上の三次元デ−タを簡単に生成することができるようにすることを目的とした技術が開示されている。そのデータ生成装置の画像処理部は「記憶部と、二次元画像に対して、区画空間座標系、仮想空間座標系及びスクリ−ン座標系をそれぞれ設定する座標系設定部と、区画空間座標系から仮想空間座標系への座標変換式を設定する第1座標変換式設定部と、仮想空間座標系からスクリ−ン座標系への座標変換式を設定する第2座標変換式設定部と、基準長方形設定部と、各座標変換式と基準長方形の座標等とから、各座標変換式の係数を演算する係数演算部と、各座標変換式の係数に基づいて、二次元画像の三次元データを生成するデータ生成部とを含むもの」である。この発明は、撮影された部屋等の区画空間である被写体の三次元データを生成するデータ生成装置に関するものであるため、被写体は天井、床、壁、柱といった静止したもので、その方向と長さが既知であるものを対象としている。その既知データを利用して二次元画像から三次元情報を解析することが示唆されているが、その二次元画像は相互に直交する少なくとも2面の直交面によって区画された被写体空間を前提としている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a technique for easily generating three-dimensional data on a computer from a two-dimensional image. The image processing unit of the data generation apparatus includes a “storage unit, a coordinate system setting unit that sets a partitioned space coordinate system, a virtual space coordinate system, and a screen coordinate system for a two-dimensional image, and a partitioned space coordinate system, respectively. A first coordinate conversion equation setting unit for setting a coordinate conversion equation from the virtual space coordinate system to the virtual coordinate system, a second coordinate conversion equation setting unit for setting a coordinate conversion equation from the virtual space coordinate system to the screen coordinate system, and a reference Based on the rectangle setting unit, each coordinate conversion formula, the coordinates of the reference rectangle, etc., the coefficient calculation unit that calculates the coefficient of each coordinate conversion formula, and the three-dimensional data of the two-dimensional image based on the coefficient of each coordinate conversion formula Including a data generation unit to be generated ". Since the present invention relates to a data generation apparatus that generates three-dimensional data of a subject that is a partitioned space such as a captured room, the subject is stationary such as a ceiling, a floor, a wall, and a pillar, and its direction and length The target is known. Although it has been suggested that 3D information is analyzed from 2D images using the known data, the 2D images are premised on a subject space defined by at least two orthogonal planes orthogonal to each other. .

また、特許文献3には、建築設計等で使われる写真やパースから簡単な構成、簡単な処理で精度良く、立体データを作成することのできる立体データ作成装置を提供することを目的とした立体データ作成方法及び装置が開示されている。この装置は、空間構造が未知の空間の静止画像を取り込むデジタル画像入力装置、スキャナと、取り込まれた静止画像を空間の投影された画像として捉えて、その静止画像内の直線の位置関係に基づいて、静止画像に対する視点を割り出す手段と、静止画像及び視点の情報に基づいて、静止画像内の空間構造の立体データを作成する手段と、作成された立体データを出力する画像処理コンピュータとを備えるものである。そして、図6のような画像を示すと共に明細書中[0016]には「さらに写真やパースに示されている画像情報の中に、その位置と長さが既知の線が一本あれば、全ての部位の長さ、大きさを知ることができる。また、家具、塀など他の部位については、通常はその高さや壁面からの距離、壁面との角度などなんらかの情報は推測して補完できるため、その推測して補完した情報に基づいてその位置関係をかなり正確に推定することができる。これによって、写真に写っている全ての対象物の相互の位置関係を推定し、その立体データを得ることができる。」と記載されている。
特開2004−21427号公報 「ステレオ視による三次元情報抽出装置」 平成16年1月22日公開 特開2004−280196号公報 「データ生成装置及びその方法」 平成16年10月7日公開 特開2000−76453号公報 「立体データ作成方法及び装置」 平成12年3月14日公開 特に段落[0016]の記載
Further, Patent Document 3 discloses a three-dimensional data creation device that can create three-dimensional data with high accuracy with simple configuration and simple processing from photographs and perspectives used in architectural design and the like. A data creation method and apparatus are disclosed. This device is a digital image input device and scanner that captures a still image of a space whose spatial structure is unknown, and the captured still image as a projected image of the space, and is based on the positional relationship of straight lines in the still image. A means for determining a viewpoint for the still image, a means for creating three-dimensional data of a spatial structure in the still image based on the still image and viewpoint information, and an image processing computer for outputting the created three-dimensional data. Is. In addition, an image as shown in FIG. 6 is shown, and in the specification [0016], “If there is one line whose position and length are known in the image information shown in the photograph or perspective, You can know the length and size of all the parts, and for other parts such as furniture and baskets, you can usually guess and supplement some information such as the height, distance from the wall, angle with the wall, etc. Therefore, it is possible to estimate the positional relationship fairly accurately based on the information that has been estimated and supplemented, thereby estimating the mutual positional relationship of all the objects in the photograph, and It can be obtained. "
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-21427 “Three-Dimensional Information Extraction Device by Stereo Vision” Published on January 22, 2004 JP, 2004-280196, A "Data generation device and its method" Published on October 7, 2004 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-76453 “Method and Apparatus for Creating Three-dimensional Data” Published on March 14, 2000 Especially, description of paragraph [0016]

先に見たように特許文献1及び2には二次元画像と被写体の寸法と方向情報を用いて該被写体の三次元情報を得る手法が開示されている。しかし、これらの技術は静止したしかもその方向が分かっている被写体であることを前提としたもので、この手法では被写体の動的な三次元解析を行うことは出来ない。しかし、近年スポーツの世界では選手の身体的動きを三次元的に捉え、技能向上に役立てたいといったニーズや、生物学的、医学的、薬学的な観点からなされる動物の動きを客観的に把握したいといったニーズが強くある。しかし特許文献2,3に示されるような手法は静止した特殊形態の被写体を対象とするものでこれらのニーズには応えられないし、特許文献1に見られるようなステレオ視のカメラシステムであれば、これに応えることはできるものの、2台以上のカメラの設置が必要であり、設備が大がかりであり撮影もデータ計算も厄介となる。
本発明が解決しようとする課題は、人間や動物といった時によって肢体の位置を変える被写体、更に一般的にいえば自由継ぎ手で結合された線分からなる被写体を1枚の二次元画像から被写体の三次元情報を算出する方法、更には1台のカメラで撮像した一連の二次元画像から被写体の動きを解析する方法、及びこれらの方法を実施するシステムを提供することにある。
As described above, Patent Documents 1 and 2 disclose a method of obtaining three-dimensional information of a subject using a two-dimensional image, subject size and direction information. However, these techniques are based on the premise that the subject is stationary and the direction is known, and this method cannot perform dynamic three-dimensional analysis of the subject. However, in recent years, in the sports world, it is possible to objectively understand the needs of athletes in three dimensions to help them improve their skills and the movements of animals from a biological, medical, and pharmaceutical perspective. There is a strong need to do it. However, the methods as disclosed in Patent Documents 2 and 3 are intended for a stationary special-form subject and cannot meet these needs. Although it is possible to respond to this, it is necessary to install two or more cameras, and the facilities are large, which makes it difficult to shoot and calculate data.
The problem to be solved by the present invention is that a subject that changes the position of the limbs depending on the time, such as a human being or an animal, more generally, a subject composed of line segments joined by a free joint, is obtained from a single two-dimensional image. Another object is to provide a method for calculating original information, a method for analyzing the motion of a subject from a series of two-dimensional images captured by a single camera, and a system for implementing these methods.

本発明に係る二次元画像から三次元情報を算出する方法は、自由継ぎ手で結合された線分を撮像した二次元画像と前記線分の長さ情報とから、撮像時における前記線分の三次元情報を1つの連結部位置を基準として算出するものであって、
三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出するようにした。
本発明に係る二次元画像から三次元情報を動的に解析する方法は、同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、上記の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報について、2つの画像から基準とした連結部の画像間上での位置ズレ情報から両画像の光学軸方向のオフセット量を算出して前記線分の三次元情報の補正を施し、各線分の位置変化情報を得るようにした。
また、本発明に係る二次元画像から三次元情報を動的に解析する他の方法は、被写体の運動を三次元的に解析する方法同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、請求項1に記載の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報を得るステップと、それぞれの画像における各線分の中心点位置を算出するステップと、該中心位置の2画像間のズレから両画像の光学軸方向のオフセット量を各線分毎に算出するステップと、前記線分の三次元情報について基準とした連結部から前記算出したオフセット量を順次補正して各線分の位置変化情報を得るステップとを踏むようにした。
本発明に係る二次元画像から三次元情報を動的に解析する更に異なる方法は、同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、請求項1に記載の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報について、基準とする連結部に加速度計を装着し該加速度計の検出値からベクトルを計算し両画像の光学軸方向のオフセット量を算出して前記線分の三次元情報の補正を施し、各線分の位置変化情報を得るようにした。
A method for calculating three-dimensional information from a two-dimensional image according to the present invention is based on a two-dimensional image obtained by imaging a line segment connected by a free joint and the length information of the line segment. The original information is calculated on the basis of one connecting portion position ,
The three-dimensional spatial coordinates X-axis, Y-axis, and Z-axis are related to the two-dimensional camera coordinates U-axis and V-axis so that the X-axis and U-axis are parallel, and the Z-axis and V-axis are parallel. The camera coordinates (U m , V m ) with respect to the three-dimensional position (X m , Y m , Z m ) of M m in the relationship between the joint M m having a length of 1 km and the other end M k While calculating the (X k , Z k ) coordinate value of M k using the depth direction coefficient from the (U k , V k ) information ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference The three-dimensional position of each line segment during imaging is sequentially calculated .
The method of dynamically analyzing three-dimensional information from a two-dimensional image according to the present invention is based on a two-dimensional image captured in time series with the same optical system, and a line segment in each image obtained by the above method. For the three-dimensional information, the offset amount in the optical axis direction of both images is calculated from the positional deviation information between the images of the connecting portion based on the two images, and the three-dimensional information of the line segment is corrected, The position change information of each line segment was obtained.
Another method for dynamically analyzing three-dimensional information from a two-dimensional image according to the present invention is a method for analyzing the motion of a subject three-dimensionally. A two-dimensional image captured in time series with the same optical system is used. A step of obtaining three-dimensional information of a line segment in each image obtained by the method according to claim 1, a step of calculating a center point position of each line segment in each image, and two images of the center position Calculating an offset amount in the optical axis direction of both images for each line segment from a gap between them, and sequentially correcting the calculated offset amount from a connecting portion based on the three-dimensional information of the line segment to sequentially correct each line segment The step of obtaining position change information was taken.
A further different method for dynamically analyzing three-dimensional information from a two-dimensional image according to the present invention is obtained by the method according to claim 1 on the basis of two-dimensional images taken in time series with the same optical system. For the three-dimensional information of the line segment in each image, an accelerometer is attached to the reference connecting part, a vector is calculated from the detected value of the accelerometer, and an offset amount in the optical axis direction of both images is calculated to calculate the line segment. The 3D information was corrected to obtain position change information for each line segment.

本発明に係る二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステムは、撮像した二次元画像を情報として出力するカメラと、被写体の線分情報と線分選択情報を入力する手段と、二次元画像上の線分情報と該線分の長さ情報とから該線分の三次元情報を算出する演算手段とを備え、前記演算手段は三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出するようにした。
更に必要に応じ、時系列的に撮像された二次元画像を蓄積すると共に解析データを記憶するメモリと、二次元画像を表示する表示部と、解析結果を加工する手段とを加えて備えたシステムを提示する。
本発明に係る記録媒体は、三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出するという、二次元画像上における自由継ぎ手で連結された線分位置情報と該線分の長さ情報とから撮像時における前記線分の三次元情報を算出するプログラムがコンピュータ読み取り可能な形態で書き込まれている。更に必要に応じ、時系列的に撮像された各二次元画像から各線分の位置変化情報を得ると共に、画像間の光学軸方向オフセット量を算出して位置補正を加え、被写体の運動を三次元的に解析するプログラムが付加されているものを提示する。
A system for analyzing three-dimensional information of a subject from a two-dimensional image according to the present invention includes a camera that outputs a captured two-dimensional image as information, means for inputting subject line segment information and line segment selection information, two-dimensional Calculating means for calculating the three-dimensional information of the line segment from the line segment information on the image and the length information of the line segment , the calculating means comprising three-dimensional spatial coordinates X-axis, Y-axis, Z-axis; two-dimensional camera coordinate U axis, X-axis and U-axis the relation between V axis, taken as Z-axis and V-axis are parallel, joint M m and the other one of the connecting length is l miles The depth direction coefficient is used from the camera coordinate (U m , V m ) and (U k , V k ) information with reference to the three-dimensional position (X m , Y m , Z m ) of M m in relation to the end M k. To calculate the (X k , Z k ) coordinate value of M k ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference The three-dimensional position of each line segment during imaging is sequentially calculated .
Further, if necessary, a system including a memory for storing two-dimensional images taken in time series and storing analysis data, a display unit for displaying two-dimensional images, and means for processing analysis results Present.
In the recording medium according to the present invention, the relationship between the three-dimensional spatial coordinates X-axis, Y-axis and Z-axis and the two-dimensional camera coordinates U-axis and V-axis is such that the X-axis and U-axis are parallel and the Z-axis and V-axis are parallel. The camera coordinates with reference to the three-dimensional position (X m , Y m , Z m ) of M m in the relationship between the joint M m having one connected length of 1 km and the other end M k While calculating the (X k , Z k ) coordinate value of M k using the depth direction coefficient from the (U m , V m ) and (U k , V k ) information ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference The three-dimensional position of each line segment at the time of imaging is calculated from the line segment position information connected by a free joint on the two-dimensional image and the length information of the line segment. A program for calculating information is written in a computer-readable form. Furthermore, if necessary, position change information is obtained from each two-dimensional image captured in time series, and the optical axis direction offset amount between the images is calculated, position correction is performed, and the movement of the subject is three-dimensional. To which the program to analyze automatically is added.

本発明に係る二次元画像から三次元情報を算出する方法は、自由継ぎ手で結合された線分を撮像した二次元画像と前記線分の長さ情報とから、撮像時における前記線分の三次元情報を算出するようにしたものであるから、単に1線分についての三次元画像が得られるだけでなく、自由継ぎ手で結合された複数の線分群についての三次元情報を二次元画像から得ることができる。
また、本発明に係る二次元画像から三次元情報を解析する方法は、時系列的に撮像された二次元画像について、上記の方法によって得られた各線分の三次元情報から各線分の位置変化情報を得、被写体の運動を三次元的に解析するようにしたものであるから、自由継ぎ手で結合された複数の線分群についての一連の動きを解析することが出来る。二次元画像情報からは正確に捉えにくい光学軸方向の位置については各線分毎のデータをとって補正したり、加速度計を複数備えるなどして位置を精度良く算出することが出来る。
そして、被写体を動物とし、継ぎ手は関節に、線分は肢体に相当するものとすれば、スポーツの世界や生物学的、医学的、薬学的な観点からの強いニーズに応えて、選手の身体的動きを簡単に得られる二次元画像から三次元的に捉える方法や、動物の動きを客観的に把握する手法を提供することが出来る。
A method for calculating three-dimensional information from a two-dimensional image according to the present invention is based on a two-dimensional image obtained by imaging a line segment connected by a free joint and the length information of the line segment. Since the original information is calculated, not only a three-dimensional image for one line segment can be obtained, but also three-dimensional information for a plurality of line segments connected by free joints is obtained from the two-dimensional image. be able to.
Further, the method of analyzing 3D information from the 2D image according to the present invention is a method of changing the position of each line segment from the 3D information of each line segment obtained by the above method for a 2D image captured in time series. Since the information is obtained and the motion of the subject is analyzed three-dimensionally, a series of motions about a plurality of line segments connected by free joints can be analyzed. The position in the optical axis direction, which is difficult to grasp accurately from the two-dimensional image information, can be corrected by taking data for each line segment, or by providing a plurality of accelerometers.
If the subject is an animal, the joint corresponds to the joint, and the line segment corresponds to the limb, the body of the athlete responds to the strong needs from the sports world and biological, medical, and pharmaceutical viewpoints. It is possible to provide a method for three-dimensionally capturing a target movement from a two-dimensional image that can be easily obtained and a method for objectively grasping the movement of an animal.

本発明に係る二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステムは、撮像した二次元画像を情報として出力するカメラと、被写体の線分情報と線分選択情報を入力する手段と、二次元画像上の線分情報と該線分の長さ情報とから該線分の三次元情報を算出する演算手段とを備えるだけのものであるから、汎用のカメラとパーソナルコンピュータをベースに上記演算機能を備えることで実現することが可能である。更に必要に応じ、時系列的に撮像された二次元画像を蓄積すると共に解析データを記憶するメモリと、二次元画像を表示する表示部と、解析結果を加工する手段とを加えて備えたシステムである場合には、単に、時系列画像を動画として表示できるだけでなく解析結果を適宜加工した形態で表示させることが可能である。
本発明に係る記録媒体は、二次元画像上における自由継ぎ手で結合された線分情報と該線分の長さ情報とから撮像時における前記線分の三次元情報を算出するプログラムがコンピュータ読み取り可能な形態で書き込まれたものであるから、汎用のカメラと汎用のコンピュータを準備し該コンピュータにこれを読み込ませるだけで簡単に上記の本発明に係る二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステムを構築することが出来る。更に必要に応じ、時系列的に撮像された各二次元画像から各線分の位置変化情報を得て、被写体の運動を三次元的に解析するプログラムが付加されているものであれば解析結果を適宜加工した形態で表示させることが可能である上記の本発明に係る二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステムを構築することが出来る。
A system for analyzing three-dimensional information of a subject from a two-dimensional image according to the present invention includes a camera that outputs a captured two-dimensional image as information, means for inputting subject line segment information and line segment selection information, two-dimensional The above calculation function is based on a general-purpose camera and a personal computer, since it only includes calculation means for calculating three-dimensional information of the line segment from the line segment information on the image and the length information of the line segment. It is possible to realize by providing. Furthermore, if necessary, a system including a memory for storing two-dimensional images taken in time series and storing analysis data, a display unit for displaying two-dimensional images, and means for processing analysis results In this case, it is possible not only to display a time-series image as a moving image but also to display an analysis result in a suitably processed form.
The recording medium according to the present invention is a computer-readable program that calculates the three-dimensional information of the line segment at the time of imaging from the line segment information combined by the free joint on the two-dimensional image and the length information of the line segment Therefore, simply preparing a general-purpose camera and a general-purpose computer and reading the computer into the computer can easily analyze the three-dimensional information of the subject from the two-dimensional image according to the present invention. A system can be constructed. Furthermore, if necessary, the analysis result is obtained if a program for obtaining the position change information of each line segment from each two-dimensional image captured in time series and analyzing the motion of the subject in three dimensions is added. A system for analyzing the three-dimensional information of the subject from the two-dimensional image according to the present invention, which can be displayed in an appropriately processed form, can be constructed.

本発明で扱う「自由継ぎ手で結合された線分」のモデル例を図1に示す。この例はCという自由継ぎ手(関節)にAC,BC,CDという3つの線分が結合されており、線分CDの他端Dはまた関節Dとなっており、この関節Dには前記線分CDの他に線分DEが結合され、この関節Eには前記線分DEの他に線分EFと線分EGが結合されている。それぞれの線分は継ぎ手部分で球軸受けのように自由に方向転換と回転が可能なものであるとする。この様な構造の「自由継ぎ手で結合された線分」モデルがある時点での正面方向から撮像した画像が図の(1)であったとする。この1枚の二次元画像からでは各線分の三次元情報は把握できない。 しかし、このモデルを撮影する視角を90°変えた側面方向から撮像した図の(2)の画像があれば、この2枚の画像情報からそれぞれの線分の三次元情報を把握することが出来ることは当然のこととして理解されよう。   FIG. 1 shows a model example of “line segments joined by free joints” handled in the present invention. In this example, three line segments AC, BC, and CD are connected to a free joint (joint) C, and the other end D of the line segment CD is also a joint D. In addition to the line segment CD, a line segment DE is coupled, and the line segment EF and line segment EG are coupled to the joint E in addition to the line segment DE. It is assumed that each line segment can be freely turned and rotated at the joint portion like a ball bearing. Assume that the image taken from the front direction at the time when there is a “line segment joined by free joint” model having such a structure is (1) in the figure. The three-dimensional information of each line segment cannot be grasped from this one two-dimensional image. However, if there is an image of (2) in the figure taken from the side direction where the viewing angle for photographing this model is changed by 90 °, the three-dimensional information of each line segment can be grasped from these two pieces of image information. This will be understood as a matter of course.

本発明が提示する1枚の二次元画像から三次元情報を解析する方法について説明する。図2に示されるように三次元空間の被写体はカメラの撮像面で二次元画像として結像される。その際の空間座標(X軸,Y軸,Z軸)とカメラ座標(U軸,V軸)との関係は簡単のため、X軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとった場合、次の関係で表せる。
X=a(Y)U , Z=b(Y)V ‥‥‥‥‥‥(1)
ここで、a(Y)とb(Y)はY軸方向即ち奥行き方向の係数である。
今、図3に示すような両端部にマーカMとMがつけられた長さlk−mの線分の撮像画像が得られたとすると、そのカメラ座標(U軸,V軸)の二次元画像から対応する空間座標情報(X軸,Y軸,Z軸)を算出する。二次元情報はマーカMとMのカメラ座標値(U,V)と(U,V)である。これらを用いて空間座標系のX値,Z値を上記の関係式から計算しようとするとき、一般には奥行き情報がないと計算は出来ないことになるが、線分の長さがlk−mであることは既知であるときには次ぎの関係が成立する。
k−m =a(0)( U−U)+b(0)( V−V)‥‥‥‥‥(2)
この式からa(0)とb(0)の係数を計算するが、二次元画像上に長さが既知である線分が複数存在すれば、最小二乗法でより正確な計数値を得ることが出来る。
A method for analyzing three-dimensional information from one two-dimensional image presented by the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the subject in the three-dimensional space is imaged as a two-dimensional image on the imaging surface of the camera. Since the relationship between the spatial coordinates (X axis, Y axis, Z axis) and camera coordinates (U axis, V axis) at that time is simple, the X axis and the U axis are parallel to the Z axis and the V axis. If it is taken, it can be expressed by the following relationship.
X = a (Y) U, Z = b (Y) V (1)
Here, a (Y) and b (Y) are coefficients in the Y-axis direction, that is, the depth direction.
Assuming that a captured image of a line segment having a length l k-m with markers M m and M k attached to both ends as shown in FIG. 3 is obtained, the camera coordinates (U axis, V axis) The corresponding spatial coordinate information (X axis, Y axis, Z axis) is calculated from the two-dimensional image. The two-dimensional information is the camera coordinate values (U m , V m ) and (U k , V k ) of the markers M m and M k . When these are used to calculate the X and Z values of the spatial coordinate system from the above relational expression, in general, calculation cannot be performed without depth information, but the length of the line segment is l k−. When it is known that m , the following relationship is established.
l k-m 2 = a ( 0) 2 (U k -U m) 2 + b (0) 2 (V k -V m) 2 ‥‥‥‥‥ (2)
The coefficients of a (0) and b (0) are calculated from this equation. If there are multiple line segments of known length on the two-dimensional image, a more accurate count value can be obtained by the least square method. I can do it.

次ぎに、奥行き情報の演算について説明する。今、対象とする線分の一方の端部であるMの位置(X,Y,Z)を基準として他端Mの奥行き情報Yを算出する。線分には次の(3)式の関係が成り立つから

Figure 0004667900
となり、解が2つ得られる。このことは所定長さの線分は一方の端部を基準とした場合他端の奥行き位置は基準点より手前側に来る場合と奥側に位置する場合の二つがあり得ることを意味している。実際の線分のY座標位置Yはそのいずれか一方であるので、その選択が必要となるが、対象である線分が動物の体節であるとか動きの予測がつく機械要素であったりすれば、実際の画像からそれを特定することはさほど困難なことではない。また、線分が他の被写体の前にあるか後にあるかといった位置情報や、時系列的連続画像である場合などは動きの連続性の中から判断できるなど、実際の画像からそれを特定することが可能となる。
被写体モデルが図1に示したような節で結合された線分の集合体であるときは1つの関節位置を基準としてそれぞれの線分端部の位置を順次算出することが出来る。 Next, calculation of depth information will be described. Now, to calculate the depth information Y k of the other end M k positions of M m is one end of a line segment of interest (X m, Y m, Z m) as a reference. Because the relationship of the following equation (3) holds for the line segment
Figure 0004667900
And two solutions are obtained. This means that when a line segment of a predetermined length is based on one end, the depth position of the other end can be two cases, that is, a position closer to the front than the reference point and a position closer to the back. Yes. Since the actual Y coordinate position Y k of the line segment is one of them, it is necessary to select it. However, the target line segment is an animal body segment or a machine element that can predict movement. Then, it is not so difficult to identify it from the actual image. In addition, the position information such as whether the line segment is in front of or behind another subject, and if it is a time-series continuous image, it can be determined from the continuity of movement, etc. It becomes possible.
When the subject model is an aggregate of line segments connected by nodes as shown in FIG. 1, the position of each line segment end can be calculated sequentially with one joint position as a reference.

今、高跳び競技において選手がバーを越える瞬間の身体の動きを解析することを目的として、ポールとバーに対して所定の位置にデジタルカメラを据え、その前後の連続写真を撮影した。まず、選手の肩、肘、手首、左右の耳先端部、首から腰までの背骨の特定箇所、股関節、膝、足首、靴の先端部等を選定し、一コマの画像において、その特定点をクリックし画素位置として画像上の二次元位置情報を取得する。クリックした特定位置には画像上にマーカを施し、マーカ番号iでどの部位を示すものか識別できるようにすると共に、どのコマの画像であるかを識別するコマ情報jもセットでポイント(Ui,j,Vi,j)抽出する。この手法により連続するすべての画像からポイントの抽出を行う。
次ぎに、選手の前記特定点間の長さ、すなわち、線分にあたる体節情報を取得する。既知の線分情報を式(2)に入れて係数a(0)とb(0)を計算するがその際は体節情報を用いるより、ポールやバーなど寸法が正確に得られるものを用いるのが有利である。撮像系において結像位置を0とし、1コマ目の画像中の1番目のポイント(Ui,1,Vi,1)と2番目のポイント(U2,1,V2,1)を結ぶ対象線分の実空間での長さをlとおくと前記(2)式は
=a(0)(U1,1−U2,1)+b(0)(V1,1−V2,1)‥‥‥(2)’
線分が複数個あれば、同様の計算をして最小二乗法を用いてa(0)とb(0)を計算する。

Figure 0004667900
ここで、ΔUk=(Uk,1−Uk+1,1)であり、ΔVk=(Vk,1−Vk+1,1)であって、kは2以上の対象線分の数である。このa(0)とb(0)は、本来的にyの関数であるが、カメラが観察空間において固定され、カメラパラメータも不変の状態での使用を前提とすれば、結像位置は実空間座標において同じy値、この場合0の位置にあるものとして定数として扱うことが出来る。 Now, in order to analyze the movement of the body at the moment the athlete crosses the bar in a high jump competition, a digital camera was installed at a predetermined position with respect to the pole and the bar, and continuous pictures were taken before and after. First, select the athlete's shoulders, elbows, wrists, left and right ear tips, specific parts of the spine from the neck to the waist, hip joints, knees, ankles, shoe tips, etc. Click to obtain 2D position information on the image as the pixel position. A marker is placed on the clicked specific position so that it can be identified which part is indicated by the marker number i, and frame information j for identifying which frame is an image is also set as a point (U i , j , V i, j ). By this method, points are extracted from all continuous images.
Next, the length between the specific points of the player, that is, the body segment information corresponding to the line segment is acquired. The coefficients a (0) and b (0) are calculated by putting the known line segment information into the equation (2). In this case, use the one that can accurately obtain the dimensions such as poles and bars rather than using the body segment information. Is advantageous. In the imaging system, the imaging position is set to 0, and the first point (U i, 1 , V i, 1 ) and the second point (U 2,1 , V 2,1 ) in the first frame image are connected. If the length of the target line segment in the real space is l 1 , the above equation (2) can be expressed as l 1 2 = a (0) 2 (U 1,1 −U 2,1 ) 2 + b (0) 2 (V 1,1 -V 2,1 ) 2 (2) '
If there are a plurality of line segments, the same calculation is performed and a (0) and b (0) are calculated using the least square method.
Figure 0004667900
Here, ΔUk = (U k, 1 −U k + 1,1 ), ΔVk = (V k, 1 −V k + 1,1 ), and k is the number of target line segments of 2 or more. These a (0) and b (0) are inherently functions of y. However, if the camera is fixed in the observation space and the camera parameters are assumed to be unchanged, the imaging position is actual. The same y value in spatial coordinates, in this case, it can be treated as a constant as being at position 0.

係数a(0)とb(0)が得られたならば画像中の測定対象である人体の内のあるポイント、例えば、右肩のポイントを基準原点(0,0)として(3)式に基づく(4)式の計算をして解を得る。先の(3)式の関係が成り立つので、式(4)の解を得る。2つ得られた解の内、人の動きとして妥当と思われる解を画像情報を総合的に観察しながら、人為的に選択する。もし、1コマの画像からその選択が出来ないようなときは可能性のあるデータは後続画像で特定できるまで共に蓄積しておく。各ポイントの位置計算を順次行いすべての測定ポイントについての三次元情報を蓄積する。
2コマ目以下の画像についても、同じ手法で基準点と選択した右肩位置を原点とした各画像毎の測定ポイントの三次元位置情報を得て、j枚の画像についての情報が得られる。
If the coefficients a (0) and b (0) are obtained, a certain point in the human body to be measured in the image, for example, the point on the right shoulder is set as the reference origin (0, 0) in the expression (3). Based on the calculation of equation (4), a solution is obtained. Since the relationship of the previous equation (3) holds, the solution of equation (4) is obtained. Among the two obtained solutions, a solution that seems to be appropriate as a human motion is artificially selected while observing the image information comprehensively. If the image cannot be selected from a single frame image, the possible data is accumulated together until it can be identified by the subsequent image. The position calculation of each point is sequentially performed, and three-dimensional information about all measurement points is accumulated.
For the second and lower frames, the information about the j images can be obtained by obtaining the three-dimensional position information of the measurement points for each image with the reference point and the selected right shoulder position as the origin by the same method.

以上のj枚の画像についてデータは、それぞれ特定ポイント(この実施例では右肩)の位置を原点としたものであるが、この特定ポイント自体実空間において固定点であるわけはないので、つぎの作業として、この特定ポイントの動きを計算し、各画像の原点情報を差分オフセットとして修正を加えることで、実空間座標としての本来の三次元情報を得ることが出来る。この計算は撮像時間を異にする2枚の画像を重ね、原点位置の差を線分情報のときと同様の手法でY軸方向の位置ズレを算出し、各画像間の原点位置ずれを差分オフセットとして修正を加える。このj枚の画像は同じカメラによる同一設定時の映像であるから、カメラパラメータは同一であり、実際には画像を重ねなくてもそれぞれの画像上の位置情報から算出できる。すべての画像毎の三次元情報が完璧であって、各画像上の一点である特定ポイントの位置関係が分かったならば、理論上はこれで被写体各ポイントの時系列的な三次元情報が得られることになる。   The data for the above-mentioned j images have the origin at the position of the specific point (in this embodiment, the right shoulder), but the specific point itself is not a fixed point in real space. As work, the original three-dimensional information as real space coordinates can be obtained by calculating the movement of this specific point and correcting the origin information of each image as a difference offset. In this calculation, two images with different imaging times are overlapped, the difference in the origin position is calculated in the same way as the line segment information, and the positional deviation in the Y-axis direction is calculated, and the origin position deviation between each image is calculated as a difference. Make corrections as offsets. Since these j images are images of the same setting at the same camera, the camera parameters are the same and can be calculated from position information on each image without actually overlapping the images. If the 3D information for each image is perfect and the positional relationship of a specific point, which is one point on each image, is known, in theory, this provides time-series 3D information for each point of the subject. Will be.

ところが、実際にこの処理で計算を行った場合、特定ポイントである右肩位置から最も遠い左靴先端部の計算位置は実際位置との差異が大きなものとなってしまった。これは画像上で各ポイントを特定する作業は人がディスプレイに映し出される画像をモニタしつつ手作業でマーク付けしていくものであるから、位置検出には若干の誤差を伴うことになる。その位置情報に基づいて基準点を原点として算出される各ポイント位置情報には誤差が含まれており、基準点から順次各ポイント位置を算出するため、基準位置から遠いポイントほど位置情報について積算誤差が大きくなるということになる。この誤差はカメラ光学系の環境ではY軸方向位置に大きく生じることとなる。そこで、本実施例ではこのY軸方向のオフセット誤差を保証するため、各線分毎Y方向位置補正を施す手法を採用した。   However, when the calculation is actually performed in this process, the calculated position of the tip of the left shoe farthest from the right shoulder position, which is a specific point, has a large difference from the actual position. This is because the operation of specifying each point on the image is performed by manually marking the image displayed on the display by a person, so that position detection involves a slight error. Each point position information calculated with the reference point as the origin based on the position information contains an error, and each point position is calculated sequentially from the reference point. Will become larger. This error is greatly generated at the Y-axis direction position in the environment of the camera optical system. Therefore, in this embodiment, in order to guarantee the offset error in the Y-axis direction, a method of correcting the Y-direction position for each line segment is adopted.

まず、第1のステップとして連結されているすべての線分についてその中心位置を計算する。第2のステップとしてその算出した各中心位置のフレーム間の位置ズレ量からY方向オフセット量を算出する。第3のステップで、各線分毎に算出したオフセット量で右肩原点位置から順次線分毎にY方向補正を加えて各点の補正を実行する。   First, as a first step, the center positions of all connected line segments are calculated. As a second step, a Y-direction offset amount is calculated from the calculated amount of misalignment between frames at each center position. In the third step, correction of each point is executed by applying Y-direction correction for each line segment sequentially from the right shoulder origin position with the offset amount calculated for each line segment.

先の実施例ではフレーム間のY方向オフセット量を線分の中心位置を算出してそのポイントのズレから時系列的な連続性を算出する手法を採用したが、この変形実施例では原点等どこかのポイントに加速度計を取り付けてその加速度情報に基づいて移動ベクトルを算出し、時系列的な連続性を算出する手法を採用する。ただし、この手法においても1つの加速度計だけの情報では先の原点位置データだけからのY方向計算と同様に加速度計取付位置から遠い線分について誤差を生じてしまうという問題が起こる。そこで、この実施例では複数個の加速度計を離れたポイントに装着するようにして精度を高める。   In the previous embodiment, a method of calculating the center position of the line segment in the Y-direction offset amount between frames and calculating time-series continuity from the deviation of the point was adopted. A method is adopted in which an accelerometer is attached to such a point, a movement vector is calculated based on the acceleration information, and time-series continuity is calculated. However, even in this method, the information of only one accelerometer causes a problem that an error occurs in a line segment far from the accelerometer mounting position as in the Y direction calculation from only the previous origin position data. Therefore, in this embodiment, the accuracy is improved by attaching a plurality of accelerometers to remote points.

本発明の手法で、人間の動きを解析する場合には基準とするポイントを左右の肩位置と左右の腰骨位置の4点を選択した場合、重心位置の特定や体の向きとひねり具合が把握でき、二次元画像からの三次元解析が極めて効果的に行えることがわかった。
また、上記の説明では当初から解析を目的として撮像した二次元画像を基に解析を行うものとしたが、これに限らず、過去に撮影した画像からでも被写体の線分情報が得られるならば、本発明の手法で解析を行うことが可能である。名選手の記録フィルムなどからでも、体格データがあれば解析が可能である。その場合、位置情報については画像をデジタル化するなり、ディスプレイ上での画像測距技術等で得ることが可能である。また、体格データがない場合には一連の画像における線分の最長データをXZ平面に平行な方向とみなせば、身体の動きとしてはそれなりの解析が可能である。
When analyzing human movements with the method of the present invention, if the four points of the left and right shoulder positions and the left and right hip bone positions are selected as the reference points, the position of the center of gravity and the orientation and twist of the body can be grasped. It was found that 3D analysis from 2D images can be performed very effectively.
In the above description, the analysis is performed based on the two-dimensional image captured for the purpose of analysis from the beginning. However, the present invention is not limited to this, and if line segment information of the subject can be obtained from images captured in the past. It is possible to perform analysis by the method of the present invention. Even from the recording film of famous players, analysis is possible if there is physique data. In this case, the position information can be obtained by digitizing an image and using an image ranging technique on the display. When there is no physique data, if the longest line segment data in a series of images is regarded as a direction parallel to the XZ plane, the body motion can be analyzed as appropriate.

本発明に係る二次元画像から被写体の三次元情報を解析する情報を実施するシステムは、大がかりな装置を必要としない。図4に示すようにデジタルカメラと本発明の方法を実行するプログラムが蓄積された記録媒体を準備すれば、汎用のパーソナルコンピュータを用いてシステム化することが出来る。カメラは撮像した二次元画像を情報としてパソコンの内のメモリに出力する。この画像はパソコンのディスプレイでモニタすることが出来る。被写体の線分情報と線分選択情報はパソコンのキーボードやマウスを用いて入力する。ディスプレイに映された二次元画像上で線分端部のポイントをマウスでクリックしてマーク付けすると共に、そのポイントの二次元座標位置を読みとる機能と、前記した本発明で行うすべての演算を実行させるソフトは記録媒体に蓄積されており、この記録媒体をパソコンにセットしてパソコンにインストールすればもはや、この記録媒体は必要はない。二次元画像上の線分情報と先に入力された該線分の実際の長さ情報とを基礎データとして、前述した方法の手順に従い、該線分の三次元情報はパソコンの演算手段で算出される。
解析結果はメモリに蓄積し、線分画像として表示したり、三次元座標データであることから、異なる角度からの画像をコンピュータグラフィクスの技術で簡単に加工することが可能である。また、前述した左右の肩位置と左右の腰骨位置の4点から体の重心位置を特定し、連続動作における重心移動などを観察することが出来る。
The system that performs the information for analyzing the three-dimensional information of the subject from the two-dimensional image according to the present invention does not require a large-scale device. As shown in FIG. 4, if a digital camera and a recording medium storing a program for executing the method of the present invention are prepared, a system can be realized using a general-purpose personal computer. The camera outputs the captured two-dimensional image as information to a memory in the personal computer. This image can be monitored on a personal computer display. The subject line segment information and line segment selection information are input using a keyboard or mouse of a personal computer. On the two-dimensional image displayed on the display, the point at the end of the line segment is marked by clicking with the mouse, and the two-dimensional coordinate position of the point is read, and all the calculations performed in the present invention are executed. The software to be stored is stored in a recording medium. If this recording medium is set in a personal computer and installed in the personal computer, this recording medium is no longer necessary. Based on the line segment information on the two-dimensional image and the actual length information of the previously input line segment, the three-dimensional information of the line segment is calculated by the computing means of the personal computer according to the procedure of the method described above. Is done.
The analysis result is stored in a memory and displayed as a line segment image or is three-dimensional coordinate data. Therefore, images from different angles can be easily processed by a computer graphics technique. Further, the center of gravity position of the body can be identified from the four points of the left and right shoulder positions and the left and right hip bone positions described above, and the center of gravity movement in continuous motion can be observed.

本発明は、スポーツ選手の動きの解析を主として説明してきたが、この他、医療分野では身体の動きの診断やリハビリの際の判定データとして、また、生物学の分野では動物の動き観察、機械分野では機構の稼働状態観察など、広い分野の線分について適用できる。   The present invention has mainly explained the analysis of athletes' movements. In addition, in the medical field, it is used as judgment data for body movement diagnosis and rehabilitation, and in the field of biology, animal movement observation, machine In the field, it can be applied to line segments in a wide range of fields, such as observation of the operating state of the mechanism.

本発明が扱う連結された線分構造体の概念図である。It is a conceptual diagram of the connected line segment structure which this invention handles. 空間座標系とカメラ座標系を説明する図である。It is a figure explaining a space coordinate system and a camera coordinate system. 線分構造体の実空間座標とカメラ座標との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the real space coordinate of a line segment structure, and a camera coordinate. 本発明の方法を実行するシステムを説明する図である。It is a figure explaining the system which performs the method of this invention. 従来のステレオ法による三次元情報解析を説明する図である。It is a figure explaining the three-dimensional information analysis by the conventional stereo method. 二次元画像から三次元情報を解析する従来の方法を説明する図である。It is a figure explaining the conventional method of analyzing three-dimensional information from a two-dimensional image.

符号の説明Explanation of symbols

A,B,C‥‥,G 線分端部のポイント
,l‥‥,l 線分の長さ
,M マークポイント
A, B, C..., G line segment end point l 1 , l 2 ..., L i line segment length M k , M m Mark point

Claims (10)

自由継ぎ手で連結された線分を撮像した二次元画像と前記線分の長さ情報とから、撮像時における前記線分の三次元位置を、1つの連結部位置を基準として算出する方法であって、
三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出する方法。
And a two-dimensional image and length information of the segment of the captured segments linked by free joints, the three-dimensional position of the line at the time of imaging, met method to calculate on the basis of the one connection position And
The three-dimensional spatial coordinates X-axis, Y-axis, and Z-axis are related to the two-dimensional camera coordinates U-axis and V-axis so that the X-axis and U-axis are parallel, and the Z-axis and V-axis are parallel. The camera coordinates (U m , V m ) with respect to the three-dimensional position (X m , Y m , Z m ) of M m in the relationship between the joint M m having a length of 1 km and the other end M k While calculating the (X k , Z k ) coordinate value of M k using the depth direction coefficient from the (U k , V k ) information ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference A method of sequentially calculating the three-dimensional position of each line segment during imaging.
同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、請求項1に記載の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報について、2つの画像から基準とした連結部の画像間上での位置ズレ情報から両画像の光学軸方向のオフセット量を算出して前記線分の三次元情報の補正を施し、各線分の位置変化情報を得、被写体の運動を三次元的に解析する方法。   Based on the two-dimensional images captured in time series by the same optical system, the three-dimensional information of the line segments in each image obtained by the method of claim 1 Calculates the offset amount in the optical axis direction of both images from the positional deviation information between the images, corrects the three-dimensional information of the line segment, obtains the position change information of each line segment, and moves the subject in three dimensions How to parse. 同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、請求項1に記載の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報を得るステップと、それぞれの画像における各線分の中心点位置を算出するステップと、該中心位置の2画像間のズレから両画像の光学軸方向のオフセット量を各線分毎に算出するステップと、前記線分の三次元情報について基準とした連結部から前記算出したオフセット量を順次補正して各線分の位置変化情報を得るステップとを踏む、被写体の運動を三次元的に解析する方法。   A step of obtaining three-dimensional information of a line segment in each image obtained by the method according to claim 1, based on a two-dimensional image captured in time series by the same optical system, and each line segment in each image A step of calculating a center point position, a step of calculating an offset amount in the optical axis direction of both images from a deviation between the two images of the center position for each line segment, and a connection based on the three-dimensional information of the line segment A step of three-dimensionally analyzing the motion of the subject, comprising: sequentially correcting the calculated offset amount from a unit to obtain position change information of each line segment. 同じ光学系で時系列的に撮像された二次元画像を基に、請求項1に記載の方法によって得られた各画像における線分の三次元情報について、基準とする連結部に加速度計を装着し該加速度計の検出値からベクトルを計算し両画像の光学軸方向のオフセット量を算出して前記線分の三次元情報の補正を施し、各線分の位置変化情報を得、被写体の運動を三次元的に解析する方法。   An accelerometer is attached to the reference connecting portion for the three-dimensional information of the line segment in each image obtained by the method according to claim 1 based on a two-dimensional image captured in time series with the same optical system. The vector is calculated from the detected values of the accelerometer, the offset amount in the optical axis direction of both images is calculated, the three-dimensional information of the line segment is corrected, the position change information of each line segment is obtained, and the motion of the subject is calculated. A three-dimensional analysis method. 被写体は人間を含む動物であって、継ぎ手は関節であり、線分は肢体であることにより動物の姿勢や動きを解析することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の三次元解析方法。   The three-dimensional object according to any one of claims 1 to 4, wherein the subject is an animal including a human, the joint is a joint, and the line segment is a limb body to analyze the posture and movement of the animal. analysis method. 被写体は人間であって、左右の肩先端位置と左右の腰骨先端位置を特定ポイントとすることにより、人間の向きや身体のひねり具合を解析することを特徴とする請求項5に記載の三次元解析方法。   The three-dimensional object according to claim 5, wherein the subject is a human and the orientation of the person and the twist of the body are analyzed by using the left and right shoulder tip positions and the left and right hip bone tip positions as specific points. analysis method. 撮像した二次元画像を情報として出力するカメラと、被写体の線分情報と線分選択情報を入力する手段と、二次元画像上の線分情報と該線分の長さ情報とから該線分の三次元情報を算出する演算手段とを備え、前記演算手段は三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出する二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステム。
The line segment from the camera that outputs the captured two-dimensional image as information, means for inputting line segment information and line segment selection information of the subject, line segment information on the two-dimensional image, and length information of the line segment and an arithmetic means for calculating three-dimensional information of said arithmetic means spatial coordinates X-axis of the three-dimensional, Y-axis, Z-axis and two-dimensional camera coordinate U axis, X-axis and U-axis the relation between V axis but taken as Z-axis and V-axis are parallel, three-dimensional position of the M m 1 single concatenated length in relation to the joint M m and the other M k is l km (X m, Y m , With Z m ) as a reference, the (X k , Z k ) coordinate value of M k is calculated from the camera coordinate (U m , V m ) and (U k , V k ) information using the depth direction coefficient ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference A system for analyzing three-dimensional information of a subject from a two-dimensional image that sequentially calculates a three-dimensional position of each line segment at the time of imaging .
時系列的に撮像された二次元画像を蓄積すると共に解析データを記憶するメモリと、二次元画像を表示する表示部と、解析結果を加工する手段とを備えた請求項7に記載の二次元画像から被写体の三次元情報を解析するシステム。   The two-dimensional image according to claim 7, comprising a memory for accumulating two-dimensional images taken in time series and storing analysis data, a display unit for displaying the two-dimensional image, and means for processing the analysis result. A system that analyzes 3D information of a subject from an image. 三次元の空間座標X軸,Y軸,Z軸と二次元のカメラ座標U軸,V軸との関係をX軸とU軸が、Z軸とV軸が平行となるようにとり、1つの連結された長さがl k-m である継ぎ手M と他端M の関係においてM の三次元位置(X ,Y ,Z )を基準として、カメラ座標(U ,V )と(U ,V )情報から奥行き方向係数を用いてM の(X ,Z )座標値を算出すると共に、
=±{l k-m −(X k −X ) −(Z k −Z ) 1/2 +Y
の式に基づいて該線分の他端M の奥行き情報Y を算出して他端M の三次元位置情報(X ,Y ,Z )を得、更にこの位置を基準として撮像時における前記各線分の三次元位置を順次算出するという、二次元画像上における自由継ぎ手で連結された線分位置情報と該線分の長さ情報とから撮像時における前記線分の三次元情報を算出するプログラムがコンピュータ読み取り可能な形態で書き込まれている記録媒体。
The three-dimensional spatial coordinates X-axis, Y-axis, and Z-axis are related to the two-dimensional camera coordinates U-axis and V-axis so that the X-axis and U-axis are parallel, and the Z-axis and V-axis are parallel. The camera coordinates (U m , V m ) with respect to the three-dimensional position (X m , Y m , Z m ) of M m in the relationship between the joint M m having a length of 1 km and the other end M k While calculating the (X k , Z k ) coordinate value of M k using the depth direction coefficient from the (U k , V k ) information ,
Y k = ± {l km 2 − (X k −X m ) 2 − (Z k −Z m ) 2 } 1/2 + Y m
The depth information Y k of the other end M k of the line segment is calculated based on the following formula to obtain the three-dimensional position information (X k , Y k , Z k ) of the other end M k , and further using this position as a reference The three-dimensional position of the line segment at the time of imaging is calculated from the line segment position information connected by a free joint on the two-dimensional image and the length information of the line segment , which sequentially calculates the three-dimensional position of each line segment at the time of imaging. A recording medium in which a program for calculating information is written in a computer-readable form.
時系列的に撮像された各二次元画像から各線分の位置変化情報を得ると共に、画像間の光学軸方向オフセット量を算出して位置補正を加え、被写体の運動を三次元的に解析するプログラムが付加されている請求項9に記載の記録媒体。   A program that obtains position change information for each line segment from each two-dimensional image captured in time series, calculates the amount of offset in the optical axis direction between the images, corrects the position, and analyzes the motion of the subject in three dimensions The recording medium according to claim 9, to which is added.
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