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JP6306996B2 - VIDEO DATA PROCESSING METHOD, VIDEO DATA PROCESSING DEVICE, AND VIDEO DATA PROCESSING PROGRAM - Google Patents
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VIDEO DATA PROCESSING METHOD, VIDEO DATA PROCESSING DEVICE, AND VIDEO DATA PROCESSING PROGRAM Download PDF

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Description

本発明は、映像データ処理方法、映像データ処理装置及び映像データ処理プログラムに関する。   The present invention relates to a video data processing method, a video data processing device, and a video data processing program.

スマートフォンを始めとするカメラ付きデバイスの普及に伴い、個人が気軽に写真・動画を撮影・公開することがますます容易になってきており、そのように撮影されWeb上にアップロードされた動画像によって膨大なアーカイブが形成されつつある。それに伴い、こうした膨大な数の動画像をただ視聴するだけでなく、新たな用途に向けて活用しようとする動きが近年急速に高まってきている。   With the widespread use of smartphones and other camera-equipped devices, it has become easier for individuals to easily shoot and publish photos and videos. A huge archive is being formed. Along with this, there has been a rapid increase in recent years not only to watch such a large number of moving images but also to use them for new applications.

代表的なアプリケーションでは、個人が撮像した観光地のランドマークなどの画像を被写体毎に収集し、それらを使用して被写体の三次元構造を推定し、仮想的な三次元物体として任意の視点で閲覧可能とするものがある。   A typical application collects landmarks and other images of sightseeing spots taken by individuals for each subject, uses them to estimate the 3D structure of the subject, and uses it as a virtual 3D object from any viewpoint. Some are available for viewing.

このようなアプリケーションは概ね古典的な画像処理の手法に基づき画像群から三次元情報を復元するものである。基本的には画像中の特徴点抽出と異なる画像上での対応点探索によって、撮像に使用したカメラの位置姿勢を推定するとともに被写体の三次元構造を復元する(例えば、非特許文献1参照)。すなわち、この方法で復元可能なものは画像間で位置姿勢形状が変わらない被写体に限られている。一方、画像群は通常非同期に撮影されている。そのため、静止した被写体のみが復元対象となる。   Such an application generally restores three-dimensional information from an image group based on a classical image processing technique. Basically, the position and orientation of the camera used for imaging is estimated and the three-dimensional structure of the subject is restored by searching for corresponding points on an image different from feature point extraction in the image (see, for example, Non-Patent Document 1). . That is, what can be restored by this method is limited to a subject whose position and orientation shape does not change between images. On the other hand, the image group is usually taken asynchronously. Therefore, only a stationary subject is a restoration target.

また、動画をデータソースとするべく拡張した技術の研究も進められている(例えば、非特許文献2参照)。これらの方法では、動画中に存在する被写体を背景を主とした静止物体とそれ以外の動物体に分け、まず静止物についてのみ先述の方法を使用して三次元構造を復元しつつ、カメラ位置姿勢を推定する。動物体については三次元構造を復元せずに、映像視聴時に視点を切り替えるときのみ簡易的な補間処理を行うことでスムーズな視点移動を可能としている。   In addition, research on technology that expands a moving image as a data source is also underway (see, for example, Non-Patent Document 2). In these methods, the subject existing in the video is divided into a stationary object mainly of the background and other moving objects, and the camera position is restored while restoring the 3D structure using the method described above only for stationary objects. Estimate posture. For the moving object, smooth viewpoint movement is possible by performing simple interpolation processing only when the viewpoint is switched during video viewing without restoring the three-dimensional structure.

E. Mouragnon, M. Lhuillier, M. Dhome, F. Dekeyser, and P. Sayd, “Generic and real-time structure from motion using local bundle adjustment,” Image Vis. Comput., vol. 27, no. 8, pp. 1178-1193, Jul. 2009.E. Mouragnon, M. Lhuillier, M. Dhome, F. Dekeyser, and P. Sayd, “Generic and real-time structure from motion using local bundle adjustment,” Image Vis. Comput., Vol. 27, no. 8, pp. 1178-1193, Jul. 2009. L. Ballan, G. J. Brostow, J. Puwein, and M. Pollefeys, “Unstructured Video-Based Rendering: Interactive Exploration of Casually Captured Videos,” in ACM SIGGRAPH 2010 papers, 2010, pp. 1-11.L. Ballan, G. J. Brostow, J. Puwein, and M. Pollefeys, “Unstructured Video-Based Rendering: Interactive Exploration of Casually Captured Videos,” in ACM SIGGRAPH 2010 papers, 2010, pp. 1-11.

画像を使用して複数のカメラの位置姿勢を推定するためには、非特許文献1に示される方法等でカメラ間の相対的な姿勢を表す基礎行列や回転行列と並進ベクトルの組などを決定する。ただし、画像を用いる方法で計算される相対位置のスケールは不定であり、並進ベクトルの値は実空間上の距離尺度とは無関係の値となる。そのため、例えば3つのカメラA、B、Cのうち、カメラAB間の姿勢FABとカメラBC間の姿勢FBCとが決定されたとしても、それらだけからカメラAC間の姿勢FACを求めることはできない。上記のようなアプリケーションでは、全てのカメラの組み合わせでそれぞれ姿勢を決定するか、カメラ間で共通する被写体の大きさを基準とするなどの方法で各姿勢のスケールを合わせることで問題に対処している。   In order to estimate the position and orientation of multiple cameras using images, the basic matrix representing the relative orientation between cameras and the set of rotation matrix and translation vector are determined by the method described in Non-Patent Document 1. To do. However, the scale of the relative position calculated by the method using the image is indefinite, and the value of the translation vector is a value unrelated to the distance scale in the real space. Therefore, for example, even if the posture FAB between the cameras AB and the posture FBC between the cameras BC among the three cameras A, B, and C are determined, the posture FAC between the cameras AC cannot be obtained from them. In applications such as the above, the posture is determined for each camera combination, or the scale of each posture is adjusted by a method such as using the size of the subject common between the cameras as a reference. Yes.

しかしながら、各カメラが十分な共通の領域を撮影していない場合や、共通領域は存在するがその上に信頼できる対応点を十分取ることができない場合などにはこうした対処方法をとることができないという問題がある。また、例え複数のカメラ間でスケールを合わせることができる場合でも、それを実空間上の距離尺度と合わせるためには、被写体の実際の大きさが既知であるかカメラからの距離が既知であるなど、厳しい条件が必要とされる。   However, if each camera does not capture a sufficient common area, or if there is a common area but it is not possible to take enough reliable corresponding points, such a countermeasure cannot be taken. There's a problem. Also, even if the scale can be adjusted between multiple cameras, the actual size of the subject is known or the distance from the camera is known in order to match it with a distance scale in real space. Severe conditions are required.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、得られた映像と、センサ情報とから、被写体の絶対的な三次元情報と、2つ以上のカメラ間における位置姿勢とを推定することができる映像データ処理方法、映像データ処理装置及び映像データ処理プログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and estimates the absolute three-dimensional information of a subject and the position and orientation between two or more cameras from the obtained video and sensor information. An object of the present invention is to provide a video data processing method, video data processing apparatus, and video data processing program.

本発明は、複数の撮像手段により取得した複数の映像からなる多視点映像と、基準となる撮像手段の位置姿勢を推定可能なセンサが出力するセンサ情報を使用して複数の撮像手段の位置姿勢の推定を行う映像データ処理方法であって、前記センサ情報を使用して、前記基準となる撮像手段により取得した映像の一つの時刻の画像である基準フレームと、該基準フレームと異なる時刻の画像である参照フレームとの間の前記撮像手段の位置姿勢変位を推定する位置姿勢変位推定ステップと、前記基準フレーム上の点の三次元情報を前記参照フレーム上の対応する点の位置と前記位置姿勢変位に基づき推定する三次元情報推定ステップと、前記基準フレームと、他の撮像手段により取得した映像中の前記基準フレームと同じ時刻の画像である対象フレームの間で、前記三次元情報を使用して前記他の撮像手段の位置姿勢を推定する位置姿勢推定ステップとを有することを特徴とする。 The present invention uses a multi-view video composed of a plurality of images acquired by a plurality of imaging means, and sensor information output by a sensor capable of estimating the position and orientation of a reference imaging means, and the position and orientation of the plurality of imaging means. A video data processing method for estimating a reference frame, which is an image at one time of a video obtained by the reference imaging means using the sensor information, and an image at a time different from the reference frame A position / orientation displacement estimation step for estimating a position / orientation displacement of the image pickup means between the reference frame and the reference frame, and the three-dimensional information of the point on the reference frame, the position of the corresponding point on the reference frame and the position / orientation A target that is an image at the same time as the reference frame in the video acquired by the three-dimensional information estimation step that estimates based on the displacement, the reference frame, and other imaging means Between the frame, and having a position and orientation estimation step of estimating the position and orientation of the other imaging means by using the three-dimensional information.

本発明は、前記位置姿勢推定ステップは、前記基準フレームと、前記対象フレームとの間で、前記基準となる撮像手段と前記他の撮像手段との間のスケール不定の相対位置姿勢を推定し、前記三次元情報に基づき前記スケール不定の相対位置姿勢のスケールを決定することを特徴とする。   In the present invention, the position and orientation estimation step estimates a relative position and orientation with an indefinite scale between the reference imaging unit and the other imaging unit between the reference frame and the target frame. The scale of the relative position and orientation with indefinite scale is determined based on the three-dimensional information.

本発明は、前記位置姿勢推定ステップは、前記基準フレームと、前記対象フレームとの間で、前記三次元情報に基づく前記基準となる撮像手段から前記他の撮像手段への投影誤差が最小となる相対位置姿勢を推定することを特徴とする。   According to the present invention, in the position and orientation estimation step, a projection error from the reference imaging unit based on the three-dimensional information to the other imaging unit is minimized between the reference frame and the target frame. The relative position and orientation is estimated.

本発明は、前記三次元情報は深度情報であり、前記三次元情報推定ステップは、前記基準フレームと前記参照フレーム上の対応する点の深度情報を前記位置姿勢変位に基づく三角測量によって推定することを特徴とする。   In the present invention, the three-dimensional information is depth information, and the three-dimensional information estimation step estimates the depth information of corresponding points on the reference frame and the reference frame by triangulation based on the position and orientation displacement. It is characterized by.

本発明は、複数の撮像手段により取得した複数の映像からなる多視点映像と、基準となる撮像手段の位置姿勢を推定可能なセンサが出力するセンサ情報を使用して複数の撮像手段の位置姿勢の推定を行う映像データ処理装置であって、前記センサ情報を使用して、前記基準となる撮像手段により取得した映像の一つの時刻の画像である基準フレームと、該基準フレームと異なる時刻の画像である参照フレームとの間の前記撮像手段の位置姿勢変位を推定する位置姿勢変位推定手段と、前記基準フレーム上の点の三次元情報を前記参照フレーム上の対応する点の位置と前記位置姿勢変位に基づき推定する三次元情報推定手段と、前記基準フレームと、他の撮像手段により取得した映像中の前記基準フレームと同じ時刻の画像である対象フレームの間で、前記三次元情報を使用して前記他の撮像手段の位置姿勢を推定する位置姿勢推定手段とを備えることを特徴とする。 The present invention uses a multi-view video composed of a plurality of images acquired by a plurality of imaging means, and sensor information output by a sensor capable of estimating the position and orientation of a reference imaging means, and the position and orientation of the plurality of imaging means. A video data processing apparatus for estimating the reference frame, which is an image at one time of the video obtained by the reference imaging means using the sensor information, and an image at a time different from the reference frame Position and orientation displacement estimation means for estimating the position and orientation displacement of the imaging means between the reference frame and the reference frame, and the three-dimensional information of the point on the reference frame and the position of the corresponding point on the reference frame and the position and orientation 3D information estimation means for estimating based on displacement, the reference frame, and a target frame that is an image at the same time as the reference frame in the video acquired by another imaging means Between, characterized in that it comprises a position and orientation estimation means for estimating the position and orientation of the other imaging means by using the three-dimensional information.

本発明は、コンピュータに、前記映像データ処理方法を実行させるための映像データ処理プログラムである。   The present invention is a video data processing program for causing a computer to execute the video data processing method.

本発明によれば、得られた映像と、センサ情報とから、被写体の絶対的な三次元情報と、2つ以上のカメラ間における位置姿勢とを推定することができるという効果が得られる。   According to the present invention, it is possible to estimate the absolute three-dimensional information of a subject and the position and orientation between two or more cameras from the obtained video and sensor information.

本発明の一実施形態による映像データ処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the video data processing apparatus by one Embodiment of this invention. 図1に示す映像データ処理装置100の処理動作を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing a processing operation of the video data processing apparatus 100 shown in FIG. 1. 三角測量で画像上の点の深度情報を求める方法を示す図である。It is a figure which shows the method of calculating | requiring the depth information of the point on an image by triangulation. 受光素子に直行する面と第i番目画素に入る光線がなす角γを示す図である。It is a figure which shows angle (gamma) which the surface orthogonal to a light receiving element and the light ray which enters into an i-th pixel make.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による映像データ処理装置を説明する。図1は同実施形態による映像データ処理装置の構成を示すブロック図である。映像データ処理装置100は、図1に示すように、映像入力部101、入力画像メモリ102、センサ情報入力部103、センサ情報メモリ104、基準カメラ位置姿勢変位推定部105、基準カメラ三次元情報推定部106、カメラ間位置姿勢推定部107、およびスケール推定部108を備えている。   Hereinafter, a video data processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a video data processing apparatus according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the video data processing apparatus 100 includes a video input unit 101, an input image memory 102, a sensor information input unit 103, a sensor information memory 104, a reference camera position and orientation displacement estimation unit 105, and a reference camera three-dimensional information estimation. Unit 106, an inter-camera position / orientation estimation unit 107, and a scale estimation unit 108.

映像入力部101は、処理対象となる多視点映像、特に基準となるカメラの映像と別のカメラの映像を入力する。以下の説明では、この処理対象となる多視点映像を処理対象多視点映像、特に基準となるカメラを基準カメラ、その映像を基準映像、別のカメラを対象カメラ、その映像を対象映像と称する。また、特に処理を行う時刻の基準映像のフレームを基準フレーム、同じ時刻の対象映像のフレームを対象フレームと称する。また、基準映像の処理対象時刻の前後の別の時刻におけるフレームを参照フレームと称する。入力画像メモリ102は、映像入力部101において入力された処理対象多視点映像を記憶する。   The video input unit 101 inputs a multi-view video to be processed, in particular, a video from a camera different from the reference camera. In the following description, the multi-view video to be processed is referred to as a processing multi-view video, in particular, the reference camera is referred to as a reference camera, the video is referred to as a reference video, another camera is referred to as a target camera, and the video is referred to as a target video. In addition, a frame of a reference video at a time at which processing is performed is referred to as a reference frame, and a frame of a target video at the same time is referred to as a target frame. A frame at another time before and after the processing time of the standard video is referred to as a reference frame. The input image memory 102 stores the processing target multi-viewpoint video input by the video input unit 101.

センサ情報入力部103は、基準カメラに対応するセンサ情報を入力する。センサ情報メモリ104は、センサ情報入力部103において入力されたセンサ情報を記憶する。   The sensor information input unit 103 inputs sensor information corresponding to the reference camera. The sensor information memory 104 stores the sensor information input by the sensor information input unit 103.

基準カメラ位置姿勢変位推定部105は、センサ情報メモリ104に記憶されたセンサ情報を使用して、基準フレームと参照フレームとの間の位置姿勢変位を推定する。基準カメラ三次元情報推定部106は、推定された位置姿勢変位と、入力画像メモリ102に記憶された基準フレームと参照フレームを使用して、基準フレームの一部の三次元情報を推定する。   The reference camera position / posture displacement estimation unit 105 uses the sensor information stored in the sensor information memory 104 to estimate the position / posture displacement between the reference frame and the reference frame. The reference camera 3D information estimation unit 106 estimates 3D information of a part of the reference frame using the estimated position and orientation displacement, the reference frame and the reference frame stored in the input image memory 102.

カメラ間位置姿勢推定部107は、入力画像メモリ102に記憶された基準フレームと対象フレームを使用して、スケール不定カメラ間位置姿勢を推定する。スケール推定部108は、基準フレーム三次元情報を使用してスケール不定カメラ間相対位置姿勢のスケールを推定し、カメラ間相対位置姿勢を決定する。   The inter-camera position / orientation estimation unit 107 estimates the inter-camera position / orientation using a reference frame and a target frame stored in the input image memory 102. The scale estimation unit 108 estimates the scale of the relative position and orientation between cameras with indefinite scale using the reference frame three-dimensional information, and determines the relative position and orientation between cameras.

次に、図2を参照して、図1に示す映像データ処理装置100の処理動作を説明する。図2は、図1に示す映像データ処理装置100の処理動作を示すフローチャートである。ここでは、基準映像及び対象映像は多視点映像のうちの同じシーンを撮像した異なるカメラに対応する2つの映像であることとする。   Next, the processing operation of the video data processing apparatus 100 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing the processing operation of the video data processing apparatus 100 shown in FIG. Here, it is assumed that the reference video and the target video are two videos corresponding to different cameras capturing the same scene of the multi-view video.

まず、映像入力部101は、基準映像と対象映像とを入力し、入力画像メモリ102に記憶する。また、センサ情報入力部103は、基準カメラに対応するセンサ情報を入力し、センサ情報メモリ104に記憶する(ステップS101)。センサ情報は基準カメラに付帯する加速度センサやジャイロセンサ等のセンサで取得された情報である。本実施形態では、センサ情報に基づいて基準カメラの自己位置姿勢の変位が決定されるものであるとし、センサは基準カメラと同じデバイスに属しその位置・姿勢は基準カメラと同一であるとしてもよいし、基準カメラに固定され基準カメラに対する相対位置姿勢が既知である物であるとしてもよい。   First, the video input unit 101 inputs a reference video and a target video and stores them in the input image memory 102. Also, the sensor information input unit 103 inputs sensor information corresponding to the reference camera and stores it in the sensor information memory 104 (step S101). The sensor information is information acquired by a sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor attached to the reference camera. In the present embodiment, the displacement of the self-position and orientation of the reference camera is determined based on the sensor information, and the sensor may belong to the same device as the reference camera and the position and orientation may be the same as the reference camera. Alternatively, it may be an object that is fixed to the reference camera and whose relative position and orientation with respect to the reference camera are known.

また、センサ情報は映像と同じフレームレートでセンサの取得情報を記録したものであってもよいし、別のフレームレートで取得情報を記録したものであってもよい。フレームレートが異なる場合には、映像のフレームレートに合わせてセンサ情報を補間し使用することとしてもよいし、近傍の時刻の情報を使用することとしてもよい。以下では、簡単のために映像とセンサ情報のフレームレートが同じであり、センサ情報は映像の各フレームと同じ時刻の情報の集合であるとする。   The sensor information may be information obtained by recording sensor acquisition information at the same frame rate as the video, or may be information obtained by recording the acquisition information at a different frame rate. When the frame rates are different, the sensor information may be interpolated and used in accordance with the frame rate of the video, or information on a nearby time may be used. In the following, for simplicity, it is assumed that the frame rate of the video and the sensor information is the same, and the sensor information is a set of information at the same time as each frame of the video.

以下では映像中のある1フレームについてカメラ間の相対位置姿勢を推定する処理について説明するが、この処理を全フレームについて行う(ステップS102〜S107のループ)ことで、映像全体についてカメラ間の相対位置姿勢を決定することができる。または、特定のフレームについてのみ実施し、残りのフレームについては補間処理に基づき相対位置姿勢を決定することなどもできる。   In the following, the process of estimating the relative position and orientation between cameras for a certain frame in the video will be described. By performing this process for all frames (loop of steps S102 to S107), the relative position between the cameras for the entire video is described. The posture can be determined. Alternatively, it may be performed only for a specific frame, and the relative position and orientation may be determined based on interpolation processing for the remaining frames.

各フレームに対する処理においては、まず、入力画像メモリ102に記憶された処理対象のフレームである基準フレームと参照フレームについて、センサ情報メモリ104に記憶された対応するセンサ情報に基づいて、フレーム間でのカメラ位置姿勢の変位を推定する(ステップS103)。参照フレームの記録時刻は基準フレームと異なる時刻であれば前の時刻でも後の時刻でもよい。使用するセンサ情報は、上述した加速度センサやジャイロセンサの他に、地磁気センサやGPS(Global Positioning System)センサなど、フレーム間でカメラ位置姿勢の変位を推定可能なものであればどのようなものでもよい。位置姿勢の変異としては回転行列と併進ベクトルの組み合わせなどを使用してもよいし、三次元情報推定の方法によって併進ベクトルのみを使用してもよい。   In the processing for each frame, first, a reference frame and a reference frame, which are processing target frames stored in the input image memory 102, are determined between frames based on corresponding sensor information stored in the sensor information memory 104. The camera position / posture displacement is estimated (step S103). The recording time of the reference frame may be the previous time or the later time as long as it is different from the reference frame. The sensor information to be used may be any information that can estimate the displacement of the camera position and orientation between frames, such as a geomagnetic sensor and a GPS (Global Positioning System) sensor, in addition to the acceleration sensor and the gyro sensor described above. Good. As the position / orientation variation, a combination of a rotation matrix and a translation vector may be used, or only a translation vector may be used by a three-dimensional information estimation method.

以下では加速度センサを使用する場合について説明する。基準カメラOの基準フレームの時刻をt、参照フレームの時刻をtとして、時刻tにおける加速度センサの値をa(t)であるとすると、このフレーム間の相対位置姿勢変位ΔF t1,t0は以下の式で表される。ここで、τは、時間に関する変数で、積分変数である。

Figure 0006306996
Figure 0006306996
Below, the case where an acceleration sensor is used is demonstrated. When the time of the base frame of the base camera O is t 0 , the time of the reference frame is t 1 , and the value of the acceleration sensor at time t is a (t), the relative position / posture displacement ΔF 0 t1, between the frames t0 is represented by the following equation. Here, τ is a variable related to time and is an integral variable.
Figure 0006306996
Figure 0006306996

位置姿勢変位を推定したら、基準カメラ三次元情報推定部106は、推定された位置姿勢変位と、入力画像メモリ102に記憶された基準フレームと参照フレームを使用して、基準フレームの三次元情報を推定する(ステップS104)。三次元情報はどのようなものでもよい。ある点のカメラからの距離である深度情報でもよいし、基準カメラの座標系における三次元座標でもよいし、その他の座標系における座標値などでもよい。以下では、深度情報を使用する場合について説明する。   Once the position / orientation displacement is estimated, the reference camera three-dimensional information estimation unit 106 uses the estimated position / orientation displacement and the reference frame and reference frame stored in the input image memory 102 to calculate the three-dimensional information of the reference frame. Estimate (step S104). Any 3D information may be used. It may be depth information that is a distance from a camera at a certain point, three-dimensional coordinates in the coordinate system of the reference camera, or coordinate values in other coordinate systems. Below, the case where depth information is used is demonstrated.

深度情報を求める方法はどのような方法でもよい。一般的な方法では、この2つのフレーム間で対応する点が有り、その点が両フレームの間で運動せず静止している、または無視できる程度に小さい運動をしていることと仮定すれば、三角測量等の方法によってその点の深度情報を求めることができる。   Any method may be used to obtain the depth information. Assuming that there is a corresponding point between the two frames in the general method, and that the point does not move between the two frames and is stationary or has a negligibly small movement The depth information of the point can be obtained by a method such as triangulation.

ここで、三角測量で画像上の点の深度情報を求める場合の例を図3を参照して説明する。図3は、三角測量で画像上の点の深度情報を求める方法を示す図である。簡単のために基準フレームの左右方向をX軸、カメラの上下方向をY軸、カメラの奥行き方向をZ軸とし、参照フレームの基準フレームに対する位置姿勢変位はX方向への平行移動であり変位量はlメートルであるとして説明する。   Here, an example of obtaining depth information of points on an image by triangulation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a method for obtaining depth information of points on an image by triangulation. For simplicity, the horizontal direction of the reference frame is the X axis, the vertical direction of the camera is the Y axis, and the depth direction of the camera is the Z axis, and the position and orientation displacement of the reference frame relative to the reference frame is a parallel movement in the X direction. Is assumed to be 1 meter.

まず、基準フレームと参照フレームの間で対応する点の組(x,x)を推定する。(x,x)は実空間上の点Xの各フレームにおける観測であり、この点Xの基準フレームにおけるカメラからの距離Dが求める深度情報である。対応点の推定方法はどのような方法でもよい。ここで、カメラの画角がφ、横方向の解像度がWであるとすると、カメラの受光素子はφの画角をW画素で等間隔に記録する。図4に示す通り、受光素子に直行する面と第i番目画素に入る光線がなす角γは

Figure 0006306996
で表される。 First, a set of corresponding points (x 0 , x r ) between the base frame and the reference frame is estimated. (X 0 , x r ) is observation in each frame of the point X in the real space, and is depth information obtained by the distance D from the camera in the reference frame of this point X. Any method may be used for estimating the corresponding points. Here, assuming that the angle of view of the camera is φ and the resolution in the horizontal direction is W, the light receiving element of the camera records the angle of view of φ at equal intervals with W pixels. As shown in FIG. 4, the angle γ formed by the light beam entering the i-th pixel and the surface orthogonal to the light receiving element is
Figure 0006306996
It is represented by

また、同じ光線と受光素子に平行な平面とのなす角αは

Figure 0006306996
で表される。このとき、xが基準フレームにおいて第i番目画素に位置し、xが参照フレームにおいて第i+d番目画素に位置するなら、参照フレームにおいて受光素子に直行する面とこの画素に入る光線がなす角δは
Figure 0006306996
となる。 The angle α between the same light beam and the plane parallel to the light receiving element is
Figure 0006306996
It is represented by At this time, if x0 is located at the i-th pixel in the reference frame and xr is located at the i + d-th pixel in the reference frame, the angle formed between the surface perpendicular to the light receiving element and the light ray entering this pixel in the reference frame δ is
Figure 0006306996
It becomes.

また同様に、角βは

Figure 0006306996
で表される。これにより、点XからPまでの距離rについて
Figure 0006306996
Figure 0006306996
が成立する。 Similarly, the angle β is
Figure 0006306996
It is represented by Thus, for the distance r from point X to P 0
Figure 0006306996
Figure 0006306996
Is established.

したがって、求めるDは

Figure 0006306996
となる。位置姿勢変位が6自由度である場合にも同様の方法で深度情報を求めることができる。また、この点がフレーム間で動いているものと仮定して、その動きと深度情報を推定するなどしてもよい。深度情報はどのように表現されていてもよい。カメラからの距離を表す実数値でもよいし、離散値でもよいし、カメラ間の視差を表す値などでもよい。 Therefore, the required D is
Figure 0006306996
It becomes. The depth information can be obtained by the same method even when the position and orientation displacement is 6 degrees of freedom. Also, assuming that this point is moving between frames, the motion and depth information may be estimated. The depth information may be expressed in any way. It may be a real value representing the distance from the camera, a discrete value, or a value representing the parallax between the cameras.

また、例として三次元情報として基準カメラの座標系におけるある点の三次元座標を使用する場合についても説明する。まず基準フレームと参照フレームの投影行列を位置姿勢変位に基づいて定義する。位置姿勢変位が回転行列Rと併進ベクトルtで表されるとき、二つのフレームの投影行列PとPは次のように定義できる。

Figure 0006306996
Figure 0006306996
ここで、fは任意の定数であり、(f,f)はカメラの焦点距離である。このとき、対応点の組(x,y)、(x,y)の三次元座標値は以下の連立方程式の解として与えられる。
Figure 0006306996
ここで使用される併進ベクトルはセンサの値から求められたものであるため、画像から三次元情報を復元する場合と異なり三次元座標値は実世界における値と同じスケールを持つ。 Further, as an example, a case where the three-dimensional coordinates of a certain point in the reference camera coordinate system are used as the three-dimensional information will be described. First, the projection matrix of the base frame and the reference frame is defined based on the position and orientation displacement. When the position and orientation displacement is expressed by the rotation matrix R and the translation vector t, the projection matrices P 0 and P r of the two frames can be defined as follows.
Figure 0006306996
Figure 0006306996
Here, f is an arbitrary constant, and (f 0 , f t ) is the focal length of the camera. At this time, the three-dimensional coordinate values of the pair of corresponding points (x 0 , y 0 ) and (x r , y r ) are given as solutions of the following simultaneous equations.
Figure 0006306996
Since the translation vector used here is obtained from the value of the sensor, the three-dimensional coordinate value has the same scale as the value in the real world, unlike the case where the three-dimensional information is restored from the image.

また、加速度センサなどによって求めた移動距離を位置姿勢変位と定義し、基準フレームと参照フレームとの間で画像に基づいて位置姿勢を推定し、その不定なスケールを位置姿勢変位に基づき決定してもよい。画像に基づきカメラ間の位置姿勢を推定する場合にも、上述の連立方程式によって三次元座標値を決定できる。ただし併進ベクトルの大きさは不定であり、一般的には‖t‖=1となる解を求める。このときカメラ間の実距離lを位置姿勢変位によって与えると、実空間スケールでの三次元座標は‖t‖=1の場合の値にdをかけた値として決定できる。   Also, the movement distance obtained by an acceleration sensor is defined as the position and orientation displacement, the position and orientation are estimated based on the image between the base frame and the reference frame, and the indeterminate scale is determined based on the position and orientation displacement. Also good. Even when the position and orientation between the cameras are estimated based on the image, the three-dimensional coordinate value can be determined by the above simultaneous equations. However, the size of the translation vector is indefinite, and generally a solution with ‖t‖ = 1 is obtained. At this time, when the real distance 1 between the cameras is given by the position and orientation displacement, the three-dimensional coordinates on the real space scale can be determined as a value obtained by multiplying the value in the case of ‖t‖ = 1 by d.

その他、どのような三次元情報を定義し、推定してもよい。三次元情報は画像上のすべての点について推定してもよいし、特徴点のみを抽出しそれらの特徴点についてのみ推定してもよい。また、後述のカメラ間位置姿勢推定に使用する点についてのみ推定してもよいし、カメラ間位置姿勢推定に使用する点とは別の点について三次元情報を推定した後に、改めて使用する点の三次元情報を補間等の方法によって決定するなどしてもよい。   In addition, any three-dimensional information may be defined and estimated. The three-dimensional information may be estimated for all points on the image, or only feature points may be extracted and estimated only for those feature points. In addition, it may be estimated only for points used for inter-camera position / posture estimation, which will be described later, or after estimating three-dimensional information about points different from the points used for inter-camera position / posture estimation, The three-dimensional information may be determined by a method such as interpolation.

また、2つのフレーム間での対応する点はどのような方法で決定してもよい。それぞれ特徴点を抽出し特徴の相関の高い点同士を対応点としてもよいし、小さな領域毎に画素の自乗誤差総和を最小化するようにもう一方の画像上での対応する領域の位置を決定するなどしてもよい。また、基準フレーム上での後述のカメラ間位置姿勢推定に使用する点を対応点の一方とし、その点に対して最も相関の高い参照フレーム上の点をもう一方の対応点とするなどしてもよい。   The corresponding points between the two frames may be determined by any method. Each feature point may be extracted, and points with high feature correlation may be used as corresponding points. The position of the corresponding region on the other image is determined so as to minimize the square error sum of pixels for each small region. You may do it. In addition, a point used for estimating the position and orientation between cameras described later on the base frame is set as one of the corresponding points, and a point on the reference frame having the highest correlation with the point is set as the other corresponding point. Also good.

三次元情報を推定したら、カメラ間位置姿勢推定部107は、入力画像メモリ102に記憶された基準フレームと対象フレームを使用して、スケール不定カメラ間相対位置姿勢を推定する(ステップS105)。位置姿勢を推定する方法はどのような方法でもよい。また、推定される位置姿勢はどのように表現されてもよい。カメラ間の変換行列であってもよいし、各カメラ毎の投影行列であってもよいし、内部パラメータと回転行列及び並進ベクトルの組み合わせなどでもよい。   When the three-dimensional information is estimated, the inter-camera position / orientation estimation unit 107 estimates the relative position / orientation between indeterminate cameras using the reference frame and the target frame stored in the input image memory 102 (step S105). Any method may be used for estimating the position and orientation. Further, the estimated position and orientation may be expressed in any way. It may be a conversion matrix between cameras, a projection matrix for each camera, or a combination of an internal parameter, a rotation matrix, and a translation vector.

位置姿勢推定の一般的な方法では、バンドルアジャスメントと呼ばれる方法がある(非特許文献1)。この方法では、異なるカメラ間の対応関係を表す基礎行列を、二つの画像上に存在する複数の対応点の組から決定する。基準フレームと対象フレームの画像上の対応する点(x,x)の組と基礎行列Fとの間には以下の関係がある。
(x,Fx)=0
As a general method of position and orientation estimation, there is a method called bundle adjustment (Non-Patent Document 1). In this method, a basic matrix representing a correspondence relationship between different cameras is determined from a set of a plurality of corresponding points existing on two images. There is the following relationship between a set of corresponding points (x 0 , x t ) on the image of the reference frame and the target frame and the basic matrix F.
(X 0 , Fx t ) = 0

二台のカメラの相対的な併進ベクトルtと回転行列は基礎行列とカメラの焦点距離(f,f)とから推定することができる。また、焦点距離は基礎行列から推定することができる。ただしこのとき併進ベクトルtのスケールは不定であり、一般的には‖t‖=1となる解を求めることになっている。併進ベクトルtは、以下の基本行列Eを求め

Figure 0006306996
対象行列EEの最小固有値に対する単位固有ベクトルをtとすることで求められる。fは任意の定数であり、基礎行列導出から焦点距離導出・回転並進導出の過程において計算を安定化させるために存在する。このとき回転行列Rは−t×Eの特異値分解を経て計算されるが、tのスケールには影響を受けない。 The relative translation vector t and rotation matrix of the two cameras can be estimated from the basic matrix and the focal lengths (f 0 , f t ) of the camera. The focal length can be estimated from the basic matrix. However, at this time, the scale of the translation vector t is indefinite, and in general, a solution in which ‖t‖ = 1 is obtained. The translation vector t calculates the following basic matrix E
Figure 0006306996
The unit eigenvector for the smallest eigenvalue of the target matrix EE T determined by a t. f is an arbitrary constant and exists to stabilize the calculation in the process of deriving the focal length and the rotational translation from the basic matrix. At this time, the rotation matrix R is calculated through singular value decomposition of −t × E, but is not affected by the scale of t.

最後に、スケール推定部108は、基準フレーム三次元情報を使用してスケール不定カメラ間相対位置姿勢のスケールを推定し、カメラ間相対位置姿勢を決定する(ステップS106)。スケール推定の方法はどのような方法でもよい。例えば、基準フレーム上の深度推定済みのある点について対象フレーム上の対応する点を推定し、また同じ点について深度情報と投影行列によって対象フレーム上の対応する点を決定した場合に、両者の誤差を小さくするように投影行列のスケールを決定するようにしてもよい。   Finally, the scale estimation unit 108 estimates the scale of the relative position and orientation between cameras with indefinite scale using the reference frame 3D information, and determines the relative position and orientation between cameras (step S106). Any method may be used for the scale estimation. For example, if a corresponding point on the target frame is estimated for a point whose depth has already been estimated on the reference frame, and the corresponding point on the target frame is determined based on the depth information and the projection matrix for the same point, the error between the two It is also possible to determine the scale of the projection matrix so as to reduce.

またあるいは、基準フレームにおける三次元座標値推定済みの点について、対象フレームとの間の位置姿勢に基づく三次元座標値との誤差が小さくなるように座標のスケールを決定してもよい。また、決定したスケールに基づく三次元座標値は実空間の値である必要はなく、本願を多数のカメラ間のスケールを固定するために使用する場合などは、実空間上の値に更に任意の係数をかけたスケールを使用するなどしてもよい。   Alternatively, the coordinate scale may be determined so that an error with respect to the three-dimensional coordinate value based on the position and orientation with respect to the target frame is reduced for a point for which the three-dimensional coordinate value has been estimated in the reference frame. In addition, the three-dimensional coordinate value based on the determined scale does not need to be a real space value. When the present application is used to fix a scale between a large number of cameras, an arbitrary value is further added to the real space value. A scale multiplied by a coefficient may be used.

また、スケール不定カメラ間相対位置姿勢を推定せず、三次元情報を使用して直接固定スケールのカメラ間相対位置姿勢を決定してもよい。例えば、カメラ間の位置姿勢を決定する際に使用する対応点に三次元情報推定済みの点を使用することで、スケールを固定してカメラ間の位置姿勢を決定することができる。以上説明したように、多視点映像におけるカメラ位置姿勢推定問題において、基準カメラについてセンサ情報を利用して基準カメラの一部の三次元情報を推定し、推定した三次元情報を利用して別のカメラとの間の位置姿勢のスケールを決定することによって、2つのカメラ間で実世界上のスケールで位置姿勢を推定したり、多視点映像の各カメラの位置姿勢を整合性を保ちつつ推定することができる。   Alternatively, the relative position and orientation between cameras of a fixed scale may be determined directly using the three-dimensional information without estimating the relative position and orientation between cameras with indefinite scale. For example, by using a point for which three-dimensional information has been estimated as a corresponding point used when determining the position and orientation between cameras, it is possible to fix the scale and determine the position and orientation between cameras. As described above, in the camera position and orientation estimation problem in the multi-viewpoint video, the 3D information of the reference camera is estimated using the sensor information for the reference camera, and another 3D information is used using the estimated 3D information. Estimate the position and orientation between two cameras on a real-world scale by determining the position and orientation scale with the camera, or estimate the position and orientation of each camera in a multi-view video while maintaining consistency be able to.

なお、図2に示す一部の処理は、その順序が前後しても構わない。   Note that the order of some processes shown in FIG. 2 may be changed.

以上説明したように、複数のカメラで取得した画像を使用してカメラ間の相対位置姿勢を求めるに当たり、ある基準カメラにおいて前後のフレーム間での姿勢変位をカメラに付随する加速度センサやジャイロセンサ等の各種センサを使用して実スケールで推定し、推定された実空間スケールの姿勢変位に基づき基準カメラの画像上の点について三次元情報を推定することで、三次元情報を利用して基準カメラと別のカメラの間のスケール不定の相対位置姿勢のスケールを絶対的な値に合わせることができる。   As described above, in obtaining the relative position and orientation between cameras using images acquired by a plurality of cameras, an acceleration sensor, a gyro sensor, or the like associated with the camera is used to determine the orientation displacement between the previous and next frames in a certain reference camera. The 3D information is used to estimate the 3D information for the points on the image of the reference camera based on the estimated displacement of the real space scale. The scale of indefinite relative position and posture between the camera and another camera can be adjusted to an absolute value.

前述した実施形態における映像データ処理装置をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、PLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。   You may make it implement | achieve the video data processing apparatus in embodiment mentioned above with a computer. In that case, a program for realizing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on this recording medium may be read into a computer system and executed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory inside a computer system serving as a server or a client in that case may be included and a program held for a certain period of time. Further, the program may be for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in the computer system. It may be realized using hardware such as PLD (Programmable Logic Device) or FPGA (Field Programmable Gate Array).

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described with reference to drawings, the said embodiment is only the illustration of this invention, and it is clear that this invention is not limited to the said embodiment. is there. Therefore, additions, omissions, substitutions, and other modifications of the components may be made without departing from the technical idea and scope of the present invention.

2つのカメラ間で実世界上のスケールで位置姿勢を推定する用途や、多視点映像の各カメラの位置姿勢を推定する場合において、全てのカメラ間に十分な共通領域が存在しない場合や、共通領域は存在するが信頼できる対応点を十分取ることができない場合などに相対位置姿勢の整合性をとる事が不可欠な用途に適用できる。   When estimating the position and orientation between two cameras on a real-world scale, or when estimating the position and orientation of each camera in a multi-view video, if there is not enough common area between all cameras, It can be applied to applications where it is indispensable to maintain consistency of relative positions and postures when there is an area but sufficient corresponding points cannot be taken.

101・・・映像入力部、102・・・入力画像メモリ、103・・・センサ情報入力部、104・・・センサ情報メモリ、105・・・基準カメラ位置姿勢変位推定部、106・・・基準カメラ三次元情報推定部、107・・・カメラ間位置姿勢推定部、108・・・スケール推定部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Video input part, 102 ... Input image memory, 103 ... Sensor information input part, 104 ... Sensor information memory, 105 ... Reference | standard camera position and orientation displacement estimation part, 106 ... Reference | standard Camera three-dimensional information estimation unit, 107 ... inter-camera position and orientation estimation unit, 108 ... scale estimation unit

Claims (6)

複数の撮像手段により取得した複数の映像からなる多視点映像と、基準となる撮像手段の位置姿勢を推定可能なセンサが出力するセンサ情報を使用して複数の撮像手段の位置姿勢の推定を行う映像データ処理方法であって、
前記センサ情報を使用して、前記基準となる撮像手段により取得した映像の一つの時刻の画像である基準フレームと、該基準フレームと異なる時刻の画像である参照フレームとの間の前記撮像手段の位置姿勢変位を推定する位置姿勢変位推定ステップと、
前記基準フレーム上の点の三次元情報を前記参照フレーム上の対応する点の位置と前記位置姿勢変位に基づき推定する三次元情報推定ステップと、
前記基準フレームと、他の撮像手段により取得した映像中の前記基準フレームと同じ時刻の画像である対象フレームの間で、前記三次元情報を使用して前記他の撮像手段の位置姿勢を推定する位置姿勢推定ステップと
を有することを特徴とする映像データ処理方法。
Estimating the position and orientation of a plurality of imaging means using a multi-view video composed of a plurality of videos acquired by a plurality of imaging means and sensor information output by a sensor capable of estimating the position and orientation of the reference imaging means. A video data processing method,
Using the sensor information, the imaging means between the reference frame that is an image at one time of the video acquired by the imaging means serving as the reference and the reference frame that is an image at a time different from the reference frame. A position and orientation displacement estimation step for estimating a position and orientation displacement;
A three-dimensional information estimation step for estimating three-dimensional information of a point on the reference frame based on the position of the corresponding point on the reference frame and the position and orientation displacement;
Between the reference frame and a target frame that is an image at the same time as the reference frame in the video acquired by another imaging unit, the position and orientation of the other imaging unit are estimated using the three-dimensional information. And a position / orientation estimation step.
前記位置姿勢推定ステップは、
前記基準フレームと、前記対象フレームとの間で、前記基準となる撮像手段と前記他の撮像手段との間のスケール不定の相対位置姿勢を推定し、前記三次元情報に基づき前記スケール不定の相対位置姿勢のスケールを決定することを特徴とする請求項に記載の映像データ処理方法。
The position and orientation estimation step includes:
Estimating an indefinite scale relative position and orientation between the reference imaging unit and the other imaging unit between the reference frame and the target frame, and based on the three-dimensional information, the scale indefinite relative 2. The video data processing method according to claim 1 , wherein a scale of the position and orientation is determined.
前記位置姿勢推定ステップは、
前記基準フレームと、前記対象フレームとの間で、前記三次元情報に基づく前記基準となる撮像手段から前記他の撮像手段への投影誤差が最小となる相対位置姿勢を推定することを特徴とする請求項に記載の映像データ処理方法。
The position and orientation estimation step includes:
A relative position and orientation at which a projection error from the reference imaging unit to the other imaging unit based on the three-dimensional information is minimized is estimated between the reference frame and the target frame. The video data processing method according to claim 1 .
前記三次元情報は深度情報であり、
前記三次元情報推定ステップは、
前記基準フレームと前記参照フレーム上の対応する点の深度情報を前記位置姿勢変位に基づく三角測量によって推定することを特徴とする請求項からのいずれか1項に記載の映像データ処理方法。
The three-dimensional information is depth information,
The three-dimensional information estimation step includes:
Video data processing method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that to estimate the depth information of the corresponding point on the reference frame and the reference frame by triangulation based on the position and orientation displacement.
複数の撮像手段により取得した複数の映像からなる多視点映像と、基準となる撮像手段の位置姿勢を推定可能なセンサが出力するセンサ情報を使用して複数の撮像手段の位置姿勢の推定を行う映像データ処理装置であって、
前記センサ情報を使用して、前記基準となる撮像手段により取得した映像の一つの時刻の画像である基準フレームと、該基準フレームと異なる時刻の画像である参照フレームとの間の前記撮像手段の位置姿勢変位を推定する位置姿勢変位推定手段と、
前記基準フレーム上の点の三次元情報を前記参照フレーム上の対応する点の位置と前記位置姿勢変位に基づき推定する三次元情報推定手段と、
前記基準フレームと、他の撮像手段により取得した映像中の前記基準フレームと同じ時刻の画像である対象フレームの間で、前記三次元情報を使用して前記他の撮像手段の位置姿勢を推定する位置姿勢推定手段と
を備えることを特徴とする映像データ処理装置。
Estimating the position and orientation of a plurality of imaging means using a multi-view video composed of a plurality of videos acquired by a plurality of imaging means and sensor information output by a sensor capable of estimating the position and orientation of the reference imaging means. A video data processing device,
Using the sensor information, the imaging means between the reference frame that is an image at one time of the video acquired by the imaging means serving as the reference and the reference frame that is an image at a time different from the reference frame. Position and orientation displacement estimating means for estimating position and orientation displacement;
Three-dimensional information estimation means for estimating three-dimensional information of a point on the reference frame based on the position of the corresponding point on the reference frame and the position and orientation displacement;
Between the reference frame and a target frame that is an image at the same time as the reference frame in the video acquired by another imaging unit, the position and orientation of the other imaging unit are estimated using the three-dimensional information. A video data processing apparatus comprising: a position and orientation estimation unit.
コンピュータに、請求項1からのいずれか1項に記載の映像データ処理方法を実行させるための映像データ処理プログラム。 A video data processing program for causing a computer to execute the video data processing method according to any one of claims 1 to 4 .
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