(57)【要約】  三次元画像化システム（３００）を較正する方法を、ここで説明する。該較正の間、実世界の垂直方向（Ｖｗ）を含む第一パラメータと、該三次元画像化システムにより取り込まれた三次元被写体シーンの原点を含む第二パラメータに対して、該画像化システムの位置（３４０）と配向（３３０）が決定される。該第一及び第二パラメータは、較正行列（Ｍｃ２ｗ）を導出するために使用される。該較正行列（Ｍｃ２ｗ）は、測定（３６０）を該画像化システムの仮想座標系（Ｍｃ）から該実世界に関連する実世界座標系（Ｍｗ）へ変換するために使用される。該較正行列（Ｍｃ２ｗ）は又、信号処理（３８０）以前に、該測定（３６０）を補正するために使用される。該較正行列（Ｍｃ２ｗ）の逆較正行列（Ｍｗ２ｃ）も決定される。連続的モニタリング（３７０）と該三次元画像化システムの設定調整が実施されて、該較正行列（Ｍｃ２ｗ）とその逆較正行列（Ｍｗ２ｃ）がそれに応じて調整される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元環境において飛行時間三次元画像化システムを較正する方法であって、
a) 前記三次元画像化システムに対する基準仮想三次元直交座標系（Ｍc）を決定する段階から成り、前記基準仮想三次元直交座標系（Ｍc）は水平軸、垂直軸、及び奥行き軸を有し、前記水平軸と前記垂直軸は前記三次元画像化システム内のセンサの水平軸と垂直軸と各々整列され、前記奥行き軸は前記センサの前記水平軸と前記垂直軸により定義される前記センサに属する平面に正規直交し、更に
b) 前記基準仮想三次元座標系（Ｍc）において実世界の垂直方向（Ｖw）を取得する段階と、
c) 前記基準仮想三次元座標系に対して実世界三次元正規直交座標系（Ｍw）を決定する段階から成り、前記実世界三次元正規直交座標系（Ｍw）は水平軸、垂直軸、及び奥行き軸を有し、前記実世界三次元座標系（Ｍw）の前記垂直軸は回転されて前記垂直方向（Ｖw）と整列され、更に
d) 被写体シーン内の一点を前記実世界三次元座標系（Ｍw）の新規の原点として決定する段階と、
e) 前記基準仮想三次元座標系（Ｍc）の原点から前記被写体シーン内の前記新規の原点として定義された前記一点までの並進ベクトル（Ｔv）を導出する段階と、
f) 前記基準仮想三次元座標系を前記実世界三次元座標系に変換する回転行列（Ｍr）を導出する段階と、
g) 前記三次元画像化システムに対する較正行列（Ｍc2w）を、前記並進ベクトルにより並進された前記回転行列として導出する段階から成り、
前記実世界三次元座標系（Ｍw）の前記垂直軸と前記奥行き軸により定義される平面が、前記基準仮想三次元座標系（Ｍc）の前記仮想垂直軸と前記仮想奥行き軸により定義される平面と同一の共平面になるように、前記両平面を整列させる段階を更に含む、ことを特徴とする前記三次元環境において飛行時間三次元画像化システムを較正する方法。
【請求項２】
前記段階ｇ）は、前記実世界三次元座標系を前記基準仮想三次元座標系に変換する前記較正行列（Ｍc2w）から逆較正行列（Ｍｗ２ｃ）を導出すること、を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記段階ｂ）は、前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を、測定装置を用いて決定される重力ベクトルの逆ベクトルとして導出することを含み、前記測定装置は少なくとも一つの慣性測定装置を含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記段階ｂ）は、前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を、前記被写体シーン内の一つの平面の法線から導出することを含み、前記被写体シーン内の前記平面は、
i）第一の配向にある前記三次元画像化システムを用いて前記被写体シーンを取り込む段階と、
ii）平面適合アルゴリズムを用いて前記被写体シーン内の複数個の平面を決定する段階と、
iii）前記被写体シーン内の基準平面を地上面と決定する段階から決定される、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項５】
前記段階iii）は、前記基準平面を統計モード、最大表面、及び最小表面積のうちの少なくとも一つを最も良く満足する平面と決定することを含む、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記段階iii）は、前記基準平面を前記被写体シーンの主構成要素分析の統計モード、最大表面、及び最小表面積のうちの一つの組み合わせと決定することを含む、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記段階ｂ）は、前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を、前記被写体シーン内のユーザの特定の姿勢から導出することを含み、前記垂直方向（Ｖw）は所定の較正姿勢で立つユーザの体の垂直方向に整列された方向である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項８】
前記所定の較正姿勢から水平軸及び垂直軸を導出して、前記実世界三次元座標系（Ｍw）を前記導出された水平軸及び垂直軸と整列させる段階を更に含む、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記段階ｂ）は、前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を、前記被写体シーン内で検出されたエッジから導出することを含む、ことを特徴とする請求項１乃至３の任意の一つに記載の方法。
【請求項１０】
前記段階ｂ）は、測定装置を用いて決定される重力ベクトルの逆ベクトルとして前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を導出する段階、前記被写体シーン内の一つの平面の法線から前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を導出する段階、前記被写体シーン内のユーザの特定の姿勢から前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を導出し、前記垂直方向（Ｖw）は所定の較正姿勢で立つユーザの体の垂直方向に整列された方向である段階、及び前記被写体シーン内で検出されたエッジから前記実世界の前記垂直方向（Ｖw）を導出する段階、のうちの二個以上の段階を組み合わせることによって前記垂直方向（Ｖw）をより精緻化することを含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項１１】
前記段階ｄ）は、空間内の予め定義された一点、ユーザを定義する複数個の点のうちで最低高度の点、検出された平面上の一点、及び前記被写体シーン内の所定の物体の位置、のうちの一つを用いて前記新規の原点として前記一点を定義することを含む、ことを特徴とする先行請求項の任意の一つに記載の方法。
【請求項１２】
前記三次元環境に対する前記三次元画像化システムの位置と配向のうちの少なくとも一つに変化が検出された場合に、前記較正行列（Ｍc2w）を自動的に精緻化する段階を更に含み、前記基準仮想座標系（Ｍc）の少なくとも一つの軸は前記実世界座標系（Ｍw）の二つの軸により定義される平面と整列される、ことを特徴とする先行請求項の任意の一つに記載の方法。
【請求項１３】
前記基準仮想座標系（Ｍc）の少なくとも前記垂直軸を、前記実世界座標系（Ｍw）のＹ−Ｚ平面と、前記三次元画像化システムを支持するモータ駆動システムを制御することにより整列させる段階を更に含む、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
慣性測定装置を有する奥行き感知画像化システムであって、前記奥行き感知画像化システムは先行請求項の任意の一つに記載の方法に従って動作する、ことを特徴とする前記奥行き感知画像化システム。
【請求項１５】
モータ駆動手段を有する奥行き感知画像化システムであって、前記モータ駆動手段は、請求項１乃至１３の任意の一つに記載の方法に従い前記奥行き感知画像化システムの位置と配向のうちの少なくとも一つを調整する、ことを特徴とする前記奥行き感知画像化システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１３の任意の一つに記載の方法に従って動作する較正手段を有する、ことを特徴とする三次元飛行時間画像化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ較正に関するものであり、特に、実世界に対する三次元（３Ｄ）感知カメラの位置と配向の自動的な較正に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元（３Ｄ）感知カメラ即ち奥行き感知カメラは、構造光３Ｄカメラ、飛行時間３Ｄカメラ、及びステレオ視野３Ｄカメラを指し、奥行き画像を取得する画像化装置である。該奥行き画像とは、それの被写体シーンから該３Ｄ感知カメラまでの距離が表現されている画像である。該３Ｄ感知カメラ装置とそれらが提供する該奥行き画像は、複数個の物体とかユーザーのような、取り込んだ被写体シーン内の静画像的及び動画像的な３Ｄ要素を分析するために使用される。
【０００３】
該取り込んだ被写体シーンの分析は、該複数個の物体及び／又はユーザーの検出、局在化、及び識別と、該物体及び／又はユーザー各々の分析、を含むものである。このような分析の途中で発生する、一つの共通する問題は、該３Ｄ感知カメラの配向が判別できず不明になることである。例えば、該３Ｄ感知カメラが、その光軸の周りに時計回りあるいは反時計回りに９０度回転されている場合、を考える。この場合、該被写体シーン内の垂直方向に配向した一つの物体は、該奥行き画像においては水平方向に配向しているように見えるであろう。従って、該取り込んだシーンを分析する際により満足すべき結果が得られるためには、該３Ｄ感知カメラの真の配向に関するパラメータを知ることが有益である。
【０００４】
カメラ較正とは、該３Ｄ感知カメラの真の配向に関する該パラメータを決定するプロセス、を指す。これらの真のカメラパラメータは、通常、補正パラメータとして使用される。これらのカメラパラメータは又、大抵の場合、一個の線形変換、即ち、一個のカメラ較正行列によって表現される。このカメラ較正行列は、より具体的には例えば、実世界座標系からその特定の３Ｄカメラのカメラ座標系への投影写像を表現するために使用される行列である。
【０００５】
該カメラパラメータは、該３Ｄカメラの内部及び外部パラメータを含む。これらの内部及び外部パラメータは、例えば、以下の文献において幅広い形で論究されている：  ジャネ  ハイキラ「非明示的な画像補正を実現する四段階のカメラ較正手順」、又は、Ｓ マレク等「拡大された実システムの較正方法」。
【０００６】
該３Ｄカメラの内部パラメータは、画像フォーマット、画像主要点、及び焦点距離等の、該画像化装置の光学的仕様を含むパラメータである。被写体シーンの取り込みの間の幾つかのその潜在的な歪みを補正するために、これらの内部パラメータはモデル化されて、該カメラ座標系の関連データに適用される一個の線形変換行列に繰り込まれる。レンズ歪みも又、非内部パラメータとして考慮され得るが、該レンズ歪みは非線形変換なので該線形変換行列に直接には繰り込まれ得ないであろう。
【０００７】
該３Ｄカメラの外部パラメータは、該実世界座標系に対する該３Ｄカメラの３Ｄ位置と３Ｄ配向、を含むパラメータである。該カメラ座標系は、該カメラに固定された座標系である。該線形変換行列は、該カメラ座標系から該実世界座標系へのデータ測定の投影を表現するために定義される行列である。
【０００８】
該３Ｄカメラを単なるピンホールカメラとみなせば、該外部パラメータは、便利な補正及び／又は変換を実現するために決定されて適用される必要がある、唯一のカメラ関連のパラメータである。
【０００９】
該３Ｄカメラの該外部パラメータを見出すためには、各々、ヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸である、該カメラの垂直軸、横軸、及び縦軸を考慮する必要がある。その理由は、これらの三軸が該カメラ座標系を構成するからである。より精確には、該ヨー軸とは、該カメラの上面から底面へ引かれ、他の二軸と垂直である軸である。該ピッチ軸とは、該カメラの左側から右側に走り、カメラセンサのＹ軸に平行である軸である。該ロール軸とは、該カメラの光軸に沿って背面から前面へ、該カメラ本体の法線方向に引かれている軸である。基本的には、該カメラ座標系の原点は、該カメラセンサチップ上に置かれる。より具体的には、該原点は、該センサチップの上面の左コーナーかセンサチップの中央に置かれる。これは、図６に関連して以後により詳細に説明される。
【００１０】
更に、該被写体シーン内の該カメラの位置を考慮する必要がある。このカメラ位置は、該被写体シーン内の基準点を見出す又は定義することにより、判断される。ここに、該基準点は、該実世界座標系の原点として設定される。
【００１１】
カメラを較正するための複数個の方法が知られている。これらの方法の大部分は二次元（２Ｄ）カメラに関するものであり、そのうち二、三が三次元（３Ｄ）カメラに関するものである。更に、静画像カメラにおいては、大抵の場合、該較正はオフラインで且つ非リアルタイムな形態で遂行される。該被写体シーン内に置かれたマーカは、該較正プロセスを支援するためにも使用され得る。このような較正プロセスは、しばしば、幾つかの段階を含み、且つ、ユーザとの相互作用を必要とする。
【００１２】
更に、これらの方法は、該３Ｄカメラの全ての可能な配向を補正する性格のものではない。これらの方法は、例えば、基本的に下向きに配向した又は基本的に水平方向に配向したカメラのような、特定の配向のカメラに対する使用にしばしば限定されるのである。
【００１３】
米国特許出願第２０１０/０２０８０５７号において、実環境における少なくとも一個の物体に対する一個のカメラの姿勢を決定する方法、が開示されている。この方法においては、該物体の取り込まれた画像を分析して、該物体に対する該カメラの位置に関する距離データと該カメラの配向データを決定する。該距離データと該配向データは、該カメラに関する姿勢情報を提供するために使用される。
【００１４】
「パターン分析とマシン知性に関するＩＥＥＥ会報」２００３年１２月１２日、第２５巻、第１２号に掲載の、ジョルゲ  ロボ、ジョルゲ  ディアス「重力を垂直方向基準として用いた視覚と慣性センサの協働」と題した解説において、センサシステムにおいて慣性センサデータを用いる方法が説明されている。該慣性センサデータと共に消滅点と消滅線が用いられて、そこで地上面点と画像点間の写像が導出され得る地上面が決定される。
【００１５】
「垂直キューを用いた視覚と慣性センサからの自己運動と構造の計算」において、ヴィエヴィル等により以下の方法が解説されている：  環境の三次元的奥行きと動力学的写像を構成することにより、三次元データ構造と視覚及び路程センサを用いた被写体シーンの運動を復元する方法。画像内の垂線が用いられて、該垂線は該真の配向の三次元垂線と一直線に整列される。
【００１６】
米国第２０１０/０１０３２７５号公報において、繰り込まれた加速度計を有する、静画像２Ｄデジタルカメラが開示されている。該加速度計においては、表示画像が補正されてそれが従来の水平及び垂直の表示装置方向と整列されるように、該ロール、ピッチ、及び変動が測定されて入力として使用される。風景画モードと肖像画モード間の切り替えを可能にするために、解説されたこの方法は、水平及び／又は垂直なカメラ軸方向の変動にしか適用されない。
【００１７】
ＷＯ第２０１０/０８２９３３号公報において、以下のシステムが開示されている：  幾何学的なカメラ較正を実行するために、ある被写体シーンの画像内のマーカ又は物体が元々の被写体シーン内の対応するマーカ又は物体と整列される、システム。従って、該カメラパラメータは、被写体モデルと被写体それ自体の間の不整合を分析する方法によって決定される。
【００１８】
米国第２０１１/０１２８３８８号公報において、座標データ生成装置と座標データ認識装置を含むカメラ較正システムが開示されている。該座標データ生成装置は、ある実被写体シーン内の複数個の実位置に対応する、複数個の写像座標データを生成する。該座標データ認識装置は、該実被写体シーンの画像と該写像座標データを該座標データ生成装置から受け取る。更に、該認識装置は、該複数個の実位置に対応する画像位置を決定して、これらの画像位置に対応する画像座標データを計算する。該画像座標データと該写像座標データから、座標変換行列が決定される。
【００１９】
ＥＰ第２１５４６５０号公報において、以下の方法が開示されている：  該カメラ座標系から該実世界座標系への座標変換行列を用いて３Ｄカメラにより取得される画像データから、被写体シーン座標のリアルタイム又は近リアルタイム計算を実行する、方法。この方法においては、該取得された３Ｄ画像内の一個以上の平坦面を検出し、これらの平坦面の一つを基準面（例えば、地上面）として選択する。次に、該３Ｄカメラの該位置、及び該ロールとピッチの配向パラメータが、該選択された基準面に対して決定される。一旦該カメラがその適切な位置に設置されれば、このような較正は、人間の僅かな介在しか必要としない二、三の手順を実行することにより実施され得る。ここで、該適切な位置とは、基準床面を検出するためにランダム標本コンセンサス（ＲＡＮＳＡＣ）ベースの面検出が可能になるように、該床面が該カメラの円錐台内に在り、それが該カメラから展望できる位置、を意味する。一旦該較正行列が設定されれば、該較正行列は該カメラの設置が変更されるまで継続使用される。この設置変更の際には、新規の較正プロセスが手動で開始されねばならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、奥行き感知カメラの外部パラメータに関する較正に関するものである。ここで、該奥行き感知カメラの該外部パラメータとは、例えば、ある被写体シーンに対する該カメラの位置と配向を指す。この較正は、該較正行列を生成する。
【００２１】
本発明の一つの目標は、ある被写体シーンに対する時間と共に変化し得る該カメラの位置と配向のような、動的な態様を含む設定の場合の該較正を実現することである。この動的な設定は、該カメラの位置と配向の双方が時間と共に変化しない、固定された設定の場合に追加されるものである。
【００２２】
更に、如何なるものであれ該カメラの外部パラメータに変化が検出された場合には、較正プロセスが開始され得る。そのような較正プロセスは、以前に決定された較正行列を更新するために使用され得る。
【００２３】
従って、本発明の一つの目的は、ある被写体シーン内における該カメラの位置と配向の自動的な決定を可能にする方法、を提供することである。
本発明の他の目的は、人間による操作を必要とせずに該カメラ較正を可能にする方法、を提供することである。
本発明の更に他の目的は、該仮想座標系即ちカメラ座標系において表現された順方向及び逆方向の測定データを、該世界座標系即ち実座標系において表現されたデータに適用する、ことを可能にする変換を決定する方法、を提供することである。
【００２４】
本発明の更に他の目的は、垂直方向を用いて該実世界座標系に対する該カメラの基準仮想カメラ座標系を決定する方法とシステム、を提供することである。ここで、この垂直方向は、該取り込んだ被写体シーン自体からか、又は該カメラに連係する外部測定装置を用いて決定される。
本発明の更に他の目的は、ある被写体シーン内における地上面の低可視性を処理し補償する方法、を提供することである。
本発明の更に他の目的は、該カメラ座標系と該実世界座標系間の該較正プロセスを改善し自動化するシステム、を提供することである。ここで、この改善と自動化は、該カメラ座標系の少なくとも一個の軸が該実世界座標系により定義される平面と整列されるように、該カメラの位置と配向を反復調整することによって実現される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第一態様に従い、以下の方法が提供される：  三次元環境において飛行時間三次元画像化システムを較正する方法であって、
a) 該三次元画像化システムに対する基準仮想三次元直交座標系を決定する段階から成り、該基準仮想三次元直交座標系は水平軸、垂直軸、及び奥行き軸を有し、該水平軸と該垂直軸は該三次元画像化システム内のセンサの水平軸と垂直軸と各々整列され、該奥行き軸は該センサの該水平軸と該垂直軸により定義される該センサに属する平面に正規直交し、更に
b) 該基準仮想三次元座標系において実世界の垂直方向を取得する段階と、
c) 該基準仮想三次元座標系に対して実世界三次元正規直交座標系を決定する段階から成り、該実世界三次元正規直交座標系は水平軸、垂直軸、及び奥行き軸を有し、該実世界三次元座標系の該垂直軸は回転されて該垂直方向と整列され、更に
d) 被写体シーン内の一点を該実世界三次元座標系の新規の原点として決定する段階と、
e) 該基準仮想三次元座標系の原点から該被写体シーン内の該新規の原点として定義された該一点までの並進ベクトルを導出する段階と、
f) 該基準仮想三次元座標系を該実世界三次元座標系に変換する回転行列を導出する段階と、
g) 該三次元画像化システムに対する較正行列を該並進ベクトルにより並進された該回転行列として導出する段階から成り、
該実世界三次元座標系（Ｍw）の該垂直軸と該奥行き軸により定義される平面が、該基準仮想三次元座標系（Ｍc）の該仮想垂直軸と該仮想奥行き軸により定義される平面と同一の共平面になるように、該両平面を整列させる段階を更に含む、ことを特徴とする該三次元環境において飛行時間三次元画像化システムを較正する方法。
【００２６】
上記で使用されている「三次元画像化システム」という用語は又、センサを用いて被写体シーンを取り込む三次元カメラを含むものであることが理解されよう。
「実世界座標系」と「基準仮想座標系」という用語は、各々、該世界座標系と該カメラ座標系に対応するものである。
【００２７】
更に、逆較正行列が該較正行列から導出され得る。
該実世界の該垂直方向が、重力ベクトルの逆ベクトルとして導出され得る。ここで、該重力ベクトルは、測定装置（例えば、少なくとも一つの慣性測定装置）を用いて決定される。
代替的に、該段階b)は、該実世界の該垂直方向を、一つの水平面の法線から導出することを含み得る。該水平面は、
i）第一の配向にある該三次元画像化システムを用いて該被写体シーンを取り込む段階と、
ii）平面適合アルゴリズムを用いて該被写体シーン内の複数個の平面を決定する段階と、
iii）該被写体シーン内の基準平面を該地上面であると決定する段階、から決定され得る。
【００２８】
該水平面を決定するために該平面適合アルゴリズムを用いることにより、該較正プロセスの途中で該地上面が可視的である必要はない。
この場合、該段階iii)は、該基準平面を、統計モード、最大表面、及び最小表面積のうちの少なくとも一つを最も良く満足する平面であると決定する、ことを含み得る。
代替的に、該段階iii)は、該基準平面を、該被写体シーンの主構成要素分析の統計モード、最大表面、及び最小表面積のうちの一つの組み合わせであると決定する、ことを含み得る。
【００２９】
一実施例において、該統計モードを満足させることにより該基準平面を決定する該段階は、該複数個の平面の中から、例えば１ｍ２より広い表面積を有する平面、該基準平面の該法線に対して最小の共分散を有する平面、及び該カメラから１ｍより長い距離を隔てて位置する平面を選択する、ことを含む。又、該表面積と該カメラからの距離として、他の値も使用し得ることが理解されよう。
他の代替例において、該段階b)は、該実世界の該垂直方向を、該被写体シーン内のユーザの特定の姿勢から導出することを含み得る。ここで、該垂直方向は、所定の較正姿勢で立つユーザの体の垂直方向に整列された方向である。
【００３０】
この代替例において、該方法は、該所定の較正姿勢から水平軸及び垂直軸を導出する段階、を更に含み得る。この場合、該世界三次元座標系は、該導出された水平軸及び垂直軸に整列される。
当然のことながら、特定の姿勢を取るユーザの代わりに、所定の形態とかポーズを有する適当な物体を、該垂直軸の該決定のために使用し得る。
【００３１】
更なる一実施例において、該段階b)は、該実世界の該垂直方向を、該被写体シーン内で検出されたエッジから導出することを含む。
該段階b)は、測定装置を用いて決定される重力ベクトルの逆ベクトルとして該実世界の該垂直方向（Ｖw）を導出する該段階、該被写体シーン内の一つの水平面の法線から該実世界の該垂直方向（Ｖw）を導出する該段階、該被写体シーン内のユーザの特定の姿勢から該実世界の該垂直方向（Ｖw）を導出し、該垂直方向（Ｖw）は所定の較正姿勢で立つユーザの体の垂直方向に整列された方向である該段階、及び該被写体シーン内で検出されたエッジから該実世界の該垂直方向を導出する該段階、のうちの二個以上の段階を組み合わせることによって該垂直方向をより精緻化すること、を更に含み得る。
【００３２】
該段階ｄ)は、空間内の予め定義された一点、ユーザを定義する複数個の点のうちで最低高度の点、該地上面上の一点、検出された平面上の一点、及び該被写体シーン内の所定の物体の位置、のうちの一つを用いて該一点を定義すること、を含み得る。
該カメラの該位置は、該実世界座標系の原点に対して決定され得る。ここで、該原点は、ユーザとか物体の位置の最低高度点として決定される、又は、該被写体シーン内に配置されている一つの平面内の点として決定される。該実世界座標系に対する該カメラの該位置は、手動的か又は自動的に決定され得る。
【発明の効果】
【００３３】
一実施例において、該方法は、該三次元環境に対する該三次元画像化システムの該位置と該配向のうちの少なくとも一つに変化が検出された場合に、該較正行列を自動的に精緻化する段階、を更に含み、該基準仮想座標系の少なくとも一つの軸は該実世界座標系の二つの軸により定義される平面と整列される。好適には、該基準仮想座標系の少なくとも該垂直軸は、該Ｚ−Ｙ平面、即ち該実世界座標系の該垂直軸と該奥行き軸により定義される該平面と、該三次元画像化システムを支持するモータ駆動システムを制御することにより整列される。
理想的には、該較正行列はメモリに格納される。該較正行列は、信号処理以前にカメラ測定を補正するために使用される。しかしながら、該カメラの該位置と該配向のうちの少なくとも一つが変化した場合には、該較正行列は更新される必要があり得る。該カメラの該位置と該配向は、モータ駆動装置の制御とそれに応じて更新された対応する較正行列を用いて、自動的に変更され得る。
【００３４】
本発明の他の態様に従い、慣性測定装置を有する奥行き感知画像化システムが提供されて、該奥行き感知画像化システムは上記で説明された該方法に従って動作する。
本発明の更なる態様に従い、モータ駆動装置を有する奥行き感知画像化システムが提供されて、該モータ駆動装置は、上記で説明された該方法に従い該奥行き感知画像化システムの位置と配向のうちの少なくとも一つを調整する。
本発明の更なる態様に従い、上記で説明された該方法に従って動作する較正装置を有する三次元飛行時間画像化システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明のより良き理解のために、例示としてのみ、以下の添付図面が参照され得る：
【図１】該カメラが少なくとも部分的に地上面方向に配向されている、本発明による可能な設定を示す。
【図２】該カメラが該被写体シーンに対して異なる位置と配向を有する、本発明による他の可能な設定を示す。
【図３】本発明による一般的な自動較正プロセスのフローチャートを示す。
【図４】該較正行列を導出するためにユーザの姿勢を用いて該実世界座標系の該垂直方向を決定する、本発明による手動較正プロセスのフローチャートを示す。
【図５】該実世界座標系の該垂直方向を決定する加速度計による測定と、該カメラ配向を反復調整して好適な取り込み設定を実現するモータ駆動システムを用いる、本発明による自動較正プロセスのフローチャートを示す。
【図６】該カメラ配向のヨー軸、ピッチ軸、及びロール軸を示す、該３Ｄカメラ装置の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明は、特定の実施例と幾つかの図面に関連して説明されるが、これらに限定されるものではない。説明される図面は、単に模式的で非限定的なものに過ぎないのである。これらの図面においては、図解目的のために、幾つかの構成要素のサイズは誇張されており、実際の大きさには描かれていない。
【００３７】
本発明で用いられている「垂直の」と「水平の」という用語は、図面内における特別の配向を指しているものであり、本発明で説明される該特定の実施例を何ら限定するものではない、ことが理解されよう。
【００３８】
本発明は、機械により取得された視野の幾何学的な較正を実現するための方法とシステムに関するものである。特に、本発明は、三次元（３Ｄ）カメラの較正に関するものであり、取り込まれた被写体シーンの管理と分析を改善するために、該カメラの該外部パラメータの静画像的及び動画像的な検出モードを含むものである。このような較正は、該カメラの回転と並進を該実世界座標系から決定することを含む。
【００３９】
ユークリッド幾何学においては、並進とは、各点を特定方向に一定距離だけ移動させるアフィン変換に他ならない。任意の一点Ｐに対して、その同次ベクトル
2014529727.tif 000003
は、
【数１】
2014529727.tif 000004
と書ける。
並進ベクトル
2014529727.tif 000005
も又、
【数２】
2014529727.tif 000006
と書ける。
該点Ｐに対する該並進Ｔｖは、
【数３】
2014529727.tif 000007
と表現できる。
【００４０】
ユークリッド幾何学においては、回転とは、各点の固定点の周りの運動に対応する変換に他ならない。三次元ユークリッド空間において、そのＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の周りの該回転は、各々、ヨー、ピッチ、及びロールと呼ばれる。これらの回転Ｒは、以下のオイラー行列：
【数４】
2014529727.tif 000008
により表現できる。ここで、α、β、及びφは、各回転軸の周りの反時計回りの各回転角である。
【００４１】
較正行列Ｃは、該回転と並進の双方を組み込み得る。このような較正行列は、一例として、以下のように導出される：
【数５】
2014529727.tif 000009
この式は、以下の同次積：
【数６】
2014529727.tif 000010
に対応するものである。
【００４２】
一実施例に従い、３Ｄ慣性測定装置、即ち、３Ｄ加速度計が、３Ｄ奥行き感知システムに結合される。この結合の目的は、該３Ｄ慣性測定装置に少なくとも一つの基準方向、即ち、重力の効果に基づく垂直下方方向、を特定させることである。該３Ｄ加速度計は、該カメラ装置の本体外部に設置されても良いし、又本体内部に設置されても良い。更に、該３Ｄ加速度計は、コンピュータ化されたシステムにより収集されたデータを生成し、該コンピュータ化システムは該カメラ装置により生成された該データを処理する。このような３Ｄ加速度計から、任意の回転軸上の加速度を抽出することが可能である。該カメラが静画像的な場合には、即ち、所定数の画面の間該被写体シーンが相対的に安定している場合には、最大加速方向モードを決定することが可能である。この最大加速方向モードは、該地上面の法線ベクトルの逆ベクトルに対応する、重力ベクトルを特定するものである。
【００４３】
該地上面又は床面が該垂直方向を決定するために使用される場合には、ユーザとの相互作用は必要ではない。ここで、該地上面又は床面に対応するある面が検出されるや否や、該垂直方向は、該地上面又は床面を定義する水平面に垂直な方向として決定される。しかしながら、該垂直方向を決定するこのモードは、該床面が可視的である場合にのみ使用され得る、ことが理解されよう。
【００４４】
該地上面が可視的である場合には、該実世界座標系の中心即ち原点は、例えば、該カメラから２．５ｍの固定距離を隔てた該地上面上の位置として選択、決定される。当然のことながら、この位置は、任意の適切な距離又は地点として選択され得る。これらのパラメータの設定は、将来の使用のために格納される。又、該カメラの位置及び／又は配向に関連する該変数、即ち、該カメラの位置ベクトルとその配向のヨー、ピッチ、及びロール、は更新される。
【００４５】
本発明の一実施例において、該方法は、最初、該重力ベクトルを取得する。該方法は、次に、取得した該重力ベクトルを用いて、該カメラにより取り込まれた被写体シーンに対する該カメラの仮想配向と補償、を見い出す。このプロセスは、図１と図２に関連して以下に説明される。
【００４６】
本発明の一実施例に従い、飛行時間（ＴＯＦ）三次元（３Ｄ）カメラ１２０を用いて、一つの物体を該カメラ１２０内に取り込むことが要請されている。この場合、該物体とは、図２の長方形１１０により示されている一つの被写体シーン１１０の一部としての、樹木１００の枝である。しかしながら、該被写体シーン１１０が取り込まれる以前に、該カメラ１２０は較正される必要がある。このカメラ較正の目的は、該被写体シーン１１０に対する該カメラの配向と位置が決定されて、それらが（図示されていない）取り込まれた画像の補正に使用されることである。
【００４７】
図１に示されているように、該カメラ１２０は、一つの固定位置に設置されている。ここで、該カメラ１２０は、地上面１３０の方向に配向されている。該カメラ１２０は、該カメラ１２０の遠隔配向制御を可能にする、（図示されていない）三軸モータ駆動の支持システムを含む。ここで、該カメラ１２０の視野円錐台１５０内の被写体シーン１４０は、該地上面１３０の一部を含んでいる。該視野円錐台１５０は、（図示されていない）カメラセンサアレイ上で可視的である三次元領域を含み、該カメラ１２０による視野角によって決定される。このカメラ位置において、（図示されていない）該加速度計は、矢印‘Ａ’の方向を指す該重力ベクトルを特定する。
【００４８】
ここで図６に転じて、図６は３Ｄカメラ装置６００の三軸表現を示している。該３Ｄカメラ装置６００は、垂直軸６１０、横軸６２０、及び縦軸６３０を有している。該垂直軸６１０の周りの運動はヨーに対応し、該横軸６２０の周りの運動はピッチに対応し、該縦軸６３０の周りの運動はロールに対応する。ヨー、ピッチ、及びロールは、各々、矢印６４０、６５０、及び６６０で示されている。
【００４９】
図６において、該３Ｄカメラ装置６００の該垂直軸６１０は、基本的に垂直方向に描写されているが、該被写体シーン内の該真の垂直方向に対して傾斜させても良い。同様に、該横軸６２０も逆方向に傾斜させても良い。
【００５０】
該カメラ装置６００により取り込まれたある被写体シーン内の各３Ｄデータ点は、該基準として設定される該仮想座標系即ちカメラ座標系内の仮想座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）、を有する。該カメラ６００により取得されたこれらの３Ｄデータ点は、図１と図２に関連して上記に説明された該重力ベクトルを組み込む任意面上に投影され得る。この組み込み面は、該カメラの中心点、例えば、該仮想座標系の原点（０、０、０）、該重力ベクトル、及び任意の他の非共線状の法線ベクトルを含む。
該投影により取得される２Ｄ画像は、該垂直方向に直角な任意の３Ｄ面に対して鋭いエッジを示す。
【００５１】
ここで、図１と図２に戻る。該矢印‘Ａ’、即ち、該重力ベクトルに従えば、その最低高度の線状エッジは、その重力ポテンシャルの地上面ベクトルに対応する。該地上面ベクトルは、該地上面の一部である。連続的な反復投影により、ランダムに生成された仮想正規直交基底から、該垂直方向に対するランダムで正規化された非共線状ベクトルを用いて、異なるエッジが取得される。ここで、該異なるエッジは、可能な非共線状の地上面ベクトルと見なし得る。
【００５２】
これらの非共線状の正規化ベクトルを分析するために、平面適合アルゴリズムがこれらのベクトルに適用される。この目的のために、最小二乗推定器が使用され得る。他の一実施例において、複数個の平面を検出するために、該平面適合アルゴリズムが該三次元カメラにより出力された三次元の点群に適用される、ことに留意せよ。該重力ベクトルに従えば、最小表面を有する該最低高度面は該地上面と定義される。一旦このように該地上面が見い出されれば、該カメラから該地上面までの距離を決定し得る。該カメラから該地上面までの距離と、該カメラに対する該地上面の配向が判明すれば、較正行列を導出し得る。該較正行列の逆行列として、逆較正行列も導出し得る。
【００５３】
一旦この較正行列が導出されれば、重力の現在方向のスナップ写真が得られる。この重力の現在方向のスナップ写真は、「重力スナップ写真」と呼び得る。この「重力スナップ写真」の決定に基づいて該カメラを整列させることにより、図２に示されているような該被写体シーンのより良い視野が得られる。望ましい視野円錐台を実現するための該カメラ１２０のこの整列は、ユーザにより手動で行われるか、又は、該カメラを駆動するモータを用いて自動で行われ得る。
【００５４】
図２に示されているように、該地上面１３０が、該樹木１００を含む新規の視野円錐台１６０の内部に存在する必要はない。該重力の該方向の変化は追跡され、その変化の差は該較正行列内に設定される。これらの変化差は、該重力スナップ写真から該重力の現在方向への該正規化された逆回転動作を形成する。この事実は、該基準仮想座標系即ちカメラ座標系から該実座標系即ち世界座標系への該較正行列が、該カメラ１２０により信号処理以前に取り込まれた該３Ｄ画像に適切に適用され得る、ことを保証するものである。該カメラの該位置の変化は、該被写体シーンの分析か測定を介して該並進ベクトルを検出することにより追跡される。
【００５５】
本発明のこの実施例によれば、該較正行列を導出できるためには、該被写体シーンは該地上面の広い可視領域を含んでいる必要はない、ことが理解されよう。
該較正行列を導出するために何らパターンは必要ないので、単純化された較正プロセスが提供され得る。更に、前述のようにユーザは必要な段階を容易に遂行できるので、該較正を遂行する上で外部からの支援は必要とされない。
【００５６】
図３は、本発明による一般的な自動較正プロセスのフローチャート３００を示す。その第一段階は、３Ｄカメラを用いてある被写体シーンの奥行き画像を測定し取得する段階３０５である。次に、段階３１０で、該取得された奥行き画像自体又は慣性感知装置から、該被写体シーンにおける実世界の垂直方向Ｖwを導出する。次に、段階３１５で、該実座標系即ち世界座標系の原点を決定する。更に、該導出された垂直方向Ｖwから一個の正規直交座標系を用いて、該３Ｄカメラの基準３Ｄ正規直交座標系を決定する（段階３２０）。この基準３Ｄ正規直交座標系は、基準仮想座標系即ちカメラ座標系Ｍcと呼び得る。
【００５７】
次に、段階３２５で、該基準３Ｄ正規直交座標系を用いて、実座標系即ち世界座標系Ｍwを決定する。この際、該実座標系即ち世界座標系Ｍwは、段階３１５からの出力、即ち、該実座標系即ち世界座標系の該原点を用いて、該基準３Ｄ正規直交座標系Ｍcと整列される。次に、段階３３０で該カメラの配向を決定し、段階３４０で該カメラの位置を決定する。該整列された実座標系即ち世界座標系Ｍwは、段階３４０において該カメラ位置を決定する役割を担っている。
【００５８】
次に、段階３５０で、段階３３０で得られた該カメラ配向と段階３４０で得られた該カメラ位置の双方を用いて、該基準仮想座標系即ちカメラ座標系Ｍcを該実座標系即ち世界座標系Ｍwに変換する較正行列Ｍc2wを導出する。更に、該実座標系即ち世界座標系Ｍwから該基準仮想座標系即ちカメラ座標系Ｍcへの変換のための、その逆較正行列Ｍｗ２ｃも導出し得る。
【００５９】
次に、段階３６０で、該較正行列Ｍc2wは、信号処理以前に該カメラ測定を補正するために使用される。次に、段階３７０で、該カメラ配向と該カメラ位置はモニタされる。このモニタの結果、該配向と該位置のどちらか一方が変化していた場合には、該較正プロセスは、矢印３９０で示されているように、段階３０５に戻り再開始される。この再開始の目的は、該信号処理、即ち、段階３８０以前に、該カメラ測定に正確な補正をするためである。他方、該カメラ配向及び／又は該カメラ位置が変化していなかった場合には、該補正されたカメラ測定を該信号処理、即ち、段階３８０にそのまま転送する。
【００６０】
該信号処理以前の該カメラ測定に対する該適切な較正行列Ｍc2wの適用を保証するためには、該配向及び／又は該位置に対する該カメラ設定が重要である、ことが理解されよう。従って、段階３７０の該モニタプロセスが連続的に遂行され、該較正行列Ｍc2wとその逆較正行列Ｍｗ２ｃの該再評価が必要に応じて遂行される。
【００６１】
一実施例において、該統計モードを満足させることにより該基準平面を決定する該段階は、該複数個の平面の中から、例えば１ｍ２より広い表面積を有する平面、該基準平面の該法線に対して最小の共分散を有する平面、及び該カメラから１ｍより長い距離を隔てて位置する平面を選択する、ことを含む。又、該表面積と該カメラからの距離として、他の値も使用し得ることが理解されよう。
【００６２】
該被写体シーンの該垂直方向の決定は、該基準平面の該法線方向を用いて遂行し得る、ことが理解されよう。この基準平面の該法線方向は、慣性測定装置により得られた該垂直方向を精緻化するために使用され得る、ことも理解されよう。更に、この慣性測定装置により得られた該垂直方向を用いて、該検出された複数個の平面の中でこれに最も近似した垂直方向を有する平面として、該基準平面を決定し得る、ことも理解されよう。
【００６３】
他の実施例において、該被写体シーンの該垂直方向は、該被写体シーン内のユーザの姿勢から決定され得る。ここで、該ユーザは、該３Ｄカメラに対面して該被写体シーンの真ん中に立っている、とする。この際、該ユーザは、彼/又は彼女の両腕を広げて、それらが彼/又は彼女の両足とともに全体でＴ型を成す姿勢を取っている、とする。この姿勢は、「Ｔポーズ」較正姿勢として知られている。例えば数秒間の所定の時間経過後に、該Ｔポーズにおける該ユーザの位置と配向に基づいて、その実世界座標が評価され決定される。この場合、該垂直方向は、該ユーザの頭から足を通る線によって決定される。該水平面は、この垂直方向に対する法線として定義される。
【００６４】
該３Ｄカメラシステムは、最初、該ユーザを検出し、次に、該Ｔポーズを検出する。更に、該所定の時間経過後に、該３Ｄカメラの仮想座標系を該実世界の実座標系に変換する該較正行列を生成する。これらのカメラパラメータの設定は、将来の使用のために格納される。又、該カメラの位置及び／又は配向に関連する該変数、即ち、該カメラの該Ｘ、Ｙ、及びＺ軸に対する位置とその配向のヨー、ピッチ、及びロール、は更新される。
【００６５】
該垂直方向と該水平面を決定した後、該被写体シーン内の一点を該実世界座標系の原点として選択する。更に、該３Ｄカメラの仮想座標系を該実世界座標系に写像する該較正行列を決定する。双方の各座標系は、中心を有する三次元直交軸から成る。ここで、この中心は、例えば、該画像化システムの開始時又は該較正プロセスの最中のような所定時に、所定の３Ｄ位置に設定される。このプロセスのおける各段階は、図４に関連して以下により詳細に説明される。
【００６６】
図４は、ユーザの姿勢を用いての該実世界座標系の該垂直方向を決定する、本発明による一般的な手動較正プロセスのフローチャート４００を示す。段階４０５で、手動で定義されたカメラ設定を用いて、ある被写体シーンの奥行き画像を測定し取得する。次に、段階４１０で、特定姿勢のユーザの主方向を決定し、これを該実座標系即ち世界座標系の該垂直方向として使用する。この場合、この特定姿勢は上記のＴポーズであって良いが、他の任意の独自的ポーズも使用し得る。
【００６７】
該垂直方向を決定した後、段階４２０で、該ユーザの位置として該世界座標系における地上面位置を決定する。次に、段階４３０で、この世界座標系における地上面位置として、該実座標系即ち世界座標系の原点を決定する。該ユーザ位置での地上面位置の該決定と該ユーザ位置での原点の該決定は、異なる分離した段階として説明したが、両者を単一の段階として統合しても良い。
【００６８】
次に、段階４４０で、該原点から、基準世界３Ｄ正規直交座標系と基準仮想３Ｄ正規直交座標系を生成する。次に、段階４５０で、該実座標系即ち世界座標系に対する該カメラの位置と配向を決定する。この位置と配向の決定は、該仮想即ちカメラ座標系から該実即ち世界座標系への回転と並進を組み込んだ該較正行列が段階４６０で決定される以前に、遂行される。段階４６０では又、その逆較正行列も決定される。
【００６９】
次に、段階４７５で該奥行き画像が信号処理に転送される以前に、段階４７０で、該較正行列は該奥行き画像における３Ｄ点を補正するために使用される。次に、段階４８０で、較正制御が実施される。この結果、該較正行列が適切ではない場合には、段階４８５で該カメラの該位置及び／又は該配向が変更され、更に段階４０５に戻り該較正プロセスが再開始される。
【００７０】
該実即ち世界座標系の該原点を決定した後、平面適合技術を用いて該被写体シーン内の複数個の平面を識別、同定する。一つの可能な平面適合技術は、領域拡大である。一旦これらの平面が識別、同定されれば、基準平面を、該被写体シーン内で２ｍ２という閾値より広い表面積を有し、且つ重力により決定された該垂直方向に直交する最低高度の平面、であるとして選択する。該基準平面上では、基準点が自動的に事前決定されている。該基準点は、該カメラから２．５ｍの距離を隔てた位置に設定されて、該実即ち世界座標系の該原点として使用される。
重力に対する該カメラ配向と該実即ち世界座標系の該原点に対する該距離が判明すれば、該較正行列が定義される。
【００７１】
更に、該被写体シーンの取り込み、即ち、該カメラが取り込む該被写体シーンを最良で且つ最有用な対応する視野円錐台に調整するために、三軸モータ駆動の支持システムを用いて該カメラ配向を調整しながら、適切な視野が得られるまで該較正行列の該導出が反復される。例えば、該カメラの初期標準配向を２０°だけピッチさせて該取得された奥行き画像の片側でユーザの顔のトリミングをする場合には、該カメラの光軸が該実即ち世界座標系の水平軸と平行になり、且つ該カメラのＺ軸が該実即ち世界座標系のＺ−Ｙ平面と整列するまで、該カメラ配向が反復調整されて、対応する正確な較正行列が決定される。
【００７２】
完全に自動化された実施例においては、該加速度計を用いて前述のように決定された重力ベクトルを利用して、該被写体シーンの該垂直方向を決定する。
他の実施例において、該被写体シーンの該垂直方向は、該奥行き画像内で検出されたエッジから決定される。これらのエッジは、任意のエッジ検出プロセスを用いて検出され得る。この任意のエッジ検出プロセスとしては、例えば、ラプラシアンフィルタ、ガウシアン差分計、又は勾配エッジ検出器によるような形態的な操作が挙げられる。一旦該エッジが見い出されれば、該決定された水平軸と垂直軸、即ち、ある自然な被写体シーン内で最も代表的な軸に対して統計解析が遂行される。この統計解析の目的は、最も確からしい複数個の垂直軸を決定することである。次に、これらの最も確からしい複数個の垂直軸は集約されて、一個の有意な垂直方向の推定を可能にする。
【００７３】
図５は、該加速度計による該垂直方向の測定を含み、且つ該カメラ配向を反復調整する三軸モータ駆動システムを用いた、自動較正プロセスのフローチャート５００を示す。更なる実施例において、該カメラ位置は又、高度に自動化されたシステムを用いても調整され得る。その第一段階は、３Ｄカメラを用いてある被写体シーンの奥行き画像を測定し取得する段階５０５である。次に、段階５１０で、該奥行き画像から、該被写体シーンにおける最低高度の可視平面を検出する。次に、段階５２０で、該３Ｄカメラに結合する慣性感知装置を用いて、該実即ち世界座標系の垂直方向を導出する。前述のように、好適には、該慣性感知装置は該３Ｄカメラの内部か又は上部に設置され得る該加速度計である。該実即ち世界座標系の該垂直方向は、該重力ベクトルの方向の逆方向として決定される。
【００７４】
該実即ち世界座標系の該垂直方向を取得した後、段階５３０で、該実即ち世界３Ｄ正規直交座標系の原点を決定する。この決定から、該実即ち世界３Ｄ正規直交座標系の該原点に対して、段階５４０で該カメラ配向を決定し、段階５４５で該カメラ位置を決定し得る。
【００７５】
次に、段階５５０で、段階５４０と段階５４５で各々決定された該カメラ配向と該カメラ位置を用いて、該仮想即ちカメラ座標系を該実即ち世界座標系に変換する較正行列を導出する。段階５５０では又、その逆較正行列も導出する。
【００７６】
次に、段階５６０で、該較正行列は、信号処理以前に該カメラ測定を補正するために使用される。次に、段階５７０で、該配向と該位置に関する該カメラ設定は、その何らかの変化を検出するためにモニタされる。このモニタの結果、何らの変化も存在しなかった場合には、該補正されたカメラ測定は該信号処理、即ち、段階５８０にそのまま転送される。他方、何らかの変化が存在した場合には、段階５９０で、該カメラは三軸モータ駆動システムを用いて再整列される。更に、新規の較正行列を取得するために、該較正プロセス全体が再開始される。
【００７７】
一つの特定実施例において、該カメラの該垂直方向は、該実世界座標系ＭwのＹ−Ｚ平面と再整列され得る。
記載していないが、該カメラ設定が変化していなかった場合には、該較正行列とその逆較正行列は格納され、該信号処理以前に全てのカメラ測定に適用され得る。
【００７８】
本発明は特定実施例に関連して説明されたが、本発明はこれらの特定実施例に限定されるものではなく、該較正行列を生成するために必要な該情報を他の仕方で取得し得る、ことが理解されよう。
【図１】
2014529727.tif 000011
【図２】
2014529727.tif 000012
【図３】
2014529727.tif 000013
【図４】
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【図５】
2014529727.tif 000015
【図６】
2014529727.tif 000016
【国際調査報告】
2014529727.tif 000017
2014529727.tif 000018
2014529727.tif 000019