(57)【要約】【課題】  注目物（例えば、指先など）の移動量を好適に出力する。【解決手段】  本発明に係る情報処理装置は、距離画像センサから出力された距離画像であって、互いに異なる時点で撮影された複数の距離画像を取得し、前記複数の距離画像に基づいて、注目物を示す注目画素の位置の移動量を検知し、前記注目画素に対応付けられた値であって、前記距離画像センサと前記注目物との距離を示す値と、前記注目画素の位置の移動量とから、第１の座標系における前記注目物の移動量を決定し、前記第１の座標系における前記注目物の移動量を、前記第１の座標系と異なる第２の座標系における前記注目物の移動量に変換する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離画像センサから出力された距離画像であって、互いに異なる時点で撮影された複数の距離画像を取得する取得する取得手段と、
前記複数の距離画像に基づいて、注目物を示す注目画素の位置の移動量を検知する検知手段と、
前記注目画素に対応付けられた値であって、前記距離画像センサと前記注目物との距離を示す値と、前記注目画素の位置の移動量とから、第１の座標系における前記注目物の移動量を決定する決定手段と、
前記第１の座標系における前記注目物の移動量を、前記第１の座標系と異なる第２の座標系における前記注目物の移動量に変換する変換手段とを有する情報処理装置。
【請求項２】
更に、前記第２の座標系における前記注目物の移動量に応じた空間ジェスチャを認識する認識手段を有する請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項３】
所定の座標系における注目物の移動量を出力する情報処理装置の動作方法であって、
距離画像センサから出力された距離画像であって、互いに異なる時点で撮影された複数の距離画像を取得する取得する取得工程と、
前記複数の距離画像に基づいて、前記注目物を示す注目画素の位置の移動量を検知する検知工程と、
前記注目画素に対応付けられた値であって、前記距離画像センサと前記注目物との距離を示す値と、前記注目画素の位置の移動量とから、第１の座標系における前記注目物の移動量を決定する決定工程と、
前記第１の座標系における前記注目物の移動量を、前記第１の座標系と異なる第２の座標系における前記注目物の移動量に変換する変換工程とを有する動作方法。
【請求項４】
請求項３に記載の動作方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間ジェスチャを認識する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラを用いて指先を撮影し、撮影された画像における当該指先の位置座標の変化、当該指先の大きさの変化に基づいて、空間ジェスチャを認識する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４０５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術によると、実際の指先の移動量が同じであっても、撮影された指先の大きさや、カメラから指先までの距離に応じて、認識される空間ジェスチャの大きさ（移動量）が大きく異なる場合があった。そこで本発明は、実際の指先等の注目物の移動量を好適に出力することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係る情報処理装置は、距離画像センサから出力された距離画像であって、互いに異なる時点で撮影された複数の距離画像を取得する取得する取得手段と、前記複数の距離画像に基づいて、注目物を示す注目画素の位置の移動量を検知する検知手段と、前記注目画素に対応付けられた値であって、前記距離画像センサと前記注目物との距離を示す値と、前記注目画素の位置の移動量とから、第１の座標系における前記注目物の移動量を決定する決定手段と、前記第１の座標系における前記注目物の移動量を、前記第１の座標系と異なる第２の座標系における前記注目物の移動量に変換する変換手段とを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、撮影された注目物（例えば、指先など）の大きさや、カメラから注目物までの距離に関わらず、注目物の移動量を好適に出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係るシステムを設置した様子を示す図。
【図２】情報処理装置１０５の機能ブロック図。
【図３】距離画像、距離画像座標系、加工済み距離画像の一例を示す図。
【図４】机座標系の一例を示す図。
【図５】空間ジェスチャを認識する処理の流れを示すフローチャート。
【図６】背景画像の一例を示す図。
【図７】指先の速度に応じて認識される空間ジェスチャ示す図。
【図８】指先の動きの一例を示す図。
【図９】距離画像センサを配置した様子を示す図、距離画像の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明に係るシステムを設置した様子を示す図である。本システムは、机１０１、プロジェクタ（フロントプロジェクタ）１０３、距離画像センサ１０４、情報処理装置１０５を有する。尚、図１（ａ）は、本システムを設置した様子を立体的に捉えた図であり、図１（ｂ）は、本システムを設置した様子を側面方向から平面的に捉えた図である。
【０００９】
机（インタラクティブテーブル）１０１は矩形をなす平面を有する標準的な机であり、当該平面は画像を映す投影面として機能する。尚、ユーザが指先１０２を机１０１の上方で動かすと、例えば、情報処理装置１０５は、机１０１に映された画像に対して所定の処理を実行するものとする。プロジェクタ１０３は机１０１上に画像を投影する。距離画像センサ１０４は机１０１の上方（上空）に設置され、画角（視野角）内に机１０１を捉える様設置され、距離画像を出力する。尚、距離画像とは、その画像中の各ピクセル（画素）の明度が、距離画像センサから当該画素に映った被写体までの距離を示す値によって定められた画像をいう。情報処理装置１０５は、定期的に、プロジェクタ１０３に対して画像を投影させ、距離画像センサ１０４が出力した距離画像を取得し、空間ジェスチャを認識する処理を実行する。即ち、情報処理装置１０５は、互いに異なる時点で撮影された複数の距離画像を取得する。
【００１０】
また、本実施形態において、机１０１は矩形であり、その矩形領域の全面に情報が表示され、その矩形領域の上方でユーザが空間ジェスチャを行う場合について説明する。尚、机１０１が矩形でない場合、表示領域の周囲に情報が表示されない縁を持つ場合等であっても、例えば、机１０１の内部に矩形の操作領域を設定し、当該矩形の操作領域の縦横の長さの比を保持する事で、本発明は実現可能である。また、矩形領域は、プロジェクタ１０３の投影領域と一致していてもよい。
【００１１】
距離画像センサ１０４は、距離画像を取得する画角（視野角）１０６内に机１０１の全面を含む様に、机１０１から見てユーザの指先１０２よりも遠方に配置される。そして、本実施形態において、距離画像センサ１０４は、距離画像センサ１０４から机１０１の卓上に相当する面に下ろした垂線の足に相当する点１０７が、机１０１の辺のうちユーザに最も近い辺１０８の近傍にある様に設置する。また、距離画像センサ１０４の視野端の一辺が辺１０８の近傍にある様に光軸を、卓上に相当する面に対して傾斜させて設置する。これにより、辺１０８の近傍から操作するユーザの指先１０２がユーザ付近かつ机の上方で操作される場合に、距離画像センサ１０４が机の中央の真上に設置される場合に比べて、指先１０２が距離画像センサ１０４の画角１０６に含まれる頻度を高くできる。結果としてユーザインタラクションの精度向上や高速化を実現できる。
【００１２】
本実施形態で、後述するフローチャートの各ステップに対応する処理は、ＣＰＵ等を有する情報処理装置１０５の各部が実現する。図２は、情報処理装置１０５の機能構成を示す機能ブロック図である。情報処理装置１０５は、距離画像取得部２０１、距離画像加工部２０３、指先検出部２０５、位置関係設定部２０７、座標変換部２０９、ジェスチャ認識部２１１を有する。距離画像取得部２０１は距離画像センサ１０４にアクセスし距離画像２０２を取得する。図３（ａ）は、距離画像２０２の一例を示す図である。尚、図３（ａ）に示す距離画像は、距離画像センサ１０４、机１０１、指先１０２等が図３（ｂ）に示す位置関係にあるときに出力された距離画像である。即ち、図３（ａ）に示す距離画像は、机１０１を示す画素３０１、指先１０２を示す画素３０２等を有する。
【００１３】
距離画像加工部２０３は距離画像２０２を加工し加工済距離画像２０４を出力する。図３（ｃ）は、加工済距離画像２０４の一例を示す図である。尚、加工済距離画像には、画像の左上を原点とする座標系（距離画像座標系）が設定されるものとする。指先検出部２０５は加工済距離画像２０４から距離画像座標系における指先座標２０６を取得する。ここで、距離画像座標系は、距離画像２０２におけるＸＹ座標をそのＸＹ座標、距離画像の明度をＺ座標とする座標系である。距離画像座標系における指先座標２０６とは、ＸＹ座標が図３（ｃ）における画素３０２の座標に基づいて設定され、Ｚ座標が図３（ｃ）における距離画像センサ１０４と指先１０２との間の距離３０４を示す値に基づいて設定される。
【００１４】
位置関係設定部２０７は。距離画像センサ１０４と机１０１の位置関係を把握し、机座標系での距離画像センサ１０４の垂線の足及び長さ２０８を求める。ここで、机座標系と、机１０１上の任意の点を原点とし、机の平面をＸＹ平面、机平面からの高さをＺ座標とする空間を支える座標系である。即ち、机座標系とは、距離画像座標系とは異なる座標系である。机座標系の原点は任意の点で構わないが、本実施形態においては、机１０１の中心を机座標系の原点とする。
【００１５】
図４は、机座標系を示す図である。図４（ａ）は机座標系を立体的に捉えた図であり、図４（ｂ）は机座標系のＸＹ平面を示す図である。尚、原点は机１０１の中心とし、机１０１の縦の一辺の長さを２Ｗ、横の一辺の長さを２Ｈとする。図４において、点１０７は、机座標系における距離画像センサ１０４から机１０１の卓上面に下ろした垂線の足とする。
【００１６】
座標変換部２０９は距離画像座標系における指先座標２０６を、机座標系における指先座標２１０に変換する。図４において、机座標系における指先座標２１０は、ＸＹ座標が点５０２のＸＹ座標、Ｚ座標が指先１０２とその垂線の足に相当する点５０２との間の距離に相当する。ジェスチャ認識部２１１は机座標系における指先座標２１０、指先座標２１０の移動量に基づくジェスチャ２１２を認識する。そして、情報処理装置１０５は、認識されたジェスチャ２１２に応じた所定の処理を実行する。尚、所定の処理とは、例えば、プロジェクタ１０３が投影する画像を変更する処理等をいう。また、ジェスチャ認識部２１１で認識されるジェスチャの種別については後述する。
【００１７】
図５は、情報処理装置１０５が、空間ジェスチャを認識する処理動作の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳ６０１で、距離画像取得部２０１は、距離画像センサ１０４が出力した背景画像７０１を取得する。図６（ａ）は、背景画像７０１の一例を示す図である。背景画像７０１は、机１０１を示す画素を含み、かつ、ユーザの指先１０２を示す画素を含まない画像である。ステップＳ６０２で、位置関係設定部２０７は、背景画像７０１から机領域７０２を求める。机領域７０２は少なくとも凸な四角形であり、４つの線分で構成される。机領域７０２を構成する４つの線分を取得するには、例えば、背景画像７０１に対し微分画像を生成し、その微分画像のうち一定以上の値を持つピクセルに対してハフ変換を施せばよい。また、レンズ歪みなどにより机領域７０２を構成する線分が４つの直線にならない場合には、事前に歪み補正等の処理をかけてもよいし、机領域７０２に外接あるいは内接する四角形を求めて机領域７０２を構成する四辺としてもよい。
【００１８】
ステップＳ６０３で、位置関係設定部２０７は、机座標系内での距離画像センサの位置を求める。図４に示す机座標系において、求める距離画像センサ１０４の位置は、ＸＹ座標が点１０７、Ｚ座標が距離画像センサ１０４から点１０７までの間の距離に基づいて定められる。図６（ｂ）は、背景画像７０１を出力した際の、距離画像センサ１０４、机１０１の位置関係を示す図である。点１０７は、距離画像センサ１０４から机平面に下ろした垂線の足であり、点７０３を机座標系の原点とする。まず、点１０７のＹ座標を求める。すなわち、距離画像センサ１０４から机平面のＹ軸に下ろした垂線の足を点７０４として、原点７０３から点７０４の距離を求める。ステップＳ６０２で求めた机の輪郭を構成する４つの線分をそれぞれ延長した４つの直線同士の交点を求め、机領域７０２の消失点７０７、７０８、及び机領域７０２の４つの頂点を求める。次に、机領域７０２の４つの頂点から机領域７０２の２つの対角線を求め、その２つの対角線の交点を求め、机座標系の原点７０３とする。次に、消失点７０７及び消失点７０８と原点７０３を結ぶ直線、すなわち机平面におけるＸＹ軸に相当する直線を求め、その直線と机領域７０２の輪郭との４つの交点を求める。但し机領域７０２の４辺を構成する線分のうち２つが平行であって消失点が求められない場合には、残りの２辺の中点を求める。この４つの交点は、点７０５、点７０６、点７１０，点７１１に相当する。次に、背景画像７０１において、点７０５、点７０６の明度を求め、距離画像センサ１０４から点７０５、点７０６までの距離を求める。ここで、背景画像上の得られた点７０５及び点７０６の周囲に一定の大きさの矩形もしくは円形の領域を設定し、領域内かつ机の辺の内側にあるピクセルについての明度の平均を求める。これにより、距離画像センサ１０４から点７０５及び点７０６までの距離の精度を向上させることができる。そして、距離画像センサ１０４から点７０５及び点７０６までの距離をそれぞれｚ１、ｚ２とし、原点７０３から点７０５及び点７０６までの距離を机座標系における机領域７０２縦幅の半分であるＨとする。また、原点７０３から点７０４の距離をＣＹとすると、距離ＣＹは、以下のように求めることができる。
ＣＹ＝（ｚ１＾２−ｚ２＾２）／４Ｈ
同様に、原点７０３から点７０９の距離をＣＸ、机領域７０２の机座標系上の横幅を２Ｗ、点７１０、点７１１の距離画像センサからの距離をｚ３及びｚ４とすると、ＣＸは、以下のように求めることができる。
ＣＸ＝（ｚ３＾２−ｚ４＾２）／４Ｗ
また、距離画像センサ１０４から机平面に下ろした足に相当する点１０７の長さＣＺは、同様にピタゴラスの定理により、以下のように求めることができる。
ＣＺ＝ｓｑｒｔ（ｚ１＾２−（ＣＹ  ＋  Ｈ）＾２−ＣＸ＾２）
ＣＺ＝ｓｑｒｔ（ｚ２＾２−（ＣＹ  −  Ｈ）＾２−ＣＸ＾２）
ＣＺ＝ｓｑｒｔ（ｚ３＾２−（ＣＸ  ＋  Ｗ）＾２−ＣＹ＾２）
ＣＺ＝ｓｑｒｔ（ｚ４＾２−（ＣＸ  −  Ｗ）＾２−ＣＹ＾２）
尚、４つのＣＺの値が異なる場合、これら４つの平均をとることで、精度を向上できる。
【００１９】
例えば、（Ｗ，Ｈ）＝（１０００，５００）として、（ＣＸ，ＣＹ，ＣＺ）＝（０，５００，１０００）と、逆透視変換Ｆ’Ｘ＝１０．０＊ｆｘ−１０００，Ｆ’Ｙ＝１０．０＊ｆｙ−５００が得られたとする。
【００２０】
次に、ステップＳ６０４で、距離画像取得部２０１は、距離画像センサ１０４から距離画像２０２を取得する。取得した距離画像２０２を図３（ａ）に示す。図３（ａ）において、画素３０１は、机１０１を示す画素であり、画素３０２は指先１０２を示す画素である。次に、ステップＳ６０５で、距離画像加工部２０３は、距離画像２０２のうち机領域の一辺から外側を除外し加工済距離画像２０４を求める。尚、除外する領域は図３（ａ）の領域３０３に相当し、除外した後の加工済距離画像２０４を図３の（ｃ）に示す。そして、この一辺は、図１に示す様に、距離画像センサ１０４から机１０１に下ろした垂線の足に相当する点１０７がその近傍に存在する辺１０８である。辺１０８はステップＳ６０３で求めた机座標系内での距離画像センサの足に相当する点１０７に基づいて自動で求めてもよいし、ステップＳ６０２で得られた机領域７０２を構成する４つの線分のいずれかから手動で設定してもよい。図１の配置では、ユーザが机１０１に接して操作する場合に、指先１０２は領域３０３を超えて距離画像２０２に映る一方で、領域３０３にはユーザの頭や体が含まれがちになる。領域３０３を距離画像２０２から積極的に削除する事で、後続するステップＳ６０６で領域３０３に含まれる物体の検出を抑制できる。特に机１０１がその周囲に縁を持ち、その縁に物を置いたり手をついたりする事が可能な場合に、その置かれた物や突かれた手などの誤検出を抑制できる。領域３０３を除外する手段は、例えば、領域３０３内の各画素について、図６の７０１に示した背景画像の同座標の明度値をコピーすればよい。
【００２１】
次に、ステップＳ６０６で、指先検出部２０５は、加工済距離画像２０４において指先に相当する点を求める。具体的には、例えば、ステップＳ６０１で取得した背景画像７０１とステップＳ６０５で取得した加工済距離画像２０４の差を求め、閾値で二値化し、背景画像７０１と加工済距離画像２０４の差分領域を取得する。差分領域について楕円で近似し、楕円の長軸と楕円が交わる２点のうち、机端に接しない点を距離画像座標系における指先座標４０１とする。ステップＳ６０７において、指先検出部２０５は、もしステップＳ６０６で指先が見つからない場合には、ユーザは計算機に対し意図を示していないとして、ステップＳ６０４に戻る。次に、ステップＳ６０８で、指先検出部２０５は、距離画像座標系における指先座標２０６を求める。図３（ｃ）に距離画像座標系及び加工済み距離画像を示す。この距離画像座標系における指先座標２０６のＸＹ座標はステップＳ６０６で距離画像座標系における指先座標４０１として求められている。指先座標２０６のＺ座標は、図３（ｂ）の距離画像センサ１０４から指先１０２間の距離に相当し、ステップＳ６０５で求めた加工済距離画像２０４中の距離画像座標系における指先座標４０１の明度が相当する。加工済距離画像２０４について、距離画像座標系における指先座標４０１を中心とする半径数画素分に含まれ、かつステップＳ６０６で求めた差分領域にも含まれる各画素について、その明度の平均を取得する事で、精度を向上させることができる。
【００２２】
次に、ステップＳ６０９で、座標変換部２０９は、距離画像座標系における指先座標２０６を机座標系における指先座標２１０に変換する。机座標系における指先座標２１０は、図４に示される机座標系において、ＸＹ座標が点５０２のＸＹ座標、Ｚ座標が指先１０２とその垂線の足に相当する点５０２間の距離に相当する。まず、距離画像センサ１０４と指先１０２が机１０１と交わる点５０１の机座標系の座標を得る。これは距離画像座標系における指先座標４０１に対しステップＳ６０２で求めた逆透視変換を施す事により得られる。次に、距離画像センサ１０４と点５０１の距離を求める。ステップＳ６０１で取得した背景画像について、距離画像座標系における指先座標４０１の上の明度を求めればよい。
【００２３】
求める机座標系における指先座標２１０を（ＦＸ，ＦＹ，ＦＺ）とする。ステップＳ６０３で求めた通り、距離画像センサから机１０１に下ろした垂線の座標及びその長さを（ＣＸ，ＣＹ，ＣＺ）とする。このとき図４（ａ）の、点５０１、点１０７、距離画像センサ１０４が位置する点を頂点とする三角形と、点５０１、点５０２、指先１０２が位置する点を頂点とする三角形の相似から、指先座標２１０は、以下のように求めることができる。
ＦＺ＝ＣＺ＊（Ｆ’Ｚ−ｆｚ）／Ｆ’Ｚ
ＦＸ＝ＣＸ−（Ｆ’Ｘ−ＣＸ）（ｆｚ／Ｆ’Ｚ）
ＦＹ＝ＣＹ−（Ｆ’Ｙ−ＣＹ）（ｆｚ／Ｆ’Ｚ）
次に、ステップＳ６１０で、ジェスチャ認識部２１１は、手の動きを求める。前回実行時に後述するステップＳ６１２で保存した指先座標から、今回検出した机座標系における指先座標２１０を引き、同じくステップＳ６１２で保存した時刻からの経過時間で割る。これにより机座標系における指先の速度ベクトル（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を求める。ここで、経過時間が一定の閾値よりも経過しているならば、ジェスチャは検出不可能としてステップＳ６１２に移動する。次に、ステップＳ６１１で、ジェスチャ認識部２１１は、ジェスチャ認識をする。ステップＳ６１０で求めたＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚのそれぞれについて、事前に定める閾値を超えているか否かを判定し、その結果に基づきジェスチャを識別する。この事前に定める閾値及びジェスチャの組み合わせを図７に示す。ここで、閾値は事前に与えられている机の幅Ｗに対する割合として決定されるとする。次に、ステップＳ６１２で、ジェスチャ認識部２１１は、今回検出した、机座標系における指先座標２１０、及び実行時の時刻を保存し、ステップＳ６０４に戻る。
【００２４】
図８（ａ）、（ｂ）は、距離画像センサ１０４、指先１０２、机１０１の位置関係を示す図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す位置関係にあるときに距離画像センサ１０４が出力した画像である。このとき指先を机に対して水平方向に２０ｃｍ移動した場合、指先を示す画素（注目画素）の画素位置が４００ピクセル分の移動が検知されたとする。図８（ｄ）は、図８（ａ）に示す位置関係にあるときの机座標系における移動量を示す図である。このとき机座標系において２０ｃｍ分の移動が出力される。これは、まず、指先１０２の位置を示す画素に対応付けられた値であって、距離画像センサ１０４と指先１０２との距離を示す値と、指先を示す画素の画素位置の移動量とから、距離画像座標系における指先の移動量が決定される。そして、距離画像座標系における指先１０２の移動量が、机座標系における指先１０２の移動量に変換されるからである。
【００２５】
図８（ｅ）は、図８（ｂ）に示す位置関係にあるときに距離画像センサ１０４が出力した画像である。このとき指先を机に対して水平方向に２０ｃｍ移動した場合、指先を示す画素の画素位置が２００ピクセル分の移動が検知されたとする。図８（ｆ）は、図８（ｂ）に示す位置関係にあるときの机座標系における移動量を示す図である。このとき机座標系において２０ｃｍ分の移動が出力される。これは、まず、指先１０２の位置を示す画素に対応付けられた値であって、距離画像センサ１０４と指先１０２との距離を示す値と、指先を示す画素の画素位置の移動量とから、距離画像座標系における指先の移動量が決定される。そして、距離画像座標系における指先１０２の移動量が、机座標系における指先１０２の移動量に変換されるからである。
【００２６】
以上、本発明によれば、指先１０２の机１０１からの高さ、指先１０２と距離画像センサとの距離を問わず、指先１０２の移動量を好適に得ることが可能となる。尚、本実施形態においては指先１０２の移動を検知する例を説明したが、指先１０２にかえて、所定の形状を有する物体の移動を検知してもよい。
【００２７】
（第１の実施形態の変形例）
距離画像センサ１０４を設置する位置については、図９（ａ）に示す様に、机１０１のある２辺に相当する辺９０１及び辺９０２が交差する頂点の上部、かつ机１０１及びユーザの指先１０２を好適に撮影しうるべく配置してもよい。これにより、辺９０１と辺９０２のそれぞれに立つユーザに対し、ユーザインタラクションの精度向上や高速化を実現できる。この場合、前述したステップＳ６０５で、図９（ｂ）の９０３に示す様に、２辺９０１及び９０２の机から見て外側に領域９０３を消す。これにより、後続するステップＳ６０６で領域９０３に含まれる物体の検出を抑制できる。
【００２８】
（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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