情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

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円柱体の ID・位置検出のための円筒マーカ
奥山 瑞希1,a)

的場 やすし1,b)

椎尾 一郎1,c)

概要：AR システムで一般的に使用されている光学マーカは，平面に貼り付けることを前提としたものである．一方，実世界の構造物，家具，調度品や人体には円筒形の部分が多く存在する．そこで本研究では，円筒面を持つ立体物に取り付けることを目的とした，円筒形のバーコード光学マーカを提案する．バー
コードの円柱への配置方法として，円周方向にリング状に並べる方法と円柱の高さ方向に平行に並べる方法が考えられる．全周から同じバーが見える前者はマーカの ID を取得するのに適し，異なるバーが見える後者はマーカの回転方向を取得することが可能である．筆者らはこれまで，ID が不要なアプリケーションを想定し，後者のみを実装したマーカを実装した．本稿では，両者を実装したマーカを作成し，ID 付き円筒バーコードマーカとして動作することを確認した．

Cylindrical Markers for position detecting and the ID of Cylinders
Mizuki Okuyama1,a)Yasushi Matoba1,b)Itiro Siio1,c)Abstract: We propose an m-sequence marker, which is an optical barcode marker combined the marker
ID that can be applied on cylindrical objects, such as parts of a human body and everyday things such as
furniture, bottles, and cups. There are two ways to arrange the barcode on the cylinder, one arranging themin a ring-shaped in the circumferential direction or arranging them parallel to the height direction of thecylinder are conceivable. The former is suitable for obtaining the marker ID because same bars can be seenfrom the whole circumference. The latter that is diﬀerent bars can be seen is possible to obtain the directionof rotation of the marker. We have assumed applications that do not require ID, we implemented markers
implementing the latter so far. In this paper, we made the marker implemented both and confirmed that it
works as a cylindrical barcode marker with ID．

1. はじめにていると言える*1 *2 ．
筆者らは，円筒面を持つ立体物に M 系列のバーコード

実世界の物や場所に情報を提示する拡張現実感（Aug-を取り付けることで，その回転方向を検出できる円筒形 M

mented Reality: AR）の手法では，矩形平面に 2 次元コー系列マーカを提案し，AR 和服帯試着システムを開発した

ドを印刷した光学マーカ（以下 AR マーカ）が一般的に使[7]．この試着システムでは，単一のマーカのみを使用する用される．壁，天井，机，本や書類など，生活空間内に多くため，複数のマーカを ID により識別する機能は不要であっ存在する平面の認識には，平面に貼り付けることを前提とた．しかし，複数物体を検出対象とするアプリケーションした AR マーカは有用である．しかし，調度品（例，花瓶，のためには，ID 機能を持ったマーカが必要である．そこ植木鉢），生活空間の構造物（柱），機械部品，家具（脚），で本論文では，M 系列マーカに，ID をエンコードしたリ

さらには人の胴，四肢，頭，首など，人体や工業製品にはング状のバーコードを付加したマーカを提案する．また，円柱形の部分も多く存在し，世界は平面と円柱で構成されこの方式で円筒マーカを作成し，動作を確認した．

1a)b)c)

お茶の水女子大学
Ochanomizu University, Bunkyo, Tokyo, Japanokuyama.mizuki@is.ocha.ac.jp
y.matoba2011@gmail.com
siio@is.ocha.ac.jp© 2018 Information Processing Society of Japan*1*2

http://lleedd.com/blog/2011/05/23/
本川達雄. 生きものは円柱形―時代を拓く生物の発想（NHK ライブラリー）, 日本放送出版協会, pp. 354, 1998.

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図 2 M 系列マーカのバーコードパターン．

Fig. 2 The barcode pattern of m-sequence marker.

ID を付加する目的で，図 1（B）のように，マーカ上部にリング状バーコードを配置した．リング状のバーは，読み取り方向によっては円周方向に歪みが生じるが，円筒の高図 1(A) 開発した円筒マーカ；(B) ID をエンコードしたリング

さ方向にバーコード読み取りを行うことで，歪みの影響をマーカ；(C) 角度をエンコードした M 系列マーカ．

除去できる．

Fig. 1 (A) Image of cylindrical marker; (B) Ring marker en-

図 1 の例では，黒白黒白黒からなる 5 本のバーとスペー

coded the ID; (C) M -sequence marker encoded angles.

スを用いている．このうち 3 本を細く（0），2 本を太く（1）することで，10 種類*3 の ID を付加できる．例えば図1（A），（B）に示す ID は上から読むと 00110 である．

2. 円筒マーカ
本研究では，円筒状の光学マーカを提案する．これは，生活空間や人体部位に多い円柱状の立体物に貼付することで，全周囲から認識できる光学マーカであり，マーカ ID用バーコードと回転方向検出用バーコードを組み合わせたものである．提案する円筒型バーコードは，円柱物体に 2種類のバーコードを巻きつけるように配置する．この例を
図 1（A）に示す．円柱側面へのバーの配置方法には，図 1（B）及び（C）に示すように，円柱の円周方向にリング状に並べる方法と，それぞれのバーを円柱の高さ方向に平行に並べる方法が考えられる．前者は全周囲から同一のパターンを読むことができるため，マーカ ID 取得に適している．
後者はカメラに向いた部分しか認識できない制約があるものの読み取るバーの組み合わせから円柱の回転方向を検知

2.2 M 系列マーカ
従来の 2 次元光学マーカと同様な手法で，光学マーカ検出用カメラから見る円筒マーカの大きさと形状から，円筒マーカの 3 次元位置と角度の一部を検出することが可能である．しかし，円筒マーカは回転体であるので，マーカ形状から回転角度を検出することはできない．そこで回転角度の検出のために，回転角度に対して変化するパターンを
図 1（C）のように，マーカ下部に配置した．このパターンには，部分数列が一度しか現れない M 系列により生成された 2 進数を 2 周期分エンコードした．このマーカを “M系列マーカ”と呼ぶ．

M 系列は以下の式より生成される数列である．⊕ は排他的論理和を表す．

Xn = Xn−p ⊕ Xn−q

することが可能である．両者を組み合わせることでマーカID と回転方向を検知可能なマーカを作成可能である．
本研究で提案する円筒マーカでは，図 1（B）のリング状のパターンに従来のバーコードに準じたマーカを，図 1（C）の縦縞状のパターンに後述する M 系列をエンコードした．以下では，それぞれをリングマーカ，M 系列マーカ[7] と呼ぶ．図 1（A）では，2 種類のマーカを組み合わせて使用しているが，複数物体の ID のみが必要とされるア
プリケーションであればリングマーカだけを，また，単一物体の回転方向検出が必要なアプリケーションであれば M系列マーカだけを使用することもできる．

2.1 リングマーカ
一般的なバーコードは，交互に並んだ 2 種類の線幅の白と黒のバーで構成される．太いバー，細いバーに，1 または 0 を割り当てることで 2 進数を表現する．円筒マーカに© 2018 Information Processing Society of Japan(p > q > 0)(1)

生成された数列は，周期 2p − 1 であり，数列内の連続する各 p ビットは一意である．例えば p = 3 を初期値として M系列を生成すると，1001110 の数列が生成され，周期は 7となる．この数列内で，100,001,011 などの 3 ビットの連続した部分数列は一意となる．この数列の 1 周期分を円環状に並べ，任意の箇所から読み取りを開始した場合，どこから読み始めても，連続する 3 個の部分数列は他の箇所には出現しない．
このような M 系列のビット列をバーコードにして回転体の周囲に配置すれば，連続した p 個以上の数列を光学的に読み取ることで，円周上の場所を特定できる．しかしながら M 系列の 1 周期は奇数個であるため，奇数番目のビットを黒，偶数番目のビットを白が該当するように割り当て*3

リングマーカのみを使用する場合は対称の組み合わせを除外して
5 種類．

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図 4認識システム構成．

Fig. 4 Recognition system configuration.
図 3(A), (B) 試作した円筒マーカ；(A) 灰色の再帰反射材の上に茶色の布を貼付；(B) 再帰反射材とバー素材の色を合わせたもの．

Fig. 3 (A), (B) Prototype of cylindrical marker; (A) Examplesof the marker which put brown cloth on a gray retroreflective material; (B) Examples of the marker combineda retroreflective material and a bar material of the samecolor.

ると，1 ビット目（最初）と 2p − 1 ビット目（最後）のバー

図 5 認識過程と結果．の色が同じ黒色になってしまう．これを円環状に繋げた場

Fig. 5 Recognition process and results.

合，接続部のビットが，同色のバーになり識別が行えない．
そこで本方式では，M 系列を 2 周期分（偶数個）使用する．ただし，2 周期の数列を使用すると，同じ部分数列は2 回出現することになるため，この数列内で唯一でなくなる．しかしながら，これらは白黒の組み合わせが反転するため区別することが可能である．例えば図 2 の数列で 100は 2 回出現する．ここで，数列最初の 1 を黒いバーに割り当てたとすると，1 周期目に出現する 100 は黒・白・黒の組み合わせになり，一方で 2 周期目に出現する 100 は白・黒・白の組み合わせになり，識別可能である．

3. 試作と認識実験提案する円筒マーカの有用性を確認するために，マーカの試作を行い，認識実験を実施した．

3.1 円筒マーカの試作開発した円筒マーカを図 3(A), (B) に示す．ガラス瓶のラベル部分に貼りつけた円筒マーカの，上部にリングマーカを，下部に M 系列マーカを配置している．リングマー
カ部分のバー幅の比は 2:1 とし，M 系列マーカ部は 3:1 とした．比を大きくすれば認識は堅牢になるものの，マーカのサイズが増大する．
今回の試作では，認識を容易にするために，再帰反射材を下地に用いて円筒マーカを実装した．認識プログラムの完成度を高めれば，従来の AR コードと同様に白紙に黒く© 2018 Information Processing Society of Japan

印刷したマーカでも実用的な動作が可能だと考えている．
図 3(A) では，再帰反射素材で白のバーの幅を表現し，この上に貼った茶色の薄いフェルト布で黒のバーの幅を表現した．同系色の再帰反射材と非再帰反射材を用いることで，十分な反射率の違いを確保しつつ，人の目には目立たない光学マーカを作ることも可能である．図 3(B) は，赤色の再帰反射材に赤色のテープを組み合わせた例である．
図 3(A) のリングマーカ ID は 10001 であり，図 3(B) は01010 である．M 系列は p = 4 を初期値とし，2 周期分すなわち 30 ビットをバーコード化した．全周囲は，貼付するガラス瓶に合わせて 23.5cm である．円筒マーカの径サ
イズは p の値とバー幅で調整可能であり，高さはバーの高さや幅を調整することで変更可能である．

3.2 認識実験
試作した円筒マーカを認識する実験を行った．実験は図4 に示す，Web カメラ*4 ，LED リングライト*5 ，PC*6 の構成で行った．LED リングライトは Web カメラ周囲に設置した．LED リングライトより照射された光は物体に貼付した円筒マーカの再帰反射材に反射される．そのため，

Web カメラには，図 5（A）のように再帰反射材部分の輝*4*5*6

Logicool C920r
FALCONEYES DVR-300VC
MacBook Air309

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度が著しく高い RGB 映像が得られる．この画像より図 5を 1 次元イメージセンサで読み取ることで双方の位置関係（B）に示す二値画像を得る．この処理によって円筒マーカを計測する．Lumitrack ではパターンを平面的に読み取っ部分はほぼ検出されるが，白い物体や背景によりノイズがているが，本研究では M 系列を円筒形光学マーカに適用現れることがある．M 系列マーカ部分は大きな塊として撮した．

影されている．そこで，配布されているクラス*7 を利用し光学マーカの非平面への適用を目指す研究として，ARてラベリング（連結成分抽出）を行なう．これにより小さマーカの黒枠部分に複数の白点を一列に並べたマーカをな領域として現れるノイズを除去及び M 系列マーカの映作成し，白点の並びからマーカの曲がり具合を推定し，認る矩形領域の特定が可能である．M 系列マーカの映る矩形識する手法が提案されている．これにより，笹沼らは折り領域を二値画像より切り出し，この矩形の位置，サイズ，曲げたマーカ [6] を，鈴木らは円筒面に貼り付けたマーカ傾きから，円筒マーカの位置と傾きを取得する．また，矩[9] を検出可能であることを示した．小野らは，通常の QR形領域を長辺方向に走査し，黒と白のランレングスを取得

コードにカラー補助線を格子状に重畳したマーカ [8] を提し，M 系列の部分数列を検出し，これから円筒マーカの回案した．この手法は補助線の着色パターンを利用して，局転角度を取得する．

所的な歪みの補正を行う．しかし，立体物を全周囲から認

リングマーカ部分は M 系列マーカ部から分断され，よ識可能にするためには，複数のマーカを貼付する必要があり小さな白色の固まりとして二値画像に映る．今回の実装

る．本研究では円筒状バーコードに M 系列パターンを採では，M 系列マーカ部に隣接して配置されていることを利用することで，歪みの少ない正面部分の部分的な画像を用用し，M 系列マーカの映る矩形領域の長辺部分の点から領いての認識を可能にした．

域外へ，矩形短辺方向に画素列を読み出し，その黒と白のランレングスからリングマーカ ID を取得した．

Uchiyama らはランダムなドットパターンよりマーカを作成し，オクルージョンに対するロバストなマーカを作成

図 5（A）では，マーカ ID である 10001 を M 系列マーした． [2]．これを使用し，非平面への応用例を示した [1]．

カ右下に表示している．また，図 5（C）は，マーカを付加

DodecaPen [4] は，ペン尻に固定された十二面体に複数のしたワインボトルの画像上に，3D のワインボトルモデルマーカーを付け，高精度なペントラッキングをを提案してを重畳表示した例である．

いる．Usami ら [3] は，様々な角度の L 字型に手で曲げる

4. 応用と展開ことのできる棒状の RGB のカラーコードを作成した．本研究で提案したマーカも，円筒状の立体的な構造をしてい

筆者らはこれまで，M 系列マーカのみを使った円筒マーるが，物体周囲に貼付することを目的としている．また，

カを使用して，和服帯の AR 試着システム [7] を作成した．

カメラと物体の間を遮蔽されマーカの一部が欠けた場合でこれは，マーカ貼付したベルトを装着した一人のユーザのも機能するよう工夫した．

映像に，CG 帯を重畳表示するアプリケーションであったため，複数マーカの ID 識別は不要であった．

6. まとめと今後の展望

ID を持ったリングマーカを M 系列マーカに組み合わせ

ID 識別機能と回転検出機能を備えた円筒マーカを提案，ることで，異なる複数の物体に同じ M 系列を使用した M試作した．これは，リング状のバーコードと，M 系列によ系列マーカを貼付した場合でも，マーカを区別することがるバーコードを組み合わせた光学マーカである．円筒マー可能となった．例えば，人体に対して，右腕，左腕，胴体

カは，人体の各部位や，マグカップ，植木鉢，ワインボトなどに円筒マーカを貼付すれば，それぞれが識別可能にな

ルや花瓶など日常空間における円筒形物体の検出に使用可

る．M 系列マーカを身につけた複数人の人間がカメラに映能である．

り込む場合でも，それぞれの人，人体の部位の識別と，位本方式のマーカは円筒形であるために，撮影されたマー置，回転方向を検出可能である．また，日常生活の中にあカ画像の端に歪みが生じる．円筒中心軸方向のバーで構成る様々な円柱体に円筒マーカを貼付することで，従来の平された M 系列マーカではこの歪みにより線幅が変化するた

面光学マーカに比べて効率よくこれらの識別，位置・回転め，現在の実装では歪みの少ない正面部分を使用している．

検出が可能になるであろう．

歪みを考慮した補正を行うことで，読み取り可能な領域を5. 関連研究増やして，堅牢性を高めることが可能である．また，円筒中心軸以外の回転角度は，マーカ領域を矩形とみなしてそ部分パターンが一度のみ出現する M 系列は，物体の位置の変形から計算している．このため大きく前後に傾いた場検出に利用されている．Xiao らの Lumitrack [5] では，プ合は不正確である．これまでに実装した AR 和服帯試着シロジェクタから M 系列バーコードパターンを投影し，これステムでは，ユーザが大きく前かがみ・後ろに反る状況は発生しないと考えたため，十分な対応を行っていなかった．

*7

http://imura-lab.org/products/labeling/© 2018 Information Processing Society of Japan

今後はバーの湾曲，傾きなどを利用することを検討し，よ310

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り正確で確実な検出が可能となるよう改善したい．
参考文献[1]Hideaki, U. and Eric, M.: Deformable random dot markers, In Proceedings of 10th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR), VR
11 ，pp. 237–238 (2011).
[2] Hideaki, U. and Hideo, S.: Random dot markers, In Proceedings of the 2011 IEEE Virtual Reality Conference,
VR 11 ，pp. 271–272 (2011).
[3] Makoto, U., Kyohei, M. and Masao, I.: Augmented Reality System to use 3-dimensional Marker for 360-degrees
Graphic Rotations Seamlessly in Hand-Motions, In Proceedings of MBL, Vol. 72, No. 13, pp. 1–8 (2014).
[4] Wu, P., Wang, R., Kin, K., Twigg, C., Han, S., Yang, M.
and Chien, S.: DodecaPen: Accurate 6DoF Tracking ofa Passive Stylus, In Proceedings of ACM Symposium onUIST, pp. 365–374 (2017).
[5] Xiao, R., Harrison, C., Willis, K. D., Poupyrev, I. andHudson, S. E.: Lumitrack: Low Cost, High Precision,
High Speed Tracking with Projected M-sequences, In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on UIST,UIST ’13, ACM, pp. 3–12 (2013).
[6] 笹沼 啓，眞鍋佳嗣，矢田紀子：4-8 折れ曲がる面で利用可
能な AR マーカの提案 (第 4 部門映像表現 (CG,AR, 計測技術))，映像情報メディア学会冬季大会講演予稿集，p. 4 8（オンライン），入手先 ⟨http://ci.nii.ac.jp/naid/110009933695/⟩(2014).
[7] 奥山瑞希，的場やすし，椎尾一郎：M 系列円筒バーコー
ドと AR 和服帯試着システムへの応用，第 25 回インタラ
クティブシステムとソフトウェアに関するワークショップ（WISS2017），pp. 17–22 (2017).
[8] 小野智司，川上雄大，伊藤拓也，澤井陽輔，川崎 洋，中山 茂：ゴミ袋に貼付された歪んだ 2 次元コードの復号，
人工知能学会全国大会論文集，Vol. 26，人工知能学会，pp.
1–4 (2012).
[9] 鈴木朝日，眞鍋佳嗣，矢田紀子：7-1 円筒面で利用可能な
AR マーカの提案 (第 7 部門 AR のためのメディア処理)，
映像情報メディア学会冬季大会講演予稿集，p. 7 1（オンライン），入手先 ⟨http://ci.nii.ac.jp/naid/110009669654/⟩(2012).

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