複雑な立体形状を捉える [3 次元計測 ] カラーカメラでの画像処理では 侵入者を抽出するために 画像の変化を検出する差分処理 ( 背景差分 フレーム間差分 ) を行う しかし 侵入者が 背景と類似した服を着用していると 輝度の違い ( コントラスト ) がなくなり 分離が難しくなる 3 次元情報が

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1 未来の非接触 UI のカギを握る距離画像カメラ ~ カメラからセンサへ ZC-1000 シリーズ オプテックス株式会社要素技術部 / 部長村田記一 最近 ゲーム用に低価格の距離画像を取得できるカメラが市販されている これにより 距離画像 あるいは 3D の動画距離映像を利用した研究や 開発が進んでいる また 距離画像技術を利用した研究や論文は増加傾向にある 本稿では 外乱光の影響が少なく 10 万 Lx の太陽光下でも距離画像を取得できる距離画像カメラ ZC-1000 シリーズ を紹介する これは TOF 方式の距離画像カメラであるが 競合するその他の距離画像技術との違いを示し それぞれのアプリケーションに対して TOF 方式の距離画像技術の利点 欠点を解説する 市場背景など 実際の応用例や そこに利用されているソフトウェアなども紹介しながら 距離画像市場を概観する 最後に 距離画像技術の今後の方向性やトレンドを紹介する 1 TOF 方式距離画像カメラの優位点 2009 年 画像処理による屋外用防犯センサの実証実験をイギリスで行ったが 車のヘッドライトや 照明環境の違いにより 安定した検知と誤報低減を達成できずにいた 一方で 当時 TOF の距離画像技術を今後の技術として検討しており 距離画像カメラの優位性に可能性を感じていた 同年 オプテックスは 距離画像カメラのプロトタイプの提供を開始し 2010 年から量産機の販売を始めた ( 図 1)( 表 1) 現在では 高出力タイ図 1 ZC-1000シリーズ プ LANタイプ カラーカメラを追加したRGB-Z など ユーザの要望に応じていくつかの仕様を提供している 表 1 仕様項目 ZC-1070U( 標準タイプ ) ZC-1050U( 狭角タイプ ) 視野角 ( 水平 / 垂直 / 対角 ) 70 / 55 / 90 (*1) 50 / 37 / 59 (*1) DC12V( 付属のACアダプタで供給 ) 15-20W(Typ.) 30W( 最大 ) 0~50 / 85%RH 以下 電源入力消費電力動作温度 / 湿度有効画素 ( 出力画素 ) 光源測定距離距離精度距離繰り返し誤差使用周囲照度変調周波数フレームレートサイズ質量固定方法 PC 側対応 OS 対応開発環境インタフェイス画像データの出力フォーマットエミッション *1 視野角の数値は目安となる. *2 使用環境 設定モードにより数値は異なる. ZC-1000 シリーズ仕様書 ピクセル ( ピクセル ) 近赤外線 LED(850nm) 0.5 ~ 4.0m (*2) X,Y 方向 : ±5% (*2) Z 方向 : ±2% (*2) Z 方向 : σ =±2% (*2) 10 万 Lx 以下 (*2) 20MHz(20/30MHz: ロングレンジモード時 ) 60FPS( 最大 ) (*2) 160mm( 幅 ) 65mm( 高さ ) 55mm( 奥行き ) 600g 以下 カメラマウント上下 2 箇所 1/4 インチネジ止め Windows-XP(SP2 以降 ) Windows 7 (32bit) Visual C++ 対応 USB 2.0 B,Z,X,Y( 各 16ビット ) 又は B,Z( 各 16ビット ) を選択可 FCC クラス A 準拠 CE クラス A 準拠 eizojoho industrial February

2 複雑な立体形状を捉える [3 次元計測 ] カラーカメラでの画像処理では 侵入者を抽出するために 画像の変化を検出する差分処理 ( 背景差分 フレーム間差分 ) を行う しかし 侵入者が 背景と類似した服を着用していると 輝度の違い ( コントラスト ) がなくなり 分離が難しくなる 3 次元情報があれば 侵入者の距離と背景との距離の違いにより 侵入者を抽出することができる 距離コントラストとして抽出することができるため画像処理プロセッサの負担も少なくすることができ 侵入者の身長 形状などの特徴抽出や 形状認識による誤報低減処理に集中することができる 図 2 ジャンプ 60fps また 1 秒間に60フレームの撮像を行うことができるため 距離画像を動画のように録画 再生することができる 人間の一般的な動きであれば このフレームレートで 動きぶれ (Motion Blur) の影響を受けずに画像取得することができる ( 図 2) 各ピクセルには 3 次元の距離情報 (x y z) を有するため それを立体空間で再構成し 視点を変えれば 上空からの位置関係や 横から見た距離を解析することができる 一方向から撮影しただけで 物体の立体的構成 空間の物体配置をすることもできる ( 図 3) カラーカメラを使った距離画像の取得方法には カメラを 2 台以上使うステレオカメラの手法がある 基本原理は 画像処理の世界では古典的と言われるほど確立しているが カメラの価格低下や処理チップの進化により その応用範囲は広い ただし 屋外の侵入者の検出に対しては 背景と同じ色の服を着ていると分離が難しく 夜間の警戒時には照明が必要など現実的には実用的ではない また ステレオ法は 2 つのカメラに写っているパターンを照合する必要があり 画像処理プロセッサの負担は重く また パターンマッチング処理が必要である したがって 白い壁などテクスチャのない物体の距離計測ができない アクティブ型のTOF 法にはテクスチャや 背景との色の違いは必要ない 最近 ステレオ法でも ラン 図 3 3 次元による距離解析 22 February 2013 eizojoho industrial

3 オプテックス株式会社 ダムパターンを照射することで 物体にはテクスチャがなくても距離計測ができるアクティブ型が研究されている 光切断法は 精度の高い立体データの取得方法として知られている レーザーなどで立体を切断するように光を照射し カメラから見た位置から立体を計算する手法である 切断面をスキャンするために時間が必要であり 動画には適さない スキャン速度を高速化する手法として 光パターン法 あるいは光コード法と呼ばれるものがある 切断面を複数作成することでスキャン時間を短縮し 高速化を図る このような方法でスキャン速度を 1 秒以内にしたと言う報告もあるが リアルタイムの反応には 計算速度の高速化も同時に必要である ランダムパターンを画面全体に投射し その位置から立体を計算する手法もあり 計算速度さえ高速化されれば リアルタイムで距離画像を取得することができる Microsoft 社のKinectはこの原理で動作している 専用チップにより計算の高速化を図っているが 計算量は多く XBOXのCPUも距離演算に使用されているといわれている TOFの手法は 投光して物体から反射した光の時間を何らかのアナログ量で計測する手法で 距離演算は 計測値と実測値の補正計算が主なものとなり 計算量は少ない レーザー測距計は 特定の一点の距離を計測する手段であるが これを回転させたものがレーザースキャンで 線上のエリアの距離計測をすることができる これを全体で上下にモータで動かすことにより距離画像を得る手法があり スキャンレートは高くないが障害物認識などの一般的な手法である TOF 方式の距離画像カメラは 距離計測用の受光素子が 2 万点以上あり 同時に距離計測を行うためモータなどの可動部が不要で 移動体などの振動 衝撃の耐性が要求される用途には 安心して利用することができる 使用する技術は 投光では LEDやレーザー 受光では CMOS 画像処 理チップであり それぞれが進化の著しいトレンド技術である 性能や価格面で 急速な変化が期待される所以である 2 距離画像の応用 現在 距離画像がポピュラーな技術になったのは 2010 年 11 月発売になった Microsoft 社のKinect の影響が大きい 低価格で距離画像を取得できる機器として 研究にも利用されている 上記の理由もあり 距離画像の応用はゲーム用途が多い エンターテインメントとしてのゲームにも人気があるが シリアスゲームとしても研究されている シリアスゲームとは 教育や 訓練のためのゲームで 距離画像を利用することによりプレーヤーが動作を立体的に確認しながら作業を習得することができる 運動不足の学生の興味を引くための手段として学校で使われる例もあるが 軍事訓練や リハビリなど 必然性の高い用途もある ( 図 4) このような用途には 骨格認識のソフトウェアが活用されている ( 図 5) 人体の特殊な動作や ポーズをジェスチャー入力として利用することができる 2011 年から Kinectを利用した論文がロボット学会などから発表されており 2012 年の秋には 累積数十件を超えるものとなっている その中には ロボットへの命令手段として ジェスチャーや 手指の動きを認識する研究もされている 手話の自動読み取りも研究テーマの 1 つである 手話は言語により異なり 手話通訳は 英語の知識だけではなく 日本語と英語の手話の両方を知る必要がある したがって 手話通訳者の数は少なく 自動翻訳の要求は高い ジェスチャー入力を店舗などで使用すると 広告用途に使用することができる ( 図 6) 距離画像カメラをショッピング ウィンドウの中に設置し ウィンドウショッピングする顧客の動きに合わせて ディスプレイを変化させることでアイキャッ eizojoho industrial February

4 複雑な立体形状を捉える [3 次元計測 ] 図 4 Silverfit 社 ( 蘭 ) リハビリソフトウェア 図 5 ( 有 ) アルファ骨格認識ソフトウェア 図 6 日本コントロールシステム ( 株 ) ジェスチャー認識ソフトウェア チとして利用できる ZC-1000 は 太陽光の影響を低減できる機能があり ショッピング ウィンドウの中に設置し 屋外の人の動きに反応するシステムを作成することもできる 案内板にはタッチパッドが使われているが 非接触の案内板は動作が面白く 楽しめる案内板としてイベント用途に利用されている このような用途のソフトウェ アとしては 人体トラッキングソフトや ジェスチャー認識ソフトをベースに作成することができ コンテンツ ( 表示内容 ) を用意すれば 比較的容易にアプリケーションを提供することができる ( 図 7) ロボットの用途としては 周囲の 3D マッピングによる位置認識と 障害物認識がある 産業用の無人搬送車 (AGV:Automated Guided Vehicle) 24 February 2013 eizojoho industrial

5 オプテックス株式会社 図 7 島根県産業技術センター ( 株 ) 日立ソリューションズジェスチャー認識ソフトウェア には レーザースキャナが一般的に利用されているが 今後 荷物の搭載量が増加すると積み上げた高さに対応する障害物認識が必要になってくる 当社では 障害物を空間ブロックの位置として表示するソフトウェアをカメラに搭載したものを準備している このようなものを利用すると カメラとしてではなく 障害物の位置センサとしての運用をすることができる 車載用途にも興味が集まっているが 前方 後方の障害物検知用途以外にも 車室の搭乗者の位置検知用にも期待されている 車内を個人のエンターテインメント空間にしようとする動きもあり 非接触の入力装置としての要望もある これには ヘッドアップディスプレイなど 表示器とのコラボレーションも期待されている 距離画像の技術は 3 次元表示技術とも相性がよく 表示空間にジェスチャーを行うと表示が変わるなど 3 次元ユーザインタフェイスのフィードバックとしても考えられている また 距離画像カメラは 安全センサとして利 用することができる 安全用途には 安全規格への認証なども必要になるが 研究レベルでは検討が始まっている 空間上に任意の危険領域を設定し その空間への侵入を検知するソフトウェアである カメラに画像処理プロセッサを搭載した機種も提案しており 既にカメラ本体にインストールされている 公共の施設では混雑度合いにより 災害時の対応が変化するため 現在の人数や人の流れの情報の要求もある 天井から見た人の流れを距離画像で計測することにより 公共の場所でプライバシーを侵害せず情報を取得することができる データセンターや金融機関では 一部の施設の入場に特定の ID を有している人だけを管理して入場させる 正規入場者の後に付いて不正に入場する人を検出することを共連れ検出と称する ステレオカメラなどの距離画像で 共連れを検出するのが一般的であったが TOF 方式の距離画像を利用することにより 誤動作を防ぎ実用的な性能を確保することができた eizojoho industrial February

6 複雑な立体形状を捉える [3 次元計測 ] 図 8 ZC-1000 シリーズ高出力仕様を用いた太陽光下距離画像 (10 万 Lx) 寸法計測の分野でも ± 数 mm 程度の精度を確保することに成功している 光切断法やレーザー測距器の方式に比べると距離精度は劣るが 縦横高さの計測を同時に行うなど 不定形の物体の体積を一度に計測する手法としては優れている タンクの容量管理など センチ単位の精度で充分な分野では 凹凸のある物体の容積の計測で期待されており 一部では液体の計測としても研究されている 3 距離画像カメラの今後 TOFを利用した距離画像の技術は 画角を広く 長距離まで距離計測ができることが顧客要求であり そのためには感度向上が必須である また 現在の距離画像カメラは 2 万画素程度が一般的である 長距離用途では解像度も要求され 数十万画素の画素数が望まれる 画素数が多くなると各画素の面積も小さくなり 感度低下となるため 解像度の要求と 広角や長距離の要求は技術的には相矛盾した要求事項となる 距離画像カメラの受光素子は CMOS 技術を使って作られており 現在の汎用 CMOS カメラの感度向上技術を流用することで 性能向上の可能性は高い そのほかの要求事項は 距離画像にカラー情報 を付加したいというものである 距離情報の抽出とともに カラー画像が取得できると 立体ムービーとなる 立体 TV の方向性と合致することから 今後の市場トレンドである 一般的にこのような光学センサは太陽光などの強力な光には影響を受けるものであり 距離計測が不能になるセンサも多い ZC-1000は10 万 Lx の太陽光下での使用も可能であるが より性能の高い外光対策が求められている ( 図 8) 価格に対する要求も強いが 利用されているデバイスは 技術トレンドの強いものばかりであり 数量の増加とともに価格は低下する方向であるが システム全体の低価格化の手法として カメラに 画像処理プロセッサを追加する手法を提案している これにより 距離画像カメラは PC 不要となり カメラからセンサとしての利用ができるようになる 距離画像カメラの技術は今後も 急速に進化を遂げる 当社もユーザのご要望に応じて より使いやすい製品開発を続けていく所存である オプテックス株式会社 TEL FAX info-ir@optex.co.jp 26 February 2013 eizojoho industrial

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