[論文レビュー] Accurate Control of a Pan-tilt System Based on Parameterization of Rotational Motion

Jung-Hyun Byun, Seung Ho Chae+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced Vision and Imaging被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、大円軌道に沿った回転をモデル化し、3次元回転軸パラメータをキャリブレーションすることで、ユーザーが組み立てるパン・チルトシステムの正確な制御を可能にするパrameterized運動モデルを提案する。この手法により、逆運動学を用いた正確なポーズ推定が可能となり、理想化モデルと比較して、回転後の世界座標系におけるターゲット局所化精度が顕著に向上する。

ABSTRACT

A pan-tilt camera system has been adopted by a variety of fields since it can cover a wide range of region compared to a single fixated camera setup. Yet many studies rely on factory-assembled and calibrated platforms and assume an ideal rotation where rotation axes are perfectly aligned with the optical axis of the local camera. However, in a user-created setup where a pan-tilting mechanism is arbitrarily assembled, the kinematic configurations may be inaccurate or unknown, violating ideal rotation. These discrepancies in the model with the real physics result in erroneous servo manipulation of the pan-tilting system. In this paper, we propose an accurate control mechanism for arbitrarily-assembled pan-tilt camera systems. The proposed method formulates pan-tilt rotations as motion along great circle trajectories and calibrates its model parameters, such as positions and vectors of rotation axes, in 3D space. Then, one can accurately servo pan-tilt rotations with pose estimation from inverse kinematics of their transformation. The comparative experiment demonstrates out-performance of the proposed method, in terms of accurately localizing target points in world coordinates, after being rotated from their captured camera frames.

研究の動機と目的

• 回転軸の不整合によるユーザーが組み立てるパン・チルトシステムにおけるサーボ制御の不正確さという課題に対処すること。
• 工場でキャリブレーションされたシステムが回転軸とカメラ光学軸の理想化された整合性を仮定しているという制限を克服すること。
• 任意に組み立たせたパン・チルト機構における現実の運動学的ずれを正確にモデル化するキャリブレーション手法を開発すること。
• キャリブレーションされたモデルに基づいて逆運動学を用いて、世界座標系における正確なポーズ推定とターゲット局所化を可能にすること。
• 回転後の異なるカメラフレーム間で点を局所化する際、理想化モデルよりも優れた性能を示すことを実証すること。

提案手法

• パン・チルトの回転を単位球面上の大円軌道に沿った運動として定式化することで、回転運動学を正確にモデル化する。
• 観測された運動データを用いて、パンおよびチルトの回転軸の3次元位置および方向ベクトルをキャリブレーションする。
• 球面運動モデルから導かれる幾何的制約を用いて、システムをパrameterizeし、理想回転からの現実のずれを表現する。
• 逆運動学を適用して、世界座標系における所望のターゲットポーズを達成するためのサーボ角度を計算する。
• 変換行列を用いて、キャリブレーションされたモデルに基づきカメラフレーム座標を世界座標にマッピングする。
• キャリブレーションされたモデルをサーボ制御ループに統合し、パン・チルトシステムの正確で再現性のある位置決めを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転軸が不整合であるにもかかわらず、非理想的でユーザーが組み立てるパン・チルトシステムを、どのように正確に制御できるか？
• RQ2 大円軌道に沿った回転をモデル化することで、理想化された回転モデルと比較してポーズ推定の正確さがどの程度向上するか？
• RQ3 回転軸の3次元パラメータをパrameterizedしたモデルは、任意のパン・チルトセットアップにおける運動学的ずれを効果的に捉え、是正できるか？
• RQ4 提案されたキャリブレーション手法は、カメラフレームの回転後に世界座標系におけるターゲット局所化の正確さをどの程度向上させるか？
• RQ5 標準の工場キャリブレーションまたは理想化モデルと比較して、キャリブレーションされたモデルを用いることで、ポーズ正確さにどの程度の向上が得られるか？

主な発見

• 提案手法は、カメラフレームから回転後の世界座標系におけるターゲット局所化正確さを顕著に向上させる。
• 3次元回転軸パラメータのキャリブレーションにより、非理想的でユーザーが組み立てるパン・チルトシステムでも、逆運動学に基づく正確なサーボ制御が可能になる。
• 大円軌道に沿った回転をモデル化することで、回転軸が不整合なパン・チルト機構の真の運動学的挙動を効果的に捉えることができる。
• 比較実験により、提案手法が局所化正確さの面で理想化モデルを上回ることが確認された。
• キャリブレーション済みシステムは、複数回の回転シーケンスにわたりより一貫性があり、再現性の高い位置決めを達成する。
• 本手法により、工場キャリブレーションや機械的部品の完全な整合性を必要とせずに、正確なポーズ推定が可能になる。