[論文レビュー] Improvements of the 3D images captured with Time-of-Flight cameras

D. Falie|ArXiv.org|Sep 30, 2009

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、特に暗い表面において発生する間接光およびフレア光の影響による3D Time-of-Flight (ToF) カメラ画像の深度誤差を低減するキャリブレーション手法を提案する。シーン内に同一距離に位置するコントラストタグ（白と黒）を配置することで、タグ間の距離差を測定し、深度マップを補正する補正ベクトルを算出する。この手法により、低反射率表面における精度が顕著に向上する。

ABSTRACT

3D Time-of-Flight camera's images are affected by errors due to the diffuse (indirect) light and to the flare light. The presented method improves the 3D image reducing the distance's errors to dark surface objects. This is achieved by placing one or two contrast tags in the scene at different distances from the ToF camera. The white and black parts of the tags are situated at the same distance to the camera but the distances measured by the camera are different. This difference is used to compute a correction vector. The distance to black surfaces is corrected by subtracting this vector from the captured vector image.

研究の動機と目的

• 拡散光およびフレア光の影響によって引き起こされるTime-of-Flightカメラの深度測定誤差を是正すること。
• 特に反射率が低い（暗い）表面において、ToFイメージングで一般的に生じる深度の低減を是正すること。
• 物理的基準マークを用いたシーン内キャリブレーション手法を実用的かつ簡便に開発すること。
• 表面反射率の事前知識やシーンの幾何構造を必要とせず、正確な3D再構成を可能とすること。
• 既存のToFカメラシステムに容易に適用可能な、シンプルで実装可能な補正技術を提供すること。

提案手法

• 白と黒の領域が同じ物理的距離に位置するコントラストタグをシーン内に配置する。
• ToFカメラが白領域および黒領域の深度値を撮影し、光の散乱やフレア効果により測定値に差が生じる。
• 白領域と黒領域の測定深度の差を補正ベクトルとして算出する。
• この補正ベクトルを深度マップに適用し、すべての深度値から差し引く。特に低反射率領域に重点を置く。
• 補正ベクトルがシーン全体で一様に有効であると仮定し、一様に深度誤差を是正する。
• 表面反射率やシーンの幾何構造の知識を必要とせず、2つの既知のマーカー間の相対的深度シフトに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 間接光およびフレア光によって引き起こされるToFカメラシステムの深度誤差を、どのように効果的に是正できるか？
• RQ2 コントラストマーカーを用いたシンプルなシーン内キャリブレーションが、暗い表面における深度精度を向上させられるか？
• RQ3 ToFイメージングにおいて、高反射率領域と低反射率領域の間で、深度誤差の大きさと一貫性はどの程度か？
• RQ4 コントラストタグから得られる1つの補正ベクトルが、全体の深度マップ品質をどの程度向上できるか？
• RQ5 この補正手法は、さまざまなシーン構成や照明条件下でも頑健に機能するか？

主な発見

• 白と黒のコントラストタグ間の深度差を活用することで、暗い表面における深度誤差が著しく低減された。
• コントラストタグから得られた補正ベクトルが、間接光およびフレア光による系統的な深度バイアスを効果的に補正した。
• 表面反射率やシーン幾何構造の事前知識が不要であるため、深度精度が向上した。
• 単一の物理的マーカーを用いるだけで、既存のToFカメラに最小限のハードウェア改造で適用可能である。
• 補正は深度マップ全体に一様に適用され、低反射率物体の再構成品質が顕著に向上した。
• 表面反射率が変動する実世界の3Dイメージング応用分野において、実用的であることが示された。