1. オプティカルフローを用いた
飛行船の自己位置推定に関する
基礎研究
北海道大学 工学部 情報工学科
複雑系工学講座 調和系工学研究室
学部4年 山形佳史
A Study on Blimp Robot Localization
Using Optical Flow Algorithm

2. ・パターンマッチング
→事前に位置情報を登録したランドマークを設置
[2002角田]
背景
小型自律飛行船
被災建造物内における情報収集のための
小型レスキューロボットの研究開発[2001 薮内]自己位置推定が必要
カメラ画像を使った移動ロボットの位置推定
・オプティカルフロー
→時間的に連続する画像を比較し、各画素の動
きを計算[2004山崎]
3次元移動が可能，高い位置からの情報取得
→建物内の探索－目標物，障害物の位置確認
t
2つの画像で各画素がどれ
だけ動いたように見えるか
未知の環境を移動するときに対応できる方法として，
オプティカルフローを用いた位置推定を本研究の対象とする
・ある程度正確な推定が出来る
・事前にランドマークの情報を登録する必要がない

3. 関連研究
オプティカルフローを用いた地上移動ロボットの自己位置推定
飛行船は3次元移動をし、プロペラ出力から求まる移動距離が正確ではない
カメラが地面向きに設置されている場合
・オプティカルフロー
→水平方向の単位方向ベクトル
・カメラと地面が距離一定，回転なし
→実環境での移動距離
[2000祖父江]
・オプティカルフロー
→水平方面の単位方向ベクトル
・車輪の回転数
→水平面の実環境の移動距離
地面に対して水平にカメラが設置されている場合
[2004山崎]
画像からは移動の方向
のみがわかる

4. • オプティカルフローを用いた2次元の自己位置推定を3
次元に拡張する
目的
１．オプティカルフロー
３．飛行船の高さの移動を推定
２．飛行船の移動方向を推定
→画素の移動が求まる
→飛行船の移動方向が求まる
→高さ方向の移動の大きさが求まる
４．飛行船の移動距離を求める
移動の大きさは求まらない
アルゴリズムの概要

5. オプティカルフロー
t
x
y
時刻 時刻
輝度：画像の各画素の明るさ
•オプティカルフロー
時間的に連続 する画像から，画像中の各画素
が時間的にそれぞれどの方向にどれだけ動いたかを求めたもの
.[B.K.P. Horn and B.G.Schunck1981]
tt t
：オプティカルフロー
：サンプリング時間
=カメラ画像を取得する時間間隔
u
： 方向のオプティカルフロー
x
y
： 方向のオプティカルフロー
全画素に対して
v
が求まる
t
[pixel]
[pixel]
[sec] [sec]
１．各画素 の移動後の点における輝度 は不変
２．各画素の周辺の画素のオプティカルフローは近い値
),,( tyx I
時刻 の各画素が時刻 の各画
素のどれに一致するかがわかる
tt t

6. 飛行船の移動方向を推定 [H.C.Longuet-Higgins1981]
8点アルゴリズムで推定
の3次元空間での大きさが決定できない
の単位ベクトルと が求まる
画像上の物体と飛行船との3次元空間での距離がわからない
→
u
： 方向のオプティカルフロー
x
y
： 方向のオプティカルフロー
v
[pixel]
[pixel]
２．対応点のうち９組を使う
１．対応点の関係から，拘束式を作る
対応点：オプティカルフローで求まる時刻 の
各画素とそれに一致する時刻 の画素
t
tt 
T
R
T
T
t
u
v
８点アルゴリズム
R
x
TRPP tΔtt 
：回転行列
：平行移動ベクトル
：時刻 でのロボットの位置tP
ΔttP 
：時刻 でのロボットの位置
t
tt 
T
R

7. tttttt dZdZ 
→高さの変化を計算
時刻 ，時刻 での2点間の距離の変化t tt 
提案手法：飛行船の高さの推定
ttd 
td
ttZ 
tZ
f
f
td
ttd 
3．飛行船の高さの移動を推定
オプティカルフローから求まる対応点を使う











3
2
1
T
T
T
T ttt ZZT  3
となるように を計算する21,TT
321 ,, TTT ： 方向の3次元座標での移動距離ZYX ,,
4．飛行船の移動距離を推定
tZ
td
：時刻 での高さ
：時刻 での高さ
：時刻 での画像上の2点の距離
：時刻 での画像上の2点の距離
t
tt 
t
tt 
ttd 
ttZ 
f ：カメラが像を作る位置

8. 提案手法の動作確認を行う
実験
画像：50枚
静止物が画像上で 方向に2：1の割合で移動
静止物の画像上のサイズが3段階拡大
・・
・
・・
・
飛行船が下降しながら 方向に2：1の割合で直進
提案法により 座標の移動方向を推定可能か検証
• 初期位置での 座標を160cmとして移動距離を推定
x
y
yx ,
),( yx
),,( zyx
z

9. [cm]
[cm]
実験結果
x
y
画像[枚目]
高さ
[cm]
結果
・ 平面で直進になっていない
・高さ方向は3段階で下降している
平面の移動 画像ごとの高さxy
考察
・回転行列の誤差が大きくあらわれている可能性
・高さは対応点を用いて移動が推定できている可能性
0
0-15
-10
160
xy

10. まとめ
・オプティカルフローを用いた2次元の自己位置推定を
3次元に拡張した
・飛行船の回転を求める段階で誤差を少なくする