3Dの向き：ピッチ、ヨー、ロールの検出 | Marvelmind

0:01 皆さん、こんにちは。今日は、カメラを例に、システムでピッチ、ヨー、ロールを求める方法についてお話しします。「システムでこれは可能か、可能なら何が必要か」というお問い合わせをまたいただきました。そこで今回は、動画で説明することにしました。結論から言うと、可能です。たとえばカメラなどの物体の高精度な位置だけでなく、ピッチ、ヨー、ロールも、しかも非常に高い精度で得られます。推奨する構成と、その仕組みを説明します。カメラを例にしましょう。カメラが、たとえば20×20の範囲の中央にあり、固定ビーコン間の距離が、たとえば20メートル、20メートル、20メートルだとします。

0:59 基本的でシンプルな3Dサブマップで、その中央あたりにカメラがあります。課題は、カメラの非常に正確な角度、つまりカメラの3Dの向きを知ることです。どうすればよいでしょうか。まず、この向きを測定できるだけの基線長をとれる位置点が、いくつか必要です。向きは、これらの各点の位置を非常に高精度に測定することで求めます。そのため、実際には3台以上、この例では3台か4台の固定ビーコンを、カメラの周囲、つまり部屋の中や撮影しているエリアに設置する必要があります。そしてカメラには、

1:57 次のものを取り付ける必要があります：Super-Beacon。あるいは、外付けマイクロフォン付きのSuper-Beaconを使う方法でも可能です。ここでは基本的なビーコン（Beacon HW v4.9）を使っていますが、見た目は同じなので、同じことです。では、なぜ Super-Beacon 本体のマイクではなく外付けマイクロフォンを勧めるのかというと、単に利便性のためです。Super-Beacon そのものを使うこともできます。そして、位置について覚えておいてください。この場合、位置は非常に高い精度で測定されるため、センサーの中心や本体の中央ではなく、マイクの位置を測定していることが非常に重要です。この場合は簡単です。繰り返しになりますが、実用上は、この例のように外付けマイクロフォンを使えばよいのです。つまり、マイクを

2:57 何でもよいのですが、カメラから基線長を確保できる小さな棒の上などに取り付けます。覚えておくべき点がいくつかあります。1つ目は、基線長をできるだけ長くとることです。通常、基線長はカメラや対象物の大きさで制限されます。2つ目は、マイクを一直線上に並べてはいけないということです。3Dの角度、つまりピッチ、ヨー、ロールが必要なので、一直線上に設置することはできません。その場合、たとえばZ方向の位置を測定できなくなるからです。そのため、直線上にない3つ目のマイクが必要です。つまり、マイクは立体的に配置し、三角形を形作る必要があります。そうすれば、この理想的な条件で、これらの各点の位置を約±1センチメートル、あるいはそれ以上の精度で測定できます。

3:56 というのも、位置更新レートと精度の間にはトレードオフがあるからです。更新レートを高くすると、測定のノイズが大幅に増えます。逆に更新レートを下げれば精度は大幅に向上しますが、レイテンシも大幅に増加します。つまり、静止した物体であれば、±1センチメートルより高い精度が得られることもあります。しかし、動きがあり、レイテンシを最小限に抑えたい場合は、通常の±2センチメートルのように、±1センチメートルより大きな誤差になる可能性があります。そこで、各マイク、つまり外付けマイクロフォンの位置が、仮に±1センチメートルで測定されるとしましょう。そして基線長が50センチメートルあれば（小型～中型のカメラで無理なく確保できる一般的な長さです）、この場合、

4:55 この角度を±2度の精度で測定できます。ピッチ、ヨー、ロール全体の精度を計算するのは少し複雑です。マイクの相対的な位置関係によって変わるからです。つまり、マイクの三角形と、あちらの三角形との相対的な位置関係がどうなっているか、ということです。その数学は非常に複雑で、実用的ではありません。そのため、ここでは得られる精度の目安だけをお伝えしています。この例では±2度が得られますが、これは、あるマイクで+1センチメートル、別のマイクで−1センチメートルの誤差が生じるという最悪のケースの場合です。また、これは角度のうちの1つについての値です。

5:55 ピッチ、ヨー、ロールのどれになるかはマイクの配置によりますが、3つすべてが得られます。そして3つとも、ビーコン内部のIMUとセンサーフュージョンされます。つまり、内部のIMU、この場合はジャイロスコープに基づく非常に高精度な測定値が得られるだけでなく、これらのマイクがジャイロスコープのドリフトを解消します。ただし、静止時に想定される最大のドリフト（誤差）は、およそこの値です。つまり基線長が50センチメートルの場合、この特定の角度についておよそ2度です。他の角度については同じではなく、この最大差に応じた値になります。まとめると、答えは「はい」です。ピッチ、ヨー、ロールを

6:53 当社のシステムで求めることは可能です。そのためには、少なくとも3つの外付けマイクロフォンが必要です。3つの外付けマイクロフォンを接続するには、2つの方法があります。まず、1台の Super-Beaconに接続する方法です。ただしこの場合、この1台の Super-Beacon は、実質的に3つの完全に独立したチャンネルを受信することになります。つまり、通常なら最大30メートルまで測定できるところ、3つのマイクでは最大距離が10メートルに短くなります。10＋10＋10、つまり3つの独立したマイクで分け合うからです。部屋の大きさ、たとえばこことここ、こことここ、こことここの間の最大距離が10メートル未満であれば、1台のSuper-Beaconと3つの外付けマイクロフォンでシステムとして十分です。そうでなく、部屋がもっと広い場合は、

7:51 外付けマイクロフォン1つにつきSuper-Beaconが1台必要になります。前述のとおり、Super-Beaconのマイクを使うこともできますが、多くの場合、単純に不便です。外付けマイクロフォンは非常に小さいので、他のマイクを遮らず、どこにでも取り付けられます。一方、ここにSuper-Beaconを置くのはあまり便利ではありません。意図せず遮蔽物となり、たとえばこのビーコンからこのビーコンへの影を作ってしまう可能性があるからです。ビーコンを保持するフレームが必要になり、Super-Beacon用のフレームはマイク用のフレームより大きくなります。そのため、実用的な観点からは外付けマイクロフォンの使用をお勧めしますが、通常のSuper-Beaconを使うこともできます。繰り返しますが、方法は2つです。1台のSuper-Beaconに3つの外付けマイクロフォンを付ける方法では、最大距離が10メートル未満になります。もう1つは3台のSuper-Beaconを使う方法で、この場合は

8:51 最大距離が30メートルになります。説明は以上です。比較的シンプルな構成ですが、その意味ではかなり特殊な構成でもあります。通常、当社が提供するのは位置、または位置と方向ですが、この場合は位置と方向だけでなく3Dの向きであり、ドリフト補正された向きと位置を同時に得るための、かなり特殊な構成です。このようなご質問があれば、喜んで詳細をご説明し、お手伝いします。もう一度、ごく簡単にお答えすると、はい、実現可能です。しかも、結局のところそれほど複雑な構成ではありません。ありがとうございました。