平成 22 年度日本大学理工学部学術講演会論文集 E-6 プロジェクタを使った自動車運転支援に関する基礎検討 ○石井恒平 1 清水雅夫 2 A Study on a Drive Support Information Projection System Kouhei ISHII1 and Masao SHIMIZU2 Abstract This study investigates elementary technologies for a car-drive support system by projecting information as a pictogram onto the forward road surface from the car, as if the projected figure were a marking paint on the road surface. The system consists of a projector for the image projection and a camera for the system calibration. The projector presents driving support information such as the car location, the distance to a corner or destination, and a visually-simulated roadblock in case of that an emergency stop is required. Car drivers devote most of their time to watching ahead through the windshield. This indicates that information on the forehand road will attract more attention than the conventional head up/down display in the car console. Experimental results demonstrate effective figure projections for a road surface using a Homography transformation to compensate perspective deformation. 1. はじめに自動車を運転するドライバは，その大部分の時間を外部環境を眺めることに使用している．走行速度，現在時刻，カーナビゲーションの表示（地図や道路分岐点など）などを注視する時間は，前方を眺めている（必ずしも注視ではない）時間と比較すると，大変に短い．このことは，ドライバを含む自動車の搭乗者の目的が短時間で安全に目的地に到着することであり，自動車の動作状況を監視することでないことからも，明白である．そこで，もしも外部環境に自車に関する運転支援情報が提示されていれば，ドライバは特に意識することなく外部環境から必要な情報を「知る」ことができるようになる．たとえば，目的地に到達するための道路分岐点までの距離，どちらに曲がればよいか，などが道路に塗装されているかのように提示されていたら，ドライバは道路上の記号と同時に，自車に関する運転支援情報を「知る」ことができる（図 1）．本検討では，自動車に搭載したプロジェクタを使って道路面に画像を投影することによる，運転支援に関する基礎的な検討を行った．ヘッドアップ/ヘッドダウンディスプレイに必要な情報を表示するよりもドライバが注目する可能性があると考え，外部環境に画像として運転支援に関する情報を提示する方法を検討した．平面射影変換を用いて，道路面に各種情報が塗布されているかのような投影を行った．ここで，自動車に (PC) プロジェクタを取り付けることに関して，次のように正当化することができる．（ 1 ）明るい昼間は，道路面に対するプロジェクタの投影映像は見えない．しかし，ドライバが目にする情報は，昼間と比較して夜間の方が圧倒的に少ない．このため，ナビゲーションを初めとする運転支援に関する情報は，特に夜間に必要とされる．（ 2 ）自動車に，プロジェクタを新たに搭載する必要はない．必ず自動車に搭載されているヘッドライトは，高輝度で高性能なプロジェクタと考えることができる．プロジェクタは，ヘッドライトへの付加機能として実現できる．（ 3 ）自動車に搭載されたプロジェクタは，道路面や壁面を表示スクリーンとする新たな情報提示装置と考えることができる．この表示装置を使って，ドライバを含むユーザや歩行者への情報提示の可能性がある． 2. 装置構成 2. 1 プロジェクタ図 2 に示すように，同次座標系で表したプロジェクタ座標系 Ip (xp , yp ) と投影面（道路面）座標系 Id (xd , yd ) の間には，次式の関係がある [1]． Id = Hp Ip 図 1 道路面に投影した自車運転支援情報． (1) ただし，Hp は 3 × 3 の平面射影変換行列である．また，投影面は完全な平面と仮定し，プロジェクタレンズの歪曲収差は無視できるものとする． 321 平成 22 年度日本大学理工学部学術講演会論文集 Oc Op (xp , y p ) ( xc , y c ) HP HC Hp-1 ( xd , y d ) 図 2 プロジェクタ座標 (xp , yp )，投影面（道路面）座標 (xd , yd )，カメラ座標 (xc , yc ) の関係．式 (1) によって，プロジェクタ座標系で準備した運転支援情報を表す図形は，投影面では平面射影変換されて変形する．道路面に初めから塗布されていたかのような図形を表示するためには，プロジェクタ座標系で準備した図形をあらかじめ H−1 p を用いて平面射影変換しておき，それを投影面に投影すればよい．ただし，このためには，Hp を求めておく必要がある．図3 # !" −1 左列は H−1 p で変形しない画像とその投影，右列は Hp で変形した画像とその投影．床面には，投影画像の変形がわかりやすいように平行線を設置している． 3. 実験結果 2. 2 キャリブレーションプロジェクタにカシオ社製 XJ-SC210 を使用し，キャリブレーション用カメラに Point Grey Research 社製 FireflyMV を使用した．図 3(a) に示す運転支援情報提示図形を，800 × 600[画素] の解像度で作成した．前節の方法でキャリブレーションを行い，Ĥ−1 p で変形した図形を，同図 (b) に示す．それぞれの図形を道路面（実験では床面）に投影した結果を，それぞれ図 3(c)(e) および (d)(f) に示す．変形してからの情報提示（同図 (f)）は，ドライバにとってより自然な運転支援となることを確認した．平面射影変換行列 Hp を求めるためには，プロジェクタ座標系で準備した既知の図形と，それを投影面に投影したときの対応点が 4 点以上あればよい [1]．しかし，この作業を実際に行うと，道路面に投影された辺々数 m の図形の位置を測定する必要が生じる．そこで，図 2 に示すように，プロジェクタ座標系に対して固定されたカメラ座標系を用いる．このカメラで投影面を撮影すると，プロジェクタ座標系からカメラ座標系までの関係は，次のようになる． Ic = Hc Id = Hc Hp Ip !" (2) 4. まとめただし，Hc は 3 × 3 の平面射影変換行列であり，撮影レンズの歪曲収差は無視できるものとする．式 (2) の Hc Hp は，プロジェクタで投影面に投影する図形をカメラで撮影すれば，4 点以上の対応点を用いて求めることができる．また，Hc は，投影面に置いた基準図形（たとえばレジャーシートなど）をカメラで撮影すれば求めることができる．つまり，カメラを設置して投影面を撮影するだけで，プロジェクタの平面射影変換行列を Ĥp = Hc −1 (Hc Hp ) のように求めることができる．なお，カメラは運転室内バックミラーなどに設置できる．さらに，道路面に対する自動車姿勢変化を無視すれば，1 回だけキャリブレーションを行えばよいので，自動車室内にカメラを設置する必要はない．本研究では，自動車に搭載したプロジェクタを使って道路面にテクスチャを投影することによる，運転支援に関する基礎的な検討を行った．キャリブレーションを行い求めた平面射影変換を用いて，道路面に各種情報が塗布されているかのような投影を行った．今後は，以下の課題を検討する予定である． • 提示情報のアニメーション化． • 提示情報の立体表示化． • 道路面に対する自動車姿勢変化への実時間対応． 322 文献 [1] 奥富，清水他（編集），“ディジタル画像処理”，CG-ARTS 協会，2004．