OSDN Git Service

git-svn-id: http://svn.sourceforge.jp/svnroot/nyartoolkit/NyARToolkit/trunk@802 7cac0...
[nyartoolkit-and/nyartoolkit-and.git] / lib / src / jp / nyatla / nyartoolkit / core / transmat / optimize / NyARPartialDifferentiationOptimize.java
1 /* \r
2  * PROJECT: NyARToolkit (Extension)\r
3  * --------------------------------------------------------------------------------\r
4  * This work is based on the original ARToolKit developed by\r
5  *   Hirokazu Kato\r
6  *   Mark Billinghurst\r
7  *   HITLab, University of Washington, Seattle\r
8  * http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/\r
9  *\r
10  * The NyARToolkit is Java edition ARToolKit class library.\r
11  * Copyright (C)2008-2009 Ryo Iizuka\r
12  *\r
13  * This program is free software: you can redistribute it and/or modify\r
14  * it under the terms of the GNU General Public License as published by\r
15  * the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or\r
16  * (at your option) any later version.\r
17  * \r
18  * This program is distributed in the hope that it will be useful,\r
19  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of\r
20  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the\r
21  * GNU General Public License for more details.\r
22  *\r
23  * You should have received a copy of the GNU General Public License\r
24  * along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.\r
25  * \r
26  * For further information please contact.\r
27  *      http://nyatla.jp/nyatoolkit/\r
28  *      <airmail(at)ebony.plala.or.jp> or <nyatla(at)nyatla.jp>\r
29  * \r
30  */\r
31 package jp.nyatla.nyartoolkit.core.transmat.optimize;\r
32 \r
33 import jp.nyatla.nyartoolkit.NyARException;\r
34 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.param.*;\r
35 \r
36 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.types.*;\r
37 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.types.matrix.*;\r
38 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.utils.*;\r
39 \r
40 class TSinCosValue{\r
41         public double cos_val;\r
42         public double sin_val;\r
43         public static TSinCosValue[] createArray(int i_size)\r
44         {\r
45                 TSinCosValue[] result=new TSinCosValue[i_size];\r
46                 for(int i=0;i<i_size;i++){\r
47                         result[i]=new TSinCosValue();\r
48                 }\r
49                 return result;\r
50         }\r
51 }\r
52 \r
53 /**\r
54  * このクラスは、NyARToolkit方式の姿勢行列Optimizerです。\r
55  * <p>アルゴリズム -\r
56  * 姿勢行列をX,Y,Zの回転方向について偏微分して、それぞれ誤差が最小になる点を求めます。\r
57  * 下位が2点ある場合は、前回の結果に近い値を採用することで、ジッタを減らします。\r
58  * </p>\r
59  */\r
60 public class NyARPartialDifferentiationOptimize\r
61 {\r
62         private final NyARPerspectiveProjectionMatrix _projection_mat_ref;\r
63 \r
64         /**\r
65          * コンストラクタです。\r
66          * 射影変換オブジェクトの参照値を設定して、インスタンスを生成します。\r
67          * @param i_projection_mat_ref\r
68          * 射影変換オブジェクトの参照値。\r
69          */\r
70         public NyARPartialDifferentiationOptimize(NyARPerspectiveProjectionMatrix i_projection_mat_ref)\r
71         {\r
72                 this._projection_mat_ref = i_projection_mat_ref;\r
73                 return;\r
74         }\r
75         /*\r
76          * 射影変換式 基本式 ox=(cosc * cosb - sinc * sina * sinb)*ix+(-sinc * cosa)*iy+(cosc * sinb + sinc * sina * cosb)*iz+i_trans.x; oy=(sinc * cosb + cosc * sina *\r
77          * sinb)*ix+(cosc * cosa)*iy+(sinc * sinb - cosc * sina * cosb)*iz+i_trans.y; oz=(-cosa * sinb)*ix+(sina)*iy+(cosb * cosa)*iz+i_trans.z;\r
78          * \r
79          * double ox=(cosc * cosb)*ix+(-sinc * sina * sinb)*ix+(-sinc * cosa)*iy+(cosc * sinb)*iz + (sinc * sina * cosb)*iz+i_trans.x; double oy=(sinc * cosb)*ix\r
80          * +(cosc * sina * sinb)*ix+(cosc * cosa)*iy+(sinc * sinb)*iz+(- cosc * sina * cosb)*iz+i_trans.y; double oz=(-cosa * sinb)*ix+(sina)*iy+(cosb *\r
81          * cosa)*iz+i_trans.z;\r
82          * \r
83          * sina,cosaについて解く cx=(cp00*(-sinc*sinb*ix+sinc*cosb*iz)+cp01*(cosc*sinb*ix-cosc*cosb*iz)+cp02*(iy))*sina\r
84          * +(cp00*(-sinc*iy)+cp01*((cosc*iy))+cp02*(-sinb*ix+cosb*iz))*cosa\r
85          * +(cp00*(i_trans.x+cosc*cosb*ix+cosc*sinb*iz)+cp01*((i_trans.y+sinc*cosb*ix+sinc*sinb*iz))+cp02*(i_trans.z));\r
86          * cy=(cp11*(cosc*sinb*ix-cosc*cosb*iz)+cp12*(iy))*sina +(cp11*((cosc*iy))+cp12*(-sinb*ix+cosb*iz))*cosa\r
87          * +(cp11*((i_trans.y+sinc*cosb*ix+sinc*sinb*iz))+cp12*(i_trans.z)); ch=(iy)*sina +(-sinb*ix+cosb*iz)*cosa +i_trans.z; sinb,cosb hx=(cp00*(-sinc *\r
88          * sina*ix+cosc*iz)+cp01*(cosc * sina*ix+sinc*iz)+cp02*(-cosa*ix))*sinb +(cp01*(sinc*ix-cosc * sina*iz)+cp00*(cosc*ix+sinc * sina*iz)+cp02*(cosa*iz))*cosb\r
89          * +(cp00*(i_trans.x+(-sinc*cosa)*iy)+cp01*(i_trans.y+(cosc * cosa)*iy)+cp02*(i_trans.z+(sina)*iy)); double hy=(cp11*(cosc *\r
90          * sina*ix+sinc*iz)+cp12*(-cosa*ix))*sinb +(cp11*(sinc*ix-cosc * sina*iz)+cp12*(cosa*iz))*cosb +(cp11*(i_trans.y+(cosc *\r
91          * cosa)*iy)+cp12*(i_trans.z+(sina)*iy)); double h =((-cosa*ix)*sinb +(cosa*iz)*cosb +i_trans.z+(sina)*iy); パラメータ返還式 L=2*Σ(d[n]*e[n]+a[n]*b[n])\r
92          * J=2*Σ(d[n]*f[n]+a[n]*c[n])/L K=2*Σ(-e[n]*f[n]+b[n]*c[n])/L M=Σ(-e[n]^2+d[n]^2-b[n]^2+a[n]^2)/L 偏微分式 +J*cos(x) +K*sin(x) -sin(x)^2 +cos(x)^2\r
93          * +2*M*cos(x)*sin(x)\r
94          */\r
95         private double optimizeParamX(double sinb,double cosb,double sinc,double cosc,NyARDoublePoint3d i_trans, NyARDoublePoint3d[] i_vertex3d, NyARDoublePoint2d[] i_vertex2d, int i_number_of_vertex, double i_hint_angle) throws NyARException\r
96         {\r
97                 NyARPerspectiveProjectionMatrix cp = this._projection_mat_ref;\r
98                 double L, J, K, M, N, O;\r
99                 L = J = K = M = N = O = 0;\r
100                 final double cp00 = cp.m00;\r
101                 final double cp01 = cp.m01;\r
102                 final double cp02 = cp.m02;\r
103                 final double cp11 = cp.m11;\r
104                 final double cp12 = cp.m12;\r
105 \r
106                 for (int i = 0; i < i_number_of_vertex; i++) {\r
107                         double ix, iy, iz;\r
108                         ix = i_vertex3d[i].x;\r
109                         iy = i_vertex3d[i].y;\r
110                         iz = i_vertex3d[i].z;\r
111 \r
112                         double X0 = (cp00 * (-sinc * sinb * ix + sinc * cosb * iz) + cp01 * (cosc * sinb * ix - cosc * cosb * iz) + cp02 * (iy));\r
113                         double X1 = (cp00 * (-sinc * iy) + cp01 * ((cosc * iy)) + cp02 * (-sinb * ix + cosb * iz));\r
114                         double X2 = (cp00 * (i_trans.x + cosc * cosb * ix + cosc * sinb * iz) + cp01 * ((i_trans.y + sinc * cosb * ix + sinc * sinb * iz)) + cp02 * (i_trans.z));\r
115                         double Y0 = (cp11 * (cosc * sinb * ix - cosc * cosb * iz) + cp12 * (iy));\r
116                         double Y1 = (cp11 * ((cosc * iy)) + cp12 * (-sinb * ix + cosb * iz));\r
117                         double Y2 = (cp11 * ((i_trans.y + sinc * cosb * ix + sinc * sinb * iz)) + cp12 * (i_trans.z));\r
118                         double H0 = (iy);\r
119                         double H1 = (-sinb * ix + cosb * iz);\r
120                         double H2 = i_trans.z;\r
121 \r
122                         double VX = i_vertex2d[i].x;\r
123                         double VY = i_vertex2d[i].y;\r
124 \r
125                         double a, b, c, d, e, f;\r
126                         a = (VX * H0 - X0);\r
127                         b = (VX * H1 - X1);\r
128                         c = (VX * H2 - X2);\r
129                         d = (VY * H0 - Y0);\r
130                         e = (VY * H1 - Y1);\r
131                         f = (VY * H2 - Y2);\r
132 \r
133                         L += d * e + a * b;\r
134                         N += d * d + a * a;\r
135                         J += d * f + a * c;\r
136                         M += e * e + b * b;\r
137                         K += e * f + b * c;\r
138                         O += f * f + c * c;\r
139 \r
140                 }\r
141                 L *=2;\r
142                 J *=2;\r
143                 K *=2;\r
144 \r
145                 return getMinimumErrorAngleFromParam(L,J, K, M, N, O, i_hint_angle);\r
146 \r
147 \r
148         }\r
149 \r
150         private double optimizeParamY(double sina,double cosa,double sinc,double cosc, NyARDoublePoint3d i_trans, NyARDoublePoint3d[] i_vertex3d, NyARDoublePoint2d[] i_vertex2d, int i_number_of_vertex, double i_hint_angle) throws NyARException\r
151         {\r
152                 NyARPerspectiveProjectionMatrix cp = this._projection_mat_ref;\r
153                 double L, J, K, M, N, O;\r
154                 L = J = K = M = N = O = 0;\r
155                 final double cp00 = cp.m00;\r
156                 final double cp01 = cp.m01;\r
157                 final double cp02 = cp.m02;\r
158                 final double cp11 = cp.m11;\r
159                 final double cp12 = cp.m12;\r
160 \r
161                 for (int i = 0; i < i_number_of_vertex; i++) {\r
162                         double ix, iy, iz;\r
163                         ix = i_vertex3d[i].x;\r
164                         iy = i_vertex3d[i].y;\r
165                         iz = i_vertex3d[i].z;\r
166 \r
167                         double X0 = (cp00 * (-sinc * sina * ix + cosc * iz) + cp01 * (cosc * sina * ix + sinc * iz) + cp02 * (-cosa * ix));\r
168                         double X1 = (cp01 * (sinc * ix - cosc * sina * iz) + cp00 * (cosc * ix + sinc * sina * iz) + cp02 * (cosa * iz));\r
169                         double X2 = (cp00 * (i_trans.x + (-sinc * cosa) * iy) + cp01 * (i_trans.y + (cosc * cosa) * iy) + cp02 * (i_trans.z + (sina) * iy));\r
170                         double Y0 = (cp11 * (cosc * sina * ix + sinc * iz) + cp12 * (-cosa * ix));\r
171                         double Y1 = (cp11 * (sinc * ix - cosc * sina * iz) + cp12 * (cosa * iz));\r
172                         double Y2 = (cp11 * (i_trans.y + (cosc * cosa) * iy) + cp12 * (i_trans.z + (sina) * iy));\r
173                         double H0 = (-cosa * ix);\r
174                         double H1 = (cosa * iz);\r
175                         double H2 = i_trans.z + (sina) * iy;\r
176 \r
177                         double VX = i_vertex2d[i].x;\r
178                         double VY = i_vertex2d[i].y;\r
179 \r
180                         double a, b, c, d, e, f;\r
181                         a = (VX * H0 - X0);\r
182                         b = (VX * H1 - X1);\r
183                         c = (VX * H2 - X2);\r
184                         d = (VY * H0 - Y0);\r
185                         e = (VY * H1 - Y1);\r
186                         f = (VY * H2 - Y2);\r
187 \r
188                         L += d * e + a * b;\r
189                         N += d * d + a * a;\r
190                         J += d * f + a * c;\r
191                         M += e * e + b * b;\r
192                         K += e * f + b * c;\r
193                         O += f * f + c * c;\r
194 \r
195                 }\r
196                 L *= 2;\r
197                 J *= 2;\r
198                 K *= 2;\r
199                 return getMinimumErrorAngleFromParam(L,J, K, M, N, O, i_hint_angle);\r
200 \r
201         }\r
202 \r
203         private double optimizeParamZ(double sina,double cosa,double sinb,double cosb, NyARDoublePoint3d i_trans, NyARDoublePoint3d[] i_vertex3d, NyARDoublePoint2d[] i_vertex2d, int i_number_of_vertex, double i_hint_angle) throws NyARException\r
204         {\r
205                 NyARPerspectiveProjectionMatrix cp = this._projection_mat_ref;\r
206                 double L, J, K, M, N, O;\r
207                 L = J = K = M = N = O = 0;\r
208                 final double cp00 = cp.m00;\r
209                 final double cp01 = cp.m01;\r
210                 final double cp02 = cp.m02;\r
211                 final double cp11 = cp.m11;\r
212                 final double cp12 = cp.m12;\r
213 \r
214                 for (int i = 0; i < i_number_of_vertex; i++) {\r
215                         double ix, iy, iz;\r
216                         ix = i_vertex3d[i].x;\r
217                         iy = i_vertex3d[i].y;\r
218                         iz = i_vertex3d[i].z;\r
219 \r
220                         double X0 = (cp00 * (-sina * sinb * ix - cosa * iy + sina * cosb * iz) + cp01 * (ix * cosb + sinb * iz));\r
221                         double X1 = (cp01 * (sina * ix * sinb + cosa * iy - sina * iz * cosb) + cp00 * (cosb * ix + sinb * iz));\r
222                         double X2 = cp00 * i_trans.x + cp01 * (i_trans.y) + cp02 * (-cosa * sinb) * ix + cp02 * (sina) * iy + cp02 * ((cosb * cosa) * iz + i_trans.z);\r
223                         double Y0 = cp11 * (ix * cosb + sinb * iz);\r
224                         double Y1 = cp11 * (sina * ix * sinb + cosa * iy - sina * iz * cosb);\r
225                         double Y2 = (cp11 * i_trans.y + cp12 * (-cosa * sinb) * ix + cp12 * ((sina) * iy + (cosb * cosa) * iz + i_trans.z));\r
226                         double H0 = 0;\r
227                         double H1 = 0;\r
228                         double H2 = ((-cosa * sinb) * ix + (sina) * iy + (cosb * cosa) * iz + i_trans.z);\r
229 \r
230                         double VX = i_vertex2d[i].x;\r
231                         double VY = i_vertex2d[i].y;\r
232 \r
233                         double a, b, c, d, e, f;\r
234                         a = (VX * H0 - X0);\r
235                         b = (VX * H1 - X1);\r
236                         c = (VX * H2 - X2);\r
237                         d = (VY * H0 - Y0);\r
238                         e = (VY * H1 - Y1);\r
239                         f = (VY * H2 - Y2);\r
240 \r
241                         L += d * e + a * b;\r
242                         N += d * d + a * a;\r
243                         J += d * f + a * c;\r
244                         M += e * e + b * b;\r
245                         K += e * f + b * c;\r
246                         O += f * f + c * c;\r
247 \r
248                 }\r
249                 L *=2;\r
250                 J *=2;\r
251                 K *=2;\r
252                 \r
253                 return getMinimumErrorAngleFromParam(L,J, K, M, N, O, i_hint_angle);\r
254         }\r
255         private NyARDoublePoint3d __ang=new NyARDoublePoint3d();\r
256         /**\r
257          * この関数は、回転行列を最適化します。\r
258          * i_vertex3dのオフセット値を、io_rotとi_transで座標変換後に射影変換した2次元座標と、i_vertex2dが最も近くなるように、io_rotを調整します。\r
259          * io_rot,i_transの値は、ある程度の精度で求められている必要があります。\r
260          * @param io_rot\r
261          * 調整する回転行列\r
262          * @param i_trans\r
263          * 平行移動量\r
264          * @param i_vertex3d\r
265          * 三次元オフセット座標\r
266          * @param i_vertex2d\r
267          * 理想座標系の頂点座標\r
268          * @param i_number_of_vertex\r
269          * 頂点数\r
270          * @throws NyARException\r
271          */\r
272         public void modifyMatrix(NyARDoubleMatrix33 io_rot, NyARDoublePoint3d i_trans, NyARDoublePoint3d[] i_vertex3d, NyARDoublePoint2d[] i_vertex2d, int i_number_of_vertex) throws NyARException\r
273         {\r
274                 NyARDoublePoint3d ang = this.__ang;             \r
275                 // ZXY系のsin/cos値を抽出\r
276                 io_rot.getZXYAngle(ang);\r
277                 modifyMatrix(ang,i_trans,i_vertex3d,i_vertex2d,i_number_of_vertex,ang);\r
278                 io_rot.setZXYAngle(ang.x, ang.y, ang.z);\r
279                 return;\r
280         }\r
281         /**\r
282          * この関数は、回転角を最適化します。\r
283          * i_vertex3dのオフセット値を、i_angleとi_transで座標変換後に射影変換した2次元座標と、i_vertex2dが最も近くなる値を、o_angleへ返します。\r
284          * io_rot,i_transの値は、ある程度の精度で求められている必要があります。\r
285          * @param i_angle\r
286          * 回転角\r
287          * @param i_trans\r
288          * 平行移動量\r
289          * @param i_vertex3d\r
290          * 三次元オフセット座標\r
291          * @param i_vertex2d\r
292          * 理想座標系の頂点座標\r
293          * @param i_number_of_vertex\r
294          * 頂点数\r
295          * @param o_angle\r
296          * 調整した回転角を受け取る配列\r
297          * @throws NyARException\r
298          */     \r
299         public void modifyMatrix(NyARDoublePoint3d i_angle,NyARDoublePoint3d i_trans, NyARDoublePoint3d[] i_vertex3d, NyARDoublePoint2d[] i_vertex2d, int i_number_of_vertex,NyARDoublePoint3d o_angle) throws NyARException\r
300         {\r
301 \r
302                 // ZXY系のsin/cos値を抽出\r
303                 double sinx = Math.sin(i_angle.x);\r
304                 double cosx = Math.cos(i_angle.x);\r
305                 double siny = Math.sin(i_angle.y);\r
306                 double cosy = Math.cos(i_angle.y);\r
307                 double sinz = Math.sin(i_angle.z);\r
308                 double cosz = Math.cos(i_angle.z);              \r
309                 o_angle.x = i_angle.x+optimizeParamX(siny,cosy,sinz,cosz, i_trans, i_vertex3d, i_vertex2d, i_number_of_vertex, i_angle.x);\r
310                 o_angle.y = i_angle.y+optimizeParamY(sinx,cosx,sinz,cosz, i_trans, i_vertex3d, i_vertex2d, i_number_of_vertex, i_angle.y);\r
311                 o_angle.z = i_angle.z+optimizeParamZ(sinx,cosx,siny,cosy, i_trans, i_vertex3d, i_vertex2d, i_number_of_vertex, i_angle.z);\r
312                 return; \r
313         }\r
314         \r
315         private double[] __sin_table= new double[4];\r
316         /**\r
317          * エラーレートが最小になる点を得る。\r
318          */\r
319         private double getMinimumErrorAngleFromParam(double iL,double iJ, double iK, double iM, double iN, double iO, double i_hint_angle) throws NyARException\r
320         {\r
321                 double[] sin_table = this.__sin_table;\r
322 \r
323                 double M = (iN - iM)/iL;\r
324                 double J = iJ/iL;\r
325                 double K = -iK/iL;\r
326 \r
327                 // パラメータからsinテーブルを作成\r
328                 // (- 4*M^2-4)*x^4 + (4*K- 4*J*M)*x^3 + (4*M^2 -(K^2- 4)- J^2)*x^2 +(4*J*M- 2*K)*x + J^2-1 = 0\r
329                 int number_of_sin = NyAREquationSolver.solve4Equation(-4 * M * M - 4, 4 * K - 4 * J * M, 4 * M * M - (K * K - 4) - J * J, 4 * J * M - 2 * K, J * J - 1, sin_table);\r
330 \r
331 \r
332                 // 最小値2個を得ておく。\r
333                 double min_ang_0 = Double.MAX_VALUE;\r
334                 double min_ang_1 = Double.MAX_VALUE;\r
335                 double min_err_0 = Double.MAX_VALUE;\r
336                 double min_err_1 = Double.MAX_VALUE;\r
337                 for (int i = 0; i < number_of_sin; i++) {\r
338                         // +-cos_v[i]が頂点候補\r
339                         double sin_rt = sin_table[i];\r
340                         double cos_rt = Math.sqrt(1 - (sin_rt * sin_rt));\r
341                         // cosを修復。微分式で0に近い方が正解\r
342                         // 0 = 2*cos(x)*sin(x)*M - sin(x)^2 + cos(x)^2 + sin(x)*K + cos(x)*J\r
343                         double a1 = 2 * cos_rt * sin_rt * M + sin_rt * (K - sin_rt) + cos_rt * (cos_rt + J);\r
344                         double a2 = 2 * (-cos_rt) * sin_rt * M + sin_rt * (K - sin_rt) + (-cos_rt) * ((-cos_rt) + J);\r
345                         // 絶対値になおして、真のcos値を得ておく。\r
346                         a1 = a1 < 0 ? -a1 : a1;\r
347                         a2 = a2 < 0 ? -a2 : a2;\r
348                         cos_rt = (a1 < a2) ? cos_rt : -cos_rt;\r
349                         double ang = Math.atan2(sin_rt, cos_rt);\r
350                         // エラー値を計算\r
351                         double err = iN * sin_rt * sin_rt + (iL*cos_rt + iJ) * sin_rt + iM * cos_rt * cos_rt + iK * cos_rt + iO;\r
352                         // 最小の2個を獲得する。\r
353                         if (min_err_0 > err) {\r
354                                 min_err_1 = min_err_0;\r
355                                 min_ang_1 = min_ang_0;\r
356                                 min_err_0 = err;\r
357                                 min_ang_0 = ang;\r
358                         } else if (min_err_1 > err) {\r
359                                 min_err_1 = err;\r
360                                 min_ang_1 = ang;\r
361                         }\r
362                 }\r
363                 // [0]をテスト\r
364                 double gap_0;\r
365                 gap_0 = min_ang_0 - i_hint_angle;\r
366                 if (gap_0 > Math.PI) {\r
367                         gap_0 = (min_ang_0 - Math.PI * 2) - i_hint_angle;\r
368                 } else if (gap_0 < -Math.PI) {\r
369                         gap_0 = (min_ang_0 + Math.PI * 2) - i_hint_angle;\r
370                 }\r
371                 // [1]をテスト\r
372                 double gap_1;\r
373                 gap_1 = min_ang_1 - i_hint_angle;\r
374                 if (gap_1 > Math.PI) {\r
375                         gap_1 = (min_ang_1 - Math.PI * 2) - i_hint_angle;\r
376                 } else if (gap_1 < -Math.PI) {\r
377                         gap_1 = (min_ang_1 + Math.PI * 2) - i_hint_angle;\r
378                 }\r
379                 return Math.abs(gap_1) < Math.abs(gap_0) ? gap_1 : gap_0;\r
380         }\r
381 }\r