sample/sandbox/jp/nyatla/nyartoolkit/sandbox/quadx2/NyARSquareDetector_Quad.java

   1 /* \r
   2  * PROJECT: NyARToolkit\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 version ARToolkit class library.\r
  11  * Copyright (C)2008 R.Iizuka\r
  12  *\r
  13  * This program is free software; you can redistribute it and/or\r
  14  * modify it under the terms of the GNU General Public License\r
  15  * as published by the Free Software Foundation; either version 2\r
  16  * of the License, or (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 framework; if not, write to the Free Software\r
  25  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA\r
  26  * \r
  27  * For further information please contact.\r
  28  *      http://nyatla.jp/nyatoolkit/\r
  29  *      <airmail(at)ebony.plala.or.jp>\r
  30  * \r
  31  */\r
  32 package jp.nyatla.nyartoolkit.sandbox.quadx2;\r
  33 import jp.nyatla.nyartoolkit.NyARException;\r
  34 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.labeling.*;\r
  35 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.raster.*;\r
  36 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.types.*;\r
  37 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.param.*;\r
  38 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.types.matrix.*;\r
  39 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.pca2d.*;\r
  40 import jp.nyatla.nyartoolkit.core2.pca2d.NyARPca2d_SamplingPCA;\r
  41 import jp.nyatla.nyartoolkit.core.*;\r
  42 import jp.nyatla.nyartoolkit.sandbox.x2.*;\r
  43 \r
  44 \r
  45 /**\r
  46  * 1/4に解像度を落して解析するNyARSquareDetector_X2\r
  47  * 与えるBinRasterが既に1/4のサイズになっていないといけないことに注意\r
  48  */\r
  49 public class NyARSquareDetector_Quad implements INyARSquareDetector\r
  50 {\r
  51         private static final double VERTEX_FACTOR = 1.0;// 線検出のファクタ\r
  52 \r
  53         private static final int AR_AREA_MAX = 25000;// #define AR_AREA_MAX 100000\r
  54 \r
  55         private static final int AR_AREA_MIN = 20;// #define AR_AREA_MIN 70\r
  56         private final int _width;\r
  57         private final int _height;\r
  58 \r
  59         private final INyARLabeling _labeling;\r
  60 \r
  61         private final NyARLabelingImage _limage;\r
  62 \r
  63         private final OverlapChecker _overlap_checker = new OverlapChecker();\r
  64         private final NyARCameraDistortionFactor _dist_factor=new NyARCameraDistortionFactor();\r
  65 \r
  66         /**\r
  67          * 最大i_squre_max個のマーカーを検出するクラスを作成する。\r
  68          * \r
  69          * @param i_param\r
  70          */\r
  71         public NyARSquareDetector_Quad(NyARCameraDistortionFactor i_dist_factor_ref,NyARIntSize i_size) throws NyARException\r
  72         {\r
  73                 this._width = i_size.w/2;\r
  74                 this._height = i_size.h/2;\r
  75                 this._labeling = new NyARLabeling_ARToolKit_X2();\r
  76                 this._limage = new NyARLabelingImage(this._width, this._height);\r
  77                 this._labeling.attachDestination(this._limage);\r
  78 \r
  79                 // 輪郭の最大長は画面に映りうる最大の長方形サイズ。\r
  80                 int number_of_coord = (this._width + this._height) * 2;\r
  81 \r
  82                 // 輪郭バッファは頂点変換をするので、輪郭バッファの２倍取る。\r
  83                 this._max_coord = number_of_coord;\r
  84                 this._xcoord = new int[number_of_coord * 2];\r
  85                 this._ycoord = new int[number_of_coord * 2];\r
  86                 //PCA\r
  87                 this._pca=new NyARPca2d_SamplingPCA(20);\r
  88                 //内部的に1/4のサイズで取り扱う\r
  89                 this._dist_factor.copyFrom(i_dist_factor_ref);\r
  90                 this._dist_factor.changeScale(0.5);\r
  91                 \r
  92         }\r
  93 \r
  94         private final int _max_coord;\r
  95         private final int[] _xcoord;\r
  96         private final int[] _ycoord;\r
  97 \r
  98         private void normalizeCoord(int[] i_coord_x, int[] i_coord_y, int i_index, int i_coord_num)\r
  99         {\r
 100                 // vertex1を境界にして、後方に配列を連結\r
 101                 System.arraycopy(i_coord_x, 1, i_coord_x, i_coord_num, i_index);\r
 102                 System.arraycopy(i_coord_y, 1, i_coord_y, i_coord_num, i_index);\r
 103         }\r
 104 \r
 105         private final int[] __detectMarker_mkvertex = new int[5];\r
 106 \r
 107         /**\r
 108          * arDetectMarker2を基にした関数\r
 109          * この関数はNyARSquare要素のうち、directionを除くパラメータを取得して返します。\r
 110          * directionの確定は行いません。\r
 111          * @param i_raster\r
 112          * 解析する２値ラスタイメージを指定します。\r
 113          * @param o_square_stack\r
 114          * 抽出した正方形候補を格納するリスト\r
 115          * @throws NyARException\r
 116          */\r
 117         public final void detectMarker(NyARBinRaster i_raster, NyARSquareStack o_square_stack) throws NyARException\r
 118         {\r
 119                 final INyARLabeling labeling_proc = this._labeling;\r
 120                 final NyARLabelingImage limage = this._limage;\r
 121 \r
 122                 // 初期化\r
 123 \r
 124                 // マーカーホルダをリセット\r
 125                 o_square_stack.clear();\r
 126 \r
 127                 // ラベリング\r
 128                 labeling_proc.labeling(i_raster);\r
 129 \r
 130                 // ラベル数が0ならここまで\r
 131                 final int label_num = limage.getLabelStack().getLength();\r
 132                 if (label_num < 1) {\r
 133                         return;\r
 134                 }\r
 135 \r
 136                 final NyARLabelingLabelStack stack = limage.getLabelStack();\r
 137                 final NyARLabelingLabel[] labels = (NyARLabelingLabel[])stack.getArray();\r
 138                 \r
 139                 \r
 140                 // ラベルを大きい順に整列\r
 141                 stack.sortByArea();\r
 142 \r
 143                 // デカいラベルを読み飛ばし\r
 144                 int i;\r
 145                 for (i = 0; i < label_num; i++) {\r
 146                         // 検査対象内のラベルサイズになるまで無視\r
 147                         if (labels[i].area <= AR_AREA_MAX) {\r
 148                                 break;\r
 149                         }\r
 150                 }\r
 151 \r
 152                 final int xsize = this._width;\r
 153                 final int ysize = this._height;\r
 154                 final int[] xcoord = this._xcoord;\r
 155                 final int[] ycoord = this._ycoord;\r
 156                 final int coord_max = this._max_coord;\r
 157                 final int[] mkvertex = this.__detectMarker_mkvertex;\r
 158                 final OverlapChecker overlap = this._overlap_checker;\r
 159                 int coord_num;\r
 160                 int label_area;\r
 161                 NyARLabelingLabel label_pt;\r
 162 \r
 163                 //重なりチェッカの最大数を設定\r
 164                 overlap.reset(label_num);\r
 165 \r
 166                 for (; i < label_num; i++) {\r
 167                         label_pt = labels[i];\r
 168                         label_area = label_pt.area;\r
 169                         // 検査対象サイズよりも小さくなったら終了\r
 170                         if (label_area < AR_AREA_MIN) {\r
 171                                 break;\r
 172                         }\r
 173                         // クリップ領域が画面の枠に接していれば除外\r
 174                         if (label_pt.clip_l == 1 || label_pt.clip_r == xsize - 2) {// if(wclip[i*4+0] == 1 || wclip[i*4+1] ==xsize-2){\r
 175                                 continue;\r
 176                         }\r
 177                         if (label_pt.clip_t == 1 || label_pt.clip_b == ysize - 2) {// if( wclip[i*4+2] == 1 || wclip[i*4+3] ==ysize-2){\r
 178                                 continue;\r
 179                         }\r
 180                         // 既に検出された矩形との重なりを確認\r
 181                         if (!overlap.check(label_pt)) {\r
 182                                 // 重なっているようだ。\r
 183                                 continue;\r
 184                         }\r
 185 \r
 186                         // 輪郭を取得\r
 187                         coord_num = limage.getContour(i, coord_max, xcoord, ycoord);\r
 188                         if (coord_num == coord_max) {\r
 189                                 // 輪郭が大きすぎる。\r
 190                                 continue;\r
 191                         }\r
 192                         //頂点候補のインデクスを取得\r
 193                         final int vertex1 = scanVertex(xcoord, ycoord, coord_num);\r
 194 \r
 195                         // 頂点候補(vertex1)を先頭に並べなおした配列を作成する。\r
 196                         normalizeCoord(xcoord, ycoord, vertex1, coord_num);\r
 197 \r
 198                         // 領域を準備する。\r
 199                         NyARSquare square_ptr = (NyARSquare)o_square_stack.prePush();\r
 200 \r
 201                         // 頂点情報を取得\r
 202                         if (!getSquareVertex(xcoord, ycoord, vertex1, coord_num, label_area, mkvertex)) {\r
 203                                 o_square_stack.pop();// 頂点の取得が出来なかったので破棄\r
 204                                 continue;\r
 205                         }\r
 206                         // マーカーを検出\r
 207                         if (!getSquareLine(mkvertex, xcoord, ycoord, square_ptr)) {\r
 208                                 // 矩形が成立しなかった。\r
 209                                 o_square_stack.pop();\r
 210                                 continue;\r
 211                         }\r
 212                         // 検出済の矩形の属したラベルを重なりチェックに追加する。\r
 213                         overlap.push(label_pt);\r
 214                 }       \r
 215                 return;\r
 216         }\r
 217 \r
 218         /**\r
 219          * 辺からの対角線が最長になる点を対角線候補として返す。\r
 220          * \r
 221          * @param i_xcoord\r
 222          * @param i_ycoord\r
 223          * @param i_coord_num\r
 224          * @return\r
 225          */\r
 226         private int scanVertex(int[] i_xcoord, int[] i_ycoord, int i_coord_num)\r
 227         {\r
 228                 final int sx = i_xcoord[0];\r
 229                 final int sy = i_ycoord[0];\r
 230                 int d = 0;\r
 231                 int w, x, y;\r
 232                 int ret = 0;\r
 233                 for (int i = 1; i < i_coord_num; i++) {\r
 234                         x = i_xcoord[i] - sx;\r
 235                         y = i_ycoord[i] - sy;\r
 236                         w = x * x + y * y;\r
 237                         if (w > d) {\r
 238                                 d = w;\r
 239                                 ret = i;\r
 240                         }\r
 241                         // ここでうまく終了条件入れられないかな。\r
 242                 }\r
 243                 return ret;\r
 244         }\r
 245 \r
 246         private final NyARFixedFloatVertexCounter __getSquareVertex_wv1 = new NyARFixedFloatVertexCounter();\r
 247 \r
 248         private final NyARFixedFloatVertexCounter __getSquareVertex_wv2 = new NyARFixedFloatVertexCounter();\r
 249 \r
 250         /**\r
 251          * static int arDetectMarker2_check_square( int area, ARMarkerInfo2 *marker_info2, double factor ) 関数の代替関数 OPTIMIZED STEP [450->415] o_squareに頂点情報をセットします。\r
 252          * \r
 253          * @param i_x_coord\r
 254          * @param i_y_coord\r
 255          * @param i_vertex1_index\r
 256          * @param i_coord_num\r
 257          * @param i_area\r
 258          * @param o_vertex\r
 259          * 要素数はint[4]である事\r
 260          * @return\r
 261          */\r
 262         private boolean getSquareVertex(int[] i_x_coord, int[] i_y_coord, int i_vertex1_index, int i_coord_num, int i_area, int[] o_vertex)\r
 263         {\r
 264                 final NyARFixedFloatVertexCounter wv1 = this.__getSquareVertex_wv1;\r
 265                 final NyARFixedFloatVertexCounter wv2 = this.__getSquareVertex_wv2;\r
 266                 final int end_of_coord = i_vertex1_index + i_coord_num - 1;\r
 267                 final int sx = i_x_coord[i_vertex1_index];// sx = marker_info2->x_coord[0];\r
 268                 final int sy = i_y_coord[i_vertex1_index];// sy = marker_info2->y_coord[0];\r
 269                 int dmax = 0;\r
 270                 int v1 = i_vertex1_index;\r
 271                 for (int i = 1 + i_vertex1_index; i < end_of_coord; i++) {// for(i=1;i<marker_info2->coord_num-1;i++)\r
 272                         // {\r
 273                         final int d = (i_x_coord[i] - sx) * (i_x_coord[i] - sx) + (i_y_coord[i] - sy) * (i_y_coord[i] - sy);\r
 274                         if (d > dmax) {\r
 275                                 dmax = d;\r
 276                                 v1 = i;\r
 277                         }\r
 278                 }\r
 279                 final double thresh = (i_area / 0.75) * 0.01 * VERTEX_FACTOR;\r
 280 \r
 281                 o_vertex[0] = i_vertex1_index;\r
 282 \r
 283                 if (!wv1.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, i_vertex1_index, v1, thresh)) { // if(get_vertex(marker_info2->x_coord,marker_info2->y_coord,0,v1,thresh,wv1,&wvnum1)<\r
 284                                                                                                                                                                         // 0 ) {\r
 285                         return false;\r
 286                 }\r
 287                 if (!wv2.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, v1, end_of_coord, thresh)) {// if(get_vertex(marker_info2->x_coord,marker_info2->y_coord,v1,marker_info2->coord_num-1,thresh,wv2,&wvnum2)\r
 288                         // < 0) {\r
 289                         return false;\r
 290                 }\r
 291 \r
 292                 int v2;\r
 293                 if (wv1.number_of_vertex == 1 && wv2.number_of_vertex == 1) {// if(wvnum1 == 1 && wvnum2== 1) {\r
 294                         o_vertex[1] = wv1.vertex[0];\r
 295                         o_vertex[2] = v1;\r
 296                         o_vertex[3] = wv2.vertex[0];\r
 297                 } else if (wv1.number_of_vertex > 1 && wv2.number_of_vertex == 0) {// }else if( wvnum1 > 1 && wvnum2== 0) {\r
 298                         //頂点位置を、起点から対角点の間の1/2にあると予想して、検索する。\r
 299                         v2 = (v1-i_vertex1_index)/2+i_vertex1_index;\r
 300                         if (!wv1.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, i_vertex1_index, v2, thresh)) {\r
 301                                 return false;\r
 302                         }\r
 303                         if (!wv2.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, v2, v1, thresh)) {\r
 304                                 return false;\r
 305                         }\r
 306                         if (wv1.number_of_vertex == 1 && wv2.number_of_vertex == 1) {\r
 307                                 o_vertex[1] = wv1.vertex[0];\r
 308                                 o_vertex[2] = wv2.vertex[0];\r
 309                                 o_vertex[3] = v1;\r
 310                         } else {\r
 311                                 return false;\r
 312                         }\r
 313                 } else if (wv1.number_of_vertex == 0 && wv2.number_of_vertex > 1) {\r
 314                         //v2 = (v1-i_vertex1_index+ end_of_coord-i_vertex1_index) / 2+i_vertex1_index;\r
 315                         v2 = (v1+ end_of_coord)/2;\r
 316 \r
 317                         if (!wv1.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, v1, v2, thresh)) {\r
 318                                 return false;\r
 319                         }\r
 320                         if (!wv2.getVertex(i_x_coord, i_y_coord, v2, end_of_coord, thresh)) {\r
 321                                 return false;\r
 322                         }\r
 323                         if (wv1.number_of_vertex == 1 && wv2.number_of_vertex == 1) {\r
 324                                 o_vertex[1] = v1;\r
 325                                 o_vertex[2] = wv1.vertex[0];\r
 326                                 o_vertex[3] = wv2.vertex[0];\r
 327                         } else {\r
 328                                 return false;\r
 329                         }\r
 330                 } else {\r
 331                         return false;\r
 332                 }\r
 333                 o_vertex[4] = end_of_coord;\r
 334                 return true;\r
 335         }\r
 336 \r
 337         private final INyARPca2d _pca;\r
 338         private final NyARDoubleMatrix22 __getSquareLine_evec=new NyARDoubleMatrix22();\r
 339         private final NyARDoublePoint2d __getSquareLine_mean=new NyARDoublePoint2d();\r
 340         private final NyARDoublePoint2d __getSquareLine_ev=new NyARDoublePoint2d();\r
 341         /**\r
 342          * arGetLine(int x_coord[], int y_coord[], int coord_num,int vertex[], double line[4][3], double v[4][2]) arGetLine2(int x_coord[], int y_coord[], int\r
 343          * coord_num,int vertex[], double line[4][3], double v[4][2], double *dist_factor) の２関数の合成品です。 マーカーのvertex,lineを計算して、結果をo_squareに保管します。\r
 344          * Optimize:STEP[424->391]\r
 345          * \r
 346          * @param i_cparam\r
 347          * @return\r
 348          * @throws NyARException\r
 349          */\r
 350         private boolean getSquareLine(int[] i_mkvertex, int[] i_xcoord, int[] i_ycoord, NyARSquare o_square) throws NyARException\r
 351         {\r
 352                 final NyARLinear[] l_line = o_square.line;\r
 353                 final NyARCameraDistortionFactor dist_factor=this._dist_factor;  \r
 354                 final NyARDoubleMatrix22 evec=this.__getSquareLine_evec;\r
 355                 final NyARDoublePoint2d mean=this.__getSquareLine_mean;\r
 356                 final NyARDoublePoint2d ev=this.__getSquareLine_ev;\r
 357         \r
 358                 \r
 359                 for (int i = 0; i < 4; i++) {\r
 360                         final double w1 = (double) (i_mkvertex[i + 1] - i_mkvertex[i] + 1) * 0.05 + 0.5;\r
 361                         final int st = (int) (i_mkvertex[i] + w1);\r
 362                         final int ed = (int) (i_mkvertex[i + 1] - w1);\r
 363                         final int n = ed - st + 1;\r
 364                         if (n < 2) {\r
 365                                 // nが2以下でmatrix.PCAを計算することはできないので、エラー\r
 366                                 return false;\r
 367                         }\r
 368                         //主成分分析する。\r
 369                         this._pca.pcaWithDistortionFactor(i_xcoord, i_ycoord, st, n,dist_factor, evec, ev,mean);\r
 370                         final NyARLinear l_line_i = l_line[i];\r
 371                         l_line_i.run = evec.m01;// line[i][0] = evec->m[1];\r
 372                         l_line_i.rise = -evec.m00;// line[i][1] = -evec->m[0];\r
 373                         l_line_i.intercept = -(l_line_i.run * mean.x + l_line_i.rise * mean.y)*2;// line[i][2] = -(line[i][0]*mean->v[0] + line[i][1]*mean->v[1]);\r
 374                 }\r
 375 \r
 376                 final NyARDoublePoint2d[] l_sqvertex = o_square.sqvertex;\r
 377                 final NyARIntPoint[] l_imvertex = o_square.imvertex;\r
 378                 for (int i = 0; i < 4; i++) {\r
 379                         final NyARLinear l_line_i = l_line[i];\r
 380                         final NyARLinear l_line_2 = l_line[(i + 3) % 4];\r
 381                         final double w1 = l_line_2.run * l_line_i.rise - l_line_i.run * l_line_2.rise;\r
 382                         if (w1 == 0.0) {\r
 383                                 return false;\r
 384                         }\r
 385                         l_sqvertex[i].x = (l_line_2.rise * l_line_i.intercept - l_line_i.rise * l_line_2.intercept) / w1;\r
 386                         l_sqvertex[i].y = (l_line_i.run * l_line_2.intercept - l_line_2.run * l_line_i.intercept) / w1;\r
 387                         // 頂点インデクスから頂点座標を得て保存\r
 388                         l_imvertex[i].x = i_xcoord[i_mkvertex[i]]*2;\r
 389                         l_imvertex[i].y = i_ycoord[i_mkvertex[i]]*2;\r
 390                 }\r
 391                 return true;\r
 392         }\r
 393 }\r
 394 \r
 395 \r
 396 \r
 397 /**\r
 398  * ラベル同士の重なり（内包関係）を調べるクラスです。 \r
 399  * ラベルリストに内包するラベルを蓄積し、それにターゲットのラベルが内包されているか を確認します。\r
 400  */\r
 401 class OverlapChecker\r
 402 {\r
 403         private NyARLabelingLabel[] _labels = new NyARLabelingLabel[32];\r
 404 \r
 405         private int _length;\r
 406 \r
 407         /**\r
 408          * 最大i_max_label個のラベルを蓄積できるようにオブジェクトをリセットする\r
 409          * \r
 410          * @param i_max_label\r
 411          */\r
 412         public void reset(int i_max_label)\r
 413         {\r
 414                 if (i_max_label > this._labels.length) {\r
 415                         this._labels = new NyARLabelingLabel[i_max_label];\r
 416                 }\r
 417                 this._length = 0;\r
 418         }\r
 419 \r
 420         /**\r
 421          * チェック対象のラベルを追加する。\r
 422          * \r
 423          * @param i_label_ref\r
 424          */\r
 425         public void push(NyARLabelingLabel i_label_ref)\r
 426         {\r
 427                 this._labels[this._length] = i_label_ref;\r
 428                 this._length++;\r
 429         }\r
 430 \r
 431         /**\r
 432          * 現在リストにあるラベルと重なっているかを返す。\r
 433          * \r
 434          * @param i_label\r
 435          * @return 何れかのラベルの内側にあるならばfalse,独立したラベルである可能性が高ければtrueです．\r
 436          */\r
 437         public boolean check(NyARLabelingLabel i_label)\r
 438         {\r
 439                 // 重なり処理かな？\r
 440                 final NyARLabelingLabel[] label_pt = this._labels;\r
 441                 final int px1 = (int) i_label.pos_x;\r
 442                 final int py1 = (int) i_label.pos_y;\r
 443                 for (int i = this._length - 1; i >= 0; i--) {\r
 444                         final int px2 = (int) label_pt[i].pos_x;\r
 445                         final int py2 = (int) label_pt[i].pos_y;\r
 446                         final int d = (px1 - px2) * (px1 - px2) + (py1 - py2) * (py1 - py2);\r
 447                         if (d < label_pt[i].area / 4) {\r
 448                                 // 対象外\r
 449                                 return false;\r
 450                         }\r
 451                 }\r
 452                 // 対象\r
 453                 return true;\r
 454         }\r
 455 }