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#contents

*距離センサ [#r0d5dd55]
*Distance sensor [#m5e8543a]

※このチュートリアルはv2.1.0以降で動作可能です。
This tutorial is valid for version later than v2.1.0.

SIGVerseでは距離センサはカメラを用います。
ここではSIGViewerサービスから距離データを取得するサンプルを紹介します。
Distance sensor uses camera (depth image).
This page explains how to get distance information from SIGViewer service.

There are three types of distance information:
1) distance from the camera and a target object (scalar)
2) distance array measured along a horizontal plane (vector)
3) depth map (2D matrix)

カメラから取得可能な距離データは3つあります。一つ目はカメラから視線方向にあるオブジェクトまでの点と点の距離(スカラ値)、2つ目はエージェントの視線から水平面に沿って，物体までの距離を連続的に得るベクトル値（一次元配列）、3つ目は視野全体に渡る，二次元配列の距離データです。
** 1) scalar distance [#r77819d7]

This sample uses a function distanceSensor() to get a distance between the camera and a target object which is gazed by the camera.

**視線方向の距離センサ [#r07b5fe9]
distanceSensor()を使ってカメラの視線方向にあるオブジェクトまでの距離を取得するサンプルを紹介します。
***コントローラ作成 [#j5a63794]
作業ディレクトリに移動しコントローラを作成します。
*** Controller [#h7f70978]

Move to the working directory and edit a controller.
 $ cd ~/MyWorld
 $ emacs distanceSensor.cpp

distanceSensor.cpp

#highlight(cpp){{
#include <Controller.h>    
#include <ControllerEvent.h>    
#include <Logger.h>    
#include <ViewImage.h>    
#include <math.h>    
#include <stdio.h>    
#include <stdlib.h>    
    
#define PI 3.141592    
#define DEG2RAD(DEG) ( (PI) * (DEG) / 180.0 )    
    
class RobotController : public Controller    
{    
public:    
  void onInit(InitEvent &evt);    
  double onAction(ActionEvent &evt);    
private:     
    
  //移動速度    
  double vel;    
  double vel;      //velocity of a robot
  ViewService *m_view;  
};     
    
void RobotController::onInit(InitEvent &evt)    
{    
  m_view = (ViewService*)connectToService("SIGViewer");  
  vel      = 1.0;    
  srand(time(NULL));    
}      
    
//定期的に呼び出される関数    
//Callback function which is called at fixed intervals.
double RobotController::onAction(ActionEvent &evt)    
{     
  SimObj *my = getObj(myname());    
    
  //自分の位置を得ます
  // Get current self-position
  Vector3d pos;
  my->getPosition(pos);    
    
  //自分の回転を得ます（クオータニオン）    
  // Get current self-orientation    
  Rotation rot;
  my->getRotation(rot);
  double qy = rot.qy();    
  double qw = rot.qw();    
  double tmp = qy*qw;
  if(tmp < 0) qy = -qy;
  
  //クオータニオンから回転角を導出します    
  // Calculate angle from quaternion 
  double theta = 2*asin(qy);    

  double dx = 0;    
  double dz = 0;    
    
  //移動する方向を決定します  
  // Calculate moving direction
  dx = sin(theta) * vel;    
  dz = cos(theta) * vel;    
    
  //移動します    
  my->setPosition( pos.x() + dx, pos.y() , pos.z() + dz );    
  // Execution of move
  my->setPosition( pos.x() + dx, pos.y() , pos.z() + dz ); 
    
  unsigned char distance = 255;  
  if(m_view != NULL) {  
    //視線方向のオブジェクトまでの距離を取得します    
    // Measure the distance
    distance = m_view->distanceSensor();    
    LOG_MSG(("distance = %d",distance));    
  }    
  //距離が100以下であれば向きを変えます    
  // Change direction if the distance is shorter than 100.    
  if(distance < 100){    
    my->setAxisAndAngle(0.0, 1.0, 0.0, (double)rand()/RAND_MAX * 2*PI, true);    
  }     
  return 0.1;    
}     
    
extern "C" Controller * createController ()    
{    
  return new RobotController;    
}    
}}

このサンプルでは62行目のdistanceSensor()で距離データを取得しています。
The distanceSensor() in the 62nd line gets the distance.
#highlight(cpp:firstline[62]){{
      distance = m_view->distanceSensor();
}}
戻り値はunsigned char型です。つまり取得できる距離データは0～255までの整数です。デフォルトでは255cmまでの距離を取得することができ、255よりも遠くにオブジェクトがある場合はすべて255が返ってきます。
引数を変えることによってこれらの距離を変更することができます。
The type of the return value is unsigned char, that indicates from 0 to 255. Maximum distance is 255cm. If a true distance is longer than 255cm, the return value will be 255.
The maximum distance can be changed by argument of distanceSensor() as shown below:

より遠くの距離を取得したい場合はdistanceSensor()の引数に取得したい距離データの範囲を指定することができます。

distanceSensor()を例えば以下のように修正します。


change
#highlight(cpp:firstline[62]){{
      distance = m_view->distanceSensor();
}}
　　　　↓
to
#highlight(cpp:firstline[62]){{
     distance = m_view->distanceSensor(50.0, 500.0, 2);
}}
最初２つの引数で距離センサが取得できる距離の範囲を変更することができます。第一引数にoffset値、第2引数に取得する距離データの範囲を指定します。この例ではカメラから距離が50.0～550.0(cm)までの距離データを取得できることになります。このとき戻り値は先ほどと同様0～255です。つまりカメラからの距離が50.0cm以下の場合は戻り値が0になり、550.0cm以上の場合は255となります。取得できる距離データの値と実際の距離は常に比例関係にあります。範囲を大きくすると広範囲の距離データを取得することができますが分解能が悪くなります。
The first and second argument indicate range of the distance sensor. The first argument is offset value. The second argument is range of measurable area.
In the above example case, the distance sensor can measure from 50cm to 550cm.
The range of the return value is still from 0 to 255. If the distance is shorter than 50cm, the return value will be 0; if the distance is longer than 550cm, the return value will be 255.
Resolution of the distance sensor will be rough, if you choose wide range.

最後の引数はカメラＩＤ番号です。
何も指定しない場合はカメラのＩＤ番号１から距離データを取得します。
The last argument is ID number of camera. If you omit this argument, the distance sensor will be corresponded to the camera which ID is No.1.

このコントローラではロボットは向いている方向に進み、視線方向のオブジェクトまでの距離が100cmよりも近くなるとロボットの体全体の向きをランダムに変えます。
In this controller, a robot keeps on going forward; if the distance is shorter than 100cm, the direction will be changed randomly.

コンパイルします。
Compile the source code of the controller.

 $ ./sigmake.sh distanceSensor.cpp

***世界ファイル [#md4f157f]
次に世界ファイルを作成します。
*** World File [#w89a6566]
Next, edit a world file

 $ emacs distanceSensor.xml

distanceSensor.xml

#highlight(xml){{
<?xml version="1.0" encoding="utf8"?>
<world name="myworld5">

  <gravity x="0.0" y="-980.7" z="0.0"/>
  <instanciate class="WheelRobot-nii-v1.xml">

    <!--エージェント名-->
    <!-- Set the name of a robot agent -->
    <set-attr-value name="name" value="robot_000"/>

    <!--C++言語の指定-->
    <set-attr-value name="language" value="c++"/>

    <!--コントローラの指定-->
    <set-attr-value name="implementation"
                    value="./distanceSensor.so"/>
    <!-- Setting of controller -->
    <set-attr-value name="implementation" value="./distanceSensor.so"/>

    <!--動力学演算をfalseに設定-->
    <!-- Put the flag of dynamics to false -->
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    
    <!--エージェントの位置(x,y,z)-->
    <!-- Set the initial position of agent(x,y,z) -->
    <set-attr-value name="x" value="0.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="30.0"/>
    <set-attr-value name="z" value="-40.0"/>
    
    <set-attr-value name="qw" value="0.0"/>
    <set-attr-value name="qy" value="1.0"/>
    
    <!--カメラのID番号,リンク名、方向、位置, 視野角(y方向)の設定, 縦横比-->
    <!--Setting of camera parameters-->
    <camera id="1"
            link="HEAD_LINK"
            direction="0 0 1"
            position="0.0 0.0 5.0"
            fov="45"
            aspectRatio="1.5"/>
  </instanciate>

  <!--リビングルーム-->
  <!--Living Room-->
  <instanciate class="seTV.xml">
    <set-attr-value name="name" value="TV_0"/>
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    <set-attr-value name="x" value="-20.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="87.3"/>
    <set-attr-value name="z" value="-250.0"/>
    <set-attr-value name="visStateAttrName" value="switch"/>
    <set-attr-value name="switch" value="on"/>
  </instanciate>

  <instanciate class="seBookShelf_A.xml">
    <set-attr-value name="name" value="BookShelf_0"/>
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    <set-attr-value name="x" value="-200.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="75.0"/>
    <set-attr-value name="z" value="-100.0"/>
    <set-attr-value name="qw" value="0.707"/>
    <set-attr-value name="qx" value="0.0"/>
    <set-attr-value name="qy" value="0.707"/>
    <set-attr-value name="qz" value="0.0"/>
  </instanciate>

  <instanciate class="seBookShelf_B.xml">
    <set-attr-value name="name" value="BookShelf_1"/>
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    <set-attr-value name="x" value="-0.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="59.5"/>
    <set-attr-value name="z" value="100.0"/>
    <set-attr-value name="qw" value="0.0"/>
    <set-attr-value name="qy" value="1.0"/>
  </instanciate>

  <instanciate class="seTVbass_B.xml">
    <set-attr-value name="name" value="TVdai_0"/>
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    <set-attr-value name="x" value="-20.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="25.1"/>
    <set-attr-value name="z" value="-250.0"/>
  </instanciate>

  <instanciate class="seTana_c02.xml">
    <set-attr-value name="name" value="tana_0"/>
    <set-attr-value name="dynamics" value="false"/>
    <set-attr-value name="x" value="150.0"/>
    <set-attr-value name="y" value="81.5"/>
    <set-attr-value name="z" value="-100.0"/>
    <set-attr-value name="qw" value="0.707"/>
    <set-attr-value name="qy" value="-0.707"/>
  </instanciate>
</world>
}}

今回は車輪付き移動ロボットを使用します。
This time, a wheeled mobile robot is used.


***実行 [#l3f6882d]
それでは実行してみましょう。
*** Execution [#mf620fe8]

Execute with the following command

 $ sigserver.sh -w ./distanceSensor.xml

#ref(./distance_1.PNG,60%)

シミュレーションを実行するとロボットが前に進み始めます。そしてオブジェクトに衝突しそうになると方向転換します。
The robot will go forward; change the direction in front of obstacles.



**1次元距離データ取得 [#cb2b5721]
次にエージェントの視線方向の水平面に沿って距離データを取得するサンプルを紹介します。水平面の距離データを配列データとして一度に取得します。
***コントローラ修正 [#s7488bb0]
コントローラを新しく作成します

** Measurement of distance vector [#l8f8546a]

Next, an example that measure distance vector along a horizontal plane.

*** Modification of Controller [#nf3fb7da]

Edit another new controller

 $ emacs distanceSensor1D.cpp

distanceSensor1D.cpp

#highlight(cpp){{
#include <Controller.h>    
#include <ControllerEvent.h>    
#include <Logger.h>    
#include <ViewImage.h>    
#include <math.h>    
#include <stdio.h>    
#include <stdlib.h>    
    
#define PI 3.141592    
#define DEG2RAD(DEG) ( (PI) * (DEG) / 180.0 )    
    
class RobotController : public Controller    
{    
public:    
  void onInit(InitEvent &evt);    
  double onAction(ActionEvent &evt);    
private:     
    
  //移動速度    
  //velocity of a robot
  double vel;    
  ViewService *m_view;  
};     
    
void RobotController::onInit(InitEvent &evt)    
{    
  m_view = (ViewService*)connectToService("SIGViewer");  
  vel      = 1.0;    
  srand(time(NULL));    
}      
    
//定期的に呼び出される関数    
//Callback function which is called at fixed intervals.
double RobotController::onAction(ActionEvent &evt)    
{     
  SimObj *my = getObj(myname());    
    
  //自分の位置を得ます
  // Get current self-position
  Vector3d pos;
  my->getPosition(pos);    
    
  //自分の回転を得ます（クオータニオン）    
  // Get current self-orientation 
  Rotation rot;
  my->getRotation(rot);
  double qy = rot.qy();    
  double qw = rot.qw();

  double tmp = qy*qw;
  if(tmp < 0) qy = -qy;
  
  //クオータニオンから回転角を導出します    
  // Calculate angle from quaternion     
  double theta = 2*asin(qy);    

  double dx = 0;    
  double dz = 0;    
    
  //移動する方向を決定します  
  // Calculate moving direction 
  dx = sin(theta) * vel;    
  dz = cos(theta) * vel;    
    
  //移動します    
  // Execution of move 
  my->setPosition( pos.x() + dx, pos.y() , pos.z() + dz );    
  
  // カメラの垂直方向(radian)の視野角を取得します
  // Calculate vertical angle view (radian) of a camera.
  double fovy = my->getCamFOV() * PI / 180.0;

  // アスペクト比を取得します
  // Get aspect ratio
  double ar = my->getCamAS();
  
  // カメラの水平方向の視野角(degree)を計算します
  // Calculate horizontal angle view (degree) of a camera.
  double fovx = 2 * atan(tan(fovy*0.5)*ar) * 180.0 / PI;

  unsigned char distance = 255;  
  if(m_view != NULL) {  

    // 視線方向水平面の距離データを取得します  
    // Get distance vector along a horizontal plane
    ViewImage *img = m_view->distanceSensor1D();  
    char *buf = img->getBuffer();  
  
    // データの長さを取得します   
    // Get length of the data array
    int length = img->getBufferLength();  

    // 視線方向からの角度
    double theta = 0.0;
  
    // 水平面内の距離データの最小値を求めます  
    // Calculate minimum distance value in the array
    for(int i = 0; i < length; i++){  
      unsigned char tmp_distance = (unsigned char)buf[i];  
      if(tmp_distance < distance){  
	// 配列の位置から視線方向からの角度を取得します
	// Calculate view angle from index of an array
	theta = fovx*i/319.0 - fovx/2.0;
	distance = buf[i];  
      }  
    }  
    LOG_MSG(("theta = %.1f, distance = %d",theta, distance));  
    delete img;  
  }    
  //距離が100以下であれば向きを変えます    
  // Change direction if the distance is shorter than 100
  if(distance < 100){    
    my->setAxisAndAngle(0.0, 1.0, 0.0, (double)rand()/RAND_MAX * 2*PI, true);    
  }     
  return 0.1;    
}     
    
extern "C" Controller * createController ()    
{    
  return new RobotController;    
}    
}}

In this example, the robot changes direction when the shortest distance in the distance vector is shorter than 100cm.

このサンプルは水平面の距離データの最小値（いちばん近い距離）が100cm以下の場合に方向を変えるサンプルです。
distanceSensor1D() gets the distance vector along a horizontal plane which position is identical to a target camera.
Class of the return value is ViewImage.

distanceSensor1D()で視線方向の水平面に沿った1次元の距離データを取得します。戻り値はViewImageクラスです。
デフォルトではカメラの水平方向の視野角を320等分したデータを取得します。距離データを取得するにはgetBuffer()を使います。0が横方向の視野角内のいちばん左、319がいちばん右のデータになります。
The range of the measurable angle is identical to the horizontal angle of camera view.
The size of the vector is 320 in initial setting; each array element is corresponded to each pixel.
getBuffer() should be used to get each distance value from the array. array[0] corresponds to the leftmost pixel; array[319] corresponds to the rightmost pixel.

*** Seeting of view angle [#le004fb7]

***視野角の設定 [#fdc0feb2]
カメラの水平方向視野角は直接設定することはできませんが、垂直方向視野角とアスペクト比を世界ファイルで設定することにより調節できます。
You can change the horizontal view angle with vertical view angle and aspect ratio in a world file.

ただし、視野角が大きくなると解像度が悪くなるため、視野角(水平方向)30°～80°くらいの範囲に設定することをお勧めします。
Due to the resolution quality, the recommended horizontal angle is from 30(deg) to 80(deg).

***コンパイル [#ra011e6b]
コンパイルします。
*** Compile [#j3ddf3a3]

Enter the following command to compile.

 $ ./sigmake.sh distanceSensor1D.cpp


***世界ファイル修正 [#o2d976b2]
コントローラdistanceSensor1D.soに変えます。
*** Edit of the world file [#qa3ffb5d]

Change the controller to distanceSensor1D.so

 $ emacs distanceSensor.xml

#highlight(xml:firstline[13]){{
    <!--コントローラの指定-->
    <!--assignment of controller-->
    <set-attr-value name="implementation"
                    value="./distanceSensor.so"/>
}}
　        ↓
#highlight(xml:firstline[13]){{
    <!--コントローラの指定-->
    <!--assignment of controller-->
    <set-attr-value name="implementation"
                    value="./distanceSensor1D.so"/>
}}


***実行 [#o60b67bd]
*** Execution [#m3c8b021]

Enter the following command to execute.

実行してみましょう。
 $ sigserver.sh  -w ./distanceSensor.xml

先ほどのサンプルでは近くにオブジェクトがあっても視線方向と外れていたら向きを変えませんでした。
このサンプルでは近くにオブジェクトがあれば向きを変えます。
4つのオブジェクトに囲まれたロボットはなかなか外に出られなくなります。
In this example, quality of the avoidance behavior becomes better.
The robot cannot escape from the four obstacles.

**2次元距離データ取得 [#z93a6d1d]
次は視野全体の距離データを取得します。
***コントローラ [#n495b830]

コントローラを新しく作成します。
** Measurement of 2D matrix distance [#c26b360c]

This section explains how to get the 2D matrix distance.

*** Edit of controller [#v5b64855]

Edit another new controller.

 $ emacs distanceSensor2D.cpp

distanceSensor2D.cpp

#highlight(cpp){{
#include <Controller.h>    
#include <ControllerEvent.h>    
#include <Logger.h>    
#include <ViewImage.h>    
#include <math.h>    
#include <stdio.h>    
#include <stdlib.h>    
    
#define PI 3.141592    
#define DEG2RAD(DEG) ( (PI) * (DEG) / 180.0 )    
    
class RobotController : public Controller    
{    
public:    
  void onInit(InitEvent &evt);    
  double onAction(ActionEvent &evt);    
private:     
    
  //移動速度    
  // velocity of a robot
  double vel;    
  ViewService *m_view;  
};     
    
void RobotController::onInit(InitEvent &evt)    
{    
  m_view = (ViewService*)connectToService("SIGViewer");  
  vel      = 2.0;    
  srand(time(NULL));    
}      
    
//定期的に呼び出される関数    
//Callback function which is called at fixed intervals.
double RobotController::onAction(ActionEvent &evt)    
{     
  SimObj *my = getObj(myname());    
    
  //自分の位置を得ます
  // Get current self-position
  Vector3d pos;
  my->getPosition(pos);    
    
  //自分の回転を得ます（クオータニオン）    
  // Get current self-orientation
  Rotation rot;
  my->getRotation(rot);
  double qy = rot.qy();    
  double qw = rot.qw();
 
  double tmp = qy*qw;
  if(tmp < 0) qy = -qy;
  
  //クオータニオンから回転角を導出します    
  // Calculate angle from quaternion
  double theta = 2*asin(qy);    

  double dx = 0;    
  double dz = 0;    
    
  //移動する方向を決定します  
  // Calculate moving direction
  dx = sin(theta) * vel;    
  dz = cos(theta) * vel;    
    
  //移動します    
  // Execution of move
  my->setPosition( pos.x() + dx, pos.y() , pos.z() + dz );    
  
  // カメラの垂直方向の視野角(rad)を取得します
  // Get vertical view angle of the camera (rad)
  double fovy = my->getCamFOV() * PI / 180.0;

  // アスペクト比を取得します
  // Calculate aspect ratio
  double ar = my->getCamAS();
  
  // カメラの水平方向の視野角(deg)を計算します
  // Calculate horizontal view angle phi(deg)
  double fovx = 2 * atan(tan(fovy*0.5)*ar) * 180.0 / PI;

  // カメラの垂直方向の視野角(deg)を計算します
  // Calculate vertical view angle phi(deg)
  fovy = fovy * 180.0 / PI;

  unsigned char distance = 255;  
  if(m_view != NULL) {  

    // 視線方向水平面の距離データを取得します  
    // Gets the distance matrix
    ViewImage *img = m_view->distanceSensor2D();  
    char *buf = img->getBuffer();  
  
    // 距離データ画像の幅取得
    // Width of the distance matrix
    int width = img->getWidth();

    // 距離データ画像の高さ取得
    // Height of the distance matrix
    int height = img->getHeight();

    // 視線方向からの水平面の角度
    // Horizontal angle (origin is direction of a camera)
    double phi = 0.0;

    // 視線方向からの垂直方向の角度
    // Vertical angle (origin is direction of a camera)
    double theta = 0.0;
  
    // 距離データの最小値を求めます  
    // Calculate of minimum distance in the distance matrix
    for(int i = 0; i < width; i++){  
      for(int j = 0; j < height; j++){
	int index = j *width + i;
	unsigned char tmp_distance = (unsigned char)buf[index];
	if(tmp_distance < distance){

	  // 水平方向における視線方向からの角度(rad)を計算します
	  // Calculate horizontal view angle phi(rad) from a index of pixel.
	  phi   = fovx*i/(width-1.0) - fovx/2.0;
	  
	  // 垂直方向における視線方向からの角度(rad)を計算します
	  // Calculate vertical view angle theta(rad) from a index of pixel.
	  theta = fovy*j/(height-1.0) - fovy/2.0;
	  
	  distance = buf[index];  
	}
      }  
    }  
    LOG_MSG(("phi = %.1f, theta = %.1f, distance = %d",phi, theta, distance));  

    //距離が100以下であれば向きを変えます    
    // Chage the orientation if the distance is less than 100
    if(distance < 100){    
      my->setAxisAndAngle(0.0, 1.0, 0.0, (double)rand()/RAND_MAX * 2*PI, true);    
      // 向きを変える瞬間の距離画像を保存します
      // Save a range imagery at this moment
      img->saveAsWindowsBMP("distance.bmp");
    }     
    delete img;  
  }    
  return 0.2;
}     
    
extern "C" Controller * createController ()    
{    
  return new RobotController;    
}    

}}

distanceSensor2D()により2次元距離データを取得します。
distanceSensor2D() gets the distance matrix.

取得した距離データの配列位置からその方向を極座標系で得ることができます。
このサンプルでは方向をカメラ視線方向を基準に垂直方向の角度Θと水平方向の角度φで求めています。

captureViewで取得した画像と同様に距離データをファイルに保存する場合は以下の関数を使います。
In this sample, theta (vertical angle) and phi (horizontal angle) in polar coordinate are calculated from pixel position.


Use the following function to save the depth map image as well as captureView().

#highlight(cpp:firstline[113]){{
 img->saveAsWindowsBMP("distance.bmp");
}}

***世界ファイル修正 [#pe8c0031]
*** Edit of world file [#ie0b1fde]

 $ emacs distanceSensor.xml

コントローラをdistanceSensor1D.soからdistanceSensor2D.soに変えます。
Change the controller from distanceSensor1D.so to distanceSensor2D.so.

***実行 [#taae64c5]
それでは実行してみましょう。
*** Execution [#s084d018]

Enter the following command to execute.

 $ sigserver.sh -w ./distanceSensor.xml


保存した距離データ画像を見てみると以下のような距離データが見ることができます。
#ref(distance.bmp)
The depth map image will be created as shown below:

#ref(distance.jpg)


#highlight(end)

遠いオブジェクトほど色が薄くなり、近いオブジェクトほど色が濃くなっています。
Further distance is shown by dark; shorter distance is shown by light.


*Old Version [#gadb4153]
-[[距離センサ(v2.0系)]]
-[[距離センサ(v120330, v1.4.8)]]

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