JP2002072050A - カメラの較正を行うための方法及び装置 - Google Patents
カメラの較正を行うための方法及び装置Info
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- H04N17/002—Diagnosis, testing or measuring for television systems or their details for television cameras
Abstract
システム較正方法を提供する。 【解決手段】 本発明によるカメラとレンズの較正は2
つの段階を含む。第1段階は、レンズシステムの内因的
特性を特定し、これらの特性を含むコンピュータファイ
ルを生成する工程を含む。第1段階は、全ての使用機会
のために一度だけ実施される。第2段階は、現場でカメ
ラがレンズと共に使用される都度実施されるものであ
り、カメラの配置を検出するセンサー及びレンズシステ
ムのセッティングを検出するセンサーからの信号と、実
際の特性との間の伝達関数を、前記ファイルと、表示さ
れるべき風景内の特性点を撮影して取得される信号とに
基づいて特定するために、カメラとレンズとを備えたパ
ッケージを現場において較正する工程を含む。
Description
変更可能な光学特性(ズーム及び焦点)を有するカメラ
レンズシステムに関するものである。このレンズシステ
ムは、“計装”カメラ、すなわち、カメラの架台に対す
るカメラの角度位置を示す信号を発するセンサーをそれ
自体が備えているカメラに取付けられるものである。特
に重要なことは、本発明が、カメラによって撮影される
像に含まれ空間内の固定位置に配置された目標領域の表
現を、保存されている“モデル”またはパターンに置き
換えることが可能な装置に組込まれたカメラと共に用い
られるレンズシステムに応用されることである。但し本
発明の用途は、このようなレンズシステムに限定される
ものではない。上記モデルは、静止画でも動画でもよ
く、また適切にスケール決めが行われる。固定領域の位
置及び領域は、計算手段と画像合成手段とを備えた装置
内に保存される。画像合成手段は、モデルに与えるべき
変形または“歪み”を計算する機能と、変形されたモデ
ルを重畳させる機能とを有している。
ルエンコーダである。デジタルエンコーダは、ドリフト
(偏移)することがなく、データ処理装置において直接
使用可能な出力を発信するという利点を有している。
る。このような装置において、使用時に満足できる精度
を確保するためには、現場において撮影に先立ち、時間
と労力を要する較正を行う必要がある。較正の際、カメ
ラの操作者は、全体空間の中で、ズーム倍率及び焦点位
置を変えながら走査可能な種々の部位に次々と狙いをつ
け、撮影結果と、観測風景における近接・遠方固定基準
点とを用いて、種々のセンサーの較正を行う。
るべき伝達関数及び特性の一部はレンズシステム自体に
固有すなわち内因的であり、その他の特性は、レンズシ
ステムとカメラとの接続部に依存する、すなわち“外因
的”であるということを見出した。特に、ある1つのレ
ンズを取り上げた場合、回避しがたい公差(摩耗)、組
立て条件、画像標準のために、感光性アレイからなる焦
点面に対して常に正確に同位置をとるとは限らない。
いカメラまたは新しい位置設定が用いられる都度、現場
で実施しなければならない操作を、大幅に簡略化するこ
とである。
に本発明は、 −レンズシステムの内因的特性またはパラメータを全て
の使用機会に対して一度だけ較正し、前記特性を含むコ
ンピュータファイルを生成する段階と、 −組立てられたカメラとレンズシステムを現場で較正し
て、カメラ配置センサー及びレンズシステムセンサーが
発する信号と、実際の特性との間の伝達関数を、前記フ
ァイルと、観測されるべき風景内の特性点を撮影して取
得される信号とに基づいて特定する段階と、を含む較正
方法を提供する。
着されデジタルコーダからなるズームセンサー(Z)及
び焦点センサー(F)からの信号と、焦点距離及び幾何
学的歪みの実際値とを対応付ける対応表を形成すること
を可能にする較正方法を提供する。この較正方法は、 (a)全ての使用機会に対して一度だけ、レンズの内因
的特性を特定する段階と、 (b)レンズが特定の目的でカメラに装着された後に被
写体を再設定する段階と、を含む。
る。なぜなら、現場操作は、専門家ではなくても慣れた
操作者であれば数分で行える数回の撮影を行うだけに削
減されるからである。この際、レンズシステムの内因的
特性の全ては、既に利用可能な状態になっている。レン
ズシステムの較正ファイルを単に選択し、システムの不
変項(カメラヘッドのタイプ、カメラヘッド上のカメラ
の位置)を入力し、必要な撮影を行う。加えて本方法は
高い精度を実現できる。なぜなら、内因的較正は操作上
の制約とは無関係に実施されるからである。
成されたカメラレンズの用途に使用可能なアセンブリま
たはパッケージを提供する。このアッセンブリは、レン
ズ自体と、このレンズに付随し、現場較正に使用される
コンピュータにロード可能なファイル(ROMファイ
ル、フラッシュメモリー、ディスク)とを備えている。
ありかつレンズシステムの内因的特性を含むデータベー
スと該データベースに対応したプログラムとを有するソ
フトウェアを提供する。前記プログラムは、レンズシス
テムがカメラに装着された状態で、外因的特性を特定し
カメラが撮影する風景と表示画像との間の完全な2次元
(2D)伝達関数を決定するために現場で行われる測定
にも対応している。
上に装着されデジタルコーダからなるズームセンサー
(Z)及び焦点センサー(F)からの信号と、焦点距離
及び幾何学的歪みの実際値とを対応付ける対応表を形成
することを可能にする較正方法が提供される。この較正
方法は、 (a)レンズの内因的特性を特定するために、レンズが
カメラに装着された後に、全ての使用機会に対して一度
だけ実施され、 −カメラを用い、異なるパン振り配置及び傾斜配置、及
び異なるズーム値及び焦点値(焦点は焦点距離に影響す
る)で複数の撮影を行う工程と、 −各撮影において、コーダからの信号と、該撮影の風景
画像に含まれる近距離と遠距離の少なくとも2点の位置
とを読取る工程と、 −信号値とカメラ撮影された画像内の点の位置とを比較
することによって内因的較正表を作成する工程と、を含
む段階と、 (b)レンズが現場で使用されるカメラに装着された後
に現場で実施され、 −操作条件(例えば、PAL、NTSC、…、標準;
4/3または16/9画像比、高解像度、…、画像サイ
ズ; バランス取りした後のカメラヘッド上のカメラ位
置、など)を特定する工程と、 −被写体を再設定する必要がある場合、及びピクセル扁
平率を含むパラメータを特定する必要がある場合にの
み、段階(a)における操作のいくつかを繰返す工程
と、を含む段階と、を備えている
は、最短合焦距離よりわずかに遠方に配置された点光
源、例えば発光ダイオード(LED)またはレーザーダ
イオードである。遠距離点は、無限遠点、好ましくは少
なくとも100m離れた点である。
は、現場または離隔地で包括的に実行される計算に先立
って実施されるべきである。例えば、これらの測定は、
複数のステップで規定されたプログラムを用いて実行す
ることができる。各ステップは、同一のズームセッティ
ングに異なる複数の焦点セッティングを組合せて実行さ
れる。
で、レンズを、2種類の1変数関数を表記する2つの表
の形態の数学的モデルで表現することが可能になる。そ
れに対して、ズーム特性と焦点特性とを分離しない場合
には、2変数を含む表が必要になり、解析が難しくな
る。換言すれば、レンズは、1変数関数のみを用いた数
学的モデルで表現される。
較正が可能であり、較正ソフトウェアを公開する必要が
ないことである。これは、段階(a)における最後の2
工程を分離しなければ不可能である。アプリケーション
サーバはSMTPプロトコルを用いることにより利用可
能となり、その一方で較正装置は一時的にインターネッ
トに接続される。インターネット接続のために、以下に
述べる“スナップ撮影”によって得られたデータはサー
バへ送られる。サーバは較正ファイルを送ると応答す
る。較正ファイルはコード化してもよい。
も1つのジャイロセンサー(ジャイロスコープまたはレ
ートジャイロ)を組合せることができる。ジャイロセン
サーは、例えばカメラヘッドに振動が加えられた際(ス
タジアム内の場合など)に、カメラヘッドセンサーから
の信号に加えて角度測定値を発信する。ジャイロセンサ
ーは傾斜角を測定するためのものである。傾斜角は、ア
ンバランスによって誤差を生じ得る。カメラのバランス
取りは静的に行われ、動的には行われない。カメラが静
止状態にある限りバランスは保たれるが、振動の影響の
もと(構造が堅固であれば多くの場合鉛直軸に沿った動
き)では、並進運動が傾動角を与える。例えば、水平方
向の並進運動に対して厄介な共振モードを有するような
構造の場合には、パン振りに応答する第2のジャイロセ
ンサーを設けてもよい。
のデータは、従来方式で直接利用することも、可聴周波
数信号に変換することもできる。可聴周波数信号に変換
すれば、データ転送及び/またはデータ記録に、通常の
視聴覚環境を使用することができる。
特徴は、非限定的な実施形態に関する以下の説明を読む
ことによって、より明瞭になる。
え、ヘッド支持部12は、架台10上でパン振り軸14
回りに回転可能であるように構成されている。ヘッド1
6は、支持部12に対して傾動軸18回りに回動可能と
されている。カメラヘッドには、焦点リング22とズー
ムリング24とを備えたレンズ20が装着されている。
これら2つのリングは、それぞれ、高分解能の絶対角度
エンコーダを備えている。支持部に対する傾斜角φはセ
ンサー26によって検出される。パン振り軸に関する角
度θはセンサー30によって検出される。全てのセンサ
ーは収集用電子機器32に接続されている。収集用電子
機器32はセンサーから受けた信号を、逐次信号(RS23
2, RS422)の形態に変換したり、音声変調したりする。
ーからの信号を利用して、風景の中で動かない目標領域
が画像中のどこに位置しているかを正確に把握する必要
があり、また、この把握を、カメラのズーム、焦点、ま
たは配置とは無関係に行うことが必要である。これらの
パラメータが組合わされた場合、残念ながら、画像変換
は簡単な相似変換からはかけ離れたものになり、同タイ
プの全てのレンズに共通のものでもない。
てのズーム位置及び焦点位置に対するレンズの挙動を記
憶することを可能にする。
生成する。次いでレンズは、較正済みレンズのデータベ
ースに入れられる。同一メーカーの同一モデルのレンズ
であっても各々について較正が必要であるが、各レンズ
について一度だけ較正を行えばレンズは常時使用可能で
ある。 −レンズとカメラのセッティング(Lens Camera Settin
g; LCS)として知られる外因的較正 この工程は、アライメント誤差を生じさせる特定のカメ
ラに対して着脱されるレンズに関連する操作上の制約を
考慮に入れる(画像フォーマット)。アライメント誤差
は、単一のカメラでも、異なるカメラ間でも生じる。同
一レンズを同一カメラに改めて装着する場合であって
も、レンズをカメラに装着するたびにLCSを行う必要
がある(機械的誤差による)。
カメラの挙動は、ズームセンサーZ及び焦点センサーF
から発せられる一連の数値のために保存され、こうして
補完が可能になる。
距離fの関数として変化する複数のパラメータを定義す
ることによってモデル化される。 −距離が既知である2つの目標点に対する絶対焦点距
離; 目標点の一方は距離無限大のP1、他方は近接点
P2(レンズのタイプに応じて5m〜15mの範囲から
選択される)である。 −放射方向の幾何学的変形を表現する係数K −焦点セッティングに関連する焦点距離補正及び、ズー
ムに無関係の一般的パラメータとして、 −アイポジション −扁平率(感光性領域におけるピクセルの高さと幅との
比) −水平撮影における傾斜角; このような状況では傾斜
角センサーがゼロを表示しないからである。
ポジションが鉛直軸すなわちパン撮り軸に一致している
場合、近接点(例えば窓ガラス枠)から距離無限大の点
へとパン撮りした際に視差は見えない。
ら始める。P1及びP2は選択された点;F1及びF2
は、P1,P2のために選択された最大ズーム状態(最
高倍率またはズームイン状態)における焦点距離;F3
は、1.1F2と最短合焦距離におけるFの値との間で
任意に選択された焦点距離、Z1,…,Zi,…,Zn
は参照ズーム値;T,B,L,R,C,TL,BR,T
R,BLは、画像上の一点がカメラを操作することによ
って取る9つの位置である(図4)。操作者は、6つの
初期化操作を行うことから始める。“スナップ撮影”と
称される各操作の間、操作者は、観測中の点が上記9つ
の位置のうちの1つに来るようにカメラを操作し、点毎
にクリック操作をする。各操作において、センサーから
受ける数値、及び、風景内の点とカメラとの距離が保存
される。 P1,F1,Zn,C P1,F1,Z1,C P1,F1,Z1,L P1,F1,Z1,R P2,F2,Zn,C P1,F1,Z1,B
に操作者は、広角(ズームアウト)Z1及び望遠(ズー
ムイン)Znにおける測定に移る。
した広角及び望遠条件 操作者は広角条件を定義するために5回のスナップ撮影
を行う。 P1,F1,Z1,T P1,F1,Z1,TL P2,F1,Z1,T P2,F2,Z1,T P2,F3,Z1,T 次に、望遠のために5回のスナップ撮影を行う。 P1,F1,Zn,H P1,F1,Zn,TL P2,F1,Zn,T P2,F2,Zn,T P2,F3,Zn,T この段階の終了時、包括パラメータの初期値として省略
時の値を入力し、ソフトウェアによって最初の一連計算
が行われる。 (計算プログラム)以下の計算を収束するまで実行する 5つのZ1スナップからZ1ズームパラメータを決定す
る 5つのZnスナップからZnズームパラメータを決定す
る 6つのDスナップ初期化から包括パラメータを決定する
者に対してスナップの検証を行うか、スナップ撮影をや
り直すことを指示するように構成されている。
再帰することができるように、上記スナップ及び以下の
スナップの全てはコンピュータのメモリーに保存され
る。
像全体で200ピクセル×150ピクセルのウィンドウ
を有し、これは約60kバイトに相当する。
が行われる。各ズーム条件において操作者は、それぞれ
5回のスナップ撮影を行う。 P1,F1,Zi,T P1,F1,Zi,TL P2,F1,Zi,T P2,F2,Zi,T P2,F3,Zi,T
て、各ズーム値Ziに対するズーム関連パラメータが計
算される。ソフトウェアは、収束しない場合に、操作者
に対してスナップの検証を行うか、再試行を行うことを
指示するように構成されている。
する焦点距離であり、焦点合せはそこまで重要ではな
い。焦点距離の値を用いることによって、画像点と3次
元(3D)空間における座標との間の変換が可能であ
る。
定義することを可能にする。この一連の過程では、 −先行するパラメータのみが必要とされる −未知のパラメータは変化しない
Cy)の光学中心を決定する。 2)基準カメラの扁平率=Yピクセル/Xピクセルを決
定する。 3)一定焦点のためのズームの関数である絶対焦点距離
を決定する。 4)1+ε(Focus)の形態の焦点補正を行う。ここ
で、ε(Focus)=A×Focus2+B×Focus+C であ
る。 5)放射方向歪み係数Kを決定する。係数Kは、公式
r′=r+Kr3 に含まれる。 ここで、rは光学中心までの距離、Kは焦点距離のみの
関数であり、樽形歪みの場合は正の値を、糸巻き形歪み
の場合は負の値をとる。
る。 −固定パラメータ −次のような曲線 −一定焦点における焦点距離(ズーム) −一定焦点における(焦点距離の)K値 −一定焦点におけるアイポジション(焦点距離) −焦点補正(焦点距離)
Ziで定義されるズームのための区分的対数関数であ
り、それらは、焦点補正のための2次多項式である。そ
れらは、数学的モデルにおけるパラメータのための特定
の数値の形態で保存される。
または離隔サーバー環境で実行された結果は、読取り専
用メモリー(ROM)またはフラッシュメモリーの形態
のファイルで、またはハードディスクに保存される。
り近い較正パラメータを含むファイルが利用可能にな
る。
ズが装着された場合、光学中心にわずかなずれが生じ、
これが誤差を生じさせる。カメラバランスが“アイポジ
ション”を移動させ、視差効果を生み出す(カメラの回
転は符号不明のわずかな移動を与える)。視差効果は、
対象物が近接している場合に最も厄介なものである。画
像センサーは、画像標準に応じて、異なる幾何形状と大
きさを有していてもよい。
Sとも称される外因的較正は、較正データの調整に相当
する。外因的較正は、カメラの初期化に伴う定常パラメ
ータの再計算以外のことは行わず、以下の2つ要因に起
因するパラメータを含む。 −レンズとカメラの結合 −光学中心(Cx,Cy); −ピクセル比(Yピクセル/Xピクセル=ピクセル扁平
率); −焦点距離スケール調整(絶対焦点距離); −基板オフセット調整(アイポジションのための基礎
値) −絶対焦点距離スケールの調整 −カメラとヘッドの結合(各パラメータに対して多数の
要因を含む): −ロール: マトリックスの水平軸は傾動軸に対して所
定角度を有している、架台上におけるカメラ基板オフセ
ットの調整 −傾斜零位: 光軸がパン振り軸に対して正確に直交し
ている場合に傾斜角エンコーダから受ける数値
うな他のパラメータを考慮してもよい。 −パン振り零位(光軸が傾動軸に対して正確に平行では
ない) −焦点零位(終端点の信頼性が低いレンズもある) −ズーム零位(終端点の信頼性が低いレンズもある)
想モデルを目標物の位置に挿入するための後置システム
とに、画像中において挿入が行われるべき正確な位置を
特定させる要素を供給することを可能とするために、現
場の操作者は、上記操作1,2を実行して光学中心及び
扁平率を特定し、また、絶対焦点距離を決定する。レン
ズに関連したプログラムを含むコンピュータは、レンズ
に関連したファイルが供給されると、定常パラメータを
再設定する。このようにして、図5に示すような数学的
モデルが得られる。換言すれば、センサーが発信した情
報は、画像中の目標物の正確な位置が再現され、こうし
て、モデルが適切にスケール決めされた後(そして、お
そらくレンズの遠近収差または幾何学的収差による変形
を含む)に、対象物がモデルによって置換可能となるよ
うに、または、スケール決めされたモデルを半透明形態
で対象物に付加することが可能であるように、修正され
る。
と、目標領域を変更可能であるように構成された計測器
を有するカメラのヘッド部とを示す図である。
ッドの一般的支持方法(いわゆる“赤道”儀とは対照
的)を示す図である。
を示す図である。
イプを示す図である。
いて風景内の同一の基準点が配置されるべき位置を示す
図である。
概要チャートである。
Claims (6)
- 【請求項1】 少なくともカメラのパン振り角と傾斜角
とを表示する信号を発するセンサーを備えたカメラ上で
現場において使用される際に調整可能なパラメータを含
むカメラレンズシステムを較正する方法であって、 (a)前記レンズシステムに固有でありかつ全ての使用
機会に対して一度だけ実施される第1の較正を実行する
ために、基準カメラに装着された際の前記カメラレンズ
システムの内因的特性を特定し、前記内因的特性を含む
コンピュータファイルを生成する段階と、 (b)前記カメラセンサー、及び前記調整可能パラメー
タの値に対応した信号を発信するレンズシステムセンサ
ーからの信号を、前記パラメータの実際値に関連付ける
伝達関数を、前記ファイルと、前記現場カメラで観測さ
れるべき風景内の既定特性点を撮影して取得される信号
とに基づいて特定するために、前記現場カメラと該現場
カメラに装着された前記レンズシステムとを備えたアッ
センブリを、前記レンズシステムが現場で使用される都
度、現場においてさらに較正する段階と、を含むことを
特徴とする方法。 - 【請求項2】 レンズシステムが装着されたカメラのた
めの較正方法であり、前記カメラレンズ上に装着されデ
ジタルコーダからなるズームセンサー(Z)及び焦点セ
ンサー(F)からの信号と、焦点距離及び幾何学的歪み
の実際値とを対応付ける対応表を形成することを可能に
する較正方法であって、 (a)前記レンズの内因的特性を特定するために、前記
レンズがカメラに装着された後に、全ての使用機会に対
して一度だけ実施され、 −前記カメラを用い、異なるパン振り配置及び傾斜配
置、及び異なるズーム値及び焦点値(焦点は焦点距離に
影響する)で複数の撮影を行う工程と、 −前記各撮影において、前記コーダからの信号と、該撮
影の風景画像に含まれる近距離と遠距離の少なくとも2
点の位置とを読取る工程と、 −前記信号値と前記カメラ撮影された画像内の点の位置
とを比較することによって内因的較正表を作成する工程
と、を含む段階と、 (b)前記レンズが現場で使用されるカメラに装着され
た後に現場で実施され、 −操作条件を特定する工程と、 −被写体を再設定する必要がある場合にのみ、段階
(a)における操作を少数回繰返す工程と、を含む段階
と、を備えていることを特徴とする方法。 - 【請求項3】 段階(a)において観測される前記近距
離点は、最短合焦距離よりわずかに遠方に配置されたレ
ーザーダイオードであることを特徴とする請求項1また
は2に記載の方法。 - 【請求項4】 段階(a)における全ての測定は、包括
的に実行される計算に先立って実施されることを特徴と
する請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項5】 前記レンズは、1入力変数関数のみを用
いた数学的モデルによって表現されることを特徴とする
請求項2から4のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項6】 前記計装カメラの状態を表示する前記セ
ンサーからのデータセットは、音声信号に変換され、そ
の伝送及び記録には、視聴覚環境が使用されることを特
徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の方法。
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