JP2006030157A - カメラ校正のための透過型校正器具とその校正法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の校正器具は、複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具であって、その指標点としては枠体に対し厚み方向に位置を変えて張った細線の交点として形成したもの、平行な複数の細線群を方向を異ならせて張った細線の交点群として形成し、この指標群を少なくとも2組、同一平面上でない関係で配置したもの、透明素材内に識別可能な微粒子を分布させたり、素材面に施したマークなどで具体化する。また、透過型カメラ校正器具とそれに追加された平板器具と光ビームを用いることで、個々に分離して配置された複数カメラを同一の座標系として校正を行なう。
【選択図】 図17
Description
また、長い間隔で個々に分離して配置された複数カメラの各カメラパラメータを同一の座標系で扱うための技術を提供する。
また、本発明のカメラ校正方法は、複数の指標点が特定の色フィルターで識別可能なマークとされ、観察画像と指標点とを重ね撮りした画像からカメラの外部・内部パラメータを推定するものである。更には、カメラにマークの特定色を通過又はカットできる切替フィルターを備えて、前記複数の指標点を撮像してその画像からカメラの外部・内部パラメータを推定する。
本発明の透過型カメラ校正器具を用いた校正で、フォーカス調整を必要とする場合の校正法は、1台のカメラにおけるフォーカスを調整して観察画像と、校正画像を得る形態、位置関係が既知である2台のカメラの一方で観察画像を他方のカメラで校正画像を撮影する形態、そして遠方の被写体と至近位置の複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具にフォーカスを調整した1台の多重フォーカスカメラを用い、一方で観察画像を、他方で校正画像を得てカメラの位置・姿勢を解析する形態とを提示する。更には多重フォーカスカメラとしてズーム機能を有するものを用い、ズーム変化に伴う校正画像から焦点距離などを解析する形態を提示する。
本発明のステレオカメラ校正方法は、異なる位置に配置された2台のカメラの前方に、透過型カメラ校正器具をワールド座標系においてそれぞれ既知の位置関係で配置し、該透過型カメラ校正器具の指標画像から前記2台のカメラパラメータを解析するものである。
また、本発明のステレオカメラ校正方法は、異なる位置に配置された2台のカメラの前方に、表面に蛍光物質が配置された透明板と励起用ビームを照射する光源とで空間的に分布固定された複数の指標点を形成する透過型カメラ校正器具と他の透過型カメラ校正器具が組み合わされた複合型校正器具をワールド座標系においてそれぞれ静止状態で配置し、1光源から照射される4本以上の光ビームが透明板と交差する点の撮像画像と他方の透過型カメラ校正器具の指標画像から前記2台のカメラパラメータを解析するものである。
なお、撮影範囲や使用目的においては、校正パターンが写っていても問題にならないことが考えられる。この様な場合では、撮影画像と校正画像の各々の撮影を行なわず、1度の撮影で済ますことができる。
そして、蛍光物質が配置された透明板と励起ビームを照射する光源の組合せからなる透過性校正器具と他の前記透過性校正器具とを相対位置固定の状態で一体化した複合型校正器具を用い、1光源から照射される4本以上の光ビームが平板器具と交差する点を指標とした場合、ステレオカメラ間の距離が長くても両平板面の相対的位置・姿勢を検知することができる。これによって、遠方の被写体のステレオ視が感度良く実現できる。また、異なる位置に配置された複数台のカメラの前方に、蛍光物質が配置された透明板を配置すると共に、いずれの平板器具についても1光源から照射される4本以上の励起ビーム光が少なくとも他の1枚の平板器具と交差するように組合せて配置し、前記交差する点の撮像画像と他方の透過型カメラ校正器具の指標画像からカメラパラメータを解析するものは、複数のカメラの位置・姿勢関係が把握できるので野球場やサッカー場、空港など大きなスペースでの多眼ステレオ視が高精度に実現できる。
本発明の校正方法は熱、振動等の経年劣化等によるカメラ位置・姿勢の変化が把握できるので信頼性向上につながる。また、従来の校正法では、校正後に校正器具を取り除くため、ワールド座標系の姿勢や原点位置の特定が困難であり、実運用において支障が生じたが、本発明の手法では、透過型カメラ校正器具が示すワールド座標系を明確に特定できる利点がある。更に、ズーム機構を備えたカメラにあっては従来では厄介とされていたズーム変更に伴うカメラパラメータの校正にも容易に対応できる。
透明素材内に識別可能な色フィルターや蛍光物質が配置された透明板と励起ビームを照射する光源の組合せで複数の指標点具体化した透過型カメラ校正器具の場合も、結像ボケをおこす至近距離におかなくても被写体画像の撮影に際しては邪魔と成らないように操作できる。
本発明に係る校正器具はコンパクトな構造であるからカメラと共に持ち運びも設置も容易であり、多様な形態のカメラシステムへの適用や既存のカメラシステムヘの追加適用が期待できる。
本発明では、透過型のカメラ校正器具を提案することで、この問題の解決を図るようにした。本明細書で透過型カメラ校正器具とは、校正器具を介在しても、その向こう側にある被写体をカメラ撮影可能な器具を意味する。本発明はこの透過型カメラ校正器具の特性を利用し、カメラの直前に設置した状態で使用するものとした。一般のカメラには、フォーカス調整の問題があり、フォーカスが合わないと対象が撮像面で結像せずにボケてしまう。本発明の透過型カメラ校正器具は、このカメラの特性を利用するものであって、フォーカスを至近距離に合わせた場合は、カメラ直前に設置した透過型カメラ校正器具がはっきりと撮影できる。一方フォーカスを遠方にある撮影対象である被写体に合わせた場合は、透過型カメラ校正器具を透過してその被写体像が撮影できる。この際、校正器具は光学的ボケの影響で撮像面で結像することがなく、画像質にほとんど影響を与えることはない。したがって、透過型カメラ校正器具は、観察画像の撮影にあたり撤去の必要がなく、そのまま撮影が可能であるという利点を持つ。そして、カメラの位置・姿勢を変化させた場合でも、この透過型カメラ校正器具にフォーカスを合わせた画像を取得すれば、その画像を解析することによりワールド座標系とカメラ座標系の変化量の対応が行なえる。
なお、特許文献3には色糸を格子状にかつ立体的に張り巡らせたキャリブレーション装置が開示されている。本発明の「指標点は平行な複数の細線群を方向を異ならせて張った細線の交点群として形成し、この指標群を少なくとも2組、同一平面上でない関係で配置した構成器具」と構造的に類似するが、光学軸方向の糸群の区別を色によって行うものであるため、色分けが必須という点で本発明の方向を異ならせるものと相違している。本発明が「細線群を方向を異ならせて張った」技術的意義は単に軸方向位置の判別だけでなく、画像上で他の群とのなす角度が校正情報とされる点で大きく異なる。また、上記文献には被写体画像と校正画像はフォーカスを変えて撮像し、互いの存在が他方の画像の邪魔とならないようにするという技術的思想を全く示唆していない。
また、厳密にはフォーカスの調整により、光学中心(レンズ中心、カメラ座標の原点)位置が微小に変化する現象を伴うが、この変化量を予め測定して記憶しておけばその量を考慮すること等でこの問題は解決できる。
可視域でのバンドパスフィルターであるカラーフィルターを用いることで、通常のカラーカメラに対して本方式を適用することが可能となる。ただし、この場合、遮蔽バンドとして用いる色バンドは、校正用の画像となるために、撮影画像は、フルカラーではなくなる。しかし、通常の画像計測では、単バンドの画像から行なう場合がほとんどであるので、撮影画像がフルカラーでなくても支障は少ない。
以上、校正器具の撤去設置の問題の解決を図る方法として、校正画像と観測画像の同時撮影を提案する。観測画像の校正パターンの写り込みによる干渉を防ぐために、フォーカスの使い分け、撮影バンドの使い分けを利用し、各々の透過型カメラ校正器具とその利用方法を提案する。なお、これらの方式は、状況に応じて組み合わせて利用することでより効果的な利用も可能となる。
この校正によって求めるパラメータは、カメラの位置・姿勢を表す6個の外部パラメータとカメラ固有の性質を表す5個の内部パラメータの合計11個となる。カメラの位置・姿勢を表す6個の外部パラメータは、ワールド座標とカメラ座標との相対的関係で表され、これは回転行列と平行移動ベクトルの形で表現することができる。ワールド座標において位置情報が分かっている複数n個の点をカメラで撮像した画像から6個の外部パラメータを決定する問題はPnP(perspective n-point)問題と呼ばれ、周知のものである。その様子は図18に示す。校正ステップは2段階であり、ワールド座標上の3次元点[X,Y,Z,1]Tとその点のカメラ座標上の2次元像[u,v,1]T間の射影を定める射影行列Pを求めるステップと、その射影行列から内部パラメータAと外部パラメータRとtとを求めるステップからなる。
中心射影における射影方程式は次式で表現される。
続いてこの射影行列Pを用いて、内部パラメータAと姿勢を示す外部パラメータRおよび位置を示す外部パラメータtを求める。
なお、レンズ歪係数については、一旦上記の様に外部・内部パラメータを求めた後で、非線形計算によって高精度に求めることができる。
図2のBに示したものは全周画像作製用の透過型カメラ校正器具である。カメラをパン・チルトしながら全周画像を作製する際のカメラの位置・姿勢パラメータを得るためのものとして考えられたものである。ガラスやアクリル等の透明材料4を光軸がどの方向に来てもレンズ効果を示さないように半球状に等厚形態で形成し、その表裏面に校正パターン5を形成させた例である。素材面に直接マーキングしたり複数の指標点を印刷した透明シートを張り付けるなどの方法で容易に精度良く作製することが出来る。また液状の透明素材内に微粒子5を混合分布させた後固化して指標群を形成させる方法もある。
平面Πをz=ax+by+c(c>0)とおき、4直線は次式となる。
LA:kx=z,y=0 LB:ky=z,x=0
LC:−kx=z,y=0 LD:−ky=z,x=0 ‥‥‥‥‥‥‥‥(4)
ただし、k>0とする。
平面Π上で線分PAPCと線分PBPDの交点Qは、平面Πとz軸との交点となる。PAQ,PBQ,PCQ,PDQの長さを各々A,B,C,Dとする。このA,B,C,Dとkとを用いて、平面Πの方程式の(a,b,c)を求める。交点PA,PB,PC,PDの座標は、次のようになる。
x−z面上の線分PAQ,PCQに注目すると3平方の定理から、以下の関係を得る。
(k−a)2A2=c2(1+a2)‥‥‥‥‥‥‥‥(6)
(k+a)2C2=c2(1+a2)‥‥‥‥‥‥‥‥(7)
式6と式7は右辺は等しいから左辺も等しくaについて2次方程式を解けば
式10を式6に代入してcを求める。cは正であることから
なお、空間中の平面Πは、画像平面に投影された際に射影変換による投影歪みを持つことになる。このため、観測することのできる画像上に投影された点PA、PB、PC、PDからは、平面の方程式の導出に必要な空間中の距離A、B、C、Dを知ることができない。ただし、空間中の平面Πと画像平面間の射影変換行列がわかれば、A、B、C、Dを求めることができる。この射影変換行列は、平面Π(すなわち、透明板9)上に記された4点以上の位置が既知の点を用いることで簡単に求めることができる。また、(後で説明する図17のように)透明板9と枠体1が支持竿11で固定されている場合には、透明板9と枠体1の取付け角度などの位置関係を利用して、射影変換行列を求めることができる。
また、図16の校正パターンは、円であるが、用途などに合わせて、四角形や、小さな点、直線群の交差などの多様な校正パターンを用いてもよい。
この例は飛行場でのステレオ視を想定しているので、撮影対象までの距離は遠く2台のカメラ間の距離は数十m程度必要となるが、2つの組立校正器具は連結されていない。したがって、この2つの組立校正器具の間の距離と姿勢は未知数である。そこで、まず、4本の光ビームと透明平板9が交差する点、蛍光発光されているその位置をカメラで観察することにより、前述した解析法により、2つの透明平板間の相対位置関係を求める。これによって、別体構造物である2つの組立校正器具の間の距離と姿勢はワールド座標系で示すことが出来る。この後は実施例1に示したステレオ視用の校正方法で校正を実行することが出来る。もし、画像上で指標表示がうるさいと感じるならば、透明平板上の蛍光発光した指標は常時発光させておく必要はなく、カメラの動きに応じ間欠的に励起用ビームを照射して発光させるようにすることができる。
3 指標群 4 透明材料
5 校正パターン(マーク、微粒子) 7 ドライバ
8 連結竿 9 透明平板
10 光源 11 支持竿
Claims (17)
- 指標点は平行な複数の細線群を方向を異ならせて張った細線の交点群として形成し、この指標群を少なくとも2組、同一平面上でない関係で配置することによって、複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具。
- 透明素材に識別可能な微粒子を配置することによって、複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具。
- 透明素材に識別可能なマークを配置することによって、複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具。
- 識別可能なマークは特定の色フィルターが用いられたものである請求項3に記載の透過型カメラ校正器具。
- 表面に蛍光物質が配置された透明板と励起用ビームを照射する光源とで構成される複数の指標点が空間的に分布固定された透過型カメラ校正器具。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の透過型校正器具と請求項5に記載の透過型校正器具とを相対位置固定の状態で組み合わせた複合型カメラ校正器具。
- 複数の指標点が空間的に分布固定された透過型校正器具をワールド座標系において静止状態としてカメラの前方近傍位置に設置し、被写体撮像の前後処理としてレンズのフォーカスを至近距離にして前記複数の指標点を撮像してその画像からカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 請求項4に記載の透過型校正器具をワールド座標系において静止状態としてカメラの前方に設置して観察画像と複数の指標点とを重ね撮りしてその画像からカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 請求項4に記載の透過型校正器具をワールド座標系において静止状態としてカメラの前方に設置すると共に、カメラにはマークの特定色を通過又はカットできる切替フィルターを備え、被写体撮像の前処理として特定色を通過にして前記複数の指標点を撮像してその画像からカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 2台のカメラを相対位置が既知の関係で用い、一方のカメラのフォーカスを被写体に合わせ観察用に、他方のカメラのフォーカスを複数の指標点が空間的に分布固定された透過型校正器具に合わせて校正用にしてカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 遠方の被写体と至近位置の複数の指標点が空間的に分布固定された透過型校正器具にフォーカスを調整した1台の多重フォーカスカメラを用い、一方で観察画像を、他方で校正画像を得てカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 1台の多重フォーカスカメラはズーム機能を有するものであって、ズーム変化に伴うカメラパラメータを解析するものである請求項11に記載のカメラの校正方法。
- 光源から照射される光ビームが交差する透明板の表面での散乱光を空間的に分布固定された複数の指標点とし、その画像からカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 請求項5に記載の透過型校正器具をワールド座標系において静止状態としてカメラの前方に設置して励起ビーム光により指標を表示形態に操作してその画像からカメラパラメータを解析するものであるカメラの校正方法。
- 異なる位置に配置された2台のカメラの前方に、請求項1乃至5のいずれかに記載の透過型校正器具をワールド座標系においてそれぞれ既知の位置関係で配置し、該透過型校正器具の指標画像から前記2台のカメラパラメータを解析するものであるステレオカメラの校正方法。
- 異なる位置に配置された2台のカメラの前方に、請求項6に記載の複合型校正器具をワールド座標系においてそれぞれ静止状態で配置し、1光源から照射される4本以上の光ビームが透明板と交差する点の撮像画像と他方の透過型校正器具の指標画像から前記2台のカメラパラメータを解析するものであるステレオカメラの校正方法。
- 異なる位置に配置された複数台のカメラの前方に、請求項6に記載の複合型校正器具をワールド座標系においてそれぞれ静止状態であると共に、いずれの平板器具についても1光源から照射される4本以上の光ビームが少なくとも他の1枚の平板器具と交差するように組合せて配置し、前記交差する点の撮像画像と他方の透過型校正器具の指標画像から前記組み合わされたカメラパラメータを解析するものである多眼ステレオカメラの校正方法。
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