JP2008009916A

JP2008009916A - 計測装置及び計測方法

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Publication number: JP2008009916A
Application number: JP2006182208A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Yamaguchi; 晃一郎山口
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【解決課題】全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができるようにする。
【解決手段】レーザレーダで得られた複数の点の３次元座標を、第１の画像の画像座標に変換して、第１の画像上の点に投影し（１０４）、撮像対象物の境界上の点に対応する複数の投影点を少なくとも３個選択し（１０６）、選択された第１の画像上の複数の投影点に対応する点を、第２の画像上で検索して追跡し、各投影点に対応する第２の画像の画像座標を検出する（１１０）。そして、選択された複数の投影点の第１の画像上の画像座標と、検出された第２の画像上の複数の画像座標と、選択された複数の投影点の３次元座標とに基づいて、第１の画像を撮像したときの画像撮像装置の第１の位置及び第１の姿勢と第２の画像を撮像したときの画像撮像装置の第２の位置及び第２の姿勢との変化を、ＸＹＺ軸方向の移動量及びＸＹＺ軸を基準とする回転量として算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、計測装置及び計測方法に係り、特に、画像撮像手段の移動量及び回転量を計測する計測装置及び計測方法に関する。

従来より、レーザ計測装置を搭載した移動物体の姿勢を計測する姿勢計測装置が知られている（例えば、特許文献１）。この姿勢計測装置では、レーザ計測装置により道路までの距離を計測することで姿勢を測定する。

また、画像センサ及びレーザ計測装置を用いて、移動体の位置を特定する自己位置特定方法が知られている（例えば、特許文献２）。この方法では、画像センサで得られた画像から計測目標を決定し、レーザ計測装置で計測目標の距離を計測することで移動物体の相対的な位置を計測する。
特開２００４−１７７２５２号特開２００６−３１６４２号

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、レーザセンサのみを用いて、道路面との距離を計測しているため、一部の回転成分のみが推定できるのであって、他の回転成分や、移動量を推定することができない、という問題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、画像に写っている物体との距離のみを計測し、他の角度センサで得られた回転成分を用いて、移動量を計算するものであり、画像センサとレーザセンサのみでは全ての回転成分を計算することができず、また、画像にノイズがある場合には、計算精度が低下してしまう、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができる計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る計測装置は、移動体に搭載され、前記移動体から撮像対象物を撮像する撮像手段と、前記移動体に搭載され、レーザを走査することにより、前記撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測する３次元座標計測手段と、前記撮像手段が第１の位置及び第１の姿勢となっているときに前記３次元座標計測手段によって３次元座標が計測された複数の点の各々を、前記第１の位置及び前記第１の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第１の画像上に投影する投影手段と、前記投影された複数の点から少なくとも３個の特徴点を選択する選択手段と、前記選択手段によって選択された前記特徴点の各々に対応する点を、前記第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第２の画像から検索する検索手段と、前記選択手段によって選択された前記特徴点、前記検索手段によって検索された点、及び前記３次元座標計測手段によって計測された該特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、前記第１の位置から前記第２の位置への３軸方向の移動量及び前記第１の姿勢を基準とした前記第２の姿勢の３軸を基準とする回転量を算出する算出手段とを含んで構成されている。

また、本発明に係る計測方法は、移動体に搭載され、前記移動体から撮像対象物を撮像する撮像手段と、前記移動体に搭載され、レーザを走査することにより、前記撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測する３次元座標計測手段とを備えた計測装置の計測方法であって、前記撮像手段が第１の位置及び第１の姿勢となっているときに前記３次元座標計測手段によって３次元座標が計測された複数の点の各々を、前記第１の位置及び前記第１の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第１の画像上に投影し、前記投影された複数の点から少なくとも３個の特徴点を選択し、前記選択された前記特徴点の各々に対応する点を、前記第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第２の画像から検索し、前記選択された前記特徴点、前記検索された点、及び前記３次元座標計測手段によって計測された該特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、前記第１の位置から前記第２の位置への３軸方向の移動量及び前記第１の姿勢を基準とした前記第２の姿勢の３軸を基準とする回転量を算出することを特徴としている。

本発明によれば、第１の位置及び第１の姿勢で、撮像手段によって、移動体から第１の画像を撮像し、撮像手段が第１の位置及び第１の姿勢となっているときに、３次元座標計測手段によって、レーザを走査することにより、撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測する。

また、第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で、撮像手段によって第２の画像を撮像する。

そして、３次元座標計測手段によって３次元座標が計測された複数の点の各々を、第１の画像上に投影し、投影された複数の点から少なくとも３個の特徴点を選択する。そして、選択された特徴点の各々に対応する点を、第２の画像から検索する。

選択された特徴点、検索された点、及び３次元座標計測手段によって計測された特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、画像撮像手段の第１の位置から第２の位置への３軸方向の移動量及び画像撮像手段の第１の姿勢を基準とした第２の姿勢の３軸を基準とする回転量を算出する。

従って、第１の画像と第２の画像とで対応する点を検索しやすい特徴点を選択し、選択された特徴点、検索された点、及び特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、画像撮像手段の３軸方向の移動量及び３軸を基準とする回転量を算出するため、全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができる。

本発明に係る選択手段は、３次元座標計測手段によって計測された３次元座標に基づいて、投影された複数の点から、第１の画像に撮像された撮像対象物の境界上の点を少なくとも３個選択することができる。これにより、撮像対象物の境界上の点を特徴点として選択するため、第１の画像と第２の画像とで対応する点を高精度に検索することができる。

また、本発明に係る選択手段は、第１の画像の各画素の輝度値に基づいて、投影された複数の点から、コーナー強度が周囲の点より高い点を少なくとも３個選択することができる。これにより、コーナー強度が高い点を特徴点として選択するため、第１の画像と第２の画像とで対応する点を高精度に検索することができる。

なお、コーナー強度とは、輝度の２次元的変化による勾配の大きさを表す値であり、輝度の水平方向の勾配値、及び垂直方向の勾配値に基づいて計算される。

以上説明したように、本発明の計測装置及び計測方法によれば、第１の画像と第２の画像とで対応する点を検索しやすい特徴点を選択し、選択された特徴点、検索された点、及び特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、画像撮像手段の３軸方向の移動量及び３軸を基準とする回転量を算出するため、全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る計測装置１０は、車両（図示省略）に搭載され、かつ、撮像対象物を撮像して画像を生成する画像撮像装置１２と、車両に搭載され、かつ、レーザを走査することにより、撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測するレーザレーダ１４と、画像撮像装置１２から得られる画像及びレーザレーダ１４から得られる複数の点の３次元座標に基づいて、画像撮像装置１２の移動量及び回転量を計測する計測プログラムを格納したコンピュータ１６とを備えている。

画像撮像装置１２は、撮像対象物を撮像し、画像の画像信号を生成する撮像部１８と、撮像部１８で生成された画像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２０と、Ａ／Ｄ変換された画像信号を一時的に格納するための画像メモリ２２とを備えている。

また、レーザレーダ１４は、撮像対象物に対してレーザ光を走査するように発光するレーザ発光部２４と、レーザ光の反射光を受光するレーザ受光部２６と、レーザ光を走査した撮像対象物上の複数の点に対して、レーザ発光部２４によってレーザ光を発光してから、レーザ受光部２６によって受光するまでの時間によって、距離を算出すると共に、算出された距離及びレーザ光の走査位置に基づいて、複数の点の３次元座標を演算する３次元座標演算部２８とを備えている。

コンピュータ１６に格納されている計測プログラムは、画像撮像装置１２により得られた第１の画像及びレーザレーダ１４により得られた複数の点の３次元座標を入力として、３次元座標を画像座標に変換して、画像上の点に投影する３次元点投影部３０と、画像座標へ変換された投影点から、画像上で追跡しやすい特徴点として、撮像対象物の境界上の点を選択する投影点選択部３２と、第１の画像を撮像した第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で撮像して画像撮像装置１２により得られた第２の画像、及び投影点選択部３２によって選択された第１の画像上の投影点を入力として、第１の画像の投影点を追跡し、各投影点に対応する点を第２の画像上で追跡して、各投影点に対応する点の画像座標を検出する投影点追跡部３４と、投影点追跡部３４で得られた各点における第１の画像及び第２の画像での画像座標の組、及びレーザレーダ１４により得られた３次元座標を入力として、第１の画像を撮像したときの第１の位置から第２の画像を撮像したときの第２の位置への変化を、画像撮像装置１２の運動の３軸方向の移動量として推定すると共に、第１の画像を撮像したときの第１の姿勢を基準とした第２の画像を撮像したときの第２の姿勢への変化を、画像撮像装置１２の運動の３軸を基準とする回転量として推定する運動推定部３６と、運動推定部３６の結果を出力する出力部３８とで構成されている。

次に、本実施の形態に係る計測装置１０の作用について説明する。

まず、計測する画像撮像装置１２の運動開始時である第１の位置及び第１の姿勢で、画像撮像装置１２によって、撮像対象物が撮像されて第１の画像が生成されると共に、レーザレーダ１４によって、レーザ光が走査された撮像対象物の位置の複数の点の３次元座標が計測される。そして、計測する画像撮像装置１２の運動終了時であって、かつ、第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で、画像撮像装置１２によって、撮像対象物が撮像されて第２の画像が生成されると、コンピュータ１６において、図２に示す移動量及び回転量を計測するための処理が行われる。

まず、ステップ１００において、レーザレーダ１４から複数の点の３次元座標を取得し、ステップ１０２で、画像撮像装置１２から第１の画像を取得する。

次のステップ１０４では、ステップ１００で得られた複数の点の３次元座標を、第１の画像の画像座標に変換して、第１の画像上の点に投影する。この第１の画像の画像座標への変換は、予め計測しておいた画像撮像装置１２とレーザレーダ１４との位置関係に基づいて、各３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を以下の式によって画像座標（ｘ、ｙ）に変換する。

ここで、Ｐを以下の式とする。

また、Ｋは画像撮像装置１２のキャリブレーション行列、Ｒはレーザレーダ１４によって計測される３次元座標から画像撮像装置１２の画像座標への変換を表す回転行列、ｔはレーザレーダ１４によって計測される３次元座標から画像撮像装置１２の画像座標への変換を表す並進ベクトルである。Ｋ、Ｒ、ｔは、画像撮像装置１２とレーザレーダ１４との位置関係に基づいて、予め求めておく。

そして、ステップ１０６で、レーザレーダ１４によって得られた３次元座標に基づいて、画像撮像装置１２との距離が不連続となる撮像対象物の境界上の点に対応する複数の投影点を、ステップ１０４で投影された複数の投影点の中から少なくとも３個選択し、ステップ１０８で、第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で画像撮像装置１２によって撮像された第２の画像を取得する。

次のステップ１１０では、ステップ１０６で選択された第１の画像上の複数の投影点に対応する点を、ステップ１０８で得られた第２の画像上で検索して追跡し、各投影点に対応する第２の画像の画像座標を検出する。なお、第１の画像と第２の画像とで対応する点を検索するときには、第１の画像と第２の画像とで対応する点とその周囲の点の輝度は変化しないという仮定を用いて、第１の画像と第２の画像との輝度のマッチングを行えばよく、例えば、Ｌｕｃａｓ−Ｋａｎａｄｅ法を用いて、第１の画像上の選択された投影点に対応する点を、第２の画像上から検索する。

Ｌｕｃａｓ−Ｋａｎａｄｅ法では、第１の画像の座標（ｘ、ｙ）の輝度値をＩ（ｘ、ｙ）、第２の画像の座標（ｘ、ｙ）の輝度値をＪ（ｘ、ｙ）と表すとき、第１の画像の座標（ｐ_ｘ、ｐ_ｙ）に対応する第２の画像の座標（ｐ_ｘ＋ｕ、ｐ_ｙ＋ｖ）を、以下の数式で表される関数を最小化する（ｕ、ｖ）を求めることにより、求める。

ここで、Ωは（ｐ_ｘ、ｐ_ｙ）を中心とするウィンドウ、ｗ（ｘ、ｙ）は重み関数であり、ウィンドウの中心であるほど大きい値をとる（ガウシアン関数など）。また、Ｉ_ｘ（ｘ、ｙ）はＩ（ｘ、ｙ）をｘ軸方向に微分した値、Ｉ_ｙ（ｘ、ｙ）はｙ軸方向に微分した値である。

そして、ステップ１１２では、選択された複数の投影点の第１の画像上の画像座標と、ステップ１１０で検出された第２の画像上の複数の画像座標と、ステップ１００で得られた３次元座標であって、選択された複数の投影点の３次元座標とに基づいて、第１の画像を撮像したときの画像撮像装置１２の第１の位置及び第１の姿勢と第２の画像を撮像したときの画像撮像装置１２の第２の位置及び第２の姿勢との変化を、画像撮像装置１２の運動のＸＹＺ軸方向の移動量及びＸＹＺ軸を基準とする回転量として算出する。算出される位置及び姿勢の変化は、図３に示すような、回転量としての第１の画像から第２の画像への回転行列Ｒ（Ｘ軸を基準とする回転量、Ｙ軸を基準とする回転量、Ｚ軸を基準とする回転量）と、移動量としての並進ベクトルｔ（Ｘ軸方向の移動量、Ｙ軸方向の移動量、Ｚ軸方向の移動量）との６要素から構成される運動であり、この移動量及び回転量の算出方法には、２枚の画像間での対応する画像座標の組と、３次元座標とが既知となっている３点について、Ｐ３Ｐ（Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ３−Ｐｏｉｎｔ）問題を解く手法を用いることができる（Ｘ．Ｇａｏ，Ｘ．Ｈｏｕ，Ｊ．Ｔａｎｇ，ａｎｄＨ．Ｃｈｅｎｇ，“Ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ−ｔｈｒｅｅ−ｐｏｉｎｔｐｒｏｂｌｅｍ，”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰａｔｔｅｒｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＭａｃｈｉｎｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２５，ｎｏ．８，ｐｐ．９３０−９４３，Ａｕｇｕｓｔ２００３）。

Ｐ３Ｐ問題を解く手法では、第１の位置及び第１の姿勢における３点の３次元座標を（Ｘ_１、Ｙ_１、Ｚ_１）、（Ｘ_２、Ｙ_２、Ｚ_２）、（Ｘ_３、Ｙ_３、Ｚ_３）、第２の画像における３点の座標を（ｕ_１、ｖ_１）、（ｕ_２、ｖ_２）、（ｕ_３、ｖ_３）とするとき、以下を満たす回転行列Ｒと並進ベクトルｔとを求める。

全てのｉ＝１、２、３について、

ただし、

次のステップ１１４では、運動推定結果として、ステップ１１２で算出された画像撮像装置１２の移動量及び回転量をコンピュータ１６のディスプレイ（図示省略）に表示して、移動量及び回転量を計測するための処理を終了する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る計測装置によれば、運動開始時の第１の画像と運動終了時の第２の画像とで対応する点を検索しやすい点として撮像対象物の境界上の投影点を選択し、選択された第１の画像上の投影点の画像座標、第２の画像上で対応する点として検索された点の画像座標、及び選択された投影点の各々に対応する３次元座標に基づいて、画像撮像装置のＸＹＺ軸方向の移動量及びＸＹＺ軸を基準とする回転量を算出するため、全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成になっているため、第２の実施の形態に係る画像撮像装置、レーザレーダ、及びコンピュータの構成について、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、画像上で追跡しやすい投影点として、コーナー強度が周囲より高い点を選択している点が第１の実施の形態と異なっている。なお、コーナー強度とは、輝度の２次元的変化による勾配の大きさを表す値である。

次に、第２の実施の形態に係るコンピュータ１６おける移動量及び回転量を計測するための処理について図４を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

まず、ステップ１００において、レーザレーダ１４から複数の点の３次元座標を取得し、ステップ１０２で、画像撮像装置１２から第１の画像を取得し、次のステップ１０４では、ステップ１００で得られた複数の点の３次元座標を、第１の画像の画像座標に変換して、第１の画像上の点に投影する。

そして、ステップ２００で、レーザレーダ１４によって得られた３次元座標の３次元点が投影された投影点の各々について、第１の画像の各画素の輝度値からコーナー強度を計算し、周囲の予め定められた距離内で最もコーナー強度が大きくなる投影点を、画像上で追跡しやすい点として少なくとも３個選択する。

なお、コーナー強度は、Ｈａｒｒｉｓオペレータなどを用いて計算される。例えば、まず、画像の輝度をＩ（ｘ、ｙ）と表すとき、以下の数式で表される行列Ｍを求める。

ここで、Ｉ_ｘ、Ｉ_ｙは、それぞれ水平方向、垂直方向の微分、Ｇ_σは標準偏差σのガウス分布による平滑化を表す。

そして、行列Ｍの固有値をλ_１、λ_２としたとき、コーナー強度を、以下の式で計算する。
λ_１・λ_２−ｋ・（λ_１＋λ_２）^２
ただし、ｋは定数であり、０．０４〜０．０６の値が一般に用いられる。

次のステップ１０８では、第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で画像撮像装置１２によって撮像された第２の画像を取得し、ステップ１１０において、ステップ２００で選択された第１の画像上の複数の投影点を、ステップ１０８で得られた第２の画像上で検索して追跡し、各投影点に対応する第２の画像の画像座標を検出する。

そして、ステップ１１２では、選択された複数の投影点の第１の画像の画像座標と、ステップ１１０で検出された第２の画像上の複数の画像座標と、ステップ１００で得られた投影点の３次元座標であって、選択された複数の投影点の３次元座標とに基づいて、第１の画像を撮像したときの画像撮像装置１２の第１の位置から第２の画像を撮像したときの画像撮像装置１２の第２の位置へのＸＹＺ軸方向の移動量、及び第１の姿勢を基準とした第２の姿勢のＸＹＺ軸を基準とする回転量を算出し、ステップ１１４で、運動推定結果として、ステップ１１２で算出された移動量及び回転量をコンピュータ１６のディスプレイ（図示省略）に表示して、移動量及び回転量を計測するための処理を終了する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る計測装置によれば、運動開始時の第１の画像と運動終了時の第２の画像とで対応する点を検索しやすい点として、コーナー強度が周囲の点より高い投影点を選択し、選択された第１の画像上の投影点の画像座標、第２の画像上で対応する点として検索された点の画像座標、及び選択された投影点の各々に対応する３次元座標に基づいて、画像撮像装置のＸＹＺ軸方向の移動量及びＸＹＺ軸を基準とする回転量を算出するため、全ての回転量及び移動量を高精度に計測することができる。

なお、上記の実施の形態では、異なる２つの画像で対応する点を検索しやすい点として、コーナー強度が高い投影点を選択する場合を例に説明したが、第１の実施の形態で説明した撮像対象物の境界上の投影点とコーナー強度が高い投影点との両方を選択するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る計測装置を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る計測装置における画像撮像装置の移動量及び回転量を計測するための処理の内容を示す流れ図である。移動量としての並進ベクトル及び回転量として回転行列を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態に係る計測装置における画像撮像装置の移動量及び回転量を計測するための処理の内容を示す流れ図である。

符号の説明

１０計測装置
１２画像撮像装置
１４レーザレーダ
１６コンピュータ
２８３次元座標演算部
３０３次元点投影部
３２投影点選択部
３４投影点追跡部
３６運動推定部

Claims

移動体に搭載され、前記移動体から撮像対象物を撮像する撮像手段と、
前記移動体に搭載され、レーザを走査することにより、前記撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測する３次元座標計測手段と、
前記撮像手段が第１の位置及び第１の姿勢となっているときに前記３次元座標計測手段によって３次元座標が計測された複数の点の各々を、前記第１の位置及び前記第１の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第１の画像上に投影する投影手段と、
前記投影された複数の点から少なくとも３個の特徴点を選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された前記特徴点の各々に対応する点を、前記第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第２の画像から検索する検索手段と、
前記選択手段によって選択された前記特徴点、前記検索手段によって検索された点、及び前記３次元座標計測手段によって計測された該特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、前記第１の位置から前記第２の位置への３軸方向の移動量及び前記第１の姿勢を基準とした前記第２の姿勢の３軸を基準とする回転量を算出する算出手段と、
を含む計測装置。
前記選択手段は、前記３次元座標計測手段によって計測された３次元座標に基づいて、前記投影された複数の点から、前記第１の画像に撮像された前記撮像対象物の境界上の点を少なくとも３個選択する請求項１記載の計測装置。
前記選択手段は、前記第１の画像の各画素の輝度値に基づいて、前記投影された複数の点から、コーナー強度が周囲の点より高い点を少なくとも３個選択する請求項１記載の計測装置。
移動体に搭載され、前記移動体から撮像対象物を撮像する撮像手段と、前記移動体に搭載され、レーザを走査することにより、前記撮像対象物上の複数の点の３次元座標を計測する３次元座標計測手段とを備えた計測装置の計測方法であって、
前記撮像手段が第１の位置及び第１の姿勢となっているときに前記３次元座標計測手段によって３次元座標が計測された複数の点の各々を、前記第１の位置及び前記第１の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第１の画像上に投影し、
前記投影された複数の点から少なくとも３個の特徴点を選択し、
前記選択された前記特徴点の各々に対応する点を、前記第１の位置及び第１の姿勢と異なる第２の位置及び第２の姿勢で前記撮像手段によって撮像された第２の画像から検索し、
前記選択された前記特徴点、前記検索された点、及び前記３次元座標計測手段によって計測された該特徴点の各々に対応する３次元座標に基づいて、前記第１の位置から前記第２の位置への３軸方向の移動量及び前記第１の姿勢を基準とした前記第２の姿勢の３軸を基準とする回転量を算出することを特徴とする計測方法。