JP2008275366A - Stereoscopic 3-d measurement system - Google Patents

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正敏 奥富
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雅夫 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an interactive stereoscopic 3-D measurement system made capable of stereoscopic 3-D measurement of the stationary object at low price simply and highly precisely. <P>SOLUTION: The stereoscopic 3-D measurement system for measuring the 3-D measurement of the stationary object by searching the corresponding positions of the stereoscopic images is provided with an imaging device, an active illuminating means for emitting light changing spatially and time sequentially, a 3-D measurement processing device and a display device, while illuminating a measurement object with the active illumination and taking the time sequential images using imaging devices for stereoscopic images. The taken stereoscopic images are inputted into the 3-D measurement system, in the 3-D measurement processing device the distance to the measurement object is measured by searching the corresponding position of the stereoscopic images by using the plurality of frames in the time direction, furthermore making the measurement results display in a real time on the display by measurement process successively using the latest stereoscopic images. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ステレオ3次元計測技術に関し、特に、静止物体の3次元形状計測を行うためのステレオ3次元計測システムに関する。   The present invention relates to a stereo three-dimensional measurement technique, and more particularly to a stereo three-dimensional measurement system for measuring a three-dimensional shape of a stationary object.

従来、静止物体の3次元形状計測を行うために、2台以上のステレオカメラを用いたステレオ計測法が多く利用されている(非特許文献1、非特許文献2を参照)。   Conventionally, in order to measure a three-dimensional shape of a stationary object, many stereo measurement methods using two or more stereo cameras are used (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

カメラのみを用いる「パッシブステレオ計測法」では、ステレオ対応点探索(stereo correspondence)、つまり、ステレオマッチング(stereo matching)において、空間方向ウィンドウを利用するのが一般的である。   In the “passive stereo measurement method” using only a camera, a spatial direction window is generally used in stereo correspondence search (stereo correspondence), that is, stereo matching.

「パッシブステレオ計測法」を用いて静止物体の3次元形状計測を行う場合、計測対象である静止物体の表面に適切なテクスチャが存在しないときに、ステレオ対応点探索(以下、単に「対応位置探索」とも言う。)が、できずに計測ができなかったという問題点がある。   When performing 3D shape measurement of a stationary object using the “passive stereo measurement method”, when there is no appropriate texture on the surface of the stationary object to be measured, a stereo corresponding point search (hereinafter simply referred to as “corresponding position search”). However, there is a problem that it was not possible to measure.

また、計測対象である静止物体の表面に適切なテクスチャがあっても、ステレオ画像間の対応位置探索のためには、ローカルサポートと呼ばれる「領域」、即ち、「空間方向ウィンドウ」を利用する必要があり、このために、奥行きを平滑化してしまったり、空間方向ウィンドウ内に奥行きが急激に変化する部分を含む部分について、正しく奥行きを推定することができず、つまり、計測結果が不正確であるといった問題がある。   In addition, even if there is an appropriate texture on the surface of the stationary object to be measured, it is necessary to use a “region” called “local support”, that is, a “spatial direction window” in order to search for a corresponding position between stereo images. For this reason, the depth cannot be estimated correctly for the part that smoothes the depth or includes the part where the depth changes abruptly in the spatial direction window, that is, the measurement result is inaccurate. There is a problem.

ステレオ画像間での対応の曖昧さを排除するために、複数のステレオカメラのうち、1台のカメラを光源に置き換えた「アクティブステレオ計測法」も多く利用されている。「アクティブステレオ計測法」の具体例として、例えば、非特許文献3に開示された「スリット光投影法」や、非特許文献4に開示された「パターン光投影法」がある。   In order to eliminate the ambiguity of correspondence between stereo images, an “active stereo measurement method” in which one of the plurality of stereo cameras is replaced with a light source is often used. Specific examples of the “active stereo measurement method” include, for example, the “slit light projection method” disclosed in Non-Patent Document 3 and the “pattern light projection method” disclosed in Non-Patent Document 4.

非特許文献3及び非特許文献4に開示されたステレオ計測法は、ステレオカメラの内の1台をプロジェクタに置き換えたアクティブステレオ計測法であることから、カメラよりも高価なPCプロジェクタを利用するために、これらの計測方法によっては簡易で低価格なステレオ3次元計測装置を実現できなかったという問題点がある。
エム. オクトミ(M. Okutomi)、ティー. カナデ(T. Kanade)共著,「ア マルチプル ベースライン ステレオ(A Multiple-Baseline Stereo)」,パターン アナリシス アンド マシーン インテリジェンス(Pattern Analysis and Machine Intelligence),第15巻,第4号,p.353-363,1993年 ディー. スチャステイン(D. Scharstein)、アール. スゼルリスキ(R. Szeliski)共著,「ア タックスオミ アンド エバリュエーション オフ デンス トゥーフレーム ステレオ コレスポンデンス アルゴリズムズ(A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms)」,インターナショナル ジャーナル オフ コンピュータ ビジョン(International Journal of Computer Vision),第47巻,第1号,p.7-42,2002年 ジェー. サルビ(J. Salvi)、ジェー. パジェス(J. Pages)、ジェー. バテル(J. Batlle)共著,「パターン コディフィケーション ストラテジース イン ストラクチャイド ライト システムズ(Pattern Codification Strategies in Structured Light Systems)」,パターン レコグニション(Pattern Recognition),第37巻,p.827-849,2004年 ピー. ジェー. ベスル(P.J. Besl)著,「アクティブ, オプティカル レンジ イメージング センサス(Active, Optical Range Imaging Sensors)」,マシーン ビジョン アンド アプリケイションズ(Machine Vision and Applications),第1巻,第2号,p.127-152,1988年 ジェー. デイビス(J. Davis)、アール. ラマムーアシ(R. Ramamoorthi)、エス. ルシンキエブィズ(S. Rusinkiewicz)共著,「スペースタイム ステレオ: ア ユニファイング フレームワーク フォー デプス フロム トライアンギュレション(Spacetime Stereo: A Unifying Framework for Depth from Triangulation)」,イン コンピュータ ビジョン アンド パターン レコグニション(In Computer Vision and Pattern Recognition),第2巻,p.359-366,2003年 エル. チャン(L. Zhang)、ビー. キュレス(B. Curless)、エス. エム サイツ(S.M Seitz)共著,「スペースタイム ステレオ: シェイプ リカバリー フォー ダイナミック シーンス(Spacetime Stereo: Shape Recovery for Dynamic Scenes)」,イン コンピュータ ビジョン アンド パターン レコグニション(In Computer Vision and Pattern Recognition),第2巻,p.367-374,2003年 エヌ. アヤチェ(N. Ayache)、シー. ハンセン(C. Hansen)共著,「レクティフィケーション オフ イメージズ フォー バイノキュラー アンド トリノキュラー ステレオビジョン(Rectification of Images for Binocular and Trinocular Stereovision)」,イン 9th インターナショナル カンファレンス オン パターン レコグニション(In 9th International Conference on Pattern Recognition),p.11-16,1988年 エイ. フシエロ(A. Fusiello)、イー. トルコ(E. Trucco)、エイ. ベリ(A. Verri)共著,「ア コンパクト アルゴリズム フォー レクティフィケーション オフ ステレオ ペーアズ(A compact algorithm for rectification of stereo pairs)」,マシーン ビジョン アンド アプリケーションズ(Machine Vision and Appications),第12巻,第1号,p.16-22,2000年
Since the stereo measurement methods disclosed in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 are active stereo measurement methods in which one of the stereo cameras is replaced with a projector, a PC projector that is more expensive than a camera is used. In addition, there is a problem that a simple and inexpensive stereo three-dimensional measuring apparatus cannot be realized by these measuring methods.
M. Okutomi, T. Kanade, "A Multiple-Baseline Stereo", Pattern Analysis and Machine Intelligence, Volume 15 , No. 4, p.353-363, 1993 D. Scharstein and R. Szeliski, “A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms”, International Journal of Computer Vision, 47, No. 1, p.7-42, 2002 J. Salvi, J. Pages, J. Batlle, “Pattern Codification Strategies in Structured Light Systems” , Pattern Recognition, 37, p.827-849, 2004 P. J. Besl, “Active, Optical Range Imaging Sensors”, Machine Vision and Applications, Volume 1, Issue 2, p. .127-152, 1988 J. Davis, R. Ramamoorthi, S. Rusinkiewicz, “Spacetime Stereo: A Unifying Framework for Depth from Triangulation (A) Unifying Framework for Depth from Triangulation ”, In Computer Vision and Pattern Recognition, Volume 2, p.359-366, 2003 L. Zhang, B. Curless, SM Seitz, "Spacetime Stereo: Shape Recovery for Dynamic Scenes," In Computer Vision and Pattern Recognition, Volume 2, p.367-374, 2003 N. Ayache and C. Hansen, “Rectification of Images for Binocular and Trinocular Stereovision”, In 9th International Conference on Pattern Recognition (In 9th International Conference on Pattern Recognition), p.11-16, 1988 A. Fusiello, E. Trucco, A. Verri, “A compact algorithm for rectification of stereo pairs” , Machine Vision and Applications, Vol. 12, No. 1, pp. 16-22, 2000

一方、図1に示すように、ステレオカメラで撮影して得られた時系列画像(基準画像と参照画像)を用いて、時間方向のウィンドウ(以下、単に「時間方向ウィンドウ」という。)を利用し、即ち、時間方向での画素値の変化を利用することにより、基準画像と参照画像との間の対応位置探索を行う、「spacetime stereo(時空間ステレオ)」と呼ばれるステレオ計測法も提案されている(非特許文献5、非特許文献6を参照)。   On the other hand, as shown in FIG. 1, a time-direction window (hereinafter simply referred to as “time-direction window”) is used using time-series images (base image and reference image) obtained by photographing with a stereo camera. In other words, a stereo measurement method called “spacetime stereo” is proposed in which a corresponding position search between a base image and a reference image is performed by using changes in pixel values in the time direction. (See Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6).

このspacetime stereo計測法では、計測対象である静止物体に対して、変化する照明を当てたときに、対応位置では時間的な画素値変化も同一であることを利用して、基準画像と参照画像との間の対応を求める。この照明変化は、例えば非特許文献3及び非特許文献4に開示されたようなアクティブステレオ計測法に使用されている「構造化照明」とは異なり、懐中電灯や影などの簡易な照明を任意に変化させることで実現できる。   In this spacetime stereo measurement method, using a change in temporal pixel value at the corresponding position when changing illumination is applied to a stationary object to be measured, the reference image and the reference image are used. Seek correspondence between. This illumination change is different from “structured illumination” used in the active stereo measurement method disclosed in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4, for example, with simple lighting such as a flashlight and a shadow. This can be achieved by changing

また、spacetime stereo計測法では、通常の「パッシブステレオ計測法」で行うキャリブレーションだけを行えばよく、そして、簡易な照明を使用するので、通常の「アクティブステレオ計測法」のように、構造化照明も、構造化照明に対するキャリブレーションも不要となる。   In addition, the spacetime stereo measurement method only needs to be calibrated in the usual “passive stereo measurement method”, and uses simple lighting, so it is structured like the normal “active stereo measurement method”. No illumination or calibration for structured illumination is required.

しかし、spacetime stereo計測法では、照明変化を与えた計測対象を撮影して得られた時系列画像をすべて入力した後に、入力された全ての時系列画像を一括してステレオ計測処理を行うようにしているため、計測対象に適切な照明変化を与えたか否かを、時系列画像の撮影時に判断できなかったという問題点がある。   However, in the spacetime stereo measurement method, after inputting all the time-series images obtained by photographing the measurement target with a change in illumination, the stereo measurement processing is performed for all the input time-series images at once. Therefore, there is a problem that it has not been possible to determine whether or not an appropriate illumination change has been given to the measurement target when the time-series image is captured.

つまり、非特許文献5及び非特許文献6に開示されている「spacetime stereo計測法」では、「簡易な照明による照明変化を計測対象に与え、ステレオカメラで計測対象の時系列画像を撮影し、複数フレームを使って空間方向及び時間(フレーム)方向に注目領域を設定してステレオ画像間での対応位置を探索する」ことが述べられているだけで、(1)どのような照明変化を与えれば計測結果がよくなるのか、(2)いつまで計測すれば十分な計測結果になるのか、が判断できないため、満足できる計測結果が得られる保証がなく、計測者は無用に長時間の計測を強いられていたとの問題がある。   That is, in the “spacetime stereo measurement method” disclosed in Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6, “a lighting change due to simple illumination is given to a measurement object, and a time-series image of the measurement object is taken with a stereo camera, “(1) What illumination change can be given,” it is only described that “a plurality of frames are used to set a region of interest in the spatial direction and the time (frame) direction and search for corresponding positions between stereo images”. (2) Since it is not possible to determine how long the measurement result will be sufficient, there is no guarantee that a satisfactory measurement result will be obtained, and the measurer is forced to take an unnecessarily long measurement. There was a problem with.

本発明は、上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、細かな部分があり、且つテクスチャを持たない可能性のある静止物体を、低価格で簡易に且つ高精度にステレオ3次元計測できるようにした、インタラクティブなステレオ3次元計測システムを提供することにある。   The present invention has been made under the circumstances described above, and an object of the present invention is to easily and accurately provide a stationary object that has fine parts and may not have a texture at a low cost. An object of the present invention is to provide an interactive stereo three-dimensional measurement system that enables stereo three-dimensional measurement.

本発明は、ステレオ画像間の対応位置を探索することにより、静止物体である計測対象の3次元計測を行う、ステレオ3次元計測システムに関し、本発明の上記目的は、撮像装置と、空間的にも時間的にも変化するアクティブ照明を発生させるアクティブ照明手段と、3次元計測処理装置と、表示装置とを備え、前記アクティブ照明手段から発生された前記アクティブ照明で前記計測対象を照らしつつ、前記撮像装置を用いて時系列のステレオ画像を撮影し、撮影されたステレオ画像は、前記3次元計測処理装置に入力され、前記3次元計測処理装置では、時間方向に複数のフレームを使ってステレオ画像間の対応位置を探索することにより、前記計測対象までの距離を計測し、計測して得られた計測結果を前記表示装置に表示させ、更に、最新のステレオ画像が入力される毎に逐次的に計測処理を行い、計測結果を前記表示装置に表示させることによって効果的に達成される。   The present invention relates to a stereo three-dimensional measurement system that performs a three-dimensional measurement of a measurement target that is a stationary object by searching for a corresponding position between stereo images. Active illumination means for generating active illumination that also changes over time, a three-dimensional measurement processing device, and a display device, while illuminating the measurement object with the active illumination generated from the active illumination means, A time-series stereo image is captured using an imaging device, and the captured stereo image is input to the three-dimensional measurement processing device. The three-dimensional measurement processing device uses a plurality of frames in the time direction to generate a stereo image. By searching for the corresponding position between, the distance to the measurement object is measured, the measurement result obtained by the measurement is displayed on the display device, Performed sequentially measurement process for each of the new stereo image is input, effectively be achieved by displaying the measurement result on the display device.

また、本発明の上記目的は、ステレオ画像間の対応位置を探索するときの空間方向領域が1×1[画素]であることにより、或いは、前記3次元計測処理装置は、ステレオ画像間のオクルージョンを検出する機能を備え、検出したオクルージョンをも前記表示装置に表示させることにより、或いは、前記撮像装置はステレオ画像を撮影するための同期した2台のステレオカメラ、即ち、基準画像を撮影するための基準カメラと、参照画像を撮影するための参照カメラから構成され、前記3次元計測処理装置は、新しいステレオ画像が入力される毎に、入力されたステレオ画像に対し、レンズ歪曲収差の除去を行った後に、次の数式に基づき、フレーム間差分を行った上で、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗(SD)を計算し、

Figure 2008275366
ただし、(u,v)は基準画像座標を表し、dは視差を表し、また、I(u,v,t)とI(u,v,t)は、それぞれ基準画像と参照画像の位置(u,v)におけるフレーム番号tでの画素値であり、次に、フレーム間差分値が一定値以上のとき、次の数式に基づき、計算されたSD(u,v,d,t)を、基準画像座標(u,v)と視差dを軸に持つSSD空間へ積算し、
Figure 2008275366
前記SSD空間における視差d方向の最小値探索によって、ステレオ画像間の対応位置を求めることによってより効果的に達成される。 The object of the present invention is that the spatial direction area when searching for a corresponding position between stereo images is 1 × 1 [pixel], or that the three-dimensional measurement processing device is configured to occlude stereo images. For displaying the detected occlusion on the display device, or for the imaging device to take two synchronized stereo cameras for taking a stereo image, that is, for taking a reference image. Each time a new stereo image is input, the three-dimensional measurement processing device removes lens distortion from the input stereo image each time a new stereo image is input. After performing the difference between frames based on the following formula, the square of the difference between the corresponding candidate pixels between the stereo images (SD) is calculated,
Figure 2008275366
Where (u b , v b ) represents the standard image coordinates, d represents the parallax, and I b (u, v, t) and I r (u, v, t) refer to the standard image, respectively. This is the pixel value at the frame number t at the position (u, v) of the image. Next, when the inter-frame difference value is greater than or equal to a certain value, the calculated SD (u b , v b , d, t) is integrated into the SSD space having the reference image coordinates (u b , v b ) and the parallax d as axes,
Figure 2008275366
This is more effectively achieved by obtaining a corresponding position between stereo images by searching for a minimum value in the parallax d direction in the SSD space.

更に、本発明の上記目的は、前記撮像装置はステレオ画像を撮影するための同期した3台以上のステレオカメラ、即ち、基準画像を撮影するための1台の基準カメラと、参照画像を撮影するための2台以上の参照カメラから構成され、前記3次元計測処理装置は、新しいステレオ画像が入力される毎に、入力されたステレオ画像に対し、レンズ歪曲収差の除去を行った後に、次の数式に基づき、フレーム間差分を行った上で、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗(SD)を計算し、

Figure 2008275366
ただし、(u,v)は基準画像座標を表し、dは視差を表し、また、I(u,v,t)とI(u,v,t)は、それぞれ基準画像と参照画像の位置(u,v)におけるフレーム番号tでの画素値であり、次に、フレーム間差分値が一定値以上のとき、次の数式に基づき、計算されたSD(u,v,d,t)を、基準画像座標(u,v)と視差dを軸に持つSSD空間へ積算し、
Figure 2008275366
前記SSD空間における視差d方向の最小値探索によって、ステレオ画像間の対応位置を求めることによってより効果的に達成される。 Further, the above-described object of the present invention is to capture the reference image by the imaging apparatus capturing three or more synchronized stereo cameras for capturing a stereo image, that is, one reference camera for capturing a reference image. Each time a new stereo image is input, the three-dimensional measurement processing device removes lens distortion from the input stereo image and Based on the mathematical formula, after performing the inter-frame difference, calculate the square (SD) of the difference between the pixel values of the corresponding candidate pixels between the stereo images,
Figure 2008275366
Where (u b , v b ) represents the standard image coordinates, d represents the parallax, and I b (u, v, t) and I r (u, v, t) refer to the standard image, respectively. This is the pixel value at the frame number t at the position (u, v) of the image. Next, when the inter-frame difference value is greater than or equal to a certain value, the calculated SD (u b , v b , d, t) is integrated into the SSD space having the reference image coordinates (u b , v b ) and the parallax d as axes,
Figure 2008275366
This is more effectively achieved by obtaining a corresponding position between stereo images by searching for a minimum value in the parallax d direction in the SSD space.

本発明に係るステレオ3次元計測システムによるステレオ計測とは、静止物体のステレオ3次元計測を行うために、計測対象である静止物体への簡易なアクティブ照明と、同期した2台以上のステレオカメラで撮影した時系列画像を用い、時間方向ウィンドウを利用した、インタラクティブなステレオ計測である。   Stereo measurement by the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention is a simple three-dimensional measurement of a stationary object with simple active illumination on a stationary object to be measured and two or more synchronized stereo cameras. Interactive stereo measurement using time-series windows using time-series images taken.

本発明で使用される「簡易なアクティブ照明」は、例えば、懐中電灯や棒の影を計測対象上で移動させるだけでよい。また、本発明では、ステレオ画像間の対応点を検出するために、時間方向の画素値変化を利用する。   The “simple active illumination” used in the present invention only needs to move, for example, a flashlight or the shadow of a stick on the measurement target. Further, in the present invention, a change in pixel value in the time direction is used to detect corresponding points between stereo images.

このため、本発明によれば、従来の「パッシブステレオ計測法」にとって必要である、ステレオ画像間の対応を求めるときに利用される、「空間方向ウィンドウ」が不要になり、時間方向ウィンドウを利用することにより、画素ごと(1×1[pixel]の空間方向ウィンドウ)に、ステレオ画像間の対応点を正確に求めることができ、よって静止物体のステレオ3次元計測を高精度に行うことができるといった優れた効果を奏する。   Therefore, according to the present invention, the “spatial direction window”, which is used when obtaining correspondence between stereo images, which is necessary for the conventional “passive stereo measurement method”, becomes unnecessary, and the time direction window is used. By doing so, it is possible to accurately obtain corresponding points between stereo images for each pixel (1 × 1 [pixel] spatial direction window), and thus it is possible to perform stereo three-dimensional measurement of a stationary object with high accuracy. There are excellent effects.

また、本発明に係るステレオ3次元計測システムにおいて、従来の「アクティブステレオ計測法」では必要となる、高価なPCプロジェクタや「構造化照明」も不要となり、よって静止物体のステレオ3次元計測を低価格で簡易に行うことができるといった顕著な効果を奏する。   Further, in the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention, an expensive PC projector and “structured illumination”, which are necessary in the conventional “active stereo measurement method”, are not required. There is a remarkable effect that it can be easily performed at a price.

更に、本発明に係るステレオ3次元計測システムを用いて、静止物体のステレオ3次元計測を行う際に、つまり、計測中に、入力画像(ステレオカメラで静止物体を撮影して得られたステレオ画像)を逐次的に処理し、処理して得られた計測結果をリアルタイムに表示するようにしているので、満足できる計測結果を得るために、計測者は、計測結果を確認しながら、簡易なアクティブ照明を当てる位置や強度、照明の方向などをインタラクティブに調整することが可能となり、リアルタイムに計測結果を表示する、インタラクティブな3次元計測システムを構築することができる。   Furthermore, when performing stereo three-dimensional measurement of a stationary object using the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention, that is, during measurement, an input image (stereo image obtained by photographing a stationary object with a stereo camera). ) Is processed sequentially, and the measurement results obtained by processing are displayed in real time. Therefore, in order to obtain a satisfactory measurement result, the measurer can perform a simple active operation while checking the measurement result. It is possible to interactively adjust the position and intensity of illumination, the direction of illumination, and the like, and an interactive three-dimensional measurement system that displays measurement results in real time can be constructed.

要するに、本発明によれば、最新のステレオ画像を入力するごとに、今までの計測結果を最新の計測結果に更新して、その最新の計測結果をディスプレイ等の表示部に表示することにより、最新の計測結果を計測者にフィードバックすることで、計測者が計測対象への簡易なアクティブ照明の当て方などをインタラクティブに調整できるという優れた効果を奏する。   In short, according to the present invention, every time the latest stereo image is input, the latest measurement result is updated to the latest measurement result, and the latest measurement result is displayed on a display unit such as a display. By feeding back the latest measurement results to the measurer, there is an excellent effect that the measurer can interactively adjust how to apply a simple active illumination to the measurement target.

最初に、本発明の着眼点及び概要について述べる。   First, the focus and outline of the present invention will be described.

ステレオ画像間での対応位置を探索するために、通常は注目位置の周囲の画素を同時に利用して、小領域ごとの対応位置を探索していた。この小領域は「空間方向ウィンドウ」と呼ばれ、空間方向ウィンドウ内の計測対象までの距離が均一で、対応する空間方向ウィンドウ間には変形がないものと仮定していた。   In order to search for a corresponding position between stereo images, the corresponding position for each small region is usually searched by simultaneously using pixels around the target position. This small area is called a “space direction window”, and it is assumed that the distance to the measurement target in the space direction window is uniform and that there is no deformation between the corresponding space direction windows.

このため、背景技術でも述べたように、計測対象のエッジなど距離が不連続な部分では、計測結果が不正確になるという問題点があった。   For this reason, as described in the background art, there is a problem that the measurement result becomes inaccurate at a portion where the distance is discontinuous such as an edge of the measurement target.

そこで、本発明では、この「空間方向ウィンドウ」の概念を廃止し、画素ごとにステレオ画像間での対応位置を探索することを考えた。   Therefore, in the present invention, the concept of the “spatial direction window” is abolished, and a search for a corresponding position between stereo images for each pixel has been considered.

このとき、同期した2台のステレオカメラ(基準カメラと参照カメラ)を用いてステレオ計測を行う場合、一対のステレオ画像(即ち、基準カメラで撮影して得られた1枚の基準画像と、参照カメラで撮影して得られた1枚の参照画像)では、ステレオ画像間の対応が一意に決定することができないので、3次元計測は不可能である。   At this time, when performing stereo measurement using two synchronized stereo cameras (base camera and reference camera), a pair of stereo images (that is, one base image obtained by capturing with the base camera and a reference) In a single reference image obtained by photographing with a camera, correspondence between stereo images cannot be uniquely determined, and three-dimensional measurement is impossible.

しかし、空間的にも時間的にも変化する照明(以下、このような照明を単に「アクティブ照明」とも言う。)で計測対象を照らしながら、撮影した複数対のステレオ画像(以下、単に「複数のステレオ画像」という。)を利用すれば、ステレオ画像間で対応する画素は、時間方向にも同じ明るさの変化をするはずである。このため、時間方向に複数のステレオ画像を使うことで、「空間方向ウィンドウ」と同様の効果を期待することができる。   However, a plurality of pairs of stereo images (hereinafter simply referred to as “multiple images”) while illuminating the measurement object with illumination that varies spatially and temporally (hereinafter such illumination is also simply referred to as “active illumination”). If the “stereo image” is used, the corresponding pixels between the stereo images should have the same brightness change in the time direction. Therefore, by using a plurality of stereo images in the time direction, an effect similar to that of the “spatial direction window” can be expected.

通常、「空間方向ウィンドウ」では、11×11[画素]程度の大きさの小領域として設定される。すなわち、11×11=121[画素]の画素値に対応する、もう一方の画像中の領域を探索している。これを時系列画像で実現するためには、121フレーム、すなわち、30FPSで画像を撮影しているときには、約4秒間に撮影した画像を利用するだけで、11×11[画素]の大きさを有する「空間方向ウィンドウ」と同様の効果を期待することができる。   Usually, in the “spatial direction window”, it is set as a small region having a size of about 11 × 11 [pixel]. That is, an area in the other image corresponding to the pixel value of 11 × 11 = 121 [pixel] is searched. In order to realize this as a time-series image, when an image is shot at 121 frames, that is, 30 FPS, the size of 11 × 11 [pixel] is simply obtained by using the image shot for about 4 seconds. The same effect as that of the “spatial direction window” can be expected.

このときに計測対象に与える「アクティブ照明」は、できるだけ簡単で低価格に実現できるものが利用できることが望ましい。実際には、このような「簡易なアクティブ照明」は、例えば、手持ちの懐中電灯で実現することができる。しかし、計測対象に対して「どこを」、「どれだけ」照明すれば、満足できる3次元計測結果が得られるのかが不明である。   It is desirable that the “active illumination” given to the measurement object at this time can be used as simple as possible and at a low price. Actually, such “simple active illumination” can be realized by a hand-held flashlight, for example. However, it is unclear whether a “three-dimensional” measurement result can be obtained by illuminating “where” and “how much” the measurement target.

そこで、本発明では、新たな(最新の)ステレオ画像を撮影して入力したら、入力された最新のステレオ画像を計測して得られた計測結果を今までの計測結果に加えて、最新の計測結果を生成し、生成された最新の計測結果をリアルタイムに表示することで、計測者はリアルタイムに表示された最新の計測結果を確認しながら、「アクティブ照明」を当てる位置や強度を調整し、満足できる計測結果が得られたら直ちに計測を終了し、或いは、所定の条件(例えば、予め決められた計測時間等)を満たしたら、計測を終了するようにした、インタラクティブなステレオ3次元計測システムを提案した。   Therefore, in the present invention, when a new (latest) stereo image is captured and input, the latest measurement result obtained by measuring the input latest stereo image is added to the previous measurement result, and the latest measurement is performed. By generating the results and displaying the latest measurement results generated in real time, the measurer adjusts the position and intensity to which "active illumination" is applied while checking the latest measurement results displayed in real time, An interactive stereo three-dimensional measurement system that ends measurement immediately when a satisfactory measurement result is obtained, or ends measurement when a predetermined condition (for example, a predetermined measurement time) is satisfied. Proposed.

要するに、本発明に係るステレオ3次元計測システムとは、計測対象である静止物体への簡易なアクティブ照明と、同期した2台以上のステレオカメラで撮影した時系列画像を用いて、3次元計測を行い、その計測結果をリアルタイムに確認可能なステレオ3次元計測システムである。   In short, the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention performs three-dimensional measurement using simple active illumination on a stationary object to be measured and time-series images taken by two or more synchronized stereo cameras. This is a stereo three-dimensional measurement system that can perform and confirm the measurement result in real time.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2(A)は、本発明に係るステレオ3次元計測システムの実施構成例を示すブロック図である。図2(A)に示されたように、本発明のステレオ3次元計測システム1は、撮像装置10と、アクティブ照明手段20と、3次元計測処理装置30と、表示装置40とを備えている。   FIG. 2A is a block diagram showing an example of an implementation configuration of a stereo three-dimensional measurement system according to the present invention. As shown in FIG. 2A, the stereo three-dimensional measurement system 1 of the present invention includes an imaging device 10, active illumination means 20, a three-dimensional measurement processing device 30, and a display device 40. .

まず、撮像装置10は、計測対象である静止物体の時系列画像を撮影するための装置であり、その一例としては、図2(A)に示されたように、同期した2台のステレオカメラ(基準画像を撮影するための基準カメラ11と、参照画像を撮影するための参照カメラ12)から構成されている。   First, the imaging apparatus 10 is an apparatus for capturing a time-series image of a stationary object that is a measurement target. As an example, as shown in FIG. 2A, two synchronized stereo cameras are used. (A reference camera 11 for capturing a reference image and a reference camera 12 for capturing a reference image).

アクティブ照明手段20は、計測対象である静止物体へのアクティブ照明を発生させる手段である。本発明でいう「アクティブ照明」とは、空間的にも時間的にも変化する照明を意味する。   The active illumination unit 20 is a unit that generates active illumination on a stationary object to be measured. The “active illumination” in the present invention means illumination that changes both spatially and temporally.

アクティブ照明手段20で計測対象である静止物体を照らす具体例の一例としては、例えば、懐中電灯や棒の影を計測対象上で移動させるだけでよい。   As a specific example of illuminating a stationary object that is a measurement target with the active illumination unit 20, for example, it is only necessary to move a flashlight or a shadow of a stick on the measurement target.

本発明では、アクティブ照明手段20による照明変化を計測対象に与え、そして、本実施例では、撮像装置10を構成する、基準カメラ11及び参照カメラ12を用いて、計測対象の時系列画像(基準画像及び参照画像)を撮影する。撮影された時系列画像(基準画像及び参照画像)は、3次元計測処理装置30に入力される。   In the present invention, a change in illumination by the active illumination means 20 is given to the measurement object, and in this embodiment, a time series image (standard) of the measurement object is used by using the standard camera 11 and the reference camera 12 that constitute the imaging device 10. Image and reference image). The captured time-series images (standard image and reference image) are input to the three-dimensional measurement processing device 30.

一方、3次元計測処理装置30では、入力された時系列画像(基準画像及び参照画像)を用いて、3次元計測処理を行い、生成した計測結果を表示装置40に表示する。   On the other hand, the three-dimensional measurement processing device 30 performs three-dimensional measurement processing using the input time-series images (standard image and reference image), and displays the generated measurement result on the display device 40.

3次元計測処理装置30として、例えば、メモリを有するCPU(Central Processing Unit)を用いることができる。また、表示装置40として、例えば、液晶ディスプレイなどのディスプレイを用いることができる。   As the three-dimensional measurement processing device 30, for example, a CPU (Central Processing Unit) having a memory can be used. Further, as the display device 40, for example, a display such as a liquid crystal display can be used.

図2(B)は、図2(A)の構成を備えるステレオ3次元計測システム1を用いて、計測対象のステレオ3次元計測を実際に行う場合のイメージ的な概念図である。   FIG. 2B is an image conceptual diagram in the case of actually performing stereo three-dimensional measurement of a measurement target using the stereo three-dimensional measurement system 1 having the configuration of FIG.

図2(B)に概念的に示されたように、本発明のステレオ3次元計測システムは、インタラクティブな計測システムであって、3次元計測を行う際に、まず、アクティブ照明手段20による照明変化を計測対象23に与えながら、同期した基準カメラ11及び参照カメラ12を用いて、計測対象23の時系列画像(基準画像及び参照画像)を撮影する。本実施例では、アクティブ照明手段20によるアクティブ照明とは、計測者21は、自分が持っている懐中電灯22を、計測対象23に当てながら移動することを意味する。   As conceptually shown in FIG. 2B, the stereo three-dimensional measurement system of the present invention is an interactive measurement system. When performing three-dimensional measurement, first, the illumination change by the active illumination means 20 is performed. The time series images (base image and reference image) of the measurement target 23 are photographed using the synchronized reference camera 11 and reference camera 12. In the present embodiment, the active illumination by the active illumination means 20 means that the measurer 21 moves while hitting the flashlight 22 held by the measurer 21 against the measurement target 23.

撮影された時系列画像(基準画像及び参照画像)は、3次元計測処理装置30に入力され、3次元計測処理装置30での3次元計測処理によって生成された計測結果は、表示装置40にリアルタイムに表示される。計測者21は、表示装置40にリアルタイムに表示された計測結果を確認しながら、計測対象である静止物体の表面に適切なテクスチャが存在しない箇所、すなわち、懐中電灯22の照明が不足している位置を、集中して照明する。   The captured time-series images (standard image and reference image) are input to the three-dimensional measurement processing device 30, and the measurement results generated by the three-dimensional measurement processing in the three-dimensional measurement processing device 30 are real-time on the display device 40. Is displayed. The measurer 21 confirms the measurement result displayed on the display device 40 in real time, and the portion where the appropriate texture does not exist on the surface of the stationary object to be measured, that is, the illumination of the flashlight 22 is insufficient. Illuminate the position in a concentrated manner.

そして、同期した基準カメラ11及び参照カメラ12を用いて撮影された新たな時系列画像(基準画像及び参照画像)は、3次元計測処理装置30に入力され、入力された新たな時系列画像(基準画像及び参照画像)に基づき、3次元計測処理が行われ、生成された計測結果は表示装置40にリアルタイムに表示される。   Then, a new time-series image (standard image and reference image) captured using the synchronized reference camera 11 and reference camera 12 is input to the three-dimensional measurement processing device 30, and the input new time-series image ( A three-dimensional measurement process is performed based on the reference image and the reference image, and the generated measurement result is displayed on the display device 40 in real time.

上述したように、本発明のステレオ3次元計測システムによるステレオ3次元計測は、計測結果をフィードバックして利用しながら、計測対象に照明変化を与える3次元計測である。例えば、計測結果が不完全な箇所(計測対象である静止物体の表面に適切なテクスチャが存在しない箇所)に集中的に照明変化を与えたり、計測対象である静止物体が鏡面反射成分を持つ場合にはアクティブ照明の角度を調整するなどのインタラクションを行ったりすることができる。また、計測者が計測結果に満足できた時点で計測を終了することができる。   As described above, the stereo three-dimensional measurement by the stereo three-dimensional measurement system of the present invention is a three-dimensional measurement that gives an illumination change to a measurement target while feeding back and using the measurement result. For example, if the measurement result is incomplete (location where there is no appropriate texture on the surface of the stationary object being measured), or the stationary object being measured has a specular reflection component Can interact with the active lighting angle, etc. Further, the measurement can be terminated when the measurer is satisfied with the measurement result.

本発明のステレオ3次元計測システムでは、撮影した時系列画像間での対応位置を探索するために、空間的に1×1[画素]、時間的に必要なだけの枚数の画像を利用する。すなわち、本発明では、画像の画素ごとに対応位置を探索する。本発明では、時間的に必要なだけの枚数の画像が入力されたことを判断するために、計測結果をリアルタイムに表示する。また、リアルタイムに表示するために、ステレオ画像を1組入力するごとに最新の計測結果を更新して表示する。   In the stereo three-dimensional measurement system of the present invention, in order to search for corresponding positions between captured time-series images, 1 × 1 [pixel] in space and as many images as necessary in time are used. That is, in the present invention, the corresponding position is searched for each pixel of the image. In the present invention, the measurement result is displayed in real time in order to determine that the necessary number of images have been input in time. Further, in order to display in real time, the latest measurement result is updated and displayed every time one set of stereo images is input.

次に、図3は、本発明に係るステレオ3次元計測システムによる3次元計測処理、即ち図2に示された3次元計測処理装置30(以下、単に「3次元計測処理装置」と言う。)で行われる「3次元計測処理」の流れを示すフローチャートである。   Next, FIG. 3 shows the three-dimensional measurement processing by the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention, that is, the three-dimensional measurement processing device 30 shown in FIG. 2 (hereinafter simply referred to as “three-dimensional measurement processing device”). 6 is a flowchart showing a flow of “three-dimensional measurement processing” performed in step S2.

図3に示されたように、本発明では、まず、同期した基準カメラ11及び参照カメラ12で撮影したステレオ画像(基準画像と参照画像)は、3次元計測処理装置に入力される(ステップS1)。   As shown in FIG. 3, in the present invention, first, stereo images (standard images and reference images) captured by the synchronized standard camera 11 and reference camera 12 are input to the three-dimensional measurement processing device (step S1). ).

そして、3次元計測処理装置では、新しいステレオ画像が入力される毎に、入力されたステレオ画像(以下、単に「入力画像」という。)に対して、まず、レンズ歪曲収差の除去とレクティフィケーション(平行化)(非特許文献7、非特許文献8を参照)を行う(ステップS2、ステップS3)。   In the three-dimensional measurement processing device, each time a new stereo image is input, first, lens distortion aberration removal and rectification are performed on the input stereo image (hereinafter simply referred to as “input image”). (Parallelization) (see Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8) is performed (step S2, step S3).

次に、下記数1に示されたように、フレーム間差分を行った上で(ステップS5)、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗(SD:Squared Difference)を計算する(ステップ6)。   Next, as shown in the following formula 1, after performing the inter-frame difference (step S5), the square of the difference (SD: Squared Difference) of the corresponding candidate pixels between the stereo images is calculated. (Step 6).

Figure 2008275366
ただし、(u,v)は基準画像座標を表し、dは視差を表す。また、I(u,v,t)とI(u,v,t)は、それぞれ基準画像と参照画像の位置(u,v)におけるフレーム番号tでの画素値である。
Figure 2008275366
However, (u b , v b ) represents reference image coordinates, and d represents parallax. I b (u, v, t) and I r (u, v, t) are pixel values at frame number t at the position (u, v) of the standard image and the reference image, respectively.

ここで、フレーム間差分を行う理由は、画像間での明るさの差による影響を低減するためである。また、フレーム間差分を行うために、3次元計測処理装置のフレームメモリにおいて、1フレーム遅延を行う(ステップS4)。   Here, the reason for performing the inter-frame difference is to reduce the influence of the difference in brightness between images. Further, in order to perform the inter-frame difference, one frame delay is performed in the frame memory of the three-dimensional measurement processing device (step S4).

次に、下記数2に示されたように、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗、即ち、数1により算出されたSD(u,v,d,t)を積算し、図4に示すように、基準画像座標(u,v)と視差dを軸に持つSSD空間に配置する(ステップS7)。 Next, as shown in Equation 2 below, the square of the difference between corresponding candidate pixels between stereo images, that is, SD (u b , v b , d, t) calculated by Equation 1 is used. As shown in FIG. 4, the integration is performed and arranged in the SSD space having the reference image coordinates (u b , v b ) and the parallax d as axes (step S7).

Figure 2008275366
次に、ステレオ画像間の対応位置は、図4に示されたように、このSSD空間における視差d方向の最小値探索によって求める(ステップS8)。
Figure 2008275366
Next, the corresponding position between the stereo images is obtained by searching for the minimum value in the parallax d direction in the SSD space, as shown in FIG. 4 (step S8).

ここで、実際の計測では、時系列画像の全てのフレームにおいて照明変化があるわけではない。例えば、アクティブ照明手段20による照明変化として、手持ちの懐中電灯を考えると、画像中のほとんどの部分には懐中電灯の照明が当たらず画素値が変化しない。   Here, in actual measurement, there is no change in illumination in all frames of the time-series image. For example, when a hand-held flashlight is considered as a change in illumination by the active illumination means 20, almost no part of the image is illuminated by the flashlight and the pixel value does not change.

そこで、変化しない画素値は対応点探索に寄与しないため、実際の計算では、数1を計算するときに、基準画像のフレーム間差分値を一定のしきい値と比較し、基準画像のフレーム間差分値がしきい値以上のときだけ、数1により算出されたSDを、数2によってSSD空間に積算している(図5を参照)。この処理によって、アクティブ照明手段20が懐中電灯照明の場合に、視差の計算時間を約1/3に短縮できた。   Therefore, since the pixel values that do not change do not contribute to the corresponding point search, in the actual calculation, when calculating Equation 1, the inter-frame difference value of the reference image is compared with a certain threshold value, and the inter-frame difference of the reference image is calculated. Only when the difference value is equal to or greater than the threshold value, the SD calculated by Equation 1 is integrated into the SSD space by Equation 2 (see FIG. 5). By this processing, when the active illumination means 20 is flashlight illumination, the parallax calculation time can be shortened to about 1/3.

次に、本発明のステレオ3次元計測システムでは、オクルージョンを検出するために、バックマッチングを利用し、即ち、通常の探索で得られた視差と、基準画像と参照画像を交換して得られた視差の差の絶対値が、所定のしきい値以上であれば、オクルージョンと判定する(ステップS9)。   Next, in the stereo three-dimensional measurement system of the present invention, back-matching is used to detect occlusion, that is, obtained by exchanging the parallax obtained by the normal search, the standard image, and the reference image. If the absolute value of the difference in parallax is greater than or equal to a predetermined threshold value, it is determined as occlusion (step S9).

次に、上記の処理により得られた計測結果(視差マップとオクルージョン検出結果)を表示装置40に表示する(ステップS10)。   Next, the measurement result (disparity map and occlusion detection result) obtained by the above processing is displayed on the display device 40 (step S10).

次に、例えば、アクティブ照明手段20によるアクティブ照明は、計測者21が持っている懐中電灯22である場合、計測者21は、表示装置40に表示された計測結果(視差マップとオクルージョン検出結果)を確認しながら、懐中電灯を動かして計測対象を照明する。計測結果が不完全な箇所には、集中的に照明変化を与えることで、効率的に計測が行える。計測者21が計測結果に満足できた時点で計測を終了する(ステップS11)。   Next, for example, when the active illumination by the active illumination means 20 is the flashlight 22 held by the measurer 21, the measurer 21 displays the measurement result (disparity map and occlusion detection result) displayed on the display device 40. While confirming, move the flashlight to illuminate the measurement target. It is possible to efficiently measure a portion where the measurement result is incomplete by giving an illumination change intensively. The measurement ends when the measurer 21 is satisfied with the measurement result (step S11).

上述したように、3次元計測処理装置30では、撮像装置10(基準カメラ及び参照カメラ)により取得された新しいステレオ画像が入力される毎に、ステップS2〜ステップS10の処理を行い、換言すれば、逐次的計測結果を更新し、満足できた計測結果が得られた場合、ステレオ3次元計測処理を終了する。   As described above, the three-dimensional measurement processing device 30 performs the processing from step S2 to step S10 each time a new stereo image acquired by the imaging device 10 (base camera and reference camera) is input, in other words. The sequential measurement results are updated, and when a satisfactory measurement result is obtained, the stereo three-dimensional measurement process is terminated.

ここで、本発明のステレオ3次元計測システムにより計測され、表示装置40に表示された計測結果の一例を図6に示す。   Here, an example of the measurement result measured by the stereo three-dimensional measurement system of the present invention and displayed on the display device 40 is shown in FIG.

図6(A)〜図6(C)から、計測結果(視差マップとオクルージョン検出結果)が徐々に生成されていく様子が良く分かる。   From FIG. 6 (A) to FIG. 6 (C), it can be clearly seen that measurement results (parallax map and occlusion detection result) are gradually generated.

最終的な計測結果を図6(D)に示す。図6(D)の下段は2台のステレオカメラ(基準カメラと参照カメラ)で撮影した基準画像と参照画像を示す。また、図6(D)の上段左は推定した視差マップを、図6(D)の上段右は検出したオクルージョン領域(白)をそれぞれ示す。オクルージョン検出のためのしきい値は、オクルージョン検出結果を確認しながら調整できるようにした。   The final measurement result is shown in FIG. The lower part of FIG. 6D shows a standard image and a reference image captured by two stereo cameras (a standard camera and a reference camera). 6D shows the estimated parallax map, and the upper right of FIG. 6D shows the detected occlusion region (white). The threshold for occlusion detection can be adjusted while checking the occlusion detection result.

計測者は、視差マップとオクルージョン検出結果を確認しながら、懐中電灯などを動かして計測対象を照明する。計測結果が不完全な箇所には、集中的に照明変化を与えることで、効率的に計測が行える。   The measurer illuminates the measurement target by moving a flashlight or the like while checking the parallax map and the occlusion detection result. It is possible to efficiently measure a portion where the measurement result is incomplete by giving an illumination change intensively.

上記のように、本発明のステレオ3次元計測システムの実施例を説明したが、本発明のステレオ3次元計測システムにおける撮像装置10は、同期した2台のステレオカメラに限定されずに、多眼ステレオカメラ、即ち、同期した3台以上のステレオカメラ(基準画像を撮影するための1台の基準カメラと、参照画像を撮影するための2台以上の参照カメラ)を用いることが可能であることは言うまでもない。同期した3台以上のステレオカメラを撮像装置10とすることによって、ステレオ画像間対応位置の曖昧性と、遮蔽領域(オクルージョン)を低減することができる。   As described above, the embodiment of the stereo three-dimensional measurement system of the present invention has been described. However, the imaging device 10 in the stereo three-dimensional measurement system of the present invention is not limited to two synchronized stereo cameras, It is possible to use a stereo camera, that is, three or more synchronized stereo cameras (one standard camera for capturing a reference image and two or more reference cameras for capturing a reference image). Needless to say. By using three or more synchronized stereo cameras as the imaging device 10, it is possible to reduce the ambiguity of the corresponding positions between the stereo images and the occlusion area (occlusion).

次に、本発明のステレオ3次元計測システムを用いて、複雑な形状や細かな形状を持つ静止物体を計測対象とした計測実験を行い、本発明の有効性を確認した。   Next, using the stereo three-dimensional measurement system of the present invention, a measurement experiment was performed on a stationary object having a complicated shape or a fine shape, and the effectiveness of the present invention was confirmed.

撮像装置としてはPoint Grey Research社のFlea2というカメラを用い、そのカメラで640×480[pixel]のグレースケール画像を撮影した。アクティブ照明として、計測時間を短縮するために、図6(D)の撮影画像中に示すように、ランダムストライプパターンの静止画をPCプロジェクタに入力し、プロジェクタを手に持って計測対象を照明した。また、レーザーポインタも利用した。静止画投影は、懐中電灯を改造したものやスライドプロジェクタといった低コストな照明でも十分実現できる。視差推定は、画素単位で行った。   As an image pickup apparatus, a camera called Flea 2 of Point Gray Research was used, and a 640 × 480 [pixel] gray scale image was taken with the camera. As active illumination, in order to shorten the measurement time, as shown in the photographed image of FIG. 6D, a still image with a random stripe pattern is input to the PC projector, and the measurement target is illuminated with the projector in hand. . A laser pointer was also used. Still image projection can be realized even with low-cost lighting such as a modified flashlight or a slide projector. The parallax estimation was performed on a pixel basis.

図7に撮影画像(基準画像と参照画像)と視差マップを示す。図7(C)に示された視差マップ中の黒い領域は、オクルージョンとして検出された領域を示す。計測対象は、複雑な形状をもつ花で、奥行き不連続な領域やオクルージョン領域を多く含んでいるが、図7から分かるように、良好な計測結果が得られている。また、花の左側の平面領域(159×342[pixel]、90×200[mm]に対応)を用いて、推定した3次元位置に対して平面をフィッティングし奥行きの標準偏差を計算したところ、0.45[mm]であった。なお、ベースライン長(基線長)は、254[mm]、カメラから平面までの距離は約640[mm]である。表示速度は約3[fps]であった。   FIG. 7 shows a captured image (standard image and reference image) and a parallax map. A black area in the parallax map shown in FIG. 7C indicates an area detected as occlusion. The measurement object is a flower having a complicated shape and includes many areas with discontinuous depth and occlusion areas. As can be seen from FIG. 7, good measurement results are obtained. In addition, when the plane area on the left side of the flower (corresponding to 159 × 342 [pixel], 90 × 200 [mm]) is used, the plane is fitted to the estimated three-dimensional position, and the standard deviation of the depth is calculated. It was 0.45 [mm]. The baseline length (baseline length) is 254 [mm], and the distance from the camera to the plane is about 640 [mm]. The display speed was about 3 [fps].

図8に別の計測結果を示す。計測対象には、ラケットのガットのような非常に細かな形状が含まれるが、図8から分かるように、良好な視差推定が行われている。また、後ろの平面領域でのガット部によるオクルージョン領域も検出されていることが確認できる。ラケットのフレーム部において、誤ってオクルージョンとして検出されている領域は、色が黒く反射率が低い部分である。   FIG. 8 shows another measurement result. The measurement target includes a very fine shape such as a racket gut, but as shown in FIG. 8, good parallax estimation is performed. In addition, it can be confirmed that an occlusion area due to the gut portion in the back plane area is also detected. In the frame portion of the racket, an area erroneously detected as occlusion is a portion where the color is black and the reflectance is low.

従来の「spacetime stereo」ステレオ計測を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the conventional "spacetime stereo" stereo measurement. 図2(A)は、本発明に係るステレオ3次元計測システムの実施構成例を示すブロック図である。図2(B)は、図2(A)の構成を備えるステレオ3次元計測システム1を用いて、計測対象のステレオ3次元計測を実際に行う場合のイメージ的な概念図である。FIG. 2A is a block diagram showing an example of an implementation configuration of a stereo three-dimensional measurement system according to the present invention. FIG. 2B is an image conceptual diagram in the case of actually performing stereo three-dimensional measurement of a measurement target using the stereo three-dimensional measurement system 1 having the configuration of FIG. 本発明に係るステレオ3次元計測システムによる3次元計測処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the three-dimensional measurement process by the stereo three-dimensional measurement system which concerns on this invention. 本発明に係るステレオ3次元計測システムおいて、SSD空間と最小値探索を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating SSD space and a minimum value search in the stereo three-dimensional measurement system which concerns on this invention. 本発明に係るステレオ3次元計測システムおいて、積算フレームの選択を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining selection of an integration frame in the stereo three-dimensional measurement system according to the present invention. 本発明に係るステレオ3次元計測システムによる計測結果の表示例を示す図である。It is a figure which shows the example of a display of the measurement result by the stereo three-dimensional measurement system which concerns on this invention. 本発明に係るステレオ3次元計測システムによる計測結果(花)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (flower) by the stereo three-dimensional measurement system which concerns on this invention. 本発明に係るステレオ3次元計測システムによる計測結果(ラケット)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (racquet) by the stereo three-dimensional measurement system which concerns on this invention.

Claims (5)

ステレオ画像間の対応位置を探索することにより、静止物体である計測対象の3次元計測を行う、ステレオ3次元計測システムであって、
撮像装置と、空間的にも時間的にも変化するアクティブ照明を発生させるアクティブ照明手段と、3次元計測処理装置と、表示装置とを備え、
前記アクティブ照明手段から発生された前記アクティブ照明で前記計測対象を照らしつつ、前記撮像装置を用いて時系列のステレオ画像を撮影し、撮影されたステレオ画像は、前記3次元計測処理装置に入力され、
前記3次元計測処理装置では、時間方向に複数のフレームを使ってステレオ画像間の対応位置を探索することにより、前記計測対象までの距離を計測し、計測して得られた計測結果を前記表示装置に表示させ、更に、最新のステレオ画像が入力される毎に逐次的に計測処理を行い、計測結果を前記表示装置に表示させることを特徴とするステレオ3次元計測システム。
A stereo three-dimensional measurement system that performs three-dimensional measurement of a measurement target that is a stationary object by searching for a corresponding position between stereo images,
An imaging device, an active illumination unit that generates active illumination that changes both spatially and temporally, a three-dimensional measurement processing device, and a display device,
While illuminating the measurement object with the active illumination generated from the active illumination means, a time-series stereo image is captured using the imaging device, and the captured stereo image is input to the three-dimensional measurement processing device. ,
In the three-dimensional measurement processing device, by searching for a corresponding position between stereo images using a plurality of frames in the time direction, the distance to the measurement target is measured, and the measurement result obtained by the measurement is displayed. A stereo three-dimensional measurement system that displays on a device, sequentially performs measurement processing each time a latest stereo image is input, and displays the measurement result on the display device.
ステレオ画像間の対応位置を探索するときの空間方向領域が1×1[画素]である請求項1に記載のステレオ3次元計測システム。   The stereo three-dimensional measurement system according to claim 1, wherein a spatial direction area when searching for a corresponding position between stereo images is 1 × 1 [pixel]. 前記3次元計測処理装置は、ステレオ画像間のオクルージョンを検出する機能を備え、検出したオクルージョンをも前記表示装置に表示させる請求項1又は請求項2に記載のステレオ3次元計測システム。   The stereo three-dimensional measurement system according to claim 1, wherein the three-dimensional measurement processing device has a function of detecting occlusion between stereo images, and displays the detected occlusion on the display device. 前記撮像装置はステレオ画像を撮影するための同期した2台のステレオカメラ、即ち、基準画像を撮影するための基準カメラと、参照画像を撮影するための参照カメラから構成され、
前記3次元計測処理装置は、新しいステレオ画像が入力される毎に、入力されたステレオ画像に対し、レンズ歪曲収差の除去を行った後に、次の数式に基づき、フレーム間差分を行った上で、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗(SD)を計算し、
Figure 2008275366
ただし、(u,v)は基準画像座標を表し、dは視差を表し、また、I(u,v,t)とI(u,v,t)は、それぞれ基準画像と参照画像の位置(u,v)におけるフレーム番号tでの画素値であり、
次に、フレーム間差分値が一定値以上のとき、次の数式に基づき、計算されたSD(u,v,d,t)を、基準画像座標(u,v)と視差dを軸に持つSSD空間へ積算し、
Figure 2008275366
前記SSD空間における視差d方向の最小値探索によって、ステレオ画像間の対応位置を求める請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のステレオ3次元計測システム。
The imaging apparatus is composed of two synchronized stereo cameras for capturing a stereo image, that is, a reference camera for capturing a reference image and a reference camera for capturing a reference image.
Each time a new stereo image is input, the three-dimensional measurement processing device removes lens distortion from the input stereo image, and then performs an inter-frame difference based on the following equation. Calculating the square (SD) of the difference between the pixel values of the corresponding candidate pixels between the stereo images,
Figure 2008275366
Where (u b , v b ) represents the standard image coordinates, d represents the parallax, and I b (u, v, t) and I r (u, v, t) refer to the standard image, respectively. The pixel value at frame number t at the position (u, v) of the image,
Next, when the inter-frame difference value is greater than or equal to a certain value, the calculated SD (u b , v b , d, t) is converted into the reference image coordinates (u b , v b ) and the parallax d based on the following formula: To the SSD space with
Figure 2008275366
The stereo three-dimensional measurement system according to any one of claims 1 to 3, wherein a corresponding position between stereo images is obtained by searching for a minimum value in the parallax d direction in the SSD space.
前記撮像装置はステレオ画像を撮影するための同期した3台以上のステレオカメラ、即ち、基準画像を撮影するための1台の基準カメラと、参照画像を撮影するための2台以上の参照カメラから構成され、
前記3次元計測処理装置は、新しいステレオ画像が入力される毎に、入力されたステレオ画像に対し、レンズ歪曲収差の除去を行った後に、次の数式に基づき、フレーム間差分を行った上で、ステレオ画像間の対応候補画素の画素値の差の2乗(SD)を計算し、
Figure 2008275366
ただし、(u,v)は基準画像座標を表し、dは視差を表し、また、I(u,v,t)とI(u,v,t)は、それぞれ基準画像と参照画像の位置(u,v)におけるフレーム番号tでの画素値であり、
次に、フレーム間差分値が一定値以上のとき、次の数式に基づき、計算されたSD(u,v,d,t)を、基準画像座標(u,v)と視差dを軸に持つSSD空間へ積算し、
Figure 2008275366
前記SSD空間における視差d方向の最小値探索によって、ステレオ画像間の対応位置を求める請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のステレオ3次元計測システム。
The imaging device includes three or more synchronized stereo cameras for capturing a stereo image, that is, one reference camera for capturing a reference image and two or more reference cameras for capturing a reference image. Configured,
Each time a new stereo image is input, the three-dimensional measurement processing device removes lens distortion from the input stereo image, and then performs an inter-frame difference based on the following equation. Calculating the square (SD) of the difference between the pixel values of the corresponding candidate pixels between the stereo images,
Figure 2008275366
Where (u b , v b ) represents the standard image coordinates, d represents the parallax, and I b (u, v, t) and I r (u, v, t) refer to the standard image, respectively. The pixel value at frame number t at the position (u, v) of the image,
Next, when the inter-frame difference value is greater than or equal to a certain value, the calculated SD (u b , v b , d, t) is converted into the reference image coordinates (u b , v b ) and the parallax d based on the following formula: To the SSD space with
Figure 2008275366
The stereo three-dimensional measurement system according to any one of claims 1 to 3, wherein a corresponding position between stereo images is obtained by searching for a minimum value in the parallax d direction in the SSD space.
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