JP2009044279A - キャリブレーション方法およびキャリブレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器の設置時点で厳密な位置調整を行わなくても、カメラ投影中心と回転中心とを一致させる。
【解決手段】並進ステージと回転ステージを移動させて世界座標値が既知な対象物を撮影し、各々の画像と撮影した対象物の世界座標値、撮影した時の並進位置、回転位置とから各画像の投影中心座標を求め、前記求めた前記投影中心座標に最も当てはまる１枚の平面を求め、前記各投影中心座標から前記平面へ下ろした垂線の足を新たな投影中心座標とし、前記求めた前記平面上の前記新たな投影中心座標と、それらの投影中心座標を求める元となった画像が撮影されたときの並進位置、回転位置とから前記水平方向の回転移動の中心位置を算出し、前記カメラの投影中心位置が前記算出した回転中心と一致するように、前記ステージの水平位置を変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャリブレーション方法およびキャリブレーション装置に係わり、特に、カメラを水平方向に回転移動させて複数の画像を撮影し、その複数の画像を合成することで全方位画像を撮影する全方位画像撮影装置における、カメラの投影中心と回転中心を一致させるためのキャリブレーション方法およびキャリブレーション装置に関する。

従来から、投影中心が一致した画像を撮像可能な全方位画像生成装置を構成するために、カメラの投影中心と回転中心を一致させることが求められる。（下記、非特許文献１、２参照）
以下、従来のカメラの投影中心と回転中心とを一致させる方法について説明する。
始めに、非特許文献１に記載の方法について説明する。
図１は、従来のカメラの投影中心と回転中心を一致させるためのシステム構成を示す図であり、レーザ光を使ってカメラの投影中心と回転中心を一致させる方法を説明する図である。
図１において、１０１はカメラ、１０２は直進ステージ、１０３は回転ステージ、１０４はレーザ光発生装置、１０５は半透明スクリーン、１０６はレーザ光、１０７は半透明スクリーン上のレーザビーム像である。
カメラの投影中心と回転中心を一致させるためには、以下の（１）、（２）の２つの性質を利用する。
（１）投影中心を通る光線上のすべての点は、画像上の１点に投影される。
（２）投影中心と回転中心が一致している場合、投影中心を通る光線上のすべての点は、カメラを回転させても画像上の１点に投影される。
この２つの性質を同時に満たす位置にカメラを移動させる。
まず、２枚の半透明スクリーン１０５を通過するレーザ光が画像上で一致するようにレーザ光発生装置１０４の向きを調整する。
次に、回転ステージ１０３を使ってカメラ１０１を左右に同じ角度だけ回転させ、２枚の半透明スクリーン上のビーム像の距離を画像上で測定する。
直進ステージ１０２を移動させ、この画像上の２つのビーム像の距離が最小となる位置が、カメラ１０１の投影中心と回転中心が一致する位置である。

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
和田俊和，浮田宗伯，松山隆司，"視点固定型パンチルトズームカメラとその応用"，電子情報通信学会論文誌,Vol.J81-D-II ,No.6，PP.1182-1193，1998 中谷裕，奥富正敏，"アクティブカメラによるイメージモザイキング"，画像電子学会誌，Vol.29，No.5，PP.462-470，2000

しかしながら、前述の非特許文献１に記載の方法は、カメラの投影中心が直進ステージ上にあるとは限らないため、直進ステージによる一方向の調整だけでは、投影中心と回転中心を完全に一致させることが難しいという問題がある。
また、前述の非特許文献２に記載の方法では、撮像装置を構成する各ステージとカメラの関係が既知の場合には、各ステージの移動量を求めることが可能であるが、それらの関係が未知の場合には、どのステージをどれだけ移動させればよいかわからない。また、各ステージ間の関係が既知な撮像装置を構成することは可能だが、コストがかかるという問題がある。
本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、機器の設置時点で厳密な位置調整を行わなくても、カメラ投影中心と回転中心とを一致させた全方位画像撮像装置を構成することが可能なキャリブレーション方法およびキャリブレーション装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）カメラを水平方向に回転移動させて複数の画像を撮影し、その複数の画像を合成することで全方位画像を撮影する全方位画像撮影装置のキャリブレーション方法であって、前記全方位画像撮影装置は、内部パラメータが既知なカメラと、前記カメラの水平方向の並進移動・回転移動を行うステージとを有し、少なくとも２以上の並進位置および少なくとも２以上の回転位置に前記ステージを移動させて、前記カメラで世界座標値が既知な対象物を撮影し、各々の画像と撮影した対象物の世界座標値、撮影した時の並進位置、回転位置とから各画像の投影中心座標を求めるステップ１と、前記ステップ１で求めた前記投影中心座標に最も当てはまる１枚の平面を求め、前記各投影中心座標から前記平面へ下ろした垂線の足を新たな投影中心座標とするステップ２と、前記ステップ２で求めた前記平面上の前記新たな投影中心座標と、それらの投影中心座標を求める元となった画像が撮影されたときの並進位置、回転位置とから前記水平方向の回転移動の中心位置を算出するステップ３と、前記カメラの投影中心位置が前記ステップ３で算出した回転中心と一致するように、前記ステージの水平位置を変更するステップ４とを有する。

（２）カメラを水平方向に回転移動させて複数の画像を撮影し、その複数の画像を合成することで全方位画像を撮影する全方位画像撮影装置のキャリブレーション装置であって、前記全方位画像撮影装置は、内部パラメータが既知なカメラと、前記カメラの水平方向の並進移動・回転移動を行うステージとを有し、前記キャリブレーション装置は、少なくとも２以上の並進位置および少なくとも２以上の回転位置に前記ステージを移動させて、前記カメラで世界座標値が既知な対象物を撮影した時の、各々の画像と撮影した対象物の世界座標値、撮影した時の並進位置、回転位置とから各画像の投影中心座標を求める手段１と、前記手段１で求めた前記投影中心座標に最も当てはまる１枚の平面を求め、前記各投影中心座標から前記平面へ下ろした垂線の足を新たな投影中心座標とする手段２と、前記手段２で求めた前記平面上の前記新たな投影中心座標と、それらの投影中心座標を求める元となった画像が撮影されたときの並進位置、回転位置とから前記水平方向の回転移動の中心位置を算出する手段３と、前記カメラの投影中心位置が前記手段３で算出した回転中心と一致するように、前記ステージの水平位置を変更する手段４とを有する。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明のキャリブレーション方法およびキャリブレーション装置によれば、機器の設置時点で厳密な位置調整を行わなくても、カメラ投影中心と回転中心とを一致させた全方位画像撮像装置を構成することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図２は、本発明の実施例のキャリブレーション方法を実施するために使用する撮像装置の概略構成を示す図である。
図２において、２０１は回転ステージ、２０２はＸ−Ｙステージ、２０３はカメラ、２０４はキャリブレーションボードである。
図２に示すように、撮像装置は、カメラ２０３、水平方向（図２のＸ^ＸＹ方向）にのみ平行移動を行うＸ−Ｙステージ２０２、回転運動を行う回転ステージ２０１で構成する。
黒白の格子模様の描かれたキャリブレーションボード２０４は、世界座標系を規定するものであり、格子模様の交点を特徴点とする。世界座標系の原点をキャリブレーションボード２０４の左上の点とし、キャリブレーションボード２０４に水平な方向をＸ^Ｗ軸、垂直な方向をＹ^Ｗ軸とする。また、Ｘ^Ｗ軸とＹ^Ｗ軸に直交する軸をＺ^Ｗ軸とする。
なお、世界座標値は、既知であり、また、カメラ２０３での撮影は、いずれの場所においても、世界座標値が既知であるもの（ここでは、キャリブレーションボード２０４）が写るような位置・姿勢で行う。

図３は、本実施例のキャリブレーション方法の処理手順を示すフローチャートであり、カメラ２０３の投影中心と回転中心とを一致させる方法を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートは、キャリブレーション装置を構成するパーソナルコンピュータにより実行される。
初めに、回転ステージ２０１と、Ｘ−Ｙステージ２０２とを移動させ複数の位置からキャリブレーションボード２０４が写りこむように撮影し、特徴点の世界座標と画像座標の対応関係から、世界座標系における投影中心の座標を求める（ステップ１）。
次に、それらの複数の投影中心座標を通る平面を求め（ステップ２）、平面上の投影中心座標の軌跡から回転中心座標を推定する（ステップ３）。
そして、推定された回転中心座標の位置にステージを移動させることで、カメラ２０３の投影中心と回転中心を一致させる（ステップ４）。
以下、本実施例の各ステップについて詳細に説明する。

（ステップ１）
回転ステージ２０１の移動範囲を−ＴΔφ≦Δφ≦ＴΔφ、Ｘステージの移動範囲−ＫΔｘ≦Δｘ≦ＫΔｘとする。なお、ＴとＫは、いずれも１以上の整数である。
まず、回転ステージ２０１を−ＴΔφ回転させた後、Ｘステージを−ＫΔｘからＫΔｘまでΔｘずつ移動（即ち、水平平行に並進）させながら、各位置でキャリブレーションボード２０４を撮影する。
次に、その位置から回転ステージ２０１をΔφ回転させた後、同様にＸステージを移動させて撮影を行う。
この操作を回転ステージ２０１の回転角度がＴΔφになるまで繰り返し行う。この場合に、各画像に対応付けて撮影の際のステージ位置（Ｘステージ、回転ステージ２０１の位置）を記憶する。

従来のカメラの投影中心と回転中心を一致させるためのシステム構成を示す図である。 本発明の実施例の撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施例のキャリブレーション方法の処理手順を示すフローチャートである。 ノイズがない場合と、ノイズが重畳された場合とにおける、図３のステップ１で求められた複数の投影中心の世界座標位置を示す図である。 投影中心が回転中心と一致していない場合に、Ｘステージを動かした時の投影中心の軌跡が描く直線が、回転ステージを回転させることである円の接線を描くことを説明するための図である。

符号の説明

１０１，２０３ カメラ
１０２ 直進ステージ
１０３，２０１ 回転ステージ
１０４ レーザ光発生装置
１０５ 半透明スクリーン
１０６ レーザ光
１０７ レーザビーム像
２０２ Ｘ−Ｙステージ
２０４ キャリブレーションボード

Claims (2)

1. カメラを水平方向に回転移動させて複数の画像を撮影し、その複数の画像を合成することで全方位画像を撮影する全方位画像撮影装置のキャリブレーション方法であって、
   前記全方位画像撮影装置は、内部パラメータが既知なカメラと、前記カメラの水平方向の並進移動・回転移動を行うステージとを有し、
   少なくとも２以上の並進位置および少なくとも２以上の回転位置に前記ステージを移動させて、前記カメラで世界座標値が既知な対象物を撮影し、各々の画像と撮影した対象物の世界座標値、撮影した時の並進位置、回転位置とから各画像の投影中心座標を求めるステップ１と、
   前記ステップ１で求めた前記投影中心座標に最も当てはまる１枚の平面を求め、前記各投影中心座標から前記平面へ下ろした垂線の足を新たな投影中心座標とするステップ２と、
   前記ステップ２で求めた前記平面上の前記新たな投影中心座標と、それらの投影中心座標を求める元となった画像が撮影されたときの並進位置、回転位置とから前記水平方向の回転移動の中心位置を算出するステップ３と、
   前記カメラの投影中心位置が前記ステップ３で算出した回転中心と一致するように、前記ステージの水平位置を変更するステップ４とを有することを特徴とするキャリブレーション方法。
2. カメラを水平方向に回転移動させて複数の画像を撮影し、その複数の画像を合成することで全方位画像を撮影する全方位画像撮影装置のキャリブレーション装置であって、
   前記全方位画像撮影装置は、内部パラメータが既知なカメラと、前記カメラの水平方向の並進移動・回転移動を行うステージとを有し、
   前記キャリブレーション装置は、少なくとも２以上の並進位置および少なくとも２以上の回転位置に前記ステージを移動させて、前記カメラで世界座標値が既知な対象物を撮影した時の、各々の画像と撮影した対象物の世界座標値、撮影した時の並進位置、回転位置とから各画像の投影中心座標を求める手段１と、
   前記手段１で求めた前記投影中心座標に最も当てはまる１枚の平面を求め、前記各投影中心座標から前記平面へ下ろした垂線の足を新たな投影中心座標とする手段２と、
   前記手段２で求めた前記平面上の前記新たな投影中心座標と、それらの投影中心座標を求める元となった画像が撮影されたときの並進位置、回転位置とから前記水平方向の回転移動の中心位置を算出する手段３と、
   前記カメラの投影中心位置が前記手段３で算出した回転中心と一致するように、前記ステージの水平位置を変更する手段４とを有することを特徴とするキャリブレーション装置。

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