JP2009063319A - 距離計測装置及び距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のカメラの取り付け位置の自由度を高めることができ、距離計測のためのキャリブレーションを行う必要がない距離計測装置を提供する。
【解決手段】所定距離だけ離れた２台のカメラによって、距離を計測するべき対象物体の２枚の画像の画像データを取得する画像取得手段と、画像データ中の無限遠方の像が互いに重なり合うように２枚の画像データを重ね合わせる画像合成手段と、無限遠方の像が互いに重なり合った状態における対象物体像のずれ量を求め、該ずれ量に基づいて、対象物体までの距離を計測する距離算出手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステレオカメラにより撮像した画像を用いて対象物体までの距離を計測する距離計測装置及び距離計測方法に関する。

ステレオカメラによる形状計測や距離計測は、複数のカメラの相対的な位置や方向を固定した状態で、各カメラ間の相対的な位置・方向のキャリブレーションを行った後に、対象物体を撮像し、画像処理結果と事前にキャリブレーションした位置・方向のパラメータを使用して行うのが一般的である。

なお、先行技術として、三次元空間における対象物の凹凸の形状を簡便かつ高精度に計測するために、複数台のカメラで対象物を撮影した場合に、対象物の奥行き方向の凹凸形状によって視差にずれが生じる現象を利用し、カメラから画像内の基準点までの距離情報を基に、基準点に対する画像内の各点の相対高さを計測する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９８４１３号公報

ところで、ステレオカメラによる距離計測は、２台のカメラを同一のベースに固定して使用する必要があるため、さまざまな方向にある対象物体を捕らえるためには、各カメラの視線方向を変えるのではなく、２台のカメラを固定したベース全体の姿勢を変えることで視線方向を変える必要がある。また、距離計測の精度を高くするためには、２台のカメラ間の距離を長くする必要があるが、各カメラを共通のベースに固定する場合、２台のカメラを固定するベースの構造部材が大きくなってしまうという問題がある。またベースの振動を防ぐために剛な構造が必要となり重量も増えてしまう。これにより、カメラの設置場所によっては、カメラの可動範囲を大きく取ることができないため、計測可能な対象物体の方向に制約があるとともに、方向を変えるために多大な駆動力を必要とするという問題がある（図４（ａ）参照）。また、各カメラの方向が独立に変えられないために、遠距離での計測を目的として２台のカメラをベースに固定した場合には、近距離の対象物体までの距離計測を行うことが困難となり、遠距離から近距離までのさまざまな対物距離に対して距離計測を行うことができない。

このような問題を解決するために、２台のカメラの方向を独立に変えられるように構成すれば、可動範囲が大きくすることはできるが、２台のカメラの精度良く位置決めするとともに、カメラの方向を変える度に、距離計測を行うキャリブレーションを行わなければならないという問題がある（図４（ｂ）参照）。図４に示すように、宇宙空間を飛行する人工衛星に２台のカメラを取り付けて、他の人工衛星までの距離を計測しなければならないような場合には、カメラの方向を変える度に、キャリブレーションを実行することはできないため、高精度で距離の計測を行うことができないという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数のカメラの取り付け位置の自由度を高めることができ、距離計測のためのキャリブレーションを行う必要がない距離計測装置及び距離計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、所定距離だけ離れた２台のカメラによって、距離を計測するべき対象物体の２枚の画像の画像データを取得する画像取得手段と、前記画像データ中の無限遠方の像が互いに重なり合うように前記２枚の画像データを重ね合わせる画像合成手段と、前記無限遠方の像が互いに重なり合った状態における前記対象物体像のずれ量を求め、該ずれ量に基づいて、前記対象物体までの距離を計測する距離算出手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記無限遠方の距離Ｚが、Ｚ／（Ｄ・Ｆ）＞＞１（ただし、Ｄは、２台のカメラの視線間距離、Ｆは、カメラの焦点距離である。）を満たす距離であることを特徴とする。

本発明は、前記限遠方の像が恒星の輝点像であることを特徴とする。

本発明は、所定距離だけ離れた２台のカメラによって、距離を計測するべき対象物体の２枚の画像の画像データを取得する画像取得ステップと、前記画像データ中の無限遠方の像が互いに重なり合うように前記２枚の画像データを重ね合わせる画像合成ステップと、前記無限遠方の像が互いに重なり合った状態における前記対象物体像のずれ量を求め、該ずれ量に基づいて、前記対象物体までの距離を計測する距離算出ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、各カメラの姿勢の差に起因する画像上のずれの影響が極めて少ないため、遠距離の対象物体に関して精度の高い計測ができるという効果が得られる。また、各カメラの視線方向が広くとれるため、広い範囲で対象物体を捉えることができ、視線の自由度を高めることができる。また、ステレオカメラのベースとなる構造体を別途用意する必要がないため、小型、軽量となり、取付け位置の自由度も高くすることができる。

以下、本発明の一実施形態による距離計測装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、距離を計測する対象物体であり、例えば、宇宙空間を飛行する人工衛星等である。符号２は、例えば、宇宙区間を飛行する他の人工衛星等に備えられ、対象物体１までの距離を計測する距離計測装置である。符号２０は、距離計測装置２の処理動作を統括して制御する制御部である。符号２１、２３は、対象物体１の撮像画像を得るための光学系レンズを備えたカメラであり、この２台のカメラでステレオカメラを構成する。符号２２、２４は、制御部２０から出力される制御信号に基づいて、カメラ２１、２３のそれぞれの光軸の方向を独立に変えることができる雲台である。符号２５は、カメラ２１、２３のそれぞれが撮像した画像のデータを読み込み、内部に一時保持する画像取得部である。符号２６は、画像取得部２５が取得した２枚の画像を重ね合わせることにより合成する画像合成部である。符号２７は、画像合成部２６によって得られた合成画像中の対象物体像のずれ量からこの対象物体１までの距離を算出する距離算出部である。

次に、図２を参照して、図１に示す距離計測装置２の処理動作を説明する。まず制御部２０は、雲台２２、２４を制御して、カメラ２１、２３の光軸を対象物体１方向へ向ける。この方向の制御は、対象物体１の方向が既知であれば自己の姿勢との関係からカメラ２１、２３を向けるべき方向を求めて、求めた方向に向くように雲台２２、２４を制御する。そして、制御部２０は、画像取得部２５に対して、画像取得を指示する。これを受けて、画像取得部２５は、カメラ２１及びカメラ２３が撮像した画像の画像データを読み込み、内部に一時保持する（ステップＳ１）。これにより、画像取得部２５内には、対象物体（例えば人工衛星）１が撮像された２枚の画像の画像データが保持されたことになる（図３（ａ）、（ｂ）参照）。

次に、制御部２０は、画像合成部２６に対して、画像の合成を指示する。これを受けて、画像合成部２６は、画像取得部２５内に保持されている２枚の画像の画像データを読み出し、２枚の画像データを重ね合わせることにより合成する（ステップＳ２）。このとき、画像合成部２６は、無限遠方の背景として恒星の輝点像を利用して、２枚の画像に映っている背景の同一の恒星（無限遠方の像）の位置を合わせるように画像を重ね合わせる。例えば、図３（ａ）の符号Ｓ１ａの輝点像と図３（ｂ）の符号Ｓ１ｂの輝点像は同一の恒星であり、また、符号Ｓ２ａの輝点像と図３（ｂ）の符号Ｓ２ｂの輝点像も同一の恒星であるため、これらの輝点像が一致するように、画像処理によって重ね合わせると図３（ｃ）に示す合成画像が得られる。この合成画像は、距離を計測するべき対象物体１の像に関して各画像間でずれが生じているために、合成画像上において、ずれ量Ｄだけずれることになる。このずれ量Ｄは、２枚の画像に映っている対象物体像の重心を画像処理によってそれぞれ求め、この重心位置が合成画像上においてどれだけずれているかによって求めればよい。画像合成部２６は、このずれ量Ｄを距離算出部２７に対して出力する。

これを受けて、距離算出部２７は、このずれ量Ｄと、２台のカメラ２１、２３の間の距離及び２台のカメラの焦点距離、画像の解像度等に基づいて対象物体１までの距離を求め、求めた距離値を制御部２０へ出力する（ステップＳ３）。このずれ量Ｄから距離を計測する計算方法は、周知の方法を用いればよいため、ここでは、詳細な計算方法の説明を省略する。

このように、ステレオカメラの左右カメラ間の画像中での対象物体像のずれは、対象物体の距離の遠近とともに、カメラ光軸の方向の差により発生し、無限遠方の背景像に関するずれは、カメラ光輪方向の差にのみ起因することを利用して、画像間の無限遠方の背景像が重なるように画像全体を移動して重ね合わせれば、対象物体１の距離の遠近による対象物体像のずれ量Ｄを求めることができる。このずれ量Ｄに基づき対象物体１までの距離を計算することで、２台のカメラのキャリブレーションを実行することなく、カメラ姿勢の影響をキャンセルすることができる。ただし、ここで２台のカメラ２１、２３の焦点距離が等しいとするとこのステレオカメラに対する無限遠方とは、（１）式で示す距離Ｚのことである。 Ｚ／（Ｄ・Ｆ）＞＞１ ・・・（１）
ここで、Ｄは、２台のカメラ間の距離、Ｆは、カメラの焦点距離である。

なお、２台のカメラ２１、２３において焦点距離の微小な差が存在する場合には、取得した画像中の恒星の位置が重なるように、画像処理によって画像を拡大縮小することによりその影響を取除くようにしてもよい。このようにすることにより２台のカメラ２１、２３を、それぞれ別々の雲台２２、２４に搭載して独立に方向を制御しても対象物体１をそれぞれの画像中心に捕らえることが可能となる。

以上説明したように、無限遠方の像が互いに重なり合った状態における対象物体像のずれ量を求め、このずれ量に基づいて、対象物体までの距離を計測するようにしたため、各カメラの姿勢の差に起因する画像上のずれの影響が極めて少なく、遠距離の対象物体に関して精度の高い計測ができる。また、各カメラの視線方向が広くとれるため、広い範囲で、対象物体を捉えることができ、視線の自由度を高めることができる。また、ステレオカメラのベースとなる構造体を別途用意する必要がないため、小型、軽量となり、取付け位置の自由度も高くすることができる。

なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより距離計測処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す距離計測装置２の動作を示すフローチャートである。 図１に示す画像合成部２３の処理動作を示す説明図である。 ２台のカメラの位置決め方法の違いを示す説明図である。

符号の説明

１・・・対象物体、２・・・距離計測装置、２０・・・制御部、２１、２３・・・カメラ、２２、２４・・・雲台、２５・・・画像取得部、２６・・・画像合成部部、２７・・・距離算出部

Claims (4)

1. 所定距離だけ離れた２台のカメラによって、距離を計測するべき対象物体の２枚の画像の画像データを取得する画像取得手段と、
   前記画像データ中の無限遠方の像が互いに重なり合うように前記２枚の画像データを重ね合わせる画像合成手段と、
   前記無限遠方の像が互いに重なり合った状態における前記対象物体像のずれ量を求め、該ずれ量に基づいて、前記対象物体までの距離を計測する距離算出手段と
   を備えたことを特徴とする距離計測装置。
2. 前記無限遠方の距離Ｚが、Ｚ／（Ｄ・Ｆ）＞＞１（ただし、Ｄは、２台のカメラの視線間距離、Ｆは、カメラの焦点距離である。）を満たす距離であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
3. 前記限遠方の像が恒星の輝点像であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
4. 所定距離だけ離れた２台のカメラによって、距離を計測するべき対象物体の２枚の画像の画像データを取得する画像取得ステップと、
   前記画像データ中の無限遠方の像が互いに重なり合うように前記２枚の画像データを重ね合わせる画像合成ステップと、
   前記無限遠方の像が互いに重なり合った状態における前記対象物体像のずれ量を求め、該ずれ量に基づいて、前記対象物体までの距離を計測する距離算出ステップと
   を有することを特徴とする距離計測方法。

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