JP2009069157A - 校正用三次元フィールド、校正用三次元フィールドの撮影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点距離が可変であるズームレンズの場合でも、比較的狭い空間でキャリブレーション体を用いたキャリブレーション体の撮影作業やキャリブレーション作業が可能な校正用三次元フィールドを提供する。
【解決手段】広角用領域１１０と、広角用領域１１０と重複する領域中に設けられた望遠用領域１２０とを有する校正用三次元フィールドであって、望遠用領域１２０の内部に配置された、望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２、及び望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４と、広角用領域１１０に配置された、広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２、及び広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラの画像歪曲を修正するのに必要とされる内部パラメータ｛例えば、レンズの主点位置、画面距離（焦点距離）、歪曲パラメータ等｝を正確に測定するための校正用三次元フィールドに関する。また、本発明は、カメラの内部パラメータを測定するためのキャリブレーションチャートを撮影するのに用いられる校正用三次元フィールドの撮影方法に関する。

従来から、写真測量や写真計測の分野では、収差の少ない画像を得ることが重要である。そこで、特許文献１に記載されているように、写真測量や写真計測の分野では、撮影用カメラのレンズとして収差が少ない高精度のレンズを使用している。さらに、写真測量分野では、精密に計測された三次元上に配置された多数の点を複数方向から計測することにより、カメラの内部パラメータ（主点位置、画面距離、歪曲パラメータ）を解析的に求めている。また、写真計測の分野で用いられる計測用カメラの場合は、製作されたカメラを精密に計測することにより、カメラの内部パラメータを求めている。

特開２００１−２８０９５６号公報 ［００１４］、図１

しかし、近年ＣＣＤ撮像素子(charge coupled device image sensor)を用いたディジタルカメラが普及してきている。そして、ディジタルカメラでは焦点距離を可変としたズームレンズが搭載された機種が少なくない。ズームレンズは、カメラと測定対象物までの距離を移動することなく、フィルムに映写される画像における測定対象物の被写体画像の大きさを調整できて便利である。そこで、ズームレンズを写真計測で使用できれば、三次元画像計測が簡便に行なえる。ところが、ズームレンズは焦点距離に応じてカメラ内部パラメータが変動するので、キャリブレーション作業が煩雑になるという課題があった。

即ち、精密に計測されると共に、三次元上に配置された多数の点（ターゲット）を配置したキャリブレーション体を、校正対象となるカメラにより撮影する場合に、キャリブレーション体がフィルムやＣＣＤに映写される画像一杯に撮影されるのが望ましい。しかし、ズームレンズにおいては、焦点距離に応じて映写画像で撮影される被写体の大きさが変動する。そこで、映写画像一杯にキャリブレーション体を撮影するためには、焦点距離の短い広角の場合はキャリブレーション体とカメラとの間隔を短くし、焦点距離の長い望遠の場合はキャリブレーション体とカメラとの間隔を離す必要がある。すると、望遠状態ではキャリブレーション体とカメラとの間隔を、例えば１０ｍ乃至２０ｍ程度離す必要がある場合も生じて、キャリブレーション体を設置する場所として広大な空間が必要となり、キャリブレーション体の撮影作業やキャリブレーション作業が可能な空間が限られてしまうという課題があった。

また、キャリブレーション体の撮影作業においては、キャリブレーション体のターゲットが明確に認識できる態様で、校正対象となるカメラにより撮影されることが望ましい。他方、キャリブレーション体の近傍には校正に無関係な器具が設置されている場合も多く、撮影されたキャリブレーション体画像に無用の物体が写し込まれていると、ズームレンズの焦点距離毎に行なうキャリブレーション作業にとってノイズになるという課題もあった。

本発明は、上述する課題を解決したもので、第１の目的は焦点距離が可変であるズームレンズの場合でも、比較的狭い空間でキャリブレーション体を用いたキャリブレーション体の撮影作業やキャリブレーション作業が可能な校正用三次元フィールドを提供することである。第２の目的は、キャリブレーション体のターゲットが明確に認識できる態様で撮影できる校正用三次元フィールドの撮影方法を提供することである。

上記目的を達成する本発明の校正用三次元フィールドは、図１及び図２に示すように、広角用領域１１０と、広角用領域１１０と重複する領域中に設けられた望遠用領域１２０とを有する校正用三次元フィールドであって、望遠用領域１２０の内部に配置された、望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２、及び望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４と、広角用領域１１０に配置された、広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２、及び広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４とを備えている。

このように構成された装置においては、広角用領域１１０は、ズームレンズの広角側のキャリブレーション画像の撮影に使用されるもので、撮影されたキャリブレーション画像において概括的な位置合わせに利用される広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２と、撮影されたキャリブレーション画像において詳細な位置合わせに利用される広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４が設けられている。望遠用領域１２０は、ズームレンズの望遠側のキャリブレーション画像の撮影に使用されるもので、撮影されたキャリブレーション画像において概括的な位置合わせに利用される望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２と、撮影されたキャリブレーション画像において詳細な位置合わせに利用される望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４が設けられている。望遠用領域１２０は、広角用領域１１０と重複する領域の中側の狭い領域に設けられているので、撮影を行うカメラと校正用三次元フィールドとの間隔を充分確保できない場合でも、キャリブレーション画像が撮影できる。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、基準マーク（１１２、１１４、１２２、１２４）は、反射ターゲットで構成されていると、カメラで撮影されたキャリブレーション画像には基準マークが高輝度で写り、校正用三次元フィールドの背景面と基準マークとのコントラストが容易に確保できる。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２の少なくとも一個は、広角用領域１１０の略中央位置であって、且つ望遠用領域１２０に配置されており、望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４は、望遠用領域１２０の内部に配置されており、広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４の少なくとも一個は、望遠用領域１２０の外縁に位置する広角用領域１１０に配置されている構成とすると、広角用領域１１０と望遠用領域１２０の整合性が高まり、ズームレンズの広角側と望遠側との境界に相当する中間的な焦点距離においては、広角用領域１１０と望遠用領域１２０の何れもがキャリブレーションに利用可能となる。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、望遠用又は広角用の粗位置合わせ基準マーク（１１２、１２２）は、望遠用又は広角用の精密位置合わせ基準マーク（１１４、１２４）と識別可能な態様で形成されていると、カメラで撮影されたキャリブレーション画像において概括的な位置合わせと精密な位置合わせに用いる基準マークとの区別が容易に行なえる。ここで、識別可能な態様とは、例えば形態、色彩、模様の少なくとも１種類を用いて識別可能としている態様を言う。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、望遠用又は広角用の粗位置合わせ基準マーク（１１２、１２２）、並びに望遠用又は広角用の精密位置合わせ基準マーク（１１４、１２４）のうち少なくとも一個は、他の基準マークと異なる高さを有する構成とすると、カメラで撮影されたキャリブレーション画像において三次元的な校正も行なえる。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２は、望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２よりも大きな外形を有し、広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４は、望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４よりも大きな外形を有する構成とすると、カメラで撮影されたキャリブレーション画像において、広角側で撮影すると望遠用の基準マークが小さく撮影されるので、広角用の基準マークが識別容易となる。また、望遠側で撮影すると、望遠用の基準マークが適切な大きさで写り、識別容易となる。

上記本発明の校正用三次元フィールドにおいて、好ましくは、望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２と、広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２の少なくとも一個が、同一の基準マークを兼用されるように構成されていると、広角用領域１１０と望遠用領域１２０の整合性が高まり、ズームレンズの広角側と望遠側との境界に相当する中間的な焦点距離においては、広角用領域１１０と望遠用領域１２０の何れもがキャリブレーションに利用可能となる。

上記目的を達成する本発明の校正用三次元フィールドの撮影方法は、図５に示すように、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の校正用三次元フィールド１００をキャリブレーションチャート撮影用カメラで撮影して、キャリブレーションチャート画像を取得する校正用三次元フィールドの撮影方法において、キャリブレーションチャート撮影用カメラの露出設定を、校正用三次元フィールド１００の基準マークを除く背景領域に対して露出不足であって、校正用三次元フィールド１００の基準マークに対して露出オーバーに設定し（Ｓ１００）、キャリブレーションチャート撮影用カメラのストロボ撮影により、校正用三次元フィールド１００を撮影し（Ｓ１０２）、キャリブレーションチャート画像のコントラストが強調されるように現像する（Ｓ１０４）工程を有するものである。

以下図面を用いて本発明を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を説明する全体図で、明暗の二値画像にて示してある。図２は図１の全体図のうち、望遠用領域を拡大した要部説明図で、明暗の二値画像にて示してある。図において、校正用三次元フィールド１００は、広角用領域１１０と、広角用領域１１０と重複する領域中に設けられた望遠用領域１２０とを有している。

広角用領域１１０は、ズームレンズの広角側のキャリブレーション画像の撮影に使用されるもので、撮影されたキャリブレーション画像において概括的な位置合わせに利用される広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２と、撮影されたキャリブレーション画像において詳細な位置合わせに利用される広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４が設けられている。広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２は、望遠用領域１２０の近傍に７ヶ所設けられており、撮影するズームレンズの画角が小さい場合でも、確実に撮影されるように配慮してある。広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４は、例えば１００個乃至２００個設けられたもので、撮影されたキャリブレーション画像において満遍なく写るように、均等な密度で配置されている。広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２は、広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４と同一形状（例えば円形『○』であるが、星型『★』や三角印『△』でもよい）の中心点と、この中心点を囲う矩形の枠線にて構成されている。枠線は、矩形に代えて丸型や三角形以上の多角形であればよく、要するに広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２として識別できるものであれば良い。

望遠用領域１２０は、ズームレンズの望遠側のキャリブレーション画像の撮影に使用されるもので、撮影されたキャリブレーション画像において概括的な位置合わせに利用される望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２と、撮影されたキャリブレーション画像において詳細な位置合わせに利用される望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４が設けられている。望遠用領域１２０は、広角用領域１１０と重複する領域の中側の狭い領域に設けられているので、撮影を行うカメラと校正用三次元フィールドとの間隔を充分確保できない場合でも、画角の小さな望遠側の焦点距離に設定されたズムーレンズによりキャリブレーション画像が撮影できる。

望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２は、望遠用領域１２０の中心近傍に７ヶ所設けられており、撮影するズームレンズの画角が小さい場合でも、確実に撮影されるように配慮してある。望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４は、例えば１００個乃至２００個設けられたもので、撮影されたキャリブレーション画像において満遍なく写るように、均等な密度で配置されている。望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２は、望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４と同一形状の中心点と、この中心点を囲う矩形の枠線にて構成されている。枠線は、矩形に代えて丸型や三角形以上の多角形であればよく、要するに望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２として識別できるものであれば良い。

広角用の粗位置合わせ基準マーク１１２は、望遠用の粗位置合わせ基準マーク１２２よりも大きな外形を有し、広角用の精密位置合わせ基準マーク１１４は、望遠用の精密位置合わせ基準マーク１２４よりも大きな外形を有している。カメラで撮影されたキャリブレーション画像において、ズームレンズの広角側で撮影すると望遠用の基準マーク１２２、１２４が小さく撮影されるので、広角用の基準マーク１１２、１１４が識別容易となる。また、ズームレンズの望遠側で撮影すると、望遠用の基準マーク１２２、１２４は適切な大きさで写り、カメラで撮影されたキャリブレーション画像における望遠用の基準マーク１２２、１２４が識別容易となる。

次に、校正用三次元フィールド１００が設置される現場を、図面を用いて説明する。図３は校正用三次元フィールド１００が設置される現場を説明する全体図で、図４は図３の全体図のうち、望遠用領域を拡大した要部説明図である。校正用三次元フィールド１００は、例えば地下室のように温度変化の少ない環境に設置されて、広角用の基準マーク１１２、１１４及び望遠用の基準マーク１２２、１２４の相対的な位置関係が変動しないように配慮されている。広角用の基準マーク１１２、１１４及び望遠用の基準マーク１２２、１２４は、例えばコンクリート壁のような壁面に、基準マークを示すターゲット板を固定してある。

基準マーク１１２、１１４、１２２、１２４には、高い反射率を有する反射ターゲットを用いると、明暗の二値画像でキャリブレーション画像を撮影することが容易にできる。反射ターゲットには、例えばアルミ蒸着したガラス板のような反射率の高い基準マークを用いると、カメラで撮影されたキャリブレーション画像に基準マークが高輝度で写り、校正用三次元フィールドの背景面と基準マークとのコントラストが容易に確保できる。基準マークの高さは、例えばコンクリート壁面からのターゲット板の高さを違えることで、調整される。多様な高さの基準マークを、キャリブレーション画像に満遍なく均等に配置することによって、キャリブレーション対象となるズームレンズの内部パラメータが正確に算出できる。

図５は、キャリブレーション対象となるズームレンズにて校正用三次元フィールドを撮影する手順を説明するフローチャートである。まず、キャリブレーションチャート撮影用カメラの露出設定を、校正用三次元フィールド１００の基準マークを除く背景領域に対して露出不足であって、校正用三次元フィールド１００の基準マークに対して露出オーバーに設定する（Ｓ１００）。次に、キャリブレーションチャート撮影用カメラのストロボ撮影により、校正用三次元フィールド１００を撮影する（Ｓ１０２）。ズームレンズは絞りを最大限に絞って撮影できるため、被写界深度が深くなり、仮にピントが合っていなくても鮮明な解析画像が得られやすくなる。

続いて、撮影されたキャリブレーションチャート画像に対して、コントラストが強調されるように現像する（Ｓ１０４）。このように撮影されたキャリブレーションチャート画像では、コンクリートの壁面のような校正用三次元フィールドの背景画を暗くして、広角用の基準マーク１１２、１１４及び望遠用の基準マーク１２２、１２４を明るくした２値画像が得られる（Ｓ１０６）。

このように撮影されたキャリブレーションチャート画像は、現像された２値画像の三次元計測位置と、予め測定された広角用の基準マーク１１２、１１４及び望遠用の基準マーク１２２、１２４の三次元座標とを比較演算して、ズームレンズの焦点距離毎にカメラの内部パラメータ（主点位置、画面距離、歪曲パラメータ）を解析的に求めるのに使用される。校正用三次元フィールド１００の基準マークを除く背景領域は、均一な暗い領域画像となるので、後工程で行なわれるキャリブレーションチャート画像を用いたキャリブレーション作業において、広角用の基準マーク１１２、１１４及び望遠用の基準マーク１２２、１２４が正確に検出できる。例えば、本発明者の実験によると、基準マーク（ターゲット）の重心位置検出の精度が、２値画像では１／１０画素程度であるのに対して、背景の壁面が写し込まれていると１／４画素程度と２倍〜３倍程度粗くなる。

なお、上記の実施の形態においては、広角用の基準マーク及び望遠用の基準マークは共通の壁面に固定して設置されている場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、広角用の基準マークは壁面に固定して設置されるが、望遠用の基準マークは移動式のパネルに固定すると共に、壁面に対して移動式のパネルを適切に位置決めすることにより、広角用の基準マーク及び望遠用の基準マークの位置決めを行なうように構成しても良い。

以上説明したように、本発明の校正用三次元フィールドは、撮影を行うカメラと校正用三次元フィールドとの間隔を充分確保できない場合でも、焦点距離が広角側であれば広角用領域を撮影し、望遠側であれば望遠用領域を撮影することで、撮影を行うカメラと校正用三次元フィールドとの間隔を調節することなく焦点距離を調整してキャリブレーション画像が撮影できる。

また、本発明の校正用三次元フィールドの撮影方法によれば、キャリブレーションチャート撮影用カメラは絞りを最大限に絞って撮影できるため、被写界深度が深くなり、仮にピントが合っていなくても鮮明なキャリブレーション画像が得られやすくなる。また、実施例のようにキャリブレーション画像を２値画像となるように撮影すると、キャリブレーション作業における基準マーク（ターゲット）の重心位置検出の精度が高くなる。

本発明の第１の実施の形態を説明する全体図で、明暗の二値画像にて示してある。 図１の全体図のうち、望遠用領域を拡大した要部説明図で、明暗の二値画像にて示してある。 校正用三次元フィールド１００が設置される現場を説明する全体図である。 図３の全体図のうち、望遠用領域を拡大した要部説明図である。 キャリブレーション対象となるズームレンズにて校正用三次元フィールドを撮影する手順を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００ 校正用三次元フィールド
１１０ 広角用領域
１１２ 粗位置合わせ基準マーク
１１４ 精密位置合わせ基準マーク
１２０ 望遠用領域
１２２ 粗位置合わせ基準マーク
１２４ 精密位置合わせ基準マーク

Claims (8)

1. 広角用領域と、当該広角用領域と重複する領域中に設けられた望遠用領域とを有する校正用三次元フィールドであって；
   前記望遠用領域の内部に配置された、望遠用の粗位置合わせ基準マーク、及び望遠用の精密位置合わせ基準マークと；
   前記広角用領域に配置された、広角用の粗位置合わせ基準マーク、及び広角用の精密位置合わせ基準マークと；
   を備える校正用三次元フィールド。
2. 前記基準マークは、反射ターゲットで構成されている請求項１記載の校正用三次元フィールド。
3. 前記広角用の粗位置合わせ基準マークの少なくとも一個は、前記広角用領域の略中央位置であって、且つ前記望遠用領域に配置されており；
   前記望遠用の精密位置合わせ基準マークは、前記望遠用領域の内部に配置されており；
   前記広角用の精密位置合わせ基準マークの少なくとも一個は、前記望遠用領域の外縁に位置する広角用領域に配置されている；
   請求項１又は請求項２に記載の校正用三次元フィールド。
4. 前記望遠用又は広角用の粗位置合わせ基準マークは、望遠用又は広角用の精密位置合わせ基準マークと識別可能な態様で形成されている請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の校正用三次元フィールド。
5. 前記望遠用又は広角用の粗位置合わせ基準マーク、並びに望遠用又は広角用の精密位置合わせ基準マークのうち少なくとも一個は、他の基準マークと異なる高さを有する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の校正用三次元フィールド。
6. 前記広角用の粗位置合わせ基準マークは、前記望遠用の粗位置合わせ基準マークよりも大きな外形を有し；
   前記広角用の精密位置合わせ基準マークは、前記望遠用の精密位置合わせ基準マークよりも大きな外形を有する；
   請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の校正用三次元フィールド。
7. 前記望遠用の粗位置合わせ基準マークと、前記広角用粗位置合わせ基準マークの少なくとも一個が、同一の基準マークを兼用されるように構成されている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の校正用三次元フィールド。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の校正用三次元フィールドをキャリブレーションチャート撮影用カメラで撮影して、キャリブレーションチャート画像を取得する校正用三次元フィールドの撮影方法において；
   前記キャリブレーションチャート撮影用カメラの露出設定を、前記校正用三次元フィールドの基準マークを除く背景領域に対して露出不足であって、前記校正用三次元フィールドの基準マークに対して露出オーバーに設定し；
   前記キャリブレーションチャート撮影用カメラのストロボ撮影により、前記校正用三次元フィールドを撮影し；
   前記キャリブレーションチャート画像のコントラストが強調されるように現像する；
   校正用三次元フィールドの撮影方法。

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