JP2009168461A - Camera calibration device - Google Patents
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Description
本発明は、カメラ校正装置に関し、特に、車両などに設置されるカメラの校正を行うカメラ校正装置に関する。 The present invention relates to a camera calibration apparatus, and more particularly to a camera calibration apparatus that calibrates a camera installed in a vehicle or the like.
近年、工業分野において、カメラによる監視や物体検出を行うため、カメラから撮像対象物までの距離・方向を求めるカメラ校正装置が開発されている。 In recent years, in the industrial field, in order to perform monitoring and object detection by a camera, a camera calibration apparatus for obtaining a distance and direction from a camera to an imaging object has been developed.
例えば、カメラを車両に搭載して、車両走行のガイドラインを画像上に描画するとき、路面とカメラの位置関係を正確に求めるカメラ校正が必要となる。 For example, when a camera is mounted on a vehicle and a vehicle travel guideline is drawn on an image, camera calibration is required to accurately determine the positional relationship between the road surface and the camera.
量産される車両に搭載されるカメラの場合、カメラが車両の所定位置に設置されるので、路面とカメラの位置関係は基本的には同じであるが、車両にカメラを取り付ける際に、若干、カメラ設置位置のバラツキが生ずる。図5は、車両にカメラを取り付けたときの設置誤差の説明図である。 In the case of a camera mounted on a mass-produced vehicle, since the camera is installed at a predetermined position of the vehicle, the positional relationship between the road surface and the camera is basically the same, but when attaching the camera to the vehicle, The camera installation position varies. FIG. 5 is an explanatory diagram of installation errors when a camera is attached to a vehicle.
図5には、工場で車両500に設置するカメラ100が示されている。カメラ100を起点とする実線は、設計上の理想的なカメラ100の光軸を示しており、破線は、設置後の光軸であり、設置誤差が生じている。カメラ校正装置は、このように、車両500にカメラ100を取り付ける際に生じた設置誤差を解消するものである。
FIG. 5 shows a
従来のカメラ校正装置としては、設置誤差を解消するためのカメラパラメータを用いてカメラの校正を行うものが知られている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。図6は、従来のカメラ校正装置の構成図である。また、従来のカメラ校正装置としては、図6に示すように、カメラ100、個別マーカー600、および個別マーカーカメラパラメータ最適化手段700を備えて構成される。同様の従来のカメラ校正装置としては、特許文献2に開示されている。
As a conventional camera calibration device, a device that calibrates a camera using camera parameters for eliminating an installation error is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional camera calibration apparatus. As shown in FIG. 6, the conventional camera calibration apparatus includes a
図7は、従来のカメラ校正装置における車両500、カメラ100、個別マーカー600の位置関係の説明図である。図8は、カメラ100が個別マーカー600を撮像したときの画像を示している。図9は、世界座標系とカメラ座標系の位置関係を示している。
FIG. 7 is an explanatory diagram of the positional relationship between the
以下、従来のカメラ校正装置の動作について説明する。図7に示すように、実際の路面に対して平行方向をx軸、車両進行方向をy軸、路面に対して垂直方向をz軸にとる世界座標系(xw,yw,zw) と、ピンホールカメラモデル等で表現するカメラ座標系(xc,yc,zc) との関係は、以下の[数1]で表すことができる。 Hereinafter, the operation of the conventional camera calibration apparatus will be described. As shown in FIG. 7, a world coordinate system (x w , y w , z w ) in which the parallel direction to the actual road surface is the x axis, the vehicle traveling direction is the y axis, and the vertical direction to the road surface is the z axis. And the camera coordinate system (x c , y c , z c ) expressed by a pinhole camera model or the like can be expressed by the following [Equation 1].
ここで、r1からr9は、世界座標からの回転を表すパラメータであり、Tx,Ty,Tzは、世界座標からの平行移動を表すパラメータであり、これらのパラメータは、カメラパラメータである。 Here, r 1 to r 9 are parameters representing rotation from the world coordinates, and T x , T y , and T z are parameters representing parallel movement from the world coordinates, and these parameters are camera parameters. It is.
カメラ座標系(xc,yc,zc)は、レンズ中心を原点とし、z軸がカメラの光軸方向を基準にしたものである。また、カメラ座標系(xc,yc,zc)において、zc=f(焦点距離)の位置にXY平面と平行である座標系をセンサーイメージ座標系(Xu,Yu)と表す。 The camera coordinate system (x c , y c , z c ) is based on the lens center as the origin and the z axis is based on the optical axis direction of the camera. Also represent the camera coordinate system (x c, y c, z c) In, z c = f (focal length) of the sensor image coordinate system to the coordinate system is parallel to the XY plane at a position (X u, Y u) and .
センサーイメージ座標系(Xu,Yu)は、カメラ座標系(xc,yc,zc)を用いて以下の[数2]および[数3]で表すことができる。 The sensor image coordinate system (X u , Y u ) can be expressed by the following [Equation 2] and [Equation 3] using the camera coordinate system (x c , y c , z c ).
カメラのモニタ上の画像に対応する2次元座標であるイメージ座標(Xf,Yf)とセンサーイメージ座標(Xu,Yu)との関係は、以下の[数4]および[数5]で表すことができる。 The relationship between the image coordinates (X f , Y f ) that are two-dimensional coordinates corresponding to the image on the camera monitor and the sensor image coordinates (X u , Y u ) is expressed by the following [Equation 4] and [Equation 5]. Can be expressed as
ここで、dx、dyはスケール変換を行う係数であり、Cx、Cyは、イメージ中心座標となる。 Here, d x and dy are coefficients for performing scale conversion, and C x and C y are image center coordinates.
図7に示すように、例えば、車両500と個別マーカー600の中心軸をあわせ、車両500のバンパー前方1m先に個別マーカー600を配置してから個別マーカー600と車両500との相対的な位置関係を測定する。個別マーカー600の特徴点は、個別マーカー600の長方形の4頂点を使用する。世界座標系にある個別マーカー600の4頂点の位置座標はすべて既知である。
As shown in FIG. 7, for example, the center axes of the
カメラ100が車両500に設置された後、個別マーカー600が撮像される。個別マーカー600の4頂点中の1番目の点に着目して説明すると、その1点の既知の位置座標を(Xw1,Yw1,Zw1)とする。
After the
図8に示すように、従来のカメラ校正装置は、[数1]から[数5]を使用して特徴点の位置座標(Xw1,Yw1,Zw1)から、計算したマーカー位置(Xf1,Yf1)を求める。また、撮像された実際の画像から画像上のマーカー位置(Xf1T,Yf1T)を特定する。なお、画像上のマーカー位置の頂点は、例えば、特許文献2の図10に開示されているように、撮像された実際の画像からカーソル等で指定される。 As shown in FIG. 8, the conventional camera calibration apparatus uses [Equation 1] to [Equation 5] to calculate the marker position (X X) from the position coordinates (X w1 , Y w1 , Z w1 ) of the feature points. f1 , Yf1 ) is obtained. Further, the marker position (X f1T , Y f1T ) on the image is specified from the captured actual image. It should be noted that the vertex of the marker position on the image is designated by a cursor or the like from the actual captured image as disclosed in FIG. 10 of Patent Document 2, for example.
ここで、カメラパラメータが適正であれば、計算して得られたイメージ座標と実際のイメージ座標は等しくなる(座標間の距離が0になる)が、従来のカメラ校正装置は、[数6]で得られる値が最小となるようにカメラパラメータを算出する。 Here, if the camera parameters are appropriate, the calculated image coordinates are equal to the actual image coordinates (the distance between the coordinates is 0). However, the conventional camera calibration apparatus uses [Equation 6]. The camera parameters are calculated so that the value obtained in (1) is minimized.
ここで、計算したマーカー位置(Xfn,Yfn)は、計算されて得られたn番目のマーカーの頂点のものであり、画像上のマーカー位置(XfnT,YfnT)は、n番目の実際の画像上のマーカー位置の頂点のものである。[数6]で得られる値が最小となるようにカメラパラメータを算出する方法としては、最急降下法などがある。
しかしながら、上記の従来のカメラ校正装置では、マーカーと車両との相対位置関係を求める必要があってその手間がかかるという問題があった。 However, the above-described conventional camera calibration device has a problem that it is necessary to obtain the relative positional relationship between the marker and the vehicle, which is troublesome.
本発明は、このような課題を解決するもので、マーカーと車両との相対位置関係を無視できる位置でマーカーによるカメラの校正ができるカメラ校正装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a camera calibration apparatus that can calibrate a camera using a marker at a position where the relative positional relationship between the marker and a vehicle can be ignored.
本発明のカメラ校正装置は、予め決められた設計値を含むカメラパラメータを適用して撮像する複数のカメラと、前記複数のカメラの共通の撮像範囲にある共有マーカーと、3次元空間の世界座標系にある前記共有マーカーの位置座標の1つの次元の値を既知とし、前記複数のカメラをAカメラとBカメラとするとき、前記Aカメラで撮像されたときの前記共有マーカーのイメージ座標、前記位置座標の既知の次元の値、および前記Aカメラに適用されるカメラパラメータの前記設計値から、既知でない前記共有マーカーの位置座標の残り2つの次元の値を算出し、算出された前記共有マーカーの位置座標および前記Bカメラに適用されるカメラパラメータの前記設計値から、前記共有マーカーのBカメラのイメージ座標を算出し、算出された前記共有マーカーの前記Bカメラのイメージ座標と、前記Bカメラで撮像されたときの前記共有マーカーのイメージ座標との距離が所定の閾値以下となるように前記Aカメラおよび前記Bカメラのカメラパラメータを調整するカメラパラメータ最適化手段とを備えた構成を有している。
この構成により、3次元空間の世界座標系にある共有マーカーの位置座標の1つの次元の値を既知としているとき、Aカメラで撮像されたときの共有マーカーのイメージ座標、位置座標の既知の次元の値、およびAカメラに適用されるカメラパラメータから、既知でない共有マーカーの位置座標の残り2つの次元の値を算出し、算出された共有マーカーの位置座標およびBカメラのカメラパラメータから、共有マーカーのBカメラのイメージ座標を算出し、算出された共有マーカーのBカメラのイメージ座標と、Bカメラで撮像されたときの共有マーカーのイメージ座標との距離が所定の閾値以下となるようにAカメラおよびBカメラのカメラパラメータを調整するため、マーカーと車両との相対位置関係を無視できる位置でマーカーによるカメラの校正ができる。
A camera calibration apparatus according to the present invention includes a plurality of cameras that capture images by applying camera parameters including predetermined design values, a shared marker that is in a common imaging range of the plurality of cameras, and world coordinates in a three-dimensional space. When the one-dimensional value of the position coordinate of the shared marker in the system is known, and the plurality of cameras are an A camera and a B camera, the image coordinates of the shared marker when captured by the A camera, From the value of the known dimension of the position coordinate and the design value of the camera parameter applied to the A camera, the value of the remaining two dimensions of the position coordinate of the shared marker that is not known is calculated, and the calculated shared marker Image coordinates of the B camera of the shared marker are calculated from the position coordinates of the camera and the design values of the camera parameters applied to the B camera. The camera parameters of the A camera and the B camera are set so that the distance between the image coordinates of the B camera of the shared marker and the image coordinates of the shared marker when captured by the B camera is equal to or less than a predetermined threshold. And a camera parameter optimization unit for adjustment.
With this configuration, when the value of one dimension of the position coordinate of the shared marker in the world coordinate system of the three-dimensional space is known, the image coordinate of the shared marker when captured by the A camera, the known dimension of the position coordinate , And the camera parameters applied to the A camera, values of the remaining two dimensions of the unknown shared marker position coordinates are calculated. From the calculated shared marker position coordinates and the B camera camera parameters, the shared marker is calculated. The image coordinates of the B camera are calculated, and the A camera is set such that the distance between the calculated B camera image coordinates of the shared marker and the image coordinates of the shared marker when captured by the B camera is equal to or less than a predetermined threshold. In order to adjust the camera parameters of camera B and B Camera calibration can be.
以上のように、本発明は、マーカーと車両との相対位置関係を無視できる位置でマーカーによるカメラの校正ができるカメラ校正装置を提供するものである。 As described above, the present invention provides a camera calibration apparatus that can calibrate a camera with a marker at a position where the relative positional relationship between the marker and the vehicle can be ignored.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係るカメラ校正装置の構成を示す図である。図1に示したカメラ校正装置は、カメラ100、共有マーカー200、および共有マーカーカメラパラメータ最適化手段300から構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a camera calibration apparatus according to an embodiment of the present invention. The camera calibration apparatus shown in FIG. 1 includes a
図2は、車両500と共有マーカー200の位置関係を示す平面図である。車両500には、フロントカメラ110、サイドカメラ120が設置されている。フロントカメラ110とサイドカメラ120の撮像範囲に共有マーカー200が入るように車両500が配置される。また、共有マーカー200は、正方形であって路面に置かれる。
FIG. 2 is a plan view showing the positional relationship between the
本発明の実施の形態においては、図2に示した世界座標系(Xw,Yw,Zw)が、X軸、Y軸を含むXY平面が路面と等しく、XY平面でZwを0としてZ軸を上向きにとる場合を例示して説明している。ここで、フロントカメラ110をAカメラ110、サイドカメラ120をBカメラ120とする。
In the embodiment of the present invention, in the world coordinate system (X w , Y w , Z w ) shown in FIG. 2, the XY plane including the X axis and the Y axis is equal to the road surface, and Z w is 0 on the XY plane. As an example, the case where the Z-axis is taken upward is described. Here, it is assumed that the
図3は、Aカメラ110およびBカメラ120で撮像されたときの画像の説明図である。画像210は、Aカメラ110から撮像されて得られたものであり、画像220は、Bカメラ120から撮像されて得られたものである。それぞれの画像には、共有マーカー200が撮像されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram of images taken by the
ここで、本発明の実施の形態では、共有マーカー200の4頂点を特徴点とする。世界座標系にある共有マーカー200の位置座標を(Xw,Yw,Zw)とする。なお、共有マーカー200の位置座標のZwは、共有マーカー200が路面に置かれてあるので、0となる。
Here, in the embodiment of the present invention, the four vertices of the shared
また、Aカメラ110で撮像されたときの画像210にある特徴点のイメージ座標を(AXf,AYf)とし、Bカメラ120で撮像されたときの画像220で対応する特徴点のイメージ座標を(BXf,BYf)とする。車両500に取り付ける位置・角度からカメラパラメータの設計値が予め定められているものとする。
Also, let the image coordinates of the feature points in the
共有マーカーカメラパラメータ最適化手段300は、与えられたカメラパラメータの設計値を基づいて最適化されるカメラパラメータを求める処理を実行する。 The shared marker camera parameter optimizing means 300 executes a process for obtaining a camera parameter to be optimized based on a given design value of the camera parameter.
図1から図4を参照して動作に説明する。図4は、共有マーカーカメラパラメータ最適化手段300が行う処理のフローチャートである。
The operation will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart of processing performed by the shared marker camera
カメラ100が車両500に設置された後、共有マーカー200がAカメラ110およびBカメラ120で撮像され、共有マーカー200の特徴点における実際の画像上のイメージ座標(AXf,AYf)および実際の画像上のイメージ座標(BXf,BYf)が共有マーカーカメラパラメータ最適化手段300で処理される。なお、特徴点は、上述したように撮像された画像からカーソル等で指定される。
After the
まず、特徴点の1つに対し、Aカメラ110のイメージ座標(AXf,AYf)、位置座標のZw(=0)、およびAカメラ110のカメラパラメータの設計値から、[数1]から[数5]を使用して位置座標(Xw,Yw)を算出する(ステップS1)。
First, for one of the feature points, from the image coordinates (AX f , AY f ) of the
次に、ステップS1で算出された共有マーカー200の位置座標(Xw,Yw,Zw)およびBカメラ120のカメラパラメータの設計値から、[数1]から[数5]を使用して計算したイメージ座標(CalculatedBXf,CalculatedBYf)を算出する(ステップS2)。
Next, based on the position coordinates (X w , Y w , Z w ) of the shared
次に、ステップS2で計算したイメージ座標(CalculatedBXf,CalculatedBYf)と、Bカメラ120の実際のイメージ座標(BXf,BYf)との距離を算出し(ステップS3)、全ての特徴点についてステップS1〜S3が実行された結果の距離から平均の距離を算出する。
Next, the distance between the image coordinates (CalculatedBX f , CalculatedBY f ) calculated in step S2 and the actual image coordinates (BX f , BY f ) of the
ステップS3で算出された平均の距離が所定の閾値以下なのかが判定され(ステップS4)、平均の距離が閾値以下ならば処理を終了し、その時点のAカメラ110とBカメラ120のカメラパラメータが最適化されたカメラパラメータとなる。ステップS4で、平均の距離が閾値よりも大きければ、距離が閾値より小さくなるようにAカメラ110とBカメラ120のカメラパラメータが調整され(ステップS5)、処理がステップS1に戻る。
It is determined whether the average distance calculated in step S3 is equal to or smaller than a predetermined threshold value (step S4). If the average distance is equal to or smaller than the threshold value, the process is terminated, and the camera parameters of the
また、位置座標がすべて既知である個別マーカー600を併用してもよい。併用する場合は従来例のように個別マーカー600の位置座標から求まるイメージ座標と実際のイメージ座標との距離を求め、ステップS4で共有マーカー200の距離との平均値が所定の閾値以下となるようにAカメラ110とBカメラ120のカメラパラメータを調整してもよく、また、個別マーカー600の位置座標から求まるイメージ座標と実際のイメージ座標との距離と共有マーカー200との距離が所定の閾値以下となるようにAカメラ110とBカメラ120のカメラパラメータを調整するようにしてもよい。
Further, an
また、共有マーカーカメラパラメータ最適化手段300は、Aカメラ110の共有マーカー200のイメージ座標(AXf,AYf)、共有マーカー200の位置座標のZw(=0)、およびAカメラ110のカメラパラメータから位置座標(Xw,Yw)を求め、同様に、Bカメラ120の共有マーカー200のイメージ座標(BXf,BYf)、共有マーカー200の位置座標のZw(=0)、およびBカメラ120のカメラパラメータから位置座標(Xw,Yw)を求め、これら2つの位置座標間の距離が最小となるカメラパラメータを、最適化されたカメラパラメータとしてもよい。
Further, the shared marker camera
以上説明したように、本発明の実施の形態に係るカメラ校正装置は、Aカメラ110およびBカメラ120の共通の撮像範囲にある共有マーカーを撮像したときのイメージ座標、Aカメラ110およびBカメラ120に適用されるカメラパラメータ、共有マーカー200の位置座標のZの既知の値から、最適なカメラパラメータを調整するため、共有マーカー200と車両500との水平方向の相対位置関係を無視できる位置でマーカーによるカメラの校正ができる。
As described above, the camera calibration apparatus according to the embodiment of the present invention has the image coordinates when the shared marker in the common imaging range of the
以上のように、本発明は、マーカーと車両との相対位置関係を無視できる位置でマーカーによるカメラの校正ができるという効果を有し、車両などに設置されるカメラの校正を行うカメラ校正装置等として有用である。 As described above, the present invention has an effect that the camera can be calibrated with the marker at a position where the relative positional relationship between the marker and the vehicle can be ignored, and the camera calibration device that calibrates the camera installed in the vehicle or the like. Useful as.
100 カメラ
110 フロントカメラ、Aカメラ
120 サイドカメラ、Bカメラ
200 共有マーカー
210、220 画像
300 共有マーカーカメラパラメータ最適化手段(カメラパラメータ最適化手段)
500 車両
600 個別マーカー
700 個別マーカーカメラパラメータ最適化手段
DESCRIPTION OF
500
Claims (2)
前記複数のカメラの共通の撮像範囲にある共有マーカーと、
3次元空間の世界座標系にある前記共有マーカーの位置座標の1つの次元の値を既知とし、前記複数のカメラをAカメラとBカメラとするとき、
前記Aカメラで撮像されたときの前記共有マーカーのイメージ座標、前記位置座標の既知の次元の値、および前記Aカメラに適用されるカメラパラメータの前記設計値から、既知でない前記共有マーカーの位置座標の残り2つの次元の値を算出し、
算出された前記共有マーカーの位置座標および前記Bカメラに適用されるカメラパラメータの前記設計値から、前記共有マーカーのBカメラのイメージ座標を算出し、
算出された前記共有マーカーの前記Bカメラのイメージ座標と、前記Bカメラで撮像されたときの前記共有マーカーのイメージ座標との距離が所定の閾値以下となるように前記Aカメラおよび前記Bカメラのカメラパラメータを調整するカメラパラメータ最適化手段とを備えたことを特徴とするカメラ校正装置。 A plurality of cameras for imaging by applying camera parameters including predetermined design values;
A shared marker in a common imaging range of the plurality of cameras;
When the value of one dimension of the position coordinate of the shared marker in the world coordinate system of the three-dimensional space is known, and the plurality of cameras are an A camera and a B camera,
From the image coordinates of the shared marker when imaged by the A camera, the value of the known dimension of the position coordinate, and the design value of the camera parameter applied to the A camera, the position coordinate of the shared marker that is not known Calculate the values of the remaining two dimensions of
From the calculated position coordinates of the shared marker and the design values of the camera parameters applied to the B camera, the image coordinates of the B camera of the shared marker are calculated,
The distance between the calculated image coordinates of the B camera of the shared marker and the image coordinates of the shared marker when captured by the B camera is equal to or less than a predetermined threshold value. A camera calibration device comprising camera parameter optimization means for adjusting camera parameters.
前記個別マーカーの3次元世界座標をカメラパラメータからイメージ座標を算出し、画像のイメージ座標との距離と前記共有マーカーとの距離が所定の閾値以下となるように前記Aカメラと前記Bカメラのカメラパラメータを調整するカメラパラメータ最適化手段とを備えたことを特徴とする請求項1に記載のカメラ校正装置。 An individual marker in which all of the three-dimensional world coordinates within the imaging range of each of the A camera and the B camera are known;
The camera coordinates of the A camera and the B camera are calculated such that the image coordinates are calculated from the camera parameters using the three-dimensional world coordinates of the individual markers, and the distance between the image coordinates and the shared marker is equal to or less than a predetermined threshold. The camera calibration device according to claim 1, further comprising camera parameter optimization means for adjusting parameters.
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