JP2010048553A - 複眼測距装置の検査方法およびそれに用いるチャート - Google Patents

Abstract

【課題】複眼測距装置の距離情報を精度良く取得できる検査方法を実現する。
【解決手段】複数の撮像光学系間の視差によって撮像視野内の距離分布情報を取得する測距装置用のチャート（Ｃ１）において、所定の幾何学的パターン（Ａ０）を２次元的にアレイ状に配列し、いずれの配列方向も該撮像光学系の基線方向に対して所定の角度（θ１、θ２）を成すように設定することで、該撮像光学系の撮像面に結像される該幾何学的パターンにおいて、幾何学的パターンの基線方向のピッチが測距範囲の最短距離から求められる視差よりも大きくなるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって測定対象物までの距離を測る複眼測距装置の測距精度を評価するための検査方法およびそれに用いるチャートに関する。

一対の撮像光学系を有する撮像装置により測定対象物を撮像し、左右画像または上下画像の２つの画像を取得する複眼測距装置は、三角測量の原理を用いて測定対象物までの距離を算出する。このような複眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システムに用いられている。

図９は複眼測距装置の三角測量について説明する図である。図９において、Ｇ１は第１の撮像光学系の撮像レンズ、Ｎ１は第１撮像光学系の撮像面、Ｇ２は第２の撮像光学系の撮像レンズ、Ｎ２は第２撮像光学系の撮像面である。ここで、測定対象物Ｏ上の点Ｐを測定点とし、この点が第１の撮像光学系の光軸上に位置する場合、点Ｐは第１の撮像光学系では光軸ａ１上の撮像面に結像され、第２の撮像光学系では、光軸ａ２から基線方向にΔだけ離れた撮像面に結像される。ここで、撮像レンズから点Ｐまでの距離をＺとし、２つの撮像光学系Ｇ１、Ｇ２の光軸間距離である基線長をＤとし、撮像レンズの焦点距離をｆ（Ｇ１、Ｇ２とも同一とする）とし、視差量をΔとすると、次の様な近似式が成立する。

Δは第１の撮像光学系から得られた画像と第２の撮像光学系から得られた画像をパターンマッチングすることで抽出できるので、（数１）を変形する事により点Ｐまでの距離Ｚを抽出することが可能である。パターンマッチングの相関度は第１の撮像光学系から得られる基準画像の小領域と第２の撮像光学系から得られる参照画像の小領域との間の各画素の輝度の差分（絶対値）の総和である評価関数ＳＡＤ（Ｓｕｍ ｏｆ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）によって求められる。ここで、小領域の演算ブロックサイズをｍ×ｎ画素とすると、ＳＡＤは（数２）によって求めることができる。

（数２）において、ｘ、ｙは撮像面の座標であり、Ｉ０、Ｉ１はそれぞれ括弧内で示した座標における基準画像の輝度値と参照画像の輝度値である。図１０はＳＡＤ演算について説明する図である。ＳＡＤ演算では、基準画像の基準ブロック領域に対して参照画像の探索ブロック領域の位置を図１０のように基線方向にｄｘだけずらしながら演算し、ＳＡＤが極小値となるｄｘが（数１）の視差量Δとなる。ＳＡＤは任意の座標で演算できるので、撮像視野内の全領域の距離情報を取得することができる。

複眼測距装置では、撮像光学系や撮像素子等の持つ性能ばらつきや組立誤差、校正誤差等に起因して取得した距離情報がばらついてしまため、測距精度が定められた規格内に入っているかどうかを検査する工程が必要となる。

複眼測距装置の測距精度を検査するためのチャートとしては、図１１に示すような２階調の格子パターンが描かれたチャートＣ２や、特許文献１のように複数の階調の輝度パターンをランダムに配列して描かれたものが知られている。
特開２００１−０９１２４７号公報

複眼測距装置で測定対象物を撮像したときに得られる視差量は、測定対象物までの距離によって変化するため、ＳＡＤの探索範囲は測距対象範囲の最長距離から最短距離まで撮像したとき得られる視差の範囲をカバーするように設定する必要がある。一方、測距の面分解能を上げるにはチャートのパターンを細かくする必要があるが、図１１のような格子パターンのチャートにおいて、格子パターンのピッチを細かく設定すると、撮像面で結像される格子パターンのピッチも細かくなり、ＳＡＤの探索範囲が広ければ、探索範囲内に格子パターンが複数存在することになるため、ＳＡＤの探索範囲内にマッチング箇所が複数出現し、正しく視差を検出することができない。よって、視差を正しく検出するためには、探索範囲内におけるマッチング箇所が１つになるように格子パターンのピッチを大きく設定しなければならない。ところが、格子パターンのピッチを大きく設定すると、演算ブロックサイズが格子パターンよりも小さく設定された場合では、演算ブロック内にコントラストが存在しない箇所が発生しパターンマッチングができなくなるため、その箇所では測距ができないという問題が生じる。逆に演算ブロック内に必ずコントラストが存在するようするには、演算ブロックサイズを大きくしなければならいため、測距の面分解能が下がってしまうという問題がある。

また、ＳＡＤ演算において測距対象物のコントラストが高い場合は極小値が鮮鋭に現れるが、対象物のコントラストが低い場合は極小値が鮮鋭に現れないため検出しにくくなる。従って、輝度パターンがランダムに配列されたチャートでは、隣接する輝度パターンのコントラストが場所によって異なるため、ＳＡＤ演算によるパターンマッチングの精度がコントラストに応じてばらつく場合や、ランダム配列によって探索範囲内に周期性のある輝度パターンが偶然存在してしまうと、ほぼ等しい極小値が探索範囲内に複数存在してしまい、正しく測距できない箇所が発生するという問題が生じる。

本発明の目的はこのような問題を解決し、撮像視野内の全領域を精度良く検査できるチャートと検査方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の複眼測距装置の検査方法は、少なくとも２つの撮像光学系間の視差によって測定対象物までの距離情報を取得する複眼測距装置の測距精度を評価する検査方法であって、前記撮像光学系の光軸上で前記撮像光学系から所定距離にチャートを配置する工程と、前記複眼測距装置によって前記チャートまでの距離を測定する工程とを有し、前記チャートは所定の幾何学的パターンが２つの配列方向に２次元的に配列されたものであり、前記２つの配列方向が前記２つの撮像光学系間の基線方向に対して所定の角度を成すように配置されている。

また、前記所定の角度は、前記撮像光学系により撮像された画像上において、前記幾何学的パターンの前記基線方向のピッチが前記所定距離における前記視差よりも大きくなるような角度であることが好ましい。

上記検査方法により、前記幾何学的パターンとその配列ピッチを適正に設定することで、全ての演算ブロックに必ずコントラストが存在するように調節することができ、ＳＡＤの探索範囲内では探索ブロックのパターンを基準画像の基準ブロックのパターンに対して常に異ならせることができるため、撮像視野内の全ての領域の距離情報を精度良く取得することが可能となる。

また、前記幾何学的パターンの階調が前記基線方向に周期的に変化していることが好ましい。また、前記幾何学的パターンの形状が前記基線方向に周期的に変化していることが好ましい。また、前記幾何学的パターンの大きさが前記基線方向に周期的に変化していることが好ましい。また、前記幾何学的パターンの向きが前記基線方向に周期的に変化していることが好ましい。

これらにより、ＳＡＤ演算値において最も小さい極小値とその前後に存在する極小値との差を大きくすることができ、視差を誤検出する確率を減少させることができる。

また、本発明のチャートは、上記複眼測距装置の検査方法に用いるチャートであって、幾何学的パターンが２つの配列方向に２次元的に配列されたチャートである。

本発明により、撮像視野内の全域において任意の面分解能で距離情報を取得することが可能となり、高精度に複眼測距装置の測距精度を検査することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る測距評価用のチャートＣ１の構成例を示す図である。チャートＣ１は、例えばシート状の媒体にパターンを印刷したもの、画像表示モニターによってパターンを表示したもの、投影機によってスクリーン上にパターンを投影したもの等である。図１（ａ）では、幾何学的パターンとして円形パターンＡ０を、２つの配列方向ｘ、ｙに２次元的にアレイ状に配列している。幾何学的パターンとしては円形に限らず、三角形、矩形、多角形等の幾何学的パターンとしてもよい。図１（ａ）において、配列方向ｘはチャートの底辺に対してθ１だけ傾けてあり、もう１つの配列方向ｙは底辺に対してθ２だけ傾けてある。

図１（ｂ）は、本実施の形態に係る複眼測距装置の検査方法を示す上面図である。Ｃ１はチャートであり、１は複眼撮像装置である。２ａ、２ｂは、それぞれ第１の撮像光学系および第２の撮像光学系であり、３ａ、３ｂは、第１の撮像光学系および第２の撮像光学系のそれぞれに対応する第１の撮像素子および第２の撮像素子である。チャートＣ３は、撮像光学系の光軸上であって、各撮像光学系から距離Ｚだけ離して配置している。また、チャートの底辺が複眼測距装置の２つの撮像光学系の光軸間の基線方向と平行になるように配置する。

図１（ａ）において、Ｂ１は、円形パターンの底辺方向（基線方向）のピッチ、即ち、基線方向にみた時の円形パターンの位置が一致する繰り返し周期であり、前記θ１を変化させることでＢ１を変化させることができる。

図２（ａ）は、図１（ａ）のチャートを複眼測距装置で撮像したときに第１の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部と、第２の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部を示している。Ａ１は撮像面上に結像された円形パターンであり、ｂ１は撮像面上において基線方向と直交する直交軸方向の円形パターンの位置が一致するときの基線方向の繰り返し周期である。なお、撮像パターンはチャートのパターンに対して上下左右反転して結像されるため、図２（ａ）に示しているθ１は図１のθ１と等しくなる。また、図２（ａ）において破線によって形成されたマス目の一つは複数の画像で構成された演算ブロックサイズである。図１（ａ）のチャートのパターンの大きさと配列ピッチを適正に設定することで、全ての演算ブロックに必ずコントラストが存在するように設定することができる。

ここで、図２（ａ）を基準画像とし、図２（ｂ）を参照画像とする。図２（ａ）の基準画像のブロックＬに着目すると、図２（ｂ）の参照画像のブロックＬ’はＳ１で示したＳＡＤ演算の探索範囲で演算される。従って、周期ｂ１の値がＳＡＤ演算の探索範囲Ｓ１よりも大きくなるように図１のチャートの周期Ｂ１を設定すれば、ＳＡＤ演算の探索範囲内では探索ブロックのパターンを基準画像の基準ブロックのパターンに対して常に異ならせることができ、パターンが一致する箇所は一箇所のみとなる。

次に前記ＳＡＤ演算について説明する。図３は前記ＳＡＤ演算値の変化を示したグラフであり、横軸は探索位置、縦軸はＳＡＤ演算値である。図３におけるｂ１、Ｓ１、Δ１は図２（ｂ）で示した符号に対応しており、探索範囲Ｓ１でＳＡＤ演算値が最も小さくなる探索位置が視差量Δ１である。また、図２（ａ）の円形パターンは基線方向と直交する直交軸方向に少しずつずれて結像されているため、ＳＡＤ演算値の極小値は図３のように探索範囲内に複数出現する。また、探索範囲に制限がなければ、図３の破線で示したＳＡＤ演算値のように最も小さい極小値も周期ｂ１で繰り返し出現するが、探索範囲Ｓ１を周期ｂ１より小さく設定することにより探索囲内に最も小さい極小値は１つしか存在しなくなり、視差量を誤検出することはない。したがって、本実施の形態の検査方法によれば、複眼撮像装置の測距精度を高精度に検査することが可能となる。

なお、本実施の形態では、チャートの底辺を基線方向に平行に配置したが、底辺に平行に幾何学的パターンを配置したチャートを用いても、チャートの底辺を複眼撮像装置の基線方向に対してθ１だけ傾けて配置すれば同様の効果が得られる。即ち、幾何学的パターンの配列方向と複眼測距装置の基線方向とをθ１だけ傾けさせれば良い。

（実施の形態２）
図４はチャートの幾何学的パターンの階調を基線方向に周期的に変化させた場合の第１の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部を示している。図４において、Ａ１とＡ２はそれぞれ階調の異なる円形パターンであり、配列方向の１つが基線方向に対してθ３だけ傾いている。図４ではチャートの円形パターンの階調を２種類として基線方向に交互に配列した構成としているが、３種類以上の階調によって周期的に変化させてもよい。測距範囲の最短距離で得えられる視差量が大きくパターンの配列方向と基線方向とが成す角を小さくしなければならない場合には、前記の実施の形態１のようにアレイ状に配列されたパターンが全て同じ階調であると、ＳＡＤ演算値の最も小さい極小値と隣接する極小値との差が小さくなってしまい、視差量を誤検出してしまう可能性がある。

図８（ａ）、（ｂ）は、幾何学的パターンの配列方向の基線方向と成す角が小さい場合のＳＡＤ演算を示す図であり、Δ２は視差量、Ｓ２はＳＡＤ演算の探索範囲、ｂ２は撮像面上において基線方向と直交する直交軸方向の円形パターンの位置が一致するときの基線方向の繰り返し周期である。図８（ａ）は、同じ階調でパターンを配列した場合のＳＡＤ演算を示す図であり、図８（ｂ）は本実施例のようにパターンの階調を交互に配列した場合のＳＡＤ演算を示す図である。パターンの階調を基線方向に交互に繰り返すことにより、ＳＡＤ演算値は図８（ｂ）のように隣接する極小値の差を大きくすることができる。従って、最も小さい極小値とその前後に隣接する極小値との差も図８（ａ）と比べて大きくすることができ、視差量を誤検出する可能性を低減することができる。

（実施の形態３）
図５はチャートの幾何学的パターンの形状を基線方向に周期的に変化させた場合の第１の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部を示している。図５において、Ａ１とＡ３はそれぞれ形状の異なるパターンであり、配列方向の１つが基線方向に対してθ３だけ傾いている。図４ではチャートの円形パターンと正方形パターンを基線方向に交互に繰り返した構成としているが、３種類以上の形状によって周期的に変化させてもよい。本実施形態も実施の形態２と同様にパターンの配列方向の基線方向と成す角が小さい場合にＳＡＤ演算における最も小さい極小値とその前後に隣接する極小値との差を大きくすることができ、視差量を誤検出する可能性を低減することができる。

（実施の形態４）
図６はチャートの幾何学的パターンの大きさを基線方向に周期的に変化させた場合の第１の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部を示している。図６において、Ａ１とＡ４はそれぞれ大きさの異なるパターンであり、配列方向の１つが基線方向に対してθ３だけ傾いている。図６ではチャートの円形パターンの大きさを２種類として基線方向に交互に繰り返した構成としているが、３種類以上の大きさによって周期的に変化させてもよい。本実施形態も実施の形態２と同様にパターンの配列方向の基線方向と成す角が小さい場合にＳＡＤ演算における最も小さい極小値とその前後に隣接する極小値との差を大きくすることができ、視差量を誤検出する可能性を低減することができる。

（実施の形態５）
図７はチャートの幾何学的パターンの向きを基線方向に周期的に変化させた場合の第１の撮像光学系の撮像面で形成される結像パターンの一部を示している。図７において、Ａ１とＡ５はそれぞれ向きの異なるパターンであり、配列方向の１つが基線方向に対してθ３だけ傾いている。図７ではチャートの正方形パターンの向きを２種類として基線方向に交互に繰り返した構成としているが、３種類以上の向きによって周期的に変化させてもよい。本実施形態も実施の形態２と同様にパターンの配列方向の基線方向と成す角が小さい場合にＳＡＤ演算における最も小さい極小値とその前後に隣接する極小値との差を大きくすることができ、視差量を誤検出する可能性を低減することができる。

以上のように、実施の形態１〜５の検査方法を用いることにより、任意の演算ブロックサイズで撮像視野内全域の距離情報を取得できる。したがって、領域毎に良否規格を設定した検査や、取得データの分布状態に良否規格を設定した検査などが可能となる。

本発明に係る複眼測距装置の検査方法は、車載用、監視カメラ用、３次元形状測定システム用等の複眼測距装置の測距精度の検査に有用である。

本発明に係る検査方法および測距用チャートの説明図 本発明に係る測距用チャートの撮像パターンを示す図 本発明に係る測距用チャートを用いた時のＳＡＤ演算について説明する図 本発明に係る測距用チャートの撮像パターンを示す図 本発明に係る測距用チャートの撮像パターンを示す図 本発明に係る測距用チャートの撮像パターンを示す図 本発明に係る測距用チャートの撮像パターンを示す図 本発明に係る測距用チャートを用いた時のＳＡＤ演算について説明する図 複眼測距装置の三角測量について説明する図 ＳＡＤ演算について説明する図 従来の格子パターンチャートを示す図

符号の説明

Ｃ１，Ｃ２ 測距チャート
Ａ０ 測距チャート上の幾何学的パターン
Ａ１〜Ａ５ 撮像面に結像された幾何学的パターン
θ１，θ２ 円形パターン配列方向の基線方向と成す角
Ｌ 基準画像の演算ブロック
Ｌ’ 参照画像の演算ブロック
Ｓ１，Ｓ２ ＳＡＤ演算の探索範囲
ｂ１，ｂ２ 幾何学的パターンの基線方向のピッチ
Δ１，Δ２ 視差量

Claims (7)

1. 少なくとも２つの撮像光学系間の視差によって測定対象物までの距離情報を取得する複眼測距装置の測距精度を評価する検査方法であって、
   前記撮像光学系の光軸上で前記撮像光学系から所定距離にチャートを配置する工程と、
   前記複眼測距装置によって前記チャートまでの距離を測定する工程と、を有し、
   前記チャートは所定の幾何学的パターンが２つの配列方向に２次元的に配列されたものであり、前記２つの配列方向が前記２つの撮像光学系間の基線方向に対して所定の角度を成すように配置されている、複眼測距装置の検査方法。
2. 前記所定の角度は、前記撮像光学系により撮像された画像上において、前記幾何学的パターンの前記基線方向のピッチが前記所定距離における前記視差よりも大きくなるような角度である、請求項１に記載の複眼測距装置の検査方法。
3. 前記幾何学的パターンの階調が前記基線方向に周期的に変化している、請求項１に記載の複眼測距装置の検査方法。
4. 前記幾何学的パターンの形状が前記基線方向に周期的に変化している、請求項１に記載の複眼測距装置の検査方法。
5. 前記幾何学的パターンの大きさが前記基線方向に周期的に変化している、請求項１に記載の複眼測距装置の検査方法。
6. 前記幾何学的パターンの向きが前記基線方向に周期的に変化している、請求項１に記載の複眼測距装置の検査方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の複眼測距装置の検査方法に用いるチャートであって、幾何学的パターンが２つの配列方向に２次元的に配列されたチャート。

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