JP2012002613A - 測距装置のパラメータ推定方法及びパラメータ推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定に必要なスペースを最小限に抑えつつ、パラメータの推定のために十分なデータを取得可能な測距装置のパラメータ推定方法及びパラメータ推定装置を提供する。
【解決手段】ステレオカメラ２０によりチャート板３０の像を撮像して、当該像から所定の位置を基準とした測定物体の座標を計測する測距装置のパラメータ推定方法は、ステレオカメラ２０の視野を、当該視野の略中心から周辺に向かって９０°の角度で分割した左上の領域（第２象限）において、光軸に略直交する面内でチャート板３０を移動させて当該チャート板３０の座標を取得するとともに、ステレオカメラ２０によりチャート板３０の画像を取得する第１のステップと、９０°ずつステレオカメラ２０を回転させて、分割した領域の全てに対して第１のステップを繰り返す第２のステップと、チャート板３０の座標及び前記画像から、パラメータを推定する第３のステップと、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、測距装置のパラメータ推定方法及びパラメータ推定装置に関する。

ステレオカメラを用いた距離測定において、正確な測距結果を得るためにはカメラの焦点距離や歪みといった内部パラメータに加えて、２つのカメラの位置関係を精度良く求める必要があり、この操作は平行化と呼ばれる。平行化に用いるデータは撮影対象の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と各カメラ画像上での座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）の対応であり、測距範囲全体にわたって取得されたデータを用意することが望ましい。特に平行化のパラメータと同時に各カメラの内部パラメータを求める場合、多くのキャリブレーション用データが必要になる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０４２０８２号公報

しかしながら、測距範囲全域にわたって十分なキャリブレーション用データを取得するためには大掛かりな装置が必要となり、スペースや費用の面で好ましくないという課題があった。手軽にデータ取得が行える方法として、キャリブレーションパターンが描かれた平面を使用する方法があるが、要求される測距範囲が広い場合、カメラとの距離によってパターンの大きさが変化するため、全範囲で精度良くパターン検出を行うことは難しい。一方、パターンとカメラを近づけて取得した画像のみをデータとして用いた場合、測距範囲中でデータ点の無い領域が生じてしまい、この領域での高精度の測距は期待できない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定に必要なスペースを最小限に抑えつつ、パラメータの推定のために十分なデータを取得可能な測距装置のパラメータ推定方法及びこの推定方法に用いることができるパラメータ推定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るパラメータ推定方法は、撮像装置により測定物体の像を撮像して、当該像から所定の位置を基準とした測定物体の座標を計測する測距装置のパラメータ推定方法であって、撮像装置の視野を、当該視野の略中心を通り撮像装置の光軸に略平行な回転軸から周辺に向かって所定の角度で分割したいずれか一つの領域において、この光軸に略直交する面内で測距チャートを移動させて当該測距チャートの座標を取得するとともに、撮像装置によりこの測距チャートの画像を取得する第１のステップと、回転軸を中心に所定の角度ずつ撮像装置を回転させて、分割した領域の全てに対して第１のステップを繰り返す第２のステップと、測距チャートの座標及び画像から、パラメータを推定する第３のステップと、を有することを特徴とする。

このようなパラメータ推定方法は、第１のステップにおいて、測距チャートの座標及び画像を取得するときに、撮像装置を測距チャートに対して回転軸に沿って相対移動させることが好ましい。

また、このようなパラメータ推定方法において、所定の角度は９０°であることが好ましい。

また、このようなパラメータ推定方法において、撮像装置は、互いの光軸が略平行に配置されて左右に並ぶ２つのカメラで構成されるステレオカメラであって、回転軸は、２つのカメラの何れか一方の光軸と略一致することが好ましい。

また、本発明に係るパラメータ推定装置は、撮像装置により測定物体の像を撮像して、当該像から所定の位置を基準とした測定物体の座標を計測する測距装置のパラメータ推定装置であって、撮像装置を保持し、当該撮像装置の光軸に略平行な回転軸を中心に当該撮像装置を回転させるカメラ保持部と、測距パターンが形成されたチャート板を保持し、回転軸に略直交する面をこの回転軸から周辺に向かって所定の角度で分割したいずれか一つの領域において、チャート板を移動させるチャート保持部と、このチャート板の座標を検出する位置検出部と、を有することを特徴とする。

また、このようなパラメータ推定装置は、カメラ保持部を、回転軸に沿ってこの回転軸に直交する面に対して相対移動させるＺステージ部を有することが好ましい。

また、このようなパラメータ推定装置において、チャート保持部は、チャート板を、回転軸に略平行の軸を中心に回転させることが好ましい。

また、このようなパラメータ推定装置は、チャート保持部を、回転軸に略直交する面内で略水平方向に移動させるＸステージ部と、Ｘステージ部を、回転軸に略直交する面内で略垂直方向に移動させるＹステージ部と、を有することが好ましい。

また、このようなパラメータ推定装置は、カメラ保持部及びチャート保持部を移動させて撮像装置とチャート板との相対位置を変化させ、位置検出部によりチャート板の座標を取得するとともに、撮像装置によりチャート板の画像を取得し、さらに、座標及び画像から測距装置のパラメータを推定する制御部を有することが好ましい。

また、このようなパラメータ推定装置において、撮像装置は、互いの光軸が略平行に配置されて左右に並ぶ２つのカメラで構成されるステレオカメラであって、回転軸は、２つのカメラの何れか一方の光軸と略一致することが好ましい。

本発明に係る測距装置のパラメータ推定方法及びパラメータ推定装置を以上のように構成すると、測定に必要なスペースを最小限に抑えつつ、パラメータの推定のために十分なデータを取得することができる。

パラメータ推定装置の斜視図である。 パラメータ推定装置の側面図である。 パラメータ推定装置の機能を示すブロック図である。 パラメータ推定装置によるパラメータの推定方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、撮像装置としてステレオカメラを用いた測距装置に基づいて説明を行う。このステレオカメラを用いた測距装置とは、水平線に対して互いに平行に配置した２台のカメラを有し、２つの異なる位置から測定物体を同時に撮影することで、このステレオカメラの所定の位置を原点としてこの原点から測定物体までの距離（３次元上の相対座標）を測定するものである。本手法では、製品としてこうしたステレオカメラを用いた測距装置を作成した際、測距性能の評価が必ず行われることに着目し、そこで使用されるデータをパラメータ（上述のように、各カメラ画像上での座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）から測距対象の相対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めるためのパラメータ）の計算に利用することを考える。すなわち、測距装置の測距評価装置をこの測距装置のパラメータ推定装置として用いることを考える。このために、パラメータ推定装置としての測距評価装置は、ステレオカメラと撮影対象（測距対象）の正しい位置関係（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を与えることが可能な構成とする。まず、図１〜図３を用いて本実施形態に係る測距評価装置の構成について説明する。

測距評価装置１は、載置面上に水平に配置された平板状の架台部２と、この架台部２の上面に対して略垂直に取り付けられた平板状のチャート部３と、を有している。ここで、図１に示すように、架台部２の上面に水平で且つチャート部３の平面（架台部２の上面に略直交する平面）に直交する方向をＺ軸方向とし、チャート部３の平面における水平方向をＸ軸方向とし、垂直方向をＹ軸方向として定義すると、架台部２には、この架台部２上に取り付けられ、Ｚ軸方向に延びるＺステージ部５と、このＺステージ部５上をＺ軸方向に移動可能に取り付けられたカメラ保持部４と、を有している。ここで、カメラ保持部４は、Ｚステージ部５上を移動するカメラ側基台部９と、このカメラ側基台部９のチャート部３と対向する面にＺ軸方向に延びる回転軸を中心にカメラ側基台部９に対して相対回転可能に取り付けられたカメラ側θステージ部１０と、このカメラ側θステージ部１０に、チャート部３と対向するようにステレオカメラ２０を着脱可能なカメラ取付部１１と、が設けられている。

一方、チャート部３には、Ｚステージ部５と対向する面において、このチャート部３に取り付けられ、Ｙ軸方向に延びるＹステージ部８と、Ｘ軸方向に延び、Ｙステージ部８によりＹ軸方向に移動可能に取り付けられたＸステージ部７と、このＸステージ部７上をＸ軸方向に移動可能に取り付けられたチャート保持部６と、を有している。ここで、チャート保持部６は、Ｘステージ部７上をＸ軸方向に移動するチャート側基台部１２と、Ｚ軸方向に延びる回転軸を中心にチャート側基台部１２に対して相対回転可能に取り付けられたチャート側θステージ部１３と、このチャート側θステージ部１３に、カメラ駆動部５と対向するようにチャート板（測距パターン）３０を着脱可能なチャート取付部１４と、が設けられている。

このような測距評価装置１において、Ｚステージ部５は、チャート部３に向かって架台部２の右端側に取り付けられている。すなわち、カメラ保持部４はＺ軸方向から見たときに、チャート部３の右下隅部分に対向するように配置されている。また、カメラ取付部１１にステレオカメラ２０を取り付けたときに、このカメラ取付部１１が取り付けられているカメラ側θステージ部１０の回転軸が、ステレオカメラ２０の光軸に対して略水平方向に延び、且つ、このステレオカメラ２０の原点（例えば、ステレオカメラ２０の左右のカメラのうち、右カメラの入射瞳と光軸とが交差する点）若しくはその近傍を通るように構成されている。すなわち、カメラ側θステージ部１０の回転軸とステレオカメラ２０の右カメラの光軸とは略一致する。また、チャート取付部１４にチャート板３０を取り付けると、その中心部（チャート板３０の基準点）とチャート側θステージ部１３の回転軸とが略一致するように構成されている。

また、上述のように、Ｘステージ部７上をチャート保持部６をＸ軸方向に移動させ、Ｙステージ部８上をＸステージ部７をＹ軸方向に移動させることにより、チャート部３の平面上の任意の位置にチャート板３０を移動させることができる。さらに、チャート部３上でチャート保持部６を右下方向に移動させると、少なくともチャート側θステージ部１３の回転軸がカメラ側θステージ部１０の回転軸と略一致する位置まで移動させることができる。

図３に示すように、ステレオカメラ２０の左カメラ２０Ｌ及び右カメラ２０Ｒで撮影された画像は制御部４０に入力される。また、Ｘステージ部７には、チャート保持部６をＸ軸方向に移動させるＸ駆動部７ａ、及び、このチャート保持部６のＸ軸方向の位置を検出するＸ位置検出部７ｂが設けられている。また、Ｙステージ部８には、Ｘステージ部７をＹ軸方向に移動させるＹ駆動部８ａ、及び、このＸステージ部７のＹ軸方向の位置を検出するＹ位置検出部８ｂが設けられている。また、Ｚステージ部５には、カメラ保持部４をＺ軸方向に移動させるＺ駆動部５ａ、及び、このカメラ保持部４のＺ軸方向の位置を検出するＺ位置検出部５ｂが設けられている。また、カメラ側基台部９には、カメラ側θステージ部１０を回転軸を中心に回転させるカメラ回転部９ａ、及び、このカメラ側θステージ部１０の回転軸周りの角度を検出するカメラ角度検出部９ｂが設けられている。さらに、チャート側基台部１２には、チャート側θステージ部１３を回転軸を中心に回転させるチャート回転部１２ａ、及び、このチャート側θステージ部１３の回転軸周りの角度を検出するチャート角度検出部１２ｂが設けられている。なお、これらのＸ駆動部７ａ、Ｙ駆動部８ａ、Ｚ駆動部５ａ、カメラ回転部９ａ及びチャート回転部１２ａは、制御部４０から出力される制御信号により駆動し、また、Ｘ位置検出部７ｂ、Ｙ位置検出部８ｂ、Ｚ位置検出部５ｂ、カメラ角度検出部９ｂ及びチャート角度検出部１２ｂによる検出信号は制御部４０に入力される。

このような構成の測距評価装置１のカメラ取付部１１にステレオカメラ２０を取り付けたときに、ステレオカメラ２０の視野をカメラ側θステージ部１０の回転軸とチャート取付部１４に取り付けられたチャート板３０が移動する平面との交点を原点として、上述のＸ軸方向及びＹ軸方向に延びる軸でこの平面を分割すると、ステレオカメラ２０の第２象限（Ｘ軸及びＹ軸で分割された４つの領域のうちのステレオカメラ２０側から見たときの左上側の領域）内において、チャート板３０を移動させることができる。また、カメラ側θステージ部１０を９０°ずつ回転させることにより、他の象限（第１，３，４象限）内においてもチャート板３０を移動させることができる。なお、チャート板３０上に描かれた測距パターンが非対称の場合、カメラ側θステージ部１０の回転に合わせてチャート側θステージ部１３を回転させることで、各象限で同じ測距パターンにより測定を行うことができる。また、Ｚステージ部５上でカメラ保持部４を移動させることにより、チャート板３０とステレオカメラ２０のＺ軸方向の距離を調整することができる。

図４に、この測距評価装置１によるステレオカメラ２０の測定方法を示す。まず、測距評価装置１にステレオカメラ２０及びチャート板３０を取り付ける（ステップＳ１００）。そして、制御部４０によりＸ駆動部７ａ、Ｙ駆動部８ａ及びＺ駆動部５ａを用いてチャート保持部６、Ｘステージ部７及びカメラ保持部４によりステレオカメラ２０及びチャート板３０を移動させて所望の位置で測定を行う（ステップＳ１１０）。ステレオカメラ２０を構成する左右のカメラ２０Ｌ，２０Ｒの間隔や、このステレオカメラ２０の原点（右カメラの入射瞳と光軸が交わる点）は既知であり、また、Ｚ位置検出部５ｂによりチャート板３０との距離を取得することができ、さらに、Ｘ位置検出部７ｂ及びＹ位置検出部８ｂによりチャート板３０の基準点の位置（例えば、カメラ側θステージ部１０の回転軸とチャート板３０が移動する平面との交点を原点とする）も取得することができるので、制御部４０は、ステレオカメラ２０の原点に対するチャート板３０の基準点の相対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出し、さらに、この基準点のステレオカメラ２０の画像上での座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）も取得することができる。そのため、基準点の真の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と画像上の座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）から求められる位置との誤差からこのステレオカメラ２０の測距精度を求めることができ、また、これらの測定値を用いることでこのステレオカメラ２０のパラメータの推定や平行化を行うことも可能である。

制御部４０は、ステップＳ１１０の測定が終了すると、４つの象限の全てにおいて測定が終了したかを判断し（ステップＳ１２０）、４つの象限の全てにおいて測定が終了していないと判断したときは、カメラ回転部９ａ及びチャート回転部１２ａを制御してステレオカメラ２０及びチャート板３０を９０°回転させ（ステップＳ１３０）、ステップＳ１１０に戻って測定を繰り返す。一方、ステップＳ１２０で全ての象限の測定が終了していると判断した場合は、基準点の相対座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と画像上の座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）とから測距装置のパラメータの推定を行う（ステップＳ１４０）。

測距評価装置１を以上のように構成すると、ステレオカメラ２０の視野を４つの象限に分割したときの一つの象限内でチャート板３０を移動させて測定を行い、またステレオカメラ２０及びチャート板３０を回転させて各象限で測定を行うことができるので、チャート部３の左右方向及び上下方向の寸法をそれぞれステレオカメラ２０の視野の半分にすることができ、この測距評価装置１を小型にすることができる。すなわち、この測距評価装置１に取り付けられたステレオカメラ２０及びチャート板３０は、並進及び回転が可能であるため、測距範囲内におけるステレオカメラ２０とチャート板３０との位置関係を最小限のスペースで実現することができる。

なお、以上の処理により制御部４０で取得したステレオカメラの２０の測定値（データ数）が未知のパラメータに対して少なく、高精度のパラメータ推定が期待できない場合には、測距評価のデータを用いて最適化を行うのは平行化パラメータのみとする。このとき、ステレオカメラ２０内部のパラメータは平面を用いた手法など、他の方法によって求めたものを使用する。逆に、高精度に求めたいパラメータが内部パラメータであれば、本手法で内部パラメータを求めても良く、データ数が十分に得られるのならば全パラメータを最適化しても良い。この結果、第１のデータ取得のための測距評価装置１の小型化が可能になり、第２に十分な数のデータを用いたパラメータの推定か可能になり、第３に測距範囲全体にわたるデータを使用した平行化パラメータの推定が可能となる。さらに、ステレオカメラ２０とチャート板（測距パターン）３０の位置関係（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が分かっていることから、内部パラメータを使用して画像中での測距パターン位置を大まかに見積もることができ、測距のための画像処理が簡単になるという利点も生じる。

なお、ステレオカメラ２０が備える左右のカメラ２０Ｌ，２０Ｒ魚眼カメラである場合、測距パターンをチャート部３上の各位置において取得した画像に対し、予め求めておいた内部パラメータによる変換で歪曲を補正したピンホールカメラ画像ペアを得る。これらの画像に対してテンプレートマッチング等のパターン検出処理を施すことで、各ピンホール画像上での撮影対象の位置（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）と物空間での測距パターンの位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が対応付けられる。このデータを測距性能の評価だけでなく、平行化パラメータの修正に使用することができる。

また、以上の説明では、ステレオカメラ２０とチャート板３０のＺ軸方向の位置を変化させるために、Ｚステージ部５によりステレオカメラ２０を移動させるように構成した場合について説明したが、ステレオカメラ２０はＺ軸方向に対して固定し、チャート部３をＺ軸方向に移動させるように構成しても良い。また、以上の説明では、装置構成を簡単にするためにステレオカメラ２０の視野を４つの象限（領域）に分割し、そのうちの１つの象限でチャート板３０を移動させて測定を行う場合について説明したが、これ以外の分割数にしても良い。

１ 測距評価装置（パラメータ推定装置） ４ カメラ保持部
５ Ｚステージ部 ５ｂ Ｚ位置検出部 ６ チャート保持部
７ Ｘステージ部 ７ｂ Ｘ位置検出部
８ Ｙステージ部 ８ｂ Ｙ位置検出部
２０ ステレオカメラ（撮像装置） ３０ チャート板 ４０ 制御部

Claims (10)

1. 撮像装置により測定物体の像を撮像して、当該像から所定の位置を基準とした前記測定物体の座標を計測する測距装置のパラメータ推定方法であって、
   前記撮像装置の視野を、当該視野の略中心を通り前記撮像装置の光軸に略平行な回転軸から周辺に向かって所定の角度で分割したいずれか一つの領域において、前記光軸に略直交する面内で測距チャートを移動させて当該測距チャートの座標を取得するとともに、前記撮像装置により前記測距チャートの画像を取得する第１のステップと、
   前記回転軸を中心に前記所定の角度ずつ前記撮像装置を回転させて、前記分割した領域の全てに対して前記第１のステップを繰り返す第２のステップと、
   前記測距チャートの前記座標及び前記画像から、前記パラメータを推定する第３のステップと、を有することを特徴とする測距装置のパラメータ推定方法。
2. 前記第１のステップにおいて、前記測距チャートの前記座標及び前記画像を取得するときに、前記撮像装置を前記測距チャートに対して前記回転軸に沿って相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の測距装置のパラメータ決定方法。
3. 前記所定の角度は９０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の測距装置のパラメータ決定方法。
4. 前記撮像装置は、互いの光軸が略平行に配置されて左右に並ぶ２つのカメラで構成されるステレオカメラであって、
   前記回転軸は、前記２つのカメラの何れか一方の前記光軸と略一致することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のパラメータ推定方法。
5. 撮像装置により測定物体の像を撮像して、当該像から所定の位置を基準とした前記測定物体の座標を計測する測距装置のパラメータ推定装置であって、
   前記撮像装置を保持し、当該撮像装置の光軸に略平行な回転軸を中心に当該撮像装置を回転させるカメラ保持部と、
   測距パターンが形成されたチャート板を保持し、前記回転軸に略直交する面を前記回転軸から周辺に向かって所定の角度で分割したいずれか一つの領域において、前記チャート板を移動させるチャート保持部と、
   前記チャート板の前記座標を検出する位置検出部と、を有することを特徴とするパラメータ推定装置。
6. 前記カメラ保持部を、前記回転軸に沿って前記回転軸に直交する前記面に対して相対移動させるＺステージ部を有することを特徴とする請求項５に記載のパラメータ推定装置。
7. 前記チャート保持部は、前記チャート板を、前記回転軸に略平行の軸を中心に回転させることを特徴とする請求項５または６に記載のパラメータ推定装置。
8. 前記チャート保持部を、前記回転軸に略直交する前記面内で略水平方向に移動させるＸステージ部と、
   前記Ｘステージ部を、前記回転軸に略直交する前記面内で略垂直方向に移動させるＹステージ部と、を有することを特徴とする請求項５〜７いずれか一項に記載のパラメータ推定装置。
9. 前記カメラ保持部及び前記チャート保持部を移動させて前記撮像装置と前記チャート板との相対位置を変化させ、前記位置検出部により前記チャート板の前記座標を取得するとともに、前記撮像装置により前記チャート板の画像を取得し、さらに、前記座標及び前記画像から前記測距装置の前記パラメータを推定する制御部を有することを特徴とする請求項５〜８いずれか一項に記載のパラメータ推定装置。
10. 前記撮像装置は、互いの光軸が略平行に配置されて左右に並ぶ２つのカメラで構成されるステレオカメラであって、
    前記回転軸は、前記２つのカメラの何れか一方の前記光軸と略一致することを特徴とする請求項５〜９いずれか一項に記載のパラメータ推定装置。

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