JP2016105577A - カメラモデルパラメータ推定装置及びそのプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
カメラモデルパラメータ推定装置は、初期値生成用カメラ校正部によって、撮影カメラ毎の内部パラメータの初期値をカメラ校正で算出する。
なお、パン・チルト座標系とは、撮影原点からパン・チルトした撮影カメラを搭載する雲台における3次元座標系のことである。
また、カメラ座標系とは、撮影原点からパン・チルトした撮影カメラの光学中心における3次元座標系のことである。
なお、基準校正パターン座標系とは、基準校正パターンの任意の一点を中心とした3次元座標系のことである。
また、雲台座標系とは、撮影原点からパン・チルトしておらず、撮影原点を向いた撮影カメラを搭載する雲台における3次元座標系のことである。
この校正パターン関係式を予め設定することで、複数の撮影カメラで校正パターンの位置関係を共有し、より強い拘束条件をカメラモデルパラメータの推定に加えることができる。
なお、校正パターン情報とは、校正パターンに含まれる特徴点の座標を表す情報である。
また、予測画像座標は、撮影カメラで撮影された画像に含まれる特徴点の座標をカメラモデルパラメータで予測したものである。
なお、カメラモデルパラメータは、撮影カメラの内部パラメータと、撮影カメラの第1外部パラメータ及び第2外部パラメータとからなり、カメラシステムの状態を表すモデルである。
本願発明に係るカメラモデルパラメータ推定装置は、複数の撮影カメラで校正パターンの位置関係を共有し、より強い拘束条件をカメラモデルパラメータの推定に加えるため、高精度なカメラモデルパラメータを推定することができる。これによって、本願発明に係るカメラモデルパラメータ推定装置は、カメラ校正の精度をより向上させることができる。
以下、本願発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一手段及び同一処理には同一の符号を付し、説明を省略した。
まず、本願発明の第1実施形態におけるカメラ校正手法を説明した後、本願発明の第1実施形態に係るカメラ校正装置(カメラモデルパラメータ推定装置)の具体的構成を説明する。
図1のように、カメラシステム(撮影カメラ)Ciは、カメラ本体CBiと、雲台CPiと、センサCSi(図8)とで構成されるシステムである。本実施形態では、カメラシステムCiは、多視点映像を撮影する多視点カメラであることとする。
雲台CPiは、カメラ本体CBiを搭載すると共に、カメラ本体CBiがパン及びチルトするように可動する台座である。
センサCSiは、カメラシステムCi(雲台CPi)がパンした角度を表すパン値と、カメラシステムCi(雲台CPi)がチルトした角度を表すチルト値とを計測するものである。
なお、行列では、右下及び左上の両方に添え字を付けた場合、右下の添え字が変換前の座標系を表し、左上の添え字が変換後の座標系を表す。
また、並進ベクトルでは、左上の添え字が座標系を表す。
校正パターンPjの座標系を、校正パターン座標系ΣPjとする。この校正パターン座標系ΣPjは、校正パターンPjの任意の一点を原点とした3次元座標系のことである。
また、パン・チルト座標系ΣPTiからカメラ座標系ΣCiへの変換は、パラメータ表記するとCθext,iとなり、行列表記するとCiMPTiとなる(第1外部パラメータ)。
この場合、求めるべき外部パラメータθext,iは、式(8)で表すことができる。
なお、行列CiMPjは、校正パターン座標系ΣPjをカメラ座標系ΣCiに変換するものである(第4外部パラメータ)。
なお、校正パターン情報とは、校正パターンPj毎に、各校正パターンPjに含まれる特徴点の座標及び数を表した情報である。
なお、式(18)では、‘arg min‘が最小化を表し、‘||’がノルムを表し、u^ijkijljが予測画像座標を表し、uijkijljが観測画像座標を表す。
図7を参照し、式(14)を式(16)のように簡略化できる理由、及び、予測画像座標の算出方法について、説明する。
基準校正パターンPw以外の校正パターンPjについて、全ての特徴点の3次元座標系を基準校正パターン座標系ΣPwに変換する。この場合、校正パターンPjの特徴点の3次元座標xは、式(19)で表すことができる。
図8を参照し、カメラ校正装置1の構成について、説明する。
カメラ校正装置1は、複数のカメラシステムCi(C1,…,Cn)で、複数の校正パターンPjのそれぞれを撮影した撮影画像を用いて、カメラシステムCiのカメラモデルパラメータを推定するものである。
図8のように、カメラ校正装置1は、同期信号生成部10と、情報記録部20と、カメラモデルパラメータ推定部30と、カメラ校正部40とを備える。
なお、カメラモデルパラメータ推定部30の詳細は、後記する。
図9を参照し、カメラモデルパラメータ推定部30の構成について、説明する(適宜図8参照)。
図9のように、カメラモデルパラメータ推定部30は、映像入力部302と、センサ値入力部304と、フレーム同期部306と、撮影画像・センサ値記録部310と、情報選択部320と、特徴点抽出部330と、初期値生成部340と、最適化部350とを備える。
参考文献1:Z.Zhang.A flexible new technique for camera calibration.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,22(11),1330-1334.
図10を参照し、図8のカメラ校正装置1の動作について、説明する(適宜図8,図9参照)。
各カメラシステムCi及び各校正パターンPjを所定位置に配置する。また、カメラ校正装置1では、情報記録部20に校正パターン情報を予め記録する(ステップS0)。
なお、ステップS0の処理は、カメラ校正の準備作業であるため、破線で図示した。
カメラ校正装置1は、映像入力部302によって、カメラシステムCiから映像を取得し、フレーム毎の静止画像(撮影画像)に変換する。
カメラ校正装置1は、センサ値入力部304によって、カメラシステムCiからセンサ値を取得し、テキストデータに変換する(ステップS1)。
カメラ校正装置1は、フレーム同期部306によって、ステップS2で同期させた撮影画像及びセンサ値の組み合わせを、撮影画像・センサ値記録部310に記録する(ステップS3)。
カメラ校正装置1は、初期値生成部340によって、初期値を生成する(ステップS6)。このステップS6の処理は、詳細を後記する。
カメラ校正装置1は、カメラモデルパラメータ最適化部353によって、ステップS6で生成した初期値と、特徴点情報と、予測画像座標と、校正パターン情報とを用いて最適化を行い、カメラモデルパラメータを推定する(ステップS7)。
カメラ校正装置1は、カメラ校正部40によって、ステップS7で推定したカメラモデルパラメータと、センサ値とを用いて、カメラ校正を行う(ステップS8)。
図11を参照し、図10のステップS6の処理について、説明する(適宜図9参照)。
カメラ校正装置1は、初期値生成用カメラ校正部341によって、カメラ校正を行い、内部パラメータθint,iの初期値と、第4外部パラメータCiMPjとを算出する(ステップS61)。
カメラ校正装置1は、第3外部パラメータ算出部347によって、ステップS4で選択されたセンサ値から、第3外部パラメータPTiMCPiを算出する(ステップS63)。
以下、本願発明の第2実施形態について、第1実施形態と異なる点を説明する。
前記した第1実施形態に係るカメラ校正装置1は、複数のカメラシステムCiを用いて、複数の校正パターンPjを様々な姿勢で撮影し、パラメータの個数が多い最適化問題を解く必要がある。このため、カメラ校正装置1では、カメラシステムCiを設置した後、カメラモデルパラメータの推定が終わるまでに時間や手間がかかる。当然、撮影現場では、システムの設営に費やせる時間は限られており、時間や手間が少ない方が好ましい。
なお、ここではカメラシステムCiを別の場所に設置することを移設と呼ぶ。例えば、カメラシステムCiを10cm移動させた場合も、カメラシステムCiの移設に該当する。
まず、本願発明の第2実施形態におけるカメラ校正手法を説明した後、本願発明の第2実施形態に係るカメラ校正装置1Bの具体的構成を説明する。
第2実施形態の前提として、図12のように、第1実施形態の手法でカメラモデルパラメータを推定しておく必要がある。以後、第1実施形態の手法を「初期カメラ校正」と呼ぶ。
その後、初期カメラ校正で求めた第1外部パラメータCθext,i及び内部パラメータθint,iを利用して、移設したカメラシステムCiのカメラモデルパラメータを推定する。以後、第2実施形態で説明する手法を「設置カメラ校正」と呼ぶ。
また、図12の設置カメラ校正では、既知の値となるパン・チルト座標系ΣPTiからカメラ座標系ΣCiへの変換(第1外部パラメータ)を破線矢印で図示した。また、最適化で求めるパラメータについては、実線矢印で図示した。
ここで、カメラシステムCiがn台(i=1,…,n)、校正パターンPjがm個(j=1,…,m)の場合を考える。一般的な外部パラメータは、回転角度が3個のパラメータ、並進ベクトルが3個のパラメータ、合計6個のパラメータで構成される。つまり、外部パラメータθextは、式(1)で表される。
図14を参照し、カメラ校正装置1Bの構成について、説明する。
カメラ校正装置1Bは、初期カメラ校正で求めた第1外部パラメータCθext,i及び内部パラメータθint,iを利用して、移設したカメラシステムCiのカメラモデルパラメータを推定するものである。
図14のように、カメラ校正装置1Bは、同期信号生成部10と、情報記録部20Bと、カメラモデルパラメータ推定部30Bと、カメラ校正部40とを備える。
他の点、情報記録部20Bは、第1実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。
図15を参照し、カメラモデルパラメータ推定部30Bの構成について、説明する(適宜図14参照)。
図15のように、カメラモデルパラメータ推定部30Bは、映像入力部302と、センサ値入力部304と、フレーム同期部306と、撮影画像・センサ値記録部310と、情報選択部320と、特徴点抽出部330と、初期値生成部340Bと、最適化部350Bとを備える。
なお、初期値生成部340Bは、設置カメラ校正の際、第1外部パラメータ設定部343を備えなくてもよいため、破線で図示した。
なお、第2外部パラメータ算出部345Bは、第1実施形態と同様の処理を行うため、これ以上の説明を省略する。
カメラモデルパラメータ最適化部353Bは、観測画像座標と予測画像座標との距離が最小となるように式(28)を最適化することで、式(26)のカメラモデルパラメータθi(第2外部パラメータ)を推定する。そして、カメラモデルパラメータ最適化部353Bは、推定したカメラモデルパラメータθiと、初期カメラ校正で求めた第1外部パラメータCiMPTi及び内部パラメータθint,iとを、カメラモデルパラメータ情報として情報記録部20Bに出力する。
図16を参照し、図14のカメラ校正装置1Bの動作について、説明する(適宜図14,図15参照)。
ここでは、初期カメラ校正で求めた第1外部パラメータCθext,i及び内部パラメータθint,iが情報記録部20Bに記録されていることとする。
カメラ校正装置1は、カメラモデルパラメータ最適化部353Bによって、前記した式(28)を最適化することで、式(26)のカメラモデルパラメータθi(第2外部パラメータ)を推定する(ステップS7B)。
図17を参照し、図16のステップS6Bの処理について、説明する(適宜図15参照)。
カメラ校正装置1は、初期値生成用カメラ校正部341Bによって、カメラ校正を行い、第4外部パラメータCiMPjを算出する(ステップS61B)。
10 同期信号生成部
20,20B 情報記録部
30,30B カメラモデルパラメータ推定部
40 カメラ校正部
302 映像入力部
304 センサ値入力部
306 フレーム同期部
310 画像・センサ値記録部
320 情報選択部
330 特徴点抽出部
340,340B 初期値生成部
341,341B 初期値生成用カメラ校正部
343 第1外部パラメータ設定部
345,345B 第2外部パラメータ算出部
347 第3外部パラメータ算出部
349 校正パターン関係式設定部
350,350B 最適化部
351 予測画像座標算出部
353,353B カメラモデルパラメータ最適化部
Ci カメラシステム(撮影カメラ)
Claims (5)
- 複数の撮影カメラで複数の校正パターンを撮影した撮影画像を用いて、前記撮影カメラのカメラモデルパラメータを推定するカメラモデルパラメータ推定装置であって、
前記撮影画像毎に、前記撮影画像から前記校正パターンの特徴点を抽出し、抽出した前記特徴点の座標である観測画像座標を出力する特徴点抽出部と、
カメラ校正により、前記撮影カメラ毎の内部パラメータの初期値を算出する初期値生成用カメラ校正部と、
前記撮影カメラ毎に、撮影原点からパン・チルトした前記撮影カメラを搭載する雲台におけるパン・チルト座標系を、前記撮影原点からパン・チルトした前記撮影カメラの光学中心におけるカメラ座標系に変換する第1外部パラメータの初期値を設定する第1外部パラメータ設定部と、
前記撮影カメラ毎に、前記校正パターンのうち予め設定した1つの基準校正パターンにおける基準校正パターン座標系を、前記撮影原点を向いた前記撮影カメラを搭載する雲台における雲台座標系に変換する第2外部パラメータの初期値を算出する第2外部パラメータ算出部と、
前記校正パターンの間で座標系の関係を表す校正パターン関係式の初期値を予め設定する校正パターン関係式設定部と、
前記校正パターンに含まれる特徴点の座標を表す校正パターン情報が予め設定され、前記校正パターン情報の特徴点の座標から、前記校正パターンを向いた前記撮影カメラで撮影された画像に含まれる特徴点の座標を予測した予測画像座標を算出する予測画像座標算出部と、
前記観測画像座標と前記予測画像座標との距離が最小となるように、前記内部パラメータと前記第1外部パラメータと前記第2外部パラメータとからなる前記カメラモデルパラメータ及び前記校正パターン関係式が含まれる評価式を最適化することで、前記カメラモデルパラメータを推定するカメラモデルパラメータ最適化部と、
を備えることを特徴とするカメラモデルパラメータ推定装置。 - 前記校正パターンを向いた前記撮影カメラのパン値及びチルト値から、前記雲台座標系を前記パン・チルト座標系に変換する第3外部パラメータを算出する第3外部パラメータ算出部、をさらに備え、
前記初期値生成用カメラ校正部は、前記カメラ校正により、前記校正パターン座標系を前記カメラ座標系に変換する第4外部パラメータを、さらに算出し、
前記第2外部パラメータ算出部は、
前記第4外部パラメータに対して、前記第1外部パラメータと前記第2外部パラメータと前記第3外部パラメータとを関係付けた変換式が予め設定され、
前記変換式に前記第1外部パラメータの初期値と前記第3外部パラメータと前記第4外部パラメータとを代入することで、前記第2外部パラメータの初期値を算出することを特徴とする請求項1に記載のカメラモデルパラメータ推定装置。 - 前記特徴点抽出部は、前記撮影カメラとして、同一の被写体を異なる視点で撮影する多視点カメラから、前記撮影画像が入力されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のカメラモデルパラメータ推定装置。
- 前記第2外部パラメータ算出部は、移設した前記撮影カメラについて、前記第2外部パラメータの初期値を算出し、
前記カメラモデルパラメータ最適化部は、前記移設した撮影カメラの第2外部パラメータからなる前記カメラモデルパラメータ及び前記校正パターン関係式が含まれる評価式を最適化することで、前記移設した撮影カメラのカメラモデルパラメータを推定することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載のカメラモデルパラメータ推定装置。 - コンピュータを、請求項1から請求項4の何れか一項に記載のカメラモデルパラメータ推定装置として機能させるためのカメラモデルパラメータ推定プログラム。
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