JP2023028713A - 画像処理装置、および画像処理方法ならびにプログラム - Google Patents

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Abstract

Figure 2023028713000001
【課題】水深に応じた撮像画像の歪みを正しく補正することを可能にする。
【解決手段】本開示の画像処理装置は、水中における計測対象物を撮像する画像センサと、水中において第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、水中において第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成する補正用データ生成部とを備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、画像処理装置、および画像処理方法に関する。
例えば自律型水中ロボット（Autonomous Underwater Vehicle：AUV）においてステレオカメラを用いて水中の３次元計測を行う技術が求められている。一方で、水深が深ければ深いほどロボットやカメラ容器に耐圧がかかり、撮れる画像が歪んでくるため、３次元計測を正しく行うことが困難になってくる。特許文献１では、あらかじめ取得しておいた補正データを用いて撮像画像をキャリブレーションする方法が提案されている。
特開２０１１－２４８４１４号公報
あらかじめ取得しておいた補正データを用いて撮像画像をキャリブレーションする方法では、あらかじめ想定していた耐圧と実際に３次元計測を行う際に発生する耐圧との因果関係が正しくない可能性があり、撮像画像の歪みを正しく補正することは困難である。
水深に応じた撮像画像の歪みを正しく補正することが可能な画像処理装置、および画像処理方法ならびにプログラムを提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係る画像処理装置は、水中における計測対象物を撮像する画像センサと、水中において第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、水中において第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成する補正用データ生成部とを備える。
本開示の一実施の形態に係る画像処理方法は、水中における計測対象物を画像センサによって撮像することと、水中において第１のレーザ光を出射することと、水中において第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することとを含む。
本開示の一実施の形態に係るプログラムは、水中において第１のレーザ光を出射することと、水中において第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することとを含む処理をコンピュータに実行させる。
本開示の一実施の形態に係る画像処理装置、または画像処理方法、またはプログラムでは、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データが生成される。
本開示の第１の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 レーザによる２つのラインレーザ光の照射状態およびステレオカメラによる視野範囲の一例を示す説明図である。 ステレオカメラによる２つのラインレーザ光の撮像画像の一例を示す説明図である。 スキャン機構による２つのラインレーザ光のスキャンの一例を示す説明図である。 水深が浅い場合における２つのラインレーザ光の交点の一例を示す説明図である。 水深が深い場合における２つのラインレーザ光の交点の一例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る画像処理装置における補正用データ保持部に保持される情報の一例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る画像処理装置において、水深が浅い場合に行われるレファレンスデータ（参照データ）の作成処理の一例を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に係る画像処理装置において、水深が深い場合に行われるキャリブレーション処理の一例を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る画像処理装置が適用される自律型水中ロボットの一構成例を概略的に示す構成図である。 第３の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 第４の実施の形態に係る画像処理装置における補正用データ保持部に保持される情報の一例を示す説明図である。 第５の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示すブロック図である。 第５の実施の形態に係る画像処理装置が適用される自律型水中ロボットの一構成例を概略的に示す構成図である。 第５の実施の形態に係る画像処理装置において、深度画像を生成する処理の一例を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例
１．第１の実施の形態（図１～図９）
１．１ 構成
１．２ 動作
１．３ 効果
２．第２の実施の形態（図１０～図１１）
３．第３の実施の形態（図１２）
４．第４の実施の形態（図１３）
５．第５の実施の形態（図１４～図１６）
６．その他の実施の形態
＜０．比較例＞
例えば海中において、点検等や自律型水中ロボットの自律移動のために３次元計測を行う技術が求められている。特に点検では高分解能および高精度な３次元計測技術が求められている。高分解能および高精度を達成する技術として、地上で多く使われているステレオカメラ方式が有力である。一方で、水深が深ければ深いほどロボットやカメラ容器に耐圧がかかり、撮れる画像が歪んでくるため、３次元計測を正しく行うことが困難になってくる。
特許文献１（特開２０１１－２４８４１４号公報）には、常圧環境下で撮影した画像と同等の画像が得られるようにする画像処理システムとして、あらかじ各耐圧における補正データを取得する方法が提案されている。しかし、あらかじめキャリブレーションを行うため、想定した耐圧と実際に発生している耐圧との因果関係が正しくない可能性がある。特許文献１で提案されている技術では、事前に各圧力における補正情報をあらかじめ取得し、常圧環境下との差分パラメータ（移動ベクトル）を算出するが、使用される環境測定用の圧力センサや温度センサの精度に依存したり、実際に高圧環境下へ沈んだ際に発生するメカ的な形状変化が取得済みのパラメータと一致するとは限らないため、正しい３次元計測ができない可能性がある。
＜１．第１の実施の形態＞
［１．１ 構成］
図１は、本開示の第１の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示している。
第１の実施の形態に係る画像処理装置は、例えば自律型水中ロボットに搭載され、海中などの水中における３次元計測に用いられる。
第１の実施の形態に係る画像処理装置は、ステレオカメラ１０と、歪み補正部２０と、パラメータ補正部２１と、ステレオマッチング部２２と、生成済キャリブレーションパラメータ保持部２３とを備える。第１の実施の形態に係る画像処理装置は、さらに、レーザ３０と、スキャン機構３１と、ラインレーザキャリブレーション部３２と、圧力センサ５０とを備える。
ステレオマッチング部２２は、本開示の技術における「深度画像生成部」の一具体例に相当する。ラインレーザキャリブレーション部３２は、本開示の技術における「補正用データ生成部」の一具体例に相当する。
歪み補正部２０、パラメータ補正部２１、ステレオマッチング部２２、およびラインレーザキャリブレーション部３２は、例えば１または複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）と、１または複数のＲＯＭ（Read Only Memory）と、１または複数のＲＡＭ（Random Access Memory）とを備えたコンピュータで構成されてもよい。この場合、歪み補正部２０、パラメータ補正部２１、ステレオマッチング部２２、およびラインレーザキャリブレーション部３２による各部の処理は、１または複数のＲＯＭまたはＲＡＭに記憶されたプログラムに基づく処理を１または複数のＣＰＵが実行することで実現し得る。また、歪み補正部２０、パラメータ補正部２１、ステレオマッチング部２２、およびラインレーザキャリブレーション部３２による各部の処理は、例えば有線または無線によるネットワークにより外部から供給されたプログラムに基づく処理を１または複数のＣＰＵが実行することで実現してもよい。
図２は、レーザ３０による２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射状態およびステレオカメラ１０による視野範囲の一例を示している。
ステレオカメラ１０は、水中における計測対象物を撮像する画像センサである。ステレオカメラ１０は、図２に示したように、左カメラ１０Ｌと、右カメラ１０Ｒとを有している。図２には、左カメラ１０Ｌの視野範囲１１Ｌと、右カメラ１０Ｒの視野範囲１１Ｒの一例を示す。
生成済キャリブレーションパラメータ保持部２３は、例えば陸上においてあらかじめ生成された、キャリブレーションの基準となる生成済キャリブレーションパラメータを保持する。
パラメータ補正部２１は、ラインレーザキャリブレーション部３２によって生成された補正用データ（補正パラメータ）に基づいて、ステレオカメラ１０による撮像画像の歪みを補正するために用いられるキャリブレーションパラメータ（生成済キャリブレーションパラメータ）を補正する。
歪み補正部２０は、左カメラ用の歪み補正部２０Ｌと、右カメラ用の歪み補正部２０Ｒとを有する。歪み補正部２０は、パラメータ補正部２１によって補正された補正済キャリブレーションパラメータに基づいて、ステレオカメラ１０によって撮像された計測対象物の撮像画像の歪みを補正する。
ステレオマッチング部２２は、歪み補正部２０によって補正された計測対象物の撮像画像に基づいて深度画像を生成する深度画像生成部である。ステレオマッチング部２２は、歪み補正部２０Ｌによって補正された歪み補正後の左カメラ１０Ｌによる撮像画像と、歪み補正部２０Ｒによって補正された歪み補正後の右カメラ１０Ｒによる撮像画像とに対してステレオマッチング処理を行い、３次元計測情報を含む深度画像を生成する。
レーザ３０は、図２に示したように、左レーザ３０Ｌと、右レーザ３０Ｒとを有する。左レーザ３０Ｌは、水中において第１のレーザ光としてのラインレーザ光Ｌ１を出射する第１のレーザ光源である。右レーザ３０Ｒは、水中において左レーザ３０Ｌとは異なる位置から第２のレーザ光としてのラインレーザ光Ｌ２を出射する第２のレーザ光源である。図２には、左レーザ３０Ｌから出射されたラインレーザ光Ｌ１の光路と、右レーザ３０Ｒから出射されたラインレーザ光Ｌ２の光路との一例を示す。
左レーザ３０Ｌは、例えば左カメラ１０Ｌの左側に配置される。右レーザ３０Ｒは、例えば右カメラ１０Ｒの右側に配置される。なお、レーザ３０の数は２つに限らない。例えば、キャリブレーションの処理速度の向上のために、左レーザ３０Ｌと右レーザ３０Ｒとに加えて、さらに、上下方向にレーザを２つ設置するようにしてもよい。
スキャン機構３１は、後述する図４～図６に示すように、左スキャンミラー３１Ｌと、右スキャンミラー３１Ｒとを有する。左スキャンミラー３１Ｌは、左レーザ３０Ｌから出射されたラインレーザ光Ｌ１をスキャンする第１のスキャン機構である。右スキャンミラー３１Ｒは、右レーザ３０Ｒから出射されたラインレーザ光Ｌ２をスキャンする第２のスキャン機構である。左スキャンミラー３１Ｌおよび右スキャンミラー３１Ｒはそれぞれ、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであってもよい。
ラインレーザキャリブレーション部３２は、補正用データ保持部３３を有する。なお、補正用データ保持部３３は、ラインレーザキャリブレーション部３２の外部に設けられていてもよい。
例えば海中においてレーザ光を照射すると、プランクトンなどにより後方散乱光が発生する。この後方散乱光をステレオカメラ１０で見るとレーザ光の光路が見えるようになる。ラインレーザキャリブレーション部３２は、スキャン機構３１によって２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２をスキャン制御することで、ステレオカメラ１０の全画素について２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点の情報を取得する。ラインレーザキャリブレーション部３２は、あらかじめ水深が浅い位置（第１の水深）においてステレオカメラ１０から見える２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点の情報を参照データとして保持する。第１の実施の形態に係る画像処理装置では、この参照データと、第１の水深よりも耐圧がかかった状態（第２の水深）において取得された２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点の情報とを比較することによってステレオカメラ１０の撮像画像の歪み量を算出し、画像の歪み補正を行う。
ラインレーザキャリブレーション部３２は、第１の水深（浅い水深）においてステレオカメラ１０によってラインレーザ光Ｌ１およびラインレーザ光Ｌ２を撮像することによって取得された第１の情報と、ステレオカメラ１０によって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深（深い水深）においてステレオカメラ１０によってラインレーザ光Ｌ１およびラインレーザ光Ｌ２を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深におけるステレオカメラ１０による撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データ（補正パラメータ）を生成する。
ラインレーザキャリブレーション部３２は、第１の水深においてステレオカメラ１０によって撮像されたラインレーザ光Ｌ１とラインレーザ光Ｌ２との第１の交点の情報を第１の情報として取得すると共に、第２の水深においてステレオカメラ１０によって撮像されたラインレーザ光Ｌ１とラインレーザ光Ｌ２との第１の交点に相当する第２の交点の情報を第２の情報として取得し、ステレオカメラ１０による撮像画像上における第１の交点と第２の交点との移動量の情報に基づいて、補正用データ（補正パラメータ）を生成する。
ラインレーザキャリブレーション部３２は、ステレオカメラ１０による撮像画像上の全画素において第１の交点の情報と第２の交点の情報とが得られるように、左スキャンミラー３１Ｌと右スキャンミラー３１Ｒとをスキャン制御する。
補正用データ保持部３３は、第１の交点の情報と第２の交点の情報との情報をそれぞれ、左スキャンミラー３１Ｌによる第１のスキャン角度の情報と右スキャンミラー３１Ｒによる第２のスキャン角度の情報とに関連付けて保持する。
圧力センサ５０は、水中における圧力を計測する水圧計であり、深度を推定可能である。
図３は、ステレオカメラ１０による２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の撮像画像の一例を示している。
図３の上段は、水深が浅いケース、すなわちキャリブレーションパラメータが、基準となる生成済キャリブレーションパラメータと一致しているケースのため、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点がエピポーラ線上にある。このため、歪み補正部２０による歪み補正が正しくできる。図３の下段は、水深が深いケースで、画像処理装置を搭載する機器への高耐圧の影響で画像が歪んでいる。この場合、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点がエピポーラ線上にない。このため、基準となる生成済キャリブレーションパラメータをそのまま使用した場合、歪み補正部２０において正しい補正画像が作れず、ステレオマッチング部２２で演算される距離画像（深度画像）も正しい結果が得られない。
図４は、スキャン機構３１による２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２のスキャンの一例を示している。
図４には、一例として左カメラ１０Ｌの全画素で２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点を撮影できるように、スキャン機構３１を用いて２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を走査する例を示す。図４の例では左側のラインレーザ光Ｌ１を走査している様子を示す。水深が浅い位置（第１の水深）で、補正用データ保持部３３に全画素位置のスキャン角度を記憶し、水深が変化した際（第２の水深）に同じスキャン角度での交点と記憶した画素位置とを比較することにより、水深による交点の移動量を得ることができる。
図５は、水深が浅い場合（第１の水深）における２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点の一例を示している。図６は、水深が深い場合（第２の水深）における２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点の一例を示している。図７は、補正用データ保持部３３に保持される情報の一例を示している。
図５に示したように、水深が浅いときに、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点が左カメラ１０Ｌの撮像画像上では座標（ｘL，ｙL）、右カメラ１０Ｒの撮像画像上では座標（ｘR，ｙR）となり、そのときの左スキャンミラー３１Ｌの角度が（θｘ，θｙ）、右スキャンミラー３１Ｒの角度が（Φｘ，Φｙ）だったとする。また、図６に示したように、水深が深いときに、図５に示したときと同一のスキャン機構３１の角度（θｘ，θｙ），（Φｘ，Φｙ）にした場合における２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点が左カメラ１０Ｌの撮像画像上の座標で（ＸL，ＹL）、右カメラ１０Ｒの撮像画像上の座標で（ＸR，ＹR）となったとする。ラインレーザキャリブレーション部３２では、これらの座標の移動量の情報として、左カメラ１０Ｌ用の移動量（ＸL－ｘL，ＹL－ｙL）と右カメラ１０Ｒ用の移動量（ＸR－ｘR，ＹR－ｙR）とを割り出し、ステレオカメラ１０の撮像画像上の全画素の座標について、同様の処理を実視し、得られた情報（図７）を補正用データ（補正パラメータ）として補正用データ保持部３３に保持する。
［１．２ 動作］
第１の実施の形態に係る画像処理装置において、耐圧に応じたキャリブレーションを行う場合は、ラインレーザキャリブレーション部３２がスキャン機構３１を制御しながら２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を出力し、ステレオカメラ１０から得られた撮像画像を使ってラインレーザキャリブレーションを行い、上記手法で補正パラメータが得られる。パラメータ補正部２１および歪み補正部２０は、ステレオカメラ１０から得られた撮像画像と、あらかじめ生成されたキャリブレーションの基準となる生成済キャリブレーションパラメータと、上記補正パラメータとを元にステレオカメラ１０から得られた撮像画像の歪み補正を行う。ステレオマッチング部２２では、歪み補正された撮像画像からステレオマッチングを行い、深度画像を生成する。ラインレーザキャリブレーションはステレオカメラ１０の撮影の毎フレーム行うのではなく、水圧が変動したり、画像処理装置を搭載したロボット等の機器が下降した際に定期的に行うようにしてもよい。
図８は、第１の実施の形態に係る画像処理装置において、水深が浅い場合に行われるレファレンスデータ（参照データ）の作成処理の一例を示すフローチャートである。
まず、レーザ３０およびスキャン機構３１によって、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射する（ステップＳ１０１）。次に、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光路をステレオカメラ１０でキャプチャする（ステップＳ１０２）。次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点のデータを参照データとして補正用データ保持部３３に保持する（ステップＳ１０３）。
次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、ステレオカメラ１０の全画素についてスキャンが完了したか否かを判断する（ステップＳ１０４）。全画素についてのスキャンが完了していないと判断した場合（ステップＳ１０４；Ｎ）、ラインレーザキャリブレーション部３２は、次に、スキャン機構３１によるスキャン角度を変更し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０２の処理に戻る。
一方、全画素についてのスキャンが完了したと判断した場合（ステップＳ１０４；Ｙ）、ラインレーザキャリブレーション部３２は、レーザ３０を停止する（ステップＳ１０６）。
図９は、第１の実施の形態に係る画像処理装置において、水深が深い場合に行われるキャリブレーション処理の一例を示すフローチャートである。
まず、レーザ３０およびスキャン機構３１によって、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射する（ステップＳ２０１）。次に、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光路をステレオカメラ１０でキャプチャする（ステップＳ２０２）。次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点のデータを現データとして補正用データ保持部３３に保持する（ステップＳ２０３）。
次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、ステレオカメラ１０の全画素についてスキャンが完了したか否かを判断する（ステップＳ２０４）。全画素についてのスキャンが完了していないと判断した場合（ステップＳ２０４；Ｎ）、ラインレーザキャリブレーション部３２は、次に、スキャン機構３１によるスキャン角度を変更し（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０２の処理に戻る。
一方、全画素についてのスキャンが完了したと判断した場合（ステップＳ２０４；Ｙ）、ラインレーザキャリブレーション部３２は、レーザ３０を停止する（ステップＳ２０６）。次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、補正用データ保持部３３に保持された参照データと現データとから補正パラメータを生成する（ステップＳ２０７）。次に、ステレオカメラ１０で計測対象物の撮像画像をキャプチャする（ステップＳ２０８）。次に、パラメータ補正部２１で補正パラメータを使い、生成済キャリブレーションパラメータを補正する（ステップＳ２０９）。次に、歪み補正部２０で補正済キャリブレーションパラメータを使い、ステレオカメラ１０による撮像画像（ステレオカメラ画像）の歪みを補正する（ステップＳ２１０）。次に、ステレオマッチング部２２で歪み補正済ステレオ画像から深度画像を生成する（ステップＳ２１１）。
次に、ラインレーザキャリブレーション部３２は、圧力センサ５０からの情報に基づいて深度が変化したか否かを判断する（ステップＳ２１２）。深度が変化していないとラインレーザキャリブレーション部３２が判断した場合（ステップＳ２１２；Ｎ）、ステップＳ２０８の処理に戻る。一方、深度が変化したとラインレーザキャリブレーション部３２が判断した場合（ステップＳ２１２；Ｙ）、ステップＳ２０１の処理に戻る。
［１．３ 効果］
以上説明したように、第１の実施の形態に係る画像処理装置によれば、水深に応じた撮像画像の歪みを正しく補正することが可能となる。
第１の実施の形態に係る画像処理装置によれば、リアルタイムに撮像画像の歪みの変化を計測し、歪み補正部２０にフィードバックするため、常に正しく補正した画像で３次元計測が可能となる。その際、３次元計測を行う場所において、容易に撮像画像のキャリブレーションが可能となる。実際に発生する歪みが事前計測と異なっていても、その場（リアルタイム）でキャリブレーションを行えるため正しく補正することが可能となる。
第１の実施の形態に係る画像処理装置によれば、複数の耐圧下でも実データを元に撮像画像のキャリブレーションを行うことが可能になるため、正しく画像を補正することができ、最終的にステレオマッチングにより正しい深度画像を算出することができるようになる。海中で高分解能および高精度な３次元計測技術としてステレオカメラ方式を使用した際に、耐圧の影響で発生する画像歪みによる測距エラーの課題に対し、レーザ３０とスキャン機構３１とを用いてキャリブレーションを行うことにより、容易かつリアルタイムに正しく補正することが可能になる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図１０は、第２の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示している。図１１は、第２の実施の形態に係る画像処理装置が適用される自律型水中ロボット１の一構成例を概略的に示している。
第２の実施の形態に係る画像処理装置は、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置の構成（図１）に対して、パターンプロジェクタ４０が追加された構成となっている。
パターンプロジェクタ４０は、計測対象物に所定のパターンを照射する（図１１の右側）。これにより、計測対象物がステレオマッチングが不得意なテクスチャのないものであっても、ステレオマッチングに適したテクスチャを投影することで、正しく３次元計測することが可能となる。なお、図１１の左側に示したように、キャリブレーションを行う際には、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置と同様に、レーザ３０を使用する。
その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法と略同様であってもよい。
＜３．第３の実施の形態＞
次に、本開示の第３の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法について説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図１２は、第３の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示している。
第３の実施の形態に係る画像処理装置は、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置の構成（図１）に対して、２つのパターンプロジェクタ４１，４２が追加された構成となっている。２つのパターンプロジェクタ４１，４２は、計測対象物に互いに波長帯の異なる所定のパターンを照射可能となっている。例えば、パターンプロジェクタ４１は、５３０ｎｍ帯の所定のパターンを照射可能であってもよい。パターンプロジェクタ４２は、８５０ｎｍ帯の所定のパターンを照射可能であってもよい。
なお、３つ以上のパターンプロジェクタを備え、波長帯の異なる３つ以上の所定のパターンを照射可能な構成であってもよい。
ラインレーザキャリブレーション部３２は、耐圧がかかった状態（第２の水深）におけるステレオカメラ１０によるラインレーザ光Ｌ１およびラインレーザ光Ｌ２の撮像画像に基づいて水中の濁度を推測し、推測した水中の濁度に基づいて、２つのパターンプロジェクタ４１，４２のうちいずれか１つを所定のパターンを照射するパターンプロジェクタとして選択する。
第３の実施の形態に係る画像処理装置では、光の波長が青（４４０ｎｍ帯）に近いほど水中での吸収率が低いため光の到達距離が長くなる現象と、水中の濁度が高い環境では光の波長に依存して後方散乱光量が異なる（近赤外帯は可視帯より少ない）ことを活用する。ラインレーザキャリブレーション部３２で２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射した場合の光の到達距離を、ステレオカメラ１０でキャプチャした画像から推測し、さらに水中の濁度を推測する。濁度が低い場合は水中での吸収率が少ない５３０ｎｍ帯のパターンプロジェクタ４１、高い場合は５３０ｎｍ帯では後方散乱光が多くパターンが不明確になるため後方散乱光の少ない８５０ｎｍ帯のパターンプロジェクタ４２に切り替えて使用することによりロバスト性の高い３次元計測が可能となる。
その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法と略同様であってもよい。
＜４．第４の実施の形態＞
次に、本開示の第４の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３のいずれかの実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図１３は、第４の実施の形態に係る画像処理装置における補正用データ保持部３３に保持される情報の一例を示している。
第４の実施の形態に係る画像処理装置の基本的な構成は、第３の実施の形態に係る画像処理装置の構成（図１２）と略同様であってもよい。ただし、第４の実施の形態に係る画像処理装置では、図１３に示したように、補正用データ保持部３３が保持する情報として、図７に示した情報に加えて、深度（水深）情報を保持する。補正用データ保持部３３は、ラインレーザキャリブレーション部３２で生成された補正用データ（補正パラメータ）を第２の水深（深い水深）の深度情報に関連付けて保持する
深度が変わるごとにラインレーザキャリブレーションを行うと、画像処理装置を搭載したロボット等の機器の活動時間に影響が出てしまう。このため、１度ラインレーザキャリブレーションを行った深度（水深）では再度ラインレーザキャリブレーションを行わないようにしてもよい。補正用データ保持部３３には、圧力センサ５０から推測された深度情報と合わせて補正パラメータの保持を行う。１度ラインレーザキャリブレーションを行った深度（水深）では、補正用データ保持部３３に保持済みの補正パラメータに基づいて撮像画像の歪みを補正するようにしてもよい。
その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態または第４の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法と略同様であってもよい。
＜５．第５の実施の形態＞
次に、本開示の第５の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第４のいずれかの実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図１４は、第５の実施の形態に係る画像処理装置の一構成例を概略的に示している。図１５は、第５の実施の形態に係る画像処理装置が適用される自律型水中ロボット１の一構成例を概略的に示している。
第５の実施の形態に係る画像処理装置は、上記第１の実施の形態に係る画像処理装置の構成（図１）に対して、パターンプロジェクタ４０とＺ距離推定部６０とが、追加された構成となっている。
Ｚ距離推定部６０は、耐圧がかかった状態（第２の水深）におけるステレオカメラ１０によるラインレーザ光Ｌ１およびラインレーザ光Ｌ２の撮像画像に基づいて、計測対象物までの距離Ｚを推定する。ステレオマッチング部２２は、Ｚ距離推定部６０によって推定された距離Ｚに基づいて、深度画像を生成する計測対象物の探索範囲を設定する。
第５の実施の形態に係る画像処理装置は、図１５に示したように、ダムの壁７０などの平面状の物を測距する場合に好適である。２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を壁７０に照射し、ステレオカメラ１０によってキャプチャすることで、壁７０に照射した２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２が照射された複数のポイントに基づいて、三角測量により壁７０までの距離Ｚを推定することが可能となる。一般的に、ブロックマッチングを使用したステレオ測距では、有限なメモリリソースや高速化のため測距可能な範囲を限定的にしている。そこで壁７０までの推定距離を使用して、ステレオマッチング部２２による探索範囲をさらに限定的にすることにより、さらなる低リソース化、および高速化が可能となる。またステレオマッチング部２２による探索範囲を限定することのメリットとして、誤マッチングによる距離推定エラーを防ぐといったロバスト性向上も期待ができる。
図１６は、第５の実施の形態に係る画像処理装置において、深度画像を生成する処理の一例を示すフローチャートである。
まず、レーザ３０およびスキャン機構３１によって、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射する（ステップＳ３０１）。次に、Ｚ距離推定部６０は、２つのラインレーザ光Ｌ１，Ｌ２のキャプチャ画像から壁７０との距離Ｚを推定する（ステップＳ３０２）。次に、ステレオマッチング部２２の探索範囲を距離Ｚに最適化する（ステップＳ３０３）。
次に、パターンプロジェクタ４０によって壁７０に所定のパターンを照射する（ステップＳ３０４）。次に、ステレオマッチング部２２によってステレオ測距を行う（ステップＳ３０５）。次に、ステレオマッチング部２２は、ロバストな深度画像を生成する（ステップＳ３０６）。
その他の構成、動作および効果は、上記第１の実施の形態または第２の実施の形態に係る画像処理装置、および画像処理方法と略同様であってもよい。
＜６．その他の実施の形態＞
本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
以下の構成の本技術によれば、第１の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において画像センサによって第１のレーザ光および第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、第２の水深における画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成する。これにより、水深に応じた撮像画像の歪みを正しく補正することが可能となる。
（１）
水中における計測対象物を撮像する画像センサと、
水中において第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
第１の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって前記計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成する補正用データ生成部と
を備える
画像処理装置。
（２）
前記補正用データ生成部によって生成された前記補正用データに基づいて、前記画像センサによる前記撮像画像の歪みを補正するために用いられるキャリブレーションパラメータを補正するパラメータ補正部、をさらに備える
上記（１）に記載の画像処理装置。
（３）
前記パラメータ補正部によって補正された前記キャリブレーションパラメータに基づいて、前記画像センサによって撮像された前記計測対象物の撮像画像の歪みを補正する歪み補正部、をさらに備える
上記（２）に記載の画像処理装置。
（４）
前記歪み補正部によって補正された前記計測対象物の撮像画像に基づいて深度画像を生成する深度画像生成部、をさらに備える
上記（３）に記載の画像処理装置。
（５）
前記第２の水深における前記画像センサによる前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の撮像画像に基づいて、前記計測対象物までの距離を推定する距離推定部、をさらに備え、
前記深度画像生成部は、前記距離推定部によって推定された距離に基づいて、前記深度画像を生成する前記計測対象物の探索範囲を設定する
上記（４）に記載の画像処理装置。
（６）
前記補正用データ生成部は、前記第１の水深において前記画像センサによって撮像された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との第１の交点の情報を前記第１の情報として取得すると共に、前記第２の水深において前記画像センサによって撮像された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との前記第１の交点に相当する第２の交点の情報を前記第２の情報として取得し、前記画像センサによる撮像画像上における前記第１の交点と前記第２の交点との移動量の情報に基づいて、前記補正用データを生成する
上記（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の画像処理装置。
（７）
前記第１のレーザ光源から出射された前記第１のレーザ光をスキャンする第１のスキャン機構と、
前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光をスキャンする第２のスキャン機構と
をさらに備え、
前記補正用データ生成部は、前記画像センサによる前記撮像画像上の全画素において前記第１の交点の情報と前記第２の交点の情報とが得られるように、前記第１のスキャン機構と前記第２のスキャン機構とをスキャン制御する
上記（６）に記載の画像処理装置。
（８）
前記第１の交点の情報と前記第２の交点の情報との情報をそれぞれ、前記第１のスキャン機構による第１のスキャン角度の情報と前記第２のスキャン機構による第２のスキャン角度の情報とに関連付けて保持する補正用データ保持部、をさらに備える
上記（７）に記載の画像処理装置。
（９）
前記補正用データ保持部は、前記補正用データを前記第２の水深の深度情報に関連付けて保持する
上記（８）に記載の画像処理装置。
（１０）
前記計測対象物に所定のパターンを照射するパターンプロジェクタ、をさらに備える
上記（１）ないし（９）のいずれか１つに記載の画像処理装置。
（１１）
前記計測対象物に互いに波長帯の異なる所定のパターンを照射する複数のパターンプロジェクタ、をさらに備える
上記（１）ないし（１０）のいずれか１つに記載の画像処理装置。
（１２）
前記補正用データ生成部は、前記第２の水深における前記画像センサによる前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の撮像画像に基づいて水中の濁度を推測し、推測した前記水中の濁度に基づいて、前記複数のパターンプロジェクタのうちいずれか１つを前記所定のパターンを照射するパターンプロジェクタとして選択する
上記（１１）に記載の画像処理装置。
（１３）
水中における計測対象物を画像センサによって撮像することと、
水中において第１のレーザ光を出射することと、
水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、
第１の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって前記計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することと
を含む
画像処理方法。
（１４）
水中において第１のレーザ光を出射することと、
水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、
第１の水深において画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することと
を含む処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
１…自律型水中ロボット（Autonomous Underwater Vehicle：AUV）、１０…ステレオカメラ（画像センサ）、１０Ｌ…左カメラ（画像センサ）、１０Ｒ…右カメラ（画像センサ）、１１Ｌ…左カメラ１０Ｌの視野範囲、１１Ｒ…右カメラ１０Ｒの視野範囲、２０…歪み補正部、２０Ｌ…歪み補正部（左カメラ用の歪み補正部）、２０Ｒ…歪み補正部（右カメラ用の歪み補正部）、２１…パラメータ補正部、２２…ステレオマッチング部（深度画像生成部）、２３…生成済（基準）キャリブレーションパラメータ保持部、３０…レーザ（レーザ光源）、３０Ｌ…左レーザ（第１のレーザ光源）、３０Ｒ…右レーザ（第２のレーザ光源）、３１…スキャン機構、３１Ｌ…左スキャンミラー（第１のスキャン機構）、３１Ｒ…右スキャンミラー（第２のスキャン機構）、３２…ラインレーザキャリブレーション部（補正用データ生成部）、３３…補正用データ保持部、４０…パターンプロジェクタ、４１…パターンプロジェクタ（５３０ｎｍ）、４２…パターンプロジェクタ（８５０ｎｍ）、５０…圧力センサ（水圧計）、６０…Ｚ距離推定部、７０…壁（計測対象物、ダムなどの壁）、Ｌ１…ラインレーザ光（第１のレーザ光）、Ｌ２…ラインレーザ光（第２のレーザ光）。

Claims (14)

  1. 水中における計測対象物を撮像する画像センサと、
    水中において第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
    水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
    第１の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって前記計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成する補正用データ生成部と
    を備える
    画像処理装置。
  2. 前記補正用データ生成部によって生成された前記補正用データに基づいて、前記画像センサによる前記撮像画像の歪みを補正するために用いられるキャリブレーションパラメータを補正するパラメータ補正部、をさらに備える
    請求項１に記載の画像処理装置。
  3. 前記パラメータ補正部によって補正された前記キャリブレーションパラメータに基づいて、前記画像センサによって撮像された前記計測対象物の撮像画像の歪みを補正する歪み補正部、をさらに備える
    請求項２に記載の画像処理装置。
  4. 前記歪み補正部によって補正された前記計測対象物の撮像画像に基づいて深度画像を生成する深度画像生成部、をさらに備える
    請求項３に記載の画像処理装置。
  5. 前記第２の水深における前記画像センサによる前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の撮像画像に基づいて、前記計測対象物までの距離を推定する距離推定部、をさらに備え、
    前記深度画像生成部は、前記距離推定部によって推定された距離に基づいて、前記深度画像を生成する前記計測対象物の探索範囲を設定する
    請求項４に記載の画像処理装置。
  6. 前記補正用データ生成部は、前記第１の水深において前記画像センサによって撮像された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との第１の交点の情報を前記第１の情報として取得すると共に、前記第２の水深において前記画像センサによって撮像された前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との前記第１の交点に相当する第２の交点の情報を前記第２の情報として取得し、前記画像センサによる撮像画像上における前記第１の交点と前記第２の交点との移動量の情報に基づいて、前記補正用データを生成する
    請求項１に記載の画像処理装置。
  7. 前記第１のレーザ光源から出射された前記第１のレーザ光をスキャンする第１のスキャン機構と、
    前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のレーザ光をスキャンする第２のスキャン機構と
    をさらに備え、
    前記補正用データ生成部は、前記画像センサによる前記撮像画像上の全画素において前記第１の交点の情報と前記第２の交点の情報とが得られるように、前記第１のスキャン機構と前記第２のスキャン機構とをスキャン制御する
    請求項６に記載の画像処理装置。
  8. 前記第１の交点の情報と前記第２の交点の情報との情報をそれぞれ、前記第１のスキャン機構による第１のスキャン角度の情報と前記第２のスキャン機構による第２のスキャン角度の情報とに関連付けて保持する補正用データ保持部、をさらに備える
    請求項７に記載の画像処理装置。
  9. 前記補正用データ保持部は、前記補正用データを前記第２の水深の深度情報に関連付けて保持する
    請求項８に記載の画像処理装置。
  10. 前記計測対象物に所定のパターンを照射するパターンプロジェクタ、をさらに備える
    請求項１に記載の画像処理装置。
  11. 前記計測対象物に互いに波長帯の異なる所定のパターンを照射する複数のパターンプロジェクタ、をさらに備える
    請求項１に記載の画像処理装置。
  12. 前記補正用データ生成部は、前記第２の水深における前記画像センサによる前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の撮像画像に基づいて水中の濁度を推測し、推測した前記水中の濁度に基づいて、前記複数のパターンプロジェクタのうちいずれか１つを前記所定のパターンを照射するパターンプロジェクタとして選択する
    請求項１１に記載の画像処理装置。
  13. 水中における計測対象物を画像センサによって撮像することと、
    水中において第１のレーザ光を出射することと、
    水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、
    第１の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって前記計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することと
    を含む
    画像処理方法。
  14. 水中において第１のレーザ光を出射することと、
    水中において前記第１のレーザ光源とは異なる位置から第２のレーザ光を出射することと、
    第１の水深において画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第１の情報と、前記画像センサによって計測対象物を撮像する際の水深である第２の水深において前記画像センサによって前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を撮像することによって取得された第２の情報とに基づいて、前記第２の水深における前記画像センサによる撮像画像の歪みを補正するために用いられる補正用データを生成することと
    を含む処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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