JP2717407B2 - カメラ歪測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はカメラ歪測定装置に関し、特に、対象物体
をカメラを用いて撮影する際に、主としてレンズの収差
やカメラの電気的走査に起因する歪を測定する装置であ
って、物体の形状を認識したり立体形状を測定する際に
適切な補正を行なうことによって、より高精度の測定を
行なうための対象物体の画像に生ずるカメラ歪を測定す
るカメラ歪測定装置に関する。

［従来の技術］ 第７図は従来のレンズの収差を測定する代表的な方法
であるノーダルスライド法を示す図であり、第８図はレ
ンズの収差を測定するためのテストチャートを示す図で
ある。

第７図において、第８図に示すようなテストチャート
25を通過した光を集光するためにコリメータレンズ26が
設けられ、このコリメータレンズ26の後方に試験レンズ
27が配置される。この試験レンズ27は回転台28に取付け
られていて、回転台28が回転することによって試験レン
ズ27も回転する。試験レンズ27の後方には顕微鏡29が設
置され、この顕微鏡29によって、試験レンズ27に集光さ
れたテストチャート25の像を観察する。なお、顕微鏡29
に関連して、顕微鏡29の位置を測定するためのスケール
30が設けられている。なお、第７図において、θは回転
台28の光軸に対する傾斜角度であり、x,yはそれぞれ縦
方向，横方向の座標であり、Δｘは顕微鏡29の視野中心
からのテストチャート25の像の移動量を示している。

上述のごとく測定装置を構成することによって、テス
トチャート25の像はコリメータレンズ26により集光され
て、さらに試験レンズ27を通って結像され、その像を顕
微鏡29で観察し、その位置をスケール30で測定する。

次に、第７図を参照して、レンズの非点収差，像面湾
曲，歪曲収差を求める方法について説明する。コリメー
タレンズ26の焦点に第８図に示すようなテストチャート
25を設置し、試験レンズ27を、その後側節点が回転台28
の軸上に来るように調節する。コリメータレンズ26と試
験レンズ27の光軸を一致させたとき、すなわちθ＝０の
ときに最良像が得られるように、顕微鏡29の位置Soを求
め、次に試験レンズ27を回転台28によって回転させて、
放射方向および接線方向のそれぞれのチャートに対する
最良の像位置Sr,Stから Sr′＝Sr−So…（１） St′＝St−So……（２） を求めると、非点収差Ir,Itは次式で与えられる。

Ir＝Sr′cosθ−ｆ（１−cosθ）…（３） It＝St′cosθ−ｆ（１−cosθ）…（４） なお、Ir−Itは非点隔差を表わし、IrとItの中点を結
んだ曲線、すなわち（Ir＋It）/2は像面湾曲を表わして
いる。上述の測定の際に、テストチャート25の像が顕微
鏡29の視野中心からΔｘだけ動くと、第７図において、
試験レンズ27の回転方向にΔｘが動いた場合を正とし
て、回転台28の回転角度θに対する歪曲収差δは、 δ＝（−Δx/fsinθ）×100％…（５） で与えられる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、カメラを用いて物体の像を撮影し、物体の
形状を認識したり、立体形状を測定する装置において、
上述のレンズの収差による歪や、テレビカメラを用いる
ような場合電気的走査に起因する歪は不可避であり、高
い精度での測定が要求される場合は原画像に対して何ら
かの補正を加える必要が生じる。上述の第７図に示した
方法は、レンズを単独に試験する場合には有効であり、
収差の測定精度も高いが、レンズをカメラに搭載した状
態で物体との距離や物体の大きさなどの測定条件が変化
するような場合に適用するのは困難である。

また、得られた画像のどの部分に対してどの程度の補
正を行なえばよいのかというデータを得るためには、写
真撮影した画像より、定規などで読取って解析する必要
があるので煩雑であり、物体の形状や寸法を測定する装
置には適していない。さらに、テレビカメラに生じる電
気的な走査に起因する歪に対しては有効な測定手段がほ
とんどないのが現状である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、物体の形状を
認識したり、立体形状を測定する際に適切な補正を行な
うことによって、より高精度の測定を行なうために、主
としてレンズの収差やカメラの電気的走査に起因する歪
を簡単に測定できるようなカメラ歪測定装置を提供する
ことである。

［課題を解決するための手段］ この発明はカメラ歪測定装置であって、物体に基準格
子を投影する投影手段と、投影された基準格子の変形格
子像を入力するための入力手段と、基準格子と光学的に
等価な格子パターンを発生する格子パターン発生手段
と、格子パターンの位相を所定の値だけシフトするシフ
ト手段と、発生された格子とシフトされた格子に対し
て、入力手段から出力された変形格子像パターンをそれ
ぞれ加算して、基準となる位相に設定したモアレ縞およ
び所定の値だけ位相をシフトさせたモアレ縞を生成する
モアレ縞生成手段と、生成された２つのモアレ縞を加算
する加算手段と、加算出力に基づいて、基準となる位相
に設定したモアレ縞の移動方向を検出するための移動方
向検出手段と、移動方向検出手段によって移動方向の検
出されたモアレ縞を細線化処理するための細線化処理手
段と、細線化処理手段の出力に基づいて画素上の歪を検
出する歪量検出手段を備えて構成される。

［作用］ この発明によるカメラ歪測定装置は、格子パターンと
この格子パターンの位相をシフトさせた格子パターンに
対して変形格子像パターンを加算して基準となる位相の
モアレ縞と所定の値だけ位相をシフトさせたモアレ縞を
重ね合わせて得られる画像からモアレ縞の移動の方向を
検出し、カメラ歪をモアレ歪のパターンとして得るとと
もに、画像上での歪量を測定することができる。さら
に、モアレ縞は２つの格子パターンの空間周波数変調の
結果として得られる干渉縞であるため測定感度が高く、
わずかな歪に対してもモアレ縞として観測することがで
きる。

［発明の実施例］ 第６図はモアレ縞を生成させるための代表的な方法で
ある投影法を説明するための図である。

第６図において、測定対象物１から所定距離離れた位
置に基準格子２が設けられ、基準格子２の近傍に光源３
が配置されている。また、基準格子２と測定対象物１と
の間にはレンズ４が配置されている。したがって、光源
３から照射された光は基準格子２を通り、レンズ４によ
って測定対象物１上に投影される。それによって、測定
対象物１上には、基準格子２の影（以下、変形格子像と
称する。）が投影される。

基準格子２に隣接して観察格子５が配置される。この
観察格子５は変形格子像と干渉させてモアレ縞を生成さ
せるためのものである。観察格子５と測定対象物１との
間にはレンズ６が配置されていて、このレンズ６は変形
格子像を観察格子５上に結像させる。観察格子５上に生
成されたモアレ縞はテレビカメラ７によって撮影され
る。なお、第６図において、８はモアレ縞として観察さ
れる等高線であり、Ｎはそれぞれのモアレ縞の次数を示
し、Z_Nは次数Ｎのモアレ縞が生成される位置であり、格
子面１を基準としている。

モアレ縞は基準格子２を測定対象物１の手前に置き、
点または線光源３よりレンズ４で測定対象物１の表面に
基準格子２の変形格子像を結像させ、その変形格子像を
さらに観察格子５を介して光源３と同じ高さの位置から
レンズ６で結像させると、変形格子像と観察格子５の空
間周波数変調の結果生成される干渉縞であり、この干渉
縞が測定対象物１の立体形状を地図の等高線のごとく表
わす。

また、上述の方法のほかに、測定対象物１の表面にで
きた変形格子像のみをテレビカメラ７で撮影しておき、
この撮影した変形格子像に必要に応じて、変形格子像を
生成させた基準格子２と光学的に等価な格子間隔を有す
る格子を重ねたり、あるいは該格子間隔で変形格子像を
サンプリングしたりして、測定対象物１のモアレ縞を生
成させる方法も知られている。

第１図はこの発明の一実施例の概略ブロック図であ
る。

次に、第１図を参照して、この発明の一実施例の構成
について説明する。プロジェクタ31は基準となる平面31
1に基準格子を投影するためのものであり、基準となる
平面に投影された基準格子の変形格子像は被測定テレビ
カメラ32によって撮影される。なお、基準となる平面31
1はプロジェクタ311の光軸に対して垂直方向に設置され
ている。被測定テレビカメラ32の撮影出力であるアナロ
グ映像信号はA/D変換器33に与えられ、サンプリングさ
れてディジタル信号に変換される。このディジタル信号
はノイズ除去フィルタ34に与えられ、量子化ノイズが除
去される。

格子パターン発生器35は電子的に格子パターンを発生
するものであって、この格子パターン発生器35から発生
された格子パターンは1/4波長移相器36に与えられ、発
生された電子的な格子パターンの位相が所定の値、たと
えば基準格子間隔の1/4だけシフトされ、加算器38に与
えられる。また、格子パターン発生器35から発生された
基準となる位相に設定された電子的な格子パターンは加
算器37にも与えられる。加算器37は基準となる位相に設
定して発生された電子的な格子パターンと変形格子像を
加算し、加算器38は基準となる位相に対して基準格子間
隔の1/4だけ位相をシフトして発生された電子的な格子
パターンと変形格子像とを加算することにより、それぞ
れモアレ縞を生成する。加算器37の出力はローパスフィ
ルタ39に与えられ、加算器38の出力はローパスフィルタ
40に与えられる。ローパスフィルタ39,40はそれぞれ加
算器37,38の出力画像から変形格子像や電子的に発生さ
れた格子パターンなどの空間周波数の高い成分を取除
き、モアレ縞のみを抽出するものである。ローパスフィ
ルタ39,40のそれぞれの出力はしきい値処理部41,42に与
えられる。しきい値処理部41,42はローパスフィルタ39,
40の出力画像を二値化するためのものであり、二値化さ
れた２つのモアレ縞は加算器43によって加算される。

加算器43の出力は移動方向検出部44に与えられる。こ
の移動方向検出部44は２つのモアレ縞を加え合わせた画
像から基準となる位相に設定して生成されたモアレ縞の
移動方向、すなわち拡がりや縮まりを検出するためのも
のである。移動方向検出部44によって移動方向の検出さ
れたモアレ縞は細線化処理部441に与えられる。細線化
処理部441はモアレ縞を細線化するものであり、細線化
出力を歪量検出処理部442に与える。歪量検出処理部442
は細線化処理されたモアレ縞のパターンから各モアレ縞
を構成する画素上の歪量ならびに等歪曲線を求めるもの
である。歪量検出処理部442によって得られたモアレ縞
ならびに等歪曲線は画像表示装置45に表示されるととも
に、画像蓄積装置46に保存される。

次に、この発明の一実施例の具体的な動作について説
明する。プロジェクタ31より基準格子を基準となる平面
311に投影し、被測定テレビカメラ32によって変形格子
像を撮影する。被測定テレビカメラ32からのアナログ映
像信号はA/D変換器33によって離散化，量子化され、ノ
イズ除去フィルタ34により量子化ノイズが除去された
後、格子パターン発生器35において基準となる位相に設
定して発生させた電子的なパターンおよび1/4波長移相
器36によって基準となる位相に対して基準格子間隔の1/
4だけ位相をシフトさせて発生した電子的な格子パター
ンをそれぞれ変形格子像と加算器37,38によって加算
し、モアレ縞を生成させる。

もちろん、被測定テレビカメラ32の前面に基準格子と
等価な観察格子を設置して、変形格子像を撮影しても同
一のモアレ縞が得られる。加算器37,38の出力は、ロー
パスフィルタ39,40によって変形格子像や電気的な格子
パターンなどの空間周波数の高い成分が取除かれ、しき
い値処理部41,42はそれぞれのモアレ縞を二値化する。
二値化された２つのモアレ縞の画像を加算器43によって
加え合わせ、移動方向検出部44によって、位相をシフト
させた結果生じるモアレ縞の移動方向を検出する。その
結果、周知のように同一方向に移動した２本の相隣り合
うモアレ縞は次数の差が１であり、互いに異なる方向に
移動した２本の相隣り合うモアレ縞は次数の差が０であ
ることがわかる。さらに、細線化処理部441において、
モアレ縞を細線化し、歪量検出部442において歪量の等
しい曲線、すなわちモアレ縞次数の等しい曲線を識別
し、等歪曲線を抽出する。その結果は画像表示装置45に
おいて表示されるとともに、画像蓄積装置46に保存され
る。

なお、たとえば基準となる位相に設定して生成させた
モアレ縞を赤色にし、基準となる位相に対して基準格子
間隔の1/4だけ位相をシフトさせて生成させたモアレ縞
を青色にそれぞれ色分けして同時に表示すると、両者の
互いに重なり合った共通部分は紫色に表示され、直ちに
目視により歪の分布状態を確認することができる。さら
に、各モアレ縞の濃淡を変化させて表示して確認するこ
ともできる。

第２図はこの発明によりモアレ縞からカメラ歪を測定
できる原理を説明するための図である。第２図におい
て、401は変形格子像を示し、402は基準格子の変形格子
像401と干渉させてモアレ縞を生成させるための観察格
子であり、403は観察点において観察されるモアレ縞を
示している。また、p,qは基準格子ならびに観察格子の
それぞれの格子１本１本に付けた格子の番号である。観
察格子402を透かして変形格子像401を見ると、それぞれ
の格子が互いに重なり合う部分は暗くなり、光が通過す
る部分は明るくなり、その結果明暗の縞模様であるモア
レ縞403が観察される。このモアレ縞403は変形格子像40
1の各格子の番号ｐと観察格子402の各格子の番号ｑとの
差ｐ−ｑの等しい縞をつないだものとなっている。

第２図における変形格子像401および観察格子402の２
つの曲線群がそれぞれp,qをパラメータとして次式のよ
うに表わされる。

変形格子像401 f₁（x,y,p）＝０ 観察格子402 f₂（x,y,p）＝０ 観察されるモアレ縞403は、２つの曲線群で作られる四
辺形の鈍角側の対角点を結ぶ曲線となるが、この曲線上
についてｑ−ｐ＝Ｎを求めると、或るモアレ縞について
はＮは一定の値となる。あるいは、逆にモアレ縞を次数
Ｎの等しい交点を結ぶ曲線と定義できる。したがって、
上述の式が与えられれば、これからｐとｑを解き、ｑ−
ｐ＝Ｎと置いて式を整理すると、Ｎを次数とするモアレ
式の縞が得られる。

変形格子像401は通常のモアレ法では測定対象物の立
体形状により変形されたものとして得られるが、測定対
象物を平面とした場合の変形格子像を被測定テレビカメ
ラ32によって撮影すれば、それはカメラの歪を受けて生
成された変形格子像であるとみなすことができ、ゆえに
カメラの歪をモアレ縞として得ることができる。

第３図は歪のない被測定カメラにこの発明を適用した
結果得られる画像を示す図であり、第４図および第５図
の歪のある被測定カメラにこの発明を適用した結果得ら
れる画像を示す図である。

第３図（ａ）は変形格子像51を示し、第３図（ｂ）は
変形格子像51を用いて生成したモアレ縞52を示したもの
であり、被測定カメラに歪がない場合は、基準格子と等
価で倍率のみの異なる変形格子像51が得られる。変形格
子像51と観察格子とがそれぞれの格子に沿って重なり合
うため、生成させたモアレ縞52は画像全体にわたって一
様な輝度を有する明または暗のモアレ縞となる。

一方、第４図（ａ）はカメラのレンズに収差がある場
合に、レンズの収差に起因する対称な歪を受けた変形格
子像61を示しており、第４図（ｂ）は変形格子像61を用
いて生成したモアレ縞62を示している。また、第５図
（ａ）は被測定カメラとしてテレビカメラを用いた場合
に起こり得る撮像管における電気的走査に起因する歪を
受けた変形格子像63を示し、第５図（ｂ）は変形格子像
63を用いて得られるモアレ縞64を示したものである。

被測定カメラにたとえばレンズの収差に起因する歪が
存在する場合には、被測定カメラで撮影した変形格子像
61は第４図（ａ）に示すように、画像上の四隅の部分に
ほぼ対称な歪を受けたものとなる。この場合には、第４
図（ｂ）に示すように、基準格子間隔の整数倍に相当す
る画素数分だけ歪を受けた部分にモアレ縞62が現われ、
歪の分布の様子がモアレ縞のパターンとして得られる。

さらに、被測定カメラがテレビカメラであるような場
合、撮像管における電気的走査による歪が存在すると、
第５図（ａ）に示すように、画像上の四隅の部分に非対
称な歪を受けた変形格子像63が得られ、同じく基準格子
間隔の整数倍に相当する画素数分だけ歪を受けた部分に
第５図（ｂ）に示すようなモアレ縞64が現われ、歪の分
布の様子がモアレ縞のパターンとして得られる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、格子パターンとシ
フトされた格子パターンに対して変形格子像パターンを
それぞれ加算して、基準となる位相に設定したモアレ縞
と所定の値だけ位相をシフトしたモアレ縞を生成してそ
れぞれを加算し、その結果得られるモアレ縞の移動方向
を検出し、細線化処理して画素上の歪を検出するように
したので、画像上での歪量を容易に測定できる。また、
その測定結果に基づいて、カメラで撮影した画像に補正
を加えることにより画像を用いた様々な計測を高精度に
行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概略ブロック図である。
第２図はモアレ縞生成の原理を説明するための図であ
る。第３図はこの発明を歪のない被測定カメラに適用し
た結果得られる画像を示す図である。第４図はこの発明
をカメラのレンズに収差がある場合に適用した結果得ら
れる画像を示す図である。第５図はこの発明のテレビカ
メラの電気的な走査歪がある場合に適用した結果得られ
る画像を示す図である。第６図はモアレ縞を生成するた
めの投影法を説明するための図である。第７図はレンズ
の収差を測定するノーダルスライド法を示す図である。
第８図はテストチャートを示す図である。 図において、１は測定対象物、２は基準格子、３は光
源、4,6はレンズ、５は観察格子、７はテレビカメラ、
８は等高線、31はプロジェクタ、311は基準となる平
面、32は被測定テレビカメラ、33はA/D変換器、34はノ
イズ除去フィルタ、35は格子パターン発生器、36は1/4
波長移相器、37,38は加算器、39,40はローパスフィル
タ、41,42はしきい値処理部、43は加算器、44は駆動方
向検出部、45は画像表示装置、46は画像蓄積装置、441
は細線化処理部、442は歪量検出処理部を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 健二 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式式社エイ・ティ・アール通 信システム研究所内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体に基準格子を投影する投影手段、 前記投影手段によって投影された基準格子の変形格子像
   を入力するための入力手段、 前記基準格子と光学的に等価な格子パターンを発生する
   格子パターン発生手段、 前記基準格子パターンの位相を所定の値だけシフトする
   シフト手段、 前記格子パターン発生手段から発生された格子パターン
   および前記シフト手段によって位相シフトされた格子パ
   ターンに対して、前記入力手段から出力された変形格子
   像パターンをそれぞれ加算して、基準となる位相に設定
   したモアレ縞および前記所定の値だけ位相をシフトさせ
   たモアレ縞を生成するモアレ縞生成手段、 前記モアレ縞生成手段によって生成された２つのモアレ
   縞を加算する加算手段、 前記加算手段の出力に基づいて、前記基準となる位相に
   設定したモアレ縞の移動方向を検出するための移動方向
   検出手段、 前記移動方向検出手段によって移動方向の検出されたモ
   アレ縞を細線化処理するための細線化処理手段、および 前記細線化処理手段の出力に基づいて、画素上の歪を検
   出する歪量検出手段を備えた、カメラ歪測定装置。