JP3448322B2 - 画像入力装置用ｃｃｄカメラの校正方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像入力装置用ＣＣ
Ｄカメラの校正方法に関し、特に、高精度の校正が行え
る画像入力装置用ＣＣＤカメラの校正方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】写真測量の分野では、異なった角度で撮
影された１対の写真から、撮影されている物体間の位置
関係を求めることが行われており、例えば、航空写真の
場合などでは、予め位置が判っている既知点を複数配置
して、これらの既知点を含んだ状態で撮影して未知点の
位置を求めている。ところで、この種の写真測量では、
まず、撮影された各写真での位置関係を求める必要があ
る。

【０００３】このような写真上での位置関係を求める手
段として、近時、撮影された写真を二次元方向に移動可
能な移動ステージ上に載置して、二次元方向に配列され
た画素を有し、行毎に画像信号が順次出力されるＣＣＤ
カメラをその上方に固定支持し、移動ステージを順次移
動させて、写真の各部をＣＣＤカメラで順次撮影し、Ｃ
ＣＤカメラの画像信号をデジタル信号に変換し、変換さ
れたデジタル信号をコンピュータを使用して、各種の演
算処理を行うことで位置関係を測定するものが提供され
ている。

【０００４】このような測定手段で高精度の測定を行う
場合には、測定対象である写真を撮像するＣＣＤカメラ
自体の校正は、必要欠くべからず条件となる。そこで、
従来は、測定対象写真を測定する前に、ＣＣＤカメラの
校正を行っていた。この校正は、ターゲットをＣＣＤカ
メラで撮像し、撮像によって得られたＣＣＤカメラの画
像信号を変換したデジタル信号から、演算処理によりタ
ーゲットの座標を求め、この座標値と予め求められてい
るターゲットの基準座標値とを比較することにより行わ
れていた。

【０００５】このような用途に用いられるターゲット
は、例えば、線分を十字状に交差させたものが一般的に
用いられていたが、このような形状のターゲットを使用
して、行われていた従来のＣＣＤカメラの校正方法に
は、以下に説明する技術的課題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、前述した従
来のＣＣＤカメラの校正方法では、ＣＣＤカメラにより
撮像した画像信号をデジタル化した際には、画素と画素
の間にターゲットのエッジが近づくと、いわゆるライン
ジッタと呼ばれる誤差が発生し、十字状のターゲットで
は、画素の配列方向と、十字状のエッジとが同じ方向に
なるので、ターゲットのエッジが画素と画素との間に位
置する確率が大きくなり、このラインジッタによる誤差
を検出することが非常に難しく、校正の精度が十分得ら
れなかった。

【０００７】また、十字状のターゲットでは、２つの線
分が交差しているため、演算処理によりその交差点の座
標を特定することが難しく、この点からも校正の精度が
低下していた。本発明は、このように従来の問題点に鑑
みてなされたものであって、その目的とするところは、
高精度の校正が行える画像入力装置用ＣＣＤカメラの校
正方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、二次元方向に配列された画素を有し、行
毎に画像信号が順次出力される画像入力装置用ＣＣＤカ
メラの校正方法において、中心が基準座標値として予め
求められている円状ターゲットをＣＣＤカメラで撮像
し、この撮像によって得られた前記ＣＣＤカメラの画像
信号を変換したデジタル信号から、演算処理により前記
円状ターゲットの中心を測定座標値として求め、前記基
準座標値と前記測定座標値の偏差から前記ＣＣＤカメラ
の撮像誤差を検出することを特徴とする。

【０００９】前記演算処理は、前記デジタル信号を平滑
化した後に２値化し、この２値化信号から前記円状ター
ゲットの概略輪郭を求め、しかる後に、前記概略輪郭と
２値化前の信号とに基づいて精密輪郭を求め、この精密
輪郭から前記円状ターゲットの中心を求めて前記測定座
標値とすることができる。

【００１０】

【作用】上記構成の校正方法によれば、円状ターゲット
を採用しているので、ターゲットのエッジが、縦横に配
列されたＣＣＤカメラの画素と画素との間に位置する確
率が少なくなり、ＣＣＤカメラの画像信号をデジタル変
換した際にラインジッタの発生確率が低下するととも
に、ラインジッタが発生したとしても、このラインジッ
ッタは、円状ターゲットに反映されるので、ラインジッ
タに基づく誤差も校正できる。さらに、円状ターゲット
の中心には、画像が何もないので、その中心の座標値を
正確に求めることができる。

【００１１】また、請求項２の構成によれば、演算処理
は、ＣＣＤカメラの画像信号を変換したデジタル信号を
平滑化した後に２値化し、この２値化信号から円状ター
ゲットの概略輪郭を求め、しかる後に、概略輪郭と２値
化前の信号とに基づいて精密輪郭を求め、この精密輪郭
から前記円状ターゲットの中心を求めて測定座標値とし
ているので、測定座標値の精度をＣＣＤカメラの画素単
位よりも小さくすることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１から図３は、本発明に
かかる画像入力装置用ＣＣＤカメラの校正方法の一実施
例を示している。図１は、本発明の校正方法が適用され
る画像入力処理装置の概略全体図であって、同図に示す
画像入力処理装置は、ＣＣＤカメラ１０と、Ａ／Ｄ変換
器１２と、演算処理装置１４と、メモリ１６と、キーボ
ード１８およびモニタ２０，プリンタ２２とを有してい
る。

【００１３】ＣＣＤカメラ１０は、二次元方向に配列さ
れた多数の画素を有し、行毎に画像信号が送出されるも
のである。Ａ／Ｄ変換器１２は、ＣＣＤカメラ１０から
の画像信号を受けて、これを順次デジタル信号に変換し
て、演算処理装置１４に出力する。メモリ１６は、演算
処理装置１４に接続され、演算処理の制御手順が予め書
き込まれているとともに、Ａ／Ｄ変換器１２からのデジ
タル信号を格納する。キーボード１８は、演算処理装置
１４に接続され、初期設定値などがこれを介して入力さ
れる。モニタ２０およびプリンタ２２は、演算処理装置
１４に接続されていて、演算結果やＣＣＤカメラ１２で
撮影された画像信号を再生して印字ないしは表示する。

【００１４】ここで、本発明の校正方法を説明する前
に、まず、ＣＣＤカメラ１０のラインジッタについて簡
単に説明する。図２は、ＣＣＤカメラ１０から送出され
る画像信号の説明図であって、通常、ＣＣＤカメラ１０
では、行毎に信号が送出されるが、この行毎の信号は、
連続したものではなく、同図に示すように、まず、奇数
行の信号が順次送出され、その後偶数行の信号が送出さ
れる。

【００１５】そして、奇数行の信号で構成されるフィー
ルド１と、偶数行の信号で構成されるフィールド２とを
合成すると１画面になる。このような状態で送出される
画像信号は、同期信号により制御されているが、何らか
の原因により同期ズレが発生すると、例えば、直線状の
画像を撮影したものを再生すると、その一部がズレしま
い、このような現象をラインジッタと呼んでいる。

【００１６】このようなラインジッタの発生原因は、同
期ズレだけでなく、例えば、画素毎の信号を抽出するサ
ンプリングクロック信号の不均一や、電源を投入した初
期における電源変動、および、画像の照明光の変動など
によっても発生し、本発明者らの実測によると、垂直状
に延びる直線を撮影した際に、±０．３画素の程度の大
きさで変動することが確認されている。

【００１７】また、このようなランンジッタは、ＣＣＤ
カメラ１０の画素と画素との間にターゲットのエッジが
近接した場合にも発生し、このようなラインジッタが発
生すると、画像入力装置の精度が低下することになる
が、従来の十字状のターゲットでは、ターゲットのエッ
ジが縦横に配列されている画素と平行になっているの
で、画素と画素との間にターゲットのエッジが近接する
確率が大きくなるとともに、水平ないしは垂直方向にラ
インジッタが発生した場合には、その影響を校正に反映
することができるものの、これらの方向以外に発生した
場合には、校正に反映できない。また、十字状のターゲ
ットでは、二つの線分が交差していて、その中心を演算
処理により正確に求めることは、非常に困難な状況にな
っていた。

【００１８】そこで、本発明では、以下のようにしてＣ
ＣＤカメラ１０の校正を行うようにした。すなわち、ま
ず、ターゲットＴとして、図１に示すように、円形のも
のを採用した。この円状ターゲットＴは、その中心が基
準座標値（ｓｘ，ｓｙ）として予め求められているもの
であつて、例えば、ガラス乾板に焼き付けられている。

【００１９】そして、ＣＣＤカメラ１０を校正する際に
は、円状ターゲットＴをＣＣＤカメラ１０で撮像し、こ
の撮像によって得られたＣＣＤカメラ１０の画像信号を
Ａ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換し、このデジタ
ル信号を演算処理装置１４で演算処理して円状ターゲッ
トＴの中心を測定座標値（ｘ，ｙ）として求め、基準座
標値（ｓｘ，ｓｙ）と測定座標値（ｘ，ｙ）の偏差δか
らＣＣＤカメラ１０の撮像誤差を検出する。

【００２０】図３は、このような校正を行う際に、演算
処理装置１４で行われる処理手順の具体的な例を示して
いる。同図に示す処理手順では、手順がスタートする
と、まず、ステップｓ１で初期設定が行われ、続くステ
ップｓ２でＣＣＤカメラ１０を介して、ターゲットＴの
画像情報が取り込まれ、例えば、２５６階調で表されて
いる濃度に対応した信号がＣＣＤカメラ１０から送出さ
れ、この信号はＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換
される。

【００２１】なお、この場合、ＣＣＤカメラ１０の電源
は、予め投入されていて、電源電圧の変動の影響がない
状態になっているとともに、ターゲットＴの照明も適正
な状態に保たれている。そして、Ａ／Ｄ変換器１２でデ
ジタル化された信号は、その後ステップｓ３で平滑化さ
れる。このときの平滑化処理は、例えば、２５６階調で
表示されているデジタル化信号に対して、３×３または
５×５画素のテンプレートを設定し、これらの各画素に
対して重み付けをした値から、テンプレートの中心の画
素に対して、新たな値を設定することによって行われ
る。

【００２２】このような平滑化処理を行うことにより、
Ａ／Ｄ変換器１２で変換されたデジタル信号から伝送誤
差に起因するノイズが除去される。続くステップｓ４で
は、平滑化処理が施されたデジタル信号（２５６階調）
がデータとして一旦メモリ１６に格納される。次いで、
ステップｓ５では、デジタル信号（２５６階調）の２値
化が行われる。

【００２３】ここでの２値化処理は、円状ターゲットＴ
の概略位置を求めるために行われるものであって、例え
ば、２５６階調の濃度に対して、適当な閾値を設定し、
その閾値の前後で０か１かが判定される。ステップｓ５
で２値化が終了すると、次のステップｓ６で、この２値
化された信号に基づいて、ターゲットＴの概略輪郭が求
められる。

【００２４】このときのアルゴリズムとしては、公知の
輪郭トレーシング手法が採用される。このようにしてタ
ーゲットＴの概略輪郭が求められると、続くステップｓ
７で、ターゲットＴの精密輪郭が演算される。このとき
の演算は、ステップｓ４でメモリ１６内に格納されてい
る２５６階調の元のデータが用いられ、このデータに対
して、所定の部分を抜き出して、抜き出された部分に順
次二次元のＭＰ法（モーメント保存法）のアルゴリズム
を適用することにより行われる。

【００２５】このようにしてターゲットＴの輪郭を二次
元のＭＰ法により求めると、２値化信号で輪郭を求めた
場合には、ＣＣＤカメラ１０の画素単位よりも高精度に
輪郭を求めることができないが、ＭＰ法によると画素単
位よりも小さい単位での輪郭を求めることができる。ス
テップｓ７で精密輪郭が求められると、次のステップｓ
８で、求められた精密輪郭に基づいて、最小２乗法によ
り輪郭に適合する円が演算され、この円の中心座標がタ
ーゲットＴの測定座標値（ｘ_, ｙ）として求められる。

【００２６】ステップｓ９では、ステップｓ７で求めら
れた測定座標値（ｘ_, ｙ）と、予め入力されている基準
座標値（ｓｘ_, ｓｙ）との偏差（δｘ_, δｙ）が演算さ
れる。続くステップｓ１０では、ステップｓ９で求めら
れたデータに基づいてアフィン変換またはバイリニア変
換が行われる。アフィン変換では、直線性システム誤差
が演算される。この誤差には、ＣＣＤカメラ１０のライ
ンジッタなどの撮像誤差を含んでおり、これによりＣＣ
Ｄカメラ１０の精度が判る。また、バイリニア変換で
は、非直線性システム誤差の演算も行われる。

【００２７】このように２つの数学的変換によりシステ
ム誤差を求めるのは、ＣＣＤカメラ１０の直線性誤差を
補正するために設けている。ステップＳ１０で誤差の演
算が終了すると、ステップｓ１１でその結果をプリンタ
２２に出力して、手順が終了する。図４，５は、上記手
順により得られた測定結果の一例を示している。なお、
同図に示す測定結果は、図１に示したターゲットＴを格
子状に等間隔で配列し（縦×横＝９×９）、これをＸ，
Ｙ方向に移動させるステージ上に載せて、各ターゲット
Ｔを順次撮像した場合の測定結果であって、これらの測
定結果では、丸がターゲットＴの位置を示し、丸から外
方に示した矢印が偏差の方向で、その長さが大きさを示
している。

【００２８】図４に示したものがアフィン変換後の残存
誤差であり、図５に示したものがバイリニア変換後の残
存誤差である。また、各図において示した角度は、移動
ステージ上に載せたターゲットＴを９０°ずつ回転させ
た場合の測定結果である。なお、図４，５に示した測定
結果は、ＣＣＤカメラ１０として、ソニー株式会社製カ
メラ、商品名ＸＣ−７７、画素数７６８（Ｈ）×４９３
（Ｖ）を使用した場合のものである。

【００２９】さて、以上のような校正方法によれば、円
状ターゲットＴを採用しているので、ターゲットＴのエ
ッジが、縦横に配列されたＣＣＤカメラ１０の画素と画
素との間に近接した状態で位置する確率が少なくなり、
ラインジッタの発生が低下するとともに、ＣＣＤカメラ
１０の画像信号をデジタル変換した際にラインジッタが
発生したとしても、このラインジッッタは、円状ターゲ
ットＴに反映されるので、ラインジッタに基づく誤差も
校正できるとともに、円状ターゲットＴの中心には、画
像が何もないので、その中心の座標値（ｘ_, ｙ）を正確
に求めることができる。

【００３０】また、本実施例の校正方法では、演算処理
装置１４での演算処理は、ＣＣＤカメラ１０の画像信号
を変換したデジタル信号を平滑化した後に２値化し、こ
の２値化信号から円状ターゲットＴの概略輪郭を求め、
しかる後に、２値化前の信号に基づいて精密輪郭を求
め、この精密輪郭から前記円状ターゲットＴの中心を求
めて測定座標値（ｘ_, ｙ）としているので、測定座標値
（ｘ_, ｙ）の精度をＣＣＤカメラ１０の画素単位よりも
小さくすることができ、大幅に測定精度を向上されるこ
とが可能になる。

【００３１】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる画像入力装置用ＣＣＤカメラの校正方法
によれば、高精度の校正が行えるという優れた効果が奏
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される画像入力装置の全体構成ブ
ロック図である。

【図２】本発明の校正方法で用いるＣＣＤカメラの画像
信号の説明図である。

【図３】本発明方法における処理手順の一例を示すフロ
ーチャート図である。

【図４】本発明の校正方法によって得られたアフィン変
換後の誤差を示す説明図である。

【図５】本発明の校正方法によって得られたバイリニア
変換後の誤差を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ ＣＣＤカメラ １２ Ａ／Ｄ変換器 １４ 演算処理装置 １６ メモリ １８ キーボード ２０ モニタ ２２ プリンタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次元方向に配列された画素を有し、行
   毎に画像信号が順次出力される画像入力装置用ＣＣＤカ
   メラの校正方法において、 中心が基準座標値として予め求められている円状ターゲ
   ットをＣＣＤカメラで撮像し、この撮像によって得られ
   た前記ＣＣＤカメラの画像信号を変換したデジタル信号
   から、演算処理により前記円状ターゲットの中心を測定
   座標値として求め、 前記基準座標値と前記測定座標値の偏差から前記ＣＣＤ
   カメラの撮像誤差を検出することを特徴とする画像入力
   装置用ＣＣＤカメラの校正方法。
2. 【請求項２】 前記演算処理は、前記デジタル信号を平
   滑化した後に２値化し、この２値化信号から前記円状タ
   ーゲットの概略輪郭を求め、しかる後に、前記概略輪郭
   と２値化前の信号とに基づいて精密輪郭を求め、この精
   密輪郭から前記円状ターゲットの中心を求めて前記測定
   座標値とすることを特徴とする請求項１記載の画像入力
   装置用ＣＣＤカメラの校正方法。