JP3608305B2 - カメラ姿勢の検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つのカメラを用いて対象物をステレオ視した画像情報から対象物の位置を求める3次元位置計測装置に係り、特に、画像処理によってカメラの姿勢を検出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2に示すように、2つのカメラを用いて対象物をステレオ視した場合、カメラで撮影される画像A,Bの座標系から対象物Mの3次元位置(x,y,z)は以下の式により求められる。
【0003】
【数1】
【0004】
この方式により求める対象物の3次元位置は、画像処理で対象物の位置を計測するために、精度のあるカメラ姿勢(3次元の回転角)が必要となる。
【0005】
このため、カメラを精度良く固定する方法や、画像処理によってカメラの姿勢を求める方法がある。
【0006】
前者は、カメラを所定の向きと場所に固定する方法であるが、カメラの姿勢を精度良く固定するには極めて煩雑な作業が必要となる。
【0007】
後者の画像処理によってカメラの姿勢を求める方法では、実際のある点のワールド座標と、その点が画像中に見えている点の座標を3点以上求めることでカメラの姿勢を得る。実際の座標には量子化誤差やレンズ収差の誤差があるため、複数の座標点から最小二乗法で行列を求め、この行列からカメラ姿勢を検出している。
【0008】
この方法による3次元位置計測装置は、図3に示すように、左右カメラ1L,1Rからの撮影画像を3次元位置計測装置本体2に入力し、その対応付け回路21によって対象物の各部の対応付けを行い、対応付けされた画像から3次元位置処理回路22によって対象物の3次元位置を求める。
【0009】
カメラ姿勢校正装置3は、図4に示すように、左右カメラ1L,1Rにより各種の色になる校正ポールをランダムに立てた校正テーブル4を撮影した画像を対応付け回路31に入力し、各ポールの対応付けを行った画像から校正係数処理回路32により最小二乗法で行列を求め、この行列からカメラ姿勢を求めて3次元位置処理回路22のカメラ姿勢を校正する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像処理によってカメラの姿勢を求める方法は、以下の行列を求めることでカメラ姿勢を検出する。なお、式中で、実際のある点のワールド座標を(x,y,z)、その点が画像中に見えている点を(u,v)とする。
【0011】
【数2】
【0012】
この係数a11〜a34について、上記3つの式を最小二乗法で求めれば、行列として求めることができる。しかし、最小二乗法で求めた行列から姿勢を求める際には以下の問題がある。
【0013】
最小二乗法で求めた行列には、量子化誤差やレンズ収差による誤差が残っている。したがって、この行列からカメラの姿勢(回転角度)を求める際、使用する行列要素によって得られる姿勢(回転角度)が全く異なってしまう問題がある。
【0014】
例えば、カメラの3次元の回転角(ロール角、ピッチ角、ヨー角)ψ、θ、φを求める場合、まずピッチ角θを求める式は以下のように複数存在する。
【0015】
θ1=atan(−a13・sinφ/a12)
θ2=atan(a13・cosφ/a11)
θ3=atan(a13/−a23・sinψ+cosψ)
…
θ9=…
したがって、行列要素a11,a12,a23の値によって、θが全く異なってしまう問題がある。同様に、ψ、φについても、行列要素によって異なった値を求めてしまう。
【0016】
本発明の目的は、最小二乗法で求めた行列から最も精度の良いカメラの姿勢を求めて3次元位置情報を得る計測装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、2台のカメラでステレオ視した対象物のある点のワールド座標と、その点がカメラ画像中に見えている3点以上の座標点を計測し、この3点以上の座標点とワールド座標からカメラ姿勢を検出するための行列Tを求める手段と、
前記行列からカメラのロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角およびオイラー角で使用する行列要素の全ての組み合わせから各カメラの回転角をそれぞれ求める手段と、
前記手段で求めた各カメラのn個の回転角からロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角、およびオイラー角で回転させた行列T’をそれぞれ求める手段と、
前記ロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角、およびオイラー角で回転させた各行列Tと行列T’との差Sの絶対値が最も小さい値になる回転角をカメラの姿勢として求める手段とを備えたことを特徴とする。
【0018】
また、前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点から自己回帰モデルを使用して求めることを特徴とする。
【0019】
また、前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点から予測誤差モデルを使用して求めることを特徴とする。
【0020】
また、前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点からハフ変換によって求めることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の実施形態を示すカメラ姿勢検出手段の処理手順である。まず、処理S1では、ワールド座標(x,y,z)と画像中の座標(u,v)は、従来と同様に3点以上計測する。この計測は、図4における校正テーブル4をカメラ1L又は1Rで撮影し、実際のある点のワールド座標(x,y,z)と、その点が見えているカメラの撮影画像中の座標(u,v)とを求める。
【0022】
処理S2では、上記の計測で求めた座標から線形回帰で行列T(4×4行列)を求める。
【0023】
処理S3では、行列Tからカメラの回転角(ψn,θn,φn)をn個求める(n=r+y+e+…)。この回転角(ψn,θn,φn)は、以下の方法で求められる。
【0024】
(a)ロールピッチヨー角:ロールピッチヨー角で使用する行列要素の全ての組み合わせについて求めた角度(ψr,θr,φr)を求める。この演算は以下のようになる。
【0025】
【数3】
【0026】
(b)ヨーピッチロール角:ヨーピッチロール角で使用する行列要素の全ての組み合わせについて求めた角度(ψy,θy,φy)を求める。この演算は以下のようになる。
【0027】
【数4】
【0028】
(c)オイラー角:オイラー角で使用する行列要素の全ての組み合わせについて求めた角度(ψe,θe,φe)を求める。この演算は以下のようになる。
【0029】
【数5】
【0030】
なお、上記のオイラー角、ロールピッチヨー角以外にピッチヨーロール角などの回転を追加して使用しても良い。
【0031】
次に、処理S4では、処理S3で求めたn個の回転角(ψn,θn,φn)から行列T’をn個求める。例えば、角度(ψe,θe,φe)ならオイラー角で回転させた行列T’eをe個求め、角度(ψr,θr,φr)ならロールピッチヨー角で回転させた行列T’rをr個求める。
【0032】
次に、処理S5では、行列TとT’の差Sを求める。この差Sの演算には、行列T,T’の各要素をその最大値max(T)、max(T’)でそれぞれ割算した行列T1、T2とし行列要素の最大値を一致させておき、各要素の差の絶対値の和を差Sとして求める。
【0033】
【数6】
T1=T/max(T)
T2=T’/max(T’)
S=ΣΣ|T1−T2|
次に、処理S6では、処理S5で求めた差Sのうち最も小さい差Sを求め、この最小差Sのときの回転角(ψ,θ,φ)を求め、それをカメラの姿勢(回転角)として出力する。例えば、S1〜Sr、S1〜Seのうち、最も小さい値がSr(r=3)になるとき、ロールピッチヨー角から求めた回転角(ψ3,θ3,φ3)をカメラの姿勢として出力する。
【0034】
(第2の実施形態)
前記の第1の実施形態では、処理S2では行列Tを線形回帰により求めるのに対して、本実施形態では線形回帰に代えてARモデル(自己回帰モデル)を使用して行列Tを求める。
【0035】
ARモデルは、n次の非線形回帰に拡張されているため、レンズ収差のような非線形成分を近似することができる。
【0036】
したがって、レンズ収差などの非線形要素が大きい場合、第1の実施形態での線形回帰よる方法よりもARモデルによると精度の良いカメラ姿勢を得ることができる。
【0037】
(第3の実施形態)
前記の線形回帰による行列Tを求めるのに代えて、ARMAXモデル(予測誤差モデル)を使用する。
【0038】
カメラで撮影した画像中の座標点の誤差がホワイトノイズでない場合、前記のARモデルよりARMAXモデルの方が近似精度が良い。
【0039】
したがって、本実施形態では、座標点の誤差がホワイトノイズでない場合、ARMAXモデルを使用して精度の良いカメラ姿勢を得る。
【0040】
(第4の実施形態)
前記の線形回帰に代えて、ハフ変換を使用して行列Tを求める。ハフ変換は、減点法でなく、得点法である。したがって、本実施形態では、座標点の濃さの分布が誤差ゼロと誤差大の2つ以上のピークをもつ場合、ハフ変換により精度の良いカメラ姿勢を求めることができる。
【0041】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、2台のカメラでステレオ視した対象物のある点のワールド座標と、その点がカメラ画像中に見えている複数の座標点を求め、この複数の座標点から最小二乗法等でカメラ姿勢の行列を求め、この行列から複数のカメラ回転角を求め、この回転角を行列にしたものとカメラ姿勢の行列との差の絶対値が最も小さい回転角をカメラの姿勢として求めるようにしたため、以下の効果がある。
【0042】
(1)カメラを精度良く固定する手間を不要にしながら精度良い3次元位置計測ができる。
【0043】
(2)最小二乗法等で求めた行列に量子化誤差やレンズ収差による誤差が含まれる場合にも、最も信頼できるカメラの姿勢を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すカメラ姿勢の検出処理手順。
【図2】ステレオ視による3次元位置計測の原理図。
【図3】3次元位置計測装置。
【図4】校正テーブルの撮影構造。
【符号の説明】
1L、1R…カメラ
2…3次元位置計測装置本体
3…カメラ姿勢校正装置
4…校正テーブル
Claims (4)
- 2台のカメラでステレオ視した対象物のある点のワールド座標と、その点がカメラ画像中に見えている3点以上の座標点を計測し、この3点以上の座標点とワールド座標からカメラ姿勢を検出するための行列Tを求める手段と、
前記行列からカメラのロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角およびオイラー角で使用する行列要素の全ての組み合わせから各カメラの回転角をそれぞれ求める手段と、
前記手段で求めた各カメラのn個の回転角からロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角、およびオイラー角で回転させた行列T’をそれぞれ求める手段と、
前記ロール・ピッチ・ヨー角、ヨー・ピッチ・ロール角、およびオイラー角で回転させた各行列Tと行列T’との差Sの絶対値が最も小さい値になる回転角をカメラの姿勢として求める手段とを備えたことを特徴とするカメラ姿勢の検出装置。 - 前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点から自己回帰モデルを使用して求めることを特徴とする請求項1に記載のカメラ姿勢の検出装置。
- 前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点から予測誤差モデルを使用して求めることを特徴とする請求項1に記載のカメラ姿勢の検出装置。
- 前記カメラ姿勢の行列Tは、複数の座標点からハフ変換によって求めることを特徴とする請求項1に記載のカメラ姿勢の検出装置。
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JP21395996A Expired - Lifetime JP3608305B2 (ja) | 1996-08-14 | 1996-08-14 | カメラ姿勢の検出装置 |
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