JP3661073B2 - 撮影パラメータ測定方法及び装置並びに記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、あるカメラにて撮影された画像に基づいて、それを撮影した際のカメラの未知の撮影パラメータ、特に、その歪み係数，焦点距離を測定する撮影パラメータ測定方法及び装置に関し、またその方法を実施するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歪み係数，焦点距離等のカメラの撮影時のパラメータは、三次元空間中に配置された座標値が既知である点を撮影し、その撮影画像を観察することにより測定されてきた。図７は、このような従来の測定方法を行うための装置構成を示す模式図である。図７において、Ｖは格子点物体であり、格子点物体Ｖには二次元座標が既知である複数の格子点が付けられている。また51はカメラであり、その撮影距離を変えて複数回にわたってこの格子点物体Ｖを撮影し、その画像データを画像表示装置52及び格子点位置抽出部53へ出力する。画像表示装置52は、入力された画像データに応じて格子点物体Ｖの画像を表示する。
【０００３】
格子点位置抽出部53は、ポインティング装置54からのユーザ入力によって指定された格子点について、その画像上の位置を抽出し、指定された格子点の画像座標を求めて撮影パラメータ算出部55へ出力する。撮影パラメータ算出部55は、入力された格子点の画像座標及びカメラ51までの距離と格子点の既知である実際の三次元座標とに基づき、歪みパラメータ及び焦点距離パラメータを含むカメラ51の撮影パラメータを算出して撮影パラメータ出力部56へ出力する。撮影パラメータ出力部56は算出された撮影パラメータを文字データ等に変換して外部へ出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、マルチメディアの発展に伴って、カメラにて撮影された画像を扱う処理が増加している。この場合、画像を撮影した際のカメラの撮影パラメータを考慮して、分離，合成，編集等の画像処理を行っている。しかしながら、処理すべき画像の中には、どのような種類のカメラで撮影されたか、また、どのような撮影条件でその画像が得られたかが不明である、即ち、撮影した際のカメラの撮影パラメータが未知である画像が含まれている場合が多い。このような場合には、撮影パラメータが未知であるカメラを用いて再度撮影することはできないため、上述したような従来の方法にてカメラの撮影パラメータを求めることは不可能である。この結果、カメラの撮影パラメータが分からない状態の画像を用いて画像処理を行わなければならず、正確な画像処理を実施できないという問題点がある。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、撮影パラメータが未知であるカメラによって撮影した画像から、その画像を撮影した際のカメラの撮影パラメータ（歪み係数，焦点距離）を正確に測定することができる撮影パラメータ測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、このような撮影パラメータの測定を実施するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る撮影パラメータ測定方法は、撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する方法であって、前記画像から一部の画像領域を選択するステップと、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求めるステップと、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを有しており、前記画像領域を選択するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択するステップを含み、前記特徴を求めるステップは、選択した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る撮影パラメータ測定方法は、請求項１において、測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離
【００１６】
請求項３に係る撮影パラメータ測定装置は、撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する装置であって、前記画像から一部の画像領域を選択する手段と、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求める手段と、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出する手段とを備えており、前記画像領域を選択する手段は、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択する手段を含み、前記特徴を求める手段は、選択した画像領域から複数のエッジを抽出する手段と、抽出したエッジの画像上での座標を求める手段とを含み、前記歪み係数を算出する手段は、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出する手段を含み、前記歪み係数を算出する手段は、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加える手段を含むことを特徴とする。
請求項４に係る撮影パラメータ測定装置は、請求項３において、測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離
【００２３】
請求項５に係る記録媒体は、コンピュータに取り込まれた撮影画像に基づいて、該撮影画像を撮影した際の歪み係数を測定するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体であって、取り込まれた撮影画像から外部入力に従って一部の画像領域を抽出するステップと、抽出した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を獲得するステップと、獲得された特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを含んでおり、前記画像領域を抽出するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を抽出するステップを含み、前記特徴を獲得するステップは、抽出した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むコンピュータプログラムを記録したことを特徴とする。
【００２４】
図１は、本発明に係る撮影パラメータ測定装置の構成図である。画像キャリブレーション装置は、撮影パラメータを測定する対象画像を供給する画像供給装置１と、測定すべき撮影パラメータの種類、及び、画像供給装置１から供給される画像の一部の画像領域を、ＧＵＩ（Graphical User Interface）にて指定するポインティング装置２と、ポインティング装置２にて指定された画像領域から撮影パラメータを測定するための特徴を抽出する特徴抽出部３と、抽出された特徴における特徴量及び特徴位置に基づいて撮影パラメータを算出する撮影パラメータ算出部４とを備える。
【００２５】
また、本発明の撮影パラメータ測定装置は、上記の構成に加えて、撮影パラメータ算出部４にて算出された撮影パラメータを出力する撮影パラメータ出力部５と、画像供給装置１から供給される画像、及び、算出された撮影パラメータを表示する画像表示装置６とを備える。撮影パラメータ出力部５は、撮影パラメータ算出部４にて算出された撮影パラメータを、グラフィクデータまたは文字パターンにて画像表示装置６へ出力し、画像表示装置６は、測定対象の画像を表示すると共に、この算出された撮影パラメータをテキストまたはグラフィクスによって表示する。
【００２６】
なお、文字入力装置７を設け、ポインティング装置２に代わって、測定すべき撮影パラメータの種類を、ＧＵＩ，文字，数字等によって指定するようにしても良い。
【００２７】
次に、撮影パラメータを測定する動作について説明する。図２は、その動作手順を示すフローチャートである。撮影パラメータを測定する対象画像が画像供給装置１から、特徴抽出部３及び画像表示装置６へ入力される（ステップＳ１）。画像表示装置６において、その対象画像が表示される。また、ポインティング装置２または文字入力装置７によって、測定すべき撮影パラメータの種類（歪み係数，焦点距離）が特徴抽出部３へ入力される（ステップＳ２）。次に、ポインティング装置２によって、特徴抽出部３に入力された対象画像の中から撮影パラメータを参照するための一部の画像領域が指定される（ステップＳ３）。ここでは、撮影パラメータに関連する画像領域が指定される。例えば、歪み係数を測定する際には、本来は直線であるが歪みを受けて曲線となっている部分を含む画像領域が指定される。
【００２８】
次いで、特徴抽出部３にて、指定された画像領域における特徴（例えばエッジ）が抽出され、その特徴量及び特徴位置が撮影パラメータ算出部４へ出力される（ステップＳ４）。撮影パラメータ算出部４では、入力された特徴量及び特徴位置に基づいて撮影パラメータが算出され、その撮影パラメータが撮影パラメータ出力部５へ出力される（ステップＳ５）。撮影パラメータ出力部５から画像表示装置６へ、算出された撮影パラメータがグラフィクデータまたは文字パターンとして出力される（ステップＳ６）。そして、その算出された撮影パラメータが、画像表示装置６にて、テキストまたはグラフィクスによって表示される。
【００２９】
なお、指定された画像領域から抽出される特徴は、ユーザにより外部から指定されるようにしても良いし、または、指定された画像領域から画像処理によって自動的に指定されるようにしても良い。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。以下の実施の形態では、撮影パラメータとして歪み係数（第１実施の形態），焦点距離（第２実施の形態）を測定する場合を例にして説明する。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態としてのシステムの基本構成を示す模式図であり、本システムは、ユーザ端末としてのパーソナルコンピュータ11と、対象画像及び算出撮影パラメータを表示する画像表示装置６してのディスプレイ12と、パーソナルコンピュータ11に接続されたポインティング装置２としてのマウス13及び文字入力装置７としてのキーボード14とを備える。パーソナルコンピュータ11は、指定された画像領域における特徴の抽出，指定された撮影パラメータの算出等の処理を行うためのプログラムを、そのプログラムが記録されている記録媒体としての磁気ディスク15からロードする。なお、図１における特徴抽出部３，撮影パラメータ算出部４及び撮影パラメータ出力部５は、パーソナルコンピュータ11のソフトウェアに組み込まれている。
【００３２】
（第１実施の形態：歪み係数測定）
まず、図４に示すような対象画像Ｇ１を、画像供給装置１から特徴抽出部３及びディスプレイ12へ供給する（Ｓ１）。供給された画像Ｇ１がディスプレイ12に表示される。図４に示す画像Ｇ１は、外形が逆円錐台状の上面が開放された容器（紙コップ）Ｂが机Ａの上に置かれている情景を撮影した画像である。測定すべき撮影パラメータとして、ユーザがマウス13またはキーボード14を用いて、「歪み」を選択する（Ｓ２）。次いで、ディスプレイ12に表示されている対象画像を見ながら、ユーザはマウス13を用いて、その対象画像から一部の画像領域Ｓを指定する（Ｓ３）。この場合、指定する画像領域Ｓは、もとは直線であったが歪みによって曲線になった部分（机Ａの縁）を含んでいる。なお、画像領域Ｓに代えて、１つの直線であったはずの曲線に対して複数領域、例えば２つの画像領域Ｓ１，Ｓ２を指定しても良い。
【００３３】
次に、特徴抽出部３にて、指定された画像領域Ｓから、空間フィルタ処理の一手法であるソーベル（Sobel)オペレータ，Canny オペレータ等のエッジ抽出オペレータによりエッジを抽出する（Ｓ４）。該当するその画像領域Ｓからｎ個のエッジが抽出された場合、各エッジ位置の画像上のｘ座標，ｙ座標、エッジ抽出オペレータの出力によるエッジ強度をそれぞれ、ｘi ′，ｙi ′、Ｅi （ｉ＝０，…，n-1)とする。得られたこれらのデータは、撮影パラメータ算出部４へ出力され、撮影パラメータ算出部４にて、これらのデータに基づき以下に示すような手法に従って、撮影パラメータである歪み係数を算出する（Ｓ５）。
【００３４】
該当画像が歪み係数κによって、放射状の歪みを受けているとする。即ち、当該画像をＩ′（ｘ′，ｙ′）（ｘ′及びｙ′は既知）、歪みを修整した場合の画像をＩ′（ｘ，ｙ）（ｘ及びｙは未知）とした場合に、以下の（１），（２）式が成立する。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
【００３５】
そして、上述した各エッジの列が形成するはずの直線（机Ａの縁）を、ヘッセの標準形と呼称される以下の（３）式とする。
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
（但し、θ，ρは直線を決定するパラメータであり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離）
【００３６】
上述した各エッジについて、上述した（１）〜（３）の式が得られ、この（１）〜（３）の式から未知であるｘ，ｙを消去して３つの未知数κ，θ，ρで表された１本の方程式を得る。少なくとも３個のエッジについて、このような処理を行って、３つの未知数で表された少なくとも３本の方程式を得、この連立方程式を解くことにより、該当画像における歪み係数κを求めることができる。
【００３７】
なお、各エッジにおける前述したエッジ強度Ｅi は、上述の算出処理における重み付けに用いる。即ち、エッジが鮮明であるエッジ点については大きな重みを付与し、エッジがあまり鮮明でないエッジ点については小さな重みを付与する。
【００３８】
なお、１箇所の画像領域を指定して１本の直線に対して上述の演算処理を行うことにより歪み係数κの算出は可能であるが、複数箇所の画像領域を指定して複数の直線それぞれに対して上述の演算処理を行うようにすれば、歪み係数κを総合的に判断できてその算出精度の向上を図ることができる。この場合、各直線における上述の演算処理では、パラメータθ，ρはそれぞれの直線において互いに異なっており、パラメータκは全ての直線において同一である。例えば、図４において、領域Ｓがなすはずの直線と領域Ｓ１，Ｓ２がなすはずの直線とに対して上述の演算処理を行うことができる。
【００３９】
以上のようにして算出された歪み係数κは、撮影パラメータ出力部５を介してディスプレイ12へ文字パターンデータの形式で送られる（Ｓ６）。そして、算出された歪み係数κの値が、その対象画像と共にディスプレイ12に表示される。
【００４０】
（第２実施の形態：焦点距離測定）
まず、図５に示すような対象画像Ｇ２を、画像供給装置１から特徴抽出部３及びディスプレイ12へ供給する（Ｓ１）。供給された画像Ｇ２がディスプレイ12に表示される。図５に示す画像Ｇ２は、集合住宅Ｃの情景を撮影した画像である。測定すべき撮影パラメータとして、ユーザがマウス13またはキーボード14を用いて、「焦点距離」を選択する（Ｓ２）。次いで、ディスプレイ12に表示されている対象画像を見ながら、ユーザはマウス13を用いて、撮影空間にて矩形を成しているはずの４本の直線を含む４つの画像領域Ｒi （ｉ＝０，…，３）を指定する（Ｓ３）。なお、下の直線をなす部分として画像領域Ｒ４を加えて指定しても良い。
【００４１】
次に、指定された４つの各画像領域Ｒi から、特徴抽出部３にて、ソーベルオペレータ，Canny オペレータ等のエッジ抽出オペレータによりエッジを抽出する（Ｓ４）。該当する各画像領域Ｒi からそれぞれｎi 個のエッジが抽出された場合、各エッジ位置の画像上のｘ座標，ｙ座標、エッジ抽出オペレータの出力によるエッジ強度をそれぞれ、Ｘij，Ｙij，Ｅij（ｉ＝０，…，３，ｊ＝０，…，ｎi -1）とする。
【００４２】
抽出されたエッジに対し、各画像領域Ｒi 毎に別々に最小二乗法によって直線をあてはめる。その際、エッジ強度は重み付けに用いる。即ち、エッジが鮮明であるエッジ点については大きな重み付けを行い、エッジがあまり鮮明でないエッジ点については小さな重み付けを行う。得られた４本の直線を矩形を成す４つの辺とし、それらの交点を頂点とする矩形を得る。４つの交点の画像上のｘ座標，ｙ座標はそれぞれｘi ，ｙi （ｉ＝０，…，３）とする。
【００４３】
得られたこれらのデータは、撮影パラメータ算出部４へ出力され、撮影パラメータ算出部４にて、これらのデータに基づき以下に示すような計算処理に従って、撮影パラメータである焦点距離を算出する（Ｓ５）。
【００４４】
仮の焦点距離をｆ′（任意の値）とすると、求める焦点距離ｆは、以下の（４）式にて求めることができる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
但し、（４）式において、ｍ0x，ｍ0y，ｍ0fはｍ0 のベクトル要素であり、即ち、ｍ0 ＝（ｍ0x，ｍ0y，ｍ0f）T 、またｍ1x，ｍ1y，ｍ1fはｍ1 のベクトル要素であり、即ち、ｍ1 ＝（ｍ1x，ｍ1y，ｍ1f）T である。
また、ｍ0 ，ｍ1 はそれぞれ以下の（５）式，（６）式にて示される。
【００４７】
【数２】
【００４８】
但し、（５），（６）式において、ｎ0 ，ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 はそれぞれ以下の（７）〜（10）式にて示される。
【００４９】
【数３】
【００５０】
なお、１つの矩形を想定して上述の演算処理を行うことにより焦点距離ｆの算出は可能であるが、複数の矩形を想定して各矩形に対して上述の演算処理をそれぞれ行うようにすれば、焦点距離ｆを総合的に判断することができてその算出精度を向上することができる。具体的には、図５に示すような画像領域Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８を更に指定して、Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８に対応する４本の直線で構成される矩形についても上述の演算処理を行えば良い。
【００５１】
以上のようにして算出された焦点距離ｆは、撮影パラメータ出力部５を介してディスプレイ12へ文字パターンデータの形式で送られる（Ｓ６）。そして、算出された焦点距離ｆの値が、その対象画像と共にディスプレイ12に表示される。
【００５２】
なお、上述した例では、本発明の処理を行うためのプログラムを磁気ディスク15からロードすることとしたが、これは例示であり、そのプログラムを記録する記録媒体はこれに限らない。図６は、記録媒体の他の例を示す図である。本発明の特許請求の範囲に記された記録媒体としては、上述した磁気ディスク15, ＣＤ−ＲＯＭ16等の可搬型記録媒体、パーソナルコンピュータ11と無線または有線にてプログラム通信が可能である、例えばセンタに備えられた回線先メモリ17、パーソナルコンピュータ11に備えつけられたＲＡＭ，ハードディスク等の処理装置側メモリ18の何れであっても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明では、撮影パラメータが未知であるカメラによって撮影された画像に基づいて、撮影状況の仮説を立ててその未知の撮影パラメータを測定することができ、撮影パラメータが未知であるカメラにて撮影された画像に対する分離，結合，編集等の処理をより正確に行うことができる。また、撮影パラメータを測定する際に、ユーザが指定した画像領域から画像処理によって撮影パラメータを算出するための特徴が自動的に抽出されるので、その特徴をユーザが指定する必要はなく、また、その特徴の画像座標，大きさ等の数量をユーザが知らなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る撮影パラメータ測定装置の構成図である。
【図２】本発明に係る撮影パラメータ測定方法の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態のシステム構成を示す模式図である。
【図４】第１実施の形態における対象画像及び指定した画像領域を示す図である。
【図５】第２実施の形態における対象画像及び指定した画像領域を示す図である。
【図６】記録媒体の例を示す図である。
【図７】従来の撮影パラメータの測定方法を実施する装置構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 画像供給装置
２ ポインティング装置
３ 特徴抽出部
４ 撮影パラメータ算出部
５ 撮影パラメータ出力部
６ 画像表示装置
７ 文字入力装置
11 パーソナルコンピュータ
12 ディスプレイ
13 マウス
14 キーボード
15 磁気ディスク
16 ＣＤ−ＲＯＭ
17 回線先メモリ
18 処理装置側メモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、あるカメラにて撮影された画像に基づいて、それを撮影した際のカメラの未知の撮影パラメータ、特に、その歪み係数，焦点距離を測定する撮影パラメータ測定方法及び装置に関し、またその方法を実施するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歪み係数，焦点距離等のカメラの撮影時のパラメータは、三次元空間中に配置された座標値が既知である点を撮影し、その撮影画像を観察することにより測定されてきた。図７は、このような従来の測定方法を行うための装置構成を示す模式図である。図７において、Ｖは格子点物体であり、格子点物体Ｖには二次元座標が既知である複数の格子点が付けられている。また51はカメラであり、その撮影距離を変えて複数回にわたってこの格子点物体Ｖを撮影し、その画像データを画像表示装置52及び格子点位置抽出部53へ出力する。画像表示装置52は、入力された画像データに応じて格子点物体Ｖの画像を表示する。
【０００３】
格子点位置抽出部53は、ポインティング装置54からのユーザ入力によって指定された格子点について、その画像上の位置を抽出し、指定された格子点の画像座標を求めて撮影パラメータ算出部55へ出力する。撮影パラメータ算出部55は、入力された格子点の画像座標及びカメラ51までの距離と格子点の既知である実際の三次元座標とに基づき、歪みパラメータ及び焦点距離パラメータを含むカメラ51の撮影パラメータを算出して撮影パラメータ出力部56へ出力する。撮影パラメータ出力部56は算出された撮影パラメータを文字データ等に変換して外部へ出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、マルチメディアの発展に伴って、カメラにて撮影された画像を扱う処理が増加している。この場合、画像を撮影した際のカメラの撮影パラメータを考慮して、分離，合成，編集等の画像処理を行っている。しかしながら、処理すべき画像の中には、どのような種類のカメラで撮影されたか、また、どのような撮影条件でその画像が得られたかが不明である、即ち、撮影した際のカメラの撮影パラメータが未知である画像が含まれている場合が多い。このような場合には、撮影パラメータが未知であるカメラを用いて再度撮影することはできないため、上述したような従来の方法にてカメラの撮影パラメータを求めることは不可能である。この結果、カメラの撮影パラメータが分からない状態の画像を用いて画像処理を行わなければならず、正確な画像処理を実施できないという問題点がある。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、撮影パラメータが未知であるカメラによって撮影した画像から、その画像を撮影した際のカメラの撮影パラメータ（歪み係数，焦点距離）を正確に測定することができる撮影パラメータ測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、このような撮影パラメータの測定を実施するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る撮影パラメータ測定方法は、撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する方法であって、前記画像から一部の画像領域を選択するステップと、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求めるステップと、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを有しており、前記画像領域を選択するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択するステップを含み、前記特徴を求めるステップは、選択した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る撮影パラメータ測定方法は、請求項１において、測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離
【００１６】
請求項３に係る撮影パラメータ測定装置は、撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する装置であって、前記画像から一部の画像領域を選択する手段と、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求める手段と、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出する手段とを備えており、前記画像領域を選択する手段は、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択する手段を含み、前記特徴を求める手段は、選択した画像領域から複数のエッジを抽出する手段と、抽出したエッジの画像上での座標を求める手段とを含み、前記歪み係数を算出する手段は、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出する手段を含み、前記歪み係数を算出する手段は、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加える手段を含むことを特徴とする。
請求項４に係る撮影パラメータ測定装置は、請求項３において、測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離
【００２３】
請求項５に係る記録媒体は、コンピュータに取り込まれた撮影画像に基づいて、該撮影画像を撮影した際の歪み係数を測定するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体であって、取り込まれた撮影画像から外部入力に従って一部の画像領域を抽出するステップと、抽出した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を獲得するステップと、獲得された特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを含んでおり、前記画像領域を抽出するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を抽出するステップを含み、前記特徴を獲得するステップは、抽出した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むコンピュータプログラムを記録したことを特徴とする。
【００２４】
図１は、本発明に係る撮影パラメータ測定装置の構成図である。画像キャリブレーション装置は、撮影パラメータを測定する対象画像を供給する画像供給装置１と、測定すべき撮影パラメータの種類、及び、画像供給装置１から供給される画像の一部の画像領域を、ＧＵＩ（Graphical User Interface）にて指定するポインティング装置２と、ポインティング装置２にて指定された画像領域から撮影パラメータを測定するための特徴を抽出する特徴抽出部３と、抽出された特徴における特徴量及び特徴位置に基づいて撮影パラメータを算出する撮影パラメータ算出部４とを備える。
【００２５】
また、本発明の撮影パラメータ測定装置は、上記の構成に加えて、撮影パラメータ算出部４にて算出された撮影パラメータを出力する撮影パラメータ出力部５と、画像供給装置１から供給される画像、及び、算出された撮影パラメータを表示する画像表示装置６とを備える。撮影パラメータ出力部５は、撮影パラメータ算出部４にて算出された撮影パラメータを、グラフィクデータまたは文字パターンにて画像表示装置６へ出力し、画像表示装置６は、測定対象の画像を表示すると共に、この算出された撮影パラメータをテキストまたはグラフィクスによって表示する。
【００２６】
なお、文字入力装置７を設け、ポインティング装置２に代わって、測定すべき撮影パラメータの種類を、ＧＵＩ，文字，数字等によって指定するようにしても良い。
【００２７】
次に、撮影パラメータを測定する動作について説明する。図２は、その動作手順を示すフローチャートである。撮影パラメータを測定する対象画像が画像供給装置１から、特徴抽出部３及び画像表示装置６へ入力される（ステップＳ１）。画像表示装置６において、その対象画像が表示される。また、ポインティング装置２または文字入力装置７によって、測定すべき撮影パラメータの種類（歪み係数，焦点距離）が特徴抽出部３へ入力される（ステップＳ２）。次に、ポインティング装置２によって、特徴抽出部３に入力された対象画像の中から撮影パラメータを参照するための一部の画像領域が指定される（ステップＳ３）。ここでは、撮影パラメータに関連する画像領域が指定される。例えば、歪み係数を測定する際には、本来は直線であるが歪みを受けて曲線となっている部分を含む画像領域が指定される。
【００２８】
次いで、特徴抽出部３にて、指定された画像領域における特徴（例えばエッジ）が抽出され、その特徴量及び特徴位置が撮影パラメータ算出部４へ出力される（ステップＳ４）。撮影パラメータ算出部４では、入力された特徴量及び特徴位置に基づいて撮影パラメータが算出され、その撮影パラメータが撮影パラメータ出力部５へ出力される（ステップＳ５）。撮影パラメータ出力部５から画像表示装置６へ、算出された撮影パラメータがグラフィクデータまたは文字パターンとして出力される（ステップＳ６）。そして、その算出された撮影パラメータが、画像表示装置６にて、テキストまたはグラフィクスによって表示される。
【００２９】
なお、指定された画像領域から抽出される特徴は、ユーザにより外部から指定されるようにしても良いし、または、指定された画像領域から画像処理によって自動的に指定されるようにしても良い。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。以下の実施の形態では、撮影パラメータとして歪み係数（第１実施の形態），焦点距離（第２実施の形態）を測定する場合を例にして説明する。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態としてのシステムの基本構成を示す模式図であり、本システムは、ユーザ端末としてのパーソナルコンピュータ11と、対象画像及び算出撮影パラメータを表示する画像表示装置６してのディスプレイ12と、パーソナルコンピュータ11に接続されたポインティング装置２としてのマウス13及び文字入力装置７としてのキーボード14とを備える。パーソナルコンピュータ11は、指定された画像領域における特徴の抽出，指定された撮影パラメータの算出等の処理を行うためのプログラムを、そのプログラムが記録されている記録媒体としての磁気ディスク15からロードする。なお、図１における特徴抽出部３，撮影パラメータ算出部４及び撮影パラメータ出力部５は、パーソナルコンピュータ11のソフトウェアに組み込まれている。
【００３２】
（第１実施の形態：歪み係数測定）
まず、図４に示すような対象画像Ｇ１を、画像供給装置１から特徴抽出部３及びディスプレイ12へ供給する（Ｓ１）。供給された画像Ｇ１がディスプレイ12に表示される。図４に示す画像Ｇ１は、外形が逆円錐台状の上面が開放された容器（紙コップ）Ｂが机Ａの上に置かれている情景を撮影した画像である。測定すべき撮影パラメータとして、ユーザがマウス13またはキーボード14を用いて、「歪み」を選択する（Ｓ２）。次いで、ディスプレイ12に表示されている対象画像を見ながら、ユーザはマウス13を用いて、その対象画像から一部の画像領域Ｓを指定する（Ｓ３）。この場合、指定する画像領域Ｓは、もとは直線であったが歪みによって曲線になった部分（机Ａの縁）を含んでいる。なお、画像領域Ｓに代えて、１つの直線であったはずの曲線に対して複数領域、例えば２つの画像領域Ｓ１，Ｓ２を指定しても良い。
【００３３】
次に、特徴抽出部３にて、指定された画像領域Ｓから、空間フィルタ処理の一手法であるソーベル（Sobel)オペレータ，Canny オペレータ等のエッジ抽出オペレータによりエッジを抽出する（Ｓ４）。該当するその画像領域Ｓからｎ個のエッジが抽出された場合、各エッジ位置の画像上のｘ座標，ｙ座標、エッジ抽出オペレータの出力によるエッジ強度をそれぞれ、ｘi ′，ｙi ′、Ｅi （ｉ＝０，…，n-1)とする。得られたこれらのデータは、撮影パラメータ算出部４へ出力され、撮影パラメータ算出部４にて、これらのデータに基づき以下に示すような手法に従って、撮影パラメータである歪み係数を算出する（Ｓ５）。
【００３４】
該当画像が歪み係数κによって、放射状の歪みを受けているとする。即ち、当該画像をＩ′（ｘ′，ｙ′）（ｘ′及びｙ′は既知）、歪みを修整した場合の画像をＩ′（ｘ，ｙ）（ｘ及びｙは未知）とした場合に、以下の（１），（２）式が成立する。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ2 ＋ｙ2 ）｝ …（２）
【００３５】
そして、上述した各エッジの列が形成するはずの直線（机Ａの縁）を、ヘッセの標準形と呼称される以下の（３）式とする。
−ｘ sinθ＋ｙ cosθ＝ρ …（３）
（但し、θ，ρは直線を決定するパラメータであり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離）
【００３６】
上述した各エッジについて、上述した（１）〜（３）の式が得られ、この（１）〜（３）の式から未知であるｘ，ｙを消去して３つの未知数κ，θ，ρで表された１本の方程式を得る。少なくとも３個のエッジについて、このような処理を行って、３つの未知数で表された少なくとも３本の方程式を得、この連立方程式を解くことにより、該当画像における歪み係数κを求めることができる。
【００３７】
なお、各エッジにおける前述したエッジ強度Ｅi は、上述の算出処理における重み付けに用いる。即ち、エッジが鮮明であるエッジ点については大きな重みを付与し、エッジがあまり鮮明でないエッジ点については小さな重みを付与する。
【００３８】
なお、１箇所の画像領域を指定して１本の直線に対して上述の演算処理を行うことにより歪み係数κの算出は可能であるが、複数箇所の画像領域を指定して複数の直線それぞれに対して上述の演算処理を行うようにすれば、歪み係数κを総合的に判断できてその算出精度の向上を図ることができる。この場合、各直線における上述の演算処理では、パラメータθ，ρはそれぞれの直線において互いに異なっており、パラメータκは全ての直線において同一である。例えば、図４において、領域Ｓがなすはずの直線と領域Ｓ１，Ｓ２がなすはずの直線とに対して上述の演算処理を行うことができる。
【００３９】
以上のようにして算出された歪み係数κは、撮影パラメータ出力部５を介してディスプレイ12へ文字パターンデータの形式で送られる（Ｓ６）。そして、算出された歪み係数κの値が、その対象画像と共にディスプレイ12に表示される。
【００４０】
（第２実施の形態：焦点距離測定）
まず、図５に示すような対象画像Ｇ２を、画像供給装置１から特徴抽出部３及びディスプレイ12へ供給する（Ｓ１）。供給された画像Ｇ２がディスプレイ12に表示される。図５に示す画像Ｇ２は、集合住宅Ｃの情景を撮影した画像である。測定すべき撮影パラメータとして、ユーザがマウス13またはキーボード14を用いて、「焦点距離」を選択する（Ｓ２）。次いで、ディスプレイ12に表示されている対象画像を見ながら、ユーザはマウス13を用いて、撮影空間にて矩形を成しているはずの４本の直線を含む４つの画像領域Ｒi （ｉ＝０，…，３）を指定する（Ｓ３）。なお、下の直線をなす部分として画像領域Ｒ４を加えて指定しても良い。
【００４１】
次に、指定された４つの各画像領域Ｒi から、特徴抽出部３にて、ソーベルオペレータ，Canny オペレータ等のエッジ抽出オペレータによりエッジを抽出する（Ｓ４）。該当する各画像領域Ｒi からそれぞれｎi 個のエッジが抽出された場合、各エッジ位置の画像上のｘ座標，ｙ座標、エッジ抽出オペレータの出力によるエッジ強度をそれぞれ、Ｘij，Ｙij，Ｅij（ｉ＝０，…，３，ｊ＝０，…，ｎi -1）とする。
【００４２】
抽出されたエッジに対し、各画像領域Ｒi 毎に別々に最小二乗法によって直線をあてはめる。その際、エッジ強度は重み付けに用いる。即ち、エッジが鮮明であるエッジ点については大きな重み付けを行い、エッジがあまり鮮明でないエッジ点については小さな重み付けを行う。得られた４本の直線を矩形を成す４つの辺とし、それらの交点を頂点とする矩形を得る。４つの交点の画像上のｘ座標，ｙ座標はそれぞれｘi ，ｙi （ｉ＝０，…，３）とする。
【００４３】
得られたこれらのデータは、撮影パラメータ算出部４へ出力され、撮影パラメータ算出部４にて、これらのデータに基づき以下に示すような計算処理に従って、撮影パラメータである焦点距離を算出する（Ｓ５）。
【００４４】
仮の焦点距離をｆ′（任意の値）とすると、求める焦点距離ｆは、以下の（４）式にて求めることができる。
【００４５】
【数１】
但し、（４）式において、ｍ0x，ｍ0y，ｍ0fはｍ0 のベクトル要素であり、即ち、ｍ0 ＝（ｍ0x，ｍ0y，ｍ0f）T 、またｍ1x，ｍ1y，ｍ1fはｍ1 のベクトル要素であり、即ち、ｍ1 ＝（ｍ1x，ｍ1y，ｍ1f）T である。
また、ｍ0 ，ｍ1 はそれぞれ以下の（５）式，（６）式にて示される。
【００４７】
【数２】
但し、（５），（６）式において、ｎ0 ，ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 はそれぞれ以下の（７）〜（10）式にて示される。
【００４９】
【数３】
なお、１つの矩形を想定して上述の演算処理を行うことにより焦点距離ｆの算出は可能であるが、複数の矩形を想定して各矩形に対して上述の演算処理をそれぞれ行うようにすれば、焦点距離ｆを総合的に判断することができてその算出精度を向上することができる。具体的には、図５に示すような画像領域Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８を更に指定して、Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８に対応する４本の直線で構成される矩形についても上述の演算処理を行えば良い。
【００５１】
以上のようにして算出された焦点距離ｆは、撮影パラメータ出力部５を介してディスプレイ12へ文字パターンデータの形式で送られる（Ｓ６）。そして、算出された焦点距離ｆの値が、その対象画像と共にディスプレイ12に表示される。
【００５２】
なお、上述した例では、本発明の処理を行うためのプログラムを磁気ディスク15からロードすることとしたが、これは例示であり、そのプログラムを記録する記録媒体はこれに限らない。図６は、記録媒体の他の例を示す図である。本発明の特許請求の範囲に記された記録媒体としては、上述した磁気ディスク15, ＣＤ−ＲＯＭ16等の可搬型記録媒体、パーソナルコンピュータ11と無線または有線にてプログラム通信が可能である、例えばセンタに備えられた回線先メモリ17、パーソナルコンピュータ11に備えつけられたＲＡＭ，ハードディスク等の処理装置側メモリ18の何れであっても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明では、撮影パラメータが未知であるカメラによって撮影された画像に基づいて、撮影状況の仮説を立ててその未知の撮影パラメータを測定することができ、撮影パラメータが未知であるカメラにて撮影された画像に対する分離，結合，編集等の処理をより正確に行うことができる。また、撮影パラメータを測定する際に、ユーザが指定した画像領域から画像処理によって撮影パラメータを算出するための特徴が自動的に抽出されるので、その特徴をユーザが指定する必要はなく、また、その特徴の画像座標，大きさ等の数量をユーザが知らなくても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る撮影パラメータ測定装置の構成図である。
【図２】本発明に係る撮影パラメータ測定方法の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態のシステム構成を示す模式図である。
【図４】第１実施の形態における対象画像及び指定した画像領域を示す図である。
【図５】第２実施の形態における対象画像及び指定した画像領域を示す図である。
【図６】記録媒体の例を示す図である。
【図７】従来の撮影パラメータの測定方法を実施する装置構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 画像供給装置
２ ポインティング装置
３ 特徴抽出部
４ 撮影パラメータ算出部
５ 撮影パラメータ出力部
６ 画像表示装置
７ 文字入力装置
11 パーソナルコンピュータ
12 ディスプレイ
13 マウス
14 キーボード
15 磁気ディスク
16 ＣＤ−ＲＯＭ
17 回線先メモリ
18 処理装置側メモリ
Claims (5)
- 撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する方法であって、前記画像から一部の画像領域を選択するステップと、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求めるステップと、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを有しており、
前記画像領域を選択するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択するステップを含み、前記特徴を求めるステップは、選択した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むことを特徴とする撮影パラメータ測定方法。 - 測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする請求項１記載の撮影パラメータ測定方法。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ 2 ＋ｙ 2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ 2 ＋ｙ 2 ）｝ …（２）
−ｘ sin θ＋ｙ cos θ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離 - 撮影した画像に基づいて、該画像を撮影した際の歪み係数を測定する装置であって、前記画像から一部の画像領域を選択する手段と、選択した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を求める手段と、求めた特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出する手段とを備えており、
前記画像領域を選択する手段は、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領域を選択する手段を含み、前記特徴を求める手段は、選択した画像領域から複数のエッジを抽出する手段と、抽出したエッジの画像上での座標を求める手段とを含み、前記歪み係数を算出する手段は、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出する手段を含み、前記歪み係数を算出する手段は、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加える手段を含むことを特徴とする撮影パラメータ測定装置。 - 測定すべき歪み係数をκ、エッジの画像上での座標を（ｘ′，ｙ′）、歪みを補正した場合のエッジの座標を（ｘ，ｙ）とした場合に、以下の（１）〜（３）の連立方程式を解くことにより、歪み係数κを算出することを特徴とする請求項３記載の撮影パラメータ測定装置。
ｘ′＝ｘ｛１−κ（ｘ 2 ＋ｙ 2 ）｝ …（１）
ｙ′＝ｙ｛１−κ（ｘ 2 ＋ｙ 2 ）｝ …（２）
−ｘ sin θ＋ｙ cos θ＝ρ …（３）
但し、（３）式は、歪みがない場合に前記各エッジが構成する直線の式であり、
θ：原点から直線に引いた垂線とｘ軸とのなす角度
ρ：ｘｙ座標系の原点から直線までの距離 - コンピュータに取り込まれた撮影画像に基づいて、該撮影画像を撮影した際の歪み係数を測定するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体であって、取り込まれた撮影画像から外部入力に従って一部の画像領域を抽出するステップと、抽出した画像領域から測定すべき歪み係数に関連する特徴を獲得するステップと、獲得された特徴に基づき所定の演算処理に従って歪み係数を算出するステップとを含んでおり、
前記画像領域を抽出するステップは、歪みがない場合には直線となる部分を含む画像領 域を抽出するステップを含み、前記特徴を獲得するステップは、抽出した画像領域から複数のエッジを抽出するステップと、抽出したエッジの画像上での座標を求めるステップとを含み、前記歪み係数を算出するステップは、求めた座標と直線を求めるヘッセの標準形とに基づいて前記歪み係数を算出するステップを含み、前記歪み係数を算出するステップは、さらに、各エッジの鮮明さを表すエッジ強度に応じて、エッジが鮮明である場合には大きな重み付け、鮮明でない場合には小さな重み付けを加えるステップを含むコンピュータプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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