JP3897984B2 - 監視カメラのキャリブレーション方法及び道路監視用カメラ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
この発明は、道路や施設などに設置された監視用のカメラのキャリブレーション方法に関するものである。
ここでは、カメラパラメータ(例えば、カメラに使用しているレンズの焦点距離)や、カメラから見た監視エリアの基準平面の方程式を算出することをカメラのキャブレーションと呼ぶ。また、監視対象である移動体が特定の平面上を移動する場合には、当該基準平面は特定の平面を指し、これを移動平面と呼ぶ。なお、カメラから見た基準平面は、当該平面に対するカメラの高さや向き(チルト角、パン角)として言い換えることもできる。
【0002】
【従来の技術】
例えば、道路監視システムでは、車両の走行状態を計測するために、監視エリアの基準平面である道路平面と監視カメラとの関係をあらかじめ算出しておく必要がある。
特開平4−150591号公報には、道路上の白線を利用することにより、監視カメラのキャリブレーションを実施するカメラのキャリブレーション方法が開示されている。
【0003】
このキャリブレーション方法では、道路上の白線が直線でなければならず、カーブ道路などには用いることができない。
そこで、最近では、道路上にマーカを設置し、そのマーカを利用することにより、監視カメラのキャリブレーションを実施するようにしている。
なお、キャリブレーション時の具体的な計算方法は、例えば、「単眼視画像による顔の向き検出法の指示入力への応用」(電子情報通信学会論文誌D−II、Vol.J72−D−II、No.9、pp.1441−1447、1989年)に記載されている。
【0004】
即ち、上記文献に記載の方法を利用すれば、道路平面と監視カメラとの関係は、次のようにして得ることができる。
カメラレンズの主点を原点とするワールド座標系(X,Y,Z)と、画像平面座標系(x,y)とを図4のように設定する。
カメラの焦点距離をfとし、光軸はZ軸に一致しているとする。ここで、道路平面上の3点のマーカPn(Xn,Yn,Zn)の投影像をQn(xn,yn)(n=1,2,3)とすると、Pnは原点OとQnを通る直線上に存在することになる。したがって、Pnの位置ベクトルpnは、直線OQnの方向を表す単位ベクトルunとスカラーanを用いて表せる。
Pn=unan
【0005】
ここで、unは投影像Qnの座標値(xn,yn)を用いると、下記のようになる。
un=(xn,yn,f)/(x2 n,y2 n,f2)1/2
また、スカラーanは原点OからPnまでの距離を表しており、anが決まればPnの3次元位置を求めることができる。
【0006】
ここで、Pnに関する情報として2つのマーカPm,Pn間の距離lmnを予め測ることができるため、次のように表せる。
|pm−pn|=lmn
また、Pm,Pn間の距離は、次のようにも表せる。
|pm−pn|2=a2 m+a2 n−2(um,un)aman
【0007】
したがって、下式が成立する。
a2 m+a2 n−2(um,un)aman=l2 mn
同様にして、3つのマーカの各2点で式を導出すると、次の連立方程式が得られる。
a2 1+a2 2−2(u1,u2)a1a2=l2 12
a2 2+a2 3−2(u2,u3)a2a3=l2 23
a2 3+a2 1−2(u3,u1)a3a1=l2 31
この連立方程式を解いて、解a1,a2,a3をPn=unanに代入すれば、3つのマーカPnの3次元座標値を求めることができる。
【0008】
次に、3つのマーカを通る平面を算出すると、カメラ座標系における道路平面が得られる。なお、ここでは、カメラの焦点距離fを既知として道路平面を求めたが、焦点距離fが未知な場合でも、マーカを4つ用意し、4つの連立方程式を立てることで道路平面及び焦点距離fを算出することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来のカメラのキャリブレーション方法は以上のように構成されているので、道路上にマーカを設置して、十分な交通規制を実施することができれば、そのマーカを利用することにより、監視カメラのキャリブレーションを実施することができるが、監視場所によっては十分な交通規制を実施できず、監視カメラのキャリブレーションを実施することができない課題があった。
【0010】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、道路上へのマーカの設置や交通規制を実施することなく、監視カメラのキャリブレーションを実施することができるカメラのキャリブレーション方法を得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る監視カメラのキャリブレーション方法は、監視場所に設置されている監視カメラが移動体を撮像して、その移動体の撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出し、上記複数の特徴点の座標値と移動体上の複数の特徴点間の距離から移動体上の特徴点の監視場所における三次元座標位置を算出し、その三次元座標位置から移動体の移動平面を算出するようにしたものである。
【0012】
この発明に係る監視カメラのキャリブレーション方法は、三次元座標位置から移動体の移動平面を算出するとともに、カメラパラメータを算出するようにしたものである。
【0014】
この発明に係るカメラのキャリブレーション方法は、移動体上の特徴点を示すマーカを当該移動体に設置するようにしたものである。
【0015】
この発明に係るカメラのキャリブレーション方法は、発光体を用いてマーカを構成するようにしたものである。
【0016】
この発明に係る道路監視用カメラは、監視道路を走行する不特定多数の車両を撮像し、その撮像画像から特定車両を検出し、その撮像画像上の特定車両の複数の特徴点の座標値を検出し、複数の特徴点の座標値と予め計測されていた特定車両の複数の特徴点間の距離から、撮像された特定車両の特徴点の三次元座標位置を算出し、その算出された三次元座標位置から特定車両の移動平面とカメラパラメータを算出して、特定車両の検出毎にキャリブレーションを行うようにしたものである。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。図において、ST1は監視カメラのキャリブレーションの実施に用いる専用の車両(移動体)を用意する準備ステップ、ST2は車両上の特徴点を複数選択して、複数の特徴点の相対的な位置関係や道路平面からの高さを測定する測定ステップ、ST3は監視カメラを用いて専用の車両を撮像する撮像ステップである。
【0023】
ST4は監視カメラにより撮像された画像における複数の特徴点の座標値を検出する特徴点検出ステップ、ST5は複数の特徴点の座標値と複数の特徴点の相対的な位置関係に基づいて、複数の特徴点の奥行き(監視カメラから見た三次元位置)と監視カメラのパラメータを算出する三次元位置算出ステップ、ST6は複数の特徴点の奥行きと道路平面からの高さに基づいて、監視カメラから見た道路平面パラメータを算出する道路平面算出ステップである。
【0024】
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、道路監視用のカメラのキャリブレーション方法について説明する。ただし、これに限るものではなく、施設などの監視カメラに応用できることは言うまでもない。
【0025】
まず、監視カメラのキャリブレーションを実施するに際して、専用の車両を用意する(ステップST1)。ただし、特別な装備を実装している車両である必要はない。
【0026】
次に、専用の車両上の特徴点を複数選択して、複数の特徴点の相対的な位置関係や道路平面からの高さを測定する(ステップST2)。
例えば、車両上の特徴点として、左右の尾灯と左側面の車幅灯を選択し、互いの相対的な位置関係や道路平面からの高さを測定する。この作業は、監視カメラが設置されている現地で行う必要はない。なお、特徴点は上記例に限定するものではないが、現地で車両を走行させたとき、監視カメラにより映すことができる部位を選択する必要がある。
【0027】
次に、監視カメラが設置されている道路上を走行する一般車両にまぎれて、専用の車両を走行させて、当該監視カメラにより専用の車両を撮像する(ステップST3)。
監視カメラが専用の車両を撮像すると、複数の特徴点に対応する画像上の座標値を検出する(ステップST4)。座標値の検出処理は、目視により手作業で行ってもよいし、画像処理で行ってもよい。
【0028】
次に、複数の特徴点の座標値と複数の特徴点の相対的な位置関係に基づいて、複数の特徴点の奥行き(監視カメラから見た三次元位置)と監視カメラのパラメータを算出する(ステップST5)。これらの具体的な算出方法は公知の技術であるため説明を省略する。
【0029】
最後に、ステップST5で算出した複数の特徴点の奥行きと、ステップST2で測定した道路平面からの高さとに基づいて、監視カメラから見た道路平面パラメータを算出する(ステップST6)。これらの具体的な算出方法は公知の技術であるため説明を省略する。
【0030】
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、専用の車両を撮像して、その撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出し、その座標値と相対的な位置関係から道路平面パラメータや監視カメラのパラメータ等を算出するように構成したので、道路上へのマーカの設置や交通規制を実施することなく、監視カメラのキャリブレーションを実施することができる効果を奏する。
なお、作業員の行う作業は、撮像画像から特徴点の座標値を検出するだけであり、道路から離れた場所で行えるため、作業員の作業負荷は軽い。
【0031】
この実施の形態1では、専用の車両の画像を1枚だけ撮像するものについて示したが、複数枚の画像を撮影して、ステップST4〜ST6の処理を繰り返し行うようにすれば、統計的に平滑化できるため、高精度な道路平面パラメータを得ることができる。
また、この実施の形態1では、3つの特徴点を選択するものについて示したが、これに限るものではなく、4つ以上の特徴点を選択するようにしてもよい。その場合、計算量が増加するが、ノイズ等に対して頑健になる効果が得られる。
【0032】
さらに、この実施の形態1では、特徴点として車両上の部位を選択するものについて示したが、マーカを専用の車両に設置してもよい。この場合は、マーカの模様、形状、材質、種類を撮影環境に応じて決定することにより、撮像画像からの特徴点の検出を容易にすることができる。
特に、画像処理で特徴点を自動的に検出する場合には、誤検出が少なく、位置精度が高くなるため有効である。例えば、トンネル内では、発光体を用いてマーカを構成すれば、特徴点の検出が容易になる。模様ならば、その中心が特定できるような点対称の模様が適している。
また、計算誤差の観点から、特徴点は互いに離れた部位を選択する方が望ましい。したがって、車両はトラックなどのように大きい方がよい。
【0033】
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ST11はキャリブレーションを実施する特定車両の種類を選択する特定車種選択ステップ、ST12は不特定多数の車両を撮像する撮像ステップ、ST13は不特定多数の車両の撮像画像から特定車両を検出する特定車両検出ステップ、ST14は特定車両を検出したか否かを判定する検出判定ステップである。
【0034】
次に動作について説明する。
まず、監視カメラのキャリブレーションを実施するに際して、キャリブレーションを実施する特定車両の種類を選択する(ステップST11)。ただし、走行台数の多い一般的な車両の種類が望ましい。
【0035】
次に、特定車両上の特徴点を複数選択して、複数の特徴点の相対的な位置関係や道路平面からの高さを測定する(ステップST2)。
例えば、車両上の特徴点として、左右の尾灯と左側面の車幅灯を選択し、互いの相対的な位置関係や道路平面からの高さを測定する。この作業は、監視カメラが設置されている現地で行う必要はない。なお、特徴点は上記例に限定するものではないが、現地で車両を走行させたとき、監視カメラにより映すことができる部位を選択する必要がある。
【0036】
次に、監視カメラが設置されている道路上を走行する不特定多数の車両を撮像する(ステップST12)。
そして、不特定多数の車両を撮像する毎に、その撮像画像に特定車両が撮像されているか否かを判定する(ステップST13,ST14)。
なお、特定車両が撮像されている撮像画像を検出するまで、ステップST12〜ST14の処理を繰り返し実施する。
【0037】
次に、特定車両が撮像されている撮像画像を検出すると、上記実施の形態1と同様にして、複数の特徴点に対応する画像上の座標値を検出する(ステップST4)。
そして、上記実施の形態1と同様にして、複数の特徴点の座標値と複数の特徴点の相対的な位置関係に基づいて、複数の特徴点の奥行き(監視カメラから見た三次元位置)と監視カメラのパラメータを算出する(ステップST5)。
【0038】
最後に、上記実施の形態1と同様に、ステップST5で算出した複数の特徴点の奥行きと、ステップST2で測定した道路平面からの高さとに基づいて、監視カメラから見た道路平面パラメータを算出する(ステップST6)。
【0039】
以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、不特定多数の車両を撮像して、その車両が予め設定した特定種類の車両であるか否かを判定し、その車両が特定種類の車両である場合、その撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出するように構成したので、通行中の一般車両を利用してキャリブレーションを実施することができる。したがって、専用の車両をわざわざ走行させる手間を省くことができる効果を奏する。
また、特定種類の車両が通行する度に、キャリブレーションを実施することができるため、統計的にキャリブレーション精度を向上させることができる効果を奏する。また、経年変化等で、カメラの向き等が変化しても、その後のキャリブレーションで自動的に修正することができる効果を奏する。
【0040】
実施の形態3.
図3はこの発明の実施の形態3によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ST21は特殊のマーカ(複数の特徴点の相対的な位置関係を計測するセンサと、そのセンサの計測結果を無線送信する無線機とから構成されたマーカ)が搭載された専用の車両を用意する準備ステップ、ST22は監視カメラを用いて専用の車両を撮像するとともに、マーカの無線機からセンサの計測結果を受信する撮像・情報受信ステップである。
【0041】
次に動作について説明する。
まず、監視カメラのキャリブレーションを実施するに際して、専用の車両を例えば3台用意する(ステップST21)。
即ち、他のマーカとの相対的な距離と道路平面からの高さをリアルタイムに計測するセンサと、そのセンサの計測結果を無線送信する無線機とから構成された特殊のマーカを3台の車両にそれぞれ設置する。
【0042】
次に、監視カメラを用いて専用の車両を撮像するとともに、マーカの無線機からセンサの計測結果を受信する(ステップST22)。
以下、専用車両の撮像画像とセンサの計測結果(他のマーカとの相対的な距離(複数の特徴点の相対的な位置関係)と道路平面からの高さ)に基づき、上記実施の形態1と同様にして、道路平面パラメータや監視カメラのパラメータ等を算出する(ステップST4〜ST6)。
【0043】
以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、専用の車両を撮像して、その撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出するとともに、複数の特徴点の相対的な位置関係を計測し、その座標値と当該相対的な位置関係から道路平面パラメータや監視カメラのパラメータ等を算出するように構成したので、道路上へのマーカの設置や交通規制を実施することなく、監視カメラのキャリブレーションを実施することができる効果がある。
【0044】
また、他のマーカとの相対的な距離と道路平面からの高さをリアルタイムに計測するセンサと、そのセンサの計測結果を無線送信する無線機とから構成された特殊のマーカを専用の車両に設置するように構成したので、予め複数の特徴点の相対位置関係などを測定する手間を省くことができる効果を奏する。
なお、複数の車両に跨ってマーカを設置するようにすれば、特徴点の間隔を大きく取ることができるため、計算誤差の影響を軽減させることができる効果を奏する。
【0045】
なお、車両に対するマーカの位置を動的に変更(制御)できるようにすれば、監視カメラから見えやすい位置に配置することができるため、マーカの検出が容易になる。
この実施の形態3では、3台の専用車両を用意したが、これに限るものではなく、1台以上であればよい。
また、この実施の形態3では、マーカが無線機を備えるものについて示したが、車両に備わる通信機能を利用してもよい。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、監視場所に設置されている監視カメラが移動体を撮像して、その移動体の撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出し、上記複数の特徴点の座標値と移動体上の複数の特徴点間の距離から移動体上の特徴点の監視場所における三次元座標位置を算出し、その三次元座標位置から移動体の移動平面を算出するように構成したので、道路上へのマーカの設置や交通規制を実施することなく、監視カメラのキャリブレーションを実施することができる効果がある。
【0047】
この発明によれば、三次元座標位置から移動体の移動平面を算出するとともに、カメラパラメータを算出するように構成したので、道路上へのマーカの設置や交通規制を実施することなく、監視カメラのキャリブレーションを実施することができる効果がある。
【0049】
この発明によれば、移動体上の特徴点を示すマーカを当該移動体に設置するように構成したので、撮像画像から特徴点を容易に検出することができる効果がある。
【0050】
この発明によれば、発光体を用いてマーカを構成するようにしたので、例えばトンネル内での特徴点の検出が容易になる効果がある。
【0051】
この発明によれば、監視道路を走行する不特定多数の車両を撮像し、その撮像画像から特定車両を検出し、その撮像画像上の特定車両の複数の特徴点の座標値を検出し、複数の特徴点の座標値と予め計測されていた特定車両の複数の特徴点間の距離から、撮像された特定車両の特徴点の三次元座標位置を算出し、その算出された三次元座標位置から特定車両の移動平面とカメラパラメータを算出して、特定車両の検出毎にキャリブレーションを行うように構成したので、通行中の一般車両を利用してキャリブレーションを実施することができる。したがって、専用の車両をわざわざ走行させる手間を省くことができる効果がある。
また、特定種類の車両が通行する度に、キャリブレーションを実施することができるため、統計的にキャリブレーション精度を向上させることができる効果がある。また、経年変化等で、カメラの向き等が変化しても、その後のキャリブレーションで自動的に修正することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。
【図2】 この発明の実施の形態2によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。
【図3】 この発明の実施の形態3によるカメラのキャリブレーション方法を示すフローチャートである。
【図4】 カメラと道路平面の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
ST1 準備ステップ、ST2 測定ステップ、ST3 撮像ステップ、ST4 特徴点検出ステップ、ST5 三次元位置算出ステップ、ST6 道路平面算出ステップ、ST11 特定車種選択ステップ、ST12 撮像ステップ、ST13 特定車両検出ステップ、ST14 検出判定ステップ、ST21 準備ステップ、ST22 撮像・情報受信ステップ。
Claims (5)
- 予め移動体上の特徴点を複数選択して、上記複数の特徴点間の距離を計測しておき、監視場所に設置されている監視カメラが上記移動体を撮像して、上記移動体の撮像画像における複数の特徴点の座標値を検出し、上記複数の特徴点の座標値と上記複数の特徴点間の距離から上記撮像された移動体上の特徴点の監視場所における三次元座標位置を算出し、上記三次元座標位置から上記移動体の移動平面を算出する監視カメラのキャリブレーション方法。
- 三次元座標位置から移動体の移動平面を算出するとともに、カメラパラメータを算出することを特徴とする請求項1記載の監視カメラのキャリブレーション方法。
- 移動体上の特徴点を示すマーカを当該移動体に設置することを特徴とする請求項1または請求項2記載の監視カメラのキャリブレーション方法。
- 発光体を用いてマーカを構成することを特徴とする請求項3記載の監視カメラのキャリブレーション方法。
- 監視道路を走行する不特定多数の車両を撮像し、上記撮像画像から特定車両を検出し、上記撮像画像上の上記特定車両の複数の特徴点の座標値を検出し、上記複数の特徴点の座標値と予め計測されていた上記特定車両の複数の特徴点間の距離から上記撮像された特定車両の特徴点の三次元座標位置を算出し、上記算出された三次元座標位置から上記特定車両の移動平面とカメラパラメータを算出して、上記特定車両の検出毎にキャリブレーションを行う道路監視用カメラ。
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