JP4285618B2 - Stereo camera self-diagnosis device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステレオカメラにおけるカメラ間の機械的位置ズレを自己診断して画像変換により機械的位置ズレを補正するステレオカメラの自己診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、画像による三次元計測技術として、2台のカメラ(ステレオカメラ)で対象物を異なる位置から撮像した1対の画像の相関を求め、同一物体に対する視差からステレオカメラの取り付け位置や焦点距離等のカメラパラメータを用いて三角測量の原理により距離を求める、いわゆるステレオ法による画像処理が知られている。
【0003】
このステレオ法による画像処理では、ステレオカメラから得られた2つの画像信号を順次シフトしながら重ね合わせて2つの画像信号が一致した位置を求めるようにしているため、2つの画像間には視差以外のズレがないことが望ましく、ステレオカメラの光学位置調整が重要となる。
【0004】
このため、本出願人は、先に、特開平10−115506号公報において、調整対象となるステレオカメラで撮像した既知の距離の調整用パターンの画像を処理して一致点を見出し、幾何学的な計算によって画像の並進ズレ量及び回転ズレ量を算出することで、アクチュエータを介してステレオカメラの位置ズレを精密に調整する技術を提案しており、また、特願平10−61578号では、メインカメラの水平ラインを両カメラの基線と平行になるようメインカメラを光軸回りに機械的に回転調整し、メインカメラの画像を基準としてサブカメラの画像をアフィン変換してステレオカメラとしての調整を行う技術を提案している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、組立出荷時に調整したステレオカメラは、実際のフィールドでの使用の過程で経年変化や運用時の振動衝撃等によって調整位置に狂いが生じることは避けられず、撮像対象面のテクスチャへの適応能力が徐々に低下し、撮像画像をステレオ処理して得られる距離情報の精度が悪化し、システム全体としての信頼性を低下させる要因となる。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、システムに組み込んだ状態でステレオカメラの調整位置のズレを自己診断し、位置ズレを自動的に補正することのできるステレオカメラの自己診断装置を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、ステレオカメラにおけるカメラ間の機械的位置ズレを自己診断して画像変換により機械的位置ズレを補正するステレオカメラの自己診断装置であって、上記ステレオカメラで撮像した画像内における所定の領域であってステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の候補となる領域に含まれる領域の輝度変化量の分散が所定の下限閾値よりも大きい場合に、ステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行を許可する手段と、上記元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行が許可されたとき、上記輝度変化量の分散が上記下限閾値よりも大きい領域が含まれるように上記元画像にズレ算出の領域を設定し、各領域間の対応位置のズレの分布を算出する手段と、上記ズレの分布から上記ステレオカメラで撮像した画像の座標変換値を算出し、この座標変換値により上記ステレオカメラの機械的位置ズレを補正する手段とを備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、上記ステレオカメラのシャッター速度を制御するシャッター制御手段を備え、上記ズレを算出する範囲と上記シャッター制御手段によるシャッター速度制御のための輝度抽出範囲とを一致させることを特徴とする。
【0009】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、ズレの分布をハフ変換によって直線近似する際、ハフ変換の投票面を最多投票範囲で再分割することにより粗から密へ順次拡大することを特徴とする。
【0010】
すなわち、請求項1記載の発明では、ステレオカメラで撮像した画像内における所定の領域であってステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の候補となる領域に含まれる領域の輝度変化量の分散が所定の下限閾値よりも大きい場合に、ステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行を許可し、輝度変化量の分散が下限閾値よりも大きい領域が含まれるように元画像にズレ算出の領域を設定し、各領域間の対応位置のズレの分布を算出する。そして、このズレの分布からステレオカメラで撮像した画像の座標変換値を算出し、この座標変換値でステレオカメラで撮像した画像を画像変換してステレオカメラの機械的位置ズレを補正する。
【0011】
この場合、請求項2に記載したように、ステレオカメラのシャッター速度を制御するシャッター制御手段を備え、ズレを算出する範囲とシャッター制御手段によるシャッター速度制御のための輝度抽出範囲とを一致させることが望ましく、ズレ検出に最適な露光を得ることができる。
【0012】
また、請求項3に記載したように、ズレの分布をハフ変換によって直線近似する際、ハフ変換の投票面を最多投票範囲で再分割することにより粗から密へ順次拡大することが望ましく、ハフ変換の投票面に要するメモリ量を低減することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図7は本発明の実施の一形態に係わり、図1はカメラズレ自己診断ルーチンのフローチャート、図2はステレオカメラの自己診断に係わる画像処理系のブロック図、図3は輝度変化量の分散を求める領域を示す説明図、図4はシャッター制御の輝度抽出範囲を示す説明図、図5はシティブロック演算の領域を示す説明図、図6はハフ変換の投票平面を示す説明図、図7はズレ修正量の説明図である。
【0014】
図2において、符号1は、互いに同期が取れ、且つシャッタースピード可変の2台1組のカメラ2,3からなるステレオカメラであり、一方のカメラ2をステレオ処理を行う際の基準画像を撮像するメインカメラ、他方のカメラ3をステレオ処理を行う際の比較画像を撮像するサブカメラとして、例えば自動車やヘリコプタ等の移動体に搭載され、対象風景を撮像した一対の画像から得られる三次元の距離情報に基づいて周囲環境や自己位置の認識処理等を行うシステムに採用される。
【0015】
ステレオカメラ1は、撮像信号の入力処理を行う画像信号処理部10を介してステレオ画像処理装置30に接続されており、画像信号処理部10には、カメラ2,3の各系統に対応して、各カメラ2,3からのアナログ撮像信号のゲイン・オフセット等を後段の入力レンジに合わせて調整するためのアナログインターフェース11,12、アナログ画像を所定の輝度階調(例えば256階調のグレースケール)のデジタル画像に変換するA/Dコンバータ13,14等が備えられると共に、サブカメラ3側に、デジタル化された比較画像を一時的に記憶する入力画像メモリ15、入力画像メモリ15に記憶された画像に対して画像の回転や平行移動等の幾何学的変換を行うアフィン変換回路16が備えられている。
【0016】
ステレオ画像処理装置30は、加算器、差分器、絶対値演算回路等のステレオ処理のための各種回路やメモリ等から構成されるものであり、一対の元画像に対し、各画像の小領域毎にシティブロック距離を演算して互いの相関を求めることで対応する小領域を特定するステレオマッチング処理を行い、対象物までの距離に応じた視差による画素のズレを距離データとして画像化した距離画像を生成する。
【0017】
本形態においては、画像信号処理部10において、サブカメラ3側の系統にのみアフィン変換回路16を備えることから、ステレオ処理の対象となる一対の元画像は、メインカメラ2で撮像した基準画像と、サブカメラ3で撮像した比較画像をアフィン変換した画像である。しかし、メインカメラ2側とサブカメラ3側との両方の系統にアフィン変換回路を備えても良く、その場合には、ステレオ処理の対象となる一対の元画像は、メインカメラ2で撮像した基準画像をアフィン変換した画像とサブカメラ3で撮像した比較画像をアフィン変換した画像となる。
【0018】
ここで、ステレオカメラ1は、図示しないカメラステイに所定の基線長で取り付けられ、組立出荷時に、両カメラ2,3の位置関係が調整されて固定されている。このステレオカメラ1の出荷時の組立調整に関しては、本出願人は、先に特願平10−61578号において、メインカメラの水平ラインを両カメラの基線と平行になるようメインカメラを光軸回りに機械的に回転調整し、メインカメラの画像を基準としてサブカメラの画像をアフィン変換してステレオカメラとしての調整を行う技術を提案しており、この技術による組立調整や、その他の機械的な調整により、ステレオカメラ1の出荷時調整を行うことができる。
【0019】
しかしながら、ステレオカメラ1を構成する両カメラ2,3には、経時変化や運用時の振動・衝撃等により、組立出荷時の状態に対して機械的な位置ズレが生じる。このため、実際のフィールドでの稼働状態では、撮像対象面のテクスチャへの適応能力や距離情報の精度が徐々に悪化し、また、機械的な位置調整と電気的な画像補正とを併用して組立調整を行った場合においても、出荷時にセットしたアフィン変換パラメータが実際の状況に適合しなくなる。いずれにしても、組立出荷時の調整に拘わらず、経時変化によってステレオカメラ1の調整位置が初期状態からずれることは避けられず、システム全体としての信頼性を低下させる要因となる。
【0020】
このため、画像信号処理部10には、電源投入直後のシステム実稼働前に、ステレオカメラ1の機械的な位置ズレを自己診断し、機械的な光学位置の僅かなズレを電気的に補正すべくアフィン変換回路16の変換パラメータを修正・更新する自己診断部20が接続されている。
【0021】
自己診断部20は、A/Dコンバータ13,14からの各画像をストアする画像メモリ21,22、アフィン変換回路16からの出力画像をストアする画像メモリ23、これらの画像メモリ21,22,23にストアされた画像に基づいてステレオカメラ1の位置ズレを自己診断し、アフィン変換回路16の変換パラメータを修正・更新するCPU24等から構成され、システムが実稼働に入る前の段階、例えば、無人ヘリコプター等の地上を撮像した画像をステレオ処理して高度を計測する高度計測システムでは、システム電源投入直後の離陸前で、機体がウォームアップ中に地上を撮像した静止画像を用いて自己診断を行う。尚、自己診断部20は、ステレオ画像処理装置30或いは認識処理装置の一部として構成するようにしても良い。
【0022】
自己診断部20における自己診断処理は、ステレオカメラ1の位置ズレ算出の実行可否を判定するための第1のアルゴリズム、ズレ量(シティブロック距離)を算出するための第2のアルゴリズム、及び、算出したズレ量を評価してアフィン変換パラメータを修正するための第3のアルゴリズムからなり、第1のアルゴリズムでは、露光量の異常や信号系統の断線、或いは撮像された被写体の輝度が均一である等の理由により、ステレオカメラ1で撮像した画像において輝度変化が少ない場合、位置ズレを算出しても誤検出が発生する確率が極端に高くなって信頼性を低下させることを考慮し、ズレ算出が確実に行える状況にあるか否かを、撮像画像中の輝度変化量の分散を用いて判定する。
【0023】
また、第2のアルゴリズムでは、第1のアルゴリズムによってズレ算出が実行可と判断された場合、画像中のズレ検出対象外の範囲に極端に輝度の異なる画像が映り込んでも、ズレ検出領域に最適な露光が得られるよう、シャッタ制御を最適化した上で基準領域と比較領域との間のシティブロック距離を演算し、更にサブピクセル補間を行って1画素以下でのズレ量を求める。
【0024】
第3のアルゴリズムでは、得られた各領域のズレ量からハフ変換によってズレ直線の仮のプロフィールを求め、更に、最小二乗法によってズレ直線の傾き及び切片を決定する。そして、ズレ直線の傾き及び切片からズレの回転量及び並進量を算出し、それらが妥当なものである場合、アフィン変換回路16のレジスタに書き込んでズレ調整の修正を行う。
【0025】
具体的には、以上の自己診断処理は、図1に示すカメラズレ自己診断ルーチンによって実施される。以下、カメラズレ自己診断ルーチンについて説明する。
【0026】
カメラズレ自己診断ルーチンは、システムの電源が投入されて初期化された後、システムが実稼働状態となる前に最初に実行されるルーチンであり、先ず、ステップS101で、ズレ検出に適した画像範囲を選択するため、システム実稼働前の静止状態でステレオカメラ1によって撮像した画像を画像メモリ21,22から読み込み、画像中の輝度変化量の分散(以下、輝度分散)σ2が最大になる行jmaxを探索する。
【0027】
すなわち、図3に示すように、画像中に複数列の短冊状のズレ検出候補領域を設定し、これらのズレ検出候補領域と、輝度分散σ2を求めようとする行jとが重なり合った複数の領域の中の一つの領域Nに注目すると、この領域Nが持つ輝度分散σ2 Nは、領域Nの中央座標iの輝度をbi、左右近傍の輝度を、それぞれbi-1、bi+1としたときの平均値bave(=(bi-1+bi+bi+1)/3)を用い、以下の(1)式により得ることができる。
σ2 N=(│bi-1−bave│+│bi−bave│+│bi+1−bave│)2…(1)
【0028】
ズレ検出候補領域は、画像中に複数列に渡って設定されているため、重なり合った他の領域についても同様に輝度分散を計算すると、結局、注目した行jの輝度分散σ2(j)は、以下の(2)式で示すように各領域の輝度分散σ2 Nの総和で与えられる。
σ2(j)=Σσ2 N …(2)
【0029】
そして、(2)式の総和の計算をズレ検出候補領域と重なり合う範囲の全ての行について行い、各行の輝度分散に、画像中央部に重みをつけた係数K(j)を乗算する。係数K(j)は、画像中央部のデータを用いてレンズ歪の影響を除去するための係数であり、係数K(j)によって重み付けした輝度分散の分布の中で、最大になる行をjmaxとする。
【0030】
次に、ステップS102へ進み、求めた輝度分散σ2を下限閾値と比較する。この下限閾値は、有効にズレ検出を行える輝度分散の下限値を、予めシミュレーション或いは実験等によって求めたものである。そして、輝度分散σ2が下限閾値以下の場合には、ズレ検出の信頼性が低くなると判断してステップS102からルーチンを抜けて処理を中断し、輝度分散σ2が下限閾値を越えている場合、ズレ検出実行可能と判断してステップS103へ進む。
【0031】
ステップS103では、ズレ検出候補領域に最適な露光が得られるよう、図4に示すように、シャッター制御の輝度抽出範囲を通常の画像全体からズレ検出候補領域に制限し、シャッター時間を設定する。すなわち、ズレ検出を行う領域は画像中の限られた領域であり、画像全体を対象とした通常のシャッター制御では、不必要な映り込みや影等により適切なシャッター速度が得られない場合がある。このため、ズレ検出を行う領域を輝度分散σ2が最大の行jmaxを中心として上下に既定の幅を持つ領域に制限し、この輝度分散σ2によって決定した領域のみに対して輝度抽出を行ってシャッター速度を決定することで、ズレ検出に最適な輝度を得ることができる。
【0032】
続くステップS104では、ステップS103で設定したシャッター速度により、ズレ検出に用いる1組の基準画像と比較画像とを再度ステレオカメラ1で撮像する。そして、ステップ105で、メインカメラ2で撮像した基準画像と、サブカメラ3で撮像した比較画像をアフィン変換した画像とを、それぞれ画像メモリ21,23から読み込み、これらの画像を元画像として、ズレ検出候補領域からシティブロック距離を演算する領域を設定し、領域毎のズレ検出とサブピクセル補間を行う。
【0033】
尚、ステレオカメラ1の組立調整を機械的な調整のみによって実施し、初めて診断を開始する場合には、サブカメラ3で撮像した画像はアフィン変換回路16で座標変換されずにスルーし、比較側の元画像となる。また、組立調整時にサブカメラ3の撮像画像に対するアフィン変換パラメータがアフィン変換回路16のレジスタに書き込まれている場合、或いは、前回、診断が行われている場合には、現在のアフィン変換パラメータによって座標変換された画像が比較側の元画像となる。
【0034】
すなわち、先ず、図5に示すように、ズレ検出候補領域に対し、輝度分散が最大の行jmaxを中心として基準側の元画像における基準領域を設定し、また、基準領域より必要な探索範囲分だけ大きく、且つ撮像対象までの距離から逆算される視差Dだけ水平方向(i方向)にずらした位置に、比較側の元画像における比較領域を設定する。
【0035】
次に、対になる基準領域と比較領域との間で比較開始座標を変化させながら、以下の(3)式に示すように、基準領域内の各画素の輝度データKi,jと比較領域内の各画素の輝度データHi,jとの差分の絶対値を総和してシティブロック距離Cを演算し、シティブロック距離Cが最小となる座標を仮の一致点(iM,jM)として取得する。
C=Σ│Ki,j−Hi,j│ …(3)
【0036】
更に、この仮の一致点(iM,jM)近傍のシティブロック距離の分布が極小点周りに対称形であるという前提に基づいて、仮の一致点の前後のシティブロック距離の差の大小関係から極小点の位置を特定し、直線近似によって極小点の座標を計算するサブピクセル補間を行うことにより、1画素以下の分解能でのサブピクセルの一致点(iS,jS)を推定する。
【0037】
そして、以下の(4)式に示すように、領域を代表する座標点(i0,j0)とサブピクセルの一致点(iS,jS)との差を、該当領域のもつズレ量j*として取得する。この処理を全ての領域について行い、座標i0に対するズレ量j*の分布を得る。尚、シティブロック距離値が予め設定した値より大きい場合(一致度が低い場合)には、その領域の検出結果を無効とする。
j*=jS−j0 …(4)
【0038】
その後、ステップS106へ進み、ズレ量分布が得られた領域の数が既定数以上あるか否かを調べる。そして、ズレ量分布が得られた領域数が既定領域数より少ない場合には、後段のズレ直線検出における信頼性が低下するため、ルーチンを抜けて処理を中断する。また、ズレ量分布が得られた領域の数が既定領域数以上の場合、ステップS107へ進んで、座標i0に対するズレ量j*の分布が直線j*=ai0+bを形成するものと仮定し、ハフ変換により仮のズレ直線を求めて係数ah(傾き),bh(切片)を算出する。
【0039】
この場合、通常のハフ変換では分解能を細かくすると使用メモリ量が増えてしまう。このため、本形態では、図6に示すように、当初、パラメータ空間における投票面の分割数を少なくして使用メモリ量を削減し、最も投票数の多かった範囲について再度、投票面を分割し直す。そして、投票数が既定値を越えている間は、最多投票領域を更に分割してハフ変換を繰り返し実行して有効な投票面を拡大してゆくようにしており、これにより、使用メモリ量を低減しつつ分解能を確保することができる。
【0040】
以上のハフ変換によって仮のズレ直線を求めると、次にステップS108へ進み、仮のズレ直線を用いてノイズや突起物の検出等によって周囲と著しく異なる特異点を除去する。すなわち、仮のズレ直線の係数ah,bhからズレ量の分布直線を設定して各領域についてのズレ量j*'を計算し、このズレ量j*'とシティブロック距離から求めたズレ量j*との差が既定値以上の場合、一致点の誤検出として該当領域を無効にする。
【0041】
その後、ステップS109へ進み、特異点を除いた有効領域の数が最小二乗法を適用するのに必要な既定領域数だけあるか否かを調べる。その結果、有効領域数が既定領域数より少ない場合にはルーチンを抜けて処理を中断し、有効領域数が既定領域数以上の場合、ステップS110へ進んで、各領域の座標i0とズレ量j*とから最小二乗法によりズレ直線の係数a(傾き),b(切片)を決定する。
【0042】
以上の処理で得られたズレ直線は、ステレオカメラ1が調整完了時の位置からずれて変化した場合、本来の視差に基づくズレ直線に対し、図7に示すように、水平方向に対する傾きと垂直方向のオフセットとを生じる。水平方向に対する傾きは比較画像を回転して修正すべき回転量であり、垂直方向のオフセットは比較画像を上下に移動させて修正すべき並進量である。
【0043】
すなわち、以下の(5),(6)式に示すように、ズレ直線の係数a,bにより、比較画像に施す回転量Δαと上下並進量Δβとを求めることができ、ステレオカメラ1の位置ズレを修正せしめるアフィン変換パラメータα*,β*は、診断前のアフィン変換パラメータα,βに対し、回転量Δαと上下並進量Δβとを用い、以下の(7),(8)式によって得ることができる。
Δα=tan-1a …(5)
Δβ=−b …(6)
α*=α−Δα …(7)
β*=β−Δβ …(8)
【0044】
次いで、ステップS111へ進み、回転量Δα及び上下並進量Δβが想定される最大の機械的ズレを修正可能な既定範囲内にあり、妥当な結果が得られているか否かを調べる。その結果、回転量Δα及び上下並進量Δβが既定範囲内にない場合にはルーチンを抜けて処理を中断し、既定範囲内にある場合、ステップS112へ進み、アフィン変換回路16のレジスタに新たなアフィン変換パラメータα*,β*を書き込んで診断前のアフィン変換パラメータα,βを置き換える。
【0045】
ステップS112でのアフィン変換パラメータの修正では、光学的な歪みの影響や撮像された画像の座標の縦横比の影響などにより、一度の修正では完全にステレオカメラ1の位置ズレを排除した画像を得ることはできない。このため、ステップS112からステップS113へ進み、以上の処理を既定回数だけ実行したか否かを調べる。
【0046】
この既定回数は、アフィン変換パラメータをα*→α、β*→βと置換する処理を繰り返して真値付近に収束させ得る回数として予め設定された回数であり、既定回数だけ処理を実行していない場合には、ステップS104へ戻って、新たに基準画像及び比較画像を撮像して領域毎のズレ検出とサブピクセル補間とによりズレ直線を決定して回転量Δα及び上下並進量Δβを求め、アフィン変換パラメータの更新を続行する。そして、既定回数に達した場合、ステップS114へ進んでシャッター制御を全画像の輝度抽出による通常制御に切り換え、自己診断を終了する。
【0047】
以後、システムが稼働状態に入り、メインカメラ2で撮像した画像とサブカメラ3で撮像した画像をアフィン変換回路16で画像変換した画像とがステレオ画像処理装置30に入力され、自己診断によってステレオカメラ1の機械的位置ズレを補正した元画像を対象としたステレオ処理が実行され、正確な三次元の距離情報が生成される。
【0048】
これにより、システムに組み込んだ状態でステレオカメラ1の調整位置のズレを自己診断して自動的に補正することができ、ステレオカメラ1の位置精度を出荷調整時の精度に維持してシステムの信頼性を向上することができる。しかも、自己診断に際しては、ステレオカメラ1の撮像画像の輝度変化量の分散を用いて後段のズレ検出を行うか否かを判定するため、誤診断を防止して正確な診断を行うことができる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、ステレオカメラで撮像した画像内における所定の領域であってステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の候補となる領域に含まれる領域の輝度変化量の分散が所定の下限閾値よりも大きい場合に、ステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行を許可し、輝度変化量の分散が下限閾値よりも大きい領域が含まれるように元画像にズレ算出の領域を設定し、各領域間の対応位置のズレの分布を算出する。そして、このズレの分布からステレオカメラで撮像した画像の座標変換値を算出し、この座標変換値でステレオカメラで撮像した画像を画像変換してステレオカメラの機械的位置ズレを補正するため、システムに組み込んだ状態でステレオカメラの調整位置のズレを自動的に補正することができ、ステレオカメラの位置精度を出荷調整時の精度に維持してシステムの信頼性を向上することができる。
【0050】
しかも、自己診断に際しては、輝度変化量の分散が下限閾値よりも大きい領域が含まれるようにズレ算出の領域を設定するため、例えば、ステレオカメラを移動体に搭載し、移動体が実稼働する前の静止状態で撮像した画像を用いて診断を行う場合においても、ズレ検出に不得手なテクスチャの映り込みによる誤診断を防止して正確な診断を行うことができる。
【0051】
この場合、請求項2記載の発明では、ズレを算出する範囲とシャッター制御手段によるシャッター速度制御のための輝度抽出範囲とを一致させるので、ズレ検出に最適な露光を得ることができる。また、請求項3記載の発明では、ズレの分布をハフ変換によって直線近似する際、ハフ変換の投票面を最多投票範囲で再分割することにより粗から密へ順次拡大するので、分解能を確保しつつハフ変換の投票面に要するメモリ量を低減することができる等優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】カメラズレ自己診断ルーチンのフローチャート
【図2】ステレオカメラの自己診断に係わる画像処理系のブロック図
【図3】輝度変化量の分散を求める領域を示す説明図
【図4】シャッター制御の輝度抽出範囲を示す説明図
【図5】シティブロック演算の領域を示す説明図
【図6】ハフ変換の投票平面を示す説明図
【図7】ズレ修正量の説明図
【符号の説明】
1 …ステレオカメラ
16…アフィン変換回路
20…自己診断部
σ2 …輝度変化量の分散[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a self-diagnosis device for a stereo camera that performs self-diagnosis of a mechanical position shift between cameras in a stereo camera and corrects the mechanical position shift by image conversion.
[0002]
[Prior art]
In general, as a three-dimensional measurement technique based on images, a correlation between a pair of images obtained by capturing an object from different positions with two cameras (stereo cameras) is obtained, and the stereo camera mounting position, focal length, and the like from the parallax for the same object Image processing by a so-called stereo method is known in which a distance is obtained by the principle of triangulation using the camera parameters.
[0003]
In this stereo image processing, two image signals obtained from a stereo camera are sequentially shifted and overlapped to obtain a position where the two image signals coincide with each other. It is desirable that there is no deviation, and it is important to adjust the optical position of the stereo camera.
[0004]
For this reason, the present applicant has previously found a matching point by processing an image of a known distance adjustment pattern imaged by a stereo camera to be adjusted in Japanese Patent Laid-Open No. 10-115506. A technique for precisely adjusting the positional displacement of the stereo camera via an actuator by calculating the translational displacement amount and the rotational displacement amount of the image by simple calculation. Also, in Japanese Patent Application No. 10-61578, The main camera is mechanically rotated around the optical axis so that the horizontal line of the main camera is parallel to the baseline of both cameras, and the sub camera image is affine transformed with the main camera image as a reference to adjust as a stereo camera We are proposing a technology to do this.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, stereo cameras that have been adjusted at the time of assembly and shipment are inevitably affected by changes in the adjustment position due to secular changes and vibration shocks during operation in the actual field of use. The capability is gradually reduced, the accuracy of distance information obtained by stereo processing of the captured image is deteriorated, and the reliability of the entire system is reduced.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a self-diagnosis device for a stereo camera that can self-diagnose a shift of an adjustment position of a stereo camera and automatically correct the position shift while being incorporated in a system. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a self-diagnosis device for a stereo camera that self-diagnose a mechanical position shift between cameras in a stereo camera and corrects the mechanical position shift by image conversion. Images taken with the stereo cameraInsideInA region included in a region that is a predetermined region and is a candidate for processing for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingVariance of brightness changeIs greater than the predetermined lower threshold, A process for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingAllow executionFor calculating the shift of the corresponding position between the means and the original imageAllowed to runDispersion of the brightness change amountSo that the area is larger than the lower thresholdMeans for calculating a deviation calculation area in the original image, calculating a deviation distribution of corresponding positions between the areas, and calculating a coordinate conversion value of an image captured by the stereo camera from the deviation distribution. And a means for correcting the mechanical positional deviation of the stereo camera based on the converted value.
[0008]
The invention according to
[0009]
In the invention of
[0010]
That is, in the first aspect of the invention,, SuImages taken with a teleo cameraInsideInA region included in a region that is a predetermined region and is a candidate for processing for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingVariance of brightness changeIs greater than the predetermined lower threshold, A process for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingIn the original image so that the region where the variance of the brightness change amount is larger than the lower threshold is included.A shift calculation area is set, and a shift distribution of corresponding positions between the areas is calculated. Then, a coordinate conversion value of an image captured by the stereo camera is calculated from the distribution of the shift, and an image captured by the stereo camera is converted using the coordinate conversion value to correct a mechanical position shift of the stereo camera.
[0011]
In this case, as described in
[0012]
In addition, as described in
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 7 relate to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a flowchart of a camera shift self-diagnosis routine, FIG. 2 is a block diagram of an image processing system related to a self-diagnosis of a stereo camera, and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a luminance extraction range of shutter control, FIG. 5 is an explanatory diagram showing a city block calculation region, and FIG. 6 is an explanatory diagram showing a Hough transform voting plane. 7 is an explanatory diagram of a deviation correction amount.
[0014]
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a stereo camera composed of a set of two
[0015]
The stereo camera 1 is connected to a stereo
[0016]
The stereo
[0017]
In the present embodiment, since the image
[0018]
Here, the stereo camera 1 is attached to a camera stay (not shown) with a predetermined baseline length, and the positional relationship between the
[0019]
However, the two
[0020]
For this reason, the image
[0021]
The self-
[0022]
The self-diagnosis process in the self-
[0023]
In addition, in the second algorithm, when it is determined that the shift calculation can be performed by the first algorithm, even if an image with extremely different luminance is reflected in a range outside the shift detection target in the image, it is optimal for the shift detection region. The city block distance between the reference area and the comparison area is calculated after optimizing the shutter control so that a correct exposure can be obtained, and further, sub-pixel interpolation is performed to obtain a deviation amount of one pixel or less.
[0024]
In the third algorithm, a temporary profile of the deviation line is obtained from the obtained deviation amount of each region by Hough transform, and further, the slope and intercept of the deviation line are determined by the least square method. Then, the rotation amount and translation amount of the shift are calculated from the slope and intercept of the shift straight line, and if they are appropriate, they are written in the register of the
[0025]
Specifically, the above self-diagnosis process is performed by a camera shift self-diagnosis routine shown in FIG. Hereinafter, the camera shift self-diagnosis routine will be described.
[0026]
The camera misalignment self-diagnosis routine is a routine that is first executed after the system is turned on and initialized, and before the system enters an actual operation state. First, in step S101, an image range suitable for misalignment detection is used. In order to select, the image captured by the stereo camera 1 in a stationary state before the system is actually operated is read from the
[0027]
That is, as shown in FIG. 3, a plurality of strip-shaped deviation detection candidate areas are set in the image, and these deviation detection candidate areas and the luminance variance σ are set.2When attention is paid to one region N among a plurality of regions where the row j to be obtained overlaps, the luminance dispersion σ possessed by this region N2 NUses the average value bave (= (bi-1 + bi + bi + 1) / 3) when the luminance of the central coordinate i of the region N is bi and the luminances of the left and right neighbors are bi-1, bi + 1, respectively. (1).
σ2 N= (│bi-1-bave│ + │bi-bave│ + │bi + 1-bave│)2... (1)
[0028]
Since the deviation detection candidate areas are set over a plurality of columns in the image, if the luminance variance is calculated in the same manner for other overlapping areas, the luminance variance σ of the focused row j is eventually obtained.2(j) is the luminance variance σ of each region as shown in the following equation (2).2 NIs given as the sum of
σ2(j) = Σσ2 N ... (2)
[0029]
Then, the calculation of the sum of the formula (2) is performed for all the rows in the range overlapping with the deviation detection candidate region, and the luminance variance of each row is multiplied by a coefficient K (j) weighted at the center of the image. The coefficient K (j) is a coefficient for removing the influence of lens distortion using the data at the center of the image, and the maximum line in the distribution of luminance dispersion weighted by the coefficient K (j) is represented by jmax. And
[0030]
Next, the process proceeds to step S102, and the obtained luminance variance σ2Is compared with the lower threshold. This lower limit threshold value is obtained in advance by simulation or experiment to obtain a lower limit value of luminance dispersion that can detect displacement effectively. And luminance variance σ2Is less than the lower limit threshold, it is determined that the reliability of deviation detection is low, and the process exits the routine from step S102, and the luminance dispersion σ2If it exceeds the lower limit threshold, it is determined that deviation detection can be performed, and the process proceeds to step S103.
[0031]
In step S103, as shown in FIG. 4, the brightness extraction range for shutter control is limited from the entire normal image to the deviation detection candidate area, and the shutter time is set so that optimal exposure can be obtained in the deviation detection candidate area. In other words, the area where displacement detection is performed is a limited area in the image, and normal shutter control for the entire image may not provide an appropriate shutter speed due to unnecessary reflections or shadows. . For this reason, the luminance dispersion σ2Is limited to a region having a predetermined width above and below the maximum row jmax, and this luminance dispersion σ2By performing luminance extraction only on the region determined by the above and determining the shutter speed, it is possible to obtain the optimum luminance for displacement detection.
[0032]
In subsequent step S104, the stereo camera 1 captures again a set of reference images and comparison images used for displacement detection at the shutter speed set in step S103. In step 105, the reference image captured by the
[0033]
When the assembly adjustment of the stereo camera 1 is performed only by mechanical adjustment and diagnosis is started for the first time, the image captured by the
[0034]
That is, first, as shown in FIG. 5, the reference area in the original image on the reference side is set around the line jmax having the maximum luminance variance for the deviation detection candidate area, and the necessary search range is set from the reference area. The comparison area in the original image on the comparison side is set at a position that is larger in size and shifted in the horizontal direction (i direction) by the parallax D calculated backward from the distance to the imaging target.
[0035]
Next, while changing the comparison start coordinates between the reference region and the comparison region that form a pair, as shown in the following equation (3), the luminance data Ki, j of each pixel in the reference region and the comparison region The city block distance C is calculated by summing the absolute values of the differences from the luminance data Hi, j of each pixel, and the coordinates at which the city block distance C is minimum are obtained as temporary matching points (iM, jM).
C = Σ│Ki, j-Hi, j│ (3)
[0036]
Furthermore, based on the premise that the distribution of the city block distance in the vicinity of the temporary coincidence point (iM, jM) is symmetrical around the local minimum point, from the magnitude relation of the difference in the city block distance before and after the temporary coincidence point The position of the minimum point is specified, and the subpixel interpolation for calculating the coordinates of the minimum point by linear approximation is performed to estimate the matching point (iS, jS) of the subpixel with a resolution of one pixel or less.
[0037]
Then, as shown in the following equation (4), the difference between the coordinate point (i0, j0) representing the region and the coincidence point (iS, jS) of the subpixel is expressed as the amount of deviation j of the corresponding region.*Get as. This process is performed for all regions, and the deviation amount j with respect to the coordinate i0*Get the distribution of. When the city block distance value is larger than a preset value (when the degree of coincidence is low), the detection result of that area is invalidated.
j*= JS-j0 (4)
[0038]
Thereafter, the process proceeds to step S106, in which it is checked whether or not the number of regions where the deviation amount distribution is obtained is equal to or greater than a predetermined number. If the number of regions from which the deviation amount distribution is obtained is smaller than the predetermined number of regions, the reliability in detecting the deviation straight line at the subsequent stage is lowered, and the routine is exited and the process is interrupted. On the other hand, if the number of areas where the deviation amount distribution is obtained is equal to or larger than the predetermined number of areas, the process proceeds to step S107, and the deviation amount j with respect to the coordinate i0*Is a straight line j*= Ai0 + b is assumed, a temporary deviation straight line is obtained by Hough transform, and coefficients ah (slope) and bh (intercept) are calculated.
[0039]
In this case, in the normal Hough transform, if the resolution is made fine, the amount of memory used increases. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, initially, the number of voting planes in the parameter space is reduced to reduce the amount of memory used, and the voting plane is divided again for the range with the largest number of votes. cure. While the number of votes exceeds the default value, the most voted area is further divided and the Hough transform is repeatedly executed to expand the effective voting surface, thereby reducing the amount of memory used. The resolution can be ensured while reducing.
[0040]
When the provisional deviation straight line is obtained by the above Hough transform, the process proceeds to step S108, and a singular point remarkably different from the surroundings is removed by using the provisional deviation straight line by detecting noise or protrusions. In other words, a deviation straight line is set from the coefficients ah and bh of the temporary deviation straight line, and the deviation j for each region is set.* 'And the amount of deviation j* 'The amount of deviation j calculated from the city block distance*If the difference between and is greater than or equal to the default value, the corresponding area is invalidated as a false detection of a matching point.
[0041]
Thereafter, the process proceeds to step S109, and it is checked whether or not the number of effective areas excluding singular points is the number of predetermined areas necessary for applying the least square method. As a result, if the number of effective areas is smaller than the predetermined number of areas, the routine is exited and the process is interrupted. If the number of effective areas is equal to or larger than the predetermined number of areas, the process proceeds to step S110.*From these, coefficients a (slope) and b (intercept) of the deviation straight line are determined by the least square method.
[0042]
When the stereo camera 1 is shifted from the position when the adjustment is completed, the deviation line obtained by the above processing is perpendicular to the inclination with respect to the horizontal direction as shown in FIG. 7 with respect to the deviation line based on the original parallax. Resulting in a direction offset. The inclination with respect to the horizontal direction is a rotation amount to be corrected by rotating the comparison image, and the offset in the vertical direction is a translation amount to be corrected by moving the comparison image up and down.
[0043]
That is, as shown in the following formulas (5) and (6), the rotation amount Δα and the vertical translation amount Δβ applied to the comparative image can be obtained from the coefficients a and b of the deviation straight line, and the position of the stereo camera 1 can be obtained. Affine transformation parameter α to correct the deviation*, Β*Can be obtained by the following equations (7) and (8) using the rotation amount Δα and the vertical translation amount Δβ with respect to the affine transformation parameters α and β before diagnosis.
Δα = tan-1a (5)
Δβ = −b (6)
α*= Α−Δα (7)
β*= Β−Δβ (8)
[0044]
Next, the process proceeds to step S111, and it is checked whether or not the rotation amount Δα and the vertical translation amount Δβ are within a predetermined range in which the assumed maximum mechanical deviation can be corrected and an appropriate result is obtained. As a result, if the rotation amount Δα and the vertical translation amount Δβ are not within the predetermined range, the routine is exited and the processing is interrupted. If the rotation amount Δα and the vertical translation amount Δβ are within the predetermined range, the process proceeds to step S112. Affine transformation parameter α*, Β*To replace the affine transformation parameters α and β before diagnosis.
[0045]
In the correction of the affine transformation parameter in step S112, an image in which the positional deviation of the stereo camera 1 is completely eliminated by one correction due to the influence of optical distortion or the aspect ratio of the coordinates of the captured image is obtained. It is not possible. Therefore, the process proceeds from step S112 to step S113, and it is checked whether or not the above process has been executed a predetermined number of times.
[0046]
This default number of times determines the affine transformation parameter as α*→ α, β*→ This is the number of times set in advance as the number of times that the process of replacing β can be repeated and converged to the vicinity of the true value. When the process has not been executed a predetermined number of times, the process returns to step S104, and a new reference image and A comparison image is picked up, a deviation straight line is determined by deviation detection and subpixel interpolation for each region, a rotation amount Δα and a vertical translation amount Δβ are obtained, and updating of the affine transformation parameters is continued. If the predetermined number of times has been reached, the process proceeds to step S114, where the shutter control is switched to normal control based on luminance extraction of all images, and the self-diagnosis is terminated.
[0047]
Thereafter, the system enters an operating state, and an image captured by the
[0048]
As a result, the shift of the adjustment position of the stereo camera 1 can be self-diagnosed and automatically corrected in the state of being incorporated into the system, and the position accuracy of the stereo camera 1 can be maintained at the time of shipping adjustment and the reliability of the system can be maintained. Can be improved. Moreover, in the self-diagnosis, since it is determined whether or not the subsequent shift detection is performed using the variance of the luminance change amount of the image captured by the stereo camera 1, it is possible to prevent an erroneous diagnosis and perform an accurate diagnosis. .
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the image captured by the stereo cameraInsideInA region included in a region that is a predetermined region and is a candidate for processing for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingVariance of brightness changeIs greater than the predetermined lower threshold, A process for calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processingIn the original image so that the region where the variance of the brightness change amount is larger than the lower threshold is included.A shift calculation area is set, and a shift distribution of corresponding positions between the areas is calculated. Then, the coordinate conversion value of the image captured by the stereo camera is calculated from the distribution of the shift, and the image captured by the stereo camera is converted by the coordinate conversion value to correct the mechanical position shift of the stereo camera. In this state, the shift of the adjustment position of the stereo camera can be automatically corrected, and the position accuracy of the stereo camera can be maintained at the time of shipping adjustment to improve the reliability of the system.
[0050]
Moreover, for self-diagnosis,An area where the variance of the brightness change amount is larger than the lower threshold is included.In order to set the displacement calculation area, for example, when a stereo camera is mounted on a moving body and diagnosis is performed using an image captured in a stationary state before the moving body actually operates, it is not good at detecting the displacement. It is possible to prevent an erroneous diagnosis due to the reflection of the texture and perform an accurate diagnosis.
[0051]
In this case, in the invention according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart of a camera shift self-diagnosis routine.
FIG. 2 is a block diagram of an image processing system related to self-diagnosis of a stereo camera.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an area for obtaining a variance of a luminance change amount
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a luminance extraction range of shutter control.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing areas of city block calculation.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a voting plane for Hough transform
FIG. 7 is an explanatory diagram of a deviation correction amount.
[Explanation of symbols]
1 ... Stereo camera
16 ... Affine transformation circuit
20 ... Self-diagnosis department
σ2 ... Dispersion of luminance change
Claims (3)
上記ステレオカメラで撮像した画像内における所定の領域であってステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の候補となる領域に含まれる領域の輝度変化量の分散が所定の下限閾値よりも大きい場合に、ステレオ処理の対象となる一対の元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行を許可する手段と、
上記元画像間の対応位置のズレを算出する処理の実行が許可されたとき、上記輝度変化量の分散が上記下限閾値よりも大きい領域が含まれるように上記元画像にズレ算出の領域を設定し、各領域間の対応位置のズレの分布を算出する手段と、
上記ズレの分布から上記ステレオカメラで撮像した画像の座標変換値を算出し、この座標変換値により上記ステレオカメラの機械的位置ズレを補正する手段とを備えたことを特徴とするステレオカメラの自己診断装置。A self-diagnosis device for a stereo camera that self-diagnose a mechanical position shift between cameras in a stereo camera and corrects the mechanical position shift by image conversion,
Dispersion of the luminance variation of the region included in the candidate and a region of a process for calculating the deviation of corresponding positions between the pair of original image to be stereo processing a predetermined region in the image captured by the stereo camera Means for permitting execution of a process of calculating a shift of a corresponding position between a pair of original images to be subjected to stereo processing when is greater than a predetermined lower threshold ;
When execution of the process of calculating the shift of the corresponding position between the original images is permitted , the shift calculation region is set in the original image so that the variance of the luminance change amount is larger than the lower limit threshold. And a means for calculating a distribution of deviations of corresponding positions between the areas,
A stereo camera self comprising: means for calculating a coordinate conversion value of an image captured by the stereo camera from the distribution of the shift, and correcting a mechanical position shift of the stereo camera based on the coordinate conversion value. Diagnostic device.
上記ズレを算出する範囲と上記シャッター制御手段によるシャッター速度制御のための輝度抽出範囲とを一致させることを特徴とする請求項1記載のステレオカメラの自己診断装置。 Comprising shutter control means for controlling the shutter speed of the stereo camera;
2. The stereo camera self-diagnosis device according to claim 1, wherein a range in which the shift is calculated and a luminance extraction range for shutter speed control by the shutter control unit are matched.
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