JP4734630B2 - Distance measurement method using double image projected on transparent plate - Google Patents
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
本発明は、受動的な手法を用いる距離計測方法に関し、特に、透明板に映る2重像を、可動部を持たない1台の撮像装置で撮影して得られた一枚の画像に基づいて、安価な装置構成及び短い計測時間で、距離計測を行い得るようにした距離計測方法に関する。 The present invention relates to a distance measurement method using a passive technique, and in particular, based on a single image obtained by photographing a double image reflected on a transparent plate with a single imaging device having no movable part. The present invention relates to a distance measurement method that can perform distance measurement with an inexpensive apparatus configuration and a short measurement time.
一般的に、距離計測方法を能動的な手法を用いる方法と、受動的な手法を用いる方法に分けることができる。能動的な距離計測方法では、レーザ光源や空間的光コーディングなどを利用しているので、大がかりな装置が必要で高価なシステムになり、また、計測時間も比較的に長い。 In general, the distance measurement method can be divided into a method using an active method and a method using a passive method. Since the active distance measurement method uses a laser light source or spatial light coding, a large-scale apparatus is required and an expensive system is required, and the measurement time is relatively long.
これに対し、2台又は2台以上のカメラを利用したステレオ距離計測は、受動的検出だけを利用した受動的な距離計測方法として古くから利用されてきた。コンピュータビジョン分野では、3次元幾何学が解析され、この結果を基に多くのバリエーションが提案されてきた。例えば、マルチカメラ(非特許文献1参照)やマルチベースライン(非特許文献2参照)は、システムのコストがあまり問題にならない場合には、対応付けの曖昧さを大きく減少する手法として有効である。 On the other hand, stereo distance measurement using two or more cameras has long been used as a passive distance measurement method using only passive detection. In the field of computer vision, three-dimensional geometry has been analyzed, and many variations have been proposed based on this result. For example, a multi-camera (see Non-Patent Document 1) or a multi-baseline (see Non-Patent Document 2) is effective as a method for greatly reducing the ambiguity of association when the system cost does not matter much. .
しかし、2台又は2台以上のカメラを利用したステレオ距離計測方法では、複数台のカメラと撮影レンズが必要なので、計測装置が高価になる。また、カメラ台数分のキャリブレーションを行う必要があるので、計測準備としてかなりの手間を必要とした。さらに、実際の計測では、カメラ台数分の画像をコンピュータに取り込む必要があり、コンピュータ内にはその台数分に相当する画像用メモリを確保する必要がある。また、カメラ間は同期して時間的に同時に画像を撮影する必要があった。 However, in the stereo distance measuring method using two or more cameras, a plurality of cameras and photographing lenses are required, so that the measuring device becomes expensive. In addition, since it is necessary to perform calibration for the number of cameras, considerable labor is required for measurement preparation. Further, in actual measurement, it is necessary to capture images for the number of cameras into the computer, and it is necessary to secure image memories corresponding to the number of cameras in the computer. In addition, it is necessary to take images simultaneously in time between the cameras in synchronization.
ところで、最近では、ITS分野での交通計測(非特許文献3参照)や歩行者検出(非特許文献4参照)、セキュリティ分野でのセンサとしても、距離計測が利用されるようになり、計測精度や信頼性、ロバスト性だけでなく、コスト面での考慮が必要になってきた。 Recently, distance measurement has come to be used as a traffic measurement in the ITS field (see Non-Patent Document 3), pedestrian detection (see Non-Patent Document 4), and a sensor in the security field. In addition to reliability, robustness, and cost considerations have become necessary.
距離計測におけるコストは、使用するカメラ台数が多くなるほど高くなる。このときのコストは、カメラと撮影レンズだけではなく、画像キャプチャや画像処理で必要とするメモリや計算量も含まれている。このため、1台のカメラによるステレオ距離計測方法が提案されてきた。1台の固定カメラによるステレオ距離計測方法は、画像分割法、複数画像法、複数露出法の3種類に分類することができる。
画像分割法とは、ミラー(非特許文献5、非特許文献6参照)やプリズム(非特許文献7参照)などの光学的な手段を利用して画像を複数の領域に分割することで、つまり、基本的には複数台分のカメラの画像を1台のカメラで同時に撮影できるように工夫したものであり、位置や向きが異なる複数のカメラで撮影した画像を1枚の画像に映し込む手法である。
The image division method is to divide an image into a plurality of regions using optical means such as a mirror (see Non-Patent
画像分割法では、カメラ間での画像濃度やコントラスト、色彩などの差がない。また、時間的に完全に同期した複数の画像を利用するので、動的な対象にも適用でき、リアルタイムのアプリケーションにも応用できる。しかし、1台のカメラの画素数を分割利用するため(つまり、1つの視点からの画像に相当する分割画像の画素数は小さくなるため)、計測精度が低下する問題があった。また、複数台のカメラを利用したステレオ距離計測と同様に、カメラの外部パラメータのキャリブレーションを行う必要がある。 In the image segmentation method, there is no difference in image density, contrast, color, etc. between cameras. In addition, since a plurality of images that are completely synchronized in time are used, it can be applied to dynamic objects and can also be applied to real-time applications. However, since the number of pixels of one camera is divided and used (that is, the number of pixels of a divided image corresponding to an image from one viewpoint is small), there is a problem that measurement accuracy is lowered. In addition, as in the case of stereo distance measurement using a plurality of cameras, it is necessary to calibrate external parameters of the cameras.
また、複数画像法とは、光学的な手段を利用して1台のカメラの位置を等価的に移動しながら複数枚の画像を撮影し、対象までの距離を推定する手法である。例えば、カメラ光軸上に配置した平行平面透明板の光軸に対する角度を変更する(非特許文献8参照)ことや、透明板の角度は一定のままでカメラ光軸に沿って回転する(非特許文献9参照)ことで、カメラ位置の精密な平行移動を実現している。 The multiple image method is a method of capturing a plurality of images while optically moving the position of one camera and estimating the distance to the target. For example, the angle with respect to the optical axis of the parallel flat transparent plate arranged on the camera optical axis is changed (see Non-Patent Document 8), or the angle of the transparent plate remains constant and rotates along the camera optical axis (non- (See Patent Document 9), thereby realizing precise translation of the camera position.
複数画像法では、カメラは平行移動するため、外部パラメータを推定する必要はなく、距離計算が容易である。しかし、複数画像を撮影した後で対象までの距離を求めるため、移動物体に対する距離計測を行うことは原理的に不可能である。また、光学的手段は作動部材を含む機構で構成されているので、その製造のために結果的に高価なシステムになり、調整のために手間のかかる計測になっていた。 In the multiple image method, since the camera moves in parallel, it is not necessary to estimate external parameters, and distance calculation is easy. However, in principle, it is impossible to measure the distance to a moving object in order to obtain the distance to the target after shooting a plurality of images. In addition, since the optical means is composed of a mechanism including an operating member, it results in an expensive system for its manufacture, and it takes time-consuming measurement for adjustment.
そして、複数露出法とは、単一レンズの開口(非特許文献10、非特許文献11参照)や、符号化開口(非特許文献12、非特許文献13、非特許文献14参照)、レンズアレイ(非特許文献15参照)を利用し、異なる位置を通過する光線を1枚の画像に撮影して距離情報を得る手法である。
The multiple exposure method refers to a single lens aperture (see Non-Patent
複数露出法では、複数の開口を設けるために光量に対する使用効率が低下し、レンズ開口でベースライン長が制限される。また、レンズアレイを使った撮影画像における対応点探索の曖昧さに起因する計測精度の低さや、原理的にピンホールによる撮影である符号化開口を使った撮影画像におけるコントラストの低さなどの問題がある。 In the multiple exposure method, since a plurality of openings are provided, the use efficiency with respect to the light amount is reduced, and the baseline length is limited by the lens openings. In addition, problems such as low measurement accuracy due to ambiguity of corresponding point search in captured images using a lens array, and low contrast in captured images using coded apertures, which are in principle taken by pinholes There is.
本発明は、上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、上述した従来の問題点を解決し、透明板に映る2重像を、可動部を持たない1台の撮像装置で撮影して得られた一枚の画像に基づいて、安価な装置構成及び短い計測時間で距離計測を行い得るようにした、透明板に映る2重像を用いた距離計測方法を提供することにある。 The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to capture a double image reflected on a transparent plate with one movable image. Provided is a distance measurement method using a double image reflected on a transparent plate, which can perform distance measurement with an inexpensive apparatus configuration and a short measurement time based on a single image obtained by photographing with an apparatus. There is.
本発明は、透明板に映る2重像を用いた距離計測方法に関し、本発明の上記目的は、両面が平行平面で構成される1枚の透明板と、1台の撮像装置とから構成される距離計測装置を用いて、前記透明板に映る位置ずれのある、計測対象の2重像を前記撮像装置で撮影して得られた一枚の画像に基づいて、2重像間の変位拘束を前記透明板と前記撮像装置の撮影レンズ光学中心との位置関係から幾何学的に導き、導かれた2重像間の変位拘束に基づいて2重像間の変位を計測し、計測された2重像間の変位に対応して、前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離を求めることにより、或いは、前記2重像間の変位拘束に沿って画像の自己相関極大位置を探索することで、前記2重像間の変位を計測することにより、或いは、前記2重像は表面反射像Isと裏面反射像Irとから構成され、前記撮像装置の撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、θsは前記表面反射像Isと前記裏面反射像Irとの間の角度視差で、nは空気に対する前記透明板の相対屈折率で、dは前記透明板の厚さで、θiは前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度であることにより、或いは、前記2重像は、反射無し透過像(即ち、透明板内部での反射がない透過像)と2回反射透過像(即ち、透明板内部で2回反射した後の透過像)とから構成され、前記撮像装置の撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、θsは前記反射無し透過像と前記2回反射透過像との間の角度視差で、nは空気に対する前記透明板の相対屈折率で、dは前記透明板の厚さで、θiは前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度であることにより、或いは、前記2重像上の注目点に対する対応位置探索を拘束直線上に限って行うことにより、或いは、前記撮像装置は、固体撮像素子を用いるものであることによって効果的に達成される。
The present invention relates to a distance measuring method using a double image appearing on a transparent plate, the object of the present invention is composed of both sides one and the transparent plate consists of parallel planes, and one of the imaging apparatus Displacement measurement between the double images based on a single image obtained by photographing the double image to be measured with the imaging device having a positional deviation reflected on the transparent plate. Is derived geometrically from the positional relationship between the transparent plate and the optical center of the imaging lens of the imaging device, and the displacement between the double images is measured based on the displacement constraint between the derived double images. Corresponding to the displacement between the double images, the autocorrelation maximum position of the image is searched by obtaining the distance from the optical center of the photographing lens to the measurement object or along the displacement constraint between the double images. By measuring the displacement between the double images , or Image is composed of a front surface reflection image I s and rear surface reflection image I r, the distance from the photographing lens optical center of the imaging device to the measurement target
Is obtained by the following formula:
However, theta s at an angle disparity between the rear surface reflection image I r and the surface reflection image I s, n is a relative refractive index of the transparent plate to air, d is a thickness of the transparent plate, theta i is an angle formed by the optical axis of the photographing lens of the image pickup apparatus and the transparent plate, or the double image is a non-reflection transmission image (that is, a transmission image without reflection inside the transparent plate). And a twice reflected transmission image (that is, a transmission image after being reflected twice inside the transparent plate), and a distance from the optical center of the imaging lens of the imaging device to the measurement target
Is obtained by the following formula:
Where θ s is the angular parallax between the non-reflective transmitted image and the twice reflected transmitted image, n is the relative refractive index of the transparent plate with respect to air, d is the thickness of the transparent plate, and θ i Is an angle formed by the optical axis of the photographic lens of the imaging device and the transparent plate , or by performing a corresponding position search with respect to a point of interest on the double image only on a constrained straight line , or The imaging device is effectively achieved by using a solid-state imaging device .
また、本発明の上記目的は、非平行度を持つ1枚の透明板と、1台の撮像装置とから構成される距離計測装置を用いて、前記透明板に映る位置ずれのある、計測対象の2重像を前記撮像装置で撮影して得られた一枚の画像に基づいて、2重像間の変位拘束を前記透明板と前記撮像装置の撮影レンズ光学中心との位置関係、及び前記非平行度から幾何学的に導き、導かれた2重像間の変位拘束に沿って画像の自己相関極大位置を探索することで、前記非平行度を考慮した2重像間の変位を計測し、計測された前記非平行度を考慮した2重像間の変位に対応して、前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離を求めることにより、或いは、前記2重像は表面反射像I s と裏面反射像I r とから構成され、前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、dは、一定と近似された前記透明板の厚さであり、θ s は前記表面反射像I s と前記裏面反射像I r との間の角度視差であり、θ i は前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度であり、θ p は拘束直線の方向に沿った前記非平行度を表す角度であり、θ o は前記計測対象から前記透明板の表面に入射する透過光の入射角であり、θ t は前記透過光が前記透明板の裏面に到達し、前記裏面で前記透過光の一部が反射し、再び前記表面を透過するときの入射角であり、D c は前記計測対象からの光線が前記透明板の前記表面で反射する位置を原点とする座標系において、前記原点から前記撮影レンズ光学中心までの距離であり、D o は前記原点から前記計測対象までの距離であることにより、或いは、前記距離計測装置のキャリブレーションを行うことにより、前記D c を測定することにより、或いは、前記2重像上の注目点に対する対応位置探索を、互いに平行する2本の拘束直線上に限って行うことにより、或いは、前記撮像装置は、固体撮像素子を用いるものであることにより、或いは、前記透明板は透明アクリル板であり、また、前記撮像装置はCCDカメラであることによってより一層効果的に達成される。
In addition, the object of the present invention is to use a distance measuring device composed of one transparent plate having non-parallelism and one imaging device, and a measurement object having a positional deviation reflected on the transparent plate. the double image based on a single image obtained by imaging by the imaging device, the positional relationship between the photographing lens optical center of the transparent plate and the imaging device displacement constraint between double image, and the Geometrically derived from the non-parallelism, and by searching for the autocorrelation maximum position of the image along the displacement constraint between the derived double images, the displacement between the double images in consideration of the non-parallelism is measured. Then, in response to the measured displacement between the double images in consideration of the non-parallelism, the distance from the optical center of the photographing lens to the measurement object is obtained, or the double image is a surface reflection image. is composed of a I s and the rear surface reflection image I r, before the pre-Symbol shooting lens optical center The distance to the measurement object
Is obtained by the following formula:
However, d is the thickness of the transparent plate which is approximated as constant, theta s is the angle disparity between the rear surface reflection image I r and the surface reflection image I s, theta i is the imaging device Is an angle formed by the optical axis of the photographic lens and the transparent plate, θ p is an angle representing the non-parallelism along the direction of the constraint straight line, and θ o is the surface of the transparent plate from the measurement target The incident angle of incident transmitted light, θ t is the incident angle when the transmitted light reaches the back surface of the transparent plate, a part of the transmitted light is reflected on the back surface, and is transmitted through the surface again. There, D c in the coordinate system a ray as the origin position which is reflected by the surface of the transparent plate from the measurement target, a distance from the origin to the photographing lens optical center, D o from the origin By being the distance to the measurement object , or of the distance measurement device By performing calibration, the by measuring D c, or the corresponding position location for the target point on the double image, by performing only two captive on a straight line parallel to each other, or, The image pickup device is achieved more effectively by using a solid-state image pickup device, or the transparent plate is a transparent acrylic plate, and the image pickup device is a CCD camera .
本発明に係る透明板に映る2重像を用いた距離計測方法を用いれば、両面が平行平面で構成される透明板に映る位置ずれのある2重像の変位拘束を導き、導かれた2重像の変位拘束に沿って画像の自己相関極大位置を探索することで2重像間の変位を計測し、そして、計測された2重像間の変位に対応して、計測対象との距離を簡単に求めることができる。 If the distance measuring method using the double image reflected on the transparent plate according to the present invention is used, the displacement restraint of the double image having a positional deviation reflected on the transparent plate composed of parallel planes on both sides is derived and derived. The displacement between the double images is measured by searching for the autocorrelation maximum position of the image along the displacement constraint of the multiple images, and the distance from the measurement object corresponding to the measured displacement between the double images. Can be easily obtained.
本発明によれば、1枚の安価な透明板(例えば、透明アクリル板)及び可動部を持たない1台の撮像装置(例えば、CCDカメラ)という極めて簡単な装置構成と短い計測時間で、低コスト且つ高精度に距離計測を行うことができるという優れた効果を奏する。 According to the present invention, a low-cost transparent plate (for example, a transparent acrylic plate) and a single image pickup device (for example, a CCD camera) having no movable part and a very simple apparatus configuration and a short measurement time can be used. An excellent effect of being able to perform distance measurement at high cost and high accuracy is achieved.
つまり、本発明の距離計測方法において、従来の1台のカメラによるステレオ距離計測方法における必要である駆動機構や特殊な光学系などの高価な部品が、一切不要である。しかも、本発明では、透明板として、透明アクリル板を用いた場合に、完全な平行板だけではなく、市販されている量産品で非平行度を持つ透明アクリル板を利用することもできる。 That is, in the distance measuring method of the present invention, expensive parts such as a driving mechanism and a special optical system that are necessary in the conventional stereo distance measuring method using one camera are unnecessary. Moreover, in the present invention, when a transparent acrylic plate is used as the transparent plate, not only a completely parallel plate but also a commercially available mass-produced transparent acrylic plate having non-parallelism can be used.
また、本発明を静的な計測対象に適用できるのだけでなく、動的な計測対象にも適用できるので、リアルタイム用途を含めた実際のアプリケーションをはじめとする幅広い分野に本発明を応用することが可能である。 Moreover, since the present invention can be applied not only to a static measurement target but also to a dynamic measurement target, the present invention can be applied to a wide range of fields including actual applications including real-time applications. Is possible.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明では、両面が平行平面で構成される透明板に映る2重像を、可動部を持たない1台の撮像装置(その一例として、CCDカメラ)で撮影した1枚の画像を使って、距離計測を行うようにしている。 In the present invention, using a single image taken by a single imaging device (a CCD camera as an example) having a double image reflected on a transparent plate whose both surfaces are parallel planes, Distance measurement is performed.
ところで、透明板に入射する光線は、透明板表面の反射光(以下、これを表面反射像Isと呼ぶことにする)と透過光とに分かれる。この透過光は透明板の裏面に到達するが、裏面で一部が反射し、再び表面を透過する(以下、これを裏面反射像Irと呼ぶことにする)。従って、このような平行平面透明板に映る像は、位置ずれのある2重像として観測できる。この2重像は、小さなベースラインを持つステレオ画像が重なって撮影された画像と考えることができる。 Meanwhile, light rays incident on the transparent plate, reflected light of the transparent plate surface (hereinafter, this will be referred to as the surface reflection image I s) and divided into a transmitted light. This transmitted light reaching the backside of the transparent plate, a portion is reflected by the back surface, again transmitted through the surface (hereinafter, will be referred to as a rear surface reflection image I r). Therefore, an image reflected on such a parallel flat transparent plate can be observed as a double image with a positional shift. This double image can be considered as an image obtained by overlapping stereo images having a small baseline.
本発明に係る距離計測方法で使用される距離計測装置の基本的な構成を図1(A)に示す。図1(A)に示されるように、本発明の距離計測方法で使用される距離計測装置は、可動部を持たない1台の撮像装置と、両面が平行平面で構成される透明板(以下、単に平行平面透明板、或いは、透明板とも称する)とから構成されている。 A basic configuration of a distance measuring device used in the distance measuring method according to the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1A, a distance measuring device used in the distance measuring method of the present invention includes a single imaging device having no movable part, and a transparent plate (hereinafter referred to as a parallel plate). Simply referred to as a parallel flat transparent plate or a transparent plate).
本発明を実施するための最良の形態において、可動部を持たない1台の撮像装置として、CCDカメラ(以下、単にカメラとも称する)を用いる。図1(A)の距離計測装置によって得られた画像(2重像)の一例を図1(B)に示す。 In the best mode for carrying out the present invention, a CCD camera (hereinafter, also simply referred to as a camera) is used as one image pickup apparatus having no movable part. An example of an image (double image) obtained by the distance measuring device in FIG. 1A is shown in FIG.
なお、本発明で使用される距離計測装置の撮像装置として、固体撮像素子を用いる撮像装置であれば良いので、CCDカメラに限定する必要がなく、例えば、CMOSイメージセンサを用いるCMOSカメラを用いるようにしても良い。 Note that the imaging device of the distance measuring device used in the present invention may be an imaging device that uses a solid-state imaging device, and thus is not limited to a CCD camera. For example, a CMOS camera using a CMOS image sensor is used. Anyway.
本発明の距離計測方法の最大な特徴として、図1(B)に示すような2重像間の変位拘束を透明板とカメラとの位置関係から幾何学的に導き、そして、この変位拘束に沿って画像の自己相関極大位置を探索することで、2重像間の変位を計測し、計測された変位に対応して計測対象との距離を求めるようにすることである。以下、本発明を詳細に説明する。
<1>平行平面透明板に映る2重像の性質
以下では、まず、本発明で使用される距離計測装置の構成要件の1つである平行平面透明板に映る2重像の性質を示す。そして、2重像間の角度視差と対象との距離の関係、変位方向拘束、画像の自己相関の極大位置を探索することによる変位の検出などの本発明に係る距離計測方法で利用される基本的な性質を詳細に説明する。
<1−1>2重像間の角度視差と対象までの距離
図2は、図1(A)の構成を有する距離計測装置の基本的な幾何学関係を説明するための模式図である。
As the greatest feature of the distance measuring method of the present invention, the displacement constraint between the double images as shown in FIG. 1B is geometrically derived from the positional relationship between the transparent plate and the camera, and this displacement constraint is By searching for the autocorrelation maximum position along the image, the displacement between the double images is measured, and the distance from the measurement object is obtained in accordance with the measured displacement. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<1> Properties of Double Image Reflected on Parallel Plane Transparent Plate First, the properties of a double image reflected on a parallel plane transparent plate, which is one of the components of the distance measuring device used in the present invention, will be described first. Basics used in the distance measurement method according to the present invention, such as the relationship between the angle parallax between the double images and the distance between the objects, displacement direction constraint, and displacement detection by searching for the maximum position of the autocorrelation of the image The general properties will be described in detail.
<1-1> Angle Parallax Between Double Images and Distance to Object FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a basic geometric relationship of the distance measuring device having the configuration of FIG.
図2に示すように、表面反射像Isと裏面反射像Irとの間の角度視差θsは、空気に対する透明板の相対屈折率n(以下、単に屈折率nとも称する)、透明板の厚さd(以下、単に厚さd、或いは、板厚dとも称する)、カメラ光軸と透明板との成す角度(以下、単に入射角度とも称する)θi、及び計測対象である物体(ここで、説明を簡単にするために、以下、物体中の1点を計測対象とする。)までの距離によって変化する。 As shown in FIG. 2, the angle disparity theta s between the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r is the transparent plate relative refractive index n for the air (hereinafter, simply referred to as the refractive index n), a transparent plate Thickness d (hereinafter also simply referred to as thickness d or plate thickness d), an angle (hereinafter also simply referred to as an incident angle) θ i formed by the optical axis of the camera and the transparent plate, and an object to be measured ( Here, in order to simplify the explanation, the distance varies depending on the distance to one point in the object.
計測対象(以下、単に対象と称する)とカメラ光学中心、及び透明板の法線ベクトルを通る平面上での光線を考えることで、表面反射像Isと裏面反射像Irとの間の角度視差(以下、単に2重像間の角度視差とも称する)と対象までの距離の基本的な関係を説明する。この平面(即ち、後述する拘束平面)は、透明板の法線ベクトルを含むので、対象から来る光線の反射や屈折は、この平面上で記述することができる。 Measurement object by considering the ray on the plane passing through (hereinafter, simply referred to as object) and the camera optical center, and the normal vector of the transparent plate, the angle between the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r A basic relationship between parallax (hereinafter, also simply referred to as angular parallax between double images) and a distance to a target will be described. Since this plane (that is, a constraining plane described later) includes a normal vector of the transparent plate, reflection and refraction of light rays coming from the object can be described on this plane.
ここで、対象からの光線が透明板上で反射する位置を原点とする座標系(ξ,υ)を設定する。座標系(ξ,υ)の原点から対象までの距離をDoとし、また、座標系(ξ,υ)の原点からカメラ光学中心までの距離をDcとする。 Here, a coordinate system (ξ, υ) with the position where the light beam from the object is reflected on the transparent plate as the origin is set. The distance from the origin of the coordinate system (ξ, υ) to the object is D o, and the distance from the origin of the coordinate system (ξ, υ) to the camera optical center is D c .
従って、座標系(ξ,υ)における対象の位置とカメラ光学中心位置は、それぞれ(−Dosinθi,Docosθi)及び(Dcsinθi,Dccosθi)となるので、透明板の表面反射と裏面反射に関して、これらの位置をξ軸上に投影することで、下記数1で表す関係を得る。
Accordingly, the object position and the camera optical center position in the coordinate system (ξ, υ) are (−D o sinθ i , D o cosθ i ) and (D c sinθ i , D c cosθ i ), respectively, and therefore transparent. By projecting these positions on the ξ axis with respect to the front surface reflection and back surface reflection of the plate, the relationship expressed by the following
また、Do=∞のとき、すなわち、対象が無限遠方にあるときに、θsは最小値0をとる。ただし、これは、透明板が完全な平行平面のときのものである。なお、後述する本発明で使用される距離計測装置の詳細な構成では、透明板が完全な平行平面でないときも、つまり、透明板の平行度も考慮して説明を行う。
Further, when D o = ∞, that is, when the object is at infinity, θ s takes the
ところで、表面反射像Isと裏面反射像Irは、小さなベースラインを持つステレオ画像と考えることができる。対象が無限遠方にあるとき、このベースライン長は、下記数3のように計算することができる。 Meanwhile, the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r can be considered as a stereo image having a small baseline. When the object is at infinity, this baseline length can be calculated as
<1−2>距離計測装置の別の幾何学関係
本発明で使用される距離計測装置について、図2に示すような基本的な幾何学関係、即ち、表面反射像と裏面反射像を利用することができるだけではなく、透明板内部での反射がない透過像(以下、単に反射なし透過像とも称する)と内部で2回反射した後の透過像(以下、単に2回反射透過像とも称する)を利用することもできる。図4に、本発明で使用される距離計測装置の別の幾何学関係(つまり、透過像を利用する)を示す。
<1-2> Another Geometric Relationship of Distance Measuring Device For the distance measuring device used in the present invention, a basic geometric relationship as shown in FIG. 2, that is, a front surface reflection image and a back surface reflection image are used. In addition, the transmission image without reflection inside the transparent plate (hereinafter also simply referred to as non-reflection transmission image) and the transmission image after reflection twice inside (hereinafter also simply referred to as double reflection transmission image). Can also be used. FIG. 4 shows another geometric relationship (that is, using a transmission image) of the distance measuring apparatus used in the present invention.
図4に示されるように、反射なし透過像と2回反射透過像について、数1と同様に、ξ軸上に投影すると、下記数5で表す関係を得る。
As shown in FIG. 4, when the non-reflection transmission image and the twice-reflection transmission image are projected on the ξ axis in the same manner as
<1−3>透明板の反射率
以下では、透明板の表面反射像と裏面反射像の輝度の関係を示す。透明板の表面や裏面に反射膜や反射防止膜をコーティングすることによって、反射率は大きく異なる。このため、以下のように、コーティングがある場合と、コーティングがない場合に分けて説明する。
<1−3−1>コーティングがない場合
図5に示すように、対象からの光線が空気中を通り透明板表面に到達するとき、表面での反射率kr (1)は、下記数7のフレネルの公式で表すことができる。
<1-3> Reflectivity of transparent plate Hereinafter, the relationship between the luminance of the front surface reflection image and the rear surface reflection image of the transparent plate is shown. The reflectance varies greatly by coating the front and back surfaces of the transparent plate with a reflection film or an antireflection film. For this reason, it demonstrates separately with the case where there exists a coating and the case where there is no coating as follows.
<1-3-1> When there is no coating As shown in FIG. 5, when the light beam from the target passes through the air and reaches the transparent plate surface, the reflectance k r (1) on the surface is expressed by the following formula 7 Can be represented by the Fresnel formula.
次に、光線が透明板の裏面に到達するとき、透明板内部への反射率kr (2)は、同様に下記数8のように表すことができる。 Next, when the light beam reaches the back surface of the transparent plate, the reflectance k r (2) to the inside of the transparent plate can be similarly expressed by the following equation (8) .
従って、裏面反射像の合成反射率kt <1>は、下記数10のようになる。
Therefore, the composite reflectance k t <1> of the back surface reflection image is as shown in the following
なお、透明板内部では、さらに反射と透過を繰り返し、裏面反射像として観測されるはずである。n段目の裏面反射像の合成反射率kt <n>は、下記数11のようになる。 In addition, inside the transparent plate, reflection and transmission should be further repeated and observed as a back-surface reflection image. The composite reflectance k t <n> of the n-th back surface reflection image is as shown in the following equation ( 11).
しかし、透明板に反射膜コーティングがない場合には、2重像を作る反射率は、総じて数%〜10%程度であるため、2重像はかなり暗い(カメラ単体での撮影に対して3絞り程度暗い)。 However, when there is no reflective film coating on the transparent plate, the reflectivity for forming a double image is generally several percent to 10%, so the double image is quite dark (3 for shooting with a single camera). The aperture is dark.
一方、反射なし透過像と2回反射透過像を利用する図4のような幾何学関係の場合には、それぞれの像に対応する反射率は、下記数14、数15のようになる。
On the other hand, in the case of the geometrical relationship as shown in FIG. 4 using the non-reflective transmitted image and the twice-reflected transmitted image, the reflectance corresponding to each image is as shown in the following
<1−3−2>コーティングがある場合
ところで、金属(クロム)膜や誘電体多層膜を透明板にコーティングすることで、ハーフミラーを作ることができる。このコーティングによって、反射率を変化させることができる。ここでは、反射膜コーティングによって2重像をより明るく、しかも2重像間の明るさが同じになるような反射率と透過率について検討する。
<1-3-2> When there is a coating By the way, a half mirror can be made by coating a transparent plate with a metal (chromium) film or a dielectric multilayer film. With this coating, the reflectance can be changed. Here, the reflectance and the transmittance are examined so that the double image becomes brighter and the brightness between the double images becomes the same by the reflection film coating.
コーティングがない場合と同様に、透明板表面での反射率と透過率をそれぞれkr (s)とkt (s)、透明板裏面での反射率と透過率をそれぞれkr (r)とkt (r)とする。このとき、コーティング膜での吸収があるので、kr+kt≦1である。 As in the case without the coating, the reflectance and transmittance on the transparent plate surface are k r (s) and k t (s) , respectively, and the reflectance and transmittance on the back surface of the transparent plate are k r (r) , respectively. Let k t (r) . At this time, k r + k t ≦ 1 because there is absorption in the coating film.
1段目の裏面反射像の合成反射率kt <1>は、下記数16のようになる。 The composite reflectance k t <1> of the first-stage back-surface reflection image is expressed by the following equation ( 16).
反射なし透過像と2回反射透過像を利用する図4のような幾何学関係の場合には、それぞれの像に対応する反射率は、下記数21、数22のようになる。 In the case of the geometrical relationship as shown in FIG. 4 using the non-reflective transmitted image and the twice-reflected transmitted image, the reflectance corresponding to each image is expressed by the following equations (21) and (22).
まとめると、反射像を利用するときは反射率を小さく、透過像を利用するときは反射率を大きくすると、都合がよい。 In summary, it is convenient to reduce the reflectance when using a reflected image and increase the reflectance when using a transmitted image.
このため、図2に示されるような反射像を利用することに基づいた距離計測装置を構成する場合には、透明板にコーティングの必要がないので、透明板をそのまま使用でき、簡単に距離計測装置を構成することができる。 For this reason, when a distance measuring device based on the use of a reflected image as shown in FIG. 2 is configured, since the transparent plate does not require coating, the transparent plate can be used as it is, and distance measurement can be easily performed. A device can be configured.
一方、図4に示されるような透過像を利用することに基づいた距離計測装置を構成する場合には、透明板の両面がハーフミラーになるようにコーティングする必要があると共に、3重以上の多重像から角度視差を求める必要もあるので、距離計測装置を構成するのにすこし手間がかかる。 On the other hand, in the case of configuring a distance measuring device based on using a transmission image as shown in FIG. 4, it is necessary to coat so that both surfaces of the transparent plate become half mirrors, and more than three layers. Since it is necessary to obtain the angle parallax from the multiple images, it takes a little time to configure the distance measuring apparatus.
なお、以後は、反射像を利用する図2の幾何学関係に基づいて構成された距離計測装置について検討を進める。また、反射像を利用する図2の幾何学関係に基づいて構成された距離計測装置を使用する前提で、本発明の距離計測方法を詳細に説明する。
<1−4>2重像間の変位方向拘束
<1−1>で示したように、対象中の1点に対する2重像間の変位は、図2のように透明板の法線ベクトルを含む平面上での反射と屈折として表すことができる。本発明では、この平面を拘束平面と呼ぶことにする。ここでは、透明板からの反射像をカメラで撮影したときに、画像上の位置に対応する2重像の変位拘束を調べる。
In the following, the distance measuring device configured based on the geometrical relationship of FIG. Further, the distance measurement method of the present invention will be described in detail on the premise that the distance measurement device configured based on the geometrical relationship of FIG.
<1-4> Displacement direction constraint between double images As shown in <1-1>, the displacement between double images with respect to one point in the object is expressed by the normal vector of the transparent plate as shown in FIG. It can be expressed as reflection and refraction on the containing plane. In the present invention, this plane is called a constraining plane. Here, when a reflected image from the transparent plate is taken with a camera, the displacement constraint of the double image corresponding to the position on the image is examined.
図7に示すように、カメラ光学中心Oをカメラ座標原点とする座標系を設定する。透明板を、Z軸に垂直な平面に対して角度θmだけ傾いて配置する。透明板の法線ベクトル
は、関係式導出における符号の扱いやすさの都合上、裏面向きに設定している。カメラ座標原点(以下、単に原点とも称する)と画像面との距離は、CCDの画素間隔を単位として、計測したレンズ焦点距離f/δとする。2重像の変位拘束は、画像面と拘束平面との交線で表すことができる。
As shown in FIG. 7, a coordinate system with the camera optical center O as the camera coordinate origin is set. The transparent plate is disposed at an angle θ m with respect to a plane perpendicular to the Z axis. Transparency normal vector
Is set in the direction of the back side for the convenience of handling the code in the derivation of the relational expression. The distance between the camera coordinate origin (hereinafter also simply referred to as the origin) and the image plane is defined as the measured lens focal length f / δ with the CCD pixel interval as a unit. The displacement constraint of the double image can be expressed by an intersection line between the image plane and the constraint plane.
拘束平面の正規化前の法線ベクトルを、(c1,c2,1)とする。拘束平面の法線ベクトルは、原点から画像面上の位置
へのベクトルと、透明板の法線ベクトル
とに直交するので、下記数23、数24に示されるように、内積がともに0になる。
The normal vector before normalization of the constraint plane is defined as (c 1 , c 2 , 1). The normal vector of the constraint plane is the position on the image plane from the origin.
Vector to and normal vector of transparent board
Therefore, as shown in the following equations 23 and 24, the inner products are both 0.
を通る直線を表している。図8に、例として、画像サイズ1024×768[画素]、f/δ=1070.0591、θm=45[度]のときの、画像上の各位置に対する拘束直線の方向を示す。図8において、矢印の向きは、裏面反射像に対する表面反射像の向きを表している。
Represents a straight line passing through. FIG. 8 shows, as an example, the direction of the constraint straight line for each position on the image when the image size is 1024 × 768 [pixel], f / δ = 1070.0591, and θ m = 45 [degrees]. In FIG. 8, the direction of the arrow represents the direction of the front surface reflection image with respect to the back surface reflection image.
カメラ座標で表した画像上の位置
に対応する2重像の位置を拘束直線上で探索した結果、位置
から画素単位で表す符号付き距離Δの位置に見つかったとする。このとき、2重像間の角度視差θsは、下記数26のように求めることができる。
Position on the image in camera coordinates
As a result of searching for the position of the double image corresponding to
And a signed distance Δ expressed in pixel units. At this time, the angular parallax θ s between the double images can be obtained as in the following Expression 26.
である。
It is.
また、θiは、下記数27のように求めることができる。 Further, θ i can be obtained as in the following Expression 27.
<1−5>自己相関による対応位置探索
2重像画像中のある注目位置に対する対応位置は、拘束直線上を探索すればよいことがわかった。ここでは、拘束直線上の画素値を取り出した1次元関数の自己相関を使って、対応位置を探索する方法を説明する。
<1-5> Corresponding position search by autocorrelation It has been found that the corresponding position for a certain target position in the double image may be searched on a constraining straight line. Here, a method for searching for a corresponding position using autocorrelation of a one-dimensional function obtained by extracting pixel values on a constraint line will be described.
変数tに対する関数f(t)の自己相関関数
は、下記数28のように定義される。
Autocorrelation function of function f (t) for variable t
Is defined as in Equation 28 below.
は、τに関する偶関数で、τ=0で最大値を取る。関数f(t)に周期性がないときは、その自己相関関数
は、τ=0で極大且つ最大値を取る。
Is an even function related to τ and takes a maximum value when τ = 0. If the function f (t) is not periodic, its autocorrelation function
Takes a maximum and maximum value at τ = 0.
関数f(t)として、2重像画像中のある注目位置を通り、拘束直線上の画素値を取り出した関数を考える。2重画像間の変位をΔ、2重画像を構成する中の1枚の画像をI(t)とすると、2重像はf(t)=I(t)+I(t−Δ)と表すことができる。このf(t)に対する自己相関関数
は、下記数29のようになる。
As a function f (t), consider a function that takes out a pixel value on a constraining line through a certain position of interest in a double image. When the displacement between the double images is Δ, and one of the images constituting the double image is I (t), the double image is expressed as f (t) = I (t) + I (t−Δ). be able to. Autocorrelation function for this f (t)
Is as shown in Equation 29 below.
図9(A)に、注目点
に対する拘束直線を示す。拘束直線の長さは、探索範囲を示す。対象までの距離が大きくなると、次第に対応位置が注目点に近づき、Do=∞のときには完全に一致する。図9(B)に、2重像間変位量に対応する自己相関関数の例を示す。対応点は、この自己相関関数の第2極大位置を探索することで求められるが、2重像間変位Δが小さくなると、即ち、対象までの距離が大きくなると、第2極大が分離できなくなることがわかる。しかし、この問題に関しては、後述する簡単な解決策を示している。
<2>距離計測装置の構成及びキャリブレーション
<2−1>距離計測装置の構成例
カメラと透明板を図10に示されるように配置して本発明で使用される距離計測装置を構成した。カメラには、市販のディジタルカメラを利用した。撮影レンズの焦点距離は、f=7.09[mm](公称)である。この焦点距離と公称撮像面サイズ(6.91×5.18[mm])を使って、下記数30、数31を用いて、水平画角FOVhと垂直画角FOVvを求め、適切な透明板サイズの選択と配置に利用した。
Figure 9 (A) shows the points of interest
A constraining straight line with respect to is shown. The length of the constraint straight line indicates the search range. As the distance to the object increases, the corresponding position gradually approaches the point of interest, and completely matches when D o = ∞. FIG. 9B shows an example of an autocorrelation function corresponding to the amount of displacement between double images. The corresponding point can be obtained by searching for the second maximum position of the autocorrelation function. However, when the displacement Δ between the double images decreases, that is, when the distance to the object increases, the second maximum cannot be separated. I understand. However, regarding this problem, a simple solution described later is shown.
<2> Configuration and Calibration of Distance Measuring Device <2-1> Configuration Example of Distance Measuring Device A distance measuring device used in the present invention was configured by arranging a camera and a transparent plate as shown in FIG. A commercially available digital camera was used as the camera. The focal length of the photographing lens is f = 7.09 [mm] (nominal). Using this focal length and the nominal imaging surface size (6.91 × 5.18 [mm]), the horizontal field angle FOV h and the vertical field angle FOV v are obtained using the following
<2−2>カメラ内部パラメータのキャリブレーション
ここで、カメラ内部パラメータのキャリブレーション方法について述べる。
<2-2> Calibration of Camera Internal Parameters Here, a method for calibrating camera internal parameters will be described.
カメラ内部パラメータは、公開されているキャリブレーションツール(非特許文献16参照)を使って求めた。図11に、キャリブレーションに利用した画像の一例を示す。このような画像を18枚使って、カメラ内部パラメータのキャリブレーションを行った。 The camera internal parameters were obtained using a publicly disclosed calibration tool (see Non-Patent Document 16). FIG. 11 shows an example of an image used for calibration. The camera internal parameters were calibrated using 18 such images.
カメラの画素数は2048×1536[画素]だが、計算時間短縮のため、バイキュービック補間によって1024×768[画素]に縮小した。キャリブレーションによって求めたパラメータは、CCD画素間隔で測ったレンズ焦点距離f/δ=1070.0591と、画像中心(cu,cv)=(−7.8384,−12.7181)である。同時に得られる歪曲収差パラメータを使って、画像から歪曲収差を取り除いた。
<3>透明板の非平行度と取付角度の検討、及び距離計測手順
<3−1>透明板の非平行度の影響
透明アクリル板は、完全な平行板のように思えるが、厳密には平行ではない。市販されている量産品である透明アクリル板は、完全な平行板ではなく、非平行度を持つ。
Although the number of pixels of the camera is 2048 × 1536 [pixels], it has been reduced to 1024 × 768 [pixels] by bicubic interpolation in order to shorten the calculation time. The parameters obtained by calibration are the lens focal length f / δ = 1070.0591 measured at the CCD pixel interval, and the image center (c u , c v ) = (− 7.8384, −12.1811). Distortion was removed from the image using the distortion parameters obtained at the same time.
<3> Examination of non-parallelism and mounting angle of transparent plate and distance measurement procedure <3-1> Influence of non-parallelism of transparent plate The transparent acrylic plate seems to be a perfect parallel plate, but strictly speaking, Not parallel. A transparent acrylic plate, which is a mass-produced product on the market, is not a perfect parallel plate but has non-parallelism.
ここでは、まず、図2の拘束平面上で透明板の非平行度の影響を調べる(例えば、本発明で使用される距離計測装置において、透明板として市販されている透明アクリル板を用いた場合)。 Here, first, the influence of the non-parallelism of the transparent plate is examined on the constraining plane of FIG. 2 (for example, in the case of using a transparent acrylic plate that is commercially available as a transparent plate in the distance measuring device used in the present invention) ).
図12に示すように、図2と同様な拘束平面上での光線の反射と屈折に影響する非平行度として、角度θpを考える。このとき、数1と同様に、下記数32を得る。
As shown in FIG. 12, as the non-parallelism affecting the reflection and refraction of light rays on the same constraint plane as Figure 2, consider the angle theta p. At this time, similarly to
しかし、θi=45[度]、θp=0.058[度]、θs<8[度]のとき、実際に第1項に対する重みを計算すると、下記数34のようになる。 However, when θ i = 45 [degrees], θ p = 0.058 [degrees], and θ s <8 [degrees], when the weight for the first term is actually calculated, the following equation 34 is obtained.
また、θoとθtは、図12に示すように、それぞれ下記数35と数36で表す角度である。 Further, θ o and θ t are angles represented by the following formulas 35 and 36, respectively, as shown in FIG.
対象が無限遠方にあるときには、数33の分母が0になり、下記数37が得られる。 When the object is at infinity, the denominator of Equation 33 becomes 0, and the following Equation 37 is obtained.
なお、θp<0[度]のときには、図13から容易に想像できるように、ある距離において、角度視差θsが0[度]となり、2重像が重なる。このため、自己相関を利用した対応位置探索では、計測距離に制限が生じる。さらに、距離が大きくなると、表面反射像Isと裏面反射像Irの変位関係が逆になり、角度視差は次第に大きくなる。しかし、2重像の自己相関からは表面反射像Isと裏面反射像Irの変位の向きを検出できない。このため、自己相関を利用した対応位置探索では、正しい距離を求めることができなくなる。従って、本発明で使用される距離計測装置を構成するときに、θp>0[度]になるように透明板を配置する必要がある。
<3−2>透明板の非平行度の推定
次に、図10に示す構成で撮影した2重像を利用して、透明板の非平行度を求める方法を説明する。
When θ p <0 [degree], as can be easily imagined from FIG. 13, the angle parallax θ s becomes 0 [degree] at a certain distance, and the double images overlap. For this reason, in the corresponding position search using autocorrelation, the measurement distance is limited. Further, when the distance increases, the displacement relationship between the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r is reversed, the angle disparity gradually increases. However, not detect the displacement of the orientation of front surface reflection image I s and rear surface reflection image I r from the autocorrelation of the double image. For this reason, a correct distance cannot be obtained in the corresponding position search using autocorrelation. Therefore, when configuring the distance measuring device used in the present invention, it is necessary to arrange the transparent plate so that θ p > 0 [degrees].
<3-2> Estimation of Non-Parallelity of Transparent Plate Next, a method for obtaining the non-parallelism of the transparent plate using a double image taken with the configuration shown in FIG. 10 will be described.
<3−1>で述べた理由によって、無限遠方の対象が図14のような2重像の変位関係になるように、透明板の上下左右裏表を選択して配置する。図14に示されるこの変位関係は、透明板に映る画像を観察しながら、一部を遮るなどすれば容易に判断できる。また、透明板の厚さを実際に計測して判断することもできる。 For the reason described in <3-1>, the upper, lower, left, and right sides of the transparent plate are selected and arranged so that the object at infinity is in a double image displacement relationship as shown in FIG. This displacement relationship shown in FIG. 14 can be easily determined by observing an image reflected on the transparent plate and blocking a part thereof. Further, the thickness of the transparent plate can be actually measured and judged.
このように配置した距離計測装置を使って、図15(A)に示すような無限遠方と見なせるような画像を撮影する。画像の中央部分の赤色矩形で囲む部分を使って、2次元自己相関関数を求めた結果を、図15(C)、(D)に示す。図15(D)から、第2及び第3極大位置は
であり、自己相関関数からはIsとIrの変位関係を求めることはできないが、先に述べて理由で、下記数39で表す、変位原点に対して右下方向の極大位置
を利用する。
Using the distance measuring device arranged in this way, an image that can be regarded as infinitely far away as shown in FIG. FIGS. 15C and 15D show the results of obtaining the two-dimensional autocorrelation function using the portion surrounded by the red rectangle at the center of the image. From FIG. 15D, the second and third maximum positions are
, And the but from the autocorrelation function can not be obtained displacement relationship I s and I r, for reasons stated earlier, expressed by the following Expression 39, the maximum position of the lower right direction with respect to the displacement origin
Is used.
から、水平方向と垂直方向に対応する角度視差θsh *とθsv *を求め、数38を使うことで、θphとθpvを下記数40、数41のように推定することができる。
Thus, by obtaining the angular parallax θ sh * and θ sv * corresponding to the horizontal direction and the vertical direction and using Equation 38, θ ph and θ pv can be estimated as shown in Equations 40 and 41 below.
<3−3>透明板の非平行度を考慮した対応点探索
以下に、透明板の非平行度によって、どのような直線上で対応点探索を行うべきかを説明する。
<3-3> Corresponding Point Search Considering Non-Parallelity of Transparent Plate Hereinafter, it will be described on which straight line the corresponding point search should be performed based on the non-parallelism of the transparent plate.
透明板が完全な平行板の場合、2重像上のある注目点に対する対応点は、拘束直線上にある。拘束直線上の画素値を補間して取り出して1次元関数として扱い、この1次元関数の自己相関関数を計算することで、対象が近距離のときには極大を3個検出できる。第2極大位置を探索することで、対応点を検出することができる。対象の距離が大きくなるにつれて、これら3個の極大位置は近づき、やがて分離できなくなる。原理的には、対象が無限遠方にあるときに3個の極大は1点で一致する。 When the transparent plate is a perfect parallel plate, the corresponding point for a certain point of interest on the double image is on a constraining straight line. By interpolating and extracting pixel values on the constrained straight line and treating them as a one-dimensional function, and calculating the autocorrelation function of this one-dimensional function, three local maxima can be detected when the target is a short distance. The corresponding point can be detected by searching for the second maximum position. As the distance of the object increases, these three local maximum positions approach and eventually cannot be separated. In principle, when the object is at infinity, the three maxima coincide at one point.
しかし、透明板に非平行度があるときには、つまり、透明板が完全な平行板でない場合に、図15(C)、(D)に示すように、対象が無限遠方にあるときでも、極大は3個に分離する。この第2極大と第3極大の位置は、図17に示すように、注目点
に対して、2点
を通る拘束直線に平行な2直線上を移動する。
<3−4>透明板の取付角度のキャリブレーション
カメラに対する透明板の取付角度には、2自由度の不確かさがある。この不確かさによって、<1−4>で示した拘束直線交点位置
は、実際に撮影した画像では異なる位置に現れる。この移動量を
とすると、拘束直線の交点は、
となる。
However, when the transparent plate has non-parallelism, that is, when the transparent plate is not a perfect parallel plate, as shown in FIGS. 15 (C) and (D), even when the object is at infinity, the maximum is Separate into 3 pieces. The positions of the second maximum and the third maximum are as shown in FIG.
2 points
It moves on two straight lines parallel to the constraining straight line passing through.
<3-4> Calibration of mounting angle of transparent plate The mounting angle of the transparent plate with respect to the camera has uncertainty of two degrees of freedom. Due to this uncertainty, the position of the constrained straight line intersection shown in <1-4>
Appear at different positions in the actually captured image. This movement amount
Then, the intersection of the constraint lines is
It becomes.
対応位置を探索するときに利用する自己相関関数において、第2極大の大きさは、対応点の対応の良さを表している。この対応の良さは、拘束直線の向き、即ち、拘束直線の交点
が正確なほど大きくなると考えることができる。
In the autocorrelation function used when searching for the corresponding position, the size of the second maximum represents the goodness of the corresponding points. The goodness of this correspondence is the direction of the restraint straight line, that is, the intersection of the restraint straight lines.
Can be considered to be larger as the accuracy increases.
そこで、第2極大値
を画像上の注目位置
の関数と考え、下記数42のように、
を求める。
So, the second maximum
The attention position on the image
And the following equation 42,
Ask for.
本実施例では、図18に示すような一定距離(透明板から1[m])にある平面(壁面)を撮影して得られた画像を透明板の取付角度のキャリブレーションに利用した。自己相関関数を計算するときには、総和領域がある程度大きな方が極大値が正確に現れる。 In this example, an image obtained by photographing a plane (wall surface) at a certain distance (1 [m] from the transparent plate) as shown in FIG. 18 was used for calibration of the mounting angle of the transparent plate. When calculating the autocorrelation function, the maximum value appears more accurately when the sum area is somewhat large.
そこで、直線上の画素値だけではなく、その周囲21×21[画素]の領域を使って、自己相関を計算した。また、自己相関関数は直線上で離散化した変位(1[画素]の大きさ)に対して計算するため、
は離散化極大値を含む3点を使ったパラボラフィッティングによって推定した。
は、画像上に均等に分布する63個の位置を利用した。
は、水平方向と垂直方向にそれぞれ10[画素]おきに変化させて総和を計算した。
Therefore, the autocorrelation was calculated using not only the pixel values on the straight line but also the surrounding 21 × 21 [pixel] area. Also, since the autocorrelation function is calculated for the displacement (size of 1 [pixel]) discretized on a straight line,
Was estimated by parabolic fitting using three points including the discretized maximum.
Used 63 positions evenly distributed on the image.
The total was calculated by changing the horizontal direction and the vertical direction every 10 [pixels].
図19に、−100≦uc≦+100、−100≦vc≦+100に対して、
を計算した結果を示す。この結果から、
を得る。
In FIG. 19, for −100 ≦ u c ≦ + 100, −100 ≦ v c ≦ + 100,
The result of calculating is shown. from this result,
Get.
上述したように、本発明では、市販されている量産品である透明アクリル板を透明板として用いた場合に、その透明アクリル板が持つ非平行度を利用して、理想的な平行板を使う場合よりも、効果的に対応位置探索ができる。また、上述したように、透明板の非平行度と透明板の取付角度の誤差は、透明板とカメラで構成した距離計測装置で撮影した画像を利用したキャリブレーションによって推定することができる。
<3−5>距離計測手順
以上の説明に基づいて、本発明に係る透明板に映る2重像を用いた距離計測方法における距離計測手順をより詳細に説明すると、以下のようになる。
ステップA:カメラ内部パラメータのキャリブレーション
画像の画素数とレンズ焦点距離f/δを求める。画像からレンズ歪みを除去する。
ステップB:距離計測装置のキャリブレーション
距離計測装置を構成してから、
を求める。また、Dcを測定する。なお、距離計測装置のキャリブレーションは、予め行うことができる。
ステップC:2重像間の角度視差θsの計算
まず、注目点
に対する対応位置を、次の2直線上の点
で探索する。
As described above, in the present invention, when a transparent acrylic plate that is a mass-produced product that is commercially available is used as a transparent plate, an ideal parallel plate is used by utilizing the non-parallelism of the transparent acrylic plate. The corresponding position search can be performed more effectively than the case. Further, as described above, the error between the non-parallel degree of the transparent plate and the mounting angle of the transparent plate can be estimated by calibration using an image photographed by a distance measuring device constituted by the transparent plate and the camera.
<3-5> Distance Measurement Procedure Based on the above description, the distance measurement procedure in the distance measurement method using the double image reflected on the transparent plate according to the present invention will be described in detail as follows.
Step A: Calibration of camera internal parameters The number of pixels of the image and the lens focal length f / δ are obtained. Remove lens distortion from the image.
Step B: Calibration of the distance measuring device After configuring the distance measuring device,
Ask for. Also, Dc is measured. The distance measuring device can be calibrated in advance.
Step C: Calculation of angular parallax θ s between double images
The corresponding position for the point on the next two straight lines
Search with.
に応じて変えてもよい。
You may change according to.
次に、下記数44で表すように、探索した結果、|t|に拘束直線の方向に投影した
の大きさを加算して、透明板の非平行度を考慮した2重像間変位Δとする。
Next, as shown in the following formula 44, as a result of the search, it is projected in the direction of the constraining straight line at | t |
Is added to obtain a displacement Δ between the double images in consideration of the non-parallelism of the transparent plate.
ステップD:カメラ光学中心から対象までの距離の計算
まず、下記数45で表すように、2つの角度θphとθpvを、拘束直線の方向に沿った非平行度を表す角度θpに合成する。
Step D: Calculation of the distance from the optical center of the camera to the object First, as expressed by the following
ステップE:距離計測結果の補正
本発明の距離計測方法では、カメラ光学中心(レンズ光学中心)から対象までの距離を測定している。カメラ光軸に投影した距離に補正するために、画像位置(up,vp)に対して計算した距離に、
を乗じる。
<4>実験結果
ここでは、実画像を使って、本発明の距離計測方法を用いて実際に距離計測が可能なことを確認する。
<4−1>正対する平面(壁面)
本発明の距離計測方法によって距離計測が可能なことを確認するために、まず、図20に示すように、距離計測装置に正対する壁面を撮影して距離測定実験を行った。実験に利用した距離計測装置の構成では、Dc=60[mm]である。
Step E: Correction of Distance Measurement Result In the distance measurement method of the present invention, the distance from the camera optical center (lens optical center) to the object is measured. In order to correct the distance projected on the camera optical axis, the distance calculated for the image position (u p, v p),
Multiply
<4> Experimental Results Here, it is confirmed that actual distance measurement is possible using the distance measurement method of the present invention using an actual image.
<4-1> Plane (wall surface) facing directly
In order to confirm that distance measurement is possible by the distance measurement method of the present invention, first, as shown in FIG. 20, a wall surface directly facing the distance measurement device was photographed to perform a distance measurement experiment. In the configuration of the distance measuring apparatus used for the experiment, D c = 60 [mm].
壁面までの距離Do=0.5[m]のときの入力画像(2重像)に対する自己相関関数値を、図21に示す。図21(A)は、入力画像中央(up,vp)=(0,0)を通る垂直線上の各点に対する自己相関関数値を示し、赤い部分の値は大きく青い部分の値は小さいことを表す。横軸は探索した媒介変数tで、縦軸は入力画像上の垂直位置である。計測対象は平面(壁面)だが、入力画像での垂直位置に応じて変位量が異なる様子がわかる。図21(B)は、入力画像中央位置に対する自己相関関数を表し、つまり、図21(A)の赤水平線に対する断面図である。なお、自己相関関数は、41×41[画素]の領域に対して計算した。 FIG. 21 shows an autocorrelation function value for an input image (double image) when the distance D o to the wall surface is 0.5 [m]. Figure 21 (A) is an input image center (u p, v p) = (0,0) shows an autocorrelation function values for each point of the vertical line passing through the value of the red part of the value is large blue area is small Represents that. The horizontal axis is the searched parameter t, and the vertical axis is the vertical position on the input image. Although the measurement target is a plane (wall surface), it can be seen that the amount of displacement varies depending on the vertical position in the input image. FIG. 21B shows an autocorrelation function with respect to the center position of the input image, that is, a cross-sectional view with respect to the red horizontal line in FIG. The autocorrelation function was calculated for an area of 41 × 41 [pixels].
図22に、Doを0.5[m]から3.0[m]まで変化させたときの距離(Do)マップの計測結果を示す。図23に、図22の距離計測結果の直線性を示す。 Figure 22 shows the distance (D o) maps the measurement results obtained by changing the D o from 0.5 [m] to 3.0 [m]. FIG. 23 shows the linearity of the distance measurement result of FIG.
図23において、画像中央部に画像の1/4の面積の領域を設定し、領域内で17×17=289箇所の距離を計測し、計測した距離の平均値を黒丸で、±標準偏差をエラーバーで示す。この結果から、対象までの距離Doが2〜2.5[m]において、計測値のばらつきと対象までの距離の差が判断できなくなることを読みとることができる。従って、図20に示す装置構成では、2[m]程度までの距離計測が可能である。
<4−2>人物
次に、図24(A)に示すような、より自然な環境での入力画像(人物の2重像)を利用して、距離測定実験を行うことにより、本発明の距離計測方法によって距離計測が可能なことを確認した。
In FIG. 23, a region having an area of 1/4 of the image is set at the center of the image, and the distances of 17 × 17 = 289 locations in the region are measured. The average value of the measured distances is a black circle, and the ± standard deviation is Shown with error bars. This result, at a distance D o to the object is 2 to 2.5 [m], it is possible to read the difference in distance to the object and the variation in the measured value can not be determined. Therefore, in the apparatus configuration shown in FIG. 20, distance measurement up to about 2 [m] is possible.
<4-2> Person Next, a distance measurement experiment is performed by using an input image (double image of a person) in a more natural environment as shown in FIG. It was confirmed that distance measurement was possible by the distance measurement method.
入力画像(2重像)をそのまま利用した場合に、自己相関関数の極大位置周辺で値の変化がなだらかになり、第2極大位置が有効に分離できなかった。このため、入力画像の低周波数成分を低減してから処理した。図24(B)に、距離マップ計測結果を示す。距離マップ計測結果は、入力画像の周辺部分を除いた224×224箇所の位置に対して距離を求めている。対象までの距離は、約0.5[m](青)〜1.5[m](緑)に分布している。画像の上下が逆転しているのは、ミラーで上下反転するためである。白く抜けている領域は、テクスチャがないために対応位置が求まらなかった領域である。なお、この結果は、今までに説明した自己相関関数から対応位置を検出する方法だけを利用し、その他のエラー回復処理などは、いっさい行っていない。
以上のように本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明はそれに限定されることがなく、例えば、2重像ではなく、多重像(多重反射像、又は多重透過像)を使うことも可能である。その際、自己相関関数にも多重に極大が現れ、その周期も利用してより高精度に対応位置を探索できる可能性がある。
When the input image (double image) is used as it is, the change of the value becomes gentle around the maximum position of the autocorrelation function, and the second maximum position cannot be effectively separated. For this reason, the low frequency component of the input image was reduced before processing. FIG. 24B shows the distance map measurement result. In the distance map measurement result, the distance is obtained for 224 × 224 positions excluding the peripheral portion of the input image. The distance to the object is distributed from about 0.5 [m] (blue) to 1.5 [m] (green). The reason why the top and bottom of the image is reversed is that the mirror is reversed upside down. The white area is an area where the corresponding position cannot be obtained because there is no texture. This result uses only the method of detecting the corresponding position from the autocorrelation function described so far, and does not perform any other error recovery processing.
Although specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and for example, multiple images (multiple reflection images or multiple transmission images) are used instead of double images. It is also possible. At that time, multiple maxima appear in the autocorrelation function, and there is a possibility that the corresponding position can be searched with higher accuracy by using the period.
Claims (12)
前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、θsは前記表面反射像Isと前記裏面反射像Irとの間の角度視差で、nは空気に対する前記透明板の相対屈折率で、dは前記透明板の厚さで、θiは前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度である請求項1又は請求項2に記載の透明板に映る2重像を用いた距離計測方法。 The double image is composed of a front surface reflection image I s and rear surface reflection image I r,
Distance from the optical center of the taking lens to the measurement target
Is obtained by the following formula:
However, theta s at an angle disparity between the rear surface reflection image I r and the surface reflection image I s, n is a relative refractive index of the transparent plate to air, d is a thickness of the transparent plate, theta The distance measurement method using a double image reflected on a transparent plate according to claim 1, wherein i is an angle formed by an optical axis of a photographing lens of the image pickup device and the transparent plate.
前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、θsは前記反射無し透過像と前記2回反射透過像との間の角度視差で、nは空気に対する前記透明板の相対屈折率で、dは前記透明板の厚さで、θiは前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度である請求項1又は請求項2に記載の透明板に映る2重像を用いた距離計測方法。 The double image is composed of a non-reflection transmission image (that is, a transmission image without reflection inside the transparent plate) and a double reflection transmission image (that is, a transmission image after being reflected twice inside the transparent plate). ,
Distance from the optical center of the taking lens to the measurement target
Is obtained by the following formula:
Where θ s is the angular parallax between the non-reflective transmitted image and the twice reflected transmitted image, n is the relative refractive index of the transparent plate with respect to air, d is the thickness of the transparent plate, and θ i The distance measuring method using a double image reflected on the transparent plate according to claim 1, wherein is an angle formed by an optical axis of a photographing lens of the imaging device and the transparent plate.
前記撮影レンズ光学中心から前記計測対象までの距離
は次の式によって求め、
ただし、dは、一定と近似された前記透明板の厚さであり、
θ s は前記表面反射像I s と前記裏面反射像I r との間の角度視差であり、
θ i は前記撮像装置の撮影レンズの光軸と前記透明板との成す角度であり、
θ p は拘束直線の方向に沿った前記非平行度を表す角度であり、
θ o は前記計測対象から前記透明板の表面に入射する透過光の入射角であり、
θ t は前記透過光が前記透明板の裏面に到達し、前記裏面で前記透過光の一部が反射し、再び前記表面を透過するときの入射角であり、
D c は前記計測対象からの光線が前記透明板の前記表面で反射する位置を原点とする座標系において、前記原点から前記撮影レンズ光学中心までの距離であり、
D o は前記原点から前記計測対象までの距離である請求項7に記載の透明板に映る2重像を用いた距離計測方法。 The double image is composed of a front surface reflection image I s and rear surface reflection image I r,
Distance from front Symbol shooting lens optical center to the measurement target
Is obtained by the following formula:
Where d is the thickness of the transparent plate approximated to be constant ,
theta s is the angle disparity between the rear surface reflection image I r and the surface reflection image I s,
θ i is an angle formed by the optical axis of the imaging lens of the imaging apparatus and the transparent plate,
θ p is an angle representing the non-parallel degree along the direction of the constraint straight line,
θ o is the incident angle of transmitted light incident on the surface of the transparent plate from the measurement object,
θ t is an incident angle when the transmitted light reaches the back surface of the transparent plate, a part of the transmitted light is reflected on the back surface, and is transmitted through the surface again.
D c is the distance from the origin to the photographic lens optical center in a coordinate system having the origin at which the light beam from the measurement object is reflected by the surface of the transparent plate,
The distance measurement method using a double image reflected on a transparent plate according to claim 7, wherein Do is a distance from the origin to the measurement target .
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