JP5068782B2 - 距離測定方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、2つの撮像手段により被写体を撮影して互いに視差の有る2つの画像を得、それらの画像に基づいて、画像中の各点の距離を測定する方法に関するものである。
また本発明は、上述のような距離測定方法を実施するための装置に関するものである。
従来、例えば特許文献1に示されているように、所定の基線長だけ間を置いて配置された2つの撮像手段によって被写体を撮影し、それによって互いに視差の有る2つの画像を得、それらの画像に基づいて画像中の各点の距離を測定する方法が知られている。このような距離測定方法は、例えば立体画像を構成したり、測定対象の物体の3次元位置情報を求めたりするために広範に利用されている。
特開2000−283753号公報
ところが、上述のように2つの撮像手段を用いる従来の距離測定方法においては、撮影された被写体中で特定の視差量となる範囲において、視差量に基づいて演算された距離情報に大きな誤差が発生することがある。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、距離情報に大きな誤差が発生することを防止できる、2つの撮像手段を用いる距離測定方法を提供することを目的とする。
また本発明は、そのような距離測定方法を実施することができる距離測定装置を提供することを目的とする。
本発明による距離測定装置は、
所定の基線長を間に置いて配置した2つの撮像手段によって被写体を撮影し、
この撮影で得られた2つの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて該対応点の距離情報を求める距離測定方法において、
前記基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、前記撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行い、
n回の撮影毎に得られた前記視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、
それらの抽出された視差量に基づいて前記距離情報を求めることを特徴とするものである。
なお、互いに視差の有る3つ以上の画像を撮影し、それらの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて距離情報を求めることも知られているが、そのような場合でも、3つ以上の画像中のある2つの画像に関して上述した通りの各処理がなされているのであれば、その方法は当然本発明に含まれるものである。
また上述した本発明の距離測定方法においては、上記基線長を変更する際に、一方の撮像手段は固定しておくことが望ましい。そして基線長の変更とは、短縮するものであってもよいし、増大するものであってもよい。
また、本発明の距離測定方法においては、前述の抽出された視差量を、基線長の差異による変動分を補償する補正処理にかけ、この処理後の視差量に基づいて距離情報を求めることが望ましい。
さらに、本発明の距離測定方法においては、前記nの値を、所望の距離出力精度または距離出力速度に応じて変えることが望ましい。
他方、本発明による距離測定装置は、
所定の基線長を間に置いて配置される2つの撮像手段と、
これらの撮像手段により被写体を撮影して得られた2つの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて該対応点の距離情報を求める演算手段とからなる距離測定装置において、
前記基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、前記撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行えるように前記2つの撮像手段を相対移動させる移動手段が設けられるとともに、
前記演算手段が、前記n回の撮影毎に得られた前記視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、それらの抽出された視差量に基づいて前記距離情報を求めるように構成されていることを特徴とするものである。
ここでも、上述した「基線長の変更」とは、基線長を短縮するものであってもよいし、増大するものであってもよい。
なお本発明の距離測定装置において、上記移動手段は、2つの撮像手段のうちの一方を固定しておいて、他方を移動させるものであることが望ましい。
また本発明の距離測定装置は、前記抽出された視差量に対して、前記基線長の差異による変動分を補償する補正処理を行う補正手段を備えていることが望ましい。
2つの撮像手段を用いる従来の距離測定方法において、撮影された被写体中で特定の視差量となる範囲において、視差量に基づいて演算された距離情報に大きな誤差が発生することがある。この大きな誤差が発生する視差量範囲は、撮像手段の画素ピッチに対応した周期で周期的に現れるものである。
本発明の距離測定方法は上記の知見に鑑みて、基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、第1および第2の撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行い、n回の撮影毎に得られた視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、それらの抽出された視差量に基づいて距離情報を求めるようにしているので、上記所定範囲の設定次第で、距離情報に大きな誤差を発生させない視差量だけを該情報の作成に利用できるようになる。
なお、本発明の距離測定方法において特に、基線長を変更する際に一方の撮像手段を固定しておくようにした場合は、3次元空間における原点を固定撮像手段に関連付けできるので、後述するような視差量の合成あるいは距離情報の合成がより容易に行われ得る。
また、この本発明による距離測定方法が特に、前述の抽出された視差量を、基線長の差異による変動分を補償する補正処理にかけ、この処理後の視差量に基づいて距離情報を求めるものである場合は、基線長を変えたことによって誤差が発生することを防止して、正確な距離情報を得ることが可能になる。
また本発明の距離測定方法において特に、前記nの値を所望の距離出力精度または距離出力速度に応じて変える場合は、その所望の距離出力精度や距離出力速度を実現しやすくなる。すなわち、このnの値をより大きくすれば撮影の回数が増えるので、最終的に測定距離を出力するまでの所要時間が長くなり、距離出力速度が低下する。その反面、nの値が大きければ、誤差がより少ない視差量だけを抽出使用できるようになるので、距離出力精度は向上する。それに対してnの値をより小さくすれば、上記の場合と反対に距離出力速度は向上する一方、距離出力精度は低下する。このような傾向があるので、例えば所望の距離出力精度が高い場合はnの値を比較的大きく設定し、所望の距離出力速度が高い場合はnの値を比較的小さく設定することにより、所望の距離出力精度や距離出力速度を実現しやすくなる。
他方、本発明による距離測定装置は、前述した通り、
所定の基線長を間に置いて配置される2つの撮像手段と、
これらの撮像手段により被写体を撮影して得られた2つの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて距離情報を求める演算手段とからなる距離測定装置において、
前記基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、前記撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行えるように前記2つの撮像手段を相対移動させる移動手段が設けられるとともに、
前記演算手段が、前記n回の撮影毎に得られた前記視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、それらの抽出された視差量に基づいて前記距離情報を求めるように構成されたものであるので、上述した本発明の距離測定方法を実施できるものとなる。
なお、この本発明による距離測定装置において特に、上記抽出された視差量に対して、前記基線長の差異による変動分を補償する補正処理を行う補正手段が設けられた場合は、基線長を変えたことによって誤差が発生することを防止して、正確な距離情報を得ることが可能になる。
本発明の一実施形態による距離測定装置の全体構成を示す側面図 図1の装置の要部を示すブロック図 図1の装置においてなされる処理の流れを示すフローチャート 視差量とその誤差の関係および、抽出される視差量を説明する概略図 視差量特性の一例と、抽出される視差量を説明する概略図 基線長による視差量の変動の様子を示す概略図 図6に示した変動を補償する処理を説明する概略図 本発明の別の実施形態による距離測定装置の要部を示すブロック図 図8の装置においてなされる処理の流れを示すフローチャート 本発明のさらに別の実施形態による距離測定装置の要部を示すブロック図 図10の装置においてなされる処理の流れを示すフローチャート
10 ステレオカメラ
11A、11B デジタルカメラ
14 測定対象物
15 レール
20、120、220 制御装置
21 ステレオカメラ駆動部
22 制御部
23 視差量演算部
24 記録判定部
25 距離演算部
26 記録部
30 移動量設定部
40 視差補正部
41 合成部
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態による距離測定装置の全体構成を示す概略側面図であり、図2は図1に示された制御装置20の構成をステレオカメラ10およびステレオカメラ駆動部21とともに示すブロック図である。
本実施形態の距離測定装置は一例として3次元測定装置に適用されたもので、図1に示される通り2つのデジタルカメラ11Aおよび11Bを有するステレオカメラ10と、ベース台12と、このベース台12から直立するように配置されたスタンド13と、ベース台12の上に載置された測定対象物14を撮影するように上記デジタルカメラ11A、11Bを図中左右方向に移動自在に保持するレール15と、一方のデジタルカメラ11Aをレール15に沿って移動させるステレオカメラ駆動部21と、このステレオカメラ駆動部21およびステレオカメラ10を制御する等の機能を有する制御装置20とを有している。
図2に示すように上記制御装置20は、ステレオカメラ10およびステレオカメラ駆動部21の動作を制御する制御部22と、デジタルカメラ11Aおよび11Bが出力するデジタル画像データを受ける視差量演算部23と、この視差量演算部23に接続された記録判定部24と、この記録判定部24に接続された距離演算部25と、この距離演算部25に接続された記録部26とを有している。この制御装置20は、例えば図示外の演算処理部、記憶部、インターフェイス、表示手段等を含む公知のコンピュータシステムから構成されている。
次に、上記制御装置20が行う距離測定処理について、その処理の流れを示す図3を参照して説明する。まずステップST1において処理が開始すると、制御装置20は次にステップST2において、対象物14を撮像したデジタルカメラ11A、11Bが各々出力する画像データを1組とする画像データの複数組を取得する。この画像取得のとき制御装置20は、図示外のインターフェイスから入力された指示に基づいてステレオカメラ駆動部21の動作を制御し、デジタルカメラ11A、11Bを互いに所定の基線長を置いた配置状態にして行う第1回目の撮影、および、その配置状態から一方のデジタルカメラ11Aを所定距離移動させて行う第2回目の撮影を実行させる。これら2回の撮影の各々毎にデジタルカメラ11A、11Bが各々出力する画像データが取得されるので、本例では2組の画像データが取得されることになる。
制御装置20は次にステップST3において、図2の視差量演算部23を用いて、各組の2画像に関する画像データに基づいて両画像の各対応点毎に視差量を演算する。なおこの対応点の探索や視差量の演算は、例えば特開平10−320561号公報や、同2008−190868号公報などに記載の有る公知の方法を適宜用いて行うことができる。
次に制御装置20は、図2の記録判定部24を用いてステップST4〜ST7の処理を行う。記録判定部24はまずステップST4において、上述のようにして求められた1組画像の全ての対応点(対応画素)の視差量について、その値が後述する所定の2つの閾値の中、つまり所定の範囲に入っているかどうかを判定し、入っていればステップST5でその視差量を記録対象とし、入っていなければステップST6でその視差量を削除対象にする。この判定結果は、視差量を示すデータに対応付けられて後の処理に送られる。次に制御装置20はステップST7において、上記判定処理が1組画像の全ての対応画素についてなされて終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ処理の流れはステップST4に戻り、終了していれば処理の流れは次のステップST8に移る。
次に制御装置20は、図2の距離演算部25を用いてステップST8〜ST10の処理を行う。距離演算部25はまずステップST8において、上述のようにして求められた1組画像の全ての対応点の視差量に基づいて、その対応点の距離つまり、撮影された測定対象物14の表面上の各点とデジタルカメラ11A、11Bとの間の距離を演算する。そして制御装置20は次にステップST9において、上述のようにして演算された距離のうち、ステップST5で記録対象とされた視差量から得られた距離を示す情報を図2の記録部26に記録させる。次に制御装置20はステップST10において、上記距離演算処理が全組(本例では2組)の画像についてなされて終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ処理の流れはステップST3に戻り、終了していれば処理は次のステップST11で終了する。
なお、上述のように記録部26に記録された距離を示す情報は、例えば測定対象物14の表面上の各点の3次元位置情報を得る上で、ステレオカメラ10からの距離つまり奥行情報を作成するために利用される。
図4は、上述のようにして求められた視差量のデータから、対応点の距離情報を生成するために用いられるデータを抽出する処理を説明するものである。同図の(1)は、演算された視差量とその誤差との一般的関係を示している。なおここでは視差を、デジタルカメラ11A、11Bの撮像面上の距離、特に各撮像素子の画素ピッチに対する相対距離で示しており、N〜N+1および、N+1〜N+2が1画素ピッチに相当する。
ここに示される通り誤差は、概ね視差量に応じて周期的に変化し、その変化の周期は1画素ピッチである。以下、この画素ピッチをLと表す。
上記誤差の少ない視差量を距離の演算に用いるために、まず第1回目の撮影で得た2画像に関する視差量(同図の(2))から、Nを正の整数としてN−0.25L〜N+0.25Lの範囲にある視差量を抽出し、残りの視差量つまり同図に斜線を付して示す範囲の視差量は削除する。これが図3のステップST5とステップST6の処理である。このようにして抽出される視差量は、最も誤差が小さいN、N+1、N+2・・・の値を中心として、それらの値から±0.25Lの範囲に存在する視差量である。
また同図の(3)は、第2回目の撮影で得た2画像に関する視差量を示すものである。これらの視差量の誤差特性も、図示は省略するが、同図(1)に示す視差量の誤差特性と同じとなっている。つまりそれらの誤差は、視差量がN、N+1、N+2・・・のとき最小となって、画素ピッチと同じ周期で周期的に変化するものとなる。この同図(3)に示す視差量に関しても、図3のステップST5とステップST6の処理、すなわちNを正の整数としてN−0.25L〜N+0.25Lの範囲にある視差量を抽出し、残りの視差量つまり同図に斜線を付して示す範囲の視差量を削除する処理がなされる。なおこの場合、N−0.25LおよびN+0.25Lが、前述した閾値となる。
ここで、第1回目の撮影と第2回目の撮影とでは、基線長が前述した通りL/2だけ変えられているので、同図(3)の視差量から抽出される範囲(白い四角の範囲)の視差量が示す距離は、その白い四角の真上に有る同図(2)の斜線範囲の視差量が示す距離と同じとなっている。それと反対に、同図(2)の視差量から抽出される範囲(白い四角の範囲)の視差量が示す距離は、その白い四角の真下に有る同図(3)の斜線範囲の視差量が示す距離と同じとなっている。
そこで、同図(2)の視差量から抽出された視差量に、同図(3)の視差量から抽出された視差量を互いに補間するように組み合わせて合成し、その合成された視差量に基づけば、欠落の無い距離情報を得ることが可能になる。なおこのような合成を行う代わりに、同図(2)の視差量から抽出された視差量により距離情報を求めるとともに、同図(3)の視差量から抽出された視差量により距離情報を求め、それらの距離情報を互いに補間するように組み合わせても構わない。
次に図4の(4)〜(7)を参照して、本発明による距離測定方法の別の実施形態について説明する。上に述べた実施形態は、前述したmの値を0、nの値を2とした場合のもので、第1回目の撮影の後に基線長をL/2だけ短縮して合計2回(2地点)の撮影を行うものである。それに対して本実施形態は、前述したmを0、nを4とした場合のもので、基線長をある値にして行った第1回目の撮影の後に、基線長をそれぞれL/4、2L/4、3L/4だけ短縮して合計4回(4地点)の撮影を行うものである。
この場合、第1回目、第2回目、第3回目、第4回目の撮影で得た視差量から抽出される視差量、削除される視差量は、前述の実施形態と同じように、それぞれ図4の(4)、(5)、(6)、(7)に示す白い四角の範囲、斜線の範囲となる。この場合は、各回の撮影で得た視差量からN−0.125L〜N+0.125Lの範囲にある視差量が抽出される。
以下、この実施形態において抽出される視差量、削除される視差量について、さらに詳しく説明する。一例として図5の左上部に示すような視差特性Gを考える。このような視差特性を、仮に撮影地点を変えない合計4回の撮影で得、そして視差量の抽出および削除を上述の通りに行ったとすると、第1回目、第2回目、第3回目、第4回目の撮影で得た視差量から削除される視差量、抽出される視差量は、それぞれ同図の(1)、(2)、(3)、(4)に斜線で示す範囲のもの、斜線部間の範囲のものとなる。
しかし本実施形態において実際は、合計4回の撮影は地点を変えて行われるから、削除される視差量、抽出される視差量は、それぞれ図6の(1)、(2)、(3)、(4)に斜線で示す範囲のもの、斜線部間の範囲のものとなる。そうなっていると、斜線部間の範囲をそのまま集めて合成し、その合成した視差量に基づいて距離情報を得ると、距離に誤差が生じることになる。そのような不具合を防止するためには、例えば図6の(2)、(3)、(4)に示す斜線範囲間の部分の視差量を、(1)の撮影時とは撮影地点が異なるために生じている変動分を補償する処理にかけて、図7の(2)、(3)、(4)に示す状態とし、その処理後の視差量を合成すればよい。
次に図8を参照して、本発明による距離測定装置の他の実施形態について説明する。なおこの図8において、図2中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は必要の無い限り省略する(以下、同様)。
本実施形態の装置は、先に説明した2地点撮影や4地点撮影等が随意に選べるようにしたものであり、制御装置120にはそのための移動量設定部30が設けられている。本装置は図2の構成と比較すると、基本的にその部分のみが異なるものである。
次に図9を参照して、この装置における処理について説明する。制御装置120はステップST1で処理がスタートすると、まずステップST20において、例えば図示外のインターフェイス等によって移動量設定部30に指定されているデジタルカメラ11Aの1回の移動量がいくつであるか判別する。その判別結果が1/2画素分の場合、つまり前述のnの値が2である場合、処理の流れはステップST21に移り、第1回目の撮影と、デジタルカメラ11Aを1/2画素分すなわちL/2だけ移動させて基線長を短縮した第2回目の撮影が行われる。
一方、ステップST20における判別結果が1/4画素分の場合、つまり前述のnの値が4である場合、処理の流れはステップST22に移り、デジタルカメラ11Aを初期地点に配して行う第1回目の撮影と、デジタルカメラ11Aを初期地点から1/4画素分すなわちL/2だけ移動させて基線長を短縮した第2回目の撮影、デジタルカメラ11Aを初期地点から2L/4だけ移動させて基線長を短縮した第3回目の撮影、デジタルカメラ11Aを初期地点から3L/4だけ移動させて基線長を短縮した第4回目の撮影が逐次なされる。
以上の2地点、あるいは4地点の撮影がなされた後、制御装置120は次にステップST23において複数組の画像を示す画像データを取得し、次にステップST24において、デジタルカメラ11Aの移動量に合わせた、視差量抽出のための閾値を設定する。この閾値は、2地点撮影の場合も4地点撮影の場合も、例えば先に説明した通りのものとすればよい。その後処理の流れは、図3に示したステップST3と同じステップST3に移り、それ以降は図3に説明したのと同様の処理がなされる。
次に図10を参照して、本発明による距離測定装置のさらに別の実施形態について説明する。本実施形態の装置は、先に図7を参照して説明した、基線長の差異による視差量の変動を補償する補正処理が行えるようにしたものであり、制御装置220にはそのための視差補正部40が設けられている。また本実施形態の装置は、そのように補正した後の視差量に基づいて演算された距離情報を合成する処理を行うものであり、制御装置220にはそのための合成部41が設けられている。本装置は図2の構成と比較すると、基本的に以上説明した部分のみが異なるものである。
次に図11を参照して、この装置における処理について説明する。この場合のステップST1〜ステップST8の処理は、先に説明した図3の処理におけるものと同じである。制御装置220はステップST8の処理が終了すると、次にステップST30において、記録対象の視差量のみを図示外のメモリに記録させる。
次に制御装置220はステップST10において、上記ステップST30までの処理が全組の画像についてなされて終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ処理の流れはステップST3に戻り、終了していれば処理は次のステップST32に移行する。
このステップST32において制御装置220は、第2回目以降の各撮影におけるデジタルカメラ11Aの、基準位置(第1回目の撮影時の位置)からの移動量を示す情報を取得する。この移動量情報は、たとえば前述のインターフェイスなどによって操作者が指定するような場合であれば、その指定情報を記憶しているメモリ等から取得される。次に制御装置220はステップST33において上記取得した移動量情報に基づいて、各回の撮影時に得られて記録対象とされ、上記メモリに記録されている視差量を補正する。この補正は、先に図6および図7を比較して説明した補正と同じものである。
その後制御装置220はステップST8において、図10の距離演算部25を用いて、上記補正を受けた後の視差量から各対応点毎の距離を演算し、次にステップST35においてそれらの距離を示す情報を合成する。この合成処理は、前述したように図4の(2)の視差量から抽出された視差量に、同図(3)の視差量から抽出された視差量を互いに補間するように組み合わせて合成する代わりに行われ得るものであって、同図(2)の視差量から抽出された視差量から距離情報を求めるとともに、同図(3)の視差量から抽出された視差量から距離情報を求め、それらの距離情報を互いに補間するように組み合わせる処理である。
次に後制御装置220はステップST36において、上記合成された距離情報を図10の記録部26に記録する処理を行い、次のステップST11で処理が終了する。
以上、前述したnの値を2、4とする実施形態について説明したが、本発明におけるこのnの値はそれらに限るものではなく、その他の3以上の正の整数が適用されてもよい。さらに以上説明した実施形態において前記mの値は0とされたが、このmの値はそれ以外に1以上の整数が適用されてもよい。

Claims (7)

  1. 所定の基線長を間に置いて配置した2つの撮像手段によって被写体を撮影し、
    この撮影で得られた2つの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて該対応点の距離情報を求める距離測定方法において、
    前記基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、前記撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行い、
    n回の撮影毎に得られた前記視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、
    それらの抽出された視差量に基づいて前記距離情報を求めることを特徴とする距離測定方法。
  2. 前記基線長を変更する際に、一方の撮像手段は固定しておくことを特徴とする請求項1記載の距離測定方法。
  3. 前記抽出された視差量を、前記基線長の差異による変動分を補償する補正処理にかけ、この処理後の視差量に基づいて前記距離情報を求めることを特徴とする請求項1または2記載の距離測定方法。
  4. 前記nの値を、所望の距離出力精度または距離出力速度に応じて変えることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の距離測定方法。
  5. 所定の基線長を間に置いて配置される2つの撮像手段と、
    これらの撮像手段により被写体を撮影して得られた2つの画像間の各対応点に関する視差量に基づいて該対応点の距離情報を求める演算手段とからなる距離測定装置において、
    前記基線長を任意の値として第1回目の撮影を行った後、前記撮像手段の画素ピッチをL、mを任意の自然数、nを2以上の整数として、基線長をそれぞれL{m+1/n}、L{m+2/n}・・・L{m+(n−1)/n}だけ変更して合計n回の撮影を行えるように前記2つの撮像手段を相対移動させる移動手段が設けられるとともに、
    前記演算手段が、前記n回の撮影毎に得られた前記視差量のうち、各回の撮影を通じて共通の所定範囲にある視差量のみを抽出し、それらの抽出された視差量に基づいて前記距離情報を求めるように構成されていることを特徴とする距離測定装置。
  6. 前記移動手段が、2つの撮像手段のうちの一方を固定しておいて、他方を移動させるものであることを特徴とする請求項5記載の距離測定装置。
  7. 前記抽出された視差量に対して、前記基線長の差異による変動分を補償する補正処理を行う補正手段を有することを特徴とする請求項5または6記載の距離測定装置。
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