JP5147055B2 - Distance measuring device and distance measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、受動的な手法を用いる距離計測技術に関し、特に、透明板又は両面ハーフミラー板に映る2重像を、1台の撮像装置で撮影して得られた1枚の画像に基づいて、距離計測を行う距離計測装置及び距離計測方法に関する。   The present invention relates to a distance measurement technique using a passive method, and in particular, based on a single image obtained by photographing a double image reflected on a transparent plate or a double-sided half mirror plate with a single imaging device. The present invention relates to a distance measuring device and a distance measuring method for measuring distance.

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(以下、単に、「単眼距離計測方法」とも言う。)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。
エス.ビー.カン(S.B.Kang)・アール.スゼリスキ(R.Szeliski)・ジェー.チャイ(J.Chai)共著,「ハンドリング オクルジョン イン デンス マルチビュー ステレオ (Handling Occlusions in Dense Multi-View Stereo)」,プロク. オン コンピュータ ビジョン アンド パターン レコグニション (Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition),第I巻,p.103-110,2001年12月 エム.オクトミ(M. Okutomi)・ティー.カナデ(T. Kanade)共著,「ア マルチプルーベースライン ステレオ (A Multiple-Baseline Stereo),IEEE トランス. オン パターン アナリシス アンド マシン インテリジェンス (IEEE Trans. On Pattern Analysis and Machine Intelligence),第15巻,第4号,p.353-363,1993年4月 ゼッド.サン(Z. Sun)・ジー.ベビス(G. Bebis)・アール.ミラー(R. Miller)共著,「オンーロード ビヒクル デテクション ユージング オプティカル センサズ: ア レビュー (On-Road Vehicle Detection using Optical Sensors: A Review)」,プロク. オン IEEE インテリジェント トランスポーテイション システムズ コンファレンス (Proc. On IEEE Intelligent Transportation Systems Conference),米国,2004年10月 ジー.グラッブ(G.Grubb)・エイ.ゼリンスキー(A.Zelinsky)・エル.ニルソン(L.Nilsson)・エム.リルベ(M.Rilbe)共著,「3D ビジョン センシング フォー インプルーブド ペデストリアン セイフティ (3D Vision Sensing for Improved Pedestrian Safety)」,プロク. オン IEEE インテリジェント ビヒクルズ シンポジウム (Proc. On IEEE Intelligent Vehicles Symposium),p.19-24,2004年6月 ジェー.エム.グラックマン(J.M.Gluckman)・エス.ケイ.ナイヤル(S.K.Nayar)共著,「プレーナー カタディオプトリック ステレオ: ジオメトリー アンド キャリブレーション (Planar Catadioptric Stereo: Geometry and Calibration)」,プロク. オン コンピュータ ビジョン アンド パターン レコグニション (Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition),第1巻,p.22-28,1999年6月 エイチ.シム(H.Shim)著,「ライト ウエイト マルチビュー キャプチャーイング プロジェクトズ(Light Weight Multi-View Capturing Projects)」,http://amp.ece.cmu.edu/projects/MIRRORARRAY/ ディー.エイチ.リー(D.H. Lee)・アイ.エス.クウィーオン(I.S. Kweon)共著,「ア ノベル ステレオ カメラ システム バイ ア バイプリズム (A Novel Stereo Camera System by a Biprism)」,IEEE トランス. オン ロボッチック アンド オートメイション (IEEE Trans. On Robotics and Automation),第16巻,第5号,p.528-541,2000年10月 ワイ.ニシモト(Y.Nishimoto)・ワイ.シライ(Y,Shirai)共著,「ア フィーチャーベーセド ステレオ モデル ユージング スモール ディスパリティス (A Feature-Based Stereo Model using Small Disparities)」,プロク. オン IEEE インターナショナル ワークショップ オン インダストリアル アプリケーションズ オフ マシン ビジョン アンド マシン インテリジェンス (Proc. On IEEE International Workshop on Industrial Applications of Machine Vision and Machine Intelligence),セイケイ シンポジウム(Seikei Symposium),p.192-196,日本,1987年2月 シー.ガオ(C. Gao)・エヌ.アフジァ(N. Ahuja)共著,「シングル カメラ ステレオ ユージング プレーナー パラレル プレート (Single Camera Stereo using Planar Parallel Plate)」,プロク. オン インターナショナル コンファレンス オン パターン レコグニション (Proc. On International Conference on Pattern Recognition),第IV巻,p.108-111,イギリス,2004年8月 イー.エイチ.アデルソン(E.H.Adelson)・ジェー.ワイ.エイ.ワン(J.Y.A. Wang)共著,「シングル レンズ ステレオ ウィズ ア プレノピチック カメラ (Single Lens Stereo with a Plenoptic Camera)」,IEEE トランス. オン パターン アナリシス アンド マシン インテリジェンス (IEEE Trans. On Pattern Analysis and Machine Intelligence),第14巻,第2号,p.99-106,1992年2月 エム.アムトン(M. Amtoun)・ビー.ブーファマ(B. Boufama)共著,「マルチベースライン ステレオ ユージング ア シングルーレンズ カメラ (Multibaseline Stereo using a Single-Lens Camera)」,プロク. オン インターナショナル コンファレンス オン イメージ プロセシング (Proc. On International Conference on Image Processing),第1巻,p.401-404,2003年9月 エス.ヒウラ(S.Hiura)・ティー.マツヤマ(T.Matsuyama)共著,「デプス メジャーメント バイ ザ マルチフォーカス カメラ (Depth Measurement by the Multi-Focus Camera)」,プロク. オン コンピュータ ビジョン アンド パターン レコグニション (Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition),p.953-959,1998年6月 イー.ピー.シモンセリ(E.P. Simoncelli)・エイチ.ファリード(H. Farid)共著,「ダイレクト デファレンシャル レンジ エスティメイション ユージング オプティカル マスクズ (Direct Differential Range Estimation using Optical Masks)」,プロク. オン ヨーロッピアン コンファレンス オン コンピュータ ビジョン (Proc. On European Conference on Computer Vision),第2巻,p.82-93,イギリス,1996年4月 山田憲嗣・高橋秀也・志水英二共著,「符号化開口法を用いた3次元形状検出手法」,電子情報通信学会論文誌,第J80-D-II巻,第11号,p.2986-2994,1997年11月 清原將裕・数井誠人・池田光二共著,「1台のカメラとレンズアレイとを用いた距離計測」,画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2004)論文集,第I巻,p.392-397,2004年7月 清水雅夫・奥富正敏共著,「透明板に映る2重像を用いた1台のカメラによる距離計測手法」,情報処理学会CVIM論文誌,第47巻,第SIG10 (CVIM15)号,p.131-142,2006年7月 清水雅夫・奥富正敏共著,「両面ハーフミラー板透過画像を用いた1台のカメラによる距離計測」,第9回画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2006)講演論文集,p.788-793,2006年7月 清水雅夫・奥富正敏共著,「透過型リフレクションステレオ−両面ハーフミラー板透過像を使った単眼距離計測−」,第13回画像センシングシンポジウム(SSII2007)講演論文集,p.IN1-10-1-8,2007年6月 ティー.ワイテド(T.Whitted)著,「アン インプルーブド イルミネイション モデル フォー シェイデド ディスプレイ(An Improved Illumination Model for Shaded Display)」, コミューニケイションズ オフ ザ ACM(Communications of the ACM),第23巻,第6号,p.343-349,1980年6月 ジェー.ワイ.ブーゲット(J.Y.Bouguet)著,「カメラ キャリブレーション ツールボックス フォー マットラブ (Camera Calibration Toolbox for Matlab)」,http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/index.html,2007年2月 ゼッド.チャン(Z.Zhang)著,「フレキシブル カメラ キャリブレーション バイ ビューイング ア プレーン フロム アンノーン オリエンテイションズ(Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations)」,プロック. オン インターナショナル カンファレンス オン コンピュータ ビジョン(Proc. On International Conference on Computer Vision),第1巻,p.666-673,ギリシャ,1999年9月
The cost for distance measurement increases as the number of cameras used increases. The cost at this time includes not only the camera and the taking lens but also the memory and calculation amount required for image capture and image processing. For this reason, a stereo distance measuring method using one camera has been proposed. Stereo distance measurement methods using a single fixed camera (hereinafter also simply referred to as “monocular distance measurement method”) can be classified into three types: image division method, multiple image method, and multiple exposure method.
SBKang, R. Szeliski, J. Chai, "Handling Occlusions in Dense Multi-View Stereo", Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition, Vol. I, p.103-110, December 2001 M. Okutomi and T. Kanade, “A Multiple-Baseline Stereo, IEEE Trans. On Pattern Analysis and Machine Intelligence (IEEE Trans. On Pattern Analysis and Machine Intelligence), Vol.15, No.4, p.353-363, April 1993 Co-authored by Z. Sun, G. Bebis, and R. Miller, “On-Road Vehicle Detection using Optical Sensors: A Review ”, Proc. On IEEE Intelligent Transportation Systems Conference, USA, October 2004 "3D Vision Sensing for Improved Pedestrian Safety" by G.Grubb, A.Zelinsky, L.Nilsson, and M.Rilbe for Improved Pedestrian Safety), Proc. On IEEE Intelligent Vehicles Symposium, p.19-24, June 2004 Jointly written by JMGluckman and SKNayar, “Planar Catadioptric Stereo: Geometry and Calibration”, Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition ( Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition), Volume 1, p.22-28, June 1999 H. Shim, “Light Weight Multi-View Capturing Projects”, http://amp.ece.cmu.edu/projects/MIRRORARRAY/ Co-authored by DH Lee and IS Kweon, “A Novel Stereo Camera System by a Biprism”, IEEE Transformer on Robotic and Auto Mation (IEEE Trans. On Robotics and Automation), Vol.16, No.5, p.528-541, October 2000 Co-authored by Y. Nishimoto and Y, Shirai, "A Feature-Based Stereo Model using Small Disparities", Proc. On IEEE International Work Shop on Industrial Applications Off Machine Vision and Machine Intelligence (Seikei Symposium), p.192-196, Japan, February 1987 Co-authored by C. Gao and N. Ahuja, “Single Camera Stereo using Planar Parallel Plate”, Proc. On International Conference on Pattern Recognition (Proc. On International Conference on Pattern Recognition), Volume IV, p.108-111, United Kingdom, August 2004 Co-authored by EHAdelson and JYA Wang, “Single Lens Stereo with a Plenoptic Camera”, IEEE Trans. On-Pattern Analysis and Machine Intelligence (IEEE Trans. On Pattern Analysis and Machine Intelligence), Vol.14, No.2, p.99-106, February 1992 Co-authored by M. Amtoun and B. Boufama, “Multibaseline Stereo using a Single-Lens Camera”, Proc. On International Conference on Image Processing (Proc. On International Conference on Image Processing), Volume 1, pages 401-404, September 2003 S.Hiura and T.Matsuyama, “Depth Measurement by the Multi-Focus Camera”, Proc. On Computer Vision and Pattern Recognition (Proc On Computer Vision and Pattern Recognition), p.953-959, June 1998 EP Simoncelli and H. Farid, “Direct Differential Range Estimation using Optical Masks”, Proc. On European Conference on Computer Vision (Proc) On European Conference on Computer Vision), Volume 2, pages 82-93, United Kingdom, April 1996. Kenji Yamada, Hideya Takahashi, Eiji Shimizu, “Three-dimensional shape detection method using coded aperture method”, IEICE Transactions, Vol.11, No.11, p.2986-2994 November 1997 Akihiro Kiyohara, Masato Nusui and Kouji Ikeda, “Distance Measurement Using One Camera and Lens Array”, Proceedings of Image Recognition and Understanding Symposium (MIRU2004), Volume I, p.392-397, 2004 July Masao Shimizu and Masatoshi Okutomi, “Distance Measurement Method Using a Single Camera Using Double Images Reflected on a Transparent Plate”, Information Processing Society of Japan CVIM Journal, Vol. 47, SIG10 (CVIM15), p.131- 142, July 2006 Masao Shimizu and Masatoshi Okutomi, “Distance Measurement with a Single Camera Using Double-Side Half-Mirror Transmission Images,” Proceedings of the 9th Symposium on Image Recognition and Understanding (MIRU2006), p.788-793, 2006 July Masao Shimizu and Masatoshi Okutomi, "Transmission-type reflection stereo-Monocular distance measurement using double-sided half-mirror plate transmission images", Proceedings of the 13th Image Sensing Symposium (SSII2007), p.IN1-10-1-8 , June 2007 T.Whitted, "An Improved Illumination Model for Shaded Display", Communications of the ACM (Volume 23, 6) No., p.343-349, June 1980 JYBouguet, “Camera Calibration Toolbox for Matlab”, http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/index.html, 2007 February Z. Zhang, "Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations", Plock. On International Conference on Computer Vision (Proc. On International Conference on Computer Vision), Volume 1, p.666-673, Greece, September 1999

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 Document 5 and Non-Patent Document 6) and a prism (see Non-Patent Document 7). Basically, it is devised so that images from multiple cameras can be taken simultaneously with one camera, and a method of projecting images taken with multiple cameras with different positions and orientations into a single image It is.

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 Document 10 and Non-Patent Document 11), a coded aperture (see Non-Patent Document 12, Non-Patent Document 13, and Non-Patent Document 14), a lens array, and the like. (Refer to Non-Patent Document 15) is a method of obtaining distance information by photographing a light beam passing through different positions into one image.

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.

本発明の発明者らは、上述した従来の問題点を解決するために、複数露出法に属する単眼距離計測方法として、透明板の反射像(表面反射像と裏面反射像で構成され、位置ずれがある2重像)を利用する単眼距離計測方法(以下、単に、「反射型リフレクションステレオ」とも言う。)(非特許文献16を参照)、及び、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板の透過像(直接像と内部反射像で構成され、位置ずれがある2重像)を利用する単眼距離計測方法(以下、単に、「透過型リフレクションステレオ」とも言う。)(非特許文献17を参照)を提案した。   In order to solve the above-described conventional problems, the inventors of the present invention, as a monocular distance measurement method belonging to the multiple exposure method, have a reflection image of a transparent plate (consisting of a front-surface reflection image and a back-surface reflection image, and misalignment). Monocular distance measurement method (hereinafter also referred to simply as “reflective reflection stereo”) (see Non-Patent Document 16), and half mirror coating on both sides of the transparent plate A monocular distance measurement method using a transmission image of a double-sided half mirror plate (a double image composed of a direct image and an internal reflection image and having a positional shift) (hereinafter also simply referred to as “transmission reflection stereo”) (non- (See Patent Document 17).

以下では、本発明の発明者らが提案した非特許文献16及び非特許文献17に開示された「反射型リフレクションステレオ」と「透過型リフレクションステレオ」のことを、単に「リフレクションステレオ(Reflection Stereo)」とも言う。   Hereinafter, the “reflection reflection stereo” and the “transmission reflection stereo” disclosed in Non-Patent Document 16 and Non-Patent Document 17 proposed by the inventors of the present invention are simply referred to as “reflection stereo”. "

本発明の発明者らにより提案された「リフレクションステレオ」には、可動機構や特殊な光学部材を必要とせず、透明板又は両面ハーフミラー板に映る2重像を、可動機構(可動部)を持たない1台の撮像装置(カメラ)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という特徴がある。   The “reflection stereo” proposed by the inventors of the present invention does not require a movable mechanism or a special optical member, and does not require a movable mechanism (movable part) to display a double image reflected on a transparent plate or a double-sided half mirror plate. There is a feature that distance measurement can be performed with an inexpensive device configuration and a short measurement time based on one image obtained by photographing with one imaging device (camera) that does not have.

ただし、本発明の発明者らが提案した「リフレクションステレオ」では、両面が平行平面で構成される透明板又は両面ハーフミラー板(以下、まとめて「反射板」と呼ぶこともある。)、即ち、理想的な平行平面反射板を通して撮影した1枚の画像を用いて距離計測を行うようにしており、また、リフレクションステレオのキャリブレーションを行う際には、十分に遠方の物体(風景など)を撮影し、その2重像間変位から反射板の非平行度を推定し、そして、近距離の十分なテクスチャを持った対象(カーペットや壁面など)を撮影し、拘束直線の方向を推定した。推定したキャリブレーションパラメータ(反射板とカメラで構成される距離計測装置の外部パラメータ)は、画像上の位置によらず一定と仮定していた。   However, in the “reflection stereo” proposed by the inventors of the present invention, a transparent plate or a double-sided half mirror plate (hereinafter, sometimes referred to collectively as a “reflecting plate”) whose both surfaces are parallel planes. The distance is measured using a single image taken through an ideal plane-parallel reflector, and a sufficiently distant object (landscape, etc.) is used when performing calibration of reflection stereo. Images were taken, the non-parallelism of the reflector was estimated from the displacement between the double images, and objects (carpets, walls, etc.) with sufficient texture at a short distance were photographed to estimate the direction of the constraint line. It is assumed that the estimated calibration parameters (external parameters of the distance measuring device including the reflector and the camera) are constant regardless of the position on the image.

しかし、市販品として容易に入手でき且つ安価なアクリル透明板やガラス板を反射板として利用したときに、そのアクリル透明板やガラス板は、理想的な平行平面反射板でないため、つまり、建築物の窓ガラスの反射などを観察すれば分かる通り、アクリル透明板やガラス板の表面は完全に平面でもなく、また両表面は完全に平行ではないため、リフレクションステレオによる距離計測を行う際に、画像上の位置に対して不変な外部パラメータを利用していることから、計測結果に誤差が含まれ、距離計測の精度が限られているとの問題が生じる。   However, when an acrylic transparent plate or glass plate that is easily available as a commercial product and is inexpensive is used as a reflector, the acrylic transparent plate or glass plate is not an ideal parallel flat reflector, that is, a building. As can be seen by observing the reflection of the window glass, the surface of the acrylic transparent plate or glass plate is not completely flat, and both surfaces are not completely parallel, so when performing distance measurement with reflection stereo, Since an external parameter that is invariant to the upper position is used, there is a problem that the measurement result includes an error and the accuracy of distance measurement is limited.

そこで、本発明の発明者らは、この問題を解決するため、自らが提案した「リフレクションステレオ」に基づいて本発明を発明した。   In order to solve this problem, the inventors of the present invention invented the present invention based on the “reflection stereo” proposed by the inventors.

要するに、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、うねりのある(非平行で完全平面ではない)透明板又は両面ハーフミラー板に映る2重像を、1台の撮像装置で撮影して得られた1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、高精度な距離計測を行い得るようにした距離計測装置及び距離計測方法を提供することにある。   In short, the present invention has been made under the circumstances as described above, and the object of the present invention is to create a double image reflected on a wavy (non-parallel and not completely flat) transparent plate or double-sided half mirror plate, Provided is a distance measuring device and a distance measuring method capable of performing high-precision distance measurement with an inexpensive device configuration and a short measurement time based on one image obtained by photographing with one imaging device. There is to do.

本発明は、距離計測装置に関し、本発明の上記目的は、非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段と、前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出部と、既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像から、前記反射板の形状、姿勢、屈折率及び前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離を表す外部パラメータを推定するキャリブレーション処理部と、推定された前記外部パラメータと、未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像から、前記計測対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、前記反射板を局所的に非平行な平面で近似し、前記キャリブレーション処理部で推定された外部パラメータは、2重像を撮影した画像上の注目点に応じて異なる値を持つことによって効果的に達成される。   The present invention relates to a distance measuring device, and the object of the present invention is to provide a non-parallel and non-perfect plane of a reflection plate, a single imaging unit, and a double image with a positional deviation reflected on the reflection plate. A double image displacement calculation unit for calculating a displacement between double images from an image obtained by photographing with the imaging means, and a plurality of images obtained by photographing a plurality of calibration planes at a known distance as double images. A calibration processing unit that estimates external parameters representing the shape, orientation, refractive index of the reflector, and the distance along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, and the estimated external A parameter and a distance calculation unit for calculating a distance to the measurement target from one image obtained by imaging a measurement target at an unknown distance as a double image, and the reflector is a locally non-parallel plane And the above carry External parameters estimated by configuration unit is effectively achieved by having a different value depending on the point of interest on the image obtained by photographing a double image.

また、本発明の上記目的は、距離計測装置であって、非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段と、前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出部と、前記2重像間変位算出部が既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像を用いて算出した2重像間変位と、前記既知の距離とに基づき、前記距離計測装置の外部パラメータを推定するキャリブレーション処理部と、前記2重像間変位算出部が未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像を用いて算出した2重像間変位と、推定された前記外部パラメータとに基づき、前記計測対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、2重像を撮影した画像上の注目点付近に対応する反射板を、非平行度を持つ平面板で近似し、注目点に対応する2重像を形成するために必要な反射板上の領域(分割平面領域)は、その注目点と同じ値の外部パラメータを持ち、前記キャリブレーション処理部で推定された外部パラメータは、注目点に応じて異なる値を持ち、前記距離算出部では、注目点に応じて異なる値を持つ外部パラメータを利用することにより、或いは、前記反射板は、透明板又は、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板であることにより、或いは、前記撮像手段は固体撮像素子を用いる撮像装置であることにより、或いは、前記外部パラメータは、前記反射板の両表面に対する法線ベクトルと、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離と、前記反射板の板厚と、前記反射板の空気に対する相対屈折率とから構成されることにより、或いは、前記キャリブレーション処理部では、次の数式のように、外部パラメータを画像位置
に対する2次元3次関数で近似し
ただし、Φ(j=1,2,…,10)は外部パラメータに対応した7要素の係数ベクトルであり、係数ベクトルΦは、多数の画像位置
に対して推定した外部パラメータ
を使って、
に基づき、重み付き最小二乗法で求めることにより、或いは、前記距離算出部では、ある注目点に対する2重像間変位と、前記注目点に対する外部パラメータとに基づき、前記注目点に対応する視線と、前記注目点に対応する2重像の位置に対応する視線をそれぞれ求め、求めた2つの視線の交点位置までの距離を、前記計測対象までの距離とすることにより、或いは、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記キャリブレーション平面までの絶対距離を求めるために、前記キャリブレーション平面の前記既知の距離Dziを、Dzi=D+D[mm](i=0,1,・・・,12、また、Dはi番目のキャリブレーション平面までの既知の距離を表す。)とおき、3通りの絶対距離の誤差D=0,±25[mm]を仮定して、それぞれ外部パラメータ
を推定し、それぞれの推定での残差の総和E(D)を次の数式のように求め、
求めた残差の総和E(−25)、E(0)、E(25)を2次関数に当てはめ、E(D)を最小にする絶対距離の誤差

に基づいて推定し、推定した絶対距離の誤差
と前記既知の距離とに基づき、前記絶対距離を算出し、算出した前記絶対距離を用い、前記キャリブレーション処理部にて、再び前記外部パラメータを推定することによってより効果的に達成される。
Another object of the present invention is to provide a distance measuring device, which is a non-parallel and non-perfect plane of a reflection plate, a single imaging unit, and a double image with a positional deviation reflected on the reflection plate. A double-image displacement calculation unit that calculates a displacement between double images from an image obtained by photographing with the imaging unit, and a plurality of calibration planes at which the double-image displacement calculation unit is at a known distance. A calibration processing unit for estimating an external parameter of the distance measuring device based on the displacement between the double images calculated using a plurality of images taken as double images and the known distance; and between the double images The distance to the measurement object based on the displacement between the double images calculated by using one image obtained by photographing the measurement object at an unknown distance as a double image and the estimated external parameter. And a distance calculation unit for calculating An area (divided plane area) necessary to form a double image corresponding to a point of interest by approximating a reflector corresponding to the vicinity of the point of interest on the captured image with a plane plate having non-parallelism. ) Has an external parameter having the same value as that of the attention point, and the external parameter estimated by the calibration processing unit has a different value depending on the attention point, and the distance calculation unit differs depending on the attention point. By using an external parameter having a value, or the reflecting plate is a transparent plate or a double-sided half mirror plate having a half mirror coating on both sides of the transparent plate, or the imaging means is a solid-state imaging The imaging apparatus using an element, or the external parameter includes the normal vector for both surfaces of the reflector and the reflection from the camera optical center of the imaging means. Up to the distance along the optical axis, the thickness of the reflecting plate, and the relative refractive index of the reflecting plate with respect to the air, or in the calibration processing unit, , External parameter image position
Is approximated by a two-dimensional cubic function
Here, Φ j (j = 1, 2,..., 10) is a seven-element coefficient vector corresponding to the external parameter, and the coefficient vector Φ j is a number of image positions.
External parameters estimated for
Use
Or the distance calculation unit, based on the displacement between the double images for a certain point of interest and the external parameter for the point of interest, and the line of sight corresponding to the point of interest The line of sight corresponding to the position of the double image corresponding to the point of interest is obtained, and the distance to the intersection position of the obtained two lines of sight is the distance to the measurement object, or the imaging means In order to obtain the absolute distance from the camera optical center to the calibration plane, the known distance D zi of the calibration plane is expressed as D zi = D i + D e [mm] (i = 0, 1,... , 12, also, D i. representing a known distance until i th calibration plane) Distant absolute triplicate distance error D e = 0, assuming ± 25 [mm], Respectively external parameters
And the residual sum E d (D e ) in each estimation is obtained as in the following equation:
An absolute distance error that minimizes E d (D e ) by applying the sum of the obtained residuals E d (−25), E d (0), E d (25) to a quadratic function.
The
Error based on the estimated absolute distance
The absolute distance is calculated based on the known distance and the external parameter is estimated again by the calibration processing unit using the calculated absolute distance.

更に、本発明は、非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段とから構成される距離計測装置における距離計測方法に関し、本発明の上記目的は、前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出ステップと、既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像から、前記反射板の形状、姿勢、屈折率及び前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離を表す外部パラメータを推定するキャリブレーション処理ステップと、推定された前記外部パラメータと、未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像から、前記計測対象までの距離を算出する距離算出ステップとを有し、前記反射板を局所的に非平行な平面で近似し、前記キャリブレーション処理ステップで推定された外部パラメータは、2重像を撮影した画像上の注目点に応じて異なる値を持つことによって効果的に達成される。   Furthermore, the present invention relates to a distance measuring method in a distance measuring device composed of a single non-parallel and non-perfect reflecting plate and a single imaging means, and the object of the present invention is to the reflecting plate. A double image displacement calculating step for calculating a displacement between double images from an image obtained by photographing a reflected double image with the imaging means, and a plurality of calibration planes at a known distance. Calibration for estimating external parameters representing the shape, posture, refractive index of the reflecting plate and the distance along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflecting plate from a plurality of images taken as double images A processing step; a distance calculating step for calculating a distance to the measurement target from one image obtained by capturing the estimated external parameter and a measurement target at an unknown distance as a double image; The external parameters approximated by a locally non-parallel plane and the external parameters estimated in the calibration processing step have different values depending on the point of interest on the image obtained by capturing the double image. Is achieved.

また、本発明の上記目的は、非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段とから構成される距離計測装置における距離計測方法であって、前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出ステップと、前記2重像間変位算出ステップにより既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像を用いて算出した2重像間変位と、前記既知の距離とに基づき、前記距離計測装置の外部パラメータを推定するキャリブレーション処理ステップと、前記2重像間変位算出ステップにより未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像を用いて算出した2重像間変位と、推定された前記外部パラメータとに基づき、前記計測対象までの距離を算出する距離算出ステップとを有し、2重像を撮影した画像上の注目点付近に対応する反射板を、非平行度を持つ平面板で近似し、注目点に対応する2重像を形成するために必要な反射板上の領域(分割平面領域)は、その注目点と同じ値の外部パラメータを持ち、前記キャリブレーション処理ステップにより推定された外部パラメータは、注目点に応じて異なる値を持ち、前記距離算出ステップでは、注目点に応じて異なる値を持つ外部パラメータを利用することにより、或いは、前記反射板は、透明板又は、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板であることにより、或いは、前記撮像手段は固体撮像素子を用いる撮像装置であることにより、或いは、前記外部パラメータは、前記反射板の両表面に対する法線ベクトルと、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離と、前記反射板の板厚と、前記反射板の空気に対する相対屈折率とから構成されることにより、或いは、前記キャリブレーション処理ステップでは、次の数式のように、外部パラメータを画像位置
に対する2次元3次関数で近似し
ただし、Φ(j=1,2,…,10)は外部パラメータに対応した7要素の係数ベクトルであり、係数ベクトルΦは、多数の画像位置
に対して推定した外部パラメータ
を使って、
に基づき、重み付き最小二乗法で求めることにより、或いは、前記距離算出ステップでは、ある注目点に対する2重像間変位と、前記注目点に対する外部パラメータとに基づき、前記注目点に対応する視線と、前記注目点に対応する2重像の位置に対応する視線をそれぞれ求め、求めた2つの視線の交点位置までの距離を、前記計測対象までの距離とすることにより、或いは、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記キャリブレーション平面までの絶対距離を求めるために、前記キャリブレーション平面の前記既知の距離Dziを、Dzi=D+D[mm](i=0,1,・・・,12、また、Dはi番目のキャリブレーション平面までの既知の距離を表す。)とおき、3通りの絶対距離の誤差D=0,±25[mm]を仮定して、それぞれ外部パラメータ
を推定し、それぞれの推定での残差の総和E(D)を次の数式のように求め、
求めた残差の総和E(−25)、E(0)、E(25)を2次関数に当てはめ、E(D)を最小にする絶対距離の誤差

に基づいて推定し、推定した絶対距離の誤差
と前記既知の距離とに基づき、前記絶対距離を算出し、算出した前記絶対距離を用い、前記キャリブレーション処理ステップにより、再び前記外部パラメータを推定することによってより効果的に達成される。
Another object of the present invention is a distance measuring method in a distance measuring apparatus comprising a single non-parallel and non-perfect flat reflecting plate and a single imaging means, the position reflected on the reflecting plate. A double-image displacement calculation step for calculating a displacement between double images from an image obtained by photographing a double image with a shift by the imaging means, and a known distance by the displacement calculation step between double images. Calibration processing step for estimating an external parameter of the distance measuring device based on the displacement between the double images calculated using a plurality of images obtained by capturing a plurality of calibration planes as a double image and the known distance Based on the displacement between the double images calculated using one image obtained by photographing the measurement object at an unknown distance as a double image in the displacement calculation step between the double images and the estimated external parameter. A distance calculating step for calculating a distance to the measurement object, and approximating a reflecting plate corresponding to the vicinity of the point of interest on the image obtained by photographing the double image with a flat plate having non-parallelism, A region (divided plane region) on the reflector necessary for forming a double image corresponding to a point has an external parameter having the same value as that of the target point, and the external parameter estimated by the calibration processing step is , Having different values depending on the point of interest, and in the distance calculating step, by using an external parameter having a different value depending on the point of interest, or the reflecting plate is formed on the transparent plate or both surfaces of the transparent plate. By being a double-sided half mirror plate with a half mirror coating, or by being an imaging device in which the imaging means uses a solid-state imaging device, or the external parameter The normal vector for both surfaces of the reflector, the distance along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, the thickness of the reflector, and the relative refraction of the reflector to air In the calibration processing step, the external parameter is set to the image position as shown in the following formula.
Is approximated by a two-dimensional cubic function
Here, Φ j (j = 1, 2,..., 10) is a seven-element coefficient vector corresponding to the external parameter, and the coefficient vector Φ j is a number of image positions.
External parameters estimated for
Use
Based on the weighted least square method, or in the distance calculating step, based on the displacement between the double images for a certain point of interest and the external parameter for the point of interest, the line of sight corresponding to the point of interest The line of sight corresponding to the position of the double image corresponding to the point of interest is obtained, and the distance to the intersection position of the obtained two lines of sight is the distance to the measurement object, or the imaging means In order to obtain the absolute distance from the camera optical center to the calibration plane, the known distance D zi of the calibration plane is expressed as D zi = D i + D e [mm] (i = 0, 1,... , 12, also, D i represents the known distance to the i th calibration plane.) Distant absolute triplicate distance error D e = 0, assuming ± 25 [mm] Te, each external parameters
And the residual sum E d (D e ) in each estimation is obtained as in the following equation:
An absolute distance error that minimizes E d (D e ) by applying the sum of the obtained residuals E d (−25), E d (0), E d (25) to a quadratic function.
The
Error based on the estimated absolute distance
The absolute distance is calculated based on the known distance, and the external parameter is estimated again by the calibration processing step using the calculated absolute distance.

本発明によれば、1台の撮像装置とうねりのある市販の安価なアクリル透明板やガラス板などの反射板を使い、「うねりのある反射板」を「反射板の分割平面モデル」で非平行度を持つ平面板で近似することにより、更に、画像上位置によって変化する外部パラメータを利用することにより、安価な装置構成で短い計測時間で高精度な距離計測が可能になるだけでなく、2重像間変位の誤検出を減少させることもできるという独自な優れた効果を奏する。   According to the present invention, a single imaging device and a commercially available inexpensive reflector such as an acrylic transparent plate or glass plate are used, and the “swelled reflector” is not represented by the “divided plane model of reflector”. By approximating with a plane plate with parallelism, and by using external parameters that change depending on the position on the image, not only enables accurate distance measurement in a short measurement time with an inexpensive device configuration, There is an original excellent effect that false detection of the displacement between the double images can be reduced.

以下、図面を参照しながら、リフレクションステレオによる距離計測原理及び本発明を実施するための最良の形態について説明する。

<1>リフレクションステレオによる距離計測原理
まず、ここで、両面が平面で完全平行な透明板又は両面ハーフミラー板(以下、まとめて「反射板」と呼ぶこともある。)と、1台の撮像装置(その一例として、CCDカメラ、以下、単に「カメラ」と言う。)で構成する、本発明の発明者らが提案した「リフレクションステレオ」による距離計測原理を簡単に説明する(非特許文献16及び非特許文献17を参照)。
Hereinafter, the principle of distance measurement using reflection stereo and the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

<1> Principle of Distance Measurement by Reflection Stereo First, here, a transparent plate or a double-sided half mirror plate (hereinafter sometimes referred to collectively as a “reflecting plate”) whose both surfaces are completely parallel and one image pickup. The principle of distance measurement by “reflection stereo” proposed by the inventors of the present invention, which is composed of a device (as an example, a CCD camera, hereinafter simply referred to as “camera”) will be briefly described (Non-Patent Document 16). And non-patent document 17).

つまり、以下では、透明板や両面ハーフミラー板の反射像や透過像が2重像になること、2重像間変位が対象(計測対象)までの距離によって変化すること、及び2重像間変位には拘束があることについて述べる。   That is, in the following, the reflected image or the transmitted image of the transparent plate or the double-sided half mirror plate becomes a double image, the displacement between the double images varies depending on the distance to the target (measurement target), and between the double images. It will be described that there is a constraint on displacement.

なお、リフレクションステレオで使用される撮像装置として、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 an imaging device that uses a solid-state imaging device may be used as an imaging device used in reflection stereo. Therefore, the imaging device is not limited to a CCD camera. For example, a CMOS camera using a CMOS image sensor may be used. .

また、本発明で言う「対象(計測対象)までの距離」とは、視線に沿った対象までの距離を意味する。具体的に、反射型リフレクションステレオによる距離計測を行う場合には、透明板表面で視線が反射するが、「対象(計測対象)までの距離」とは、反射した視線に沿った対象までの距離を意味する。一方、透過型リフレクションステレオによる距離計測を行う場合には、視線が両面ハーフミラー板で屈折するため、「対象(計測対象)までの距離」とは、撮像装置(カメラ)の光学中心から両面ハーフミラー板までの視線の方向に沿った対象までの距離を意味する。

<1−1>反射型リフレクションステレオ
ここで、まず、反射型リフレクションステレオによる距離計測原理について説明する。
The “distance to the target (measurement target)” in the present invention means a distance to the target along the line of sight. Specifically, when performing distance measurement using reflective reflection stereo, the line of sight is reflected on the surface of the transparent plate, but the “distance to the target (measurement target)” refers to the distance to the target along the reflected line of sight Means. On the other hand, when performing distance measurement using transmission-type reflection stereo, the line of sight is refracted by the double-sided half mirror plate, so the “distance to the target (measurement target)” means the double-sided half from the optical center of the imaging device (camera). This means the distance to the object along the line of sight to the mirror plate.

<1-1> Reflective Reflection Stereo Here, first, the principle of distance measurement using the reflective reflection stereo will be described.

図1は、透明板の反射像(表面反射像と裏面反射像で構成され、位置ずれがある2重像)を利用する反射型リフレクションステレオによる距離計測原理を説明するための模式図である。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of distance measurement by reflection-type reflection stereo using a reflection image of a transparent plate (a double image composed of a front-surface reflection image and a back-surface reflection image and having a positional shift).

図1に示すように、表面反射像Iと裏面反射像Iとの間の角度視差θは、空気に対する透明板の相対屈折率n、透明板の厚さ(以下、単に「板厚」とも言う。)d、表面反射像の入射角θ、及び透明板から計測対象(物体)までの距離Dによって変化する。 As shown in FIG. 1, the angle disparity theta s between the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r, the relative refractive index of the transparent plate to air n, the thickness of the transparent plate (hereinafter, simply "thickness also referred to as ".) d, it varies with the distance D o of the incident angle theta i of front surface reflection image, and a transparent plate to the measurement target (object).

計測対象とカメラ光学中心(レンズ光学中心)、及び透明板の法線ベクトルを通る平面(入射面)上での光線を考えることで、表面反射像Iと裏面反射像Iとの間の角度視差θ(2重像間の角度視差)と計測対象までの距離との基本的な関係を説明する。この平面(入射面)は透明板の法線ベクトルを含むので、計測対象から来る光線の反射や屈折は、入射面上で記述することができる。 Measurement object and the camera optical center (lens optical center), and by considering the light rays on the plane (incidence plane) passing through the normal vector of the transparent plate, between the front surface reflection image I s and rear surface reflection image I r A basic relationship between the angle parallax θ s (angle parallax between double images) and the distance to the measurement target will be described. Since this plane (incident surface) includes the normal vector of the transparent plate, reflection and refraction of light rays coming from the measurement object can be described on the incident surface.

計測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。計測対象の位置を(−Dsinθ,Dcosθ)とし、また、カメラ光学中心の位置を(Dsinθ,Dcosθ)とする。 A coordinate system (ξ, υ) is set with the origin at which the light beam from the measurement object is reflected on the transparent plate. The position of the measurement target is (−D o sinθ i , D o cosθ i ), and the position of the camera optical center is (D c sinθ i , D c cosθ i ).

反射型リフレクションステレオにおいて、視線方向に沿った計測対象までの距離(D+D)は、表面反射と裏面反射の経路をξ軸に投影すると長さが等しくなることから、下記数1で表すことができる。 In the reflection type reflection stereo, the distance (D o + D c ) to the measurement target along the line-of-sight direction is expressed by the following formula 1 because the length of the surface reflection and the back reflection is equal when projected onto the ξ axis. be able to.

なお、透明板の2重像を撮影した画像上で2重像間の対応位置(以下、単に「2重像間変位」とも言う。)を計測すれば、角度視差θを求めることができる。また、2重像は、ある拘束直線上を変位するために、エピポーラ拘束を利用するステレオビジョンと同様に、1次元の探索を行えばよい。また、視線に沿った計測対象までの距離(D+D)が無限大のときには、θ=0となり、表面反射像Iと裏面反射像Iは完全に一致する。

<1−2>透過型リフレクションステレオ
次に、透過型リフレクションステレオによる距離計測原理について説明する。
Note that the angular parallax θ s can be obtained by measuring the corresponding position between the double images (hereinafter also simply referred to as “displacement between double images”) on the image obtained by capturing the double image of the transparent plate. . Further, in order to displace the double image on a certain constraint line, a one-dimensional search may be performed as in stereo vision using epipolar constraint. Further, when the distance to the measurement object along the line of sight (D o + D c) is infinity, theta s = 0, and the surface reflection image I s and rear surface reflection image I r is an exact match.

<1-2> Transmission-type Reflection Stereo Next, the principle of distance measurement using transmission-type reflection stereo will be described.

図2は、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板(以下、単に「両面ハーフミラー板」と言う。)の透過像(直接像と内部反射像で構成され、位置ずれがある2重像)を利用する透過型リフレクションステレオによる距離計測原理を説明するための模式図である。   FIG. 2 shows a transmission image (consisting of a direct image and an internal reflection image) of a double-sided half-mirror plate (hereinafter simply referred to as “double-sided half-mirror plate”) having a half-mirror coating on both sides of a transparent plate. It is a schematic diagram for demonstrating the distance measurement principle by the transmission-type reflection stereo using a certain double image).

図2に示すように、直接像Iと第1次内部反射像Ii1との間の角度視差θは、反射型リフレクションステレオと同様に、空気に対する両面ハーフミラー板の相対屈折率n、両面ハーフミラー板の板厚d、直接像の入射角度θ、及び両面ハーフミラー板から計測対象までの距離Dによって変化する。 As shown in FIG. 2, the angular parallax θ s between the direct image I d and the primary internal reflection image I i1 is the relative refractive index n of the double-sided half mirror plate with respect to air, as in the reflection type reflection stereo. It varies depending on the thickness d of the double-sided half mirror plate, the incident angle θ i of the direct image, and the distance D o from the double-sided half mirror plate to the measurement object.

反射型リフレクションステレオと同様に、入射面上での光線を考えることで、直接像Iと第1次内部反射像Ii1との間の角度視差θ(2重像間の角度視差)と計測対象までの距離との基本的な関係を説明する。 Similar to the reflection-type reflection stereo, by considering the light ray on the incident surface, the angle parallax θ s (angle parallax between the double images) between the direct image I d and the primary internal reflection image I i1 The basic relationship with the distance to the measurement object will be described.

直接像の射出位置を原点とする座標系(ξ,υ)を設定する。カメラ光学中心の位置を(Dsinθ,Dcosθ)とする。 A coordinate system (ξ, υ) with the origin of the direct image as the origin is set. The position of the camera optical center is defined as (D c sinθ i , D c cosθ i ).

透過型リフレクションステレオにおいて、視線方向に沿った計測対象までの距離(D+D+D)は、直接像と第1次内部反射像の経路をξ軸に投影すると長さが等しくなることから、下記数2で表すことができる。 In transmissive reflection stereo, the distance (D o + D i + D c ) to the measurement object along the line-of-sight direction is equal in length when the direct image and the path of the primary internal reflection image are projected onto the ξ axis. Can be expressed by the following formula 2.

なお、両面ハーフミラー板の2重像を撮影した画像上で2重像間の対応位置(2重像間変位)を計測すれば、角度視差θを求めることができる。また、2重像は、ある拘束直線上を変位するために、エピポーラ拘束を利用するステレオビジョンと同様に、1次元の探索を行えばよい。

<1−3>計測対象までの距離の求め方
上記<1−1>で述べた反射型リフレクションステレオ、及び上記<1−2>で述べた透過型リフレクションステレオにおいて、2重像間変位から計測対象までの距離を求めるためには、カメラのレンズ焦点距離f/δの他に、ステレオビジョンにおける外部パラメータに相当する次の5個のパラメータ(以下、単に、「リフレクションステレオの外部パラメータ」又は「従来の外部パラメータ」と言う。)が必要である。ただし、既存手法で推定したカメラ内部パラメータを使って、2重像を撮影した画像からレンズ歪曲収差と画像中心位置は、補正されているとする。
Note that the angular parallax θ s can be obtained by measuring the corresponding position between the double images (the displacement between the double images) on the image obtained by capturing the double image of the double-sided half mirror plate. Further, in order to displace the double image on a certain constraint line, a one-dimensional search may be performed as in stereo vision using epipolar constraint.

<1-3> How to Find Distance to Measurement Object Measured from the displacement between double images in the reflective reflection stereo described in <1-1> above and the transmissive reflection stereo described in <1-2> above. In order to obtain the distance to the object, in addition to the lens focal length f / δ of the camera, the following five parameters corresponding to external parameters in stereo vision (hereinafter simply referred to as “external parameters of reflection stereo” or “ "Conventional external parameters"). However, it is assumed that the lens distortion and the image center position are corrected from the image obtained by capturing the double image using the camera internal parameter estimated by the existing method.

「リフレクションステレオの外部パラメータ」として、
反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)の法線ベクトル
(即ち、パラメータn,n)、
カメラ光学中心から反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)までの光軸に沿った距離Dco(即ち、パラメータDco)、
反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)の板厚d(即ち、パラメータd)、
反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)の空気に対する相対屈折率n(即ち、パラメータn)がある。
As "external parameter of reflection stereo"
Normal vector of reflector (transparent plate or double-sided half mirror plate)
(Ie, parameters n 1 , n 2 ),
A distance D co (ie, parameter D co ) along the optical axis from the camera optical center to the reflector (transparent plate or double-sided half mirror plate),
Thickness d (that is, parameter d) of the reflecting plate (transparent plate or double-sided half mirror plate),
There is a relative refractive index n (that is, parameter n) of the reflecting plate (transparent plate or double-sided half mirror plate) with respect to air.

これら5個の従来の外部パラメータを使えば、次のように、2重像間変位から計測対象までの距離を算出することができる。   If these five conventional external parameters are used, the distance from the displacement between the double images to the measurement object can be calculated as follows.

図3に示すように、カメラ光学中心を原点Oとするカメラ座標系を設定する。反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)の法線ベクトルを
とし、また、CCDの画素間隔を単位とするレンズ焦点距離(原点Oと画像面との距離)をf/δとする。
As shown in FIG. 3, a camera coordinate system with the camera optical center as the origin O is set. Normal vector of reflector (transparent plate or double-sided half mirror plate)
Further, the lens focal length (distance between the origin O and the image plane) with the pixel interval of the CCD as a unit is defined as f / δ.

画像面上の点(以下、単に「注目点」とも言う。)
に対応する2重像の位置
を、単位方向ベクトル
の拘束直線上で探索した結果、注目点
からの変位(2重像間変位)
の位置に見つかったとする。ただし、
は、拘束直線の交点位置を表す。また、Δは注目点
から拘束直線に沿った距離[画素]を表す。このとき、図1及び図2における2重像間の角度視差θは、下記数3により求めることができる。
A point on the image plane (hereinafter, also simply referred to as “attention point”)
The position of the double image corresponding to
The unit direction vector
As a result of searching on the constraint line of
Displacement (displacement between double images)
Suppose it is found at the position of. However,
Represents the intersection position of the constraining straight line. Δ is the point of interest
Represents the distance [pixel] along the constraint straight line. At this time, the angular parallax θ s between the double images in FIGS. 1 and 2 can be obtained by the following equation (3).

また、注目点
に対する反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)への入射角度θ(図1と図2を参照)は、下記数4により求めることができる。
Also noteworthy
The incident angle θ i (see FIGS. 1 and 2) to the reflection plate (transparent plate or double-sided half mirror plate) can be obtained by the following equation (4).

数3により得られた2重像間の角度視差θと数4により得られた入射角度θを、それぞれ数1と数2に用いることで、2重像間変位
から計測対象までの距離を求めることができる。
By using the angular parallax θ s between the double images obtained by Equation 3 and the incident angle θ i obtained by Equation 4 in Equations 1 and 2, respectively, the displacement between the double images is calculated.
The distance from the object to the measurement object can be obtained.

2重像は、位置ずれのあるほぼ同じ画像(信号)が重なったものと考えることができる。このような画像(信号)の自己相関関数は、原点における極大の他に、画像(信号)間の位置ずれに対応した位置でも極大を持つ。   A double image can be considered as an image in which substantially the same image (signal) having a positional shift is overlapped. Such an autocorrelation function of an image (signal) has a maximum at a position corresponding to a positional shift between images (signals) in addition to the maximum at the origin.

従って、2重像を撮影した画像にエッジや特徴点がなくても、何らかのパターンがあれば、自己相関関数の2次極大位置からこの位置ずれを求めることができる。また、透過型リフレクションステレオの場合には、2重像間で明るさが異なるため、2次極大位置付近の特徴なども利用して、2重像間変位を検出する(非特許文献18を参照)。

<2>本発明に係る距離計測装置及び距離計測方法
以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
Therefore, even if there is no edge or feature point in the image obtained by capturing the double image, this misregistration can be obtained from the secondary maximum position of the autocorrelation function if there is any pattern. In the case of transmissive reflection stereo, the brightness differs between the double images, so that the displacement between the double images is detected using the characteristics near the secondary maximum position (see Non-Patent Document 18). ).

<2> Distance measuring apparatus and distance measuring method according to the present invention Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail.

本発明は、非平行で完全平面ではない透明板又は両面ハーフミラー板(以下、説明の便宜上、「非平行で完全平面ではない透明板又は両面ハーフミラー板」を単に、「うねりのある反射板」とも称する)に映る2重像を、1台の撮像装置で撮影して得られた1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、高精度な距離計測を行い得るようにした距離計測装置及び距離計測方法に関するものである。   In the present invention, a transparent plate or a double-sided half mirror plate that is non-parallel and not completely flat (hereinafter, for convenience of explanation, a “transparent plate or double-sided half-mirror plate that is not parallel and not completely flat” is simply referred to as a “reflective plate having a wave” It is possible to perform high-precision distance measurement with an inexpensive device configuration and a short measurement time based on a single image obtained by photographing a double image shown in FIG. The present invention relates to a distance measuring device and a distance measuring method.

本発明に係る距離計測装置の機能を、キャリブレーション処理機能と距離計測機能とに大きく分けることができる。キャリブレーション処理機能とは、複数の既知の距離にある平面(キャリブレーション平面)を2重像として撮影し、それらの2重像を利用して距離計測装置の外部パラメータ(以下、単に「外部パラメータ」とも言う。)を推定する機能である。   The function of the distance measuring device according to the present invention can be broadly divided into a calibration processing function and a distance measuring function. The calibration processing function is to capture a plurality of planes (calibration planes) at known distances as double images, and use these double images to external parameters (hereinafter simply referred to as “external parameters”) of the distance measuring device. It is also a function that estimates "."

また、距離計測機能(距離算出機能)とは、キャリブレーション処理機能で推定された外部パラメータと、未知の距離にある計測対象を2重像として撮影して得られた1枚の画像(画像データ)とに基づき、計測対象までの距離を算出(計測)する機能である。   The distance measurement function (distance calculation function) is an external parameter estimated by the calibration processing function and a single image (image data) obtained by photographing a measurement object at an unknown distance as a double image. ) To calculate (measure) the distance to the measurement target.

そして、本発明に係る距離計測装置では、切り替え信号により、キャリブレーション処理機能と距離計測機能(距離算出機能)とを切り替えるようにしている。   In the distance measurement device according to the present invention, the calibration processing function and the distance measurement function (distance calculation function) are switched by the switching signal.

換言すれば、本発明に係る距離計測装置を用いて、実際に計測対象までの距離を計測する前に、まず、距離計測装置のキャリブレーションを行う必要があり、つまり、距離計測装置の外部パラメータを推定する必要がある。そして、距離計測装置のキャリブレーションが済んだ後に(外部パラメータが得られた後に)、本発明の距離計測装置を用いて、実際に距離計測を行う。   In other words, it is necessary to first calibrate the distance measuring device before actually measuring the distance to the measurement object using the distance measuring device according to the present invention, that is, external parameters of the distance measuring device. Need to be estimated. Then, after the distance measurement apparatus is calibrated (after external parameters are obtained), the distance measurement apparatus of the present invention is used to actually measure the distance.

図4は、本発明に係る距離計測装置の一実施形態を示すブロック構成図である。図4に示されたように、本発明の距離計測装置1は、反射板10と、撮像手段20と、2重像間変位算出部30と、キャリブレーション処理部40と、距離算出部50とから構成され、そして、2重像間変位算出部30で算出された2重像間変位は、切り替え信号により、キャリブレーション処理部40に入力され、又は、距離算出部50に入力されるようになっている。なお、図示されていないが、本発明の距離計測装置1は、例えばメモリのような記憶手段を備えている。   FIG. 4 is a block configuration diagram showing an embodiment of a distance measuring device according to the present invention. As shown in FIG. 4, the distance measuring device 1 of the present invention includes a reflecting plate 10, an imaging unit 20, a double image displacement calculating unit 30, a calibration processing unit 40, and a distance calculating unit 50. The double image displacement calculated by the double image displacement calculation unit 30 is input to the calibration processing unit 40 or the distance calculation unit 50 by a switching signal. It has become. Although not shown, the distance measuring device 1 of the present invention includes a storage unit such as a memory.

本発明では、反射板10として、1枚の非平行で完全平面ではない透明板又は両面ハーフミラー板を用いる。本実施例では、反射板10として、市販の安価なアクリル透明板を用いる。   In the present invention, a single non-parallel transparent plate or double-sided half mirror plate is used as the reflecting plate 10. In this embodiment, a commercially available inexpensive acrylic transparent plate is used as the reflecting plate 10.

また、撮像手段20として、1台の撮像装置を用いる。本実施例では、CCDイメージセンサを搭載したCCDカメラ(以下、単に「カメラ」と言う。)を撮像手段20として用いる。ただし、本発明で用いる撮像手段20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カメラに限定される必要がなく、例えば、CMOSイメージセンサを搭載したCMOSカメラを用いるようにしても良い。   In addition, one imaging device is used as the imaging means 20. In this embodiment, a CCD camera equipped with a CCD image sensor (hereinafter simply referred to as “camera”) is used as the imaging means 20. However, any imaging device using a solid-state imaging device may be used as the imaging means 20 used in the present invention. Therefore, the imaging unit 20 is not limited to a CCD camera. For example, a CMOS camera equipped with a CMOS image sensor may be used. good.

本発明の距離計測装置1では、距離計測装置1自身のキャリブレーションを行う場合に、まず、複数の既知の距離にある平面(キャリブレーション平面)が反射板10に映る2重像を撮像手段20で撮影して得られた画像(画像データ)を2重像間変位算出部30に入力し、次に、2重像間変位算出部30で算出された2重像間変位を、切り替え信号(キャリブレーション処理部への切り替え信号)により、キャリブレーション処理部40に入力し、そして、2重像間変位と既知の距離(真の距離)とに基づき、キャリブレーション処理部40が外部パラメータを推定し、推定した外部パラメータを距離算出部50に入力する。このようにして、距離計測装置1のキャリブレーション処理が終了する。つまり、本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法は、上記のような手順で行われる。   In the distance measuring device 1 of the present invention, when the distance measuring device 1 itself is calibrated, first, a double image in which a plurality of planes (calibration planes) at known distances are reflected on the reflecting plate 10 is imaged. The image (image data) obtained by photographing in (2) is input to the double-image displacement calculation unit 30, and then the double-image displacement calculated by the double-image displacement calculation unit 30 is changed to a switching signal ( Is input to the calibration processing unit 40 by the calibration processing unit switching signal), and the calibration processing unit 40 estimates the external parameter based on the displacement between the double images and the known distance (true distance). Then, the estimated external parameter is input to the distance calculation unit 50. In this way, the calibration process of the distance measuring device 1 is completed. That is, the calibration method in the distance measuring apparatus of the present invention is performed according to the above procedure.

そして、キャリブレーション済みの距離計測装置1を用いて、未知の距離にある計測対象までの距離を計測する場合に、距離計測装置1では、まず、未知の距離にある計測対象が反射板10に映る2重像を撮像手段20で撮影して得られた1枚の画像(画像データ)を2重像間変位算出部30に入力し、次に、2重像間変位算出部30で算出された2重像間変位を、切り替え信号(距離算出部への切り替え信号)により、距離算出部50に入力し、そして、2重像間変位と外部パラメータとに基づき、距離算出部50が計測対象までの距離を算出(計測)する。このようにして、距離計測装置1の距離計測が終了する。つまり、本発明に係る距離計測方法は、上記のような手順で行われる。   And when measuring the distance to the measurement object in an unknown distance using the calibrated distance measurement apparatus 1, in the distance measurement apparatus 1, first, the measurement object in the unknown distance is applied to the reflecting plate 10. A single image (image data) obtained by photographing the reflected double image with the imaging means 20 is input to the inter-double-image displacement calculating unit 30, and then calculated by the inter-double-image displacement calculating unit 30. The distance between the double images is input to the distance calculating unit 50 by a switching signal (switching signal to the distance calculating unit), and the distance calculating unit 50 measures the object based on the displacement between the double images and the external parameters. The distance to is calculated (measured). In this way, the distance measurement of the distance measuring device 1 is completed. That is, the distance measuring method according to the present invention is performed in the above procedure.

なお、本発明の距離計測装置1では、キャリブレーション処理部40が推定した外部パラメータを、距離算出部50に入力せず、距離計測装置1自身が備えた記憶手段(メモリ)に格納しておくようにしても良い。そうした場合には、距離算出部50は、計測対象までの距離を算出(計測)する前に、記憶手段(メモリ)に格納された外部パラメータを読み出す必要があることは言うまでもない。

<3>本発明に係る距離計測装置における反射板及び距離計測方法について
<2>でも述べたように、本発明に係る距離計測装置では、反射板として、非平行で完全平面ではない透明板又は両面ハーフミラー板、即ち、うねりのある透明板又は両面ハーフミラー板を用いる。以下、「うねりのある透明板又は両面ハーフミラー板」を単に「うねりのある反射板」とも言う。
In the distance measuring device 1 of the present invention, the external parameters estimated by the calibration processing unit 40 are not input to the distance calculating unit 50 but are stored in the storage means (memory) provided in the distance measuring device 1 itself. You may do it. In such a case, it goes without saying that the distance calculation unit 50 needs to read the external parameter stored in the storage means (memory) before calculating (measuring) the distance to the measurement target.

<3> Reflector plate and distance measurement method in the distance measurement device according to the present invention As described in <2>, in the distance measurement device according to the present invention, as the reflection plate, a transparent plate that is not parallel and not perfectly flat or A double-sided half mirror plate, that is, a wavy transparent plate or a double-sided half mirror plate is used. Hereinafter, the “swelled transparent plate or double-sided half mirror plate” is also simply referred to as “swelled reflector”.

本発明に係る距離計測装置の反射板として、市販の安価なアクリル透明板やガラス板を用いる。このような入手性の良いアクリル透明板やガラス板の表面には、「うねり」が存在する。つまり、アクリル透明板やガラス板の表面は完全に平面ではなく、そして、アクリル透明板やガラス板の両表面は平行でもない。   A commercially available inexpensive acrylic transparent plate or glass plate is used as the reflecting plate of the distance measuring device according to the present invention. “Waviness” exists on the surface of such a highly transparent acrylic transparent plate or glass plate. That is, the surfaces of the acrylic transparent plate and the glass plate are not completely flat, and both surfaces of the acrylic transparent plate and the glass plate are not parallel.

本発明では、うねりのある反射板を局所的に平面で近似し(即ち、うねりのある反射板の分割平面モデルを用い)、光線追跡法(非特許文献19を参照)の原理(アルゴリズム)を利用して、計測対象までの距離を短時間で高精度に計測することを特徴としている。

<3−1>反射板の分割平面モデル
以下、説明の便宜上、「うねりのある反射板」を単に「反射板」とも言う。
In the present invention, a reflecting plate with waviness is locally approximated by a plane (that is, using a divided plane model of a wavy reflecting plate), and the principle (algorithm) of the ray tracing method (see Non-Patent Document 19) is used. It is characterized by measuring the distance to the measurement object with high accuracy in a short time.

<3-1> Dividing Plane Model of Reflecting Plate Hereinafter, for convenience of explanation, “a reflecting plate with undulation” is also simply referred to as a “reflecting plate”.

本発明の最大な特徴とも言える「反射板の分割平面モデル」とは、2重像を撮影した画像上の注目点付近に対応する反射板を、非平行度を持つ平面板で近似することを意味する。   The “divided plane model of the reflector”, which can be said to be the greatest feature of the present invention, is to approximate the reflector corresponding to the vicinity of the point of interest on the image obtained by photographing the double image with a plane plate having non-parallelism. means.

図5は、本発明における反射板の分割平面モデルを説明するための模式図である。なお、図5において、反射板として透明板を用いるが、本発明はそれに限定されることはなく、両面ハーフミラー板を反射板として用いることは可能であることは言うまでもない。   FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a divided plane model of the reflector in the present invention. In FIG. 5, a transparent plate is used as the reflecting plate. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that a double-sided half mirror plate can be used as the reflecting plate.

図5に示すように、画像上の注目点
付近に対応する反射板(透明板)を、非平行度を持つ平面板で近似する。即ち、本発明では、画像上のある注目点に対応する2重像を形成するために必要な反射板上(透明板上)の領域(即ち、図5の分割平面領域)は、その注目点と同じ外部パラメータで表現できると仮定する。
As shown in FIG.
A reflecting plate (transparent plate) corresponding to the vicinity is approximated by a flat plate having non-parallelism. That is, in the present invention, the region on the reflector (on the transparent plate) necessary for forming a double image corresponding to a certain point of interest on the image (that is, the divided plane region in FIG. 5) is the point of interest. And can be expressed with the same external parameters.

本発明の外部パラメータには、<1−3>で述べた従来の外部パラメータと比較して、次のように、反射板の両表面に対してそれぞれ法線ベクトルがある。   As compared with the conventional external parameters described in <1-3>, the external parameters of the present invention have normal vectors for both surfaces of the reflector as follows.

つまり、本発明に係る距離計測装置の外部パラメータとして、
反射板の両表面に対する法線ベクトル
(即ち、パラメータnR1,nR2,nS1,nS2)、
カメラ光学中心から反射板までの光軸に沿った距離Dco(即ち、パラメータDco)、
反射板の板厚d(即ち、パラメータd)、
反射板の空気に対する相対屈折率n(即ち、パラメータn)がある。
That is, as an external parameter of the distance measuring device according to the present invention,
Normal vectors for both surfaces of the reflector
(Ie, parameters n R1 , n R2 , n S1 , n S2 ),
A distance D co (ie, parameter D co ) along the optical axis from the camera optical center to the reflector,
Reflector thickness d (ie, parameter d),
There is a relative refractive index n (ie, parameter n) of the reflector with respect to air.

これら7個の外部パラメータは、画像上の注目点
に応じて異なる値
を持つ。
These seven external parameters are the points of interest on the image
Different value depending on
have.

注目点付近に対応する反射板を非平行度を持つ平面板で近似することは、うねりを持つ反射板の表面形状を1次近似することに相当する。   Approximating the reflecting plate corresponding to the vicinity of the point of interest with a flat plate having non-parallelism corresponds to first-order approximation of the surface shape of the reflecting plate having waviness.

実験に使用した透過型構成を有する(両面ハーフミラー板を用いた)本発明の距離計測装置(<5−1>で述べる)では、画像全体を反射板(両面ハーフミラー板)に投影したときに約45×40[mm]である。画像サイズが640×480[画素]で、注目領域サイズ(注目点)が20×20[画素]で、2重像間変位が10[画素]である場合に、注目領域(注目点)に対応する2重像を形成するために必要な反射板上の領域(分割平面領域)は約1.4×2.5[mm]である。市販のアクリル透明板やガラス板でも、このような小さな面積を有する領域(約1.4×2.5[mm]の分割平面領域)に対してならば、表面形状を1次近似することができる。

<3−2>光線追跡法
本発明では、「反射板の分割平面モデル」を用い、「うねりのある反射板」を、非平行度を持つ平面板で近似することにした。
In the distance measuring device of the present invention (described in <5-1>) having the transmissive configuration used in the experiment (using a double-sided half mirror plate), when the entire image is projected on a reflecting plate (double-sided half mirror plate) About 45 × 40 [mm]. Corresponds to the attention area (attention point) when the image size is 640 × 480 [pixel], the attention area size (attention point) is 20 × 20 [pixel], and the displacement between the double images is 10 [pixel]. An area (divided plane area) on the reflector necessary for forming a double image is about 1.4 × 2.5 [mm]. Even in a commercially available acrylic transparent plate or glass plate, the surface shape can be approximated to a first order if it is a region having such a small area (divided plane region of about 1.4 × 2.5 [mm]). it can.

<3-2> Ray tracing method In the present invention, the “divided plane model of the reflector” is used to approximate the “reflector with undulation” with a plane plate having non-parallelism.

このように、本発明では、非平行度を持つ反射板を使用しているため、<1>で述べたような従来のリフレクションステレオに使用される解析的な距離算出方法(距離計測方法)を用いても、計測対象までの距離算出(距離計測)が困難である。   Thus, in the present invention, since the reflector having non-parallelism is used, the analytical distance calculation method (distance measurement method) used in the conventional reflection stereo as described in <1> is used. Even if it is used, it is difficult to calculate the distance to the measurement target (distance measurement).

そこで、本発明では、光線追跡法を利用して、注目点に対応する視線と、注目点に対応する2重像の位置に対応する視線をそれぞれ求め、求めた2つの視線(求めた2直線)の交点位置までの距離を、計測対象までの距離とする。   Therefore, in the present invention, the ray tracing method is used to obtain the line of sight corresponding to the point of interest and the line of sight corresponding to the position of the double image corresponding to the point of interest, respectively. ) Is the distance to the measurement target.

ここでは、<3−3>で述べる本発明における距離計測方法の準備として、光線追跡法の計算方法を述べる。   Here, as a preparation for the distance measurement method according to the present invention described in <3-3>, a calculation method of the ray tracing method will be described.

光線追跡法(非特許文献19を参照)では、次の3種類の計算要素を使うことで、カメラ光学中心に向かってくる光線がたどってきた経路を追跡することができる。

計算要素その1:光線と平面との交点
図6に示すように、点
を通る方向ベクトル
の向きの直線と、点
を含む単位法線ベクトル
の平面との交点
は、下記数5で表すことができる。
In the ray tracing method (see Non-Patent Document 19), the path along which the ray coming toward the optical center of the camera follows can be traced by using the following three types of calculation elements.

Calculation element 1: Intersection of ray and plane As shown in FIG.
Direction vector through
A straight line and a point
Unit normal vector containing
Intersection with the plane of
Can be expressed by Equation 5 below.

計算要素その2:平面での正反射ベクトル
図6に示すように、単位法線ベクトル
の平面に入射した方向ベクトル
の正反射方向ベクトル
は、下記数6で表すことができる。
Calculation element # 2: Regular reflection vector in the plane Unit normal vector as shown in FIG.
Direction vector incident on the plane of
Regular reflection direction vector
Can be expressed by Equation 6 below.

計算要素その3:平面での屈折ベクトル
図6に示すように、単位法線ベクトル
の平面に入射した方向ベクトル
に対する、相対屈折率nの物質内部への屈折方向ベクトル
は、下記数7で表すことができる。
Calculation element # 3: Refraction vector in the plane As shown in FIG. 6, the unit normal vector
Direction vector incident on the plane of
Refraction direction vector into the material with relative refractive index n for
Can be expressed by Equation 7 below.

ただし、
また、k<1のときには、空気からガラスに入射して屈折するような状況を表している。

<3−3>本発明における距離計測方法
ここで、本発明における距離計測方法について詳細に説明する。つまり、局所的に平面で近似された反射板を使った(反射板の分割平面モデルを用いた)本発明の距離計測装置における計測対象までの距離算出方法について詳細に説明する。
However,
Further, when k f <1, it represents a situation where the light is incident on the glass and refracted.

<3-3> Distance Measurement Method in Present Invention Here, the distance measurement method in the present invention will be described in detail. That is, a method for calculating the distance to the measurement object in the distance measuring device of the present invention using a reflector that is locally approximated by a plane (using a divided plane model of the reflector) will be described in detail.

要するに、本発明では、ある注目点
に対する外部パラメータ
が得られた場合、2重像間変位(2重像間の位置ずれ)を計測(算出)することにより、<3−3−1>及び<3−3−2>で詳細に述べるように、光線追跡法を使って、計測対象までの距離をこれらの関数(外部パラメータ
及び2重像間変位の関数)として計測(算出)するようにしている。

<3−3−1>反射型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合
ここで、反射型構成を有する本発明の距離計測装置とは、反射板として透明板を用いた本発明の距離計測装置のことを意味する。
In short, in the present invention, a certain point of interest
External parameters for
As described in detail in <3-3-1> and <3-3-2> by measuring (calculating) the displacement between the double images (the positional deviation between the double images). , The ray tracing method is used to determine the distance to the object to be measured using these functions (external parameters)
And (a function of displacement between double images).

<3-3-1> When using the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration Here, the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration refers to the present invention using a transparent plate as a reflective plate. It means a distance measuring device.

反射型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合に、計測対象までの距離は次のように算出される。   When the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration is used, the distance to the measurement target is calculated as follows.

図7(A)に示すように、画像面上の注目点
に表面反射像として撮影された計測対象は、tを媒介変数とする下記数8で表す直線
上に存在する。
As shown in Fig. 7 (A), the point of interest on the image plane
The object to be measured as a surface reflection image is a straight line represented by the following equation 8 with t S as a parameter.
Exists on.

ただし、
が成立する。また、
は、それぞれ透明板表面上の点と透明板表面の単位法線ベクトルであり、
は原点(カメラ光学中心)である。そして、
は外部パラメータ
に含まれる
を使って
と表せる。
However,
Is established. Also,
Are the point normal on the transparent plate surface and the unit normal vector of the transparent plate surface, respectively.
Is the origin (camera optical center). And
Is an external parameter
include
With
It can be expressed.

同じ計測対象が、図7(B)に示すように、注目点
に対する変位
を検出できたとき、裏面反射像として撮影された計測対象は、tを媒介変数とする下記数9で表す直線
上に存在する。
As shown in Fig. 7 (B), the same measurement object
Displacement with respect to
Is detected, the measurement object photographed as a back-surface reflection image is a straight line represented by the following equation 9 using t R as a parameter.
Exists on.

ただし、

が成立する。また、
は、それぞれ透明板裏面上の点と透明板裏面の単位法線ベクトルであり、
は原点(カメラ光学中心)である。そして、
は外部パラメータ
に含まれる
を使って
と表せる。
との交点位置、つまり、下記数10で表すように、2直線
までの距離の2乗和が最小になる位置が、計測対象の位置
である。
However,

Is established. Also,
Are the point normal on the back side of the transparent plate and the unit normal vector of the back side of the transparent plate,
Is the origin (camera optical center). And
Is an external parameter
include
With
It can be expressed.
The position of the intersection with, that is, two straight lines
The position where the sum of squares of the distance to the minimum is the position of the measurement target
It is.

ただし、
が成立する。
However,
Is established.

上記数10で表す計測対象の位置
は、カメラ座標系での計測対象の3次元座標を表しており、そのY座標
は計測対象までの距離である。
Position of the measurement target expressed by the above formula 10
Represents the three-dimensional coordinates of the measurement target in the camera coordinate system, and the Y coordinate
Is the distance to the measurement object.

よって、反射型構成を有する本発明の距離計測装置では、上記のようにして計測対象までの距離を算出(計測)している。

<3−3−2>透過型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合
ここで、透過型構成を有する本発明の距離計測装置とは、反射板として両面ハーフミラー板を用いた本発明の距離計測装置のことを意味する。
Therefore, in the distance measuring device of the present invention having the reflective configuration, the distance to the measurement object is calculated (measured) as described above.

<3-3-2> When the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration is used Here, the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration is a book using a double-sided half mirror plate as a reflector. It means the distance measuring device of the invention.

透過型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合に、計測対象までの距離は次のように算出される。   When the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration is used, the distance to the measurement target is calculated as follows.

図8(A)に示すように、画像面上の注目点
の直接像に対応する計測対象は、tを媒介変数とする下記数11で表す直線
上に存在する。
As shown in FIG. 8 (A), the point of interest on the image plane
The measurement object corresponding to the direct image of a straight line expressed by the following Expression 11 to the t D and parametric
Exists on.

ただし、
が成立する。また、
はそれぞれ両面ハーフミラー板の射出光側と入射光側の表面上の点であり、
はそれぞれ両面ハーフミラー板の射出光側と入射光側の表面の単位法線ベクトルである。
は原点(カメラ光学中心)である。そして、
は、外部パラメータ
に含まれる
を使って、それぞれ
と表せる。
However,
Is established. Also,
Are the points on the exit light side and the incident light side surface of the double-sided half mirror plate,
Are unit normal vectors on the surfaces of the exit light side and the incident light side of the double-sided half mirror plate, respectively.
Is the origin (camera optical center). And
Is an external parameter
include
With each
It can be expressed.

直接像に対応する内部反射像が、図8(B)に示すように、注目点
に対する変位
を検出できたとき、内部反射像に対応する計測対象は、tI1を媒介変数とする下記数12で表す直線
上に存在する。
As shown in FIG. 8B, the internal reflection image corresponding to the direct image is
Displacement with respect to
Can be detected, the measurement object corresponding to the internal reflection image is a straight line represented by the following equation 12 using t I1 as a parameter.
Exists on.

ただし、
が成立する。また、
は原点(カメラ光学中心)である。
との交点位置、つまり、下記数13で表すように、2直線
での距離の2乗和が最小になる位置が、計測対象の位置
である。
However,
Is established. Also,
Is the origin (camera optical center).
Intersection point, that is, two straight lines
The position where the sum of squares of the distance at
It is.

ただし、
が成立する。
However,
Is established.

上記数13で表す計測対象の位置
は、カメラ座標系での計測対象の3次元座標を表しており、そのZ座標
は計測対象までの距離である。
The position of the measurement target expressed by the above formula 13
Represents the 3D coordinates of the measurement target in the camera coordinate system, and the Z coordinate
Is the distance to the measurement object.

よって、透過型構成を有する本発明の距離計測装置では、上記のようにして計測対象までの距離を算出(計測)している。

<3−4>本発明の距離計測装置における2重像間の変位拘束
本発明の距離計測装置における2重像間の変位拘束は、従来のリフレクションステレオにおける2重像間の変位拘束と異なる。
Therefore, in the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration, the distance to the measurement object is calculated (measured) as described above.

<3-4> Displacement constraint between double images in distance measuring device of the present invention The displacement constraint between double images in the distance measuring device of the present invention is different from the displacement constraint between double images in the conventional reflection stereo.

つまり、数9の
と数12の
を求める際に用いた変位
は、即ち、図7(B)と図8(B)に示した変位(2重像間変位)
は、<1−3>及び図3に示した従来のリフレクションステレオにおける2重像間変位
とは異なる。
That is, the number 9
And the number 12
Displacement used to determine
That is, the displacement shown in FIG. 7B and FIG. 8B (displacement between double images)
Is the displacement between the double images in the conventional reflection stereo shown in <1-3> and FIG.
Is different.

本発明では、反射板の分割平面モデルを用いたため、即ち、注目点
付近に対応する反射板が非平行であるために、
の拘束がある。
In the present invention, the split plane model of the reflector is used, that is, the point of interest
Because the corresponding reflector in the vicinity is non-parallel,
There is a restraint.

ただし、
は注目点
における計測対象までの距離が無限のときの変位を表し、
は拘束直線の単位方向ベクトルを表す。また、Δは位置
から拘束直線に沿った距離[画素]を表す。そして、
は、次のように外部パラメータ
から求める。
However,
Is the point of interest
Represents the displacement when the distance to the measurement object is infinite,
Represents a unit direction vector of the constraint line. Δ is the position
Represents the distance [pixel] along the constraint straight line. And
The external parameter is as follows
Ask from.

透過型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合では、ある注目点
について、外部パラメータ
と2重像間変位
から、計測対象までの距離

を求めることができる。逆に、計測対象までの距離
に対する2重像間変位
は、1パラメータ最適化問題として求めることができる。
In the case of using the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration, a certain point of interest
About external parameters
And double image displacement
To the object to be measured

Can be requested. Conversely, the distance to the measurement target
Displacement between double images
Can be obtained as a one-parameter optimization problem.

計測対象までの距離
を次第に大きくして、それに対する2重像間変位
の変化が十分小さくなったときの変位を、無限遠距離に対応する2重像間変位
とする。また、複数の距離に対応する2重像間変位から、拘束直線の単位方向ベクトル
を求める。
Distance to measurement target
Gradually increasing the displacement between the double images
Displacement when the change of the image becomes sufficiently small, the displacement between the double images corresponding to the infinity distance
And Further, the unit direction vector of the constrained straight line from the displacement between the double images corresponding to a plurality of distances.
Ask for.

同様に、反射型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた場合でも、透過型構成を有する本発明の距離計測装置と同じように、
を求めることができる。ただし、計測対象までの距離として、計測対象の3次元座標のY座標、即ち、
を用いる。
Similarly, even when the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration is used, in the same manner as the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration,
Can be requested. However, as the distance to the measurement target, the Y coordinate of the three-dimensional coordinates of the measurement target, that is,
Is used.

なお、注目点
に対する外部パラメータ
は、<4>で述べる本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法(外部パラメータ推定方法)を用いて求める。

<4>本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法
ここでは、本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法(外部パラメータ推定方法)、及び外部パラメータの関数表現について詳細に説明する。

<4−1>外部パラメータ推定方法
<2>で既に述べたように、本発明の距離計測装置において、キャリブレーション処理部が2重像間変位と既知の距離とに基づき、外部パラメータを推定するようにしており、即ち、キャリブレーション処理部が距離計測装置のキャリブレーション(キャリブレーション処理)を行っている訳である。
Note that
External parameters for
Is obtained using a calibration method (external parameter estimation method) in the distance measuring device of the present invention described in <4>.

<4> Calibration Method in Distance Measurement Device of the Present Invention Here, the calibration method (external parameter estimation method) and the function expression of the external parameter in the distance measurement device of the present invention will be described in detail.

<4-1> External Parameter Estimation Method As already described in <2>, in the distance measurement device of the present invention, the calibration processing unit estimates the external parameter based on the displacement between the double images and the known distance. In other words, the calibration processing unit performs calibration (calibration processing) of the distance measuring device.

本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法、即ち、外部パラメータ推定方法は次のような手順で行われる。   The calibration method in the distance measuring apparatus of the present invention, that is, the external parameter estimation method is performed in the following procedure.

まず、本発明では、外部パラメータを推定するために、平面(以下、単に「キャリブレーション平面」とも言う。)までの既知の距離と、このキャリブレーション平面が反射板に映る2重像を撮像手段で撮影して得られた画像上における2重像間変位とを利用する。   First, in the present invention, in order to estimate external parameters, a known distance to a plane (hereinafter also simply referred to as a “calibration plane”) and a double image in which the calibration plane is reflected on a reflecting plate are imaged. The displacement between the double images on the image obtained by photographing with the above is used.

キャリブレーション平面までの距離Dは、反射型構成を有する本発明の距離計測装置では、カメラ光学中心からキャリブレーション平面までのY軸に沿った距離Dとなり、透過型構成を有する本発明の距離計測装置では、カメラ光学中心からキャリブレーション平面までのZ軸に沿った距離Dとなる。 The distance D to the calibration plane is the distance D y along the Y-axis from the camera optical center to the calibration plane in the distance measuring device of the present invention having the reflective configuration, and the distance of the present invention having the transmissive configuration. In the measurement apparatus, the distance Dz is along the Z axis from the camera optical center to the calibration plane.

以下では、透過型構成を有する本発明の距離計測装置におけるキャリブレーション方法(外部パラメータ推定方法)について説明する。   Hereinafter, a calibration method (external parameter estimation method) in the distance measuring apparatus of the present invention having a transmission type configuration will be described.

画像上のある注目点
について、キャリブレーション平面までの距離Dとそれに対応する2重像間変位
がM組求まれば、つまり、
が求まれば、一般的なカメラキャリブレーション手法(非特許文献21を参照)と同様に、次のように外部パラメータ
を推定することができる。
A point of interest on the image
For, between a double image and the corresponding distance D z to the calibration plane displacement
If M is found, that is,
Is obtained as in the case of a general camera calibration method (see Non-Patent Document 21) as follows.
Can be estimated.

ただし、
は外部パラメータ推定値である。また、非線形目的関数
の第2項は、推定する外部パラメータが外部パラメータの設計値
から遠く外れないようにするための安定化項である。重み係数αは、できるだけ小さな値に実験的に決定する。外部パラメータの各要素は互いに影響し合っているため、ほとんどの場合、安定化項と適切な初期値を与えないと、安定に収束しない。そして、この非線形目的関数
の最小化には、外部パラメータの設計値を初期値として共役勾配法を利用した。
However,
Is the external parameter estimate. The nonlinear objective function
The second term of is that the external parameter to be estimated is the design value of the external parameter
It is a stabilization term to keep it from moving far away from it. The weighting factor α is experimentally determined as small as possible. Since each element of the external parameter influences each other, in most cases, it does not converge stably unless a stabilization term and an appropriate initial value are given. And this nonlinear objective function
For the minimization, the conjugate gradient method was used with the design values of the external parameters as initial values.

2重像間変位
は、キャリブレーション平面に十分な密度の適切なテクスチャがあれば、2重像間の変位拘束を全く利用せずに、正規化自己相関関数の2次極大位置として計測することができる。この2重像間変位
は2自由度なので、7個の外部パラメータを推定するためには、M≧4の観測(撮影及び2重像間変位算出)が必要である。

<4−2>本発明に外部パラメータの関数表現
うねりのある市販のアクリル透明板やガラス板は、製品の性能上では平行平面板として設計されているため、本発明では、そのようなアクリル透明板やガラス板に映る2重像を撮影した画像上の注目点(注目点位置)が変化しても、外部パラメータの変化は微小で、また、注目点(注目点位置)の変化に対して、外部パラメータの変化が連続であるとする。
Displacement between double images
Can be measured as the second maximum position of the normalized autocorrelation function without using any displacement constraint between the double images if there is a suitable texture of sufficient density on the calibration plane. Displacement between these double images
Since there are two degrees of freedom, in order to estimate the seven external parameters, observation of M ≧ 4 (imaging and calculation of displacement between double images) is required.

<4-2> Functional expression of external parameters in the present invention Since a commercially available acrylic transparent plate or glass plate having a wave is designed as a parallel flat plate in terms of product performance, in the present invention, such an acrylic transparent plate is used. Even if the attention point (attention point position) on the image of the double image reflected on the plate or glass plate changes, the change in the external parameter is small, and the change in the attention point (attention point position) Suppose that the change of the external parameter is continuous.

このような外部パラメータの連続的な変化を考慮すると、画像上の特定の位置(以下、単に「画像位置」とも言う。)に対して推定した外部パラメータをそのまま、距離計測装置の記憶手段(メモリ)に格納するのは効率が低い。   Considering such a continuous change of the external parameter, the external parameter estimated for a specific position on the image (hereinafter also simply referred to as “image position”) is used as it is, and the storage means (memory) of the distance measuring device is used as it is. ) Is less efficient.

そこで、本発明では、外部パラメータを関数で表現するようにし、つまり、下記数15のように、外部パラメータを画像位置
に対する2次元3次関数で近似する。
Therefore, in the present invention, the external parameter is expressed by a function, that is, the external parameter is represented by the image position as shown in the following Expression 15.
Is approximated by a two-dimensional cubic function.

ただし、Φ(j=1,2,…,10)は7個の外部パラメータに対応した7要素の係数ベクトルである。これらの係数ベクトルΦは、多数の画像位置
に対して推定した外部パラメータ
を使って、下記数16のように、重み付き最小二乗法で求める。
Here, Φ j (j = 1, 2,..., 10) is a seven-element coefficient vector corresponding to seven external parameters. These coefficient vectors Φ j have a number of image positions.
External parameters estimated for
Is obtained by the weighted least square method as shown in the following equation (16).

ただし、数16では、数14を用いて外部パラメータを推定したときの残差
の逆数を重みとすることで、残差の大きな画像位置のキャリブレーション結果の影響を小さくする。
However, in Equation 16, the residual when the external parameter is estimated using Equation 14
As a weight, the influence of the calibration result of an image position having a large residual is reduced.

なお、無限遠距離に対応する2重像間変位
と拘束直線の単位方向ベクトル
は、推定した外部パラメータを使って、<3−4>で述べた方法で予め計算しておく。そして、外部パラメータと同様に、その計算結果
も関数で表現するようにし、つまり、その計算結果
を画像位置に対する2次元3次関数で近似する。距離算出部50で行う距離算出処理では、近似関数の係数ベクトルを利用する。
Displacement between double images corresponding to infinite distance
And unit direction vector of constrained line
Is calculated in advance by the method described in <3-4> using the estimated external parameters. And like the external parameters, the calculation result
Is also expressed as a function, that is, the calculation result
Is approximated by a two-dimensional cubic function with respect to the image position. In the distance calculation process performed by the distance calculation unit 50, a coefficient vector of an approximate function is used.

また、本発明は、外部パラメータを画像位置に対する2次元3次関数で近似することに限定されることはなく、例えば、外部パラメータをフーリエ級数展開することも可能であるが、例えば、反射板全体の厚さに関して、厚みを0次で、全体の非平行度を1次でという表現は、直感的でわかりやすい。実際には、2次までの近似で外部パラメータをほぼ表現でき、3次の係数はかなり小さい。また、このような近似を行ったときの数16の残差は十分に小さいことを確認している。

<4−3>本発明におけるキャリブレーション方法と従来のリフレクションステレオにおけるキャリブレーション方法との比較
従来のリフレクションステレオにおけるキャリブレーション方法(非特許文献16を参照)では、画像上の位置に対して不変な7個の外部パラメータを利用していた。反射型リフレクションステレオを用いた場合に、画像中央部分から透明板の両表面の法線ベクトルの差
又は、透過型リフレクションステレオを用いた場合に、画像中央部分から両面ハーフミラー板の両表面の法線ベクトルの差
を推定し、両表面の法線ベクトルの平均、及びDco、d、nは、設計値をそのまま利用していた。
In addition, the present invention is not limited to approximating the external parameter by a two-dimensional cubic function with respect to the image position. For example, the external parameter can be expanded by Fourier series. The expression that the thickness is 0th order and the overall non-parallelism is 1st order is intuitive and easy to understand. Actually, the external parameters can be almost expressed by approximation up to the second order, and the third order coefficient is quite small. Further, it has been confirmed that the residual of Equation 16 when such approximation is performed is sufficiently small.

<4-3> Comparison between the calibration method in the present invention and the calibration method in the conventional reflection stereo The calibration method in the conventional reflection stereo (see Non-Patent Document 16) is invariant to the position on the image. Seven external parameters were used. Difference between normal vectors from the center of the image to both surfaces of the transparent plate when using reflective reflection stereo
Or, when transmissive reflection stereo is used, the difference between the normal vectors on both surfaces of the double-sided half mirror plate from the center of the image
The average of the normal vectors on both surfaces, and D co , d, and n used the design values as they were.

また、従来のリフレクションステレオにおけるキャリブレーション方法(以下、単に「従来のキャリブレーション方法」とも言う。)では、無限遠距離に対応する2重像間変位は、画像中央部分から求めて反射板の両表面の法線ベクトルの差を得るためにも利用した。拘束直線は画像面上の一点(ただし画像の外部)で交差すると近似して、この交点位置を画像から求めていた。   Further, in the conventional reflection stereo calibration method (hereinafter, also simply referred to as “conventional calibration method”), the displacement between the double images corresponding to the infinite distance is obtained from the center portion of the image, and both of the reflectors are obtained. It was also used to obtain the surface normal vector difference. The constraining straight line approximates that it intersects at one point on the image plane (but outside the image), and the intersection position is obtained from the image.

これに対して、本発明に係るキャリブレーション方法では、画像上位置によって変化する外部パラメータを推定し、推定した外部パラメータから2重像間の変位拘束を得ている。このため、本発明によれば、距離計測精度が向上するだけでなく、より正確な2重像間の変位拘束を利用できるために、2重像間変位の誤検出を減少させることもできる。

以上のように、本発明に係る距離計測装置及び距離計測方法について詳細に説明したが、本発明の距離計測装置における2重像間変位算出部、キャリブレーション処理部(キャリブレーション方法)、及び距離算出部(距離計測方法)は、コンピュータシステムを利用し、ソフトウェア(コンピュータプログラム)により実装されることができ、そして、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、GPU(Graphics Processing Unit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などのハードウェアにより実装されることも勿論できる。

<5>実験結果
ここでは、実画像を使ったキャリブレーション実験を行い、本発明の有効性を示す。つまり、従来のキャリブレーション方法に対して、本発明に係るキャリブレーション方法の有効性を検討した。<5−1>から<5−3>では、透過型構成を有する本発明の距離計測装置を使用し、そして、<5−4>では、反射型構成を有する本発明の距離計測装置を使用した。

<5−1>透過型構成を有する本発明の距離計測装置の装置構成
図9に示すように、両面ハーフミラー板をカメラ光軸に対して45[度]に固定して筐体に取り付けた。ハーフミラーの反射率は、両表面ともに75%である。カメラには、PointGray社製Flea(グレースケールVGA)を利用した。両面ハーフミラー板の設計値は、Dco=66.2[mm]、d=12.0[mm]、n=1.49である。両面ハーフミラー板は、画像上で右上の厚みが約0.26[mm]大きくなるような細工をした。
On the other hand, in the calibration method according to the present invention, the external parameter that changes depending on the position on the image is estimated, and the displacement constraint between the double images is obtained from the estimated external parameter. For this reason, according to the present invention, not only the distance measurement accuracy can be improved, but also more accurate displacement constraint between the double images can be used, so that erroneous detection of the displacement between the double images can be reduced.

As described above, the distance measuring device and the distance measuring method according to the present invention have been described in detail. However, the double image displacement calculating unit, the calibration processing unit (calibration method), and the distance in the distance measuring device of the present invention are described. The calculation unit (distance measurement method) can be implemented by software (computer program) using a computer system, and can be implemented by ASIC (Application Specific Integrated Circuit), GPU (Graphics Processing Unit), or FPGA (Field Programmable Gate). Of course, it can also be implemented by hardware such as Array).

<5> Experimental Results Here, a calibration experiment using real images is performed to show the effectiveness of the present invention. That is, the effectiveness of the calibration method according to the present invention was examined with respect to the conventional calibration method. In <5-1> to <5-3>, the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration is used, and in <5-4>, the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration is used. did.

<5-1> Device Configuration of Distance Measuring Device of the Present Invention Having a Transmission Type Configuration As shown in FIG. 9, the double-sided half mirror plate is fixed to 45 degrees with respect to the camera optical axis and attached to the housing. . The reflectance of the half mirror is 75% on both surfaces. For the camera, Flea (Grayscale VGA) manufactured by PointGray was used. The design values of the double-sided half mirror plate are D co = 66.2 [mm], d = 12.0 [mm], and n = 1.49. The double-sided half mirror plate was crafted so that the upper right thickness on the image was about 0.26 [mm] larger.

また、カメラを筐体に組み込む前に、公開されているキャリブレーションツール(非特許文献20を参照)を利用して、カメラ内部パラメータを求めた。CCD画素間隔で測ったレンズ焦点距離はf/δ=1255.7である。同時に求まる歪曲収差パラメータを使って、画像から歪曲歪みを取り除いた。

<5−2>本発明におけるキャリブレーション
図10は、図9の透過型構成を有する本発明の距離計測装置に対して、キャリブレーションを行う際の様子を示す図である。
In addition, before incorporating the camera into the housing, the internal parameters of the camera were obtained using a publicly available calibration tool (see Non-Patent Document 20). The lens focal length measured by the CCD pixel interval is f / δ = 1255.7. Distortion distortion was removed from the image using the distortion parameter obtained simultaneously.

<5-2> Calibration in the Present Invention FIG. 10 is a diagram showing a state in which calibration is performed on the distance measuring apparatus of the present invention having the transmissive configuration in FIG.

図10に示すように、透過型構成を有する本発明の距離計測装置を平行移動ステージに取り付けて50[mm]間隔で移動しながら、レンズ光軸と直交するキャリブレーション平面を撮影した。このキャリブレーション平面には、正規化自己相関関数の2次極大位置を検出しやすいように、十分な密度のランダムテクスチャを貼り付けた。   As shown in FIG. 10, the distance measuring device of the present invention having a transmissive configuration was attached to a parallel movement stage, and a calibration plane perpendicular to the lens optical axis was photographed while moving at an interval of 50 [mm]. A random texture with sufficient density was pasted on the calibration plane so that the secondary maximum position of the normalized autocorrelation function could be easily detected.

図11に2重像に対する正規化自己相関関数の例を示す。図11から分かるように、2次極大は原点を対称として2個現れるが、内部反射像の変位方向は簡単な予備実験で知ることができるため、この中の一方の変位を2重像間変位として利用した。   FIG. 11 shows an example of a normalized autocorrelation function for a double image. As can be seen from FIG. 11, two secondary maxima appear symmetrically with respect to the origin, but the displacement direction of the internal reflection image can be determined by a simple preliminary experiment, so one of these displacements is the displacement between the double images. Used as.

キャリブレーション平面を撮影した画像全体に対して、24×18(=432)箇所に35×35[画素]の注目領域を設定し、それらの注目領域に対して2重像間変位を求めた。注目領域の数(432箇所)は、数15の10個のパラメータを重み付き最小二乗法で求めるのに、十分な数である。注目領域のサイズは、大きいほど安定に自己相関関数の2次極大を検出することができる。   With respect to the entire image obtained by photographing the calibration plane, attention areas of 35 × 35 [pixels] were set at 24 × 18 (= 432) locations, and displacement between the double images was obtained for these attention areas. The number of attention areas (432 locations) is a sufficient number for obtaining the ten parameters of Expression 15 by the weighted least square method. The larger the size of the region of interest is, the more stable the second maximum of the autocorrelation function can be detected.

しかし、直接像に対して内部反射像はわずかに変形しているため、極端に大きな注目領域サイズはかえって2次極大値を小さくする。以上を考慮の上で、注目領域サイズを実験的に決定した。テクスチャが偶然に少ないなどの原因で、設定した全ての注目領域に対して2重像間変位が求まるとは限らない。このため、求まった2重像間変位の方向と大きさを周囲と比較し、誤りと判断された2重像間変位は使用せず、離散的な位置で求まった2重像間変位を数15と同様に2次元3次関数で近似し、2重像間変位検出誤差をある意味で平滑化した。   However, since the internal reflection image is slightly deformed with respect to the direct image, an extremely large region of interest size is instead reduced to a secondary maximum value. Considering the above, the attention area size was experimentally determined. The displacement between the double images is not always obtained for all the set attention areas due to the chance that the texture is small. Therefore, the direction and magnitude of the obtained double-image displacement are compared with the surroundings, and the double-image displacement determined to be erroneous is not used. Similar to 15, approximation was performed with a two-dimensional cubic function, and the displacement detection error between the double images was smoothed in a sense.

キャリブレーション平面までの距離は、約400[mm]から約1000[mm]まで、50[mm]ごとに大きくした。本発明の距離計測装置を取り付けた平行移動ステージによって、キャリブレーション平面に対する距離の変化(50[mm])を正確に制御することができる。   The distance to the calibration plane was increased from about 400 [mm] to about 1000 [mm] every 50 [mm]. The change in distance (50 [mm]) with respect to the calibration plane can be accurately controlled by the translation stage equipped with the distance measuring device of the present invention.

しかし、筐体に組み込んだカメラの撮影レンズの光学中心位置(カメラ光学中心)を正確に知ることは困難なので、キャリブレーション平面に対する絶対距離を正確に知ることはできない。   However, since it is difficult to accurately know the optical center position (camera optical center) of the photographing lens of the camera incorporated in the housing, it is impossible to accurately know the absolute distance to the calibration plane.

そこで、本発明では、数14におけるキャリブレーション平面までの距離Dziを、Dzi=D+D=400+50i+D[mm](i=0,1,・・・,12、また、Dはi番目のキャリブレーション平面までの既知の距離を表す。)とおき、3通りの絶対距離の誤差D=0,±25[mm]を仮定して、それぞれ外部パラメータ
を推定し、それぞれの推定での残差の総和E(D)を下記数17のように求めた。
Therefore, in the present invention, the distance D zi to the calibration plane in Equation 14 is set to D zi = D i + D e = 400 + 50 i + D e [mm] (i = 0, 1,..., 12 and D i is represents the known distance to the i-th calibration plane.) Assuming three kinds of absolute distance errors D e = 0, ± 25 [mm], the external parameters
And the total sum E d (D e ) of the residuals in each estimation was obtained as in the following Expression 17.

数17に基づいて求めた残差の総和E(−25)、E(0)、E(25)を2次関数に当てはめ、E(D)を最小にする絶対距離の誤差
を下記数18のように推定した。
An error in absolute distance that minimizes E d (D e ) by applying the sum of residuals E d (−25), E d (0), E d (25) calculated based on Equation 17 to a quadratic function
Was estimated as shown in Equation 18 below.

今回行った実験では、
となった。
In this experiment,
It became.

そして、推定した絶対距離の誤差
とキャリブレーション平面までの既知の距離とに基づき、カメラ光学中心からキャリブレーション平面までの絶対距離を算出する。算出した絶対距離を用い、本発明の距離計測装置のキャリブレーション処理部にて、再び外部パラメータを推定する。
And the estimated absolute distance error
And the known distance to the calibration plane, the absolute distance from the camera optical center to the calibration plane is calculated. Using the calculated absolute distance, the external parameter is estimated again by the calibration processing unit of the distance measuring apparatus of the present invention.

図12に、本発明のキャリブレーションによって推定された両面ハーフミラー板の板厚分布と屈折率分布を示す。図12において、グラフ中の黒丸は画像上の位置に対して推定した外部パラメータ(両面ハーフミラー板の板厚と屈折率)を示し、また、グラフ中のメッシュは、数15の関数による近似された外部パラメータ(両面ハーフミラー板の板厚と屈折率)を示す。   FIG. 12 shows the plate thickness distribution and refractive index distribution of the double-sided half mirror plate estimated by the calibration of the present invention. In FIG. 12, black circles in the graph indicate external parameters (thickness and refractive index of the double-sided half mirror plate) estimated with respect to the position on the image, and the mesh in the graph is approximated by the function of Formula 15. External parameters (thickness and refractive index of double-sided half mirror plate) are shown.

図12から分かるように、水平位置−160[画素]付近で、推定した外部パラメータと関数で近似された外部パラメータの差が大きいのは、この付近で数14の残差が大きく、数16の重み付き最小二乗法に対する影響が小さかったためである。数14の残差は、2重像間変位推定における誤差によるものと考えられる。図12(A)の板厚分布に注目すると、右上部分の板厚が約0.25[mm]大きくなっており、意図的に変形した形状が正確に推定できていることは明らかである。

<5−3>本発明におけるキャリブレーション平面までの距離計測
本発明では、推定した外部パラメータを使って、キャリブレーション平面までの距離を再計測した。
As can be seen from FIG. 12, the difference between the estimated external parameter and the external parameter approximated by the function is large in the vicinity of the horizontal position of −160 [pixels]. This is because the influence on the weighted least square method was small. The residual of Formula 14 is considered to be due to an error in estimating the displacement between the double images. When attention is paid to the plate thickness distribution in FIG. 12A, the plate thickness in the upper right part is increased by about 0.25 [mm], and it is clear that the intentionally deformed shape can be accurately estimated.

<5-3> Measurement of distance to calibration plane in the present invention In the present invention, the distance to the calibration plane was re-measured using the estimated external parameter.

図13(A)と図13(B)に、キャリブレーション平面までの真の距離に対する距離計測結果の平均(●印で示す)と標準偏差(バーで示す)を示し、また、図13(C)と図13(D)に距離700[mm]に対する距離マップを示す。   FIGS. 13A and 13B show the average (indicated by a circle) and standard deviation (indicated by a bar) of distance measurement results with respect to the true distance to the calibration plane, and FIG. ) And FIG. 13D show distance maps for a distance of 700 [mm].

従来手法(図13(A)と図13(C))では、距離に応じた偏差があり、標準偏差も大きい。これは、2重像間の変位拘束が不正確なために、2重像間変位の誤検出が多いためである。これに対して、本発明(図13(B)と図13(D))では、偏差がなく、しかも標準偏差が小さくなっていることが良く分かる。

<5−4>反射型構成を有する本発明の距離計測装置によるキャリブレーションと形状計測
この実験では、反射型構成を有する本発明の距離計測装置を用いた。反射型構成を有する本発明の距離計測装置では、表面に反射率50%のハーフミラー、裏面に反射率100%のミラーを用いた反射板を利用した。コーティングのない透明板を反射板として利用するのに対して、表面に反射率50%のハーフミラー、裏面に反射率100%のミラーを用いた反射板(以下、単に「反射板」という。)の反射像が明るくなる特徴がある。
In the conventional method (FIGS. 13A and 13C), there is a deviation according to the distance, and the standard deviation is also large. This is because the displacement constraint between the double images is inaccurate, and thus there are many false detections of the displacement between the double images. In contrast, in the present invention (FIGS. 13B and 13D), it can be clearly seen that there is no deviation and the standard deviation is small.

<5-4> Calibration and shape measurement by the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration In this experiment, the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration was used. In the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration, a reflecting plate using a half mirror with a reflectance of 50% on the front surface and a mirror with a reflectance of 100% on the back surface is used. Whereas a transparent plate without a coating is used as a reflection plate, a reflection plate using a half mirror with a reflectance of 50% on the front surface and a mirror with a reflectance of 100% on the back surface (hereinafter simply referred to as “reflection plate”). There is a feature that the reflected image of becomes brighter.

反射板はカメラ光軸に対して45[度]に固定し、設計値はDco=26.2[mm]、d=12.0[mm]、n=1.49である。使用したカメラと内部パラメータは、<5−1>で使用したカメラとその内部パラメータと同じである。 The reflecting plate is fixed at 45 [degrees] with respect to the camera optical axis, and the design values are Dco = 26.2 [mm], d = 12.0 [mm], and n = 1.49. The cameras and internal parameters used are the same as those used in <5-1> and their internal parameters.

図14に、反射型構成を有する本発明の距離計測装置におけるキャリブレーションによって推定された反射板の板厚分布と屈折率分布を示す。図14において、グラフ中の黒丸は画像上の位置に対して推定した外部パラメータ(反射板の板厚と屈折率)を示し、また、グラフ中のメッシュは、数15の関数による近似された外部パラメータ(反射板の板厚と屈折率)を示す。図12(A)の板厚分布と比較すると、変形がなく平坦である。   FIG. 14 shows the plate thickness distribution and refractive index distribution of the reflector estimated by calibration in the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration. In FIG. 14, black circles in the graph indicate external parameters (thickness and refractive index of the reflector) estimated with respect to the position on the image, and the mesh in the graph is an external that is approximated by the function of Formula 15. Parameters (thickness and refractive index of the reflector) are shown. Compared with the plate thickness distribution of FIG.

図12と同様に、図14では、推定した外部パラメータと関数で近似された外部パラメータの差が大きい部分があるが、これは、数14の残差が大きいために、数16の重み付き最小二乗法に対する影響が小さいためである。   Similar to FIG. 12, in FIG. 14, there is a part where the difference between the estimated external parameter and the external parameter approximated by the function is large. This is because the residual of Expression 14 is large, and therefore the weighted minimum of Expression 16 is used. This is because the influence on the square method is small.

図15(A)と図15(B)に、キャリブレーション平面までの真の距離に対する計測結果の平均(●印で示す)と標準偏差(バーで示す)を示し、また、図15(C)と図15(D)に距離700[mm]に対する距離マップを示す。   FIG. 15A and FIG. 15B show the average of measurement results (shown by ●) and standard deviation (shown by bars) with respect to the true distance to the calibration plane, and FIG. FIG. 15D shows a distance map for the distance 700 [mm].

従来手法(図15(A)と図15(C))では、図13と同様に、距離に応じた偏差があり、標準偏差も大きい。これは、2重像間の変位拘束が不正確なために、2重像間変位の誤検出が多いためである。これに対して、本発明(図15(B)と図15(D))では、偏差がなく、しかも標準偏差が小さくなっていることが良く分かる。   In the conventional method (FIGS. 15A and 15C), as in FIG. 13, there is a deviation according to the distance, and the standard deviation is also large. This is because the displacement constraint between the double images is inaccurate, and thus there are many false detections of the displacement between the double images. In contrast, in the present invention (FIGS. 15B and 15D), it can be clearly seen that there is no deviation and the standard deviation is small.

図16に、従来方法と本発明(反射型構成を有する距離計測装置)により計測された形状計測結果を示す。図16(A)に距離計測に用いた計測対象を示し、図16(B)は撮影した2重像である。反射型構成を有する本発明の距離計測装置では、カメラが撮影する画像は上下反転する。ちなみに、図16(B)に示すこの2重像は、撮影装置全体(カメラ全体)を上下逆に三脚に取り付けて撮影したものである。図16(C)と図16(D)に距離マップを示し、また、図16(E)と図16(F)に鳥瞰図を示す。   FIG. 16 shows the shape measurement results measured by the conventional method and the present invention (distance measuring device having a reflective configuration). FIG. 16A shows a measurement object used for distance measurement, and FIG. 16B shows a captured double image. In the distance measuring device of the present invention having a reflective configuration, the image captured by the camera is turned upside down. Incidentally, this double image shown in FIG. 16 (B) was taken by attaching the entire photographing apparatus (entire camera) to a tripod upside down. FIGS. 16C and 16D show distance maps, and FIGS. 16E and 16F show bird's-eye views.

従来手法(図16(C)と図16(E))では、特に背景の形状が計測できていないとの問題点がある。また、計測対象までの距離の真値は不明だが、本発明(図16(D)と図16(F))とは計測された距離が異なっている。これに対して、本発明では、背景の形状も計測できており、計測した形状の高さは真値に近い。   In the conventional methods (FIG. 16C and FIG. 16E), there is a problem that the background shape cannot be measured. In addition, although the true value of the distance to the measurement target is unknown, the measured distance is different from the present invention (FIG. 16D and FIG. 16F). On the other hand, in the present invention, the shape of the background can also be measured, and the height of the measured shape is close to the true value.

反射型リフレクションステレオによる距離計測原理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the distance measurement principle by reflection type reflection stereo. 透過型リフレクションステレオによる距離計測原理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the distance measurement principle by transmissive | pervious reflection stereo. リフレクションステレオにおける拘束平面と拘束直線を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the restraint plane and restraint straight line in reflection stereo. 本発明に係る距離計測装置の一実施形態を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows one Embodiment of the distance measuring device which concerns on this invention. 本発明における反射板の分割平面モデルを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the division | segmentation plane model of the reflecting plate in this invention. 本発明に用いる光線追跡法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the ray tracing method used for this invention. 反射型構成を有する本発明の距離計測装置における距離計測方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the distance measuring method in the distance measuring device of this invention which has a reflection type structure. 透過型構成を有する本発明の距離計測装置における距離計測方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the distance measuring method in the distance measuring device of this invention which has a transmissive | pervious structure. 透過型構成を有する本発明の距離計測装置の外観図の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the external view of the distance measuring device of this invention which has a transmissive | pervious structure. 図9の透過型構成を有する本発明の距離計測装置に対して、キャリブレーションを行う際の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode at the time of calibrating with respect to the distance measuring device of this invention which has the transmissive | pervious structure of FIG. 2重像に対する正規化自己相関関数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the normalization autocorrelation function with respect to a double image. 図10に示す本発明のキャリブレーションによって推定された両面ハーフミラー板の板厚分布と屈折率分布を示すグラフである。It is a graph which shows the board thickness distribution and refractive index distribution of the double-sided half mirror board estimated by the calibration of this invention shown in FIG. 従来方法と本発明(図9の透過型構成を有する距離計測装置)により計測された、キャリブレーション平面までの距離計測結果の平均と標準偏差と距離マップを示す図である。It is a figure which shows the average of the distance measurement result to the calibration plane, the standard deviation, and distance map which were measured by the conventional method and this invention (distance measuring device which has a transmission type structure of FIG. 9). 反射型構成を有する本発明の距離計測装置におけるキャリブレーションによって推定された両面ハーフミラー板の板厚分布と屈折率分布を示すグラフである。It is a graph which shows the board thickness distribution and refractive index distribution of the double-sided half mirror board estimated by the calibration in the distance measuring device of this invention which has a reflection type structure. 従来方法と本発明(反射型構成を有する距離計測装置)により計測された、キャリブレーション平面までの距離計測結果の平均と標準偏差と距離マップを示す図である。It is a figure which shows the average of the distance measurement result to the calibration plane measured by the conventional method and this invention (distance measuring device which has a reflection type structure), a standard deviation, and a distance map. 従来方法と本発明(反射型構成を有する距離計測装置)により計測された形状計測結果を示す図である。It is a figure which shows the shape measurement result measured by the conventional method and this invention (distance measuring device which has a reflection type structure).

符号の説明Explanation of symbols

1 距離計測装置
10 反射板(透明板又は両面ハーフミラー板)
20 撮像手段
30 2重像間変位算出部
40 キャリブレーション処理部
50 距離算出部
1 Distance measuring device 10 Reflector (transparent plate or double-sided half mirror plate)
20 Imaging means 30 Double image displacement calculation unit 40 Calibration processing unit 50 Distance calculation unit

Claims (16)

非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、
1台の撮像手段と、
前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出部と、
既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像から、前記反射板の形状、姿勢、屈折率及び前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離を表す外部パラメータを推定するキャリブレーション処理部と、
推定された前記外部パラメータと、未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像から、前記計測対象までの距離を算出する距離算出部と、
を備え、
前記反射板を局所的に非平行な平面で近似し、
前記キャリブレーション処理部で推定された外部パラメータは、2重像を撮影した画像上の注目点に応じて異なる値を持つことを特徴とする距離計測装置。
A reflector that is non-parallel and not perfectly flat;
One imaging means;
A double-image displacement calculating unit that calculates a double-image displacement from an image obtained by photographing a double image having a positional deviation reflected on the reflector with the imaging unit;
From a plurality of images taken as a double image of a plurality of calibration planes at a known distance, along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, and the shape, orientation, refractive index of the reflector A calibration processing unit for estimating an external parameter representing the measured distance;
A distance calculation unit that calculates a distance to the measurement target from the estimated external parameter and a single image obtained by capturing a measurement target at an unknown distance as a double image;
With
Approximating the reflector in a locally non-parallel plane;
The distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the external parameter estimated by the calibration processing unit has a different value depending on a point of interest on an image obtained by capturing a double image.
距離計測装置であって、
非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、
1台の撮像手段と、
前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出部と、
前記2重像間変位算出部が既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像を用いて算出した2重像間変位と、前記既知の距離とに基づき、前記距離計測装置の外部パラメータを推定するキャリブレーション処理部と、
前記2重像間変位算出部が未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像を用いて算出した2重像間変位と、推定された前記外部パラメータとに基づき、前記計測対象までの距離を算出する距離算出部と、
を備え、
2重像を撮影した画像上の注目点付近に対応する反射板を、非平行度を持つ平面板で近似し、注目点に対応する2重像を形成するために必要な反射板上の領域(分割平面領域)は、その注目点と同じ値の外部パラメータを持ち、
前記キャリブレーション処理部で推定された外部パラメータは、注目点に応じて異なる値を持ち、前記距離算出部では、注目点に応じて異なる値を持つ外部パラメータを利用することを特徴とする距離計測装置。
A distance measuring device,
A reflector that is non-parallel and not perfectly flat;
One imaging means;
A double-image displacement calculating unit that calculates a double-image displacement from an image obtained by photographing a double image having a positional deviation reflected on the reflector with the imaging unit;
Based on the displacement between the double images calculated by using the plurality of images obtained by photographing the plurality of calibration planes at a known distance as a double image, and the known distance, A calibration processing unit for estimating external parameters of the distance measuring device;
Based on the displacement between the double images calculated by using the single image obtained by photographing the measurement object at an unknown distance as a double image and the estimated external parameter, A distance calculation unit for calculating the distance to the measurement target;
With
An area on the reflector necessary for forming a double image corresponding to the target point by approximating the reflector corresponding to the vicinity of the target point on the image obtained by capturing the double image with a plane plate having non-parallelism. (Split plane area) has an external parameter with the same value as the point of interest,
The external parameter estimated by the calibration processing unit has a different value according to the point of interest, and the distance calculation unit uses an external parameter having a different value according to the point of interest. apparatus.
前記反射板は、透明板又は、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板である請求項2に記載の距離計測装置。   The distance measuring device according to claim 2, wherein the reflecting plate is a transparent plate or a double-sided half mirror plate in which a half mirror coating is applied to both sides of the transparent plate. 前記撮像手段は固体撮像素子を用いる撮像装置である請求項2又は請求項3に記載の距離計測装置。   The distance measuring apparatus according to claim 2, wherein the imaging unit is an imaging apparatus using a solid-state imaging device. 前記外部パラメータは、前記反射板の両表面に対する法線ベクトルと、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離と、前記反射板の板厚と、前記反射板の空気に対する相対屈折率とから構成される請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の距離計測装置。   The external parameters include normal vectors for both surfaces of the reflector, a distance along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, the thickness of the reflector, and the thickness of the reflector The distance measuring device according to any one of claims 2 to 4, comprising a relative refractive index with respect to air. 前記キャリブレーション処理部では、次の数式のように、外部パラメータを画像位置
に対する2次元3次関数で近似し
ただし、Φ(j=1,2,…,10)は外部パラメータに対応した7要素の係数ベクトルであり、係数ベクトルΦは、多数の画像位置
に対して推定した外部パラメータ
を使って、
に基づき、重み付き最小二乗法で求める請求項5に記載の距離計測装置。
The calibration processing unit converts the external parameter to the image position as shown in the following equation.
Is approximated by a two-dimensional cubic function
Here, Φ j (j = 1, 2,..., 10) is a seven-element coefficient vector corresponding to the external parameter, and the coefficient vector Φ j is a number of image positions.
External parameters estimated for
Use
6. The distance measuring device according to claim 5, wherein the distance measuring device is obtained by a weighted least square method.
前記距離算出部では、ある注目点に対する2重像間変位と、前記注目点に対する外部パラメータとに基づき、前記注目点に対応する視線と、前記注目点に対応する2重像の位置に対応する視線をそれぞれ求め、求めた2つの視線の交点位置までの距離を、前記計測対象までの距離とする請求項5又は請求項6に記載の距離計測装置。   The distance calculation unit corresponds to the line of sight corresponding to the attention point and the position of the double image corresponding to the attention point based on the displacement between the double images with respect to a certain attention point and the external parameter for the attention point. The distance measuring device according to claim 5 or 6, wherein the line of sight is obtained, and the distance to the intersection position of the obtained two lines of sight is the distance to the measurement target. 前記撮像手段のカメラ光学中心から前記キャリブレーション平面までの絶対距離を求めるために、
前記キャリブレーション平面の前記既知の距離Dziを、Dzi=D+D[mm](i=0,1,・・・,12、また、Dはi番目のキャリブレーション平面までの既知の距離を表す。)とおき、3通りの絶対距離の誤差D=0,±25[mm]を仮定して、それぞれ外部パラメータ
を推定し、それぞれの推定での残差の総和E(D)を次の数式のように求め、
求めた残差の総和E(−25)、E(0)、E(25)を2次関数に当てはめ、E(D)を最小にする絶対距離の誤差

に基づいて推定し、
推定した絶対距離の誤差
と前記既知の距離とに基づき、前記絶対距離を算出し、
算出した前記絶対距離を用い、前記キャリブレーション処理部にて、再び前記外部パラメータを推定する請求項5乃至請求項7のいずれかに記載の距離計測装置。
In order to obtain the absolute distance from the camera optical center of the imaging means to the calibration plane,
The known distance D zi of the calibration plane is defined as D zi = D i + D e [mm] (i = 0, 1,..., 12, and D i is a known distance to the i-th calibration plane. 3), and assuming that there are three types of absolute distance errors D e = 0, ± 25 [mm], the external parameters
And the residual sum E d (D e ) in each estimation is obtained as in the following equation:
An absolute distance error that minimizes E d (D e ) by applying the sum of the obtained residuals E d (−25), E d (0), E d (25) to a quadratic function.
The
Based on
Estimated absolute distance error
And the absolute distance based on the known distance and
The distance measuring device according to claim 5, wherein the external parameter is estimated again by the calibration processing unit using the calculated absolute distance.
非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段とから構成される距離計測装置における距離計測方法であって、
前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出ステップと、
既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像から、前記反射板の形状、姿勢、屈折率及び前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離を表す外部パラメータを推定するキャリブレーション処理ステップと、
推定された前記外部パラメータと、未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像から、前記計測対象までの距離を算出する距離算出ステップと、
を有し、
前記反射板を局所的に非平行な平面で近似し、
前記キャリブレーション処理ステップで推定された外部パラメータは、2重像を撮影した画像上の注目点に応じて異なる値を持つことを特徴とする距離計測方法。
A distance measuring method in a distance measuring device composed of a non-parallel and non-perfect plane and a single imaging means,
A double-image displacement calculating step for calculating a double-image displacement from an image obtained by photographing a double image having a positional deviation reflected on the reflecting plate with the imaging means;
From a plurality of images taken as a double image of a plurality of calibration planes at a known distance, along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, and the shape, orientation, refractive index of the reflector Calibration processing step for estimating an external parameter representing the measured distance;
A distance calculating step of calculating a distance to the measurement target from the estimated external parameter and a single image obtained by capturing a measurement target at an unknown distance as a double image;
Have
Approximating the reflector in a locally non-parallel plane;
The distance measurement method according to claim 1, wherein the external parameter estimated in the calibration processing step has a different value depending on a point of interest on an image obtained by capturing a double image.
非平行で完全平面ではない1枚の反射板と、1台の撮像手段とから構成される距離計測装置における距離計測方法であって、
前記反射板に写る位置ずれのある2重像を前記撮像手段で撮影して得られた画像から、2重像間変位を算出する2重像間変位算出ステップと、
前記2重像間変位算出ステップにより既知の距離にある複数のキャリブレーション平面を2重像として撮影した複数の画像を用いて算出した2重像間変位と、前記既知の距離とに基づき、前記距離計測装置の外部パラメータを推定するキャリブレーション処理ステップと、
前記2重像間変位算出ステップにより未知の距離にある計測対象を2重像として撮影した1枚の画像を用いて算出した2重像間変位と、推定された前記外部パラメータとに基づき、前記計測対象までの距離を算出する距離算出ステップと、
を有し、
2重像を撮影した画像上の注目点付近に対応する反射板を、非平行度を持つ平面板で近似し、注目点に対応する2重像を形成するために必要な反射板上の領域(分割平面領域)は、その注目点と同じ値の外部パラメータを持ち、
前記キャリブレーション処理ステップにより推定された外部パラメータは、注目点に応じて異なる値を持ち、前記距離算出ステップでは、注目点に応じて異なる値を持つ外部パラメータを利用することを特徴とする距離計測方法。
A distance measuring method in a distance measuring device composed of a non-parallel and non-perfect plane and a single imaging means,
A double-image displacement calculating step for calculating a double-image displacement from an image obtained by photographing a double image having a positional deviation reflected on the reflecting plate with the imaging means;
Based on the displacement between double images calculated using a plurality of images obtained by capturing a plurality of calibration planes at a known distance as double images by the displacement calculation step between the double images, and the known distance, A calibration process step for estimating external parameters of the distance measuring device;
Based on the displacement between the double images calculated using one image obtained by photographing the measurement object at an unknown distance as a double image by the displacement between the double images and the estimated external parameter, A distance calculating step for calculating the distance to the measurement target;
Have
An area on the reflector necessary for forming a double image corresponding to the target point by approximating the reflector corresponding to the vicinity of the target point on the image obtained by capturing the double image with a plane plate having non-parallelism. (Split plane area) has an external parameter with the same value as the point of interest,
The external parameter estimated by the calibration processing step has a different value depending on the point of interest, and the distance calculation step uses an external parameter having a different value depending on the point of interest. Method.
前記反射板は、透明板又は、透明板の両面にハーフミラーコーティングを施した両面ハーフミラー板である請求項10に記載の距離計測方法。   The distance measuring method according to claim 10, wherein the reflecting plate is a transparent plate or a double-sided half mirror plate in which a half mirror coating is applied to both sides of the transparent plate. 前記撮像手段は固体撮像素子を用いる撮像装置である請求項10又は請求項11に記載の距離計測方法。   The distance measuring method according to claim 10 or 11, wherein the imaging means is an imaging device using a solid-state imaging device. 前記外部パラメータは、前記反射板の両表面に対する法線ベクトルと、前記撮像手段のカメラ光学中心から前記反射板までの光軸に沿った距離と、前記反射板の板厚と、前記反射板の空気に対する相対屈折率とから構成される請求項10乃至請求項12のいずれかに記載の距離計測方法。   The external parameters include normal vectors for both surfaces of the reflector, a distance along the optical axis from the camera optical center of the imaging means to the reflector, the thickness of the reflector, and the thickness of the reflector The distance measuring method according to any one of claims 10 to 12, comprising a relative refractive index with respect to air. 前記キャリブレーション処理ステップでは、次の数式のように、外部パラメータを画像位置
に対する2次元3次関数で近似し
ただし、Φ(j=1,2,…,10)は外部パラメータに対応した7要素の係数ベクトルであり、係数ベクトルΦは、多数の画像位置
に対して推定した外部パラメータ
を使って、
に基づき、重み付き最小二乗法で求める請求項13に記載の距離計測方法。
In the calibration processing step, the external parameter is set to the image position as shown in the following equation.
Is approximated by a two-dimensional cubic function
Here, Φ j (j = 1, 2,..., 10) is a seven-element coefficient vector corresponding to the external parameter, and the coefficient vector Φ j is a number of image positions.
External parameters estimated for
Use
The distance measurement method according to claim 13, wherein the distance is obtained by a weighted least square method.
前記距離算出ステップでは、ある注目点に対する2重像間変位と、前記注目点に対する外部パラメータとに基づき、前記注目点に対応する視線と、前記注目点に対応する2重像の位置に対応する視線をそれぞれ求め、求めた2つの視線の交点位置までの距離を、前記計測対象までの距離とする請求項13又は請求項14に記載の距離計測方法。   In the distance calculation step, the line of sight corresponding to the point of interest and the position of the double image corresponding to the point of interest are determined based on the displacement between the double images for the point of interest and the external parameter for the point of interest. The distance measurement method according to claim 13 or 14, wherein the line of sight is obtained, and the distance to the intersection position of the two lines of sight obtained is set as the distance to the measurement target. 前記撮像手段のカメラ光学中心から前記キャリブレーション平面までの絶対距離を求めるために、
前記キャリブレーション平面の前記既知の距離Dziを、Dzi=D+D[mm](i=0,1,・・・,12、また、Dはi番目のキャリブレーション平面までの既知の距離を表す。)とおき、3通りの絶対距離の誤差D=0,±25[mm]を仮定して、それぞれ外部パラメータ
を推定し、それぞれの推定での残差の総和E(D)を次の数式のように求め、
求めた残差の総和E(−25)、E(0)、E(25)を2次関数に当てはめ、E(D)を最小にする絶対距離の誤差

に基づいて推定し、
推定した絶対距離の誤差
と前記既知の距離とに基づき、前記絶対距離を算出し、
算出した前記絶対距離を用い、前記キャリブレーション処理ステップにより、再び前記外部パラメータを推定する請求項13乃至請求項15のいずれかに記載の距離計測方法。
In order to obtain the absolute distance from the camera optical center of the imaging means to the calibration plane,
The known distance D zi of the calibration plane is defined as D zi = D i + D e [mm] (i = 0, 1,..., 12, and D i is a known distance to the i-th calibration plane. 3), and assuming that there are three types of absolute distance errors D e = 0, ± 25 [mm], the external parameters
And the residual sum E d (D e ) in each estimation is obtained as in the following equation:
An absolute distance error that minimizes E d (D e ) by applying the sum of the obtained residuals E d (−25), E d (0), E d (25) to a quadratic function.
The
Based on
Estimated absolute distance error
And the absolute distance based on the known distance and
The distance measurement method according to claim 13, wherein the external parameter is estimated again by the calibration processing step using the calculated absolute distance.
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