JP5285487B2 - Image recording system and image recording method - Google Patents

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Description

本発明は、高速移動しながら連続撮像された被写体のカラー画像及び距離画像から成る3次元形状情報を記録する画像記録システム及び画像記録方法に関するものである。 The present invention relates to an image recording system and an image recording method for recording three-dimensional shape information including a color image and a distance image of a subject that are continuously captured while moving at high speed.

道路・橋梁等の路面やトンネル・建造物等の壁面の損傷検査や障害物の検出など、長距離にわたって3次元形状を連続して計測する装置の開発が期待されている。そして、このように長距離にわたって連続的に計測された膨大な3次元形状情報から、任意の位置の3次元形状を前後の3次元形状と結合して表示する方法も期待されている。
このような路面やトンネル壁面の損傷検査を目的とする3次元形状検出方法としては、レーザビームを照射し2次元的に走査することによって路面や壁面の3次元形状を計測する手法が従来の代表的な方法である。このレーザビーム走査による方法は3次元形状の計測に時間がかかり、長距離にわたって連続的に3次元形状を計測するためには多大な時間を要する。また、このように膨大な3次元形状情報を連続的に計測した例は殆ど無いため、記録方法や表示方法も考慮されていない。
Development of a device that continuously measures three-dimensional shapes over long distances is expected, such as damage inspection of road surfaces such as roads and bridges, wall surfaces of tunnels and buildings, and detection of obstacles. In addition, a method for displaying a three-dimensional shape at an arbitrary position in combination with the preceding and following three-dimensional shapes from such a vast amount of three-dimensional shape information continuously measured over a long distance is also expected.
As a conventional three-dimensional shape detection method for the purpose of inspecting a road surface or a tunnel wall surface, a method of measuring a three-dimensional shape of a road surface or a wall surface by irradiating a laser beam and scanning two-dimensionally is a typical representative method. Method. This laser beam scanning method takes time to measure a three-dimensional shape, and takes a lot of time to continuously measure the three-dimensional shape over a long distance. In addition, since there is almost no example of continuously measuring such a large amount of three-dimensional shape information, neither a recording method nor a display method is considered.

近年、発光ダイオード強度変調光照射と高速利得変調テレビカメラを組み合わせた高速3次元画像センサが開発された(特許文献1)。この高速3次元画像センサによれば、同時に撮影されるカラー映像と距離映像を、ズームレンズのデータを基に補正して高速かつ高精度に3次元情報を求めることが可能となり、動く人物等の被写体の3次元形状情報の取得が可能となった(特許文献2)。さらに、発光ダイオード強度変調光照射を超短レーザパルス光照射に置き換えることにより、これまで不可能であった高速移動する物体の3次元形状を連続的に計測することが可能となり、部品検査、大型測定物の高速測定等の幅広い産業分野に活用することができる。 In recent years, a high-speed three-dimensional image sensor that combines light-emitting diode intensity-modulated light irradiation and a high-speed gain modulation television camera has been developed (Patent Document 1). According to this high-speed three-dimensional image sensor, it is possible to correct the color image and the distance image simultaneously captured based on the data of the zoom lens to obtain three-dimensional information with high speed and high accuracy. It has become possible to acquire three-dimensional shape information of a subject (Patent Document 2). Furthermore, by replacing light-emitting diode intensity-modulated light irradiation with ultrashort laser pulse light irradiation, it has become possible to continuously measure the three-dimensional shape of an object that moves at high speed, which has been impossible until now. It can be used in a wide range of industrial fields such as high-speed measurement of measured objects.

この高速3次元画像センサを自動車に搭載し、走行しながら長距離にわたってテレビフレームレートで連続的に路面、橋梁、壁面などの3次元形状を計測することが可能となり、数10Km以上にわたる路面や壁面のカラー画像と距離画像を得られるようになった。 This high-speed three-dimensional image sensor is mounted on a car, and it is possible to measure three-dimensional shapes such as road surfaces, bridges, and wall surfaces continuously over a long distance at a TV frame rate while traveling. Color images and distance images can be obtained.

しかし、このようにして撮像されたカラー画像と距離画像は、自動車の走行と揺れのために各フレームごとに並進と回転がかかっており、複数フレームにわたる3次元形状の状況を正確に把握することが困難である。 However, the color image and the distance image captured in this way are translated and rotated for each frame due to the running and shaking of the car, so that the situation of the three-dimensional shape over a plurality of frames can be accurately grasped. Is difficult.

特開2008-249431号公報JP 2008-249431 A 特開2008-249430号公報JP 2008-249430 A

本発明は、走行する自動車(高速移動体)に搭載した3次元画像センサによって連続的に撮像したカラー画像と距離画像と、補助データとして自動車(高速移動体)の走行(移動)速度、加速度、角速度から、各フレームごとにかかった並進と回転を検出する方法と、検出した並進と回転を補正して隣接フレーム間のカラー画像と距離画像を結合する方法と、複数フレームにわたる、路面、橋梁、壁面などの3次元形状を把握する方法、ならびに、その装置を提供することを課題とする。
The present invention relates to a color image and a distance image continuously captured by a three-dimensional image sensor mounted on a traveling automobile (high-speed moving body), traveling (moving) speed, acceleration, and acceleration of the automobile (high-speed moving body) as auxiliary data. A method of detecting the translation and rotation applied to each frame from the angular velocity, a method of correcting the detected translation and rotation and combining a color image and a distance image between adjacent frames, a road surface, a bridge, It is an object of the present invention to provide a method for grasping a three-dimensional shape such as a wall surface and an apparatus therefor.

本発明は、連続的に撮像した画像を記録する画像記録システムにおいて、移動体により移動させながら所定のフレームレートで連続的に被写体のカラー画像と距離画像とを撮影する3次元画像センサと、前記移動体の移動中における加速度、速度、及び角速度を補助データとして検知するセンサと、前記3次元画像センサにより得られるカラー画像と距離画像とをどちらか一方の座標系に合わせて変換することで同一の座標系にし、前記同一の座標系で前記移動体の移動及び揺れにより各フレームにかかった並進及び回転を補正し、補正された隣接フレーム間のカラー画像又は距離画像を結合して記録する記録装置とを有し、前記記録装置は、前記隣接フレーム間の関係を前記3次元画像センサに対するカメラ座標系の回転行列と並進ベクトルとを用いて表し、前記回転行列と前記並進ベクトルとを用いて、前記座標系を変換し、前記回転行列及び前記並進ベクトルは、前記隣接フレーム間の重なり領域の距離画像の3次元形状の距離を同一座標系で評価し、前記センサから得られる補助データから推定される隣接フレームのカラー画像又は距離画像間の平面の重なり領域に対する距離が最小となるように前記回転行列及び前記並進ベクトルを求めることを特徴とする。
また、本発明は、例えば走行する自動車(高速移動体)に搭載した3次元画像センサによって、高速フレームレートで長時間にわたり連続的に撮像したカラー画像と距離画像を結合するため、自動車(高速移動体)の走行(移動)速度、加速度、速度を補助データとしてフレーム信号に同期して記録することを特徴とするカラー画像と距離画像データの記録方法と、前記路面、橋梁、壁面などのカラー画像と距離画像を次々に結合できることを特徴とする、隣接フレーム間のカメラ座標系の移動量データとカラー画像と距離画像を組み合わせたデータ形式と、前記カラー画像と距離画像を結合するため、連続するフレーム間の距離画像のみを用いることを特徴とする、カラー画像と距離画像を結合するためのデータを作成する方法と、前記カラー画像と距離画像を結合するため、連続するフレーム間のカラー画像と距離画像と前記補助データを用いることを特徴とする、カラー画像と距離画像を結合するためのデータを作成する方法と、前記カラー画像と距離画像を結合するため、前記組み合わせたデータを用いてカラー画像と距離画像を結合する方法、から構成され、それらの方法を組み込んだ装置も包含されるものである。

The present invention is an image recording system for recording an image continuously captured, a 3-dimensional image sensor for continuously capturing a color image and a distance image of the object at a predetermined frame rate while moving the movable body, wherein Identical by converting a sensor that detects acceleration, velocity, and angular velocity during movement of the moving body as auxiliary data, and a color image and a distance image obtained by the three-dimensional image sensor according to one of the coordinate systems. In the same coordinate system, the translation and rotation applied to each frame due to the movement and shaking of the moving body are corrected, and the corrected color image or distance image between adjacent frames is combined and recorded. possess a device, the recording apparatus, the relationship between the adjacent frame and the rotation matrix of the camera coordinate system with respect to the 3-dimensional image sensor translation vector The coordinate system is transformed using the rotation matrix and the translation vector, and the rotation matrix and the translation vector are distances of a three-dimensional shape of a distance image of an overlapping region between the adjacent frames. Are evaluated in the same coordinate system, and the rotation matrix and the translation vector are obtained so that the distance to the overlapping region of the plane image between the color image or the distance image of the adjacent frame estimated from the auxiliary data obtained from the sensor is minimized. It is characterized by that.
Further, the present invention combines a color image and a distance image continuously captured at a high speed frame rate for a long time with a three-dimensional image sensor mounted on a moving automobile (high-speed moving body), for example. traveling body) (moving) speed, acceleration, and method of recording a color image and the distance image data and recording in synchronization with angular velocity to the frame signal as auxiliary data, said road, bridges, color, such as a wall The data format that combines the movement amount data of the camera coordinate system between adjacent frames, the color image, and the distance image, and the color image and the distance image are combined. A method for creating data for combining a color image and a distance image, wherein only a distance image between frames is used, and A method for generating data for combining a color image and a distance image, wherein the auxiliary image is used to combine a color image and a distance image to combine the color image and the distance image; and In order to combine a color image and a distance image, the method includes a method of combining a color image and a distance image using the combined data, and an apparatus incorporating these methods is also included.

具体的には、隣接フレーム間の前記距離画像間の距離を評価し最小化することによって、隣接フレーム間のカメラ座標系の並進と回転を推定する画像処理の手段を用いる。前記補助データを併用することにより、前記距離画像間の距離を最小化する画像処理を効率的に行うことも可能である。推定した並進と回転を用いて隣接フレーム間のカメラ座標系を変換し、カラー画像と距離画像を結合する手段を用いるものである。 Specifically, image processing means for estimating the translation and rotation of the camera coordinate system between adjacent frames by evaluating and minimizing the distance between the distance images between adjacent frames is used. By using the auxiliary data together, it is also possible to efficiently perform image processing that minimizes the distance between the distance images. The camera coordinate system between adjacent frames is converted using the estimated translation and rotation, and means for combining the color image and the distance image is used.

本発明により、短距離から長距離にわたる道路・橋梁などの路面あるいは地面、トンネルあるいは建造物の壁面などの3次元形状の把握が可能となる。 According to the present invention, it is possible to grasp a three-dimensional shape such as a road surface such as a road and a bridge extending from a short distance to a long distance, a ground surface, a tunnel, or a wall surface of a building.

図1は路面、橋梁、壁面などのカラー画像と距離画像記録システム構成を示す図である。(実施例1)FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a color image and distance image recording system for road surfaces, bridges, wall surfaces, and the like. Example 1 図2は撮像・記録されるカラー画像及び距離画像のイメージ図である。(実施例1)FIG. 2 is an image diagram of a color image and a distance image that are captured and recorded. Example 1 図3は各フレームの座標系と距離画像(回転と並進)の図である。(実施例2)FIG. 3 is a diagram of the coordinate system and distance image (rotation and translation) of each frame. (Example 2) 図4は各フレームの座標系と隣接プレームの重なり領域Sの距離画像(隣接フレーム距離画像間の重なり部分)の図である。(実施例2)FIG. 4 is a diagram of a distance image (overlapping portion between adjacent frame distance images) of the overlapping area S between the coordinate system of each frame and the adjacent frame. (Example 2)

図1を用いて、本発明による路面・壁面の距離画像データの記録システムの概要を説明する。3次元画像センサ10、センサ11、カラー画像・距離画像・補助データ記録装置12を自動車(移動体)に搭載し、走行しながら、路面、橋梁、壁面などのカラー画像と距離画像と補助データ(自動車(移動体)の速度、加速度、角速度)をフレームレートで連続的にカラー画像・距離画像・補助データ記録装置12に記録する。 The outline of the recording system of the road surface / wall surface distance image data according to the present invention will be described with reference to FIG. The three-dimensional image sensor 10, the sensor 11, and the color image / distance image / auxiliary data recording device 12 are mounted on an automobile (moving body), and color images, distance images, and auxiliary data (road surface, bridge, wall surface, etc.) while traveling The speed (acceleration, angular velocity) of the automobile (moving body) is continuously recorded in the color image / distance image / auxiliary data recording device 12 at the frame rate.

距離画像・補助データ記録装置12に記録されるデータは次のデータの組み合わせである。
各フレームごとのカラー画像 C0, C1, C2,…Ci-1,Ci,Ci+1,…
各フレームごとの距離画像 D0, D1, D2,…Di-1,Di,Di+1,…
各フレームごとの速度 …(vx)i-1,(vx)i,(vx) i+1,…
各フレームごとの3軸加速度…(ax, ay, az)i-1, (ax, ay, az)i, (ax, ay,az)i+1,…
各フレームごとの3軸角速度…(wx,wy,wz)i-1, (wx,wy,wz)i, (wx,wy,wz)i+1,…
The data recorded in the distance image / auxiliary data recording device 12 is a combination of the following data.
Color images for each frame C 0 , C 1 , C 2 , ... C i-1 , C i , C i + 1 , ...
Distance images for each frame D 0 , D 1 , D 2 , ... D i-1 , D i , D i + 1 , ...
Speed for each frame… (v x ) i-1 , (v x ) i , (v x ) i + 1 ,…
Three-axis acceleration for each frame… (a x , a y , a z ) i−1 , (a x , a y , a z ) i , (a x , a y , a z ) i + 1 ,…
Triaxial angular velocity for each frame ... (w x , w y , w z ) i-1 , (w x , w y , w z ) i , (w x , w y , w z ) i + 1 , ...

自動車(移動体)の走行と揺れで撮像される距離画像はフレームごとに並進と回転がかかり、撮像・記録されるカラー画像13−2と距離画像14−2のイメージは図2のようになる。 The distance image captured by the running and shaking of the automobile (moving body) is translated and rotated for each frame, and the images of the color image 13-2 and the distance image 14-2 captured and recorded are as shown in FIG. .

図3のように、3次元画像センサのレンズパラメータを固定して撮像した、隣接フレーム間の距離画像をそれぞれ、前(i-1)フレームのDi-1(Xi-1,Yi-1)、現(i)フレームのDi(Xi,Yi)および次(i+1)フレームのDi+1(Xi+1,Yi+1)と表す。(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系、(OiXiYiZi)座標系および(Oi+1Xi+1Yi+1Zi+1)座標系における距離画像の3次元形状を表す位置ベクトルui-1、uiおよびui+1はそれぞれ次のように表せる。


なお、隣接フレーム間のカラー画像も同様にそれぞれ、前(i-1)フレームのCi-1(Xi-1,Yi-1)、現(i)フレームのCi(Xi,Yi) 、次(i+1)フレームのCi+1(Xi+1,Yi+1)と表す。
隣接するフレーム間のカメラ座標系(例えば前(i-1)フレームと現(i)フレームの(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系と(OiXiYiZi)座標系の関係は、回転行列Riと並進ベクトルTi を用いると(1)式で表すことができる。

(1)
ただし、
,
As shown in FIG. 3, the distance images between adjacent frames captured with the lens parameters of the three-dimensional image sensor fixed are respectively represented by D i-1 (X i-1 , Y i- 1 ), D i (X i , Y i ) of the current (i) frame and D i + 1 (X i + 1 , Y i + 1 ) of the next (i + 1) frame. (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system, (O i X i Y i Z i ) coordinate system and (O i + 1 X i + 1 Y i + 1 Z i +) 1 ) The position vectors u i−1 , u i and u i + 1 representing the three-dimensional shape of the distance image in the coordinate system can be expressed as follows.


Incidentally, each similarly color image between adjacent frames, prior (i-1) C i- 1 of the frame (X i-1, Y i -1), C i (X i of the current (i) frames, Y i ) and C i + 1 (X i + 1 , Y i + 1 ) of the next (i + 1) frame.
The camera coordinate system between adjacent frames (for example, the (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system of the previous (i-1) frame and the current (i) frame and the (O i X i The relationship of the Y i Z i ) coordinate system can be expressed by equation (1) using the rotation matrix R i and the translation vector T i .

(1)
However,
,

回転行列Riと並進ベクトルTiを求めることにより、(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系を(OiXiYiZi)座標系に、あるいは逆に変換することができる。従って、隣接フレーム間のカラー画像と距離画像をどちらか一方の座標系に合わせて変換することにより、同一の座標系で扱うことが可能となる。すなわち、各フレームごとにかかった並進と回転を補正して隣接フレーム間の距離画像を結合することが可能となる。同様に、隣接フレーム間のカラー画像も結合することが可能となる。 By calculating the rotation matrix R i and the translation vector T i , the (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system is changed to the (O i X i Y i Z i ) coordinate system, or Conversely, it can be converted. Therefore, by converting the color image and the distance image between adjacent frames according to one of the coordinate systems, it is possible to handle them in the same coordinate system. That is, it is possible to combine the distance images between adjacent frames by correcting the translation and rotation applied to each frame. Similarly, color images between adjacent frames can be combined.

従って、隣接フレーム間のカラー画像Ci-1とCi及び距離画像Di-1とDiを結合できるようにするためのデータ形式は、(2)式で示すようにカラー画像と距離画像と隣接フレーム間のカメラ座標系の移動量(回転行列Riと並進ベクトルTi )を組み合わせたデータのセットをフレーム順に並べたものとする。
…,(Ci-1, Di-1, Ri-1,T i-1),(Ci, Di, Ri,T i),(Ci+1, Di+1, Ri+1, T i+1), … (2)
具体例として、前(i-1)フレームの距離画像Di-1 (Xi-1,Yi-1)と現(i)フレームの距離画像Di(Xi,Yi)を結合するには、まず、(1)式により座標変換して、現(i)フレームの距離画像Di(Xi,Yi)の3次元形状を表す位置ベクトルuiを前(i-1)フレームの(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系で次式のように表す。


ui-1とui =Ri ui-1+Tiは共通の(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系で表されるため、この2つの位置ベクトルを重ね合わせることによりDi-1 (Xi-1,Yi-1)とDi(Xi,Yi)を結合することができる。また逆に、ui-1を次式のように(OiXiYiZi)座標系の距離画像に変換して、uiと重ね合わせることによってもDi-1 (Xi-1,Yi-1)とDi(Xi,Yi)を結合することができる。

Therefore, the data format for enabling the color images C i-1 and C i and the distance images D i-1 and D i between adjacent frames to be combined is a color image and a distance image as shown in equation (2). And a camera coordinate system movement amount between adjacent frames (rotation matrix R i and translation vector T i ) are arranged in frame order.
..., (C i-1 , D i-1 , R i-1 , T i-1 ), (C i , D i , R i , T i ), (C i + 1 , D i + 1 , R i + 1 , T i + 1 ),… (2)
As a specific example, binding before the (i-1) the distance of the frame image D i-1 (X i- 1, Y i-1) and current (i) the frame of the distance image D i (X i, Y i ) First, coordinates are transformed by equation (1), and a position vector u i representing the three-dimensional shape of the distance image D i (X i , Y i ) of the current (i) frame is converted to the previous (i-1) frame. In the (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system, the following expression is used.


Since u i-1 and u i = R i u i-1 + T i are expressed in a common (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system, these two positions By superimposing the vectors, D i-1 (X i-1 , Y i-1 ) and D i (X i , Y i ) can be combined. Conversely, by converting u i-1 to a distance image in the (O i X i Y i Z i ) coordinate system and superimposing it with u i , D i-1 (X i- 1 , Y i-1 ) and D i (X i , Y i ) can be combined.

隣接フレーム間の座標系の回転行列Riと並進ベクトルTiを求めるためには、前(i-1)フレームと現((i))フレームの重なり領域Sの距離画像D’i-1とD’iの3次元形状ui-1と uiの距離dを同一座標系で評価して、この距離dが最小となるようなRiとTiを求めればよい。
すなわち、(Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1)座標系で

(3)
あるいは、(OiXiYiZi)座標系で
(4)
で表される距離dが最小となるような(1)式の回転行列Riと並進ベクトルTiを求める。
例えば一つの計算法として、走行速度(vx)i,から推定される隣接フレームの距離画像間のXi-1Yi-1平面あるいは XiYi平面の重なり領域Sの距離画像D’i-1(Xi-1,Yi-1)とD’i (Xi,Yi)に対して(3)あるいは(4)式で表される距離dが最小となるような(1)式の回転行列Riと並進ベクトルTiを、反復最近傍点法(ICP : Iterated Closest Point)アルゴリズム(P. J. Best, et al., IEEE Trans., Pattern analysis and machine intelligence, vol.14, No.2, pp.239-256)を適用して求めることができる。
In order to obtain the rotation matrix R i and the translation vector T i of the coordinate system between adjacent frames, the distance image D ′ i−1 of the overlapping region S of the previous (i−1) frame and the current ((i)) frame The distance d between the three-dimensional shapes u i−1 and u i of D ′ i is evaluated in the same coordinate system, and R i and T i that minimize this distance d may be obtained.
That is, in the (O i-1 X i-1 Y i-1 Z i-1 ) coordinate system

(3)
Or in (O i X i Y i Z i ) coordinate system
(4)
The rotation matrix R i and the translation vector T i in equation (1) are determined so that the distance d expressed by
For example, as one calculation method, the distance image D ′ of the overlap area S of the X i-1 Y i-1 plane or the X i Y i plane between the distance images of adjacent frames estimated from the traveling speed (v x ) i , For i-1 (X i-1 , Y i-1 ) and D ' i (X i , Y i ), the distance d expressed by equation (3) or (4) is minimized (1 ) Of the rotation matrix R i and the translation vector T i , the Iterated Closest Point (ICP) algorithm (PJ Best, et al., IEEE Trans., Pattern analysis and machine intelligence, vol.14, No. 2, pp.239-256).

ICPアルゴリズムの反復計算によって求められる回転行列Riと並進ベクトルTiが大域的な最適解であることが必ずしも保証されていないため、局所的な解に収束して誤った回転行列Riと並進ベクトルTiが求められる可能性がある。そのため、補助データの速度(vx)i,3軸加速度(ax, ay,az)i, 3軸角速度(wx,wy,wz)iを併用して回転と並進の方向と大きさを知り、求められる回転行列Riと並進ベクトルTiの精度の向上を図る。 Since the rotation matrix R i and the translation vector T i obtained by iterative calculation of the ICP algorithm are not necessarily guaranteed to be global optimal solutions, they converge to the local solution and translate to the incorrect rotation matrix R i The vector T i may be required. Therefore, using the auxiliary data velocity (v x ) i , triaxial acceleration (a x , a y , a z ) i and triaxial angular velocity (w x , w y , w z ) i in combination, the direction of rotation and translation And the accuracy of the required rotation matrix R i and translation vector T i are improved.

計算量を圧縮するため、3軸加速度(ax,ay, az)iと3軸角速度(wx,wy,wz)iが小さな安定走行時には、Xと Y座標の値を僅かずつ変化させて隣接フレームの重なり部分Sの距離画像間の距離dを最小にするXと Yの変化量を求めるような、簡単なx, y方向のパターンマッチングの手法を適用して並行移動量(DX, DY)を計算し、Ri =I、Ti =(DX, DY, 0)を適用する。 In order to reduce the amount of calculation, the X and Y coordinates are slightly reduced during stable running when the triaxial acceleration (a x , a y , a z ) i and the triaxial angular velocity (w x , w y , w z ) i are small. The amount of parallel movement is applied by applying a simple pattern matching method in the x and y directions to find the amount of change in X and Y that minimizes the distance d between the distance images of the overlapping portion S of adjacent frames by changing each Calculate (DX, DY) and apply R i = I, T i = (DX, DY, 0).

(2)式の形式のデータと(1)式の座標変換を用いて、隣接フレーム間の距離画像を同一座標系に展開して重ね合わせることにより、隣接フレーム間の距離画像を結合することできる。距離画像をフレーム順に順次結合することにより、複数フレームにわたる路面、橋梁、壁面などの3次元形状を把握することが可能となる。 By using the data in the form of (2) and the coordinate transformation of (1), the distance images between adjacent frames can be combined by developing and superimposing the distance images between adjacent frames in the same coordinate system. . By sequentially combining the distance images in the order of frames, it is possible to grasp a three-dimensional shape such as a road surface, a bridge, and a wall surface over a plurality of frames.

同様に、カラー画像に対しても、(2)式の形式のデータと(1)式の座標変換を用いて、隣接フレーム間のカラー画像を同一座標系に展開して重ね合わせることにより、隣接フレーム間のカラー画像を結合することできる。そして、結合したカラー画像を前記の方法で結合した距離画像に重ねることにより、結合した距離画像にテクスチャを付けることが可能となる。 Similarly, by using the data in the form of equation (2) and the coordinate transformation of equation (1) for color images, the color images between adjacent frames are developed in the same coordinate system and superimposed. Color images between frames can be combined. Then, by superimposing the combined color image on the distance image combined by the above method, it is possible to add a texture to the combined distance image.

本発明により、長距離にわたる道路・橋梁の路面、トンネル壁面などの3次元形状の把握が可能となる。 According to the present invention, it is possible to grasp a three-dimensional shape such as a road surface of a long distance, a road surface of a bridge, and a tunnel wall surface.

10 3次元画像センサ
11 センサ
12 カラー画像・距離画像・補助データ記録装置
13 カラー画像データC(x, y)
14 距離画像データD(x, y)
15 補助(加速度・速度・角速度)データ((ax,ay, az),(vx),(wx, wy, wz)
10 three-dimensional image sensor 11 sensor 12 color image / distance image / auxiliary data recording device 13 color image data C (x, y)
14 Distance image data D (x, y)
15 Auxiliary (acceleration, velocity, angular velocity) data ((a x , a y , a z ), (v x ), (w x , w y , w z )

Claims (4)

連続的に撮像した画像を記録する画像記録システムにおいて、
移動体により移動させながら所定のフレームレートで連続的に被写体のカラー画像と距離画像とを撮影する3次元画像センサと、
前記移動体の移動中における加速度、速度、及び角速度を補助データとして検知するセンサと、
前記3次元画像センサにより得られるカラー画像と距離画像とをどちらか一方の座標系に合わせて変換することで同一の座標系にし、前記同一の座標系で前記移動体の移動及び揺れにより各フレームにかかった並進及び回転を補正し、補正された隣接フレーム間のカラー画像又は距離画像を結合して記録する記録装置とを有し、
前記記録装置は、前記隣接フレーム間の関係を前記3次元画像センサに対するカメラ座標系の回転行列と並進ベクトルとを用いて表し、前記回転行列と前記並進ベクトルとを用いて、前記座標系を変換し、
前記回転行列及び前記並進ベクトルは、前記隣接フレーム間の重なり領域の距離画像の3次元形状の距離を同一座標系で評価し、前記センサから得られる補助データから推定される隣接フレームのカラー画像又は距離画像間の平面の重なり領域に対する距離が最小となるように前記回転行列及び前記並進ベクトルを求めることを特徴とする画像記録システム。
In an image recording system for recording continuously captured images,
A three-dimensional image sensor that continuously captures a color image and a distance image of a subject at a predetermined frame rate while being moved by a moving body;
A sensor for detecting acceleration, velocity, and angular velocity during movement of the moving body as auxiliary data;
The color image obtained by the three-dimensional image sensor and the distance image are converted to match one of the coordinate systems to be the same coordinate system, and each frame is moved by the movement and shaking of the moving body in the same coordinate system. took corrected translation and rotation, have a recording device and for recording by combining a color image or distance image between corrected adjacent frames,
The recording apparatus represents a relationship between the adjacent frames using a rotation matrix and a translation vector of a camera coordinate system for the three-dimensional image sensor, and converts the coordinate system using the rotation matrix and the translation vector. And
The rotation matrix and the translation vector are obtained by evaluating the distance of the three-dimensional shape of the distance image of the overlapping region between the adjacent frames in the same coordinate system, and the color image of the adjacent frame estimated from the auxiliary data obtained from the sensor or An image recording system characterized in that the rotation matrix and the translation vector are obtained so that a distance to a planar overlapping region between distance images is minimized .
前記記録装置は、
前記センサから得られる補助データに基づいて、前記並進及び前記回転の方向及び大きさを取得し、取得した方向及び大きさに対応させて前記回転行列と前記並進ベクトルを求めることを特徴とする請求項に記載の画像記録システム。
The recording device comprises:
Based on the auxiliary data obtained the sensors or al, and wherein the translating and obtains the direction and magnitude of the rotation, obtained in correspondence with the direction and magnitude of obtaining the translation vector and the rotation matrix The image recording system according to claim 1 .
前記記録装置は、
前記補助データを前記3次元画像センサから得られる前記カラー画像及び前記距離画像のフレーム信号に同期させて記録することを特徴とする請求項1又は2に記載の画像記録システム。
The recording device comprises:
The image recording system according to claim 1 or 2, characterized in that recorded by synchronizing the auxiliary data in the color image and the frame signal of the range image obtained from the 3-dimensional image sensor.
連続的に撮像した画像を記録する画像記録方法において、
3次元画像センサを移動体により移動させながら所定のフレームレートで連続的に被写体のカラー画像と距離画像とを撮影し、
センサから前記移動体の移動中における加速度、速度、及び角速度を補助データとして検知し、
前記3次元画像センサにより得られるカラー画像と距離画像とをどちらか一方の座標系に合わせて変換することで同一の座標系にし、前記同一の座標系で前記移動体の移動及び揺れにより各フレームにかかった並進及び回転を補正し、補正された隣接フレーム間のカラー画像又は距離画像を結合して記録装置に記録し、
前記記録装置は、前記隣接フレーム間の関係を前記3次元画像センサに対するカメラ座標系の回転行列と並進ベクトルとを用いて表し、前記回転行列と前記並進ベクトルとを用いて、前記座標系を変換し、
前記回転行列及び前記並進ベクトルは、前記隣接フレーム間の重なり領域の距離画像の3次元形状の距離を同一座標系で評価し、前記センサから得られる補助データから推定される隣接フレームのカラー画像又は距離画像間の平面の重なり領域に対する距離が最小となるような前記回転行列及び前記並進ベクトルであることを特徴とする画像記録方法。
In an image recording method for recording continuously captured images,
Taking a color image and a distance image of a subject continuously at a predetermined frame rate while moving a 3D image sensor by a moving body,
Detecting acceleration, velocity, and angular velocity during movement of the moving body from the sensor as auxiliary data;
The color image obtained by the three-dimensional image sensor and the distance image are converted to match one of the coordinate systems to be the same coordinate system, and each frame is moved by the movement and shaking of the moving body in the same coordinate system. The translation and rotation applied to the image are corrected, and the corrected color image or distance image between adjacent frames is combined and recorded on the recording device.
The recording apparatus represents a relationship between the adjacent frames using a rotation matrix and a translation vector of a camera coordinate system for the three-dimensional image sensor, and converts the coordinate system using the rotation matrix and the translation vector. And
The rotation matrix and the translation vector are obtained by evaluating the distance of the three-dimensional shape of the distance image of the overlapping region between the adjacent frames in the same coordinate system and estimating the color image of the adjacent frame estimated from auxiliary data obtained from the sensor or The image recording method, wherein the rotation matrix and the translation vector are such that the distance to the overlapping region of the planes between the distance images is minimized .
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