JPH02251708A - 三次元位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明は、複数枚の画像を用いて三次元位置を計測す
る三次元位置計測装置に関する。

〔従来技術］ 従来の三次元位置計測装置としては、例えば第８図に示
すようなものがある。

第８図の装置は、ビデオカメラＡ’１０１とビデオカメ
ラＢ１０２とを水平に配置し、上記２台のビデオカメラ
で得た画像をそれぞれ画像メモリＡｌＯ３と画像メモリ
Ｂ１０４に記憶し、それらの２枚の画像の対応点を対応
点探索部１０５で対応付けし、その結果から三次元位置
を三次元位ｒＩｌ算出部１０６において算出するもので
あり、いわゆるステレオ視覚装置と云われるものである
。

なお、上記の２枚の画像の対応点を結んだ線をエピポー
ラ・ラインと云い、対応点がエピポーラ・ライン上にあ
ることをエビポーラ条件を満足しているという。

上記のステレオ視覚技術に関しては、例えば、特開昭６
２−９３７６５号公報、特開昭６２−９３７６６号公報
。

特開昭６２−１６２１７５号公報等に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような従来の三次元位置計測装置においては、エ
ビポーラ条件によって対応点探索範囲を限定しており、
また１通常２台のビデオカメラを水平または垂直に配列
する構成をとるため、次にごとき問題がある。

■カメラキャリブレーションを行ない、カメラ角度や基
線長（カメラ間隔）を計測しておかなければならないの
で、計測前の準備が面倒であり、かつ、２台のビデオカ
メラを完全に水平または垂直に位置させることが困難な
ので、エビポーラ・ラインを求める計算がかなり複雑と
なる。

■２台のビデオカメラを水平に配置した場合は被測定物
の水平エツジが測距不可能であり、また。

垂直に配置した場合は垂直エツジが測距不可能である。

これを解決するには、３台以上のビデオカメラを用いる
か、ビデオカメラの移動手段を用いる必要があるので、
構成が複雑になる。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、簡単な構成で容易に被測定物の
三次元位置を計測することの出来る三次元位置計測装置
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては。

焦点距離が可変な撮像手段（例えばズームレンズを備え
たビデオカメラ）と、該撮像手段から被測定物に関する
異なった焦点位置の複数枚の画像を取得する手段と、該
複数枚の画像間で対応点を探索する対応点探索手段と、
該対応点探索手段で求めた対応点毎に被測定物の三次元
位置を算出する演算手段とを備えるように構成している
。

すわなち２本発明においては、ズームレンズを備えたビ
デオカメラのように焦点距離が可変な撮像手段を用いて
、異なった焦点距離の複数枚の画像を求め、それらの対
応点を求めるようにしたものである。

上記のように構成したことにより１本発明においては、
撮像手段が１個なので、カメラ位置や基線長の測定が不
要になり、かつ、エピポーラ・ラインが全て画像の中心
点から放射状に伸びる（詳細後述）ので、カメラキャリ
ブレーションが不要になり、演算が容易になる。また、
１台の撮像手段で水平エツジや垂直エツジも測距可能に
なる。

〔実施例〕

第１図は１本発明の一実施例図である。

第１図において、２０２はズームレンズ２０１を装着し
たビデオカメラである。なお、ズームレンズの代わりに
、焦点距離を段階的に切り換えることの出来るレンズ、
例えば望遠と広角に切り換え可能なレンズを用いてもよ
い、また画像メモリＡ２０３゜画像メモυＢ　２０４は
それぞれ焦点距離の異なる画像を記憶するメモリである
。また上記画像メモリ上のアクセス方向を制御する走査
方向制御部２０５．２枚の画像上の対応点を探索する対
応点探索部２０６、及び対応付けの結果から三次元位置
を算出する三次元位置算出部２０７が設けられている。

なお、上記２０５〜２０７の部分は１例えばコンピュー
タで構成される。

次に作用を説明する。

まず、第２図に基づいて本発明による三次元位置算出の
原理を説明する。

第２図（ａ）は光学系の概略図であり、撮像位置から距
＄１Ｄだけ離れた位置にある物体（被測定物）を撮像す
る場合を示す。

また、本例は、望遠側焦点距離ｆｒと広角側焦点距離ｆ
ｗとの２点で撮像する場合を例示する。

まず、望遠側焦点距離ｆｒで撮像すると、被測定物上の
Ａ、Ｂ点がそれぞれ受光面上のＡ７．　ＢＴ点に結像す
る。また、広角側焦点距離ｆｗで撮像すると、被測定物
上のＡ、Ｂ点がそれぞれ受光面上のＡ臂、Ｂｙ点に結像
する。

したがって取得される画像は、第２図（ｂ）および（Ｑ
）に示すＩＷ（ｘ、ｙ）およびＩＴ（Ｘ、ｙ）のように
なる、なお、画像の中心を原点Ｏとしている。

上記のＩｔ（ｘｐｙ）、Ｉｔ（ｘｐｙ）の一部を拡大す
ると、それぞれ第２図（ｄ）および（ｅ）に示すように
なる。

ここで、それぞれの画像上に同一方向を向く半直線ＯＰ
をとる。ｏＰと被測定物を構成するエツジとの交点をｐ
Ｈ，ＰＴとすると、レンズの性質により、それらは明ら
かに同一の点、すなわち対応点を表わしている。

ここで、原点０とｐｗ’間の長さをΩ腎、原点Ｏとｐｒ
間の長さをＱｒとすると、受光面からｐＷまたはＰＴま
での距離りは次式で与えられる。

上記のように、本発明においても、ｐｗとｐＴとが被測
定物の同一点を表わしていることを知る必要があり、そ
のために対応点探索が必要である。

しかし、本発明の場合においては、第２図から判るよう
に、エピポーラ・ラインが全て画像の中心点から放射状
に伸びるので、対応点探索は複数画像の同一半径方向で
行なえばよく、これが通常のステレオ視のエピポーラ条
件に相当するものである。ただし、複数枚の画像を取得
する間にカメラ光軸が動かなければ、カメラキャリブレ
ーションには一切気を使う必要がなく、通常のステレオ
視のように厳密なカメラパラメータを求める必要もない
。

さらに、エピポーラ・ラインが半径方向に一致している
ため、水平エツジや垂直エツジにかかわらずマツチング
をとることが出来る。

なお、第２図においては、ｐｗとＰＴとをそれぞれ１つ
だけ示しているが、実際には多数のｐｗ、ｐＴについて
距ｌｌＤを演算することになる。

上記のように、本発明においては、エピポーラ条件を満
足する探索を実現するために１画像メモリを半径方向に
アクセスする必要がある。この制御は走査方向制御部２
０５で行なわれるが、以下、第３図および第４図に基づ
いてその演算内容を説明する。

なお、この例では、θの刻み１９で画像メモリ上のＯ″
″〜３５９１の各方向にアクセスするものとする。また
、走査方向制御部２０５にはＯ°〜４５゜の各角度０に
対する正弦値ｔａｎθがあらかじめストアしであるもの
とする。

第３図は画面の領域を示す図であり、また第４図は１画
像Ｉ（ｘ、ｙ）を半径方向に走査し、画面全体に“１”
なる値をストアするプログラムのフローチャートである
。

第４図のフローチャートは、与えられたθが第３図の領
域■〜■のいずれに属しているかを算出し、各々の領域
に合ったロジックでメモリ上をアクセスする。

なお、第４図において、Ｐ、はＩＮＴ（Ｘ）の切り捨て
による整数化関数を示し、またＰ、はｒｏｕｎｄ　（Ｘ
）の四捨五入による整数化関数を示す。

実際の対応点探索時は、上記第４図のフローチャートに
基づいて画像メモリ上をアクセスする。

次に９本装置を用いて実際に三次元位置を計測する例を
説明する。

一般に対応付けの方法としては、■原画像の画素同士を
対応付ける。■原画像から抽出した特徴点同士を対応付
ける。■特徴点に挟まれた区間同士を対応付ける１等い
くつかのアプローチがある。

また、特徴点としてはエツジ点（明るさが大きく変化す
る点）を用いることが多い１本装置における対応付けは
、上に述べたような、一般にステレオ視において行なわ
れている。いずれの対応付けの手法を用いて行なっても
よい。

以下、第５図に示すフローチャートおよび第６図に基づ
いて作用を説明する。

第５図において、まず、　７０１では、第６図（ａ）で
ズームレンズのズーミングを行ない、第６図（ｂ）、（
Ｑ）に示すような２枚の画像Ｉ　ｗ　（ｘ　ｔ　ｙ　）
Ｉ　ｔ　（Ｋ　ｅ　ｙ　）をそれぞれ画像メモリＡ、Ｈ
に記憶する。

次に、７０２では、Ｉｗ（ｘｔｙ）、Ｉｔ（Ｘ＊ｙ）に
エツジ検出オペレータを作用させ、エツジ強度がある値
以上である点を特徴点として抽出する。そしてこれをｌ
１１１に細線化し、これを特徴点画像Ｉｗｅ（ｘｙｙ）
、Ｉｒｅ（ｘｔｙ）とする、この場合、特徴点にはＩＩ
　Ｉ　ＩＩそれ以外には′０″をストアしておく。

次に、第６図（ｄ）、Ｃｅ）に示すように探索を行なう
が、まず７０３では、半径方向θ；Ｏ°から探索を開始
する。

次に、７０４では、望遠側の特徴点画像ＩＩｅ（ｘ。

ｙ）を前記第４図のフローに従ってθ°力方向アクセス
し、Ｉｔ＠（ｘｔｙ）＝１なる点α、を探す。

次に、７０５では１画面中心０からα、までの距離０α
魚を算出し、その値をｋとする。

次に、７０６では、第６図（ｆ）に示すようにα五を中
心とするΔｒの領域を設定し、原画像Ｉｔ（ｘ。

ｙ）上でΔｒに対応する領域の明度値の平均を算出し、
それを点α区の評価関数値Ｅｉとする。

次に７０７では、広角側の特徴点画像ｒｙｅ（ｘｙｙ）
を前記第４図のフローに従って０６方向にアクセスし、
Ｉ　ｗｅ（ｘ　？　ｙ　）　＝　１なる点β１を探す。

次に、７０８では、前記と同様に２区を中心とするΔｒ
の領域を設定し、原画像ｒ　ｗ　（ｘ　ｅ　ｙ　）上で
Δｒに対応する領域の明度値の平均を算出し、それを点
β魚の評価関数値Ｆ１とする。

ここで、Ｉｗ（ｘｒｙ）と１丁（ｘ、ｙ）の順序関係か
ら、常にＯα象〉０β五が成り立つので、β１の探索は
７１２に示すようにＯ−にの範囲内で行なう、すなわち
、７１２は、この条件を満たす範囲内でα賑の対応候補
点β１をすべて探し、各々について評価関数値Ｆ１を求
めることを示す。

次に、７０９では、検出されたすべてのβ≦の評価関数
値ＦＡのうち、Ｅ□−Ｆｌを最小にするＦｌを与える特
徴点βムを選出し、これをβ１とする。

次に、７１０では、画面中心０からβ！までの距離０β
！を算出し、それをに′とする。

次に、７１１では、これまでに求めたｋおよびに′と、
レンズの広角側焦点距ｊ１１ｆｗおよび望遠側焦点距離
ｆｔとを用いて、受光面から被測定物上の点α五までの
距離ｄを次式によって算出する。

また、７１３は、上記の特徴点画像Ｉ　ｒｅ（ｘ　ｅ　
ｙ　）からの特徴点サーチを、半径方向にフレームアウ
トするまで繰り返すことを示す。

また、７１４は、上記半径方向の探索を０；０゜〜３５
９°の範囲で繰り返すことを示す。

以上の処理により、受光面から各対応点までの距離をそ
れぞれ算出することが出来る。

なお、θ方向へのアクセスによって特徴点をサーチする
処理は、前記第４図のフローチャートに従うが、これは
第４図のフローチャートにおいて、第７図（ａ）に示す
［Ｉ（ｘ、ｙ）＝１１の部分を、第７図（ｂ）に示すよ
うに変更することにより。

実現することが出来る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、焦点距離の異
なる複数枚の画像を対応付けて三次元位置を算出するよ
うに構成しているので、１台の撮像手段を用いて水平エ
ツジも垂直エツジも測距可能であり、かつカメラキャリ
ブレーションが一切不要なので、構成や操作が大幅に簡
略になり、しかも被測定物の三次元位置を正確に測定す
ることが出来る、という優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の詳細な説明するための作用図であり、（ａ）は光学
系の概念図、（ｂ）〜（ｅ）は画像例図である。また第
３図は対応点探索方法における画面分割図、第４図は対
応点探索演算の一実施例を示すフローチャート、第５図
は本発明の全体の演算の一実施例を示すフローチャート
、第６図は第５図の演算における画像例図、第７図はθ
方向へのアクセスによって特徴点をサーチする処理の演
算を示すフローチャート、第８図は従来装置の一例のブ
ロック図である。 〈符号の説明〉 ２０１・・・ズームレンズ ２０２・・・ビデオカメラ ２０３．２０４・・・画像メモリ ２０５・・・走査方向制御部 ２０６・・・対応点探索部 ２０７・・・三次元位置算出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 焦点距離が可変な撮像手段と、該撮像手段から被測定物
   に関する異なった焦点位置の複数枚の画像を取得する手
   段と、該複数枚の画像間で対応点を探索する対応点探索
   手段と、該対応点探索手段で求めた対応点毎に被測定物
   の三次元位置を算出する演算手段とを備えたことを特徴
   とする三次元位置計測装置。