JPH1114347A - ステレオカメラの光軸調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３次元計測を行なう平行系ステレオカメラを
構成する２つの光学系の光軸を精度よく平行となるよう
簡単な方法で調整する。 【解決手段】 ステレオカメラ201の２つの光学系の中
心間距離Ｂと同じ距離Ｂだけ離れた２本の平行直線
Ｌ₁、Ｌ₂及び、この２本の平行直線と直交する２本の平
行直線Ｌ₃、Ｌ₄を有する平面チャート202をステレオカ
メラ201に対して所定の位置に置く。この平面チャート2
02をステレオカメラ201で撮影し、ビデオミキサー203で
混合した合成画像をモニタ205の画面に表示する。モニ
タ205上の図のように、合成画像の垂直線が重なって３
本となり、平行線が重なって２本となるように、ステレ
オカメラの回転ステージと傾斜ステージの相対的回転角
を調整すれば、２つのカメラの光軸が平行となる。専用
のハードウェアやソフトウェアを必要とせず、ごく簡単
な方法で、ステレオカメラの光軸を平行となるよう調整
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステレオカメラの
光軸調整方法に関し、特に、平面チャートを用いて２台
の撮像装置の光軸が互いに平行となるように調整するス
テレオカメラの光軸調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】２つの撮像装置をそれぞれ異なる位置に
配置し、これら撮像装置から得られる画像対を処理する
ことによって撮像空間の３次元情報（視差あるいは距
離）を計測することをステレオ画像処理と呼ぶ。また、
前記２つの撮像装置対のことをステレオカメラと呼ぶ。
もっとも一般的なステレオカメラの構成方法として、２
つの撮像装置の光軸が平行となるように配置したものが
ある。これを平行系ステレオカメラと呼ぶことにする。
平行系ステレオカメラのうち、２つの撮像装置の走査線
方向に離隔して配置された平行系ステレオカメラは、後
述するエピポーラ線が走査線と一致するために、ステレ
オ画像処理を簡単化することができ、一般的によく使用
されている。

【０００３】まず、平行系ステレオカメラから得られる
画像対から、ステレオ画像処理によって撮像空間の３次
元情報を計測する方法について図２０を用いて簡単に説
明する。図２０において、実空間を表す座標として
（ｘ，ｙ，ｚ）を用い、画像面（カメラの撮像面）上の
位置を表す座標として（Ｘ，Ｙ）を用いる。ただし、２
つのカメラ20Ｌ、20Ｒを区別するために、左カメラの画
像面上の位置を表す座標として（Ｘ_L，Ｙ_L）を用い、右
カメラの画像面上の位置を表す座標として（Ｘ_R，Ｙ_R）
を用いる。ｘ軸とＸ_L軸、ｘ軸とＸ_R軸、ｙ軸とＹ_L軸、
ｙ軸とＹ_R軸は各々互いに平行であり、ｚ軸は２つのカ
メラの光軸にともに平行であるとする。実空間座標系の
原点を左右カメラの投影中心の中点にとり、投影中心間
の距離を基線長と呼びその長さを２ａで表すことにす
る。また、投影中心と画像面との距離（焦点距離）をｆ
で表す。

【０００４】今、実空間内の物点ｐが左画像面上の点Ｐ
_L（Ｘ_L，Ｙ_L）、右画像面上の点Ｐ_R（Ｘ_R，Ｙ_R）にそれ
ぞれ投影されたとする。ステレオ画像処理では、画像面
上においてＰ_L、Ｐ_Rを決定し、三角測量の原理に基づい
て物点ｐの実空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。ここで
は、２つのカメラの光軸が同一平面上にありｘ軸とＸ軸
とを平行にとっていることから、Ｙ_LとＹ_Rとは同じ値を
とる。画像面上の座標（Ｘ_L，Ｙ_L）、（Ｘ_R，Ｙ_R）と実
空空間内の座標（ｘ，ｙ，ｚ）との関係は、 ｘ＝ａ（Ｘ_L＋Ｘ_R）／（Ｘ_L−Ｘ_R）， ｙ＝２ａＹ_L／（Ｘ_L−Ｘ_R）， ｚ＝２ａｆ／（Ｘ_L−Ｘ_R） （１） あるいは、 Ｘ_L＝（ｘ＋ａ）ｆ／ｚ， Ｘ_R＝（ｘ−ａ）ｆ／ｚ， Ｙ_L＝Ｙ_R＝ｙｆ／ｚ （２） と求められる。ここで、 ｄ＝Ｘ_L−Ｘ_R （３） は視差を表している。（式２）から、ａ＞０であるので Ｘ_L＞Ｘ_R かつ Ｙ_L＝Ｙ_R （４） が成り立つ。これは、一方の画像面上の１点の他方の画
像面上での対応点は、同じ走査線上、かつＸ_L＞Ｘ_Rの範
囲に存在することを示しており、エピポーラ拘束と呼ば
れている。したがって、上述の平行系ステレオカメラで
は、左右画像の対応点は必ず同じ走査線上に存在するた
めに、対応点を決定する際に探索範囲を走査線上に限定
できる。

【０００５】実空間上での物点ｐの左右画像上での撮像
位置（Ｘ_L，Ｘ_R）が求まると（式３）から物点ｐの左右
画像上でのズレ量である視差ｄが算出できる。このｄを
（式１）の第３式に代入すれば、カメラから物点ｐまで
の距離ｚを求めることができる。ただし、ｄからｚへの
変換には、２つのカメラの間隔である２ａおよび焦点距
離ｆが既知である必要がある。ここで、２ａおよびｆに
誤差が含まれていると、ｄからｚへの変換の過程で誤差
が混入し、カメラから物点ｐまでの距離ｚの計測精度が
低下する。距離ｚで表現される空間（以下、距離空間）
でものごとを考える場合には厳密な２ａおよびｆを予め
計測しておく必要がある。

【０００６】ところで、（式１）の第３式からわかるよ
うに、視差ｄとカメラから物点ｐまでの距離ｚは１対１
に対応しており、どちらも実空間の３次元情報を表して
いるといえる。したがって、カメラから物点ｐまでの絶
対的な距離ｚが必ずしも必要でない場合には、視差ｄの
空間（以下、視差空間）でものごとを考えた方がよい場
合も多い。視差空間という３次元空間でものごとを考え
る場合には、厳密な２ａおよびｆを計測する必要はな
く、ステレオ画像対から視差を求めることが最重要なテ
ーマとなる。

【０００７】視差を求める際に重要となるのは、ステレ
オカメラの光軸を如何に平行に調整するか、と、如何に
左右画像間の対応点を見つけ視差を得るか、の２点とな
る。後者はステレオ画像の対応付け方法と呼ばれ、さま
ざまな手法が提案されている。一例として、我々が先に
出願した特開平8―294143号公報などがあるが、これら
の手法の多くは、ステレオカメラの光軸が平行であるこ
とを前提とした手法となっており、ひとたびこの前提が
崩れるとアルゴリズムが正常に働かない。ステレオカメ
ラの光軸が平行でないと、（式４）が成立しなくなるた
めに、（式４）を前提とした対応付け方法では正確な結
果が得られないのは当然のことである。また、（式４）
を前提としない場合には、左右画像間の対応関係を求め
る処理（ステレオ画像処理）自体が非常に複雑になる。
そこで、視差空間でものごとを考える場合には、如何に
ステレオカメラの光軸を平行に調整するかが重要になる
のである。ステレオカメラの光軸が平行であれば（式
４）が成立し、ステレオ画像処理が簡単化されるからで
ある。

【０００８】ステレオカメラの光軸調整方法としては、
富田、高橋“ステレオカメラのセルフキャリブレーショ
ン”、「情報処理」Vol.31、No.5(1990)、pp.650-659．
がある。これは、複数の物点を２つのカメラで撮影し、
複数の物点の左右画像上での対応関係をなんらかの手段
で与えてやり、これらのデータから１次近似式を用いた
反復法により、回転パラメータ等を求めるものである。
したがって、こうして求めた回転パラメータをもとに、
ステレオカメラの光軸を平行に調整することは可能であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
調整方法では、複数の物点の左右画像上での対応関係を
何らかの手段で与えてやる必要がある。その方法の一つ
として、調整者が画像を確認しながら、複数の物点毎
に、左右画像上の対応する座標位置を精度よく与えてや
る方法が考えられる。しかし、そのためには、精度良く
座標位置を指定するためのマンマシンインタフェースが
必要となる。おそらく、１画素以下の精度で座標位置を
指定可能なマンマシンインタフェースが要求されるであ
ろう。また、別の方法として、左右画像上での物点の対
応関係を画像処理によって決定する方法が考えられる。
しかし、この方法ではそのための専用ハードや、対応付
けのアルゴリズムが必要となる。

【００１０】また、上述のような手段で左右画像上での
物点の対応関係を与えられたとして、回転パラメータが
算出できたとしよう（そのためには複雑な反復計算を実
行する必要があるが）。しかし、求まった回転パラメー
タをもとに、調整者あるいは機械によってその回転パラ
メータの分だけ光軸を回転調整することはまた容易なこ
とではない。例えば、求まったｘ軸回りの相対的回転角
が0.014度だったとしよう。調整者は、光軸を平行にす
るために、片方のカメラをｘ軸回りに−0.014度だけ回
転する必要があるが、これは非常に困難な作業である。

【００１１】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、専用のハードウェアやソフトウェアを必要とせず、
できるだけ簡単な方法で、ステレオカメラの光軸を平行
となるよう調整する方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、２つのカメラの間の基線長と同じ距離だ
け離れた２本の平行直線およびこの２本の平行直線と直
交する２本の平行直線を有する平面チャートを所定の位
置に置いて、２つのカメラで同時に撮影して合成画像を
モニタ画面に表示し、合成画像が所定の状態になるよう
に左右のカメラを回転させる操作を繰り返して、ステレ
オカメラの光軸が平行になるように調整するように構成
したものである。

【００１３】これにより、従来技術のように専用のハー
ドウェアやソフトウェアを必要とせず、ごく簡単な方法
で、ステレオカメラの光軸が平行となるように調整する
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
少なくとも２つの回転自由度を有する２つのステージ上
にそれぞれ載置された２つのカメラを具備するステレオ
カメラの光軸調整方法であって、前記２つのカメラの中
心点間距離と同じ距離だけ離れた２本の平行直線（Ｌ₁
とＬ₂）および前記２本の平行直線と直交する２本の平
行直線（Ｌ₃とＬ₄）を有する平面チャートを所定の位置
に配置して前記２つのカメラで同時に撮影して合成画像
をモニタ画面に表示し、左カメラで撮影した左側の直線
Ｌ₁の像と右カメラで撮影した右側の直線Ｌ₂の像がとも
に画面中央を通るように前記ステージを回転させ、前記
直線Ｌ₃とＬ₄の像がすべて水平になるように前記ステー
ジを回転させ、前記２つのカメラで撮影した前記直線Ｌ
₃とＬ₄の像がそれぞれ重なるように前記ステージを回転
させる操作を、前記２つのカメラの光軸が平行になるま
で繰り返すものであり、特別の装置を使わずに容易に光
軸を平行に調整できるという作用を有する。

【００１５】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜図１９を参照しながら詳細に説明する。

【００１６】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態は、カメラの基線軸距離と同じ距離だけ離れた２
本の平行直線およびこの平行直線に直交する２本の平行
直線を有する平面チャートをステレオカメラで撮影し、
ビデオミキサーで混合した混合画像をモニタに表示し、
混合画像が所定の状態になるように上下軸回りの回転ス
テージと基線軸回りの傾斜ステージと前後軸回りの傾斜
ステージを調整することによって２つのカメラの光軸を
平行にする、ステレオカメラの光軸調整方法である。

【００１７】以下、本発明の第１の実施の形態のステレ
オカメラの光軸調整方法について、図１〜図１９を参照
して説明する。図１は、ステレオカメラの構成を示して
いる。それぞれのカメラ101、102の下には、相対的回転
角を調整するための調整機構（ステージ）103〜106が取
り付けられている。調整機構は、光学系の中心を通り光
軸と走査線に垂直な軸（上下軸）の回りの回転調整を行
なうための回転ステージ103、104と、光学系の中心を結
ぶ軸（基線軸）の回りおよび基線軸と上下軸に直交する
軸（前後軸）の回りの回転調整を行なうための傾斜ステ
ージ105、106とで構成されている。傾斜ステージ105、1
06は、ｘ軸およびｚ軸回りの相対的回転角を調整できる
ように取り付けられている。ｘ軸は光学系の中心を通
り、走査線に平行な軸である。ｙ軸は光学系の中心を通
り、光軸とｘ軸に直交する軸である。ｚ軸は光軸と一致
する軸である。光軸が正しい方向に調整された状態で
は、基線軸はｘ軸に一致し、前後軸はｚ軸に一致する。
回転ステージは傾斜ステージに載っているので、調整途
中では基線軸と前後軸はｘ軸とｚ軸に一致しない。上下
軸は常にｙ軸と一致している。

【００１８】まず、図２に示すように、ステレオカメラ
201を構成する２つのカメラの間の基線軸距離Ｂと同じ
距離Ｂだけ離れた２本の平行直線Ｌ₁とＬ₂、及び前記２
本の平行直線Ｌ₁とＬ₂に直交する２本の平行直線Ｌ₃と
Ｌ₄を有する平面チャート202を用意し、これをステレオ
カメラ201で撮影する。ステレオカメラ201からの左画像
206と右画像207をビデオミキサー203にて混合し、この
混合画像208をモニタ205に表示する。調整者204がモニ
タ画面を見ながら、ステレオカメラ201の２つの光学系
の光軸の平行度を確認し、相対的回転ずれがある場合に
は、ステレオカメラ201の下に設けた回転ステージと傾
斜ステージを調整することによってこれを補正し、最終
的に２つのカメラの光軸を平行にする。

【００１９】以下、具体的調整方法について説明する。
まず、カメラ座標系（ｘ，ｙ，ｚ）および撮像面上の座
標（Ｘ，Ｙ）を図３のように設定する。ただし、ｆはカ
メラの焦点距離を表すものとする。このとき、（式
５）、（式６）が成立する。 Ｘ＝（ｘ／ｚ）ｆ （５） Ｙ＝（ｙ／ｚ）ｆ （６） ただし、ｚ＞０、ｆ＞０である。

【００２０】さて、図４に示すようにステレオカメラ40
1を地面403に対し俯角α404で設置し、地面403上に置い
た平面チャート402を撮像し、ステレオカメラ201を構成
する左右２台のカメラ間の相対的回転角（すなわち、ｘ
軸／ｙ軸／ｚ軸回りの３軸回りの回転ずれ）がゼロとな
るよう調整する方法について説明する。平面チャート40
2には図４に示すように、４本の直線Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ
₄が描かれている。ここで、 ・Ｌ₁ // Ｌ₂ ・Ｌ₃ // Ｌ₄ ・Ｌ₁ ⊥ Ｌ₃，Ｌ₁ ⊥ Ｌ₄ ・Ｌ₂ ⊥ Ｌ₃，Ｌ₂ ⊥ Ｌ₄ ・Ｌ₁とＬ₂の距離＝Ｂ（ステレオカメラの間隔（基線
長）） である。

【００２１】＜ｙ軸回りの回転補正方法＞図４におけ
る、平面チャート402上の直線Ｌ₁の式を、 Ｌ₁： (ｘ−ｘ₁)／ｌ_1x＝(ｙ−ｙ₁)／ｌ_1y＝(ｚ−ｚ₁)／ｌ_1z （７） とする。

【００２２】まず、上記直線Ｌ₁が左カメラＣＬの撮像
面において、例えば、図５に示すように垂直な直線とし
て撮像される(Ｘ_L＝一定 かつ Ｙ_L≠一定)ための条件を
求める。

【００２３】（ａ） ｚ＝一定＝ｚ_const.、すなわち、
ｌ_1z＝０の場合 （式５）より、ｘ＝一定＝ｘ_const.、すなわち、ｌ_1x＝
０でなくてはならない。したがって、直線Ｌ₁は、ｙ軸
に平行な直線となる。また、このとき、（式５）、（式
６）より、 Ｘ＝（ｘ_const.／ｚ_const.）ｆ （８） Ｙ＝（ｙ／ｚ_const.）ｆ （９） となる。したがって、直線Ｌ₁は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図６（Ａ）のように、また、撮像
面上では図６（Ｂ）のように撮像されることになる。

【００２４】（ｂ） ｚ≠一定、すなわち、ｌ_1z≠０の
場合 （ｂ-１） ｘ＝０に固定の場合（ｌ_1x＝０） 直線Ｌ₁は、ｙｚ平面内にのみ存在することができる。
このとき、（式５）より、 Ｘ＝０ （10） となる。

【００２５】 （ｂ-１-１） ｙ＝一定＝ｙ_const.の場合（ｌ_1y＝０） 直線Ｌ₁は、ｙｚ平面内に存在し、ｚ軸と平行な直線と
なる。このとき、（式６）より、 Ｙ＝（ｙ_const.／ｚ）ｆ （11） となる。したがって、直線Ｌ₁は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図７（Ａ）のように、また、撮像
面上では図７（Ｂ）のように撮像されることになる。

【００２６】 （ｂ-１-２） ｙ≠一定の場合（ｌ_1y≠０） （式７）より、 ｙ＝（ｌ_1y／ｌ_1z）（ｚ−ｚ₁）＋ｙ₁ （12） この場合、直線Ｌ₁は、ｙｚ平面内に存在し、ｚ軸と平
行でない直線となる。このとき、（式６）より Ｙ＝（ｙ／ｚ）ｆ ＝(ｌ_1y／ｌ_1z)(１−(ｚ₁／ｚ))＋(ｙ₁／ｚ))ｆ ＝((ｌ_1y／ｌ_1z)＋(１／ｚ)(ｙ₁−(ｌ_1y／ｌ_1z)ｚ₁))ｆ （13） となる。したがって、直線Ｌ₁は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図８（Ａ）のように、また、撮像
面上では図８（Ｂ）のように撮像されることになる。

【００２７】（ｂ-２） ｘ≠一定の場合（ｌ_1x≠０） このとき、（式５）より、ｘ＝ｋｚ（ｋはｋ≠０の定
数）である必要がある。すなわち、直線Ｌ₁は、平面ｘ
＝ｋｚ（ｙ軸を含む平面）内に存在する。

【００２８】 （ｂ-２-１） ｙ＝一定＝ｙ_const.の場合（ｌ_1y＝０） このとき、直線Ｌ₁は、平面ｘ＝ｋｚ内に存在し、ｘｚ
平面に平行な直線となる。すなわちｙ軸に直交する。こ
のとき、（式５）、（式６）より Ｘ＝ｋｆ＝一定≠０ （14） Ｙ＝（ｙ_const.／ｚ）ｆ （15） となる。したがって、直線Ｌ₁は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図９（Ａ）のように、また、撮像
面上では図９（Ｂ）のように撮像されることになる。

【００２９】 （ｂ-２-２） ｙ≠一定の場合（ｌ_1y≠０） すなわち、 ｌ_1x≠０，ｌ_1y≠０，ｌ_1z≠０ （16） このとき、直線Ｌ₁は、平面 ｘ＝ｋｚ （17） 内に存在し、（式16）を満足する任意の直線となる。こ
のとき、（式７）より、 ｘ＝（ｌ_1x／ｌ_1z）（ｚ−ｚ₁）＋ｘ₁ （18） ｙ＝（ｌ_1y／ｌ_1z）（ｚ−ｚ₁）＋ｙ₁ （19） （式17）、（式18）より、 ｋｚ＝（ｌ_1x／ｌ_1z）（ｚ−ｚ₁）＋ｘ₁ （20） ∴ （ｋ−（ｌ_1x／ｌ_1z））ｚ＝ｘ₁−（ｌ_1x／ｌ_1z） （21） ｉ） ｋ−（ｌ_1x／ｌ_1z）≠０のとき ｚ＝（ｘ₁−（ｌ_1x／ｌ_1z））／（ｋ−（ｌ_1x／ｌ_1z）） ＝一定 （22） となり、ｚ≠一定に矛盾する。

【００３０】ii） ｋ−（ｌ_1x／ｌ_1z）＝０のとき、す
なわち、 ｋ＝（ｌ_1x／ｌ_1z） （23） このとき、（式18）とから、 ｘ＝ｋｚ−ｋｚ₁＋ｘ₁ （24） （式17）および（式24）から ｋ＝ｘ₁／ｚ₁ （25） ∴ ｋ＝ｌ_1x／ｌ_1z＝ｘ₁／ｚ₁ （26） このとき、（式５）、（式６）より Ｘ＝ｋｆ≠０ （27） Ｙ＝((ｌ_1y／ｌ_1z)(１−(ｚ₁／ｚ))＋(ｙ₁／ｚ))ｆ （28） となる。したがって、直線Ｌ₁は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）では図１０（Ａ）のように平面ｘ＝ｋｚの中に
存在し、また、撮像面上では図１０（Ｂ）のように撮像
されることになる。

【００３１】以上の議論より、基線軸と直線Ｌ₃とＬ₄が
平行で、基線軸に垂直で左カメラの中心点を通る面上に
直線Ｌ₁があり、基線軸に垂直で右カメラの中心点を通
る面上に直線Ｌ₂がある状態で、かつ、カメラ光軸（ｚ
軸）と直線Ｌ₁が平行にならないように（図４におい
て、俯角α≠０°）、平面チャートを配置し、直線Ｌ₁
が左カメラＣＬの撮像面上で中心点（Ｘ_L＝０，Ｙ_L＝
０）を通る直線となるようｙ軸回りの回転を調整をすれ
ば、左カメラの光軸（ｚ_L軸）と直線Ｌ₁は同一平面内に
存在し、１点で交わることになる。上述の調整後、右カ
メラＣＲについても同様に、今度は直線Ｌ₂が撮像面上
で中心点（Ｘ_R＝０，Ｙ_R＝０）を通る直線になるよう調
整すれば、右カメラの光軸（ｚ_R軸）と直線Ｌ₂は同一平
面内に存在し、１点で交わることになる。

【００３２】以上の調整により、左カメラの光軸（ｚ_L
軸）と右カメラの光軸（ｚ_R軸）は図１１に示すよう
に、距離Ｂだけ離れた互いに平行な２平面内にそれぞれ
存在することになり、ｙ軸回りの回転ずれはゼロに調整
されたことになる。なお、ｚ軸回りの回転補正後であれ
ば、直線Ｌ₁とＬ₂の撮像面上の像は垂直になる。

【００３３】＜ｚ軸回りの回転補正方法＞図４におけ
る、平面チャート402上の直線Ｌ₃の式を、 Ｌ３： (ｘ−ｘ₃)／ｌ_3x＝(ｙ−ｙ₃)／ｌ_3y＝(ｚ−ｚ₃)／ｌ_3z （29） とする。

【００３４】まず、上記直線Ｌ₃が左カメラＣＬの撮像
面において、例えば図１２に示すように水平な直線とし
て撮像される（Ｘ_L≠一定 かつ Ｙ_L＝一定）ための条
件を求める。

【００３５】（ａ） ｚ＝一定＝ｚ_const.、すなわち、
ｌ_3z＝０の場合 式（式６）より、ｙ＝一定＝ｙ_const.、すなわち、ｌ_3y
＝０でなくてはならない。したがって、直線Ｌ₃は、ｘ
軸に平行な直線となる。また、このとき、（式５）、
（式６）より Ｘ＝（ｘ／ｚ_const.）ｆ （30） Ｙ＝（ｙ_const.／ｚ_const.）ｆ （31） となる。したがって、直線Ｌ₃は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図１３（Ａ）のように、また、撮
像面上では図１３（Ｂ）のように撮像されることにな
る。

【００３６】（ｂ） ｚ≠一定、すなわち、ｌ_3z≠０の
場合 （ｂ-１） ｙ＝０に固定の場合（ｌ_3y＝０） 直線Ｌ₃は、ｘｚ平面内にのみ存在することができる。
このとき、式（式６）より、 Ｙ＝０ （32） となる。

【００３７】 （ｂ-１-１） ｘ＝一定＝ｘ_const.の場合（ｌ_3x＝０） 直線Ｌ₃は、ｘｚ平面内に存在し、ｚ軸と平行な直線と
なる。このとき、（式５）より Ｘ＝（ｘ_const.／ｚ）ｆ （33） となる。したがって、直線Ｌ₃は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図１４（Ａ）のように、また、撮
像面上では図１４（Ｂ）のように撮像されることにな
る。

【００３８】 （ｂ-１-２） ｘ≠一定の場合（ｌ_3x≠０） （式７）より、 ｘ＝（ｌ_3x／ｌ_3z）（ｚ−ｚ₃）＋ｘ₃ （34） この場合、直線Ｌ₃は、ｘｚ平面内に存在し、ｚ軸と平
行でない直線となる。このとき、（式５）、（式34）よ
り Ｘ＝(ｘ／ｚ)ｆ ＝((ｌ_3x／ｌ_3z)(１−(ｚ₃／ｚ))＋(ｘ₃／ｚ))ｆ ＝((ｌ_3x／ｌ_3z)＋(１／ｚ)(ｘ₃−(ｌ_3x／ｌ_3z)ｚ₃))ｆ （35） となる。したがって、直線Ｌ₃は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図１５（Ａ）のように、また、撮
像面上では図１５（Ｂ）のように撮像されることにな
る。

【００３９】（ｂ-２） ｙ≠一定の場合（ｌ_3y≠０） このとき、（式６）より、ｙ＝ｍｚ（ｍはｍ≠０の定
数）である必要がある。すなわち、直線Ｌ₃は、平面ｙ
＝ｍｚ（ｘ軸を含む平面）内に存在する。

【００４０】 （ｂ-２-１） ｘ＝一定＝ｘ_const.の場合（ｌ_3x＝０） このとき、直線Ｌ₃は、平面 ｙ＝ｍｚ （36） 内に存在し、ｙｚ平面に平行な直線となる。すなわちｘ
軸に直交する。このとき、（式５）、（式６）より Ｘ＝（ｘ_const.／ｚ）ｆ （37） Ｙ＝ｍｆ＝一定≠０ （38） となる。したがって、直線Ｌ₃は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図１６（Ａ）のように、また、撮
像面上では図１６（Ｂ）のように撮像されることにな
る。

【００４１】 （ｂ-２-２） ｘ≠一定の場合（ｌ_3x≠０） （式29）、（式36）より、 ｙ＝ｍｚ＝（ｌ_3y／ｌ_3z）（ｚ−ｚ₃）＋ｙ₃ （39） ∴ （ｍ−（ｌ_3y／ｌ_3z））ｚ＝ｙ₃−（ｌ_3y／ｌ_3z） （40） ｚ≠一定なので ｍ＝ｌ_3y／ｌ_3z （41） このとき、（式29）より、 ｙ＝ｍｚ−ｍｚ₃＋ｙ₃ （42） （式36）とから ｍ＝ｙ₃／ｚ₃ （43） ∴ ｍ＝ｌ_3y／ｌ_3z＝ｙ₃／ｚ₃ （44） このとき、（式５）、（式６）より Ｘ＝（（ｌ_3y／ｌ_3z）（１−（ｚ₃／ｚ））＋（ｘ₃／ｚ））ｆ （45） Ｙ＝ｍｆ＝（ｌ_3y／ｌ_3z）ｆ≠０ （46） となる。したがって、直線Ｌ₃は、カメラ座標系（ｘ，
ｙ，ｚ）に表示すると図１７（Ａ）のように平面ｙ＝ｍ
ｚの中に存在し、また、撮像面上では図１７（Ｂ）のよ
うに撮像されることになる。

【００４２】いま、直線Ｌ₃、Ｌ₄が、図１８（Ｂ）に示
すように左カメラＣＬの撮像面上でそれぞれ水平な直線
として撮像されるように、左カメラ座標系のｚ軸回りの
回転調整を行なったとする。このとき、実空間上の直線
Ｌ₃は図１８（Ａ）に示すような平面Ｆ₃内に存在するこ
とになる。また、直線Ｌ₄は平面Ｆ₄内に存在する。ここ
で、直線Ｌ₃およびＬ₄は、実空間上で平行な直線である
ことから、直線Ｌ₃および直線Ｌ₄はともに図１８（Ａ）
に示すようにカメラ座標系のｘ軸と平行な直線である必
要がある。すなわち、（ａ）の場合に相当する。したが
って、上述のような調整を行なうと、カメラ座標系のｘ
軸は、直線Ｌ₃、Ｌ₄にそれぞれ平行となることがわか
る。

【００４３】上述の調整後、右カメラＣＲについても同
様に、直線Ｌ₃、Ｌ₄が撮像面上でそれぞれ図１８（Ｂ）
に示すような水平な直線として撮像されるように、右カ
メラ座標系のｚ軸回りの回転調整を行なう。すると右カ
メラ座標系のｘ軸も直線Ｌ₃、Ｌ₄に平行となる。

【００４４】以上の調整により、左右カメラの座標系の
ｘ軸は互いに平行となり、ｚ軸回りの回転ずれはゼロに
調整されたことになる。

【００４５】＜ｘ軸回りの回転補正方法＞図４に示した
平面チャート402を左右カメラで撮像したとき、ｘ軸回
りの回転ずれは、撮像面上で図１９（Ａ）、（Ｂ）に示
すような、直線Ｌ₃および直線Ｌ₄の垂直方向のずれ△Ｙ
として現れる。したがって、図１９に示す手順で、△Ｙ
がゼロとなるようにｘ軸回りの回転調整を行なえば、ｘ
軸回りの回転ずれはゼロに調整することができる。

【００４６】以上、ｙ軸回りの回転ずれ、ｚ軸回りの回
転ずれ、ｘ軸回りの回転ずれ、の順でその調整方法につ
いて述べてきたが、実際には、それぞれの調整を以上の
順番でシーケンシャルに一度だけ行なえばよいわけでは
ない。光学系の中心を各回転軸上に正確に合わせること
は困難であるので、ある軸回りの回転ずれを調整する
と、ほかの軸回りの回転ずれが発生する可能性があるた
めである。図１９（Ｃ）において、ｘ軸のみならず、ｙ
軸、ｚ軸についても同時に調整を行ない、最終的に、図
１９（Ｄ）のような混合画像が得られるよう調整を行な
う必要がある。以上の調整で、２つのカメラの光軸は互
いに平行に調整されたことになる。

【００４７】以上のように、本発明の第１の実施の形態
のステレオカメラの光軸調整方法では、２つのカメラの
間の距離と同じ距離だけ離れた２本の平行直線およびこ
の平行直線と直交する２本の平行直線を有する平面チャ
ートを所定の位置に置き、平面チャートをステレオカメ
ラで撮影した合成画像が所定の状態になるように、ステ
レオカメラの３軸の相対的回転角を調整するように構成
したので、専用のハードウェアやアルゴリズムを必要と
せずに、２つのカメラの相対的回転角を調整して、光軸
を平行に合わせることができる。

【００４８】なお、以上の説明では、調整者がモニタを
確認しながら相対的回転角を調整する方法について述べ
たが、上記の手順を専用のハードウェアによって実現す
ることも当然可能である。例えば左右画像よりそれぞれ
エッジ抽出等を行ない、直線Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄ を検
出する。検出した直線Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄ が、図１９
（Ｄ）のような混合画像が得られるよう調整機構を駆動
し、最終的に、２つのカメラの光軸が平行となるように
自動調整する。ただし、この場合には専用のハードウェ
アおよび調整機構の駆動アルゴリズムが別途必要とな
る。

【００４９】また、回転ステージと傾斜ステージの回転
軸である上下軸、前後軸、基線軸を、光学系の中心を通
る軸としたが、光学系の中心を通らない軸としても、調
整の反復回数が多くなるだけで、同様な方法で調整可能
である。

【００５０】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態は、基線軸回りと上下軸回りの２つの回転自由度
しかない右カメラと、前後軸回りと上下軸回りの２つの
回転自由度しかない左カメラとからなるステレオカメラ
の光軸調整方法であって、ステレオカメラの基線長だけ
離れた２本の平行直線およびこの平行直線に直交する２
本の平行直線を有する平面チャートをステレオカメラで
撮影し、ビデオミキサーで混合した混合画像をモニタに
表示し、混合画像が所定の状態になるように回転ステー
ジと傾斜ステージを調整することによって２つのカメラ
の光軸を平行にする、ステレオカメラの光軸調整方法で
ある。

【００５１】第２の実施の形態のステレオカメラの光軸
調整方法が、第１の実施の形態のステレオカメラの光軸
調整方法と異なる点は、カメラの回転自由度が２つしか
ないことである。

【００５２】以下、本発明の第２の実施の形態のステレ
オカメラの光軸調整方法について、図１〜図１９を参照
して説明する。ステレオカメラの構成について、それぞ
れのカメラ101、102の下に、ｙ軸回りの回転調整を行な
うための回転ステージ103、104が取り付けられていると
ころは、図１に示す第１の実施の形態のものと同じであ
るが、ｘ軸およびｚ軸回りの回転調整を行なうための傾
斜ステージ105、106の構成が異なる。傾斜ステージ10
5、106は、ｘ軸およびｚ軸回りの相対的回転角を調整で
きるように、互いに90度ずらして取り付けられている。
すなわち、一方の傾斜ステージ105は基線軸回りに回転
するよう、もう一方の傾斜ステージ106は前後軸回りに
回転するように取り付けられている。右カメラのｙ軸は
基線軸と直交するように予め固定されている。また、左
カメラの基線軸回りの傾き（俯角）は、予め所定の方向
に固定されている。

【００５３】図２に示すように、平面チャート202をス
テレオカメラ201で撮影し、混合画像208をモニタ205で
見ながら、ステレオカメラ201の下に設けた回転ステー
ジと傾斜ステージを調整することによって２つのカメラ
の光軸を平行にすることは、第１の実施の形態と同様で
ある。

【００５４】＜ｙ軸回りの回転補正方法＞カメラの座標
軸を図３のように決め、平面チャートを図４のように配
置して撮影することは、第１の実施の形態と同じであ
る。ｙ軸の回りの回転自由度は左右のカメラのステージ
がともに有しており、ｙ軸回りの回転補正方法は、第１
の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。

【００５５】＜ｚ軸回りの回転補正方法＞右カメラはｚ
軸回りの回転自由度はないので、右カメラのｘ軸に対し
て左カメラのｘ軸が平行になるように合わせる。左カメ
ラを前後軸回りに回転させて、右カメラで撮影した右側
の直線Ｌ₂の像に、左カメラで撮影した左側の直線Ｌ₁の
像が画面上で重なるようにする。このとき、右カメラで
撮影した平行直線Ｌ₃、Ｌ₄の像と、左カメラで撮影した
平行直線Ｌ₃、Ｌ₄の像はすべて平行になるはずである。

【００５６】以上の調整により、左右カメラの座標系の
ｘ軸は互いに平行となり、ｚ軸回りの回転ずれはゼロに
調整されたことになる。

【００５７】＜ｘ軸回りの回転補正方法＞左カメラはｘ
軸回りの回転自由度はないので、左カメラのｘ軸に右カ
メラのｘ軸を一致させるようにする。第１の実施の形態
の場合と同様に、図４に示した平面チャート402を左右
カメラで撮像したとき、ｘ軸回りの回転ずれは、撮像面
上で直線Ｌ₃および直線Ｌ₄の垂直方向のずれ△Ｙとして
現れる。したがって、△Ｙがゼロとなるように右カメラ
の基線軸回りの回転調整を行なえば、ｘ軸回りの回転ず
れはゼロに調整することができる。

【００５８】以上、ｙ軸回りの回転ずれ、ｚ軸回りの回
転ずれ、ｘ軸回りの回転ずれ、の順でその調整方法につ
いて述べてきたが、実際には、それぞれの調整を以上の
順番でシーケンシャルに一度だけ行なえばよいわけでは
ない。ある軸回りの回転ずれを調整すると、ほかの軸回
りの回転ずれが発生する可能性があるためである。ｘ軸
のみならず、ｙ軸、ｚ軸についても同時に調整を行な
い、最終的に図１９（Ｄ）のような混合画像が得られる
よう調整を行なう必要がある。以上の調整で、２つのカ
メラの光軸は互いに平行に調整されたことになる。

【００５９】以上のように、本発明の第２の実施の形態
のステレオカメラの光軸調整方法では、基線間距離だけ
離れた２本の平行直線およびこの平行直線と直交する２
本の平行直線を有する平面チャートを所定の位置に置
き、平面チャートをステレオカメラで撮影した合成画像
が所定の状態になるように、右カメラのｘ軸とｙ軸回り
の相対的回転角と左カメラのｚ軸とｙ軸回りの相対的回
転角を調整するように構成したので、回転自由度が２つ
しかないカメラでも、専用のハードウェアやアルゴリズ
ムを必要とせずに、２つのカメラの相対的回転角を調整
して、光軸を平行に合わせることができる。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、２つのカ
メラ間の基線長と同じ距離だけ離れた２本の平行直線お
よびこの２本の平行直線と直交する２本の平行直線を有
する平面チャートを、２つのカメラで同時に撮影して、
ビデオミキサーで合成した画像をモニタに表示して、左
右のカメラを回転させて光軸を調整し、ステレオカメラ
の光軸が平行になるようにしたので、専用のハードウェ
アやアルゴリズムを必要とせずに、平面チャートとビデ
オミキサーとモニタという簡単に入手することのできる
既存の装置だけを用いて、ステレオカメラの光軸を平行
に合わせることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のステレオカメラの構成を
示す図、

【図２】本発明の実施の形態のステレオカメラの相対的
回転角を調整する機器の図、

【図３】本発明の実施の形態のカメラ座標系の図、

【図４】本発明の実施の形態のステレオカメラの相対的
回転角を調整する方法の図、

【図５】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転角
を調整する方法の図、

【図６】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転角
を調整する方法の図、

【図７】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転角
を調整する方法の図、

【図８】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転角
を調整する方法の図、

【図９】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転角
を調整する方法の図、

【図１０】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１１】本発明の実施の形態のｙ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１２】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１３】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１４】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１５】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１６】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１７】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１８】本発明の実施の形態のｚ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図１９】本発明の実施の形態のｘ軸回りの相対的回転
角を調整する方法の図、

【図２０】ステレオカメラを用いた３次元情報計測の原
理の説明図である。

【符号の説明】

101、102 カメラ、 103、104 回転ステージ、 105、106 傾斜ステージ、 201 ステレオカメラ、 202 平面チャート、 203 ビデオミキサー、 204 調整者、 205 モニタ、 206 左画像、 207 右画像、 208 混合画像、 Ｂ カメラ間隔（基線長）、 Ｌ₁、Ｌ₂ 平行直線 Ｌ₃、Ｌ₄ Ｌ₁、Ｌ₂と直交する平行直線、 401 ステレオカメラ、 402 平面チャート、 403 地面、 404 俯角α、 20_L 左カメラ、 20_R 右カメラ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの回転自由度を有する２
   つのステージ上にそれぞれ載置された２つのカメラを具
   備するステレオカメラの光軸調整方法であって、前記２
   つのカメラの中心点間距離と同じ距離だけ離れた２本の
   平行直線（Ｌ₁とＬ₂）および前記２本の平行直線と直交
   する２本の平行直線（Ｌ₃とＬ₄）を有する平面チャート
   を所定の位置に配置して前記２つのカメラで同時に撮影
   して合成画像をモニタ画面に表示し、左カメラで撮影し
   た左側の直線Ｌ₁の像と右カメラで撮影した右側の直線
   Ｌ₂の像がともに画面中央を通るように前記ステージを
   回転させ、前記直線Ｌ₃とＬ₄の像がすべて水平になるよ
   うに前記ステージを回転させ、前記２つのカメラで撮影
   した前記直線Ｌ₃とＬ₄の像がそれぞれ重なるように前記
   ステージを回転させる操作を、前記２つのカメラの光軸
   が平行になるまで繰り返すことを特徴とするステレオカ
   メラの光軸調整方法。