JPS6175265A - 三次元速度計 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カメラより得られた対象の光学的パターンを
用いてカメラ自身と体象物体あるいは環境との相対的な
三次元速度を測定する装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来、対象の光学的パターン像を用いて非接触に速度を
測定する手法は、相関法と空間フィルタ法があることが
知られている。相関法は、時刻の異なる二枚の像パター
ンに対し、一方を変位させ、他方に重ね合わせることに
よシバターン間の変位を検出し速度を得る。この方法は
、重ね合わせ操作に多くの計算量を要し、特に三次元運
動のように運動の自由度が多くなると計算量は膨大なも
のとなる。

一方、空間フィルタ法は、特殊なすだれ格子を通して見
た光学パターンの光強度スペクトルを使って速度を測定
するものであるが、像パターンは変形なしの並行移動が
前提であシ、像の拡大・縮少を含む三次元運動に対して
はこの手法は使うことはできない。

各種産業においては速度測定技術の確立は多大な効果を
もたらす。例えば、産業用ロボットが対象の三次元的動
きを知れば、高速ハンドリングが可能となる。また、自
動車、航空機等の移動体にとって、自身の動きを制御す
るためには動きの検出センサが重要である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記の実情に鑑みなされたもので、直交型に
配置されたステレオカメラからの像を使って対象物体ま
での距離を測定し、得られた距離情報を利用して三次元
運動パラメータを推定することにより、対象物体あるい
は環境との相対的な三次元速度を容易に、かつ、高精度
に測定する装置を提供することを目的とする。以下、本
発明について図面に基づき説明する。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の装置の構成を示したもので、入力装置
１、距離計測装置２、および速度パラメータ計測装置３
から成っている。入力装置１は、第２図に示されるよう
に、複数台のカメラＣ２，）ｌａ、　Ｈａ’、ＨＡ、Ｈ
ｂ”＝−−＝、　Ｖｔｘ、　Ｖａ’、　Ｖｂ、　Ｖｂ’
−＝を互に直交する基線上に等間隔に並べ、しかも、こ
れらのカメラの光軸が二つの基線と直交する向きになる
ように配置する。この撮像系の最小構成は、第２図にお
いて、中心カメラＣ１水平カメラＨａ、垂直カメラＶｇ
の王台である。対象物体の光学パターンは入力装置１か
ら同時に等時間間隔で撮像される。

〔作　用〕

次に、本発明の作用について説明する。

距離測定装置２は次のとおシである。中心カメラＣの画
面Ｓと対象物体４上の点Ｐまでの距離を２とする。対象
物体４上の点Ｐの像が中心カメラＣと水平カメラＨａの
ステレオカメラで見かけ上ｔｘ移動しているとする。そ
のとき、次の関係式が近似的に成立することが知られて
いる。

ＥＸ−ｄｘ　＋　ＥＸ’　−０・・・・・・・・・−・
・・・・−・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（１）Ｅｘは画面Ｓ内の水平方向の明るさの勾配、
Ｅｆは二枚の画像間の明るさの勾配である。

第３図は距離測定の原理を説明するためのもので、同図
に示すごとく変位ｄｘと距離２は次の関係式を満たす。

’ｘ−ｆ−ＤＩ（ｆ＋ｚ）・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ただし、ｆはカメラの焦点距離、Ｄはカメラ間の距離で
ある。（ＩＬ　（２）式よシ距離２はＺ　−−／　（Ｄ
−Ｅｘ／Ｅｘ’＋１　）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（３）である。このとき対象物体
４上の点Ｐ付近の像が水平なエツジを有するならば、Ｅ
ｘ’−０となシ距離２の値は求められない。そこで、カ
メラ対Ｃ，ＶｃＬを利用する。水平方向のときと同様に
対象物体４上の点Ｐの像の見かけの変位をｄＹとすれば
次式が成シ立つ。

Ｅｙ−ｄｙ＋Ｅｙ’　−０・・・・・・・・・・・・・
−・・・・・・・・・・・−・・・・・・・・・・・・
・・−・（４）’ｒ＝ｆ−ＤＩ（／＋Ｚ）・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（５）（１）＋　（２）式よ’）、ｆ−Ｄ−Ｅ
ｘ−Ｅｘ’（／＋Ｚ）ｏまた、（４）。

（５）式ヨり　７−Ｉ）Ｅｙ−−Ｅｙ’（／＋Ｚ）ｏ　
　これらよシ（６）式でＥｆ　２＋　Ｅｙ′２　　はエ
ツジである限り０とはならない。

最後に、速度パラメータ計測装置３について説明する。

第４図はカメラの座標系を示す図である。カメラ座標（
Ｘ、Ｙ、Ｚ）と絶対座標（♂＋　１＋　”）とは次の関
係式で結ばれる。

中心カメラＣから見た運動している対象物体４上の点Ｐ
の見かけの動きをＸ方向に４Ｘ、　Ｘ方向にｔｙとする
。そのとき次の関係式が近似的に成立することが知られ
ている。

ＥＸ−匂＋Ｅｙ−ｄｙ　＋　Ｅｔ　＝　０　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（８）ＥＸ　ＥｙはＸ
、Ｙ方向の明るさの勾配、Ｅｔは明るさの時間勾配であ
る。

さて、三次元運動は六つの運動パラメータで表わされる
ことが知られている。すなわち、ただし、（”＋ｆｆ＋
ｒ）”　　は座標値、（湯、υ、の）Ｔは三次元速度ベ
クトル、町、ｔｏ、の。、〜、ω１．ω□は運動パラメ
ータである。（７Ｌ　（８Ｌ　（９）式から次式を得る
。

Ｅｘ　ＩＩ　ｕ＝ｏ　＋Ｅｙ　・υｏ−（Ｘ−ＥＸ＋Ｙ
−ＥＹ）！ｌ・ω。

（Ｚ−Ｅｙ＋　１　（Ｘ’Ｅｘ＋Ｙ’Ｅｙ　）　ｆｆ）
　ｅｔ＋　（Ｚ−Ｅｘ＋ｔ　（Ｘ−Ｅ）（十Ｙ−Ｅｙ　
）　！　）　”ｙ＋（ｚ−Ｅｒ−ｙ−Ｅｘ）の、＋（１
＋Ｚ−ｙ）Ｅｔ−ｏ　　−・・−αΦただし、ｙ−ｉ／
７０各運動パラメータの係数はＥｘ、　Ｅｙ、　Ｂｔな
ど画像から直接計算出来るものや距離計測部で得られた
距離Ｚから算出される。

したがって、画面上のいくつかの点に対して、０時式が
成立するとき、運動パラメータは線型連立方程式の解演
算装置てよシ得られる。すなわち、三次元速度が運動パ
ラメータとして得られる０ 上記のように構成された三次元速就計測器の作用につい
てまとめると、 互に直交する基線上に配置されたステレオカメラからの
像を使って、距離測定装置で対象物体までの距離を測定
する。次に、得られた距離情報を利用して速度計測装置
で三次元運動パラメータを推定する。

ということができる。例では、水平・水直カメラは二台
としたが、カメラの数、時間方向のフレームの数を増せ
ば、精度は上がるのはもちろんである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の装置は直交方向のステレ
オカメラ対を併用することによシ、従来のステレオビジ
ョンでは基線方向く平行なエツジ部では不可能であった
距離の測定を可能とすることに成功したものである。

さらに、速度は三次元運動パラメータの推定とし、画像
間の濃淡の勾配を算出する積和演算及び線型連立方程式
の解法演算で処理するため簡単で、かつ、高精度に行う
ことができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の構成ブロック図、第２図は入力
装置の概略構成図、第３図は距離測定の原理図、第４図
は対象物体と画面との関係を説明するための図である。 図中、１は入力装置、２は距離計測装置、３は速度計測
装置、４は対象物体、Ｃは中心カメラ、Ｈａ、　Ｈａ’
、　Ｈｂ、　ＨＡ’−＝は夫々水平カメラ、Ｖ、。 −・ｒ　Ｖｂｔ　Ｖｂ・・・・・・・は夫々垂直カメラ
、Ｓは画面、２は距離である。 、二：゛二゛ ｊ−・′ 指定代理人　電子技術総合研究所長　等々カ　−ｌ−′
６．。 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基軸が互に直交し、光軸が全て同じ向きを持つ複数台の
   ステレオカメラ対を有する入力装置と、前記基軸の直交
   点に位置する中心カメラを基準とする前記ステレオカメ
   ラ対から得られた像の濃淡変動比を用いて対象物体まで
   の距離を算出する距離計測装置と、 該距離計測装置で得られた距離と前記入力装置の中心カ
   メラから得られる時系列像の濃淡変動比とを用いて速度
   パラメータを算出する速度計測装置と、 から構成されることを特徴とする三次元速度計。