JPS62235519A - 高精度距離計測方法 - 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、高精度距離計測方法に関するもので、特にカ
メラから物体までどれくらいの距離があるか高精度に測
定する方法に関するものである。

（従来の技術） 例えば、カメラを用い三角測量の原理をもとに距離を計
測する場合、得られる情報は撮像面上における位置であ
る。そこで、この撮像面上の位置に対応した視角を求め
なければならない。

第９図を用いて、視角θの求め方を説明する。

１は焦点距離がｆのレンズであり、２は撮像面。

３は光軸、４は結像点である。

被写体が無限遠もしくは無限遠とみなせる場合には、焦
点面上に結像されるので、光軸３と結像点４との間隔ｄ
ｏｏから、θは θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄｏｏ／ｆ）　　−−・・・・・・
（１）として求められる。しかし、被写体がレンズに近
づくにつれて、主点と結像位置との距離、すなわち像距
離ｆ′はｆより大きくなっていく。２′はこの場合の撮
像面の位置を示している。

一般に、像距離は、理論的にまた実験的に求められる。

理論的には、簿肉単レンズの結像公式から計算される。

すなわちレンズ主点から対象までの距離を又とすると、 よ＋よ＝上３０１１０１０１１１１１．２１１９９４０
０．１９１１．（２）ｆ’　　ｘ　　ｆ なる関係が成り立つので、式（２）より近似的に求めて
いた。

しかし実際のカメラレンズの多くは、５枚以上のレンズ
によって構成されており、式（２）から計算される値は
５％程度と大きな誤差を含むため、この値を式（１）の
ｆに代入しても精度向上は国是であった。

また、構成レンズ１枚１枚に対して厳密に光線追跡して
像距離を求めるとしても、計算量が膨大になり容易では
ない。その上、実際のカメラレンズを構成する１枚１枚
のレンズには微小な取付は誤差があるために、厳密解を
求めても、使用レンズの像距離を正確に得ることは困難
である。

また、対象の撮像面の大きさと真の大きさとの比を実験
によって求め、その比が対象カメラレンズ主点間距離と
像距離との比に等しいという関係から像距離を求める方
法は、ＩＴＶカメラを用いた場合には、標本化誤差のた
めに計測精度が１画素程度と低く、使用するレンズの像
距離を高精度に計測することは困難であった。

（発明の目的） 本発明の目的は、ＩＴＶカメラなど画像を標本化して入
力する手段における高精度の距離計測方法を提供するこ
とにある。

（発明の構成） （発明の特徴と従来の技術との差異） 第１図は本発明の方法の概略を説明するための図であり
、準備段階の計測フローを示している。

第１図（ａ）は測定光が１本の場合である。また、第１
図（ｂ）はチャートを用いる場合を示している。

次に、本発明の方法を用いて像距離を計測する実施例を
示す。

第２図は準備段階の計測の説明図である。

測定系を第２図のように設定すると、次のような式が成
立する。

上式中で実測するものはｙ工ｒＹｚｐＶ□ＩＶＺである
。

これから１！、Ｍ、ａ、ｂの表を作る。

がΔｙと等しい。

第３図は距離計測の説明図である。

（ｉ）　　０を測定し前記の表よりｂを求める。

（ｎ）　　＃Ｅｔ像面からｂの距離（主点）の位置でｄ
２を測定する。

７１ｏアゎ、。＝ａ□・・・・・・・・・・・・（３）
ａ工から前記の表を使ってｂＬを決める。

■５ｏ工、ヨ。＝ａ、・・・・・・・・・・・・（４）
・これを繰り返して１８．、や□−ａ、、ｌ＜ε（但し
εは希望精度）で終了する。

なお、（３）、（４）式において、φは予め測定してお
く、また、Ｑを十分大きくとっておきｆ、も測定してお
く。

（３）式において、ａ工の代わりに ｊ、＝　　　ｄ、４コＬ−一の式を用いてｄ、を測定し
七ａｎ　　　θ　＋ｔａｎ　　　φ クエを求めて上述と同様にしても良い。

つまり、ｄｌを測定して この１１から表を使ってｂｌを決定し、計算によりｇ２
を求めるというように同様にできる。

勿論、第３図の計測では、前述の表と ＶＬｊｆｌｌｌφｇｄ２　（ｏｒ　ｄｌ）を測定するた
めにレーザビーム１本があれば良い。

第４図は本発明におけるφの計測の仕方を説明するため
の図である。

図中、５は投影面、６はスリット光、７はレーザ光線、
８は基準面、９は撮像素子、１０はＩＴＶカメラ、１１
は実験台を示す。

これは、投影面５を移動して基準面８からの高さとして
投影像の位！（Ａｔ、ＡＸ）を計る。このとき。

移動距離ΔＺ、距離Ｚを計っておく。

Ａ、、Ａ、を通る方程式を求め、撮像素子９上における
高さを計算する。

Ｚ、ｈｚ（ｈニーｈｉ）を大きくとってｔａｎφを計る
。

ｔａｎφ＝　（ｈｚ−ｈａ）／ΔＺ 精度を上げるにはＡｌｔＡｉ　ｌ・・・ｓＡｎまでとっ
て最小２乗法を使って求める。

本発明の方法は、投影面上の２点と主点、および、撮像
面上に結像された２点と主点の作る三角形を精度よく決
定することによって、この２つの三角形の相似が像距離
を計測する点が従来方式とは異なる。

（実施例） 第５図は５本発明に対してＩＴＶカメラを用いた場合の
手段２の装置例を示している。

スリット光投影装置１２、ＩＴＶカメラ１３、投影面１
４、および、それらを保持する案内１５などの測定系と
、ＩＴＶカメラから入力された画像を演算処理する画像
処理袋［１６とで構成されている。

スリット光の光源としてＨｅ　−Ｎｏレーザを用いてお
り、この光源からはビーム状の光線が照射される。この
ビームはシリンドリカルレンズによって、水平方向に広
がったスリット光となり投影面に投影される。これらの
レーザ、レンズ群はスリット光投影装置として一体構造
となっている。

投影面は、平板に反射率が均一な紙を貼ったものである
。この投影面に投影された投影像は。

■ＴＶカメラから２５６　Ｘ　２４０画素、１２８１１
１４ニーデイジタル化されて画像処理装置へ入力される
。

ＩＴＶカメラは固体撮像素子のものを使用し。

焦点距離１１０＋ａｍ、画角４．６°×３．５°（望遠
）。

１１ｍｍ、　４２．９’　Ｘ３２．８＠（広角）、のズ
ームレンズを取付けた。

これらのスリット光投影装置、投影面、ＩＴＶカメラは
、垂直微動ステージ、回転微動ステージを介して、長尺
案内ステージに取付けられているので、相互の位置や角
度の関係は精度良く調整できる。

次にチャートを用いた場合について説明する。

第６図はチャートの例を示した図である。

第６図（、）は２点の間隔および反射率分布が既知の場
合、（ｂ）は平行な２直線の間隔および反射率分布が既
知の場合、（Ｃ）は（ａ）、（ｂ）においてＡ−Ａにお
ける反射率分布の例を示したものである。

このチャートに描かれている線分または点の反射率分布
は正規分布となっている。

このため、このチャートに均一な光強度分布をもった光
線を照射すると、反射光の光強度分布も正規分布となる
。この反射光をＫｍし、上述した方法によって高精度計
測を行い、■を精度良く計測する。その他は測定光を用
いる場合と全く同様である。

本計測方法によって求めた像距離を、ＩＴＶカメラと投
影面との距離を計測するスリット光投影法に応用した例
について述べる。

第７図は距離の計測原理を説明するための図である。

これは、撮像面である画像平面のｕ、ｖ軸と平行に３次
元空間のｘｔ　ｙ軸をとり、ＩＴＶカメラの主点Ｃを原
点にとって、ＩＴＶカメラの光軸を２軸に一致させてい
る。

スリン１−光の光源の位置をＳ　（Ｏｔ　１−　Ｑ　）
とし、スリット光のつくる平面が水平面となす角度をφ
とする。

なお、Ｓ　（０、Ｌ　Ｏ）は、スリット光の光源の位置
で、座標Ｘ＝○ｒ　ｙ＝ｈ　Ｚ＝Ｏにあることを示す。

ただし、角度は左回りを正にとることとする。ここでｆ
′はレンズの像距離、つまり主点と撮像面との距離であ
る。従って、スリット光のつくる平面の方程式は、 ｙ−ｔａｎφφｚ＝Ｑ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（５）と表される。

スリット光の投影像が投影面上の点（０，ｙｏｙＺｏ）
を通るとすると、 −”＝ｔａｎθ　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（６）Ｏ であり、画像平面上の直線の切片ｖ０よりｔａｎθ＝　
ｖ、／ｆ’　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（７）と求められる。従って、（ｙ　、　ｚ　）
を（ｙ＋＋＋Ｚｌ、）に置換した式（５）と、式（６）
を解くことにより、ＺｏはＺ’　”ｔａｎ　Ｏ−ｔａｎ
φ　・・・・・・・・・・・・・・・（８）と計測され
る。

距離計測は次のようにして行った。

はじめに、ｇとＩＴＶカメラと投影面との距離計測は、
投影面を光軸に沿って１．７〜２．９ｍまで２０ａｎｔ
ずつ移動し、特願昭６０−２４４０５１号に提案した中
心位置の高精度計測方法によって中心列における投影像
位置を計測し、像距離の変化を考慮して、各距離におけ
る視角θを求めた。

このとき、ｇ、φおよび撮像面における光軸の位置は最
近距離１．７ｍ、最遠距離２．９ｍおよび中間の２．３
ｍの結果から較正した。

第８図は距離の計測結果を示した図である。

距離が１．９ｍと２．５ｍにおいて誤差は最大の１．８
ｍｍとなり、このときの距離計測誤差は０．１％程度で
ある。この結果から、高精度な距離計測が行えることが
確認された。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明は、間隔、光強度分布が既知
の投影面からの反射光の光強度分布を測定して光強度分
布曲線を求め、反射光の中心位置を計測することによっ
て、幾可学的条件から、像距離を高精度に測定すること
ができる。その結果、距離計測精度を０．１％に向上で
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の概略を説明するための図。 第２図は本発明で行う準備段階の計測の説明図、第３図
は本発明に用いた距離計測の説明図。 第４図は本発明におけるφの計測の仕方を説明するため
の図、 第５図は本発明に対してＩＴＶカメラを用いた場合の装
置例を示す図、 第６図はチャートの例を示した図、 第７図は距離の計測原理を説明するための図、第８図は
、距離計測結果を示した図、 第９図は従来の視角の求め角を説明するための図である
。 １　・・・　レンズ、２，２′　・・・撮像面、３　・
・・光軸、４　・・・結像点、５・・・投影面、６　・
・・スリット光、７　・・・　レーザ光線、８・・・基
準面、９・・・撮像素子。 １０・・・　ＩＴＶカメラ、１１・・・実験台、１２・
・・スリット光投影装置。 １３・・・　Ｉ　Ｔ、Ｖカメラ、１４・・・投影面、１
５・・・案内、１６・・・画像処理装置。 特許出願人　日本電信電話株式会社 第１図 第１図 （ｂ） 第２図 第３図 第５図 １２　・・スリ、トｔ】更１に菓１ １３　・・ＩＴＶカメラ １４・・ｉ　ｂ葡 １５・炙円 １６＃慢処理懺１ 第６図 （ａ）　　　　　（ｂ） （Ｃ） 第７図 ■ 第８図 ＩＴＶ力メラヒ１１４面とっＷｋ、ｍ 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）横断方向の光強度分布が既知であるスポット状ま
   たはスリット状の測定光を投影する手段１によって投影
   面上で互いに隔てた複数の位置に投影する第１工程と、 測定光の反射光を標本化して画像入力する手段２によっ
   て撮影して撮像面上での光強度分布曲線を求め、 前記光強度分布曲線から反射光の撮像面上での中心位置
   を決定する第２工程と、 投影面上における測定光の間隔と撮像面上における間隔
   を求める第３工程と、 測定光の投影面上の間隔と撮像面上の間隔との比が、投
   影面と前記画像入力手段１のレンズ主点との距離と像距
   離との比に等しい関係から像距離を求める第４工程と から成ることを特徴とする高精度距離計測方法。
2. （２）横断方向の光強度分布が既知であるスポット状ま
   たはスリット状の測定光を投影する手段１によって投影
   面上で互いに隔てた複数の位置に投影する第１工程にお
   いて、 ２点または互いに平行な２直線の間隔および反射率分布
   が既知のチャートに均一な光強度分布をもつ光線を照射
   し、その反射光の光強度を測定することを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の高精度距離計測方法。