WO2015029934A1 - カメラ校正装置、カメラ校正システム、及びカメラ校正方法 - Google Patents

カメラ校正装置、カメラ校正システム、及びカメラ校正方法 Download PDF

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image
cameras
projection matrix
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盛彦 坂野
啓二 佐藤
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    • G06T2207/30252Vehicle exterior; Vicinity of vehicle

Definitions

  • the present invention relates to a camera calibration device, a camera calibration system, and a camera calibration method.
  • an image behind the vehicle taken by the in-vehicle camera is displayed on the in-vehicle monitor, and a situation in the vicinity of the rear of the vehicle that becomes a blind spot from the driver is displayed on the in-vehicle monitor.
  • Devices that are visually recognized as images are known.
  • a calibration index is installed at the rear of the vehicle, while looking at the image of the calibration index reflected on the in-vehicle monitor, The mounting state of the in-vehicle camera is adjusted so that the image of the calibration index is appropriately displayed on the in-vehicle monitor. Moreover, the image displayed on a vehicle-mounted monitor is calibrated appropriately by performing the predetermined calculation process based on the image of the parameter
  • the calibration index is precisely set for the vehicle. It is necessary to install the vehicle or to precisely install the calibration index after setting the calibration index at a predetermined position. Therefore, for example, in a vehicle production line, it has been necessary to modify the equipment at a large cost in order to improve the alignment accuracy between the vehicle and the calibration index.
  • Patent Document 1 discloses a camera calibration apparatus that contributes to simplifying the calibration environment.
  • parameter deriving means for obtaining parameters for projecting and synthesizing each captured image from N cameras on a predetermined plane is arranged in each common imaging region.
  • the parameter is obtained based on the result of photographing the calibration pattern by each camera, and the calibration patterns are arranged independently of each other.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to greatly reduce the burden on the operator associated with the transportation or installation of the calibration pattern during calibration work, and to store the calibration pattern. It is an object of the present invention to provide a camera calibration apparatus, a camera calibration system, and a camera calibration method that can significantly reduce the size of a place.
  • a camera calibration device is a camera calibration device that calibrates images captured by a plurality of cameras having a common imaging region in which at least two calibration patterns are arranged.
  • An image conversion unit that converts an image captured by each camera based on a projection matrix that is converted into an overhead view based on an initial parameter of each camera and generates a converted image; and the plurality of cameras among the converted images
  • An error evaluator that calculates an error between a converted image by a reference camera selected from the above and a converted image by a camera other than the reference camera, and a projection matrix so that the images in the common imaging area of each camera match based on the error
  • a projection matrix updating unit for updating the camera parameters, and camera parameters including external parameters related to the posture of each camera with respect to the ground based on the updated projection matrix.
  • a camera parameter calculation unit configured to output, characterized in that it comprises.
  • the camera calibration system is captured by the plurality of cameras using the camera calibration apparatus, a plurality of cameras having a common imaging region, and camera parameters of each camera obtained from the camera calibration apparatus.
  • a composite image generation device that calibrates images to generate a composite image and a display device that displays the composite image are provided.
  • the camera calibration method is a camera calibration method for calibrating images captured by a plurality of cameras having a common imaging region in which at least two calibration patterns are arranged, and includes initial parameters of each camera. Based on a projection matrix that converts to a bird's-eye view based on the image, the image captured by each camera is converted to generate a converted image, and among the converted images, a converted image by a reference camera selected from the plurality of cameras and the converted image Calculate the error with the converted image by the camera other than the reference camera, update the projection matrix so that the images of the common imaging area of each camera match based on the error, and update the projection matrix of each camera based on the updated projection matrix Camera parameters including external parameters related to the posture with respect to the ground are calculated.
  • the present invention at the time of camera image calibration, it is not necessary to use an arrangement relationship of feature points such as calibration patterns in a common imaging region, and the number and dimensions of the calibration patterns can be suppressed to the minimum necessary.
  • the storage location for the calibration pattern used for the calibration work can be significantly reduced.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of an embodiment of a camera calibration system according to the present invention.
  • the top view which shows typically the installation position and imaging region of each camera. It is a figure explaining the calibration calculation process of the camera by the camera calibration apparatus shown in FIG. 1, Comprising: The top view which shows typically the vehicle arrange
  • FIG. 2 is a basic configuration diagram showing a basic configuration of the camera calibration apparatus shown in FIG. 1. The flowchart explaining the camera calibration method by the camera calibration system shown in FIG.
  • a camera calibration device and a camera calibration system will be described with reference to the drawings.
  • the camera calibration device and the camera calibration system of the present embodiment are other than the vehicle.
  • the present invention can also be applied when calibrating images taken by a plurality of cameras attached to a thing.
  • a case where four cameras are used and two adjacent cameras have a common imaging area will be described.
  • the number of cameras in the entire system and the number of cameras imaging the common imaging area are as follows. It can be changed as appropriate according to the user's request.
  • calibration can be performed using a feature object existing in a common imaging region without using a calibration target.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of an embodiment of a camera calibration system according to the present invention.
  • the illustrated camera calibration system 100 mainly includes an imaging device 101 having four cameras 111 to 114, a camera interface 102, an image storage device (RAM) 104, a parameter storage device (ROM) 105, and an input device.
  • 106 an arithmetic device 103 having a camera calibration device 108 and a composite image generation device 109, and a display device 107.
  • the cameras 111 to 114 constituting the imaging apparatus 101 are installed, for example, on the front, rear, left and right sides of the vehicle 1, and the four cameras 111 to 114 surround the vehicle 1 including the calibration target R. Images are captured.
  • the calibration target R has information necessary for camera calibration such as a calibration pattern (see FIG. 3) which is a calibration index described later, and each of the cameras 111 to 114 is calibrated at the time of camera image calibration.
  • the target R is imaged, and the captured image is transmitted to the arithmetic device 103 via the camera interface 102.
  • the dotted lines in FIG. 2 represent the imaging areas of the cameras 111 to 114, and in order to calibrate the camera image precisely, adjacent cameras are overlapped, that is, areas that are photographed in common to both cameras.
  • common imaging region RK1 to RK4.
  • the arithmetic unit 103 uses the camera calibration unit 108 to calculate camera parameters for calibrating the images captured by the cameras 111 to 114.
  • the camera parameters are transmitted to the composite image generation device 109.
  • images captured by the cameras 111 to 114 are transmitted to the computing device 103 via the camera interface 102, and are converted into viewpoints and synthesized by the composite image generating device 109 of the computing device 103 using the camera parameters.
  • 107 and is presented to the user or the like via the display device 107 as an image (overhead image) of the vehicle 1 looking down from directly above.
  • the images obtained from the cameras 111 to 114 are viewpoint-converted and combined to generate an overhead image around the vehicle 1, so that each of the cameras 111 to 114 is, for example, a fish It is desirable to use an eye camera or the like that can shoot at a wide angle.
  • the camera interface 102 appropriately samples the image signals transmitted from the cameras 111 to 114 and transmits them to the arithmetic device 103.
  • the image storage device (RAM) 104 stores images taken by the cameras 111 to 114 and various calculation results calculated by the calculation device 103.
  • the parameter storage device (ROM) 105 includes, for example, design values related to the installation positions and orientations (installation angles) of the cameras 111 to 114 (these are referred to as external parameters), focal lengths of the cameras 111 to 114, and pixels.
  • Preliminary information (camera parameter initial values) necessary for camera image calibration of camera parameters such as size, optical axis center, design values related to the distortion function, etc. (these are called internal parameters) is written and stored.
  • the input device 106 receives input information such as information necessary for camera calibration based on the operation of the user or the like, and transmits the input information to the arithmetic device 103.
  • the arithmetic device 103 cooperates with the camera interface 102, the image storage device (RAM) 104, the parameter storage device (ROM) 105, the input device 106, the display device 107, and the like, and includes various operations including the above-described calculation at the time of camera image calibration. Perform the operation. Specifically, the arithmetic device 103 stores the image signal transmitted from the camera interface 102 in the image storage device 104, or stores the camera parameter initial value stored in the parameter storage device 105 or the image storage device 104. The image is read and the viewpoint is converted and synthesized (synthesized image generation device 109), and the display device 107 is displayed on the display device 107 after the viewpoint is converted and synthesized.
  • a calibration calculation for calculating the installation position and installation posture of the camera is performed so that the overhead view image generated by the viewpoint conversion / synthesis is an image looking down from the vehicle 1 (camera calibration apparatus 108). Then, the input device 106 performs processing for utilizing the input information received from the user or the like for the calibration calculation.
  • the camera image calibration calculation process will be described later.
  • the display device 107 displays an image obtained from each of the cameras 111 to 114 based on an instruction transmitted from the arithmetic device 103. For example, the display device 107 displays an image of only the camera 112 facing backward according to an instruction transmitted from the arithmetic device 103 without conversion and presents it to the user or the like, or an image obtained from the cameras 111 to 114 A bird's-eye view image generated by converting and synthesizing viewpoints is displayed.
  • a vehicle 1 is arranged on a calibration target R used in the camera image calibration calculation processing by the camera calibration device 108, and at least the adjacent imaging areas RK1 to RK1 around the vehicle 1 are arranged.
  • Calibration patterns P1 to P16 which are calibration indexes, are arranged on RK4.
  • the calibration patterns P1 to P16 are composed of, for example, a plate having a flat disk shape or a polygonal shape such as a square shape, and have a size that can be visually recognized on the images when captured by the cameras 111 to 114. have.
  • the calibration patterns P1 to P16 are made of a circular plate, the center portion of the calibration pattern P1 to P16, and if the calibration pattern P1 to P16 is a square plate, the corner portion of the plate is a mark that uniquely defines each calibration pattern. If it has, the shape can be selected appropriately. Further, the calibration patterns in each common imaging region may have the same shape or different shapes.
  • each calibration pattern P1 to P4 are installed in the common imaging area RK1 of the camera 111 and the camera 114, and four calibration patterns P5 to P8 are installed in the common imaging area RK2 of the camera 111 and the camera 113.
  • the four calibration patterns P9 to P12 are installed in the common imaging area RK3 of the camera 113 and the camera 112, and the four calibration patterns P13 to P16 are installed in the common imaging area RK4 of the camera 112 and the camera 114.
  • these calibration patterns can be installed at arbitrary positions in each common imaging region, it is desirable that the interval between the calibration patterns is large.
  • the number of calibration patterns arranged in each common imaging region can be appropriately changed according to, for example, calibration accuracy.
  • auxiliary calibration indexes used when calibrating camera images.
  • a camera image can be calibrated if a texture pattern is drawn on a plane as a background even if a point such as a calibration pattern does not exist.
  • the 16 calibration patterns shown in the present embodiment are necessary, and the two The interval between the calibration patterns is measured by an operator or the like and is input to the camera parameter calculation unit 145 in advance via the input device 106.
  • the interval between two calibration patterns input by an operator or the like is used to determine the distance corresponding to one pixel.
  • the interval between two calibration patterns input by an operator or the like is used to determine the distance corresponding to one pixel.
  • calibration can be performed until the image of the overhead view viewpoint is generated, but how much distance the size of one pixel of the video actually corresponds to (how many mm corresponds) In such a case is not allowed.
  • the calibration pattern may be installed at an arbitrary position as long as the calibration pattern is captured by any of the four cameras.
  • the calibration pattern is not necessarily required for the common imaging region. Therefore, if two calibration patterns are installed in a range photographed by any one of the four cameras, a case where no calibration pattern is installed in the four common imaging regions is allowed.
  • an object having a point (that is, a feature point) that can be used for calibration exists in the common imaging region. It is possible to calibrate using such object feature points.
  • Such an object may be not only a three-dimensional object but also a planar object such as a pattern or a texture, for example, sand or asphalt.
  • the standard deviation of the luminance value in the common imaging region can be used. For example, the calculated standard deviation value is determined in advance.
  • the threshold it can be determined that there is an object that can be a feature point that can be used for calibration, and if it is less than the threshold, it can be determined that no object exists. If it is determined that there is no object, a calibration pattern is required, so the operator is notified via the display device 107 that the calibration pattern should be installed.
  • the camera image calibration calculation processing by the camera calibration device 108 using the calibration target R described above is performed using a projection matrix related to the ground (plane).
  • the ground (plane) is reflected in the images of the two cameras corresponding to a certain common imaging area, and these are the same.
  • the imaging target is a plane, it can be converted into the same image (an image viewed from the viewpoint of one camera as viewed from the other viewpoint) by geometric transformation using a projection matrix.
  • the projection matrix is a matrix that represents a projection relationship between planes reflected in two camera images corresponding to a certain common imaging region, and this projection matrix is a relative external parameter between the two cameras and a plane in the image. Contains normal vectors.
  • singular value decomposition for this projection matrix it is possible to extract the external parameters between the two cameras and the normal vector of the plane.
  • the singular value decomposition for the projection matrix is a known technique, and thus detailed description thereof is omitted. If the normal vector of each camera plane is known, the viewpoint of each camera image can be converted to an overhead image obtained by looking down at the vehicle 1 from directly above. If the external parameters between the cameras are known, a common imaging area can be obtained. A synthesized image can be generated by synthesizing the overhead images of the two corresponding cameras without deviation.
  • the projection matrix used in the camera image calibration calculation process is calculated based on an iterative method, for example.
  • This iterative method is a method in which the current error is obtained and the projection matrix is updated so that the error is reduced.
  • the steepest descent method For example, the steepest descent method, the Gauss-Newton method, the Levenberg Markert method, etc.
  • a method that does not use differentiation such as a particle filter or a genetic algorithm.
  • the steepest descent method repeatedly performs the procedure of differentiating the error function, obtaining the decreasing direction of the error function, and slightly updating the parameters in the decreasing direction until the error reduction stops. It is a method to do.
  • the camera calibration device 108 includes an image conversion unit 141, an error evaluation unit 142, and a projection matrix update unit 143 in order to estimate camera parameters for generating a bird's-eye view video without deviation.
  • the calibration unit 144 calculates a projection matrix between the cameras corresponding to each common imaging region, and the image conversion unit 141 for each of the two images corresponding to each of the four common imaging regions RK1 to RK4.
  • the image conversion processing by, the error evaluation processing by the error evaluation unit 142, and the update processing by the projection matrix update unit 143 are performed. That is, the calibration unit 144 includes two images of the camera 111 and the camera 114 corresponding to the common imaging region RK1, two images of the camera 111 and the camera 113 corresponding to the common imaging region RK2, and the camera 112 corresponding to the common imaging region RK3.
  • the image conversion unit 141 of the calibration unit 144 receives the images of the cameras 111 to 114 from the image storage unit 104, and mainly uses the projection matrix obtained by the projection matrix update unit 143 to share each of the images.
  • the viewpoint conversion of the two images corresponding to the imaging region is performed, and the converted image after the viewpoint conversion is transmitted to the error evaluation unit 142.
  • the projection matrix used in this viewpoint conversion for example, when processing is performed on the images of the two cameras 111 and 114 corresponding to the common imaging region RK1, includes the ground (including the calibration patterns P1 to P4 captured by the camera 114). This is a matrix for performing conversion to match the (planar) image with the ground image including the calibration patterns P1 to P4 captured by the camera 111.
  • an error is necessarily included between the two images, so even if the projection example is used, the image does not completely match, but the image shown on the camera 114 is the image shown on the camera 111. Close image.
  • the design related to the postures of the cameras 111 to 114 stored in advance in the parameter storage unit 105 since the projection matrix cannot be obtained from the projection matrix update unit 143, the design related to the postures of the cameras 111 to 114 stored in advance in the parameter storage unit 105. Based on the value (initial parameter), image conversion is performed by calculating a projection matrix (initial projection matrix) for performing conversion for matching the images of the ground (plane) captured by the two cameras corresponding to the respective common imaging regions. To implement. In the second and subsequent image conversion processes at the time of calibration, viewpoint conversion of the images of the two cameras corresponding to the respective common imaging regions is performed using the projection matrix obtained by the projection matrix update unit 143.
  • four calibration patterns are arranged in the respective common imaging areas as feature points of the calibration target.
  • the four calibration patterns which are calibration indexes
  • the four calibration patterns in the images captured by the two cameras corresponding to the common imaging area are created.
  • a projection matrix for converting the coordinate positions of the four calibration patterns in the image of one camera into the coordinate positions of the four calibration patterns in the image of the other camera is uniquely calculated. be able to. That is, when four or more calibration patterns are arranged in each common imaging region, the image conversion unit 141 uses the projection matrix obtained from the simultaneous equations created for such a calibration pattern as an image conversion unit. The image conversion can be performed using the initial projection matrix used in the first image conversion processing according to 141.
  • the error evaluation unit 142 evaluates an error with respect to the images of the two cameras corresponding to the respective common imaging regions image-converted by the image conversion unit 141, and the error between the images of the two cameras is transferred to the projection matrix update unit 143.
  • Send For example, when processing is performed on the images of the two cameras 111 and 114 corresponding to the common imaging region RK1, the image displayed on the camera 114 is converted by the image conversion unit 141 to match the image displayed on the camera 111.
  • the image is converted based on the design value stored in advance in the parameter storage unit 105 in the first image conversion process by the image conversion unit 141, for example, based on the design value based on the actual camera mounting error and the like.
  • the error evaluation unit 142 evaluates an error amount between the images of the two cameras.
  • the error evaluation unit 142 transmits the projection matrix output from the image conversion unit 141 to the camera parameter calculation unit 145.
  • the error evaluation unit 142 for example, the sum of squares of the distances between the corresponding calibration patterns, the sum of squares of the luminance differences of the corresponding pixels, or the distance The sum of the sum of squares and the sum of squares of the luminance difference may be used.
  • the difference in the feature amount of the object in the corresponding pixel in the common imaging region is defined as the error amount.
  • the feature amount of the object is preferably not affected by the difference in sensitivity between the cameras or the difference in the amount of incident light.
  • an edge direction feature amount is used. This edge direction feature quantity represents the local luminance increasing direction in each pixel, and is based on the distribution of the edge direction feature quantity in the image and the statistics (for example, average value) of the edge direction feature quantity for each object.
  • the feature object can be discriminated. When a camera that captures a common imaging area captures the same object, ideally the feature values in the corresponding pixels match. Therefore, a projection matrix between images can be obtained by using the degree of coincidence of the feature values as an error function and performing optimization so that the error is minimized.
  • the projection matrix update unit 143 uses an iterative method to reduce the error based on the error obtained by the error evaluation unit 142 and the projection matrix before update transmitted from the calibration unit 144 to the camera parameter calculation unit 145.
  • the projection matrix is updated, and the updated projection matrix is transmitted to the image conversion unit 141.
  • the projection matrix update unit 143 obtains a partial derivative of the error function in the current camera parameter, and updates the projection matrix by slightly updating the camera parameter in the direction opposite to the vector represented by the partial derivative of the error function.
  • the calibration unit 144 performs image conversion processing by the image conversion unit 141 and error evaluation by the error evaluation unit 142 for each of the two images of the camera corresponding to each common imaging region when the camera image is calibrated.
  • the projection matrix to be converted so that the images of the two cameras corresponding to the common imaging region are equal (the error is zero) is calculated by repeatedly performing the process and the update process by the projection matrix update unit 143, and the calculation result Is transmitted to the camera parameter calculation unit 145.
  • the camera parameter calculation unit 145 decomposes the projection matrix corresponding to the four cameras 111 to 114 obtained by the calibration unit 144 using singular value decomposition or the like, and compares the normal vector of the ground (plane) and the relative between the cameras. External parameters are extracted, and camera parameters calculated from the external parameters between the cameras (particularly, external parameters relating to the posture of the camera with respect to the plane (ground)) are transmitted to the composite image generation device 109.
  • the external parameters between the cameras are in the form of external parameters of the camera 114 with respect to the camera 111, external parameters of the camera 113 with respect to the camera 111, external parameters of the camera 112 with respect to the camera 114, and external parameters of the camera 112 with respect to the camera 113.
  • the camera parameter calculation unit 145 may estimate internal parameters related to the focal length, pixel size, optical axis center, distortion function, and the like of each camera, if necessary.
  • the camera parameters output from the camera parameter calculation unit 145 are used when the composite image generation device 109 creates a mapping table for generating an overhead image.
  • the mapping table describes the correspondence between each pixel of the synthesized bird's-eye image and the pixel in each image of the cameras 111 to 114, and the final synthesized bird's-eye view is created by mapping the luminance values based on this correspondence. An image can be obtained.
  • the images captured by the respective cameras are calibrated using the projection matrix relating to the ground (plane), so that the common imaging region is calibrated at the time of camera image calibration.
  • the coordinates of the feature points may be extracted by image recognition, or an image is presented to the user or the like via the display device 107 or the like, and the feature point coordinates on the image are displayed via the input device 106 such as a mouse.
  • the user or the like may specify (information input indicated by a dotted line in FIG. 4).
  • information obtained by the camera calibration device 108 of the embodiment is the relationship between the camera posture with respect to the plane (ground) of each camera and the relative position and posture between the cameras. Therefore, the relative amount of rotation of the vehicle 1 with respect to the ground (the amount of rotation of the vehicle 1 in the yaw direction) cannot be obtained in principle.
  • the relative rotation amount of the vehicle 1 with respect to the ground can be estimated from the direction of the axle of the vehicle 1 using the camera attachment position information.
  • the error of the initial installation position of the camera is assumed to be large, it is difficult to estimate the relative rotation amount of the vehicle 1 with respect to the ground from the camera installation position information.
  • a mark for recognizing the relationship between the ground and the vehicle 1 is disposed around the vehicle 1 (for example, a bar is disposed in parallel to the vehicle 1), and the relative position of the vehicle 1 to the ground is determined.
  • the relative rotation amount of the vehicle 1 with respect to the ground can be estimated.
  • an image is presented to the user or the like via the display device 107 or the like, and the user or the like is finely displayed via the input device 106 so that a mark for recognizing the relationship between the ground and the vehicle 1 is in a predetermined manner.
  • the amount of rotation may be input while adjusting (information input indicated by a one-dot chain line in FIG. 4). Since the input result is immediately reflected in the image, the user or the like can adjust the relative rotation amount of the vehicle 1 with respect to the ground while checking the image.
  • Camera image calibration calculation processing by the camera calibration device 108 (embodiment of the camera calibration device according to the present invention) of the arithmetic device 103 shown in FIG. 1, that is, camera parameter calculation processing of each camera 111 to 114 by the camera calibration device 108
  • the calibration calculation process flow includes an image acquisition process S501, an initial projection matrix generation process S502, an image conversion process S503, an error evaluation process S504, a projection matrix update process S505, a convergence determination process S508, and a scale correction process S509.
  • the matrix update process S505 includes an update amount calculation process 506 and a projection matrix calculation process 507.
  • an image acquisition process S501, an image conversion process S503, an error evaluation process S504, a convergence determination process S508, and a projection matrix update process S505 are performed in this order, and thereafter, an image conversion process S503, an error evaluation process S504, The convergence determination process S508 and the projection matrix update process S505 are repeatedly performed. Note that the error evaluation value is evaluated in the convergence determination process S508, and if it is determined that the error evaluation value has converged, the process stops.
  • an image acquisition process S501 is performed, and images taken by each camera are read from the image storage device 104.
  • images taken by each camera are read from the image storage device 104.
  • four images corresponding to four cameras that photograph the ground including the calibration pattern are input.
  • image conversion processing S503 is performed by the image conversion unit 141 shown in FIG. 4 on the image acquired in the video acquisition processing S501.
  • This image conversion processing S503 is performed using a projection matrix.
  • the projection matrix at the time of the first calibration is calculated by the initial projection matrix generation processing S502.
  • initial camera parameters including the camera posture and position are received from the parameter storage device 105, and the initial camera is calculated.
  • a projection matrix corresponding to the parameter is calculated.
  • the obtained initial projection matrix is used in the first process in the image conversion process S503, and in the subsequent image conversion process S503, the projection matrix output in the projection matrix update process S505 is used.
  • an error evaluation process S504 is performed by the error evaluation unit 142 shown in FIG. 4.
  • the output of the image conversion process S503 is received, and one of the two camera images corresponding to each common imaging region is received.
  • An error amount indicating how much the image of the common imaging region portion of the image of the other common imaging region portion is compared with the image of the other common imaging region portion is calculated and output.
  • a convergence determination process S508 is performed by comparing the error amount output in the error evaluation process S504 with a predetermined determination threshold value.
  • the convergence determination of the error amount output in the error evaluation process S504 is performed, and when it is determined that the error has not converged, the projection matrix update unit 143 shown in FIG. S505 is performed.
  • This projection matrix update process S505 includes an update amount calculation process S506 and a projection matrix calculation process S507.
  • an update amount of camera parameters such as camera posture and position is calculated.
  • the update amount is a fine correction of the camera parameters such as camera posture and position so that the error amount indicating how much the image of one common imaging area part matches the image of the other common imaging area part is reduced.
  • the amount to be. can be calculated, for example, by obtaining a partial differential of the error function in the current camera parameter.
  • the update amount calculation process S506 the value after fine correction of the camera parameter is output.
  • the projection matrix calculation process S507 the output value of the update amount calculation process S506 is received, and a projection matrix corresponding to the camera parameter is calculated. Output.
  • the image conversion process S503, the error evaluation process S504, and the projection matrix update process S505 are repeatedly performed until the output value in the error evaluation process S504 converges.
  • the error amount output in the error evaluation process S504 for each execution is evaluated. If the error amount becomes extremely small, it is determined that the error has converged, and the process is terminated.
  • the image conversion process S503, the error evaluation process S504, and the projection matrix update process S505 are repeatedly performed, so that the image of one common imaging area portion matches the image of the other common imaging area portion. It is possible to obtain a normal vector of the common imaging area from the images, and the images can be connected without deviation, and the relationship between the camera and the plane can be clarified. Can be realized.
  • the scale correction processing S509 is performed to correct this.
  • the distance information regarding the interval between the calibration patterns measured by an operator or the like and input via the input device 106 is used to correct the camera parameters and generate a final overhead image.
  • the process involves calculating the number of pixels that the calibration pattern interval should appear in the overhead image based on the external parameters of the camera at the overhead viewpoint, and calculating the actual calibration pattern interval in the overhead image.
  • the camera parameters are corrected so that the pixel interval is the same.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment.
  • control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

 校正作業時の校正パターンの運搬もしくは設置作業に伴う作業者の負担を大幅に軽減し、校正パターンの保管場所を格段に小型化することのできるカメラ校正装置及びカメラ校正システムを提供する。各カメラの初期パラメータに基づき俯瞰視点に変換する射影行列に基づいて各カメラで撮像された画像を変換して変換画像を生成する画像変換部141と、その変換画像のうち、複数のカメラから選択された基準カメラによる変換画像と基準カメラ以外のカメラによる変換画像との誤差を算出する誤差評価部142と、その誤差に基づいて各カメラの共通撮像領域の映像が一致するように射影行列を更新する射影行列更新部143と、更新後の射影行列に基づいて各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出部145と、を備えている。

Description

カメラ校正装置、カメラ校正システム、及びカメラ校正方法
 本発明は、カメラ校正装置、カメラ校正システム、及びカメラ校正方法に関する。
 従来、例えば車両後退時の視認性を向上させるために、車載カメラで撮影された車両後方の画像を車載モニタに表示し、運転者から死角となる車両後方近傍の状況を車載モニタに表示される画像として視認させる装置が知られている。
 このような装置においては、車載モニタに表示される画像を適正に校正(キャリブレーション)するために、車両後方に校正用指標を設置し、車載モニタに映った校正用指標の像を見ながら、その校正用指標の像が車載モニタ上で適正に映るように車載カメラの取付け状態を調整することが行われている。また、車載カメラから得られた画像に対し、校正用指標の像に基づく所定の演算処理を施すことで、車載モニタに表示される画像を適正に校正することも行われている。
 近年では、運転者等に車両周囲の状況を視認させるために、車両の全周囲を複数の車載カメラで撮影し、各車載カメラから得られた複数の画像をそれぞれ車両を真上から見下ろしたような画像(俯瞰画像)に変換すると共に、各画像間での位置を調整したマッピングを行うことで、単一の視点変換合成画像を得る装置も実用化されている。
 このような装置においては、例えば隣接する2つの画像間で精緻に位置合わせを行う必要があるため、より精度の高いキャリブレーション技術が要望されている。
 ところで、従来のキャリブレーション方法においては、校正用指標と車両との相対的な位置関係を厳密に規定する必要があり、車両を所定位置に設置した後にその車両に対して精緻に校正用指標を設置するか、または校正用指標を所定位置に設置した後にその校正用指標に対して精緻に車両を設置する必要があった。そのため、例えば、車両の生産ラインでは、車両と校正用指標との位置合わせ精度を向上させるために、多額の費用を掛けて設備を改造する必要があった。また、例えば、生産現場から一旦出荷された後に販売・サービス会社の整備部門等でキャリブレーションをし直す場合(修理の場合や車載カメラを後付けする場合等)には、その都度、車両に対して校正用指標を精緻に設置する必要があり、キャリブレーションの作業工程が煩雑となるといった問題があった。
 このような問題に対し、特許文献1には、校正環境の整備の簡便化に寄与するカメラ校正装置が開示されている。
 特許文献1に開示されているカメラ校正装置では、N台のカメラからの各撮影画像を所定面上に投影して合成するためのパラメータを求めるパラメータ導出手段が、各共通撮影領域内に配置された校正パターンの、各カメラによる撮影結果に基づいて前記パラメータを求め、各校正パターンは互いに独立に配置される。
特開2008-187566号公報
 特許文献1に開示されているカメラ校正装置によれば、各共通撮影領域内に配置された校正パターンの撮影結果を利用することにより、共通撮影領域を共有する複数のカメラ間で画像の位置合わせが可能となり、各撮影画像を合成するためのパラメータを導出することができる。また、各校正パターンは互いに独立に配置されるため、校正環境の整備を簡便化することができる。
 しかしながら、特許文献1に開示されているカメラ校正装置においては、各共通撮影領域内に配置された校正パターンの撮影結果を利用する必要があり、例えば、バスやトラック、大型の建設用機械などといった大型の車両に適用される場合、一般にカメラの設置位置が高くなり、それに応じて画像上で校正パターンが小さく映るため、画像上での特徴点(校正パターン)の位置を精緻に設定することが難しくなる。そのため、車両の体格に応じた校正パターンを用意する必要があり、例えば建設機械などの大型の車両では、1~3メートル程度の大きさの校正パターンを用意する必要がある。そして、このように校正パターンが大きくなると、作業員による校正作業時の校正パターンの運搬もしくは設置作業が困難となるといった問題や、校正パターンのための大きな保管場所を用意する必要があるといった問題が生じ得る。
 本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、校正作業時の校正パターンの運搬もしくは設置作業に伴う作業者の負担を大幅に軽減し、校正パターンの保管場所を格段に小型化することのできるカメラ校正装置、カメラ校正システム、及びカメラ校正方法を提供することにある。
 上記する課題を解決するために、本発明に係るカメラ校正装置は、少なくとも2個の校正パターンが配置された共通撮像領域を有する複数のカメラで撮像された画像同士を校正するカメラ校正装置であって、各カメラの初期パラメータに基づき俯瞰視点に変換する射影行列に基づいて各カメラで撮像された画像を変換して変換画像を生成する画像変換部と、前記変換画像のうち、前記複数のカメラから選択された基準カメラによる変換画像と前記基準カメラ以外のカメラによる変換画像との誤差を算出する誤差評価部と、前記誤差に基づいて各カメラの共通撮像領域の映像が一致するように射影行列を更新する射影行列更新部と、更新後の射影行列に基づいて各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出部と、を備えていることを特徴とする。
 また、本発明に係るカメラ校正システムは、前記カメラ校正装置と、共通撮像領域を有する複数のカメラと、前記カメラ校正装置から得られる各カメラのカメラパラメータを用いて前記複数のカメラで撮像された画像同士を校正して合成画像を生成する合成画像生成装置と、前記合成画像を表示する表示装置と、を備えていることを特徴とする。
 また、本発明に係るカメラ校正方法は、少なくとも2個の校正パターンが配置された共通撮像領域を有する複数のカメラで撮像された画像同士を校正するカメラ校正方法であって、各カメラの初期パラメータに基づき俯瞰視点に変換する射影行列に基づいて各カメラで撮像された画像を変換して変換画像を生成し、前記変換画像のうち、前記複数のカメラから選択された基準カメラによる変換画像と前記基準カメラ以外のカメラによる変換画像との誤差を算出し、前記誤差に基づいて各カメラの共通撮像領域の映像が一致するように射影行列を更新し、更新後の射影行列に基づいて各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出することを特徴とする。
 本発明によれば、カメラ画像の校正時において共通撮像領域における校正パターンといった特徴点の配置関係の使用が不要となり、当該校正パターンの数や寸法を必要最低限に抑制することができるため、校正作業時の校正パターンの運搬もしくは設置作業に伴う作業者の負担を大幅に軽減できると共に、校正作業に用いる校正パターンの保管場所を格段に小型化することができる。
 上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係るカメラ校正システムの実施形態の全体構成を示す全体構成図。 各カメラの設置位置と撮像領域を模式的に示す上面図。 図1に示すカメラ校正装置によるカメラの校正演算処理を説明する図であって、キャリブレーションターゲットに配置された車両と校正パターンを模式的に示す上面図。 図1に示すカメラ校正装置の基本構成を示す基本構成図。 図1に示すカメラ校正システムによるカメラ校正方法を説明したフロー図。
 以下、本発明に係るカメラ校正装置及びカメラ校正システムの実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下では、主に、車両に搭載された車載カメラで撮像された画像同士を校正(キャリブレーション)する場合について説明するが、本実施形態のカメラ校正装置及びカメラ校正システムは、車両以外のものに取付けられた複数のカメラで撮像された画像同士を校正する場合にも適用することができる。また、以下では、4台のカメラを使用し、隣接する2台のカメラ同士が共通撮像領域を有する場合について説明するが、システム全体のカメラの台数や共通撮像領域を撮像するカメラの台数は、使用者等の要請に応じて適宜変更することができる。また、以下で説明するように、キャリブレーションターゲットを用いてキャリブレーションする以外にも、キャリブレーションターゲットを用いず、共通撮像領域に存在する特徴物体を用いてキャリブレーションすることもできる。
<カメラ校正システムの実施形態>
 図1は、本発明に係るカメラ校正システムの実施形態の全体構成を示したものである。図示するカメラ校正システム100は、主に、4台のカメラ111~114を有する撮像装置101と、カメラインターフェース102と、画像記憶装置(RAM)104と、パラメータ記憶装置(ROM)105と、入力装置106と、カメラ校正装置108と合成画像生成装置109を有する演算装置103と、表示装置107と、を備えている。
 撮像装置101を構成する各カメラ111~114はそれぞれ、図2に示すように、例えば車両1の前後左右に設置され、その4台のカメラ111~114によってキャリブレーションターゲットRを含む車両1の周囲の画像が撮像されている。
 キャリブレーションターゲットRは、後述する校正用指標である校正パターン(図3参照)等といったカメラの校正に必要な情報を有しており、各カメラ111~114はそれぞれ、カメラ画像の校正時にキャリブレーションターゲットRを撮像し、撮像した画像をカメラインターフェース102を介して演算装置103に送信する。なお、図2中の点線は各カメラ111~114の撮像領域を表しており、カメラ画像を精緻に校正するために、隣り合うカメラは重複部分、すなわち双方のカメラに共通して撮影される領域(以下「共通撮像領域」という。)RK1~RK4を有している。演算装置103は、各カメラ111~114で撮像された画像同士を校正するためのカメラパラメータをカメラ校正装置108により算出する。
 カメラ校正装置108によりカメラパラメータを算出した後、そのカメラパラメータは合成画像生成装置109へ送信される。また、カメラ111~114によって撮像された画像はカメラインターフェース102を介して演算装置103へ送信され、演算装置103の合成画像生成装置109により前記カメラパラメータを利用して視点変換・合成されて表示装置107に送信され、表示装置107を介して使用者等に対し車両1を真上から見下ろした画像(俯瞰画像)として提示される。なお、本実施形態では、各カメラ111~114から得られる画像を視点変換・合成して車両1の周囲の俯瞰画像を生成することを想定しているため、各カメラ111~114は、例えば魚眼カメラ等の広角に撮影し得るものが採用されることが望ましい。
 カメラインターフェース102は、上記したように、各カメラ111~114から送信された画像信号を適正にサンプリングして演算装置103へ送信する。
 画像記憶装置(RAM)104には、各カメラ111~114によって撮像された画像や演算装置103によって演算された各種の演算結果が格納される。
 また、パラメータ記憶装置(ROM)105には、例えば、各カメラ111~114の設置位置や姿勢(設置角度)に関する設計値等(これらを外部パラメータという)、各カメラ111~114の焦点距離、画素サイズ、光軸中心、歪み関数に関する設計値等(これらを内部パラメータという)といったカメラパラメータの、カメラ画像の校正に必要な事前の情報(カメラパラメータ初期値)が書き込まれて格納されている。
 また、入力装置106は、使用者等の操作に基づいてカメラの校正に必要な情報等の入力情報を受信し、その入力情報を演算装置103へ送信する。
 演算装置103は、カメラインターフェース102、画像記憶装置(RAM)104、パラメータ記憶装置(ROM)105、入力装置106、表示装置107等と連携し、上記したようなカメラ画像校正時の演算を含む各種の演算を実施する。具体的には、演算装置103は、カメラインターフェース102から送信された画像信号を画像記憶装置104に格納したり、パラメータ記憶装置105に格納されたカメラパラメータ初期値や画像記憶装置104に格納された画像を読み出してその画像を視点変換・合成したり(合成画像生成装置109)、視点変換・合成された画像を表示装置107に表示させる処理等を実施する。また、視点変換・合成されて生成された俯瞰画像が車両1を真上から見下ろした画像となるように、カメラの設置位置や設置姿勢を算出する校正演算を実施したり(カメラ校正装置108)、入力装置106において使用者等から受信した入力情報を校正演算に活用する処理等を実施する。なお、このカメラ画像の校正演算処理ついては後述する。
 表示装置107は、演算装置103から送信される指示に基づいて、各カメラ111~114から得られる画像を表示する。例えば、表示装置107は、演算装置103から送信される指示に応じて後方を向くカメラ112のみの画像を変換せずに表示して使用者等に提示したり、カメラ111~114から得られる画像を視点変換・合成して生成した俯瞰画像を表示する。
<カメラ校正装置の実施形態>
 次に、図1に示す演算装置103のカメラ校正装置108(本発明に係るカメラ校正装置の実施形態)によるカメラ画像の校正演算処理、すなわちカメラ校正装置108による各カメラ111~114のカメラパラメータの演算処理について図3、4を参照して詳述する。
 図3に示すように、カメラ校正装置108によるカメラ画像の校正演算処理で用いるキャリブレーションターゲットRには車両1が配置され、その車両1の周囲であって少なくとも隣り合うカメラの共通撮像領域RK1~RK4に校正用指標である校正パターンP1~P16が配置されている。この校正パターンP1~P16は、例えば平面を有する円板状や正方形状等の多角形状等のプレートから構成され、各カメラ111~114で撮影された際に画像上で視認し得る程度の大きさを有している。なお、校正パターンP1~P16が円形状のプレートからなる場合はその中心部、正方形状のプレートからなる場合にはそのプレートの角部など、各校正パターンが一意に規定される目印になる部位を有していれば、その形状は適宜に選択することができる。また、各共通撮像領域内の校正パターンは、同一の形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
 図3に示す形態では、カメラ111とカメラ114の共通撮像領域RK1に4個の校正パターンP1~P4が設置され、カメラ111とカメラ113の共通撮像領域RK2に4個の校正パターンP5~P8が設置され、カメラ113とカメラ112の共通撮像領域RK3に4個の校正パターンP9~P12が設置され、カメラ112とカメラ114の共通撮像領域RK4に4個の校正パターンP13~P16が設置されている。なお、これらの校正パターンは、各共通撮像領域内で任意の位置に設置し得るが、各校正パターンの間隔は大きい方が望ましい。また、各共通撮像領域内に配置される校正パターンの数は、例えば校正精度等に応じて適宜変更することができる。
 また、校正パターンの数は多い方が校正精度が向上するが、これらはカメラ画像の校正時に使用される補助的な校正用指標である。カメラ画像の校正は、原理的には校正パターン等の点が存在しなくても、背景となる平面にテクスチャパターンが描画されていれば可能である。
 ただし、カメラの高さを一意に規定するために、本実施形態に示した16個の校正パターンのうちすくなくとも2個(例えば、図3中、P1とP5)が必要であり、その2個の校正パターンの間隔は、作業員等により測定されて入力装置106を介して予めカメラパラメータ算出部145へ入力されるようになっている。
 具体的には、作業員等によって入力された2個の校正パターンの間隔は、1画素が対応する距離を決定するために用いられる。複数のカメラ間で校正を実施し、1画素に対応する距離は未知のまま俯瞰視点画像を生成した後、作業員等によって入力された2個の校正パターンの間隔を利用して、1画素のサイズがどれくらいの距離若しくはスケールに相当するかを計算した上で、最終的な俯瞰画像が生成される。
 なお、校正パターンが1個の場合には、俯瞰視点の画像を生成するまでの校正は実施し得るものの、映像の1画素のサイズが実際にはどれくらいの距離に相当するか(何mmに相当するか)を決定することができないため、そのような場合は許容されない。
 また、上記校正パターンは、4台のカメラのいずれかによって撮影される範囲であれば、任意の位置に設置してよい。ただし、その校正パターンは、共通撮像領域に設置されている方が望ましい。なぜなら、本実施形態では、各共通撮像領域を撮影している2つの画像の位置合わせによってキャリブレーションを実施しており、校正パターンが共通撮像領域に設置されていれば、2つの画像の位置合わせを実施する際の目印とすることができるからである。つまり、画像の位置合わせの目印が多い方が画像の位置合わせが容易になるため、校正パターンは共通撮像領域に多く設置されている方が望ましい。
 ただし、そのような目印がなくても、共通撮像領域の画像中にテクスチャパターンが含まれていれば、例えばそのテクスチャパターンの輝度などの情報を利用して、画像の位置合わせを実施することが可能であるため、校正パターンは必ずしも共通撮像領域に必要なわけではない。したがって、4台のカメラのいずれかによって撮影される範囲に2個の校正パターンが設置してあれば、4つの共通撮像領域に校正パターンが一つも設置されていない場合も許容される。
 なお、校正を行う目的で配置される校正用指標が存在しない場合であっても、校正に利用可能となり得る点(即ち、特徴点)を有する物体(特徴物体)が共通撮像領域に存在する場合には、このような物体の特徴点を用いて校正を行うことが可能である。このような物体は、立体物だけでなく、模様やテクスチャなどの平面的なものであってもよく、例えば、砂地やアスファルトなどであってもよい。共通撮像領域に存在する物体の特徴点を用いて校正する場合には、その物体が対象となる共通撮像領域に含まれているか否かを判断する必要がある。物体が共通撮像領域に含まれているか否かを判断する方法としては、例えば共通撮像領域内の輝度値の標準偏差を利用することができ、例えば、算出された標準偏差の値があらかじめ定めた閾値以上であれば校正に利用可能な特徴点となり得る物体が存在し、閾値未満であれば物体が存在しないと判定することができる。物体が存在しないと判定された場合には、校正パターンが必要となるため、校正パターンを設置すべき旨を表示装置107を介して作業者に報知する。
 上記したキャリブレーションターゲットRを用いたカメラ校正装置108によるカメラ画像の校正演算処理は、地面(平面)に関する射影行列を利用して実施される。ここで、ある共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像にはそれぞれ地面(平面)が映っており、これらは同一のものである。撮像対象は平面であるため、射影行列を用いた幾何変換によって、同一の画像(一方のカメラの視点から見た画像を他方の視点から見た画像)に変換することができる。ここで、射影行列とは、ある共通撮像領域に対応する2つのカメラ画像に映る平面の射影関係を表す行列であり、この射影行列は2つのカメラ間の相対的な外部パラメータと画像中の平面の法線ベクトルを含んでいる。この射影行列に対して特異値分解を用いることで、2つのカメラ間の外部パラメータと平面の法線ベクトルを抽出することができる。なお、射影行列に対する特異値分解は、公知の技術であるためその詳細な説明は省略する。そして、各カメラの平面の法線ベクトルが分かれば、各カメラの画像を車両1を真上から見下ろした俯瞰画像に視点変換することができ、カメラ間の外部パラメータが分かれば、共通撮像領域に対応する2つのカメラの俯瞰画像をズレ無く合成して合成画像を生成することができる。
 また、カメラ画像の校正演算処理で利用される射影行列は、例えば反復法に基づいて算出される。この反復法は、現在の誤差を求め、誤差が減少するように射影行列を更新するという手順を繰り返し実施する方法であり、例えば最急降下法やガウスニュートン法、レーベンバーグマーカート法などの微分に基づく方法や、パーティクルフィルタや遺伝的アルゴリズムなどの微分を用いない方法などが挙げられる。そのような反復法のうち、例えば最急降下法は、誤差関数を微分し、誤差関数の減少方向を求め、その減少方向に僅かにパラメータを更新する、という手続きを誤差の減少が止まるまで繰り返し実施する方法である。
 一方、カメラ校正装置108は、ズレのない俯瞰映像を生成するためのカメラパラメータを推定するために、図4に示すように、画像変換部141と誤差評価部142と射影行列更新部143とを有する校正部144と、カメラパラメータ算出部145と、を備えている。
 校正部144は、それぞれの共通撮像領域に対応するカメラ間の射影行列を算出するものであり、4つの共通撮像領域RK1~RK4のそれぞれに対応する2つの画像のそれぞれに対し、画像変換部141による画像変換処理、誤差評価部142による誤差評価処理、射影行列更新部143による更新処理を実施する。すなわち、校正部144は、共通撮像領域RK1に対応するカメラ111とカメラ114の2つの画像、共通撮像領域RK2に対応するカメラ111とカメラ113の2つの画像、共通撮像領域RK3に対応するカメラ112とカメラ113の2つの画像、共通撮像領域RK4に対応するカメラ112とカメラ114の2つの画像に対してそれぞれ、画像変換部141による画像変換処理、誤差評価部142による誤差評価処理、射影行列更新部143による更新処理を実施する。
 より具体的には、校正部144の画像変換部141は、画像記憶部104からカメラ111~114の画像を受信し、主に、射影行列更新部143で得られる射影行列を用いてそれぞれの共通撮像領域に対応する2つの画像の視点変換を行い、その視点変換後の変換画像を誤差評価部142へ送信する。この視点変換で用いられる射影行列は、例えば共通撮像領域RK1に対応する2つのカメラ111、114の画像に対して処理を実施する場合、カメラ114で撮像される校正パターンP1~P4を含む地面(平面)の画像を、カメラ111に撮像される校正パターンP1~P4を含む地面の画像に一致させる変換を行うための行列である。なお、実際には2つの画像間には必然的に誤差が含まれるため、前記射影行例を用いても完全に一致する画像とはならないが、カメラ114に映る画像はカメラ111に映る画像と近い画像となる。
 なお、画像変換部141による最初の校正時の画像変換処理では、射影行列更新部143から射影行列を得ることができないため、パラメータ記憶部105に予め記憶された各カメラ111~114の姿勢に関する設計値(初期パラメータ)に基づいてそれぞれの共通撮像領域に対応する2つのカメラで撮像される地面(平面)の画像を一致させる変換を行うための射影行列(初期射影行列)を算出して画像変換を実施する。そして、2回目以降の校正時の画像変換処理では、射影行列更新部143で得られた射影行列を用いてそれぞれの共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像の視点変換を実施する。
 本実施形態においては、キャリブレーションターゲットの特徴点として、それぞれの共通撮像領域に4個の校正パターンが配置されている。このように、それぞれの共通撮像領域に校正用指標である4個の校正パターンが配置されている場合、共通撮像領域に対応する2つのカメラで撮像された画像中の4個の校正パターンに関して作成された連立方程式を解くことで、一方のカメラの画像中の4個の校正パターンの座標位置を他方のカメラの画像中の4個の校正パターンの座標位置に変換する射影行列を一意に算出することができる。すなわち、それぞれの共通撮像領域に4個以上の校正パターンが配置されている場合には、画像変換部141は、そのような校正パターンに関して作成された連立方程式から得られる射影行列を、画像変換部141による最初の画像変換処理で利用される初期射影行列として用いて画像変換を実施することができる。
 誤差評価部142は、画像変換部141で画像変換されたそれぞれの共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像に関して誤差を評価し、その2つのカメラの画像間の誤差を射影行列更新部143へ送信する。例えば、共通撮像領域RK1に対応する2つのカメラ111、114の画像に対して処理を実施する場合、画像変換部141により、カメラ114に映る画像はカメラ111に映る画像と一致するように変換されるが、例えば画像変換部141による最初の画像変換処理ではパラメータ記憶部105に予め記憶された設計値に基づいて画像が変換されるため、実際のカメラの取り付け誤差等に基づき、設計値に基づく画像変換を行っても、カメラ114に映る画像はカメラ111に映る画像と完全に一致せず、2つの画像間には必然的に誤差が生じる。誤差評価部142は、このような2つのカメラの画像間の誤差量を評価する。なお、誤差評価部142は、画像変換部141で出力された射影行列をカメラパラメータ算出部145へ送信する。
 ここで、誤差評価部142によって評価される2つのカメラの画像間の誤差量としては、例えば、対応する校正パターン同士の距離の二乗和、対応する画素の輝度差の二乗和、あるいは、距離の二乗和と輝度差の二乗和を合算したもの等が挙げられる。
 なお、校正を行う目的で校正用指標を配置することなく、共通撮像領域に存在する物体を用いてキャリブレーションを行う場合、共通撮像領域の対応する画素における物体の特徴量の差を誤差量とする。物体の特徴量は、カメラ間の感度の違いや入射光量の違いの影響を受けないものが望ましく、例えばエッジ方向特徴量などが用いられる。このエッジ方向特徴量は、各画素における局所的な輝度の増加方向をあらわすもので、このエッジ方向特徴量の画像中の分布や物体ごとのエッジ方向特徴量の統計量(例えば平均値)に基づいて特徴物体を判別することができる。共通撮像領域を撮影するカメラで、同一の物体を撮影している場合、理想的には対応画素での特徴量が一致する。したがって、この特徴量の一致度を誤差関数とし、誤差が最小となるように最適化を実施することで、画像間の射影行列を求めることができる。
 射影行列更新部143は、誤差評価部142で得られた誤差と校正部144からカメラパラメータ算出部145へ送信された更新前の射影行列に基づき、反復法を用いてその誤差が減少するように射影行列を更新し、更新後の射影行列を画像変換部141へ送信する。例えば、射影行列更新部143は、現在のカメラパラメータにおける誤差関数の偏微分を求め、誤差関数の偏微分が表すベクトルとは逆方向に僅かにカメラパラメータを更新することによって射影行列を更新する。
 校正部144は、上記したように、カメラ画像の校正時に、それぞれの共通撮像領域に対応するカメラの2つの画像のそれぞれに対し、画像変換部141による画像変換処理、誤差評価部142による誤差評価処理、射影行列更新部143による更新処理を繰り返し行うことで、共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像が等しくなる(誤差がゼロとなる)ように変換する射影行列を算出し、その算出結果をカメラパラメータ算出部145へ送信する。
 カメラパラメータ算出部145は、校正部144で得られた4つのカメラ111~114に対応する射影行列を特異値分解などを用いて分解し、地面(平面)の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータを抽出し、そのカメラ間の外部パラメータから算出されるカメラパラメータ(特に、カメラの平面(地面)に対する姿勢に関する外部パラメータ)を合成画像生成装置109へ送信する。具体的には、カメラ間の外部パラメータは、カメラ111に対するカメラ114の外部パラメータ、カメラ111に対するカメラ113の外部パラメータ、カメラ114に対するカメラ112の外部パラメータ、カメラ113に対するカメラ112の外部パラメータといった形式で得られるため、これらをカメラ111~114から選択される基準となるカメラ(基準カメラ)に対する外部パラメータになるように再計算し、基準カメラについては平面(地面)に対する法線ベクトルから平面(地面)に対する姿勢を算出し、これにより、全てのカメラの平面(地面)に対する姿勢に関する外部パラメータを算出する。なお、カメラパラメータ算出部145は、必要に応じて、例えば、各カメラの焦点距離、画素サイズ、光軸中心、歪み関数等に関する内部パラメータを推定してもよい。
 カメラパラメータ算出部145から出力されたカメラパラメータは、合成画像生成装置109で俯瞰画像を生成するマッピングテーブルを作成する際に利用される。マッピングテーブルとは、合成俯瞰画像の各画素と、カメラ111~114の各画像における画素の対応関係を記述したものであり、この対応関係に基づいて輝度値をマッピングすることで最終的な合成俯瞰画像を得ることができる。
 このように、本実施形態のカメラ校正装置108によれば、地面(平面)に関する射影行列を利用して各カメラで撮像された画像同士を校正することにより、カメラ画像の校正時において共通撮像領域における校正パターン等の特徴点の配置関係の使用が不要となり、当該校正パターンの数や寸法を必要最低限に抑制することができるため、校正作業時の校正パターンの運搬もしくは設置作業に伴う作業者の負担を大幅に軽減できると共に、校正作業に用いる校正パターンの保管場所を格段に小型化することができる。
 なお、各カメラで撮像された画像同士を校正する際には、校正用指標である校正パターンを含む画像が共通撮像領域に対応するカメラ間で一致するような俯瞰視点への視点変換を行う射影行列を求めている。その際、共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像が一致するという条件を満たすものを求めるが、テクスチャ情報が不足している場合、共通撮像領域に対応する2つのカメラの画像が一致するという条件だけでは十分な位置合わせを実施できない場合がある。このような場合には、キャリブレーションターゲット、特にキャリブレーションターゲットに含まれる共通撮像領域の特徴点を抽出し、その特徴点の座標を校正部144の画像変換部141に入力し、特徴点の座標が一致するという条件を付加して視点変換を行う射影行列を求めることで、当該射影行列の算出精度を向上させることができる。なお、特徴点の座標は、画像認識によって抽出しても良いし、表示装置107等を介して使用者等に画像を提示し、画像上の特徴点座標をマウスなどの入力装置106を介して使用者等が指定してもよい(図4中、点線で示す情報入力)。
 また、実施形態のカメラ校正装置108で得られる情報は、各カメラの平面(地面)に対するカメラ姿勢とカメラ間の相対的な位置及び姿勢の関係である。そのため、地面に対する車両1の相対的な回転量(車両1のヨー方向の回転量)は原理的に求めることができない。ただし、カメラの初期設置位置の誤差が小さい場合には、地面に対する車両1の相対的な回転量は、カメラの取り付け位置情報を利用することで車両1の車軸の方向から推定することができる。一方、カメラの初期設置位置の誤差が大きいと想定される場合には、カメラの取り付け位置情報から地面に対する車両1の相対的な回転量を推定することは難しい。そのような場合には、例えば、車両1の周囲に地面と車両1の関係を認識するための目印を配置し(例えば、車両1に平行に棒を配置)、地面に対する車両1の相対的な回転量を補正させる手段を設けることで、地面に対する車両1の相対的な回転量を推定することができる。例えば、表示装置107等を介して使用者等に画像を提示し、地面と車両1の関係を認識するための目印が所定の見え方になるように入力装置106を介して使用者等が微調整しながら回転量を入力してもよい(図4中、一点鎖線で示す情報入力)。なお、入力された入力結果は即座に画像に反映されるため、使用者等は画像を確認しながら地面に対する車両1の相対的な回転量を調整することができる。
<カメラ校正方法の実施形態>
 以下、カメラ画像の校正演算処理の一連の流れを図5を参照して説明する。図1に示す演算装置103のカメラ校正装置108(本発明に係るカメラ校正装置の実施形態)によるカメラ画像の校正演算処理、すなわちカメラ校正装置108による各カメラ111~114のカメラパラメータの演算処理について、この校正演算処理フローは、画像取得処理S501、初期射影行列生成処理S502、画像変換処理S503、誤差評価処理S504、射影行列更新処理S505、収束判定処理S508、スケール補正処理S509から構成され、射影行列更新処理S505は、更新量計算処理506と射影行列計算処理507から構成される。初回の校正時は、画像取得処理S501、画像変換処理S503、誤差評価処理S504、収束判定処理S508、射影行列更新処理S505の順で実施され、以降は、画像変換処理S503、誤差評価処理S504、収束判定処理S508、射影行列更新処理S505が繰り返して実施される。なお、収束判定処理S508で誤差評価値を評価し、誤差評価値が収束したと判定されれば当該処理は停止する。
 まず、画像取得処理S501が実施され、画像記憶装置104から各カメラで撮影された画像を読み出す。本実施形態では、例えば校正パターンを含む地面を撮影した4台のカメラ分に相当する4つの画像を入力する。
 次に、映像取得処理S501で取得された画像に対し、図4に示す画像変換部141によって画像変換処理S503を実施する。この画像変換処理S503は射影行列を用いて実施される。ここで、初回の校正時の射影行列は、初期射影行列生成処理S502によって計算され、初期射影行列生成処理S502では、パラメータ記憶装置105からカメラ姿勢や位置からなる初期カメラパラメータを受信し、初期カメラパラメータに対応する射影行列を算出する。得られた初期射影行列は、画像変換処理S503での初回の処理において利用され、以降の画像変換処理S503では、射影行列更新処理S505で出力された射影行列を用いて実施される。
 次に、図4に示す誤差評価部142によって誤差評価処理S504が実施され、この誤差評価処理S504では、画像変換処理S503の出力を受信し、各共通撮像領域に対応する2つのカメラ画像に関して一方の共通撮像領域部分の画像が他方の共通撮像領域部分の画像に対してどれくらいずれているかを表す誤差量を計算して出力する。
 次に、誤差評価処理S504で出力された誤差量と所定の判定閾値を比較して収束判定処理S508を実施する。この収束判定処理S508で、誤差評価処理S504で出力された誤差量の収束判定を実施し、誤差が収束していないと判定された場合、図4に示す射影行列更新部143によって射影行列更新処理S505が実施される。この射影行列更新処理S505は、更新量計算処理S506と射影行列計算処理S507からなり、更新量計算処理S506では、カメラ姿勢や位置等のカメラパラメータの更新量を算出する。ここで、更新量は、一方の共通撮像領域部分の画像が他方の共通撮像領域部分の画像にどれくらい一致しているかを表す誤差量が減少するようにカメラ姿勢や位置等のカメラパラメータを微修正する量となっている。具体的には、更新量は、例えば、現在のカメラパラメータにおける誤差関数の偏微分を求めることによって算出することができる。更新量計算処理S506では、カメラパラメータの微修正後の値が出力され、射影行列計算処理S507では、更新量計算処理S506の出力値を受信し、そのカメラパラメータに相当する射影行列を計算して出力する。
 本実施形態では、誤差評価処理S504での出力値が収束するまで、画像変換処理S503、誤差評価処理S504、射影行列更新処理S505が繰り返して実施される。実行毎の誤差評価処理S504で出力された誤差量を評価し、その誤差量が極めて小さくなれば、誤差が収束したと判定して処理を終了する。このように画像変換処理S503、誤差評価処理S504、射影行列更新処理S505の処理を繰り返して実施することで、一方の共通撮像領域部分の画像を他方の共通撮像領域部分の映像に一致させることができ、そこから共通撮像領域の法線ベクトルを得ることによって、各画像がずれなく繋ぎ合わせられ、さらにカメラと平面の関係を明らかにすることができるため、複数のカメラの画像から俯瞰画像の生成を実現することができる。
 ただし、この上記の処理では、画像が繋ぎ合わせられて上方から見下ろした画像にはなっているものの、1画素のサイズがどれくらいの距離に相当するかが未知であって補正されていない。そこで、スケール補正処理S509を実施してこれを補正する。スケール補正処理S509では、作業員等により測定されて入力装置106を介して入力された校正パターンの間隔に関する距離情報を利用し、カメラパラメータを補正して最終的な俯瞰画像を生成する。その処理としては、俯瞰視点のカメラの外部パラメータに基づいて、俯瞰画像中で校正パターンの間隔が何ピクセルに見えなければならないかを計算し、俯瞰画像中の校正パターンの間隔が実際に計算されたピクセル間隔になるように、カメラパラメータを補正する。以上の処理を実施することによって、カメラのキャリブレーションを実現することができる。
 なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
 また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
1   車両
100 カメラ校正システム
101 撮像装置
102 カメラインターフェース
103 演算装置
104 画像記憶装置(RAM)
105 パラメータ記憶装置(ROM)
106 入力装置
107 表示装置
108 カメラ校正装置
109 合成画像生成装置
111~114 カメラ
141 画像変換部
142 誤差評価部
143 射影行列更新部
144 校正部
145 カメラパラメータ算出部
P1~P16 校正パターン
R   キャリブレーションターゲット
RK1~RK4 共通撮像領域
S501 映像取得処理
S502 初期射影行列生成処理
S503 画像変換処理
S504 誤差評価処理
S505 射影行列更新処理
S506 更新量計算処理
S507 射影行列計算処理
S508 収束判定処理
S509 スケール補正処理

Claims (6)

  1.  車両に搭載され、地面を含む車両周囲を撮像し、かつ共通撮像領域を有する複数のカメラを前記共通撮像領域に配置された少なくとも3つの校正パターンによって校正するカメラ校正装置であって、
     各カメラで撮像された画像を所定の射影行列に基づいて俯瞰視点の画像に変換する画像変換部と、
     前記複数のカメラのうち、所定のカメラで撮像された前記校正パターンの変換画像と該所定のカメラとの間で共通撮像領域を有する他のカメラで撮像された前記校正パターンの変換画像との誤差を算出する誤差評価部と、
     前記誤差に基づいて前記所定の射影行列を更新する射影行列更新部と、
     前記校正パターンのうちの任意の2つの校正パターンの間の距離情報を入力する距離情報入力部と、
     前記誤差評価部で算出される前記誤差がゼロになる射影行列を変換画像中の地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータとに分解し、前記地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータと、前記距離情報入力部から入力された距離情報とから、各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出部と、を備えていることを特徴とするカメラ校正装置。
  2.  前記地面に対する前記車両の相対的な回転量を入力する回転量入力部をさらに備え、
     前記カメラパラメータ算出部は、前記回転量入力部から入力された前記回転量を加味して前記カメラパラメータを算出することを特徴とする、請求項1に記載のカメラ校正装置。
  3.  車両に搭載され、地面を含む車両周囲を撮像し、かつ共通撮像領域を有する複数のカメラを前記共通撮像領域に存在する物体の特徴点を用いて校正するカメラ校正装置であって、
     各カメラで撮像された画像を所定の射影行列に基づいて俯瞰視点の画像に変換する画像変換部と、
     前記複数のカメラのうち、所定のカメラで撮像された前記物体の変換画像と該所定のカメラとの間で共通撮像領域を有する他のカメラで撮像された前記物体の変換画像との誤差を算出する誤差評価部と、
     前記誤差に基づいて前記所定の射影行列を更新する射影行列更新部と、
     前記物体のうちの任意の2点の間の距離情報を入力する距離情報入力部と、
     前記誤差評価部で算出される前記誤差がゼロになる射影行列を変換画像中の地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータとに分解し、前記地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータと、前記距離情報入力部から入力された距離情報とから、各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出部と、を備えていることを特徴とするカメラ校正装置。
  4.  前記地面に対する前記車両の相対的な回転量を入力する回転量入力部をさらに備え、
     前記カメラパラメータ算出部は、前記回転量入力部から入力された前記回転量を加味して前記カメラパラメータを算出することを特徴とする、請求項3に記載のカメラ校正装置。
  5.  車両に搭載され、地面を含む車両周囲を撮像し、かつ共通撮像領域を有する複数のカメラを前記共通撮像領域に配置された少なくとも3つの校正パターンによって校正するカメラ校正方法であって、
     各カメラで撮像された画像を所定の射影行列に基づいて俯瞰視点の画像に変換するステップと、
     前記複数のカメラのうち、所定のカメラで撮像された前記校正パターンの変換画像と該所定のカメラとの間で共通撮像領域を有する他のカメラで撮像された前記校正パターンの変換画像との誤差を算出するステップと、
     前記誤差に基づいて前記所定の射影行列を更新するステップと、
     前記誤差がゼロになる射影行列を変換画像中の地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータとに分解し、前記地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータと、前記校正パターンのうちの任意の2つの校正パターンの間の距離情報とから、各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するステップと、からなることを特徴とする、カメラ校正方法。
  6.  車両に搭載され、地面を含む車両周囲を撮像し、かつ共通撮像領域を有する複数のカメラを前記共通撮像領域に存在する特徴物体によって校正するカメラ校正方法であって、
     各カメラで撮像された画像を所定の射影行列に基づいて俯瞰視点の画像に変換するステップと、
     前記複数のカメラのうち、所定のカメラで撮像された前記特徴物体の変換画像と該所定のカメラとの間で共通撮像領域を有する他のカメラで撮像された前記特徴物体の変換画像との誤差を算出するステップと、
     前記誤差に基づいて前記所定の射影行列を更新するステップと、
     前記誤差がゼロになる射影行列を変換画像中の地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータとに分解し、前記地面の法線ベクトルとカメラ間の相対的な外部パラメータと、前記特徴物体のうちの任意の2点の間の距離情報とから、各カメラの地面に対する姿勢に関する外部パラメータを含むカメラパラメータを算出するステップと、からなることを特徴とする、カメラ校正方法。
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