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JP4234059B2 - カメラキャリブレーション方法およびカメラキャリブレーション装置 - Google Patents

カメラキャリブレーション方法およびカメラキャリブレーション装置 Download PDF

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Description

この発明は、カメラ画像を用いたステレオ法による3次元測量で使用するカメラの内部パラメータを同定するカメラキャリブレーションに関するものである。
カメラで撮影した画像を用いて計算機上で3次元復元などを行うには、カメラの内部パラメータ(焦点距離f・レンズ歪み係数κ1, κ2・レンズ中心Cx, Cy・アスペクト比α・せん断歪み係数β)を用いて計算機上で模擬されたカメラモデルを用いている。
従来のカメラキャリブレーション方法は、キャリブレーションパターンをカメラで様々な方向から撮影し、カメラ−キャリブレーションパターン間の位置関係と計算機上に模擬されたカメラモデルの情報から「計算上の画像」を計算し、実際に撮影した「現実の画像」と「計算上の画像」内に写っているキャリブレーションパターンの位置を比較し、両者の位置の変位量を評価対象とし変位量の2乗和が最小となるようにカメラの内部パラメータに対して非線形最適化を行い最適値を求めている(例えば、非特許文献1参照)。
Z.Zhang, "A flexible new technique for camera calibration", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330-1334, 2000.
従来のカメラキャリブレーション方法は、以上のように、現実のカメラにより撮影された画像に写っているキャリブレーションパターンの位置と、計算機上のカメラモデルにより投影された画像に写っているキャリブレーションパターンの位置の変位量を評価指標とし最適化処理によりカメラの内部パラメータを求めている。このように求められたカメラの内部パラメータが、ステレオ立体視の原理に基づくステレオ法による寸法測量を行う場合にも最適であるとは言えず、ステレオ法による寸法測量の寸法精度を向上するには限界があった。
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを求めるカメラキャリブレーションの精度を向上して、ステレオ法による寸法測量の寸法精度を向上することを目的とする。
この発明に係るカメラキャリブレーション方法は、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定する方法であって、上記カメラの内部パラメータとして所定の初期値を設定する第1のステップと、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に、上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影して画像データを得る第2のステップと、該得られた画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する第3のステップと、上記各特定点のワールド座標系位置、該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出する第4のステップと、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する第5のステップと、該計測された上記基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出し、該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうか判定する第6のステップと、上記評価対象誤差が該基準を満たさないとき、上記カメラ内部パラメータを上記評価対象誤差が小さくなるように更新する第7のステップとを備える。そして、上記第6のステップで上記評価対象誤差が上記基準を満たすまで、上記第3〜第7のステップを繰り返すものである。
また、この発明に係るカメラキャリブレーション装置は、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定する装置であって、上記カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定して、上記評価誤差及び判定結果を出力する比較結果出力手段と、外部からの入力により上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備えたものである。
また、この発明に係るカメラキャリブレーション装置は、カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定する比較判定手段と、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備える。そして、上記比較判定手段において上記評価誤差が上記基準を満たさないと判定された場合に、上記パラメータ更新手段は、所定の演算により上記カメラ内部パラメータから所定の変数および該変数の修正量を決定して該カメラ内部パラメータを更新し、該更新により上記カメラ位置検出手段および上記基準尺寸法計測手段が順次動作して、上記基準尺の寸法測定値を上記更新されたカメラ内部パラメータを用いて再計測し、上記比較判定手段により上記評価対象誤差を再算出して判定するものである。
この発明に係るカメラキャリブレーション方法は、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定する方法であって、上記カメラの内部パラメータとして所定の初期値を設定する第1のステップと、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に、上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影して画像データを得る第2のステップと、該得られた画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する第3のステップと、上記各特定点のワールド座標系位置、該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出する第4のステップと、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する第5のステップと、該計測された上記基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出し、該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうか判定する第6のステップと、上記評価対象誤差が該基準を満たさないとき、上記カメラ内部パラメータを上記評価対象誤差が小さくなるように更新する第7のステップとを備える。そして、、上記第6のステップで上記評価対象誤差が上記基準を満たすまで、上記第3〜第7のステップを繰り返すものであるため、評価指標が測量の目的である寸法測定に直接合致することになり、要求精度を満足し得るようなキャリブレーションが可能となる。これにより、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを求めるカメラキャリブレーションの精度を向上でき、ステレオ法による寸法測量の寸法精度を向上できる。また、内部パラメータが要求精度を満足しているか否かの判定が信頼性良く容易に行える。
また、この発明に係るカメラキャリブレーション装置は、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定する装置であって、上記カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定して、上記評価誤差及び判定結果を出力する比較結果出力手段と、外部からの入力により上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備えたものである。このため、評価指標が測量の目的である寸法測定に直接合致することになり、要求精度を満足し得るようなキャリブレーションが可能となる。これにより、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを求めるカメラキャリブレーションが容易に高精度で行える。
また、この発明に係るカメラキャリブレーション装置は、カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定する比較判定手段と、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備える。そして、上記比較判定手段において上記評価誤差が上記基準を満たさないと判定された場合に、上記パラメータ更新手段は、所定の演算により上記カメラ内部パラメータから所定の変数および該変数の修正量を決定して該カメラ内部パラメータを更新し、該更新により上記カメラ位置検出手段および上記基準尺寸法計測手段が順次動作して、上記基準尺の寸法測定値を上記更新されたカメラ内部パラメータを用いて再計測し、上記比較判定手段により上記評価対象誤差を再算出して判定するものであるため、カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを求めるカメラキャリブレーションが人を介することなく高精度で行える。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるカメラキャリブレーション装置の概略構成を示すブロック図である。
ここでは、キャリブレーション対象のカメラ1を用いて、撮影視野内に置かれたキャリブレーションパターン2と実際の寸法が既知の複数の基準尺3とを複数の撮影ポイントから撮影し、その撮影画像を基にカメラキャリブレーション装置13によりカメラキャリブレーションを行う。
図に示すように、カメラキャリブレーション装置13は、カメラ1から撮影画像を取り込む画像入力手段としての画像取り込み部4aと、取り込まれた画像データから画像座標系内の位置を検出する画像座標検出部4bと、カメラ1の位置を検出するカメラ位置認識部5と、ステレオ法により各基準尺3の寸法測定値を計測する基準尺寸法計算部6と、各基準尺3の寸法実測値を保持する基準尺寸法保持部7と、各基準尺3の寸法測定値と寸法実測値とを比較する寸法比較処理部8と、その比較結果を出力表示する比較結果表示部9と、外部からの入力によりカメラ1の内部パラメータを修正するパラメータ更新手段としての内部パラメータ修正処理部11と、カメラ1の内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部12とで構成される。また、10は作業者である。
このように構成されるカメラキャリブレーション装置13を用いたキャリブレーション方法を以下に説明する。図2は、キャリブレーション方法を示すフローチャートであり、図4は、カメラキャリブレーション装置13において、内部パラメータ12aと入力された画像データとから各基準尺3の寸法測定値を計測するためのデータ処理を説明する図である。
内部パラメータ保持部12では、順次更新される最新の内部パラメータ12aを保持し、従来技術で説明した方法などの公知の方法で決定されたカメラ1の内部パラメータを、予め初期値として設定しておく。
まず、キャリブレーション対象のカメラ1の撮影領域に、画像処理により自動検出可能なキャリブレーションパターン2と数個の基準尺3を設置する。キャリブレーションパターン2は、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点で構成されるもので、図3に示すように、例えば特定点となる格子点から成るパターンを用いる。また、実寸法値が既知の基準尺3は、想定される測量対象領域内に設置する。即ち、基準尺3を設置する領域の広さは、実際にここで求める内部パラメータを用いて測量する領域の広さとほぼ同じぐらいにする。この場合、3個の基準尺3をほぼ直行する3方向に沿って配置する(S1)。
次に、ステレオ立体視に用いる複数の画像を得るため、S1で設置したキャリブレーションパターン2と基準尺3とが共に写るように視点位置を移動して、複数の位置及び姿勢の撮影ポイント、ここでは2箇所の撮影ポイントから撮影する(S2)。
次に、撮影された2枚の画像をカメラキャリブレーション装置13に取り込み、必要な画像座標値を認識する。即ち、画像取り込み部4aは、カメラ1から2枚の撮影画像を画像データとして取り込み、画像座標検出部4bでは、取り込まれた2枚分の画像データからキャリブレーションパターン2の格子点の画像座標値を抽出すると共に(S3)、各基準尺3の両端点の画像座標値を抽出する(S4)。2箇所の撮影ポイントにおける各画像座標値のデータを、それぞれカメラA画像座標14a、カメラB画像座標14bで示す(図4参照)。
次に、レンズ歪み補正部15にて、S3、S4で認識した各点の画像座標値から内部パラメータ12aを用いてレンズ歪みを除去し、上記各点の画像座標値をそれぞれ補正計算する。このレンズ歪み補正部15は、図4では独立して示したが、カメラ位置計算部5および基準尺計算部6にそれぞれ備えて、カメラの位置計算、基準尺の寸法計算の際にレンズ歪み補正を行っても良い(S5)。
次に、内部パラメータ12aとS5で求めたキャリブレーションパターンの撮影ポイント毎の補正画像座標値とに基づいて、カメラ位置計算部5にて上記2箇所の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢(カメラ位置)5aを算出する(S6)。続いて、S6で算出された2箇所の撮影ポイントの相対位置及び姿勢5a、S5で求めた各基準尺両端点の撮影ポイント毎の補正画像座標値、および、内部パラメータ12aに基づいて、基準尺寸法計算部6にて、ステレオ立体視により各基準尺両端点の3次元位置を算出して、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cを計測する(S7)。
次に、寸法比較処理部8において、S7で求めた各基準尺3の寸法測定値6a〜6cと、基準尺寸法保持部7内の各基準尺3の寸法実測値とを比較し、誤差をそれぞれの基準尺3について計算し、その誤差の2乗和の値・誤差の最大値・誤差の分布など評価値を評価対象誤差として比較結果表示部9に表示して作業者10に提示し、さらに該評価値が実際の写真測量時に要求される精度を示す予め設定された基準を満たすかどうか判定して表示する(S8)。
S8において基準を満たしていれば作業終了、満たしていなければ、作業者10は、表示された情報を判断基準にして内部パラメータ12aの各変数を修正するように入力する。この入力により、内部パラメータ修正処理部11にて、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータ12aを更新する。このとき内部パラメータ12aの各変数間の関係は無視できるとみなし、個々のパラメータを独立に修正できる(S9)。
S9において内部パラメータ12aを更新すると、S5に戻りS5〜S9の処理を繰り返す。即ち、S8において基準を満たして作業終了となるまでS5〜S9の処理を繰り返し、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cを更新された内部パラメータ12aを用いて再計測し、実測値との誤差に基づく評価値を比較結果表示部9に表示して作業者10に再提示する。これにより、内部パラメータ12aが高精度に最適化できる。
この実施の形態では、ステレオ法により基準尺3の寸法を計算し、その計算値の誤差を内部パラメータ12aの最適化処理の評価対象とすることにより、評価指標が測量の目的である寸法測定に直接合致することになり、要求精度を満足し得るようなキャリブレーションが可能となる。また、内部パラメータ12aが要求精度を満足しているか否かの判定が信頼性良く容易に行える。
なお、内部パラメータ12aの初期値設定は、公知のキャリブレーション方法で求めた内部パラメータを数組(例えば3組)用意し、各内部パラメータA、B、CでS5〜S8の処理を行い、図5に示すような表を作業者10に提示し最適な内部パラメータ12aの初期値を選択できるようにしても良い。この場合、評価対象誤差として、3つの基準尺3の実測値と計算値(寸法測定値6a〜6c)との各誤差から誤差の絶対値の最大値、誤差の絶対値の平均、誤差の2乗平均を算出して用いている。
また、この実施の形態では3つの基準尺3を用いたが、2つの基準尺をほぼ直交する2方向に沿って配置しても良い。また、基準尺3は1つでも良いが、高精度なキャリブレーションのためには、複数の基準尺3を、ほぼ直交する3方向あるいは2方向に沿って配置するのが望ましい。
また、基準尺3は、長さを有する線あるいは棒状の他、両端の2点による基準点で構成されるものでも良く、該両端の基準点間の距離をその長さとする。
さらにまた、複数の基準尺3はキャリブレーションパターン2と共に、複数の撮影ポイントから撮影されるが、複数の基準尺3を分割し、例えば基準尺3を1つずつキャリブレーションパターン2と共に、それぞれ複数の撮影ポイントから撮影して画像データを取り込んでも良い。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2によるカメラキャリブレーション装置について説明する。
この実施の形態では、上記実施の形態1によるカメラキャリブレーション装置に、内部パラメータ12aを更新するための入力時のために参照用データ生成・表示手段を備え、作業者10の内部パラメータ修正作業の支援を強化する。
公知のキャリブレーション手法により求められた数組の実積データとしての内部パラメータを用いて、内部パラメータの各変数の変動幅を求め、その変動幅の例えば10分の1もしくは20分の1の値を計算し、図2で示したS9において、内部パラメータ12aの各変数を修正する修正刻み幅Δの参照値として表示し、作業者10に提示する。
上記実施の形態1と同様に、S8において、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cと、基準尺寸法保持部7内の各基準尺3の寸法実測値とを比較し、誤差をそれぞれの基準尺3について計算し、その誤差の2乗和の値・誤差の最大値・誤差の分布など評価値を評価対象誤差として比較結果表示部9に表示して作業者10に提示し、該評価値が実際の写真測量時に要求される精度を示す予め設定された基準を満たすかどうか判定する。
ここで、基準が満たされないとき、S9において、内部パラメータ12aの各変数を修正する修正刻み幅Δの参照値を上述したように演算し、各変数を独立して上記刻み幅分変化させた場合の評価値(評価対象誤差)の変動量を算出して、作業者10が次に修正すべき変数を選択する作業を支援するため、図6に示すような修正感度表を表示する。修正感度とは、内部パラメータ12aの各変数をそれぞれ独立に上記修正刻み幅Δの参照値だけ上下させたときの変動量とその方向を指す。表の「+Δ」の行は変数を修正刻み幅Δの参照値分だけ増加させたときの内部パラメータ12aの評価値の変動量、「−Δ」の行は変数を修正刻み幅Δの参照値分だけ減少させたときの内部パラメータ12aの評価値の変動量を示す。変動量は増加時には正の値、減少時には負の値を表示する。なお、最も評価値の変動幅が大きい変数の色を変化させると、作業者10の判断を容易にする事ができる。作業者10は、表示された情報を判断基準にして内部パラメータ12aの各変数を修正するように入力する。この入力により、内部パラメータ修正処理部11にて、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータ12aを更新する。
この実施の形態では、内部パラメータ12aの修正作業に有用な情報を提示することにより、修正作業を円滑に進めることができ、より短時間で最適な内部パラメータ12aを探索することが出来る。
なお、作業者10が図6の修正感度表などを参照して内部パラメータ10aにおける修正する変数を決定したのち、図7に示すような1変数最適化支援表を生成して表示することにより、その変数の現在の値周辺で最も評価値の良くなる値を求める作業を支援することができる。表の左端の列は変数の修正値、その他の列は内部パラメータ12aの評価値を示す。これにより修正作業を一層円滑に進めることができる。また、最も評価値が良い修正値の部分の色を変化させることにより作業者10の判断を容易にできる。
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3によるカメラキャリブレーション装置について説明する。
この実施の形態では、上記実施の形態2によるカメラキャリブレーション装置の参照用データ生成・表示手段において、別の参照用データを生成、表示させて、作業者10の内部パラメータ修正作業の支援を強化する。
上記実施の形態1と同様に、S8において、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cと、基準尺寸法保持部7内の各基準尺3の寸法実測値とを比較し、誤差をそれぞれの基準尺3について計算し、その誤差の2乗和の値・誤差の最大値・誤差の分布など評価値を評価対象誤差として比較結果表示部9に表示して作業者10に提示し、該評価値が実際の写真測量時に要求される精度を示す予め設定された基準を満たすかどうか判定する。
ここで、基準が満たされないとき、S9において、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータ12aに基づいてカメラモデルを構築し、従来のキャリブレーションと同様に、複数の参照点から成るパターンから上記カメラモデルに基づいて計算上の画像を生成し、カメラ1により上記パターンを撮影した画像と上記計算上の画像とを比較して、該両画像間の上記各参照点の位置ずれに基づいて第2の評価対象誤差を算出して表示する。作業者10は、表示された情報を判断基準にして内部パラメータ12aの各変数を修正するように入力する。この入力により、内部パラメータ修正処理部11にて、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータ12aを更新する。
この実施の形態においても、内部パラメータ12aの修正作業に有用な情報を提示することにより、修正作業を円滑に進めることができ、より短時間で最適な内部パラメータ12aを探索することが出来る。
なお、上記実施の形態2と同様の修正感度表も併せて表示すると、作業者10の内部パラメータ修正作業の支援を一層強化できる。その際、この実施の形態で求めた第2の評価対象誤差の変動量も算出して表示すると効果的である。この第2の評価対象誤差は、上述した従来のキャリブレーション方法に用いられている評価値に相当し、この評価値の変動量の大きな変数は従来のキャリブレーション方法で精度良く求められていると判断でき、変動量の小さな変数は従来のキャリブレーション方法では精度良く最適化されていない可能性が高いことを意味するため、作業者10が調整すべき変数を判断するときの有用な情報となる。
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、S8において、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cと、基準尺寸法保持部7内の各基準尺3の寸法実測値とを比較し、それぞれの基準尺3について評価対象誤差と該評価値が基準を満たすかどうかの判定結果を比較結果表示部9に表示して作業者10に提示し、作業者10の入力によって内部パラメータ12aの更新を行ったが、この実施の形態では、カメラキャリブレーション装置が、所定の演算により内部パラメータ12aを自動的に更新するパラメータ更新手段を有する場合を説明する。
上記実施の形態1で示したS1〜S7の処理を、数シーンで行いかつ1シーンにつき数カ所の基準尺について計測を行うことにより、基準尺の寸法測定値と寸法実測値との組を数十組得る。
S5からの手順について、以下に詳細に説明する。
基準尺の寸法測定値と寸法実測値との組(i=0,1,・・,m)のそれぞれについて、S3にて求めた2枚の画像のキャリブレーションパターン2の画像座標群をP1i,P2iとし、S4にて求めた2枚の画像の各基準尺3の両端点の画像座標値を(xs1i,xe1i),(xs2i,xe2i)とする。また、カメラの内部パラメータ12aをpとする。
S5では、カメラの内部パラメータ12aに従いレンズ歪み補正を行って、レンズ歪み除去後のキャリブレーションパターン2の画像座標および各基準尺の端点の座標である各補正画像座標値P1i ,P2i ,xs1i ,xe1i ,xs2i ,xe2i を得る。
P1i =undistort(p,P1i)
P2i =undistort(p,P2i)
xs1i =undistort(p,xs1i)
xs2i =undistort(p,xs2i)
xe1i =undistort(p,xe1i)
xe2i =undistort(p,xe2i)
次いでS6では、キャリブレーションパターン2の補正画像座標値からカメラ位置をそれぞれ求める。
op1i=outercalib(p,P1i )
op2i=outercalib(p,P2i )
但し、op1i、op2iは2カ所の撮影ポイントの位置を表すカメラの外部パラメータとする。
次いでS7では、基準尺寸法計算部6にて、ステレオ立体視により各基準尺両端点の3次元位置Psi、Peiを算出して、端点間の距離である各基準尺3の寸法測定値liを以下のように求める。
Ps1i=epipolar(p,op1i,op2i,xs1i ,xs2i )
Ps2i=epipolar(p,op2i,op1i,xs2i ,xs1i )
Pe1i=epipolar(p,op1i,op2i,xe1i ,xe2i )
Pe2i=epipolar(p,op2i,op1i,xe2i ,xe1i )
Psi=(Ps1i+Ps2i)/2
Pei=(Pe1i+Pe2i)/2
i=│(Pei−Psi)/2│
但し、Ps1i、Pe1iは1つ目の画像を基準と考えステレオ立体視の原理に基づき求めたそれぞれの端点の座標、また、Ps2i、Pe2iは、2つ目の画像を基準と考えたときの端点の座標を表す。ステレオ立体視に基づき計算するときに、内部パラメータの誤差や端点の指示の誤差などの影響でエピポーラ線が厳密には交わらないために、基準とする画像によって異なる3次元位置が求まるため、このようにして求まったそれぞれの端点の中点を、端点の3次元位置Psi、Peiとして距離liを求める。
次いでS8では、S7で求めた各基準尺3の寸法測定値liを寸法実測値Liと比較し、評価対象誤差E(p)を以下の評価式により求める。
Figure 0004234059
但し、ei(p)=Li−li ・・・・(1)
ここで、ei(p)は、この他にも次のような式が考えられる。
i(p)=│Li−li ・・(2)
i(p)=│Li−li│+│Ps1i−Ps2i│+│Pe1i−Pe2i│ ・・(3)
i(p)=│Li−li│・(│Ps1i−Ps2i│+│Pe1i−Pe2i│) ・・(4)
i(p)=│Li−li│・(│Li−li│+│Ps1i−Ps2i│+│Pe1i−Pe2i│) ・・(5)
i(p)=(│Li−li│+│Ps1i−Ps2i│+│Pe1i−Pe2i│) ・・(6)
上記(1)〜(6)を用いた評価式E(p)は、この評価式で表される評価対象誤差を最小にする内部パラメータpを求める、即ち内部パラメータpを最適化するための評価式であり、それぞれの意味を以下に説明する。
(1)の場合は、実測距離と計算距離との差の和を最小化するための評価式である。(2)の場合は、実測距離と計算距離との差の2乗和を最小化する評価式で、(1)の場合と比べて最大誤差を低くするように最適化するための評価式である。(3)〜(6)は、エピポーラ拘束からの逸脱を防ぎつつ実測距離と計算距離との差を最小化するための評価式である。
上記(1)〜(6)のいずれかのei(p)を用いた上で、評価対象誤差E(p)を最小にする内部パラメータpを求める。この内部パラメータpを求めるには、非線形最適化アルゴリズムの1つであるLevenberg-Marquardtのアルゴリズムを用いる。
この最適化アルゴリズムに必要なヘッセ行列Aと勾配ベクトルbは、以下の式で表される。
Figure 0004234059
上記ヘッセ行列Aと勾配ベクトルbにおいて、ここでは以下の近似式を用いる。
Figure 0004234059
上記近似式左辺は直接計算することが不可能であるため、右辺で近似して、実際にパラメータpを直接微量に動かした変化勾配である右辺を計算することにより、上記ヘッセ行列Aおよび勾配ベクトルbを導く。そして、ファッジファクタを導入しLevenberg-Marquardtのアルゴリズムに従い行列Aを変更後、パラメータ更新計算を次式に従い行うことにする。
p=p+A−1
内部パラメータpをLevenberg-Marquardtのアルゴリズムに従い繰り返し更新し、評価対象誤差E(p)の減少量がある閾値以下になったときに、最適化処理を打ち切り計算終了とする。なお、内部パラメータpを更新すると、その都度S5に戻りS5〜S8の処理を繰り返し、S8において評価対象誤差E(p)の減少量がある閾値以下になり作業終了となるまで内部パラメータpを繰り返し更新する。これにより、評価対象誤差E(p)を最小にする内部パラメータpが得られる。
この実施の形態では、カメラの内部パラメータpを最適化するのに、評価対象誤差E(p)を最小化する非線形最適化アルゴリズムを用い、評価対象誤差E(p)の減少量がある閾値以下になったかどうかを判定基準として、該判定基準を満たすまで内部パラメータpを更新する。このため、内部パラメータ修正処理部11にて、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータpを自動的に更新して、内部パラメータpを容易に高精度に収束させて最適化できると共に、作業者による手作業での更新に比べ、格段に時間短縮が可能となる。
なお、内部パラメータ12aの最適化のための自動更新の手法は、上記実施の形態で示した非線形最適化アルゴリズムに限るものではなく、上記実施の形態2、3で生成した参照用データに基づいて、予め設定した基準により、内部パラメータ12aから所定の変数および該変数の修正量を決定することで、作業者10を介さずに、自動的に内部パラメータ12aを更新しても良い。この場合も、S8において基準を満たして作業終了となるまでS5〜S9の処理を繰り返し、各基準尺3の寸法測定値6a〜6cを更新された内部パラメータ12aを用いて再計測し、実測値との誤差に基づく評価値により比較結果を判定する。これにより、内部パラメータ修正処理部11にて、内部パラメータ保持部12内の内部パラメータ12aを自動的に更新して、容易に高精度に最適化できる。
なお、この場合、生成された参照用データは内部パラメータ修正処理部11にて用いられるが、外部に対して表示させなくても良い。
この発明の実施の形態1によるカメラキャリブレーション装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1によるカメラキャリブレーション方法を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1によるキャリブレーションパターンを示す図である。 この発明の実施の形態1によるカメラキャリブレーション装置におけるデータ処理を説明する図である。 この発明の実施の形態1によるカメラキャリブレーションの際に、表示させる図である。 この発明の実施の形態2によるカメラキャリブレーション装置により表示させる修正感度表を示す図である。 この発明の実施の形態2によるカメラキャリブレーション装置により表示させる1変数最適化支援表を示す図である。
符号の説明
1 カメラ、2 複数の特定点としてのキャリプレーションパターン、3 基準尺、
4a 画像入力手段としての画像取り込み部、4b 画像座標検出部、
5 カメラ位置検出部、5a カメラ位置、6 基準尺寸法計算部、
6a〜6c 基準尺寸法測定値、7 基準尺寸法保持部、
8 比較結果出力手段としての寸法比較処理部、9 比較結果表示部、
11 パラメータ更新手段としての内部パラメータ修正処理部、
12 内部パラメータ保持部、12a 内部パラメータ、
13 キャリブレーション装置。

Claims (9)

  1. カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定するカメラキャリブレーション方法において、上記カメラの内部パラメータとして所定の初期値を設定する第1のステップと、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に、上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影して画像データを得る第2のステップと、該得られた画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する第3のステップと、上記各特定点のワールド座標系位置、該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出する第4のステップと、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、その時点のカメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する第5のステップと、該計測された上記基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出し、該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうか判定する第6のステップと、上記評価対象誤差が該基準を満たさないとき、上記カメラ内部パラメータを上記評価対象誤差が小さくなるように更新する第7のステップとを備え、上記第6のステップで上記評価対象誤差が上記基準を満たすまで、上記第3〜第7のステップを繰り返すことを特徴とするカメラキャリブレーション方法。
  2. 上記基準尺を複数個設け、上記第2のステップにおいて、該全ての基準尺を上記複数の特定点と共に上記カメラにより上記複数の撮影ポイントから撮影するか、あるいは、上記複数個の基準尺を分割して、各分割された基準尺を上記複数の特定点と共に上記カメラによりそれぞれ上記複数の撮影ポイントから撮影するものとし、上記第6、第7のステップで用いる評価対象誤差は上記複数の基準尺に対応する各評価対象誤差を複合したものとすることを特徴とする請求項1記載のカメラキャリブレーション方法。
  3. 上記複数の基準尺は、ほぼ直交する2方向あるいは3方向に沿って配置されることを特徴とする請求項2記載のカメラキャリブレーション方法。
  4. 上記基準尺は、両端の2点による基準点で構成され、該基準尺の寸法は、該両端の基準点間の距離であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカメラキャリブレーション方法。
  5. 上記第7のステップでの上記カメラ内部パラメータの更新は、上記評価対象誤差を最小化する非線形最適化アルゴリズムに従う演算にて行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のカメラキャリブレーション方法。
  6. カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定するカメラキャリブレーション装置において、上記カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定して、上記評価誤差及び判定結果を出力する比較結果出力手段と、外部からの入力により上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備えたことを特徴とするカメラキャリブレーション装置。
  7. 上記パラメータ更新手段では、上記比較結果出力手段において上記評価対象誤差が上記基準を満たさないと判定された場合に、上記カメラ内部パラメータを更新可能とし、該カメラ内部パラメータが更新されると、上記カメラ位置検出手段および上記基準尺寸法計測手段が順次動作して、上記基準尺の寸法測定値を上記更新されたカメラ内部パラメータを用いて再計測し、上記比較結果出力手段により結果を再出力することを特徴とする請求項6記載のカメラキャリブレーション装置。
  8. カメラ画像を用いたステレオ法による測量で使用するカメラの内部パラメータを同定するカメラキャリブレーション装置において、上記カメラ内部パラメータとして、与えられた初期値から順次更新される最新のカメラ内部パラメータを格納する内部パラメータ保持部と、想定される測量対象領域内に配された実寸法値が既知の基準尺を、ワールド座標系での位置が既知の複数の特定点と共に上記カメラにより複数の位置及び姿勢の撮影ポイントから撮影された画像データを入力する画像入力手段と、該入力された画像データから上記複数の特定点および上記基準尺にそれぞれ対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系内の位置を検出する画像座標検出手段と、上記各特定点のワールド座標系位置、上記画像座標検出手段にて検出され該各特定点に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および、上記内部パラメータ保持部内のカメラ内部パラメータに基づいて、上記複数の撮影ポイントの各位置を求め、それらの相対位置及び姿勢を算出するカメラ位置検出手段と、該算出された上記複数の撮影ポイントの相対位置及び姿勢、上記画像座標検出手段にて検出され上記基準尺に対応する上記撮影ポイント毎の画像座標系位置、および上記カメラ内部パラメータに基づいて、ステレオ法により上記基準尺の3次元位置を算出して該基準尺の寸法測定値を計測する基準尺寸法計測手段と、該基準尺の寸法測定値と上記既知の実寸法値とを比較して評価対象誤差を算出すると共に該評価対象誤差が予め設定された基準を満たすかどうかを判定する比較判定手段と、所定の演算により上記評価対象誤差が減少するように上記カメラ内部パラメータを更新するパラメータ更新手段とを備え、上記比較判定手段にて上記評価対象誤差が上記基準を満たさないと判定された場合に、上記パラメータ更新手段は上記カメラ内部パラメータを更新し、該更新により上記カメラ位置検出手段および上記基準尺寸法計測手段が順次動作して、上記基準尺の寸法測定値を上記更新されたカメラ内部パラメータを用いて再計測し、上記比較判定手段により上記評価対象誤差を再算出して判定する一連の処理を、該評価対象誤差が上記基準を満たすと判定されるまで繰り返し行うことを特徴とするカメラキャリブレーション装置。
  9. 上記パラメータ更新手段は、上記評価対象誤差を最小化する非線形最適化アルゴリズムを上記所定の演算として用い、該非線形最適化アルゴリズムに従って上記カメラ内部パラメータを更新することを特徴とする請求項記載のカメラキャリブレーション装置。
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