JP7044016B2 - Line sensor camera calibration device and method - Google Patents
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Description
本発明は、画像処理分野において、ラインセンサカメラのキャリブレーションを行う装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for calibrating a line sensor camera in the field of image processing.
下記非特許文献1では、カメラのキャリブレーション方法として、エリアカメラで平面マーカを様々な位置姿勢で撮影することにより、各撮影毎の外部パラメータ及びカメラの内部パラメータを求める提案を行っている。 In Non-Patent Document 1 below, as a camera calibration method, it is proposed to obtain an external parameter and an internal parameter of the camera for each shooting by shooting a plane marker in various positions and postures with an area camera.
また、下記特許文献1には、校正用パターンを計測対象物に投影し、計測対象物を撮影し、撮影画像を画像解析して特徴点を抽出し、取得した複数の特徴点に基づいて三次元計測に必要なパラメータのうちの少なくとも一つを推定するようにした校正装置、方法及びプログラムにおいて、全てのパラメータを未知数とすると不定性があり、値が一意に決まらないため、評価関数に正則化項をつけるなどして最適化を行うことが記載されている。 Further, in Patent Document 1 below, a calibration pattern is projected onto a measurement object, the measurement object is photographed, the photographed image is image-analyzed to extract feature points, and a tertiary feature point is extracted based on the acquired plurality of feature points. In a calibrator, method and program that estimates at least one of the parameters required for the original measurement, if all the parameters are unknown, there is indeterminacy and the values are not uniquely determined, so the evaluation function is regular. It is described that optimization is performed by adding a chemical term.
また、下記特許文献2には、対象画像から一部の画像領域を指定し、指定された画像領域からエッジを抽出し、エッジ位置の画像上の座標及び強度に基づいて歪み係数を算出するようにした撮影パラメータ測定方法及び装置並びに記録媒体において、各エッジにおける強度を、歪み係数を算出する処理における重み付けに用いることが記載されている。 Further, in Patent Document 2 below, a part of the image area is designated from the target image, an edge is extracted from the designated image area, and the distortion coefficient is calculated based on the coordinates and intensity of the edge position on the image. It is described that the intensity at each edge is used for weighting in the process of calculating the strain coefficient in the imaging parameter measuring method and apparatus and the recording medium.
また、下記特許文献3には、キャリブレーション用マーカを用いてラインセンサカメラの内部パラメータを校正するようにしたラインセンサカメラのキャリブレーション装置及び方法が記載されている。 Further, Patent Document 3 below describes a calibration device and method for a line sensor camera in which the internal parameters of the line sensor camera are calibrated using a calibration marker.
非特許文献1に記載のキャリブレーション方法は、平面マーカを様々な位置姿勢で撮影し、内部パラメータと各撮影の外部パラメータを非線形最適化手法によって解く方法である。平面マーカを用いるためマーカの作成が容易なこと、複数回の撮影を行うため焦点距離などを高精度に推定できることといったメリットがある。これらの特徴から、非特許文献1の方法はカメラのキャリブレーション方法として現在最も用いられている。しかしながら、この方法はラインセンサカメラには対応していなかった。例えば、ラインセンサカメラにおいて、非特許文献1の方法のように平面マーカを用いると、焦点距離などの算出が不安定になるという問題があった。 The calibration method described in Non-Patent Document 1 is a method in which plane markers are photographed in various positions and orientations, and internal parameters and external parameters of each imaging are solved by a nonlinear optimization method. Since the planar marker is used, it is easy to create a marker, and since multiple shootings are performed, the focal length and the like can be estimated with high accuracy. Due to these characteristics, the method of Non-Patent Document 1 is currently most used as a camera calibration method. However, this method has not been compatible with line sensor cameras. For example, in a line sensor camera, if a plane marker is used as in the method of Non-Patent Document 1, there is a problem that the calculation of the focal length and the like becomes unstable.
また、特許文献1に記載のものは、評価関数に正則化項を付けるなどして最適化を行うことで安定的にパラメータを求める方法であるが、各パラメータをどの程度正則化項として重要視するかといった事前知識については特に考慮されていなかった。 Further, the method described in Patent Document 1 is a method of stably obtaining parameters by performing optimization such as adding a regularization term to the evaluation function, but how important each parameter is as a regularization term. No particular consideration was given to prior knowledge such as whether to do so.
また、特許文献2に記載のものは、評価関数に重み付けを取り入れる点で正則化に重み付けをする本発明の考え方と類似しているが、本発明とは、重み付けをする箇所および考え方が異なる。また、パラメータの値を直接的に安定的に推定する機能がないという問題があった。 Further, what is described in Patent Document 2 is similar to the idea of the present invention in which the regularization is weighted in that the weighting is incorporated into the evaluation function, but the place and the idea of weighting are different from the present invention. In addition, there is a problem that there is no function to directly and stably estimate the value of the parameter.
また、特許文献3に記載のものは、エリアカメラに比べ情報量の少ないラインセンサカメラでマーカ画像を複数枚撮影するだけでキャリブレーションが可能な装置だが、歪み係数が極端に大きくなったり焦点距離が実際の値と大きく異なったりということが撮影画像によっては起こり得るという問題があった。 Further, the device described in Patent Document 3 is a device capable of calibrating by simply taking a plurality of marker images with a line sensor camera having a smaller amount of information than an area camera, but the distortion coefficient becomes extremely large and the focal length becomes extremely large. However, there is a problem that it may occur depending on the captured image that the value is significantly different from the actual value.
このようなことから本発明は、ラインセンサカメラのキャリブレーションを安定して行うことが可能なラインセンサカメラのキャリブレーション装置及び方法を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a calibration device and method for a line sensor camera capable of stably calibrating the line sensor camera.
上記課題を解決する第1の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置は、
ラインセンサカメラの撮像範囲となる2次元平面上での2次元平面座標が既知の複数の検出点を有する立体マーカと、
前記立体マーカを前記ラインセンサカメラで撮像した複数の画像に基づいて、前記ラインセンサカメラのキャリブレーション用の内部パラメータ及び外部パラメータを算出する処理部とを有し、
前記処理部は、
位置及び姿勢が各々異なる前記立体マーカの前記画像が各々入力される画像入力部と、
前記立体マーカの前記検出点の前記画像上の1次元画像座標を前記画像毎に算出する計測座標算出部と、
前記2次元平面座標から前記1次元画像座標へ変換する前記ラインセンサカメラの数式モデルに基づいて求めた変換行列について、前記変換行列における初期の内部パラメータとして既知の初期値を入力し、線形解法により前記変換行列から初期の外部パラメータを前記画像毎に算出する外部パラメータ算出部と、
前記数式モデルに基づいて求めたレンズ歪みを考慮した誤差関数に、前記内部パラメータを考慮した値を加算してなる評価関数について、前記評価関数に前記初期の内部パラメータ及び前記初期の外部パラメータを入力し、前記検出点の全数及び前記画像の全数についての前記誤差関数の総和に前記内部パラメータを考慮した値を加算した評価関数が最小となる前記内部パラメータ及び前記外部パラメータを、反復計算を用いた非線形解法により算出する非線形最小二乗部とを有する
ことを特徴とする。
The calibration device for the line sensor camera according to the first invention, which solves the above problems, is
A three-dimensional marker having a plurality of detection points whose two-dimensional plane coordinates on the two-dimensional plane which is the imaging range of the line sensor camera are known, and
It has a processing unit for calculating internal parameters and external parameters for calibration of the line sensor camera based on a plurality of images of the three-dimensional marker captured by the line sensor camera.
The processing unit
An image input unit in which the images of the three-dimensional markers having different positions and postures are input, and
A measurement coordinate calculation unit that calculates the one-dimensional image coordinates of the detection point of the three-dimensional marker on the image for each image, and the measurement coordinate calculation unit.
For the transformation matrix obtained based on the mathematical model of the line sensor camera that converts the two-dimensional plane coordinates to the one-dimensional image coordinates, input known initial values as the initial internal parameters in the transformation matrix, and use a linear solution method. An external parameter calculation unit that calculates initial external parameters from the transformation matrix for each image,
For an evaluation function obtained by adding a value considering the internal parameters to an error function considering the lens distortion obtained based on the mathematical model, the initial internal parameters and the initial external parameters are input to the evaluation function. Then, the internal parameter and the external parameter, which minimizes the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameter to the sum of the error functions for the total number of the detection points and the total number of the images, were repeatedly calculated. It is characterized by having a non-linear minimum squared part calculated by a non-linear solution method.
上記課題を解決する第2の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置は、
上記第1の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置において、
前記評価関数は、レンズの焦点距離の大きさ、レンズの主点座標の位置及びレンズの歪み係数の大きさにそれぞれ重み付けをして前記誤差関数に加算したものである
ことを特徴とする。
The calibration device for the line sensor camera according to the second invention, which solves the above problems, is
In the calibration device for the line sensor camera according to the first invention.
The evaluation function is characterized in that the magnitude of the focal length of the lens, the position of the principal point coordinates of the lens, and the magnitude of the distortion coefficient of the lens are each weighted and added to the error function.
上記課題を解決する第3の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置は、
上記第1または第2の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置において、
前記立体マーカは、L字型の形状であり、L字型に折れ曲がった内側の面に前記複数の検出点が配置されている
ことを特徴とする。
The calibration device for the line sensor camera according to the third invention, which solves the above problems, is
In the calibration device for the line sensor camera according to the first or second invention.
The three-dimensional marker has an L-shaped shape, and is characterized in that the plurality of detection points are arranged on an inner surface that is bent into an L-shape.
上記課題を解決する第4の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置は、
上記第1から第3のいずれか一つの発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置において、
前記数式モデルは、ピンホールカメラモデルを用いたものである
ことを特徴とする。
The calibration device for the line sensor camera according to the fourth invention, which solves the above problems, is
In the calibration device for the line sensor camera according to any one of the first to third inventions.
The mathematical model is characterized by using a pinhole camera model.
上記課題を解決する第5の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法は、
ラインセンサカメラの撮像範囲となる2次元平面上での2次元平面座標が既知の複数の検出点を有する立体マーカを前記ラインセンサカメラで撮像した複数の画像に基づいて、前記ラインセンサカメラのキャリブレーション用の内部パラメータ及び外部パラメータを算出するラインセンサカメラのキャリブレーション方法であって、
位置及び姿勢が各々異なる前記立体マーカの前記画像が各々入力される画像入力工程と、
前記立体マーカの前記検出点の前記画像上の1次元画像座標を前記画像毎に算出する計測座標算出工程と、
前記2次元平面座標から前記1次元画像座標へ変換する前記ラインセンサカメラの数式モデルに基づいて求めた変換行列について、前記変換行列における初期の内部パラメータとして既知の初期値を入力し、線形解法により前記変換行列から初期の外部パラメータを前記画像毎に算出する外部パラメータ算出工程と、
前記数式モデルに基づいて求めたレンズ歪みを考慮した誤差関数に、前記内部パラメータを考慮した値を加算してなる評価関数について、前記評価関数に前記初期の内部パラメータ及び前記初期の外部パラメータを入力し、前記検出点の全数及び前記画像の全数についての前記誤差関数の総和に前記内部パラメータを考慮した値を加算した評価関数が最小となる前記内部パラメータ及び前記外部パラメータを、反復計算を用いた非線形解法により算出する非線形最小二乗工程とを有する
ことを特徴とする。
The method for calibrating the line sensor camera according to the fifth invention, which solves the above problems, is
Calibration of the line sensor camera based on a plurality of images taken by the line sensor camera of a three-dimensional marker having a plurality of detection points whose two-dimensional plane coordinates are known on the two-dimensional plane which is the imaging range of the line sensor camera. A line sensor camera calibration method that calculates internal and external parameters for the camera.
An image input step in which the images of the three-dimensional markers having different positions and postures are input, and
A measurement coordinate calculation step of calculating the one-dimensional image coordinates of the detection point of the three-dimensional marker on the image for each image, and
For the transformation matrix obtained based on the mathematical model of the line sensor camera that converts the two-dimensional plane coordinates to the one-dimensional image coordinates, input known initial values as the initial internal parameters in the transformation matrix, and use a linear solution method. An external parameter calculation step of calculating the initial external parameters from the transformation matrix for each image, and
For an evaluation function obtained by adding a value considering the internal parameters to an error function considering the lens distortion obtained based on the mathematical model, the initial internal parameters and the initial external parameters are input to the evaluation function. Then, the internal parameter and the external parameter, which minimizes the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameter to the sum of the error functions for the total number of the detection points and the total number of the images, were repeatedly calculated. It is characterized by having a non-linear minimum square step calculated by a non-linear solution method.
上記課題を解決する第6の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法は、
上記第5の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法において、
前記評価関数として、レンズの焦点距離の大きさ、レンズの主点座標の位置及びレンズの歪み係数の大きさにそれぞれ重み付けをして前記誤差関数に加算したものを用いる
ことを特徴とする。
The method for calibrating the line sensor camera according to the sixth invention for solving the above problems is as follows.
In the calibration method of the line sensor camera according to the fifth aspect of the invention.
The evaluation function is characterized in that the size of the focal length of the lens, the position of the principal point coordinates of the lens, and the size of the distortion coefficient of the lens are each weighted and added to the error function.
上記課題を解決する第7の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法は、
上記第5または第6の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法において、
前記立体マーカとして、L字型の形状であって、L字型に折れ曲がった内側の面に前記複数の検出点が配置されているものを用いる
ことを特徴とする。
The method for calibrating the line sensor camera according to the seventh invention, which solves the above problems, is
In the calibration method of the line sensor camera according to the fifth or sixth invention.
The three-dimensional marker is characterized by using an L-shaped marker in which the plurality of detection points are arranged on an inner surface bent into an L-shape.
上記課題を解決する第8の発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法は、
上記第5から第7のいずれか一つの発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法において、
前記数式モデルとして、ピンホールカメラモデルを用いる
ことを特徴とする。
The method for calibrating the line sensor camera according to the eighth invention for solving the above problems is as follows.
In the calibration method of the line sensor camera according to any one of the fifth to seventh inventions.
A pinhole camera model is used as the mathematical model.
本発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置及び方法によれば、ラインセンサカメラのキャリブレーションを安定して行うことができる。 According to the calibration device and method for the line sensor camera according to the present invention, the line sensor camera can be calibrated in a stable manner.
カメラを用いた計測を行う際、カメラの焦点距離、主点座標、歪み係数などといったカメラパラメータを事前に求めることは必須であり、これを求めることをカメラキャリブレーションという。なお、以降、カメラキャリブレーションを、単に、キャリブレーションと呼ぶ。 When making measurements using a camera, it is essential to obtain camera parameters such as the focal length, principal point coordinates, and distortion coefficient of the camera in advance, and obtaining this is called camera calibration. Hereinafter, camera calibration is simply referred to as calibration.
本発明では、非特許文献1の方法のように、ラインセンサカメラのキャリブレーションに、マーカの複数回撮影と非線形最適化手法によるカメラパラメータ算出を導入する。しかしながら、非特許文献1の方法はエリアカメラを前提としているため、この方法をそのままラインセンサカメラのキャリブレーションに導入することはできない。例えば、ラインセンサカメラでは、次元数が少ないため、回転行列の直交性を活用できず、又、ラインセンサカメラがキャリブレーション用の平面マーカをチェスボード状に撮影できないため、焦点距離と外部パラメータ算出が不安定になることが問題となる。そこで、本発明では、キャリブレーション用として、立体マーカを用いている。 In the present invention, as in the method of Non-Patent Document 1, the camera parameter calculation by the multiple shooting of the marker and the nonlinear optimization method is introduced into the calibration of the line sensor camera. However, since the method of Non-Patent Document 1 is premised on an area camera, this method cannot be directly introduced into the calibration of a line sensor camera. For example, in a line sensor camera, the number of dimensions is small, so the orthogonality of the rotation matrix cannot be utilized, and since the line sensor camera cannot take a chessboard-like image of a plane marker for calibration, the focal length and external parameters are calculated. The problem is that it becomes unstable. Therefore, in the present invention, a three-dimensional marker is used for calibration.
又、本発明では、カメラモデルとして、ピンホールカメラモデルを用いる。但し、本発明では、ラインセンサカメラを使うため、通常のエリアカメラでは撮像範囲の3次元空間が2次元画像になるのに対して、ラインセンサカメラでは撮像範囲の2次元平面が1次元画像となる。そして、撮像範囲の2次元平面上に立体マーカを設置することで、求める外部パラメータを、回転が1軸、平行移動が2次元とすることができる。 Further, in the present invention, a pinhole camera model is used as the camera model. However, in the present invention, since the line sensor camera is used, the three-dimensional space of the imaging range becomes a two-dimensional image in the normal area camera, whereas the two-dimensional plane of the imaging range becomes the one-dimensional image in the line sensor camera. Become. Then, by installing the three-dimensional marker on the two-dimensional plane of the imaging range, the external parameters to be obtained can be set to one axis for rotation and two dimensions for translation.
ここで、本発明の装置構成を図1に示すと共に、図1に示す構成における数式モデルを下記式(1)に示す。なお、図1に示す本発明の装置構成の詳細については後述する。 Here, the apparatus configuration of the present invention is shown in FIG. 1, and the mathematical model in the configuration shown in FIG. 1 is shown in the following equation (1). The details of the apparatus configuration of the present invention shown in FIG. 1 will be described later.
又、下記の式(1)~(17)の式中において、ボールド体(太字)ではないアルファベットはスカラーであり、ボールド体(太字)の小文字のアルファベットはベクトルであり、ボールド体(太字)の大文字のアルファベットは行列である。なお、文書中においては、ボールド体(太字)を使用できないので、通常の書式とし、該当するアルファベットの直後に“(ボールド体)”と付記している。 Further, in the following equations (1) to (17), the alphabet that is not bold (bold) is a scalar, and the lowercase alphabet of bold (bold) is a vector, and the bold alphabet (bold). The uppercase alphabet is a matrix. In addition, since bold type (bold type) cannot be used in the document, the normal format is used and "(bold type)" is added immediately after the corresponding alphabet.
図1において、ラインセンサカメラ10は1ラインしか撮像を行わないため、撮像範囲は3次元空間上では2次元平面11となる。この2次元平面11上のL字マーカ20のオブジェクト座標系(2次元平面座標系)をX軸、Y軸で表現し、ラインセンサカメラ10のカメラ座標系(1次元画像座標系)を、ラインセンサカメラ10の光軸方向の軸wに直交し、撮像範囲の2次元平面11と並行なu軸で表現している。又、オブジェクト座標系とカメラ座標系間の回転行列をR(ボールド体)(回転軸は1軸でその角度はθ)、並進ベクトルをt(ボールド体)(2次元ベクトルで、その要素はt1、t2)とする。
In FIG. 1, since the
ここで、sはスケーリング係数、fは焦点距離、cは主点座標、uは実際に観測されたカメラ座標系における位置(ピクセル座標における計測座標)、X、Yはオブジェクト座標系における位置(L字マーカ20の実空間(2次元平面11)上における真値座標)である。
Here, s is a scaling coefficient, f is a focal distance, c is a principal point coordinate, u is a position in an actually observed camera coordinate system (measured coordinates in pixel coordinates), and X and Y are positions in an object coordinate system (L). It is the true value coordinates in the real space (two-dimensional plane 11) of the
上記式(1)は、L字マーカ20のオブジェクト座標(2次元平面座標)からラインセンサカメラ10のカメラ座標(1次元画像座標)へ変換する数式モデルとなっている。但し、上記式(1)では、ラインセンサカメラ10のレンズの歪みが考慮されていない。そこで、下記式(2)のように(x,y)を定義すると、下記式(3)~(5)のように歪みを表すことができる。なお、k1~k3は半径歪み係数である。また、レンズの歪みについては、非特許文献2(特に、51頁)を参考にしている。
The above equation (1) is a mathematical model for converting the object coordinates (two-dimensional plane coordinates) of the L-shaped
上記式(1)~(5)について展開したいが、式(5)にx”をそのまま代入できないため、次式(5)’を式(4)に代入する。式(1)~(3)についても式(4)に代入すると下記式(6)となる。 I would like to expand the above equations (1) to (5), but since x "cannot be substituted into equation (5) as it is, the following equation (5)'is substituted into equation (4). Equations (1) to (3) Is also substituted into the equation (4) to obtain the following equation (6).
このカメラモデルでキャリブレーションを行う場合には、単位焦点距離面での誤差最小化を行うことになり、下記式(7)が最小となるように、レーベンバーグマーカート法により、内部及び外部パラメータを求めることとなる。 When calibrating with this camera model, the error in the unit focal length plane will be minimized, and the internal and external parameters will be minimized by the Levenberg-Marquardt method so that the following equation (7) is minimized. Will be sought.
上記式(7)において、Mは画像の撮影回数、Nは各撮影において取得される特徴点数(白黒帯23の検出点数)である。上記式(7)は、上記式(6)に基づく誤差関数を、撮像した画像の全数M及び検出点の全数Nについて総和したものとなる。 In the above equation (7), M is the number of times the image is taken, and N is the number of feature points (the number of detected points of the black and white band 23) acquired in each picture. The above equation (7) is the sum of the error functions based on the above equation (6) for the total number M of the captured images and the total number N of the detection points.
ここで、立体マーカを用いて実際にキャリブレーションを行ってみると立体マーカを用いるだけでは解が不安定になることを完全には防げないことが分かった。ここで不安定というのは「焦点距離はレンズに定められた初期値から大きくは変化しないはずだ」、「レンズの歪み係数k1,k2,k3は極端に大きな値にはならず、またレンズの歪み係数k1,k2,k3は一般的にk1>k2>k3となることが多い」というカメラキャリブレーションを行う熟練者であれば知っている一般的な知識から大きく外れることを指す。 Here, when the calibration was actually performed using the steric marker, it was found that the solution could not be completely prevented from becoming unstable just by using the steric marker. Unstable here means that "the focal length should not change significantly from the initial value set for the lens", "the distortion coefficients k 1 , k 2 , k 3 of the lens do not become extremely large values, and In addition, the distortion coefficients k 1 , k 2 , and k 3 of the lens are generally k 1 > k 2 > k 3 "from the general knowledge known to those who are experts in camera calibration. It means that it deviates greatly.
すなわち、上記式(7)が最小になるパラメータを最適化処理で求めると、パラメータが非現実的な値になる可能性があった。そこで本実施例では、上記式(6)に基づく誤差関数に、「焦点距離fはレンズの規定値f0から大きくは変わらない」、「主点座標cは(カメラによるが)画像中心c0の近くである」、「レンズの歪み係数k1,k2,k3は極端に大きな数字にはならない」、「レンズの歪み係数の大きさはk1>k2>k3となることが多い」等の専門家の知識を導入した評価関数(下記式(8))が最小となるように、レーベンバーグマーカート法により内部及び外部パラメータを求めることとした。 That is, if the parameter that minimizes the above equation (7) is obtained by the optimization process, the parameter may have an unrealistic value. Therefore, in this embodiment, the error function based on the above equation (6) is that "the focal length f does not change significantly from the specified value f 0 of the lens" and "the principal point coordinate c is the image center c 0 (depending on the camera)". "The distortion coefficient of the lens k 1 , k 2 , k 3 is not an extremely large number", "The magnitude of the distortion coefficient of the lens is k 1 > k 2 > k 3 " It was decided to obtain the internal and external parameters by the Lebenberg Marcart method so that the evaluation function (the following equation (8)) that introduced the knowledge of experts such as "many" is minimized.
上記式(8)において、wfは焦点距離の正則化項の重み係数、wcは主点座標の正則化項の重み係数、c0は主点座標の既定値、wk1は歪み係数k1の正則化項の重み係数、wk2は歪み係数k2の正則化項の重み係数、wk3は歪み係数k3の正則化項の重み係数である。 In the above equation (8), w f is the weighting coefficient of the regularization term of the focal distance, w c is the weighting coefficient of the regularization term of the main point coordinates, c 0 is the default value of the main point coordinates, and w k 1 is the distortion coefficient k. 1 is the weighting coefficient of the regularized term, w k2 is the weighting coefficient of the regularized term of the strain coefficient k 2 , and w k 3 is the weighting coefficient of the regularized term of the strain coefficient k 3 .
上記式(8)を用いることで、誤差が小さいだけでなく、焦点距離の大きさ、主点座標の位置、歪み係数の大きさ等の内部パラメータを考慮したキャリブレーションを行うことができる。また各内部パラメータ(ここでは、焦点距離の大きさ、主点座標の位置、歪み係数の大きさ)に重み付けをすることで、焦点距離の大きさ、主点座標の位置、歪み係数の大きさのうち、どのパラメータを重要視するかを必要に応じて設定することができ、これにより、設計者や専門家の知識を導入することができる。なお、上記式(8)ではL2ノルムと呼ばれる二乗の指標を用いたが、L1ノルムと呼ばれる絶対値指標を使用することも有効である。 By using the above equation (8), not only the error is small, but also calibration can be performed in consideration of internal parameters such as the size of the focal length, the position of the principal point coordinates, and the size of the strain coefficient. In addition, by weighting each internal parameter (here, the size of the focal length, the position of the principal point coordinates, the size of the strain coefficient), the size of the focal length, the position of the principal point coordinates, and the size of the strain coefficient are weighted. Of these, which parameter is important can be set as needed, which can introduce the knowledge of designers and experts. Although the square index called the L2 norm is used in the above equation (8), it is also effective to use the absolute value index called the L1 norm.
次に、上述した内部及び外部パラメータが全て校正済み(キャリブレーション済み)の場合に、計測座標uが得られた時のX、Yについて求める。これは、上記式(6)をX、Yの形になるように解けばよいが、上記式(6)にはX、Y両方が含まれているため、このままでは解くことができない。そこで、L字マーカ20の検出点では、X、Yの2次元平面11上の真値座標がどちらかは0であることを利用し、真値座標が0となる方向で得られたパラメータによって算出される値も0と仮定して解く。その結果、上記式(6)は下記式(9)、(10)となり、解析的にX、Yの値を求めることができた。ここで、x’やx”は上記式(3)~(5)で定義された値である。
Next, when all the above-mentioned internal and external parameters have been calibrated (calibrated), X and Y when the measurement coordinates u are obtained are obtained. This may be solved by solving the above equation (6) in the form of X and Y, but since the above equation (6) includes both X and Y, it cannot be solved as it is. Therefore, at the detection point of the L-shaped
次に、外部パラメータを撮影毎に求める方法について述べる。並進と回転を表す変換行列を下記式(11)とすると、上記式(1)に基づいて、変換行列は下記式(12)で表すことができる。 Next, a method of obtaining external parameters for each shooting will be described. Assuming that the transformation matrix representing translation and rotation is the following equation (11), the transformation matrix can be expressed by the following equation (12) based on the above equation (1).
これを展開、整理すると、下記式(13)となる。 When this is expanded and organized, the following equation (13) is obtained.
ここで、スケールが次数を1つ減らせる性質を利用し、3本以上の同時方程式を立てることで変換行列を解くことができる。実際には、L字マーカ20の座標は3点以上あるが、この場合、方程式と未知数の数が一致しない。そこで、最小二乗法を用いる。二乗誤差をE、各計測点で生じる誤差ベクトルをe(ボールド体)、マーカの座標数をnとし、下記式(14)で表す行列を用いると、二乗誤差Eを下記式(15)で表すことができる。なお、“T”は、転置行列を表す記号である。
Here, the transformation matrix can be solved by constructing three or more simultaneous equations by utilizing the property that the scale can reduce the order by one. Actually, the coordinates of the L-shaped
二乗誤差Eを最小化するためのベクトルは、BTB(ボールド体)の最小の固有値に対応する固有ベクトルとなる。そこで、解となる固有ベクトルを求めるため、特異値分解を用いる。これは下記式(16)となる。ここで、U(ボールド体)は左特異行列、V(ボールド体)は右特異行列、Σ(ボールド体)は特異値行列であり、I(ボールド体)は単位行列である。これにより、BTB(ボールド体)は下記式(17)で表すことができる。 The vector for minimizing the square error E is the eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue of BTB (bold body). Therefore, singular value decomposition is used to obtain the eigenvector to be the solution. This is given by the following equation (16). Here, U (bold form) is a left singular matrix, V (bold form) is a right singular matrix, Σ (bold form) is a singular value matrix, and I (bold form) is an identity matrix. As a result, the BTB (bold body) can be expressed by the following equation (17).
この結果より、固有ベクトルが右特異行列V(ボールド体)の右特異ベクトルと同じになり、固有値が特異値の二乗と同じになることが分かる。このことから、特異値分解を使うことで、変換行列を求めることができる。 From this result, it can be seen that the eigenvector is the same as the right singular vector of the right singular matrix V (bold), and the eigenvalue is the same as the square of the singular value. From this, the transformation matrix can be obtained by using the singular value decomposition.
実際の外部パラメータとするには、スケール不定及びt2>0のため、t2で正規化を行い、回転行列の性質より、(cosθ)2+(sinθ)2=1を使用して、回転と並進のパラメータを求める。 To make it an actual external parameter, the scale is indefinite and t 2 > 0, so normalization is performed at t 2 , and due to the nature of the rotation matrix, (cos θ) 2 + (sin θ) 2 = 1 is used for rotation. And find the translation parameters.
このように、ラインセンサカメラであっても、計測座標u、真値座標X、Y、焦点距離f、主点座標cが分かっていれば、線形解法で解を求めることができる。実際には、焦点距離f、主点座標cは最初には分からないため、適当な値を入力することで、初期の外部パラメータを求める。そして、最終的に、この初期の外部パラメータを初期値として、式(8)をレーベンバーグマーカート法によって解くことで、最終的な内部及び外部パラメータを得ることができる。 As described above, even with the line sensor camera, if the measurement coordinates u, the true value coordinates X and Y, the focal length f, and the principal point coordinates c are known, the solution can be obtained by the linear solution method. Actually, since the focal length f and the principal point coordinates c are not known at first, the initial external parameters are obtained by inputting appropriate values. Finally, the final internal and external parameters can be obtained by solving the equation (8) by the Levenberg-Marquart method with this initial external parameter as the initial value.
次に、上述した計算を行う本発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション装置及び方法について、図1及び図2を参照して以下に説明する。 Next, the calibration device and method of the line sensor camera according to the present invention for performing the above calculation will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.
[実施例1]
本実施例の装置は、ラインセンサカメラ10のキャリブレーション装置であり、図1に示すように、L字マーカ20と、処理システム30とを有し、処理システム30は、記憶部31、画像入力部32、計測座標算出部33、外部パラメータ算出部34及び非線形最小二乗部35を有している。
[Example 1]
The device of this embodiment is a calibration device of the
ラインセンサカメラ10は、CCD(Charge-Coupled Device)などの撮像素子が一次元の線状に配置され、1次元の線状に撮像対象物の画像を撮像するものである。
In the
L字マーカ20は、L字型の形状の立体マーカであり、その中央21で90°に折れ曲がり、折れ曲がった内側の面22に白黒帯23を有する剛体からなる。この白黒帯23は、中央21を中心に対称的に配置されると共に、内側の面22の長手方向に沿って交互に白黒となるように配置されており、白黒帯23の白黒の幅が既知、つまり、白黒帯23による複数の検出点が2次元平面11上における2次元平面座標で既知となっている。上述した非特許文献1の方法のように、平面マーカを用いる場合には焦点距離が不安定になるが、本実施例では、L字マーカ20をキャリブレーションに用いており、焦点距離を正確に算出可能となる。
The L-shaped
なお、本実施例では、L字型の立体マーカを用いているが、複数の検出点に奥行きを持たせることができ、かつ、全ての検出点の2次元平面11上のX、Yの真値座標のどちらかを必ず0とすることができれば、L字型の立体マーカに限らない。例えば、直方体や直角三角柱において、直角を挟む2辺の外面に図1に示したような白黒帯23を設けても良い。
Although an L-shaped three-dimensional marker is used in this embodiment, it is possible to give depth to a plurality of detection points, and the true X and Y on the two-
処理システム30において、記憶部31では、後述するように、ラインセンサカメラ10からの画像データ、各撮影でのL字マーカ20の白黒帯23の画像上の計測座標データ(計測座標u)、レンズ初期値、L字マーカ20の白黒帯23の真値座標X、Y、ラインセンサカメラ10の内部パラメータ(焦点距離f、主点座標c、歪み係数k1~k3)及び各撮影でのラインセンサカメラ10の外部パラメータ(回転θ、並進t1、t2)を保管する。記憶部31としては、RAM(Random Access memory)、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)などの記憶装置が使用可能である。
In the
又、画像入力部32では、ラインセンサカメラ10で取得したL字マーカ20の画像データが、ラインセンサカメラ10から入力されて、入力された画像データを記憶部31へ保管している。
Further, in the
又、計測座標算出部33では、ラインセンサカメラ10で撮像した画像データからL字マーカ20の白黒帯23(検出点)を検出し、各撮影でのL字マーカ20の白黒帯23(検出点)の画像上の計測座標u(1次元画像座標)を求め、計測座標データとして記憶部31へ保管する。なお、L字マーカ20の白黒帯23(検出点)の画像上の座標については、2値化処理やエッジ検出といった画像処理を行うことにより検出している。
Further, the measurement coordinate
又、外部パラメータ算出部34では、計測座標算出部33で算出した各撮影での計測座標u、レンズ初期値、L字マーカ20の白黒帯23(検出点)の真値座標X、Yから、上述した式(11)~(17)を用いて、各撮影でのラインセンサカメラ10の外部パラメータを求め、記憶部31へ保管している。
Further, in the external
又、非線形最小二乗部35では、計測座標算出部33で算出した各撮影での計測座標u、レンズ初期値、L字マーカ20の白黒帯23(検出点)の真値座標X、Y、外部パラメータ算出部34で求めた各撮影でのラインセンサカメラ10の外部パラメータを用い、最終的なラインセンサカメラ10の内部パラメータ及び各撮影でのラインセンサカメラ10の外部パラメータについて、上述した式(8)をレーベンバーグマーカート法により算出し、記憶部31へ保管している。
Further, in the non-linear minimum squared
次に、図1と共に図2を参照して、本発明に係るラインセンサカメラのキャリブレーション方法を説明する。 Next, the calibration method of the line sensor camera according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 together with FIG.
(ステップS1)
画像入力工程において、位置を固定したL字マーカ20に対し、様々な位置、姿勢(w軸周りの回転角θおよびu軸及びv軸に平行な向きの位置t1,t2の少なくともひとつが異なり、かつ、立体マーカ全体が撮影できる位置、姿勢)になるようにラインセンサカメラ10を設置し、それぞれの位置、姿勢での画像を撮像し、記憶部31へ保管する(画像入力部32)。撮像した画像の一例を図3A,図3Bに示す。L字マーカ20は、その位置を固定しているので、設置誤差は含まれないようになっている。
(Step S1)
In the image input process, at least one of various positions and postures (rotation angle θ around the w-axis and positions t1 and t2 parallel to the u-axis and v-axis is different from the L-shaped
(ステップS2)
計測座標算出工程において、撮影した画像毎に、L字マーカ20の白黒帯23(検出点)の検出処理を行い、L字マーカ20の白黒帯23(検出点)の画像上の計測座標u(1次元画像座標)を算出し、計測座標データとして記憶部31へ保管する(計測座標算出部33)。
(Step S2)
In the measurement coordinate calculation step, the black-and-white band 23 (detection point) of the L-shaped
(ステップS3)
外部パラメータ算出工程において、ラインセンサカメラ10の初期の内部パラメータとなるレンズ初期値として、焦点距離fをメーカの公表値、主点座標cを総画素数の半分、歪み係数k1~k3を全て0とし、撮影した画像毎に、上述した式(11)~(17)を用い、線形解法により初期の外部パラメータを算出し、記憶部31へ保管する(外部パラメータ算出部34)。
(Step S3)
In the external parameter calculation process, the focal length f is the manufacturer's published value, the principal point coordinate c is half the total number of pixels, and the distortion coefficients k 1 to k 3 are set as the lens initial values that are the initial internal parameters of the
(ステップS4)
非線形最小二乗工程において、上述した初期の内部パラメータ及びステップS3で算出した初期の外部パラメータを初期値として、撮影した画像毎に、上述した式(8)を用い、レーベンバーグマーカート法で最終的な内部及び外部パラメータを算出し、記憶部31へ保管する(非線形最小二乗部35)。
(Step S4)
In the nonlinear least squares step, the above-mentioned initial internal parameters and the initial external parameters calculated in step S3 are used as initial values, and the above-mentioned equation (8) is used for each photographed image, and the final result is obtained by the Levenberg-Marquart method. Internal and external parameters are calculated and stored in the storage unit 31 (nonlinear least squares unit 35).
本実施例は、1台のラインセンサカメラ10と1つのL字マーカ20を用い、以上の手順により、ラインセンサカメラ10の焦点距離f、主点座標c、歪み係数k1~k3といった内部パラメータを求めると共に、撮影毎のL字マーカ20の回転θ、平行移動t1、t2といった外部パラメータを求めることが可能となる。
In this embodiment, one
以上説明したように、本実施例では、誤差関数だけでなく内部パラメータの値も考慮した評価関数を最小化する非線形解法を用いることで、レンズの歪みを含む内部パラメータと外部パラメータとを安定的かつ同時に算出することが可能となる。また、内部パラメータの値を考慮する際に重み係数を導入することにより、どの内部パラメータについて重要視するかといった専門家の知識を導入することができ、より好適にキャリブレーションを行うことが可能となる。 As described above, in this embodiment, by using a nonlinear solution method that minimizes the evaluation function that considers not only the error function but also the value of the internal parameter, the internal parameter including the distortion of the lens and the external parameter are stable. Moreover, it is possible to calculate at the same time. In addition, by introducing a weighting coefficient when considering the value of the internal parameter, it is possible to introduce expert knowledge such as which internal parameter is important, and it is possible to perform calibration more appropriately. Become.
10 ラインセンサカメラ
20 L字マーカ
23 白黒帯
30 処理システム
31 記憶部
32 画像入力部
33 計測座標算出部
34 外部パラメータ算出部
35 非線形最小二乗部
10 Line sensor camera 20 L-shaped
Claims (8)
前記立体マーカを前記ラインセンサカメラで撮像した複数の画像に基づいて、前記ラインセンサカメラのキャリブレーション用の内部パラメータ及び外部パラメータを算出する処理部とを有し、
前記処理部は、
位置及び姿勢が各々異なる前記立体マーカの前記画像が各々入力される画像入力部と、
前記立体マーカの前記検出点の前記画像上の1次元画像座標を前記画像毎に算出する計測座標算出部と、
前記2次元平面座標から前記1次元画像座標へ変換する前記ラインセンサカメラの数式モデルに基づいて求めた変換行列について、前記変換行列における初期の内部パラメータとして既知の初期値を入力し、線形解法により前記変換行列から初期の外部パラメータを前記画像毎に算出する外部パラメータ算出部と、
前記数式モデルに基づいて求めたレンズ歪みを考慮した誤差関数に、前記内部パラメータを考慮した値を加算してなる評価関数について、前記評価関数に前記初期の内部パラメータ及び前記初期の外部パラメータを入力し、前記検出点の全数及び前記画像の全数についての前記誤差関数の総和に前記内部パラメータを考慮した値を加算した評価関数が最小となる前記内部パラメータ及び前記外部パラメータを、反復計算を用いた非線形解法により算出する非線形最小二乗部とを有する
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション装置。 A three-dimensional marker having a plurality of detection points whose two-dimensional plane coordinates on the two-dimensional plane which is the imaging range of the line sensor camera are known, and
It has a processing unit for calculating internal parameters and external parameters for calibration of the line sensor camera based on a plurality of images of the three-dimensional marker captured by the line sensor camera.
The processing unit
An image input unit in which the images of the three-dimensional markers having different positions and postures are input, and
A measurement coordinate calculation unit that calculates the one-dimensional image coordinates of the detection point of the three-dimensional marker on the image for each image, and the measurement coordinate calculation unit.
For the transformation matrix obtained based on the mathematical model of the line sensor camera that converts the two-dimensional plane coordinates to the one-dimensional image coordinates, input known initial values as the initial internal parameters in the transformation matrix, and use a linear solution method. An external parameter calculation unit that calculates initial external parameters from the transformation matrix for each image,
For the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameters to the error function considering the lens distortion obtained based on the mathematical model, the initial internal parameters and the initial external parameters are input to the evaluation function. Then, the internal parameter and the external parameter, which minimizes the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameter to the sum of the error functions for the total number of the detection points and the total number of the images, were repeatedly calculated. A line sensor camera calibration device characterized by having a non-linear minimum squared portion calculated by a non-linear solution method.
前記評価関数は、レンズの焦点距離の大きさ、レンズの主点座標の位置及びレンズの歪み係数の大きさにそれぞれ重み付けをして前記誤差関数に加算したものである
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション装置。 In the calibration device for the line sensor camera according to claim 1,
The evaluation function is a line sensor characterized in that the magnitude of the focal length of the lens, the position of the principal point coordinates of the lens, and the magnitude of the distortion coefficient of the lens are each weighted and added to the error function. Camera calibration device.
前記立体マーカは、L字型の形状であり、L字型に折れ曲がった内側の面に前記複数の検出点が配置されている
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション装置。 In the calibration device for the line sensor camera according to claim 1 or 2.
The three-dimensional marker has an L-shaped shape, and is a calibration device for a line sensor camera, characterized in that the plurality of detection points are arranged on an inner surface bent into an L-shape.
前記数式モデルは、ピンホールカメラモデルを用いたものである
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション装置。 In the calibration device for the line sensor camera according to any one of claims 1 to 3.
The mathematical model is a calibration device for a line sensor camera, which is characterized by using a pinhole camera model.
位置及び姿勢が各々異なる前記立体マーカの前記画像が各々入力される画像入力工程と、
前記立体マーカの前記検出点の前記画像上の1次元画像座標を前記画像毎に算出する計測座標算出工程と、
前記2次元平面座標から前記1次元画像座標へ変換する前記ラインセンサカメラの数式モデルに基づいて求めた変換行列について、前記変換行列における初期の内部パラメータとして既知の初期値を入力し、線形解法により前記変換行列から初期の外部パラメータを前記画像毎に算出する外部パラメータ算出工程と、
前記数式モデルに基づいて求めたレンズ歪みを考慮した誤差関数に、前記内部パラメータを考慮した値を加算してなる評価関数について、前記評価関数に前記初期の内部パラメータ及び前記初期の外部パラメータを入力し、前記検出点の全数及び前記画像の全数についての前記誤差関数の総和に前記内部パラメータを考慮した値を加算した評価関数が最小となる前記内部パラメータ及び前記外部パラメータを、反復計算を用いた非線形解法により算出する非線形最小二乗工程とを有する
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション方法。 Calibration of the line sensor camera based on a plurality of images taken by the line sensor camera of a three-dimensional marker having a plurality of detection points whose two-dimensional plane coordinates are known on the two-dimensional plane which is the imaging range of the line sensor camera. A line sensor camera calibration method that calculates internal and external parameters for the camera.
An image input step in which the images of the three-dimensional markers having different positions and postures are input, and
A measurement coordinate calculation step of calculating the one-dimensional image coordinates of the detection point of the three-dimensional marker on the image for each image, and
For the transformation matrix obtained based on the mathematical model of the line sensor camera that converts the two-dimensional plane coordinates to the one-dimensional image coordinates, input known initial values as the initial internal parameters in the transformation matrix, and use a linear solution method. An external parameter calculation step of calculating the initial external parameters from the transformation matrix for each image, and
For the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameters to the error function considering the lens distortion obtained based on the mathematical model, the initial internal parameters and the initial external parameters are input to the evaluation function. Then, the internal parameter and the external parameter, which minimizes the evaluation function obtained by adding the value considering the internal parameter to the sum of the error functions for the total number of the detection points and the total number of the images, were repeatedly calculated. A line sensor camera calibration method comprising a non-linear minimum square step calculated by a non-linear solution method.
前記評価関数として、レンズの焦点距離の大きさ、レンズの主点座標の位置及びレンズの歪み係数の大きさにそれぞれ重み付けをして前記誤差関数に加算したものを用いる
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション方法。 In the calibration method of the line sensor camera according to claim 5,
As the evaluation function, a line sensor characterized in that the size of the focal length of the lens, the position of the principal point coordinates of the lens, and the size of the distortion coefficient of the lens are each weighted and added to the error function. How to calibrate the camera.
前記立体マーカとして、L字型の形状であって、L字型に折れ曲がった内側の面に前記複数の検出点が配置されているものを用いる
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション方法。 In the calibration method of the line sensor camera according to claim 5 or 6.
A method for calibrating a line sensor camera, which comprises using as the three-dimensional marker an L-shaped marker in which the plurality of detection points are arranged on an inner surface bent into an L-shape.
前記数式モデルとして、ピンホールカメラモデルを用いる
ことを特徴とするラインセンサカメラのキャリブレーション方法。 The method for calibrating a line sensor camera according to any one of claims 5 to 7.
A method for calibrating a line sensor camera, which comprises using a pinhole camera model as the mathematical model.
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