(57)【要約】【課題】  複数のカメラを用意する必要がなく、１回の撮影により正確な測定を行なうことができる距離測定装置を提供する。【解決手段】  本発明は、プロジェクタ４によって投影された測定用投影オブジェクトをカメラ５によって撮影し、この撮影されたカメラ画像から、プロジェクタ４及びカメラ５の特性パラメータを利用して測定用投影オブジェクトまでの距離を算出するものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロジェクタによって投影するための測定用投影オブジェクトを記録する記録部と、
カメラによって撮影され、前記プロジェクタによって投影された前記記録部に記録された測定用投影オブジェクトを含むカメラ画像から、前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さを測定する手段と、
前記測定された所定方向の長さ及び所定のパラメータに基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離を算出する手段と
を具備することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記所定のパラメータは、
カメラ画像の所定方向の長さＨ、カメラの画角の半分の角度θ、カメラのレンズの主点とプロジェクタのレンズの主点との前記カメラのレンズの光軸方向の距離ａ、プロジェクタの投影拡大率ＰＫ及び基準距離において実測された測定用投影オブジェクトの所定方向の実測値Ｐ１を含むことを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記算出手段は、下記式に基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離ｌｘを算出することを特徴とする請求項２記載の距離測定装置。
ｌｘ  ＝  ｛（Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）  ／  
（２ＰＣｘ  ×  ｔａｎθ  −  Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）｝  ×  ａ
ただし、ＰＣｘは測定された前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さ。
【請求項４】
前記プロジェクタの投影範囲は前記カメラの撮影範囲を内包することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記カメラの撮影用レンズの主点の配置位置は、前記プロジェクタの投影用レンズの主点の配置位置よりも前記測定用投影オブジェクトの投影面側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項６】
プロジェクタによって投影するための測定用投影オブジェクトを記録する記録部を具備する距離測定装置における距離測定方法において、
カメラによって撮影され、前記プロジェクタによって投影された前記記録部に記録された測定用投影オブジェクトを含むカメラ画像から、前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さを測定し、
前記測定された所定方向の長さ及び所定のパラメータに基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離を算出することを特徴とする距離測定方法。
【請求項７】
前記所定のパラメータは、
カメラ画像の所定方向の長さＨ、カメラの画角の半分の角度θ、カメラのレンズの主点とプロジェクタのレンズの主点との前記カメラのレンズの光軸方向の距離ａ、プロジェクタの投影拡大率ＰＫ及び基準距離において実測された測定用投影オブジェクトの所定方向の実測値Ｐ１を含み、
前記算出手段は、下記式に基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離ｌｘを算出することを特徴とする請求項６記載の距離測定方法。
ｌｘ  ＝  ｛（Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）  ／  
（２ＰＣｘ  ×  ｔａｎθ  −  Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）｝  ×  ａ
ただし、ＰＣｘは測定された前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さ。
【請求項８】
前記カメラのレンズの主点と前記プロジェクタのレンズの主点との間の前記カメラのレンズの光軸方向に直交する方向の距離は、前記カメラの撮影範囲が前記プロジェクタの投影範囲を内包するように設定されていることを特徴とする請求項６記載の距離測定方法。
【請求項９】
前記カメラの撮影用レンズの主点の配置位置は、前記プロジェクタの投影用レンズの主点の配置位置よりも前記測定用投影オブジェクトの投影面側に配置されていることを特徴とする請求項６記載の距離測定方法。
【請求項１０】
プロジェクタによって投影するための測定用投影オブジェクトを記録する記録部を具備するコンピュータに距離測定を行なわせるためのプログラムであって、
前記プログラムは、コンピュータに、
カメラによって撮影され、前記プロジェクタによって投影された前記記録部に記録された測定用投影オブジェクトを含むカメラ画像から、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さを測定させ、
前記測定された所定方向の長さ及び所定のパラメータに基づいて、前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離を算出させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複眼カメラ、もしくは複数台のカメラを用いることにより、画像処理により入力された画像間の対応点を探索し、その合致点とカメラの離れている距離、視差から三角測量の原理で対象物体までの距離を計測する方法が広く知られている（特許文献１参照。）
また、距離を計測する他の方法として、レーザを走査して二次画の画像形式で距離データを得るレンジ・センサや、レーザレンジファインダーが製品化されている。さらに、単眼のカメラによる距離測定方法として、撮影距離が微小距離だけ異なる画像を二つ用いることにより距離を算出する方法がある（特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３４６０７４号公報
【０００４】
【特許文献２】特開平５−７９８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法によれば、三次元空間の状況が即座に把握することができる特徴がある反面、複数のカメラを用意しなければならないという問題があった。
また、レンジファインダーなどを用いた手法によれば、二次元の距離データを抽出することができるが、データの解像度を得ることは困難であるという問題がある。さらに、特許文献２に記載された方法によれば、必要となるカメラは１つであるが、撮影距離を微小量変更させるための機構が必要となる問題があり、また、距離測定を行なう際、撮影距離を微小量変更して複数回撮影しなければならないという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、複数のカメラを用意する必要がなく、１回の撮影により正確な測定を行なうことができる距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、プロジェクタによって投影するための測定用投影オブジェクトを記録する記録部と、カメラによって撮影され、前記プロジェクタによって投影された前記記録部に記録された測定用投影オブジェクトを含むカメラ画像から、前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さを測定する手段と、前記測定された所定方向の長さ及び所定のパラメータに基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離を算出する手段とを具備することを特徴とする距離測定装置、である。
【０００８】
また、本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記所定のパラメータは、カメラ画像の所定方向の長さＨ、カメラの画角の半分の角度θ、カメラのレンズの主点とプロジェクタのレンズの主点との前記カメラのレンズの光軸方向の距離ａ、プロジェクタの投影拡大率ＰＫ及び基準距離において実測された測定用投影オブジェクトの所定方向の実測値Ｐ１を含むことを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の第３の発明は、第２の発明において、前記算出手段は、下記式に基づいて、前記カメラのレンズの主点から前記測定用投影オブジェクトが投影された投影面までの距離ｌｘを算出することを特徴とする。
ｌｘ  ＝  ｛（Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）  ／  
（２ＰＣｘ  ×  ｔａｎθ  −  Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）｝  ×  ａ
ただし、ＰＣｘは測定された前記測定用投影オブジェクトのカメラ画像上の所定方向の長さ。
さらに、本発明の第４の発明は、第１の発明において、前記プロジェクタの投影範囲は、前記カメラの撮影範囲を内包することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の第５の発明は、第１の発明において、前記カメラの撮影用レンズの主点の配置位置は、前記プロジェクタの投影用レンズの配置位置よりも前記測定用投影オブジェクトの投影面側に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数のカメラを用意する必要がなく、１回の撮影により正確な測定を行なうことができる距離測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、最初に、本発明の概要について簡単に説明する。
本発明によれば、まず、プロジェクタで測定用投影オブジェクトを投影面に投影し、カメラによってその投影されたオブジェクトの大きさを認識する。この際に、カメラは対象までの距離が長くなればなるほど、画像内における対象物の大きさが縮小し、またプロジェクタは投影対象までの距離が長くなればなるほど、投影オブジェクトの大きさが拡大する特性を利用し、このカメラの撮影縮小率、プロジェクタの投影拡大率を基にカメラ画像内において認識されたオブジェクトの大きさから投影面までの距離を算出する。
撮影用カメラ等に用いられるレンズは何枚ものレンズを重ねて作られており、それ自体が長く、光学的中心となる主点はレンズの組み合わせ方によって位置が異なる。本実施の形態においては、説明の複雑化を避けるため、主点がレンズの中心にある場合を例に挙げ、説明を行なう。
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る距離測定装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。
同図に示すように、本発明の実施の形態に係る距離測定装置は、画像記録部１、情報記録部２、距離算出部３を具備しており、これらは計算機として実現されている。また、この計算機Ａには一体として設けられたプロジェクタ４及びカメラ５が接続されている。
【００１４】
画像記録部１は、プロジェクタ４に出力される測定用投影オブジェクトを記録している。
情報記録部２は、図２に示すように、カメラ画像の縦の長さＨ、カメラ画像の横の長さＬ、カメラ５の画角の半分の角度θ、カメラ５のレンズの主点とプロジェクタ４のレンズの主点との距離ａ、プロジェクタ４の投影拡大率ＰＫ、事前に距離ｌ１において実測された測定用投影オブジェクトの縦横の実測値（キャリブレーション時の情報）Ｐ１，Ｐ１’を記録する。
【００１５】
距離算出部３は、カメラ５から入力された画像における測定用投影オブジェクトの大きさＰＣｘ（カメラ画像における縦の長さ或いは横の長さ）を計測する。そして、この計測された測定用投影オブジェクトの大きさ及び情報記録部２に記録された情報に基づいて、距離測定装置から測定用投影オブジェクトの投影面までの距離を算出する。この距離の算出方法については、後に詳述する。
【００１６】
プロジェクタ４は、画像記録部１に記録された測定用投影オブジェクトを投影する。
カメラ５は、プロジェクタ４によって投影された測定用投影オブジェクトを撮像して、この撮像されたカメラ画像を距離算出部３に出力する。
図３は、プロジェクタによって投影される測定用投影オブジェクト及びカメラによって撮像されるカメラ画像を説明するための図である。
【００１７】
同図に示すように、プロジェクタ４によって投影される測定用投影オブジェクト１１は、距離が離れれば離れるほど大きくなり、各距離Ａ，Ｂにおけるカメラ５によって撮像されるカメラ画像における測定用投影オブジェクト１１も大きくなる。
図４は、プロジェクタとカメラとの構成を示す図である。
【００１８】
同図に示すように、プロジェクタ４とカメラ５とは接続部材１２によって一体に構成されており、プロジェクタ４の投影用レンズの主点とカメラ５の撮影用レンズ５の主点との距離Ｄは、プロジェクタ４の投影範囲がカメラ５の撮影範囲を内包するように設定されている。
【００１９】
また、カメラ５の撮影用レンズの主点の前面は、プロジェクタ４の投影用レンズの主点の前面に対して、測定用測定オブジェクト１１方向に距離ａだけ短くなるように設定されている。
図５は、カメラの撮影範囲を説明するための図である。
同図において、Ｃｎ（Ｃ１，Ｃ２，…，Ｃｘ）は距離ｌｎにおけるカメラの撮影範囲（縦の長さ或いは横の長さ）を示している。ここで、
Ｃ１  ＝  ２  ×  ｌ１  ×  ｔａｎθ  …  （１）
Ｃ２  ＝  ２  ×  ｌ２  ×  ｔａｎθ  …  （２）
Ｃｘ  ＝  ２  ×  ｌｘ  ×  ｔａｎθ  …  （３）
で表される。なお、θはカメラ５の画角の半分を示す。Ｐは実際の大きさを示している。
【００２０】
図６は、距離ｌ１で測定用投影オブジェクトを撮影したカメラ画像を示す図であり、図７は、距離ｌ２で測定用投影オブジェクトを撮影したカメラ画像を示す図である。同図に示すように、撮影距離が長くなればなるほど測定用投影オブジェクト１１のカメラ画像に占める面積が小さくなることがわかる。
【００２１】
なお、図５乃至図７において、
カメラ画像面積ＣＡ＝Ｈ×Ｌ  …  （４）
距離ｎにおけるカメラ画像上での測定用投影オブジェクトの縦の長さをＰＣｎとすると、
ＰＣ１  ＝  Ｈ・（Ｐ／Ｃ１）  …  （５）
ＰＣ２  ＝  Ｈ・（Ｐ／Ｃ２）  …  （６）
ＰＣｘ  ＝  Ｈ・（Ｐ／Ｃｘ）  …  （７）
で表すことができる。
【００２２】
図８は、プロジェクタで投影した測定用投影オブジェクトの大きさを説明するための図である。同図に示すように、測定用投影オブジェクト１１の大きさは、プロジェクタ４からの距離が長くなれば長くなるほど大きくなる。
距離ｎにおける測定用投影オブジェクト１１の実際の大きさ（縦の長さ或いは横の長さ）をＰｎとすると、
Ｐ１＝  Ｐ１  ×  ＰＫ  ×  （ｌ１＋ａ）  …  （８）
Ｐ２＝  Ｐ１  ×  ＰＫ  ×  （ｌ２＋ａ）  …  （９）
Ｐｘ＝  Ｐ１  ×  ＰＫ  ×  （ｌｘ＋ａ）  …  （１０）
ここで、ＰＫはプロジェクタ投影拡大率を示す。このプロジェクタ投影拡大率ＰＫは、測定用投影オブジェクトを複数の距離に投影し、その大きさを実際に測定して算出する。プロジェクタのハードウェアの定格として規定されている場合には、当該値を利用する。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の動作について、図９及び図１０のフローチャートを参照して説明する。
図９は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の全体的な動作を説明するためのフローチャートである。なお、本実施の形態においては測定用投影オブジェクトの縦の長さを用いた場合について説明するが、横の長さを用いる場合、測定用投影オブジェクトの横の長さの実測値と測定用投影オブジェクトのカメラ画像内画像の横の長さを用いることにより行なわれる。
【００２４】
まず、距離測定装置の操作を終了するか否かの判断が行なわれ（Ｓ１）、ユーザにより操作が終了すると判断された場合には距離測定装置の動作を終了する。一方、操作を終了しないと判断された場合には、距離測定を実行するか否かの判断が行なわれる（Ｓ２）。なお、ここではユーザからの指示により距離測定を行なう場合について説明するが、距離測定装置が定期的に距離測定を行なってもよい。
【００２５】
Ｓ２において、ユーザにより距離測定を実行するとユーザによって判断された場合には、測定用投影オブジェクトを含む画像を画像記録部１から読み出してプロジェクタ４に出力する（Ｓ３）。これにより、プロジェクタ４から測定用投影オブジェクトを含む画像が投影面に投影される。
【００２６】
次に、投影面に投影された測定用投影オブジェクトを含む画像がカメラ５から入力され（Ｓ４）、このカメラ５から入力された画像に基づいて、所定の演算を実行することにより距離の算出が行なわれる（Ｓ５）。このＳ５における距離算出の詳細について、図１０のフローチャートを参照して説明する。
【００２７】
まず、距離算出部３が、カメラ画像の縦の長さＨ、カメラ５の画角の半分θ、カメラ５のレンズとプロジェクタ４のレンズとの前面距離ａ、プロジェクタ４の投影拡大率ＰＫ、事前に距離ｌ１において実測された測定用投影オブジェクトの縦の実測値（キャリブレーション時の情報）Ｐ１を情報記録部２から取得する（Ｓ１１）。
【００２８】
次に、カメラ５から入力された画像における測定用投影オブジェクトのカメラ画像上での縦の長さＰＣｘを計測し（Ｓ１２）、この計測された縦の長さＰＣｘ及びＳ１１において情報記録部２から取得された情報に基づいて、距離測定装置から投影面までの距離ｌｘを式（１１）に基づいて算出する（Ｓ１３）。
【００２９】
ｌｘ  ＝  ｛（Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）  ／  
（２ＰＣｘ  ×  ｔａｎθ  −  Ｈ  ×  Ｐ１  ×  ＰＫ）｝  ×  ａ
…  （１１）
なお、ここで、
Ｐｘ  ＝  Ｐ１  ×  ＰＫ  ×  （ｌｘ  ＋  ａ）  …  （１２）
Ｃｘ  ＝  ２  ×  ｌｘ  ×  ｔａｎθ            …  （１３）
ＰＣｘ  ＝  Ｈ  ×  （Ｐｘ／Ｃｘ）              …  （１４）
が成立し、これら式（１２）乃至（１４）から式（１１）が導出される。
【００３０】
また、各パラメータの意義は下記の通りである。
Ｈ：カメラ画像の縦の長さ
ＰＫ：プロジェクタの投影拡大率ＰＫ
Ｐ１：測定用投影オブジェクトの距離ｌ１における実測された縦の長さ
Ｐｘ：測定用投影オブジェクトの距離ｘにおける実空間上での縦の長さ
Ｃｘ：距離ｘにおけるカメラの撮影範囲
ＰＣｘ：測定用投影オブジェクトの距離ｘにおけるカメラ画像上での縦の長さ
ｌｘ：カメラレンズ主点からの測定距離対象までのカメラレンズの光軸方向の距離
ａ：カメラのレンズの主点とプロジェクタのレンズの主点とのカメラレンズの光軸方向に直交する方向の距離
（プロジェクタのレンズの主点がカメラレンズの主点よりも対象物側にある場合、ａは負の値となる。）
なお、上述の実施の形態においては、カメラ画像上の長さを例にとり説明したが、カメラ画像上でのピクセル数などを使用して計算してもよいことはいうまでもない。
したがって、本発明の実施の形態に係る距離測定装置によれば、複数のカメラを用意する必要がなく、複雑な機構を必要とすることなく、１回の撮影により正確な測定を行なうことができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００３２】
また、実施形態に記載した手法は、計算機（コンピュータ）に実行させることができるプログラム（ソフトウエア手段）として、例えば磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＭＯ等）、半導体メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等）等の記録媒体に格納し、また通信媒体により伝送して頒布することもできる。なお、媒体側に格納されるプログラムには、計算機に実行させるソフトウエア手段（実行プログラムのみならずテーブルやデータ構造も含む）を計算機内に構成させる設定プログラムをも含む。本装置を実現する計算機は、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、また場合により設定プログラムによりソフトウエア手段を構築し、このソフトウエア手段によって動作が制御されることにより上述した処理を実行する。なお、本明細書でいう記録媒体は、頒布用に限らず、計算機内部あるいはネットワークを介して接続される機器に設けられた磁気ディスクや半導体メモリ等の記憶媒体を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示すである。
【図２】情報記録部に記録されるデータを示す図である。
【図３】プロジェクタによって投影される測定用投影オブジェクト及びカメラによって撮像されるカメラ画像を説明するための図である。
【図４】プロジェクタとカメラとの構成を示す図である。
【図５】カメラの撮影範囲を説明するための図である。
【図６】距離ｌ１で測定用投影オブジェクトを撮影したカメラ画像を示す図である。
【図７】距離ｌ２で測定用投影オブジェクトを撮影したカメラ画像を示す図である。
【図８】プロジェクタで投影した測定用投影オブジェクトの大きさを説明するための図である。
【図９】距離測定装置の全体的な動作について説明するためのフローチャートである。
【図１０】距離算出の方法を詳細に説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１…画像記録部、
２…情報記録部、
３…距離算出部、
４…プロジェクタ、
５…カメラ、
１１…測定用投影オブジェクト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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