(57)【要約】【課題】不定形歪みがある場合でも、組み立てたカメラにおける画像出力の較正が可能であり、しかも大面積の基準パターンを必要とせずに済むカメラ用画像出力較正装置を提供する。【解決手段】所定の軸回りについて回動可能に較正されるべきカメラを支持すると共に軸毎の回動角度検出手段を備えるカメラ支持手段と、カメラの前方に配置される点光源と、点光源の位置を３軸上で変化させると共に各軸上での点光源位置検出手段を備える点光源移動手段とを有し、カメラに対する点光源の位置検出値に基づいてカメラの内部パラメータの調節を行うものとする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の軸回りについて回動可能に較正されるべきカメラを支持すると共に軸毎の回動角度検出手段を備えるカメラ支持手段と、
前記カメラの前方に配置される点光源と、
前記点光源の位置を３軸上で変化させると共に各軸上での点光源位置検出手段を備える点光源移動手段とを有し、
前記カメラに対する前記点光源の位置検出値に基づいて前記カメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置。
【請求項２】
所定の軸回りについて回動可能に較正されるべきカメラを支持すると共に軸毎の回動角度検出手段を備えるカメラ支持手段と、
前記カメラの前方に配置される点光源と、
前記カメラに対する前記点光源の光線照射角度を所定の軸回りについて変化させると共に各軸回りについての照射角度検出手段を備える点光源支持手段とを有し、
前記カメラに対する前記点光源の光線照射角度検出値に基づいて前記カメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置。
【請求項３】
前記点光源からの光線がコリメータレンズを通して照射されたものであることを特徴とする請求項２に記載のカメラ用画像出力較正装置。
【請求項４】
較正されるべきカメラを固定するためのカメラ固定手段と、
前記カメラ固定手段に固定されたカメラの前方に配置された点光源と、
前記点光源の位置を少なくとも２軸について変化させると共に各軸上での点光源位置の検出手段を備える点光源移動手段とを有し、
前記カメラに対する前記点光源の位置を各軸について変化させ、各軸についての前記位置検出手段の出力値に基づいて前記カメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置。
【請求項５】
較正されるべきカメラの位置を少なくとも２軸について変化させると共に各軸上でのカメラ位置の検出手段を備えるカメラ移動手段と、
前記カメラ移動手段に支持されたカメラの前方に配置された点光源とを有し、
前記点光源に対する前記カメラの位置を各軸について変化させ、各軸についての前記位置検出手段の出力値に基づいて前記カメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カメラ用画像出力較正装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
実空間上に存在する対象物の位置をカメラで撮像した画像データから把握する立体視システムにあっては、実空間に存在するある点と、それを写し取った点画像の撮像面上の座標との関係を正確に知る必要がある。しかしながら、レンズには歪みがあるため、撮像面上の正しい位置に結像させることは実質的に不可能である。そのために、例えば、雲台に支持させたカメラで基準となる格子パターンを撮像し、そのパターンの画像データに基づいてカメラの内部パラメータを調節することにより、歪み補正を行うようにしている（特開平１１−３５５８１３号公報など参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、基準パターンを撮像した画像データに基づいてカメラの画像出力を較正する従来の手法によると、次数の低い関数だけでは近似できないプラスティックシールド越しの画像歪みを補正することは極めて困難であった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、低次の関数で近似できない画像歪みを補正可能なカメラ用画像出力較正装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、所定の軸回りについて回動可能に較正されるべきカメラを支持すると共に軸毎の回動角度検出手段を備えるカメラ支持手段と、カメラの前方に配置される点光源と、点光源の位置を３軸上で変化させると共に各軸上での点光源位置検出手段を備える点光源移動手段とを有し、カメラに対する点光源の位置検出値に基づいてカメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置を提供することとした。
【０００６】
このようにすれば、点光源側を移動させるので、移動装置の規模が小さくて済み、移動に伴う回転誤差も発生しないので、より一層高い精度が得られる。また、基点位置の回転中心とのずれを計測し得るので、レンズの基点位置が回転中心と大きくずれた場合でも高精度に角度パラメータを検出することが可能である。
【０００７】
また請求項２においては、所定の軸回りについて回動可能に較正されるべきカメラを支持すると共に軸毎の回動角度検出手段を備えるカメラ支持手段と、カメラの前方に配置される点光源と、カメラに対する点光源の光線照射角度を所定の軸回りについて変化させると共に各軸回りについての照射角度検出手段を備える点光源支持手段とを有し、カメラに対する点光源の光線照射角度検出値に基づいてカメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置を提供することとした。
【０００８】
これによれば、カメラを回転させて所定の画素の中心に光点が写るようにすることができるので、広角レンズであっても広い面積のパターンを要さずに済む。この場合、特に点光源からの光線がコリメータレンズを通して照射されるようにすれば（請求項３）、光点が無限遠点から発せられるものとみなせるため、レンズの基点位置（ピンホール位置または入射位置）を平行光が通過する範囲内であれば回転中心と一致させなくても高精度に角度パラメータを検出できる。
【０００９】
また請求項４においては、較正されるべきカメラを固定するためのカメラ固定手段と、カメラ定手段に固定されたカメラの前方に配置された点光源と、点光源の位置を少なくとも２軸について変化させると共に各軸上での点光源位置の検出手段を備える点光源移動手段とを有し、カメラに対する点光源の位置を各軸について変化させ、各軸についての位置検出手段の出力値に基づいてカメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置を提供することとした。
【００１０】
このようにすれば、点光源を移動させるための動力が小さくて済む、点光源の移動に伴う回転誤差が発生しないので、より一層高い精度が得られる。
【００１１】
また請求項５においては、較正されるべきカメラの位置を少なくとも２軸について変化させると共に各軸上でのカメラ位置の検出手段を備えるカメラ移動手段と、カメラ移動手段に支持されたカメラの前方に配置された点光源とを有し、点光源に対するカメラの位置を各軸について変化させ、各軸についての位置検出手段の出力値に基づいてカメラの内部パラメータの調節を行うことを特徴とするカメラ用画像出力較正装置を提供することとした。
【００１２】
このようにすれば、カメラを移動させて所定の画素の中心に光点が写るようにするので、特徴が明確であり、撮像画素とその上下左右の画素との５画素の測定値から画素に写っている光源の実空間上の位置が直接測定される。従って、処理を必要な回数だけ行えば、低次の関数では近似できない歪みがあっても全画面について十分な精度で較正することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に基づくカメラ用画像出力較正装置の全体を示している。この較正装置は、水平面上で垂直軸回りに回動自在なパンテーブル１及び水平軸回りで回動自在なようにパンテーブル１に支持されたチルトテーブル２を備えたカメラ支持台３と、カメラ支持台３に対して水平面上に前後方向に延設されたＸ軸レール４、Ｘ軸レール４上を前後移動すべく左右方向に延設されたＹ軸レール５、及びＹ軸レール５上を左右移動すべく垂直方向に立設されたＺ軸レール６を備えた３次元移動台７と、Ｚ軸レール６上に上下移動自在に設けられた点光源ランプ８とからなっている。
【００１５】
パンテーブル１及びチルトテーブル２は、パルスモータなどの如き適宜な回転駆動装置（図示せず）で駆動され、チルトテーブル２上に搭載されたカメラ９の視軸を上下・左右に振ることができるようになっている。また、パン・チルト両テーブル１・２の回転軸には、カメラ９の視軸角度を得るために、例えばロータリーエンコーダなどの回転角度計測器（図示せず）が設けられている。
【００１６】
Ｙ軸レール５、Ｚ軸レール６、及び点光源ランプ８は、例えばラックピニオン機構あるいはボールスクリュー機構など、パルスモータの回転力を直線運動に変換する適宜な駆動装置（図示せず）で駆動されてそれぞれが対応するレール上を直線移動することができるようになっている。また、ｘ、ｙ、ｚ各軸には、座標を直読できる電子スケール（図示せず）がついている。これらの位置信号は、パルスモータのエンコーダ値から得ることもできる。
【００１７】
なお、点光源ランプ８は、撮像パネルを構成する１画素の視角に対する発光部の面積が十分に小さければ良く、ＬＥＤや白熱灯など、発光体の方式は問わない。
【００１８】
次に本発明による較正の原理及び手順について図２〜図５を参照して説明する。
【００１９】
カメラ９の撮像画像は、撮像面上のある画素について見ると、実空間上に存在する対象物上のある点からの反射光を写し込んだものなので、画像に歪みがなく、反射光が１点を通過するもの（ピンホールカメラモデル）と仮定すれば、左右のカメラと対象物上のある点との位置には、図２に示す関係がある。従って、対象物上のある点の位置は、左右のカメラの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ各軸上における基点座標）と、両カメラの対象物に対する視線の方向情報（角度）とから、左右のカメラから対象物へ伸ばした２つの直線の交点座標（ｘｐ、ｙｐ、ｚｐ）として、次式によって与えられる。
【００２０】
ｘｐ＝ｗ／（ｔａｎαＲ−ｔａｎαＬ）
ｙｐ＝ｘｐｔａｎαＲ
ｚｐ＝ｘｐｔａｎγ
【００２１】
上記は、入射光の方向が違っても一点に集まるというピンホールカメラモデルでは成立するが、レンズを用いた一般的なカメラにおいてはこのように単純ではない。そこで、実空間上の光点を撮像して得られた画像出力が、実空間上の光点の座標データと整合するように、カメラの内部パラメータを調節する必要がある。
【００２２】
カメラ支持台３に搭載しただけの状態にあっては、カメラ９の基点（レンズの光学的中心）位置は未知なので、先ず、パン・チルト両回転軸を基準としたカメラ９の基点座標を以下の手順（図３参照）で推定する。
【００２３】
先ず、水準器などを用いてチルトテーブル２を水平に設置し、この状態でパンテーブル１を正面に向け、カメラ９の前方に置いた点光源ランプ８からの光線をカメラ９に入射する。このときの点光源ランプ８からの入射光をカメラ９の撮像面上に写し、その光像をＡ／Ｄ変換して画像メモリに取り込む（ステップ１）。取り込んだ光像は、ある画素を中心とした広がりをもつ白い点なので、画像メモリ中のピーク値から中心画素を抽出する（ステップ２）。
【００２４】
次にＸ軸レール４上で点光源ランプ８を適宜な距離だけ移動させ、このときの中心画素の位置変化が所定範囲以上か否かを判断する（ステップ３）。ここで中心画素の位置変化が所定範囲を超えていた場合は、そのずれ量から修正移動量を推定し（ステップ４）、ずれ量が少なくなるようにｙ、ｚ両軸レールのモータ制御部に駆動指令を与える（ステップ５）。
【００２５】
カメラ９の撮像面上にとらえた光像の中心画素の位置変化が所定範囲以下となるまでこの処理を繰り返す。この処理により、光像の中心画素が位置変化しなくなったところがｙ、ｚ両軸上でカメラ９の基点と点光源ランプ８とが互いに正対した位置（図４参照）なので、このときの点光源ランプ８の座標を記憶する（ステップ６）。
【００２６】
なお、例えばカメラ９の後方にトランシットなどを設置して点光源ランプ８の位置を予め粗調整しておけば、カメラ９の基点と点光源ランプ８との正対に要する時間を短縮することができる。
【００２７】
以上の処理により、パン・チルト両軸中心に対する点光源のｘ、ｙ、ｚ各軸上の座標ｘｄ、ｙ０、ｚ０が求まる。そしてカメラ９の基点座標のうち、ｙ、ｚ各軸上の座標については、点光源の座標と等しいｙ０、ｚ０が得られ、ｘ軸上の座標のみが未知の値として残る。このｘ軸上の座標については、以下のようにして、パンテーブル１を回転することで発生するカメラ９の基点と点光源ランプ８との水平面上での幾何学的関係の変化から推定する。
【００２８】
図５に示すように、チルトテーブル２を水平状態にしたまま、パンテーブル１を適宜な角度θだけ回転させ、回転後のカメラ基点に正対する点光源位置を上記と同様にして求める。
【００２９】
ここでパンテーブル１が正面を向いた状態でのパン回転中心と基点とを結ぶ直線とｙ軸との角度をｅ、基点位置推定のためのパンテーブル回転角度をθ、パンテーブル回転中心と基点との距離をｒとしたとき、回転前の点光源座標（ｘｄ、ｙ０、ｚ０）、回転後の点光源座標（ｘｄ、ｙ１、ｚ０）、及び回転角度θは既知なので、次式からｅ、ｒが推定できる。
【００３０】
ｅ＝ｔａｎ−１〔（ｙ０ｃｏｓθ−ｙ１）／ｙ０ｓｉｎθ〕
ｒ＝ｙ０／ｃｏｓｅ
【００３１】
従って、カメラ基点のｘ軸上の座標ｘ０は次式で与えられる。
【００３２】
ｘ０＝ｙ０ｔａｎｅ
【００３３】
以上によりカメラ９の基点座標が分かるので、３次元移動台７上の点光源ランプ８の位置に応じた正規の画像出力が得られるようにカメラ９の内部パラメータを調整すれば良い。また、このときのカメラ９の取り付け状態から、カメラ９の機械的な基準点（外部パラメータ）を設定することができる。
【００３４】
次にコリメータレンズを通して点光源ランプ８を照射する場合のカメラ９の内部パラメータの推定方法について図６を参照して説明する。なお、点光源ランプ８がコリメータレンズを通してカメラ９に照射されることと、３次元移動台７が点光源ランプ８の位置検出手段を備えないこと以外は上記第１の実施形態と同一なので、較正装置に関する説明は省略する。
【００３５】
先ず、上記第１の実施形態と同様に、カメラ９を正面に向けた状態でコリメータレンズ付きの点光源ランプ８を前後に移動させ、撮像面上の画素が移動しない位置に点光源ランプ８を合わせる。これにより、その画素が点光源ランプ８と正対したことになるので、そのままｘ軸上でできるだけカメラ９から離した位置に点光源ランプ８を設置する。
【００３６】
撮像面１０上における適宜な位置の画素Ｐを選択し、その画素中心に光像が写るようにパンテーブル１及びチルトテーブル２を回転させ、その角度を記録する。
【００３７】
この処理を所要の位置にある複数の画素について繰り返す。
【００３８】
このようにして得られたパンテーブル１及びチルトテーブル２の回転角度β、δから、カメラの内部パラメータとしてのα、γが、次式により得られる。
【００３９】
α＝ｔａｎ−１（ｔａｎδ／ｃｏｓγ）
β＝ｔａｎ−１（ｔａｎγ・ｃｏｓα）
δ＝ｓｉｎ−１（ｃｏｓβ・ｓｉｎα）
γ＝ｔａｎ−１（ｔａｎβ／ｃｏｓα）
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳述した通り本発明によれば、カメラを回転させることにより、画素の受光方向が各カメラについて直接測定でき、不規則な歪みパターンをもつレンズにも対応することができ、しかも複数のカメラを同時に較正することができるので、較正装置を簡略化する上に大きな効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による較正装置の概略較正図
【図２】カメラと対象物との関係を示す三次元座標図
【図３】カメラ基点と点光源とを整合させる処理フロー図
【図４】整合時のカメラ基点と点光源との関係を示す三次元座標図
【図５】カメラ基点のｘ軸座標の求め方の説明図
【図６】第２の手法によるカメラの内部パラメータの求め方の説明図
【符号の説明】
１　チルトテーブル
２　パンテーブル
３　カメラ支持台
４　Ｘ軸レール
５　Ｙ軸レール
６　Ｚ軸レール
７　三次元移動台
８　点光源ランプ
９　カメラ
【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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