(57)【要約】【課題】被写体上の計測点や撮影位置について正確な情報を必要としないキャリブレーション方法を提供する。【解決手段】被写体を撮像して画像データを取得するカメラと、画像データを記憶する画像メモリと、画像データを解析処理することにより、被写体の計測を行う解析処理手段とを備えた画像計測装置におけるカメラのキャリブレーションを行う方法であって、参照点が複数設けられた被写体を、異なる位置から撮影して少なくとも４枚の画像データを取得するデータ取得過程と、画像データを量子化して画像メモリへ記憶する記憶過程と、画像メモリから量子化データを読み出して、量子化データから参照点の座標値を算出する座標算出過程と、参照点の座標値と所定の計算式によりカメラの補正値を算出する補正値算出過程とを有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮像して画像データを取得するカメラと、前記画像データを記憶する画像メモリと、前記画像データを解析処理することにより、前記被写体の計測を行う解析処理手段とを備えた画像計測装置における前記カメラのキャリブレーションを行う方法であって、
参照点が複数設けられた被写体を、異なる位置から撮影して少なくとも４枚の画像データを取得するデータ取得過程と、
前記画像データを量子化して画像メモリへ記憶する記憶過程と、
画像メモリから量子化データを読み出して、量子化データから参照点の座標値を算出する座標算出過程と、
参照点の座標値と所定の計算式により前記カメラの補正値を算出する補正値算出過程と、
を有すること特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項２】
前記データ取得過程は、前記参照点のすべてが前記カメラの撮像面の中心近傍に撮像された画像を少なくとも２枚取得することを特徴とする請求項１に記載のキャリブレーション方法。
【請求項３】
前記補正値は、歪曲収差を補正する補正値であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のキャリブレーション方法。
【請求項４】
前記参照点は、被写体の特徴点を利用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像（写真）計測装置に使用するカメラのキャリブレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像計測法は、寸法形状計測法のひとつであり、３次元空間にある対象物をいろいろな方向から写真に撮り、その画像情報から対象物の寸法形状を導き出す技術である。この画像計測法の特長は、対象物のスケールに依存せず、写真に撮ることができれば理論上対象物を計測することができる点である。
ところで、画像計測法を使用して、対象物の寸法を計測する場合の精度は、この計測法の原理上、写真を撮るカメラの光学系の精度に依存するため、使用するカメラのキャリブレーションを正確に実施する必要がある。しかし、カメラのキャリブレーションを正確に行うのは容易ではなく、多大な作業を必要とする。このような問題を解決するために、容易にカメラのキャリブレーションを行う方法がいくつか提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１０１６４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のキャリブレーション方法にあっては、形状が既知である被写体（直線である、点の三次元座標値が既知である、点が平面上にあるなど）を撮影した画像からキャリブレーションを行う必要があるため、被写体の精度（直線性、点の座標精度、面精度）の影響を受けて、正確なキャリブレーションを行うことができないという問題がある。また、画像撮影位置情報が必要な場合もあるが、撮影位置情報を正確に取得するのは困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、被写体上の計測点や撮影位置について正確な情報を必要としないキャリブレーション方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被写体を撮像して画像データを取得するカメラと、前記画像データを記憶する画像メモリと、前記画像データを解析処理することにより、前記被写体の計測を行う解析処理手段とを備えた画像計測装置における前記カメラのキャリブレーションを行う方法であって、参照点が複数設けられた被写体を、異なる位置から撮影して少なくとも４枚の画像データを取得するデータ取得過程と、前記画像データを量子化して画像メモリへ記憶する記憶過程と、画像メモリから量子化データを読み出して、量子化データから参照点の座標値を算出する座標算出過程と、参照点の座標値と所定の計算式により前記カメラの補正値を算出する補正値算出過程とを有すること特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記データ取得過程は、前記参照点のすべてが前記カメラの撮像面の中心近傍に撮像された画像を少なくとも２枚取得することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記補正値は、歪曲収差を補正する補正値であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記参照点は、被写体の特徴点を利用することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるキャリブレーション方法を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の画像計測装置の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、キャリブレーションに使用する被写体であり、表面に複数の参照点２が設けられている。この被写体の全体サイズ、参照点２の設置間隔は、正確な寸法を必要としない。また、参照点２の設置表面は、陰ができない程度であれば曲面であってもよい。符号３は、ＣＣＤを内蔵したデジタルカメラであり、静止画の各画素の出力を量子化して出力する。符号４は、量子化された画像データを記憶する画像メモリであり、少なくとも４枚の静止画像の量子化データを記憶可能である。符号５は、画像メモリ４に記憶されている量子化データを読み出して、解析処理することによりデジタルカメラ３のキャリブレーションデータを求める解析処理部である。符号６は、解析処理部５において求めたキャリブレーションデータを表示や印刷する出力部である。
【００１１】
次に、図２を参照して、図１に示すデジタルカメラ３のキャリブレーションデータを出力する動作を説明する。図２は、解析処理部５がキャリブレーションデータを出力する動作を示すフローチャートである。ここでは、図１に示す被写体１は１辺が１ｍの正方形の板の表面に４００点の参照点２が設けられているものとする。また、デジタルカメラ３は、無限遠にピントを合わせておく。
【００１２】
まず、デジタルカメラ３を使用して、２枚の被写体画像データを取得する。この２枚の画像データは、図３に示すように、被写体１に対して左右３０°〜４５°程度のそれぞれの位置から撮影する。このとき、デジタルカメラ３と被写体の距離は、正確な計測を必要としないが、ほぼ同じ距離になるように撮影する。ただし、被写体１の参照点２のすべてが歪曲収差の影響を受けにくい画面の中心近傍に撮像されるような距離から撮影する。したがって、参照点２のすべてが画面の中心近傍に撮像されるようような撮影を行った場合でも４００点の参照点２を識別可能な程度の画素数を有しているデジタルカメラを使用することが望ましい。ここで撮影した２枚の画像データは、画像メモリ４へ記憶する。ここで撮影した２枚の画像データを「遠距離で撮影した画像データ」と称する。
【００１３】
次に、デジタルカメラ３を使用して、さらに２枚の被写体画像データを取得する。この２枚の画像データは、遠距離で撮影した画像データを撮影した２方向（左右４５°の方向）とほぼ同じ方向の位置から撮影する。ただし、被写体１の参照点２のすべてが画面の全体に撮像されるような距離から撮影する。ここで撮影した２枚の画像データは、画像メモリ４へ記憶する。ここで撮影した２枚の画像データを「近距離で撮影した画像データ」と称する。
【００１４】
次に、オペレータは、図示しないキーボードから、デジタルカメラ３の焦点距離と、４００点の参照点２のうち少なくとも３つの参照点の３次元座標値を入力する（ステップＳ１）。ただし、ここで入力する焦点距離と参照点２の３次元座標値は、正確な値でなく、大まかな座標値でよい。これは、座標値計算の収束を早めるために初期値として入力するものである。ここでは、デジタルカメラ３のカタログ値の焦点距離と左上隅、左下隅、右上隅の３点の３次元座標を入力するものとする。そして、キャリブレーションデータ出力の指示をオペレータが入力すると、解析処理部５は、遠距離で撮影した２枚の画像データを画像メモリ４から読み出す（ステップＳ２）。続いて、解析処理部５は、２枚の画像データのそれぞれについて参照点を抽出する（ステップＳ３）。これは、輝度値について所定のしきい値と比較し、２値画像を得ることにより簡単に得ることが可能である。
【００１５】
次に、解析処理部５は、抽出した参照点から、２枚の画像中で対応する参照点を探索する（ステップＳ４）。これにより、１枚目の画像中の参照点２に対応する２枚目の画像中の参照点２が関係付けられて得られたこととなる。この対応点探索は、ステレオ視の処理で用いられる特徴点の関連付け処理を行えば簡単に行うことができる。続いて、解析処理部５は、対応する参照点が見つかった参照点の画像上の座標値を２つの画像データそれぞれから求める（ステップＳ５）。ここまでの処理によって、各参照点２について、２枚の画像上の座標値が得られたこととなる。続いて、ここで求めた参照点２の画像上座標値と画像計測の原理を用いることにより参照点２の３次元座標値を算出する（ステップＳ６）。
【００１６】
次に、解析処理部５は、近距離で撮影した２枚の画像データを画像メモリ４から読み出す（ステップＳ７）。続いて、解析処理部５は、２枚の画像データのそれぞれについて参照点を抽出する（ステップＳ８）。続いて、解析処理部５は、抽出した参照点から、２枚の画像中で対応する参照点を探索する（ステップＳ９）。そして、解析処理部５は、対応する参照点が見つかった参照点の画像上の座標値を２つの画像データそれぞれから求め（ステップＳ１０）、ここで求めた参照点２の画像上座標値から３次元座標値を算出する（ステップＳ１１）。このステップＳ７〜Ｓ１１の処理は、使用する画像データが遠距離と近距離で異なるだけで、ステップＳ２〜Ｓ６と同様の処理である。
【００１７】
次に、解析処理部５は、遠距離で撮影した画像から求めた参照点２の座標値と近距離で撮影した画像から求めた参照点２の座標値とから、デジタルカメラ３の光学系の補正値を求める。遠距離で撮影して得られた画像データは、参照点２のすべてが光学系の中心近傍に撮像されているため、画面周辺部に参照点２が撮像されない反面、歪曲収差の影響を受けにくい。一方、近距離で撮影して得られた画像データは、参照点２が画面全体に撮像される反面、中心から遠ざかるにしたがって歪曲収差の影響が大きくなる。このように特徴の異なる２つの画像データを用いることで、各参照点２について、歪曲収差の影響が少ない状態で求めた座標値と歪曲収差の影響が大きい状態で求めた座標値とを比較することが可能となり、画面全体において、歪曲収差の度合いを正確に知ることが可能となる。この収差の度合いに基づいて、画面上の位置毎に補正値を求めることが可能となる。続いて、解析処理部５は、ここで求めた補正値を出力部６へ出力することにより、補正値の表示や印刷が行われる。
【００１８】
ここで、画像計測の原理を使用した３次元座標値の算出方法を簡単に説明する。この算出方法は、周知の方法であり、例えば、「解析写真測量改訂版、（社）日本写真測量学会、１９８９」等の文献に記載されている。
【００１９】
カメラ光学系ひずみの補正項を含めた共線条件式は、（１ａ）、（１ｂ）式のように書ける。
【数１】
2004354234.tif 000003
【００２０】
【数２】
2004354234.tif 000004
【００２１】
【数３】
2004354234.tif 000005
【００２２】
（１ａ）式、（１ｂ）式は、非線形であり、これを解くために各未知数の初期値として、レンズの焦点距離Ｃ、３つの参照点２（左上隅、左下隅、右上隅の３点の３次元座標）を初めに与える。上記の式を解くことにより、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３およびＰ１，Ｐ２が求められ、これが前述した歪曲収差の補正値となる。また、上記の式を解くと、正確なレンズの焦点距離Ｃ、主点位置（ｘｐ，ｙｐ）が得られる。
【００２３】
これらの値と、実際に計測する必要がある被写体の２枚の画像データを用いて画像計測を行えば、正確な計測値を得ることができる。
【００２４】
このように、被写体上の計測点や撮影位置について正確な情報が得られない場合においても、４枚の画像を撮影するだけで、カメラのキャリブレーションデータ（前述したＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｐ１，Ｐ２，Ｃ、（ｘｐ，ｙｐ））を簡単に得ることが可能となるため、画像計測に使用するカメラのキャリブレーションを正確に行うことができる。また、このキャリブレーションをしたカメラで画像計測を行えば、正確な形状計測を行うことが可能となる。
【００２５】
なお、前述した被写体１は、キャリブレーション用に予め用意したものを使用するようにしたが、参照点の正確な３次元座標値を必要としない本方法を使用することにより、画像計測対象である橋梁等の構造物そのものを撮像した画像をキャリブレーションに用いるようにしてもよい。このとき、多くの参照点が橋梁の構造物に存在するとは限らないため、ボルトやリベット、さらには画像処理のエッジ抽出により得られたエッジの端点等の特徴点を参照点にすれば、参照点を積極的に設けることができない場合等に適用可能である。
【００２６】
また、図２における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりキャリブレーション処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００２７】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、被写体上の計測点や撮影位置について正確な情報が得られない場合でも、画像計測装置に使用するカメラのキャリブレーションを行うことが可能になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の装置構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す解析処理部５の動作を示すフローチャートである。
【図３】画像の撮影方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・被写体
２・・・参照点
３・・・デジタルカメラ
４・・・画像メモリ
５・・・解析処理部
６・・・出力部
【図１】
2004354234.tif 000006
【図２】
2004354234.tif 000007
【図３】
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