(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天頂方向に光軸を向けて撮像して光軸方向の撮像データが中心に位置する二次元の全方位画像を取得する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された周囲物体の鉛直方向のＮ個の稜線を前記全方位画像から抽出する稜線抽出手段と、
前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき、前記全方位画像における天頂位置を算出する天頂位置算出手段とを備え、
前記天頂位置算出手段は、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像から天頂位置が含まれる天頂領域を算出する天頂領域算出手段と、前記算出した天頂領域を初期領域として天頂位置を探索する天頂位置探索手段とを備えた
ことを特徴とする鉛直軸校正装置。
【請求項２】
前記稜線抽出手段は、前記撮像手段で撮像された周囲物体の鉛直方向の稜線を前記全方位画像から抽出した稜線の画像情報のうち、地表面に対し鉛直な稜線を選択する稜線選択手段を備え、前記稜線選択手段にて選択したＮ個を稜線として抽出する
ことを特徴とする請求項１記載の鉛直軸校正装置。
【請求項３】
前記天頂位置探索手段は、
天頂領域内の任意の点を仮の天頂位置として、原点から仮の天頂位置に延びる線上に中心を持ち、射影像上で稜線と交わる、原点と仮の天頂位置を結ぶ線上対し垂直な任意の円の射影像（以下、単に「射影像」と言う）と、任意の稜線との交差点における、前記射影像の接線と前記稜線の接線の交差角度を算出し、全ての稜線に対して前記交差角度が９０°となる点を天頂位置とする
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉛直軸校正装置。
【請求項４】
前記天頂領域算出手段は、
抽出した稜線ｎ（ｎ≦Ｎ）に対して、稜線ｎの始点又は終点のうち前記全方位画像の中心に近い一方の点を最近点とし他方の点を最遠点とし、最近点を始点としてＸ軸方向に延びる直線及びＹ軸方向に延びる直線により区画された前記全方位画像の部分領域であって最近点を基準として最遠点を対称移動させた際に移動後の最遠点が存在する部分領域を第１部分領域ｎとして算出し、Ｎ個の第１部分領域ｎの論理積をとることにより第１部分天頂領域を算出する第１部分天頂領域算出手段と、
抽出した稜線ｍ（ｍ≦Ｎ）に対して、稜線ｍの始点及び終点を通る直線を引いた際に該直線により区画された全方位画像の部分領域であって、稜線ｍの始点及び終点以外の任意の点が存在しない部分領域を、第２部分領域ｍとして算出し、前記第１部分天頂領域とＮ個の第２部分領域ｍの論理積をとることにより第２部分天頂領域を算出する第２部分天頂領域算出手段とを備え、
算出した第２部分天頂領域を天頂領域とする
ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の鉛直軸校正装置。
【請求項５】
撮像手段を天頂方向に光軸を向けて撮像して光軸方向の撮像データが中心に位置する二次元の全方位画像を取得する撮像ステップと、
前記撮像手段で撮像された周囲物体の鉛直方向のＮ個の稜線を前記全方位画像から抽出する稜線抽出ステップと、
前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像における天頂位置を算出する天頂位置算出ステップとを備え、
前記天頂位置算出ステップは、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像から天頂位置が含まれる天頂領域を算出する天頂領域算出ステップと、前記算出した天頂領域を初期領域として天頂位置を探索する天頂位置探索ステップとを備えた
ことを特徴とする鉛直軸校正方法。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１乃至４記載の鉛直軸校正装置の各手段として機能させることを特徴とする鉛直軸校正プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設置に所定の方向性を有する機器において設置方向を校正する技術に関し、特に鉛直軸方向の校正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
設置に所定の方向性を有する機器がある。例えば、水準測量においては、標尺を鉛直方向に設置する必要がある。また例えば、全方位カメラを利用した三角測量においては、全方位カメラの光軸、すなわち全方位カメラに含まれる魚眼レンズ（ＦＩＳＨ  ＥＹＥ  ＬＥＮＳ、フィッシュアイレンズ）の光軸を、高精度に天頂方向、すなわち鉛直軸方向に向けることが要求される。また例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）などの衛星測位システムのアンテナ設置作業の効率化を目的に、全方位カメラを用いてアンテナ設置予定位置における天球画像を撮影することで、周辺環境を考慮した経時的な衛星信号受信特性の推定や、常時衛星信号を受信可能な開口すべきエリアの計算や表示を行うシステムがある。このシステムにおいては、全方位カメラの光軸、すなわち全方位カメラに含まれる魚眼レンズの光軸を、高精度に天頂方向、すなわち鉛直方向に向けることが要求される。このような機器においては方向性の精度が機器の精度につながるので、より高い精度で方向性を確保したい、すなわち方向性の校正をしたいという要求がある。具体的には、方向性のずれを１°未満に抑えたいという要求がある。
【０００３】
従来、全方位カメラの光軸校正方法としては、例えば、（ａ）カメラを固定する三脚の雲台に水平器もしくは水準器を設置し傾きを計測する方法、（ｂ）ＧＰＳ衛星と２台のアンテナの位置関係から、アンテナ間の方向ベクトルを求めることにより傾きを計測する方法（非特許文献１参照）、（ｃ）天頂方向から複数の糸を垂らし、カメラ画像における交点（＝天頂）を求める方法（非特許文献２参照）などが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】高良裕二、他４名、「ＧＰＳ  コンパス」、日本無線技法、Ｎｏ．４７、Ｐ．４０−４３、２００５年
【非特許文献２】Hiroshige Dan, Yoshihiro Yasumuro, Taisuke Ishigaki, Tatsuaki Nishigata: Mesurement Planning of Three-Dimensional Shape by Mathematical Programming, 11th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality pp. 205-216, 2012, Weimar, Germany.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記（ａ）の方法では、カメラまたはカメラを固定する三脚の雲台の傾きを検出し、傾きを校正する方法が一般的であるが、カメラを雲台に固定する際に生じるレンズの光軸と雲台との相対的な傾きの偏差やカメラの筐体の構造に起因する傾きの偏差により、水平器によって校正した後にも光軸の傾きには一定の誤差が残存する場合がある。また、この方法では現状数°ＲＭＳまでの精度での計測しか実現できないという問題がある。また、上記（ｂ）の方法では、１°ＲＭＳの精度での計測が可能であるが、前記（ａ）と同じく誤差の残存の課題がある。また、ＧＰＳ衛星信号が障害物（壁、柱、柵などの建造物や樹木など）により阻害され、捕捉できないエリアでは実施が困難であり、ＧＰＳ衛星信号が障害物により反射する環境においては、測位精度が劣化し、これに伴い計測精度が劣化する。また、導入費用が高価となるという問題がある。さらに、上記（ｃ）の方法では、安価であるが、風等の外部環境に依存が大きく、安定して高精度に光軸を鉛直方向に校正することが困難である。さらに計測精度が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高精度且つ安価に鉛直軸方向の校正が可能な鉛直軸校正装置、方法及びプログラムを提供することにある。
【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、本願発明は、天頂方向に光軸を向けて撮像して光軸方向の撮像データが中心に位置する二次元の全方位画像を取得する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された周囲物体の鉛直方向のＮ個の稜線を前記全方位画像から抽出する稜線抽出手段と、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき、前記全方位画像における天頂位置を算出する天頂位置算出手段とを備え、前記天頂位置算出手段は、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像から天頂位置が含まれる天頂領域を算出する天頂領域算出手段と、前記算出した天頂領域を初期領域として天頂位置を探索する天頂位置探索手段とを備えたことを特徴とする鉛直軸校正装置を提案する。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本願発明は、撮像手段を天頂方向に光軸を向けて撮像して光軸方向の撮像データが中心に位置する二次元の全方位画像を取得する撮像ステップと、前記撮像手段で撮像された周囲物体の鉛直方向のＮ個の稜線を前記全方位画像から抽出する稜線抽出ステップと、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像における天頂位置を算出する天頂位置算出ステップとを備え、前記天頂位置算出ステップは、前記抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき前記全方位画像から天頂位置が含まれる天頂領域を算出する天頂領域算出ステップと、前記算出した天頂領域を初期領域として天頂位置を探索する天頂位置探索ステップとを備えたことを特徴とする鉛直軸校正方法を提案する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、全方位カメラで撮像された周囲物体の鉛直方向の複数の稜線に基づき天頂位置を算出できる。すなわち画像処理だけで天頂位置を算出することができる。したがって、算出した天頂位置を用いて、高精度且つ安価に鉛直軸方向の校正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鉛直軸校正装置の構成図
【図２】モデル図
【図３】カメラの傾きイメージ
【図４】鉛直方向稜線の射影画像例
【図５】鉛直方向稜線の二次元画像への投影イメージを説明する図
【図６】鉛直軸校正装置の動作を説明するフローチャート
【図７】全方位画像の一例
【図８】全方位画像の使用範囲の策定を説明する図
【図９】全方位画像に含まれる構造物の稜線の抽出例
【図１０】抽出した稜線から地表面に鉛直な稜線の選択処理を説明する図
【図１１】領域Ａの算出処理を説明する図
【図１２】領域Ａの一例を示す図
【図１３】領域Ｂの算出処理を説明する図
【図１４】領域Ｂの一例を示す図
【図１５】領域Ｂの一例の拡大図
【図１６】仮の天頂位置に対応した任意の円の射影像を全方位画像に重ねた図
【図１７】カメラの傾きイメージ
【図１８】仮の頂点位置と、稜線の接線と水平線の接線の交差角度の関係を説明する図
【図１９】仮の頂点位置と真の頂点位置が一致している場合の、稜線の接線と水平線の接線の交差角度の関係を説明する参考図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施の形態に係るシステムについて図面を参照して説明する。図１は鉛直軸校正装置の構成図である。
【００１２】
図１に示すように、鉛直軸校正装置１は、天頂方向に光軸を向けて撮像して光軸方向の撮像データが中心に位置する二次元の全方位画像を取得する全方位カメラ１０と、全方位カメラ１０で撮像された撮像データを記憶する撮像データ記憶部２０と、全方位カメラ１０で撮像された周囲物体の鉛直方向のＮ個の稜線を全方位画像から抽出する稜線抽出部３０と、抽出したＮ個の稜線の画像情報に基づき全方位画像における天頂位置を算出する天頂位置算出部４０と、算出した全方位画像における天頂位置に基づき光軸を校正する光軸方向校正部５０を備えている。
【００１３】
ここで、鉛直軸校正装置１は、設置に所定の方向性を有する機器に設置して使用する形態であってもよいし、このような機器に組み込む形態であってもよい。後者の場合、鉛直軸校正装置１を構成する各部１０〜５０は、組み込む機器とハードウェア等のリソースを共有してもよい。例えば、全方位カメラを備えた機器の鉛直軸を構成する場合には、鉛直軸校正装置１の全方位カメラ１０として当該機器の全方位カメラを用いることができる。
【００１４】
本発明では、全方位カメラ１０の周囲の物体、例えばビルなどの構造物の稜線であって、地表面に対して鉛直方向の稜線の撮像データを利用して全方位カメラ１０の光軸を校正する。なお、初期条件として全方位カメラ１０の傾きは任意でよい。
【００１５】
本発明のモデルイメージを図２〜図４に示す。図２はモデル図である。図２に示すように、天頂方向がＺ軸となる極座標において、鉛直軸校正装置１の全方位カメラ１０の撮影位置が極座標の原点になる。全方位カメラ１０の周囲には地表面に対して鉛直方向の複数の稜線が存在する。この稜線の位置や高さはランダムでよい。図３は全方位カメラ１０の傾きイメージを示す図であり、全方位カメラ１０の光軸方向が鉛直軸から傾いていることを示している。図４は、全方位カメラ１０の光軸が傾いた状態で撮像して得られる稜線の射影画像の一例である。
【００１６】
全方位カメラ１０の魚眼レンズの射影による鉛直方向稜線の二次元画像への投影イメージを図５に示す。ここでは図５に示すように、高さが無限大の鉛直方向稜線が原点を中心とする円周上に３０°毎の方位に配置された計算モデルを考える。全方位カメラ１０の光軸の傾きを、鉛直軸との角度θ、原点からの方位φにより表す。図５下段に示すように、全方位カメラ１０の光軸が鉛直軸と一致する場合は、各稜線の射影は二次元画像の中心位置に向かう直線として表される。一方、全方位カメラ１０の光軸が鉛直軸から傾いている場合は、各稜線の射影は二次元画像の所定位置（ここが天頂位置を示す）に向かう曲線として表される。本実施の形態に係る鉛直軸校正装置１は、全方位カメラ１０で撮像した二次元画像である全方位画像から、該全方位画像における天頂位置を特定する。
【００１７】
次に、鉛直軸校正装置１の稜線抽出部３０と天頂位置算出部４０について、鉛直軸校正装置１による校正方法の詳細動作をもって説明する。図６は鉛直軸校正装置１の動作を説明するフローチャートである。
【００１８】
まず、全方位カメラ１０を用いて複数の稜線を含む全方位画像を撮像し、撮像データを撮像データ記憶部２０に記憶する（ステップＳ１）。全方位画像の一例を図７に示す。ここで、全方位カメラ１０の光軸は全方位画像の中心点に向いている点に留意されたい。
【００１９】
次に、稜線抽出部３０は、撮像データ記憶部２０に記憶されている全方位画像のうち以降の処理で使用する画像データ範囲を策定する（ステップＳ２）。具体的には、図８に示すように、光軸方向(中心)からｎ°の範囲の仰角にある撮影画像を使用するものとする。以下、処理対象の全方位画像は策定した範囲内の画像データとする。次に、稜線抽出部３０は、図９に示すように全方位画像から特徴検出処理により抽出したエッジから画像の中心に近く、可能な限り多くの方位に分散した稜線をＮ個抽出する。ここで、稜線抽出部３０は、さらに図１０に示すように抽出された稜線からマニュアル指定による選択を受けつける、または、外挿した稜線が画像の水平線と交わる点と画像の中心を結んだ直線と、稜線の交わる角度θが一定値以下である稜線を選択する稜線選択部（図示省略）を備えてもよい。そして、稜線選択部で選択した稜線を、稜線抽出部３０が抽出したＮ個の稜線としてもよい（ステップＳ３）。なお、稜線選択部におけるマニュアル指定では、鉛直軸校正装置１のユーザに対して全方位画像及び抽出した稜線を表示することにより提示し、ユーザが地表面に対し鉛直でないと判断・入力した稜線を非選択とし、以降は処理対象から除外する。
【００２０】
次に、天頂位置算出部４０は、後述する探索処理の初期値としての天頂位置が含まれる天頂領域を算出する処理を行う。当該領域算出処理は、大きく２段階に分かれる。まず第１段階として領域Ａを算出する（ステップＳ４）。この領域Ａは特許請求の範囲に記載の第１部分天頂領域に相当する。
【００２１】
領域Ａは以下のようにして算出する。まず、天頂位置算出部４０は、抽出した各稜線ｎに対して、稜線ｎの始点又は終点のうち全方位画像の中心に遠い一方の点を最遠点（ｘ１，ｙ１）として抽出し、中心に近い他方の点を最近点（ｘ２，ｙ２）として抽出する。そして、（ｙ２−ｙ１）／（ｘ２−ｘ１）をａとすると、図１１に示すように、
ａ＞０且つｘ１＞ｘ２の場合、（ｘ＜ｘ２；ｙ＜ｙ２）
ａ＜０且つｘ１＜ｘ２の場合、（ｘ＞ｘ２；ｙ＜ｙ２）
ａ＞０且つｘ１＜ｘ２の場合、（ｘ＞ｘ２；ｙ＞ｙ２）
ａ＜０且つｘ１＞ｘ２の場合、（ｘ＜ｘ２；ｙ＞ｙ２）
ａ＝０且つｘ１＞ｘ２の場合、（ｘ＜ｘ２；ｙ＝ｙ２）
ａ＝０且つｘ１＜ｘ２の場合、（ｘ＞ｘ２；ｙ＝ｙ２）
ｘ１＝ｘ２且つｙ１＞ｙ２の場合、（ｘ＝ｘ２；ｙ＜ｙ２）
ｘ１＝ｘ２且つｙ１＜ｙ２の場合、（ｘ＝ｘ２；ｙ＞ｙ２）
で表される領域を部分領域ｎとして算出する。この部分領域ｎには天頂位置が含まれている。
【００２２】
なお、当該部分領域ｎは、換言すれば、最近点（ｘ２，ｙ２）を始点としてＸ軸方向に延びる直線及びＹ軸方向に延びる直線により区画された全方位画像の部分領域であって最近点（ｘ２，ｙ２）を基準として最遠点（ｘ１，ｙ１）を対称移動させた際に移動後の最遠点が存在する領域である。なお、最近点と最遠点のＹ座標が一致する場合、及び、最近点と最遠点のＹ座標が一致する場合は、部分領域ｎは直線になる点に留意されたい。天頂位置算出部４０は、図１１に示すように、各稜線ｎについて部分領域ｎを算出する。
【００２３】
次に、天頂位置算出部４０は、各部分領域ｎの論理積をとることにより領域Ａを算出する。前述したように、各部分領域ｎには天頂位置が含まれるので、部分領域ｎの論理積である領域Ａは天頂位置が含まれる矩形領域となる。領域Ａの算出結果の一例を図１２に示す。
【００２４】
次に、天頂位置算出部４０は、第２段階として領域Ｂを算出する（ステップＳ５）。この領域Ｂは特許請求の範囲に記載の第２部分天頂領域に相当するものであり、後述する限定処理の初期領域となる。
【００２５】
領域Ｂは以下のようにして算出する。まず、天頂位置算出部４０は、図１３に示すように、抽出した各稜線ｎ対して、稜線ｎの全方位画像の中心に遠い一方の点を最遠点（ｘ１，ｙ１）として抽出し、中心に近い他方の点を最近点（ｘ２，ｙ２）として抽出し、両点間の直線を引く。この直線をｙ＝ａｘ＋ｂとする。また、最遠点および最近点を除く稜線ｎ上の点（ｘ３，ｙ３）を抽出すると、
ｙ３＞ａｘ３＋ｂの場合、ｙ＜ａｘ＋ｂ
ｙ３＜ａｘ３＋ｂの場合、ｙ＞ａｘ＋ｂ
ｙ３＝ａｘ３＋ｂの場合、ｙ＝ａｘ＋ｂ
で表される領域を部分領域ｎとして算出する。図１３に示すように、この部分領域ｎには天頂位置が含まれていることがわかる。
【００２６】
なお、当該部分領域ｎは、換言すれば、稜線ｎの始点及び終点を通る直線を引いた際に該直線により区画された全方位画像の部分領域であって、稜線ｎの始点及び終点以外の任意の点が存在しない部分領域である。ただし、当該任意の点が稜線ｎの始点及び終点を通る直線上にある場合には、換言すれば、稜線ｎの始点及び終点を通る直線と稜線ｎが一致する場合には、当該直線を部分領域ｎとする。
【００２７】
次に、天頂位置算出部４０は、前述の領域Ａと各部分領域ｎの論理積をとることにより領域Ｂを算出する。前述したように、領域Ａ及び各部分領域ｎには天頂位置が含まれるので、部分領域ｎの論理積である領域Ｂは天頂位置が含まれる多角形領域となる。領域Ｂの算出結果の一例を図１４に示す。
【００２８】
次に、天頂位置算出部４０は、算出した領域Ｂを初期領域として当該初期領域に含まれる天頂位置を探索する処理を行う（ステップＳ６）。
【００２９】
まず、天頂位置算出部４０は、図１５に示すように、領域Ｂの任意の点を仮の天頂位置とする。次に、天頂位置算出部４０は、図１６に示すように、原点から仮の天頂位置に延びる線上に中心を持ち、射影像上で稜線と交わる、原点と仮の天頂位置を結ぶ線上対し垂直な任意の円の射影像（シミュレーション）（以下、仮の天頂位置に対応した任意の円の射影像）を全方位画像に重ねあわせる。この時の全方位カメラ１０の傾きのイメージを図１７に示す。
【００３０】
ここで、任意の稜線と、仮の天頂位置に対応した任意の円の射影像稜線とが交わる交差点における両接線の交差する角度について検討する。仮の天頂位置が真の天頂位置と一致している場合には両接線の交差する角度は９０°になる。他方、仮の天頂位置が真の天頂位置と一致していない場合、すなわち鉛直軸方向の校正が完了していない状態では、両接線の交差する角度は９０°より大きいか又は小さい。図１８は両接線の角度が９０°未満である場合の例を示す。また参考として、仮の天頂位置と真の天頂位置が一致した時の水平線の射影像（シミュレーション）を図１９に示す。
【００３１】
天頂位置算出部４０は、領域Ｂ内の各点を仮の天頂位置と仮定して、ある稜線Ｘに着目した時、稜線Ｘと、仮の天頂位置に対応した任意の円の射影像の両接線の交わる角度を算出し、全ての稜線に対して角度が９０°となる点を天頂位置として算出する。
【００３２】
次に、光軸方向校正部５０は、天頂位置算出部４０で算出した天頂位置に基づき全方位カメラ１０の光軸の、原点と天頂位置を結ぶ直線に対する傾きを算出し（ステップＳ７）、傾きに応じて全方位カメラ１０の光軸を校正する（ステップＳ８）。
【００３３】
以上のように算出された全方位画像における天頂位置に基づき、光軸の鉛直方向からの傾きの値を計算することができる。この計算結果に基づき光軸方向校正部５０において光軸を鉛直方向に校正することができる。
【００３４】
このように本実施の形態に係る鉛直軸校正装置によれば、全方位カメラ１０で撮像された周囲物体の鉛直方向の複数の稜線に基づき天頂位置を算出し、全方位カメラの鉛直軸方向の校正が可能となる。すなわち画像処理だけで天頂位置を算出し、全方位カメラの鉛直軸方向を高精度且つ安価に校正することが可能となる。
【００３５】
以上本発明の一実施の形態について詳述したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、天頂領域の探索処理における初期領域として上記実施の形態では領域Ｂを用いていたが、他の手法により、全方位画像から天頂位置が含まれる天頂領域を算出して初期領域とするようにしてもよい。例えば、全方位カメラの初期の傾き精度が比較的高いものと期待できる場合には、初期領域として全方位画像と中心点を同じにする所定の大きさの多角形領域を算出するようにしてもよい。
【００３６】
本実施の形態に係る鉛直軸校正装置は、種々の用途に用いることができる。例えば、ＧＰＳ測量におけるアンテナ方向の校正、水準測量のレベル校正、ＧＩＳ連携システムにおける全方位カメラ等の方向校正、天体観測におけるレンズ方向の校正、環境モニタにおけるカメラ方向の校正などが挙げられる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…全方位カメラ
２０…撮像データ記憶部
３０…稜線抽出部
４０…天頂位置算出部
５０…光軸方向校正部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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