(57)【要約】【課題】 従来から存在する可動式の単眼カメラをそのまま利用して、低コストでかつ三次元計測精度の高い三次元計測カメラ装置を提供する。【解決手段】三次元計測カメラ装置は、可動式の１台のカメラ２と、前記カメラ２による複数のカメラ位置における画像群から該画像群に含まれる共通の撮影対象物体６の対応関係を求める画像対応関係計算手段７Ａと、前記画像対応関係計算手段７Ａで求められた前記共通の撮影対象物体６の対応関係に基づいて前記カメラ２と前記撮影対象物体６との三次元位置関係を求める三次元位置演算手段８と、を備えている。【選択図】 図１
2005257288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動式の１台のカメラと、
前記カメラによる複数のカメラ位置における画像群から該画像群に含まれる共通の撮影対象物体の対応関係を求める画像対応関係計算手段と、
前記画像対応関係計算手段で求められた前記共通の撮影対象物体の対応関係に基づいて前記カメラと前記撮影対象物体との三次元位置関係を求める三次元位置演算手段と、
を備えた三次元計測カメラ装置。
【請求項２】
前記カメラは、移動中に微小間隔で逐次画像を撮影し、
前記画像対応関係計算手段は、前記カメラにより直前に撮影された画像とその一つ前に撮影された画像からこれらの画像に含まれる共通の撮影対象物体の対応関係を求め、
前記画像対応関係計算手段で求められた各々の画像間における前記撮影対象物体の対応関係を蓄積する対応関係蓄積手段と、
前記対応関係蓄積手段に蓄積された前記撮影対象物体の対応関係を辿ることにより前記カメラ移動前後の画像における前記撮影対象物体の対応関係を求め前記三次元位置演算手段に供給する対応関係追跡手段と、
を備えた請求項１に記載の三次元計測カメラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の三次元位置を計測する三次元計測カメラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の三次元計測カメラ装置としては、カメラに赤外線やレーザ光線等を用いた距離測定器を追加して計測するものが存在していた。
【０００３】
また、カメラを使用する従来の三次元計測カメラ装置としては、２台のカメラを用いて計測するものと、単眼カメラを用いて計測するものが存在していた。
【０００４】
単眼カメラを用いた従来の三次元計測カメラ装置（例えば、特許文献１参照）は、図５に示すように、画像を撮像するＴＶカメラ１０１に取り付けられる画像を拡大及び縮小させるズームレンズ１０２を備えており、このズームレンズ１０２の焦点距離を焦点距離移動部１０３にて変えて撮像することによって得られる同一対象物に対する拡大率もしくは縮小率を変化させた画像とこの撮像時の焦点距離検出部１０４にて検出される各焦点距離から物体１０８の計測を行うようにしている。なお、ＴＶカメラ１０１から出力される映像信号は、Ａ／Ｄ変換器１０５にてデジタル信号に変換されて、２枚分の画像を記憶することができるフレームメモリ１０６に記憶されるようになっている。また、フレームメモリ１０６に書き込まれたデータを読み取る中央制御処理装置１０７が備えられているとともに、この中央制御処理装置１０７によって焦点距離移動部１０３に指令が与えられ、かつズームレンズ１０２の焦点距離をこの中央制御処理装置１０７で読み取ることができるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−２０９７３０号公報（第１−２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、赤外線やレーザ光線等を用いた距離測定器を追加して計測する装置では、カメラ以外にそれらの距離測定器を追加するためにコストが高くなるという課題があった。
【０００７】
また、２台のカメラを用いて計測する装置でも、２台のカメラを使用することによってコストが高くなるという課題があった。
【０００８】
また、単眼カメラを用いて計測する装置では、カメラの焦点距離のみを変更して三次元計測を行っているため、計測精度を上げるために必要な視差が小さくなり、計測精度が低くなるという課題があった。
【０００９】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、従来から存在する可動式の単眼カメラをそのまま利用して、低コストでかつ三次元計測精度の高い三次元計測カメラ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】
【００１０】
本発明の三次元計測カメラ装置は、可動式の１台のカメラと、前記カメラによる複数のカメラ位置における画像群から該画像群に含まれる共通の撮影対象物体の対応関係を求める画像対応関係計算手段と、前記画像対応関係計算手段で求められた前記共通の撮影対象物体の対応関係に基づいて前記カメラと前記撮影対象物体との三次元位置関係を求める三次元位置演算手段と、を備えている。
【００１１】
この構成によれば、可動式の１台のカメラによる複数のカメラ位置における画像群から該画像群に含まれる共通の撮影対象物体の対応関係を求め、これに基づいてカメラと撮影対象物体との三次元位置関係を求めるので、低コストであり、また、焦点距離を変化させた場合よりも、視差を大きくできるため、三次元測定精度を上げることができる。
【００１２】
また、本発明の三次元計測カメラ装置は、前記カメラが、移動中に微小間隔で逐次画像を撮影し、前記画像対応関係計算手段が、前記カメラにより直前に撮影された画像とその一つ前に撮影された画像からこれらの画像に含まれる共通の撮影対象物体の対応関係を求め、前記画像対応関係計算手段で求められた各々の画像間における前記撮影対象物体の対応関係を蓄積する対応関係蓄積手段と、前記対応関係蓄積手段に蓄積された前記撮影対象物体の対応関係を辿ることにより前記カメラ移動前後の画像における前記撮影対象物体の対応関係を求め前記三次元位置演算手段に供給する対応関係追跡手段と、を備えているものを含む。
【００１３】
この構成によれば、各々の画像間における撮影対象物体の対応関係を蓄積し、蓄積された撮影対象物体の対応関係を辿ることによりカメラ移動前後の画像における撮影対象物体の対応関係を求めるので、カメラ移動前後での撮影対象物体の対応付けを容易に行え、かつ、画像中の撮影対象物体の探索領域を狭くできるために撮影対象物体の探索時間が削減でき、また、撮影対象物体の誤検出を少なくできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の三次元計測カメラ装置によれば、従来から存在する可動式の単眼カメラでもパンやチルト等の機能を利用して、カメラを動かして撮影対象物体を撮影し、移動前後のカメラの位置関係とカメラの向きとカメラの焦点距離及び撮像素子サイズと、撮影した２枚の画像における撮影対象物体の対応関係を求めることにより、カメラから撮影対象物体の三次元位置を簡単に求めることができ、また、焦点距離を変化させた場合よりも、視差を大きくできるため、三次元測定精度を上げることができ、また、予め基準物体を用いてカメラパラメータを算出する必要もなく、手間をかけずにカメラから撮影対象物体の三次元位置を求めることができる。このことにより、撮影対象物体の三次元位置が求められることにより、例えば侵入者監視装置において、侵入者の体格を求めたり、小動物等の誤検出を少なくすることができるようになる。
【００１５】
また、本発明の三次元計測カメラ装置によれば、カメラ移動中に撮影画像中の撮影対象物体の対応付けを逐次行うことにより、カメラが大きく移動した後では検出が難しい撮影対象物体の検出が容易になり、その結果、カメラ移動前後の撮影対象物体の対応付けも容易になり、撮影対象物体の探索時間が削減でき、また、撮影対象物体の誤検出を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る三次元計測カメラ装置による撮影対象物体の撮影構成図である。図１において、本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置は、カメラ筐体１と、カメラ２と、画像対応関係計算部７Ａと、三次元位置演算部８とを備えている。
【００１８】
カメラ筐体１は、少なくともカメラ２を包含するものである。カメラ２は、カメラレンズ２ａ及び撮像投影面２ｂを有しており、カメラ移動半径中心点３を中心に半径ｒの球面上を上下左右に自動的に移動可能なものである。画像対応関係計算部７Ａは、カメラ２による複数のカメラ位置における画像群から該画像群に含まれる共通の撮影対象物体６の対応関係を求めるものである。三次元位置演算部８は、画像対応関係計算部７Ａで求められた共通の撮影対象物体６の対応関係に基づいてカメラ２と撮影対象物体６との三次元位置関係を求めるものである。なお、紙面に対して、左右方向にｘ軸、垂直方向にｙ軸、上下方向にｚ軸が存在するものと仮定する。
【００１９】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置について、その動作を説明する。まず、カメラ２が基本位置４にある場合において、撮影対象物体６を含む画像を撮影し、その画像を画像対応関係計算部７Ａへ送る。次に、カメラ２を移動させ、移動後の位置５まで移動させる。そして、撮影対象物体６を含む画像を撮影し、その画像を画像対応関係計算部７Ａへ送る。画像対応関係計算部７Ａでは、カメラ２が基本位置４と移動後の位置５にある場合に撮影された画像に含まれている撮影対象物体６を画像処理を用いて検出して、対応関係を求める。なお、ここで用いる画像処理はどのような方式のものでも構わない。次に、三次元位置演算部８では、画像対応関係計算部７Ａで求められた撮影対象物体６の対応関係に基づいてカメラ２と撮影対象物体６との三次元位置関係を求める。
【００２０】
なお、本実施の形態では、カメラ２は、カメラ移動半径中心点３を中心とした半径ｒの球面上のみを移動するものと仮定しているが、カメラ２は球面上以外の任意の場所に移動しても構わず、三次元計測を行うための必要な情報として、基本位置４から移動後の位置５への移動方向と移動距離、及び移動前後のカメラ２の向きが判っていれば良い。
【００２１】
図２は、カメラ２が、図１における基本位置４から、水平方向に角度θ、垂直方向に角度δだけ移動した位置を移動後の位置５とし、各位置において撮影対象物体６を撮影したときのカメラ画像を示している。ここで、基本位置４で撮影された第１のカメラ画像１１において、撮影された撮影対象物体６の位置が、画像中心から水平方向にｘａ、垂直方向にｙａだけずれているものとする。また、移動後の位置５で撮影された第２のカメラ画像１２において、撮影された撮影対象物体６の位置が、画像中心から水平方向にｘｂ、垂直方向にｙｂだけずれているものとする。
【００２２】
カメラ２がカメラ移動半径中心点３を中心とした半径ｒの球面上のみを移動する場合において、カメラ２の焦点距離ｆ、移動半径ｒ、水平方向移動角度θ、垂直方向移動角度δ、カメラ画像１１における撮影対象物体６の位置（ｘａ，ｙａ）、カメラ画像１２における撮影対象物体６の位置（ｘｂ，ｙｂ）から、以下の式（１）のように、カメラ移動半径中心点３を原点とした撮影対象物体６の三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。      Ｘ＝−ｘａｒｓｉｎα／（ｆｓｉｎα−ｘａｃｏｓα）
Ｚ＝−ｘａｒｃｏｓα／（ｆｓｉｎα−ｘａｃｏｓα）
Ｙ＝Ｘｙａ／ｘａ
ただし、α＝ｔａｎ−１｛（−ｘａｆｓｉｎθ＋ｘａｘｂｃｏｓθ−ｘａ）／（ｘａｘｂｓｉｎθ＋ｘａｆｃｏｓθ−ｆ）｝                    ・・・（１）
【００２３】
なお、式（１）では、カメラ２の焦点距離ｆをカメラ移動前後で固定としたが、焦点距離が変動した場合でも、式（１）とは別の式を用いることにより、カメラ２と撮影対象物体６の三次元位置関係を求めることができる。
【００２４】
また、カメラ２がカメラ移動半径中心点３を中心とした半径ｒの球面上ではなく、別の位置に移動したり、あるいはカメラ２が異なる方向を向いている場合でも、式（１）とは別の式を用いることにより、カメラ２と撮影対象物体６の三次元位置関係を求めることができる。
【００２５】
本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置によれば、単眼カメラでも従来からあるパンやチルト等の機能を利用して、カメラ２を動かして撮影対象物体６を撮影することにより、移動前後のカメラ２の位置関係とカメラ２の向きとカメラ２の焦点距離及び撮像素子サイズと、撮影した２枚の画像における撮影対象物体６の対応関係を求めるだけで、撮影対象物体６の三次元位置を簡単に求めることができ、また、焦点距離を変化させた場合よりも、視差を大きくできるため、三次元測定精度を上げることができる。また、本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置によれば、予め基準物体を用いてカメラパラメータを算出する必要もなく、手間をかけずにカメラから撮影対象物体６の三次元位置を求めることが可能になる。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る三次元計測カメラ装置による撮影対象物体の撮影構成図である。図３において、本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置は、カメラ筐体１と、カメラ２と、画像撮影制御部２１と、画像対応関係計算部７Ｂと、対応関係蓄積部２２と、対応関係追跡部２３と、三次元位置演算部８とを備えている。
【００２７】
カメラ筐体１は、少なくともカメラ２を包含するものである。カメラ２は、カメラレンズ２ａ及び撮像投影面２ｂを有しており、カメラ移動半径中心点３を中心に半径ｒの球面上を上下左右に自動的に移動可能なものである。画像撮影制御部２１は、カメラ２が移動中に微小間隔で逐次画像を撮影するように制御するものである。画像対応関係計算部７Ｂは、カメラ２により直前に撮影された画像とその一つ前に撮影された画像からこれらの画像に含まれる共通の撮影対象物体６の対応関係を求めるものである。対応関係蓄積部２２は、画像対応関係計算部７Ｂで求められた各々の画像間における撮影対象物体６の対応関係を蓄積するものである。対応関係追跡部２３は、対応関係蓄積部２２に蓄積された撮影対象物体６の対応関係を辿ることによりカメラ２の移動前後の画像における撮影対象物体６の対応関係を求めるものである。三次元位置演算部８は、対応関係追跡部２３で求められた撮影対象物体６の対応関係に基づいてカメラ２と撮影対象物体６との三次元位置関係を求めるものである。
【００２８】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置について、その動作を説明する。まず、カメラ２が基本位置４にある場合において、撮影対象物体６を含む画像を撮影し、その画像を画像対応関係計算部７Ｂへ送る。次に、カメラ２を移動後の位置５の方向へ移動させていくが、画像撮影制御部２１の指示に従って、カメラ２が微小位置だけ移動する度に画像撮影を行い、その画像データを次々に画像対応関係計算部７Ｂへ送る。
【００２９】
図４は、画像対応関係計算部７Ｂへ次々に送られる画像に対する、撮影対象物体６の検出方法について示している。カメラ画像３１は、カメラ２が基本位置４と移動後の位置５の間の位置にあって、撮影画像中における撮影対象物体６が位置ｐで撮影された画像を示しており、カメラ画像３２は、カメラ２が画像３１のときよりも微小移動して、その結果、撮影対象物体６が位置ｑで撮影された画像を示している。このとき、カメラ２の移動方向は分かっており、かつ、画像３１と画像３２を撮影する間におけるカメラ２の移動は微小距離であることから、画像３２における撮影対象物体６を探すための探索範囲を、例えば探索範囲３３として示すように位置ｐを起点にして方向と大きさを制限した範囲（Δｘ，Δｙ）にすることができる。
【００３０】
次に、画像対応関係計算部７Ｂは、画像３１を破棄して、画像３２で検出された撮影対象物体６をベースに、次に送られてくる画像に含まれる撮影対象物体６を上記と同様の方法で探索する。以降、上記の処理を、カメラ２が基本位置４と移動後の位置５の間を移動する間、続けて行い、撮影対象物体６を追跡することにより、最終的に、カメラ２が移動後の位置５にある場合に撮影された画像１２（図２参照）に含まれる撮影対象物体６を正しく検出することができ、カメラ２と撮影対象物体６との三次元位置関係を求めることができる。
【００３１】
本実施の形態に係る三次元計測カメラ装置によれば、カメラ２が大きく移動した後では検出が難しい撮影対象物体６に対しても、カメラ移動中に、微小移動単位で画像中の撮影対象物体６の対応付けを逐次行うことにより、カメラ移動前後での撮影対象物体６の対応付けも容易になり、かつ、画像中の撮影対象物体６の探索領域を狭くできるために撮影対象物体６の探索時間が削減でき、また、撮影対象物体６の誤検出を少なくできる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、従来から存在する可動式の単眼カメラをそのまま利用して、低コストでかつ三次元計測精度を上げることができるといった効果を有し、例えば侵入者監視装置に用いられる三次元計測カメラ装置に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る三次元計測カメラ装置による撮影対象物体の撮影構成図
【図２】カメラ移動前後におけるカメラ画像を示す図
【図３】本発明の実施の形態２に係る三次元計測カメラ装置による撮影対象物体の撮影構成図
【図４】画像対応関係計算部へ次々に送られる画像に対する撮影対象物体の検出方法について示す図
【図５】従来の三次元計測カメラ装置の一例を示すブロック図
【符号の説明】
【００３４】
１  カメラ筐体
２  カメラ
３  カメラ移動半径中心点
４  カメラ基本位置
５  カメラ移動後の位置
６  撮影対象物体
７Ａ、７Ｂ  画像対応関係計算部
８  三次元位置計算部
２１  画像撮影制御部
２２  対応関係蓄積部
２３  対応関係追跡部
【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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