JP2005322128A - ステレオ3次元計測用キャリブレーション方法及び3次元位置算出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
ステレオ3次元計測において、ステレオカメラを利用して対象物体の3次元位置を計測するために必要なステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるステレオ3次元計測用キャリブレーション方法を提供する。
【解決手段】
平行する第1のキャリブレーション平面と第2のキャリブレーション平面との間のキャリブレーション平面間距離を求め、前記第1のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第1の射影変換行列と前記第2のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第2の射影変換行列を求め、所定の基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置を求め、基準画像平面から前記基準キャリブレーション平面への第3の射影変換行列を求めるステップとを有する。
【選択図】 図1
ステレオ3次元計測において、ステレオカメラを利用して対象物体の3次元位置を計測するために必要なステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるステレオ3次元計測用キャリブレーション方法を提供する。
【解決手段】
平行する第1のキャリブレーション平面と第2のキャリブレーション平面との間のキャリブレーション平面間距離を求め、前記第1のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第1の射影変換行列と前記第2のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第2の射影変換行列を求め、所定の基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置を求め、基準画像平面から前記基準キャリブレーション平面への第3の射影変換行列を求めるステップとを有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ステレオカメラによる3次元計測(以下、ステレオ3次元計測又はステレオ計測とも呼ばれる)技術に関し、特に、ステレオ3次元計測をするためのステレオカメラのキャリブレーション方法及びそのキャリブレーション方法の結果を用いた対象物体の3次元位置算出方法に関する。
ステレオ3次元計測分野では、ステレオカメラを用いて、対象物体を計測し、対象物体の3次元位置(3次元座標)を求めるためには、一般に事前に、ステレオカメラのキャリブレーションを行う必要がある。
つまり、従来、ステレオ3次元計測において、カメラの焦点距離などのカメラの固有の特性を表すカメラの内部パラメータとカメラ間の位置関係を表すカメラの外部パラメータ、又は各カメラの透視投影行列が既知でなければ、対象物体の3次元位置を求めることができなかった。
しかし、上記のカメラの内部パラメータ・外部パラメータ、又は各カメラの透視投影行列といった情報を事前に正確に得るためには、非常に手間のかかるステレオカメラのキャリブレーション(以下、強キャリブレーションとも称する)が必要で、通常は工場出荷時に行われる。よく知られていた強キャリブレーション方法に、例えば、非特許文献1に開示されている、内部パラメータ・外部パラメータを直接に求めるTsaiの方法や、非特許文献2に開示されている、透視投影行列を求めた後に、内部パラメータ・外部パラメータに分解する方法などがある。
そのため、実際にステレオカメラを設置するステレオ3次元計測現場において、現場状況に合わせてカメラの焦点距離やフォーカス等の設定を変更する必要が生じても、このような設定の変更に伴って、もう一度ステレオカメラの強キャリブレーションを現場で行うことは困難である。
一方、ステレオ3次元計測分野において、もう1種類のステレオカメラのキャリブレーション方法として、例えば、非特許文献3に開示されているような3次元シーンの相対的な位置関係のみを計測可能とするステレオカメラのキャリブレーション方法(以下、弱キャリブレーション方法とも呼ばれる)が知られている。また、弱キャリブレーション方法の他の例として、例えば、非特許文献4と非特許文献5に開示されているような「2平面の射影変換行列を利用したキャリブレーション方法」がある。
このような弱キャリブレーション方法によれば、ステレオカメラのキャリブレーションを容易に行うことができるが、キャリブレーションの結果から得られる情報は、キャリブレーション平面に対する前後関係のみであり、対象物体の3次元位置情報(3次元座標)を得ることはできなかったといった問題がある。
アール.ワイ.ツァイ(R.Y.Tsai)著、「ア バーサトル カメラ キャリブレーション テクニック フォア ハイ−アキュラシ スリーデー マシン ビジョン ミトロジー ユージング オフ−ザ シェルフ ティーブイ カメラ アンド レンズ(A versatile camera calibration technique for high−accuracy 3D machine vision metrology using off−the shelf TV cameras and lenses)」、アイ・トリプル・イー ジャーナル オブ ロボテックス アンド オートメーション,アールエイ−3,ナンバー4(IEEE Journal of Robotics and Automation,RA−3,No.4)、p.323-344、1987年8月 オー.フォウゲラス(O.Faugeras)著、「スリー ディメンションナル コンピュータ ビジョン(Three dimensional computer vision)」、ザ エムアイティ プレス(The MIT Press)、1993年 ゼット.チャン(Z.Zhang),アール.デリシェ(R.Deriche),オー.フォウゲラス(O.Faugeras),キュー.ティー.ルオン(Q.T.Luong)共著、「ローバスト テクニック フォア マッチング ツー アンキャリブレーティッド イメージ スルー ザ リカバリー オブ ザ アンノウン エピポーラ ジオメトリー(A robust technique for matching two uncalibrated images through the recovery of the unknown epipolar geometry)、アイ・エヌ・アール・アイ・エイ テクニカル レポート,ナンバー2273(INRIA technical report,No.2273)、1994年5月 蚊野浩・金出武雄,「任意カメラ配置におけるステレオ視とステレオカメラ校正」,電子情報通信学会論文誌,1996年,第J79-D-II巻,第11号,p.1810-1818 蚊野浩・美濃導彦・安田昌司・大隅正人,「2平面を用いたステレオカメラの弱校正に関する幾何学的な性質」,電子情報通信学会論文誌,1999年,第J82-D-II巻,第3号,p.561-565
アール.ワイ.ツァイ(R.Y.Tsai)著、「ア バーサトル カメラ キャリブレーション テクニック フォア ハイ−アキュラシ スリーデー マシン ビジョン ミトロジー ユージング オフ−ザ シェルフ ティーブイ カメラ アンド レンズ(A versatile camera calibration technique for high−accuracy 3D machine vision metrology using off−the shelf TV cameras and lenses)」、アイ・トリプル・イー ジャーナル オブ ロボテックス アンド オートメーション,アールエイ−3,ナンバー4(IEEE Journal of Robotics and Automation,RA−3,No.4)、p.323-344、1987年8月 オー.フォウゲラス(O.Faugeras)著、「スリー ディメンションナル コンピュータ ビジョン(Three dimensional computer vision)」、ザ エムアイティ プレス(The MIT Press)、1993年 ゼット.チャン(Z.Zhang),アール.デリシェ(R.Deriche),オー.フォウゲラス(O.Faugeras),キュー.ティー.ルオン(Q.T.Luong)共著、「ローバスト テクニック フォア マッチング ツー アンキャリブレーティッド イメージ スルー ザ リカバリー オブ ザ アンノウン エピポーラ ジオメトリー(A robust technique for matching two uncalibrated images through the recovery of the unknown epipolar geometry)、アイ・エヌ・アール・アイ・エイ テクニカル レポート,ナンバー2273(INRIA technical report,No.2273)、1994年5月 蚊野浩・金出武雄,「任意カメラ配置におけるステレオ視とステレオカメラ校正」,電子情報通信学会論文誌,1996年,第J79-D-II巻,第11号,p.1810-1818 蚊野浩・美濃導彦・安田昌司・大隅正人,「2平面を用いたステレオカメラの弱校正に関する幾何学的な性質」,電子情報通信学会論文誌,1999年,第J82-D-II巻,第3号,p.561-565
要するに、従来の強キャリブレーション方法では、3次元位置が既知の多数の参照点とそのカメラ座標の対応からカメラの内部パラメータと外部パラメータを求めるようにしており、精密な校正用パターンや正確な位置決め機構が必要であり、強キャリブレーション方法を用いて、ステレオカメラを強校正することが大変困難であるという問題があった。
また、従来の弱キャリブレーション方法で弱校正されたステレオカメラで計測される距離情報は、キャリブレーションに用いる2平面(つまり、キャリブレーション平面)からの相対的な距離であるため、対象物体の3次元位置情報(3次元座標)を得ることができないという問題があった。
本発明は、上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、ステレオ3次元計測において、ステレオカメラを利用して対象物体の3次元位置を計測するために必要なステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるステレオ3次元計測用キャリブレーション方法、及びそのキャリブレーション方法の結果を利用して対象物体の3次元位置を算出することができる3次元位置算出方法を提供することにある。
本発明は、ステレオ3次元計測用キャリブレーション方法に関し、本発明の上記目的は、ステレオ3次元計測、即ち、ステレオカメラを利用した3次元計測を行うためのキャリブレーション方法であって、平行する第1のキャリブレーション平面と第2のキャリブレーション平面との間のキャリブレーション平面間距離を求め、前記第1のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第1の射影変換行列と前記第2のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第2の射影変換行列を求め、所定の基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置を求め、基準画像平面から前記基準キャリブレーション平面への第3の射影変換行列を求めるステップとを有することにより、或いは、前記基準キャリブレーション平面は、前記第1のキャリブレーション平面又は前記第2のキャリブレーション平面の何れかであることにより、或いは、前記第1の射影変換行列を求めるために必要な情報は、ステレオカメラから観察した3次元空間中の前記第1のキャリブレーション平面に存在する4点以上のステレオ画像間の対応点であり、また、前記第2の射影変換行列を求めるために必要な情報は、ステレオカメラから観察した3次元空間中の前記第2のキャリブレーション平面に存在する4点以上のステレオ画像間の対応点であることにより、或いは、第3の射影変換行列を求めるために必要な情報は、前記基準キャリブレーション平面上の4点以上のサンプル点のワールド座標値であることによって効果的に達成される。
また、本発明は3次元位置算出方法に関し、本発明の上記目的は、本発明のステレオ3次元計測用キャリブレーション方法を用いて得られた、前記キャリブレーション平面間距離と、前記基準カメラの光学中心の3次元位置と、前記第1の射影変換行列と、前記第2の射影変換行列と、前記第3の射影変換行列とに基づいて、対象物体のワールド座標(Xw,Yw,Zw)を導出することにより、或いは、2平面射影変換行列を利用したステレオ3次元計測から、キャリブレーション平面に垂直な方向成分である前記ワールド座標成分Zwを導出するステップと、前記第3の射影変換行列と前記ワールド座標成分Zwとに基づいて、前記ワールド座標成分Xw,Ywを求めるステップとを有することによって効果的に達成される。
本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法を用いれば、ステレオ3次元計測において、ステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるといった優れた効果を奏する。
また、本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法で決められた4つのパラメータは、ステレオカメラの内部パラメータ・外部パラメータと直接関係ないパラメータであるために、実際にステレオカメラを設置するステレオ3次元計測現場において、ステレオカメラの焦点距離やフォーカス等の内部パラメータ・外部パラメータを計測現場状況に合わせて調整した上で、3次元計測を高精度に行うことができるといった優れた効果を奏する。
つまり、本発明のキャリブレーション方法でキャリブレーションを行ったステレオカメラを用いれば、様々な3次元計測現場で、その計測現場状況に合わせてステレオカメラの内部パラメータ・外部パラメータを調整しても、3次元位置計測に必要なキャリブレーションを現場で容易に行うことができ、大変実用的な3次元計測を実現できるといった顕著な効果を奏する。
更に、本発明に係る3次元位置算出方法では、本発明のキャリブレーション方法で決められたパラメータを利用して、対象物体の3次元位置を簡単に算出することができるといった優れた効果を奏する。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。なお、本発明を実際の3次元計測分野の一つである交通流計測(車両検出、トラッキング)に適用した実施例について以下のように説明するが、本発明はそれに限定されることはなく、様々な3次元計測分野で本発明を適用することが可能であることは、言うまでも無い。
<1>本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法
本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法(以下、単に本発明のキャリブレーション方法とも称する)は、ステレオ3次元計測において、ステレオカメラを利用して対象物体の3次元位置を計測するために、必要なステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるキャリブレーション方法である。また、後述するように、本発明に係る3次元位置算出方法は、本発明のキャリブレーション方法の結果を用いて、対象物体の3次元位置を算出することができる方法である。
<1>本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法
本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法(以下、単に本発明のキャリブレーション方法とも称する)は、ステレオ3次元計測において、ステレオカメラを利用して対象物体の3次元位置を計測するために、必要なステレオカメラのキャリブレーションを簡単に行うことができるキャリブレーション方法である。また、後述するように、本発明に係る3次元位置算出方法は、本発明のキャリブレーション方法の結果を用いて、対象物体の3次元位置を算出することができる方法である。
つまり、ステレオ3次元計測用キャリブレーション方法と3次元位置算出方法とから構成される本発明とは、対象物体の3次元座標を簡単に計測できる、且つ、強キャリブレーションを必要としない(つまり、ステレオカメラの内部パラメータ・外部パラメータが不要)3次元計測方法である。
本発明のキャリブレーション方法で求めておくものは、図1に示されている次の4つのパラメータである。なお、図1において、基準カメラと参照カメラは、ステレオ3次元計測用のステレオカメラを構成し、ステレオカメラから観察した、3次元空間に存在する互いに平行する平面Π0と平面Π1をキャリブレーション平面とする。
(1)キャリブレーション平面Π0とキャリブレーション平面Π1との間の距離D
(2)キャリブレーション平面Π0に対するステレオカメラ間の射影変換行列H0と、キャリブレーション平面Π1に対するステレオカメラ間の射影変換行列H1
(3)基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系(X,Y,Z)における基準カメラの光学中心の3次元位置(Xc,Yc,Zc)
なお、図1において、キャリブレーション平面Π1を基準キャリブレーション平面としているが、本発明ではそれに限定されることがなく、キャリブレーション平面Π0を基準キャリブレーション平面とすることが勿論可能である。また、本発明でいう基準キャリブレーション平面とは、ワールド座標系(X,Y,Z)を固定したキャリブレーション平面を意味する。
(4)基準画像平面から基準キャリブレーション平面(図1では、キャリブレーション平面Π1)への射影変換行列HIC
本発明のキャリブレーション方法に必要な情報は、上記4つのパラメータのみであり、従来の強キャリブレーション方法に必要なステレオ3次元計測に用いるステレオカメラの内部パラメータ・外部パラメータについては、一切知る必要が無い。
(1)キャリブレーション平面Π0とキャリブレーション平面Π1との間の距離D
(2)キャリブレーション平面Π0に対するステレオカメラ間の射影変換行列H0と、キャリブレーション平面Π1に対するステレオカメラ間の射影変換行列H1
(3)基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系(X,Y,Z)における基準カメラの光学中心の3次元位置(Xc,Yc,Zc)
なお、図1において、キャリブレーション平面Π1を基準キャリブレーション平面としているが、本発明ではそれに限定されることがなく、キャリブレーション平面Π0を基準キャリブレーション平面とすることが勿論可能である。また、本発明でいう基準キャリブレーション平面とは、ワールド座標系(X,Y,Z)を固定したキャリブレーション平面を意味する。
(4)基準画像平面から基準キャリブレーション平面(図1では、キャリブレーション平面Π1)への射影変換行列HIC
本発明のキャリブレーション方法に必要な情報は、上記4つのパラメータのみであり、従来の強キャリブレーション方法に必要なステレオ3次元計測に用いるステレオカメラの内部パラメータ・外部パラメータについては、一切知る必要が無い。
以下、本発明のキャリブレーション方法に必要な上記4つのパラメータの求め方を詳細に説明する。
<1−1>平行する2つのキャリブレーション平面間距離
まず、ステレオカメラから観察した3次元空間に存在し、且つ、平行する2つのキャリブレーション平面を設定して、そして、設定されたキャリブレーション平面間距離を計測する。
<1−1>平行する2つのキャリブレーション平面間距離
まず、ステレオカメラから観察した3次元空間に存在し、且つ、平行する2つのキャリブレーション平面を設定して、そして、設定されたキャリブレーション平面間距離を計測する。
具体的には、まず、キャリブレーションに利用する2つの平面(キャリブレーション平面とも呼ばれる)は、平行すると仮定する。図2(A)に示されるように、互いに平行するキャリブレーション平面Π0とキャリブレーション平面Π1を設定し、設定されたキャリブレーション平面Π0,Π1間の距離Dを実際に計測する。
なお、図2(A)に示されるように、このキャリブレーション平面Π0,Π1間の距離をDとすることは、図2(B)に示されるように、ステレオカメラペアを平面への光軸の向きを変化させずに距離D移動させていることと等価なことである。つまり、図2(B)において、平面Πに近い位置にあるステレオカメラペアから観察した平面Πをキャリブレーション平面Π0とする場合に、そのステレオカメラペアを垂直方向に上に距離D移動させれば、その際にステレオカメラペアから観察した平面Πをキャリブレーション平面Π1とすることができる。
<1−2>キャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の射影変換行列
キャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の射影変換行列を得るために必要な情報とは、ステレオカメラから観察した3次元空間中のキャリブレーション平面に存在する点を4点以上に決定し、決定された点のステレオ画像間(つまり、基準カメラが撮影した基準画像と参照カメラが撮影した参照カメラとの間)の対応関係である。
<1−2>キャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の射影変換行列
キャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の射影変換行列を得るために必要な情報とは、ステレオカメラから観察した3次元空間中のキャリブレーション平面に存在する点を4点以上に決定し、決定された点のステレオ画像間(つまり、基準カメラが撮影した基準画像と参照カメラが撮影した参照カメラとの間)の対応関係である。
具体的には、例えば、図2(A)に示されたようなキャリブレーション平面Π0,Π1が存在した場合に、そのキャリブレーション平面Π0,Π1を介したステレオ画像間(つまり、ステレオカメラ間)の射影変換行列H0,H1を求める。
図3は、ステレオ画像間の対応点の例で実際の場面に適用している図である。図3において、道路面をキャリブレーション平面と仮定しており、対応点1,2,3,4は選択されている。なお、図3(A)は基準カメラが撮影した基準画像で、図3(B)は参照カメラが撮影した参照画像である。
図3(A)及び図3(B)に示された対応点1,2,3,4の関係から、下記数1における射影変換行列Hを求める。ここで、
は基準画像の画像座標の斉次座標表示で、
は参照画像の画像座標の斉次座標表示である。また、数1を展開すると、数2になる。
は基準画像の画像座標の斉次座標表示で、
は参照画像の画像座標の斉次座標表示である。また、数1を展開すると、数2になる。
上記数2を変形すると、下記数3となり、一つの対応点の組から2個の式を立てることができる。
<1−3>基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置
図4はステレオカメラを真横から見た図である。図4において、下側のカメラを基準カメラ、上側のカメラを参照カメラとしているが、実際にはどちらを基準カメラとしても良い。また、図4において、下側に位置するキャリブレーション平面Π1を基準キャリブレーション平面と呼ぶこととするが、それに限定されることがなく、例えば、上側に位置するキャリブレーション平面Π0を基準キャリブレーション平面と呼ぶこともできる。
ここで、説明を簡便にするために、図4において、ワールド座標原点を基準カメラの光学中心から基準キャリブレーション平面へ降ろした垂線の足と置くこととしているが、ワールド座標原点の位置はそこに限定されることがなく、基準キャリブレーション平面上の任意の位置にワールド座標原点を置くことが可能であり、また、ワールド座標系のZ軸をワールド座標原点から基準カメラの光学中心への方向へ取ることとし、更に、ワールド座標系のX軸とY軸は、基準キャリブレーション平面上にはる直交座標と定義する。
図4に示されたような前提条件の下で、基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置(3次元座標)を下記のように求める。
ここで、図4に示されたようなワールド座標系の置き方から、基準カメラの光学中心は、(0,0,D1)のように置くことができる。従って、図4に示されるように、基準カメラの光学中心から基準キャリブレーション平面までの距離D1のみを実際に計測すれば、ワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元座標が求まる訳である。つまり、ワールド座標系(X,Y,Z)における基準カメラの光学中心の3次元座標(Xc,Yc,Zc)は(0,0,D1)である。
また、図4に示されるように、基準カメラの光学中心とキャリブレーション平面Π0との間の距離D0は、キャリブレーション平面Π0と基準キャリブレーション平面(ここでは、キャリブレーション平面Π1)との間の距離Dが既知であるので、下記数6と表すことができる。
<1−4>基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HIC
基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HICを導出するのに必要な情報とは、基準キャリブレーション平面上の4点以上のサンプル点のワールド座標値である。
基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HICを導出するために、次の前提条件を仮定する。
まず、図4に示されるように、2つのキャリブレーション平面のうち、下側に位置するキャリブレーション平面Π1を基準キャリブレーション平面とし、また、基準カメラの光学中心から基準キャリブレーション平面へ降ろした垂線の足をワールド座標の原点とし、更に、ワールド座標原点から基準カメラの光学中心への方向(つまり、基準キャリブレーション平面に垂直する方向)をワールド座標系のZ軸とし、基準カメラの光軸を基準キャリブレーション平面へ正射影した方向をワールド座標系のY軸とする。また、図5(A)に示されるように、ワールド座標系のX軸をワールド座標系のY軸,Z軸に垂直するように取ると定義する。
また、図5において、点Mcp(Xcp,Ycp,0)とは、基準キャリブレーション平面上のサンプル点であり、点m(u,v)とは、基準画像平面における点Mcp(Xcp,Ycp,0)の対応点である。
なお、本発明では、ワールド座標系のZ軸について、その取り方が上述されたようになっているが、残りのワールド座標系の軸、つまり、ワールド座標系のX軸,Y軸について、特にそれらの取り方に制限が無く、ワールド座標系のX軸とY軸は、基準キャリブレーション平面上にはる直交座標であれば良い訳である。
上述した前提条件の下で、基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HICを次のように導出する。
先ず、図6に示されるように、基準キャリブレーション平面上(図中では道路面上)のサンプル点のワールド座標を4点以上求める。図6(A)において、選択されたサンプル点(つまり、図中の点1,点2,点3,点4,点5,点6,点7及び点8)のワールド座標は、図6(B)に示された表の通りである。
なお、図6(B)に示された表において、光学中心とは基準カメラの光学中心で、パラメータXcp,Ycpは、図5に示されたような基準キャリブレーション平面上のサンプル点Mcpのワールド座標(Xcp,Ycp,0)のXcp,Ycpを表し、パラメータu,vは、図5に示されたような基準画像平面上の点mの2次元座標(u,v)のu,vを表す。
次に、図6に示された基準キャリブレーション平面上の8個のサンプル点から、図5に示されるような基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HICを下記数7に基づいて導出する。
<2>本発明に係る3次元位置算出方法
本発明に係る3次元位置算出方法とは、上述したような本発明に係るステレオ3次元計測用キャリブレーション方法によって得られた情報(つまり、<1>で述べられた4つのパラメータ)に基づいて、ステレオ3次元計測対象である対象物体を表す点の3次元位置(つまり、対象物体を表す点のワールド座標(Xw,Yw,Zw))を導出する方法であって、その手順は次のようになっている。なお、本発明では、説明を簡単にするために、対象物体を表す点を単に対象物体とも称し、また、対象物体を表す点の3次元位置を単に対象物体の3次元位置とも称するようにしている。また、本発明でいう3次元座標は、ワールド座標を意味する。
ステップ1:
まず、2平面射影変換行列を利用したステレオ3次元計測から、対象物体の3次元座標のキャリブレーション平面の法線方向の成分Zwを導出する。
ステップ2:
そして、基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HICと、ステップ1で求められた3次元座標のキャリブレーション平面の法線方向の成分Zwとに基づいて、対象物体の3次元座標の残りの2つの成分Xw,Ywを求める。
本発明の3次元位置算出方法の手順を以下のように更に詳細に説明する。
<2−1>ステップ1:対象物体の3次元座標の成分Zwの導出
2平面の射影変換行列を利用したステレオ3次元計測を行うことによって、対象物体のワールド座標のキャリブレーション平面に垂直な方向成分Zwを導出することができる。
<2−1>ステップ1:対象物体の3次元座標の成分Zwの導出
2平面の射影変換行列を利用したステレオ3次元計測を行うことによって、対象物体のワールド座標のキャリブレーション平面に垂直な方向成分Zwを導出することができる。
一方、2平面の射影変換行列を利用したステレオ3次元計測を行う上で必要な情報とは、平行する2つのキャリブレーション平面Π0,Π1に関する射影変換行列H0,H1と、基準カメラの光学中心からキャリブレーション平面Π0までの距離D0と、基準カメラの光学中心からキャリブレーション平面Π1までの距離D1である。これらの情報は、上述したように、本発明のキャリブレーション方法によって求められる。なお、距離D0と距離D1について、図4を参照する。
ここで、図7に示されたような2つのキャリブレーション平面に関する射影変換行列を利用したステレオ3次元計測場面を想定する。図7において、平行する2つのキャリブレーション平面Π0,Π1に関する射影変換行列H0,H1が既知の時に、キャリブレーション平面Π0,Π1に内挿(又は、外挿)する平面Παに関する射影変換行列Hαは、下記数8のように表すことができる。
次に、図8に示されるように、2つのキャリブレーション平面Π0,Π1が平行で、それぞれ基準カメラの光学中心から各キャリブレーション平面へ降ろした垂線の距離D0とD1が既知であれば、上記数8で求められた対象物体の奥行き係数αに対応する対象物体の奥行きDαを下記数9に基づいて求めることができる。
<2−2>ステップ2:対象物体の3次元座標の残りの2つの成分Xw,Ywの導出
対象物体の3次元座標(つまり、ワールド座標)の残りの2つの成分Xw,Ywの導出には、基準画像平面から基準キャリブレーション平面への射影変換行列HIC、ステップ1で得られた対象物体のワールド座標の成分Zw、基準カメラの光学中心から基準キャリブレーション平面までの距離D1(図9参照)といった情報を用いる。
ここで、図9において、基準画像平面上の点(より詳細に説明すると、基準カメラが撮影した基準画像上の対象物体を表す点)を射影変換行列HICを用いて基準キャリブレーション平面上の点Mcp(Xcp,Ycp,0)へ投影する。本発明では、基準キャリブレーション平面(ここでは、道路面)への写像された点Mcp(Xcp,Ycp,0)から対象物体を表す点Mwのワールド座標成分Xw,Ywを求める訳である。
図9に示されるように、三角形OCMcpと三角形OCMwの相似関係を利用して、下記数12、数14に基づいて、未知である対象物体を表す点Mwのワールド座標成分Yw,Xwを算出することができる。
つまり、下記数11が成立するので、下記数12が得られる。また、下記数13が成立するので、下記数14が得られる。
Claims (6)
- ステレオ3次元計測、即ち、ステレオカメラを利用した3次元計測を行うためのキャリブレーション方法であって、
平行する第1のキャリブレーション平面と第2のキャリブレーション平面との間のキャリブレーション平面間距離を求め、前記第1のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第1の射影変換行列と前記第2のキャリブレーション平面に対するステレオカメラ間の第2の射影変換行列を求め、所定の基準キャリブレーション平面に固定されたワールド座標系における基準カメラの光学中心の3次元位置を求め、基準画像平面から前記基準キャリブレーション平面への第3の射影変換行列を求めるステップを有することを特徴とするステレオ3次元計測用キャリブレーション方法。 - 前記基準キャリブレーション平面は、前記第1のキャリブレーション平面又は前記第2のキャリブレーション平面の何れかである請求項1に記載のステレオ3次元計測用キャリブレーション方法。
- 前記第1の射影変換行列を求めるために必要な情報は、ステレオカメラから観察した3次元空間中の前記第1のキャリブレーション平面に存在する4点以上のステレオ画像間の対応点であり、また、前記第2の射影変換行列を求めるために必要な情報は、ステレオカメラから観察した3次元空間中の前記第2のキャリブレーション平面に存在する4点以上のステレオ画像間の対応点である請求項2に記載のステレオ3次元計測用キャリブレーション方法。
- 第3の射影変換行列を求めるために必要な情報は、前記基準キャリブレーション平面上の4点以上のサンプル点のワールド座標値である請求項2に記載のステレオ3次元計測用キャリブレーション方法。
- 請求項1乃至請求項4の何れかに記載のステレオ3次元計測用キャリブレーション方法を用いて得られた、前記キャリブレーション平面間距離と、前記基準カメラの光学中心の3次元位置と、前記第1の射影変換行列と、前記第2の射影変換行列と、前記第3の射影変換行列とに基づいて、対象物体のワールド座標(Xw,Yw,Zw)を導出することを特徴とする3次元位置算出方法。
- 2平面射影変換行列を利用したステレオ3次元計測から、キャリブレーション平面に垂直な方向成分である前記ワールド座標成分Zwを導出するステップと、
前記第3の射影変換行列と前記ワールド座標成分Zwとに基づいて、前記ワールド座標成分Xw,Ywを求めるステップと、
を有する請求項5に記載の3次元位置算出方法。
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