JP2007218705A - 白線モデル計測システム、計測台車および白線モデル計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】計測台車102に搭載したジャイロ210、GPS220により計測台車102の位置姿勢を測定する。カメラ230は撮影した画像データを出力し、レーザレーダ240はカメラ230から路面方向への方位・距離データを算出する。路面形状モデル生成部150はレーザレーダ240の位置姿勢と方位・距離データとに基づいて路面形状モデルを生成する。また、カメラLOS演算部140はカメラ230の位置姿勢と画像上で認識した白線の認識結果とに基づいてカメラ230から見た白線に対する見込み角を算出する。路面モデル対応点探索部170は白線見込み角と路面形状モデルとに基づいて白線位置を計測する。路面モデル対応点探索部170は路面形状を考慮して白線位置を計測することで計測結果を高精度にすることができる。
【選択図】図1
Description
DorotaA.Grejner−Brzezinska and Charles Toth、「High Accuracy Dynamic Highway Mapping Using a GPS/INS/CCD System with On−The−Fly GPS Ambiguity Resolution」、Center for Mapping Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science The Ohio State University、Ohio Department of Transportation,District1、September 2004 H.Gontran,J,Skaloud,P.−Y.Gilliron、「A MOBILE MAPPING SYSTEM FOR ROAD DATA CAPTURE VIA A SINGLE CAMERA」、[online]、[平成18年2月14日検索]、インターネット<URL:http://topo.epfl.ch/personnes/jsk/Papers/3dopt_hg.pdf G.Manzoni,R.G.Rizzo,C.Robiglio、「MOBLE MAPPING SYSTEMS IN CULTURAL HERITAGES SURVEY」、CIPA 2005 XX International Symposium、26 September−01 October,2005、Torino,Italy
a)ステレオ視による白線位置検知
(1)2台のカメラで白線位置の取得が可能。
(2)切れ目のない白線の場合、対応点探索の自動化が困難なため、手動による対応点探索が必要。
(3)有効視野角が狭い。
(4)絶対精度が低い。
b)カメラパラメータによる白線位置推定
(1)カメラから道路までの設定距離を一定として計算するため精度が悪い。
(2)精度が車両動揺に左右される。
(3)平坦でない道路では著しく精度が悪化する。
(4)1台のカメラで白線位置の取得が可能。
図1は、実施の形態1における白線モデル計測システム101のシステム構成および白線モデル計測装置100の機能構成を示す図である。
実施の形態1における白線モデル計測システム101はオドメトリ装置200、3台のジャイロ210(測位部、姿勢検出部、GPSジャイロの一部)、3台のGPS220(Global Positioning System)(測位部、姿勢検出部、GPSジャイロの一部)、カメラ230(撮像部)、レーザレーダ240(光走査部、レーザスキャナ)および白線モデル計測装置100(計算機)を備える。
オドメトリ装置200はオドメトリ手法を実行し車両の走行距離を示す距離データを算出する。
3台のジャイロ210は車両の3軸方向の傾き(ピッチ角、ロール角、ヨー角)を示す角速度データを算出する。
3台のGPS220は車両の走行位置(座標)を示す測位データを算出する。
ジャイロ210とGPS220とはデッドレコニングにより車両の位置、姿勢を測定する。
カメラ230は撮影を行い画像データを出力する。
レーザレーダ240はカメラ230位置から路面までの距離を各方位について示す方位・距離データを算出する。
白線モデル演算処理100は車両位置姿勢(3軸)演算部110、白線認識処理部120(画像処理部)、カメラ位置姿勢演算部130、カメラLOS演算部140、路面形状モデル生成部150、レーザレーダ位置姿勢演算部160、路面モデル対応点探索部170を備える。
車両位置姿勢(3軸)演算部110は距離データ、角速度データ、測位データに基づいて車両の位置と姿勢(車両位置姿勢)を算出する。
白線認識処理部120は画像データに基づいて白線を認識し認識結果を出力する。
カメラ位置姿勢演算部130は車両位置姿勢とカメラ取付オフセットとに基づいてカメラ230の位置と姿勢(カメラ位置姿勢)を算出する。カメラ取付オフセットは車両軸(極座標)に対するカメラ230の取り付け軸のズレの量を示す。カメラ取付オフセットは図4、図5および図7のカメラ230と天板103との関係に対応する値である。
カメラLOS演算部140は認識結果とカメラ位置姿勢とに基づいてカメラから白線に向けた視線方向(LOS:Line Of Sight)の角度(白線見込み角)を算出する。
レーザレーダ位置姿勢演算部160は車両位置姿勢とレーザレーダ取付オフセットとに基づいてレーザレーダ240の位置と姿勢(レーザレーダ位置姿勢)を算出する。レーザレーダ取付オフセットは車両軸(極座標)に対するレーザレーダ240の取り付け軸のズレの量を示す。レーザレーダ取付オフセットは図4、図5および図6のレーザレーダ240と天板103との関係に対応する値である。
路面形状モデル生成部150は方位・距離データとレーザレーダ位置姿勢とに基づいて車両が走行した平坦でない路面の形状(曲面、傾斜、凹凸など)を示す路面形状モデル(三次元点群モデル)を生成する。
路面モデル対応点探索部170は白線見込み角と路面形状モデルとに基づいて白線位置の絶対座標を算出する。路面モデル対応点探索部170は路面の曲面、傾斜、凹凸などを考慮して白線位置を計測することにより高い精度で白線位置の絶対座標を算出することができる。
距離データ、角速度データ、測位データ、画像データ、方位・距離データを観測データとする。
図2において、白線モデル計測装置100は、プログラムを実行するCPU911(Central・Processing・Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう)を備えている。CPU911は、バス912を介してROM913、RAM914、通信ボード915、表示装置901、キーボード902、マウス903、FDD904(Flexible・Disk・Drive)、CDD905(コンパクトディスク装置)、プリンタ装置906、スキャナ装置907、マイク908、スピーカー909、磁気ディスク装置920と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。磁気ディスク装置920の代わりに、光ディスク装置、メモリカード読み書き装置などの記憶装置でもよい。
RAM914は、揮発性メモリの一例である。ROM913、FDD904、CDD905、磁気ディスク装置920の記憶媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶機器、記憶装置あるいは記憶部の一例である。
通信ボード915、キーボード902、スキャナ装置907、FDD904などは、入力機器、入力装置あるいは入力部の一例である。
また、通信ボード915、表示装置901、プリンタ装置906などは、出力機器、出力装置あるいは出力部の一例である。
磁気ディスク装置920には、OS921(オペレーティングシステム)、ウィンドウシステム922、プログラム群923、ファイル群924が記憶されている。プログラム群923のプログラムは、CPU911、OS921、ウィンドウシステム922により実行される。
ファイル群924には、実施の形態の説明において、「〜部」や「〜手段」の機能を実行した際の「〜の判定結果」、「〜の計算結果」、「〜の処理結果」などの結果データ、「〜部」や「〜手段」の機能を実行するプログラム間で受け渡しするデータ、その他の情報やデータや信号値や変数値やパラメータが、「〜ファイル」や「〜データベース」の各項目として記憶されている。「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶された情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、読み書き回路を介してCPU911によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・印刷・表示などのCPUの動作に用いられる。抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・印刷・表示・抽出のCPUの動作の間、情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、メインメモリやキャッシュメモリやバッファメモリに一時的に記憶される。
また、実施の形態の説明において説明するフローチャートの矢印の部分は主としてデータや信号の入出力を示し、データや信号値は、RAM914のメモリ、FDD904のフレキシブルディスク、CDD905のコンパクトディスク、磁気ディスク装置920の磁気ディスク、その他光ディスク、ミニディスク、DVD(Digital・Versatile・Disc)等の記録媒体に記録される。また、データや信号値は、バス912や信号線やケーブルその他の伝送媒体によりオンライン伝送される。
白線モデル計測装置100は図3に示す方法により白線位置を測定する。
まず、車両位置姿勢(3軸)演算部110が距離データと角速度データと測位データとを入力して車両位置姿勢を算出する。
<S102:カメラ位置姿勢演算処理>
次に、カメラ位置姿勢演算部130が車両位置姿勢とカメラ取付オフセットとを入力しカメラ位置姿勢を算出する。
<S103、S104:白線抽出処理、白線認識処理>
また、白線認識処理部120が画像データを入力し画像データから白線を抽出し(S103)、抽出した白線の画像位置を認識結果として算出する(S104)。
<S105:カメラLOS演算処理>
次に、カメラLOS演算部140がカメラ位置姿勢と認識結果とを入力し白線見込み角を算出する。
<S106:路面形状モデル生成処理>
また、路面形状モデル生成部150が方位・距離データとレーザレーダ位置姿勢を入力し路面形状モデル(三次元点群モデル)を算出する。
このとき、レーザレーダ位置姿勢演算部160は車両位置姿勢とレーザレーダ取付オフセットとに基づいてレーザレーダ240の位置と姿勢(レーザレーダ位置姿勢)を算出する。
<S107、S108、S109:投影変換処理、路面モデル対応点探索処理、路面モデル対応面算出処理>
次に、路面モデル対応点探索部170が路面形状モデルを入力し路面形状モデルをカメラ230の画像平面に投影変換し(S107)、路面モデルから白線位置における路面の形状を示す3点を抽出し(S108)、抽出した3点が示す路面の形状を算出する(S109)。
<S110:白線位置計測処理>
そして、路面モデル対応点探索部170が白線見込み角を入力し路面の形状に対応した高精度な白線位置の絶対座標を算出する。
路面形状モデル生成部150は以下のように三次元点群モデルを復元する。
白線認識においては、準備段階として、道路形状の三次元点群モデルを復元しておく。LRF(レーザーレンジファインダ)から得られるデータ(方位・距離データ)は二次元であり、これらをレーザレーダ240の設置位置角度(レーザレーダ取付オフセット)と車両位置姿勢とから三次元に復元する必要がある。
LRFから得られた二次元データの座標を(x0,y0)とおくと二次元データは以下の式1、式2によって車両位置に対する三次元位置(x2,y2,z2)へ変換される。また、車両位置とLRF、白線認識用カメラ230の位置関係を図4、図5、図6、図7および図8に示す。
つぎに車両位置姿勢を考慮し、式3、式4により変換を行い道路形状の三次元モデル化を行う。ここで、三次元モデル上の点を(Nlrf,Ulrf,Elrf)とする。
例えば、図10では三次元点群データ(路肩)において左側に位置する歩道(段差の有る路肩)と右側の道路との境目が見て取れる。
また、図12に示す光学画像を三次元点群データで表わした図11では道路に沿った斜面の形状(道路断面形状)が見て取れる。
路面モデル対応点探索部170は三次元点群データをカメラの画像平面に対し投影変換する。
カメラ座標系に対する点群データの位置(xcam,ycam,zcam)は以下の式5、式6で表わされる。
z=f ・・・(式11)
投影変換を行った画像を図13に示す。図からもわかるように投影変換された点と画像のマッチングがしっかりと取れていることがわかる。つまり、投影変換した点が示す段差と画像が示す路面の段差とが一致していることが分かる。
路面モデル対応点探索部170は、図14に示すように認識した白線の画像上の位置とカメラの視線中心がなす直線LOSとその直線を内部に含むような3点(路面モデル対応点)がなす面(路面モデル対応面)との交点を白線の位置とする。
3点(路面モデル対応点)、P1(xp1、yp1、zp1)、P1(xp2、yp2、zp2)、P3(xp3、yp3、zp3)がなす3次元空間の面(路面モデル対応面)の方程式は以下の式12で表される。
ここで、この点(xcam,ycam,zcam)と白線位置(UL,VL)を式13、式14および式15を用いてNEU座標に変換した(NL,UL,EL)との距離を計算し、(UL,VL)に最も近い3点を選ぶことでP1、P2、P3が求められる。
以上により、路面モデルの対応点P1、P2、P3が求められたため、この3点のなす面と白線のLOSとの交点を求めればよい。
まず、LOSを求める。画像上の白線位置(UL、VL)はENU座標系(NL、UL、EL)では式13、式14および式15で求められる。
従って、この(NL,UL,EL)とカメラ中心を通るLOSは以下の式16、式17、式18および式19で表される。
上記で説明した本手法による計測結果の精度検証のため、トータルステーション(測量機器)を用いて実際の白線の位置を計測し、それを真値とし、本手法による計測結果との比較を行った。
図15に実験環境を示す。実験では図15に示す車両走行箇所を上記で説明した計測台車102で走行し、車両走行箇所の全域でデータ(距離データ、角速度データ、測位データ、画像データ、方位・距離データ)を取得した。また、白線計測箇所においてトータルステーションを用いて数箇所の白線の位置情報を取得した。図16にトータルステーションで計測した真値と本手法による計測結果との比較に使用した路面の白線を示す。図16において白線の4隅を示すa〜dの4点について計測結果を比較した。実験場所は橋になっており道が図16に示すように山形になっているのが特徴である。このような場所においては、従来の手法は路面を平面として扱っているためカメラパラメータから高精度な白線位置を推定することは非常に困難である。
実験では図17、図18および図19に示すように車両の走行中に連続して(例えば、1秒間に30回)データを取得した。
図21に本手法による白線位置計測結果を示す。図21においてa〜dは白線4隅の複数の計測結果を示し、a(average)〜d(average)は白線4隅の計測結果の平均値を示し、vehicle positionは車両の走行位置を示し、abcd(traditional)は従来手法による白線4隅の計測結果を示す。
また、図21のa、bの部分を拡大した結果を図22に示し、図21のc、dの部分を拡大した結果を図23に示す。図22、図23においてTrue point(total station)はトータルステーションで計測した白線位置の真値を示す。
また、計測された白線の幅および長さを図24に示す。図24において「image1」〜「image6」は各画像に基づいて測定した値を示し「平均値」は「image1」〜「image6」の測定値を平均した値を示す。また、「真値」はトータルステーションで計測した比較対象となる値を示す。図24に示す表からもわかるように、「平均値」は白線の幅(a−b間距離、c−d間距離)、長さ(a−d間距離、b−c間距離)ともに「真値」に近い値であり高精度に計測できていることがわかる。
白線の検出位置が車両の進行方向に分散する傾向にある理由は車両のピッチ角方向の変位に対して補正しきれていない結果であると考えられる。この傾向は、例えば、精度が高いジャイロ210を用いることで改善すると考えられる。
この傾向に対しては、例えば、カメラ230の中心付近で白線を撮影するようにしたり、収差の小さいレンズを用いれば改善すると考えられる。
(1)計測台車102で走行した経路のLRFの点群を位置姿勢に基づき復元する。
(2)復元結果をカメラ座標系に投影する。
(3)カメラ230の視線上での白線の位置から近い三点(路面モデル対応点)を探索し、その三点から構成される面(路面モデル対応面)と、LOSの交点を白線の位置として計測する。
(4)白線位置計測に際しては複数枚の画像で位置計測を行いその平均値をとった。
図25はカメラ230を真下向き(路面方向)に向けた場合の構成を示し、図26はカメラ230を前向き(車両の進行方向)に向けた場合の構成を示す。
図25、図26において白線位置演算部180は路面形状モデルを使用せずに、つまり、道路形状を考慮せずに白線位置を測定する。
ハードウェアの差異として図1の構成ではGPS220とジャイロ210とレーザレーダ240とを備える。図1の構成ではジャイロ210を備えることによりロール角、ピッチ角、ヨー角を測定できる。これにより、図25の構成と比較して車体動揺に対する補正が行え高精度に白線位置を測定できるという長所を持つ。また、図1の構成ではレーザレーダ240を備えることにより路面形状を取得することができる。これにより、図26の構成と比較して路面形状が平坦でなく車両姿勢計測により路面の傾斜を正しく計測できていなくても高精度に白線位置を測定できるという長所を持つ。
また、上記実施の形態1における白線モデル計測システム101および白線モデル計測装置100は白線以外を計測対象としても構わない。例えば、路面に記された交通標示でも構わないし黄線でも構わない。
また、白線モデル計測装置100は計測台車102に搭載されてもよいし、搭載されなくてもよい。そして、白線モデル計測装置100は計測台車102の走行中に即時処理により白線位置を計測してもよい。また、後処理にて計測してもよい。即時処理では白線位置を計測後に測位データなどの観測データが不要になるためデータ量を減らすことができる。
Claims (6)
- 路面の画像データを撮影する撮像部と、
レーザスキャナにより路面に対する距離方位データを取得する光走査部と、
前記撮像部と前記光走査部とを固定する基台と、
前記基台の位置を計測する測位部と、
前記基台の動揺姿勢角を計測する姿勢検出部と
を有した計測台車と、
路面の画像データから白線画像を検出する画像処理部と、
前記画像処理部で取得された白線画像と前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記測位部で得られた基台位置と前記光走査部で取得された路面に対する距離データとに基づいて白線の輪郭を表す白線モデルを演算する計算機と
を備え、
前記計算機は、
前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢に基づいて前記撮像部が撮影する視線中心方向を求め、前記撮像部で撮影された白線の輪郭データを抽出し、抽出した輪郭データに基づいて画像上における白線位置を求め、求めた視線中心方向と画像上における白線位置とに基づいて前記撮像部に対する白線方向を求め、前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記光走査部で取得された路面に対する距離方位データとに基づいて路面の形状データを生成し、生成された路面の形状データと白線方向と前記測位部で得られた基台位置とに基づいて路面の形状データにおける白線方向の対応点を求め、求めた対応点から白線の輪郭を表す白線モデルを演算し、
前記画像処理部は前記計測台車と前記計算機との少なくともいずれかに備えられる
ことを特徴とする白線モデル計測システム。 - 路面の画像データを撮影する撮像部と、
レーザスキャナにより路面に対する距離方位データを取得する光走査部と、
前記撮像部と前記光走査部とを固定する基台と、
前記基台の位置を計測する測位部と、
前記基台の動揺姿勢角を計測する姿勢検出部と
を備えたことを特徴とする計測台車。 - 路面の画像データを撮影する撮像部と、
レーザスキャナにより路面に対する距離方位データを取得する光走査部と、
前記撮像部と前記光走査部とを固定する基台と、
前記基台の位置を計測する測位部と、
前記基台の動揺姿勢角を計測する姿勢検出部と
を有した計測台車で取得されたデータを用いて白線の輪郭を表す白線モデルを演算する白線モデル計測装置であって、
路面の画像データから白線画像を検出する画像処理部と、
前記画像処理部で取得された白線画像と前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記測位部で得られた基台位置と前記光走査部で取得された路面に対する距離データとに基づいて白線の輪郭を表す白線モデルを演算する計算機と
を備え、
前記計算機は、
前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢角に基づいて前記撮像部が撮影する視線中心方向を求め、前記撮像部で撮影された白線の輪郭データを抽出し、抽出した輪郭データに基づいて画像上における白線位置を求め、求めた視線中心方向と画像上における白線位置とに基づいて前記撮像部に対する白線方向を求め、前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記光走査部で取得された路面に対する距離方位データとに基づいて路面の形状データを生成し、生成された路面の形状データと白線方向と前記測位部で得られた基台位置とに基づいて路面の形状データにおける白線方向の対応点を求め、求めた対応点から白線の輪郭を表す白線モデルを演算し、
前記画像処理部は前記計測台車と前記計算機との少なくともいずれかに備えられる
ことを特徴とする白線モデル計測装置。 - 前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢に基づいて得られる座標変換行列を用いた演算処理により路面の形状データを生成し、前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢に基づいて得られる座標変換行列を用いた演算処理により前記撮像部が撮影する視線中心方向を求めることを特徴とする請求項1記載の白線モデル計測システム。
- 前記姿勢検出部は少なくとも2つのGPS(Global Positioning System)アンテナの出力信号を用いて姿勢を検出する
ことを特徴とする請求項1記載の白線モデル計測システム。 - 路面の画像データを撮影する撮像部と、
レーザスキャナにより路面に対する距離方位データを取得する光走査部と、
前記撮像部と前記光走査部とを固定する基台と、
前記基台の位置を計測する測位部と、
前記基台の動揺姿勢角を計測する姿勢検出部と
を有した計測台車と、
路面の画像データから白線画像を検出する画像処理部と、
前記画像処理部で取得された白線画像と前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記測位部で得られた基台位置と前記光走査部で取得された路面に対する距離データとに基づいて白線の輪郭を表す白線モデルを演算する計算機と
を備え、
前記計算機は、
前記撮像部で撮影された白線の輪郭データを抽出し、抽出した輪郭データに基づいて画像上における白線位置を求め、前記姿勢検出部で計測された動揺姿勢と前記光走査部で取得された路面に対する距離方位データとに基づいて路面の形状データを生成し、画面上における白線位置と路面の形状データとに基づいて白線の輪郭を表す白線モデルを演算し、
前記画像処理部は前記計測台車と前記計算機との少なくともいずれかに備えられる
ことを特徴とする白線モデル計測システム。
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