JP2611173B2 - 魚眼レンズを用いた測位方法およびその装置 - Google Patents

魚眼レンズを用いた測位方法およびその装置

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JP2611173B2
JP2611173B2 JP4177394A JP17739492A JP2611173B2 JP 2611173 B2 JP2611173 B2 JP 2611173B2 JP 4177394 A JP4177394 A JP 4177394A JP 17739492 A JP17739492 A JP 17739492A JP 2611173 B2 JP2611173 B2 JP 2611173B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は,魚眼レンズを用いて
複数の移動目標物の3次元測位情報を得ることが出来る
測位方法およびその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現状の画像情報に基づく測位装置におい
ては,目標物を通常2台の望遠レンズを有するカメラで
追尾するもので,この方式においては,目標物が各カメ
ラの視野の中心に得られるようにカメラの方向(レンズ
の光軸方向)を調整し,2台のカメラの設置位置と光軸
の角度情報から,三角法により目標物の位置を算出して
いる。そのため,2台のカメラを目標物に正確に向ける
ためのサ−ボ系を含む調整装置,及び,カメラの光軸方
向を正確に測定する測角装置が必要である。
【0003】
【発明が解決しようとする問題点】このように,通常の
カメラで目標を追尾する場合には,サ−ボ系および測角
系ともに高い応答性が要求される。しかし,目標物の移
動速度が速い場合には,現状の技術では充分追尾しつ
つ、同時に測位することはかなり困難である。その上,
このような方式では,1台の装置では1個の目標物しか
追尾することが出来ず,2個以上の複数の目標物を追尾
するには,システムとしてその目標物の数だけの装置が
必要である。このように,1台の装置では同時に複数の
目標物を追尾することができなかった。
【0004】
【問題点を解決するための手段】第1の発明は,任意に
システム座標系を与え,このシステム座標系に存在する
移動目標物を捉える複数の魚眼レンズに対し個々に光軸
を決定し,各魚眼レンズを用いた複数の撮像装置により
与えられる各魚眼画像から,それぞれこの魚眼画像上に
存在する移動目標物を検出し,システム座標系における
この移動目標物と撮像装置の視界面中心とを通る直線方
程式を,撮像装置の個数に対応する数だけそれぞれ求
め,この複数の直線方程式を1組とする直線方程式群を
検出された各移動目標物についてそれぞれ求め,各移動
目標物にそれぞれ対応する直線方程式群の交点を,各移
動目標物毎に求め,システム座標系における各移動目標
物の3次元位置座標を決定するようにしたものである。
さらに,第2の発明は,各移動目標物の時刻に対する位
置データを,その測定時刻とともにメモリに記憶し,こ
のメモリに記憶されている位置データを,各移動目標物
毎にトラッキング処理してそれぞれ移動目標物の航跡を
求めるようにしたものである。さらに,第3の発明は,
移動目標物を捉える複数の魚眼レンズと,この魚眼レン
ズにより得られる魚眼画像を撮像する撮像装置と,この
撮像装置により撮像された魚眼画像を画像処理して移動
目標物を検出する画像処理部と,各魚眼レンズの光軸と
システム座標系とにより,移動目標物と撮像装置の視界
面中心とを通る直線方程式を撮像装置の個数に対応する
数だけ算出してこれを1組とする直線方程式群を各移動
目標物毎に算出し,各移動目標物にそれぞれ対応する直
線方程式群の交点を各移動目標物毎に算出して,移動目
標物の3次元位置座標を算出する演算部と,この演算部
で算出された各移動目標物の3次元位置座標を記憶する
メモリと,このメモリに記憶されている各移動目標物の
3次元位置座標を,モニタ画面上に3次元表示するため
のデータ処理装置と,移動目標物の3次元位置座標を表
示する表示装置とからなるものである。さらに,第4の
発明は,メモリに記憶されている前記各移動目標物の3
次元位置座標をトラッキング処理して,この各移動目標
物の航跡を決定するトラッキング処理部と,各移動目標
物の航跡をモニタ画面上に3次元表示するためのデータ
処理装置と,移動目標物の航跡を表示する表示装置とか
らなるものである。
【0005】
【作用】魚眼画像でとらえた移動目標物(以下,単に目
標物と記す)について,魚眼レンズを用いた撮像装置の
個数に対応する数の直線方程式を1組とした直線方程式
群を,各目標物に対応する数だけ求めるとともに,この
直線方程式群の交点を各目標物毎に求め,この交点の3
次元位置座標を求めて目標物の測位情報が得られる。
【0006】
【発明の実施例】この発明の実施例を,図1〜図7に基
づいて詳細に説明する。図1はこの発明の要部構成図,
図2は視野角180°の魚眼レンズによる魚眼画像,図
3は3個の魚眼レンズによる魚眼画像と測位情報,図4
は測位のための説明図,図5〜図7は魚眼レンズの配置
例を示す説明図である。図1〜図3において,1は魚眼
レンズで,CCD等の光電変換素子2と組み合わされて
撮像装置3が構成されており,この実施例では,3台の
撮像装置3a,3b,3cが用いられている。魚眼レン
ズ1を用いた撮像装置3を設置することにより,図2,
図3に示すように,光軸L(La ,Lb ,Lc )が決定
される。又,システムのシステム座標系(X,Y,Z)
は,魚眼レンズ1を設置した時に任意に決定される。従
って,3台の撮像装置3a ,3b ,3c で撮像されたそ
れぞれ魚眼画像4a ,4b ,4c のシステム座標は,図
3に示すように,それぞれ(Xa ,Ya ,Za ),(X
b ,Yb ,Zb ),(Xc ,Yc ,Zc )で与えられ
る。
【0007】5はインタフェースで,撮像装置3で撮像
された魚眼画像4を画像処理するためにデジタル変換し
ている。6は画像処理部で,魚眼画像4内にある移動し
ている目標物T,T,T・・・が画像処理されて
検出される。7は演算部で,システム座標系(X,Y,
Z)上の魚眼レンズ1の光軸Lにより3本の直線方程式
が求められる。例えば,目標物Tと各撮像装置3
,3との視界面中心とを通る3本の直線方程式が
それぞれ求められる。即ち,魚眼レンズ1の個数に対応
する数の直線方程式を1組(この実施例では,3本の直
線方程式で1組)とする直線方程式群が各目標物T
,T・・・についてそれぞれ求められ,この直線
方程式群の交点から,3次元位置座標が算出される。8
はメモリ,9はトラッキング処理部で,魚眼画像4を逐
次トラッキング処理して,目標物T,T,T・・
の航跡が決定される。10は画像出力のためのデータ処
理装置で,目標物T,T,T・・・の航跡をビデ
オ信号に変換して,表示装置11のモニタ画面上に3次
元表示するための画像データ処理が行われる。12は記
録部で,撮像装置2で撮像された魚眼画像4が一時記録
される。
【0008】次に,測位原理について説明する。図2に
示すように,一般に,魚眼レンズ1の視野角は180°
であるとともに,光軸Lは画像面の中心を通る垂線であ
り,このシステム座標系における直線方程式は,魚眼レ
ンズ1(魚眼レンズ1を用いた撮像装置3を示す)の設
置場所により決定される。視野角180°の魚眼レンズ
1で作られる魚眼画像4は円形であり,魚眼レンズ1の
前方に存在する目標物T1 ,T2 ,T3 ・・を見た時の
魚眼画像4の中心Oは,魚眼レンズ1の真正面(光軸L
方向)を示し,左右方向A,B点はそれぞれ魚眼レンズ
1の左右方向90°の点,上下方向のC,D点は魚眼レ
ンズ1の真上と真下を示している。なお,システム座標
系(X,Y,Z)は,魚眼レンズ1を設置した時に任意
に決定される。又,魚眼レンズ1で目標物T1 ,T2
3 ・・を見た場合,中心Oから離れるにつれて目標物
1 ,T2 ,T3 ・・・の形状は魚眼画像4の円周に沿
って歪むため,目標物T1 ,T2 ,T3 ・・・を形状で
認識することは困難である。そこで,本発明者は,航空
機等の目標物T1 ,T2 ,T3 ・・・を認識する手段と
して,航空機の尾翼に点滅する光点(ストロボ)を目標
物T1 ,T2 ,T3・・・として定めた。目標物T1
2 ,T3 ・・・が点状である場合には,その目標物T
が魚眼画像4の円周方向にあっても歪むことはない。
【0009】そこで,目標物T1 ,T2 ,T3 ・・・の
形状を点(光点)に決定するとともに,図3において
は,点状目標物として目標物T1 ,T2 の2個存在する
と設定されている。従って,魚眼レンズ1をそれぞれ用
いた複数の撮像装置3(3a,3b,3c・・・)が与
える魚眼画像4(4a,4b,4c)中に,2個の目標
物T1 ,T2 が存在し,この目標物T1 ,T2 に共通す
る測位情報としては,撮像装置3の設置場所によってそ
れぞれ3個の撮像装置3a,3b,3cの設置座標(X
a ,Ya ,Za ),(Xb ,Yb ,Zb ),(Xc ,Y
c ,Zc )および3本の光軸方向La (θa ,ψa ),
b (θb ,ψb ),Lc (θc ,ψc )がそれぞれ決
定される。
【0010】次に,目標物T1 に関する測位情報として
は,第1の撮像装置3aから見た時の目標物T1 の光軸
方向La (θa ,ψa )からの変位角(θa1,ψa1)と
第2の撮像装置3bから見た時の目標物T1 の光軸方向
b (θb ,ψb )からの変位角(θb1,ψb1)および
第3の撮像装置3cから見た時の目標物T1 の光軸方向
c (θc ,ψc )からの変位角(θc1,ψc1)が得ら
れる。同様に,目標物T2 に関する測位情報としては,
第1の撮像装置3aから見た時の目標物T2 の光軸方向
a (θa ,ψa )からの変位角(θa2,ψa2)と第2
の撮像装置3bから見た時の目標物T2 の光軸方向Lb
(θb ,ψb )からの変位角(θb2,ψb2)および第3
の撮像装置3cから見た時の目標物T2 の光軸方向Lc
(θc ,ψc )からの変位角(θc2,ψc2)が得られ
る。
【0011】このように,システム座標系において,魚
眼レンズ1の光軸Lの直線方程式(設置位置と光軸方向
Lによる)と,この魚眼画像4上に識別された目標物T
1 ,T2 の位置デ−タから,1個の魚眼レンズ1により
得られた魚眼画像4について,この魚眼画像4上の全て
の目標物T1 ,T2 ・・・と撮像装置3とを結ぶ三次元
空間における直線方程式が与えられる。そこで,図1,
図4に示すように,互いに異なる3箇所に設置された3
台の撮像装置3(3a,3b,3c)によりそれぞれ得
られる3個の魚眼画像4(4a,4b ,4c )上に2個
の目標物T1 ,T2 が存在する場合,目標物T(T1
2 )の位置を画像情報から読み取れば,1個の目標物
1 とそれぞれ3台の撮像装置3a,3b,3cの視界
面中心とをそれぞれ結ぶ3本の直線方程式f1a,f1b
1cが得られる。目標物T2 についても同様に,目標物
2 と3台の撮像装置3a ,3b ,3cの視界面中心と
をそれぞれ結ぶ3本の直線方程式f2a,f2b,f2cが得
られる。このように,撮像装置3の個数に対応する数の
直線方程式を1組とする直線方程式群が各目標物T1
2 毎に,即ち,2組得られる。このようにして得られ
た1組の直線方程式群の与える撮像装置3の個数に対応
する数の直線が1箇所に交わった交点に目標物Tが位置
しているので,この交点を算出すれば,この点が3次元
空間における目標物Tの位置座標を与える。
【0012】次に,上記,測位原理に基づいて,実際に
目標物Tの測位情報を得るための測位装置の動作につい
て,第1図,第5図に基づいて説明する。まず,目標物
Tが複数存在する場合について,完全に偽像をなくすた
めには,それぞれの目標物Tは少なくとも3台の撮像装
置3の視野に捉えられなくてはならない。そこで,3台
の撮像装置3(3a,3b,3c)のそれぞれ前方18
0°の視野内にある目標物Tを測位する場合には,図5
に示すように,この実施例では,3台の撮像装置3(3
a,3b,3c)は,それぞれ同一平面上に光軸L(L
a,Lb ,Lc )が平行となるように設置される。但
し,魚眼レンズ1の角度分解能は光軸方向Lが最大であ
り,これから離れるに従って低下する。又,目標物Tが
撮像装置3の設置平面上の2台の撮像装置3を結ぶ直線
上にある場合には,合わせて偽造が発生する可能性があ
る。
【0013】従って,目標物Tを測位する時には,どの
領域をどの程度の精度で測位するかと言った目的に合わ
せ撮像装置3の配置を適正化する必要がある。例えば,
180°の視野角を必要としない場合には,図6に示す
ように,3台の撮像装置3の光軸La ,Lb ,Lc が前
方で交わるように設置することにより,第2の撮像装置
3bの真正面の測位精度を低下させ,図5に示す場合よ
りも広い前方領域の左右方向における測位精度を向上さ
せることが可能である。又,図7に示すように,撮像装
置3aを中心にして,上下左右方向に合計で5個の撮像
装置3b,3c,3d,3eを立体的に配置すれば,上
下方向においても同様により広い領域に対する測位精度
を向上させることができる。さらに,180°以上の視
野角が必要な場合には,撮像装置3を正6面体や正12
面体のように立体的に配置することにより,又,測位精
度についても同様に組み合わせた撮像装置群を複数用い
ることにより向上させることが出来る。即ち,魚眼レン
ズ1(撮像装置3)の位置関係と個数とにより測位領域
が決定される。
【0014】又,魚眼レンズ1の作る視野像が充分大き
い場合には,光電変換素子2(以下,CCD2と記す)
の素子数として40万素子や時には100万素子以上の
ものが使用も可能であり,CCD2の素子数を増加して
分解能の向上を計り,撮像装置の使用台数を少なくして
測位精度を良くすることも可能である。以上のような要
件が検討されるとともに,測位視野角,測位領域,測位
精度等から,魚眼レンズ1を用いた撮像装置3の個数お
よび配置が決定される。撮像装置3の配置が決定される
と,それぞれの魚眼レンズ1の光軸Lが決定される。即
ち,魚眼レンズ1の法線方向が光軸Lである。それとと
もに,このシステム座標系における3次元の直線方程式
としての記述がなされる。
【0015】次に,3台の撮像装置3(3a,3b,3
c)からは,図3に示すように,それぞれ3つの魚眼画
像4(4a ,4b ,4c )が得られる。この魚眼画像4
はCCD2によりそれぞれ光電変換されてビデオ信号に
変換される。なお,目標物Tの測位情報を実時間で求め
る必要がない場合,例えば,航跡等を追尾する場合に
は,このビデオ信号は記録部12に一時記憶され,後に
画像処理部6で処理される。CCD2における各魚眼画
像4のビデオ信号は,インタフェ−ス5を介してデジタ
ル信号に変換され,画像処理部6に入力される。画像処
理部6においては,目標物Tを検出するための画像処理
がなされ,各魚眼画像4に撮像された目標物Tが検出さ
れ,この目標物Tが光軸Lに対してどれだけずれている
上下角何度,左右角何度と検出され,その画像情報は,
(Xa1,Ya1),(Xa2,Ya2)・・・・,(Xb1,Y
b1),(Xb2,Yb2)・・・・,(Xc1,Yc1),(X
c2,Yc2)・・・のように2次元表示されて演算部7に
入力される。
【0016】演算部7においては,システム座標系を基
準にして,光軸Lの方程式が決定されるとともに,この
光軸Lを通り,撮像装置3の視界面中心を示している魚
眼レンズ1の中心点O(X0 ,Y0 ,Z0 )を通って目
標物Tと交わる直線が求められる。この直線の方程式
は, (x−x0a)/αa =(y−y0a)/βa =(z−
0a)/γa (x−x0b)/αb =(y−y0b)/βb =(z−
0b)/γb (x−x0c)/αc =(y−y0c)/βc =(z−
0c)/γc で表される1組が3本の直線方程式からなる直線方程式
群が目標物Tの数だけ求められる。このようにして,魚
眼レンズ1の個数に対応する数の直線方程式を1組とす
る直線方程式群が,それぞれ目標物T(T1 ,T2 )の
2組求められる。次に,それぞれこの2組の直線方程式
群の交点が演算部7により算出され,交点のリストが得
られる。この交点のリストから,3個の同じ出力がある
点(魚眼レンズ1の個数に対応する数の同じ出力がある
点)のみが抽出され,この点が3本の直線方程式,即
ち,直線方程式群の交点を表し,この交点は目標物Tの
位置デ−タを与える。なお,魚眼レンズ1の個数が3個
の場合,偽像は2本の直線方程式の交点として発生し,
3本の直線方程式の交点には発生しない。従って,魚眼
レンズ1の数が多くなればなるほど偽像の発生する確率
は小さくなる。
【0017】このようにして,直線方程式群を構成する
魚眼レンズ1の個数に対応する数の直線方程式の,同じ
く魚眼レンズ1の個数に対応する数の直線が1点で交わ
る交点の位置がシステム座標系における目標物の3次元
空間座標(Xn ,Yn ,Zn,tm )として算出され,
この値は,3次元位置座標を示している。但し,tは時
刻を示す。即ち,目標物Tの数がN個である場合には,
3台の撮像装置3から得られた3本の直線方程式を1組
とする直線方程式群がN組求められ,このN組の直線方
程式群が互いに交じわる箇所は,最大で(3N−1)!
箇所で交点を結ぶが,この内3本の直線の交わる交点
は,目標物Tの数に相当するN箇所だけである。例え
ば,測位する目標物Tの数が10個であるとすると,3
台の撮像装置3から得られた直線方程式は,29!箇所
の交点を結ぶが,この内,3本の直線方程式が交わる交
点(目標物Tが交点となる)は目標物Tの数に相当する
10箇所だけである。 で示される3次元位置座標が時刻t1 ,t2 ,t3 ・・
に対してそれぞれ求められ,この3次元位置座標はメモ
リ8に記憶される。
【0018】メモリ8に記憶されているデ−タは,トラ
ッキング処理部9において時刻t1,t2 ,t3 ・・・
についてトラッキング処理されて,即ち,各座標の軌跡
が求められて,上から見た画像の中に目標物Tの航跡が
得られる。この航跡は3次元測位された連続する時刻に
おける座標デ−タであるから,任意の空間座標系に対し
て,3次元的な軌跡として可視化処理が可能であり,デ
−タ処理装置10により,モニタ画面上に3次元表示す
るための処理がなされて,ビデオ信号に変換され,連続
的な像として表示装置11に表示され,管制官等により
知識処理される。
【0019】
【発明の効果】この発明は,任意にシステム座標系を与
え,このシステム座標系に存在する移動目標物を捉える
複数の魚眼レンズに対し個々に光軸を決定し,各魚眼レ
ンズを用いた複数の撮像装置により与えられる各魚眼画
像から,それぞれこの魚眼画像上に存在する移動目標物
を検出し,システム座標系におけるこの移動目標物と撮
像装置の視界面中心とを通る直線方程式を,撮像装置の
個数に対応する数だけそれぞれ求め,この複数の直線方
程式を1組とする直線方程式群を検出された各移動目標
物についてそれぞれ求め,各移動目標物にそれぞれ対応
する直線方程式群の交点を,各移動目標物毎に求め,シ
ステム座標系における各移動目標物の3次元位置座標を
決定するようにしたので,ひとつのシステムで複数の移
動目標物を同時に測位し,その座標を決定することが出
来るとともに,追尾することが出来る。さらに,各移動
目標物の時刻に対する位置データを,その測定時刻とと
もにメモリに記憶し,このメモリに記憶されている位置
データを,各移動目標物毎にトラッキング処理してそれ
ぞれ移動目標物の航跡を求めるようにしたので,移動目
標物の航跡を解析することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示す構成図である。
【図2】魚眼レンズ1の与える魚眼画像である。
【図3】この発明の実施例を示すもので,3個の魚眼レ
ンズ1の与える魚眼画像である。
【図4】この発明の実施例を示す説明図である。
【図5】この発明の実施例を示すもので,撮像装置の配
置例を示す図である。
【図6】この発明の実施例を示すもので,撮像装置の配
置例を示す図である。
【図7】この発明の実施例を示すもので,撮像装置の配
置例を示す図である。
【符号の説明】
1・・・魚眼レンズ 3・・・撮像装置 4・・・魚眼画像 5・・・インタフェース 6・・・画像処理部 7・・・演算部 8・・・メモリ 9・・・トラッキング処理部 10・・データ処理装置 11・・表示装置 12・・記録部 T・・・移動目標物

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 任意にシステム座標系を与え,このシス
    テム座標系に存在する移動目標物を捉える複数の魚眼レ
    ンズについて個々に光軸を決定し, 複数の前記魚眼レンズを用いた複数の撮像装置により与
    えられる各魚眼画像から,それぞれこの魚眼画像上に存
    在する前記移動目標物を検出し, 前記システム座標系におけるこの移動目標物と撮像装置
    の視界面中心とを通る直線方程式を,前記撮像装置の個
    数に対応する数だけそれぞれ求め,この複数の直線方程
    式を1組とする直線方程式群を前記検出された各移動目
    標物についてそれぞれ求め, 前記各移動目標物にそれぞれ対応する直線方程式群の交
    点を,各移動目標物毎に求め, 前記システム座標系における前記各移動目標物の3次元
    位置座標を決定すること を特徴とする魚眼レンズを用いた測位方法。
  2. 【請求項2】 前記各目標物の時刻に対する位置データ
    を,その測定時刻とともにメモリに記憶し, このメモリに記憶されている前記位置データを,各移動
    目標物毎にトラッキング処理してそれぞれ前記移動目標
    物の航跡を求めること を特徴とする請求項1に記載の魚眼レンズを用いた測位
    方法。
  3. 【請求項3】 目標物を捉える複数の魚眼レンズと, この魚眼レンズにより得られる魚眼画像を撮像する撮像
    装置と, この撮像装置により撮像された前記魚眼画像を画像処理
    して移動目標物を検出する画像処理部と, 前記各魚眼レンズの光軸とシステム座標系とにより,前
    記移動目標物と前記撮像装置の視界面中心とを通る直線
    方程式を撮像装置の個数に対応する数だけ算出してこれ
    を1組とする直線方程式群を前記各移動目標物毎に算出
    し,この各移動目標物にそれぞれ対応する前記直線方程
    式群の交点を,前記各移動目標物毎に算出して,この移
    動目標物の3次元位置座標を算出する演算部と, この演算部で算出された前記各移動目標物の3次元位置
    座標を記憶するメモリと, このメモリに記憶されている前記各移動目標物の3次元
    位置座標を,モニタ画面上に3次元表示するためのデー
    タ処理装置と, 前記移動目標物の3次元位置座標を表示する表示装置と からなることを特徴とする魚眼レンズを用いた測位装
    置。
  4. 【請求項4】 前記メモリに記憶されている前記各移動
    目標物の3次元位置座標をトラッキング処理して,この
    各移動目標物の航跡を決定するトラッキング処理部と, 前記各移動目標物の航跡をモニタ画面上に3次元表示す
    るためのデータ処理装置と, 前記移動目標物の航跡を表示する表示装置と からなることを特徴とする請求項3に記載の魚眼レンズ
    を用いた測位装置。
  5. 【請求項5】 前記魚眼レンズは少なくとも3個用いた
    こと を特徴とする請求項3,請求項4のいずれか一項に記載
    の魚眼レンズを用いた測位装置。
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