JP3851483B2 - 像点対応付け装置、像点対応付け方法、および像点対応付けプログラムを格納した記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の画像から被写体の測量図を作成する写真測量において、各画像における被写体上の像点の対応付けを高精度に行う像点対応付け装置、像点対応付け方法、および像点対応付けプログラムを格納した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、写真測量では、互いに固定された２台のカメラを用いて左眼用画像および右眼用画像から成るステレオ画像を得、このステレオ画像に基づいて被写体の測量図が生成される。具体的には、例えば左眼用画像および右眼用画像をモニタ画面上に並列して表示させ、目視により各画像に共通に写し込まれた被写体上の任意の測量点を立体視し、各画像上における測量点、即ち２つの像点を対応付けている。そして、対応付けられた像点および２台のカメラ間の距離から測量点の３次元座標が求められ、測量図が生成される。
【０００３】
ステレオ画像上の像点の対応付けは、一方の画像で像点をマウス等で指定し、指定された像点に対応する像点を他方の画像で検索して指定するため、目視による場合には測量図の精度は操作者の能力および経験に依存し、また対応付けに非常な労力および時間を要する。このため、一方の画像で像点を指定した場合に、他方の画像にエピポーラ線と呼ばれる視覚用補助線を表示させて、対応付けを容易にすることが行われている。
【０００４】
このエピポーラ線は、一方の画像で指定された像点と双方のカメラの撮影光学系の主点位置とを含む平面と、他方の画像（実際にはカメラの結像面）との交線として定義される。例えばステレオ画像の場合には垂直方向（Ｙ方向）の視差がないので、一方の画像上の像点が指定されてＹ座標が決定すると、他方の画像におけるエピポーラ線はこのＹ座標に一致するＹ座標を有し水平方向（Ｘ方向）に延びる直線として定めることができ、対応する像点はエピポーラ線上にあるとみなせる。従って、操作者はこのエピポーラ線上でカーソルを移動させて水平方向の視差を対応付けるだけでよく、これにより作業効率が大幅に向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際にはカメラの撮影光学系は固有の歪曲収差を有しているため、双方の画像における像点の座標は歪曲収差による誤差をそれぞれ含み、一方の画像に基づいて定められたエピポーラ線と他方の画像上の像点との位置がずれ、高精度な像点の対応付けが行えないという問題が生じる。歪曲収差のない撮影光学系を用いればこのような問題は解消されるが、歪曲収差のない撮影光学系は非常に高価であり、実用的ではない。
【０００６】
本発明は、この様な点に鑑みてなされたものであり、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える像点対応付け装置、および像点対応付け装置を用いた写真測量方法を提供することが目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による像点対応付け装置は、歪曲収差を有する撮影光学系によって同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示手段と、モニタ画面上の第１画像において、被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第１指定手段と、第１像点に歪曲収差の影響を排除する補正を施して得られた第１補正像点と測量点とを通る所定の直線上に位置する複数の補助点を定義する補助点定義手段と、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義手段と、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する補助像点表示手段と、モニタ画面に表示された補助像点に基づいて第２画像上に投影された測量点の第２像点を指定する第２指定手段と、測量点の相対位置を特定するために第１像点および第２像点を対応付ける対応付け手段とを備えることを特徴としている。これにより、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【０００８】
像点対応付け装置の補助点定義手段が、さらに具体的には、第１画像が得られたときの撮影光学系の入射瞳位置である第１撮影位置から所定距離離れた所定点が、歪曲収差のない結像面上に投影された投影点を定義する投影点定義手段と、投影点定義手段により得られた投影点の２次元座標に対して、Ｋａｒａｒａの式に基づいて座標変換を行うことにより投影点の歪曲収差を加味した２次元座標を得る歪曲収差補正手段と、投影点の歪曲収差を加味した２次元座標が第１像点の２次元座標に一致するように所定点の相対位置を特定し特定された所定点の投影点を第１補正像点として定める第１補正像点特定手段と、第１撮影位置および第１補正像点を通る直線を所定の直線として定義する直線定義手段と、直線定義手段により定義された所定の直線上にあってかつ測量点を含み得る所定範囲内にある補助点を複数個抽出しこれら補助点の３次元座標をそれぞれ算出する補助点抽出手段とを備えていてもよい。
【０００９】
像点対応付け装置の補助点抽出手段において抽出される補助点の所定範囲は、第１撮影位置から１メートル以上かつ５０メートル以内の範囲であることが好ましい。測量精度を考慮すれば、撮影の範囲は撮影位置から１〜５０メートル程度の範囲に限られるため、測量点がこの範囲内に高い確率で含まれる。
【００１０】
像点対応付け装置の補助像点定義手段が、さらに具体的には、補助点定義手段により定義された補助点の３次元座標と第２画像が得られたときの撮影光学系の入射瞳位置である第２撮影位置の３次元座標とに基づいて補助点が歪曲収差のない結像面に投影されたときの２次元座標を算出する２次元座標算出手段と、２次元座標算出手段により得られた補助点の２次元座標に対してＫａｒａｒａの式に基づいて歪曲収差を加味する座標変換を行うことにより補助像点の２次元座標を算出する歪曲収差補正手段とを備えていてもよい。
【００１１】
像点対応付け装置は、第１および第２撮影位置の３次元座標をそれぞれ算出する撮影位置算出手段を備えていてもよく、撮影位置算出手段は第１および第２画像に写し込まれた所定位置にあるターゲットの寸法形状と、第１および第２画像におけるターゲットの像の寸法形状とに基づいて、第１および第２撮影位置の３次元座標を算出する。これにより、撮影時にターゲットを被写体近傍に置けば基準となる長さを逐一測る必要がなく、撮影作業が簡便になる。さらに好ましくは、撮影位置算出手段が第１および第２画像におけるターゲットの像を歪曲収差に基づいて補正する。これにより、第１および第２撮影位置の３次元座標は、歪曲収差が補正された高精度な値となる。
【００１２】
像点対応付け装置のモニタ画面において、補助像点は実質的に線として表示されることが好ましい。撮影光学系が所定数の画素を格子状に配列した撮像素子を有する電子スチルカメラに設けられた場合には、補助点の個数が撮像素子の水平方向の画素数より大きい値であればよく、具体的には１０００個以上が好ましい。これにより、第２画像に重ねて表示する補助像点が高精度な線として表示される。
【００１３】
また、本発明による像点対応付け方法は、所定の歪曲収差を有する撮影光学系を備えたカメラによって、第１および第２撮影位置から同一の被写体を撮像し、第１画像および第２画像を得る第１ステップと、第１および第２画像をモニタ画面に表示する第２ステップと、モニタ画面に表示された第１画像において、被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第３ステップと、第３ステップにより指定された第１像点を歪曲収差に基づいて補正し得られた第１補正像点に基づいて測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する第４ステップと、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する第５ステップと、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する第６ステップと、モニタ画面に表示された補助像点に基づいて第２画像上に投影された測量点の第２像点を指定する第７ステップと、測量点の相対位置を特定するために第１像点および第２像点を対応付ける第８ステップとを備えることを特徴としている。これにより、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【００１４】
また、本発明による記録媒体は、所定の歪曲収差を有する撮影光学系によって同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示ルーチンと、モニタ画面に表示された第１画像において指定された被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を歪曲収差に基づいて補正し補正された第１像点に基づいて測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する補助点定義ルーチンと、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義ルーチンと、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する補助像点表示ルーチンと、測量点の相対位置を特定するためにモニタ画面に表示された補助像点に基づいて指定され第２画像上に投影された測量点の第２像点と第１像点とを対応付ける対応付けルーチンとを備えることを特徴とする像点対応付けプログラムを格納している。これにより、汎用のパーソナルコンピュータにおいて像点対応付けプログラムを実行でき、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による像点対応付け方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、像点対応付け装置のブロック図である。像点対応付け装置は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ１０と、画像に関するデータをＩＣメモリカード４０から読取るためのカード読取装置１２と、読取られた画像を表示するモニタ装置１４とを備える。また像点対応付け装置は、像点指定や種々の指示に用いるマウス１６およびキーボード１７を備える。ＣＰＵ１０、カード読取装置１２、モニタ装置１４およびマウス１６は直接または間接的にバス３０に接続される。
【００１７】
マウス１６およびキーボード１７にはバス３０に接続された入力制御部２６が接続され、マウス１６およびキーボード１７からの入力がバス３０に転送され、またこれらの入力モード等が設定される。
【００１８】
ＩＣメモリカード４０はカード読取装置１２に挿入され、ＩＣメモリカード４０内に格納された複数の画像データが装置内に適宜読み込まれる。画像データは、図示しない電子スチルカメラにより撮像された１フレーム分のデジタル画素データと、撮影時の撮影条件や撮影光学系の歪曲収差のデータ、さらに画像に写し込まれたターゲットの寸法形状および配置のデータ等を含む。
【００１９】
カード読取装置１２の読込み動作および書込み動作は、バス３０に接続された記録媒体制御部２２により制御される。記録媒体制御部２２にはハードディスク１３が接続され、このハードディスク１３にはＩＣメモリカード４０から読み込まれた画像データが格納される。
【００２０】
バス３０には表示メモリ４２および作業メモリ４４がそれぞれ接続される。表示メモリ４２はモニタ装置１４で表示すべき内容をデジタルデータとして保持し、バス３０に接続された表示制御部２４は保持されたデジタルデータをモニタ装置１４のためのアナログＲＧＢ信号に変換する。作業メモリ４４はＣＰＵ１０による演算、処理におけるキャッシュメモリ等に使用される。
【００２１】
ＣＰＵ１０は、入力状態管理部３２、表示状態管理部３４、演算処理部３６およびデータ管理部３８を備え、必要な管理、演算、処理を実行する。入力状態管理部３２はマウス１６およびキーボード１７の設定を管理し、また入力された情報、例えばマウス１６の座標、キーボード１７から入力された文字等を所定のデジタルデータに変換する。表示状態管理部３４はモニタ装置１４に表示すべき内容を管理し、表示に関する設定の変更等があったときには表示内容を変更する。演算処理部３６は後述する像点等の座標算出や歪曲収差補正等に使用される。データ管理部３８はＩＣメモリカード４０から読込んだデータ内容を管理し、また読み込まれた画像に基づいて作成された種々の座標データや像点の対応付けのデータ等を管理する。
【００２２】
なお、像点対応付け装置には汎用のパーソナルコンピュータが適用され、また画像に関するデータの読込みから作図までの一連の写真測量用画像処理プログラムは像点対応付け装置に着脱自在な記録媒体であるＣＤ−ＲＯＭ６０、または像点対応付け装置に内蔵された記録媒体であるハードディスク１３に格納される。ハードディスク１３内に写真測量用画像処理プログラムが格納されていない場合には、ＣＰＵ１０はＣＤ−ＲＯＭドライブ４８を介してＣＤ−ＲＯＭ６０から写真測量用画像処理プログラムを読み出し、ハードディスク１３にインストールする。既にハードディスク１３にインストールされている場合には、ＣＰＵ１０はハードディスク１３内の写真測量用画像処理プログラムを読み出し、種々の処理を実行する。なお、後述する対応付け処理プログラムは写真測量用画像処理プログラムに含まれる。
【００２３】
図２はモニタ装置１４の表示画面を概念的に示す図である。この表示画面の画像表示領域ＩＭＡには、地表面上の所定位置に置かれたターゲット５０を含む一対の画像、即ち第１画像ＩＭ１、第２画像ＩＭ２が並列して表示される。第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２は単一の電子スチルカメラで撮影された画像であり、それぞれの撮影位置はオペレータにより任意に定められる。第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２はＩＣメモリカード４０に格納されていたデジタル画素データに基づいて表示され、水平方向にＷ個、垂直方向にＨ個の画素が配列される。Ｗ、Ｈは整数（Ｗ≧Ｈ）であり、例えばＷ＝１０００、Ｈ＝８００である。
【００２４】
画像表示領域ＩＭＡの下側には作図領域ＤＲＡが設けられ、２つの画像に基づいて作図された測量図、具体的には道路の外形を示す実線Ｌが描かれる。測量図は道路を鉛直上方から見た水平面図である。なお、測量点ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 およびターゲット５０の角部を示す基準点ＲＰは、作図領域ＤＲＡにおいて点表示される。画面の左方にはメニューＭＭが設けられ、種々のコマンドが選択可能である。
【００２５】
測量図の作図に際しては、測量点の各画像における像点がマニュアルで指定されて、対応付けられる。例えば、第１画像ＩＭ１において、道路の角の測量点ｑ1 の第１像点ＡＱ11がマウス１６によりマニュアル指定されると、第２画像ＩＭ２に補助線ＡＤＬが重ねて表示され、この補助線ＡＤＬを参照しながら第２像点ＡＱ12がマニュアル指定される。
【００２６】
第１像点ＡＱ11は、マウス１６の指定によりそのピクセル座標（ＡＸ11，ＡＹ11）が取得され、作業メモリ４４に格納される。ピクセル座標（ＡＸ11，ＡＹ11）は、第１画像ＩＭ１の左上隅からの水平および垂直方向の画素数である。第２像点ＡＱ12についても同様、マウス指定によりピクセル座標（ＡＸ12，ＡＹ12）が得られる。
【００２７】
このように測量点ｑ1 の像点として第１像点ＡＱ11および第２像点ＡＱ12が互いに対応付けられると、これら第１像点ＡＱ11および第２像点ＡＱ12のピクセル座標に基づいて測量点ｑ1 の３次元座標が算出されるとともに、作図領域ＤＲＡに測量点ｑ1 が点表示される。測量点ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 についても同様、像点ＡＱ21と像点ＡＱ22、像点ＡＱ31と像点ＡＱ32、像点ＡＱ41と像点ＡＱ42がそれぞれ互いに対応付けられ、３次元座標が算出される。
【００２８】
測量点ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 の３次元座標は、ターゲット５０の基準点ＲＰを原点とする共通の３次元座標系における値である。基準点ＲＰの第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２におけるそれぞれの像点はＲＰ1 およびＲＰ2 で示される。
【００２９】
なお、本実施形態においては、始めに第１画像ＩＭ１の像点指定が行われ、補助線ＡＤＬは第２画像ＩＭ２上に示されているが、指定の順序が逆、即ち第２画像ＩＭ２の像点指定を先に行っても良い。この場合、補助線ＡＤＬは第１画像ＩＭ１上に表示される。
【００３０】
このように、一方の画像で像点を指定すると、他方の画像に対応する像点を含み得る補助線ＡＤＬが自動的に表示されるので、オペレータは対応する像点を容易に指定し得る。
【００３１】
図３は、測量点ｑi および測量点ｑi の２つの対応する第１像点ＡＱi1、第２像点ＡＱi2との関係を概念的に示す図である。ｉは測量点の数を示すパラメータである。
【００３２】
第１画像ＩＭ１が得られたときの電子スチルカメラの撮影光学系の入射瞳位置は第１撮影位置Ｍ１で示され、その座標はターゲット５０に基づいて設定された基準座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における３次元座標、即ち基準座標（ΔＸ1 ，ΔＹ1 ，ΔＺ1 ）で示される。また撮影光学系の向きは光軸ＣＬ１で示され、その回転角はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りの回転変位量（Δα1 ，Δβ1 ，Δγ1 ）で表される。これら６つのパラメータΔＸ1 、ΔＹ1 、ΔＺ1 、Δα1 、Δβ1 およびΔγ1 をカメラパラメータと呼ぶ。
【００３３】
カメラパラメータは、第１画像ＩＭ１が読み込まれた時にＣＰＵ１０によってターゲット５０の寸法形状に基づいて算出される。同様に、第２画像ＩＭ２が得られたときのカメラパラメータ、即ち第２撮影位置Ｍ２（ΔＸ2 ，ΔＹ2 ，ΔＺ2 ）および光軸ＣＬ２（Δα2 ，Δβ2 ，Δγ2 ）は画像読込み時に算出される。カメラパラメータの算出に関しては従来公知であり、ここではその説明を省略する。
【００３４】
測量点ｑi は、撮影光学系の結像面に実質的に一致する第１画像ＩＭ１（図中、破線で示される）上に第１像点ＡＱi1（図中、白丸で示される）として投影される。測量点ｑi は、理想的には第１撮影位置Ｍ１と第１像点ＡＱi1とを結ぶ直線ＥＬの延長線上に位置するはずであるが、現実には撮影光学系が歪曲収差を有するために直線ＥＬから外れてしまう。
【００３５】
そこで、歪曲収差のない撮影光学系によって結像された理想的な結像面を、第１スクリーンＳ１（図中、実線で示される）として設定し、第１スクリーンＳ１に投影された測量点ｑi の像点を第１補正像点Ｑi1（図中、黒丸で示される）として示す。第１スクリーンＳ１は光軸ＣＬ１に対して垂直な平面であり、かつその結像中心Ｃ１は光軸ＣＬ１上に位置する。このとき、測量点ｑi は第１撮影位置Ｍ１と第１補正像点Ｑi1とを通る直線ＥＬ上に位置する。
【００３６】
第１スクリーンＳ１には結像中心Ｃ１を原点とする第１スクリーン座標系（Ｘ’，Ｙ’）が設定され、第１補正像点Ｑi1の第１スクリーンＳ１における相対位置はスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）で表される。測量点ｑi の基準座標（ｑｘi ，ｑｙi ，ｑｚi ）と、第１補正像点Ｑi1のスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）との関係は、（１）式および（２）式により定義付けられる。（１）式および（２）式においてｊは画像数を示すパラメータであり、第１画像ＩＭ１の場合にはｊ＝１である。
【００３７】
【数１】
【００３８】
【数２】
【００３９】
なお（１）式および（２）式に示される（ｘij，ｙij，ｚij）は、基準座標系とは異なる電子スチルカメラに設定されたカメラ座標系における測量点ｑi の３次元座標である。詳述すると、第１画像ＩＭ１には第１撮影位置Ｍ１を原点とする第１カメラ座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）が設定され、この第１カメラ座標系における測量点ｑi の座標は（ｘi1，ｙi1，ｚi1）で表される。なお、ｘ’軸は第１スクリーンＳ１のＸ’軸に平行であり、電子スチルカメラに設けられた撮像素子の水平方向に一致する。またｙ’軸はＹ’軸に平行かつ撮像素子の垂直方向に一致する。同様に第２カメラ座標系（ｘ”，ｙ”，ｚ”）が設定され、この第２カメラ座標系における測量点ｑi の座標は（ｘi2，ｙi2，ｚi2）で表される。
【００４０】
（１）式は測量点ｑi のカメラ座標（ｘij，ｙij，ｚij）と基準座標（ｑｘi ，ｑｙi ，ｑｚi ）との関係を示し、（２）式は測量点ｑi のカメラ座標（ｘij，ｙij，ｚij）とスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）との関係を示す。（２）式のＣｍは電子スチルカメラ固有に定められたパラメータであり、双方の撮影位置Ｍ１、Ｍ２において同値である。
【００４１】
第２撮影位置Ｍ２に関しても同様に、実際の結像面である第２画像ＩＭ２、および理想的な結像面である第２スクリーンＳ２における測量点ｑi の像点が、それぞれ第２像点ＡＱi2および第２補正像点Ｑi2として示される。測量点ｑi が直線ＥＬ上にあることから、直線ＥＬを第２スクリーンＳ２に投影した直線（以下、投影線と呼ぶ）ＰＥＬ上には、第２補正像点Ｑi2が位置する。
【００４２】
この投影線ＰＥＬを歪曲収差を考慮して変換すれば、変換された線上には第２像点ＡＱi2が位置するはずである。本実施形態では、この変換された線を補助線ＡＤＬ（図中破線で示される）として定義し、図３に示すように第２画像ＩＭ２に重ねて表示させている。このように補助線ＡＤＬは撮影光学系の歪曲収差を考慮して求められており、これにより第２像点ＡＱi2を容易かつ高精度に指定し得る。
【００４３】
具体的には、直線ＥＬ上にあってかつ測量点ｑi を含み得る所定範囲内にあるｎ個の補助点ｐ1 〜ｐn を抽出し、これら補助点ｐ1 〜ｐn を第２スクリーンＳ２に投影し、さらに歪曲収差に基づいて変換して補助像点ＡＰ1 〜ＡＰn （図３にはＡＰ1 およびＡＰn のみを示す）を得、連続する補助像点ＡＰ1 〜ＡＰn を結ぶことにより補助線ＡＤＬを生成する。補助点の数ｎは多い方が好ましく、少なくとも第１画像ＩＭ１の水平方向の画素数Ｗより大きい値に設定される。この場合、水平方向において１画素単位で補助線ＡＤＬを表示でき、高精度かつ滑らかな補助線ＡＤＬが得られる。
【００４４】
補助点ｐ1 〜ｐn が抽出される所定範囲としては、第１撮影位置Ｍ１から１ｍ以上５０ｍ以下の範囲が好ましい。この下限値１ｍおよび上限値５０ｍは、像点指定を高精度に行うために撮影範囲が１ｍ以上５０ｍ以下程度に限られることから経験的に得られた数値であり、特に限定されるものではない。図３に示す画面上のメニューＭＭで所定範囲を適宜変更しても良い。本実施形態においては水平方向の画素数Ｗが１０００であり、１ｍから５０ｍの範囲を１０００等分することにより１０００個の補助点ｐn （１≦ｎ≦１０００）が定義される。
【００４５】
補助点ｐn の基準座標（ｐｘn ，ｐｙn ，ｐｚn ）は、（３）式により算出される。（３）式においてｔは距離を示すパラメータであり、Ｒは直線ＥＬの方向を示す方向ベクトル（ｒX ，ｒY ，ｒZ ）である。この方向ベクトルＲは第１カメラ位置Ｍ１からの単位ベクトルである。
【００４６】
【数３】
【００４７】
補助点ｐn の第２スクリーンＳ２上におけるスクリーン座標（Ｘn2，Ｙn2）は、前述の（１）式および（２）式により求められる。ここで、パラメータｉおよびｊにはそれぞれｎ（１≦ｎ≦１０００）および２が代入され、ｑｘn 、ｑｙn およびｑｚn にはそれぞれ補助点ｐn の基準座標ｐｘn 、ｐｙn およびｐｚn が代入される。
【００４８】
補助点ｐn のスクリーン座標（Ｘn2，Ｙn2）は、（４）式に示すＫａｒａｒａの歪曲収差補正モデルを用いて、歪曲収差を考慮した値に変換される。変換後の点は補助像点ＡＰn で示され、その変換後の２次元座標は（ＤＸn2，ＤＹn2）で表される。（４）式において、Ｄ2 、Ｄ4 、Ｄ6 、Ｐ1 、Ｐ2 、ＸｃおよびＹｃは歪曲収差を示すパラメータであり、特にＸｃおよびＹｃは光軸ＣＬ2 の第２画像ＩＭ２の中心に対するＸ”方向およびＹ”方向のずれ量である。
【００４９】
【００５０】
補助像点ＡＰn の２次元座標は（ＤＸn2，ＤＹn2）は、結像中心Ｃ２を原点とする第２スクリーン座標系における値であり、さらに（５）式によって第２画像ＩＭ２におけるピクセル座標（ＡＸn2，ＡＹn2）に変換される。（５）式において、ＰｘおよびＰｙはそれぞれ撮像素子の水平方向および垂直方向の画素間距離であり、ＷおよびＨは水平方向および垂直方向の画素数である。
【００５１】
【００５２】
そして、１０００個の補助像点ＡＰn は、算出されたピクセル座標（ＡＸn2，ＡＹn2）に基づいて、第２画像ＩＭ２上に例えば赤色の点で表示され、補助像点ＡＰn を連続して結ぶことにより補助線ＡＤＬが得られる。
【００５３】
図４〜図６を参照して、ＣＰＵ１０の演算処理部３６において実行される対応付け処理プログラムについて説明する。
【００５４】
図４は対応付け処理プログラムのメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは対応付け処理プログラムが起動されることにより開始される。まず、ステップＳ１０２において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２の画像データがＩＣメモリカード４０から読み込まれる。このとき、撮影時の撮影条件や撮影光学系の歪曲収差のデータ、およびターゲット５０の寸法形状および配置のデータは作業メモリ４４に格納される。
【００５５】
続いてステップＳ１０４が実行され、第１画像ＩＭ１のカメラパラメータ（ΔＸ1 、ΔＹ1 、ΔＺ1 、Δα1 、Δβ1 、Δγ1 ）および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータ（ΔＸ2 、ΔＹ2 、ΔＺ2 、Δα2 、Δβ2 、Δγ2 ）が算出される。これらカメラパラメータは作業メモリ４４の所定領域に格納される。次にステップＳ１０６が実行され、第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２がモニタ装置１４の画面に設定された画像表示領域ＩＭＡ（図３）に表示される。
【００５６】
ここで、ステップＳ１０８において測量点の数を示すパラメータｉの値が０に初期化され、ステップＳ１１０において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２における測量点ｑi の像点の対応付けを継続するか否かが判定される。継続する場合にはステップＳ１１２以降が実行され、継続しない場合にはステップＳ１２２が実行される。
【００５７】
ステップＳ１１２においてパラメータｉはカウントアップされる。続いてステップＳ１１４が実行され、ここでは第１画像ＩＭ１における測量点ｑ(i=1) の像点、即ち第１像点ＡＱ11がマニュアル指定され、そのピクセル座標（ＡＸ11, ＡＹ11）が取得される。
【００５８】
そして、ステップＳ２００の補助線描画サブルーチンが実行され、第２画像ＩＭ２に補助線ＡＤＬが表示される。続いてステップＳ１１６において、補助線ＡＤＬを参照しつつ第２画像ＩＭ２における測量点ｑ(i=1) の像点、即ち第２像点ＡＱ12がマニュアル指定され、これによりそのピクセル座標（ＡＸ12, ＡＹ12）が取得される。
【００５９】
続いてステップＳ１１８が実行され、ステップＳ１１４で指定された第１像点ＡＱ11と、ステップＳ１１６で指定された第２像点ＡＱ12とが、測量点ｑ(i=1) の像点として対応付けられ、それらピクセル座標（ＡＸ11, ＡＹ11）および（ＡＸ12, ＡＹ12）が作業メモリ４４に格納される。
【００６０】
ステップＳ１２０では、第１像点ＡＱ11と第２像点ＡＱ12とのピクセル座標および、カメラパラメータに基づいて測量点ｑ(i=1) の基準座標（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）が算出され、作図領域ＤＲＡ（図３）に点表示される。基準座標の算出については公知であり、ここでは説明を省略する。ステップＳ１２０の終了後ステップＳ１１０へ戻り、次の測量点ｑ(i=2) について像点指定を行う場合にはステップＳ１１２〜Ｓ１２０が再実行される。
【００６１】
ステップＳ１１０において像点指定を終了すると判定されると、ステップＳ１２２において作業メモリ４４に格納されていたデータ、即ち第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２の画像データやカメラパラメータ、測量点および第１および第２像点に関するデータ、測量図に関するデータ等が所定のフォーマットに基づいてファイルに変換され、ハードディスク１３に格納された後、メインルーチン即ち対応付け処理プログラムが終了する。
【００６２】
図５は、図４の補助線描画サブルーチン（ステップＳ２００）の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２０２において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータが作業メモリ４４から読み出される。次に、ステップＳ３００の方向ベクトル算出サブルーチンが実行され、直線ＥＬの方向を定義付ける方向ベクトルＲ（ｒX ，ｒY ，ｒZ ）が算出される。
【００６３】
ステップＳ２０６では、ステップＳ２０４により定義された直線ＥＬ上の補助点ｐn が定義され、具体的には（１）式のパラメータｔに数値が代入される。本実施形態においては、距離ｔには１ｍ以上５０ｍ以下の範囲を１０００等分した数値が代入される。即ち、ステップＳ２０６により１０００個の補助点ｐn （１≦ｎ≦１０００）およびその基準座標が得られる。
【００６４】
次にステップＳ２０８が実行され、補助点ｐn の基準座標および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータに基づいて、補助点ｐn を第２スクリーンＳ２に投影した点のスクリーン座標が算出され、さらに１０００個の投影点のスクリーン座標にはそれぞれ歪曲補正が施される。これにより、補助点ｐn を画像ＩＭ２に投影した補助像点ＡＰn の高精度なピクセル座標が得られる。
【００６５】
そしてステップＳ２１０において、１０００個の補助像点ＡＰn を連続して結んだ補助線ＡＤＬが描画されて、モニタ装置１４の画面上の第２画像ＩＭ２に重ねて表示され、補助線描画サブルーチンが終了する。
【００６６】
図６は、図５の方向ベクトル算出サブルーチン（ステップＳ３００）の詳細を示すフローチャートである。ここでは、方向ベクトルＲの先端である第１カメラ位置Ｍ１から距離１だけ離れた点ＲＢを第１画像ＩＭ１に投影した点と、指定した第１像点ＡＱi1との距離が最小となり得るような、ｒX 、ｒY およびｒZ の値が求められる。
【００６７】
始めにステップＳ３０２において、方向ベクトルＲのｒX 、ｒY 、およびｒZ に適当な初期値が与えられる。次に、ステップＳ３０４において（１）式により点ＲＢのカメラ座標が算出される。続いて（２）式、（４）式および（５）式により点ＲＢのスクリーン座標、歪曲収差を考慮した２次元座標、ピクセル座標が順に算出される（ステップＳ３０６、３０８、３１０）。そしてステップＳ３１２が実行され、ステップＳ３１０により求められた点ＲＢの第１画像ＩＭ１におけるピクセル座標（ＡＸRB，ＡＹRB）と、指定した第１像点ＡＱi1のピクセル座標（ＡＸi1，ＡＹi1）との距離の２乗で表される誤差Φが（６）式により算出される。
【００６８】
【数６】
【００６９】
ステップＳ３１４においては誤差Φが最小値であるか否かが判定され、最小値でないと判定されるとｒX 、ｒY およびｒZ の値がより近似した値に変えられてステップＳ３０４に戻る。即ち、誤差Φが最小値に収束するまでｒX 、ｒY およびｒZ の値が順次変えられて誤差Φの算出が繰り返し行われる。誤差Φが最小値であると判定されると、ステップＳ３１６において現在のｒX 、ｒY およびｒZ の値が方向ベクトルＲとして登録され、方向ベクトル算出サブルーチンが終了する。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によると、複数の画像上において像点の対応付けが高精度に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による像点対応付け装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示すモニタ装置の表示画面を概念的に示す図である。
【図３】測量点および第１像点、第２像点との関係を概念的に示す図である。
【図４】対応付け処理プログラムのメインルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図４の補助線描画サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図６】図５の方向ベクトル算出サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ＣＰＵ
１４ モニタ装置
１６ マウス
６０ ＣＤ−ＲＯＭ
ＩＭ１ 第１画像
ＩＭ２ 第２画像
ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 測量点
ＡＱ11、ＡＱ21、ＡＱ31、ＡＱ41 第１像点
ＡＱ12、ＡＱ22、ＡＱ32、ＡＱ42 第２像点
ｐ1 〜ｐn 補助点
ＡＰ1 〜ＡＰn 補助像点
ＡＤＬ 補助線
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の画像から被写体の測量図を作成する写真測量において、各画像における被写体上の像点の対応付けを高精度に行う像点対応付け装置、像点対応付け方法、および像点対応付けプログラムを格納した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、写真測量では、互いに固定された２台のカメラを用いて左眼用画像および右眼用画像から成るステレオ画像を得、このステレオ画像に基づいて被写体の測量図が生成される。具体的には、例えば左眼用画像および右眼用画像をモニタ画面上に並列して表示させ、目視により各画像に共通に写し込まれた被写体上の任意の測量点を立体視し、各画像上における測量点、即ち２つの像点を対応付けている。そして、対応付けられた像点および２台のカメラ間の距離から測量点の３次元座標が求められ、測量図が生成される。
【０００３】
ステレオ画像上の像点の対応付けは、一方の画像で像点をマウス等で指定し、指定された像点に対応する像点を他方の画像で検索して指定するため、目視による場合には測量図の精度は操作者の能力および経験に依存し、また対応付けに非常な労力および時間を要する。このため、一方の画像で像点を指定した場合に、他方の画像にエピポーラ線と呼ばれる視覚用補助線を表示させて、対応付けを容易にすることが行われている。
【０００４】
このエピポーラ線は、一方の画像で指定された像点と双方のカメラの撮影光学系の主点位置とを含む平面と、他方の画像（実際にはカメラの結像面）との交線として定義される。例えばステレオ画像の場合には垂直方向（Ｙ方向）の視差がないので、一方の画像上の像点が指定されてＹ座標が決定すると、他方の画像におけるエピポーラ線はこのＹ座標に一致するＹ座標を有し水平方向（Ｘ方向）に延びる直線として定めることができ、対応する像点はエピポーラ線上にあるとみなせる。従って、操作者はこのエピポーラ線上でカーソルを移動させて水平方向の視差を対応付けるだけでよく、これにより作業効率が大幅に向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際にはカメラの撮影光学系は固有の歪曲収差を有しているため、双方の画像における像点の座標は歪曲収差による誤差をそれぞれ含み、一方の画像に基づいて定められたエピポーラ線と他方の画像上の像点との位置がずれ、高精度な像点の対応付けが行えないという問題が生じる。歪曲収差のない撮影光学系を用いればこのような問題は解消されるが、歪曲収差のない撮影光学系は非常に高価であり、実用的ではない。
【０００６】
本発明は、この様な点に鑑みてなされたものであり、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える像点対応付け装置、および像点対応付け装置を用いた写真測量方法を提供することが目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による像点対応付け装置は、歪曲収差を有する撮影光学系によって同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示手段と、モニタ画面上の第１画像において、被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第１指定手段と、第１像点に歪曲収差の影響を排除する補正を施して得られた第１補正像点と測量点とを通る所定の直線上に位置する複数の補助点を定義する補助点定義手段と、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義手段と、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する補助像点表示手段と、モニタ画面に表示された補助像点に基づいて第２画像上に投影された測量点の第２像点を指定する第２指定手段と、測量点の相対位置を特定するために第１像点および第２像点を対応付ける対応付け手段とを備えることを特徴としている。これにより、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【０００８】
像点対応付け装置の補助点定義手段が、さらに具体的には、第１画像が得られたときの撮影光学系の入射瞳位置である第１撮影位置から所定距離離れた所定点が、歪曲収差のない結像面上に投影された投影点を定義する投影点定義手段と、投影点定義手段により得られた投影点の２次元座標に対して、Ｋａｒａｒａの式に基づいて座標変換を行うことにより投影点の歪曲収差を加味した２次元座標を得る歪曲収差補正手段と、投影点の歪曲収差を加味した２次元座標が第１像点の２次元座標に一致するように所定点の相対位置を特定し特定された所定点の投影点を第１補正像点として定める第１補正像点特定手段と、第１撮影位置および第１補正像点を通る直線を所定の直線として定義する直線定義手段と、直線定義手段により定義された所定の直線上にあってかつ測量点を含み得る所定範囲内にある補助点を複数個抽出しこれら補助点の３次元座標をそれぞれ算出する補助点抽出手段とを備えていてもよい。
【０００９】
像点対応付け装置の補助点抽出手段において抽出される補助点の所定範囲は、第１撮影位置から１メートル以上かつ５０メートル以内の範囲であることが好ましい。測量精度を考慮すれば、撮影の範囲は撮影位置から１〜５０メートル程度の範囲に限られるため、測量点がこの範囲内に高い確率で含まれる。
【００１０】
像点対応付け装置の補助像点定義手段が、さらに具体的には、補助点定義手段により定義された補助点の３次元座標と第２画像が得られたときの撮影光学系の入射瞳位置である第２撮影位置の３次元座標とに基づいて補助点が歪曲収差のない結像面に投影されたときの２次元座標を算出する２次元座標算出手段と、２次元座標算出手段により得られた補助点の２次元座標に対してＫａｒａｒａの式に基づいて歪曲収差を加味する座標変換を行うことにより補助像点の２次元座標を算出する歪曲収差補正手段とを備えていてもよい。
【００１１】
像点対応付け装置は、第１および第２撮影位置の３次元座標をそれぞれ算出する撮影位置算出手段を備えていてもよく、撮影位置算出手段は第１および第２画像に写し込まれた所定位置にあるターゲットの寸法形状と、第１および第２画像におけるターゲットの像の寸法形状とに基づいて、第１および第２撮影位置の３次元座標を算出する。これにより、撮影時にターゲットを被写体近傍に置けば基準となる長さを逐一測る必要がなく、撮影作業が簡便になる。さらに好ましくは、撮影位置算出手段が第１および第２画像におけるターゲットの像を歪曲収差に基づいて補正する。これにより、第１および第２撮影位置の３次元座標は、歪曲収差が補正された高精度な値となる。
【００１２】
像点対応付け装置のモニタ画面において、補助像点は実質的に線として表示されることが好ましい。撮影光学系が所定数の画素を格子状に配列した撮像素子を有する電子スチルカメラに設けられた場合には、補助点の個数が撮像素子の水平方向の画素数より大きい値であればよく、具体的には１０００個以上が好ましい。これにより、第２画像に重ねて表示する補助像点が高精度な線として表示される。
【００１３】
また、本発明による像点対応付け方法は、所定の歪曲収差を有する撮影光学系を備えたカメラによって、第１および第２撮影位置から同一の被写体を撮像し、第１画像および第２画像を得る第１ステップと、第１および第２画像をモニタ画面に表示する第２ステップと、モニタ画面に表示された第１画像において、被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第３ステップと、第３ステップにより指定された第１像点を歪曲収差に基づいて補正し得られた第１補正像点に基づいて測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する第４ステップと、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する第５ステップと、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する第６ステップと、モニタ画面に表示された補助像点に基づいて第２画像上に投影された測量点の第２像点を指定する第７ステップと、測量点の相対位置を特定するために第１像点および第２像点を対応付ける第８ステップとを備えることを特徴としている。これにより、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても、複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【００１４】
また、本発明による記録媒体は、所定の歪曲収差を有する撮影光学系によって同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示ルーチンと、モニタ画面に表示された第１画像において指定された被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を歪曲収差に基づいて補正し補正された第１像点に基づいて測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する補助点定義ルーチンと、補助点を歪曲収差を加味して第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義ルーチンと、補助像点を第２画像に重ねてモニタ画面に表示する補助像点表示ルーチンと、測量点の相対位置を特定するためにモニタ画面に表示された補助像点に基づいて指定され第２画像上に投影された測量点の第２像点と第１像点とを対応付ける対応付けルーチンとを備えることを特徴とする像点対応付けプログラムを格納している。これにより、汎用のパーソナルコンピュータにおいて像点対応付けプログラムを実行でき、歪曲収差を有する撮影光学系を用いた場合においても複数の画像上において像点の対応付けが容易かつ高精度に行える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による像点対応付け方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、像点対応付け装置のブロック図である。像点対応付け装置は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ１０と、画像に関するデータをＩＣメモリカード４０から読取るためのカード読取装置１２と、読取られた画像を表示するモニタ装置１４とを備える。また像点対応付け装置は、像点指定や種々の指示に用いるマウス１６およびキーボード１７を備える。ＣＰＵ１０、カード読取装置１２、モニタ装置１４およびマウス１６は直接または間接的にバス３０に接続される。
【００１７】
マウス１６およびキーボード１７にはバス３０に接続された入力制御部２６が接続され、マウス１６およびキーボード１７からの入力がバス３０に転送され、またこれらの入力モード等が設定される。
【００１８】
ＩＣメモリカード４０はカード読取装置１２に挿入され、ＩＣメモリカード４０内に格納された複数の画像データが装置内に適宜読み込まれる。画像データは、図示しない電子スチルカメラにより撮像された１フレーム分のデジタル画素データと、撮影時の撮影条件や撮影光学系の歪曲収差のデータ、さらに画像に写し込まれたターゲットの寸法形状および配置のデータ等を含む。
【００１９】
カード読取装置１２の読込み動作および書込み動作は、バス３０に接続された記録媒体制御部２２により制御される。記録媒体制御部２２にはハードディスク１３が接続され、このハードディスク１３にはＩＣメモリカード４０から読み込まれた画像データが格納される。
【００２０】
バス３０には表示メモリ４２および作業メモリ４４がそれぞれ接続される。表示メモリ４２はモニタ装置１４で表示すべき内容をデジタルデータとして保持し、バス３０に接続された表示制御部２４は保持されたデジタルデータをモニタ装置１４のためのアナログＲＧＢ信号に変換する。作業メモリ４４はＣＰＵ１０による演算、処理におけるキャッシュメモリ等に使用される。
【００２１】
ＣＰＵ１０は、入力状態管理部３２、表示状態管理部３４、演算処理部３６およびデータ管理部３８を備え、必要な管理、演算、処理を実行する。入力状態管理部３２はマウス１６およびキーボード１７の設定を管理し、また入力された情報、例えばマウス１６の座標、キーボード１７から入力された文字等を所定のデジタルデータに変換する。表示状態管理部３４はモニタ装置１４に表示すべき内容を管理し、表示に関する設定の変更等があったときには表示内容を変更する。演算処理部３６は後述する像点等の座標算出や歪曲収差補正等に使用される。データ管理部３８はＩＣメモリカード４０から読込んだデータ内容を管理し、また読み込まれた画像に基づいて作成された種々の座標データや像点の対応付けのデータ等を管理する。
【００２２】
なお、像点対応付け装置には汎用のパーソナルコンピュータが適用され、また画像に関するデータの読込みから作図までの一連の写真測量用画像処理プログラムは像点対応付け装置に着脱自在な記録媒体であるＣＤ−ＲＯＭ６０、または像点対応付け装置に内蔵された記録媒体であるハードディスク１３に格納される。ハードディスク１３内に写真測量用画像処理プログラムが格納されていない場合には、ＣＰＵ１０はＣＤ−ＲＯＭドライブ４８を介してＣＤ−ＲＯＭ６０から写真測量用画像処理プログラムを読み出し、ハードディスク１３にインストールする。既にハードディスク１３にインストールされている場合には、ＣＰＵ１０はハードディスク１３内の写真測量用画像処理プログラムを読み出し、種々の処理を実行する。なお、後述する対応付け処理プログラムは写真測量用画像処理プログラムに含まれる。
【００２３】
図２はモニタ装置１４の表示画面を概念的に示す図である。この表示画面の画像表示領域ＩＭＡには、地表面上の所定位置に置かれたターゲット５０を含む一対の画像、即ち第１画像ＩＭ１、第２画像ＩＭ２が並列して表示される。第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２は単一の電子スチルカメラで撮影された画像であり、それぞれの撮影位置はオペレータにより任意に定められる。第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２はＩＣメモリカード４０に格納されていたデジタル画素データに基づいて表示され、水平方向にＷ個、垂直方向にＨ個の画素が配列される。Ｗ、Ｈは整数（Ｗ≧Ｈ）であり、例えばＷ＝１０００、Ｈ＝８００である。
【００２４】
画像表示領域ＩＭＡの下側には作図領域ＤＲＡが設けられ、２つの画像に基づいて作図された測量図、具体的には道路の外形を示す実線Ｌが描かれる。測量図は道路を鉛直上方から見た水平面図である。なお、測量点ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 およびターゲット５０の角部を示す基準点ＲＰは、作図領域ＤＲＡにおいて点表示される。画面の左方にはメニューＭＭが設けられ、種々のコマンドが選択可能である。
【００２５】
測量図の作図に際しては、測量点の各画像における像点がマニュアルで指定されて、対応付けられる。例えば、第１画像ＩＭ１において、道路の角の測量点ｑ1 の第１像点ＡＱ11がマウス１６によりマニュアル指定されると、第２画像ＩＭ２に補助線ＡＤＬが重ねて表示され、この補助線ＡＤＬを参照しながら第２像点ＡＱ12がマニュアル指定される。
【００２６】
第１像点ＡＱ11は、マウス１６の指定によりそのピクセル座標（ＡＸ11，ＡＹ11）が取得され、作業メモリ４４に格納される。ピクセル座標（ＡＸ11，ＡＹ11）は、第１画像ＩＭ１の左上隅からの水平および垂直方向の画素数である。第２像点ＡＱ12についても同様、マウス指定によりピクセル座標（ＡＸ12，ＡＹ12）が得られる。
【００２７】
このように測量点ｑ1 の像点として第１像点ＡＱ11および第２像点ＡＱ12が互いに対応付けられると、これら第１像点ＡＱ11および第２像点ＡＱ12のピクセル座標に基づいて測量点ｑ1 の３次元座標が算出されるとともに、作図領域ＤＲＡに測量点ｑ1 が点表示される。測量点ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 についても同様、像点ＡＱ21と像点ＡＱ22、像点ＡＱ31と像点ＡＱ32、像点ＡＱ41と像点ＡＱ42がそれぞれ互いに対応付けられ、３次元座標が算出される。
【００２８】
測量点ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 の３次元座標は、ターゲット５０の基準点ＲＰを原点とする共通の３次元座標系における値である。基準点ＲＰの第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２におけるそれぞれの像点はＲＰ1 およびＲＰ2 で示される。
【００２９】
なお、本実施形態においては、始めに第１画像ＩＭ１の像点指定が行われ、補助線ＡＤＬは第２画像ＩＭ２上に示されているが、指定の順序が逆、即ち第２画像ＩＭ２の像点指定を先に行っても良い。この場合、補助線ＡＤＬは第１画像ＩＭ１上に表示される。
【００３０】
このように、一方の画像で像点を指定すると、他方の画像に対応する像点を含み得る補助線ＡＤＬが自動的に表示されるので、オペレータは対応する像点を容易に指定し得る。
【００３１】
図３は、測量点ｑi および測量点ｑi の２つの対応する第１像点ＡＱi1、第２像点ＡＱi2との関係を概念的に示す図である。ｉは測量点の数を示すパラメータである。
【００３２】
第１画像ＩＭ１が得られたときの電子スチルカメラの撮影光学系の入射瞳位置は第１撮影位置Ｍ１で示され、その座標はターゲット５０に基づいて設定された基準座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における３次元座標、即ち基準座標（ΔＸ1 ，ΔＹ1 ，ΔＺ1 ）で示される。また撮影光学系の向きは光軸ＣＬ１で示され、その回転角はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りの回転変位量（Δα1 ，Δβ1 ，Δγ1 ）で表される。これら６つのパラメータΔＸ1 、ΔＹ1 、ΔＺ1 、Δα1 、Δβ1 およびΔγ1 をカメラパラメータと呼ぶ。
【００３３】
カメラパラメータは、第１画像ＩＭ１が読み込まれた時にＣＰＵ１０によってターゲット５０の寸法形状に基づいて算出される。同様に、第２画像ＩＭ２が得られたときのカメラパラメータ、即ち第２撮影位置Ｍ２（ΔＸ2 ，ΔＹ2 ，ΔＺ2 ）および光軸ＣＬ２（Δα2 ，Δβ2 ，Δγ2 ）は画像読込み時に算出される。カメラパラメータの算出に関しては従来公知であり、ここではその説明を省略する。
【００３４】
測量点ｑi は、撮影光学系の結像面に実質的に一致する第１画像ＩＭ１（図中、破線で示される）上に第１像点ＡＱi1（図中、白丸で示される）として投影される。測量点ｑi は、理想的には第１撮影位置Ｍ１と第１像点ＡＱi1とを結ぶ直線ＥＬの延長線上に位置するはずであるが、現実には撮影光学系が歪曲収差を有するために直線ＥＬから外れてしまう。
【００３５】
そこで、歪曲収差のない撮影光学系によって結像された理想的な結像面を、第１スクリーンＳ１（図中、実線で示される）として設定し、第１スクリーンＳ１に投影された測量点ｑi の像点を第１補正像点Ｑi1（図中、黒丸で示される）として示す。第１スクリーンＳ１は光軸ＣＬ１に対して垂直な平面であり、かつその結像中心Ｃ１は光軸ＣＬ１上に位置する。このとき、測量点ｑi は第１撮影位置Ｍ１と第１補正像点Ｑi1とを通る直線ＥＬ上に位置する。
【００３６】
第１スクリーンＳ１には結像中心Ｃ１を原点とする第１スクリーン座標系（Ｘ’，Ｙ’）が設定され、第１補正像点Ｑi1の第１スクリーンＳ１における相対位置はスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）で表される。測量点ｑi の基準座標（ｑｘi ，ｑｙi ，ｑｚi ）と、第１補正像点Ｑi1のスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）との関係は、（１）式および（２）式により定義付けられる。（１）式および（２）式においてｊは画像数を示すパラメータであり、第１画像ＩＭ１の場合にはｊ＝１である。
【００３７】
【数１】
【数２】
なお（１）式および（２）式に示される（ｘij，ｙij，ｚij）は、基準座標系とは異なる電子スチルカメラに設定されたカメラ座標系における測量点ｑi の３次元座標である。詳述すると、第１画像ＩＭ１には第１撮影位置Ｍ１を原点とする第１カメラ座標系（ｘ’，ｙ’，ｚ’）が設定され、この第１カメラ座標系における測量点ｑi の座標は（ｘi1，ｙi1，ｚi1）で表される。なお、ｘ’軸は第１スクリーンＳ１のＸ’軸に平行であり、電子スチルカメラに設けられた撮像素子の水平方向に一致する。またｙ’軸はＹ’軸に平行かつ撮像素子の垂直方向に一致する。同様に第２カメラ座標系（ｘ”，ｙ”，ｚ”）が設定され、この第２カメラ座標系における測量点ｑi の座標は（ｘi2，ｙi2，ｚi2）で表される。
【００４０】
（１）式は測量点ｑi のカメラ座標（ｘij，ｙij，ｚij）と基準座標（ｑｘi ，ｑｙi ，ｑｚi ）との関係を示し、（２）式は測量点ｑi のカメラ座標（ｘij，ｙij，ｚij）とスクリーン座標（Ｘi1，Ｙi1）との関係を示す。（２）式のＣｍは電子スチルカメラ固有に定められたパラメータであり、双方の撮影位置Ｍ１、Ｍ２において同値である。
【００４１】
第２撮影位置Ｍ２に関しても同様に、実際の結像面である第２画像ＩＭ２、および理想的な結像面である第２スクリーンＳ２における測量点ｑi の像点が、それぞれ第２像点ＡＱi2および第２補正像点Ｑi2として示される。測量点ｑi が直線ＥＬ上にあることから、直線ＥＬを第２スクリーンＳ２に投影した直線（以下、投影線と呼ぶ）ＰＥＬ上には、第２補正像点Ｑi2が位置する。
【００４２】
この投影線ＰＥＬを歪曲収差を考慮して変換すれば、変換された線上には第２像点ＡＱi2が位置するはずである。本実施形態では、この変換された線を補助線ＡＤＬ（図中破線で示される）として定義し、図３に示すように第２画像ＩＭ２に重ねて表示させている。このように補助線ＡＤＬは撮影光学系の歪曲収差を考慮して求められており、これにより第２像点ＡＱi2を容易かつ高精度に指定し得る。
【００４３】
具体的には、直線ＥＬ上にあってかつ測量点ｑi を含み得る所定範囲内にあるｎ個の補助点ｐ1 〜ｐn を抽出し、これら補助点ｐ1 〜ｐn を第２スクリーンＳ２に投影し、さらに歪曲収差に基づいて変換して補助像点ＡＰ1 〜ＡＰn （図３にはＡＰ1 およびＡＰn のみを示す）を得、連続する補助像点ＡＰ1 〜ＡＰn を結ぶことにより補助線ＡＤＬを生成する。補助点の数ｎは多い方が好ましく、少なくとも第１画像ＩＭ１の水平方向の画素数Ｗより大きい値に設定される。この場合、水平方向において１画素単位で補助線ＡＤＬを表示でき、高精度かつ滑らかな補助線ＡＤＬが得られる。
【００４４】
補助点ｐ1 〜ｐn が抽出される所定範囲としては、第１撮影位置Ｍ１から１ｍ以上５０ｍ以下の範囲が好ましい。この下限値１ｍおよび上限値５０ｍは、像点指定を高精度に行うために撮影範囲が１ｍ以上５０ｍ以下程度に限られることから経験的に得られた数値であり、特に限定されるものではない。図３に示す画面上のメニューＭＭで所定範囲を適宜変更しても良い。本実施形態においては水平方向の画素数Ｗが１０００であり、１ｍから５０ｍの範囲を１０００等分することにより１０００個の補助点ｐn （１≦ｎ≦１０００）が定義される。
【００４５】
補助点ｐn の基準座標（ｐｘn ，ｐｙn ，ｐｚn ）は、（３）式により算出される。（３）式においてｔは距離を示すパラメータであり、Ｒは直線ＥＬの方向を示す方向ベクトル（ｒX ，ｒY ，ｒZ ）である。この方向ベクトルＲは第１カメラ位置Ｍ１からの単位ベクトルである。
【００４６】
【数３】
補助点ｐn の第２スクリーンＳ２上におけるスクリーン座標（Ｘn2，Ｙn2）は、前述の（１）式および（２）式により求められる。ここで、パラメータｉおよびｊにはそれぞれｎ（１≦ｎ≦１０００）および２が代入され、ｑｘn 、ｑｙn およびｑｚn にはそれぞれ補助点ｐn の基準座標ｐｘn 、ｐｙn およびｐｚn が代入される。
【００４８】
補助点ｐn のスクリーン座標（Ｘn2，Ｙn2）は、（４）式に示すＫａｒａｒａの歪曲収差補正モデルを用いて、歪曲収差を考慮した値に変換される。変換後の点は補助像点ＡＰn で示され、その変換後の２次元座標は（ＤＸn2，ＤＹn2）で表される。（４）式において、Ｄ2 、Ｄ4 、Ｄ6 、Ｐ1 、Ｐ2 、ＸｃおよびＹｃは歪曲収差を示すパラメータであり、特にＸｃおよびＹｃは光軸ＣＬ2 の第２画像ＩＭ２の中心に対するＸ”方向およびＹ”方向のずれ量である。
【００４９】
補助像点ＡＰn の２次元座標は（ＤＸn2，ＤＹn2）は、結像中心Ｃ２を原点とする第２スクリーン座標系における値であり、さらに（５）式によって第２画像ＩＭ２におけるピクセル座標（ＡＸn2，ＡＹn2）に変換される。（５）式において、ＰｘおよびＰｙはそれぞれ撮像素子の水平方向および垂直方向の画素間距離であり、ＷおよびＨは水平方向および垂直方向の画素数である。
【００５１】
そして、１０００個の補助像点ＡＰn は、算出されたピクセル座標（ＡＸn2，ＡＹn2）に基づいて、第２画像ＩＭ２上に例えば赤色の点で表示され、補助像点ＡＰn を連続して結ぶことにより補助線ＡＤＬが得られる。
【００５３】
図４〜図６を参照して、ＣＰＵ１０の演算処理部３６において実行される対応付け処理プログラムについて説明する。
【００５４】
図４は対応付け処理プログラムのメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは対応付け処理プログラムが起動されることにより開始される。まず、ステップＳ１０２において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２の画像データがＩＣメモリカード４０から読み込まれる。このとき、撮影時の撮影条件や撮影光学系の歪曲収差のデータ、およびターゲット５０の寸法形状および配置のデータは作業メモリ４４に格納される。
【００５５】
続いてステップＳ１０４が実行され、第１画像ＩＭ１のカメラパラメータ（ΔＸ1 、ΔＹ1 、ΔＺ1 、Δα1 、Δβ1 、Δγ1 ）および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータ（ΔＸ2 、ΔＹ2 、ΔＺ2 、Δα2 、Δβ2 、Δγ2 ）が算出される。これらカメラパラメータは作業メモリ４４の所定領域に格納される。次にステップＳ１０６が実行され、第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２がモニタ装置１４の画面に設定された画像表示領域ＩＭＡ（図３）に表示される。
【００５６】
ここで、ステップＳ１０８において測量点の数を示すパラメータｉの値が０に初期化され、ステップＳ１１０において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２における測量点ｑi の像点の対応付けを継続するか否かが判定される。継続する場合にはステップＳ１１２以降が実行され、継続しない場合にはステップＳ１２２が実行される。
【００５７】
ステップＳ１１２においてパラメータｉはカウントアップされる。続いてステップＳ１１４が実行され、ここでは第１画像ＩＭ１における測量点ｑ(i=1) の像点、即ち第１像点ＡＱ11がマニュアル指定され、そのピクセル座標（ＡＸ11, ＡＹ11）が取得される。
【００５８】
そして、ステップＳ２００の補助線描画サブルーチンが実行され、第２画像ＩＭ２に補助線ＡＤＬが表示される。続いてステップＳ１１６において、補助線ＡＤＬを参照しつつ第２画像ＩＭ２における測量点ｑ(i=1) の像点、即ち第２像点ＡＱ12がマニュアル指定され、これによりそのピクセル座標（ＡＸ12, ＡＹ12）が取得される。
【００５９】
続いてステップＳ１１８が実行され、ステップＳ１１４で指定された第１像点ＡＱ11と、ステップＳ１１６で指定された第２像点ＡＱ12とが、測量点ｑ(i=1) の像点として対応付けられ、それらピクセル座標（ＡＸ11, ＡＹ11）および（ＡＸ12, ＡＹ12）が作業メモリ４４に格納される。
【００６０】
ステップＳ１２０では、第１像点ＡＱ11と第２像点ＡＱ12とのピクセル座標および、カメラパラメータに基づいて測量点ｑ(i=1) の基準座標（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ）が算出され、作図領域ＤＲＡ（図３）に点表示される。基準座標の算出については公知であり、ここでは説明を省略する。ステップＳ１２０の終了後ステップＳ１１０へ戻り、次の測量点ｑ(i=2) について像点指定を行う場合にはステップＳ１１２〜Ｓ１２０が再実行される。
【００６１】
ステップＳ１１０において像点指定を終了すると判定されると、ステップＳ１２２において作業メモリ４４に格納されていたデータ、即ち第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２の画像データやカメラパラメータ、測量点および第１および第２像点に関するデータ、測量図に関するデータ等が所定のフォーマットに基づいてファイルに変換され、ハードディスク１３に格納された後、メインルーチン即ち対応付け処理プログラムが終了する。
【００６２】
図５は、図４の補助線描画サブルーチン（ステップＳ２００）の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２０２において第１画像ＩＭ１および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータが作業メモリ４４から読み出される。次に、ステップＳ３００の方向ベクトル算出サブルーチンが実行され、直線ＥＬの方向を定義付ける方向ベクトルＲ（ｒX ，ｒY ，ｒZ ）が算出される。
【００６３】
ステップＳ２０６では、ステップＳ２０４により定義された直線ＥＬ上の補助点ｐn が定義され、具体的には（１）式のパラメータｔに数値が代入される。本実施形態においては、距離ｔには１ｍ以上５０ｍ以下の範囲を１０００等分した数値が代入される。即ち、ステップＳ２０６により１０００個の補助点ｐn （１≦ｎ≦１０００）およびその基準座標が得られる。
【００６４】
次にステップＳ２０８が実行され、補助点ｐn の基準座標および第２画像ＩＭ２のカメラパラメータに基づいて、補助点ｐn を第２スクリーンＳ２に投影した点のスクリーン座標が算出され、さらに１０００個の投影点のスクリーン座標にはそれぞれ歪曲補正が施される。これにより、補助点ｐn を画像ＩＭ２に投影した補助像点ＡＰn の高精度なピクセル座標が得られる。
【００６５】
そしてステップＳ２１０において、１０００個の補助像点ＡＰn を連続して結んだ補助線ＡＤＬが描画されて、モニタ装置１４の画面上の第２画像ＩＭ２に重ねて表示され、補助線描画サブルーチンが終了する。
【００６６】
図６は、図５の方向ベクトル算出サブルーチン（ステップＳ３００）の詳細を示すフローチャートである。ここでは、方向ベクトルＲの先端である第１カメラ位置Ｍ１から距離１だけ離れた点ＲＢを第１画像ＩＭ１に投影した点と、指定した第１像点ＡＱi1との距離が最小となり得るような、ｒX 、ｒY およびｒZ の値が求められる。
【００６７】
始めにステップＳ３０２において、方向ベクトルＲのｒX 、ｒY 、およびｒZ に適当な初期値が与えられる。次に、ステップＳ３０４において（１）式により点ＲＢのカメラ座標が算出される。続いて（２）式、（４）式および（５）式により点ＲＢのスクリーン座標、歪曲収差を考慮した２次元座標、ピクセル座標が順に算出される（ステップＳ３０６、３０８、３１０）。そしてステップＳ３１２が実行され、ステップＳ３１０により求められた点ＲＢの第１画像ＩＭ１におけるピクセル座標（ＡＸRB，ＡＹRB）と、指定した第１像点ＡＱi1のピクセル座標（ＡＸi1，ＡＹi1）との距離の２乗で表される誤差Φが（６）式により算出される。
【００６８】
【数６】
ステップＳ３１４においては誤差Φが最小値であるか否かが判定され、最小値でないと判定されるとｒX 、ｒY およびｒZ の値がより近似した値に変えられてステップＳ３０４に戻る。即ち、誤差Φが最小値に収束するまでｒX 、ｒY およびｒZ の値が順次変えられて誤差Φの算出が繰り返し行われる。誤差Φが最小値であると判定されると、ステップＳ３１６において現在のｒX 、ｒY およびｒZ の値が方向ベクトルＲとして登録され、方向ベクトル算出サブルーチンが終了する。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によると、複数の画像上において像点の対応付けが高精度に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による像点対応付け装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示すモニタ装置の表示画面を概念的に示す図である。
【図３】測量点および第１像点、第２像点との関係を概念的に示す図である。
【図４】対応付け処理プログラムのメインルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図４の補助線描画サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図６】図５の方向ベクトル算出サブルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ ＣＰＵ
１４ モニタ装置
１６ マウス
６０ ＣＤ−ＲＯＭ
ＩＭ１ 第１画像
ＩＭ２ 第２画像
ｑ1 、ｑ2 、ｑ3 、ｑ4 測量点
ＡＱ11、ＡＱ21、ＡＱ31、ＡＱ41 第１像点
ＡＱ12、ＡＱ22、ＡＱ32、ＡＱ42 第２像点
ｐ1 〜ｐn 補助点
ＡＰ1 〜ＡＰn 補助像点
ＡＤＬ 補助線
Claims (11)
- 歪曲収差を有する撮影光学系によって同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示手段と、
前記モニタ画面上の前記第１画像において、前記被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第１指定手段と、
前記第１像点に前記歪曲収差の影響を排除する補正を施して、得られた第１補正像点と前記測量点とを通る所定の直線上に位置する複数の補助点を定義する補助点定義手段と、
前記補助点を前記歪曲収差を加味して前記第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義手段と、
前記補助像点を前記第２画像に重ねて前記モニタ画面に表示する補助像点表示手段と、
前記モニタ画面に表示された前記補助像点に基づいて、前記第２画像上に投影された前記測量点の第２像点を指定する第２指定手段と、
前記測量点の相対位置を特定するために前記第１像点および前記第２像点を対応付ける対応付け手段と
を備えることを特徴とする像点対応付け装置。 - 前記補助点定義手段が、
前記第１画像が得られたときの前記撮影光学系の入射瞳位置である第１撮影位置から所定距離離れた所定点が、前記歪曲収差のない結像面上に投影された投影点を定義する投影点定義手段と、
前記投影点定義手段により得られた投影点の２次元座標に対して、Ｋａｒａｒａの式に基づいて座標変換を行うことにより、前記投影点の前記歪曲収差を加味した２次元座標を得る歪曲収差補正手段と、
前記投影点の前記歪曲収差を加味した２次元座標が前記第１像点の２次元座標に一致するように前記所定点の相対位置を特定し、特定された所定点の投影点を前記第１補正像点として定める第１補正像点特定手段と、
前記第１撮影位置および前記第１補正像点を通る直線を前記所定の直線として定義する直線定義手段と、
前記直線定義手段により定義された前記所定の直線上にあって、かつ前記測量点を含み得る所定範囲内にある前記補助点を複数個抽出し、これら補助点の３次元座標をそれぞれ算出する補助点抽出手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。 - 前記所定範囲は、前記第１撮影位置から１メートル以上かつ５０メートル以内の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の像点対応付け装置。
- 前記補助像点定義手段が、
前記補助点定義手段により定義された前記補助点の３次元座標と、前記第２画像が得られたときの前記撮影光学系の入射瞳位置である第２撮影位置の３次元座標とに基づいて、前記補助点が歪曲収差のない結像面に投影されたときの２次元座標を算出する２次元座標算出手段と、
前記２次元座標算出手段により得られた前記補助点の２次元座標に対して、Ｋａｒａｒａの式に基づいて前記歪曲収差を加味する座標変換を行うことにより、前記補助像点の２次元座標を算出する歪曲収差補正手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。 - 前記第１および第２画像に写し込まれた所定位置にあるターゲットの寸法形状と、前記第１および第２画像における前記ターゲットの像の寸法形状とに基づいて、前記第１および第２画像が得られたときの前記撮影光学系の入射瞳位置である第１および第２撮影位置の３次元座標をそれぞれ算出する撮影位置算出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。
- 前記撮影位置算出手段が、前記第１および第２画像における前記ターゲットの像を前記歪曲収差に基づいて補正することを特徴とする請求項５に記載の像点対応付け装置。
- 前記モニタ画面において、前記補助像点が実質的に線として表示されることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。
- 前記撮影光学系が所定数の画素を格子状に配列した撮像素子を有する電子スチルカメラに設けられ、前記補助点の個数が前記撮像素子の水平方向の画素数より大きい値であることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。
- 前記補助点の個数が少なくとも１０００個であることを特徴とする請求項１に記載の像点対応付け装置。
- 所定の歪曲収差を有する撮影光学系を備えたカメラによって、第１および第２撮影位置から同一の被写体を撮像し、第１画像および第２画像を得る第１ステップと、
前記第１および第２画像をモニタ画面に表示する第２ステップと、
前記モニタ画面に表示された前記第１画像において、前記被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を指定する第３ステップと、
第３ステップにより指定された前記第１像点を前記歪曲収差に基づいて補正し、得られた第１補正像点に基づいて前記測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する第４ステップと、
前記補助点を前記歪曲収差を加味して前記第２画像に投影した補助像点を定義する第５ステップと、
前記補助像点を前記第２画像に重ねて前記モニタ画面に表示する第６ステップと、
前記モニタ画面に表示された前記補助像点に基づいて、前記第２画像上に投影された前記測量点の第２像点を指定する第７ステップと、
前記測量点の相対位置を特定するために、前記第１像点および前記第２像点を対応付ける第８ステップとを備えることを特徴とする像点対応付け方法。 - 所定の歪曲収差を有する撮影光学系によって、同一の被写体を結像して得られた第１画像および第２画像をモニタ画面に表示する画像表示ルーチンと、
前記モニタ画面に表示された前記第１画像において指定された前記被写体上の所定の測量点が投影された第１像点を、前記歪曲収差に基づいて補正し、補正された第１像点に基づいて前記測量点を通る所定の直線上の複数の補助点を定義する補助点定義ルーチンと、
前記補助点を前記歪曲収差を加味して前記第２画像に投影した補助像点を定義する補助像点定義ルーチンと、
前記補助像点を前記第２画像に重ねて前記モニタ画面に表示する補助像点表示ルーチンと、
前記測量点の相対位置を特定するために、前記モニタ画面に表示された前記補助像点に基づいて指定され前記第２画像上に投影された前記測量点の第２像点と、前記第１像点とを対応付ける対応付けルーチンとを備えることを特徴とする像点対応付けプログラムを格納した記録媒体。
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