JP4800163B2 - 位置測定装置及びその方法 - Google Patents
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Description
このように構成すると、不適切な画像を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定装置を提供できる。
このように構成すると、不適切な特徴点を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定装置を提供できる。
このように構成すると、不適切な画像を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定装置を提供できる。
このように構成すると、不適切な特徴点を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定装置を提供できる。
このように構成すると、不適切な特徴点を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定方法を提供できる。
このように構成すると、不適切な画像を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定方法を提供できる。
このように構成すると、不適切な特徴点を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定方法を提供できる。
このように構成すると、不適切な画像を除いて位置測定するので、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像から、その撮影装置の撮影位置、姿勢又は撮影対象物の座標を精度良く計測できる位置測定方法を提供できる。
図1は本実施の形態における概念を説明するための図である。自動車にカメラを装着し、自動車の位置を少しずつ変えて撮影対象物である市街地を撮影し、これら複数の撮影画像における追跡結果から、カメラの位置座標すなわち自動車の軌跡を求める例である。なお、撮影を連続的に行い、適当なフレーム間隔で画像を抽出し追跡処理しても良い。これによりカーナビゲーションに自動車の位置を連続的に表示可能になるが、GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)電波を受信できない区間で補完的に利用される意義も大きい。動きのある特徴点や揺らぎの大きい特徴点については、カメラの位置座標を求めるのに不適切であるため除去する。
第1の実施の形態では、自動車に撮影装置と共に慣性センサを有する位置関係測定部が搭載される例を説明する。また特徴点追跡部による特徴点の追跡後に特徴点選択部で処理対象特徴点を選択する例を説明する。本実施の形態では自動車に撮影装置と慣性センサを搭載する例に示すが、自動車に代えて船や飛行機などの移動体を用いても良く、また、人が携帯可能なビデオカメラやCCDカメラあるいは携帯電話機等のカメラに慣性センサを装着し、位置推定や三次元計測を行っても良い。
2は動画像等の撮影画像を順次取得する画像取得部であり、撮影画像の取得の他に特徴抽出部3への出力、動画像メモリ12への撮影画像の保存等を行う。なお、撮影画像の撮影を行なわず、他の撮影装置から通信により撮影画像を取得しても良い。
4は特徴抽出部3より入力された特徴点に対応する候補対応点を探索し、特徴点の追跡を行う特徴点追跡部であり、追跡処理の他に、追跡結果の動画像処理部5への出力、候補対応点の配置の判断と特徴抽出部3への特徴点の新設指示等を行う。
図4に、動画像解析すなわち画像取得、特徴点抽出及び特徴点追跡のフロー例を示す。ここではリアルタイム処理のフロー例を示す。動画像及び少しずつ変化する撮影画像を順次処理する。まず、画像取得部2において撮影画像を取得する。少しずつ変化する一連の撮影画像の変化の程度は、変化が小さい程特徴点追跡の精度を高くできるが、動画像処理の時間を要するので、経験に基づいて適切な範囲に設定するのが良い。例えば0.01秒〜10秒間隔に撮影画像を取得する。操作部1は撮影画像から少しずつ変化する撮影画像を順次特徴抽出部3に供給する。本実施の形態では自動車に撮影装置を装着し、移動しながら撮影するので、少しずつ変化する撮影画像とは、時間的又は空間的に少しずつ変化する撮影画像であり、隣り合う画像の大部分で撮影対象物が共通であることを意味する。特徴抽出部3では各撮影画像から特徴点を抽出する(S11)。また、ノイズ除去、特徴点の選点を行う。
特徴点抽出(S11)は特徴抽出部3において行なわれる。典型的には初期フレームでは全画面から抽出を行い、次のフレームからは、初期フレームと重複しない新たな画面領域から抽出が行われる。本実施の形態では、初期フレームにおける特徴点の抽出には、例えばMORAVECオペレータ(H.P.Moravec.Towards Automatic Visual Obstacle Avoidance.Proc.5th International Joint Conference on Artificial Intelligence,pp.584,1977.)や、Hariss,Pressy,Susanなどのオペレータを適宜採用できる。
特徴点追跡部4では、特徴抽出処理により選点された各特徴点を追跡処理する(S12)。すなわち、特徴点に対応する候補対応点を求め、特徴点の移動ベクトル及び画面相対移動量を求め、さらに、これらを連結して移動軌跡を求める。
本実施の形態では特徴点の追跡に、テンプレートマッチングを使用する(S13)。取得された撮影画像から隣接画像を順次選択してステレオペアとし、例えばSSDA法(逐次残差法)などの手法によりステレオマッチングを行い、候補対応点を求める。SSDA法(逐次残差法)とは、残差を用いて類似度を決定するもので、部分的な行列の残差が最小となる位置が候補対応点として求められる。SSDAテンプレートマッチングは、テンプレートマッチングとしては比較的高速であり、ハード化も容易と考えられる。また、正規化相関法などの他の方式を採用することもできる。テンプレートマッチングには、テンプレートサイズと探索範囲を最適に選択することが大事であり、探索範囲については、ビデオカメラのフレームレート、移動速度などを基に最適な設定とする。
テンプレートマッチングより、各特徴点の候補対応点が求められるが、ミスマッチングも多く発生する。例えばSSDAテンプレートマッチングの値があまりに高い(精度は悪い)場合にはその点はミスマッチングをおこしたと判定する。なお、テンプレートマッチングの結果、特徴点同士が、重なってしまった場合は相関値の結果から精度のいいものを優先する。
次に、対応点の配置判断を行う(S17)。ここでは、不良なものが除去されて残った候補対応点について、その配置が確認される。なお、この配置判断時には、特徴点の新設指示や候補対応点の復活も行なう。
次に、図3に戻る。また、構成については図2を参照されたい。位置関係測定部9では、撮影位置及び撮影姿勢を測定し、測定データを動画像処理部5に提供する(S90)。動画像処理部5では画像・特徴点選択部6においてこれら測定データに基づいて画像又は特徴点の選択(S20)、すなわち、処理対象画像の選択(S20A)又は処理対象特徴点の選択(S20B)を行う。これら測定データの提供と処理対象画像の選択又は処理対象特徴点の選択は、動画像解析における画像取得(S10)、特徴点抽出(S11)、特徴点追跡(S12)の前後、途中の様々な段階で行なわれる。本実施の形態では、特徴点追跡後に特徴点選択と画像選択を行なう。次に、位置測定部7において位置測定が行なわれる(S30)。すなわち、相互標定が行われ(S32)、カメラの位置座標、姿勢、さらに三次元座標が求められる(S34)。
次に、位置測定部7で相互標定と三次元計測が行なわれる。ステレオペア選択された各画像について、特徴点と対応点の座標を用いて、標定処理を行う。標定処理により、撮影したカメラの位置、傾き、対応点の三次元位置を求めることができる。標定処理は、ステレオペア選択された撮影画像の対応付けに関しては相互標定で行ない、複数または全画像間の標定に関してはバンドル調整にて行う。このステレオペア選択を行う場合には、位置測定部において、画像取得部で得られた複数の画像から、適切な基線長と推定される画像の組を選択することにより、適切な標定処理や三次元測定を行うことができる。
図10は標定を説明するための図である。ステレオ画像におけるモデル画像座標系XYZとカメラ座標系x1y1z1、x2y2z2の関係の説明図である。モデル画像座標系の原点を左側の投影中心にとり、右側の投影中心を結ぶ線をX軸にとるようにする。縮尺は、基線長Bx(カメラ座標原点間の距離)を単位長さにとる。このとき求めるパラメータは、左側のカメラのZ軸の回転角κ1、Y軸の回転角φ1、X軸の回転角ω1、右側のカメラのZ軸の回転角κ2、Y軸の回転角φ2、X軸の回転角ω2の6つの回転角となる。標定計算処理により、これらの回転角を求め、これを用いてカメラの精密な三次元座標、姿勢や撮影対象物の三次元座標が演算される。また、これら標定および三次元計測は自動化が可能である(特許文献1参照)。
X=(X1+X2)/2、Y=(Y1+Y2)/2 とする。
これと、位置関係測定部9で求めた撮影装置の位置、X0,Y0,Z0から距離を求める。
距離=√((X−X0)2+(Y−Y0)2) ……(5)
(i)パラメータ(κ1、φ1、κ2、φ2、ω2)の初期近似値は通常0とする。
(ii)共面条件式(2)を近似値のまわりにテーラー展開し、線形化したときの微分係数の値を式(3)、(4)により求め、観測方程式をたてる。
(iii)最小二乗法を適用して、近似値に対する補正量を求める。
(iv)近似値を補正する。
(v)補正された近似値を用いて(ii)〜(v)までの操作を収束するまで繰り返す。
収束した場合、更に接続標定を行なう。これは、各モデル間の傾き、縮尺を統一して同一座標系とする処理である。
ΔXj=(Xjr−Xjl)/(Z0−Zjl)
ΔYj=(Yjr−Yjl)/(Z0−Zjl)
ΔZj=(Zjr−Zjl)/(Z0−Zjl)
ΔDj=√(ΔXj2+ΔYj2)
(ΔXjlΔYjlΔZjl):統一された座標系の第j番目の左モデル
(ΔXjrΔYjrΔZjr):統一された座標系の第j番目の右モデル
ΔZjおよびΔDjが0.0005(1/2000)以下なら接続標定が正常に行われたとみなされる。正常に行われなかった場合は、標定結果表示でエラーを出力しどこの画像が悪いか表示する。この場合、画像上に別の標定点があれば変更して(ii)〜(v)までの上記計算を繰り返す。だめなら標定点の配置変更を行なう。これら計算は、特徴点追跡データから計算することもできるし、位置関係測定部9の各種データを初期値として取り入れ計算することも可能である。
また、偏位修正処理により、エピポーララインが左右の水平ライン上に一致するように画像が修正され、ステレオ法が成立する画像に変換される。また、標定処理及び偏位修正処理で得られた画像データを用いて三次元計測がなされる。
次に各特徴点(候補対応点)の三次元座標を算出する。例えばステレオ法から三次元座標を算出する。
物体上の点P1(x1、y1)、P2(x2、y2)の座標の間には、以下のような関係がある。
x1=cx/z −−−(6)
y1=y2=cy/z −−−(7)
x2−x1=cB/z −−−(8)
但し、全体の座標系(x、y、z)の原点をカメラC1のレンズ主点にとるものとする。
(8)式よりzを求め、これを用いて(6)式、(7)式よりx、yが求められる。
ステレオ法の説明からわかるように、カメラC1、カメラC2の撮影距離(倍率)や撮影の向き、基線長Bが変わると、幾何学的に本原理が成立しづらくなり、結果として安定した精度の解を求め難くなる。なお、偏位修正処理を行わずに、エピポーラライン上の特徴点の対応点を探索し、ステレオ法により三次元座標を求めることもできる。
第1の実施の形態では特徴点抽出後に特徴点選択と画像選択を行なう例を説明したが、本実施の形態では画像取得後に画像選択を行なう例を説明する。
第1の実施の形態では特徴点抽出後に特徴点選択と画像選択を行なう例を説明したが、本実施の形態では特徴点抽出後に特徴点選択と画像選択を行なう例を説明する。
第1の実施の形態では特徴点抽出後に特徴点選択と画像選択を行なう例を説明したが、本実施の形態では特徴点追跡中に特徴点選択と画像選択を行なう例を説明する。
第1の実施の形態では、自動車にカメラと共に慣性センサを有する位置関係測定部が搭載される例を説明したが、本実施の形態では、カメラが静止し、撮影対象物が移動し、撮影対象物に慣性センサを有する位置関係測定部が搭載される例を説明する。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。この場合においても、本来の撮影対象物の他に、撮影装置と撮影対象物の間に動くものが割り込んだり、撮影装置に揺動が生じる場合があり、特徴点を追跡し、動画像又は順次少しずつ変化する撮影画像における撮影対象物に係る特徴点の三次元座標を求める意味がある。この場合、位置関係測定部9は移動している撮影対象物(例えば自動車、電車、船)の方向や向きを検出し、検出データを動画像処理部5に送信し、表示画面には撮影対象物の移動ベクトルと共に移動方向(ジャイロの向きと逆)が表示されるが、動画像処理部5では画像取得部2で取得した画像と上記検出データを用いて、第1の実施の形態と同様に、画像・特徴点選択部6で画像と特徴点を選択し、位置測定部7では撮影対象物の位置を求めることができる。
第1の実施の形態では、自動車にカメラと共に慣性センサを有する位置関係測定部が搭載される例を説明したが、本実施の形態では、カメラと共に撮影対象物が移動し、カメラを搭載する自動車及び撮影対象物の双方に慣性センサを有する位置関係測定部が搭載される例を説明する。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
2 画像取得部
3 特徴抽出部
4 特徴点追跡部
5 動画像処理部
6 画像・特徴点選択部
7 位置測定部
8 比較部
9 位置関係測定部
10 表示部
11 対応点情報メモリ
12 動画像メモリ
61 画像選択部
62 特徴点選択部
91 慣性センサ
92 推定部
100 位置測定装置
Claims (19)
- 撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得部と;
前記画像取得部の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定部と;
前記画像取得部で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出部と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡部と;
前記位置関係測定部での測定結果に基づき前記一連の撮影画像から処理対象画像を選択する画像選択部と;
前記画像選択部で選択された前記処理対象画像に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定部とを備える;
位置測定装置。 - 撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得部と;
前記画像取得部の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定部と;
前記画像取得部で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出部と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡部と;
前記位置関係測定部での測定結果に基づき前記撮影画像から抽出された特徴点から処理対象特徴点を選択する特徴点選択部と;
前記特徴点選択部で選択された前記処理対象特徴点に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定部とを備える;
位置測定装置。 - 撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得部と;
前記撮影対象物の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定部と;
前記画像取得部で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出部と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡部と;
前記位置関係測定部での測定結果に基づき前記一連の撮影画像から処理対象画像を選択する画像選択部と;
前記画像選択部で選択された前記処理対象画像に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定部とを備える;
位置測定装置。 - 撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得部と;
前記撮影対象物の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定部と;
前記画像取得部で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出部と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡部と;
前記位置関係測定部での測定結果に基づき前記撮影画像から抽出された特徴点から処理対象特徴点を選択する特徴点選択部と;
前記特徴点選択部で選択された前記処理対象特徴点に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定部とを備える;
位置測定装置。 - 前記画像選択部は、前記位置関係測定部での移動方向又は/及び移動量の測定データに基いて前記処理対象画像を選択する;
請求項1又は請求項3に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点選択部は、前記特徴点追跡部での追跡データから得られた移動方向と移動量が、前記位置関係測定部での移動方向と移動量を含む所定範囲内にある特徴点を前記処理対象特徴点として選択する;
請求項2又は請求項4に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点選択部は、前記位置関係測定部での測定データに基づいて求められた前記画像取得部と前記特徴点間の概算距離が所定範囲内にある特徴点を前記処理対象特徴点として選択する;
請求項2又は請求項4に記載の位置測定装置。 - 前記位置関係測定部での測定結果に基づき前記一連の撮影画像から処理対象画像を選択する画像選択部を有し;
前記画像選択部は、前記処理対象特徴点を比較的多く含む画像を前記処理対象画像として選択する;
請求項6又は請求項7に記載の位置測定装置。 - 前記画像選択部は、前記画像取得部による撮影画像の取得と前記特徴抽出部による特徴点の抽出との間に前記処理対象画像を選択する;
請求項5に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点選択部は、前記特徴点追跡部による特徴点の追跡中又は前記特徴点追跡部による特徴点の追跡と前記位置測定部による位置測定との間に前記処理対象特徴点を選択する;
請求項6に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点選択部は、前記特徴点追跡部による特徴点の追跡中、前記特徴抽出部による特徴点の抽出と前記特徴点追跡部による特徴点の追跡との間又は前記特徴点追跡部による特徴点の追跡と前記位置測定部による位置測定との間のいずれかにおいて前記処理対象特徴点を選択する;
請求項7に記載の位置測定装置。 - 前記位置関係測定部は、ジャイロスコープ、加速度計及び地磁気センサを含む;
請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点追跡部は、特徴点の追跡に際し、探索幅の方向又は探索幅の大きさを調整可能である;
請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の位置測定装置。 - 前記特徴点追跡部の追跡結果から、前記撮影画像における特徴点の移動方向及び移動速度を画面に表示する表示部を備える;
請求項1乃至請求項13のいずれか1項に記載の位置測定装置。 - 前記位置測定部で測定された撮影位置と撮影姿勢の情報又は前記撮影対象物の位置情報と、前記位置関係測定部で求められた撮影位置と撮影姿勢の情報又は前記撮影対象物の位置情報とを比較する比較部を備える;
請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の位置測定装置。 - 画像取得部で撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得工程と;
前記画像取得部の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定工程と;
前記画像取得工程で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出工程と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡工程と;
前記位置関係測定工程での測定結果に基づき前記一連の撮影画像から処理対象画像を選択する画像選択工程と;
前記画像選択工程で選択された前記処理対象画像に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定工程とを備える;
位置測定方法。 - 画像取得部で撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得工程と;
前記画像取得部の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定工程と;
前記画像取得工程で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出工程と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡工程と;
前記位置関係測定工程での測定結果に基づき前記撮影画像から抽出された特徴点から処理対象特徴点を選択する特徴点選択工程と;
前記特徴点選択工程で選択された前記処理対象特徴点に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定工程とを備える;
位置測定方法。 - 撮影対象物との相対位置的移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得工程と;
前記撮影対象物の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定工程と;
前記画像取得工程で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出工程と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡工程と;
前記位置関係測定工程での測定結果に基づき前記一連の撮影画像から処理対象画像を選択する画像選択工程と;
前記画像選択工程で選択された前記処理対象画像に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定工程とを備える;
位置測定方法。 - 撮影対象物との相対的位置移動を伴いながら連続的に変化する又は少しずつ変化する一連の撮影画像を取得する画像取得工程と;
前記撮影対象物の位置移動及び姿勢変化を測定する位置関係測定工程と;
前記画像取得工程で得られた撮影画像から特徴点を抽出する特徴抽出工程と;
複数の前記撮影画像について前記特徴点に対応する対応点を探索し、前記特徴点の追跡を行う特徴点追跡工程と;
前記位置関係測定工程での測定結果に基づき前記撮影画像から抽出された特徴点から処理対象特徴点を選択する特徴点選択工程と;
前記特徴点選択工程で選択された前記処理対象特徴点に基づき前記画像取得部の撮影位置と撮影姿勢又は前記撮影対象物の位置を測定する位置測定工程とを備える;
位置測定方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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