JP4803449B2 - 車載カメラの校正装置、校正方法、並びにこの校正方法を用いた車両の生産方法 - Google Patents
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Description
少なくとも異なる2箇所に配置された校正指標を視界内に含む前記車載カメラの撮影画像を受け取る画像受け取り部と、
前記撮影画像において前記校正指標の中のそれぞれの校正点を特定する校正点特定部と、
基準座標系における前記校正指標の前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た前記校正点及び前記校正点を通る直線に関するベクトルを示す第1行列を演算する第1行列演算部と、
前記校正点特定部により特定された前記撮影画像上の前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た当該校正点及び当該校正点を通る直線に関するベクトルを示す第2行列を演算する第2行列演算部と、
前記第1行列及び前記第2行列に基づいて、前記基準座標系における前記車載カメラの回転状態を示す回転行列を演算する第3行列演算部と、を有する。
第1行列は、校正指標の配置から幾何学的計算によって求めることが可能である。また、第2行列は、車載カメラの撮影画像を画像処理することによって求めることが可能である。従って、本構成によれば、ディスプレイ画面を見ながら手動で調整ボタンを操作することなく、自動的に車載カメラの回転状態を示す回転行列を得ることができる。その結果、簡単な構成で、短時間で精度良く車載カメラの校正が可能な車載カメラの校正装置を提供することができる。
前記回転行列に基づいて、前記車載カメラの投影パラメータを演算する投影パラメータ演算部と、
前記基準座標系における前記校正点の座標を、前記投影パラメータを用いて、前記撮影画像上の座標に変換する座標変換部と、
座標変換された前記校正点の座標と、前記車載カメラの回転に対する校正誤差の許容値とに基づいて、前記撮影画像上における前記校正誤差の限界領域を演算する限界領域演算部と、を有することができる。
前記車載カメラの視界に含んで、少なくとも異なる2箇所に校正指標を配置する校正指標配置工程と、
基準座標系における前記校正指標の中のそれぞれの校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た前記校正点及び前記校正点を通る直線に関するベクトルを示す第1行列を演算する第1行列演算工程と、
前記校正指標を視界内に含む前記車載カメラの撮影画像を受け取る画像受け取り工程と、
前記撮影画像において、それぞれの前記校正点を特定する校正点特定工程と、
前記撮影画像上において特定された前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た当該校正点及び当該校正点を通る直線に関するベクトルを示す第2行列を演算する第2行列演算工程と、
前記第1行列及び前記第2行列に基づいて、前記基準座標系における前記車載カメラの回転状態を示す回転行列を演算する第3行列演算工程と、を有する。
当該車載カメラの校正方法が、さらに、以下の工程、
前記回転行列に基づいて、前記車載カメラの投影パラメータを演算する投影パラメータ演算工程と、
前記基準座標系における前記校正点の座標を、前記投影パラメータを用いて、前記撮影画像上の座標に変換する座標変換工程と、
座標変換された前記校正点の座標と、前記車載カメラの回転に対する校正誤差の許容値とに基づいて、前記撮影画像上における前記校正誤差の限界領域を演算する限界領域演算工程と、
前記校正点特定工程において特定された前記校正点の中心座標が、前記限界領域内に存在するか否かを前記撮影画像上において判定する判定工程と、
前記校正点の中心座標が前記限界領域内に存在しない場合には、前記車載カメラの校正の次の組立調整作業への移行を制限する制限工程と、を有することを特徴とする。
図1は、校正用のマーカ80(校正指標)と車両90との配置関係の一例を示す説明図である。カメラ1(車載カメラ)は、車両90の後方のナンバープレートの上方に車軸から側方へオフセットした位置に、光軸を下方(例えば水平から30°下方)に向けて設置される。カメラ1は、例えば水平方向の視野角110〜120°の広角カメラであり、後方約8m程度までの領域を撮影可能である。このカメラ1は、車両の生産工場等で車両90に取り付けられる際に取り付け誤差を吸収するべく校正される。また、修理工場などにおいて、走行による振動の累積や衝撃などによるカメラ1のずれを修正するべく校正される。以下、生産工場における校正を例として説明する。
図1に示すように、カメラ1の校正は、車両90を所定位置に停車させた状態で行われる。例えば、車両90をバックまたは前進させ、所定位置に設けられたタイヤ溝やタイヤ止めによって車輪が停止するようにすれば、正確な位置で停止させることが可能である。図1に示す例では、2つのマーカ80(80a、80b)が床面上に配置されている。図1において、車両90は、後端部中央の床面がワールド座標系(基準座標系、XW,YW,ZW)の原点OWとなるように停車されている。カメラ1の光学中心OCを中心とするカメラ座標系(XC,YC、ZC)は、ワールド座標系に対して各軸が平行とは限らない。ワールド座標系、カメラ座標系共に右手系の座標系であり、図中では、紙面に対して鉛直方向のXW軸、及びほぼ鉛直方向のXC軸は図示していない。ワールド座標系とカメラ座標系との立体的な関係については図14に示す。
図5は、本発明の車載カメラの校正装置の構成を模式的に示すブロック図である。図に示すように、校正装置は、画像受け取り部2と、画像出力部3と、システム制御部5と、入力I/F部6と、出力I/F部7と、画像処理部10と、を有している。
画像受け取り部2は、デジタルビデオカメラであるカメラ1による撮影画像をバッファ2a、同期分離部2b、クロック生成部2c、A/Dコンバー2cなどの公知の画像I/Fを介して受け取り、フレームメモリ2eに格納する(画像受け取り工程)。画像処理部10に備えられた画像データ制御部11は、画像受け取り部2を制御する。例えば、フレームメモリ2eへの撮影画像の格納や、フレームメモリ2eからの撮影画像の読み出しを制御する。
また、図7は、図5の応用機能処理部19の構成を模式的に示すブロック図である。応用機能処理部19は、投影パラメータ演算部31と、座標変換部33と、限界領域演算部35と、成否判定部37(判定部)とを有している。各部の詳細な機能については後述するが、これら各部の働きにより、カメラ1の投影パラメータなどが算出され、校正結果の精度検証などが行われる。
以下、画像処理部10による画像処理の手順について説明する。
上述したように、カメラ1は広角カメラである。従って、カメラ1による撮影画像は、図8に示すように歪みを有した画像U1となる。画像U1において、下方には車両90のバンパー部91が映っており、上方及び側方には車両90が停車されている部屋の壁面が映っている。カメラ1の内部パラメータ(焦点距離など)は既知であるので、歪補正部12において歪みが補正される。図9に補正後の画像U2を示す。
マーカ80は、ワールド座標系の既知の座標に配置されている。また、カメラ1のワールド座標系における詳細な回転状態(外部パラメータ)は当然未知であるが、おおまかな光軸方向(図1のZC方向)は既知である。つまり、カメラ1は所定の公差の範囲内で車両90に取り付けられるので、カメラ1の光軸方向のおおまかな方向は既知である。従って、撮影画像U1、及び歪みを補正された撮影画像U2におけるマーカ80の位置は予測可能である。そこで、画像U2(あるいはU1)において、校正点Qを含むマーカ80が収まる領域をORI(関心領域:Region of Interest)として設定する。ORIは、公差の平均値による画像上の位置を基準として、公差の範囲と画像処理のためのマージンを考慮して定められた位置とサイズに基づいて設定される。従って、理想的には、校正点QがORIの中心部に収まることとなる。
図10に、ORIの一例を示す。図10(a)は図1のマーカ80a、(b)は図1のマーカ80bに対して設定されたORIを示す。
次に、校正点特定部15においてマーカ80の中心点である校正点Qの撮影画像上における座標を検出する。本実施形態のように、マーカ80として市松模様が使用される場合、公知のコーナ検出器を用いて校正点Qを検出ことが可能である。コーナ検出器としては、Tomasi-Kanade検出器や、ハリス検出器を利用することができる。
ただし、カメラ1が安価なカメラの場合、アパーチャリングやコアリング手法によって画像情報に修飾が加えられている場合がある。その場合には、画像品質の低さに起因して上記コーナ検出器を用いても正しい交点位置(校正点Q)が検出できない可能性が生じる。車載カメラの校正装置は、種々の車種、種々のカメラに対応可能であることが望ましい。従って、本実施形態では、さらに汎用的な手法によって校正点Qを検出する。以下、マーカ80の水平・垂直の境界線を検出してその交点である校正点Qの座標を求める校正点特定工程について、輪郭線(エッジ)検出工程、直線当てはめ工程、交点演算工程に分けて説明する。
本実施形態では、ガウシアンフィルタ(Gaussian filter)が組み込まれたCannyエッジ検出器を利用する。Cannyエッジ検出器は、エッジ特徴を保存すると共に、画像に含まれるノイズを除去する働きがあり、安定したエッジ検出が可能である。Cannyエッジ検出器に関しては、J.F.Canny "Finding edge and lines in images". Master's thesis, AITR-720. MIT, Cambridge, USA, 1983や、J.F.Canny "A computational approach to edge detection". IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 8(6):679-698, November 1986に詳しいので、ここでは詳細な説明を省略する。尚、当然ながら、Cannyエッジ検出器に限らず、他の方法を用いてエッジ検出を行ってもよい。
図10に示すROI領域の画像に対して、エッジ検出処理を行うと、図11に示すようにほぼマーカ80の水平・垂直の境界線に対応するエッジ点群E(輪郭線の画素)が検出される。
次にこれらエッジ点群Eに対して、直線当てはめ処理が実施される。この直線当てはめ処理には、最小自乗法やハフ変換などを利用することも可能であるが、演算負荷が大である。本実施形態では、これらより遙かに演算量の少ないRANSAC(RANdom SAmple Consensus)手法を用いて直線当てはめを行う。RANSAC手法では、直線や曲線のフィッティングに必要な最小点数の点がエッジ点群Eから選択され、フィッティングモデルが設定される。直線の場合の最小点数は2点であり、ランダムに選択された2点を結ぶ直線が直線モデルとして設定される。そして、エッジ点群Eの他の点がこの直線モデルに対してどの程度フィットするかが評価される。順次、2点を選んで評価を繰り返し、最もフィットした直線モデルが直線として決定される。図12は、図11に示すエッジ点群Eに対して直線Gを当てはめた例を示している。
直線Gが当てはめられると、まず、その直線Gがマーカ80の水平・垂直の境界線として著しく想定と異なるものでないことが確認される。直線Gは撮影画像の座標系、つまりカメラ座標系において一次関数で表されている。従って、簡単な計算により、当てはめられた直線を評価することができる。
次に、当てはめられた直線Gの交点の座標が算出される。直線Gは一次関数であるから簡単な計算により、カメラ座標系における交点座標(校正点Q)を得ることができる(図13参照)。
上記説明においては、歪補正工程、領域設定工程、輪郭線(エッジ)検出工程の順に処理を行ったが、領域設定工程、輪郭線(エッジ)検出工程を先に行ってもよい。つまり、直線当てはめを行う前までは画像に歪みを生じていても良いので、演算の負荷を考慮して順序を入れ替えても問題ない。
車両のバックモニタ装置や運転支援装置のように、二次元画像と三次元空間との間の変換を必要とする装置では、その変換のためにカメラパラメータの全てを知る必要がある。上述したように特許文献1では、カメラパラメータの内、内部パラメータと、外部パラメータの並進成分は既知として、組み付け公差の大きい回転成分のみを手動で校正していた。本発明では、この回転成分を自動検出するが、始めにその原理を説明し、その後具体的な手順を説明する。
式(1)は、R1=(lmn)、R2=(l’m’n’)とおくと、下記式(2)と表すことができる。
そこで、回転前の座標系は、ワールド座標系において、カメラ1の光学中心OCまで純粋に並進したのみのカメラ座標系(第1のカメラ座標系)と考える。また、回転後の座標系は、第1のカメラ座標系が光学中心OCを中心として回転したカメラ座標系(第2のカメラ座標系)と考える。
第1のカメラ座標系は、ワールド座標系の原点OWを基準として純粋並進した回転成分のない座標系である。図18に示すように光学中心OCからマーカ80の校正点Qを示す点P1、P2へのNベクトルを求める。尚、当然ながら第1行列演算工程では、カメラ1による撮影画像及び撮影画像から得られる各種情報は不要である。本工程は、図6に示す第1行列演算部21において実行されるが、カメラ1による撮影画像は用いられていない。
第2のカメラ座標系は、第1のカメラ座標系が光学中心OCを中心として回転した回転成分のある座標系である。第1行列演算工程とは異なり、カメラ1による撮影画像が用いられる。図19に示すように、床面上に配置された校正点Q(P1、P2)は、射影面上の点p1、p2に相当する。点p1、p2の射影面上での座標値は、既に説明したように、校正点特定部15において特定されている。従って、図6に示すように、本工程は校正点特定部15の結果を受けて第2行列演算部22において実行される。
第3行列演算部23は、上記のようにして得られた第1行列R1及び第2行列R2に基づいて、ワールド座標系におけるカメラ1の回転状態を示す回転行列Rを演算する。つまり、上述した式(2)と同様に下記に示す式(11)に従って回転行列Rを演算する。
カメラ1は、ピンホールカメラに代表される透視カメラモデル(perspective camera model)である。透視カメラモデルのカメラ行列は、カメラの内部パラメータ行列と、外部パラメータ行列とから構成される。内部パラメータ行列は、焦点距離などのカメラ内部のパラメータ行列である。外部パラメータ行列は、並進行列T及び上記で求めた回転行列Rである。射影カメラモデル(projective camera model)は、透視カメラモデルのカメラ行列を一般化して表したものである。射影カメラモデルでは、上記で求めた回転行列Rが得られれば、三次元空間からの投影が可能である。しかし、透視カメラモデルでは、回転行列Rをさらに三次元直交座標の各軸の回転角パン・チルト・ロールに分解する必要がある。回転角演算部25は、以下に示す手順で各軸の回転角を演算する。
まず、式(19)より、「cosθ>0」なので、負の値を考慮することなく、式(15)は次式(20)となり、チルト角θが定まる。
以上、説明したようにカメラ1の外部パラメータとしての三次元直交座標の各軸に対する回転成分が求められた。外部パラメータの内の並進成分T(TX,TY,TZ)は、光軸中心OCの座標としてワールド座標系において既知である。また、内部パラメータはカメラ1の特性として既知である。従って、応用機能処理部19の投影パラメータ演算部31は、カメラ1の投影パラメータの全てを整えることができる。
カメラ1の投影パラメータの全てが整うと、座標変換部33は、校正点Q(P1、P2)のワールド座標系の三次元座標値を二次元の射影面上の座標値に変換する。つまり、図20に示すような理論上の校正点Vの座標値を演算する。
図20に示すように、限界領域演算部35は、座標変換により求められた理論上の校正点Vを基準として各回転角度の許容誤差を加味した射影面上の限界領域Cを演算する。射影面上には、実際にカメラ1で撮影されたマーカ80が映っている。また、校正点特定部15によって特定された校正点Q(P1、P2)の射影面上の座標も明らかである。ここで、校正点Qが限界領域Cの中に入っていれば、所定の精度でカメラ1が校正されたことになる。
尚、実際には図8に示したような撮影画像に限界領域C、校正点V及びQが、例えば色分けされて重畳されるが、図示の視認性を考慮して図20では、マーカ80は省略している。
図21は、カメラ1の校正装置を含む車両90の組み立て調整制御装置のディスプレイ装置の表示画面の一例である。上述した理論上の校正点V、限界領域C、実際に撮影された画像から求めた校正点Qが、表示される。本例では、一方の校正点Q2は限界領域C内であるが、他方の校正点Q1が限界領域C外となった場合を示している。例えば、車両90の組み立て調整を行う作業者は、この画面により校正の成否を判定することができる。
また、作業者の目視に依らず、自動的に成否を判定することもできる。射影面上での各座標値は上述したように既に算出されているので、成否判定部(判定部)37は、校正の成否を自動的に判定する。
成否判定部37による判定結果は、描画部3b及び表示コントローラ3aを介してディスプレイ装置に表示される。図21に示した例では、「光軸調整NG(S1)」とのスーパーインポーズが表示される。また、ディスプレイ装置がタッチパネルなど、入力を受け付ける機能を有している場合には、「再調整(S2)」や「戻る(S3)」という操作ボタンが設けられる。これらの入力は、入力信号となって入力I/F部6からシステム制御部5へと伝達される。
また、このような視覚的な表示に限らず、ブザーやチャイム、音声などにより、聴覚的に報知してもよい。システム制御部5、出力I/F部7を介して、校正結果を外部に出力するようにしてもよい。
一方、「次へ(S4)」の操作ボタンは、他のスーパーインポーズに比べて淡く表示され、選択できないようにその機能が制限される。カメラ1の校正は、車両90の組み立て調整作業の中で実施される。カメラ1の校正が不成功である場合に、組み立て調整作業を継続すれば、校正が不十分な製品が後工程に送られる可能性がある。しかし、次の組み立て校正作業への移行を制限すれば、そのような問題を未然に防止することができる。また、作業者は校正のやり直しなどの対策を迅速に実施することができる。
このような制限処理は応用機能処理部19やシステム制御部5で実行し、画像出力部3に伝達する。また、出力I/F回路7を介して校正結果を受け取った組み立て調整システムなどで実行してもよい。その場合は、制限の指示が入力I/F回路6を介して画像出力部3に与えられる。
2:画像受け取り部
3:画像出力部(重畳部)
10:画像処理部
13:領域設定部
15:校正点特定部
21:第1行列演算部
22:第2行列演算部
23:第3行列演算部
25:回転角演算部
31:投影パラメータ演算部
33:座標変換部
35:限界領域設定部
37:正否判定部(判定部)
80:マーカ(校正指標)
90:車両
C:限界領域
E:エッジ点(輪郭線の画素)
Q:校正点
Claims (11)
- 車両に取り付けられた車載カメラを校正する車載カメラの校正装置であって、
少なくとも異なる2箇所に配置された校正指標を視界内に含む前記車載カメラの撮影画像を受け取る画像受け取り部と、
前記撮影画像において前記校正指標の中のそれぞれの校正点を特定する校正点特定部と、
基準座標系における前記校正指標の前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た前記校正点及び前記校正点を通る直線に関するベクトルを示す第1行列を演算する第1行列演算部と、
前記校正点特定部により特定された前記撮影画像上の前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た当該校正点及び当該校正点を通る直線に関するベクトルを示す第2行列を演算する第2行列演算部と、
前記第1行列及び前記第2行列に基づいて、前記基準座標系における前記車載カメラの回転状態を示す回転行列を演算する第3行列演算部と、を有する車載カメラの校正装置。 - 前記回転行列を、三次元空間上で互いに直交する3軸に対する3つの回転角度成分に分解する回転角演算部を有する請求項1に記載の車載カメラの校正装置。
- 前記撮影画像上において前記校正点が含まれる領域を設定する領域設定部を有し、
前記校正点特定部は、前記領域において前記校正点を特定する請求項1又は2に記載の車載カメラの校正装置。 - 前記回転行列に基づいて、前記車載カメラの投影パラメータを演算する投影パラメータ演算部と、
前記基準座標系における前記校正点の座標を、前記投影パラメータを用いて、前記撮影画像上の座標に変換する座標変換部と、
座標変換された前記校正点の座標と、前記車載カメラの回転に対する校正誤差の許容値とに基づいて、前記撮影画像上における前記校正誤差の限界領域を演算する限界領域演算部と、を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の車載カメラの校正装置。 - 前記校正点特定部により特定された前記校正点の中心座標と、前記限界領域との強調表示を前記撮影画像に重畳する重畳部を有する請求項4に記載の車載カメラの校正装置。
- 前記撮影画像上において、前記校正点特定部により特定された前記校正点の中心座標が、前記限界領域内に存在するか否かを判定する判定部を有する請求項4に記載の車載カメラの校正装置。
- 前記判定部による判定結果を少なくとも視覚的又は聴覚的に報知する報知部を有する請求項6に記載の車載カメラの校正装置。
- 前記校正指標の校正点は、平面上の2直線の交点として表される請求項1〜3の何れか一項に記載の車載カメラの校正装置。
- 前記校正指標は、床面及び壁面を含む任意の面に配置される請求項1〜4の何れか一項に記載の車載カメラの校正装置。
- 車両に取り付けられた車載カメラを校正する車載カメラの校正方法であって、
前記車載カメラの視界に含んで、少なくとも異なる2箇所に校正指標を配置する校正指標配置工程と、
基準座標系における前記校正指標の中のそれぞれの校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た前記校正点及び前記校正点を通る直線に関するベクトルを示す第1行列を演算する第1行列演算工程と、
前記校正指標を視界内に含む前記車載カメラの撮影画像を受け取る画像受け取り工程と、
前記撮影画像において、それぞれの前記校正点を特定する校正点特定工程と、
前記撮影画像上において特定された前記校正点の座標に基づいて、前記車載カメラの光学中心から見た当該校正点及び当該校正点を通る直線に関するベクトルを示す第2行列を演算する第2行列演算工程と、
前記第1行列及び前記第2行列に基づいて、前記基準座標系における前記車載カメラの回転状態を示す回転行列を演算する第3行列演算工程と、を有する車載カメラの校正方法。 - 請求項10に記載の車載カメラの校正方法を用いて前記車載カメラの校正を行う組立調整工程を含む複数の組立調整工程を順次行う車両の生産方法であって、
当該車載カメラの校正方法は、さらに、
前記回転行列に基づいて、前記車載カメラの投影パラメータを演算する投影パラメータ演算工程と、
前記基準座標系における前記校正点の座標を、前記投影パラメータを用いて、前記撮影画像上の座標に変換する座標変換工程と、
座標変換された前記校正点の座標と、前記車載カメラの回転に対する校正誤差の許容値とに基づいて、前記撮影画像上における前記校正誤差の限界領域を演算する限界領域演算工程と、
前記校正点特定工程において特定された前記校正点の中心座標が、前記限界領域内に存在するか否かを前記撮影画像上において判定する判定工程と、
前記校正点の中心座標が前記限界領域内に存在しない場合には、前記車載カメラの校正の次の組立調整作業への移行を制限する制限工程と、を有する車両の生産方法。
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