JP6694234B2 - 距離測定装置 - Google Patents
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
このようなシステムにおいては、三角測量の原理に基づき、撮像装置のパラメータや各々撮像された画像の視差情報(ディスパリティ、デプスと表現されることもある)を用いることで、撮像装置から被写体までの距離や被写体間の距離を算出することもできる。撮像装置のパラメータと撮像装置から被写体までの距離の関係は、[数1]によってあらわすことができる。
さらに、画角やレンズ歪などの撮像装置のパラメータに基づき、3次元的な位置情報を算出することができる。光軸と投影点の角度や焦点距離f、距離Zを用いて、XY座標値も算出することができる。3次元的な位置情報を得ることができれば、撮影空間内の任意の2点の距離を算出することができる。
本ステレオマッチングにおいては、前記部分画像内に特徴的な部分を含まない場合(例えば、同じ明るさで同じ色の平面の場合など)には、複数の領域でマッチングしてしまい、真の位置と必ずしもマッチングの尤度が最大化されない。すなわち、正しい視差が求まらないことがある。
一方、エッジのように特徴的な部分を含む部分画像の場合には、オクルージョンが発生している場合や繰り返し模様になっている場合を除き、比較的精度の高い視差情報を得ることができる。
特許文献1では、複数視点の撮像装置から入力された2つの画像を元画像とし、そのうち一方の画像の画像サイズを変更したリサイズ画像を用意し、リサイズ画像中からエッジ(特徴端点)を抽出する。抽出されたエッジに対応した変形前の画像(元画像)の対応領域を任意サイズのマッチングパターンとし、もう一方の画像とステレオマッチングすることで視差および距離を算出するような構成としている。
以上の構成によって、斜めエッジを検出するためのエッジ検出カーネルを角度ごとに用意することなく、縦横エッジ検出カーネルを利用して、斜めエッジ部分の視差検出力を向上させることができる。
(1)動きボケ自体の影響
被写体が動いている場合、エッジ付近には動きボケ(モーションブラー)が生じている。特に、被写体が高速で動いている場合には、画像上の複数ピクセルにわたり動きボケの影響が生じ、エッジ(特徴領域)として抽出できないため、測距ができなくなる。エッジ検出カーネルの設定によっては、エッジとして抽出できる可能性があるが、エッジとして抽出できた場合においても、ボケが生じなかった場合のエッジの真の位置であることは保証されない。そのため、測距結果の信頼度は低下すると考えられる。
(2)撮像装置と被写体の運動方向による影響
動きボケ量は、撮像装置の光軸と被写体の移動方向が直交する場合に最大となり、撮像装置の光軸と被写体の移動方向が平行である場合に最小となる。そのため、動きボケの影響を少なくするためには、撮像装置の光軸と被写体の移動方向が平行となる位置に撮像装置が設置されることが望ましい。すなわち、被写体が被写体正面方向に移動していると仮定すると、撮像装置を被写体の正面に置くことが望ましい。しかしながら、被写体の側面も撮影範囲としたいとき、必ずしも正面には置けない。
複数の方向から撮影した複数の画像を取得する撮像部と、
前記画像における被写体上の点を検出する被写体点検出部と、
前記被写体上の点の3次元位置を前記複数の画像の視差計測により算出する3次元位置算出部と、を備え、
前記被写体上の点の3次元位置における計測誤差E=P・Np・Z/f(Pは画素ピッチ量、Npは視差計測精度、fは焦点距離、Zは被写体までの距離)に基づいて信頼度を算出し、
前記3次元位置と、前記信頼度とに基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力するように構成されている。
経時的に撮影した複数の画像を取得する撮像部と、
前記画像における被写体上の点を検出する被写体点検出部と、
前記被写体上の点の3次元位置を前記複数の画像の視差計測により算出する3次元位置算出部と、を備え、
前記被写体上の点の3次元位置における計測誤差E=P・Np・Z/f(Pは画素ピッチ量、Npは視差計測精度、fは焦点距離、Zは被写体までの距離)に基づいて信頼度を算出し、
前記3次元位置と、前記信頼度とに基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力するように構成されている。
第1撮影時において複数の画像を元に視差計測で注目点の3次元位置の信頼度を算出し、第2撮影時において前記第1撮影時とは別の複数の画像を元に視差計測で比較点の3次元位置の信頼度を算出し、これらの信頼度の比較結果に基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力するように構成することが可能である。
前記距離は、前記距離測定装置と前記被写体上の点との間の距離、前記被写体上の点と当該被写体上の他の点との間の距離、又は前記被写体上の点と前記画像における他の被写体上の点との間の距離であるように構成することが可能である。
前記被写体上の点の前記信頼度を、当該信頼度の大小が分かるように表示するように構成することが可能である。
本実施の形態においては、本発明における基本的な構成について説明する。
具体的には、撮影空間中を動いている被写体を複数回撮影し、複数回の撮影で得られた撮影画像それぞれの特徴点座標およびその信頼度を求め、当該特徴点座標および信頼度に基づいて所望の撮影タイミングにおける撮影画像の特徴点座標を補正することで、距離(被写体までの距離、被写体上の2点間の距離、もしくは被写体間の距離)と、その信頼度と、を測定することのできる距離測定装置および距離測定方法について説明する。
図1は、本実施の形態における距離測定装置の一構成例である。距離測定装置100は、本実施例における距離測定装置であり、被写体を撮像するための撮像部101と、撮像した撮影画像を処理するための画像処理部102と、撮影画像そのものや画像処理結果を出力表示するための表示部103と、撮影画像そのものや画像処理結果、画像処理に利用する種々のデータを保存する保存部104と、ユーザからの入力や外部装置へのデータ送信のための外部入出力部105と、距離測定装置100全体の制御を行うための制御部106と、各々のユニット間でのデータのやり取りを行うためのデータバス107と、から構成される。
撮影された情報は、生データのままデータバス107に出力されてもよいし、画像処理部102において処理しやすいように事前に画像処理(輝度画像化、ノイズ除去など)が施された画像データとしてデータバス107に出力されてもよく、また、その両方が出力されるような構成としてもよい。さらに、撮影時の絞り値や焦点距離などのカメラパラメータを、撮像部101から保存部104に送るように構成することもできる。
Display)などによって構成され、画像処理部102から出力される画像処理結果や、保存部104に保存された画像などを表示する。なお、表示部103は、外部入出力部105を介して、距離測定装置100の外部に設置される構成としてもよい。
撮影トリガは、例えば、被写体の通過を検出する通過センサから入力される。通過センサは、例えば、当該通過センサと距離測定装置100との位置関係に応じて、当該通過センサの計測範囲を被写体が通過したことを検出すると直ちに撮影トリガを送信するように構成することも可能であるし、当該通過センサの計測範囲を被写体が通過したことを検出してから所定時間経過後に撮影トリガを送信するように構成することも可能である。
続いて、本発明における画像処理部102の詳細な構成例および動作例について説明する。
本発明においては、同一の動被写体を複数回撮影し、予備撮影の計測結果を利用して、所望撮影における距離(3次元位置)の計測結果を補正することを特徴としている。予備撮影および所望撮影とは、例えば、2回撮影する条件の場合、1回目の撮影が予備撮影、2回目の撮影が所望撮影となる。なお、1回目および2回目の撮影結果を保存部104に保存することにより、予備撮影および所望撮影を入れ替えることもできるし、3回以上撮影して所望撮影以外の複数の撮影を予備撮影とすることで、所望撮影時の補正をするように構成することもできる。
以下、2回撮影する場合であって、1回目の撮影を予備撮影、2回目の撮影を所望撮影とした場合を例に説明する。
特徴点検出部201は、検出された特徴点の画像座標における位置情報および/もしくは特徴点画像データ、必要に応じて撮影画像データを視差算出部202に送信する。また、各特徴点座標における特徴点強度(反応強度)を信頼度算出部204に送る。
ここで、ステレオマッチングの一例について、図4を用いて説明する。本実施の形態における撮像装置が左右に並んで配設されている場合、まず、左画像(左側の撮像装置により撮像された撮影画像)の特徴点位置を基準に、探索窓の範囲の画像をテンプレートとして切り取る。ここで、探索窓の範囲は、例えば11×11とする。次に、左画像の特徴点位置に対応する右画像(右側の撮像装置により撮像された撮影画像)位置の探索窓範囲と、前記テンプレートとのマッチング評価値を求める。マッチング評価値は、例えば、[数2]に示すように、SAD(Sum of Absolute Difference)値として求められる。ここで、L(x,y)は画像座標(x,y)における左画像の探索窓、R(x,y)は画像座標(x,y)における右画像の探索窓の各画素の階調値を表している。
なお、マッチング評価値を算出する方法は、ステレオマッチングで用いられる種々の評価関数によって算出する方法でよく、SSD(Sum of Suquare Difference)などで算出するようにしてもよい。
視差算出部202は、各画素位置(各特徴点位置)に対する視差算出結果を、3次元位置情報算出部203に送る。また、各画素位置(各特徴点位置)に対するマッチング評価値を、信頼度算出部204に送る。
3次元位置情報算出部203は、以上によって得られた被写体までの距離(3次元位置)情報および計測誤差情報を信頼度算出部204に送信する。
信頼度算出部204は、特徴点の座標情報X,Y,Zと、以上によって算出された各座標に対する統合信頼度S_R(X,Y,Z)の値と、を特徴点情報保持部205に送る。
ステップS701においては、被写体座標系における特徴点(注目点)を選択する。注目点は、例えば、特徴点を信頼度の高い順に並べた注目点リストを作成しておき、信頼度の高い特徴点から注目点として指定する。このとき、注目点リストにリストアップする特徴点は、所望撮影時の特徴点のみであってもよいが、予備撮影時の特徴点も併せてリストアップしておくことで、所望撮影時には検出できなかった信頼度の高い特徴点を得ることができるため好適である。また、閾値を設定し、信頼度の低い特徴点(閾値未満の特徴点)はリストアップしないことで、一定の信頼度を持つ情報のみをユーザに提示するように構成することもできる。
ステップS704においては、ステップS703における比較結果に基づき、特徴点(注目点)の座標値を確定する。
また、例えば、図8(b)のように、“比較対象なし”の場合、P’=Pとし、特に確定を行わない。
また、例えば、図8(c)のように、複数の比較対象(特徴点Q1およびQ2)が見つかった場合は、図8(a)と同様にして、特徴点P、特徴点Q1、特徴点Q2のうち最も信頼度の高い特徴点を確定後特徴点P’としてもよいし、信頼度を重みとして確定後特徴点P’とその信頼度を求めるようにしてもよい。
そして、3次元位置確定部206は、全ての注目点についてステップS701〜ステップS704の処理を行い、特徴点座標を確定する。
また、以上の説明においては、2回撮影する場合について説明したが、予備撮影を複数回行うこともできるし、現在フレームにおける画像を所望撮影で得られた撮影画像、それよりも以前のフレームにおける画像を予備撮影で得られた撮影画像とみなして処理することにより、動画像において逐次距離測定するように構成することもできることは容易に想定することができる。
ここで、経時的に取得される「複数の撮影画像」とは、予備撮影で得られた撮影画像および所望撮影で得られた撮影画像である。
なお、撮像部101が1回の撮影で取得する撮影画像は、左画像および右画像に限ることはなく、互いに視差を有する撮影画像であればよい。
具体的には、前述したように、特徴点信頼度I_Rおよびマッチング信頼度M_Rは被写体が前方に来るほど(すなわち、距離が近づくほど)下がる傾向があり、逆に計測誤差信頼度E_Rは被写体が前方に来るほど(すなわち、距離が近づくほど)上がる傾向がある。そして、統合信頼度S_Rは、特徴点信頼度I_R、マッチング信頼度M_R、および計測誤差信頼度E_Rに基づき算出されるので、被写体までの距離による理論誤差に基づく信頼度とすることができる。
本実施の形態においては、動きボケを考慮した特徴点検出フィルタの設定方法に関して説明する。具体的には、複数回の撮影で得られた撮影画像から、被写体速度を予測することで、所望撮影における動きボケを推定し、動きボケに応じて特徴点検出フィルタのサイズや形状を変更し、特徴点を適切に検出する方法について説明する。
動きボケ推定部901における動作の一例について、図10〜図12を用いて説明する。
ここで、具体的な一例として、1度の予備撮影の測定結果と所望撮影の暫定の測定結果とに基づき、速度を予測する方法について説明する。図11に示すように、任意の予備撮影3次元座標(X1,Y1,Z1)を選択し、その予備撮影3次元座標に対応する画像座標(u1,v1)を探索開始位置とし、例えば一般的な動きベクトル検出の手段と同様にして、所望撮影で得られた撮影画像における対応座標(画像座標(u2,v2))を探索する。画像座標(u2,v2)に対応する3次元座標(所望撮影3次元座標(X2,Y2,Z2))と予備撮影3次元座標(X1,Y1,Z1)のユークリッド距離および予備撮影と所望撮影との撮影時間間隔に基づいて、速度ベクトルを算出することができる。なお、3次元座標から画像座標への変換は、[数1]、[数12]、[数13]、および[数16]を利用することで変換できる。
本実施の形態においては、ユーザが測定したい特徴点を指定するための表示手段および入力手段を有し、ユーザが指定した特徴点群のうち、各特徴点もしくはそれらの特徴点によってなされる直線、曲線、もしくは曲面(平面を含む)と、その誤差範囲と、に含まれる特徴点の計測結果のみを確定するように構成することで、計算量を削減する方法について説明する。また、信頼度の高い特徴点を強調表示(例えば、信頼度の高さに応じたサイズの丸印で囲む)することによって、ユーザに特徴点を指定しやすくさせるための表示方法について説明する。
なお、第2の実施の形態における構成(図9)に加え、表示画像生成部1401と、確定特徴点選出部1402と、をさらに具備するように構成することも可能である。
そして、ユーザが計測ボタン1507を選択すると、ユーザに指定された特徴点およびそれらの特徴点によってなされる曲面等に接する特徴点の3次元位置の確定が行われる。
続いて、確定特徴点選出部1402は、特徴点情報保持部205に保持された特徴点情報を参照して、推定した直線、曲線、もしくは曲面(平面を含む)に接する特徴点群を選出する。例えば平面推定を行った場合は、この平面に接する特徴点群を選出する。このとき、この平面から法線方向に一定の距離以内にある特徴点候補を選出する。この一定の距離とは、例えば、システムに要求される距離推定誤差範囲とし、例えば0.1mm以内に設定する。もしくは、距離が遠くなるほど、視差1ピクセルあたりの距離の推定誤差が大きくなるため、距離が遠くなるほど、範囲を広げるように構成すると好適である。
以上の構成によって、ユーザに特徴点を指定しやすくさせるための表示方法を提供することができる。
なお、ユーザによる特徴点の指定の仕方は適宜選択可能であり、例えば、ユーザが外部入出力部105に接続された操作部(マウス等)を操作して特徴点を指定できるように構成することも可能であるし、表示部103をタッチパネル式の表示部にしてもよい。
以上の実施の形態(第1〜第3の実施の形態)によって説明した距離測定装置100は、例えば、車輛のパンタグラフのすり板部分の厚み測定に利用することができる。
もしくは、撮像装置で経時的に複数の画像を撮影しておき、この複数の画像のうちパンタグラフが写っている画像を使う。このとき、例えば、特徴的な部分のパターンマッチングで検出するようにしても良いし、例えば図17に示すように、架線領域をあらかじめ撮影しておくことで背景差分等を利用することで、架線領域の変異からパンタグラフが写っている画像を判断するように構成することができる。
図19に示すように、予備撮影における厚さプロファイルと、所望撮影における厚さプロファイルと、をすり板長手方向にマッチング(例えば、相互相関係数等を求めることで、対応位置を算出)をして、位置を合わせて、そこから、比較を行うようにする。
101 撮像部
201 特徴点検出部(被写体点検出部)
203 3次元位置情報算出部(3次元位置算出部)
204 信頼度算出部
206 3次元位置確定部
901 動きボケ推定部
Claims (5)
- 複数の方向から撮影した複数の画像を取得する撮像部と、
前記画像における被写体上の点を検出する被写体点検出部と、
前記被写体上の点の3次元位置を前記複数の画像の視差計測により算出する3次元位置算出部と、を備え、
前記被写体上の点の3次元位置における計測誤差E=P・Np・Z/f(Pは画素ピッチ量、Npは視差計測精度、fは焦点距離、Zは被写体までの距離)に基づいて信頼度を算出し、
前記3次元位置と、前記信頼度とに基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力することを特徴とする距離測定装置。 - 経時的に撮影した複数の画像を取得する撮像部と、
前記画像における被写体上の点を検出する被写体点検出部と、
前記被写体上の点の3次元位置を前記複数の画像の視差計測により算出する3次元位置算出部と、を備え、
前記被写体上の点の3次元位置における計測誤差E=P・Np・Z/f(Pは画素ピッチ量、Npは視差計測精度、fは焦点距離、Zは被写体までの距離)に基づいて信頼度を算出し、
前記3次元位置と、前記信頼度とに基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力することを特徴とする距離測定装置。 - 第1撮影時において複数の画像を元に視差計測で注目点の3次元位置の信頼度を算出し、第2撮影時において前記第1撮影時とは別の複数の画像を元に視差計測で比較点の3次元位置の信頼度を算出し、これらの信頼度の比較結果に基づいて、前記被写体上の点の座標値を確定し、距離を出力することを特徴とする請求項2に記載の距離測定装置。
- 前記距離は、前記距離測定装置と前記被写体上の点との間の距離、前記被写体上の点と当該被写体上の他の点との間の距離、又は前記被写体上の点と前記画像における他の被写体上の点との間の距離であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の距離測定装置。
- 前記被写体上の点の前記信頼度を、当該信頼度の大小が分かるように表示することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の距離測定装置。
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