JPH0735644A

JPH0735644A - カメラキャリブレーション装置

Info

Publication number: JPH0735644A
Application number: JP17691993A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Hashima; 正芳橋間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はカメラキャリブレーション装置に関
し、小型、かつ単純な構造で、高い精度のカメラキャリ
ブレーションが行えるカメラキャリブレーション装置の
提供を目的とする。【構成】複数の基準マークと、カメラに結像したそれ
らの像との位置関係に基づいてカメラパラメータのキャ
リブレーションを行うカメラキャリブレーション装置に
おいて、平面に配置した１又は２以上の基準マーク１
と、前記基準マーク１の像をカメラの視野内に導くため
の複数の反射板２であって、それらの反射面を平行又は
所定の角度をもって対向させたものとを備える。これに
より、現実には比較的に狭いスペース（ミラー間スペー
スＬ_M）しか占有していないにも係わらず、対向する鏡
の相互反射を利用することにより、実質的には広い仮想
空間に多数の同一平面上にない測定点Ｉを展開できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカメラキャリブレーショ
ン装置に関し、更に詳しくは複数の基準マークと、カメ
ラに結像したそれらの像との位置関係に基づいてカメラ
パラメータのキャリブレーション（較正）を行うカメラ
キャリブレーション装置に関する。ＣＣＤカメラ等を使
用して３次元的な画像計測を行う場合には、光軸中心か
らの視線方向を求める必要が生じるが、通常ＣＣＤ撮像
素子の中心をレンズの光軸が通るわけではない。経験的
には、所謂画像の中心から２０画素程度のずれがあると
されている。そこで、撮像画像を記憶したメモリ上で測
定をしなおす必要があるが、このためには、予め３次元
配置した複数の基準マークとＣＣＤカメラに結像したそ
れらの像との位置関係に基づいてカメラパラメータ（光
軸からのずれ、焦点距離等）のキャリブレーションを行
う必要がある。

【０００２】

【従来の技術】図１７は従来のカメラキャリブレーショ
ン装置を説明する図で、図において４はＣＣＤカメラ、
４₁はＣＣＤ素子の仮想結像面、４１は１軸（通常は３
軸）のステージ、４２は１軸（この例ではＺ軸）の駆動
を行うモータ、４３は黒地の計測板、４４は計測板４３
上に碁盤目状に描かれた白点の基準マークである。

【０００３】このような構成において、従来のカメラキ
ャリブレーション装置の動作原理を以下に説明する。所
謂ピンホールカメラの原理によれば、カメラ座標系で見
た空間中の一点Ｐ（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´）を仮想結像面４
₁へ透視した点ｐの座標（ｘ，ｙ）は数１の透視変換で
与えられる。

【０００４】

【数１】

【０００５】数１の透視変換は除算を含んでおり、従っ
て非線形であるが、３次元の座標を媒介する変数を一つ
加え、１次元高めた表現を用いることで線形化できる。
即ち、３次元の座標（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´）を、数２に示
す如く、ｗ_hを媒介とする４次元上の点（ｘ_h，ｙ_h，
ｚ_h）で表す。

【０００６】

【数２】

【０００７】これは同時座標系と呼ばれ、この場合の透
視変換は数３で表される。

【０００８】

【数３】

【０００９】実用上は、測定対象である点Ｐの座標（Ｘ
´，Ｙ´，Ｚ´）をカメラ座標系とは独立した他の座標
系（ワールド座標系）の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表現した
方が便利なことが多い。そこで、更に２つの座標系を関
係付ける変換Ｔ（回転ｒと平行移動ｔ）を加え、この場
合の透視変換は数４で表される。

【００１０】

【数４】

【００１１】ここで、〔Ｘ，Ｙ，Ｚ，１〕^Tと〔ｘ_h，
ｙ_h，ｚ_h，ｗ_h〕^Tとは同次座標系の表現による点Ｐ
と点ｐの座標である。更に、カメラ座標系における結像
面４ ₁は常にｚ_h＝０であるので、結像面上での２次元
座標（ｘ，ｙ）は、これを画像メモリ上の画素位置で簡
略化すると、透視変換は数５で表される。

【００１２】

【数５】

【００１３】この行列Ｃは所謂カメラパラメータと呼ば
れ、この中にカメラの位置、姿勢（パン，チルト、ロー
ル）、画角等のカメラに関する全てのデータが含まれ
る。ところで、このようなカメラパラメータは、レンズ
の焦点距離を測定したり、カメラの位置、姿勢等を実測
することにより求めることも可能であるが、不正確であ
り、時間もかかる。そこで、図１７に示す如く、３次元
形状が既知の基準となる計測板４３を利用して、これを
３次元計測することにより、逆にカメラパラメータをキ
ャリブレーションするのが一般的である。

【００１４】ワールド座標系での基準となる点Ｐ（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）とこれに対応する結像面４ ₁での座標ｐ（ｘ，
ｙ）とが一組分かると、数５より数６の２式が成立す
る。

【００１５】

【数６】

【００１６】従って、合計１２個のカメラパラメータＣ
₁₁〜Ｃ₃₄を求めるには、同一平面上にない６個の基準点
が必要になる。通常は、キャリブレーション精度を高め
るために６個以上の基準点を使用し、最小２乗法によっ
てパラメータを同定する。即ち、ｎ個の基準点のワール
ド座標（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）とそれに対応するカメラ座
標（ｘ_i，ｙ_i）とが既知であれば、Ｃ₃₄＝１と置くこ
とで、数７の関係が得られる。

【００１７】

【数７】

【００１８】これを数８と表せば、

【００１９】

【数８】

【００２０】最小２乗法により、数９によってカメラパ
ラメータのキャリブレーションを行える。

【００２１】

【数９】

【００２２】上記のような理論的背景の下で、従来は、
図１７に示す如く、ステージ４１を逐次駆動し、計測板
４３をＺ軸方向に移動させることにより、同一平面上に
ない６個以上の基準マーク４４を得ていた。あるいは、
図示しないが、立法体の表面に碁盤目状に基準マークを
描いたものをその一辺が光軸の方向を向くようにして配
置し、かつ該立法体の対称な両側面の基準マークをカメ
ラで斜めに見るようにして、同一平面上にない６個以上
の基準マークを得ていた。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の場合は
ステージ４１のような精密な駆動設備が必要となり、こ
のために装置が複雑、高価になっていた。また、計測板
４３をＺ軸方向に移動させるためにかなりの広い空間が
必要であった。更にまた、ステージ４１のような動く部
分を含むので、基準マークの位置精度を保つことが困難
となり、これがキャリブレーション誤差の主要な原因と
なっていた。また、後者の場合でも、広い空間が必要で
あり、このような立法体をユニバーサル座標系に正確に
セットするのは極めて困難であった。

【００２４】本発明の目的は、小型、かつ単純な構造
で、高い精度のカメラキャリブレーションが行えるカメ
ラキャリブレーション装置を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は図１の構成
により解決される。即ち、本発明のカメラキャリブレー
ション装置は、複数の基準マークと、カメラに結像した
それらの像との位置関係に基づいてカメラパラメータの
キャリブレーションを行うカメラキャリブレーション装
置において、平面に配置した１又は２以上の基準マーク
１と、前記基準マーク１の像をカメラの視野内に導くた
めの複数の反射板２であって、それらの反射面を平行又
は所定の角度をもって対向させたものとを備えるもので
ある。

【００２６】

【作用】例えば２枚の反射板（鏡）２₁，２₂を両反射
面が平行で向かい合うように間隔Ｌ_Mを持って対向さ
せ、この例では両反射面上に夫々複数の基準マーク
１₁，１₂が描かれている。図１の（Ａ）は鏡２₁の正
面を示しており、ワールド座標系の一平面（Ｘ，Ｙ，Ｌ
_M）上に基準マークＭ₁₍₁₁₎〜Ｍ_1(nm)が碁盤目状に描
かれている。鏡２₂の正面も同様であり、これを裏面か
ら透視して見た場合に、ワールド座標系の一平面（Ｘ，
Ｙ，０）上の、鏡２₁の基準マークＭ₁₍₁₁₎〜Ｍ _1(nm)
と対向する位置に基準マークＭ₂₍₁₁₎〜Ｍ_2(nm)が碁盤
目状に描かれている。好ましくは各基準マーク１₁，１
₂の表面は乱反射特性を有しており、これらは外部から
の均一な光によって照らされている。

【００２７】次に、鏡２₁，２₂による鏡像形成作用を
図示の如く鏡２₁，２₂の側面から見た場合で説明す
る。鏡２₁上の基準マークＭ_1(1m)（Ｘ₁，Ｙ_m，
Ｌ_M）で反射する光のうち鏡２₁の法線Ｈより角度θ₁
で射出した光線は直接にレンズ４₂の中心を通り、結像
面４₁の点Ｍ₁´に結像する。一方、反対側の鏡２₂上
の基準マークＭ_2(1m)（Ｘ₁，Ｙ_m，０）で反射する光
のうち鏡２₂の法線Ｈより角度θ₂で射出した光線は、
鏡２₁の法線Ｈに対して入射角θ₂で入射し、かつ反射
角θ₂で反射し、しかる後レンズ４₂の中心を通り、結
像面４₁の点Ｉ₂´に結像する。これは、基準マークＭ
_2(1m)（Ｘ₁，Ｙ_m，０）の鏡像Ｉ_2(1m)（Ｘ ₁，
Ｙ_m，２Ｌ_M）の結像に他ならない。同様にして、鏡２
₁上の基準マークＭ _1(n1)（Ｘ_n，Ｙ₁，Ｌ_M）で反射
する光のうち鏡２₂の法線Ｈより角度θ₃で射出した光
線は、まず鏡２₂の法線Ｈに対して入射角θ₃で入射
し、かつ反射角θ₃で反射し、次に鏡２₁の法線Ｈに対
して入射角θ₃で入射し、かつ反射角θ ₃で反射し、し
かる後レンズ４₂の中心を通り、結像面４₁の点Ｉ₃´
に結像する。これは、基準マークＭ_1(n1)（Ｘ_n，
Ｙ₁，Ｌ_M）が２度の鏡面反射により形成された鏡像Ｉ
_3(n1)（Ｘ_n，Ｙ₁，３Ｌ_M）の結像に他ならない。鏡
２₁，２₂を上面より見た作用も同様である。更に、２
度以上の鏡面反射により形成された鏡像についても同様
である。

【００２８】かくして、本発明によれば、現実にはこの
装置は比較的に狭いスペース（ミラー間スペースＬ_M）
しか占有していないにも係わらず、対向する鏡の相互反
射を利用することにより、実質的には広い仮想空間に多
数の同一平面上にない測定点Ｉを展開できるものであ
る。しかも、従来のステージ４１のような精密な動く部
分を必要としないので、本発明による装置はきわめてシ
ンプル、コンパクト、高精度、高信頼性、かつ廉価に提
供できる。

【００２９】好ましくは、少なくとも一つの反射板２は
カメラの光軸に鉛直に設けられている。また好ましく
は、少なくとも一つの反射板２はカメラの光軸に平行に
設けられている。また好ましくは、反射板２の反射面上
に基準マーク１を配置している。

【００３０】また好ましくは、少なくとも一つの反射板
２はハーフミラーである。また好ましくは、隣接する基
準マーク１間の色、明るさ又は形状が異なるように基準
マーク１を配置している。また好ましくは、基準マーク
１の形状を所定間隔で並ぶ複数の平行線又は交差する線
分により形成している。

【００３１】また好ましくは、基準マーク１を点滅制御
可能な発光体で構成している。また好ましくは、複数の
基準マーク１をカメラの視界の周辺に対応する平面に配
置した。また好ましくは、反射板２の一部がその反射率
を可変に構成されている。上記の各具体的な構成の特徴
は以下の実施例の説明により一層明瞭になる。

【００３２】

【実施例】以下、添付図面に従って本発明による実施例
を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一
又は相当部分を示すものとする。図２は本発明の第１実
施例を示す図で、図において、１₁は基準マーク、
２₁，２₂は鏡、３は支持台、４は例えばＣＣＤによる
カメラ、５はカメラ４のマウント部材、２０は画像処理
装置、３０はホストコンピュータである。

【００３３】例えば堅固で精密に寸法仕上げした支持台
３の両内壁面に２枚の鏡２₁，２₂をその鏡面が互いに
平行で向かい合うようにミラー間隔Ｌ_Mをもって配置す
る。なお、鏡２₁，２₂を使用する代わりに支持台３の
対向する面を鏡面仕上げしても良い。一方の鏡２₂の中
央部付近には孔（不図示）が設けられており、ここにカ
メラ４を、その光軸が鏡２₁，２₂に対して鉛直となる
ように、かつその視野を鏡２₁の方向に向けて挿入し、
マウント部材５により固定する。なお、この鏡２₂の表
面には基準マークを設けていない。もう一方の鏡２₁の
表面には計測用の複数の基準マーク１₁を碁盤目状に描
いてある。かかる構成により、２枚の鏡２₁，２₂は図
１について述べたと同じ原理によりカメラ４に対して実
質的に広い仮想空間に展開された同一平面上にない多数
の測定点Ｍ，Ｉを提供する。

【００３４】画像処理装置２０は、カメラ４で読み取っ
た画像を画像メモリ（不図示）に記憶すると共に、計測
対象となっている基準マーク１₁又はその鏡像Ｉの抽出
や、、マークの中心位置の割り出し等の必要な画像処理
を行う。そして、ホストコンピュータ３０は、図１７に
ついて述べたと同様の方法でカメラパラメータのキャリ
ブレーション演算を行う。

【００３５】なお、上記の如く鏡面反射により２重、３
重に鏡像Ｉを得る構成である場合は、もし最初のミラー
間隔Ｌ_Mに誤差±ΔＺがあると、第２，第３の鏡像では
該誤差±ΔＺが２倍，４倍に拡大される恐れがある。し
かし、この支持台３には可動部分が無いので、一旦製造
すると実際のミラー間隔（Ｌ_M±ΔＺ）並びにこれによ
って形成される各鏡像Ｉの位置は常に一定である。そこ
で、例えばカメラパラメータＣ_ijの既知な標準カメラ４
を用意し、得られた〔Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈ〕^Tより数５の関
係に基づいて〔Ｘ，Ｙ，Ｚ，１〕^Tを逆算（計測）す
る。そして、求めた各深さＺと公称のミラー間隔Ｌ_Mを
２倍，４倍して得たＺとを比較することにより、誤差±
ΔＺを割り出す。特に遠点における誤差を計測すれば、
近点の誤差は計算で割り出せる。平面座標（Ｘ，Ｙ）の
誤差についても同様である。こうして本装置のユニバー
サル座標は予め高精度にキャリブレーションされ、高い
精度で維持される。

【００３６】以下に他の様々な実施例を示すが、それら
の説明においては概念図を使用して構成の特徴的な部分
を説明することとする。図３は本発明の第２実施例を示
す図である。なお、以下の各実施例の説明において特に
断らない場合は鏡２₂の表面には基準マークを設けてい
ない。図３の（Ａ）では、一方（又は両方でも良い）の
鏡２₁を支持面３に鉛直な方向Ｖから微小角Δθだけ後
方に傾けている。図１について述べた如く、２枚の鏡２
₁，２₂を平行に対向させる構成であると、基準マーク
１₁の１番目、２番目等の各鏡像Ｉ_iは一様に比較的細
かいピッチでカメラ４の光軸に向けて集中してくる傾向
がある。この傾向は例えば装置をコンパクトに構成した
ことによりミラー間隔Ｌ_Mが小さい場合等には顕著に現
れる。このため、例えば基準マーク１₁、その１番目の
鏡像Ｉ₃、その２番目の鏡像Ｉ₅等は、光軸から基準マ
ーク１₁に至る視線方向上に比較的細かいピッチで並ぶ
こととなり、画像処理装置２０でこれらのうちの必要な
一つを抽出することが困難になる。そこで、一方（又は
両方でも良い）の鏡２₁を支持面３に鉛直な方向から微
小角Δθだけ後方に傾けている。

【００３７】図３の（Ｂ）において、説明の簡単のため
に基準マークが鏡２₂の上に有る場合を説明する。鏡２
₂上の基準マークＭ_2(1m)（Ｘ₁，Ｙ_m，０）で反射す
る光のうち、鏡２₂の法線Ｈより角度θ₂で射出した光
線は、鏡２₁の法線に対して入射角（θ₂−Δθ）で入
射し、かつ反射角（θ₂−Δθ）で反射し、しかる後カ
メラ４に結像する。そして、この場合の基準マークＭ
_2(1m)（Ｘ₁，Ｙ_m，０）の１番目の鏡像Ｉ_2(1m)（Ｘ
₁，Ｙ_m，ｊＬ_M）は前記の途中の反射角がトータルで
２Δθ部減っただけトータルで２Δθ分遠く（即ち、ｊ
＞２）の方向に見えることになる。従って、この場合は
各鏡像Ｉ_iが形成されるピッチを長くできる。一方、反
射板２₂上の基準マークＭ₂₍₁₁₎（Ｘ₁，Ｙ₁，０）の
１番目の鏡像Ｉ₂₍₁₁₎（Ｘ₁，Ｙ₁，ｋＬ_M）について
は、逆にトータルで２Δθ分近く（即ち、ｋ＜２）の方
向に見えることになる。従って、この場合は各鏡像Ｉ_i
が形成されるピッチは短くなる。そこで、本実施例のよ
うなピッチの改善の目的では鏡２₂の上側の基準マーク
Ｍ及びその鏡像Ｉを基準点として使用する。鏡２₁に基
準マーク１₁を付した場合も同様の方法で考えられる。

【００３８】なお、ミラー間隔Ｌ_Mが大きく、且つΔθ
を小さくすれば、基準マークＭを鏡２₂のみに配置した
場合でも鏡２₂の上側と下側の鏡像Ｉとの間でＺ軸の方
向に（ｊ−ｋ）Ｌ_M分の差を生じさせることができる。
その結果、少ない反射回数でも異なる平面におけるより
多くの基準マークＭ，Ｉを利用できるようになる。ま
た、鏡２₁に微小な傾きΔθを生じさせるための構成と
しては、例えば鏡２ ₁の背面の支持壁３と鏡２₁の背面
との間の４隅にセラミック圧電素子等を挟み、該素子に
加える電圧により上側の２素子又は下側の２素子がその
厚みを微小に変化させるもので良い。

【００３９】図４は本発明の第３実施例を示す図であ
る。図４の（Ａ）では、鏡２₁の上下の各半面を共にΔ
θだけ反射面の後方に傾けている。従って、鏡２₁の上
下にある各基準マーク１₁の各鏡像Ｉのピッチは共に広
くなる。勿論、鏡２₁の左右の各半面を共にΔθだけ反
射面の後方に傾けるように構成しても良い。

【００４０】図４の（Ｂ）では、両方の鏡２₁，２₂の
各上下の半面を共にΔθだけ反射面の後方に傾けてい
る。勿論、一方の鏡２₁の上下の各半面を共にΔθだけ
反射面の後方に傾け、かつ他方の鏡２₂の左右の各半面
を共にΔθだけ反射面の後方に傾けるように組み合わせ
ても良い。こうすれば、鏡２₁の上下のみならず左右に
ある各基準マーク１₁の各鏡像Ｉのピッチも共に広くな
る。

【００４１】図５は本発明の第４実施例を示す図であ
る。図５の（Ａ）では、鏡２₁を傾けるための回転機構
部６と、鏡２₁の回転角を検出する検出部７とを備え
る。ホストコンピュータ３０は鏡２₁を矢印Ａ方向に任
意に回転させることにより、基準マーク１₁又はその鏡
像Ｉの形成される位置を所望の位置に設定できる。

【００４２】図５の（Ｂ）では、鏡２₁，２₂を移動機
構部８上にセットし、例えば鏡２₁をユニバーサル座標
系のＺ軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に支持してい
る。こうすれば、鏡２₁を移動し、ミラー間隔Ｌ_Mを変
えることで、ユニバーサル座標系の任意の位置に基準マ
ーク１₁とその鏡像Ｉを設定できる。この場合に、ミラ
ー間隔をΔＬ_Mだけ増すと、１回反射した鏡像Ｉは２Δ
Ｌ_Mだけ遠くなるので、鏡２₁の僅かな移動でもＺ軸方
向により深く展開した基準点が得られる。この場合に、
図５の（Ａ）の場合と同様にして、移動機構部８と位置
検出部（不図示）とをホストコンピュータ３０で制御す
るように構成しても良い。

【００４３】図６は本発明の第５実施例を示す図であ
る。図６の（Ａ）では、支持台３上に固定された鏡
２₁，２₂に対してカメラ４がカメラ座標系のｚ軸（矢
印Ｃ）方向に平行移動できるような移動機構部９を備え
ている。一般に、カメラ４には撮影範囲（画角等）があ
るので、このような構成とすることによりカメラ４をキ
ャリブレーションしたい範囲に容易にセットできる。

【００４４】図６の（Ｂ）では、単一の基準マーク１₁
を有する鏡２₁が回転機構部１０により鏡２₂の前面で
該鏡２₂の反射面と平行に矢印Ｄ方向に回転可能に構成
されている。この場合に、好ましくは、回転機構部１０
の回転軸と、カメラ４の光軸とが略一致するように設け
る。まず回転機構部１０を図示の位置で止めた状態で、
基準マーク１₁とその幾つかの必要な鏡像Ｉの画像を取
り込む。ここでは、基準マーク１₁が一つしかないの
で、その鏡像Ｉも基準マーク１₁によるもののみであ
る。従って、他の基準マークによる鏡像の干渉を受ける
ことが無く、よって必要な鏡像Ｉの抽出が容易である。
次に回転機構部１０を所定角度だけ矢印Ｄ方向に回転さ
せ、上記同様にして基準マーク１₁とその幾つかの必要
な鏡像Ｉの画像を取り込む。こうして回転機構部１０が
１回転すればカメラキャリブレーションに必要な全情報
が得られる。

【００４５】図７は本発明の第６実施例を示す図であ
る。図７の（Ａ）では、２枚の鏡２₁，２₂を平行に対
向させると共に、これらの反射面がカメラ４の光軸と平
行になるように配置している。こうすれば、基準マーク
１₁で反射する光のうち、鏡２₁の法線Ｈと角度θ₁を
もって射出する光線はカメラ４に直接入射する。他の基
準マーク１₁についても同様である。従って、この実施
例では各基準マーク１₁を直接計測するだけでも異なる
９個の基準点を使用できる。また、基準マーク１₁で反
射する光のうち、鏡２₁の法線Ｈと角度θ₂をもって射
出する光線は、鏡２₂の法線Ｈに対して入射角θ₂で入
射し、反射角θ₂で反射し、しかる後にカメラ４に入射
する。即ち、この場合の基準マーク１₁の鏡像Ｉ₁は鏡
２₂の裏側の距離Ｌ_Mの位置に形成される。従って、各
基準マーク１₁の一番目の鏡像Ｉを計測することで更に
異なる９個の基準点を使用できる。

【００４６】なお、基準マーク１₁の２回反射の鏡像Ｉ
については上記の１回反射の鏡像Ｉ ₁よりも更に図の上
側に形成されることになる。即ち、カメラ４の視野から
外れる方向である。他の基準マーク１₁についても同様
である。従って、この第６実施例による場合は各鏡像Ｉ
が光軸より外側に発散する傾向にある。図７の（Ｂ）で
は、上記の鏡２₁，２₂の構成に加えて、更に２枚の鏡
２₃，２₄を平行に対向させると共に、これらの反射面
がカメラ４の光軸と平行になるように配置している。一
般に、カメラキャリブレーションにおいては、光軸の回
りで偏りがないように計測点を選ぶのが好ましいから、
図７の（Ｂ）の構成はこの点を十分に満足している。

【００４７】なお、上記図７の（Ｂ）の構成に加え、更
に、カメラ４の光軸と鉛直で、かつその反射面をカメラ
４の方に向けた第５の鏡２₅を設けても良い。こうすれ
ば、鏡２₄の鏡像は鏡２₅の作用によって鏡２₄´の位
置に形成される。即ち、カメラ４はこれをみることによ
ってＺ軸方向に展開された更に９個の基準点を使用でき
ることになる。他の鏡２₁〜２₃についても同様であ
る。この場合に形成される鏡像は所謂万華鏡を覗いてい
る感覚によって理解できる。勿論、各鏡２を３角柱状に
構成しても良い。

【００４８】かくして、本発明の基本思想は、平面に配
置した１又は２以上の基準マーク１の像を複数の反射板
２によってカメラの視野内に導くものであるから、各反
射面は鏡２₁と２₂との場合のように平行な関係でも良
く、又は鏡２₄と２₅との場合のように直角な関係でも
良い。従って、この点に関し更に異なる様々な具体的実
施例を示さなくとも、本発明思想を逸脱しない範囲内で
様々な変形が考えられる。

【００４９】図８は本発明の第７実施例を示す図であ
る。図８の（Ａ）では、一方の鏡をハーフミラー２₃に
することで、カメラ４をハーフミラー２₃の後方に配置
することを可能にしている。こうすれば、対向する鏡２
₁とハーフミラー２₃との間にカメラ４を挿入する必要
が無い。しかも、カメラ４自身が鏡２₁に写ることがな
くなり、従って、鏡２₁の全基準マーク１₁及びそれら
の鏡像Ｉを良好（一様）な光学的条件で計測できる。更
に、ハーフミラー２₃の加工及びこれを支持する支持台
３の加工が容易であり、かつ支持台３にカメラ４を取り
付ける作業等が容易になる。

【００５０】図８の（Ｂ）では、２枚の鏡２₁，２₂を
向かい合わせ、その両方に基準マーク１₁，１₂を設け
ている。こうすれば、図１について説明した如く、基準
マーク１₁及びその鏡像Ｉはミラー間隔Ｌ_Mの奇数倍の
距離にあり、基準マーク１₂及びその鏡像Ｉはミラー間
隔Ｌ_Mの偶数倍の距離にある。従って、トータルではミ
ラー間隔Ｌ_Mの整数倍の深さの各計測点を利用できる。

【００５１】図９は本発明の第８実施例を示す図であ
る。図９の（Ａ）では、対向する２枚の鏡２₁，２₂の
間に透明のガラス板２₄を平行に配置し、このガラス板
２₄に複数の基準マーク１₁を配置している。こうすれ
ば図８の（Ｂ）の構成と同様に計測点の数を増やすこと
ができる。図９の（Ｂ）では、鏡２₂とハーフミラー２
₃を対向させると共に、ハーフミラー２₃の後方に例え
ば不透明なマーク板１１を平行に設けている。こうすれ
ば、基準マーク１₁の像はハーフミラー２₃を通過して
カメラ４に直接読み取られる。また基準マーク１₁の像
は鏡２₂で反射し、更にハーフミラー２₃で反射するこ
とにより、上記の対向する２枚の平行の鏡２₁，２₂に
おけると同等の作用により、次々に鏡像Ｉが形成され
る。

【００５２】なお、一例のマーク板１１は白地に黒点マ
ーク、又は黒字に白点マークをプリントしたようなもの
で良い。このようなマーク板１１は鏡面加工の必要が無
いので、製造容易であり、よって様々なマークパターン
を容易にプリントでき、これらのマーク板１１を自由に
交換できるように構成できる。例えば、基準マーク１ ₁
を一個づつ場所を代えてプリントしたものを次々に交換
して計測を行うことができる。

【００５３】図１０は本発明の第９実施例を示す図であ
る。図１０の（Ａ）では、鏡２₁の反射面に設けた基準
マーク１₁が反射面上を平行移動できるようになってい
る。例えば反射面上にレールを設け、該レールの溝と嵌
合するように設けた基準マーク１₁はレール上を所定の
摩擦を伴って移動できると共に、その位置に固定され
る。又は、鏡２₁の裏面に鉄板を設け、磁性を持たせた
基準マーク１₁は鏡２₁の反射面上で任意の位置にセッ
トできる。カメラ系によっては、様々なマークの配置パ
ターンが要求されるので、図１０の（Ａ）の構成はこの
要求を十分に満足する。

【００５４】図１０の（Ｂ）では、２枚の向かい合う鏡
２₁，２₂によって作られる空間を密閉するよに支持台
３そのものを構成するか、又は支持台３に覆いを付ける
ように構成している。こうすれば、各基準マーク１₁以
外の鏡像ができるのを防止でき、各基準マーク１₁及び
その各鏡像Ｉの抽出を容易にする。この場合の基準マー
ク１₁は蛍光材で形成するか、又は後述する如く発光体
で形成する。

【００５５】図１１は本発明の第１０実施例を示す図で
ある。図１１の（Ａ）では、基準マーク１₁を内部を塗
りつぶしていない円とすることで、画像処理装置２０に
おける基準マーク像の抽出を容易かつ確実にしている。
基準マークが点であると、他のノイズと区別が付かず、
誤認識の恐れがある。この点、内部を塗りつぶしていな
い円は、それ自体がマークとして特徴ある形状であり、
中心（重心）座標の検出も正確に行える。

【００５６】図１１の（Ｂ）では、隣合う基準マーク１
₁の形状や色を変えることで、隣合う基準マーク１₁及
びその鏡像Ｉの区別を容易にしている。上記の如く鏡２
₁，２₂が平行に対向する構成では、各基準マーク１₁
の鏡像Ｉが光軸に集中してくる傾向がある。そこで、隣
合う基準マーク１₁の形状や色を変えておけば、夫々に
何番目の鏡像Ｉであるかを認識し易いし、他の基準マー
クの鏡像と取り違える心配も少ない。

【００５７】図１２は本発明の第１１実施例を示す図で
ある。図１２の（Ａ）では、基準マーク１₁を所定間隔
で並ぶ平行な線分により構成している。こうすれば、オ
リジナルの基準マーク１₁よりも１番目の鏡像が遠くに
あるので、それだけ線分間隔が短くなり、よってオリジ
ナルの基準マーク１₁と区別し易い。同様に、１番目の
鏡像よりも２番目の鏡像が遠くにあるので、更に線分間
隔が短くなり、よって１番目の鏡像と区別し易くなる。
所定間隔で並ぶ平行な線分からはこのような長さに関す
る情報を得やすい。

【００５８】図１２の（Ｂ）では、基準マーク１₁を内
部を塗りつぶした黒又は白い円（点よりも大きい）とし
ている。円によるマークは角が欠けたりすることもない
のでそれ自体が丈夫である。また円の重心を求めること
でその中心座標を正確に割り出せる。また、遠くなるほ
ど面積が小さくなるので何番目の鏡像かを容易に区別で
きる。また、鏡面上の像が無い部分は一般に黒いと考え
られるので、マークに白い円を用いれば強いコントラス
トが得られる。

【００５９】図１３は本発明の第１２実施例を示す図で
ある。図１３の（Ａ）では、基準マーク１₁を互いに交
差する所定長の線分により構成している。こうすれば、
基準マーク１₁の鏡像が遠くにでき、このために像サイ
ズが小さくなっても、マークをノイズと区別し易い。ま
た、その交点から中心座標も正確に検出できる。

【００６０】図１３の（Ｂ）では、基準マーク１₁に様
々な色を付けている。カラーカメラのキャリブレーショ
ンを行う場合は、マークの抽出を容易にできる。また、
各マークを色分けすればマーク間の区別も容易である。
図１４は本発明の第１３実施例を示す図である。図１４
の（Ａ）では、基準マーク１₁を内部を塗りつぶさない
（又は塗りつぶしても良い）四角形にしている。このよ
うな四角形にも長さの情報が良く含まれているので、マ
ーク間の区別がし易い。

【００６１】図１４の（Ｂ）では、基準マーク１₁を発
光ダイオード（ＬＥＤ）により構成している。各マーク
光源の発光輝度を変えることでマーク間を区別し易すく
なる。またコンピュータ３０の制御により、ＬＥＤドラ
イバ１２を介して、所望の計測点のＬＥＤ１₁のみを点
灯制御できる。さらに鏡２₁，２₂の回りを遮光物で覆
った状態では、外来光ノイズを遮断した高信頼性の計測
が行える。

【００６２】なお、基準マーク１₁をレーザダイオード
で構成しても良い。一例のレーザダイオード（不図示）
のレーザビームは鏡２₁の法線Ｈの方向にのみ直進する
ので、カメラ４はオリジナルの基準マーク１₁を直接に
見ることはできない。しかし、基準マーク１₁のビーム
の射出角に適当な広がりを与えてやれば鏡像Ｉを形成で
きる。この実施例では、例えば２回，４回の反射で形成
される鏡像はカメラ４の視野に入らないためにカメラ４
ではこれらの鏡像を見ることはできない。しかし、例え
ば６回以上の反射により形成される鏡像はカメラ４の視
野に入ってくる。従って、この実施例の構成は特に遠点
の基準点を計測する用途に適している。しかも、レーザ
ビームの拡散、及び減衰は少ないので、遠点の基準点を
正確に計測できる。また、レーザビームの射出広がり角
を制御すればカメラ４で計測できる鏡像Ｉの距離、数等
を制御できる。

【００６３】また、更に他の例のレーザダイオード（不
図示）のレーザビームは、鏡２₁の法線Ｈ方向よりも僅
かにカメラ４の光軸方向に向かって射出され、かつ該ビ
ームは広がりを持たずに直進する。この場合は、カメラ
４は例えば丁度ｎ回反射した鏡像のみを見ることができ
る。そして、例えばその隣のレーザダイオードのレーザ
ビームは同様にして鏡２₁の法線方向よりも僅かに（但
し、前者とは少し異なる角度で）カメラ４の光軸方向に
向かって射出され、かつ該ビームは広がりを持たずに直
進する。この場合は、カメラ４は例えば丁度（ｎ＋２）
回反射した鏡像のみを見ることができる。かくして、こ
れらの複数のレーザスポッットの各鏡像はカメラ４の位
置から異なる距離に点在する星のように仮想空間中に点
在することになる。

【００６４】図１５は本発明の第１４実施例を示す図で
ある。図１５の（Ａ）では、基準マーク１₁を鏡２₁の
周辺に配置すると共に、画像処理装置２０においてウィ
ンドウ領域Ａ，Ｂを設定し、その中の像を抽出するよう
にしている。鏡、マーク、カメラの配置等が決まれば、
基準マーク１₁のｎ番目の鏡像Ｉ_nが何処の領域に見え
るかはおおよそ検討がつく。図の例では１番目（２回反
射）の鏡像はＡ領域内に、２番目（４回反射）の鏡像は
Ｂ領域内に見える。そこで、例えば画像処理装置２０内
においてウィンドウ領域Ａ，Ｂを設定することで、Ａ領
域内にあるマーク像は１番目の鏡像、Ｂ領域内にあるマ
ーク像は２番目の鏡像と区別できる。

【００６５】図１５の（Ｂ）では、画像処理装置２０は
基準マーク１₁の各鏡像のコントラストの強弱に従って
何番目の鏡像かを判別している。オリジナルの基準マー
ク１ ₁の像はカメラ４に直接入力するのでコントラスト
が強い。一方、その各鏡像は鏡２₁，２₂で反射を重ね
る度にコントラストが弱まる。図１６は本発明の第１５
実施例を示す図である。

【００６６】図１６の（Ａ）では、鏡像におけるコント
ラストの減衰を積極的に起こすように鏡２₁及び又は２
₂の反射率を低下させている。図１６の（Ｂ）では、鏡
２₁の表面に例えば液晶板１３を設け、コンピュータ３
０よりＬＣＤドライバ１４を介して液晶板１３の透過率
を制御することにより、鏡２₁の反射率を部分的に制御
できるようになっている。例えば、領域Ｄを透過率
「１」、即ち、透明とし、かつ領域Ｅを透過率「０」、
即ち、不透明にすることで、領域Ｄに見える鏡像を領域
Ｅに見えるはずの鏡像の邪魔無しに計測できる。次いで
領域Ｄ及びＥを透明にすることで、領域Ｅに見える鏡像
を計測する。また、液晶の制御パターンを変えること
で、例えば１個の基準マーク１₁と、その鏡像Ｉのみが
見えるように制御することも可能である。勿論、基準マ
ーク１₁そのものを液晶マークで形成しても良い。

【００６７】なお、上記実施例では本発明による幾つか
の特徴的な構成を示したが、本発明思想を逸脱しない範
囲内で、各構成要素の様々な変更、及び各構成要素の様
々な組合せが可能である。また、上記実施例ではＣＣＤ
によるカメラ４を使用したが、本発明によるカメラキャ
リブレーション装置はビジコン等の他の撮像方式による
カメラにも適用できる。

【００６８】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、平面に
配置した１又は２以上の基準マーク１と、前記基準マー
ク１の像をカメラの視野内に導くための複数の反射板２
であって、それらの反射面を平行又は所定の角度をもっ
て対向させたものとを備えるので、現実にはこの装置は
比較的に狭いスペース（ミラー間スペースＬ_M）しか占
有していないにも係わらず、対向する鏡の相互反射を利
用することにより、実質的には広い仮想空間に多数の同
一平面上にない測定点Ｉを展開できる。しかも、動く部
分を必要としない。従って、小型、かつ単純な構造で、
高い精度のカメラキャリブレーションが行えるカメラキ
ャリブレーション装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の原理を説明する図である。

【図２】図２は本発明の第１実施例を示す図である。

【図３】図３は本発明の第２実施例を示す図である。

【図４】図４は本発明の第３実施例を示す図である。

【図５】図５は本発明の第４実施例を示す図である。

【図６】図６は本発明の第５実施例を示す図である。

【図７】図７は本発明の第６実施例を示す図である。

【図８】図８は本発明の第７実施例を示す図である。

【図９】図９は本発明の第８実施例を示す図である。

【図１０】図１０は本発明の第９実施例を示す図であ
る。

【図１１】図１１は本発明の第１０実施例を示す図であ
る。

【図１２】図１２は本発明の第１１実施例を示す図であ
る。

【図１３】図１３は本発明の第１２実施例を示す図であ
る。

【図１４】図１４は本発明の第１３実施例を示す図であ
る。

【図１５】図１５は本発明の第１４実施例を示す図であ
る。

【図１６】図１６は本発明の第１５実施例を示す図であ
る。

【図１７】図１７は従来のカメラキャリブレーション装
置を説明する図である。

【符号の説明】

１₁，１₂ 基準マーク２₁，２₂ 反射板２₃ ハーフミラー２₄ ガラス板３支持台４カメラ４₁ 仮想結像面４₂ レンズ５マウント部材６，１０回転機構部７検出部８，９移動機構部１１マーク板１２ＬＥＤドライバ１３液晶板１４ＬＣＤドライバ２０画像処理装置３０ホストコンピュータ４１ステージ４２モータ４３計測板４４基準マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の基準マークと、カメラに結像した
それらの像との位置関係に基づいてカメラパラメータの
キャリブレーションを行うカメラキャリブレーション装
置において、平面に配置した１又は２以上の基準マーク（１）と、前記基準マーク（１）の像をカメラの視野内に導くため
の複数の反射板（２）であって、それらの反射面を平行
又は所定の角度をもって対向させたものとを備えること
を特徴とするカメラキャリブレーション装置。
【請求項２】少なくとも一つの反射板（２）はカメラ
の光軸に鉛直に設けられていることを特徴とする請求項
１のカメラキャリブレーション装置。
【請求項３】少なくとも一つの反射板（２）はカメラ
の光軸に平行に設けられていることを特徴とする請求項
１のカメラキャリブレーション装置。
【請求項４】反射板（２）の反射面上に基準マーク
（１）を配置したことを特徴とする請求項１のカメラキ
ャリブレーション装置。
【請求項５】少なくとも一つの反射板（２）はハーフ
ミラーであることを特徴とする請求項１のカメラキャリ
ブレーション装置。
【請求項６】隣接する基準マーク（１）間の色、明る
さ又は形状が異なるように基準マーク（１）を配置した
ことを特徴とする請求項１のカメラキャリブレーション
装置。
【請求項７】基準マーク（１）の形状を所定間隔で並
ぶ複数の平行線又は交差する線分により形成したことを
特徴とする請求項１のカメラキャリブレーション装置。
【請求項８】基準マーク（１）を点滅制御可能な発光
体で構成したことを特徴とする請求項１のカメラキャリ
ブレーション装置。
【請求項９】複数の基準マーク（１）をカメラの視界
の周辺に対応する平面に配置したことを特徴とする請求
項１のカメラキャリブレーション装置。
【請求項１０】反射板（２）の一部がその反射率を可
変に構成されていることを特徴とする請求項１のカメラ
キャリブレーション装置。