JP2021025868A - Stereo camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はステレオカメラに関する。 The present invention relates to a stereo camera.
ステレオカメラは画像による視覚的情報と共に対象物までの距離情報が取得できるため、自動車周辺の様々な対象物(人や車等の障害物、白線(車線等)、路面、信号、標識、他車両のテールランプやヘッドライト等)を詳細に把握できる。こうしたステレオカメラによる各種物体認識や測距に要求される精度は、車両の自動制御の社会的認知度の向上により高まっている。 Since the stereo camera can acquire the distance information to the object as well as the visual information by the image, various objects around the car (obstacles such as people and cars, white lines (lanes, etc.), road surface, signals, signs, other vehicles (Tail lamps, headlights, etc.) can be grasped in detail. The accuracy required for various object recognition and distance measurement by such a stereo camera is increasing due to the improvement of social recognition of automatic control of vehicles.
ステレオカメラの測距精度を低下させる一つの要因として自動車のフロントガラスがある。フロントガラスは曲面状に形成され、またフロントガラスの表面には微細な凹凸がある。これに起因してフロントガラスにおける光の屈折が大きくなると、ステレオカメラによる測距に影響する。 One of the factors that reduce the distance measurement accuracy of stereo cameras is the windshield of automobiles. The windshield is formed in a curved shape, and the surface of the windshield has fine irregularities. If the refraction of light on the windshield becomes large due to this, it affects the distance measurement by the stereo camera.
車両に搭載されたステレオカメラに関し、測距誤差を補正するエイミング(較正)に関する様々な技術が提案されている。例えばガラスがある状態とない状態の撮影結果から較正パラメータを求める例が知られている(特許文献1)。またレーザ測距計でチャートの設置誤差を計算して較正パラメータを求める例も知られている(特許文献2)。 Various techniques related to aiming (calibration) for correcting distance measurement errors have been proposed for stereo cameras mounted on vehicles. For example, there is known an example in which calibration parameters are obtained from the shooting results with and without glass (Patent Document 1). There is also known an example in which a laser range finder is used to calculate a chart installation error to obtain calibration parameters (Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1,2の技術は標準画角(例えば水平画角45°程度)における測距誤差の補正を前提とており、水平画角80°を超える広角域の測距誤差の補正について何等考慮されていない。画角が広角になるほどフロントガラスを通過する際の光路の屈折による視差ずれが大きくなる。視差ずれが著しく大きくなると、そのままでは画像処理でソフト的に補正しきれなくなる。
However, the techniques of
本発明の目的は、車両の窓に起因して視差ずれが顕著化する広角域を含めて精度良く測距できるステレオカメラを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a stereo camera capable of accurately measuring a distance including a wide-angle range in which parallax deviation becomes remarkable due to a vehicle window.
上記目的を達成するために、本発明は、左カメラと右カメラとを含んで構成され、光透過性部材で形成された窓を介して車両の外界を撮影するステレオカメラにおいて、同一の光点から前記窓を透過して前記左カメラ及び前記右カメラの撮像素子に結像する光路の前記窓を透過する前後のオフセット量の最大値が前記左カメラ及び前記右カメラの互い光軸が平行である場合と比較して減少するように、前記左カメラ及び前記右カメラの光軸が互いに傾斜している。 In order to achieve the above object, the present invention includes a left camera and a right camera, and has the same light spot in a stereo camera that captures the outside world of a vehicle through a window formed of a light transmitting member. The maximum value of the offset amount before and after passing through the window of the optical path that passes through the window and forms an image on the image pickup elements of the left camera and the right camera is such that the optical axes of the left camera and the right camera are parallel to each other. The optical axes of the left camera and the right camera are tilted from each other so as to decrease as compared with a certain case.
本発明によれば、車両の窓に起因して視差ずれが顕著化する広角域を含めて精度良く測距できる。 According to the present invention, it is possible to measure the distance with high accuracy including a wide-angle range in which the parallax deviation becomes remarkable due to the window of the vehicle.
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
−ステレオカメラ−
図1は本発明の一実施形態に係るステレオカメラ100の概略構成を示すブロック図である。同図に示したステレオカメラ100は車両の運転室内に設置され、光透過性部材(本実施形態ではガラス)で形成された窓W(図4)を介して車両の外界を撮影し、車外の物体を認識しその物体までの距離を測定する。窓Wは代表的には車両の運転室のフロントガラスであり、車内から車外に向かって凸形状に僅かに湾曲している場合が多い。本実施形態で単に「車両」と記載した場合には、このステレオカメラ100を搭載した車両を意味することとする。ステレオカメラ100で認識される車外の物体としては、代表的には、人や車等の障害物、白線(車線等)、路面、信号、標識、他車両のテールランプやヘッドライト等が挙げられる。ステレオカメラ100はまた、車外の物体の認識結果に基づいて、車両を運転するドライバーに警告をしたり、場合によっては自車両のブレーキやステアリング等を制御したりする機能を備える場合もある。本実施形態のステレオカメラ100には、車両工場等で測距誤差の補正パラメータを計算するエイミング機能が備わっている。
-Stereo camera-
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
ステレオカメラ100は、左カメラ11、右カメラ12及びコンピュータユニット20を含んで構成されている。ステレオカメラ100には、左カメラ11及び右カメラ12に加え、更に別のカメラ(不図示)が備えられる場合もある。コンピュータユニット20は、少なくとも1つの記憶装置21と少なくとも1つのCPU22とを含んで構成されている。
The
記憶装置21は、例えばCPU22で得られた撮影画像や視差値、左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度、制御に必要な各プログラムやデータを記憶するものである。その他、左カメラ11及び右カメラ12に対して設定の位置関係で設置したエイミング用の規定のチャート(例えば図8)についてのステレオカメラ100に対する既知の位置情報、左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度も記憶装置21に記憶されている。この記憶装置21には、ROM、RAM等の半導体メモリやハードディスク等の磁気記憶装置を用いることができる。メモリカード等の抜き差し可能な記憶媒体を記憶装置21として用いることもできる。また、記憶装置21は単一の記憶装置で構成することも複数の記憶装置で構成することもできる。
The
CPU22は記憶装置21に記憶されたプログラムをロードして各種演算処理を実行する回路である。CPU22により、チャート(例えば図8)を撮影して得られた視差値の実測値と理論値との差分が、左カメラ11及び右カメラ12の光軸の角度設定後に残存する視差ずれの補正パラメータとして演算される(エイミングが実行される)。視差値の理論値は、窓Wがない状態でチャートを撮影すれば得られるはずの視差値であり、左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度に基づいてチャートの既知の設置情報からCPU22によって光路シミュレーションにより計算される。このエイミングを経て、CPU22は、車両走行中等に補正パラメータにより左カメラ11及び右カメラ12の撮影画像から実測される視差値を補正する。これにより、被写体と左カメラ11及び右カメラ12との間に車両の窓が介在することによる視差ずれが補正され、対象物までの真の距離が精度良く計算できる。
The
CPU22は、画像入力インタフェース23、画像処理回路24、演算処理回路25、CANインタフェース26、制御処理回路27等の各処理部を含んで構成されている。CPU22は単一である場合も複数である場合もある。つまり、画像入力インタフェース23、画像処理回路24、演算処理回路25、CANインタフェース26、制御処理回路27は、それぞれ別個のCPU22で構成される場合もあるが、これらのうち複数が同一のCPU22で構成される場合もある。画像入力インタフェース23は左カメラ11及び右カメラ12に、CANインタフェース26はCAN(Controller Area Network)30に接続されている。画像入力インタフェース23、画像処理回路24、演算処理回路25、記憶装置21、CANインタフェース26、制御処理回路27は、内部バス28を介して互いに接続されている。
The
画像入力インタフェース23は、記憶装置21に記憶されたプログラムに従って左カメラ11と右カメラ12を制御し、左カメラ11及び右カメラ12による撮影画像のデータをそれぞれ逐次取り込む。この画像入力インタフェース23により取り込まれた撮影画像のデータは、内部バス28を介して画像処理回路24や演算処理回路25に入力され、また必要に応じて記憶装置21に記憶される。
The image input interface 23 controls the
画像処理回路24は、左カメラ11及び右カメラ12で撮影された同一時刻の左右の撮影画像を比較し、左右の撮影画像についてカメラに起因する(例えば撮像素子の傾きやレンズの各種収差による)偏差を補正したりノイズ補間をしたりする。左右の撮影画像とは、左カメラ11による撮影画像と右カメラ12による撮影画像のことである。画像処理回路24で補正された左右の撮影画像は記憶装置21に記憶される。更に左右の撮影画像において相互に対応する部位を割り出し、各部位について視差値(左右の撮影画像上の位置のずれ量)を計算して、視差値を含んだ視差画像を生成して記憶装置21に記憶する。
The
演算処理回路25は、記憶装置21に記憶された撮影画像及び視差値に基づき、車両周辺の各種物体を認識する。各種物体とは、前述した通り、例えば、人や車等の障害物、白線(車線等)、路面、信号、標識、他車両のテールランプやヘッドライト等である。これら物体の認識結果や中間的な計算結果は記憶装置21に記憶される。演算処理回路25はまた、撮影画像に基づく各種物体の認識結果に応じて車両への指令信号(例えばブザーやブレーキ、ステアリング等の制御値)を計算する。
The
CANインタフェース26は、外部車載ネットワークであるCAN30を介してステレオカメラ100の出力情報(指令信号や物体認識結果等)を車両の制御システム(不図示)に出力する。
The
制御処理回路27は、異常動作を防止すべく、CPU22で構成される各回路が異常動作を起こしていないか、データ転送時にエラーが発生していないか等を監視する。
In order to prevent abnormal operation, the
−処理全容−
図2の本実施形態に係るステレオカメラ100による製造時、設置時及び使用時における処理を表すブロック図である。同図に示した通り、ステレオカメラ100により実行される処理には、このステレオカメラ100の製造時に実行される処理、車両に対する設置時に実行される処理(エイミング)、納車後の走行時等に実行される処理が含まれる。
-Full processing-
It is a block diagram which shows the process at the time of manufacturing, installation, and use by the
本実施形態のステレオカメラ100の製造プロセスには、特徴的な工程として光軸調整S11及び光学情報算出S12の工程が含まれる。車両の窓を通して撮影されることによる視差ずれ(視差の誤差、図5)を光軸調整S11によって構造的に抑える(図6)ことを目的としている。この製造時の工程は、例えばステレオカメラ100の製造工場で実施される。製造時の処理の詳細については図3−図6を用いて後述する。
The manufacturing process of the
製造したステレオカメラ100は車両の運転室内において規定の場所に規定の姿勢で設置される。この設置時にステレオカメラ100のエイミングが実施される。車両の窓を通して撮影されることによる視差ずれを製造時の光軸調整S11で構造的に抑えた上で、光軸調整S11で抑えきれずに残存する視差ずれを補正するための補正パラメータを演算することが、設置時のエイミング工程の目的である。この設置時のエイミング工程には、撮像S21、画像補正S22及び補正差分算出S25の各工程が含まれる。この設置時の各工程については、図7−図9を用いて後述する。
The manufactured
その後は、ステレオカメラ100を装着した車両の走行時、左カメラ11及び右カメラ12の撮影画像から実測される視差値を補正パラメータにより補正して車両の外界の情報を計算する。この走行時の工程には、撮像S31、画像処理S32,S33、視差計算S34の工程が含まれる。走行時の工程については、図10を用いて後述する。
After that, when the vehicle equipped with the
−製造時(光軸調整)−
図3は本実施形態における光軸調整S11及び光学情報算出S12の工程をイメージした模式図である。図2に示した光軸調整S11の工程では、ステレオカメラ100を組み立てる際に互いの光軸が非平行になる(本実施形態では無限遠に向かって水平方向にやや開く)ように左カメラ11及び右カメラ12が組み付けられる。その際の左カメラ11及び右カメラ12の設置角度(光軸角度)は車両情報I1に基づく光路シミュレーション(後述)により予め設定されている。車両情報I1に基づく光路シミュレーションにより左カメラ11及び右カメラ12の光軸の角度が規定されている点が1つの特徴である。光軸調整S11の工程では、左カメラ11及び右カメラ12がシミュレーションにより求められた光軸角度となるようにステレオカメラ100が組み立てられる。
-Manufacturing (optical axis adjustment)-
FIG. 3 is a schematic view imagining the steps of the optical axis adjustment S11 and the optical information calculation S12 in the present embodiment. In the process of the optical axis adjustment S11 shown in FIG. 2, the
車両情報I1は、例えば窓W(図4)の曲率、窓Wの曲率半径、窓Wの厚み、窓Wの屈折率、車両に設置したステレオカメラ100と窓Wとの設計上の位置関係(例えば距離や角度)等の情報であり、記憶装置21に記憶されている。窓Wの曲率や曲率半径は、例えば左カメラ11及び右カメラ12の光軸を含む平面と窓Wとの交線の曲率や曲率半径である。ステレオカメラ100は、例えば車両前方の撮影に用いる場合、水平断面で見て窓Wに対して所定距離を開けて正面を向くように設置される。例えば、左右の光軸Axの角の二等分線Ax’が車両の直進方向を向く姿勢でステレオカメラ100が所定位置に設置される。左右の光軸とは、左カメラ11の光軸と右カメラ12の光軸のことである。
The vehicle information I1 includes, for example, the curvature of the window W (FIG. 4), the radius of curvature of the window W, the thickness of the window W, the refractive index of the window W, and the design positional relationship between the
図3では、左右のカメラの一般的な光軸(左右のカメラで平行な光軸)が破線矢印で表してある。同図に示したように、本実施形態では、左カメラ11及び右カメラ12の光軸Ax(実線)は無限遠に向かって(同図中では上方に向かって)左右に離れる方向に互いに傾斜している。左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度は特に窓Wの形状に応じて設定されており、図3では誇張してあるが左右の光軸Axのなす角度は0度より大きく1度未満(例えば数分程度)である。光軸Axは左右のカメラのレンズ13の中心を通り、撮像素子(例えばCMOS)14の受光面に中心で直交する。ステレオカメラ100の左カメラ11及び右カメラ12の画角は超広角であり、左カメラ11及び右カメラ12の互いの撮影画像によるステレオ視の水平画角(左右のカメラの撮影画像の重複領域の水平画角)は80度以上(本実施形態では150度以上)である。
In FIG. 3, the general optical axes of the left and right cameras (optical axes parallel to the left and right cameras) are represented by dashed arrows. As shown in the figure, in the present embodiment, the optical axes Ax (solid line) of the
図2に示した光学情報算出S12の工程では、光軸調整後の左カメラ11及び右カメラ12の光学特性情報I2及び光軸情報I3が計算により特定される。光学特性情報I2及び光軸情報I3の計算は、ステレオカメラ100の内部処理でありCPU22(画像処理回路24)により実行される。具体的には、左カメラ11及び右カメラ12で例えば幾何学的な被写体を撮影し、例えば画像処理回路24で画像処理を実行することにより、撮影画像から光学特性情報I2と光軸情報I3とが計算される。光学特性情報I2には、左カメラ11及び右カメラ12のそれぞれのレンズ13の歪曲収差(例えば樽型歪み)等の諸収差の補正に使用する補正パラメータが含まれる。また、光軸情報I3には、光軸調整後の左カメラ11及び右カメラ12の実際の光軸の角度情報が含まれる。
In the process of optical information calculation S12 shown in FIG. 2, the optical characteristic information I2 and the optical axis information I3 of the
−光路シミュレーション−
図4は窓による視差ずれの発生原理を説明する模式図である。ここでは単純のためにピンホールモデルを用いて説明する。まず、光点P0から出て光路L0を通って窓Wに入射する光線を考える。窓Wは平面視で運転室から外界に向かって凸となる曲率を有していることとする。窓Wの材質と空気の屈折率の違いから光路L0は屈折点P1,P2で屈折する。その結果、光点P0から出た光は、光路L0に対してオフセットした光路L1を通り、左カメラ11及び右カメラ12のピンホールP3を介して左右のカメラの撮像素子S0の受光面上の結像点P4に結像する。このように光路L0を通る光線は、窓Wを透過する際にオフセットして光路L1を通って左右の受光面の結像点P4に入射することから、左右の撮影画像上の視差X1+X2に基づいて入射光の出所は光点P0’にあるように見える。つまり、現実には撮像素子S0から距離y0の光点P0に存在する物体が、窓Wを通して撮影することで見かけ上の光点P0’にあるように見え、そのままでは光点P0までの距離がy0’であると誤って認識されてしまう。
-Optical path simulation-
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the principle of parallax shift due to the window. Here, for the sake of simplicity, a pinhole model will be used for explanation. First, consider a light ray that comes out of the light point P0, passes through the optical path L0, and enters the window W. It is assumed that the window W has a curvature that is convex from the driver's cab toward the outside world in a plan view. The optical path L0 is refracted at the refraction points P1 and P2 due to the difference between the material of the window W and the refractive index of air. As a result, the light emitted from the light spot P0 passes through the optical path L1 offset with respect to the optical path L0, passes through the pinhole P3 of the
そこで、本実施形態では、理想的な結像点P4’に対する結像点P4の位置ずれ(視差ずれΔX1,ΔX2)を、窓Wの曲率や屈折率、窓Wとステレオカメラ100との位置関係等の車両情報I1に基づいてシミュレーション計算する。結像点P4’は、窓Wによる屈折がなければ、光点P0から出てそれぞれ光路L0を進行する光が入射する左右の撮像素子S0の受光面上の座標である。シミュレーションでは、視差ずれΔX1+ΔX2の計算をステレオ画角内の各光点P0について左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度を変えながら実行し、視差ずれΔX1+ΔX2の最大値が最も小さくなる最適な光軸角度を特定する。こうして光路をシミュレーションすることで最適な光軸角度を特定し、特定した光軸角度となるように上記の光軸調整S11において左カメラ11及び右カメラ12が組み付けられる。
Therefore, in the present embodiment, the positional deviation of the imaging point P4 with respect to the ideal imaging point P4'(parallax deviation ΔX1, ΔX2) is the curvature and refractive index of the window W, and the positional relationship between the window W and the
この光路シミュレーションを基に左カメラ11及び右カメラ12の光軸を互いに傾斜させることで、本実施形態では、同一の光点から窓Wを透過して左カメラ11及び右カメラ12の撮像素子14に結像する光路の窓Wを透過する前後のオフセット量が抑えられる。撮像素子14に入射する光の光路のオフセット量(視差ずれΔX1,ΔX2)の最大値は、左カメラ11及び右カメラ12の互い光軸を平行とした場合と比較して減少する。
By inclining the optical axes of the
図5は左右の光軸を平行にした場合の水平画角内の光点の位置と視差ずれの関係を表したグラフ、図6は本実施形態のステレオカメラの水平画角内の光点の位置と視差ずれの関係(補正前)を表したグラフである。本実施形態のステレオカメラは、上記の通り無限遠に向かって開く方向に左右の光軸をシミュレーションに基づいて傾斜させたものである。図5及び図6に示したグラフはローデータであり、画像処理による視差ずれの補正を施していない状態の画角位置と視差ずれ(誤差)の関係を表している。画角を広角化する(例えば水平画角150度程度とする)場合を考える。この場合、左右の光軸が平行であると、視差ずれは、画角80度、つまりステレオカメラの正面から左右に40度(−40度から40度)の範囲内では小さい。しかし、80度を超える辺りから視差ずれが急増し、画角の端部(150度付近の領域)では数十ピクセルに及ぶ。ここまで視差ずれが拡大すると、画像処理では補正しきれなくなる。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the position of the light spot in the horizontal angle of view and the parallax deviation when the left and right optical axes are parallel, and FIG. 6 is the light spot in the horizontal angle of view of the stereo camera of the present embodiment. It is a graph which showed the relationship (before correction) of a position and a parallax shift. In the stereo camera of the present embodiment, as described above, the left and right optical axes are tilted in the direction of opening toward infinity based on the simulation. The graphs shown in FIGS. 5 and 6 are raw data and show the relationship between the angle of view position and the parallax deviation (error) in a state where the parallax deviation is not corrected by image processing. Consider a case where the angle of view is widened (for example, the horizontal angle of view is about 150 degrees). In this case, when the left and right optical axes are parallel, the parallax deviation is small within the angle of view of 80 degrees, that is, within the range of 40 degrees (-40 degrees to 40 degrees) to the left and right from the front of the stereo camera. However, the parallax shift increases sharply from around 80 degrees, and reaches several tens of pixels at the end of the angle of view (the region near 150 degrees). If the parallax shift increases to this extent, it cannot be corrected by image processing.
それに対し本実施形態では、左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度をシミュレーションで求めた角度に設定することで、窓Wを透過する前後の光路のオフセットによる視差ずれの最大値が、左右の光軸が平行である場合に比べて図6に示したように減少する。同図のシミュレーション結果では、40度から画角端付近にかけて負の方向への視差ずれの発生が推測されるが、視差ずれの最大値(絶対値)は10ピクセル未満(数ピクセル程度)に抑えられる。
On the other hand, in the present embodiment, by setting the optical axis angles of the
−エイミング−
図7は図2に示したエイミング工程の詳細を表すフローチャート、図8はエイミング工程で用いるエイミング用のチャートの一例を表す模式図である。
-Aiming-
FIG. 7 is a flowchart showing the details of the aiming process shown in FIG. 2, and FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of an aiming chart used in the aiming process.
エイミング工程では、ステレオカメラ100を設計通りに車両に取り付け、車両に対して予め設定された位置関係となるように所定位置(ここでは車両前方)にチャート(図8)を設置し、ステレオカメラ100の視差ずれを補正するパラメータが推定処理される。この場合、例えば左カメラ11及び右カメラ12に対して設定の位置関係で設置したエイミング用の規定のチャートについての既知の位置情報(設置情報I5)を記憶装置21に記憶させておく。そして、左カメラ11及び右カメラ12で撮影されたチャートの撮影画像について光軸情報I3と設置情報I5とを基に窓Wによる影響を除去する補正をCPU22で実行する。この場合、光軸調整S11の後も残存する視差ずれを補正する補正パラメータとして、補正前(窓Wの影響を除去する前)の撮影画像から計算した視差値と補正後の撮影画像から計算した視差値の差分をCPU22で演算することができる。具体的には、本例のエイミング工程には、撮像S21(図2)、画像補正S22、視差計算S23、チャート解析S24及び補正差分算出S25の基本工程の他、精度を高めるための単眼画像処理S26及びチャート設置パラメータ推定S27の工程が含まれる。
In the aiming process, the
・撮像S21
エイミング工程を開始する際、まず操作部(不図示)を操作してステレオカメラ100の動作モードをエイミングモードに切り換える。これにより、まず撮像S21(図2)の工程で、CPU22(例えば画像入力インタフェース23)により左カメラ11及び右カメラ12によるチャート(図8)の撮影画像(ローデータ)が取得される。チャートは、複数の縦棒が等間隔で左右方向に並ぶ部分、黒枠部分、黒枠の内部に表示されたランダム模様部分を含んでいる。縦棒は別の模様に代えても良いが、左右方向に等間隔に同一の模様が並んでいることが必要である。
-Imaging S21
When starting the aiming process, first, the operation unit (not shown) is operated to switch the operation mode of the
・画像補正S22
撮像S21の工程で入力された撮影画像にはレンズ13に起因する歪曲収差(例えば樽型歪み)がある。続く画像補正S22の工程では、CPU22(例えば画像処理回路24)は、製造時に光学情報算出S12(図2)の工程で得られた光学特性情報I2に基づいて左右の撮影画像の歪みをそれぞれ補正する。
-Image correction S22
The captured image input in the step of the imaging S21 has distortion (for example, barrel distortion) due to the
・視差計算S23
続く視差計算S23の工程では、CPU22(例えば画像処理回路24)は、歪曲を補正した左右の撮影画像からステレオ画角の全体について視差値を計算する。
-Parallax calculation S23
In the subsequent step of parallax calculation S23, the CPU 22 (for example, the image processing circuit 24) calculates the parallax value for the entire stereo angle of view from the left and right captured images corrected for distortion.
・チャート解析S24
チャート解析S24の工程では、CPU22(例えば画像処理回路24)は、製造時の光軸調整S11を経てなお残る視差ずれ(視差ずれの残差)を計算する。ここでは、CPU22はまずチャートの上部領域に左右に並んだ縦棒又は四角い枠の中のランダム模様について視差値Aを計算(実測)する。ステレオカメラ100とチャートとの位置関係(設置情報I5)は既知であるため、次にCPU22は記憶装置21から読み込んだ設置情報I5及び光軸情報I3を基に、窓Wによる屈折がない場合に実測される視差値B(理想値)を計算する。視差値Bは、被写体(縦棒やランダム模様)の既知の位置情報(設置情報I5)や製造時に算出された光軸情報I3を基に、図4で説明した結像点P4’を縦棒(又はランダム模様)毎に推定することで求められる。
-Chart analysis S24
In the step of chart analysis S24, the CPU 22 (for example, the image processing circuit 24) calculates the parallax deviation (parallax residual) that still remains after the optical axis adjustment S11 at the time of manufacture. Here, the
・補正差分算出S25
そして、CPU22(例えば画像処理回路24)は、補正差分算出S25の工程において、視差値A(実測値)と視差値B(理想値)の差分を計算する。視差値A,Bの差分が、製造時の光軸調整S11を行ってなお残る視差ずれ(視差ずれの残差)の補正パラメータとなる。この窓Wによる視差ずれ(残差)は、画角の水平方向の位置によって大きさが変化する。そこで、CPU22は、視差ずれの補正パラメータを画角内の水平方向位置についての関数又はテーブルとしてまとめ、これを光軸特性I4として記憶装置21に記憶させる。なお、水平方向位置について補正パラメータを演算する場合には、チャートの上部領域の縦棒の視差を基礎とすれば良い。垂直方向位置も考慮した補正パラメータを演算する場合には、チャート中央の四角い枠内のランダム模様の視差を基礎とすれば良い。
-Correction difference calculation S25
Then, the CPU 22 (for example, the image processing circuit 24) calculates the difference between the parallax value A (measured value) and the parallax value B (ideal value) in the step of the correction difference calculation S25. The difference between the parallax values A and B becomes a correction parameter for the parallax deviation (residual of the parallax deviation) that remains even after the optical axis adjustment S11 at the time of manufacturing is performed. The magnitude of the parallax deviation (residual) due to the window W changes depending on the horizontal position of the angle of view. Therefore, the
・単眼画像処理S26、チャート設置パラメータ推定S27
前述した通り、チャート解析S24と補正差分算出S25にはチャートの設置情報I5と光軸情報I3を用いるため、チャートの設置精度が補正パラメータの演算精度に影響し得る。チャートの設置誤差(チャートとステレオカメラ100の位置関係の誤差)を考慮する必要がある場合、本実施形態では単眼画像処理S26及びチャート設置パラメータ推定S27の工程でチャートの設置情報I5に関するパラメータを推定する。これにより設置情報I5を補正し、視差ずれについての補正パラメータの精度を上げることができる。
-Monocular image processing S26, chart installation parameter estimation S27
As described above, since the chart installation information I5 and the optical axis information I3 are used for the chart analysis S24 and the correction difference calculation S25, the chart installation accuracy may affect the calculation accuracy of the correction parameters. When it is necessary to consider the chart installation error (error of the positional relationship between the chart and the stereo camera 100), in the present embodiment, the parameters related to the chart installation information I5 are estimated in the steps of monocular image processing S26 and chart installation parameter estimation S27. To do. As a result, the installation information I5 can be corrected and the accuracy of the correction parameter for the parallax deviation can be improved.
なお、単眼画像処理やチャート設置パラメータの推定方法について、本願発明者は国際公開第WO2018/042954号で詳しく記載しており、単眼画像処理S26、チャート設置パラメータ推定S27には同文献に記載された技術を適用することができる。概略すると、チャートの撮影画像上で縦線の間隔(ピクセル数)を調べ、チャートの位置と撮像素子14のサイズから求められる縦棒の設計上の画像上の間隔の差分の統計値(例えば平均値)をチャートの設置位置のずれ量として求める。このチャートの設置位置のずれ量を補正パラメータとして設置情報I5を補正することで、エイミング工程でチャートの設置誤差の影響を抑えた光軸特性I4が得られる。但し、単眼画像処理S26及びチャート設置パラメータ推定S27の工程については、チャートの設置精度が問題にならない場合には省略可能である。 The method for estimating monocular image processing and chart installation parameters is described in detail in International Publication No. WO2018 / 0425954, and is described in the same document in monocular image processing S26 and chart installation parameter estimation S27. The technology can be applied. Roughly speaking, the interval (number of pixels) of vertical lines is examined on the captured image of the chart, and the statistical value of the difference between the position of the chart and the interval on the design image of the vertical bar obtained from the size of the image sensor 14 (for example, average). Value) is calculated as the amount of deviation of the installation position of the chart. By correcting the installation information I5 using the deviation amount of the installation position of the chart as a correction parameter, the optical axis characteristic I4 that suppresses the influence of the installation error of the chart can be obtained in the aiming process. However, the steps of the monocular image processing S26 and the chart installation parameter estimation S27 can be omitted if the chart installation accuracy does not matter.
図9は補正差分算出S25の工程で計算した補正パラメータによる補正後の水平画角内の光点の位置と視差ずれの関係を表したグラフである。ハードウェアに起因する視差ずれを光軸調整S11で抑制したことにより、同図に示したように、エイミング工程で計算した補正パラメータを用いて画角全体について視差ずれをソフト的にほぼ0に抑えることができる。光軸調整S11を経ずにハードウェアに起因する視差ずれが大きいまま画像処理により補正しようとすると、必要な画像キャッシュ容量が必要以上に増加して好ましくない。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the position of the light spot in the horizontal angle of view and the parallax deviation after correction by the correction parameter calculated in the step of correction difference calculation S25. By suppressing the parallax deviation caused by hardware with the optical axis adjustment S11, as shown in the figure, the parallax deviation is softly suppressed to almost 0 for the entire angle of view using the correction parameters calculated in the aiming process. be able to. If an attempt is made to correct by image processing while the parallax deviation due to the hardware is large without going through the optical axis adjustment S11, the required image cache capacity increases more than necessary, which is not preferable.
−走行−
図10を走行時のステレオカメラによる処理(図2)の詳細を表すフローチャートである。車両の走行中、CPU22は、左カメラ11及び右カメラ12の撮影画像から実測される視差値をエイミング工程で得た補正パラメータにより補正する。具体的には、CPU22は、まず左カメラ11及び右カメラ12で外界を撮影し(図2の撮像S31)、光学特性情報I2を用いて左右の撮影画像の歪みを補正し(画像補正S32)、エイミングで得た光軸特性I3を用いて更に画像を補正する(画像補正S33)。画像補正S33では、窓Wによる光路の屈折を考慮して現実の結像点(図4の結像点P4)から現実の光点(図4の光点P0)までの距離が計算されるように左右の撮影画像が補正される。つまり、光軸調整S11で除ききれなかった窓Wによる画像の歪みが画像補正S33により取り除かれる。そして、CPU22は、画像補正S33をした左右の撮影画像から視差値を計算し(視差計算S34)、画角内の物体を検出し物体までの距離を計算し(物体検出・測距S35)、その結果(物体情報I6)を記憶装置21に記憶すると共にCAN30に出力する。
-Running-
FIG. 10 is a flowchart showing details of processing (FIG. 2) by the stereo camera during traveling. While the vehicle is running, the
−効果−
(1)窓Wを通して外界を撮影するステレオカメラ100にあって、光軸調整S11において窓Wの曲率等の車両情報I1に基づくシミュレーションに従って左右の光軸を非平行とすることで、窓Wを通過する際の光路の屈折による視差ずれを抑制することができる。これにより、窓Wの曲率や厚みにもよるが、一般的に画角の広角域においても窓Wの影響による視差ずれを最大で例えば数ピクセル程度に抑えることができる。こうして広角であってもローデータレベルで視差ずれが抑えられるので、光軸調整によりハード的に完全に視差ずれが除去できなくても、残差は小さいので画像処理により小さなキャッシュ容量でソフト的に容易に補正できる。このように、本実施形態のステレオカメラ100によれば、車両の窓Wに起因して視差ずれが顕著化する広角域を含めて精度良く測距できる。
-Effect-
(1) In the
(2)光軸調整S11の後、左カメラ11及び右カメラ12の撮影画像から左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度をCPU22で演算し記憶装置21に記憶することができる。左右の光軸角度はシミュレーションで得られた設計値であるが、現実にはカメラユニットの製造や組立の際に設計値に対して誤差が生じ得る。従って、実際の撮影画像を基に光軸調整S11の後の現実の光軸角度をステレオカメラ100の内部処理によって計算し光軸情報I3として記憶することで、エイミング時に現実の光軸角度を用いて精度良く視差ずれの補正パラメータを計算することができる。
(2) After the optical axis adjustment S11, the optical axis angles of the
(3)左カメラ11及び右カメラ12の光軸が無限遠に向かって離れるように互いに傾斜させたことにより、窓Wを通過する際の光路の屈折により広角域で増加する視差ずれを合理的に抑えることができる。
(3) By tilting the optical axes of the
(4)窓Wには曲率があり、例えば車内から車外に向かって平面視で緩やかな凸形状に形成されている場合も多い。窓Wの曲率は車種によって異なる場合があり、曲率が異なれば窓Wの場所毎のステレオカメラ100に対する角度も変化するため、光路のずれ具合(視差ずれの発生度合)も異なってくる。そこで、本実施形態では、左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度を窓Wの形状に応じて設定することで、窓Wの形状に応じて視差ずれを柔軟に抑えることができる。
(4) The window W has a curvature, and is often formed in a gently convex shape in a plan view from the inside of the vehicle to the outside of the vehicle, for example. The curvature of the window W may differ depending on the vehicle type, and if the curvature is different, the angle of the window W with respect to the
(5)左右の光軸を開き、視界中央のステレオ視領域と、視界の左右の単眼視領域を合わせて視野を拡大(広角化)する技術も存在するが、単眼視領域を含めた視野拡大を狙って左右の光軸を開く場合、光軸の開きが過度に大きくなる。この場合、ステレオ視領域に着目すると、光軸の開きが過大でかえって視差ずれが拡大してしまう。そもそも単眼視領域が大きくなりステレオ視領域で広角域をカバーする上では不利である。それに対し、本実施形態では、左カメラ11及び右カメラ12の光軸のなす角度が0度より大きく1度未満であり、例えば数分程度である。このように視差ずれを抑える目的の範囲で僅かに光軸を開くことで、左カメラ11及び右カメラ12の有効視野を広く活かして広角のステレオ画角を得ることができる。左カメラ11及び右カメラ12の互いの撮影画像によるステレオ視の水平画角を80度以上に広角化する上で有利であり、ステレオ視の水平画角を150度以上にしてもローデータレベルで視差ずれをソフト的に容易に補正できる程度に抑えることができる。図6に示した通り、画角80度付近、画角150度付近を含め、超広角の画角全域において視差ずれがローデータレベルで抑制できる。
(5) There is also a technique for expanding (widening) the field of view by opening the left and right optical axes and combining the stereo viewing area in the center of the field of view with the left and right monocular field of view, but the field of view is expanded including the monocular field of view. When opening the left and right optical axes aiming at, the opening of the optical axes becomes excessively large. In this case, focusing on the stereo visual region, the opening of the optical axis is excessive and the parallax shift is rather widened. In the first place, the monocular visual region becomes large, which is disadvantageous in covering the wide-angle region in the stereo visual region. On the other hand, in the present embodiment, the angle formed by the optical axes of the
(6)窓Wを透過する前後の光路のオフセットによる視差ずれの最大値が10ピクセル未満となるように光軸調整S11で左カメラ11及び右カメラ12の光軸角度を設定することで、前述した通り後のエイミング工程で視差ずれの残差を容易に補正できる。
(6) The optical axis angles of the
(7)エイミング工程では、コンピュータユニット20の内部処理で視差ずれの補正パラメータが算出できる。具体的には、左右の撮影画像について光軸情報I3と設置情報I5とに基づく補正で窓Wによる影響を除去し、補正前の撮影画像に基づく視差値(実測値)と補正後の撮影画像に基づく視差値(理想値)の差分を演算して視差ずれの補正パラメータを計算する。エイミング工程を実施するに当たって、車両から窓Wを取り外したりレーザ距離計等の計器を別途用意したりする必要がなく、エイミングに要する労力を軽減し時間も短縮できる。
(7) In the aiming step, the parallax correction parameter can be calculated by the internal processing of the
(8)光軸調整S11やエイミング工程により窓Wの影響を補正する補正パラメータが得られ、納車後はこの補正パラメータにより車両走行中の左右の撮影画像から実測される視差値を補正することで、広視野角で車外の障害物等を精度良く把握できる。 (8) A correction parameter for correcting the influence of the window W is obtained by the optical axis adjustment S11 and the aiming process, and after delivery, the parallax value actually measured from the left and right captured images while the vehicle is running is corrected by this correction parameter. With a wide viewing angle, you can accurately grasp obstacles outside the vehicle.
11…左カメラ、12…右カメラ、14…撮像素子、21…記憶装置、22…CPU、100…ステレオカメラ、Ax…光軸、I1…車両情報(窓の形状)、I3…光軸情報(光軸角度)、I4…光軸特性(補正パラメータ)、I5…設置情報(チャートについての既知の位置情報)、L0,L1…光路、P0…光点、S0…撮像素子、W…窓、Δx1,Δx2…視差ずれ 11 ... left camera, 12 ... right camera, 14 ... image sensor, 21 ... storage device, 22 ... CPU, 100 ... stereo camera, Ax ... optical axis, I1 ... vehicle information (window shape), I3 ... optical axis information ( Optical axis angle), I4 ... Optical axis characteristics (correction parameter), I5 ... Installation information (known position information about the chart), L0, L1 ... Optical path, P0 ... Optical spot, S0 ... Image sensor, W ... Window, Δx1 , Δx2 ... Misalignment
Claims (10)
同一の光点から前記窓を透過して前記左カメラ及び前記右カメラの撮像素子に結像する光路の前記窓を透過する前後のオフセット量の最大値が前記左カメラ及び前記右カメラの互い光軸が平行である場合と比較して減少するように、前記左カメラ及び前記右カメラの光軸が互いに傾斜しているステレオカメラ。 It is a stereo camera that includes a left camera and a right camera and captures the outside world of the vehicle through a window formed of a light-transmitting member.
The maximum value of the amount of offset before and after passing through the window of the optical path that passes through the window from the same light spot and forms an image on the image sensor of the left camera and the right camera is the mutual light of the left camera and the right camera. A stereo camera in which the optical axes of the left camera and the right camera are inclined with respect to each other so that the axes are reduced as compared with the case where the axes are parallel.
前記左カメラ及び前記右カメラの撮影画像から前記左カメラ及び前記右カメラの光軸角度を演算するCPUと、
演算された前記左カメラ及び前記右カメラの光軸角度を記憶する記憶装置と
を備えているステレオカメラ。 In the stereo camera of claim 1,
A CPU that calculates the optical axis angle of the left camera and the right camera from the images taken by the left camera and the right camera.
A stereo camera including a storage device that stores the calculated optical axis angles of the left camera and the right camera.
前記左カメラ及び前記右カメラに対して設定の位置関係で設置したエイミング用の規定のチャートについての既知の位置情報を記憶した記憶装置と、
前記左カメラ及び前記右カメラで撮影された前記チャートの撮影画像について前記左カメラ及び右カメラの光軸角度と前記チャートの既知の位置情報とを基に前記窓による影響を除去する補正をし、前記光軸の角度設定後に残存する視差ずれの補正パラメータとして、補正前の撮影画像から計算した視差値と補正後の撮影画像から計算した視差値の差分を演算するCPUと
を備えているステレオカメラ。 In the stereo camera of claim 1,
A storage device that stores known position information about a specified chart for aiming installed in a positional relationship set with respect to the left camera and the right camera.
With respect to the captured images of the chart taken by the left camera and the right camera, corrections are made to remove the influence of the window based on the optical axis angles of the left camera and the right camera and the known position information of the chart. A stereo camera including a CPU that calculates the difference between the parallax value calculated from the captured image before correction and the parallax value calculated from the captured image after correction as a correction parameter for the parallax deviation remaining after setting the angle of the optical axis. ..
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