JP5654298B2 - 校正基準点取得システム及び校正基準点取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置のキャリブレーションに用いる校正基準点を取得する校正基準点取得システム及び校正基準点取得方法に関する。

コンピュータビジョンの分野では、カメラより得られる２次元画像から３次元幾何情報を復元する技術が盛んに研究されている。２次元画像から精度良く幾何情報を取得するためには、レンズの収差などにより生じる歪みを補正するキャリブレーションが重要である。従来、このキャリブレーションに必要な補正データは次のようにして取得していた。まず、図７に示すような市松模様の２次元チャートを撮影し、撮影された画像から格子状の点群配列を算出する。続いて、算出した格子配列を校正基準点として、キャリブレーションに必要な補正データを取得する。

このように、従来はキャリブレーションに用いられる校正基準点は、２次元平面上に配置された平面チャートを撮影することで取得していた。そのため、撮像装置の焦点距離に合わせて、チャートのコントラストが適切に得られる位置に平面チャートを設置しなければならないことや、カメラの画角が大きくなるとチャートサイズも大きくしなければならないなどの理由から、校正装置が大掛かりになるという問題があった。また、装置が大掛かりになると、校正するカメラと平面チャートとの距離が長くなるため両者の位置調整が困難になり、校正基準点の検出精度が低下するという問題があった。加えて、チャートを設置する平面の精度や撮影時の照明環境の影響により、校正基準点の検出精度が低下することや、チャートを一度設置すると基準点数や点群密度の変更が困難になるなどの問題もあった。

例えば、特許文献１には、ステレオカメラにおける画像特性のばらつきを補正するための補正データを取得する目的で、ステレオカメラの撮像方向に設置したチャートより得られる格子状の校正点と、別途算出した理想校正点とから、画像特性のばらつきを補正するための補正データを算出する技術が開示されている。しかし、この特許文献１では、校正点の取得にチャートを用いているため、キャリブレーション装置が大型化する。また、校正基準点の検出精度が補正データの精度へ影響する問題もある。

特許文献２には、キャリブレーションに最適な校正用チャートを表示する目的で、撮影方向に応じて最適なキャリブレーション用チャートを出力する装置が開示されているが、キャリブレーション装置の大型化、校正基準点検出精度が低いという問題は解消されない。

本発明は、従来技術の叙上のような問題を解決するためになされたものであって、撮像装置のキャリブリレーションに用いる校正基準点を小規模な環境で高精度に取得することのできる校正基準点取得システム及び校正基準点取得方法を提供することを目的とする。

本発明の校正基準点取得方法は、レーザ光のような平行光を校正対象の撮像装置に入射し、該撮像装置を複数方向に振りながら、該撮像装置により得られる集光点位置を校正基準点として取得するものである。

本発明の一実施形態の校正基準点取得システムは、校正対象の撮像装置に対して平行光を照射する発光装置と、校正対象の前記撮像装置の向きを調節する角度調節装置と、前記角度調節装置に角度指令を与える角度制御装置と、前記撮像装置に前記平行光を入射させることによって得られる撮像画像から集光点位置を検出し、校正基準点を算出する画像処理装置とを有することを特徴とする。

本発明によれば、校正対象の撮像装置に対して平行光を照射し、該撮像装置の向きを変えながら校正基準点を取得することにより、従来のようなチャートは不要であり、小規模なキャリブレーション環境で、高精度に校正基準点を取得することが可能になる。また、チャートの設置精度や撮影時の照明環境の影響による校正基準点の検出精度の低下が解消できる。さらには、基準点数や点群密度の変更が容易になり、利便性の向上に繋がる。

本発明の校正基準点取得システムの一実施形態の全体構成図である。 本校正基準点取得システムの実施手順を説明するフロチャートである。 本校正基準点取得システムの動作を説明する概念図である。 同じく本校正基準点取得システムの動作を説明する概念図である。 本校正基準点取得システムで得られる校正基準点パターンの一例を示す図である。 同じく本校正基準点取得システムで得られる校正基準点パターンの一例を示す図である。 従来用いられていた２次元チャートの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。

図１は本発明の校正基準点取得システムの一実施形態の全体構成図である。本校正基準点取得システムは、発光装置１０、角度調節装置３０、角度制御装置４０、画像処理装置５０及び画像出力装置６０を備えている。校正対象の撮像装置２０は角度調節装置３０に載置される。

発光装置１０は、校正対象の撮像装置２０に対して、広がりのない光を照射する装置である。ここで言う広がりのない光とは、例えばレーザ光が挙げられる。本実施形態ではレーザ光を使用する。レーザ光を校正対象の撮像装置２０に照射し、その集光点位置を画像処理装置５０により算出することで、校正基準点を取得する。なお、発光装置１０に、２つ以上のレーザ光を照射する機構や、１つのレーザ光を２つ以上のレーザ光に分割する機構等を備えることで、一度に２つ以上の校正基準点を取得することも可能である。

角度調節装置３０は、発光装置１０に対する校正対象の撮像装置２０の向きを調節する機構である。本実施形態では、自動回転ステージを使用する。図１に示すようにＸ軸とＹ軸を設定した場合、それぞれの軸に対する回転角度を制御して撮像装置２０の向きを変更することで、図７のようなチャートから校正基準点を算出したのと同様の２次元に配列された校正基準点を取得することが可能である。その詳細は図３、図４で説明する。

角度制御装置４０は、発光装置１０に対する校正対象の撮像装置２０の向きを調節する角度調節装置３０に対して、回転する角度の指令を与える装置である。本実施形態では、ステージコントローラを使用する。本角度制御装置４０から角度指令を角度調節装置３０に与え、角度調節装置３０で撮像装置２０の向きを正確に制御する。なお、角度調節装置３０と角度指令装置４０の両方の機能を備えた専用のハードウェアを構築し、適用することも可能である。

画像処理装置５０は、校正対象の撮像装置２０より得られる撮像データを処理する機能を有する。画像処理装置５０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、主記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、外部記憶装置、入出力インタフェース等を備えるコンピュータである。なお、以下に示す機能を実現可能な専用のハードウェアを構成してもよい。本画像処理装置５０では、校正対象の撮像装置２０より得られた光電気変換信号をＣＰＵで演算処理し、画像出力装置６０に転送して出力することで、撮像画像や集光点位置を確認することができる。加えて、校正基準点の撮像画像上での座標を計算し、校正基準点パターンを画像出力装置６０に出力することや、座標データを別ファイルとして出力することも可能である。以上の処理を行う画像処理プログラムは、主記憶装置に組み込まれている。

なお、画像処理装置５０には、校正対象の撮像装置２０より撮像画像を取得し処理する機能の他に、撮像装置２０のシャッタースピード等を調整するといった、集光点位置を最適に得るための調節制御機能なども備えられている。

画像出力装置６０は、画像処理装置５０から転送される画像データや校正基準点パターンなどを出力する。本実施形態では、一般的な液晶モニタを使用する。なお、画像処理装置５０より転送された画像データや校正基準点パターンなどを出力可能なものであれば、これに限定しない。

従来は校正対象の撮像装置の焦点距離や画角に応じて、校正基準点となるチャートと撮像装置の間の距離を長くする、チャートが大きくなるなどの課題が生じていたが、図１の構成のように、発光装置１０と角度調節装置３０、角度制御装置４０などを用いることで、小さな校正環境で校正が可能となる。

図２は、本校正基準点取得システムにおける校正基準点取得の具体的実施手順を説明するフローチャートである。

まず、校正対象となる撮像装置２０を、角度調節装置３０へ設置する（ステップ１）。続いて、角度調節装置３０に設置した撮像装置２０と発光装置１０との位置を調整する（ステップ２）。このとき、発光装置１０から照射されるレーザ光が、撮像装置２０に垂直に入射するように調整を行う。例えば、撮像装置２０の前面に基準面がある場合は、その基準面にミラー等を設けてレーザ光とのアライメントを取ると良い。

続いて、角度制御装置４０より角度調節装置３０へ撮像装置２０の傾き角を入力し、撮像装置２０を回転させる（ステップ３）。傾き角の入力は、手動で入力しても、事前にプログラミングされた角度制御プログラムにより自動で入力しても良い。

続いて、回転させた撮像装置２０に対してレーザ光を入射させる（ステップ４）。このレーザ光を入射させた状態で、画像処理装置５０により撮像装置２０のシャッタースピード等の各設定を調整し、校正基準点を取得するための画像を取得する（ステップ５）。そして、画像処理装置５０により、取得した撮像画像から校正基準点の座標の算出する（ステップ６）。具体的には、撮像画像上の集光点位置を検出し、その座標を算出する。

以上の手順の後、必要とする数の基準点が取得できているかを確認する（ステップ７）。校正基準点数が十分であれば終了となる。一方、十分でなければ、再度撮像装置の回転角を設定し（ステップ８）、ステップ３からステップ６を繰り返す。

図３、図４は、本校正基準点取得システムにより２つ以上の校正基準点を取得する場合の概念図である。簡単化のため、図３、図４では発光装置１０、撮像装置２０、角度調節装置３０のみ示す。また、撮像装置２０は、１つ以上のレンズから構成される光学系２１、電荷結合素子（ＣＣＤ）といった撮像素子２２を有するものとする。

図３は、Ｙ軸方向に角度調整装置３０のステージを回転する場合を示している。図３（ａ）は、発光装置１０より照射されたレーザ光と撮像装置２０の光軸とが平行に調整された状態である。なお、２つ以上のレンズからなる光学系２１に光が入射すると、レーザ光は光学系２１内で複雑な経路を通過して撮像素子２３上に結像するが、図では簡単のために直線で記述してある。図３（ａ）の状態から、図３（ｂ）のように撮像装置２０をレーザ光に対してα度回転させると、撮像素子２２上のレーザ光の結像位置がＹ軸方向に変化する。取得したい校正基準点の間隔に合わせて回転角αを設定し、撮像装置２０の向きを変更させながら集光点位置を検出し、その座標を算出することで、Ｙ方向の２つ以上の校正基準点を取得することができる。

同様に、図４は、Ｘ軸方向に角度調整装置３０のステージを回転する場合を示している。図４（ａ）は発光装置１０より照射されたレーザ光と撮像装置２０の光軸とが平行に調整された状態である。この状態から、図４（ｂ）のようにＸ軸方向にβ度回転させると、レーザ光は図４（ａ）とは異なる位置に結像する。図３と同様に、取得したい校正基準点の間隔に合わせて回転角βを設定し、撮像装置２０の向きを変更させながら集光点位置を検出し、その座標を算出することで、Ｘ方向の２つ以上の校正基準点を取得することができる。

以上のように回転角αとβを制御することで、図５に示すように、従来のチャートと同様の２次元的に配置された校正基準点のパターンを高精度に得ることができる。また、一度に２つ以上のレーザ光を出力する機構を発光装置内、もしくは発光装置の外部に設置すれば、制御回数を少なくでき、２次元的にレーザ光を出力する装置を備えていれば、さらに制御回数をすくなくできる。さらに、一度に一ラインのレーザ光を出力する装置を備えていれば、αかβのどちらか１次元の制御のみで校正基準点の取得が可能になる。

なお、回転角αおよび回転角βを可変的に調節することで、格子状のパターンだけでなく、図６に示すように、複数の校正基準点のパターンを容易に生成することも可能である。

１０ 発光装置
２０ 校正対象撮像装置
３０ 角度調整装置
４０ 角度制御装置
５０ 画像処理装置
６０ 画像出力装置

特開２００３−２５４７４８号公報 特開２００５−００３４６３号公報

Claims (10)

1. 撮像装置のキャリブレーションに用いる校正基準点を取得する校正基準点取得システムであって、
   校正対象の撮像装置に対して平行光を照射する発光装置と、
   校正対象の前記撮像装置の向きを調節する角度調節装置と、
   前記撮像装置に前記平行光を入射させることによって得られる撮像画像から校正基準点を算出する画像処理装置と、を有することを特徴とする校正基準点取得システム。
2. 前記発光装置により照射された前記平行光を前記撮像装置により検出することで、校正基準点を取得することを特徴とする請求項１記載の校正基準点取得システム。
3. 前記発光装置により１つ以上の前記平行光を前記撮像装置に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の校正基準点取得システム。
4. 前記平行光が、レーザ光であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の校正基準点取得システム。
5. 前記画像処理装置は、前記撮像装置により得られた撮像画像から集光点位置を検出し、校正基準点を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の校正基準点取得システム。
6. 前記画像処理装置は、前記撮像装置のシャッタースピードを調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の校正基準点取得システム。
7. 前記角度調節装置により前記撮像装置の向きを変更することで、２つ以上の校正基準点を取得することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の校正基準点取得システム。
8. 前記角度調節装置は、設定角度を可変的に変更可能であることを特徴とする請求項７に記載の校正基準点取得システム。
9. 角度調節装置により前記撮像装置の向きを可変的に調節することで、異なるパターンの校正基準点を取得することを特徴とする請求項８に記載の校正基準点取得システム。
10. 撮像装置のキャリブレーションに用いる校正基準点を取得する校正基準点取得方法であって、
    校正対象の撮像装置に対して平行光を照射し、前記撮像装置の向きを調節しながら、前記撮像装置より得られる撮像画像から集光点位置を検出し、校正基準点として取得することを特徴とする校正基準点取得方法。

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