JPH1137720A - 被写体の位置測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で正確な位置測定が可能な被写体
の位置測定方法及び装置を提供する。 【解決手段】 光軸がずれた第１と第２のレンズ系Ｌ
1、Ｌ2で被写体の映像をＣＣＤ1、ＣＣＤ2で撮像する。
この各レンズ系による被写体の撮像面での座標値が測定
され、この座標値と撮像系の光学的パラメータ（焦点距
離）、機械的パラメータ（ずれａ等）に基づき光軸に直
交する面での被写体の座標位置ｘ1、ｙ1及び被写体まで
の距離ｚ1が計測される。複数の位置で特定された被写
体を撮映すると、映像に相違（ずれ）が発生することに
着目して被写体の位置を計測するものであり、簡単な構
成で正確な被写体の位置計測が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被写体の位置測定
方法及び装置、更に詳細には、光軸のずれた２つの撮像
系を用いて被写体の位置を３次元的に測定する方法及び
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から３角測定原理を用いて被写体ま
での距離を測距する方法が知られている。また、格子模
様を被写体に投射することにより被写体の立体形状を測
定する方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、簡単な構成
で正確な位置測定が可能な被写体の位置測定方法及び装
置を提供することを課題とするもので、複数の位置で特
定された被写体を撮映すると、映像に相違（ずれ）が発
生することに着目して被写体の位置を計測するものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために、光軸がずれた第１と第２のレンズ
系で被写体の映像を撮像し、各レンズ系による被写体の
撮像面での座標値を測定し、前記座標値と撮像系の光学
的、機械的パラメータに基づき光軸に直交する面での被
写体の座標位置及び被写体までの距離を計測する構成を
採用した。

【０００５】また、本発明では、第１のレンズ系による
被写体の像を撮像する第１の撮像装置と、第１のレンズ
系の光軸とずれた光軸を有する第２のレンズ系による被
写体の像を撮像する第２の撮像装置と、第１と第２の撮
像装置の撮像面での被写体の座標値を計測する計測手段
と、前記座標値と第１と第２の撮像装置の光学的、機械
的パラメータから光軸に直交する面での被写体の座標位
置及び被写体までの距離を演算する演算手段とを有する
構成も採用している。

【０００６】本発明では、光軸が異る２系統のレンズに
より被写体の撮像装置（ＣＣＤ）上の映像を記録する。
撮像装置上の光軸との交点を原点とし、撮像装置上の被
写体の映像の座標値を実測により求める。この実測を可
能にするために、映像は可能な限りピントのあった映像
（被写界深度内の映像）にする。撮像系の光学的パラメ
ータ（レンズの焦点距離）、機械的パラメータ（レンズ
節点と撮像面間の距離、両レンズ系の位置差、回転半
径，２光軸交角等）、基準点（原点）の撮像装置上の座
標を予め求めておく。上記実測された映像の座標値及び
撮像系の光学的、機械的なパラメータに基づいて被写体
の３次元座標を計算式により求める。

【０００７】この測定システムでは、静的または動的な
映像により３次元座標をオフラインあるいはリアルタイ
ムで求められる。

【０００８】２つの撮像系の光軸は、各撮像系のレンズ
の光軸を一定間隔隔てて平行に配置させることにより、
あるいは、レンズの光軸を共通の回転軸を中心に所定角
度回転させることにより、あるいは、レンズの光軸を所
定角度ずらしレンズをｚ方向にオフセットして配置させ
ることにそれぞれ互いにずらすことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施の形態に基
づいて本発明を詳細に説明する。

【００１０】［測定原理］図１、図２には、本発明の測
定原理を示す光学図が図示されている。各図において、
被写体Ａは、光軸Ｏ1とＯ2上に距離ａを隔てて配置され
た焦点距離ｆ1、ｆ2のレンズＬ1とＬ2によりＣＣＤ1、
ＣＣＤ2に撮像される。レンズＬ1、Ｌ2は、被写体Ａに
対して距離ｚ1になるように配置され、またＣＣＤ1はレ
ンズＬ1から距離ｋ1の位置に、またＣＣＤ2はレンズＬ2
から距離ｋ2の位置に配置される。

【００１１】被写体Ａと光軸Ｏ1、Ｏ2と交わるｘ軸方向
の点をＡ1、Ａ2、被写体の先端をＡ3とすると、被写体
Ａ1Ａ3とＡ2Ａ3がレンズＬ1、レンズＬ2によりＣＣＤ
1、ＣＣＤ2上に映し出される像Ｃ1Ｃ3、Ｃ2Ｃ3は、各レ
ンズの被写界深度内であれば、鮮明に投映されている
が、必ずしもレンズＬ1、Ｌ2による正確なピントの合っ
た映像ではない。そこで、レンズＬ1、Ｌ2による被写体
Ａ1Ａ3とＡ2Ａ3の結像をＢ1Ｂ3、Ｂ2Ｂ3とし、各ＣＣＤ
上の映像とのずれをΔｋ1、Δｋ2とする。また、ＣＣＤ
1とＣＣＤ2上の像のｘ方向に沿った長さをｉ1、ｉ2、正
確に結像された像との差をΔｉ1、Δｉ2とする。

【００１２】使用するレンズ系を単レンズ（レンズの被
写体側と像側において光線と光軸のなす角度が同じ大き
さになる）に置き換え、また第１の光軸Ｏ1に対して
は、被写体のｘ軸方向の長さをｘ1、被写体までの距離
をｚ1とすると、 ｘ1／ｚ1＝ｉ1／ｋ1 （１） が成立し、またレンズＬ1の光学式より、 １／ｚ1＋１／（ｋ1＋Δｋ1）＝１／ｆ1 （２） が得られる。同様に、第２の光軸Ｏ2に対しては、 （ｘ1−ａ）／ｚ1＝ｉ2／ｋ2 （３） １／ｚ1＋１／（ｋ2＋Δｋ2）＝１／ｆ2 （４） が得られる。

【００１３】（１）式と（３）式から ｚ1＝ａ・｛（ｋ1・ｋ2）／（ｉ1・ｋ2−ｉ2・ｋ1）｝ （５） ｘ1＝（ａ・ｉ1・ｋ2）／（ｉ1・ｋ2−ｉ2・ｋ1） （６） となり、また（２）式と（４）式から Δｋ1＝（ｆ1・ｚ1）／（ｚ1−ｆ1）−ｋ1 Δｋ2＝（ｆ2・ｚ1）／（ｚ1−ｆ2）−ｋ2 ここで、レンズＬ1とＬ2の焦点距離を等しくし、ｋ1＝
ｋ2となるようにレンズとＣＣＤとの間隔を構成する
と、 ｚ1＝（ａ・ｋ1）／（ｉ1−ｉ2） （５’） ｘ1＝（ａ・ｉ1）／（ｉ1−ｉ2） （６’） 従って、各ＣＣＤ1、ＣＣＤ2上の映像の長さｉ1、ｉ2及
びＣＣＤとレンズ間の距離ｋ1（＝ｋ2）並びにレンズ間
の距離ａを知ることにより、被写体Ａまでの距離ｚ1と
その長さｘ1を求めることができる。

【００１４】以上説明したのは、ｘ軸方向の被写体の距
離ｘ1であったが、直交するｙ軸の距離ｙ1（Ａ1Ａ4）
は、図１（Ｂ）に図示したように、ＣＣＤ1でのｙ軸方
向の映像面の長さをｊ1とすると、 ｙ1／ｚ1＝ｊ1／ｋ1 （７） となるので、（５）式より ｙ1＝ａ・｛（ｊ1・ｋ2）／（ｉ1・ｋ2−ｉ2・ｋ1）｝ （８） となる。

【００１５】上記はレンズ系の節点より光軸と被写体測
定点とを見込む開角θaに対し、撮像素子の撮像面上に
おける測定点と光軸との間隔を節点より見込む開角θb
が等しい場合である。これらが等しくない場合には、第
１と第２の各光軸系において測定される被測定点の座標
ｉ1、ｉ2、ｊ1が第１光軸系にて上述に対応する開角θa
1、θb1、第２光軸系にて対応する開角θa2、θb2に関
する次式により修正される。

【００１６】 ｉ'1＝ｉ1（Tanθa1／Tanθb1）＝ｉ1・ｎ1 ｉ'2＝ｉ2（Tanθa2／Tanθb2）＝ｉ2・ｎ2 ｊ'1＝ｊ1（Tanθa1／Tanθb1）＝ｊ1・ｎ1 上式により、式（１）、（３）、（５）、（６）、
（５’）、（６’）、（７）、（８）におけるｉ1、ｉ
2、ｊ1をｉ'1、ｉ'2、ｊ'1に置き換えれば、これらの式
はθa＝θbの場合と同様に正確に使用することができ
る。

【００１７】また、図１（Ａ）のＡ3Ａ5の距離ｙ2に関
しては、

【００１８】

【数１】

【００１９】となることから

【００２０】

【数２】

【００２１】となる。

【００２２】但しｊ2は、ｙ2のＣＣＤ1上の映像の距離
に対応する。

【００２３】［第１の実施形態］図３には、上記測定原
理を用いて被写体の３次元位置を測定する全体構成の概
略が図示されている。ｘｙ平面内にある被写体１０は、
発光ストロボ３０で照明され、固定された２つのレンズ
系１１、２１により同じく固定された撮像装置（以下Ｃ
ＣＤとする）１２、２２に撮像される。レンズ系１１は
レンズＬ1を、またレンズ系２１はレンズＬ2を有し、こ
れらのレンズ系とＣＣＤの関係は、図１、図２に示した
ような関係、すなわちレンズＬ1とＬ2の焦点距離がｆ
1、ｆ2で、レンズ系１１、２１の光軸がｘ軸方向にａだ
け離れており、ＣＣＤ１２、２２には、被写体１０のピ
ントのあった像（各レンズの被写界深度内の像）が投影
されているようになっている。

【００２４】ＣＣＤ１２、２２の像は読み出し装置１
６、２６により順次読み出され、対応するメモリ１３、
２３に格納される。このメモリ１３、２３の内容は、演
算及び制御装置１４、２４により輪郭処理、映像鮮明化
処理などの信号処理が行なわれる。これらの処理が行な
われた像は、対応する表示装置１５、２５に表示され
る。表示装置には手動マウス３１が設けられており、測
定点の指示を行なう。この測定点の指示は、予め測定点
の条件を演算及び制御装置１４、２４に記憶させ、それ
に基づいて自動指示を行なうようにしてもよい。

【００２５】指示された測定点の情報は、演算及び制御
装置１４、２４に戻され、演算及び制御装置３４で指示
された測定点の座標値が演算される。演算及び制御装置
３４は、更に設定装置３２で設定され、メモリ３３に格
納されている撮像系の光学的、機械的パラメータ、基準
点等の情報を元に上記式に基づいて被写体のＡのｘ、ｙ
軸方向の位置ｘ1、ｙ1、y2並びに被写体までの距離ｚ1
を演算する。

【００２６】次に、このような構成において被写体の３
次元測定について説明する。

【００２７】設定装置３２により、撮像系の光学的パラ
メータ（焦点距離ｆ1、ｆ2）、機械的パラメータ（光軸
間の距離ａ、レンズとＣＣＤ間の距離ｋ1、ｋ2）とＣＣ
Ｄでの映像の座標値を求めるときの基準点の設定を行な
い、これをメモリ３３に記憶させる。基準点は、例え
ば、ＣＣＤと光軸との交点とし、その座標値を求めてお
く。

【００２８】被写体１０をレンズ系１１、２１を介して
ＣＣＤ１２、２２により撮像する。ＣＣＤ１２、２２上
の映像は、それぞれ被写界深度内にあり、鮮明な像とな
っている。それぞれ読出装置１６、２６により画素毎に
Ｒ．Ｇ．Ｂ輝度値およびアドレス値をメモリ１３、２３
に記憶する。演算及び制御装置１４、２４では、それぞ
れ第１と第２のレンズ系１１、２１によりＣＣＤ１２、
２２で撮像された映像の信号処理が行なわれる。この処
理では、測定点周辺または映像全面にわたって映像鮮明
化処理が行なわれる。これは、ＣＣＤ１２、２２には一
応被写界深度内の映像が結像されているが、ＣＣＤの映
像面において正確な座標値の計測を可能にするためであ
る。従って、映像が不鮮明と判断される場合には、演算
及び制御装置１４、２４において、輪郭強調処理を行な
うようにする。

【００２９】このように信号処理された被写体の映像
は、図４に図示したように表示装置１５、２５に表示さ
れる。図４（Ａ）、（Ｂ）は光軸を座標原点Ｐ0にした
もので、設定装置３２により設定することができ、これ
を原点とした被写体の映像１０’（ＣＣＤ結像面の映像
に対応する）がそれぞれ表示装置１５、２５に表示され
ていることがわかる。

【００３０】続いて、手動マウス３１で、測定点指示を
行なう。例えば測定点がＰ1であるとする。この情報か
ら、演算及び制御装置１４、２４を介してＰ1に対応す
る座標値（ｉ1、ｊ1）、（ｉ2、ｊ2）（ｊ1＝ｊ2）がメ
モリ１３、２３から取得され、演算及び制御装置３４に
送られる。

【００３１】演算及び制御装置３４は、これらの座標値
並びにメモリ３３から取得される光学的、機械的パラメ
ータから上記式に基づいて被写体の３次元の位置情報
（ｘ1、ｙ1、ｚ1）を計算する。この計算結果は表示装
置１５あるいは２５に表示される。

【００３２】なお、Ｐ1を測定点とする場合の原点は、
図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように、光軸との交点Ｐ0
でなくても、ｚ方向の２点間の距離を求めるのであれば
（ｆ1＝ｆ2、ｋ1＝ｋ2として）、図４（Ｃ）、（Ｄ）の
ようにＰ0から（ｅ、ｆ）方向にずれた任意の点Ｐ0’を
原点とすることもできる。

【００３３】上述した第１、第２光軸Ｏ1、Ｏ2の映像の
原点から測定点までの長さ（ｉ1、ｉ2、ｊ1）（ｊ2＝ｊ
1）の内、いずれか著しく小さな値がある場合は、その
光学系のみ、レンズ倍率をあげるか又はＣＣＤ画素密度
を上げることにより計算精度を上げることができる。そ
の場合には、設定倍率などを設定装置３２を介してメモ
リ３３に格納し、座標値の演算のときに用いるようにす
る。

【００３４】［他の実施形態］上述した例においては、
各ＣＣＤ１２、２２には焦点深度内で鮮明な画像が得ら
れており、その画像の座標値計測が可能になっているこ
とが前提となっている。その場合、レンズ系１１、２１
及びＣＣＤ１２、２２は位置が固定されているので、こ
の前提がくずれる場合がある。従って、図５、図６に示
したように、レンズ系あるいはＣＣＤを移動可能な状態
にし、常にＣＣＤには鮮明な像が得られるようにする。

【００３５】図５（Ａ）の例では、レンズ系１１、２１
を可動にし、また図５（Ｂ）の例では、レンズ系１１、
２１並びにＣＣＤ１２、２２を可動にする。このとき、
その移動量を設定装置３２に入力し、予め設定されてい
るパラメータ（ｋ1、ｋ2等）を自動的に修正するように
する。これらの構成により、遠、中、近のいずれかの被
写体に、あるいは遠、中、近の被写体に順次合焦させて
静止した被写体の位置測定を行なうことが可能になる。

【００３６】また、図５（Ｃ）の例は、レンズ系、ＣＣ
Ｄとも固定であるが、第１の撮像系のＣＣＤがそれぞれ
遠距離、中距離、近距離の被写体に合焦する位置に配置
された３つのＣＣＤ１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなり、
同様に、第２の撮像系のＣＣＤがそれぞれ遠距離、中距
離、近距離の被写体に合焦する位置に配置された３つの
ＣＣＤ２２ａ、２２ｂ、２２ｃから構成されている。各
ＣＣＤ１２ａ〜２２ｃはそれぞれ独立しており、反射、
透過プリズムを介して、映像が入射されるか、あるいは
レゾセンスプリズム（商品名）に固着されて映像が入射
される。レゾセンスプリズムは、複数のプリズムと３個
のＣＣＤより成り、撮像レンズを通過した映像光線を３
分割してその各々を３個のＣＣＤへ導くもので、その
際、３個のＣＣＤの受ける映像は、すべて可能な限り大
きくかつ同じ被写体範囲となるようにプリズム角度と３
個のＣＣＤの位置が調節されている。図５（Ｃ）の実施
形態の場合には、いずれか鮮明に撮像されているＣＣＤ
の映像を選択するか、又は遠距離、中距離、近距離にピ
ントを合わせた映像を合成して全距離にわたって鮮明に
なった映像を用いることにより測定が行なわれ、動的な
被写体にも対応することができる。

【００３７】更に、図６（Ａ）の構成は、図５（Ｃ）の
構成を変形させたもので、レンズ系１１、２１を可動
に、またＣＣＤを可動または固定にしたもので、更に広
い範囲の被写体の３次元計測が可能になる。また、図６
（Ｂ）の構成は、予めレンズ系１１、２１、ＣＣＤ１
２、２２を固定しておき、その全体を可動にしたもの
で、被写体焦点深度が極めて短い（顕微鏡写真等）の場
合を含めて同様に広い範囲の被写体の計測に利用するこ
とができる。このように、レンズ系１１、２１とＣＣＤ
１２、２２とを固定した場合は、レンズ系とＣＣＤとを
一体として、対象の表面の凹凸に合わせて移動し、レン
ズ―被写体距離が一定の撮映に最適な状態の下で鮮明な
映像が得られるようになるので、顕微鏡写真等に適する
ものである。

【００３８】一方図６（Ｃ）は、第１の撮像系をレンズ
系１１とＣＣＤ１２の組みと、レンズ系１１’と遠、
中、近の被写体に合焦するように配置されたＣＣＤ１２
ａ〜１２ｃの組みを選択できるようにしたもので、経済
的に高分解能を得ることができ、同様に広い被写体の計
測に適用することができる。即ち、図６（Ｃ）に示すよ
うに、レンズ―１ＣＣＤ、およびレンズ―３ＣＣＤの２
系統、第２光軸にレンズ―１ＣＣＤの１系統が備えられ
ている場合、第１光軸系において計測する長さｉ1に対
しては、高分解能でかつ縦横寸法の大きな大面積のＣＣ
Ｄを用いて測り、一方第２光軸系において計測する長さ
はｉ2＝０となるように被写体と光学系を設定すれば、
第２の系統は大面積のＣＣＤを用いる必要がなくなる。
即ち、ｉ2＝０ならば、ｉ1のみを高分解能で計測すれば
よいので、経済的に高分解能で計測を行なうことができ
る。

【００３９】また、図１、図２に示す例では、光軸のず
れは、互いに平行なずれであったが、この例に限定され
ず、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光軸Ｏ1とＯ2が
回転中心Ｓを中心に半径Ｑで角度θずれるようにしても
よい。この場合のｘ1、ｚ1は、次のような式になる。

【００４０】

【数３】

【００４１】また、図８に示したように、図７の状態か
らレンズがｗオフセットしている場合でもよい。この場
合のｘ1、ｚ1は、

【００４２】

【数４】

【００４３】のようになる。

【００４４】図６、図７の例において、機械的なパラメ
ータθ、ｗ、Ｑ等は設定装置３２により設定し、これを
メモリ３３に格納しておく。

【００４５】また、発光ストロボ３０は、被写体が昼光
で充分照明されている場合は、不要であり、また発光ス
トロボを多色逐次発光ストロボとして、図９に示すよう
に、ストロボを色フィルタを介して点灯し、被写体１０
を逐次多色に照明するようにしてもよい。図９（Ａ）
は、被写体１０が、順次赤、黄、緑、青、白の順で照明
される状態を、また（Ｂ）は、赤、黄、緑、青、白のフ
ィルタ４０ａ〜４０ｅを円板４０に同心円状に設けて円
板４０を回転させることにより、同様な効果を与えるこ
とができることが示されている。このように多色（５
色）のストロボライトを一定時間間隔で発光することに
より１フレームの撮像時間の１／５の時間分解能を得る
ことができる。即ち、Ｎ色のストロボライトにより、１
／Ｎの時間分解能が得られる。

【００４６】なお、各実施形態において、測長の分解能
は撮像素子（ＣＣＤ）の間隔に依存している。従って、
測長の分解能を上げるためには、高分解能の撮像素子を
用いる他に、撮像素子を小刻みに移動させることも考え
られる。即ち、撮像素子を上下、左右に１画素間隔の整
数分の１（１／Ｍ）だけ移動し、撮像を繰返し、１画素
間隔分移動する間に得た幾組みかの映像の内、測長目標
点が映像上で認識できない時から、認識できるように転
換したときの画素位置を検知すれば、目標点の座標値を
より正確に求めることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光軸
がずれた撮像系で被写体の映像を撮像し、各映像の座標
値を測定して、この座標値と撮像系の光学的、機械的パ
ラメータに基づき被写体の座標位置を計測するようにし
ているので、簡単な構成で正確な被写体の位置計測が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を説明する光学図である。

【図２】本発明の測定原理を説明する光学図である。

【図３】本発明装置の概略構成を示すブロック図であ
る。

【図４】撮像面での座標値の計算を示す説明図である。

【図５】撮像系の他の実施形態を示す構成図である。

【図６】撮像系の更に他の実施形態を示す構成図であ
る。

【図７】光軸が他の形態でずれた状態での座標計算を説
明する説明図である。

【図８】光軸が他の形態でずれた状態での座標計算を説
明する説明図である。

【図９】被写体が多色で照明される状態を示した説明図
である。

【符号の説明】

１０ 被写体 １１、２１ レンズ系 １２、２２ 撮像装置 １３、２３、３３ メモリ １４、２４、３４ 演算及び制御装置 １５、２５ 表示装置 ３２ 設定装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸がずれた第１と第２のレンズ系で被
   写体の映像を撮像し、 各レンズ系による被写体の撮像面での座標値を測定し、 前記座標値と撮像系の光学的、機械的パラメータに基づ
   き光軸に直交する面での被写体の座標位置及び被写体ま
   での距離を計測することを特徴とする被写体の位置測定
   方法。
2. 【請求項２】 第１のレンズ系による被写体の像を撮像
   する第１の撮像装置と、 第１のレンズ系の光軸とずれた光軸を有する第２のレン
   ズ系による被写体の像を撮像する第２の撮像装置と、 第１と第２の撮像装置の撮像面での被写体の座標値を計
   測する計測手段と、 前記座標値と第１と第２の撮像装置の光学的、機械的パ
   ラメータから光軸に直交する面での被写体の座標位置及
   び被写体までの距離を演算する演算手段と、 を有することを特徴とする被写体の位置測定装置。