JP4224260B2 - Calibration apparatus, method, result diagnosis apparatus, and calibration chart - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、カメラやデジタルカメラ等で撮影された画像のレンズ収差を補正する場合や画像により計測を行うのに用いられるキャリブレーション装置及び方法に関し、特にカメラの内部パラメータ{例えば、レンズの主点位置、画面距離(焦点距離)、歪曲パラメータ等}を簡易に測定できるキャリブレーション装置及び方法に関する。
また、本発明は、カメラの内部パラメータを簡易に測定するためのキャリブレーション装置やキャリブレーション方法に用いて好適な、平面的なキャリブレーション用チャートに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、写真測量や写真計測の分野では、収差の少ない画像を得ることが重要である。そこで、写真測量や写真計測の分野では、撮影用カメラのレンズとして収差が少ない高精度のレンズを使用している。さらに、写真測量分野では、精密に計測された3次元上に配置された多数の点を複数方向から計測することにより、カメラの内部パラメータ(主点位置、画面距離、歪曲パラメータ)を解析的に求めている。また、写真計測の分野で用いられる計測用カメラの場合は、製作されたカメラを精密に計測することにより、カメラの内部パラメータを求めている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、写真測量分野のように精密に計測された3次元上の測定点を撮影計測して、カメラ内部パラメータを求める方法では、以下の課題がある。
▲1▼3次元上に測定点(ターゲット)が配置されている。そこで、複数方向から撮影すると死角が生じて、画像間でみえないターゲットが生じる。
▲2▼撮影された画像において、3次元上の測定点相互の位置関係に逆転が生じる場合があり、測定点の計測や各画像間の対応付けが困難で、自動化できない。
▲3▼そこで、相当の熟練をした作業員により、測定点の計測や各画像間の対応付けを行っている。すると、カメラの内部パラメータを得るために、高額のコストと長時間の作業が必要となってくる。
また、製作された計測用カメラを精密に計測する方法も、専用の冶工具が必要なだけでなく、熟練を要し特殊な設備のある機関でしか計測できず、計測専用カメラとして高価になるという課題がある。
【0004】
そこで、近年では、3次元上の測定点に代わるものとして、シートに印刷された2次元の測定点を計ることにより、レンズ収差を計測するキャリブレーション方式が提案されている。しかし、シートに印刷された測定点を計測することによりレンズ収差を求める方法は、測定点が2次元状に配置されているために、計測できるパラメータがレンズ収差に限られている為、レンズの焦点距離が測定できないという課題がある。レンズの焦点距離は、立体視できる画像の組を用いて3次元計測を行う場合に必要なパラメータである。また、2次元の測定点を用いてレンズの焦点距離を算出する計算式も存在しているが、精度が不安定で、レンズの焦点距離を安定して正確に計測することが困難であるという課題があった。
【0005】
さらに、シートに印刷された2次元の測定点を撮影して、立体視できる画像の組を撮影するレンズのレンズ収差を計測した場合に、測定された各種パラメータにキャリブレーションに過誤が発生している場合がある。しかし、キャリブレーションの過誤を発見することは、2次元の測定点を印刷したシートを用いたのでは困難であるという課題があった。
【0006】
本発明の第1の目的は、上述する課題を解決したもので、汎用のカメラやデジタルカメラにおいて、レンズ収差を補正するのに必要な内部パラメータを簡便に測定できるキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法を提供することである。
また、本発明の第2の目的は、カメラの内部パラメータを簡易に測定するためのキャリブレーション装置やキャリブレーション方法に用いて好適な、平面的なキャリブレーション用チャートを提供することである。
【0007】
本発明のキャリブレーション装置は、第1の目的を達成するもので、図1及び図2に示すように、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられた第2マークを有するキャリブレーション用チャート1を、キャリブレーションを行うカメラ2で、少なくとも2方向から撮影したキャリブレーション用画像から第1マークを抽出する抽出部4と、抽出部4にて抽出された第1マークを用いた射影変換により、前記キャリブレーション用画像における前記第2マークの概略位置をもとめる概略マーク位置測定部5と、前記キャリブレーション用画像に対して、前記第2マークの概略位置近傍で前記第2マーク位置の撮影されている位置を求める精密マーク位置測定部6と、キャリブレーション用チャート1における第2マークの位置と、この第2マークに対応する前記キャリブレーション用画像における第2マークの位置から、カメラ2のキャリブレーション要素を算出する演算処理部7とを備え、前記第1マークは、キャリブレーション用チャート1を4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置されている。
【0008】
このように構成された装置においては、キャリブレーションを行うカメラ2で、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられた第2マークを有するキャリブレーション用チャート1を少なくとも2方向から撮影したキャリブレーション用画像を用意する。抽出部4は、キャリブレーション用画像から第1マークを抽出する。概略マーク位置測定部5は、第1マークを用いた射影変換により、キャリブレーション用画像における前記第2マークの概略位置を求める。精密マーク位置測定部6は、第2マークの概略位置近傍で第2マーク位置の撮影されている位置を求める。レンズ収差の影響は第2マーク位置毎に違うため、概略マーク位置測定部5で概算された位置と現実のキャリブレーション用画像上の位置とに違いを生じるためである。演算処理部7は、キャリブレーション用チャート1における第2マークの位置と、この第2マークに対応するキャリブレーション用画像における第2マークの位置から、レンズのキャリブレーション要素を算出する。このキャリブレーション要素を用いるとカメラ2に対するレンズ収差補償を含んだキャリブレーションが行える。
【0009】
好ましくは、本発明の概略マーク位置測定部2は、射影変換により第2マークの概略位置を求めるように構成されていると、第2マークの概略位置が射影変換によって簡単に求められる。なお、カメラ2のレンズ収差は、概略マーク位置測定部5で概算された位置と現実のキャリブレーション用画像上の位置との違いとして現れる。
【0010】
好ましくは、本発明の精密マーク位置測定部6は、テンプレートマッチング又は重心位置検出の少なくとも一方を用いて、第2マーク位置を決定するように構成されているとよい。第2マークが不定形の形状であったり、キャリブレーション用画像上で不鮮明に写っている場合には、第2マークの重心位置を用いることで、第2マーク位置が安定して正確に得られる。
【0011】
好ましくは、本発明の演算処理部7は、キャリブレーション用チャート1における第2マークの位置と、この第2マークに対応する前記キャリブレーション用画像における第2マークの位置から、当該第2マークにおけるディストーションを演算するように構成されているとよい。ここで、ディストーションとは結像位置の偏差、レンズに現れるザイデルの5収差等による歪である。
【0012】
好ましくは、本発明の演算処理部7は、前記レンズのキャリブレーション要素を算出する際に、精密マーク位置測定部によって位置が算出された第2マークのうち適切な第2マークを選択するように選択するように構成されているとよい。この第2マークの選択には、例えばバンドル調整法を用いるのが良い。バンドル調整法によれば、各撮影位置のカメラの外部標定要素を求めることと、第2マークの位置が適切なものと不適切なものとの分別を同時に行うことが可能となる。
【0013】
好ましくは、本発明のキャリブレーション要素は、前記レンズの焦点距離、主点位置、前記レンズの歪曲パラメータの少なくとも一つを含むように構成されているとよい。当該第2マークにおけるディストーションに寄与するのは、レンズの焦点距離、主点位置、或いはレンズの歪曲パラメータであるためである。
【0014】
好ましくは、本発明のキャリブレーション装置は、さらに演算処理部7で求めたキャリブレーション要素に基づき、キャリブレーションを行うカメラで撮影された画像を前記レンズ収差を補償した画像に修正する画像処理部8を有するように構成されているとよい。画像処理部8を設けると、カメラで撮影する画像から、レンズ収差の影響を除去でき、特に立体視用写真のように僅かの像位置の歪みが大きな標高誤差として現れる分野に用いて好適である。
【0015】
好ましくは、本発明のキャリブレーション装置は、さらにキャリブレーション要素又は前記第2マークにおけるディストーションを表示する表示部9を有するように構成されているとよい。表示部9を設けると、操作者にとって演算結果の良否が直感的に判断でき、便利である。
【0016】
本発明のキャリブレーション方法は、第1の目的を達成するもので、図7に示すように、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられた第2マークを有するキャリブレーション用チャート1を、キャリブレーションを行うカメラで、少なくとも2方向から撮影したキャリブレーション用画像から第1マークを抽出する第1ステップ(S40)と、前記抽出された第1マークから射影変換により、前記キャリブレーション用画像における前記第2マークの概略位置を求める第2ステップ(S50)と、前記キャリブレーション用画像に対して、第2マークの概略位置近傍で第2マーク位置を正確に求める第3ステップ(S69)と、キャリブレーション用チャート1における第2マークの位置と、この第2マークに対応する前記キャリブレーション用画像における第2マークの位置から、前記カメラのキャリブレーション要素を算出する第4ステップ(S90)と、を有し、前記第1マークは、キャリブレーション用チャート1を4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置されている。
【0017】
好ましくは、本発明のキャリブレーション方法において、例えば図5に示すように、カメラ2のレンズは各種レンズ(広角レンズ、標準レンズ、望遠レンズ)であり、キャリブレーション用チャート1には、相互に所定距離だけ離れた前記第1マークが設けられており、前記レンズによりキャリブレーション用チャート1を撮影する際の撮影方向が、前記レンズの焦点距離を正確に算出できる角度として選定されるとよい。
【0018】
好ましくは、本発明のキャリブレーション方法において、例えば図5(A)、図6に示すように、さらに各種レンズの撮影方向は、前記第1マークの一つ(I)を正面として撮影する第1の撮影方向と、前記第1マークと前記所定距離dだけ離れた他の第1マーク(II,III,IV,V)を正面にカメラ位置を設けて、且つ前記レンズの撮影方向を前記第1マーク(I)に前記レンズの光軸が向くようにする第2の撮影方向とを含むと、カメラ2に所望の角度を正確に付することができ、高さ(奥行き)方向の変化を確実にし、焦点距離を正確に算出できる。
【0019】
好ましくは、本発明のキャリブレーション方法において、例えば図5(B)に示すように、前記レンズは標準レンズ又は望遠レンズであり、キャリブレーション用チャート1には、相互に所定距離だけ離れた前記第1マークが設けられており、前記レンズによるキャリブレーション用チャート1を撮影する位置として、前記第1マークの一つとしての正面(I)の位置を基準として、前記レンズとキャリブレーション用チャート1との撮影距離(H)の略1/3程度の間隔(H/3)がある、他の第1マークに対向する位置(II,III,IV,V)を選定する。そして、前記第1マークの一つとしての正面(I)を第1の撮影方向とし、他の第1マークの撮影位置(II,III,IV,V)において、それぞれ第1マーク(1e)を向いた方向を第2乃至第5の撮影方向として撮影するとよい。
【0020】
本発明のキャリブレーション用チャート1は、第2の目的を達成するもので、図2に示すように、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられた第2マークを有するキャリブレーション用チャートであって、前記第1マークは、キャリブレーション用チャート1を4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置され、カメラのキャリブレーションに使用される。カメラのキャリブレーションとしては、例えば請求項1ないし請求項8の何れか1項に記載のキャリブレーション装置や、請求項9ないし請求項12の何れか1項に記載のキャリブレーション方法がある。好ましくは、第1マーク及び第2マークは、略平面上に形成されると、キャリブレーション用チャートの取扱いが容易になる。好ましくは、第1マークと第2マークは、平面型ディスプレイ(例えば液晶ディスプレイ)に表示される画像に表示される構成とすると、平面型ディスプレイはシートに比較して伸縮性が極めて小さいため、第1マークと第2マークが平面型ディスプレイに正確に表示される。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を説明する。図1は本発明の第1の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。図において、キャリブレーション用チャートとしてのチャート1は、平面上のシートに第1マークと第2マークが印刷されている。第1マークは、概略マーク位置測定及び校正用写真組の画像相互の対応付けに利用されると共に、カメラ2がチャート1を撮影した撮影角度を決めるために利用される。第1マークは、チャート1の少なくとも3箇所に設けられるもので、好ましくはチャート1を4区分に等分したときの各象限に設けると良い。
【0028】
第2マークは、カメラ2によって撮影されたチャート1の画像データの位置を指定するもので、ターゲットとも呼ばれており、好ましくは均等の密度で満遍なくチャート1に配置する。第2マークは、チャート1の30箇所以上に設けられるのが好ましく、さらに好ましくは100〜200箇所程度にするとよい。しかし、第2マークを徒に多く設けると、第2マーク自体が小さくなって見難くなると共に、レンズ収差の測定演算時間も長くなるため、実際上の上限は存在しており、例えば1000個である。
【0029】
なお、チャート1は、平面シートに代えて、例えばノートパソコンのような平面的な表示画面を有する機器に、第1マークと第2マークが表示された平面シートの画像表示を用いてもよい。液晶表示画面のようにガラスを用いた画面は、紙やプラスチックに比較して湿度や温度による平面の伸縮が極めて少ないため、チャート1の表示装置として適している。また、液晶表示画面として携帯型パソコンの表示画面を用いると、表示精度がよい点に加えて、可搬性に優れているので、作業現場であっても防水や衝撃に注意すれば、通常の使用に耐える。チャート1の詳細については、後で説明する。
【0030】
カメラ2は、キャリブレーションの対象となるカメラで、典型的には汎用の光学式カメラやデジタルカメラのように、レンズ収差が写真測量や写真計測用の撮影用カメラに比較して、大きいものである。カメラ2は、広角レンズや標準レンズでもよく、また望遠レンズを備えていても良い。画像データ記憶部3は、カメラ2によって撮影されたチャート1の画像データを記憶する記憶装置で、例えば磁気ディスク、CD−ROMのような電磁気的記憶媒体が用いられる。画像データ記憶部3に記憶される画像データは、チャート1をカメラ2にてステレオ視できるように撮影したステレオ画像データであることが好ましく、典型的には左撮影位置2Lと右撮影位置2Rの一組の撮影位置によって撮影されている。好ましくは、画像データ記憶部3では、カメラ2がチャート1を撮影した撮影角度が判別できる態様で校正用写真組の画像が記憶されているとよい。
【0031】
キャリブレーション装置は、抽出部4、概略マーク位置測定部5、精密マーク位置測定部6、演算処理部7、画像処理部8、マーク座標記憶部10並びにレンズ収差補償パラメータ記憶部11を備えると共に、外部機器として画像データ記憶部3や表示部9を備えている。キャリブレーション装置には、例えばCPUとしてインテル社製のペンティアム(登録商標)やセレロン(登録商標)を搭載したコンピュータを用いるとよい。
【0032】
抽出部4は、画像データ記憶部3に格納される画像データから第1マークを抽出して、第1マークの画像座標値を求める第1マーク抽出処理を行う。第1マーク抽出処理は、概略マーク位置測定部5による第2マークの概略位置算出と対応付けの前処理として行われる。この第1マークの画像座標値は、マーク座標記憶部10に記憶される。なお、第1マークが第2マークと共通の図柄を含んでいる場合には、第1マーク内の第2マーク位置によって第1マークの画像座標値とするとよい。抽出部4による第1マーク抽出処理の詳細は、後で説明する。
【0033】
概略マーク位置測定部5は、抽出部4にて抽出された第1マークの画像座標値から射影変換を行って外部標定要素を求め、単写真標定の定理、並びに共線条件式を用いて、第2マークの概略位置を演算して、校正用写真組の画像相互の対応付けを行う。概略マーク位置測定部5による第2マークの概略位置演算処理の詳細は、後で説明する。
【0034】
精密マーク位置測定部6は、校正用写真組の画像に対して第2マークの認識を行い、重心位置検出法等によって第2マークの位置を精密に演算する。演算処理部7は、精密マーク位置測定部6にて演算された第2マークの位置が、チャート1の画像データにおける他の第2マークの位置と著しい齟齬が生じていた場合には、齟齬の生じた第2マークの位置を除外する機能を有する。また、演算処理部7は、精密マーク位置測定部6にて演算された第2マークのうち、キャリブレーションに適切な第2マークを抽出して、外部標定要素と対象点座標を同時調整すると共に、カメラの内部パラメータを演算する。演算されたカメラの内部パラメータは、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に格納すると良い。カメラの内部パラメータには、主点位置、画面距離、歪曲パラメータがある。なお、ここでは歪曲パラメータのみを求めているが、ザイデルの5収差を構成する球面収差、コマ、非点収差、像面のそりについても、求めても良い。演算処理部7にて求められた内部パラメータは、表示部9にてグラフィック表示される。なお、精密マーク位置測定部6、並びに演算処理部7のカメラの内部パラメータ演算処理に関しての詳細は、後で説明する。
【0035】
画像処理部8は、演算処理部7にて求められた内部パラメータを用いて、カメラ2によって撮影された画像(特に、チャート1以外の画像)のデータ画像を再配列する。すると、カメラ2によって撮影された画像が、レンズ収差の大部分が除去された歪の著しく少ない画像として、表示部9に表示される。表示部9は、CRTや液晶ディスプレイのような画像表示装置である。マーク座標記憶部10には、第1マークの画像座標値が記憶されていると共に、第2マークの管理番号並びにその画像座標値が記憶されている。レンズ収差補償パラメータ記憶部11には、演算処理部7にて演算されたカメラ2の内部パラメータが記憶されている。
【0036】
次に、キャリブレーション用チャートとしてのチャート1について説明する。ここでは、チャート1として紙やプラスチックシートに所定のマークを印刷してある場合を例に説明するが、平面画面に所定のマークを配列した画像を表示するものでもよい。
図2は、キャリブレーション用チャートの一例を示す平面図である。チャート1は、平面的なシート形状であって、表側に視認容易な第1マークと多数の点から構成される第2マークが印刷されている。ここでは、第1マークはチャート1に総計5個配置されるもので、外形菱形で、中心部分に第2マークと共通の図柄が描かれている。第1マーク1a、1b、1c、1dは、チャート1を4象限に区分したとき、各象限に設けられるもので、第1マーク1aは左上象限、第1マーク1bは右上象限、第1マーク1cは左下象限、第1マーク1dは右下象限に位置している。第1マーク1eは、各象限と共通となる原点位置に設けられている。例えば第1マーク1a、1b、1c、1dは、第1マーク1eに対して等距離dの位置に設けられている。チャート1が矩形であるとして、第1マーク1a、1bと第1マーク1eとの縦方向の間隔をh、第1マーク1c、1dと第1マーク1eとの縦方向の間隔をlとする。このとき、第1マーク1a、1b、1c、1dと第1マーク1eとの距離dは、以下の関係を充足する。
d=(h2+l2)1/2 (1)
【0037】
第1マークと第2マークは、予め所望の寸法で印刷するか、もしくは寸法を計測しておく。第1マークと第2マークの印刷位置の数値は、キャリブレーション装置のマーク座標記憶部10に読込んで、概略マーク位置測定部5において概略位置測定と対応づけのために利用される。なお、チャート1は、コンピュータの記憶装置に画像データとして記憶させておき、キャリブレーションする場所において印刷して使用しても良い。第1マークと第2マークの位置は、予めキャリブレーション装置の中に記憶してあるものを使い、その記憶された座標にてシートに印刷すれば、計測作業は不要になるので作業は簡単なものになる。あるいは、チャート1を精密に計測して、第1マークと第2マークの座標位置を測定し、その座標値をマーク座標記憶部10に格納して利用する構成としてもよい。
【0038】
第1マークは、概略マーク位置測定及び対応付けに利用されるだけでなく、撮影方向を決める視標としても利用される。さらに、第1マークの外形菱形の中心部分は第2マークと共通の図柄とすることにより、精密マーク位置測定部6で精密測定する際のテンプレートとして使用される。
【0039】
図3は第1マークの一例を示す説明図で、(A)は菱形、(B)は4本の矢印、(C)は黒塗り矩形を示している。図3(A)、(B)では、第1マークは第2マークと共通の図柄を囲むように菱形又は4本の矢印を配置し、作業者にとって視認容易になるように配慮してある。このように視認容易な図柄とすることで、第1マークの抽出が容易なものとなると共に、カメラ2の撮影方向として広い撮影角度の中から一つの撮影角度を選択しても、撮影された画像から第1マークを見逃すことがない。図3(C)では、第1マークは黒塗り矩形とし、中心部の図柄は第2マークとは反転した色彩になっているが、このようにしても検出は容易である。また、精密マーク位置測定部5にて測定する際にも、図3(C)の図柄に対しては、第1マークの階調を反転することにより、第2マークのテンプレートとすることができる。
【0040】
図4は第2マークの一例を示す説明図で、(A)は黒丸『●』、(B)はプラス『+』、(C)は二重丸『◎』、(D)は英文字『X』、(E)は星印『★』、(F)は黒塗り四角『■』、(G)黒塗り三角形『▲』、(H)は黒塗り菱形『◆』を示している。第2マークは、チャート1に満遍なく多数配置されるので、精密位置計測のしやすいものであれば、各種の図柄を採択して良い。
【0041】
続いて、キャリブレーション対象となるカメラ2によって、チャート1を撮影する手順について説明する。図5はレンズ収差を計測する場合のカメラ配置を説明する図で、(A)はカメラ配置を示した立体図であり、(B)は一般的に標準レンズ及び望遠レンズを使用したときのカメラ間隔を示した図である。チャート1を異なる撮影角度から撮影した画像として、2枚以上の画像があれば、キャリブレーションが可能となる。好ましくは、チャート1としてシートに印刷された平面チャートを用いる場合には、3以上の撮影角度方向から撮影することによって、各キャリブレーション要素、特に焦点距離、の測定値が安定し、かつ信頼性の高いものになる。
【0042】
各種レンズのレンズ収差を計測する場合は、図5(A)に示すような5方向、即ち正面(I)、左上(II)、右上(III)、左下(IV)、右下(V)から撮影する。カメラ2の光軸と平面チャートとの撮影入射角は、実際の撮影現場での奥行き精度を1cm程度に設定すると、10度〜30度の範囲が好ましく、他方レンズの焦点深度との関係でピントの合う距離も限られていることも考慮すると、12度〜20度の範囲がさらに好ましい。典型的には、カメラ2の光軸と平面チャートとの撮影入射角として15度を採用するとよい。
【0043】
以下、図6を参照して各種レンズのカメラによるチャート1の撮影手順を説明する。図6は、(A1)、(A2)、(A3)、(A4)にてカメラの画像を示し、カメラ画像に対応するチャート1とカメラ2の位置関係を(B1)、(B2)、(B3)、(B4)にて示している。なお、番号(I)〜(V)は図5(A)のカメラ位置に対応している。
【0044】
(I):正面から、チャート1の第1マークと第2マーク全てが一杯に入るよう撮影する(図6(A1)、(B1))。第1マークと第2マークをなるべく一杯に、撮影画像のすみまでいれることにより、レンズ周辺部までのディストーション補正が確実になる。そこで、カメラの焦点距離に応じて、撮影距離Hが変化する。
(II):次に、一般的に標準レンズ及び望遠レンズを使用した場合、正面のカメラ位置を中心として、撮影距離Hの1/3程度離れた位置にカメラを移動させて、例えば左上象限の第1マーク1aが撮影中心となるようにカメラ位置を変える(図6(A2)、(B2))。但し、一般的に広角レンズを使用した際に、撮影距離Hが約1m以内の場合は、カメラ位置は目的とする第1マークが正面に来るようにカメラ2を移動させればよい。そして、カメラ2のカメラ位置をそのままにして、中央にある第1マーク1eが中心となるようにカメラ2の方向を向ける(図6(A3)、(B3))。次に、カメラ2をチャート1に近づけるように移動して、カメラ2の撮影画像に対して第1マークと第2マークが一杯に入るようにして撮影する(図6(A4)、(B4))。
【0045】
(III):右上象限の第1マーク1bが撮影中心となるようにカメラ位置を変える。そして、カメラをそのまま中央にある第1マーク1eが中心となるようにカメラの方向を向け、第1マークと第2マークが一杯に入るようにして撮影する。(IV):左下象限の第1マーク1cが撮影中心となるようにカメラ位置を変える。そして、カメラをそのまま中央にある第1マーク1eが中心となるようにカメラの方向を向け、第1マークと第2マークが一杯に入るようにして撮影する。
(V):右下象限の第1マーク1aが撮影中心となるようにカメラ位置を変える。そして、カメラをそのまま中央にある第1マーク1eが中心となるようにカメラの方向を向け、第1マークと第2マークが一杯に入るようにして撮影する。
このような手順によって、カメラ2の角度が必要な撮影角度の差として確保できるので、焦点距離が確実に測定できるようになる。
【0046】
次に、チャート1としてシートに印刷された平面チャート、又は表示した平面的画面を用いる場合における、第1マークを利用した撮影手順の利点について説明する。通常、平面のシートに印刷されたマークを撮影する場合、カメラ2に所望の角度がつけられないため、結果として画面距離(焦点距離)を正確に求めることができない。即ち、焦点距離方向(高さ、奥行き方向)に変化がないと、カメラの内部パラメータの計算値には拘束するものがないので、カメラの内部パラメータが算出されても著しく信頼性のないものとなる。そこで、三次元状に配置されたターゲットを計測して焦点距離を求めるのであるが、三次元状に配置されたターゲットは『発明が解決すべき課題』の欄で述べたように、計測が困難で自動化ができないだけでなく、作成するのも容易ではない。
【0047】
これに対して平面チャート1では、第1マークと第2マークを印刷したシート又は表示した平面的画面を用いているので、三次元状に配置されたターゲットの場合に発生していた各ターゲット間の関連付けの困難性という問題は解消される。次に、第1マークを利用して撮影すると、カメラ2に所望の角度を付することができ、高さ(奥行き)方向の変化を確実にし、焦点距離を正確に算出できる。例えば、カメラ2の角度をチャート1に対して10度以上傾けることができれば、本発明のキャリブレーション装置においては、焦点距離を確実に求めることができる。
【0048】
ここで、カメラ2とチャート1の間隔Hは、標準レンズや広角レンズの焦点距離fから定められる。例えば、焦点距離が35mmの標準レンズでは、撮影距離Hは90cm程度になる。チャート1に設けられた第1マークの相互間隔dは、例えば20cmであるから、正面(I)から左上(II)等に撮影方向を傾けるとき、撮影角度として約10度が確保される。
なお、撮影方向の傾斜角度の上限は焦点深度などによって定まる。即ち、撮影方向の傾斜角度が大きいとカメラ2と第1マーク間の距離が各第1マークによって相違し、画像に写る第1マークの像がボケてしまう。そこで、撮影方向の傾斜角度の上限は、例えば30度となる。実際の撮影手順は上記(I)〜(V)に示した通りで、カメラの画面一杯に第1マークと第2マークが入るように撮影すれば、自ずと上記条件になるので、撮影距離と位置の条件が満足される。
【0049】
望遠レンズや標準レンズのレンズ収差を計測する場合は、撮影レンズの画角が狭くなり、角度がつかなくなるため、正面(I)から左上(II)等に撮影方向を傾けるとき、撮影角度としての10度が確保されなくなる。即ち、焦点距離が長い場合にはカメラ2とチャート1の撮影距離Hが1m以上であって、第1マークの相互間隔dが20cm程度に過ぎないためである。そこで、図5(B)に示すように、正面のカメラ位置を中心として、左側のカメラ位置(II)、(IV)と、右側のカメラ位置(III)、(V)を定める。この際に、左右のカメラ位置の間隔を正面(I)の位置からそれぞれ撮影距離Hの1/3程度とった位置にカメラを設置して、上述の左上(II)、左下(IV)及び右上(III)、右下(V)での撮影を行えばよい。カメラの光軸は、チャート1の法線方向と一致させればよいが、チャート1方向を向けても良い。
【0050】
なお、上記の実施の形態においては、撮影位置として正面(I)、左上(II)、右上(III)、左下(IV)、右下(V)の5方向の場合を示したが、撮影位置は最低の場合には左右2方向あればよく、また3方向以上でもよい。左右2方向の場合も、撮影角度として約10度が確保されるようにしてチャート1の撮影を行う。
【0051】
次に、本発明のキャリブレーション装置における全体処理の流れについて説明する。図7はキャリブレーション装置を用いたキャリブレーション方法を説明するフローチャートである。まず、レンズ収差の補償対象となるカメラ2によって、チャート1を撮影する(S10)。撮影手法は、標準レンズや広角レンズの場合には図5(B)で説明した撮影手順、望遠レンズの場合には図6で説明した撮影手順による。カメラ2によって撮影された各撮影方向の画像データは、一旦画像データ記憶部3に格納される。次に、キャリブレーション装置は、画像データ記憶部3に格納された画像データを読込んで、表示部9に表示する(S20)。そして、操作者は表示部9に表示された画像から、ターゲットの対応付け及び計測を行う画像を選択する(S30)。そして、抽出部4により、選択された画像につき第1マーク抽出処理を行う(S40)。
【0052】
(I):第1マーク抽出処理
第1マーク抽出処理では、測定対象面に設定されたチャート1の平面座標とその画像座標(カメラ側)との二次射影変換式を決定するため、平面座標上の第1マークのうち、最低3点以上を画像データ上で計測する。ここでは、第1マークの中に第2マークを含んでいるので、含まれた第2マークの位置を指定することで、正確に第1マークの位置を指定する。第1マーク抽出処理は、次のI−iからI−ivまでの処理を第1マークの点数分繰り返す。例えば、図2に示すチャート1では、左右各2点の第1マーク1a、1b、1c、1dについて行う。
【0053】
I−i…操作者は表示部150に表示された全体画像上で、検出したい第1マーク中の第2マークにマウスのカーソル位置を合わせクリックし、第1マークの概略位置を求める。
I−ii…I−iで求められた画像座標を中心として、拡大画像より第2マークを含んだ、局所となる画像を切り出して、表示する。このとき、第2マークを含む画像を第2マーク精密位置測定のテンプレートとして使うことができる。
I−iii…I−iiで表示した拡大画像に対して、第1マークの重心位置にマウスのカ−ソル位置を合わせクリックし、この画像座標を第1マークの重心位置とする。なお、後続の処理で概略位置対応付けを行うために、I−iiiでの位置あわせは厳密でなくともよい。
I−iv…次に、マーク座標記憶部135に記憶された第2マークの管理番号と対応させるために、I−iiiで計測された第1マークの重心位置に対応する第2マークの管理番号を入力する。このとき、入力された第2マークの管理番号には、I−iiiで計測された第1マークの重心位置が基準点座標として記憶される。
【0054】
なお、第1マーク抽出処理では、例えばチャート1上の第1マークの計測順序を予め決めておけば、第2マークの管理番号を入力せずとも、抽出部4側で自動採番処理が可能である。また、第1マーク抽出処理では、操作者が作業しやすいように、例えば、表示部9に表示されている選択画像を二つに分割し、片側に図2のような全体画像、もう一方側に図3(A)、(B)のような拡大画像を表示するようにすれば、位置計測がしやすくなる。
【0055】
次に、第1マーク抽出処理の他の処理手順として、拡大画像を用いないで図2のような全体画像だけで計測する方式がある。この場合、I−iの処理を行うと共に、I−ivにおいてI−iで計測された第1マークの重心位置に対応する第2マークの管理番号を入力する。このようにすると、拡大画像を用いないため、I−ii、I−iiiの処理が省略できる。ただし全体画像表示なので、第1マークが小さく表示されるため、操作者の好みで拡大画像を利用するかしないか判断すればよい。
【0056】
次に、第1マーク抽出処理を抽出部4により自動処理する場合を説明する。まず、第1マークのうち第2マークを含まない外枠部分をテンプレートとして登録する。この登録は、例えば先に説明した、第1マーク抽出処理における最初の第1マークをテンプレート画像として登録すればよい。すると、テンプレートマッチング処理にて、残りの第1マークを自動で計測することができる。また、第1マークの場合の位置対応付けは、第1マークの位置が画像上から明確であるため容易に行える。例えば図2の第1マーク配置であれば、その検出座標から5点の第1マークの対応付けを行うのは容易である。なお、テンプレートマッチングの処理については、後で説明する第2マーク精密位置測定におけるターゲットの認識処理(S62)と同様なので、説明を省略する。
【0057】
続いて、第1マーク抽出処理を抽出部4によりさらに自動処理する場合を説明する。第1マーク抽出処理における第1マークのテンプレート画像を、予め抽出部4に登録しておく。すると、第1マークのテンプレート画像を用いて、テンプレートマッチングの処理により第1マークが個別に抽出されるので、I−iの第1マークを指定する作業は全て省略することも可能である。即ち第1マークが第2マークに対して明確に異なるマークであれば、仮想のテンプレート画像を抽出部4が持つことによっても、自動処理が可能となる。
しかしながら、第1マークは最低3点以上計測すればよいので、マニュアルによる作業でも、簡単な作業である。
【0058】
図7に戻り、概略マーク位置測定部5により第2マーク概略位置測定と対応付けを行う(S50)。第2マーク概略位置測定と対応付けは、外部標定要素を求める工程(II−1)と、第2マークの概算位置を演算する工程(II−2)を含んでいる。
(II−1):外部標定要素を求める工程
概略マーク位置測定部5では、S40で求めた第1マークの画像座標と対応する基準点座標を式(2)に示す二次の射影変換式に代入し、観測方程式をたてパラメ−タ−b1〜b8を求める。
X=(b1・x+b2・y+b3)/(b7・x+b8・y+1)
Y=(b4・x+b5・y+b6)/(b7・x+b8・y+1) (2)
ここで、XとYは基準点座標、xとyは画像座標を示している。次に、基準点座標と画像座標の関係を説明する。図9(A)は中心投影における画像座標系と対象座標系の説明図である。中心投影の場合、投影中心点Ocを基準にしてチャート1の置かれる基準点座標系としての対象座標系52と、カメラ2のフィルム又はCCDが置かれる画像座標系50が図9(A)のような位置関係にある。対象座標系52における基準マークのような対象物の座標を(X,Y,Z)、投影中心点Ocの座標を(X0,Y0,Z0)とする。画像座標系50における座標を(x,y)、投影中心点Ocから画像座標系50までの画面距離をCとする。ω、φ、κは、画像座標系50の対象座標系52を構成する3軸X,Y,Zに対するカメラ撮影時の傾きを表すもので、外部標定要素と呼ばれる。
【0059】
そして、式(2)のパラメ−タ−b1〜b8を用いて、式(3)より次の外部標定要素を求める。
ω=tan-1(C・b8)
φ=tan-1(−C・b7・cosω)
κ=tan-1(−b4/b1) (φ=0のとき)
κ=tan-1(−b2/b5) (φ≠0、ω=0のとき)
κ=tan-1{−(A1・A3−A2・A4)/(A1・A2−A3・A4)}(φ≠0、ω≠0のとき)
【0060】
Z0=C・cosω・{(A2 2 +A3 2 )/(A1 2 +A4 2 )} 1 / 2 +Zm
X0=b3−(tanω・sinκ/cosφ−tanφ・cosκ)×(Zm−Z0)
Y0=b6−(tanω・cosκ/cosφ−tanφ・sinκ)×(Zm−Z0) (3)
ただし、A1=1+tan2φ、A2=B1+B2・tanφ/sinω、A3=B4+B5・tanφ/sinω、A4=tanφ/(cosφ・tanω)とする。また、Zmは第1マーク1a、1b、1c、1d4点の基準点の平均標高とする。ここでは、第1マーク1a、1b、1c、1d4点の基準点は平面座標上なので、標高一定の面と仮定できる。Cは焦点距離で、前述の画面距離に相当している。
【0061】
(II−2):第2マークの概算位置を演算する工程
次に、単写真標定の原理から、対象座標系52で表される地上の対象物(X,Y,Z)に対する、画像座標系50で表される傾いたカメラ座標系におけるカメラ座標(xp、yp、zp)は、式(4)で与えられる。
【数1】
ここで、X0、Y0、Z0は、前述したように、図9(A)に示すような投影中心点Ocの地上座標とする。
【0062】
ここで、式(3)で求めたカメラの傾き(ω、φ、κ)を、式(4)中に代入し、回転行列の計算をして、回転行列の要素a11〜a33を求める。
【0063】
次に、求めた回転行列の要素a11〜a33と式(3)で求めたカメラの位置(X0、Y0、Z0)、及びタ−ゲットの基準点座標(X,Y,Z)を共線条件式{式(5)}に代入し、タ−ゲットの画像座標(x、y)を求める。ここで、共線条件式とは、投影中心、写真像及び地上の対象物が一直線上にある場合に成立する関係式である。これにより、レンズ収差がない場合の第2マークの位置が算出されるので、レンズ収差のある現実のカメラで撮影した画像におけるタ−ゲットの概略の画像座標が求める。
x=−C・{a11(X−X0)+a12(Y−Y 0)+a13(Z−Z0)}/ {a31(X−X0)+a32(Y−Y 0)+a33(Z−Z0)}
y=−C・{a21(X−X0)+a22(Y−Y 0)+a23(Z−Z0)}/ {a31(X−X0)+a32(Y−Y 0)+a33(Z−Z0)} (5)
【0064】
ところで、式(3)中のtan-1の演算では解が二つ求めるため、カメラの傾き(ω、φ、κ)はそれぞれ2つ解をもち全通りの計算を行う。そして、第1マーク抽出処理で計測した第1マーク1a、1b、1c、1d4点の画像座標と、式(5)で求めた対応する4点の画像座標との残差の比較により、正解となるω、φ、κを算出する。
なお、ここでは射影変換式として二次の射影変換式を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、三次の射影変換式等の他の射影変換式を利用しても良い。
【0065】
また、概略マーク位置測定部5では、例えばマーク座標記憶部10に格納されている基準点座標ファイルに付加してある第2マークの管理番号を、各第1マークのタ−ゲット(第2マーク)に割り振ることにより、第2マークの対応づけを行う。
【0066】
図7に戻り、精密マーク位置測定部6によって第2マークの精密位置測定を行う(S60)。以下、図8を用いて第2マークの精密位置測定の処理手順を詳細に説明する。まず、精密マーク位置測定部6は、第2マークとしてのタ−ゲットを認識する(S62)。このターゲット認識には、例えば正規化相関を用いたテンプレ−トマッチングを用いる。以下、ターゲット認識の詳細について説明する。
【0067】
(III)ターゲット認識
図9(B)はターゲット認識に用いられる正規化相関のテンプレ−ト画像と対象画像の説明図である。まず、第1マーク抽出処理(S40)で計測した第1マーク、例えば第1マーク1a、1b、1c、1d4点のタ−ゲットの重心位置の中から、任意のタ−ゲットを選ぶ。正規化相関のテンプレ−ト画像は、選ばれたターゲットの重心位置(画像座標)を中心とする、M×M画素の画像とする。また、第2マーク概略位置測定(S50)で算出したタ−ゲットの概略位置(画像座標)を中心として、N×N画素の画像を対象画像とする。
【0068】
次に、対象画像に対して、式(6)に示す正規化相関によるテンプレ−トマッチングを施し、相関値が最大となる位置を求める。この相関値が最大値となる位置にて重ね合わせが達成され、最大値となる位置にてタ−ゲットが認識されたとみなす。ここでのテンプレ−ト画像の中心座標を等倍画像上の画像座標に換算し、検出点とする。
A={M2×Σ(Xi×Ti)−ΣXi×ΣTi}/
[{M2×ΣXi2−(ΣXi)2}×{M2×ΣTi2−(ΣTi)2}]
(6)
ここで、Aは相関値、Mはテンプレ−ト画像の正方サイズ、Xiは対象画像、Tiはテンプレ−ト画像とする。また、画像の正方サイズN、Mは可変であるが、処理時間の高速化をはかるため、N、Mはタ−ゲットが十分格納できるのを前提にできるだけ小さくするのがよい。
【0069】
図8に戻り、第2マークの精密位置測定を行うために、第2マークのサブピクセルエッジ検出を行う(S64)。第2マークのサブピクセルエッジ検出を行う対象画像は、S62でタ−ゲットと認識された検出点を中心としてN×N画素の画像とする。対象画像に存在する濃淡波形に、式(7)に示すガウス関数の二次微分であるラプラシアン・ガウシアン・フィルタ(LOGフィルタ)を施し、演算結果の曲線の2箇所のゼロ交差点、つまりエッジをサブピクセルで検出する。ここで、サブピクセルとは一画素よりも細かい精度で位置検出を行うことを言う。
∇2・G(x)={(x2−2σ2)/2πσ6}・exp(−x2/2σ2) (7)
ここで、σはガウス関数のパラメ−タ−である。
【0070】
次に、ターゲットの重心位置を検出し(S66)、戻しとする(S68)。ここでは、式(7)を用いて求めたx、y方向のエッジ位置より、その交点をタ−ゲットの重心位置とする。なお、第2マークの精密位置測定は、S62〜S66に開示した処理に限定されるものではなく、他の重心位置検出法、例えばモーメント法やテンプレートマッチング法をさらに改良して利用するなど、どのような求め方をしても良い。
【0071】
図7に戻り、全タ−ゲット重心位置の確認をし、一見明白な過誤のないことを確認する(S70)。即ち、ターゲット認識されたターゲットの位置検出が適切であるか確認する。操作者による確認の便宜のために、検出されたターゲットの位置を表示部9に表示する。過誤がない場合には、S80に行く。過誤があれば、不適切なターゲットの位置を修正する(S75)。例えば、S62で演算された相関値が低いターゲットや、重心検出位置が概略検出位置とあまりにかけ離れてしまったターゲットは、表示部9上にそのターゲット表示を赤くするなど、操作者に明確にわかるように表示する。すると、過誤のあったターゲットに関しては、操作者によるマニュアルにて計測しなおす(マウスで重心位置を指定する)。なお、ここで過誤のあったターゲット位置を無理に修正しなくとも、あとのキャリブレーションパラメータを求めるためのS90の処理過程によっても、異常点として検出されるので、取り除くことが可能である。
【0072】
そして、S30〜S75の処理を、レンズ収差の測定に必要な画像分繰り返す(S80)。例えば、撮影された画像が5枚であれば、全ての5枚について繰り返しても良く、またレンズ収差の測定に必要な画像分に到達していれば、撮影された画像の全部を繰り返して処理しなくてもよい。
【0073】
レンズ収差の測定に必要な画像分の計測処理を終了したら、次に演算処理部7のカメラの内部パラメータ演算処理を用いて、レンズ収差のキャリブレーション要素を求める処理に移る(S90)。ここでは、キャリブレーション要素の演算対象として、チャート1上の第2マークについて、概略マーク位置測定部5と精密マーク位置測定部の処理により対応づけがなされ重心位置が求められている全ての第2マークについて行う。
【0074】
(IV):カメラの内部パラメータ演算処理(セルフキャリブレーション付きバンドル調整法)
演算処理部7のカメラの内部パラメータ演算処理としては、例えば写真測量分野で使用されている「セルフキャリブレーション付きバンドル調整法」を用いる。ここで、「バンドル調整」とは、被写体、レンズ、CCD面を結ぶ光束(バンドル)は同一直線上になければならないという共線条件に基づき、各画像の光束1本毎に観測方程式をたて、最小2乗法によりカメラの位置と傾き(外部標定要素)と第2マークの座標位置を同時調整する方法である。「セルフキャリブレーション付き」とはさらに、キャリブレーション要素、即ちカメラの内部定位(レンズ収差、主点、焦点距離)を求めることができる方法である。セルフキャリブレーション付きバンドル調整法(以下単に「バンドル調整法」という)の共線条件基本式は、次の(式8)と(式9)である。
【0075】
【数2】
【数3】
【0076】
この(式8)と(式9)は、第1マーク抽出処理で説明した単写真標定の共線条件式(5)を基本式とするものである。即ちバンドル調整法は、(式8)と(式9)を用いて、複数画像から最小二乗近似して、各種解を算出する手法であり、各撮影位置のカメラの外部標定要素を同時に求めることが可能となる。即ち、カメラのキャリブレーション要素を求めることが可能となる。
【0077】
次に、内部定位の補正モデル(レンズ収差)として、放射方向レンズ歪を有する場合の一例を次の(式10)に示す。
【数4】
補正モデルはこれに限らず、使用レンズにあてはまるものを選択すればよい。これら計算は、基準点を地上座標と画像座標で6点以上あれば、逐次近似解法によって算出される。なお、演算処理部7では、逐次近似解法の閾値によって、閾値以上となった場合の誤差の大きいチャート1上の第2マークを省くことによって、正確なキャリブレーション要素を求めることが可能となる。そこで、ターゲット位置重心位置確認(S70)において、誤差の大きい第2マークとして検出されなかった場合でも、S90にて過誤のある第2マークを検出して、除去することが可能である。
【0078】
図7に戻り、演算処理部7によるキャリブレーション要素を求める演算処理結果を判断し(S100)、演算処理が収束しなかったり、或いは得られたキャリブレーション要素が適正と思われないものであった場合、S110にて対処する。S110では、過誤のある第2マークを含む画像を選択する。S90におけるキャリブレーション終了時点で、演算処理部7によりどの画像のどの第2マークに過誤があるか判明しているので、その各画像における該当ターゲット検出点を表示して、確認する。
【0079】
そして、操作者はマニュアル操作にて過誤のある第2マークを修正する(S120)。即ち、過誤のある第2マークの重心位置座標がずれて表示されているので、過誤のある第2マークとして表示されているマークを、適性として表示されている重心位置に移動させることで、修正が行われる。そして、過誤のある第2マークの位置修正が完了したか判断し(S130)、完了していればS90のキャリブレーション要素演算に戻り、キャリブレーション要素を演算しなおす。他方、他に修正箇所があれば、S110に戻って、過誤のある第2マークの位置修正操作を繰り返す。
【0080】
キャリブレーション要素を求める演算処理結果が適性であれば、結果を表示部9に表示する(S140)。図10は、キャリブレーション要素の演算処理結果の一例を示す説明図である。例えば、表示部9への表示には、キャリブレーション要素である焦点距離、主点位置、歪曲パラメータを表示する。レンズ収差を示すディストーションについては、補正前曲線102、補正後曲線104、理想に補正された場合106、についてグラフィック表示するとわかりやすい。
【0081】
さらに、キャリブレーションした結果に基づいて、ディストーション補正した画像を、画像処理部8にて作成して表示部9に表示することもできる。こうすれば、ディストーションの大きいカメラにて撮影した画像も、ディストーション補正されて表示する画像表示装置を提供することが可能となる。
【0082】
次に、本発明のキャリブレーション結果診断装置について説明する。キャリブレーション結果診断装置は、キャリブレーション装置により計測されたレンズに対するキャリブレーション要素を利用して、当該レンズで撮影した立体視可能な画像データにより三次元計測する場合の精度を確認する場合に好適である。即ち、キャリブレーション結果診断装置は、厳密にキャリブレーションを行い、精度よく三次元計測を行いたい場合や、平面チャートを用いて計測したレンズに対するキャリブレーション要素に過誤がないかさらに検証したい場合に利用する。
【0083】
図11は本発明のキャリブレーション結果診断装置の一実施の形態を説明する構成ブロック図である。図において、立体基準チャート20は、ターゲット20a〜20hの位置が三次元的に正確に測定されているもので、ターゲットの数、高さ、並びに平面的な座標は三次元計測に適するように適宜に定められている。カメラ22は、立体基準チャート20をステレオ撮影するもので、レンズ収差の補償対象となるカメラ2と同種のカメラを用いて、且つカメラ2と同じ焦点距離で撮影するのが良い。基準ステレオ画像データ24は、立体基準チャート20をカメラ22にてステレオ視できるように撮影した画像データで、典型的には左撮影位置22Lと右撮影位置22Rの一組の撮影位置によって撮影されている。
【0084】
ターゲット位置測定部26では、基準ステレオ画像データ24に撮影されているターゲット20a〜20hを抽出して、このターゲット20a〜20hの画像座標系での位置を測定する。表示部28は、CRTや液晶等の表示装置で、例えば基準ステレオ画像データ24やターゲット位置測定部26で測定された立体基準チャート20のターゲット位置を表示する。演算処理部30は、ターゲット位置測定部26で測定されたターゲット20a〜20hの画像座標系での位置情報から、相互標定や絶対標定に必要なパラメータを演算するもので、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に記憶されたキャリブレーション要素が用いられる。キャリブレーション要素は、キャリブレーション装置により計測されたレンズに対するものである。演算処理部30での標定用演算には、航空写真測量等で使用されるステレオ画像による表面形状の凸凹測定に必要な演算手法が用いられる。
【0085】
立体基準チャートターゲット記憶部32には、立体基準チャート20の全ターゲット20a〜20hの位置が記憶されている。キャリブレーション判定部としての収差補償パラメータ適性度判定部34は、演算処理部30で演算された立体基準チャート20のターゲット位置と、立体基準チャートターゲット記憶部32に記憶されたターゲット20a〜20hの位置とを比較して、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に記憶されたキャリブレーション要素によるレンズ収差の補償が適切であるか判定する。
【0086】
ステレオ画像生成手段36は、演算処理部30にて相互標定された基準ステレオ画像データ24を読込んで、基準ステレオ画像データ24のステレオ画像を生成するもので、例えば画像演算処理を高速に行うプロセッサが使用される。ここでステレオ画像とは、カメラ22で撮影された右撮影方向と左撮影方向の一組のステレオ撮影された画像を偏位修正して、立体視できるように調整したものをいう。立体画像表示部38は、ステレオ画像生成手段36により形成された立体画像を立体表示する画像装置である。なお、ターゲット位置測定部26、演算処理部30、収差補償パラメータ適性度判定部34並びにステレオ画像生成手段36は、デジタル図化機あるいはパソコンの中に構成することもできる。
【0087】
図12は本発明のキャリブレーション結果診断装置を用いたキャリブレーション結果診断を説明するフローチャートである。まず、キャリブレーション結果診断装置に基準ステレオ画像データ24を読込ませる(S200)。このとき、立体基準チャートターゲット記憶部32に対して、基準ステレオ画像データ24に表示されたターゲット20a〜20hの正確な位置を入力しておくとよい。
【0088】
次に、ターゲット位置測定部26によって、基準ステレオ画像データ24を表示部28に表示する(S210)。この際に、ターゲット位置測定部26は基準ステレオ画像データ24にターゲットとして認識された画素を操作者が識別しやすいように画像処理してもよい。
【0089】
次に、ターゲット位置測定部26によって、基準ステレオ画像データ24の左右(ステレオ)画像の各画像における対応するターゲット座標をそれぞれ計測する(S220)。典型的には、操作者が表示部28に表示された画像上で、マウスを用いてターゲットを指示すると、ターゲット位置測定部26によってターゲットの画像座標値が読み取られる。なお、ターゲット座標の画像座標値は、予め基準ステレオ画像データ24の段階で、各画像毎に読込んで、ターゲット座標値としてキャリブレーション結果診断装置に入力してもよい。
【0090】
次に、演算処理部30によって、読込まれたターゲットの画像座標値により相互標定の演算処理を行う(S230)。この際に、読込まれたターゲットの画像座標値に対して演算処理部30によって、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に記憶されたキャリブレーション要素によるレンズ収差の補償がなされる。また、立体基準チャートターゲット記憶部32に記憶されたターゲット20a〜20hの正確な位置を用いると、演算処理部30によって、絶対標定が可能となる。相互標定であればモデル座標値が、絶対標定であれば三次元座標値での比較が可能となる。なお、キャリブレーション装置により計測されたレンズに対するキャリブレーション要素が劣悪であれば、立体視自体が行えない状態であるため、標定ができないという事実によっても確認可能となる。
【0091】
(V):相互標定
ここで、相互標定の詳細について説明する。標定計算は航空写真測量等で用いられているもので、相互標定と絶対標定の2段階計算により、左右それぞれの撮像装置の位置等が求められる。相互標定では、以下の共面条件式によりステレオ撮影パラメータを求める。
【0092】
図13はモデル座標系XYZと左右のカメラ座標系xyzを用いて標定計算を説明する図である。モデル座標系XYZの原点Oを左側の投影中心にとり、右側の投影中心を結ぶ線をX軸にとるようにする。縮尺は、基線長lを単位長さにとる。このとき求めるパラメータは、左側のカメラのZ軸の回転角κ1、Y軸の回転角φ1、右側のカメラのZ軸の回転角κ2、Y軸の回転角φ2、X軸の回転角ω2の5つの回転角となる。この場合左側のカメラのX軸の回転角ω1は0なので、考慮する必要ない。
【0093】
【数5】
このような条件にすると、(式11)の共面条件式は(式12)のようになり、この式を解けば各パラメータが求める。
【数6】
ここで、モデル座標系XYZとカメラ座標系xyzの間には、次に示すような座標変換の関係式が成り立つ。
【数7】
【0094】
(式11)〜(式13)の式を用いて、次の手順により、未知パラメータを求める。
V−1…初期近似値は通常0とする。
V−2…共面条件式(式12)を近似値のまわりにテーラー展開し、線形化したときの微分係数の値を(式13)中の2つの式により求め、観測方程式をたてる。
V−3…最小二乗法をあてはめ、近似値に対する補正量を求める。
V−4…近似値を補正する。
V−5…補正された近似値を用いて、V−2〜V−5までの操作を収束するまで繰り返す。
【0095】
以上の相互標定計算において、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に記憶されたキャリブレーション要素、即ちチャート1により求められたキャリブレーション要素を利用して計算する。具体的には、主点位置及びレンズ収差値Δx、Δyはキャリブレーション要素により補正して計算する。また、画面距離(焦点距離)cもそのキャリブレーション値を利用して計算する。
【0096】
さらに、絶対標定を行う場合には、立体基準チャートターゲット記憶部32に記憶されたターゲット20a〜20hの位置を用いる。すると、縮尺が分るので、ターゲットの実座標上の三次元値を用いての比較が可能となる。
【0097】
図12に戻り、収差補償パラメータ適性度判定部34により、レンズ収差補償パラメータ記憶部11に記憶されたキャリブレーション要素によるレンズ収差の補償が適切であるか判定する(S240)。即ち、収差補償パラメータ適性度判定部34は、演算処理部30で演算された立体基準チャート20のターゲット位置と、立体基準チャートターゲット記憶部32に記憶されたターゲット20a〜20hの位置とを比較して、許容される誤差の範囲内であれば「適性」とする。許容される誤差の範囲は、計測条件から求めることができるが、好ましくはレンズ収差を補償した撮影データを利用する者の許容誤差範囲によって判定する。なお、チャート1によるキャリブレーション要素が誤差を含んでいれば、上述した相互標定演算が収束しない場合がありうる。その際は、収差補償パラメータ適性度判定部34により、「不適性」として判定する。
【0098】
ここでキャリブレーション要素の判定を終了してもよいが、以上の相互標定データと立体基準チャートターゲット記憶部32に記憶されたターゲット20a〜20hの位置を利用して、ステレオ画像を作成し、確認することも可能となる。ステレオ画像を作成する場合は、さらに以下の処理を行う。
【0099】
ステレオ画像生成手段36により、基準ステレオ画像データ24のステレオ画像を作成する(S250)。相互標定による外部標定要素演算によって、ステレオ画像の位置と傾きがわかるので、さらにキャリブレーション要素を加味して、ステレオ画像生成手段36により最終的なステレオ画像を作成する。
【0100】
そして、表示部28に作成したステレオ画像を表示させる(S260)。あるいは画像データを出力させる。表示部28に立体画像モニタがあれば、ここにステレオ画像を表示して視覚的に確認することができる。この場合、チャート1によるキャリブレーション要素が悪ければ、立体視のできない(例えば縦視差の除去できていない)画像が表示されるので確認できる。あるいは、基準座標位置と計算した測定座標位置を表示することによっても、立体的な位置の違いを表示部28上で確認可能となる。仮に、ステレオモニタが無ければ、ステレオ画像データを出力して、他の表示装置にて表示確認も可能となる。
【0101】
表示されたステレオ画像をみて、気に入らない精度であれば、チャート1とカメラ2を利用したキャリブレーション作業全体をやり直して、レンズ収差のキャリブレーション要素を求める。
【0102】
図14は本発明のキャリブレーション結果診断装置の第2の実施の形態を説明する構成ブロック図である。なお、図14において前記図11と同一作用をするものには同一符号を付して、説明を省略する。図において、基準演算処理部31は、基準ステレオ画像データと共に用意された基準キャリブレーション要素を用いて、基準ステレオ画像データの標定演算を行い、基準点のモデル座標値又は三次元座標値を求める。収差補償パラメータ適性度判定部34は、演算処理部30で演算された基準点のモデル座標値又は三次元座標値と、基準演算処理部31で演算された基準点のモデル座標値又は三次元座標値とを比較して、キャリブレーション要素の適否判断を行う。
【0103】
このように構成された装置においては、カメラ22のレンズに対する基準キャリブレーション要素が予め用意されている。そして、収差補償パラメータ適性度判定部34に用いる立体基準チャート20における基準点の座標値が、基準演算処理手段31で演算された基準点のモデル座標値又は三次元座標値として与えられる。そこで、例えばレンズ製造の分野の品質管理のように、多量にレンズを取扱う場合の個別レンズのキャリブレーション要素のバラツキを管理するのに適している。
【0104】
なお、本発明のキャリブレーション結果診断装置に用いられる基準ステレオ画像データ24として、カメラ2と同じタイプのカメラによって、カメラ2と同じ焦点距離で予め撮影した2枚の基準ステレオ画像データを用いる場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば立体基準チャート20の基準ステレオ画像座標データでもよい。また、立体基準チャートターゲット記憶部32に立体基準チャート20の全ターゲットの位置を記憶させて、レンズ収差のキャリブレーション要素によりレンズ収差を補償して観測したターゲットの位置と比較する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば立体視できる程度にレンズ収差が補償されていればよい用途では、立体基準チャート20の全ターゲットの位置情報を用いなくても良い。
【0105】
また、基準ステレオ画像データ、基準ステレオ画像座標データ、基準キャリブレーション要素等の基準データは、立体基準チャート20を所持しない需要者に対しては、使用するカメラにあわせてフレキシブルディスク、CD−ROM、Webサイトからのインターネットによるダウンロード等で供給するとよい。
【0106】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のキャリブレーション装置によれば、キャリブレーション用チャートを、キャリブレーションを行うカメラで、少なくとも2方向から撮影したキャリブレーション用画像から第1マークを抽出する抽出部と、前記抽出部にて抽出された第1マークを用いた射影変換により、前記キャリブレーション用画像における前記第2マークの概略位置をもとめる概略マーク位置測定部と、前記キャリブレーション用画像に対して、前記第2マークの概略位置近傍で前記第2マーク位置の撮影されている位置を求める精密マーク位置測定部と、前記キャリブレーション用チャートにおける第2マークの位置と、この第2マークに対応する前記キャリブレーション用画像における第2マークの位置から、前記レンズのキャリブレーション要素を算出する演算処理部と備える構成としているので、レンズ収差を補正するのに必要なキャリブレーション要素が簡便に測定できる。そこで、特に立体視のように僅かなレンズ収差でも問題となる用途において、レンズ収差の大きな安価なレンズでステレオ撮影した画像であっても、キャリブレーション要素を用いてレンズ収差の影響の少ない画像として作成することができ、容易に立体視できる。
【0107】
また、キャリブレーション用チャートは、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられた第2マークを有するという簡易な形態であるため、立体的に基準点が配置された立体基準チャートを用いてレンズ収差を測定する場合に比較して、キャリブレーションが簡便に行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図2】 キャリブレーション用チャートの一例を示す平面図である。
【図3】 第1マークの一例を示す説明図である。
【図4】 第2マークの一例を示す説明図である。
【図5】 レンズ収差を計測する場合のカメラ配置を説明する図で、(A)はカメラ配置を示した立体図であり、(B)は一般的に標準レンズ及び望遠レンズを使用したときのカメラ間隔を示した図である。
【図6】 標準レンズや広角レンズのカメラによるチャートの撮影手順の説明図で、(A1)〜(A4)はカメラの画像、(B1)〜(B4)はカメラ画像に対応するチャートとカメラの位置関係を示している。
【図7】 キャリブレーション装置を用いたキャリブレーション方法を説明するフローチャートである。
【図8】 第2マークの精密位置測定の処理手順を説明する詳細フロー図である。
【図9】 (A)は中心投影における画像座標系と対象座標系の説明図、(B)はターゲット認識に用いられる正規化相関のテンプレ−ト画像と対象画像の説明図である。
【図10】 キャリブレーション要素の演算処理結果の一例を示す説明図である。
【図11】 本発明のキャリブレーション結果診断装置の一実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図12】 本発明のキャリブレーション結果診断装置を用いたキャリブレーション結果診断を説明するフローチャートである。
【図13】 モデル座標系XYZと左右のカメラ座標系xyzを用いて標定計算を説明する図である。
【図14】 本発明のキャリブレーション結果診断装置の第2の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【符号の説明】
1 チャート(キャリブレーション用チャート)
2 カメラ
3 画像データ記憶部
4 抽出部
5 概略マーク位置測定部
6 精密マーク位置測定部
7 演算処理部
8 画像処理部
9 表示部
20 立体基準チャート
22 カメラ
26 ターゲット位置測定手段
30 演算処理手段
32 立体基準チャートターゲット記憶部
34 収差補償パラメータ適性度判定部(キャリブレーション判定部)[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a calibration apparatus and method used for correcting lens aberration of an image photographed by a camera, a digital camera, or the like, or used for performing measurement using an image, and more particularly to an internal parameter of the camera {for example, a principal point of a lens. The present invention relates to a calibration apparatus and method that can easily measure a position, a screen distance (focal distance), a distortion parameter, and the like}.
The present invention also relates to a planar calibration chart suitable for use in a calibration apparatus and calibration method for easily measuring internal parameters of a camera.The
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the field of photogrammetry and photo measurement, it is important to obtain an image with less aberration. Therefore, in the field of photogrammetry and photo measurement, a high-precision lens with little aberration is used as a lens for a photographing camera. Furthermore, in the field of photogrammetry, the internal parameters of the camera (main point position, screen distance, distortion parameters) can be analyzed analytically by measuring a large number of precisely arranged 3D points from multiple directions. Seeking. In the case of a measurement camera used in the field of photo measurement, the internal parameters of the camera are obtained by precisely measuring the manufactured camera.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method for obtaining camera internal parameters by photographing and measuring three-dimensional measurement points measured precisely as in the photogrammetry field has the following problems.
(1) Measurement points (targets) are arranged in three dimensions. Therefore, when shooting from a plurality of directions, a blind spot is generated, and a target that cannot be seen between images is generated.
{Circle around (2)} In the captured image, the positional relationship between the three-dimensional measurement points may be reversed, and measurement of the measurement points and association between the images are difficult and cannot be automated.
(3) Therefore, measurement points are measured and correspondence between images is performed by a highly skilled worker. Then, in order to obtain the internal parameters of the camera, high cost and long work are required.
In addition, the method of measuring the manufactured measurement camera precisely requires not only a dedicated tool, but also requires a skilled and specialized engine, making it expensive as a dedicated measurement camera. There is a problem.
[0004]
In recent years, therefore, a calibration method has been proposed in which lens aberration is measured by measuring two-dimensional measurement points printed on a sheet as an alternative to three-dimensional measurement points. However, the method for obtaining the lens aberration by measuring the measurement points printed on the sheet is because the measurement points are two-dimensionally arranged, and therefore the parameters that can be measured are limited to the lens aberration. There is a problem that the focal length cannot be measured. The focal length of the lens is a parameter necessary when performing three-dimensional measurement using a set of images that can be stereoscopically viewed. There is also a calculation formula that calculates the focal length of the lens using a two-dimensional measurement point, but the accuracy is unstable and it is difficult to measure the focal length of the lens stably and accurately. There was a problem.
[0005]
Furthermore, when taking a two-dimensional measurement point printed on a sheet and measuring the lens aberration of a lens that takes a set of images that can be viewed stereoscopically, an error occurs in the calibration of various measured parameters. There may be. However, it has been difficult to find a calibration error using a sheet on which two-dimensional measurement points are printed.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION A first object of the present invention is to solve the above-described problems. A calibration apparatus and a calibration method capable of easily measuring internal parameters necessary for correcting lens aberrations in general-purpose cameras and digital cameras. Is to provide.
A second object of the present invention is to provide a flat calibration chart suitable for use in a calibration apparatus or calibration method for easily measuring internal parameters of a camera.The
[0007]
The calibration apparatus according to the present invention achieves the first object. As shown in FIGS. 1 and 2, at least three or more first marks are provided, and externally identified with respect to the first marks. An
[0008]
The apparatus configured as described above has at least three or more first marks provided on the
[0009]
Preferably, when the approximate mark
[0010]
Preferably, the precision mark position measurement unit 6 of the present invention may be configured to determine the second mark position using at least one of template matching and barycentric position detection. When the second mark has an irregular shape or is unclearly displayed on the calibration image, the second mark position can be obtained stably and accurately by using the center of gravity position of the second mark. .
[0011]
Preferably, the arithmetic processing unit 7 of the present invention calculates the second mark from the position of the second mark in the
[0012]
Preferably, the arithmetic processing unit 7 of the present invention selects an appropriate second mark from among the second marks whose positions are calculated by the precision mark position measuring unit when calculating the calibration element of the lens. It may be configured to select. For the selection of the second mark, for example, a bundle adjustment method is preferably used. According to the bundle adjustment method, it is possible to obtain an external orientation element of the camera at each photographing position and to simultaneously classify the second mark with an appropriate position and an inappropriate position.
[0013]
Preferably, the calibration element of the present invention may be configured to include at least one of a focal length of the lens, a principal point position, and a distortion parameter of the lens. The reason why the second mark contributes to distortion is the focal length of the lens, the principal point position, or the distortion parameter of the lens.
[0014]
Preferably, the calibration apparatus according to the present invention further corrects an image captured by a camera that performs calibration to an image compensated for the lens aberration based on the calibration element obtained by the arithmetic processing unit 7. It is good to be comprised so that it may have. When the
[0015]
Preferably, the calibration device of the present invention may be configured to further include a
[0016]
The calibration method according to the present invention achieves the first object. As shown in FIG. 7, at least three or more first marks are provided, and the first marks are provided so as to be visually distinguishable. A first step (S40) for extracting a first mark from a calibration image taken from at least two directions with a camera for performing calibration on the
[0017]
Preferably, in the calibration method of the present invention, for example, as shown in FIG.Of camera 2The lenses are various lenses (wide-angle lens, standard lens, telephoto lens), and the
[0018]
Preferably, in the calibration method of the present invention, for example, as shown in FIGS. 5A and 6, the shooting directions of the various lenses are the first shooting with one of the first marks (I) as the front. A camera position in front of the first mark and another first mark (II, III, IV, V) that is separated from the first mark by the predetermined distance d, and the shooting direction of the lens is the first direction. If the mark (I) includes the second photographing direction in which the optical axis of the lens faces, the
[0019]
Preferably, in the calibration method of the present invention, for example, as shown in FIG. 5B, the lens is a standard lens or a telephoto lens, and the
[0020]
The
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a first embodiment of the present invention. In the figure, a
[0028]
The second mark designates the position of the image data of the
[0029]
The
[0030]
The
[0031]
The calibration apparatus includes an
[0032]
The
[0033]
The approximate mark
[0034]
The precision mark position measurement unit 6 recognizes the second mark with respect to the image of the calibration photo set, and precisely calculates the position of the second mark by the center-of-gravity position detection method or the like. If the position of the second mark calculated by the precision mark position measuring unit 6 is significantly different from the position of the other second mark in the image data of the
[0035]
The
[0036]
Next,
FIG. 2 is a plan view showing an example of a calibration chart. The
d = (h2+ L2)1/2 (1)
[0037]
The first mark and the second mark are printed with desired dimensions in advance or the dimensions are measured. The numerical values of the printing positions of the first mark and the second mark are read into the mark coordinate
[0038]
The first mark is used not only for measuring and associating the approximate mark position but also as a target for determining the shooting direction. Furthermore, the central part of the outer shape rhombus of the first mark is used as a template for precise measurement by the precision mark position measuring unit 6 by making the design common to the second mark.
[0039]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the first mark, where (A) shows a rhombus, (B) shows four arrows, and (C) shows a black rectangle. In FIGS. 3A and 3B, the first mark is arranged with rhombus or four arrows so as to surround the same symbol as the second mark, and consideration is given so that the operator can easily see. By making the design easy to see in this way, the first mark can be easily extracted, and even if one shooting angle is selected from a wide shooting angle as the shooting direction of the
[0040]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the second mark. (A) is a black circle “●”, (B) is a plus “+”, (C) is a double circle “◎”, (D) is an English character “ (X) and (E) indicate a star mark “★”, (F) indicates a black square “■”, (G) a black triangle “▲”, and (H) indicates a black diamond “◆”. Since many second marks are arranged uniformly on the
[0041]
Next, a procedure for photographing the
[0042]
When measuring the lens aberration of various lenses, from five directions as shown in FIG. 5A, that is, from the front (I), upper left (II), upper right (III), lower left (IV), lower right (V). Take a picture. The photographing incident angle between the optical axis of the
[0043]
Hereinafter, with reference to FIG. 6, the photographing procedure of the
[0044]
(I): Shoot from the front so that the first mark and the second mark of
(II): Next, when a standard lens and a telephoto lens are generally used, the camera is moved to a position about 1/3 of the shooting distance H around the front camera position, for example, in the upper left quadrant. The camera position is changed so that the
[0045]
(III): The camera position is changed so that the
(V): The camera position is changed so that the
By such a procedure, the angle of the
[0046]
Next, an advantage of the photographing procedure using the first mark when using a planar chart printed on a sheet or a displayed planar screen as the
[0047]
On the other hand, the
[0048]
Here, the distance H between the
Note that the upper limit of the tilt angle in the shooting direction is determined by the depth of focus. That is, if the tilt angle in the shooting direction is large, the distance between the
[0049]
When measuring the lens aberration of a telephoto lens or standard lens, the angle of view of the photographic lens becomes narrow and the angle cannot be obtained. Therefore, when the shooting direction is tilted from the front (I) to the upper left (II), etc., 10 degrees is not secured. That is, when the focal length is long, the shooting distance H between the
[0050]
In the above-described embodiment, the shooting position is shown in the five directions of front (I), upper left (II), upper right (III), lower left (IV), and lower right (V). In the lowest case, there are two left and right directions, or three or more directions. In the case of the left and right directions as well, the
[0051]
Next, the overall processing flow in the calibration apparatus of the present invention will be described. FIG. 7 is a flowchart for explaining a calibration method using the calibration apparatus. First, the
[0052]
(I): First mark extraction process
In the first mark extraction process, a secondary projective transformation formula between the plane coordinates of the
[0053]
I-iThe operator aligns the mouse cursor position with the second mark in the first mark to be detected on the entire image displayed on the
I-ii... I-iA local image including the second mark is cut out from the enlarged image with the image coordinates obtained in
I-iii... I-iiFor the enlarged image displayed in1The mouse cursor position is aligned with the center of gravity of the mark and clicked, and this image coordinate is set as the center of gravity of the first mark. In order to perform approximate position matching in the subsequent processing, I-iiiAlignment at may not be exact.
I-ivNext, in order to correspond to the management number of the second mark stored in the mark coordinate
[0054]
In the first mark extraction process, for example, if the measurement order of the first mark on the
[0055]
Next, as another processing procedure of the first mark extraction process, there is a method of measuring only the entire image as shown in FIG. 2 without using an enlarged image. In this case, I-iAs well as I-ivI-iThe management number of the second mark corresponding to the position of the center of gravity of the first mark measured in is input. In this case, since the enlarged image is not used, I−ii, I-iiiCan be omitted. However, since the entire image is displayed, the first mark is displayed in a small size. Therefore, it may be determined whether or not to use the enlarged image according to the preference of the operator.
[0056]
Next, a case where the first mark extraction process is automatically performed by the
[0057]
Next, a case where the first mark extraction process is further automatically performed by the
However, since it is sufficient to measure at least three points for the first mark, even a manual operation is a simple operation.
[0058]
Returning to FIG. 7, the approximate mark
(II-1): Step of obtaining an external orientation element
In the approximate mark
X = (b1 · x + b2 · y + b3) / (b7 · x + b8 · y + 1)
Y = (b4 * x + b5 * y + b6) / (b7 * x + b8 * y + 1) (2)
Here, X and Y indicate reference point coordinates, and x and y indicate image coordinates. Next, the relationship between the reference point coordinates and the image coordinates will be described. FIG. 9A is an explanatory diagram of an image coordinate system and a target coordinate system in central projection. In the case of central projection, an object coordinate system 52 as a reference point coordinate system on which the
[0059]
Then, using the parameters b1 to b8 in the equation (2), the next external orientation element is obtained from the equation (3).
ω = tan-1(C ・ b8)
φ = tan-1(-C ・ b7 ・ cosω)
κ = tan-1(−b4 / b1) (when φ = 0)
κ = tan-1(−b2 / b5) (when φ ≠ 0, ω = 0)
κ = tan-1{-(A1, A3-A2, A4) / (A1, A2-A3, A4)} (when φ ≠ 0, ω ≠ 0)
[0060]
Z0 = C · cosω · {(A2 2 + A3 2 ) / (A1 2 + A4 2 )} 1/2 + Zm
X0 = b3− (tan ω · sin κ / cos φ−tan φ · cos κ) × (Zm−Z0)
Y0 = b6- (tan [omega] .cos [kappa] / cos [phi] -tan [phi] .sin [kappa]) * (Zm-Z0) (3)
However, A1 = 1 + tan2φ, A2 = B1 + B2 · tanφ / sinω, A3 = B4 + B5 · tanφ / sinω, and A4 = tanφ / (cosφ · tanω). Zm is the average elevation of the reference points of the
[0061]
(II-2): Step of calculating the approximate position of the second mark
Next, from the principle of single photo orientation, the camera coordinates (xp,...) In the tilted camera coordinate system represented by the image coordinate system 50 with respect to the ground object (X, Y, Z) represented by the target coordinate system 52. yp, zp) is given by equation (4).
[Expression 1]
Here, as described above, X0, Y0, and Z0 are the ground coordinates of the projection center point Oc as shown in FIG.
[0062]
Here, the tilt (ω, φ, κ) of the camera obtained by Equation (3) is substituted into Equation (4), and the rotation matrix is calculated to obtain the rotation matrix elements a11 to a33.
[0063]
Next, the elements a11 to a33 of the obtained rotation matrix, the camera position (X0, Y0, Z0) obtained by the equation (3), and the reference point coordinates (X, Y, Z) of the target are collinear conditions. Substituting into the expression {expression (5)}, the image coordinates (x, y) of the target are obtained. Here, the collinear conditional expression is a relational expression that is established when the projection center, the photographic image, and the ground object are on a straight line. As a result, the position of the second mark when there is no lens aberration is calculated, so the approximate image coordinates of the target in the image taken with an actual camera with lens aberration are obtained.
x = -C. {a11 (X-X0) + a12 (YY 0) + A13 (Z-Z0)} / {a31 (X-X0) + a32 (YY 0) + A33 (Z-Z0)}
y = −C · {a21 (X−X0) + a22 (YY 0) + A23 (Z-Z0)} / {a31 (X-X0) + a32 (YY 0) + A33 (Z-Z0)} (5)
[0064]
By the way, tan in equation (3)-1In this calculation, since two solutions are obtained, the camera tilts (ω, φ, κ) each have two solutions and are calculated in all ways. The correct answer is obtained by comparing the residuals of the image coordinates of the
In addition, although it demonstrated using the secondary projection transformation formula here as a projection transformation formula, this invention is not limited to this, Even if other projection transformation formulas, such as a tertiary projection transformation formula, are utilized. good.
[0065]
Further, the approximate mark
[0066]
Returning to FIG. 7, the precision position measurement unit 6 performs the precision position measurement of the second mark (S60). Hereinafter, the processing procedure of the precise position measurement of the second mark will be described in detail with reference to FIG. First, the precision mark position measurement unit 6 recognizes the target as the second mark (S62). For this target recognition, for example, template matching using normalized correlation is used. Details of target recognition will be described below.
[0067]
(III) Target recognition
FIG. 9B is an explanatory diagram of a normalized correlation template image and target image used for target recognition. First, an arbitrary target is selected from the center of gravity positions of the first marks measured in the first mark extraction process (S40), for example, the
[0068]
Next, the template matching by the normalized correlation shown in Expression (6) is performed on the target image, and the position where the correlation value is maximized is obtained. It is assumed that superposition is achieved at a position where the correlation value becomes the maximum value, and the target is recognized at the position where the correlation value becomes the maximum value. Here, the center coordinates of the template image are converted into image coordinates on the same-size image and set as detection points.
A = {M2× Σ (Xi × Ti) −ΣXi × ΣTi} /
[{M2× ΣXi2-(ΣXi)2} × {M2× ΣTi2-(ΣTi)2}]
(6)
Here, A is the correlation value, M is the square size of the template image, Xi is the target image, and Ti is the template image. Although the square sizes N and M of the image are variable, it is preferable to make N and M as small as possible on the assumption that the target can be sufficiently stored in order to speed up the processing time.
[0069]
Returning to FIG. 8, in order to perform the precise position measurement of the second mark, sub-pixel edge detection of the second mark is performed (S64). The target image on which the sub-pixel edge detection of the second mark is performed is an N × N pixel image centered on the detection point recognized as the target in S62. Laplacian-Gaussian filter (LOG filter), which is the second derivative of the Gaussian function shown in Equation (7), is applied to the grayscale waveform existing in the target image, and two zero crossing points, that is, edges of the calculation result curve are sub Detect by pixel. Here, the sub-pixel means that position detection is performed with an accuracy finer than one pixel.
∇2G (x) = {(x2-2σ2) / 2πσ6} · Exp (−x2/ 2σ2(7)
Here, σ is a parameter of the Gaussian function.
[0070]
Next, the position of the center of gravity of the target is detected (S66) and returned (S68). Here, the intersection point is set as the center of gravity of the target from the edge positions in the x and y directions obtained using Expression (7). Note that the precise position measurement of the second mark is not limited to the processing disclosed in S62 to S66, and any other center-of-gravity position detection method such as a moment method or a template matching method may be used. You may ask for this.
[0071]
Returning to FIG. 7, all target center-of-gravity positions are confirmed, and it is confirmed that there is no apparent error (S70). That is, it is confirmed whether or not the position detection of the target recognized is appropriate. For the convenience of confirmation by the operator, the position of the detected target is displayed on the
[0072]
And the process of S30-S75 is repeated for the image required for the measurement of a lens aberration (S80). For example, if there are five captured images, all five images may be repeated, and if the images necessary for the measurement of lens aberration have been reached, all the captured images are processed repeatedly. You don't have to.
[0073]
When the measurement process for the image necessary for the measurement of the lens aberration is completed, the process proceeds to a process for obtaining a lens aberration calibration element using the camera internal parameter calculation process of the calculation processing unit 7 (S90). Here, as the calculation target of the calibration element, all the second marks on which the center of gravity position is obtained by associating the second mark on the
[0074]
(IV): Camera internal parameter calculation processing (bundle adjustment method with self-calibration)
As the camera internal parameter calculation processing of the calculation processing unit 7, for example, “bundle adjustment method with self-calibration” used in the photogrammetry field is used. Here, “bundle adjustment” is based on a collinear condition that a light beam (bundle) connecting an object, a lens, and a CCD surface must be on the same straight line, and an observation equation is established for each light beam of each image. In this method, the position and tilt of the camera (external orientation element) and the coordinate position of the second mark are simultaneously adjusted by the least square method. “With self-calibration” is a method by which a calibration element, that is, a camera's internal localization (lens aberration, principal point, focal length) can be obtained. The collinear condition basic expressions of the bundle adjustment method with self-calibration (hereinafter simply referred to as “bundle adjustment method”) are the following (Expression 8) and (Expression 9).
[0075]
[Expression 2]
[Equation 3]
[0076]
These (Expression 8) and (Expression 9) are based on the collinear conditional expression (5) of single photo orientation described in the first mark extraction process. That is, the bundle adjustment method is a method of calculating various solutions by using least square approximation from a plurality of images using (Equation 8) and (Equation 9), and obtaining the external orientation elements of the camera at each photographing position at the same time. Is possible. That is, it is possible to obtain a camera calibration element.
[0077]
Next, as an internal localization correction model (lens aberration), an example in the case of having radial lens distortion is shown in the following (Equation 10).
[Expression 4]
The correction model is not limited to this, and a correction model that is applicable to the lens used may be selected. These calculations are calculated by successive approximation if there are 6 or more reference points in the ground coordinates and the image coordinates. Note that the arithmetic processing unit 7 can obtain an accurate calibration element by omitting the second mark on the
[0078]
Returning to FIG. 7, the calculation processing result for obtaining the calibration element by the calculation processing unit 7 is determined (S 100), and the calculation process does not converge or the obtained calibration element is not considered appropriate. If this is the case, it is dealt with in S110. In S110, an image including the erroneous second mark is selected. At the end of calibration in S90, the arithmetic processing unit 7 has already determined which second mark of which image has an error, so the corresponding target detection point in each image is displayed and confirmed.
[0079]
Then, the operator corrects the erroneous second mark by manual operation (S120). That is, the coordinates of the center of gravity of the second mark with an error are displayed with a shift, and the correction is made by moving the mark displayed as the second mark with an error to the center of gravity displayed as aptitude. Is done. Then, it is determined whether the correction of the position of the erroneous second mark has been completed (S130). If completed, the process returns to the calibration element calculation of S90, and the calibration element is calculated again. On the other hand, if there are other correction points, the process returns to S110 and repeats the operation of correcting the position of the erroneous second mark.
[0080]
If the calculation processing result for obtaining the calibration element is appropriate, the result is displayed on the display unit 9 (S140). FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of the calculation processing result of the calibration element. For example, the focal length, the principal point position, and the distortion parameter, which are calibration elements, are displayed on the
[0081]
Furthermore, based on the result of calibration, a distortion-corrected image can be created by the
[0082]
Next, the calibration result diagnostic apparatus of the present invention will be described. The calibration result diagnostic apparatus is suitable for confirming the accuracy when three-dimensional measurement is performed using stereoscopically observable image data captured by the lens, using a calibration element for the lens measured by the calibration apparatus. is there. In other words, the calibration result diagnostic device is used when strict calibration is required and accurate three-dimensional measurement is performed, or when it is desired to further verify whether there is an error in the calibration elements for the lens measured using the flat chart. To do.
[0083]
FIG. 11 is a configuration block diagram for explaining an embodiment of the calibration result diagnostic apparatus of the present invention. In the figure, the three-dimensional reference chart 20 is one in which the positions of the
[0084]
The target
[0085]
The three-dimensional reference chart
[0086]
The stereo image generation means 36 reads the reference
[0087]
FIG. 12 is a flowchart for explaining calibration result diagnosis using the calibration result diagnosis apparatus of the present invention. First, the calibration result diagnosis apparatus reads the reference stereo image data 24 (S200). At this time, the accurate positions of the
[0088]
Next, the reference
[0089]
Next, the target
[0090]
Next, the
[0091]
(V): Mutual orientation
Here, the details of relative orientation will be described. The orientation calculation is used in aerial photogrammetry and the like, and the positions and the like of the left and right imaging devices are obtained by two-step calculation of relative orientation and absolute orientation. In relative orientation, stereo imaging parameters are obtained by the following coplanar conditional expression.
[0092]
FIG. 13 is a diagram for explaining the orientation calculation using the model coordinate system XYZ and the left and right camera coordinate systems xyz. The origin O of the model coordinate system XYZ is taken as the left projection center, and the line connecting the right projection centers is taken as the X axis. The scale is based on the base length l as a unit length. The parameters to be obtained at this time are 5 of the left camera Z-axis rotation angle κ1, the Y-axis rotation angle φ1, the right-hand camera Z-axis rotation angle κ2, the Y-axis rotation angle φ2, and the X-axis rotation angle ω2. One rotation angle. In this case, since the rotation angle ω1 of the X axis of the left camera is 0, there is no need to consider it.
[0093]
[Equation 5]
Under such conditions, the coplanar conditional expression of (Expression 11) becomes (Expression 12), and each parameter is obtained by solving this expression.
[Formula 6]
Here, the following relational expression for coordinate transformation is established between the model coordinate system XYZ and the camera coordinate system xyz.
[Expression 7]
[0094]
Using the formulas (Equation 11) to (Equation 13), an unknown parameter is obtained by the following procedure.
V-1: The initial approximate value is normally 0.
V-2: The coplanar conditional expression (Expression 12) is Taylor-expanded around the approximate value, and the value of the differential coefficient when linearized is obtained from the two expressions in (Expression 13), and the observation equation is established.
V-3: A least square method is applied to obtain a correction amount for the approximate value.
V-4: The approximate value is corrected.
V-5: Using the corrected approximate value, the operations from V-2 to V-5 are repeated until convergence.
[0095]
In the relative orientation calculation described above, the calculation is performed using the calibration elements stored in the lens aberration compensation
[0096]
Furthermore, when performing absolute orientation, the positions of the
[0097]
Returning to FIG. 12, the aberration compensation parameter
[0098]
Here, the determination of the calibration element may be finished, but a stereo image is created and confirmed using the above relative orientation data and the positions of the
[0099]
The stereo image generating means 36 creates a stereo image of the reference stereo image data 24 (S250). Since the position and inclination of the stereo image can be known by the external orientation element calculation by the relative orientation, a final stereo image is created by the stereo image generating means 36 with further consideration of the calibration element.
[0100]
Then, the created stereo image is displayed on the display unit 28 (S260). Alternatively, image data is output. If there is a stereoscopic image monitor on the
[0101]
When the displayed stereo image is viewed and the accuracy is not satisfactory, the entire calibration operation using the
[0102]
FIG. 14 is a block diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the calibration result diagnostic apparatus according to the present invention. 14 that have the same functions as those in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the figure, a reference
[0103]
In the apparatus configured as described above, a reference calibration element for the lens of the camera 22 is prepared in advance. Then, the coordinate value of the reference point in the three-dimensional reference chart 20 used for the aberration compensation parameter
[0104]
Note that, as the reference
[0105]
In addition, reference data such as reference stereo image data, reference stereo image coordinate data, reference calibration elements, and the like can be obtained from a flexible disk, CD-ROM, It may be supplied by downloading from a website via the Internet.
[0106]
【The invention's effect】
As described above, according to the calibration device of the present invention, the extraction chart that extracts the first mark from the calibration image captured from at least two directions with the camera that performs calibration, the calibration chart, With respect to the calibration image, an approximate mark position measurement unit that obtains an approximate position of the second mark in the calibration image by projective transformation using the first mark extracted by the extraction unit, A precision mark position measuring unit that obtains a photographed position of the second mark position in the vicinity of the approximate position of the second mark, the position of the second mark in the calibration chart, and the calibration corresponding to the second mark From the position of the second mark in the image for calibration, Since a structure that includes an arithmetic processing unit for calculating the Deployment element, calibration elements necessary for correcting the lens aberrations can be conveniently measured. Therefore, in applications where even a small amount of lens aberration is a problem, such as in stereoscopic vision, even if the image is taken in stereo with an inexpensive lens with large lens aberration, the image is less affected by lens aberration using the calibration element. It can be created and can be easily stereoscopically viewed.
[0107]
In addition, the calibration chart has a simple form of having a first mark provided at least at three or more locations and a second mark provided so as to be visually identifiable with respect to the first mark. Compared with the case where the lens aberration is measured using a three-dimensional reference chart in which reference points are arranged in the calibration, the calibration can be performed easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration block diagram for explaining a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a plan view showing an example of a calibration chart.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a first mark.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a second mark.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining camera arrangement in the case of measuring lens aberration. FIG. 5A is a three-dimensional view showing the camera arrangement, and FIG. 5B is a diagram when a standard lens and a telephoto lens are generally used. It is the figure which showed the camera space | interval.
FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of a chart photographing procedure using a standard lens or a wide-angle lens camera, in which (A1) to (A4) are camera images, and (B1) to (B4) are charts corresponding to camera images and camera The positional relationship is shown.
FIG. 7 is a flowchart for explaining a calibration method using a calibration apparatus.
FIG. 8 is a detailed flow diagram illustrating a processing procedure for measuring a precise position of a second mark.
9A is an explanatory diagram of an image coordinate system and a target coordinate system in central projection, and FIG. 9B is an explanatory diagram of a normalized correlation template image and target image used for target recognition.
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a calculation process result of a calibration element.
FIG. 11 is a configuration block diagram illustrating an embodiment of a calibration result diagnostic apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a flowchart illustrating calibration result diagnosis using the calibration result diagnostic apparatus of the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining orientation calculation using a model coordinate system XYZ and left and right camera coordinate systems xyz.
FIG. 14 is a block diagram illustrating a second embodiment of a calibration result diagnostic apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 chart (calibration chart)
2 Camera
3 Image data storage
4 extractor
5 Outline mark position measurement unit
6 Precision mark position measurement unit
7 Arithmetic processing part
8 Image processing section
9 Display
20 3D standard chart
22 Camera
26 Target position measuring means
30 arithmetic processing means
32 solid reference chart target storage unit
34 Aberration compensation parameter suitability determination unit (calibration determination unit)
Claims (14)
前記第1マークは、前記キャリブレーション用チャートを4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置された、
キャリブレーション装置。A calibration chart having at least three or more first marks and a second mark that can be visually distinguished from the first marks is photographed from at least two directions with a camera that performs calibration. An extraction unit for extracting the first mark from the calibration image; and an outline for determining an approximate position of the second mark in the calibration image by projective transformation using the first mark extracted by the extraction unit. A mark position measurement unit; a precision mark position measurement unit that obtains a position where the second mark position is photographed in the vicinity of the approximate position of the second mark with respect to the calibration image; The position of the second mark and the calibration image corresponding to the second mark From the second mark position that, an arithmetic processing unit for calculating the calibration elements of the camera; equipped with,
The first marks are distributed and arranged in at least three or more quadrants among the quadrants when the calibration chart is equally divided into four sections, and the total number of the second marks on the calibration chart Is arranged more than the total number of the first marks,
Calibration device.
前記第1マークは、前記キャリブレーション用チャートを4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャ ート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置された、
キャリブレーション方法。A calibration chart having at least three or more first marks and a second mark that can be visually distinguished from the first marks is photographed from at least two directions with a camera that performs calibration. A first step of extracting a first mark from the calibration image obtained; a second step of obtaining an approximate position of the second mark in the calibration image by projective transformation from the extracted first mark; A third step of accurately obtaining the second mark position in the vicinity of the approximate position of the second mark with respect to the calibration image; the position of the second mark in the calibration chart; and the second mark corresponding to the second mark From the position of the second mark in the calibration image, the camera calibre A fourth step of calculating the Deployment element; has,
The first mark, the disposed dispersed in at least three quadrants of the quadrant when equally dividing the calibration chart in four categories, the second mark on the calibration tea over preparative the total number, are arranged more than the total number of the first mark,
Calibration method.
前記第1マークは、前記キャリブレーション用チャートを4区分に等分したときの各象限のうち少なくとも3つ以上の象限に分散して配置され、前記キャリブレーション用チャート上の前記第2マークの総数は、前記第1マークの総数より多く配置された、
カメラのキャリブレーションに使用されるキャリブレーション用チャート。A calibration chart having at least three or more first marks and a second mark that can be visually distinguished from the first marks;
The first marks are distributed and arranged in at least three or more quadrants among the quadrants when the calibration chart is equally divided into four sections, and the total number of the second marks on the calibration chart Is arranged more than the total number of the first marks,
A calibration chart used for camera calibration.
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