JPH0690032B2 - 距離画像取得装置 - Google Patents
距離画像取得装置Info
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- JPH0690032B2 JPH0690032B2 JP62195379A JP19537987A JPH0690032B2 JP H0690032 B2 JPH0690032 B2 JP H0690032B2 JP 62195379 A JP62195379 A JP 62195379A JP 19537987 A JP19537987 A JP 19537987A JP H0690032 B2 JPH0690032 B2 JP H0690032B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/46—Indirect determination of position data
- G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Remote Sensing (AREA)
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Closed-Circuit Television Systems (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、三次元視覚装置に利用されるレンジファイン
ダを用いる距離画像取得装置に関する。
ダを用いる距離画像取得装置に関する。
物体などの三次元装置をテレビカメラから入力された画
像により求める装置として、レンジファインダが提案さ
れている（特願昭59-197414号明細書）。このレンジフ
ァインダによりカメラから物体までの距離を求める方法
の一例を、第２図を参照して簡単に説明する。
像により求める装置として、レンジファインダが提案さ
れている（特願昭59-197414号明細書）。このレンジフ
ァインダによりカメラから物体までの距離を求める方法
の一例を、第２図を参照して簡単に説明する。
光源１からレンズ２を通り平行にされた白色光源が、回
折格子３により赤から青紫のスペクトル光に分光され物
体４に投写される。波長λの光が法線からθの角度（Ｚ
軸方向からαの角度）で物体表面上の点Ｐ（Ｚ軸方向か
らβの角度の位置にある）に投影され、これがカメラ５
によって撮像され、センサ上の位置ｘでセンスされる。
このとき点Ｐの座標を（X,Z）とすると、カメラから物
体までの距離Ｚは式（１）により求められる。
折格子３により赤から青紫のスペクトル光に分光され物
体４に投写される。波長λの光が法線からθの角度（Ｚ
軸方向からαの角度）で物体表面上の点Ｐ（Ｚ軸方向か
らβの角度の位置にある）に投影され、これがカメラ５
によって撮像され、センサ上の位置ｘでセンスされる。
このとき点Ｐの座標を（X,Z）とすると、カメラから物
体までの距離Ｚは式（１）により求められる。
Ｚ＝（X0−Z0tanα）／（tanβ−tanα） （１） ただし、X0は放射の中心のＸ座標 Z0は放射の中心のＺ座標 角度βの値は撮像センサ上の位置ｘから知ることができ
るが、角度αの値はセンスされている光の波長λを知
り、 sinθ０−sinθ＝±ｎλ/d （２） ここで、θ０は回折格子に入射する光が法線となす角 ｄは回折格子の間隔 ｎは次数で通常は１ により角度θを求め、回折格子３とＺ軸の角度を知るこ
とにより求めることができる。
るが、角度αの値はセンスされている光の波長λを知
り、 sinθ０−sinθ＝±ｎλ/d （２） ここで、θ０は回折格子に入射する光が法線となす角 ｄは回折格子の間隔 ｎは次数で通常は１ により角度θを求め、回折格子３とＺ軸の角度を知るこ
とにより求めることができる。
物体の各点が反射している光の波長は、カメラ５をカラ
ーカメラと考え、その内の２つのセンサが異なる分光感
度σ１（λ），σ２（λ）を持ち、点Ｐが撮像された画
素の出力がそれぞれI1，I2であったとき、出力の比 Ｒ≡I1／（I1＋I2） ＝σ１（λ）／（σ１（λ）＋σ２（λ）） ・・・
（３） が成り立つため、函数 ｆ（λ）≡σ１（λ）／（σ１（λ）＋σ２（λ））・
・・（４） がλの単調函数となるようにσ１（λ），σ２（λ）を
定めることにより、出力の比Ｒから波長λを求めること
ができる。このようにして得られた波長λが、角度のα
を得るのに用いられる。以上のようにして、２つの同時
に撮像された画像から距離Ｚを得ることができる。
ーカメラと考え、その内の２つのセンサが異なる分光感
度σ１（λ），σ２（λ）を持ち、点Ｐが撮像された画
素の出力がそれぞれI1，I2であったとき、出力の比 Ｒ≡I1／（I1＋I2） ＝σ１（λ）／（σ１（λ）＋σ２（λ）） ・・・
（３） が成り立つため、函数 ｆ（λ）≡σ１（λ）／（σ１（λ）＋σ２（λ））・
・・（４） がλの単調函数となるようにσ１（λ），σ２（λ）を
定めることにより、出力の比Ｒから波長λを求めること
ができる。このようにして得られた波長λが、角度のα
を得るのに用いられる。以上のようにして、２つの同時
に撮像された画像から距離Ｚを得ることができる。
以上に述べた従来技術によると、２つのセンサにより入
力された画像から各画素における物体までの距離Ｚを求
めるには、 （ｉ）式（４）を波長λについて解き、 （ii）式（２）を角度θについて解き、 （iii）式（１）により距離Ｚを得る、 のように手順を踏む必要がある。その際、２つのセンサ
の分光感度σ１（λ），σ２（λ）、角度θと角度αの
関係、位置ｘと角度βの関係、X0，Z0などが正確に知ら
れている必要があり、センサ用のフィルタ，回折格子の
位置，カメラなどを変更した場合には関係をすべて計算
し直さねばならない。
力された画像から各画素における物体までの距離Ｚを求
めるには、 （ｉ）式（４）を波長λについて解き、 （ii）式（２）を角度θについて解き、 （iii）式（１）により距離Ｚを得る、 のように手順を踏む必要がある。その際、２つのセンサ
の分光感度σ１（λ），σ２（λ）、角度θと角度αの
関係、位置ｘと角度βの関係、X0，Z0などが正確に知ら
れている必要があり、センサ用のフィルタ，回折格子の
位置，カメラなどを変更した場合には関係をすべて計算
し直さねばならない。
本発明の目的は、上記のような構成要素の位置関係など
について、正確に測定することを一切必要とせず、事前
に画像を入力するだけで、各画素で距離Ｚを得ることの
できる距離画像取得装置を提供することにある。
について、正確に測定することを一切必要とせず、事前
に画像を入力するだけで、各画素で距離Ｚを得ることの
できる距離画像取得装置を提供することにある。
本発明は、分光されたスペクトルパターンを物体に投写
し、この画像を異なる分光感度のセンサを有するカメラ
によって撮像し、各画素について、物体までの距離を求
めるレンジファインダのセンサ出力から距離画像を得る
距離画像取得装置であって、 センサの複数の出力をディジタル値に変換する複数のA/
D変換手段と、 これらA/D変換手段の出力から比を計算する比画像演算
手段と、 前記センサを有するカメラから一定の距離に平面物体を
置き、前記比画像演算手段の出力である比のデータと画
素位置とから、画素位置を比の函数として求める函数演
算手段と、 この函数演算手段で２つの距離に関して得られた２つの
函数から分光位置を較正する分光位置較正手段と、 距離測定の場合において、前記比画像演算手段の出力と
前記分光位置較正手段により得られた分光位置と前記函
数演算手段により得られた函数とから各画素に対して物
体までの距離を演算する距離演算手段とを備えることを
特徴としている。
し、この画像を異なる分光感度のセンサを有するカメラ
によって撮像し、各画素について、物体までの距離を求
めるレンジファインダのセンサ出力から距離画像を得る
距離画像取得装置であって、 センサの複数の出力をディジタル値に変換する複数のA/
D変換手段と、 これらA/D変換手段の出力から比を計算する比画像演算
手段と、 前記センサを有するカメラから一定の距離に平面物体を
置き、前記比画像演算手段の出力である比のデータと画
素位置とから、画素位置を比の函数として求める函数演
算手段と、 この函数演算手段で２つの距離に関して得られた２つの
函数から分光位置を較正する分光位置較正手段と、 距離測定の場合において、前記比画像演算手段の出力と
前記分光位置較正手段により得られた分光位置と前記函
数演算手段により得られた函数とから各画素に対して物
体までの距離を演算する距離演算手段とを備えることを
特徴としている。
第３図に本発明における較正データ入力時の配置を示
す。光源1,レンズ2,回折格子3,カメラ５の配置は第２図
と同様である。物体の存在する空間に、距離Zaにある平
面6,距離Zbにある平面７の２つの面を考える。まず、平
面６の位置に白板を置き、画像を撮像し、各画素につい
て式（３）の比Ｒを求める。平面６のＺ座標はZaである
ので、式（１）は、 Za＝（X0−Z0tanα）／（tanβａ−tanα） （５） となる。角度αは比Ｒの函数であり、カメラ５での撮像
位置のxa座標は、レンズ中心から撮像画までの距離ｃを
定数として、角度βａと式（６）の関係にあるので、 xa＝ｃ・tanβａ （６） となる。平面６に関してのxaはＲの函数として式（７）
のものが画像から求まり、xa（Ｒ）と書くことができ
る。
す。光源1,レンズ2,回折格子3,カメラ５の配置は第２図
と同様である。物体の存在する空間に、距離Zaにある平
面6,距離Zbにある平面７の２つの面を考える。まず、平
面６の位置に白板を置き、画像を撮像し、各画素につい
て式（３）の比Ｒを求める。平面６のＺ座標はZaである
ので、式（１）は、 Za＝（X0−Z0tanα）／（tanβａ−tanα） （５） となる。角度αは比Ｒの函数であり、カメラ５での撮像
位置のxa座標は、レンズ中心から撮像画までの距離ｃを
定数として、角度βａと式（６）の関係にあるので、 xa＝ｃ・tanβａ （６） となる。平面６に関してのxaはＲの函数として式（７）
のものが画像から求まり、xa（Ｒ）と書くことができ
る。
全く同様に、次に平面７の位置に白板を置き、画像を撮
像すると、Ｒとxb（Ｒ）の関係として式（８）が得られ
る。
像すると、Ｒとxb（Ｒ）の関係として式（８）が得られ
る。
ところで、すべての単色光は、回折格子３の一点から空
間に放射していると考えることができる。そのため、波
長に対応するある比Ｒの光線が平面６と交差する位置
（xa，Za）と平面７と交差する位置（xb，Zb）から定ま
る直線は、すべて放射の中心（X0，Z0）を通るはずであ
る。これが、上記の較正画像の入力で多数求まってお
り、その式を、 Ｚ＝aRX＋bR（Ｒ＝R1，R2，・・・）（９）とすれば、X
0，Z0は最小自乗法により、式（10）のように求められ
る。
間に放射していると考えることができる。そのため、波
長に対応するある比Ｒの光線が平面６と交差する位置
（xa，Za）と平面７と交差する位置（xb，Zb）から定ま
る直線は、すべて放射の中心（X0，Z0）を通るはずであ
る。これが、上記の較正画像の入力で多数求まってお
り、その式を、 Ｚ＝aRX＋bR（Ｒ＝R1，R2，・・・）（９）とすれば、X
0，Z0は最小自乗法により、式（10）のように求められ
る。
以上から、任意の位置の物体上で比Ｒの点が撮像面でｘ
の位置に検知されたとき、そのＺは、式（11）および
（12）を解いて式（13）で求められる。
の位置に検知されたとき、そのＺは、式（11）および
（12）を解いて式（13）で求められる。
ここで、（xa，Za）の代わりに（xb，Zb）を用いても全
く同様であるので式（13′）によってもＺを求めること
ができる。
く同様であるので式（13′）によってもＺを求めること
ができる。
第３図に示したように光線の投光方向とカメラの撮像方
向の関係から、平面６の位置で撮像される比Ｒの範囲
と、平面７の位置で撮像される比Ｒの範囲は異なるか
ら、測距の時に得られたＲが存在する方のデータにより
式（13）と式（13′）を使い分けることにより広い範囲
の測距を行うことができる。
向の関係から、平面６の位置で撮像される比Ｒの範囲
と、平面７の位置で撮像される比Ｒの範囲は異なるか
ら、測距の時に得られたＲが存在する方のデータにより
式（13）と式（13′）を使い分けることにより広い範囲
の測距を行うことができる。
以上により、２回の較正画像入力によりX0，Z0が求ま
り、これにより、実際の物体に対する画像取得と測距は
可能のはずであるが、実際には、較正画像入力によって
求まるのは実空間におけるxa，xbではなく、撮像面にお
けるxa，xbであり、これらは式（14）により結びつけら
れる。
り、これにより、実際の物体に対する画像取得と測距は
可能のはずであるが、実際には、較正画像入力によって
求まるのは実空間におけるxa，xbではなく、撮像面にお
けるxa，xbであり、これらは式（14）により結びつけら
れる。
通常ｃは正確には求まらない。しかし、ｃとして正確で
ない値が代わりに用いられても、式（10）の最小自乗
法によって求められる回折位置 は、式（15）のようになり、 を式（13）または式（13′）のX0，Z0に代入して距離を
求めてもＺは正しく求まることが示されるので、ｃは適
当な値（例えばレンズの焦点距離ｆ）として、以上の処
理を実行することができる。
ない値が代わりに用いられても、式（10）の最小自乗
法によって求められる回折位置 は、式（15）のようになり、 を式（13）または式（13′）のX0，Z0に代入して距離を
求めてもＺは正しく求まることが示されるので、ｃは適
当な値（例えばレンズの焦点距離ｆ）として、以上の処
理を実行することができる。
以上により、予めX0，Z0,cを知ることなしに、２回の較
正画像入力により、これを近似的に推定しておくことに
よって、レンジファインダを実現することができる。
正画像入力により、これを近似的に推定しておくことに
よって、レンジファインダを実現することができる。
上記作用に基づいた本発明の実施例を第１図を参照して
説明する。
説明する。
第１図は、実施例である距離画像取得装置のブロック図
である。この装置は、異なる分光感度のセンサを有する
カメラ５と、カメラ５の２つのセンサで得られた画像デ
ータをディジタル値に変換する２個のA/D変換器8,9と、
これらA/D変換器の出力をそれぞれ格納する画像メモリ1
0,11と、画像メモリ10,11の各画素毎に比を計算する比
画像演算回路12と、比画像演算回路の出力を格納する比
画像メモリ13と、比画像メモリからの読み出しデータの
流れを切り換えるスイッチ14と、第３図の平面６に白板
を置いて、第１の較正画像を取得した場合、比画像メモ
リ13から読み出された比画像から平面６における比Ｒの
函数xa（Ｒ）を求め保持する函数演算部15と、平面７に
白板を置いて第２の較正画像を取得した場合、比画像メ
モリ13から読み出された比画像から平面７における比Ｒ
の函数xb（Ｒ）を求め保持する函数演算部15,16と、較
正された回折位置を求め保持する回折位置較正部17と、
距離Ｚを求める距離演算部18と、距離Ｚを格納する距離
画像メモリ19とを備えている。
である。この装置は、異なる分光感度のセンサを有する
カメラ５と、カメラ５の２つのセンサで得られた画像デ
ータをディジタル値に変換する２個のA/D変換器8,9と、
これらA/D変換器の出力をそれぞれ格納する画像メモリ1
0,11と、画像メモリ10,11の各画素毎に比を計算する比
画像演算回路12と、比画像演算回路の出力を格納する比
画像メモリ13と、比画像メモリからの読み出しデータの
流れを切り換えるスイッチ14と、第３図の平面６に白板
を置いて、第１の較正画像を取得した場合、比画像メモ
リ13から読み出された比画像から平面６における比Ｒの
函数xa（Ｒ）を求め保持する函数演算部15と、平面７に
白板を置いて第２の較正画像を取得した場合、比画像メ
モリ13から読み出された比画像から平面７における比Ｒ
の函数xb（Ｒ）を求め保持する函数演算部15,16と、較
正された回折位置を求め保持する回折位置較正部17と、
距離Ｚを求める距離演算部18と、距離Ｚを格納する距離
画像メモリ19とを備えている。
次に、本実施例の動作を説明する。
カメラ５の異なる分光感度を持つ２つのセンサで取得さ
れた画像データは、A/D変換器8,9を介して２つの画像メ
モリ10および11に格納される。比画像演算回路12は、画
像メモリ10および11の各画素毎に比Ｒを式（３）に従っ
て演算し、比画像を比画像メモリ13に格納する。
れた画像データは、A/D変換器8,9を介して２つの画像メ
モリ10および11に格納される。比画像演算回路12は、画
像メモリ10および11の各画素毎に比Ｒを式（３）に従っ
て演算し、比画像を比画像メモリ13に格納する。
平面６に白板を置いて、第１の較正画像を取得した場
合、函数演算部15は、スイッチ14を介し、比画像メモリ
13に格納されている比画像から平面６における比Ｒの函
数xa（Ｒ）を求め、保持する。函数xa（Ｒ）は、観測さ
れたRa1≦Ｒ≦Ra2の範囲で値を持つ。同様に、平面７に
白板を置いて、第２の較正画像を取得した場合、函数演
算部16は、スイッチ14を介し、比画像メモリ13に格納さ
れている比画像から平面７における比Ｒの函数xb（Ｒ）
を求め、保持する。函数xb（Ｒ）は、Rb1≦Ｒ≦Rb2の範
囲で値を持つ。
合、函数演算部15は、スイッチ14を介し、比画像メモリ
13に格納されている比画像から平面６における比Ｒの函
数xa（Ｒ）を求め、保持する。函数xa（Ｒ）は、観測さ
れたRa1≦Ｒ≦Ra2の範囲で値を持つ。同様に、平面７に
白板を置いて、第２の較正画像を取得した場合、函数演
算部16は、スイッチ14を介し、比画像メモリ13に格納さ
れている比画像から平面７における比Ｒの函数xb（Ｒ）
を求め、保持する。函数xb（Ｒ）は、Rb1≦Ｒ≦Rb2の範
囲で値を持つ。
回折位置較正部17は、函数xa（Ｒ）およびxb（Ｒ）につ
いて、双方のＲの定義域の重複部分のＲについて、式
（14）により、適当な定数ｃを用いて、（xa，Za）、
（xb，Zb）のペアを求め、式（９）および式（10）によ
り回折位置（X0，Z0）を求める。較正された回折位置
（X0，Z0）は回折位置較正部17に保持される。
いて、双方のＲの定義域の重複部分のＲについて、式
（14）により、適当な定数ｃを用いて、（xa，Za）、
（xb，Zb）のペアを求め、式（９）および式（10）によ
り回折位置（X0，Z0）を求める。較正された回折位置
（X0，Z0）は回折位置較正部17に保持される。
実際の物体までの距離を測定する場合、実景が全く同様
に画像メモリ10および11に得られ、比画像が比画像メモ
リ13に得られる。距離演算部18は、比画像メモリ13か
ら、画素毎に比ＲをＸ座標値と共にスイッチ14を介して
読み出し、回折位置較正部17に保持されている回折位置
（X0，Z0）と函数演算部15,16に保持されている函数xa
（Ｒ），xb（Ｒ）を用いて式（13）または式（13′）に
より、距離Ｚを求め、距離画像メモリ19に書き込む。以
上の一連の動作の結果、距離画像メモリ19の各画素に
は、カメラ５から物体４までの距離Ｚが得られる。
に画像メモリ10および11に得られ、比画像が比画像メモ
リ13に得られる。距離演算部18は、比画像メモリ13か
ら、画素毎に比ＲをＸ座標値と共にスイッチ14を介して
読み出し、回折位置較正部17に保持されている回折位置
（X0，Z0）と函数演算部15,16に保持されている函数xa
（Ｒ），xb（Ｒ）を用いて式（13）または式（13′）に
より、距離Ｚを求め、距離画像メモリ19に書き込む。以
上の一連の動作の結果、距離画像メモリ19の各画素に
は、カメラ５から物体４までの距離Ｚが得られる。
なお、本実施例では、分光デバイスとして回折格子が用
いられているが、特願昭59-197414号明細書に示された
レンジファインダでは、プリズムを利用することもでき
る。その場合、本発明で較正する回折位置は、プリズム
中に仮想的に想定される分光位置として実行される。
いられているが、特願昭59-197414号明細書に示された
レンジファインダでは、プリズムを利用することもでき
る。その場合、本発明で較正する回折位置は、プリズム
中に仮想的に想定される分光位置として実行される。
以上に詳しく述べたように、本発明を利用することによ
り、特願昭59-197414号明細書に示したレンジファイン
ダから、各画素に対する距離を得る際に必要な種々のパ
ラメータを測定することなく、２回の画像入力により得
られる較正データにより、簡便に距離画像を得ることが
できる。
り、特願昭59-197414号明細書に示したレンジファイン
ダから、各画素に対する距離を得る際に必要な種々のパ
ラメータを測定することなく、２回の画像入力により得
られる較正データにより、簡便に距離画像を得ることが
できる。
第１図は、本発明の実施例を示すブロック図、 第２図は、レンジファインダの説明図、 第３図は、本発明の較正を行う場合の配置を示す説明図
である。 １……光源 ２……レンズ ３……回折格子 ４……物体 ５……カメラ 6,7……較正に用いる平面 8,9……A/D変換器 10,11……画像メモリ 12……比画像演算回路 13……比画像メモリ 14……スイッチ 15,16……函数演算部 17……回折位置較正部 18……距離演算部 19……距離画像メモリ
である。 １……光源 ２……レンズ ３……回折格子 ４……物体 ５……カメラ 6,7……較正に用いる平面 8,9……A/D変換器 10,11……画像メモリ 12……比画像演算回路 13……比画像メモリ 14……スイッチ 15,16……函数演算部 17……回折位置較正部 18……距離演算部 19……距離画像メモリ
Claims (1)
- 【請求項１】分光されたスペクトルパターンを物体に投
写し、この画像を異なる分光感度のセンサを有するカメ
ラによって撮像し、各画素について、物体までの距離を
求めるレンジファインダのセンサ出力から距離画像を得
る距離画像取得装置であって、 センサの複数の出力をディジタル値に変換する複数のA/
D変換手段と、 これらA/D変換手段の出力から比を計算する比画像演算
手段と、 前記センサを有するカメラから一定の距離に平面物体を
置き、前記比画像演算手段の出力である比のデータと画
素位置とから、画素位置を比の函数として求める函数演
算手段と、 この函数演算手段で２つの距離に関して得られた２つの
函数から分光位置を較正する分光位置較正手段と、 距離測定の場合において、前記比画像演算手段の出力と
前記分光位置較正手段により得られた分光位置と前記函
数演算手段により得られた函数とから各画素に対して物
体までの距離を演算する距離演算手段とを備えることを
特徴とするレンジファインダのセンサ出力から距離画像
を得る距離画像取得装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62195379A JPH0690032B2 (ja) | 1987-08-06 | 1987-08-06 | 距離画像取得装置 |
| DE3850715T DE3850715T2 (de) | 1987-08-06 | 1988-08-05 | Vereinfachte Kalibrierung für eine Entfernungsinformationserwerbungsvorrichtung. |
| EP88112787A EP0302512B1 (en) | 1987-08-06 | 1988-08-05 | Simplified calibration for a distance information obtaining device |
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