JP4764896B2 - Camera calibration apparatus, camera calibration method, camera calibration program, and recording medium recording the program - Google Patents
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Description
本発明は、単眼カメラまたは被写体を取り囲むように配置された多視点カメラのカメラ校正に利用可能で、カメラ校正作業のコストを抑えることを目的として、少数の参照点またはその参照点を一部に含む校正用ターゲットを撮影し、その投影関係に基づきカメラを校正する(カメラパラメータを求める)技術に関する。 The present invention can be used for camera calibration of a monocular camera or a multi-view camera arranged so as to surround a subject, and a small number of reference points or a part of the reference points is used for the purpose of reducing the cost of camera calibration work. The present invention relates to a technique for photographing a calibration target including the same and calibrating a camera based on the projection relationship (determining camera parameters).
カメラ内部の固有情報として焦点距離や画像中心などの内部パラメータ、並びに、カメラ配置時の姿勢や位置情報という外部パラメータを得るにはカメラキャリブレーション(カメラ校正)が行われる。従来の方法では、校正したいカメラに対して図2のように格子パターンの模様を描いた2次元物体を撮影し、その参照物体に関する幾何情報とカメラで観測した画像上での投影情報から、カメラ内部、外部パラメータ(両者を合わせてカメラパラメータと呼ぶ)を推定する(非特許文献1参照)。さらに、より簡単な参照物体を使った例として、図3のように長さの既知な1次元物体を使い、点Aを固定したまま撮影しその画像からカメラを校正する方法も公開されている(非特許文献2参照)。 Camera calibration (camera calibration) is performed to obtain internal parameters such as focal length and image center as external information inside the camera, and external parameters such as posture and position information at the time of camera placement. In the conventional method, a two-dimensional object having a lattice pattern as shown in FIG. 2 is photographed with respect to the camera to be calibrated, and from the geometric information about the reference object and the projection information on the image observed by the camera, Internal and external parameters (both are referred to as camera parameters) are estimated (see Non-Patent Document 1). Furthermore, as an example using a simpler reference object, a method of using a one-dimensional object with a known length as shown in FIG. 3 and shooting with the point A fixed and calibrating the camera from the image has been disclosed. (Refer nonpatent literature 2).
コンピュータビジョンでは、Structure From Motionと呼ばれている基本原理があり、静止した被写体に対してカメラが相対的に運動することにより被写体の3次元形状と運動を復元する方法がある(運動する被写体に対してカメラが静止していても原理は同じ)。セルフキャリブレーション(あるいはオートキャリブレーションとも呼ばれる)はこの原理に基づく手法の一つであり、上記のような既知の参照物体を必要とせず、静的な映像シーンから観測した特徴点を使ってカメラパラメータを推定する。
従来のカメラキャリブレーション法では非特許文献1、2に代表されるように参照物体を使うことが常套手段である。図2では2次元物体上の参照点の2次元座標を既知としており(非特許文献1)、図3では1次元物体の長さLと点Aから点Cまでの距離と点Bから点Cまでの距離の比が既知であることが前提である(非特許文献2)。
In conventional camera calibration methods, it is common practice to use a reference object as represented by
このような参照物体を使用したカメラ校正の場合、十分な量の参照点を撮影する必要がある。これに応じるには、カメラ校正の前に、参照物体を撮影する作業に多くの時間が割かれることになる。監視カメラなどの定点カメラでは、必ずしもカメラ校正に十分な量の参照点を撮影することができるとは限らず、また、それらを撮影するだけの時間的余裕があるわけではない。場合によっては、少数の参照点からカメラ校正を行う状況も発生する。 In the case of camera calibration using such a reference object, it is necessary to photograph a sufficient amount of reference points. In order to respond to this, a lot of time is taken for the work of photographing the reference object before the camera calibration. A fixed-point camera such as a surveillance camera cannot always capture a sufficient amount of reference points for camera calibration, and does not have enough time to capture them. In some cases, a situation occurs in which camera calibration is performed from a small number of reference points.
これに対して、セルフキャリブレーションによれば、既知の参照物体を必要とせず、静的な映像シーンから観測した特徴点にしたがってカメラを校正することができる。しかし、そのカメラ校正にとっても十分な量の特徴点の画像座標を時系列画像から測定する必要があり、その特徴点に画像座標の測定にある程度の誤差が混入すると校正精度が大きく劣化するという問題が指摘されている。 On the other hand, according to the self-calibration, the camera can be calibrated according to the feature points observed from the static video scene without requiring a known reference object. However, it is necessary to measure the image coordinates of a sufficient amount of feature points from the time series image even for the camera calibration, and if a certain amount of error is mixed in the measurement of image coordinates at the feature points, the calibration accuracy is greatly deteriorated. Has been pointed out.
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、校正用の撮影作業コストを低減させるために特殊な参照物体を使い、その物体から観測される少数の参照点から、監視カメラなどの定点カメラあるいは被写体を囲むように配置された多視点カメラを簡単に校正することができる、カメラ校正装置、カメラ校正方法、カメラ校正プログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。 The present invention solves the above-mentioned problems, and its purpose is to use a special reference object in order to reduce the cost of photographing work for calibration, and from a small number of reference points observed from the object, such as a surveillance camera. It is an object to provide a camera calibration apparatus, a camera calibration method, a camera calibration program, and a recording medium in which the program is recorded, which can easily calibrate a fixed-point camera or a multi-viewpoint camera arranged so as to surround a subject.
カメラ視点と3次元点の間の射影関係を記述するために、その基準となる座標系を設定する。この座標系は任意に設定しても構わないが、説明の都合上、地面または床面上のある点(あるいは任意の平面上の点としてもよい)を原点とした世界座標系(ユークリッド空間)を前提とする。カメラによる幾何的射影をピンホールカメラに従った透視投影にモデル化できると仮定する。世界座標系で表された3次元点(参照点)をPj=(Xj,Yj,Zj)、カメラ視点の位置を(Tx,Ty,Tz)とすると、点Pjの画像上で観測される2次元座標値(xj,yj)は式(1),(2)で与えられる。 In order to describe the projective relationship between the camera viewpoint and the three-dimensional point, a reference coordinate system is set. This coordinate system may be set arbitrarily, but for convenience of explanation, a world coordinate system (Euclidean space) with the origin at a certain point on the ground or floor (or may be a point on an arbitrary plane) Assuming Assume that the geometric projection by a camera can be modeled as a perspective projection according to a pinhole camera. If the three-dimensional point (reference point) expressed in the world coordinate system is P j = (X j , Y j , Z j ) and the camera viewpoint position is (Tx, Ty, Tz), the point P j on the image The two-dimensional coordinate values (x j , y j ) observed in (1) are given by equations (1) and (2).
ここで、αは画素を単位とした焦点距離、R11,R12,…,R33は式(3)に示す3×3の回転行列の要素に対応する。 Here, α is a focal length in units of pixels, and R 11 , R 12 ,..., R 33 correspond to elements of a 3 × 3 rotation matrix shown in Expression (3).
対象とする参照点PjのX座標が0(Xj=0)で、かつ、カメラはY軸上に位置する場合(Tx=0)、カメラ視点と世界座標系XYZの関係を図1に表すことができる(X軸は紙面の表から裏の方向になっている)。この座標系では点Oを原点としており、Tyはカメラの奥行き、Tzはカメラの高さ、φはカメラの傾き角にそれぞれ相当する。また、図1に示すようにカメラ視点を中心としたカメラ座標系X’Y’Z’を設ける(X’軸は紙面の裏から表の方向)。Z軸はカメラ光軸として定義し、そのカメラ光軸がZ軸上の点Q(任意)を通過し、その投影座標を画像中心としている。一般的に、監視カメラなどの定点カメラは図1のようなカメラ配置としてモデル化できる。 When the X coordinate of the target reference point P j is 0 (X j = 0) and the camera is located on the Y axis (Tx = 0), the relationship between the camera viewpoint and the world coordinate system XYZ is shown in FIG. (X-axis is in the direction from the front to the back of the page). In this coordinate system, the point O is the origin, Ty corresponds to the camera depth, Tz corresponds to the camera height, and φ corresponds to the camera tilt angle. Further, as shown in FIG. 1, a camera coordinate system X′Y′Z ′ centered on the camera viewpoint is provided (the X ′ axis is the front direction from the back of the page). The Z-axis is defined as the camera optical axis, and the camera optical axis passes through a point Q (arbitrary) on the Z-axis, and the projected coordinate is the image center. In general, a fixed point camera such as a surveillance camera can be modeled as a camera arrangement as shown in FIG.
φは鉛直下向きの方向(−Z軸の方向)をφ=0,Y軸と反対方向に向いたときをφ=−π/2とし、カメラの傾き角はこの範囲内(−π/2<φ<0)で定義される回転角とする。図1のカメラについてY’軸,Z’軸に関する回転が無いとした単純なカメラ配置を考えると、式(1)の回転行列の要素を、式(3)と与えることができる。 φ is defined as φ = 0 in the vertically downward direction (−Z axis direction) and φ = −π / 2 when directed in the opposite direction to the Y axis, and the tilt angle of the camera is within this range (−π / 2 < The rotation angle is defined as φ <0). Considering a simple camera arrangement in which there is no rotation about the Y ′ axis and the Z ′ axis for the camera of FIG. 1, the elements of the rotation matrix of Expression (1) can be given by Expression (3).
さらに、参照点PjについてXj=0、かつ、カメラ視点においてTx=0を考えているので、式(1)において常にxj=0としてもよい。従って、上記のカメラ配置と参照点を前提とすると、参照点の画像上での投影座標として式(4)のy座標のみを扱うことに帰着できる。 Furthermore, since X j = 0 is considered for the reference point P j and Tx = 0 is considered at the camera viewpoint, x j = 0 may always be set in equation (1). Therefore, assuming the above camera arrangement and reference point, it can be concluded that only the y-coordinate of equation (4) is handled as the projected coordinate on the image of the reference point.
本発明は画像上のy軸上に投影される参照点を使い簡易にカメラを校正することに着目したものである。すなわち、本発明の基本原理は、用意した参照点PjによりYj,Zjを与えてyjを観測し、式(4)で関係付けられた幾何的拘束において焦点距離α、傾き角φ、YZ座標系での視点位置(Ty,Tz)を一意に決定するものである。 The present invention focuses on the simple calibration of the camera using the reference point projected on the y-axis on the image. That is, the basic principle of the present invention is that Y j and Z j are given by the prepared reference point P j and y j is observed, and the focal length α and the inclination angle φ are obtained in the geometrical constraint related by the equation (4). The viewpoint position (Ty, Tz) in the YZ coordinate system is uniquely determined.
上記課題を解決するための請求項1に記載のカメラ校正装置は、眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する装置であって、校正対象の画像入力装置を使って形状が既知の被写体を撮影し、取得した画像において画像座標系を設定し、その被写体上の参照点から形成される線分上の任意の点が画像座標系の原点に投影されるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、画像座標系上に設定した基準軸と被写体上の参照点から形成される線分が一致するように、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転させ、かつ、他の参照点もその基準軸上の点となるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更することにより、全ての参照点の投影座標を前記基準軸上に位置させる画像補正手段と、全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報とその基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、を備えることを特徴としている。
The camera calibration device according to
また請求項2に記載のカメラ校正装置は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する装置であって、ある土台上の基準点を中心とした複数の円を構成する円盤と、その円に垂直となるように基準点に下ろした線分を構成する垂直棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、該垂直棒に設置した複数の点、基準点、並びに複数同心円と前記基準軸との交点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、 前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、を備えることを特徴としている。
The camera calibration device according to
また請求項3に記載のカメラ校正装置は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する装置であって、ある土台上の基準点を中心とした円を構成する円盤と、その円に垂直に設置され、前記基準点から伸びた線分を構成する垂直棒と、その円周上に沿うようにその垂直棒の周りに回転する線分を構成する回転棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、さらに、前記回転棒を垂直棒周りに回転させ回転棒が基準軸と一致するとき、該垂直棒に設定した複数の点、基準点、並びに回転棒に設置した複数の点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、を備えることを特徴としている。 The camera calibration device according to claim 3 is a device that calibrates external information including the internal information and orientation and position of the image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices, A disk that forms a circle centered on a reference point on a base, a vertical bar that is installed perpendicular to the circle and that forms a line segment extending from the reference point, and a vertical line that extends along the circumference of the circle A reference object provided with a rotating rod that forms a line segment that rotates around a bar is set as a subject for calibration shooting, and an image coordinate system is set in the image of the subject acquired using an image input device to be calibrated. Subject control means for changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that an arbitrary point of the vertical bar is projected on the origin of the coordinate system, and coordinates set on the acquired image Around the origin of the system The image is rotated so that the reference axis set on the image coordinate system and the vertical bar of the reference object coincide with each other, and when the rotation bar is rotated around the vertical bar and the rotation bar coincides with the reference axis, the vertical axis Reference points measuring means for acquiring a plurality of points set on the bar, reference points, and a plurality of points set on the rotating bar as reference points, and acquiring image coordinates of the reference points, and images from the three-dimensional points of all the reference points The reference information obtained from the geometric information of the reference point and the reference point measurement means by the relational expression between the internal information and the external information of the image input device derived from the perspective projection condition when projecting onto the reference axis of the coordinate system Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device from image coordinates of a reference point on the axis.
また請求項4に記載のカメラ校正装置は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する装置であって、
平面を持つ土台と半円盤で構成され、半円盤には基準点を中心とした同一の複数の半円が記されており、複数の半円の直線部分は半円盤の直線部分と一致しており、半円盤は土台の平面と半円盤の直線部分で接しており、接している直線部分を回転軸として半円盤が回転できる機構となっており、複数の半円の中心を通る半円盤上の線を中心軸とする参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記中心軸上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の中心軸を一致させ、前記中心軸に設置した複数の点、基準点、並びに、半円盤を土台の平面に対して傾斜または半円盤の回転軸に対して回転させた際の、複数の半円が基準軸と交差する点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、を備えることを特徴としている。
The camera calibration device according to claim 4 is a device that calibrates external information including the internal information and orientation and position of the image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
It consists of a base with a flat surface and a semi-disc, and the semi-disc has a plurality of identical semi-circles centered on the reference point, and the straight portions of the semi-circles coincide with the straight portions of the semi-disc The half disk is in contact with the plane of the base and the straight part of the half disk, and it is a mechanism that allows the half disk to rotate around the straight part that touches, and on the half disk passing through the center of multiple semicircles The reference object with the center line as the center axis is taken as the subject for calibration photography, and the image coordinate system is set in the subject image acquired using the image input device to be calibrated. Rotate the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image and subject control means for changing the orientation / position of the subject or the orientation / position of the image input device to be projected onto the origin of the coordinate system The reference axis set on the image coordinate system and the reference A plurality of points when the center axis of the object is matched, and a plurality of points, reference points, and semi-disks installed on the center axis are inclined with respect to the plane of the base or rotated with respect to the rotation axis of the semi-disk. Reference point measuring means for obtaining the image coordinates of the reference point using the point where the semicircle intersects the reference axis as a reference point, and when projecting from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system From the relational expression between the internal information and external information of the image input device derived from the perspective projection conditions, from the geometric information of the reference point and the image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measuring means, Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device.
また請求項5に記載のカメラ校正方法は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する方法であって、被写体制御手段が、校正対象の画像入力装置を使って形状が既知の被写体を撮影し、取得した画像において画像座標系を設定し、その被写体上の参照点から形成される線分上の任意の点が画像座標系の原点に投影されるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、画像補正手段が、画像座標系上に設定した基準軸と被写体上の参照点から形成される線分が一致するように、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転させ、かつ、他の参照点もその基準軸上の点となるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更することにより、全ての参照点の投影座標を前記基準軸上に位置させるステップと、カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報とその基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、を備えることを特徴としている。 The camera calibration method according to claim 5 is a method for calibrating external information including an internal information and an attitude and a position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices, The subject control means captures a subject whose shape is known using an image input device to be calibrated, sets an image coordinate system in the acquired image, and selects an arbitrary line segment formed from a reference point on the subject. A step of changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that a point is projected on the origin of the image coordinate system; and the reference axis set on the image coordinate system and the subject Rotate the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image so that the line segments formed from the reference points match, and so that the other reference points are also points on the reference axis Subject posture / position Alternatively, by changing the posture / position of the image input device, the projected coordinates of all the reference points are positioned on the reference axis, and the camera calibration processing unit is configured to generate an image from the three-dimensional points of all the reference points. The geometric information of the reference point and the image coordinates of the reference point on the reference axis are derived from the relational expression between the internal and external information of the image input device derived from the perspective projection conditions when projecting onto the reference axis of the coordinate system. And calibrating internal information or external information of the image input device.
また請求項6に記載のカメラ校正方法は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する方法であって、被写体制御手段が、ある土台上の基準点を中心とした複数の円を構成する円盤と、その円に垂直となるように基準点に下ろした線分を構成する垂直棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、該垂直棒に設置した複数の点、基準点、並びに複数同心円と前記基準軸との交点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、を備えることを特徴としている。
The camera calibration method according to
また請求項7に記載のカメラ校正方法は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する方法であって、被写体制御手段が、ある土台上の基準点を中心とした円を構成する円盤と、その円に垂直に設置され、前記基準点から伸びた線分を構成する垂直棒と、その円周上に沿うようにその垂直棒の周りに回転する線分を構成する回転棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、さらに、前記回転棒を垂直棒周りに回転させ回転棒が基準軸と一致するとき、該垂直棒に設定した複数の点、基準点、並びに回転棒に設置した複数の点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、を備えることを特徴としている。 The camera calibration method according to claim 7 is a method of calibrating external information including an internal information and an attitude and a position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices, A subject control means is a disk that forms a circle centered on a reference point on a base, a vertical bar that is installed perpendicular to the circle and extends from the reference point, and a circumference of the vertical bar. A reference object with a rotating bar that forms a line segment that rotates around the vertical bar along the vertical axis is taken as the subject for calibration shooting, and the image coordinates in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated Setting a system, changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that an arbitrary point of the vertical bar is projected on the origin of the coordinate system, and a reference point measuring means , The acquired image Rotate the image around the origin of the coordinate system set in step 1, match the reference axis set on the image coordinate system with the vertical bar of the reference object, and rotate the rotary bar around the vertical bar to A reference point measurement step for obtaining the image coordinates of the reference point by using a plurality of points set on the vertical bar, a reference point, and a plurality of points set on the rotating bar as reference points when matching with the reference axis, and camera calibration The reference point is obtained from the relational expression between the internal information and the external information of the image input device derived from the perspective projection condition when the processing means projects from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system. And calibrating internal information or external information of the image input device from the geometric information of the reference point and the image coordinates of the reference point on the reference axis acquired in the reference point measurement step.
また請求項8に記載のカメラ校正方法は、単眼または複数の画像入力装置を使って取得した画像から、その画像入力装置の内部情報と姿勢および位置を含む外部情報を校正する方法であって、被写体制御手段が、平面を持つ土台と半円盤で構成され、半円盤には基準点を中心とした同一の複数の半円が記されており、複数の半円の直線部分は半円盤の直線部分と一致しており、半円盤は土台の平面と半円盤の直線部分で接しており、接している直線部分を回転軸として半円盤が回転できる機構となっており、複数の半円の中心を通る半円盤上の線を中心軸とする参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記中心軸上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の中心軸を一致させ、前記中心軸に設置した複数の点、基準点、並びに、半円盤を土台の平面に対して傾斜または半円盤の回転軸に対して回転させた際の、複数の半円が基準軸と交差する点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、を備えることを特徴としている。 The camera calibration method according to claim 8 is a method for calibrating external information including the internal information and orientation and position of the image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices, The subject control means is composed of a base with a flat surface and a semi-disc, and the semi-disc has a plurality of identical semi-circles centered on the reference point, and the straight portions of the semi-circles are straight lines of the semi-disc The semi-disc is in contact with the base plane and the straight part of the semi-disk, and the semi-disk can rotate around the straight part that touches the axis of rotation. A reference object centered on a line on a semicircular disk passing through is a subject for calibration shooting, and an image coordinate system is set in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated, Arbitrary point projected to the origin of the coordinate system And changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that the reference point measuring means rotates the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image, The reference axis set on the coordinate system coincides with the central axis of the reference object, and a plurality of points, reference points, and semi-disks installed on the central axis are inclined with respect to the plane of the base or the rotational axis of the semi-disk The reference point measuring step for obtaining the image coordinates of the reference point using the points where a plurality of semicircles intersect with the reference axis when rotated with respect to the reference axis, and the camera calibration processing means include all the reference points. The geometric information of the reference point and the reference point measurement step based on the relational expression between the internal information and the external information of the image input device derived from the perspective projection conditions when projecting from the three-dimensional point onto the reference axis of the image coordinate system Obtained by From the image coordinates of the reference point on the semi-axis, it is characterized by comprising the steps of: calibrating the internal information or external information of the image input device.
また請求項9に記載のカメラ校正プログラムは、コンピュータに、請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載の各ステップを実行させるプログラムとしたことを特徴としている。 A camera calibration program according to a ninth aspect is a program for causing a computer to execute each step according to any one of the fifth to eighth aspects.
また請求項10に記載の記録媒体は、請求項9に記載のカメラ校正プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。 A recording medium according to claim 10 is a computer-readable recording medium in which the camera calibration program according to claim 9 is recorded.
請求項1〜10に記載の発明によれば、少数の参照点を使ってカメラ校正を実行するため、従来のカメラキャリブレーション(非特許文献1、2)のように校正に多くの量の参照点を必要としない。また本発明では参照点の画像上での座標値を円滑に測定するための特殊な参照物体を使うことにより、カメラ校正作業の簡略化と処理時間の短縮化になる。さらに、この参照物体を取り囲むように複数のカメラで配置すれば、複数カメラを同時に校正することができ、多視点カメラを使ったシームレスな3次元映像生成または任意視点映像の生成に寄与する。
According to the first to tenth aspects of the present invention, since camera calibration is performed using a small number of reference points, a large amount of reference is used for calibration as in conventional camera calibration (
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施例1)
図1においてZ軸上の参照点AとBが与えられたときのカメラ配置と参照点を図4に示す。本実施例は、図4のカメラ配置において、焦点距離α、傾き角φ、YZ座標系での視点位置(Ty,Tz)を推定するものである(これらを総称してカメラパラメータと呼ぶことにする)。まず、図4のカメラ配置と参照点について説明しておく。点A,Bは原点Oからそれぞれ高さh1,h2を与えた点となっており、点A,B,原点Oが画像上においてx=0となるように配置されている。このような状況では、点A,B,原点Oに対してカメラのX座標をTx=0とすることができ、Z軸方向に並べられた参照点に対してY軸方向の回転が無いとしても一般性を失わない。図4には参照点A,B,Oの画像面へ透視投影像p1,p2,p0を描画しており、この投影関係は式(4)の透視投影に従うものとする。この画像座標点p1,p2,p0の画像座標をそれぞれ(0,y1),(0,y2),(0,y0)とする。
Example 1
FIG. 4 shows the camera arrangement and reference points when reference points A and B on the Z-axis are given in FIG. The present embodiment estimates the focal length α, the tilt angle φ, and the viewpoint position (Ty, Tz) in the YZ coordinate system in the camera arrangement of FIG. 4 (these are collectively referred to as camera parameters). To do). First, the camera arrangement and reference points in FIG. 4 will be described. Points A and B are points given heights h 1 and h 2 from the origin O, respectively, and the points A, B and origin O are arranged so that x = 0 on the image. In such a situation, the X coordinate of the camera can be set to Tx = 0 with respect to the points A, B, and the origin O, and there is no rotation in the Y axis direction with respect to the reference points arranged in the Z axis direction. Even generality is not lost. In FIG. 4, perspective projection images p 1 , p 2 , and p 0 are drawn on the image planes of the reference points A, B, and O, and this projection relationship is assumed to follow the perspective projection of Expression (4). Assume that the image coordinates of the image coordinate points p 1 , p 2 , and p 0 are (0, y 1 ), (0, y 2 ), and (0, y 0 ), respectively.
原理的にZ軸上の点A,B,Oだけではカメラパラメータを決定できないので、それらの点以外に画像面上においてx=0となるように配置した点も参照点として利用する。図5には、Y軸上に沿って原点Oから距離d3,d4だけ離れた位置に点C,Dを参照点として配置した例が描かれている。点C,Dも式(4)の透視投影式に従いそれぞれp3,p4に投影される。このp3,p4の画像座標をそれぞれ(0,y3),(0,y4)とする。 In principle, the camera parameters cannot be determined only by the points A, B, and O on the Z axis. In addition to these points, points arranged so that x = 0 on the image plane are also used as reference points. FIG. 5 shows an example in which the points C and D are arranged as reference points at positions separated from the origin O by distances d 3 and d 4 along the Y axis. Points C and D are also projected onto p 3 and p 4 , respectively, according to the perspective projection equation of equation (4). The image coordinates of p 3 and p 4 are (0, y 3 ) and (0, y 4 ), respectively.
ここで、上記の参照点A,B,O,C,Dに関する事前情報を使ってカメラを校正する計算式を導出しておく。図4の原点O=(0,0,0)は画像面においてp0に投影されるので、式(4)を使って式(5)が得られる。 Here, a calculation formula for calibrating the camera is derived using the prior information on the reference points A, B, O, C, and D described above. Since the origin O = (0, 0, 0) in FIG. 4 is projected onto p 0 on the image plane, Expression (5) is obtained using Expression (4).
同様に、図4の点A,Bの3次元座標はそれぞれ(0,0,h1),(0,0,h2)で与えられるので、画像座標p1,p2について式(6),(7)の関係が得られる。 Similarly, since the three-dimensional coordinates of the points A and B in FIG. 4 are given by (0, 0, h 1 ) and (0, 0, h 2 ), respectively, the image coordinates p 1 and p 2 are expressed by Equation (6). , (7) is obtained.
一方、図5の点C,Dの3次元座標はそれぞれ(0,d3,0),(0,d4,0)で与えられるので、画像座標p3,p4について式(8),(9)の関係が得られる。 On the other hand, since the three-dimensional coordinates of the points C and D in FIG. 5 are given by (0, d 3 , 0) and (0, d 4 , 0), respectively, the image coordinates p 3 and p 4 are expressed by the equations (8), The relationship (9) is obtained.
式(5)は式(10)に変形することができるので、式(6)〜式(9)において式(10)の関係式を使うと、それぞれ式(11)〜式(14)に変形することができる。 Since equation (5) can be transformed into equation (10), if the relational expression of equation (10) is used in equations (6) to (9), equations (11) to (14) are transformed, respectively. can do.
さらに、式(11)と式(12)から式(15)を導き出すことができ、式(13)と式(14)から式(16)を導き出すことができる。 Furthermore, equation (15) can be derived from equations (11) and (12), and equation (16) can be derived from equations (13) and (14).
したがって、式(15)に式(16)を代入するとtan(φ)に関する二次方程式が得られ、−π/2<φ<0の範囲でこれを解くとtan(φ)について式(17)を得ることができる(φは式(17)右辺の値のtan-1(tanの逆関数)をとれば得られる)。 Therefore, when equation (16) is substituted into equation (15), a quadratic equation relating to tan (φ) is obtained. When this is solved in the range of −π / 2 <φ <0, equation (17) is obtained for tan (φ). (Φ can be obtained by taking tan −1 (inverse function of tan) of the value on the right side of equation (17)).
式(17)を式(16)へ代入するとαは式(18)と表すことができる。 When Expression (17) is substituted into Expression (16), α can be expressed as Expression (18).
さらに、式(10)〜式(14)を連立すると式(19)の連立一次方程式が得られる。 Further, simultaneous equations (10) to (14) yield a simultaneous linear equation of equation (19).
したがって、式(19)においてφ,αが与えられればTy,Tzが求まる。このように、本実施例は、点A,B,C,D,Oの空間配置とそれぞれの点の観測座標:y1,y2,y3,y4,y0,並びに、式(5)〜式(9)で表された両者の幾何的拘束条件において、焦点距離α、傾き角φ、YZ座標系での視点位置(Ty,Tz)を求めるものである。本発明は、点A,B,O,C,Dの5点からカメラパラメータを求めるものであるがY軸またはZ軸上の点を増やして5点以上の参照点に対しても本発明を容易に拡張することができる(9点の場合については実施例2で説明する)。 Therefore, if φ and α are given in equation (19), Ty and Tz can be obtained. Thus, in this embodiment, the spatial arrangement of the points A, B, C, D, and O and the observation coordinates of each point: y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 0 , and the formula (5 ) To Expression (9), the focal length α, the inclination angle φ, and the viewpoint position (Ty, Tz) in the YZ coordinate system are obtained. In the present invention, camera parameters are obtained from five points A, B, O, C, and D, but the present invention is also applied to five or more reference points by increasing the points on the Y-axis or Z-axis. It can be easily expanded (the case of nine points will be described in Example 2).
図6は請求項1に記載のカメラ校正の発明に関する基本構成図であり、本実施例を図6にそって説明する。本発明は、校正のための参照物体を提示し、画像補正部104と連動して被写体位置を制御する被写体制御手段としての被写体制御部101、校正対象の画像入力装置としてのカメラ102、校正に使用する画像を取得する画像入力部103、画像入力部103からの画像に対して、被写体制御部101と連動してカメラ校正処理のための前処理を行う画像補正手段としての画像補正部104、その処理された画像から校正処理に必要な画像座標を計測する参照点測定手段としての参照点測定部105、カメラ校正を実行するカメラ校正処理手段としてのカメラ校正処理部106から構成される。
FIG. 6 is a basic configuration diagram relating to the camera calibration invention described in
この構成において、校正対象のカメラは必ずしも構成要素として接続している必要はなく、校正に必要なサンプル画像を画像入力部103を通して取得すればよく、その画像入力部103には、ハードディスク、RAID装置、CD−ROMなどの記録媒体を利用する、または、ネットワークを介してリモートなデータ資源を利用する形態でもどちらでも構わない。さらに、処理の必要に応じてリアルタイムで画像を取得する場合も可能であり、本発明は必ずしも記憶装置を必要としない。
In this configuration, the camera to be calibrated does not necessarily have to be connected as a component, and a sample image necessary for calibration may be acquired through the
図6の被写体制御部101は、図13で設計されたターゲットを校正のための撮影被写体としてカメラ102の前に提示する。図13のターゲットは垂直棒11と水平棒12とそれらの土台となる平面盤13から構成されている。垂直棒11には点Oを原点として、その点からh1,h2の高さにそれぞれ点A,Bが設置されている。被写体制御部101は命令に応じて水平棒12を垂直棒11の周りに自由に回転させることができる。その水平棒12上には点Oからd3,d4の距離にそれぞれ点C,Dが設置されている。サンプル画像はカメラ102を通して画像入力部103から得られる(図15)。図15には画像中心を画像座標系の中心としており、その点を原点としたxy画像座標系が重複表示されている。カメラ校正はこのサンプル画像を使って行うが、各参照点の画像座標を測定する前に図6の画像補正部104にて前処理が施される。図13に示した垂直棒11(点A,B,Oから構成される1次元物体)が画面上においてy軸と一致するまで図8の処理フローにしたがって処理が続けられる。一致していないのはY軸に沿ってターゲットの垂直棒11が設置されていない(言い換えれば、点A,B,OのX座標値を0とおけない)ことと、カメラ102の光軸周りの回転が0でないことに起因している。
The
被写体制御部101は、垂直棒上の任意の点(図1の点Qに対応する)が図16のように画像面上の原点(画像中心)と交差するように、図8に示す処理フローに従ってターゲットの位置を変更する。まず、土台に設定されたX軸に沿って被写体を命令に応じてΔXずつ移動させる(ステップS1,S2)。このとき、画像入力部103から得られるサンプル画像において垂直棒11上の任意の点が画像中心と一致するかどうかを判定する。例えば、サンプル画像から直線検出を行い、最も大きい線分を抽出し、その直線上に画像中心が重なるかどうかを判定する(ステップS3,S4)。X軸方向で移動できる範囲で動かしても一致する点が見つからない場合は、今度はY方向に沿って被写体をΔYだけ移動し(ステップS3,S5)、被写体のX軸上の位置を元に戻して(ステップS1)、再度、X軸に沿って被写体をΔXずつ移動させる。このように、被写体をXY平面上で移動させ、垂直棒上の点が画像中心に重なるかどうかを判定する。もし、一致した場合は、図16に示す画像が得られて、図10の画像補正部104の処理に移行する。図10ではカメラ光軸周りの回転を検出し、その回転をキャンセルするような補正を行う。図10の画像の回転操作にあたり、まず垂直棒11の画素を投票し(ステップS11)、直線パラメータを検出し(ステップS12)、図16に示す垂直棒11とy軸のなす角(カメラ光軸周りの回転)θを検出する(ステップS13)。この検出処理は垂直棒11を形成する画像座標をHough変換して直線を検出し、y軸とのなす角θを得る。最後に、検出した回転角をキャンセルするように画像中心周りに画像回転させ(ステップS14)、図17の画像を得る。
The
上記の画像補正部104での処理が完了すると、図6の参照点測定部105において各参照点の画像座標を測定する。図17ではターゲットの垂直棒11がy軸と一致しているので、点A,B,Oに対応する画像上でのy座標としてそれぞれy1,y2,y0を得る。一方、参照点C,Dの画像上のx座標値を常に0となるように配置するためには図18に示すように、参照点C,Dをカメラの方向を向くように配置する必要がある。図17の破線上の○はカメラの方向を向いていない点C,Dを示している。そこで、被写体制御部101に戻り、図12の処理フローに従い、点C,Dを配置した水平棒12を垂直棒11の周りにΔωずつ回転させ(ステップS21,S22)、そのときの水平棒12の投影像から直線を検出し(ステップS23)、その線分がy軸と最も一致したとき(ステップS24,S25)、点C,Dの画像座標:y3,y4を参照点測定部105が測定する。
When the processing in the
上記のように参照点の画像座標が測定できれば、次に図6のカメラ校正処理部106にて図11の処理フローに沿ってカメラパラメータを算出する。計算式の導出と基本原理は上記で説明しているので、ここではその計算式を使ってカメラパラメータを得る。まずステップS31において、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,d3,d4と、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4を式(17)に代入してtan(φ)を得る(カメラの傾き角φはその値のtanの逆関数をとれば得られる)。次にステップS32において、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,d3,d4と、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4を式(18)に代入して焦点距離αを得る(この場合、tan(φ)とαの求め方の順序が入れ替わっても構わない)。最後に、ステップS33において、各参照点のy座標値とこれまでに求めた傾き角φ、焦点距離αを式(20)に代入しカメラ視点位置(Ty,Tz)を得る。 If the image coordinates of the reference point can be measured as described above, the camera calibration processing unit 106 shown in FIG. 6 calculates camera parameters along the processing flow shown in FIG. Since the derivation of the calculation formula and the basic principle have been described above, the camera parameters are obtained here using the calculation formula. First, in step S31, geometric information regarding each reference point: h 1 , h 2 , d 3 , d 4 and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3. , Y 4 is substituted into equation (17) to obtain tan (φ) (the camera tilt angle φ can be obtained by taking the inverse function of tan of the value). Next, in step S32, geometric information about each reference point: h 1 , h 2 , d 3 , d 4 and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3 and y 4 are substituted into the equation (18) to obtain the focal length α (in this case, the order of obtaining tan (φ) and α may be switched). Finally, in step S33, the camera coordinate position (Ty, Tz) is obtained by substituting the y-coordinate value of each reference point, the inclination angle φ and the focal length α obtained so far, into equation (20).
つまり、式(20)を使う場合はMoore−Penrose型一般化逆行列を求める必要がある。これに対し一般化逆行列を求めない計算を以下に述べる。式(20)右辺は式(24)〜式(27)、並びに、式(29)〜式(31)の置換を行えば、式(21)に変形することができる。さらに、式(22)に書き換えることができ(ΔWは式(28)で定義されている)、最終的に、式(20)右辺は式(23)に整理することができる。 That is, when using Expression (20), it is necessary to obtain a Moore-Penrose type generalized inverse matrix. On the other hand, the calculation without obtaining the generalized inverse matrix is described below. The right side of Expression (20) can be transformed into Expression (21) by replacing Expression (24) to Expression (27) and Expression (29) to Expression (31). Furthermore, the equation (22) can be rewritten (ΔW is defined by the equation (28)), and finally, the right side of the equation (20) can be rearranged into the equation (23).
したがって、カメラ視点位置(Ty,Tz)の算出には式(23)を使うこともできる。 Therefore, equation (23) can also be used to calculate the camera viewpoint position (Ty, Tz).
上記の実施例1の全体の処理の流れは図7のとおりである。まず被写体制御部101が図13に示す被写体であるターゲットを提示し(ステップS41)、その被写体の画像をカメラ102、画像入力部103によって取得する(ステップS42)。
The overall processing flow of the first embodiment is as shown in FIG. First, the
次に画像補正部104がターゲットの垂直棒11上の参照点A,Bが画像中心に重なるか否かを判定し(ステップS43)、被写体制御部101が被写体の位置を図8のフローチャートに沿って移動させ(ステップS44)、画像補正部104が、垂直棒11とy軸のなす角(カメラ光軸周りの回転)θをキャンセルするように、図10のフローチャートに沿って画像を回転させる(ステップS45)。
Next, the
次に被写体制御部101が、ターゲットの水平棒12上の参照点C,Dがカメラ102の光軸に一致しているか否かを判定し(ステップS46)、図12のフローチャートに沿って水平棒12をカメラ102の光軸に一致するように回転させる(ステップS47)。
Next, the
次に参照点測定部105が前記参照点A〜Dを測定し(ステップS48)、カメラ校正処理部106が図11のフローチャートに沿ってカメラパラメータを計算する(ステップS49)。
Next, the reference
以上説明したように、図13で設計されたターゲットを校正のための撮影被写体とし、図6の基本構成にしたがって処理を施すことにより、図4に示したカメラ視点の位置(Ty,Tz)、傾き角φ、並びに、カメラの焦点距離αを求めることができる。 As described above, the target designed in FIG. 13 is set as a photographic subject for calibration, and processing is performed according to the basic configuration in FIG. 6, so that the camera viewpoint position (Ty, Tz) shown in FIG. The tilt angle φ and the focal length α of the camera can be obtained.
(実施例2)
本実施例では図14のように設計されたターゲットを校正のための撮影被写体して利用する。図14において図13と同一部分は同一符号をもって示している。図14では点Oを原点とし、点A1,A2,B1,B2を垂直棒11上の点、点C1,C2,D1,D2を水平棒12上の点として設置されている(この例では、合計9点を参照点とする)。本実施例2の基本構成は図6と同じ構成で実現されており、参照点によって処理が多少異なる点を除き、実施例1と同様の処理によりカメラ102を校正することができる。以降では、その差分を中心に説明する。
(Example 2)
In the present embodiment, a target designed as shown in FIG. 14 is used as a photographing subject for calibration. 14, the same parts as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 14, the point O is the origin, the points A 1 , A 2 , B 1 , B 2 are the points on the
点A1,A2,B1,B2はそれぞれ原点Oから高さh1,h5,h2,h6の位置にあり、その3次元座標がそれぞれ(0,0,h1),(0,0,h5),(0,0,h2),(0,0,h6)であるとき、画像面での座標としてそれぞれ(0,y1),(0,y5),(0,y2),(0,y6)が観測されるとする。一方、点C1,C2,D1,D2は原点OからY軸方向に沿ってそれぞれd3,d7,d4,d8の位置に設定されており、その3次元座標がそれぞれ(0,d3,0),(0,d7,0),(0,d4,0),(0,d8,0)であるとき、画像面での座標としてそれぞれ(0,y3),(0,y7),(0,y4),(0,y8)が観測されるとする。これら全ての参照点は式(4)の透視投影式に従うと仮定すると、先の実施例1と同様に各参照点を使ってカメラパラメータを求める。 Points A 1 , A 2 , B 1 , B 2 are located at heights h 1 , h 5 , h 2 , h 6 from the origin O, respectively, and their three-dimensional coordinates are (0, 0, h 1 ), When (0, 0, h 5 ), (0, 0, h 2 ), (0, 0, h 6 ), the coordinates on the image plane are (0, y 1 ), (0, y 5 ), respectively. , (0, y 2 ), (0, y 6 ) are observed. On the other hand, the points C 1 , C 2 , D 1 , and D 2 are set at positions d 3 , d 7 , d 4 , and d 8 from the origin O along the Y-axis direction. When (0, d 3 , 0), (0, d 7 , 0), (0, d 4 , 0), (0, d 8 , 0), the coordinates on the image plane are (0, y 3), (0, y 7 ), (0, y 4), and is observed (0, y 8). Assuming that all these reference points follow the perspective projection formula of Formula (4), camera parameters are obtained using each reference point as in the first embodiment.
まず、図6の被写体制御部101において図14のターゲットが提示され、必要に応じて図8の被写体制御部101の処理フローに従って図14の垂直棒11がy軸と一致するようにサンプル画像が処理される。図12の処理フローによって水平棒12を回転させた結果、参照点C1,C2,D1,D2もy軸上に配置されているとする。次に、図6の参照点観測部105では、画像補正されたサンプル画像から画像面でのy座標yj(j=0,1,2,…,8)が測定される。続いて、カメラ校正処理部106では、観測した9点の参照点のうち、点A1,B1,C1,D1のy座標を取り出し、式(17)に代入してtan(φ)を得る(カメラの傾き角φはその値のtanの逆関数をとれば得られる)。次に、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,d3,d4と、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4を式(18)に代入して焦点距離αを得る(tan(φ)とαの算出の順序は逆でもよい)。ここまでは実施例1の5点を使う場合と同様の計算式を使う。一方、カメラ視点位置(Ty,Tz)の算出には式(32)を使う(この式について、式(20)を導出したような同じ手順により容易に導き出すことができるため、その詳細を省略する)。
First, the
このとき、式(24)〜式(27)の置換を行うと、式(32)は式(33)と表される。 At this time, when the substitution of the formulas (24) to (27) is performed, the formula (32) is expressed as the formula (33).
さらに、式(34)〜式(39)の置換を行うと式(33)は式(40)に示すように書き換えることができる。 Further, when the substitution of the equations (34) to (39) is performed, the equation (33) can be rewritten as shown in the equation (40).
従って、式(40)の計算式を使ってもカメラ視点位置(Ty,Tz)を求めることができる。 Therefore, the camera viewpoint position (Ty, Tz) can also be obtained using the formula (40).
以上説明したように、本発明は図14示したターゲットを使う場合、tan(φ)とαの計算には実施例1の5点を使う計算式を利用し、カメラ視点位置(Ty,Tz)の計算については参照点の数に応じた連立方程式(式(32))を解くことによりカメラパラメータを算出することができる。 As described above, when the target shown in FIG. 14 is used in the present invention, the calculation formula using five points of the first embodiment is used to calculate tan (φ) and α, and the camera viewpoint position (Ty, Tz) is used. As for the calculation of, the camera parameters can be calculated by solving simultaneous equations (equation (32)) corresponding to the number of reference points.
(実施例3)
本実施例は請求項2に記載のカメラ校正に関する実施例であり、図19、図20に示す校正撮影用のターゲットを使ってカメラ校正を行う。図20は図19の垂直棒11から見たときの概観図である。このターゲットを支える土台を円盤形としているが、土台に点Oを中心とした同心円14を描いた平面盤としてもよい。図20の土台には原点Oを中心とした半径d3,d4の同心円14が描かれており、それぞれの円周上の任意の点がそれぞれ点C,Dに相当する。この同心円14を利用すれば、点A,B,Oからなる直線が画像面上にてy軸に一致したとき、円周上にてy軸と交差する点を測定するだけで点C,Dの画像面上でのy座標値を測定することができる。これにより、被写体制御部101での水平棒12の回転のステップ(S22,S47)を省くことができる。
(Example 3)
This embodiment relates to camera calibration according to the second aspect of the present invention, and performs camera calibration using a calibration photographing target shown in FIGS. FIG. 20 is an overview when viewed from the
本実施例では、実施例1で説明したような計算原理に基づいてカメラを校正するとき、図19、図20の参照物体を使うことでより簡易に、かつ、円滑にカメラ校正の処理を行うことができる。本実施例3は実施例1と同様の基本構成をしており、図6の被写体制御部101において図19、図20に示す参照物体を使う部分が異なる。以降では、この参照物体を撮影して各参照点の画像座標を測定する箇所のみを記載する。
In the present embodiment, when the camera is calibrated based on the calculation principle as described in the first embodiment, the camera calibration process is performed more easily and smoothly by using the reference objects of FIGS. 19 and 20. be able to. The third embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, and the portion that uses the reference object shown in FIGS. 19 and 20 in the
図6の被写体制御部101では、図19に示す校正撮影用ターゲットを被写体としてカメラ102の前に提示する。サンプル画像はカメラ102を通して画像入力部103から得られる。このサンプル画像について図19に示した垂直棒11(点A,B,Oから構成される1次元物体)が画面上においてy軸と一致するように実施例1と同様の図8の処理フローに従い図21に示す画像を得るまで、ターゲットの位置が変更される。次に、図21において垂直棒11とy軸が一致していないと判定した場合は、実施例1と同様にカメラ光軸周りの回転を検出し、その回転をキャンセルするような画像回転を施す(図10のフローチャート)。この図6の画像補正部104の処理が完了すると図22の回転補正した画像を得る。
The
この回転補正の画像において、点C,Dは図20の円周上の点であるため、図22においてy軸と交差する点が垂直棒11に垂直で、かつ、カメラ102の方向を向いた点C,Dになっていることが分かる。この知見に従って、図22のy軸と交差する円周上の点からそれぞれ点C,Dのy座標値:y3,y4を測定する。各参照点の画像座標が測定できれば、実施例1と同様に図6のカメラ校正処理部106にてカメラパラメータを算出することができる。
In this rotation-corrected image, the points C and D are points on the circumference of FIG. 20, so the point intersecting the y-axis in FIG. 22 is perpendicular to the
以上説明したように、図19、図20に示す校正撮影用のターゲットを使って参照点の画像座標を測定し、実施例1で説明した同様の計算手順によりカメラパラメータを求めることができる。 As described above, the image coordinates of the reference point are measured using the calibration shooting target shown in FIGS. 19 and 20, and the camera parameters can be obtained by the same calculation procedure described in the first embodiment.
(実施例4)
本実施例では、図23、図24に示す校正撮影用のターゲットを使って、複数のカメラ(多視点カメラ)を校正する方法を説明する。図23はターゲットの概観図であり、形状に関して図19と同様の仕様で設計されている。ただし、図23の方位針15が被写体制御部101の命令によって中心O周りを自由に回転できるように動作するものとする。
Example 4
In this embodiment, a method of calibrating a plurality of cameras (multi-viewpoint cameras) using the calibration shooting target shown in FIGS. 23 and 24 will be described. FIG. 23 is an overview of the target, and the shape is designed with the same specifications as FIG. However, it is assumed that the azimuth needle 15 in FIG. 23 operates so as to freely rotate around the center O according to a command from the
カメラ0〜カメラ6の計7台がターゲットを囲むように配置した例を図9に示す。この図は真上から見た概観図となっており、基準とするカメラをカメラ0とする。このカメラ配置では、事前に、垂直棒11上の任意の点がサンプル画像の画像中心と交差するように各カメラの位置または姿勢が調整されているとする。このカメラ配置では、カメラ0からカメラ6において図21の画像が画像入力部103を通して得られる。各カメラから得たサンプル画像に対し、これまでの実施例のように画像補正部104において垂直棒11と画像面上のy軸との間の角を検出し、その角をキャンセルするように画像を回転させ(図10のフローチャート)、それぞれ図22の画像を得る(全て同じ状態に映っている画像を用意する必要は無く、垂直棒11がそれぞれの画像のy軸と一致していればよい)。さらに、被写体制御部101では、回転画像を得た後に方位針15をΔωずつ回転させ、カメラ0からカメラ6までのサンプル画像に対して、方位針15と画像面上のy軸が一致したときの回転角ωiを参照点測定部105が次々と測定する。この方位角ωi(i=0,1,…,6)を一時的に保存しておく。
An example in which a total of seven
各カメラのサンプル画像に対して図22の画像が得られたならば、参照点測定部105が、各カメラごとに点A,B,O,C,Dに対応するy座標:yij(i=0,1,…,6,j=0,1,2…,4)をそれぞれ測定する。まず、カメラ0のサンプル画像を取り出し、点A,B,Oの画像座標を得る。各カメラごとに点A,B,O,C,Dに対応するy座標:yijが測定できれば、実施例1と同様に、カメラ校正処理部106が各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,d3,d4と、対応する参照点の画像上でのy座標値:yij(i=0,1,…,6,j=0,1,…,4)を式(17)、式(18)に代入してそれぞれtan(φi)(カメラの傾き角φiはその値のtanの逆関数をとれば得られる)と焦点距離αiを得る。さらに、それぞれのカメラごとに各参照点のy座標値とこれまでに求めた傾き角φi、焦点距離αiを使って、式(20)または式(23)にしたがってカメラ視点位置(Tyi,Tzi),i=0,1,…,6を得る。
If the image of FIG. 22 is obtained with respect to the sample image of each camera, the reference
ここで、カメラ視点位置(Tyi,Tzi),i=0,1,…,6は各カメラにおいて独立にTxi=0として求められている。そこで、カメラ0において求めたカメラ視点(0,Ty0,Tz0)を基準として他のカメラの視点位置を復元する。参照点測定部105での画像座標測定の際、カメラ0の方位角(ω=0)を基準として各カメラの方位角ωiが得られているので、各カメラごとに求めたカメラ視点位置(Tyi,Tzi),i=1,2,…,6のうちTyiを取り出し、方位角ωiと位置Tyiを式(41)に代入してカメラ0を基準とするカメラ視点(Tx’i,Ty’i,Tzi),i=1,2,…,6を復元する。
Here, the camera viewpoint position (Ty i , Tz i ), i = 0, 1,..., 6 is obtained independently as Tx i = 0 in each camera. Therefore, the viewpoint positions of other cameras are restored with the camera viewpoint (0, Ty 0 , Tz 0 ) obtained by the camera 0 as a reference. Since the azimuth angle ω i of each camera is obtained based on the azimuth angle (ω = 0) of the
この復元により、カメラ0〜カメラ6の視点位置(Tx’i,Ty’i,Tzi),i=1,2,…,6は同じ座標系で求められたことになり、多視点カメラを使ったシームレスな3次元映像生成または任意視点映像の生成に有用となる。
By this restoration, the viewpoint positions (Tx ′ i , Ty ′ i , Tz i ), i = 1, 2,..., 6 of the
以上の実施例により、図23、図24に示す校正撮影用のターゲットを使って、それを取り囲むように配置された複数カメラを一度に校正することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to calibrate a plurality of cameras arranged so as to surround the target for calibration photographing shown in FIGS. 23 and 24 at a time.
(実施例5)
実施例1から実施例4までは図5の参照点配置を前提としたカメラ校正であるのに対して、本実施例は請求項3に記載のカメラ校正に関する実施例であり、図25の参照点配置を前提としたカメラ校正の例である。図25には、Z軸から距離dだけ並行移動した位置に点C,Dを配置している。この点C,Dも式(4)の透視投影式に従いそれぞれp3,p4に投影される。図25の点C,Dの3次元座標はそれぞれ(0,d,h1),(0,d,h2)と与えられるので、p3,p4の画像座標をそれぞれ(0,y3),(0,y4)とすると式(42),(43)の関係が得られる。
(Example 5)
While the first to fourth embodiments are camera calibrations based on the arrangement of reference points in FIG. 5, this embodiment is an embodiment relating to camera calibration according to claim 3, and see FIG. It is an example of camera calibration on the premise of point arrangement. In FIG. 25, points C and D are arranged at a position translated from the Z axis by a distance d. These points C and D are also projected onto p 3 and p 4 , respectively, according to the perspective projection formula of formula (4). Since the three-dimensional coordinates of points C and D in FIG. 25 are given as (0, d, h 1 ) and (0, d, h 2 ), respectively, the image coordinates of p 3 and p 4 are (0, y 3) , respectively. ), (0, y 4 ), the relationships of equations (42) and (43) are obtained.
式(42)と式(43)において式(10)の関係式を使うと、それぞれ式(44)と式(45)に変形することができる。 If the relational expression of the expression (10) is used in the expression (42) and the expression (43), they can be transformed into the expressions (44) and (45), respectively.
ここで、式(44)と式(45)から式(46)を導き出すことができる(ただし、Bは式(47)で置換している)ため、式(15)に式(46)を代入すると式(48)に示すtan(φ)に関する二次方程式が得られる。 Here, since Expression (46) can be derived from Expression (44) and Expression (45) (B is replaced by Expression (47)), Expression (46) is substituted into Expression (15). Then, a quadratic equation relating to tan (φ) shown in Expression (48) is obtained.
解の公式を使えば式(48)を解くことができるが、2つの解のうち−π/2<φ<0の範囲となる解をtan(φ)の解として得る。得られたtan(φ)を式(46)へ代入するとαを得ることができる。さらに、これまでの実施例のように、式(10)〜式(12)、並びに式(44)と式(45)を連立すると式(49)のTy,Tzを未知数とした連立一次方程式(式(24)〜式(27)の置換を行っている)が得られる。この式(49)においてφ,αが与えられればTy,Tzが求まる。なお、式(28)〜式(31)の置換を行うことにより式(49)は式(50)に変形でき、最終的に式(51)に整理することができる。 Equation (48) can be solved by using the solution formula, but a solution in the range of −π / 2 <φ <0 is obtained as a solution of tan (φ) among the two solutions. By substituting the obtained tan (φ) into the equation (46), α can be obtained. Further, as in the previous examples, when the equations (10) to (12), and the equations (44) and (45) are combined, the simultaneous linear equations with Ty and Tz in the equation (49) as unknowns ( (Substitution of the formula (24) to the formula (27) is performed). If φ and α are given in this equation (49), Ty and Tz can be obtained. It should be noted that by replacing the equations (28) to (31), the equation (49) can be transformed into the equation (50), and finally can be rearranged into the equation (51).
したがって、式(51)を利用してTy,Tzを得ることができる。 Therefore, Ty and Tz can be obtained using the equation (51).
このように、本実施例は、図25に示した点A,B,C,D,Oの空間配置とそれぞれの点の観測座標:y1,y2,y3,y4,y0,並びに、式(5)〜式(7)、並びに式(42)、式(43)で表された両者の幾何的拘束条件において、焦点距離α、傾き角φ、YZ座標系での視点位置(Ty,Tz)を求めるものである。 As described above, the present embodiment has the spatial arrangement of the points A, B, C, D, and O shown in FIG. 25 and the observation coordinates of each point: y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 0 , In addition, in both geometrical constraint conditions expressed by the equations (5) to (7), and the equations (42) and (43), the focal length α, the inclination angle φ, and the viewpoint position in the YZ coordinate system ( Ty, Tz).
本実施例は図6を基本構成としており、実施例1で述べた処理に沿ってカメラ校正が行われる。ただし、これまでの実施例と異なるのは、図6の被写体制御部101において図26に示す校正撮影用のターゲットを使ってカメラ校正を行う点である。上記で説明したような計算方法に基づいてカメラを校正するとき、この参照物体を使うことでより簡易に、かつ、円滑にカメラ校正の処理を行うことができる。以降では、この参照物体を撮影して各参照点の画像座標を測定し、上記で述べた計算方法を利用してカメラを校正する点について記載する。
This embodiment has a basic configuration shown in FIG. 6, and camera calibration is performed according to the processing described in the first embodiment. However, the difference from the previous embodiments is that the
図26のターゲットを支える土台16を円盤形としているが、土台16に点Oを中心とした半径dの円が描かれた平面盤としてもよい。回転棒17は土台16の円周上に沿って垂直棒11の周りに任意に回転することができ、半径dの円周上で、かつ、高さがそれぞれh1,h2の点がC,Dに相当する。これまでの実施例と同様に、図6の被写体制御部101において図26の校正撮影用のターゲットが設置され、カメラ102および画像入力部103を通して得たサンプル画像が画像補正部104の処理により光軸回転をキャンセルされ、かつ、垂直棒11が画像面上にてy軸に一致しているとする。次に、円周上にてy軸と交差する位置まで回転棒17を回転させれば、点C,Dの画像面上でのy座標値を参照点測定部105によって容易に測定することができる。このように円盤形の土台16又は土台16に円を描いた平面盤と回転棒17を使えば、C,Dの点をカメラ光軸に向ける作業を低減することができる。
Although the base 16 that supports the target of FIG. 26 has a disk shape, it may be a flat board in which a circle with a radius d centered on the point O is drawn on the base 16. The rotating bar 17 can be arbitrarily rotated around the
上記のように参照点の画像座標が測定できれば、図6のカメラ校正処理部106にて図11の処理フローに沿ってカメラパラメータを算出する。計算式の導出と基本原理は上記で説明しているので、ここではその計算式を使ってカメラパラメータを得る。まず、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,dと、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4を式(48)に示すtan(φ)に関する二次方程式の係数に代入し、その二次方程式を−π/2<φ<0の妥当な範囲で解いてtan(φ)を得る(カメラの傾き角φはその値のtanの逆関数をとれば得られる)。次に、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,dと、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4と、求めたtan(φ)を式(46)に代入して焦点距離αを得る。最後に、各参照点のy座標値とこれまでに求めた傾き角φ、焦点距離αを式(51)に代入しカメラ視点位置(Ty,Tz)を得る。 If the image coordinates of the reference point can be measured as described above, the camera calibration processing unit 106 in FIG. 6 calculates camera parameters along the processing flow in FIG. Since the derivation of the calculation formula and the basic principle have been described above, the camera parameters are obtained here using the calculation formula. First, geometric information about each reference point: h 1 , h 2 , d and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 ) Is substituted into the coefficient of the quadratic equation related to tan (φ), and the quadratic equation is solved within a reasonable range of −π / 2 <φ <0 to obtain tan (φ) (the tilt angle φ of the camera is It is obtained by taking the inverse function of tan of the value). Next, geometric information regarding each reference point: h 1 , h 2 , d and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 are obtained. The focal length α is obtained by substituting tan (φ) into the equation (46). Finally, the y-coordinate value of each reference point, the tilt angle φ and the focal length α obtained so far are substituted into equation (51) to obtain the camera viewpoint position (Ty, Tz).
以上説明したように、図26で設計されたターゲットを校正のための撮影被写体とし、図6の基本構成にしたがって処理を施すことにより、図4に示したカメラ視点の位置(Ty,Tz)、傾き角φ、並びに、カメラの焦点距離αを求めることができる。 As described above, the target designed in FIG. 26 is used as a photographic subject for calibration, and processing is performed according to the basic configuration in FIG. 6, so that the camera viewpoint position (Ty, Tz) shown in FIG. The tilt angle φ and the focal length α of the camera can be obtained.
(実施例6)
本実施例は請求項4に記載のカメラ校正に関する実施例であり、図27の参照点配置を前提としたカメラ校正の例である。図27には、点A,BがX軸(この軸は紙面の表から裏に向かった方向になっている)周りに回転角βで回転した位置に点C,Dを配置している。この点C,Dも式(4)の透視投影式に従いそれぞれp3,p4に投影される。図27の点C,Dの3次元座標はそれぞれ(0,h1sin(φ),h1cos(φ)),(0,h2sin(φ),h2cos(φ))で与えられるので、p3,p4の画像座標をそれぞれ(0,y3),(0,y4)とすると式(52),(53)の関係が得られる。
(Example 6)
The present embodiment is an embodiment relating to camera calibration according to the fourth aspect of the present invention, and is an example of camera calibration based on the reference point arrangement of FIG. In FIG. 27, the points C and D are arranged at positions where the points A and B are rotated at the rotation angle β around the X axis (the axis is directed from the front to the back of the page). These points C and D are also projected onto p 3 and p 4 , respectively, according to the perspective projection formula of formula (4). The three-dimensional coordinates of points C and D in FIG. 27 are given by (0, h 1 sin (φ), h 1 cos (φ)), (0, h 2 sin (φ), h 2 cos (φ)), respectively. Therefore, if the image coordinates of p 3 and p 4 are (0, y 3 ) and (0, y 4 ), the relations of equations (52) and (53) are obtained.
式(52)と式(53)において式(10)の関係式を使うと、それぞれ式(54)と式(55)に変形することができる。 If the relational expression of Expression (10) is used in Expression (52) and Expression (53), it can be transformed into Expression (54) and Expression (55), respectively.
ここで、式(54)と式(55)から式(56)を導き出すことができる(ただし、B,Cは式(57)で置換している)ため、式(15)に式(56)を代入すると式(58)に示すtan(φ)に関する二次方程式が得られる。 Here, since Formula (56) can be derived from Formula (54) and Formula (55) (B and C are replaced by Formula (57)), Formula (15) is replaced by Formula (56). Is substituted, a quadratic equation relating to tan (φ) shown in Expression (58) is obtained.
解の公式を使えば式(48)を解くことができるが、2つの解のうち−π/2<φ<0の範囲となる解をtan(φ)の解として得る。さらに、これまでの実施例のように、式(10)〜式(12)、並びに式(54)と式(55)を連立すると式(59)のTy,Tzを未知数とした連立一次方程式(式(24)〜式(27)の置換を行っている)が得られる。この式(59)においてφ,αが与えられればTy,Tzが求まる。なお、式(28)〜式(31)の置換を行うことにより式(59)は式(60)に変形でき、最終的に式(61)に整理することができる。 Equation (48) can be solved by using the solution formula, but a solution in the range of −π / 2 <φ <0 is obtained as a solution of tan (φ) among the two solutions. Further, as in the previous examples, when the equations (10) to (12), and the equations (54) and (55) are combined, the simultaneous linear equations with the unknown values of Ty and Tz in the equation (59) ( (Substitution of the formula (24) to the formula (27) is performed). If φ and α are given in this equation (59), Ty and Tz can be obtained. It should be noted that by replacing the equations (28) to (31), the equation (59) can be transformed into the equation (60), and finally can be rearranged into the equation (61).
したがって、式(61)に従って計算すればTy,Tzを得ることができる。 Therefore, Ty and Tz can be obtained by calculating according to the equation (61).
このように、本実施例は、図27に示した点A,B,C,D,Oの空間配置とそれぞれの点の観測座標:y1,y2,y3,y4,y0,並びに、式(5)〜式(7)、並びに式(52)、式(53)で表された両者の幾何的拘束条件において、焦点距離α、傾き角φ、YZ座標系での視点位置(Ty,Tz)を求めるものである。 As described above, in this embodiment, the spatial arrangement of the points A, B, C, D, and O shown in FIG. 27 and the observation coordinates of each point: y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , y 0 , In addition, the focal length α, the inclination angle φ, and the viewpoint position in the YZ coordinate system in the geometrical constraint conditions expressed by the equations (5) to (7) and the equations (52) and (53) ( Ty, Tz).
本実施例は図6を基本構成としており、実施例1で述べた処理に沿ってカメラ校正が行われる。ただし、これまでの実施例と異なるのは、図6の被写体制御部101において図28に示す校正撮影用のターゲットを使ってカメラ校正を行う点である。上記で説明したような計算方法に基づいてカメラを校正するとき、この参照物体を使うことでより簡易に、かつ、円滑にカメラ校正の処理を行うことができる。以降では、この参照物体を撮影して各参照点の画像座標を測定し、上記で述べた計算方法を利用してカメラを校正する点について記載する。
This embodiment has a basic configuration shown in FIG. 6, and camera calibration is performed according to the processing described in the first embodiment. However, the difference from the previous embodiments is that the
図28には点Oを中心とした半径h1と半径h2の同心円が描かれた半円盤18(ターゲット平面盤)が土台19に立てられており、この半円盤18(必ずしも半円盤である必要は無く、点Oを中心とした同心円が描かれた平面盤としてもよい)は回転軸周りに回転するように設計されているとする。この半円盤18を土台19に対して垂直に立て場合、同心円と中心軸の交点が点A,Bになり、回転角βで回転させたときの円周上の点がC,Dに相当する。これまでの実施例と同様に、図6の被写体制御部101において図28の校正撮影用のターゲットが設置され、カメラ102および画像入力部103を通して得たサンプル画像が画像補正部104の処理により光軸回転をキャンセルされ、かつ、中心軸が画像面上にてy軸に一致しているとする。次に、半円盤18を回転角βで回転させ(βは固定角または回転角を適宜記録しておくものとする)、そのときの同心円とy軸との交点を参照点測定部105によって点C,Dの画像面上でのy座標値として得る。
In FIG. 28, a semi-disc 18 (target plane disc) on which concentric circles having a radius h 1 and a radius h 2 centered on the point O are drawn is erected on a
上記のように参照点の画像座標が測定できれば、図6のカメラ校正処理部106にて図11の処理フローに沿ってカメラパラメータを算出する。計算式の導出と基本原理は上記で説明しているので、ここではその計算式を使ってカメラパラメータを得る。まず、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,βと、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4を式(58)に示すtan(φ)に関する二次方程式の係数に代入し、その二次方程式を−π/2<φ<0の妥当な範囲で解いてtan(φ)を得る(カメラの傾き角φはその値のtanの逆関数をとれば得られる)。次に、各参照点に関する幾何的情報:h1,h2,βと、対応する参照点の画像上でのy座標値:y0,y1,y2,y3,y4と、求めたtan(φ)を式(56)に代入して焦点距離αを得る。最後に、各参照点のy座標値とこれまでに求めた傾き角φ、焦点距離αを式(61)に代入しカメラ視点位置(Ty,Tz)を得る。 If the image coordinates of the reference point can be measured as described above, the camera calibration processing unit 106 in FIG. 6 calculates camera parameters along the processing flow in FIG. Since the derivation of the calculation formula and the basic principle have been described above, the camera parameters are obtained here using the calculation formula. First, geometric information about each reference point: h 1 , h 2 , β and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 ) Is substituted into the coefficient of the quadratic equation related to tan (φ), and the quadratic equation is solved within a reasonable range of −π / 2 <φ <0 to obtain tan (φ) (the tilt angle φ of the camera is It is obtained by taking the inverse function of tan of the value). Next, geometric information regarding each reference point: h 1 , h 2 , β and y coordinate values on the image of the corresponding reference point: y 0 , y 1 , y 2 , y 3 , y 4 are obtained. Substituting tan (φ) into equation (56), the focal length α is obtained. Finally, the y coordinate value of each reference point, the tilt angle φ and the focal length α obtained so far are substituted into the equation (61) to obtain the camera viewpoint position (Ty, Tz).
以上説明したように、図28で設計されたターゲットを校正のための撮影被写体とし、図6の基本構成にしたがって処理を施すことにより、図4に示したカメラ視点の位置(Ty,Tz)、傾き角φ、並びに、カメラの焦点距離αを求めることができる。 As described above, the target designed in FIG. 28 is used as a photographic subject for calibration, and processing is performed according to the basic configuration in FIG. 6, so that the camera viewpoint position (Ty, Tz) shown in FIG. The tilt angle φ and the focal length α of the camera can be obtained.
また、本実施形態のカメラ校正装置における各手段の一部もしくは全部の機能をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータを用いて実行して本発明を実現することができること、本実施形態のカメラ校正方法における手順をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータに実行させることができることは言うまでもなく、コンピュータでその機能を実現するためのプログラムを、そのコンピュータが読み取り可能な記録媒体、例えばFD(Floppy(登録商標) Disk)や、MO(Magneto−Optical disk)、ROM(Read Only Memory)、メモリカード、CD(Compact Disk)−ROM、DVD(Digital Versatile Disk)−ROM、CD−R、CD−RW、HDD、リムーバブルディスクなどに記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記のプログラムをインターネットや電子メールなど、ネットワークを通して提供することも可能である。 Further, a part or all of the functions of each means in the camera calibration apparatus of the present embodiment can be configured by a computer program, and the program can be executed using the computer to realize the present invention. Needless to say, the procedure in the camera calibration method can be constituted by a computer program and the program can be executed by the computer, and the program for realizing the function by the computer can be read by a computer-readable recording medium such as an FD. (Floppy (registered trademark) Disk), MO (Magneto-Optical disk), ROM (Read Only Memory), memory card, CD (Compact Disk) -ROM, DVD (Digital Versatile) Disk) -ROM, CD-R, CD-RW, HDD, removable disk, etc., and can be stored and distributed. It is also possible to provide the above program through a network such as the Internet or electronic mail.
0〜6、102…カメラ、11…垂直棒、12…水平棒、13…平面盤、14…同心円、15…方位針、16、19…土台、17…回転棒、18…半円盤。 0-6, 102 ... camera, 11 ... vertical bar, 12 ... horizontal bar, 13 ... flat board, 14 ... concentric circle, 15 ... azimuth needle, 16, 19 ... foundation, 17 ... rotating bar, 18 ... semi-disc.
Claims (10)
校正対象の画像入力装置を使って形状が既知の被写体を撮影し、取得した画像において画像座標系を設定し、その被写体上の参照点から形成される線分上の任意の点が画像座標系の原点に投影されるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、
画像座標系上に設定した基準軸と被写体上の参照点から形成される線分が一致するように、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転させ、かつ、他の参照点もその基準軸上の点となるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更することにより、全ての参照点の投影座標を前記基準軸上に位置させる画像補正手段と、
全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報とその基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、
を備えることを特徴とするカメラ校正装置。 A device for calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
A subject whose shape is known is photographed using an image input device to be calibrated, an image coordinate system is set in the acquired image, and an arbitrary point on a line segment formed from a reference point on the subject is an image coordinate system Subject control means for changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so as to be projected onto the origin of
The image is rotated around the origin of the coordinate system set on the acquired image so that the line segment formed from the reference axis set on the image coordinate system and the reference point on the subject coincides, and another reference Image correction means for positioning the projected coordinates of all reference points on the reference axis by changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that the point is also a point on the reference axis When,
The geometric information of the reference point and its relational expression are derived from the relational expression between the internal information and external information of the image input device derived from the perspective projection conditions when projecting from the three-dimensional points of all reference points onto the reference axis of the image coordinate system. Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device from image coordinates of a reference point on a reference axis;
A camera calibration device comprising:
ある土台上の基準点を中心とした複数の円を構成する円盤と、その円に垂直となるように基準点に下ろした線分を構成する垂直棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、
前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、該垂直棒に設置した複数の点、基準点、並びに複数同心円と前記基準軸との交点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、
前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、
を備えることを特徴とするカメラ校正装置。 A device for calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
A reference object with a disk that forms a plurality of circles centered on a reference point on a foundation and a vertical bar that forms a line segment that is lowered to the reference point so as to be perpendicular to the circle is used for calibration photography. An image coordinate system is set in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated as the subject, and the posture of the subject is projected so that an arbitrary point on the vertical bar is projected to the origin of the coordinate system Subject control means for changing the position or posture / position of the image input device;
The image is rotated around the origin of the coordinate system set on the acquired image, the reference axis set on the image coordinate system and the vertical bar of the reference object are matched, and a plurality of points set on the vertical bar, the reference A reference point measuring means for obtaining the image coordinates of the reference point, using the point, and the intersection of the plurality of concentric circles and the reference axis as a reference point;
The geometric information of the reference point is derived from the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when projecting from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system. Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device from the image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measuring means;
A camera calibration device comprising:
ある土台上の基準点を中心とした円を構成する円盤と、その円に垂直に設置され、前記基準点から伸びた線分を構成する垂直棒と、その円周上に沿うようにその垂直棒の周りに回転する線分を構成する回転棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、
前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、さらに、前記回転棒を垂直棒周りに回転させ回転棒が基準軸と一致するとき、該垂直棒に設定した複数の点、基準点、並びに回転棒に設置した複数の点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、
前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、
を備えることを特徴とするカメラ校正装置。 A device for calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
A disk that forms a circle centered on a reference point on a base, a vertical bar that is installed perpendicular to the circle and that forms a line segment extending from the reference point, and a vertical line that extends along the circumference of the circle A reference object provided with a rotating rod that forms a line segment that rotates around a bar is set as a subject for calibration shooting, and an image coordinate system is set in the image of the subject acquired using an image input device to be calibrated. Subject control means for changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that an arbitrary point of the vertical bar is projected onto the origin of the coordinate system;
Rotate the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image to match the reference axis set on the image coordinate system with the vertical bar of the reference object, and further rotate the rotary bar around the vertical bar When the rotating bar coincides with the reference axis, a plurality of points set on the vertical bar, a reference point, and a plurality of points set on the rotating bar are used as reference points, and reference point measuring means for acquiring image coordinates of the reference points When,
The geometric information of the reference point is derived from the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when projecting from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system. Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device from the image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measuring means;
A camera calibration device comprising:
平面を持つ土台と半円盤で構成され、半円盤には基準点を中心とした同一の複数の半円が記されており、複数の半円の直線部分は半円盤の直線部分と一致しており、半円盤は土台の平面と半円盤の直線部分で接しており、接している直線部分を回転軸として半円盤が回転できる機構となっており、複数の半円の中心を通る半円盤上の線を中心軸とする参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記中心軸上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更する被写体制御手段と、
前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の中心軸を一致させ、前記中心軸に設置した複数の点、基準点、並びに、半円盤を土台の平面に対して傾斜または半円盤の回転軸に対して回転させた際の、複数の半円が基準軸と交差する点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定手段と、
前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定手段により取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するカメラ校正処理手段と、
を備えることを特徴とするカメラ校正装置。 A device for calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
It consists of a base with a flat surface and a semi-disc, and the semi-disc has a plurality of identical semi-circles centered on the reference point, and the straight portions of the semi-circles coincide with the straight portions of the semi-disc The half disk is in contact with the plane of the base and the straight part of the half disk, and it is a mechanism that allows the half disk to rotate around the straight part that touches, and on the half disk passing through the center of multiple semicircles The reference object with the center line as the center axis is taken as the subject for calibration photography, and the image coordinate system is set in the subject image acquired using the image input device to be calibrated. Subject control means for changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so as to be projected onto the origin of a coordinate system;
The image is rotated around the origin of the coordinate system set on the acquired image, the reference axis set on the image coordinate system and the central axis of the reference object are matched, and a plurality of points set on the central axis, the reference The point and the image coordinates of the reference point when the semi-disk is inclined with respect to the base plane or when the semi-circle intersects the base axis when the semi-disk is rotated with respect to the rotation axis of the semi-disk. A reference point measuring means for obtaining
The geometric information of the reference point is derived from the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when projecting from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system. Camera calibration processing means for calibrating internal information or external information of the image input device from the image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measuring means;
A camera calibration device comprising:
被写体制御手段が、校正対象の画像入力装置を使って形状が既知の被写体を撮影し、取得した画像において画像座標系を設定し、その被写体上の参照点から形成される線分上の任意の点が画像座標系の原点に投影されるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、
画像補正手段が、画像座標系上に設定した基準軸と被写体上の参照点から形成される線分が一致するように、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転させ、かつ、他の参照点もその基準軸上の点となるように被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更することにより、全ての参照点の投影座標を前記基準軸上に位置させるステップと、
カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報とその基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、
を備えることを特徴とするカメラ校正方法。 A method of calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
The subject control means captures a subject whose shape is known using an image input device to be calibrated, sets an image coordinate system in the acquired image, and selects an arbitrary line segment formed from a reference point on the subject. Changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that the point is projected to the origin of the image coordinate system;
The image correcting means rotates the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image so that the line segment formed from the reference axis set on the image coordinate system and the reference point on the subject coincides, In addition, by changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that other reference points are also points on the reference axis, the projected coordinates of all reference points are placed on the reference axis. A step of positioning;
According to the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when the camera calibration processing means projects from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system, Calibrating internal information or external information of the image input device from the geometric information of the reference point and the image coordinates of the reference point on the reference axis;
A camera calibration method comprising:
被写体制御手段が、ある土台上の基準点を中心とした複数の円を構成する円盤と、その円に垂直となるように基準点に下ろした線分を構成する垂直棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、
参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、該垂直棒に設置した複数の点、基準点、並びに複数同心円と前記基準軸との交点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、
カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、
を備えることを特徴とするカメラ校正方法。 A method of calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
A reference object in which the subject control means comprises a disk that forms a plurality of circles centered on a reference point on a certain base, and a vertical bar that forms a line segment drawn down to the reference point so as to be perpendicular to the circle Is the subject for calibration shooting, and an image coordinate system is set in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated, and an arbitrary point on the vertical bar is projected to the origin of the coordinate system Changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device;
The reference point measuring means rotates the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image, aligns the reference axis set on the image coordinate system with the vertical bar of the reference object, and installs on the vertical bar A plurality of points, reference points, and intersections between a plurality of concentric circles and the reference axis as reference points, and a reference point measurement step for obtaining image coordinates of the reference points;
According to the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when the camera calibration processing means projects from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system, Calibrating internal information or external information of the image input device from geometric information of a reference point and image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measurement step;
A camera calibration method comprising:
被写体制御手段が、ある土台上の基準点を中心とした円を構成する円盤と、その円に垂直に設置され、前記基準点から伸びた線分を構成する垂直棒と、その円周上に沿うようにその垂直棒の周りに回転する線分を構成する回転棒とを備えた参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記垂直棒の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、
参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の垂直棒を一致させ、さらに、前記回転棒を垂直棒周りに回転させ回転棒が基準軸と一致するとき、該垂直棒に設定した複数の点、基準点、並びに回転棒に設置した複数の点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、
カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、
を備えることを特徴とするカメラ校正方法。 A method of calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
A subject control means is a disk that forms a circle centered on a reference point on a base, a vertical bar that is installed perpendicular to the circle and extends from the reference point, and a circumference of the vertical bar. A reference object with a rotating bar that forms a line segment that rotates around the vertical bar along the vertical axis is taken as the subject for calibration shooting, and the image coordinates in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated Setting a system and changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that an arbitrary point of the vertical bar is projected onto the origin of the coordinate system;
The reference point measuring means rotates the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image so that the reference axis set on the image coordinate system coincides with the vertical bar of the reference object, and the rotation bar Is rotated around the vertical bar, and the rotating bar coincides with the reference axis, the multiple points set on the vertical bar, the reference point, and the multiple points set on the rotating bar are used as reference points, and the image coordinates of the reference point are A reference point measurement step to be acquired;
According to the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when the camera calibration processing means projects from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system, Calibrating internal information or external information of the image input device from geometric information of a reference point and image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measurement step;
A camera calibration method comprising:
被写体制御手段が、平面を持つ土台と半円盤で構成され、半円盤には基準点を中心とした同一の複数の半円が記されており、複数の半円の直線部分は半円盤の直線部分と一致しており、半円盤は土台の平面と半円盤の直線部分で接しており、接している直線部分を回転軸として半円盤が回転できる機構となっており、複数の半円の中心を通る半円盤上の線を中心軸とする参照物体を校正撮影用の被写体とし、校正対象の画像入力装置を使って取得したその被写体の画像において画像座標系を設定し、前記中心軸上の任意の点がその座標系の原点に投影されるように前記被写体の姿勢・位置または前記画像入力装置の姿勢・位置を変更するステップと、
参照点測定手段が、前記取得画像上で設定した座標系の原点周りに画像を回転して、画像座標系上に設定した基準軸と前記参照物体の中心軸を一致させ、前記中心軸に設置した複数の点、基準点、並びに、半円盤を土台の平面に対して傾斜または半円盤の回転軸に対して回転させた際の、複数の半円が基準軸と交差する点を参照点とし、参照点の画像座標を取得する参照点測定ステップと、
カメラ校正処理手段が、前記全ての参照点の3次元点から画像座標系の基準軸上へ射影させるときの透視投影条件から導出された、画像入力装置の内部情報と外部情報の関係式により、参照点の幾何情報と前記参照点測定ステップにより取得された前記基準軸上での参照点の画像座標から、前記画像入力装置の内部情報または外部情報を校正するステップと、
を備えることを特徴とするカメラ校正方法。 A method of calibrating external information including internal information and posture and position of an image input device from an image acquired using a single eye or a plurality of image input devices,
The subject control means is composed of a base with a flat surface and a semi-disc, and the semi-disc has a plurality of identical semi-circles centered on the reference point, and the straight portions of the semi-circles are straight lines of the semi-disc The semi-disc is in contact with the base plane and the straight part of the semi-disk, and the semi-disk can rotate around the straight part that touches the axis of rotation. A reference object centered on a line on a semicircular disk passing through is a subject for calibration shooting, and an image coordinate system is set in the image of the subject acquired using the image input device to be calibrated, Changing the posture / position of the subject or the posture / position of the image input device so that an arbitrary point is projected onto the origin of the coordinate system;
The reference point measuring means rotates the image around the origin of the coordinate system set on the acquired image, and the reference axis set on the image coordinate system and the center axis of the reference object are coincident and installed on the center axis The reference points are the multiple points, reference points, and points where the semi-circles intersect the reference axis when the semi-disks are tilted with respect to the base plane or rotated with respect to the rotation axis of the semi-disks. A reference point measuring step for obtaining image coordinates of the reference point;
According to the relational expression between the internal information and the external information of the image input device, derived from the perspective projection conditions when the camera calibration processing means projects from the three-dimensional points of all the reference points onto the reference axis of the image coordinate system, Calibrating internal information or external information of the image input device from geometric information of a reference point and image coordinates of the reference point on the reference axis acquired by the reference point measurement step;
A camera calibration method comprising:
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