JP7469989B2 - Camera Calibration Plate - Google Patents
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Description
本発明はカメラの校正に用いる校正板に関する。 The present invention relates to a calibration plate used for calibrating a camera.
ロボットの視覚センサ等として用いられて3次元計測を行うカメラでは、画像の歪みを計算で補正したり対象点までの距離を算出したりするために、校正によって内部パラメータおよび外部パラメータが求められる。内部パラメータはカメラ固有のパラメータで、焦点距離、光学中心、画素のスケーリングファクタ、レンズの歪係数などをいう。外部パラメータは対象物に対するカメラの位置関係を与えるものである。例えば、作業場に固定されたカメラの外部パラメータは作業場の座標におけるカメラの位置および向きを示す情報で、これにより作業場の世界座標からカメラ座標への変換が可能となる。ロボットの可動部に搭載されたカメラではロボットの動きに従ってカメラ座標も変化するが、ロボットの一つの姿勢で外部パラメータを求めておけば、ロボットの動作に伴うカメラ座標の変化はロボットの関節の動きから順運動学によって容易に計算できる。ステレオカメラでは、2台のカメラの外部パラメータを求めることで2台のカメラ相互の位置関係が分かり、カメラの中心間距離(基線長)が得られるので、この値と他の内部および外部パラメータを用いて対象点までの距離が計算できる。 In cameras used as visual sensors for robots to perform three-dimensional measurements, internal and external parameters are obtained by calibration in order to correct image distortion and calculate the distance to the target point. Internal parameters are specific to the camera, and include focal length, optical center, pixel scaling factor, and lens distortion coefficient. External parameters give the positional relationship of the camera to the target object. For example, the external parameters of a camera fixed to a workplace are information indicating the position and orientation of the camera in the workplace coordinates, which allows conversion from the world coordinates of the workplace to the camera coordinates. In a camera mounted on the moving part of a robot, the camera coordinates also change according to the movement of the robot, but if the external parameters are obtained for one posture of the robot, the change in the camera coordinates accompanying the robot's movement can be easily calculated from the movement of the robot's joints using forward kinematics. In a stereo camera, the relative positions of the two cameras can be determined by obtaining the external parameters of the two cameras, and the distance between the centers of the cameras (baseline length) can be obtained, so the distance to the target point can be calculated using this value and other internal and external parameters.
カメラの校正に用いる校正パターンとしては、格子状のパターンが多く用いられる。校正作業は、格子点同士の位置関係を校正パターンの実物とカメラによる画像との間で比較することによって行われる。したがって、校正にあたっては、使用する校正パターンの格子間隔等の、校正パターンの物理的な特徴を示す情報が正確に分かっている必要がある。 A grid-like pattern is often used as a calibration pattern for calibrating a camera. Calibration is performed by comparing the positional relationships between grid points on the actual calibration pattern with an image captured by a camera. Therefore, when calibrating, it is necessary to accurately know information indicating the physical characteristics of the calibration pattern, such as the grid spacing of the calibration pattern to be used.
ところで、校正パターンは、校正しようとするカメラの解像度、レンズの焦点距離、撮影距離、撮像素子の縦横比等に応じて、パターン全体の大きさ、縦横比、格子間隔等の異なる多くの種類から適当なものが選択される。実際に使用される校正パターンの格子間隔等の特徴情報は、校正パターンのリスト等を参照して校正作業中に端末から手入力される。 The appropriate calibration pattern is selected from many different types, with different overall pattern sizes, aspect ratios, grid spacing, etc., depending on the resolution of the camera to be calibrated, the focal length of the lens, the shooting distance, the aspect ratio of the image sensor, etc. The characteristic information of the calibration pattern actually used, such as the grid spacing, is manually input from the terminal during the calibration work by referring to a list of calibration patterns, etc.
上記のとおり、校正作業時には多くの種類の校正パターンから1つを選択して、その格子間隔を正確に指定する必要があった。内部パラメータに関しては、ピント位置の調節等を行う際に校正する必要がある。また、外部パラメータに関しては、作業内容に応じて、ステレオカメラの基線長や複数のカメラの光軸同士のなす角度を変更したりする都度、校正を行うことになる。そのため、校正パターンの情報を管理して、校正作業時に間違いなく使用する必要があり、校正パターンの情報の管理は面倒な仕事であった。何より、格子間隔等の指定に間違いがあっても校正作業は一見問題なく進行し、その間違いに気付きにくいことが大きな問題であった。 As mentioned above, during calibration work it was necessary to select one from many types of calibration patterns and specify the grid spacing accurately. Internal parameters needed to be calibrated when adjusting the focus position, etc. Furthermore, external parameters needed to be calibrated every time the baseline length of the stereo camera or the angle between the optical axes of multiple cameras was changed depending on the work content. Therefore, it was necessary to manage the calibration pattern information and use it correctly during calibration work, but managing the calibration pattern information was a tedious job. Above all, a major problem was that even if there was an error in specifying the grid spacing, etc., the calibration work would seemingly proceed without any problems, making it difficult to notice the error.
特許文献1には、車載カメラのカメラ校正板に、2次元コードにより画像処理に関する情報をタグ情報として付与することが記載されている。画像処理とは例えば、斜め下方向に向けて撮像した画像から俯瞰画像を生成して、車幅目安線などをスーパーインポーズする処理である。画像処理に関する情報としてサイズが異なる車種毎に異なる合成パターンを与えることで、車種間でカメラを共用しても、画像処理内容の設定作業が簡略化できるとされる。しかし、車載カメラでは、その特性から、外部パラメータとして自車に対するカメラの位置関係を求めればよいので出荷前に一度校正を行えばよく、多種の校正パターンを用いる必要もない。また、特許文献1のタグ情報は校正パターンの格子間隔等の特徴情報を含むものではない。 Patent Document 1 describes the addition of information related to image processing as tag information using a two-dimensional code to the camera calibration plate of an in-vehicle camera. Image processing is, for example, a process of generating an overhead image from an image captured diagonally downward and superimposing vehicle width guide lines, etc. It is said that by providing a different composite pattern for each vehicle model of different size as information related to image processing, the work of setting the image processing contents can be simplified even when cameras are shared between vehicle models. However, due to the characteristics of an in-vehicle camera, it is only necessary to determine the positional relationship of the camera with respect to the vehicle as an external parameter, so that calibration can be performed once before shipping, and there is no need to use multiple calibration patterns. Furthermore, the tag information in Patent Document 1 does not include characteristic information such as the grid spacing of the calibration pattern.
特許文献2には、少なくとも3箇所以上設けられた第1マークと、該第1マークに対して外観上識別可能に設けられ、内部パラメータの演算に用いられる第2マークを有するキャリブレーション用チャートが記載されている。第1マークは、第2マークの概略位置を求めるのに利用される。しかし、特許文献2の第1マークも、第2マークの格子間隔等の情報を含むものではなく、別途校正パターンの特徴情報を管理する必要がある。
本発明は上記を考慮してなされたものであり、校正パターンの特徴情報の管理が不要または少なくとも容易で、カメラ校正時に、使用する校正パターンの格子間隔等の特徴情報の指定において人為的な間違いが入り込む余地を低減できる校正板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a calibration plate that does not require or at least makes it easy to manage the characteristic information of the calibration pattern, and reduces the room for human error when specifying characteristic information such as the grid spacing of the calibration pattern to be used during camera calibration.
上記の課題に対して、本発明のカメラ校正板は、縦横に周期性を有する格子状の校正パターンと、前記校正パターンの特徴情報を表現する2次元コードとを有する。校正パターンの特徴情報とは、校正パターンの物理的な特徴を示す情報、および物理的な特徴を示す情報に紐づいた情報である。この構成により、カメラの校正時に、人為的な間違いが入り込む余地を減らすことができる。 In response to the above problem, the camera calibration plate of the present invention has a grid-shaped calibration pattern that is periodic in both the vertical and horizontal directions, and a two-dimensional code that expresses characteristic information of the calibration pattern. The characteristic information of the calibration pattern is information that indicates the physical characteristics of the calibration pattern, and information that is linked to the information that indicates the physical characteristics. This configuration can reduce the room for human error when calibrating the camera.
好ましくは、前記特徴情報が前記校正パターンの周期に関する情報を含む。校正パターンの周期は校正パターンの縦横の格子間隔である。校正パターンの周期に関する情報としては、校正パターンの周期、校正パターンの縦横の周期数、および校正パターンの周期または周期数が算出できる値の組み合わせのうち、いずれかが含まれていればよい。 Preferably, the feature information includes information regarding the period of the calibration pattern. The period of the calibration pattern is the vertical and horizontal grid spacing of the calibration pattern. The information regarding the period of the calibration pattern may include any one of the period of the calibration pattern, the number of vertical and horizontal periods of the calibration pattern, and a combination of values from which the period or number of periods of the calibration pattern can be calculated.
また、好ましくは、前記特徴情報が前記校正パターンの縦横の大きさに関する情報を含む。校正パターンの縦横の大きさに関する情報とは、校正パターンの縦横の長さのほか、校正パターンの周期と周期の数など、校正パターンの縦横の長さが算出できる値または値の組み合わせである。これにより、校正のためにカメラが撮影した画像に校正パターンの全体が写っているか否かを容易に判断できる。 Preferably, the feature information includes information regarding the length and width of the calibration pattern. The information regarding the length and width of the calibration pattern is a value or a combination of values from which the length and width of the calibration pattern can be calculated, such as the length and width of the calibration pattern, as well as the period and number of periods of the calibration pattern. This makes it easy to determine whether the entire calibration pattern is captured in an image captured by a camera for calibration.
また、好ましくは、前記特徴情報が前記2次元コードと前記校正パターンとの相対的な向きに関する情報を含む。2次元コードと校正パターンの相対的な向きとは、2次元コードの縦横の向きと格子パターンの縦横の向きとの関係をいう。 In addition, preferably, the feature information includes information regarding the relative orientation between the two-dimensional code and the calibration pattern. The relative orientation between the two-dimensional code and the calibration pattern refers to the relationship between the vertical and horizontal orientations of the two-dimensional code and the vertical and horizontal orientations of the grid pattern.
好ましくは、前記校正パターンは円が格子状に配列されたドットパターンである。校正のためにカメラが撮影した画像上で、少ない計算処理量でドットの重心を求めることにより、校正の基準点となる格子点の位置を精確に求めることができるからである。 Preferably, the calibration pattern is a dot pattern in which circles are arranged in a grid. This is because the positions of the grid points that serve as reference points for calibration can be accurately determined by determining the centers of gravity of the dots on the image captured by the camera for calibration with a small amount of calculation processing.
好ましくは、前記2次元コードがマトリクス系の2次元コードである。マトリクス系の2次元コードは、マルチロー系など他の2次元コードと比べて、向きの判別が容易であり、2次元コードの形状から向きの校正をすることも可能である。 The two-dimensional code is preferably a matrix type two-dimensional code. The orientation of a matrix type two-dimensional code is easier to determine than other two-dimensional codes such as multi-row types, and it is also possible to calibrate the orientation from the shape of the two-dimensional code.
好ましくは、前記2次元コードの外形が長方形である。長方形には正方形が含まれる。これにより、格子点の概略位置を求めるのに2次元コードの外形を利用できる。 Preferably, the outer shape of the two-dimensional code is a rectangle. Rectangles include squares. This allows the outer shape of the two-dimensional code to be used to determine the approximate positions of the lattice points.
好ましくは、前記2次元コードが前記校正パターンの角の近傍であって前記校正パターンの外側に位置する。これにより、校正パターンの角の位置を利用して、校正のためにカメラが撮影した画像上で校正パターンを抽出するための計算を高速化できる。 Preferably, the two-dimensional code is located near a corner of the calibration pattern but outside the calibration pattern. This allows the positions of the corners of the calibration pattern to be used to speed up calculations for extracting the calibration pattern on an image captured by a camera for calibration.
あるいは、好ましくは、前記2次元コードが前記校正パターンの角に位置する。2次元コードが校正パターンの角に位置するとは、2次元コードの中心が校正パターンの角の位置と一致することをいう。これによっても、校正パターンの角の位置を利用して、校正のためにカメラが撮影した画像上で校正パターンを抽出するための計算を高速化できる。 Alternatively, preferably, the two-dimensional code is located at a corner of the calibration pattern. "The two-dimensional code is located at a corner of the calibration pattern" means that the center of the two-dimensional code coincides with the position of a corner of the calibration pattern. This also makes it possible to use the position of the corner of the calibration pattern to speed up calculations for extracting the calibration pattern on an image captured by a camera for calibration.
好ましくは、前記2次元コードが前記校正パターンの角との位置関係に関する情報をさらに表現する。 Preferably, the two-dimensional code further represents information regarding its positional relationship with the corners of the calibration pattern.
前記2次元コードが前記校正パターンの前記角またはその近傍に配置される場合、好ましくは、前記2次元コードが、前記校正パターンの一組の対角にそれぞれ配置される、または前記校正パターンの一組の対角の近傍にそれぞれ配置される。これにより、校正パターンの抽出が容易になる。さらに好ましくは、前記2次元コードが前記校正パターンの4つの前記角にそれぞれ配置される、または前記校正パターンの4つの前記角の近傍にそれぞれ配置される。校正パターンのすべての角の位置を利用することによって、校正のためにカメラが撮影した画像上で校正パターンを抽出するための計算をさらに高速化できる。 When the two-dimensional code is placed at or near the corners of the calibration pattern, preferably, the two-dimensional code is placed at each of a pair of diagonal corners of the calibration pattern, or near each of a pair of diagonal corners of the calibration pattern. This makes it easier to extract the calibration pattern. More preferably, the two-dimensional code is placed at each of the four corners of the calibration pattern, or near each of the four corners of the calibration pattern. By utilizing the positions of all corners of the calibration pattern, the calculation for extracting the calibration pattern on the image captured by a camera for calibration can be further accelerated.
また、前記2次元コードは必要な校正パターンの特徴情報を表現できればよく、上記に係わらず、前記2次元コードの数が1個であってもよい。 Furthermore, the two-dimensional code only needs to be able to express the characteristic information of the required calibration pattern, and regardless of the above, the number of two-dimensional codes may be one.
本発明のカメラ校正板によれば、校正板そのものに描かれた2次元コードから校正パターンの特徴情報を読み取ることができる。そのため、校正パターンの特徴情報を別に管理する必要がないか、少なくとも校正パターンの特徴情報の管理が容易である。さらに、カメラの校正にあたって、使用する校正パターンの格子間隔等の特徴情報の指定において人為的な間違いが入り込む余地を低減できる。 The camera calibration plate of the present invention allows the characteristic information of the calibration pattern to be read from the two-dimensional code drawn on the calibration plate itself. This eliminates the need to separately manage the characteristic information of the calibration pattern, or at least makes it easier to manage the characteristic information of the calibration pattern. Furthermore, when calibrating a camera, it is possible to reduce the room for human error in specifying characteristic information such as the grid spacing of the calibration pattern to be used.
本発明のカメラ校正板の第1実施形態を図1~図7に基づいて説明する。 The first embodiment of the camera calibration plate of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 7.
図1を参照して、本実施形態のカメラ校正板10は、凹凸のない平板18上に校正パターン20と2次元コード50を有する。校正作業は、校正パターン20の格子点同士の位置関係を、校正板10の実物と校正しようとするカメラが撮影した画像(以下、「校正画像」という)との間で比較することによって行われる。2次元コード50は校正パターン20の特徴情報を表現する。
Referring to FIG. 1, the
校正板10は、校正パターン20と2次元コード50を、伸び縮みの少ないフィルム等に印刷して平らな基板に貼付してもよいし、伸び縮みの少ないガラス板やセラミクス板等に直接印刷してもよい。また、十分な解像度が得られる限りにおいて、校正パターンと2次元コードを平面型ディスプレイに表示してもよい。
The
校正パターンとしては、縦横に周期性を有する格子状のパターンを用いる。校正画像がひずんでいる場合に、格子点の密度が一様であると計算がしやすく、またパターンの探索が容易だからである。なお、ここで縦横とは、校正板上の直交する2方向という程度の意味であって、校正パターンが正方形でない場合や2方向で周期性が異なる場合などに、2つの方向を区別するための便宜的な呼称である。 A grid pattern with periodicity in both the vertical and horizontal directions is used as the calibration pattern. If the calibration image is distorted, calculations are easier if the density of grid points is uniform, and it is also easier to search for the pattern. Note that here, vertical and horizontal refer to two perpendicular directions on the calibration plate, and are convenient terms to distinguish between the two directions when the calibration pattern is not a square or when the periodicity differs in the two directions.
図1に示した校正パターン20は、中実の円(以下、「ドット」という)が格子状に配列されたドットパターン20である。校正時には、ドット21の重心をそのドット(格子点)の位置として、カメラの内部および外部パラメータ(以下、両者を合わせて「カメラパラメータ」という)を計算する。ドットパターン20は、横方向の格子間隔をPh、縦方向の格子間隔をPvとして、全体として横の長さがLh、縦の長さがLvの長方形の領域を占める。ドットパターン20の周期は格子間隔Ph、Pvである。ドットパターン20は、後述する他の校正パターンと比較して、斜めから撮影したときにも校正画像上で重心を計算しやすい点で優れる。
The
校正パターン20に含まれるドット21の数は、好ましくは30以上、より好ましくは100以上とする。ドット21の数、すなわち格子点の数が多いほど、得られるカメラパラメータの精度が高まるからである。一方、校正パターンに含まれるドットの数は、好ましくは1000以下とする。ドットが多すぎると、校正画像の限られた解像度では、格子点の位置を正確に決定できなくなるからである。
The number of
縦横に周期性を有する格子状の校正パターンとしては、ドットパターンの他にグリッドパターンやチェッカーパターンが挙げられる。図2を参照して、グリッドパターン30は碁盤目状に直線31が引かれたパターンで、縦横の直線の交点32が格子点となる。グリッドパターンの外周上ではT字状の交点33が格子点となるが、これは校正計算には使用しないで、内部の格子点だけを使用して校正を行うことが多い。外周上の格子点は校正画像から抽出するときの計算手順が内部の格子点と異なるので、主として計算処理の簡略化のためである。図3を参照して、チェッカーパターン40はチェッカーボード状のパターンで、2本の境界線42の交点、すなわちマス目41の角が集まる点43が格子点となる。チェッカーパターンの外周上では境界線のT字状の交点44が格子点となるが、グリッドパターンと同様に、これは校正計算に使用しないことが多い。グリッドパターン30およびチェッカーパターン40も、図1に示したドットパターンと同様に、横方向の格子間隔をPh、縦方向の格子間隔をPvとして、全体として横の長さがLh、縦の長さがLvの長方形の領域を占める。
As a lattice-like calibration pattern having periodicity in the vertical and horizontal directions, in addition to dot patterns, grid patterns and checker patterns can be mentioned. Referring to FIG. 2, the
図1に戻って、2次元コード50としては、種々の公知のものを用いることができる。2次元コードは好ましくは外形が長方形のものを用いる。長方形には正方形も含む。後述するように、ドット21の概略位置および校正用紙の向きを求めるのに利用できるからである。また、2次元コードは好ましくはマトリクス系の2次元コードを用いる。マルチロー系など他の2次元コードと比べて、向きの判別が容易だからである。マトリクス系2次元コードの種類は特に限定されず、必要な情報量を符号化することが可能で、校正画像の解像度で解読可能であればよい。
Returning to FIG. 1, various known two-dimensional codes can be used as the two-
2次元コードは一般に、規格に従って自身に関する各種情報、例えば、形式情報、型番情報、誤り訂正コードなどを持っている。また、2次元コードは一般に、情報の読み取りに関してファインダパターン、位置合わせパターン、タイミングパターンなどを含んでおり、2次元コード自身の向きが判別できるように構成されている。例えば、マトリクス系の2次元コードであるQRコード(登録商標)では、正方形の3つの角の近くに配置されたファインダパターンによって、コード自身の縦横の向きを知ることができる。 Two-dimensional codes generally have various information about themselves according to standards, such as model information, model number information, and error correction codes. Two-dimensional codes also generally include finder patterns, alignment patterns, timing patterns, and other patterns related to reading information, and are configured so that the orientation of the two-dimensional code itself can be determined. For example, in the case of QR Code (registered trademark), a matrix-based two-dimensional code, the vertical and horizontal orientation of the code itself can be determined by the finder patterns located near the three corners of a square.
2次元コード50は、校正パターン20の特徴情報を表現する。校正パターンの特徴情報とは、校正パターンの物理的な特徴情報、および物理的な特徴を示す情報に紐づいた情報である。
The two-
2次元コード50が表現する校正パターン20の物理的な特徴情報としては、校正パターンがドットパターンかグリッドパターンか等の種類、校正パターンの周期、校正パターンの周期数、校正パターンの縦横の大きさ、その2次元コードと校正パターンとの相対的な向きや位置関係などに関する情報が挙げられる。
The physical characteristic information of the
2次元コード50が表現する校正パターンの特徴情報は、物理的な特徴を直接示す情報に限られず、物理的な特徴を示す情報に紐づいた情報であってもよい。具体的には、例えば校正パターンの周期や縦横の大きさなどを複数個のテーブルとして、カメラの記憶部やカメラを接続する外部PCなどに予め記憶しておく。この場合、2次元コードに表現される情報は、テーブルの中から所定の値を選択するためのキー番号等であってもよい。
The characteristic information of the calibration pattern represented by the two-
好ましくは、2次元コード50は、校正パターン20の物理的な特徴情報を表現する。校正パターンの物理的な特徴情報を校正板上の2次元コードから直接読み取ることができるので、カメラの校正時に人為的な間違いが入り込む余地をさらに減らすことができるからである。
Preferably, the two-
校正パターン20の物理的な特徴情報のうち、校正パターンの周期に関する情報は、例えば校正パターンの縦横の周期、校正パターンの縦横の周期数、またはこれらの値が算出できる値の組み合わせである。具体的には、例えば、校正パターンの縦横の長さと校正パターンの縦横の周期数との組み合わせによって周期が算出できる。校正パターン20の周期は格子間隔Ph、Pvである。2次元コード50が表現する校正パターンの周期に関する情報は、好ましくは、校正パターンの縦横の周期、または校正パターンの縦横の周期を算出可能な情報である。また、校正パターン20の縦横の格子間隔Ph、Pvや縦横の格子点の数が異なる場合は、2次元コードによって校正パターン20の向きや縦横の各周期数を与えることが好ましい。
Among the physical characteristic information of the
何らかの状況によって校正パターンの周期が予め分かっている場合、例えば周期が同一である一連の校正パターンのみが用いられ、その周期が校正作業の制御装置に記憶されている場合には、2次元コード50が校正パターンの縦横の周期数のみを表現していてもよい。2次元コードから周期数を読み取ることによって、校正画像上に校正パターンの全体が写っているか否かを容易に判断できる。
If the period of the calibration pattern is known in advance due to some circumstances, for example if only a series of calibration patterns with the same period are used and the period is stored in the control device for the calibration work, the two-
校正画像上に校正パターンの全体が写っているか否かを自動で判断するのは容易ではない。このため従来は校正作業者が校正画像を目視で確認したり、校正パターンの周囲に十分な幅の余白を設けておいて、格子点のない領域がある程度の大きさで写っているかを判断したりしていた。2次元コード50が校正パターンの周期数を表現していれば、校正画像中の格子点の数を数えることなどによって、校正パターンの全体が写っているか否かを容易に判断できる。
It is not easy to automatically determine whether the entire calibration pattern is visible on the calibration image. For this reason, in the past, a proofreader would visually check the calibration image or leave a wide enough margin around the calibration pattern to determine whether an area without lattice points is visible to a certain extent. If the two-
2次元コード50と校正パターン20との相対的な向きに関する情報は、校正パターンの縦横が判別できればよい。具体的には、前述のとおり2次元コードの向きは分かるので、その2次元コードの縦横の向きに対して校正パターンの縦横の向きが一致するか、90度またはそれ以外の角度だけ回転しているか分かればよい。好ましくは、2次元コードと校正パターンの縦横の向きを一致させておく。校正作業時の計算が単純になるからである。
The information regarding the relative orientation of the two-
校正パターン20の縦横の大きさに関する情報は、校正パターンの縦横の長さ、校正パターンの周期と周期の数の組み合わせなど、校正パターンの縦横の長さが算出できる値または値の組み合わせである。例えば、校正パターン20の大きさは、校正パターンの横縦の長さLh、Lvで与えてもよいし、横方向および縦方向のドット21の間隔Ph、Pvと数Nh、Nvの組み合わせ与えてもよい。図1において、校正パターン20の横縦の長さとドット数には、Lh=Ph×(Nh-1)、Lv=Pv×(Nv-1)、の関係があり相互に変換可能である。校正パターンがグリッドパターン30(図2)やチェッカーパターン40(図3)の場合も同様である。これらの情報によっても、校正画像上に校正パターンの全体が写っているか否かを容易に判断できる。
The information on the horizontal and vertical sizes of the
2次元コード50と校正パターン20との相対的な位置関係に関する情報としては、2次元コードが校正パターンの外側にあるか内側にあるか、2次元コードが校正パターンの角に位置するか否か、左右上下いずれの角に位置するのか等が挙げられる。また、校正パターンの1つの角、好ましくは2次元コードに近い角に関して、2次元コードを基準として、当該角までの方向と距離が挙げられる。これによって、2次元コードを読み取ることで、校正パターンの1つの角の概略位置を知ることができる。
The information regarding the relative positional relationship between the two-
2次元コード50には、上記以外にも校正パターン20および校正板10に関する種々の情報を符号化して表現させることができる。例えば、校正パターンの特徴情報以外の情報として、校正パターンの整理番号などの校正パターン識別情報、校正対象となるべきカメラか否かを照合するための情報などの対象カメラ照合情報、校正板に関する情報として校正板の整理番号、製造番号などの校正板識別情報などを符号化して表現させることができる。
In addition to the above, various other information related to the
2次元コード50の位置は特に限定されないが、好ましくは、校正パターン20の外側、または校正パターンの角に配置する。校正画像から校正パターンを抽出するのを容易にするためである。2次元コードを校正パターンの角に配置するとは、校正パターンの角に代わって2次元コードを配置することをいう。図1では、2次元コード50は、校正パターン20の図左上の角の近傍であって校正パターン20の外側に配置されている。図4では、2次元コード50は、校正パターン20の図左上の角に配置されている。
The position of the two-
2次元コード50の数は1個には限られず、複数であってもよい。2次元コードの数は、好ましくは4個以下である。2次元コードの数が多すぎると、撮像した画像上に写る校正パターンの領域が減って、校正の精度が下がるためである。校正板が複数の2次元コードを有する場合、校正パターンの周期、縦横の大きさ、相対的な向きに関する情報などの特徴情報は、各2次元コードに同じ特徴情報を表現させてもよいし、いくつかの2次元コードに別々の特徴情報を割り当てて表現させてもよい。解像度が低いカメラの校正に用いる場合、情報を分けて複数の2次元コードに表現させると、2次元コードの大きさが大きくなりすぎないため好ましい。
The number of two-
次に、本実施形態のカメラ校正板10を用いたカメラの校正方法を図5の工程フローに沿って説明する。
Next, the method for calibrating a camera using the
まず校正画像を取得する。校正板を撮影し(S10)、撮影データを読み込み(S11)、予定された撮影枚数に達するまで(S12)、校正板の角度を変えて(S13)、これを繰り返す。撮影枚数は1枚以上、好ましくは3枚、より好ましくは5枚以上とし、好ましくは20枚以下とする。 First, a calibration image is obtained. The calibration plate is photographed (S10), the photographed data is read (S11), and the angle of the calibration plate is changed (S13) until the planned number of photographs is reached (S12), and this process is repeated. The number of photographs taken is one or more, preferably three, more preferably five or more, and preferably 20 or less.
予定された枚数の校正画像が取得できたら(S12)、画像を1枚ずつ選択して(S20)、画像から2次元コードを読み取って、2次元コードに表現された情報を取得する(S21)。2次元コードの読み取りは公知の方法によって行うことができる。次いで、校正板から校正パターン全体を抽出して校正パターン中の各ドットについて、その概略位置を計算し(S22)、求めた概略位置の近傍でドットを探索・抽出して、その重心を計算する(S23)。校正パターンの抽出、ドットの概略位置計算とドットの重心の計算も公知の方法によって行うことができるが、2次元コードの形状や2次元コードが表現する情報によっては、それを利用して、より少ない計算量でドットの概略位置を求めることができる。 Once the planned number of calibration images have been acquired (S12), the images are selected one by one (S20), the two-dimensional code is read from the images, and the information expressed in the two-dimensional code is acquired (S21). The two-dimensional code can be read by a known method. Next, the entire calibration pattern is extracted from the calibration plate, and the approximate position of each dot in the calibration pattern is calculated (S22), and dots are searched for and extracted near the approximate positions obtained, and their centroids are calculated (S23). The extraction of the calibration pattern, and the calculation of the approximate positions and centroids of the dots can also be performed by known methods, but depending on the shape of the two-dimensional code and the information expressed by the two-dimensional code, it is possible to use this to obtain the approximate positions of the dots with less calculation effort.
2次元コード50の外形が長方形である場合は、その外形自体を一つの情報として校正パターン20の抽出に利用できる。図6を参照して、2次元コード50の外形からその横縦の方向X、Yが分かるとき、2次元コード50が校正パターン20との相対的な向きに関する情報を表現していれば、校正パターン20の横縦の方向X’、Y’が分かる。校正画像から求める2次元コード50の方向は誤差を含むので、これによって得られる校正パターンの横縦の方向X’、Y’も近似的なものではあるが、校正画像上で校正パターンの外縁を探索する範囲を狭めることができるので、探索の計算量を減らすことができる。このことは校正板10を斜めから撮影した校正画像において、特にメリットがある。
When the external shape of the two-
また、2次元コード50が自身の縦横の長さH、Wの情報と校正パターン20の縦横の大きさに関する情報を持っていれば、校正画像上の校正パターン20の縦横の長さの近似値を知ることができる。これによって、校正画像上で校正パターンの外縁を探索するための計算量をさらに減らすことができる。
In addition, if the two-
さらに、2次元コード50が自身と校正パターン20の角25との位置関係に関する情報として、2次元コード50の位置から角25の位置を特定可能な情報を表現していれば、2次元コードに基づいて、校正画像上での校正パターン20の外縁の概略位置を知ることができる。2次元コード50の位置から角25の位置を特定可能な情報とは、例えば、2次元コード50の縦横の長さと、2次元コード50から校正パターン20の角25まで、より具体的には2次元コード50の中心から角25に位置するドット21aの重心までの縦方向の距離dYおよび横方向の距離dXの情報である。2次元コード50と角25の横方向の距離dXの校正画像上での長さは、2次元コードの幅Wとの比に基づいて求めることができる。縦方向の距離dYについても同様である。これにより、2次元コードから読み取った情報に基づいて、1つの角25の位置を迅速に決定でき、2次元コードの縦横の方向、大きさと合わせて、校正画像上の校正パターンの外縁の概略位置を知ることができる。結果として、校正画像上で校正パターンの外縁を探索するための計算量をさらに減らすことができる。なお、2次元コード50に、校正パターン20の遠い角の位置を特定可能な情報を表現させることも考えられるが、校正画像から求める2次元コード50の方向は誤差を含むので、校正パターンの近い角の位置を特定可能な情報を表現させることが好ましい。この点からも、2次元コードを校正パターンの角または角の近傍に配置することが好ましい。
Furthermore, if the two-
校正パターン20の抽出において、図7に示すように、校正板14が校正パターンの一対の対角の近傍にそれぞれ2次元コード50a、50dを有する場合、2次元コード50aの形状および表現する情報から、校正パターンの左上角のドット21aの位置と、校正パターン外縁の上辺および左辺の方向X’、Y’の概略値を求めることができ、2次元コード50dの形状および表現する情報から、校正パターンの右下角のドット21dの位置と、校正パターン外縁の下辺および右辺の方向X”、Y”の概略値を求めることができる。2次元コード50a、50dによって校正パターンの対角が見つかれば、その内側が校正パターンであることが分かるので、校正パターンの抽出が容易になり、また、画像の傾きが大きくても概略値を精度よく求めることができる。
When extracting the
工程S20で選択された校正画像に対して、以上のようにドットの重心を求めた後、未処理の校正画像が残っている場合は(S24)、次の校正画像を選択して(S20)、同じ処理を繰り返す。取得したすべての校正画像について処理が完了したら(S24)、校正計算を行ってカメラパラメータを求める(S30)。 After determining the dot centroids for the calibration image selected in step S20 as described above, if any unprocessed calibration images remain (S24), the next calibration image is selected (S20) and the same process is repeated. Once processing has been completed for all acquired calibration images (S24), calibration calculations are performed to determine the camera parameters (S30).
校正計算(S30)では、校正画像上のドット21の位置と、2次元コード50から読み取った格子間隔とを比較して、カメラパラメータを算出する。カメラパラメータの算出には公知の方法を用いることができる。例えば、よく知られたZhangの手法を用いて、カメラパラメータを算出することができる。なお、図5の各工程S10~S24の順序は、適宜変更してもよい。
In the calibration calculation (S30), the positions of the
本実施形態の校正板10~14の効果を改めて整理する。ロボットを制御するための視覚センサとしてカメラを用いる場合、作業場に固定されたカメラの配置を作業内容に応じて変更したり、使用状況等に応じてピント位置を調節したりすることが行われる。また、ステレオカメラの場合は、三角測量の原理を用いるため、対象物と2つのカメラを結ぶ2本の直線の成す角度が小さくなると距離の測定精度が下がるので、ワークの大きさ等に応じて2つのカメラの基線長を変更することやカメラの相対角度を変えることが行われる。本実施形態のカメラ校正板によれば、校正に必要な校正パターンの特徴情報が校正板そのものに描かれた2次元コードに表現されているので、校正パターンの管理が容易である。また、校正パターンの物理的な特徴情報が2次元コードに表現されていれば、校正パターンの特徴量の取り違えが起こらない。したがって、本実施形態のカメラ校正板は、ロボットの視覚センサとして用いられるステレオカメラの校正に特に適している。
The effects of the
次に、本発明のカメラ校正板の第2実施形態を図8~10に基づいて説明する。本実施形態のカメラ校正板は、第1実施形態のうち、校正パターンの4つの角またはその近傍にそれぞれ2次元コードが配置されたものである。以下において、第1実施形態と共通する点は説明を省略する。 Next, a second embodiment of the camera calibration plate of the present invention will be described with reference to Figures 8 to 10. The camera calibration plate of this embodiment is similar to that of the first embodiment in that a two-dimensional code is placed at or near each of the four corners of the calibration pattern. In the following, a description of the points common to the first embodiment will be omitted.
図8を参照して、カメラ校正板15は校正パターン20の4つの角25a~25dの近傍にそれぞれ2次元コード50a~50dを有する。2次元コード50a~50dはいずれも校正パターンの外側に配置されている。校正パターンの周期、縦横の大きさ、相対的な向きに関する情報などの特徴量は、1つの2次元コードに表現させてもよいし、いくつかの2次元コードに別々に割り当てて表現させてもよい。好ましくは、2次元コード50a~50dはいずれも、それぞれ4つの角25a~25dとの位置関係に関する情報として、2次元コードの位置からそれぞれの近くの角の位置を特定可能な情報を表現する。例えば、2次元コード50aは、当該2次元コード50aの縦横の長さと、2次元コード50aの中心から角25aに位置するドット21aの重心までの縦方向および横方向の距離の情報を表現し、2次元コード50b~50dに関しても同様である。これにより、図5の格子点の概略位置計算(S22)において、2次元コード50a~50dから読み取った情報に基づいて校正パターンの4つの角25a~25dの位置を迅速に決定できる。
With reference to FIG. 8, the
レンズの歪がないと仮定すれば、射影によって現実の校正板上の直線は校正画像上でも直線に変換される。校正板を斜めから撮影した場合には現実の校正板上で互いに平行な2直線は校正画像上で平行にはならないが、図9を参照して、校正パターン20の長方形の外縁26は校正画像上の4角形に変換されるので、その4つの角25a~25dの位置が決定できれば、校正画像における校正パターン20の外縁26の概略位置を知ることができる。
Assuming there is no lens distortion, straight lines on the actual calibration plate are converted into straight lines in the calibration image by projection. When the calibration plate is photographed at an angle, two straight lines that are parallel to each other on the actual calibration plate will not be parallel in the calibration image. However, referring to FIG. 9, the rectangular
本実施形態においても、図10の校正板16を参照して、4つの2次元コード50a~50dが、校正パターンの4つの角に位置していてもよい。
In this embodiment, referring to the
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope of the technical concept.
10~16 カメラ校正板
18 平板
20 ドットパターン(校正パターン)
21、21a~21d ドット(格子点)
25、25a~25d 校正パターンの角
26 校正画像上の校正パターンの外縁
30 グリッドパターン(校正パターン)
31 グリッド
32 グリッドの交点(格子点)
33 外周上の格子点
40 チェッカーパターン(校正パターン)
41 マス目
42 境界線
43 境界線の交点(格子点)
44 外周上の格子点
50、50a~50d 2次元コード
Lh 校正パターンの横方向の長さ
Lv 校正パターンの縦方向の長さ
Ph 横方向の格子間隔
Pv 縦方向の格子間隔
10-16
21, 21a to 21d dots (lattice points)
25, 25a to 25d: Corners of the calibration pattern 26: Outer edge of the calibration pattern on the calibration image 30: Grid pattern (calibration pattern)
31
33 Lattice points on the
41
44 Lattice points on the
Claims (11)
前記校正パターンの特徴情報を表現する2次元コードとを有し、
前記特徴情報が前記2次元コードと前記校正パターンとの相対的な向きに関する情報を含む、
カメラ校正板。 A grid-like calibration pattern having periodicity in both the vertical and horizontal directions;
a two-dimensional code representing characteristic information of the calibration pattern ;
the feature information includes information regarding a relative orientation between the two-dimensional code and the calibration pattern;
Camera calibration plate.
前記校正パターンの特徴情報を表現する2次元コードとを有し、
前記2次元コードが前記校正パターンの角との位置関係に関する情報をさらに表現する、
カメラ校正板。 A grid-like calibration pattern having periodicity in both the vertical and horizontal directions;
a two-dimensional code representing characteristic information of the calibration pattern ;
the two-dimensional code further expresses information regarding a positional relationship with a corner of the calibration pattern;
Camera calibration plate.
請求項1または2に記載のカメラ校正板。 the characteristic information includes information regarding a period of the calibration pattern;
3. The camera calibration plate according to claim 1 or 2 .
請求項1~3のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 the characteristic information includes information regarding the vertical and horizontal sizes of the calibration pattern;
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~4のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 The calibration pattern is a dot pattern in which circles are arranged in a grid pattern.
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 4.
請求項1~5のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 The two-dimensional code is a matrix type two-dimensional code.
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~6のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 The two-dimensional code has a rectangular outer shape.
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 6.
請求項1~7のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 the two-dimensional code is located near a corner of the calibration pattern and outside the calibration pattern;
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~7のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 the two-dimensional code is located at a corner of the calibration pattern;
The camera calibration plate according to any one of claims 1 to 7.
請求項8または9に記載のカメラ校正板。 the two-dimensional codes are arranged on or near a pair of diagonal corners of the calibration pattern,
10. A camera calibration plate according to claim 8 or 9 .
請求項8~10のいずれか一項に記載のカメラ校正板。 the two-dimensional code is disposed at or near each of the four corners of the calibration pattern;
The camera calibration plate according to any one of claims 8 to 10 .
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