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JPH0585846B2 - - Google Patents
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JPH0585846B2 - - Google Patents

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JPH0585846B2
JPH0585846B2 JP61284786A JP28478686A JPH0585846B2 JP H0585846 B2 JPH0585846 B2 JP H0585846B2 JP 61284786 A JP61284786 A JP 61284786A JP 28478686 A JP28478686 A JP 28478686A JP H0585846 B2 JPH0585846 B2 JP H0585846B2
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JP
Japan
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distance
image
ratio
calculation means
calibration data
Prior art date
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Application number
JP61284786A
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Japanese (ja)
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JPS63138207A (en
Inventor
Joji Tajima
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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  • Image Processing (AREA)
  • Image Analysis (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、三次元視覚装置に利用されるレンジ
フアイダを用いる距離画像取得装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a distance image acquisition device using a range finder used in a three-dimensional visual device.

(従来の技術) 物体などの三次元位置をテレビカメラから入力
された画像により求める装置としてレンジフイア
ンダ(特願昭59−197414号明細書)が提案されて
いる。このレンジフアインダによりカメラから物
体までの距離を求める方法の一例を第2図を参照
して簡単に説明する。
(Prior Art) A range finder (Japanese Patent Application No. 59-197414) has been proposed as a device for determining the three-dimensional position of an object using an image input from a television camera. An example of a method for determining the distance from a camera to an object using this range finder will be briefly explained with reference to FIG.

光源1からレンズ2を通り平行にされた白色光
源が、回折格子3により赤から青紫のスペクトル
光に分光された物体4に投写される。波長λの光
が法線からθの角度(2軸方向からαの角度)で
物体表面上の点Pに投影され、これがカメラ5に
よつて撮像され、センサ上の位置xでセンスされ
る。このとき点Pの座標を(X,Z)とすると、
Zは式(1)により求められる。
A parallel white light source from a light source 1 passes through a lens 2 and is projected onto an object 4, which is split into spectrum lights from red to blue-violet by a diffraction grating 3. Light with a wavelength λ is projected onto a point P on the object surface at an angle θ from the normal line (an angle α from the two-axis direction), and this is imaged by the camera 5 and sensed at a position x on the sensor. At this time, if the coordinates of point P are (X, Z),
Z is determined by equation (1).

Z=(X0−Z0tanα)(tanβ−tanα)……(1) βの値は撮像センサ上の位置xから知ることが
できる。cを定数として、 x=c tanβの関係にあるので、式(1)は次の
ように書ける。
Z=(X 0 −Z 0 tanα)(tanβ−tanα) (1) The value of β can be known from the position x on the image sensor. Since there is a relationship x=c tan β where c is a constant, equation (1) can be written as follows.

Z=(X0−Z0tanα)/(X/c−tanα)
……(1′) αの値は、センサされている光の波長λを知
り、 sinθ−sinθ=±nλ/d ……(2) (ここでdは回折格子の格子間隔は、nは次数
で通常=1)によりθを求め、回折格子とZ軸の
角度を知ることにより求めることができる。物体
の各点が反射している光の波長は、カメラ5をカ
ラーカメラと考え、その内の2つのセンサが異な
る分光感度σ1(λ)、σ2(λ)を持ち、点Pが撮像
された画素の出力がそれぞれI1,I2であつたと
き、出力の比 R=I1/(I1+I2)=σ1(λ)/σ1(λ)+σ2
λ)
……(3) が成り立つため、函数 f(λ)=σ1(λ)/(σ1(λ)+σ2(λ))…
…(4) がλの単調函数となるようにσ1(λ),σ2(λ)を
定めることにより、出力の比からλを求めること
ができる。このようにして得られたλが上記のσ
を得るのに用いられる。以上のようにして、2つ
の同時に撮像された画像から距離Zを得ることが
できる。
Z=(X 0 −Z 0 tanα)/(X/c−tanα)
...(1') The value of α is determined by knowing the wavelength λ of the light being sensed, sinθ−sinθ=±nλ/d ...(2) (where d is the grating spacing of the diffraction grating, and n is the order (usually = 1), and by knowing the angle between the diffraction grating and the Z axis. The wavelength of the light reflected by each point on the object is determined by considering the camera 5 as a color camera, whose two sensors have different spectral sensitivities σ 1 (λ) and σ 2 (λ), and when the point P is imaged. When the outputs of the pixels are I 1 and I 2 respectively, the output ratio R=I 1 /(I 1 +I 2 )=σ 1 (λ)/σ 1 (λ) + σ 2 (
λ)
…(3) holds, so the function f(λ)=σ 1 (λ)/(σ 1 (λ)+σ 2 (λ))…
By determining σ 1 (λ) and σ 2 (λ) so that (4) is a monotone function of λ, λ can be determined from the ratio of outputs. λ obtained in this way is the above σ
It is used to obtain . In the manner described above, the distance Z can be obtained from two simultaneously captured images.

(発明が解決しようとする問題点) 以上に述べた従来技術によると、2つのセンサ
により入力された画像から各画素における物体迄
の距離Zを求めるには、 ()式(4)をλについてとき、 ()式(2)をθについてとき、 ()式(1)によりZを得る。
(Problems to be Solved by the Invention) According to the prior art described above, in order to obtain the distance Z from the images input by two sensors to the object at each pixel, the equation (4) () can be used for λ. When, () Expression (2) is expressed as θ, () Z is obtained by Expression (1).

のように手順を踏む必要がある。その際、2つの
センサの分光感度σ1(λ),σ2(λ)、角度θとσの
関係、xとβの関係、X0,Z0などが正確に知ら
れている必要があり、センサ用のフイルタ、回折
格子の位置、カメラなどを変更した場合には関係
をすべて計算し直さねばならない。
You need to follow the steps as follows. In this case, it is necessary to accurately know the spectral sensitivities σ 1 (λ) and σ 2 (λ) of the two sensors, the relationship between angles θ and σ, the relationship between x and β, X 0 , Z 0 , etc. , sensor filter, diffraction grating position, camera, etc., all relationships must be recalculated.

本発明の目的は、上記のような構成要素の位置
関係などについて、正確に測定することを一切必
要とせず、事前に画像を入力するだけで、各画素
で距離Zを得ることのできる距離画像取得装置を
提供することにある。
An object of the present invention is to create a distance image in which the distance Z can be obtained for each pixel by simply inputting the image in advance, without any need to accurately measure the positional relationship of the components as described above. The objective is to provide an acquisition device.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、回折格子等によつて分光されたスペ
クトルパターンを物体に投写し、この画像を異な
る分光感度のセンサによつて撮像し、各画素につ
いて、物体迄の距離を求めるレンジフアインダに
おいて、センサの複数の出力をデイジタル値に変
換する複数のA/D変換器の出力から比を演算す
る比画像演算手段と、前記センサを含むカメラか
ら一定の距離に平面物体を置き、前記比画像演算
手段の出力である比のデータから較正データを演
算する較正データ演算手段と、距離測定の場面に
おいて、前記比画像演算手段の出力と該較正デー
タ演算手段により得られる較正データから各画素
に対して物体迄の距離を演算する距離演算手段と
を含み、レンジフアイダのセンサ出力から距離画
像を得る距離画像取得装置である。
(Means for Solving the Problems) The present invention projects a spectral pattern separated by a diffraction grating or the like onto an object, captures this image using sensors with different spectral sensitivities, and identifies the object for each pixel. A range finder that calculates the distance to a camera includes ratio image calculation means for calculating a ratio from the outputs of a plurality of A/D converters that convert a plurality of outputs of the sensor into digital values, and a ratio image calculation means for calculating a ratio from the outputs of a plurality of A/D converters that convert the plurality of outputs of the sensor into digital values, Calibration data calculation means for placing a flat object on a plane and calculating calibration data from the ratio data that is the output of the ratio image calculation means; This is a distance image acquisition device that obtains a distance image from a sensor output of a range finder, and includes distance calculation means for calculating the distance to an object for each pixel from the obtained calibration data.

(作用) 第3図に本発明を実施する際の配置を示す。光
源1、レンズ2、回折格子3、カメラ5の配置は
第2図と同様である。物体の空間に平面6、平面
7の2つの面を考える。また、平面6の位置に白
板を置き、画像を撮像し、各画素について式(3)の
Rを求める。平面6のZ座標はZaであるので、
式(1)は Za=(X0−Z0tanα)/(tanβa−tanα) ……(5) となる。αはRの函数であり、カメラでの撮像位
置のz座標はcを定数として角度βaと式(6)の関
係にあるので、 xa=c・tanβa ……(6) 平面6に関してのxaはRの函数としてxa(R)
と書くことができ、式(5)を変形して式(7)が得られ
る。
(Function) FIG. 3 shows the arrangement when implementing the present invention. The arrangement of the light source 1, lens 2, diffraction grating 3, and camera 5 is the same as in FIG. Consider two planes, plane 6 and plane 7, in the space of an object. Further, a white board is placed at the position of the plane 6, an image is captured, and R in equation (3) is determined for each pixel. Since the Z coordinate of plane 6 is Za,
Equation (1) becomes Za=(X 0 −Z 0 tanα)/(tanβa−tanα) ……(5). α is a function of R, and the z-coordinate of the imaging position with the camera has a relationship with the angle βa as shown in equation (6) with c as a constant, so x a = c・tanβa ...(6) x with respect to plane 6 a is a function of R x a (R)
can be written as, and by transforming equation (5), equation (7) can be obtained.

Za(xa(R)/c−tanα(R))=X0−Z0tanα(R

……(7) 全く同様に、次に平面7の位置に白板を置き、
画像を撮像するとRとxb(R)の関係が得られ、
式(8)となる。
Z a (x a (R)/c−tanα(R))=X 0 −Z 0 tanα(R
)
...(7) In exactly the same way, next place a white board at the position of plane 7,
When an image is captured, the relationship between R and x b (R) is obtained,
Equation (8) is obtained.

Za(xb(R)/c−tanα(R))=X0−Z0tanα(R

……(8) 式(7)(8)から未知数X0−Z0tanα(R)及びtannα
(R)を求め、式(1′)に代入するこよによつて、
式(9)が得られる。
Z a (x b (R)/c−tanα(R))=X 0 −Z 0 tanα(R
)
...(8) From equations (7) and (8), the unknowns X 0 −Z 0 tanα(R) and tannα
By finding (R) and substituting it into equation (1'),
Equation (9) is obtained.

Z=ZaZb(xb(R)−xa(R))/{(ZaZb)・x+
(Zb・xb(R)−Za・xa(R)} ……(9) すなわち、平面6及び平面7の位置で撮像され
た画像により、比Rとx座標の関係xa(R)及び
xb(R)を求めておけば、実際の計測においても、
各画素のx座標と撮像された画像から得られる比
Rにより、物体のZ座標が式(9)により得られるこ
とがわかる。Yの座標、X0,Z0,α(R)などの
値を陽に知る必要はない。
Z=Z a Z b (x b (R)−x a (R))/{(Z a Z b )・x+
(Z b・x b (R) − Z a・x a (R)} ...(9) In other words, the relationship between the ratio R and the x coordinate x a ( R) and
If x b (R) is calculated, in actual measurement,
It can be seen that the Z coordinate of the object can be obtained by equation (9) using the x coordinate of each pixel and the ratio R obtained from the captured image. There is no need to explicitly know the values of Y coordinate, X 0 , Z 0 , α(R), etc.

(実施例) 上記作用に基づいた、本発明の実施例を第1図
を参照して説明する。
(Example) An example of the present invention based on the above operation will be described with reference to FIG.

カメラ5の異なる分光感度を持つ、2つのセン
サで取得された画像データはA/D変換器8,9
を介して2つの画像メモリ10及び11に格納さ
れる。比画像演算回路12は画像メモリ10及び
11の各画素毎に比Rを式(3)に従つて演算し、比
画像を比画像メモリ13に格納する。スイツチ1
4は画像メモリ13からの読み出しデータの流れ
を切り換える。
Image data acquired by two sensors with different spectral sensitivities of the camera 5 are transferred to A/D converters 8 and 9.
The image data is stored in two image memories 10 and 11 via the image memory 10 and 11. The ratio image calculation circuit 12 calculates the ratio R for each pixel in the image memories 10 and 11 according to equation (3), and stores the ratio image in the ratio image memory 13. switch 1
4 switches the flow of read data from the image memory 13.

平面6に白板を置いて画像取得した場合、較正
データ演算回路15は、スイツチ14を介して格
納された比画像から平面6における比Rとx座標
の較正データxa(R)を求め保持する。同様に、
平面7に白板を置いて画像を取得した場合、較正
データ演算回路16はスイツチ14を介し、格納
された比画像から平面7における比Rとx座標の
較正データxb(R)を求め保持する。
When an image is acquired by placing a white board on the plane 6, the calibration data calculation circuit 15 calculates and holds the ratio R and x-coordinate calibration data x a (R) on the plane 6 from the ratio image stored via the switch 14. . Similarly,
When an image is acquired by placing a white board on the plane 7, the calibration data calculation circuit 16 calculates and holds the ratio R and x-coordinate calibration data x b (R) on the plane 7 from the stored ratio image via the switch 14. .

実際に物体迄の距離を測定する場合、距離演算
部17は比画像メモリ13から画像毎に比Rをx
座標値と共に読み出し式(a)に従つて、較正データ
xa(R)及びxb(R)を参照しながら距離Zを求め
距離画像メモリに書き込む。以上の一連の動作の
結果、距離画像メモリ18の各画素には、カメラ
5かつ物体4迄の距離Zが得られる。
When actually measuring the distance to an object, the distance calculation unit 17 calculates the ratio R for each image from the ratio image memory 13 by
Calibration data according to readout formula (a) along with coordinate values
While referring to x a (R) and x b (R), the distance Z is determined and written to the distance image memory. As a result of the above series of operations, the distance Z from the camera 5 to the object 4 is obtained in each pixel of the distance image memory 18.

(発明の効果) 以上に詳しく述べたように、本発明を利用する
ことにより、特願59−197414に示したレンジフア
インダから、各画素に対する距離を得る際に必要
な種々のパラメータを測定することなく、二回の
画像入力により得られる較正データにより、簡便
に距離画像を得ることができる。
(Effects of the Invention) As described in detail above, by using the present invention, various parameters necessary for obtaining the distance to each pixel can be measured from the range finder shown in Japanese Patent Application No. 59-197414. A distance image can be easily obtained using calibration data obtained by inputting images twice.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の実施例を示すブロツク図、
第2図は、特願59−197414に示されたレンジフア
インダの説明図、第3図は本発明の較正を行う場
合の配置を示す説明図である。 1……光源、2……レンジ、3……回折格子、
4……物体、5……カメラ、6,7……較正の持
ちいる平面、8,9……A/D変換器、10,1
1……画像メモリ、12……比画像演算回路、1
3……比画像メモリ、14……スイツチ、15,
16……較正データ演算回路、17……距離演算
部、18……距離画像メモリ。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an explanatory diagram of the range finder shown in Japanese Patent Application No. 59-197414, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing the arrangement when calibrating the present invention. 1...Light source, 2...Range, 3...Diffraction grating,
4...Object, 5...Camera, 6,7...Plane with calibration, 8,9...A/D converter, 10,1
1... Image memory, 12... Ratio image calculation circuit, 1
3... Ratio image memory, 14... Switch, 15,
16...Calibration data calculation circuit, 17...Distance calculation section, 18...Distance image memory.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 回折格子等によつて分光されたスペクトルパ
ターンを物体に投写し、この画像を異なる分光感
度のセンサによつて撮像し、各画素について、物
体迄の距離を求めるレンジフアインダにおいて、
センサの複数の出力をデイジタル値に変換する複
数のA/D変換器の出力から比を演算する比画像
演算手段と、前記センサを含むカメラから異なる
2つの距離に平面物体を置き、前記比画像演算手
段の出力である比のデータから各々の距離におけ
る較正データを演算する較正データ演算手段と、
距離測定の場面において、前記比画像演算手段の
出力と該較正データ演算手段により得られる両較
正データから各画素に対して物体迄の距離を演算
する距離演算手段とを含み、レンジフイルタのセ
ンサ出力から距離画像を得る距離画像取得装置。
1 In a range finder, a spectral pattern separated by a diffraction grating or the like is projected onto an object, this image is captured by sensors with different spectral sensitivities, and the distance to the object is determined for each pixel.
ratio image calculation means for calculating a ratio from the outputs of a plurality of A/D converters that convert the plurality of outputs of the sensors into digital values; and a planar object placed at two different distances from the camera including the sensor; Calibration data calculation means for calculating calibration data at each distance from the ratio data that is the output of the calculation means;
In the scene of distance measurement, the sensor output of the range filter includes distance calculation means for calculating the distance to the object for each pixel from the output of the ratio image calculation means and the calibration data obtained by the calibration data calculation means. A distance image acquisition device that obtains a distance image from.
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