CN111536895A - 外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法 - Google Patents

外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法 Download PDF

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Abstract

提供外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法。外形识别装置具备：投射图案光的投光部；调节投光部的图案光的光量的光量调节部；从不同的视点拍摄对象物及放置面的2个摄影部；根据2个图像的视差来按照二维位置计算距离的距离计算部；图像生成部，其按照二维位置从最大距离到最小距离来灰度显示距离，并生成以与放置面不同的灰度来表示距离计算部无法计算出距离的位置的距离图像及外形提取部，其对距离图像进行图像处理来提取对象物的外形。光量调节部调节投光部的光量使无法通过距离计算部计算出对象物的至少外形的距离，且能够计算放置面的距离，图像生成部以距离图像的灰度显示的最大距离为比放置面的距离大的距离的方式来生成图像。

Description

外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法
技术领域
本发明涉及外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法。
背景技术
在工厂等中采用一种装置，由摄像机拍摄放置在传送带上而被运送的工件，通过图像处理识别工件的外形(轮廓)并通过机器人臂等拾取工件。在这种装置中在工件(对象物)的颜色和传送带(背景)的颜色近似时或工件透明(光透射率比较大)时，可能不能够通过图像处理来准确地识别工件的外形。
为了识别工件的外形，考虑使用按照通过摄像机拍摄的图像的每个二维位置(像素)来测量到被摄体的距离，并且显示各个像素的颜色作为与距离对应的颜色(例如浓淡)的距离图像。作为得到这样的距离图像的技术，已知一种三维测量技术，通过配置在不同位置上的2台摄像机拍摄投影到对象物表面的图案(pattern)光的图像，并根据2台摄像机所拍摄的图像间的视差来按照摄影图像的每个像素计算到对象物的距离(例如参照专利文献1)。
在将图案光投影到对象物表面的三维测量技术中，当对象物透明时，会有无法识别投影到对象物表面的图案(pattern)而无法计算距离的情况。因此，期待一种能够准确地检测具有透明性的对象物的外形的技术。
专利文献
专利文献1：日本特开2001-285762号公报
发明内容
本公开一个方式的外形识别装置为识别配置在放置面上的对象物的外形的外形识别装置，具备：投光部，其将图案光投射到上述对象物以及上述放置面；光量调节部，其调节上述投光部的图案光的光量；2个摄影部，其从不同的视点拍摄包括来自上述对象物以及上述放置面的上述图案光的反射光的图像；距离计算部，其根据上述2个摄影部从不同的视点拍摄到的图像的视差来按照每个二维位置计算到上述对象物以及上述放置面的距离；图像生成部，其按照每个二维位置从最大距离到最小距离对上述距离计算部计算出的距离进行灰度表示，并且生成以与上述放置面不同的灰度来表示上述距离计算部无法计算出距离的位置的距离图像；以及外形提取部，其对上述图像生成部所生成的距离图像进行图像处理来提取上述对象物的外形，上述光量调节部调节上述投光部的光量，使得无法通过上述距离计算部计算出上述对象物的至少外形的距离，且能够计算上述放置面的距离，上述图像生成部以上述距离图像的灰度表示的最大距离成为比上述放置面的距离大的距离的方式来生成图像。
本公开的另外一个方式的外形识别方法为识别配置在放置面上的对象物的外形的外形识别方法，具备以下工序：将图案光投射到上述对象物以及上述放置面的工序；从不同的视点拍摄包括来自上述对象物以及上述放置面的上述图案光的反射光的图像的工序；根据从上述不同的视点拍摄到的2个图像的视差来按照每个二维位置计算到上述对象物以及上述放置面的距离的工序；按照每个二维位置对根据上述2个图像计算出的距离进行灰度表示，并且生成以与上述放置面不同的灰度来表示通过计算上述距离的工序无法计算出距离的位置的距离图像的工序；以及对上述距离图像进行图像处理来提取上述对象物的外形的工序，在投射图案光的工序中，设定上述图案光的光量使得无法通过计算上述距离的工序计算上述对象物的至少外形的距离，且能够计算上述放置面的距离，在生成上述距离图像的工序中，将上述距离图像的灰度表示的最大距离设定为比上述放置面的距离大的距离。
根据本公开的外形识别装置以及外形识别方法，即使在对象物具有透明性的情况下也能够准确地检测出其外形。
附图说明
图1是表示本公开一个实施方式的外形识别装置的结构的示意图。
图2是表示通过图1的外形识别装置进行的外形识别方法的步骤的流程图。
图3是例示通过图1的外形识别装置检测外形的对象物的图像。
图4是将图3的对象物距离设为可测量最大限时的距离图像的一例。
图5是通过图1的外形识别装置生成的图3的对象物的距离图像的一例。
图6是表示本公开一个实施方式的外形识别系统的结构的示意图。
附图标记的说明
1：外形识别装置、2：管理装置、10：投光部、20：光量调节部、30A、30B：摄影部、40：距离计算部、50：图像生成部、60：外形提取部、100：外形识别系统、P：放置面、W：对象物。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的外形识别装置的结构的示意图。图1的外形识别装置1识别配置在放置面P上的具有透明性的对象物W的外形。
外形识别装置1具备：投光部10，其将图案光投射到对象物W以及放置面P；光量调节部20，其调节投光部10的图案光的光量；2个摄影部30A、30B，其从不同的视点拍摄包括来自对象物W以及放置面P的图案光的反射光的图像；距离计算部40，其根据2个摄影部30A、30B从不同的视点拍摄到的图像的视差按照每个二维位置来计算到对象物W以及放置面P的距离；图像生成部50，其按照每个二维位置从最大距离到最小距离对距离计算部40计算出的距离进行灰度表示，且生成以与放置面不同的灰度(在本实施方式中与最大距离相同的灰度)来表示距离计算部40无法计算出距离的位置的距离图像；以及外形提取部60，其对图像生成部50所生成的距离图像进行图像处理来提取对象物W的外形。
投光部10是能够投射图案光的投光部即可，但是典型地使用投影仪。投光部10所投射的图案光的图案优选在垂直于光轴的二维平面上规则排列的具有多个特征点的图案。
光量调节部20控制投光部10的光量，使得无法通过距离计算部40计算出对象物W的至少外形(从投光部10观察时的外缘部)的距离，且能够计算出放置面P的距离。
摄影部30A、30B能够由摄像机构成，该摄像机具有使来自被摄体的光的像成像的光学系统和按照每个二维位置将成像的像转换为电信号的二维摄像元件。摄影部30A、30B优选配置为离放置面P的距离相互相等。另外，摄影部30A、30B优选配置为光学系统的光轴相对于放置面P大致垂直。
摄影部30A、30B从不同的视点拍摄包括来自对象物W以及放置面P的图案光的反射光的图像。即，摄影部30A、30B通过图案光拍摄表面被赋予了图案状花纹的对象物W以及放置面P的图像。
距离计算部40提取由摄影部30A、30B拍摄的图像的图案光的图案特征点的坐标，计算2个图像的对应的特征点的视差。并且，距离计算部40根据各个特征点的视差来计算从摄影部30A、30B到对象物W或放置面P的表面上的投影了图案光的特征点的点的距离。这样，距离计算部40按照垂直于摄影部30A、30B的光轴的每个二维位置来计算到对象物W或放置面P的距离。
另外，在有无法充分识别投影到对象物W的表面的图案的部分时，距离计算部40不能够计算出无法充分识别对象物W的表面的图案的部分的距离。在对象物W具有透明性时，图案光从对象物W透射且不会充分地向摄影部30A、30B进行反射，在摄影部30A、30B拍摄的图像中变得难以识别通过图案光投影的图案。在具有透明性的对象物W的情况下，会有投光部10的光量越小则距离计算部40进行的距离计算变得越困难的趋势。“具有透明性”不限于无色透明，包括有色透明和半透明。
图像生成部50生成通过二维位置的像素的浓淡表示距离计算部40计算出的每个该二维位置到对象物W或放置面P的距离的距离图像。图像生成部50以浓淡从适当设定的最大距离到最小距离发生变化的方式进行灰度表示。具体地说，图像生成部50通过亮度例如从0到255的256个灰度的灰阶(gray scale)来表示各个像素的颜色，生成在所设定的最大距离中亮度为最小值且在所设定的最小距离中亮度为最大值的距离图像。此时，超过最大距离的距离的像素亮度为最小值，小于最小距离的距离的像素亮度为最大值。另外，图像生成部50将与不能够计算距离的位置对应的像素的亮度设为最小值。即，图像生成部50在不能够识别通过图案光在对象物W或放置面P的表面上描绘的图案的特征点时，将所对应的像素亮度设为与无限远相同的亮度。
图像生成部50将距离图像的灰度表示的最大距离设定为比放置面P的距离更大的距离。这样，距离图像的放置面P的像素亮度成为比最小值更大的值，能够与无法通过距离计算部40计算出距离的位置的像素进行区别。
另外，优选图像生成部50将距离图像的灰度表示的最小距离设定为比放置面的距离更大的值。这样，在对象物W以及放置面P的表面上，通过距离计算部40能够计算出距离的坐标亮度都成为最大值。另一方，无法通过距离计算部40计算出距离的位置的像素亮度是最小值，因此无法通过距离计算部40计算出距离的位置和能够计算出距离的位置之间的对比度成为最大，因此接下来说明的外形提取部60检测对象物W的外形变得更容易。在将距离图像的灰度表示的最小距离设定为比放置面更大的值时，该灰度可以是2个灰度(单色)。
外形提取部60根据图像生成部50所生成的距离图像，通过公知的图像处理技术对对象物W的外形形状进行图案识别，从而识别距离图像中的对象物W的外形。具体地说，在距离图像中，会存在噪音，但基本上对象物W的像素亮度为最小值，放置面P的像素亮度成为固定的较大的值(将距离图像的亮度表示的最小距离设定为比放置面的距离更大的值时为最大值)。因此，外形提取部60提取距离图像中在亮度小的部分的轮廓中与对象物W的外形形状近似的外形作为对象物W的外形。
接着，说明能够通过外形识别装置1进行的本公开一个实施方式的外形识别方法的步骤。图2是表示通过外形识别装置1进行的外形识别方法的步骤的流程图。因此，在图2的外形识别方法中，使用赋予图1的外形识别装置1的结构要素的附图标记来说明。
图2的外形识别方法是识别配置在放置面P上的对象物W的外形的外形识别方法。图3例示具有透明性的对象物W。图3是在没有从投光部10投射图案光的状态下通过摄像装置A拍摄到的图像的例子。如图所示，在通常的图像中难以识别对象物W的外形。
图2的外形识别方法具备以下工序：将图案光投射到对象物W以及放置面P的工序(步骤S1：投光工序)；从不同的视点拍摄包括来自对象物W以及放置面P的图案光的反射光的图像的工序(步骤S2：拍摄工序)；根据从不同的视点拍摄到的2个图像的视差来按照每个二维位置计算到对象物W以及放置面P的距离的工序(步骤S3：距离计算工序)；按照每个二维位置对根据2个图像计算出的距离进行灰度表示，且生成以与放置面不同的灰度(典型地与最大距离相同的灰度)来表示不能够通过距离计算工序计算出距离的位置的距离图像的工序(步骤S4：距离图像生成工序)；以及对距离图像进行图像处理来提取对象物的外形的工序(步骤S5：外形提取工序)。
在步骤S1的投光工序中，通过投光部10将图案光投射给对象物W以及放置面P。图案光的光量被设定为无法计算对象物W的至少外形的距离且能够计算放置面P的距离。这种光量的设定在连续检测相同种类的对象物W的外形时，最初能够作为将对象物W的样品配置在放置面P上，一边由操作员确认距离图像一边通过手动操作进行的校准。另外，光量的设定在将对象物W配置在预先决定的位置以及朝向时，操作员将对象物W配置在预先决定的位置以及朝向上，由此外形识别装置1能够自动调节图案光的强度。
在步骤S2的拍摄工序中，通过2个摄影部30A、30B拍摄投射图案光后表面上被投影图案的对象物W以及放置面P。这样，由于摄影部30A、30B间的位置不同，摄影部30A、30B的2个摄影图像成为被摄体(对象物W以及放置面P)的各部位置偏离了与离摄影部30A、30B的距离对应的距离的具有所谓的视差的图像。
在步骤S3的距离计算工序中，根据摄影部30A、30B拍摄到的2个图像的视差来计算离各部的摄影部30A、30B的距离。此时，为了保证图案光的图案特征点是对象物W或放置面P的表面的同一点，针对图案特征点计算距离，由此能够比较准确地计算到摄影图像中的对象物W以及放置面P的各个二维位置的距离。
在步骤S4的距离图像生成工序中，生成通过各个像素的颜色的灰度表示来表示每个二维位置的距离的距离图像。此时，需要将灰度表示的最大距离设为放置面P的距离以上，优选将最小距离设为放置面P的距离以上。
图4是通过距离图像生成工序得到的距离图像的一例。这样，在投光工序中不能够计算出对象物W的距离，且能够计算出放置面P的距离，由此对象物W的像素亮度与无限远的亮度相同，在二维位置中对象物W的周围的放置面P的亮度成为表示近距离的亮度。对此，如以往那样，图5表示在将投光工序的光量设定为能够尽可能地计算对象物W的表面距离的光量时得到的距离图像。这样，在对象物W具有透明性时，能够计算出对象物W的表面距离是困难的。
在步骤S5的外形提取工序中，通过众所周知的图像处理技术来识别距离图像中的对象物W的外形。如果是图4所示的距离图像，则能够比较准确地识别对象物W的外形。
以上，根据外形识别装置1以及外形识别方法来调节图案光的光量使得不能够测量对象物W的表面距离，由此能够通过图像处理容易地识别对象物W的外形。因此，通过外形识别装置1以及外形识别方法能够准确地检测具有透明性的对象物的外形。
进一步，说明本公开一个实施方式的外形识别系统。图6是表示外形识别系统100的结构的示意图。
外形识别系统100具备多个外形识别装置1、经由网络与多个外形识别装置1连接的管理装置2。
管理装置2从多个外形识别装置1收集由光量调节部20调节了光量的信息。这样，管理装置2收集适用于对象物W的光量的信息，当在各个外形识别装置1中处理新的种类的对象物W时，在其他的外形识别装置1中提供针对同种的对象物W所设定的光量的趋势等信息，由此能够容易进行光量的调节，并且能够提高对象物W的外形识别的精度。因此，管理装置2优选根据例如通过深层学习等，能够根据从多个外形识别装置1得到的信息推定更优选的光量。
以上，说明了本公开的实施方式，但是本公开的外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法不限于上述实施方式。另外，本实施方式所记载的效果不过列举了本公开产生的最优选的效果，本公开的效果不限于本实施方式所记载的内容。
在本公开的外形识别装置、外形识别系统以及外形识别方法中，图像生成部可以生成通过与最大距离相同的灰度以外的与放置面不同的灰度表示距离计算部不能够计算出距离的位置的距离图像。作为与放置面不同的灰度，能够设为明确与最小距离或放置面不同的特定的灰度，可以是根据图案光的光量设置的灰度。

Claims (4)

1.一种外形识别装置，识别配置在放置面上的对象物的外形，其特征在于，
该外形识别装置具备：
投光部，其将图案光投射到上述对象物以及上述放置面；
光量调节部，其调节上述投光部的图案光的光量；
2个摄影部，其从不同的视点拍摄包括来自上述对象物以及上述放置面的上述图案光的反射光的图像；
距离计算部，其根据上述2个摄影部从不同的视点拍摄到的图像的视差来按照每个二维位置计算到上述对象物以及上述放置面的距离；
图像生成部，其按照每个二维位置从最大距离到最小距离对上述距离计算部计算出的距离进行灰度显示，并且生成以与上述放置面不同的灰度来表示上述距离计算部无法计算出距离的位置的距离图像；以及
外形提取部，其对上述图像生成部所生成的距离图像进行图像处理来提取上述对象物的外形，
上述光量调节部调节上述投光部的光量，使得无法通过上述距离计算部计算出上述对象物的至少外形的距离，且能够计算上述放置面的距离，
上述图像生成部以上述距离图像的灰度表示的最小距离成为比上述放置面的距离大的距离的方式来生成图像。
2.根据权利要求1所述的外形识别装置，其特征在于，
上述图像生成部以上述距离图像的灰度表示的最小距离成为比上述放置面的距离大的距离的方式来生成图像。
3.一种外形识别系统，其特征在于，
该外形识别系统具备多个权利要求1或2所述的外形识别装置、从多个上述外形识别装置收集由上述光量调节部调节了的光量的信息的管理装置。
4.一种外形识别方法，识别配置在放置面上的对象物的外形，其特征在于，
该外形识别方法具备以下工序：
将图案光投射到上述对象物以及上述放置面的工序；
从不同的视点拍摄包括来自上述对象物以及上述放置面的上述图案光的反射光的图像的工序；
根据从上述不同的视点拍摄到的2个图像的视差来按照每个二维位置计算到上述对象物以及上述放置面的距离的工序；
按照每个二维位置对根据上述2个图像计算出的距离进行灰度表示，并且生成以与上述放置面不同的灰度来表示无法通过计算上述距离的工序计算出距离的位置的距离图像的工序；以及
对上述距离图像进行图像处理来提取上述对象物的外形的工序，
在投射图案光的工序中，设定上述图案光的光量使得无法通过计算上述距离的工序计算上述对象物的至少外形的距离，且能够计算上述放置面的距离，
在生成上述距离图像的工序中，将上述距离图像的灰度表示的最大距离设定为比上述放置面的距离大的距离。
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