JP2011007632A - 情報処理装置、情報処理方法およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の情報処理装置は、測定対象物と当該測定対象物のモデルとの位置および/又は姿勢を合わせるための情報処理装置であって、前記測定対象物の撮像画像を取得する取得手段と、前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の表面形状を示す情報を算出する算出手段と、前記表面形状を示す情報に基づき、前記モデルの位置および/又は姿勢を制限する制限手段とを有することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
図1は、本実施形態における情報処理装置の具体的な装置構成を示したものである。図1を用いて、本実施形態における装置構成を説明する。
11は、スリットレーザ投光器10の前部に配置されている光走査部11である。光走査部11は、可動式のガルバノミラーもしくはポリゴンミラーによって構成され、外部からの制御命令に従ってレーザスリット光の投光角度を変更できるようになっている。
20は、所定の作業領域を撮像可能なカメラである。カメラ20によって得られた撮像画像は、公知の校正手法によってレンズ収差を取り除いたものが得られるとする。
30は、所定の作業領域に配置され、カメラ20による撮像対象となる測定対象物30である。測定対象物30は、例えば、工場内におけるロボットなどの被作業物体であり、ロボットによる作業を行うためには位置姿勢を算出する必要がある。
40は計算機40であり、光走査部11およびカメラ20に接続され、それぞれの制御および画像処理を行う。計算機40は、CPU(セントラルプロセッシングユニット)、RAM(ランダムアクセスメモリ)などの一時記憶手段、ROM(ランダムアクセスメモリ)などの記憶手段などの一般的なパーソナルコンピュータと同様の構成を有する。記憶手段には、光走査部11を制御するための走査制御プログラム、カメラ20の撮像を制御する撮像制御プログラム、カメラ20によって取得された撮像画像の画像処理を行うための画像処理プログラムなどのコンピュータプログラムが格納されている。画像処理プログラムは、撮像画像からパターン光を検出するための校正プログラム、測定対象物30の位置および/又は姿勢を算出するための三次元モデル、三次元モデルの移動可能な範囲を制限する制限プログラムなどから構成される。
A200は測定対象物30の画像データを取得するための撮像手段で、投光手段とは独立もしくは共に設置されている。A200は、カメラ20に対応する。
A300はさまざまな計算および投光手段A100および撮像手段A200の制御を行う計算部である。計算部A300は計算機40に対応する。計算部A300は、以下の複数の手段から構成されている。
計算部A300の構成の一部である画像データ保持手段A301は、撮像手段A200から撮像画像を取得する取得手段、および撮像画像をデータとして保持する保持手段として機能する。
計算部A300の構成の一部である校正値算出手段310は、画像データ保持手段に保持されている撮像画像から、パターン光の領域(光切断線101)を抽出する。
計算部A300の構成の一部である校正値保持手段A302は、校正値算出手段により算出されたパターン光の領域に関する情報を保持する保持手段として機能する。
計算部A300の構成の一部である3次元計測値算出手段A320は、校正値保持手段A302に保持されているパターン光の領域を用いて、パターン光の座標(光切断線上の輝点位置それぞれの座標値)を算出する。また、3次元計測値を用いて、計測対象物30の表面形状を示す情報(平面方程式など)を算出する算出手段として機能する。
計算部A300の構成の一部である3次元モデルデータ保持手段A303は、測定対象物30の位置及び/又は姿勢を算出するために用いられる測定対象物30の3次元モデルデータを保持する保持手段として機能する。3次元モデルデータはコンピュータグラフィックスなどのデータであり、測定対象物30との3次元モデルフィッティングを行うことにより、測定対象物30の位置及び/又は姿勢を求めることが可能になる。
計算部A300の構成の一部である物体位置・姿勢算出手段A340は、3次元モデルデータで3次元モデルフィッティングを行うことにより、前記測定対象物30の位置及び/又は姿勢を算出する位置姿勢算出手段として機能する。
計算部A300の構成の一部であるパラメータ空間限定手段A330は、計測対象物30の表面形状を示す情報を用いて、3次元モデルフィッティングを行う際の3次元モデルの移動可能な範囲を制限する制限手段として機能する。
(S100) S100(ステップ100)は、情報処理装置による処理の開始工程である。
(S110) S110(ステップ110)は、投光手段A100が測定対象物30に対してパターン光を投光し、撮像手段A200が測定対象物30の撮像画像を取得する画像データ取得工程である。
(S120) S120(ステップ120)は、画像データ保持手段A301に保持された撮像画像からパターン光の領域を抽出し、抽出されたパターン光の領域から光切断線上の輝点それぞれの座標値を算出する3次元計測工程である。
(S130) S130(ステップ130)は、S120で算出された座標値を用いて、パターン光が照射された測定対象物の表面形状を示す情報(平面方程式もしくは曲面方程式)を求める測定対象物面推定工程である。より具体的には、3次元計測工程S120において得られた3次元情報のクラスタリングもしくはセグメンテーションを行い、照射されている被測定対象物体30の表面部分の平面式(法線ベクトルおよび照射平面)を推定する。クラスタリングおよびセグメンテーションの方法は3次元計測工程S120において得られた三次元情報を用いて近傍同士を比較して膨張処理を行ってもよいし、画像データ取得工程S110において得られた画像上であらかじめクラスタリングしておいてもよい。具体的にはハフ変換などで直線検出を行い、同じ傾き、もしくは輝度勾配を持つ光切断線もしくは光切断線上の輝点位置を検出しておき、同じクラスに属する光切断線上の輝点位置のみを使い最小二乗法などを用いて平面式を推定する。図5の場合、被測定対象物面102は得られた推定された平面から光切断線101および被測定対象物体のエッジにより切られる範囲となる。
(S140) S140(ステップ140)は、S120で算出された表面形状を示す情報を用いて、物体位置・姿勢算出手段A340による3次元モデルフィッティングを行う際の3次元モデルの移動可能な範囲を制限するパラメータ空間限定工程である。より具体的には、世界座標上に照射面推定工程S130において得られた平面を形成し、3次元モデルデータ保持手段A303に保持されている3次元モデルの位置・姿勢を変化させる。そして、前記平面と前記3次元モデルの平面が一致する3次元モデルの位置・姿勢をパラメータ空間内のパラメータ探索範囲(拘束条件)とする(図5)。3次元モデル上の照射部分に対応する面を照射面に一致させ、平面拘束化で3次元モデルの位置を変化させて、照射平面の輪郭線(光切断線)上の点が3次元モデルの一致する面内に存在する範囲を算出する。
(S150) S150(ステップ150)は、3次元モデルデータ保持手段A303に保持されている3次元モデルデータで3次元モデルフィッティングを行う物体位置・姿勢算出工程である。より具体的には、パラメータ空間限定工程S140において得られたパラメータ空間において最適化計算(位置・姿勢パラメータ2乗誤差平均が最小となるパラメータ抽出)を行い、最終的な3次元モデルの位置・姿勢パラメータを算出する。パラメータ空間限定工程S140において得られたパラメータ空間内の探索範囲が複数個存在する場合はすべての部分空間において最適化計算を行う。そして、最終的に画像座標上で3次元モデルと画像上に投影されている被測定対象物の位置・姿勢パラメータとの誤差の最も小さいものを正解値とする。図5の場合、3次元モデルは被測定対象物面推定工程S130において得られた平面によって平面拘束されているので、以下に平面拘束化における画像ヤコビアンを導出する。3次元モデルの位置・姿勢パラメータの初期値はそれぞれ限定されたパラメータ空間内で選択する。
(S160) S160(ステップ160)は、情報処理装置による処理の終了工程である。
次に、本実施形態における校正方法について説明する。
次に、本実施形態における3次元モデルフィッティングの具体的な処理について説明する。まず、図6のように座標系を定義する。3次元モデル座標系70、拘束される平面をXY平面とし、平面の法線ベクトルをZ軸とする平面座標系71、世界座標系72およびカメラ座標系73である。図6には図示しないが、画像座標系も存在する。
roとrpとの関係は平面の法線ベクトルまわりの回転αと並進運動によって次のように表せる。
平面上の回転(法線まわり)α
usinθ−vcosθ=r 式13
ただし、
r=uksinθ−vkcosθ(定数) 式14
である。該対応点60を通り、線分51に平行な直線上の点(u、v)は式15を満たす。
usinθ−vcosθ=d 式15
ただし、
d=u’ksinθ−v’kcosθ(定数) 式14
である。よって、該分割点52と該対応点60までの距離はd−rで計算される。該対応点60の画像座標系における座標値は3次元モデルの位置・姿勢の関数である。3次元モデルの位置・姿勢の自由度は6自由度である。ここで3次元モデルの位置及び姿勢を表すパラメータをpで表す。pは6次元ベクトルであり、3次元モデルの位置を表す3つの要素と、姿勢を表す3つの要素からなる。姿勢を表す3つの要素は、例えばオイラー角による表現や、方向が回転軸を表して大きさが回転角を表す3次元ベクトルなどによって表現される。図5の場合、平面拘束化において平面座標系におけるX軸方向にのみ3次元モデルを動かしてフィッティングを行えばよいが、ここでは6自由度の場合のエッジを用いた3次元フィッティングについて説明する。
(u、v)を分割点52の画像座標系における座標として(uk、vk)の近傍で1次のテイラー展開によって近似すると式17のように表せる。
数式21より、行列Jの一般化逆行列(JT・J)−1を用いてΔpが求められる。ただし、本実施例では1自由度問題に帰着できるので、p1=tx poと考えて、Δp1のみ計算すればよい。最終的にはΔp1がしきい値以下になるまで繰り返し計算を行う。
本実施形態における基本的な構成は、第一の実施形態と同様である。第一の実施形態と異なる点は、図9に示すように、スリットレーザ投光器10としてマルチスリットレーザ投光器を用いていることである。スリットレーザ投光器10は、一度に複数のスリット光(マルチスリット照明光)を照射可能なレーザ投光器であり、撮像画像から複数の光切断線を抽出することが可能となる。一枚の撮像画像から複数の光切断線を抽出することが可能になるため、取得する撮像画像数を減らし、処理時間をより短縮することが出来る。
本実施形態における校正方法を以下に説明する。
マルチスリット光をあらかじめ世界座標系における座標値が既知の冶具に照射して、その照射位置を画像上で測定し、先の射影行列αを用いて3次元位置を計算することでマルチスリット光平面の式をそれぞれ求めることができる。マルチスリット光のスリット数をK本、光走査部11原点位置からのk本目のスリット光照射角度をΦkとすれば、マルチスリット光平面の式は第一の実施形態と同様に表される。
本実施形態における装置構成は、第一の実施形態と同様である。第一の実施形態と異なる点は、第一の方向による第一のパターン光の情報では、パラメータ空間限定工程で十分なパラメータ拘束を行うことが出来ないと判断された場合、投光手段A100の投光を変化させる(第二のパターン光)。そして、再度、パラメータ空間限定工程を行うことである。上記工程を十分なパラメータ拘束を行うことが可能になるまで繰り返すことにより、測定対象物30の位置および姿勢をより高精度に求めることが可能になる。
本実施形態における実作業は、図10のフローに従って作業が行われる。画像データ取得工程S210〜パラメータ空間限定工程S240は、第一の実施形態における画像データ取得工程S110〜パラメータ空間限定工程S140と同様の処理を行う。
図12に、本実施形態における基本的な構成を示す。
A100は投光部で、パターン光を被測定対象物体に対して照射を行う投光手段A110と投光手段の位置・姿勢を変更させる作業手段A120から構成されている。
A200は画像データを取得するための撮像手段で、投光手段とは独立もしくは一緒に設置されている。
A300はさまざまな計算を行う計算部で、校正値算出手段A310、3次元計測値算出手段A320、パラメータ空間算出手段A330、物体位置・姿勢算出手段A340、計測制御手段A350などから構成されている。また、制御手段A360、投光器位置・姿勢決定手段A370、画像データ保持手段A301、校正値保持手段A302、および3次元モデルデータ保持手段A303などから構成されている。
照射位置・姿勢設定工程S310では、移動制御手段A360によって移動させることができる投光手段A100の位置・姿勢を決定する。被測定対象物体30への照射の前に撮像手段A200によって取得した画像から、投光器位置・姿勢決定手段A370において投光手段A100の位置・姿勢を設定する。画像データ取得工程S320〜物体位置・姿勢算出工程S370は、第1の実施例における画像データ取得工程S110〜物体位置・姿勢算出工程S140と同様の処理を行う。
ほぼ第1の実施形態における具体的な構成を示す図3と同様であるが、投光手段A110の位置・姿勢は投光器移動手段A120によって変更できるように設定されている。
画像データ取得工程S420では、カメラ20によって画像データを獲得する。
画像低解像度化工程S430では、計算部A300が解像度低減手段として機能し、画像データ取得工程S420において獲得された画像を画像の解像度を落とした画像に変換する。
本実施形態における基本的な構成は第四の実施形態と同様に図12で示される。具体的な構成は図16のように示される。実際の処理フローは図17のようになる。基本的には第4の実施形態と同様であるが、被測定対象物体が移動した場合に再度照射位置・姿勢設定工程S510において再度投光手段A100の位置・姿勢を制御する。被測定対象物体の移動検知についてはフレーム差分やオプティカルフロー推定によって行う。被測定対象物体の移動が検知された場合、再度第4の実施形態と同様、図15のフローに従って、投光手段A100の照射位置・姿勢を決定してもよいし、オプティカルフロー推定などの2次元速度推定を行ってもよい。また、被測定対象物体がロボットアームによって把持されている場合やベルトコンベアなでに乗っている場合は被測定対象物体の移動量は既知として、投光手段A100を移動させてもよい。画像データ取得工程S520〜物体位置・姿勢算出工程S560は、第1の実施例における画像データ取得工程S110〜物体位置・姿勢算出工程S150と同様の処理を行う。所定回数測定および位置・姿勢算出を行ったのち、フローは終了となる。
本実施形態における基本的な構成は第1の実施形態と同様に図1で示され、具体的な構成も第1の実施形態と同様に図3のように示され、実際の処理も、第1の実施形態と同様に図2のフローに従って作業が行われる。3次元モデルが図18のように円柱であるため、円柱の側面に拘束される。図18の場合、3次元モデルは照射面推定工程S130において得られた曲面によって曲面拘束されているので、以下に曲面拘束化における画像ヤコビアンを導出する。本実施形態において、3次元モデルは円柱の軸方向のみにしか移動させることができないので、軸方向への画像ヤコビアンのみを導出する。
図19は、本実施形態における機能構成を示した図である。第一の実施形態と本実施形態とで異なる点は、投光手段A100、校正値算出手段A310、校正値保持手段A302が機能構成に含まれず、撮像手段A200がステレオカメラ20に対応していることである。
20は撮像手段A200に相当するステレオカメラ20が固定されている。ステレオカメラ20によって得られた画像は、公知の校正手法によってレンズ収差を取り除いたものが得られるとする。40は計算部A300に相当する計算機で、プログラムとして3次元計測値算出手段A320、パラメータ空間限定手段A330および物体位置・姿勢算出手段A340を持っている。またカメラ20を制御することのできる計測制御手段A350(に相当するインターフェース)が装備されている。また、画像データ保持手段A301として利用できるメモリを搭載し、3次元モデルデータ保持手段A303として利用できる不揮発性の記憶装置を外部もしくは内部に持っている。計算機40はカメラ20に接続されている。
Claims (11)
- 測定対象物と当該測定対象物のモデルとの位置および/又は姿勢を合わせるための情報処理装置であって、
前記測定対象物の撮像画像を取得する取得手段と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の表面形状を示す情報を算出する算出手段と、
前記表面形状を示す情報に基づき、前記モデルの位置および/又は姿勢を制限する制限手段とを有することを特徴とする情報処理装置。 - 前記測定対象物に対するパターン光を投光手段に投光させる投光制御手段を有し、
前記算出手段は、前記撮像画像から前記パターン光の領域を抽出し、当該抽出されたパターン光の領域と前記投光手段の投光方向とに基づき、前記表面形状を示す情報を算出することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記投光制御手段は、前記投光手段に、第一の方向から第一のパターン光を投光させ、
前記第一の方向と異なる第二の方向から第二のパターン光を投光させ、
前記取得手段は、前記第一のパターン光が撮像された第一の撮像画像と、前記第二のパターン光が撮像された第二の撮像画像とを取得し、
前記算出手段は、前記第一の撮像画像から前記第一のパターン光の領域を抽出し、当該抽出された第一のパターン光の領域と前記第一の方向とに基づき前記測定対象物の第一の表面形状を示す情報を算出し、前記第二の撮像画像から前記第二のパターン光の領域を抽出し、当該抽出された第二のパターン光の領域と前記第二の方向とに基づき第二の表面形状を示す情報を算出し、
前記制限手段は、前記第一の表面形状を示す情報と前記第二の表面形状を示す情報とに基づき、前記モデルの位置および/又は姿勢の設定を制限することを特徴とする請求項2に記載の情報処理装置。 - 前記投光手段により投光されるパターン光は、マルチスリット照明光であることを特徴とする請求項2に記載の情報処理装置。
- 前記測定対象物と前記モデルとの位置および/又は姿勢を合わせることにより、前記測定対象物の位置および/又は姿勢を算出する位置姿勢算出手段を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の情報処理装置。
- 前記表面形状を示す情報は、前記測定対象物の表面を表す平面方程式であり、
前記制限手段は、前記モデルの位置および/又は姿勢を、前記平面方程式により表される平面上で前記モデルを回転および/又は平行移動させた場合の移動可能な範囲に制限することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の情報処理装置。 - 前記表面形状を示す情報は、前記測定対象物の表面を表す曲面方程式であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の情報処理装置。
- 前記撮像画像は、ステレオカメラにより撮像されたステレオ撮像画像であり、
前記算出手段は、前記ステレオ撮像画像と前記ステレオカメラの視差とに基づき、前記測定対象物の表面形状を示す情報を算出することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の情報処理装置。 - 測定対象物と当該測定対象物のモデルとの位置および/又は姿勢を合わせるための情報処理方法であって、
取得手段が、前記測定対象物の撮像画像を取得する取得工程と、
算出手段が、前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の表面形状を示す情報を算出する算出工程と、
制限手段が、前記表面形状を示す情報に基づき、前記モデルの位置および/又は姿勢を制限する制限工程とを有することを特徴とする情報処理方法。 - コンピュータを、
測定対象物と当該測定対象物のモデルとの位置および/又は姿勢を合わせるための情報処理装置であって、
前記測定対象物の撮像画像を取得する取得手段と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の表面形状を示す情報を算出する算出手段と、
前記表面形状を示す情報に基づき、前記モデルの位置および/又は姿勢を制限する制限手段とを有することを特徴とする情報処理装置として機能させるためのコンピュータプログラム。 - 測定対象物の撮像画像を取得する取得手段と、
前記撮像画像の解像度を低減させる解像度低減手段と、
解像度を低減した前記撮像画像に基づき、前記測定対象物に対するパターン光を投光手段に投光させる投光制御手段とを有することを特徴とする情報処理装置。
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