JP2015007639A - 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
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。
本工程における処理は、前述したように、校正値算出手段310および3次元計測値算出手段A320によりなされる。
次に、本実施形態における校正方法について説明する。
ここでu´およびX’はuおよびXのスケールファクタを1とした同次座標であり、それぞれu’=[u、v、1]T、X´=[X、Y、Z、1]Tと表される。射影行列αは3×4行列であり、世界座標が既知の点を6点以上撮影し、その投影位置を測定して、式1より線形方程式として求めることができる。
実際の3次元計測においては、被測定対象物にスリット光を照射して画像座標上で得られる。その光切断線上の輝点位置u”=[u”、v”、1]Tより世界座標系における光切断線上の輝点位置X’i=[X’i、Y’i、Z’i、1]Tは下記のようにして表される。
式2を対応する数式3のスリット光平面式に代入することより、世界座標系における照射位置X’iを求めることができる。
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。
また、法線ベクトルnは数式5のように表される。
また、符号付き距離をrで表す場合に、平面座標系の原点Twpを、法線ベクトルnを方向ベクトルとして世界座標系の原点を通る直線と平面の交点とすると、次式のように表される。
今、ある点rの3次元モデルの座標系における位置をro=[xo、yo、zo]T、同点の平面座標系における位置をrp=[xp、yp、zp]Tと置く。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。
同様に点rの世界座標系における位置をrw=[xw、yw、zw]Tとおけば、RwpとTwpを用いて、rpとrwとの関係は次のように表すことができる。
次に点rのカメラ座標系における位置をrc=[xc、yc、zc]Tとし、rwからrcへの変換を示す。
よって、画像座標系における点rの位置uは以下のようになる。
式7、8、9、10を用いて画像ヤコビアンを以下のように算出する。
平面上の回転(法線まわり)α
平面上の並進運動tp0
となる。図5の場合、平面上の1軸の並進運動のみを考慮すればよいので∂u/∂tx poのみ用いる。この場合は三次元空間上の直線に拘束した三次元モデルフィッティングとなる。
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。
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。
ここで偏微分係数∂u/∂pi、∂v/∂piは画像ヤコビアンである。
数式17によって表される(u、v)が数式15で表される直線上に存在するように、3次元モデルの位置・姿勢パラメータpの補正値Δpを算出する。数式17を数式15に代入すると、式18のようになる。
式18を整理すると数式19のように表せる。
式19はNC個の分割点について成り立つため、数式20のようなΔpに対する線形連立方程式が成り立つ。
ここで式20を式21のように簡潔に表す。
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。
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。
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。
となる。3次元モデルフィッティングは第1の実施形態と同様エッジベースのフィッティングで行うことができる。
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。
Claims (14)
- 測定対象物を含んだ画像を取得する画像取得手段と、
前記測定対象物の形状を表すモデルを保持する保持手段と、
前記画像に基づき、前記測定対象物の位置姿勢を示す情報を取得する取得手段と、
前記測定対象物に前記モデルを位置合わせする際の該モデルの取り得る範囲を制限する制限手段と、
前記位置姿勢を示す情報と、前記モデルの取り得る範囲とに基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出手段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を投光手段に投光させる投光制御手段を有し、
前記取得手段は、前記画像から前記パターンの領域を抽出し、当該抽出されたパターンの領域に基づき、前記位置姿勢を示す情報を取得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を投光させ、
前記画像取得手段は、前記第一のパターンが撮像された第一の画像と、前記第二のパターンが撮像された第二の画像とを取得し、
前記取得手段は、前記第一の画像から前記第一のパターンの領域を抽出し、当該抽出された第一のパターン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位置姿勢を示す情報を取得し、前記第二の画像から前記第二のパターンの領域を抽出し、当該抽出された第二のパターンの領域と前記第二の方向とに基づき第二の位置姿勢を示す情報を取得し、
前記制限手段は、前記第一の位置姿勢を示す情報と前記第二の位置姿勢を示す情報とに基づき、前記測定対象物に前記モデルを位置合わせする際の該モデルの取り得る範囲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は、マルチスリットパターン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。
- 前記位置姿勢を示す情報は、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4のいずれかに記載の情報処理装置。 - 前記位置姿勢を示す情報は、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4のいずれかに記載の情報処理装置。 - 前記画像は、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、
前記取得手段は、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、前記測定対象物の位置姿勢を示す情報を取得することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の情報処理装置。 - 測定対象物を含んだ画像を取得する画像取得手段と、
前記測定対象物の形状を表すモデルを保持する保持手段と、
前記画像に基づき、前記測定対象物の位置姿勢を示す情報を取得する取得手段と、
前記測定対象物の位置姿勢を表すパラメータのうち、少なくとも1つのパラメータの値を固定する固定手段と、
前記固定手段によって固定されたパラメータ以外のパラメータの値を変化させて、前記画像に含まれる測定対象物と前記モデルとを対応づける対応付け手段と、
前記対応付け手段による結果に基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出手段とを有することを特徴とする情報処理装置。 - 前記パラメータは、前記測定対象物の位置姿勢を表す次元の値であることを特徴とする請求項8に記載の情報処理装置。
- 前記測定対象物に対するパターンを投光手段に投光させる投光制御手段を有し、
前記取得手段は、前記撮像画像から前記パターンの領域を抽出し、当該抽出されたパターンの領域に基づき、前記位置姿勢を示す情報を取得することを特徴とする請求項8または9に記載の情報処理装置。 - 測定対象物を含んだ撮像画像を取得する画像取得工程と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の位置姿勢を示す情報を取得する取得工程と、
前記測定対象物に、該測定対象物の形状を表すモデルを位置合わせする際の該モデルの取り得る範囲を制限する制限工程と、
前記位置姿勢を示す情報と、前記モデルの取り得る範囲とに基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出工程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、
測定対象物を含んだ撮像画像を取得する画像取得手段と、
前記測定対象物の形状を表すモデルを保持する保持手段と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の位置姿勢を示す情報を取得する取得手段と、
前記測定対象物に前記モデルを位置合わせする際の該モデルの取り得る範囲を制限する制限手段と、
前記位置姿勢を示す情報と、前記モデルの取り得る範囲とに基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出手段の各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。 - 測定対象物を含んだ撮像画像を取得する画像取得工程と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の位置を示す情報を取得する取得工程と、
前記測定対象物の位置姿勢に関するパラメータのうち、少なくとも1つのパラメータの値を固定する固定工程と、
前記固定されたパラメータ以外のパラメータの値を変化させて、前記画像に含まれる測定対象物と、該測定対象物の形状を表すモデルとを対応づける対応付け工程と、
前記対応付け手段による結果に基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出工程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、
測定対象物を含んだ撮像画像を取得する画像取得手段と、
前記測定対象物の形状を表すモデルを保持する保持手段と、
前記撮像画像に基づき、前記測定対象物の位置を示す情報を取得する取得手段と、
前記測定対象物の位置姿勢に関するパラメータのうち、少なくとも1つのパラメータの値を固定する固定手段と、
前記固定手段によって固定されたパラメータ以外のパラメータの値を変化させて、前記画像に含まれる測定対象物と前記モデルとを対応づける対応付け手段と、
前記対応付け手段による結果に基づいて、前記測定対象物の位置姿勢を導出する導出手段の各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
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