JP2016133440A - 撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】物体の認識率を向上させる撮像システムを提供する。【解決手段】ステレオカメラ111を用いて撮像した物体Sの画像に基づいて視差演算を行う撮像システム100であって、物体を撮像するステレオカメラと、ステレオカメラにより撮像された画像の輝度情報を算出する画像処理部112と、物体を撮像する前に得られる情報及び/又はステレオカメラにより撮像された輝度情報に基づいて、物体に光の反射を低減する表面処理を行う表面処理装置130とを有する。【選択図】図1
Description
本発明は、撮像システムに関する。
従来から、視点が異なる2つのカメラ(ステレオカメラ)を用いて計測対象である物体を撮像し、得られた2つの画像を用いて物体までの距離を測定するステレオ測距技術が知られている。ステレオカメラは、撮像された2つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により物体までの距離を測定する。
ステレオ測距技術としては、例えば画像にゴーストやフレアが発生することを有効に防止する目的で、2つの撮像部を隔離する遮光部を設ける構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、ステレオカメラを用いて物体を撮像し、視差演算により物体までの距離を測定する場合、物体に光沢、鏡面等が存在すると、光沢、鏡面等による光の反射により、撮像される画像に輝度の飽和、黒つぶれ等が発生し、物体を認識できないことがある。その結果、物体までの距離を測定できないことがある。
そこで、本発明の一つの案では、物体の認識率を向上させることを目的とする。
一つの案では、ステレオカメラを用いて撮像した物体の画像に基づいて視差演算を行う撮像システムであって、物体を撮像するステレオカメラと、前記ステレオカメラにより撮像された画像の輝度情報を算出する画像処理部と、前記物体を撮像する前に得られる情報及び/又は前記ステレオカメラにより撮像された前記輝度情報に基づいて、前記物体に光の反射を低減する表面処理を行う表面処理装置とを有する、撮像システムが提供される。
一態様によれば、物体の認識率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することによって重複した説明を省く。
(撮像システムの全体構成)
まず、本発明の一実施形態に係る撮像システムの全体構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る撮像システム100の全体構成図である。
まず、本発明の一実施形態に係る撮像システムの全体構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る撮像システム100の全体構成図である。
図1に示すように、撮像システム100は、撮像装置110と、パターン投光装置120と、表面処理装置130と、外部入出力制御装置140とを備える。外部入出力制御装置140には、外部装置150が接続されている。また、外部入出力制御装置140と、撮像装置110、パターン投光装置120、表面処理装置130及び外部装置150とは回線を介して接続されている。
撮像装置110は、ステレオカメラ111と画像処理部112とを備える。
ステレオカメラ111は、視点の異なる少なくとも2つのカメラ、例えば第1のカメラC1と第2のカメラC2とを備え、物体Sを撮像するカメラである。
第1のカメラC1は、画角θ1を有し、物体Sを撮像するカメラである。第1のカメラC1は、例えば第1レンズと、第1撮像素子とを備える。第1撮像素子としては、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等を用いることができる。
第2のカメラC2は、画角θ2を有し、物体Sを撮像するカメラである。第2のカメラC2は、例えば第2レンズと、第2撮像素子とを備える。第2撮像素子としては、CCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサ等を用いることができる。
画像処理部112は、第1のカメラC1により撮像された物体Sの輝度画像(以下「第1の輝度画像」という。)と、第2のカメラC2により撮像された物体Sの輝度画像(以下「第2の輝度画像」という。)とに基づいて、2つの輝度画像における物体Sの位置の差である視差Δを算出する。また、画像処理部112は、算出した視差Δに基づいて、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離の算出、視差画像の生成を行う。なお、図1では、ステレオカメラ111と画像処理部112とを備える一つの撮像装置110として図示しているが、本発明はこの点において限定されるものではなく、ステレオカメラ111と画像処理部112とを別体の装置として構成することもできる。
パターン投光装置120は、ランダムパターン等の所定パターンを有するパターン光を生成し、生成したパターン光を物体Sに照射する装置である。パターン投光装置120により物体Sに所定のパターン光が照射されることにより、視差の算出精度を高めることができる。なお、図1では、撮像装置110とパターン投光装置120とを別体の装置として図示しているが、本発明はこの点において限定されるものではなく、撮像装置110とパターン投光装置120とが一体となった構成とすることもできる。
表面処理装置130は、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行う装置である。表面処理装置130による表面処理としては、例えば物体Sの表面に光を反射しない微粒子又は光の反射を抑制する微粒子を、静電気、水分等により付着させる処理が挙げられる。微粒子としては、物体Sの表面に付着したときにテクスチャ構造が生じやすくなるという観点から、複数の色の粒子が含まれていること、物体Sの表面色の補色の粒子が含まれていることが好ましい。また、表面処理装置130による表面処理としては、物体Sの表面に色の付いた液体、細かい水滴、霜、気体等を吹き付ける処理を用いることもできる。微粒子としては、撮像装置110により物体Sの輝度画像が撮像された後に、容易に物体Sの表面から除去できるものであることが好ましい。これにより、物体Sの状態にほとんど悪影響を与えることがない。
外部入出力制御装置140は、制御装置の一例であり、撮像装置110により生成された輝度画像及び/又は視差画像に基づいて、撮像装置110、パターン投光装置120、表面処理装置130及び外部装置150の動作を制御する。
外部入出力制御装置140は、物体Sを撮像する前に得られる情報及び/又は撮像装置110により撮像された輝度画像の輝度情報に基づいて、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行うように表面処理装置130の動作を制御する。
具体的には、外部入出力制御装置140は、物体Sを撮像する前に得られる情報から、撮像前に輝度の飽和又は黒つぶれが発生することが想定できる場合、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行うように表面処理装置130の動作を制御することが好ましい。物体Sを撮像する前に得られる情報としては、例えば物体Sの形状、材質、色等の物体Sの情報が挙げられる。
外部入出力制御装置140は、撮像装置110により撮像された輝度画像の輝度情報に飽和及び/又は黒つぶれが発生している場合、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行うように表面処理装置130の動作を制御することが好ましい。
また、外部入出力制御装置140は、輝度画像の輝度情報に基づいて、物体Sに対する光の反射を低減する表面処理の条件を決定することが好ましい。これにより、輝度画像に発生する飽和、黒つぶれ等の輝度情報の異常の発生を特に抑制することができる。表面処理の条件としては、光を反射しない微粒子又は光の反射を抑制する微粒子を物体Sの表面に静電気、水分等により付着させる処理の場合、例えば微粒子の種類、大きさ、色、量が挙げられる。
なお、本実施形態では、図1では、外部入出力制御装置140が表面処理装置130の動作を制御する構成を図示しているが、本発明はこの点において限定されるものではない。例えば撮像装置110の画像処理部112が表面処理装置130の動作を制御する構成とすることもできる。
(画像処理部の機能構成)
次に、画像処理部112の機能構成について説明する。図2は、画像処理部112の機能構成を示す図である。
次に、画像処理部112の機能構成について説明する。図2は、画像処理部112の機能構成を示す図である。
図2に示すように、画像処理部112は、視差演算手段201と、視差画像生成手段202とを備える。
視差演算手段201は、第1のカメラC1により撮像された第1の輝度画像と、第2のカメラC2により撮像された第2の輝度画像に基づいて、互いに対応する対応点を探し出すマッチング処理を行う。マッチング処理は、2つの輝度画像における画素の輝度の値の分布特性に基づいて、2つの輝度画像の対応点を探し出す処理である。
具体的には、視差演算手段201は、第1のカメラC1により撮像された第1の輝度画像の輝度の値の分布特性を求め、第2のカメラC2により撮像された第2の輝度画像の輝度の値の分布特性を求める。そして、視差演算手段201は、第1の輝度画像と第2の輝度画像のうちの一方の輝度画像に設定した窓領域に対して、輝度分布の特性上での相関の高い領域を、他方の輝度画像から探索することで、2つの輝度画像の対応点を探し出す。
視差演算手段201は、マッチング処理の結果に基づいて、第1の輝度画像における物体Sの位置と第2の輝度画像における物体Sの位置との差である視差を算出する。また、視差演算手段201は、視差と、ステレオカメラ111の2つのカメラの基線長(光軸間隔)と、レンズの焦点距離とを用いて、三角測量の原理により、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を算出する。
図3は、ステレオカメラ111を用いた三角測量の原理を説明する図である。図3(a)はステレオカメラ111と物体Sとの位置関係を示す図であり、図3(b)は撮像領域上の物体像の位置から視差を求める様子を示す図である。
ステレオカメラ111の画角内に物体Sが存在する場合、物体Sの光学像(物体像)は、第1レンズ301を介して第1撮像素子302の撮像領域302aに結像すると共に、第2レンズ303を介して第2撮像素子304の撮像領域304aに結像する。第1撮像素子302の撮像領域302aに結像する物体像の任意の点をsaとすると、点saを第2撮像素子304の撮像領域304aに写像したときの画素位置saと第2撮像素子304の撮像領域304aにおける点sbの画素位置とは、視差Δだけ離れている。
ここで、第1レンズ301及び第2レンズ303の焦点距離をf、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離をL、ステレオカメラ111の基線長をDとし、Lがfよりも十分に大きな値であるとすると、下記の式(1)が成り立つ。
L=D×f/Δ・・・(1)
上記式(1)において、Dとfは既知の値である。したがって、視差演算手段201は、マッチング処理の結果に基づいて、視差Δを求め、求めた視差Δを上記式(1)にあてはめることにより、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離Lを算出することができる。
上記式(1)において、Dとfは既知の値である。したがって、視差演算手段201は、マッチング処理の結果に基づいて、視差Δを求め、求めた視差Δを上記式(1)にあてはめることにより、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離Lを算出することができる。
視差画像生成手段202は、視差演算手段201により算出された視差Δに基づいて、視差画像を生成する。視差画像生成手段202は、視差演算手段201においてすべての画素の視差Δを算出した後に視差画像の生成を開始してもよく、視差Δが算出されるごとに視差画像を生成してもよい。
なお、視差演算手段201及び視差画像生成手段202は、例えば画像処理部112がCPU、ROM、RAM、入出力インタフェース等を備えるマイクロコンピュータとして構成される場合、マイクロコンピュータで実行されるプログラムにより実現することができる。
次に、視差演算手段201と視差画像生成手段202とを用いて輝度画像から生成される視差画像について説明する。
図4は、輝度の飽和が発生していないときの輝度画像G1,G2及び視差画像G3である。具体的には、図4は、撮像装置110により撮像された輝度画像G1,G2及び輝度画像G1,G2に基づいて生成された視差画像である。また、図4における視差画像G1,G2のうち暗い部分はステレオカメラ111からの距離が遠く、明るい部分はステレオカメラ111からの距離が近いことを示している。
図5は、輝度の飽和が発生したときの輝度画像G2及び視差画像G3である。具体的には、図5(a)は輝度の飽和が発生したときの輝度画像G2であり、図5(b)は輝度の飽和が発生したときの輝度画像G2に基づいて生成された視差画像G3である。
図6は、表面処理装置130により物体Sに光の反射を低減する表面処理を行ったときの輝度画像G2である。具体的には、図6(a)は物体Sに光の反射を低減する表面処理を行っている途中の輝度画像G2であり、図6(b)は物体Sに光の反射を低減する表面処理が完了したときの輝度画像G2である。
図4に示すように、画像処理部112は、第1のカメラC1により撮像された第1の輝度画像G1と第2のカメラC2により撮像された第2の輝度画像G2とに基づいて、視差画像G3を生成する。
撮像装置110により物体Sを撮像する場合、例えば物体Sに光沢、鏡面等が存在すると、光沢、鏡面等による光の反射により、例えば図5(a)の領域Aに示すように、撮像される輝度画像G2に輝度情報の飽和が発生することがある。輝度情報に飽和が発生すると、視差演算手段201は、撮像された画像のうち輝度情報の飽和が発生した領域Aに対して、図5(b)に示すように、視差を算出することができない。これにより、物体Sを正確に認識することができないため、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を測定できないことがある。
これに対して、本発明の一実施形態に係る撮像システム100では、外部入出力制御装置140が物体Sを撮像する前に得られる情報及び/又は撮像装置110により撮像された輝度画像G1,G2の輝度情報に基づいて、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行うように表面処理装置130の動作を制御する。
具体的には、外部入出力制御装置140は、例えば図6(a)及び図6(b)に示すように、物体Sの表面に光を反射しない又は光の反射を抑制する微粒子Pを、静電気、水分等により付着させる処理を行うように表面処理装置130の動作を制御する。このため、物体Sに光沢、鏡面等が存在する場合であっても、光沢、鏡面等による光の反射を抑制することができ、輝度画像G2の輝度情報の飽和の発生を抑制することができる。結果として、撮像対象の物体Sの認識率を向上させることができるため、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を測定することができる。
また、撮像装置110により物体Sを撮像する場合、例えば物体Sにテクスチャがない、又は輝度が不十分であると、輝度画像の輝度情報に黒つぶれが発生することがある。輝度情報に黒つぶれが発生すると、輝度情報に飽和が発生した場合と同様に、視差演算手段201は、撮像された輝度画像のうち黒つぶれが発生した領域に対して、物体Sを認識できないため、視差演算を行うことができない。結果として、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を測定できないことがある。
これに対して、本発明の一実施形態に係る撮像システム100では、輝度情報に飽和が発生した場合と同様に、外部入出力制御装置140が物体Sを撮像する前に得られる情報及び/又は撮像装置110により撮像された輝度画像の輝度情報に基づいて、物体Sに光の反射を低減する表面処理を行うように、表面処理装置130の動作を制御する。このため、物体Sにテクスチャがない、又は輝度が不十分である場合であっても、輝度画像の輝度情報の黒つぶれの発生を抑制することができる。結果として、撮像対象の物体Sの認識率を向上させることができるため、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を測定することができる。
(外部入出力制御装置の機能構成)
次に、外部入出力制御装置140の機能構成について説明する。図7は、外部入出力制御装置140の機能構成を示す図である。
次に、外部入出力制御装置140の機能構成について説明する。図7は、外部入出力制御装置140の機能構成を示す図である。
図7に示すように、外部入出力制御装置140は、撮像装置制御手段401と、パターン投光装置制御手段402と、表面処理装置制御手段403と、外部装置制御手段405と、輝度判定手段406と、表面処理実行判定手段407とを備える。
撮像装置制御手段401は、撮像装置110の動作を制御する。具体的には、例えば撮像装置制御手段401は、第1のカメラC1の露光量と第2のカメラC2の露光量とが等しくなるようにステレオカメラ111の動作を制御する。これにより、画像処理部112によるマッチング処理の際に、同一の物体Sについては2つの画像において同一の輝度情報で対応付けられるため、マッチングの精度が向上する。
パターン投光装置制御手段402は、パターン投光装置120の動作を制御する。
表面処理装置制御手段403は、輝度判定手段406により判定された結果に基づいて、表面処理装置130の動作を制御する。
外部装置制御手段405は、画像処理部112で算出されたステレオカメラ111から物体Sまでの距離の情報に基づいて、外部装置150の動作を制御する。
輝度判定手段406は、画像処理部112において算出された輝度画像の輝度情報に飽和及び/又は黒つぶれが発生しているか否かを判定する。
表面処理実行判定手段407は、物体Sを撮像する前に得られる情報に基づいて、物体Sに対して表面処理が必要か否かを判定する。
なお、撮像装置制御手段401、パターン投光装置制御手段402、表面処理装置制御手段403、外部装置制御手段405、輝度判定手段406及び表面処理実行判定手段407は、例えば外部入出力制御装置140がCPU、ROM、RAM、入出力インタフェース等を備えるマイクロコンピュータとして構成される場合、マイクロコンピュータで実行されるプログラムにより実現することができる。
(撮像システムの動作)
次に、撮像システム100の動作の一例として、撮像システム100を用いたロボット制御システムについて説明する。なお、以下では、不規則に配置された複数のT字パイプ(物体S)から一つの物体Sをピッキングし、ピッキングされた物体Sを他の場所に移動させる動作について説明するが、本発明はこの点において限定されるものではない。
次に、撮像システム100の動作の一例として、撮像システム100を用いたロボット制御システムについて説明する。なお、以下では、不規則に配置された複数のT字パイプ(物体S)から一つの物体Sをピッキングし、ピッキングされた物体Sを他の場所に移動させる動作について説明するが、本発明はこの点において限定されるものではない。
図8は、本発明の一実施形態に係る撮像システム100を用いたロボット制御システムの構成を示す図である。図9は、本発明の一実施形態に係る撮像システム100の動作を示すフローチャートである。
図8に示すように、撮像システム100を用いたロボット制御システムは、撮像装置110と、パターン投光装置120と、表面処理装置130と、外部入出力制御装置140と、ロボット150aとを備える。ロボット150aは、前述した外部装置150の一例である。撮像装置110、パターン投光装置120、表面処理装置130及びロボット150aは、外部入出力制御装置140によって制御される。
まず、例えばオペレータにより物体Sの形状、材質、色等の物体Sの情報が入力される(ステップS101)。
物体Sの情報が入力されると、外部入出力制御装置140は、表面処理実行判定手段407により、物体Sの情報に基づいて、物体Sに対して表面処理が必要か否かを判定する(ステップS102)。
ステップS102において、物体Sに対して表面処理が必要と判定された場合には、外部入出力制御装置140は、表面処理装置制御手段403により、物体Sに対して光の反射を低減する処理を行うように表面処理装置130の動作を制御する(ステップS103)。一方、ステップS102において、物体Sに対して表面処理が必要ではないと判定された場合には、ステップS104に進む。
外部入出力制御装置140は、パターン投光装置制御手段402により、物体Sにパターン光を照射するようにパターン投光装置120の動作を制御する(ステップS104)。
パターン投光装置120により物体Sにパターン光が照射されると、外部入出力制御装置140は、撮像装置制御手段401により、物体Sを撮像するように撮像装置110の動作を制御する(ステップS105)。
撮像装置110のステレオカメラ111により物体Sの輝度画像(第1の輝度画像及び第2の輝度画像)が撮像されると、画像処理部112は、視差演算手段201により、撮像された輝度画像の輝度情報を算出する(ステップS106)。
画像処理部112により輝度画像の輝度情報が算出されると、外部入出力制御装置140は、輝度判定手段406により、輝度画像の輝度情報に異常(輝度の飽和及び/又は黒つぶれ)が発生しているか否かを判定する(ステップS107)。
ステップS107において、輝度画像の輝度情報に異常が発生していると判定された場合には、外部入出力制御装置140は、表面処理装置制御手段403により、物体Sに対して光の反射を低減する処理を行うように表面処理装置130の動作を制御する(ステップS103)。一方、ステップS107において、輝度画像の輝度情報に異常が発生していないと判定された場合には、ステップS108に進む。
外部入出力制御装置140は、撮像装置制御手段401により、撮像された第1の輝度画像及び第2の輝度画像に基づいて、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離Lを算出するように、撮像装置110の画像処理部112の動作を制御する。これにより、画像処理部112は、視差演算手段201により、第1の輝度画像及び第2の輝度画像において互いに対応する対応点を探し出すマッチング処理を行う(ステップS108)。
マッチング処理が行われると、画像処理部112は、視差演算手段201により、マッチング処理の結果に基づいて、第1の輝度画像における物体Sの位置と第2の輝度画像における物体Sの位置との差である視差Δを算出する(ステップS109)。
視差Δが算出されると、画像処理部112は、視差演算手段201により、視差Δと、ステレオカメラ111の2つのカメラの基線長Dと、レンズの焦点距離fとを用いて、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離Lを算出する(ステップS110)。
ステレオカメラ111から物体Sまでの距離Lが算出されると、外部入出力制御装置140は、外部装置制御手段405により、算出された距離Lに基づいて、物体Sをピッキングするようにロボット150aの動作を制御する(ステップS111)。これにより、物体Sは、ロボット150aによりピッキングされ、予め指定された他の場所、例えば工場のライン等に移動する。
ここで、本発明の一実施形態に係る撮像システム100は、撮像された輝度画像の輝度情報に基づいて、物体Sに光の反射を低減する処理を行う表面処理装置を有する。このため、物体Sが光沢、鏡面等を有する場合であっても、視差演算を行うことができ、ステレオカメラ111から物体Sまでの距離を測定することができる。さらに、ロボット150aにより、不規則に配置された物体Sの位置を正確に認識することができ、物体Sを正確にピッキングすることができる。
なお、図9では、物体Sの情報が入力された後、物体Sにパターン光を照射する形態について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではなく、例えば物体Sの情報を入力するステップS101を省略してもよい。この場合、物体Sにパターン光を照射するステップS104から開始することができる。
以上、撮像システムを実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
100 撮像システム
110 撮像装置
111 ステレオカメラ
112 画像処理部
130 表面処理装置
140 外部入出力制御装置
S 物体
110 撮像装置
111 ステレオカメラ
112 画像処理部
130 表面処理装置
140 外部入出力制御装置
S 物体
Claims (5)
- ステレオカメラを用いて撮像した物体の画像に基づいて視差演算を行う撮像システムであって、
物体を撮像するステレオカメラと、
前記ステレオカメラにより撮像された画像の輝度情報を算出する画像処理部と、
前記物体を撮像する前に得られる情報及び/又は前記ステレオカメラにより撮像された前記輝度情報に基づいて、前記物体に光の反射を低減する表面処理を行う表面処理装置と
を有する、
撮像システム。 - 前記物体を撮像する前に得られる情報及び/又は前記ステレオカメラにより撮像された前記輝度情報に基づいて、前記物体に光の反射を低減する表面処理を行うか否かを制御する制御装置を有する、
請求項1に記載の撮像システム。 - 前記制御装置は、前記輝度情報を用いて表面処理の条件を決定する、
請求項2に記載の撮像システム。 - 前記表面処理装置は、前記物体を撮像する前に得られる情報から輝度の飽和及び/又は黒つぶれが想定される場合、又は前記ステレオカメラにより撮像された前記輝度情報に飽和及び/又は黒つぶれが発生している場合、前記物体に光の反射を低減する表面処理を行う、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の撮像システム。 - 前記表面処理は、前記物体の表面に微粒子、液体、霜又は気体を付着させる処理である、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の撮像システム。
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