JP2896283B2 - Device for calculating misalignment between data of multiple three-dimensional shape data - Google Patents

Device for calculating misalignment between data of multiple three-dimensional shape data

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JP2896283B2
JP2896283B2 JP286293A JP286293A JP2896283B2 JP 2896283 B2 JP2896283 B2 JP 2896283B2 JP 286293 A JP286293 A JP 286293A JP 286293 A JP286293 A JP 286293A JP 2896283 B2 JP2896283 B2 JP 2896283B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は複数3次元形状データ
のデータ間位置ずれ算出装置に関し、特に、画像通信,
グラフィックスによる仮想空間の生成,CGやCADの
ための形状モデリング,テレビ会議の立体表示分野さら
にはレンジセンサを備えたロボットが物体の姿勢を推定
する場合などに用いられ、凸包を用いることによって、
複数の3次元形状データのデータ間位置ずれを算出する
ような複数3次元形状データのデータ間位置ずれ算出装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for calculating a positional shift between data of a plurality of three-dimensional shape data, and more particularly, to image communication,
It is used to generate virtual space by graphics, shape modeling for CG and CAD, stereoscopic display field of video conference, and even when a robot equipped with a range sensor estimates the posture of an object. ,
The present invention relates to an apparatus for calculating a positional shift between data of a plurality of three-dimensional shape data, which calculates a positional shift between data of a plurality of three-dimensional shape data.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の3次元形状の測定方法として、レ
ーザやスリット光など構造化した光を物体に照らし、照
らされた部分の形状を計ることによって物体形状を獲得
する光切断法が知られている。また、形状の測定に際し
ては、必ず欠落が生じるため、測定対象物体が置かれた
台を動かしたり、レンジセンサを動かしたり、鏡を用い
たりして欠落部分のデータを測定し、これらを合成する
方法がある。さらに、物体を置換えることによって得ら
れたデータを人手を介して合成する方法などがある。
2. Description of the Related Art As a method for measuring the three-dimensional shape of an object, there is known a light cutting method in which a structured light such as a laser beam or slit light is illuminated on the object, and the shape of the illuminated portion is measured to obtain the object shape. ing. In addition, when measuring the shape, since a drop always occurs, the table on which the object to be measured is placed is moved, the range sensor is moved, the data of the missing part is measured using a mirror, and these are combined. There is a way. Further, there is a method of manually combining data obtained by replacing an object.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、臨場感通信
会議などにおいては、任意の物体を仮想空間上に配置す
る必要があるが、これらの物体形状はどの方向から見て
も欠落がないことが要求される。しかしながら、物体形
状の測定に際しては必ず欠落が生じるので、欠落部分の
形状を推定したり補完したり、当該部分が測定されてい
る別の測定結果を貼り合せたりする必要がある。別の測
定結果を貼り合せるためには、物体の置かれた台を動か
したり、測定装置を動かしたりすることにより、より多
くの方向から物体を測定して得られた複数の測定値を対
応付けし、データ間の位置ずれ量を算出しなければなら
ない。
By the way, in a real-life communication conference or the like, it is necessary to arrange arbitrary objects in a virtual space. However, these object shapes are not missing even when viewed from any direction. Required. However, when the shape of an object is measured, a missing portion always occurs. Therefore, it is necessary to estimate or supplement the shape of the missing portion, or to paste another measurement result in which the portion is measured. To combine different measurement results, move the table on which the object is placed or move the measurement device to associate multiple measurement values obtained by measuring the object from more directions Then, the amount of displacement between data must be calculated.

【0004】しかしながら、従来の局所的特徴を対応付
ける方法では、レンジデータを基に表面を領域分割する
方法とか、表面の曲率を基に特徴点を求める方法を用い
ると、物体表面が滑らかな場合に安定に領域分割ができ
ないことがあり、データの密度が疎らになると、特徴点
が精度よく求められないなど、データの特徴抽出のため
には不安定な計算が必要であった。さらに、測定方向が
大幅に変化すると対応がとれなくなるので、方向に変化
が小さい多数のデータが必要であった。
However, in the conventional method of associating local features, a method of dividing the surface into regions based on range data or a method of obtaining feature points based on the curvature of the surface is used. In some cases, stable area division cannot be performed, and when the data density is low, unstable calculations are required to extract data features, for example, feature points cannot be obtained with high accuracy. Further, if the measurement direction changes significantly, it becomes impossible to cope with the change, so that a large number of data having a small change in the direction is required.

【0005】特に、測定装置や物体を置く台を動かすだ
けでは測定できない物体の底面を測定するなどの目的の
ために、物体を置き換えた場合の応用例はなく、底面の
データを合成する際には人手に頼っていた。
[0005] In particular, there is no application example in which an object is replaced for the purpose of measuring the bottom surface of an object that cannot be measured only by moving a measuring device or a table on which the object is placed. Relied on human hands.

【0006】それゆえに、この発明の主たる目的は、物
体を置換えることによって得られる測定方向が大きく異
なる複数のレンジ間の位置ずれ量を算出でき、物体表面
が滑らかで表面を安定に領域分割できないような場合に
も、安定にデータ間の対応部位を求めることのできるよ
うな複数3次元形状データのデータ間位置ずれ算出装置
を提供することである。
Therefore, a main object of the present invention is to calculate the amount of displacement between a plurality of ranges in which the measurement directions obtained by replacing an object are significantly different, so that the object surface is smooth and the surface cannot be stably divided into regions. Even in such a case, it is an object to provide a device for calculating a positional shift between data of a plurality of three-dimensional shape data so that a corresponding part between the data can be obtained stably.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明は形状測定部で
測定された複数の3次元データからそれぞれのデータ間
の位置ずれを算出する位置ずれ算出装置であって、形状
測定部で測定された複数のデータからそれぞれの凸包を
算出する凸包算出手段と、算出された凸包表面を構成す
る小面から凸包の小面の安定度を選定基準にして凸包の
代表面を選択する代表面選択手段と、選択されたそれぞ
れの測定データの代表面間の対応を取ってデータを重ね
合せるための座標変換演算子を求めるための手段とを備
えて構成される。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a position shift calculating apparatus for calculating a position shift between respective data from a plurality of three-dimensional data measured by a shape measuring unit, wherein the position shift is calculated by the shape measuring unit. A convex hull calculating means for calculating each convex hull from a plurality of data; and selecting a representative surface of the convex hull from the small faces constituting the calculated convex hull surface using the stability of the small face of the convex hull as a selection criterion. A representative plane selecting unit and a unit for obtaining a coordinate transformation operator for superimposing data by associating the representative planes of the selected measurement data with each other are configured.

【0008】より好ましくは、凸包表面を構成する小面
のうち、物体の中心に近くて大きな小面であって、方向
が等しい小面を重複しないように選択する。
[0008] More preferably, among the facets constituting the convex hull surface, a facet which is close to the center of the object and which is large and has the same direction is selected so as not to overlap.

【0009】さらに、より好ましくは、測定データのう
ち、対応のとれた小面の方向と小面の重心位置の法線方
向成分を用いて、座標変換演算子を求める。
More preferably, a coordinate transformation operator is obtained by using the direction of the corresponding facet and the normal direction component of the position of the center of gravity of the facet among the measurement data.

【0010】[0010]

【作用】この発明に係るデータ間位置ずれ算出装置は、
形状測定部で測定された複数のデータからそれぞれの凸
包を算出し、算出された凸包表面を構成する小面から凸
包の小面の安定度を選定基準にして凸包の代表面を選択
し、選択したそれぞれの測定データの代表面間の対応を
取ってデータを重ね合せるための座標変換演算子を求め
る。
According to the present invention, there is provided an apparatus for calculating a positional deviation between data,
Each convex hull is calculated from the plurality of data measured by the shape measuring unit, and the representative surface of the convex hull is determined based on the stability of the small surface of the convex hull from the calculated small surface constituting the convex hull surface. A coordinate conversion operator for superimposing the selected data is determined by associating the representative surfaces of the selected measurement data with each other.

【0011】[0011]

【実施例】まず、この発明の一実施例について説明する
前に、この発明の原理について説明する。この発明で
は、1回の測定で形状を測定できなかった部分(特に、
物体の底面)のデータを得るために物体を置換えて測定
し直し、得られた複数のデータのそれぞれの凸包の表面
(測定されたデータ点すべてを内部に含むような最小の
殻)を構成する小面の中から数個を選び出し、その特徴
量を使って置換えたときの位置ずれ量を計算する。この
計算の際、凸包表面を構成する小面の中からデータの対
応付けのために用いる小面を選択するには、小面の中か
ら物体の中心に近く大きなものを選び出すのがよい。ま
た、方向がほぼ等しい小面を重複して選択することがな
いようにするのが効果的であり、後述するように個々の
小面の安定度に基づいて行なうとよい。そして、小面の
方向に基づいてそれぞれの凸包表面の対応を求めること
ができる。また、それぞれの小面の間の対応に基づいて
位置ずれを算出する際、対応のとれた小面の方向と、小
面の重心位置の法線方向成分だけを使うのが好ましい。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing an embodiment of the present invention, the principle of the present invention will be described. In the present invention, the portion where the shape could not be measured by one measurement (especially,
Replace the object to obtain the data of the bottom surface of the object and re-measure, and construct the surface of the convex hull of each of the obtained data (the smallest shell that contains all the measured data points inside) Then, several pieces are selected from the small surfaces to be replaced, and the amount of displacement when the replacement is performed is calculated using the feature amounts. In this calculation, in order to select a small surface used for data correspondence from among the small surfaces constituting the convex hull surface, it is preferable to select a large surface close to the center of the object from the small surfaces. In addition, it is effective to prevent redundant selection of facets having substantially the same direction, and it is preferable to perform the selection based on the stability of each facet as described later. Then, the correspondence of each convex hull surface can be obtained based on the direction of the facet. Further, when calculating the positional deviation based on the correspondence between the respective small surfaces, it is preferable to use only the direction of the corresponding small surface and the normal direction component of the center of gravity position of the small surface.

【0012】このようにして、凸包表面から選び出され
た数個の小面を用いるレンジデータの対応付け方法を用
いると、データの欠落が起きにくい物体の凸部の特徴を
有効に活用できるので、データが欠落する主原因である
物体の凹部の影響を避けることができる。レンジファイ
ンダの構造上、測定する部位に光が当たり、かつこの部
位がカメラから見えなければ、データが欠落してしま
う。このため、物体の凹部が存在すると、その部分は凸
部に遮られて測定できないことが起こる。この欠落は、
物体の凹部に起こるものである。一方、物体の凸部には
このようなデータの欠落はほとんど起こらないため、凸
部のデータに基づいて対応をとるのは容易であり、誤っ
た対応も起こらなくなる。
As described above, when the range data association method using several small faces selected from the convex hull surface is used, it is possible to effectively utilize the features of the convex portions of the object, which are unlikely to lose data. Therefore, it is possible to avoid the influence of the concave portion of the object, which is the main cause of the data loss. Due to the structure of the range finder, if light shines on the part to be measured and this part cannot be seen from the camera, data will be lost. For this reason, if there is a concave portion of the object, the portion may be blocked by the convex portion and measurement may not be performed. This omission is
This occurs in a concave portion of an object. On the other hand, since such data loss hardly occurs in the convex portion of the object, it is easy to take a correspondence based on the data of the convex portion, and erroneous correspondence does not occur.

【0013】また、測定誤差によって、実際の物体形状
の凸包とデータ点の凸包とは多少異なるが、実際の物体
形状の凸包のある構成面とデータ点の対応する部分の凸
包面とを比較すると、データ点から得られた面を構成す
る端点は、実際の形状の凸包の端点の近傍に分布する測
定点のうちの、物体の外側の方向に最も大きな誤差を持
つ点になる。したがって、各端点の位置の法線方向成分
の誤差は容易に推定できる一定値になるため、その面の
方向はほぼ同じ方向にほぼ同じ誤差を持つ複数の端点に
よって決まるので、凸包表面を構成する小面の中から面
積の大きな小面を代表点として選び出すと、端点が遠く
離れているので、端点の位置の誤差が小面の方向の算出
に与える影響が小さくなり、小面の方向の誤差をさらに
小さくできる。
The convex hull of the actual object shape and the convex hull of the data point are slightly different due to the measurement error. Comparing with, the endpoints that make up the surface obtained from the data points are the points that have the largest error in the direction outside the object among the measurement points distributed near the endpoints of the convex hull of the actual shape. Become. Therefore, since the error of the component in the normal direction of the position of each end point is a constant value that can be easily estimated, the direction of the surface is determined by a plurality of end points having substantially the same error in almost the same direction, so that the convex hull surface is formed. If a small face with a large area is selected as a representative point from among the small faces to be set, the end points are far apart, so that the influence of the position error of the end point on the calculation of the small face direction is small, and the small face direction is small. The error can be further reduced.

【0014】さらに、面の方向の誤差は小面の端点の分
布から推定することができる。また、小面の重心位置の
法線方向成分の誤差は、非常に精度よく推定できる。そ
のため、局所的な特徴に基づく算出方法では、データの
誤差が大きく影響するのに対して、凸包を用いる方法で
は誤差の補正が容易にできる。さらに、代表面の方向の
誤差の影響は代表面から遠く離れるほど大きくなるの
で、物体の中心に近い面を使って位置ずれを推定する
と、代表面の方向の誤差の影響がさらに小さく抑えられ
る。また、小面の方向に基づいてそれぞれの小面の対応
関係を求めるには、方向がほとんど同じ小面を同時に代
表面として選べることがないほうが望ましいが、安定度
に基づく代表面の選択は、これらの条件を満たしてお
り、対応関係を求めるのにも位置ずれを算出するのにも
都合がよい。
Further, the error in the direction of the surface can be estimated from the distribution of the end points of the facet. Further, the error of the component in the normal direction of the position of the center of gravity of the facet can be estimated very accurately. Therefore, in the calculation method based on the local feature, the error of the data greatly affects, whereas in the method using the convex hull, the error can be easily corrected. Further, since the influence of the error in the direction of the representative surface increases as the distance from the representative surface increases, the influence of the error in the direction of the representative surface can be further reduced by estimating the displacement using a surface close to the center of the object. In addition, in order to obtain the correspondence of each facet based on the direction of the facet, it is preferable that facets having almost the same direction cannot be selected as the representative face at the same time. These conditions are satisfied, and it is convenient to calculate the correspondence and to calculate the displacement.

【0015】図1はこの発明の一実施例の概略ブロック
図である。まず、図1を参照して、この発明の一実施例
の構成について説明する。形状計測部10は、姿勢1の
物体形状を測定するものであり、測定した物体形状の各
測定点のデータは凸包算出部11に与えられ、データ点
の凸包が算出される。算出された凸包は安定度算出部1
2に与えられ、凸包表面を構成する各小面について安定
度が算出され、代表面選択部13に与えられる。代表面
選択部13は、それぞれの凸包について、安定度の大き
な順にそれぞれM個の小面を選び出す。
FIG. 1 is a schematic block diagram of one embodiment of the present invention. First, a configuration of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The shape measuring unit 10 measures the shape of the object in the posture 1, and the data of each measured point of the measured object shape is given to the convex hull calculating unit 11, and the convex hull of the data point is calculated. The calculated convex hull is the stability calculation unit 1
The stability is calculated for each of the small surfaces constituting the convex hull surface, and is provided to the representative surface selection unit 13. The representative surface selection unit 13 selects M small surfaces for each convex hull in the order of stability.

【0016】同様にして、姿勢2の物体形状を測定する
ために形状計測部20と凸包算出部21と安定度算出部
22と代表面選択部23とが設けられる。
Similarly, a shape measuring unit 20, a convex hull calculating unit 21, a stability calculating unit 22, and a representative surface selecting unit 23 are provided to measure the shape of the object in posture 2.

【0017】代表面選択部13,23で選択された代表
面は代表面対応付け部14に与えられ、選び出されたそ
れぞれの小面の間の対応付けが行なわれる。そして、回
転量算出部15は互いに対応する面がわかったそれぞれ
の面を用いて最小自乗法により、位置合せのための回転
移動量を算出する。さらに、平行移動量算出部16はそ
れぞれの面を用いて最小自乗法により位置合せのための
平行移動量を求め、これらの回転移動量と平行移動量と
によってデータ間位置ずれ量が求められる。
The representative surfaces selected by the representative surface selecting units 13 and 23 are given to a representative surface associating unit 14, where the selected small surfaces are associated with each other. Then, the rotation amount calculation unit 15 calculates the rotation movement amount for alignment by using the least squares method using the respective surfaces whose corresponding surfaces are known. Further, the parallel movement amount calculating section 16 obtains a parallel movement amount for alignment by using the least squares method using the respective surfaces, and obtains a data displacement amount based on the rotation movement amount and the parallel movement amount.

【0018】図2は形状計測部で求められた物体形状の
データ点の一例を示す図であり、図3は凸包算出部で算
出された凸包の一例を示す図であり、図4は安定度算出
部による安定度算出方法を説明するための図であり、図
5は代表面対応付け部による面の対応付けを説明するた
めの図であり、図6は小面を対応付けるときの角度の許
容誤差を示す図であり、特に、選択した小面の数Mのう
ちN個について対応をとったときの、対応する小面間の
角度の誤差の自乗和の最小値を表わす。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the data points of the object shape obtained by the shape measuring unit, FIG. 3 is a diagram showing an example of the convex hull calculated by the convex hull calculating unit, and FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining a stability calculating method by a stability calculating unit; FIG. 5 is a diagram for explaining association of surfaces by a representative surface associating unit; FIG. 6 is an angle at which small surfaces are associated; In particular, the figure shows the minimum value of the sum of squares of the error of the angle between the corresponding facets when N pieces of the number M of the selected facets are corresponded.

【0019】次に、図1〜図6を参照して、この発明の
一実施例の具体的な動作について説明する。形状計測部
10は図5(a)に示すような姿勢1の物体形状を計測
し、形状計測部20は図5(b)に示すような姿勢2の
物体形状を計測し、それぞれデータ点を出力して凸包算
出部11,12に与える。ここで、物体形状のデータ点
は、たとえば図2に示すように、物体形状に関わりなく
規則的に出力されるので凸部の部分は密にデータが出力
され、凹部はデータが欠落することがある。凸包算出部
11,21はこれらのデータに基づいて、凸包を算出す
る。凸包は図3に示すように、図2に示した物体形状の
凸の部分では小さな三角形となり、物体の凹部を覆う部
分では比較的大きな三角形で表わされる。
Next, a specific operation of one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The shape measuring unit 10 measures the object shape in posture 1 as shown in FIG. 5A, and the shape measuring unit 20 measures the object shape in posture 2 as shown in FIG. The output is provided to the convex hull calculation units 11 and 12. Here, as shown in FIG. 2, for example, data points of the object shape are regularly output irrespective of the object shape, so that the data is output densely in the convex portion and the data is missing in the concave portion. is there. The convex hull calculators 11 and 21 calculate the convex hull based on these data. As shown in FIG. 3, the convex hull is represented by a small triangle at the convex part of the object shape shown in FIG. 2, and is represented by a relatively large triangle at the part covering the concave part of the object.

【0020】安定度算出部12,22は凸包表面を構成
する各小面について安定度を算出する。代表面対応付け
部14においては後述のごとくSを計算するが、Sの計
算において、方向差が非常に小さい面が重複して代表面
として選択されていると計算量が大きくなるが、安定度
によって代表面を選択すると重複が避けられる。ここで
いう凸包表面の小面の安定度とは、lijが凸包の中心
(凸包の内部質量分布が一様と考えて計算した重心、図
4に示すG)点から凸包表面の小面Ci の辺Eijまでの
距離,pijが中心GのCi 上への正投影からEijまでの
距離で、正射影がCi の内側にあるときに正の値とな
り、外側にあるときに負の値をとるとき、安定度Fi
次の第(1)式で求められる。
The stability calculators 12 and 22 calculate the stability for each of the small surfaces constituting the convex hull surface. The representative surface associating unit 14 calculates S as described later. In the calculation of S, the calculation amount increases when surfaces having extremely small direction differences are selected as the representative surface in an overlapping manner. When the representative plane is selected, overlapping is avoided. The stability of the facet of the convex hull surface as used herein means that l ij is the center of the convex hull (the center of gravity calculated assuming that the internal mass distribution of the convex hull is uniform, G shown in FIG. 4) and the convex hull surface Of the facet C i to the side E ij , p ij is the distance from the orthographic projection of the center G on C i to E ij , and becomes a positive value when the orthographic projection is inside C i , When it takes a negative value when it is outside, the stability F i is obtained by the following equation (1).

【0021】[0021]

【数1】 (Equation 1)

【0022】小面Ci を下にして物体を平面上に置いた
ときに物体が置かれた台をsinθ=Fi まで傾けても
物体が転がり出すことがないから、このFi を安定度と
呼ぶ。
[0022] Because never object out roll be tilted object is placed base to sin [theta = F i when the facet C i put an object down on a flat surface, the stability of this F i Call.

【0023】代表面選択部13,23は、それぞれの凸
包について、安定度の大きな順にそれぞれM個の小面を
選び出す。図5(a)は姿勢1で測定されたデータの凸
包小面を安定度の大きな順に上から8面並べたものであ
り、図5(b)は姿勢2で測定されたデータの凸包小面
の例を示している。
The representative surface selection units 13 and 23 select M small surfaces for each convex hull in the order of stability. FIG. 5A shows the convex hulls of the data measured in the posture 1 arranged in descending order of stability, and FIG. 5B shows the convex hulls of the data measured in the posture 2. An example of a facet is shown.

【0024】代表面対応付け部14は、選び出されたそ
れぞれの小面の間の対応付けを、以下の手順によって行
なう。すなわち、図5(a)に示すように、姿勢1の各
データの凸包小面から選び出された代表面をそれぞれC
11,…,C1Nとし、図5(b)に示す姿勢2の各データ
の凸包小面から選び出された代表面をそれぞれC21
…,C2Nとする。図5に示す直線で結んだ対応する2面
1i,C1j,C2i,C2jのなす角度をそれぞれθ1ij
θ2ij とすると、2面の組合せのすべての場合について
その自乗和を次の第(2)式から求める。
The representative surface associating unit 14 associates the selected small surfaces with each other in the following procedure. That is, as shown in FIG. 5A, the representative planes selected from the convex hull facets of each data of posture 1 are respectively represented by C
11, ..., C 1N and then, 5 representative surface culled from convex hull facets of each data posture 2 shown in (b), respectively C 21,
..., C2N . FIG connecting a straight line shown in 5 the corresponding dihedral C 1i, C 1j, C 2i , respectively the angle C 2j theta 1ij,
Assuming θ 2ij , the sum of the squares of all combinations of the two surfaces is obtained from the following equation (2).

【0025】[0025]

【数2】 (Equation 2)

【0026】このSが最も小さくなる対応がN面の最適
な対応と考え、このときのSをSN とする。凸包の構成
面から数個を選び出す際に、面の方向が非常に近い面を
選び出さないことにすると、その後の計算が少なくてす
むことになる。
It is considered that the response that minimizes S is the optimal response for the N plane, and S at this time is defined as SN . When several surfaces are selected from the constituent surfaces of the convex hull, if a surface having a very close direction is not selected, the number of subsequent calculations is reduced.

【0027】誤対応を含まないで対応がとれる最大のN
は次のようにして求められる。M個の面の中から正し
くN個の対応がとれるときには、SN は0に近い値をと
るが、誤対応を含めないとN個の対応がとれないときに
は、SN が非常に大きくなる。したがって、Nを1ずつ
増やしてSN を求めていくと、M個の面の中から正し
い対応がとれる最も大きな面の数Nを決めることがで
きる。MはSを求めるための計算量と計算機の速度を勘
案して適当に定めることができる。
The maximum N that can be dealt with without including erroneous correspondences
Is determined as follows. When out of the M sub-surface correctly N corresponding can take is, S N takes a value close to 0, but when erroneous corresponding not the N corresponding including can not be taken, S N is very large . Thus, when we seek S N by increasing the N by 1, it is possible to determine the number N of the most significant sub-surface the correct correspondence take out the M small surface. M can be appropriately determined in consideration of the amount of calculation for obtaining S and the speed of the computer.

【0028】図5を参照して、Mが8のときについて説
明すると、Nが5のときは、姿勢1および姿勢2からそ
れぞれ図5の直線で示すように対応付けたときに、S5
が0.002になる。Nを6にするとS6 が0.4にな
り、誤対応を含んでいることが容易に検出できる。図6
は図5と同じ測定値を用い、Mを4から20までNを3
から11まで変化させたSN を求めたものである。
[0028] With reference to FIG. 5, when the M will be described when the 8, when N is the case of 5, associating as indicated by the straight line of FIG. 5, respectively from the posture 1 and posture 2, S 5
Becomes 0.002. When N is set to 6, S 6 becomes 0.4, and it can be easily detected that an erroneous correspondence is included. FIG.
Uses the same measurements as in FIG.
Is obtained by changing S N from to 11.

【0029】次に、図1に示す回転量算出部15は互い
に対応する面がわかったそれぞれN個の面C11
…,C1N,C21,…,C2Nを用いて、最小自乗法により
位置合せのための回転移動量を求める。回転によってC
11,…,C1Nの規格化された法線n21,…,n2N
21,…,C2Nの法線n11,…,n1Nにそれぞれ最も近
付く回転は、次の第(3)式で表わされる回転行列Rで
ある。
Next, each rotation amount calculation section 15 was found small surfaces corresponding to each other the N small surface C 11 shown in FIG. 1,
, C 1N , C 21 ,..., C 2N are used to determine the amount of rotational movement for alignment by the least squares method. C by rotation
11, ..., C 1N normalized normals n 21, ..., n 2N is C 21, ..., the normal n 11 of C 2N, ..., most approaches rotates each n 1N is the next second (3 ) Is the rotation matrix R represented by the equation.

【0030】[0030]

【数3】 (Equation 3)

【0031】これは、異なる2方向の対応がついたと
き、相関行列C=Σi 1it 2iの特異値分解が唯一に
なり、C=VΛUt と特異値分解する直交行列U,Vを
用いて第(4)式で与えられる。
[0031] This two different directions when the correspondence with singular value decomposition of the correlation matrix C = Σ i n 1i n t 2i is the only, C = VΛU t and SVD orthogonal matrix U, V Is given by the following equation (4).

【0032】[0032]

【数4】 (Equation 4)

【0033】総和を求める部分では、法線ベクトルの残
差に、各姿勢の各法線ベクトルの誤差の生起確率の共分
散行列の和の逆元をかけるように働かされると、誤差精
度を考慮に入れた回転移動量を推定できる。
In the portion for calculating the sum, when the residuals of the normal vectors are multiplied by the inverse of the sum of the covariance matrices of the occurrence probabilities of the errors of the normal vectors of each posture, the error accuracy is considered. Can be estimated the amount of rotational movement that has been entered.

【0034】次に、平行移動量算出部16は互いに対応
する面がわかったそれぞれN個の面C11,…,
1N,C21,…,C2Nを用いて、最小自乗法により位置
合せのための平行移動量を求める。平行移動量の算出に
は、平行移動後の面の重心(小面の面密度が一定と考
えて計算した重心)とその対応する面との距離、およ
び平行移動後の面とその対応する面の重心との距離
を用いた。回転後の平行移動によって回転後の重心位置
Rr21,…,Rr2Nがr11,…,r1Nにそれぞれ近付く
とき、回転後の法線方向Rn2iをn2iおよび回転後の重
心位置Rr2iをr2iと表わすと、最適な平行移動量xは
第(5)式で表わされるベクトルとなる。
Next, the parallel movement amount calculating section 16 corresponding small endoplasmic surfaces found was the N each C 11 to each other, ...,
Using C 1N , C 21 ,..., C 2N , the amount of parallel movement for alignment is obtained by the least square method. Parallel to the calculation of the amount of movement, the surface density of the small faces of the center of gravity (facets after translation is constant considered
Ete using the distance calculated centroid) and the distance between the corresponding small faces, and a small surface after translation and its corresponding small faces of the center of gravity. When the post-rotation center-of-gravity positions Rr 21 ,..., Rr 2N approach r 11 ,..., R 1N , respectively, the post-rotation normal direction Rn 2i is changed to n 2i and the post-rotation center of gravity position Rr 2i. Is represented as r 2i , the optimal translation amount x is a vector represented by the equation (5).

【0035】[0035]

【数5】 (Equation 5)

【0036】detΣi,j jiji t ≠0のとき、平行
移動量xは第(6)式で求められる。
[0036] detΣ i, when j n ji n ji t ≠ 0 , the amount of parallel movement x is calculated by the equation (6).

【0037】[0037]

【数6】 (Equation 6)

【0038】総和をとるときに各項に小面の重心位置の
推定誤差の精度Eijをかけると、誤差精度を考慮に入れ
た平行移動量の推定ができる。
By multiplying each term by the accuracy E ij of the estimation error of the center of gravity of the facet when calculating the sum, the translation amount can be estimated in consideration of the error accuracy.

【0039】上述の実施例により、複数の形状データ間
の位置ずれ量を算出することができる。なお、図1に示
した例では、2つの姿勢の形状計測をする場合にこの発
明を適用したが、これに限ることなく、さらに多数のさ
まざまな姿勢の形状計測を行ない、代表面を選択して代
表面対応付け部17に入力し、それぞれの姿勢の位置ず
れを算出することもできる。
According to the above-described embodiment, it is possible to calculate the amount of displacement between a plurality of shape data. In the example shown in FIG. 1, the present invention is applied to the case where the shape of two postures is measured. However, the present invention is not limited to this. To the representative surface associating unit 17 to calculate the positional deviation of each posture.

【0040】[0040]

【発明の効果】この発明によれば、測定された複数の3
次元データからそれぞれの凸包を算出し、その凸包表面
を構成する小面から凸包の小面の安定度を選定基準にし
て凸包の代表面を選択し、選択したそれぞれの測定デー
タの代表面間の対応をとってデータを重ね合せるための
座標変換演算子を求めることにより、測定方向の大きく
異なるデータ間の対応付けが可能になる。このため、姿
勢の異なる物体の同定が容易に可能になる。また、物体
を置換えないと測定できなかった物体の底部の欠落部分
を人手を介することなく容易に補うことができる。した
がって、臨場感通信会議などにおいて要求される、どの
方向から見ても欠落のない形状データを得ることができ
る。さらに、データ点集合の凸包面を使ってデータ間の
対応付けをすることにより、測定誤差・測定精度・測定
密度の影響をほとんど受けることなく対応付けができ
る。
According to the present invention, a plurality of measured 3
Each convex hull is calculated from the dimensional data, a representative surface of the convex hull is selected from the small surfaces constituting the convex hull surface using the stability of the small surface of the convex hull as a selection criterion. By obtaining a coordinate conversion operator for superimposing data by associating the representative planes, it is possible to associate data having greatly different measurement directions. Therefore, it is possible to easily identify objects having different postures. In addition, the missing portion at the bottom of the object, which cannot be measured unless the object is replaced, can be easily supplemented without manual intervention. Therefore, it is possible to obtain shape data that is required in a realistic communication conference or the like and is not missing even when viewed from any direction. Further, by associating data using the convex hull surface of the data point set, the association can be made with almost no influence of measurement error, measurement accuracy, and measurement density.

【0041】また、物体表面が滑らかであったり、デー
タの密度が疎らであったりする場合でも、容易に安定に
その形状の特徴を抽出でき、データ間の位置ずれを正確
に計算することができる。さらに、ロボットを用いるな
どして測定対象物体形状に応じてセンサや測定台を不規
則に動かす必要がなくなるため、簡単な測定装置で欠落
のない形状データを計測することができる。
Further, even when the object surface is smooth or the data density is sparse, the feature of the shape can be easily and stably extracted, and the displacement between the data can be accurately calculated. . Furthermore, since there is no need to irregularly move a sensor or a measuring table in accordance with the shape of the object to be measured by using a robot or the like, shape data without omission can be measured with a simple measuring device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施例の概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of one embodiment of the present invention.

【図2】形状計測部で求められた物体形状のデータ点の
一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of data points of an object shape obtained by a shape measuring unit.

【図3】凸包算出部で算出された凸包の一例を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a convex hull calculated by a convex hull calculating unit.

【図4】安定度算出部による安定度算出方法を説明する
ための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a stability calculation method by a stability calculation unit.

【図5】代表面対応付け部による面の対応付けを説明
するための図である。
5 is a diagram for explaining the correspondence of the small surface of representatives face associating unit.

【図6】小面を対応付けるときの角度の許容誤差を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram showing an allowable error of an angle when associating small surfaces.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20 形状計測部 11,21 凸包算出部 12,22 安定度算出部 13,23 代表面選択部 14 代表面対応付け部 15 回転量算出部 16 平行移動量算出部 10, 20 Shape measurement unit 11, 21 Convex hull calculation unit 12, 22 Stability calculation unit 13, 23 Representative surface selection unit 14 Representative surface association unit 15 Rotation amount calculation unit 16 Parallel movement amount calculation unit

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 形状測定部で複数の3次元データからそ
れぞれのデータ間の位置ずれを算出するデータ間位置ず
れ算出装置であって、 前記形状測定部で測定された複数のデータからそれぞれ
の凸包を算出する凸包算出手段、 前記凸包算出手段によって算出された凸包表面を構成す
る小面から凸包の小面の安定度を選定基準にして凸包の
代表面を選択する代表面選択手段、および前記代表面選
択手段によって選択されたそれぞれの測定データの代表
面間の対応を取ってデータを重ね合せるための座標演算
子を求めるための手段を備えた、複数3次元形状データ
のデータ間位置ずれ算出装置。
An apparatus for calculating a positional shift between respective data from a plurality of three-dimensional data in a shape measuring unit, wherein each convexity is calculated from a plurality of data measured by the shape measuring unit. A convex hull calculating means for calculating the hull, a representative face for selecting a representative face of the convex hull from the facets constituting the convex hull surface calculated by the convex hull calculating means, with the stability of the small face of the convex hull being used as a selection criterion. Selection means, and means for obtaining a coordinate operator for superimposing data by associating the representative planes of the respective measurement data selected by the representative plane selection means with each other. Data displacement calculator.
【請求項2】 前記代表面選択手段は、前記凸包表面を
構成する小面のうち、物体の中心に近くて大きな小面で
あって、方向が等しい小面を重複しないように選択する
ことを特徴とする、請求項1の複数3次元形状データの
データ間位置ずれ算出装置。
2. The representative surface selecting means selects, among the small surfaces constituting the convex hull surface, large small surfaces close to the center of the object and having the same direction so as not to overlap. The apparatus for calculating a positional shift between data of a plurality of three-dimensional shape data according to claim 1, characterized in that:
【請求項3】 前記座標変換演算子を求めるための手段
は、前記測定データのうち、対応のとれた小面の方向と
小面の重心位置の法線方向成分を用いて座標変換演算子
を求めることを特徴とする、請求項1の複数3次元形状
データのデータ間位置ずれ算出装置。
3. The means for determining the coordinate conversion operator comprises: using a corresponding normal direction component of the direction of the facet and the center of gravity of the facet in the measurement data. 2. The apparatus according to claim 1, wherein the data is calculated.
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