JP3575165B2 - Calibration jig for image recognition device and calibration method for image recognition device - Google Patents

Calibration jig for image recognition device and calibration method for image recognition device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物を画像撮像装置により認識する画像撮像装置に用いられて、対象物を移動したときの座標と、画像撮像装置が得る画像の座標の位置関係を比較して校正する際に用いられる校正治具と校正方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
対象物をカメラのような画像撮像装置で撮像して、対象物の位置、形、大きさあるいは角度を測定するようになっている画像認識装置では、その測定前に次のような校正(キャリブレーション)作業を行う必要がある。この校正作業とは、カメラの一画素が実際の対象物の何mmに相当するか、カメラが基準座標軸に対して何度傾いているか等を予め測定して、その結果に基づいて、対象物を移動した時の座標と、カメラが得る対象物の画像の座標の位置関係と、を比較して校正する。
【0003】
図18は、通常用いられている画像処理装置の一例を示している。
この画像認識装置は、XYテーブル1、カメラ2、リングライト3、サーボコントローラ4、画像処理部5等を備えている。XYテーブル1は、X,Y方向に移動可能である。リングライト3はXYテーブル1を照明する照明具であり、カメラ2は、XYテーブル1に設定されたマーク治具6の画像を取り込んで認識するようになっている。
この種の従来のマーク治具6は、円板状の金属部分7と、マーク8を有しており、金属部分7はXYテーブル1の穴1aにはめこむようにして位置決めされる。
XYテーブル1によりマーク治具6をX,Y方向に適宜移動することで、マーク治具6の位置がカメラ2に対して移動することから、カメラ2は、移動したマーク治具6の複数箇所の位置を画像で取り込む。この取り込んだマーク治具6の複数箇所の画像に基づいて、カメラ2の座標軸と、XYテーブル1の基準座標軸(X,Y方向に関する)の関係を求めるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構造のマーク治具6を用いると、次のような問題がある。
マーク治具6は、図19、図20で示すような構造になっている。マーク治具6の金属部分7は、その上面側が黒いめっき部分7aとマーク8を有し、その中央部分には背景として白色のプラスチック部材7bが配置されている。この背景用の白色のプラスチック7bの中央部には黒色メッキしたマーク8が設けられている。
しかしこのような構造を採用する場合に、図20に示すように、金属部分7を加工してマーク8を機械加工でできるだけ真円度を出そうとして加工しようとしても、潰れ8aが生じてしまう。また背景用の白色のプラスチック7bも機械加工で穴開けしようとすると、バリ7dが生じてしまう。
この結果、図23に示すようにマーク8の輪郭がぼやけてしまい、マークの画像をほぼ真円のマークとしてカメラが得ることができなくなってしまうという問題があり、十分な校正作業の精度が得られない。
【0005】
また、図21と図22に示すような別の従来のマーク治具では、次のような問題がある。このマーク治具6では、金属部分(位置決め部)7が上面に黒色メッキをした部分7aを有し、その中央に白のマーク8eが貼り付けてある。このマーク8eは印刷マークであり、この場合には印刷マーク8eの中心と金属部分7の中心を合わせるようにして印刷マーク8eを金属部分7の中心線上に上手く印刷するというのがなかなか難しい。
以上のようにして、従来のマーク治具6を高倍率のカメラ用の校正用のマークとして用いる場合には、その加工精度を高めたマーク治具を確保することが難しく、確保できたとしても非常に高価である。
本発明は上記課題を解消し、安価で作ることができ、画素と対象物との対応関係の校正が容易な画像認識装置用の校正治具と画像認識装置用の校正方法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明にあっては、対象物を認識する画像認識装置に用いられ、対象物を移動したときの座標と、画像撮像装置が得る画像の座標の位置関係を比較して校正する際に用いられる校正治具において、凹部を有する位置決め部材と、位置決め部材の凹部に保持されるほぼ真球のマーク体と、を備える画像認識装置用の校正治具により、達成される。
本発明では、画像認識装置が対象物を認識する場合に、対象物を移動したときの座標と、画像撮像装置が得る画像の座標の位置関係を比較して校正する際に、位置決め部材の凹部に対して、ほぼ真球のマーク体を保持させる。これにより、画像処理装置は真球のマーク体の画像のみを取り込んで認識することで、画素と対象物との対応関係の校正作業を簡単に行うことができる。
【0007】
マーク体は金属光沢を有しており、位置決め部材の凹部を画成する周囲部分が白色であって、投影面でみてマーク体のほぼ中央部が光を反射するようにすればマーク体の周囲部分の画像をはっきり得られ、校正作業をより確実にすることができる。
この場合に、凹部の大きさがマーク体の直径よりも小さくなっていれば、凹部はマーク体に隠れるので、凹部の存在は無視することができる。
画像撮像装置の焦点は、マーク体の最大外径部に合わせて、マーク体の最大外径部より位置決め部材の凹部が隠れるようにすることで、位置決め部材の凹部の存在を無視することができる。
マーク体を金属光沢を有する物から白色に変えて、マーク体の背景をよりはっきりと捕らえることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
図1は、本発明の画像認識装置用の校正治具を備える画像認識装置の一例を示している。
画像認識装置10は、カメラ11、リングライト12、テーブルの移動手段20、サーボコントローラ30、画像処理部40、そして校正治具50等を備えている。
【0009】
カメラ11は、たとえばCCD(電荷結合素子)カメラ等を採用することができ、その鏡筒部11aは、垂直下方向に向いている。リングライト12は、電源12aにより点灯するたとえばリング状の蛍光灯である。リングライト12は、カメラ11の鏡筒部11aの周囲部分に位置している。リングライト12は、テーブル移動手段20のテーブル21の面に光を照射するものである。
テーブル移動手段20は、テーブル21を、X及びY方向に適宜移動して位置決めする手段である。テーブル移動手段20は、テーブル21、ベース22,23を有している。ベース22は、X軸用のモータ24及びボールねじ25を備えている。ボールねじ25は、ベース23に設けられているナット(図示せず)に噛み合っており、モータ24の駆動によりボールねじ25が回転すると、ボールねじ25がベース23を直動ガイド26に沿ってX方向に移動して位置決め可能である。
【0010】
同様にしてベース23は、Y方向用のモータ27とボールねじ28を有している。ボールねじ28は、テーブル21の下に設けられているナット(図示せず)に噛み合っており、モータ27の駆動によりボールねじ28が回転すると、テーブル21は直動ガイド29に沿ってY方向に移動して位置決め可能である。
このようにしてテーブル21はX,Y方向に適宜移動して位置決めできるものである。
【0011】
サーボコントローラ30は、上述したモータ24,27の駆動を制御する。サーボコントローラ30、画像処理部30、電源12aは制御部100で制御される。
画像処理部40は、カメラ11が撮像しているテーブル21上の校正治具50の画像を処理する装置である。
サーボコントローラ30はこの画像処理部40へテーブルのXY座標位置を送る。
【0012】
次に、図2を参照すると、この画像認識装置10は、たとえば電子部品PAの実装装置に用いることができる。この図2の実装装置は、上述したテーブル移動手段20を備えており、テーブル移動手段20はベース31に設定されている。対象物であるテーブル21の上には、たとえばプリント配線板OBが着脱可能に設定できる。このプリント配線板OBに対しては、ヘッド32が部品PAを装着することができる。このヘッド32は部品PAをたとえば真空吸着して保持しており、ヘッド32は制御部100の指令により移動操作手段33により、Z方向に移動して位置決めすることができる。
【0013】
次に、図1と図2の校正治具50の構造について説明する。
校正治具50は、位置決め部材51とほぼ真球状のマーク体52を備えている。まず位置決め部材51は、図1、図3及び図4で示すように、はめこみ部分51aとフランジ部分53を有している。はめこみ部分51aは、図1のテーブル21の穴21aに対してはめこむようになっている。つまり穴21aの内径は、はめこみ部分51aの外径とほぼ一致している。フランジ部分53の外径ははめこみ部分51aの外径よりも大きくなっており、その中央部分には背景部材54がはめこんで取り付けられている。この背景部材54は、たとえば白色のプラスチックであり、プラスチックとしては、メタアクリルを使うことができる。
【0014】
それに対して、フランジ部分53及びはめこみ部分51aは、一体となっており、たとえば金属で作られていて、金属の種類としては機械構造用炭素鋼S45Cを用いることができる。
背景部材54の中央には凹部56が形成されている。図3の凹部56の内径D1は、上述したマーク体52の最大外径部の直径Lに比べて小さく設定されている。
【0015】
図4のようにフランジ部分53の上面53aはたとえば黒くメッキされている。従って、背景部材54は白色のプラスチックであり、かつその上面53aが黒のメッキであるので、白黒の色分けにより、背景部材54のリング形の外輪郭がはっきり浮き出るようになっている。
そしてほぼ真球のマーク体52は、この背景部材54の中央において凹部56に置かれることになる。マーク体52は、たとえば鋼球を用いることができる。この鋼球としては、たとえば通常用いられている炭素鋼の鋼球やステンレス鋼の鋼球を用いることができる。この種の鋼球は、その真円度がたとえば3μmという高精度であるのに対して、従来用いられている印刷のマーク体の真円度はせいぜい20μm程度にしかならない。
この種の鋼球としては、実用上たとえば玉軸受用の鋼球を用いることが可能である。
【0016】
図3のように、凹部56の内径D1がマーク体52の最大外径部の直径Lより小さく設定しているのは、図1のカメラ11が上方から校正治具50を撮像した場合に、凹部56がマーク体52の最大外径部52Rにより隠れて写らないようにするためである。
また背景部材54が白色になっているのは、このカメラ11が背景部材54を白く捕らえることができ、上からみたマーク体52の外周部52gが鏡面反射してリングライト12の照明光がカメラ11側に戻ってこないようにすることで、図5のようにマーク体52の外周部52gは黒くカメラで撮像できる。このように校正作業を行う時には、マーク体52は黒く写り、その周囲の背景部材54が白く写り、この白地に黒く写ったマーク体52の画像を、図5のようにきれいな円形輪郭で撮像できることになる。
【0017】
より具体的には、図6に示すようにリングライト12からの光LTは、マーク体52の中心軸CLを中心とする領域R1で反射し、その反射した光LTはカメラ11側に戻っていくが、更にその周囲部分の領域R2は、斜め方向上に反射し、更に外側の領域R3(最大外径部52Rに対応)で反射する光LTは、側方に反射してしまうことになる。従って、図5に示すように、カメラ11は、マーク体52の中心部分が白く写りその周辺に向かうに従って黒く写ることになる。
そしてマーク体52の最大外径部52Rは、背景部材54の白に対して、強いコントラストでほぼ真円状の輪郭を浮き上がらせることができる。
このような結果を得るためには、マーク体52は、通常の軸受用の鋼球のように金属光沢を有しているものが好ましい。
【0018】
次に、このような校正治具50を用いた校正方法の一例を説明する。
図7〜図9は、カメラ11の取り込み用の画像IMのk−l座標系Jと、図1のテーブル21のx−y座標系Hを示している。この座標系Jと座標系Hは、任意の角度θ分傾いている。つまり、カメラ11の向きとテーブル21の向きが一致していない状態であることを一例として示している。
カメラの座標系J、テーブル21の座標系H及びカメラ11の座標系(単位ピクセル)k−lを、図11に示している。図11においては、座標系H及び座標系Jは、単位がmmであり、単位ピクセルの座標系k−lは、α−β座標系Jを、α,β座標軸に沿って伸縮した座標系である。
【0019】
図11においてORはカメラの原点座標(x0,y0)を示している。またθは、座標系Hと座標系Jの傾き角度を示している。
図11に示す各要素の説明が図12に示してある。図12において、ベクトルXiは、マーク体52の位置を、テーブル21の座標系Hで表わしたベクトルである。ベクトルXaは、カメラ11の原点座標OR(x0,y0)を、テーブル21の座標系Hで表わしたベクトルである。
ベクトルXbは、カメラ11の原点座標OR(x0,y0)からマーク体52の位置座標(Xi,Yi)までを、テーブル21の座標系Hで表わしたベクトルである。ベクトルPは、ベクトルXbをカメラ11の座標系Jで表わしたベクトルである。従ってベクトルXbはベクトルPと等しい。
ベクトルRは、ベクトルPをカメラ11のピクセル座標系k−lで表わしたベクトルである。
【0020】
図13は、ベクトルXiとベクトルRの関係を示している。ベクトルXiは、(xa,ya)、α、β、xp,ypなどで表すことができる。
図14は、カメラ11で取り込む時の1点目、2点目、3点目の各マーク体52の座標のベクトルXiを示し、ベクトルRについても示している。その他ベクトルXa,Xbについても同様な表現ができる。
この1点目のマーク体52の座標Xi1は図7に示しており、2点目のマーク体の座標Xi2は図8に示しており、3点目のマーク体の座標Xi3は図9に示している。ベクトルXi1,ベクトルXi2,ベクトルXi3は一次独立な位置にとる。
【0021】
ここで図15に示すように、xa,ya,S,t,θは固定値であるので、図15のような式が成り立つ。なお、θは上述したように傾斜角であり、tはカメラ画像のβ方向の1ピクセルが何mmに相当するかの倍率である。
である。
Sはカメラ画像のα方向の1ピクセルが何mmに相当するかの倍率のことである。
【0022】
図16は、図15の(6)式及び(7)式を足し合わせた結果である座標変換マトリックスを示している。
図17は、図16の座標変換マトリックスを図15の(1)式に代入して、カメラの原点座標OR(xa,ya)を求めて、図14の座標変換マトリックスの(図10)式と、カメラ11の原点座標ORが求まった結果、カメラ上の任意のピクセル座標を図13の(0)式でテーブル21の座標系Hに変換することを示している。
【0023】
次に、図7〜図9を参照して、カメラ11が1点目のマーク体52、2点目のマーク体52及び3点目のマーク体52の位置を検出して、座標変換マトリックス(0)式とカメラ11の原点座標ORを求めて、カメラの任意のピクセル座標系(k−l)を、(0)式でXYテーブル座標系Hに変換する。
図10に示すステップS1〜S9では、サーボモータ30がテーブル移動手段20のモータ24,27を制御し、かつ画像処理部40がカメラ11で取り込んだ校正治具50のマーク体52の中心位置を求める。
【0024】
図10ステップS1では、マーク体52が写る位置に、カメラ11を移動する。これにより、カメラ11は図7のマーク体52の1点目の座標P1(ベクトルXi1)(xi1,yi1)を、取り込む(ステップS2)。
そして、図10のステップS3において画像処理部40が画像処理により1点目の座標P1のマーク体52の中心位置を求める。これはカメラ11上のピクセル(x1p,y1p)に対応する。
【0025】
次に、テーブル21を移動して、カメラ11が図8のようにカメラ11がマーク体52の2点目の座標P2(ベクトルXi2)(xi2,yi2)を取り込む(ステップS5)。そして画像処理部40が画像処理により2点目のマーク体52の中心位置を求める。このマーク体52の中心位置は、ピクセル(x2p,y2p)に対応する(ステップS6)。
【0026】
次に、図9のように、テーブル21を移動して、マーク体52の3点目の座標P3(ベクトルXi3)(xi3,yi3)を画像として取り込む(ステップS7)。そして画像処理により、マーク体52の中心位置を求める(ステップS9)。このマーク体52の中心位置は、ピクセル(x3p,y3p)に対応する。
【0027】
そして、ステップS10に示すように、上述した図15〜図17の(0)式〜(11)式の処理を行えば、カメラの一画素(ピクセル)が実際の対象物であるテーブル21上の何mmに相当するか、あるいはカメラ11が図7のようにθで表わすように何度傾いているかを、対象物の画像認識による測定の前に、キャリブレーション(校正)をすることができる。つまり、ピクセルがテーブル21に載せようとするたとえばプリント配線板の何mmに対応するかを出せる。
【0028】
本発明では、ほぼ真球状のマーク体52は、たとえば市販されている高精度な鋼球を使用することにより、安い価格でほぼ真円に近いマークとして位置決め部材の凹部に対して用いることができる。これにより、画像認識時の校正精度を向上させることができる。
また図3の位置決め部材51と、ほぼ真球状のマーク体52の中心決めは、機械加工によって開けられた背景部材54の凹部56の穴位置で決まるために、最小限のずれに押えることができ、画像認識時のキャリブレーション精度を向上させることができる。
【0029】
従来のように機械加工によって作られたマークでは、その周辺にバリのあるエッジ部分の弛れによるキャリブレーション精度の低下が生じていたが、本発明の図3に示すような校正治具50を用いることによりこのような問題はなくなる。
背景部材54が、マーク体52のカメラ11側から見て後ろ側にあり、その背景面となる背景部材54の上面が、カメラ11の焦点高さFPPよりも後ろ側(下側)にあるために、背景部材54に付いたゴミやキズにはカメラ11の焦点が合わず、従来の治具に比べてノイズが少ない画像が得られ、キャリブレーション精度を向上させることができる。つまり、カメラ11の焦点高さFPPは、マーク体52の最大外径部52Rに位置させることが好ましい。
【0030】
ところで本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、図3の背景部材54は、白色プラスチックを用いていて、フランジ部分53に埋込み、マーク体52の外周部分が黒く写る(図5参照)ことを利用して、その白黒のコントラストからマーク体52を円形マークとして画像認識し、キャリブレーションしているが、これに限らず、外乱光によってマーク体52の外周も光る場合には、マーク体は、黒色のメッキを施すようにしてもよい。
また背景部材54として白色のプラスチックを埋込むのではなく、白系統の塗装をフランジ部分53の上面の中央部分(凹部56の周囲部分)に施してもよい。また背景部材54を暗い色のメッキ処理をする場合に、マーク体52に白色もしくはカメラ画像上で明るく写る色で塗装することで、円形マークのコントラストを得ても勿論構わない。背景を黒くした場合には、マーク体を使用せずに精度の良い白色のプラスチックボールを使用することも考えられる。
図3のマーク体52は、凹部56の角部に対して接着剤で接着することで、マーク体52が凹部56からはずれないようにすることができる。
【0031】
以上のようにして対象物をカメラの画像で捕らえて、その形、大きさ、位置角度の情報を画像処理によって得るような画像認識装置では、一画素がテーブルのような対象物上の実際の何mmに相当するか、カメラが基準座標軸に対して何度傾いているかを、対象物測定前に高精度でキャリブレーションすることができる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価で作ることができ、画素と対象物との対応関係の校正が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の画像認識装置の校正治具の好ましい実施の形態を有する画像認識装置の一例を示す斜視図。
【図2】図1の画像認識装置が、電子部品の装置用に用いられている例を示す斜視図。
【図3】図1の校正治具を示す一部断面を有する側面図。
【図4】図3の校正治具の平面図。
【図5】図3と図4の校正治具のマーク体の反射光の様子を示す図。
【図6】マーク体の反射光の様子を示す側面図。
【図7】1点目の座標をカメラで捕らえた様子を示す図。
【図8】2点目の座標をカメラで捕らえた様子を示す図。
【図9】3点目の座標をカメラで捕らえた様子を示す図。
【図10】1点目〜3点目の座標を捕らえた時の画像処理例を示す図。
【図11】テーブルの座標系、カメラの座標系、及びカメラの座標系(単位ピクセル)の関係を示す図。
【図12】図11の各要素を説明する図。
【図13】ベクトルXiとベクトルRの関係を示す図。
【図14】1点目〜3点目の座標のベクトルXi1〜Xi3及びベクトルRを示す図。
【図15】1点目〜3点目の座標の関係を示す図。
【図16】座標変換マトリックスを示す図。
【図17】座標変換マトリックスとカメラの原点座標から、カメラ上の任意のピクセル座標を求める様子を示す図。
【図18】従来の画像認識装置の一例を示す斜視図。
【図19】図18の従来の画像認識装置に用いられているマーク体の一例を示す平面図。
【図20】図19のマークの側面図。
【図21】従来の別のマークの平面図。
【図22】図21のマークの側面図。
【図23】従来のマークにおける輪郭の不鮮明さを示す図。
【符号の説明】
11・・・カメラ、12・・・リングライト(照明手段)、20・・・テーブル移動手段、21・・・テーブル(対象物)、50・・・校正治具、51・・・位置決め部材52・・・マーク体、56・・・凹部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is used in an image capturing apparatus that recognizes an object by the image capturing apparatus, and performs calibration by comparing the positional relationship between the coordinates when the object is moved and the coordinates of the image obtained by the image capturing apparatus. The present invention relates to a calibration jig used and a calibration method.
[0002]
[Prior art]
In an image recognition device that captures an object with an image capturing device such as a camera and measures the position, shape, size, or angle of the object, the following calibration (calibration) is performed before the measurement. Work). This calibration work is to measure in advance how many pixels of the camera correspond to the actual object, how many times the camera is tilted with respect to the reference coordinate axis, and the like. Is calibrated by comparing the coordinates when the is moved with the positional relationship between the coordinates of the image of the object obtained by the camera.
[0003]
FIG. 18 shows an example of a commonly used image processing apparatus.
This image recognition device includes an XY table 1, a camera 2, a ring light 3, a servo controller 4, an image processing unit 5, and the like. The XY table 1 is movable in the X and Y directions. The ring light 3 is an illuminator that illuminates the XY table 1, and the camera 2 captures and recognizes an image of the mark jig 6 set on the XY table 1.
The conventional mark jig 6 of this type has a disk-shaped metal part 7 and a mark 8, and the metal part 7 is positioned so as to fit into the hole 1 a of the XY table 1.
By appropriately moving the mark jig 6 in the X and Y directions using the XY table 1, the position of the mark jig 6 moves with respect to the camera 2. The position of is captured as an image. The relationship between the coordinate axes of the camera 2 and the reference coordinate axes (in the X and Y directions) of the XY table 1 is obtained based on the captured images of the mark jig 6 at a plurality of locations.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, using the mark jig 6 having such a structure has the following problem.
The mark jig 6 has a structure as shown in FIGS. The metal portion 7 of the mark jig 6 has a black plated portion 7a and a mark 8 on the upper surface side, and a white plastic member 7b is disposed as a background in the center portion. A black plated mark 8 is provided at the center of the white plastic 7b for the background.
However, when such a structure is adopted, as shown in FIG. 20, even if the metal portion 7 is machined and the mark 8 is machined so as to be as round as possible by machining, the crush 8a occurs. . Also, if a white plastic 7b for the background is to be drilled by machining, burrs 7d are generated.
As a result, as shown in FIG. 23, the outline of the mark 8 is blurred, and there is a problem that the image of the mark cannot be obtained as a substantially perfect mark by the camera. I can't.
[0005]
Another conventional mark jig as shown in FIGS. 21 and 22 has the following problem. In this mark jig 6, a metal portion (positioning portion) 7 has a black-plated portion 7a on the upper surface, and a white mark 8e is affixed to the center thereof. The mark 8e is a printing mark. In this case, it is difficult to print the printing mark 8e on the center line of the metal portion 7 so that the center of the printing mark 8e is aligned with the center of the metal portion 7.
As described above, when the conventional mark jig 6 is used as a calibration mark for a high-magnification camera, it is difficult to secure a mark jig with improved processing accuracy. Very expensive.
An object of the present invention is to provide a calibration jig for an image recognition device and a calibration method for an image recognition device that can solve the above problems, can be manufactured at low cost, and can easily calibrate the correspondence between pixels and an object. The purpose is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The object described above is used in an image recognition device that recognizes an object in the present invention, and performs calibration by comparing the positional relationship between the coordinates when the object is moved and the coordinates of the image obtained by the image capturing device. This is achieved by a calibration jig for an image recognition device including a positioning member having a concave portion and a substantially spherical mark body held in the concave portion of the positioning member.
In the present invention, when the image recognition device recognizes the target object, when calibration is performed by comparing the positional relationship between the coordinates when the target object is moved and the coordinates of the image obtained by the image capturing device, the concave portion of the positioning member is used. , A substantially spherical mark body is held. Thus, the image processing apparatus can easily perform the calibration work of the correspondence between the pixels and the target object by capturing and recognizing only the image of the true spherical mark body.
[0007]
The mark body has a metallic luster, and the peripheral portion defining the concave portion of the positioning member is white, and if the central portion of the mark body is reflected on the projection surface, light is reflected around the mark body. The image of the part can be clearly obtained, and the proofreading operation can be performed more reliably.
In this case, if the size of the recess is smaller than the diameter of the mark body, the presence of the recess can be ignored since the recess is hidden by the mark body.
The focus of the image pickup device is adjusted to the maximum outer diameter portion of the mark body so that the concave portion of the positioning member is hidden from the maximum outer diameter portion of the mark body, so that the presence of the concave portion of the positioning member can be ignored. .
By changing the mark body from one having metallic luster to white, the background of the mark body can be more clearly captured.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
The embodiments described below are preferred specific examples of the present invention, and therefore, various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. It is not limited to these forms unless otherwise stated.
FIG. 1 shows an example of an image recognition device provided with a calibration jig for the image recognition device of the present invention.
The image recognition device 10 includes a camera 11, a ring light 12, a table moving unit 20, a servo controller 30, an image processing unit 40, a calibration jig 50, and the like.
[0009]
As the camera 11, for example, a CCD (Charge Coupled Device) camera or the like can be adopted, and the lens barrel 11a is directed vertically downward. The ring light 12 is, for example, a ring-shaped fluorescent lamp that is turned on by a power supply 12a. The ring light 12 is located around the lens barrel 11 a of the camera 11. The ring light 12 irradiates light to the surface of the table 21 of the table moving means 20.
The table moving means 20 is means for appropriately moving and positioning the table 21 in the X and Y directions. The table moving means 20 has a table 21 and bases 22 and 23. The base 22 includes an X-axis motor 24 and a ball screw 25. The ball screw 25 meshes with a nut (not shown) provided on the base 23. When the ball screw 25 rotates by the driving of the motor 24, the ball screw 25 moves the base 23 along the linear motion guide 26. It can be positioned by moving in the direction.
[0010]
Similarly, the base 23 has a motor 27 for the Y direction and a ball screw 28. The ball screw 28 meshes with a nut (not shown) provided below the table 21. When the ball screw 28 is rotated by the driving of the motor 27, the table 21 moves in the Y direction along the linear motion guide 29. It can be moved and positioned.
In this way, the table 21 can be moved and positioned appropriately in the X and Y directions.
[0011]
The servo controller 30 controls the driving of the motors 24 and 27 described above. The servo controller 30, the image processing unit 30, and the power supply 12a are controlled by the control unit 100.
The image processing unit 40 is a device that processes an image of the calibration jig 50 on the table 21 captured by the camera 11.
The servo controller 30 sends the XY coordinate position of the table to the image processing unit 40.
[0012]
Next, referring to FIG. 2, the image recognition device 10 can be used, for example, as a mounting device for an electronic component PA. The mounting apparatus of FIG. 2 includes the above-described table moving unit 20, and the table moving unit 20 is set on the base 31. For example, a printed wiring board OB can be detachably set on the table 21 as an object. The head 32 can mount the component PA on the printed wiring board OB. The head 32 holds the component PA, for example, by vacuum suction, and the head 32 can be moved and positioned in the Z direction by the moving operation means 33 according to a command from the control unit 100.
[0013]
Next, the structure of the calibration jig 50 of FIGS. 1 and 2 will be described.
The calibration jig 50 includes a positioning member 51 and a substantially spherical mark body 52. First, as shown in FIGS. 1, 3 and 4, the positioning member 51 has a fitting portion 51a and a flange portion 53. The fitting portion 51a fits into the hole 21a of the table 21 in FIG. That is, the inner diameter of the hole 21a substantially matches the outer diameter of the fitting portion 51a. The outer diameter of the flange portion 53 is larger than the outer diameter of the fitting portion 51a, and the background member 54 is fitted and attached to the central portion thereof. The background member 54 is, for example, white plastic, and methacryl can be used as the plastic.
[0014]
On the other hand, the flange portion 53 and the fitting portion 51a are integrated, and are made of, for example, metal, and carbon steel S45C for mechanical structure can be used as the type of metal.
A concave portion 56 is formed at the center of the background member 54. The inner diameter D1 of the concave portion 56 in FIG. 3 is set smaller than the diameter L of the maximum outer diameter portion of the mark body 52 described above.
[0015]
As shown in FIG. 4, the upper surface 53a of the flange portion 53 is plated, for example, black. Therefore, the background member 54 is made of white plastic, and the upper surface 53a is plated with black, so that the ring-shaped outer contour of the background member 54 is clearly exposed by color coding in black and white.
The substantially spherical mark body 52 is placed in the recess 56 at the center of the background member 54. As the mark body 52, for example, a steel ball can be used. As this steel ball, for example, a commonly used carbon steel steel ball or stainless steel steel ball can be used. This type of steel ball has a high degree of roundness of, for example, 3 μm, whereas the roundness of a conventionally used printing mark body is only about 20 μm at most.
As this type of steel ball, for example, a steel ball for a ball bearing can be used practically.
[0016]
As shown in FIG. 3, the inner diameter D1 of the concave portion 56 is set to be smaller than the diameter L of the maximum outer diameter portion of the mark body 52 because the camera 11 of FIG. This is to prevent the concave portion 56 from being hidden behind the maximum outer diameter portion 52R of the mark body 52 and being photographed.
The reason why the background member 54 is white is that the camera 11 can capture the background member 54 in white, the outer peripheral portion 52g of the mark body 52 seen from above is specularly reflected, and the illumination light of the ring light 12 is reflected by the camera 11 By not returning to the side, the outer peripheral portion 52g of the mark body 52 can be imaged black by the camera as shown in FIG. When the calibration work is performed in this manner, the mark body 52 appears black, the surrounding background member 54 appears white, and the image of the mark body 52 that appears black on a white background can be captured with a clean circular outline as shown in FIG. become.
[0017]
More specifically, as shown in FIG. 6, the light LT from the ring light 12 is reflected in a region R1 centered on the central axis CL of the mark body 52, and the reflected light LT returns to the camera 11 side. However, the surrounding region R2 is further reflected obliquely in the oblique direction, and the light LT reflected on the further outer region R3 (corresponding to the maximum outer diameter portion 52R) is reflected laterally. Therefore, as shown in FIG. 5, the camera 11 captures the center portion of the mark body 52 in white, and captures the black color toward the periphery.
Then, the maximum outer diameter portion 52R of the mark body 52 can make a substantially circular contour emerge with strong contrast with respect to the white of the background member 54.
In order to obtain such a result, it is preferable that the mark body 52 has metallic luster like a normal steel ball for a bearing.
[0018]
Next, an example of a calibration method using such a calibration jig 50 will be described.
7 to 9 show the k-l coordinate system J of the image IM to be captured by the camera 11 and the xy coordinate system H of the table 21 in FIG. The coordinate system J and the coordinate system H are inclined by an arbitrary angle θ. That is, an example is shown in which the direction of the camera 11 and the direction of the table 21 do not match.
FIG. 11 shows the coordinate system J of the camera, the coordinate system H of the table 21, and the coordinate system (unit pixel) k-1 of the camera 11. In FIG. 11, the coordinate system H and the coordinate system J have a unit of mm, and the coordinate system k-1 of the unit pixel is a coordinate system obtained by expanding and contracting the α-β coordinate system J along the α and β coordinate axes. is there.
[0019]
In FIG. 11, OR indicates the origin coordinates (x0, y0) of the camera. Θ indicates the inclination angle between the coordinate system H and the coordinate system J.
Description of each element shown in FIG. 11 is shown in FIG. 12, a vector Xi is a vector representing the position of the mark body 52 in the coordinate system H of the table 21. The vector Xa is a vector representing the origin coordinate OR (x0, y0) of the camera 11 in the coordinate system H of the table 21.
The vector Xb is a vector that represents from the origin coordinate OR (x0, y0) of the camera 11 to the position coordinates (Xi, Yi) of the mark body 52 in the coordinate system H of the table 21. The vector P is a vector representing the vector Xb in the coordinate system J of the camera 11. Therefore, the vector Xb is equal to the vector P.
The vector R is a vector representing the vector P in the pixel coordinate system k-1 of the camera 11.
[0020]
FIG. 13 shows the relationship between the vector Xi and the vector R. The vector Xi can be represented by (xa, ya), α, β, xp, yp, and the like.
FIG. 14 shows a vector Xi of the coordinates of the first, second, and third points of each mark body 52 when captured by the camera 11, and also shows a vector R. Other vectors Xa and Xb can be similarly expressed.
The coordinates Xi1 of the first mark body 52 are shown in FIG. 7, the coordinates Xi2 of the second mark body are shown in FIG. 8, and the coordinates Xi3 of the third mark body are shown in FIG. ing. Vector Xi1, vector Xi2, and vector Xi3 are at linearly independent positions.
[0021]
Here, as shown in FIG. 15, since xa, ya, S, t, and θ are fixed values, an equation as shown in FIG. 15 is established. Note that θ is the tilt angle as described above, and t is the magnification of how many mm corresponds to one pixel in the β direction of the camera image.
It is.
S is a magnification of how many mm corresponds to one pixel in the α direction of the camera image.
[0022]
FIG. 16 shows a coordinate transformation matrix obtained by adding the expressions (6) and (7) of FIG.
17 is obtained by substituting the coordinate transformation matrix of FIG. 16 into the equation (1) of FIG. 15 to obtain the origin coordinate OR (xa, ya) of the camera, and obtaining the equation (FIG. 10) of the coordinate transformation matrix of FIG. As a result of finding the origin coordinates OR of the camera 11, it is shown that arbitrary pixel coordinates on the camera are converted into the coordinate system H of the table 21 by the equation (0) in FIG.
[0023]
Next, with reference to FIGS. 7 to 9, the camera 11 detects the positions of the first mark body 52, the second mark body 52, and the third mark body 52, and a coordinate transformation matrix ( Expression (0) and the origin coordinate OR of the camera 11 are obtained, and an arbitrary pixel coordinate system (k-1) of the camera is converted into an XY table coordinate system H by expression (0).
In steps S1 to S9 shown in FIG. 10, the servo motor 30 controls the motors 24 and 27 of the table moving means 20, and the image processing unit 40 determines the center position of the mark body 52 of the calibration jig 50 captured by the camera 11. Ask.
[0024]
In step S1 of FIG. 10, the camera 11 is moved to a position where the mark body 52 appears. Thereby, the camera 11 takes in the coordinates P1 (vector Xi1) (xi1, yi1) of the first point of the mark body 52 in FIG. 7 (step S2).
Then, in step S3 in FIG. 10, the image processing unit 40 obtains the center position of the mark body 52 at the first coordinate P1 by image processing. This corresponds to the pixel (x1p, y1p) on the camera 11.
[0025]
Next, the table 21 is moved, and the camera 11 captures the coordinates P2 (vector Xi2) (xi2, yi2) of the second point of the mark body 52 as shown in FIG. 8 (step S5). Then, the image processing unit 40 obtains the center position of the second mark body 52 by image processing. The center position of the mark body 52 corresponds to the pixel (x2p, y2p) (step S6).
[0026]
Next, as shown in FIG. 9, the table 21 is moved, and the coordinates P3 (vector Xi3) (xi3, yi3) of the third point of the mark body 52 are captured as an image (step S7). Then, the center position of the mark body 52 is obtained by image processing (step S9). The center position of the mark body 52 corresponds to the pixel (x3p, y3p).
[0027]
Then, as shown in step S10, if the processing of the equations (0) to (11) in FIGS. 15 to 17 is performed, one pixel (pixel) of the camera is displayed on the table 21 which is the actual object. Calibration (calibration) can be performed before measurement by image recognition of the object to determine how many mm the camera 11 corresponds to or how many times the camera 11 is tilted as represented by θ as shown in FIG. In other words, it is possible to find out, for example, what mm of the printed wiring board the pixel is going to place on the table 21.
[0028]
In the present invention, the substantially spherical mark body 52 can be used as a mark close to a perfect circle at a low price, for example, by using a commercially available high-precision steel ball with respect to the concave portion of the positioning member. . Thereby, the calibration accuracy at the time of image recognition can be improved.
Further, since the centering of the positioning member 51 and the substantially spherical mark body 52 in FIG. 3 is determined by the hole position of the concave portion 56 of the background member 54 opened by machining, it can be suppressed to the minimum deviation. In addition, the calibration accuracy at the time of image recognition can be improved.
[0029]
In a mark formed by machining as in the prior art, the calibration accuracy was reduced due to loosening of an edge portion having burrs around the mark. However, a calibration jig 50 as shown in FIG. The use eliminates such a problem.
The background member 54 is behind the mark body 52 when viewed from the camera 11 side, and the upper surface of the background member 54 which is the background surface is behind (below) the focal height FPP of the camera 11. In addition, the camera 11 does not focus on dust and flaws attached to the background member 54, so that an image with less noise than a conventional jig can be obtained, and the calibration accuracy can be improved. That is, it is preferable that the focal height FPP of the camera 11 be located at the maximum outer diameter portion 52R of the mark body 52.
[0030]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the background member 54 in FIG. 3 is made of white plastic, is embedded in the flange portion 53, and makes use of the fact that the outer peripheral portion of the mark body 52 appears black (see FIG. 5). The image recognition and calibration are performed using the circular mark 52 as a mark. However, the present invention is not limited to this. If the outer periphery of the mark body 52 also shines due to disturbance light, the mark body may be plated with black.
Instead of embedding a white plastic as the background member 54, a white paint may be applied to the central portion of the upper surface of the flange portion 53 (the peripheral portion of the concave portion 56). In the case where the background member 54 is plated with a dark color, the contrast of the circular mark may be obtained by painting the mark body 52 with white or a color that appears brightly on the camera image. When the background is made black, it is conceivable to use a high-precision white plastic ball without using a mark body.
The mark body 52 in FIG. 3 can be prevented from coming off the recess 56 by bonding the corner of the recess 56 with an adhesive.
[0031]
As described above, in an image recognition device that captures an object with an image of a camera and obtains information on its shape, size, and position and angle by image processing, one pixel is actually stored on the object such as a table. It is possible to calibrate with a high degree of accuracy before the object measurement how many mm the camera corresponds to and how many times the camera is tilted with respect to the reference coordinate axis.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it can be manufactured at low cost, and the calibration of the correspondence between the pixel and the object is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an image recognition device having a preferred embodiment of a calibration jig of the image recognition device of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example in which the image recognition device of FIG. 1 is used for an electronic component device.
FIG. 3 is a side view having a partial cross section showing the calibration jig of FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view of the calibration jig of FIG. 3;
FIG. 5 is a view showing a state of reflected light from a mark body of the calibration jig of FIGS. 3 and 4;
FIG. 6 is a side view showing a state of reflected light from a mark body.
FIG. 7 is a view showing a state where coordinates of a first point are captured by a camera.
FIG. 8 is a diagram showing a state where coordinates of a second point are captured by a camera.
FIG. 9 is a diagram showing a state in which coordinates of a third point are captured by a camera.
FIG. 10 is a diagram showing an example of image processing when the coordinates of the first to third points are captured.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship among a table coordinate system, a camera coordinate system, and a camera coordinate system (unit pixel).
FIG. 12 is a view for explaining each element in FIG. 11;
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a vector Xi and a vector R;
FIG. 14 is a diagram showing vectors Xi1 to Xi3 and a vector R of coordinates of a first point to a third point.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship between coordinates of first to third points;
FIG. 16 is a diagram showing a coordinate transformation matrix.
FIG. 17 is a diagram showing a state in which arbitrary pixel coordinates on a camera are obtained from a coordinate transformation matrix and camera origin coordinates.
FIG. 18 is a perspective view showing an example of a conventional image recognition device.
19 is a plan view showing an example of a mark body used in the conventional image recognition device of FIG.
FIG. 20 is a side view of the mark in FIG. 19;
FIG. 21 is a plan view of another conventional mark.
FIG. 22 is a side view of the mark in FIG. 21;
FIG. 23 is a diagram showing the unclearness of the outline of a conventional mark.
[Explanation of symbols]
11 camera, 12 ring light (illuminating means), 20 table moving means, 21 table (object), 50 calibration jig, 51 positioning member 52 ..Mark bodies, 56 recesses

Claims (6)

対象物を認識する画像認識装置に用いられ、対象物を移動したときの座標と、画像撮像装置が得る画像の座標の位置関係を比較して校正する際に用いられる校正治具において、
凹部を有する位置決め部材と、
位置決め部材の凹部に保持されるほぼ真球のマーク体と、
を備えることを特徴とする画像認識装置用の校正治具。
Used in an image recognition device that recognizes an object, a calibration jig used when calibrating by comparing the positional relationship between the coordinates when the object is moved and the image obtained by the image capturing device,
A positioning member having a recess,
A substantially spherical mark body held in the concave portion of the positioning member,
A calibration jig for an image recognition device, comprising:
マーク体は金属光沢を有し、位置決め部材の凹部を画成する周囲部分は白色で、投影面でみてマーク体のほぼ中央部が光を反射する請求項1に記載の画像認識装置用の校正治具。2. The calibration for an image recognition apparatus according to claim 1, wherein the mark body has a metallic luster, a peripheral portion defining a concave portion of the positioning member is white, and a substantially central portion of the mark body reflects light as viewed on a projection surface. jig. 位置決め部材は、対象物を保持して移動するための移動手段に取り付けられ、凹部の大きさはマーク体の直径より小さく、マーク体の中心は位置決め手段の中心軸に一致している請求項2に記載の画像認識装置用の校正治具。The positioning member is attached to a moving means for holding and moving the object, the size of the recess is smaller than the diameter of the mark body, and the center of the mark body coincides with the center axis of the positioning means. 2. A calibration jig for an image recognition device according to claim 1. 対象物を認識する画像認識装置に用いられ、対象物を移動したときの座標と、画像認識装置が得る画像の座標の位置関係を比較して校正するための校正方法において、
対象物に位置決め部材を保持し、
位置決め部材の凹部にほぼ真球のマーク体を保持して、ほぼ真球のマーク体の中心と位置決め部材の凹部の中心軸を一致させて、
マーク体の反射光に基づいて、対象物に移動方向を示す座標と、画像認識装置が得る画像の座標の位置関係を校正することを特徴とする画像認識装置用の校正方法。
Used in an image recognition device that recognizes an object, a calibration method for calibrating by comparing the positional relationship between the coordinates when the object is moved and the coordinates of the image obtained by the image recognition device,
Hold the positioning member on the object,
A substantially spherical mark body is held in the concave portion of the positioning member, and the center of the substantially spherical mark body is aligned with the central axis of the concave portion of the positioning member,
A calibration method for an image recognition device, comprising: correcting a positional relationship between coordinates indicating a moving direction of an object and coordinates of an image obtained by the image recognition device based on reflected light of a mark body.
画像撮像装置の焦点はマーク体の最大外径部に合わせ、マーク体の最大外径部により位置決め部材の凹部が隠れる請求項4に記載の画像認識装置用の校正方法。5. The calibration method for an image recognition device according to claim 4, wherein the focus of the image pickup device is set to the maximum outer diameter portion of the mark body, and the concave portion of the positioning member is hidden by the maximum outer diameter portion of the mark body. マーク体の背影となる面が位置決め部材の白い面である請求項5に記載の画像認識装置用の校正方法。6. The calibration method for an image recognition device according to claim 5, wherein the surface behind the mark body is a white surface of the positioning member.
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