JP4402328B2 - Shape identification method using three-dimensional image, shape identification system, and program thereof - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円錐形、円柱形、球形等の形状を有する目標物体の２次元画像及び３次元画像からその目標物体の形状を識別する方法に関し、特に、３次元画像を用いた識別において、その識別精度を向上することのできる形状識別方法及び形状識別システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
目標物体の形状の識別を行うための従来の画像処理方法においては、２次元画像による２次元画像処理のみ、あるいは３次元画像を用いた３次元画像処理のみで目標物体の識別処理が行われていた。前者の２次元画像処理のみによる方法では、例えば、赤外線センサ等で得られる２次元画像を用いる方法が知られており、扱う情報量が少ないために、識別するまでの処理時間を短くできるという利点がある反面、識別の精度が劣るという欠点がある。
【０００３】
例えば、識別すべき物体の形状が、円錐形、円柱形、球形からなる場合には、２次元画像を得る際の視点方向によっては、前記全ての２次元画像が同じ形状（円）に見える場合があり、十分な識別ができない。具体的な例として、高速で飛来するミサイル等の目標物を要撃する際などには、目標物が、要撃の必要のない球形形状のデコイや円柱形形状のブースタであるか、あるいは要撃すべき円錐形形状の弾頭であるかを見分ける必要があるが、前述のように、２次元画像では、これらは見る方向によって同一形状となってしまうため、前記２次元画像処理のみでは、十分ではない。
【０００４】
従って、識別すべき対象物体によっては、３次元画像を用いた識別が必要となる。３次元画像を用いて形状を識別することにより、前述した見る方向によって同一形状となってしまう場合にも、円錐形、円柱形、球形を識別することができ、２次元画像処理だけの場合よりも詳細な形状の識別が可能となる。しかし、従来のようにこの３次元画像による処理のみで形状の識別を行う方法では、処理する情報量が多いため、処理時間がかかるという欠点があり、前述したミサイル等の要撃の場合など高速な識別処理が要求される場合には不向きである。
【０００５】
このような従来の２次元画像処理のみによる方法、及び３次元画像処理のみによる方法における不具合を解消するための方法として、本願発明者による特開２００１−１６０１４７に記載された識別方法がある。図５の（ａ）は、かかる識別方法を用いた形状識別システム１'の構成を示し図である。この形状識別システム１'は、レーザ発振器２、受光センサ３、及び信号処理装置４'から構成され、レーザ発振器２から形状の識別を行う物体５に対しレーザ光を照射し、受光センサ３が反射されるレーザ光を受光することにより物体５の３次元画像を取得し、その３次元画像から信号処理装置４'が物体５の形状を識別する。
【０００６】
図６は、信号処理装置４'で行われる識別処理の流れを示したフローチャートである。信号処理装置４'では、まず、取得した３次元画像から得られる２次元画像を用いて、受光センサ３に最も近い点である最近点８と重心との位置の一致性や画像の輪郭をなす直線の傾き等に基づいて、円錐形と円柱形の識別を行う。そして、この２次元画像による識別ができない場合には、３次元画像を用いて、最近点８から輪郭方向への曲率、傾きを算出し、その値が有意な値となるか否かによって、円錐形、円柱形、球形の識別を行う。
【０００７】
図７は、前記最近点８から輪郭方向への曲率及び傾きを説明するための図である。図の（ａ）に示すとおり、前記形状識別の判断に用いられる曲率１０は、最近点８から輪郭点９（前記２次元画像において輪郭をなす点）までの輪郭に沿って計算される。また、図の（ｂ）に示すとおり、前記形状識別の判断に用いられる傾き１１は、最近点８から輪郭点９への傾きとして計算される。
【０００８】
このように、特開２００１−１６０１４７に記載された識別方法は、２次元画像によって識別可能な場合には２次元画像処理により識別を行い、そうでない場合には、３次元画像を用いた３次元画像処理によって識別処理を実行する。従って、常に３次元画像処理を行う方法よりも処理速度が高く、また、３次元画像処理のみ場合と同等の識別能力が得られ、かかる識別方法では、従来の２次元画像処理のみあるいは３次元画像処理のみによる方法の欠点が克服されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した識別方法における曲率１０と傾き１１に基づいた識別には、精度的に問題があった。図５の（ｂ）に示すように、通常、物体５の輪郭部に照射されて反射し受光センサ３に受け取られるレーザ光、即ち図中の輪郭に照射／反射するレーザ光７、のパワーは、その他の部分に反射して受光センサ３で受け取られるレーザ光、即ち図中の物体に照射／反射するレーザ光６、のパワーに比べて小さいため、取得される輪郭部（輪郭点９付近）の画像データの精度は他の部分に比べて悪化する。そして、前述の曲率１０と傾き１１の算出には、この精度の悪い画像データも用いられ、その精度の悪さにより適正な曲率１０と傾き１１が算出されない場合も多く、輪郭部のデータ精度の悪さが形状識別に与える影響が大きかった。従って、前記曲率１０と傾き１１に基づく識別方法の識別精度は、それほど高いものにはならなかった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、２次元画像と３次元画像を用いて目標物体の形状識別を高速に性能よく行うことができ、特に、３次元画像を用いた識別の精度を向上させることのできる形状識別方法及び形状識別システム等を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、目標物体の形状を、センサの視点から見た２次元画像のみからでは識別できない場合に、３次元画像を用いて、最近点と輪郭点の間に位置する内分点と最近点との高低差により識別することである。従って、本発明によれば、３次元画像を用いた識別の工程において、各形状間で明確な差として現れる最近点と内分点の高低差により形状の識別が行われるため、輪郭点付近の画像データの精度が悪くても、その影響を受けることが少なく、従来法よりも精度の高い識別を行うことが可能である。
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、目標物体に対してレーザ光を照射するレーザ発振装置と、前記目標物体に反射された前記レーザ光を受光することにより前記目標物体の３次元画像を取得するセンサと、前記３次元画像に基づいて前記目標物体の形状を識別する信号処理装置とを有する形状識別システムであって、前記信号処理装置が、前記３次元画像から、前記目標物体上の点であって前記センサに最も近い点である最近点を抽出するとともに、前記３次元画像から得られる前記目標物体の２次元画像の面積重心を求め、前記抽出された最近点の前記２次元画像上における座標と、前記求められた面積重心の座標が一致するとき、前記２次元画像上における前記最近点から前記２次元画像の各輪郭までの長さである最近点−輪郭長さを求め、前記最近点の２次元画像上における座標と、前記面積重心の座標が一致しないとき、あるいは、前記求められた最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近くないとき、前記２次元画像の各輪郭から直線部を抽出し、前記抽出した各直線部の傾きを求め、前記直線部に前記傾きが一致する対があれば、前記目標物体の形状は円柱形であると識別し、前記直線部に前記傾きが一致する対がなければ、前記目標物体の形状は円錐形であると識別し、前記最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近いとき、前記３次元画像において、前記２次元画像で輪郭をなす点である輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記輪郭点までの距離よりも前記最近点までの距離の方が短い位置にある第１内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は円錐形であると識別し、前記求められた座標値に差がないとき、前記３次元画像において前記輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記最近点までの距離よりも前記輪郭点までの距離の方が短い位置にある第２内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は球形であると識別し、前記座標値に差がなければ、前記目標物体の形状は円柱形であると識別することを特徴とする。
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の更に別の側面は、目標物体に対してレーザ光を照射するレーザ発振装置と、前記目標物体に反射された前記レーザ光を受光することにより前記目標物体の３次元画像を取得するセンサと、前記３次元画像に基づいて前記目標物体の形状識別処理を行うための信号処理装置とを有する形状識別システムにおける、前記形状識別処理を前記信号処理装置に実行させるためのコンピュータプログラムであって、前記３次元画像から、前記目標物体上の点であって前記センサに最も近い点である最近点を抽出するとともに、前記３次元画像から得られる前記目標物体の２次元画像の面積重心を求める第一の工程と、前記抽出された最近点の前記２次元画像上における座標と、前記求められた面積重心の座標が一致するとき、前記２次元画像上における前記最近点から前記２次元画像の各輪郭までの長さである最近点−輪郭長さを求める第二の工程と、前記最近点の２次元画像上における座標と、前記面積重心の座標が一致しないとき、あるいは、前記求められた最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近くないとき、前記２次元画像の各輪郭から直線部を抽出し、前記抽出した各直線部の傾きを求め、前記直線部に前記傾きが一致する対があれば、前記目標物体の形状は円柱形であると識別し、前記直線部に前記傾きが一致する対がなければ、前記目標物体の形状は円錐形であると識別する第三の工程と、前記最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近いとき、前記３次元画像において、前記２次元画像で輪郭をなす点である輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記輪郭点までの距離よりも前記最近点までの距離の方が短い位置にある第１内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は円錐形であると識別する第四の工程と、前記求められた座標値に差がないとき、前記３次元画像において前記輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記最近点までの距離よりも前記輪郭点までの距離の方が短い位置にある第２内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は球形であると識別し、前記座標値に差がなければ、前記目標物体の形状は円柱形であると識別する第五の工程とを前記信号処理装置に実行させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００１７】
本発明を用いた形状識別システム１の実施の形態例に係る構成図は、図５の（ａ）に示したものと同様である。図に示すとおり、本実施の形態例に係る形状識別システム１は、レーザ発振器２、受光センサ３、及び信号処理装置４から構成される。また、図中の物体５は、本形状識別システム１が形状の識別を行う対象物であり、円錐、円柱、球等の形状をしている。
【００１８】
レーザ発振器２は、物体５に対しレーザ光を照射する装置であり、受光センサ３は、物体５から反射される前記レーザ光を受光することにより物体５の３次元画像を取得するセンサである。
【００１９】
信号処理装置４は、その取得された３次元画像からが物体５の特定の形状（円錐、円柱、球）を識別する装置であり、信号処理装置４で行われる識別処理の内容が本発明の特徴である。なお、信号処理装置４は、前記識別処理の手順を記述したコンピュータプログラムと、そのコンピュータプログラムや前記３次元画像等を格納する記憶装置と、前記コンピュータプログラムに従って処理を実行する制御装置等を有するコンピュータシステムによって実装することができる。
【００２０】
以上のように構成された本実施の形態例に係る形状識別システム１は、物体５の形状を、その２次元画像と３次元画像の双方を用いて、高速に精度良く識別しようとするものであり、特に３次元画像を用いた処理において高い識別精度を得ようとするものである。以下、信号処理装置４で行われる識別処理の内容を説明する。
【００２１】
図１は、本形状識別システム１の信号処理装置４で行われる識別処理の流れを示したフローチャートである。また、図２は、物体の形状を識別する際に、２次元画像のみで識別が可能なケースを示す図であり、図３は、物体の形状を識別する際に、３次元画像を用いる必要があるケースを示す図である。なお、図２及び図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ物体５が円錐形物体１２、円柱形物体１３、球形物体１４である場合を示している。以下、図１に示す（I）〜（V）のフェーズに分けて説明する。
【００２２】
（I）３次元画像の最近点抽出、２次元画像の重心計算
まず、信号処理装置４は、受光センサ３で取得された３次元画像の中で、図３の（ａ）に示すような受光センサ３に最も近いデータを持つ画素（図３の最近点８）を抽出する。この点を、以下、最近点８と呼ぶことにする。次に、信号処理装置４は、受光センサ３の視点から見た場合の物体５の２次元画像を前記３次元画像から生成し、図２及び図３に示すようなこの２次元画像の面積重心１６を計算する。ここで得られた前記最近点８と面積重心１６の前記２次元画像上の位置（座標）を比較し、双方の位置が一致していればフェーズ（II）に移行し、一致していなければフェーズ（III）に移行する。
【００２３】
（II）最近点８から輪郭までの長さ算出
次に、信号処理装置４は、フェーズ（I）で求められた最近点８画素から前記２次元画像における各輪郭画素までの長さである最近点−輪郭長さ１５を求め、最近点−輪郭長さ１５の値の最大値と最小値の比である短長比を算出する。そして、この短長比が１に近くなければ、フェーズ（III）に移行し、１に近ければフェーズ（IV）へ移行する。図３に示した例では、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）何れの場合にも短長比が１に近くなり、フェーズ（IV）へ移行する。即ち、２次元画像だけでは、形状の識別ができず、後述する３次元画像を用いた識別が行われる。一方、図２の（ａ）、（ｂ）の場合には、フェーズ（III）に移行し、２次元画像によって形状の識別が行われる。
【００２４】
（III）２次元画像における輪郭上の直線１７の傾き計算
図２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、２次元画像における輪郭上の直線１７を抽出し、それらの傾きを計算する。その結果、直線１７の傾きが一致するものがなければ物体５を円錐形であると識別し、一致するものがあれば円柱形であると識別する。図２の（ａ）に示す例では、抽出された２本の直線１７の傾きが異なるため、円錐形であると判断され、一方、（ｂ）に示す例では、抽出された２本の直線１７の傾きが一致するので、円柱形であると判断される。
【００２５】
（IV）「最近点８」と「第１内分点１８」との高低差検出
前述したように、２次元画像だけで形状の識別をできない場合、例えば、図３に示すように、円錐形物体１２や円柱形物体１３の中心軸と受光センサ３の視線が一致し、前記２次元画像が円を示すような場合には、３次元画像を用いた識別が行われる。このフェーズにおいて信号処理装置４は、図３に示す３次元画像における最近点８と第１内分点１８との高低差を検出する。
【００２６】
ここで、第１内分点１８とは、前記２次元画像上で輪郭をなす点である輪郭点９と最近点８とを結ぶ３次元画像の輪郭面上の線を内分する点であって、輪郭点９までの距離よりも最近点８までの距離の方が近い位置にあるものをいう。図４は、第１内分点１８及び第２内分点１９を説明するための図であり、図の（ａ）に第１内分点１８が例示されている。ここでは、物体５が球形物体１４である場合が示されている。
【００２７】
また、高低差とは、図３の３次元画像における上下方向の座標値の差を意味し、換言すれば、受光センサ３の視線方向の座標値の差を意味する。信号処理装置４が行う最近点８と第１内分点１８との高低差の検出は、具体的には、３次元画像から、受光センサ３の視線方向と直交する方向から見た場合の２次元画像を生成し、その２次元画像上で輪郭をなす最近点８と輪郭点９を結ぶ線上に第１内分点１８を取り、その点と最近点８の高さ方向（受光センサ３の視線方向）の座標値を比べることで行われる。
【００２８】
かかる高低差の検出の結果、高低差があれば、物体５を円錐形と識別し、高低差がなければフェーズ（V）へ移行する。ここで、高低差があるかないかの判断は、高低差が所定の小さな値を超えるか否かで行うこともできる。この際、前記所定の値は、第１内分点１８の位置などにより定められる。図３の例では、（ａ）に示す場合に、前記高低差があり、円錐形と判断され、（ｂ）及び（ｃ）に示す場合には、高低差がないと判断されて、フェーズ（V）へ処理が移行する。
【００２９】
（V）「最近点８」と「第２内分点１９」との高低差検出
このフェーズにおいて信号処理装置４は、図３に示す３次元画像における最近点８と第２内分点１９との高低差を検出する。ここで、第２内分点１９とは、前記２次元画像上で輪郭をなす点である輪郭点９と最近点８とを結ぶ３次元画像の輪郭面上の線を内分する点であって、最近点８までの距離よりも輪郭点９までの距離の方が近い位置にあるものをいう。図４の（ｂ）には、物体５が球形物体１４である場合の第２内分点１９が例示されている。
【００３０】
高低差の検出の結果、高低差があれば、物体５を球形と識別し、高低差がなければ円柱形と識別する。ここで、高低差の意味と高低差の有無の判断については、前述したフェーズ（IV）の場合と同様である。図３の例では、図の（ｂ）に示す場合には、最近点８と第２内分点１９の間に高低差が認められず円柱形物体１３と判断され、図の（ｃ）に示す場合には、最近点８と第２内分点１９の間に高低差があり、球形物体１４と判断される。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態例に係る形状識別システム１では、図３に示したような場合にも３次元画像を用いて適確な形状識別が行われ、また、２次元画像で識別が可能な場合には、情報量の少ない２次元画像で処理が行われるため、高速で性能の良い形状識別が可能である。さらに、３次元画像を用いたフェーズ（IV）及び（V）の識別処理において、各特定形状（円錐、円柱、球）の特徴上明確な差となって現れる最近点８と内分点（１８、１９）の高低差を、判断の基準としているため、取得される画像データの精度が多少悪化しても、正しい識別が可能であり、従来の曲率１０及び傾き１１を用いた手法よりも画像データの悪化の影響を受けずらく、識別精度を向上させることができる。
【００３２】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、３次元画像を用いた識別の工程において、各形状間で明確な差として現れる最近点と内分点の高低差により形状の識別が行われるため、輪郭点付近の画像データの精度が悪くても、その影響を受けることが少なく、従来法よりも精度の高い識別を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本形状識別システム１の信号処理装置４で行われる識別処理の流れを示したフローチャートである。
【図２】物体の形状を識別する際に、2次元画像のみで識別が可能なケースを示す図である。
【図３】物体の形状を識別する際に、3次元画像を用いる必要があるケースを示す図である。
【図４】本形状識別システム１における識別処理で用いられる第１内分点１８及び第２内分点１９を説明するための図である。
【図５】従来の形状識別システム及び本発明を適用した形状識別システムの構成等を説明するための図である。
【図６】従来の形状識別システム１'の信号処理装置４'で行われる識別処理の流れを示したフローチャートである。
【図７】従来の形状識別システム１'において算出される最近点８から輪郭方向への曲率１０及び傾き１１を説明するための図である。
【符号の説明】
１、１' 形状識別システム
２ レーザ発振器
３ 受光センサ
４、４' 信号処理装置
５ 物体
６ 物体に照射／反射するレーザ光
７ 輪郭に照射／反射するレーザ光
８ 最近点
９ 輪郭点
１０ 曲率
１１ 傾き
１２ 円錐形物体
１３ 円柱形物体
１４ 球形物体
１５ 最近点−輪郭長さ
１６ 面積重心
１７ 直線
１８ 第１内分点
１９ 第２内分点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional image of a target object having a shape such as a cone, a cylinder, or a sphere, and a method for identifying the shape of the target object from a three-dimensional image. The present invention relates to a shape identification method and a shape identification system that can improve identification accuracy.
[0002]
[Prior art]
In a conventional image processing method for identifying the shape of a target object, the target object is identified only by two-dimensional image processing using a two-dimensional image or only by three-dimensional image processing using a three-dimensional image. It was. In the former method using only two-dimensional image processing, for example, a method using a two-dimensional image obtained by an infrared sensor or the like is known, and since the amount of information to be handled is small, the processing time until identification can be shortened. However, there is a drawback that the accuracy of identification is inferior.
[0003]
For example, when the shape of the object to be identified is a cone, a cylinder, or a sphere, depending on the viewpoint direction when obtaining a two-dimensional image, all the two-dimensional images appear to have the same shape (circle) And there is no sufficient identification. As a specific example, when shooting a target such as a missile flying at high speed, the target should be a spherical decoy or a cylindrical booster that does not require a shot or should be shot. Although it is necessary to distinguish whether the warhead has a conical shape, as described above, in a two-dimensional image, since they have the same shape depending on the viewing direction, the two-dimensional image processing alone is not sufficient.
[0004]
Accordingly, depending on the target object to be identified, identification using a three-dimensional image is required. By identifying the shape using a three-dimensional image, it is possible to identify a conical shape, a cylindrical shape, and a spherical shape even when the shape is the same depending on the viewing direction described above. The detailed shape can be identified. However, the conventional method of identifying a shape only by processing with a three-dimensional image has a disadvantage that it takes a long processing time due to a large amount of information to be processed. It is not suitable when identification processing is required.
[0005]
As a method for solving such a problem in the conventional method using only two-dimensional image processing and the method using only three-dimensional image processing, there is an identification method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-160147 by the present inventor. FIG. 5A is a diagram showing a configuration of a
[0006]
FIG. 6 is a flowchart showing a flow of identification processing performed in the signal processing device 4 ′. In the signal processing device 4 ′, first, using the two-dimensional image obtained from the acquired three-dimensional image, the coincidence of the position of the nearest point 8 that is the closest point to the light receiving sensor 3 and the center of gravity and the contour of the image are formed. Based on the inclination of the straight line, etc., a conical shape and a cylindrical shape are identified. If the two-dimensional image cannot be identified, the curvature and inclination from the closest point 8 to the contour direction are calculated using the three-dimensional image, and the cone is determined depending on whether or not the value becomes a significant value. Identify shapes, cylinders, and spheres.
[0007]
FIG. 7 is a diagram for explaining the curvature and inclination from the nearest point 8 to the contour direction. As shown in (a) of the figure, the curvature 10 used for the determination of the shape identification is calculated along the contour from the nearest point 8 to the contour point 9 (the point forming the contour in the two-dimensional image). Further, as shown in (b) of the figure, the slope 11 used for the determination of the shape identification is calculated as the slope from the nearest point 8 to the contour point 9.
[0008]
As described above, the identification method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-160147 performs identification by two-dimensional image processing when it can be identified by a two-dimensional image, and otherwise three-dimensionally using a three-dimensional image. Identification processing is executed by image processing. Accordingly, the processing speed is always higher than the method of always performing three-dimensional image processing, and the identification capability equivalent to the case of only three-dimensional image processing can be obtained. In such an identification method, only conventional two-dimensional image processing or three-dimensional image processing is obtained. The disadvantages of the process-only method are overcome.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the identification based on the curvature 10 and the slope 11 in the above-described identification method has a problem with accuracy. As shown in FIG. 5 (b), the power of the laser beam that is normally irradiated on the contour of the object 5 and reflected and received by the light receiving sensor 3, that is, the laser beam 7 irradiated / reflected on the contour in the figure is Since it is smaller than the power of the laser beam reflected by other portions and received by the light receiving sensor 3, that is, the laser beam 6 irradiated / reflected on the object in the figure, the acquired contour portion (near the contour point 9) The accuracy of the image data is worse than that of other parts. The above-described curvature 10 and slope 11 are calculated using the image data with poor accuracy, and the appropriate curvature 10 and slope 11 are often not calculated due to the poor precision, and the data accuracy of the contour portion is poor. Had a great influence on shape discrimination. Therefore, the identification accuracy of the identification method based on the curvature 10 and the slope 11 is not so high.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to perform a shape identification of a target object at high speed and with high performance using a two-dimensional image and a three-dimensional image, and in particular, it is possible to improve identification accuracy using a three-dimensional image. To provide a shape identification method, a shape identification system, and the like.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to use a three-dimensional image and determine the nearest point when the shape of a target object cannot be identified only from a two-dimensional image viewed from the sensor viewpoint. It is identified by the difference in height between the inner dividing point located between the contour points and the nearest point. Therefore, according to the present invention, in the identification process using the three-dimensional image, the shape is identified by the difference in height between the nearest point and the internal dividing point that appears as a clear difference between the shapes. Even if the accuracy of the image data is poor, the image data is hardly affected, and it is possible to perform identification with higher accuracy than the conventional method.
[0013]
In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a laser oscillation device for irradiating a target object with laser light, and the target object by receiving the laser light reflected by the target object. A shape identification system comprising: a sensor that acquires a three-dimensional image of the signal; and a signal processing device that identifies the shape of the target object based on the three-dimensional image, wherein the signal processing device includes: Extracting the nearest point that is a point on the target object and closest to the sensor, obtains the center of gravity of the two-dimensional image of the target object obtained from the three-dimensional image, and extracts the nearest point Is the length from the nearest point on the two-dimensional image to each contour of the two-dimensional image when the coordinates on the two-dimensional image coincide with the coordinates of the calculated area centroid -The contour length is obtained, and when the coordinates of the nearest point on the two-dimensional image and the coordinates of the area centroid do not coincide, or the ratio of the obtained nearest point-contour length maximum value and the minimum value is When not close to 1, a straight line part is extracted from each contour of the two-dimensional image, the inclination of each extracted straight line part is obtained, and if there is a pair with the same inclination in the straight line part, the shape of the target object Is identified as a cylindrical shape, and if there is no pair whose slopes coincide with each other in the straight line portion, the shape of the target object is identified as a conical shape, and the maximum value and the minimum value of the nearest point-contour length When the ratio is close to 1, in the three-dimensional image, a point that internally divides a line on a contour plane connecting a contour point that is a point that forms a contour in the two-dimensional image and the nearest point, and the contour A first position in which the distance to the nearest point is shorter than the distance to the point; A coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image of the minute point and the nearest point is obtained, and if there is a difference between the obtained coordinate values, the shape of the target object is identified as a cone. , When there is no difference in the obtained coordinate values, it is a point that internally divides a line on the contour plane connecting the contour point and the nearest point in the three-dimensional image, and more than the distance to the nearest point A coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image of the second interior dividing point at a position where the distance to the contour point is shorter and the closest point is obtained, and there is a difference between the obtained coordinate values. If there is, the shape of the target object is identified as a sphere, and if there is no difference in the coordinate values, the shape of the target object is identified as a cylinder.
[0014]
In order to achieve the above object, according to yet another aspect of the present invention, there is provided a laser oscillation device that irradiates a target object with laser light, and the target object by receiving the laser light reflected by the target object. In the shape identification system having a sensor for acquiring a three-dimensional image of an object and a signal processing device for performing shape identification processing of the target object based on the three-dimensional image, the shape identification processing is performed on the signal processing device. A computer program for execution, wherein a nearest point that is a point on the target object and closest to the sensor is extracted from the three-dimensional image, and the target object obtained from the three-dimensional image A first step of obtaining the area centroid of the two-dimensional image, the coordinates of the extracted nearest point on the two-dimensional image, and the coordinates of the obtained area centroid. A second step of obtaining a nearest point-contour length which is a length from the nearest point on the two-dimensional image to each contour of the two-dimensional image, and coordinates of the nearest point on the two-dimensional image When the coordinates of the area centroid do not coincide with each other, or the ratio of the maximum value and the minimum value of the calculated nearest point-contour length is not close to 1, a straight line portion is obtained from each contour of the two-dimensional image. Extract and determine the slope of each extracted straight line portion. If there is a pair that matches the slope in the straight line portion, the shape of the target object is identified as a cylindrical shape, and the straight line portion matches the slope. If there is no pair, the third step of identifying that the shape of the target object is a cone, and the ratio of the maximum value to the minimum value of the nearest point-contour length is close to 1, the three-dimensional image And a contour point which is a point to be contoured in the two-dimensional image and the front A first internal dividing point that internally divides a line on a contour plane connecting to the nearest point, the distance being closer to the nearest point than the distance to the contour point; and the nearest point Determining a coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image, and identifying the target object shape as a conical shape if there is a difference in the calculated coordinate value; and When there is no difference in the obtained coordinate values, the point is to internally divide a line on the contour plane connecting the contour point and the nearest point in the three-dimensional image, and the contour is more than the distance to the nearest point. If the coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image between the second interior dividing point at a position where the distance to the point is shorter and the nearest point is obtained, and there is a difference between the obtained coordinate values If the shape of the target object is identified as a sphere and there is no difference between the coordinate values, The signal processing apparatus is caused to execute a fifth step of identifying that the shape of the target object is a cylindrical shape.
[0015]
Further objects and features of the present invention will become apparent from the embodiments of the invention described below.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, such an embodiment does not limit the technical scope of the present invention. In the drawings, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals or reference symbols.
[0017]
The configuration diagram according to the embodiment of the
[0018]
The laser oscillator 2 is a device that irradiates the object 5 with laser light, and the light receiving sensor 3 is a sensor that acquires a three-dimensional image of the object 5 by receiving the laser light reflected from the object 5.
[0019]
The signal processing device 4 is a device for identifying a specific shape (cone, cylinder, sphere) of the object 5 from the acquired three-dimensional image, and the content of the identification processing performed by the signal processing device 4 is that of the present invention. It is a feature. The signal processing device 4 includes a computer program that describes the procedure of the identification processing, a storage device that stores the computer program, the three-dimensional image, and the like, and a control device that executes processing according to the computer program. Can be implemented by the system.
[0020]
The
[0021]
FIG. 1 is a flowchart showing the flow of identification processing performed by the signal processing device 4 of the
[0022]
(I) Extracting the nearest point of a 3D image and calculating the center of gravity of a 2D image. First, the signal processing device 4 receives light as shown in FIG. 3A in the 3D image acquired by the light receiving sensor 3. The pixel having the data closest to the sensor 3 (nearest point 8 in FIG. 3) is extracted. Hereinafter, this point will be referred to as the nearest point 8. Next, the signal processing device 4 generates a two-dimensional image of the object 5 from the viewpoint of the light receiving sensor 3 from the three-dimensional image, and the area centroid of the two-dimensional image as shown in FIGS. 16 is calculated. The position (coordinates) of the nearest point 8 obtained here and the area centroid 16 on the two-dimensional image is compared, and if the two positions match, the process proceeds to phase (II). Move to Phase (III).
[0023]
(II) Calculation of the length from the nearest point 8 to the contour Next, the signal processing device 4 calculates the length from the nearest point 8 pixel obtained in the phase (I) to each contour pixel in the two-dimensional image. The point-contour length 15 is obtained, and a short / long ratio which is a ratio between the maximum value and the minimum value of the value of the closest point-contour length 15 is calculated. And if this short / long ratio is not close to 1, it will transfer to phase (III), and if it is close to 1, it will transfer to phase (IV). In the example shown in FIG. 3, the short / long ratio is close to 1 in any of the cases (a), (b), and (c), and the process proceeds to the phase (IV). That is, the shape cannot be identified only with the two-dimensional image, and the identification using the three-dimensional image described later is performed. On the other hand, in the case of (a) and (b) in FIG. 2, the process proceeds to phase (III), and the shape is identified by the two-dimensional image.
[0024]
(III) Calculation of the inclination of the straight line 17 on the outline in the two-dimensional image As shown in FIGS. 2A and 2B, the straight line 17 on the outline in the two-dimensional image is extracted and the inclination thereof is calculated. . As a result, the object 5 is identified as a conical shape if there is no coincidence in the straight line 17, and the object 5 is identified as a cylinder if there is a coincidence. In the example shown in (a) of FIG. 2, the two extracted straight lines 17 have different inclinations, and thus are determined to be conical. On the other hand, in the example shown in (b), the two extracted straight lines are determined. Since the inclinations of 17 match, it is determined that the shape is cylindrical.
[0025]
(IV) Height difference detection between “nearest point 8” and “first interior dividing point 18” As described above, when the shape cannot be identified only by the two-dimensional image, for example, as shown in FIG. When the central axis of the object 12 or the cylindrical object 13 coincides with the line of sight of the light receiving sensor 3, and the two-dimensional image indicates a circle, identification using the three-dimensional image is performed. In this phase, the signal processing device 4 detects a height difference between the closest point 8 and the first inner dividing point 18 in the three-dimensional image shown in FIG.
[0026]
Here, the first interior dividing point 18 is a point that internally divides a line on the contour surface of the three-dimensional image that connects the contour point 9 and the nearest point 8 that are contour points on the two-dimensional image. That is, the distance to the nearest point 8 is closer to the position than the distance to the contour point 9. FIG. 4 is a diagram for explaining the first internal dividing point 18 and the second internal dividing point 19, and the first internal dividing point 18 is illustrated in FIG. Here, a case where the object 5 is a spherical object 14 is shown.
[0027]
Further, the height difference means a difference in the coordinate values in the vertical direction in the three-dimensional image in FIG. 3, in other words, a difference in the coordinate values in the line-of-sight direction of the light receiving sensor 3. The detection of the height difference between the nearest point 8 and the first interior dividing point 18 performed by the signal processing device 4 is specifically 2 in the case where the three-dimensional image is viewed from a direction orthogonal to the line-of-sight direction of the light receiving sensor 3. A two-dimensional image is generated, a first interior dividing point 18 is taken on a line connecting the nearest point 8 and the contour point 9 which form an outline on the two-dimensional image, and the height direction of the point and the nearest point 8 (of the light receiving sensor 3) This is done by comparing the coordinate values of the line of sight.
[0028]
If there is a height difference as a result of such height difference detection, the object 5 is identified as a conical shape, and if there is no height difference, the process proceeds to phase (V). Here, the determination of whether or not there is a height difference can also be made based on whether or not the height difference exceeds a predetermined small value. At this time, the predetermined value is determined by the position of the first inner dividing point 18 and the like. In the example of FIG. 3, in the case shown in (a), the height difference is determined to be a conical shape, and in the cases shown in (b) and (c), it is determined that there is no height difference and the phase ( Processing shifts to V).
[0029]
(V) Height difference detection between “nearest point 8” and “second interior dividing point 19” In this phase, the signal processing device 4 uses the nearest point 8 and the second interior dividing point 19 in the three-dimensional image shown in FIG. Detect height difference of. Here, the second internal dividing point 19 is a point that internally divides a line on the contour surface of the three-dimensional image that connects the contour point 9 and the closest point 8 that form a contour on the two-dimensional image. That is, the distance to the contour point 9 is closer to the position than the distance to the nearest point 8. FIG. 4B illustrates a second interior dividing point 19 when the object 5 is a spherical object 14.
[0030]
As a result of the height difference detection, if there is a height difference, the object 5 is identified as a spherical shape, and if there is no height difference, it is identified as a cylindrical shape. Here, the meaning of the height difference and the determination of the presence or absence of the height difference are the same as in the case of phase (IV) described above. In the example of FIG. 3, in the case shown in FIG. 3B, a height difference is not recognized between the nearest point 8 and the second inner dividing point 19, and it is determined as a cylindrical object 13. In the case shown, there is a height difference between the nearest point 8 and the second interior dividing point 19, and it is determined that the object is a spherical object 14.
[0031]
As described above, in the
[0032]
The protection scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, but covers the invention described in the claims and equivalents thereof.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the identification process using the three-dimensional image, the shape is identified by the difference in height between the nearest point and the internal dividing point that appears as a clear difference between the shapes. Even if the accuracy of the image data is poor, the image data is hardly affected, and it is possible to perform identification with higher accuracy than the conventional method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of identification processing performed by a signal processing device 4 of the
FIG. 2 is a diagram illustrating a case where identification is possible only with a two-dimensional image when identifying the shape of an object.
FIG. 3 is a diagram illustrating a case where it is necessary to use a three-dimensional image when identifying the shape of an object.
FIG. 4 is a diagram for explaining a first internal dividing point 18 and a second internal dividing point 19 used in the identification processing in the
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration and the like of a conventional shape identification system and a shape identification system to which the present invention is applied.
FIG. 6 is a flowchart showing a flow of identification processing performed by a signal processing device 4 ′ of a conventional
FIG. 7 is a diagram for explaining a curvature 10 and an inclination 11 from a closest point 8 to a contour direction calculated in a conventional
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記信号処理装置が、
前記３次元画像から、前記目標物体上の点であって前記センサに最も近い点である最近点を抽出するとともに、前記３次元画像から得られる前記目標物体の２次元画像の面積重心を求め、
前記抽出された最近点の前記２次元画像上における座標と、前記求められた面積重心の座標が一致するとき、前記２次元画像上における前記最近点から前記２次元画像の各輪郭までの長さである最近点−輪郭長さを求め、
前記最近点の２次元画像上における座標と、前記面積重心の座標が一致しないとき、あるいは、前記求められた最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近くないとき、前記２次元画像の各輪郭から直線部を抽出し、前記抽出した各直線部の傾きを求め、前記直線部に前記傾きが一致する対があれば、前記目標物体の形状は円柱形であると識別し、前記直線部に前記傾きが一致する対がなければ、前記目標物体の形状は円錐形であると識別し、
前記最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近いとき、前記３次元画像において、前記２次元画像で輪郭をなす点である輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記輪郭点までの距離よりも前記最近点までの距離の方が短い位置にある第１内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は円錐形であると識別し、
前記求められた座標値に差がないとき、前記３次元画像において前記輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記最近点までの距離よりも前記輪郭点までの距離の方が短い位置にある第２内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は球形であると識別し、前記座標値に差がなければ、前記目標物体の形状は円柱形であると識別する
ことを特徴とする形状識別システム。Based on the three-dimensional image, a laser oscillation device that irradiates the target object with laser light, a sensor that obtains a three-dimensional image of the target object by receiving the laser light reflected by the target object, and A shape identification system having a signal processing device for identifying the shape of the target object,
The signal processing device is
Extracting a closest point that is a point on the target object and closest to the sensor from the three-dimensional image, and obtaining an area centroid of the two-dimensional image of the target object obtained from the three-dimensional image;
When the coordinates of the extracted nearest point on the two-dimensional image coincide with the coordinates of the obtained area centroid, the length from the nearest point on the two-dimensional image to each contour of the two-dimensional image Find the nearest point-contour length,
When the coordinates of the nearest point on the two-dimensional image do not coincide with the coordinates of the area centroid, or when the ratio of the obtained nearest point-contour length maximum value and minimum value is not close to 1, A straight line part is extracted from each contour of the two-dimensional image, and the inclination of each extracted straight line part is obtained. If there is a pair having the same inclination in the straight line part, the shape of the target object is identified as a cylinder. If there is no pair with the same inclination in the straight line part, the shape of the target object is identified as a cone,
When the ratio of the maximum value and the minimum value of the nearest point-contour length is close to 1, on the contour surface connecting the nearest point and the contour point that is the point forming the contour in the two-dimensional image in the three-dimensional image A first internal dividing point at a position where the distance to the nearest point is shorter than the distance to the contour point, and the nearest point in the three-dimensional image. A coordinate value in the direction of the line of sight of the sensor is obtained, and if there is a difference in the obtained coordinate value, the shape of the target object is identified as a cone,
When there is no difference in the obtained coordinate value, the point is to internally divide a line on the contour surface connecting the contour point and the nearest point in the three-dimensional image, and the distance is more than the distance to the nearest point. The coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image between the second interior dividing point at a position where the distance to the contour point is shorter and the nearest point is obtained, and there is a difference between the obtained coordinate values. For example, the shape of the target object is identified as a sphere, and if there is no difference in the coordinate values, the shape of the target object is identified as a cylinder.
前記３次元画像から、前記目標物体上の点であって前記センサに最も近い点である最近点を抽出するとともに、前記３次元画像から得られる前記目標物体の２次元画像の面積重心を求める第一の工程と、
前記抽出された最近点の前記２次元画像上における座標と、前記求められた面積重心の座標が一致するとき、前記２次元画像上における前記最近点から前記２次元画像の各輪郭までの長さである最近点−輪郭長さを求める第二の工程と、
前記最近点の２次元画像上における座標と、前記面積重心の座標が一致しないとき、あるいは、前記求められた最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近くないとき、前記２次元画像の各輪郭から直線部を抽出し、前記抽出した各直線部の傾きを求め、前記直線部に前記傾きが一致する対があれば、前記目標物体の形状は円柱形であると識別し、前記直線部に前記傾きが一致する対がなければ、前記目標物体の形状は円錐形であると識別する第三の工程と、
前記最近点−輪郭長さの最大値と最小値の比が１に近いとき、前記３次元画像において、前記２次元画像で輪郭をなす点である輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記輪郭点までの距離よりも前記最近点までの距離の方が短い位置にある第１内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は円錐形であると識別する第四の工程と、
前記求められた座標値に差がないとき、前記３次元画像において前記輪郭点と前記最近点とを結ぶ輪郭面上の線を内分する点であって、前記最近点までの距離よりも前記輪郭点までの距離の方が短い位置にある第２内分点と、前記最近点の、前記３次元画像における前記センサの視線方向の座標値を求め、前記求められた座標値に差があれば、前記目標物体の形状は球形であると識別し、前記座標値に差がなければ、前記目標物体の形状は円柱形であると識別する第五の工程とを前記信号処理装置に実行させる
ことを特徴とするコンピュータプログラム。Based on the three-dimensional image, a laser oscillation device that irradiates the target object with laser light, a sensor that obtains a three-dimensional image of the target object by receiving the laser light reflected by the target object, and In a shape identification system having a signal processing device for performing shape identification processing of the target object, a computer program for causing the signal processing device to execute the shape identification processing,
A closest point that is a point on the target object and closest to the sensor is extracted from the three-dimensional image, and an area centroid of the two-dimensional image of the target object obtained from the three-dimensional image is obtained. One process,
When the coordinates of the extracted nearest point on the two-dimensional image coincide with the coordinates of the obtained area centroid, the length from the nearest point on the two-dimensional image to each contour of the two-dimensional image A second step for determining the nearest point-contour length,
When the coordinates of the nearest point on the two-dimensional image do not coincide with the coordinates of the area centroid, or when the ratio of the obtained nearest point-contour length maximum value and minimum value is not close to 1, A straight line part is extracted from each contour of the two-dimensional image, and the inclination of each extracted straight line part is obtained. If there is a pair having the same inclination in the straight line part, the shape of the target object is identified as a cylinder. And a third step of identifying that the shape of the target object is a conical shape if there is no pair having the same inclination in the straight line portion;
When the ratio of the maximum value and the minimum value of the nearest point-contour length is close to 1, on the contour surface connecting the nearest point and the contour point that is the point forming the contour in the two-dimensional image in the three-dimensional image A first internal dividing point at a position where the distance to the nearest point is shorter than the distance to the contour point, and the nearest point in the three-dimensional image. A fourth step of obtaining a coordinate value of the line-of-sight direction of the sensor and identifying the shape of the target object as a cone if there is a difference in the obtained coordinate value;
When there is no difference in the obtained coordinate value, the point is to internally divide a line on the contour surface connecting the contour point and the nearest point in the three-dimensional image, and the distance is more than the distance to the nearest point. The coordinate value in the line-of-sight direction of the sensor in the three-dimensional image between the second interior dividing point at a position where the distance to the contour point is shorter and the nearest point is obtained, and there is a difference between the obtained coordinate values. For example, if the shape of the target object is identified as a sphere, and there is no difference in the coordinate values, the signal processing device is caused to execute a fifth step of identifying that the shape of the target object is a cylinder. A computer program characterized by the above.
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