JP5713159B2 - ステレオ画像による3次元位置姿勢計測装置、方法およびプログラム - Google Patents
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Description
撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを受信する入力部と、
演算部とを備えて構成され、
前記演算部が、
3枚以上の前記画像データから重複することなく選択された2枚の画像データのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求め、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求め、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定し、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置情報を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴としている。
前記セグメントが、直線、円弧、又は、直線及び円弧の組み合わせで近似され、
前記頂点に関する前記3次元情報が、前記頂点の3次元位置座標および2つの3次元接線ベクトルであり、
前記照合が、前記モデル特徴点集合の一部を、前記全特徴量集合の一部に一致するように3次元座標変換する変換行列を求める処理であり、
前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する処理が、前記変換行列を用いて前記モデル点を3次元座標変換した結果と、前記全3次元復元点集合の点との一致性を評価する処理であることを特徴としている。
撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを取得する第1ステップと、
3枚以上の前記画像データから重複することなく選択された2枚の画像データのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求める第2ステップと、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求める第3ステップと、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する第4ステップとを含み、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置座標を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴としている。
コンピュータに、
撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを取得する第1機能と、
3枚以上の前記画像データから重複することなく選択された2枚の画像データのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求める第2機能と、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求める第3機能と、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する第4機能とを実現させ、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置座標を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴とする。
各画像のエッジ抽出に関しては、公知の画像処理方法を用いて行えばよい。例えば、1次微分オペレータにより画像の各点についてエッジの強さと方向を求め、エッジの細線化、しきい値処理、延長処理により、ある領域を囲む閉じたエッジ(境界線とも記す)を得る。
上記の処理によって得られた2枚のエッジ画像を対象として、セグメントを生成する。セグメントとは、エッジを複数の線分(直線)に分割したものである。最初に境界線を所定の条件で仮に分割し、各セグメントを最小2乗法によって直線で近似した場合、誤差が大きいセグメントがあれば、そのセグメントの両端を結ぶ直線から最も離れた点(直線への垂線が最も大きいセグメント上の点)でセグメントを分割する。これを繰り返して、境界線を分割する点(分割点)を決定する。これによって、2枚の画像の各々に対してセグメントが生成され、セグメントを近似する直線が生成される。
次に、2枚の画像で対応するセグメントを求める。同じ対象物を表すセグメントであるが、照明条件、オクルージョン、ノイズなどの影響によって、対応を決定するのは容易ではない。従って、まず、領域単位で粗く対応を求める。1対の領域が対応する必要条件として、領域の明るさの差が一定値(例えば256レベルの画像の場合、25レベル)以下であること、且つ、領域内にエピポーラ条件を満足する点が存在することを採用する。これは十分条件ではないので、1つの領域が多数の領域に対応する場合もある。つまり、この段階では、その境界線のセグメントが対応する可能性のある領域の対をすべて求めており、次にセグメント単位で対応を求める場合に、その探索空間を減らす役割を果たしており、一種の粗密解析となる。
・対応する2つのパスの両者の端点が丁度対応している場合には、それぞれの端点から接続するセグメントで対応の候補となっているセグメント対が存在すればそれらをパスに追加する。
・一方の端点が他方の中間点と対応している場合には、1つのセグメントに接続するセグメントに関して、対応候補であるセグメントが存在すれば、それをパスに追加する。
平面拘束定理: 標準カメラモデルにおいて、平面上の任意の図形に関して、一方のカメラ画像上の投影像と、他方のカメラ画像上の投影像とはアフィン変換可能である。
・初期微調整:初期照合に用いた頂点を構成するセグメント上のモデル点のみを使って対応誤差を大まかに調整する。
・主微調整:全てのモデル点を使って更に精度を向上させる。
第1の実施例では、ステレオ誤対応の状況を理解しやすくするために、単純な形状のモデルを測定対象とした。第1〜第3撮像部として3台のカメラを用いて、図5に示した対象物を撮像し、得られた画像データを図2に示したフローチャートに従って処理した。
図5の対象物を第1〜第3カメラで撮像して、図4に示す3枚の画像データを得た。そして、図4の画像データを用いて、図2のステップS3〜S8の処理を実施した。その結果を図6に示す。図6は、図3の第1カメラ画像の一部に、処理結果によって得られた対象物のエッジ位置を重ねて示している。図6から分かるように、対象物に対してほぼ正確に、図5のモデルとの位置姿勢照合が行われていることがわかる。
同じ撮像画像(図4)を従来の照合方法で処理した場合、問題が発生することを以下に示す。第1及び第2カメラ画像から生成されたステレオ復元像が図7下段、符号Gで示されているが、左右側面とも物理的に正しい位置から大きく外れており、図3、図4の対応画像を見てもステレオ誤対応が発生していることが分かる。この画像ペアのみで従来の照合方法を行うと物理的に間違った位置、姿勢が計測結果として得られることになる。また本実験の場合には誤対応セグメントによって誤って形成された頂点の特徴がモデル頂点と合致せず、その他の合致条件を通過して最終段階まで残った候補は一つもなかった。例えこの第1及び第2カメラ画像ペアに対して3眼目で検証する方式を取っても、誤対応セグメントは除去されるが残るセグメント群は僅かであり、正確な位置姿勢測定は困難である。実際にこの検証機能を用いた処理を行ってみると、検証なしと同様、最終段階まで残った候補は一つもなかった。
第1の実施例ではステレオ誤対応の状況を理解しやすくするため単純な形状のモデルを使用したが、より複雑な形状をした部品を用いた実験も行った。その結果を第2の実施例として示す。第2の実施例では、より工業部品に近い形状を有し、かつ紙面による説明が可能な程度の構造を有する物体として、L型ブロックを測定対象とした。L型ブロックは、2面がL字形状であり、残り6面が長方形形状である。
本発明の方法による結果を示す前に、2眼ステレオ・ペア画像(G1,G2)を用いた従来の方法による位置姿勢計測結果を示す。図18は、従来の方法により得られる計測結果に従って、図17に示す各画像上にモデルを透視投影した結果を示す。具体的には、位置姿勢の計測結果である座標変換行列Tを用いて、モデルの3Dデータを計測データ側の座標(ワールド座標)に変換し、さらに各カメラ画像に変換している。図18に示す結果では、目視でも明らかに不正確とわかる計測結果となっている。
図16の対象物を第1〜第3カメラで撮像して、図17に示す3枚の画像データを得た。そして、図17の画像データを用いて、図2のステップS3〜S8の処理を実施した。その結果を次に示す。
2 記録部
3 記憶部(メモリ)
4 インタフェース部
5 操作部
6 表示部
7 内部バス
C1 第1撮像部
C2 第2撮像部
C3 第3撮像部
T 撮像対象物
Claims (4)
- 撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを受信する入力部と、
演算部とを備えて構成され、
前記演算部が、
n(n≧3)枚以上の前記画像データから選択された2枚の画像データの n C 2 通りのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求め、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求め、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定し、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置情報を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴とする3次元位置姿勢計測装置。 - 前記セグメントが、直線、円弧、又は、直線及び円弧の組み合わせで近似され、
前記頂点に関する前記3次元情報が、前記頂点の3次元位置座標および2つの3次元接線ベクトルであり、
前記照合が、前記モデル特徴点集合の一部を、前記全特徴量集合の一部に一致するように3次元座標変換する変換行列を求める処理であり、
前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する処理が、前記変換行列を用いて前記モデル点を3次元座標変換した結果と、前記全3次元復元点集合の点との一致性を評価する処理であることを特徴とする請求項1に記載の3次元位置姿勢計測装置。 - 撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを取得する第1ステップと、
n(n≧3)枚以上の前記画像データから選択された2枚の画像データの n C 2 通りのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求める第2ステップと、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求める第3ステップと、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する第4ステップとを含み、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置座標を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴とする3次元位置姿勢計測方法。 - コンピュータに、
撮像装置によって異なる視点から対象物を撮像して得られた3枚以上の画像データを取得する第1機能と、
n(n≧3)枚以上の前記画像データから選択された2枚の画像データの n C 2 通りのペアに関して、3次元復元点集合および特徴量集合を求める第2機能と、
各ペアに関する前記3次元復元点集合および前記特徴量集合を、それぞれ全て加算して全3次元復元点集合および全特徴量集合を求める第3機能と、
前記対象物のモデルデータに関するモデル特徴量集合を、前記全特徴量集合と照合することにより、前記全3次元復元点集合の中から前記対象物のモデル点に対応する点を決定する第4機能とを実現させ、
前記3次元復元点集合が、前記画像データ中の前記対象物の境界線を分割したセグメントの3次元位置座標を含み、
前記特徴量集合が、前記セグメントの頂点に関する3次元情報を含む
ことを特徴とする3次元位置姿勢計測プログラム。
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