JP6280525B2 - カメラのミスキャリブレーションの実行時決定のためのシステムと方法 - Google Patents
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Description
以下に本発明を、添付の図面に基づいて説明する。
図1は、視られたシーンの2次元(2D)または3次元(3D)アライメントまたは姿勢を決定するためのビジョンシステム100の典型的な構成を表しており、シーンはロボットマニピュレータによって検査され、整列され、作用される1以上の実行時対象、またはマシンビジョンプロセスによって制御または支援される他の何らかの動作を含んでいてもよい。システムは本発明の例示的な実施形態により、キャリブレーションできる(キャリブレーションは後で自己診断され得る)。
例示的な実施形態によれば、キャリブレーション自己診断プロセスは全体的実行時ビジョンシステム動作230の一部である。一般的に、この例におけるシステムは多数のカメラを使用して対象/部品を教示モデルに基づき、(プロセス分岐234を経由して)保存された内部パラメータ222、外部パラメータ224および誤差統計228に従って整列させ検査する。アライメント結果は1以上の対象特徴または対象姿勢の推定された位置(x、y、z世界座標または他の世界座標系)からなる測定結果から集められる。このデータは、実行時ブロック240に従ってアライメント得点を計算するために使用できる。図示されているように、実行時プロセスはアライメント結果および中間結果の履歴統計を集めることができる(ブロック250)。これらはストア260に供給され、ストア260は3台以上のカメラのサブセットまたはグループ(複数のカメラ)または全体システムに基づき、アライメント結果および中間結果の統計を集めて編集することができる。それゆえグループは少なくとも2台のカメラからなるが、少なくとも3台のカメラからなるカメラグループ全体より少ない複数のカメラとして定義できる。すなわち、システムはN−Choose−M通りのカメラの組合せのグループまたはサブセットを生成する。ビジョンシステムによって推定される各々の特徴の位置または姿勢は、例示的に教示された3Dモデルと観察された画像データのマッチングを測定するように定義された得点関数で評価される。姿勢候補およびこれに関連する得点は、N−choose−M通りのカメラ組合せの各々を選択することにより推定できる。より具体的には、ストア260は、観察された画像特徴と予測された物理的特徴との間の不一致に関する統計を含んでいてもよい。
図4の比較ステップ450によれば、システムは3D特徴の位置または対象の姿勢を決定するのに種々の技術を用いて、推定に基づいて誤差または不一致を導き出すことができる。以下に決定および比較のための例示的な技術を記載する。
カメラキャリブレーションに続いて、物理的空間における3Dポイントを画像空間における2Dポイントにマッピングでき、画像空間における2Dポイントは物理的空間における3D光線にマッピングできる。マッピングに関する以下の記述は、リチャード・I.ハートリーおよびアンドリュー・ジッセルマン著「多視点幾何学」第2版(ケンブリッジ・ユニバーシティー・プレス、2004年)を背景情報として行う。記述を簡素化するために、ここでは半径方向の歪みは無視できるものとする。そうすると3D世界座標系510におけるポイントからプロセッサ画像座標系520へのマッピングは、カメラキャリブレーションマトリックスMによって管理される。n台のカメラを有するシステムに対して、これらのマトリックスはMi≦i≦nとして表すことができる。図6を参照して、世界におけるポイントPは式pi=MiPに従いpiとしてマッピングされる。同様に2台以上のカメラ(模範的なカメラlとカメラ2を図示する)におけるポイントの画像(模範的なポイントplおよびp2を図示する)を前提すると、その世界座標系における位置は三角測量を用いて計算できる。それぞれのカメラi(カメラl、カメラ2)におけるポイントpi(pl、p2)に対して、画像は光線Ri(R1とR2)として投影される。世界座標系における光線の式はPi(λ)=Mi +pi+λCiで表され、Ci(C1とC2)は世界座標系におけるカメラの中心である。CiとMi +はカメラキャリブレーションパラメータから得られる。世界座標系におけるポイントは、多数のカメラからの光線間の交差ポイントを検出することによって得ることができる。
ある対象の姿勢は、対象モデルをその固有の座標系から感知データとの一致にマッピングするのに必要とされる3D剛性変換である。剛体の姿勢を推定することは、2D画像から3D空間における剛体の動きを決定することを意味する。3Dモデルを知るために、推定プロセスは画像におけるある2D特徴と3Dモデルにおけるそれらの対等物との対応に依存する。
(xf、yf) プロセッサの画像フレームメモリ内の画像ピクセルの行と列の数
(Cx、Cy) 画像面における原点に対するコンピュータ画像座標
dy y方向における隣接するCCDセンサ間の中心距離
Ncx x方向におけるセンサ要素の数
Nfx プロセッサによってサンプリングされる線内のピクセルの数、である。
上記2項では、姿勢推定問題を非線形最適化問題として記述し、対象の剛性変換(回転および並進)は対応する2Dポイントおよび3Dポイントの再投影誤差に基づき誤差測定を最小化することによって見出される。
ステップbにおいて3Dモデルを画像面に投影する場合に、自己遮蔽特徴を除去することによって3Dモデルのトポロジーを明らかにすべきであることに留意されたい。
ある対象の姿勢は、対象モデルをその固有の座標系から感知データとの一致にマッピングするのに必要とされる3D剛性変換である。姿勢の推定は回転マトリックスRと並進ベクトルTからなる。対象の2つの姿勢の推定を比較するために多数の方法を用いることができる。
モデルポイントセットは対象モデルの表面または内部の少数のユニークな特徴ポイントとして定義できる。代替的に、それはソリッドモデルの表面のモザイク状ファセットの頂点として定義できる。
Claims (22)
- a)少なくとも3台のカメラの各々に対してそれぞれの外部キャリブレーションパラメータを検出することを含み、前記少なくとも3台のカメラは3次元空間においてキャリブレーション対象に対して互いに異なる向きに配置されている、実行時前に少なくとも3台のカメラをキャリブレーションするステップと;
b)実行時中に、少なくとも3台のカメラのうちの第1の複数のカメラで前記3次元空間において検査対象上の第1の特徴を検出し、前記第1の特徴に対する前記第1の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第1の特徴に対する前記第1の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第1の特徴の第1の測定結果を決定するステップと;
c)実行時中に、少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラで前記3次元空間において検査対象上の第2の特徴を検出し、前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第2の特徴の第2の測定結果を決定するステップと;
d)実行時中に、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果を(i)ステップ(a)で決定された精度、(ii)所望のシステム精度、および(iii)第1の特徴と第2の特徴の既知の特性のうち少なくとも1つを基準として比較するステップと;
e)実行時中にステップ(d)に応じて、前記比較のステップの結果が、(i)ステップ(a)で決定された精度と(ii)所望のシステム精度との少なくとも1つを超えることに基づいて、再キャリブレーションが必要であることを示す信号を発生するステップと;を包含する
少なくとも3台のカメラからなるシステムでカメラのミスキャリブレーションを決定するための方法。 - 前記第1の測定結果は、前記第1の特徴の推定された第1の位置を包含し、前記第2の測定結果は前記第2の特徴の推定された第2の位置を包含する、請求項1記載の方法。
- 前記第1の測定結果は前記第1の特徴の検出に成功した得点を包含し、前記第2の測定結果は前記第2の特徴の検出に成功した得点を包含する、請求項1記載の方法。
- 前記ステップ(d)は、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果との間の不一致を計算して、前記不一致を(i)ステップ(a)で決定された精度、(ii)所望のシステム精度、および(iii)第1の特徴と第2の特徴の既知の特性のうち少なくとも1つを基準として比較することを含む、請求項1記載の方法。
- 前記既知の特性は前記第1の特徴と前記第2の特徴との既知の距離を含み、少なくとも3台のカメラのうちの前記第1の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第1のグループを含み、少なくとも3台のカメラのうちの前記第2の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第2のグループを含む、請求項4記載の方法。
- 前記発生のステップは、ステップ(d)に基づいて新しい外部キャリブレーションパラメータを生成し、前記外部キャリブレーションパラメータを少なくとも3台のカメラのうちの少なくとも1台に提供して、少なくとも3台のカメラのうちの少なくとも1台を再キャリブレーションすることを含む、請求項1記載の方法。
- 前記ステップ(a)で決定された精度は、キャリブレーション残差に基づく値の集積を含む、請求項1記載の方法。
- さらに、前記ステップ(a)〜(d)の後に、新しい外部パラメータを提供して、ステップ(a)に従い少なくとも3台のカメラのうちの少なくとも1台を再キャリブレーションする請求項7記載の方法。
- 少なくとも3台のカメラからなるシステムはマシンビジョンシステム検査機能を有しており、少なくとも3台のカメラによって視られる体積空間を通過する対象に対して実行時マシンビジョン検査を実行する、請求項1記載の方法。
- 前記所望のシステム精度は、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果の各々に対する履歴値に基づいている、請求項1記載の方法。
- 前記所望のシステム精度は、所定の閾値に基づいている、請求項1記載の方法。
- 前記閾値は、実行時ビジョンシステムタスクの所望の精度に基づいて定義される、請求項11記載の方法。
- さらに、前記ステップ(a)で少なくとも3台のカメラのうちの少なくとも1台に内部パラメータを提供し、少なくとも3台のカメラのうちの少なくとも1台を新しい内部パラメーに基づいて再キャリブレーションする、請求項1記載の方法。
- 前記既知の特性は前記第1の特徴と前記第2の特徴との間の既知の距離を含み、少なくとも3台のカメラの第1の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第1のグループを含み、少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第2のグループを含む、請求項1記載の方法。
- a)少なくとも3台のカメラの各々に対してそれぞれの外部キャリブレーションパラメータを検出することを含み、前記少なくとも3台のカメラは3次元空間においてキャリブレーション対象に対して互いに異なる向きに配置されている、実行時前に少なくとも3台のカメラをキャリブレーションするステップと;
b)実行時中に、少なくとも3台のカメラのうちの第1の複数のカメラで前記3次元空間において検査対象の第1の対象姿勢を検出し、前記第1の対象姿勢に対する前記第1の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第1の対象姿勢に対する前記第1の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第1の対象姿勢の第1の測定結果を決定するステップと;
c)実行時中に、少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラで前記3次元空間において検査対象の第2の対象姿勢を検出し、前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第2の対象姿勢の第2の測定結果を決定するステップと;
d)実行時中に、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果を(i)ステップ(a)で決定された精度と、(ii)所望のシステム精度とのうち少なくとも1つを基準として比較するステップと;
e)実行時中にステップ(d)に応じて、前記比較のステップの結果が、(i)ステップ(a)で決定された精度と(ii)所望のシステム精度との少なくとも1つを超えることに基づいて、再キャリブレーションが必要であることを示す信号を発生するステップと;
を包含する
少なくとも3台のカメラからなるシステムでカメラのミスキャリブレーションを決定するための方法。 - 前記第1の測定結果は第1の姿勢得点であり、前記第2の測定結果は第2の姿勢得点である、請求項15記載の方法。
- a)それぞれ実行時前にキャリブレーション対象を用いるキャリブレーションにおいて決定される外部キャリブレーションパラメータを含み、3次元空間において検査対象に対して相互に異なる向きで配置されている、少なくとも3台のカメラと;
b)少なくとも3台のカメラのうちの第1の複数のカメラであって、実行時中に、前記3次元空間において検査対象の第1の特徴を検出し、前記第1の特徴に対する前記第1の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第1の特徴に対する前記第1の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第1の特徴の第1の測定結果を決定する、前記第1の複数のカメラと;
c)少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラであって、実行時中に、前記3次元空間において検査対象の第2の特徴を検出し、前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第2の特徴に対する前記第2の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第2の特徴の第2の測定結果を決定する、前記第2の複数のカメラと;
d)実行時中に、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果を(i)外部キャリブレーションパラメータと関連する精度、(ii)所望のシステム精度、および(iii)第1の特徴と第2の特徴の既知の特性のうち少なくとも1つを基準として比較する比較モジュールと;
e)実行時中にモジュール(d)に応じて、前記比較モジュールの結果が、(i)上記(a)で決定された精度と(ii)所望のシステム精度との少なくとも1つを超えることに基づいて、再キャリブレーションが必要であることを示す信号を発生する再キャリブレーションモジュールと;
を包含する、
少なくとも3台のカメラからなるシステムでカメラのミスキャリブレーションを決定するためのシステム。 - 前記既知の特性は前記第1の特徴と前記第2の特徴との間の既知の距離を含み、少なくとも3台のカメラの第1の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第1のグループを含み、少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラは少なくとも2台のカメラからなる第2のグループを含む、請求項17記載のシステム。
- 前記第1のグループの少なくとも2台のカメラは、前記第2のグループの少なくとも2台のカメラとそれぞれ異なる、請求項18記載のシステム。
- a)それぞれ実行時前のキャリブレーションにおいて決定される外部キャリブレーションパラメータを含み、3次元空間においてキャリブレーション対象に対して相互に異なる向きで配置されている、少なくとも3台のカメラと;
b)少なくとも3台のカメラのうちの第1の複数のカメラであって、実行時中に、前記3次元空間において検査対象の第1の対象姿勢を検出し、前記第1の対象姿勢に対する前記第1の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第1の対象姿勢に対する前記第1の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第1の対象姿勢の第1の測定結果を決定する、前記第1の複数のカメラと;
c)少なくとも3台のカメラのうちの第2の複数のカメラであって、実行時中に、前記3次元空間において検査対象の第2の対象姿勢を検出し、前記第2の対象姿勢に対する前記第2の複数のカメラのうちの第1の単数のカメラの向き及び前記第2の対象姿勢に対する前記第2の複数のカメラのうちの第2の単数のカメラの向きに基づいて前記第2の対象姿勢の第2の測定結果を決定する、前記第2の複数のカメラと;
d)実行時中に、前記第1の測定結果と前記第2の測定結果を(i)外部キャリブレーションパラメータと関連する精度、および(ii)所望のシステム精度のうち少なくとも1つを基準として比較する比較モジュールと;
e)実行時中にモジュール(d)に応じて、前記比較モジュールの結果が、(i)上記(a)で決定された精度と(ii)所望のシステム精度との少なくとも1つを超えることに基づいて、再キャリブレーションが必要であることを示す信号を発生する再キャリブレーションモジュールと;
を包含する、
少なくとも3台のカメラからなるシステムにおいてカメラのミスキャリブレーションを決定するためのシステム。 - 前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第1の複数のカメラのうちの前記第1の単数のカメラが、前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第2の複数のカメラのうちの前記第1の単数のカメラと同一であり、ならびに
前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第1の複数のカメラのうちの前記第2の単数のカメラが、前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第2の複数のカメラのうちの前記第2の単数のカメラと同一である、請求項1記載の方法。 - 前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第1の複数のカメラのうちの前記第1の単数のカメラが、前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第2の複数のカメラのうちの前記第2の単数のカメラと同一であり、ならびに
前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第1の複数のカメラのうちの前記第2の単数のカメラが、前記少なくとも3台のカメラのうちの前記第2の複数のカメラのうちの前記第1の単数のカメラと同一である、請求項1記載の方法。
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