JP6410411B2 - Pattern matching apparatus and pattern matching method - Google Patents

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本発明は、検出対象のテンプレート画像と、カメラにより撮影された検出対象を含む撮影画像と、に基づいた画像同士でパターンマッチングを行うパターンマッチング装置及びパターンマッチング方法に関する。   The present invention relates to a pattern matching apparatus and a pattern matching method for performing pattern matching between images based on a template image to be detected and a captured image including the detection target captured by a camera.

従来、画像処理の分野において、検出対象であるワーク等の位置を検出する方法として、パターンマッチング方法が周知である。その中でも、形状パターンマッチングは、照明変化、物体の隠れ、欠けにも強く、ロバスト性が高い手法であることから、広く普及している。パターンマッチングにおける類似度の計算方法としては、輝度差の二乗和(SSD)や正規化相互相関(NCC)等、様々な手法があるが、いずれもワークのテンプレート画像と撮影画像とを画像座標上で比較することが多い。撮影画像からテンプレート画像を検出するためには、テンプレート画像が撮影画像の検出部位に正確に重なる必要があるので、レンズの位置及び方向やカメラとワークとの距離を一定にして設置しなければならない。   Conventionally, in the field of image processing, a pattern matching method is well known as a method for detecting the position of a workpiece or the like to be detected. Among them, shape pattern matching is widely used because it is robust against illumination changes, object hiding and chipping, and has high robustness. There are various methods for calculating the similarity in pattern matching, such as the sum of squares of luminance difference (SSD) and normalized cross-correlation (NCC). There are many comparisons. In order to detect the template image from the photographed image, the template image needs to be accurately overlapped with the detection part of the photographed image, so the lens position and direction and the distance between the camera and the work must be fixed. .

しかし、このパターンマッチング方法を生産装置等で利用する場合、経時変化やカメラやレンズの交換、カメラ及びワークに対する装置や作業者の衝突等により、レンズの位置及び方向やカメラとワークとの距離等の撮影パラメータが変化する場合がある。ここで、撮影パラメータとは、撮影カメラに関する内部パラメータ(レンズ歪み、焦点距離、画素ピッチ・画素数、画像光軸中心位置等)及び外部パラメータ(カメラとワークとの距離、相対位置姿勢)を意味する。テンプレート画像の撮影時と撮影画像の撮影時とで撮影パラメータが変化すると、各画像でのワークの歪みや大きさが変化してしまい、テンプレート画像と撮影画像とを重ねても類似度が低くなり、ワークを検出する精度が低下してしまう。   However, when using this pattern matching method in production equipment, etc., the position and direction of the lens, the distance between the camera and the work, etc. due to changes over time, camera and lens replacement, collisions of equipment and workers with the camera and work, etc. The shooting parameters may change. Here, shooting parameters mean internal parameters (lens distortion, focal length, pixel pitch / number of pixels, center position of image optical axis, etc.) and external parameters (distance between camera and workpiece, relative position and orientation) related to the shooting camera. To do. If the shooting parameters change between when the template image is shot and when the shot image is shot, the distortion and size of the work in each image will change, and the similarity will be low even if the template image and the shot image are overlaid. , The accuracy of detecting the workpiece is reduced.

また、このように撮影画像の撮影時の撮影パラメータが変化した場合に、テンプレート画像を再生成することも考えられる。ところが、高精度なパターンマッチングを行えるようなテンプレート画像を生成するには、画像処理の知識を持つ作業者が長い時間を費やして生成する必要があるので、テンプレート画像を頻繁に再作成するには時間と労力が掛かってしまう。   It is also conceivable to regenerate the template image when the shooting parameters at the time of shooting of the shot image change in this way. However, in order to generate a template image that can perform high-precision pattern matching, it is necessary for an operator with knowledge of image processing to spend a long time to generate a template image. It takes time and effort.

そこで、従来、以下のような手法を用いたパターンマッチング装置が知られている(特許文献1参照)。このパターンマッチング装置では、テンプレートとなるワークを撮影して得られた画像の解像度や歪み等を補正して、理想的なテンプレートが表示されたテンプレート画像を生成する。また、検出対象であるワークを撮影して得られた画像の解像度や歪み等を補正して、理想的なワークが表示された撮影画像を生成する。そして、これらテンプレート画像及び撮影画像の補正された画像同士で、パターンマッチングを行う。このパターンマッチング装置によれば、撮影画像の撮影時の撮影パラメータが変化した場合でも、テンプレート画像はそのままで再作成することなく、撮影パラメータを調整することで高精度のパターンマッチングを維持できる。   Therefore, conventionally, a pattern matching apparatus using the following technique is known (see Patent Document 1). In this pattern matching apparatus, the resolution, distortion, and the like of an image obtained by photographing a workpiece as a template are corrected, and a template image on which an ideal template is displayed is generated. Moreover, the resolution, distortion, etc. of the image obtained by photographing the workpiece to be detected are corrected to generate a photographed image on which the ideal workpiece is displayed. Then, pattern matching is performed between the corrected images of the template image and the captured image. According to this pattern matching device, even when the shooting parameters at the time of shooting of a shot image change, it is possible to maintain high-precision pattern matching by adjusting the shooting parameters without re-creating the template image as it is.

特開2000−241120号公報JP 2000-241120 A

Zhengyou Zhang. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 22, No. 11, pp. 1330-1334, 2000.Zhengyou Zhang.A flexible new technique for camera calibration.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 22, No. 11, pp. 1330-1334, 2000.

しかしながら、特許文献1に記載されたパターンマッチング装置は、撮影画像の解像度を、テンプレート画像の解像度と同じになるように補正するため、補正後の撮影画像の解像度は補正後のテンプレート画像の解像度と同じに固定されてしまう。   However, since the pattern matching apparatus described in Patent Document 1 corrects the resolution of the captured image to be the same as the resolution of the template image, the corrected captured image resolution is the same as the resolution of the corrected template image. It will be fixed to the same.

これにより、撮影画像を撮影するカメラを低解像度のカメラに交換して、低解像度の画像同士のパターンマッチングで処理の高速化を図ろうとしても、撮影画像の解像度はテンプレート画像の解像度にまで上げられてしまうので、高速化は困難であった。逆に、撮影画像を撮影するカメラを高解像度のカメラに交換して、高解像度の画像同士のパターンマッチングで検出の高精度化を図ろうとしても、撮影画像の解像度はテンプレート画像の解像度にまで下げられてしまうので、高精度化は困難であった。   As a result, even if you replace the camera that captures the captured image with a low-resolution camera and attempt to speed up the processing by pattern matching between the low-resolution images, the resolution of the captured image is increased to the resolution of the template image. Therefore, it was difficult to increase the speed. Conversely, if you replace the camera that captures the captured image with a high-resolution camera and attempt to improve the detection accuracy by pattern matching between the high-resolution images, the resolution of the captured image will be the resolution of the template image. Since it is lowered, it is difficult to improve the accuracy.

本発明は、撮影画像の撮影パラメータが変化した場合に、テンプレート画像を再生成することなく、撮影パラメータの変化に対応したパターンマッチングを実行できるパターンマッチング装置及びパターンマッチング方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a pattern matching apparatus and a pattern matching method capable of executing pattern matching corresponding to a change in shooting parameters without regenerating a template image when shooting parameters of the shot image change. To do.

本発明は、検出対象を撮影可能なカメラと、前記検出対象のテンプレート画像と、前記カメラにより撮影された前記検出対象を含む撮影画像と、に基づいた画像同士でパターンマッチングを実行する演算部と、を備えるパターンマッチング装置において、前記演算部は、前記カメラにより撮影された撮影画像に基づいて算出した内部パラメータおよび外部パラメータを用いて前記テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成し、前記補正テンプレート画像と前記撮影画像とでパターンマッチングする、ことを特徴とするパターンマッチング装置である。 The present invention provides a camera capable of capturing a detection target, a template image of the detection target, and a calculation unit that performs pattern matching between images based on the captured image including the detection target captured by the camera; In the pattern matching apparatus, the calculation unit generates a correction template image from the template image using internal parameters and external parameters calculated based on a captured image captured by the camera, and the correction template image A pattern matching apparatus that performs pattern matching with the photographed image .

また、本発明は、検出対象のテンプレート画像と、カメラにより撮影された前記検出対象を含む撮影画像と、に基づいた画像同士でパターンマッチングを実行するパターンマッチング方法において、演算部が、前記カメラにより撮影された撮影画像に基づいて算出した内部パラメータおよび外部パラメータを用いて前記テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成する補正画像生成工程と、前記演算部が、前記補正テンプレート画像と前記撮影画像とでパターンマッチングするパターンマッチング工程と、を備える、ことを特徴とするパターンマッチング方法であるFurther, the present invention provides a pattern matching method for performing pattern matching between images based on a template image to be detected and a photographed image including the detection object photographed by a camera. A correction image generation step of generating a correction template image from the template image using internal parameters and external parameters calculated on the basis of the captured image, and the calculation unit uses the correction template image and the captured image as a pattern. A pattern matching method comprising: a pattern matching process for matching .

本発明によれば、演算部が、テンプレート画像を撮影画像に対してパターンマッチング可能に補正する補正パラメータを利用して、テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成し、補正テンプレート画像と撮影画像とでパターンマッチングする。このため、撮影画像の撮影パラメータが変化した場合に、撮影画像を補正しないので、撮影パラメータの変化に対応したパターンマッチングを実行できる。   According to the present invention, the calculation unit generates a correction template image from the template image by using correction parameters for correcting the template image so that pattern matching can be performed on the captured image, and the corrected template image and the captured image are patterned. Match. For this reason, when the shooting parameter of the shot image changes, the shot image is not corrected, so that pattern matching corresponding to the change of the shooting parameter can be executed.

例えば、撮影画像を撮影するカメラを低解像度のカメラに交換した場合、テンプレート画像が補正パラメータにより低解像度の補正テンプレート画像に補正されるので、低解像度の画像同士のパターンマッチングで処理の高速化を図ることができる。また、撮影画像を撮影するカメラを高解像度のカメラに交換した場合、テンプレート画像が補正パラメータにより高解像度の補正テンプレート画像に補正されるので、高解像度の画像同士のパターンマッチングで検出の高精度化を図ることができる。   For example, if the camera that captures the captured image is replaced with a low-resolution camera, the template image is corrected to a low-resolution corrected template image by the correction parameter, so the processing speed can be increased by pattern matching between the low-resolution images. You can plan. In addition, when the camera that captures the captured image is replaced with a high-resolution camera, the template image is corrected to a high-resolution corrected template image using the correction parameters, so detection accuracy is improved by pattern matching between the high-resolution images. Can be achieved.

また、撮影画像の撮影パラメータが変化した場合に、テンプレート画像を補正パラメータにより補正テンプレート画像に補正しているので、テンプレート画像を再生成する必要がない。これにより、テンプレート画像を何度も再作成する場合に比べて、作業者の時間と労力の浪費を防止できる。   Further, when the shooting parameter of the shot image changes, the template image is corrected to the correction template image by the correction parameter, so that it is not necessary to regenerate the template image. Thereby, compared with the case where a template image is recreated many times, it is possible to prevent a waste of time and labor of an operator.

本発明の第1実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the robot apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係るロボット装置の制御装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the control apparatus of the robot apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係るパターンマッチング装置の演算部の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the calculating part of the pattern matching apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係るパターンマッチング装置で撮影画像の補正を行う際の説明図であり、(a)(b)(d)はカメラと計測平面との位置関係を示し、(c)は(b)で撮影画面からワーク部分を切り出す様子を示す。It is explanatory drawing at the time of correct | amending a picked-up image with the pattern matching apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention, (a) (b) (d) shows the positional relationship of a camera and a measurement plane, (c) (B) shows a state where a work part is cut out from the photographing screen. 本発明の第1実施形態に係るパターンマッチング装置によりテンプレート画像を補正する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of correct | amending a template image with the pattern matching apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 従来のパターンマッチング装置により撮影画像を補正する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of correct | amending a picked-up image with the conventional pattern matching apparatus. 本発明の第1実施形態に係るパターンマッチング装置によりパターンマッチングを実行する際の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure at the time of performing pattern matching with the pattern matching apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るパターンマッチング装置の演算部の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the calculating part of the pattern matching apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るパターンマッチング装置によりパターンマッチングを実行する際の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure at the time of performing pattern matching with the pattern matching apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1に示すように、ロボット装置1は、ロボット本体2と、ロボット本体2から離隔して配置されロボット本体2が移動させるワーク(検出対象)Wを上方から撮影可能なカメラ4と、ロボット本体2及びカメラ4を制御する制御装置3と、を備えている。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the robot apparatus 1 includes a robot body 2, a camera 4 that is spaced apart from the robot body 2 and that can be photographed from above the workpiece (detection target) W that is moved by the robot body 2, and the robot body 2 and a control device 3 for controlling the camera 4.

ロボット本体2は、6軸の垂直多関節アーム(以下、アームと呼ぶ)21と、エンドエフェクタであるハンド22とを有している。本実施形態では、アーム21として6軸の垂直多関節アームを適用しているが、軸数は用途や目的に応じて適宜変更してもよい。また、本実施形態では、エンドエフェクタとしてハンド22を適用しているが、これには限られず、ワークWに対して作業可能なツールの全般を含めることができる。   The robot body 2 includes a 6-axis vertical articulated arm (hereinafter referred to as an arm) 21 and a hand 22 as an end effector. In the present embodiment, a 6-axis vertical articulated arm is applied as the arm 21, but the number of axes may be appropriately changed according to the application and purpose. In the present embodiment, the hand 22 is applied as an end effector. However, the present invention is not limited to this, and all tools that can work on the workpiece W can be included.

アーム21は、7つのリンク61〜67と、各リンク61〜67を揺動又は回動可能に連結する6つの関節71〜76とを備えている。各リンク61〜67としては、長さが固定されたものを採用している。但し、例えば、直動アクチュエータにより伸縮可能なリンクを採用してもよい。各関節71〜76には、各関節71〜76を各々駆動するモータと、モータの回転角度を検知するエンコーダと、各モータに供給する電流を検知する電流センサと、各関節71〜76のトルクを検知するトルクセンサと、が設けられている。   The arm 21 includes seven links 61 to 67 and six joints 71 to 76 that connect the links 61 to 67 so as to swing or rotate. As each of the links 61 to 67, one having a fixed length is adopted. However, for example, a link that can be expanded and contracted by a linear actuator may be employed. Each joint 71 to 76 includes a motor that drives each of the joints 71 to 76, an encoder that detects a rotation angle of the motor, a current sensor that detects a current supplied to each motor, and a torque of each joint 71 to 76. And a torque sensor for detecting.

ハンド22は、アーム21の先端リンク67に取り付けられて支持され、アーム21の動作により位置及び姿勢の少なくとも一自由度が調整されるようになっている。ハンド22は、2本の指23と、これら指23の間隔を開閉可能に支持するハンド本体24とを備え、指23同士が接近する閉動作によりワークWを把持可能になっている。   The hand 22 is attached to and supported by the distal end link 67 of the arm 21, and at least one degree of freedom in position and posture is adjusted by the operation of the arm 21. The hand 22 includes two fingers 23 and a hand main body 24 that supports the distance between the fingers 23 so as to be openable and closable. The hand 22 can grip the workpiece W by a closing operation in which the fingers 23 approach each other.

図2に示すように、制御装置3は、コンピュータにより構成され、ロボット本体2及びカメラ4を制御するようになっている。制御装置3を構成するコンピュータは、例えばCPU30と、データを一時的に記憶するRAM31と、各部を制御するためのプログラムを記憶するROM32と、を備えている。CPU30は、後述するパターンマッチング装置5を備え(図1参照)、後述する画像処理やパターンマッチングに関する演算処理を行うようになっている。RAM31は、CPU30にて処理中のデータや、カメラインタフェース33から取り込まれた画像等を一時的に記憶するようになっている。ROM32は、CPU30が行うロボット装置1の制御や画像処理、パターンマッチングやワークの位置姿勢演算に関する演算プログラムや設定パラメータ、カメラ4の撮影パラメータ、パターンマッチング用のテンプレート画像等を保存している。ROM32に記憶されたデータは、CPU30からの書き込みや消去を除き、制御装置3の電源がオフ状態にされても保持されるようになっている。   As shown in FIG. 2, the control device 3 is configured by a computer and controls the robot body 2 and the camera 4. The computer constituting the control device 3 includes, for example, a CPU 30, a RAM 31 that temporarily stores data, and a ROM 32 that stores a program for controlling each unit. The CPU 30 includes a pattern matching device 5 described later (see FIG. 1), and performs arithmetic processing related to image processing and pattern matching described later. The RAM 31 temporarily stores data being processed by the CPU 30, images captured from the camera interface 33, and the like. The ROM 32 stores a control program and image processing of the robot device 1 performed by the CPU 30, calculation programs and setting parameters related to pattern matching and workpiece position / orientation calculation, imaging parameters of the camera 4, template images for pattern matching, and the like. The data stored in the ROM 32 is held even when the power of the control device 3 is turned off except for writing and erasing from the CPU 30.

また、制御装置3は、カメラ4に接続されるカメラインタフェース33と、モニタ34に接続されるモニタインタフェース35と、マウス36に接続される入力装置インタフェース37と、通信インタフェース38と、を備えている。カメラインタフェース33は、カメラ4で撮影された画像を取り込み、RAM31に転送するようになっている。モニタインタフェース35は、モニタ34にロボット装置1の状態や画像処理結果等を表示するようになっている。入力装置インタフェース37は、作業者がモニタ34を見ながらマウス36で行う操作信号を受信し、CPU30に送信するようになっている。通信インタフェース38は、ロボット装置1の上位システムに接続され、演算で得られたワークWの位置姿勢等の情報の通信を行うようになっている。   The control device 3 includes a camera interface 33 connected to the camera 4, a monitor interface 35 connected to the monitor 34, an input device interface 37 connected to the mouse 36, and a communication interface 38. . The camera interface 33 captures an image photographed by the camera 4 and transfers it to the RAM 31. The monitor interface 35 displays the state of the robot apparatus 1 and image processing results on the monitor 34. The input device interface 37 receives an operation signal performed by the mouse 36 while the operator looks at the monitor 34 and transmits the operation signal to the CPU 30. The communication interface 38 is connected to the host system of the robot apparatus 1 and communicates information such as the position and orientation of the workpiece W obtained by calculation.

図1に示すように、制御装置3は、テンプレート画像と撮影画像とに基づいた画像に対してパターンマッチングを実行するパターンマッチング装置5を備えている。パターンマッチング装置5は、後述する補正パラメータを利用して、テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成し、補正テンプレート画像と撮影画像とでパターンマッチングする演算部50を備えている。パターンマッチング装置5は本実施形態では制御装置3に内蔵されており、演算部50はCPU30により構成されている。   As shown in FIG. 1, the control device 3 includes a pattern matching device 5 that performs pattern matching on an image based on a template image and a captured image. The pattern matching device 5 includes a calculation unit 50 that generates a correction template image from a template image using correction parameters described later, and performs pattern matching between the correction template image and the captured image. In this embodiment, the pattern matching device 5 is built in the control device 3, and the calculation unit 50 is configured by the CPU 30.

図3に示すように、演算部50は、カメラ校正部51と、パラメータ管理部52と、歪み補正部53と、テンプレート生成部54と、テンプレート補正部55と、パターンマッチ部56と、三次元復元部57と、を備えている。   As shown in FIG. 3, the calculation unit 50 includes a camera calibration unit 51, a parameter management unit 52, a distortion correction unit 53, a template generation unit 54, a template correction unit 55, a pattern matching unit 56, a three-dimensional display. A restoring unit 57.

カメラ校正部51は、歪み補正部53にて補正するために必要な撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41を算出するようになっている。尚、これら撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41は、テンプレート画像42を実際の撮影画像に対してパターンマッチング可能に補正する補正パラメータである。歪み補正部53は、カメラ校正部51で算出された撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41を用いて、カメラ4で撮影された撮影画像の補正を行うようになっている。テンプレート生成部54は、テンプレートにすべきワークWを撮影した画像を用いて、パターンマッチ部56でパターンマッチングを行うためのテンプレート画像42を作成するようになっている。   The camera calibration unit 51 calculates the shooting parameters 40 and the corrected shooting parameters 41 that are necessary for correction by the distortion correction unit 53. Note that the shooting parameter 40 and the post-correction shooting parameter 41 are correction parameters for correcting the template image 42 so as to allow pattern matching with an actual shot image. The distortion correction unit 53 corrects a captured image captured by the camera 4 using the imaging parameter 40 and the corrected imaging parameter 41 calculated by the camera calibration unit 51. The template generation unit 54 generates a template image 42 for performing pattern matching by the pattern matching unit 56 using an image obtained by photographing the workpiece W to be a template.

テンプレート補正部55は、テンプレート生成時の補正後撮影パラメータ41aと、実際の撮影時の補正後撮影パラメータ41bと用いて、テンプレート画像42の変換を行い、補正テンプレート画像43を作成し、パラメータ管理部52に保存する。パターンマッチ部56は、歪み補正を行った撮影画像と、補正テンプレート画像43とでパターンマッチングを行い、撮影画像でのワークWの位置を算出するようになっている。三次元復元部57は、パターンマッチ部56より出力された画像上のワークWの位置と補正後撮影パラメータ41とを用いて、画像上の位置を三次元座標上の位置に変換し、三次元位置データを出力して、計測結果として上位システムへ送信するようになっている。   The template correction unit 55 converts the template image 42 using the post-correction shooting parameter 41a at the time of template generation and the post-correction shooting parameter 41b at the time of actual shooting, creates a correction template image 43, and a parameter management unit Save to 52. The pattern matching unit 56 performs pattern matching between the captured image that has been subjected to distortion correction and the correction template image 43, and calculates the position of the workpiece W in the captured image. The three-dimensional restoration unit 57 converts the position on the image into a position on the three-dimensional coordinate using the position of the workpiece W on the image output from the pattern matching unit 56 and the corrected shooting parameter 41, and the three-dimensional Position data is output and sent to the host system as a measurement result.

上述したパターンマッチング装置5の演算部50での各画像生成及びパターンマッチングの処理を、図3及び図4を用いて説明する。   Each image generation and pattern matching processing in the calculation unit 50 of the pattern matching device 5 described above will be described with reference to FIGS.

カメラ4により、計測平面6に設置したカメラ校正用マーカ(不図示)が撮影され、撮影された画像は、カメラインタフェース33を経由してRAM31に取り込まれ、更にカメラ校正部51及び歪み補正部53に入力される。カメラ校正部51は、撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41をカメラ4で撮影された画像から算出して、パラメータ管理部52に記憶する。   A camera calibration marker (not shown) placed on the measurement plane 6 is photographed by the camera 4, and the photographed image is taken into the RAM 31 via the camera interface 33, and further, the camera calibration unit 51 and the distortion correction unit 53. Is input. The camera calibration unit 51 calculates the shooting parameter 40 and the corrected shooting parameter 41 from the image shot by the camera 4 and stores them in the parameter management unit 52.

ここで、撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41は、内部パラメータ及び外部パラメータに関する情報となっている。図4のピンホールカメラモデルに示すように、内部パラメータは、レンズ歪み、焦点距離fo、画素ピッチc,c、画素数、画像光軸中心C等となっている。画像光軸中心Cは、センサ面4a上で光軸Lと交わる点であり、レンズ歪みの画像への影響は画像光軸中心Cを中心に放射状に発生する。 Here, the shooting parameter 40 and the corrected shooting parameter 41 are information on internal parameters and external parameters. As shown in the pinhole camera model of FIG. 4, the internal parameters are lens distortion, focal length fo, pixel pitch c x , c y , number of pixels, image optical axis center C, and the like. The image optical axis center C is a point that intersects the optical axis L on the sensor surface 4a, and the influence of lens distortion on the image occurs radially around the image optical axis center C.

また、外部パラメータは、計測平面6及びカメラ4の距離、相対位置姿勢等となっている。これにより、計測平面6とカメラ4との相対位置関係、更にはカメラ4のセンサ面4a(画像)上の位置と計測平面6上の位置との相対関係が表される。尚、センサ面4aと計測平面6との相対位置関係には、両者の相対的な傾斜を含んでおり、この傾斜を補正するための傾斜情報(歪情報)も外部パラメータに含まれている。   The external parameters are the distance between the measurement plane 6 and the camera 4, the relative position and orientation, and the like. Thereby, the relative positional relationship between the measurement plane 6 and the camera 4 and the relative relationship between the position on the sensor surface 4a (image) of the camera 4 and the position on the measurement plane 6 are expressed. Note that the relative positional relationship between the sensor surface 4a and the measurement plane 6 includes the relative inclination of both, and inclination information (distortion information) for correcting this inclination is also included in the external parameters.

カメラ校正部51は、入力された撮影画像に基づき、非特許文献1に記載された手法を用いて撮影パラメータ40を算出する。この場合、カメラ校正用マーカの姿勢を変えながら、数十枚程度の画像を撮影し、これらの画像を用いて撮影パラメータ40を算出する。詳細な算出方法については、非特許文献1に記載されているので、ここでは説明を省略する。尚、撮影パラメータ40の算出方法としては、非特許文献1の方法には限られず、他の既存の又は新規の方法を適用することができる。   The camera calibration unit 51 calculates the imaging parameter 40 using the method described in Non-Patent Document 1 based on the input captured image. In this case, several tens of images are captured while changing the posture of the camera calibration marker, and the imaging parameters 40 are calculated using these images. Since the detailed calculation method is described in Non-Patent Document 1, description thereof is omitted here. Note that the calculation method of the imaging parameter 40 is not limited to the method of Non-Patent Document 1, and other existing or new methods can be applied.

カメラ校正部51は、算出した撮影パラメータ40に基づき、レンズ歪みが無く、計測平面6とカメラ4のセンサ面4aとの相対位置姿勢を平行にした補正後撮影パラメータ41を算出する。即ち、補正後撮影パラメータ41は、カメラ4の画像光軸中心Oと計測平面6との距離を変えずに、計測平面6に対してカメラ4の光軸Lが垂直に位置して、レンズ歪みの無いカメラ4が設置された場合の撮影パラメータである。この算出処理は、カメラインタフェース33経由でカメラ4からRAM31に取り込んだ撮影画像を用いて、CPU30にてROM32のカメラ校正プログラムを実行することで行う。   Based on the calculated shooting parameter 40, the camera calibration unit 51 calculates a corrected shooting parameter 41 that has no lens distortion and that makes the relative position and orientation of the measurement plane 6 and the sensor surface 4a of the camera 4 parallel to each other. That is, the post-correction shooting parameter 41 indicates that the optical axis L of the camera 4 is positioned perpendicular to the measurement plane 6 without changing the distance between the image optical axis center O of the camera 4 and the measurement plane 6, and the lens distortion. This is a shooting parameter when the camera 4 without the camera is installed. This calculation process is performed by executing a camera calibration program stored in the ROM 32 by the CPU 30 using a photographed image fetched from the camera 4 to the RAM 31 via the camera interface 33.

カメラ校正部51は、算出した撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41を、テンプレート生成時と実際の撮影時とで別々にして、パラメータ管理部52に登録する。カメラ校正部51は、テンプレート生成時には撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aを登録し、実際の撮影時には撮影パラメータ40b及び補正後撮影パラメータ41bを登録する。パラメータ管理部52に登録された各撮影パラメータは、ROM32に記録される。   The camera calibration unit 51 registers the calculated shooting parameter 40 and the corrected shooting parameter 41 in the parameter management unit 52 separately at the time of template generation and at the time of actual shooting. The camera calibration unit 51 registers the shooting parameter 40a and the corrected shooting parameter 41a when generating the template, and registers the shooting parameter 40b and the corrected shooting parameter 41b during actual shooting. Each shooting parameter registered in the parameter management unit 52 is recorded in the ROM 32.

パラメータ管理部52は、テンプレート生成時の撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aと、実際の撮影時の撮影パラメータ40b及び補正後撮影パラメータ41bと、について、登録されたデータを管理する。更に、パラメータ管理部52は、パターンマッチング用のテンプレート画像42及び補正テンプレート画像43についても、登録されたデータを管理する。パラメータ管理部52における処理は、CPU30でROM32のパラメータ管理プログラムを実行することにより実現され、登録されたデータはROM32に記録される。   The parameter management unit 52 manages registered data for the shooting parameter 40a and the corrected shooting parameter 41a at the time of template generation, and the shooting parameter 40b and the corrected shooting parameter 41b at the time of actual shooting. Further, the parameter management unit 52 manages the registered data for the pattern matching template image 42 and the correction template image 43. The processing in the parameter management unit 52 is realized by executing the parameter management program in the ROM 32 by the CPU 30, and the registered data is recorded in the ROM 32.

歪み補正部53は、カメラ校正部51で算出された撮影パラメータ40及び補正後撮影パラメータ41を用いて、カメラ4で撮影された画像の補正を行う。ここでの補正方法を、図4(b)を用いて説明する。尚、同図中、符号140は撮影パラメータ40であるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢、符号141は補正後撮影パラメータ41であるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢をそれぞれ示す。   The distortion correction unit 53 corrects an image shot by the camera 4 using the shooting parameter 40 and the corrected shooting parameter 41 calculated by the camera calibration unit 51. The correction method here will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 140 indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 that is the imaging parameter 40, and reference numeral 141 indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 that is the corrected imaging parameter 41.

歪み補正部53は、元画像の点P1について、撮影パラメータ40を利用して計測平面6に投影して、対応する点P3を求める。そして、歪み補正部53は、点P3を、補正後撮影パラメータ41の利用により歪み補正画像に投影することで、点P2を求める。このような補正方法で、歪み補正画像の全画素について画像間で対応する点を求めることで、歪み補正を行う。   The distortion correction unit 53 projects the point P1 of the original image onto the measurement plane 6 using the imaging parameter 40 to obtain the corresponding point P3. Then, the distortion correcting unit 53 obtains the point P2 by projecting the point P3 onto the distortion corrected image by using the post-correction shooting parameter 41. With such a correction method, distortion correction is performed by obtaining corresponding points between images for all pixels of the distortion correction image.

具体的には、元画像の点P1の画像座標を(u,v)とし、レンズ歪みを補正した仮想点の画像座標を(u,v)とし、撮影パラメータ40の内部パラメータのうちレンズ歪み係数をKとし、画像光軸中心Oを(u,v)とする。これらの関係により、数式1が得られる。 Specifically, the image coordinate of the point P1 of the original image is (u, v), the image coordinate of the virtual point whose lens distortion is corrected is (u 1 , v 1 ), and the lens among the internal parameters of the shooting parameter 40 The distortion coefficient is K, and the image optical axis center O is (u 0 , v 0 ). From these relationships, Formula 1 is obtained.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

また、撮影パラメータ40の内部パラメータのうちレンズ歪み以外をAとし、撮影パラメータ40の外部パラメータを[R t]とし、座標(u,v)に基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをm=[u 1]とする。更に、点P3の三次元座標を(x,y,z)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをM=[x y z 1]とすると、ベクトルm及びベクトルMの関係は数式2となる。 Further, a vector obtained by adding A to the end based on the coordinates (u 1 , v 1 ), where A is an internal parameter other than lens distortion among the internal parameters of the imaging parameter 40, and [R t] is an external parameter of the imaging parameter 40. Let m = [u 1 v 1 1]. Further, if the three-dimensional coordinate of the point P3 is (x, y, z), and a vector obtained by adding one element at the end is M = [x y z 1], the relationship between the vector m and the vector M is Equation 2 is obtained.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

同様に、補正後撮影パラメータ41によって表現される歪み補正画像の座標上の点P2の画像座標を(u’,v’)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをn=[u’ v’ 1]とする。また、補正後撮影パラメータ41の内部パラメータをA’とし、外部パラメータを[R’ t’]とする。これにより、点P3の三次元座標に関するベクトルM=[x y z 1]とベクトルnとの関係は、数式3となる。   Similarly, the image coordinate of the point P2 on the coordinate of the distortion corrected image expressed by the post-correction shooting parameter 41 is (u ′, v ′), and a vector obtained by adding one element at the end based on the coordinate is n = [ u ′ v ′ 1]. Further, the internal parameter of the post-correction shooting parameter 41 is A ′, and the external parameter is [R ′ t ′]. As a result, the relationship between the vector M = [x y z 1] and the vector n regarding the three-dimensional coordinates of the point P3 is expressed by Equation 3.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

数式2及び数式3により、ベクトルmとベクトルnとの関係は、数式4となる。   From Expression 2 and Expression 3, the relationship between the vector m and the vector n is Expression 4.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

尚、カメラ校正部51に非特許文献1の手法を用いた場合、f(u,v,u,v,K)と、内部パラメータAと、外部パラメータ[R t]とは、それぞれ数式5〜数式8で示されるようになる。 Note that when the method of Non-Patent Document 1 is used for the camera calibration unit 51, f (u, v, u 0 , v 0 , K), the internal parameter A, and the external parameter [R t] are respectively mathematical expressions. 5 to 8 as shown.

Figure 0006410411
但し、x=(u−u)c及びy=(v−v)c
Figure 0006410411
Where x = (u−u 0 ) c x and y = (v−v 0 ) cy

ここで、c及びcは、撮影パラメータ内で定義されたカメラ4のセンサ上でのu及びvの各方向の画素ピッチである。 Here, c x and c y are pixel pitches in the u and v directions on the sensor of the camera 4 defined in the shooting parameters.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

Figure 0006410411
Figure 0006410411

Figure 0006410411
Figure 0006410411

このようにして、歪み補正画像の各画素について対応する元画像の画素を求め、元画像の各画素の輝度を当てはめることにより、歪み補正画像を得る。尚、対応する画素が複数ある場合、バイリニア補間等の方法により複数の対応する画素の輝度値を混合して求めても良い。歪み補正部53により歪み補正された結果、歪みの無いレンズで補正後撮影パラメータ41のカメラ4の位置姿勢、即ち計測平面6に平行な位置から撮影したかのような画像が得られる。また、得られた画像は、補正後撮影パラメータ41で表現されている解像度になる。   In this manner, a corresponding original image pixel is obtained for each pixel of the distortion-corrected image, and the luminance of each pixel of the original image is applied to obtain a distortion-corrected image. When there are a plurality of corresponding pixels, the luminance values of a plurality of corresponding pixels may be obtained by mixing using a method such as bilinear interpolation. As a result of the distortion correction by the distortion correction unit 53, an image as if it was taken from the position and orientation of the camera 4 of the post-correction shooting parameter 41, that is, a position parallel to the measurement plane 6, with a lens without distortion is obtained. Further, the obtained image has a resolution expressed by the post-correction shooting parameter 41.

歪み補正部53での処理は、RAM31に取り込んだ撮影画像と、パラメータ管理部52によりROM32に記憶された撮影パラメータ40とを用いて、CPU30にてROM32に記録された歪み補正プログラムを実行することで行われる。補正して得られた歪み補正画像はRAM31に一時記憶する。歪み補正部53で補正された画像は、テンプレート生成部54及びパターンマッチ部56に入力される。   The processing in the distortion correction unit 53 is to execute a distortion correction program recorded in the ROM 32 by the CPU 30 using the captured image captured in the RAM 31 and the imaging parameter 40 stored in the ROM 32 by the parameter management unit 52. Done in The distortion-corrected image obtained by the correction is temporarily stored in the RAM 31. The image corrected by the distortion correction unit 53 is input to the template generation unit 54 and the pattern matching unit 56.

テンプレート生成部54は、ワークWを撮影した画像を用いて、パターンマッチ部56でパターンマッチングを行うためのテンプレート画像42を作成する。具体的には、テンプレート生成部54は、RAM31に一時記憶された歪み補正画像を、モニタインタフェース35を介してモニタ34に表示する。図4(c)に示すように、作業者がモニタ34の画像34aを見ながらワークWの画像34bの全体や、ワークWの画像34bの特徴的な部分を切り出し部34cとしてマウス36の使用により指定する。   The template generation unit 54 creates a template image 42 for performing pattern matching in the pattern matching unit 56 using an image obtained by photographing the workpiece W. Specifically, the template generation unit 54 displays the distortion correction image temporarily stored in the RAM 31 on the monitor 34 via the monitor interface 35. As shown in FIG. 4 (c), the operator looks at the image 34a on the monitor 34 and uses the mouse 36 as a whole of the image 34b of the work W or a characteristic part of the image 34b of the work W as a cutout part 34c. specify.

そして、作業者がマウス36を用いて入力した操作信号は、入力装置インタフェース37を介してCPU30が受信し、テンプレート生成部54が歪み補正画像からテンプレート画像42を生成する。作成されたテンプレート画像42は、パラメータ管理部52へテンプレート画像42として登録することで、ROM32に記録される。また、テンプレート画像42の生成時の画像34aでのテンプレート画像42の位置も合わせて保存する。尚、このテンプレート画像42は、画像データで作成することには限られず、エッジを構成する点の情報(例えば、画像座標の配列、直線や円弧を表す方程式等)で作成しても良い。   Then, the operation signal input by the operator using the mouse 36 is received by the CPU 30 via the input device interface 37, and the template generation unit 54 generates the template image 42 from the distortion corrected image. The created template image 42 is recorded in the ROM 32 by registering it as the template image 42 in the parameter management unit 52. Further, the position of the template image 42 in the image 34a when the template image 42 is generated is also stored. The template image 42 is not limited to being created with image data, but may be created with information on points constituting an edge (for example, an array of image coordinates, equations representing straight lines or arcs, etc.).

尚、テンプレート生成部54でのテンプレート生成処理は、ROM32上のモデル作成プログラムを実行するCPU30と、モニタインタフェース35及びモニタ34と、入力装置インタフェース37及びマウス36とにより実現される。また、テンプレート画像42の登録時に、パラメータ管理部52は、テンプレート画像42の生成時の撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aとテンプレート画像42とを関連付けて管理する。尚、テンプレート画像42を再生成する等のためカメラ校正が再度行われることで撮影パラメータ40aが変更され、撮影パラメータ40aとテンプレート画像42との関連が無くなる場合がある。この場合、パラメータ管理部52は、テンプレート画像42及び補正テンプレート画像43を消去する。   The template generation processing in the template generation unit 54 is realized by the CPU 30 that executes the model creation program on the ROM 32, the monitor interface 35 and the monitor 34, the input device interface 37, and the mouse 36. In addition, when registering the template image 42, the parameter management unit 52 associates and manages the imaging parameter 40 a and the corrected imaging parameter 41 a at the time of generating the template image 42 and the template image 42. Note that the imaging parameter 40a is changed by performing camera calibration again to regenerate the template image 42, and the association between the imaging parameter 40a and the template image 42 may be lost. In this case, the parameter management unit 52 deletes the template image 42 and the correction template image 43.

テンプレート補正部55は、テンプレート画像42の生成時の補正後撮影パラメータ41aと、撮影時の補正後撮影パラメータ41bとを用いて、テンプレート画像42の変換を行い、補正テンプレート画像43を生成し、パラメータ管理部52に保存する。ここでの補正方法を、図4(d)を用いて説明する。尚、同図中、符号140aは撮影パラメータ40aであるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢、符号141aは補正後撮影パラメータ41aであるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢をそれぞれ示す。また、符号140bは撮影パラメータ40bであるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢、符号141bは補正後撮影パラメータ41bであるカメラ4のセンサ面4aの位置姿勢をそれぞれ示す。   The template correction unit 55 converts the template image 42 using the post-correction shooting parameter 41a at the time of generating the template image 42 and the post-correction shooting parameter 41b at the time of shooting, generates a correction template image 43, and sets the parameter Saved in the management unit 52. The correction method here will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 140a indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 as the imaging parameter 40a, and reference numeral 141a indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 as the corrected imaging parameter 41a. Reference numeral 140b indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 as the imaging parameter 40b, and reference numeral 141b indicates the position and orientation of the sensor surface 4a of the camera 4 as the corrected imaging parameter 41b.

テンプレート補正部55は、テンプレート画像42の点P5について、補正後撮影パラメータ41aを利用して計測平面6に投影して対応する点P4を求める。そして、テンプレート補正部55は、点P4を、補正後撮影パラメータ41bの利用により補正テンプレート画像43に投影することで、対応する点P6を求める。このような補正方法で、補正テンプレート画像43の全画素について画像間で対応する点を求めることで、テンプレート補正を行う。尚、テンプレート画像42の点P5の座標系は、テンプレート画像42にテンプレート生成部54で保存されたテンプレート生成時の生成用画像上のテンプレートの位置を用いて、テンプレート生成時の画像座標系を用いる。   The template correcting unit 55 projects the point P5 of the template image 42 onto the measurement plane 6 using the corrected shooting parameter 41a to obtain the corresponding point P4. Then, the template correction unit 55 obtains the corresponding point P6 by projecting the point P4 on the corrected template image 43 by using the post-correction shooting parameter 41b. With such a correction method, template correction is performed by obtaining corresponding points between images for all pixels of the correction template image 43. The coordinate system of the point P5 of the template image 42 uses the image coordinate system at the time of template generation using the position of the template on the generation image at the time of template generation stored in the template image 42 in the template image 42. .

具体的には、テンプレート画像42の点P5の画像座標を(up5,vp5)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをmp5=[up5p5 1]とする。また、補正後撮影パラメータ41aの内部パラメータをAp5とし、外部パラメータを[Rp5p5]とする。更に、点P4の三次元座標を(xp4,yp4,zp4)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをMp4=[xp4p4p4 1]とすると、ベクトルmp5及びベクトルMp4の関係は数式9となる。 Specifically, the image coordinate of the point P5 of the template image 42 is (u p5 , v p5 ), and a vector obtained by adding one element based on the coordinate is m p5 = [u p5 v p5 1]. In addition, the internal parameter of the post-correction shooting parameter 41a is A p5 and the external parameter is [R p5 t p5 ]. Furthermore, the three-dimensional coordinates of the point P4 and (x p4, y p4, z p4), the last vector plus one element to the M p4 = a [x p4 y p4 z p4 1 ] on the basis thereof, a vector The relationship between m p5 and vector M p4 is given by Equation 9.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

同様に、補正後撮影パラメータ41bによって表現される補正テンプレート画像43の座標上の点P6の画像座標を(up6,vp6)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをnp6=[up6p6 1]とする。また、補正後撮影パラメータ41bの内部パラメータをAp6とし、外部パラメータを[Rp6p6]とする。これにより、点P4の三次元座標に関するベクトルMp4=[xp4p4p4 1]とベクトルnp6との関係は、数式10となる。 Similarly, the image coordinate of the point P6 on the coordinates of the corrected template image 43 expressed by the post-correction shooting parameter 41b is (u p6 , v p6 ), and finally a vector obtained by adding one element based on it is n p6 = [ Up6 v p6 1]. The internal parameter of the post-correction shooting parameter 41b is A p6 and the external parameter is [R p6 t p6 ]. Thus, the relationship between the vector M p4 = [x p4 y p4 z p4 1] related to the three-dimensional coordinates of the point P4 and the vector n p6 is expressed by Equation 10.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

数式9及び数式10により、ベクトルmp5とベクトルnp6との関係は、数式11となる。 From Equation 9 and Equation 10, the relationship between the vector m p5 and the vector n p6 is Equation 11.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

尚、非特許文献1の手法を用いた場合、各係数は、歪み補正部53での場合と同様に数式5〜数式8で示されるようになる。   When the method of Non-Patent Document 1 is used, each coefficient is expressed by Equations 5 to 8 as in the case of the distortion correction unit 53.

このようにして、補正テンプレート画像43の各画素について対応するテンプレート画像42の画素を求め、テンプレート画像42の各画素の輝度を当てはめることにより、補正テンプレート画像43を得る。尚、対応する画素が複数ある場合、バイリニア補間等の方法により複数の対応する画素の輝度値を混合して求めても良い。また、形状ベースマッチング等、エッジ構成点群で表現されるテンプレート画像を用いる際は、テンプレート画像を構成する各点について、数式11を用いて変換することで補正テンプレート画像43を得るようにする。   Thus, the template image 42 corresponding to each pixel of the correction template image 43 is obtained, and the luminance of each pixel of the template image 42 is applied to obtain the correction template image 43. When there are a plurality of corresponding pixels, the luminance values of a plurality of corresponding pixels may be obtained by mixing using a method such as bilinear interpolation. Further, when using a template image expressed by an edge composing point group such as shape-based matching, the correction template image 43 is obtained by converting each point constituting the template image using Equation 11.

テンプレート補正部55での処理は、CPU30にてROM32に記録されたテンプレート補正プログラムを実行することで行われる。このテンプレート補正プログラムでは、ROM32に記録されたテンプレート画像42と、テンプレート生成時の補正後撮影パラメータ41aと、実際の撮影時の補正後撮影パラメータ41bとをパラメータ管理部52から読み出しRAM31に展開する。そして、テンプレート補正プログラムでは、CPU30にて前述の補正演算を行い、生成された補正テンプレート画像43をパラメータ管理部52に登録し、ROM32に記録する。   The processing in the template correction unit 55 is performed by executing a template correction program recorded in the ROM 32 by the CPU 30. In this template correction program, the template image 42 recorded in the ROM 32, the post-correction shooting parameter 41a at the time of template generation, and the post-correction shooting parameter 41b at the time of actual shooting are read from the parameter management unit 52 and developed in the RAM 31. In the template correction program, the CPU 30 performs the above-described correction calculation, registers the generated correction template image 43 in the parameter management unit 52, and records it in the ROM 32.

パターンマッチ部56は、実際の撮影時にカメラ4により撮影された撮影画像の歪み補正画像と補正テンプレート画像43とでパターンマッチングを行い、撮影画像におけるテンプレートの位置を算出する。パターンマッチングの具体的な方法については、正規化相関法や形状ベースマッチング等の既存の又は新規の画像座標ベースのマッチング方法を用いる。   The pattern matching unit 56 performs pattern matching between the distortion-corrected image of the captured image captured by the camera 4 and the corrected template image 43 during actual capturing, and calculates the position of the template in the captured image. As a specific method of pattern matching, an existing or new image coordinate-based matching method such as a normalized correlation method or shape-based matching is used.

パターンマッチ部56での処理は、ROM32のパターンマッチングプログラムをCPU30で実行することにより実現される。パターンマッチ部56は、RAM31に一時記憶された歪み補正画像と、パラメータ管理部52を介してROM32より読み出した補正テンプレート画像43とについて、マッチングを行う。パターンマッチ部56は、マッチング結果として得られる歪み補正画像の座標上のワークWの位置を、RAM31に一時記憶する。   Processing in the pattern matching unit 56 is realized by the CPU 30 executing a pattern matching program in the ROM 32. The pattern matching unit 56 performs matching between the distortion correction image temporarily stored in the RAM 31 and the correction template image 43 read from the ROM 32 via the parameter management unit 52. The pattern matching unit 56 temporarily stores the position of the workpiece W on the coordinates of the distortion corrected image obtained as a matching result in the RAM 31.

三次元復元部57は、パターンマッチ部56より出力されたワークWの画像上の位置と、補正後撮影パラメータ41bとを用いて、画像上の位置を三次元座標上の位置に変換し、三次元位置データを出力し、計測結果として上位システムへ送信する。   The three-dimensional restoration unit 57 converts the position on the image into a position on the three-dimensional coordinate using the position on the image of the workpiece W output from the pattern matching unit 56 and the post-correction shooting parameter 41b. The original position data is output and sent as a measurement result to the host system.

三次元復元部57の処理は、ROM32の三次元座標変換プログラムをCPU30で実行することにより実現する。三次元復元部57は、RAM31に一時記憶されたパターンマッチング結果の画像座標を、パラメータ管理部52を介してROM32より読み出した撮影時の補正後撮影パラメータ41bを用いて三次元座標に変換する。三次元復元部57は、得られた三次元位置データをRAM31に一時記憶した後、CPU30からの指令により通信インタフェース38を介して上位システムに送信する。   The processing of the three-dimensional restoration unit 57 is realized by executing the three-dimensional coordinate conversion program in the ROM 32 by the CPU 30. The three-dimensional restoration unit 57 converts the image coordinates of the pattern matching result temporarily stored in the RAM 31 into three-dimensional coordinates using the post-correction shooting parameters 41b read from the ROM 32 via the parameter management unit 52. The three-dimensional restoration unit 57 temporarily stores the obtained three-dimensional position data in the RAM 31 and then transmits it to the host system via the communication interface 38 in response to a command from the CPU 30.

ここで、テンプレート画像Xと撮影画像Yとでパターンマッチングを実行するための補正について、解像度のみに着目して図5及び図6を用いて説明する。尚、図5及び図6では、説明のためにテンプレート画像を符号X、実際の組立等の作業中にワークWを撮影した撮影画像を符号Yで示す。   Here, correction for executing pattern matching between the template image X and the captured image Y will be described with reference to FIGS. 5 and 6 focusing on only the resolution. 5 and 6, for the sake of explanation, the template image is denoted by reference symbol X, and the photographed image obtained by photographing the workpiece W during actual assembly work is denoted by reference symbol Y.

パターンマッチングの1つの手法として、図6に示すように、テンプレート画像Xの解像度はそのままで、撮影画像Y(又はY)を撮影パラメータQ(又はQ)により補正して、テンプレート画像Xの解像度に合わせる手法が考えられる。即ち、この手法では、XとQ・Y(又はQ・Y)とのマッチングになる。 One pattern matching method, as shown in FIG. 6, the template image X of the resolution as it corrects the captured image Y 1 (or Y 2) imaging parameters Q 1 (or Q 2), the template image A method for adjusting to the resolution of X can be considered. That is, according to this method, X is matched with Q 1 · Y 1 (or Q 2 · Y 2 ).

しかし、この手法では、例えば、撮影画像Yの解像度がテンプレート画像Xの生成時に比べて2倍になった場合でも、テンプレート画像Xに合わせた解像度に補正する必要があるため、1/2倍に縮小し離散化した補正画像に対してマッチングを行う。このため、マッチングの精度は、テンプレート画像Xの生成時の解像度と同等になってしまい、撮影画像Yを撮影するカメラを高解像度のカメラに交換してもパターンマッチングの高精度化は困難である。 However, in this method, for example, since the resolution of the captured image Y 1 even if the doubled compared to when generating the template image X, it is necessary to correct the combined resolution template image X, 1/2-fold Matching is performed on the corrected image that has been reduced and discretized. Therefore, accuracy of the matching, becomes equivalent to the generation time of the resolution of the template image X, accuracy of replacement pattern also matching the camera for photographing a photographed image Y 1 to a high resolution camera is difficult is there.

また、この手法では、例えば、撮影画像Yの解像度がテンプレート画像Xの生成時に比べて1/2倍になった場合でも、テンプレート画像Xに合わせた解像度に補正する必要があるため、2倍に拡大した補正画像に対してマッチングを行う。このため、撮影画像Yを撮影するカメラを低解像度のカメラに交換しても、パターンマッチングの高速化は困難である。 Further, since in this method, for example, that even when the resolution of the captured image Y 2 becomes 1/2 times that at the time of generation of the template image X, it is necessary to correct the combined resolution template image X, 2-fold Matching is performed on the corrected image enlarged. Therefore, by replacing the camera for photographing a photographed image Y 2 in the low resolution camera, high-speed pattern matching is difficult.

そこで、本実施形態では、図5に示すように、撮影画像Y(又はY)の解像度はそのままで、テンプレート画像Xを撮影パラメータQ(又はQ)により補正して、撮影画像Y(又はY)の解像度に合わせるようにしている。即ち、本実施形態の手法では、X/Q(又はX/Q)とY(又はY)とのマッチングになる。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the template image X is corrected by the shooting parameter Q 1 (or Q 2 ) while maintaining the resolution of the captured image Y 1 (or Y 2 ), and the captured image Y 1 is corrected. The resolution is adjusted to 1 (or Y 2 ). That is, according to the method of the present embodiment, X / Q 1 (or X / Q 2 ) and Y 1 (or Y 2 ) are matched.

このように、本実施形態の手法によれば、テンプレート画像Xを撮影画像Yの解像度に合わせて補正するため、撮影画像Yの解像度を維持したままマッチングを行うことができる。このため、マッチング時の精度も撮影画像Yの解像度になり、テンプレート画像Xの生成時の解像度に比べて2倍になり、高解像度の画像同士のパターンマッチングで検出の高精度化を図ることができる。 Thus, according to the method of this embodiment, for correcting the combined template image X to the resolution captured image Y 1, it is possible to perform matching while maintaining the resolution of the captured image Y 1. Therefore, also accuracy in matching becomes resolution captured image Y 1, doubled compared to the resolution at the time of generation of the template image X, improve the accuracy of detection by the pattern matching between images of high resolution Can do.

また、本実施形態の手法によれば、テンプレート画像Xを撮影画像Yの解像度に合わせて補正するため、撮影画像Yの解像度を維持したままマッチングを行うことができる。このため、検索する範囲が面積比で1/4になるため、テンプレート画像Xの生成時の解像度に比べて検出速度が4倍になり、低解像度の画像同士のパターンマッチングで処理の高速化を図ることができる。 Further, according to the method of this embodiment, for correcting the combined template image X to the resolution captured image Y 2, it is possible to perform matching while maintaining the resolution of the captured image Y 2. For this reason, since the area to be searched is 1/4 in area ratio, the detection speed is four times faster than the resolution at the time of generating the template image X, and the processing speed is increased by pattern matching between low resolution images. Can be planned.

上述したパターンマッチング装置5によりワークWのパターンマッチングを実行する処理手順について、図7に示すフローチャートに沿って説明する。   A processing procedure for executing the pattern matching of the workpiece W by the pattern matching device 5 described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、テンプレート画像42を生成する前に、カメラ4の校正を行う(ステップS1)。ここでは、計測平面6に設置したカメラ校正用マーカ(不図示)をカメラ4で撮影し、演算部50のカメラ校正部51に入力する。これにより、テンプレート画像42の生成時の撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aが算出され、パラメータ管理部52に登録される。   First, before generating the template image 42, the camera 4 is calibrated (step S1). Here, a camera calibration marker (not shown) placed on the measurement plane 6 is photographed by the camera 4 and input to the camera calibration unit 51 of the calculation unit 50. Thereby, the shooting parameter 40 a and the corrected shooting parameter 41 a at the time of generating the template image 42 are calculated and registered in the parameter management unit 52.

そして、テンプレート画像42となるワークWが計測平面6に設置され、カメラ4で撮影され、その撮影画像が演算部50に入力される(ステップS2)。入力された撮影画像は、歪み補正部53により、ステップS1にて校正した撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aを用いて補正される(ステップS3)。   Then, the workpiece W to be the template image 42 is set on the measurement plane 6 and photographed by the camera 4, and the photographed image is input to the calculation unit 50 (step S2). The input photographed image is corrected by the distortion correcting unit 53 using the photographing parameter 40a calibrated in step S1 and the post-correction photographing parameter 41a (step S3).

歪み補正部53から出力された補正後撮影画像は、テンプレート生成部54に入力され、テンプレート画像42が生成される。ここでは、例えば、制御装置3がモニタ34に補正後撮影画像を表示し(ステップS4)、作業者に補正後撮影画像上の切り出し部34cを選択させる(ステップS5)。   The corrected photographic image output from the distortion correction unit 53 is input to the template generation unit 54, and a template image 42 is generated. Here, for example, the control device 3 displays the corrected captured image on the monitor 34 (step S4), and causes the operator to select the cutout part 34c on the corrected captured image (step S5).

そして、テンプレート生成部54は、補正後撮影画像及び切り出し部34cからテンプレート画像42を生成し、パラメータ管理部52に登録する(ステップS6)。その際、パラメータ管理部52では、テンプレート画像42と、撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aとを関連付けして登録する。   And the template production | generation part 54 produces | generates the template image 42 from the correction | amendment picked-up image and the clipping part 34c, and registers it in the parameter management part 52 (step S6). At that time, the parameter management unit 52 associates and registers the template image 42, the shooting parameter 40a, and the corrected shooting parameter 41a.

ここで、ステップS6でのテンプレート画像42の生成後に、経時変化や、カメラ4の交換や、カメラ4への何かの衝突等により撮影パラメータ40aが変化したか否かを判断する(ステップS7)。撮影パラメータ40aが変化していないと判断された場合は、テンプレート画像42をそのまま利用して、後述するパターンマッチング処理(ステップS10)を実行する。   Here, after the template image 42 is generated in step S6, it is determined whether or not the shooting parameter 40a has changed due to a change with time, replacement of the camera 4, or a collision with the camera 4 (step S7). . When it is determined that the shooting parameter 40a has not changed, the template image 42 is used as it is, and a pattern matching process (step S10) described later is executed.

撮影パラメータ40aが変化したと判断された場合は、パターンマッチング処理の前に、テンプレート画像42を補正する。まず、カメラ校正部51が、ステップS1と同様の処理手順にて、撮影パラメータ40b及び補正後撮影パラメータ41bを算出して、パラメータ管理部52に登録する(ステップS8)。そして、テンプレート補正部55は、テンプレート画像42に対して、撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aと、撮影パラメータ40b及び補正後撮影パラメータ41bとを用いて、補正テンプレート画像43を生成する(ステップS9)。当該ステップS9が、本発明の補正画像生成工程に相当する。これにより、現在の撮影パラメータ40b及び補正後撮影パラメータ41bに適したテンプレートが生成される。テンプレート補正部55は、補正テンプレート画像43をパラメータ管理部52に登録する。   If it is determined that the shooting parameter 40a has changed, the template image 42 is corrected before the pattern matching process. First, the camera calibration unit 51 calculates the shooting parameter 40b and the corrected shooting parameter 41b and registers them in the parameter management unit 52 in the same processing procedure as in step S1 (step S8). Then, the template correction unit 55 generates a corrected template image 43 for the template image 42 using the shooting parameter 40a and the corrected shooting parameter 41a, the shooting parameter 40b, and the corrected shooting parameter 41b (step S9). ). Step S9 corresponds to the corrected image generation process of the present invention. Thereby, a template suitable for the current shooting parameter 40b and the corrected shooting parameter 41b is generated. The template correction unit 55 registers the correction template image 43 in the parameter management unit 52.

そして、実際に撮影されたワークWの画像を利用して、パターンマッチング処理が実行される(ステップS10、パターンマッチング工程)。ここでは、カメラ4により計測平面6のワークWを撮影した画像は、歪み補正部53に送られ、歪み補正部53は、当該画像を補正後撮影パラメータ41a及び補正後撮影パラメータ41bを用いて補正して、歪み補正画像を生成する。その後、パターンマッチ部56が、歪み補正画像と、補正テンプレート画像43とのパターンマッチングを実行し、歪み補正画像でのワークWの位置を算出する。三次元復元部57は、パターンマッチ部56で算出された位置と、補正後撮影パラメータ41bとから、ワークWの三次元位置データを算出する。   Then, pattern matching processing is executed using the actually photographed image of the workpiece W (step S10, pattern matching process). Here, an image obtained by photographing the workpiece W on the measurement plane 6 by the camera 4 is sent to the distortion correction unit 53, and the distortion correction unit 53 corrects the image using the corrected shooting parameter 41a and the corrected shooting parameter 41b. Thus, a distortion corrected image is generated. Thereafter, the pattern matching unit 56 performs pattern matching between the distortion correction image and the correction template image 43, and calculates the position of the workpiece W in the distortion correction image. The three-dimensional restoration unit 57 calculates three-dimensional position data of the workpiece W from the position calculated by the pattern matching unit 56 and the post-correction shooting parameter 41b.

上述したように、本実施形態のパターンマッチング装置5によれば、テンプレート画像42を撮影画像と同じになるように変換してからパターンマッチングを行っている。このため、テンプレート画像42の生成後に撮影パラメータ40a及び補正後撮影パラメータ41aが変化しても、テンプレート画像42の再生成は不要になる。これにより、テンプレート画像42を何度も再生成する場合に比べて、作業者の時間と労力の浪費を防止できる。   As described above, according to the pattern matching device 5 of the present embodiment, the pattern matching is performed after the template image 42 is converted to be the same as the captured image. For this reason, even if the imaging parameter 40a and the corrected imaging parameter 41a change after the generation of the template image 42, it is not necessary to regenerate the template image 42. Thereby, compared with the case where the template image 42 is regenerated many times, it is possible to prevent the waste of the worker's time and labor.

また、本実施形態のパターンマッチング装置5によれば、撮影画像の撮影パラメータが変化した場合に、撮影画像の補正時に撮影画像の解像度をテンプレート画像に合わせなくて良いので、撮影パラメータの変化に対応したパターンマッチングを実行できる。   Further, according to the pattern matching device 5 of the present embodiment, when the shooting parameter of the shot image changes, it is not necessary to match the resolution of the shot image with the template image when correcting the shot image. Pattern matching can be performed.

例えば、撮影画像を撮影するカメラ4を高解像度に交換した場合、テンプレート画像42が補正パラメータにより高解像度の補正テンプレート画像43に補正されるので、高解像度の画像同士のパターンマッチングで検出の高精度化を図ることができる。   For example, when the camera 4 that captures a photographed image is replaced with a high resolution, the template image 42 is corrected to a high-resolution correction template image 43 by the correction parameter, so that high-precision detection is achieved by pattern matching between the high-resolution images. Can be achieved.

また、撮影画像を撮影するカメラ4を低解像度に交換した場合、テンプレート画像42が補正パラメータにより低解像度の補正テンプレート画像43に補正されるので、低解像度の画像同士のパターンマッチングで処理の高速化を図ることができる。尚、図6に示す例では、撮影画像Yをテンプレート画像Xの生成時の解像度に高解像度化してからパターンマッチングを行っているため、本実施形態に比べて見かけの検出精度は高くなる。しかし、実際には撮影画像Yの解像度で離散化され、情報量が決定しているため、実質的な検出精度は撮影画像Yの解像度によることになり、本実施形態の検出精度と同等になる。 In addition, when the camera 4 that captures the captured image is replaced with a low resolution, the template image 42 is corrected to the low-resolution corrected template image 43 by the correction parameter. Therefore, the processing speed is increased by pattern matching between the low-resolution images. Can be achieved. In the example shown in FIG. 6, because a pattern matching from the resolution of the captured image Y 2 to the resolution at the time of generation of the template image X, the detection accuracy of the apparent compared to the present embodiment is high. However, since it is actually discretized at the resolution of the captured image Y 2 and the amount of information is determined, the actual detection accuracy depends on the resolution of the captured image Y 2 and is equivalent to the detection accuracy of the present embodiment. become.

尚、本実施形態のパターンマッチング装置5では、図6に示す例と比べ、テンプレート画像42の生成時の撮影パラメータを登録する領域が必要になる。しかし、撮影パラメータのデータは、焦点距離、レンズ歪み、センサの画素ピッチ、解像度、計測平面6とカメラ4の三次元相対位置姿勢等、数十個程度の値であるので、登録領域の大幅な増加を招くことは無い。例えば、一辺200画素の画像、即ち4万画素の画像のテンプレート画像42の登録に必要なデータ領域に比べ、撮影パラメータの登録に必要なデータ領域は極めて小さい。このため、本実施形態によるパターンマッチング装置5のコスト等への影響は、小さく抑えることができる。   In the pattern matching device 5 of the present embodiment, an area for registering the shooting parameters when generating the template image 42 is required as compared with the example shown in FIG. However, since the shooting parameter data includes several tens of values such as focal length, lens distortion, sensor pixel pitch, resolution, and the three-dimensional relative position and orientation of the measurement plane 6 and the camera 4, There will be no increase. For example, the data area necessary for registering the shooting parameters is extremely small compared to the data area required for registering the template image 42 of an image having 200 pixels on a side, that is, an image having 40,000 pixels. For this reason, the influence on the cost etc. of the pattern matching apparatus 5 by this embodiment can be restrained small.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係るパターンマッチング装置5の演算部250について説明する。
[Second Embodiment]
Next, the calculation unit 250 of the pattern matching device 5 according to the second embodiment of the present invention will be described.

第2実施形態の演算部250は、第1実施形態と比較して、図8に示すように、歪み補正部53を省略している点で構成を異にしている。それ以外の構成は、第1実施形態と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。   Compared with the first embodiment, the arithmetic unit 250 of the second embodiment has a different configuration in that the distortion correction unit 53 is omitted as shown in FIG. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.

カメラ校正部251は、第1実施形態のカメラ校正部51と同様に、入力された撮影画像に基づき、非特許文献1に記載された手法を用いて撮影パラメータ40を算出する。但し、カメラ校正部251は、第1実施形態のカメラ校正部51と異なり、補正後撮影パラメータ41は算出しない。カメラ校正部251は、算出した撮影パラメータ40を、テンプレート生成時と実際の撮影時とで別々にして、パラメータ管理部252に登録する。   Similarly to the camera calibration unit 51 of the first embodiment, the camera calibration unit 251 calculates the imaging parameter 40 using the technique described in Non-Patent Document 1 based on the input captured image. However, unlike the camera calibration unit 51 of the first embodiment, the camera calibration unit 251 does not calculate the corrected shooting parameter 41. The camera calibration unit 251 registers the calculated shooting parameter 40 in the parameter management unit 252 separately for the template generation and the actual shooting.

パラメータ管理部252は、テンプレート生成時の撮影パラメータ40a及び実際の撮影時の撮影パラメータ40bと、パターンマッチング用のテンプレート画像242及び補正テンプレート画像243とについて、登録されたデータを管理する。パラメータ管理部52における処理は、CPU30でROM32のパラメータ管理プログラムを実行することにより実現され、登録されたデータはROM32に記録される。   The parameter management unit 252 manages registered data for the shooting parameter 40a at the time of template generation and the shooting parameter 40b at the time of actual shooting, and the template image 242 and the correction template image 243 for pattern matching. The processing in the parameter management unit 52 is realized by executing the parameter management program in the ROM 32 by the CPU 30, and the registered data is recorded in the ROM 32.

テンプレート補正部255は、テンプレート画像242の生成時の撮影パラメータ40aと、撮影時の撮影パラメータ40bとを用いて、テンプレート画像242の変換を行い、補正テンプレート画像243を生成し、パラメータ管理部252に保存する。   The template correction unit 255 converts the template image 242 using the shooting parameter 40 a at the time of generating the template image 242 and the shooting parameter 40 b at the time of shooting, generates a correction template image 243, and sends it to the parameter management unit 252. save.

テンプレート補正部255は、図4(d)に示すように、符号140aのテンプレート画像242の点P7について、撮影パラメータ40aを利用して計測平面6に投影して対応する点P4を求める。そして、テンプレート補正部255は、点P4を、撮影パラメータ40bの利用により符号140bの補正テンプレート画像243に投影することで、対応する点P8を求める。このような補正方法で、補正テンプレート画像243の全画素について画像間で対応する点を求めることで、テンプレート補正を行う。   As shown in FIG. 4D, the template correction unit 255 projects the point P7 of the template image 242 with the reference numeral 140a onto the measurement plane 6 using the imaging parameter 40a to obtain the corresponding point P4. Then, the template correction unit 255 obtains a corresponding point P8 by projecting the point P4 onto the correction template image 243 denoted by reference numeral 140b by using the imaging parameter 40b. With such a correction method, template correction is performed by obtaining corresponding points between images for all pixels of the correction template image 243.

具体的には、テンプレート画像242の点P7の画像座標を(up7,vp7)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをmp7=[up7p7 1]とする。また、撮影パラメータ40aの内部パラメータをAp7とし、外部パラメータを[Rp7p7]とする。更に、点P4の三次元座標を(xp4,yp4,zp4)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをMp4=[xp4p4p4 1]とすると、ベクトルmp7及びベクトルMp4の関係は数式12となる。 Specifically, the image coordinate of the point P7 of the template image 242 is (u p7 , v p7 ), and a vector obtained by adding one element at the end based on the coordinate is m p7 = [u p7 v p7 1]. In addition, the internal parameter of the imaging parameter 40a is A p7 and the external parameter is [R p7 t p7 ]. Furthermore, the three-dimensional coordinates of the point P4 and (x p4, y p4, z p4), the last vector plus one element to the M p4 = a [x p4 y p4 z p4 1 ] on the basis thereof, a vector The relationship between m p7 and vector M p4 is given by Equation 12.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

同様に、撮影パラメータ40bによって表現される補正テンプレート画像243の座標上の点P8の画像座標を(up8,vp8)とし、それに基づいて最後に1の要素を加えたベクトルをnp8=[up8p8 1]とする。また、撮影パラメータ40bの内部パラメータをAp8とし、外部パラメータを[Rp8p8]とする。これにより、点P4の三次元座標に関するベクトルMp4=[xp4p4p4 1]とベクトルnp8との関係は、数式13となる。 Similarly, the image coordinates of the point P8 on the coordinates of the correction template image 243 expressed by the imaging parameter 40b is (u p8 , v p8 ), and a vector obtained by adding one element at the end based on it is n p8 = [ u p8 v p8 1]. The internal parameter of the shooting parameter 40b is A p8 , and the external parameter is [R p8 t p8 ]. Accordingly, the relationship between the vector M p4 = [x p4 y p4 z p4 1] related to the three-dimensional coordinates of the point P4 and the vector n p8 is expressed by Equation 13.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

数式12及び数式13により、ベクトルmp7とベクトルnp8との関係は、数式14となる。 From Expression 12 and Expression 13, the relationship between the vector mp7 and the vector NP8 is Expression 14.

Figure 0006410411
Figure 0006410411

尚、非特許文献1の手法を用いた場合、各係数は、第1実施形態での歪み補正部53の場合と同様に数式5〜数式8で示されるようになる。   When the method of Non-Patent Document 1 is used, each coefficient is expressed by Equations 5 to 8 as in the case of the distortion correction unit 53 in the first embodiment.

このようにして、補正テンプレート画像243の各画素について対応するテンプレート画像242の画素を求め、テンプレート画像242の各画素の輝度を当てはめることにより、補正テンプレート画像243を得る。尚、対応する画素が複数ある場合、バイリニア補間等の方法により複数の対応する画素の輝度値を混合して求めても良い。また、形状ベースマッチング等、エッジ構成点群で表現されるテンプレート画像を用いる際は、テンプレート画像を構成する各点について、数式14を用いて変換することで補正テンプレート画像を得るようにする。   In this manner, the template image 242 corresponding to each pixel of the correction template image 243 is obtained, and the luminance of each pixel of the template image 242 is applied to obtain the correction template image 243. When there are a plurality of corresponding pixels, the luminance values of a plurality of corresponding pixels may be obtained by mixing using a method such as bilinear interpolation. In addition, when using a template image expressed by an edge constituent point group such as shape-based matching, a corrected template image is obtained by converting each point constituting the template image using Expression 14.

テンプレート補正部255での処理は、CPU30にてROM32に記録されたテンプレート補正プログラムを実行することで行われる。このテンプレート補正プログラムでは、ROM32に記録されたテンプレート画像242と、テンプレート生成時の撮影パラメータ40aと、実際の撮影時の撮影パラメータ40bとをパラメータ管理部252から読み出しRAM31に展開する。そして、テンプレート補正プログラムでは、CPU30にて前述の補正演算を行い、生成された補正テンプレート画像243をパラメータ管理部252に登録し、ROM32に記録する。   The processing in the template correction unit 255 is performed by executing a template correction program recorded in the ROM 32 by the CPU 30. In this template correction program, the template image 242 recorded in the ROM 32, the shooting parameter 40a at the time of template generation, and the shooting parameter 40b at the time of actual shooting are read from the parameter management unit 252 and developed in the RAM 31. In the template correction program, the CPU 30 performs the above-described correction calculation, registers the generated correction template image 243 in the parameter management unit 252, and records it in the ROM 32.

三次元復元部257は、パターンマッチ部56より出力されたワークWの画像上の位置と、撮影パラメータ40bとを用いて、画像上の位置を三次元座標上の位置に変換し、三次元位置データを出力し、計測結果として上位システムへ送信する。   The three-dimensional restoration unit 257 converts the position on the image into the position on the three-dimensional coordinate using the position on the image of the workpiece W output from the pattern matching unit 56 and the imaging parameter 40b, and the three-dimensional position Data is output and sent to the host system as measurement results.

三次元復元部257の処理は、ROM32の三次元座標変換プログラムをCPU30で実行することにより実現する。三次元復元部257は、RAM31に一時記憶されたパターンマッチング結果の画像座標を、パラメータ管理部252を介してROM32より読み出した撮影時の撮影パラメータ40bを用いて三次元座標に変換する。三次元復元部257は、得られた三次元位置データをRAM31に一時記憶した後、CPU30からの指令により通信インタフェース38を介して上位システムに送信する。   The processing of the three-dimensional restoration unit 257 is realized by executing the three-dimensional coordinate conversion program in the ROM 32 by the CPU 30. The three-dimensional restoration unit 257 converts the image coordinates of the pattern matching result temporarily stored in the RAM 31 into three-dimensional coordinates using the photographing parameter 40b at the time of photographing read from the ROM 32 via the parameter management unit 252. The three-dimensional restoration unit 257 temporarily stores the obtained three-dimensional position data in the RAM 31 and then transmits it to the host system via the communication interface 38 in response to a command from the CPU 30.

上述したパターンマッチング装置5によりワークWのパターンマッチングを実行する処理手順について、図9に示すフローチャートに沿って説明する。   A processing procedure for executing the pattern matching of the workpiece W by the pattern matching device 5 described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、テンプレート画像242を生成する前に、カメラ4の校正を行う(ステップS11)。ここでは、計測平面6に設置したカメラ校正用マーカ(不図示)をカメラ4で撮影し、演算部250のカメラ校正部251に入力する。これにより、テンプレート画像242の生成時の撮影パラメータ40aが算出され、パラメータ管理部252に登録される。   First, before generating the template image 242, the camera 4 is calibrated (step S11). Here, a camera calibration marker (not shown) placed on the measurement plane 6 is photographed by the camera 4 and input to the camera calibration unit 251 of the calculation unit 250. Thereby, the shooting parameter 40 a at the time of generating the template image 242 is calculated and registered in the parameter management unit 252.

そして、テンプレート画像242となるワークWが計測平面6に設置され、カメラ4で撮影され、その撮影画像が演算部250に入力される(ステップS12)。撮影画像は、テンプレート生成部54に入力され、テンプレート画像242が生成される。ここでは、例えば、制御装置3がモニタ34に撮影画像を表示し(ステップS13)、作業者に撮影画像上の切り出し部34cを選択させる(ステップS14)。   Then, the workpiece W to be the template image 242 is placed on the measurement plane 6 and photographed by the camera 4, and the photographed image is input to the calculation unit 250 (step S12). The captured image is input to the template generation unit 54, and a template image 242 is generated. Here, for example, the control device 3 displays the captured image on the monitor 34 (step S13), and causes the operator to select the cutout part 34c on the captured image (step S14).

そして、テンプレート生成部54は、撮影画像及び切り出し部34cからテンプレート画像242を生成し、パラメータ管理部252に登録する(ステップS15)。その際、パラメータ管理部252では、テンプレート画像242と、撮影パラメータ40aとを関連付けして登録する。   Then, the template generation unit 54 generates a template image 242 from the captured image and cutout unit 34c, and registers it in the parameter management unit 252 (step S15). At this time, the parameter management unit 252 associates and registers the template image 242 and the imaging parameter 40a.

ここで、ステップS15でのテンプレート画像242の生成後に、経時変化や、カメラ4の交換や、カメラ4への何かの衝突等により撮影パラメータ40aが変化したか否かを判断する(ステップS16)。撮影パラメータ40aが変化していないと判断された場合は、テンプレート画像242をそのまま利用して、後述するパターンマッチング処理(ステップS19)を実行する。   Here, after the template image 242 is generated in step S15, it is determined whether or not the shooting parameter 40a has changed due to a change with time, replacement of the camera 4, or a collision with the camera 4 (step S16). . If it is determined that the shooting parameter 40a has not changed, the template image 242 is used as it is, and a pattern matching process (step S19) described later is executed.

撮影パラメータ40aが変化したと判断された場合は、パターンマッチング処理の前に、テンプレート画像242を補正する。まず、カメラ校正部251が、ステップS11と同様の処理手順にて、撮影パラメータ40bを算出して、パラメータ管理部252に登録する(ステップS17)。そして、テンプレート補正部255は、テンプレート画像242に対して、撮影パラメータ40aと、撮影パラメータ40bとを用いて、補正テンプレート画像243を生成する(ステップS18、補正画像生成工程)。これにより、現在の撮影パラメータ40bに適したテンプレートが生成される。テンプレート補正部255は、補正テンプレート画像243をパラメータ管理部252に登録する。   If it is determined that the shooting parameter 40a has changed, the template image 242 is corrected before the pattern matching process. First, the camera calibration unit 251 calculates the shooting parameter 40b and registers it in the parameter management unit 252 in the same processing procedure as in step S11 (step S17). Then, the template correction unit 255 generates a correction template image 243 using the shooting parameter 40a and the shooting parameter 40b for the template image 242 (step S18, corrected image generation step). Thus, a template suitable for the current shooting parameter 40b is generated. The template correction unit 255 registers the correction template image 243 in the parameter management unit 252.

そして、実際に撮影されたワークWの画像を利用して、パターンマッチング処理が実行される(ステップS19、パターンマッチング工程)。ここでは、パターンマッチ部56が、カメラ4により計測平面6のワークWを撮影した画像と補正テンプレート画像243とのパターンマッチングを実行し、撮影画像でのワークWの位置を算出する。三次元復元部257は、パターンマッチ部56で算出された位置と、撮影パラメータ40bとから、ワークWの三次元位置データを算出する。   Then, pattern matching processing is executed using the actually photographed image of the workpiece W (step S19, pattern matching process). Here, the pattern matching unit 56 performs pattern matching between the image obtained by photographing the workpiece W on the measurement plane 6 by the camera 4 and the correction template image 243, and calculates the position of the workpiece W in the photographed image. The three-dimensional restoration unit 257 calculates three-dimensional position data of the workpiece W from the position calculated by the pattern matching unit 56 and the imaging parameter 40b.

上述したように、本実施形態のパターンマッチング装置5によれば、第1実施形態と同様に、テンプレート画像242を撮影画像と同じになるように変換してからパターンマッチングを行っている。このため、テンプレート画像242の生成後に撮影パラメータ40aが変化しても、テンプレート画像242の再生成は不要になるので、テンプレート画像242を何度も再生成する場合に比べて、作業者の時間と労力の浪費を防止できる。   As described above, according to the pattern matching device 5 of the present embodiment, the pattern matching is performed after converting the template image 242 to be the same as the captured image, as in the first embodiment. For this reason, even if the imaging parameter 40a changes after the template image 242 is generated, it is not necessary to regenerate the template image 242. Therefore, compared with the case where the template image 242 is regenerated many times, the time of the operator is reduced. The waste of labor can be prevented.

また、本実施形態のパターンマッチング装置5によれば、第1実施形態と同様に、撮影画像の撮影パラメータが変化した場合に、撮影画像を補正しないので、撮影パラメータの変化に対応したパターンマッチングを実行できる。   Further, according to the pattern matching device 5 of the present embodiment, as in the first embodiment, when the shooting parameter of the shot image changes, the shot image is not corrected, so pattern matching corresponding to the change of the shooting parameter is performed. Can be executed.

また、本実施形態のパターンマッチング装置5によれば、撮影画像の歪み補正が不要になる。このため、例えば、カメラ4のレンズ歪みが小さく、またセンサ面4aが計測平面6に対してほぼ平行に置かれている場合等、カメラ4とワークWとの距離の変化にのみ対応でき歪み補正が不要な場合に好適である。この場合、撮影画像の歪み補正が不要になることから、パターンマッチング処理を高速に実行できる。   Further, according to the pattern matching device 5 of the present embodiment, it is not necessary to correct the distortion of the captured image. For this reason, for example, when the lens distortion of the camera 4 is small and the sensor surface 4a is placed substantially parallel to the measurement plane 6, only the change in the distance between the camera 4 and the workpiece W can be dealt with. It is suitable when no is required. In this case, since distortion correction of the captured image is not necessary, the pattern matching process can be executed at high speed.

上述した第1及び第2実施形態では、テンプレート画像42,242はワークWをカメラ4により撮影して生成する場合について説明したが、これには限られない。例えば、テンプレート画像42,242は、ワークWの3次元CADモデルを2次元に投影することで生成してもよい。この場合も、得られたテンプレート画像42,242を補正テンプレート画像43,243に補正して、撮影画像とパターンマッチングすることができる。   In the first and second embodiments described above, the case where the template images 42 and 242 are generated by photographing the workpiece W with the camera 4 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the template images 42 and 242 may be generated by projecting a three-dimensional CAD model of the workpiece W into two dimensions. Also in this case, the obtained template images 42 and 242 can be corrected to the corrected template images 43 and 243 and pattern-matched with the captured image.

また、上述した第1及び第2実施形態では、テンプレート画像42,242と撮影画像とをパターンマッチングするために、常にテンプレート画像42,242の方を補正する場合について説明したが、これには限られない。例えば、状況に応じて、図6の例と同様に、撮影画像の方を補正してテンプレート画像42,242に合うように補正画像を生成するようにしてもよい。これにより、例えば、テンプレート画像42,242よりも高解像度の撮影画像を得た場合で高いマッチング精度が必要ない場合は、撮影画像を低解像度のテンプレート画像42,242に合わせることで、マッチング時間を短縮することができる。即ち、パターンマッチング精度及び速度に求められる条件により、テンプレート画像42,242と撮影画像とのいずれを補正するか適宜選択するようにできる。   In the first and second embodiments described above, the case where the template images 42 and 242 are always corrected in order to perform pattern matching between the template images 42 and 242 and the captured image has been described. I can't. For example, according to the situation, as in the example of FIG. 6, the captured image may be corrected to generate a corrected image so as to match the template images 42 and 242. Thus, for example, when a high-resolution captured image is obtained compared to the template images 42 and 242, and when high matching accuracy is not required, the matching time is reduced by matching the captured image with the low-resolution template images 42 and 242. It can be shortened. That is, it is possible to appropriately select which of the template images 42 and 242 and the captured image is to be corrected according to the conditions required for pattern matching accuracy and speed.

また、上述した第1及び第2実施形態では、パターンマッチングの対象をテンプレート画像42,242と撮影画像とにした場合について説明したが、これには限られない。例えば、複数の検出対象をそれぞれ撮影して得られた複数の画像同士をパターンマッチングする等、2枚以上の画像同士のパターンマッチングの全般に適用することができる。   In the first and second embodiments described above, the case in which the target of pattern matching is the template images 42 and 242 and the captured image has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to general pattern matching between two or more images, such as pattern matching between a plurality of images obtained by photographing a plurality of detection targets.

また、上述した第1及び第2実施形態では、パターンマッチング装置5がロボット装置1の制御装置3に内蔵されている場合について説明したが、これには限られない。例えば、パターンマッチング装置をNC機器や生産ラインに配置される機器等の生産装置を備える生産設備にも適用することができる。この場合、例えば、生産設備のカメラがワークを撮影し、撮影で得られた情報に基づきパターンマッチング装置がワークの位置姿勢や真贋等を判定し、その結果に基づいて制御装置が生産装置に対して動作を制御するようにできる。   In the first and second embodiments described above, the case where the pattern matching device 5 is built in the control device 3 of the robot device 1 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the pattern matching device can be applied to a production facility including a production device such as an NC device or a device arranged on a production line. In this case, for example, the camera of the production facility photographs the workpiece, the pattern matching device determines the position and orientation of the workpiece, authenticity, etc. based on the information obtained by the photographing, and the control device determines whether the production device is based on the result. Control the movement.

尚、以上述べた第1及び第2実施形態の各処理動作は具体的には演算部50,250により実行されるものである。従って上述した機能を実現するソフトウェアのプログラムを記録した記録媒体を演算部50,250に供給し、演算部50,250を構成するCPU30が記録媒体に格納されたプログラムを読み出し実行することによって達成されるようにしてもよい。この場合、記録媒体から読み出されたプログラム自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、プログラム自体及びそのプログラムを記録した記録媒体は本発明を構成することになる。   The processing operations of the first and second embodiments described above are specifically executed by the arithmetic units 50 and 250. Therefore, it is achieved by supplying a recording medium recording a software program for realizing the above-described functions to the arithmetic units 50 and 250, and the CPU 30 constituting the arithmetic units 50 and 250 reads and executes the program stored in the recording medium. You may make it do. In this case, the program itself read from the recording medium realizes the functions of the above-described embodiments, and the program itself and the recording medium on which the program is recorded constitute the present invention.

また、第1及び第2実施形態では、コンピュータ読み取り可能な記録媒体がROM32であり、ROM32にプログラムが格納される場合について説明したが、これに限定するものではない。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、プログラムを供給するための記録媒体としては、HDD、外部記憶装置、記録ディスク等を用いてもよい。   In the first and second embodiments, the case where the computer-readable recording medium is the ROM 32 and the program is stored in the ROM 32 has been described. However, the present invention is not limited to this. The program may be recorded on any recording medium as long as it is a computer-readable recording medium. For example, an HDD, an external storage device, a recording disk, or the like may be used as a recording medium for supplying the program.

1…ロボット装置、2…ロボット本体、3…制御装置、4…カメラ、5…パターンマッチング装置、40a,41a…撮影パラメータ(補正パラメータ)、40b,41b…補正後撮影パラメータ(補正パラメータ)、42,242…テンプレート画像、43,243…補正テンプレート画像、50,250…演算部、Q,Q…撮影パラメータ(補正パラメータ)、W…ワーク(検出対象)、X…撮影画像、Y,Y…テンプレート画像 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Robot apparatus, 2 ... Robot main body, 3 ... Control apparatus, 4 ... Camera, 5 ... Pattern matching apparatus, 40a, 41a ... Shooting parameter (correction parameter), 40b, 41b ... After-correction shooting parameter (correction parameter), 42 , 242 ... Template image, 43, 243 ... Correction template image, 50, 250 ... Calculation unit, Q 1 , Q 2 ... Shooting parameter (correction parameter), W ... Workpiece (detection target), X ... Shooting image, Y 1 , Y 2 ... Template image

Claims (13)

検出対象を撮影可能なカメラと、
前記検出対象のテンプレート画像と、前記カメラにより撮影された前記検出対象を含む撮影画像と、に基づいた画像同士でパターンマッチングを実行する演算部と、を備えるパターンマッチング装置において、
前記演算部は、前記カメラにより撮影された撮影画像に基づいて算出した内部パラメータおよび外部パラメータを用いて前記テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成し、前記補正テンプレート画像と前記撮影画像とでパターンマッチングする、
ことを特徴とするパターンマッチング装置。
A camera capable of shooting the detection target;
In a pattern matching device comprising: a calculation unit that performs pattern matching between images based on the template image of the detection target and a captured image including the detection target captured by the camera;
The calculation unit generates a correction template image from the template image using internal parameters and external parameters calculated based on a captured image captured by the camera, and performs pattern matching between the corrected template image and the captured image. ,
A pattern matching device.
記外部パラメータ、前記カメラの前記検出対象に対する傾斜を補正する前記撮影画像の歪情報を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のパターンマッチング装置。
Before Kigai unit parameters include distortion information of the captured image to correct the inclination with respect to the detection target of the camera,
The pattern matching apparatus according to claim 1.
前記演算部は、前記補正テンプレート画像を生成する際、前記補正テンプレート画像の解像度を前記撮画像の解像度に合わせる、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のパターンマッチング装置。
The arithmetic unit, when generating the correction template image, adjust the resolution of the corrected template image to the resolution of the shooting image,
The pattern matching apparatus according to claim 1, wherein:
前記内部パラメータおよび前記外部パラメータが、前記カメラで撮影したカメラ校正用マーカの撮影画像に基づいて算出される、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のパターンマッチング装置。
The internal parameter and the external parameter are calculated based on a captured image of a camera calibration marker captured by the camera.
The pattern matching apparatus according to claim 1, wherein the pattern matching apparatus is a pattern matching apparatus.
前記検出対象に対して作業可能なロボット本体と、
請求項1から4のいずれか1項に記載のパターンマッチング装置を有し、該パターンマッチング装置により前記パターンマッチングを実行した結果に基づき、前記検出対象の位置姿勢を演算し、得られた前記検出対象の位置姿勢に基づいて前記ロボット本体の動作を制御する制御装置と、を備える、
ことを特徴とするロボット装置。
A robot body capable of working on the detection target;
5. The pattern matching device according to claim 1, wherein the position and orientation of the detection target are calculated based on a result of executing the pattern matching by the pattern matching device, and the obtained detection is performed. A control device that controls the operation of the robot body based on the position and orientation of the target,
A robot apparatus characterized by that.
前記検出対象に対して作業可能な生産装置と、
請求項1から4のいずれか1項に記載のパターンマッチング装置を有し、該パターンマッチング装置により前記パターンマッチングを実行した結果に基づいて、前記生産装置の動作を制御する制御装置と、を備える、
ことを特徴とする生産設備。
A production apparatus capable of working on the detection target;
A control device that has the pattern matching device according to any one of claims 1 to 4 and controls an operation of the production device based on a result of executing the pattern matching by the pattern matching device. ,
Production equipment characterized by that.
検出対象のテンプレート画像と、カメラにより撮影された前記検出対象を含む撮影画像と、に基づいた画像同士でパターンマッチングを実行するパターンマッチング方法において、
演算部が、前記カメラにより撮影された撮影画像に基づいて算出した内部パラメータおよび外部パラメータを用いて前記テンプレート画像から補正テンプレート画像を生成する補正画像生成工程と、
前記演算部が、前記補正テンプレート画像と前記撮影画像とでパターンマッチングするパターンマッチング工程と、を備える、
ことを特徴とするパターンマッチング方法。
In a pattern matching method for performing pattern matching between images based on a detection target template image and a captured image including the detection target captured by a camera,
A correction image generating step for generating a correction template image from the template image using an internal parameter and an external parameter calculated based on a captured image captured by the camera;
The calculation unit includes a pattern matching step for pattern matching between the correction template image and the captured image.
A pattern matching method characterized by that.
記外部パラメータ、前記カメラの前記検出対象に対する傾斜を補正する前記撮影画像の歪情報を含む、
ことを特徴とする請求項7に記載のパターンマッチング方法。
Before Kigai unit parameters include distortion information of the captured image to correct the inclination with respect to the detection target of the camera,
The pattern matching method according to claim 7, wherein:
前記補正画像生成工程において、前記補正テンプレート画像が、前記撮画像の解像度に合わせて生成される、
ことを特徴とする請求項7または8に記載のパターンマッチング方法。
In the corrected image generation step, the correction template image is generated in accordance with the resolution of the shooting image,
The pattern matching method according to claim 7, wherein the pattern matching method is a pattern matching method.
前記補正画像生成工程において用いる前記内部パラメータおよび前記外部パラメータが、前記カメラで撮影したカメラ校正用マーカの撮影画像に基づいて算出される、
ことを特徴とする請求項7から9のいずれか1項に記載のパターンマッチング方法。
The internal parameter and the external parameter used in the corrected image generation step are calculated based on a captured image of a camera calibration marker captured by the camera.
The pattern matching method according to claim 7, wherein the pattern matching method is a pattern matching method.
前記補正画像生成工程を、前記カメラまたはレンズを代えたタイミング、前記カメラとワークとの距離もしくは相対位置姿勢が変わったタイミング、所定の時間が経過したタイミング、のいずれかのタイミングで行う、
ことを特徴とする請求項7から10のいずれか1項に記載のパターンマッチング方法。
The correction image generation step is performed at any one of timing when the camera or lens is changed, timing when the distance between the camera and the work or relative position and orientation is changed, timing when a predetermined time has passed,
The pattern matching method according to claim 7, wherein the pattern matching method is a pattern matching method.
請求項7から11のいずれか1項に記載のパターンマッチング方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。   The program for making a computer perform each process of the pattern matching method of any one of Claims 7-11. 請求項12に記載のプログラムが記録されたコンピュータが読み取り可能な記録媒体。   A computer-readable recording medium on which the program according to claim 12 is recorded.
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