JP6832694B2 - Database generator and 3D position / orientation recognition system - Google Patents
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Description
この発明は、姿勢データを示すデータベースを生成するデータベース生成装置、及び当該データベースを用いて、対象物の三次元姿勢を推定する三次元位置姿勢認識システムに関する。 The present invention relates to a database generator that generates a database showing posture data, and a three-dimensional position / posture recognition system that estimates the three-dimensional posture of an object using the database.
従来から、ばら積みされた対象物をロボットでピッキングする場合、ばら積みされた対象物が撮影された画像から、対象物の三次元位置(x,y,z)及び三次元姿勢(α,β,γ)を推定することで対象物を認識する必要がある。対象物の認識手法としては、二次元照合による認識手法(アピアランスベース)と、三次元照合による認識手法(モデルベース)が挙げられる。
モデルベースを利用した装置としては、例えば特許文献1に開示された三次元位置姿勢認識装置がある(例えば特許文献1参照)。この三次元位置姿勢認識装置が対象物の三次元姿勢を推定する場合には、上記画像と三次元モデルとを、三次元モデルの姿勢データを変えながら比較している。そして、一致度の高い姿勢データが示す三次元モデルの姿勢を、対象物の三次元姿勢としている。
Conventionally, when picking a bulked object with a robot, the three-dimensional position (x, y, z) and the three-dimensional posture (α, β, γ) of the object are taken from the image of the bulked object. ) Needs to be recognized by estimating. Examples of the object recognition method include a recognition method based on two-dimensional matching (appearance base) and a recognition method based on three-dimensional matching (model base).
As a device using the model base, for example, there is a three-dimensional position / orientation recognition device disclosed in Patent Document 1 (see, for example, Patent Document 1). When this three-dimensional position / orientation recognition device estimates the three-dimensional attitude of an object, the above image and the three-dimensional model are compared while changing the attitude data of the three-dimensional model. The posture of the three-dimensional model indicated by the posture data having a high degree of coincidence is defined as the three-dimensional posture of the object.
しかしながら、従来の三次元位置姿勢認識装置では、画像を膨大な姿勢データと比較する必要があり、演算回数が多くなるという課題がある。アピアランスベースを利用する場合も同様である。 However, in the conventional three-dimensional position / orientation recognition device, it is necessary to compare the image with a huge amount of attitude data, and there is a problem that the number of calculations increases. The same applies when using the appearance base.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対して姿勢データを絞り込むことができるデータベース生成装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a database generation device capable of narrowing down posture data with respect to a conventional configuration.
この発明に係るデータベース生成装置は、対象物を単体で落下させた際の当該対象物の三次元姿勢を推定する基本姿勢推定部と、対象物をばら積みした際の当該対象物の三次元姿勢の統計データを取得する統計データ取得部と、基本姿勢推定部により推定された三次元姿勢に基づき、統計データ取得部により取得された統計データから、ばら積みした際の対象物の三次元姿勢の発生確率を示す確率分布を計算する分布計算部と、分布計算部により計算された確率分布に基づき、対象物をばら積みした際に発生し得る三次元姿勢の姿勢データを抽出し、当該対象物の三次元モデルから当該姿勢データを示すデータベースを生成するデータベース生成部とを備えたことを特徴とする。 The database generator according to the present invention has a basic posture estimation unit that estimates the three-dimensional posture of the object when the object is dropped alone, and a three-dimensional posture of the object when the objects are stacked separately. Based on the statistical data acquisition unit that acquires statistical data and the three-dimensional attitude estimated by the basic posture estimation unit, the probability of occurrence of the three-dimensional attitude of the object when it is stacked separately from the statistical data acquired by the statistical data acquisition unit. Based on the distribution calculation unit that calculates the probability distribution showing, and the probability distribution calculated by the distribution calculation unit, the attitude data of the three-dimensional posture that can occur when the objects are stacked separately is extracted, and the three-dimensional of the object. It is characterized by including a database generation unit that generates a database showing the attitude data from the model.
この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対して姿勢データを絞り込むことができる。 According to the present invention, since the configuration is as described above, the posture data can be narrowed down with respect to the conventional configuration.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る三次元位置姿勢認識システムの構成例を示す図であり、図2は三次元位置姿勢認識システムのハードウェア構成例を示す図である。
三次元位置姿勢認識システムは、図1に示すように、データベース生成装置1、撮影装置2及び三次元位置姿勢認識装置3を備えている。なお、図2に示すように、データベース生成装置1及び三次元位置姿勢認識装置3は、システムLSI等の処理回路や、メモリ等に記憶されたプログラムを実行するCPU等を搭載したコンピュータ4により実現される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a three-dimensional position / orientation recognition system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration example of the three-dimensional position / orientation recognition system.
As shown in FIG. 1, the three-dimensional position / orientation recognition system includes a database generation device 1, a
データベース生成装置1は、三次元位置姿勢認識装置3で用いる姿勢データに関するデータベースを生成する。この際、データベース生成装置1は、従来構成に対し、三次元位置姿勢認識装置3で用いる姿勢データの絞り込みを行う。なお、データベース生成装置1が生成するデータベースは、三次元位置姿勢認識装置3がアピアランスベースで対象物50を認識する場合には姿勢データを保有した画像を示すデータを有し、モデルベースで対象物50を認識する場合には姿勢データを保有した三次元モデルを示すデータを有するように設定される。なお、データベース生成装置1によるデータベースの生成は、三次元位置姿勢認識装置3が処理を行う前に実行される。このデータベース生成装置1の詳細については後述する。
The database generation device 1 generates a database related to the posture data used in the three-dimensional position /
撮影装置2は、図2に示すように、ばら積みされた対象物50を撮影可能な位置に設置され、撮影を行う。なお、撮影装置2は、三次元位置姿勢認識装置3がアピアランスベースで対象物50を認識する場合には二次元画像を取得し、モデルベースで対象物50を認識する場合には奥行き情報を各画素が保有する距離画像を取得するように構成される。
なお、距離画像は、公知の光切断法(対象にスリット光を照射し、反射光を撮影することで三角測量により距離を計測する方式)、Time−of−Flight方式(光の飛行時間から距離を計測する方式)、又はステレオカメラを用いた三角測量による計測方式等を用いて得ることができる。
As shown in FIG. 2, the
The distance image is a known light cutting method (a method of irradiating an object with slit light and photographing the reflected light to measure the distance by triangulation) and a Time-of-Flight method (distance from the flight time of light). It can be obtained by using a method for measuring) or a measurement method by triangulation using a stereo camera.
三次元位置姿勢認識装置3は、データベース生成装置1により生成されたデータベースを用い、撮影装置2により撮影された画像から、対象物50の三次元位置及び三次元姿勢を推定することで当該対象物50を認識する。三次元位置姿勢認識装置3による対象物50の認識手法は、アピアランスベース又はモデルベースのいずれでもよい。この三次元位置姿勢認識装置3は、データベース記憶部31、画像取得部32及び比較演算部33を備えている。
The three-dimensional position /
データベース記憶部31は、データベース生成装置1により生成されたデータベースを記憶する。 The database storage unit 31 stores the database generated by the database generation device 1.
画像取得部32は、撮影装置2により撮影された画像を示すデータを取得する。
なお、画像取得部32により得られた画像の中心を原点とし、当該画像の水平方向をx軸、垂直方向をy軸として基準面とする。また、基準面に対して鉛直方向をz軸として、座標系を基準座標系とする。
The
The center of the image obtained by the
比較演算部33は、画像取得部32により得られた画像を、データベース記憶部31に記憶されたデータベースと比較することで、対象物50の三次元位置(x,y,z)及び三次元姿勢(α,β,γ)を推定する。
なお図3に示すように、対象物50の三次元位置(x,y,z)は、上記基準座標系における三次元位置である。また、対象物50の三次元姿勢(α,β,γ)は、三次元位置(x,y,z)におけるx軸周りのロール角、y軸周りのピッチ角、z軸周りのヨー角である。この三次元姿勢(α,β,γ)は、オイラー角等でも代替可能である。なお、比較演算部33による三次元位置及び三次元姿勢の推定手法は従来構成と同様である。
The
As shown in FIG. 3, the three-dimensional position (x, y, z) of the
データベース生成装置1は、図1に示すように、三次元モデル記憶部11、ばら積み条件記憶部12、基本姿勢推定部13、統計データ取得部14、分布計算部15及びデータベース生成部16を備えている。
As shown in FIG. 1, the database generation device 1 includes a three-dimensional
三次元モデル記憶部11は、対象物50の三次元モデルを示すデータを記憶する。ここで、三次元モデルを示すデータとしては、例えばCADデータが挙げられる。
The three-dimensional
ばら積み条件記憶部12は、対象物50のばら積みに関する条件(ばら積み条件)を示すデータを記憶する。ばら積み条件は、図4に示すような対象物50をばら積みさせる容器51の寸法(W,D,H)及び幅寸法(dW,dD,dH)と、ばら積みにする対象物50の個数である。なお、x軸方向における容器50の内寸をWinとすると、dW=(W−Win)/2となる。また、y軸方向における容器50の内寸をDinとすると、dD=(D−Din)/2となる。また、z軸方向における容器50の内寸をHinとすると、dH=(H−Hin)/2となる。また、個数は、ばら積み当初の個数でよい。
The bulk loading condition storage unit 12 stores data indicating conditions (bulk loading conditions) relating to the bulk loading of the
基本姿勢推定部13は、対象物50を単体で落下させた際の当該対象物50の三次元姿勢(以下、基本の三次元姿勢)を推定する。基本の三次元姿勢とは、対象物50を単体で落下させた際に、当該対象物50が水平面上で取り得る三次元姿勢である。この際、基本姿勢推定部13は、まず、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデルに基づき、物理演算エンジン等を用いたシミュレーションにより、上記対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する。そして、基本姿勢推定部13は、この統計データから基本の三次元姿勢を推定する。
The basic
統計データ取得部14は、対象物50をばら積みした際の当該対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する。この際、統計データ取得部14は、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデル及びばら積み条件記憶部12に記憶されたばら積み条件に基づき、物理演算エンジン等を用いたシミュレーションにより、上記対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する。
The statistical
分布計算部15は、基本姿勢推定部13により推定された基本の三次元姿勢に基づき、統計データ取得部14により取得された統計データから、ばら積みした際の対象物50の三次元姿勢の発生確率を示す確率分布を計算する。この際、分布計算部15は、上記基本の三次元姿勢を平均として当該基本の三次元姿勢のパターン数と同数のガウス分布から成る混合ガウス分布を計算することで、上記確率分布を得る(混合ガウス分布によるモデル化)。
The
データベース生成部16は、分布計算部15により計算された確率分布に基づき、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデルから姿勢データを抽出し、当該姿勢データを示すデータベースを生成する。この際、データベース生成部16は、例えば、上記確率分布である混合ガウス分布を構成する各ガウス分布の平均を中心とした一定範囲内に属する三次元姿勢の姿勢データを三次元モデルから抽出する。
The
次に、実施の形態1に係るデータベース生成装置1の動作例について、図5を参照しながら説明する。なお、三次元モデル記憶部11には、対象物50の三次元モデルを示すデータが記憶され、また、ばら積み条件記憶部12には、ばら積み条件を示すデータが記憶されているものとする。
データベース生成装置1の動作例では、図2に示すように、まず、基本姿勢推定部13は、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデルに基づき、物理演算エンジン等を用いたシミュレーションにより、対象物50を単体で落下させた際の当該対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する(ステップST1)。すなわち、基本姿勢推定部13は、図6Aに示すような落下シミュレーションを行う。その結果、基本姿勢推定部13は、図6B,6Cに示すような、対象物50の三次元姿勢を得ることができ、これを複数回試行することで、統計データを得る。なお、シミュレーションの試行回数nは、回答比率pと誤差率d(%)と信頼水準λ(%)から、下式(1)より求めることができる。
Next, an operation example of the database generation device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. It is assumed that the three-dimensional
In the operation example of the database generation device 1, as shown in FIG. 2, first, the basic
また図3に示すように、三次元姿勢(α、β、γ)としてロール角、ピッチ角、ヨー角を用いる場合、ロール角とピッチ角が等しければ、ヨー角(撮影装置2の軸周りの角度)が異なる場合でも等しい三次元姿勢とみなすことができる。そのため、ここでは、ロール角とピッチ角のみの統計を取るものとする。図7は基本姿勢推定部13により取得された統計データを示している。
Further, as shown in FIG. 3, when the roll angle, pitch angle, and yaw angle are used as the three-dimensional postures (α, β, γ), if the roll angle and the pitch angle are equal, the yaw angle (around the axis of the photographing apparatus 2) is used. Even if the angles) are different, they can be regarded as the same three-dimensional posture. Therefore, here, it is assumed that statistics are taken only for the roll angle and the pitch angle. FIG. 7 shows the statistical data acquired by the basic
次いで、基本姿勢推定部13は、取得した統計データから、基本の三次元姿勢を推定する(ステップST2)。対象物50を単体で落下させた場合には、図7に示すように特定箇所でピークが得られる。そして、基本姿勢推定部13では、このピークの三次元姿勢を基本の三次元姿勢として推定する。
Next, the basic
また、統計データ取得部14は、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデル及びばら積み条件記憶部12に記憶されたばら積み条件に基づき、物理演算エンジン等を用いたシミュレーションにより、対象物50をばら積みした際の当該対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する(ステップST3)。すなわち、統計データ取得部14は、図8に示すようなばら積みシミュレーションを行う。その結果、統計データ取得部14は、対象物50の三次元姿勢を得ることができ、これを複数回試行することで、統計データを得る。なお、シミュレーションの試行回数nは上記と同様である。また、この場合にも、ロール角とピッチ角のみの統計をとるものとする。
Further, the statistical
次いで、分布計算部15は、基本姿勢推定部13により推定された基本の三次元姿勢に基づき、統計データ取得部14により取得された統計データから、ばら積みした際の対象物50の三次元姿勢の発生確率を示す確率分布を計算する(ステップST4)。図9は分布計算部15による分布計算を説明する図である。図9に示される散布図は、統計データ取得部14により取得された統計データを示している。また、符号901は、基本姿勢推定部13により推定された基本の三次元姿勢の位置を示している。そして、分布計算部15は、基本の三次元姿勢901を平均として当該基本の三次元姿勢901のパターン数と同数のガウス分布から成る混合ガウス分布を計算することで、上記確率分布を得る。図9の例では、基本の三次元姿勢901が2つ存在しているため、分布計算部15は、それぞれの基本の三次元姿勢901を平均とした2つのガウス分布から成る混合ガウス分布を求める。図10は分布計算部15により計算された確率分布を示している。
Next, the
ここで、分布計算部15は、混合ガウス分布によるモデル化の手法として、例えばEMアルゴリズムのような最尤推定法を用いる。対象物50をばら積みした際に対象物50が取り得る三次元姿勢は、一部の特殊な姿勢を除いて、全て基本の三次元姿勢に回転を加えたもので表現できる。ここで、特殊な姿勢とは、通常では発生しない三次元姿勢であり、ばら積みした際の特定の条件下でのみ例外的に生じる三次元姿勢である。また、仮に、ばら積みされた対象物50に特殊な姿勢が存在したとしても、ばら積みされた状態から対象物50がロボットによりピッキングされていくことで、ばら積みされた対象物50がより安定した姿勢に近づき、すなわち基本の三次元姿勢に近づくものと想定できる。そのため、このような特殊な三次元姿勢はモデル化の際に無視できるものとする。したがって、モデル化の際に用いる混合ガウス分布を構成するガウス分布の数は、基本の三次元姿勢のパターン数であり、平均は当該基本の三次元姿勢とする。
Here, the
次いで、データベース生成部16は、分布計算部15により計算された確率分布に基づき、三次元モデル記憶部11に記憶された三次元モデルから姿勢データを抽出し、当該姿勢データを示すデータベースを生成する(ステップST5)。この際、データベース生成部16は、例えば、上記確率分布である混合ガウス分布を構成する各ガウス分布の平均を中心とした一定範囲内(例えば図9に示す符号902の範囲内)に属する三次元姿勢の姿勢データを三次元モデルから抽出する。これにより、姿勢データの絞り込みを行うことができる。
Next, the
図11は三次元位置姿勢認識装置3の動作を説明する図である。図11に示すように、三次元位置姿勢認識装置3では、対象物50の三次元姿勢を推定する場合に、画像取得部32により得られた画像1001を、データベース記憶部31に記憶されたデータベース1002と比較する。
ここで、従来では、画像1001を三次元モデルの全ての姿勢データと比較する必要がある。一方、実施の形態1では、データベース生成装置1によって事前に不要な(通常では発生し得ない)姿勢データ1003が除かれている。そのため、三次元位置姿勢認識装置3では、画像1001を、従来構成に対して少ない姿勢データと比較すればよい。よって、演算回数を減少でき、処理時間の短縮化が可能となる。
また、実施の形態1では、データベース生成装置1によって事前に不要な姿勢データ1003が除かれている。そのため、三次元位置姿勢認識装置3では、この不要な姿勢データ1003を用いることがないため、誤認識を減らすことができる。
FIG. 11 is a diagram illustrating the operation of the three-dimensional position /
Here, conventionally, it is necessary to compare the
Further, in the first embodiment, the database generation device 1 removes
以上のように、この実施の形態1によれば、対象物50を単体で落下させた際の当該対象物50の三次元姿勢を推定する基本姿勢推定部13と、対象物50をばら積みした際の当該対象物50の三次元姿勢の統計データを取得する統計データ取得部14と、基本姿勢推定部13により推定された三次元姿勢に基づき、統計データ取得部14により取得された統計データから、ばら積みした際の対象物50の三次元姿勢の発生確率を示す確率分布を計算する分布計算部15と、分布計算部15により計算された確率分布に基づき、対象物50の三次元モデルから姿勢データを抽出し、当該姿勢データを示すデータベースを生成するデータベース生成部16とを備えたので、従来構成に対して姿勢データを絞り込むことができる。その結果、三次元位置姿勢認識装置3における対象物50の三次元姿勢の推定において、演算回数を減少でき、処理時間の短縮化が可能となる。
As described above, according to the first embodiment, when the basic
なお上記では、データベース生成装置1と三次元位置姿勢認識装置3を共通のコンピュータ4で実現する場合を示した。しかしながら、これに限らず、データベース生成装置1と三次元位置姿勢認識装置3を異なるコンピュータで実現してもよい。
In the above, the case where the database generation device 1 and the three-dimensional position /
また上記では、データベース生成装置1の内部に、三次元モデルを示すデータを記憶する三次元モデル記憶部11を設けた場合を示した。しかしながら、これに限らず、データベース生成装置1には三次元モデル記憶部11を設けず、データベース生成装置1は外部から三次元モデルを示すデータを取得するように構成してもよい。ばら積み条件を示すデータについても同様である。
Further, in the above, the case where the three-dimensional
また上記では、基本姿勢推定部13が、三次元モデルを用い、シミュレーションにより三次元姿勢の統計データを取得し、この統計データから基本の三次元姿勢を推定する場合を示した。しかしながら、これに限らず、基本姿勢推定部13が統計データを取得可能であればよく、シミュレーションではなく実験的に行ってもよい。統計データ取得部14についても同様である。
Further, in the above, the case where the basic
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment.
1 データベース生成装置
2 撮影装置
3 三次元位置姿勢認識装置
4 コンピュータ
11 三次元モデル記憶部
12 ばら積み条件記憶部
13 基本姿勢推定部
14 統計データ取得部
15 分布計算部
16 データベース生成部
31 データベース記憶部
32 画像取得部
33 比較演算部
50 対象物
1
Claims (6)
前記対象物をばら積みした際の当該対象物の三次元姿勢の統計データを取得する統計データ取得部と、
前記基本姿勢推定部により推定された三次元姿勢に基づき、前記統計データ取得部により取得された統計データから、ばら積みした際の前記対象物の三次元姿勢の発生確率を示す確率分布を計算する分布計算部と、
前記分布計算部により計算された確率分布に基づき、前記対象物をばら積みした際に発生し得る三次元姿勢の姿勢データを抽出し、当該対象物の三次元モデルから当該姿勢データを示すデータベースを生成するデータベース生成部と
を備えたデータベース生成装置。 A basic posture estimation unit that estimates the three-dimensional posture of the object when the object is dropped by itself,
A statistical data acquisition unit that acquires statistical data of the three-dimensional posture of the object when the objects are piled up in bulk,
Based on the three-dimensional posture estimated by the basic posture estimation unit, a distribution that calculates a probability distribution indicating the probability of occurrence of the three-dimensional posture of the object when the objects are stacked separately from the statistical data acquired by the statistical data acquisition unit. Calculation department and
Based on the probability distribution calculated by the distribution calculation unit, the posture data of the three-dimensional posture that can occur when the objects are stacked in bulk is extracted, and a database showing the posture data is generated from the three-dimensional model of the target. A database generator with a database generator.
ことを特徴とする請求項1記載のデータベース生成装置。 The basic posture estimation unit acquires statistical data of the three-dimensional posture of the object by simulation based on the three-dimensional model, and estimates the three-dimensional posture of the object from the statistical data. Item 1. The database generator according to item 1.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のデータベース生成装置。 The database generation device according to claim 1 or 2, wherein the statistical data acquisition unit acquires statistical data of the three-dimensional posture of the object by simulation based on the three-dimensional model and bulk stacking conditions.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のデータベース生成装置。 The distribution calculation unit obtains the probability distribution by calculating a mixed Gaussian distribution consisting of the same number of Gaussian distributions as the number of patterns of the three-dimensional posture by averaging the three-dimensional postures estimated by the basic posture estimation unit. The database generator according to any one of claims 1 to 3, wherein
ことを特徴とする請求項4記載のデータベース生成装置。 Wherein the database generation unit according to claim 4 database generating device, wherein the to extract the attitude data of the three-dimensional position falling within a predetermined range around the mean of each Gaussian distribution constituting the mixed Gaussian distribution ..
画像を示すデータを取得する画像取得部と、
前記画像取得部により得られた画像を、前記データベース生成装置により生成されたデータベースと比較することで、前記対象物の三次元姿勢を推定する三次元位置姿勢推定部と
を備えた三次元位置姿勢認識システム。 The database generator according to any one of claims 1 to 5.
An image acquisition unit that acquires data indicating an image,
A three-dimensional position / orientation equipped with a three-dimensional position / orientation estimation unit that estimates the three-dimensional attitude of the object by comparing the image obtained by the image acquisition unit with the database generated by the database generator. Recognition system.
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