JP7185860B2 - 多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法 - Google Patents
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Description
(1)基準情報の決定及び取得:任意の位置を基準位置として選択し、基準位置での各回転軸の位置情報{θIa},a=1・・・Nを記録し、Nは視覚システムの回転軸の数であり、aは回転軸の番号を表し、各回転軸の連結順に番号を付ける。
(2)回転軸のキャリブレーション:キャリブレーションテンプレートを可動システムの前方に配置して撮像部材が完全なキャリブレーションテンプレートを撮影することができるように保証する。その後、a番目の回転軸を数回回動させ、回動するたびに当該回転軸が連結された撮像部材が画像を取るようにして画像Maiを取得し、同時に、この時当該回転軸の位置情報を記録して{Mai,θai1,・・・,θaiN}を得る。複数回の回動により画像の一連番号(Ma1,Ma2,Ma3,・・・)を得る。従来の成熟したカメラキャリブレーションアルゴリズム(例えば張氏キャリブレーション法)を使用して基準位置に対する撮影した各画像の回転及び平行移動行列{RaCi,TaCi}を計算して得、この画像を撮影する時に記録した回転軸の位置情報を結合して{RaCi,TaCi,θai},i=1・・・Paを得る。Paはシステムのキャリブレーション過程でa番目の回転軸が回動して取った全ての有効画像の数である。回転軸キャリブレーション結果の中で基準位置に対する回転軸の回動角{θai1-θI1,・・・,θaiN-θIN},i=1・・・Paを回転行列{RB1i,・・・,RBNi},i=1・・・Paに変換し、上記結果を本発明の各回転軸の回転軸座標と撮像素子座標系の関係モデルに代入する。
複数の方程式が得られ、この方程式の最適解{RBCa,TBCa},a=1・・・Nを求める。RBCa,TBCaはそれぞれ撮像素子座標系に対するa番目の回転軸の回転行列及び平行移動行列であり、Nは視覚システムの回転軸の数であり、RBaiは基準位置に対するa番目の回転軸の回転角度変換の回転行列であり、RaCi,TaCiはそれぞれ基準位置に対するa番目の回転軸が運動する時に撮影したi番目画像の画像座標系の回転及び平行移動行列であり、Paはシステムのキャリブレーション過程でa番目の回転軸が回動して取った全ての有効画像の数である。
(3)キャリブレーション結果の計算:ステップ(1)(2)で基準位置情報{θIa},a=1・・・N、及び回転軸キャリブレーション結果{RBCa,TBCa},a=1・・・Nが得られた。
可動システムで撮像部材に運動が発生した後、各回転軸は位置情報(θp1,θp2,θp3,・・・,θpN)を得る場合、各回転軸の回転角は(θp1-θI1,θp2-θI2,θp3-θI3,・・・,θpN-θIN)であり、回転行列(Rp1,Rp2,Rp3,・・・,RpN)に変換して、本発明の回転軸座標系と撮像素子座標系の関係モデル(つまり、以下の式)に代入して運動後の外部パラメータ結果が得られる。
得られたR’及びT’はそれぞれ基準位置に対し可動システムで運動が発生した後のビデオカメラの回転行列及び平行移動行列の結果であり、RBCa,TBCaはそれぞれ撮像素子座標系に対するa番目の回転軸の回転行列及び平行移動行列であり、Nは視覚システムの回転軸の数であり、Rpaは基準位置に対するa番目の回転軸の回転角度変換の回転行列である。
S11、初期位置での各回転軸の位置情報を記録して基準位置を決めるステップ;
S12、各軸を順次駆動し、撮像部材を使用してそれぞれ画像を収集し、画像を収集する時に対応する各回転軸の位置情報を記録するステップ;
S13、計算部材を使用して、キャリブレーション結果を計算するステップ;を含む。
S21、多軸可動視覚システムのキャリブレーション結果を取得するステップ;
S22、各回転軸の現在位置情報を取得するステップ;
S23、ステップS21及びS22で得られた情報を多軸可動視覚システムの外部パラメータ求解モデルに代入して記録基準位置に対する現在の撮像部材の回転平行移動情報を計算するステップ;を含む。
1)基準位置情報の取得
可動視覚システムのビデオカメラの前方にキャリブレーションテンプレートを保持してビデオカメラが完全なキャリブレーションテンプレートを撮影するように保障し、この時に3つのモーターの初期位置情報(θI1,θI2,θI3)を記録して基準位置情報とする。
キャリブレーションテンプレートの位置が変わらないように保持して、各回転軸を順次駆動する。つまり、1つの軸に変化が発生した場合、他の2つの軸は変わらない。まず、第一回転軸ロールを例に挙げると、回転軸を回転させるたびに(i番目の位置に対応)、ビデオカメラを使用して対応する位置でQ1個の有効画像M1ij、j=1,2,・・・,Q1を撮影し、同時にこの回転軸の位置情報を記録して{M1ij,θ11i,θ12i,θ13i},i=1,2,・・・,P1を取得する。ここで、P1はキャリブレーション過程における第一回転軸の回転数である。各回転位置で取得した一組の画像を使用し、また図3に示す平面碁盤キャリブレーションテンプレートに対応するキャリブレーションアルゴリズム(例えば張正友のキャリブレーションアルゴリズム)を使用して計算して、各回動位置で撮影した画像がキャリブレーションテンプレートに対する回転及び平行移動結果{R1Ci,T1Ci}を取得し、この画像を撮影する時に記録した回転軸の位置情報を結合して第一回転軸キャリブレーション中間結果{R1Ci,T1Ci,θ11i,θ12i,θ13i},i=1・・・P1を取得する。上記過程を繰り返してそれぞれ第二回転軸ヨー、第三回転軸ピッチの関連キャリブレーション中間結果を取得し、{RaCi,TaCi,θa1i,θa2i,θa3i},i=1・・・Pa,a=1,2,3にまとめる。
はつまりキャリブレーションして得られる結果であり、これは空間内の任意の点PがB系からC系に変換される変換行列を表す。
ここで、
(回転角によってこの値を調整する)
剛体の性質に基づいて、B系とC系は回動過程で相対位置関係TBCが変わらないように保持する。同じ空間における点は回動後の座標系B’とC’で依然として式(1)を充足する。
式(2)、(3)、(4)により、以下が得られる。
は回転軸のキャリブレーション過程で求める量である。
は毎回の回動で位置センサーによって出力された行列であり、
は毎回の回動過程でカメラが計算した行列TC’Cであり、毎回の回動でTBCを計算することにより、回転軸とビデオカメラ座標系の関係をキャリブレーションする。
が得られる。
これを式(5)に代入すれば、一組の方程式を得ることができる:
全てのデータを式(7)に代入すればP組の方程式を得ることができ、この方程式を求めて最適解{RBCa,TBCa},a=1・・・3を得ることができる。
キャリブレーション結果は、全体的に基準位置情報(θI1,θI2,θI3)、及び回転軸キャリブレーション結果{RBCa,TBCa},a=1・・・3を有する。可動視覚システムにおいて各撮像部材に運動が発生した後、3つの回転軸で位置情報(θp1,θp2,θp3)が得られる場合、3つの回転軸の回転角はそれぞれ(θp1-θI1,θp2-θI2,θp3-θI3)であり、回転行列(Rp1,Rp2,Rp3)に変換して、モデルに代入して3軸可動視覚システムが運動した後基準カメラ位置に対する外部パラメータ結果を得る。
Claims (4)
- 多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法において、
前記多軸可動視覚システムは、
連続画像を取得可能な少なくとも一つの撮像素子を含む撮像部材であって、少なくとも一つの回転軸を有し、且つベースに取り付けられる撮像部材であって、各前記回転軸には回動または平行移動情報を取得可能な位置取得装置が取り付けられている撮像部材と、
画像情報及び各回転軸の運動情報を計算して処理することができる計算部材と、
各回転軸の運動を制御することができる制御部材と含み、
前記キャリブレーション方法は、前記撮像素子の前方にキャリブレーションテンプレートを配置し、撮像素子が各回転軸で回動するように駆動し、撮像素子を利用してキャリブレーションテンプレート特徴を含む若干の画像を記録し、同時に、対応する画像を取得する時の各回転軸の位置情報を記録し、前記計算部材を用いて撮像素子と各回転軸のキャリブレーション結果を計算することを含むことを特徴とする多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法であって、
キャリブレーション方法は、
(1)基準位置での各回転軸の位置情報を記録するステップと、
(2)撮像部材の前にキャリブレーションテンプレートを配置し、a番目の回転軸を数回回動させ、回動するたびに当該回転軸が連結された撮像部材にて画像を取得させ、同時に、この時の当該回転軸の位置情報を記録するステップであって、aは1・・・Nであって、aは回転軸の番号であって、Nは回転軸の数であるステップと、
(3)上述した複数回の回動による画像の一連番号を利用し、また、キャリブレーションアルゴリズムを利用して、撮像部材の基準位置に対する、各画像を撮像した際の撮像部材の回転行列及び平行移動行列を得るステップと、
(4)前記回転軸の基準位置に対する回転角度の変化を回転行列とし、回転軸座標系と撮像素子座標系の関係モデルに代入してキャリブレーション結果を取得するステップと、
を含み、
前記キャリブレーション結果は、各回転軸の撮像素子座標系の回転行列と平行移動行列を含む、
多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法。 - 前記キャリブレーションテンプレートは自然静的シーン及び人工標準ターゲットの中の一つを含み、且つ前記自然静的シーンはキャリブレーションテンプレートとして固定された画像特徴と既知の画像特徴との間の位置情報を提供することができなければならなく、前記人工標準ターゲットは2D平面ターゲット、3D立体ターゲットの中の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法。
- 前記キャリブレーション結果と各回転軸の現在位置情報によって構築した各回転軸の回転軸座標系と撮像素子座標系との間の関係モデルを結合して撮像素子の現在位置と基準位置との間の相対位置関係を計算することができ、前記相対位置関係は回転行列及び平行移動行列によって表示されることを特徴とする請求項1または2に記載の多軸可動視覚システムのキャリブレーション方法。
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