JP7327484B2 - テンプレート作成装置、物体認識処理装置、テンプレート作成方法、物体認識処理方法及びプログラム - Google Patents
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Description
対象物体の3次元計測データに基づいて、該対象物体に対応するテンプレートを作成するテンプレート作成装置であって、
前記対象物体の3次元計測データを取得する3次元計測データ取得部と、
前記対象物体を3次元計測する視点としての計測視点の位置姿勢に関するデータを取得する計測視点位置姿勢データ取得部と、
前記対象物体の対称性を特定する対称性パラメータを設定する対称性パラメータ設定部と、
前記計測視点に対応する前記3次元計測データと、前記対象物体の前記対称性パラメータに基づいて前記計測視点に対応する前記3次元計測データを複製した3次元データを用いて、該対象物体の3次元データを生成する3次元データ複製部と、
前記テンプレートを作成するための視点としてのテンプレート作成視点の位置姿勢に関するデータを取得するテンプレート作成位置姿勢データ取得部と、
生成された前記対象物体の3次元データに基づいて、前記テンプレート作成視点からの3次元データを生成する作成視点3次元データ生成部と、
を備えることを特徴とするテンプレート作成装置である。
また、対称性を利用して対象物体の3次元計測データを複製して、対象物体全体の3次元データを生成することで、計測誤差や撮影視点位置姿勢の誤差等による、複数の3次元計測データを統合する際のずれを軽減でき、より実物に近いテンプレートを作成できるので、より少ない計測回数でより正確なテンプレートを作成することができる。
前記対称性パラメータは、前記対象物体が面対称であることを特定するパラメータであってもよいし、前記対象物体が回転対称であることを特定するパラメータであってもよいし、前記対象物体が(360/N)度(Nは2以上の自然数)の回転について対称であることを特定するパラメータであってもよい。
前記対称性パラメータ及び前記計測視点の位置姿勢の少なくともいずれか一方について、ユーザの設定を受け付けるようにしてもよい。
前記対象物体を含む画像を取得する画像取得部と、
前記取得された画像から特徴量を抽出する特徴抽出部と、
前記テンプレート作成装置によって作成されたテンプレートを用いたテンプレートマッチングにより前記取得された画像に含まれる前記対象物体を認識するテンプレートマッチング部と、
を備えた物体認識処理装置である。
対象物体の3次元計測データに基づいて、該対象物体に対応するテンプレートを作成するテンプレート作成方法であって、
前記対象物体の3次元計測データを取得するステップと、
前記対象物体を3次元計測する視点としての計測視点の位置姿勢に関するデータを取得するステップと、
前記対象物体の対称性を特定する対称性パラメータを設定すると、
前記計測視点に対応する前記3次元計測データと、前記対象物体の前記対称性パラメータに基づいて前記計測視点に対応する前記3次元計測データを複製した3次元データを用いて、該対象物体の3次元データを生成するステップと、
前記テンプレートを作成するための視点としてのテンプレート作成視点の位置姿勢に関するデータを取得するステップと、
生成された前記対象物体の3次元データに基づいて、前記テンプレート作成視点からの3次元データを生成するステップと、
を含むことを特徴とするテンプレート作成方法である。
また、対称性を利用して対象物体の3次元計測データを複製して、対象物体全体の3次元データを生成することで、計測誤差や撮影視点位置姿勢の誤差等による、複数の3次元計測データを統合する際のずれを軽減でき、より実物に近いテンプレートを作成できるので、より少ない計測回数でより正確なテンプレートを作成することができる。
また、本発明に含まれる各ステップの順序は記載された順序に限定されるものではない。
前記対象物体を含む画像を取得するステップと、
前記取得された画像から特徴量を抽出するステップと、
前記テンプレート作成方法により作成されたテンプレートを用いたテンプレートマッチングにより前記対象物体を認識するステップと、
を含むことを特徴とする物体認識処理方法である。
前記テンプレート作成方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
前記物体認識処理方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。
図11に示すような、六角形のナットの対象物体271の3次元計測データを用いて、物体認識のためのテンプレートを作成する場合に、従来であれば、対象物体271の6面、すなわち斜め前方からの撮影視点IMP11,IMP12,IMP13,IMP14,IMP15,IMP16からの3次元計測を、それぞれ表(紙面手前側)と裏(紙面奥側)から行う必要があり、計12回の3次元計測が必要となっていた。
このような対象物体271は、図6に示すように、ナット271の略円筒形の中空内部の中心軸(紙面に直交するZ軸)の方向から見たときに、ナット271は、この中心軸のまわりに60度回転させると対称となる。また、図7に示すように、ナット271の中心軸方向に直交する方向の平面PLに対して面対称となる。
本発明では、上述のような対象物体の対称性に着目し、図8に示すように、斜め上方からの1つの3次元計測データを中心軸の周りに60度ずつ6回回転させて複製することにより、中心軸回りに60度回転させた部分の3次元データを生成している。さらに、このように生成された3次元データを、面PLに対して面対称に複製することにより、3次元データを生成する。従って、斜め上方の1つ撮影視点からの3次元計測によって、対象物体271の3次元データを生成できる。
このような対象物体272は、図9に示すように、対象物体272の斜め上方の撮影視点IMP21からみたとき、紙面に平行な面に対して面対称であり、斜め右上方の撮影視点IMP22と斜め左上方の撮影視点IMP23からみたときに紙面に直交する軸の周りにそれぞれ2回対称である。
本発明では、上述のような対象物体の対称性に着目し、図9に示すように、撮影視点IMP21からの1つの3次元計測データを面対称に複製し、紙面に平行な面に面対称な部分の3次元データを生成し、撮影視点IMP22及びIMP23からの3次元計測データをそれぞれ180度回転させて、紙面に直交する軸の周りに180度回転させた部分の3次元データを生成する。従って、IMP21~23の3つの撮影視点からの3回の3次元計測によって、対象物体271の3次元データを生成できる。
また、対称性を利用して対象物体の3次元計測データを複製して、対象物体全体の3次元データを生成した場合には、計測誤差や撮影視点位置姿勢の誤差等による、複数の3次元計測データを統合する際のずれを軽減でき、より実物に近いテンプレートを作成できるので、より少ない計測回数でより正確なテンプレートを作成することができる。
(物体認識装置の全体構成)
図1を参照して、本発明の実施形態に係る物体認識装置について説明する。
センサユニット20は、対象物体27の光学像を撮影するためのカメラを少なくとも有する。さらに、センサユニット20は、対象物体27の3次元計測を行うために必要な構成(センサ、照明装置、投光装置など)を含んでもよい。例えば、ステレオマッチング(ステレオビジョン、ステレオカメラ方式などとも呼ばれる。)によって奥行き距離を計測する場合には、センサユニット20に複数台のカメラが設けられる。アクティブステレオの場合はさらに、対象物体27にパターン光を投射する投光装置がセンサユニット20に設けられる。空間コード化パターン投影方式により3次元計測を行う場合には、パターン光を投射する投光装置とカメラがセンサユニット20に設けられる。他にも、照度差ステレオ法、TOF(タイムオブフライト)法、位相シフト法など、対象物体27の3次元情報を取得可能な方法であればいかなる方式を用いてもよい。
画像処理装置21は、例えば、CPU(プロセッサ)、RAM(メモリ)、不揮発性記憶装置(ハードディスク、SSDなど)、入力装置、出力装置などを備えるコンピュータにより構成される。この場合、CPUが、不揮発性記憶装置に格納されたプログラムをRAMに展開し、当該プログラムを実行することによって、後述する各種の構成が実現される。ただし、画像処理装置21の構成はこれに限られず、後述する構成のうちの全部又は一部を、FPGAやASICなどの専用回路で実現してもよいし、クラウドコンピューティングや分散コンピューティングにより実現してもよい。
テンプレート作成装置30は、物体認識処理で利用するテンプレートを作成するための構成であり、撮影視点3次元位置姿勢データ取得部300、対象物体の3次元計測データ取得部301、対称性パラメータ設定部302、3次元データ複製部303、テンプレート作成視点位置姿勢情報取得部304、テンプレート作成視点の3次元データ生成部305、特徴抽出部306、テンプレート作成部307、テンプレート情報出力部308を有する。本実施形態では、撮影視点3次元位置姿勢データ取得部300が本発明の「計測視点位置姿勢データ取得部」に対応する。また、本実施形態では、対象物体の3次元計測データ取得部301が本発明の「3次元計測データ取得部」に対応する。また、本実施形態では、3次元データ複製部303が、本発明の「3次元データ複製部」に対応する。また、本実施形態では、テンプレート作成視点位置姿勢情報取得部304が本発明の「テンプレート作成視点位置姿勢データ取得部」に対応する。そして、本実施形態では、テンプレート作成視点の3次元データ生成部305が、本発明の「作成視点3次元データ生成部」に対応する。
物体認識処理装置31は、テンプレートマッチングによる物体認識処理を実行するための構成であり、画像取得部310、画像ピラミッド作成部311、特徴抽出部312、テンプレート情報取得部313、テンプレートマッチング部314、認識結果出力部315を有する。本実施形態では、画像取得部310、特徴抽出部312、テンプレートマッチング部314が、それぞれ本発明の「画像取得部」、「特徴抽出部」、「テンプレートマッチング部」に対応する。
図3は、テンプレート作成装置30において行われるテンプレート作成方法としてのテンプレート作成処理の全体的な手順を示すフローチャートである。ここでは、まず、このうち、ステップS101の3次元データ複製処理について、図4A及び図4Bを参照して説明する。図4A及び図4Bは、3次元データ複製処理手順を説明するフローチャートである。図4Aは対象物体が面対称の場合、図4Bは対称物体が回転対称又は後述するN回対称(Nは2以上の自然数)の場合である。
ステップS11において、3次元データ複製部303が、3次元計測時の撮影視点の3次元位置姿勢に関するデータを撮影視点3次元位置姿勢データ取得部300から、対象物体の3次元計測データを対象物体の3次元計測データ取得部301から、対称性パラメータ設定部302から対称性パラメータをそれぞれ取得する。本実施形態では、撮影視点が本発明の「計測視点」に対応する。
対象物体271に対して、3次元センサ220を所定の位置姿勢に配置して、対象物体271の3次元計測データを取得(撮影)するとともに、撮影視点の位置姿勢情報を取得する。3次元センサ220によって対象物体を異なる視点から撮影して3次元計測データを取得する場合には、3次元センサ220を固定して、対象物体271の姿勢を変えるようにしてもよいし、対象物体271を固定して、3次元センサ220の姿勢を変えるようにしてもよく、3次元センサ220と対象物体271の相対的な位置関係が変わればよい。図5では、3次元センサ220によって載置面32上に載置された対象物体271を撮影して3次元計測データを取得する場合の一例を示す。ここでは、3次元センサ220を固定して、載置面32の姿勢を変えてもよいし、載置面32の姿勢を固定し、3次元センサ220の姿勢を変えるようにしてもよい。
また、撮影視点の3元位置姿勢は、対象物体の載置面32に表示された平面マーカ33や、載置面に対して固定して配置された参照物体(3DCADデータ等により形状が分かっている物体)を認識することによって取得してもよいし、対象物体の載置面32をゴニオステージ上に設けることによって取得してもよい。
このような対称性パラメータとしては、回転軸のまわりの回転対称があり、対象物体の回転軸を特定するデータが対称性パラメータとなる。
また、図7に示すように、ナット271は、中心軸に沿った高さ方向の1/2の位置で、高さ方向に直交する面PLに対して面対称である。この場合には、対象物体の対称面を特定するデータが対称性パラメータとなる。
ステップS15において、複製により3次元データが生成されていない視点がある場合には、ステップS13以降の処理を繰り返す。
以下に説明するのは、対称性パラメータが回転対称又はN回対称を示すパラメータを含む場合の処理である。
ここで、対象物体がN回対称や回転対称である場合には、回転させた3次元データと元の3次元計測データとの回転中心を一致させる必要がある。3次元データ間で回転中心を一致させるには、2次元平面に投影したシルエット画像同士を用いてテンプレートマッチングの方法で回転中心を同定することができる。また、3次元点群同士を用いてICP(Iterative Closest Point)法による位置合わせの方法により回転中心を同定するようにしてもよい。また、上述したように対称性パラメータとしてユーザが回転中心を指定することもできるし、視野内の既知の点に対象物体の回転中心が一致するように対象物体を設置するようにしてもよい。
ステップS18において、複製により3次元データが生成されていない視点がある場合には、ステップS16以降の処理を繰り返す。
対象物体271が六角形のナットの場合には、例えば、図8Aに示すように、斜め上方から対象物体を撮影した3次元計測データを、図8Bの撮影視点IMP11に対する6回対称と、中空内部の中心軸方向に直交する方向の面対称とを利用して複製し、対象物体271の全体の3次元データを生成する。
また、図9に示すような、柱状の対象物体272の場合には、撮影視点IMP11に対して面対称であり、撮影視点IMP12及びIMP13のそれぞれに対して2回対称である。このように対称性パラメータが面対称を示すパラメータと、回転対称又はN回対称を示すパラメータの両者を含む場合には、撮影視点IMP11に対する3次元計測データの面対称による複製と、撮影視点IMP12及びIMP13のそれぞれに対する2回対称による複製により、全ての視点に対する3次元計測データを生成することができる。
図3に戻って、テンプレート作成処理手順を説明する。
ステップS106において、ステップS102で取得された全てのテンプレート作成視点に対するテンプレートが作成されたと判断された場合には、テンプレート作成部307は、テンプレート情報出力部308を介して、テンプレートのデータを物体認識処理装置に出力する。
ステップS106において、ステップS102で取得されたテンプレート作成視点のうち、テンプレートが作成されていないテンプレート作成視点がある場合には、ステップS103~S105の処理を繰り返す。
図10のフローチャートを参照して、物体認識処理装置31による物体認識処理方法の一例を説明する。
ここでは、テンプレートマッチング部314は、まず、第1層特徴画像と第1層用の視点ごとのテンプレートを用いてマッチング処理を行う。テンプレートマッチング部314は、第1層用の視点ごとのテンプレートを用いたマッチング処理の結果、正解候補となるテンプレートを検出すると、検出結果に基づき、第2層特徴画像の探索範囲を設定し、第2層特徴画像と第2層用の視点ごとのテンプレートを用いてマッチング処理を行う。第3層画像、第4層画像が存在する場合には、これらの層画像に対しても同様の処理が行われる。このような処理が行われる結果、最下層(最も画像の解像度が高い層)における物体の存在位置姿勢を認識することができる。
以上述べた構成及び処理では、指定された対称性に基づいて、対象物体の部分的な3次元計測データを複製して全体の3次元データを生成するので、対象物体の3次元計測データの計測回数がより少なくて済む。このようにして生成された3次元データに基づいてテンプレートを作成するので、テンプレート作成に要する時間を短縮することができる。
また、対称性を利用して対象物体の3次元計測データを複製して、対象物体全体の3次元データを生成した場合には、計測誤差や撮影視点位置姿勢の誤差等による、複数の3次元計測データを統合する際のずれを軽減でき、より実物に近いテンプレートを作成できるので、より少ない計測回数でより正確なテンプレートを作成することができる。
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
対象物体の3次元計測を行う場合には、撮影視点の数は、ユーザが決定してもよい。撮影視点は1視点でもよいし、複数視点でもよい。
計測視点位置姿勢は、ユーザが対象物体の対称性を考慮した上で、対象物体の全体の3次元データを生成できるように決定することができる。複製によって3次元データの生成を行いながら、次の、撮影視点を決定するようにしてもよい。
面対称な対象物体の複製の際に必要な高さは、各3次元計測データのZ最大値(Z方向の高さの最大値)近傍の測定結果の平均としてもよい。外れ値やノイズを考慮するために、各3次元計測データのZ値(Z方向の高さ)のヒストグラムを作成し、閾値以上の投票があった最大のビンのZ値としてもよい。
また、面対称な対象物体の複製の際に必要な高さは、実測値をユーザが入力するようにしてもよい。
3次元計測データを複製する場合には、法線ベクトルや点群の色等の各3次元点に付随するデータがあれば、これらも同時に複製する。例えば、回転対称の場合には法線ベクトルも同様に回転させ、面対称の場合は奥行き成分のみを符号反転させる。
回転対称の場合には、回転させる角度は適宜設定することができるが、例えば30度から45度程度のように1視点で計測できる範囲に応じて設定することが好ましい。
3次元計測データの信頼性の高い範囲が分かっている場合には、その信頼性が高い範囲の3次元計測データを複製に用いるようにすれば、より正確な3次元データが生成できるので、より正確なテンプレートを生成することができる。
<発明1>
対象物体(27)の3次元計測データに基づいて、該対象物体(27)に対応するテンプレートを作成するテンプレート作成装置(30)であって、
前記対象物体(271)の3次元計測データを取得する3次元計測データ取得部(301)と、
前記対象物体を3次元計測する視点としての計測視点の位置姿勢に関するデータを取得する計測視点位置姿勢データ取得部(300)と、
前記対象物体の対称性を特定する対称性パラメータを設定する対称性パラメータ設定部(302)と、
前記計測視点に対応する前記3次元計測データと、前記対象物体(27)の前記対称性パラメータに基づいて前記計測視点に対応する前記3次元計測データを複製した3次元データを用いて、該対象物体(27)の3次元データを生成する3次元データ複製部(303)と、
前記テンプレートを作成するための視点としてのテンプレート作成視点の位置姿勢に関するデータを取得するテンプレート作成位置姿勢データ取得部(304)と、
生成された前記対象物体の3次元データに基づいて、前記テンプレート作成視点からの3次元データを生成する作成視点3次元データ生成部(305)と、
を備えることを特徴とするテンプレート作成装置(30)。
21:画像処理装置
27:対象物体
30:テンプレート作成装置
31:物体認識処理装置
300:撮影視点3次元位置姿勢データ取得部
301:対象物体の3次元計測データ取得部
302:対称性パラメータ設定部
303:3次元データ複製部
304:テンプレート作成視点位置姿勢情報取得部
305:テンプレート作成視点の3次元データ生成部
310:画像取得部
312:特徴抽出部
314:テンプレートマッチング部
Claims (9)
- 対象物体の3次元計測データに基づいて、該対象物体に対応するテンプレートを作成するテンプレート作成装置であって、
前記対象物体の3次元計測データを取得する3次元計測データ取得部と、
前記対象物体を3次元計測する視点としての計測視点の位置姿勢に関するデータを取得する計測視点位置姿勢データ取得部と、
前記対象物体の対称性を特定する対称性パラメータをユーザから受け付けて設定する対称性パラメータ設定部と、
前記計測視点に対応する前記3次元計測データと、前記対象物体の前記対称性パラメータに基づいて前記計測視点に対応する前記3次元計測データを複製した3次元データを用いて、該対象物体の3次元データを生成する3次元データ複製部と、
前記テンプレートを作成するための視点としてのテンプレート作成視点の位置姿勢に関するデータを取得するテンプレート作成位置姿勢データ取得部と、
生成された前記対象物体の3次元データに基づいて、前記テンプレート作成視点からの3次元データを生成する作成視点3次元データ生成部と、
を備えることを特徴とするテンプレート作成装置。 - 前記対称性パラメータは、前記対象物体が面対称であることを特定するパラメータであることを特徴とする請求項1に記載のテンプレート作成装置。
- 前記対称性パラメータは、前記対象物体が回転対称であることを特定するパラメータであることを特徴とする請求項1又は2に記載のテンプレート作成装置。
- 前記対称性パラメータは、前記対象物体が(360/N)度(Nは2以上の自然数)の回転について対称であることを特定するパラメータであることを特徴とする請求項1又は2に記載のテンプレート作成装置。
- 前記対象物体を含む画像を取得する画像取得部と、
前記取得された画像から特徴量を抽出する特徴抽出部と、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のテンプレート作成装置によって作成されたテンプレートを用いたテンプレートマッチングにより前記取得された画像に含まれる前記対象物体を認識するテンプレートマッチング部と、
を備えた物体認識処理装置。 - 対象物体の3次元計測データに基づいて、該対象物体に対応するテンプレートを作成するテンプレート作成方法であって、
前記対象物体の3次元計測データを取得するステップと、
前記対象物体を3次元計測する視点としての計測視点の位置姿勢に関するデータを取得するステップと、
前記対象物体の対称性を特定する対称性パラメータをユーザから受け付けて設定するステップと、
前記計測視点に対応する前記3次元計測データと、前記対象物体の前記対称性パラメータに基づいて前記計測視点に対応する前記3次元計測データを複製した3次元データを用いて、該対象物体の3次元データを生成するステップと、
前記テンプレートを作成するための視点としてのテンプレート作成視点の位置姿勢に関するデータを取得するステップと、
生成された前記対象物体の3次元データに基づいて、前記テンプレート作成視点からの3次元データを生成するステップと、
を含むことを特徴とするテンプレート作成方法。 - テンプレートを用いて対象物体を認識する物体認識処理方法であって、
前記対象物体を含む画像を取得するステップと、
前記取得された画像から特徴量を抽出するステップと、
請求項6に記載のテンプレート作成方法により作成されたテンプレートを用いたテンプレートマッチングにより前記対象物体を認識するステップと、
を含むことを特徴とする物体認識処理方法。 - 請求項6に記載のテンプレート作成方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
- 請求項7に記載の物体認識処理方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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WO (1) | WO2021014542A1 (ja) |
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JP2017524085A (ja) | 2014-08-06 | 2017-08-24 | グリップル・リミテッドGripple Limited | グラウンドアンカ |
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WO2005060629A2 (en) * | 2003-12-11 | 2005-07-07 | Strider Labs, Inc. | Probable reconstruction of surfaces in occluded regions by computed symmetry |
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- 2019-07-22 JP JP2021534434A patent/JP7327484B2/ja active Active
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