JPH03113579A - ３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ テレビカメラから所望する距離範囲にある線分のデータ
を残し、線分の方位・距離計測に不必要な線分データを
除去する距離フィルタを用いた球面写像による３次元計
測方法に関し、 不要な線分データを予め除去することにより計測処理の
高速化を図るとともに、それら不要線分データに起因す
る誤計測の発生を防止することを目的とし、 立体像の線分の写像点を抽出する写像点抽出過程と、所
望の写像点を残す写像点選択過程と、残された写像点に
基づいて３次元計測を行う計測演算過程とを含む球面写
像による３次元計測方法において、写像点選択過程は、
撮影手段から所望の距離範囲にある線分の写像点を残し
、この所望の距離範囲から外れる遠方距離および至近距
離にある線分の写像点は除去する距離フィルタ処理過程
を含むことを特徴とする。

［産業上の利用分野１ 本発明は、テレビカメラ等を用いて立体計測を行うロボ
ット等の視覚情報処理システムに関し、特に、テレビカ
メラから所望する距離範囲にある線分（輪郭画像のなか
の直線成分）のデータを残し、線分の方位・距離計測に
不必要な線分データを除去する距離フィルタを用いた球
面写像による３次元計測方法に関するものである。

例えば原子炉などのように人間が立ち入ることが危険な
場所でロボットにより作業を行う場合には、その作業の
対象物をロボットのマニピュレータで操作するために、
対象物の方向あるいはその距離などを計測することが必
要である。このような計測処理はリアルタイムで高速に
、かつ誤りなく行えることが必要とされる。

［従来の技術］ かかる立体計測を行うものとしては、ロボット側に設け
られたカメラで対象物体の球面投影を行い、投影像を写
像処理して種々の３次元情報、例えば線分の有無、その
方向や距離などを抽出する運動立体視による３次元計測
技術が知られている。かかる球面写像による３次元計測
技術は、例えば特開昭５９−１８４９７３　（特願昭５
８−５９１１９）、特開昭６０−２１８１８３　（特願
昭５９−７４５１８）、特開昭６０−２１８１８４（特
願昭５９−７４５１９）等の各公報に開示されている。

これらの運動立体視による線分の３次元計測方法は、線
分を表す写像点がカメラ撮影点の移動にともなって移動
することにより、その移動情報に基づき線分の方向や距
離を計測するものである。

しかしながら、カメラから遠い位置にある線分あるいは
カメラ移動方向と同じ方向を向いている線分の写像点は
移動量がわずかであり、このような写像点（不動点と称
される）に基づいては十分な線分の３次元計測ができず
、そればかりかこれらの不動点に起因して虚偽の線分の
方向や距離情報を生成してしまうことが多い。また、こ
のような不要の不動点に対して３次元計測の演算を行う
ことは、その分だけ無駄な処理時間を要することになり
、計測のリアルタイム化、高速化を妨げることになる。

このような線分の３次元計測に望ましくない不動点を除
去する方法としては、本出願人により特願昭６３−１７
２７９９、特願昭６３−１７２８００等において撮影物
の輪郭線分抽出方法が提案。

されている。この方法は写像点に対し所定の大きさを持
ったウィンドウを設定し、写像点の移動距離がこのウィ
ンドウの範囲内にあるような写像点を不動点と判断して
漸次抑圧していくものである。

［発明が解決しようとする課題］ 運動立体視によ・る視覚情報処理システムを例えばロボ
ットビジョンとして利用する場合、抽出すべき線分デー
タ（写像点データ）としては、カメラの至近位置からは
るか遠方位置までにわたる広範囲の線分データが必要と
なるのではなく、真に必要な線分データは通常はロボッ
トのマニュピレータの作業範囲内にある線分のデータに
限られる。この場合、このマニュピレータの作業範囲を
外れるデータは、不動点となる遠方位置の線分データば
かりでなく至近位置にある線分データも不要なものであ
り、これらの線分データの存在は計測処理速度を低下さ
せると共に、誤計測の原因ともなる。

したがって本発明の目的は、遠方位置あるいは至近位置
等の不要な線分データを除去して所望する距離範囲内に
ある線分データのみを選択的に抽出できるようにし、そ
れにより計測処理の高速化を図ると共に誤計測を防Ｉ卜
することにある。

［課題を解決するための手段］ 第１図は本発明に係る原理説明図である。

本発明に係る距離フィルタを用いた球面写像による３次
元計測方法は、撮影位置を所定間隔で移動させつつ立体
像を球面投影および球面写像して線分の写像点を抽出す
る写像点抽出過程Ｓ１と、写像点抽出過程Ｓ１で抽出さ
れた写像点中から所望の写像点を選択して残す写像点選
択過程Ｓ２と、写像点選択過程Ｓ２で残された写像点に
基づいて３次元計測の演算処理を行う計測演算過程Ｓ３
とを含む球面写像による３次元計測方法において、写像
点選択過程Ｓ２は、撮影手段から所望の距離範囲にある
線分の写像点を残し、この所望の距離範囲から外れる遠
方距離および至近距離にある線分の写像点は除去する距
離フィルタ処理過程Ｓ４を含むことを特徴とするもので
ある。

［作用］ 写像点を選択する過程Ｓ２において、撮影手段から所望
の距離範囲にある線分の写像点を残し、この所望距離範
囲から外れる遠方および至近距離にある線分の写像点を
除去する。これにより不要な写像点データを切り捨てて
真に計測に必要な写像点のみを残し、この写像点データ
に基づいて３次元計測を行えるので、計測演算速度を高
めると共に誤計測の発生を防止できる。

なお距離フィルタ処理の方法としては、例えば写像点に
対して環状のウィンドウ上に乗る写像点のみを残すよう
にするなどの方法が可能である。

［実施例］ 以下１図面を参照しつつ本発明の一実施例としての距離
フィルタを用いた球面写像による３次元計測方法につい
て説明する。

球面写像による３次元計測システムの全体的な構成が第
２図に示される。第２図において、２０はカメラユニッ
ト、２１はカメラ駆動用モータ、２２はモータ制御ユニ
ット、２３はマイクロプロセッサ、２４　（１）〜２４
　（ｎ）は写像プロセッサ、２５は原画メモリ、２６　
（１１〜２６　（ｎ）は写像メモリ、２７はパラレルイ
ンタフェース、２８はカメラ移動方向計測用データ作成
部、２９は移動方向判定部である。

カメラユニット２０は第３図に示されるように、ガイド
３０により水平面内で直線方向に案内される。そしてカ
メラユニット２０の移動中において、等間隔の撮影位置
（フレーム）ｔにおいて合計１０回の撮影が行われる。

ここでｔは０〜９である。

図示の例では、撮影対象物の構造線として線分Ｌｏ　、
Ｌ−、Ｌｏｅｈがカメラユニット２０によって撮影され
ており、線分り。はカメラ２０から至近距離ｄ０にあり
、線分り、は所望する距離範囲内の距離ｄ１にあり、そ
して線分Ｌａａはカメラ２０から十分に遠い距離ｄωだ
け離れているのもとする。

この計測システムによる３次元計測は第４図に示される
ような手順で行われる。すなわち、まずカメラ２０が所
定距離だけ移動すると（ステップ５ｌ１）、撮影を行っ
て（ステップ５１２）、撮影対象物を球面投影しくステ
ップ５１３）、その結果の球面上の投影像を球面写像し
て写像点を抽出する（ステップ５１４）。この写像点に
対して後述する至近および遠方の写像点Ｓ。、ＳＤＱを
除去する距離フィルタ処理を行い（ステップ５１５）、
かかる処理をカメラの最終撮影位置ｔ＝９に至るまで繰
り返す（ステップ５１６）。

写像点Ｓの抽出処理について説明すると、第５図に示さ
れるように、線分りを球面上に球面投影して弧１−°　
を得、この弧し°上の各点を中心として大円（各点を北
極とした場合の赤道に相当）を球面上に描く。この結果
、複数の大円が交差する写像点Ｓが得られる。

次に、第６図に示されるように、カメラの撮影位置を任
意の直線方向Ｖに一定間隔ずつ移動させて、凸移動点で
線分を撮影して」二連の写像点ｓ’、ｓ’　、ｓ２・・
・をそれぞれ抽出する。なお、これらの詳細については
前掲の公報が参照できるものである。

このようにして、各撮影位置１＝０〜９における有効な
写像点データ（すなわち至近および遠方位置の写像点Ｓ
。、Ｓヮを除いた写像点データ）０ が収集されると、公知の方法により線分の方位計測が行
われ（ステップ５１７）、更に線分までの距離の計測が
行われる（ステップ５１８）。

写像点Ｓの抽出（ステップ５１４）においては、至近線
分り。をカメラ２ｏが移動しつつ機影する場合、第７図
に示されるように球面上に投影される弧り。゛の移動距
離は大きくなるので、各撮影位置ｔでの写像点Ｓ　ｔｏ
はその移動距離が大きくなる。一方、遠方線分り一に対
する各機影位置での写像点Ｓ　’ａｏは、第８図に示さ
れるようにその移動距離が僅かであり、これらを不動点
とみなすことができる。そこで、このような至近および
遠はそれぞれ写像ブレーンＳＰ、ウィンドウブレーンＷ
Ｐ、履歴ブレーンＭＰ、副履歴ブレーンｍＰ、中間ブレ
ーン百Ｐと称される。これらのメモリブレーンは、該１
０図に示されるように、球面をメルカトール投影法によ
り平面に投影した座標（経度、緯度）＝（α、β）をア
ドレスとして、球面上の各点の輝度（濃度）情報を記憶
するものである。

なお、上述の各ブレーンＳＰ、ＷＰ％ＭＰ、ｍｐ、ｓｐ
には、それぞれ写像点輝度ＳＬ　（α。

β）、ウィンドウ輝度Ｗｔ　（ａ、β）、履歴輝度Ｍｔ
　（α、β）、副履歴輝度ｍｔ　（α、β）、および中
間輝度Ｓ’　　（α、β）が格納される。ここで、写像
プレーンＳＰ、ウィンドウブレーンＷＰ、履歴ブレーン
ＭＰ、副履歴プレーンｍＰ、中間ブレーンＳＰのそれぞ
れの（Ａ、Ｂ）座標の輝度をＳ’　　（Ａ、Ｂ）　　Ｗ
Ｌ　（Ａ、Ｂ）、Ｍ’（Ａ、Ｂ）、ｍｔ　（Ａ、Ｂ）　
、Ｓ　（Ａ、Ｂ）と書き表わす。（ａ、β）は球面全面
にわたる座標を表す。また、写像点の存在する特定の座
標位置は（α、β８）で表す。ｔはフレーム数（撮影位
置）を表す。

第１１図は所望の距離範囲にある写像点だけを　２ 残す距離ツイツタ手順を示す流れ図である。まずフレー
ムしにおいて抽出された写像点Ｓ□が人力データとなる
（ステップ５２１）。このデータはそれら写像点の座標
（α８．β８）とその輝度からなる。この写像点Ｓｔ、
のデータは写像プレーンＳＰに書き込まれる。第１２図
はこの様子を示す図であり、座標（α８．β、）の位置
に輝度Ｓ′が書き込まれていることを示している。

次に下記の（’１）式により履歴ブレーンＩＶＩＰから
副履歴ブレーンｍＰが生成される。履歴ブレーンＭＰは
当初（１＝０）はブレーン全面にわたり輝度０のもので
あるが、後述の更新処理に従いその内容が漸次更新され
て距離フィルタ処理に利用される。副履歴ブレーンｍＰ
の濃度ｍｔは。

ｍ’（α、β）＝（１−γ）Ｍ′　（α、β）・・・　
（１） により作成される（ステップ５２３）。ここでγは、０
〈γ〈ｌの係数であり、例えばγ＝１／２にすることが
できる。

この副履歴輝度ｍｔと写像輝度Ｓ　ｔｌとから次式（２
）に従い中間輝度に″を生成する（ステップ５２４）。

すなわち、 丁１　（α霧・βに）：γＳＬ、（α８．β８）＋　ｍ
　’　　（ａ　ｇ　、βＳ） ・・・　（２） この中間輝度３′は中間ブレーンπＰに占き込まれる（
ステップ５２４）。

次にこの中間輝度丁１に基づきウィンドウが設定される
。ウィンドウは第１３図〜第１５図に示されるように、
写像点ＳＬ、（１＜　ｉ＜Ｎ）の座標位置（α６．β５
）を中心としてＮＬ　ＸＮＩ（Ｎ１．はウィンドウの大
きさ）の領域を設定し、この領域内の輝度値を中間ブレ
ーンの輝度丁１（α。、β５）の値とすることにより設
定される。このウィンドウ輝度Ｗｔはウィンドウブレー
ンＷＰに書き込まれる（ステップ５２５）。

フレームｔにおける履歴ブレーンＭＰの輝度Ｍ’　　（
α、β）を次フレーム（ｔ＋１）の輝度Ｍ”’　　（ａ
、、　β）に書き換える方法は以下による。すなわち履
歴輝度Ｍ″′＋１　（α、β）として次　４ の（３）式に従い、ウィンドウ輝度Ｗ’　　（α、β）
または副履歴輝度ｍｔ　（α、β）のうちの大きい方を
選択し、その値を設定する。すなわち、Ｍ”’　　（α
、β） ＝ｍａｘ　［Ｗ’　　（ａ、β）、ｍ’（ａ、β）］・
　・　・　（３） とする。

最後に、第１６図および第１７図に示されるように、写
像点の座標位置（α６．β８）を中心としてＮ、ＸＮ、
のエリアに°°Ｏ”を書き込んでい（（ステップ５２７
）。

以上のような操作をフレーム数を増化させつつ各フレー
ム（ｔ＝０〜９）毎に繰り返し行い、履歴ブレーンの内
容を更新してい（。写像点は近（にある線分であれば大
きな移動距離を動くし、遠くにある線分であればほとん
ど動かない。第１８図〜第２０図はこの写像点の移動と
ウィンドウの輝度との関係を示すものであり、第１８図
は線分が所望距離ｄ、にある場合、第１９図は線分が至
　５ 近距離ｄ。にある場合、および第２０図は線分が遠方距
離ｄｏｏにある場合のものである。図からも明らかなよ
うに、第１８図の所望距離ｄ、の線分の場合は各フレー
ムで抽出される写像点は常にドウナラ型のウィンドウ上
の乗るように写像点が移動しており、一方、第１９図お
よび第２０図に示される至近距離および遠方距離の線分
の場合は、写像点が太き（動くか、あるいは、はとんど
動かないかであるため、各フレームでの写像点はウィン
ドウ上に乗らない。

この結果、前述の履歴ブレーンの輝度の更新を続けてい
くと、第１８図の所望距離ｄ、の場合にはウィンドウの
輝度は次第に大きくなっていき、一方、第１９図および
第２０図の至近距離および遠方距離の場合はウィンドウ
の輝度は大きくならずに過去のものは次第に減少してい
く。

以上のようにして漸次更新される履歴ブレーンの輝度を
用いて、所望の距離ｄ１にある線分の写像点Ｓ、を次式
（５）、（６）に従って残していく（ステップ３２８．
５２９）。すなわち、　６ Ｓ’、、、ｄ＝Ｍ’　　（α、、　β、）十γへ′Ｓ“
＋（（Ｚ、、　　β５　）・　・　・　（５）ＳＬ□、
＞Ｔｈ　　　　　　　　　　　　　　　・　・　・　（
６）ただし、△ｔはｔ乗をする演算であることを表わし
、Ｔｈはスライス処理の行うための適当な所定のしきい
値を表す。

これにより第１８図の所望距離の場合のようにウィンド
ウの大きさと写像点の動きとが一致していれば、写像点
の輝度は第２１図に示されるようにフレーム数を重ねて
も変化しないが、第１９図および第２０図に示されるよ
うにウィンドウの大きさと写像点の動きが一致していな
い場合には、写像点の輝度はフレーム数を重ねると第２
２図に示されるように（５）式によって減少していく。

したがって適当なしきい値Ｔｈ以下になったならば、そ
の写像点を除去するスライス処理を行えば、遠方距離お
よび至近距離にある線分の写像点を除去でき、適当な所
望距離範囲内に存在する線分の写像点だけを残すことが
できる。

　７ ［発明の効果］ 本発明によれば、所望距離範囲内にある線分データのみ
を選択的に抽出してそれ以外の範囲にある線分データを
除去でき、それにより計測処理の高速化を図ると共に、
不要な線分データに起因する誤計測を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原理説明図、 第２図は球面写像による３次元計測システムの全体構成
図、 第３図は３次元計測システムにおけるカメラ撮影の態様
を説明する図、 第４図は３次元計測システムの全体的動作の概要を示す
流れ図、 第５図および第６図は写像点の抽出方法を説明する図、 第７図は至近距離にある線分の写像点の移動態様を説明
する図、 第８図は遠方距離にある線分の写像点の移動態　８ 様を説明する図、 第９図は３次元計測システムで使用するメモリブレーン
郡を説明する図、 第１０図はメモリブレーンのデータ格納アドレスを説明
する図、 第１１図は本発明の一実施例としての距離フィルタ処理
を行う手順を示す流れ図、 第１２図は写像プレーンの写像点データの格納態様を説
明する図、 第１３図、第１４図、および第１５図はウィンドウの設
定態様を説明する図、 第１６図および第１７図はドウナラ型のウィンドウの設
定態様を説明する図、 第１８図は所望の距離位置にある線分の写像点の移動と
ウィンドウの関係を説明する図、第１９図は至近距離位
置にある線分の写像点の移動とウィンドウとの関係を説
明する図、第２０図は遠方距離位置にある線分の写像点
とウィンドウとの関係を説明する図、 第２１図は所望距離位置にある線分の写像点篩　９ 度の変化を示す図、および、 第２２図は至近または遠方距離位置にある線分の写像点
輝度の変化を示す図である。 図において、 ２０・・・カメラユニット ２１・・・カメラユニット駆動用モータ２２・・・モー
タ制御ユニット ２３・・・マイクロプロセッサ ２４　（１１〜２４　（ｎ）　　・・・写像プロセッサ
２５・・・原画メモリ ２６（１）〜２６（ｎ）・・・写像メモリ２７・・・パ
ラレルインタフェース ２８・・・移動方向計測用データ作成部２９・・・移動
方向判定部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 撮影位置を所定間隔で移動させつつ立体像を球面投影お
   よび球面写像して線分の写像点を抽出する写像点抽出過
   程（ステップＳ１）と、 写像点抽出過程で抽出された写像点中から所望の写像点
   を選択して残す写像点選択過程（ステップＳ２）と、 該写像点選択過程で残された写像点に基づいて３次元計
   測の演算処理を行う計測演算過程（ステップＳ３）とを
   含む球面写像による３次元計測方法において、 該写像点選択過程（ステップＳ２）は、撮影手段から所
   望の距離範囲にある線分の写像点を残し、この所望の距
   離範囲から外れる遠方距離および至近距離にある線分の
   写像点は除去する距離フィルタ処理過程（ステップＳ４
   ）を含むことを特徴とする距離フィルタを用いた球面写
   像による３次元計測方法。