JPH0624028B2 - パターン認識のための特徴点コーナーの位置計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、加工機の自動化に伴うマテリアル・ハンドリ
ング等に際して、部材の位置や姿勢角を計測する場合に
有効に利用できるパターン認識技術に関するものであ
り、特に、そのパターン認識のために特徴点コーナーの
位置を高精度に計測する方法に関するものである。

［従来の技術］ 物体をテレビカメラ等により２次元的な図形パターンと
して撮像し、その図形パターンの基準パターンに対する
姿勢角や位置ずれ等を計測するには、従来から提案され
ている各種パターン認識技術あるいはその他の方法を利
用することができる。

本発明者らも、上述した図形パターンの姿勢角や位置ず
れを非常に簡単な装置で極めて容易に判別可能にした計
測方法を、先に特願昭62−256804号により提案してい
る。

この既提案の計測方法は、検出した図形パターンを２値
化して、その輪郭部における各頂点の抽出を行い、その
頂点のデータに基づいて基準パターンとの比較によるパ
ターンマッチングを行うと共に、特定の頂点を特徴点コ
ーナーとして、両パターンの対応する特徴点コーナーの
座標関係から、アフィン逆変換により基準パターンに対
する図形パターンの姿勢角と位置ずれを計測するもので
ある。

このような既提案の計測方法ばかりでなく、各種パター
ン認識技術においては、２値化された図形パターンにお
ける特徴点コーナーの座標を計測する必要が多々存在
し、この場合に、加工機の加工速度や精度などとの関連
で、計測を実時間的に行うことが要求され、しかも高精
度な計測を要求されることが少なくない。

しかるに、図形パターンにおける特徴点コーナーの計測
精度を高めるために、例えば、1024×1024というような
大容量メモリを用いることを考えると、図形パターンの
特徴点コーナー、例えば輪郭追跡により検出される頂点
の座標を計測するに際して、大量のデータ処理を行う必
要があるため、長時間を要することになる。従って、何
らかの手段により計測精度を低下させることなくデータ
の処理量を少なくする必要がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、上述した図形パターンにおける特徴点
コーナーの概略的な位置が検出済であることを前提と
し、大量のデータ処理を行うことなく、簡単で迅速な処
理により、しかも計測精度を低下させることなく特徴点
コーナーを計測可能にすることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明に係る特徴点コーナー
の位置計測方法は、検出した図形パターンを２値化し
て、その輪郭部における頂点の抽出を行い、そのデータ
に基づいて図形パターンの認識を行うに際し、上記輪郭
部上の頂点のうちで図形パターンの認識のために必要な
特定の頂点を特徴点コーナーとして、これらの特徴点コ
ーナーの概略的な位置に、そこに重心を持つウインドを
それぞれ設定し、これらのウインドの水平及び垂直方向
のサイズを、データ処理に必要な最小のサイズ以下にな
らない範囲で、特徴点コーナーの概略的な座標値と、そ
の特徴点コーナーの両側に隣接している両頂点の概略的
な座標値との差のうちで小さい方の値とし、このウイン
ド内における特徴点コーナーの座標を、ウインド内のみ
のデータの処理で計測することにより正確な座標計測を
行うことを特徴とするものである。

［実施例］ 以下に本発明の実施例について詳述する。

一般に、計測域に置かれた物体の姿勢角や位置の計測に
際し、その対象物体をテレビカメラ等のパターン入力装
置により２次元的な図形パターンとして取込み、その走
査線上の各サンプル点についての出力をＡＤ変換により
サンプル点の明暗に応じた２値化信号とし、これによっ
て得られた２値化マトリクス・パターンの処理により図
形パターンの姿勢角や位置の計測を行う方法としては、
種々の方法がある。そして、これらの方法においては、
２値化した図形パターンの輪郭部における頂点の抽出を
行い、そのデータに基づいて図形パターンの認識が行わ
れることが多いが、このような場合には、通常、図形パ
ターンにおけるその輪郭部上の頂点のうちで少なくとも
上記認識に必要な特徴点コーナーの座標を計測して、姿
勢角や位置の計測のためのデータとする。

本発明は、このような各種方法による図形パターンの姿
勢角や位置等の計測に際して、上記特徴点コーナーの座
標計測を短時間に高精度で行うためのものであるが、こ
こでは、本発明者らが先に提案しているアフィン逆変換
による図形パターンの姿勢角・位置計測方法に適用する
場合について説明する。

先ず、上記アフィン逆変換を利用した姿勢角・位置計測
方法の概要について説明すると、同計測方法において
は、計測対象の図形パターンが、テレビカメラ等のパタ
ーン入力装置により２値化したマトリクス・パターンと
して画像処理装置に入力される。この場合に、図形パタ
ーンの認識精度を高めるためには、1024×1024程度の比
較的大容量メモリが用いられる。

画像処理装置においては、図形パターンの姿勢角や位置
を高精度に計測する場合、そのマトリクス・パターンに
おける相隣接する２×２のメッシュポイントに着目し、
それらの４つのポイントにおけるいずれのデータが２値
化された０または１であるかによって、図形パターンの
輪郭、即ち実部と空部の間の境界線におけるデータを、
その輪郭線の方向に関して分類し、さらに図形パターン
の輪郭線に沿ってその分類付けされたデータを追跡し
て、図形パターンの頂点が検出され、その座標が求めら
れる。

なお、このような頂点検出の方法は、本発明者らが既に
特公昭56−47581号により提案している方法であり、こ
こではそれを輪郭追跡による頂点検出と呼ぶ。

一方、上記図形パターンが基準位置にある場合の基準パ
ターンは、他の図形パターンと共に画像処理装置内の記
憶装置に予め記憶させておき、上記頂点検出を行った図
形パターンについては、アフィン逆変換によって基準パ
ターンに対する姿勢角・位置ずれを計測するに先立っ
て、どの基準パターンと対応関係を有するか、また図形
パターンにおける特定の頂点が、対応する基準パターン
の頂点のデータのどれに対応するのかが判別される。

このような図形パターンと基準パターンとの対応関係の
判定には、本発明者らが、先に特願昭62−256804号にお
いて詳細に開示しているように、図形パターンの頂点の
数、コーナーのタイプ、マスクの数等の特徴パラメータ
を利用するのが好ましいが、それ以外の要素を用いるこ
ともできる。また、このパターンマッチングにおいて一
致する基準パターンが存在した場合は、図形パターンに
おける特定の頂点が基準パターンにおけるどの頂点に対
応するかの判定を行うが、この判定は、図形パターンに
おける頂点の並びをを一つずつずらして両者が一致する
か否かの判定を繰返すことにより行われる。

上記図形パターンと基準パターンとのアフィン逆変換に
よる姿勢角・位置ずれの計測に際しては、輪郭追跡によ
り検出した少なくとも二つの頂点の位置的関係を求める
必要があり、そのため、相互間の距離が比較的大きい特
定の頂点を特徴点コーナーとして抽出するが、この特徴
点コーナーは、頂点間の距離が最も離れた２頂点とする
のが計測精度を高めるうえで最適である。第１図の図形
パターンの例では、Ｍ−Ｎデジタル座標系における頂点
（Ｍ_１，Ｎ_１）及び頂点（Ｍ_５，Ｎ_５）がこの特徴点コ
ーナーに相当し、これらは各頂点間距離を順次計算する
ことにより容易に検出することができる。

このようにして、アフィン逆変換に必要な特定の２頂点
を特徴点コーナーとすると、それに対応する基準パター
ン上の２点の特徴点コーナーとの座標関係から、アフィ
ン逆変換により所期の計測値である図形パターンの基準
パターンに対する姿勢角及び位置ずれが求められる。

本発明者らが先に提案している図形パターンの姿勢角・
位置計測方法においては、上述した過程により図形パタ
ーンの認識を行うようにしているが、この場合に、認識
精度を高めるために1024×1024程度の比較的大容量メモ
リを用いると、データの処理に非常に長い時間を必要と
する。

そこで、このデータ処理時間を短縮するため、本発明に
おいては、以下に説明するような「ウインド」を用い
て、データ処理時間の短縮化を図るようにしている。但
し、この場合には、上記「ウインド」の設定のため、予
め特徴点コーナーの概略的な位置がわかっていることが
前提となる。しかしながら、このような概略位置は、テ
レビカメラ等のパターン入力装置と認識対象物体の位置
的関係が常に一定の範囲内にある場合などには計測する
までもなく既知であり、また上記対象物体の２値化マト
リクス・パターンの簡単な処理によっても、容易に、し
かも実時間的に得られるものである。

なお、上記特徴点コーナーの概略的な位置を計測する方
法としては、本発明者らが同日出願（発明の名称「図形
パターンの概略的輪郭形状計測方法」）により別途提案
している概略的輪郭形状計測方法などが適している。そ
の計測方法は、計測対象をサンプル点の明暗に応じた２
値化信号として大容量メモリに取込み、その輪郭部にお
ける頂点の検出を行い、そのデータに基づいて図形パタ
ーンの認識を行うに際し、メモリにおける複数ピクセル
毎のアクセスを可能にして、頂点検出のための処理時間
を短縮するものである。

このような計測等により特徴点コーナーの概略的な位置
がわかった後は、その特徴点コーナーの周辺に上記ウイ
ンドを設定して、そのウインド内のみのデータ処理によ
り、特徴点コーナーの正確な座標測を短時間に行うこと
が可能になる。

上記ウインドの設定に際しては、各ウインドにそれぞれ
特徴点コーナーである頂点のみが独立に包含されるよう
に、そのサイズを設定する必要がある。それは、同一ウ
インドにおいて、複数個の頂点を検出してしまうと、ア
フィン逆変換を行うのに必要な特徴点を特定すること
が、一般に困難になるからである。

また、図形パターンをその内側からみて、頂角が180゜
未満の頂点を凸コーナー、180゜以上のものを凹コーナ
ーと名付けると、ウインドが設定される特徴点コーナー
は常に凸コーナーであり、ウインドの重心位置は、前述
したように、頂点間の距離が最も離れた２頂点を特徴点
コーナーとする場合、頂点間距離が下式の最大値を与え
るところの両頂点になる。

｜Ｍｊ−Ｍｉ｜＋｜Ｎｊ−Ｎｉ｜ （ｉ，ｊ∈｛１，２，……，１０｝） 従って、第１図の例では、Ｍ−Ｎデジタル座標系におけ
る頂点（Ｍ_１，Ｎ_１）及び頂点（Ｍ_５，Ｎ_５）がそれぞ
れウインド１及びウインド２の重心になる。

また、設定されるウインドの水平及び垂直方向のサイズ
は、可能な範囲内で小さいことが望ましいが、Ｍ−Ｎデ
ジタル座標系において、注目している特徴点コーナーの
Ｍ，Ｎ座標値と、その両側に隣接している両頂点のＭ，
Ｎ座標値との差で、いずれか小さい方の値が用いられ
る。従って、ウインド１及びウインド２の重心位置をそ
れぞれ（Ｍ_ｋ，Ｎ_ｋ），（Ｍ_ｌ，Ｎ_ｌ）とするとき、両
ウインドのサイズは下式で与えられる。

ウインド１の水平方向のサイズ ＭＩＮ（｜Ｍ_ｋ−１｜，｜Ｍ_ｋ＋１−Ｍ_ｋ｜） ウインド１の垂直方向のサイズ ＭＩＮ（｜Ｎ_ｋ−１−Ｎ_ｋ｜，｜Ｎ_ｋ＋１−Ｎ_ｋ｜） ウインド２の水平方向のサイズ ＭＩＮ（｜Ｍ_ｌ−１−Ｍ_ｌ｜，｜Ｍ_ｌ＋１−Ｍ_ｌ｜） ウインド２の垂直方向のサイズ ＭＩＮ（｜Ｎ_ｌ−１−Ｎ_ｌ｜，｜Ｎ_ｌ＋１−Ｎ_ｌ｜） 但し、ウインド設定後の輪郭追跡等のデータ処理に必要
な最小のサイズは確保する必要があるため、そのウイン
ドのサイズが一定最小値以下にならないように設定され
る。また、前述したように、特徴点コーナーの概略的な
位置を計測するに際して、メモリにおける複数ピクセル
毎のアクセスを可能にするなどにより、特徴点コーナー
の概略的位置が正確な位置との間でどの程度ずれている
かが判断できる場合には、ウインドのサイズの最小値の
設定に際してその点を考慮するべきである。

第２図は、上述した処理の流れを示すフローチヤート
で、図形パターンの頂点の数をｍ、頂点の種別（凹コー
ナー＝１，凸コーナー＝０）をＣ_ｉ，Ｃ_ｊ、頂点間の距
離をｌ_ｉｊにより示している。このフローチヤートにお
いて示しているように、上述の処理においては、ｉ及び
ｊの値を逐次更新しながら、凸コーナーの場合のみ二つ
の頂点間の距離ｌ_ｉｊを計算して、それが最大になる場
合のｉ，ｊにより、ウインドを設定する特徴点コーナー
が決定される。

特徴点コーナーの座標計測に際しては、このようにして
設定したウインドの内部のみのデータを処理することに
より、極めて短い時間内に正確な計測を行うことができ
る。特徴点コーナーの計測方法自体は、従来から用いら
れている任意方法を利用することが可能である。

このような特徴点コーナーの位置計測においては、マト
リクス・パターンの全体に比べて非常に小さいウインド
内における特徴点コーナーの座標を計測することによ
り、アフィン逆変換を実施するための２個の特徴点コー
ナーの正確な座標計測を短時間に効率良く計測すること
ができる。また、特徴点コーナーの位置情報である座標
データはＭ−Ｎ座標系のものであり、整数タイプである
ので、情報量が少なく、処理も高速化される。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の方法によれば、図形パターンに
おける特徴点コーナーの概略的な位置が検出であること
を前提とし、大量のデータ処理を行うことなく、簡単で
迅速な処理により、しかも計測精度を低下させることな
く特徴点コーナーの座標を計測することができる。

即ち、大容量メモリを用いて大量の図形パターンのデー
タを取込みながら、特徴点コーナーの概略的な計測の結
果に基づき、適切なウインドを設定してそれにより与え
られる必要部分のみを正確に計測することにより、図形
パターンの全体のデータを処理することなく、正確な図
形パターンの認識を極めて短時間に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測方法についての説明図、第２
図は上記計測方法における特徴点コーナーの検出等に関
して説明するためのフローチャートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出した図形パターンを２値化して、その
   輪郭部における頂点の抽出を行い、そのデータに基づい
   て図形パターンの認識を行うに際し、 上記輪郭部上の頂点のうちで図形パターンの認識のため
   に必要な特定の頂点を特徴点コーナーとして、 これらの特徴点コーナーの概略的な位置に、そこに重心
   を持つウインドをそれぞれ設定し、 これらのウインドの水平及び垂直方向のサイズを、デー
   タ処理に必要な最小のサイズ以下にならない範囲で、特
   徴点コーナーの概略的な座標値と、その特徴点コーナー
   の両側に隣接している両頂点の概略的な座標値との差の
   うちで小さい方の値とし、 このウインド内における特徴点コーナーの座標を、ウイ
   ンド内のみのデータの処理で計測することにより正確な
   座標計測を行う、 ことを特徴とするパターン認識のための特徴点コーナー
   の位置計測方法。