JPH0656287B2

JPH0656287B2 - 円柱形状物の位置検出装置

Info

Publication number: JPH0656287B2
Application number: JP59112104A
Authority: JP
Inventors: 啓介後藤
Original assignee: 株式会社明電舍
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1984-05-31
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: JPS60253902A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は円柱形状物、例えばコンクリートの埋込みボル
トや自動車のタイヤ取付部であるハブ面に埋込まれた複
数個のボルト（ハブボルト）のような、円柱形状を含む
機械部品等の位置検出装置に関するものである。

（従来の技術）機械部品の組立工程では、予め固定されたボルトに対し
て、固定したいと思う部分をはさんで、ナツトをはめこ
むことにより、その部品を決められた物理的位置にしつ
かりと固定するような場合が多い。このような場合、人
間はまず、ボルト位置を確認する作業をほとんど瞬間的
に行ない、次に確認したボルト位置に部品を持つて行
き、ナツトで締付ける、という２段階の作業を行なつて
いる。この作業を自動化するためにはボルト位置を高速
に認識し、計測する手段が必要である。

従来から、ボルトのような突起した部品に対しては、接
触型センサを用いて機械的に検出する方法が試みられて
きたが、このような方法の共通的な問題点として、機械
的に損傷を受け易く、摩耗のため長期的に安定した検出
を行なうことができないということがあげられる。ま
た、ボルト位置が予測できない場合には試行錯誤的に探
さなければならず時間がかかるなど実用上困難なことが
多く問題点を残す結果となつている。

そこで、接触型センサに代わるものとして、撮像装置を
利用して位置検出を行なう方法がある。非接触な情報に
よるものであるから接触型センサのように摩耗されるこ
ともなく、検出方法が一担確立されれば長期的に安定し
た装置となることができる。

ここで、従来よりボルトのような円柱形状部品を非接触
に検出する方法は多数提案されているが、それらは誤検
出の原因となる円柱の影ができないように照明を工夫し
た上で、円柱形状を直接的に抽出し、これに基づいて位
置を計測する方法をとつている。この方法の欠点は、対
象となる円柱形状と背景との明暗の差が明確に表せない
場合、円柱形状と背景の領域を区別できなくなるため、
位置を検出することができないことである。ハブボルト
のように、円柱形状物と周囲の材質が金属で似かよつた
色をしている場合には、どのように照明を工夫しても明
暗の差を明確にすることはできないので、この方法の適
用は困難であり、非接触型センサの長所を有しながら
も、問題点を残す結果となつている。

また、入力画像中の図形を認識する方法として、パター
ンマツチング法がよく知られている。パターンマツチン
グ法は記憶領域上に定義された標準図形パターンを入力
画像中で走査しながら最もよいマツチングのとれる領域
を探す方法が代表的である。

この方法は原理的に簡単であるが、画像中の対象となる
図形とは無関係なところでもマツチングを行なわなけれ
ばならず、その分処理が冗長である。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は上記の点に鑑みなされたもので、円柱形状物を
非接触で位置検出することができるとともに、円柱形状
物の色および材質と背景の色および材質とが同一であつ
ても正確に円柱形状物の位置検出ができ、且つ位置検出
処理の高速化を図つた円柱形状物の位置検出装置を提供
することを目的としている。

（問題点を解決するための手段）本発明は、予め設定したパラメータに基づいて円柱形状
物の投影像パターンをパターン発生回路によつて作成
し、このパターン発生回路で作成された投影像パターン
および該パターンにおける円柱形状物の中心位置データ
を記憶部に記憶し、この記憶部に記憶された投影像パタ
ーンに基づいて投影像領域の範囲を特徴抽出回路によつ
て決定し、所定の投光手段によつて照射された対象物の
投影像を撮像して得られる画像入力信号を量子化装置に
よつて量子化し、この量子化装置の出力信号のうち前記
特徴抽出回路で決定された範囲を満足する画像領域を概
略位置検出回路によつて抽出し、この検出回路で抽出さ
れた画像領域に対応し且つ前記記憶部に記憶された投影
像パターンを判別回路によつて前記概略位置検出回路で
抽出された画像に重ねるとともに、これら重ねられた画
像が一致する割合が所定値以上有るときに前記概略位置
検出回路で抽出された画像信号を通過させ、この判別回
路を通過した画像信号と前記記憶部に記憶された円柱形
状物の中心位置データとを比較回路によつて比較して対
象物の中心位置を検出するようにしたことを特徴として
いる。

（実施例）以下、図面を参照しながら本発明の一実施例を説明す
る。まず、本発明は、例えば第２図(a)，(b)に示すよう
な円柱形状の機械部品１等の面に対して、第３図に示す
如く斜め上方から照明装置２によつて光をあて、これに
よつて生ずる円柱形状の投影像１ａをカメラ等の撮像装
置３で撮像することが一つの特徴となつている。

第１図は本発明の一実施例を示す回路図であり、この図
において、撮像装置３は投光手段、例えば照明装置２に
よつて照射された円柱形状物１の投影像１ａを撮像す
る。４は撮像装置３で得られた画像入力信号を量子化す
る量子化装置である。５は後述する投影像パターンを発
生させる為のパラメータを設定するパラメータ設定回
路、６は円柱形状物の投影像パターンを発生させるパタ
ーン発生回路である。このパターン発生回路６で作成さ
れた投影像パターンはパターン記憶回路７に記憶され、
またパターン発生回路６で作成された投影像パターンに
おける円柱形状物の中心位置データは、中心位置記憶回
路８に記憶される。９はパターン記憶回路７に記憶され
た投影像パターンに基づいて投影像領域の範囲を決定す
る特徴抽出回路である。10は量子化装置４の出力信号の
うち特徴抽出回路９で決定された範囲を満足する画像領
域を抽出する概略位置検出回路である。この検出回路10
で抽出された画像は、判別回路11においてパターン記憶
回路７に記憶されたパターンのうち前記検出回路10で抽
出された画像領域に対応する投影像パターンと重ね合わ
せられる。判別回路11で重ねられた画像が一致する割合
が所定値以上有るときは、前記検出回路10の出力信号が
円柱形状物１の投影像１ａの画像であると判別される。
この場合前記検出回路10で抽出された画像信号が比較回
路12に送られる。比較回路12は判別回路11の出力信号と
前記中心位置記憶回路８に記憶された円柱形状物の中心
位置データを比較することによつて円柱形状物１の中心
位置を求める。

次に前記パラメータ設定回路５とパターン発生回路６の
詳細について述べる。

第３図において、ｈは円柱形状物１の高さ、ｒは円柱形
状物１の半径、φは照明装置２と投影面とのなす角度、
θは投影面における水平軸と、照明中心から投影面に下
した点と円柱形状物１の中心を結ぶ直線とのなす角度を
示している。さらに、ｌは円柱形状物の投影像１ａの長
さを示している。

いま、第３図に示すように、投影面に垂直に上方から撮
像すると第４図に示すような円柱形状物の投影像に関す
る画像が得られる。原点を図示Ａのようにとれば、円柱
形状物の投影像１ａは次の４条件で表すことができる。

これらの条件から、円柱形状物の投影像の範囲を次のよ
うに与えることができる。

｛（条件１）ｎ（条件２）ｎ（条件３）｝Ｕ（条件４）
…(2) ここに、Ｕは論理和、ｎは論理積であることを示す。

また、円柱形状物の中心位置を（ｘ₀，ｙ₀）とすれば次
のように与えることができる。

以上のように、円柱形状物１の投影像１ａと位置がｒ，
ｌ，θで表わせることが明らかとなる。

なおｌはｈとより、ｌ＝ｈ／tan で与えられるの
で、結局、照明装置２と撮像装置３のセツテイングによ
つて決められるθ，と検出対象となる円柱形状物１の
半径ｒと高さｈで表わしてもよい。

通常，照明装置や撮像装置は一担セツテイングされると
計測中に動かすことはなく、θおよびは定数として与
えることができる。従つて計測対象となる円柱形状物に
関するｒとｈを与えることで簡単に円柱形状物の投影像
パターンを簡単に作成できる。

第５図はパターン発生回路６における投影像パターンの
発生例である。図において、Ｌは円柱形状物の投影像の
長さｌに対応する画素数、Ｒは半径ｒに対応する画素数
であり、それぞれ次の関係がある。

ここに、Iw：画像の大きさ、Ｅ_Ｗ：視野の大きさで、Ｅ
_W／Ｉ_Wは画像の分解能である。

また、図のように投影像パターンの記憶領域をｎ×ｎの
大きさにとれば、記憶領域上の画素の位置Ｐ（ｉ，ｊ）
と(1)式における座標点Ｐ（ｘ，ｙ）との対応はたとえ
ば次のようにとることができる。

これらのＬ，Ｒ，ｉ，ｊ，およびθにより、(2)式の範
囲を満足する記憶領域上の位置については０（黒に相
当）、満足しない位置に対しては１（白に相当）とした
パターンを発生させればよい。

このように作成された投影像パターンはパターン記憶回
路７に記憶され、このパターンにおける円柱形状物の中
心位置データは中心位置記憶回路８に記憶される。

上述のようにして、記憶領域上に作成した投影像パター
ンは幾つかの特徴を有しているが本発明では以下に示す
特徴量もまた、パターン作成時に抽出し、記憶してい
る。

投影像パターンに基づいて、まず、行方向，列方向の周
辺分布テーブルを第５図のように作成し、記憶する。周
辺分布は行方向，列方向に沿つて図形を投影したもの
で、投影像パターンの場合は行または列方向に０の値が
連続して現われる画素（連結画素と呼ぶ。また、１組の
連結画素を連結成分と呼ぶ）の数に関するテーブルとし
て与えている。周辺分布は投影像パターンの特徴をよく
表わしている。

次に、特徴抽出回路９ではこれらの周辺分布テーブルか
ら、入力画像中の円柱形状物の投影像を探索するため、
行または列方向の連結画素の範囲（探索範囲と呼ぶ）を
次のようにして求める。行方向の連結画素数をＬ_i，列
方向の連結画素数をＬ_ｊとすれば、各テーブルより、ここに、Ａ（ｋ₁），Ａ（Ｋ₂）は行方向周辺分布テーブ
ルのＫ₁，Ｋ₂番目の値で、Ａ（Ｋ₁）＜Ａ（Ｋ₂）である
ように選んだものであり、Ｂ（ｍ₁），Ｂ（ｍ₂）も同様
に列方向周辺分布テーブルのｍ₁，ｍ₂番目の値で、Ｂ
（ｍ₁）＜Ｂ（ｍ₂）であるように選んだものである。

次に概略位置検出回路10の詳細を述べる。

撮像装置４から入力された信号を量子化して得られる０
と１のパターンを持つ画像（入力画像）中の円柱形状物
の投影像はある一定のかたまりを持つ０の値の集合で表
現されることから、円柱形状物の投影像を抽出するに
は、行方向，列方向にそれぞれ投影像パターンから得ら
れた探索範囲内にあるような連結成分を探せばよい。そ
の方法は次のように行なう。

i) 入力画像の行方向に順に０の連結画素を探してゆ
き、探索範囲を満足するものについて始点，終点を１組
とするアドレステーブルを作成する。同様にして列方向
についてもアドレステーブルを作成する。（第６図） ii) これらのアドレステーブルより、行，列方向に対
して同時に連結成分が存在する位置を抽出する。すなわ
ち、行方向アドレステーブルの各列における始点と終点
の範囲で示される行方向連結成分に対応した列方向アド
レステーブルの各行について、始点，終点の範囲で示さ
れる列方向連結成分の中から行方向アドレステーブルの
列アドレスに対応する位置を抽出すればよい。円柱形状
投影像が複数個ある場合も一度に得られる。なお、１つ
の領域について複数の位置が抽出される場合があるが、
その場合には、それらの位置の距離を測定し、例えば次
式のように判定する。相異なる２点を（ｉ₀，ｊ₀），
（ｉ₁，ｊ₁）とすれば｜ｉ₁−ｉ₀｜＋｜ｊ₁−ｊ₀｜≦Ｄ ………(7) ここで、Ｄは適当に定めた正の値である。この条件を満
たすものは２点の位置が接近している場合であり、何れ
かを棄却する。

このようにして、円柱形状物の投影像と考えられる領域
を検出でき、これらの概略位置を記憶する。概略位置が
決まると、その位置（(Ｉ，Ｊ)とする）に関する行，列
方向の連結画素数Ｌ_Ｉ，Ｌ_Ｊと最もよく一致する投影像
パターンの周辺分布テーブル上の位置（（ｉ，ｊ）とす
る）を求める。これは次式のように行なう。行，列方向
周辺分布テーブルにおける連結画素数をそれぞれ、Ａ
(i)（｜≦ｉ≦ｎ）、Ｂ(j)（｜≦ｊ≦ｎ），とすれば、 min(|L_I-A(i)|+|L_J-B(j)|) ………(8) (8)式より、概略位置に対応する投影像パターンの位置
（ｉ，ｊ）が得られる。そこで判別回路11では、投影像
パターンの位置（ｉ，ｊ）が概略位置（Ｉ，Ｊ）になる
ように入力画像上に投影像パターンを重ね合せ、円柱形
状物の投影像かどうかを次のようにして判定する。

i) 投影像パターンを基準として、パターン内の投影像
と一致する割合が一定値以上の場合 ii) 投影像パターンを基準として、パターン内の背景
の部分と一致する割合が一定値以上この２つの条件を同
時に満たす場合に円柱形状物の投影像と判定する。

このように判別回路11において入力画像中の円柱形状物
の投影像が得られると、投影像パターンにおける円柱形
状物の中心位置データ（記憶回路８）を利用して円柱形
状物の中心位置を検出することができる。

すなわち、入力画像中の円柱形状物の中心位置を
（Ｉ₀，Ｊ₀）とすれば比較回路12において次のように求
められる。

ここに、（Ｉ₁，Ｊ₁）：入力画像中の円柱形状投影像上
の任意の位置（ｉ₁，ｊ₁）：投影像パターンにおいて（Ｉ₁，Ｊ₁）に
対応する位置（ｉ₀，ｊ₀）：投影像パターンにおける円柱形状中心位
置 (3)式より、ｎ×ｎの領域であれば、次のようになる。

本発明によれば、処理に要する時間は概略位置探索にお
ける行および列方向アドレステーブル作成に要する時
間、これらのアドレステーブルから概略位置を抽出する
のに要する時間、および、投影像パターンとの整合と判
定に要する時間、中心位置検出に要する時間となる。

いま、入力画像のサイズをＮ×Ｎ画素とすれば、行およ
び列方向アドレステーブル作成に要する時間はそれぞれ
Ｎ²に比列した時間となる。これらのテーブルは並列的
に処理できる。テーブルとして得られた連結成分数をそ
れぞれｍ₁，ｍ₂とし、また、投影像パターンのサイズを
ｎ×ｎとすれば、通常，Ｎ≫ｍ₁，ｍ₂，ｎであるので、
結局アドレステーブル作成時間が最も時間がかかるとい
える。従つて、全体にかかる時間もＮ²に比例した時間
といえる。それゆえ、従来のパターンマツチング法に比
べて処理時間の節約が行なえる。

（発明の効果）以上のように本発明によれば次のような効果が得られ
る。

(1) 機械部品における円柱形状物の位置検出が容易に
行える。

円柱形状物としては、例えば、コンクリートの埋込みボ
ルトや自動車のタイヤ取付部であるハブ面に埋込まれた
ボルトなどがある。

(2) 非接触にて検出ができるので摩耗などの機械的損
傷がなく安定した検出が行える。

(3) 照明を一方向から与えることにより生じる円柱形
状物の投影像を対象としているため、円柱形状投影像と
周囲の明暗の差が、円柱形状そのものと周囲の明暗の差
より明確に区別できる。

従来から、円柱形状と周囲の材質が同一の場合には、明
暗の差が小さいため、円柱形状を抽出することが困難で
あつたが、本発明によれば、同一の材質でも容易に区別
できる。

(4) 円柱形状投影像から円柱形状の中心位置を推定で
きる。

(5) 特徴抽出回路によつて投影像領域の範囲を決定
し、その範囲に基づいて入力画像中の対象図形の概略位
置決めを行ない、対象図形とは関係のない領域ではパタ
ーンマツチングを行なわないようにしたので、位置検出
処理の高速化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図(a)，
(b)はともに円柱形状部品の一例を示す斜視図、第３図
は本発明の一実施例の要部を説明する説明図、第４図は
円柱形状物の投影像図、第５図は円柱形状物の投影パタ
ーンの発生例と周辺分布テーブルを示す説明図、第６図
はアドレステーブル作成例を示す説明図である。１……円柱形状物、１ａ……投影像、２……照明装置、
３……撮像装置、４……量子化装置、５……パラメータ
設定回路、６……パターン発生回路、７……パターン記
憶回路、８……中心位置記憶回路、９……特徴抽出回
路、10……概略位置検出回路、11……パターン判別回
路、12……比較回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円柱形状物の投影像を所定の条件で撮像し
た信号に基づいて作成した投影像パターンと、前記と同
一条件で撮像した検出対象物の投影像とのマッチングを
行って円柱形状物の位置を検出する装置において、予め設定したパラメータに基づいて、円柱形状物の投影
像を撮像した信号の複数の画素について２値化を行って
投影像パターンを作成するパターン発生回路と、このパ
ターン発生回路で作成された投影像パターンおよび該パ
ターンにおける円柱形状物底面の円の中心座標を表す中
心位置データを記憶する記憶部と、この記憶部に記憶さ
れた投影像パターンに基づいて投影像領域の範囲を決定
する特徴抽出回路と、所定の投光手段によって照射され
た対象物の投影像を撮像して得られる画像入力信号を２
値化する量子化装置と、この量子化装置の出力信号のう
ち前記特徴抽出回路で決定された範囲を満足する画像領
域を抽出する概略位置検出回路と、この検出回路で抽出
された画像領域に対応し且つ前記記憶部に記憶された投
影像パターンを前記概略位置検出回路で抽出された画像
に重ねるとともに、これら重ねられた画像のデータが一
致する個数が所定数以上有るときに、前記概略位置検出
回路で抽出された画像信号を通過させる判別回路と、こ
の判別回路を通過した画像信号と前記記憶部に記憶され
た円柱形状物の中心位置データを比較する比較回路とを
備えたことを特徴とする円柱形状物の位置検出装置。