JPH076779B2 - 三次元物体認識方法及びその装置 - Google Patents

三次元物体認識方法及びその装置

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JPH076779B2
JPH076779B2 JP61205053A JP20505386A JPH076779B2 JP H076779 B2 JPH076779 B2 JP H076779B2 JP 61205053 A JP61205053 A JP 61205053A JP 20505386 A JP20505386 A JP 20505386A JP H076779 B2 JPH076779 B2 JP H076779B2
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拓史 岡田
清治 秦
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は三次元物体認識方法及びその装置に係り、特
に、高速で立体形状を認識する必要がある生産ライン等
に配置するのに好適な三次元物体認識方法及びその装置
に関する。
〔従来の技術〕 従来、三次元物体の認識方式としては、両眼立体視やス
リット光全面操作法等の多くの研究がなされている。例
えば、文献「パターン投影法と2台のカメラを用いた三
次元物体の計測」,青木則夫他3名、電子通信学会技術
研究報告,Vol83,No.309,(1984)では、複数本のスリッ
トパターンを物体にあて、これを2台のカメラによって
両眼立体視することにより、物体の三次元位置を求めて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、この方法によれば、2台のカメラで取り込んだ
複数本のパターン形状を解析しなければならず、画像処
理量が多くなり、生産ライン等で必要なリアルタイム
(数百msec)での認識は困難である。また、対象となる
3次元物体の形状の性質を知識として用いていないの
で、物体認識を誤る可能性が大きい。
本発明の目的は、生産ライン等においてリアルタイムで
三次元物体の認識・検査が行なえる三次元物体認識方法
及びその装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
三次元物体を認識するには、物体を構成する各面の方程
式が全てわかればよい。しかし、例えば直方体とか直方
体が組み合わさってできている物体では、隣接面が直角
をなすことが予めわかっているので、必ずしも全ての面
の方程式を求める必要はない。例えば、直方体の場合に
は、隣接する2つの平面の方向と、それらの面の頂点座
標がわかれば、残りの頂点座標や面の方向を推定して求
めることができる。
そこで本発明では、パターンを物体に撮影し、そのパタ
ーンの凹凸関係と、予め与えられている物体面間の関係
とから、物体の全ての面を直接抽出することなく三次元
物体の全体形状を高速に認識し、更にそ結果を展開図と
して表示する。
〔作用〕
例えば直方体を認識する場合には、まず基準となる1つ
の面の方向と、その面の頂点の空間位置を求め、次にそ
の面の隣接面と思われる面を求める。そして、残りの面
については直方体の面関係から算出し、得られた三次元
物体を展開図の形で3面、例えば平面図、正面図、側面
図を表示する。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本実施例の構成図で、TVカメラ1と、2台のス
リット光プロジェクタ2と、画像処理装置3と、コンソ
ール4と、ディスプレイ5と、モニタ6と、凹凸検出装
置7と、面関係処理装置8と、物体9とから成る。尚、
物体9として直方体を例に以下説明する。
2台のプロジェクタ2はTVカメラ1に対して斜めに取り
付けられており、TVカメラ1と組み合わせて、空間的な
位置を検出する空間位置測定装置を構成する。本実施例
を用いる空間位置測定装置の原理を第2図を用いて説明
する。第2図に示すように、プロジェクタ2から出たパ
ターンが面Aにあたると、そのあたったパターン上の点
P1の像は、TVカメラ1の撮影面上ではy1の位置にでき
る。また、面A′にあたると、パターン上の点P2の像は
y2の位置にできる。このように、パターンがプロジェク
タ2の投射軸L上のどこで面にあたるかにより、TVカメ
ラ1上の位置が変わる。この結果、TV画面上のどの位置
にパターンができたかで、TVカメラから面までの距離l
を求めることができる。プロジェクタ2はTVカメラ1に
対して斜めに取り付けられているので、パターンが物体
にあたると斜め方向の帯を形成する。その斜め線をTVカ
メラ1で見ると、斜め面がTVカメラ1から遠くなるほ
ど、TV画面上では上方に昇っていく。また、y方向(TV
の走査方向)は、yが大きいほどTV画面では右側に写
る。この関係から、撮影面上に結像したパターン上の点
の座標値(I,J)により、その点に対応する空間位置
(y,z)が求められる。また、プロジェクタ2はTVカメ
ラ1に対して固定されているので、パターンの傾きを利
用して、y座標からx座標を求めることができる。従っ
て、パターンのTV画面内の座標(I,J)から空間位置
(x,y,z)を求めることができる。以上の原理を用い
て、左右のプロジェクタ2,2からのパターン上の任意の
点の空間位置を求めることができる。以下、直方体の各
面の認識を行う手順を詳細に説明する。
第3図は左右のプロジェクタ2,2によるパターン物体9
に投射したときの物体9上のパターンを表わす図であ
り、各面の境界でパターンは折れ曲がる。第4図はその
パターンをTV画面上に撮したものであり、R1,R2,R3は右
プロジェクタパターンの折れ曲がり点,L1,L2,L3は左プ
ロジェクタパターンの折れ曲がり点である。これ等の折
れ曲がり点を凹凸検出装置7を用いて検出する手段を第
5図に示す。第5図において、ブロック11はTVカメラで
撮影したパターン、ブロック12はプロジェクタを消した
ときの、物体だけを撮影した画面である。この2つの画
面の差、即ち各画素の明度をひとつひとつ引き算する
と、ブロック13に示すように凹凸ができたパターンのみ
が抽出される。そこで、ブロック14に示すように、抽出
したパターンに直線をあてはめ、同一直線上からはずれ
たところを折れ曲がり点として抽出する。このようにし
て、R1,R2,R3,L1,L2,L3の画面座標(I,J)と空間座標
(x,y,z)とを前述の測定原理から求める。
次に、基準面S1を抽出し、この頂点P1,P2,P3,P4の空間
位置を計算する。この計算手段を第6図に示す。第6図
において、ブロック21では、左右のパターンが交わって
存在する線分、 を検出する。線分 は明らかに同一平面上にあるので、その面を抽出するた
めに、濃淡画像処理を用いる。TVカメラで撮影した画像
は、通常256×256の画素に分解され、各画素には0から
255までの段階で明度が付与されている。濃淡画像処理
では、この明度が大きく変化するところを領域の境界と
して抽出する。ブロック21に示すように、線分 上の画素の何点かの明度をサンプリングし、ブロック22
で平均値f0と標準偏差σを計算する。同一平面上では各
画素の明るさfはほぼ一定であると期待できるので、面
抽出オペレータとして、 |f−f0|<α・σ (1) を用いればよい。ここでαはパラメータで、1のオーダ
ーである。式(1)を満たす領域を抽出し、輪郭を点列
で表わすとブロック23のようになる。ここで、ブロック
24で抽出した面の点列数や面積を計算してチェックし、
容認できる値ならばブロック25へ処理を移す。例えば点
列数が3とか、面積が1画素とか10000画素とか容認で
きない値の場合には、ブロック26でパラメータαを少し
変えてα±Δα(Δα≪α)とし、ブロック23の抽出を
くり返す。ブロック25では、抽出した頂点列から4本の
直線を抽出し、それらの交点P1,P2,P3,P4を求める。最
後に、頂点P1,P2,P3,P4の空間位置を計算する。P1,P2,P
3,P4の画面座標(I,J)は既知であるので、画面座標
(I,J)と空間位置(x,y,z)との関係を表わす式が求ま
ればよいことになる。ところで、パターン上の点R1,R2,
L1,L2においては、画面座標と空間位置が両方共既知で
あるから、線形関係 x=axI+bxJ+cx (2) y=ayI+byJ+cy (3) z=azI+bzJ+cz (4) を仮定すると、4点R1,R2,L1,L2の(I,J)と(x,y,z)
の関係から、係数ax,ay,az,bx,by,bz,cx,cy,czを求める
ことができる。従って、頂点P1,P2,P3,P4の空間座標
を、これらの係数を用いて計算することができる。
次に、基準面S1の隣接面S2の抽出を考える。第7図のブ
ロック31に示すように、S1上のパタ 度をサンプリングし、第6図の処理と同様の処理を用い
て、ブロック32で面S2の輪郭を抽出し、頂点P5,P6,P7,P
8の画面座標を計算する。次にブロック33で、基準面S1
の頂点P1,P2,P3,P4と同一の頂点があるかどうか調べ、
同一の点があれば頂点の番号を入れ替える。ブロック34
はその結果を示したものであるが、P2とP8,P2とP7が同
一頂点と同定されている。最後に、頂点P5,P6の空間位
置を求めるのであるが、4点R2,R3,P2,P3の画面座標と
空間座標がわかっているので、面S2に関する式(2)〜
(4)を用いて係数を決定することができる。従って、
P5,P6の画面座標から空間位置を計算することができ
る。S1,S2の2つの面の各頂点の空間位置がわかったの
で、直方体の場合には、面関係から残りの面の頂点座標
を求めることができる。
以下、面関係処理装置8内で行なわれる処理について詳
述する。第8図に示すように、ブロック41でコンソール
4から直方体であるという指示が面関係処理装置8へ送
られる。ブロック42の面関係処理装置には、立方体、直
方体、円柱、円錐などの形状別に面関係が記憶されてい
る。直方体が選択されると、ブロック43に格納されてい
る直方体の面関係が参照される。ブロック43には直方体
の性質として、頂点数が8個,面数が6個、各頂点から
直交する3本の直線が出る等の情報が入っている。一
方、ブロック44では、前述のように画像処理装置3内で
求めた頂点P1〜P6の空間位置が、面関係処理装置8に入
力される。そこで、まず、頂点数が8個あるかどうかチ
ェックされる。頂点数が6個しかないので、残りの2個
の頂点が計算されるが、その手順は、6個の頂点のうち
で、線分が2本しか出ていない頂点を見つけ、その2本
のどちらにも直交するように直線を引く。それらの直線
の交点を求めると、残りの頂点P7,P8が求まる。以上の
処理はブロック45で行なわれるが、そのフローを第9図
に示す。
以上のようにして、直方体の8個の頂点の空間座標が求
まると、その情報は画像処理装置3(第1図)へ送ら
れ、直方体を平面図、正面図、側面図としてディスプレ
イ5に表示する。第10図にその表示方式について詳述す
る。ブロック51で、頂点P1,P2,P3,P4から作られる面
S1、P2,P3,P5,P6から作られる面S2、P1,P2,P6,P7から作
られる面S3の各法線ベクトル を求める。ブロック52で、S1上の頂点P1,P2,P3,P4の空
間位置を、 方向から見た位置に変換する。こうすれば、面S1は平面
画像とみなせるから、ディスプレイ5上に表示し、平面
図とすることができる。同様にして、ブロック53では面
S2方向から見た図形に変換し正面図とし、ブロック54では
面S3方向から見た図形に変換し側面図とする。最後にブロッ
ク55でディスプレイ5上に各面を表示すればよいが、そ
の際には空間位置のスケールと画面座標のスケールを適
当に合わせて、都合の良い大きさに表示する。
以上述べたように、本実施例によると、左右のパターン
を切り出して面関係を利用することにより、2面のみを
抽出すれば直方体を認識できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、面関係情報を利用することによって立
体形状が認識できるので、以下の効果がある。
(1)立体の全ての面の形状を認識する必要がなく、高
速に立体認識ができるので、生産ライン等でのリアルタ
イムでの認識が可能となる。
(2)面関係情報を新しく付け加えることにより、色々
な立体形状認識が可能となるので、汎用性に富む。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例に係る三次元物体認識装置の
全体構成図、第2図は空間位置測定原理図、第3図は物
体上に投射したパターンの概念図、第4図は第3図に示
したパターンのTV画面図、第5図はパターン凹凸処理の
フローチャート、第6図は基準面抽出方法を示すフロー
チャート、第7図は基準面隣接面抽出方法を示すフロー
チャート、第8図は面関係処理方法を示すフローチャー
ト、第9図は第8図に示したブロック45の詳細フローチ
ャート、第10図は物体認識結果表示手段を示すフローチ
ャートである。 1……TVカメラ、2……スリット光プロジェクタ、3…
…画像処理装置、4……コンソール、5……ディスプレ
イ、6……モニタ、7……凹凸検出装置、8……面関係
処理装置、9……物体。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】TVカメラ等の平面画像入力装置と、その平
    面画像を処理する画像処理装置と、スリット光等の直線
    的なパターンを投影するプロジェクタを用いて空間的な
    位置を検出する空間位置測定装置を備える物体認識装置
    において、物体に前記パターンを投射したとき該パター
    ンが物体面上で屈曲する凹凸関係を抽出する凹凸検出手
    段と、予め各種立体形状の隣接面の関係を記憶した記憶
    手段と、前記物体の立体形状の種類が指定されたとき前
    記記憶手段に記憶されている該指定に係る立体形状の隣
    接面の関係と前記凹凸検出手段が抽出した凹凸関係とか
    ら前記物体の全ての面の認識を行う面関係処理手段とを
    備えることを特徴とする三次元物体認識装置。
  2. 【請求項2】TVカメラ等の平面画像入力装置と、その平
    面画像を処理する画像処理装置と、スリット光等の直線
    的なパターンを投影するプロジェクタを用いて空間的な
    位置を検出する空間位置測定装置を備える物体認識装置
    において、物体に前記パターンを投射したとき該パター
    ンが物体面上で屈曲する凹凸関係を抽出し、予め各種立
    体形状の隣接面の関係が記憶され前記物体の立体形状の
    種類が指定されたとき該指定に係る立体形状の隣接面の
    関係と前記凹凸関係とから前記物体の全ての面を認識す
    ることを特徴とする三次元物体認識方法。
JP61205053A 1986-09-02 1986-09-02 三次元物体認識方法及びその装置 Expired - Lifetime JPH076779B2 (ja)

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JPS6361108A JPS6361108A (ja) 1988-03-17
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JP2767340B2 (ja) * 1991-12-26 1998-06-18 ファナック株式会社 物体の3次元位置・姿勢計測方式
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