JPS6222009A - 三次元物体認識方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ビデオカメラを用いて、三次元物体として
の対象物の表面形状をＬｌｌｉｆｔするのに適用される
三次元物体認識方法に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、三次元物体の表面形状を認識する三次元物
体認識方法において、異なる光源からの照明光の夫々に
より得られた複数の撮像信号から、複数の撮像信号に夫
々含まれる対応する画素に関して所定の関係式からなる
連立方程式をたて、この連立方程式を満たす未知数即ち
対象物の形状（傾き）１反射率等を定量的に求めること
ができる三次元物体認識方法である。

〔従来の技術〕

従来の三次元形状の認識装置として、機械的な接触式の
ものが知られている。また、２方向からのカメラ位置か
ら対象物体を撮像し、三角測量を応用して光学的な三次
元形状の認識装置も提案されている。

従来の接触式の三次元形状の認識装置は、対象物が固い
ことが要求され、高速動作が不可能であること、分解能
が低い等の欠点を有していた。

三角測量を応用した光学的な認識装置は、演算量が多く
なり、演算時間が長（なり、装置が大規模になる問題点
を有していた。

そこで、本願出願人は、ビデオカメラを用いて２枚の濃
淡画像を基本的に入力するだけで良く、高速動作が可能
な三次元物体の認識方法を提案している。

この三次元物体の認識方法は、対象物の表面の散乱特性
を仮定して測光立体法により近似的な表面の勾配を求め
、その勾配を滑らかに積分することにより、非接触且つ
自動的に表面形状を認識するものである。

しかしながら、この認識方法は、表面の拡散反射率が均
一であることを前提としており、また、鏡面反射を考慮
しない方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

先に提案している三次元物体の認識方法は、認識の精度
が低く、認識できる光学的属性が限定されていた。

従って、この発明の目的は、三次元物体の傾き。

拡散反射率、鏡面反射率２面の粗さを検出し、三次元物
体の形状と表面の光学的属性とを定量的に認識すること
ができる三次元物体認識方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、対象物の周囲に１台のカメラと複数の光源
とを設け、この複数の光源の夫々が照射される時の輝度
信号をカメラから得、複数の輝度信号の対応する画素の
信号を用いて所定の関係式を満たす画素の傾きと反射率
を算出する三次元物体認識方法である。

〔作用〕

カメラの光軸に対して所定の関係で互いに等しい輝度の
複数の光源が配されており、各光源からの照明光が照射
されている対象物を撮影することにより、複数の静止画
信号が得られる。この静止画信号中の各画素のレベルは
、対象物の表面の傾き２反射率等によって異なるので、
各光源と対応して連立方程式が得られ、この連立方程式
を解くことにより、三次元物体の認識が可能となる。

「 〔実施例〕 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。第１図において、１が対象物（図示の例では、対
象物１が人の頭部の石膏像）である。対象物１は、拡散
反射を主体とし、鏡面反射は、無視できる程度に少ない
表面を有するものである。

対象物１の前面の−の視点に例えばＣＣＤ撮像素子を使
用したビデオカメラ２が配され、このビデオカメラ２に
より対象物１が撮像される。このビデオカメラ２の画面
と平行にＸ軸及びｙ軸をとり、ビデオカメラ２の光軸方
向に２軸をとる。Ｘ軸は、ビデオカメラ２の画面の水平
方向と一致し、ｙ軸は、ビデオカメラ２の画面の垂直方
向と一致している。

ビデオカメラ２の光軸を含む（ｘ、ｚ）平面内で、光軸
に関して互いに等しい天頂角でもって、互いに等しい輝
度の２個の照明光が対象物１に照射される。各照射光は
、２個の光源３及び光源４から発生する平行光である。

また、ビデオカメラ２の光軸を含む（ｙ、　　ｚ）平面
内で、光軸に関して互いに等しい天頂角でもって、互い
に等しい輝度の２個の照明光が対象物１に照射される。

各照明光は、２個の光源５及び光源６から発生する平行
光である。

第２図は、ビデオカメラ２．光源３及び光源４の配置関
係を示している。θが天頂角である。また、第３図は、
ビデオカメラ２．光源５及び光源６の配置関係を示して
いる。第２図及び第３図から明らかなように、（ｘ、ｙ
）平面内の被写体１゜ビデオカメラ２．光源３及び光源
４の配置関係と、（ｙ、ｚ）平面内のこれらの配置関係
とは、同一のものとされている。

ビデオカメラ２は一方の光源３からの光のみが照射され
ている対象物１を撮像し、第１の静止画像信号を発生す
る。また、ビデオカメラ２は、他方の光源３からの光の
みが照射されている対象物１を撮像し、第２の静止画像
信号を発生する。同様に、ビデオカメラ２は、一方の光
源５からの光のみが照射されている対象物１を撮像し、
第３の静止画像信号を発生し、他方の光Ｒ６からの光の
みが照射されている対象物１を過像し、第４の静止画像
信号を発生する。

これらの静止画像信号の各画素のレベルで表される対象
物の反射輝度をＩＩ、１２．１３．１４により示す。Ｉ
ｌ及びＩ２は、光源３を照射することにより得られた第
１の静止画像信号及び光源４を照射することにより得ら
れた第２の静止画像信号の夫々の画素のレベルと対応す
る。同様に、Ｉ３及びＩ４は、光源５及び光源６を照射
することにより得られた第３の静止画像信号及び第４の
静止画像信号の夫々の画素のレベルと対応する。

今、対象物ｌの表面の各部が拡散反射率ａｃの完全拡散
面からなるとした時、対象物１の単位面の法線ベクトル
を（［Ｎ＝Ｎｘ　ｘ−＋−Ｎｙ　ｙ　＋Ｎｚ１）として １１　＋ｗ３ｃＮｘ　ｓｉｎθ＋ａｃＮｚｃｏｓθＩ　
２−−ａｃＮｘ　ｓｉｎθ＋ａｃＮｚｃｏｓ　θｌ３＝
ａｃＮｙｓｉｎθ＋ａｃＮｚｃｏｓ　θ１４ｗ−ａｅ　
Ｎｙ　ｓｉｎθ＋ａｅＮｚｃｏｓ　θ上述の反射輝度■
１及びＩ２に関する式を解くことにより が求まる。従って、面の傾きは、 Ｎｘ１ｌ−Ｉ２１ となる、また、反射輝度Ｉ３及びＩ４に関する式を解く
ことにより が求まる。そして、（Ｎｘ”＋Ｎｙ”＋Ｎｚ”−１）の
関係から　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　。

として、拡散反射率ａｃが求まる。また、ビデオカメラ
２として、カラービデオカメラを使用し、三原色信号の
各々についての拡散反射率を求めることにより、色を判
別することができる。

この発明の他の実施例について以下に説明する。

この他の実施例は、拡散反射率及び傾きと共に、鏡面反
射率及び鏡面粗さをも検出することを可能としたもので
ある。

この他の実施例は、鏡面反射光にかんする楕円体モデル
を導入する。即ち、長軸半径ａの周囲に回転した短軸半
径すををする原点を通る回転楕円体により鏡面反射光を
表現する。

直交座標（ｘ、ｙ、ｚ）において、長軸が（２−ｘ）平
面内に２軸からの天頂角θ、で配置されたとする。この
楕円体の式は 極座標に直す。

■式に０式を代入して整理すると、 ｒ　（ａ　＋　＋　ａ　ｚｃＯ３φ＋ａ−＊ＣＯｓ”　
φ）＋（ａ　ｍ　＋　ａ　５ｃｏｓφ）＝０・・・００
式からｒを求めると、 ２ｂ” ｒ　＝　□　× ｃｏｓθｃｏｓ　　θ、＋ｓｉｎ　　ａｓｌｎ　　θ、
ｃｏｓ　　φｂｔ １　＋（−１）　（ｃｏｓ　　θｃｏｓ　　θ、＋ｓｉ
ｎθｓｉｎ　　θ。ｃｏｓ　　φ）２・　・　・■ 拡散反射光のモデルは、天頂角θゎなる球体の式は、０
式のｂをａにして ｒ　＝　２　ａ（ｃｏｓθｃｏｓθｃ＋ｓｉｎθｓｉｎ
θｃ＋ｃｏｓφ）・・・■ となる。

上述の楕円体モデルを第１図の構成のように、ｉ個の定
輝度の光源を配した時に、ｚ軸からの天頂角θ、＝θ、
Ｘ軸からの各々の方位角が！五であるとする。。

画素面の法線のなす角をＮθ、Ｎφとすれば、前述の０
式及び０式との間で、 の関係が成立する。従って、光源ｉによって照明された
時の画素照度ｒｌは、拡散反射光の式と鏡面反射光の式
とからなる下式のものとなる。

ｒｉ　　＝ ２ａｅ　（ｃｏｓＮθｃｏｓ　θｃ＋５ｉｎＮθｓｉｎ
　ｅｃ　ｃｏｓ（Ｎφ−甲、）２ｂ、　” ＋□× ｃｏｓＮ　θｃｏｓ　０ｍ　＋５ｉｎＮ　θｓｉｎ　θ
、　ｃｏｓ（Ｎ　φ−甲１）０式は、未知数として、Ｎ
θ、Ｎφ＊　　ａＣ＋　　ａｌｌ　＋ｂ、の５つを含ん
でいる。従って、一般的には、５個以上の光源を用いて
５個以上の連立方程式を得、これを満足する値を求めれ
ば良い。０式において、 Ｎθ、Ｎφ：傾き ａｃ　：拡散反射率 °・　“１０′”率　　　　　　　　　　　　）ｂ、：
表面粗さ くｂ＃　”／　ａ　＠す＝Ｃｃ：標準鏡面粗さである。

一例として、３光源を用い、（ｅ＝０６．甲ｉ置した場
合について説明する。連立方程式を解きやすくするため
に、標準鏡面粗さＣｃを定数とみなす。２ａｃは、拡散
反射率であるから、これをｄと表記する。同様に２ａｅ
は鏡面反射率であるから、Ｓと表記する。また、Ｎθは
、Ｏから（π／２）迄の値に限定する。更に、ｒｉは、
０でない正の値である。

上記のことがら０式は、 ｒ　！　＝ｄ（ｃｏｓＮ　θｃｏｓ　ａｃ　＋５ｉｎＮ
　θｓｉｎ　θｃｃｏｓ（Ｎ　φ−甲ｉ）ｓ　−Ｃｃ（
ｃｏｓＮ　θｃｏｓ　θｅ＋５ｉｎＮθｓｉｎ　θ、　
ｃｏｓ（Ｎ　θ−Ｖ、）１＋（Ｃｃ−１）　（ｃｏｓＮ
　θ’　ｃｏｓ　θａ　＋５ｉｎＮ　θ・ｓｉｎ　θ。

となり、未知数は、Ｎθ、Ｎφ、ｄ、ｓの４個である。

説明に便利なように、Ｄ、、Ｓ、を定義する。

Ｄ４　　＝ｃｏｓＮθｃｏｓ　　θ、　＋５ｉｎＮ　　
０ｓｉｎ　　ａｃ　ｃｏｓ（Ｎ　　φ−甲１　）Ｓエ　
＝ Ｃｃ　−（ｃｏｓＮθｃｏｓ　　θ、　＋５ｉｎＮ　　
θｓｉｎ　　θａ　ｃｏｓ（Ｎ　　φ−’Ｐｉ）１　＋
　（Ｃｃ−１）　（ｃｏｓＮ　　θ　’　ｃｏｓ　　θ
、　＋５ｉｎＮ　　θｓｉｎ　　θ・従って、０式及び
［相］式から ■弐を解いて、 ｒｌ、＝ｄＤ、＋ｓＳｍ　　・・・６ ０式を０式に代入すると、 ｒｍ　（Ｄｔ　Ｓｊ　ＤｊＳり＝（ｒｉ　Ｓｊ　　ｒｉ
　５ｔ）Ｄｖ＋（ｒｊ　Ｄｉ　−ｒｔ　Ｄｊ）Ｓｋ 、’、ｒ＊　Ｄｉ　Ｓｊ　　ｒｍ　Ｄｉ　Ｓｔ　＝ｒｔ
　Ｄｍ　５＝−ｒｊ　ＤｋＳｔ　＋ｒ、Ｄｔ　Ｓｖ　−
ｒｔ　ＤｊＳｉ＋、°、ｒｔ　　Ｄ、Ｓｔ＋　　＋ｒｊ
　Ｄｋ　ｓｔ　　＋ｒ、Ｄ、５ｊ−ｒｉ　　Ｄｋ　Ｓ７
　−ｒｊ　　Ｄｉ　　Ｓｋ　−ｒｋ　　ｐｊ　　ｓｔ即
ち、３個の甲、について、Ｄｉ（Ｎθ、Ｎφ）。

Ｓ＋（Ｎθ、Ｎφ）の表を作成し、その６個の表を用い
て［相］式の左辺を算出し、０になるＮθ、Ｎφを見出
せば良い。

この求められたＮθ、Ｎφを［相］式に代入して、次に
０式に代入してｄ及びＳが求められる。

上述のアルゴリズムは、標準鏡面粗さＣｃを定数として
導入し、また、拡散反射と鏡面反射とを分離独立させた
ため、３個の光源により４個の未知数を定めることがで
きる。

また、光源数を多くして、５光源とすれば、形状１反射
率に加えて表面粗さす、までを求めることができる。

上述の演算は、各光源が照射された時のカラービデオカ
メラの撮像信号即ちカラー静止画信号の３原色成分をメ
モリに記憶し、演算装置にメモリの夫々から対応する画
素及び色のデータが供給されることにより実現される。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、非接触の構成であって、対象物の材
質や、表面の光学特性の制約を受けず、広い範囲に適用
可能であり、汎用性が高い三次元物体認識方法を実現す
ることができる。この発明に依れば、反射率、傾き等の
種々の対象物の属性を定量的に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例におけるビデオカメラと光
源の配置関係を示す路線図、第２図及び第３図はこの発
明の一実施例の説明に用いる路線図である。 図面における主要な符号の説明 １一対象物、　２：ビデオカメラ、 ３．４，５．５：光源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対象物の周囲に１台のカメラと複数の光源とを設け、上
   記複数の光源の夫々が照射される時の輝度信号を上記カ
   メラから得、上記複数の輝度信号の対応する画素の信号
   を用いて所定の関係式を満たす画素の傾きと反射率を算
   出することを特徴とする三次元物体認識方法。