JPS62291513A - 光切断法による距離計測方法 - 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】 こ産業上の利用分野］ この発明は、産業用ロボット等に適用して好適な距離計
測用の視覚装置に係り、特に、計測の高速化を図った、
光切断法による距離計測方法に関する。

［従来の技術］ 近年、産業用ロボットの音及にともない、より高度な自
律制御形のロポ・・、ｈが研究されている。

この種の〔Ｊポットは、作業対象（ワーク）やロホット
の１３動通路等、外界に６ｒ）る物体や自分が置かれで
あり、生産工程の自動化、柔軟化に対処するための有力
な手段になり得るものである。

自律制御形ロボットにあっては、外界の状況を迅速かつ
的確に把握しなければならない。そこで、情報量の豊富
さ、正確さから、視覚装置を利用して外界を把握するこ
とが最も望ましいことである。

この種の視覚装置としては、例えば、■杉原厚吉、サー
ベイ、画像を利用した立体計測の諸手法、コンピュータ
・ビジョン３３−５．ｐｐ、１〜８゜（１９８４，１１
，１５）、■土井康宏　他、レーザ光切断法による３Ｄ
物体の認識、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ、　　９
．　Ｎｏ、　　Ｉ　、ｐｐ、　　１６〜２１゜（＋９’
７３）、■諏訪法　他、インダストリアル・アイのハー
ドウェア　システムｍ子技術総合研究所報、Ｖｏ１．３
５．　Ｎｏ、　３．ｐｐ、　２５２〜２６６、　　（１
９７１）、■久良修郭　他、３次元領域法による物体の
認識、電子技術総合研究所報、Ｖｏｌ、３７．Ｎｏ、１
１．ｐｐ、９９６〜＋０１２゜（１９７３）、■白井良
明、コンピュータビジョン、昭晃堂などに記載されてい
るような、スリット光を１１用した光切断法による装置
が知られている。

これは、三角測量の原理によって外界の物体の位置、あ
るいは物体までの距離を測定するものである。

第５図は、この種の光切断法による従来の距離計測方法
の原理を示す概念図であり、［小関修他、光切断法を用
いた実時間距離検出装置、電子通信学会論文誌Ｖｏ１．
　Ｊ　６８−Ｄ、Ｎｏ、　５．ｐｐ、ｌ　Ｉ　４１−１
１４８．（１９８５）Ｊから引用したものである。図に
おいて、１はスリット光源、２はカメラであり、これら
は距離りを隔てて設置されている。

スリット光源１から発射された垂直平面状のスリット光
３は、対象物体４で反射し、カメラ２に入射して撮像さ
れる。

ここで、カメラ２のレンズ中心を原点ｏ１原点０とスリ
ット光３の発射点Ｓとを結ぶ線をに軸、水平向」二でＸ
軸と直交する軸をｙ袖、これらの軸と１直交する軸（垂
直上方向）をＺ軸、カメラ２のレンズの光軸をＱ１点Ｓ
におけるスリット光３の投射角をγ、上記レンズ中心〇
−・の入射角をαＸとαＺ１光軸Ｑの傾き角をα０、対
象物体４の表面上の点Ｐの座標（Ｘ、ＬＺ）とすると、 Ｄ　＝ｙ（ｊａｎ（αｏ＋ａ　ｘ）＋ｃｏｔ７　）−−
（１）か成立する。この式から、直ちにｙを求めること
ができる。このｙを、 ｘ＝　ｙｔａｎ（α０−１−αＸ）　−−（２）ｚ＝　
ｙｔａｎαｚ−−（３） に代入すると、以下の各式が求まる。

Ｘ＝　Ｄ　ｔａｎ（αｏ＋αＸ）／　（ｔ’ａｎ（α０
＋αｘ）＋ｃｏｔ７）・・・・・（４） ｙ＝Ｄ／（ｔａｎ（αｏ−αｘ）”ｃｏｔ７）−・・・
（５）ｚ＝　Ｄ　ｔａｎαｚ／（ｊａｎ（α０÷αｘ）
−Ｉ−ｃｏｔγ）・旧・・（６）上記（４）〜（６）式
において、値Ｄ、α０、γは、カメラ２とスリット光源
１の設定で決まる定数なので、カメラ２の撮像素子−１
−におけろ点■〕の結像点ｆ装置ωＸとω２とから上記
角度αＫ、αＺを求めれば、対象物体表面上の点Ｐの座
（票（ｘ、ｙ、ｚ）を得ることができる。

ここで、撮像素子の中心を吟へとするイメージ置ωに、
ω２を表す一方、分解能をＮ　Ｘ　、　Ｎ　ｚ、カメラ
２の焦点距離をＬ　ｏ、撮像素子面の大きさをＬｘ。

Ｌｚ、座標原点からの結像点の距離をＶＸ、ＶＺとすれ
ば、画素サイズはＬｘ／Ｎｘ、Ｌｚ／Ｎｚとなるから、 Ｖ　ｘ＝　（Ｌ　ＸωＸ）／　（２Ｎ　Ｘ）・・・（７
）Ｖｚ−（Ｌｚωｚ）／（２Ｎｚ）−−（８）であるか
ら、角αＸ、αＺは、 ａ　ｘ＝　Ａ　ｒｃｔａｎ（Ｖ　Ｘ／　Ｌ　ｏ）−Ａ　
ｒｃｔａｎ（（Ｌ　ｘωｘ）／　（２ＮｘＬｏ）Ｌ・−
・（９）αｚ＝　Ａ　ｒｃｔａｎ（Ｖ　ｚ／　（Ｌ　ｏ
　＋ｃｏｓαｏ−Ｖｘ−ｓｉｎαｏ））＝　Ａ　ｒｃｔ
ａｎ［（Ｌ　ｚωｚ／　２　Ｎｚ）／　（Ｌｏ−ｃｏｓ
α。

−（Ｌ　Ｋ（ＪＪ　Ｘ／　２　Ｎｘ）ｓｉｎαｏ）］−
−（Ｉ　Ｏ）という式で求められる。

［発明が解決しようとする問題点コ ところで、上述した従来の装置Ｉこおいては、次のよう
な欠点があった。

■上述した方式では、点Ｐの座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を、ブ
Ｊメラ２のレンズ中心を原点とした座標系（以下、メラ
座標系での測定精度は、光源ｌとカメラ２との距離Ｄ、
レンズの焦点距離ＬＯ１撮像素子の大きさＬｘ、Ｌｚ、
分解能Ｎｘ、ＮＺＳｆｒｉき角αＱ、投射角γに依存す
るので、これらの定数を正確に求める必要がある。

しかしながら、従来巻き尺などによる手計測で、これら
の定数を決定していたので、精度を高く出すことができ
なかった。

■対象物体の位置をカメラ座標系で表すよりも、作業台
に基礎を置く座標系（作業座標系）で表現する方が物体
の認識、およびロボット制御には有利である。しかしな
がら、カメラ座標系で求めた座標位置を作業座標系に変
換するには、カメラ２の位置、姿勢を正確に決める必要
があり設定が困難であった。加えて、対象物体上の各点
について座標変換するのは、計算量が膨大となり、得策
ではなかった。

この発明は、このような背景の下になされたもので、ス
リット光源やカメラの設定が簡単で、かつ、高精度で計
算量が少なくて済む、光切断法による距離計測方法を提
供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段； 上記問題点を解決するためにこの発明は、作業空間に配
置された対象物体にスリット光を照射し、照射された部
分を撮像手段によって撮像し、該撮像手段の撮像面に映
じた画像に基づいて、前記対象物体までの距離を測定す
るようにした距離計測方法において、 ■前記作業空間に設定され）゛二作業座標系ならびに前
記撮像面に設定されたイメージ座標系の各同次座標系に
よって、前記対象物体表面上の点Ｐならびに点Ｐの撮像
面上のイメージ点Ｐｉを表現し、・■前記点Ｐおよび点
Ｐｉの座標を関連づける行列の各要素であるカメラ・パ
ラメータを、前記作業空間に配置された基準物体」二の
点を撮像および計測して決定し、 ■前記基準物体と前記スリット光との交点を複数計測し
た結果に基づいて、前記スリット光の平面式を求め、 ■前記基準物体に代えて前記作業座標系に配置された対
象物体を前記スリット光によって撮像し、前記カメラ・
パラメータと、前記スリット光の平面式と、前記イメー
ジ点Ｐｉの座標とから前記対象物体上の点Ｐの作業座標
系における位置を計測することを特徴とする。

［作用］ 上記方法によれば、カメラ・パラメータにより作業座標
系の点Ｐとイメージ座標系の点Ｐｉとを関係付けること
ができる。この場合、点Ｐは３次元座標系で表され、イ
メージ点Ｐｉは２次元座標系で表現される。つまり、カ
メラから得られる情報は、２次元に縮退している。そこ
で、この縮退した分をスリット光平面から得るようにし
た。すなわち、点Ｐがスリット光平面上に存在すること
に着目し、カメラ・パラメータとスリット光平面の方程
式とから、点Ｐの座標を算出することができる。

この方法によれば、スリット光源とカメラを設定してか
ら、キヤリプレーノヨンによってカメラできるので、設
定が容易になる。また、精度も向上させることができる
。更に、一旦、カメラ・パラメータとスリット光平面の
方程式が決定されると、後は簡単な計算で点Ｐの座標を
算出できる。

［実施例コ 以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明の一実施例によるロボットンステム
の全体（１４成を示す斜視図である。図において、スリ
ット光源１から出力されたスリット光３か対象物体４に
投射され、カメラ２に撮像される点は従来と同様である
。対象物体４は、作業台７の上面に置かれ、この作業台
７上に設置されたロボット８の作業を受２するようにな
っている。

ここで、カメラ２のレンズ中心を原点とし、その先軸を
Ｚ　ｃ軸とするカメラ座標系（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）を設
定するとともに、作業台７の一隅を原点とし、ホモ面構
方向をＸ袖、水【上面縦方向をＹ軸、垂直方向をＺ軸と
する作業座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ＞を設定するへ［１・、真
３Ｍに示すよ−′）に、潜像面２ａの巾８点を原点とす
るイメージ座標系（Ｘｉ、Ｙｉ）を設定する。

次に、第２図は、計算機システムＩＯの構成を示すブロ
ック図である。この図において、カメラ２からの映像信
号は、イメージ・プロセッサ１１へ送られる。イメージ
・プロセッサ１１は、前記映像信号により撮像された対
象物体４をディスプレイ１２に表示するとともに、スリ
ット画像の抽出と細線化とを実行した後、得られた画像
データをメモリ１４へＤＭＡ（ダイレクト・メモリ・ア
クセス）転送する。、イメージ・プロセッサ１１は、ま
た、ディジタイザ１３によって指定されたディスプレイ
１２上の点を、イメージ点Ｐｉとして認識する。

ＣＰＵｌ５は転送されに画像データをもとに、背景像の
除去、線の識別、座標計算、対象物体４の認識を行い、
入出力チャネル１６を介して、対象物体４の画像データ
を操作用のターミナル１８へ送り、スリット画像を表示
する。ここで、作業を施すべき対象物体４をオペレータ
が指示すると、これによりＣＰＵ１５はロボットの動作
点を計算する。この動作点が、ロボット制御用のパーソ
ナル・コンピュータ１９へ供給され、ロボット８の制御
が行なわれろ。なお、スリット光源１はロボット８に取
り付けて振らせることら可能であるが本実施例では、半
固定とする。

次に、本実施例の動作原理を説明する。

この実施例では、同次座標系を使って、作業座標系の点
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と撮像素子面上のイメージ座標系の点（
Ｘ　ｉ、’Ｙ　ｉ）との対応関係を、カメラ・パラメー
タと呼ぶ行列で記述する。この対応関係は、３次元から
２次元への射影なので縮退している。

つまり、カメラ２の光軸方向（第３図のＺｃ力方向の長
さが消去されている。そこで、作業座標系におＩＪろス
リット光平面の方程式を使って、上記の縮退を解くよう
にする。なお、スリット光平面を決定する係数をスリッ
ト光パラメータと呼ぶ。

ここで、同次座標系について説明する。同次座標系にお
いては、実際の座標Ｘ、Ｙ、Ｚの他に、１つのダミー座
標Ｗを考えて、座標点（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を（ＷＸ、ＷＹ、
ＷＺ、Ｗ）の形で表現する。よって実際の座標点を求め
るには、ダミーＷ（Ｗ≠０）で全体を割って（Ｘ、Ｙ、
Ｚ、Ｉ）とすればよい。この同次座標系を用いれば、３
次元の座標変換は４×４の変換行列を用いて表現するこ
とができる。

以下、この同次座標系を用いて、カメラ・パラメータ、
スリット光パラメータおよび座標算出を行う演算を説明
する。なお、以下の説明においては、作業座標系での座
標点を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、その同次座標点を（Ｘ　ｈ、　
Ｙ　ｈ、　Ｚ　ｈ、Ｗ　ｈ）で表し、同様に、カメラ座
標系での座標点を（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）、その同次ｍ　
＋＝点を（Ｘ　ｃｈ、　Ｙ　ａｈ、　Ｚ　ｃｈ、　Ｗｃ
ｈ）、イメージ座標系での座標点を（Ｘ　ｉ、Ｙ　ｉ）
、その同次座標点を（Ｘ　ｉｈ、　Ｙ　ｉｈ、Ｗ　ｉｈ
）て表現するものとする。

（＋）カメラ・パラメータの演算（第３図）第３図に示
すように、カメラ座標系における点Ｐ　’、、Ｘ　ｃ、
Ｙ　ｃ、　Ｚ　ｃ）は、イメージ座標系におｆするイメ
ージ点Ｐ　ｉ（Ｘ　ｉ、Ｙ　ｉ）に写されろ。ここで、
カメＸ１−Ｘｃ−ｆ／（ｆ＋Ｚｃ）−−（ｌ　　Ｉ）Ｙ
ｉ＝Ｙｃ−ｒ／（ｆ＋Ｚｃ）−・・ｌＩ　　２）となる
。この式を同次座標系を使って表現すると、次のように
なる。

Ｘ　ｉｈ／　Ｗ　ｉｈ＝　Ｘ　ｃｈ−ｆ／　Ｗｃｈ（Ｊ
−Ｉ−Ｚ　ｃ）・・・・・・（Ｉｌａ） Ｙ　ｉｈ／　Ｗ　ｉｈ＝　Ｙ　ｃｈ−ｆ／　Ｗｃｈ（ｆ
＋　Ｚ　ｃ）・・・・・（１２ａ） よって、 Ｗｉｈ＝（Ｚｃ／　ｆ−＋−１）Ｗｃｈ・・・・（＋　
３　）とすれば、次の式が成立する。

・・・・・・（Ｉ４） 次に、作業座標系からカメラ座標系への変換は、一般に
次の式で表される。

ここで、Ｔ　１１．’ｒ　＋２．Ｔ　＋３．Ｔ　２１．
Ｔ　２２．’ｒ　ｔｓ、Ｔ　３１１Ｔ　、ｔ、Ｔ　３３
は回転に、Ｔ　１４．’ｒ　２４．Ｔ　３４は平行移動
に関係する。上記（１４）式、（１５）式からＸ　ｃｈ
。

Ｙ　ａｈ、　Ｚ　ｃｈ、Ｗ　ｃｈを消去して、作業座標
系とイメージ座標系との関係を求めろと、次式のように
なる。

・・・・・・（１６） この式において、Ｈｉ＝　Ｗ　ｉｈ／　Ｗ　ｈと置いて
、同次座標系から一般の座標系に直すと、 となる。この３×４行列の各要素Ｃ１ｊをカメラ・パラ
メータという。この（１７）式から値Ｈｉを消去すると
、 ＣｚＸ＋Ｃ＋ｔＹ＋Ｃ＋３Ｚ＋Ｃ＋４　Ｃ３＋ＸＸ１−
　Ｃ３２Ｙ　Ｘ　ｉ　−Ｃ３３Ｚ　Ｘ　１−Ｃ３４Ｘ　
ｉ＝　ＯＣｔ＋Ｘ＋ＣｔｚＹ＋Ｃ２３Ｚ＋Ｃｔａ　　Ｃ
３＋ＸＹ！−Ｃ，、ＹＹｉ−Ｃｓ３ＺＹｉ−Ｃ３４Ｙｉ
＝０・・・・・・（１８） となり、作業座標系の一点Ｐ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とイメージ
座標系の点Ｐｉ（Ｘｉ、Ｙｉ）とから２つの関係式が導
かれる。従って、１２個のカメラ・パラメータを決定す
るには、同一平面上にない６点について作業座標点とイ
メージ座標点を測定すればよい。

なお、この測定については、更に後述する。

（２）スリット光パラメータの測定 スリット光は一つの平面を形成する。このスリット光平
面の方程式を αＸ＋βｙ＋ｚ−γ・・・・・・（１９）とする。ここ
で、α、β、γをスリット光パラメータと呼ぶ。これら
のスリット光パラメータは、後で詳しく説明するように
、スリット光平面上で、同一直線上にない３点を測定し
て、その座標点を人力してやることにより、求めること
ができる。

（３）座標点算出 イメージ座標系の点Ｐｉの座標点（Ｘ　ｉ、Ｙ　ｉ）か
ら作業座標系の点Ｐの座標点（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める式
１式％ この式は、３元連立方程式で、行列要素もイメージ座標
点（Ｘ　ｉ、Ｙ　ｉ）から直ちに求まるため、計算量が
すくなくて済む。

以」−が本実施例の作用原理である。これらを要約する
と次の通りである。

■対象物体４上の点Ｐをカメラ座標系の同次座標系で表
ずととらに、撮像素子上における、点Ｐのイメージ点Ｐ
ｉをイメージ座標系の同次座標系で表現し、これらを（
ｌ・１）式で関係付ける。

■点Ｐを作業座標系の同次座標系で表現し、変換式（１
５）により、カメラ座標系の同次座標系へ変■上記■と
■で求めた２つの式（１４）、（１５）からカメラ座標
系の座標点を消去し、点Ｐの作業座標系における同次座
標点と、イメージＰｉのイメージ座標系における同次座
標点とを（１７）式のカメラ・パラメータで関係付ける
。

■スリット光平面を、（１９）式の平面方程式で表現す
る。この方程式の係数α、β、γをスリット光パラメー
タという。

■上記カメラ・パラメータとスリット光パラメータとか
ら、（２０）式によって点Ｐの作業座標系における位置
を決定する。

この場合、上記カメラ・パラメータとスリット光パラメ
ータとは、基準物体によってキャリブレーションして求
める。以下、このキヤリブレーシヨンについて説明する
。

（ａ）カメラ・パラメータのキャリブレーション第４図
は、キャリブレーションに用いる基準物体４ａの外観構
造を示すものである。この基準物体４ａには、１ｃｍ間
隔で目盛りが付されている。

従って、基準物体４ａをカメラ２で撮像して、第２図の
ディスプレイ１２に表示し、表示画像中の格子点Ｐをデ
ジタイザ１３で指定することによりイメージ点Ｐｉの座
標（Ｘｉ、Ｙｉ）を入力するとと乙に、この格子点Ｐの
座標点（Ｘ、Ｙ、Ｚ）をターミナル１８のキーボードか
ら入力するという動作を繰り返して、平面上にない６点
以上のデータを入力すれば、ＣＰＵｌ５は、（１８）式
によってカメラ・パラメータを決定することができる。

実際には、精度を上げるために、２０点程度計測して最
小自乗法で求めろとよい。

なお、このキャリブレーションは、スリット光を用いず
に、基準物体４ａ全体を撮像して行う。

（ｂ）スリット光パラメータのキャリブレーション次に
、基準物体４ａにスリット光を照射し、基準物体４ａ上
の照射された点の位置を人手で測定し、これをターミナ
ル１８から入力する。この場合、直線上にない３点の座
標を入力すれば、ＣＰＵ１５は（１９）式によって、ス
リット光パラメータを決定することができる。

上記キャリブレーションにより、カメラ・パラメータと
スリット光パラメータとが決定されると、基準物体４ａ
に代えて対象物体４を作業座標系に置き、その位置を測
定することが可能となる。すなわち、対象物体上の点Ｐ
の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、イメージ点Ｐｉの座標（Ｘ　
ｉ、Ｙ　ｉ）を（２０）式に代入することにより求める
ことができる。なお、この場合、スリット光源ｌとカメ
ラ２の位置は一定に保っておくことは、勿論である。

この実施例によれば、スリット光源１とカメラ２とを適
当にセットしてから、キャリブレーションができるので
、スリット光源ｌとカメラ２との設定が容易で、精度も
高くすることができる。また、一旦キヤリブレーション
した後は、（２０）式の連立３元１次方程式を解くだけ
で、作業座標系における対象物体４の位置が計算される
ので、高速計算が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、対象物体上の点Ｐと
そのイメージ点Ｐｉとをカメラ・バランの点Ｐｉに縮退
した分を、スリット光平面の方程式によって解き、イメ
ージ点Ｐｉから点Ｐの座標を算出するようにしたので、
次の効果をあげろことができる。

■カメラとスリット光源を適当に設定してから、基準物
体を測定し、その測定データを入力するだけでキャリブ
レーションが行える。従って、カメラとスリット光源の
取り付は位置および取り何色を測定していた従来方法と
比較して、カメラとスリット光源の設定が容易になる。

また測定精度を上げることができる。

■一旦キヤリプレーンヨンが完了すると、後は簡単な計
算式（すなわち（２０）式）で点Ｐの座標を算出できる
。従って、計算の高速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるロボットシステムの
全体構成を示す斜視図、第２図は計算りシステムの構成
を示すブロック図、第３図はカメー′ｊ閏ζ１曲込じ松
ｌ＋ス、呑用恋バにん云６０日十ス七−％ｆハ日ばへ図
、第４図は基準物体４ａの外観構成を示す斜視図、第５
図はスリット光を用いた従来の光切断法による距離計測
方法の動作原理を示す概念図である。 ■・・・・・・スリット光源、２・・・・・カメラ、３
・・・・・・スリット光、４・・・・・・対象物体、４
ａ・・・・・・基準物体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 作業空間に配置された対象物体にスリット光を照射し、
   照射された部分を撮像手段によって撮像し、該撮像手段
   の撮像面に映じた画像に基づいて、前記対象物体までの
   距離を測定するようにした距離計測方法において、 （１）前記作業空間に設定された作業座標系ならびに前
   記撮像面に設定されたイメージ座標系の各同次座標系に
   よって、前記対象物体表面上の点Ｐならびに点Ｐの撮像
   面上のイメージ点Ｐｉを表現し、（２）前記点Ｐおよび
   点Ｐｉの座標を関連づける行列の各要素であるカメラ・
   パラメータを、前記作業空間に配置された基準物体上の
   点を撮像および計測して決定し、 （３）前記基準物体と前記スリット光との交点を複数計
   測した結果に基づいて、前記スリット光の平面式を求め
   、 （４）前記基準物体に代えて前記作業座標系に配置され
   た対象物体を前記スリット光によって撮像し、前記カメ
   ラ・パラメータと、前記スリット光の平面式と、前記イ
   メージ点Ｐｉの座標とから前記対象物体上の点Ｐの作業
   座標系における位置を計測する、 ことを特徴とする光切断法による距離計測方法。