JPS6230904A - 物体の位置姿勢検出方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、規則的な）４ターンが描画されている　　　
　□校正治具によって、対象空間座標系内における物体
の位置および姿勢が容易に検出されるようにした物体の
位置姿勢検出方式に関するものである。

〔発明の背景〕

物体の位置および姿勢を検出する方法あるいは装置とし
てはこれまでに例えば、特開昭５９−６５２０３号公報
に示されているものが知られている。しかしながら、こ
れによる場合は、精度良好にして、しかも容易に物体の
位置および姿勢を検出し得ないという不具合がある。

第９図はその検出系の概要を示したものである。

これによるとスリット！ロジエクタ１ｍ、ｌｂからの平
面状光線３ｍ　、　３ｂはその交線が、直交座標軸Ｘ。

。 Ｙｏ、ｚｏよりなる対象空間座標系における１つの軸、
例えば軸ｚ０に含まれるように投光されるものとな３　
　ぼ っている。この場合平面状光線３ａの方程式はＸ−Ｙｔ
ａｎθ（θ；定数）といった具合に予め知れていること
から、その空間内の物体に平面状光線３ｍ、　３ｂを投
光した場合にその物体外表向に形成される光切断線上で
の任意の点の座標は、Ｚ座標およびＹ座標が知れていれ
ば求められるものである。

ところで、この検出系での校正は第１Ｏ図（ａ）、　（
ｂ）に示す如くに行なわれるようになっている。即ち、
第１０図（ａ）に示すように軸２゜にその平面がＩＫ交
する状態で校正治具４を配するようにして行なうもので
ある。この校正治具４は図示のように黒地平面に一定幅
（２ＹＩ）の白地が設けられたものであって、その白地
の長手方向は軸Ｘ。方向に一致するようになっている。

第１０図（ｂ）は平面状光線が投光された状態での校正
治具４正面を示しだものである。図示のように白地と黒
地との境界線は平面状光線と点Ａ１〜Ａ４で交わるが、
これら点のＴＶカメラ２による画像上での座標を求める
ようにするものである。例えば点ＡＩの画像上での座標
が第１１図に示す画像座標系で（ｒ／、　Ｊ／　）とし
、また、その点Ａ１の対象空間座標系での実際の座標値
を二次元測定器により測定しその結果を（Ｘ；、Ｙに、
バ）とすれば、（ｒ’、、ｙ’）と（ＸＯｒ　ＹＯｒ　
ｚＯ）は１対ｌに対応することになる。このような対応
関係を軸２゜土での校正治具４の位１ｄを更新しつつ画
像座標上の数α点に亘って「１測し、これら計測結果を
位１１１１出用ビータとしてもつようにするものである
。実際の１１′測においては、必ずしもそれら計測され
た点と同一の点が計測対象になるわけではない。しかし
ながら、画像座標空間と対象座標空間は線型空間であり
、平面状光線−Ｌでの点については雨空間におけるその
位Ｉｋ同士の対応関係は線型であるので、画面上におい
て計測されるべき点をその近傍にある既知の対象空間座
標対応の数点の内分点として考え、その内分地をそのま
ま対象空間座標に適用すれば、計測されるべき点の対象
空間座標が補間処理によって容易に求められるものであ
る。

ここで例えば点Ａ１が校正治具４の位１ｇ更新に伴い画
像座標上で如何に変化するかについて説明すれば、校正
治具４対する平面状光線の投光状態けｔ１ 軸２゜上での位置とは無関係に第１０図（ｂ）に示す如
くになること目、明らかである。しかしながら、ＴＶカ
メラ２け軸２゜を斜め上方より県下しているので、校Ｉ
Ｆ？￥？、に４が軸Ｚ。上でＴＶカメラ２より離れる程
に校正治具４Ｖ士ＴＶカメラ２によって上方に位置した
ものとして、しかも小さなものとして撮像されることに
なる。即ち、点Ａ１は校正治具４がＴＶカメラ２より離
れる場合は、その画像座標上での座標は右下より左上に
向かって変化するものである。

このように物体上の計測されるべき点が求められること
によって、その物体を三次元的に認識することが可能と
なるが、以上の説明より明らかにスリットプロノエクタ
やＴＶカメラは所定に位置決めされた状態で対象空間座
標系内に設定される必要がある。即ち、スリットゾロゾ
エクタは平面状光線の交線が軸Ｚ。に一致すべく、また
、ＴＶカメラはその基準点が軸Ｘ。、ｚｏを含む平面内
に含まれるべく設定される必要があるというものである
。

これら設定が良好でない場合は位置姿勢検出は精６　　
’＋１ 度良好にして行なわれなく、したがって、それら設定に
多くの時間を要していたのが実状である。

また、数百点にも亘る位＃算出用データを得るのにも多
くの時間やメモリ容駿を要するものとなっている。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、平面状光線の光源や撮像手段の対象空
間座標系に対する設定が良好でなくても物体の位置姿勢
検出が精度良好にして、しかも容易、目、つ迅速にして
行なわれ得る物体の位置姿勢検出方式を供するにある。

〔発明の概要〕

この目的のため本発明は、対象空間座標系での２種類の
座標が各々独立に求められる・Ｉターンをもった校正治
具を用い対象空間座標系に対する二次元視覚座標系の相
対的位置姿勢関係と、平面状光線各々の方程式を求め、
これら関係、方程式を補正・９ラメータとして物体外表
面に形成される光切断線上での任意の点の座標を求める
ように１〜だものである。

７頁 〔発明の実施例〕 以下、本発明を第１図から第８図により説明する。

先ず第２図により本発明に係る検出系について説明する
。これによると第９図に示すものにその構成は類似して
いるが、！ロノエクタｌａ、ｌｂからの平面状光線３ｍ
、　３ｂの対象空間座標系における位置はＴＶカメラ２
視野内に計測に適した状態で存在する限り任意となって
いる。したがって、平面状光線３ａ、　３ｂの交線５は
一般に軸ｚ０には一致しないものとなっている。また、
ＴＶ右カメラにしてもその位置は交ｆｉ１５と一致しな
ければ任意となっている。

さて、ＴＶ右カメラを基準とする二次元視覚座標系（Ｘ
ａ　、Ｙｃ、　Ｚａ　）はその原点がレンでの前側主点
６に設定され、その光軸４は軸Ｚｅとして、また、受光
素子の縦方向上方は軸Ｘｃとして設定されるが、この段
階ではカメラ座標系（Ｘａ、　Ｙａ、Ｚｅ　）と対象空
間座標系との関係はまだ不明である。これは、ＴＶ右カ
メラのその位置と姿勢が事前に位置決め設定されていな
く、また、位置決め設定される必要もないからである。

同様に平面状光線３ｍ、３ｂの位置も任意であるから、
対象空間座標系におけるその方程式も不明である。とこ
ろで、ＴＶ右カメラよる画像上で捕えられた光切断線の
対象空間座標系内における空間位置を知るには、対象空
間座標系とカメラ座標系との相対的位置姿勢関係と、平
面状光線の対象空間座標系内における方程式とを決定し
ておかなければならない。較正時においては画像上の位
置（Ｉ、Ｊ）に対する対象空間座標系の位置が知れなく
てはならないが、このために第３図に示す如くのパター
ンをもった校正治具７が第４図に示すように対象空間座
標系に置かれるようになっている。本例での／’Ｐター
ンは白と黒の正方形からなる市松模様であり、正方形の
一辺の長さは既知として全て同一となっている。このよ
うな・ｆターンにおいて本質的に重要なことは白と黒の
境界線であり、白と黒にするのは、画像入力する際での
便宜上の問題である。また、・母ターンの模様にしても
対象空間座標値をその・母ターンよ９９頁 求め得るならば第３図に示すものに限定されないが、直
交座標系の場合一般的には長方形で十分である。この場
合、・母ターン平面に垂直な方向を対象空間座標系の軸
２゜方向とし、ＴＶ右カメラから遠去かる方向は正の方
向として定められるようになっている。また、軸ｘ０．
ｙｏはパターンの境界線の縦線、横線に各々平行なもの
として定められるようになっている。このノｆターンよ
り画像上に映るパターン上の任意の１点の対象空間座標
系における座標値を求めるわけであるが、２座標に関し
ては予め既知であるとする。これは、対象空間座標系で
の原点の位置はパターンを設置する際に軸ｚ０上に任意
に設定し得るので、最初に設置した時点での原点を以降
も原点として用いればよい。さて、ノ量ターンからＸ、
Ｘ座標を求めるわけであるが１，４ターン上でのＸ、Ｆ
軸の設定方法も任意なので、軸を示すマーク等を・ｆタ
ーンに付しておいたシ、するいはソフトウェア的に指示
することなどが考えられる。第５図は画像上に補えられ
た被測定点Ｐを含む・母ターンの一部を示したものであ
１０頁 る。パターン上のＸ、Ｆ座標系は定まっているので、点
Ａ、Ｃ，Ｅ、Ｇの座標値は知れる。罷：罰−面：而であ
るような点Ｂ、Ｆを結ぶ線分印上にＰがある場合、ｎ）
■の比からＰのＸ座標が求められるものである。Ｘ座標
についても同様である。

次に較正方法であるが、先ず検出器として使用されるＴ
Ｖ右カメラの光軸４が複数ある受光素子の何れを通過す
るか、つま多画像座標系（Ｉ、Ｊ）上の何れの点が光軸
４に相当するかがコリメータを使用しレンズに平行光線
を入射せしめることによって正確に確認されるようにな
っている。光軸４が対象空間座標系内においてどのよう
に位置するのかを決定すべく第６図に示すように校正治
具　　　□７が少なくても軸２゜上の２つの相異なる位
置におかれるものとなっている。先に求めた光軸４に相
　　　：当する画像座標系での点が各々の位置ではＡ。

、Ａｏ′に相当するとして、これら点Ａ０．Ａ≦より光
軸４の直線方程式が求められるものである。３点以上計
測した場合は最小二乗法等の統計処理を用いて光１１−
頁 軸４の直線方程式を求めるものである。次には画像座標
系の任意の１点について同様なことを行ない点Ｂ、、Ｂ
；より光線直線ｔＢの直線方程式が決定されるようにな
っている。光軸４と直Ｈ１Ｉｌの交点がレンズの前側主
点６に相当するわけである。この点の決定に際しても数
本の光線直線を用い統計的処理によって前側主点６を求
めてもよいことは勿論である。さて、このようにして光
軸４が決定されれば、カメラ座標系の軸Ｘｅ　、Ｙａを
含む平面は前側主点６と光軸４から定まるので、軸Ｘａ
、Ｙａを定めるにはその何れか一方、例えば軸Ｙａの方
向を調べてやればよい。光軸４に対応する画像座標をＰ
　（Ｉａ　、Ｊａ）とすれば、軸Ｙａの方向は、点Ｑ（
Ｉ、　Ｊｅ）（Ｔ）Ｉａ）を含むものとして画像上では
ＰＱの方向であるから、第１図に示すように点Ｑに対応
する光線直線ｔ、が前述と同様に点Ｃ８，Ｃ０より求め
られるようになっている。一方、軸Ｚｏ上の前側主点６
以外の点であって、しかもＴＶ右カメラ前方に位置する
点Ｔ。で光軸４と垂直に交わる平面を考え、光線直線ｔ
、との対象空間座標系における交点座標Ｑ０が求められ
るものとなっている。これよりカメラ座標系の軸Ｙａは
対象空間座標系においてはＴ。Ｑ。

の方向であること、即ち、回転姿勢状態が知れるもので
ある。したがって、軸Ｘｃは光軸４と軸Ｙｃから一義的
に定められるものである。

以上のようにカメラ座標系の対象空間座標系に対する相
対的な位置姿勢関係が知れるが、平面状光線はその平面
に含まれる３点の空間座標よりその方程式が求められる
。即ち、校正治具７を軸Ｚｃ上の少なくとも２つの位置
においた場合に、パターン上に投影された光切断線上の
少なくとも３点の対象空間座標を求めることによってそ
の方程式％式％ 最後に第７図、第８図について説明すれば、これらは本
発明に係る校正治具の他の例を示したものである。対象
空間座標系内にどのような座標系を設定するか、どの領
域をより精度良好にして計測したいかによって、第７図
、第８図に示すような規則ノ母ターンをもった校正治具
８，９が考えられるわけであるが、位置を独立に求め得
る規則的−−−頁 パターンを使用する限り校正は同様にして行なわれるも
のである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、従来の三次元測定
機等を用いて行なわれていたカメラ、デロノエクター、
・母ターン等の厳密な位置合せは不要となる。また、数
百点に亘る点座標を入力することで行なわれていた校正
作業がたかだか数点の点座標入力で済まされ、したがっ
て、これまで二十時間程度要されていた校正作業が玉子
分程度で済まされることになる。史に従来は大量のデー
タを計測時に必要としていたが、この方式によれば座標
系間の関係を表わす・９ラメータと平面状光線の平面を
決定するパラメータのみでよいので、メモリの節約にも
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、カメラ座標系の対象空間座標系に対する相対
的関係を求める方法を説明するだめの図、第２図は、本
発明に係る検出系を示す図、第３図。 第７図、第８図は、それぞれ本発明に係る校正治１４頁 其の例を示す図、第４図は、校正治具の対象空間座標系
への配置態様を示す図、第５図は、校正治具における・
量ターンより座標を独立に求める方法を説明するための
図、第６図は、レンズの主点を求める方法を説明するた
めの図、第９図は、これまでの検出系を示す図、第１０
図（ａＬ　（ｂ）は、これまでの校正方法を説明するだ
めの図、第１１図は、画像座標系を示す図である。 １ａ、　ｌｂ・・・スリット！ロノエクタ、２・・・Ｔ
Ｖカメラ、３ｍ、３ｂ・・・平面状光線、４・・・光軸
、５・・・交線、７〜９・・・校正治具。 代理人　弁理士　秋　本　正　実 第２図 第３図 胎　４　二 第９図 Ｘ。 第１０図（ａ） Ｘ。 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対象空間座標系内におかれている物体の位置および姿勢
   を検出すべく該物体に平面が交差された状態で２種類の
   平面状光線を投光する一方、該投光によって物体外表面
   上に形成される光切断線をある立体角をもって二次元的
   に撮像したうえ、上記物体外表面における光切断線上の
   任意の点が、予め得られている補正パラメータによって
   補正され対象空間座標として得られる物体の位置姿勢検
   出方式であって、物体上における点の計測の先立って、
   対象空間座標系内に２種類の対象空間座標が独立に求め
   られる校正パターンを配置したうえ該パターン位置を更
   新することによって、対象空間座標系に対する二次元視
   覚座標系の相対的位置姿勢関係および２種類の平面状光
   線各々の対象空間座標系における平衝方程式を求め、該
   方程式および上記相対的位置姿勢関係を補正パラメータ
   として用いることを特徴とする物体の位置姿勢検出方式
   。