JP2005509877A - コンピュータ視覚システムの較正方法及びそのシステム - Google Patents

Abstract

本発明は三次元コンピュータ視覚システムの較正に関する。方法及びシステムは多角形のプレート状の較正要素（２１）を用いて実行され、較正要素（２１）は、その特性が状態の変化や経年で著しく変化しない材料でできている。用いられる較正要素（２１）の辺は様々な長さを有し、要素にはその頂点に配置される円形の焦点の印（２２）が設けられる。

Description

発明の分野

本発明は三次元カメラ測定に関する。本発明は、較正要素を用いてコンピュータ視覚システムを較正する方法及びそのシステムに関する。

発明の背景

コンピュータ視覚システムは様々な測定装置から得られる情報に基づいている。情報は、例えばレーザー装置、測定ヘッドを用いて、または画像からの認知を介して測定され得る。得られた情報は、例えば品質管理システムにおいて利用されてもよい。品質管理システムでは、この情報に基づいて、例えば、物体の形状の正確さ、着色エラー、または用材の節の数を決定することができる。

概して、コンピュータ視覚システムは複数のカメラから形成される。従来のコンピュータ視覚システムは、物体を撮影するただ１台のカメラを含んでいた。画像を現像して、様々な結論を画像から引き出すことができた。様々なアルゴリズムを用いて、画像の境界線に基づいて画像の様々なレベルを識別することができる。境界線は輝度変換に基づいて同定される。画像において形状を認知する別の方法は、それをマスク及びフィルタに接続して、ある種のポイントだけ画像から識別されるようにすることである。画像内のポイントによって形成されるパターンが、データベース内のモデルと比較されて認知され得る。

三次元コンピュータ視覚システムでは、何台かのカメラが必要である。三次元座標を決定するためには、少なくとも２台のカメラからの同じポイントの画像が必要である。通常、ポイントが照射を介して物体の表面上に形成される。概して、照射はレーザーを用いて実行される。ポイントは、同じ座標系において較正されたカメラによって映される。ポイントの画像を少なくとも２台のカメラで生成し得ると、そのポイントに対する三次元座標を決定することができる。同じ位置に対して、多くのポイントが測定される。よって、形成される一組のポイントはポイント集団と呼ばれる。

測定されるべき物体は、例えば回転テーブルなどの可動支持物上に配置されてもよい。「回転テーブル」とはその軸について回転する支持物を意味する。物体を回転させることができれば、カメラシステムは１つの位置から物体全体を測定できることの必要がない。普通は、固定された指示物上の物体を測定するときより少ないカメラが必要とされる。可動支持物はレール上を移動するキャリアであってもよい。

測定を実施するために、コンピュータ視覚システムは較正されなければならない。なんとなれば、カメラの位置またはレンズエラーパラメータが既知でないからである。較正は動作を参照し、それによって、カメラで知覚されるポイントの２次元画像座標と結果として得られる三次元座標との間の関係が決定される。

概して、カメラシステムは、カメラの視界内で較正ポイントを測定し、三次元ポイントの数を比較する較正要素を用いて較正される。較正手順はフィンランド特許第７４５５６号に開示されている。カメラシステム及び較正に関する精度条件はアプリケーションに応じて変化する。カメラシステムの較正は非線形性質の問題である。それゆえそれに隠れた数学的モデルが、例えばレンズエラーのせいで、複雑化される。様々な較正方法が、例えば、２０００年１０月発行の定期刊行物「パターン分析及び人工知能に関するＩＥＥＥ報告書」の中の「円形制御ポイントを用いる幾何学的カメラ較正」という題名の記事で説明されている。

複雑化された数学的モデルは管理するのが難しい。他方では、モデルをあまりに単純化することは較正の精度を損なう。さらに、ほとんどの方法において、カメラで知覚された光景は不偏であり、それらの中に現れる唯一のエラーは均一に分配されたランダムノイズであると見なされる。これらの問題は数学的モデルを変更することによって軽減し得るが、概して、このことはより複雑化されたモデルまたは精度の過度な低下につながる。しかしながら、レンズエラー及びカメラ特有の他のエラー原因を完全に排除することができない。

発明の目的

本発明の目的は上述の欠点を排除し、または少なくとも大幅に軽減することである。本発明の特定の目的は、コンピュータ視覚システムを較正する新しい種類の方法及びそのシステムを開示して、面倒な三次元較正測定または複雑化されて高価な較正要素の必要性を排除することである。

発明の短い説明

本発明はコンピュータ視覚システムの較正方法及びシステムに関する。システムは、カメラ、較正要素、支持板、及びデータシステムから成る。

本発明のシステムは焦点の印を設けられた較正要素に基づく。焦点の印は、較正要素の表面上の普通の２次元の印である。用いられる典型的な焦点の印は円形から成る。較正要素は、何らかの特定の三次元形状を含む必要がない。較正要素上の少なくとも２つの焦点の印の間の距離ができるだけ正確に測定される。しかしながら、測定精度より重要なことは、焦点の印同士の間の距離が較正の間変更されずにあるべきであるということである。なんとなれば、印同士の間の絶対距離は較正後にどのようにでも制御され得るからである。必要ならば、いくつかの較正要素が同じ較正動作において用いられるかもしれない。または焦点の印同士の間の距離をミクロメータスクリューに似たメカニズムを用いて調整し得る。しかし、このことによって較正要素には、トレースされるべき同じスケールを較正要素がいつも表すということを保証するために、大きな要求が課される。おおむね、なんらかの方法によって較正の間２つのポイントの間の距離を画定することで十分である。しかし、実際には、簡単な方法は較正要素を用いることである。焦点の印同士の間の距離が変更されないままであるとういうことを保証するために、較正要素は、例えば、炭素繊維、インバール金属、または良好な保持率特性を有するいくつかの他の金属でできている。概して、較正要素は棒状に形成される。しかし、特にいくつかの焦点の印を備えた較正要素は多角形の形状を有してもよい。較正要素上の全ての焦点の印の間の距離が既知である必要はないが、少なくとも１つの距離が既知であるべきである。この距離が、較正要素上の焦点の印同士の間の他の既知の距離と共にまたは単独で、較正されるべきシステムのスケールを決定する。この方法に基づく較正では、もっぱらカメラによって見られる個々の共通ポイントに基づいて、二次元から三次元またはその逆のスケールを除くすべての変換パラメータを排他的に画定することができる。距離のうち１つも用いることなく実施される較正においては、物体の形状及び内部寸法を決定することができるが、その実寸はわからないままだろう。

較正ポイントの数学的最小数は５である。しかし、実際には、例えばレンズエラーを判定するために、より多くの較正ポイントが必要とされる。さらに、全てのポイントのうち少なくとも２つの間の距離が既知でなければならない。しかし実際には、たとえそうであっても１つの距離より多くの距離が既知であることが有利である。典型的な較正状況では、較正要素が支持板上に配置され、少なくとも２台のカメラがそれを見ることができる。次に、焦点の印の二次元画像座標が測定される。このステップは較正要素をいくつかの異なる位置へ移動させて繰り返される。較正測定の基本的な形式では、較正測定にはこれらのステップのみが含まれる。しかし較正手順にいくつかの他のステップを付加することは可能である。例えば、固定較正ポイントがシステムに付加されて座標軸の方向を決定するとすれば、それらのポイントが同様に測定される。円形の印の代わりに、他の印を用いることも可能である。多くの場合において、個々のポイントが測定される。それらの相互の距離は不明であるが、何台かのカメラで同時に見られるとすれば、それらはカメラの相互の位置及びレンズエラーの判定において有効である。焦点の印は、プレーナーであることが既知である表面上に配置されてもよい。この場合、板上のポイントの位置に関する情報を、較正計算において利用してもよい。較正ポイントは焦点の印から成る必要はない。代わりに、それらは、例えば光点であってもよい。

カメラを用いて較正ポイントの全ての測定が行われた後に、較正計算が実行される。この較正において、カメラシステムに関係するパラメータが決定される。例えば、空間におけるカメラ相互の位置及びレンズエラーの大きさなどである。上記の説明から示されるように、必須の重要な初期情報は、カメラによって同時に視認される焦点の印の二次元画像座標を含むだけである。この後、所望すれば、カメラ位置が測定されるか、または十分な正確さで入力されるだろう。較正計算では、カメラによって視認された間隔の大きさが較正要素上の少なくとも２つのポイントの間の二次元距離から計算される。最後に、較正パラメータがメモリ内に保存される。支持物に取り付けられた固定較正要素は高速再較正において利用され得る。必要ならば、再較正が、実際の測定に関連して自動的に実行されるよう構成されてもよい。

本発明は三次元マシン視覚システムの較正を容易にする。本発明を用いると、マシン視覚システムを複雑化された数学的手順を用いることなく較正し得る。本発明の方法では、その配置または測定が多くの場合困難で高価であり、そうでなければ不可能でさえある、三次元ポイントまたはなんらかの以前測定された三次元ポイントを含むなんらかの基準要素を用いることなく、システムを較正する。さらに、本発明による較正要素を用いて実施されるマシン視覚システムの較正は高速動作である。

発明の詳細な説明

下記において、本発明は実施例を参照して詳細に説明される。

図１は、本発明の好適実施例に基づく方法の動作を描く図を示す。測定開始時に、較正要素が支持板に配置される（ステップ１０）。較正要素は板上に配置されるので、少なくとも２台のカメラがそれを見ることができる。較正が、較正要素上の焦点の印を測定して開始される（ステップ１１）。この例では、焦点の印は板状の要素の表面上に描かれた円形である。焦点の印をカメラを用いて測定するとき、カメラを焦点の印の上方で垂直に位置決めしないと、焦点の印は楕円として現れる。

焦点の印の画像座標が測定された後に、必要に応じていくつかの位置にある較正要素を用いて、他の目標、例えば、支持板上に取り付けられた固定較正ポイントなども必要ならば測定される（ステップ１２）。固定較正ポイントは再較正において利用される。再較正は必要ならば自動的に実行されるよう構成される。固定較正ポイントが支持板上に取り付けられると、それらは測定される（ステップ１３）。

ポイントの測定後に、おおよそのカメラ位置がしばしば測定され、これによってより簡単でより高速の較正計算が可能にする。カメラ位置は測定されてもよいし、またはシステムに入力されてもよい（ステップ１４）。位置は正確に決定される必要はない。その代わりとして、おおよその決定で十分である。

全ての必要な値が測定されるか、またはシステムに入力された後に、較正計算をパラメータを用いて実施して得る（ステップ１５）。最後に、較正パラメータがシステムのメモリへ記憶される。

図２に基づくシステムはカメラシステムを含み、カメラシステムは、実施例では、２つのカメラＣＡＭ１及びＣＡＭ２、較正要素２１、支持板２０並びにデータシステムＤＴＥから成る。較正要素にはその各々のコーナーの近くに配置される焦点の印２２が設けられる。さらに、固定較正ポイント２３が支持板２０上に配置されてもよい。

三次元コンピュータ視覚システムを実行するには、少なくとも２台のカメラＣＡＭ１及びＣＡＭ２を必要とする。しかし、２台より多くのカメラを用いてもよい。概して、４台から８台のカメラを用いる。カメラはデータシステムに接続される。データシステムがカメラの動作を制御するよう機能し、実際の較正計算を実施する。

本発明の較正システムでは、較正要素２１が支持板２０上に配置される。ここで用いられる較正要素は、各辺が異なる長さを有する多角形である。辺が異なる長さを有するので、要素の定位位置を決定することが容易である。なんとなれば、焦点の印が非対象のパターンを形成するからである。焦点の印２２は較正要素のコーナーに配置される。焦点の印は円形のパターンから成る。印同士の間の距離は正確に測定される。印は較正要素のコーナー２１に配置される。較正要素は特別な材料でできている。特別な材料に関する必要条件は、それが不変の特性を有するべきであるということである。較正要素２１の形状は、例えば熱膨張の結果、変化してはならない。較正要素を生成するのに適した材料は、例えばインバール金属及びカーボンファイバである。要点は、焦点の印２２同士の間の距離が一定のままであるということである。

較正に関連して、支持板２０に取り付けられた固定焦点の印２３の位置が決定される。焦点の印は高速再較正において利用される。システムは、例えば所定の測定数に達した後に、自動的に再較正されてもよい。再較正は、例えば、カメラ及び支持板の位置を確定するために必要である。しかしながら、支持板２０上に配置された焦点の印２３はある理由または別の理由について時間とともに変化してもよい。このため、較正を、較正要素を用いてときどき重ねて実施するべきである。

本発明は上記に説明された実施例に限定されない。代わりに、多くの変化形が請求項で画定された本発明の概念の範囲内で可能である。

本発明の方法を示す機能図を示す。 本発明のシステムの実施例を示す。

Claims (16)

1. 三次元コンピュータ視覚システムの較正方法であって、
   少なくとも２台のカメラで同時に視認される較正ポイントをカメラを用いて測定するステップと、
   少なくとも２台のカメラで視認されるポイントからポイントの二次元画像座標に基づいて較正ポイントを計算するステップと、
   を含み、
   前記方法は、
   必要な較正ポイントを配置して、全ての較正ポイントのうち少なくとも２つのポイントの間の相互の三次元距離を識別するステップと、
   前記カメラを用いて前記較正ポイントの前記二次元画像座標を測定するステップと、
   前記二次元画像座標を三次元座標へ変換する変換パラメータを計算するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする方法。
2. 較正要素を用いて前記較正ポイント同士の間の距離を決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記方法は、
   較正の間前記較正要素が配置されるいくつかの位置または全ての位置において前記較正要素の定位位置を計算するステップと、
   前記定位位置のデータを前記較正計算において利用するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１及び２記載の方法。
4. 円形から成る焦点の印を用いることを特徴とする請求項１及び２記載の方法。
5. 前記カメラの視界に取り付けられた固定のまたは除去可能な要素上の焦点の印の前記座標が測定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記カメラは、前記カメラの視界に取り付けられた固定のまたは除去可能な要素上の前記焦点の印を用いて再較正されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記既知の三次元座標が二次元画像座標へ変換され得ることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 三次元コンピュータ視覚システムの較正用システムであって、
   カメラシステム（ＣＡＭ１、ＣＡＭ２）と、
   データシステム（ＤＴＥ）と、
   支持板（２０）と、
   を含み、
   前記システムはプレーナー較正要素（２１）をさらに含むことを特徴とするシステム。
9. 前記カメラシステム（ＣＡＭ１、ＣＡＭ２）は少なくとも２台のカメラを含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
10. 前記較正要素（２１）は、測定環境における状態が変化するときに特性が一定のままである材料でできていることを特徴とする請求項８記載のシステム。
11. 前記較正要素（２１）は多角形であることを特徴とする請求項８及び１０記載のシステム。
12. 前記較正要素（２１）の辺は様々な長さを有していることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 前記較正要素（２１）はその頂点近くに配置される焦点の印（２２）を設けられることを特徴とする請求項８、１０、１１及び１２に記載のシステム。
14. 前記焦点の印相互の幾何図形的配列は非対称であることを特徴とする請求項８及び１３記載のシステム。
15. 前記システムが、前記支持板（２０）上に取り付けられ且つ焦点の印を含んでいる固定のまたは除去可能な要素（２３）を含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。
16. 前記データシステム（ＤＴＥ）を適応させて前記較正計算を実施することを特徴とする請求項８記載のシステム。

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