JP5494234B2 - 三次元形状計測装置、キャリブレーション方法、およびロボット - Google Patents
三次元形状計測装置、キャリブレーション方法、およびロボット Download PDFInfo
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Description
そこで従来、カメラの歪補正と高さ方向のキャリブレーションとを同時に行って校正作業全体にかかる時間を短縮することのできるキャリブレーション装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示されたキャリブレーション装置では、各列に階段状ブロックを配置するとともに、一列おきの階段状ブロックを前列よりも一段低く配置したキャリブレーションブロックを用いて校正作業を行うものである。
本発明の一態様によれば、三次元形状計測装置は、キャリブレーション用ブロックを撮像することにより得られる特徴点の特徴点座標値と移動部の移動ピッチとから世界座標系における特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を求め校正用データを生成するため、従来のようにキャリブレーション用ブロック全体を確実に計測する必要がなく、高さ方向のキャリブレーションを効率的に且つ高精度に行うことができる。
これにより、三次元形状計測装置は、撮像画像の光切断線に含まれるノイズの影響を除外して高精度に光切断線を検出することができる。
本発明の一態様によれば、三次元形状計測装置は、キャリブレーション用ブロックを撮像することにより得られる特徴点の特徴点座標値と移動部の移動ピッチとから世界座標系における特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を求め校正用データを生成するため、従来のようにキャリブレーション用ブロック全体を確実に計測する必要がなく、高さ方向のキャリブレーションを効率的に且つ高精度に行うことができる。
本発明の一態様によれば、ロボットは、キャリブレーション用ブロックを撮像することにより得られる特徴点の特徴点座標値とハンド部の一方向の移動ピッチとから世界座標系における特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を求め校正用データを生成するため、従来のようにキャリブレーション用ブロック全体を確実に計測する必要がなく、高さ方向のキャリブレーションを効率的に且つ高精度に行うことができる。
三次元形状計測装置1は、スリット光源部11と、撮像部12と、載置台40とを含んで構成される。そして、同図において、載置台40には、撮像部12が撮像した画像における位置と実空間における位置との整合をとるために用いられるキャリブレーション用ブロック100が載置されている。
スリット光源部11は、スリット光SLを射出する光源である。このスリット光SLは、扇形状に広がって空間に射出される。スリット光SLは、例えばレーザー光を用いるのがよい。スリット光源部11は、スリット光SLの中心光軸が鉛直軸と非平行である所定の角度を有して設置される。
また、計測制御部21は、反射位置計算部23に対して、載置台駆動部30の移動ピッチを供給する。この移動ピッチとは、単位時間あたりの載置台40の移動量である。
具体的には、光切断線検出部22は、画像平面をxy座標系としたときの座標値(imin,jmin)から座標値(imax,jmax)までのウィンドウにおけるx軸方向の輝度の重心位置xcを、下記の式(1)を計算することにより求める。なお、式(1)において、(xi,yj)は、画像平面の座標値であり、I(xi,yj)は、座標値(xi,yj)における輝度値である。
変換行列計算部24は、画像平面の二次元座標値と載置台駆動部30の移動ピッチとから計測対象物体の位置を規定する世界座標系の三次元座標値を求めるための変換行列のセット(変換行列セット)を計算して記憶部26に記憶する。
載置台駆動部30は、計測制御部21から供給される移動方向指示と移動ピッチとの制御情報に基づいて、載置台40をその載置面に平行な面における二次元の方向に移動させる。
次に、反射位置計算部23は、輝線LL1から得られた光切断線上で輝度の変化する個所を特徴点C1,C2として検出する。つまり、特徴点C1,C2は、輝線LL1が映っているパターンP上の反射率の変化点に対応する。反射位置計算部23は、特徴点C1,C2を検出すると、画像における特徴点C1,C2に対応する特徴点座標値を計算する。そして、その特徴点座標値と、計測制御部21から供給された移動ピッチと、特徴点C1,C2に対応するキャリブレーション用ブロック100の所定の属性データとを関連づけた特徴点情報を生成して記憶部26に記憶する。
反射位置計算部23は、頂点T1−T4の各頂点座標値と、計測制御部21から供給された移動ピッチと、頂点T1−T4に対応するキャリブレーション用ブロック100の所定の属性データとを関連づけた頂点情報を生成して、記憶部26に記憶された特徴点情報に追加する。これにより、反射位置計算部23は、輝線の移動ピッチよりも細かく且つ画素ピッチの影響を受けることなく特徴点情報を求めることができる。
内部パラメーター行列M(ボールド体)は、以下の要素を含んでいる。
fx:x軸方向の焦点距離(画素単位での表現)
fy:y軸方向の焦点距離(画素単位での表現)
cx:画像中心である主点(x座標)
cy:画像中心である主点(y座標)
R(ボールド体):世界座標からカメラ座標への変換を表す回転行列
t(ボールド体):世界座標からカメラ座標への変換を表す並進行列
なお、世界座標は、キャリブレーション用ブロック100の最初に配置した位置の座標である。
移動ピッチをMとし、移動方向を示す単位ベクトルを(uX,uY,uZ)とすると、式(6)に示すキャリブレーション用ブロック100の平面は平行移動されるため、式(6)の平面の式は式(12)のように表される。
次に、三次元座標変換部25は、これら生成した組み合わせを式(9)、式(11)、および式(13)に適用して、画像平面と実空間とのキャリブレーションを行うための校正用データを生成する。
また、載置台40と光学測定部10との両方を移動させるようにしてもよい。
図8は、三次元形状計測装置1の一部の機能が組み込まれたロボットがキャリブレーションを行っている様子を示した、ロボットおよびキャリブレーション用ブロックならびに載置台の斜視図である。同図に示すように、ロボット8は、地面に固定された支持台81と、旋回および屈伸動作が可能なアーム部82と、回転および首振り動作が可能なハンド部83とを含んで構成される。そして、ハンド部83には、スリット光源部11および撮像部12が固定支持されたフレーム84が取り付けられている。また、キャリブレーション用ブロック100は、地面に固定された載置台40に載置される。
ロボット8は、不図示のロボットコントローラーの制御によって、アーム部82とハンド部83とを複合的に動作させ、スリット光源部11および撮像部12を移動方向Bの方向に移動させる。なお、支持台81は、地面の他に壁や天井等の地面に対して固定された場所に設置してもよい。
8 ロボット
10 光学測定部
11 スリット光源部
12 撮像部
20 制御部
21 計測制御部
22 光切断線検出部
23 反射位置計算部(特徴点情報生成部)
24 変換行列計算部
25 三次元座標変換部
26 記憶部
30 載置台駆動部
40 載置台
81 支持台
82 アーム部
83 ハンド部
84 フレーム
100 キャリブレーション用ブロック
A 搬送方向
B 移動方向
SL スリット光
LL 輝線
RL 反射光
Claims (4)
- スリット光を射出する光源部と、
キャリブレーション用ブロックが載置される載置台と、
前記キャリブレーション用ブロックに照射される前記スリット光の光切断線を撮像する撮像部と、
前記載置台と前記光源部および前記撮像部の組合せとの少なくとも一方を移動させる移動部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像から前記光切断線を検出する光切断線検出部と、
前記光切断線から特徴点を検出して特徴点座標値を計算し、この特徴点座標値と前記移動部の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた特徴点情報を生成する特徴点情報生成部と、
前記特徴点座標値と前記移動ピッチとから世界座標系における前記特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を計算する変換行列計算部と、
前記特徴点情報と前記変換行列とに基づいて、撮像画像の画像平面の二次元座標値とこの二次元座標値に対応する世界座標系の三次元座標値との組み合わせを求めて校正用データを生成する三次元座標変換部と、
を備え、
前記キャリブレーション用ブロックは、前記載置台に載置される底部からの高さ寸法が異なる複数の平面部を有し、前記複数の平面部それぞれに、前記スリット光の照射により生じる光切断線と非平行である直線の輪郭を有し、その輪郭を境にして光反射率が異なるパターンが形成され、
前記特徴点情報生成部は、複数の前記特徴点座標値に基づいて前記パターンの頂点座標値を計算し、この頂点座標値と前記移動部の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた頂点情報を生成して前記特徴点情報に追加する、
ことを特徴とする三次元形状計測装置。 - 前記光切断線検出部は、前記撮像画像から輝度の重心位置を求めることによって前記光切断線を検出することを特徴とする請求項1記載の三次元形状計測装置。
- 三次元形状計測装置のキャリブレーション方法において、
キャリブレーション用ブロックが載置された載置台とスリット光を射出する光源部および前記キャリブレーション用ブロックに照射される前記スリット光の光切断線を撮像する撮像部の組合せとの少なくとも一方を移動させるステップと、
前記撮像部が撮像した撮像画像から前記光切断線を検出するステップと、
前記光切断線から特徴点を検出して特徴点座標値を計算し、この特徴点座標値と前記移動部の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた特徴点情報を生成するステップと、
前記特徴点座標値と前記移動ピッチとから世界座標系における前記特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を計算するステップと、
前記特徴点情報と前記変換行列とに基づいて、撮像画像の画像平面の二次元座標値とこの二次元座標値に対応する世界座標系の三次元座標値との組み合わせを求めて校正用データを生成するステップと、
を有し、
前記キャリブレーション用ブロックは、前記載置台に載置される底部からの高さ寸法が異なる複数の平面部を有し、前記複数の平面部それぞれに、前記スリット光の照射により生じる光切断線と非平行である直線の輪郭を有し、その輪郭を境にして光反射率が異なるパターンが形成され、
前記特徴点情報を生成するステップは、複数の前記特徴点座標値に基づいて前記パターンの頂点座標値を計算し、この頂点座標値と前記移動部の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた頂点情報を生成して前記特徴点情報に追加する、
ことを特徴とする三次元形状計測装置のキャリブレーション方法。 - スリット光を射出する光源部と、
キャリブレーション用ブロックが載置される載置台と、
前記キャリブレーション用ブロックに照射される前記スリット光の光切断線を撮像する撮像部と、
前記載置台と前記光源部および前記撮像部の組合せとのいずれか一方が取り付けられたハンド部と、
前記ハンド部が可動自在に取り付けられたアーム部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像から前記光切断線を検出する光切断線検出部と、
前記光切断線から特徴点を検出して特徴点座標値を計算し、この特徴点座標値と前記ハンド部の一方向の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた特徴点情報を生成する特徴点情報生成部と、
前記特徴点座標値と前記移動ピッチとから世界座標系における前記特徴点の三次元座標値に変換する変換行列を計算する変換行列計算部と、
前記特徴点情報と前記変換行列とに基づいて、撮像画像の画像平面の二次元座標値とこの二次元座標値に対応する世界座標系の三次元座標値との組み合わせを求めて校正用データを生成する三次元座標変換部と、
を備え、
前記キャリブレーション用ブロックは、前記載置台に載置される底部からの高さ寸法が異なる複数の平面部を有し、前記複数の平面部それぞれに、前記スリット光の照射により生じる光切断線と非平行である直線の輪郭を有し、その輪郭を境にして光反射率が異なるパターンが形成され、
前記特徴点情報生成部は、複数の前記特徴点座標値に基づいて前記パターンの頂点座標値を計算し、この頂点座標値と前記移動部の移動ピッチと前記キャリブレーション用ブロックの所定の属性データとを関連付けた頂点情報を生成して前記特徴点情報に追加する、
ことを特徴とするロボット。
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