JP6180158B2 - Position / orientation measuring apparatus, control method and program for position / orientation measuring apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、位置姿勢計測装置、位置姿勢計測装置の制御方法、およびプログラムに関し、特に三次元形状が既知である物体の位置姿勢を計測する技術に関する。   The present invention relates to a position / orientation measurement apparatus, a control method for the position / orientation measurement apparatus, and a program, and more particularly to a technique for measuring the position / orientation of an object having a known three-dimensional shape.

近年のロボット技術の発展とともに、工業製品の組立のようなこれまで人間が行っていた複雑なタスクをロボットが代わりに行うようになりつつある。このようなロボットは、ハンドなどのエンドエフェクタによって部品を把持して組立を行う。この組立には、把持対象となる部品とロボットのハンドとの間の相対的な位置姿勢を計測する必要がある。   Along with the development of robot technology in recent years, robots are instead performing complicated tasks that have been performed by humans, such as assembly of industrial products. Such a robot performs assembly by gripping a part with an end effector such as a hand. For this assembly, it is necessary to measure the relative position and orientation between the part to be gripped and the robot hand.

位置姿勢を計測する方法として、カメラで撮像した濃淡画像やカラー画像(以下、総称して「二次元画像」と称する)上から検出される特徴データや、距離センサで画像について計測して得られた距離データに対して、物体の三次元形状モデルをあてはめるモデルフィッティングによる方法がある。二次元画像に対するモデルフィッティングでは、物体の位置姿勢に基づいて三次元形状モデルを画像上に投影したときの投影像が、検出された特徴に当てはまるように位置姿勢を計測する。距離データに対するモデルフィッティングでは、距離データを表現する距離画像の各点を、三次元座標を持つ三次元点群に変換し、三次元空間において三次元形状モデルが三次元点群に当てはまるように位置姿勢を計測する。   As a method of measuring the position and orientation, it is obtained by measuring characteristic data detected from a grayscale image or a color image (hereinafter collectively referred to as “two-dimensional image”) captured by a camera, or by measuring the image with a distance sensor. There is a method by model fitting that applies a three-dimensional shape model of the object to the distance data. In model fitting for a two-dimensional image, the position and orientation are measured so that a projected image obtained when a three-dimensional shape model is projected on the image based on the position and orientation of the object is applied to the detected feature. In model fitting for distance data, each point of the distance image representing the distance data is converted to a 3D point cloud with 3D coordinates, and the 3D shape model is applied to the 3D point cloud in 3D space. Measure posture.

さらに、特許文献1では、二次元画像から得られる計測情報と、距離画像から得られる計測情報とを併用して位置姿勢計測する技術が開示されている。二次元画像上で画像特徴が検出されにくい平坦な部分では、距離画像が安定的に計測できる。一方、背景と物体との境界や面の切り替わりなど距離計測の精度が低い部分においては2次元画像上で特徴(エッジ)が多く検出される。そのため、両者を相補的に組み合わせて情報量を増やすことにより位置姿勢を高精度に計測することができる。   Further, Patent Document 1 discloses a technique for measuring a position and orientation by using measurement information obtained from a two-dimensional image and measurement information obtained from a distance image in combination. A distance image can be stably measured on a flat portion where an image feature is difficult to detect on a two-dimensional image. On the other hand, many features (edges) are detected on a two-dimensional image in a portion where the accuracy of distance measurement is low, such as a boundary between a background and an object or a change of surface. Therefore, the position and orientation can be measured with high accuracy by increasing the amount of information by combining the two in a complementary manner.

なお、距離データに対するモデルフィッティングにおいて利用するための距離データを得る方法として、複数の計測用パターンを計測対象物体に投影して撮像した画像(以下、「距離計測用画像」と称する)から各画素の距離値を求めることで距離画像を生成する方法がある。このような距離画像計測方法では、複数撮像した画像間での画素の対応に基づいて距離値を算出する。   As a method for obtaining distance data for use in model fitting for distance data, each pixel from an image obtained by projecting a plurality of measurement patterns onto a measurement target object (hereinafter referred to as “distance measurement image”). There is a method of generating a distance image by obtaining a distance value of. In such a distance image measurement method, a distance value is calculated based on the correspondence of pixels between a plurality of captured images.

特願2009−175387号公報Japanese Patent Application No. 2009-175387

R. Y. Tsai, “A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the- shelf TV cameras and lenses”, IEEE Journal of Robotics and Automation, vol. RA-3, no.4, 1987.R. Y. Tsai, “A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses”, IEEE Journal of Robotics and Automation, vol.RA-3, no.4, 1987. Z. Zhang, “A flexible new technique for camera calibration,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.22, no.11, pp.1330-1334, 2000Z. Zhang, “A flexible new technique for camera calibration,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.22, no.11, pp.1330-1334, 2000 井口征士, 佐藤宏介『三次元画像計測』(昭晃堂, 1990)Seiji Iguchi, Kosuke Sato, “Three-dimensional image measurement” (Akirado, 1990)

しかしながら、距離画像を取得するには、計測対象物体が静止した状態で複数の計測用パターンを投影して撮像を行う必要があるため、通常の二次元画像の撮像に比べ、撮像処理に要する時間が必要計測枚数分だけ長くなる。したがって、この方法では、複数の撮像処理の間に、撮像装置と計測対象物体との幾何関係が変化すると、正しい画素の対応関係が求まらず、得られる距離画像の正確性に問題が生じることがある。   However, in order to acquire a distance image, it is necessary to perform imaging by projecting a plurality of measurement patterns while the measurement target object is stationary. Therefore, the time required for the imaging process compared to imaging of a normal two-dimensional image Becomes longer by the required number of sheets. Therefore, in this method, if the geometric relationship between the imaging apparatus and the measurement target object changes during a plurality of imaging processes, the correct pixel correspondence cannot be obtained, and there is a problem in the accuracy of the obtained distance image. Sometimes.

そのため、撮像装置が移動する場合や計測対象がベルトコンベア上を移動する場合には、信頼できる距離画像を得るのは難しい。このような状況で、距離画像の情報を利用した位置姿勢計測を行うと、計測精度が低下してしまう。   For this reason, it is difficult to obtain a reliable distance image when the imaging apparatus moves or when the measurement target moves on the belt conveyor. In such a situation, if position and orientation measurement is performed using the information of the distance image, the measurement accuracy is degraded.

上記の課題に鑑み、本発明は、複数画像から生成した距離画像へのモデルフィッティングにおいて、複数の画像の撮像間に、撮像装置と計測対象との幾何関係に変化があった場合においても位置姿勢を高精度に計測することを目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention provides a position / orientation in model fitting to a distance image generated from a plurality of images even when there is a change in the geometric relationship between the imaging device and the measurement target between the plurality of images. The purpose is to measure with high accuracy.

上記の目的を達成する本発明に係る位置姿勢計測装置は、
対象物体のモデルデータを保持するモデル保持手段と、
前記対象物体に距離計測用パターンを照射する照明手段と、
前記距離計測用パターンが照射されていない前記対象物体を撮像して二次元画像を取得し、前記距離計測用パターンが照射された前記対象物体を撮像して距離計測用画像を取得する撮像手段と、
複数の前記距離計測用パターンがそれぞれ照射されて撮像された距離計測用画像群から距離画像を生成する距離画像処理手段と、
前記対象物体と前記撮像手段との幾何関係の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記二次元画像および前記距離画像の少なくとも1つと前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、
を備えることを特徴とする。
The position and orientation measurement apparatus according to the present invention that achieves the above object is as follows.
Model holding means for holding model data of the target object;
Illumination means for irradiating the target object with a pattern for distance measurement;
An imaging unit that captures the target object that is not irradiated with the distance measurement pattern and acquires a two-dimensional image; and that captures the target object that is irradiated with the distance measurement pattern and acquires a distance measurement image; ,
A distance image processing means for generating a distance image from a distance measurement image group obtained by irradiating and imaging each of the plurality of distance measurement patterns;
Detecting means for detecting a change in a geometric relationship between the target object and the imaging means;
Position and orientation calculation means for calculating the position and orientation of the target object based on at least one of the two-dimensional image and the distance image and the model data in accordance with a detection result by the detection means;
It is characterized by providing.

本発明によれば、複数画像から距離画像を取得して対象物体の位置姿勢計測を行う手法において、距離計測用画像の取得中に撮像装置と対象物体との位置関係に変化があった場合でも、高精度に計測を行うことができる。   According to the present invention, in the method of acquiring the distance image from a plurality of images and measuring the position and orientation of the target object, even when the positional relationship between the imaging device and the target object changes during the acquisition of the distance measurement image. Measurement can be performed with high accuracy.

第1実施形態に係る位置姿勢計測装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the position and orientation measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る三次元形状モデルを説明する図。The figure explaining the three-dimensional shape model which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る位置姿勢計測装置が実施する処理のフローチャート。The flowchart of the process which the position and orientation measurement apparatus which concerns on 1st Embodiment implements. 画像からのエッジ検出を説明する図。The figure explaining the edge detection from an image. 線分の投影像と検出されたエッジとの関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the projection image of a line segment, and the detected edge. 照明部が照射するコードパターンを説明する図。The figure explaining the code | cord pattern which an illumination part irradiates. 第2実施形態に係る位置姿勢計測装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the position and orientation measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る位置姿勢計測装置が実施する処理の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of the process which the position and orientation measurement apparatus which concerns on 2nd Embodiment implements. 第3実施形態に係る位置姿勢計測装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the position and orientation measurement apparatus which concerns on 3rd Embodiment.

(第1実施形態)
第1実施形態では、距離計測用画像取得の前後における、撮像領域上での動的変化の検出を行う。その後、検出結果に応じて、位置姿勢計測に距離画像を利用するかどうかを判定する。本実施形態では、撮像領域に動的変化があった場合には「二次元画像情報を利用したモデルフィッティング」、動的変化がなければ「距離画像情報(三次元点群)を利用したモデルフィッティング」をそれぞれ選択して物体の位置姿勢計測を行う。なお、本実施形態では、物体の概略の位置及び姿勢は既知であるものとする。
(First embodiment)
In the first embodiment, a dynamic change on the imaging region is detected before and after the distance measurement image acquisition. After that, it is determined whether to use the distance image for position and orientation measurement according to the detection result. In the present embodiment, “model fitting using two-dimensional image information” when there is a dynamic change in the imaging region, and “model fitting using distance image information (three-dimensional point group)” when there is no dynamic change. ”Is selected to measure the position and orientation of the object. In this embodiment, it is assumed that the approximate position and orientation of the object are known.

図1は、本実施形態に係る位置姿勢計測装置1の構成を示している。位置姿勢計測装置1は、撮像部110と、照明部120と、二次元画像処理部130と、距離画像処理部140と、動き検出部150と、モード選択・切替部160と、二次元画像特徴検出部170と、概略位置姿勢入力部180と、三次元形状モデル保持部190と、位置姿勢算出部200とを備えている。以下、位置姿勢計測装置1を構成する各部について説明する。   FIG. 1 shows a configuration of a position / orientation measurement apparatus 1 according to the present embodiment. The position / orientation measurement apparatus 1 includes an imaging unit 110, an illumination unit 120, a two-dimensional image processing unit 130, a distance image processing unit 140, a motion detection unit 150, a mode selection / switching unit 160, and a two-dimensional image feature. The detection unit 170, the approximate position / orientation input unit 180, the three-dimensional shape model holding unit 190, and the position / orientation calculation unit 200 are provided. Hereinafter, each part which comprises the position and orientation measuring apparatus 1 is demonstrated.

撮像部110は、二次元画像を撮像するカメラである。本実施形態では、撮像部110は、通常照明下での画像(以下、「二次元画像」)を撮像するとともに、距離計測用のパターンが照射された状態での画像(以下、「距離計測用画像」)の撮像も行う。本実施形態では、距離画像取得のためにN枚の距離計測用画像を撮像するものとし、これらの一連の距離計測用画像群に基づいて1枚の距離画像が生成されるものとする。また、距離計測用画像の撮像間における撮像領域と撮像装置との幾何関係の変化を検出するため、N枚の距離計測用画像の撮像の前後に一枚ずつ、通常照明下での二次元画像の撮像を行う。ここで、距離計測用画像の撮像前に取得した二次元画像を二次元画像A、距離計測用画像の撮像後に取得した二次元画像を二次元画像Bとする。撮像部110が撮像する二次元画像は二次元画像処理部130に入力され、距離計測用画像は距離画像処理部140に入力される。カメラの焦点距離や主点位置、レンズ歪みパラメータなどの内部パラメータは、例えば非特許文献1、非特許文献2に示される方法によって事前にキャリブレーションしておく。   The imaging unit 110 is a camera that captures a two-dimensional image. In the present embodiment, the imaging unit 110 captures an image under normal illumination (hereinafter referred to as a “two-dimensional image”) and an image in a state where a pattern for distance measurement is irradiated (hereinafter referred to as “distance measurement”). The image ")" is also taken. In the present embodiment, it is assumed that N distance measurement images are captured for distance image acquisition, and one distance image is generated based on a series of these distance measurement image groups. In addition, in order to detect a change in the geometric relationship between the imaging region and the imaging device during the imaging of the distance measurement image, a two-dimensional image under normal illumination one by one before and after the imaging of the N distance measurement images. Image. Here, a two-dimensional image acquired before the distance measurement image is captured is a two-dimensional image A, and a two-dimensional image acquired after the distance measurement image is captured is a two-dimensional image B. The two-dimensional image captured by the imaging unit 110 is input to the two-dimensional image processing unit 130, and the distance measurement image is input to the distance image processing unit 140. Internal parameters such as the focal length, principal point position, and lens distortion parameter of the camera are calibrated in advance by the method disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, for example.

照明部120は、距離計測用のパターンを計測対象物体に対して照射する。照明部120として、ここでは液晶プロジェクタを用いる。液晶プロジェクタでは、任意の2次元パターンを照射することが可能である。距離計測に必要な、液晶プロジェクタの内部パラメータ及びカメラに対する外部パラメータは、例えば非特許文献3に開示される方法により事前に校正しておく。ただし照明部120は、液晶プロジェクタに限るものではなく、距離計測用パターンを照射する照明装置であればいかなる照明装置であってもよい。例えば、DMD(デジタル・ミラー・デバイス)やLCOS(リキッド・クリスタル・オン・シリコン)を用いたプロジェクタであってもよい。本実施形態では、空間コード化法によって距離計測を行う。   The illumination unit 120 irradiates a measurement target object with a pattern for distance measurement. Here, a liquid crystal projector is used as the illumination unit 120. A liquid crystal projector can irradiate an arbitrary two-dimensional pattern. The internal parameters of the liquid crystal projector and the external parameters for the camera necessary for distance measurement are calibrated in advance by a method disclosed in Non-Patent Document 3, for example. However, the illumination unit 120 is not limited to a liquid crystal projector, and may be any illumination device as long as it is an illumination device that irradiates a distance measurement pattern. For example, a projector using DMD (digital mirror device) or LCOS (liquid crystal on silicon) may be used. In this embodiment, distance measurement is performed by a spatial encoding method.

空間コード化法では、図6に示すような複数のコードパターン(図6の例では、パターン1乃至パターン6)を計測対象物体に投影し、撮像された画像の各画素と照射されたパターンとの対応付けを行い、画素単位での距離計測を行う。ただし、距離計測方法はこれに限るものではなく、方向を変えたスリット光を時系列に投影することによって距離計測を行う光切断法であってもよい。   In the spatial encoding method, a plurality of code patterns as shown in FIG. 6 (patterns 1 to 6 in the example of FIG. 6) are projected onto the measurement target object, and each pixel of the captured image and the irradiated pattern are projected. Are associated with each other and distance measurement is performed in units of pixels. However, the distance measurement method is not limited to this, and may be an optical cutting method in which distance measurement is performed by projecting slit light whose direction has been changed in time series.

二次元画像処理部130は、撮像部110が撮像する二次元画像を取得して、動き検出部150および二次元画像特徴検出部170へ入力する。   The two-dimensional image processing unit 130 acquires a two-dimensional image captured by the imaging unit 110 and inputs it to the motion detection unit 150 and the two-dimensional image feature detection unit 170.

距離画像処理部140は、撮像部110が撮像する距離計測用画像を取得して、三次元形状モデル(面)が距離画像から生成される三次元点群に当てはまるように位置姿勢を推定する上で、必要な処理を行う。具体的には、撮像部110が撮像するN枚の距離計測用画像群から1枚の距離画像を作成する。距離画像作成の処理の詳細については後述する。さらに作成された距離画像を位置姿勢算出部200へ入力する
動き検出部150は、距離計測用画像群を取得する前後で、計測対象物体と撮像装置との間の幾何関係に変化があったか否かを検出する。具体的には、撮像部110が距離計測用画像取得前に撮像した二次元画像Aと、距離計測用画像取得後に撮像した二次元画像Bとを比較して、距離計測用画像取得中の幾何関係の変化を検出する。なお、本実施形態では、計測対象物体の概略の位置および姿勢があらかじめわかっているものとして二次元画像Aの中から着目領域を設定し、二次元画像Bの同一領域と比較することでその領域内での幾何関係の変化を検出する。
The distance image processing unit 140 acquires the distance measurement image captured by the imaging unit 110 and estimates the position and orientation so that the three-dimensional shape model (surface) is applied to the three-dimensional point group generated from the distance image. Then, perform the necessary processing. Specifically, one distance image is created from N distance measurement image groups captured by the imaging unit 110. Details of the distance image creation processing will be described later. Further, the created distance image is input to the position / orientation calculation unit 200. The motion detection unit 150 determines whether or not there is a change in the geometric relationship between the measurement target object and the imaging apparatus before and after acquiring the distance measurement image group. Is detected. Specifically, the two-dimensional image A captured by the imaging unit 110 before acquiring the distance measurement image and the two-dimensional image B captured after acquiring the distance measurement image are compared, and the geometry during the distance measurement image acquisition is compared. Detect changes in relationships. In the present embodiment, a region of interest is set from the two-dimensional image A assuming that the approximate position and orientation of the measurement target object are known in advance, and the region is compared with the same region of the two-dimensional image B. Detects a change in the geometric relationship within.

まず、二次元画像Aにおいて着目領域の設定を行う。着目領域の設定は、たとえば、概略位置姿勢入力部180から入力される概略位置姿勢に基づいて計測対象物体を二次元画像Aの画像面上に投影し、計測対象物体の投影領域面に属する画素を着目領域とする。ただし、着目領域の指定方法はこの限りではない。たとえば、計測対象物体を画像面上に投影した領域のBounding Boxを着目領域としてもよいし、人手によってあらかじめ指定した領域であってもよい。あるいは二次元画像Aの画像全体であってもよい。   First, a region of interest is set in the two-dimensional image A. The region of interest is set by, for example, projecting the measurement target object on the image plane of the two-dimensional image A based on the approximate position and orientation input from the approximate position and orientation input unit 180, and pixels belonging to the projection area plane of the measurement target object. Is the region of interest. However, the method of specifying the region of interest is not limited to this. For example, the Bounding Box of the area where the measurement target object is projected on the image plane may be used as the area of interest, or may be an area designated in advance by hand. Or the whole image of the two-dimensional image A may be sufficient.

次に、設定された着目領域において、二次元画像Aと二次元画像Bとを利用して、計測対象物体と撮像装置との間の幾何関係の変化を検出する。幾何関係変化の検出には、たとえば二次元画像Aと二次元画像Bの着目領域における差分画像を用いる。画素(i,j)における二次元画像Aの画素値をA(i,j)、二次元画像Bの画素値をB(i,j)として、着目領域の各画素に対して差分C(i,j) = |A(i,j)−B(i,j)|求めることで差分画像Cを作成する。このときの画素値を0〜255として着目領域における差分画像の全画素値の平均値が閾値(たとえば、10)以上であった場合、着目領域に幾何関係の変化があったと判定する。ただし、幾何関係変化の検出方法はこの限りではない。たとえば、二次元画像Aと二次元画像Bとのオプティカルフローを求め、求まった対応のオプティカルフローのベクトル長の平均値が閾値(たとえば5pixel)以上であった場合は着目領域に変化があったと判定する。このほか、撮像装置と計測対象物体との間において、距離値の算出制度を低下させてしまうような幾何関係の変化を検出できる方法であればいかなる方法であってもかまわない。   Next, a change in geometric relationship between the measurement target object and the imaging device is detected using the two-dimensional image A and the two-dimensional image B in the set region of interest. For example, a difference image in a region of interest between the two-dimensional image A and the two-dimensional image B is used for detecting the geometric relationship change. The pixel value of the two-dimensional image A at the pixel (i, j) is A (i, j) and the pixel value of the two-dimensional image B is B (i, j), and the difference C (i , J) = | A (i, j) −B (i, j) | If the pixel value at this time is 0 to 255 and the average value of all the pixel values of the difference image in the region of interest is equal to or greater than a threshold value (for example, 10), it is determined that the geometric region has changed in the region of interest. However, the detection method of the geometric relationship change is not limited to this. For example, the optical flows of the two-dimensional image A and the two-dimensional image B are obtained, and when the average value of the vector lengths of the corresponding optical flows obtained is equal to or greater than a threshold value (for example, 5 pixels), it is determined that the region of interest has changed. To do. In addition, any method may be used as long as it can detect a change in geometric relationship between the imaging apparatus and the measurement target object that would reduce the distance value calculation system.

モード選択・切り替え部160は、動き検出部150による幾何関係の変化の検出結果に応じて、位置姿勢算出部200が計測対象物体の位置姿勢を算出するモードを選択し切り替える。本実施形態では、「距離画像を利用して三次元形状モデルをあてはめる第1モード」と、「二次元画像を利用して三次元形状モデルをあてはめる第2モード」とを備えている。動き検出部150による検出の結果、着目領域上で幾何関係の変化が検出された場合は、距離画像の計測は信用できないものとし、「二次元画像を利用して三次元形状モデルをあてはめる第2モード」を利用する。これに対し、動き検出部150による検出の結果、着目領域上で幾何関係の変化が検出されなかった場合は、距離画像の計測結果を信用し、「距離画像を利用して三次元形状モデルをあてはめる第1モード」を利用する。   The mode selection / switching unit 160 selects and switches the mode in which the position / orientation calculation unit 200 calculates the position / orientation of the measurement target object according to the detection result of the change in the geometric relationship by the motion detection unit 150. In the present embodiment, a “first mode for applying a three-dimensional shape model using a distance image” and a “second mode for applying a three-dimensional shape model using a two-dimensional image” are provided. If a change in geometric relationship is detected on the region of interest as a result of detection by the motion detection unit 150, the measurement of the distance image is unreliable, and “a second model that applies a three-dimensional shape model using a two-dimensional image is used. Use mode. On the other hand, if a change in geometric relationship is not detected on the region of interest as a result of detection by the motion detection unit 150, the measurement result of the distance image is trusted, and a “three-dimensional shape model is obtained using the distance image. The first mode to be applied is used.

二次元画像特徴検出部170は、二次元画像処理部130から入力された二次元画像から画像特徴を検出する。本実施形態では画像特徴としてエッジを検出する。概略位置姿勢入力部180は、位置姿勢計測装置1に対する計測対象物体の位置及び姿勢の概略値を、動き検出部150および位置姿勢算出部200へ入力する。位置姿勢計測装置1には、位置及び姿勢の計測の基準となる三次元の座標系(基準座標系)が規定されているものとする。位置姿勢計測装置1に対する計測対象物体の位置及び姿勢とは、基準座標系における計測対象物体の位置及び姿勢を表す。本実施形態では、カメラ中心を原点とし、カメラの光軸をz軸とした座標系を基準座標系とする。   The two-dimensional image feature detection unit 170 detects an image feature from the two-dimensional image input from the two-dimensional image processing unit 130. In this embodiment, an edge is detected as an image feature. The approximate position and orientation input unit 180 inputs approximate values of the position and orientation of the measurement target object with respect to the position and orientation measurement apparatus 1 to the motion detection unit 150 and the position and orientation calculation unit 200. The position / orientation measurement apparatus 1 is defined with a three-dimensional coordinate system (reference coordinate system) that is a reference for measuring position and orientation. The position and orientation of the measurement target object with respect to the position and orientation measurement apparatus 1 represent the position and orientation of the measurement target object in the reference coordinate system. In this embodiment, a coordinate system in which the camera center is the origin and the optical axis of the camera is the z axis is a reference coordinate system.

本実施形態では、位置姿勢計測装置1は時間軸方向に連続して計測を行うものとして、前回(前時刻)の計測値を概略の位置及び姿勢として用いる。しかしながら、位置及び姿勢の概略値の入力方法はこれに限るものではない。例えば、過去の位置及び姿勢の計測結果に基づいて位置及び姿勢の変化量を推定し、過去の位置及び姿勢と推定された変化量とから現在の位置及び姿勢を予測したものでもよい。また、計測対象物体が置かれているおおよその位置や姿勢があらかじめわかっている場合にはその値を概略値として用いる。   In the present embodiment, the position / orientation measurement apparatus 1 uses the measurement value of the previous time (previous time) as the approximate position and orientation, assuming that the measurement is continuously performed in the time axis direction. However, the method for inputting the approximate values of the position and orientation is not limited to this. For example, the position and orientation change amount may be estimated based on the past position and orientation measurement results, and the current position and orientation may be predicted from the past position and orientation and the estimated change amount. In addition, when the approximate position or orientation where the measurement target object is placed is known in advance, the value is used as an approximate value.

三次元形状モデル保持部190は、位置及び姿勢を計測する対象である計測対象物体の三次元形状モデルデータを保持する。本実施形態では、物体を線分と面から構成される三次元形状モデルとして記述する。位置姿勢算出手部200では、三次元形状モデル中の線分が二次元画像上のエッジに当てはまるように、そして、面が距離画像から得られる三次元点群に当てはまるように位置及び姿勢を推定する。   The three-dimensional shape model holding unit 190 holds three-dimensional shape model data of a measurement target object that is a target for measuring the position and orientation. In this embodiment, an object is described as a three-dimensional shape model composed of line segments and surfaces. In the position / orientation calculation unit 200, the position and orientation are estimated so that the line segment in the three-dimensional shape model is applied to the edge on the two-dimensional image and the surface is applied to the three-dimensional point group obtained from the distance image. To do.

図2は、本実施形態における三次元形状モデルを説明する図である。三次元形状モデルは、点の集合及び各点を結んで構成される線分の集合によって定義される。図2(a)に示すように、計測対象物体10の三次元形状モデルは点P1〜点P14までの14点から構成される。また図2(b)に示すように、計測対象物体10の三次元形状モデルは線分L1〜線分L16により構成されている。図2(c)に示すように、点P1〜点P14は三次元座標値によって表される。また図2(d)に示すように、線分L1〜線分L16は、線分を構成する点のIDによって表される。さらに三次元形状モデルは、面の情報を保持する。各面は、各面を構成する点のIDによって表される。図2に示す三次元形状モデルでは、直方体を構成する6つの面の情報が記憶されている。   FIG. 2 is a diagram illustrating a three-dimensional shape model in the present embodiment. A three-dimensional shape model is defined by a set of points and a set of line segments formed by connecting the points. As shown in FIG. 2A, the three-dimensional shape model of the measurement target object 10 is composed of 14 points P1 to P14. As shown in FIG. 2B, the three-dimensional shape model of the measurement target object 10 includes line segments L1 to L16. As shown in FIG. 2C, the points P1 to P14 are represented by three-dimensional coordinate values. Moreover, as shown in FIG.2 (d), the line segment L1-line segment L16 is represented by ID of the point which comprises a line segment. Further, the three-dimensional shape model holds surface information. Each surface is represented by an ID of a point constituting each surface. In the three-dimensional shape model shown in FIG. 2, information on six surfaces constituting a rectangular parallelepiped is stored.

位置姿勢算出部200は、モード選択・切り替え部160により選択されて切り替えられたモードに基づいて、計測対象物体の位置姿勢を算出する。第1モードが選択された場合は、距離画像処理部140から入力された三次元点群に対して、三次元形状モデル保持部190に保持される三次元形状モデルをあてはめる。これらのあてはめによって、物体の位置姿勢を計測する。一方、第2モードが選択された場合は、二次元画像特徴検出部170により検出されて入力された画像特徴に対して、三次元形状モデル保持部190に保持される3次元形状モデルをあてはめる。このあてはめによって、計測対象物体の位置姿勢を計測する。   The position / orientation calculation unit 200 calculates the position / orientation of the measurement target object based on the mode selected and switched by the mode selection / switching unit 160. When the first mode is selected, the 3D shape model held in the 3D shape model holding unit 190 is applied to the 3D point group input from the distance image processing unit 140. By these fittings, the position and orientation of the object are measured. On the other hand, when the second mode is selected, the 3D shape model held in the 3D shape model holding unit 190 is applied to the image feature detected and input by the 2D image feature detection unit 170. The position and orientation of the measurement target object are measured by this fitting.

次に、図3のフローチャートを参照して、上述の構成を有する第1実施形態に係る位置姿勢計測装置1が実施する処理の手順を説明する。   Next, with reference to the flowchart of FIG. 3, the procedure of the process which the position / orientation measuring apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment which has the above-mentioned structure implements is demonstrated.

(ステップS3010)
概略位置姿勢入力部180は、位置姿勢計測装置1(カメラ)に対する計測対象物体の位置姿勢の概略値を、動き検出部150および位置姿勢算出部200へ入力する。前述したように、本実施形態では、前の時刻において計測された位置姿勢を用いる。
(Step S3010)
The approximate position and orientation input unit 180 inputs an approximate value of the position and orientation of the measurement target object with respect to the position and orientation measurement apparatus 1 (camera) to the motion detection unit 150 and the position and orientation calculation unit 200. As described above, in this embodiment, the position and orientation measured at the previous time is used.

(ステップS3020)
撮像部110は、通常照明下で計測対象物体の二次元画像Aを撮像する。ここで、通常照明とは、一般的な環境に配置されている蛍光灯などの照明であってもよいし、照明部120による同一色(例えば白色)の照明であってもよい。すなわち、距離計測などを目的とした特殊なパターンの照明以外の照明であればいかなる照明であってもよい。本ステップで撮像された二次元画像Aは、二次元画像処理部130へ入力される。なお、ここで取得した画像は、ステップS3080において二次元画像特徴検出部170が位置姿勢算出部200の位置姿勢算出時に利用する画像特徴を検出するために使用されると同時に、ステップS3050において動き検出部150が撮像領域の動的変化を検出する際にも使用される。
(Step S3020)
The imaging unit 110 captures a two-dimensional image A of the measurement target object under normal illumination. Here, the normal illumination may be illumination such as a fluorescent lamp arranged in a general environment, or illumination of the same color (for example, white) by the illumination unit 120. That is, any illumination other than a special pattern illumination for distance measurement and the like may be used. The 2D image A captured in this step is input to the 2D image processing unit 130. Note that the image acquired here is used in step S3080 to detect the image feature used by the two-dimensional image feature detection unit 170 when calculating the position and orientation of the position and orientation calculation unit 200, and at the same time, motion detection is performed in step S3050. It is also used when the unit 150 detects a dynamic change in the imaging region.

(ステップS3030)
撮像部110は、距離計測用画像の撮像を行う。本実施形態では空間コード化法による距離計測を行うことを想定しているため、異なるコードパターンを照射した複数の画像を撮像する必要がある。照明部120は図6に示すコードパターンを計測対象物体に照射する。
(Step S3030)
The imaging unit 110 captures an image for distance measurement. In the present embodiment, it is assumed that distance measurement is performed by the spatial encoding method, and thus it is necessary to capture a plurality of images irradiated with different code patterns. The illumination unit 120 irradiates the measurement target object with the code pattern shown in FIG.

図6には6ビットのグレイコードパターンが示されている。照明部120はパターン1から順に各コードパターンを照射し、撮像部110は各コードパターンが照射されるごとに距離計測用画像を撮像する。撮像された距離計測用画像は距離画像処理部140へ入力される。この処理を、すべてのコードパターンを照射したときの画像が撮像されるまで、コードパターンを変更し、コードパターンを計測対象物体に照射して撮像を行う。なお、図6の例では、6ビットのコードパターンを利用するため、距離計測用画像を計6枚取得する。   FIG. 6 shows a 6-bit gray code pattern. The illumination unit 120 irradiates each code pattern in order from the pattern 1, and the imaging unit 110 captures an image for distance measurement every time each code pattern is irradiated. The captured distance measurement image is input to the distance image processing unit 140. In this process, the code pattern is changed until the image when all the code patterns are irradiated is captured, and the measurement is performed by irradiating the measurement object with the code pattern. In the example of FIG. 6, since a 6-bit code pattern is used, a total of six distance measurement images are acquired.

(ステップS3040)
撮像部110は、通常照明下で計測対象物体の二次元画像Bを撮像する。本ステップでの処理自体はステップS3020の処理と同様である。ここで取得した二次元画像Bは、ステップS3050において動き検出部150が二次元画像Aとの比較から撮像領域の動的変化を検出する際に利用される。
(Step S3040)
The imaging unit 110 captures a two-dimensional image B of the measurement target object under normal illumination. The process itself in this step is the same as the process in step S3020. The two-dimensional image B acquired here is used when the motion detection unit 150 detects a dynamic change of the imaging region from the comparison with the two-dimensional image A in step S3050.

(ステップS3050)
動き検出部150は、画像領域中の動き検出を行う。具体的にはステップS3020で取得した二次元画像Aと、ステップS3040で取得した二次元画像Bとの2つの画像間において、撮像領域中の幾何関係の変化を検出する。本実施形態では、二次元画像Aと二次元画像Bとの着目領域での差分画像を求め、差分画像の画素値が0〜255であったとして、平均画素値の絶対値が閾値(たとえば10)以上であった場合、着目領域に動きがあったと判定する。
(Step S3050)
The motion detection unit 150 performs motion detection in the image area. Specifically, a change in the geometric relationship in the imaging region is detected between two images, the two-dimensional image A acquired in step S3020 and the two-dimensional image B acquired in step S3040. In the present embodiment, the difference image in the region of interest between the two-dimensional image A and the two-dimensional image B is obtained, and the absolute value of the average pixel value is a threshold value (for example, 10) assuming that the pixel value of the difference image is 0 to 255. ) If this is the case, it is determined that there is movement in the region of interest.

(ステップS3060)
モード選択・切り替え部160は、ステップS3050における撮像領域の動的変化の検出結果に基づいて、位置姿勢算出部200が位置姿勢を計測する際のモードを選択し切り替える。第1モードは、「距離データから得られる計測情報(三次元点群)を利用してモデルフィッティングを行うモード」である。第2モードは、「二次元画像から得られる計測情報を利用してモデルフィッティングを行うモード」である。
(Step S3060)
The mode selection / switching unit 160 selects and switches the mode in which the position / orientation calculation unit 200 measures the position / orientation based on the detection result of the dynamic change of the imaging region in step S3050. The first mode is a “mode for performing model fitting using measurement information (three-dimensional point cloud) obtained from distance data”. The second mode is a “mode for performing model fitting using measurement information obtained from a two-dimensional image”.

ステップS3050において着目領域中で幾何関係の変化が検出された場合には、距離計測は正確に行われていないものとして第2モードを選択し、ステップS3080へ進む。この場合、第2モードで、計測精度が低い距離データを用いずに位置姿勢を計測するため、高精度で計測することができる。これに対し、ステップS3050において着目領域中で幾何関係の変化が検出されなかった場合には、距離計測は正確に行われているものとして第1モードを選択して、ステップS3070へ進む。   If a change in geometric relationship is detected in the region of interest in step S3050, the second mode is selected assuming that distance measurement has not been accurately performed, and the flow proceeds to step S3080. In this case, since the position and orientation are measured in the second mode without using distance data with low measurement accuracy, measurement can be performed with high accuracy. On the other hand, if no change in the geometric relationship is detected in the region of interest in step S3050, the first mode is selected assuming that the distance measurement has been accurately performed, and the process proceeds to step S3070.

(ステップS3070)
距離画像処理部140は、ステップS3030において撮像された距離計測用画像群から距離画像を生成する。まず、各距離計測用画像に対して2値化処理を施して各画素を2値化する。2値化結果より、各画素にはnビット(ビット数は利用するコードパターン数となる。本実施形態では6ビットである)のコードが割り当てられる。このコードを2進コードに変換して照明パターンの画像座標と対応づけを行い、その対応関係と前述の構成パラメータに基づいて画素ごとの奥行き値を計算して距離画像を生成する。距離画像の各画素に対し画素位置に対応する視線ベクトルに奥行き値を乗算することにより、基準座標系における三次元座標を持つ三次元点群データに変換する。
(Step S3070)
The distance image processing unit 140 generates a distance image from the distance measurement image group captured in step S3030. First, binarization processing is performed on each distance measurement image to binarize each pixel. From the binarization result, each pixel is assigned an n-bit code (the number of bits is the number of code patterns to be used, which is 6 bits in this embodiment). This code is converted into a binary code and associated with the image coordinates of the illumination pattern, and a depth image is generated by calculating a depth value for each pixel based on the correspondence and the above-described configuration parameters. By multiplying the line-of-sight vector corresponding to the pixel position by the depth value for each pixel of the distance image, the pixel is converted into three-dimensional point group data having three-dimensional coordinates in the reference coordinate system.

(ステップS3080)
二次元画像特徴検出部170は、ステップS3020で入力された二次元画像上での画像特徴の検出を行う。本実施形態では、画像特徴としてエッジを検出する。エッジは濃度勾配の極値となる。
(Step S3080)
The two-dimensional image feature detection unit 170 detects image features on the two-dimensional image input in step S3020. In this embodiment, an edge is detected as an image feature. The edge is an extreme value of the density gradient.

図4(a)および図4(b)は、本実施形態におけるエッジ検出を説明する図である。まず、ステップS3010において入力された計測対象物体の概略位置姿勢と校正済みの二次元画像処理部130の内部パラメータとを用いて、三次元形状モデルを構成する各線分の画像上への投影像を算出する。線分の投影像は画像上でも線分となる。次に、図4(a)に示すように、画像上で等間隔になるように投影された線分上に制御点を設定し、制御点ごとに、投影された線分の法線方向に1次元のエッジの検出を行う。エッジは画素値の濃度勾配の極値として検出されるため、図4(b)に示すように、複数のエッジが検出されることがある。本実施形態では、検出されるエッジのうち最も濃度勾配の大きいものを対応するエッジとする。   FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams for explaining edge detection in the present embodiment. First, using the approximate position and orientation of the measurement target object input in step S3010 and the calibrated internal parameters of the two-dimensional image processing unit 130, a projected image on the image of each line segment constituting the three-dimensional shape model is obtained. calculate. The projected image of the line segment is also a line segment on the image. Next, as shown in FIG. 4A, control points are set on the projected line segments so as to be equally spaced on the image, and the normal direction of the projected line segment is set for each control point. One-dimensional edge detection is performed. Since the edge is detected as an extreme value of the density gradient of the pixel value, a plurality of edges may be detected as shown in FIG. In the present embodiment, the detected edge having the largest density gradient is set as the corresponding edge.

(ステップS3090)
位置姿勢算出部200は、ステップS3060において切り替えられた第1モードあるいは第2モードの何れかを利用して計測対象物体の位置姿勢を算出する。以下、第1モードでの計測対象物体の位置姿勢の算出手順、第2モードでの計測対象物体の位置姿勢の算出手順を順に説明する。
(Step S3090)
The position / orientation calculation unit 200 calculates the position / orientation of the measurement target object using either the first mode or the second mode switched in step S3060. Hereinafter, the procedure for calculating the position and orientation of the measurement target object in the first mode and the procedure for calculating the position and orientation of the measurement target object in the second mode will be described in order.

(第1モード)
位置姿勢算出部200は、ステップS3070で求められた三次元点群データとモデル面との対応に基づいて、位置及び姿勢を算出するための観測方程式を立式する。まず、点群データの各点とモデル面との対応付けを行う。ここでは、位置及び姿勢の概略値に基づいて三次元形状モデルもしくは点群データを座標変換し、点群データ中の各点につき、三次元空間における距離が最小のモデル面と対応付ける。
(First mode)
The position / orientation calculation unit 200 formulates an observation equation for calculating the position and orientation based on the correspondence between the three-dimensional point cloud data obtained in step S3070 and the model surface. First, each point of the point cloud data is associated with the model surface. Here, a three-dimensional shape model or point cloud data is coordinate-transformed based on approximate values of position and orientation, and each point in the point cloud data is associated with a model surface having the smallest distance in the three-dimensional space.

基準座標系における点群の三次元座標は、計測対象物体の位置及び姿勢sによって計測対象物体の座標系における三次元座標(x,y,z)に変換される。位置及び姿勢の概略値によって、点群データ中のある点が計測対象物体座標(x0,y0,z0)に変換されるとする。(x,y,z)は計測対象物体の位置及び姿勢により変化するものであり、(x0,y0,z0)の近傍で1次のテイラー展開によって式(1)のように近似できる。 The three-dimensional coordinates of the point group in the reference coordinate system are converted into the three-dimensional coordinates (x, y, z) in the coordinate system of the measurement target object by the position and orientation s of the measurement target object. It is assumed that a certain point in the point cloud data is converted into measurement target object coordinates (x 0 , y 0 , z 0 ) by the approximate values of the position and orientation. (X, y, z) changes depending on the position and orientation of the object to be measured, and can be approximated by the first-order Taylor expansion in the vicinity of (x 0 , y 0 , z 0 ) as shown in Equation (1). .

Figure 0006180158
Figure 0006180158

点群データ中のある点に対応付けられた三次元形状モデルの面の、計測対象物体座標系における方程式をax+by+cz=e(a2+b2+c2=1、a,b,c,eは定数)とする。正しい位置及び姿勢sによって変換される(x,y,z)は、平面の方程式ax+by+cz=eを満たすと仮定する。式(1)を平面の方程式に代入すると式(2)が得られる。 Ax + by + cz = e (a 2 + b 2 + c 2 = 1, a, b) for the surface of the 3D geometric model associated with a point in the point cloud data , c, e are constants). It is assumed that (x, y, z) transformed by the correct position and orientation s satisfies the plane equation ax + by + cz = e. Substituting equation (1) into the plane equation yields equation (2).

Figure 0006180158
Figure 0006180158

ただし、q=ax0+by0+cz0(定数)とした。式(2)の観測方程式は対応付けが行われたすべての点群データについて立式することができるため、以下のようなΔsiに関する線形連立方程式を立てることができる。 However, q = ax 0 + by 0 + cz 0 (constant). Since the observation equation of equation (2) can be established for all point cloud data associated with each other, the following linear simultaneous equations relating to Δs i can be established.

Figure 0006180158
Figure 0006180158

ここで式(3)を式(4)のように表す。   Here, Expression (3) is expressed as Expression (4).

Figure 0006180158
Figure 0006180158

式(4)の両辺に対して行列Jの一般化逆行列(JT・J)−1・JTを乗じることにより位置及び姿勢の補正値Δsを求め、当該補正値Δsを使用して位置及び姿勢の概略値を補正することで、計測対象物体の位置及び姿勢sを算出する。なお、以上述べた実施形態では位置及び姿勢の補正は一度しか行われないが、補正された位置及び姿勢の概略値に基づいて本ステップの処理をやり直すことで、位置及び姿勢の補正を反復してもよい。 The correction value Δs of the position and orientation is obtained by multiplying both sides of the formula (4) by the generalized inverse matrix (J T · J) −1 · J T of the matrix J, and the position using the correction value Δs is obtained. Then, the position and orientation s of the measurement target object are calculated by correcting the approximate value of the orientation. In the embodiment described above, the position and orientation are corrected only once. However, the correction of the position and orientation is repeated by repeating the process of this step based on the approximate values of the corrected position and orientation. May be.

次に、第2モードでの計測対象物体の位置姿勢の算出手順を説明する。   Next, a procedure for calculating the position and orientation of the measurement target object in the second mode will be described.

(第2モード)
位置姿勢算出部200は、ステップS3080で検出されたエッジに対して、モデル側のエッジとの対応を求める。ステップS3080の説明でも述べたように、本実施形態におけるエッジ検出方法はトップダウン型の方法であり、モデル側から対応するエッジを探索する方法であるため、検出と対応付けとが一度に行われる。次に、モデルの線分上の制御点と画像上のエッジとの対応に基づいて、位置及び姿勢を算出するための観測方程式を立式する。ここで、計測対象物体の位置及び姿勢を6次元ベクトルsで表す。
(Second mode)
The position / orientation calculation unit 200 obtains the correspondence between the edge detected in step S3080 and the model-side edge. As described in the description of step S3080, the edge detection method in the present embodiment is a top-down method, and is a method of searching for a corresponding edge from the model side. Therefore, detection and association are performed at a time. . Next, based on the correspondence between the control points on the line segment of the model and the edges on the image, an observation equation is calculated for calculating the position and orientation. Here, the position and orientation of the measurement target object are represented by a six-dimensional vector s.

図5は、線分の投影像と検出されたエッジとの関係を説明する図である。図5では、画像の水平方向、垂直方向をそれぞれu軸、v軸としている。ある制御点の画像上での位置を(u0,v0)、該制御点が所属する線分の画像上での傾きをu軸に対する傾きθと表す。傾きθは、線分の両端の三次元座標をsの概略値(s0)に基づいて画像上に投影し、画像上での両端の座標を結んだ直線の傾きとして算出する。該線分の画像上での法線ベクトルは(sinθ,- cosθ)となる。また、該制御点の対応点(エッジ)の画像座標を(u’,v’)とする。ここで、点(u’,v’)を通り、傾きがθである直線(図5の破線)上の点(u,v)は、 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the projected image of the line segment and the detected edge. In FIG. 5, the horizontal and vertical directions of the image are the u axis and the v axis, respectively. The position on the image of a certain control point is (u 0 , v 0 ), and the inclination on the image of the line segment to which the control point belongs is expressed as the inclination θ with respect to the u axis. The inclination θ is calculated as the inclination of a straight line connecting the coordinates of both ends on the image by projecting the three-dimensional coordinates of both ends of the line segment on the image based on the approximate value of s (s 0 ). The normal vector on the image of the line segment is (sin θ, −cos θ). Also, the image coordinates of the corresponding point (edge) of the control point is (u ′, v ′). Here, a point (u, v) on a straight line (broken line in FIG. 5) passing through the point (u ′, v ′) and having an inclination of θ is

Figure 0006180158
Figure 0006180158

と表せる(θは定数とする)。ここで、d = u’sinθ - v’cosθ(定数)である。制御点の画像上での位置は計測対象物体の位置及び姿勢により変化する。また、計測対象物体の位置及び姿勢の自由度は6自由度である。すなわちsは6次元ベクトルであり、計測対象物体の位置を表す3つの要素と、姿勢を表す3つの要素とからなる。姿勢を表す3つの要素は、例えばオイラー角による表現や、方向が原点を通る回転軸を表してノルムが回転角を表す三次元ベクトルなどによって表現される。位置及び姿勢により変化する制御点の画像座標(u,v)は(u0,v0)の近傍で1次のテイラー展開によって式(6)のように近似できる。但しΔsi(i=1,2,・・・,6)はsの各成分の微小変化を表す。 (Θ is a constant). Here, d = u′sinθ−v′cosθ (constant). The position of the control point on the image changes depending on the position and orientation of the measurement target object. The degree of freedom of the position and orientation of the measurement target object is 6 degrees of freedom. That is, s is a 6-dimensional vector, and includes three elements representing the position of the measurement target object and three elements representing the posture. The three elements representing the posture are represented by, for example, a representation by Euler angles or a three-dimensional vector in which the direction represents the rotation axis passing through the origin and the norm represents the rotation angle. The image coordinates (u, v) of the control point that changes depending on the position and orientation can be approximated as in Equation (6) by the first-order Taylor expansion in the vicinity of (u 0 , v 0 ). However, Δs i (i = 1, 2,..., 6) represents a minute change of each component of s.

Figure 0006180158
Figure 0006180158

位置及び姿勢の概略値と実際の位置及び姿勢との差がそれほどないと仮定すると、正しいsによって得られる制御点の画像上での位置は式(5)が表す直線上にあると仮定できる。式(6)によって近似されるu、vを式(5)に代入することにより、観測方程式、式(7)が得られる。   Assuming that there is not much difference between the approximate value of the position and orientation and the actual position and orientation, it can be assumed that the position on the image of the control point obtained by the correct s is on the straight line represented by Equation (5). By substituting u and v approximated by equation (6) into equation (5), an observation equation, equation (7) is obtained.

Figure 0006180158
Figure 0006180158

ただし、r = u0sinθ- v0cosθ(定数)である。式(7)の観測方程式は対応付けが行われたすべての制御点について立式することができるため、以下の式(8)ようなΔsiに関する線形連立方程式を立てることができる。 However, r = u 0 sin θ−v 0 cos θ (constant). Observation equation of equation (7) it is possible to stand type for all of the control points correspondence is performed, it is possible to make a system of linear equations relating Delta] s i as the following equation (8).

Figure 0006180158
Figure 0006180158

この連立方程式に対して式(3)、式(4)と同様の方法により、位置および姿勢の補正値を求めて位置および姿勢の概略値を補正することにより、計測対象物体の位置及び姿勢sを算出する。   By calculating the position and orientation correction values and correcting the approximate values of the position and orientation by the same method as the equations (3) and (4) for the simultaneous equations, the position and orientation s of the measurement target object are corrected. Is calculated.

以上説明したように、本実施形態では、距離計測用画像群の撮像前後に撮像した2つの二次元画像から計測対象物体と撮像装置との相対的な幾何関係の変化を検出し、検出結果に応じて位置姿勢計測の方法を選択した。距離画像が正確に撮像されていないと想定される状況には、位置姿勢計測時に距離画像を用いず、二次元画像の情報を利用して位置姿勢計測することで、精度の高い計測を可能にしている。   As described above, in the present embodiment, a change in the relative geometric relationship between the measurement target object and the imaging device is detected from two two-dimensional images captured before and after capturing the distance measurement image group, and the detection result is obtained. The position and orientation measurement method was selected accordingly. In situations where the distance image is not accurately captured, the distance image is not used during position / orientation measurement, but the position / orientation measurement is performed using the information of the two-dimensional image, enabling highly accurate measurement. ing.

[変形例]
第1実施形態では、「距離画像情報(三次元点群)を利用したモデルフィッティング」と、「二次元画像情報(画像特徴)を利用したモデルフィッティング」とのうちいずれかを選択して物体の位置姿勢計測を行った。この変形例として、距離計測用画像群の取得中において幾何関係の変化が検出されなかった場合には、「二次元画像情報(画像特徴)と距離画像情報(三次元点群)を併用してモデルあてはめを行う第3モード」により物体の位置姿勢計測を行ってもよい。この場合、距離画像の情報と二次元画像の情報とを共に利用することで、より高精度な位置姿勢計測が可能となる。なお、基本的な構成や処理の流れは第1実施形態と同様のため、詳細な説明は省略する。本変形例では、「二次元画像情報(画像特徴)を利用してモデルあてはめを行う第2モード」と、「二次元画像情報(画像特徴)と距離画像情報(三次元点群)を併用してモデルあてはめを行う第3モード」とを備えることになる。
[Modification]
In the first embodiment, one of “model fitting using distance image information (three-dimensional point cloud)” and “model fitting using two-dimensional image information (image feature)” is selected and the object is selected. Position and orientation measurement was performed. As a modified example, when a change in geometric relationship is not detected during the acquisition of the distance measurement image group, “two-dimensional image information (image feature) and distance image information (three-dimensional point group) are used together. The position and orientation of the object may be measured by a “third mode in which model fitting is performed”. In this case, by using both the information on the distance image and the information on the two-dimensional image, it is possible to perform more accurate position and orientation measurement. Note that the basic configuration and the flow of processing are the same as those in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted. In this modified example, “a second mode in which model fitting is performed using two-dimensional image information (image features)” and “two-dimensional image information (image features) and distance image information (three-dimensional point cloud) are used together. And a third mode in which model fitting is performed.

モード選択・切り替え部160は、動き検出部150により撮像装置と計測対象物体との幾何関係の変化が検出された場合は第2モード、検出されなかった場合は第3モードを選択する。位置姿勢算出部200は、第2モードが選択された場合は、第1実施形態と同様の処理を行う。第3モードが選択された場合は、距離画像処理部140から入力された三次元点群、および二次元画像特徴検出部170により検出されて入力された画像特徴に対して、三次元形状モデル保持部190に保持される三次元形状モデルをそれぞれあてはめる。   The mode selection / switching unit 160 selects the second mode when the motion detection unit 150 detects a change in the geometric relationship between the imaging device and the measurement target object, and selects the third mode when the change is not detected. The position / orientation calculation unit 200 performs the same processing as in the first embodiment when the second mode is selected. When the third mode is selected, the three-dimensional shape model is retained for the three-dimensional point group input from the distance image processing unit 140 and the image feature detected and input by the two-dimensional image feature detection unit 170. Each of the three-dimensional shape models held in the unit 190 is applied.

次に、第3モードでの計測対象物体の位置姿勢の算出手順を説明する。   Next, a procedure for calculating the position and orientation of the measurement target object in the third mode will be described.

(第3モード)
位置姿勢算出部200は、ステップS3070で求めた距離画像点群と、モデル面との対応から第1モードと同様に式(3)を立式する。また、ステップS3080で求めた二次元画像エッジと、モデル側のエッジとの対応から、第2モードと同様に式(8)を立式する。ここで、式(3)、式(8)はsの各成分の微小変化Δsi(i=1,2,・・・,6)についての方程式であるため、式(9)のようなΔsiに関する線形連立方程式を立てることができる。
(Third mode)
The position / orientation calculation unit 200 establishes Expression (3) in the same manner as in the first mode, from the correspondence between the distance image point group obtained in step S3070 and the model plane. Further, from the correspondence between the two-dimensional image edge obtained in step S3080 and the model-side edge, Expression (8) is established as in the second mode. Here, since the equations (3) and (8) are equations about the minute change Δs i (i = 1, 2,..., 6) of each component of s, Δs like the equation (9) A linear system for i can be established.

Figure 0006180158
Figure 0006180158

この連立方程式を解くことによって、位置姿勢の補正値Δsiが得られる。補正値Δsiを用いて位置及び姿勢の概略値を補正することによって最終的な位置姿勢を算出する。ところで、式(9)の右辺の値は、エッジについては画像上での符号付距離、点群については三次元空間中での符号付距離であるため、尺度が一致していない。そこで、画像上での誤差にエッジの奥行きを乗じることにより三次元空間中の誤差に近似する。具体的には、エッジについての方程式の両辺に、エッジの奥行きを乗じることによって尺度を三次元空間中の距離に統一する。二次元画像からは奥行き情報を得ることはできないため、エッジの奥行きは何らかの近似的な方法により求める必要がある。ここでは、位置及び姿勢の概略値によって算出された各制御点の奥行きを、画像上の誤差に乗じることによって三次元空間中の誤差に変換する。このとき、解くべき連立方程式は式(10)のようになる。 By solving the simultaneous equations, the correction value Delta] s i of the position and orientation can be obtained. To calculate the final position and orientation by correcting the approximate value of the position and orientation using the correction value Delta] s i. By the way, the value on the right side of Equation (9) is the signed distance on the image for the edge, and the signed distance in the three-dimensional space for the point group, so the scales do not match. Therefore, the error in the three-dimensional space is approximated by multiplying the error on the image by the depth of the edge. Specifically, the scale is unified to the distance in the three-dimensional space by multiplying both sides of the equation for the edge by the depth of the edge. Since depth information cannot be obtained from a two-dimensional image, the depth of an edge needs to be obtained by some approximate method. Here, the depth of each control point calculated by the approximate values of the position and orientation is converted into an error in a three-dimensional space by multiplying the error on the image. At this time, the simultaneous equations to be solved are as shown in Equation (10).

Figure 0006180158
Figure 0006180158

ここで、z、z…は各エッジの奥行きを表している。なお、奥行きz、z…の代わりに、三次元空間中の制御点から画像面におけるエッジを通過する視線ベクトルに対して下ろした垂線の長さとなるようなスケーリング係数を乗じてもよい。この連立方程式に対して式(3)、式(4)と同様の方法で、位置および姿勢の補正値を求めて位置および姿勢の概略値を補正することにより、計測対象物体の位置及び姿勢sを算出する。 Here, z 1 , z 2 ... Represent the depth of each edge. Instead of the depths z 1 , z 2 ..., A scaling factor may be multiplied so as to be the length of a perpendicular drawn from a control vector in a three-dimensional space with respect to a line-of-sight vector passing through an edge on the image plane. By calculating the position and orientation correction values and correcting the approximate values of the position and orientation for the simultaneous equations in the same manner as in equations (3) and (4), the position and orientation s of the measurement target object are corrected. Is calculated.

(第2実施形態)
第1実施形態では、全距離計測用画像の取得を一続きの処理としてまとめて行い、その前後における撮像装置と計測対象との幾何関係の変化を検出して距離画像を使用するかどうかを判定した。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, acquisition of all distance measurement images is performed as a series of processes, and changes in the geometric relationship between the imaging device and the measurement target before and after that are detected to determine whether to use a distance image. did.

これに対し、第2実施形態では、N枚の距離計測用画像の取得において、距離計測用画像を一枚取得するごとに逐一幾何関係の変化を検出する。変化が検出された場合、その時点で以後の距離計測は行わず、二次元画像のみを利用して位置姿勢を計測する第1モードへと切り替える。   On the other hand, in the second embodiment, in acquiring N distance measurement images, a change in geometric relationship is detected every time one distance measurement image is acquired. When a change is detected, the distance measurement is not performed thereafter, and the mode is switched to the first mode in which the position and orientation is measured using only the two-dimensional image.

図7は、本実施形態に係る位置姿勢計測装置2の構成を示している。基本的な構成は図1に示される位置計測装置1の構成と同様である。位置姿勢計測装置2は、撮像部710と、照明部720と、二次元画像処理部730と、距離画像処理部740と、動き検出部750と、モード選択・切替部760と、二次元画像特徴検出部770と、概略位置姿勢入力部780と、三次元形状モデル保持部790と、位置姿勢算出部800とを備えている。第1実施形態との違いは、撮像部710の処理、動き検出部750の処理、およびモード選択・切替部760の処理にある。撮像部710は、距離画像生成に必要な距離計測用画像を取得する。ただし、全画像の取得を一続きの処理として行うのではなく、距離計測用画像を一枚取得するごとに動き検出部750が動き検出を行う。また、モード選択・切替部760は、距離計測用画像を一枚取得する度に逐一行われる動き検出の結果に基づいて、使用するモードを切り替えるとともに、その後の距離計測用画像の撮像を行うか否かを判定する。   FIG. 7 shows a configuration of the position / orientation measurement apparatus 2 according to the present embodiment. The basic configuration is the same as the configuration of the position measuring apparatus 1 shown in FIG. The position / orientation measurement apparatus 2 includes an imaging unit 710, an illumination unit 720, a two-dimensional image processing unit 730, a distance image processing unit 740, a motion detection unit 750, a mode selection / switching unit 760, and a two-dimensional image feature. A detection unit 770, an approximate position / orientation input unit 780, a three-dimensional shape model holding unit 790, and a position / orientation calculation unit 800 are provided. The difference from the first embodiment is in the processing of the imaging unit 710, the processing of the motion detection unit 750, and the processing of the mode selection / switching unit 760. The imaging unit 710 acquires a distance measurement image necessary for generating a distance image. However, instead of performing acquisition of all images as a continuous process, the motion detection unit 750 performs motion detection each time a distance measurement image is acquired. Whether the mode selection / switching unit 760 switches the mode to be used based on the result of the motion detection that is performed every time one image for distance measurement is acquired, and whether to capture the image for distance measurement thereafter. Determine whether or not.

次に、図8のフローチャートを参照して、上述の構成を有する第2実施形態に係る位置姿勢計測装置2が実施する処理の手順を説明する。ただし、ステップS8010、S8020、S8080、S8090、およびS8100の各処理は、それぞれ第1実施形態におけるステップS3010、S3020、S3070、S3080、およびS3090の各処理と同様の処理を行うため、説明を省略する。   Next, with reference to a flowchart of FIG. 8, a procedure of processing performed by the position / orientation measurement apparatus 2 according to the second embodiment having the above-described configuration will be described. However, the processes in steps S8010, S8020, S8080, S8090, and S8100 are the same as the processes in steps S3010, S3020, S3070, S3080, and S3090 in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. .

(ステップS8030)
撮像部710は、距離計測用画像の撮像を1枚行う。本実施形態では、距離計測用画像を一枚取得するごとに、逐一動き検出を行う。したがって、図6に示すコードパターンのうち、パターン1から順に、1つのコードパターンを照射した画像を1枚だけ撮像する。次のコードパターンを照射した画像を撮像するか否かはこの後の処理により判定される。
(Step S8030)
The imaging unit 710 captures one image for distance measurement. In this embodiment, every time a distance measurement image is acquired, motion detection is performed one by one. Accordingly, only one image irradiated with one code pattern is picked up in order from the pattern 1 among the code patterns shown in FIG. Whether or not to capture an image irradiated with the next code pattern is determined by subsequent processing.

(ステップS8040)
撮像部710は、通常照明下で計測対象物体の二次元画像Bを撮像する。処理自体はステップS8020と同様である。本実施形態では、距離計測用画像が1枚撮像されるごとに二次元画像Bを取得して更新する。ここで取得した二次元画像Bは、ステップS8050において動き検出部750が二次元画像Aとの比較から撮像領域の動的変化を検出する際に利用される。
(Step S8040)
The imaging unit 710 captures a two-dimensional image B of the measurement target object under normal illumination. The process itself is the same as that in step S8020. In the present embodiment, each time a distance measurement image is captured, the two-dimensional image B is acquired and updated. The two-dimensional image B acquired here is used when the motion detection unit 750 detects a dynamic change of the imaging region from the comparison with the two-dimensional image A in step S8050.

(ステップS8050)
動き検出部750は、画像領域中の動き検出を行う。具体的にはステップS8020で取得した二次元画像Aと、ステップS8040で取得した二次元画像Bとの2つの画像間において、撮像領域中の幾何関係の変化を検出する。処理の内容はステップS3050の処理と同様であるため説明を省略する。
(Step S8050)
The motion detection unit 750 detects motion in the image area. Specifically, a change in the geometric relationship in the imaging region is detected between the two images of the two-dimensional image A acquired in step S8020 and the two-dimensional image B acquired in step S8040. Since the content of the process is the same as the process of step S3050, description thereof is omitted.

ただし、より短い時間間隔での幾何関係の変化を検出するため、距離計測用画像を取得する前後に取得した二次元画像を用いて動き検出を行ってもよい。具体的には、1枚目の距離計測用画像を撮像したときのみ、二次元画像Aと二次元画像Bとを用いて動き検出を行い、それ以後は、1つ前の距離計測用画像取得後に撮像した二次元画像Bを二次元画像B’として、二次元画像Bと二次元画像B’とを用いて動き検出を行ってもよい。   However, in order to detect a change in geometric relationship at shorter time intervals, motion detection may be performed using two-dimensional images acquired before and after acquiring a distance measurement image. Specifically, only when the first distance measurement image is captured, motion detection is performed using the two-dimensional image A and the two-dimensional image B, and thereafter, the previous distance measurement image is acquired. The motion detection may be performed using the two-dimensional image B and the two-dimensional image B ′ as the two-dimensional image B ′ captured later.

(ステップS8060)
モード選択・切替部760は、ステップS8050 における撮像領域の動的変化の検出結果に基づいて、この後の距離計測用画像の撮像を行うかどうかを判定するとともに、位置姿勢算出部800が位置姿勢計測を行う際のモードを選択し切り替える。各モードは第1実施形態と同様である。まず、初期モードは第1モードとする。ステップS8050の結果、画像領域中である一定量以上の動きが観測された場合には、その時点で距離計測は正確に行われていないものと判定する。
(Step S8060)
The mode selection / switching unit 760 determines whether or not to capture the image for distance measurement after this based on the detection result of the dynamic change of the imaging region in step S8050, and the position / orientation calculation unit 800 determines the position / orientation. Select and switch the mode for measurement. Each mode is the same as in the first embodiment. First, the initial mode is the first mode. As a result of step S8050, if a certain amount or more of movement is observed in the image area, it is determined that distance measurement is not accurately performed at that time.

この場合、それ以後の距離計測用画像の取得は行わない。したがって、撮像に伴う次のコードパターンの照射や撮像、距離画像生成処理は実施されない。これと同時に、第1モードから、第2モードに切り替え、ステップS8090へ進む。これに対し、観測された動的変化が一定量未満の場合は、第1モードを維持したまま、ステップS8070へ進む。なお、本実施形態においても、第1実施形態の変形例と同様に、第1モードの代わりに第3モードを使用してもよい。   In this case, the distance measurement image is not acquired thereafter. Therefore, the next code pattern irradiation or imaging associated with imaging is not performed. At the same time, the first mode is switched to the second mode, and the process proceeds to step S8090. On the other hand, if the observed dynamic change is less than a certain amount, the process proceeds to step S8070 while maintaining the first mode. In the present embodiment, the third mode may be used instead of the first mode, as in the modification of the first embodiment.

(ステップS8070)
距離画像処理部740は、すべてのコードパターンを照射したときの画像が撮像されることによりすべての距離計測用画像が撮像されたか否かを判定する。すべての距離計測用画像が撮像されたと判定された場合(S8070;YES)、ステップS8080へ進む。一方、まだすべての距離計測用画像が撮像されていないと判定された場合(S8070;NO)、ステップS8030に戻って、コードパターンを変更し、次のコードパターンを計測対象物体に照射して撮像を行う。
(Step S8070)
The distance image processing unit 740 determines whether or not all the distance measurement images have been captured by capturing the images when all the code patterns are irradiated. If it is determined that all the distance measurement images have been captured (S8070; YES), the process proceeds to step S8080. On the other hand, if it is determined that all the distance measurement images have not yet been captured (S8070; NO), the process returns to step S8030, the code pattern is changed, and the measurement object is irradiated with the next code pattern. I do.

以上説明したように、第2実施形態では、距離計測用画像の取得を行う度に逐一幾何関係の変化を検出する。距離計測用画像の撮像精度が低下したと判断された時点でその後の距離計測用画像の撮像を行わないため、位置姿勢計測全体の処理が効率化される。また、精度が低下した距離画像は使用せずに位置姿勢を計測するため、計測の高精度化も可能となる。   As described above, in the second embodiment, every time a distance measurement image is acquired, a change in geometric relationship is detected. Since the subsequent distance measurement image is not captured when it is determined that the imaging accuracy of the distance measurement image has decreased, the processing of the entire position and orientation measurement is made efficient. In addition, since the position and orientation are measured without using the distance image with reduced accuracy, the measurement can be highly accurate.

(第3実施形態)
第1実施形態および第2実施形態では、距離計測用画像の撮像の前後に撮像した二次元画像に基づいて、撮像装置と計測対象との幾何関係の変化を検出し、距離画像を使用するかどうかを判定した。
(Third embodiment)
In the first embodiment and the second embodiment, whether a change in the geometric relationship between the imaging device and the measurement target is detected based on the two-dimensional images captured before and after the distance measurement image is captured, and the distance image is used. Judgment was made.

これに対し、第3実施形態では、撮像装置に対して動きを検出するためのセンサを取り付けておき、距離計測用画像の取得時にセンサの値を参照することで、撮像装置と計測対象との幾何関係の変化を検出する。図9は、本実施形態に係る位置姿勢計測装置3の構成を示している。基本的な構成は図1に示される位置計測装置1の構成と同様である。位置姿勢計測装置3は、撮像部910と、照明部920と、二次元画像処理部930と、距離画像処理部940と、動き検出部950と、モード選択・切替部960と、二次元画像特徴検出部970と、概略位置姿勢入力部980と、三次元形状モデル保持部990と、位置姿勢算出部1000とを備えている。第1実施形態との違いは、撮像部910の処理および動き検出部950の処理にある。   On the other hand, in the third embodiment, a sensor for detecting movement is attached to the imaging device, and the value of the sensor is referred to when acquiring the distance measurement image, so that the imaging device and the measurement target are Detect changes in geometric relationships. FIG. 9 shows the configuration of the position / orientation measurement apparatus 3 according to the present embodiment. The basic configuration is the same as the configuration of the position measuring apparatus 1 shown in FIG. The position / orientation measurement apparatus 3 includes an imaging unit 910, an illumination unit 920, a two-dimensional image processing unit 930, a distance image processing unit 940, a motion detection unit 950, a mode selection / switching unit 960, and a two-dimensional image feature. A detection unit 970, an approximate position and orientation input unit 980, a three-dimensional shape model holding unit 990, and a position and orientation calculation unit 1000 are provided. The difference from the first embodiment is in the processing of the imaging unit 910 and the processing of the motion detection unit 950.

撮像部910は、距離計測用画像の取得を行うと同時に、撮像が行われた時刻tを動き検出部950に入力する。   The imaging unit 910 inputs a distance measurement image and inputs the time t at which the imaging was performed to the motion detection unit 950.

動き検出部950は、撮像部910の入力する時刻tにおいて、撮像装置と計測対象との幾何関係が変化しているかどうかを判定して動きを検出する。幾何関係の変化の検出には、たとえば、撮像装置に対してジャイロセンサを取り付けておき、センサの出力値を利用する。なお、撮像装置がロボット(ハンド)に取り付けられているような場合には、撮像装置の代わりにロボットに対してジャイロセンサを取り付けてもよい。時刻tにおいてジャイロセンサの出力する3軸の角速度をそれぞれ、θx、θy、θzとして、これらの値のどれか一つでも閾値(たとえば1deg/s)以上であった場合は、撮像装置と計測対象物体との幾何関係が変化していると判定する。あるいは、センサを撮像装置に対してだけでなく、撮像領域(たとえば計測対象物体の乗った台)にも取り付けておき、双方の出力値を利用してもよい。時刻tにおいて、撮像装置、撮像領域の双方に取り付けた各センサの出力する3軸の角速度成分のうち、一つでも閾値以上のものがあった場合は、撮像装置と計測対象との幾何関係が変化していると判定する。   The motion detection unit 950 detects motion by determining whether or not the geometric relationship between the imaging device and the measurement target has changed at time t input by the imaging unit 910. For detecting the change in the geometric relationship, for example, a gyro sensor is attached to the imaging apparatus, and the output value of the sensor is used. Note that when the imaging device is attached to a robot (hand), a gyro sensor may be attached to the robot instead of the imaging device. The three-axis angular velocities output by the gyro sensor at time t are θx, θy, and θz, respectively. If any one of these values is equal to or greater than a threshold value (for example, 1 deg / s), the imaging device and the measurement target It is determined that the geometric relationship with the object has changed. Alternatively, the sensor may be attached not only to the imaging apparatus but also to an imaging area (for example, a table on which a measurement target object is placed), and both output values may be used. If at least one of the three-axis angular velocity components output by the sensors attached to both the imaging device and the imaging region is greater than the threshold at time t, the geometric relationship between the imaging device and the measurement target is Judge that it has changed.

ただし、幾何関係の変化の検出方法はこの限りではない。たとえば、ジャイロセンサの代わりに加速度センサを用いても同様の方法で動き検出が可能である。あるいは、位置姿勢センサを利用して、2つの時刻における位置姿勢を比較することで動きを検出してもよい。位置姿勢センサを用いる場合には、距離計測用画像の取得前の時刻t1、取得後の時刻をt2として、2つの時刻における撮像装置の位置姿勢をそれぞれ取得しておき、2つの時刻での撮像装置の位置姿勢を比較して幾何関係の変化を検出する。   However, the method for detecting a change in geometric relationship is not limited to this. For example, even if an acceleration sensor is used instead of the gyro sensor, the motion can be detected by the same method. Alternatively, the movement may be detected by comparing the position and orientation at two times using a position and orientation sensor. In the case of using the position and orientation sensor, the position and orientation of the imaging device at two times are acquired respectively at time t1 before acquisition of the distance measurement image and t2 after acquisition, and imaging at two times is performed. A change in geometric relationship is detected by comparing the position and orientation of the apparatus.

たとえば、時刻t1における位置、姿勢をT1、R1、時刻t2における位置、姿勢をT2、R2とする。このとき、T1とT2との差分の長さをΔT、姿勢R1とR2の差分の大きさをΔθとして、ΔTもしくはΔθのどちらか一方でも閾値(たとえばΔt:1cm、Δθ:3度)以上であった場合は、撮像装置と計測対象物体との幾何関係に変化があったと判定する。このほかにも、距離計測用画像を複数取得する間の撮像装置と計測対象物体との幾何関係の変化を検出できる方法であればいかなる方法であってもかまわない。   For example, assume that the position and orientation at time t1 are T1 and R1, and the position and orientation at time t2 are T2 and R2. At this time, assuming that the difference between T1 and T2 is ΔT and the difference between postures R1 and R2 is Δθ, either ΔT or Δθ is equal to or greater than a threshold (eg, Δt: 1 cm, Δθ: 3 degrees). If there is, it is determined that the geometric relationship between the imaging device and the measurement target object has changed. In addition, any method may be used as long as it can detect a change in the geometric relationship between the imaging apparatus and the measurement target object during acquisition of a plurality of distance measurement images.

なお、本実施形態における位置姿勢計測の処理手順は、図3のフローチャートで説明した処理手順と同様である。ただし、本実施形態では、S1020 、S1040 において、二次元画像の取得と同時に、上述したようにセンサの値を取得する。また、S1050では、取得したセンサの値から幾何関係の変化を検出する。その他の処理は第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。   Note that the position and orientation measurement processing procedure in the present embodiment is the same as the processing procedure described in the flowchart of FIG. However, in this embodiment, in S1020 and S1040, the sensor value is acquired as described above simultaneously with the acquisition of the two-dimensional image. In S1050, a change in geometric relationship is detected from the acquired sensor value. Since other processes are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

また、第2実施形態と同様に、距離計測用画像を1枚取得する度に上で述べたような方法で撮像装置と計測対象物体との幾何関係の変化を検出し、変化が検出された時点でモードを切り替え、その後の距離計測用画像の取得を中止してもよい。   Similarly to the second embodiment, every time one image for distance measurement is acquired, a change in the geometric relationship between the imaging device and the measurement target object is detected by the method described above, and the change is detected. The mode may be switched at the time, and the acquisition of the distance measurement image thereafter may be stopped.

以上説明したように、第3実施形態では、撮像装置あるいは撮像対象に対して取り付けたセンサの情報を利用することで幾何関係の変化を検出し、距離画像が信頼できない場合には、距離画像を使用せずに位置姿勢計測を行うことで高精度に位置姿勢を計測することができる。   As described above, in the third embodiment, when a change in geometric relationship is detected by using information of an image sensor or a sensor attached to an imaging target and the distance image is not reliable, the distance image is displayed. By measuring the position and orientation without using it, the position and orientation can be measured with high accuracy.

なお、これまで述べたように位置姿勢計測を行うモードを排他的に切り替えるのではなく、状況に応じて連続的に切り替えてもよい。その場合、第1実施形態における第3モードで説明した式(10)のスケーリング係数を操作することで、モードを連続的に切り替えることになる。   As described above, the mode for performing position and orientation measurement is not exclusively switched, but may be continuously switched according to the situation. In that case, the mode is continuously switched by manipulating the scaling coefficient of Expression (10) described in the third mode in the first embodiment.

また、ユーザが操作することができるユーザインタフェース(入力受付部)を利用してモードを切り替えてもよい。ユーザインタフェースは、ディスプレイ画面に表示したGUIメニューや、ハードウェアスイッチで構成してもよい。   The mode may be switched using a user interface (input reception unit) that can be operated by the user. The user interface may be configured with a GUI menu displayed on the display screen or a hardware switch.

また、対象物体の計測を行う状況に応じて、システムが自動的に切り替えを行うのではなく、ディスプレイ画面上でどのモードが望ましいか示唆してくれるように構成してもよい。この場合、ユーザはユーザインタフェースを利用してモードを選択することができる。   Further, the system may be configured to suggest which mode is desirable on the display screen, instead of automatically switching according to the situation of measuring the target object. In this case, the user can select a mode using the user interface.

また、ユーザに対して現在どのモードでシステムが動いているか提示してもよい。提示は、ディスプレイ画面に表示してもよいし、ランプやLEDなどでハードウェア的に提示してもよい。   In addition, the user may be presented with which mode the system is currently operating. The presentation may be displayed on a display screen, or may be presented in hardware using a lamp or LED.

(その他の実施形態)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
(Other embodiments)
The present invention can also be realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and a computer (or CPU, MPU, or the like) of the system or apparatus reads the program. It is a process to be executed.

Claims (10)

対象物体のモデルデータを保持するモデル保持手段と、
前記対象物体に距離計測用パターンを照射する照明手段と、
前記距離計測用パターンが照射されていない前記対象物体を撮像して二次元画像を取得し、前記距離計測用パターンが照射された前記対象物体を撮像して距離計測用画像を取得する撮像手段と、
複数の前記距離計測用パターンがそれぞれ照射されて撮像された距離計測用画像群から距離画像を生成する距離画像処理手段と、
前記対象物体と前記撮像手段との幾何関係の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて、前記二次元画像および前記距離画像の少なくとも1つと前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出する位置姿勢算出手段と、
を備えることを特徴とする位置姿勢計測装置。
Model holding means for holding model data of the target object;
Illumination means for irradiating the target object with a pattern for distance measurement;
An imaging unit that captures the target object that is not irradiated with the distance measurement pattern and acquires a two-dimensional image; and that captures the target object that is irradiated with the distance measurement pattern and acquires a distance measurement image; ,
A distance image processing means for generating a distance image from a distance measurement image group obtained by irradiating and imaging each of the plurality of distance measurement patterns;
Detecting means for detecting a change in a geometric relationship between the target object and the imaging means;
Position and orientation calculation means for calculating the position and orientation of the target object based on at least one of the two-dimensional image and the distance image and the model data in accordance with a detection result by the detection means;
A position and orientation measurement apparatus comprising:
前記位置姿勢算出手段は、
前記検出手段により前記変化が検出された場合、前記二次元画像と前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出し、
前記検出手段により前記変化が検出されなかった場合、前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の位置姿勢計測装置。
The position / orientation calculation means includes:
When the change is detected by the detection means, the position and orientation of the target object is calculated based on the two-dimensional image and the model data,
The position / orientation measurement apparatus according to claim 1, wherein when the change is not detected by the detection unit, the position / orientation of the target object is calculated based on the distance image and the model data.
前記位置姿勢算出手段は、前記検出手段により前記変化が検出されなかった場合、前記二次元画像および前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出することを特徴とする請求項2に記載の位置姿勢計測装置。   The position and orientation calculation means calculates the position and orientation of the target object based on the two-dimensional image, the distance image, and the model data when the change is not detected by the detection means. The position and orientation measurement apparatus according to claim 2. 前記検出手段は、前記撮像手段により前記距離計測用画像群が取得される前後に前記撮像手段により取得された複数の二次元画像に基づいて、前記幾何関係の変化を検出することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の位置姿勢計測装置。   The detection unit detects a change in the geometric relationship based on a plurality of two-dimensional images acquired by the imaging unit before and after the distance measurement image group is acquired by the imaging unit. The position / orientation measurement apparatus according to claim 1. 前記検出手段は、前記撮像手段により前記距離計測用画像群のうち1つの距離計測用画像が取得される前後に前記撮像手段により取得された複数の二次元画像に基づいて、前記幾何関係の変化を検出することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の位置姿勢計測装置。   The detecting means changes the geometric relationship based on a plurality of two-dimensional images acquired by the imaging means before and after acquiring one distance measurement image from the distance measurement image group by the imaging means. The position / orientation measurement apparatus according to claim 1, wherein the position / orientation measurement apparatus detects the position / orientation measurement apparatus. 前記撮像手段の前記対象物体に対する動きを検出するセンサをさらに備え、
前記検出手段は、前記センサを参照して前記幾何関係の変化を検出することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の位置姿勢計測装置。
A sensor for detecting movement of the imaging means relative to the target object;
The position / orientation measurement apparatus according to claim 1, wherein the detection unit detects a change in the geometric relationship with reference to the sensor.
ユーザからの入力を受け付ける入力受付手段をさらに備え、
前記位置姿勢算出手段は、前記入力受付手段による入力に応じて、
前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第1モードと、
前記二次元画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第2モードと、
前記二次元画像および前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第3モードと、
を切り替えて前記対象物体の位置姿勢を算出することを特徴とする請求項1に記載の位置姿勢計測装置。
An input receiving means for receiving input from the user;
The position / orientation calculation means is responsive to an input from the input receiving means,
A first mode for calculating the position and orientation based on the distance image and the model data;
A second mode for calculating the position and orientation based on the two-dimensional image and the model data;
A third mode for calculating the position and orientation based on the two-dimensional image, the distance image, and the model data;
The position / orientation measurement apparatus according to claim 1, wherein the position / orientation of the target object is calculated by switching between the two.
前記位置姿勢算出手段が、
前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第1モードと、
前記二次元画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第2モードと、
前記二次元画像および前記距離画像と前記モデルデータとに基づいて前記位置姿勢を算出する第3モードと、
の何れのモードで前記対象物体の位置姿勢を算出しているかをユーザへ提示する提示手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の位置姿勢計測装置。
The position and orientation calculation means is
A first mode for calculating the position and orientation based on the distance image and the model data;
A second mode for calculating the position and orientation based on the two-dimensional image and the model data;
A third mode for calculating the position and orientation based on the two-dimensional image, the distance image, and the model data;
The position / orientation measurement apparatus according to claim 1, further comprising a presentation unit that presents to a user which mode the position / orientation of the target object is calculated.
対象物体のモデルデータを保持するモデル保持手段と、前記対象物体に距離計測用パターンを照射する照明手段と、撮像手段と、距離画像処理手段と、検出手段と、位置姿勢算出手段とを備える位置姿勢計測装置の制御方法であって、
前記撮像手段が、前記距離計測用パターンが照射されていない前記対象物体を撮像して二次元画像を取得し、前記距離計測用パターンが照射された前記対象物体を撮像して距離計測用画像を取得する撮像工程と、
前記距離画像処理手段が、複数の前記距離計測用パターンがそれぞれ照射されて撮像された距離計測用画像群から距離画像を生成する距離画像処理工程と、
前記検出手段が、前記対象物体と前記撮像手段との幾何関係の変化を検出する検出工程と、
前記位置姿勢算出手段が、前記検出工程による検出結果に応じて、前記二次元画像および前記距離画像の少なくとも1つと前記モデルデータとに基づいて、前記対象物体の位置姿勢を算出する位置姿勢算出工程と、
を有することを特徴とする位置姿勢計測装置の制御方法。
A position comprising model holding means for holding model data of a target object, illumination means for irradiating the target object with a distance measurement pattern, imaging means, distance image processing means, detection means, and position and orientation calculation means A control method for an attitude measurement device,
The imaging means captures the target object that is not irradiated with the distance measurement pattern to obtain a two-dimensional image, captures the target object irradiated with the distance measurement pattern, and generates a distance measurement image. An imaging process to be acquired;
A distance image processing step in which the distance image processing unit generates a distance image from a group of distance measurement images captured by irradiation with each of the plurality of distance measurement patterns;
A detecting step in which the detecting means detects a change in a geometric relationship between the target object and the imaging means;
A position and orientation calculation step in which the position and orientation calculation means calculates the position and orientation of the target object based on at least one of the two-dimensional image and the distance image and the model data according to the detection result of the detection step. When,
A control method for a position and orientation measurement apparatus, comprising:
請求項1乃至8の何れか1項に記載の位置姿勢計測装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。   A program for causing a computer to function as each unit of the position and orientation measurement apparatus according to claim 1.
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