JPH07119576B2 - 視覚センサのための視差補正方式 - Google Patents

視覚センサのための視差補正方式

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JPH07119576B2
JPH07119576B2 JP62273462A JP27346287A JPH07119576B2 JP H07119576 B2 JPH07119576 B2 JP H07119576B2 JP 62273462 A JP62273462 A JP 62273462A JP 27346287 A JP27346287 A JP 27346287A JP H07119576 B2 JPH07119576 B2 JP H07119576B2
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camera
axis
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淳 渡辺
太郎 有松
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ロボット等の視覚として作業対象の物体を認
識するために利用される視覚センサに関する。
従来の技術 ロボット等の視覚として利用される視覚センサにおいて
は、ある物体の空間内の一直線あるいは一平面上での座
標位置を知るには、従来、第2図に示すように、まず、
その直線あるいは平面と直交するように光軸を設置し
て、カメラで物体を認識してその物体の位置を計算して
いた。
第2図において、カメラ1のレンズ中心4を通るレンズ
に垂直な光軸3と直線または平面2と直交する点を基準
位置Oとし、カメラ1のキャリブレーション時にこの基
準位置Oの画素値POと、この基準位置Oから直線または
平面2上でKmm動いた点Aの画素数PAを求めておく。な
お、像PO−PAはカメラ1のレンズ中心4から直線または
平面2の反対側に結像するが、説明を簡単にするため同
一側に記している。
そして、カメラ1がとらえた直線または平面上のある点
xの画素値Pxより次式の計算を行うことによってある点
の位置xを求めている。
発明が解決しようとする問題点 上述した従来の方式では、第2図に示すように、光軸3
と直線または平面2が直交している場合には問題はない
が、第1図に示すように光軸3と直線または平面2が直
交せず、角θで交わっている場合には、視差の影響があ
るため、正しい物体の位置を求めることができない。
例えば、直線または平面2上の点Aを撮影し、その画素
値がPAとすると、この画素値PAより第(1)式の演算を
行って点Aの位置を求めたとしても、その位置は光軸3
と直交する直線または平面2′と光軸4−Aとの交点
A′の位置を求めることにすぎず、正しい点Aの位置は
求めることができない。そのため、カメラ1が撮影しよ
うとする直線または平面2と光軸3が直交するように、
カメラ1を設置する必要があるが、これは非常に困難な
ことである。
そこで、本発明の目的は、カメラのレンズ中心を通るレ
ンズに垂直な光軸と、撮影対象の直線または平面が直交
していなくても、該直線または平面上の物体位置を正確
に求めることができる視差補正方式を提供することにあ
る。
問題点を解決するための手段 視覚センサにより直線上の物体の位置を検出する場合に
おいては、本発明は、キャリブレーションでカメラの光
軸と上記直線が交わる基準位置と、上記直線上の上記基
準位置とは異なる2点を認識させ、カメラから上記基準
位置までの距離,認識させた各点の上記基準位置からの
距離位置,上記基準位置及び上記2点の画素値より上記
光軸に対する上記直線の傾きを求め、該傾き,基準位置
の画素値,認識させた一方の点の基準位置からの距離及
び該点の画素値,カメラから基準位置までの距離と、視
覚センサがとらえた上記直線上の物体の画素値より、物
体の直線上の位置を求めるようにし、また、平面上の物
体の位置を検出する場合においては、平面上の直交座標
系における各軸の直線に対し、上述した直線上の物体の
位置を検出する場合と同様な処理を行い、各軸の光軸に
対する傾きを求め、この各軸の傾きより前述同様に各軸
上の物体位置を求めて平面上の位置を求めるようにし
た。
作 用 第1図は、本発明の作用原理を説明する説明図で、カメ
ラ1のレンズ中心4を通り、レンズ1に垂直な光軸3
と、直線または平面上の直交座標系の一方の軸2との交
点を基準位置Oとした場合、この直線または軸2と光軸
との角度をθとする。そして、キャリブレーション時
に、この基準位置Oの画素値PO,該基準位置Oから直線
2上をKmm移動させた点A及びMmm移動した点Bの画素値
PA,PBを各々視覚センサに認識させ、さらに、カメラの
レンズ中心4と基準点O間の距離Lmm及びA点,B点の移
動位置Kmm,Mmmを設定し記憶させておく。
そこで、A点,B点から光軸に足した垂線の光軸との交点
をAh,Bhとし、レンズ中心4と像位置間の距離をL′mm
とすると、三角形4・PO・PAと三角形4・Ah・Aが相似
であることから、 第(2)式より L′・Ksinθ=(L+Kcosθ)・(PA−PO)……(3) 一方、三角形4・PO・PBと三角形4・Bh・Bが相似であ
ることから、 第(4)式より L′・Msinθ=(L+Mcosθ)・(PB−PO)……(5) 第(3)式両辺にMを乗じ、第(5)式の両辺にKを乗
じると、左辺は両者ともK・M・L′sinθとなり等し
いので右辺も等しくなり、次式が成立する。
M(L+Kcosθ)・(PA−PO) =K(L+Mcosθ)・(PB−PO) ……(6) 第(6)式を整理すると、 MKcosθ(PA−PO)−MKcosθ(PB−PO) =KL(PB−PO)−ML(PA−PO) ……(7) 第(7)式より 第(8)式において、K,M,Lは設定値であり、PA,PB,PO
はキャリブレーションで得られた値であるので、第
(8)式よりcosθが求まる。
一方、直線2上の基準位置OからXmmの物体Qの画素値
をPXとすると、該物体Qより光軸3に足した垂線と光軸
3との交点をQhとすると、三角形4・Qh・Qと三角形4
・PO・Pxが相似なこと、また、三角形4・Ah・Aと三角
形4・PO・PAが相似なことより、 第(9)式,第(10)式より 第(11)式において、K,Lは設定値、PA,POはキャリブレ
ーションによって求められている画素値、また、cosθ
は第(8)式によって求められているため、物体Qの画
素値PXが検出できれば、第(11)式より物体Qの位置X
は求められることとなる。
平面上の物体Qの位置を求める場合においては、平面の
直交座標系の各軸、例えばX軸,Y軸とすると、該X軸,Y
軸の光軸3に対する傾きはキャリブレーションによって
第(8)式より求まる。即ち、基準位置Oの画素値POと
X軸上の2点A,Bの画素値PA,PB及びA点,B点の基準位置
Oからの距離位置K,M、カメラ1のレンズ中心4から基
準位置Oまでの距離Lより、X軸の傾きcosθxは第
(8)式より求まる。同様に、Y軸に対しても傾きcos
θyは求まる。
一方、基準位置OとX軸上の2点A,Bに対する画素値PO,
PA,PBがキャリブレーションで求められているため、X
軸のカメラ座標系(V−H)に対する回転角は求まり、
また、Y軸に対してもY軸上の3点の画素値が求められ
ていることから、Y軸の座標系(V−H)に対する回転
角も求まる。こうして求められた回転角を第3図に示す
ように、V軸とX軸間がα、V軸とY軸間がβとする
と、平面上の点Qの画素値がV軸Vq,H軸Hgとし、平面上
の直交座標系X−Y上の位置を(Xq,Yq)とすると、 上記第(12)式が成立する。
そこで、カメラ1が撮影した物体Qの画素値(Vq,Hq)
と、キャリブレーション時に求められる各軸の回転角
α,βより第(12)式の演算を行って、位置Xq,Yqを求
め、この求めたXqを第(11)式のPXの代りに代入すれ
ば、物体Qの平面上の座標系のX軸位置Xが求まり、ま
た、第(11)式のPXの代りにYdを代入すれば、平面上の
座標系のY軸位置Yが求まることになる。
実施例 第4図は、本発明を実施する一実施例の視覚センサの要
部ブロック図である。
図中10は中央処理装置(以下、CPUという)で、該CPU10
はバス19を介して、カメラが接続されたカメラインター
フェイス11,モニタ用テレビジョン12が接続されたモニ
タインターフェイス,ロボット14が接続されるインター
フェイス15が接続され、さらに、該バス19にはカメライ
ンターフェイス11を介してカメラ1で撮影された画像を
記憶するフレームメモリ16,CPU10が処理するプログラム
を記憶するROMやデータの一時記憶及び各種設定値を記
憶する不揮発性RAMで構成されるメモリ、及び該視覚セ
ンサに各種設定値を教示し入力するための教示操作盤18
が接続されている。
以上のような構成において、カメラ1を撮影しようとす
る直線または平面に向けて配設し、直線2上の物体の位
置を検出しようとする場合には、キャリブレーションで
カメラ1のレンズ中心を通りレンズに垂直な光軸3と直
線2との交点である、基準位置O及び該基準位置Oより
直線上にKmm,Mmm移動した位置A,Bを撮影し、フレームメ
モリ上の基準位置O,A点,B点の画素値PO,PA,PBをメモリ1
7内に記憶させると共に、基準位置OからA点,B点まで
の距離位置Kmm,Mmm及び基準位置Oとカメラ1のレンズ
中心間の距離Lmmを教示操作盤18より入力し、メモリ17
内に記憶させる。こうして、画素値PO,PA,PB及び設定デ
ータK,M,Lが得られると、CPU10は第(8)式の演算を行
って直線2の光軸3に対する傾きであるcosθを求め
る。なお、A点,B点を教示する際、A点を基準位置Oよ
り直線上+Kmmの位置を教示し、B点として基準位置O
より−Kmmの位置を教示すれば、第(8)式中、Mの代
りに−Kを代入し、第(8)式は次の第(8′)式とな
り、教示及び演算も簡単となる。
以下、本実施例は+Kmm,−KmmのA点,B点を教示し、第
(8′)式によってcosθを求めるものとする。
こうしてcosθを求めてキャリブレーションは終了す
る。
次に、直線2上の物体Qをカメラ1が撮影してその物体
Qの直線上の位置を求めるときにはCPU10は、検出され
た物体Qのフレームメモリ16中の画素値Pxと、キャリブ
レーション時に求めたcosθ及びメモリ17に記憶されて
いる画素値PO,PA,設定値K,Lより第(11)式の演算を行
って物体Qの位置Xを求める。そして、この位置Xのデ
ータはインターフェイス15を介してロボット14に送られ
ることとなる。以下、カメラ1が物体Qを撮影する毎に
CPU10は上記処理を行い、ロボット14に物体Qの位置を
知らせることとなる。
次に、平面上の物体Qの位置の検出方式について述べ
る。
まず、キャリブレーション時に平面上の直交座標系X−
YのX軸,Y軸とカメラの光軸の傾きを、上記直線の光軸
に対する傾きを求めたときと同じようにして求める。
即ち、基準位置Oと、該基準位置Oを中心に反対方向に
+Kmm,−Kmmの点A,Bを教示し、そのときの画素値PO,PA
x,PBxを記憶させる。同様に、Y軸に対しても+Kmm,−K
mmのA点,B点を教示し、各点の画素位置PAy,PByを記憶
させる。さらに、カメラのレンズ中心から基準位置の距
離L,A点,B点の基準位置Oからの距離Kmmを教示操作盤か
ら入力して設定すると、CPU10は第(8′)式を演算し
てX軸,Y軸の傾きcosθx,cosθyを求める。
一方、平面の直交座標系のX軸上,Y軸上各々3点(基準
位置,A点,B点)が教示されているから、カメラ座標系V
−Hに対するX軸,Y軸の傾きα,βは求められる。
こうしてキャリブレーションを終了した後、カメラ1よ
り平面上の物体Qを撮影し、得られたその物体Qの画素
値(Vq,Hq)と軸の回転角α,βより第(12)式を演算
して位置Xq,Yqを求め、求められたXqとキャリブレーシ
ョン時に第(13)式で求められたcosθx,また、Yqと第
(14)式で求められたcosθy及び設定データK,Lにより
第(11)式の演算を行って平面上の物体Qの位置(X,
Y)を求める。即ち、第(11)式よりX,Yの値は次のよう
になる。
以上のようにして、直線上または平面上の物体Qの位置
を検出するようにしているため、カメラ1の視差を補正
して、正確な物体Qの位置を検出することができる。
発明の効果 本発明は、視覚センサの光軸と撮影しようとする直線ま
たは平面とが直交していなくても、それを補正し、該直
線または平面上の物体の位置を正確に認識検出できるの
で、カメラの光軸を被写体の直線または平面に対し、正
確に垂直に配置するという極めて困難に作業を行う必要
がない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の作用原理を説明する説明図、第2図は
視覚センサで物体位置を求める従来の方式の説明図、第
3図はカメラ座標系と平面の座標系の関係を説明するた
めの図、第4図は本発明を実施する視覚センサの一実施
例の要部ブロック図である。 1……カメラ、2……直線または平面、3……光軸、4
……レンズ中心、O……基準位置、A,B,Q……直線また
は平面上の物体の位置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−96204(JP,A) 特公 昭60−35001(JP,B2)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】視覚センサにより直線上の物体の位置を検
    出するとき、キャリブレーションでカメラの光軸と上記
    直線が交わる基準位置と、上記直線上の上記基準位置と
    は異なる2点を認識させ、カメラから上記基準位置まで
    の距離,認識させた各点の上記基準位置からの距離位置
    及び上記基準位置と上記2点の画素値より上記光軸に対
    する上記直線の傾きを求め、該傾き,基準位置の画素
    値,認識させた一方の点の基準位置からの距離及び該点
    の画素値,カメラから基準位置までの距離と視覚センサ
    がとらえた上記直線上の物体の画素値より物体の直線上
    の位置を求めるようにした視覚センサのための視差補正
    方式。
  2. 【請求項2】視覚センサにより平面上の物体の位置を検
    出するとき、キャリブレーションでカメラの光軸と上記
    平面が交わる基準位置と、上記平面上の直交座標系各軸
    上の上記基準位置とは異なる2点を各々認識させ、カメ
    ラから上記基準位置までの距離,認識させた各点の上記
    基準位置からの距離位置及び上記基準位置と上記各点の
    画素値より上記光軸に対する上記平面上の直交座標系各
    軸の傾きを求め、該各傾き,基準位置の画素値,認識さ
    せた各軸上の一方の点の基準位置からの距離,該点の画
    素値,及びカメラから基準位置までの距離と視覚センサ
    がとらえた上記平面上の物体の画素値より、物体の平面
    上の位置を求めるようにした視覚センサのための視差補
    正方式。
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