JP3343583B2 - 3D surface shape estimation method using stereo camera with focal light source - Google Patents
3D surface shape estimation method using stereo camera with focal light sourceInfo
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- Image Processing (AREA)
- Image Analysis (AREA)
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ステレオ立体視型
視覚センサによる三次元形状の推定方法、特に焦点光源
付ステレオカメラを使用して、平面状及び曲面状物体の
形状を推定する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for estimating a three-dimensional shape using a stereoscopic visual sensor, and more particularly to a method for estimating the shape of a planar or curved object using a stereo camera with a focal light source.
【0002】[0002]
【従来の技術】ロボットが室内を移動する際、室内に配
置された物体を認識して、これらの物体を避けて移動す
る必要があり、このための物体を把握する視覚センサが
ロボットに設置されている。視覚センサを使用して物体
までの距離を測定して3次元形状を推定する方法とし
て、従来は、三角距離計測の原理を使用したステレオ立
体視法、超音波やレーザーレンジファインダを用いる手
法が使用されていた。2. Description of the Related Art When a robot moves in a room, it is necessary to recognize objects placed in the room and to move avoiding these objects. For this purpose, a visual sensor for grasping the object is installed in the robot. ing. Conventionally, as a method of estimating a three-dimensional shape by measuring the distance to an object using a visual sensor, a stereo stereoscopic method using the principle of triangular distance measurement, a method using ultrasonic waves and a laser range finder are conventionally used. It had been.
【0003】図10により、ステレオ立体視法による物
体の3次元形状の推定方法の原理を説明する。カメラ等
の視覚センサを2個左右の位置R,Lに並べてステレオ
画像視する方法である。カメラの位置R,Lは定められ
ているので、一辺a両端角b,cから三角形の頂点、対
象物体の一点Pは一意的に決定される。カメラの姿勢、
レンズの焦点距離が既知であるので、右画像平面、左画
像平面のP1,P2点から両端角b,cは求めることが
できる。Referring to FIG. 10, the principle of a method for estimating the three-dimensional shape of an object by stereoscopic vision will be described. In this method, two visual sensors such as cameras are arranged at right and left positions R and L to view a stereo image. Since the positions R and L of the camera are determined, the vertex of the triangle and the point P of the target object are uniquely determined from the side angles a and b of the side a. Camera posture,
Since the focal lengths of the lenses are known, both end angles b and c can be obtained from points P 1 and P 2 on the right image plane and the left image plane.
【0004】[0004]
【発明の解決しようとする課題】三角測量によるステレ
オ立体視法を適用する従来の方法は、2台のカメラを使
用するだけなので簡便でよい。ただし、カメラの視線方
向を決定するには、右画像のなかに見えている点が左画
像のどこの対応しているかを探す必要がある。二つの入
力画像から自動的に対応点を発見することは困難であ
る。コンピュータにより対象物の中でも表面の明暗が急
変している箇所しか対応点を決定することができないの
で、特徴のない一様の表面を持った物体に対しては、表
面全体の三次元計測を行うことができないという問題点
があった。The conventional method of applying the stereoscopic stereoscopic method by triangulation is simple and simple because only two cameras are used. However, in order to determine the line-of-sight direction of the camera, it is necessary to find out where the visible point in the right image corresponds to the left image. It is difficult to automatically find corresponding points from two input images. The computer can determine the corresponding point only in the part of the object where the brightness of the surface changes suddenly, so for an object with a uniform surface without features, perform three-dimensional measurement of the entire surface There was a problem that it was not possible.
【0005】又、従来の超音波やレーザーレンジファイ
ンダを使用した3次元形状推定方法では、レーザーレン
ジファインダーや超音波装置などの特殊装置を必要とし
ていた。レーザーレンジファインダーを使用するものは
対象物体の形状推定の演算に時間を要し、超音波装置を
使用するものは演算時間は短いものの精度が悪かった。
これに対して、ロボットが障害物を避けて室内を移動す
る時、人間の眼と同様、ロボットに必要な物体の3次元
情報は障害物体の大まかな位置、大きさだけで充分であ
るものの、障害物体を把握する演算時間は移動時間より
短くする必要があり、これらの視覚センサは移動ロボッ
トの視覚センサとして充分なものとは言えなかった。Further, the conventional three-dimensional shape estimation method using an ultrasonic wave or a laser range finder requires a special device such as a laser range finder or an ultrasonic device. In the case of using a laser range finder, it took time to calculate the shape of the target object, and in the case of using an ultrasonic device, the calculation time was short but the accuracy was poor.
On the other hand, when the robot moves indoors avoiding obstacles, similar to the human eye, the three-dimensional information of the objects necessary for the robot is sufficient only with the approximate position and size of the obstacle object. The calculation time for grasping the obstacle must be shorter than the movement time, and these visual sensors cannot be said to be sufficient as the visual sensors of the mobile robot.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明では、対象物件の面に対して環状光源が等価
的に点光源とみなせる距離で該カメラの光軸と同軸に設
けられた環状光源照明とからなる複数台の焦点光源付カ
メラと、CPUとを具備する焦点光源付ステレオカメラ
を用いて、両光源の一方の照明による対象物体の反射光
に基づく対象物体像を両カメラで撮影し、CPUはこれ
らの映像信号を取り込み、両映像中の正反射点を求め、
カメラの前方に位置する対象物体面の1点の3次元座
標、3点の法線方向を算出し、対象物体面を近似演算し
て3次元面形状を推定する方法を提供する。In order to achieve the above object, according to the present invention, an annular light source is equivalent to a surface of a target object.
A plurality of cameras with a focal light source, comprising a plurality of cameras with a focal light source, and a circular light source illumination provided coaxially with the optical axis of the camera at a distance that can be regarded as a point light source, and a stereo camera with a focal light source, comprising a CPU. Using the two light sources, the target object image based on the reflected light of the target object by one illumination of both light sources is captured by both cameras, the CPU captures these video signals, finds the regular reflection point in both images,
Provided is a method of calculating three-dimensional coordinates of one point of a target object plane located in front of a camera and normal directions of three points, and approximating the target object plane to estimate a three-dimensional surface shape.
【0007】本願発明の方法によると、リング光源、カ
メラ、CPU等市販されている簡単な装置により、特徴
点のない滑らかで、ほぼ垂直な曲面を有する対象物体面
を短時間で推定することができる。According to the method of the present invention, it is possible to estimate a target object surface having a smooth, almost vertical curved surface without feature points in a short time by using a commercially available simple device such as a ring light source, a camera, and a CPU. it can.
【0008】[0008]
【発明の実施の態様】図1は本発明の方法を実施する装
置の一例を示している。1R,1Lはステレオカメラを
構成する右,左の焦点光源付カメラで、2R,2Lは
右,左の受光装置で、例えばカメラ、3R,3Lは対象
物件の面に対して環状光源が等価的に点光源とみなせる
距離で該カメラの光軸と同軸に設けられた右,左の環状
光源装置、4はアナログ・デジタル変換器、5はCP
U、6はモニタ、7R,7Lは照射光、8R,8Lは照
射光7L,7Rの物体表面による反射光を表している。FIG. 1 shows an example of an apparatus for carrying out the method of the present invention. 1R and 1L are right and left cameras with focal light sources constituting a stereo camera, 2R and 2L are right and left light receiving devices, for example, cameras, 3R and 3L are targets.
An annular light source can be equivalently regarded as a point light source for the surface of a property
Right and left annular light source devices provided coaxially with the optical axis of the camera at a distance , 4 is an analog / digital converter, 5 is a CP.
U and 6 represent monitors, 7R and 7L represent irradiation light, and 8R and 8L represent reflection light of the irradiation light 7L and 7R from the object surface.
【0009】環状光源装置3R,3Lは例えば環状スト
ロボで、カメラ2R,2Lの投影中心の位置レンズと同
軸に取り付けられている。一般に環状光源は、対象とす
る面までの距離が光源の直径の10倍以上になると、点
光源と等価になる。図1の焦点光源付ステレオカメラの
環状光源装置3R,3Lは、カメラの光軸と同軸で焦点
位置対象物件の面に対して環状光源の中心が等価的に点
光源とみなせる距離で配置されているので、カメラの焦
点位置に配置された点光源として機能する(以下、環状
光源装置を単に点光源装置という。)。図2は、点光源
装置3R,3L、カメラ2R,2Lからなる光源付ステ
レオカメラを上部に配置した移動ロボットの斜視図を示
している。The annular light source devices 3R and 3L are, for example, annular strobes, and are mounted coaxially with the position lenses at the projection centers of the cameras 2R and 2L. In general, an annular light source becomes equivalent to a point light source when the distance to a target surface is 10 times or more the diameter of the light source. The stereo camera with the focal light source shown in FIG.
The annular light source devices 3R and 3L are coaxial with the optical axis of the camera, and the center of the annular light source is equivalent to a point with respect to the surface of the target object.
Because it is arranged at a distance which can be regarded as a light source, focusing of the camera
Functions as a point light source located at a point position (hereinafter, circular
The light source device is simply called a point light source device. ) . FIG. 2 is a perspective view of a mobile robot in which a stereo camera with a light source including the point light source devices 3R and 3L and the cameras 2R and 2L is arranged at the upper part.
【0010】アナログ・デジタル変換器4はカメラ2
R,2Lで撮影された画像をサンプルし、各画素を輝度
レベルでデジタル化し、CPU5に送信する。CPU5
はカメラ2R,2L、光源照明3R,3Lを制御すると
ともに、アナログ・デジタル変換器4からの映像信号を
記憶し、3次元情報を演算する。The analog / digital converter 4 is a camera 2
The image captured by R and 2L is sampled, each pixel is digitized at a luminance level, and transmitted to the CPU 5. CPU5
Controls the cameras 2R and 2L and the light source illuminations 3R and 3L, stores the video signal from the analog / digital converter 4, and calculates three-dimensional information.
【0011】本発明の方法を図1の焦点光源付ステレオ
カメラを参照して、図3のフロー図により説明する。 ステップS1 まず、焦点光源付ステレオカメラ2R,2Lの左,右点
光源装置3L,3Rのいずれか一つ、例えば右点光源装
置3Rを先ず点灯し、カメラ2L,2Rで対象物体を撮
影し、次いで左点光源装置3Lを点灯しカメラ2L,2
Rで対象物体を撮影する。これら4個の画像の映像信号
はアナログ・デジタル変換されてCPU5に入力され
る。図4(a)は、右点光源照明Rが点灯した時の右カ
メラ2Rが撮影した右画像例である。The method of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 with reference to the stereo camera with the focal light source of FIG. Step S1 First, one of the left and right point light source devices 3L and 3R of the stereo cameras with focus light sources 2R and 2L, for example, the right point light source device 3R is first turned on, and the target object is photographed by the cameras 2L and 2R. Next, the left point light source device 3L is turned on and the cameras 2L and 2L are turned on.
The target object is photographed with R. The video signals of these four images are converted from analog to digital and input to the CPU 5. FIG. 4A is an example of a right image captured by the right camera 2R when the right point light source illumination R is turned on.
【0012】ステップS2 CPU5は、入力された各画像から物体領域を抽出し、
等輝度曲線を抽出する。先ずソーベルオペレータ(Sobe
l operator)とリージョンラベリング(Region label
ling )を使い、面領域の抽出を行う。ソーベルオペレ
ータにより画素周辺の輝度の変化を調べ、変化分の小さ
い画素を面部分、それ以外をエッジ部分とし、画像を2
つの領域に分ける。面領域に関しては、リージョンラベ
リングで画素の連結性を調べて、面積が一定値以上の領
域を物体領域とする。Step S2 The CPU 5 extracts an object region from each input image,
Extract the isoluminance curve. First, the Sobel operator (Sobe
l operator) and Region labeling
Use ling) to extract the surface area. The Sobel operator examines the change in the luminance around the pixel, and the pixel with a small change is defined as the surface portion, and the other pixels are defined as the edge portion.
Into two areas. Regarding the plane region, the connectivity of pixels is checked by region labeling, and a region having an area equal to or larger than a certain value is determined as an object region.
【0013】次に、対象物体面の材質や微細な表面形状
などによる輝度のむらを除去するために、各々の面領域
の輝度を7×7のウィンドウオペレータにより平均化す
る。さらに、各平面ごとに平均化された輝度を一定のレ
ベルごとに量子化し、同じ輝度の連結領域をリージョン
ラベリングにより求める。この連結領域は帯状になり、
正確にはこの領域を細線化して等輝度曲線を求める。Next, in order to remove uneven brightness due to the material of the target object surface or the minute surface shape, the brightness of each surface area is averaged by a 7 × 7 window operator. Further, the luminance averaged for each plane is quantized for each fixed level, and a connected region having the same luminance is obtained by region labeling. This connecting area becomes a strip,
More precisely, this area is thinned to obtain an isoluminance curve.
【0014】図4(b)は、右点光源装置3Rが点灯し
た時に右カメラ2Rが撮影した右画像例(図4(a))
において、抽出された物体領域像とそこに等輝度線像を
のせた例を示した図である。U1’〜U4’で囲まれた
領域が抽出された物体領域を、Eが演算された等輝度曲
線を示している。この例では、表示の便宜上、輝度を2
レベルごとに間引いた等輝度曲線である。輝度分布のピ
ークになるところが正反射点であることから、CPU5
は演算された等輝度曲線の同心円群、楕円状の曲線群の
中心点を基に輝度分布のピーク位置を求めて、正反射点
の位置を求める。正反射光成分による輝度分布での等輝
度曲線は、楕円曲線短軸が10〜60画素程度になる。
短軸の長さの平均値が60画素以下であれば、この輝度
分布は正反射光成分であるとして良い。FIG. 4B shows an example of a right image captured by the right camera 2R when the right point light source device 3R is turned on (FIG. 4A).
3 is a diagram showing an example in which an extracted object region image and an isoluminance line image are placed thereon. The object region from which the region surrounded by U1 'to U4' is extracted shows an isoluminance curve in which E is calculated. In this example, the brightness is set to 2 for convenience of display.
It is an equal luminance curve thinned out for each level. Since the peak of the luminance distribution is a specular reflection point, the CPU 5
Calculates the peak position of the luminance distribution based on the calculated concentric circle group of the equal luminance curve and the center point of the elliptic curve group, and calculates the position of the regular reflection point. In the isoluminance curve in the luminance distribution based on the regular reflection light component, the minor axis of the elliptic curve is about 10 to 60 pixels.
If the average value of the length of the short axis is 60 pixels or less, this luminance distribution may be a regular reflection light component.
【0015】ステップS3 点光源で照明された物体を撮影した画像において、反射
光がピークとなる各局所領域に関してピークである位置
での3法線方向と一点の3次元情報を、次に述べる方法
により算出する。Step S3 In an image obtained by photographing the object illuminated by the point light source, the three normal directions and one-dimensional information at one point at the peak position with respect to each local region where the reflected light peaks are described below. It is calculated by:
【0016】図5(a)は左点光源3Lを点灯した時の
光の照射経路、反射経路と左,右のカメラ3L,3Rが
撮影した画像面における反射光がピークとなる局所領域
(画像面において楕円で表された領域)を示し、図5
(b)は右点光源3Rを点灯した時の光の照射経路、反
射経路と左、右カメラが撮影した画像面における反射光
がピークとなる局所領域を示している。図5中、物体の
A点,C点は同じ側の、例えば左点光源3L点灯時の左
カメラ画像で観測される正反射点で、その像の輝度が一
番高く観測される。B点は左点光源点灯時、右点光源点
灯時にそれぞれ右カメラ画像、左カメラ画像において共
に輝度のピーク値が観測される点である。FIG. 5A shows a light irradiation path and a reflection path when the left point light source 3L is turned on, and a local area (image) where the reflected light on the image plane captured by the left and right cameras 3L and 3R has a peak. FIG. 5 shows an area represented by an ellipse in the plane).
(B) shows a light irradiation path and a reflection path when the right point light source 3R is turned on, and a local region where the reflected light on the image plane captured by the left and right cameras has a peak. In FIG. 5, points A and C of the object are specular reflection points observed on the same side, for example, in the left camera image when the left point light source 3L is turned on, and the image has the highest luminance. Point B is a point where the luminance peak value is observed in both the right camera image and the left camera image when the left point light source is turned on and when the right point light source is turned on.
【0017】3次元座標をステレオカメラのベースライ
ンの中点(図5のOで示す点)に原点をとり、カメラの
視線方向をZ軸、それに直交する面の垂直下方方向をY
軸、水平方向をX軸とした右手座標系とする。図5中の
L,Rはそれぞれ左点光源3Lの位置・左カメラ2Lの
焦点位置、右点光源3Rの位置・右カメラ2Rの焦点位
置を表している。左,右カメラの焦点座標をそれぞれ次
の(1)の座標とする。The origin of the three-dimensional coordinates is set at the midpoint of the baseline of the stereo camera (the point indicated by O in FIG. 5), the direction of the line of sight of the camera is the Z axis, and the direction perpendicular to the plane perpendicular thereto is Y.
A right-handed coordinate system with the axis and horizontal direction as the X axis. L and R in FIG. 5 represent the position of the left point light source 3L and the focal position of the left camera 2L, the position of the right point light source 3R, and the focal position of the right camera 2R, respectively. Let the focal coordinates of the left and right cameras be the following coordinates (1).
【0018】又、図5中、B点に対応する左,右カメラ
画像面上の観測3次元位置、すなわち右,左の点光源を
点灯した時の左,右カメラ画像面での輝度ピーク観測位
置がそれぞれ次の(2)のように計測されるとする。と
すると、 図5中のB点の3次元座標(Bx,By,B
z)は、次の(3)式,(4)式,(5)式で、B点の
法線方向nBのベクトルは、次の(6)式で表せる。In FIG. 5, the observation three-dimensional position corresponding to the point B on the left and right camera image planes, that is, the luminance peak observation on the left and right camera image planes when the right and left point light sources are turned on. Assume that the positions are measured as in the following (2). Then, the three-dimensional coordinates (B x , B y , B
z ) is the following equation (3), (4), or (5). The vector in the normal direction nB at point B can be expressed by the following equation (6).
【0019】[0019]
【数1】 (Equation 1)
【0020】[0020]
【数2】 (Equation 2)
【0021】図5中のA点,C点の法線方向nAのベク
トル,nCのベクトルは、観測3次元位置、すなわち
左,右の点光源を点灯した時の左,右画像面でのピーク
観測位置をそれぞれ、次の(7)とすると、それぞれ次
の(8),(9)式の値となる。なお、本明細書で同じ
参照符号を使用するものは同じもの又は相当するものを
表している。The point A in FIG. 5, the vector of the normal direction n A of the point C, the vector of n C is observed three-dimensional position, i.e. left, left when the lights on the right of point light sources, with the right image plane Assuming that the peak observation positions of the following are respectively (7), the values of the following equations (8) and (9) are obtained. It is to be noted that the same reference numerals in the specification denote the same or corresponding components.
【0022】[0022]
【数3】 (Equation 3)
【0023】ステップS4 これら対象物体像のA点,B点,C点の3法線方向とB
点の座標を用いて、2法線を含むエピポーラ面(Epipola
r plane)の対象物体表面の断面形状を種々の近似曲線
で近似する。2個の円弧S,S’により近似推定する例
を図6により説明する。Step S4: The three normal directions of points A, B and C of the target object image and B
Using the coordinates of the point, the epipolar surface (Epipola
r plane) is approximated by various approximation curves. An example of approximate estimation using two arcs S and S 'will be described with reference to FIG.
【0024】円弧で近似した理由は、次の2点による。 滑らかな曲面を少ないパラメータで表せること。 室内に実在する人工物曲面は、球やシリンダー側面
などのような円弧面をもとに作製されていることが多
く、近似精度が良いこと。The reason for approximation by a circular arc is based on the following two points. Be able to express a smooth curved surface with few parameters. Artificial surfaces that actually exist indoors are often created based on arc surfaces such as spheres and cylinder sides, and have good approximation accuracy.
【0025】まず、A点とB点とを通る2線(図6参
照)の交点OABを求め、これを球の中心とする。実際
には誤差があるので、A点とB点とを通る2線は立体的
に交差して2線が交わらない場合には、2線が最短に近
づく両線上の点P1,P2を求めて、これらの中点を球
の中心とする。これらA点とB点とを通る2線上のP1
点,P2点の座標はそれぞれ、次の(10)式,(1
1)式で求まる。ゆえに、物体表面の断面を円弧で近似
するための球の中心SOAB,半径SRABは次の(1
2)式,(13)式で求まる。First, an intersection O AB between two lines (see FIG. 6) passing through the points A and B is determined, and this is defined as the center of the sphere. Actually, there is an error. If the two lines passing through the point A and the point B cross three-dimensionally and the two lines do not intersect, the points P1 and P2 on both lines where the two lines approach the shortest are obtained. , Let these midpoints be the centers of the spheres. P1 on two lines passing through these points A and B
The coordinates of the point P2 and the coordinates of the point P2 are expressed by the following equation (10) and (1
1) It is obtained by the equation. Therefore, the center SO AB and the radius SR AB of the sphere for approximating the cross section of the object surface with an arc are given by the following (1).
2) and (13).
【0026】[0026]
【数4】 (Equation 4)
【0027】[0027]
【数5】 (Equation 5)
【0028】物体表面のA点,B点に対応する画像上の
輝度ピーク点を結ぶ直線上に存在する各画素ごとに、こ
の球との交点を求めることにより物体表面の断面形状を
得る。各画素の画像面上での3次元位置を次の(14)
とすると、これに対する球との交点は(15)になる。
物体表面のB点,C点に対しても球との交点は同様に算
出することができる。The cross-sectional shape of the object surface is obtained by finding the intersection with the sphere for each pixel existing on a straight line connecting the luminance peak points on the image corresponding to points A and B on the object surface. The three-dimensional position of each pixel on the image plane is expressed by the following (14).
Then, the intersection of this with the sphere is (15).
The intersection between the point B and the point C on the object surface and the sphere can be calculated in the same manner.
【0029】[0029]
【数6】 (Equation 6)
【0030】ステップS5 濃淡画像上でその断面の表面に対応する画素の輝度か
ら、対象面における入射角と面の輝度の反射マップを推
定する。各画素の輝度(濃淡値)は、光源とカメラの位
置、物体表面の反射係数及びその傾きによって決まる。
これを利用して、その領域内の残りの法線方向をShape
−From−Shading(濃淡画像から物体表面の向きを抽出
して、3次元形状を再構成する方法)方法で決定してい
く。Step S5 A reflection map of the incident angle on the target surface and the luminance of the surface is estimated from the luminance of the pixel corresponding to the surface of the cross section on the grayscale image. The luminance (shading value) of each pixel is determined by the position of the light source and the camera, the reflection coefficient of the object surface, and its inclination.
Use this to shape the remaining normal directions in that area.
The method is determined by -From-Shading (a method of extracting the direction of the object surface from the grayscale image and reconstructing a three-dimensional shape).
【0031】1.ステップS4で推定した物体断面の表
面各点における入射角を算出し、対象物体面の反射関数
を得る方法を図7により説明する。断面における物体表
面上のPi点の座標を(Xi,Yi,Zi)(i=1〜
n)とすると、このPi点の対象物体面の法線方向np
のベクトルは、断面の表面を近似した円弧の中心S0=
(S0x,S0y,S0z)とこのPi点とを結ぶ方向
なので、次の(16)式で表せる。左点光源3Lを用い
た場合のこのPi点における光源方向Lnpのベクトル
は、次の(17)式で求まる。したがって、その入射角
はθpは、(18)式で求めることができる。1. A method of calculating the angle of incidence at each point on the surface of the object cross section estimated in step S4 and obtaining the reflection function of the target object surface will be described with reference to FIG. The coordinates of the Pi point on the object surface in the cross section are (Xi, Yi, Zi) (i = 1 to
n), the normal direction n p of the target object plane at this Pi point
Is the center S0 of an arc approximating the surface of the cross section.
Since the direction connects (S0x, S0y, S0z) and this Pi point, it can be expressed by the following equation (16). Vector of the light source direction Ln p in the Pi point when using the left point source 3L is determined by the following equation (17). Therefore, the incident angle θp can be obtained by Expression (18).
【0032】[0032]
【数7】 (Equation 7)
【0033】こうして求めた物体表面の断面上の各点に
おける入射角θpと(図7(a)の場合は左点光源装置
3L点灯時の)観測画像上のその点の輝度の関係をプロ
ットすると、図7(b)のような曲線が得られる。これ
が観測面の反射特性を表す反射関数である。Plotting the relationship between the thus obtained incident angle θp at each point on the cross section of the object surface and the luminance of that point on the observation image (when the left point light source device 3L is lit in FIG. 7A). 7 (b) are obtained. This is the reflection function representing the reflection characteristics of the observation surface.
【0034】2.次に、推定形状断面以外の観測画像の
各画素点に対応する3次元座標を算出する方法を図8に
より説明する。先ず、各画素の輝度から1.で求めた反
射関数を用いて、その画素に観測される対象上の点にお
ける入射角θを得る。これにより、例えば、図8(a)
に示すような観測画像の画素(in,jn+1)へのカ
メラ視線を中心線とする頭頂角θの円錐面上にこの画素
に対する対象物体面上の点Pの法線方向nのベクトルが
限定される。対象物体の面がなめらかである条件より、
既知である近傍の点の法線方向nnのベクトルに最も近
い法線をこの円錐側面上から算出し、対応する対象面上
の点における法線とする。2. Next, a method of calculating three-dimensional coordinates corresponding to each pixel point of the observation image other than the estimated shape section will be described with reference to FIG. First, from the luminance of each pixel, 1. The incident angle θ at a point on the target observed by the pixel is obtained using the reflection function obtained in the above. Thereby, for example, FIG.
Pixel (i n, j n + 1 ) such observation image as shown in the vector of the camera line of sight on the conical surface of the top angle θ of the center line in the normal direction n point P on the object plane for the pixel Limited. From the condition that the surface of the target object is smooth,
The nearest normal vector of the normal direction n n points in the vicinity of known calculated from the conical side surface, and a normal line at the point on the corresponding target surface.
【0035】これは、具体的に次のようにして決定でき
る。3次元座標系をこの円錐(側面長さを単位1とす
る)の頂点O’(図8(b)参照)を原点とするように
平行移動する。今、求めたい対象物体面上のP点におけ
る法線方向nのベクトルは、原点O’においたnnのベ
クトルとこの円錐の底面との交点をP1点とすると、こ
れを底面の円の半径方向に伸ばした方向の円周との交点
P2点終点とするベクトルである。円錐底面は、既知で
ある点光源方向へのV0のベクトル(視線方向の負ベク
トル)を使って、次の(19)式で表せ、これと次の
(20)式で表せる直線との交点は次の(21)式で求
まる。したがって、求める法線方向nのベクトルは次の
(22)式で求まる。This can be specifically determined as follows. The three-dimensional coordinate system is translated so that the vertex O ′ (see FIG. 8B) of this cone (the side surface length is defined as unit 1) is set as the origin. Now, the vector of the normal direction n at point P on the object surface to be obtained, when the intersection of the vector and the bottom surface of the cone of n n was placed at the origin O 'and a point P, which circle the bottom it is a vector of the intersection P 2 points endpoint of the direction of the circumference extending in the radial direction. The conical bottom surface can be expressed by the following equation (19) using a known V0 vector (negative vector in the line-of-sight direction) in the direction of the point light source. The intersection of this and the straight line expressed by the following equation (20) is It is obtained by the following equation (21). Therefore, the vector in the normal direction n to be obtained is obtained by the following equation (22).
【0036】[0036]
【数8】 (Equation 8)
【0037】[0037]
【数9】 (Equation 9)
【0038】ここで、3次元座標系を元の原点Oに戻す
ように平行移動する。画素(in,jn+1)に対応す
る物体表面上の点Pは、図8(c)に示すように視線方
向にあり、3次元座標値を(23)とする既知の近傍点
Pnから3次元座標値を(P x,Py,Pz)とする点
Pへのベクトルと先に求めたnの法線ベクトル(nx,
ny,nz)とが直交することから、次の(24)式で
算出される。Here, the three-dimensional coordinate system is returned to the original origin O.
Translate as follows. Pixel (in, Jn + 1Corresponding to
The point P on the surface of the object
And a known neighboring point whose three-dimensional coordinate value is (23)
PnFrom the three-dimensional coordinate value (P x, Py, Pz)
The vector to P and the normal vector (nx,
ny, Nz) Are orthogonal to each other, so that
Is calculated.
【0039】[0039]
【数10】 (Equation 10)
【0040】このように、形状断面位置の法線ベクトル
から近傍点の法線ベクトルを順次求めることにより対象
物体表面の3次元座標Pを算出して、対象物体面の3D
形状を推定することができる。As described above, the three-dimensional coordinates P of the surface of the target object are calculated by sequentially obtaining the normal vectors of the neighboring points from the normal vector of the sectional position of the shape, and the 3D coordinates of the target object surface are calculated.
The shape can be estimated.
【0041】図9は、対象物体が平面状物体U、円筒物
体Vである表面形状を本発明の方法により推定した一例
を示している。図9中のR,Lは、右、左の点光源位置
・カメラの焦点位置を表している。この例では左画像に
より物体領域を演算した。そのため物体領域はLに向か
っている。右画像により演算しても相違は少ない。図9
(a)は本発明に係るステップ3の演算例で、(b)は
ステップ4で、ステップ2で求めた位置Lの左カメラ2
Lから見た物体領域の左右視覚範囲U1’〜U2’,V
1’〜V2’の範囲で円弧で近似された表面断面を演算
した例である。(c)はステップ4で推定した断面の表
面上の点において、入射角と画像面で観測される輝度と
をプロットしたグラフにより反射関数を求めた例であ
る。(d)はステップ2で求めた対象物体である平面状
物体U,円筒物体Vの物体領域内で、観測画像からShap
e−From−Shading方式により演算して平面状物体及び円
筒物体の3D形状面を推定した例である。以上、焦点光
源付カメラ2台に付いて本発明の方法を説明したが、焦
点光源付カメラが3台以上であっても本発明の方法は可
能である。FIG. 9 shows an example of estimating a surface shape in which the target object is a planar object U and a cylindrical object V by the method of the present invention. R and L in FIG. 9 represent the right and left point light source positions and the focal position of the camera. In this example, the object area was calculated from the left image. Therefore, the object area is directed to L. There is little difference even if the calculation is performed using the right image. FIG.
(A) is a calculation example of step 3 according to the present invention, (b) is step 4 and the left camera 2 at the position L obtained in step 2 is shown.
Left and right visual ranges U1 'to U2', V of the object area viewed from L
This is an example of calculating a surface cross section approximated by an arc in the range of 1 ′ to V2 ′. (C) is an example in which a reflection function is obtained from a graph in which the incident angle and the luminance observed on the image plane are plotted at points on the surface of the cross section estimated in step 4. (D) shows how Shap is obtained from the observed image in the object areas of the planar object U and the cylindrical object V, which are the target objects obtained in step 2.
This is an example in which the 3D shape surfaces of a planar object and a cylindrical object are estimated by performing calculations using the e-From-Shading method. In the above, the method of the present invention has been described for two cameras with a focal light source. However, the method of the present invention is possible even if there are three or more cameras with a focal light source.
【0042】[0042]
【発明の効果】従来の2台のカメラを用いるステレオ両
眼立体視手法が、エッジなどの特徴のないのっぺりとし
た領域に対して3次元再構成が十分行えなかったのに対
して、本発明の方法は、カメラとカメラに付加した焦点
光源という簡便な装置により、能動的に照明を当てて輝
度分布を計測して、特徴のない面上の1点の3次元位置
情報、3点の法線方向を簡易に演算し、さらにShape−F
rom−Shading方式の原理を用いてその面の3次元形状を
演算できる。In contrast to the conventional stereoscopic binocular stereoscopic method using two cameras which cannot sufficiently perform three-dimensional reconstruction on a small area having no features such as edges, the present invention is not limited to this. Is a method of measuring the luminance distribution by actively illuminating with a simple device such as a camera and a focal light source added to the camera, and obtaining three-dimensional position information of one point on a surface having no feature and a method of three points. Calculate line directions easily, and then use Shape-F
The three-dimensional shape of the surface can be calculated using the principle of the rom-Shading method.
【0043】輝度分布のピーク位置は外乱の影響が少な
く、かつ、その位置の推定は簡単な画像処理でできる。
本発明の方法は、数メートルぐらいまでの距離にある面
の位置や形状情報が得られ、建物内を移動するロボット
のビジョンシステムに適している。The peak position of the luminance distribution is less affected by disturbance, and its position can be estimated by simple image processing.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The method of the present invention can obtain position and shape information of a surface at a distance of up to several meters, and is suitable for a vision system of a robot moving in a building.
【図1】本発明の方法を実施する焦点光源付ステレオカ
メラの概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a stereo camera with a focal light source for implementing the method of the present invention.
【図2】焦点光源付ステレオカメラを設置した移動ロボ
ットの斜視図を示す図である。FIG. 2 is a perspective view of a mobile robot provided with a stereo camera with a focal light source.
【図3】本発明の方法を説明するフロー図である。FIG. 3 is a flowchart illustrating the method of the present invention.
【図4】本発明の機能ステップ1,2を説明する図であ
る。FIG. 4 is a diagram illustrating functional steps 1 and 2 of the present invention.
【図5】本発明の機能ステップ3を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating functional step 3 of the present invention.
【図6】本発明の機能ステップ4を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating functional step 4 of the present invention.
【図7】本発明の機能ステップ5における対象物体面の
反射関数を求める方法を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a method for obtaining a reflection function of a target object surface in function step 5 of the present invention.
【図8】本発明の機能ステップ5を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating functional step 5 of the present invention.
【図9】本発明の動作例を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an operation example of the present invention.
【図10】ステレオ立体視法の原理を説明する図であ
る。FIG. 10 is a diagram illustrating the principle of stereo stereoscopic viewing.
1R,1L 焦点光源付カメラ 2R,2L 受光装置、カメラ 3R,3L 環状光源装置 4 アナログ・デジタル変換器 5 CPU 6 モニタ 7R,7L 照射光 8R,8L 反射光1R, 1L Camera with focal light source 2R, 2L Light receiving device, camera 3R, 3L Ring light source device 4 Analog / digital converter 5 CPU 6 Monitor 7R, 7L Irradiation light 8R, 8L Reflection light
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/24 G06T 7/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 11/24 G06T 7/00
Claims (1)
が等価的に点光源とみなせる距離で該カメラの光軸と同
軸に設けられた環状光源照明とからなる複数台の焦点光
源付カメラと、 CPUとを具備する焦点光源付ステレオカメラを用い
て、両光源を順次点灯し、対象物体のそれぞれの反射光
に基づく対象物体像を両カメラで撮影し、CPUはこれ
らの映像信号を取り込み、両映像中の正反射点を求め、
カメラの前方に位置する対象物体面の1点の3次元座
標、3点の法線方向を算出し、対象物体面を近似演算す
ることを特徴とする焦点光源付ステレオカメラによる3
次元面形状推定方法。1. An annular light source for a camera and a surface of a target object
Is equivalent to a point light source and is the same as the optical axis of the camera.
Using a plurality of cameras with a focal light source comprising an annular light source illumination provided on a shaft, and a stereo camera with a focal light source comprising a CPU, both light sources are sequentially turned on and based on respective reflected lights of the target object. The target object image is photographed by both cameras, the CPU captures these video signals, finds the specular reflection points in both images,
3. A stereo camera with a focal light source, which calculates three-dimensional coordinates of one point of a target object plane located in front of the camera and normal directions of the three points and approximates the target object plane.
Dimensional surface shape estimation method.
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Cited By (1)
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