JP2006098065A - Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元モデリング技術に関し、特に対象物を撮影した画像から3次元形状を生成する3次元モデリング装置および3次元モデリングシステム、ならびに3次元モデリング装置をキャリブレーションするキャリブレーション装置および方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling technique, and more particularly to a three-dimensional modeling apparatus and a three-dimensional modeling system that generate a three-dimensional shape from an image obtained by photographing an object, and a calibration apparatus and method that calibrate the three-dimensional modeling apparatus.
コンピュータグラフィックスが各種分野で利用されており、3次元CADなど高精度の3次元グラフィックス画像が必要とされるビジネスアプリケーションもある。また、コンピュータゲームなどのエンドユーザアプリケーションにおいても、ユーザの3次元グラフィックス画像に対する品質の要求が高くなっており、より複雑な3次元形状を画面上で表現したいというニーズがある。複雑で精細な3次元グラフィックス画像を描画するためには、実際の3次元物体をモデル化し、その3次元モデルデータを入力する必要があるが、そのデータ量は膨大であり、初期入力の効率化が望まれる。そこで、対象物体を撮影して3次元形状データを自動取得する3次元スキャナが利用されている。 Computer graphics is used in various fields, and there are business applications that require high-precision 3D graphics images such as 3D CAD. Also in end-user applications such as computer games, there is a high demand for quality of 3D graphics images from users, and there is a need to express more complicated 3D shapes on the screen. In order to draw a complex and fine 3D graphics image, it is necessary to model an actual 3D object and input the 3D model data. However, the amount of data is enormous and the efficiency of the initial input is high. Is desired. Therefore, a three-dimensional scanner that captures a target object and automatically acquires three-dimensional shape data is used.
たとえば、特許文献1には、位置検出用マークを付与した回転台上に載せた対象物体を回転台とともにカメラで撮影し、その複数の撮影画像の各画像における位置検出マークから撮影位置情報を、またその撮影画像からシルエット画像を得て、立体モデルを生成する3次元モデリング装置が開示されている。
しかしながら、特許文献1の3次元モデリング装置では、カメラの位置が固定されており、複雑な形状の対象物体をいろいろな角度から撮影して3次元形状を取得するためには不向きであった。カメラ位置の自由度を上げるためにはカメラを3次元座標計測用多関節アームに取り付けることが考えられるが、3次元座標計測用多関節アームでカメラの位置を移動させた場合、撮影毎にカメラの正確な位置情報が必要となる。3次元モデリングにおいては、撮影画像から3次元形状を再現するため、わずかな誤差の影響で3次元形状の再現精度が悪くなる。カメラ付き3次元座標計測用多関節アームを用いた3次元モデリングシステムでは、システムをキャリブレーションしてカメラの位置情報を正確に効率良く算出することが不可欠である。 However, the position of the camera is fixed in the three-dimensional modeling apparatus of Patent Document 1, and it is not suitable for acquiring a three-dimensional shape by photographing a target object having a complicated shape from various angles. In order to increase the degree of freedom of the camera position, it is conceivable to attach the camera to the articulated arm for 3D coordinate measurement, but when the position of the camera is moved by the articulated arm for 3D coordinate measurement, the camera is Accurate position information is required. In the three-dimensional modeling, since the three-dimensional shape is reproduced from the captured image, the reproduction accuracy of the three-dimensional shape is deteriorated due to a slight error. In a 3D modeling system using an articulated arm for 3D coordinate measurement with a camera, it is indispensable to calibrate the system and accurately and efficiently calculate the position information of the camera.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、撮影位置に自由度をもたせることのできる3次元モデリング技術を提供することにある。また別の目的は、撮影位置に自由度をもたせた3次元モデリング装置のキャリブレーション技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a three-dimensional modeling technique capable of giving a degree of freedom to a photographing position. Another object is to provide a calibration technique for a three-dimensional modeling apparatus in which a shooting position is given a degree of freedom.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のキャリブレーション装置は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームと対象物を載せるための台とを含む3次元モデリング装置をキャリブレーションする装置であって、前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うアーム設置位置較正部と、前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出する撮影位置算出部と、前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するアーム位置算出部と、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うカメラ設置位置較正部とを含む。 In order to solve the above problems, a calibration apparatus according to an aspect of the present invention is an apparatus that calibrates a three-dimensional modeling apparatus including a multi-joint arm for camera-equipped three-dimensional coordinate measurement and a platform on which an object is placed. The measurement point provided on the calibration panel installed on the table is measured by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, based on the coordinate value of the measurement point, And an arm installation position calibration unit that calibrates the positional relationship of the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera, and a reference mark provided on the calibration panel installed on the table is photographed by the camera. Based on the acquired coordinate value of the reference mark, the photographing position calculation unit for calculating the position information of the camera with respect to the table at the time of photographing, and the calibration panel An arm position calculation unit for calculating position information of a three-dimensional coordinate measurement articulated arm when the reference mark is photographed by the camera; and a position of the table and the camera-equipped three-dimensional coordinate measurement articulated arm. The camera-installed joint of the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera using the calibration result of the relationship, the positional information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the positional information of the articulated arm for 3D coordinate measurement And a camera installation position calibration unit that calibrates the positional relationship of the cameras.
この態様によると、カメラの位置の自由度の高いカメラ付き3次元座標計測用多関節アームと対象物を載せるための台を含む3次元モデリング装置のキャリブレーションを効率良く行うことができる。 According to this aspect, it is possible to efficiently perform the calibration of the three-dimensional modeling apparatus including the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera having a high degree of freedom of the camera position and the platform for placing the object.
前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、および前記カメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正結果を利用して、任意のアーム位置における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するカメラ位置算出部をさらに含んでもよい。これにより、任意のアーム位置において対象物を撮影するときの正確なカメラ位置を得ることができる。 Using the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera and the calibration result of the positional relationship between the camera-installed joint and the camera, the camera with respect to the table at an arbitrary arm position It may further include a camera position calculation unit for calculating the position information. This makes it possible to obtain an accurate camera position when shooting an object at an arbitrary arm position.
前記台は、対象物を載せて回転させることのできる回転台であってもよい。回転台を用いることにより、カメラ位置の自由度がさらに高くなる。前記回転台の回転角を異ならせて前記較正用パネル上の前記計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記較正用パネルの前記回転台に対するずれを補正する較正パネル補正部をさらに含んでもよい。「前記較正用パネルの前記回転台に対するずれ」には、較正用パネルの前記回転台の回転中心からの位置ずれ、前記回転台の回転平面に対する傾きなどが含まれる。 The platform may be a turntable on which an object can be placed and rotated. By using the turntable, the degree of freedom of the camera position is further increased. Based on the coordinate value of the measurement point obtained by measuring the measurement point on the calibration panel with the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera while varying the rotation angle of the turntable, the calibration It may further include a calibration panel correction unit that corrects a deviation of the panel for the rotary table. The “deviation of the calibration panel with respect to the turntable” includes a positional deviation of the calibration panel from the rotation center of the turntable, an inclination of the turntable with respect to the rotation plane, and the like.
前記カメラにより撮影された画像から前記台に置かれた対象物に投影されたスリット光を抽出するスリット光抽出部と、投影されたスリット光の座標位置を照射されたスリット光のつくる平面方程式に当てはめることにより、前記カメラに対するスリット光の投影位置を較正するスリット光位置較正部をさらに含んでもよい。対象物の3次元形状データの取得にスリット光投影法を用いる場合において、スリット光位置をキャリブレーションして高い精度で3次元形状データを取得することができる。 A slit light extraction unit for extracting slit light projected on an object placed on the table from an image photographed by the camera, and a plane equation created by the slit light irradiated with the coordinate position of the projected slit light. A slit light position calibration unit that calibrates the projection position of the slit light with respect to the camera by fitting may be further included. In the case where the slit light projection method is used for obtaining the three-dimensional shape data of the object, the slit light position can be calibrated to obtain the three-dimensional shape data with high accuracy.
前記較正用パネルに設けられた複数の前記参照マークは、ランダムに配置されていてもよい。参照マークの配置のランダム性により、任意の個数の参照マークからなるパターンが、異なる角度から撮影した場合に同一の形状になることを避けることができ、不定性を排除することができる。また、前記較正用パネルに設けられた複数の前記参照マークは、ランダムに複数のタイプに分類されていてもよい。較正用パネルに設けられた複数の参照マークが、仮に何らかの規則性をもって、たとえば台の中心に関して対称に配置されていたとしても、参照マークがランダムに複数のタイプに分類されていることより、タイプの違いによって、撮影方向による不定性を排除することができる。また、撮影位置算出部は、参照マークのタイプにもとづいて、カメラにより撮影された画像から抽出される参照マークと較正用パネルの参照マークの対応関係を判定して、無意味な組み合わせを処理対象から外すことができる。 The plurality of reference marks provided on the calibration panel may be randomly arranged. Due to the randomness of the arrangement of the reference marks, it is possible to avoid a pattern composed of an arbitrary number of reference marks from taking the same shape when photographed from different angles, and to eliminate indefiniteness. The plurality of reference marks provided on the calibration panel may be randomly classified into a plurality of types. Even if a plurality of reference marks provided on the calibration panel are arranged with some regularity, for example, symmetrically with respect to the center of the table, the reference marks are randomly classified into a plurality of types. Due to the difference, it is possible to eliminate indefiniteness due to the shooting direction. In addition, the shooting position calculation unit determines the correspondence between the reference mark extracted from the image shot by the camera and the reference mark of the calibration panel based on the type of the reference mark, and processes a meaningless combination as a processing target. Can be removed.
前記較正用パネルに設けられた複数の前記参照マークは、複数のタイプに分類されており、前記計測点は異なるタイプの前記参照マークに対応づけて設けられていてもよい。たとえば、参照マークが色や形状によって分類され、計測点は参照マーク内に設けられてもよい。これにより、計測点を参照マークの色や形状などのタイプで特定することができ、また、複数の計測点を計測する順序を参照マークのタイプにより指定することができる。 The plurality of reference marks provided on the calibration panel may be classified into a plurality of types, and the measurement points may be provided in association with different types of the reference marks. For example, the reference mark may be classified by color or shape, and the measurement point may be provided in the reference mark. Thereby, the measurement point can be specified by the type such as the color and shape of the reference mark, and the order of measuring the plurality of measurement points can be specified by the type of the reference mark.
本発明の別の態様は、3次元モデリング装置である。この3次元モデリング装置は、カメラが設置された3次元座標計測用多関節アームと、前記カメラにより撮影される対象物を載せるための台と、前記台に設置される較正用パネルとを含み、前記較正用パネルは、前記台と前記3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うために前記3次元座標計測用多関節アームによって計測される複数の計測点と、前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するために、前記カメラによって撮影される複数の参照マークとを含む。 Another aspect of the present invention is a three-dimensional modeling apparatus. The three-dimensional modeling apparatus includes a multi-joint arm for measuring a three-dimensional coordinate on which a camera is installed, a table for placing an object photographed by the camera, and a calibration panel installed on the table. The calibration panel includes a plurality of measurement points measured by the articulated arm for 3D coordinate measurement in order to calibrate a positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement, In order to calculate the position information of the camera, a plurality of reference marks photographed by the camera are included.
この態様によると、カメラの位置の設定の自由度を高め、精細な3次元モデリングが可能となる。また、較正用パネルを用いて、カメラ、3次元座標計測用多関節アーム、および対象物を載せるための台の位置関係を効率良くキャリブレーションすることができる。 According to this aspect, the degree of freedom in setting the position of the camera is increased, and fine three-dimensional modeling is possible. Further, using the calibration panel, it is possible to efficiently calibrate the positional relationship between the camera, the multi-joint arm for measuring the three-dimensional coordinates, and the table on which the object is placed.
本発明の別の態様は、3次元モデリングシステムである。この3次元モデリングシステムは、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームと対象物を載せるための台とを含む3次元モデリング装置と、前記3次元モデリング装置をキャリブレーションするキャリブレーション装置とを含む。前記キャリブレーション装置は、前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うアーム設置位置較正部と、前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出する撮影位置算出部と、前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するアーム位置算出部と、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うカメラ設置位置較正部とを含む。 Another aspect of the present invention is a three-dimensional modeling system. This three-dimensional modeling system includes a three-dimensional modeling device including a multi-joint arm for camera-equipped three-dimensional coordinate measurement and a platform for placing an object, and a calibration device for calibrating the three-dimensional modeling device. The calibration device is based on the coordinate value of the measurement point obtained by measuring the measurement point provided on the calibration panel installed on the table by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera. , An arm installation position calibration unit that calibrates the positional relationship between the table and the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, and a reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera. Based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing, a photographing position calculating unit for calculating positional information of the camera with respect to the table at the time of photographing, and the reference mark provided on the calibration panel as the camera An arm position calculation unit for calculating position information of a multi-joint arm for three-dimensional coordinate measurement at the time of photographing, and the table and the multi-joint for three-dimensional coordinate measurement with camera The three-dimensional coordinate measuring articulated arm with the camera using the calibration result of the positional relationship of the camera, the positional information of the camera with respect to the table at the time of photographing, and the positional information of the articulated arm for measuring the three-dimensional coordinate And a camera installation position calibration unit that calibrates the positional relationship of the cameras.
本発明のさらに別の態様は、キャリブレーション方法である。この方法は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームと対象物を載せるための台とを含む3次元モデリング装置をキャリブレーションする方法であって、前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うステップと、前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するステップと、前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するステップと、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うステップとを含む。 Yet another embodiment of the present invention is a calibration method. This method is a method for calibrating a three-dimensional modeling apparatus including an articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera and a table on which an object is placed, and is provided on a calibration panel installed on the table. Based on the coordinate value of the measurement point obtained by measuring the measured point by the articulated arm for 3D coordinate measurement with camera, the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement with camera Calibrating, and based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing the reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera, Calculating the position information of the camera; and a multi-function for measuring three-dimensional coordinates when the reference mark provided on the calibration panel is photographed by the camera. Calculating the position information of the arm, the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, the position information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the three-dimensional coordinate measurement And using the position information of the articulated arm to calibrate the positional relationship between the camera-installed joint of the camera-equipped articulated arm for three-dimensional coordinate measurement and the camera.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, a system, a recording medium, a computer program, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、撮影位置を自由に変えて対象物体を撮影して3次元形状を効率良く、高い精度で取得することができる。また、撮影位置に自由度をもたせた3次元モデリング装置のキャリブレーションを効率良く、正確に行うことができる。 According to the present invention, it is possible to acquire a three-dimensional shape efficiently and with high accuracy by photographing a target object while freely changing the photographing position. Further, the calibration of the three-dimensional modeling apparatus having a degree of freedom in the photographing position can be performed efficiently and accurately.
図1は、実施の形態に係る3次元モデリングシステム300の構成図である。3次元モデリングシステム300は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40、回転台10、およびカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40に接続された3次元データ処理装置100を含む。
FIG. 1 is a configuration diagram of a three-
カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40は、5つの回転軸をもつ多関節アーム20a〜20dにカメラ30を設置したものである。支持台12に設置された第1アーム20aは、第1の回転方向21に回転可能である。第2アーム20bは、第1関節18aを介して第1アーム20aと接続しており、第1関節18aを中心として第2の回転方向22に回転可能である。第1関節18aをアーム基準関節ともいう。第3アーム20cは、第2関節18bを介して第2アーム20bと接続しており、第2関節18bを中心とした第3の回転方向23およびアーム軸の回りの第4の回転方向24に回転可能である。
The
第3アーム20cの先端の第3関節18cにはカメラ設置軸20dが設けられ、カメラ設置軸20dは、軸回りの第5の回転方向25に回転可能である。第3関節18cをカメラ設置関節ともいう。カメラ設置軸20dには、カメラ30、ラインレーザ36、および計測用プローブ32が設けられている。
The third joint 18c at the tip of the
回転台10は、3次元モデリングの対象物体を載せるものであり、回転軸を中心に符号11に示した回転方向に回転可能である。
The
3次元データ処理装置100は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の各関節の回転角のデータや各軸の法線ベクトル、位置ベクトルのデータなどのアーム出力データ、カメラ30により撮影された画像データ、および計測用プローブ32による計測データをカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40から受け取り、システムのキャリブレーションおよび3次元モデルデータの生成を行う。
The three-dimensional
図2は、カメラ設置軸20dの詳細な構成図である。カメラ設置軸20dは回転軸26の回りに回転可能である。カメラ設置軸20dには取り付け部37が設けられ、カメラ30およびラインレーザ36が取り付け部37に固定されている。カメラ30およびラインレーザ36は図示しない接続ケーブルを介してそれぞれの制御ユニットに接続されている。また、カメラ設置軸20dには計測用プローブ32が設けられ、対象物体の表面などに計測用プローブ32の先端を当てることにより、計測対象の点の位置情報を取得することができる。
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of the
図3は、回転台10上に設けられたキャリブレーションパネルを説明する図である。回転台10の天板がキャリブレーションパネルを兼ねてもよく、キャリブレーション時に回転台10の上にキャリブレーションパネルを載せてもよい。キャリブレーションパネルは、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の計測用プローブ32により計測するための複数の計測点15と、カメラ30により撮影するための複数の参照マーク16からなる参照パターンが設けられている。計測点15は、計測用プローブ32の先端が入る穴であり、複数の参照マーク16は、青、赤、黄、緑など数種類の色でランダムに着色された円マークである。
FIG. 3 is a diagram for explaining a calibration panel provided on the
キャリブレーションパネル上の複数の参照マーク16が数種類の色でランダムに着色されていることから、後述の投票処理によって撮影画像から抽出された参照マーク16に基づいてカメラ位置のキャリブレーションを行うとき、撮影画像から抽出された参照マーク16とキャリブレーションパネル上の参照マーク16の対応を取りやすくなり、組み合わせ数が少なくなることから、計算時間を短縮することができる。
Since the plurality of reference marks 16 on the calibration panel are randomly colored with several kinds of colors, when the camera position is calibrated based on the reference marks 16 extracted from the photographed image by voting processing described later, Since the
また、キャリブレーションパネル上の複数の参照マーク16が数種類の色でランダムに着色されているため、異なる角度から撮影した場合でも、任意の個数の複数の参照マーク16からなるパターンが、色の組み合わせの違いのゆえ、同一のパターンになることを避けることができ、不定性を排除することができる。 In addition, since the plurality of reference marks 16 on the calibration panel are randomly colored with several kinds of colors, even when images are taken from different angles, a pattern including any number of the plurality of reference marks 16 is a combination of colors. Therefore, it is possible to avoid the same pattern and to eliminate indefiniteness.
なお、図3のキャリブレーションパネルでは、設計を容易にするため、複数の参照マーク16が規則性をもって、ここでは、キャリブレーションパネルの中心に関して対称に配置されているが、この配置をランダムにしてもよい。その場合は、参照マーク16が同一色であっても、参照マーク16の配置のランダム性から、前述の不定性を排除することができる。同じ色の参照マーク16について見た場合、その配置がランダムになっているからである。
In the calibration panel of FIG. 3, for ease of design, a plurality of reference marks 16 are regularly arranged and symmetrically arranged with respect to the center of the calibration panel. However, this arrangement is randomized. Also good. In that case, even if the
計測点15は、参照マーク16内に設けられているが、これは、計測点15の設けられた参照マーク16の色を異ならせておくことで、計測用プローブ32により計測すべき計測点15を色によって特定することができるようにするためである。たとえば、複数の計測点15の計測順序を赤、青、黄の順など参照マーク16の色によってユーザに指定することができる。ユーザが指定された色順で計測点15を計測するなら、ユーザの計測した計測点15が、キャリブレーションパネル上のどの位置にある計測点15であるか、一意に特定することが可能となる。
The
図4は、本実施の形態に係る3次元モデリングシステム300により3次元モデルデータを取得する様子を説明する図である。回転台10上に対象物体14を載せ、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の多関節アームを手動で操作し、対象物体14を撮影可能な位置にカメラ30を移動する。ラインレーザ36により回転台10上の対象物体14にスリット光を照射し、カメラ30により対象物体14に投影されたレーザライン38を撮影する。回転台10を回転させたり、カメラ30の位置を移動させることで、さまざまな角度から対象物体14に投影されたレーザライン38を撮影する。3次元データ処理装置100は、投影されたレーザライン38の撮影画像を用いて、スリット光投影法(光切断法ともいう)によって対象物体14の3次元形状データを取得し、対象物体14の3次元モデリングを行う。
FIG. 4 is a diagram for explaining how the
図5は、回転台10に設定される座標系を説明する図である。回転台10の表面をxz平面とし、回転台10の回転軸をy軸とする直交座標系x0−y0−z0を定義する。これを回転台座標系と呼ぶ。
FIG. 5 is a diagram for explaining a coordinate system set on the
図6は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のアーム基準関節18aに設定される座標系を説明する図である。第1アーム20aおよび第2アーム20bを接続するアーム基準関節18aに、第1アーム20aの回転軸をz軸とする直交座標系x1−y1−z1を定義する。これをアーム基準座標系と呼ぶ。
FIG. 6 is a diagram illustrating a coordinate system set for the arm reference joint 18a of the
図7は、カメラ設置関節18cに設定される座標系とカメラ30に設定される座標系を説明する図である。カメラ設置軸20dは、アームの関節軸のうち、カメラ30との位置関係が不変の軸である。カメラ設置関節18cを原点として、カメラ設置軸20dをy軸とする直交座標系x2−y2−z2を定義する。これをカメラ設置軸座標系と呼ぶ。また、カメラ30の焦点を原点とし、焦点面34をxy平面とし、光軸をz軸とする直交座標系x3−y3−z3を定義する。これをカメラ座標系と呼ぶ。
FIG. 7 is a diagram illustrating a coordinate system set for the camera installation joint 18 c and a coordinate system set for the
図5〜7で示したように、3次元モデリングシステム300には、回転台座標系、アーム基準座標系、カメラ設置軸座標系、カメラ座標系の4つの座標系があり、これらの異なる座標系の間で座標変換が必要となる。一般に座標変換は、変換元座標系における座標値をX=(x,y,z)t、変換先座標系における座標値をX’=(x’,y’,z’)tとすると、次式の座標変換式で表される。
As shown in FIGS. 5 to 7, the three-
X’=Mr・X+t
ここで、行列Mrは、変換元座標系の回転成分を与える3行3列の行列であり、ベクトルtは、変換元座標系の並進成分を与えるベクトルである。
X ′ = M r · X + t
Here, the matrix Mr is a 3-by-3 matrix that gives the rotation component of the transformation source coordinate system, and the vector t is a vector that gives the translation component of the transformation source coordinate system.
回転成分を与える行列Mrの第1行、第2行、第3行をそれぞれMr1=(m11,m12,m13)、Mr2=(m21,m22,m23)、Mr3=(m31,m32,m33)とおき、並進成分を与えるベクトルtをt=(m14,m24,m34)とおくと、上記の座標変換式は、
x’=m11x+m12y+m13z+m14
y’=m21x+m22y+m23z+m24
z’=m31x+m32y+m33z+m34
と書くことができる。
The first row of the matrix M r that gives a rotational component, the second row, third row, respectively M r1 = (m 11, m 12, m 13), M r2 = (
x ′ = m 11 x + m 12 y + m 13 z + m 14
y ′ = m 21 x + m 22 y + m 23 z + m 24
z ′ = m 31 x + m 32 y + m 33 z + m 34
Can be written.
3行4列の座標変換行列Mの各行をM1=(m11,m12,m13,m14)、M2=(m21,m22,m23,m24)、M3=(m31,m32,m33,m34)と定義し、変換元座標系における座標値Xに第4成分として1を加えたベクトルX+=(x,y,z,1)tを定義すると、座標変換式は、
X’=M・X+
と書くことができる。このように、異なる座標系間の位置関係は、3行4列の変換行列Mにより一意に定めることができる。
Each row of the 3 × 4 coordinate transformation matrix M is expressed as M 1 = (m 11 , m 12 , m 13 , m 14 ), M 2 = (m 21 , m 22 , m 23 , m 24 ), M 3 = ( m 31 , m 32 , m 33 , m 34 ) and defining a vector X + = (x, y, z, 1) t obtained by adding 1 as the fourth component to the coordinate value X in the transformation source coordinate system The coordinate conversion formula is
X ′ = M · X +
Can be written. Thus, the positional relationship between different coordinate systems can be uniquely determined by the 3 × 4 conversion matrix M.
なお、3行4列の座標変換行列どうしの積の計算や3行4列の座標変換行列の逆行列の計算は本来はできないが、以下では記述における便宜上、それらの計算を行うような記載をしている。これは以下のように計算することを意味する。 Although the calculation of the product of the coordinate transformation matrices of 3 rows and 4 columns and the calculation of the inverse matrix of the coordinate transformation matrix of 3 rows and 4 columns cannot be originally performed, the following description is given for convenience in description. is doing. This means calculating as follows.
3行4列の行列の積の計算について、M0=M1・M2とは、
M0・X+=M1・M2・X+
Mr0・X+t0=Mr1・(Mr2・X+t2)+t1
のように、3行3列の回転成分と1列の並進成分に分けて計算することとし、
Mr0=Mr1・Mr2
t0=Mr1・t2+t1
とする。
For the calculation of the product of a 3 × 4 matrix, M 0 = M 1 · M 2 is
M 0 · X + = M 1 · M 2 · X +
M r0 · X + t 0 = M r1 · (M r2 · X + t 2 ) + t 1
In this way, the calculation is divided into a rotation component of 3 rows and 3 columns and a translation component of 1 column,
M r0 = M r1 · M r2
t 0 = M r1 · t 2 + t 1
And
逆行列の計算についても同様に、
X’=M・X+
X’=Mr・X+t
X=Mr −1・(X’−t)
=Mr −1・X’−Mr −1・t
のように、回転成分と並進成分に分け、Mの逆行列M−1の回転成分Mr −1と並進成分t−1をそれぞれ
Mr −1=Mr −1
t−1=−Mr −1・t
と計算する。
The same applies to the calculation of the inverse matrix.
X ′ = M · X +
X ′ = M r · X + t
X = M r −1 · (X′−t)
= M r −1 · X′−M r −1 · t
As described above, the rotation component and the translation component are divided into the rotation component M r −1 and the translation component t −1 of the inverse matrix M −1 of the M, respectively. M r −1 = M r −1
t −1 = −M r −1 · t
And calculate.
なお、回転成分を与える3行3列の行列Mrの各成分mijはオイラー角α、β、γを用いて次のように書くこともできるから、回転成分のパラメータ数は実質的には3個である。 Each component m ij of the matrix M r of 3 rows and 3 columns that gives the rotation component can also be written as follows using Euler angles α, β, and γ, so the number of parameters of the rotation component is substantially Three.
m11=cosαcosβcosγ−sinαsinγ
m12=−cosαcosβsinγ−sinαcosγ
m13=cosαsinβ
m21=sinαcosβcosγ+cosαsinγ
m22=−sinαcosβsinγ+cosαcosγ
m23=sinαsinβ
m31=−sinβcosγ
m32=sinαsinγ
m33=cosβ
m 11 = cos α cos β cos γ-sin α sin γ
m 12 = −cos α cos β sin γ-sin α cos γ
m 13 = cos α sin β
m 21 = sin α cos β cos γ + cos α sin γ
m 22 = −sin α cos β sin γ + cos α cos γ
m 23 = sin αsin β
m 31 = −sin βcos γ
m 32 = sin αsin γ
m 33 = cos β
並進成分を与えるベクトルtをt=(tx、ty、tz)とおくと、オイラー角α、β、γ、および並進成分tx、ty、tzの6つのパラメータは、座標変換行列Mを規定する座標変換パラメータであり、座標変換行列Mを求める際の未知パラメータの個数は6個である。 If a vector t giving a translation component is set to t = (tx, ty, tz), the Euler angles α, β, γ and the six parameters of the translation components tx, ty, tz are coordinates defining the coordinate transformation matrix M. The number of unknown parameters when obtaining the coordinate transformation matrix M is six.
図8は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40と回転台10のキャリブレーションの計算原理を説明する図である。カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40により3次元データを取得するためには、回転台10に対するカメラ30の正確な位置情報が必要である。カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40を操作して、カメラ30を適当な位置に移動させたときに、回転台10に対するカメラ30の位置を把握するためには、回転台座標系からカメラ座標系への変換行列M0(これを回転台−カメラ座標変換行列と呼ぶ)が必要である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the calculation principle of the calibration of the articulated
回転台−カメラ座標変換行列M0を正確に求めるためには、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係のキャリブレーション、およびカメラ設置軸20dとカメラ30の位置関係のキャリブレーションが必要である。
Turntable - for obtaining the camera coordinate transformation matrices M 0 exactly, the calibration of the positional relationship of the
回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係は、回転台座標系からアーム基準座標系への変換行列M1(これを回転台−アーム基準関節座標変換行列と呼ぶ)により規定され、カメラ設置軸20dとカメラ30の位置関係は、カメラ設置座標系からカメラ座標系への変換行列M2(これをカメラ設置関節−カメラ座標変換行列と呼ぶ)により規定される。これらの位置関係のキャリブレーション結果が与えられると、アーム基準関節18aとカメラ設置関節18cの位置関係を規定するアーム基準座標系からカメラ設置軸座標系への変換行列Ma(これをアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列と呼ぶ)はカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のアーム出力データから得られるから、回転台−カメラ座標変換行列M0は、次式により算出することができる。
The positional relationship between the
M0=M2・Ma・M1
ここで、各座標変換行列M0、M1、M2、Maはいずれも3行4列の行列である。
M 0 = M 2 · M a · M 1
Here, each of the coordinate transformation matrices M 0 , M 1 , M 2 , and Ma is a 3 × 4 matrix.
このように、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1と、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を事前にキャリブレーションしておけば、アーム出力データを用いて、任意のアームポジションにおいて回転台座標系とカメラ座標系間の位置関係を定める回転台−カメラ座標変換行列M0を算出することができる。 Thus, turntable - the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, the camera installation joints - if in calibrating the camera coordinate transformation matrix M 2 in advance, using the arm output data, rotation in any arm position turntable defining a positional relationship between the base coordinate system and the camera coordinate system - can be calculated camera coordinate transformation matrix M 0.
回転台座標系における座標値をX0=(x0,y0,z0)とすると、カメラ座標系における座標値X3=(x3,y3,z3)は、回転台−カメラ座標変換行列M0により次のように求めることができる。 When the coordinate values of the rotary table coordinate system X0 = (x0, y0, z0 ) to the coordinate value X3 = (x3, y3, z3 ) in the camera coordinate system, turntable - following the camera coordinate transformation matrices M 0 Can be requested.
X3=M0・X0+
ここで、X0+=(x0,y0,z0,1)である。
X3 = M 0 · X0 +
Here, X0 + = (x0, y0, z0, 1).
図9(a)〜(c)は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40と回転台10のキャリブレーションの手順を説明する図である。図9(a)のように、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置を決め、計測用プローブ32により回転台10上のキャリブレーションパネルの計測点を計測して、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を求める。
FIGS. 9A to 9C are diagrams for explaining the calibration procedure of the articulated
次に、図9(b)のように、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置を図9(a)と同じ状態に保ったまま、カメラ30により回転台10上のキャリブレーションパネルの参照パターンを撮影し、キャリブレーションパネル撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’を求める。また、このとき、キャリブレーションパネル撮影時におけるアーム出力データを取得し、アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを求めておく。後で図9(a)で求めた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を利用するため、キャリブレーションパネル撮影時において、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係は、図9(a)で回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を求めたとき同じでなければならないが、カメラ30の位置は任意である。
Next, as shown in FIG. 9B, while the positions of the
図9(a)、図9(b)の2つの手順でキャリブレーションに必要なすべてのデータが揃う。最後に、図9(c)に示すように、図9(a)で取得した回転台−アーム基準関節座標変換行列M1、および図9(b)で取得したキャリブレーションパネル撮影時の回転台−カメラ座標変換行列M0’とアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを用いて、次式により、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を算出する。 All the data necessary for calibration are obtained by the two procedures of FIG. 9A and FIG. 9B. Finally, as shown in FIG. 9C, the turntable-arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 acquired in FIG. 9A and the turntable at the time of photographing the calibration panel acquired in FIG. 9B. - camera coordinate transformation matrix M 0 'arm reference joint - using a camera installed joint coordinate transformation matrix M a, by the following equation, camera installation joints - calculates the camera coordinate transformation matrix M 2.
M2=M0’・M1 −1・Ma −1
ここで、アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maは、図9(b)でキャリブレーションパネルを撮影したときのアーム出力データから求めたものである。
M 2 = M 0 ′ · M 1 −1 · M a −1
Here, the arm reference joint - camera installation joint coordinate transformation matrix M a are those obtained from the arm the output data when the photographed calibration panel in Figure 9 (b).
図10は、3次元データ処理装置100の構成図である。これらの構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされた3次元モデリング機能および画像処理機能のあるプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
FIG. 10 is a configuration diagram of the three-dimensional
撮影画像入力部160は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のカメラ30により撮影されたキャリブレーションパネルの画像、スリット光の照射された対象物体の画像を取得し、キャリブレーションパネルの画像は撮影位置算出部120に、スリット光の照射された対象物体の画像はスリット光抽出部200に与える。
The captured
アームデータ入力部170は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のアーム出力データおよび計測用プローブ32による計測データを取得し、アーム設置位置較正部110、アーム位置算出部180、および較正パネル補正部190に与える。
The arm
アーム位置算出部180は、アーム出力データをもとに、現在のアームポジションにおけるアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを算出し、アーム位置情報としてカメラ設置位置較正部130とカメラ位置算出部140に与える。
Arm
アーム設置位置較正部110は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の計測用プローブ32による回転台10上のキャリブレーションパネルの複数の計測点15の計測結果を利用して、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係をキャリブレーションする。アーム設置位置較正部110は、キャリブレーションパネルの計測点15の回転台座標系における既知の座標値と、計測用プローブ32により計測されたアーム基準座標系における座標値にもとづいて、座標変換パラメータを求めることにより、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を算出する。
The arm installation
アーム設置位置較正部110は、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係のキャリブレーション結果として、算出された回転台−アーム基準関節座標変換行列M1をカメラ設置位置較正部130、カメラ位置算出部140、および較正パネル補正部190に与える。
Arm installation
撮影位置算出部120は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のカメラ30により回転台10上のキャリブレーションパネルの複数の参照マーク16からなる参照パターンを撮影した画像を利用して、キャリブレーションパネル撮影時における回転台10とカメラ30の位置関係を求める。撮影位置算出部120は、キャリブレーションパネルの撮影画像から画像処理によってすべての参照マーク16を抽出する。
The photographing
撮影位置算出部120は、キャリブレーションパネルの参照マーク16の回転台座標系における既知の座標値と、撮影画像から抽出された参照マーク16の撮影画像における座標値にもとづいて、座標変換パラメータを求めることにより、キャリブレーションパネル撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’を算出し、撮影位置情報としてカメラ設置位置較正部130に与える。
The photographing
カメラ設置位置較正部130は、撮影位置算出部120により与えられた撮影位置情報をもとに、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のカメラ設置関節18cとカメラ30の位置関係をキャリブレーションする。カメラ設置位置較正部130は、アーム位置算出部180から与えられたキャリブレーションパネル撮影時のアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Ma、アーム設置位置較正部110から与えられた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1、および撮影位置算出部120から与えられたキャリブレーションパネル撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’を用いて、次式により、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を算出する。
The camera installation
M2=M0’・M1 −1・Ma −1 M 2 = M 0 ′ · M 1 −1 · M a −1
カメラ設置位置較正部130は、カメラ設置関節18cとカメラ30の位置関係のキャリブレーション結果として、算出されたカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2をカメラ位置算出部140に与える。
The camera installation
カメラ位置算出部140は、アーム設置位置較正部110およびカメラ設置位置較正部130により、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40と回転台10からなるシステムのキャリブレーションが完了した後、回転台10に置かれた対象物体14の3次元形状データを取得する際に必要となる任意のアームポジションにおけるカメラ位置情報をキャリブレーション結果にもとづいて算出する。
The camera
カメラ位置算出部140は、アーム設置位置較正部110からキャリブレーション結果として与えられた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1と、カメラ設置位置較正部130からキャリブレーション結果として与えられたカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2と、アーム位置算出部180からアーム位置情報として与えられたアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maとを利用して、次式により、現在のアームポジションにおける回転台−カメラ座標変換行列M0を算出する。
M0=M2・Ma・M1 M 0 = M 2 · M a · M 1
カメラ位置算出部140は、算出された回転台−カメラ座標変換行列M0を現在のアームポジションにおけるカメラ位置情報として3次元データ生成部150に与える。
The camera
スリット光抽出部200は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のラインレーザ36によりスリット光の照射された対象物体の撮影画像からスリット光を抽出し、抽出されたスリット光の情報を3次元データ生成部150に与える。
The slit
3次元データ生成部150は、カメラ位置算出部140からカメラ位置情報として与えられた回転台−カメラ座標変換行列M0と、スリット光抽出部200により撮影画像から抽出されたスリット光の情報とを利用して、スリット光投影法により、対象物体の3次元形状データを生成し、記録する。
The three-dimensional
キャリブレーションパネルが回転台10の回転中心からずれている場合や回転台10の回転平面に対して傾いている場合などに、較正パネル補正部190は、回転台10に対するキャリブレーションパネルのずれを補正する処理を行う。較正パネル補正部190は、回転台10の回転角θを変えながらキャリブレーションパネル上の複数の計測点15を計測用プローブ32により計測した結果と、アーム設置位置較正部110により算出された回転台−アーム基準関節座標変換行列M1とを利用して、回転台10に対するキャリブレーションパネルのずれを補正するための座標変換補正行列Mmを算出する。
When the calibration panel is deviated from the rotation center of the
較正パネル補正部190は、算出された座標変換補正行列Mmをアーム設置位置較正部110、カメラ設置位置較正部130、およびカメラ位置算出部140に与える。アーム設置位置較正部110は、座標変換補正行列Mmを用いて、キャリブレーションパネル上の計測点15の回転台座標系における座標値を補正した上で、前述の回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の計算を行う。カメラ設置位置較正部130は、前述のカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2の計算式を座標変換補正行列Mmにより補正する。カメラ位置算出部140は、前述の回転台−カメラ座標変換行列M0の計算式を座標変換補正行列Mmにより補正する。
The calibration
スリット光位置較正部210は、カメラ30とラインレーザ36の位置関係のキャリブレーションを行う。スリット光抽出部200は、キャリブレーション用の平面板をカメラ30との位置を変えながら撮影した画像から、ラインレーザ36によるスリット光を抽出する。スリット光位置較正部210は、撮影画像から抽出されたスリット光の3次元位置を求め、ラインレーザ36によるスリット光が作る平面方程式に当てはめることにより、スリット光位置のキャリブレーションを行う。スリット光位置較正部210は、スリット光位置のキャリブレーションの結果をスリット光抽出部200に与え、スリット光抽出部200は抽出されたスリット光の位置情報をキャリブレーション結果にもとづいて補正する。
The slit light
以上の構成の3次元モデリングシステム300によるシステムキャリブレーション手順を説明する。
A system calibration procedure by the three-
図11は、システムキャリブレーションの大まかな手順を説明するフローチャートである。回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係を較正する(S100)。次に、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のカメラ設置関節18cとカメラ30の位置関係を較正する(S200)。ステップS100とステップS200の較正結果にもとづいて、任意のアームポジションにおいてカメラ位置を算出する(S300)。
FIG. 11 is a flowchart for explaining a rough procedure of system calibration. The positional relationship between the
図12は、図11の回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係の較正処理S100の手順を説明するフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart for explaining the procedure of the calibration process S100 of the positional relationship between the
カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の計測用プローブ32により回転台10に設置されたキャリブレーションパネル上の複数の計測点15を計測する(S110)。
A plurality of measurement points 15 on the calibration panel installed on the
計測用プローブ32でキャリブレーションパネル上の計測点15を計測すると、アーム出力データからアーム基準座標系における計測点15の座標値が得られる。また、キャリブレーションパネル上の計測点15の位置は設計仕様により決まっているため、計測点15の回転台座標系における座標値は既知である。n個の計測点15を計測するとして、n個の計測点15の回転台座標系における座標値をt0,t1,…,tnとし、同じ計測点15のアーム基準座標系における座標値をa0,a1,…,anとする。
When the
アーム設置位置較正部110は、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の位置関係を較正するために、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を算出する(S120)。回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の座標変換パラメータは、原理的にはキャリブレーションパネル上の3つの計測点15の座標値により算出することができる。
Arm installation
ある3つの計測点15を選び、その3つの計測点15の回転台座標系における座標値t0,t1,t2を用いて、次式により、3つのベクトルvt1,vt2,vt3を求め、さらに同じ3つの計測点15のアーム基準座標系における座標値a0,a1,a2を用いて、va1,va2,va3を求める。
vt1=t1−t0,vt2=t2−t0,vt3=vt1×vt2
va1=a1−a0,va2=a2−a0,va3=va1×va2
ここで、記号×はベクトルの外積を表す。
Three certain measurement points 15 are selected, and three vectors v t1 , v t2 , v t3 are obtained by the following equation using the coordinate values t0, t1, t2 of the three
v t1 = t1-t0, v t2 = t2-t0, v t3 = v t1 × v t2
v a1 = a1-a0, v a2 = a2-a0, v a3 = v a1 × v a2
Here, the symbol x represents the outer product of the vectors.
回転台座標系における3つのベクトルvt1,vt2,vt3を列とする3行3列の行列T、およびアーム基準座標系における3つのベクトルva1,va2,va3を列とする3行3列の行列Aを次のように定義する。
T=(vt1 vt2 vt3)
A=(va1 va2 va3)
A matrix T of 3 rows and 3 columns having three vectors v t1 , v t2 , and v t3 in the rotary table coordinate system as columns, and 3 columns having three vectors v a1 , v a2 , and v a3 in the arm reference coordinate system as columns. A matrix A of 3 rows and columns is defined as follows.
T = (v t1 v t2 v t3 )
A = (v a1 v a2 v a3 )
求めたい回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の回転成分Mrは次式で与えられる。
Mr=A・T−1
Turntable to be obtained - rotating component M r of the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 is given by the following equation.
M r = A · T −1
また、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の並進成分tは次式で与えられる。
t=a0−Mr・t0
Further, the turntable - translational component t of the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 is given by the following equation.
t = a0−M r · t0
次に、アーム設置位置較正部110は、ステップS120で求めた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の精度を上げるために、キャリブレーションパネル上の3つ以上の計測点15を用いて、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の座標変換パラメータを最小二乗法により最適化する(S130)。
Next, the arm installation
ステップS120で求めた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1により、回転台座標系における計測点15の既知の座標値をアーム基準座標系における座標値(計算上の座標値という)に変換し、同じ計測点15を計測用プローブ32で計測した座標値(実測上の座標値という)と比較し、計算上の座標値と実測上の座標値の各成分の差の二乗和により、これらの座標値の誤差を求める。キャリブレーションパネル上のすべての計測点15について、計算上の座標値と実測上の座標値の誤差を求め、すべての計測点15について誤差の総和を求める。誤差の総和が最小となるように、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1の回転成分を与える行列Mrのオイラー角α、β、γ、および並進成分を与えるベクトルtの各成分tx、ty、tzをステップS120で求めた結果を初期値として、最小二乗法により最適化する。
Step S120 in the turntable was determined - by the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, to convert the known coordinates of the
以上により算出される回転台−アーム基準関節座標変換行列M1は、回転台10の回転角が0の場合である。回転台10の回転角がθである場合に一般化するためには、回転台座標系における座標値t0,t1,…,tnを次のように回転行列Rにより回転させたt0’,t1’,…,tn’に置き換えればよい。
ti’=R・ti (i=0,1,…,n)
Turntable is calculated by the above - arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 is the rotation angle of the
ti ′ = R · ti (i = 0, 1,..., n)
ここで、回転行列Rの第1行R1,第2行R2,第3行R3は、
R1=(cosθ,0,−sinθ)
R2=(0,1,0)
R3=(sinθ,0,cosθ)
である。
なお、以降の計算式では、回転行列Rは各行の4列目として0を追加し、3行4列の変換行列として表現する。
Here, the first row R 1 , the second row R 2 , and the third row R 3 of the rotation matrix R are
R 1 = (cos θ, 0, −sin θ)
R 2 = (0,1,0)
R 3 = (sin θ, 0, cos θ)
It is.
In the following calculation formula, the rotation matrix R is expressed as a conversion matrix of 3 rows and 4 columns by adding 0 as the fourth column of each row.
図13は、図11のカメラ設置関節18cとカメラ30の位置関係の較正処理S200の手順を説明するフローチャートである。
FIG. 13 is a flowchart for explaining the procedure of the calibration process S200 of the positional relationship between the camera installation joint 18c and the
カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のカメラ30を適当な位置に移動して、キャリブレーションパネル上の複数の参照マーク16からなる参照パターンを撮影する(S210)。このとき、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の相対的な位置関係は、ステップS100のデータ取得時と同じであることが必要である。後の計算でステップS100の回転台とアームの位置関係の較正結果を用いるからである。
The
撮影位置算出部120は、撮影画像を利用して、キャリブレーションパネル撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’を算出する(S220)。この処理については、図14において詳述する。
The imaging
アーム位置算出部180は、アーム出力データからキャリブレーションパネル撮影時におけるアームの位置情報として、アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを算出する(S230)。
Arm
アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maはアーム出力データから算出される。アーム出力データとして、カメラ設置軸20dの位置ベクトルeと方向ベクトルv、および計測用プローブ32の位置ベクトルpの情報を用いる。これらのデータはカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40から得られるので、アーム基準座標系における値である。
Arm reference joint - camera installation joint coordinate transformation matrix M a is calculated from the arm output data. As the arm output data, information on the position vector e and direction vector v of the
アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maは以下の手順で算出される。まず、次式により、アーム基準座標系から見たカメラ設置軸座標系の座標軸ベクトルvx、vy、vzを算出する。
vy=v/|v|
vp=p−e
vn=v×vp
vx=vn/|vn|
vz=vx×vy
Arm reference joint - camera installation joint coordinate transformation matrix M a is calculated by the following procedure. First, the coordinate axis vectors vx, vy, vz of the camera installation axis coordinate system viewed from the arm reference coordinate system are calculated by the following formula.
vy = v / | v |
vp = pe
vn = v × vp
vx = vn / | vn |
vz = vx × vy
これらの座標軸ベクトルvx、vy、vzを用いると、アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maの回転成分を与える行列Mrは、
Mr=(vx vy vz)
で与えられる。アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maの並進成分を与えるベクトルtは、カメラ設置軸20dの位置ベクトルeに等しく、
t=e
である。
These coordinate axes vectors vx, vy, the use of vz, arm reference joint - matrix M r giving the rotational component of the camera installation joint coordinate transformation matrix M a is
M r = (vx vy vz)
Given in. Arm reference joint - vector t which gives the translation component of the camera installation joint coordinate transformation matrix M a is equal to the position vector e of the
t = e
It is.
カメラ設置位置較正部130は、ステップS100で得られた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1、ステップS220で得られたキャリブレーションパネル撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’、およびステップS230で得られたアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを用いて、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を次式により算出する(S240)。
M2=M0’・M1 −1・Ma −1
The camera installation
M 2 = M 0 ′ · M 1 −1 · M a −1
上記のカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を求める式は、回転台の回転角が0の場合である。回転角がθである場合に一般化するなら、前述の回転行列Rを用いて、次式によりカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を求めればよい。
M2=M0’・R−1・M1 −1・Ma −1
Camera installation joint of the - formula for the camera coordinate transformation matrix M 2, the rotation angle of the turntable is if 0. If the rotation angle is generalized to the case of theta, using a rotation matrix R described above, the camera installation articulated by the formula - may be determined camera coordinate transformation matrix M 2.
M 2 = M 0 ′ · R −1 · M 1 −1 · M a −1
図14は、図13のキャリブレーションパネル撮影時の回転台−カメラ座標変換行列M0’の算出処理S220の手順を説明するフローチャートである。ここでは、カメラ30のレンズの焦点距離、歪み中心、歪み係数など内部パラメータは事前に得られているものとする。
FIG. 14 is a flowchart for explaining the procedure of calculation processing S220 of the turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 ′ at the time of photographing the calibration panel in FIG. Here, it is assumed that internal parameters such as the focal length, distortion center, and distortion coefficient of the lens of the
撮影位置算出部120は、キャリブレーションパネルの撮影画像から画像処理によって複数の参照マーク16を抽出する(S222)。
The photographing
撮影位置算出部120は、キャリブレーションパネル上の参照マーク16の回転台座標系における既知の座標値と、撮影画像から抽出された参照マーク16の撮影画像における実測上の座標値にもとづいて、投票処理によって撮影時における回転台−カメラ座標変換行列M0’の座標変換パラメータを算出する(S224)。
The imaging
投票処理による回転台−カメラ座標変換行列M0’の座標変換パラメータの算出手順を説明する。 A procedure for calculating coordinate conversion parameters of the turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 ′ by voting will be described.
(1)座標変換パラメータ(α,β,γ,tx,ty,tz)に対応する6次元のパラメータ空間(ハフ空間ともいう)を設定し、すべての領域に投票数0をセットする。 (1) A six-dimensional parameter space (also referred to as a Hough space) corresponding to the coordinate transformation parameters (α, β, γ, tx, ty, tz) is set, and 0 votes are set in all regions.
(2)キャリブレーションパネルのすべての参照マーク16の内、任意の3つの参照マーク16からなる組をすべてリストアップする。キャリブレーションパネルからリストアップされた3つの参照マーク16の全組み合わせを参照集合と呼ぶ。
(2) List all pairs of arbitrary three
(3)キャリブレーションパネルの撮影画像から抽出された参照マーク16の内、任意の3つの参照マーク16からなる組をすべてリストアップする。撮影画像からリストアップされた3つの参照マーク16の全組み合わせを抽出集合と呼ぶ。
(3) List all combinations of three
(4)抽出集合に含まれる任意の3つの参照マーク16の組と、参照集合に含まれる任意の3つの参照マーク16の組の間のすべての組み合わせについて以下の処理を行う。
(4) The following processing is performed for all combinations between a set of arbitrary three
(4−1)抽出集合から選択された3つの参照マーク16の組と、参照集合から選択された3つの参照マーク16の組とで、参照マーク16の色の組み合わせが異なる場合、以下の(4−2)、(4−3)の処理は行わない。
(4-1) When the combination of three
(4−2)抽出集合から選択された3つの参照マーク16の撮影画像における座標値と、参照集合から選択された3つの参照マーク16の回転台座標系における座標値をカメラ座標系に変換し、さらにそれを撮影画像面に射影した座標値にもとづいて、座標変換パラメータ(α,β,γ,tx,ty,tz)を算出する。
(4-2) The coordinate values in the captured image of the three
カメラ座標系における点を撮影画像面に射影する計算は、カメラ座標系における点を(x,y,z)、撮影画像面上に射影された点を(x’,y’)とすると、
x’=x・f/z+cx
y’=y・f/z+cy
と書ける。ここで、fは焦点距離、(cx,cy)は画像中心である。ただし、焦点距離の単位はピクセルである。
The calculation for projecting a point in the camera coordinate system onto the captured image plane is (x, y, z) as the point in the camera coordinate system and (x ′, y ′) as the point projected onto the captured image plane.
x ′ = x · f / z + cx
y ′ = y · f / z + cy
Can be written. Here, f is the focal length, and (cx, cy) is the image center. However, the unit of the focal length is a pixel.
(4−3)パラメータ空間において、算出された座標変換パラメータ(α,β,γ,tx,ty,tz)の値に対応する領域に投票する。これによりパラメータ空間の対応領域の投票数が1だけ増える。 (4-3) In the parameter space, vote for an area corresponding to the value of the calculated coordinate transformation parameters (α, β, γ, tx, ty, tz). This increases the number of votes in the corresponding area of the parameter space by one.
(5)すべての投票が終わると、パラメータ空間から投票数のピークを検出し、ピークとなっている領域に対応する座標変換パラメータ(α,β,γ,tx,ty,tz)の値を正解として出力する。 (5) When all the votes are completed, the peak of the number of votes is detected from the parameter space, and the values of the coordinate conversion parameters (α, β, γ, tx, ty, tz) corresponding to the peak region are correct. Output as.
上述の投票処理により、抽出集合から選択された参照マーク16の組と、参照集合から選択された参照マーク16の組の対応関係が正しいものから算出される座標変換パラメータが正解として得られることになる。キャリブレーションパネルにおいて参照マーク16が複数の種類の色で色分けされていることから、抽出集合から選択された参照マーク16の組と、参照集合から選択された参照マーク16の組との間で無意味な組み合わせを判別してスキップすることができ、無駄な計算をなくし、処理時間を高速化することができる。
By the voting process described above, a coordinate conversion parameter calculated from the correct correspondence between the set of reference marks 16 selected from the extracted set and the set of reference marks 16 selected from the reference set is obtained as a correct answer. Become. Since the
キャリブレーションパネルに設けられた複数の参照マーク16は、ランダムに配色されていることから、上述の投票処理において3つの参照マーク16の組を選択した場合、それらを異なる角度から撮影した場合に、他の3つの参照マーク16の組と同一パターンになることを極力避けることができ、撮影方向による不定性を排除して、一意性をもたせることができるようになる。さらに、複数の参照マーク16の配置をもランダムにするならば、その効果をさらに高めることができ、投票処理の精度が上がる。
Since the plurality of reference marks 16 provided on the calibration panel are randomly colored, when a set of three
さらに、撮影位置算出部120は、ステップS224で求めた回転台−カメラ座標変換行列M0’の座標変換パラメータについて、これらの座標変換パラメータとカメラ内部パラメータによって参照マーク16の回転台座標系における既知の座標値をカメラ座標系に変換し、さらにそれを撮像画像面に射影した座標値と、撮影画像から抽出された参照マーク16の座標値を比較し、これらの座標値の各成分の差の二乗和により誤差を求める。すべての参照マーク16についてこの誤差を求め、その総和が最小となるように、ステップS224で得られた座標変換パラメータを初期値として、最小二乗法により座標変換パラメータを最適化する(S226)。
Furthermore, the imaging
図15は、図11のシステムの較正結果に基づくカメラ位置の算出処理を説明するフローチャートである。 FIG. 15 is a flowchart illustrating camera position calculation processing based on the calibration result of the system of FIG.
回転台10に対象物体14を置き、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40によりカメラ30を適当な位置に移動する。アーム位置算出部180は、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40のアーム出力データにもとづいて、現在のアームポジションにおけるアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを算出する(S310)。アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maの算出には、図13のステップS230で述べた計算方法が用いられる。
The
カメラ位置算出部140は、ステップS100のキャリブレーション処理で得られた回転台−アーム基準関節座標変換行列M1、ステップS200のキャリブレーション処理で得られたカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2、およびステップS310で得られた現在のアームポジションにおけるアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列Maを用いて、次式により、回転台−カメラ座標変換行列M0を算出する(S320)。
M0=M2・Ma・M1
The camera
M 0 = M 2 · M a · M 1
上記の回転台−カメラ座標変換行列M0の計算式は、回転台10の回転角が0である場合であるが、回転台10の回転角がθである一般の場合は、次式により回転台−カメラ座標変換行列M0を算出することができる。
M0=M2・Ma・M1・R
ここで、Rは前述の回転角θの回転行列である。
Above the turntable - formula of the camera coordinate transformation matrices M 0 is the rotation angle of the
M 0 = M 2 · M a · M 1 · R
Here, R is the rotation matrix of the rotation angle θ described above.
以上、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40と回転台10からなるシステムのキャリブレーションの手順を説明したが、他にキャリブレーションの必要が生じるものとして、回転台10とキャリブレーションパネルの位置関係、およびカメラ30とラインレーザ36によるスリット光の位置関係がある。以下これらの位置関係のキャリブレーションについて補足する。
The calibration procedure of the system composed of the articulated arm system for camera 3D coordinate
まず、回転台10とキャリブレーションパネルの位置関係のキャリブレーションについて説明する。
First, calibration of the positional relationship between the
キャリブレーションパネルは回転台10の天板も兼ねており、キャリブレーションパネル座標系の原点は回転台10の回転中心となるように設計されている。しかし実際には、キャリブレーションパネルの原点は回転台10の回転中心からずれることがありうる。また、回転台10上のキャリブレーションパネルが傾いている可能性もある。
The calibration panel also serves as the top plate of the
そのため、キャリブレーションパネルの回転中心からのずれ、回転平面に対する傾きなど、回転台10に対するキャリブレーションパネルのずれを補正するパラメータを算出しておく。補正パラメータの算出には、キャリブレーションパネルに設置された計測点15を計測用プローブ32によって計測したデータを用いる。ただし、回転台10の回転角を変えてデータを取得することが必要である。
Therefore, parameters for correcting the deviation of the calibration panel with respect to the
キャリブレーションパネルのずれの補正は以下の手順で行う。まず、各回転角θにおける計測点15の計測データを取得し、ステップS100の手順により回転台−アーム基準関節座標変換行列M1を算出する。
Calibration panel displacement correction is performed according to the following procedure. First obtains the measurement data of the
キャリブレーションパネルの回転台10に対するずれを補正するパラメータを変換行列Mm(座標変換補正行列と呼ぶ)で表し、キャリブレーションパネルの計測点15の回転台座標系における座標値をpで表し、その計測点15のアーム基準座標系における座標値をaで表すと、次の変換式が成り立つ。
a=M1・R・Mm・p
A parameter for correcting the displacement of the calibration panel with respect to the
a = M 1・ R ・ M m・ p
上記の変換式により、回転台座標系における計測点15の既知の座標値をアーム基準座標系に変換した座標値と、計測用プローブ32により計測された計測点15の座標値の各成分の差の二乗和により誤差を求める。キャリブレーションパネルのすべての計測点15についてこの誤差を求め、誤差の総和が最小となるように、最小二乗法によって回転中心からのずれ補正の変換行列Mmの座標変換パラメータを最適化する。ただし、回転台−アーム基準関節座標変換行列M1は、回転台10の回転角θを変えてステップS100により求めたM1の平均値、座標変換補正行列Mmは、最初の計測点15について得られた回転成分α、β、γ、並進成分tx、ty、tzを初期値とする。ただし、座標変換補正行列Mmについては、回転成分α、β、γのうち1つ、並進成分tx、ty、tzのうち1つは固定にしておく。
By the above conversion formula, the difference between each component of the coordinate value obtained by converting the known coordinate value of the
このようにして算出された座標変換補正行列Mmを用いるには、ステップS100の計算の際、n個の計測点15の回転台座標系における座標値t0,t1,…,tnを次式により補正されたt0’,t1’,…,tn’に置き換えればよい。
ti’=R・Mm・ti (i=0,1,…,n)
In this way the use of the coordinate transformation correction matrix M m which is calculated is the calculation of the step S100, the coordinate values t0, t1 in rotary table coordinate system of the n measurement points 15, ..., the tn by the following formula The corrected t0 ′, t1 ′,..., Tn ′ may be replaced.
ti ′ = R · M m · ti (i = 0, 1,..., n)
また、ステップS200でカメラ設置関節−カメラ座標変換行列M2を求める際、座標変換補正行列Mmを用いて、次式のように補正して計算すればよい。
M2=M0’・Mm −1・R−1・M1 −1・Ma −1
Also, the camera installation joints step S200 - in determining the camera coordinate transformation matrix M 2, using the coordinate transformation correction matrix M m, it may be calculated by correcting the following equation.
M 2 = M 0 ′ · M m −1 · R −1 · M 1 −1 · M a −1
また、ステップS320において、回転台−カメラ座標変換行列M0を求める際には、座標変換補正行列Mmを用いて、次式にように補正して計算すればよい。
M0=M2・Ma・M1・R・Mm
Further, in step S320, the turntable - when obtaining the camera coordinate transformation matrices M 0, using the coordinate transformation correction matrix M m, may be calculated by correcting as the following equation.
M 0 = M 2 · M a · M 1 · R · M m
次に、スリット光位置のキャリブレーションについて説明する。 Next, the calibration of the slit light position will be described.
図16は、スリット光位置のキャリブレーションの方法を説明する図である。カメラ設置軸20dには、カメラ30とラインレーザ36からなる計測ユニットが取り付けられている。ラインレーザ36によりスリット光投影法を行うには、カメラ30とラインレーザ36によるスリット光の位置関係のキャリブレーションが必要となる。カメラ30とスリット光の位置関係は、カメラ座標系におけるスリット光の平面方程式により規定することができる。
FIG. 16 is a diagram for explaining a method of calibrating the slit light position. A measurement unit including a
カメラ座標系において、スリット光の平面の方程式は、
a・x+b・y+c・z+d=0
と書くことができる。この平面の方程式の係数a、b、c、dを求めることにより、投影されたスリット光位置のキャリブレーションを行う。
In the camera coordinate system, the plane equation of the slit light is
a.x + b.y + c.z + d = 0
Can be written. The projected slit light position is calibrated by obtaining the coefficients a, b, c, and d of the plane equation.
キャリブレーション用のデータを取得するため、キャリブレーション用の円パターンを付与した平面板42にスリット光を投射し、その画像を撮影する。その撮影を平面板42の位置を変えて2回以上行う。 In order to acquire calibration data, slit light is projected onto the flat plate 42 provided with a calibration circle pattern, and the image is captured. The photographing is performed twice or more by changing the position of the flat plate 42.
平面板42上の円パターンは平面板42の周辺部のみに配置され、中央部は空白となっている。スリット光抽出部200が平面板42の撮影画像からスリット光を抽出する際、中央の空白領域のみに限定して処理することで、スリット光の抽出の精度が確保される。また、スリット光抽出部200は、撮影画像から周辺領域にある円パターンを抽出することで平面板42とカメラ30の相対的な位置関係を求めることができる。したがって、平面板42を撮影することにより、カメラ30に対する平面板42の位置関係の取得と、撮影画像上のスリット光の2次元座標位置の測定とを同時に行うことができる。
The circular pattern on the flat plate 42 is disposed only in the peripheral portion of the flat plate 42, and the central portion is blank. When the slit
スリット光位置較正部210によるスリット光位置のキャリブレーションは以下の手順で行われる。
The slit light position calibration by the slit light
(1)スリット光位置較正部210は、平面板42の撮影画像から円パターンを抽出して、平面板42とカメラの位置関係を算出する。この位置関係は、平面板座標系からカメラ座標系への変換行列により表現される。これにより、平面板42の位置が得られる。
(1) The slit light
(2)スリット光抽出部200は、(1)の処理により得られた変換行列を用いて、平面板42の撮影画像からキャリブレーション用の円パターンのない平面板中央の空白領域を抽出する。
(2) The slit
(3)スリット光抽出部200は、(2)の処理で抽出された空白領域からラインレーザ36によるスリット光を抽出する。
(3) The slit
(4)スリット光位置較正部210は、(3)のスリット光の抽出処理において、スリット光投影位置と判定された画素について、焦点と結んだ直線と平面板が交わる点のカメラ座標系における座標値を算出する。
(4) The slit light
(5)スリット光位置較正部210は、平面板42の位置を変えることにより、スリット光投影位置と判定される複数の点pi=(pxi,pyi,pzi)(i=0,1,…,n)を取得し、次式fが最小となるような係数a、b、c、dを最小二乗法により算出する。
f=Σi(a・pxi+b・pyi+c・pzi+d)2
(5) slit-
f = Σ i (a · px i + b · py i + c · pz i + d) 2
図16は、平面板42を符号42a、42bで示す位置に移動させ、ラインレーザ36からレーザ光を照射し、平面板42a、b上のレーザライン44a、44bをカメラ30により撮影する様子を示している。平面板42a、42bの撮影画像からスリット光投影位置と判定される画素p1、p2が抽出され、その画素p1、p2のカメラ座標系における3次元座標値が算出される。画素p1、p2の3次元座標値をラインレーザ36によるスリット光が作る平面46の方程式に当てはめて、平面方程式の係数a、b、c、dを求め、スリット光位置のキャリブレーションを行う。
FIG. 16 shows a state in which the plane plate 42 is moved to positions indicated by
上記のスリット光位置のキャリブレーションの手順において、スリット光の抽出処理を行う領域は、キャリブレーション用の円パターンと重複しない、平面板中央の空白部分に限定することにより、スリット光の抽出の誤差を減らすことができる。また、円パターンを付与した平面板を撮影することで、平面板の位置情報の取得とスリット光の抽出を同じ撮影画像を利用して行うことができ、撮影の手間を減らすことができる。撮影画像から投影レーザの2次元位置を抽出し、先立って得た平面板の位置情報から投影レーザの3次元位置が求まり、複数の投影レーザラインを結ぶことによりレーザ平面が算出できる。 In the calibration procedure of the slit light position described above, the slit light extraction process is limited to the blank area in the center of the flat plate that does not overlap with the calibration circle pattern. Can be reduced. Further, by photographing a flat plate provided with a circular pattern, it is possible to acquire the position information of the flat plate and extract the slit light by using the same photographed image, thereby reducing the trouble of photographing. The two-dimensional position of the projection laser is extracted from the captured image, the three-dimensional position of the projection laser is obtained from the position information of the plane plate obtained in advance, and the laser plane can be calculated by connecting a plurality of projection laser lines.
以上説明したように、本実施の形態の3次元モデリングシステム300によれば、回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40を組み合わせた撮影システムであるため、カメラ30の位置の自由度が高く、対象物体の精細なモデリングが可能である。また、カメラ30を移動させて撮影する際、システムのキャリブレーション結果にもとづいて、3次元モデリングの計算に必要な撮影時のカメラ位置情報を回転台10の回転角とアーム位置情報から正確に求めることができ、撮影画像から取得される3次元形状データの精度を保証することができる。
As described above, according to the
図17は、3次元モデリングシステム300の拡張例を説明する図である。これまで説明した回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40以外に、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50と固定カメラ60がシステムに追加されている。回転台10とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40の組み合わせについては、これまで説明したキャリブレーション手順により既にキャリブレーションが完了しているとする。
FIG. 17 is a diagram for explaining an extension example of the three-
固定カメラ60はいったん設置すると、カメラ位置が固定し、移動することはない。そのため、固定カメラ60をシステムに追加するには、回転台10上のキャリブレーションパネルの参照パターンを撮影することにより、回転台10と固定カメラ60の位置関係をキャリブレーションすることで足りる。具体的には、撮影位置算出部120が、図14で説明したステップS220の手順と同様の手順にしたがって、固定カメラ60により回転台10上のキャリブレーションパネルの複数の参照マーク16からなる参照パターンを撮影した画像を利用して、回転台10と固定カメラ60の位置関係を求める。
Once the fixed
このように固定カメラ60と既に設置された回転台10の位置関係のキャリブレーションを後から行うことにより、固定カメラ60は3次元モデリングシステム300に組み込まれ、システムの拡張を図ることができる。固定カメラ60は、たとえば、回転台10上の対象物体を遠方から撮影して対象物体の大まかな3次元形状データを取得するために用いられる。一方、カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40は、対象物体を接写して対象物体のより細かな3次元形状データを取得するために用いられる。
Thus, by performing the calibration of the positional relationship between the fixed
カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50は、多関節アームの先端に計測用プローブがついているが、カメラは設けられていない。カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50は、対象物体の表面に計測用プローブを当てることにより、対象物体上の計測点の3次元座標を取得するものである。カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50をシステムに追加するためには、計測用プローブによって回転台10上のキャリブレーションパネルの計測点を計測することにより、回転台10とカメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50の位置関係をキャリブレーションすることで足りる。具体的には、アーム設置位置較正部110が、図12で説明したステップS100の手順と同様の手順にしたがって、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50の計測用プローブによる回転台10上のキャリブレーションパネルの複数の計測点15の計測結果を利用して、回転台10とカメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50の位置関係をキャリブレーションする。
The articulated
このようにカメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50と既に設置された回転台10の位置関係のキャリブレーションを後から行うことにより、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50は3次元モデリングシステム300に組み込まれ、システムの拡張を図ることができる。カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50は、アームの先端にカメラやラインレーザーを搭載せず、計測用プローブだけを搭載するため、構成が簡単であり、計測用プローブの設置自由度が高いという利点がある。
In this way, by performing the calibration of the positional relationship between the articulated
カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50は、たとえば、次のような使い方ができる。対象物体が透明もしくは半透明である場合や、鏡面反射物体である場合、カメラによる撮影では対象物体の3次元形状データを取得することが困難であるが、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50の計測用プローブを用いれば、そのような対象物体でも表面の3次元座標を計測することにより3次元形状データを取得することができる。
The articulated
また、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50を用いれば、計測用プローブの先端の球の大きさがわかっているとして、回転台10上の対象物体の存在しうる3次元空間の領域を初期化しておき、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50のアームを操作して、計測用プローブを対象物体の周辺で動かし、計測用プローブの先端の球が通過することのできた3次元空間の領域には対象物体が存在しないとして、その領域を候補から削り、対象物体が占める3次元空間の候補領域を絞っていくことができる。
If the articulated
このように、最初にカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム40と回転台10からなるシステムのキャリブレーションを行っておけば、その後、カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム50や固定カメラ60を追加して、システムを容易に拡張することができる。
As described above, if the system including the articulated
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. The embodiments are exemplifications, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. .
上記の説明では、キャリブレーションパネルの参照マーク16は複数種類の色によって色分けされていたが、参照マーク16の形状によって参照マーク16が分類されてもよい。異なる形状の参照マーク16内に計測点15が設けられることにより、計測点15を参照マーク16の形状によって特定し、複数の計測点15の計測順序を形状によって指定することができる。また、計測点15は参照マーク16の内部に設けられなくても、参照マーク16との対応がわかるなら、参照マーク16の外部に設けられてもよい。たとえば、計測点15を参照マーク16の近傍に設けることにより、計測点15と参照マーク16を対応づけてもよい。また、計測点15を参照マーク16の位置とは無関係に設け、計測点15自身を色分けしてもよい。たとえば、計測点15の穴の周囲に色を塗ったり、穴底に色を塗って色分けすることができる。
In the above description, the
10 回転台、 12 支持台、 15 計測点、 16 参照マーク、 18a アーム基準関節、 18c カメラ設置関節、 20d カメラ設置軸、 30 カメラ、 32 計測用プローブ、 36 ラインレーザ、 40 カメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステム、 50 カメラ無し3次元座標計測用多関節アームシステム、 60 固定カメラ、 100 3次元データ処理装置、 110 アーム設置位置較正部、 120 撮影位置算出部、 130 カメラ設置位置較正部、 140 カメラ位置算出部、 150 3次元データ生成部、 160 撮影画像入力部、 170 アームデータ入力部、 180 アーム位置算出部、 190 較正パネル補正部、 200 スリット光抽出部、 210 スリット光位置較正部、 300 3次元モデリングシステム。 10 rotary table, 12 support table, 15 measurement point, 16 reference mark, 18a arm reference joint, 18c camera installation joint, 20d camera installation axis, 30 camera, 32 measurement probe, 36 line laser, 40 3D coordinate measurement with camera Articulated arm system, 50 Articulated arm system for 3D coordinate measurement without camera, 60 Fixed camera, 100 3D data processing device, 110 Arm installation position calibration unit, 120 Shooting position calculation unit, 130 Camera installation position calibration unit, 140 camera position calculation unit, 150 three-dimensional data generation unit, 160 captured image input unit, 170 arm data input unit, 180 arm position calculation unit, 190 calibration panel correction unit, 200 slit light extraction unit, 210 slit light position calibration unit, 300 3 Based modeling system.
Claims (15)
前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うアーム設置位置較正部と、
前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出する撮影位置算出部と、
前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するアーム位置算出部と、
前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うカメラ設置位置較正部とを含むことを特徴とするキャリブレーション装置。 An apparatus for calibrating a three-dimensional modeling apparatus including a multi-joint arm for measuring three-dimensional coordinates with a camera and a table for placing an object,
Based on the coordinate values of the measurement points obtained by measuring the measurement points provided on the calibration panel installed on the table by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, the table and the camera An arm installation position calibration unit for calibrating the positional relationship of the articulated arm for 3D coordinate measurement,
Based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing the reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera, position information of the camera with respect to the table at the time of photographing is calculated. A shooting position calculator to
An arm position calculation unit that calculates position information of a multi-joint arm for three-dimensional coordinate measurement when the reference mark provided on the calibration panel is photographed by the camera;
Using the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera, the position information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the position information of the articulated arm for 3D coordinate measurement A calibration apparatus comprising: a camera installation joint of the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera and a camera installation position calibration unit that calibrates the positional relationship of the camera.
前記回転台の回転角を異ならせて前記較正用パネル上の前記計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記較正用パネルの前記回転台に対するずれを補正する較正パネル補正部をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載のキャリブレーション装置。 The stand is a turntable that can be rotated by placing an object on it,
Based on the coordinate value of the measurement point obtained by measuring the measurement point on the calibration panel with the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera while varying the rotation angle of the turntable, the calibration The calibration apparatus according to claim 1, further comprising a calibration panel correction unit that corrects a deviation of the panel for the rotary table.
投影されたスリット光の座標位置を照射されたスリット光のつくる平面方程式に当てはめることにより、前記カメラに対するスリット光の投影位置を較正するスリット光位置較正部をさらに含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のキャリブレーション装置。 A slit light extraction unit that extracts slit light projected on an object placed on the table from an image photographed by the camera;
2. A slit light position calibration unit that calibrates the projection position of the slit light with respect to the camera by applying the coordinate position of the projected slit light to a plane equation created by the irradiated slit light. 4. The calibration device according to any one of items 1 to 3.
前記カメラにより撮影される対象物を載せるための台と、
前記台に設置される較正用パネルとを含み、
前記較正用パネルは、
前記台と前記3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うために前記3次元座標計測用多関節アームによって計測される複数の計測点と、
前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するために、前記カメラによって撮影される複数の参照マークとを含むことを特徴とする3次元モデリング装置。 An articulated arm for 3D coordinate measurement with a camera installed;
A table for placing an object photographed by the camera;
A calibration panel installed on the table,
The calibration panel comprises:
A plurality of measurement points measured by the articulated arm for 3D coordinate measurement in order to calibrate the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement;
A three-dimensional modeling apparatus comprising a plurality of reference marks photographed by the camera in order to calculate position information of the camera with respect to the table.
前記3次元モデリング装置をキャリブレーションするキャリブレーション装置とを含み、
前記キャリブレーション装置は、
前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うアーム設置位置較正部と、
前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出する撮影位置算出部と、
前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するアーム位置算出部と、
前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うカメラ設置位置較正部とを含むことを特徴とする3次元モデリングシステム。 A three-dimensional modeling apparatus including an articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera and a platform for placing an object;
A calibration device for calibrating the three-dimensional modeling device,
The calibration device
Based on the coordinate values of the measurement points obtained by measuring the measurement points provided on the calibration panel installed on the table by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, the table and the camera An arm installation position calibration unit for calibrating the positional relationship of the articulated arm for 3D coordinate measurement,
Based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing the reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera, position information of the camera with respect to the table at the time of photographing is calculated. A shooting position calculator to
An arm position calculation unit that calculates position information of a multi-joint arm for three-dimensional coordinate measurement when the reference mark provided on the calibration panel is photographed by the camera;
Using the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera, the position information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the position information of the articulated arm for 3D coordinate measurement A three-dimensional modeling system comprising: a camera installation joint of the articulated arm for 3D coordinate measurement with a camera and a camera installation position calibration unit that calibrates the positional relationship of the camera.
前記キャリブレーション装置の前記撮影位置算出部は、前記固定式カメラを当該システムに追加してシステムを拡張するために、前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記固定式カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、前記台に対する前記固定式カメラの位置関係を算出することを特徴とする請求項11に記載の3次元モデリングシステム。 A fixed camera with a fixed shooting position for shooting an object to be placed on the table;
The imaging position calculation unit of the calibration device fixes the reference mark provided on the calibration panel installed on the table in order to expand the system by adding the fixed camera to the system. The three-dimensional modeling system according to claim 11, wherein a positional relationship of the fixed camera with respect to the table is calculated based on a coordinate value of the reference mark acquired by photographing with a camera.
前記キャリブレーション装置の前記アーム設置位置較正部は、前記3次元座標計測用多関節アームを当該システムに追加してシステムを拡張するために、前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ無し3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ無し3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うことを特徴とする請求項11に記載の3次元モデリングシステム。 Further comprising a multi-joint arm for camera-less three-dimensional coordinate measurement for measuring an object placed on the table,
The arm installation position calibration unit of the calibration device is provided on a calibration panel installed on the table in order to expand the system by adding the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement to the system. Calibration of the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement without camera based on the coordinate value of the measurement point obtained by measuring the measurement point by the articulated arm for 3D coordinate measurement without camera The three-dimensional modeling system according to claim 11, wherein:
前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うステップと、
前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するステップと、
前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するステップと、
前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うステップとを含むことを特徴とするキャリブレーション方法。 A method for calibrating a three-dimensional modeling apparatus including a multi-joint arm for measuring three-dimensional coordinates with a camera and a table for placing an object,
Based on the coordinate values of the measurement points obtained by measuring the measurement points provided on the calibration panel installed on the table by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, the table and the camera Calibrating the positional relationship of the articulated arm for 3D coordinate measurement with
Based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing the reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera, position information of the camera with respect to the table at the time of photographing is calculated. And steps to
Calculating position information of a multi-joint arm for three-dimensional coordinate measurement when the reference mark provided on the calibration panel is photographed by the camera;
Using the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera, the position information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the position information of the articulated arm for 3D coordinate measurement And a step of calibrating the positional relationship between the camera-installed joint of the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera and the camera.
前記台上に設置された較正用パネルに設けられた計測点を前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームによって計測して取得される前記計測点の座標値に基づいて、前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正を行うステップと、
前記台上に設置された前記較正用パネルに設けられた参照マークを前記カメラにより撮影して取得される前記参照マークの座標値に基づいて、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報を算出するステップと、
前記較正用パネルに設けられた前記参照マークを前記カメラにより撮影したときの3次元座標計測用多関節アームの位置情報を算出するステップと、
前記台と前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームの位置関係の較正結果、撮影時における前記台に対する前記カメラの位置情報、および前記3次元座標計測用多関節アームの位置情報を利用して、前記カメラ付き3次元座標計測用多関節アームのカメラ設置関節と前記カメラの位置関係の較正を行うステップとをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 A program for calibrating a three-dimensional modeling device including a multi-joint arm for measuring three-dimensional coordinates with a camera and a table for placing an object,
Based on the coordinate values of the measurement points obtained by measuring the measurement points provided on the calibration panel installed on the table by the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with the camera, the table and the camera Calibrating the positional relationship of the articulated arm for 3D coordinate measurement with
Based on the coordinate value of the reference mark obtained by photographing the reference mark provided on the calibration panel installed on the table by the camera, position information of the camera with respect to the table at the time of photographing is calculated. And steps to
Calculating position information of a multi-joint arm for three-dimensional coordinate measurement when the reference mark provided on the calibration panel is photographed by the camera;
Using the calibration result of the positional relationship between the table and the articulated arm for 3D coordinate measurement with the camera, the position information of the camera with respect to the table at the time of shooting, and the position information of the articulated arm for 3D coordinate measurement A program for causing a computer to execute a step of calibrating a positional relationship between a camera-installed joint of the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement with a camera and the camera.
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