[go: up one dir, main page]

JP2006098065A - Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same - Google Patents

Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same Download PDF

Info

Publication number
JP2006098065A
JP2006098065A JP2004280881A JP2004280881A JP2006098065A JP 2006098065 A JP2006098065 A JP 2006098065A JP 2004280881 A JP2004280881 A JP 2004280881A JP 2004280881 A JP2004280881 A JP 2004280881A JP 2006098065 A JP2006098065 A JP 2006098065A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
camera
calibration
coordinate
arm
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004280881A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoya Terauchi
智哉 寺内
Kota Fujimura
恒太 藤村
Yasuhiro Ogami
靖弘 大上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
Priority to JP2004280881A priority Critical patent/JP2006098065A/en
Publication of JP2006098065A publication Critical patent/JP2006098065A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calibration device and method allowing freedom for a photographing position, and a three-dimensional modeling device and system capable of using the same. <P>SOLUTION: A positional relation between a rotary table 10 and a three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40 with a camera is specified by a transformation matrix M<SB>1</SB>from a rotary table coordinate system to an arm reference coordinate system, and a positional relation between a camera installation shaft 20d and a position of the camera 30 is specified by a transformation matrix M<SB>2</SB>from a camera installation coordinate system to a camera coordinate system. The positional relations are calibrated in advance. A transformation matrix M<SB>a</SB>from the arm reference coordinate system for specifying a positional relation between an arm reference joint 18a and a camera installation joint 18c to the camera installation coordinate system is obtained from an arm output data of the three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40. A rotary table-camera transformation matrix M<SB>0</SB>in an optional arm position is calculated pursuant to the calculation expression M<SB>0</SB>=M<SB>2</SB>×M<SB>a</SB>×M<SB>1</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。
特開2001−108421号公報
For example, in Patent Document 1, a target object placed on a turntable provided with a position detection mark is shot with a camera together with the turntable, and shooting position information is obtained from position detection marks in each image of the plurality of shot images. Also disclosed is a three-dimensional modeling apparatus that obtains a silhouette image from the photographed image and generates a three-dimensional model.
JP 2001-108421 A

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-dimensional modeling system 300 according to the embodiment. The 3D modeling system 300 includes a 3D coordinate processing articulated arm system 40 with a camera, a turntable 10, and a 3D data processing apparatus 100 connected to the 3D coordinate measuring articulated arm system 40 with a camera.

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 multi-joint arm system 40 with a camera for three-dimensional coordinate measurement is configured by installing the camera 30 on multi-joint arms 20a to 20d having five rotation axes. The first arm 20 a installed on the support base 12 can rotate in the first rotation direction 21. The second arm 20b is connected to the first arm 20a via the first joint 18a, and is rotatable in the second rotation direction 22 around the first joint 18a. The first joint 18a is also referred to as an arm reference joint. The third arm 20c is connected to the second arm 20b via the second joint 18b, and is in a third rotation direction 23 around the second joint 18b and a fourth rotation direction 24 around the arm axis. It can be rotated.

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 third arm 20c is provided with a camera installation shaft 20d, and the camera installation shaft 20d is rotatable in a fifth rotation direction 25 around the axis. The third joint 18c is also referred to as a camera installation joint. The camera installation shaft 20d is provided with a camera 30, a line laser 36, and a measurement probe 32.

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 turntable 10 mounts a target object for three-dimensional modeling, and can rotate in a rotation direction indicated by reference numeral 11 around a rotation axis.

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 data processing apparatus 100 is photographed by the camera 30 using arm output data such as rotation angle data of each joint, normal vector of each axis, and position vector data of the multi-joint arm system 40 for measuring three-dimensional coordinates with a camera. The received image data and measurement data obtained by the measurement probe 32 are received from the multi-joint arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera, and the system is calibrated and 3D model data is generated.

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 camera installation axis 20d. The camera installation shaft 20 d can rotate around the rotation shaft 26. An attachment portion 37 is provided on the camera installation shaft 20 d, and the camera 30 and the line laser 36 are fixed to the attachment portion 37. The camera 30 and the line laser 36 are connected to each control unit via a connection cable (not shown). Further, the camera installation axis 20d is provided with a measurement probe 32, and the position information of the measurement target point can be acquired by applying the tip of the measurement probe 32 to the surface of the target object.

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 turntable 10. The top plate of the turntable 10 may also serve as a calibration panel, and the calibration panel may be placed on the turntable 10 during calibration. The calibration panel includes a reference pattern including a plurality of measurement points 15 for measurement by the measurement probe 32 of the articulated arm system 40 for three-dimensional coordinate measurement with a camera and a plurality of reference marks 16 for imaging by the camera 30. Is provided. The measurement point 15 is a hole into which the tip of the measurement probe 32 is inserted, and the plurality of reference marks 16 are circle marks randomly colored with several colors such as blue, red, yellow, and green.

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 reference mark 16 extracted from the photographed image can easily be associated with the reference mark 16 on the calibration panel and the number of combinations is reduced, the calculation time can be shortened.

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 reference mark 16 is the same color, the above-described indefiniteness can be excluded from the randomness of the arrangement of the reference mark 16. This is because the arrangement of the reference marks 16 of the same color is random.

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 measurement point 15 is provided in the reference mark 16. This is because the measurement point 15 to be measured by the measurement probe 32 is different by changing the color of the reference mark 16 provided with the measurement point 15. This is because the color can be specified by color. For example, the measurement order of the plurality of measurement points 15 can be designated to the user by the color of the reference mark 16 such as red, blue, and yellow. If the measurement point 15 is measured in the color order designated by the user, it is possible to uniquely identify the measurement point 15 at which the measurement point 15 measured by the user is located on the calibration panel. .

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 3D modeling system 300 according to the present embodiment acquires 3D model data. The target object 14 is placed on the turntable 10, the multi-joint arm of the multi-joint arm system 40 for 3D coordinate measurement with camera is manually operated, and the camera 30 is moved to a position where the target object 14 can be photographed. The line laser 36 irradiates the target object 14 on the turntable 10 with slit light, and the camera 30 images the laser line 38 projected onto the target object 14. By rotating the turntable 10 or moving the position of the camera 30, the laser line 38 projected onto the target object 14 from various angles is photographed. The three-dimensional data processing apparatus 100 acquires the three-dimensional shape data of the target object 14 by the slit light projection method (also referred to as a light cutting method) using the captured image of the projected laser line 38, and 3 of the target object 14. Perform dimensional modeling.

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 turntable 10. An orthogonal coordinate system x0-y0-z0 is defined in which the surface of the turntable 10 is the xz plane and the rotation axis of the turntable 10 is the y axis. This is called a turntable coordinate system.

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 multi-joint arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera. An orthogonal coordinate system x1-y1-z1 is defined at the arm reference joint 18a connecting the first arm 20a and the second arm 20b with the rotation axis of the first arm 20a as the z-axis. This is called an arm reference coordinate system.

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 camera 30. The camera installation axis 20d is an axis whose positional relationship with the camera 30 is invariable among the joint axes of the arm. An orthogonal coordinate system x2-y2-z2 is defined with the camera installation joint 18c as the origin and the camera installation axis 20d as the y axis. This is called a camera installation axis coordinate system. Further, an orthogonal coordinate system x3-y3-z3 is defined in which the focal point of the camera 30 is the origin, the focal plane 34 is the xy plane, and the optical axis is the z-axis. This is called a camera coordinate system.

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)、変換先座標系における座標値をX’=(x’,y’,z’)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-dimensional modeling system 300 has four coordinate systems of a rotary base coordinate system, an arm reference coordinate system, a camera installation axis coordinate system, and a camera coordinate system, and these different coordinate systems. Coordinate conversion is required between In general, the coordinate conversion is performed when the coordinate value in the conversion source coordinate system is X = (x, y, z) t and the coordinate value in the conversion destination coordinate system is X ′ = (x ′, y ′, z ′) t. It is expressed by the coordinate conversion formula.

X’=M・X+t
ここで、行列M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M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 = (m 21, m 22, m 23), M If r3 = (m 31 , m 32 , m 33 ) and the vector t giving the translation component is t = (m 14 , m 24 , m 34 ), the above coordinate conversion formula is
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M=(m11,m12,m13,m14)、M=(m21,m22,m23,m24)、M=(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)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、M=M・Mとは、
・X=M・M・X
r0・X+t=Mr1・(Mr2・X+t)+t
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、
r0=Mr1・Mr2
=Mr1・t+t
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’=M・X+t
X=M −1・(X’−t)
=M −1・X’−M −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M −1と並進成分t−1をそれぞれ
−1=M −1
−1=−M −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M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.

11=cosαcosβcosγ−sinαsinγ
12=−cosαcosβsinγ−sinαcosγ
13=cosαsinβ
21=sinαcosβcosγ+cosαsinγ
22=−sinαcosβsinγ+cosαcosγ
23=sinαsinβ
31=−sinβcosγ
32=sinαsinγ
33=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M(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 arm system 40 with a camera for three-dimensional coordinate measurement and the turntable 10. In order to acquire 3D data by the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera, accurate position information of the camera 30 with respect to the turntable 10 is necessary. In order to grasp the position of the camera 30 with respect to the turntable 10 when the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera is operated to move the camera 30 to an appropriate position, from the turntable coordinate system A transformation matrix M 0 (referred to as a turntable-camera coordinate transformation matrix) to the camera coordinate system is required.

回転台−カメラ座標変換行列M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 turntable 10 and the camera three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40, and the position of the camera installation shaft 20d and the camera 30 Relationship calibration is required.

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M(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M(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M(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Mは、次式により算出することができる。 The positional relationship between the turntable 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera is a conversion matrix M 1 from the turntable coordinate system to the arm reference coordinate system (this is called a turntable-arm reference joint coordinate conversion matrix). The positional relationship between the camera installation axis 20d and the camera 30 is defined by a conversion matrix M 2 from the camera installation coordinate system to the camera coordinate system (this is called a camera installation joint-camera coordinate conversion matrix). When the calibration results of these positional relationships are given, a transformation matrix M a from the arm reference coordinate system that defines the positional relationship between the arm reference joint 18a and the camera installation joint 18c to the camera installation axis coordinate system (this is referred to as an arm reference joint). (Referred to as “camera-installed joint coordinate transformation matrix”) is obtained from the arm output data of the articulated arm system 40 for three-dimensional coordinate measurement with a camera, and therefore the turntable-camera coordinate transformation matrix M 0 can be calculated by it can.

=M・M・M
ここで、各座標変換行列M、M、M、M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Mと、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列M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M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M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=M・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Mを求める。 FIGS. 9A to 9C are diagrams for explaining the calibration procedure of the articulated arm system 40 with a camera for three-dimensional coordinate measurement and the turntable 10. As shown in FIG. 9A, the position of the rotary base 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera is determined, and the measurement points on the calibration panel on the rotary base 10 are measured by the measurement probe 32. turntable - Request arm reference joint coordinate transformation matrix M 1.

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M’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M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M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M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 rotary base 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera are kept in the same state as in FIG. The reference pattern of the upper calibration panel is photographed to obtain a turntable-camera coordinate transformation matrix M 0 ′ at the time of calibration panel photography. At this time, it obtains an arm output data at the time of calibration panels shooting arm reference joint - previously obtained camera installed joint coordinate transformation matrix M a. Later turntable obtained in FIG. 9 (a) - to use the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, at the time of calibration panels photographing, the rotary table 10 and the camera three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40 positional relationship turntable in FIG 9 (a) - must be the same when calculated arms reference joint coordinate transformation matrix M 1, the position of the camera 30 is arbitrary.

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M、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M’とアーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列M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M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.

=M’・M −1・M −1
ここで、アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列M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 data processing apparatus 100. These configurations can be realized in hardware by any computer's CPU, memory, or other LSI, and in software, by a program with a 3D modeling function and an image processing function loaded in the memory. However, here, functional blocks realized by their cooperation are depicted. Therefore, those skilled in the art will understand that these functional blocks can be realized in various forms by hardware only, software only, or a combination thereof.

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 image input unit 160 acquires a calibration panel image captured by the camera 30 of the articulated arm system for 3D coordinate measurement with camera 40 and an image of the target object irradiated with the slit light, and the calibration panel The image is given to the photographing position calculation unit 120, and the image of the target object irradiated with the slit light is given to the slit light extraction unit 200.

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 data input unit 170 acquires arm output data of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera and measurement data by the measurement probe 32, an arm installation position calibration unit 110, an arm position calculation unit 180, and calibration. This is given to the panel correction unit 190.

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M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 position calculation unit 180, based on the arm output data, arm reference joints in the current arm position - calculates the camera installation joint coordinate transformation matrix M a, camera installation position calibration unit 130 and the camera position calculated as the arm position information Part 140.

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Mを算出する。 The arm installation position calibration unit 110 uses the measurement results of the plurality of measurement points 15 of the calibration panel on the turntable 10 by the measurement probe 32 of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera. 10 and the positional relationship between the camera-equipped articulated arm system 40 for three-dimensional coordinate measurement are calibrated. The arm installation position calibration unit 110 calculates a coordinate conversion parameter based on the known coordinate value of the measurement point 15 on the calibration panel in the rotary base coordinate system and the coordinate value in the arm reference coordinate system measured by the measurement probe 32. by obtaining, turntable - calculating the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1.

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M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 position calibration unit 110, a position calibration result of the relationship between the turntable 10 and the camera three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40, the turntable calculated - camera installation arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 The data is given to the position calibration unit 130, the camera position calculation unit 140, and the calibration panel correction unit 190.

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 position calculation unit 120 uses an image obtained by photographing a reference pattern composed of a plurality of reference marks 16 on the calibration panel on the turntable 10 by the camera 30 of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera. The positional relationship between the turntable 10 and the camera 30 during calibration panel shooting is obtained. The photographing position calculation unit 120 extracts all the reference marks 16 from the photographed image of the calibration panel by image processing.

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M’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 position calculation unit 120 obtains a coordinate conversion parameter based on the known coordinate value of the reference mark 16 of the calibration panel in the rotary base coordinate system and the coordinate value of the reference mark 16 extracted from the photographed image in the photographed image. Thus, a turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 ′ at the time of calibration panel shooting is calculated and provided to the camera installation position calibration unit 130 as shooting position information.

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M、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M、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M’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Mを算出する。 The camera installation position calibration unit 130 calibrates the positional relationship between the camera installation joint 18 c and the camera 30 of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera based on the imaging position information given by the imaging position calculation unit 120. Do. The camera installation position calibration unit 130 includes an arm reference joint-camera installation joint coordinate transformation matrix M a at the time of photographing the calibration panel given from the arm position calculation unit 180, and a turntable-arm given from the arm installation position calibration unit 110. Using the reference joint coordinate transformation matrix M 1 and the rotating table-camera coordinate transformation matrix M 0 ′ at the time of photographing the calibration panel given from the photographing position calculation unit 120, the camera-installed joint-camera coordinate transformation matrix is expressed by the following equation. to calculate the M 2.

=M’・M −1・M −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Mをカメラ位置算出部140に与える。 The camera installation position calibration unit 130 gives the calculated camera installation joint-camera coordinate conversion matrix M 2 to the camera position calculation unit 140 as a calibration result of the positional relationship between the camera installation joint 18 c and the camera 30.

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 position calculation unit 140 rotates after the arm installation position calibration unit 110 and the camera installation position calibration unit 130 complete the calibration of the system including the articulated arm system 40 with a camera and the turntable 10. Based on the calibration result, camera position information at an arbitrary arm position required when acquiring the three-dimensional shape data of the target object 14 placed on the table 10 is calculated.

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M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M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M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Mを算出する。 Camera position calculator 140 is given as the calibration results from the arm installation position calibration unit 110 turntable - the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, camera installation given as calibration result from the camera installation position calibration unit 130 joint - a camera coordinate transformation matrix M 2, arm reference joint given as the arm position information from the arm position calculation unit 180 - using a camera installed joint coordinate transformation matrix M a, by the following equation, in the current arm position turntable - it calculates the camera coordinate transformation matrix M 0.

=M・M・M 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M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 position calculation unit 140 gives the calculated turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 to the three-dimensional data generation unit 150 as camera position information at the current arm position.

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 light extraction unit 200 extracts slit light from a photographed image of the target object irradiated with the slit light by the line laser 36 of the articulated arm system 40 for three-dimensional coordinate measurement with a camera, and obtains information on the extracted slit light. This is given to the three-dimensional data generation unit 150.

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M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 data generation unit 150 uses the turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 given as the camera position information from the camera position calculation unit 140 and the slit light information extracted from the photographed image by the slit light extraction unit 200. Utilizing the slit light projection method, the three-dimensional shape data of the target object is generated and recorded.

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M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Mを算出する。 When the calibration panel is deviated from the rotation center of the turntable 10 or tilted with respect to the rotation plane of the turntable 10, the calibration panel correction unit 190 corrects the displacement of the calibration panel with respect to the turntable 10. Perform the process. The calibration panel correction unit 190 measures the measurement points 15 on the calibration panel while changing the rotation angle θ of the turntable 10 with the measurement probe 32, and the turntable calculated by the arm installation position calibration unit 110. - using an arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, calculates a coordinate transformation correction matrix M m for correcting the deviation of the calibration panel against turntable 10.

較正パネル補正部190は、算出された座標変換補正行列M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M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M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Mの計算式を座標変換補正行列M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Mの計算式を座標変換補正行列Mにより補正する。 The calibration panel correction unit 190 supplies the calculated coordinate conversion correction matrix M m to the arm installation position calibration unit 110, the camera installation position calibration unit 130, and the camera position calculation unit 140. The arm installation position calibration unit 110 corrects the coordinate value in the rotary base coordinate system of the measurement point 15 on the calibration panel using the coordinate conversion correction matrix M m, and then performs the above-described rotary base-arm reference joint coordinate conversion. The matrix M 1 is calculated. Camera installation position calibration unit 130, the above-described camera installation joints - to correct the camera coordinate transformation matrix M 2 the equation by the coordinate transformation correction matrix M m. The camera position calculation unit 140 corrects the above-described calculation formula of the turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 with the coordinate conversion correction matrix M m .

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 position calibration unit 210 calibrates the positional relationship between the camera 30 and the line laser 36. The slit light extraction unit 200 extracts slit light from the line laser 36 from an image obtained by photographing a calibration flat plate while changing the position with the camera 30. The slit light position calibration unit 210 calibrates the slit light position by obtaining the three-dimensional position of the slit light extracted from the captured image and applying it to the plane equation created by the slit light from the line laser 36. The slit light position calibration unit 210 provides the slit light position calibration result to the slit light extraction unit 200, and the slit light extraction unit 200 corrects the position information of the extracted slit light based on the calibration result.

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-dimensional modeling system 300 having the above configuration will be described.

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 turntable 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera is calibrated (S100). Next, the positional relationship between the camera-installed joint 18c of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with camera 40 and the camera 30 is calibrated (S200). Based on the calibration results of step S100 and step S200, the camera position is calculated at an arbitrary arm position (S300).

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 turntable 10 of FIG. 11 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera.

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 turntable 10 are measured by the measurement probe 32 of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with camera (S110).

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 measurement point 15 on the calibration panel is measured by the measurement probe 32, the coordinate value of the measurement point 15 in the arm reference coordinate system is obtained from the arm output data. Further, since the position of the measurement point 15 on the calibration panel is determined by the design specifications, the coordinate value of the measurement point 15 in the rotary base coordinate system is known. Assuming that n measurement points 15 are measured, the coordinate values of the n measurement points 15 in the rotary table coordinate system are t0, t1,..., tn, and the coordinate values of the same measurement point 15 in the arm reference coordinate system are a0, a1, ..., an.

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Mを算出する(S120)。回転台−アーム基準関節座標変換行列M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 position calibration unit 110, in order to calibrate the positional relationship of the turntable 10 and the camera three-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40, the turntable - calculating the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 (S120) . Turntable - coordinate transformation parameters of the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 is in principle can be calculated by the coordinate values of the three measurement points 15 on the calibration panel.

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。
t1=t1−t0,vt2=t2−t0,vt3=vt1×vt2
a1=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 measurement points 15 in the rotating base coordinate system, Furthermore, v a1 , v a2 and v a3 are obtained using the coordinate values a0, a1 and a2 of the same three measurement points 15 in the arm reference coordinate system.
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=(vt1t2t3
A=(va1a2a3
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Mの回転成分Mは次式で与えられる。
=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Mの並進成分tは次式で与えられる。
t=a0−M・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M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M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 position calibration unit 110, turntable calculated in step S120 - in order to increase the accuracy of the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1, using three or more measurement points 15 on the calibration panel, turntable - optimized by the least squares method coordinate transformation parameters of the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 (S130).

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M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Mの回転成分を与える行列M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 measuring point 15 in the turntable coordinate system into coordinate values in the arm reference coordinate system (called computational coordinate values) The same measurement point 15 is compared with the coordinate value measured by the measurement probe 32 (referred to as the actually measured coordinate value), and the sum of the squares of the difference between the calculated coordinate value and the actually measured coordinate value is used to calculate these values. Find the error of the coordinate value. For all the measurement points 15 on the calibration panel, the error between the calculated coordinate value and the actually measured coordinate value is obtained, and the sum of the errors is obtained for all the measurement points 15. So that the sum of the error is minimized, turntable - arm based matrix impart a rotational component of the joint coordinate transformation matrix M 1 M Euler angles r alpha, beta, gamma, and each component tx of vector t giving the translation component, The results obtained by obtaining ty and tz in step S120 are set as initial values and optimized by the least square method.

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M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 turntable 10 is the case of the 0. In order to generalize when the rotation angle of the turntable 10 is θ, t0 ′, t1 ′ obtained by rotating the coordinate values t0, t1,..., Tn in the turntable coordinate system by the rotation matrix R as follows. ,..., Tn ′.
ti ′ = R · ti (i = 0, 1,..., n)

ここで、回転行列Rの第1行R,第2行R,第3行Rは、
=(cosθ,0,−sinθ)
=(0,1,0)
=(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 camera 30 in FIG.

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 camera 30 of the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with camera is moved to an appropriate position, and a reference pattern composed of a plurality of reference marks 16 on the calibration panel is photographed (S210). At this time, the relative positional relationship between the turntable 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera needs to be the same as that at the time of data acquisition in step S100. This is because the calibration result of the positional relationship between the turntable and the arm in step S100 is used in later calculations.

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M’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 position calculation unit 120 calculates a turntable-camera coordinate transformation matrix M 0 ′ at the time of calibration panel imaging using the captured image (S220). This process will be described in detail with reference to FIG.

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Mを算出する(S230)。 Arm position calculating unit 180 as position information of the arm at the time of calibration panels taken from the arm output data, arm reference joint - calculates the camera installation joint coordinate transformation matrix M a (S230).

アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列M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 camera installation axis 20d and the position vector p of the measurement probe 32 is used. Since these data are obtained from the articulated arm system 40 for three-dimensional coordinate measurement with a camera, they are values in the arm reference coordinate system.

アーム基準関節−カメラ設置関節座標変換行列M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Mの回転成分を与える行列Mは、
=(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M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 camera installation shaft 20d,
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M、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M’、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Mを用いて、カメラ設置関節−カメラ座標変換行列Mを次式により算出する(S240)。
=M’・M −1・M −1
The camera installation position calibration unit 130 includes a turntable-arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 obtained in step S100, a turntable-camera coordinate transformation matrix M 0 ′ at the time of calibration panel photography obtained in step S220, and arm reference joint obtained in step S230 - using the camera installation joint coordinate transformation matrix M a, camera installation joints - the camera coordinate transformation matrix M 2 is calculated by the following equation (S240).
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M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Mを求めればよい。
=M’・R−1・M −1・M −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M’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 camera 30 are obtained in advance.

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 position calculation unit 120 extracts a plurality of reference marks 16 from the photographed image of the calibration panel by image processing (S222).

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M’の座標変換パラメータを算出する(S224)。 The imaging position calculation unit 120 votes based on the known coordinate value of the reference mark 16 on the calibration panel in the rotary base coordinate system and the actually measured coordinate value of the reference mark 16 extracted from the captured image. A coordinate conversion parameter of the turntable-camera coordinate conversion matrix M 0 ′ at the time of shooting is calculated by processing (S224).

投票処理による回転台−カメラ座標変換行列M’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 reference marks 16 among all the reference marks 16 on the calibration panel. All combinations of the three reference marks 16 listed from the calibration panel are referred to as a reference set.

(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 reference marks 16 among the reference marks 16 extracted from the captured image of the calibration panel. All combinations of the three reference marks 16 listed from the photographed image are called an extraction set.

(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 reference marks 16 included in the extracted set and a set of arbitrary three reference marks 16 included in the reference set.

(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 reference marks 16 selected from the extracted set and the set of three reference marks 16 selected from the reference set are different in color combination of the reference marks 16, the following ( The processes of 4-2) and (4-3) are not performed.

(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 reference marks 16 selected from the extracted set and the coordinate values in the rotary table coordinate system of the three reference marks 16 selected from the reference set are converted into the camera coordinate system. Further, coordinate conversion parameters (α, β, γ, tx, ty, tz) are calculated based on the coordinate values obtained by projecting them onto the captured image plane.

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 reference mark 16 is color-coded by a plurality of types of colors in the calibration panel, there is no difference between the set of the reference mark 16 selected from the extracted set and the set of the reference mark 16 selected from the reference set. A meaningful combination can be discriminated and skipped, unnecessary calculation is eliminated, and the processing time can be increased.

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 reference marks 16 is selected in the voting process described above, when shooting them from different angles, It is possible to avoid the same pattern as the set of the other three reference marks 16 as much as possible, to eliminate indefiniteness due to the shooting direction, and to provide uniqueness. Further, if the arrangement of the plurality of reference marks 16 is also random, the effect can be further enhanced, and the accuracy of the voting process is improved.

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M’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 position calculation unit 120 uses the coordinate conversion parameters of the rotary table-camera coordinate conversion matrix M 0 ′ obtained in step S224 to know the reference mark 16 in the rotary table coordinate system based on these coordinate conversion parameters and camera internal parameters. Is converted into a camera coordinate system, the coordinate value projected onto the captured image plane is compared with the coordinate value of the reference mark 16 extracted from the captured image, and the difference of each component of these coordinate values is compared. Find the error by sum of squares. This error is obtained for all the reference marks 16, and the coordinate transformation parameter is optimized by the least square method with the coordinate transformation parameter obtained in step S224 as an initial value so that the sum is minimized (S226).

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M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M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 target object 14 is placed on the turntable 10, and the camera 30 is moved to an appropriate position by the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera. Arm position calculation unit 180, based on the arm output data of camera 3-dimensional coordinate measuring articulated arm system 40, the arm reference joints in the current arm position - calculates the camera installation joint coordinate transformation matrix M a (S310) . Arm reference joints - the calculation of camera installation joint coordinate transformation matrix M a is the calculation method described in step S230 of FIG. 13 is used.

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M、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M、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Mを用いて、次式により、回転台−カメラ座標変換行列Mを算出する(S320)。
=M・M・M
The camera position calculation unit 140 includes a turntable-arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 obtained by the calibration process of step S100, a camera installation joint-camera coordinate transformation matrix M 2 obtained by the calibration process of step S200, and the arm reference joints in the current arm position obtained in step S310 - using the camera installation joint coordinate transformation matrix M a, by the following equation, turntable - calculates the camera coordinate transformation matrix M 0 (S320).
M 0 = M 2 · M a · M 1

上記の回転台−カメラ座標変換行列M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Mを算出することができる。
=M・M・M・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 turntable 10 is 0, the case where the rotation angle of the turntable 10 is generally a θ is rotated by the following formula table - can be calculated camera coordinate transformation matrix M 0.
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 measurement 40 and the turntable 10 has been described above, but it is necessary to calibrate the turntable 10 and the calibration panel. There is a positional relationship and a positional relationship of slit light by the camera 30 and the line laser 36. A supplementary explanation will be given below regarding the calibration of these positional relationships.

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 turntable 10 and the calibration panel will be described.

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 turntable 10, and the origin of the calibration panel coordinate system is designed to be the center of rotation of the turntable 10. However, in practice, the origin of the calibration panel may deviate from the rotation center of the turntable 10. In addition, the calibration panel on the turntable 10 may be tilted.

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 turntable 10 such as the deviation from the rotation center of the calibration panel and the inclination with respect to the rotation plane are calculated. For the calculation of the correction parameter, data obtained by measuring the measurement point 15 installed on the calibration panel with the measurement probe 32 is used. However, it is necessary to acquire data by changing the rotation angle of the turntable 10.

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Mを算出する。 Calibration panel displacement correction is performed according to the following procedure. First obtains the measurement data of the measuring point 15 at each rotation angle theta, the turntable by the procedure of step S100 - calculating the arm reference joint coordinate transformation matrix M 1.

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M(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=M・R・M・p
A parameter for correcting the displacement of the calibration panel with respect to the turntable 10 is represented by a conversion matrix M m (referred to as a coordinate conversion correction matrix), and a coordinate value in the turntable coordinate system of the measurement point 15 of the calibration panel is represented by p. When the coordinate value of the measurement point 15 in the arm reference coordinate system is represented by a, the following conversion equation is established.
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M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M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Mの平均値、座標変換補正行列M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M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 measurement point 15 in the rotary table coordinate system into the arm reference coordinate system and the coordinate value of the measurement point 15 measured by the measurement probe 32. Find the error by the sum of squares. This error is obtained for all the measurement points 15 on the calibration panel, and the coordinate transformation parameters of the transformation matrix M m for correcting the deviation from the center of rotation are optimized by the least square method so that the total sum of errors is minimized. However, the turntable - arm reference joint coordinate transformation matrix M 1 is the mean value of M 1 obtained by step S100 to change the rotation angle θ of the turntable 10, the coordinate transformation correction matrix M m, for the first measurement point 15 The obtained rotation components α, β, γ and translation components tx, ty, tz are set as initial values. However, the coordinate transformation correction matrix M m, rotational component alpha, beta, one of gamma, translation components tx, ty, one of tz is keep fixed.

このようにして算出された座標変換補正行列M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・M・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Mを求める際、座標変換補正行列Mを用いて、次式のように補正して計算すればよい。
=M’・M −1・R−1・M −1・M −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Mを求める際には、座標変換補正行列Mを用いて、次式にように補正して計算すればよい。
=M・M・M・R・M
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 camera 30 and a line laser 36 is attached to the camera installation shaft 20d. In order to perform the slit light projection method using the line laser 36, calibration of the positional relationship between the slit light by the camera 30 and the line laser 36 is required. The positional relationship between the camera 30 and the slit light can be defined by a plane equation of the slit light in the camera coordinate system.

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 light extraction unit 200 extracts slit light from the captured image of the flat plate 42, processing is limited to only the central blank area, so that the accuracy of extraction of the slit light is ensured. Further, the slit light extraction unit 200 can obtain the relative positional relationship between the flat plate 42 and the camera 30 by extracting a circular pattern in the peripheral region from the captured image. Therefore, by capturing the plane plate 42, it is possible to simultaneously acquire the positional relationship of the plane plate 42 with respect to the camera 30 and measure the two-dimensional coordinate position of the slit light on the captured image.

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 position calibration unit 210 is performed according to the following procedure.

(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 position calibration unit 210 extracts a circular pattern from the captured image of the flat plate 42, and calculates the positional relationship between the flat plate 42 and the camera. This positional relationship is expressed by a conversion matrix from the plane plate coordinate system to the camera coordinate system. Thereby, the position of the flat plate 42 is obtained.

(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 light extraction unit 200 extracts a blank area at the center of the flat plate without the circular pattern for calibration from the captured image of the flat plate 42 using the conversion matrix obtained by the process (1).

(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 light extraction unit 200 extracts slit light from the line laser 36 from the blank area extracted in the process (2).

(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 position calibration unit 210 coordinates in the camera coordinate system of the point where the straight line connected with the focal point and the plane plate intersect for the pixel determined as the slit light projection position in the slit light extraction process of (3). Calculate the value.

(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p=(px,py,pz)(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・px+b・py+c・pz+d)
(5) slit-position calibration unit 210, by changing the position of the plane plate 42, a plurality of points determined that the slit light projection position p i = (px i, py i, pz i) (i = 0, 1,..., N), and coefficients a, b, c, and d that minimize the following expression f are calculated by the method of least squares.
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 reference numerals 42a and 42b, laser light is irradiated from the line laser 36, and the laser lines 44a and 44b on the plane plates 42a and 42b are photographed by the camera 30. ing. Pixels p1 and p2 determined as slit light projection positions are extracted from the captured images of the flat plates 42a and 42b, and the three-dimensional coordinate values in the camera coordinate system of the pixels p1 and p2 are calculated. The three-dimensional coordinate values of the pixels p1 and p2 are applied to the equation of the plane 46 formed by the slit light from the line laser 36, and the coefficients a, b, c, and d of the plane equation are obtained, and the slit light position is calibrated.

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 3D modeling system 300 of the present embodiment, since the imaging system is a combination of the rotary base 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera, the position of the camera 30 is determined. The degree of freedom is high and fine modeling of the target object is possible. Further, when shooting with the camera 30 moved, the camera position information at the time of shooting necessary for the calculation of the three-dimensional modeling is accurately obtained from the rotation angle of the turntable 10 and the arm position information based on the result of system calibration. It is possible to guarantee the accuracy of the three-dimensional shape data acquired from the captured image.

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-dimensional modeling system 300. In addition to the rotary table 10 and the articulated arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera described above, an articulated arm system 50 for 3D coordinate measurement without a camera and a fixed camera 60 are added to the system. It is assumed that the calibration of the combination of the turntable 10 and the articulated arm system 40 with a camera for three-dimensional coordinate measurement has already been completed by the calibration procedure described so far.

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 camera 60 is installed, the camera position is fixed and does not move. Therefore, in order to add the fixed camera 60 to the system, it is sufficient to calibrate the positional relationship between the turntable 10 and the fixed camera 60 by photographing the reference pattern of the calibration panel on the turntable 10. Specifically, the shooting position calculation unit 120 performs a reference pattern including a plurality of reference marks 16 on the calibration panel on the turntable 10 by the fixed camera 60 according to a procedure similar to the procedure of step S220 described in FIG. The positional relationship between the turntable 10 and the fixed camera 60 is obtained using an image obtained by capturing the image.

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 camera 60 and the rotary table 10 already installed, the fixed camera 60 is incorporated into the three-dimensional modeling system 300, and the system can be expanded. The fixed camera 60 is used, for example, to capture a target object on the turntable 10 from a distance and acquire rough three-dimensional shape data of the target object. On the other hand, the articulated arm system 40 with a camera for three-dimensional coordinate measurement is used for taking close-up of a target object and acquiring more detailed three-dimensional shape data of the target object.

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 arm system 50 for three-dimensional coordinate measurement without a camera has a measuring probe attached to the tip of the articulated arm, but is not provided with a camera. The articulated arm system 50 for camera-less three-dimensional coordinate measurement acquires the three-dimensional coordinates of the measurement point on the target object by applying a measurement probe to the surface of the target object. In order to add the articulated arm system 50 for camera-less three-dimensional coordinate measurement to the system, the measurement point of the calibration panel on the turntable 10 is measured by the measurement probe, and the turntable 10 and the camera-free three-dimensional system are measured. It is sufficient to calibrate the positional relationship of the multi-joint arm system 50 for coordinate measurement. Specifically, the arm installation position calibration unit 110 follows the procedure similar to the procedure of step S100 described in FIG. 12 on the turntable 10 by the measurement probe of the articulated arm system 50 for camera-less 3D coordinate measurement. The positional relationship between the turntable 10 and the articulated arm system 50 for 3D coordinate measurement without a camera is calibrated using the measurement results of the plurality of measurement points 15 of the calibration panel.

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 arm system 50 for camera-less 3D coordinate measurement and the turntable 10 already installed, the articulated arm system 50 for camera-less 3D coordinate measurement 3 The system can be expanded by being incorporated in the dimensional modeling system 300. The articulated arm system 50 for three-dimensional coordinate measurement without a camera has a simple configuration because it does not have a camera or line laser mounted on the tip of the arm, but has only a measurement probe. There is an advantage of high.

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 arm system 50 for three-dimensional coordinate measurement without a camera can be used as follows, for example. When the target object is transparent or translucent, or is a specular reflection object, it is difficult to obtain the three-dimensional shape data of the target object by shooting with a camera, but the articulated arm for three-dimensional coordinate measurement without a camera If the measurement probe of the system 50 is used, three-dimensional shape data can be acquired by measuring the three-dimensional coordinates of the surface of such a target object.

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 arm system 50 for 3D coordinate measurement without a camera is used, it is assumed that the size of the sphere at the tip of the measurement probe is known. The three-dimensional space in which the sphere at the tip of the measurement probe can pass by operating the arm of the articulated arm system 50 for three-dimensional coordinate measurement without a camera and moving the measurement probe around the target object. Assuming that the target object does not exist in this area, it is possible to narrow the candidate area in the three-dimensional space occupied by the target object by cutting the area from the candidate.

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 arm system 40 for 3D coordinate measurement with a camera and the turntable 10 is first calibrated, then the articulated arm system 50 for 3D coordinate measurement without a camera and the fixed system are fixed. A camera 60 can be added to easily expand the system.

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 reference mark 16 on the calibration panel is color-coded by a plurality of types of colors, but the reference mark 16 may be classified according to the shape of the reference mark 16. By providing the measurement point 15 in the reference mark 16 having a different shape, the measurement point 15 can be specified by the shape of the reference mark 16, and the measurement order of the plurality of measurement points 15 can be designated by the shape. Further, the measurement point 15 may not be provided inside the reference mark 16 but may be provided outside the reference mark 16 as long as the correspondence with the reference mark 16 is known. For example, the measurement point 15 may be associated with the reference mark 16 by providing the measurement point 15 in the vicinity of the reference mark 16. Further, the measurement point 15 may be provided regardless of the position of the reference mark 16, and the measurement point 15 itself may be color-coded. For example, a color can be painted around the hole of the measurement point 15 or a hole can be colored.

実施の形態に係る3次元モデリングシステムの構成図である。It is a block diagram of the three-dimensional modeling system which concerns on embodiment. 図1のカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムのカメラ設置軸の詳細な構成図である。It is a detailed block diagram of the camera installation axis | shaft of the articulated arm system for three-dimensional coordinate measurement with a camera of FIG. 図1の回転台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。It is a figure explaining the calibration panel provided on the turntable of FIG. 実施の形態に係る3次元モデリングシステムにより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。It is a figure explaining a mode that 3D model data is acquired by the 3D modeling system which concerns on embodiment. 図1の回転台に設定される座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system set to the turntable of FIG. 図1のカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムのアーム基準関節に設定される座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system set to the arm reference joint of the articulated arm system for three-dimensional coordinate measurement with a camera of FIG. 図1のカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムのカメラ設置関節に設定される座標系とカメラに設定される座標系を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate system set to the camera installation joint of the articulated arm system for three-dimensional coordinate measurement with a camera of FIG. 1, and the coordinate system set to a camera. 図1のカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムと回転台のキャリブレーションの計算原理を説明する図である。It is a figure explaining the calculation principle of the calibration of the articulated arm system for three-dimensional coordinate measurement with a camera of FIG. 1, and a turntable. 図1のカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムと回転台のキャリブレーションの手順を説明する図である。It is a figure explaining the procedure of the calibration of the articulated arm system for 3D coordinate measurement with a camera of FIG. 1, and a turntable. 図1の3次元データ処理装置の構成図である。It is a block diagram of the three-dimensional data processing apparatus of FIG. 本実施の形態に係る3次元モデリングシステムの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。It is a flowchart explaining the rough procedure of the calibration of the three-dimensional modeling system which concerns on this Embodiment. 図11の回転台とカメラ付き3次元座標計測用多関節アームシステムの位置関係の較正処理の手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the procedure of the calibration process of the positional relationship of the turntable of FIG. 11, and the articulated arm system for three-dimensional coordinate measurement with a camera. 図11のカメラ設置関節とカメラの位置関係の較正処理の手順を説明するフローチャートである。12 is a flowchart for explaining a calibration processing procedure for the positional relationship between the camera-installed joint and the camera in FIG. 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の算出処理の手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the procedure of the calculation process of the turntable-camera coordinate transformation matrix at the time of calibration panel imaging | photography of FIG. 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。It is a flowchart explaining the calculation process of the camera position based on the calibration result of the system of FIG. 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。It is a figure explaining the method of calibration of a slit light position. 実施の形態に係る3次元モデリングシステムの拡張例を説明する図である。It is a figure explaining the example of an extension of the three-dimensional modeling system concerning an embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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)

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むことを特徴とする請求項1に記載のキャリブレーション装置。   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 The calibration apparatus according to claim 1, further comprising a camera position calculation unit that calculates position information of the camera. 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り、
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.
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ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のキャリブレーション装置。   The calibration apparatus according to claim 1, wherein the plurality of reference marks provided on the calibration panel are randomly arranged. 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ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のキャリブレーション装置。   5. The calibration apparatus according to claim 1, wherein the plurality of reference marks provided on the calibration panel are randomly classified into a plurality of types. 6. 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ることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のキャリブレーション装置。   The plurality of reference marks provided on the calibration panel are classified into a plurality of types, and the measurement points are provided in association with different types of the reference marks. 5. The calibration device according to any one of 4 to 4. 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、ランダムに複数種類の色によって色分けされていることを特徴とする請求項8に記載の3次元モデリング装置。   9. The three-dimensional modeling apparatus according to claim 8, wherein the plurality of reference marks provided on the calibration panel are randomly color-coded by a plurality of types of colors. 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、複数種類の色によって色分けされており、前記計測点は異なる色の前記参照マーク内に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の3次元モデリング装置。   The plurality of reference marks provided on the calibration panel are color-coded by a plurality of types of colors, and the measurement points are provided in the reference marks of different colors. The three-dimensional modeling apparatus described. 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.
前記台に載せられる対象物を撮影するための、撮影位置が固定された固定式カメラをさらに含み、
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.
前記台に載せられる対象物を計測するためのカメラ無し3次元座標計測用多関節アームをさらに含み、
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:
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.
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ためのプログラムであって、
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.
JP2004280881A 2004-09-28 2004-09-28 Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same Pending JP2006098065A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004280881A JP2006098065A (en) 2004-09-28 2004-09-28 Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004280881A JP2006098065A (en) 2004-09-28 2004-09-28 Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006098065A true JP2006098065A (en) 2006-04-13

Family

ID=36238055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004280881A Pending JP2006098065A (en) 2004-09-28 2004-09-28 Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006098065A (en)

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504222A (en) * 2008-07-04 2012-02-16 シック アイヴィピー エービー calibration
CN103063135A (en) * 2012-12-26 2013-04-24 北京矿冶研究总院 Three-dimensional laser scanner posture high-precision calibration method and device
JP2014133248A (en) * 2013-01-10 2014-07-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Three dimensional laser beam machine
CN103954245A (en) * 2014-03-21 2014-07-30 北京信息科技大学 Precision calibration plate for articulated coordinate measuring machine
WO2014202239A1 (en) * 2013-06-18 2014-12-24 Siemens Aktiengesellschaft Photo-based 3d-surface inspection system
JP2015517100A (en) * 2012-03-30 2015-06-18 ニコン メトロロジー エン ヴェー Improved optical scanning probe
CN107561971A (en) * 2017-07-27 2018-01-09 芜湖微云机器人有限公司 The transmission system of multi-axis turntable auxiliary 3d scannings
US10122997B1 (en) 2017-05-03 2018-11-06 Lowe's Companies, Inc. Automated matrix photo framing using range camera input
CN109924994A (en) * 2019-04-02 2019-06-25 晓智科技(成都)有限公司 A kind of x photo-beat take the photograph during detection position automatic calibrating method and system
CN113280805A (en) * 2021-04-14 2021-08-20 中联重科股份有限公司 Method, processor and device for identifying boom posture and engineering machinery
CN113799115A (en) * 2020-06-11 2021-12-17 台达电子工业股份有限公司 Coordinate correction method of robot arm
CN114485385A (en) * 2020-10-23 2022-05-13 广东天机工业智能系统有限公司 Workpiece coordinate system calibration method, device and system
CN114705133A (en) * 2022-04-15 2022-07-05 电子科技大学 System and method for detecting three-dimensional surface shape of mirror surface with discontinuous height
CN115444566A (en) * 2022-08-25 2022-12-09 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 Method for improving registration accuracy of mechanical arm in hip joint replacement surgery
CN116160456A (en) * 2023-03-31 2023-05-26 杭州海康机器人股份有限公司 Teaching pose determining method and device and electronic equipment
US12189915B2 (en) 2022-06-24 2025-01-07 Lowe's Companies, Inc. Simulated environment for presenting virtual objects and virtual resets
US12211161B2 (en) 2022-06-24 2025-01-28 Lowe's Companies, Inc. Reset modeling based on reset and object properties
CN120627896A (en) * 2025-08-11 2025-09-12 中国计量大学 A calibration method for a handheld light pen measurement system
WO2025197771A1 (en) * 2024-03-21 2025-09-25 株式会社東京精密 Own-position estimating device, own-position estimating method, and camera relative position adjusting method

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504222A (en) * 2008-07-04 2012-02-16 シック アイヴィピー エービー calibration
JP2015517100A (en) * 2012-03-30 2015-06-18 ニコン メトロロジー エン ヴェー Improved optical scanning probe
CN103063135A (en) * 2012-12-26 2013-04-24 北京矿冶研究总院 Three-dimensional laser scanner posture high-precision calibration method and device
JP2014133248A (en) * 2013-01-10 2014-07-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Three dimensional laser beam machine
WO2014202239A1 (en) * 2013-06-18 2014-12-24 Siemens Aktiengesellschaft Photo-based 3d-surface inspection system
CN103954245A (en) * 2014-03-21 2014-07-30 北京信息科技大学 Precision calibration plate for articulated coordinate measuring machine
US10122997B1 (en) 2017-05-03 2018-11-06 Lowe's Companies, Inc. Automated matrix photo framing using range camera input
CN107561971A (en) * 2017-07-27 2018-01-09 芜湖微云机器人有限公司 The transmission system of multi-axis turntable auxiliary 3d scannings
CN109924994A (en) * 2019-04-02 2019-06-25 晓智科技(成都)有限公司 A kind of x photo-beat take the photograph during detection position automatic calibrating method and system
CN109924994B (en) * 2019-04-02 2023-03-14 晓智未来(成都)科技有限公司 Method and system for automatically calibrating detection position in x-ray shooting process
US11738462B2 (en) 2020-06-11 2023-08-29 Delta Electronics, Inc. Coordinate calibration method of manipulator
CN113799115A (en) * 2020-06-11 2021-12-17 台达电子工业股份有限公司 Coordinate correction method of robot arm
CN113799115B (en) * 2020-06-11 2023-03-24 台达电子工业股份有限公司 Coordinate correction method of robot arm
CN114485385B (en) * 2020-10-23 2023-07-07 广东天机工业智能系统有限公司 Workpiece coordinate system calibration method, device and system
CN114485385A (en) * 2020-10-23 2022-05-13 广东天机工业智能系统有限公司 Workpiece coordinate system calibration method, device and system
CN113280805A (en) * 2021-04-14 2021-08-20 中联重科股份有限公司 Method, processor and device for identifying boom posture and engineering machinery
CN114705133A (en) * 2022-04-15 2022-07-05 电子科技大学 System and method for detecting three-dimensional surface shape of mirror surface with discontinuous height
CN114705133B (en) * 2022-04-15 2023-05-26 电子科技大学 A highly discontinuous mirror three-dimensional surface shape detection system and method
US12189915B2 (en) 2022-06-24 2025-01-07 Lowe's Companies, Inc. Simulated environment for presenting virtual objects and virtual resets
US12211161B2 (en) 2022-06-24 2025-01-28 Lowe's Companies, Inc. Reset modeling based on reset and object properties
CN115444566A (en) * 2022-08-25 2022-12-09 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 Method for improving registration accuracy of mechanical arm in hip joint replacement surgery
CN116160456A (en) * 2023-03-31 2023-05-26 杭州海康机器人股份有限公司 Teaching pose determining method and device and electronic equipment
WO2025197771A1 (en) * 2024-03-21 2025-09-25 株式会社東京精密 Own-position estimating device, own-position estimating method, and camera relative position adjusting method
CN120627896A (en) * 2025-08-11 2025-09-12 中国计量大学 A calibration method for a handheld light pen measurement system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109118545B (en) Three-dimensional imaging system calibration method and system based on rotating shaft and binocular camera
JP2006098065A (en) Calibration device and method, and three-dimensional modelling device and system capable of using the same
Luhmann et al. Sensor modelling and camera calibration for close-range photogrammetry
JP4245963B2 (en) Method and system for calibrating multiple cameras using a calibration object
CN113962853B (en) An automatic and precise calculation method for rotating line scan image pose
CN110966935B (en) Deflection measurement system integrated geometric calibration method based on mark points
JP4224260B2 (en) Calibration apparatus, method, result diagnosis apparatus, and calibration chart
WO2018201677A1 (en) Bundle adjustment-based calibration method and device for telecentric lens-containing three-dimensional imaging system
WO2013038656A1 (en) Projection image automatic correction system, projection image automatic correction method and program
JP7100199B2 (en) Configuration for calibrating the camera and measurement of the configuration
JP2014178265A (en) Calibration device, method and program
CN114299156A (en) Method for calibrating and unifying coordinates of multiple cameras in non-overlapping area
CN118119972A (en) Method and system for generating a camera model for camera calibration
JP2007256091A (en) Method and apparatus for calibrating range finder
JPWO2018168757A1 (en) Image processing apparatus, system, image processing method, article manufacturing method, program
CN114663533A (en) Multi-view camera calibration method and system based on nonlinear optimization
JP2005509877A (en) Computer vision system calibration method and system
CN113362399A (en) Calibration method for positions and postures of focusing mirror and screen in deflection measurement system
JP2005003463A (en) Calibration chart image display device, calibration device, and calibration method
JP2005140547A (en) 3-dimensional measuring method, 3-dimensional measuring device and computer program
WO2010013289A1 (en) Camera calibration image creation apparatus and camera calibration image creation program
JP4764896B2 (en) Camera calibration apparatus, camera calibration method, camera calibration program, and recording medium recording the program
JP5030953B2 (en) Method and system for determining the relative position of a first object with respect to a second object, a corresponding computer program and a corresponding computer-readable recording medium
CN112927305A (en) Geometric dimension precision measurement method based on telecentricity compensation
CN117593378B (en) Device and method for calibrating internal parameters of vehicle-mounted camera module