距離測量裝置及距離測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供距離測量裝置及距離測量方法。指定由感測用圖案光投影的目標對象的圖像的攝像單元感測的圖像中的、用圖案光投影的區(qū)域?；谒付ǖ膮^(qū)域，從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征?；谒阉鞯降乃瞿繕藢ο蟮膸缀翁卣饕约八瞿繕藢ο蟮哪Ｐ偷膸缀翁卣鳎瑏硗茖瞿繕藢ο蟮奈恢眉白藨B(tài)。
【專利說明】距離測量裝置及距離測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及距離測量裝置及距離測量方法，尤其涉及用于測量給定了三維形狀的對象的位置及姿態(tài)的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人逐漸替代人類來處理復雜任務。復雜任務的典型示例包括組裝工業(yè)產(chǎn)品。為了控制機器人自主地執(zhí)行組裝任務，機器人必須通過諸如手等的末端執(zhí)行器來抓取部件。為了通過機器人手來抓取部件，必須測量要抓取的部件與機器人之間的相對位置及姿態(tài)，并且必須基于測量結(jié)果來制定移動方案，以便對致動器進行實際控制。
[0003]在機器人以外的領(lǐng)域中，需要測量相對于環(huán)境和對象的位置及姿態(tài)。例如，在MR(混合現(xiàn)實，Mixed Reality)中，為了在真實圖像上合成由計算機生成的虛擬對象,必須測量位置及姿態(tài)(orientation)。使用機器人上安裝的照相機或者距離(range)傳感器來執(zhí)行機器人的位置/姿態(tài)測量，并且作為代表性的方法，使用利用二維圖像或距離圖像的方法。在MR領(lǐng)域中，已研究了如下的技術(shù)，即利用由安裝在HMD(頭戴式顯示器,Head MountedDisplay)上的照相機感測的圖像，來執(zhí)行HMD的位置/姿態(tài)測量。
[0004]專利文獻I (日本特愿2010-137680號公報)公開了精確且快速地測量高速移動的對象的位置及姿態(tài)的方法。在該方法中，通過利用普通照相機來感測用圖案光投影的對象的圖像、而獲得的一個觀測圖像，被分離為用于邊緣提取的區(qū)域和用于距離圖像生成的區(qū)域，并且，利用這些區(qū)域來執(zhí)行邊緣提取和距離圖像生成。這樣，通過互補地利用基于二維邊緣的位置/姿態(tài)測量和基于距離圖像的位置/姿態(tài)測量，實現(xiàn)了位置/姿態(tài)測量的高精度化和高速化。
[0005]然而，利用專利文獻I中公開的方法，由于基于通過對三維模型進行投影而獲得的邊緣模型來去除一部分圖案光投影區(qū)域，因此能夠準確地檢測圖像的邊緣，但是，由圖案光生成的距離圖像的質(zhì)量傾向于粗糙。當目標對象被放置為跨越觀測圖像的深度方向上的寬范圍時，該現(xiàn)象尤其顯著，從而經(jīng)常導致位置/姿態(tài)測量的精度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是鑒于上述問題而作出的，并且提供用于以更高的精度計算對象(尤其是被放置為在圖像深度方向上有延伸的對象)的位置及姿態(tài)的技術(shù)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種距離測量裝置，該距離測量裝置包括:圖像感測單元，其被配置為感測用圖案光投影的目標對象的圖像；指定單元，其被配置為在由所述圖像感測單元感測的圖像中，指定用所述圖案光投影的區(qū)域；搜索單元，其被配置為基于所指定的區(qū)域，從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征；以及推導單元，被配置為基于由所述搜索單元搜索到的所述目標對象的幾何特征以及所述目標對象的模型的幾何特征，來推導所述目標對象的位置及姿態(tài)。[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種距離測量方法，該距離測量方法包括以下步驟:在由被配置為感測用圖案光投影的目標對象的圖像的圖像感測單元感測的圖像中，指定用圖案光投影的區(qū)域；基于所指定的區(qū)域，從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征；以及基于在所述搜索步驟中搜索到的所述目標對象的幾何特征以及所述目標對象的模型的幾何特征，來推導所述目標對象的位置及姿態(tài)。
[0009]通過以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的其他特征將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是示出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的圖；
[0011]圖2是示出圖像處理裝置104的功能結(jié)構(gòu)示例的框圖；
[0012]圖3A至圖3F是用于說明三維幾何模型的圖；
[0013]圖4是要由圖像處理裝置104執(zhí)行的處理的流程圖；
[0014]圖5是示出步驟S403中的處理的詳情的流程圖；
[0015]圖6是示出感測圖像的示例的圖；
[0016]圖7是示出二值圖像的示例的圖；
[0017]圖8是示出圖案光掩模的示例的圖；
[0018]圖9是示出步驟S404中的處理的詳情的流程圖；
[0019]圖1OA和圖1OB是用于說明關(guān)聯(lián)處理的圖；
[0020]圖11是用于說明線段的投影圖像與檢測的邊緣之間的關(guān)系的圖；以及
[0021]圖12是示出機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的圖。
【具體實施方式】
[0022]下面，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。請注意，下文中要描述的實施例是當具體實施本發(fā)明時的示例，并且是在權(quán)利要求的范圍中記載的結(jié)構(gòu)的具體實施例。
[0023][第一實施例]
[0024]首先，將參照圖1描述根據(jù)本實施例的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對象101是作為要測量位置及姿態(tài)(位置/姿態(tài))的對象的目標對象。在本實施例中，為了簡單起見，假定在某一位置僅放置作為位置/姿態(tài)測量目標的一個對象101，如圖1中所示。然而，下面要描述的位置/姿態(tài)測量處理并不在很大程度上依賴于對象的形狀、數(shù)量和放置形式。例如，本發(fā)明適用于如下的情況，在該情況下，要在具有不同形狀的多個對象被混合和堆積的狀態(tài)下，測量某一對象的位置及姿態(tài)。
[0025]投影機102利用規(guī)定的圖案光來照射對象。在本實施例中，使用狹縫光作為要用以照射對象101的圖案光。稍后將描述投影機102的詳情。
[0026]需要圖像感測設備103來感測真實空間中的靜止圖像或電影，并且使用圖像感測設備103來感測由投影機102用狹縫光照射的對象101的圖像。然后，圖像感測設備103將自身感測的圖像(感測圖像或者觀測圖像)輸出至圖處理裝置104。稍后將描述圖像感測設備103的詳情。
[0027]圖像處理裝置104執(zhí)行投影機102和圖像感測設備103的操作控制，并且使用從圖像感測設備103獲得的感測圖像來計算對象101的位置及姿態(tài)。
[0028]下面，將參照圖2中示出的框圖描述圖像處理裝置104的功能結(jié)構(gòu)示例。
[0029]位置/姿態(tài)計算單元201使用基于圖像感測設備103感測的圖像的、邊緣對應檢測單元205和距離圖像生成單元206的處理結(jié)果，來計算對象101的位置及姿態(tài)。然后，位置/姿態(tài)計算單元201將計算出的對象101的位置及姿態(tài)輸出至合適的輸出目的地。
[0030]通過把能夠用三維CAD軟件來處理的CAD模型本身或者三維CAD模型，轉(zhuǎn)換成在計算機圖形學領(lǐng)域中使用的多個多邊形元素，來獲得三維模型信息202。在該實施例中，使用模擬對象101的形狀并且由多邊形元素構(gòu)成的三維幾何模型。下面，將參照圖3A至3F來描述由多邊形元素構(gòu)成的三維幾何模型。
[0031]由多邊形元素構(gòu)成的三維幾何模型包括諸如點、線和面的元素，如圖3A至3F所示。圖3A至3C示出了相同的三維幾何模型。
[0032]由多邊形元素構(gòu)成的三維幾何模型的模型信息與圖3A中例示的三維幾何模型的各頂點相關(guān)聯(lián)地，來管理各頂點的索引以及各頂點的三維坐標值，如圖3D所示。
[0033]此外，該模型信息與圖3B所例示的三維幾何模型的各個邊相關(guān)聯(lián)地，來管理各個邊的索引以及各個邊的兩端的頂點的索引，如圖3E所示。
[0034]此外，該模型信息與圖3C中所例示的三維幾何模型的各個面(多邊形)相關(guān)聯(lián)地，來管理各個多邊形的索引、各個多邊形的各個邊的索引、以及各多邊形的法向量，如圖3F所示。
[0035]這樣的三維模型信息202被存儲在圖像處理裝置104中的合適存儲器或者圖像處理裝置104能夠訪問的外部存儲器中。
[0036]初始近似位置/姿態(tài)信息203被給定作為計算對象101的位置及姿態(tài)所需的迭代計算的初始值。作為該初始近似位置/姿態(tài)信息203，合適的值被預先設置，并且被存儲在圖像處理裝置104中的合適的存儲器或者圖像處理裝置104能夠訪問的外部存儲器中。該初始近似位置/姿態(tài)信息203可以由用戶使用操作單元(未示出)來設置。
[0037]除非另外指定，否則，假定位置及姿態(tài)均是以圖像感測設備103的位置及姿態(tài)為基準的、在坐標系(照相機坐標系)上的位置及姿態(tài)。此外，假定在下面的描述中的“對象的坐標系”表示針對各個對象而在本地設置的坐標系。
[0038]邊緣對應檢測單元205檢測投影到由圖像感測設備103感測的圖像上的三維幾何模型與感測圖像中包括的對象101的圖像之間的對應邊緣。
[0039]距離圖像生成單元206根據(jù)由圖像感測設備103感測的圖像生成距離圖像，該距離圖像用各個像素代表從圖像感測設備103到對象101上的各個位置的間距(distance)。在本實施例中，與距離圖像的生成相關(guān)聯(lián)地，通過使用多狹縫光作為圖案光的三角測量來計算間距。然而，圖案光不限于此，并且也可以使用其他圖案，只要不需要多次圖像感測操作即可。例如，可以使用隨機點圖案或者局部平面圖案。作為另一選擇，可以使用聚光燈。對于沒有投射用于距離測量的照明的區(qū)域，當能夠通過環(huán)境光獲得足夠的明亮度時，不投射特別的光。否則，改變照明圖案，以投射例如均勻白光。此外，在圖案投影方法中，可以反轉(zhuǎn)投影區(qū)域以將圖案表現(xiàn)為陰影。
[0040]投影機102是液晶投影機，并且是投射狹縫光作為規(guī)定的圖案光的投影設備。例如，通過以下文獻中公開的方法來預先校準投影機的固有參數(shù)(焦距、主點位置以及透鏡畸變參數(shù))。
[0041]Z.Zhang,flexible new technique for camera calibration,^IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.22, n0.11, pp.1330-1334，2000。
[0042]請注意，可以使用除投影機102以外的設備，只要該設備能夠投射狹縫光即可。例如，可以使用利用DMD (數(shù)字微鏡器件，Digital Mirror Device)或LCOS的投影機。
[0043]例如，通過前述Zhang的方法來預先校準圖像感測設備103的固有參數(shù)(焦距、主點位置以及透鏡畸變參數(shù))。此外，例如，通過前述Zhang的方法或者以下文獻中公開的方法，來預先校準圖像感測設備103與投影機102之間的相對位置及姿態(tài)，由此使得能夠使用圖案光進行三角測量。
[0044]Seiji Iguchi and Kosuke Sato，"Three-dimensional ImageMeasurement"(SH0K0D0，1990)。
[0045]下面，將參照圖4描述由圖像處理裝置104執(zhí)行以計算對象101的位置及姿態(tài)的處理，其中，圖4示出了該處理的流程圖。
[0046]在步驟S401中，位置/姿態(tài)計算單元201從圖像處理裝置104的內(nèi)部或外部存儲器中，讀出三維模型信息202。請注意，位置/姿態(tài)計算單元201可以獲取由用戶通過操作操作單元(未示出)而輸入的三維模型信息202。作為另一選擇，可以將多個三維幾何模型的多個三維模型信息202存儲在存儲器中，可以識別由圖像感測設備103感測的圖像中包括的對象，并且可以讀出與所識別的對象相對應的三維模型信息202。
[0047]接下來，在步驟S402中，位置/姿態(tài)計算單元201從圖像處理裝置104的內(nèi)部或外部存儲器中，讀出初始近似位置/姿態(tài)信息203。請注意，位置/姿態(tài)計算單元201可以獲取由用戶通過操作操作單元(未示出)而輸入的初始近似位置/姿態(tài)信息203。作為另一選擇，可以通過光學傳感器來決定和獲取初始近似位置/姿態(tài)信息203，其中，該光學傳感器使用固定于場景的照相機，通過感測安置在對象上的標記來測量位置及姿態(tài)。此外，可以使用任意的傳感器，只要這些傳感器能夠測量6個自由度的位置及姿態(tài)即可。此外，當預先知道對象被放置的近似位置及姿態(tài)時，可以將這些值用作初始近似位置/姿態(tài)信息203。
[0048]接下來，在步驟S403中，邊緣對應檢測單元205和距離圖像生成單元206基于由圖像感測設備103感測的圖像，分別生成圖案光掩模和距離圖像。稍后，將參照圖5中示出的流程圖描述步驟S403中的處理的詳情。[0049]接下來,在步驟S404中，位置/姿態(tài)計算單元201、邊緣對應檢測單元205或者控制單元(未示出)基于在步驟S401至S403中獲得的各個信息，來決定對象101的三維幾何模型的位置及姿態(tài)。由此，計算出位置及姿態(tài)，作為對象101的位置及姿態(tài)。
[0050]下面，將參照圖5描述在上述步驟S403中的處理的詳情，其中，圖5示出了該處理的流程圖。
[0051]在步驟S501中，控制單元(未示出)控制投影機102利用作為規(guī)定的圖案光的狹縫光來照射對象101。
[0052]在步驟S502中，控制單元(未示出)控制圖像感測設備103感測利用規(guī)定的圖案光照射的對象101的圖像。圖6示出了圖像感測設備103的感測圖像的示例。為了簡單起見，在下面的描述中，將假定由圖像感測設備103感測的圖像是圖6中所例示的圖像。[0053]在步驟S503中，控制單元(未示出)控制投影機102結(jié)束作為規(guī)定的圖案光的狹縫光的照射。
[0054]在步驟S504中，邊緣對應檢測單元205檢測感測圖像中的具有圖案光的區(qū)域，作為圖案光投影區(qū)域，并且生成二值圖像，該二值圖像具有與感測圖像相同的垂直大小和水平大小，并使用不同的像素值來表現(xiàn)圖案光投影區(qū)域和非圖案光投影區(qū)域。以如下的方式生成二值圖像。
[0055]也即，參照感測圖像中的各個像素位置的亮度值，并且當所參照的像素位置(x，y)處的亮度值不小于閾值時，判斷該像素位置屬于圖案光投影區(qū)域，并且將二值圖像中的像素位置(x，y)處的像素值設置為“I”。另一方面，如果感測圖像中的像素位置(x，y)處的亮度值小于閾值，則判斷該像素位置不屬于圖案光投影區(qū)域，并且將二值圖像中的像素位置(X，y)處的像素值設置為“O”。請注意，“I”和“O”的意義可以反轉(zhuǎn)，并且本發(fā)明不限于這些值。也就是說，二值圖像中的各個像素位置處的像素是否位于屬于圖案光投影區(qū)域的像素位置處，僅僅需要通過像素值來判別。
[0056]除了如上所述比較亮度值與閾值以外，還可以通過各種其他方法，來判斷感測圖像中的各個像素位置處的像素是否屬于圖案光投影區(qū)域。例如，可以通過如下兩種方法來實施此類判斷，其中，一種方法是基于狹縫光的顏色的成分信息以及感測圖像中的各個像素的顏色的成分信息來進行此種判別，另一方法是基于顏色信息改變的方式來進行此種判別。
[0057]圖7示出了由圖6所示的感測圖像生成的二值圖像的示例。在圖7中，圖6中示出的感測圖像中的具有圖案光投影區(qū)域的區(qū)域用黑線表示，并且這些黑線由像素值為“I”的像素構(gòu)成(黑線以外的區(qū)域由像素值為“O”的像素構(gòu)成)。
[0058]接下來，在步驟S505中，距離圖像生成單元206使用在步驟S504中生成的二值圖像生成距離圖像。可以根據(jù)以下文獻中記載的方法，來計算作為距離圖像的各個像素的像素值的間距。
[0059]R.Hartley and A.Zisserman^Multiple view geometry in computer visionSecond Edition"(Cambridge University Press,2003)。
[0060]在該實施例中，基于由投影機102投影的圖案光中的像素位置、感測圖像上的對應位置、投影機102和圖像感測設備103的固有參數(shù)以及投影機102與圖像感測設備103之間的相對位置及姿態(tài)，來計算間距。然后，將與感測圖像的各個像素位置相對應的視線向量乘以這些像素位置的間距，由此計算作為穿過感測圖像的各個像素位置的視線向量的指向目的地的位置(照相機坐標系中的三維位置)，作為點組數(shù)據(jù)。
[0061]在步驟S506中，邊緣對應檢測單元205生成通過改變二值圖像(即通過放大二值圖像中的像素值為“I”的區(qū)域)而獲得的圖像作為圖案光掩模(具有與二值圖像相同的垂直大小和水平大小)。
[0062]首先，生成圖案光掩模作為二值圖像的副本。然后，參照圖案光掩模中的像素位置，并且當所參照的像素位置U，y)處的像素的像素值為“I”時，將關(guān)注像素的鄰近像素(例如，與關(guān)注像素相鄰的像素)的像素值更新為“I”。
[0063]圖8示出了由圖7所示的二值圖像生成的圖案光掩模的示例。在圖8中，圖7中示出的二值圖像中的圖案光投影區(qū)域(由像素值為“I”的像素構(gòu)成)被放大為更粗的黑線，并且放大的黑線由像素值為“I”的像素構(gòu)成(除放大的黑線以外的區(qū)域由像素值為“O”的像素構(gòu)成)。
[0064]在稍后的位置/姿態(tài)計算處理中，該圖案光掩模被用于計算感測圖像上的三維幾何模型與對象101之間的邊緣的偏差(誤差)。圖案光投影區(qū)域被放大的原因，是為了降低三維幾何模型的邊緣與通過圖案光投影形成的邊緣之間的對應錯誤的風險。稍后將詳細描述該關(guān)聯(lián)。
[0065]接下來，將參照圖9描述步驟S404中的處理的詳情，其中，圖9示出了該處理的流程圖。在該實施例中，在決定對象101的位置及姿態(tài)所需的迭代計算中，使用Gauss-Newton方法(高斯-牛頓方法)。因此，通過迭代計算迭代地校正對象101的位置及姿態(tài)(在下面的描述中用“s”表示)的近似值，從而計算位置及姿態(tài)。
[0066]在本實施例中的位置及姿態(tài)的計算中，以下述方式優(yōu)化估計的位置及姿態(tài)。也即，通過使兩類間距的總和最小化，來優(yōu)化估計的位置及姿態(tài)，其中，一類間距是感測圖像上的對象101的邊緣、與基于估計的位置及姿態(tài)而投影到該圖像上的三維幾何模型的線段之間的間距，另一類間距是由點組數(shù)據(jù)表示的各個位置、與估計的位置及姿態(tài)的三維幾何模型之間的間距。更具體地說，二維圖像上的點和線之間的帶符號的間距和三維空間中的點和面之間的帶符號的間距通過線性Taylor展開(泰勒展開)，而表現(xiàn)為對象101的位置及姿態(tài)的極小改變的線性函數(shù)。然后，通過建立并求解與位置及姿態(tài)的極小改變相關(guān)聯(lián)的線性聯(lián)立方程，使得帶符號的間距變?yōu)?，來計算對象101的位置及姿態(tài)的極小改變，以重復地校正位置及姿態(tài)。
[0067]在步驟S901中，位置/姿態(tài)計算單元201將上述初始近似位置/姿態(tài)信息203設置為以下迭代計算的初始值(初始位置及姿態(tài)S)。
[0068]在步驟S902中，邊緣對應檢測單元205將具有由當前值s表示的位置及姿態(tài)的三維幾何模型(在實際中僅邊被投影)投影到感測圖像上。此外，位置/姿態(tài)計算單元201與構(gòu)成三維幾何模型的各個面相關(guān)聯(lián)地，將各面的各個頂點的坐標值轉(zhuǎn)換為照相機坐標系中的坐標值。
[0069]然后，邊緣對應檢測單元205在感測圖像中的對象101與投影到感測圖像上的三維幾何模型之間，來進行邊緣的關(guān)聯(lián)。下面，將參照圖1OA和圖1OB描述該關(guān)聯(lián)處理。在圖1OA中，與圖案光掩模中的像素值為“I”的區(qū)域相對應的感測圖像中的區(qū)域被表示為圖案光掩模1004。
[0070]通過投影具有由當前值s表示的位置及姿態(tài)的三維幾何模型的線段而獲得的線段，被示出為線段1001。線段的投影圖像在圖像上也是線段。接下來，在投影的線段1001上設置控制點1002，使得控制點1002在圖像上具有相等的間隔，并且針對各個控制點1002，在投影的線段1001的法線方向上設置搜索線1003。然后，針對各個控制點1002，在如下的線上檢測一維邊緣，其中，所述的線位于針對該控制點設置的搜索線1003上、該控制點的規(guī)定的間距以內(nèi)，并且不包括圖案光掩模1004。然后，保持最靠近檢測的邊緣的控制點1002的點，作為對應點1005。在實際中，盡管圖案光掩模1004包括由圖案光形成的邊緣，但是由于以這種方式搜索對應點，因此能夠避免由圖案光形成的邊緣被錯誤地關(guān)聯(lián)。
[0071]圖1OB示出了原點是控制點、橫坐標標繪搜索線、并且縱坐標標繪亮度梯度的絕對值的圖。在前一圖像中，邊緣被檢測為像素值的亮度梯度的絕對值的極值。在這種情況下，亮度梯度的絕對值的極值大于預定值并且最接近控制點的點，被檢測作為對應點1006(圖1OA中的對應點1005)。
[0072]請注意，在本實施例中，當檢測并非由圖案光導致的邊緣時，在除圖案光掩模1004以外的區(qū)域中檢測邊緣。然而，此時的處理順序也可以是以下的順序，但是獲得相同的效果。也即，在檢測到邊緣之后，判別檢測到的邊緣是否位于掩模區(qū)域內(nèi)。如果檢測到的邊緣位于掩模區(qū)域內(nèi)，則采用該邊緣；如果檢測到的邊緣位于該區(qū)域之外，則檢測下一邊緣。
[0073]在步驟S903中，位置/姿態(tài)計算單元201計算計算位置及姿態(tài)所需的(求解線性聯(lián)立方程所需的)系數(shù)矩陣以及誤差向量。為了使作為三維幾何模型的邊的線段與邊緣相關(guān)聯(lián)，并且為了計算對象101的位置及姿態(tài)，必須計算計算位置及姿態(tài)所需的系數(shù)矩陣以及誤差向量。
[0074]請注意，系數(shù)矩陣的各元素是針對位置及姿態(tài)的近似值的極小改變的線性偏微分系數(shù)。針對邊緣，計算圖像坐標的偏微分系數(shù)，并且針對點組，計算三維坐標的偏微分系數(shù)。各個誤差向量與檢測到的邊緣相關(guān)聯(lián)的，是投影的線段與該邊緣之間在圖像上的間距，而與點組數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的，是模型的面與點之間在三維空間中的間距。
[0075]圖11是用于說明線段的投影圖像和檢測到的邊緣的圖。在圖11中，圖像的水平方向和垂直方向分別被表示為u軸和V軸。某一控制點(在圖像上等間隔地分割各個投影線段的點)在圖像上的坐標用(u0, v0 )來表示,控制點所屬的線段在圖像上的傾角被表示為相對于u軸的傾角Θ。通過投射線段的兩端的三維坐標，傾角Θ被計算為使得圖像上的兩端的坐標耦合的線的傾角。線段在圖像上的法向量用(sine，-cos0 )來表示。此外，控制點的對應點在圖像上的坐標用(U’，V’ )來表示。穿過對應點的坐標(U’，V’ )并且具有傾角Θ的直線(圖11中的虛線)上的點(U，V)可以通過下式來表示:
[0076]usin θ -vcosθ = d(I)
[0077]d = U' sin θ -v1 cos θ
[0078]控制點在圖像上的位置依據(jù)對象101的位置及姿態(tài)而改變。對象101的位置及姿
態(tài)的自由度是6個自由度。也即，s是六維向量，其包括代表對象101的位置的三個元素和
代表姿態(tài)的三個元素。代表姿態(tài)的三個元素用例如Euler角(歐拉角)或如下的三維向量來
表示，在所述三維向量中，方向代表穿過原點的旋轉(zhuǎn)軸，并且法線代表旋轉(zhuǎn)角?？梢酝ㄟ^在
坐標(u0，v0)附近進行線性Taylor展開，來近似求得依據(jù)位置及姿態(tài)而改變的點在圖像上
的坐標(U，V)，比如利用下式:
【權(quán)利要求】
1.一種距離測量裝置，該距離測量裝置包括: 圖像感測單元，其被配置為感測用圖案光投影的目標對象的圖像； 指定單元，其被配置為在由所述圖像感測單元感測的圖像中，指定用所述圖案光投影的區(qū)域； 搜索單元，其被配置為基于所指定的區(qū)域，從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征；以及 推導單元，被配置為基于由所述搜索單元搜索到的所述目標對象的幾何特征以及所述目標對象的模型的幾何特征，來推導所述目標對象的位置及姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測量裝置，其中，所述搜索單元放大用所述圖案光投影的區(qū)域，并從除所放大的區(qū)域以外的區(qū)域中搜索所述目標對象的幾何特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測量裝置，其中，所述搜索單元提取所感測的圖像中的幾何特征，并從所提取的幾何特征中排除用所述圖案光投影的區(qū)域的幾何特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測量裝置，其中，所述指定單元基于所感測的圖像中的亮度值，來指定用所述圖案光投影的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測量裝置，其中，所述指定單元基于被給定作為所述目標對象的位置及姿態(tài)的位置及姿態(tài)、所述目標對象的幾何形狀以及所述圖案光的形狀，來指定用所述圖案光投影的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 距離測量裝置，其中，所述搜索單元包括: 生成單元，其被配置為定義所感測的圖像中的具有所述圖案光的區(qū)域作為圖案光區(qū)域，并生成與所述圖案光區(qū)域相對應的掩模圖像，并且 所述搜索單元基于所述掩模圖像，來從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的距離測量裝置，該距離測量裝置還包括: 距離圖像生成單元，其被配置為由所述圖案光區(qū)域，生成以從所述圖像感測單元到所述目標對象的各個位置的間距作為像素值的距離圖像；以及 被配置為基于在三維空間中的間距以及在二維空間中的間距、來計算所述模型的位置及姿態(tài)的單元，其中，根據(jù)由所述距離圖像代表的所述目標對象上的各個位置、以及所述模型上的與所述各個位置相對應的位置，來計算所述在三維空間中的間距，并且所述在二維空間中的間距，是在所感測的圖像上疊加的模型的各個點、與和所述各個點相關(guān)聯(lián)地搜索到的所述目標對象的點之間的間距。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測量裝置，該距離測量裝置還包括: 輸出單元，其被配置為把由所述推導單元推導出的位置及姿態(tài)，輸出至對操縱所述目標對象的機器人手臂進行控制的控制器。
9.一種距離測量方法，該距離測量方法包括以下步驟: 在由被配置為感測用圖案光投影的目標對象的圖像的圖像感測單元感測的圖像中，指定用圖案光投影的區(qū)域； 基于所指定的區(qū)域，從所感測的圖像中的、除用所述圖案光投影的區(qū)域以外的區(qū)域中，搜索所述目標對象的幾何特征；以及 基于在所述搜索步驟中搜索到的所述目標對象的幾何特征以及所述目標對象的模型的幾何特征，來推 導所述目標對象的位置及姿態(tài)。
【文檔編號】G01C21/00GK103512548SQ201310239490
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】廣田祐一郞, 降簱久義, 中里祐介 申請人:佳能株式會社