JPH04119475A - 三次元形状識別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、産業用ロボントや自動監視システムなどが空
間内の物体（部品２人物など）を認識する際などに利用
される三次元形状識別装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、三次元物体の認識には、物体の特徴量表現として
拡張ガウス球表現を利用し、入力データから得られる拡
張ガウス球表現と標準パターンから得られるものとの間
でマツチング尺度を計算しその値が最も大きいものをも
って物体を認識する手法が用いられている（文献１）。

そこでは　マツチング尺度を計算する際、本来はベクト
ル量をもつ方向のデータを一次元的に取り扱っている。

即ち、第５図（Ａ）に示す如くベクトル量で与えられる
入力データ（単位ベクトル）を１球の中心から放射状に
対応づけ１球表面上での交点を求め１当該交点の球表面
上での分布密度を、第５図（Ｂ）図示の如く１球面を一
次元に展開した軸上にプロットするようにしている。そ
して、そのプロットした結果にもとづいて　マツチング
をとるようにしている。

また風向きや気圧配置や鉱物の磁化の方向などは方向デ
ータ（単位ベクトルの集合）で記述される。即ち７　こ
れらのデータは単位円上の点１　あるいは単位珠玉の点
の分布で表現される。したがっである地域の気象データ
や複数の位置での鉱物の磁化の方向などのデータは単位
ベクトルの集合で記述することができる。第６図（Ａ）
（Ｂ）は風向きに関しての類似度を求める状況を説明し
ているものであり９図示矢印を単位ベクトルとして上記
単位珠玉での分布を求め２類似度が求められる。

従って、ある地点の風向きの様子を季節ごとに比較した
り、複数地点の気圧配置の類似性を調べるようにされる
。

（発明が解決しようとする課題］ 従来の場合、入力データにゆらぎを含む場合などはマツ
チングの範囲の限界のために大きく誤差が生してしまう
。また物体が回転を含む場合には同一の対象に対して繰
り返し計算が必要となり計算コストが大きくなる。よっ
て実用的なシステムに対し十分な性能であるとはいいが
たい。

また方向性データは通常のユークリッド空間上のデータ
と異なり普通の距離尺度、あるいは相関類似度が適用で
きない（文献３）。しかし１後述の５ｐｈｅｒｉｃａｌ
　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎを用いればこれが可能である
。この尺度は方向のデータを三次元の値をもつものとし
て扱ったものであり、方向データの類似や相違の程度を
連続的に表現することが可能である（文献２）。

本発明は、従来人間の目に顛っていた物体の識別、特に
組み立ての工程における部品の識別などをカメラと計算
機による処理で自動化し、従来の場合の不都合を克服し
た球面相関（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏ
ｎ）による相関係数を用いることによって２種々の物体
に対して安定的に識別できる装置を実現することを目的
としている。

〔参考文献］ １）　　、１．Ｊ、Ｌｉｔｔｌｅ、　”Ｄｅｔｅｒｍｉ
ｎｉｎｇ　０ｂｊｅｃｔ　Ａｔｔｉｔｕｄｅｆｒｏｍ　
Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　Ｉｍａｇｅｓ″
、　Ｐｒｏｃ、　ｏｆ９ｔｈ　　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌ　　Ｊｏｉｎｔ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏ
ｆ八へｔｉｆｉｃｉａｌ　　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ
、　　ｐｐ９６０−９６３（１９８５）２）　　　Ｎ、
１．Ｆｉｓｈｅｒ　　ａｎｄ　　Ａ、Ｊ、１．ｅｅ　　
ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　　
ｆｏｒ　　Ｒａｎｄｏｍ　　Ｖａｒｉａｂｌｅｓ　　ｏ
ｎ　　ａＵｎｉｔ　５ｐｈｅｒｅ　ｏｒ　Ｈｙｐｅｒｓ
ｐｈｅｒｅ　、　Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃａｖｏｌ−７３，
ｐｐ１５９−Ｌ６４．（１９８６）３）　馬場康維２種
村正美、　”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｄａｔａの相関
”、第４７回日本統計学合金国大会資料ｐｐ３５−３６
．　（１９７９，７） １課題を解決するための手段〕 本発明ではこの尺度を三次元物体認識に利用する。三次
元物体にはいろいろな表現法があるが木質的には方向性
データで記述されることに注目する。これは各面の法線
像の単位株への写像であるガウス球表現が代表的である
がそれに限られるものではない。従って、三次元物体認
識の問題は方向データ間の類似度構成の問題に帰着でき
る。具体的には、まず物体の三次元像を観測し、物体表
面の三次元座標を求める。得られた三次元データから２
局所部分において方向であられされる特徴量（物体表面
の局所部分の法線方向など）を物体全体について抽出す
る。各々の特徴量は単位ベクトルで表ずことができるの
で、物体は単位ベクトルの集合で表現できることになる
。こうして得られた単位ベクトルによる表現とあらかじ
め物体の種類がわかっている標準パターンから得られる
表現との間でさきに述べた類似尺度を計算し、類似尺度
が最大となるパターンをもって観測された物体を認識す
るようにされる。

〔作　用］ 文献２の類似尺度を利用する場合、物体と標準パターン
の特徴量表現をそれぞれχとＹ（ただしＸ＝　（Ｘ＋、
、、、、Ｘ、、）、Ｙ＝　（Ｙ、、、、、、Ｙ、）χ８
．Ｙ、ば単位ベクトル）とすると、ＸとＹの中でｎ個の
ベクトルの順序をＸ、、、、、、Ｘ、、とＹ。

、、、Ｙｒ、として−意に決める必要がある。これは。

物体の特徴量として得られているベクトルの集合の中の
どのベクトルがあらかじめ計算された標準パターンの特
徴ベクトルの集合の中のどのベクトルに対応するのかを
決定することに相当する。そこで、ここでは単位ベクト
ルの終点が半径１の球面上に分布することに注目して５
片方のデータを回転させながら、各々対応する終点間の
距離の和が最も小さくなるように特徴量の対応づけを行
う。

これにより、入力パターンと標準パターンの間で計算さ
れる相関係数で最大となるものを求めることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示すブロック図である。

図中の符号１０は特徴抽出部、２０は特徴ベクトル対応
づけ部、３０は標準パターン蓄積部４０は相関係数決定
部、　　５０はパターン決定部を表している。

物体の三次元データ（物体の距離画像など）が入力され
ると特徴抽出部１０はそのデータを蓄え物体の各々の点
の三次元座標を算出する。そして方向で表される特徴量
の一例として、ある一定の面積ごとにその表面の法線ベ
クトルを求める。

第２図は２円錐体の表面に法線方向に単位ベクトルを与
えた結果を球に対応づけると１円錐体に特有な単位ベク
トルの組が特徴量として求められることを表している。

図中の矢印ａは円錐体の側面上の単位ベクトルであり、
矢印すは円錐体の底面の単位ベクトルである。この表現
は拡張ガウス球表現で各々のベクトルの長さを単位ベク
トルの本数に対応させたことに相当する。これら単位ベ
クトルについては、単位ベクトルの終点の座標を求め、
記憶するようにされる。その結果は特徴ベクトル対応づ
け部２０に送られる。

特徴ベクトル対応づけ部２０は、上記終点が単位球面上
に分布することから２片方の球面を回転させて、対応す
る点の間の距離の和が最小になるように、上記標準パタ
ーン蓄積部３０に蓄えられている標準データと人力デー
タベクトルとの間に対応づけを行う。

標準パターン蓄積部３０は、あらかじめ種類のわかって
いる物体について、上記特徴抽出部１０で求められるも
のと同様の方向で表される特徴量を蓄えておく。

相関係数決定部４０は、特徴ベクトル対応づけ部２０か
ら送られてきた特徴量を表すベクトルのデータを用いる
と共に５人カバターンと標準パターンとの間の対応づけ
を用いて、それらをもとに入力パターンと標準パターン
との間で５ｐｈｅｒｉｃａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎに
基づく類似度の尺度を計算する。

パターン決定部５０は、各々の標準パターンと入力パタ
ーンとについて相関係数決定部４０から送られてきた類
似度を蓄積し、その最大となるものをもって人カバクー
ンの属するカテゴリとするものである。

ここで、相関係数決定部４０について述べる。

いま、入力データから得られた特徴量をχ＝　（Ｘ、、
Ｘ２．、、、、Ｘ、ｌ）標準データの特徴量を Ｙ＝　（Ｙ、、Ｙ２．、、、、Ｙ、　）（Ｘ、、Ｙ、（
ｉ＝１．２２．、、、ｎ）は単位ベクトル）とすると、
二つの方向データＸとＹとの間の相関量は様々なものが
提案されている。−例としてＦｉｓｈｅｒにより以下の
ように定義されているものを利用する（文献２）。

いま２相関行列Ｓ　ｘｖを としたとき。

ρ＝　Ｓ　ｘｙ／　（Ｓ　ｘｘ　Ｓ　ｙｙ）　’　”で
計算されるρをもって相関の尺度とすることが提案され
ている。このρは １）　全てのｉについてＹｉ　−ＡＸ、、（ただしｄｅ
ｔＡ　＝　１　）の場合には、ρ−１となる。つまり、
データを回転させて全ての特徴量を表すベクトルの終点
が一致する時はρ＝１となり、また回転不変で座標系に
よらない。

２＞−１＜ρ／、１ ３）　　ＸとＹが独立ならばρ−〇 の性質を満たずことが確認されており、相関量の尺度に
要請される性質を満足することがわかる。

ここで、特徴ベクトル対応づけ部２０で決定される特徴
づけによりＸとＹとの添字を決定すれば。

さきにｊホベた相関係数を決定することができる。

次いで、特徴ベクトル対応づけ部２０で行われる処理に
ついて詳細に説明する。前にも述べたように、特徴抽出
部１０で計算される方向で表される特徴量は単位ベクト
ルで表すことができるので当該単位ベクトルの終点は単
位株上に存在する。

相関係数を決定する際、入力データの中の各々のベクト
ルと標準データの中のベクトルとの間で対応をとる必要
がある。

第３図は、入力データに対応する単位ベクトルの終点と
標準データに対応する単位ベクトルの終点とを対応づけ
る態様を示している。いずれか−方の単位株を回転せし
めて全体的により正しく対応づけが得られるようにされ
る。

相関係数決定部４０で計算される相関係数は回転に対し
て不変であることを考慮して以下の手順により対応づけ
を行う。この場合９球を第４図図示の如く多面体とみな
して処理するようにされる。

１）　多面体によって球面上を分割する。ここでは等方
性を考えて正２０面体の各々の三角形を４″分割（ｎ　
＝０．１，２．、、、）　シて得られるものとする。

２）　入力データから得られた全ての特徴量ベクトルに
ついて、その終点が１）の球面分割上のどの領域に属す
るかを求める。また、標準データについても、あらかじ
め１）と特徴ベクトル対応づけ部２０の操作とを実施し
ておく。

３）球面分割上のそれぞれの領域について入力データか
ら得られた特徴量ベクトルの終点の個数をＡｉ　　（た
だし’−１＋９１．＋ｍ、ｍは分割数）とし、標準デー
タのものをＢ、とする。いまΣ　　　Ａ、−Ｂ。

を最小とするように入力データを回転させる。

４）　双方のデータの間で最も近いものから対応させて
ゆく。

以上の手続きにより、ｎを適当に選ぶことにより必要と
される精度に応じて入力データの回転を行い、特徴量を
表すベクトルの間の対応づけを行うことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、三次元物体の特徴量を表すベクトルを
三次元のベクトル量として扱っているため、入力データ
が測定系のノイズなどのために誤差を含む場合にも安定
した認識が期待できる。また、計算される相関係数は物
体の回転によって影響を受けることのない量であるので
、物体の姿勢によらずに認識できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は物
体の特徴量の表現方法を説明する図、第３図は特徴ベク
トル対応づけ部における処理を説明する図、第４図は球
面を二十面体に分割し２　さらに４″分割する手法を説
明する図、第５図は従来行われていた三次元データの扱
い方を説明する図、第６図は５ｐｈｅｒｉｃａｌ 態様を説明する図である。 １０：特徴抽出部 ２０；特徴ベクトル対応づけ部 ３０：標準パターン蓄積部 ４０：相関係数決定部 ５０：パターン決定部。 ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎを利用する

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）三次元物体からその位置の情報を計測し、物体の
   点要素の三次元座標をＸ、Ｙ、Ｚ座標ごとに蓄積する入
   力部分と、 得られた三次元データから法線方向などの方向で表され
   る方向データを算出する特徴抽出部と、 あらかじめ計算された標準パターンの特徴量を蓄えてお
   く標準パターン蓄積部と、 入力パターンと標準パターンとの間で特徴量間の対応づ
   けを決定する特徴ベクトル対応づけ部と、 その対応をもとに球面相関を用いて判定尺度を計算する
   相関係数決定部とをそなえ、当該判定尺度をもって入力
   データの種類を決定するようにした ことを特徴とする三次元形状識別装置。
2. （２）上記特徴ベクトル対応づけ部は、二つの方向デー
   タの組に対応する二つの球面上に分布する点データの間
   の対応を決定するため、球面上を等方的に分割し、分割
   された各々の小部分に存在する点の数を上記二つの方向
   データの組について計数し、その分布をもとに各々の点
   間の距離の和が最も小さくなるように点間の対応を決定
   するようにしたことを特徴とする請求項（１）記載の三
   次元形状識別装置。
3. （３）上記相関係数決定部は、上記特徴ベクトル対応づ
   け部で得られた点間の対応づけをもとにして、入力パタ
   ーンと標準パターンとから得られる方向データの間で球
   面相関に基づく相関係数を決定するようにしたことを特
   徴とする請求項（１）記載の三次元形状識別装置。