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JP2000172741A - Method for calibrating drawing image - Google Patents

Method for calibrating drawing image

Info

Publication number
JP2000172741A
JP2000172741A JP10352352A JP35235298A JP2000172741A JP 2000172741 A JP2000172741 A JP 2000172741A JP 10352352 A JP10352352 A JP 10352352A JP 35235298 A JP35235298 A JP 35235298A JP 2000172741 A JP2000172741 A JP 2000172741A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
point
drawing image
evaluation function
dimensional space
image
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
JP10352352A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Miyazawa
秀毅 宮澤
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.)
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing 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 Meidensha Corp, Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd filed Critical Meidensha Corp
Priority to JP10352352A priority Critical patent/JP2000172741A/en
Publication of JP2000172741A publication Critical patent/JP2000172741A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calibration method which unnecessitate working in which three-dimensional coordinates values for all of correspondence points are found from a drawing and also enables calibration even to drawing where dimension is written. SOLUTION: A projected point where a point in the three-dimensional space of a device is projected onto the trihedral drawing of the device is defined as a mutual correspondence point, and a point on an image is associated with the coordinates of the point in the three-dimensional space based on distance information between the correspondence point and a correspondence point. An evaluation function in which the equivalence of coordinates values in the three-dimensional space calculated from the correspondence point and the distance between the correspondence points are defined as constraint conditions is defined, and a conversion coefficient which satisfies the constraint conditions to the evaluation function and also minimizes function value, i.e., the conversion coefficient of each drawing image is calculated by a second order differential value gradient method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ・グ
ラフィックスを用いた3次元シミュレーションシステム
に係り、特に機器の設計図面を利用した3次元モデル化
における図面画像のキャリブレーション方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a three-dimensional simulation system using computer graphics, and more particularly to a method of calibrating a drawing image in three-dimensional modeling using a design drawing of a device.

【0002】[0002]

【従来の技術】コンピュータのグラフィクス処理性能の
向上とともに、3次元コンピュータグラフィクス(3D
CG)を用いた各種3次元シミュレーションシステムが
産業界に応用されはじめている。特に、産業用で対象と
なるのは、現実の機器をモデル化し(3次元モデルを作
成し)、各種シミュレーション機能や状態表示機能等を
3次元アプリケーションとして実現するシステムであ
る。
2. Description of the Related Art With the improvement of computer graphics processing performance, three-dimensional computer graphics (3D
Various three-dimensional simulation systems using CG) have begun to be applied to industry. In particular, an industrial system is a system that models a real device (creates a three-dimensional model) and realizes various simulation functions and status display functions as a three-dimensional application.

【0003】このような3次元システムでは、3次元モ
デルが必要不可欠であるため、その3次元モデルを作成
しなければならない。3次元モデルを作成する場合、問
題となるのは、作成工数の多さである。
In such a three-dimensional system, since a three-dimensional model is indispensable, the three-dimensional model must be created. When creating a three-dimensional model, what is problematic is the number of steps required for creation.

【0004】例えば、機器モデルを作成する場合、モデ
ル化の対象となる機器を直方体・円柱等のプリミティブ
形状に分割することにより、自由曲面等でモデル化する
よりも簡単にモデルが作成可能ではあるが、それらプリ
ミティブの空間情報(頂点座標)の取得には手間がかか
る。
For example, when a device model is created, it is easier to create a model by dividing the device to be modeled into a primitive shape such as a rectangular parallelepiped or a cylinder than by modeling it with a free-form surface or the like. However, acquiring the spatial information (vertex coordinates) of those primitives takes time.

【0005】このような、プリミティブの空間情報を簡
易に抽出する方式として、機器の設計図面や設備図面
(機器外形図・三面図)を利用したモデル作成手法が提
案されている。最近、図面のCAD化が進んではいる
が、依然として紙の状態で保管されている。このような
紙の図面をディジタル化(ラスタ画像化)し、図面画像
としてコンピュータに取り込み、この図面画像を下敷き
に3次元モデルを作成する(図3参照)。この手法で
は、図面を下敷きにプリミティブをあてはめるのでモデ
ルに関する数値入力が不要になり、モデル作成が簡単化
される。
[0005] As a method for easily extracting the spatial information of the primitive, a model creation method using a device design drawing or a device drawing (device outline drawing / three-view drawing) has been proposed. Recently, CAD drawings have been advanced, but they are still stored in paper form. Such a paper drawing is digitized (raster imaged), taken into a computer as a drawing image, and a three-dimensional model is created based on the drawing image (see FIG. 3). In this method, since primitives are applied to the underlying drawing, there is no need to input numerical values for the model, thereby simplifying model creation.

【0006】図面画像からプリミティブの空間情報を抽
出するには、画像上の点(u,v)からその点に対応し
た3次元空間中の点の座標(X,Y,Z)を求めなけれ
ばならない。つまり、画像上の点(u,v)を3次元空
間中の点の座標(X,Y,Z)に対応づける変換関数
(X,Y,Z)=f(u,v)を求める必要がある。画
像上の点の情報からこの変換関数を求める処理をキャリ
ブレーションと呼ぶ。
In order to extract primitive spatial information from a drawing image, coordinates (X, Y, Z) of a point in a three-dimensional space corresponding to the point (u, v) on the image must be obtained. No. That is, it is necessary to find a conversion function (X, Y, Z) = f (u, v) that associates the point (u, v) on the image with the coordinates (X, Y, Z) of the point in the three-dimensional space. is there. The process of obtaining this conversion function from information on points on the image is called calibration.

【0007】実際には一枚の図面画像上の点(u,v)
からこれに対応した3次元空間中の点(X,Y,Z)の
三つの座標値を求める事はできず、例えば正面図からは
(X,Y)が、側面図からは(Y,Z)が、上面図から
は(Z,X)という具合に2つの座標値しか求まらな
い。
Actually, a point (u, v) on one drawing image
Cannot obtain the three coordinate values of the point (X, Y, Z) in the three-dimensional space corresponding to this, for example, (X, Y) from the front view, but (Y, Z) from the side view. ), But only two coordinate values are obtained from the top view, such as (Z, X).

【0008】従って、図面画像のキャリブレーションは
図面画像上の点(u,v)を3次元空間中の点(X,
Y,Z)の二つの部分座標値(X,Y)に対応づける変
換関数(X,Y)=f(u,v)を同定することと定義
できる。複数の図面画像を組み合わせる事により(X,
Y,Z)の三つの座標値を算出する事になる(図4参
照)。
Accordingly, the calibration of the drawing image is performed by changing the point (u, v) on the drawing image to the point (X,
It can be defined as identifying a conversion function (X, Y) = f (u, v) corresponding to two partial coordinate values (X, Y) of (Y, Z). By combining multiple drawing images (X,
(Y, Z) are calculated (see FIG. 4).

【0009】以下、特に断りがなければ、図面画像は、
機器の三面図を、(X,Y,Z)は3次元空間中の点の
座標を、(X,Y)等はその点の2つの座標値を、
(u,v)は3次元空間中の点を三面図上に投影した点
の図面上でのピクセル座標値を表すとする。
Hereinafter, unless otherwise specified, the drawing image is
The three views of the device, (X, Y, Z) represent the coordinates of a point in a three-dimensional space, (X, Y) etc. represent the two coordinate values of that point,
Let (u, v) represent the pixel coordinate value on the drawing of the point projected on the three-view drawing of the point in the three-dimensional space.

【0010】通常、上記の変換関数は以下のような一次
結合式(アフィン変換)で表すことができる。
Usually, the above conversion function can be represented by the following linear combination formula (affine transformation).

【0011】[0011]

【数1】 (Equation 1)

【0012】図面画像のキャリブレーションは(1)式
の変換係数(m00,m01,m02,m10,m11,m12)を
求める事として定式化できる。なお、理想的な図面で
は、式(1)中のm01とm10とはともに0となるが(m
01とm10は回転変換要素である)、画像をディジタル化
する過程において回転変換が含まれる可能性があるので
これらを0として扱わない事にする。
The calibration of the drawing image can be formulated by calculating the conversion coefficients (m 00 , m 01 , m 02 , m 10 , m 11 , m 12 ) of the equation (1). In the ideal drawing, both m 01 and m 10 in the equation (1) are 0, but (m
01 and m 10 is a rotational transformation element), to be not treat them as 0 since the image that may contain rotational transformation in the process of digitizing.

【0013】一般的なキャリブレーション手法は、3次
元座標値を用いて以下のようにこの結合係数を算出す
る。
A general calibration method calculates this coupling coefficient using three-dimensional coordinate values as follows.

【0014】(1)図面画像上の点(ui,vi)とそれ
に対応した3次元空間中の点(Xi,Yi,Zi)とを求
める(i=1〜n:n個の点を求める)。(Xi,Yi
i)は図面上に記されている機器の寸法情報をもとに
設定する。
[0014] (1) drawing the image on the point (u i, v i) and the point of the three-dimensional in space corresponding thereto (X i, Y i, Z i) obtaining a (i = 1 to n: n pieces Point). (X i , Y i ,
Z i ) is set based on the dimensional information of the device described on the drawing.

【0015】(2)(ui,vi)の式(1)による変換
座標の推定値を(Xei,Yei)とすると次式が成り立
つ。
(2) If the estimated value of the transformed coordinates according to the equation (1) of (u i , v i ) is (X ei , Y ei ), the following equation is established.

【0016】[0016]

【数2】 (Equation 2)

【0017】(3)各推定座標値と実際の座標値との平
均二乗誤差EX,EYを以下のように定義する。
[0017] (3) the mean square error E X between the actual coordinates and the estimated coordinate values, the E Y are defined as follows.

【0018】[0018]

【数3】 (Equation 3)

【0019】(4)EX,EYを最小とする変換係数mij
を次式により求める。
[0019] (4) E X, transform coefficient m ij for minimizing the E Y
Is determined by the following equation.

【0020】[0020]

【数4】 (Equation 4)

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】従来の図面のキャリブ
レーション方法は、図面上の点と3次元空間中の点の座
標とを用いるため、得られる変換係数の精度は比較的高
く、また、線形方程式の解として定式化しているので安
定的に求める事ができるという特徴がある。しかしなが
ら、以下のような問題点がある。
In the conventional drawing calibration method, since the points on the drawing and the coordinates of the points in the three-dimensional space are used, the accuracy of the obtained conversion coefficients is relatively high, and Because it is formulated as a solution of the equation, it has the feature that it can be obtained stably. However, there are the following problems.

【0022】・図面上に記されている寸法情報から手作
業で3次元座標値を求めなければならないため作業工数
が多い。
The three-dimensional coordinate values have to be obtained manually from the dimensional information described on the drawing, so that the number of work steps is large.

【0023】・設備図面の場合、寸法情報が部分的にし
か記入されていない場合、キャリブレーションに必要な
3次元座標値が求まらない場合がある。
In the case of equipment drawings, if the dimensional information is only partially entered, three-dimensional coordinate values required for calibration may not be obtained.

【0024】本発明の目的は、図面から全ての対応点に
対する3次元座標値を求める作業を不要にし、しかも寸
法が記入されていない図面に対してもキャリブレーショ
ンができるキャリブレーション方法を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a calibration method which eliminates the need to obtain three-dimensional coordinate values for all corresponding points from a drawing, and can perform calibration even on a drawing having no dimensions. It is in.

【0025】[0025]

【課題を解決するための手段】本発明は、三面図画像に
対し複数の対応点を設定し、その3次元座標値ではなく
対応点間の距離情報を基に変換係数を求めることによ
り、二点間の距離という図面から得やすい情報を利用し
てキャリブレーションにおける3次元座標値を求める作
業量を削減したものであり、以下の方法を特徴とする。
According to the present invention, a plurality of corresponding points are set for a three-view drawing image, and a conversion coefficient is obtained based on distance information between the corresponding points instead of the three-dimensional coordinate values. The amount of work for obtaining three-dimensional coordinate values in calibration is reduced using information that is easily obtained from the drawing, such as the distance between points, and is characterized by the following method.

【0026】機器の図面画像上の点を3次元空間中の点
の座標に対応付ける変換関数の変換係数を求めるキャリ
ブレーションを行い、図面画像から変換関数を使って機
器の3次元モデルを作成するにおいて、前記キャリブレ
ーションは、機器の3次元空間中の点が機器の三面図上
に投影された投影点を互いの対応点とし、この対応点と
対応点間の距離情報を基に、画像上の点を3次元空間中
の点の座標に対応付けることを特徴とする。
In performing calibration for obtaining a conversion coefficient of a conversion function for associating a point on a drawing image of a device with the coordinates of a point in a three-dimensional space, and creating a three-dimensional model of the device from the drawing image using the conversion function. In the calibration, a projection point in which a point in a three-dimensional space of the device is projected on a three-view drawing of the device is set as a corresponding point, and based on distance information between the corresponding point and the corresponding point, an image is displayed on an image. It is characterized in that a point is associated with the coordinates of the point in the three-dimensional space.

【0027】また、前記対応点から求めた3次元空間中
の座標値の同値性、及び対応点間の距離を拘束条件にし
た評価関数を定義し、この評価関数に対して前記拘束条
件を満たしかつ関数値を最小化する前記変換係数を最適
化手法により求めることを特徴とする。
Also, an evaluation function is defined in which the equivalence of the coordinate values in the three-dimensional space obtained from the corresponding points and the distance between the corresponding points are defined as constraints, and the evaluation function is satisfied with the constraint. In addition, the conversion coefficient for minimizing the function value is obtained by an optimization technique.

【0028】また、前記最適化手法は、三面図の各図面
に設定された前記対応点の同値性に対する評価関数か
ら、2階微分値勾配法により各図面画像の前記変換係数
を求めることを特徴とする。
Further, in the above-mentioned optimizing method, the conversion coefficient of each drawing image is obtained by a second-order differential value gradient method from an evaluation function for the equivalence of the corresponding points set in each drawing of the three views. And

【0029】また、前記最適化手法は、二面図に設定さ
れた前記対応点に二面図の等倍投影条件と等角回転条件
を設定して求めた同値性に対する評価関数から、2階微
分値勾配法により各図面画像の前記変換係数を求めるこ
とを特徴とする。
Further, the optimization method uses the evaluation function for the equivalence obtained by setting the equal-magnification projection condition and the equiangular rotation condition of the two views at the corresponding points set in the two views, and The conversion coefficient of each drawing image is obtained by a differential value gradient method.

【0030】また、前記2階微分値勾配法におけるパラ
メータは、対応点間の実距離を基にローカルミニマムへ
の収束及びそれによるパラメータ推定誤りを防止する初
期値に設定することを特徴とする。
Further, the parameters in the second-order differential value gradient method are set to initial values for preventing convergence to a local minimum and erroneous parameter estimation due to the actual distance between corresponding points.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】本実施形態の説明は、まず始め
に、キャリブレーションにおいて基本的な作業となる対
応点の設定、及びキャリブレーション手法の基本アルゴ
リズムを説明する。その後、三面図、及び二面図に対し
基本アルゴリズムを適用した実施形態を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the description of this embodiment, first, setting of corresponding points, which are basic operations in calibration, and a basic algorithm of a calibration method will be described. Then, an embodiment in which the basic algorithm is applied to the three views and the two views will be described.

【0032】(1)対応点の設定 ここで言う対応点とは、3次元空間中の点が三面図上に
投影された投影点の事である。対応点は各画像上でのピ
クセル座標値は異なるが、投影元の3次元座標値は同じ
である(図4参照)。
(1) Setting of Corresponding Points The corresponding points referred to here are projection points at which points in a three-dimensional space are projected on a three-view drawing. Although the corresponding points have different pixel coordinate values on each image, the projection source has the same three-dimensional coordinate values (see FIG. 4).

【0033】例えば、正面図上の点P1(u1,v1)と
側面図上の点P2(u2,v2)と上面図上の点P
3(u3,v3)とが同一の3次元空間中の点(X,Y,
Z)のそれぞれの図面への投影点である場合、P1
2,P3は互いに対応点となる。
For example, a point P 1 (u 1 , v 1 ) on the front view, a point P 2 (u 2 , v 2 ) on the side view, and a point P 2 on the top view
3 (u 3 , v 3 ) and the same point (X, Y,
If Z) is a projection point on each drawing, P 1 ,
P 2 and P 3 correspond to each other.

【0034】キャリブレーションを実行するのに際し、
各図面画像上でこのような対応点を複数設定する。
When performing the calibration,
A plurality of such corresponding points are set on each drawing image.

【0035】(2)キャリブレーションの基本アルゴリ
ズム ここでは、便宜的に正面図はモデル対象物をXY面に平
行な平面に射影した図、側面図をYZ面に平行な面に射
影した図、上面図をZX面に平行な面に射影した図と定
義する(図4では正面図と側面図のみを示す)。
(2) Basic Algorithm of Calibration Here, for convenience, a front view is a view in which a model object is projected on a plane parallel to the XY plane, a side view is a view in which a model object is projected on a plane parallel to the YZ plane, and a top view. The figure is defined as a figure projected on a plane parallel to the ZX plane (FIG. 4 shows only a front view and a side view).

【0036】この場合、正面図上の点(ui 1,vi 1)か
らは投影元の3次元座標(Xi,Yi,Zi)の内(Xi
i)を、側面図及び上面図上の点(ui2,vi2)、
(ui3,vi3)からは(Yi,Zi)、(Zi,Xi)をそ
れぞれ以下のような変換式により求めることができる。
[0036] In this case, a point on the diagram the front (u i 1, v i 1 ) 3 -dimensional coordinates of the projected source from (X i, Y i, Z i) of (X i,
Y i ) is represented by a point (u i2 , vi 2 ) on the side view and the top view,
From (u i3 , v i3 ), (Y i , Z i ) and (Z i , X i ) can be obtained by the following conversion equations, respectively.

【0037】[0037]

【数5】 (Equation 5)

【0038】上記の式(2)〜(4)において、変換係
数(m00 1など)及び画像上の点(ui 2など)の肩につ
けている数字は、各図面の種類を表し、正面図は1、側
面図は2、上面図は3とする。また、iは対応点のi番
目の番号を示す ここで、各図面の0番目の対応点(u0 1,v0 1)、(u
0 2,v0 2)、(u0 3,v0 3)に対する3次元座標を原点
座標(0,0,0)に設定すると式(2)〜(4)より
以下の式が求まる。
In the above equations (2) to (4), the numbers attached to the conversion coefficients (m 00 1 and the like) and the points (u i 2 and the like) on the image represent the type of each drawing. The figure is denoted by 1, the side view is denoted by 2, and the top view is denoted by 3. I indicates the i-th number of the corresponding point. Here, the 0-th corresponding point (u 0 1 , v 0 1 ), (u
When the three-dimensional coordinates for ( 0 2 , v 0 2 ) and (u 0 3 , v 0 3 ) are set to the origin coordinates (0, 0, 0), the following equations are obtained from equations (2) to (4).

【0039】[0039]

【数6】 (Equation 6)

【0040】上記の式(5)〜(7)を式(2)〜
(4)に代入することで、以下の(8)〜(10)式が
得られる。
The above equations (5) to (7) are replaced by equations (2) to
By substituting into (4), the following equations (8) to (10) are obtained.

【0041】[0041]

【数7】 (Equation 7)

【0042】以降、ui 1−u0 1、vi 1−v0 1、ui 2−u
0 2、vi 2−v0 2、ui 3−u0 3、vi 3−v0 3をそれぞれu
i 1、vi 1、ui 2、vi 2、ui 3、vi 3で表すことにより、
式(8)〜(10)から変換係数を削減した次の式(1
1)〜(13)を対象とする。
Hereinafter, u i 1 -u 0 1 , v i 1 -v 0 1 , u i 2 -u
0 2, v i 2 -v 0 2, u i 3 -u 0 3, v i 3 -v 0 3 respectively u
By represented by i 1, v i 1, u i 2, v i 2, u i 3, v i 3,
The following equation (1) obtained by reducing the conversion coefficient from equations (8) to (10)
1) to (13) are targeted.

【0043】[0043]

【数8】 (Equation 8)

【0044】変換係数が正しく設定されていれば、式
(11)で求められるXiと式(13)で求められるXi
が等しくなり、同様に式(12)と(11)から求めら
れるYi、式(13)と(12)から求められるZiはそ
れぞれ等しくなる。
[0044] If the transform coefficients are set correctly, X i obtained by the formula X i and equation obtained by (11) (13)
Are equal, and similarly, Y i obtained from Expressions (12) and (11) and Z i obtained from Expressions (13) and (12) become equal.

【0045】逆に、各3次元座標値が等しくなるような
変換係数を推定する事が、本発明のキャリブレーション
手法の基本となる。
Conversely, estimating a conversion coefficient that makes each three-dimensional coordinate value equal is the basis of the calibration method of the present invention.

【0046】本発明による図面のキャリブレーション方
法は、式(11)〜(13)より得られる3次元座標値
の同値性を評価関数(下に凸となる2次式で定義:具体
的な関数は実施形態で説明)とし、その評価関数を最適
化手法により極小にすることにより変換係数を求めるも
のである。
In the calibration method of the drawings according to the present invention, the equivalence of the three-dimensional coordinate values obtained from the equations (11) to (13) is evaluated by an evaluation function (defined by a quadratic equation convex downward: a specific function). Is described in the embodiment), and a conversion coefficient is obtained by minimizing the evaluation function by an optimization method.

【0047】式(11)〜(13)に記されている12
個の変換係数を並べた12×1の行列(変換係数行列)
を、 m=(m00 1,…、m11 1,m00 2,…,m11 2,m00 3
…,m11 3T 但し、Tは転置を表す と定義すると、上記3次元座標値の同値性を考慮した評
価関数EはE(m)と示すことができる。
In the equations (11) to (13), 12
12 × 1 matrix (transform coefficient matrix) in which transform coefficients are arranged
The, m = (m 00 1, ..., m 11 1, m 00 2, ..., m 11 2, m 00 3,
.., M 11 3 ) T where T represents transposition, the evaluation function E considering the equivalence of the three-dimensional coordinate values can be expressed as E (m).

【0048】しかしながら、3次元座標の同値性だけを
用いた評価関数では、モデルが存在する3次元空間の大
きさの要素が含まれていないため、各変換係数の対応関
係が求まるだけであり、絶対的な大きさを加味した変換
係数は求まらない。
However, since the evaluation function using only the equivalence of the three-dimensional coordinates does not include the element of the size of the three-dimensional space where the model exists, only the correspondence of each conversion coefficient is obtained. A conversion factor that takes the absolute size into account is not obtained.

【0049】そこで、各図面に設定した対応点に対し、
その二点間の実距離(画像上のピクセル距離ではなく実
際の寸法距離)を複数指定し、それを拘束条件として評
価関数に追加する。
Therefore, for the corresponding points set in each drawing,
A plurality of actual distances (actual dimensional distances, not pixel distances on the image) between the two points are designated, and the distances are added to the evaluation function as constraint conditions.

【0050】図面i(i=1:正面図、2:側面図、
3:上面図)上の二対応点(up i,vp i)と(uq i,v
q i)との実距離をLとすると、変換係数が満たすべき拘
束条件fは式(14)で定義される。
Drawing i (i = 1: front view, 2: side view,
3: top view) on a two corresponding points (u p i, v p i ) and (u q i, v
Assuming that the actual distance from q i ) is L, the constraint condition f to be satisfied by the conversion coefficient is defined by Expression (14).

【0051】[0051]

【数9】 (Equation 9)

【0052】この式(14)より、拘束条件fは変換係
数の関数となるのでf(m)と表す事ができる。
From equation (14), since the constraint condition f is a function of the conversion coefficient, it can be expressed as f (m).

【0053】変換係数が絶対的な大きさを加味した形で
推定されるためには、各図面から最低1個ずつ式(1
4)で表される拘束条件を設定する必要がある。これら
拘束条件の集合(条件数をKとする)を改めてF(=
(f1,f2,…,fkT)と定義すると、Fもまたmの
関数となるのでF(m)と示すことができる。
In order for the conversion coefficient to be estimated in consideration of the absolute size, at least one of the equations (1
It is necessary to set the constraint condition represented by 4). The set of these constraint conditions (the condition number is K) is re-written as F (=
(F 1 , f 2 ,..., F k ) T ), F can also be represented as F (m) because F is also a function of m.

【0054】なお、全ての対応点間の距離を設定するわ
けではなく1個以上であれば任意の数の距離を設定すれ
ばよい。また、設定された距離情報の数が多いほど変換
係数の推定精度が良くなる。
It is to be noted that the distance between all the corresponding points is not set, and an arbitrary number of distances may be set as long as the distance is one or more. Further, the greater the number of set distance information, the better the accuracy of estimating the conversion coefficient.

【0055】以上、図面のキャリブレーション手法の基
本アルゴリズムをまとめると、以下のようになる。
The basic algorithm of the calibration method shown in the drawing is summarized as follows.

【0056】(1)変換係数と図面上の対応点座標より
得られる3次元座標値の同値性を評価関数(下に凸とな
る2次式)を定義する。
(1) An evaluation function (a downwardly convex quadratic expression) is defined for the equivalence of the three-dimensional coordinate values obtained from the conversion coefficients and the corresponding point coordinates on the drawing.

【0057】(2)図面上に設定した対応点に対する距
離情報を拘束条件とする。
(2) Distance information for a corresponding point set on the drawing is used as a constraint condition.

【0058】(3)上記の(1)と(2)を合わせた関
数を全体の評価関数Hとして定義する。
(3) A function obtained by combining the above (1) and (2) is defined as an overall evaluation function H.

【0059】(4)上記の(3)で定義した評価関数に
対し、(1)の評価関数を極小化し、(2)の拘束条件
を満たす変換係数を最適化手法により求める。
(4) With respect to the evaluation function defined in (3), the evaluation function in (1) is minimized, and a conversion coefficient satisfying the constraint condition in (2) is obtained by an optimization method.

【0060】上記(1)〜(4)を数学的に表すと以下
のようになる。
The mathematical expressions (1) to (4) are as follows.

【0061】(A)3次元座標値の同値性の評価関数=
E(m) (B)距離情報に対する拘束条件=F(m) (C)全体の評価関数H(m,λ)=E(m)+λT
(m) ここで、λ=(λ1,…,λK)は拘束条件に対するラグ
ランジェ乗数を示す。
(A) Evaluation function of equivalence of three-dimensional coordinate values =
E (m) (B) the distance information for the constraint = F (m) (C) overall evaluation function H (m, λ) = E (m) + λ T F
(M) Here, λ = (λ 1 ,..., Λ K ) indicates a Lagrange multiplier for the constraint condition.

【0062】(D)H=0となるmとλを最適化手法で
求める。
(D) m and λ satisfying H = 0 are obtained by an optimization technique.

【0063】上記の基本アルゴリズムを実現する実施形
態では、便宜上、対応点などを以下のように定義する。
In the embodiment for realizing the above basic algorithm, corresponding points and the like are defined as follows for convenience.

【0064】・対応点はN点設定する ・拘束条件はK個設定する ・評価関数H及び拘束条件Fに対するmの偏微分を以下
のようにHm,Fmとする。
N corresponding points are set. K constraint conditions are set. Partial derivatives of m with respect to the evaluation function H and the constraint condition F are defined as Hm and Fm as follows.

【0065】[0065]

【数10】 (Equation 10)

【0066】・評価関数Hに対するこの2階偏微分を以
下のようにHmmとする。
The second-order partial derivative of the evaluation function H is defined as Hmm as follows.

【0067】[0067]

【数11】 [Equation 11]

【0068】(3)第1の実施形態 本実施形態は、三面図を利用したキャリブレーション手
法を説明する。まず、評価関数E(m)を式(18)で
定義する。
(3) First Embodiment In this embodiment, a calibration method using three views is described. First, the evaluation function E (m) is defined by Expression (18).

【0069】[0069]

【数12】 (Equation 12)

【0070】これは、三面図の各図面に設定された対応
点の同値性に対する評価関数であり、前記の式(11)
と(13)から得られるX座標値が等しく、かつ式(1
2)と(11)から得られるY座標値が等しく、かつ式
(13)と(12)から得られるZ座標値が等しくなる
ための条件式である。
This is an evaluation function for the equivalence of the corresponding points set in each drawing of the three views, and the expression (11)
And the X coordinate values obtained from (13) are equal, and the expression (1)
This is a conditional expression for making the Y coordinate values obtained from 2) and (11) equal and the Z coordinate values obtained from Expressions (13) and (12) to be equal.

【0071】また、最適化手法には、繰り返し勾配法、
特に収束のよい2階微分値を利用した勾配法を利用す
る。この場合、繰り返し終了条件(収束条件)は推定対
象変数mに対しHm≒0かつF≒0である。
The optimization method includes a repetitive gradient method,
In particular, a gradient method using a second-order differential value with good convergence is used. In this case, the repetition end condition (convergence condition) is Hm ≒ 0 and F ≒ 0 for the estimation target variable m.

【0072】以上の評価関数を利用して、2階微分値勾
配法により各図面画像の変換係数を求めるアルゴリズム
を図1のフローチャートを参照して以下に説明する。な
お、以降では求めるべき図面画像の変換係数をパラメー
タ変数または単にパラメータと記す。
An algorithm for obtaining the conversion coefficient of each drawing image by the second-order differential value gradient method using the above evaluation function will be described below with reference to the flowchart of FIG. Hereinafter, the conversion coefficient of the drawing image to be obtained is referred to as a parameter variable or simply as a parameter.

【0073】(ステップS1)初期化 通常、勾配法による最適化手法ではパラメータの初期値
を乱数等の任意の値に設定する。本実施形態では勾配法
がローカルミニマムへの収束及びそれによる推定誤りと
いう欠点があることを考え、パラメータが正しく推定で
きるよう以下のように初期値を設定する。
(Step S1) Initialization Normally, in the optimization method based on the gradient method, an initial value of a parameter is set to an arbitrary value such as a random number. In the present embodiment, considering that the gradient method has a drawback of convergence to a local minimum and an estimation error due to the convergence, an initial value is set as follows so that parameters can be correctly estimated.

【0074】・図面に対し回転歪みやスケール歪みが無
い(ラスタ画像では有るがCAD図のように各軸の直交
性・非回転性や等倍性が保存されている)と仮定し以下
の関係式を設定する。
Assuming that there is no rotational distortion or scale distortion in the drawing (although it is a raster image, orthogonality, non-rotation and equal magnification of each axis are preserved as in the CAD diagram), the following relationship is assumed: Set the expression.

【0075】mi 00=mi 11(等倍条件) mi 01=mi 10=0(非回転・直交条件) ・図面に対して最低1個設定されている対応点間の実距
離情報Lを基に式(14)を参照して、次式によりm00
iの値を設定する。
[0075] m i 00 = m i 11 (magnification condition) m i 01 = m i 10 = 0 ( non-rotating and quadrature Conditions) actual distance information between the corresponding points is minimum one set for the drawing L referring to the equation (14) based on, m by the following equation 00
Set the value of i .

【0076】[0076]

【数13】 (Equation 13)

【0077】なお、λの初期値は収束性にさほど影響を
与えないので乱数で設定する。
Since the initial value of λ does not significantly affect the convergence, it is set by a random number.

【0078】(ステップS2)値計算 次式により、Hm及びFの値を数値計算する。(Step S2) Value Calculation The values of Hm and F are numerically calculated by the following equation.

【0079】[0079]

【数14】 [Equation 14]

【0080】(ステップS3)収束判定 もし、Hm及びFが規定値(予め設定されている収束条
件)以下の値ならば、パラメータが推定できたとし処理
を中止する。また、式(5)〜(7)より残りの変換係
数を求める。
(Step S3) Convergence Judgment If Hm and F are equal to or smaller than specified values (preset convergence conditions), it is determined that the parameters can be estimated, and the process is stopped. Further, the remaining conversion coefficients are obtained from Expressions (5) to (7).

【0081】(ステップS4)更新量計算 収束判定が非収束の場合、次式により各パラメータの更
新量dm及びdλを数値計算する。
(Step S4) Calculation of Update Amount When the convergence determination is non-convergence, the update amounts dm and dλ of each parameter are numerically calculated by the following equations.

【0082】[0082]

【数15】 (Equation 15)

【0083】(ステップS5)更新 次式により各パラメータ値を更新し再度(ステップS
2)に戻る。
(Step S5) Update Each parameter value is updated according to the following equation, and the update is performed again (Step S5).
Return to 2).

【0084】[0084]

【数16】 (Equation 16)

【0085】(4)第2の実施形態 本実施形態は、二面図を利用したキャリブレーション手
法を説明する。なお、二面図の組み合わせとしては(正
面図、側面図)、(側面図、上面図)、(上面図、正面
図)の三通りが考えられるが、本実施形態では便宜上
(正面図、側面図)の組み合わせを例に説明するが、そ
の他の組み合わせでもキャリブレーション手法は本質的
に同じである。
(4) Second Embodiment In this embodiment, a calibration method using a two-view drawing will be described. Note that three combinations of (front view, side view), (side view, top view), and (top view, front view) can be considered as a combination of the two views, but in the present embodiment, for convenience (front view, side view) FIG. 2), the calibration method is essentially the same for other combinations.

【0086】正面図と側面図の場合、式(11)と(1
2)より図面上の対応点からはY座標に対する同値性し
か求まらない(同様に側面図と上面図ではZ座標、上面
図と正面図ではX座標に対する同値性しか求まらない)
ため、評価関数EにはY座標に対する同値性のみを設定
する。さらに、式(11)と(12)のアフィン変換の
式において、各軸の等倍投影条件(正面図ならばX軸と
Y軸が同じスケール値で投影されている)と等角回転投
影条件(正面図ならばX軸とY軸が直交性を保存したま
ま回転投影されている)を設定することにより、全ての
変換係数を求めることができる。
In the case of a front view and a side view, equations (11) and (1)
2) From the corresponding point on the drawing, only the equivalence with respect to the Y coordinate is obtained (similarly, only the equivalence with respect to the X coordinate is obtained from the side view and the top view, and the X coordinate is obtained from the top view and the front view).
Therefore, only the equivalence for the Y coordinate is set in the evaluation function E. Further, in the affine transformation equations of equations (11) and (12), the equal-magnification projection condition of each axis (in the front view, the X-axis and the Y-axis are projected at the same scale value) and the equiangular rotation projection condition (In the case of a front view, the X axis and the Y axis are rotationally projected while maintaining the orthogonality), so that all the conversion coefficients can be obtained.

【0087】上記、アフィン変換の式における軸の等倍
投影条件と等角回転投影条件を数学的に表すと、以下の
ようになる。
The mathematical expression of the same-size projection condition and the equal-angle rotation projection condition in the affine transformation equation is as follows.

【0088】 式(11)において、m00 1=m11 1 かつ m01 1=−m10 1 (20) 式(12)において、m11 2=m00 2 かつ m10 2=−m01 2 (21) 上記の式(20)、(21)より、二面図の場合は、求
めるべき変換係数はm10 1、m11 1、m00 2,m01 2の4個
となる。この4個の変換係数を並べた4×1の行列(変
換係数行列)を改めてmと定義する。
In the equation (11), m 00 1 = m 11 1 and m 01 1 = −m 10 1 (20) In the equation (12), m 11 2 = m 00 2 and m 10 2 = −m 01 2 (21) equation (20) and (21), in the case of two views, transform coefficients to be determined is the four m 10 1, m 11 1, m 00 2, m 01 2. A 4 × 1 matrix (transform coefficient matrix) in which the four transform coefficients are arranged is defined as m again.

【0089】m=(m10 1,m11 1,m00 2,m01 2)T Y座標に対する同値性による評価関数E(m)は次式に
より定義される。
M = (m 10 1 , m 11 1 , m 00 2 , m 01 2 ) The evaluation function E (m) based on the equivalence to the TY coordinate is defined by the following equation.

【0090】[0090]

【数17】 [Equation 17]

【0091】また、式(14)において式(20)、
(21)を考慮し、拘束条件fを次式により定義する。
In addition, in equation (14), equation (20),
Considering (21), the constraint condition f is defined by the following equation.

【0092】[0092]

【数18】 (Equation 18)

【0093】本実施形態では、最適化手法として第1の
実施形態と同様に、2階微分値による勾配法を用いる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, a gradient method using a second-order differential value is used as an optimization method.

【0094】以上の評価関数を利用して、2階微分値勾
配法により各図面画像の変換係数を求めるアルゴリズム
を図2のフローチャートを参照して以下に説明する。
An algorithm for obtaining the conversion coefficient of each drawing image by the second-order differential value gradient method using the above evaluation function will be described below with reference to the flowchart of FIG.

【0095】(ステップS11)初期化 第1の実施形態と同様に、パラメータが正しく推定でき
るよう式(19)により初期値を設定する。なお、λの
初期値は乱数で設定する。
(Step S11) Initialization As in the first embodiment, an initial value is set by equation (19) so that parameters can be correctly estimated. Note that the initial value of λ is set by a random number.

【0096】(ステップS12)値計算 次式により、Hm及びPの値を数値計算する。(Step S12) Value Calculation The values of Hm and P are numerically calculated by the following equation.

【0097】[0097]

【数19】 [Equation 19]

【0098】(ステップS13)収束判定 もし、Hm及びPが規定値以下の値ならば、パラメータ
が推定できたとし処理を中止する。また、式(20)〜
(21)及び式(5)〜(7)より残りの変換係数を求
める。
(Step S13) Convergence Judgment If Hm and P are equal to or smaller than the specified values, it is determined that the parameters can be estimated and the processing is stopped. Equations (20) to (20)
The remaining conversion coefficients are obtained from (21) and equations (5) to (7).

【0099】(ステップS14)更新量計算 収束条件が非収束の場合、次式により各パラメータの更
新量dm及びdλを数値計算する。
(Step S14) Calculation of update amount When the convergence condition is non-convergence, the update amounts dm and dλ of each parameter are numerically calculated by the following equations.

【0100】[0100]

【数20】 (Equation 20)

【0101】(ステップS15)更新 次式により各パラメータ値を更新し再度(ステップS1
2)に戻る。
(Step S15) Update Each parameter value is updated according to the following equation, and the update is performed again (Step S1).
Return to 2).

【0102】[0102]

【数21】 (Equation 21)

【0103】[0103]

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、図面画
像上の対応点と対応点間の距離情報を基にしてキャリブ
レーションを行うため、以下の効果がある。
As described above, according to the present invention, since the calibration is performed based on the distance information between the corresponding points on the drawing image, the following effects are obtained.

【0104】(1)寸法が記入されている設計図面等か
ら全ての対応点に対する3次元座標値を算出する必要が
無いのでキャリブレーションにおけるの作業工数が削減
できる。
(1) Since it is not necessary to calculate three-dimensional coordinate values for all corresponding points from a design drawing or the like in which dimensions are written, the number of work steps in calibration can be reduced.

【0105】(2)寸法が部分的にしか記入されていな
い設備図面に対してもキャリブレーションが実行でき
る。
(2) Calibration can be executed even for equipment drawings in which dimensions are only partially written.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態を示すアルゴリズムフローチ
ャート(その1)。
FIG. 1 is an algorithm flowchart (part 1) showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態を示すアルゴリズムフローチ
ャート(その2)。
FIG. 2 is an algorithm flowchart (part 2) showing the embodiment of the present invention.

【図3】図面画像例。FIG. 3 is a drawing image example.

【図4】3次元空間中の点とそれを図面上に投影した点
との関係図。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a point in a three-dimensional space and a point projected on the drawing.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 機器の図面画像上の点を3次元空間中の
点の座標に対応付ける変換関数の変換係数を求めるキャ
リブレーションを行い、図面画像から変換関数を使って
機器の3次元モデルを作成するにおいて、 前記キャリブレーションは、機器の3次元空間中の点が
機器の三面図上に投影された投影点を互いの対応点と
し、この対応点と対応点間の距離情報を基に、画像上の
点を3次元空間中の点の座標に対応付けることを特徴と
する図面画像のキャリブレーション方法。
1. A calibration for obtaining a conversion coefficient of a conversion function for associating a point on a drawing image of a device with the coordinates of a point in a three-dimensional space, and creating a three-dimensional model of the device from the drawing image using the conversion function In the calibration, a projection point in which a point in a three-dimensional space of the device is projected on a three-view drawing of the device is set as a corresponding point, and an image is formed based on distance information between the corresponding point and the corresponding point. A method for calibrating a drawing image, wherein an upper point is associated with a coordinate of a point in a three-dimensional space.
【請求項2】 前記対応点から求めた3次元空間中の座
標値の同値性、及び対応点間の距離を拘束条件にした評
価関数を定義し、この評価関数に対して前記拘束条件を
満たしかつ関数値を最小化する前記変換係数を最適化手
法により求めることを特徴とする請求項1に記載の図面
画像のキャリブレーション方法。
2. An evaluation function in which the equivalence of coordinate values in a three-dimensional space obtained from the corresponding points and the distance between the corresponding points are defined as constraints, and the evaluation function satisfying the constraints is defined. 2. The drawing image calibration method according to claim 1, wherein the conversion coefficient for minimizing a function value is obtained by an optimization method.
【請求項3】 前記最適化手法は、三面図の各図面に設
定された前記対応点の同値性に対する評価関数から、2
階微分値勾配法により各図面画像の前記変換係数を求め
ることを特徴とする請求項2に記載の図面画像のキャリ
ブレーション方法。
3. The optimization method is based on an evaluation function for the equivalence of the corresponding points set in each of the three views,
3. The method according to claim 2, wherein the conversion coefficient of each drawing image is obtained by a second-order differential gradient method.
【請求項4】 前記最適化手法は、二面図に設定された
前記対応点に二面図の等倍投影条件と等角回転条件を設
定して求めた同値性に対する評価関数から、2階微分値
勾配法により各図面画像の前記変換係数を求めることを
特徴とする請求項2に記載の図面画像のキャリブレーシ
ョン方法。
4. The optimization method according to claim 1, wherein an evaluation function for the equivalence obtained by setting the equal-magnification projection condition and the equiangular rotation condition of the two views to the corresponding point set in the two views is used. The method according to claim 2, wherein the conversion coefficient of each drawing image is obtained by a differential value gradient method.
【請求項5】 前記2階微分値勾配法におけるパラメー
タは、対応点間の実距離を基にローカルミニマムへの収
束及びそれによるパラメータ推定誤りを防止する初期値
に設定することを特徴とする請求項3又は4に記載の図
面画像のキャリブレーション方法。
5. A parameter in the second-order differential gradient method is set to an initial value for preventing convergence to a local minimum and erroneous parameter estimation due to the actual distance between corresponding points. Item 5. The method for calibrating a drawing image according to Item 3 or 4.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6996266B2 (en) 2000-08-11 2006-02-07 Minolta Co., Ltd. Method and apparatus for generating three-dimensional data of an object by selecting the method for detecting corresponding points that is suitable to the object
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