JP3922784B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動する測定物体の3次元形状を位相シフト法を用いて測定する装置に関するものであり、特に外装材等の板状物体の3次元形状を高精度に計測する用途に適するものである。
【0002】
【従来の技術】
工業製品の分野において、立体形状を定量的に評価するに当たっては、物理的接触を伴う計測方法では、接触により、傷等を発生し、外観を損ねる恐れがある。また、オフラインや抜き取りではなく、製造工程中のインラインで計測が行えることが望ましいので、移動しながらの非接触による計測が求められる。しかしながら、工業製品等の非接触3次元計測装置において、一般的によく使用される光切断法では、高速で移動する対象物体に対しては撮像される画像の中に有効とされるデータが少ないので、高精度な計測ができない。そこで、高速で移動する物体を非接触・高精度に計測することが可能な計測装置を実現するために、撮像された画像の全点を有効なデータとできる位相シフト法を用いた画像処理装置(特開平4−98111号)が提案されている。
【0003】
一般的なCCDカメラを用いた位相シフト法による3次元形状計測の手順を図43を用いて説明する。光源3と正弦波パターンのフィルタ5を組み合わせることにより、正弦波パターン状の光強度分布を有する照明を測定物体1に照射し、測定物体1上の点をCCDカメラ6で観測した場合、CCD画面上の点p(x,y)の強度Iは下式で与えられる。
【0004】
I=e+f・cosφ
e:直流光ノイズ
f:正弦波のコントラスト
φ:物体の凹凸により与えられる位相
正弦波パターンを移動させて位相をφ+0、φ+π/2、φ+π、φ+3π/2と変化させ、これに対応する強度分布I0、I1、I2、I3をもつ画像を取り込み、位相を求める。
【0005】
α=tan-1{(I3−I1)/(I0−I2)}
この位相を用いて測定物体上の点Pの3次元座標(X,Y,Z)は下式で与えられる。
X=−sx
Y=b+s(−c−ycosφ)
Z=a+s(−d+ysinφ)
s=(−bcosθ)/u
θ=tan-1(lα/a)
u=(−c−ycosφ)cosθ+(−d+ysinφ)sinθ
φ=tan-1(b/a)
c=am
d=bm
l:基準面に投影された正弦波パターンのピッチ
m:カメラ倍率
これらの式より測定物体に対する3次元形状を計測するものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、位相シフト法を用いたこれまでの装置は、正弦波パターンを移動させて高さを測定する装置のみで、物体を移動させて測定する装置はない。また、物体が移動している場合には、物体が固定している場合と違い、物体が移動することで、これまでの照明では生じなかった入射角度の変化による死角ができ、精度が落ちる場合がある。本発明の目的は、このような問題を解決できる3次元形状計測装置を提案すると共に、位相シフト法による3次元形状計測の操作を簡略化することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、図1及び図2に示すように、移動する測定物体1の3次元形状を計測する装置において、
測定物体1の移動方向に所定の周期の正弦波パターン状の光強度分布を有する略平行光な照明を測定物体1に上方から照射する照明手段(光源3、レンズ4、フィルタ5)と、
測定物体1を撮像する撮像手段(カメラ6、レンズ7、フレームグラバ8)と、
測定物体1が少なくとも4通りの位相(好ましくは位相0、π/2、π、3π/2)に相当する距離移動する毎に撮像された画像を格納する画像メモリ9と、
画像メモリ9内の画像から位相シフト法により高さを求める演算手段10とを具備する。
ここで、正弦波パターンの周期と測定物体1の移動速度を適合させるには、撮像した正弦波パターン状の光強度分布から正弦波パターンの位相π/2分に相当する距離を測定し、この測定された距離を複数又は1回の撮像間隔の間に移動するように測定物体1の移動速度を自動的に設定すると良い。もしくは、測定物体の移動速度を実測し、該移動速度に適合するように、液晶プロジェクタよりなる照明手段により正弦波パターンの周期を設定すると良い。
【0008】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
以下、本発明を実施例により説明する。図1は本発明を実施するための装置の一例を示す図である。測定物体1は外装材であり、コンベア2により矢印Gに示す方向に移動されている。光源3とレンズ4より平行光を作成し、その前部に正弦波パターン状の濃淡を有するフィルタ5を配置して成る照明手段により、測定物体としての外装材1の真上から明暗が正弦波状に変化するパターンが投影される。カメラ6とレンズ7の光軸をずらすことで測定物体としての外装材1の表面に焦点が合うように斜め方向に配置された撮像手段により、外装材表面の凹凸により生じる投影パターンの変形が観測できるように光学系が構成される。コンベア2は正弦波状の光強度分布の位相π/2に相当する距離Lずつ移動し、カメラ6はコンベア2が距離L移動する毎に撮像する。図2は画像処理系のブロック図である。カメラ6の画像はフレームグラバ8に入力され、量子化されて画像メモリ9に転送される。画像メモリ9に転送された画像は処理装置10により位相シフト法を用いて位相演算され、高さを計測される。
【0009】
このような構成を用いることにより、移動による物体表面上の各点での照明の入射角の変化による補正をする必要がなく、また、照明の当たらない部分を無くすことができ、撮像した画像の全点をデータとして活用した画像処理が可能となり、移動する対象物体の形状を精度良く3次元測定できる。
【0010】
図3は本実施例の装置により投影される正弦波パターンであり、正弦波パターンの明暗方向は、外装材1の移動方向と同一方向にする。図4は本装置のカメラ6により撮像され、画像メモリ9に記憶された移動距離0、L、2L、3Lで撮像された画像、すなわち正弦波状の光強度分布の位相を0、π/2、π、3π/2とずらして撮像された画像である。
【0011】
(実施例2)
本発明の実施例2の動作を図5に示す。装置の構成は図1及び図2と同様である。図5はカメラによる撮像動作のタイミングを示しており、図中、AはCCDカメラの電子シャッタ(すなわち光電変換部と電荷蓄積部の間の電子スイッチ)が開く露光のタイミング、BはCCDカメラの電荷蓄積部から電荷転送部(すなわち電荷結合素子)への電荷読出のタイミングである。ここで、露光の間隔をTとし、正弦波状の光強度分布の位相π/2に相当する測定物体の移動距離をLとすると、本実施例では、コンベア速度V=L/Tで連続して測定物体を移動させ、4フレームの時間(=4T)で図4に示した4枚の画像データを撮像する。この撮像は、コンベア速度に同期した撮像なので、位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像が、カメラの撮像間隔Tで連続的に画像メモリに取り込める。
【0012】
本実施例では、連続で移動している測定物体に対して、位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像をリアルタイムで取り込むことができるので、外装材の製造工程において形状計測を行う場合、オフラインでなく、インライン対応の装置を実現できる。
【0013】
(実施例3)
図6は本発明の実施例3の装置を示している。本実施例では、コンベア2の移動量をエンコーダ11によりモニターしており、測定物体1が位相π/2に相当する距離Lを移動する毎にエンコーダ11によりカメラ6に露光のタイミングを決めるためのトリガを与える。図7は本実施例の動作を示しており、図中、Aはエンコーダ11からのトリガに応答した露光のタイミングを示している。図5に示した実施例2の動作では露光の間隔Tは一定であったが、実施例3では、露光の間隔はエンコーダ11から与えられるトリガ信号の間隔に応じて決まる。これにより、コンベア2の速度が正確に設定されていなくても、画像メモリには位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像を確実に取り込むことができる。このように、本実施例では、コンベア2の移動量をモニターするエンコーダ11を用いることで移動距離Lが正確に検出でき、高精度な測定が可能となる。
【0014】
(実施例4)
本発明の実施例4の動作を図8に示す。装置の構成は図1及び図2と同様である。本実施例4では、コンベアの速度が遅く、測定物体がV=L/nT(n=2,3,4,…)で連続移動している場合について、カメラの撮像間隔Tのn倍毎に撮像される画像を抽出する、つまり、複数の画像の中から位相0、π/2、π、3π/2ずらした画像のみを抽出し、他の画像は間引くことにより、コンベアの速度と撮像の間隔を合わせている。
【0015】
一般に、工場内の製造ライン速度は予め決まっている場合が多い。また、カメラの撮像間隔も一般的には1/30秒であり、予め決まっている。そのため、正弦波パターンは、コンベアの速度に対して設定しなくてはならない。実施例2のように、V=L/Tとした場合、コンベアの速度Vが遅いと、正弦波パターンの1周期(=4L)は短くなるが、CCDカメラの画素分解能の関係からCCD画面上で反射光を画素毎に分離できず、正弦波分布と見なせなくなり、計測精度が落ちることがある。また、コンベアの速度Vが速いと、正弦波パターンの1周期(=4L)は長くなるが、CCDカメラの1視野内に正弦波パターンを作成することができなくなる場合がある。
【0016】
この問題を解決するために、本実施例では、コンベアの速度が低速度の場合には、複数の画像の中から位相0、π/2、π、3π/2ずらした画像を抽出し、コンベアの速度に関係なく、正弦波パターンの周期を設定できるようにしたものである。
【0017】
(実施例5)
本発明の実施例5の動作を図9に示す。装置の構成は図1及び図2と同様である。ただし、光源はストロボ光源とし、コンベアの移動量をモニターするエンコーダ(図6参照)により発光のタイミングを決めるためのトリガを与える。図9において、Aはエンコーダからのトリガに応答したストロボ光源の発光及びCCDカメラの露光のタイミングを示している。また、BはCCDカメラの電荷読出のタイミングであるが、本実施例では、ストロボ発光直後に読み出された画像データのみを使用している。すなわち、実施例4と同様に、コンベアの速度が遅く、測定物体がV=L/nT(n=2,3,4,…)で連続移動している場合について、測定物体が位相π/2に相当する距離Lを移動する毎にエンコーダによりストロボ光源にトリガ信号を与えて、光源を発光させたタイミングで位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像を取り込むものである。
【0018】
次に、コンベアの速度が速い場合に、複数のカメラあるいは複数の照明手段を用いて、リアルタイムに位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像をメモリに取り込む実施例について説明する。
【0019】
(実施例6)
図10は本発明の実施例6の装置を示している。本実施例では測定物体1の移動方向に間隔Lで2台のカメラ6a,6bを配置し、これらのカメラ6a,6bで同時にコンベア2上を移動している測定物体1を撮像し、撮像された画像をカメラ6a,6bの順で次々に画像メモリに転送するものである。
【0020】
図11は本実施例の動作を示しており、位相0、πに相当する画像はカメラ6aで、位相π/2、3π/2に相当する画像はカメラ6bで、連続的に撮像される。1回目の撮像で得られる画像は、カメラ6aについては位相0の画像、カメラ6bについては位相π/2分移動後の画像である。実際にはカメラ6aと6bは同時に測定物体1を撮像するが、カメラ6bはカメラ6aに対して位相π/2に相当する距離Lだけずれているので、位相π/2分移動後の画像を撮像したのと同じことになる。2回目の撮像で得られる画像は、カメラ6aについては位相π分移動後の画像、カメラ6bについては位相3π/2分移動後の画像である。すなわち、1回目の撮像と2回目の撮像の間に、測定物体1は位相πに相当する距離(=2L)移動することになる。したがって、本実施例によれば、カメラ6a,6bの撮像間隔がTとすると、コンベア速度はV=2L/Tと高速化することができ、2Tの時間で画像の取り込みを完了することができる。
【0021】
(実施例7)
図12は本発明の実施例7の装置を示している。本実施例では測定物体1の移動方向とは垂直な方向に2台のカメラ6a,6bを配置し、カメラ6a,6bの同期信号を撮像間隔Tの半分の時間(=T/2)だけずらして、コンベア2上を移動している測定物体1を位相π/2に相当する距離L移動するごとに交互に撮像し、撮像された画像をカメラ6a,6bの順で次々に画像メモリに転送するものである。
【0022】
図13は本実施例の動作を示しており、位相0、πに相当する画像はカメラ6aで、位相π/2、3π/2に相当する画像はカメラ6bで、T/2の時間毎に交互に連続的に撮像される。1回目の撮像で得られる画像は、カメラ6aによる位相0の画像、2回目の撮像で得られる画像は、カメラ6bによる位相π/2分移動後の画像である。3回目の撮像で得られる画像は、カメラ6aによる位相π分移動後の画像、4回目の撮像で得られる画像は、カメラ6bによる位相3π/2分移動後の画像である。各回の撮像の間に、測定物体1は位相π/2に相当する距離Lを移動することになる。したがって、本実施例においても、コンベア速度はV=2L/Tと高速化することができ、2Tの時間で画像の取り込みを完了することができる。
【0023】
図14は本実施例のカメラ6a,6bによる撮像動作のタイミングを示しており、図中、AはCCDカメラの電子シャッタ(すなわち光電変換部と電荷蓄積部の間の電子スイッチ)が開く露光のタイミング、BはCCDカメラの電荷蓄積部から電荷転送部(すなわちCCD部分)への電荷読出のタイミングである。このタイムチャートから明らかなように、本実施例では、カメラ6aと6bは全ての動作がT/2の時間ずれている。
【0024】
(実施例8)
図15は本発明の実施例8による撮像動作のタイミングを示している。装置の構成は図12と同じであり、カメラ6aと6bにより取り込まれる画像は図13と同じである。本実施例では、カメラ6aと6bは露光のタイミングのみがT/2の時間ずれており、その他の動作については同期している。すなわち、CCDカメラは撮像間隔Tのうち、電子シャッタが開いていた瞬間の画像を電荷蓄積部に捉えており、この画像が同期信号にしたがって読み出されるものであるから、カメラ6aと6bの画像データの読み出しのタイミングが同じであっても、電子シャッタが開く露光のタイミングがT/2の時間ずれていれば、実施例7と同様の動作が実現できる。
【0025】
なお、実施例7と8では、各カメラ6a,6bの画像はカメラの光軸間隔だけずれているので、カメラ2つが対応する部分の画像だけを用いる。また、カメラ6a,6bを傾けて同一視野を撮像するときは、傾きに対して画像を補正する必要がある。
【0026】
(実施例9)
図16は本発明の実施例9の装置を示している。本実施例では、赤、緑、青の高輝度LEDを組み合わせて作った3色光を照射する光源3と、その前部に赤、緑、青の特定の光だけを通す3枚のカラーフィルタ5R,5G,5Bを配置した照明手段を有している。また、撮像手段としては、カラーカメラ6cを用いている。図17は3枚のカラーフィルタの配置を真上から見た図である。赤、緑、青の濃淡で形成された正弦波パターンの位相はπ/2ずつずれており、赤色の濃淡で形成された正弦波パターンの位相を0とすると、緑色の濃淡で形成された正弦波パターンの位相はπ/2遅れており、青色の濃淡で形成された正弦波パターンの位相はさらにπ/2遅れている。したがって、コンベア2上を移動している測定物体1をカラーカメラ6cで撮像すると、R、G、B成分の画像は、図18に示すように、赤、緑、青の順で位相がπ/2ずつずれており、位相0の画像(R成分の画像)、位相π/2分移動後の画像(G成分の画像)、位相π分移動後の画像(B成分の画像)を同時に取り込んだのと同じことになる。そして、測定物体1が位相3π/2に相当する距離(=3L)を移動した後、再び、R成分の画像を取り込めば、リアルタイムに位相を0、π/2、π、3π/2ずらした画像をメモリに取り込むことができる。また、カラーカメラ6cによる撮像間隔をTとすると、コンベア2の速度はV=3L/Tにまで高速化することができる。なお、本実施例において、光源3はLEDでなくても良く、ほぼレンズの焦点位置で点光源として、3原色成分を含む光を照射できるものであれば良い。例えば、レーザー光源であっても良い。
【0027】
(実施例10)
図19は本発明の実施例10の装置を示している。本実施例では、赤、緑、青の高輝度LEDを組み合わせて3色光を順次に照射する光源3を備え、正弦波パターンのフィルタ5にはグレイフィルタを1枚用いている。また、撮像手段にはカラーカメラ6cを用いている。コンベア2上を移動している測定物体1に赤、緑、青の光源3を間隔T/3で順次に発光させ、カラーカメラ6cで撮像し、撮像されたR、G、B成分の画像を赤、緑、青の順で次々に画像メモリに転送する。
【0028】
まず、最初に赤色の光源が発光すると、図20に示すように、位相0の画像(R成分の画像)が撮像され、次に、T/3の時間経過後に緑色の光源が発光すると、位相π/2分移動後の画像(G成分の画像)が撮像され、さらに、T/3の時間経過後に青色の光源が発光すると、位相π分移動後の画像(B成分の画像)が撮像される。この赤、緑、青の光源が順次に発光する間、カラーカメラ6cの電子シャッタは開いており、ストロボ光源3の発光時にのみR、G、B成分の電荷蓄積が行われる。そして、図21に示すように、赤、緑、青の光源の順次発光が完了すると、画像データの読み出しが行われる。その後、青色の光源の発光時からT/3の時間の経過後に再び赤色の光源が発光し、位相3π/2分移動後の画像(R成分の画像)が撮像される。
【0029】
本実施例においても、実施例9と同様に、コンベアの速度はV=3L/Tにまで高速化することができる。また、光源はLEDでなくても良く、ほぼレンズの焦点位置で点光源として、3原色光を順次に照射できるものであれば良い。例えば、レーザー光源であっても良い。
【0030】
(実施例11)
図22は本発明の実施例11の装置を示している。本実施例では、赤、緑、青、赤外のカラーフィルターの付いた4台のカメラ6a,6b,6c,6dを測定物体1の移動方向に間隔Lで配置し、赤、緑、青、赤外の高輝度LEDを組み合わせて作った4色光を同時に照射する光源3の前部に正弦波パターンのグレイフィルタ5を配置している。本実施例では、図23に示すように、位相0に相当する画像は赤成分画像、π/2に相当する画像は緑成分画像、πに相当する画像は青成分画像、3π/2に相当する画像は赤外成分画像として撮像され、位相を算出するための4枚の画像を1度に撮像できる。ただし、光源3はLEDでなくてもよく、ほぼレンズの焦点位置で点光源として、4色光を同時に照射できるものであればよい。例えば、レーザー光源であっても良い。
【0031】
(実施例12)
図24は本発明の実施例12の装置を示している。本実施例では、照明手段を測定物体1の移動方向の前後両方向に配置し、撮像手段を測定物体1の真上方向に配置したものである。外装材のような比較的溝の深い形状をもった測定物体に対する3次元形状計測では、撮像手段の死角や照明手段の死角が問題となる。つまり、照明手段からの光が溝の深い部分にまで届かない、あるいは、撮像手段による視野が溝の深い部分にまで及ばないことがある。そこで、本実施例では、撮像手段としてのカメラ6を測定物体1の真上に配置することにより、溝の深い部分まで観察できるようにすると共に、照明手段についても、測定物体1の移動方向の前後両方向に配置して溝の深い部分まで照明できるようにした。一対の光源3a,3bは交互に発光し、各光源3a,3bからの光はレンズ4a,4bにより入射角度の異なる平行光に変換され、フィルタ5a,5bにより明暗が正弦波状に変化するパターンとして測定物体1の上に投影される。測定物体1の上に投影される正弦波状のパターンは位相がπ/4ずれている。これは、一方の光源3aが発光して撮像された画像と、その後、他方の光源3bが遅れて発光して撮像された画像の位相を同じにするためである。
【0032】
図25は本実施例のカメラ6により撮像される画像を示している。まず、光源3aが発光して位相0の画像が撮像される。次に、光源3bが発光するが、このとき、図26に示すように、測定物体1は位相π/4に相当する距離だけ移動しているので、光源3bにより照射される正弦波パターンは、光源3aにより照射される正弦波パターンに比べて位相π/4に相当する距離だけずらせて照射される。これにより、光源3bの発光時にも位相0の画像が撮像される。これら光源3aと3bの発光時に撮像された画像を合成することにより、死角の無い位相0の画像が撮像される。次に、光源3aが発光して位相π/2の画像が撮像されるが、このとき、測定物体1は、前回の光源3aの発光時に対して位相π/2に相当する距離だけ移動している。次に、光源3bが発光して位相π/2の画像が撮像されるが、このとき、上述のように、測定物体1は光源3aの発光時に比べて位相π/4に相当する距離だけ移動している。これら光源3aと3bの発光時に撮像された画像を合成することにより、死角の無い位相π/2の画像が撮像される。以下、同様にして、死角の無い位相πの画像、位相3π/2の画像が撮像される。
【0033】
(実施例13)
図27は本発明の実施例13の装置を示している。本実施例では、前記実施例12の光源3aと3bに代えて、赤と青の光源3R,3Bを用いると共に、撮像手段としてカラーカメラ6cを用いたものである。また、測定物体1の上に投影される各光源3R,3Bによる2つの正弦波パターンは同一位相であり、赤と青の光源3R,3Bは連続照射とする。カラーカメラ6cでコンベア2上を移動している測定物体1を撮像し、図28に示すように、R成分の画像とB成分の画像を合成することにより、死角の無い位相0、π/2、π、3π/2の画像をメモリに取り込むものである。
【0034】
(実施例14)
図29は本発明の実施例14の装置を示している。本実施例では、撮像手段として2台のカメラ6a,6bを測定物体1の移動方向の前後両方向に配置し、照明手段を測定物体1の真上方向に配置したものである。2台のカメラ6a,6bは同時に画像を取り込み、図30に示すように、カメラ6aの画像とカメラ6bの画像を合成して、1枚の画像を得るものである。その他の構成及び動作は実施例1と同様である。
【0035】
(実施例15)
図31は本発明の実施例15の装置を示している。本実施例では、照明手段や撮像手段を死角が生じないように回転させることを可能としている。上述のように、外装材のような比較的溝の深い形状(縦目地・横目地など)を有する測定物体に対する3次元形状計測では、カメラの死角や照明の死角が問題となるので、例えば、図32(a)のように目地の方向と照明の方向が一致して死角を生じたときには、フィルタ5やカメラ6を回転させて、図32(b)のように死角が生じない測定を可能とするものである。
【0036】
(実施例16)
図33は本発明の実施例16の動作を示している。本実施例では、入射角度の変化に伴う光強度の変化を求めておき、補正することで測定精度を向上させている。位相シフト法による計測では、同一点の強度を比較する必要があるため、測定物体の移動に伴い、カメラへの入射角度が変化することで生じる光強度の変化が測定精度に影響を与える。この問題を解決するために、本実施例では、図に示すような各種の入射角度θ1〜θ4に対する光強度の変化を予め求めておき、同一点の光強度を比較する前に、入射角度に応じて光強度を補正するものである。
【0037】
(実施例17)
図34は本発明の実施例17の動作を示している。本実施例では、カメラ6とレンズ7を用いてテレセントリック光学系を構成し、カメラ6への入射角度を常に一定に保てるようにする。これにより、カメラ6への入射角度の変化を無くし、実際の位置と撮像位置の違いを解消し、測定精度を向上させるものである。
【0038】
(実施例18)
図35は本発明の実施例18の装置を示している。本実施例では、撮像されるコンベア2上の画像(図37参照)から正弦波パターン状の光強度分布よりπ/2に相当する距離Lを求め、コンベア速度V=L/Tを自動的に設定するものである。この方法により、コンベア制御が簡単になり、移動する測定物体の形状を精度良く3次元計測できる。
【0039】
(実施例19)
図36は本発明の実施例19の装置を示している。図中、フィルタ5は液晶素子よりなり、光源3及びレンズ4と共に液晶プロジェクタを構成している。図37は液晶プロジェクタにより基準面上に投影される正弦波パターンとその照射強度の分布を示している。本実施例では、コンベア速度Vを実測し、撮像されるコンベア上の画像から正弦波パターン状の光強度分布の周期4VTを求め、液晶プロジェクタに自動的に正弦波パターンの濃淡画像を設定する。この方法により、コンベア速度に対応して、移動する測定物体の形状を精度良く3次元計測できる。
【0040】
(実施例20)
図38は本発明の実施例20で形状測定の対象となる外装材の断面形状を示している。外装材のような板状物体は反ってコンベア上を搬送されてくるものが多い。そこで、本実施例では、図39に示すように、位相シフト法による高さ演算の後、全体にローパスフィルターを掛けて、反りの形状のみを演算し、この高さ成分を除去することで、実際の外装材の形状を検出する。また、外装材のような特定の意匠を有する対象物体では、その意匠の計測にも使用できる。
【0041】
(実施例21)
図40は本発明の実施例21で形状測定の対象となる外装材の断面形状を示しており、図41はその要部断面形状を示している。本実施例では、図42に示すように、位相シフト法による高さ演算の後、まず、高さが1番低くなる目地底を求め、次に目地底からの高さより目地位置を求め、目地幅を求めるものである。
【0042】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、正弦波パターンの周期から測定物体の速度が自動設定されることにより、また、請求項2の発明によれば、移動速度から正弦波パターンが自動設定されることにより、位相シフト法による3次元形状計測の操作が簡略化できる。
請求項1又は2の発明によれば、照明による死角部分が生じることなく、移動する測定物体の3次元形状を位相シフト法により精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図2】 実施例1の装置の画像処理部の概略構成図である。
【図3】 実施例1の装置により投影される正弦波パターンを示す説明図である。
【図4】 実施例1の装置の画像メモリに取り込まれた画像を示す説明図である。
【図5】 実施例2の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図6】 実施例3の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図7】 実施例3の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図8】 実施例4の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図9】 実施例5の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図10】 実施例6の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図11】 実施例6の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図12】 実施例7の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図13】 実施例7の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図14】 実施例7の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図15】 実施例8の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図16】 実施例9の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図17】 実施例9の装置に用いるカラーフィルタの配置を示す説明図である。
【図18】 実施例9の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図19】 実施例10の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図20】 実施例10の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図21】 実施例10の装置による撮像動作のタイミングを示す説明図である。
【図22】 実施例11の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図23】 実施例11の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図24】 実施例12の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図25】 実施例12の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図26】 実施例12の装置の動作説明のための斜視図である。
【図27】 実施例13の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図28】 実施例13の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図29】 実施例14の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図30】 実施例14の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図31】 実施例15の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図32】 実施例15の装置による撮像動作を示す説明図である。
【図33】 実施例16の装置の動作説明図である。
【図34】 実施例17の装置の動作説明図である。
【図35】 実施例18の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図36】 実施例19の装置の全体構成を示す斜視図である。
【図37】 実施例19の装置により基準面上に投影される正弦波パターンとその照射強度の分布を示す説明図である。
【図38】 実施例20で形状測定の対象となる外装材の断面図である。
【図39】 実施例20の動作を示す流れ図である。
【図40】 実施例21で形状測定の対象となる外装材の断面図である。
【図41】 図40の要部拡大断面図である。
【図42】 実施例21の動作を示す流れ図である。
【図43】 従来例の原理説明のための斜視図である。
【符合の説明】
1 測定物体
2 コンベア
3 光源
4 レンズ
5 フィルタ
6 カメラ
7 レンズ
8 フレームグラバ
9 画像メモリ
10 画像処理装置[0001]
[Technology to which the invention belongs]Field]
The present invention relates to an apparatus for measuring a three-dimensional shape of a moving measuring object using a phase shift method, and is particularly suitable for an application for measuring a three-dimensional shape of a plate-like object such as an exterior material with high accuracy. is there.
[0002]
[Prior art]
In the field of industrial products, when quantitatively evaluating a three-dimensional shape, a measurement method involving physical contact may cause scratches or the like due to contact, and may impair the appearance. Moreover, since it is desirable that measurement can be performed in-line during the manufacturing process, not offline or sampling, measurement without contact while moving is required. However, in a non-contact three-dimensional measuring apparatus such as an industrial product, in the light cutting method that is generally used, there is little data that is effective in a captured image for a target object that moves at high speed. Therefore, high-precision measurement cannot be performed. Therefore, in order to realize a measuring device that can measure an object moving at high speed in a non-contact and high-precision manner, an image processing device using a phase shift method that can make all points of the captured image effective data (JP-A-4-98111) has been proposed.
[0003]
A procedure for measuring a three-dimensional shape by a phase shift method using a general CCD camera will be described with reference to FIG. When the
[0004]
I = e + f · cosφ
e: DC optical noise
f: Contrast of sine wave
φ: Phase given by the unevenness of the object
The phase is changed to φ + 0, φ + π / 2, φ + π, and φ + 3π / 2 by moving the sine wave pattern, and images having intensity distributions I0, I1, I2, and I3 corresponding thereto are taken in to obtain the phase.
[0005]
α = tan-1{(I3-I1) / (I0-I2)}
Using this phase, the three-dimensional coordinates (X, Y, Z) of the point P on the measurement object are given by the following equation.
X = −sx
Y = b + s (−c−y cos φ)
Z = a + s (−d + ysinφ)
s = (− b cos θ) / u
θ = tan-1(Lα / a)
u = (− c−y cos φ) cos θ + (− d + y sin φ) sin θ
φ = tan-1(B / a)
c = am
d = bm
l: pitch of the sine wave pattern projected on the reference plane
m: Camera magnification
The three-dimensional shape for the measurement object is measured from these equations.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional apparatus using the phase shift method is only an apparatus that measures the height by moving the sine wave pattern, and there is no apparatus that moves and measures the object. Also, when the object is moving, unlike the case where the object is fixed, the moving object can create a blind spot due to a change in the incident angle, which has not occurred with conventional illumination, and the accuracy is reduced. There is. An object of the present invention is to propose a three-dimensional shape measuring apparatus capable of solving such problems, and to simplify the operation of three-dimensional shape measurement by the phase shift method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in order to solve the above problem, as shown in FIGS. 1 and 2, in an apparatus for measuring a three-dimensional shape of a moving
Illuminating means (
Imaging means for imaging the measurement object 1 (
An
And an arithmetic means 10 for obtaining a height from an image in the
Here, in order to adapt the period of the sine wave pattern and the moving speed of the
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples. FIG. 1 is a diagram showing an example of an apparatus for carrying out the present invention. The
[0009]
By using such a configuration, it is not necessary to make corrections due to changes in the incident angle of illumination at each point on the object surface due to movement, and it is possible to eliminate portions that are not illuminated, and the captured image Image processing using all points as data becomes possible, and the shape of the moving target object can be accurately measured three-dimensionally.
[0010]
FIG. 3 shows a sine wave pattern projected by the apparatus of the present embodiment. The light and dark directions of the sine wave pattern are the same as the moving direction of the
[0011]
(Example 2)
The operation of
[0012]
In this embodiment, an image whose phase is shifted by 0, π / 2, π, 3π / 2 can be captured in real time with respect to a continuously moving measuring object, so that shape measurement can be performed in the exterior material manufacturing process. In this case, it is possible to realize an inline compatible device instead of offline.
[0013]
(Example 3)
FIG. 6 shows an apparatus according to
[0014]
(Example 4)
The operation of the fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. The configuration of the apparatus is the same as that shown in FIGS. In the fourth embodiment, when the speed of the conveyor is slow and the measurement object is continuously moving at V = L / nT (n = 2, 3, 4,...), Every n times the imaging interval T of the camera. Extracting the image to be captured, that is, extracting only the images shifted by
[0015]
In general, the production line speed in a factory is often determined in advance. In addition, the imaging interval of the camera is generally 1/30 second and is determined in advance. Therefore, the sine wave pattern must be set for the speed of the conveyor. As in the second embodiment, when V = L / T, if the conveyor speed V is slow, one cycle (= 4L) of the sine wave pattern is shortened, but on the CCD screen due to the pixel resolution of the CCD camera. In this case, the reflected light cannot be separated for each pixel and cannot be regarded as a sine wave distribution. Further, when the conveyor speed V is high, one cycle (= 4L) of the sine wave pattern becomes long, but it may not be possible to create a sine wave pattern within one field of view of the CCD camera.
[0016]
In order to solve this problem, in this embodiment, when the speed of the conveyor is low, an image shifted in
[0017]
(Example 5)
The operation of the fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. The configuration of the apparatus is the same as that shown in FIGS. However, the light source is a strobe light source, and a trigger for determining the light emission timing is given by an encoder (see FIG. 6) that monitors the amount of movement of the conveyor. In FIG. 9, A shows the light emission of the strobe light source in response to the trigger from the encoder and the exposure timing of the CCD camera. B is the charge reading timing of the CCD camera. In this embodiment, only the image data read immediately after the flash emission is used. That is, as in Example 4, when the conveyor speed is slow and the measurement object is continuously moving at V = L / nT (n = 2, 3, 4,...), The measurement object is phase π / 2. Each time the distance L corresponding to is moved, a trigger signal is given to the strobe light source by the encoder, and an image whose phase is shifted by 0, π / 2, π, 3π / 2 is captured at the timing when the light source is emitted.
[0018]
Next, a description will be given of an embodiment in which, when the conveyor speed is high, an image having a phase shifted by 0, π / 2, π, 3π / 2 in real time is fetched into a memory using a plurality of cameras or a plurality of illumination means. .
[0019]
(Example 6)
FIG. 10 shows an apparatus according to
[0020]
FIG. 11 shows the operation of this embodiment. Images corresponding to
[0021]
(Example 7)
FIG. 12 shows an apparatus according to
[0022]
FIG. 13 shows the operation of this embodiment. The image corresponding to the
[0023]
FIG. 14 shows the timing of the imaging operation by the
[0024]
(Example 8)
FIG. 15 shows the timing of the imaging operation according to the eighth embodiment of the present invention. The configuration of the apparatus is the same as in FIG. 12, and the images captured by the
[0025]
In Examples 7 and 8, since the images of the
[0026]
Example 9
FIG. 16 shows an apparatus according to
[0027]
(Example 10)
FIG. 19 shows an apparatus according to
[0028]
First, when the red light source emits light, an image having a phase 0 (R component image) is captured as shown in FIG. 20. Next, when the green light source emits light after a lapse of T / 3, An image after shifting by π / 2 (image of the G component) is picked up, and further, when a blue light source emits light after a lapse of T / 3, an image after shifting by phase π (image of the B component) is picked up. The While the red, green, and blue light sources emit light sequentially, the electronic shutter of the
[0029]
Also in the present embodiment, as in the ninth embodiment, the speed of the conveyor can be increased to V = 3 L / T. Further, the light source may not be an LED, and any light source capable of sequentially irradiating three primary color lights as a point light source substantially at the focal position of the lens may be used. For example, a laser light source may be used.
[0030]
(Example 11)
FIG. 22 shows an apparatus according to
[0031]
(Example 12)
FIG. 24 shows an apparatus according to Embodiment 12 of the present invention. In this embodiment, the illumination means is arranged in both the front and rear directions of the moving direction of the
[0032]
FIG. 25 shows an image captured by the
[0033]
(Example 13)
FIG. 27 shows an apparatus according to Embodiment 13 of the present invention. In this embodiment, red and blue
[0034]
(Example 14)
FIG. 29 shows an apparatus according to Embodiment 14 of the present invention. In this embodiment, two
[0035]
(Example 15)
FIG. 31 shows an apparatus according to Embodiment 15 of the present invention. In the present embodiment, it is possible to rotate the illumination means and the imaging means so as not to cause a blind spot. As described above, in the three-dimensional shape measurement for the measurement object having a relatively deep groove shape (vertical joint, horizontal joint, etc.) such as an exterior material, the blind spot of the camera and the blind spot of illumination become a problem. When a blind spot is generated when the direction of the joint coincides with the direction of illumination as shown in FIG. 32 (a), the
[0036]
(Example 16)
FIG. 33 shows the operation of the sixteenth embodiment of the present invention. In this embodiment, the measurement accuracy is improved by obtaining and correcting the change in the light intensity accompanying the change in the incident angle. In the measurement by the phase shift method, it is necessary to compare the intensities at the same point. Therefore, the change in the light intensity caused by the change in the incident angle to the camera with the movement of the measurement object affects the measurement accuracy. In order to solve this problem, in this embodiment, the change in the light intensity with respect to various incident angles θ1 to θ4 as shown in the figure is obtained in advance, and the incident angle is set before comparing the light intensity at the same point. Accordingly, the light intensity is corrected.
[0037]
(Example 17)
FIG. 34 shows the operation of the embodiment 17 of the present invention. In the present embodiment, a telecentric optical system is configured by using the
[0038]
(Example 18)
FIG. 35 shows an apparatus according to Embodiment 18 of the present invention. In this embodiment, a distance L corresponding to π / 2 is obtained from a light intensity distribution in a sine wave pattern from an image on the
[0039]
(Example 19)
FIG. 36 shows an apparatus according to Embodiment 19 of the present invention. In the figure, a
[0040]
(Example 20)
FIG. 38 shows a cross-sectional shape of an exterior material to be subjected to shape measurement in Example 20 of the present invention. Many plate-like objects such as exterior materials are warped and conveyed on a conveyor. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 39, after the height calculation by the phase shift method, a low pass filter is applied to the whole to calculate only the shape of the warp, and by removing this height component, The actual shape of the exterior material is detected. Moreover, in the target object which has a specific design like an exterior material, it can be used also for the measurement of the design.
[0041]
(Example 21)
FIG. 40 shows a cross-sectional shape of an exterior material to be subjected to shape measurement in Example 21 of the present invention, and FIG. 41 shows a cross-sectional shape of the main part thereof. In the present embodiment, as shown in FIG. 42, after the height calculation by the phase shift method, first, the joint base where the height is the lowest is obtained, then the joint position is obtained from the height from the joint base, Find the width.
[0042]
【The invention's effect】
According to the invention of
According to the first or second aspect of the invention, the three-dimensional shape of the moving measuring object can be accurately measured by the phase shift method without causing a blind spot portion due to illumination..
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Example 1It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
[Figure 2]Example 1It is a schematic block diagram of the image processing part of the apparatus.
[Fig. 3]Example 1It is explanatory drawing which shows the sine wave pattern projected by the apparatus of.
[Fig. 4]Example 1It is explanatory drawing which shows the image taken in into the image memory of the apparatus.
[Figure 5]Example 2It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
[Fig. 6]Example 3It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
[Fig. 7]Example 3It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
[Fig. 8]Example 4It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 9Example 5It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 10Example 6It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 11Example 6It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG.Example 7It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 13Example 7It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 14Example 7It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 15Example 8It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 16Example 9It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 17Example 9It is explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the color filter used for this apparatus.
FIG. 18Example 9It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 19Example 10It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 20Example 10It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 21Example 10It is explanatory drawing which shows the timing of the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 22Example 11It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 23Example 11It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 24Example 12It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 25Example 12It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 26Example 12It is a perspective view for operation | movement description of this apparatus.
FIG. 27Example 13It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 28Example 13It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 29Example 14It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 30Example 14It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 31Example 15It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 32Example 15It is explanatory drawing which shows the imaging operation by the apparatus of.
FIG. 33Example 16It is operation | movement explanatory drawing of this apparatus.
FIG. 34Example 17It is operation | movement explanatory drawing of this apparatus.
FIG. 35Example 18It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 36Example 19It is a perspective view which shows the whole structure of this apparatus.
FIG. 37Example 19It is explanatory drawing which shows the distribution of the sine wave pattern and its irradiation intensity which are projected on a reference plane by the apparatus of FIG.
FIG. 38Example 20It is sectional drawing of the exterior material used as shape measurement object.
FIG. 39Example 20It is a flowchart which shows the operation | movement of.
FIG. 40Example 21It is sectional drawing of the exterior material used as shape measurement object.
41 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG. 40. FIG.
FIG. 42Example 21It is a flowchart which shows the operation | movement of.
FIG. 43 is a perspective view for explaining the principle of a conventional example.
[Explanation of sign]
1 Measurement object
2 Conveyor
3 Light source
4 Lens
5 Filter
6 Camera
7 Lens
8 frame grabber
9 Image memory
10 Image processing device
Claims (2)
測定物体の移動方向に所定の周期の正弦波パターン状の光強度分布を有する略平行光の照明を測定物体に上方から照射する照明手段と、
測定物体を撮像する撮像手段と、
撮像した正弦波パターン状の光強度分布から正弦波パターンの位相π/2分に相当する距離を測定する手段と、
前記測定された距離を複数又は1回の撮像間隔の間に移動するように測定物体の移動速度を自動的に設定する手段と、
測定物体が少なくとも4通りの位相に相当する距離移動する毎に撮像された画像を格納する画像メモリと、
画像メモリ内の画像から位相シフト法により高さを求める演算手段とを具備することを特徴とする3次元形状計測装置。In an apparatus for measuring the three-dimensional shape of a moving measuring object,
Illuminating means for irradiating the measurement object from above with substantially parallel light having a sine wave pattern-like light intensity distribution with a predetermined period in the moving direction of the measurement object;
Imaging means for imaging the measurement object;
Means for measuring a distance corresponding to the phase π / 2 minutes of the sine wave pattern from the imaged sine wave pattern-like light intensity distribution;
Means for automatically setting the moving speed of the measurement object so as to move the measured distance during a plurality of or one imaging interval;
An image memory for storing an image captured each time the measurement object moves a distance corresponding to at least four phases;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: an arithmetic means for obtaining a height from an image in an image memory by a phase shift method.
測定物体の移動速度を実測する手段と、
測定物体の移動方向に前記実測された移動速度に適合するように設定された所定の周期の正弦波パターン状の光強度分布を有する略平行光の照明を測定物体に上方から照射する液晶プロジェクタよりなる照明手段と、
測定物体を撮像する撮像手段と、
測定物体が少なくとも4通りの位相に相当する距離移動する毎に撮像された画像を格納する画像メモリと、
画像メモリ内の画像から位相シフト法により高さを求める演算手段とを具備することを特徴とする3次元形状計測装置。In an apparatus for measuring the three-dimensional shape of a moving measuring object,
Means for measuring the moving speed of the measurement object;
From a liquid crystal projector that irradiates the measurement object from above with a substantially parallel light having a sine wave pattern-like light intensity distribution with a predetermined period set to match the measured movement speed in the movement direction of the measurement object Lighting means,
Imaging means for imaging the measurement object;
An image memory for storing an image captured each time the measurement object moves a distance corresponding to at least four phases;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: an arithmetic means for obtaining a height from an image in an image memory by a phase shift method.
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