JP2001012911A - 物体の三次元位置形状速度の計測方法 - Google Patents
物体の三次元位置形状速度の計測方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 一つの計測点で且つ簡単で安価な装置で物体
の位置・形状・表面凹凸・移動速度等を容易に計測す
る。 【解決手段】 ＣＣＤカメラ１の前に筒体３を回転自在
に設け、同筒体にガラス製の光屈折体２をＣＣＤカメラ
１の光軸に対し傾いた状態に取付け、ＣＣＤカメラ１の
撮像素子１ａの画像上の観察点の円又はらせん状軌跡の
曲率半径と曲率中心位置をパソコンのＣＰＵ７ｂによる
コンピュータソフト処理で求め、曲率中心位置を光軸と
直交する面での位置とし、又曲率半径の逆数値から光軸
方向の距離を求め、観察点の三次元位置を計測する。又
その観察点の移動速度をコンピュータで求めて観察点の
位置・表面形状・表面凹凸・移動速度を求める。
の位置・形状・表面凹凸・移動速度等を容易に計測す
る。 【解決手段】 ＣＣＤカメラ１の前に筒体３を回転自在
に設け、同筒体にガラス製の光屈折体２をＣＣＤカメラ
１の光軸に対し傾いた状態に取付け、ＣＣＤカメラ１の
撮像素子１ａの画像上の観察点の円又はらせん状軌跡の
曲率半径と曲率中心位置をパソコンのＣＰＵ７ｂによる
コンピュータソフト処理で求め、曲率中心位置を光軸と
直交する面での位置とし、又曲率半径の逆数値から光軸
方向の距離を求め、観察点の三次元位置を計測する。又
その観察点の移動速度をコンピュータで求めて観察点の
位置・表面形状・表面凹凸・移動速度を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の位置・表面
形状・傾き・移動速度及び流体の流れの速度を三角法計
測法に基づかないで一つの位置での撮像装置でもって計
測する方法に関する。
形状・傾き・移動速度及び流体の流れの速度を三角法計
測法に基づかないで一つの位置での撮像装置でもって計
測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、点状又は表面をもつ物体の位置・
形状・傾き・表面の凹凸・それらの移動速度・回転運動
等は、二定点以上の計測点から物体を計測し、その計測
角度及び定点計測距離等から三角法に基づいて計測する
ものである。しかしながら、この計測方法は遠方の静止
物体の位置の計測方法で有効であるが移動する物体の位
置・表面形状・運動を計測するには移動する物体に視準
を合わせることが技術的に難しく、又フィードバック技
術を用いても高速追従は難しく、且つ精度が低いものと
なりがちである。又近い物体の位置・形状を計測する方
法としては不適当であった。又２箇所以上で精度のよい
計測装置を用意しなければならないので高価であった。
又図１２に示すように２台のＴＶカメラを所定の間隔離
して同一計測点を撮像して、各ＴＶカメラの画像の計測
位置の違いからその計測点の位置を計算する方法がある
が、これも２台のＴＶカメラとパソコンを必要とするの
で高価となり、一点の計測点から計測できるものでな
く、又その精度も低いものであった。
形状・傾き・表面の凹凸・それらの移動速度・回転運動
等は、二定点以上の計測点から物体を計測し、その計測
角度及び定点計測距離等から三角法に基づいて計測する
ものである。しかしながら、この計測方法は遠方の静止
物体の位置の計測方法で有効であるが移動する物体の位
置・表面形状・運動を計測するには移動する物体に視準
を合わせることが技術的に難しく、又フィードバック技
術を用いても高速追従は難しく、且つ精度が低いものと
なりがちである。又近い物体の位置・形状を計測する方
法としては不適当であった。又２箇所以上で精度のよい
計測装置を用意しなければならないので高価であった。
又図１２に示すように２台のＴＶカメラを所定の間隔離
して同一計測点を撮像して、各ＴＶカメラの画像の計測
位置の違いからその計測点の位置を計算する方法がある
が、これも２台のＴＶカメラとパソコンを必要とするの
で高価となり、一点の計測点から計測できるものでな
く、又その精度も低いものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、従来のこれらの問題点を解消し、一つの計
測点で且つ簡単で安価な装置で物体の位置・形状・表面
凹凸・移動速度等が容易に計測できる三次元計測方法を
提供することにある。
する課題は、従来のこれらの問題点を解消し、一つの計
測点で且つ簡単で安価な装置で物体の位置・形状・表面
凹凸・移動速度等が容易に計測できる三次元計測方法を
提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決した本
発明の構成は、 １） 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラの光軸に
対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を光軸に対
して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって撮像され
る物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の円又は螺
旋の半径ｒとその中心位置を計算し、その中心位置に定
数を乗じた値を光軸に直交する面の光軸を原点とする面
における物体の一点の座標Ｘ，Ｙとし、円又は螺旋の半
径ｒの反比例値に所定の定数を乗じた値を光軸に対する
遠近距離Ｚとして物体の一点の三次元位置（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を計測する三次元位置計測方法 ２） 前記１）において、撮像素子の画像上の螺旋運動
の螺旋曲率中心位置の移動速度に定数を乗じた値を光軸
に対する直角方向への点状物体の移動速度とする物体の
移動速度の計測方法 ３） 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラの光軸に
対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を光軸に対
して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって撮像され
る物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の円又は螺
旋の半径ｒを計算し、螺旋曲率半径の値の自乗の反比例
値に，半径の時間変化速度と，定数とを乗じた値を、光
軸方向への物体の移動速度とする物体の移動速度の計測
方法 ４） 前記１）によって座標Ｚを計算し、次にその座標
Ｚの時間的変化を計算して光軸方向の物体の移動速度と
する物体の移動速度の計測方法 ５） 物体の表面に光のスポットを複数投光し、各スポ
ットの三次元の位置座標を前記１）の三次元位置計測方
法で計測し、複数のスポットの座標から物体の表面の位
置・形状・傾きを求めることを特徴とする物体の三次元
位置形状計測方法 ６） 物体の表面に撮像画像上で識別できる点状マーク
を複数設け、同マークの三次元の位置座標を前記１）の
三次元位置計測方法で計測し、同複数のマークの座標か
ら物体の表面の位置・形状・傾きを求めることを特徴と
する物体の三次元位置形状計測方法 ７） 流体中にトレーサー粒子を混入し、同トレーサー
粒子を物体の一点としてその速度を前記２）〜４）いず
れかの物体の移動速度の計測方法で求め、トレーサーの
粒子の速度を流体の流れの速度とすることを特徴とする
流体速度の計測方法にある。
発明の構成は、 １） 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラの光軸に
対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を光軸に対
して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって撮像され
る物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の円又は螺
旋の半径ｒとその中心位置を計算し、その中心位置に定
数を乗じた値を光軸に直交する面の光軸を原点とする面
における物体の一点の座標Ｘ，Ｙとし、円又は螺旋の半
径ｒの反比例値に所定の定数を乗じた値を光軸に対する
遠近距離Ｚとして物体の一点の三次元位置（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を計測する三次元位置計測方法 ２） 前記１）において、撮像素子の画像上の螺旋運動
の螺旋曲率中心位置の移動速度に定数を乗じた値を光軸
に対する直角方向への点状物体の移動速度とする物体の
移動速度の計測方法 ３） 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラの光軸に
対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を光軸に対
して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって撮像され
る物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の円又は螺
旋の半径ｒを計算し、螺旋曲率半径の値の自乗の反比例
値に，半径の時間変化速度と，定数とを乗じた値を、光
軸方向への物体の移動速度とする物体の移動速度の計測
方法 ４） 前記１）によって座標Ｚを計算し、次にその座標
Ｚの時間的変化を計算して光軸方向の物体の移動速度と
する物体の移動速度の計測方法 ５） 物体の表面に光のスポットを複数投光し、各スポ
ットの三次元の位置座標を前記１）の三次元位置計測方
法で計測し、複数のスポットの座標から物体の表面の位
置・形状・傾きを求めることを特徴とする物体の三次元
位置形状計測方法 ６） 物体の表面に撮像画像上で識別できる点状マーク
を複数設け、同マークの三次元の位置座標を前記１）の
三次元位置計測方法で計測し、同複数のマークの座標か
ら物体の表面の位置・形状・傾きを求めることを特徴と
する物体の三次元位置形状計測方法 ７） 流体中にトレーサー粒子を混入し、同トレーサー
粒子を物体の一点としてその速度を前記２）〜４）いず
れかの物体の移動速度の計測方法で求め、トレーサーの
粒子の速度を流体の流れの速度とすることを特徴とする
流体速度の計測方法にある。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の物体の三次元的な位置の
計測方法は、撮像カメラの光軸に対して光屈折体を傾け
て回転させる。光軸線上の点物体は撮像素子によって光
屈折体の回転にかかわらず光軸上の円として受光され
る。次に光軸線上から離れた点物体は、光屈折体で屈折
されて入射点より離れた位置を通過して受光するが、光
屈折体が傾いて光軸まわりに回転するため、通過光は入
射光を中心として回転する光となって通過して撮像素子
で光軸から離れた中心の円として受光される。即ち、光
軸から離れた点物体からの光は、その離れた位置（Ｘ，
Ｙ）を中心に、円運動するスポットとして円として撮像
素子で計測される。そのときの撮像素子で受光される円
の半径ｒと、撮像カメラのレンズから点物体までの距離
Ｚとは略次の関係式となる。 ｒ＝ｋ／Ｚ Ｚ：撮像カメラの焦点から点物体までの距離 ｒ：撮像素子上の点物体の円軌跡の半径 ｋ：撮像カメラで定まる定数 従って、 Ｚ＝ｋ／ｒによって計算され
る。尚、撮像カメラの光学的特性撮像素子の配置・光屈
折体のバラツキ等はコンピュータ処理によって上式は適
宜補正される。従って、光軸方向に遠方のものは、半径
ｒは小さく、近いものの半径ｒは大きく、光軸方向の距
離Ｚは撮像素子の円の半径と反比例する。この撮像素子
上の点物体の円軌跡の半径ｒを計算することで光軸方向
の距離Ｚ（Ｄ）が分る。ｋの値は、基準点ＢでのＺとｒ
の実測値のキャリブレート計測値Ｄ0ｒ0からｋを求める
ことができる。 ｋ＝Ｄ0ｒ0 次に、この点物体の光軸に直交する面での光軸を原点と
する位置（Ｘ，Ｙ）は撮像素子上の円運動の中心位置
（その光軸からの距離（ｘ，ｙ））とは比例関係にあ
る。即ち Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ ｈ1，ｈ2 ：比例定数 この比例定数ｈ1，ｈ2も、点物体の基準点Ｂでの実測値
（Ｘ0，Ｙ0）と撮像素子上の位置（Ｘ0，Ｙ0）から最適
なものを求める。通常、ｈ1＝ｈ2 である。 ｈ1 ＝ Ｘ0 ／ ｘ0 ｈ2 ＝ Ｙ0 ／ ｙ0 点物体が光軸方向に移動する場合、撮像素子上の円運動
の円半径が小さくなっていく。この円半径ｒは光軸上の
位置（Ｚ）座標と一対一に対応しているのでこの円半径
ｒの時間変化から点物体の光軸方向（Ｚ方向）への移動
速度ＶZ＝ｄＺ／ｄｔが計算される。又はＺ＝ｋ／ｒの
式からその微分をとって、 光軸方向移動速度＝ｄＺ／ｄｔ ＝−１／ｒ2＊ｄｒ／ｄｔ として求めることもできる。又物体が光軸と直交する方
向への移動の場合、円の半径ｒを変えないで円の中心が
移動するように動くので曲率が変らない螺旋状となり、
螺旋状の軌跡からその螺旋状の中心（ｘ，ｙ）の決定し
て、その中心の動きを計算する。又は上限点、下限点の
移動速度でも速度計算できる。又物体が光軸に沿って近
付きながら光軸に対して直角方向にも移動するときは、
画像は螺旋半径を漸次大きくなる螺旋状になる。遠ざか
りながら直角方向にも移動するときは、螺旋半径を漸次
小さくする螺旋状となる。螺旋の中心及び螺旋半径は、
数学的手法で求めることができる。光軸方向のみ移動
し、これと直交する面では定点となるときは、同芯円の
画像となる。これらの種々の画像上の軌跡を図９に示
す。撮像素子としてはＣＣＤ撮像素子が好ましく、又、
光屈折板は所定の厚みのガラスが一般的であり、その回
転数は速い方が円の近くになって移動物体を精度よく捕
えることができる。光屈折板は撮像素子の中心まわりを
回転する円筒の先端に傾けて取付け、同円筒をモータで
ギア伝動で回転させるのが簡単な構造であって好ましい
形態である。撮像素子の画像から、円又は螺旋の半径・
中心・その変化から座標、速度の計算はコンピュータを
用いて計算するのを一般とする。移動物体の撮像のと
き、光屈折体を高速的回転させ、一定時間ピッチで画像
を取り込めば、螺旋状が円の群となって計測し易くな
る。
計測方法は、撮像カメラの光軸に対して光屈折体を傾け
て回転させる。光軸線上の点物体は撮像素子によって光
屈折体の回転にかかわらず光軸上の円として受光され
る。次に光軸線上から離れた点物体は、光屈折体で屈折
されて入射点より離れた位置を通過して受光するが、光
屈折体が傾いて光軸まわりに回転するため、通過光は入
射光を中心として回転する光となって通過して撮像素子
で光軸から離れた中心の円として受光される。即ち、光
軸から離れた点物体からの光は、その離れた位置（Ｘ，
Ｙ）を中心に、円運動するスポットとして円として撮像
素子で計測される。そのときの撮像素子で受光される円
の半径ｒと、撮像カメラのレンズから点物体までの距離
Ｚとは略次の関係式となる。 ｒ＝ｋ／Ｚ Ｚ：撮像カメラの焦点から点物体までの距離 ｒ：撮像素子上の点物体の円軌跡の半径 ｋ：撮像カメラで定まる定数 従って、 Ｚ＝ｋ／ｒによって計算され
る。尚、撮像カメラの光学的特性撮像素子の配置・光屈
折体のバラツキ等はコンピュータ処理によって上式は適
宜補正される。従って、光軸方向に遠方のものは、半径
ｒは小さく、近いものの半径ｒは大きく、光軸方向の距
離Ｚは撮像素子の円の半径と反比例する。この撮像素子
上の点物体の円軌跡の半径ｒを計算することで光軸方向
の距離Ｚ（Ｄ）が分る。ｋの値は、基準点ＢでのＺとｒ
の実測値のキャリブレート計測値Ｄ0ｒ0からｋを求める
ことができる。 ｋ＝Ｄ0ｒ0 次に、この点物体の光軸に直交する面での光軸を原点と
する位置（Ｘ，Ｙ）は撮像素子上の円運動の中心位置
（その光軸からの距離（ｘ，ｙ））とは比例関係にあ
る。即ち Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ ｈ1，ｈ2 ：比例定数 この比例定数ｈ1，ｈ2も、点物体の基準点Ｂでの実測値
（Ｘ0，Ｙ0）と撮像素子上の位置（Ｘ0，Ｙ0）から最適
なものを求める。通常、ｈ1＝ｈ2 である。 ｈ1 ＝ Ｘ0 ／ ｘ0 ｈ2 ＝ Ｙ0 ／ ｙ0 点物体が光軸方向に移動する場合、撮像素子上の円運動
の円半径が小さくなっていく。この円半径ｒは光軸上の
位置（Ｚ）座標と一対一に対応しているのでこの円半径
ｒの時間変化から点物体の光軸方向（Ｚ方向）への移動
速度ＶZ＝ｄＺ／ｄｔが計算される。又はＺ＝ｋ／ｒの
式からその微分をとって、 光軸方向移動速度＝ｄＺ／ｄｔ ＝−１／ｒ2＊ｄｒ／ｄｔ として求めることもできる。又物体が光軸と直交する方
向への移動の場合、円の半径ｒを変えないで円の中心が
移動するように動くので曲率が変らない螺旋状となり、
螺旋状の軌跡からその螺旋状の中心（ｘ，ｙ）の決定し
て、その中心の動きを計算する。又は上限点、下限点の
移動速度でも速度計算できる。又物体が光軸に沿って近
付きながら光軸に対して直角方向にも移動するときは、
画像は螺旋半径を漸次大きくなる螺旋状になる。遠ざか
りながら直角方向にも移動するときは、螺旋半径を漸次
小さくする螺旋状となる。螺旋の中心及び螺旋半径は、
数学的手法で求めることができる。光軸方向のみ移動
し、これと直交する面では定点となるときは、同芯円の
画像となる。これらの種々の画像上の軌跡を図９に示
す。撮像素子としてはＣＣＤ撮像素子が好ましく、又、
光屈折板は所定の厚みのガラスが一般的であり、その回
転数は速い方が円の近くになって移動物体を精度よく捕
えることができる。光屈折板は撮像素子の中心まわりを
回転する円筒の先端に傾けて取付け、同円筒をモータで
ギア伝動で回転させるのが簡単な構造であって好ましい
形態である。撮像素子の画像から、円又は螺旋の半径・
中心・その変化から座標、速度の計算はコンピュータを
用いて計算するのを一般とする。移動物体の撮像のと
き、光屈折体を高速的回転させ、一定時間ピッチで画像
を取り込めば、螺旋状が円の群となって計測し易くな
る。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、実施例の３次元計測装置を示す説明図で
ある。図２は、実施例の距離計測を示す説明図である。
図３は、実施例の撮像素子に撮像された画像図である。
図４は、実施例のＺとｒの関係式の説明図である。図５
は、遠近差のある二つの物体に多数のマークを付した状
態を示す説明図である。図６は、図５の二つの物体のマ
ークの撮像素子に撮像された画像図である。図７は、実
施例の３次元計測装置の計算処理部のフローチャートで
ある。図８は、画像上円軌跡から円の中心位置を求める
説明図である。図９は、画像上の種々の軌跡例を示す説
明図である。図１０は、本発明の物体に光のスポットを
複数投射しての３次物体の表面計測の実施例を示す説明
図である。図１１は、トレーサー粒子を用いて流体の流
れの速度を求める方法の説明図である。図１２は、従来
の２台のＴＶカメラを用いて位置を求める装置の説明図
である。図１３は、本実施例の誤差と図１２に示す従来
装置による誤差の比較図である。図中、１はＣＣＤカメ
ラ、１ａは同ＣＣＤカメラの撮像素子、１ｂは撮像処理
部、２はガラス製の光軸に対して３０度傾いた光屈折
体、３は同光屈折体を保持する光軸を中心として回転す
る筒体、４は同筒体の外周に固設したリングギア、５は
同リングギアと噛合したギア、６はギア５を回転させる
モータ、６ａはモーターコントローラ、７はＣＣＤカメ
ラの画像信号をコンピュータ処理するパソコン、７ａは
インターフェース、７ｂはＣＰＵ、７ｃはソフト及びデ
ータを記憶したＲＯＭ、７ｄはＲＡＭ、７ｅはＦＤＤ、
７ｆはＣＲＴ、７ｇはＨＤＤ、７ｈはキーボード、８は
水槽、９はトレーサー粒子Ｔを照す照明器である。ｃは
光軸、ＡはＣＣＤカメラ１の焦点位置、Ｂは基準点、Ｐ
は計測点、Ｍ１，Ｍ２は表面が広い物体、Ｓはレーザー
パターン発生器Ｒで投光された物体Ｍの表面の光スポッ
ト、Ｅは表面にインクで付したマーク、Ｔはトレーサー
粒子、ｒは撮像素子１ａ上の円又は螺旋の半径、Ｚ，Ｄ
は焦点位置Ａから計測点Ｐ又は光スポットＳ、トレーサ
ー粒子Ｔまでの距離（光軸Ｃ方向の距離）、ｋは計測す
る装置の機械定数、ｈ1 ，ｈ2 は定数である。この実施
例の３次元計測装置を用いて、ＣＣＤカメラ１の撮像素
子１ａの各画素の信号をパソコン７へ取り込んで作成さ
れた画像（メモリー上の画像）における点物体の円の半
径ｒ、とその光軸中心を原点とする画像上の面の座標
（ｘ，ｙ）と、実際の光軸方向の実距離Ｚと、その光軸
と直交する面での実寸の実座標（Ｘ，Ｙ）と関係は、前
記したように Ｚ＝ｋ／ｒ Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ となる。この定数ｋ，ｈ1，ｈ2を決めるには、モータ６
を作動させて光屈折体２を回転させながら、距離Ｚ０，
Ｘ０，Ｙ０が正確に測定されたキャリブレーションの基
準点Ｂの点物体をＣＣＤカメラ１で撮像してパソコン７
にその信号を入力し、ＲＯＭ７ｃに記憶した円の曲率半
径・その中心を求める計算ソフトをＣＰＵ７ｂで作動さ
せ、キャリブレーションの基準点Ｂの画像上の座標
（ｘ，ｙ，ｚ）における値半径ｒ0，中心（ｘ0，ｙ0，
ｚ0）を求める。次に上式に代入して、 ｋ ＝Ｚ0ｒ0 ｈ1＝Ｘ0／ｘ0 ｈ2＝Ｙ0／ｙ0 としてｋ，ｈ1，ｈ2のこの装置、コンピュータ上の系の
定数ｋ，ｈ1，ｈ2を決定する。このｋ，ｈ1，ｈ2はＲＡ
Ｍ７ｄ又はＲＯＭ７ｃ，ＦＤＤ７ｅ，ＨＤＤ７ｇに記憶
される。その後、計測対象となっている点物体Ｐ、又は
物体の表面の光のスポットＳ、又はマークＥを撮像す
る。そして撮像素子１ａの信号のパソコン７処理の画像
上の点物体の円又は螺旋の曲率中心（ｘ，ｙ）と、その
曲率半径ｒをソフトでもって求める。その後、下式によ
ってソフト計算でその点物体（計測点）の位置座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求める。 Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ Ｚ＝ｋ／ｒ これから分かるように、画像をＣＲＴ７ｆで見たとき、
円の半径が小さいものは遠方のものであり、又半径が大
きいものは近いものであることを意味し、又その位置は
その円の中心をもって分かるようにできる。次に、計測
点Ｐが運動するときの計測について説明する。計測点Ｐ
が光軸Ｃに対して直交する面内で移動するときは、半径
ｒは一定であり、その中心（ｘ，ｙ）が移動するのみと
なるので画像は、曲率が同じ螺旋状となる。図９の
（ｂ）の様になる。このときの計測点Ｐの移動速度（Ｖ
X，ＶY）は、座標中心（ｘ，ｙ）の画像上の移動速度ｖ
x，ｖyを計算して、これに定数ｈ1，ｈ2を乗じたものと
なる。 ＶX＝ｄＸ／ｄｔ＝ｈ1ｄｘ／ｄｔ＝ｈ1ｖx 又計測点Ｐの光軸方向に位置Ｚの移動速度Ｖzは、 ＶY＝ｄＹ／ｄｔ＝ｈ2ｄｙ／ｄｔ＝ｈ2ｖy Ｖz＝ｄＺ／ｄｔ 又は ＶZ＝ｄ（ｋ／ｒ）／ｄｔ＝ｋ／ｒ2＊ｄｒ／ｄｔ＝−ｋ
／ｒ2＊ｖr ｖr＝ｄｒ／ｄｔ によって計算される。これから分かるように、光軸方向
の速度ＶZ は円・螺旋の曲率半径ｒの時間変化ｄｒ／ｄ
ｔ＝ｖr に比例し、又同じ光軸方向の速度では、遠方程
半径の変化が小さく、近い程半径変化は大きく表示され
る。本実施例における半径ｒ，中心（ｘ，ｙ）の求め方
は、画像上の円・螺旋状軌跡を数学的手法・統計的手法
でもって解析して、ソフト的に求めることができる。例
えば、円の中心の求め方としては図８に示すように、画
像上の円軌跡に沿って法線を複数作ってその交点が最も
多い所又は交点の平均値を中心（ｘ，ｙ）とするコンピ
ュータ計算方法は一例である。又は光屈折板を高速で回
転させて間欠的に撮像すれば画像は円の群となり、静止
物体の計測点の円・中心の求め方と同様な計算で求める
ことができる。次に表面をもつ物体の位置・形状は、図
１０に示すように物体表面にレーザーパターン発生器Ｒ
でレーザー光のスポットＳを投光し、そのスポットＳを
計測点として上記の方法で計測すればその位置が分か
り、そのスポットの位置から物体の表面形状、外形状を
分かる。動いている物体のときは、前記の実施例のよう
にレーザー光のスポットＳでなく物体表面に付着したイ
ンク・染料・塗料等でマークＥを付し、それを時間的に
撮像して上記の方法で各マーク位置・移動速度を計算し
て、物体の移動・回転を調べる。流体の流れを計測する
場合、流体とともに動くトレーサー粒子Ｔを流体内に流
して、各トレーサー粒子Ｔを照明器９で鮮明にして各ト
レーサー粒子Ｔを計測点として、その位置・移動速度を
上記の方法で計測すればトレーサー粒子Ｔの移動軌跡か
ら流体の流れの方向・速度が３次元的に計測できる。又
前記の通り、光屈折体を高速で回転させ、間欠的に撮像
して円群にして計算する方法を採用してもよい。
する。図１は、実施例の３次元計測装置を示す説明図で
ある。図２は、実施例の距離計測を示す説明図である。
図３は、実施例の撮像素子に撮像された画像図である。
図４は、実施例のＺとｒの関係式の説明図である。図５
は、遠近差のある二つの物体に多数のマークを付した状
態を示す説明図である。図６は、図５の二つの物体のマ
ークの撮像素子に撮像された画像図である。図７は、実
施例の３次元計測装置の計算処理部のフローチャートで
ある。図８は、画像上円軌跡から円の中心位置を求める
説明図である。図９は、画像上の種々の軌跡例を示す説
明図である。図１０は、本発明の物体に光のスポットを
複数投射しての３次物体の表面計測の実施例を示す説明
図である。図１１は、トレーサー粒子を用いて流体の流
れの速度を求める方法の説明図である。図１２は、従来
の２台のＴＶカメラを用いて位置を求める装置の説明図
である。図１３は、本実施例の誤差と図１２に示す従来
装置による誤差の比較図である。図中、１はＣＣＤカメ
ラ、１ａは同ＣＣＤカメラの撮像素子、１ｂは撮像処理
部、２はガラス製の光軸に対して３０度傾いた光屈折
体、３は同光屈折体を保持する光軸を中心として回転す
る筒体、４は同筒体の外周に固設したリングギア、５は
同リングギアと噛合したギア、６はギア５を回転させる
モータ、６ａはモーターコントローラ、７はＣＣＤカメ
ラの画像信号をコンピュータ処理するパソコン、７ａは
インターフェース、７ｂはＣＰＵ、７ｃはソフト及びデ
ータを記憶したＲＯＭ、７ｄはＲＡＭ、７ｅはＦＤＤ、
７ｆはＣＲＴ、７ｇはＨＤＤ、７ｈはキーボード、８は
水槽、９はトレーサー粒子Ｔを照す照明器である。ｃは
光軸、ＡはＣＣＤカメラ１の焦点位置、Ｂは基準点、Ｐ
は計測点、Ｍ１，Ｍ２は表面が広い物体、Ｓはレーザー
パターン発生器Ｒで投光された物体Ｍの表面の光スポッ
ト、Ｅは表面にインクで付したマーク、Ｔはトレーサー
粒子、ｒは撮像素子１ａ上の円又は螺旋の半径、Ｚ，Ｄ
は焦点位置Ａから計測点Ｐ又は光スポットＳ、トレーサ
ー粒子Ｔまでの距離（光軸Ｃ方向の距離）、ｋは計測す
る装置の機械定数、ｈ1 ，ｈ2 は定数である。この実施
例の３次元計測装置を用いて、ＣＣＤカメラ１の撮像素
子１ａの各画素の信号をパソコン７へ取り込んで作成さ
れた画像（メモリー上の画像）における点物体の円の半
径ｒ、とその光軸中心を原点とする画像上の面の座標
（ｘ，ｙ）と、実際の光軸方向の実距離Ｚと、その光軸
と直交する面での実寸の実座標（Ｘ，Ｙ）と関係は、前
記したように Ｚ＝ｋ／ｒ Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ となる。この定数ｋ，ｈ1，ｈ2を決めるには、モータ６
を作動させて光屈折体２を回転させながら、距離Ｚ０，
Ｘ０，Ｙ０が正確に測定されたキャリブレーションの基
準点Ｂの点物体をＣＣＤカメラ１で撮像してパソコン７
にその信号を入力し、ＲＯＭ７ｃに記憶した円の曲率半
径・その中心を求める計算ソフトをＣＰＵ７ｂで作動さ
せ、キャリブレーションの基準点Ｂの画像上の座標
（ｘ，ｙ，ｚ）における値半径ｒ0，中心（ｘ0，ｙ0，
ｚ0）を求める。次に上式に代入して、 ｋ ＝Ｚ0ｒ0 ｈ1＝Ｘ0／ｘ0 ｈ2＝Ｙ0／ｙ0 としてｋ，ｈ1，ｈ2のこの装置、コンピュータ上の系の
定数ｋ，ｈ1，ｈ2を決定する。このｋ，ｈ1，ｈ2はＲＡ
Ｍ７ｄ又はＲＯＭ７ｃ，ＦＤＤ７ｅ，ＨＤＤ７ｇに記憶
される。その後、計測対象となっている点物体Ｐ、又は
物体の表面の光のスポットＳ、又はマークＥを撮像す
る。そして撮像素子１ａの信号のパソコン７処理の画像
上の点物体の円又は螺旋の曲率中心（ｘ，ｙ）と、その
曲率半径ｒをソフトでもって求める。その後、下式によ
ってソフト計算でその点物体（計測点）の位置座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求める。 Ｘ＝ｈ1ｘ Ｙ＝ｈ2ｙ Ｚ＝ｋ／ｒ これから分かるように、画像をＣＲＴ７ｆで見たとき、
円の半径が小さいものは遠方のものであり、又半径が大
きいものは近いものであることを意味し、又その位置は
その円の中心をもって分かるようにできる。次に、計測
点Ｐが運動するときの計測について説明する。計測点Ｐ
が光軸Ｃに対して直交する面内で移動するときは、半径
ｒは一定であり、その中心（ｘ，ｙ）が移動するのみと
なるので画像は、曲率が同じ螺旋状となる。図９の
（ｂ）の様になる。このときの計測点Ｐの移動速度（Ｖ
X，ＶY）は、座標中心（ｘ，ｙ）の画像上の移動速度ｖ
x，ｖyを計算して、これに定数ｈ1，ｈ2を乗じたものと
なる。 ＶX＝ｄＸ／ｄｔ＝ｈ1ｄｘ／ｄｔ＝ｈ1ｖx 又計測点Ｐの光軸方向に位置Ｚの移動速度Ｖzは、 ＶY＝ｄＹ／ｄｔ＝ｈ2ｄｙ／ｄｔ＝ｈ2ｖy Ｖz＝ｄＺ／ｄｔ 又は ＶZ＝ｄ（ｋ／ｒ）／ｄｔ＝ｋ／ｒ2＊ｄｒ／ｄｔ＝−ｋ
／ｒ2＊ｖr ｖr＝ｄｒ／ｄｔ によって計算される。これから分かるように、光軸方向
の速度ＶZ は円・螺旋の曲率半径ｒの時間変化ｄｒ／ｄ
ｔ＝ｖr に比例し、又同じ光軸方向の速度では、遠方程
半径の変化が小さく、近い程半径変化は大きく表示され
る。本実施例における半径ｒ，中心（ｘ，ｙ）の求め方
は、画像上の円・螺旋状軌跡を数学的手法・統計的手法
でもって解析して、ソフト的に求めることができる。例
えば、円の中心の求め方としては図８に示すように、画
像上の円軌跡に沿って法線を複数作ってその交点が最も
多い所又は交点の平均値を中心（ｘ，ｙ）とするコンピ
ュータ計算方法は一例である。又は光屈折板を高速で回
転させて間欠的に撮像すれば画像は円の群となり、静止
物体の計測点の円・中心の求め方と同様な計算で求める
ことができる。次に表面をもつ物体の位置・形状は、図
１０に示すように物体表面にレーザーパターン発生器Ｒ
でレーザー光のスポットＳを投光し、そのスポットＳを
計測点として上記の方法で計測すればその位置が分か
り、そのスポットの位置から物体の表面形状、外形状を
分かる。動いている物体のときは、前記の実施例のよう
にレーザー光のスポットＳでなく物体表面に付着したイ
ンク・染料・塗料等でマークＥを付し、それを時間的に
撮像して上記の方法で各マーク位置・移動速度を計算し
て、物体の移動・回転を調べる。流体の流れを計測する
場合、流体とともに動くトレーサー粒子Ｔを流体内に流
して、各トレーサー粒子Ｔを照明器９で鮮明にして各ト
レーサー粒子Ｔを計測点として、その位置・移動速度を
上記の方法で計測すればトレーサー粒子Ｔの移動軌跡か
ら流体の流れの方向・速度が３次元的に計測できる。又
前記の通り、光屈折体を高速で回転させ、間欠的に撮像
して円群にして計算する方法を採用してもよい。
【０００７】
【発明の効果】以上の様に、本発明によれば一個所の撮
像によって、その物体の位置・形状及び移動・回転の運
動を簡単な構造で安価に計測できる。しかも単純な処理
の為高速に移動しているものも容易に計測できる。又流
体の流れ方向・流速も、トレーサー粒子を混入すること
で本発明で容易に計測できる。
像によって、その物体の位置・形状及び移動・回転の運
動を簡単な構造で安価に計測できる。しかも単純な処理
の為高速に移動しているものも容易に計測できる。又流
体の流れ方向・流速も、トレーサー粒子を混入すること
で本発明で容易に計測できる。
【図１】実施例の３次元計測装置を示す説明図である。
【図２】実施例の距離計測を示す説明図である。
【図３】実施例の撮像素子に撮像された画像図である。
【図４】実施例のＺとｒの関係式の説明図である。
【図５】遠近差のある二つの物体に多数のマークを付し
た状態を示す説明図である。
た状態を示す説明図である。
【図６】図５の二つの物体のマークの撮像素子に撮像さ
れた画像図である。
れた画像図である。
【図７】実施例の３次元計測装置の計算処理部のフロー
チャートである。
チャートである。
【図８】画像上円軌跡から円の中心位置を求める説明図
である。
である。
【図９】画像上の種々の軌跡例を示す説明図である。
【図１０】本発明の物体に光のスポットを複数投射して
の３次物体の表面計測の実施例を示す説明図である。
の３次物体の表面計測の実施例を示す説明図である。
【図１１】トレーサー粒子を用いて流体の流れの速度を
求める方法の説明図である。
求める方法の説明図である。
【図１２】従来の２台のＴＶカメラを用いて位置を求め
る装置の説明図である。
る装置の説明図である。
【図１３】本実施例の誤差と図１２に示す従来装置によ
る誤差の比較図である。
る誤差の比較図である。
１ ＣＣＤカメラ １ａ 撮像素子 １ｂ 撮像処理部 ２ 光屈折体 ３ 筒体 ４ リングギア ５ ギア ６ モータ ７ パソコン ７ａ インターフェース ７ｂ ＣＰＵ ７ｃ ＲＯＭ ７ｄ ＲＡＭ ７ｅ ＦＤＤ ７ｆ ＣＲＴ ７ｇ ＨＤＤ ７ｈ キーボード ８ 水槽 ９ 照明器 Ａ 焦点位置 Ｂ 基準点 Ｃ 光軸 Ｅ マーク Ｒ レーザーパターン発生器 Ｓ 光スポット Ｐ 計測点 Ｍ１，Ｍ２ 物体 Ｔ トレーサー粒子
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA04 AA09 AA37 AA51 BB27 BB29 CC00 DD00 FF04 FF09 FF43 JJ03 JJ26 KK00 QQ00 QQ13 QQ23 QQ26 QQ28 QQ41 QQ42
Claims (7)
- 【請求項１】 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラ
の光軸に対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を
光軸に対して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって
撮像される物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の
円又は螺旋の半径ｒとその中心位置を計算し、その中心
位置に定数を乗じた値を光軸に直交する面の光軸を原点
とする面における物体の一点の座標Ｘ，Ｙとし、円又は
螺旋の半径ｒの反比例値に所定の定数を乗じた値を光軸
に対する遠近距離Ｚとして物体の一点の三次元位置
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測する三次元位置計測方法。 - 【請求項２】 請求項１において、撮像素子の画像上の
螺旋運動の螺旋曲率中心位置の移動速度に定数を乗じた
値を光軸に対する直角方向への点状物体の移動速度とす
る物体の移動速度の計測方法。 - 【請求項３】 撮像カメラの前に光屈折体を撮像カメラ
の光軸に対して傾けて配置するとともに、同光屈折体を
光軸に対して回転させ、撮像カメラの撮像素子によって
撮像される物体の一点の画像上の円運動又は螺旋運動の
円又は螺旋の半径ｒを計算し、螺旋曲率半径の値の自乗
の反比例値に，半径の時間変化速度と，定数とを乗じた
値を、光軸方向への物体の移動速度とする物体の移動速
度の計測方法。 - 【請求項４】 請求項１によって座標Ｚを計算し、次に
その座標Ｚの時間的変化を計算して光軸方向の物体の移
動速度とする物体の移動速度の計測方法。 - 【請求項５】 物体の表面に光のスポットを複数投光
し、各スポットの三次元の位置座標を請求項１の三次元
位置計測方法で計測し、複数のスポットの座標から物体
の表面の位置・形状・傾きを求めることを特徴とする物
体の三次元位置形状計測方法。 - 【請求項６】 物体の表面に撮像画像上で識別できる点
状マークを複数設け、同マークの三次元の位置座標を請
求項１の三次元位置計測方法で計測し、同複数のマーク
の座標から物体の表面の位置・形状・傾きを求めること
を特徴とする物体の三次元位置形状計測方法。 - 【請求項７】 流体中にトレーサー粒子を混入し、同ト
レーサー粒子を物体の一点としてその速度を請求項２〜
４いずれかの物体の移動速度の計測方法で求め、トレー
サーの粒子の速度を流体の流れの速度とすることを特徴
とする流体速度の計測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11183834A JP2001012911A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 物体の三次元位置形状速度の計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11183834A JP2001012911A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 物体の三次元位置形状速度の計測方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001012911A true JP2001012911A (ja) | 2001-01-19 |
Family
ID=16142664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11183834A Pending JP2001012911A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 物体の三次元位置形状速度の計測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001012911A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005036097A1 (ja) * | 2003-10-14 | 2005-04-21 | Japan Science And Technology Agency | 三次元計測装置及び三次元計測方法 |
| JP2006220425A (ja) * | 2005-02-08 | 2006-08-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | プリント基板外観検査装置及びプリント基板外観検査方法 |
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| CN103994735A (zh) * | 2013-02-19 | 2014-08-20 | 精工电子有限公司 | 同心度测定装置、套管分类装置和同心度测定方法 |
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-
1999
- 1999-06-29 JP JP11183834A patent/JP2001012911A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114754700B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-08-18 | 江苏立晶工业科技有限公司 | 一种挡风玻璃的曲率检测方法和装置 |
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