JP2002107128A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、被測定物の３次元形状を光切断
法によって測定した際に、被測定物の特定の部位の位置
をも検出することが可能となる部位特定用マーカを提供
することを目的とする。 【解決手段】 被測定物に対してスリット光を投影し被
測定物に投影されたスリット光を撮像素子で観察するこ
とにより被測定物の形状を測定し、測定結果を、撮像素
子で観察されたスリット光の輝度に応じて色を変えて曲
線で表示するといった形状測定を行なう際に、被測定物
の所定の部位の位置を検出する目的で被測定物の所定の
部位に貼られる部位特定用マーカにおいて、シート状で
あり、中央部の外側面にスリット光を反射する色が塗ら
れており、中央部の周囲の外側面にスリット光を吸収す
る色が塗られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被測定物に対し
てスリット光を投影し被測定物に投影されたスリット光
を撮像素子で観察することにより被測定物の形状を測定
し、測定結果を、撮像素子で観察されたスリット光の輝
度に応じて色を変えて曲線で表示するといった形状測定
を行なう際に、被測定物の所定の部位の位置を検出する
目的で被測定物の所定の部位に貼られる部位特定用マー
カに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、靴のサイズは通常かかとから指
先までの長さで表現されるが、人の足形状は、長さだけ
でなく、甲の高さ、足の幅など、個人により様々であ
る。一人一人の足の形状に応じた靴を作ろうとする場
合、足の３次元形状を測定することが必要となるが、現
状では、メジャーを使って足長、足幅、足位（足周り）
等の限られた部位の大きさを測定するにとどまってい
る。

【０００３】一方、被測定物に対してスリット光を投影
し被測定物に投影されたスリット光を撮像素子で観察す
ることにより被測定物の形状を測定するといった、光切
断法によって、被測定物の３次元形状を測定する形状測
定装置が知られている。

【０００４】ところで、足形状に応じた靴を製造する際
には、アーチ高、足の甲位置等を測定する必要がある。

【０００５】アーチ高は、たとえば、足が置かれた床面
から舟状骨（Navicular) までの高さとして計測され
る。足の甲位置は、たとえば、足が置かれた床面から第
１楔状骨（Cuneiform)までの高さとして計測される。

【０００６】したがって、アーチ高、足の甲位置等を計
測するためには、舟状骨、第１楔状骨等の位置を測定す
る必要がある。しかしながら、舟状骨、第１楔状骨等の
位置は、触覚によって認識できるものであるため、足の
３次元形状の測定結果からこれらの位置を特定すること
はできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、被測定物
の３次元形状を光切断法によって測定した際に、被測定
物の特定の部位の位置をも検出することが可能となる部
位特定用マーカを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明による部位特定
用マーカは、被測定物に対してスリット光を投影し被測
定物に投影されたスリット光を撮像素子で観察すること
により被測定物の形状を測定し、測定結果を、撮像素子
で観察されたスリット光の輝度に応じて色を変えて曲線
で表示するといった形状測定を行なう際に、被測定物の
所定の部位の位置を検出する目的で被測定物の所定の部
位に貼られる部位特定用マーカにおいて、シート状であ
り、中央部の外側面にスリット光を反射する色が塗られ
ており、中央部の周囲の外側面にスリット光を吸収する
色が塗られていることを特徴とする。なお、「撮像素子
で観察されたスリット光の輝度に応じて色を変えて曲線
で表示する」における「曲線」は実際は点群によって形
成される。

【０００９】部位特定用マーカの中央部の中心位置に孔
を形成することが好ましい。あるいは、部位特定用マー
カの中央部の中心位置に突起を形成してもよい。あるい
は、部位特定用マーカの中央部の中心位置に突起部材を
固着してもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。

【００１１】〔Ａ〕形状測定装置についての説明

【００１２】〔Ａ−１〕 形状測定装置の概略構成の説
明

【００１３】図１は、形状測定装置の概略構成を示して
いる。

【００１４】測定台２０１には、長円形状のガイドレー
ル２０４が固定されており、そのガイドレール２０４で
囲まれる領域に被測定物としての足１００が載せられて
いる。また、台２０１には、台２０１に対して脱着可能
な支柱２０２が取り付けられており、その上部には、水
平バー２０３が取り付けられている。

【００１５】形状測定装置は、測定者によってガイドレ
ール２０４上を移動せしめられる測定ヘッド１０と、水
平バー２０３の両端部に取り付けられたステレオカメラ
２１、２２と、それらの制御、各種演算等を行うパーソ
ナルコンピュータからなる制御装置３０とを備えてい
る。各ステレオカメラ２１、２２の撮像レンズには、図
２に示す測定ヘッドマーカ１４が放つ光の周波数帯を選
択的に透過するバンドパスフィルタ２３が取り付けられ
ている。

【００１６】〔Ａ−２〕測定ヘッドの概略構成の説明

【００１７】図２は、測定ヘッド１０の概略構成を示し
ている。

【００１８】測定ヘッド１０は、直方体状で前方開口の
ケーシング１１と、ケーシング１１内に収納された１台
のＣＣＤカメラ１２及びスリット光源１３と、ケーシン
グ１１の上面に設けられた６つのＬＥＤ光源１４ａ〜１
４ｆからなる測定ヘッドマーカ１４とを備えている。ス
リット光源１３としては、半導体レーザが用いられてい
る。

【００１９】測定ヘッドマーカ１４を構成する６つのＬ
ＥＤ光源１４ａ〜１４ｆは、測定ヘッド１０の方向を特
定するために、点対称な配置とせず、測定ヘッド１０の
中心線に対し線対称な配置となっている。ここでは、ケ
ーシング１１の上面にＬＥＤ光源１１ｂ、１１ｃ、１１
ｄ、１１ｅ、１１ｆの５点が長方形をなすように配置さ
れ、それら５点の重心にＬＥＤ光源１１ａが配置され
る。

【００２０】なお、３次元空間中での測定ヘッド１０の
位置及び方向を測定するためには、測定ヘッドマーカと
して少なくとも３個のＬＥＤ光源があれば十分である
が、４個以上のＬＥＤ光源を用いることにより、測定ヘ
ッド１０の位置及び方向の測定精度が最小２乗的に向上
する。

【００２１】測定ヘッド１０は、図示しない支持機構に
よって、ガイドレール２０４に沿って移動可能に取り付
けられている。また、測定ヘッド１０は、ガイドレール
２０４上における所定位置を基準とした測定ヘッド１０
の位置を検出するためのエンコーダ１６を備えている。
エンコーダ１６の出力は、制御装置３０に入力される。

【００２２】〔Ａ−３〕形状測定装置の測定原理の説明

【００２３】図３は、形状測定装置の測定原理を示して
いる。

【００２４】測定者によってガイドレール２０４上を移
動せしめられる測定ヘッド１０を用いてある測定点Ａの
座標を測定する。測定された座標を測定ヘッド中心の座
標系（以下、カメラ座標系という）における座標（Ｘ
ｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）で表す。この座標系は、測定ヘッド１
０の移動とともに移動する座標系である。

【００２５】一方、被測定物１００の形状は、固定した
座標系で表され、この座標系をワールド座標と呼ぶ。測
定ヘッド１０によって測定された測定点のワールド座標
系における座標を（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）とする。被測定
物１００の形状はワールド座標系で記述する必要がある
ため、測定ヘッド１０によって測定された測定点Ａの測
定ヘッド中心の座標系における座標（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚ
ｃ）を、ワールド座標系に変換する。この変換は、測定
ヘッド１０の移動を表す回転行列Ｒと並進ベクトルｔと
を用いて、次の数式１に基づいて行われる。

【００２６】

【数１】

【００２７】したがって、ワールド座標系における測定
ヘッド１０の位置及び方向を、回転行列Ｒと並進ベクト
ルｔとして求めることで、測定ヘッド中心の座標系にお
ける座標（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）を、ワールド座標系の座
標（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）に変換することができる。

【００２８】〔Ａ−４〕 形状測定装置による形状測定
処理手順の説明

【００２９】この形状測定装置による形状測定は、次の
ような処理手順によって実行される。

【００３０】まず、実際の形状測定を行う前に、事前処
理を行う。

【００３１】（１）第１ステップ（事前処理）：ワール
ド座標系における測定ヘッド１０の各測定位置に関する
情報を、測定ヘッド１０の各測定位置におけるエンコー
ダ１６の出力値と対応付けて、制御装置３０に搭載され
たメモリ（図示省略）に格納する。

【００３２】事前処理の後に以下の第２ステップおよび
第３ステップからなる形状測定処理を行なう。形状測定
処理は、ステレオカメラ２１、２２を支持する支柱２０
２を測定台２０１から取り外して行なうことができる。

【００３３】（２）第２ステップ：ステレオカメラ２
１、２２を支持する支柱２０２を測定台２０１から取り
外した後、測定ヘッド１０を用いて、カメラ座標系にお
ける被測定物１００上の測定点の座標を求める。

【００３４】（３）第３ステップ：ワールド座標系にお
ける測定ヘッド１０の位置に関する情報に基づいて、カ
メラ座標系における被測定物上の測定点の座標を、ワー
ルド座標系における座標に変換する。

【００３５】以下、これら各ステップについて説明す
る。

【００３６】〔Ａ−５〕第１ステップの説明

【００３７】図４は、第１ステップの処理手順を説明す
るフローチャートである。

【００３８】まず、測定ヘッド１０をガイドレール２０
４の基準位置に配置して（ステップ１）、その位置にお
けるエンコーダ１６の出力値を制御装置３０のメモリに
格納する（ステップ２）。

【００３９】次に、測定ヘッド１０に設けられたマーカ
１４のワールド座標系における座標を、ステレオカメラ
２１、２２によって測定する。この位置測定方法は、ス
テレオ法としてよく知られているため、その説明を省略
する（ステップ３）。

【００４０】次に、マーカ１４を構成する各ＬＥＤ光源
１４ａ〜１４ｆのカメラ座標系の座標をそれぞれ（Ｘｃ
ｉ，Ｙｃｉ，Ｚｃｉ）とし、また、ステレオカメラ２
１、２２によって測定された各ＬＥＤ光源１４ａ〜１４
ｆのワールド座標系における座標をそれぞれ（Ｘｗｉ，
Ｙｗｉ，Ｚｗｉ）とする。但し、ｉは、１、２…６であ
る。各ＬＥＤ光源１４ａ〜１４ｆのカメラ座標系の各座
標（Ｘｃｉ，Ｙｃｉ，Ｚｃｉ）は、既知である。

【００４１】測定ヘッド１０の移動を表す回転行列Ｒと
並進ベクトルｔを、次の数式２を満足する行列Ｒとベク
トルｔとして求める（ステップ４）。そして、求めた行
列Ｒとベクトルｔとを、先にメモリに格納しておいたエ
ンコーダ１６の出力値と対応付けてメモリに格納する
（ステップ５）。

【００４２】

【数２】

【００４３】そして、測定ヘッド１０をガイドレール２
０４に沿って移動させ、全ての測定位置について上述し
たステップ２〜５の処理を繰り返す（ステップ６、
７）。これにより、エンコーダ１６の出力値とその位置
における回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔを対応付けたテ
ーブルデータが生成され、制御装置３０のメモリに格納
される。

【００４４】〔Ａ−６〕第２ステップについての説明

【００４５】図５は測定ヘッド１０による測定点の位置
測定方法を示している。

【００４６】図５に示すように、カメラ座標系とは、Ｃ
ＣＤカメラ１２の光学中心を原点とし、光軸方向をＺｃ
軸、ＣＣＤカメラ１２の水平方向をＸｃ軸、ＣＣＤカメ
ラ１２の垂直方向をＹｃ軸とする座標系である。ＣＣＤ
カメラ１２の画像面Ｓは、原点から焦点距離ｆの位置に
存在する。つまり、画像面Ｓは、Ｘｃ−Ｙｃ平面に平行
でかつＺｃ＝ｆである平面である。

【００４７】測定ヘッド１０による位置計測方法自体
は、光切断法と呼ばれる公知の測定方法である。被測定
物１００の表面上におけるスリット光源１３からのスリ
ット光が照射されている線上の所定の点を測定点Ａとす
る。

【００４８】この測定点Ａのカメラ座標系での座標を
（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）とし、画像面Ｓ上での測定点Ａに
対応する観察点Ａ´の座標を（Ｘｓ，Ｙｓ，ｆ）とし、
スリット光を表す平面の方程式をＡ_L Ｘｃ＋Ｂ_L Ｙｃ＋
Ｃ_L Ｚｃ＋Ｄ_L ＝０とする。観察点Ａ´の座標（Ｘｓ，
Ｙｓ，ｆ）におけるｆは、ＣＣＤカメラ１２の焦点距離
として既知であり、（Ｘｓ，Ｙｓ）は画像面で観察され
るスリット光の画素位置から求められる。

【００４９】スリット光を表す平面の方程式は測定ヘッ
ド１０の校正によって求められている。したがって、Ｘ
ｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，αを未知数とする次の数式３で表され
る連立方程式を解くことにより、（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）
が求められる。

【００５０】

【数３】

【００５１】この処理は、ＣＣＤカメラ１２の出力に基
づいて、制御装置３０によって行われる。

【００５２】〔７〕第３ステップについての説明

【００５３】第３ステップでは、まず、エンコーダ１６
の出力に基づいて、制御装置３０のメモリから対応する
回転行列Ｒと並進ベクトルｔが読み出される。

【００５４】次に、得られた回転行列Ｒと並進ベクトル
ｔとに基づいて、第３ステップで求めたカメラ座標系に
おける足１００上の測定点の座標（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）
を、ワールド座標系の座標（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）に変換
する。

【００５５】そして、測定ヘッド１０をガイドレール２
０４に沿って移動させながら、ガイドレール２０４上に
おける全ての観察位置について、第２ステップ及び第４
ステップの処理を繰り返すことにより、その都度得られ
る測定点のワールド座標系における座標（Ｘｗ，Ｙｗ，
Ｚｗ）の集合として、足１００の形状が求められる。

【００５６】なお、求められた足の３次元形状は、図６
に示すように、足の３次元形状に沿った複数の曲線によ
って制御装置３０のモニタ上に表示される。上記形状測
定装置では、足の３次元形状を表す各曲線は、第２ステ
ップによってその曲線に対応するスリット光が検出され
た際の、当該スリット光の輝度に応じて色を変えてカラ
ー表示される。また、足の３次元形状を表す各曲線の幅
は、第２ステップによってその曲線に対応するスリット
光が検出された際の、当該スリット光の幅に応じた幅で
表示される。

【００５７】〔Ｂ〕被測定物の所定箇所を表示させるた
めのマーカ（以下、部位特定用マーカという）について
の説明

【００５８】従来技術において説明したように、足形状
に応じた靴を製造する際には、アーチ高、足の甲位置等
を測定する必要がある。アーチ高は、たとえば、足が置
かれた床面から舟状骨（Navicular) までの高さとして
計測される。足の甲位置は、たとえば、足が置かれた床
面から第１楔状骨（Cuneiform)までの高さとして計測さ
れる。

【００５９】したがって、形状測定結果からアーチ高、
足の甲位置等を測定するためには、舟状骨、第１楔状骨
等の位置が、足の３次元形状が表示された画像上で認識
できるようにする必要がある。

【００６０】そこで、被測定物である足の舟状骨、第１
楔状骨等の位置に、部位特定用マーカを貼った状態で、
形状測定を行なうことが考えられる。部位特定用マーカ
として、シート状の円形マーカを用いる場合を想定す
る。

【００６１】形状測定を行なう場合には、被測定物の足
に靴下を履いた状態で行なう場合と、靴下を履かずに行
なう場合とがある。いずれにしても、部位特定用マーカ
の色が１色である場合には、地の色（肌色または靴下の
色）と同じであれば、部位特定用マーカが抽出されない
という問題がある。また、マーカの色として、測定ヘッ
ド１０から照射されるスリット光を吸収するような濃い
色を用いた場合には、マーカが抽出されないという問題
がある。

【００６２】そこで、この実施の形態では、以下のよう
な部位特定用マーカを使用することにする。

【００６３】〔Ｂ−１〕第１の部位特定用マーカの具体
例についての説明

【００６４】図７および図８は、第１の部位特定用マー
カ３００を示している。

【００６５】この部位特定用マーカ３００は、円形のシ
ート状であり、中央部の円形領域３００ａと、円形領域
３００ａの周囲の環状領域３００ｂとからなる。円形領
域３００ａの外側面には、スリット光を反射する色が塗
られている。環状領域３００ｂの外側面には、スリット
光を吸収する色が塗られている。部位特定用マーカ３０
０の内側面には、足にマーカを貼着できるように貼着部
材が塗布されている。

【００６６】図６の曲線のピッチ（計測ピッチ）を４．
２ｍｍとすると、部位特定用マーカ３００の直径は、た
とえば、１５ｍｍに、円形領域３００ａの直径は例え
ば、８ｍｍに設定される。

【００６７】測定ヘッド１０から照射されるスリット光
が、たとえば、赤色レーザ光である場合には、円形領域
３００ａの外側面には、赤色レーザ光を反射する色、た
とえば、白色、赤色等が塗られる。また、環状部３００
ｂの外側面には、赤色レーザ光を吸収する色、たとえ
ば、青、黒等が塗られる。

【００６８】したがって、測定ヘッド１０から照射され
るスリット光が、たとえば、赤色レーザ光である場合に
は、円形領域３００ａの外側面の色と環状部３００ｂの
外側面の色の組合わせとしては、以下のような組み合わ
せがある。

【００６９】（１）円形領域３００ａの外側面の色が白
で、環状部３００ｂの外側面の色が黒 （２）円形領域３００ａの外側面の色が白で、環状部３
００ｂの外側面の色が青 （３）円形領域３００ａの外側面の色が赤で、環状部３
００ｂの外側面の色が黒 （４）円形領域３００ａの外側面の色が赤で、環状部３
００ｂの外側面の色が青

【００７０】このように、中央部（円形領域３００ａ）
の外側面にスリット光を反射する色が塗られ、周囲部
（環状領域３００ｂ）の外側面にスリット光を吸収する
色が塗られた部位特定用マーカを用いると、周囲部（環
状領域３００ｂ）は形状測定時において抽出されず、中
央部（円形領域３００ａ）は形状測定時において抽出さ
れるので、測定結果の表示画面上で、部位特定用マーカ
の中央部（円形領域３００ａ）と周囲部（環状領域３０
０ｂ）との境界が認識できるようになる。このため、測
定結果の表示画面上で部位特定用マーカの位置、つま
り、特定部位の位置を検出することが可能となる。

【００７１】〔Ｂ−２〕第２の部位特定用マーカの具体
例についての説明

【００７２】被測定物である特定の部位（舟状骨、第１
楔状骨等）に部位特定用マーカを正確に貼るためには、
つまり、部位特定用マーカの中心が特定の部位の真上に
位置するように貼るためには、部位特定用マーカを小さ
くすることが好ましいが、計測ピッチ等の関係で、部位
特定用マーカを小さくすることは困難である。

【００７３】第２の部位特定用マーカは、特定の部位に
部位特定用マーカを正確に貼るための工夫が施されてい
る。つまり、第２の部位特定用マーカ３０１は、図９お
よび図１０に示すように、第１の部位特定用マーカ３０
０と同様なマーカの中央部（円形領域３００ａ）の中心
部に、指の触覚で認識できるような孔３００ｃが形成さ
れている。

【００７４】〔Ｂ−３〕第３の部位特定用マーカの具体
例についての説明

【００７５】図１１および図１２は、第３の部位特定用
マーカ３０２を示している。第３の部位特定用マーカ３
０２においても、第２の部位特定用マーカ３０１と同様
に、特定の部位に部位特定用マーカを正確に貼るための
工夫が施されている。つまり、第３の部位特定用マーカ
３０２は、第１の部位特定用マーカ３００と同様なマー
カの中央部（円形領域３００ａ）の中心部に、指の触覚
で認識できるような突起３００ｄが形成されている。こ
の突起３００ｄは、たとえば、点字を形成する際に用い
られるエンボス加工によって形成される。

【００７６】〔Ｂ−４〕第４の部位特定用マーカの具体
例についての説明

【００７７】図１３および図１４は、第４の部位特定用
マーカ３０３を示している。

【００７８】第４の部位特定用マーカ３０３は、第３の
部位特定用マーカ３０２の突起３００ｄの代わりに、マ
ーカの中央部（円形領域３００ａ）の中心部に、指の触
覚で認識できるような突起部材３００ｅが固着されてい
る。

【００７９】

【発明の効果】この発明によれば、被測定物の３次元形
状を光切断法によって測定した際に、被測定物の特定の
部位の位置をも検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】形状測定装置の外観を表す斜視図である。

【図２】測定ヘッドを示す斜視図である。

【図３】測定原理を説明する説明図である。

【図４】第１ステップにおける処理手順を説明するフロ
ーチャートである。

【図５】測定ヘッドによる測定点の位置測定方法を説明
する説明図である。

【図６】形状測定装置によって得られた足の３次元形状
の表示例を示す模式図である。

【図７】第１の部位特定用マーカ３００を示す平面図で
ある。

【図８】第１の部位特定用マーカ３００を示す側面図で
ある。

【図９】第２の部位特定用マーカ３０１を示す平面図で
ある。

【図１０】図９のX-X 線に沿う断面図である。

【図１１】第３の部位特定用マーカ３０２を示す平面図
である。

【図１２】図１１のXII −XII に沿う断面図である。

【図１３】第４の部位特定用マーカ３０３を示す平面図
である。

【図１４】第４の部位特定用マーカ３０３を示す側面図
である。

【符号の説明】

１０ 測定ヘッド １２ ＣＣＤカメラ １３ スリット光源 １４ マーカ １６ エンコーダ ２１ ステレオカメラ ２２ ステレオカメラ ２０１ 測定台 ２０４ ガイドレール ３００、３０１、３０２、３０３ 部位特定用マーカ ３００ａ 円形領域 ３００ｂ 環状領域 ３００ｃ 孔 ３００ｄ 突起 ３００ｅ 突起部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 博明 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 福本 晋平 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB28 CC16 FF01 FF02 FF05 FF09 FF15 FF46 GG06 GG07 GG25 HH05 JJ03 JJ05 JJ26 MM09 QQ23 SS13 4F050 AA01 AA06 LA01 NA88

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に対してスリット光を投影し被
   測定物に投影されたスリット光を撮像素子で観察するこ
   とにより被測定物の形状を測定し、測定結果を、撮像素
   子で観察されたスリット光の輝度に応じて色を変えて曲
   線で表示するといった形状測定を行なう際に、被測定物
   の所定の部位の位置を検出する目的で被測定物の所定の
   部位に貼られる部位特定用マーカにおいて、 シート状であり、中央部の外側面にスリット光を反射す
   る色が塗られており、中央部の周囲の外側面にスリット
   光を吸収する色が塗られていることを特徴とする部位特
   定用マーカ。
2. 【請求項２】 中央部の中心位置に孔が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の部位特定用マーカ。
3. 【請求項３】 中央部の中心位置に突起が形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の部位特定用マー
   カ。
4. 【請求項４】 中央部の中心位置に突起部材が固着され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の部位特定用マ
   ーカ。