JP2004117186A

JP2004117186A - ３次元形状測定装置

Info

Publication number: JP2004117186A
Application number: JP2002281310A
Authority: JP
Inventors: Tsunetaka Miyakura; 宮倉　常太; Kozo Ariga; 有我　幸三
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】長尺物や円筒形の被測定物の測定も可能にした３次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】ＣＣＤラインセンサカメラ１１，１２は、それぞれラインセンサ１１Ｓ、１２Ｓを含んでいる。ベルトコンベア１３上の被測定物１００を撮像し、２つのカメラ１１，１２間の視差Ｐを演算して、被測定物１００のＹ軸方向の断面の３次元形状を取得する。ベルトコンベア１３により被測定物１００を動かしつつこれを繰り返すことにより、被測定物１００の３次元形状を取得する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関し、より詳しくは、複数の撮影装置の撮影画像をマッチングさせこのマッチング結果に基づき被測定物の３次元形状を測定する３次元測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定物をＣＣＤカメラ等の撮像手段により撮像し、得られた画像を画像処理することにより、その被測定物の３次元形状を非接触で測定する３次元形状測定装置が知られている。この種の３次元形状測定装置では、光切断法を用いたものと、ステレオ画像法を用いたものとが広く知られている。
【０００３】
光切断法は、被測定物にスリット光を投影すると共にこの被測定物を撮影し、このスリット光の被測定物上での形状を画像処理により分析することにより、被測定物の３次元形状の情報を取得するものである。一方、ステレオ画像法は、２以上の撮影装置を異なる位置に配置して被測定物を異なる角度から撮影すると共に、この２以上の撮影装置から得られたステレオ画像の対応点をマッチング処理により特定し、このマッチングされたステレオ画像を分析することにより被測定物の３次元形状を計測するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光切断法、ステレオ画像法いずれを利用する場合でも、いわゆる長尺物や円筒形の被測定物は、スリット光が全体に投影できない、あるいは被測定物全体が１つの撮像画面内に収まりきらないなどのため、計測は難しいものであった。
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、いわゆる長尺物や円筒形の被測定物の測定も可能にした３次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明に係る３次元形状測定装置は、所定の間隔だけ離間させて配置され被測定物を撮像する複数の撮影手段と、前記複数の撮像手段が離間される方向を示す線と前記撮像手段の光軸とにより形成される面と交差する方向に前記被測定物を相対的に移動させる移動手段と、前記複数の撮影手段の撮影画像をマッチングするマッチング手段と、前記マッチングの結果に基づき前記被測定物の形状を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
この発明によると、被測定物が所定の進行方向に移動され、移動されるごとに複数の撮影手段により被測定物が撮像される。この撮影手段により得られた画像をマッチング手段でマッチングした結果に基づき、被測定物の全体の形状が演算される。本発明において、前記撮影手段は前記進行方向とは垂直な方向を長手方向として配置されたラインセンサを含むものであるのが好適である。また、本発明において、前記被測定物にパターン光束を投影するパターン投影系を追加することもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る３次元形状測定装置１の全体構成を示すものである。図１に示すように、本実施の形態に係る３次元形状測定装置１は、被測定物１００を撮像するための２個のＣＣＤラインセンサカメラ１１，１２（以下、単にカメラ１１，１２という）を備えている。
【０００８】
カメラ１１、１２は、同一のものであり、それぞれ、レンズ系１１Ｌ、１２Ｌを備えている。レンズ系１１Ｌ、１２Ｌはいずれも焦点距離ｆを有し、図１に示すＹ軸方向に基線長Ｂだけ離隔されて配置される。焦点距離ｆは、被測定物１００からレンズ１１Ｌ，１２Ｌまでの距離に比べ十分に小さいものとする。また、カメラ１１，１２は、それぞれ、ラインセンサ１１Ｓ、１２Ｓを含んでいる。ラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓは、それぞれレンズ１１Ｌ，１２Ｌから焦点距離ｆだけ離隔して配置されるとともに、図１に示すＹ軸方向が長手方向となるように配置される。また、両カメラ１１，１２は、２つの両ラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓが、同じ高さＤ（Ｚ軸方向）でかつ一直線上に並ぶように位置調整されている。
【０００９】
また３次元形状測定装置１は、被測定物１００を図１に示すＸ軸方向に搬送するためのベルトコンベア１３を備えている。すなわち、このベルトコンベア１３は、ラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓの長手方向（Ｙ軸）及びカメラ１１，１２の光軸（Ｚ軸方向）と垂直な方向（Ｘ軸方向）に被測定物１００を搬送するように構成されている。ベルトコンベア１３は、モータ１４により駆動され、モータ１４はドライバ１４により駆動制御される。
【００１０】
また、３次元形状測定装置１は、カメラ１１，１２により取得された画像データを処理すると共に、カメラ１１，１２及びモータ１４を制御するための制御部２０を備えている。制御部２０は、カメラ１１，１２より出力された画像データを所定のデータ形式に変換するインターフェース（Ｉ／Ｆ）２１、２２と、画像メモリ２３、２４を備えている。画像メモリ２３、２４は、それぞれ、カメラ１１、１２で取得された画像データを記憶するためのものである。
【００１１】
また制御部２０は、ＣＰＵ２５と、メモリ２９とを備えている。ＣＰＵ２５は、画像メモリ２３、２４に記憶された画像データに基づき、メモリ２９に格納された３次元形状演算用プログラムを使用して被測定物１００の３次元形状を演算する。
またＣＰＵ２５は、カメラ１１、１２及びモータ１４を制御するための各種制御信号を出力する。すなわち、ＣＰＵ２５は、カメラ１１，１２に対し撮像信号としてのトリガを発生させるトリガ発生回路２６，２７に制御信号を出力する。また、モータ１４に駆動信号を出力するドライバ１４Ｄに対し制御信号を出力する。
メモリ２９は、前述のように３次元形状演算用プログラムを格納すると共に，演算に必要な各種データ、及びその演算結果等を記憶するためのものである。
【００１２】
また、本実施の形態の３次元形状測定装置１は、被測定物１００の３次元形状の演算結果等を表示するための表示部３１を備えている。ＣＰＵ２５と表示部３１との間には表示制御部２８が接続されている。表示制御部２８は、ＣＰＵ２５から出力されるデータに基づき、表示部３１での表示状態を制御する。
【００１３】
次に、ＣＰＵ２５における３次元形状演算の手法について、図２を用いて説明する。被測定物１００上の点ａから出た光は、レンズ系１１Ｌ，１２Ｌを通って、ラインセンサ１１Ｓ、１２Ｓ上に、それぞれ点ａの像ａ１１，ａ１２を形成する。
ａ１１の位置とａ１２の位置とは、後述するマッチングにより特定される。点ａ１１とａ１２との間の視差Ｐａ（線分Ｏ１１−ａ１１を点Ｏ１２まで平行移動させた場合における、点ａ１１とａ１２の間の距離）が得られると、レンズ系１１Ｌ，１２Ｌから点ａまでの垂直方向の距離ＤＡが、次の式により演算される。
【００１４】
【数１】
ＤＡ＝Ｂ×ｆ／Ｐａ
【００１５】
同様に、点Ｂの距離ＤＢについても、点ｂ１１とｂ１２との間の視差Ｐｂ（線分Ｏ１１−ｂ１１を点Ｏ１２まで平行移動させた場合における、点ｂ１１とｂ１２の間の距離）を用いて、同様にして演算がなされる。その他の被測定物１００上の点についても同様である。
水平方向の距離については、例えばラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓの画像データから演算される。例えば、点ａ，ｂ間の距離は、ラインセンサ１１Ｓ上の点ａ１１，ｂ１１間の距離及び求められた距離ＤＡに基づいて演算することができる。このようにして、被測定物１００のＹ軸方向の断面図の形状が得られる。
【００１６】
モータ１４を所定の微小距離ずつ回転させて被測定物１００をＸ軸方向に移動させ、上述の演算を繰り返すことにより、被測定物１００の全体の３次元形状情報が取得される。
【００１７】
次に、ラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓから得られた画像データのマッチングの方法を、図３に基づいて説明する。
図３（ａ）は、ラインセンサ１１Ｓ、１２Ｓから得られる画像データを、センサ上の画素位置と画素濃度との関係（以下、画素濃度列という）により記したものである。図３（ａ）中、左側のグラフがラインセンサ１１Ｓの画素濃度列ＦＬ［Ｉ］を、右側のグラフがラインセンサ１２Ｓの画素濃度列ＦＲ［Ｉ］を示している。
この画素濃度列ＦＬ［Ｉ］、ＦＲ［Ｉ］の相関を見ることにより、ラインセンサ１１Ｓとラインセンサ１２Ｓとの間の視差Ｐを決定する。すなわち、相関を表わす関数Ｅ［ｋ］を、次の式により定義し、このＥ［ｋ］を最小にするようなｋを求める。
【００１８】
【数２】

【００１９】
このｋの値が視差Ｐの値とされる。ｋはピクセル単位の飛び飛びの値であるので、その飛び飛びのｋのうちＥ［ｋ］を最小にするものを視差Ｐの値として採用することができる。但し、図３（ｂ）に示すように、Ｅ［ｋ］のグラフを補間し、Ｅ［ｋ］を最小とする値をサブピクセルで正確に算出することもできる。
【００２０】
次に、この３次元形状測定装置の動作を、図４に示すフローチャートにより説明する。
まず、２つのカメラ１１，１２により被測定物１００の像を撮像し、ラインセンサ１１Ｓ、１２Ｓから１ライン分の画像データを取得する（Ｓ１）。次に、この２つの画像データのマッチングを行い、このマッチング結果に基づいて画素毎に視差Ｐを計算し、被測定物１００上の画像データに対応する各点の３次元情報を取得し（Ｓ２）、これをメモリ２９に記憶させる（Ｓ３）。その後、モータ１４を駆動させて、被測定物１００をラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓの１ライン分だけＸ方向に移動させて（Ｓ４）、以後、被測定物１００のすべての部分についての撮影が終了するまでＳ１〜Ｓ４の手順を繰り返す。被測定物１００のすべての部分についての撮影が終了したら（Ｓ５）、メモリ２９に記憶された３次元情報に基づき、被測定物１００の３次元形状情報を表示部３１に表示する（Ｓ６）。
【００２１】
図４のフローチャートによる手順では、ラインセンサ１１Ｓ，１２Ｓにより１ラインずつ画像を取得し、その１ラインの画像データに対応する被測定物１００の３次元形状（断面形状）を取得してから、モータ１４を駆動し、次の１ラインの撮影に移行するようにしている。しかし、図５のフローチャートに示すように、まず被測定物１００の撮影（Ｓ１´）、モータ１４の駆動（Ｓ２´）を繰り返し、被測定物１００のすべての部分について撮影を完了し（画像データは画像メモリ２３、２４に一時保存しておく）、その３次元形状の演算、記憶（Ｓ４´、Ｓ５´）はその後まとめて行うようにしてもよい。
なお、上記実施の形態では、２つのカメラ１１、１２の光軸は平行に設置されているが、平行でなく斜めになるように設置してもよい。
【００２２】
［第２の実施の形態］
上記実施の形態は、被測定物１００の表面の状態の変化が大きい場合には好適であるが、被測定物１００が直方体のような表面の変化が少ない物体である場合には、視差Ｐの演算が困難になる。そこで、本実施の形態では、第１の実施の形態の構成に、被測定物１００にパターン光束を投影するパターン投影系４０を付加する。パターン投影系４０は、光源４１と、パターン板４２と、投影レンズ４３とを備えている。パターン板４２には、被測定物１００の表面に投影されるべき模様が形成されている。この模様は種類は不問であり、例えば模様がリニアに変化していくものでもよいし、正弦波状に変化するものであってもよい。ただし、図３に示すようなマッチングをする上でマッチング誤差の生じないような模様とするため、前記［数２］で示されるＥ［ｋ］を最小にするようなｋがただ１箇所だけ特定され得るような模様とするのがよい。
【００２３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を図７に基づいて説明する。
上記実施の形態では、被測定物１００を移動させるための装置としてベルトコンベア１３を用い、被測定物１００の一側面の３次元形状を測定していた。これに対し、本実施の形態では、図７に示すように、円筒のような被測定物１００の表面形状を、３６０度全周に亘って測定するため、モータ１４により被測定物１００を３６０度回転可能に保持するための保持機構１４Ｈを備えている。これにより、被測定物１００を回転させつつ撮像し、被測定物１００の３６０度全周方向に亘る表面形状データを取得することができる。
【００２４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、カメラ１１，１２のイメージセンサとしてラインセンサでなく２次元ＣＣＤを使用してもよい。また、上記実施の形態では、被測定物１００をベルトコンベア１３により移動させていたが、代わりにカメラ１１，１２の方を移動させるようにしてもよい。また、上記実施の形態では、カメラ１１，１２の光軸と、カメラ１１及び１２の基線長の方向（カメラ１１，１２が離間される方向）とにより形成される面と垂直な方向に被測定物１００が移動するようにされているが、垂直でなく斜め方向に移動するようにしてもよい。これは、カメラ１１，１２から見ると、カメラ１１，１２の光軸が斜めに設定されていることを意味する。この場合でも、光軸の傾き角θを考慮することにより、マッチングさらには被測定物１００の形状測定を行うことができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る３次元形状測定装置によれば、いわゆる長尺物や円筒形の被測定物の測定も簡単に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置１の全体構成を示す。
【図２】図１に示す３次元形状測定装置１の測定原理を説明する。
【図３】図１に示す３次元形状測定装置１における両カメラ１１，１２間の視差Ｐの特定方法を示す。
【図４】図１に示す３次元形状測定装置１の動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す３次元形状測定装置１の動作の別の例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る３次元形状測定装置を示す。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る３次元形状測定装置を示す。
【符号の説明】
１…３次元形状測定装置、　１００…被測定物、　１１、１２…ＣＣＤラインセンサカメラ、　１１Ｓ、１２Ｓ…ラインセンサ、　１１Ｌ，１２Ｌ…レンズ系、１３…ベルトコンベア、　１４…モータ、　１４Ｄ…ドライバ、　２０…制御部、　２１、２２…インターフェース（Ｉ／Ｆ）、　２３、２４…画像メモリ、２５…ＣＰＵ、　２６、２７…トリガ発生回路、　２８…表示制御部、　２９…メモリ、　３１…表示部、４０…パターン投影系４０、　４１…光源４１、　４２…パターン板４２、　４３…投影レンズ、　１４Ｈ…保持機構

Claims

所定の間隔だけ離間させて配置され被測定物を撮像する複数の撮影手段と、
前記複数の撮像手段が離間される方向を示す線と前記撮像手段の光軸とにより形成される面と交差する方向に前記被測定物を相対的に移動させる移動手段と、
前記複数の撮影手段の撮影画像をマッチングするマッチング手段と、
前記マッチングの結果に基づき前記被測定物の形状を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
前記撮影手段は前記進行方向とは垂直な方向を長手方向として配置されたラインセンサを含むものである請求項１に記載の３次元形状測定装置。
前記被測定物にパターン光束を投影するパターン投影系を備えた請求項１に記載の３次元形状測定装置。