JP2004354136A

JP2004354136A - 形状測定方法と装置

Info

Publication number: JP2004354136A
Application number: JP2003150423A
Authority: JP
Inventors: Junji Nakagawa; 潤次中川
Original assignee: NAKKU KK
Current assignee: NAKKU KK
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP3699712B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、土器などの不定型な被測定物の外形や断面の形状を正確に測定する。
【解決手段】レーザー光源１２から発せられたレーザー光Ｌを被測定物１４に導く出射光学系と、被測定物１４に照射されたレーザー光ＬのスポットＰを撮像する撮像光学系１８と、レーザー光スポットＰを撮す撮像素子２０とを備える。レーザー光スポットＰを被測定物１４表面で走査する走査装置と、撮像素子２０により捉えたレーザー光スポットＰの像を基に、被測定物表面１４のレーザー光スポットＰの位置を演算するコンピュータ３４とを有する。レーザー光スポットＰの走査により得られた位置データを、レーザー光スポットＰの３次元の点群データとして集積し、任意の平行な平面間の点群データを抽出してマス目に分割し、その分割したマス目毎に、各マス目中の点の平均位置を代表点として定め、代表点をつないで被測定物１４の計測形状とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発掘された遺物である土器片等の、形状が一定ではない被測定物の形状を光学的に非接触で計測する形状測定方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平８−１７８６３３号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４０３０号公報
従来、考古学の現場において、発掘された土器の形状の把握は、人手によるスケッチが主なものであった。その場合、できる限り正確なスケッチとするために多大な工数がかけられていた。例えば、土器類の遺物を実測する場合、立面図を優先して描き、中心線で分けて向かって左半分に外面を描き、右半分に断面と内面の状態を表現している。また、破片状の土器の場合、口縁部や底部の分かるものはその部分にトレース用紙を当てて、その土器片の口縁部の円弧を写し取ったり、土器片の側面に型取り器を当てて側面の曲線を求め、実測図を作成している。さらに、デバイダ等を用いて模様等を測り、実測図に書き込んだりしている。
【０００３】
また、特許文献１，２に開示されているように、被測定物にレーザー光を照射して、その反射光により被測定物の形状を測定する方法が種々提案されている。これらの測定方法は、例えば工業製品の形状やはんだ付け状態等の検査に広く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の手で土器の形状を書き写すものの場合、測定にバラツキがあり、計測にも熟練を要し時間がかかるものであった。しかし、発掘される土器の量は大量であり、人手だけに頼っていては発掘品の整理や分析の効率が悪く、発掘作業の遅れにもつながっていた。
【０００５】
一方、特許文献１，２に開示されたようなレーザー光による計測は、工業製品のように規格化されたものに対して、その基準値との比較で製品の良否を判別するには良いが、土器片等の遺物のようにまちまちな形状であって、その形自体が不明なものの場合形状自体を予測して把握することが難しいものであった。即ち、レーザー光のスポット位置のデータを集積してその点の集まりである点群のデータが得られたとしても、手書きのような線図が得られるものではなく、特に断面図を求める場合、点群の中のどの点を結んで線画を描いて良いか分からないものであった。
【０００６】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、土器などの不定型な被測定物の外形や断面の形状を正確に測定することができる形状測定方法と装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、レーザーダイオード等のレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導くレンズ群から成る出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像するレンズ群から成る撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポットを撮すＣＣＤ等の撮像素子と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物表面で走査するミラー等から成る走査装置と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光スポットの像を基に上記被測定物表面の上記レーザー光スポットの位置を演算するコンピュータ等の計測装置とを有し、上記レーザー光を上記被測定物表面で走査して上記被測定物の形状を測定する形状測定方法である。そして、上記計測装置により、上記レーザー光スポットの位置データの各点を３次元の点群データとして集積し、この３次元の点群データの位置情報の中から任意の平行な平面間の上記点群データを抽出し、この抽出した点群データを上記平面と平行な平面上で任意の区画のマス目に分割し、その分割したマス目毎に、各マス目中の点の平均位置を代表点として定めるとともに、この代表点を定める前または後で、各々互いに隣接するマス目同士を１本の線でつなぐように順番を求め、求めた順に上記代表点をつないで、そのつないだ線を滑らかな線に形成し、それにより得られた線画を上記被測定物の計測形状とする形状測定方法である。
【０００８】
上記計測装置により計測する際に、先ず、既知の物体によりレーザー光のスポット位置データを取り込むキャリブレーションを行い、その後、上記被測定物を上記レーザー光の照射方向と平行な面、例えば水平面上で回動させて、上記被測定物の複数の停止位置で上記レーザー光による走査を行い、上記レーザー光スポットの位置データをとる形状測定方法である。
【０００９】
またこの発明は、レーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導く出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポットを撮す撮像素子と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物表面で走査する走査装置と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光スポットの像を基に上記被測定物表面の上記レーザー光スポットの位置を演算するコンピュータ等の計測装置とを有し、上記レーザー光を上記被測定物表面で走査して上記被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、上記被測定物を上記撮像光学系の光軸に対して直角な回転軸周りに回動させる駆動装置と、上記駆動装置により所定回動角毎に上記被測定物を停止させて、上記レーザー光スポットの走査により得られた位置データを上記レーザー光スポットの３次元の点群データとして集積し記憶する記憶装置と、この３次元の点群データの位置情報の中から任意の平行な平面間の上記点群データを抽出し、この抽出した点群データを上記平面と平行な平面上で任意の区画のマス目に分割し、その分割したマス目毎に、各マス目中の点の平均位置を代表点として定めるとともに、この代表点を定める前または後で、各々互いに隣接するマス目同士を１本の線でつなぐように順番を求め、求めた順に上記代表点をつないで、そのつないだ線を滑らかな線に形成し、その線画を上記被測定物の計測形状とするコンピュータプログラム等の演算手段とを備えた形状測定装置である。
【００１０】
また、上記駆動装置により回動し上記被測定物が直接または間接的に載せられる測定台と、この測定台に対して直角に取り付けられ上記被測定物を固定する際のガイド板とが設けられた形状測定装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図９はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の形状測定装置１０は、図１に示すように、レーザーダイオード等のレーザー光源１２を有し、このレーザー光源１２から発せられたレーザー光Ｌを土器の破片である被測定物１４に導く図示しない出射光学系を備える。出射光学系には、レンズ群とガルバノミラーによるレーザー光の走査装置を備える。さらに、被測定物１４に照射されたレーザー光ＬのスポットＰを撮像する撮像光学系１８と、この撮像されたレーザー光スポットＰを撮すＣＣＤ等の撮像素子２０等を備えた計測ヘッド２２を有する。計測ヘッド２２の撮像素子２０で撮像された信号は、ディジタル信号に変換されて計測装置であるコンピュータ３４に出力され、レーザー光スポットＰの位置情報が演算され、図示しない記憶装置に記憶される。
【００１２】
この実施形態の形状測定方法では、図２〜図５に示すように、被測定物１４を回転自在の測定台２４に設けられた昇降板２６に固定して行う。昇降板２６は、測定台２４に対して垂直方向に昇降可能に設けられ、高さ調節可能に設けられている。さらに測定台２４は、モータ２８により任意の角度に回動し停止固定可能に設けられている。
【００１３】
計測ヘッド２２は、被測定物１４の表面で散乱したレーザー光Ｌのスポット像を、撮像光学系１８を介して撮像素子２０でとらえる。さらに、測定台２４はモータ２８により任意の位置に回動させられ、停止するので、例えば６０°間隔で６箇所の角度の位置でレーザー光Ｌを走査して被測定物１４の表面でのレーザー光ＬのスポットＰの位置データを取る。レーザー光Ｌの走査は、計測ヘッド２２内のガルバノミラーにより被測定物１４の表面全体をスキャンして行う。この走査は、レーザー光Ｌは被測定物１４に対して水平方向に往復しながら、ジグザグに垂直方向に移動して被測定物１４全体を走査し、３次元形状の表面位置データを取る。レーザー光ＬのスッポトＰから被測定物１４の表面位置データを演算する方法は、公知の三角測量の原理を利用した、既存のコンピュータソフトウェアを利用する。
【００１４】
被測定物１４は昇降板２６の表面に、粘土３０により固定される。被測定物１４は、垂直方向の位置決めのため、垂直方向に面が位置したガイド板３２に沿って固定させる。ガイド板３２は、レーザー光Ｌによる走査時にはガイド板３２は外す。
【００１５】
さらに、６０°毎の各測定位置での、被測定物１４表面のレーザー光スポットＰの位置データから、被測定物１４の３次元形状データを得るには、予め既知の治具をレーザー光Ｌにより走査して、さらにこれの６０°づつのデータを取って、各計測データのオフセット量等の位置補正をするキャリブレーションを行い、コンピュータ３４にそのデータを記憶させておく。
【００１６】
実際の被測定物１４の計測データは、先のキャリブレーションによる係数等により補正し、被測定物１４の３６０°全周のデータを得て、３次元形状を各計測位置データの点の集まりである点群データとして得る。そして、これをコンピュータ３４の記憶装置に記憶させ、またモニタ３５に表示可能にする。
【００１７】
計測した点群データは、モニタ３５上で操作者により明らかなノイズ成分の点を除去し、さらに必要に応じて被測定物１４のモニタ３５上での傾きを補正し、回転体の土器である被測定物１４の場合、その土器の縁の円弧部分のデータから円弧の中心と半径を求める。円弧の中心と半径は、円弧上の任意の３点の座標から、既知の式により計算することができる。
【００１８】
次に、決定した被測定物１４の中心を間に挟んで近接した垂直方向の２枚の平面を考える。そして、この２枚の平面で挟まれる点群データを抽出する。例えば、この点群データは図６に示すように、被測定物１４の土器の半分または一部分の点群データでも良い。
【００１９】
この点群データは、点の集まりであり、線で描かれたものではない。そこで、この点群データから線画を描く処理を行う。この処理は、先ず、図６に示すような点群データを、例えば数ミリ四方のマス目（以下セルという）で分割し、各セルのうち、計測した点を含むセルを抽出する。そして、抽出した各セルの中の点群の中心位置に代表点を定める。
【００２０】
次に、各セルの代表点を結ぶ順番を決める。これを決めないと、代表点をどのように結んで線画とすればよいか判別できず、コンピュータ３４により断面の形状を描くことはできない。そこで、代表点を繋ぐ順路を探索する処理を行う。この処理は以下のルールによる。先ず、セルの起点を定める。起点は例えば最も下のセルのうちの左側の代表点を含むセルから始める。そして、一度通ったセルは通らない。基点のセルから、例えば右側のセルを探索し、代表点を有するか否かを見る。そして、反時計回りに代表点のあるセルを探す。代表点のあるセルが見つかると、その代表点のあるセルを中心として同様に反時計回りに次の代表点のあるセルを探す。これを繰り返して、基点のセルに戻ったところで、探索を終了する。このようにして得られた代表点を有するセルの順序に従って代表点を結ぶ。その際、結ぶ線は、ベジェ曲線とし、滑らかな線にする。これにより、図７に示すような曲線の線画による土器片の断面形状１４ａが得られる。
【００２１】
被測定物１４の断面形状１４ａを求めた後、上述のようにその被測定物１４の縁の円弧から縁部分の半径と中心の位置を基に、その被測定物１４の土器の断面形状１４ａを、中心線Ｃでその半径により回転させ、回転体の土器を再現する。
【００２２】
このとき、図８に示す土器のように、求めた断面形状１４ａを中心線Ｃよりも右側に描き、左側には側面の半分を描く。さらに、被測定物１４の断面形状１４ａの曲線の凹凸のピークを通る線ｄを、土器の内外表面に引いて、図９に示すように、被測定物１４の土器の立体形状の凹凸感を表現する。
【００２３】
なお、断面形状１４ａを定める代表点について、それらを結ぶ線を繋ぐ順序の決定は、代表点を決定する前の段階で、各セルに点群が存在する状態で、点群の存在の有無により上記代表点の有無の判断と同様の判別作業を順に行って決定しても良い。そして、この後代表点を定め、先に決めた代表点を繋ぐ順に決めた代表点同士を順に繋ぎ、ベジェ曲線にして滑らかにする。
【００２４】
この実施形態の形状測定方法と装置によれば、簡単処理で形状の特定できない土器等の被測定物１４の輪郭や断面を正確に線画化することができる。これにより特に土器の形状の測定と、画像としてのデータ収集を迅速且つ正確に行うことができ、発掘作業や整理分析作業の効率化を図ることができる。
【００２５】
なお、この発明の形状測定方法と装置は上記実施形態に限定されるものではなく、測定装置の構成やレーザー光による位置計測方法は他の方法によっても良く、例えばレーザー光とその反射光による干渉縞により位置測定を行っても良く、他の原理を利用しても良い。
【００２６】
【発明の効果】
この発明の形状測定方法と装置によれば、被測定物の形状を、簡単な構成で、迅速に正確な線画として得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の形状測定装置の概略図である。
【図２】この実施形態の形状測定装置により被測定物を測定台に固定した状態の平面図である。
【図３】この実施形態の形状測定装置により被測定物を測定台に固定した状態の正面図である。
【図４】この実施形態の形状測定装置により被測定物を測定台に固定した状態の右側面図である。
【図５】この実施形態の形状測定装置により被測定物を測定台に固定した状態の斜視図である。
【図６】この実施形態の形状測定装置により測定した被測定物の形状を点群により表した図である。
【図７】この実施形態の形状測定装置により測定した被測定物の形状を線画化した図である。
【図８】この実施形態の形状測定装置により測定した被測定物である断片を回転させて、左半分に側面を描き右半分に断面を描いた図である。
【図９】この実施形態の形状測定装置により測定した被測定物である断片を回転させて、左半分に側面を描き右半分に断面を描き、表面の凹凸に線を引いた図である。
【符号の説明】
１０形状測定装置
１２レーザー光源
１４被測定物
１８撮像光学系
２０撮像素子
２２計測ヘッド
２４測定台
２６昇降板
２８モータ
３０粘土
３４コンピュータ

Claims

レーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導く出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポットを撮す撮像素子と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物表面で走査する走査装置と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光スポットの像を基に上記被測定物表面の上記レーザー光スポットの位置を演算する計測装置とを有し、上記レーザー光を上記被測定物表面で走査して上記被測定物の形状を測定する形状測定方法において、上記計測装置により、上記レーザー光スポットの位置データの各点を３次元の点群データとして集積し、この３次元の点群データの位置情報の中から任意の平行な平面間の上記点群データを抽出し、この抽出した点群データを上記平面と平行な平面上で任意の区画のマス目に分割し、その分割したマス目毎に、各マス目中の点の平均位置を代表点として定めるとともに、この代表点を定める前または後で、各々互いに隣接するマス目同士を１本の線でつなぐように順番を求め、求めた順に上記代表点をつないで、そのつないだ線を滑らかな線に形成し、その線画を上記被測定物の計測形状とすることを特徴とする形状測定方法。
上記計測装置により計測する際に、先ず、既知の物体によりレーザー光のスポット位置データを取り込むキャリブレーションを行い、その後、上記被測定物を上記レーザー光の照射方向と平行な面上で回動させて、上記被測定物の複数の停止位置で上記レーザー光による走査を行い、上記レーザー光スポットの位置データをとることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
レーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導く出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポットを撮す撮像素子と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物表面で走査する走査装置と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光スポットの像を基に上記被測定物表面の上記レーザー光スポットの位置を演算する計測装置とを有し、上記レーザー光を上記被測定物表面で走査して上記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、上記被測定物を上記撮像光学系の光軸に対して直角な回転軸周りに回動させる駆動装置と、上記駆動装置により所定回動角毎に上記被測定物を停止させて、上記レーザー光スポットの走査により得られた位置データを上記レーザー光スポットの３次元の点群データとして集積し記憶する記憶装置と、この３次元の点群データの位置情報の中から任意の平行な平面間の上記点群データを抽出し、この抽出した点群データを上記平面と平行な平面上で任意の区画のマス目に分割し、その分割したマス目毎に、各マス目中の点の平均位置を代表点として定めるとともに、この代表点を定める前または後で、各々互いに隣接するマス目同士を１本の線でつなぐように順番を求め、求めた順に上記代表点をつないで、そのつないだ線を滑らかな線に形成し、その線画を上記被測定物の計測形状とする演算手段とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
上記駆動装置により回動し上記被測定物が直接または間接的に載せられる測定台と、この測定台に対して直角に取り付けられ上記被測定物を固定する際のガイド板とが設けられたことを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。