JP2005140537A - Shape-measuring device using line sensor and method for the same - Google Patents

Shape-measuring device using line sensor and method for the same Download PDF

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Yuichi Yamada
裕一 山田
Tamaki Shiomi
環 塩見
Takeshi Kataoka
武 片岡
Yoshitaka Ebita
佳孝 海老田
Kensuke Shiromizu
健介 白水
Tomoyuki Haga
知行 羽賀
Takashi Imai
孝 今井
Yoshiharu Morimoto
吉春 森本
Motoharu Fujigaki
元治 藤垣
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SHINKO MEX CO Ltd
West Japan Railway Co
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SHINKO MEX CO Ltd
West Japan Railway Co
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape-measuring device and a method for the same capable of simply, highly and precisely measuring the shape or the deformation of a measuring object, without being affected by the measurement environment, such as fluctuations in the reflectivity or the background light of the measuring object. <P>SOLUTION: Projectors 1, 2 which are inclined by equal angles with respect to the vertical line and projecting the light of a gradient luminance pattern and the light of constant luminance pattern to a relatively moving measuring object 6 respectively. Line sensors 3, 4, and 5 arranged in the moving direction are made to take images, under conditions of projecting of the light of the gradient luminance pattern, of a light of constant luminance pattern, and of no light projection . For the shape-measuring device using the line sensors and capable of measuring the luminance at the same place, a band-pass filter is applied to each of the line sensors, the angle of scatter of the projection light is made the same angle, respectively, the relation of the input light amount and its output of each line sensor is linearized, and the linear gain coefficient is set to be identical. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、測定対象物に一定輝度光と、輝度分布が傾斜して異なる濃度傾斜パターン光とを投影し、その輝度をラインセンサーにより測定して比較することにより、測定対象物の形状を計測するラインセンサーを用いた形状計測装置とその計測方法に関する。   This invention measures the shape of a measurement object by projecting a constant luminance light and a density gradient pattern light having a different luminance distribution and different brightness gradients onto the measurement object, and measuring and comparing the luminance with a line sensor. The present invention relates to a shape measuring apparatus using a line sensor to perform and a measuring method thereof.

鉄道の道床バラストや道路の路面は、長期間使用されることにより磨耗や変形などの経時劣化を生じるため、変形等を監視し、当状況に応じて補修を行なう保守点検作業が必要である。現状の検査方法では、作業に多大な時間を要し、車両の通行を制限する場合もあるため、より高速で定量的に道床バラストや路面形状を検査できる技術が必要であり、このため、高速で走行する車両から、道床バラストや路面の形状検査を非接触で行なう手法の開発が求められている。   Railroad floor ballast and road surfaces are subject to deterioration over time such as wear and deformation when used for a long period of time, so it is necessary to perform maintenance and inspection work that monitors deformation and repairs in accordance with the situation. The current inspection method requires a lot of time to work and may limit the passage of vehicles, so a technology that can inspect ballast ballast and road surface shape quantitatively at a higher speed is required. There is a need to develop a non-contact method for roadbed ballast and road surface shape inspection from vehicles traveling on the road.

従来、道床バラストや路面の形状計測手法としては、スリット光を物体に投影し、物体表面でゆがんだスリット光を2次元CCDカメラで撮影して、スリット光のゆがみ量から物体の形状を算出する光切断法を用いる手法が知られている。この計測手法では、2次元画像を解析するため、解析に時間を要し、形状検査を高速に行なえないなどの問題がある。一方、試料に投影する格子パターンの位相を連続的にシフトさせ、CCDカメラなどのテレビカメラを用いて位相分布画像を得ることにより、リアルタイムに形状計測を行なう方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、この形状計測手法では、平行な投影格子のピッチを厳密に調整して投影する必要があり、実用上不便な面があるなどの問題がある。   Conventionally, as a method for measuring the shape of a roadbed ballast or road surface, a slit light is projected onto an object, the slit light distorted on the object surface is photographed with a two-dimensional CCD camera, and the shape of the object is calculated from the amount of distortion of the slit light. A technique using a light cutting method is known. In this measurement method, since a two-dimensional image is analyzed, there is a problem that it takes time for the analysis and the shape inspection cannot be performed at high speed. On the other hand, a method of measuring a shape in real time by continuously shifting the phase of a grating pattern projected onto a sample and obtaining a phase distribution image using a television camera such as a CCD camera is disclosed (for example, patents). Reference 1). However, in this shape measurement method, it is necessary to precisely adjust the pitch of parallel projection gratings for projection, and there is a problem that there is a practical inconvenience.

このような問題点を解消する形状計測手法として、濃度傾斜パターンのついた光を測定対象物に投影し、その反射光を2次元CCDカメラで撮影し、対象物の三次元形状を算出する計測手法が提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。この計測手法では、輝度分布のパターンが異なる2種類の光を被測定物に交互に投影し、この投影光間の輝度比に基づいて、予め求めた輝度比と距離とのキャリブレーション曲線を用いて距離演算を行ない、形状計測が行なわれる。   As a shape measurement technique to eliminate such problems, measurement is performed by projecting light with a density gradient pattern onto a measurement object, photographing the reflected light with a two-dimensional CCD camera, and calculating the three-dimensional shape of the object. Methods have been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). In this measurement method, two types of light having different luminance distribution patterns are alternately projected onto the object to be measured, and a calibration curve of the luminance ratio and distance obtained in advance is used based on the luminance ratio between the projection lights. The distance is calculated and the shape is measured.

特開2001−4338号公報([0009]〜[0014])JP 2001-4338 A ([0009] to [0014]) 宮阪 健夫ほか:「濃度傾斜投影法を用いたリアルタイム三次元計測装置の開発」(第7回画像センシングシンポジウム講演論文集(2001年 P.251-P.254))Takeo Miyasaka et al .: “Development of a real-time 3D measurement device using gradient gradient projection” (Proceedings of the 7th Image Sensing Symposium (2001 P.251-P.254)) Brian Carrihill and Robert Hummel:「Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor」(COMPUTER VISION,GRAPHICS,AND IMAGE PROCESSING,VOL.32(1985),P.337-P.358Brian Carrihill and Robert Hummel: "Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor" (COMPUTER VISION, GRAPHICS, AND IMAGE PROCESSING, VOL.32 (1985), P.337-P.358

しかし、非特許文献1および2に提案された形状計測手法では、測定対象物上へ投影された投影光による画像の撮影にCCDカメラを用い、投影光の輝度比に対応する撮影画像における輝度比を求めて計測データを得ているが、高速画像撮影が可能なラインセンサーを使用していない。また、前記画像における輝度比は、測定対象物の反射率の影響を受けるが、この反射率変動への対策が講じられていない。さらに、非特許文献1では、測定対象物への投影光の光源に関しては具体的に記述されておらず、非特許文献2では、単色光を用いた場合のみの実験結果について検討されている。従って、単色光以外の光源をも使用可能とするためには計測手法の一般化が必要である。   However, in the shape measurement methods proposed in Non-Patent Documents 1 and 2, a CCD camera is used to capture an image with projection light projected onto a measurement object, and the brightness ratio in the captured image corresponding to the brightness ratio of the projection light is used. Measurement data is obtained by searching for a line sensor, but a line sensor capable of high-speed image capture is not used. Further, the luminance ratio in the image is affected by the reflectance of the measurement object, but no countermeasure is taken against this reflectance fluctuation. Further, Non-Patent Document 1 does not specifically describe the light source of the projection light onto the measurement object, and Non-Patent Document 2 examines the experimental results only when using monochromatic light. Therefore, in order to be able to use light sources other than monochromatic light, it is necessary to generalize the measurement technique.

これに対し、図7に示すような、ラインセンサーを用いた計測原理が、本願の発明者の一人から提案されている。この計測原理は、2台のプロジェクター31、32と、測定対象物33の移動方向に等間隔に配置された3台のラインセンサー34、35、36を用いて、測定対象物33の形状測定を可能とするもので、基準面上を矢印方向に移動する測定対象物33に対して、プロジェクター31からは一定輝度光を、プロジェクター32からは濃度輝度パターン光、即ち濃淡パターンのついた濃度傾斜パターン光を、斜め方向にそれぞれ順次投影し、何も投影しない状態、一定輝度光を投影した状態、濃度傾斜パターン光を投影した状態で、ラインセンサー34、35、36により、測定対象物33の同一位置Pを撮影して輝度を測定し、この同一位置Pにおける輝度比を算出することにより、形状計測が行なわれる。   On the other hand, a measurement principle using a line sensor as shown in FIG. 7 has been proposed by one of the inventors of the present application. This measurement principle is to measure the shape of the measurement object 33 using two projectors 31 and 32 and three line sensors 34, 35 and 36 arranged at equal intervals in the moving direction of the measurement object 33. For the measurement object 33 that moves in the direction of the arrow on the reference surface, a constant luminance light is emitted from the projector 31, and a density luminance pattern light, that is, a density gradient pattern with a density pattern is given from the projector 32. In the state where light is sequentially projected in an oblique direction, nothing is projected, the state where constant luminance light is projected, and the state where density gradient pattern light is projected, the line sensor 34, 35, 36 causes the same object to be measured 33 to be measured. The shape is measured by photographing the position P, measuring the luminance, and calculating the luminance ratio at the same position P.

前記ラインセンサー34で、何も投影しない状態で測定される測定対象物33の位置Pにおける輝度I1、ラインセンサー35で、一定輝度光を投影した状態で測定される位置Pにおける輝度I2、濃度傾斜パターン光を投影した状態で測定される位置Pにおける輝度I3は、ラインセンサー34、35、36の視線方向の高さhにおける光輝度をそれぞれ、f1(h)、f2(h)、f3(h)とし、この位置Pにおけるラインセンサー34の視線方向の反射率をR1、ラインセンサー35、36の視線方向の反射率をRとすると、次のように表すことができる。
ここで、輝度比Jを次のように定義すると、輝度比Jは高さhの関数F(h)として表すことができる。
F(h)が一価の逆関数F-1(J)を有する場合は、高さhは次のように輝度比Jから求めることができる。
輝度比Jと高さhとの関係を予め求めてテーブル化しておくことにより、輝度比Jから高さを求めることが容易となる。
The luminance I 1 at the position P of the measurement object 33 measured in a state in which nothing is projected by the line sensor 34, and the luminance I 2 at the position P measured in a state where constant light is projected by the line sensor 35, The brightness I 3 at the position P measured with the density gradient pattern light projected is the light brightness at the height h in the line-of-sight direction of the line sensors 34, 35, 36, respectively, f 1 (h), f 2 (h ), F 3 (h), where R 1 is the reflectance in the line-of-sight direction of the line sensor 34 at this position P, and R is the reflectance in the line-of-sight direction of the line sensors 35 and 36, the following can be expressed. .
Here, if the luminance ratio J is defined as follows, the luminance ratio J can be expressed as a function F (h) of the height h.
When F (h) has a monovalent inverse function F −1 (J), the height h can be obtained from the luminance ratio J as follows.
By obtaining the relationship between the luminance ratio J and the height h in advance and making a table, it is easy to obtain the height from the luminance ratio J.

しかし、上記原理を用いた計測方法では、プロジェクター31、32からの投影光として、分光組成を有する一般光を用いたり、投影角度に誤差を生じたりした場合、上記輝度比Jが測定対象物33の反射率変動の影響を受け、輝度比Jから高さを精度よく測定することができない。   However, in the measurement method using the above principle, when the general light having a spectral composition is used as the projection light from the projectors 31 and 32 or an error occurs in the projection angle, the luminance ratio J is the measurement object 33. Therefore, the height cannot be accurately measured from the luminance ratio J.

このように、従来の計測手法ではいずれも、路面のような連続した物体、生産ラインにおける製品のように連続的に移動する物体、パイプや鋼板などの大きく、長い物体などの測定対象物などの形状計測を、容易に得られる分光組成を有する一般の光源を用いて、高速かつ高精度で簡便に行なうことは困難である。   In this way, all of the conventional measurement methods include continuous objects such as road surfaces, continuously moving objects such as products on the production line, measuring objects such as large and long objects such as pipes and steel plates, etc. It is difficult to perform shape measurement simply at high speed and with high accuracy using a general light source having a spectral composition that can be easily obtained.

そこで、この発明の課題は、測定対象物の反射率変動や背景光などの測定環境の影響を受けず、前記物体の形状や変形を高速かつ高精度で簡便に測定できるラインセンサーを用いた形状計測装置およびその計測制御方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is a shape using a line sensor that can easily measure the shape and deformation of the object at high speed, high accuracy, and without being affected by the measurement environment such as the reflectance fluctuation of the measurement object and background light. A measurement device and a measurement control method thereof are provided.

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.

即ち、相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも3台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測装置で、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の波長域の光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しくしたのである。 In other words, a constant brightness light and a density gradient pattern light are projected onto a measurement object that moves relatively continuously from a direction inclined by a predetermined angle with respect to the vertical direction by different projectors and arranged in series in the moving direction. By using at least three line sensors, the images of the measurement object in the respective states of projecting the constant luminance light, projecting the density gradient pattern light, and projecting no light are photographed and identical. A shape measuring device using a line sensor that measures the luminance of a position and can measure the shape from the calculated luminance ratio of the same position, and reflects the projection path of the constant luminance light and the density gradient pattern light or the reflection of the measuring object. The path is provided with wavelength limiting means for allowing only light in a certain wavelength range to enter each line sensor, and the optical axes of the projectors are equal to the same direction with respect to the vertical direction. Is inclined in degrees equal to the angle between a sight line of the corresponding line sensors, and linearizes the output of the relationship with respect to the input light intensity between each line sensor, it was equal to the linear gain factor.

一般に、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影するそれぞれの光源に単色光を用いず、分光組成を有する一般光を用いる場合、前記輝度比は、測定対象物の反射率変動の影響を受ける。単色光以外の光源を用いた場合、上記のように、波長制限手段を設けて波長域を制限し、一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する投影機の光軸とラインセンサーの視線とのなす角度をそれぞれ等しくして、投影光の散乱角度を同一にして画像撮影することにより、前記輝度比が測定対象物の反射率変動の影響を受けずに済む。それにより、単色光の光源のみならず、太陽光よりも高い輝度が容易に得られる、分光組成を有する一般光を光源として用いることができる。即ち、汎用光源の使用が可能となり、装置構成に融通性を持たせることができ、装置コストの低減に寄与する。   In general, when using general light having a spectral composition instead of monochromatic light for each light source that projects the constant luminance light and the density gradient pattern light, the luminance ratio is affected by the reflectance variation of the measurement object. receive. When a light source other than monochromatic light is used, as described above, a wavelength limiting unit is provided to limit the wavelength range, and the optical axis of the projector that projects constant luminance light and density gradient pattern light, and the line sensor line-of-sight The luminance ratio is not affected by the change in the reflectance of the measurement object. Thereby, not only the light source of monochromatic light but the general light which has a spectral composition which can obtain the brightness | luminance higher than sunlight easily can be used as a light source. That is, a general-purpose light source can be used, the apparatus configuration can be made flexible, and the apparatus cost can be reduced.

上記の作用を具体的に示すために、まず、前記ラインセンサーを用いた形状計測装置の計測原理について説明する。図1に示すように、プロジェクター1、2および、視線がそれぞれ垂直方向(Z方向)となるように配置されたラインセンサー3、4、5に対して、測定対象物が矢印A1の方向に一定速度で移動しているものとする。前記測定対象物に対して、プロジェクター1によりラインセンサー3の視線に対して角度θ1だけ傾斜した方向から濃度傾斜パターン光を投影した状態、プロジェクター2によりラインセンサー4の視線に対して角度θ2だけ傾斜した方向から一定輝度光を投影した状態、およびプロジェクターから何も投影しない状態を、それぞれラインセンサー3、4、5で画像撮影する。前記測定対象物の移動速度、即ちプロジェクター1、2およびラインセンサー3、4、5との相対速度に対して、プロジェクター1、2の発光タイミングとラインセンサー3、4、5の画像撮影タイミングとを制御することにより、測定対象物上の同一位置を前記3種類の状態下で画像撮影することができる。 In order to specifically show the above action, first, the measurement principle of the shape measuring apparatus using the line sensor will be described. As shown in FIG. 1, the measurement object is constant in the direction of the arrow A1 with respect to the projectors 1 and 2 and the line sensors 3, 4, and 5 arranged so that the line of sight is in the vertical direction (Z direction). Assume moving at speed. A state in which the density gradient pattern light is projected from the direction inclined by the angle θ 1 with respect to the line of sight of the line sensor 3 by the projector 1 with respect to the measurement object, and the angle θ 2 with respect to the line of sight of the line sensor 4 by the projector 2. The line sensors 3, 4, and 5 capture images of a state in which light having a constant luminance is projected from a tilted direction and a state in which nothing is projected from the projector. The light emission timing of the projectors 1 and 2 and the image capturing timing of the line sensors 3, 4, and 5 with respect to the moving speed of the measurement object, that is, the relative speed between the projectors 1 and 2 and the line sensors 3, 4, and 5 By controlling, it is possible to take an image of the same position on the measurement object under the three types of states.

前記各ラインセンサー3、4、5の視線上における高さhとある波長λに対する光輝度をそれぞれ、fg(h,λ)、fn(h,λ)、fb(h,λ)とすると、プロジェクター1、2の光源に分光組成を有する一般光を用いた場合、対応するラインセンサー3、4で撮影・測定される輝度をIg、In、何も投影しない状態、即ち背景光でラインセンサー5により撮影・測定される輝度をIbとし、一般化した形で表すと、
となる。ここで、λは波長を、λ1およびλ2、λ3およびλ4は、前記バンドパスフィルタを透過する下限および上限の波長を、R(θ1,λ)、R(θ2,λ)、R(θ3,λ)は、前記3種類の状態下での測定対象物の反射率を、C1〜C3はラインセンサーのゲイン係数を、γ1〜γ3はラインセンサーの入力光量に対する出力の依存性を表す指数を表す。背景光の反射成分Ibを引き去って輝度比Jを次のように定義する。
Assuming that the light intensity with respect to a certain wavelength λ is the height h on the line of sight of each of the line sensors 3, 4, 5, fg (h, λ), fn (h, λ), fb (h, λ) When general light having a spectral composition is used for the light sources 1 and 2, the brightness imaged and measured by the corresponding line sensors 3 and 4 is Ig, In, nothing is projected, that is, by the line sensor 5 in the background light. The luminance to be photographed and measured is Ib, and expressed in a generalized form.
It becomes. Here, λ is the wavelength, λ 1 and λ 2 , λ 3 and λ 4 are the lower and upper limit wavelengths that pass through the bandpass filter, R (θ 1 , λ), R (θ 2 , λ) , R (θ 3 , λ) is the reflectance of the measurement object under the above three types of conditions, C1 to C3 are line sensor gain coefficients, and γ1 to γ3 are output dependences on the input light quantity of the line sensor. Represents an index representing gender. The luminance ratio J is defined as follows by removing the reflection component Ib of the background light.

各ラインセンサー3、4、5の、入力光量と出力との関係を線形化して、前記指数γ1、γ2、γ3がいずれも1に等しくなるような処理を施し、直線ゲイン係数(C1)1/γ1、(C2)1/γ2、(C3)1/γ3をそれぞれ等しく設定すれば、上記式(9)は次のようになる。
となって、背景光の影響を受けなくなる。
A linear gain coefficient (C1) 1 / is obtained by linearizing the relationship between the input light amount and the output of each of the line sensors 3, 4, and 5, and making the exponents γ1, γ2, and γ3 all equal to 1. If γ 1 , (C2) 1 / γ 2 , and (C3) 1 / γ 3 are set to be equal to each other, the above equation (9) becomes as follows.
Thus, it is not affected by background light.

前記線形化(γ1=γ2=γ3=1)について説明すると、図2(a)に示すように、一般にラインセンサーの入力光量Iに対する出力L0は、ゲイン係数をC0、入力光量に対する出力の依存指数をγとすれば、L0=C0*Iγで表される。図2(b)に示すように、この式の両辺をそれぞれ1/γ乗して、図2(c)に示すように平滑化すると、入力光量Iと出力Lとの関係は直線となって、すなわち線形化され、前記指数γを1にすることができる。このような平滑化処理を、前記ラインセンサー3、4、5の画像取り込み過程で施すことにより、線形化が実現される。なお、前記直線ゲイン係数は、図2(c)に示したように、ラインセンサーへの入力光量Iに対する出力L(L=L0 1/γ)の関係を線形化したときの直線の傾きC(C=C0 1/γ)を意味する。 The linearization (γ1 = γ2 = γ3 = 1) will be described. As shown in FIG. 2A, the output L 0 for the input light amount I of the line sensor generally has a gain coefficient C 0 and an output for the input light amount. If the dependence index is γ, L 0 = C 0 * Iγ. As shown in FIG. 2B, when both sides of this equation are raised to the 1 / γ power and smoothed as shown in FIG. 2C, the relationship between the input light quantity I and the output L becomes a straight line. That is, it is linearized and the index γ can be 1. By performing such smoothing processing in the image capturing process of the line sensors 3, 4, and 5, linearization is realized. Note that, as shown in FIG. 2C, the linear gain coefficient is the slope C of a straight line when the relationship of the output L (L = L 0 1 / γ) to the input light quantity I to the line sensor is linearized. (C = C 0 1 / γ).

前記波長域制限手段によって、ラインセンサー3、4に入射する反射光の波長域を制限していることにより、反射率Rに対する波長λの影響を無視することができるため、前記プロジェクター1のラインセンサー3の視線に対する角度θ1とプロジェクター2のラインセンサー4の視線に対する角度θ2を等しくすれば(θ1=θ2)、R(θ1,λ)=R(θ2,λ)となる。したがって、上記式(10)は、
となって、輝度比Jは、背景光とともに測定対象物の反射率の影響も受けなくなる。
Since the wavelength range of the reflected light incident on the line sensors 3 and 4 is limited by the wavelength range limiting means, the influence of the wavelength λ on the reflectance R can be ignored. If the angle θ 1 with respect to the line of sight 3 is equal to the angle θ 2 with respect to the line of sight of the line sensor 4 of the projector 2 (θ 1 = θ 2 ), then R (θ 1 , λ) = R (θ 2 , λ). Therefore, the above equation (10) is
Thus, the luminance ratio J is not affected by the reflectance of the measurement object together with the background light.

前記数式(11)から、F(h)が一価の逆関数を持つ場合に、測定対象物の高さhは、その反射率や背景光の変動など測定環境の影響を受けずに次式のように、輝度比Jから求めることができる。
From the above equation (11), when F (h) has a monovalent inverse function, the height h of the measurement object is not affected by the measurement environment such as the reflectance and the fluctuation of the background light. As can be seen from the luminance ratio J.

前記式(11)および(12)により、輝度比Jから、解析的に測定対象物の高さhを求めることは煩雑になるため、実用上は、高さの異なる平板からなる標準試験片を用いて基準面の高さを変え、それぞれの高さに対する輝度比JをCCD素子の各画素について求め、その際の、各基準面の高さについての計測点を線形補間することにより、輝度比Jと測定対象物の高さhとを予めテーブル化しておく。このようにすれば、輝度比Jから測定対象物の高さhの算出に要する時間を短縮し、高速な計測を行なうことが可能となる。   Since it is complicated to analytically determine the height h of the measurement object from the luminance ratio J by the above formulas (11) and (12), a standard test piece made of flat plates having different heights is practically used. The brightness ratio J with respect to each height is obtained for each pixel of the CCD element by changing the height of the reference plane, and the luminance ratio is obtained by linearly interpolating the measurement points for the height of each reference plane at that time. J and the height h of the measurement object are tabulated in advance. In this way, it is possible to reduce the time required to calculate the height h of the measurement object from the luminance ratio J, and to perform high-speed measurement.

なお、前記高さhの方向(Z方向)のみならず、上述の形状計測装置の移動方向およびそれに垂直な方向(X−Y方向)の測定データについては、輝度比Jを介さずに、移動速度場およびラインセンサーの各画素から容易に求めることができる。即ち、車両の進行方向をX方向とすると、X座標はラインセンサーの画像のサンプリング回数を取り入れて算出できる。軌道路面の幅方向がY方向となるため、ラインセンサーの画素位置と幅データの対比によりY座標を算出できる。   In addition to the direction of the height h (Z direction), the measurement data in the movement direction of the above-described shape measuring apparatus and the direction perpendicular to the movement direction (XY direction) are moved without using the luminance ratio J. It can be easily obtained from the velocity field and each pixel of the line sensor. That is, when the traveling direction of the vehicle is the X direction, the X coordinate can be calculated by taking the number of times of sampling of the image of the line sensor. Since the width direction of the track surface is the Y direction, the Y coordinate can be calculated by comparing the pixel position of the line sensor with the width data.

前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であることが望ましい。   It is desirable that both the light sources for projecting the constant luminance light and the density gradient pattern light are strobe light sources.

ストロボ光源はキセノンガスの良好な放電特性を利用して短時間発光を行なう光源であり、発光スペクトルが太陽光に近く、太陽光よりも高い輝度が得られ、発光効率も良好である。このように汎用のストロボ光源を用いることにより、発光タイミング、即ち放電のオンオフを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。また、連続点灯用光源に比べて少ないワット数で大きな光量が得られるため、光源装置を小型化することができる。   A strobe light source is a light source that emits light for a short time by utilizing the good discharge characteristics of xenon gas, and its emission spectrum is close to that of sunlight, so that a higher luminance than that of sunlight is obtained and luminous efficiency is also good. By using a general-purpose strobe light source in this way, the light emission timing, that is, the on / off of the discharge can be controlled in a very short time, and the shape can be measured at a high speed. Moreover, since a large amount of light can be obtained with a smaller wattage than a light source for continuous lighting, the light source device can be reduced in size.

上記のラインセンサーを用いた形状計測装置で、この形状計測装置を車両に搭載して連続移動させ、路面の形状を測定することができる。   With the shape measuring device using the above line sensor, the shape measuring device can be mounted on a vehicle and continuously moved to measure the shape of the road surface.

このように、上記形状計測装置の方を移動させて固定の測定対象物体と相対的に連続移動させるようにすれば、鉄道の道床バラストや道路面などの路面の形状を高速で計測することができる。   In this way, if the shape measuring device is moved so as to move continuously relative to the fixed measurement target object, the shape of the road surface such as a railroad ballast or road surface of the railway can be measured at high speed. it can.

上記の一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれストロボ光源により投影するラインセンサーを用いた形状計測装置の計測制御方法であって、前記ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から所要の発光遅れ時間を設けてラインセンサーによる測定対象物体の画像撮影をそれぞれ開始することが望ましい。   A measurement control method of a shape measuring apparatus using a line sensor for projecting the above-mentioned constant luminance light and density gradient pattern light by a strobe light source, and a required light emission delay from the time when a light emission trigger signal of the strobe light source is issued It is desirable to start taking an image of the measurement target object by the line sensor after a certain time.

一般に、ストロボ光源の発光時間は、1フラッシュの光量の半値幅、即ち、発光波形における50%発光輝度間で規定されている。ストロボ光源を用いた場合に、その発光タイミングとラインセンサーによる画像撮影タイミングとを上記のように発光遅れ時間を考慮して制御することにより、前記50%発光輝度間での最大発光時にラインセンサーの感光素子、即ちCCD素子を露光し、画像撮影することができる。このため、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができる。それにより、一般輝度光と濃度傾斜パターン光の投影光による輝度比から求めた形状計測精度が向上する。なお、前記所要の発光遅れ時間は、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、少なくとも25%発光輝度に到達するのに要する時間を設けることが望ましい。   In general, the light emission time of the strobe light source is defined by the half-value width of the light amount of one flash, that is, between 50% light emission luminance in the light emission waveform. When the strobe light source is used, the light emission timing and the image capturing timing by the line sensor are controlled in consideration of the light emission delay time as described above, so that the line sensor can emit light at the maximum light emission between the 50% light emission luminances. An image can be taken by exposing a photosensitive element, that is, a CCD element. For this reason, with a small amount of light source power, luminance several times or more that of sunlight can be obtained, and a luminance ratio with sunlight can be increased. Thereby, the shape measurement accuracy obtained from the luminance ratio of the general luminance light and the density gradient pattern light by the projection light is improved. The required light emission delay time is preferably set to a time required to reach at least 25% light emission luminance from the time when the light emission trigger signal of the strobe light source is issued.

この発明では、異なる光源から一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれ投影し、測定対象物の同一位置での輝度比から計測結果を得るラインセンサーを用いた形状計測装置で、光源をその光軸が垂直方向に対して同じ方向に等しい角度でそれぞれ傾斜させ、かつ、ラインセンサーの光軸となす角度を等しくして投影光の散乱角度を同一に保ち、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または反射経路にバンドパスフィルタを設けて波長域を制限し、さらに、各ラインセンサーにおける入力光量と出力との関係を線形化し、その直線ゲイン係数を同一に設定するようにしたので、単色光以外の光源を用いた場合でも、輝度比が測定対象物の反射率変動の影響を受けずに済み、反射率補正に余分な装置やアルゴリズムを必要とせず、三次元形状計測の中でも最も計測が難しい、測定対象物の高さ方向の計測精度が向上する。このため、分光組成を有する汎用光源の使用が可能となり、装置構成に融通性を持たせることができる。   According to the present invention, a shape measuring apparatus using a line sensor that projects a constant luminance light and a density gradient pattern light from different light sources and obtains a measurement result from a luminance ratio at the same position of a measurement object. The constant brightness light and the density gradient pattern light are inclined at the same angle in the same direction with respect to the vertical direction, and the angle formed with the optical axis of the line sensor is made equal to keep the projection light scattering angle the same. Since the band pass filter is provided in the projection path or the reflection path of, the wavelength range is limited, and the relationship between the input light quantity and the output in each line sensor is linearized, and the linear gain coefficient is set to be the same. Even when a light source other than monochromatic light is used, the luminance ratio is not affected by the fluctuation of the reflectance of the measurement object, and no extra device or algorithm is required for the reflectance correction. The most difficult measurement among the three-dimensional shape measuring the height direction of the measurement accuracy of the measuring object can be improved. For this reason, a general-purpose light source having a spectral composition can be used, and the apparatus configuration can be made flexible.

また、前記汎用光源としてストロボ光源を用いた場合、放電のオンオフを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。また、連続点灯用光源に比べて少ないワット数で大きな光量が得られるため、光源装置を小型化することができる。   Further, when a strobe light source is used as the general-purpose light source, it is possible to control the on / off of the discharge in a very short time and to measure the shape at a high speed. Moreover, since a large amount of light can be obtained with a smaller wattage than a light source for continuous lighting, the light source device can be reduced in size.

さらに、ストロボ光源の最大発光時にラインセンサーでの画像撮影を行なうように発光タイミングと画像撮影タイミングとを制御するようにしたので、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができ、形状計測精度が向上する。   In addition, since the light emission timing and image shooting timing are controlled so that the image is captured by the line sensor when the strobe light source emits the maximum light, a brightness that is several times higher than that of sunlight can be obtained with a small amount of light source power. The luminance ratio with sunlight can be increased, and the shape measurement accuracy is improved.

以下に、この発明の実施形態を添付の図3から図6に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6.

図3は実施形態のラインセンサーを用いた形状計測装置の構成を、図4はラインセンサーとプロジェクターの配置をそれぞれ示したものである。前記形状計測装置は、垂直方向から傾斜して設けた、濃度傾斜パターン光を投影するプロジェクター1および一定輝度光を投影するプロジェクター2と、視線を垂直方向に、互いに平行に等間隔Lで設けた、受光面にCCD素子を直線状に配置したラインセンサー3、4、5と、パルスカウンターを備えた車速受信用機器7と、CPUシステム、画像入力ボードを備えた高速CPUのパソコンをベースとしたラインセンサー画像処理装置8と、同様に高速パソコンをベースとした三次元形状解析装置9とから構成され、プロジェクター1および2と、ラインセンサー3、4、5はそれぞれ装置収納筐体10に収納されている。前記プロジェクター1および2は、図4に示したように、その光軸が垂直方向に対して、同じ方向に等しい角度だけそれぞれ傾斜して同一平面内に設けられ、前記ラインセンサー3、4の垂直方向に設けた各視線と等しい散乱角度θ1、θ2(θ1=θ2)を形成している。プロジェクター1、2の傾斜角度、即ち散乱角度θ1、θ2(θ1=θ2)は45°よりも小さくすることが望ましく、30°程度が好適である。なお、図中のhは測定物体の高さの範囲を示し、矢印は濃度傾斜パターン光の高さ方向の投影範囲を示す。 FIG. 3 shows the configuration of the shape measuring apparatus using the line sensor of the embodiment, and FIG. 4 shows the arrangement of the line sensor and the projector. The shape measuring device is provided with a projector 1 for projecting density gradient pattern light and a projector 2 for projecting constant luminance light, which are inclined from the vertical direction, and the lines of sight in the vertical direction and parallel to each other at equal intervals L. Based on line sensors 3, 4, and 5 having CCD elements arranged linearly on the light receiving surface, vehicle speed receiving device 7 having a pulse counter, a high speed CPU personal computer with a CPU system and an image input board A line sensor image processing device 8 and a three-dimensional shape analysis device 9 based on a high-speed personal computer are also included. The projectors 1 and 2 and the line sensors 3, 4, and 5 are housed in a device housing case 10, respectively. ing. As shown in FIG. 4, the projectors 1 and 2 are provided in the same plane so that their optical axes are inclined with respect to the vertical direction by an equal angle in the same direction. Scattering angles θ 1 and θ 21 = θ 2 ) equal to the respective lines of sight provided in the direction are formed. The tilt angles of the projectors 1 and 2, that is, the scattering angles θ 1 and θ 21 = θ 2 ) are preferably smaller than 45 °, and preferably about 30 °. In the figure, h indicates the range of the height of the measurement object, and the arrow indicates the projection range in the height direction of the density gradient pattern light.

前記形状計測装置は、形状計測用車両に搭載され、この車両が所要の速度でレール11、11上を矢印の移動方向に一定速度Vで移動しながら、図3に示したレール11、11の間および両側に敷設された、測定対象物である道床バラスト12aの形状計測、即ち、レール11、11に直交する方向に、道床バラスト12aの高さ分布の計測が行なわれる。なお、各ラインセンサー3、4、5の視線はそれぞれ平行であれば必ずしも垂直方向に設ける必要はないが、測定対象物の高さを測定するためには、形状解析およびデータ算出処理を簡便にするためには、垂直方向に設けることが望ましい。   The shape measuring device is mounted on a shape measuring vehicle, and the vehicle moves on the rails 11 and 11 at a required speed in the moving direction of the arrow at a constant speed V while the rails 11 and 11 shown in FIG. The shape measurement of the roadbed ballast 12a, which is the object to be measured, laid between and on both sides, that is, the height distribution of the roadbed ballast 12a is measured in a direction orthogonal to the rails 11 and 11. Note that the line-of-sight of each of the line sensors 3, 4, and 5 is not necessarily provided in the vertical direction as long as they are parallel to each other. However, in order to measure the height of the measurement object, the shape analysis and the data calculation process are simply performed. In order to do so, it is desirable to provide it in the vertical direction.

前記プロジェクター1は、ランプハウス内にストロボ光源(キセノン)を備え、その前方に配置した集光レンズと投影レンズとの間に、濃度傾斜パターン光を投影するための、石英ガラスからなる基材の表面にアルミの蒸着膜を、その膜厚を傾斜して形成し、前記ストロボ光源からの投影光の透過率を傾斜して変化させるようにした投影パターンスライドが組み込まれ、測定対象物に濃度傾斜パターン像を与えるようになっている。また、前記ラインセンサー3、4、5には、受光レンズの前面側に、前述の波長域限定手段であるバンドパスフィルタが装着され、波長がおよそ400nmの紫外線域からおよそ1μmの赤外線域の波長域の反射光のみによってCCD素子が露光されるようになっている。なお、前記波長域限定手段はプロジェクター1、2にそれぞれ装着してもよく、投影経路または測定対象物による反射経路に別個に設けてもよい。また、バンドパスフィルタにより、ラインセンサーに受光される波長域を400nmから1μmに限定するのは、400nm以下の波長域の反射光に対してはラインセンサーの感度がわるくなり、また、1μmを超える波長域の反射光に対しては、ラインセンサーへの透過特性がわるくなり、いずれの場合も画像撮影データの信頼性が低下し、再現性がわるくなるためである。   The projector 1 includes a strobe light source (xenon) in a lamp house, and a substrate made of quartz glass for projecting density gradient pattern light between a condenser lens and a projection lens arranged in front of the projector 1. A vapor deposition film of aluminum is formed on the surface, and the film thickness is inclined, and a projection pattern slide is built in that the transmittance of the projection light from the strobe light source is changed to change the inclination. A pattern image is given. In addition, the line sensors 3, 4 and 5 are provided with a bandpass filter which is the above-mentioned wavelength band limiting means on the front side of the light receiving lens, and the wavelength ranges from an ultraviolet region of about 400 nm to an infrared region of about 1 μm. The CCD element is exposed only by the reflected light of the area. The wavelength band limiting means may be attached to each of the projectors 1 and 2, or may be separately provided on the projection path or the reflection path by the measurement object. In addition, the bandpass filter limits the wavelength range received by the line sensor from 400 nm to 1 μm because the sensitivity of the line sensor becomes difficult for reflected light in the wavelength range of 400 nm or less, and it exceeds 1 μm. This is because the transmission characteristics to the line sensor become poor with respect to reflected light in the wavelength range, and in either case, the reliability of the image data is lowered and the reproducibility becomes poor.

前記ラインセンサーの画像処理装置8には、前記投影光の測定対象物6での反射によるラインセンサー3、4、5への入力光量とその出力との関係を、前述のようにして線形化する線形化処理手段が組み込まれている。そして、ラインセンサー3、4、5の前記直線ゲイン係数はいずれも同一に設定されている。   The line sensor image processing apparatus 8 linearizes the relationship between the input light amount to the line sensors 3, 4, and 5 and the output due to the reflection of the projection light from the measurement object 6 as described above. Linearization processing means are incorporated. The linear gain coefficients of the line sensors 3, 4, and 5 are all set to be the same.

次に形状計測方法について説明する。測定対象物であるレール11、11の両側に敷設されたバラストの、形状計測装置の移動方向のP点の位置(図3参照)の形状計測、即ちバラストの高さ分布を測定する場合、プロジェクター1から投影された濃度傾斜パターン光を、対応するラインセンサー3がP点の位置に来たときに、そのCCD素子を露光して画像撮影する。このとき、プロジェクター1のストロボ光源の50%発光輝度間での最大発光時にラインセンサー3のCCD素子を露光させるために、発光のタイミングと画像撮影のタイミングとが制御され、図5に示すように、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、例えば、15μs程度の所要の遅れ時間を設け、ラインセンサー3のCCD素子を40μs程度露光させて画像撮影が行なわれる。   Next, the shape measuring method will be described. When measuring the shape of the ballast laid on both sides of the rails 11 and 11 as the measurement object, and measuring the position of the point P in the movement direction of the shape measuring device (see FIG. 3), that is, measuring the height distribution of the ballast. When the corresponding line sensor 3 comes to the position of the point P, the density gradient pattern light projected from 1 is exposed to take an image. At this time, in order to expose the CCD element of the line sensor 3 at the time of maximum light emission between 50% light emission luminances of the strobe light source of the projector 1, the light emission timing and the image shooting timing are controlled, as shown in FIG. From the time when the light emission trigger signal of the strobe light source is generated, for example, a required delay time of about 15 μs is provided, and the CCD element of the line sensor 3 is exposed for about 40 μs to take an image.

前記プロジェクター2の一定輝度光を発光するストロボ光源の発光トリガーは、前記形状計測装置の移動速度V、即ち、この形状計測装置を搭載した車両の速度と、プロジェクター1に対応するラインセンサー3と、プロジェクター2に対応するラインセンサー4との間隔Lとから算出される、ラインセンサー4の測定位置P点への移動時間に基づいて、発せられる。その際に、プロジェクター1の場合と同様に、プロジェクター2のストロボ光源の50%発光輝度間での最大発光時にラインセンサー4のCCD素子を露光させるために、図5に示したように、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、例えば、15μs程度の所要の遅れ時間を設けてラインセンサー4のCCD素子を40μs程度露光させて画像撮影を行なうように、発光のタイミングと画像撮影のタイミングとが制御される。そして、前記移動速度Vと、ラインセンサー4と、背景光の下での測定対象物を撮影するラインセンサー5との間隔Lから算出される、ラインセンサー5の測定位置P点への移動時間に基づいて、図5に示したように、ストロボ光源を発光させる場合と同様の遅れ時間を設けて、ラインセンサー5CCD素子が露光され、背景光の下で画像撮影される。このように、各ラインセンサー3、4、5が同一位置(P点)のバラスト、即ち測定対象物を撮影するように、ラインセンサー3とラインセンサー4との撮影間隔、およびラインセンサー4とラインセンサー5との撮影間隔が同一に保たれる。   The light emission trigger of the strobe light source that emits constant luminance light of the projector 2 includes the movement speed V of the shape measuring device, that is, the speed of the vehicle on which the shape measuring device is mounted, the line sensor 3 corresponding to the projector 1, It is emitted based on the movement time of the line sensor 4 to the measurement position P, which is calculated from the distance L from the line sensor 4 corresponding to the projector 2. At that time, as in the case of the projector 1, in order to expose the CCD element of the line sensor 4 at the maximum light emission between 50% light emission luminances of the strobe light source of the projector 2, as shown in FIG. From the time when the light emission trigger signal is issued, for example, the timing of light emission and the timing of image shooting are set such that a required delay time of about 15 μs is provided and the CCD element of the line sensor 4 is exposed for about 40 μs to perform image shooting. Is controlled. And the movement time to the measurement position P point of the line sensor 5 calculated from the distance L between the movement speed V, the line sensor 4 and the line sensor 5 for photographing the measurement object under the background light. Based on this, as shown in FIG. 5, the line sensor 5 CCD element is exposed with a delay time similar to that in the case where the strobe light source emits light, and an image is taken under background light. In this way, the line sensor 3, the line sensor 4 and the line sensor 4, and the line sensor 4 and the line so that each line sensor 3, 4, 5 shoots the ballast at the same position (point P), that is, the measurement object. The shooting interval with the sensor 5 is kept the same.

図6は、前記形状計測装置の画像処理フローを示したものである。前述のように、測定対象物6に、例えばストロボ光源を用いたプロジェクター1、2から、プロジェクター制御装置13を介して、濃度傾斜パターン光の投影、および一定輝度光のパターン投影14がなされ、投影光および背景光の状態下で、ラインセンサ画像処理装置8から撮影条件設定処理15がなされたラインセンサー3、4、5により、測定対象物の輝度が測定される。その際に、前記車速受信用機器7からの車速入力処理16により、車速が前記画像処理装置8のCPU処理システムに入力され、測定対象物の同一位置の画像をストロボ光源の最大発光時に撮影できるように、ストロボ光源の発光タイミングとラインセンサー3、4、5の画像撮影タイミングとが同期回路17により制御される。このタイミング制御により、ラインセンサー3、4、5に発せられる画像撮影開始の外部同期トリガーの間隔は、最速で10ms毎に行なわれる。この最速外部同期トリガーの間隔と車速、即ち前記形状計測装置の移動速度Vとから、形状計測が可能な測定対象物の最短間隔が算出される。ラインセンサー3、4、5による画像撮影データは、ビデオキャップチャーボード18とDMA転送用フレームメモリ19を備えた画像入力ボード20を介して、画像処理装置8のCPUシステム内で画像取込み制御21がなされ、画像処理装置8の記憶装置のバッファに前記画像撮影データの格納処理22(画像データバッファリング)がなされる。前記三次元形状解析装置9で、画像撮影データのサンプリング処理23がなされ、画像撮影データから求めた輝度比と、輝度比と測定対象物の高さとの関係を示すテーブルに基づいて形状解析処理24、および高さ(Z方向)分布の形状データ算出処理25が行なわれる。X方向およびY方向の形状算出処理は、輝度比を介さずに、ラインセンサー3、4の各画素データから直接行なうことができる。そして、算出した形状データから、最終的に三次元形状表示処理26が行なわれ、前記形状データは、三次元形状データ管理処理27により、前記三次元形状解析装置9の記憶装置のデータファイルに格納される。なお、高さの異なる平板からなる標準試験片を用いて基準面の高さを変え、それぞれの高さの基準面について撮影した画像データをサンプリングして輝度比JをCCD素子の各画素について求め、その際の、各基準面についての計測点を線形補間することにより、輝度比Jと測定対象物の高さhとを予めテーブル化しておくキャリブレーション処理を行なうことにより、輝度比Jから測定対象物の高さhの算出に要する時間を短縮し、高速な計測を行なうことが可能となる。   FIG. 6 shows an image processing flow of the shape measuring apparatus. As described above, projection of density gradient pattern light and pattern projection 14 of constant luminance light are performed on the measurement object 6 from the projectors 1 and 2 using a strobe light source, for example, via the projector control device 13. Under the condition of light and background light, the brightness of the measurement object is measured by the line sensors 3, 4, and 5 that have undergone the shooting condition setting process 15 from the line sensor image processing device 8. At that time, the vehicle speed is input to the CPU processing system of the image processing device 8 by the vehicle speed input processing 16 from the vehicle speed receiving device 7, and an image at the same position of the measurement object can be taken at the maximum light emission of the strobe light source. Thus, the light emission timing of the strobe light source and the image capturing timing of the line sensors 3, 4, and 5 are controlled by the synchronization circuit 17. By this timing control, the interval between the external synchronization triggers for starting image capturing issued to the line sensors 3, 4 and 5 is performed every 10 ms at the fastest. From the distance between the fastest external synchronization trigger and the vehicle speed, that is, the moving speed V of the shape measuring device, the shortest distance between the measuring objects capable of measuring the shape is calculated. Image capturing data from the line sensors 3, 4, and 5 is received by an image capture control 21 in the CPU system of the image processing apparatus 8 via an image input board 20 having a video capture board 18 and a DMA transfer frame memory 19. Then, the image photographing data storage process 22 (image data buffering) is performed in the buffer of the storage device of the image processing apparatus 8. In the three-dimensional shape analysis apparatus 9, sampling processing 23 of the image shooting data is performed, and the shape analysis processing 24 is performed based on the luminance ratio obtained from the image shooting data and a table indicating the relationship between the luminance ratio and the height of the measurement object. , And the shape data calculation process 25 of the height (Z direction) distribution is performed. The shape calculation processing in the X direction and the Y direction can be performed directly from the pixel data of the line sensors 3 and 4 without going through the luminance ratio. Then, a three-dimensional shape display process 26 is finally performed from the calculated shape data, and the shape data is stored in a data file of a storage device of the three-dimensional shape analyzer 9 by a three-dimensional shape data management process 27. Is done. In addition, the height of the reference plane is changed using standard test pieces made of flat plates having different heights, and the image data taken for the reference plane of each height is sampled to obtain the luminance ratio J for each pixel of the CCD element. In this case, measurement is performed from the luminance ratio J by performing a calibration process in which the luminance ratio J and the height h of the measurement object are tabulated in advance by linearly interpolating the measurement points for each reference plane. The time required for calculating the height h of the object can be shortened and high-speed measurement can be performed.

この発明の実施形態は以上のような構成であり、以下にその特徴について説明する。   The embodiment of the present invention is configured as described above, and the features thereof will be described below.

前記各ラインセンサー3、4、5にバンドパスフィルタを装着し、図4に示したように、測定対象物に対して、濃度傾斜パターン光を投影するプロジェクター1の光軸と、その反射光を受光するラインセンサー3の視線とのなす角度θ1、および一定輝度光を投影するプロジェクター2の光軸と、その反射光を受光するラインセンサー4の視線とがなす角度θ2とを等しくし、即ち、前記2つの投影光の散乱角度を等しくし、かつ、各ラインセンサー3、4、5に、入力光量と出力との関係を線形化する換算式を組み込み、各ラインセンサー3、4、5のそれぞれの直線ゲイン係数を等しく設定しているため、プロジェクター1、2の分光組成を有す射る光源を使用しても、前記輝度比Jが測定対象物の反射率および背景光の変化の影響を受けずにすむ。それにより、一般光を光源として使用しても測定環境に影響されず、また、反射率補正に余分な装置やアルゴリズムを必要とせず、精度よく形状計測を行なうことができる。 A band pass filter is attached to each of the line sensors 3, 4, and 5, and as shown in FIG. 4, the optical axis of the projector 1 that projects the density gradient pattern light on the measurement object and the reflected light thereof. The angle θ 1 formed with the line of sight of the line sensor 3 that receives light, and the angle θ 2 formed by the line of sight of the line sensor 4 that receives the reflected light with the optical axis of the projector 2 that projects light of constant luminance are made equal. That is, a conversion formula for equalizing the scattering angles of the two projection lights and linearizing the relationship between the input light amount and the output is incorporated in each of the line sensors 3, 4, 5. Since the linear gain coefficients are set to be equal to each other, the luminance ratio J is influenced by the reflectance of the measurement object and the change in the background light even when the projecting light source having the spectral composition of the projectors 1 and 2 is used. Receive Live in. As a result, even if general light is used as a light source, it is not affected by the measurement environment, and an extra device or algorithm is not required for reflectance correction, and shape measurement can be performed with high accuracy.

また、プロジェクター1、2の光源として、一般光のストロボ光源を用いているため、発光タイミングを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。さらに、前記ストロボ光源の50%発光輝度間での最大発光時にラインセンサーの感光素子であるCCD素子を露光し、画像撮影するように、発光タイミングと撮影タイミングとを制御しているため、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができ、形状計測精度が向上する。   Further, since a general strobe light source is used as the light source of the projectors 1 and 2, the light emission timing can be controlled in a very short time, and the shape can be measured at high speed. Further, since the CCD element, which is the photosensitive element of the line sensor, is exposed at the time of maximum light emission between 50% emission luminance of the strobe light source, and the light emission timing and imaging timing are controlled so as to take an image, a small amount of light is emitted. With the light source power, a luminance several times higher than that of sunlight can be obtained, the luminance ratio with sunlight can be increased, and the shape measurement accuracy is improved.

この発明は、測定対象物の反射率や背景光などの環境に影響されず、ストロボ光源などの一般光を用いて、形状計測装置と測定対象物が相対的に連続移動する計測条件下で、鉄道の道床バラストや道路の路面、生産ラインを一定速度で搬送される製品、連続移動するパイプや鋼板などの長い物体表面形状などの高速形状計測に利用することができる。   This invention is not affected by the environment such as the reflectance of the measurement object and the background light, and under the measurement conditions in which the shape measurement device and the measurement object move relatively continuously using general light such as a strobe light source. It can be used for high-speed shape measurement of railroad floor ballasts, road surfaces, products transported at a constant speed on production lines, and long object surface shapes such as continuously moving pipes and steel plates.

この発明の実施形態の計測原理を示す説明図Explanatory drawing which shows the measurement principle of embodiment of this invention (a)〜(c)同上のラインセンサーの入出力特性の線形化を示す説明図(A)-(c) Explanatory drawing which shows linearization of the input-output characteristic of a line sensor same as the above. 同上のラインセンサーを用いた計測装置の構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the structure of the measuring device using a line sensor same as the above 同上のラインセンサーとプロジェクターの配置を示す説明図Explanatory drawing showing the layout of the line sensor and projector 同上のプロジェクターの発光タイミングとラインセンサーの撮影タイミングとの関係を示す説明図Explanatory drawing which shows the relationship between the light emission timing of a projector same as the above, and the shooting timing of a line sensor. 同上の形状計測の流れを示す説明図Explanatory drawing showing the flow of shape measurement ラインセンサーを用いた形状計測装置の計測原理の一例を示す説明図Explanatory drawing which shows an example of the measurement principle of the shape measuring device using a line sensor

符号の説明Explanation of symbols

1、2:プロジェクター 3、4、5:ラインセンサー 6:測定対象物
7:車速受信用機器 8:ラインセンサー画像処理装置
9:三次元形状解析装置 10:装置収納筐体 11:レール
12:枕木 12a:道床バラスト 13:プロジェクター制御装置 14:パターン投影 15:ラインセンサー条件設定処理
16:車速入力処理 17:同期回路 18:ビデオキャップチャーボード 19:フレームメモリ 20:画像入力ボード 21:画像取込み制御 22:格納処理 23:サンプリング処理 24:形状解析処理 25:形状データ算出処理 26:三次元形状表示処理
27:三次元形状データ管理処理 28:キャリブレーション処理

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2: Projector 3, 4, 5: Line sensor 6: Measurement object 7: Vehicle speed receiving apparatus 8: Line sensor image processing apparatus 9: Three-dimensional shape analyzer 10: Apparatus storage case 11: Rail 12: Sleeper 12a: Roadbed ballast 13: Projector control device 14: Pattern projection 15: Line sensor condition setting process 16: Vehicle speed input process 17: Synchronous circuit 18: Video cap charter board 19: Frame memory 20: Image input board 21: Image capture control 22 : Storage processing 23: Sampling processing 24: Shape analysis processing 25: Shape data calculation processing 26: Three-dimensional shape display processing 27: Three-dimensional shape data management processing 28: Calibration processing

Claims (5)

相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも3台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測装置であって、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の波長域の光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しく設定したことを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測装置。 A constant brightness light and density gradient pattern light are projected onto a measurement object that moves relatively continuously from a direction inclined by a predetermined angle with respect to the vertical direction by different projectors, and arranged in series in the moving direction. At least three line sensors take images of the measurement object in the respective states of projecting the constant luminance light, projecting the density gradient pattern light, and projecting no light. A shape measurement apparatus using a line sensor that measures luminance and enables shape measurement from the calculated luminance ratio at the same position, wherein the constant luminance light and the density gradient pattern light are projected by the reflection path or the measurement object The path is provided with wavelength limiting means for allowing only light in a certain wavelength range to enter each line sensor, and the optical axes of the projectors are equal to the same direction with respect to the vertical direction. Use a line sensor that is tilted at a degree to equalize the angle formed with the line of sight of the corresponding line sensor, linearize the relationship of the output to the input light quantity between each line sensor, and set the linear gain coefficient equal. A shape measuring device. 前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であることを特徴とする請求項1に記載のラインセンサーを用いた形状計測装置。 2. The shape measuring apparatus using a line sensor according to claim 1, wherein both light sources for projecting the constant luminance light and the density gradient pattern light are strobe light sources. 請求項1または2に記載のラインセンサーを用いた形状計測装置であって、この形状計測装置が車両に搭載されて連続移動し、路面の形状を測定することを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測装置。 A shape measuring device using the line sensor according to claim 1 or 2, wherein the shape measuring device is mounted on a vehicle and continuously moves to measure the shape of a road surface. Shape measuring device. 相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも3台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測方法であって、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の幅の波長光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の幅の波長光のみを入射させる波長制限手段を設け、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しく設定したことを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測方法。 A constant brightness light and density gradient pattern light are projected onto a measurement object that moves relatively continuously from a direction inclined by a predetermined angle with respect to the vertical direction by different projectors, and arranged in series in the moving direction. At least three line sensors take images of the measurement object in the respective states of projecting the constant luminance light, projecting the density gradient pattern light, and projecting no light. A shape measurement method using a line sensor capable of measuring the luminance and measuring the shape from the calculated luminance ratio at the same position, wherein the constant luminance light and the concentration gradient pattern light are projected by the reflection path or the measurement object The path is provided with wavelength limiting means for allowing only a part of the wavelength of light to enter each line sensor, and the optical axes of the projectors are equal to the same direction with respect to the vertical direction. Inclined at a degree, the angle formed by the line of sight of the corresponding line sensor is made equal, and the wavelength of a part of the width of each line sensor in the projection path of the constant luminance light and the density gradient pattern light or the reflection path by the measurement object A shape measuring method using a line sensor, characterized in that wavelength limiting means for allowing only light to enter is provided, the relationship of the output with respect to the input light quantity is linearized between the line sensors, and the linear gain coefficient is set equal. 前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であり、一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれ投影するストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から所要の発光遅れ時間を設けてラインセンサーによる測定対象物体の画像撮影を開始するようにしたことを特徴とする請求項4に記載したラインセンサーを用いた形状計測方法。
The light sources that project the constant luminance light and the density gradient pattern light are both strobe light sources, and the required light emission delay from the time when the light emission trigger signal of the strobe light source that projects the constant luminance light and the density gradient pattern light is emitted. 5. The shape measuring method using a line sensor according to claim 4, wherein image capturing of the measurement target object by the line sensor is started after a certain period of time.
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