JP2006084452A - Apparatus for measuring object - Google Patents
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Abstract
Description
[発明の属する技術分野]
本発明は鏡面の位置形状を計測する物体計測装置に関するものである。[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an object measuring apparatus that measures the position and shape of a mirror surface.
[従来の技術]
従来の物体形状計測法は拡散反射物体を対象としており,鏡面物体への適用は一般的に困難であるが,工業応用をはじめ多くの分野で鏡面物体の形状計測が求められている。
鏡面の置かれた位置と形状をレーザ光を投影して計測する能動的方法は従来から多くの研究が行われてきた。スポット光走査式光切断法では,スポット投影法を使って,半田部の金属表面形状を計測した例や,光源とカメラをほぼ同位置に配置してLED光が再度光源方向に戻ってくる投光角度を機械的走査により検出して鏡面を計測した例などが提案されている。しかしながら計測分解能を高くするには光の走査と多量の画像入力が必要になる。
一方,受動式の手法については,符号化格子光源の照明を使い,予め固定した参照面上での反射を仮定して鏡面の法線方向を検出し,形状に復元している例が報告されている。 高い精度を得るためには,光源が十分遠方であり,鏡面は十分小さい場合に限定される。 その欠点を解決する方法として符号化パターン投影の利用を提案した例があり,局部鏡面法線方向を利用して参照面を修正・更新している点が特徴的である。しかし、 基準点から離れるにつれて,更新される参照面に誤差が累積されて計測誤差が大きくなりやすいという問題を抱えている。[Conventional technology]
Conventional object shape measurement methods target diffusely reflective objects and are generally difficult to apply to specular objects. However, shape measurements of specular objects are required in many fields including industrial applications.
Much research has been conducted on an active method for measuring the position and shape of a mirror surface by projecting a laser beam. In the spot light scanning light cutting method, an example in which the metal surface shape of the solder part is measured using the spot projection method, or the light source and the camera are arranged at substantially the same position and the LED light is returned to the light source direction again. An example in which a mirror surface is measured by detecting a light angle by mechanical scanning has been proposed. However, to increase the measurement resolution, light scanning and a large amount of image input are required.
On the other hand, for the passive method, an example is reported in which the normal direction of the mirror surface is detected and the shape is restored using the illumination of the coded grating light source, assuming reflection on a fixed reference surface. ing. In order to obtain high accuracy, it is limited to the case where the light source is sufficiently far away and the mirror surface is sufficiently small. There is an example that proposes the use of coding pattern projection as a method to solve the drawback, and the feature is that the reference plane is corrected / updated using the local specular normal direction. However, there is a problem that as the distance from the reference point increases, errors are accumulated on the updated reference surface and the measurement error tends to increase.
[発明が解決しようとする課題]
本発明は,鏡面の前面に置かれたパターン板と画像入力装置を用いて,鏡面の位置と形状を高い分解能で,高い精度,かつ,高い安定性で計測する手段を提供することを目的とする。[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide means for measuring the position and shape of a mirror surface with high resolution, high accuracy, and high stability by using a pattern plate placed on the front surface of the mirror surface and an image input device. To do.
[課題を解決するための手段]
本発明では、少なくとも1枚のパターン板と、ハーフミラーと、該ハーフミラーを介して前記パターン板の反射像もしくは虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段を有し、かつ、画像を分離する手段と、該入力画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けるための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と,反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えている。[Means for solving problems]
In the present invention, at least one pattern plate, a half mirror, and an image input means for obtaining an input image by observing a reflected image or a virtual image of the pattern plate via the half mirror, and separating the images Means for associating an image point of the input image with a pattern position on the pattern board, an incident light ray calculating means for calculating an incident light ray immediately before the reflection point is incident, and a reflection point Reflected light ray calculating means for calculating a reflected light ray traveling to the image point, and reflective point calculating means for calculating an intersection point of the incident light ray and the reflected light ray as a reflection point.
[発明の実施の形態]
第1の実施例を第1図を用いて説明する。左側にカメラ1が置かれ,右側の2箇所にパターン板2,3が置かれている。計測対象の鏡面4は任意の位置に置かれており,パターン板2もしくは3の虚像がカメラ1で観察される。[Embodiment of the Invention]
A first embodiment will be described with reference to FIG. A camera 1 is placed on the left side, and
カメラ撮像素子上の任意の結像点iが,パターン板2上の位置p1の虚像位置であり,同時に,パターン板3上の位置p2の虚像点であって,これらp1,p2の座標を検出することができれば,結像点iに入射した光線が鏡面4で反射する前に通過した光線軌跡T1,T2を決定することができる。但し,T1、T2は同一直線上にある。鏡面反射後の光線軌跡T3はレンズ主点位置と結像点位置により定まる。このため,三角測量の原理により鏡面の反射点Aの位置を確定することができる。An arbitrary image point i on the camera image pickup device is a virtual image position at a position p 1 on the
結像点iは画像上の特徴点により与えられるが,それに対応するパターン板2,3上の位置であるp1,p2は,パターン板上のパターンとカメラ入力画像とのパターンマッチングによって検出することができる。計測点数を単一ではなく,できるだけ多くすることは,パターン板に構造化パターンを表示して特徴点数を多くすることにより容易に実現することができる。なお、パターン板3の画像を入力する際には,パターン板2を取り除くか,あるいは、パターン板2をパターン板3の位置に移動する。また、パターン板2と3はそれぞれの方向が分かっていれば必ずしも平行である必要がない。また、パターン板2は透明または半透明可能なものを使用し,パターン板3の画像入力の際にはパターン板2は透明または半透明とすることにより、パターン板の移動を避けることができる。透過型液晶パネルを使って実現可能である。さらに、そのパターン板を利用してパターン板モジュールを構成すれば取り扱いが容易になる。一方また、パターン板2と3の画像を切り替えるため,ミラーを設置し,そのミラーの移動や回転によって光路を切り替えても良い。The imaging point i is given by a feature point on the image. The corresponding positions p 1 and p 2 on the
第2図は計測の手順を示したものである。パターン板2の画像を入力(11)した後,各画像点iとパターン板2上の対応位置p1を同定する(12)。次に、パターン板3の画像を入力し(13),各画像点iとパターン板3上の対応位置p2を同定する(14)。次に,同じ画像点に共に対応するp1とp2から発した光線は鏡面への共通した入射光となることに着目し,その入射光線T1を算出する。一方,反射点Aで反射し画像点iに至る反射光線T3をカメラパラメータと画像点から算出する。そして、T1とT3の交点を算出すれば,その位置が反射点Aの位置であり,また、反射点における鏡面の法線方向nも求めることができる。FIG. 2 shows the measurement procedure. After entering an image of a pattern plate 2 (11), to identify the corresponding positions p 1 on each image point i and the pattern plate 2 (12). Then, enter the image of the pattern plate 3 (13), to identify the corresponding position p 2 on each image point i and the pattern plate 3 (14). Next, paying attention to the fact that the light rays emitted from p 1 and p 2 corresponding to the same image point become the common incident light on the mirror surface, the incident light ray T 1 is calculated. On the other hand, it calculates the reflected ray T 3 reaching the image point i reflected by the reflection point A from the camera parameters and the image point. If the intersection of T 1 and T 3 is calculated, the position is the position of the reflection point A, and the normal direction n of the mirror surface at the reflection point can also be obtained.
第2の実施例を第3図に示す。パターン板22上の位置p1からの光線T4は赤フィルタ25とハーフミラー23を通過して光線T1となり、鏡面4の反射点Aで反射してT3の光線となり,カラーカメラ21の画像点iに達する。一方,同じ画像点に対応したパターン板22上の位置p2を出た光線T5は青フィルタ26を通過し,ミラー24とハーフミラー23で反射し,p1からの光線T1と一致し、反射点で反射した後、画像点iに達する。カラーカメラ21で得られた入力画像を赤成分と青成分に分離し,赤成分の画像は赤フィルタを通過した光により作られた画像,青成分の画像は青フィルタを通過した光により作られた画像とする。これにより、各画素について、p1の位置とp2の位置が得られる。ハーフミラー23とミラー24の配置が定まっていれば光線T1が算出でき、一方,反射点Aから画像点iに至る光線T3との交点として,反射点Aの位置を確定することができる。A second embodiment is shown in FIG. A light ray T 4 from a position p 1 on the
第4図に処理手順を示した。画像入力31の後,赤フィルタ25を通る光線軌跡T4と青フィルタ26を通る光線軌跡T5のそれぞれの画像I1,I2を作製する。(32)次に,各画像点に対応するパターン板上の位置p1を求める。p1は各画像点iに依存する分布として得る。(33)同様にして,各画像点に対応するパターン板上の位置p2を求める。(34)続いて,画像点が一致する光線T4とT5は、鏡面入射前は共通の入射光線T1となることに着目し、33と34の処理結果とハーフミラー23,ミラー24、およびパターン板22の配置パラメータを使って、各画像点に対応する入射光線T1を算出する。(36)T1は各画像点に依存して求められる。一方,反射後に各画像点に至る反射光線T3を、カメラパラメータと画像点位置から算出する。(35)反射光線の算出にはパターン板上の対応位置の結果は使用しないが,図中では画像点iについての反射光線ということを表すため,敢えて33と35を線で結んでいる。 こうして得られたT1とT3を使って,交点Aの位置を反射点として算出する。(37)また、同時に鏡面4の法線方向も求めることができる。FIG. 4 shows the processing procedure. After the
図では各ステップにおいてすべての画像点に対して処理をすることを想定して記載しているが,画像点1つずつ図に示した処理を行い,それを画像点分繰り返しても構わない。また、実施例では赤と青のフィルタを用いたが、他の色の組合わせであっても構わないことは自明である。また、パターン板22に複数の色の組合わせで表示し,光線T4とT5の光線色が異なるように構成すれば色フィルタである25,26はなくてもよい。また、T4とT5の光線が時間的に異なるようにパターン板22のパターンを区別すれば、25,26は不要となる。また、23,24の構成をプリズム光学素子で実現しても良い。また、パターン板22を2つのパターン板に分け,その一つは光線T4,もう一つは光線T5用に使ってもよい。その場合,色フィルタである25,26を使う代わりに,パターン板には互いに異なる色を発することができるカラー表示のパターン板を用いることができ,その方が装置として簡素となる。また、パターン板にパターン構造をもたせて光線T4とT5を区別できれば、画像分離においてパターン構造の特徴による分離を行えばよく,その場合,画像入力においては白黒カメラを使用することができる。In the figure, it is assumed that processing is performed for all image points in each step. However, the processing shown in the figure may be performed for each image point, and the processing may be repeated for each image point. In the embodiment, the red and blue filters are used, but it is obvious that other color combinations may be used. If the
第5図は第3の実施例である。パターン板2と3を交差する方向に置く。必ずしも直交でなくても良い。パターン板2には赤のパターンを,パターン板3には青のパターンを表示する。パターン板2を出た光線T4はハーフミラー23を透過して入射光線T1になり,パターン板3を出た光線T5はハーフミラー23で反射してT1になる。T1とT3との交点を算出して反射点Aの位置と鏡面4の法線方向を求めることができる。但し,この場合,各画像点に対応するパターン板2,3上の位置p1、p2を得るためにカメラはカラーカメラ21を使用し,入力画像を赤成分と青成分の画像に分離して、それぞれパターン板2とパターン板3からの画像として対応させる。処理手順は第4図に示したものと同じである。FIG. 5 shows a third embodiment. The
この実施例において,パターン板はカラー表示可能なパターン板の代わりに色フィルタを前面に置いたパターン板であっても良い。また、カラーカメラは前面に色フィルタを置いた白黒カメラでもよい。また、この実施例において,パターン板2と3の色の組合わせは赤と青としたが,他の色の組合わせであっても良い。また、ハーフミラー23とパターン板3の間にミラーを設けて,パターン板3の方向を自由に変更することができる。また、パターン板2と3を同時表示しないように、可動遮光板や表示点灯回路により,時間的に切り替えるならば、カラーカメラの代わりに白黒カメラを使用しても良い。In this embodiment, the pattern plate may be a pattern plate in which a color filter is placed on the front surface instead of a color displayable pattern plate. The color camera may be a monochrome camera with a color filter on the front. In this embodiment, the combination of the colors of the
第1,第2,第3の実施例ではカメラまたはカラーカメラを用いたが,必ずしも光学カメラに限定されるものではない。また、単にカメラと記載したものは白黒カメラであっても、カラーカメラであってもよい。また、対象とする物体表面は完全な鏡面である必要はなく,正反射成分を有する面であれば良い。但し,現実には、拡散反射が強い面の計測は、精度が低く,計測できない場合も多い。また,実施例の説明において,記載されたパターン板の虚像というのは、パターン板上に表示されたパターンの虚像のことである。
[発明の効果]
鏡面の位置と形状を求めるには鏡面の反射点と法線方向の分布を検出する必要があるが,従来は計測条件に制約があると共に,安定して検出することができなかった。本発明ではパターン板からの入射光線と鏡面での反射光線を求めて交点を算出する三角測量原理による方式であるため,安定で高い精度を得ることができる。この場合,パターン板の移動があると機械的な精度劣化が心配されるが,この問題に対する解決として、パターン板の移動を必要としない方法を開示した。また、画像点ごとに反射点を算出することができるため,計測点の密度を高くすることができる利点がある。また、計測の際に鏡面の知られた位置の情報を全く必要としないため,任意の画像点での鏡面位置を、隣接画像点での鏡面位置の情報が全く無しで検出できる。このため、鏡面と乱反射面が混在する場合でも鏡面部分を計測できる。In the first, second and third embodiments, a camera or a color camera is used, but the present invention is not necessarily limited to an optical camera. Further, what is simply described as a camera may be a monochrome camera or a color camera. Further, the target object surface does not need to be a perfect mirror surface, and may be a surface having a regular reflection component. However, in reality, measurement of a surface with strong diffuse reflection is often inaccurate due to low accuracy. In the description of the embodiments, the described virtual image of the pattern plate is a virtual image of the pattern displayed on the pattern plate.
[The invention's effect]
In order to obtain the position and shape of the mirror surface, it is necessary to detect the reflection point and the distribution in the normal direction of the mirror surface, but conventionally, there are restrictions on the measurement conditions and it has not been possible to detect stably. In the present invention, the method is based on the triangulation principle in which the incident light from the pattern plate and the reflected light on the mirror surface are obtained to calculate the intersection point, so that stable and high accuracy can be obtained. In this case, if the pattern plate is moved, there is a concern about mechanical accuracy deterioration. However, as a solution to this problem, a method that does not require movement of the pattern plate has been disclosed. Further, since the reflection point can be calculated for each image point, there is an advantage that the density of the measurement points can be increased. Further, since no information on the known position of the mirror surface is required at the time of measurement, the mirror surface position at an arbitrary image point can be detected without any information on the mirror surface position at the adjacent image point. For this reason, even when the mirror surface and the irregular reflection surface coexist, the mirror surface portion can be measured.
[第1図]は本発明の第1の実施例を説明するための図である。
[第2図]は第1の実施例における処理手順を示したものである。
[第3図]は本発明の第2の実施例を説明するための図である。
[第4図]は第2の実施例における処理手順を示したものである。
[第5図]は第3の実施例を説明するために示した図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
[FIG. 2] shows a processing procedure in the first embodiment.
[FIG. 3] is a figure for demonstrating the 2nd Example of this invention.
[FIG. 4] shows a processing procedure in the second embodiment.
[FIG. 5] is a diagram for explaining a third embodiment.
1:カメラ
2、3:パターン板
4:鏡面
11:画像入力
12:画像−パターン間対応付け
13:画像入力
14:画像−パターン間対応付け
15:入射光線算出
16:反射光線算出
17:反射点算出
21:カラーカメラ
22:パターン板
23:ハーフミラー
24:ミラー
25:赤フィルタ
26:青フィルタ
31:画像入力
32:画像分離
33、34:画像−パターン間対応付け
35:反射光線算出
36:入射光線算出
37:反射点算出1:
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004304918A JP2006084452A (en) | 2004-09-17 | 2004-09-17 | Apparatus for measuring object |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2004304918A Pending JP2006084452A (en) | 2004-09-17 | 2004-09-17 | Apparatus for measuring object |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008039767A (en) * | 2006-08-01 | 2008-02-21 | Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc | Method and system for sensing surface shape of reflective object |
JP2014038015A (en) * | 2012-08-14 | 2014-02-27 | Nidec Tosok Corp | Three-dimensional measuring device |
-
2004
- 2004-09-17 JP JP2004304918A patent/JP2006084452A/en active Pending
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