JP2007033039A - 光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 三次元形状計測装置における従来のキャリブレーション方法では，歪み補正プレートを用いたカメラの歪み補正と，キャリブレーションブロックを用いた高さ方向のキャリブレーションを，別々に行っているので，時間がかかり，またカメラの倍率補正は行っていない。
【解決手段】 そこで本発明では，光切断法による３次元形状計測装置において，スリット光源２と，カメラ５を設置した光学ヘッド部１を所定姿勢で移動可能とする案内部７を設けたキャリブレーション装置６を構成し，この装置には光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロック８を下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成したキャリブレーション装置，そしてこの装置を用いたキャリブレーション方法を提案している。
【選択図】 図１

Description

本発明は，光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション方法及び装置に関するものである。

スリット光源から扇状に拡がるスリット光を対象物に照射すると共に，対象物をカメラで撮像し，スリット光が対象物に生じる輝線により対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置では，対象部分のカメラの画像上の位置と，実空間における位置とを対応させるための作業，いわゆるキャリブレーションが必要である。

このような三次元形状計測装置における代表的なキャリブレーションの方法としては，例えば図５，図６に模式的に示されるように，カメラの歪み補正をまず行い，次いで高さ補正を行う方法が行われている。

これらの図において，符号ａは光学ヘッド部を示すもので，この光学ヘッド部ａには，スリット光源ｂと，このスリット光源ｂからのスリット光の照射方向ｃに対して光軸ｄを所定角度傾斜させてカメラｅを設置している。

一方，図５において，符号ｆは，計測装置によって，例えば段差等の三次元形状を計測する物体（図示省略）を配送するための配送台であり，この配送台ｆに，４５度の斜面を有する固定ブロックｇを設置すると共に，固定ブロックｇの斜面に歪み補正プレートｈをセット可能としており，上記カメラｅは，その光軸ｄが歪み補正プレートｈの法線に一致させる配置としている。即ち，カメラｅは，図中鉛直方向に向いているスリット光の照射方向に対して，光軸を４５度傾斜させて設置している。歪み補正プレートｈは，この場合，平面の黒色の地に，所定の径の白色の円を，所定のピッチで縦横に配置した構成としている。一方，図６において，符号ｉは寸法，特に高さが既知のキャリブレーションブロックである。

この方法は，以上の構成において，まず図５に示すように，歪み補正プレートｈを固定ブロックｇの斜面にセットして，カメラｅにより撮影して，その画像により，カメラｅの歪み補正を行う。例えば，その画像における全ての隣接している円の中心間のピクセル数を求めて，その平均を全ピクセルのピクセル重さと仮定して，歪みの補正を行う。

次いで，図６に示すように，歪み補正プレートｈと固定ブロックｇを測定部分から外して，かわりに高さが既知のキャリブレーションブロックｉを設置し，その高さを光切断法により測定して，高さ方向のキャリブレーションを行っていた。

尚，この方法では，カメラの倍率補正は行っておらず，代わりに，より倍率変動の少ないレンズを使用していたため，長い焦点距離を必要としていた。

また従来の他のキャリブレーション方法として，特許文献１に示されるものは，光切断法による３次元計測装置のカメラパラメータおよびプロジエクタパラメータを求める方法，即ち，スリツト光の平面方程式を計測する方法に関するもので，この方法では，平面上にある第１の被検出点を，ＸＹＺテーブルで移動して，カメラで少なくとも６点を撮像することにより，ＸＹＺテーブルの座標系と，カメラの座標系との変換係数すなわちカメラパラメータを算出するステップを有し，規則的パターンを用いずにスリツト光の平面方程式の計測を行うことができるとともに，ＸＹＺテーブルの物体座標系とカメラの座標系との変換係数を求めることができるという方法を提案するものである。

また特許文献２に示されるものは，光切断法による３次元計測装置におけるキャリブレーション方法に関するもので，この方法は，３次元空間に配置され，かつ位置が既知である複数の格子点を有する平面を該平面に垂直方向に少なくとも１回移動させ，該移動前後の上記平面を上記センサ系に含まれる２次元の撮像面を有する撮像手段により撮像し，該撮像データに基づいて上記３次元空間の座標系と上記撮像面の座標系との変換係数である第１のパラメータを演算した後，上記センサ系に含まれる光源よりスリット光を上記平面に照射しつつ，上記移動と撮像とをもう１度繰り返し，該繰り返し時における撮像データを上記第１のパラメータを用いて上記撮像面の座標系に変換し，該変換データに基づいて上記スリット光の投光面を定義する第２のパラメータを演算するというものである。
特公平６−６３７４２号公報 特開平８−３５８２８号公報

以上の従来の方法では，以下に示すような課題があった。
まず，図５，図６に示される方法では，歪み補正プレートを用いたカメラの歪み補正と，キャリブレーションブロックを用いた高さ方向のキャリブレーションを，別々に行っているので，時間がかかるという欠点がある。また，この方法では，カメラの倍率変動補正は行っておらず，代わりに，より倍率変動の少ないレンズを使用していたため，長い焦点距離を必要とするという課題があった。

また特許文献１に示されるキャリブレーション方法では，キャリブレーションにおいて，ＸＹＺテーブルにより，着目点としてのマークを移動させることが必須であるため，キャリブレーションに時間がかかると共に，キャリブレーションの精度が，ＸＹＺテーブルの精度に依存してしまうという課題があった。

また特許文献２に示されるキャリブレーション方法では，位置が既知である複数の格子点を有する平面を，この平面に垂直方向に移動させることでキャリブレーションを行うことにより，三次元方向に移動させるものと比較して，移動時間と移動距離が短縮されるのであるが，テーブルを利用するため，やはり特許文献１のものと同様にキャリブレーションに時間がかかり，またキャリブレーションの精度がテーブルの精度に依存してしまうという課題があった。
本発明は以上の課題を解決することを目的とするものである。

以上の課題を解決するために，本発明では，スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を傾斜させて配置したカメラとを有する光学ヘッド部をキャリブレーション装置の上部に設けた案内部に沿って移動可能に構成すると共に，キャリブレーション装置には上記光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成し，光学ヘッド部をキャリブレーション装置の案内部に沿って移動させ，スリット光源からスリット光を照射させた状態でカメラにより各キャリブレーションブロックを撮影し，その画像からスリット光の輝線を抽出し，全ての輝線を合成して格子図形を形成し，格子図形を形成する全ての輝線の画像面上の座標を求めると共に，それらの輝線の実空間における座標を，キャリブレーションブロックとカメラとの相対位置関係から求めて，それらの座標を対応させてマッピングテーブルとして保存し，次いで，光切断法により測定対象を測定する際には，カメラにより撮影した画像中のスリット光の輝線に対して，画像面上の座標を求めると共に，マッピングテーブルとして保存されている各輝線の画像面上の座標と，実空間における座標との対応関係から，上記スリット光の輝線の実空間における座標を求めて撮影した画像の補正を行うこととした光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション方法を提案する。

また本発明では，光切断法による３次元形状計測装置において，スリット光源と，このスリット光源からのスリット光の照射方向に対して，光軸を所定角度傾斜させたカメラを設置した光学ヘッド部を分離可能に構成すると共に，分離した光学ヘッド部を所定姿勢で移動可能とする案内部を設けたキャリブレーション装置を構成し，キャリブレーション装置には上記光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成した光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション装置を提案する。

以上の構成において，本発明では，３次元形状計測装置から分離した光学ヘッド部を，キャリブレーション装置の上部に設けた案内部に沿って移動させると共に，移動方向と直交する方向にスリット光を照射し，その際に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置し，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンに照射されたスリット光の輝線を斜め上方からカメラにより撮影するので，撮影された輝線の画像中には高さ方向と奥行方向の情報も含まれる。このため，撮影された画像から輝線を抽出して，全ての輝線を合成して格子図形を形成し，格子図形を形成する各輝線の画像面上の座標を求めると共に，それらの輝線の実空間における座標を，キャリブレーションブロックとカメラとの相対位置関係から求めて，それらの座標を対応させてマッピングテーブルとして保存することにより，カメラの倍率変動及び歪みの補正に加えて，高さ方向の補正を行うための，画像面上の座標と，実空間における座標との対応関係を得ることができる。

従ってスリット光源によりスリット光を照射して測定対象を測定する際には，カメラにより撮影した画像中のスリット光の輝線に対して，画像面上の座標を求めると共に，マッピングテーブルとして保存されている各輝線の画像面上の座標と，実空間における座標との対応関係から，上記スリット光の輝線の実空間における座標を求めて，撮影した画像の補正を行うことができる。

本発明では，光切断法による３次元形状計測装置において，スリット光源と，このスリット光源からのスリット光の照射方向に対して，光軸を所定角度傾斜させたカメラを設置した光学ヘッド部を分離可能に構成すると共に，分離した光学ヘッド部を所定姿勢で移動可能とする案内部を設けたキャリブレーション装置を構成し，キャリブレーション装置には上記光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成することにより，非常に簡単な構成で，しかもテーブル等の可動機構の精度に依存しないキャリブレーション装置を構成することができる。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る装置の全体構成を概念的に示す模式図であり，符号１は光切断法による三次元形状測定装置の構成要素である光学ヘッド部であり，この光学ヘッド部１には，スリット光源２と，このスリット光源２のスリット光３の照射方向に対して光軸４を傾斜させてカメラ５を配置している。この実施の形態では，カメラ５の光軸はスリット光３の照射方向に対して４５°傾斜している。

符号６はキャリブレーション装置であり，このキャリブレーション装置６には上部に上記光学ヘッド部１を移動可能とする一対の案内部７を設けており，一対の案内部７間には，寸法が既知のキャリブレーションブロック８を下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成している。即ち，符号８ｂは一段低い階段状としたキャリブレーションブロック８の列，８ａはそれに隣接して，一段低くしていない階段状としたキャリブレーションパターン８の列を示すものである。

ここで，光学ヘッド部１をキャリブレーション装置６の案内部７に移動可能とする構成は，図中に模式的に示すように光学ヘッド部１自体又はそれを載置する台にローラ９を設けた構成とする他，適宜である。

尚，図１に示されるように，ここでは，光学ヘッド部１の移動方向はｙ方向，スリット光３の拡がり方向はｘ方向，高さ方向はｚ方向としている。

以上の構成において，本発明では，光学ヘッド部１をキャリブレーション装置６の案内部７に沿って図中−ｙ方向に移動させ，スリット光源２から，ｘ方向に拡がるスリット光３を照射させた状態でカメラ５により各キャリブレーションブロック８を撮影し，その画像からスリット光の輝線１０を抽出し，次いで全ての輝線１０を合成して格子図形１１を形成し，格子図形１１を形成する輝線１０の画像面上の座標を求めると共に，それらの輝線１０の実空間における座標を，キャリブレーションブロック８とカメラ５との相対位置関係から求めて，それらの座標を対応させてマッピングテーブルとして保存する。

次いで，光切断法により測定対象を測定する際には，カメラ５により撮影した画像中のスリット光３の輝線１０に対して，画像面上の座標を求めると共に，マッピングテーブルとして保存されている各輝線１０の画像面上の座標と，実空間における座標との対応関係から，上記スリット光３の輝線の実空間における座標を求めるのであるが，その具体例を図３，図４に示す流れ図を参照して以下に説明する。

図３は本発明において，マッピングテーブルを作成するまでの処理の流れを示す流れ図であり，この流れ図では，代表的な処理のステップにおける処理の内容を画像面上の表示として模式的に示している。

処理を開始後，まずステップＳ１においては，インデックスｎ＝１としてステップＳ２に移行し，ステップＳ２においてはトリガ信号の有無を検出する。このトリガ信号は上記ローラ９の回転に連動させ，各階段毎に発するように構成している。

ステップＳ２においてトリガ信号が検出されると，次のステップＳ３に移行して，カメラ５からの画像データが処理装置（図示省略）の所定のメモリ領域に取り込まれる。

この際，取り込まれた画像データ中には，階段の幅方向に照射されているスリット光３の輝線１０が含まれており，この輝線１０は，一つ置きの列を一段低い階段状としたキャリブレーションブロック８の配置に沿ってジグザグ状に表れる。

取り込まれた画像データはステップＳ４において２値化され，これによって次のステップＳ５において，輝度が高いスリット光３の輝線１０が明確に抽出される。この輝線１０は，図３の流れ図の右上に示されるように，一つ置きの列を一段低い階段状としたキャリブレーションブロック８の配置に沿ってジグザグ状に表れ，ｙ方向の幅は１ピクセルとしている。

次いでステップＳ６において階段状の全ての階に対応する画像データが読み込まれて全ての輝線１０が抽出されたか否かを判定する。例えば，階段の全ての段数又はそのうちの所定の段数をｎｅとした場合，「ｎ≧ｎｅ」の条件が成り立つか否かを判定することにより，全ての輝線１０が抽出されたか否かを判定することができる。上記条件を満たさない場合には抽出されていない輝線１０が残っていると判定して，ステップＳ８においてインデックスｎ＝ｎ＋１とした後，ステップＳ２に移行し，ステップＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返される。一方，上記条件が満たされて全ての輝線１０が抽出されたと判定された場合には，ステップＳ７に移行して，抽出された全ての輝線１０が合成される。

ステップＳ７において，抽出された全ての輝線１０が合成されることにより，流れ図の右側に示されるように，格子図形１１が形成される。

次いでステップＳ９に移行し，このステップＳ９では，格子図形１１を形成する各輝線１０の画像面上の座標を求めると共に，それらの輝線の実空間における座標を，キャリブレーションブロック８とカメラ５との相対位置関係から求めることができ，次いでステップＳ１０において，それらの座標を対応させてマッピングテーブルを作成して記憶する。

尚，ステップＳ１０において作成するマッピングテーブルは，上述した各輝線１０の座標だけでなく，各輝線１０間の適所の座標を，比例計算により求め，これらのデータを総合したものとすることができる。

次に光切断法により測定対象を測定する際のキャリブレーションの流れを図４の流れ図につき説明する。
まずステップＳ１２では，インデックスｎ＝１としてステップＳ１３に移行し，ステップＳ１３においては，補正したいスリット光の輝線を含む画像データをカメラ５から処理装置（図示省略）の所定のメモリ領域に取り込む。

取り込まれた画像データは次いでステップＳ１４において２値化され，次のステップＳ１５において，測定対象上のスリット光の輝線が抽出される。

次いでステップＳ１６では輝線の画像面上の座標（単位：ピクセル）を，輝線を構成する全てのピクセルに対して抽出すると共に，それらの輝線の実空間における座標（単位：ｍｍ）を，上記マッピングテーブルにより導出する。ステップＳ１３で読み込んだ画像のデータにおける画像面上の座標が，マッピングテーブルとして保存されている画像面上の座標に含まれていない場合には，比例計算により導出することができる。

次に，ステップＳ１７において，全ての輝線についての座標抽出が終了したか否かを判断する。例えば，座標抽出するべき輝線の所定の数をｎｅとした場合，「ｎ≧ｎｅ」の条件が成り立つか否かを判定することにより，全ての輝線１０の座標抽出がなされたか否かを判定することができる。上記条件を満たさない場合には座標抽出がされていない輝線１０が残っていると判定して，ステップＳ１８においてインデックスｎ＝ｎ＋１とした後，ステップＳ１３に移行し，ステップＳ１３〜Ｓ１７の処理が繰り返される。

またステップＳ１７において上記条件が満たされて終了と判断した場合には，ステップＳ１９に移行し，ステップＳ１９においては，ステップＳ１６において導出した輝線の実空間上の座標を補正後データとし，この補正後データを画像化して補正画像を得ることができる。

本発明は以上のとおりであるので，以下に示すような特徴を有し，産業上の利用可能性が大である。
１．カメラの倍率補正、歪補正、光切断法のための高さ校正が同時に可能となり、光切断法を用いた三次元形状検査装置のキャリブレーションが短時間で行えるようになる。
２．従来は，カメラを，できるだけ倍率変動が起こらないように焦点距離を長く取っていたが、本発明では、倍率補正も同時に行うことができるので、カメラと測定対象物との焦点距離を短くすることができるので、装置の小型化が可能となる。
３．キャリブレーションにＸＹＺテーブル等の移動機構を使用しないので，キャリブレーションの精度が，移動機構の精度に依存してしまうことがない。

本発明に係る装置の全体構成を概念的に示す模式図である。 図１のＡ方向の断面図である。 本発明におけるマッピングテーブルの作成の流れの一例を示す流れ図である。 本発明におけるキャリブレーションの処理の流れの一例を示す流れ図である。 三次元形状計測装置における従来の代表的なキャリブレーション方法の１つのステップを示す模式図である。 三次元形状計測装置における従来の代表的なキャリブレーション方法の次のステップを示す模式図である。

符号の説明

１ 光学ヘッド部
２ スリット光源
３ スリット光
４ 光軸
５ カメラ
６ キャリブレーション装置
７ 案内部
８ キャリブレーションブロック
８ａ，８ｂ キャリブレーションパターンの列
９ ローラ
１０ 輝線（スリット光の輝線）
１１ 格子図形

Claims (2)

1. スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を傾斜させて配置したカメラとを有する光学ヘッド部をキャリブレーション装置の上部に設けた案内部に沿って移動可能に構成すると共に，キャリブレーション装置には上記光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成し，光学ヘッド部をキャリブレーション装置の案内部に沿って移動させ，スリット光源からスリット光を照射させた状態でカメラにより各キャリブレーションブロックを撮影し，その画像からスリット光の輝線を抽出し，全ての輝線を合成して格子図形を形成し，格子図形を形成する全ての輝線の画像面上の座標を求めると共に，それらの輝線の実空間における座標を，キャリブレーションブロックとカメラとの相対位置関係から求めて，それらの座標を対応させてマッピングテーブルとして保存し，次いで，光切断法により測定対象を測定する際には，カメラにより撮影した画像中のスリット光の輝線に対して，画像面上の座標を求めると共に，マッピングテーブルとして保存されている各輝線の画像面上の座標と，実空間における座標との対応関係から，上記スリット光の輝線の実空間における座標を求めて撮影した画像の補正を行うことを特徴とする光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション方法
2. 光切断法による３次元形状計測装置において，スリット光源と，このスリット光源からのスリット光の照射方向に対して，光軸を所定角度傾斜させたカメラを設置した光学ヘッド部を分離可能に構成すると共に，分離した光学ヘッド部を所定姿勢で移動可能とする案内部を設けたキャリブレーション装置を構成し，キャリブレーション装置には上記光学ヘッド部の移動方向に，寸法が既知のキャリブレーションブロックを下り階段状に複数列配置すると共に，一つ置きの列は一段低い階段状としたキャリブレーションパターンを構成したことを特徴とする光切断法による３次元形状計測装置における光学ヘッド部のキャリブレーション装置
   

Images