JP2009175147A - カメラの結像倍率を校正するための校正体およびカメラのための校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出すべき対象物の厚さ依存性も簡単な構造で考慮する校正体を提供する。
【解決手段】対象物厚さ（１９）と結像倍率（１８）の関係を特定するために、校正体（１）が少なくとも１つの支持脚（８）を有しており、該支持脚（８）の長さ（９）が、校正体（１）を反転し、少なくとも１つの支持脚（８）を下にして置くことにより、カメラ画像（１４，１４′）の結像倍率（１８）内に評価可能な変化が生じるように選択されており、少なくとも１つの支持脚（８）の長さ（９）が、校正領域（４）における校正体（１）の壁厚さ（１０）より少なくとも２倍大きいようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、カメラの結像倍率（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｍａｓｓｓｔａｂ）を校正するための校正体であって、該校正体が少なくとも１つの校正領域を有しており、該校正領域内に、カメラにより検出可能な少なくとも１つの貫通孔および／または湾入部（Ｅｉｎｂｕｃｈｔｕｎｇ）が設けられている形式のものに関する。

さらに本発明は、カメラのための校正方法に関する。

ＤＥ１０１１８８８６Ｂ４号から公知の校正定規は、カメラにより検出可能な印刷されたマーカを有する。このマーカは、それぞれの場所をコード化している。こうして、カメラの検出領域の正確な長さも測定可能である。しかし、この校正定規は、検出したい対象物がフラットであり、決められた不変の位置にあることを前提としている。繊維、紙もしくはプラスチックの分野の製品ウェブでは、この条件は、無視可能な製品ウェブ厚さのために問題なく充足可能であるが、例えばゴムのウェブの場合、この制限は、許容できない問題に至る。ここでは、カメラの校正に対するウェブ厚さの影響を考慮する必要がある。

ＤＥ１０１１８８８６Ｂ４号

本発明の課題は、検出すべき対象物の厚さ依存性も簡単な構造で考慮する、冒頭で述べた形式の校正体を提供することである。

さらに本発明の課題は、相応の校正方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係るカメラの結像倍率を校正するための校正体では、対象物厚さと結像倍率の関係を特定するために、校正体が少なくとも１つの支持脚を有しており、該支持脚の長さが、校正体を反転し、少なくとも１つの支持脚を下にして置くことにより、カメラ画像の結像倍率内に評価可能な変化が生じるように選択されており、少なくとも１つの支持脚の長さが、校正領域における校正体の壁厚さより少なくとも２倍大きいようにした。

上記本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。

有利には、校正体が校正領域で、貫通孔および／または湾入部の上縁および下縁がカメラ画像内に校正過程のために無視可能な差異が生じる程度の僅かな壁厚さを有する。

有利には、校正体が校正領域で、最高２ｍｍの壁厚さを有する。

有利には、少なくとも１つの支持脚が、少なくとも１０ｍｍの長さである。

有利には、少なくとも１つの支持脚が、校正体に対して縁側に設けられている。

有利には、少なくとも１つの支持脚が、Ｕ字形またはフレーム状に校正領域の周りを延在する。

有利には、校正体が、位置を決めるための少なくとも１つのインデックスを有する。

さらに上記課題を解決するために、本発明に係るカメラのための校正方法では、上記校正体をカメラの視野内に置き、第１の画像を形成し、引き続いて、校正体を反転し、カメラにより第２の画像を形成し、校正体の既知の寸法に基づいて、両画像から結像倍率を計算し、該結像倍率が、対象物厚さと結像倍率の線形関数の２点を形成し、該線形の関数から、所定の対象物厚さにおけるそれぞれの結像倍率を計算するようにした。

上記本発明の有利な形態は、従属請求項に係る発明である。

有利には、結像倍率を場所の関数として計算する。

有利には、カメラの画像内で、校正体の端面がカメラにとって不可視となる縁部を評価する。

請求項１に記載の校正体は、カメラの結像倍率の校正のために役立つ。カメラとしては、有利にはＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラが使用される。この場合、択一的にはその他の画像形成方法が使用されてもよい。カメラがマトリックスカメラ（Ｍａｔｒｉｘｋａｍｅｒａ）であるか、ラインスキャンカメラ（Ｚｅｉｌｅｎｋａｍｅｒａ）であるかも問わない。特に、動く製品ウェブの形の対象物がカメラにより走査されるべき応用例においては、進行方向に対して横方向で方向付けられているラインスキャンカメラで完全に十分である。この場合は、行方向での校正で十分である。マトリックスカメラの場合、校正は用途に応じて行方向および／または列方向で行われることができる。カメラの結像倍率は、正確な測定量を求めるために重要である。しかし、結像倍率はカメラの向きや位置に依存している。さらに結像倍率は、カメラにより観察される面が、厚い対象物の場合、薄い対象物に比べてカメラの近くにあるので、検査すべき対象物の厚さによっても変化する。この相違は特に、計測技術的に正確な対象物検出の際に重要な役割を果たす。この問題を解決するために、少なくとも１つの校正領域を備える校正体が使用される。この校正領域には、カメラにより検出可能な少なくとも１つの貫通孔もしくは湾入部がある。その際、貫通孔もしくは湾入部の大きさもしくは相互間隔は判っているので、カメラにより検出される測定量は、校正体の既知の幾何学的寸法と比較され得る。こうして、カメラの、取付けおよび向きに依存した結像倍率を求めることができる。複数の貫通孔もしくは湾入部が設けられているので、この結像倍率は、カメラの視野内の場所の関数としても計算され、こうしてレンズの結像エラー、例えばカメラ画像の台形状の歪みを修正することができる。

付加的に、検出すべき対象物の厚さと結像倍率の関係を特定するためには、平面の位置が判っているのであれば、カメラを２つの異なる対象物平面内で校正するだけで原則的に十分である。その際、校正体の上縁および下縁の不確実な検出の問題が生じることになるので、厚い校正領域を備える校正体を使用することは有意義とはいえない。この課題を解決するために、校正体は、校正体を反転し、少なくとも１つの支持脚を下にして置くことにより、カメラ画像の結像倍率内に評価可能な変化が生じるように選択された長さの、少なくとも１つの支持脚を有している。少なくとも１つの支持脚は、校正領域における校正体の厚さより少なくとも２倍長い。これにより、校正領域は、校正体を裏返した位置で、測定可能にカメラにある。その結果、結像倍率は相応に変化する。結像倍率のこの測定可能な変化は、対象物の所望の厚さ依存性を生じる。こうして、カメラ画像の結像倍率は、それぞれの対象物厚さに依存して校正されている。原則的に、できる限り正確な幾何学的な測定をカメラにより実施することができるように、結像倍率をカメラの視野内における場所の関数として規定することも考えられている。

カメラによる校正体の検出時、カメラが一方では校正体の上縁を、他方では下縁を検出し、カメラの位置次第で下縁が時折上縁により隠されているという根本的な問題が生じる。このような未知の要素に基づく校正エラーを回避するために、請求項２に係る発明では、校正体が校正領域で、貫通孔もしくは湾入部の上縁および下縁がカメラ画像内に校正過程のために無視可能な差異が生じる程度の僅かな壁厚さを有する。校正領域における校正体のこの薄い壁厚さに基づいて、カメラは実質的に貫通孔の領域の１つの縁部だけを認識する。その結果、貫通孔もしくは湾入部の誤検出の可能性は排除されている。

請求項３に係る発明では、校正体が校正領域で、最高２ｍｍの厚さを有すると有利である。この場合、カメラの、実際の使用で見られる向きおよび寸法では、校正体の上縁および下縁はもはや識別され得ない。その結果、これに由来する測定エラーは、カメラのピクセル分解能の領域にあり、これにより無視して差し支えない。

支持脚にとって、請求項４に係る発明では、少なくとも１０ｍｍの長さがよいことが判っている。最高１メートルの範囲でカメラを離す産業上の使用において、こうして既に、結像倍率の十分に正確に測定可能な変化が生じる。その結果、対象物厚さと結像倍率の関係はこうして十分に正確に校正されている。

唯一の支持脚が使用される場合、支持脚を下にして置いたときに校正体のバランスを保つために、支持脚は有利には校正体の中央に設けられている。択一的には、複数の支持脚が設けられていてもよい、かつ／または少なくとも１つの支持脚が、校正体から張り出したウェブとして形成されていてもよい。請求項５に係る発明では、この場合、少なくとも１つの支持脚が、校正体に対して縁側に設けられていると有利である。こうして、少なくとも１つの支持脚は、校正体の校正領域を力の作用、ひいては破壊から保護する。このことは、特に荒っぽい産業分野において有意義である。

校正体の特に効果的な保護は、請求項６に係る発明では、支持脚のＵ字形もしくはフレーム状の構成により生じる。さらに支持脚は、この場合、校正体の機械的な強度の向上に至らしめ、特に敏感な校正領域を補強する。これにより、このことは校正領域の寸法安定性も高める。

一方では校正体の上縁の、他方では下縁の検出時の不確実性を回避するために、請求項７に係る発明では、校正体が、少なくとも１つのインデックスを有すると有利である。このインデックスは、例えば孔、凹部、ピンまたはこれに類するものとして形成されていることができ、カメラの検出領域内の相応のインデックスと対応する。こうして、校正体が常に同じ再現可能な形式で配置されていることが保証されている。これにより、上縁および下縁における校正体のどの構造がカメラにより検出されるかが明確である。この場合、校正領域における校正体の特に薄い構成は、不要である。

カメラの校正のために、請求項８に記載の校正方法がよいことが判っている。その際、前記形態の少なくとも１つの校正体がカメラの視野内に置かれ、第１の画像が形成される。その際、この画像は、カメラの原則的にまだ判っていない結像関数と共に、校正体の幾何学的なデータを含む。これらの結像関数は、特にカメラの位置および向きならびにカメラのレンズの焦点距離および調整に依存している。校正体の幾何学的な特性が判っているので、カメラ画像と校正体の幾何学的な大きさとの比較により、カメラの結像倍率が計算され得る。付加的に、対象物厚さと結像倍率の関係を考慮するために、校正体は裏返され、カメラにより別の画像が形成される。その際、校正体の幾何学的な特性自体は変わらない。校正領域が、少なくとも１つの支持脚の長さの分だけカメラに接近するだけである。結像倍率がこれにより変化することから、引き続いて、対象物厚さと結像倍率の線形関数が計算される。その際、形成された第１の画像での結像倍率は、対象物厚さゼロに対応し、形成された第２の画像での結像倍率は、支持脚長さに等しい対象物厚さに対応する。これにより、あらゆる任意の対象物厚さのための結像倍率が、この線形関数の使用により計算され得る。

請求項９に係る発明では、結像倍率を場所の関数として計算すると有利である。このことは特に、校正体が複数の貫通孔もしくは湾入部を有しており、こうして、複数の幾何学的な特性がカメラの視野に広がって存在していることにより実現され得る。その際、これらの異なる幾何学的な特性は、歪んだ画像の正確な校正も許可する。その際、原則的には、結像倍率の厚さ依存性を場所とは無関係に特定するだけで十分である。それというのも、厚さと結像倍率の関数と、場所と結像倍率の関数とは実質的に切り離されているからである。

カメラによる校正体の光学的な検出をできるだけ精緻に行うために、請求項１０に係る発明では、カメラの画像内で、校正体の端面がカメラにとって不可視となる校正体の縁部のみを評価すると有利である。校正体の端面の可視性は、専らそれぞれの端面とカメラとの間の相対位置に依存する。貫通孔または湾入部が、校正体に対して垂直に見て、例えばカメラの左にあるとき、貫通孔もしくは湾入部の左側の端面だけがカメラにより認識され得る。この場合、カメラ画像内の右側の端面のみが評価される。反対に、貫通孔もしくは湾入部がカメラの右にあれば、貫通孔または湾入部の左側の縁部が評価される。これに対して、貫通孔がカメラの左にも右にも延びている場合、両端面のいずれも正しく評価され得ない。この場合、それぞれ隣接する貫通孔もしくは湾入部の直近の縁部が使用される。こうして、校正体の、カメラとは反対側の下縁が誤って評価される可能性を排除することが保証されている。

本発明の対象を例示的に図面を参照しながら説明するが、これは権利範囲を制限するものではない。

校正体およびカメラの立体図である。 校正体を裏返した図１と同様の図である。 図１に示した装置の拡大図である。 グラフである。 校正体の択一的な実施の形態を示す図である。

有利には鉄材料からなる図１に示す校正体１は、カメラ３の視野２内に設けられている。この場合、カメラ３は、ラインスキャンカメラとして形成されているので、視野２は、長くて細い長方形を形成する。

校正体１は、複数の貫通孔５が設けられている中央の校正領域４を有する。これらの貫通孔５は、カメラ３によってコントラスト豊かに検出可能である。貫通孔５の境界縁は、既知の校正長さを有する。既知の校正長さ６および間隔７から、カメラ３により撮影された画像を基に、視野２の向こうのカメラ３の結像倍率が計算され得る。この計算に基づいて、カメラ３を用いた現実の対象物の撮影時に、カメラ３の視野２内にある対象物の正確な寸法が計算され得る。

さらに校正体１は、フレーム状に校正領域４を取り巻くように延在する支持脚８を有する。この支持脚８は、校正体１に好ましい形状安定性を与える。その結果、校正領域４は、比較的薄い壁厚さを備えて形成されていることができる。この実施の形態では、校正領域４と支持脚８とは、別個に制作され、引き続いて互いに結合されるパーツである。択一的には、校正体は一体的に製作されてもよい。

校正体１は、支持脚８の領域に２つのインデックス２２を有する。インデックス２２は、図１に示す実施の形態では孔の形式で構成されているが、これはあくまで一例にすぎない。択一的には、例えばピンのようなあらゆる任意の別のインデックスが使用されてもよい。インデックス２２は、校正体１をカメラ３に対して相対的に、再現可能に正確に位置決めすることを可能にする。このことは、貫通孔５の検出を容易にする。

図２は、図１に示した装置を示すが、校正体１は裏返されている。これにより、校正体１は支持脚８の上に載っている。この配置では、校正体１の校正領域４はカメラ３に支持脚８の高さ９の分だけ接近する。このことは、カメラ３の結像比（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓ）に影響を及ぼす。こうして、対象物厚さと結像倍率の関連が特定され得る。

図３は、図１もしくは図２に示した装置を拡大して断面した詳細図である。光路は切断されている。この図面から特に、校正体１が校正領域４で比較的小さな壁厚さ１０を有することが判る。貫通孔５の上縁１１は、カメラ３のレンズ１２により光検出器１３上に第１の画像１４を提供する。その際、同じ貫通孔５の下縁１５は、上縁１１の至近にあるので、この結像比においては、上縁１１と同じ第１の画像１４を提供する。これにより、貫通孔５の上縁１１と下縁１５の検出による差異は、最高で１ピクセル、つまり光検出器１３の精度のエラーを惹起する。光検出器１３の分解能がそれぞれのアプリケーションのために完全に利用される必要がなければ、上縁１１および下縁１５の若干異なる画像１４が許容されてもよい。右側の上縁１６および下縁１７でも、相応の幾何学的な関係が生じる。

校正体１を裏返すと、校正領域４はカメラ３に接近する。このことは、図３に破線で示されている。上縁１１および下縁１５は、この場合、第２の画像１４′を光検出器１３に提供する。第２の画像１４′は、第１の画像１４とは大きな差がある。ここで重要なことは、光検出器１３上での第１の画像１４および第２の画像１４′の絶対位置ではなく、カメラ画像内での貫通孔５の幅である。有利には、より高い精度を達成するために、互いにできるだけ離れて位置する貫通孔５の間隔が測定される。さらに、有利には、対応する下縁１５，１７がカメラ３の視野内にない上縁１１，１６が評価される。

第１の画像１４および第２の画像１４′から、校正体１の寸法が既知であるとき、結像倍率１８が、検査したい対象物の対象物厚さ１９の関数として求められる。その際、第１の画像１４は、厚さゼロに対応する一方、第２の画像１４′は、高さ９に対応する。こうして、図４に示したグラフに、線形関数２１を規定する２つの点２０が得られる。この線形関数２１は、各対象物厚さ１９のために、相応の結像倍率１８を生じる。その結果、カメラ３は任意の対象物厚さのために校正されている。

図５は、図１に示した校正体１の択一的な実施の形態を示す。この実施の形態では、支持脚８がセントラルブロックとして形成されており、このセントラルブロックの周りに校正領域４が延在している。

１ 校正体
２ 視野
３ カメラ
４ 校正領域
５ 貫通孔
６ 校正長さ
８ 支持脚
９ 高さ
１０ 壁厚さ
１１ 上縁
１２ レンズ
１３ 光検出器
１４ 第１の画像
１４′ 第２の画像
１５ 下縁
１６ 上縁
１７ 下縁
１８ 結像倍率
１９ 対象物厚さ
２０ 点
２１ 線形関数
２２ インデックス

Claims (10)

1. カメラ（３）の結像倍率（１８）を校正するための校正体であって、該校正体（１）が少なくとも１つの校正領域（４）を有しており、該校正領域（４）内に、カメラ（３）により検出可能な少なくとも１つの貫通孔（５）および／または湾入部が設けられている形式のものにおいて、対象物厚さ（１９）と結像倍率（１８）の関係を特定するために、校正体（１）が少なくとも１つの支持脚（８）を有しており、該支持脚（８）の長さ（９）が、校正体（１）を反転し、少なくとも１つの支持脚（８）を下にして置くことにより、カメラ画像（１４，１４′）の結像倍率（１８）内に評価可能な変化が生じるように選択されており、少なくとも１つの支持脚（８）の長さ（９）が、校正領域（４）における校正体（１）の壁厚さ（１０）より少なくとも２倍大きいことを特徴とする、カメラの結像倍率を校正するための校正体。
2. 校正体（１）が校正領域（４）で、貫通孔（５）および／または湾入部の上縁（１１，１６）および下縁（１５，１７）がカメラ画像（１４，１４′）内に校正過程のために無視可能な差異が生じる程度の僅かな壁厚さ（１０）を有する、請求項１記載の校正体。
3. 校正体（１）が校正領域（４）で、最高２ｍｍの壁厚さ（１０）を有する、請求項１または２記載の校正体。
4. 少なくとも１つの支持脚（８）が、少なくとも１０ｍｍの長さである、請求項１から３までのいずれか１項記載の校正体。
5. 少なくとも１つの支持脚（８）が、校正体（１）に対して縁側に設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の校正体。
6. 少なくとも１つの支持脚（８）が、Ｕ字形またはフレーム状に校正領域（４）の周りを延在する、請求項１から５までのいずれか１項記載の校正体。
7. 校正体（１）が、位置を決めるための少なくとも１つのインデックス（２２）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の校正体。
8. カメラ（３）のための校正方法において、請求項１から７までのいずれか１項記載の少なくとも１つの校正体（１）をカメラ（３）の視野（２）内に置き、第１の画像（１４）を形成し、引き続いて、校正体（１）を反転し、カメラ（３）により第２の画像（１４′）を形成し、校正体（１）の既知の寸法に基づいて、両画像（１４，１４′）から結像倍率（１８）を計算し、該結像倍率（１８）が、対象物厚さ（１９）と結像倍率（１８）の線形関数（２１）の２点（２０）を形成し、該線形の関数（２１）から、所定の対象物厚さ（１９）におけるそれぞれの結像倍率（１８）を計算することを特徴とする、カメラのための校正方法。
9. 結像倍率（１８）を場所の関数として計算する、請求項８記載の方法。
10. カメラ（３）の画像（１４，１６）内で、校正体（１）の端面がカメラ（３）にとって不可視となる縁部（１１，１６）を評価する、請求項８または９記載の方法。

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