JP2012177596A

JP2012177596A - 校正用治具および光切断式形状計測装置の校正方法

Info

Publication number: JP2012177596A
Application number: JP2011040169A
Authority: JP
Inventors: Naofumi Yamahira; 尚史山平; Toshibumi Kodama; 俊文児玉; Yoshiyuki Umegaki; 嘉之梅垣
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13

Abstract

【課題】光切断式形状計測装置および校正用治具を静止させた状態で、撮像手段の内部パラメーターおよび撮像手段とスリット光との相対位置を校正する。
【解決手段】光切断式形状計測装置の校正に用いる校正用治具１において、互いに平行かつ高低差が既知である参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを複数有する校正用治具１本体と、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに設けられた参照面内における位置が既知である複数の参照孔２と、複数の参照孔２から光を射出する光源とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状計測装置の校正に用いる校正用治具および光切断式形状計測装置の校正方法に関する。

光切断法による形状計測方法とは、スリット光源とカメラとを備えた形状計測装置を用いる形状計測方法である。この形状計測方法では、スリット光源が扇形状に射出したスリット光を計測対象物に照射し、カメラが計測対象物の表面に映るスリット光の輝線（光切断線と云う）を撮像する。この形状計測方法によれば、撮像画像における光切断線の位置が計測対象物の形状の情報を含む。このため、形状計測を正確に行うためには、カメラの内部パラメーターの校正、およびカメラとスリット光との相対位置の校正が不可欠である。

このような背景から、相対距離が既知である空間上の点（チェスボードパターンの格子点など）を複数撮像し、その撮像情報からカメラの内部パラメーターを校正する方法が提案されている（非特許文献１参照）。また、形状計測装置を移動させながら、階段状に複数の平面を構成した校正用ブロックの形状を計測することにより、形状計測装置の校正を行う校正方法も提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−３３０３９号公報

佐藤淳著「コンピュータビジョン−視覚の幾何学−」コロナ社,1999,pp.l46-149．

しかしながら、特許文献１記載の校正方法では、形状計測装置自体を移動させて計測する必要があるので、工場における大規模プラントの診断装置として利用する際にコストおよび時間の面から効率が悪い。また、校正用ブロックの方を移動させて形状計測装置自体は静止させるとしても、校正用ブロックを精密に駆動させる装置を別途必要とするため、工場設置の設備としては適当ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光切断形状計測装置および校正用治具を静止させた状態で、撮像手段の内部パラメーターおよび撮像手段とスリット光との相対位置を校正可能な校正用治具および光切断式形状計測装置の校正方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる校正用治具は、スリット光源と撮像手段とを備える光切断式形状計測装置の校正に用いる校正用治具であって、互いに平行かつ高低差が既知である参照面を複数有する本体と、前記複数の参照面に設けられた参照面内における位置が既知である複数の参照孔と、前記複数の参照孔を介して前記校正用治具の内部から外方に光を射出する光源と、を有する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光切断式形状計測装置の校正方法は、本発明にかかる校正用治具を用いた光切断式形状計測装置の校正方法であって、前記光源を点灯した状態で前記撮像手段により前記校正用治具を撮像して、前記カメラの内部パラメーターを校正する撮像手段校正ステップと、前記スリット光源からのスリット光を前記校正用治具の複数の参照面に照射した状態で前記撮像手段により前記校正用治具を撮像して、前記スリット光と前記撮像手段との相対位置を校正するレーザ校正ステップと、を含む。

本発明にかかる校正用治具および光切断式形状計測装置の校正方法によれば、光切断式形状計測装置および校正用治具を静止させた状態で、撮像手段の内部パラメーターおよび撮像手段とスリット光との相対位置を校正することができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる校正用治具を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態にかかる形状計測装置の校正方法を説明する斜視図である。図３は、校正用治具上の参照孔を撮像した画像である。図４は、校正用治具上の光切断線を撮像した画像である。図５は、本発明の実施形態にかかる形状計測装置の校正方法のフローチャートである。図６は、形状計測装置とレーザ距離計との出力比較実験の配置を示す概略図である。図７は、出力比較実験の結果を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる校正用治具、及びこれを用いた校正方法を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる校正用治具１を示す斜視図である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる校正用治具１は、第１の参照面１ａ、第２の参照面１ｂ、第３の参照面１ｃ、および第４の参照面１ｄを有するブロック状の治具である。

第１の参照面１ａ、第２の参照面１ｂ、第３の参照面１ｃ、および第４の参照面１ｄは、互いに平行な平面であり、かつ各高低差が既知である。図１に示された校正用治具１の場合、第１の参照面１ａが第２の参照面１ａより２０ｍｍ高く、第２の参照面１ｂが第３の参照面１ｃより３０ｍｍ低く、第３の参照面１ｃが第４の参照面１ｄより５０ｍｍ高く構成されている（図１に示す例では、ｈａｂ＝２０ｍｍ、ｈｂｃ＝３０ｍｍ、ｈｃｄ＝５０ｍｍ）。なお、図１に示された参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ１辺が５０ｍｍの正方形をなしている（図１に示す例では、ｗ１＝ｗ２＝５０ｍｍ）。後述するように、本発明の実施には参照面が少なくとも２面あれば十分であるが、図１に示された本実施形態では、４面の参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを利用することによってより精度の高い校正を実現している。

それぞれの参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、複数の参照孔２が設けられ、各参照孔２の内部には、不図示の光源が備えられている。なお、光源は参照孔２のそれぞれに備えることもできるが、一つの光源から光ファイバ等を用いて導光することによって実現することもできる。本発明の実施には、参照孔２から光を射出するように構成すれば十分である。

各参照孔２は、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにおける位置が既知であり、上述のように参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの高低差が既知であるので、校正用治具１における各参照孔２の３次元位置も既知となっている。

参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにおける参照孔２の位置は、適度な自由度の下に配置することができる。図１に示される本実施形態の校正用治具１は、各参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに対して３つの参照孔２を設けているが、すべての参照孔２が合計で６箇所以上あれば、本発明を適切に実施することができる。参照孔２の配置の形状も、正三角状配置に限らず、１次元上に配列する等の特殊なケースを除けば、自由に配置することが可能である。

図２は、本発明の実施形態にかかる形状計測装置の校正方法を説明する斜視図である。図２に示されるように、光切断法による形状計測は、カメラ３、スリット光源４、および制御部５を備える形状計測装置６を用いる。スリット光源４は、扇形状に射出したスリット光Ｌ（例えばスリットレーザー光）を計測対象物に照射し、その計測対象物の表面に映るスリット光の輝線Ｈ（以下、光切断線と云う）をカメラ３が撮像する。カメラ３とスリット光源４とは、角度をなして配置しており、カメラ３と計測対象物との距離に応じて光切断線Ｈの位置が異なることから、光切断法では計測対象物の形状を計測することができる。なお、カメラ３の内部には不図示の光学フィルタが備えられており、スリット光源４からのスリット光と計測対象物自身の表面光とを適切に分離する。

本発明の実施形態にかかる形状計測装置６の校正方法では、図２に示されるように、計測対象物の代わりに、上述説明に従う校正用治具１を用いる。図２に示されるように、校正用治具１は、スリット光の光切断線Ｈが参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上に投影されるように配置され、当該光切断線Ｈをカメラ３が撮像する。また、当該配置によれば、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上の参照孔２もカメラ３の視野に入るので、参照孔２と光切断線Ｈとを同時に撮像、又は形状計測装置６および校正用治具１を移動させることなく順次撮像することができる。

図３および図４は、上述のように撮像された、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上の参照孔２および光切断線Ｈの画像である。本発明の実施形態にかかる校正用治具１では、参照孔２の内部に光源が備えられているので、この光源を点灯した状態でカメラ３にて校正用治具１を撮像すると、図３に示されるようにカメラ３における光源の配列像を取得することができる。また、本発明の実施形態にかかる校正用治具１では、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが既知の高低差を有しているので、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上に投影された光切断線Ｈが、当該高低差に応じて異なる位置に撮像される。

次に、図５に示されるフローチャートを参照しながら、上記の構成による形状計測装置６の校正方法について説明する。

本発明の実施形態にかかる形状計測装置６の校正方法は、始めに、校正用治具１における参照孔２内の光源を点灯する（ステップＳ１）。そして、この状態でカメラ３により校正用治具１を撮像する（ステップＳ２）。なお、以下の説明ではステップＳ２で撮像した画像を撮像画像Ａと云う。

次に、参照孔２内の光源を消灯し、スリット光源４を点灯する（ステップＳ３）。すなわち、ステップＳ３の処理により、校正用治具１の参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上には、スリット光の光切断線Ｈが投影された状態となっている。そして、この状態でカメラ３により校正用治具１を撮像する（ステップＳ４）。なお、以下の説明ではステップＳ４で撮像した画像を撮像画像Ｂと云う。

その後、撮像画像Ａにおける参照孔２の位置を抽出し（ステップＳ５）、この参照孔２の位置からカメラ３の内部パラメーターを計算する（ステップＳ６）。同様に、撮像画像Ｂにおける光切断線Ｈの位置を抽出し（ステップＳ７）、この光切断線Ｈの位置からスリット光の位置を規定する平面を計算する（ステップＳ８）。

以下、上記ステップＳ６およびステップＳ８における計算について詳細に説明する。

カメラ３による撮像を透視カメラモデルで記述すると、撮像する空間上の点を３次元射影空間上の点Ｘとして、この点に対応する撮像画像上の点を２次元射射影空間上の点ｘとして表した場合、以下の関係式で記述できる。

ただし、λは任意の実数であり、Ｐは

で表される３×４の行列である。

つまり、上記ステップＳ６における、カメラ３の内部パラメーターを計算することとは、上記行列Ｐを計算することに対応する。より詳しくは、既知である校正用治具１上の参照孔２の位置を３次元射影空間上で表したものをＸ_ｉ＝（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｉ，Ｗ_ｉ，１）^Ｔとし、当該参照孔２を撮像した画像における位置を２次元射射影空間上で表したものをｘ_ｉ＝（ｕ_ｉ，ｖ_ｉ，１）^Ｔとしたときに、Ｘ_ｉおよびｘ_ｉから上記行列Ｐを計算することである（ｉ＝１から参照孔２の個数を動く変数である）。以下、簡便のため、当該行列Ｐと内部パラメーターとを同一視して、内部パラメーターＰと称する。

次に、内部パラメーターＰを計算するために、式（１）を以下のように変形してλを消去する。

なお、上記式（３）において、内部パラメーターＰには定数倍の冗長性があるため、ｐ_３４＝１としている。

ここで、上記式（３）について検討を行うと、既知である（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｉ，Ｗ_ｉ，ｕ_ｉ，ｖ_ｉ）の組が与えられると、内部パラメーターＰの成分である（ｐ_１１，ｐ_１２，ｐ_１３，ｐ_１４，ｐ_２１，ｐ_２２，ｐ_２３，ｐ_２４，ｐ_３１，ｐ_３２，ｐ_３３）の組を拘束する式が２式得られることが解る。つまり、本発明の実施には参照孔２の個数が少なくとも６個あれば、最小二乗解を求めることにより内部パラメーターＰを計算することができることが解る。なお、上述の実施形態では、校正用治具１上に１２個の参照孔２を設けることにより、より精度の高い内部パラメーターＰを計算可能な構成を採用している。

次に、ステップＳ８におけるスリット光の位置を規定する平面の計算について説明する。

スリット光Ｌは平面であるため、以下の式（４）を満たす３次元射影空間の点Ｘ_ｉ＝（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｉ，Ｗ_ｉ，１）^Ｔとして表すことができる。

ただし、Ｌ＝（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）^Ｔである。

つまり、上記ステップＳ８における、スリット光の位置を規定する平面の計算とは、上記Ｌを計算することに対応する。より詳しくは、既知である校正用治具１の参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを３次元射影空間上で表したものを

とし、当該参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ上に投影された光切断線Ｈをカメラ３により撮像した画像における位置を２次元射射影空間上で表したものをｘ_ｉ＝（ｕ_ｉ，ｖ_ｉ，１）^Ｔとしたときに、Ｌ´_ｉおよびｘ_ｉから上記Ｌ＝（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）^Ｔを計算することである。

ここで、上記式（１）と式（５）を連立してＸ_ｉについて解くと下式を得る。

ただし、上記式（６）においてＸ´_ｉ＝Ｘ_ｉ／λとおいた。

計算したＸ´_ｉ＝（Ｕ´_ｉ，Ｖ´_ｉ，Ｗ´_ｉ，ｓ）^ＴからＸ´_ｉ＝Ｘ_ｉ／λを解けば、Ｕ_ｉ＝Ｕ´_ｉ／ｓ，Ｖ_ｉ＝Ｖ´_ｉ／ｓ，Ｗ_ｉ＝Ｗ´_ｉ／ｓとなり、点Ｘ_ｉが求められる。

一方、光切断線Ｈ上の点Ｘ_ｉ＝（Ｕ_ｉ，Ｖ_ｉ，Ｗ_ｉ，１）^Ｔは、参照面上の点であると同時に、スリット光の平面上の点でもあるので、上記式（４）も満たす。つまり、

も満たす。ただし、上記式（７）においてＬ＝（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）^Ｔには定数倍の冗長性があるため、Ｌ_４＝１としている。

ここで、上記式（７）について検討すると、各段差から求めた既知ｎ点を用いると、上記式から最小二乗解を求めることで、Ｌ＝（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）^Ｔを決定できることが解る。なお、空間上の平面は、平面内の２直線が既知であれば決定できるため、校正装置に必要な段差は最低２段である。

以上により、ステップＳ６およびステップＳ８における内部パラメーターＰおよびスリット光を規定する平面Ｌの計算方法が示された。

上述の本発明の実施形態により校正したＰ,Ｌを用いれば、下記式（８）により、形状計測装置６のカメラ３にて撮像した画像上におけるスリット光の照射位置ｘから、撮像した空間上における対応する点Ｘを求めることが可能となる。

ただし、Ｘ´＝Ｘ／λとおいた。

以下、本発明の実施形態にかかる校正方法により校正した形状計測装置の精度に関する実験例について説明する。

本実験には、図１に示した校正用治具１を用いた。すなわち、本実験に用いた校正用治具１は、第１の参照面１ａ、第２の参照面１ｂ、第３の参照面１ｃ、および第４の参照面１ｄを有するブロック状の治具であり、それぞれの参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、３つの参照孔２が設けられ、各参照孔２の内部には光源が備えられているものである。

本実験では、この校正用治具１を、図２に示されるように配置し、図５のフローチャートに従い形状計測装置６の校正を行った。より詳しくは、形状計測装置６のカメラ３には２３５２×１７２８画素のものを使用し、レンズは焦点距離１４ｍｍのものを使用した。また、カメラ３の画素分解能が１〜２ｍｍとなる光学配置とし、サブピクセル処理を行うことで分解能を向上させている。

図５のステップＳ５における参照孔２の位置の抽出では、撮像画像Ａ（図３参照）に対して２５６階調中の１２８を閾値とする閾値処理を施してノイズ除去を行った後、各参照孔２の重心位置を計算する処理を行った。

図５のステップＳ７におけるスリット光位置の抽出では、撮像画像Ｂ（図４参照）に対して２５６階調中の６４を閾値とする閾値処理を施してノイズ除去を行った後、Ｋ−ｍｅａｎｓアルゴリズムを使用することにより光切断線を４つの集合にわけることで参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと対応付ける処理を行った。

上記の設定で校正を行った形状計測装置６とレーザ距離計８との出力比較を行った。図６は、形状計測装置６とレーザ距離計との出力比較実験の配置を示す概略図である。本出力比較実験では、形状計測装置６とレーザ距離計８を、図６のように板７の両側に設置し、板７を平行移動させたときの形状計測装置６とレーザ距離計８との出力を比較した。図７は、本出力比較実験の結果を示すグラフである。

図７のグラフにおいて、＊印がそれぞれの距離を対応させて表示したものであり、左軸の目盛が対応している。また、×印は差分をとった誤差値であり、右軸の目盛が対応している。図７のグラフから読み取れるように、本発明の実施形態によれば、レーザ距離計の値との誤差が約±１ｍｍであり、十分に校正されていることが確認できる。

以上より、本発明の実施形態にかかる校正用治具１は、スリット光源４とカメラ３を備える光切断式形状計測装置６を校正するための校正用治具１であり、互いに平行かつ高低差が既知である参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを複数有する校正用治具１本体と、参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに設けられた参照面内における位置が既知である複数の参照孔２と、複数の参照孔２を介して校正用治具１の内部から光を射出する光源とを有するので、光切断形状計測装置６および校正用治具を静止させた状態で、カメラの内部パラメーターの校正およびカメラとスリット光との相対位置の校正をすることができる。

さらに、本発明の実施形態にかかる光切断式形状計測装置６は、スリット光源４と参照孔２内の光源とから射出される光線を選択的に分離することが可能な光学フィルタを更に備えるので、スリット光源４からの光線と参照孔２内の光源からの光線とを分離し、画像の同時取得に資する。

また、本発明の実施形態にかかる校正用治具１を用いた光切断式形状計測装置６の校正方法は、参照孔２内の光源を点灯した状態でカメラ３により校正用治具１を撮像して、カメラ３の内部パラメーターを校正するカメラ校正ステップと、スリット光源４からのスリット光を校正用治具１の参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに照射した状態でカメラ３により校正用治具１を撮像して、スリット光源４からのスリット光とカメラ３との相対位置を校正するレーザ校正ステップとを含むので、光切断形状計測装置６および校正用治具を静止させた状態で、カメラの内部パラメーターの校正およびカメラとスリット光との相対位置の校正をすることができる。

本発明の実施形態にかかる校正方法のカメラ校正ステップは、カメラ３により撮像した画像上における参照孔２の位置と校正用治具１上における参照孔２の位置との関係からカメラ３の内部パラメーターを校正するので、参照孔２内の光源から射出される光線がフィルタ等の光学素子に妨害されることなく、カメラ３により撮像することができる。

本発明の実施形態にかかる校正方法のレーザ校正ステップは、カメラ３により撮像した画像上における参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで反射したスリット光の位置と参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの高低差とからスリット光とカメラ３との相対位置を校正するので、光切断形状計測装置６および校正用治具を動かすことなく、スリット光とカメラ３との相対位置を校正することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。例えば、上記の実施形態における校正用治具１の参照面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、互いに平行な平面であることを仮定したが、上述の式（５）のように記述される平面であれば、本発明の要旨を変更することなく実施をすることができる。

１校正用治具
２参照孔
３カメラ
４スリット光源
５制御部
６形状計測装置
７板
８レーザ距離計

Claims

スリット光源と撮像手段とを備える光切断式形状計測装置の校正に用いる校正用治具であって、
互いに平行かつ高低差が既知である参照面を複数有する本体と、
前記複数の参照面に設けられた参照面内における位置が既知である複数の参照孔と、
前記複数の参照孔を介して前記校正用治具の内部から外方に光を射出する光源と、
を有することを特徴とする校正用治具。
前記光切断式形状計測装置は、前記スリット光源と前記光源とから射出される光線を選択的に分離することが可能な光学フィルタを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の校正用治具。
前記光源を点灯した状態で前記撮像手段により前記校正用治具を撮像して、前記カメラの内部パラメーターを校正する撮像手段校正ステップと、
前記スリット光源からのスリット光を前記校正用治具の複数の参照面に照射した状態で前記撮像手段により前記校正用治具を撮像して、前記スリット光と前記撮像手段との相対位置を校正するレーザ校正ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の校正用治具を用いた光切断式形状計測装置の校正方法。
前記撮像手段校正ステップは、前記撮像手段により撮像した画像上における前記参照孔の位置と前記校正用治具上における前記参照孔の位置との関係から前記撮像手段の内部パラメーターを校正することを特徴とする請求項３に記載の光切断式形状計測装置の校正方法。
前記レーザ校正ステップは、前記撮像手段により撮像した画像上における前記複数の参照面で反射したスリット光の位置と前記複数の参照面の高低差とから前記スリット光と前記撮像手段との相対位置を校正することを特徴とする請求項３に記載の光切断式形状計測装置の校正方法。