JP2013092519A - 回転角度計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象の回転体の回転角度を、計測センサが非接触で、計算コストを抑え且つ高精度で計測する。
【解決手段】回転体１の回転角度と一意的に対応するマーカ模様の境界線を有する螺旋状マーカ２を回転体１に設置し、ラインセンサ４で螺旋状マーカ２を撮影し、解析装置５によって、予め求めておいたマーカ模様の境界線位置から回転体１の回転角度を計算する式を基に、ラインセンサ４で撮影した画像から回転体１の回転角度を計測する。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像処理により、計測センサが非接触で回転体の回転角度を計測する、回転角度計測装置及び方法に関する。

回転体の回転角度を計測する装置としては、ロータリエンコーダやポテンショメータのような計測センサを回転体の回転軸に設置して回転角度を計測するものが一般的である。

また、回転軸に反射テープを貼り付け、照射した光の反射光を受けることで回転数を計測する装置もある（非特許文献１参照）。

さらに、画像処理により回転体の回転角度を計測する方法が提案されている。例えば、円筒缶の周面（全周）の画像を登録し、入力画像が登録画像の位置に当たるかを、２次元離散的フーリエ変換を用いた相関ピークを抽出することで求め、回転角度を算出する方法（特許文献１参照）や、モータ回転角度を計測するため、回転軸の近傍と回転軸より離れた位置にそれぞれマーカを配置し、２つのマーカの位置関係から回転角度を求める方法がある（特許文献２参照）。

特開２００２−１６３６５９号公報 特開平１０−７８３１１号公報

株式会社小野測器 ホームページ ＜URL:http://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/category/h_revo.htm＞

上述のロータリエンコーダやポテンショメータのようなセンサを回転体の回転軸に設置する方法では、計測センサが非接触での回転角度の計測ができない。

非特許文献１のような、回転体に貼り付けた反射テープの反射光を検出する方法では、回転数を計測することはできるが、回転角度を計測することはできない。

特許文献１のような、登録した周面の画像と入力画像の照合により回転角度を算出する方法では、似通った模様の箇所が存在した場合は間違った回転角度を算出する可能性がある。また、入力画像と登録画像との相関を求める計算コストが大きい。

特許文献２のような、２つのマーカの位置関係から回転角度を求める方法では、検出できる回転角度精度を向上させる場合は高解像度のＣＣＤカメラを用いて大きな画像データを扱う必要があり、計算コストが増大してしまう。逆に通常のＣＣＤカメラを用いて計算コストを抑えようとすると、高い検出角度精度が期待できない。

本発明の目的は、上述の問題を解決するため、画像処理により、計億センサが非接触で、計算コストを抑え且つ高精度に回転体の回転角度を計測する回転角度計測装置及び方法を提供することである。

上記課題を解決する第１の発明に係る回転角度計測装置は、
計測対象の回転体に設置されたマーカと、
前記マーカのマーカ模様を撮影するラインセンサと、
前記ラインセンサで撮影された画像を解析して前記回転体の回転角度を求める解析装置とを備えることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１の発明に係る回転角度計測装置において、
前記マーカのマーカ模様の境界線位置は、前記回転体の回転角度との関係が一意的に対応することを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１または２の発明に係る回転角度計測装置において、
前記マーカのマーカ模様の境界線位置は、前記回転体の回転角度との関係が正比例であることを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１乃至３いずれか１つに係る回転角度計測装置において、
前記マーカが上面または底面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が平行且つ前記マーカと前記ラインセンサが向かい合う位置関係に配置されており、
前記マーカは、渦巻状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１乃至３いずれか１つに係る回転角度計測装置において、
前記マーカが側面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が垂直且つ前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの撮影ラインが平行な位置関係に配置されており、
前記マーカは、螺旋状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１乃至５のいずれか１つに係る回転角度計測装置において、
前記解析装置は、前記ラインセンサの画像上での前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測し、当該計測結果を基に前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を予め求めておき、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記回転角度計算式を基に当該境界線位置から前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１乃至５いずれか１つの発明に係る回転角度計測装置において、
前記解析装置は、
前記マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を設定する処理設定部と、
前記ラインセンサで撮影した１ライン分の画像データを入力する画像入力部と、
前記画像入力部から入力された画像データを時系列に並べて纏めた時系列画像データを、作成する時系列画像作成部と、
前記処理設定部で設定した前記閾値を基に、前記時系列画像データの前記マーカ模様の境界線位置を検出し、境界線位置データを作成する境界線位置検出部と、
前記境界線位置データから、前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を求め、境界線位置移動範囲データを作成する境界線位置移動範囲計測部と、
前記境界線位置移動範囲データから、前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を決定する回転角度計算式設定部と、
前記回転角度計算式と前記境界線位置データから、前記回転体の回転角度を計算し、回転角度データを作成する回転角度計算部とを備えることを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第１または２の発明に係る回転角度計測装置において、
さらに、前記マーカ模様を前記ラインセンサと同方向から高精細画像として撮影する高精細カメラを備え、
前記解析装置は、前記高精細カメラで撮影した前記高精細画像より、前記マーカ模様の境界線の三次元的な位置である境界線三次元位置のデータを求め、当該データに基づき、前記ラインセンサによる撮影を行う場合の画像上の前記マーカ模様の境界線位置と前記回転角度の関係を予め導出しておいた上で、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記関係に基づき、前記マーカ模様の境界線位置を前記回転角度に換算することを特徴とする。

上記課題を解決する第９の発明に係る回転角度計測装置は、
上記第８の発明に係る回転角度計測装置において、
前記解析装置は、
前記マーカ模様の境界線位置の検出に用いる閾値と、前記高精細カメラのレンズ焦点距離と、画像素子サイズと、前記ラインセンサ及び前記高精細カメラの位置と、前記マーカの設置表面の形状データとを処理パラメータとして設定する処理設定部と、
前記ラインセンサまたは前記高精細カメラで撮影した輝度情報を入力する画像入力部と、
前記高精細カメラで撮影した画像上の前記マーカ模様の境界線位置を第１の境界線位置データとして検出する高精細カメラ画像用境界線位置検出部と、
前記第１の境界線位置データと前記処理パラメータを基に、前記高精細カメラで撮影した前記境界線三次元位置のデータを作成する境界線三次元位置計算部と、
前記処理パラメータと、前記回転体の回転角度を変えていき前記高精細カメラで撮影した複数の前記境界線三次元位置データとを基に、当該境界線三次元位置データを合成し、前記回転体の全周に渡る前記境界線三次元位置データを作成する境界線三次元位置合成部と、
前記処理パラメータと、前記回転体の全周に渡る前記境界線三次元位置データとを基に、前記関係を導出する画素‐角度グラフ作成部と、
前記ラインセンサで撮影した画像上の前記マーカ模様の境界線位置を第２の境界線位置データとして検出する境界位置検出部と、
前記第２の境界線位置データを基に、前記関係を参照し、前記ラインセンサの画像上の前記マーカ模様の境界線位置を回転角度に換算する回転角度換算部とを備えることを特徴とする。

上記課題を解決する第１０の発明に係る回転角度計測方法は、
計測対象の回転体にマーカを設置し、ラインセンサで前記マーカのマーカ模様を撮影した画像を、解析装置で解析することで、前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする。

上記課題を解決する第１１の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０の発明に係る回転角度計測方法において、
前記マーカのマーカ模様の境界線位置と前記回転体の回転角度との関係を一意的に対応させることを特徴とする。

上記課題を解決する第１２の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０または１１の発明に係る回転角度計測方法において、
前記マーカのマーカ模様の境界線位置と前記回転体の回転角度との関係を正比例させることを特徴とする。

上記課題を解決する第１３の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０乃至１２いずれか１つの発明に係る回転角度計測方法において、
前記マーカが上面または底面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が平行且つ前記マーカと前記ラインセンサが向かい合う位置関係となるように配置し、
前記マーカは、渦巻状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第１４の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０乃至１２いずれか１つの発明に係る回転角度計測方法において、
前記マーカが側面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が垂直且つ前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの撮影ラインが平行な位置関係となるように配置し、
前記マーカは、螺旋状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第１５の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０乃至１４いずれか１つの発明に係る回転角度計測方法において、
前記解析装置によって、前記ラインセンサの画像上での前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測し、当該計測結果を基に前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を予め求めておき、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記回転角度計算式を基に当該境界線位置から前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする。

上記課題を解決する第１６の発明に係る回転角度計測方法は、
上記第１０または１１いずれか１つの発明に係る回転角度計測方法において、
高精細カメラによって、前記マーカ模様を前記ラインセンサと同方向から高精細画像として撮影し、前記解析装置にて、前記高精細画像より、前記マーカ模様の境界線の三次元的な位置である境界線三次元位置のデータを求め、当該データに基づき、前記ラインセンサによる撮影を行う場合の画像上の前記マーカ模様の境界線位置と前記回転角度の関係を予め導出しておいた上で、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記関係に基づき、前記マーカ模様の境界線位置を前記回転角度に換算することを特徴とする。

上記第１，１０の発明に係る回転角度計測装置または方法によれば、回転体に設置されたマーカのマーカ模様をラインセンサで撮影した画像を、解析装置により解析することで、回転体の回転角度を求めることができる。

上記第２，１１の発明に係る回転角度計測装置または方法によれば、さらに、マーカ模様の境界線位置から回転体の回転角度を一意的に求めることができる。

上記第３，４，５，１２，１３，１４の発明に係る回転角度計測装置または方法によれば、さらに、マーカ模様の境界線位置の検出が単純な方法であるため、計算コストを抑えることができる。

上記第６，７，１５の発明に係る回転角度計測装置または方法によれば、ラインセンサの画像上でのマーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測し、当該計測結果を基に回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を予め求めておくことで、計算コストを抑えることができる。

上記第８，９，１６の発明に係る回転角度計測装置または方法によれば、さらに、高精細画像を基に、マーカ模様の境界線位置と前記回転角度の関係を予め導出しておくことにより、マーカの設置に高精度な加工を必要とせずに回転角度が計測でき、作業の簡略化を図ることができる。

本発明の実施例１における螺旋状マーカを設置した回転体の側面図である。 本発明の実施例２における渦巻状マーカを設置した回転体をマーカ設置面から見た正面図である。 本発明の実施例１における螺旋状マーカを設置した回転体とラインセンサの位置関係を示す模式図である。 本発明の実施例２における渦巻状マーカを設置した回転体とラインセンサの位置関係を示す模式図である。 本発明の実施例１，２に係る回転角度計測装置による、回転体の回転角度とマーカ模様の境界線位置の関係を表すグラフである。 回転体に設置した螺旋状マーカをラインセンサで撮影した際の、画像上位置とマーカ模様の輝度信号の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１，２に係る回転角度計測装置による、回転体を数回転させた際の、時系列画像からマーカ模様の境界線位置を求めて得た時間と、ラインセンサで撮影した画像上のマーカ模様の境界線位置の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１，２に係る回転角度計測装置の作動を説明するフローチャートである。 本発明の実施例１，２における解析装置の構成図である。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置を示す模式図である。 本発明の実施例３における解析装置の構成図である。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置による、回転体の回転角度とマーカ模様の境界線位置の関係を表すグラフである。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置の作動を説明するフローチャートである。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置による、マーカ模様の境界線三次元位置を求める方法を示す模式図である。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置による、回転体に対して部分的なマーカ模様の境界線三次元位置を求めた例を示す模式図である。 本発明の実施例３に係る回転角度計測装置による、マーカ模様の境界線三次元位置からラインセンサの撮像ライン上の位置を求める方法を示す模式図である。

本発明に係る回転角度計測装置では、計測対象の回転体にマーカを設置し、当該マーカのマーカ模様をラインセンサで撮影した画像を解析装置によって解析することで、回転角度を求める。以下、本発明に係る回転角度計測装置を、実施例により図面を用いて説明する。

本発明の実施例１に係る回転角度計測装置は、図３のように、計測対象の回転体１に設置されたマーカ２と、ラインセンサ４と、解析装置５とを備える。ここで、マーカ２の設置してある計測対象の回転体１の回転軸とラインセンサ４の光軸が垂直且つ回転体１の回転軸とラインセンサ４の撮影ラインが平行な位置関係となっている。

本装置の計測センサとして用いるラインセンサ４は、１ライン分を高解像度で撮影できるカメラである。１ライン分の画素数は通常のＣＣＤカメラと比較して高解像度であるが、１ライン分しか撮影しないため画像全体のデータ量としてはＣＣＤカメラよりも非常に小さい。

マーカは図１に示すように、マーカ模様の境界線が螺旋状に描かれている螺旋状マーカ２を用いる。このマーカ模様は、螺旋状マーカ２を設置した回転体１の回転角度θとマーカ模様の境界線位置Ｌの関係が次式になるように設計されている。

Ｌ＝｛（Ｌ２‐Ｌ１）／２π｝θ＋Ｌ１

このような螺旋状マーカ２を回転体１に設置すると、回転体１の回転角度とマーカ模様の境界線は図５に示すような正比例の関係となる。つまり、回転体１の回転角度とマーカ模様の境界線とが一意的に対応する。

また、マーカの下地とマーカ模様の明暗差を大きく取れば、ラインセンサ４で撮影した画像上ではマーカ模様の境界線位置での輝度差が急激に変化する。図６に示すように、画像上でのマーカ模様の境界線位置は、閾値以上の輝度差が存在する位置、もしくは二階微分画像がゼロ交差する位置として求めることができる。

そこで、解析装置５は、ラインセンサ４で撮影した画像から輝度差が急激に変化する画像位置を検出し、その画像位置を回転体１の回転角度に換算することで回転角度を算出する。解析装置５は、図９に示すように、画像入力部１２、時系列画像作成部１３、境界線位置検出部１４、回転角度計算部１７、処理設定部１１、境界線位置移動範囲計測部１５、回転角度計算式設定部１６、データ出力部１９、記憶部１８を備える。

上述の処理設定部１１では、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を、処理パラメータとして設定する。

上述の画像入力部１２では、ラインセンサ４で撮影した１ライン分の画像データを入力する。

上述の時系列画像作成部１３では、画像入力部１２から入力された画像データを時系列に並べて纏めた時系列画像データを作成する。

上述の境界線位置検出部１４では、処理設定部１１で設定した閾値を基に、時系列画像データのマーカ模様の境界線位置を検出し、境界線位置データを作成する。

上述の境界線位置移動範囲計測部１５では、回転体１を数回転させた際の境界線位置データから、マーカ模様の境界線位置の移動範囲を求め、境界線位置移動範囲データを作成する。

上述の回転角度計算式設定部１６では、境界線位置移動範囲データから、回転体１の回転角度を計算する式（以下、回転角度計算式と記載）を決定する。

上述の回転角度計算部１７では、マーカ模様の境界線位置データから回転体１の回転角度を計算し、回転角度データを作成する。

上述の記憶部１８では、上述の各データ（境界線位置移動範囲データは除く）と各処理パラメータ（回転角度計算式を含む）を保管する。

上述のデータ出力部１９では、回転体１の回転角度データを出力する。

以下、本発明の実施例１に係る回転角度計測装置の計測手順を図８に従って説明する。

ステップＳ１では、画像上でのマーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測する。

まず、処理設定部１１において、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を設定する。その後、計測対象の回転体１をラインセンサ４で撮影しながら数回転させ、画像入力部１２から画像データを取り込み、時系列画像作成部１３にて時系列画像データを作成する。

そして、処理設定部１１で設定した閾値を基に、時系列画像データからマーカ模様の境界線位置を求めると、図７に示すような鋸刃上の時間に対する画像上のマーカ模様の境界線位置データのグラフ（以下、境界線位置時系列グラフと記載）を得ることができる。このグラフでＰ１からＰ２までの範囲がマーカ模様の境界線位置の移動範囲（以下、境界線位置移動範囲と記載）である。

そこで、境界線位置検出部１４において境界線位置時系列グラフを作成し、境界線位置移動範囲計測部１５において、境界線位置時系列グラフの、マーカ模様の境界線位置が０に最も近い点をＰ１とし、また、マーカ模様の境界線位置が０から最も遠い点をＰ２として求める。Ｐ１，Ｐ２を求める方法としては、鋸刃上のグラフの上下のピークをそれぞれ求め、下側のピークの平均をＰ１とし、上側のピークの平均をＰ２として求めても良い。こうして求めたＰ１，Ｐ２が、実際には螺旋状マーカ２のＬ１の位置，Ｌ２の位置となる。

ステップＳ２では、回転角度計算式設定部１６によって回転角度計算式を予め求める。

まず、上述のステップ１においてマーカ模様の境界線位置の移動範囲が計算できれば、画像上でのマーカ模様の境界線位置Ｐと回転角度θは次式の関係となる。

Ｐ＝｛（Ｐ２‐Ｐ１）／２π｝θ＋Ｐ１

よって、回転角度計算式は次式のように求まる。

θ＝ａＰ‐ｂ
ａ＝｛２π／（Ｐ２‐Ｐ１）｝
ｂ＝｛２π／（Ｐ２‐Ｐ１）｝Ｐ１

ステップ３から実際の回転角度の計測を開始する。まず、ステップＳ３では、計測対象の回転体１の撮影を行う。

図６に示すように回転体１に設置されたマーカ２のマーカ模様をラインセンサ４で撮影し、画像入力部１２から撮影した画像データを取り込み、時系列画像作成部１３にて１ライン分の画像データを時系列に保存して時系列画像データを作成する。

ステップＳ４では、境界線位置検出部１４において、ステップ３で作成した時系列画像データからマーカ模様の境界線位置を求める。

手順としては、上述のように、画像上でのマーカ模様の境界線位置は、閾値以上の輝度が存在する位置、もしくは二階微分画像がゼロ交差する位置として求められる。そこで、時系列画像から順次１ライン分の輝度情報を読み出し、上述の方法により画像上のマーカ模様の境界線位置を求める。

ステップＳ５では、画像上のマーカ模様の境界線位置データから回転体１の回転角度を求める。

回転角度計算部１７において、画像上でのマーカ模様の境界線位置データを上述の式 θ＝ａＰ‐ｂ に代入し、回転角度を求める。算出された結果は、回転角度データとしてデータ出力部１９から出力される。

ちなみに、上述のステップＳ１乃至Ｓ５において、各データ（境界線位置移動範囲データは除く）と各処理パラメータ（回転角度計算式を含む）は都度、記憶部１８に保管される。

本発明の実施例１に係る装置では、計測対象の回転体１に対し、ラインセンサ４が、回転体１の回転軸とラインセンサ４の光軸が垂直且つ回転体１の回転軸とラインセンサ４の撮影するラインが平行な位置関係に配置されており、計測センサが非接触での回転体１の回転角度の計測を行うことができる。また、計測センサにラインセンサ４を用いることにより、計算コストを抑えた上で高い検出角度精度を得ることができる。さらに、輝度差のはっきりしたマーカ模様の境界線位置を、解析装置５により回転角度に換算することで、複雑な処理を用いることなく高速な計算ができる。

本発明の実施例２に係る回転角度計測装置は、図４のように、計測対象の回転体１に設置されたマーカ３と、ラインセンサ４と、解析装置５とを備える。ここで、マーカ３の設置してある計測対象の回転体１の回転軸とラインセンサ４の光軸が平行且つマーカ３とラインセンサ４が向かい合う位置関係となっている。

ラインセンサ４は、実施例１と同一であるため説明は省略する。

図２に示すようにマーカは、マーカ模様の境界線が渦巻状に描かれている渦巻状マーカ３を用いる。このマーカ模様は、渦巻状マーカ３を設置した回転体１の回転角度θとマーカ模様の境界線位置Ｒの関係が次式になるように設計されている。

Ｒ＝｛（Ｒ２‐Ｒ１）／２π｝θ＋Ｒ１

このような渦巻状マーカ３を回転体１に設置すると、回転角度とマーカ模様の境界線は図５に示すような正比例の関係となる。つまり、マーカ模様の境界線と回転角度が一意的に対応する。

また、マーカの下地とマーカ模様の明暗差を大きく取れば、ラインセンサ４で撮影した画像上ではマーカ模様の境界線位置での輝度差が急激に変化する。画像上でのマーカ模様の境界線位置は、閾値以上の輝度差が存在する位置、もしくは二階微分画像がゼロ交差する位置として求めることができる。

そこで、解析装置５は、ラインセンサ４で撮影した画像から輝度差が急激に変化する画像位置を検出し、その画像位置を回転体１の回転角度に換算することで回転角度を算出する。解析装置５は、図９に示すように、画像入力部１２、時系列画像作成部１３、境界線位置検出部１４、回転角度計算部１７、処理設定部１１、境界線位置移動範囲計測部１５、回転角度計算式設定部１６、データ出力部１９、記憶部１８を備える。

上述の処理設定部１１では、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を、処理パラメータとして設定する。

上述の画像入力部１２では、ラインセンサ４で撮影した１ライン分の画像データを入力する。

上述の時系列画像作成部１３では、画像入力部１２から入力された画像データを時系列に並べて纏めた時系列画像データを作成する。

上述の境界線位置検出部１４では、処理設定部１１で設定した閾値を基に、時系列画像データのマーカ模様の境界線位置を検出し、境界線位置データを作成する。

上述の境界線位置移動範囲計測部１５では、回転体１を数回転させた際の境界線位置データから、マーカ模様の境界線位置の移動範囲を求め、境界線位置移動範囲データを作成する。

上述の回転角度計算式設定部１６では、境界線位置移動範囲データから、回転体１の回転角度を計算する回転角度計算式を決定する。

上述の回転角度計算部１７では、マーカ模様の境界線位置データから回転体１の回転角度を計算し、回転角度データを作成する。

上述の記憶部１８では、上述の各データ（境界線位置移動範囲データは除く）と各処理パラメータ（回転角度計算式を含む）を保管する。

上述のデータ出力部１９では、回転体１の回転角度データを出力する。

以下、本発明の実施例２に係る回転角度計測装置の計測手順を図８に従って説明する。

ステップＳ１では、画像上でのマーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測する。

まず、処理設定部１１において、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を設定する。その後、計測対象の回転体１をラインセンサ４で撮影しながら数回転させ、画像入力部１２から画像データを取り込み、時系列画像作成部１３にて時系列画像データを作成、保管する。

そして処理設定部１１で設定した閾値を基に、時系列画像データからマーカ模様の境界線位置を求めると、図７に示すような境界線位置時系列グラフを得ることができる。このグラフでＰ１からＰ２までの範囲がマーカ模様の境界線位置移動範囲である。

そこで境界線位置検出部１４において境界線位置時系列グラフを作成し、境界線位置移動範囲計測部１５において、境界線位置時系列グラフの、マーカ模様の境界線位置が０に最も近い点をＰ１とし、また、マーカ模様の境界線位置が０から最も遠い点をＰ２として求める。Ｐ１，Ｐ２を求める方法としては、鋸刃上のグラフの上下のピークをそれぞれ求め、下側のピークの平均をＰ１とし、上側のピークの平均をＰ２として求めても良い。こうして求めたＰ１，Ｐ２が、実際には渦巻状マーカのＲ１の位置，Ｒ２の位置となる。

ステップＳ２では、回転角度計算式設定部１６によって回転角度計算式を予め求める。

まず、上述のステップ１においてマーカ模様の境界線位置移動範囲が計算できれば、画像上でのマーカ模様の境界線位置Ｐと回転角度θは次式の関係となる。

Ｐ＝｛（Ｐ２‐Ｐ１）／２π｝θ＋Ｐ１

よって、回転角度計算式は次式のように求まる。

θ＝ａＰ‐ｂ
ａ＝｛２π／（Ｐ２‐Ｐ１）｝
ｂ＝｛２π／（Ｐ２‐Ｐ１）｝Ｐ１

ステップ３から実際の回転角度の計測を開始する。まず、ステップＳ３では、計測対象の回転体１の撮影を行う。

図６に示すように回転体１に設置されたマーカ２のマーカ模様をラインセンサ４で撮影し、画像入力部１２から撮影した画像データを取り込み、時系列画像作成部１３にて１ライン分の画像データを時系列に保存して時系列画像データを作成する。

ステップＳ４では、境界線位置検出部１４において、ステップ３で作成した時系列画像データからマーカ模様の境界線位置を求める。

手順としては、上述のように、画像上でのマーカ模様の境界線位置は、閾値以上の輝度が存在する位置、もしくは二階微分画像がゼロ交差する位置として求められる。そこで、時系列画像から順次１ライン分の輝度情報を読み出し、上述の方法により画像上のマーカ模様の境界線位置を求める。

ステップＳ５では、画像上のマーカ模様の境界線位置データから回転体１の回転角度を求める。

回転角度計算部１７において、画像上でのマーカ模様の境界線位置データを上述の式 θ＝ａＰ‐ｂ に代入し、回転角度を求める。算出された結果は、回転角度データとしてデータ出力部１９から出力される。

ちなみに、上述のステップＳ１乃至Ｓ５において、各データ（境界線位置移動範囲データは除く）と各処理パラメータ（回転角度計算式を含む）は都度、記憶部１８に保管される。

本発明の実施例２に係る装置では、計測対象の回転体１に対し、ラインセンサ４が、回転体１の回転軸とラインセンサ４の光軸が平行且つ渦巻状マーカ３とラインセンサ４が向かい合う位置関係に設置されており、計測センサが非接触での回転体１の回転角度の計測を行うことができる。また、計測センサにラインセンサ４を用いることにより、計算コストを抑えた上で高い検出角度精度を得ることができる。さらに、輝度差のはっきりしたマーカ模様の境界線位置を、解析装置５により回転角度に換算することで、複雑な処理を用いることなく高速な計算ができる。

本発明の実施例１，２に係る回転角度計測装置では、マーカが精度よく回転体に設置されている必要がある。機械加工したマーカを回転体に設置する場合は良いが、既存の回転軸等に手作業でマーカを後付けするような場合はマーカの設置に高い精度は望めず、境界線位置の歪みに起因する回転角度の検出精度が低下する。

そこで、本発明の実施例３に係る回転角度計測装置は、マーカの位置校正を行う機能を有する。

即ち、実施例１，２に係る回転角度計測装置では、マーカが正確に設置されていることを前提として、段落［００５５］，［００８９］の関係式によりマーカ模様の境界線位置から回転角度を換算しているが、マーカ設置に歪みがあるような場合は直線ではなく曲線のグラフとなってしまう。実施例３に係る回転角度計測装置では、マーカの設置に歪みがあることを考慮して、マーカ模様の境界線の三次元的な位置（以下、マーカ模様の境界線三次元位置と記載）の計測を予め行うことで、画像上のマーカ模様の境界線位置と回転角度の関係を表したグラフ（以下、画素‐角度グラフと記載）を作成し、当該グラフを参照することによりラインセンサで計測したマーカ模様の境界線位置から回転角度を求める。画素‐角度グラフの作成方法については後述する。

本発明の実施例３に係る回転角度計測装置は、図１０のように、計測対象の回転体１に設置された螺旋状マーカ２と、ラインセンサ４と、解析装置２０と、高精細カメラ３１とを備える。

上述の螺旋状マーカ２及びラインセンサ４については、実施例１と同一のため説明は省略する。

高精細カメラ３１は、マーカ模様をラインセンサ４と同方向から高精細画像として撮影するものである。ここでの高精細とは、ラインセンサ４に比べて高精細で、マーカ模様の境界線位置を求められる程度の精度を示している（例えば２００万画素程度）。

解析装置２０は、図１１のように、処理設定部２１と、画像入力部２２と、高精細カメラ画像用境界線位置検出部２３と、境界線三次元位置計算部２４と、境界線三次元位置合成部２５と、画素‐角度グラフ作成部２６と、境界線位置検出部２７と、回転角度換算部２８と、記憶部２９と、データ出力部３０とを備える。

上述の処理設定部２１は、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる閾値、高精細カメラ３１のレンズ焦点距離、画像素子サイズ、ラインセンサ４及び高精細カメラ３１の位置、螺旋状マーカ２の設置表面の形状（円柱側面）データ等を処理パラメータとして設定する。

上述の画像入力部２２は、ラインセンサ４または高精細カメラ３１で撮影した輝度情報を画像データとして入力する。

上述の高精細カメラ画像用境界線位置検出部２３は、高精細カメラ３１で撮影した画像上のマーカ模様の境界線位置を境界線位置データとして検出する。

上述の境界線三次元位置計算部２４は、境界線位置データと処理パラメータを基に、高精細カメラ３１で撮影したマーカ模様の境界線三次元位置データを作成する。

上述の境界線三次元位置合成部２５は、処理パラメータと、回転体１の回転角度を変えていき高精細カメラ３１で撮影した複数の画像上のマーカ模様の境界線三次元位置データとを基に、マーカ模様の境界線三次元位置データを合成し、回転体１の全周に渡るマーカ模様の境界線三次元位置データを作成する。

上述の画素‐角度グラフ作成部２６は、処理パラメータと、回転体１の全周に渡るマーカ模様の境界線三次元位置データとを基に画素‐角度グラフデータを作成する。

上述の境界位置検出部２７は、ラインセンサ４で撮影した画像上のマーカ模様の境界線位置を境界線位置データとして検出する。

上述の回転角度換算部２８は、境界線位置データを基に、画素‐角度グラフを参照し、ラインセンサ４の画像上のマーカ模様の境界線位置を回転角度に換算して回転角度データを作成する。

上述の記憶部２９は、上述の各データ及び各処理パラメータを保管する。

上述のデータ出力部３０は、回転角度データを出力する。

換言すれば、解析装置２０は、マーカ模様の境界線位置の検出に用いる閾値と、高精細カメラ３１のレンズ焦点距離と、画像素子サイズと、ラインセンサ４及び高精細カメラ３１の位置と、マーカの設置表面の形状データとを処理パラメータとして設定する処理設定部２１と、ラインセンサ４または高精細カメラ３１で撮影した輝度情報を入力する画像入力部２２と、高精細カメラ３１で撮影した画像上のマーカ模様の境界線位置を第１の境界線位置データとして検出する高精細カメラ画像用境界線位置検出部２３と、第１の境界線位置データと処理パラメータを基に、高精細カメラ３１で撮影した境界線三次元位置のデータを作成する境界線三次元位置計算部２４と、処理パラメータと、回転体１の回転角度を変えていき高精細カメラ３１で撮影した複数の境界線三次元位置データとを基に、当該境界線三次元位置データを合成し、回転体１の全周に渡る境界線三次元位置データを作成する境界線三次元位置合成部２５と、処理パラメータと、回転体１の全周に渡る境界線三次元位置データとを基に、ラインセンサ４による撮影を行う場合の画像上のマーカ模様の境界線位置と回転体１の回転角度の関係を導出する画素‐角度グラフ作成部２６と、ラインセンサ４で撮影した画像上のマーカ模様の境界線位置を第２の境界線位置データとして検出する境界位置検出部と、第２の境界線位置データを基に、上記関係を参照し、ラインセンサ４の画像上のマーカ模様の境界線位置を回転体１の回転角度に換算する回転角度換算部とを備えるというものである。

以下、本発明の実施例３に係る回転角度計測装置の計測手順を図１３に従って説明する。

ステップＳ１１では、下記段落［０１２２］〜［０１３０］により、画素‐角度グラフを作成する。

計測対象である回転体１の螺旋状マーカ２の設置部分の形状（円柱側面）、及びラインセンサ４から計測対象の回転体１までの距離は、予め分かっているものとする。この条件下で、マーカ模様の境界線三次元位置を求めることで、画素‐角度グラフを作成する。マーカ模様の境界線三次元位置計測は以下の手順で行う。

まず第１の手順として、図１０に示すように、ラインセンサ４ではなく高精細カメラ３１を解析装置２０に接続する。

第２の手順として、高精細カメラ３１において、回転体１に設けられた螺旋状マーカ２の高精細画像を撮影し、高精細カメラ画像用境界線位置検出部２３において、画像上でのマーカ模様の境界線位置を求める。画像上での境界線位置の求め方は、実施例１において説明したラインセンサ４で撮影した場合と同様の方法を用いる（段落［００３５］等参照）。

第３の手順として、境界線三次元位置計算部２４において、高精細カメラ画像用境界線位置検出部２３から境界線位置データを入力し、図１４に示すように、マーカ模様の境界線三次元位置を、高精細カメラ３１のレンズ焦点ｃから撮像面ｂでの境界線位置を通って回転体１の螺旋状マーカ２の設置位置に交差する点ａとして求める。これにより、図１５に示すように、回転体１に対して部分的なマーカ模様の境界線三次元位置（図中の曲線部分）が求められる（図中の直線は回転体１の回転軸ｄを示している）。

第４の手順として、回転体１を回転軸ｄ中心に回転させ、角度を変えて第３の手順を順次行い、マーカ模様の境界線三次元位置を回転体１の側面全周に渡り計測する。

第５の手順として、境界線三次元位置合成部２５により、第４の手順にて複数回に分割して得たマーカ模様の境界線三次元位置データを境界線三次元位置計算部２４から入力して合成し、回転体１の側面全周に渡るマーカ模様の境界線三次元位置データを作成する。

第６の手順として、高精細カメラ３１をラインセンサ４に取り換える。

次に、画素‐角度グラフ作成部２６により、境界線三次元位置合成部２５から入力した、回転体１の側面全周に渡るマーカ模様の境界線三次元位置データを用いて、画素‐角度グラフを作成する。

即ち、ラインセンサ４で撮影すると仮定して、図１６のように、マーカ模様の境界線三次元位置とラインセンサ４のレンズ焦点ｃ´を結ぶ直線がラインセンサ４の撮像ラインｅと交差する点ｆ，ｇを求める。これがラインセンサ４の画像上でのマーカ模様の境界線位置となる。これを側面全周に渡り行うことで、画素‐角度グラフを作成する。手作業で螺旋状マーカ２を回転体１に後付けしたような場合、作成した画素‐角度グラフは例えば図１２のようになる。以上がステップＳ１１である。

ステップＳ１２では、ラインセンサ４で図６に示すように計測対象の回転体１を撮影する。

ステップＳ１３では、ラインセンサ４で撮影した画像からマーカ模様の境界線位置を求める。即ち、境界線位置検出部２７において、画像上での閾値以上の輝度差が存在する位置、もしくは、二階微分画像がゼロ交差する位置を、画像上のマーカ模様の境界線位置として求める。

ステップＳ１４では、画像上のマーカ模様の境界線位置から回転角度を求める。

即ち、回転角度換算部２８において、画像上での境界線位置を基に画素‐角度グラフを参照し、画像上のマーカ模様の境界線位置を回転角度に換算して回転角度を求める。

このようにして実施例３に係る回転角度計測装置では、マーカの設置に歪みがあることを考慮して、マーカ模様の境界線三次元位置計測を予め行うことで、画素‐角度グラフを作成し、ラインセンサで計測したマーカ模様の境界線位置から画素‐角度グラフを参照することで回転角度を求めるものである。

実施例３に係る回転角度計測装置では、実施例１，２に係る回転角度計測装置に比べて、高精細画像を基に、マーカ模様の境界線位置と回転角度の関係を予め導出しておくことにより、さらに、マーカの設置に高精度な加工を必要とせずに回転角度が計測でき、作業の簡略化を図ることができる。

本実施例では、実施例１で用いた螺旋状マーカ２を例に挙げて説明したが、実施例２で用いた渦巻状マーカ３を適用することも可能である。但し、渦巻状マーカ３では、マーカ設置表面の形状を回転体１の上面または底面の平面としてマーカ模様の境界線三次元位置を求めることになる。さらに言えば、回転体１の回転角度との関係が一意的に対応するマーカ模様の境界線位置を有するマーカであれば形状を問わず適用可能である。

本発明は、画像処理により、計測センサが非接触で回転体の回転角度を計測する、回転角度計測装置及び方法に装置及び方法として好適である。

１ 回転体
２ 螺旋状マーカ
３ 渦巻状マーカ
４ ラインセンサ
５，２０ 解析装置
１１，２１ 処理設定部
１２，２２ 画像入力部
１３ 時系列画像作成部
１４ 境界線位置検出部
１５ 境界線位置移動範囲計測部
１６ 回転角度計算式設定
１７ 回転角度計算部
１８，２９ 記憶部
１９，３０ データ出力部
２３ 高精細カメラ画像用境界線位置検出部
２４ 境界線三次元位置計算部
２５ 境界線三次元位置合成部
２６ 画素‐角度グラフ作成部
２７ 境界線位置検出部
２８ 回転角度換算部
３１ 高精細カメラ

Claims (16)

1. 計測対象の回転体に設置されたマーカと、
   前記マーカのマーカ模様を撮影するラインセンサと、
   前記ラインセンサで撮影された画像を解析して前記回転体の回転角度を求める解析装置とを備えることを特徴とする回転角度計測装置。
2. 前記マーカのマーカ模様の境界線位置は、前記回転体の回転角度との関係が一意的に対応することを特徴とする請求項１に記載の回転角度計測装置。
3. 前記マーカのマーカ模様の境界線位置は、前記回転体の回転角度との関係が正比例であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度計測装置。
4. 前記マーカが上面または底面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が平行且つ前記マーカと前記ラインセンサが向かい合う位置関係に配置されており、
   前記マーカは、渦巻状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の回転角度計測装置。
5. 前記マーカが側面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサは、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が垂直且つ前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの撮影ラインが平行な位置関係に配置されており、
   前記マーカは、螺旋状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の回転角度計測装置。
6. 前記解析装置は、前記ラインセンサの画像上での前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測し、当該計測結果を基に前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を予め求めておき、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記回転角度計算式を基に当該境界線位置から前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の回転角度計測装置。
7. 前記解析装置は、
   前記マーカ模様の境界線位置の検出に用いる輝度差の閾値を設定する処理設定部と、
   前記ラインセンサで撮影した１ライン分の画像データを入力する画像入力部と、
   前記画像入力部から入力された画像データを時系列に並べて纏めた時系列画像データを、作成する時系列画像作成部と、
   前記処理設定部で設定した前記閾値を基に、前記時系列画像データの前記マーカ模様の境界線位置を検出し、境界線位置データを作成する境界線位置検出部と、
   前記境界線位置データから、前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を求め、境界線位置移動範囲データを作成する境界線位置移動範囲計測部と、
   前記境界線位置移動範囲データから、前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を決定する回転角度計算式設定部と、
   前記回転角度計算式と前記境界線位置データから、前記回転体の回転角度を計算し、回転角度データを作成する回転角度計算部とを備えることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の回転角度計測装置。
8. さらに、前記マーカ模様を前記ラインセンサと同方向から高精細画像として撮影する高精細カメラを備え、
   前記解析装置は、前記高精細カメラで撮影した前記高精細画像より、前記マーカ模様の境界線の三次元的な位置である境界線三次元位置のデータを求め、当該データに基づき、前記ラインセンサによる撮影を行う場合の画像上の前記マーカ模様の境界線位置と前記回転角度の関係を予め導出しておいた上で、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記関係に基づき、前記マーカ模様の境界線位置を前記回転角度に換算することを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度計測装置。
9. 前記解析装置は、
   前記マーカ模様の境界線位置の検出に用いる閾値と、前記高精細カメラのレンズ焦点距離と、画像素子サイズと、前記ラインセンサ及び前記高精細カメラの位置と、前記マーカの設置表面の形状データとを処理パラメータとして設定する処理設定部と、
   前記ラインセンサまたは前記高精細カメラで撮影した輝度情報を入力する画像入力部と、
   前記高精細カメラで撮影した画像上の前記マーカ模様の境界線位置を第１の境界線位置データとして検出する高精細カメラ画像用境界線位置検出部と、
   前記第１の境界線位置データと前記処理パラメータを基に、前記高精細カメラで撮影した前記境界線三次元位置のデータを作成する境界線三次元位置計算部と、
   前記処理パラメータと、前記回転体の回転角度を変えていき前記高精細カメラで撮影した複数の前記境界線三次元位置データとを基に、当該境界線三次元位置データを合成し、前記回転体の全周に渡る前記境界線三次元位置データを作成する境界線三次元位置合成部と、
   前記処理パラメータと、前記回転体の全周に渡る前記境界線三次元位置データとを基に、前記関係を導出する画素‐角度グラフ作成部と、
   前記ラインセンサで撮影した画像上の前記マーカ模様の境界線位置を第２の境界線位置データとして検出する境界位置検出部と、
   前記第２の境界線位置データを基に、前記関係を参照し、前記ラインセンサの画像上の前記マーカ模様の境界線位置を回転角度に換算する回転角度換算部とを備えることを特徴とする請求項８に記載の回転角度計測装置。
10. 計測対象の回転体にマーカを設置し、ラインセンサで前記マーカのマーカ模様を撮影した画像を、解析装置で解析することで、前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする回転角度計測方法。
11. 前記マーカのマーカ模様の境界線位置と前記回転体の回転角度との関係を一意的に対応させることを特徴とする請求項１０に記載の回転角度計測方法。
12. 前記マーカのマーカ模様の境界線位置と前記回転体の回転角度との関係を正比例させることを特徴とする請求項１０または１１に記載の回転角度計測方法。
13. 前記マーカが上面または底面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサを、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が平行且つ前記マーカと前記ラインセンサが向かい合う位置関係となるように配置し、
    前記マーカは、渦巻状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする請求項１０乃至１２いずれか１項に記載の回転角度計測方法。
14. 前記マーカが側面に設置された前記回転体に対し、前記ラインセンサを、前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの光軸が垂直且つ前記回転体の回転軸と前記ラインセンサの撮影ラインが平行な位置関係となるように配置し、
    前記マーカは、螺旋状のマーカ模様の境界線を有することを特徴とする請求項１０乃至１２いずれか１項に記載の回転角度計測方法。
15. 前記解析装置によって、前記ラインセンサの画像上での前記マーカ模様の境界線位置の移動範囲を予め計測し、当該計測結果を基に前記回転体の回転角度を計算する回転角度計算式を予め求めておき、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記回転角度計算式を基に当該境界線位置から前記回転体の回転角度を求めることを特徴とする請求項１０乃至１４いずれか１項に記載の回転角度計測方法。
16. 高精細カメラによって、前記マーカ模様を前記ラインセンサと同方向から高精細画像として撮影し、前記解析装置にて、前記高精細画像より、前記マーカ模様の境界線の三次元的な位置である境界線三次元位置のデータを求め、当該データに基づき、前記ラインセンサによる撮影を行う場合の画像上の前記マーカ模様の境界線位置と前記回転角度の関係を予め導出しておいた上で、前記ラインセンサで撮影した画像から前記マーカ模様の境界線位置を求め、前記関係に基づき、前記マーカ模様の境界線位置を前記回転角度に換算することを特徴とする請求項１０または１１に記載の回転角度計測方法。

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