JP2014149303A - 三次元形状計測装置、キャリブレーションブロック、三次元形状計測装置のキャリブレーション方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】階段形状部に4つの段上平面を設け、各段上平面には、輝線に対して平行ではない輪郭を有し、その輪郭を境にして反射率の異なるパターンを形成したキャリブレーション用ブロックと、キャリブレーション用ブロックの底部からの高さ寸法とパターンの位置座標とのリファレンスデータを記憶した記憶部60と、キャリブレーション用ブロックを載置する載置台30と、輝線を撮像する撮像部20と、載置台30を移動させる載置台駆動部90と、撮像された輝線から特徴点を検出する特徴点検出部70と、検出された特徴点の撮像画像における特徴点座標から幾何学的パターンの頂点座標を計算し、この頂点座標とリファレンスデータとに基づいて校正用データを生成する校正用データ生成部80とを備えた。
【選択図】図2
Description
計測対象物の表面に映るスリット光の輝線(光切断線)をカメラで撮像して、計測対象物
の三次元形状を計測する光切断法による三次元形状計測装置では、計測対象物のカメラ画
像における位置と、実空間における位置とを対応させるためのキャリブレーション(校正
)が必要である。従来の光切断法による三次元形状計測装置のキャリブレーションにおい
ては、カメラの歪補正と高さ補正とを別々に校正するものが多く、校正に時間のかかるこ
とが課題であった。
にかかる時間を短縮することのできるキャリブレーション方法及び装置が提案されている
(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示されたキャリブレーション方法及び装置
では、列ごとに階段状ブロックを配置するとともに、一列おきの階段状ブロックを前列よ
りも一段低く配置したキャリブレーションブロックを用いて校正作業を行うものである。
に配置された階段形状を有するキャリブレーションブロックを用いるものであるため、キ
ャリブレーションブロックに照射されたスリット光の輝線における特徴点の算出の精度が
、カメラの解像度に制限されるという課題を有していた。また、キャリブレーションブロ
ックは周期的に規則的な形状を有しているため、各ブロック表面からの反射光の撮像によ
るブロック位置の特定が困難である。よって、このキャリブレーション方法及び装置では
、キャリブレーションブロックをずれが生じないようにステージ上に正確に配置する必要
があり、校正作業上の負担が大きく使い勝手の面で課題を有していた。
計測を行う三次元形状計測装置のキャリブレーションを、カメラ解像度に依存せずに行う
ことができ、さらに校正作業上使い勝手のよい三次元形状計測装置を提供することを目的
とする。
ある。
[1] 照射手段からスリット光を照射し、照射面に生ずる光切断線を撮像手段で撮像し
て三次元形状計測を行う三次元形状計測装置において、
載置される底部からの高さ寸法の異なる複数の平面部を有し、これら平面部それぞれに
は、前記スリット光の照射により生じる光切断線に対して非平行である直線の輪郭を有し
、その輪郭を境にして反射率の異なるパターンを形成したキャリブレーション用ブロック
と、
前記キャリブレーション用ブロックの前記底部から前記各平面部までの高さ寸法と前記
パターンの位置座標とのリファレンスデータを記憶した記憶手段と、
前記キャリブレーション用ブロックを載置する載置手段と、
前記照射手段及び前記撮像手段の組合せと前記載置手段とのうちいずれか一方を移動さ
せる移動手段と、
前記撮像された光切断線から特徴点を検出し、撮像画像における特徴点座標を求める検
出手段と、
前記特徴点座標から前記パターンに係る座標を計算し、この計算された座標と前記リフ
ァレンスデータとに基づいて校正用データを生成する生成手段と、
前記生成された校正用データを用いて前記照射手段及び前記撮像手段の三次元方向のキ
ャリブレーションを行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
[2] 前記キャリブレーション用ブロックは、
前記複数の平面部それぞれに、前記スリット光の照射により生じる光切断線に対して非
平行である直線の輪郭をそれぞれ有した複数の幾何学的パターンを二次元に配列し、これ
ら複数の幾何学的パターンの内外部で反射率が異なるようなパターンを形成したことを特
徴とする上記[1]記載の三次元形状計測装置。
[3] 前記キャリブレーション用ブロックの複数の幾何学的パターンを、前記光切断線
の走査方向に略平行する列ごとに一意の模様、又は隣接する幾何学的パターンが同一模様
とならないように形成したことを特徴とする上記[2]記載の三次元形状計測装置。
ブレーションを、撮像手段のカメラ解像度、載置手段の移動分解能に依存せずに高精度に
行うことができる。また、本発明によれば、キャリブレーション用ブロックの配置に厳密
な正確性を必要とせず、作業負担の軽いキャリブレーション作業を行うことができる。
、本発明の実施形態である三次元形状計測装置がキャリブレーションを行っている様子を
模式的に示した、三次元形状計測装置及びキャリブレーション用ブロックの斜視図を示す
。同図における三次元形状計測装置は、光切断法によって計測対象物体の外部形状を計測
する装置であり、スリット光源部10と、撮像部20と、載置台30とを備えている。そ
して、載置台30には、三次元形状計測装置のスリット光源部10及び撮像部20を校正
するためのキャリブレーション用ブロック40が載置されている。
と同一の構成については同一の符号を付している。図2において、三次元形状計測装置は
、スリット光源部10と、撮像部20と、載置台30と、制御部50と、記憶部60と、
特徴点検出部70と、校正用データ生成部80と、載置台駆動部90とを備えている。
20、載置台駆動部90に対して動作開始や動作停止の指示を与えたり、外部から供給さ
れた補正データを記憶部60に記憶させたりする。また、制御部50は、校正用データを
収集したのち、スリット光源部10及び撮像部20のキャリブレーションを行う。
光SLにして射出する光源である。コヒーレント光としては、レーザー光を用いるのがよ
い。スリット光源部10は、スリット光SLの中心光軸が鉛直軸と平行ではない所定の角
度を有して設置される。
よって図1における矢印Aの向きに移動し、それによってキャリブレーション用ブロック
40が矢印Aの向きに搬送される。スリット光源部10から射出されたスリット光SLが
搬送中のキャリブレーション用ブロック40の上面側に設けられた段上平面に照射される
と、その照射部分からの反射光RLが発生する。
度で傾斜する位置、具体的には反射光RLを光学系に入射させて撮像可能な位置に設置さ
れる。このとき、キャリブレーション用ブロック40の反射部分は、光切断線である輝線
LLとして可視化される。そして、撮像部20はその輝線LLを撮像して撮像画像データ
を特徴点検出部70に供給する。
ある特徴点を検出して撮像画像における特徴点座標を求める。そして、特徴点検出部70
は、特徴点座標と、当該特徴点に対応するキャリブレーション用ブロック40の所定の属
性データとを関連づけた特徴点情報を記憶部60に記憶する。この特徴点情報については
、後述する動作説明の欄において具体的に説明する。
されている場合にはその補正データとを読み出し、載置台30の水平な載置面に対して垂
直方向及び水平方向(三次元)の校正用データを生成して記憶部60に記憶する。
リブレーション用ブロック40は、4段の階段形状部を有して一体的に形成された固体で
ある。なお、階段は必ずしも4段である必要はなく複数段あればよい。また、このブロッ
クは中空、又は凹型であってもよい。キャリブレーション用ブロック40は、その底部4
5を載置台30の載置面に合わせて載置するものであり、底部45は設置の安定性を確保
するために、面又は少なくとも4箇所の支持部を有している。底部45とは反対側の階段
形状部には、底部45の載置接触面と略平行であり、且つ垂直方向の寸法がそれぞれ異な
る段上平面41−44が設けられている。
るので、その照射部分の温度は高くなる傾向にある。よって、キャリブレーション用ブロ
ック40は、熱膨張率の小さな材質を用いることが好ましい。例えば、カーボンブラック
をその材質とすることが好ましい。カーボンブラックは、質量が大きくない点においても
優れている。また、カーボンブラック以外にも、ガラスやステンレス鋼を用いることがで
きる。
ンPが形成(パターンニング)されている。図4に、段上平面41−44それぞれにパタ
ーンニングされるパターンの例を示す。同図において、パターンP1はパターンAPと、
幾何学的パターンである正方形を二次元に複数配列したパターンRPとにより構成されて
いる。同図においては、便宜上黒模様のパターンAP上に色抜のパターンRPが設けられ
たように表されているが、これらのパターン色は同図で表現された色に限定されるもので
はない。ここで重要なことは、パターンAPとパターンRPとの反射率が異なるようにパ
ターンニングされることである。本実施形態では、パターンRPがパターンAPよりも反
射率が大きくなるようにパターンニングされているものとする。また、パターンRPでは
、4×18個の幾何学的パターンである正方形を、各正方形の辺が矢印Aの向きと平行に
ならないようにして整列している。
スト法等の細密パターンニング技術を用いるのがよい。
測装置により、その外形寸法及びパターンP1の各種座標位置が測定され、これらの測定
値は、リファレンスデータとして記憶部60に予め記憶されている。このリファレンスデ
ータは、例えば、パターンRPの幾何学的パターンごとに、当該幾何学的パターンのリフ
ァレンス頂点座標値と、底部45から当該幾何学的パターンがパターンニングされた段上
平面までの高さ寸法とを、識別番号に関連づけたデータである。
タを生成する動作について、図5のフローチャートを参照して説明する。載置台30にキ
ャリブレーション用ブロック4を、その搬送方向が図3に示す矢印Aの向きになるように
載置したのち、制御部50に対して動作開始の指示が与えられると、図5に示すフローチ
ャートの処理が開始される。
ト光源部10はスリット光SLの照射を開始する(S501)。次に、制御部50は撮像
部20に撮像開始を指示し、この指示を受けた撮像部20は撮像を開始する(S502)
。次に、制御部50は載置台駆動部90に駆動開始を指示し、この指示を受けた載置台駆
動部90は載置台30の移動を開始する(S503)。
る(S504)。特徴点検出部70は、撮像画像データの輝線LLから特徴点を検出した
場合には、撮像画像における特徴点座標を求め、その特徴点座標と、当該特徴点に対応す
るキャリブレーション用ブロック40の属性データとを関連づけた特徴点情報を記憶部6
0に記憶する(S505 YES→S506)。
的に説明する。図6に、キャリブレーション用ブロック40が矢印Aの向きに搬送された
場合に、パターンP1(同図では、パターンAP及びパターンRPの部分を拡大して図示
している。)が輝線LLを通過する様子を模式的に表した図を示す。なお、同図では、図
を分かりやすくするために、パターンP1を固定して、輝線LLを輝線LL1から輝線L
L6のように移動させたときの相対的な位置関係を表した図にしている。
撮像する。各輝線の間隔は、撮像部20の撮像時間間隔及び載置台30の移動速度に応じ
て調整可能である。本実施形態では、撮像部20の撮像時間間隔は等しく、載置台30は
等速で移動するものとし、よって各輝線の間隔は等距離であるものとする。
1上で輝度の変化する個所を特徴点C1,C2として検出する。つまり、特徴点C1,C
2は、輝線LL1が映っているパターンP1上の反射率の変化点に対応する。特徴点検出
部70は、特徴点C1,C2を検出すると、撮像画像における特徴点C1,C2に対応す
る特徴点座標を求める。そして、その特徴点座標と、特徴点C1,C2に対応するキャリ
ブレーション用ブロック40の属性データとを関連づけた特徴点情報を記憶部60に記憶
する。
応する幾何学的パターンがパターンニングされた段上平面までの高さ寸法、及び当該幾何
学的パターンの識別番号である。例えば、図6における特徴点C1,C2に対応するパタ
ーンRPの幾何学的パターンが、図3における段上平面43にパターンニングされたパタ
ーンP1中の幾何学的パターンであって、走査開始時の1番目の幾何学的パターンから数
えて95番目の幾何学的パターンである場合、その属性データは、底部45から段上平面
43までの高さ寸法、及び識別番号「95」となる。これにおいて、特徴点検出部70は
、記憶部60からリファレンスデータを読み込み、輝線LLがキャリブレーション用ブロ
ック40の段上平面44のパターンRPの1行目から段上平面41のパターンRPの4行
目(最終行)までを走査しながら幾何学的パターンの個数を計数していくことによって属
性データを求めることができる。
記憶の動作と同様に、同図に図示された特徴点C3−C8が検出されて、特徴点情報が記
憶部60に記憶される。
記憶部60に記憶したのち、またはステップS505の処理において特徴点が検出されな
かった場合(S505 NO)、制御部50は、キャリブレーション用ブロック40の4
つの段上平面41−44にパターンニングされた4つのパターンP1が輝線LLによって
走査終了するまでステップS504−S506の処理を繰り返し実行させる(S507
NO→S504)。
0は、記憶部60に記憶された特徴点情報と、補正データが記憶されている場合にはその
補正データとを読み出して校正用データを生成し、記憶部60に記憶させて処理を終了す
る(S508)。
て具体的に説明する。輝線LL1−LL6の走査によって検出された特徴点C1−C8に
係る特徴点情報が記憶部60に記憶されているとする。校正用データ生成部80は、記憶
部60からこれらの特徴点情報を読出し、まず、特徴点C1−C4に対応する各特徴点座
標からパターンRPの頂点T1の頂点座標を算出する。そして、特徴点C5−C8に対応
する各特徴点座標からパターンRPの頂点T4の頂点座標を算出する。さらに、特徴点C
1−C8に対応する各特徴点座標からパターンRPの頂点T2,T3の各頂点座標を算出
する。
が輝線LLと平行にならないような形状とすることにより、上記のようにパターンRPの
各幾何学的パターンの頂点の頂点座標を簡単に求めることができる。しかも、検出された
特徴点の幾何学的な配列から頂点を算出する方法であるため、撮像部20の解像度や撮像
時間間隔、載置台30の移動分解能に依存せず、高精度に頂点座標を求めることができる
。
高さ寸法と、識別番号に対応したリファレンス頂点座標とを関連づけて校正用データを生
成し、記憶部60に記憶する。なお、校正用データ生成部80が補正データも記憶部60
から読み出した場合は、校正用データ生成部80は、その補正データを用いて頂点T1−
T4の各頂点座標、又は当該幾何学的パターンの高さ寸法を補正して校正用データを生成
する。
T4の算出の例であるが、このような計算をパターンRPの他の幾何学的パターン全て、
又は1列おきや1行おきなど予め定められた規則に沿って行う。
を用いて、公知の方法によってスリット光源部10及び撮像部20の光学系の垂直方向及
び水平方向のキャリブレーションを行う。
ーションを、カメラ解像度や撮像時間間隔、及び載置台30の移動分解能に依存せずに高
精度に行うことができる。
ニングされるパターンPとして、図4に示すパターンP1を用いた例について説明した。
次に、本実施形態の変形例として、図7に示すパターンを用いた例について説明する。同
図において、パターンP2に含まれる幾何学的パターンは、列(4個の幾何学的パターン
の組)単位で一意の模様となるように形成されている。
ターンの位置の特定はより容易なものとなり、これにより、キャリブレーション用ブロッ
ク40を載置台30の任意の位置に置いた場合でも、校正用データを容易に生成すること
ができ、キャリブレーションの作業性や使い勝手が向上する。
輝線LLと平行になるラインパターンを形成している。ラインパターンの本数と配置位置
との組み合わせは、列の一定間隔(同図の例では3列)で異なるため、3列分の幾何学的
パターン単位での模様の一意性を確保している。このように、幾何学的パターンの形状や
寸法、又は濃淡(反射率)を列に応じて変え、いわゆる変調したパターンを形成すること
により、検出された特徴点の特徴点座標から幾何学的パターンの位置の特定が容易となり
、上記変形例と同様な効果を得ることができる。
に求めることのできる輪郭を有したパターンにすることにより、撮像部20の位置によら
ず正確な位置を求めることができる。これは、具体的には、例えば幾何学的パターンを円
形とした場合、撮像部20の位置によっては輪郭が楕円に写ったり中心点がずれたりする
ので好ましくない。
発生させて用いたり、また、スリット光ではなくスポット光を照射したりする三次元形状
計測装置においても、本発明の技術的思想は適用できる。さらに、光切断法によらず、ス
テレオ法においても本発明の技術的思想は適用可能である。
させる例について説明したが、載置台を固定して、撮像部及び光源を移動させるように構
成してもよい。
なわち、キャリブレーション用ブロックは平面を含む三次元形状を有していればよいので
、例えば、三角錐や三角柱等の形状にすることもできる。
ない範囲の設計等も含まれる。
ック、50 制御部、60 記憶部、70 特徴点検出部、80 校正用データ生成部、
90 載置台駆動部、SL スリット光、RL 反射光、LL 輝線。
Claims (3)
- 照射手段からスリット光を照射し、照射面に生ずる光切断線を撮像手段で撮像して三次
元形状計測を行う三次元形状計測装置において、
載置される底部からの高さ寸法の異なる複数の平面部を有し、これら平面部それぞれに
は、前記スリット光の照射により生じる光切断線に対して非平行である直線の輪郭を有し
、その輪郭を境にして反射率の異なるパターンを形成したキャリブレーション用ブロック
と、
前記キャリブレーション用ブロックの前記底部から前記各平面部までの高さ寸法と前記
パターンの位置座標とのリファレンスデータを記憶した記憶手段と、
前記キャリブレーション用ブロックを載置する載置手段と、
前記照射手段及び前記撮像手段の組合せと前記載置手段とのうちいずれか一方を移動さ
せる移動手段と、
前記撮像された光切断線から特徴点を検出し、撮像画像における特徴点座標を求める検
出手段と、
前記特徴点座標から前記パターンに係る座標を計算し、この計算された座標と前記リフ
ァレンスデータとに基づいて校正用データを生成する生成手段と、
前記生成された校正用データを用いて前記照射手段及び前記撮像手段の三次元方向のキ
ャリブレーションを行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。 - 前記キャリブレーション用ブロックは、
前記複数の平面部それぞれに、前記スリット光の照射により生じる光切断線に対して非
平行である直線の輪郭をそれぞれ有した複数の幾何学的パターンを二次元に配列し、これ
ら複数の幾何学的パターンの内外部で反射率が異なるようなパターンを形成したことを特
徴とする請求項1記載の三次元形状計測装置。 - 前記キャリブレーション用ブロックの複数の幾何学的パターンを、前記光切断線の走査
方向に略平行する列ごとに一意の模様、又は隣接する幾何学的パターンが同一模様となら
ないように形成したことを特徴とする請求項2記載の三次元形状計測装置。
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