JP2015102423A - 三次元形状計測装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る三次元形状計測装置の第1実施形態として、計測対象物近傍に配置した基準指標と、投影部から計測対象物近傍に投影された投影指標とを用いる三次元形状計測装置を例に挙げて以下に説明する。
図1は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を模式的に示す図である。図1の構成は一例であり図示されるものに限定されない。三次元形状計測装置100は、投影部101、撮像部102、制御部103、支持部104、計測対象物支持部105を含んでいる。三次元形状計測装置100は、計測対象物支持部105(載置部材)上に載置された計測対象物106の三次元座標を計測する。なお、計測対象物支持部105には基準指標107が配置されている。
先に述べたように、画像入力部205から入力した複数の画像を用いて導出される計測値は、投影光の時間的位置変動と支持部104の振動の双方に依存した形でしか得ることができない。そのため、各々の変動検出の過程でもう一方の変動の影響を考慮しなければ十分な補正ができない。そこで、第1実施形態では、個々の変動を検出し、他方の変動による影響を補正しながら検出処理を反復して繰り返すことで、この相互依存関係の影響を取り除く。
・投影部101と撮像部102との間の幾何関係
・投影部101及び撮像部102が設置される支持台104と計測対象物支持部105との間の幾何関係
の2種類の幾何関係が変化するものとする。なお、第1実施形態では、投影部101と撮像部102との間の幾何関係については、両者の光学中心や三次元並進回転といった直接的な物理量を補正する代わりに、投影部101が投影するパターンをホモグラフィーを用いて補正する。
変動算出部207は、対応づけられた画像座標と投影座標を用いて複数個の基準指標107の三次元座標を算出する。この三次元座標を基準状態で算出されたものと比較し、座標群の相対的な三次元並進回転量を算出する。そして、座標群の三次元並進回転量を支持部104の振動と見なし、補正処理を行う。
パターン画像中の投影指標パターン112の正規化座標を(upk,vpk)とする。投影指標パターン112の総数をnとすると、k=1,2,...nである。図4に示す投影指標パターン112では、×印の線分が交差する中心の座標を投影指標パターン112の座標と定義する。また、対応する投影指標108が画像中で観測された正規化座標を(xpk0,ypk0)とする。このとき、すべての投影指標108が同一平面上にあるという条件下では、すべてのkについて(upk,vpk)(xpk0,ypk0)の間には数式(6)に示す関係が成り立つ。
ただし、先に説明した支持部104の振動RTの検出処理が最初に実行されるときには、投影光の時間的変動Hpがまだ算出されていない。そのため、これまでに説明した検出処理を単純に実行するのみでは、相互依存性のある変動量は正しく検出されず、その影響を完全に除去することはできない。
図5は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置の動作フローチャートである。まず、装置が起動されると、ステップS1000が開始される。
第2実施形態として、第1実施形態における投影指標の代わりに、立体的な基準指標を用いる三次元形状計測装置を例に挙げて以下に説明する。なお、以下の説明では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図6は、第2実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を模式的に示す図である。三次元形状計測装置100は、投影部101、撮像部102、制御部103、支持部104、計測対象物支持部105を含んでいる。三次元形状計測装置100は、計測対象物支持部105上に配置された計測対象物106の三次元座標を計測する。第1実施形態と異なり、投影指標108は存在しない。また、基準指標107の代わりに、立体的な形状を持つ基準立体指標109を設け、これを用いて支持部104の振動と、投影光の時間的変動を検出する。
第2実施形態では、変動算出部207は投影光の時間的変動のみを検出し、変動算出部207では支持部104の振動は算出しない。支持部104の振動は三次元座標算出部208によって算出される。ここでは、変動算出部207の機能は制御装置103によって実現される。
図9は、第2実施形態に係る振動・変動補正処理の詳細フローチャートである。まず、装置が起動されると、ステップS2000が開始される。
第3実施形態として、投影部101、撮像部102の両方がロボットハンド110上に設置される形態の三次元形状計測装置を例に挙げて以下に説明する。
図7は、第3実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を模式的に示す図である。三次元形状計測装置100は、投影部101、撮像部102、制御部103、計測対象物支持部105、ロボットハンド110、指標支持部111を含む。三次元形状計測装置100は、計測対象物支持部105上に配置された計測対象物106の三次元座標を計測する。第1実施形態とは異なり、ロボットハンド110が支持部104の機能を果たしており、基準指標107と投影指標108は指標支持部111上に設置あるいは投影される。
三次元座標算出部208は、画像処理部205より計測対象物106の投影座標と画像座標の組を受信し、計測対象物106の三次元座標を算出する。三次元座標算出部208には、変動検出部207より変動量RTとHp、制御部210よりロボットハンド110の位置姿勢、パラメータ記憶部206より較正値が更に入力される。
図10は、第3実施形態に係る振動・変動補正処理の詳細フローチャートである。まず、装置が起動されると、ステップS3000が開始される。
第4実施形態として、計測対象物の想定配置位置に配置される三次元座標が既知である較正物体を用いる三次元形状計測装置を例に挙げて以下に説明する。なお、以下の説明では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図11は、第4実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を模式的に示す図である。三次元形状計測装置100は、投影部101、撮像部102、制御部103、支持部104、計測対象物支持部105を含み、第1実施形態と同様である。計測対象物支持部105上には較正物体112が配置され、この較正物体112を三次元形状計測装置100で計測することによって三次元形状計測装置100の較正を行うことができる。
より具体的には、前記復号処理により画像座標と投影座標とが既に対応づけられているため、較正指標114に対応する画像座標に対応する投影座標を選択する。一般的に物体面上では投影部101の一画素よりも撮像部102の一画素が小さくなるように両者を構成する。そのため、高い精度で較正指標114の投影座標を得るためには、複数の対応関係を用いて当該投影座標を補間して推定する処理を行う必要がある。画像処理部205の機能は制御部103によって実現される。
較正部211は、投影光の時間的変動と支持部104の振動とが全くないものと仮定して較正値を算出する。当然算出された較正値には誤差が含まれることになるが、この誤差は後述の処理の過程で取り除かれるため、最初の段階では概略としての較正値が得られればよい。
図13は、第4実施形態に係る三次元形状計測装置の動作フローチャートである。まず、装置が起動されると、ステップS4000が開始される。
第5実施形態として、計測対象物近傍に配置される三次元座標が既知である基準平面指標を用いる三次元形状計測装置を例に挙げて以下に説明する。なお、以下の説明では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図14は、第5実施形態に係る三次元形状計測装置の全体構成を模式的に示す図である。三次元形状計測装置100は、投影部101、撮像部102、制御部103、支持部104、計測対象物支持部105を含み、第1実施形態と同様である。計測対象物支持部105上には計測対象物106とその近傍に基準平面指標115が配置される。投影部101、撮像部102、制御部103、支持部104、計測対象物106については、第1実施形態のものと同じである。
<2.1.支持部104の振動を算出する処理>
変動算出部207は、対象とする時刻tにおける計測空間から撮像部102への三次元並進回転量を表す行列RWCtを算出する。具体的には、撮像部102によって観測されている基準平面指標115について、既知の三次元座標と対応する画像座標とから算出する。三次元座標が既知の点について、画像上に射影される座標との対応関係から撮像部の三次元並進回転量を求める手法は公知であるため説明を省略する。
変動算出部207は、基準平面指標115の三次元座標と対応する画像座標と投影座標、そして先に求めたRWC0とから、バンドル調整法によってRCPtを算出する。
時刻tにおける基準平面指標115について、対応する投影座標をppjt=(upjt,vpjt,1)Tとする。jは基準平面指標115を識別するための添字である。すべての基準平面指標115は同一平面上に配置されているので、すべてのtおよびjについて数式(21)に示す関係が成り立つ。λptはスケーリング係数であり、以後の処理には用いない。
図15は、第5実施形態に係る三次元形状計測装置の動作フローチャートである。まず、装置が起動されると、ステップS5000が開始される。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (10)
- 計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
前記計測対象物が載置された載置部材を含む所定の計測空間に対しパターン画像を投影する投影手段であって、前記計測対象物に対しては座標算出用パターン画像を投影し前記載置部材に対しては指標パターン画像を投影するよう構成される、前記投影手段と、
前記所定の計測空間を撮像する撮像手段と、
前記投影手段により前記指標パターン画像が前記載置部材に投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記投影手段及び前記撮像手段を固定する支持部材の位置変動を補正するための第1補正値と前記投影手段による投影位置の変動を補正するための第2補正値とを導出する導出手段と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像と、前記導出手段により導出された前記第1補正値及び前記第2補正値と、に基づいて、前記計測対象物の表面の複数の座標を算出する座標値算出手段と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。 - 前記導出手段は、所定の条件を満たすまで、前記第1補正値の導出処理と前記第2補正値の導出処理とを交互に反復実行するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元形状計測装置。
- 前記所定の条件は、
先行する反復実行時に導出された第1補正値と今回の反復実行時に導出された第1補正値との差が所定の閾値以下になる
先行する反復実行時に導出された第2補正値と今回の反復実行時に導出された第2補正値との差が所定の閾値以下になる
反復実行開始から所定の時間が経過する
の少なくとも1つであることを特徴とする請求項2に記載の三次元形状計測装置。 - 前記載置部材には基準指標が配されており、
前記導出手段は、前記投影手段により前記指標パターン画像が前記載置部材に投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記指標パターン画像の各画素と前記撮像画像に含まれる指標パターン画像の各画素とを対応付け、前記基準指標の座標の変動を導出することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の三次元形状計測装置。 - 前記座標算出用パターン画像は、互いに異なる解像度の複数の縞パターン画像を含み、 前記撮像手段は、前記投影手段により投影される前記複数の縞パターン画像の各々に対して撮像を行う
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の三次元形状計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
前記計測対象物が載置されかつ同一平面上に無い複数の立体的な基準指標が配された載置部材を含む所定の計測空間に対しパターン画像を投影する投影手段であって、前記計測対象物に対して座標算出用パターン画像を投影するよう構成される、前記投影手段と、
前記所定の計測空間を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記投影手段による投影位置の変動を補正するための第1補正値を導出する第1導出手段と、
前記撮像手段により得られる撮像画像に含まれる前記複数の立体的な基準指標の画像に基づいて、前記投影手段及び前記撮像手段を固定する支持部材の位置変動を補正するための第2補正値を導出する第2導出手段と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像と、前記第1補正値と、前記第2補正値と、に基づいて、前記計測対象物の表面の複数の座標を算出する座標値算出手段と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。 - 前記座標算出用パターン画像は、第1の方向の縞パターンを有しかつ互いに異なる解像度の複数の第1縞パターン画像と、該第1の方向と直交する第2の方向の縞パターンを有しかつ互いに異なる解像度の複数の第2縞パターン画像と、を含み、
前記撮像手段は、前記投影手段により投影される前記複数の第1縞パターン画像及び前記複数の第2縞パターン画像の各々に対して撮像を行う
ことを特徴とする請求項6に記載の三次元形状計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
前記計測対象物が載置された載置部材を含む所定の計測空間に対しパターン画像を投影する投影手段と、
前記所定の計測空間を撮像する撮像手段と、
前記投影手段と前記撮像手段とを固定する支持部材と、基準指標が配された指標支持部材と、の両方の位置姿勢を一体的に制御するロボットハンド手段と、
を有し、
前記投影手段は、前記計測対象物に対しては座標算出用パターン画像を投影し前記指標支持部材に対しては指標パターン画像を投影するよう構成され、
前記投影手段により前記指標パターン画像が前記指標支持部材に投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記支持部材の位置変動を補正するための第1補正値と前記投影手段による投影位置の変動を補正するための第2補正値とを導出する導出手段と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像と、前記導出手段により導出された前記第1補正値及び前記第2補正値と、に基づいて、前記計測対象物の表面の複数の座標を算出する座標値算出手段と、
ことを特徴とする三次元形状計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
前記計測対象物が載置されかつ基準指標が配された載置部材を含む所定の計測空間に対しパターン画像を投影する投影手段であって、前記計測対象物に対して座標算出用パターン画像を投影するよう構成される、前記投影手段と、
前記所定の計測空間を撮像する撮像手段と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記投影手段及び前記撮像手段を固定する支持部材の位置変動を補正するための第1補正値と前記投影手段による投影位置の変動を補正するための第2補正値とを導出する導出手段と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像と、前記導出手段により導出された前記第1補正値及び前記第2補正値と、に基づいて、前記計測対象物の表面の複数の座標を算出する座標値算出手段と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の制御方法であって、
前記三次元形状計測装置は、
前記計測対象物が載置されかつ同一平面上に複数の基準指標が配された載置部材を含む所定の計測空間に対しパターン画像を投影する投影手段であって、前記計測対象物に対しては座標算出用パターン画像を投影し前記載置部材に対しては指標パターン画像を投影するよう構成される、前記投影手段と、
前記所定の計測空間を撮像する撮像手段と、
を有し、前記制御方法は、
前記投影手段により前記指標パターン画像が前記載置部材に投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像に基づいて、前記投影手段及び前記撮像手段を固定する支持部材の位置変動を補正するための第1補正値と前記投影手段による投影位置の変動を補正するための第2補正値とを導出する導出工程と、
前記投影手段により前記座標算出用パターン画像が前記計測対象物に対して投影されているときに前記撮像手段により得られる撮像画像と、前記導出工程により導出された前記第1補正値及び前記第2補正値と、に基づいて、前記計測対象物の表面の複数の座標を算出する座標値算出工程と、
を含むことを特徴とする三次元形状計測装置の制御方法。
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