JP2016020903A - 物体の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平坦な物体の確実で安定した計測を可能とする、レーザスキャナにより計測するための方法の提供。
【解決手段】レーザスキャナは第１種類の計測値及び第２種類の計測値を検出し、第１種類の計測値は前記第２種類の計測値により重み付けされることで合成値が計算される。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、レーザスキャナにより物体を計測するための方法であって、前記レーザスキャナが少なくとも第１種類の計測値及び第２種類の計測値を検出する方法に関する。

例えば物体の存在、位置、長さ、幅及び／又は高さ或いは間隔を測定する目的で物体を計測する多くの応用例において、レーザスキャナが使用される。この点に関して、例えばコンベヤベルト又はトレー仕分け装置上を搬送される小包又は書簡を計測するために、レーザスキャナは特に自動化技術において使用され、小包又は書簡の仕分けが例えばその高さに基づいて実行される。

通常、レーザスキャナにより検出された計測値をフィルタリングするために、例えば混合画素フィルタ又はメジアンフィルタが混合して使用される。フィルタリングに続いて、レーザスキャナのフィルタリングされた計測値から、例えば物体の高さを計算することができる。

しかしながら、レーザスキャナの計測値はある種の雑音やある種の計測誤差（図１及び図４Ａを参照のこと）を常に受けるため、特に平坦な物体は大いに苦労してようやく検出及び／又は計測することができる。特にレーザスキャナの計測値のスタティックノイズが計測される最小物体高さよりも大きい場合に、これは当てはまる。その場合、平坦な物体は、確実なやり方で、従って較正に関連するやり方で計測することができない。これに関しては、前述したフィルタリングを行っても何も変わりはない。

この理由で、平坦な物体の確実で安定した計測を可能にする、レーザスキャナにより物体を計測するための方法を提供することが本発明の目的である。

この目的は、本発明によれば請求項１に記載の方法により、特に、前記第１種類の計測値が前記第２種類の計測値により重み付けされることで合成値が計算されることで満足される。

この点に関して、前記第１種類の計測値が、前記第２種類の計測値と共に計算に使用され、こうして前記第２種類の計測値により重み付けされると改善され得るという認識に、本発明は依拠する。前記重み付けにより生じる前記合成値は、前記第１種類の値である。つまり、前記合成値は、前記第１種類の計測値と同じ単位（例えばｍｍ）を有する。従って、前記合成値は前記第１種類の改善された計測値であり、この計測値により、例えば、物体の高さを改善された精度及び／又は低減された雑音で表すことができる。

前記レーザスキャナは、全体として、光信号を送信するための光送信器と、前記光送信器により検出領域内へ送信された前記光信号を周期的に偏向するための（例えば回転式ミラーにより形成される）光偏向ユニットと、前記検出領域内に存在する物体から投げ返された光を受信するための光受信器とを含む。前記光信号により、線形（一次元）又は矩形（二次元）の領域を前記レーザスキャナにより走査することができる。この点に関して、走査領域は異なる計測点、いわゆる画素に分割することができる。各計測点について、少なくとも、１つの前記第１種類の計測値及び１つの前記第２種類の計測値が検出される。

線形の領域も前記光信号により走査することができる。例を挙げると、物体全体を計測するために、計測されるべき物体が、例えば走査線に対して垂直なコンベヤベルトにより移動される。

前記第１種類の計測値及び前記第２種類の計測値の検出に続いて、前記合成値を計算するために前記第１種類の計測値が前記第２種類の計測値により重み付けされる。前記合成値は、いずれの場合も、厳密に１つの計測点に又は複数の計測点にも関連付けることができる。

前記第１種類の計測値を前記第２種類の計測値により重み付けすることに起因して、前記第１種類の計測値と比較して大いに改善された合成値が生成される。

本発明の有利な実施形態を、本明細書、図面、及び従属請求項に記載する。

前記第１種類の計測値は、好ましくは前記レーザスキャナからの距離を表す。前記距離は、前記レーザスキャナにより、例えば各計測点に関する光パルスの飛行時間計測から、又は変調された光信号の飛行時間に依存する位相シフトにより計算される。この点に関して、計測された前記距離と計測点との関連付けは、前記レーザスキャナが各光信号を送信した角度により行われる。それから、例えば前記コンベヤベルト、つまり前記物体の背景の既知の距離により、例えば前記物体の高さを測定することができる。従って、前記第１種類の計測値は高さ計測値とすることもできる。

前記第２種類の計測値は、更に好ましくは反射率を表す。前記反射率は、光信号のどの部分が特定の計測点から前記レーザスキャナに向かって投げ返されるるかを記述する。この部分は、例えば前記物体の表面特性に基づいて及び／又はその色に基づいて変化し得る。

前記物体を距離値及び反射率値を使用して計測することに起因して、前記物体は多様なやり方で計測される。この点に関して、前記物体について、例えば非一様な物体に対して異なる反射率値を有する複数の計測点を生成することができる。前記物体の計測点が異なると前記距離値も異なることがあり得る。というのも、各計測点の前記レーザスキャナからの実際の距離により及び前記レーザスキャナの前記誤差により、前記距離値が変動するからである。

前記物体が通常は前記背景（コンベヤベルト等）の反射挙動とは異なる反射挙動を有するという状況に起因して、計測された前記距離値に関して、該距離値を前記反射率値により重み付けすることにより、前記合成値は改善することができる。前記合成値は同じく距離値である。前記合成値に入れられた前記重み付けにより、前記レーザスキャナの精度は増し、これにより特に、とりわけ平坦で薄い物体であっても、前記背景と明確に区別することができ、こうして計測することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、前記第１種類の計測値及び／又は前記第２種類の計測値は、前記合成値の位置までのそれぞれの間隔に応じて重み付けされる。こうして、前記第１種類の計測値及び／又は前記第２種類の計測値が前記合成値に及ぼす影響力は、前記合成値が関連付けられる前記計測点に近づくほど大きくなり得る。

前記合成値を計算するために、好ましくは、最大でも前記合成値まで所定の間隔をその位置が有する計測値のみが考慮される。従って、前記合成値は、該合成値に関連付けられた計測点の近傍からの計測値を使用して、所定の数の計測点に基づいてのみ計算される。例えば、前記近傍が３×３、９×９又は１１×１１の計測点（つまり画素）の寸法を有し、前記合成値の位置はいずれの場合も前記近傍の中心とすることができる。前記合成値の計算に向けた計算要求は、所要の計算速度及び所要の精度を考慮に入れつつ、前記近傍の寸法を利用可能な演算能力へ適合させることを通して適合させることができる。

更なる有利な実施形態によれば、前記合成値は方程式

を使用した双方向フィルタのやり方で計算される。
ここで、
Ｆ［ｄ_ｉ］は前記合成値であり、
ｄ_ｉは前記合成値の位置での前記第１種類の計測値であり、
Ｗ_ｉはフィルタ係数の和であり、
Ｓは前記合成値の位置の周りの近傍であり、
Ｇ_σｄは標準偏差σｄを有するガウス関数であり、
ｐ_ｉは前記合成値の位置であり、
ｐ_ｊは前記合成値の位置の近傍における画素の位置であり、
Ｇ_σｒは標準偏差σｒを有するガウス関数であり、
ｒ_ｉは前記合成値の位置での前記第２種類の計測値であり、
ｒ_ｊは前記合成値の位置の近傍における前記第２種類の計測値であり、
ｄ_ｊは前記合成値の位置の近傍における前記第１種類の計測値である。

前記方程式によれば、前記第１種類の計測値ｄ_ｉに関連付けられた前記合成値Ｆ［ｄ_ｉ］を計算するために、前記近傍Ｓの全ての計測点にわたる反復が実行される。前記合成値の位置の近傍における各計測点の正規化された空間間隔が、項||ｐ_ｉ−ｐ_ｊ||によって表される。前記正規化された空間間隔は、標準偏差σｄを有する前記ガウス関数及び／又はガウス分布（Ｇ_σｄ）の入力値となる。

各計測点での前記反射率値と、前記合成値に関連付けられる前記計測点の位置での前記反射率との差の量が、前記項｜ｒ_ｉ−ｒ_ｊ｜によって与えられる。この値は、標準偏差σｒを有する前記ガウス関数及び／又はガウス分布（Ｇ_σｒ）の入力値となる。

続いて、標準偏差σｄ及びσｒを有する前記ガウス関数の結果に、前記第１種類の各計測値（ｄ_ｊ）、つまり前記合成値の位置の空間近傍における計測された距離計測値が乗じられる。前記合成値の位置の近傍における全ての計測点について、こうして得られた値が決まり、これらの値が合算されて前記フィルタ係数（Ｗ_ｉ）の和で除され、前記合成値Ｆ［ｄ_ｉ］が得られる。

通常、複数の合成値を計算するために、いずれの場合も、等しい寸法の近傍Ｓ、例えば１１×１１の近傍が使用される。この場合、前記項Ｇ_σｄ（||ｐ_ｉ−ｐ_ｊ||）の値は一定である。というのも、各計測値の前記合成値に関連付けられた空間位置までの間隔が一定であるからである。この理由で、これらの値は繰り返し計算される必要がなく、むしろ一回生成して、例えばルックアップテーブルに保存することができる。

これとは対照的に、前記項Ｇ_σｒ（｜ｒ_ｉ−ｒ_ｊ｜）は、前記第２種類の各計測値、つまり、例えば、計測される前記物体に応じて変動し得る計測された前記反射率値に依存する。この理由で、前記第２種類の計測値が異なると、この項は異なる結果を提供する。このことは、各合成値について、前記した反射率の項が再計算され、これにより前記合成値が適応フィルタリングに依拠することを意味する。

別法として、前記ガウス関数Ｇ_σｄ、Ｇ_σｒのうちの少なくとも一方に、ラプラス分布及び／又はラプラス関数を使用することもできる。ガウス関数とラプラス関数の組み合わせも同じように可能である。別法として、前記ガウス関数又は前記ラプラス関数の代わりに、更なる確率分布を使用することもできる。

最適化された合成値を得るために、特に、各ガウス関数Ｇ_σｄ、Ｇ_σｒのパラメータσｄ、σｒを変化させることで、前記計測値のフィルタリングを各用途に適合させることができる。

更なる有利な実施形態によれば、前記合成値は、更なる計測値、例えば明度及び／又はグレースケール値及び／又は赤外値を表す更なる計測値に基づいても計算される。前記合成値は、追加の計測値を考慮に入れることで更に改善することができる。

この目的で、前記レーザスキャナは、明度及び／又はグレースケール値及び／又は赤外値を検出するように構成することができる。前記明度及び／又は前記グレースケール値及び／又は前記赤外値は、前記反射率値の代わりに使用することもできる。特に、前記反射率値と同じやり方で、上で説明した方程式に追加の計測値を組み入れることができる。ここでは、特に、１つの更なるガウス関数に、前記グレースケール値についての前記第１種類の各計測値を乗じることができる。

例えば、前記近傍Ｓの全ての要素にわたる和が生成されると、前記第１種類の各計測値に、前記グレースケール値の標準偏差に対応する標準偏差を有するガウス関数を追加で乗じることで、グレースケール値を追加で考慮に入れた前記合成値の計算が行われるとができる。前記ガウス関数の入力値は、前記合成値の位置での前記グレースケール値と、前記近傍における計測点の各位置での前記グレースケール値との差の量である。

更なる有利な実施形態によれば、前記方法が反復するやり方で実行され、前記第１種類の計測値が前記合成値の位置での前記合成値により置換される。従って、先行する反復の前記合成値は、次の反復のための入力値及び／又は前記第１種類の計測値となる。こうして、前記合成値の精度を更に増すことができる。特に、例えば２回、４回又は８回の反復を実行することができる。

とりわけ好ましくは、前記レーザスキャナの各計測点について前記方法が繰り返される。このことは、各計測点の合成値が計算され、計算された前記合成値に基づいて、より一層正確なやり方で前記物体の計測が行われ得ることを意味する。

更なる有利な実施形態によれば、前記合成値はＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＧＰＵ（グラフィックスプロセッシングユニット）により計算される。特に、ＧＰＵはフィルタ関数の用途のためにとりわけ最適化され、こうして前記合成値の迅速な計算を可能にする。

本発明は、更に、検出領域内の物体を計測するためのレーザスキャナであって、光信号を送信するための光送信器と、前記光送信器により前記検出領域内へ送信された前記光信号を周期的に偏向するための光偏向ユニットと、前記検出領域内に存在する前記物体から投げ返された光を受信するための光受信器とを含むレーザスキャナを含み、前記レーザスキャナが、少なくとも前記物体の第１種類の計測値及び第２種類の計測値を検出するように構成されると共に、前記第１種類の計測値が前記第２種類の計測値により重み付けされることで合成値を計算するように構成される評価ユニットを含む。

この点に関して、前記評価ユニットは、前記レーザスキャナに接続されたＦＰＧＡ、ＧＰＵ又は制御プロセッサとすることができる。

従って、本発明に係る方法に関して述べたことは、本発明に係るレーザスキャナにも当てはまる。

本発明を、可能な実施形態を参照しつつ添付の図面により、以下に純粋に例として記載する。

従来技術のレーザスキャナの計測信号。 物体を計測するための計測点を備えた物体。 左側は１１×１１の近傍における計測された高さ値、右側は同じく計測された反射率値。 関数Ｇ_σｄ（||ｐ_ｉ−ｐ_ｊ||）によるフィルタ（図の左側）、及び関数Ｇ_σｒ（｜ｒ_ｉ−ｒ_ｊ｜）によるフィルタ（図の右側）。 図３Ｂに示すフィルタの乗算及びその結果。 図３Ｃで計算されたフィルタを図３Ａに示した高さ値に適用し、そこから生じる合成値。 従来技術によるレーザスキャナの、フィルタリングされていない計測値。 各計測点について生成された図３Ｃのフィルタによってフィルタリングされた、図４Ａの計測値。

図１は、レーザスキャナ（図示せず）の計測結果からの高さ計測値１２が縦座標の方向に表された計測結果１０を示す。高さ計測値１２は、１，２００ｍｍの長尺領域にわたって延びる。この長尺領域は、横座標上に表される。高さ計測値１２は、レーザスキャナにより記録される距離計測値から（レーザパルス飛行時間から）計算される。レーザスキャナの物体の背景までの間隔は既知である。背景は、例えばコンベヤベルト２０（図２）である。

物体１８（図２）の高さ計測値１４は、横座標領域の約４００〜６００ｍｍ間のところに存在する。残りの高さ計測値１２は、物体１８からではなくむしろコンベヤベルト２０から発生するため、理想的な場合には計測値ゼロを示すはずである。しかしながら、図示した現実の高さ計測値１２は統計的雑音を有し、このことが高さ計測値１２の正確性を損なわせる。

図２は、コンベヤベルト２０上に物体１８、例えば郵便小包が存在し、コンベヤベルト２０が物体１８の背景を形成するレーザスキャナの検出領域１６を示す。図２には、物体１８が計測される複数の計測点２２が描かれている。

図１と正に同じく、図３Ａの左の画像も従来技術によるレーザスキャナの高さ計測値１２を示す。１１×１１画素を有する近傍２４が描かれており、物体１８の縁部が近傍内を延びる。各画素は計測点２２を表す。この点に関して、画素が明るいほど背景に対する計測高さが大きいことを示す。

図３Ａの右側に近傍２４を再度示す。ここでは、レーザスキャナにより記録された反射率計測値２６が示される。反射率計測値２６に関しては、画素が明るいほど反射率が強いことを示す。

図３Ｂでは、左側の関数Ｇ_σｄ（||ｐ_ｉ−ｐ_ｊ||）及び右側の関数Ｇ_σｒ（｜ｒ_ｉ−ｒ_ｊ｜）が、それぞれ寸法１１×１１のフィルタとして描かれている。この点に関して、左のフィルタは、ガウス関数に従う、従って中心に最高値を有する一定フィルタ部分２８を表す。高さ計測値１２及び反射率計測値２６の図に対応して、画素が明るいほど値が高いことを表す。

右のフィルタは適応フィルタ部分３０を表す。この適応フィルタ部分３０では、中央の反射率計測値２６から各反射率計測値２６が減算され、該減算の結果がガウス関数の入力値となることで、１２１（１１×１１）フィルタ点の各々が測定される。従って、適応フィルタ部分３０の下部は白い画素を示すだけである。というのも、この領域における反射率計測値２６は全て同じであり、これらの反射率計測値２６を中央の反射率計測値２６からこのように減算するとゼロになるからである。値ゼロに対するガウス関数の値は最大になる。それ故、これらの値は白い画素により描かれる。

図３Ｃは、一定フィルタ部分２８と適応フィルタ部分３０との乗算から生じるフィルタ３２を示す。

この方法を実行すると、結果として生じるフィルタ３２が近傍２４に適用され、中央の高さ計測値３６（図３Ａ）に対する合成値３４が得られる。近傍２４の全ての高さ計測値１２に対する合成値を得るために、この方法が近傍２４の各高さ計測値１２に適用される。ここでは、各高さ計測値１２のために近傍２４が変位され、各高さ計測値１２のために新規の適応フィルタ部分３０も計算される。

近傍２４の全ての高さ計測値１２に前記方法を適用した後、つまりこの方法を１２１回実行した後、図３Ｄに描いた最終結果３８が得られる。最終結果３８では、下部に存在する物体と上部に存在する背景との間の高さにおける差を、明るさにおける差に基づいて明確に認識することができる。計測値の雑音は明確に減少している。

図４Ａ及び図４Ｂに、前記方法の機能原理の更なる図を示す。図４Ａは、レーザスキャナの雑音を伴う高さ計測値１２を示す。ここでは、物体１８の高さ計測値１２も検出される。この点に関して、高さ計測値１２は、高さ計測値１２の二次元場を差と共に描いた図１に対応するやり方で描かれている。図４Ａの高さ計測値１２に関連付けられた反射率計測値２６は図示していない。

全ての高さ計測値１２について前記方法を実行した後、つまり各高さ計測値１２の合成値３４を計算した後、図４Ｂに示す最終結果３８が得られる。ここでは、物体の位置及び高さを明確に認識することができる。

レーザスキャナの動作中、レーザスキャナにより検出される全ての高さ計測値１２に前記方法を適用することができる。その際、レーザスキャナは高さ計測値１２の代わりに各高さ計測値１２の合成値３４を出力することができ、この合成値に基づいて、例えば工業プラントのプロセス制御を行うことができる。

１０ 計測結果
１２ 高さ計測値の信号
１４ 物体の領域における高さ計測値
１６ 検出領域
１８ 物体
２０ コンベヤベルト
２２ 計測点
２４ 近傍
２６ 反射率計測値
２８ 一定フィルタ部分
３０ 適応フィルタ部分
３２ 結果として生じるフィルタ
３４ 合成値
３６ 中央の高さ計測値
３８ 最終結果

Claims (11)

1. レーザスキャナにより物体（１８）を計測するための方法であって、
   前記レーザスキャナが、少なくとも第１種類の計測値（１２）及び第２種類の計測値（２６）を検出し、
   前記第１種類の計測値（１２）が前記第２種類の計測値（２６）により重み付けされることで合成値（３４）が計算される、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記第１種類（１２）の計測値が前記レーザスキャナからの距離を表すこと、を特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記第２種類（２６）の計測値が反射率を表すこと、を特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法であって、前記第１種類の計測値（１２）及び／又は前記第２種類の計測値（２６）が、前記合成値（３４）の位置までの各間隔に応じて重み付けされること、を特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法であって、前記合成値（３４）を計算するために、最大でも前記合成値の位置まで所定の間隔をその位置が有する計測値（１２、２６）のみが考慮されること、を特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法であって、
   前記合成値（３４）が、方程式
   
   

   

   
   を使用した双方向フィルタのやり方で計算され、
   ここに、
   Ｆ［ｄ_ｉ］は前記合成値（３４）であり、
   ｄ_ｉは前記合成値の位置での前記第１種類の計測値（１２）であり、
   Ｗ_ｉはフィルタ係数の和であり、
   Ｓは前記合成値（３４）の位置の周りの近傍（２４）であり、
   Ｇ_σｄは標準偏差σｄを有するガウス関数であり、
   ｐ_ｉは前記合成値の位置であり、
   ｐ_ｊは前記合成値（３４）の位置の近傍における画素の位置であり、
   Ｇ_σｒは標準偏差σｒを有するガウス関数であり、
   ｒ_ｉは前記合成値（３４）の位置での前記第２種類の計測値（２６）であり、
   ｒ_ｊは前記合成値（３４）の位置の近傍（２４）における前記第２種類の計測値（２６）であり、
   ｄ_ｊは前記合成値（３４）の位置の近傍における前記第１種類の計測値（１２）であること、
   を特徴とする方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法であって、前記合成値（３４）が、明度及び／又はグレースケール値及び／又は赤外値を表す更なる計測値に基づいても計算されること、を特徴とする方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法であって、前記方法が反復するやり方で実行され、前記第１種類の計測値（１２）が前記合成値の位置（ｄ_ｉ）での前記合成値Ｆ［ｄ_ｉ］（３４）により置換されること、を特徴とする方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法であって、前記レーザスキャナの各計測点（２２）について前記方法が繰り返されることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法であって、前記合成値（３４）が、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＧＰＵ（グラフィックスプロセッシングユニット）により計算されること、を特徴とする方法。
11. 検出領域（１６）内の物体（１８）を計測するためのレーザスキャナであって、
    光信号を送信するための光送信器と、前記光送信器により前記検出領域内へ送信された前記光信号を偏向するための光偏向ユニットと、前記検出領域（１６）内に存在する物体（１８）から投げ返された光を受信するための光受信器とを含み、
    前記レーザスキャナが、少なくとも前記物体（１８）の第１種類の計測値（１２）及び第２種類の計測値（２６）を検出するように構成されると共に、
    前記レーザスキャナが、前記第１種類の計測値（１２）が前記第２種類の計測値（２６）により重み付けされることでで合成値（３４）を計算するように構成される評価ユニットを含む、
    レーザスキャナ。

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