JP2023109100A - 較正治具及び較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源とカメラとの相対位置を高精度で較正することが可能な較正治具及び較正方法を提供する。【解決手段】較正治具１０は、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置を較正するための較正治具であって、フレーム１１と、互いに異なる位置でフレーム１１に支持され、カメラ３ａにより撮影可能な３つ以上のマーカ１２と、フレーム１１に支持され、スリット光源２から空間上に平面を形成するスリット状の光線が照射されると、光線により形成された平面の傾きを検出する傾き検出手段と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、較正治具及び較正方法に関する。

測定対象の形状を測定する方式として光切断法が知られている。光切断法による形状測定では、光源とカメラとの相対位置を較正し、光源の座標系とカメラの座標系とを統一しておく必要がある。相対位置の較正処理としては、例えば、特許文献１に開示されているように測定対象に設置する較正治具を用いた方法が公知である。特許文献１には、互いに平行かつ高低差が既知である複数の参照面を備える較正治具を用いた較正処理が開示されている。

特開２０１２－１７７５９６号公報

特許文献１の較正処理では、較正治具を用いてカメラ位置を較正した後に、カメラ位置に関する情報を用いて光源の位置を較正するため、カメラ位置の較正誤差が光源位置の較正に伝搬し、光源とカメラとの相対位置を高精度で較正することが困難であるという問題がある。とりわけ、大型又は長尺な測定対象では、較正治具から遠方に配置されたカメラで較正治具を撮像するため、カメラ位置の較正精度が必然的に低下し、合わせて光源位置の較正精度も低下するという問題がある。

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、光源とカメラとの相対位置を高精度で較正することが可能な較正治具及び較正方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る較正治具は、
スリット光源とカメラとの相対位置を較正するための較正治具であって、
フレームと、
互いに異なる位置で前記フレームに支持され、前記カメラにより撮影可能な３つ以上のマーカと、
前記フレームに支持され、前記スリット光源から空間上に平面を形成するスリット状の光線が照射されると、前記光線により形成された前記平面の傾きを検出する傾き検出手段と、
を備える。

前記傾き検出手段は、
前記スリット光源から照射されたスリット状の光線を透過する光線と反射する光線とに分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過したスリット状の光線を受光し、前記光線により形成された前記平面における前記光線の出射方向の軸周りの回転角度を検出する第１の検出手段と、
前記ビームスプリッタで反射したスリット状の光線を受光し、前記光線により形成される前記平面における前記光線の幅方向の軸周りの回転角度を検出する第２の検出手段と、
を備えてもよい。

前記第１の検出手段は、前記ビームスプリッタを透過したスリット状の光線を結像させる第１のレンズと、前記第１のレンズで結像された光線を撮像する撮像素子と、を備え、
前記第２の検出手段は、前記ビームスプリッタで反射されたスリット状の光線を結像させる第２のレンズと、前記第２のレンズで結像された光線の照射位置を検出する位置検出素子と、を備えてもよい。

前記フレームは、ベース部材と、前記ベース部材から上方に延び、前記傾き検出手段を挟み込むように保持する一対の保持部材と、を備え、
前記保持部材の少なくとも一方には、前記マーカが支持されてもよい。

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る較正方法は、
前記較正治具を用いて光源とカメラとの相対位置を較正するための較正方法であって、
前記較正治具を前記カメラの焦点面に設置する工程と、
前記マーカを前記カメラで撮影することで、前記カメラの位置及び傾きを較正する工程と、
前記スリット光源から前記傾き検出手段に対してスリット状の光線を照射することで、前記光線により形成される前記平面の傾きを較正する工程と、
前記較正治具を前記カメラの焦点面から撤去する工程と、
を含む。

本発明によれば、光源とカメラとの相対位置を高精度で較正することが可能な較正治具及び較正方法を提供できる。

本発明の実施の形態に係る形状測定システムの構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係るカメラにより撮影された角材の画像の一例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態に係る較正治具の構成を示す正面図、平面図である。 本発明の実施の形態に係る較正治具におけるレーザ光線の伝搬経路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る較正治具によるレーザ平面のＹ軸周りの回転角度を検出する原理を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の実施の形態に係る較正治具によるレーザ平面のＸ軸周りの回転角度を検出する原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る基準座標系とカメラ座標系との関係を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る処理ユニットのハードウェア構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るパラメータ記憶部のデータテーブルの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る較正処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るカメラ較正処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る光源較正処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る較正治具の構成を示す図である。 本発明の変形例に係る形状測定システムの構成を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る較正治具及び較正方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。

較正治具は、測定対象に向けて光線を出射する光源と、光線が照射された測定対象を撮影するカメラとの相対位置の較正に用いる治具である。光源とカメラとは、三角測量法の原理を用いて測定対象の位置や形状を測定するために用いられる。以下、図１に示す形状測定システムにおいて光源とカメラとの相対位置を較正する場合を例に説明する。

図１は、実施の形態に係る形状測定システム１の構成を示す正面図である。形状測定システム１は、測定対象である角材を撮影した画像に基づいて角材の形状を測定するシステムである。形状測定システム１は、空間的に平面をなすスリット状のレーザ光線を角材の測定対象面に照射することにより、測定対象面上に光切断線を描画するスリット光源２と、スリット光源２により光切断線が描画された角材の測定対象面を撮影する撮像ユニット３と、撮像ユニット３により撮影された画像に基づいて角材の測定対象面の形状を示すデータを演算する処理ユニット１００と、を備える。

以下、スリット光源２及び撮像ユニット３が並べて配置される水平方向をＺ軸方向、水平面上に延びるＺ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して直交する方向（上下方向）をＹ軸方向とする直交座標系（基準座標系）を用いる。

スリット光源２は、角材の上方に設置され、Ｘ軸方向（角材の幅方向）に延びる光切断線を角材の測定対象面上に描画する。この光切断線は、レーザ光線の照射中に角材の測定対象面に描画され、レーザ光線の照射を停止すると消滅する。スリット光源２の位置及び姿勢は図示しない支持手段により固定されている。

撮像ユニット３は、スリット光源２からのレーザ光線に対して光軸が傾くように設置され、図２に示すように光切断線を含むように、角材の長手方向に対向する端部の一方から角材全体を撮影し、光切断線の写った撮影画像のデータを処理ユニット１００に送信する。撮像ユニット３は、例えば、カメラ３ａと、カメラ３ａの先端側に配置され、入射した像をカメラ３ａに結像させるレンズ３ｂと、を備える。撮像ユニット３の位置及び姿勢も、スリット光源２と同様に図示しない支持手段により固定されている。

処理ユニット１００は、例えば、汎用コンピュータであり、スリット光源２及び撮像ユニット３のそれぞれに対して通信可能に接続されている。処理ユニット１００は、撮像ユニット３により撮影された画像における光切断線を示す画素の位置に基づいて、角材の測定対象面のプロファイルを抽出し、角材の測定対象面の形状を示す形状データを演算する。

具体的には、処理ユニット１００は、カメラ３ａで撮影した画像における光切断線の２次元座標値（ｕ，ｖ）から、カメラ座標系における光切断線の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）を算出する。カメラ座標系は、カメラ３ａに対して設定され、互いに直交するＸｃ軸、Ｙｃ軸、Ｚｃ軸からなる直交座標系である。次に、カメラ座標系の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）を基準座標系の３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換する。次に、基準座標系における光切断線の３次元座標値（Ｘ，Ｙ、Ｚ）に基づいて、角材の測定対象面の表面形状を算出する。

また、処理ユニット１００は、後述する較正治具１０から取得した測定データと、カメラ３ａで撮影した画像のデータとに基づいて、スリット光源２と撮像ユニット３との相対位置（回転及び並進）を特定する。
以上が、形状測定システム１の構成である。

次に、図３～図６を参照して、実施の形態に係る較正治具１０の構成を説明する。較正治具１０は、形状測定システム１のカメラ３ａの焦点面に設置され、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置の較正に用いる治具である。カメラ３ａの焦点面は、カメラ３ａのピントの合っている面のことである。較正治具１０のサイズ及び重量は、作業者が１人で持ち運びできる程度であることが好ましい。較正治具１０では、スリット光源２からのレーザ光線の傾きとカメラ３ａの位置及び傾きとを独立して較正可能であり、そのために以下の構成を備える。

図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施の形態に係る較正治具１０の構成を示す正面図、平面図である。図３（ａ）では、理解を容易にするために、フレーム１１の一部を省略して図示している。較正治具１０は、フレーム１１と、フレーム１１に支持され、撮像ユニット３のカメラ３ａにより撮影可能な３つのマーカ１２と、フレーム１１に支持され、スリット光源２から出射されたレーザ光線を検知し、基準座標系におけるレーザ平面の傾きを測定する傾き検出手段１３と、を備える。各マーカ１２及び傾き検出手段１３との相対位置は事前に較正済みであり、各マーカ１２の相対位置も既知である。

レーザ平面は、スリット光源２から出射された空間的に平面をなすスリット状のレーザ光線が形成する平面である。以下、レーザ光線が出射される方向をレーザ平面の出射方向、レーザ平面上に延び、レーザ平面の出射方向に垂直な方向をレーザ光線の幅方向と呼ぶことがある。

フレーム１１は、ベース部材１１ａと、ベース部材１１ａから垂直に延び、１つのマーカ１２を先端で支持する支柱１１ｂと、ベース部材１１ａから垂直に延び、２つのマーカ１２を支持すると共に、傾き検出手段１３を挟み込むように保持する一対の保持部材１１ｃと、を備える。ベース部材１１ａ及び保持部材１１ｃは、例えば、矩形状の板状部材であり、２つのマーカ１２は、一方の保持部材１１ｃの上端部であって２つの隣接する頂点でそれぞれ支持されている。

一対の保持部材１１ｃの間には、傾き検出手段１３が配置され、各保持部材１１ｃの内側に固定された接続部材１１ｄを介して保持部材１１ｃに支持されている。フレーム１１の各部は、高温環境下におけるマーカ１２及び傾き検出手段１３の位置や傾きの変化を抑制するため、例えば、低熱膨張材で形成することが好ましい。

マーカ１２は、カメラ３ａにより撮影可能に構成され、カメラ３ａの位置及び傾きを算出するために用いられる。各マーカ１２は、互いに同一の形状を有しており、例えば、球体である。各マーカ１２は、暗い空間であってもカメラ３ａにより撮影可能となるように自発光タイプであってもよい。

傾き検出手段１３は、スリット光源２からのレーザ光線を透過する光線と反射する光線とに分割するとの２つに分割するビームスプリッタ１３ａと、ビームスプリッタ１３ａで透過されたレーザ光線を受光する結像レンズ１３ｂ（第１のレンズ）と、結像レンズ１３ｂにより結像されたレーザ光線を検知する撮像素子１３ｃと、ビームスプリッタ１３ａで反射されたレーザ光線を受光する結像レンズ１３ｄ（第２のレンズ）と、結像レンズ１３ｄで結像されたレーザ光線が照射した位置を検知する位置検出素子１３ｅと、を備える。

結像レンズ１３ｂ及び撮像素子１３ｃは、ビームスプリッタ１３ａを透過したスリット状のレーザ光線を受光し、レーザ平面におけるレーザ光線の出射方向（Ｙ軸方向）の軸周りの回転角度を検出する第１の検出手段の一例である。また、結像レンズ１３ｄ及び位置検出素子１３ｅは、ビームスプリッタ１３ａで反射したスリット状のレーザ光線を受光し、レーザ平面におけるレーザ光線の幅方向（Ｘ軸方向）の軸周りの回転角度を検出する第２の検出手段の一例である。

撮像素子１３ｃ及び位置検出素子１３ｅは、有線又は無線の通信回路を介して処理ユニット１００に対して通信可能に接続され、撮像素子１３ｃで撮影した画像に関するデータ及び位置検出素子１３ｅで検出した照射位置に関するデータを、通信回線を介して処理ユニット１００に送信する。処理ユニット１００は、撮像素子１３ｃ及び位置検出素子１３ｅからデータを取得すると、後述する処理を実行し、スリット光源２から出射された空間的に平面をなすスリット状のレーザ光線が構成するレーザ平面の傾きを演算する。

較正作業を実施する時点で、較正治具１０は、撮像素子１３ｃと位置検出素子１３ｅとが対向して延びる方向が光切断線の延びる方向（基準座標系のＸ軸方向）と一致するように、かつ、位置検出素子１３ｅの延びる方向が基準座標系のＺ軸方向と一致するように、形状測定システム１の焦点面の指定された位置に配置される。

図４は、実施の形態に係る較正治具１０におけるレーザ光線の伝搬経路を示す図である。図４では、傾き検出手段１３の配置を理解しやすくするため、フレーム１１及びマーカ１２の構成を簡略化して図示している。また、較正治具１０は、焦点面の指定された位置に上記の姿勢で配置されているものとする。

撮像素子１３ｃは、結像レンズ１３ｂで結像されたスリット状のレーザ光線が照射された場合に、光切断線全体を撮像するように配置されている。他方、結像レンズ１３ｄは、ビームスプリッタ１３ａから透過光が入射する位置に配置されている。また、位置検出素子１３ｅは、細長形状に形成され、結像レンズ１３ｄで結像されたスリット状のレーザ光線が照射された場合に、スリット状のレーザ光線が描く光切断線が位置検出素子１３ｅの幅方向に延びるように配置されている。このため、レーザ平面の傾きは、Ｙ軸周りの回転角度θ及びＸ軸周りの回転角度φで表現される。以下、両者を求める手順を説明する。

図５は、実施の形態に係る較正治具１０によるレーザ平面のＹ軸周りの回転角度θを検出する原理を説明するための図である。図５では、撮像素子１３ｃをレーザ光線の照射方向から観察した様子を図示している。以下、計測される回転角度θ、φがゼロに近くなるように較正治具１０及びスリット光源２が配置された状態で、基準座標系（較正治具の座標系）の原点Ｏは較正治具１０の撮像素子１３ｃに設定されるものとする。具体的には、基準座標系の原点Ｏは、レーザ平面がＸＹ平面に配置された状態で撮像素子１３ｃに形成される光切断線の中心点に設定される。このとき、光切断線はＺ軸方向に延びており、このときの回転角度θ＝０°である。

傾き検出手段１３の撮像素子１３ｃに照射されたスリット状のレーザ光線は、スリット光源２から直進しているため、レーザ平面が基準座標系のＸ軸周りに回転すると、撮像素子１３ｃに照射された光切断線も同じ角度だけ回転する。このため、Ｙ軸周りの回転角度θは、Ｚ軸に対する光切断線の傾きである。また、距離ｌは、原点Ｏから光切断線に到達までＺ軸方向に延ばした線分の長さである。マーカ１２から求めた並進ベクトルに較正治具１０内での距離lを加算したものが、原点Ｏから光切断線までの距離に相当する。

図６（ａ）、（ｂ）は、いずれも実施の形態に係る較正治具１０によるレーザ平面のＸ軸周りの回転角度φを検出する原理を説明するための図である。図６（ａ）では、レーザ光線の伝搬経路を側方から観察した様子を、図６（ｂ）は、位置検出素子１３ｅをレーザ光線の照射方向から観察した様子をそれぞれ図示している。

結像レンズ１３ｄに対するレーザ光線の入射角αの違いにより、位置検出素子１３ｅの受光面におけるレーザ光線の結像位置（光切断線）が変化する。入射角α＝０°における結像位置を中心線とし、中心線から結像位置までのＺ軸方向の距離をｒで表現し、ｆ’を結像レンズ１３ｄの焦点距離とすると、距離ｒ＝ｆ’＊ｓｉｎαである。このため、入射角αが微小である場合、入射角αに概ね比例している。入射角αはＸ軸周りの回転角度φと等しいため、位置検出素子１３ｅの結像位置から回転角度φを導出できる。

較正治具１０は、上記の構成を備えるため、カメラ３ａを用いて３つのマーカ１２を撮影することで、カメラ３ａの位置及び傾きを較正でき、スリット光源２からのレーザ光線を傾き検出手段１３で検出することで、スリット光源２からのレーザ光線の傾きを示す回転角度θ、φを導出できる。このため、カメラ３ａの位置及び傾きの較正精度とスリット光源２からのレーザ光線の傾きの較正精度とが互いに影響しない。
以上が、実施の形態に係る較正治具１０の構成である。

以下、図７を参照して、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置の較正で設定される各種のパラメータを説明する。相対位置の較正で設定されるパラメータを説明するには、透視投影の方程式及びレーザ平面の方程式について理解しておく必要がある。以下、上記の式を説明する。

カメラ座標系のＸｃ軸及びＹｃ軸は、それぞれカメラ３ａにより撮影される画像の平面と平行であり、カメラ座標系のＺｃ軸は、カメラ３ａの光軸に対して平行であるとすると、撮影画像の平面における２次元座標値（ｕ，ｖ）をカメラ座標系の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）に変換する透視投影の方程式は、以下の式（１）で表現される。ｆは、カメラ３ａの焦点距離であり、（ｕ_０，ｖ_０）は、画像平面における画像中心ｃの座標値である。画像中心ｃは、カメラ３ａの光軸と画像平面との交点である。

焦点距離ｆ、画像中心ｃの座標値ｕ_０、ｖ_０は、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置の較正で設定されるパラメータである。これらのパラメータは、いずれもカメラ３ａの内部パラメータであり、例えば、特定のパターンが印刷された基準平面を複数の視点から観測するＺｈａｎｇの方法を用いて導出すればよい。

次に、カメラ座標系におけるレーザ平面の方程式は、以下の式（２）で表現される。ａ、ｂ、ｃ、ｄは、いずれも係数である。
ａＸｃ＋ｂＹｃ＋ｃＺｃ＋ｄ＝０ …（２）

撮影画像上の光切断線の２次元座標値（ｕ，ｖ）は画像処理により得られ、カメラの内部パラメータ及びレーザ平面の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄは、較正作業で予め得ることができる。このため、式（１）、（２）から得られる４つの方程式を連立させることで、カメラ座標系における光切断線の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）を求めることができる。

平面方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを導出するには、基準座標系とカメラ座標系との相対位置を算出すると共に、基準座標系におけるレーザ平面を示す平面方程式を算出し、基準座標系で表現されたレーザ平面を、基準座標系とカメラ座標系との相対位置の分だけ移動させればよい。以下、そのための具体的な手順を説明する。

まず、基準座標系とカメラ座標系との相対位置を算出する。カメラ座標系と基準座標系との関係は、以下の式（３）で表現される。Ｒは回転行列であり、Ｒ＝（ｒ１，ｒ２，ｒ３）である。ｒ１、ｒ２、ｒ３は、基準座標系から見たカメラ座標系のＸｃ軸、Ｙｃ軸、Ｚｃ軸の方向を示す単位ベクトルである。ｔは基準座標系の原点を始点とし、カメラ座標系の原点Ｏを終点とする並進ベクトルである。

回転行列Ｒ、並進ベクトルｔは、基準座標系におけるカメラ座標系の位置及び傾きを示し、いずれもカメラ３ａの外部パラメータである。回転行列Ｒ、並進ベクトルｔは、較正治具１０に設けられ、互いの相対位置が既知である３つのマーカ１２をカメラ３ａで撮像し、撮影画像においてＰｎＰ（Perspective n Point）問題を解くことで算出される。

次に、基準座標系におけるレーザ平面を示す平面方程式を算出する。基準座標系におけるレーザ平面の方程式は、以下の式（４）で表現される。ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’はいずれも係数である。
ａ’Ｘ＋ｂ’Ｙ＋ｃ’Ｚ＋ｄ’＝０ …（４）

また、基準座標系におけるＹ軸、Ｘ軸周りのレーザ平面の回転角度θ、φ、原点Ｏから光切断線までの距離Ｌは、係数ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’を用いて以下の式（５）～式（７）で表現される。原点Ｏから光切断線までの距離Ｌは、マーカ１２から求めた並進ベクトルに較正治具１０内での距離ｌを加算することで導出できる。
ｔａｎθ＝－ａ’／ｃ’ …（５）
ｔａｎφ＝－ｂ’／ｃ’ …（６）
Ｌ＝－ｄ’／ｃ’ …（７）

式（５）～式（７）を用いると、式（４）は以下の式（８）に変形される。
Ｘｔａｎθ＋Ｙｔａｎφ－Ｚ＋Ｌ＝０ …（８）

基準座標系の回転角度θ、φ、原点Ｏから光切断線までの距離Ｌは、いずれもカメラ３ａの外部パラメータであり、前述したように較正治具１０の傾き検出手段１３でスリット光源２からのレーザ光線を検知し、検知した結果に基づく演算を行うことで導出される。式（５）～（８）に較正治具１０から得られたレーザ平面の回転角度θ、φ、原点Ｏから光切断線までの距離Ｌの値を代入し、連立方程式を解くと、係数ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’が得られる。

次に、基準座標系で表現されたレーザ平面を、基準座標系とカメラ座標系との相対位置の分だけ移動させる。具体的には、係数ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’を、以下の式（９）を用いて係数ａ、ｂ、ｃ、ｄに変換する。
（ａｂｃｄ）＝（ａ’ｂ’ｃ’ｄ’）（Ｒ，ｔ） …（９）
以上が、基準座標系におけるレーザ方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを導出する手順である。

カメラ座標系におけるレーザ平面のＹｃ軸、Ｘｃ軸周りの回転角度θｃ、φｃ、原点Ｏから光切断線までの距離Ｌｃは、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置の較正に必要なパラメータであり、較正治具１０を用いて導出された係数ａ、ｂ、ｃ、ｄに基づいて算出される。カメラ座標系におけるレーザ平面のＹｃ軸、Ｘｃ軸周りの回転角度θｃ、φｃ、原点Ｏから光切断線までの距離Ｌｃは、以下の式（１０）～（１２）に係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを代入して算出される。
ｔａｎθｃ＝－ａ／ｃ …（１０）
ｔａｎφｃ＝－ｂ／ｃ …（１１）
Ｌｃ＝－ｄ／ｃ …（１２）
以上が、スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置の較正で設定される各種のパラメータである。

図８（ａ）は、実施の形態に係る処理ユニット１００のハードウェア構成を示すブロック図である。処理ユニット１００は、操作部１１０と、表示部１２０と、通信部１３０と、記憶部１４０と、制御部１５０と、を備える。処理ユニット１００の各部は、内部バス（図示せず）を介して相互に接続されている。

操作部１１０は、ユーザの指示を受け付け、受け付けた操作に対応する操作信号を制御部１５０に供給する。操作部１１０は、例えば、マウス、キーボードを備える。

表示部１２０は、制御部１５０から供給される角材の測定対象面の形状に関するデータに基づいて、ユーザに向けて各種の画像を表示する。

通信部１３０は、例えば、インターネットのような通信ネットワークに接続することが可能なインターフェースである。

記憶部１４０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクを備える。記憶部１４０は、制御部１５０で実行されるプログラムや各種のデータを記憶する。また、記憶部１４０は、各種の情報を一時的に記憶し、制御部１５０が処理を実行するためのワークメモリとしても機能する。さらに、記憶部１４０は、座標値記憶部１４１と、演算式記憶部１４２と、パラメータ記憶部１４３と、を備える。

座標値記憶部１４１は、レーザ平面の傾きやカメラ３ａの位置及び傾きの基準となる座標値が記憶されている。例えば、較正治具１０を焦点面の指定された位置に設置した場合における回転角度θ＝０°であるときの撮像素子１３ｃ上に光切断線が描出された各画素の２次元座標値（ｕ’，ｖ’）、回転角度φ＝０°であるときに位置検出素子１３ｅで光切断線を検出する中心線の位置データ、基準座標系における３つのマーカ１２の位置を示す３次元座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）が記憶されている。

演算式記憶部１４２は、各種パラメータの演算に必要な式（１）～式（１２）を記憶する。また、中心線と光切断線との距離ｒと回転角度φとの対応関係を示す演算式を記憶する。

図８（ｂ）は、実施の形態に係るパラメータ記憶部１４３のデータテーブルの一例である。パラメータ記憶部１４３は、後述する較正処理により得られた各種のパラメータを記憶する。例えば、カメラ３ａの内部パラメータである焦点距離ｆ、外部パラメータである平面方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを記憶する。

制御部１５０は、プロセッサを備え、処理ユニット１００の各部の制御を行う。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１５０は、記憶部１４０に記憶されているプログラムを実行することにより、図９の較正処理、図１０のカメラ較正処理及び図１１の光源較正処理をそれぞれ実行する。制御部１５０は、機能的には、取得部１５１と、演算部１５２と、出力部１５３と、を備える。

取得部１５１は、カメラ３ａにより撮影されたマーカ１２を含む画像データ、撮像素子１３ｃにより撮影された光切断線を含む画像データ、及び位置検出素子１３ｅにより検出された光切断線の位置データをそれぞれ取得し、記憶部１４０に記憶させる。また、取得部１５１によるデータの取得には、記憶部１４０に記憶された各種の画像データ及び位置データをそれぞれ読み出すことが含まれる。

演算部１５２は、取得部１５１により取得されたマーカ１２を含む画像においてＰｎＰ問題を解くことで、回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔを演算する。また、演算部１５２は、座標値記憶部１４１及び演算式記憶部１４２を参照して、取得部１５１により取得された撮像素子１３ｃの画像から、レーザ平面の回転角度θ及び距離Ｌを演算し、取得部１５１により取得された位置検出素子１３ｅ上の光切断線の位置データから、レーザ平面の回転角度φを演算する。そして、演算部１５２は、演算式記憶部１４２を参照して、回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔ、並びに回転角度θ、φ及び距離Ｌから、レーザ平面方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを演算する。

出力部１５３は、演算部１５２により演算された各種のパラメータを外部に出力する。出力部１５３は、例えば、演算部１５２により演算された各種のパラメータをパラメータ記憶部１４３に記憶させる。
以上が、処理ユニット１００の構成である。

（較正処理）
図９を参照して、実施の形態に係る処理ユニット１００が実行する較正処理の流れを説明する。較正処理は、ユーザによる指示を受け付けた時点で開始する。

処理ユニット１００が較正処理を実行する前に、形状測定システム１の焦点面に較正治具１０を設置する。較正治具１０は、図４に示すように、撮像素子１３ｃと位置検出素子１３ｅとが対向して延びる水平方向がＸ軸方向と一致するように、かつ、位置検出素子１３ｅが延びる方向が基準座標系のＺ軸方向と一致するように形状測定システム１の焦点面に配置される。

制御部１５０は、ユーザからの指示を受け付けると、カメラ３ａの位置及び傾きを較正するカメラ較正処理を実行する（ステップＳ１）。以下、図１０を参照して、制御部１５０が実行するカメラ較正処理の流れを説明する。

（カメラ較正処理）
まず、制御部１５０は、カメラ３ａに較正治具１０の３つのマーカ１２を含む領域を撮影させる（ステップＳ１１）。

次に、演算部１５２は、ステップＳ１１で撮影した画像に基づいて、回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔを算出し（ステップＳ１２）、処理をリターンする。具体的には、ステップＳ１１で撮影された画像を処理ユニット１００に取り込み、カメラ３ａで撮影した３つのマーカ１２を含む撮影画像においてＰｎＰ問題を解くことで、回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔを算出する。
以上が、カメラ較正処理の流れである。

図９に戻り、制御部１５０は、スリット光源２の傾きを較正する光源較正処理を実行する（ステップＳ２）。以下、図１１を参照して、制御部１５０が実行する光源較正処理の流れを説明する。

（光源較正処理）
まず、制御部１５０は、スリット光源２からのスリット状のレーザ光線を較正治具１０に向けて照射させる（ステップＳ２１）。

次に、演算部１５２は、較正治具１０の撮像素子１３ｃに照射されたスリット状のレーザ光線の傾きに基づいて、Ｙ軸周りの回転角度θ及び原点Ｏから光切断線までの距離Ｌを算出する（ステップＳ２２）。具体的には、ステップＳ２１で出射されたスリット状のレーザ光線を撮像素子１３ｃで撮像し、撮像された画像を取り込み、座標値記憶部１４１を参照して回転角度θ及び距離Ｌを算出させる。

次に、演算部１５２は、較正治具１０の位置検出素子１３ｅにより検出されたレーザ光線の検出位置に基づいてＸ軸周りの回転角度φを算出し（ステップＳ２３）、処理をリターンする。具体的には、ステップＳ２１で出射されたスリット状のレーザ光線の照射位置を位置検出素子１３ｅで検出させ、検出された位置情報を取り込み、演算式記憶部１４２に記憶された演算式を参照して回転角度φを算出させる。
以上が、光源較正処理の流れである。

図９に戻り、演算部１５２は、ステップＳ１の処理で得られた回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔと、ステップＳ２の処理で得られた回転角度θ、φ、距離Ｌとに基づいて、平面方程式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを算出する（ステップＳ３）。具体的には、ステップＳ２の処理で得られた回転角度θ、φ、距離Ｌを式（５）～（８）に適用し、係数ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’を算出する。次に、ステップＳ１の処理で得られた回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔと係数ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’とを式（９）に適用し、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを算出する。

次に、出力部１５３は、ステップＳ３の処理で算出された係数ａ、ｂ、ｃ、ｄをパラメータ記憶部１４３に記憶させ（ステップＳ４）、処理を終了する。
以上が較正処理の流れである。

較正処理の終了後、ユーザがカメラ３ａの焦点面から較正治具１０を撤去する。また、カメラ３ａの内部パラメータについては、別途較正作業を実施する。これにより角材の形状測定の準備が終了する。ユーザは、所望のタイミングで形状測定システム１を起動し、角材の形状測定を実行する。具体的には、処理ユニット１００は、スリット光源２からスリット状の光線を角材の測定対象面に照射した状態で、カメラ３ａで角材の測定対象面を撮影させることで、光切断線を含む撮影画像を取得する。次に、処理ユニット１００は、式（１）を用いて撮影画像上の光切断線を構成する複数の２次元座標点（ｕ，ｖ）をカメラ座標系の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）に変換し、式（３）を用いてカメラ座標系の３次元座標値（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）を基準座標系の３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換すればよい。

以上説明したように、実施の形態に係る形状測定システム１は、フレーム１１と、 互いに異なる位置でフレーム１１に支持され、カメラ３ａにより撮影可能な３つ以上のマーカ１２と、フレーム１１に支持され、スリット光源２から空間上に平面を形成するスリット状の光線が照射されると、光線により形成された平面の傾きを検出する傾き検出手段１３と、を備える。このため、レーザ照射面の傾きをカメラ３ａの位置及び傾きと独立して測定でき、スリット光源２及びカメラ３ａとの相対位置を高精度で較正できる。また、スリット光源２及びカメラ３ａが互いに離れている場合でも較正精度の低下を防止できるため、大物や長尺な測定対象でも高精度の形状測定が実現できる。

本発明は上記の実施形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。

（変形例）
上記実施の形態では、スリット光源２がレーザ光線を放射していたが、本発明はこれに限られない。撮像ユニット３が光切断線を撮影可能であれば、スリット光源２から放射されるビームはレーザ光線以外であってもよい。また、測定対象の形状を測定する場合でなければ、レーザ光線を平面状に広げて出射するスリット光源２以外の光源を用いてもよい。例えば、レーザ光源からのレーザ光線をＸ軸方向にスキャンすることにより測定対象面に切断線を描画してもよい。

上記実施の形態では、レーザ平面の傾きを基準座標系で測定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、レーザ平面の傾きをカメラ座標系で測定し、画像上で座標を変換してもよい。

上記実施の形態では、較正治具１０のフレーム１１は、ベース部材１１ａ、支柱１１ｂ、保持部材１１ｃ及び接続部材１１ｄを備えていたが、本発明はこれに限られない。各マーカ１２及び傾き検出手段１３の位置を固定できれば、フレーム１１の形状や構造はいかなるものであってもよい。

上記実施の形態では、較正治具１０に３つのマーカ１２が設けられていたが、本発明はこれに限られない。基準座標系におけるカメラ３ａの位置及び傾きを算出するには、較正治具１０に３つ以上のマーカ１２が存在していればよく、例えば、基準座標系におけるカメラ３ａの位置及び傾きを算出する演算を簡略化するため６つのマーカ１２を用いてもよい。

較正治具１０に６つのマーカ１２を設ける場合、図１２に示すように、１２本の棒状部材が各辺を構成する立方体形状のフレームを作成し、４つのマーカ１２をフレーム上面部の４つの頂点に配置され、１つのマーカ１２を上下方向に延びる１辺の中間位置に配置し、残りのマーカ１２をマーカ１２が配置された１辺を含む側面部において、当該辺の中間位置に配置されたマーカ１２と当該辺に配置されていない頂点上のマーカ１２との中間地点に配置すればよい。残りのマーカ１２は、当該辺の中間位置に配置されたマーカ１２と当該辺に配置されていない頂点上のマーカ１２とを接続するもう１本の棒状部材に支持させればよい。

上記実施の形態では、スリット光源２とカメラ３ａとが１つずつであったが、本発明はこれに限られない。例えば、図１３に示すように、Ｚ軸方向に互いに離して配置された複数のスリット光源２を備える照明ユニット２Ａを設け、各スリット光源２とカメラ３ａとの相対位置を逐次求め、各スリット光源の座標系とカメラ座標系とを統一してもよい。また、撮像ユニット３に複数のカメラ３ａを設け、スリット光源の座標系と複数のカメラ座標系の座標系とを統一してもよい。この場合、較正治具１０の全てのマーカ１２がそれぞれのカメラ３ａから見えるように配置し、各カメラ３ａでマーカ１２を撮影することで、座標を統一すればよい。

上記実施の形態では、中心線と光切断線との距離ｒと回転角度φとの対応関係を示す演算式を演算式記憶部１４２に記憶していたが、本発明はこれに限られない。例えば、位置検出素子１３ｅの結像位置を示す中心線と光切断線との距離ｒと回転角度φとの対応関係を記憶したデータテーブルを記憶部１４０に記憶してもよい。

上記実施の形態では、処理ユニット１００の記憶部１４０に各種データが記憶されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種データは、その全部又は一部が通信ネットワークを介して外部の制御装置やコンピュータに記憶されていてもよい。

上記実施の形態では、処理ユニット１００は、それぞれ記憶部１４０に記憶されたプログラムに基づいて動作していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、プログラムにより実現された機能的な構成をハードウェアにより実現してもよい。

上記実施の形態では、処理ユニット１００は、例えば、汎用コンピュータであったが、本発明はこれに限られない。例えば、処理ユニット１００は、クラウド上に設けられたコンピュータで実現してもよい。

上記実施の形態では、処理ユニット１００が実行する処理は、上述の物理的な構成を備える装置が記憶部１４０に記憶されたプログラムを実行することによって実現されていたが、本発明は、プログラムとして実現されてもよく、そのプログラムが記録された記憶媒体として実現されてもよい。

また、上述の処理動作を実行させるためのプログラムを、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）のようなコンピュータにより読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、上述の処理動作を実行する装置を構成してもよい。

上記実施の形態では、角材を測定対象物としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、丸材の形状を測定してもよい。また、測定対象物は木材に限られず、例えば、鋼材の形状を測定してもよい。

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。

１ 形状測定システム
２ スリット光源
２Ａ 照明ユニット
３ 撮像ユニット
３ａ カメラ
３ｂ レンズ
１０ 較正治具
１１ フレーム
１１ａ ベース部材
１１ｂ 支柱
１１ｃ 保持部材
１１ｄ 接続部材
１２ マーカ
１３ 傾き検出手段
１３ａ ビームスプリッタ
１３ｂ 結像レンズ
１３ｃ 撮像素子
１３ｄ 結像レンズ
１３ｅ 位置検出素子
１００ 処理ユニット
１１０ 操作部
１２０ 表示部
１３０ 通信部
１４０ 記憶部
１４１ 座標値記憶部
１４２ 演算式記憶部
１４３ パラメータ記憶部
１５０ 制御部
１５１ 取得部
１５２ 演算部
１５３ 出力部

Claims (5)

1. スリット光源とカメラとの相対位置を較正するための較正治具であって、
   フレームと、
   互いに異なる位置で前記フレームに支持され、前記カメラにより撮影可能な３つ以上のマーカと、
   前記フレームに支持され、前記スリット光源から空間上に平面を形成するスリット状の光線が照射されると、前記光線により形成された前記平面の傾きを検出する傾き検出手段と、
   を備える較正治具。
2. 前記傾き検出手段は、
   前記スリット光源から照射されたスリット状の光線を透過する光線と反射する光線とに分割するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタを透過したスリット状の光線を受光し、前記光線により形成された前記平面における前記光線の出射方向の軸周りの回転角度を検出する第１の検出手段と、
   前記ビームスプリッタで反射したスリット状の光線を受光し、前記光線により形成される前記平面における前記光線の幅方向の軸周りの回転角度を検出する第２の検出手段と、
   を備える、
   請求項１に記載の較正治具。
3. 前記第１の検出手段は、前記ビームスプリッタを透過したスリット状の光線を結像させる第１のレンズと、前記第１のレンズで結像された光線を撮像する撮像素子と、を備え、
   前記第２の検出手段は、前記ビームスプリッタで反射されたスリット状の光線を結像させる第２のレンズと、前記第２のレンズで結像された光線の照射位置を検出する位置検出素子と、を備える、
   請求項２に記載の較正治具。
4. 前記フレームは、ベース部材と、前記ベース部材から上方に延び、前記傾き検出手段を挟み込むように保持する一対の保持部材と、を備え、
   前記保持部材の少なくとも一方には、前記マーカが支持されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の較正治具。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の較正治具を用いて光源とカメラとの相対位置を較正するための較正方法であって、
   前記較正治具を前記カメラの焦点面に設置する工程と、
   前記マーカを前記カメラで撮影することで、前記カメラの位置及び傾きを較正する工程と、
   前記スリット光源から前記傾き検出手段に対してスリット状の光線を照射することで、前記光線により形成される前記平面の傾きを較正する工程と、
   前記較正治具を前記カメラの焦点面から撤去する工程と、
   を含む較正方法。
   
   
   

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