JP2931218B2 - 形状計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、計測対象物の三次元形
状を光学的手段を用いて非接触で計測する形状計測装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、代表的な光学的形状計測方法の一
つとして空間コード化法が知られている。空間コード化
法は、計測機側に投光装置を有し、投光した光の計測対
象による反射光を計測する能動的計測法の一つである。
空間コード化法による形状計測装置の一例として、特開
平５−３３２７３７号公報に開示されているものを図３
を参照して説明する。図３の形状計測装置は、レーザ光
源１と、レーザ光をスリット形に整形するレンズ系２
と、整形されたレーザ光を計測対象物Ｑに向けて照射す
る偏向照射装置３と、計測対象物Ｑによる反射光を検出
するＣＣＤカメラ６と、これらを制御するコントロール
部８２とを有している。更に、ＣＣＤカメラ６の撮像デ
ータを二値化する二値化回路８３、二値化したデータを
空間コードデータとして格納する第１メモリ８４乃至第
４メモリ８７等を介して演算処理部に接続されている。

【０００３】レーザ光源１のレーザ光が、偏向照射装置
３によりある偏向角で照射されると、計測対象物Ｑの表
面には、レーザ光が照射された部分と照射されなかった
部分との縞模様が生ずる。ＣＣＤカメラ６では、この縞
模様を画像データとして取り込む。二値化回路８３で
は、この画像データを二値化する。二値化されたデータ
は第１メモリ８４乃至第４メモリ８７のいずれかに格納
される。セレクタ８８は、どのメモリに格納するかを選
択するものである。

【０００４】かかる第１メモリ８４乃至第４メモリ８７
に格納された空間コードデータとＣＣＤカメラ６の撮像
面上の位置に基づく座標データとにより、三角測量の原
理を利用して各画素に対応する計測対象物Ｑ上の点の高
さ座標が算出される。これを種々の偏向角にて行うこと
により、計測対象物Ｑの形状が計測される。具体的に
は、ＣＣＤカメラ６の１フレーム分の撮像時間内に計測
対象物Ｑ全体がカバーされるように偏向照射装置３を走
査する一方、レーザ光源１を所定の規則で点滅させ、こ
れを異なる点滅規則で複数フレーム行うことにより実行
される。このように複数フレーム分の画像データをフレ
ームごとに取り込むために、第１メモリ８４乃至第４メ
モリ８７という複数のメモリを設けているのである。

【０００５】三角測量法による高さ座標の算出につい
て、図２を参照して説明する。レーザ光源１のレーザ光
は、偏向照射装置３により反射されて計測対象物Ｑに照
射される。そして、計測対象物Ｑにより反射された光
は、ＣＣＤカメラ６に撮像される。ここで、図中に示す
ように、レーザ光源１の測定基準面（ＣＣＤカメラ６の
光軸に垂直な面）からの高さをhl、偏向角度をθ、計測
対象物Ｑのレーザ照射照射位置の高さをｚ、ＣＣＤカメ
ラ６の対物レンズ７の測定基準面からの高さをhc、対物
レンズ７の焦点距離をｆ、ＣＣＤカメラ６の光軸の基準
点Ｏからの基準面上の距離をｌ、ＣＣＤカメラ６の感光
面８上の受光した画素位置をｘ、とする。

【０００６】このとき、高さｚは、 ｚ ＝ ｛ｘ・hc−ｆ（ｌ−hl・tanθ）｝／（ｘ＋ｆ・tanθ） （１） で表すことができる。ここで、hc、ｆ、ｌ、hlはいずれ
も既知であるので、ｘとθとがわかればｚが算出され
る。ｘは画像データを二値化して得た座標データから、
θは偏向照射装置３の駆動信号から求められる。かかる
演算処理は、コントロール部８２の演算装置において、
ソフトウェア上で行われる。なお、ｙ方向の座標は図２
中には現れないが、ＣＣＤカメラ６のｙ方向の画素位置
から直接導出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の形状計測には以下の問題点があった。第１に、二値
化した画像データを記憶するためのメモリの容量の問題
がある。即ち、形状計測の精度を確保するためには空間
コードとしての分解能を高める必要があり、そのために
は多数のパターンで測定する必要があるので、ＣＣＤカ
メラ６の撮像フレーム数も多くなる。従来は、１フレー
ムごとに１つのメモリを使用していたので、必要なメモ
リの数が多かった。図３のものでは４つ設けているが、
計測精度向上のためにフレーム数を増やそうとすれば更
に多数のメモリが必要となる。

【０００８】第２に、形状測定の所要時間の問題があ
る。即ち従来は、ｚ等の算出を各ｘ及び各θについて各
別にソフトウェア上で行っていたために、形状測定の所
要時間が長かった。例えば、ＣＣＤカメラ６の画素数が
５１２×２５６セルである場合に、パーソナルコンピュ
ータのような汎用演算手段を用いて行うと、約４分を要
する。この所要時間は、データの二値化の計算手法その
他の因子により若干の影響を受けるが、パーソナルコン
ピュータを使う限り４分前後であり大きくは変わらな
い。従って、現在実用化されているレンジファインダシ
ステムと比較してかなり遅く、ロボットの視覚システム
への適用には到底不十分である。パーソナルコンピュー
タの替わりにワークステーション等の高級機器を用いて
も約４０秒前後まで短縮できるにすぎず、なお不十分で
ある。

【０００９】また、高速演算用の専用ＭＰＵ、専用ＣＰ
Ｕ、ＤＳＰ等を使用して演算を行ったとしても、この方
式での画像取り込みに要する時間内には５１２×２５６
セル分の演算は完了しない。この方式での画像取り込み
には、わずか０．１５秒しか要しないからである。この
０．１５秒とは、１／６０秒×９画面分の時間のことで
ある。１／６０秒は、ＮＴＳＣ規格での垂直周波数に対
応して定まる１画面分の取り込み時間である。９画面と
は、第１メモリ８４乃至第４メモリ８７のうち１つにデ
ータを格納する１画面分と、８ビット分の空間コードデ
ータを作成するための８画面分との合計９画面である。

【００１０】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、複数フレーム分の空間コードデータを１つのメモリ
に記憶することにより必要なメモリ容量を減少するとと
もに、各ｘ及び各θについて対応するｚの値を予め格納
したメモリを備えることにより必要な演算の量を減少
し、計測時間を短縮した形状計測装置を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の形状計測装置（１）は、レーザ光を発生するレ
ーザ光源と、前記レーザ光を被測定面に置いた被測定物
体に向けて偏向走査する偏向照射装置と、前記レーザ光
の照射により被測定物体の表面に生じる映像を撮像する
撮像手段とを有する形状計測装置であって、前記撮像手
段による撮像データを二値化する二値化手段と、前記二
値化手段により二値化されたデータを空間コードデータ
として記憶する記憶手段と、前記二値化手段から新たに
提供されるデータと前記記憶手段に既に記憶されている
データとの間で任意のビット位置に対し論理演算するこ
とにより前記記憶手段を更新するビットスワッパと、前
記撮像手段の撮像面上の位置に基づき座標データを発生
する座標データ発生手段と、前記空間コードデータと前
記座標データとに基づき高さの値を算出する演算手段と
を有することを特徴とする構成とされる。

【００１２】また、本発明の形状計測装置（２）は、
（１）の形状計測装置であって、全ての空間コードデー
タと全ての座標データとをアドレスとして各アドレスに
対応する高さの値を予め格納した変換手段を有し、前記
演算手段は、前記空間コードデータと前記座標データと
を前記変換手段に供給し、これらをアドレスとして前記
変換手段から高さの値を読み出すことにより被測定物体
の形状を算出することを特徴とする構成とされる。

【００１３】

【作用】 前記の構成を有する本発明の形状計測装置
（１）では、レーザ光源が発生するレーザ光が、偏向照
射装置により被測定物体に向けて偏向走査して照射され
る。これにより被測定物体の表面に生ずる映像が撮像手
段により撮像され、そのデータは二値化手段により二値
化され、記憶手段に空間コードデータとして記憶され
る。撮像手段による次フレームの撮像がなされると、ビ
ットスワッパが、二値化手段により新たに二値化された
データと 記憶手段に既に記憶されているデータとの間で
任意のビット位置に対し論理演算することにより記憶手
段を更新する。そして、撮像手段の撮像面上の位置に基
づき座標データ発生手段が座標データを発生し、かかる
空間コードデータと座標データとに基づき演算手段が高
さの値を算出する。

【００１４】また、本発明の形状計測装置（２）では、
レーザ光源が発生するレーザ光が、偏向照射装置により
被測定物体に向けて偏向走査して照射される。これによ
り被測定物体の表面に生ずる映像が撮像手段により撮像
され、そのデータは二値化手段により二値化され、記憶
手段に空間コードデータとして記憶される。撮像手段に
よる次フレームの撮像がなされると、ビットスワッパ
が、二値化手段により新たに二値化されたデータと記憶
手段に既に記憶されているデータとの間で任意のビット
位置に対し論理演算することにより記憶手段を更新す
る。

【００１５】そして、撮像手段の撮像面上の位置に基づ
き座標データ発生手段が座標データを発生し、かかる空
間コードデータと座標データとをアドレスとして、各ア
ドレスに対応して予め変換手段に格納されている高さの
値が、ソフトウェア処理を伴わずに読み出される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の形状計測装置を具体化した一
実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、
本実施例に係る形状計測装置の概略構成を示す。図１に
示す形状計測装置は、レーザ光を発生するレーザ光源１
と、レーザ光源１が発生するレーザ光をスリット形に整
形するレンズ系２と、スリット形に整形されたレーザ光
を偏向して被測定物Ｑ上を走査するように照射させる偏
向照射装置３と、被測定物Ｑ上に照射されるレーザ光４
の像を撮像するＣＣＤカメラ６と、これらを制御するコ
ントロール部５と、Ａ／Ｄ変換器１０等のデータ処理系
とを有している。

【００１７】レーザ光源１は、半導体レーザ、気体レー
ザ、固体レーザ、液体レーザ等公知のレーザ光源であれ
ば何でもよいが、装置の小形化及び高速スイッチングが
可能であることという観点から半導体レーザが最も適し
ている。偏向照射装置３は、レンズ系２でスリット形に
整形されたレーザ光を被測定物Ｑに向けて反射するもの
であり、揺動または回転運動して反射光４を偏向走査
し、被測定物Ｑ上を走査する機能を有している。かかる
機能を有する偏向照射装置３としては、公知のガルバノ
ミラーやポリゴンミラー等が考えられる。

【００１８】Ａ／Ｄ変換器１０は、ＣＣＤカメラ６の撮
像データをデジタル化するものである。比較メモリ１１
は、デジタル化した撮像データを二値化するためのスレ
ッシュホルドレベルを格納するためのものである。この
スレッシュホルドは、レーザ照射のオンオフを反転した
ネガパターンを取ること、レーザの発光強度を通常の半
分とした全照射パターンをとること、レーザの全照射パ
ターンを撮像して輝度値を半分としたパターンを取り込
むこと、のいずれかにより得られる。そして、Ａ／Ｄ変
換器１０から得られるデジタルデータと比較メモリ１１
に格納されたスレッシュホルドとを比較するデジタルコ
ンパレータ１２が設けられている。デジタルコンパレー
タ１２により、二値化された画像データが得られる。

【００１９】デジタルコンパレータ１２の先には、ビッ
トスワッパ１３と空間メモリ１４とが設けられている。
空間メモリ１４は、デジタルコンパレータ１２により二
値化された画像データを空間コードデータとしてストア
するものである。ここでビットスワッパ１３は、空間メ
モリ１４に既にストアされているデータと、デジタルコ
ンパレータ１２から提供された新たなデータとの間で、
任意のビット位置に対してデータ交換する機能を有して
いる。かかる機能により、空間メモリ１４には複数フレ
ーム分の空間コードデータがストアされることとなる。
変換メモリ１６は、図２のｘ及びθの全ての値に対する
ｚの値を予め格納したメモリである。後述するようにｘ
及びθの値を入力されると、対応するｚの値を読み出せ
るようになっている。デコーダ１５は、このための座標
データ（ｘ）に対応する値をＣＣＤカメラ６の撮像面上
の位置に基づき供給するものである。

【００２０】次に、前記構成を有する形状計測装置の作
用を説明する。偏向照射装置３は、ＣＣＤカメラ６にお
ける１フレーム分の撮像時間内に測定範囲全体をカバー
するように偏向走査する。そしてレーザ光源１は、所定
の規則に従って点滅する。かくして、被測定物Ｑの表面
上には、いくつかの偏向角θに対応する光帯が投影され
明暗のストライプパターンを生じる。このストライプパ
ターンが被測定物Ｑの形状を反映して歪むことから形状
計測が可能となるものである。ＣＣＤカメラ６は、この
ストライプパターンを撮像する。ＣＣＤカメラ６の撮像
データはＡ／Ｄ変換器１０によりデジタル化され、そし
てデジタルコンパレータ１２によりスレッシュホルドと
比較されて二値化される。スレッシュホルドは前記のよ
うに、オンオフ反転によるネガパターン、強度パター
ン、又は半輝度パターンにより予め作成され比較メモリ
１１に格納されている。

【００２１】二値化されたデータは、ビットスワッパ１
３を介して空間メモリ１４に空間コードデータとしてス
トアされる。ＣＣＤカメラ６の最初の撮像フレームのデ
ータは、そのまま空間メモリ１４に記憶されるが、２回
目以後は、ビットスワッパ１３の論理演算が働く。ビッ
トスワッパ１３は、デジタルコンパレータ１２から新た
に二値化データが供給されると、空間メモリ１４の対応
するアドレスの部分を新たに供給されたデータにより上
書きして更新する。具体的には、空間メモリ１４の更新
する部分について、既に記憶されているデータとゼロデ
ータとのアンド演算をとり、その結果と新たに供給され
たデータとのオア演算をとることにより更新がなされ
る。かくして空間メモリ１４にストアされたデータは、
偏向照射装置３での偏向角に対応する情報を含んでお
り、空間コードデータとして使用される。

【００２２】そして、空間メモリ１４にストアされた空
間コードデータ（θ）とデコーダ１５から提供される座
標データ（ｘ）とをアドレスとして、変換メモリ１６か
ら計測対象物Ｑの高さｚの値が読み出される。変換メモ
リ１６には、全てのｘと全てのθとに対応する、三角測
量法によるｚの算出値が予め格納されているからであ
る。従って、計測時にソフトウェア上での演算処理を行
うことなくハードウェア手段のみで短時間に測定するこ
とができる。具体的には、パソコン等によりソフトウェ
ア処理した場合に約４分を要する測定を、本実施例では
０．１５秒以内に実行することができる。これは、他の
レンジファインダシステムと比較して十分に高速であ
る。

【００２３】変換メモリ１６に格納される高さ座標デー
タの三角測量法による算出について、図２を参照して説
明する。図中に示すように、レーザ光源１の測定基準面
（ＣＣＤカメラ６の光軸に垂直な面）からの高さをhl、
偏向角度をθ、計測対象物Ｑのレーザ照射照射位置の高
さをｚ、ＣＣＤカメラ６の対物レンズ７の測定基準面か
らの高さをhc、対物レンズ７の焦点距離をｆ、ＣＣＤカ
メラ６の光軸の基準点Ｏからの基準面上の距離をｌ、Ｃ
ＣＤカメラ６の感光面８上の受光した画素位置をｘ、と
する。

【００２４】このとき、高さｚは、 ｚ ＝ ｛ｘ・hc−ｆ（ｌ−hl・tanθ）｝／（ｘ＋ｆ・tanθ） （１） で表すことができる。図２より、hc、ｆ、ｌ、hlはいず
れも計測対象物Ｑと無関係な固定値であることがわか
る。即ち、ｘとθとがわかれば（１）式よりｚが算出さ
れる。従って、各ｘについて対応するθの値が判明すれ
ば計測対象物Ｑの形状が得られることになる。ｘは、前
記のようにＣＣＤカメラ６において撮像された位置であ
り、θはそのときの偏向照射装置３からの照射角であ
る。

【００２５】ここで、ｘはＣＣＤカメラ６における撮像
位置であるから、ＣＣＤカメラ６のｘ方向の画素数が仮
に５１２であれば５１２種類の値を持つことになる。こ
れはＣＣＤカメラ６における画素配列の番号と１対１で
対応がつけられる。次にθは、複数のレーザ照射の点滅
パターンにより空間コードとして得られるデータと１対
１で対応づけできる。例えば８桁のグレイコードパター
ンを用いれば、２５６種類のコードが得られる。

【００２６】従って、ｘ、θの値の種類はともに有限個
（この例ではｘが５１２種類、θが２５６種類）に限ら
れるので、全てのｘ及びθについてｚの値を予め求めて
おくことができ、そうすれば（１）式の計算を計測時に
いちいち行う必要はない。そこでこの形状計測装置で
は、予め求めたｚの値をテーブルとして保持することに
より、求めるｚの値を瞬時に得られるようにしているの
である。なお、ｙ方向の座標は図２中には現れないが、
ＣＣＤカメラ６のｙ方向の画素位置から直接導出され
る。

【００２７】以上詳細に説明したように、本実施例の形
状計測装置においては、ビットスワッパ１３を設け、デ
ジタルコンパレータ１２から新たに提供された二値化デ
ータと空間メモリ１４に既に格納されているデータとの
論理演算により空間メモリ１４を更新するようにしたの
で、空間メモリを多数個設ける必要がない。また、変換
メモリ１６を設け、全てのｘ及びθについてのｚの値を
予め格納したので、計測対象物Ｑを計測する際に変換メ
モリ１６から値を読み出すことで足り、実際の演算処理
をソフトウェア上で実行する必要がなく、従って測定時
間が短い。従って、ロボットの視覚システム等への適用
も可能な高速形状計測装置を、少ないメモリ容量により
実現することができるものである。尚、前記実施例は本
発明を何ら限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱
しない範囲にいて種々の変形・改良が可能であることは
もちろんである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状計測
装置によれば、二値化手段が二値化した画像データを記
憶する記憶手段の他、二値化手段から新たに提供される
データと記憶手段に既に記憶されているデータとの間で
の任意のビット位置に対する論理演算により記憶手段を
更新する更新手段を設けたので、１フレーム分の記憶手
段をもって複数フレーム分のデータの格納に充てること
ができ、必要なメモリ容量が減少される。また、空間コ
ードデータと座標データとをアドレスとして、各アドレ
スに対応する高さの値を予め格納した変換手段を設けた
ので、ソフトウェア上で三角測量法に基づく演算処理を
行うことなくハードウェア処理で値を読み出すことがで
き、形状計測を著しく高速で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る形状計測装置の構成を示す図で
ある。

【図２】三角測量法による座標の算出を説明する概念図
である。

【図３】従来の形状計測装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ３ 偏向照射装置 ６ ＣＣＤカメラ １０ Ａ／Ｄ変換器 １１ 比較メモリ １２ デジタルコンパレータ １３ ビットスワッパ １４ 空間メモリ １５ デコーダ １６ 変換メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 幸男 名古屋市千種区観月町１丁目29番地 審査官 安井 麻美子 (56)参考文献 特開 平５−332737（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−55710（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−154912（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G06T 1/00 - 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を発生するレーザ光源と、前記
   レーザ光を被測定面に置いた被測定物体に向けて偏向走
   査する偏向照射装置と、前記レーザ光の照射により被測
   定物体の表面に生じる映像を撮像する撮像手段とを有す
   る形状計測装置において、 前記撮像手段による撮像データを二値化する二値化手段
   と、 前記二値化手段により二値化されたデータを空間コード
   データとして記憶する記憶手段と、 前記二値化手段から新たに提供されるデータと前記記憶
   手段に既に記憶されているデータとの間で任意のビット
   位置に対し論理演算することにより前記記憶手段を更新
   するビットスワッパと、 前記撮像手段の撮像面上の位置に基づき座標データを発
   生する座標データ発生手段と、 前記空間コードデータと前記座標データとに基づき高さ
   の値を算出する演算手段とを有することを特徴とする形
   状計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する形状計測装置におい
   て、 全ての空間コードデータと全ての座標データとをアドレ
   スとして各アドレスに対応する高さの値を予め格納した
   変換手段を有し、前記演算手段は、 前記空間コードデータと前記座標デー
   タとを前記変換手段に供給し、これらをアドレスとして
   前記変換手段から高さの値を読み出すことにより被測定
   物体の形状を算出することを特徴とする形状計測装置。