JP3855062B2 - 単調増加波形投影による連続物体の形状計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、基準平面上をほぼ一定速度で移動する物体の形状を測定する形状計測方法及び装置に関する。

例えば、路面形状検査車両に搭載され高速に走行する車両上から路面の形状計測を非接触で高速に行う装置や、ベルトコンベア等の載って等速で連続的に移動する生産物の形状検査を途切れることなく行う形状検査装置や、鋼板やパイプなどの連続加工品の形状検査を途切れることなく行う形状検査装置では、路面や物体などの形状を高速に計測することが求められるが、計測精度はあまり要求されず、計測高さ範囲の１／３０程度の分解能があればよい。

従来の形状計測装置の例として、宮坂健夫、松井康之、佐藤寛紀、及び荒木和男による第７回画像センシングシンポジウム講演論文集、Ｆ１、２５１−２５４ページ、２００１年、に記載された「濃度傾斜光投影法を用いた形状計測装置」がある。この従来の形状計測装置では、２次元カメラを用い、明るいパターンと濃度傾斜パターンの２枚のパターンを撮影する。この従来の形状計測装置は、連続物体には適用できないという欠点があった。

さらに、従来の形状計測方法の例として、本出願人等による特願２００１−８９７９９号（特開２００２−２８６４３３号）「連続移動物体のリアルタイム形状計測方法」には、３本のラインセンサを用い、ラインセンサで撮影した投影格子の位相解析を行って連続物体の形状計測を行う方法が開示されている。しかしながら、この従来の形状計測方法は、投影格子のピッチをラインセンサの間隔に合わせる必要があるという欠点があった。

本発明の目的は、連続物体の形状を高速に計測することができ、影となって撮影できない部分の判定を短時間で行うことができる物体計測方法及び装置を提供することである。

本発明による形状計測方法は、前記基準平面に対してほぼ垂直に配置された第１ラインセンサによって前記物体を撮影するステップと、前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第１ラインセンサとある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第２ラインセンサによって、斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射された前記物体を撮影するステップと、前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第２ラインセンサと前記ある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第３ラインセンサによって、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を照射された前記物体を撮影するステップと、前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ_１、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_２、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_３とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、前記高さｈをｈ＝Ｆ^−１（Ｊ）によって決定するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明による形状計測方法は、前記基準平面に対してほぼ垂直に配置された第１ラインセンサによって前記物体を撮影するステップと、前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第１ラインセンサとある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第２ラインセンサによって、斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射された前記物体を撮影するステップと、前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第２ラインセンサと前記ある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第３ラインセンサによって、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を照射された前記物体を撮影するステップと、前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ _１ 、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _２ 、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _３ とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、予め輝度比Ｊと高さｈとの関係を求めておいてテーブル化しておき、輝度比Ｊから前記テーブルを参照して高さｈを決定するステップとを含むことを特徴とする。

本発明による形状計測方法の他の実施例は、ある点における前記第１ラインセンサによって得られた輝度と前記第２ラインセンサによって得られた輝度との差が予め設定しておいたしきい値より小さくなった場合、該点を前記投影した光の影になる部分とみなすステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明による形状計測装置は、前記基準平面に対してほぼ垂直に配置され前記物体を順番に撮影するように等間隔で配置された第１、第２及び第３ラインセンサと、前記第２ラインセンサが撮影する場所に斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射する第１プロジェクタと、前記第３ラインセンサが撮影する場所に濃度傾斜パターンを有する光を斜め方向から照射する第２プロジェクタとを具え、前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ_１、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_２、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_３とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、前記高さｈをｈ＝Ｆ^−１（Ｊ）によって決定するように構成したことを特徴とする。

また、本発明による形状計測装置は、前記基準平面に対してほぼ垂直に配置され前記物体を順番に撮影するように等間隔で配置された第１、第２及び第３ラインセンサと、前記第２ラインセンサが撮影する場所に斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射する第１プロジェクタと、前記第３ラインセンサが撮影する場所に濃度傾斜パターンを有する光を斜め方向から照射する第２プロジェクタと、前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ _１ 、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _２ 、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _３ とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、予め輝度比Ｊと高さｈとの関係を求めてテーブル化された、輝度比Ｊから高さｈを決定するためのテーブルとを具えることを特徴とする。

本発明による形状計測装置の他の実施例は、ある点における前記第１ラインセンサによって得られた輝度と前記第２ラインセンサによって得られた輝度との差が予め設定しておいたしきい値より小さくなった場合、該点を前記投影した光の影になる部分とみなすように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、３本のラインセンサを使用して連続物体の形状計測を高速に行うことができる。高さ変換テーブルを予め作成しておくことで、短時間に高さ分布の結果を得ることができる。また、影となって測定できない部分の判定を短時間で行うことができる。

図１は、本発明による形状計測方法の原理を説明する図である。基準平面１上をほぼ一定速度で移動する物体２の形状を計測する。３台のラインセンサ４、６及び８を、この順番で物体２を撮影するように、物体２の移動経路上に等間隔で配置する。ラインセンサ６で撮影する位置に、斜め方向からほぼ一定の輝度分布を有する光を投影するようにプロジェクタ１０を配置し、ラインセンサ８で撮影する位置に、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を投影するようにプロジェクタ１２を配置する。このようにして、物体２の移動方向に対して等間隔で順番に、何も投影しない状態と、斜め方向からほぼ一定の輝度分布を持つ光を投影した状態と、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を投影した状態とをつくる。図１において、それぞれのラインセンサの視線上の高さｈにおける光強度ｆ_１（ｈ）、ｆ_２（ｈ）、ｆ_３（ｈ）を各ラインセンサの視線の右横に示す。

３台のラインセンサ４、６及び８の撮影タイミングを、物体２の移動速度に合わせて、物体２の同一点を撮影するように決定する。３台のラインセンサ４、６及び６によって撮影された物体２の同一点Ｐの輝度を、それぞれＩ_１、Ｉ_２及びＩ_３とする。ラインセンサ４が撮影する、何も投影しない状態では、背景光が物体２に反射してラインセンサ４で撮影されるため、物体２の点Ｐにおけるラインセンサ視線方向への反射率をＲ_１とすると、Ｉ_１は次のように表すことができる。

Ｉ_１＝ｆ_１（ｈ）Ｒ_１ （１）

また、Ｉ_２とＩ_３は、プロジェクタ１０、１２による投影光のラインセンサ視線方向への反射率をＲとすると、それぞれ次のように表すことができる。

Ｉ_２＝ｆ_２（ｈ）Ｒ＋ｆ_１（ｈ）Ｒ_１ （２）
Ｉ_３＝ｆ_３（ｈ）Ｒ＋ｆ_１（ｈ）Ｒ_１ （３）

ここで、次のように輝度比Ｊを定義すると、輝度比Ｊは次のように高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表すことができる。

Ｊ＝（Ｉ_３−Ｉ_１）／（Ｉ_２−Ｉ_１）＝ｆ_３（ｈ）／ｆ_２（ｈ）＝Ｆ（ｈ） （４）

Ｆ（ｈ）が一価の逆関数Ｆ^−１（Ｊ）を持つ場合は、高さｈは次のように輝度比Ｊから求めることができる。

ｈ＝Ｆ^−１（Ｊ） （５）

予め輝度比Ｊと高さｈとの関係を求めておいてテーブル化しておくことにより、３台のラインセンサ４、６及び８で撮影された物体２の同一点Ｐにおける輝度Ｉ_１、Ｉ_２及びＩ_３から高さｈを求めることが容易になる。図２は、このような高さ変換テーブルを作成する方法を説明する図である。種々の高さｈの基準面３を撮影し、輝度Ｉ_１、Ｉ_２及びＩ_３を測定する。基準面３には白色の平板を用いる。基準面はラインセンサの光軸方向にほぼ垂直に設置する。基準面３を複数の高さｈにおいて、計測試料物体２と同様に水平方向に移動しながら撮影を行い、それぞれの高さにおける基準面３の輝度比を画素ごとに求める。図３にこのような高さ変換テーブルの模式図を示す。この図において、○印で示す点が、図２を参照して説明したような方法で得られた輝度比と高さを示す点である。輝度比を必要な分解能によって決まる値ごとに分割し、それぞれの輝度比に対して高さを求める。図３において○印で示す点と点との間は、直線補間や多次元の補間手法によって補完して値を求める。

ラインセンサで撮影する方向とプロジェクタから光を投影する方向が異なるため、プロジェクタで投影する光が投影されていない領域をラインセンサで撮影する場合が生じる。このような領域を影の部分と呼ぶ。図４は、このような影の部分が発生する状況を示す図である。影の部分にはプロジェクタからの光は直接投影されないため、原理的には背景光と同一の輝度が撮影される。しかし、実際には、周囲の物体にプロジェクタから投影されて散乱反射する光が影の部分にも当たるため、背景光だけでなく、このような散乱反射された光の分だけ輝度が高く撮影される。したがって、影の部分かどうかの判定手法として、何も投影していない状態の輝度とほぼ一定の輝度分布を投影した状態の輝度の差が予め設定しておいたしきい値より小さくなったかどうかで判定を行うことができる。

本発明の原理を証明するために実験を行った。図５は、この実験を行った実験装置の構成を示す図である。ラインセンサの代わりに２次元ＣＣＤカメラ１４を用い、特定の１ライン上の輝度分析を抽出した。被計測物体の移動は行わず、液晶プロジェクタ１６を用いて、上述したような３つの状態を実現した。すなわち、何も投影しない状態を実現するために表示輝度の低いパターン（暗パターン）を投影し、斜め方向からほぼ一定の輝度分布を持つ光を投影した状態を実現するために表示輝度の高いパターン（明パターン）を投影し、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を投影した状態を実現するために濃度傾斜パターンを投影した。

先ず、白色基準平面１８を撮影することで、高さ変換テーブル作成用の画像データを取得した。白色基準平面１８は、９０ｍｍの計測範囲内をｚ方向方向に平行移動させることができるようにした。２次元ＣＣＤカメラ１４をｈ＝１４００ｍｍの位置に設置し、液晶プロジェクタ１６と２次元ＣＣＤカメラ１４の間隔を４００ｍｍとした。白色基準平面１８をｈ＝０ｍｍから１５ｍｍずつ９０ｍｍまで移動し、それぞれの位置において、液晶プロジェクタ１６によって暗パターン、明パターン及び濃度傾斜パターンを斜め方向から投影して、２次元ＣＣＤカメラ１４によって撮影した。

図６は、暗パターンを投影した時の白色基準面１８の輝度分布を示すグラフである。この場合、白色基準平面１８の位置にかかわらず、輝度はほぼ一定になっていることがわかる。図７は、明パターンを投影した時の白色基準面１８の輝度分布を示すグラフである。この場合も、白色基準平面１８の位置にかかわらず、輝度はほぼ一定になっていることがわかる。図８は、濃度傾斜パターンを投影した時の白色基準面１８の輝度分布を示すグラフである。この場合、白色基準面１８の位置によって輝度が異なっていることがわかる。図６〜８に示した輝度から、各画素ごとに高さ変換テーブルを作成した。

次に、４０ｍｍの段差が２段ある階段状の物体に対して、液晶プロジェクタ１６によって暗パターン、明パターン及び濃度傾斜パターンを斜め方向から投影して、２次元ＣＣＤカメラ１４によって撮影した。図９は、このようにして得られた輝度分布を示すグラフである。この輝度分布に上記で作成した高さ変換テーブルを用いて、高さ分布を求めた。図１０は、このようにして得られた高さ分布である。ほぼ４０ｍｍ間隔の段差として計測できていることがわかる。

本発明による形状計測方法の原理を説明する図である。 高さ変換テーブルを作成する方法を説明する図である。 高さ変換テーブルの作成を説明するグラフである。 影の部分が発生する状況を説明する図である。 本発明の原理を証明する実験装置の構成を示す図である。 暗パターンを投影した時の白色基準面の輝度分布を示すグラフである。 明パターンを投影した時の白色基準面の輝度分布を示すグラフである。 濃度傾斜パターンを投影した時の白色基準面の輝度分布を示すグラフである。 実験によって得られた輝度分布を示すグラフである。 実験によって得られた高さ分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 基準平面
２ 物体
３ 基準面
４ 第１ラインセンサ
６ 第２ラインセンサ
８ 第３ラインセンサ
１０ 第１プロジェクタ
１２ 第２プロジェクタ
１４ ２次元ＣＣＤカメラ
１６ 液晶プロジェクタ
１８ 白色基準平面

Claims (6)

1. 基準平面上をほぼ一定速度で移動する物体の形状を測定する形状計測方法において、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に配置された第１ラインセンサによって前記物体を撮影するステップと、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第１ラインセンサとある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第２ラインセンサによって、斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射された前記物体を撮影するステップと、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第２ラインセンサと前記ある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第３ラインセンサによって、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を照射された前記物体を撮影するステップと、
   前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ_１、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_２、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_３とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ_２−Ｉ_１）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、前記高さｈをｈ＝Ｆ^−１（Ｊ）によって決定するステップとを含むことを特徴とする形状計測方法。
2. 基準平面上をほぼ一定速度で移動する物体の形状を測定する形状計測方法において、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に配置された第１ラインセンサによって前記物体を撮影するステップと、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第１ラインセンサとある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第２ラインセンサによって、斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射された前記物体を撮影するステップと、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に、前記第２ラインセンサと前記ある距離だけ前記物体の移動方向に離れて配置された第３ラインセンサによって、斜め方向から濃度傾斜パターンを有する光を照射された前記物体を撮影するステップと、
   前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ _１ 、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _２ 、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _３ とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、予め輝度比Ｊと高さｈとの関係を求めておいてテーブル化しておき、輝度比Ｊから前記テーブルを参照して高さｈを決定するステップとを含むことを特徴とする形状計測方法。
3. 請求項１又は２に記載の形状計測方法において、ある点における前記第１ラインセンサによって得られた輝度と前記第２ラインセンサによって得られた輝度との差が予め設定しておいたしきい値より小さくなった場合、該点を前記投影した光の影になる部分とみなすステップをさらに含むことを特徴とする形状計測方法。
4. 基準平面上をほぼ一定速度で移動する物体の形状を測定する形状計測装置において、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に配置され前記物体を順番に撮影するように等間隔で配置された第１、第２及び第３ラインセンサと、
   前記第２ラインセンサが撮影する場所に斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射する第１プロジェクタと、前記第３ラインセンサが撮影する場所に濃度傾斜パターンを有する光を斜め方向から照射する第２プロジェクタとを具え、
   前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ_１、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_２、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ_３とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、前記高さｈをｈ＝Ｆ^−１（Ｊ）によって決定するように構成したことを特徴とする形状計測装置。
5. 基準平面上をほぼ一定速度で移動する物体の形状を測定する形状計測装置において、
   前記基準平面に対してほぼ垂直に配置され前記物体を順番に撮影するように等間隔で配置された第１、第２及び第３ラインセンサと、
   前記第２ラインセンサが撮影する場所に斜め方向からほぼ一定の輝度分布の光を照射する第１プロジェクタと、
   前記第３ラインセンサが撮影する場所に濃度傾斜パターンを有する光を斜め方向から照射する第２プロジェクタと、
   前記第１ラインセンサによって撮影された前記物体のある点の輝度をＩ _１ 、前記第２ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _２ 、前記第３ラインセンサによって撮影された前記物体の同じ点の輝度をＩ _３ とし、輝度比Ｊ＝（Ｉ _３ −Ｉ _１ ）／（Ｉ _２ −Ｉ _１ ）を前記物体の同じ点における高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表し、予め輝度比Ｊと高さｈとの関係を求めてテーブル化された、輝度比Ｊから高さｈを決定するためのテーブルとを具えることを特徴とする形状計測装置。
6. 請求項４又は５に記載の形状計測装置において、ある点における前記第１ラインセンサによって得られた輝度と前記第２ラインセンサによって得られた輝度との差が予め設定しておいたしきい値より小さくなった場合、該点を前記投影した光の影になる部分とみなすように構成したことを特徴とする形状計測装置。

Images