JP4052323B2 - ３次元測定システム - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の３次元形状を非接触で測定する３次元測定システムに関する。

従来において、測定対象物の３次元形状を測定するために、しばしば非接触による３次元測定（３次元計測）が行われる。３次元測定には、レンズ焦点法やステレオ画像法などの受動型と、光レーダ法や光投影法などの能動型とがある。ステレオ画像法では、例えばカメラによって互いに異なる複数の位置から測定対象物を撮影し、得られた複数の画像から三角測量の原理によって、測定対象物上の各点の３次元座標を算出する。また、光投影法では、測定対象物に対して検出光を投射し、測定対象物からの反射光を撮像素子で受光する。検出光としてスリット光を用いたものがスリット光投影法（光切断法ともいう）である。スリット光投影法では、スリット光を偏向して測定対象物を光学的に走査し、測定対象物の表面形状に基づくスリット光の変形の程度から、三角測量の原理によって測定対象物上の各点の３次元座標を算出する。

さて、１つの測定対象物についての完全な３次元形状データを得るには、その測定対象物に対して複数回の３次元測定を行い、得られた複数の３次元形状データを繋ぎ合わせて統合する必要がある。

従来より、３次元測定器による測定対象物の測定は、オペレータによる手動操作によって行われるのが一般である。３次元測定やその他の種々の測定を支援するために、測定対象物の設計情報やＣＡＤ情報を参照することも行われている（特許文献１）。

また、被測定物の表面上に設定された複数の計測点に対応した計測経路上の非接触変位計の３次元位置情報を求めることによって表面形状寸法を精度良く測定する装置が提案されている（特許文献２）。

しかし、測定対象物の表面形状によっては、３次元測定器による測定の不可能な部分ができてしまう場合がある。つまり、現実に存在する３次元測定器には、測定可能な画角、分解能、測定精度、１回の測定に要する時間など、それぞれの仕様が定まっている。３次元測定器の仕様によって、測定対象物の全部の表面形状を測定できない場合がある。例えば、測定対象物の表面形状が複雑であったり細い穴が設けられていた場合には、どの方向から測定しても死角（オクルージョン）が発生し、測定できない部位が生じてしまうことがある。従来においては、オペレータの経験や勘によってできる限りの３次元測定を行っているのが現状である。
特開２００２ー３２８９５２ 特公平７ー１８６９８

上に述べたように、測定対象物を３次元測定器で測定する場合に、結局はオペレータのノウハウに依っているのが現状である。そのため、熟練したオペレータが試行錯誤して測定のための最適の位置関係を判断したり、また１箇所の測定のためにオペレータが試行錯誤的に何回も測定を行って時間を費やすことがあった。複数の３次元測定器を使用する場合にはそれぞれについて試行錯誤的に測定を行うこともあった。また、測定のために多くの時間を費やしても結局測定が不可能であったということがあった。

このような時間と労力の無駄が生じるのは、現実に使用可能な３次元測定器によって測定対象物のどこまでが測定可能であるのかが分からず、３次元測定をオペレータのノウハウに頼っているからである。

したがって、本発明の目的は、３次元測定器を用いた測定対象物の測定において、３次元測定器によって測定可能な部位とそうでない部位との判別をオペレータにではなく自動的に行わせることにより、測定に要する時間および労力を削減することである。

本発明に係るシステムは、測定対象物の３次元形状を非接触で測定する３次元測定システムであって、前記測定対象物の位置および姿勢を示す配置情報を取得する手段と、前記測定対象物についてその形状を表す寸法データ、および、材料または表面状態を表す特性情報を含む設計形状情報を当該測定対象物についてのＣＡＤデータから取得する手段と、１つまたは複数の３次元測定器についてその性能である測定可能な画角、分解能、測定精度、および当該３次元測定器の寸法形状を含む仕様情報を取得する手段と、取得された前記配置情報、前記設計形状情報、および前記仕様情報に基づいて、前記測定対象物の測定対象部位の表面の反射率または反射光量が所定値の範囲外である場合、または前記測定対象物の測定対象部位に対する３次元測定器による測定方向に干渉物がありかつ当該干渉物を回避することが不可能である場合、または、測定対象部位の公差が３次元測定器の精度および分解能以内でない場合のいずれかの場合に、当該測定対象部位は測定不可能部位であると判別する、判別手段と、判別した前記測定不可能部位を出力する出力手段と、を有する。

また、前記出力手段は、前記測定可能部位を表示装置の表示面に表示する。また、前記判別手段は、前記測定可能部位を判別するに当たって、前記３次元測定器によって前記測定可能部位を測定する際の最適の測定条件をも判別し、前記出力手段は、判別した前記最適の測定条件を出力する。

また、前記３次元測定器を移動させて位置決めを行うことの可能なマニピュレータを有し、前記マニピュレータは、前記出力手段から出力される前記最適の測定条件に基づいて制御されるように構成される。

前記設計形状情報として、前記測定対象物のＣＡＤデータから得た情報、３次元測定器により測定されて得られたマスター測定形状データ情報などを用いることが可能である。前記特性情報として、前記測定対象物のＣＡＤデータから得た情報、ユーザが入力手段を操作することによって入力された情報などを用いることが可能である。

本発明によると、３次元測定器を用いた測定対象物の測定において、測定不可能な部位の判別を自動的に行うことにより、測定に要する時間および労力を削減することができる。

図１は本発明に係る３次元測定システム１の構成を示すブロック図である。

図１において、３次元測定システム１は、処理装置１１、表示装置１２、キーボード１３ａやマウス１３ｂなどの入力装置１３、ＣＡＤシステム１４、制御装置１５、およびマニピュレータ１６などからなっている。

処理装置１１は、処理ユニット（ＣＰＵ）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、各種メディアドライブ装置、および各種ネットワークインタフェース、制御用のインタフェース、その他のインタフェースなどを備える。ハードディスクには、処理のために必要な種々の記憶領域が割り当てられ、本実施形態の特徴である測定対象物Ｑの３次元測定可能部位の判別のための処理を行うプログラム、判別結果を種々の機器に対して出力するためのプログラム、その他の種々のプログラム、およびデータなどがインストールされている。プログラムまたはデータの一部または全部をＲＯＭに記憶させることも可能である。プログラムおよびデータは、必要に応じてＲＡＭにロードされ、処理ユニットによってプログラムが実行される。そのようなプログラムは、種々のメディアから転送し、またはネットワークＮＷを介してダウンロードすることが可能である。

表示装置１２は、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＣＲＴなどによって、後に述べる種々の画面ＨＧ、種々のデータ、画像、メッセージなどを表示面に表示するものである。表示装置１２は、１台のみが用いられる場合もあるが、複数台が用いられることもある。また、通常、表示装置１２はマルチウインドウの表示が可能である。

入力装置１３は、オペレータ（ユーザ）が操作することによって、後述する測定対象物の配置情報、設計形状情報、または特性情報、並びに３次元測定器ＶＤの仕様情報（特性情報）などを入力することが可能である。なお、３次元測定器ＶＤは、１台とは限らず、複数台が用いられることがある。

これら、処理装置１１、表示装置１２、および入力装置１３として、いわゆるパーソナルコンピュータを用いることが可能である。

ＣＡＤシステム１４は、種々の機械装置、製品、実用品、その他の物品についてのＣＡＤデータを作成しまたは蓄積するものである。つまり、ＣＡＤデータには、物品についての設計図面および寸法データなどの設計形状情報の他、物品を構成する各部に用いられる材料、材質、各部の表面粗さ、寸法公差などの特性情報が含まれている。ＣＡＤシステム１４は、処理装置１１とネットワークＮＷを介して接続されており、処理装置１１の要求に応じて、それらのＣＡＤデータの全部または一部を処理装置１１に転送することが可能である。なお、ＣＡＤデータは、ネットワークを介さずに、ファイルベースでの受け渡しも可能である。

制御装置１５は、処理装置１１からの指令に基づいてマニピュレータ１６を制御する。つまり、処理装置１１は、測定対象物Ｑの３次元測定可能部位の判別を行うに際し、３次元測定器ＶＤによって測定可能部位を測定（計測）する際の最適の測定条件をも判別することが可能である。３次元測定器ＶＤが複数台ある場合には、それぞれの３次元測定器ＶＤについて、測定可能部位の判別、および最適の測定条件の判別が必要に応じて行われる。

制御装置１５は、処理装置１１から最適の測定条件を示す信号を取得し、その信号に基づいてマニピュレータ１６を制御することが可能である。マニピュレータ１６は、そのアームの先端部の所定の位置に３次元測定器ＶＤが取り付けられたときに、３次元測定器ＶＤを移動させて位置決めを行うことが可能である。３次元測定器ＶＤは、位置決めされた位置において、処理装置１１からの指令に応じて３次元測定を実行する。

制御装置１５は、また、測定対象物Ｑの位置および姿勢を示す配置情報ＨＪなどを入力するための入力部、配置情報ＨＪを設定しておくための配置情報記憶部などを有する。

図１において、測定対象物Ｑは、３次元測定のために、所定の位置に所定の姿勢でセットされる。通常、測定対象物Ｑの底面を下にしてステージの上にセットされる。測定対象物Ｑの配置情報ＨＪは、測定対象物Ｑをセットしたオペレータが、入力装置１３または制御装置１５の入力部などから入力することも可能である。また、測定対象物Ｑをセットする際の位置決め装置が万全である場合には、その位置決め装置に応じて配置情報ＨＪを予め制御装置１５に設定しておくことが可能である。また、図示しない測定器によって大まかな測定を行うことによって自動的に配置情報ＨＪを取得し、適当なインタフェースを介して処理装置１１に転送することも可能である。

３次元測定器ＶＤは、上のようにセットされた測定対象物Ｑの３次元測定を行い、各部の３次元形状データＳＤを取得する。その測定に当たって、制御装置１５によって制御されるマニピュレータ１６によってその位置および姿勢が決定され、測定が行われる。測定された３次元形状データＳＤは、適当なインタフェースを介して処理装置１１に入力され、または他の適当なコンピュータに入力される。

なお、測定対象物Ｑの３次元測定に当たり、マニピュレータ１６を使用することなく、オペレータが３次元測定器ＶＤを持って、手動でその位置および姿勢を決め、測定を実行することも可能である。その場合には、オペレータは、表示装置１２の表示面に表示される測定可能部位を示す画面ＨＧを見て、３次元測定器ＶＤの位置および姿勢を決定する。

図２は処理装置１１の機能的な構成を示すブロック図である。

図２において、処理装置１１には、配置情報格納部２１、設計形状情報格納部２２、特性情報格納部２３、測定器仕様情報格納部２４、測定許容時間格納部２５、判別部２６、測定可否出力部２７、および測定条件出力部２８などが設けられる。

配置情報格納部２１には、測定対象物Ｑの配置情報ＨＪが取得されて格納される。上に述べたように、配置情報ＨＪは、入力装置１３または制御装置１５などから取得することが可能である。配置情報格納部２１には、基本的には、現にセットされた測定対象物Ｑの配置情報ＨＪが格納されることとなる。

設計形状情報格納部２２には、測定対象物Ｑの設計形状情報ＫＪが取得されて格納される。設計形状情報ＫＪは、ＣＡＤシステム１４から所定のデータを転送することによって取得することが可能である。また、３次元測定器ＶＤによって測定対象物Ｑを３次元測定することによって取得することも可能である。さらに、図示しない別の３次元測定器によって測定対象物Ｑを３次元測定することによって取得することも可能である。このように、３次元測定器によって得られたマスター測定形状データ情報を設計形状情報ＫＪとして用いることが可能である。

特性情報格納部２３には、測定対象物Ｑの特性情報ＴＪが取得されて格納される。特性情報ＴＪは、上に述べたように、材料、材質、表面粗さ、色、表面の反射率、透過率、寸法公差、寸法精度などである。特性情報ＴＪは、ＣＡＤシステム１４から所定のデータを転送することによって取得することが可能である。また、入力装置１３から入力することも可能である。

測定器仕様情報格納部２４は、３次元測定器ＶＤの仕様情報ＳＪ、つまり、３次元測定器ＶＤにより測定可能な画角、分解能、測定精度、１回の測定に要する時間、３次元測定器ＶＤの寸法形状などを格納する。仕様情報ＳＪは、また、測定器特性情報と言い替えることも可能である。仕様情報ＳＪは、３次元測定器ＶＤからそれらに関連するデータを転送することによって取得可能である。また、入力装置１３から入力することも可能である。

測定許容時間格納部２５は、測定対象物Ｑを３次元測定器ＶＤで測定するに当たり、測定に許される測定許容時間ＫＴ、または測定に許容される測定許容回数ＫＫを格納する。測定許容時間ＫＴまたは測定許容回数ＫＫは、オペレータが入力装置１３から入力して設定することが可能である。また、ＣＡＤシステム１４が所有する測定対象物Ｑについての種々の情報に基づいて、測定許容時間ＫＴまたは測定許容回数ＫＫを自動的に算出しまたは決定するようにしてもよい。

なお、設計形状情報格納部２２および特性情報格納部２３には、複数の測定対象物Ｑについての設計形状情報ＫＪおよび特性情報ＴＪを格納することが可能である。また、測定器仕様情報格納部２４には、複数の３次元測定器ＶＤについての仕様情報ＳＪを格納することが可能である。測定許容時間格納部２５には、複数の３次元測定器ＶＤまたは複数の測定対象物Ｑについての測定許容時間ＫＴまたは測定許容回数ＫＫを格納することが可能である。

判別部２６は、配置情報ＨＪ、設計形状情報ＫＪ、特性情報ＴＪ、仕様情報ＳＪ、および、測定許容時間ＫＴまたは測定許容回数ＫＫに基づいて、測定対象物Ｑの表面形状について、３次元測定器ＶＤによる測定可能部位ＫＢを判別する。つまり、測定対象物Ｑについて、測定可能部位ＫＢおよび測定不能部位ＨＢを示すことが可能である。測定可能部位ＫＢの判別とともに、その最適の測定条件ＳＣの判別も行われ、測定可能部位ＫＢについて最適の測定条件ＳＣを示すことが可能である。

測定可否出力部２７は、判別部２６で判別された測定可能部位ＫＢおよび測定不能部位ＨＢについての情報を、表示装置１２、制御装置１５、その他の機器などに出力する。測定条件出力部２８は、測定条件ＳＣについての情報を、同様に外部の機器に出力する。

次に、処理装置１１における判別処理を中心にして、３次元測定システム１の動作、操作、および処理の手順、並びに作用などを説明する。

図３は処理装置１１が実行する３次元測定の可能部位判別処理を示すフローチャート、図４は判別パラメータ算出処理を示すフローチャート、図５は干渉回避処理を示すフローチャート、図６は干渉回避処理の様子を示す図、図７は測定可否判別の例を示す図である。

図３に示す測定可能部位判別処理は、測定対象物Ｑの各部位（測定部位ＢＵ）単位で実行される。なお、測定対象物Ｑの部位とは、例えばＣＡＤデータのプリミティブ（要素）などである。

図３において、まず、判別パラメータ算出処理を行って判別パラメータを算出する（＃１１）。次に、３次元測定器ＶＤによる測定対象物Ｑへの測定方向を、測定対象物Ｑの表面における法線方向に設定する（＃１２）。測定対象物Ｑの測定対象となっている部位が底面であるか否かを判別する（＃１３）。測定対象部位が底面である場合には（＃１３でイエス）、測定不可能であると判別する（＃２１）。

底面以外である場合には（＃１３でノー）、特性情報ＴＪに基づいて、その部位の表面の反射率ＨＲが基準値ＳＶ１よりも低いかどうかを判別する（＃１４）。基準値ＳＶ１よりも低い場合には（＃１４でイエス）、測定不可能であると判別する（＃２１）。

反射率ＨＲが基準値ＳＶ１よりも高い場合には、同じ部位の正反射率ＳＲが基準値ＳＶ２よりも高いか否かを判別する（＃１５）。基準値ＳＶ２よりも高い場合には（＃１５でイエス）、測定不可能であると判別する（＃２１）。

次に、３次元測定器ＶＤによる測定方向に干渉物がないか否かを判別する（＃１６）。干渉物があれば、干渉回避処理を実行する（＃１８）。干渉回避処理によっても回避不可能であれば（＃１９でノー）、測定不可能であると判別する（＃２１）。

干渉物がない場合（＃１６でノー）、および干渉物があっても回避可能である場合には（＃１９でイエス）、特性情報ＴＪおよび仕様情報ＳＪに基づいて、測定対象部位の公差が３次元測定器ＶＤの精度および分解能以内であるか否かを判別する。つまり、測定対象部位の寸法が公差の範囲に入っているか否かを３次元測定器ＶＤの精度および分解能で測定可能であるか否かを判別する（＃１７）。ステップ＃１７でイエスであれば、測定可能であると判別する（＃２０）。

図４に示す判別パラメータ算出処理によって、各部位の判別パラメータＨＰが算出される。判別パラメータＨＰとは、例えば、測定対象物Ｑの測定対象部位における、形状の法線ベクトル、表面の反射率ＨＲ、正反射の量、法線ベクトルに対する測定限界角度などである。ここでは、法線ベクトル、測定限界角度、反射率、および正反射について計算を行うことを想定する。

設計形状情報ＫＪに基づく測定対象物Ｑの形状データから、法線ベクトル（ｎ）を計算する（＃３１）。仕様情報ＳＪに基づいて、３次元測定器ＶＤの基線長情報、画角、測定距離から、測定対象物Ｑの法線方向に対する測定限界角度を計算する（＃３２）。特性情報ＴＪに基づく測定対象物Ｑの色から、当該部位の表面の反射率を求める（＃３３）。この場合に、例えば、色と反射率との変換テーブルを設けておき、変換テーブルから特性情報ＴＪに基づく当該部位の色に対応する反射率または受光光量を読み出すようにすればよい。また、色と反射率との変換のための変換式によって反射率または受光光量を算出してもよい。

例えば、３次元測定器ＶＤの投射光源（レーザー光、スリット光など）の分光強度、測定対象物Ｑの分光反射率、拡散特性、および、測定対象物Ｑと３次元測定器ＶＤとの距離および方向などの位置関係などから受光光量（受光強度）を求め、求められた受光光量が３次元測定器ＶＤの仕様情報ＳＪにより決まる所定の値よりも大きい場合に測定可能であると判別する。

次に、受光光量の計算例について説明する。

まず、測定対象物Ｑの該当する測定部位ＢＵを試料として、試料の表面での拡散反射特性をｆ（θ，φ）とする。但し、φは試料面への入射光（投射光）の入射角度、θは試料面での反射光の反射角度である。これらθ，φは、図２２のように表される。

試料面の分光反射率特性をρ（λ）とする。ここでは、簡単のために試料素材で決定するものとする。

３次元測定器ＶＤの投光部（Source) の特性に関し、相対分光分布をｓ（λ）とし、相対強度をＰとする。また、受光部（Dtector)の分光応答度特性をＤ（λ）とする。受光部と試料との間の距離をｄとする。投光部の光源をレーザーとすると、光源から試料までの距離ｄによる減衰は無視でき、反射光の距離減衰のみを考慮すると、受光光量Ａ（φ，θ）は次の式（１）式で示される。

ここで、ｋは定数である。

試料と３次元測定器ＶＤとの配置関係が図２３に示されている。これらの関係から受光光量Ａ（φ，θ）を求めることができる。

実際の実現時には、Ｐ、ｓ（λ）、Ｄ（λ）は、装置関数として決まるので、様々な種類の試料（材質や表面状態）について、ｆ（θ，φ）、ρ（λ）を測定してデータを得ておき、データベース化しておけばよい。つまり、試料である測定対象物Ｑの測定可否を事前に判別する場合に、評価したい３次元測定器ＶＤと測定対象物Ｑとの位置関係において、３次元測定器ＶＤの投光部および受光部の配置（距離）と測定対象物Ｑの測定部位ＢＵとの位置関係によって、φ，θ，ｄが決まるので、試料の材質によって予め求められているρ（λ）のデータを用いることにより、受光光量Ａ（φ，θ）を推定することができるのである。

図４に戻って、測定対象物Ｑの正反射の量は、式（１）の入射角度と反射角度を同一にすることで求められるので、これを基に正反射の量を算定する（＃３４）。

なお、測定対象物Ｑの表面粗さから正反射の量を算定してもよい。その場合において、表面粗さと正反射の量との変換テーブル、または変換式などを用いることが可能である。表面粗さは、ＪＩＳで規定される各種のパラメータの値、三角記号、その他のパラメータなどで示すことが可能である。表面粗さに応じて、表面の拡散特性が影響を受ける。

なお、測定対象物Ｑの表面の反射率、および正反射の量については、オペレータが手動で入力することも可能である。

また、３次元測定器ＶＤの死角とは、３次元測定器ＶＤの配置は可能であるが測定方向に干渉部位が存在することを示す。死角の判定方法として、３次元測定器ＶＤの光学情報、例えば、測定光源であるレーザー光の射出位置、レンズ中心、受光素子の位置などから、レーザーベクトル（投光ベクトル）および視線ベクトル（受光素子がその位置を見ている方向）を計算することが可能である。この２つのベクトルに測定対象部位以外の部位が存在する場合は、死角であると判定する。

図５および図６を参照して、まず、判別パラメータＨＰから測定限界角度αを取得する（＃４１）。測定限界角度αによって、測定限界方向、つまり法線方向から測定限界角度αだけ傾斜した方向が得られる。測定許容回数ＫＫまたは測定許容時間ＫＴから、ループ回数Ｎを求める（＃４２）。

法線ベクトル（ｎ）と測定限界方向（ＬＩＭＩＴ）との差を示す探索方向ベクトル（Ｖｓ）をＮ分割し、これをベクトルｖｓとする（＃４３）。ベクトルｖｓは、干渉回避のための探索における１回当たりの変化分ベクトルである。法線ベクトル（ｎ）に変化分ベクトルｖｓを加える毎に、チェックすべき測定方向ベクトルが得られる。

そこで、変数ｉを「１」に初期設定し（＃４４）、変数ｉがＮ以上になるかまたは干渉物がなくなるまで以下のループを繰り返す（＃４５〜４９）。すなわち、測定方向ベクトル（ｎ＋ｉ×ｖｓ）に干渉物または干渉する部位が存在するか否かを判別する（＃４５）。干渉物が存在する場合には、変数ｉをインクリメントし（＃４６）、変数ｉがＮに達するまで繰り返す（＃４７）。３次元測定器ＶＤの死角ではない場合、および３次元測定器ＶＤの位置に干渉する部位がない場合には、ループを抜けてそのときの測定方向ベクトル（ｎ＋ｉ×ｖｓ）を測定方向として確定する。

このようにして、測定対象物Ｑの各部位の３次元測定が可能であるか否かを判別し、可能である場合にその測定方向を決定する。ここで決定された測定方向は、法線方向に最も近い方向であるので、最適の測定方向、つまり最適の測定条件であるといえる。

図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、基線長の互いに異なる２つの３次元測定器ＶＤ１，２があるとする。そこで、図７（Ａ）に示すように基線長の長い３次元測定器ＶＤ１で測定する場合には、穴ＡＮの測定において他の部位が干渉してしまい、測定不可能である。これに対して、図７（Ｂ）に示すように基線長の短い３次元測定器ＶＤ２で測定する場合には、穴ＡＮの底まで測定が可能である。このように、複数の３次元測定器ＶＤの仕様情報ＳＪを取得して測定器仕様情報格納２４に格納しておくことによって、穴ＡＮの大きさまたは形状など、測定対象物Ｑの部位の形状寸法に応じて使用する３次元測定器ＶＤを選択することができ、より短時間でより精度の高い測定を行うことが可能となる。

次に、３次元測定器ＶＤが複数台ある場合の優先度を決定する方法の例を説明する。例えば、第１および第２の２つの３次元測定器ＶＤ１，２があるとする。その場合に、まず、第１の３次元測定器ＶＤ１で測定可否判別を実行し、その判別結果を保持する。次に、第２の３次元測定器ＶＤ２で測定可否判別を実行する。そして、第２の３次元測定器ＶＤ２で測定可能と判別された部位（領域）が、既に第１の３次元測定器ＶＤ１で測定可能と判別されている場合に、それぞれの１回の測定当たりの測定可能領域の大きさを比較し、測定可能領域の大きい方を用いることとする。測定可能領域の大きさが同じである場合には、測定精度の高い３次元測定器ＶＤを用いることとする。なお、測定可能領域の大きさは、仕様情報ＳＪから得られる画角、または被写界深度などから計算することが可能である。

次に、測定条件ＳＣの決定方法について、順番に説明する。測定条件ＳＣには、３次元測定器ＶＤによる測定位置および３次元測定器ＶＤの姿勢を含む。
（１） 全ての３次元測定器ＶＤについて、測定可否判別を行う。
（２） 同一の３次元測定器ＶＤでの測定可能領域を取得し、その領域に対応する測定条件設定済み情報を用意し、それを「測定条件未設定」に設定しておく。
（３） 測定条件設定済み情報が「測定条件未設定」の測定可能領域（以下、「未設定領域」という）から、測定可否判別の際に干渉回避処理を通らなかった候補点を１点抽出する。
（４） 抽出した候補点についての最適な測定条件を検出する。
（５） その測定条件で測定される周辺領域を検出する。
（６） 周辺領域に含まれる未設定領域の大きさがしきい値以上になったら、測定条件を出力し、この測定条件で測定される領域に対し、測定条件設定済み情報に「測定条件設定済」を設定し、上の（３）に戻る。未設定領域の大きさがしきい値以下である場合、つまり一定の大きさに満たない場合には、候補点の近傍点について最適な測定条件とその条件での周辺領域の大きさを計算し、最大の点を新たな候補点として上の（４）に戻る。なお、しきい値として、出力された測定条件数に反比例するような値を設定することが可能である。設定済みの領域が増えるとしきい値を満たさないケースが頻発するおそれがある。
（７） 全ての測定可能領域での測定条件設定済み情報に「測定条件設定済」が設定されると、処理を終了する。なお、測定条件設定済み情報に対応する測定条件のＩＤも併せ持つこととする。最初に「測定条件設定済」と設定されたときのＩＤを優先する。

次に、測定可否の表示方法の例を説明する。
（１） 表示装置１２が複数台用いられる場合には、例えば、そのうちの１台に、測定可能部位ＫＢおよび測定不能部位ＨＢを含む測定可否情報を色分けして表示する。そのときに、３次元測定器ＶＤが複数台ある場合にいずれの３次元測定器ＶＤを使用するかをも表示する。他の１台の表示装置１２には、３次元測定器ＶＤによって実際に測定を行った結果を表示する。

これによって、測定可能部位ＫＢと測定不能部位ＨＢとがオペレータに予め分かり、オペレータが手動で測定を行う場合にその段取りが容易となるとともに、測定不能部位ＨＢの測定のために無駄な努力をすることがなくなって測定の時間短縮が図られる。また、測定対象物Ｑの測定をどこまで行ったのかが一目瞭然となり、これによっても測定の時間短縮が期待できる。

なお、複数台の表示装置１２を用いる代わりに、１台の表示装置１２でマルチウインドウ表示した場合も同様の効果が望める。
（２） 特性の互いに異なる複数台の３次元測定器ＶＤが使用可能な場合に、それぞれの部位についてどの３次元測定器ＶＤを使用すべきか、また、いずれの３次元測定器ＶＤでも測定不可能な部位であるかを、色分けして表示する。また、文字によるメッセージやグラフィック表示などで示す。これによって、効率的に測定を行うことができる。

次に、具体例について説明する。具体例１〜５については、３次元測定器ＶＤによる実際の測定をオペレータが手動で行うとし、具体例６については、マニピュレータ１６を使用して自動で行うものとした。しかし、これに係わらず、それぞれの例において、手動または自動のいずれの測定に対しても適用可能である。
〔具体例１〕
図８は具体例１で用いる測定対象物Ｑ１の形状を示す図、図９は測定対象物Ｑ１の法線ベクトルを示す図、図１０は穴である測定部位ＢＵ２の測定可否判別の様子を示す図、図１１は穴である測定部位ＢＵ３の測定可否判別の様子を示す図、図１２は測定対象物Ｑ１についての測定可否判別結果を表示した測定可否判別画面ＨＧ１を示す図である。

具体例１において、説明を簡便にするため、測定対象物Ｑ１の形状は２次元的に示されている。他の具体例についても同様である。

図８に示すように、測定対象物Ｑ１において、測定部位ＢＵ１，２，３…が示されている。このうち、測定部位ＢＵ２，３は穴ＡＮである。

測定には１台の３次元測定器ＶＤ１を用いる。使用する３次元測定器ＶＤ１について、取得した仕様情報ＳＪは次のとおりである。

分解能：０．１ｍｍ。精度：０．１ｍｍ。測定距離：６００ｍｍ。正反射が８０％以上の場合には測定不可能。測定光源に対する反射率が１０％以上で測定可能。３次元測定器ＶＤ１の大きさ。光学情報として、基線長：２５０ｍｍ、レンズ中心、光源位置、画角：３２ｍｍ×２４０ｍｍ、投光光源の色：赤色。

測定対象物Ｑ１の設計形状情報ＫＪは、例えば、３次元ＣＡＤデータから取得し、または３次元測定器で測定したマスター形状データから取得する。

また、測定対象物Ｑ１の特性情報ＴＪは次のとおりである。

色：白で反射率８０％。表面粗さより、拡散反射すると計算される表面仕上げ。公差：全ての部位で０．２ｍｍ。

これらの特性情報ＴＪを、３次元ＣＡＤデータから取得し、またはオペレータがマニュアルであらかじめ入力しておく。

まず、判別パラメータＨＰを計算する。判別パラメータＨＰとして、法線ベクトルを求める。図９には法線ベクトルが矢印で示されている。

３次元測定器ＶＤ１の仕様情報ＳＪに基づいて、測定限界角度αを計算する。この例では、分解能、画角、基線長、測定距離から、測定限界角度αを４５度と計算する。測定対象物Ｑ１の色が白で８０％であること、および投光光源の色が赤色であることから、反射率が８０％であると算定する。測定対象物Ｑ１の表面粗さから、拡散反射であると算定する。

これで判別パラメータＨＰの計算を終了し、次に測定可否の判別を行う。

まず、底面に関しては測定不可能と判別する。次に測定対象物Ｑ１の右上方から測定を開始するとして、図８に示す測定部位ＢＵ１については、次のことから測定可能部位ＫＢであると判別する。
（１）３次元測定器ＶＤ１の死角になっていない
（２）測定方向（法線方向）に干渉する部位が存在しない
（３）３次元測定器ＶＤ１の配置位置に干渉する部位が存在しない
（４）測定対象物Ｑ１の反射が基準値（１０％）より高い
（５）正反射が基準値（正反射８０％）より低い（拡散反射）
（６）公差（０．２ｍｍ）に対して、分解能（０．１ｍｍ）および精度（０．１ｍｍ）が足りている。なお、通常、公差に対して、分解能および精度が半分の値であれば測定可能である。

その他、穴である測定部位ＢＵ２，３以外の部位については、同様の判別で測定可能部位ＫＢであると判別できる。以下において、穴である測定部位ＢＵ２，３についての測定可否判別を説明する。

図１０に示すように、穴である測定部位ＢＵ２に関しては、側面および底面とも、３次元測定器ＶＤ１をどのように配置しても３次元測定器ＶＤ１の死角となるため、測定不能部位ＨＢであると判別する。

次に、図１１に示すように、穴である測定部位ＢＵ３についての測定可否判別を行う。

測定部位ＢＵ３については、次のことから測定可能部位ＫＢであると判別する。
（１）３次元測定器ＶＤ１の死角になっていない
（２）測定方向（法線方向）に干渉する部位が存在しない
（３）３次元測定器ＶＤ１の配置位置に干渉する部位が存在しない
（４）測定対象物Ｑ１の反射が基準値（１０％）より高い
（５）正反射が基準値（鏡面反射がとれない）より低い（拡散反射）
（６）公差（０．２ｍｍ）に対して、分解能（０．１ｍｍ）および精度（０．１ｍｍ）が足りている。

測定部位ＢＵ３に関して、３次元測定器ＶＤ１の理想的な配置では、３次元測定器ＶＤ１が測定対象物Ｑ１の別の部位が干渉する。そのため、干渉回避処理によって測定可否を判定する。

すなわち、図１１に示すように、３次元測定器ＶＤ１の位置を法線方向（ｎ）から測定限界方向（ＬＩＭＩＴ）までの４５度の範囲で探索を行う。その結果、干渉部位がなく測定可能であることが判明したので、側面も測定可能であると判別する。

これらの判別結果などが、測定可否出力部２７および測定条件出力部２８から出力される。図１２に示すように、表示装置１２の表示面には、出力された判別結果に基づいて、測定対象物Ｑ１の測定可能部位ＫＢおよび測定不能部位ＨＢが表示される。

図１２では、測定可否判別画面ＨＧ１において、測定可能部位ＫＢと測定不能部位ＨＢとが異なる色で表示される。その場合に、例えば、測定可能部位ＫＢは青色で、測定不能部位ＨＢは赤色で表示される。

オペレータは、測定可否判別画面ＨＧ１を見ることによって、３次元測定器ＶＤ１によって測定可能な部位と測定が不可能な部位とを容易に判別することができ、測定時間の短縮につなげることができる。
〔具体例２〕
次に、具体例２として、上の具体例１で想定した３次元測定器ＶＤ１と、これとは別の３次元測定器ＶＤ２とを使用して、図８に示す測定対象物Ｑ１の測定可能領域を計算する例を説明する。

図１３は測定対象物Ｑ１についての測定可否判別画面ＨＧ２を示す図である。

３次元測定器ＶＤ２の仕様情報ＳＪは次のとおりである。

分解能：０．１ｍｍ。精度：０．１５ｍｍ。測定距離：６００ｍｍ。正反射率が８０％以上の場合には測定不可能。測定光源に対する反射率が１０％以上で測定可能。３次元測定器ＶＤ２の大きさ。光学情報として、基線長：５０ｍｍ、レンズ中心、光源位置、画角：８０ｍｍ×６０ｍｍ、投光光源の色：赤色。

まず、測定対象物Ｑ１の底面に関しては、測定不可能と判別する。次に、測定対象物Ｑ１の測定部位ＢＵ１，３についての測定は、３次元測定器ＶＤ１については具体例１と同じ方法で行う。３次元測定器ＶＤ２についても、同様に判別を行うことによって、測定可能部位ＫＢであると判別される。そこで、上に説明した「優先度を決定する方法」に沿って、画角の広い３次元測定器ＶＤ１による測定を優先させる。

穴である測定部位ＢＵ２については、３次元測定器ＶＤ１を用いた場合には、具体例１と同様に、穴の側面および底面とも３次元測定器ＶＤ１をどのように配置しても死角となるために測定不可能と判別する。

しかし、３次元測定器ＶＤ２を用いる場合には、その基線長が短いので、図７（Ｂ）に示すように、穴の部分が死角になることがなく、測定可能である。

以上のことから、２つの３次元測定器ＶＤ１，２を用いた場合には、底面を除いて測定対象物Ｑ１の全周を測定することが可能である。

図１３に示すように、表示装置１２の表示面には、測定対象物Ｑ１の測定可能部位ＫＢおよび測定不能部位ＨＢが表示されるとともに、測定可能部位ＫＢについては、いずれの３次元測定器ＶＤ１，２を用いて測定すればよいかが示される。

図１３では、測定可否判別画面ＨＧ２において、３次元測定器ＶＤ１によって測定可能な測定可能部位ＫＢ１、３次元測定器ＶＤ２によって測定可能な測定可能部位ＫＢ２、および測定不能部位ＨＢが、互いに異なる色で表示される。その場合に、例えば、測定可能部位ＫＢ１は青色で、測定可能部位ＫＢ２は緑で、測定不能部位ＨＢは赤色で表示される。
〔具体例３〕
次に、具体例３として、１つの３次元測定器ＶＤ１を用い、そのレンズの種類を変更することによって仕様を変更した場合の例について説明する。ここでは、レンズの交換によって、画角および精度を変更した場合について説明する。画角の広いレンズをワイド、狭いレンズをテレと言うこととする。

分解能および精度：ワイドでは０．２ｍｍ、０．２ｍｍ、テレでは０．０５ｍｍ、０．これ以外の仕様情報ＳＪは具体例１と同じである。

図１４は具体例３で用いる測定対象物Ｑ２を示す図、図１５は測定対象物Ｑ２についての測定可否判別画面ＨＧ３を示す図である。

図１４に示すように、測定対象物Ｑ２は、長方形の周囲の１か所に小さなリブＲＢが突出している。測定対象物Ｑ２の特性情報ＴＪには、各測定部位ＢＵの公差を含み、指定なしで０．５ｍｍ、リブＲＢの部分０．１ｍｍとする。それ以外の特性は具体例１と同じである。

画角は、ワイドの場合に４００×３２０ｍｍ、テレの場合に１００×８０ｍｍである。

まず、測定対象物Ｑ２の底面に関しては測定不可能と判別する。次に、測定対象物Ｑ２の形状の判定より、干渉および面状態などの判定において測定可能と判別される。リブＲＢの部分については、測定対象物Ｑ２に設定された公差０．１ｍｍに対し、ワイドでは測定機の精度および分解能が０．２ｍｍであり、これでは不十分であるため、ワイドレンズでは測定不可能と判別する。テレレンズでは、公差０．１ｍｍに対し、精度および分解能が０．０５ｍｍであるので測定可能と判別する。

それ以外の部分については、ワイドレンズでもテレレンズでも測定可能であるが、「優先度を決定する方法」に沿って、１回当たりの測定の面積の大きいワイドレンズを用いて測定することとする。

このように、リブＲＢの部分のみをテレレンズを用い、それ以外の部分をワイドレンズを用いることで、公差判定に耐え得る測定結果を得ることができる。

図１５に示すように、測定対象物Ｑ２についての測定可否判別画面ＨＧ３において、ワイドによる測定可能部位ＫＢ３が青色で、テレによる測定可能部位ＫＢ４が緑色で示されている。
〔具体例４〕
次に、具体例４として、測定部位ＢＵに応じて鏡面反射があったり表面色が異なったりする例について説明する。

図１６は具体例４で用いる測定対象物Ｑ３を示す図、図１７は測定対象物Ｑ３についての測定可否判別画面ＨＧ４を示す図である。

３次元測定器ＶＤ１の仕様情報ＳＪは具体例１と同様である。測定対象物Ｑ３の特性情報ＴＪは、基本的には具体例１と同じであるが、次の点で異なる。

すなわち、測定部位ＢＵ４：鏡面反射（正反射率９５％）、測定部位ＢＵ５：表面色が黒（反射率５％）。

まず、底面に関しては測定不可能と判別する。測定部位ＢＵ４については、正反射判定において測定不可能と判別する。つまり、３次元測定器ＶＤ１は正反射率が８０％以上の場合には測定不可能である。測定部位ＢＵ５については、反射率判定において測定不可能と判別する。つまり、３次元測定器ＶＤ１は、反射率が１０％以上の場合に測定可能であるに対し、反射率が５％であるからである。それ以外の測定部位ＢＵについては、反射率、正反射量、干渉がないこと、精度など、全ての条件が満たされるので、測定可能であると判別する。

図１７に示すように、測定対象物Ｑ３についての測定可否判別画面ＨＧ４において、測定可能部位ＫＢが例えば青色で、測定不能部位ＨＢが例えば赤色で、それぞれ示されている。
〔具体例５〕
次に、具体例５として、測定許容回数ＫＫを判別に使用する例について説明する。

図１８は具体例５で用いる測定対象物Ｑ４を示す図、図１９は測定対象物Ｑ４についての測定可否判別画面ＨＧ５を示す図である。

３次元測定器ＶＤ１の仕様情報ＳＪは具体例１と同様である。測定対象物Ｑ３の形状は、図１８に示すように円柱形状であり、特性情報ＴＪは基本的には具体例１と同じである。

設計形状情報ＫＪなどに基づいて、干渉の有無、表面の状態などが判定され、これらについては測定可能と判別される。測定対象物Ｑ４について、円柱の側面および上面の３次元形状データＳＤを切れ目なく取得しようとした場合には、横方向からの測定が８回、上方向からの測定が１回、計９回の測定が必要である。

ここでは、測定許容回数ＫＫとしてオペレータが７回と指定した場合について説明する。測定許容回数ＫＫが７回と指定された場合には、７回の測定によって測定対象物Ｑ４の底面を除く全体の表面形状がある程度把握できるような３次元測定器ＶＤ１の配置を計算し、それによる測定可能領域を出力する。具体的には次の手順で処理を行う。
（１） 測定可否判別を行う。この例では、底面以外は全て測定可能である。
（２） 測定可能領域情報を出力する。
（３） 測定条件についての計算を行い、得られた測定条件に基づいて、１回の測定での測定領域が大きい順番に並べ替える。測定条件についての計算に際しては、上に述べた測定条件ＳＣの決定方法に沿って行う。
（４） 測定許容回数ＫＫの範囲内で測定領域の大きさ（面積）の和を最大にする測定条件を決定する。
（５） 決定された測定条件に対応する測定可能領域を最終的な測定可能部位ＫＢとして出力する。

なお、測定許容回数ＫＫではなく、測定許容時間ＫＴが設定された場合には、３次元測定器ＶＤ１で１回の測定に要する時間に基づいて測定許容回数ＫＫを概算で求め、その後上と同様の処理を行えばよい。

図１９に示すように、測定対象物Ｑ４についての測定可否判別画面ＨＧ５において、底面および側面の一部が測定不能部位ＨＢとして表示され、他の部分は測定可能部位ＫＢとして表示される。つまり、測定許容回数ＫＫを７回と設定したので、側面の一部でデータ欠損が出ることとなる。

この場合に、オペレータが測定許容回数ＫＫを優先させることを選択した場合には、一部のデータ欠損はあるが、測定可否判別画面ＨＧ５で表示された測定可能部位ＫＢに基づいて３次元測定器ＶＤ１の位置および姿勢を決定して測定を行う。また、オペレータがデータ欠損のないように測定することを選択した場合、例えば、測定許容回数ＫＫを９回に設定し直した場合には、変更された測定許容回数ＫＫに基づいて再度処理が行われる。この場合には、底面を除く測定対象物Ｑ４の全表面が測定可能部位ＫＢとなる。
〔具体例６〕
次に、具体例６として、マニピュレータ１６を用いて自動測定を行う場合について説明する。

図２０は具体例６において表示される測定手順画面ＨＧ６を示す図、図２１は自動測定によって得られて統合された３次元形状データＳＤを示す図である。

３次元測定器ＶＤ１の仕様情報ＳＪおよび測定対象物Ｑ１は、具体例１の場合と同じである。したがって、測定対象物Ｑ１の底面および穴である測定部位ＢＵ２については測定不能部位ＨＢとなる。

上に述べた測定条件ＳＣの決定方法に沿って、測定条件が計算される。得られた測定条件に基づいて、３次元測定器ＶＤ１の移動距離が小さくなるように、つまり測定が短時間で行われるように、測定対象物Ｑ１の各測定部位ＢＵに対する測定の順番が決定される。図２０において、丸で囲んだ数字が測定順位であり、矢印の方向が測定方向である。

図２０に示すように、測定は、測定部位ＢＵ１から開始され、測定不能部位ＨＢを除いて、順次、図の右回りに沿って実行される。なお、図示は省略したが、測定手順画面ＨＧ６には３次元測定器ＶＤ１の測定位置も表示される。

図２１に示すように、穴である測定部位ＢＵ２および底面を除いて、測定対象物Ｑ１の表面が測定されていることが分かる。

なお、測定対象物Ｑ１の底面を測定したい場合には、適当なマニピュレータを用いて測定対象物Ｑ１を持ち上げるか、または、測定対象物Ｑ１を上下逆さまにし、または横にした、または斜めにするなど、測定対象物Ｑ１の姿勢を変えればよい。

上に述べた実施形態によると、３次元測定器ＶＤを用いて測定対象物Ｑの３次元測定を行うに際し、測定可能な部位の判別を自動的に行うことにより、測定に要する時間および労力を削減することができる。

上に述べた実施形態において、制御装置１５およびマニピュレータ１６を設けることなく、表示装置１２に表示することのみとしてもよい。その他、処理装置１１、表示装置１２、入力装置１３、制御装置１５、マニピュレータ１６、および３次元測定システム１の全体または各部の構造、構成、回路、形状、寸法、個数、材質、処理内容または処理順序、画面ＨＧの内容などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、種々の測定対象物について３次元形状を非接触で測定するための３次元測定システムとして利用可能である。

本発明に係る３次元測定システムの構成を示すブロック図である。 処理装置の機能的な構成を示すブロック図である。 ３次元測定の可能部位判別処理を示すフローチャートである。 判別パラメータ算出処理を示すフローチャートである。 干渉回避処理を示すフローチャートである。 干渉回避処理の様子を示す図である。 測定可否判別の例を示す図である。 具体例１で用いる測定対象物の形状を示す図である。 測定対象物の法線ベクトルを示す図である。 穴である測定部位ＢＵ２の測定可否判別の様子を示す図である。 穴である測定部位ＢＵ３の測定可否判別の様子を示す図である。 測定対象物についての測定可否判別画面を示す図である。 測定対象物についての他の測定可否判別画面を示す図である。 具体例３で用いる測定対象物を示す図である。 測定対象物についての他の測定可否判別画面を示す図である。 具体例４で用いる測定対象物を示す図である。 測定対象物についての他の測定可否判別画面を示す図である。 具体例５で用いる測定対象物を示す図である。 測定対象物についての他の測定可否判別画面を示す図である。 具体例６において表示される測定手順画面を示す図である。 自動測定によって得られた３次元形状データを示す図である。 測定対象物への入射角度と反射角度との関係を示す図である。 測定対象物と３次元測定器との配置関係の例を示す図である。

符号の説明

１ ３次元測定システム
１１ 処理装置（判別手段）
１２ 表示装置（出力手段）
１３ 入力装置（配置情報を取得する手段、仕様情報を取得する手段、設計形状情報を取得する手段、特性情報を取得する手段）
１４ ＣＡＤシステム（設計形状情報を取得する手段、特性情報を取得する手段）
１５ 制御装置（配置情報を取得する手段）
１６ マニピュレータ
２１ 配置情報格納部（配置情報を取得する手段）
２２ 設計形状情報格納部（設計形状情報を取得する手段）
２３ 特性情報格納部（特性情報を取得する手段）
２４ 測定器仕様情報格納部（仕様情報を取得する手段）
２５ 測定許容時間格納部（測定許容時間または測定許容回数を取得する手段）
２６ 判別部（判別手段）
２７ 測定可否出力部（出力手段）
２８ 測定条件出力部（出力手段）
ＶＤ ３次元測定器
Ｑ 測定対象物
ＨＪ 配置情報
ＫＪ 設計形状情報
ＴＪ 特性情報
ＳＪ 仕様情報
ＫＴ 測定許容時間
ＫＫ 測定許容回数
ＫＢ 測定可能部位
ＨＢ 測定不能部位

Claims (5)

1. 測定対象物の３次元形状を非接触で測定する３次元測定システムであって、
   前記測定対象物の位置および姿勢を示す配置情報を取得する手段と、
   前記測定対象物についてその形状を表す寸法データ、および、材料または表面状態を表す特性情報を含む設計形状情報を当該測定対象物についてのＣＡＤデータから取得する手段と、
   １つまたは複数の３次元測定器についてその性能である測定可能な画角、分解能、測定精度、および当該３次元測定器の寸法形状を含む仕様情報を取得する手段と、
   取得された前記配置情報、前記設計形状情報、および前記仕様情報に基づいて、前記測定対象物の測定対象部位の表面の反射率または反射光量が所定値の範囲外である場合、または前記測定対象物の測定対象部位に対する３次元測定器による測定方向に干渉物がありかつ当該干渉物を回避することが不可能である場合、または、測定対象部位の公差が３次元測定器の精度および分解能以内でない場合のいずれかの場合に、当該測定対象部位は測定不可能部位であると判別する、判別手段と、
   判別した前記測定不可能部位を出力する出力手段と、
   を有することを特徴とする３次元測定システム。
2. 前記出力手段は、前記測定不可能部位を表示装置の表示面に表示する、
   請求項１記載の３次元測定システム。
3. 前記判別手段は、前記測定可能部位を判別するに当たって、前記３次元測定器によって前記測定可能部位を測定する際の法線方向に最も近い方向を最適の測定方向として判別し、
   前記出力手段は、判別した前記最適の測定方向を出力する、
   請求項１または２記載の３次元測定システム。
4. 前記３次元測定器を移動させて位置決めを行うことの可能なマニピュレータを有し、
   前記マニピュレータは、前記出力手段から出力される前記最適の測定条件に基づいて制御されるように構成されている、
   請求項３記載の３次元測定システム。
5. 前記測定対象物の前記３次元測定器による測定許容時間または測定許容回数を取得する手段を有し、
   前記判別手段は、取得した前記測定許容時間または測定許容回数をも用いて前記測定不可能部位を判別する、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の３次元測定システム。