JP6440730B2 - 4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システム及び測定方法 - Google Patents
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Description
様々な種類の接近測長センサは、シングル点ビジョンとみなすことができ、典型的には、例えばレーザ距離センサ、及び高速走査機能を有するレーザースキャナーのようなものがある。
平面ビジョンにおいては、主に様々な種類のカメラを用いて2次元結像を行う。現在、様々な種類のカメラ、ビディオカメラ、監視カメラなどが広く応用されている。2次元画像のオンライン測定は、印刷と包装ライン品質検査、製品品質外観検査などのいろいろな種類の特定の対象の流れ作業検査に広く応用されている。
現在、3次元データの直接的な収集を確実に実現できる機器はまだ存在しない。3次元ビジョンというのは、いずれも1次元と2次元ビジョンに関する機器と技術が組み合わせてなるものである。3次元ビジョン及び測定技術は、主に下記の幾つかのものを含む。
光切断技術及びラインレーザー測定は、レーザ光平面の確立を通じて、3次元測定を2次元の問題に変換させて解決する。1つのラインレーザ光発生装置により1つのレーザ光平面が発生し、当該平面と一定の角度をなすように設けられたディジタルビディオカメラによって結像を行った後、画像に対して2値化処理を行って、測定対象物と当該レーザ光線が交差してなる画像が得られ、当該レーザ光平面と2次元画像画素との間には、唯一の対応関係が存在し、キャリブレーションを通じて、当該物体のレーザ光の切線の正確な測定を実現することができる。現在、ラインレーザー距離計は、レーザ光線上の各点の距離の直接的な測定に対して、基本的に当該方法を採用することができる。
人間の目が被視物体の遠さと大きさを早く判断できるのは、人類が、一定な間隔を有しダイナミックに焦点と角度を調整できる二つの目を持っているとともに、演算速度が現在最も早いコンピュータも及び難い大脳を持っているためである。距離と焦点距離が一定である2つのカメラが同一の物体に対して同時に結像を行う場合、測定対象物の同一の測定点に対して、前記2つのカメラにより結像された画像の間には、唯一の対応関係が存在する。これが両眼ビジョン測定原理である。現在、3D映画は、基本的に当該方法によって撮影と立体再現を行う。
4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システムは、
4台のディジタルカメラを1組として構成される4カメラ組を少なくとも1組含み、
前記4台のディジタルカメラで構成される1組の4カメラ組は、2×2アレイの形式で配置され、
前記4台のディジタルカメラは、aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラを含み、当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラは、同一の平面に配置され、
前記aカメラ、bカメラ、cカメラ、及びdカメラの4台のカメラの結像光軸における焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、1つの矩形を形成するとともに1つの矩形平面を形成し、当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラの4台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
前記aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラの4台のカメラの型番は、完全に同じであり、レンズも完全に同じであり、
前記aカメラとbカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記cカメラとdカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、
前記aカメラとcカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記bカメラとdカメラとの相対的な位置は、垂直に配置される。
ステップ1は、4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築する。
当該測定システムを構築する主な原則は、少なくとも4台以上の同じのカメラを有し、その光軸が互いに平行し、焦点が同一の平面に位置し、焦点が1つの矩形を形成できることである。
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の主な考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法であり、測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、測定対象物が同時に4台のカメラにおいて対応する結像点が存在するように保証し、測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成する。
ステップ2は、画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行う。
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの1つの結像点をすでに知っている場合、他の1つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことである。極線幾何拘束は、1つのよく用いられているマッチング拘束技術である。測定点及び対応画像における結像点のこれら3つの点を連結して1つの平面を形成し、当該平面と2つの画像との結像空間における交差線を極線と称する。極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することである。
極線アルゴリズムに対して、4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点で同一の平面に位置する矩形を形成するため、極線は、直接にX軸またはY軸に平行する直線に簡略化される。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもX軸またはY軸に平行する直線上に位置する。このように、マッチング演算を行うとき、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、X軸とY軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。
マッチング演算は、4カメラ組の画像でマッチング演算を行って、空間位置の計算の必要のある特徴点を全部探し出す。4台のカメラを超えるカメラアレイを採用して測定する場合、それぞれ異なる4カメラ組で異なるマッチング演算を行う。
ステップ3は、マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する。
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの1つの特徴点がPNである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算し、
特徴点の空間位置計算式に基づいて、2対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算することができ、2対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算することができ、2対の水平カメラと2対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算することができ、前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データ上で比較、分析して、測定精度と正確率を向上させる。
ステップ4は、得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の3次元寸法を計算して、3次元点のクラウドデータを形成し、3次元点のクラウド図形を形成して、3次元立体再現を行う。
当該カメラとレンズのパラメータ、矩形の長さと幅の寸法を選択する基準は、
測定距離が変更しない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離が大きくなる場合、測定可能な範囲も大きくなることであり、
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、4カメラ組の光軸中心マトリックスの寸法を大きくすることである。
マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する計算式において、
aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の焦点Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、Yは、垂直方向であり、Zは、長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の同一の点P1の空間位置の座標は、P1(P1x,P1y,P1z)とし、P1点の空間3次元座標のaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組における対応する結像点はP1a(P1ax,P1ay)、P1b(P1bx,P1by)、P1c(P1cx,P1cy)、P1d(P1dx,P1dy)とすると、位置座標の関係式は、
だだし、mは、矩形平面のOaObの長さであり、nは、OaOcの長さであり、fは、4台のカメラの焦点距離である。
特徴点の空間位置座標がPNである座標を計算する一般的な表現式は、
だたし、aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台のカメラの焦点をOa、Ob、Oc、Odとし、焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、1つの矩形平面を形成し、矩形平面のOaObの長さをmとし、OaOcの長さをnとし、4台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直であり、aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組は、完全に同じカメラを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、4台のカメラの焦点距離をfとし、
Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、矩形のOaOb辺に平行であり、Yは、垂直方向であり、矩形のOaOc辺に平行であり、Zは、測定対象物に向かう長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の何れか1つの特徴点をPNとし、PNがaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の像平面における投影点の座標をPNa(PNax,PNay)、PNb(PNbx,PNby)、PNc(PNcx,PNcy)、PNd(PNdx,PNdy)とすると、PN点の空間位置の座標は、PN(PNx,PNy,PNz)と設定される。
前記の4台のディジタルカメラで構成される1組の4カメラ組は、2×2アレイの形式で配置される。
前記の4台のディジタルカメラは、aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラを含み、当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラは、同一の平面に配置される。
前記のaカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラの4台のカメラの結像光軸における焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、1つの矩形を形成するとともに1つの矩形平面を形成する。即ち、aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラは、それぞれ当該矩形の4つの角(図1、図2、図3)に位置する。当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラの4台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直である。
前記のaカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラの4台のカメラの型番は、完全に同じであり、レンズも完全に同じである。カメラ同士の間の距離は、矩形の要求を満足する上で、その長さと幅を任意に調整することができる。カメラ解像度と他のパラメータ、レンズの焦点距離、矩形の長さと幅寸法の選択は、測定対象物の位置と寸法に基づいて適当なパラメータを選択して、4台のカメラが視野範囲内でいずれも測定対象物の画像を撮影できることを保証するとともに、画像解像度に対する測定精度の要求を満足する。
前記のaカメラとbカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記のcカメラとdカメラとの相対的な位置は、水平に配置される(aカメラ、bカメラと平行)。当該垂直レーザは、OaとObの連結線の垂直二等分線上に位置し、図1、図2に示すように、aカメラとbカメラの上方に位置し、距離は、aカメラとbカメラの焦点の連結線の長さの1〜3倍である。
前記のaカメラとcカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記のbカメラとdカメラとの相対的な位置は、垂直に配置される(aカメラ、cカメラと平行)、当該水平レーザは、OaとOcの連結線の垂直二等分線上に位置し、図1、図2に示すように、aカメラとcカメラの左側に位置し、距離は、aカメラとcカメラの焦点の連結線の長さの1〜3倍である。
当該4台のディジタルカメラで構成される1組の4カメラ組は、選定されたカメラの結像光軸における焦点と、それと隣接する3台のカメラの結像光軸における焦点とが1つの矩形を形成するとともに1つの矩形平面を形成する4台のディジタルカメラで構成される。4台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直である。
ステップ1は、4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築する。
当該測定システムを構築する主な原則は、少なくとも4台以上の同じのカメラを有し、その光軸が互いに平行であり、焦点が同一の平面に位置し、焦点が1つの矩形を形成できるようにすることである。
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の主な考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法である。測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、同時に4台のカメラに測定対象物の対応する結像点が存在するように保証する。測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成することが考えられる。
ステップ2は、画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行う。
両眼と多眼画像マッチングアルゴリズムに関して、現在、大量の関連研究とアルゴリズムがあり、現在のアルゴリズムを参考にして、画像における測定対象物の結像点に対して、対応するマッチングを行うことができる。マルチカメラ冗長と特殊構造化配置方法を採用したため、両眼・多眼画像とマッチングアルゴリズムを採用して、画像における測定対象物の結像点に対して、対応するマッチングを行う。両眼ビジョンマッチングアルゴリズムのうちの極線アルゴリズムに対して、直接にX軸とY軸に平行する直線に簡略化する。即ち、測定対象物の各像平面における対応するすべての投影点は、いずれもX軸及びY軸に平行する直線上に位置する。直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、X軸方向とY軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。当該方法は、両眼マッチングの複雑なアルゴリズムを大幅に簡略化することができる。
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの1つの結像点をすでに知っている場合、他の1つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことである。極線幾何拘束は、1つのよく用いられているマッチング拘束技術である。測定点及び対応画像における結像点のこれら3つの点を連結して1つの平面を形成し、当該平面と2つの画像との結像空間における交差線を極線と称する。極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することである。
極線アルゴリズムに対して、4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点で同一の平面に位置する矩形を形成するため、極線は、直接にX軸またはY軸に平行する直線に簡略化される。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもX軸またはY軸に平行する直線上に位置する。このように、マッチング演算を行うとき、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、X軸とY軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。
マッチング演算は、4カメラ組の画像でマッチング演算を行うことを要求し、空間位置の計算の必要がある特徴点を全部探し出す。4台のカメラを超えるカメラアレイを採用して測定する場合、それぞれ異なる4カメラ組で異なるマッチング演算を行う必要がある。
ステップ3は、マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する。
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの1つの特徴点がPNである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算する。
特徴点の空間位置計算式に基づいて、2対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算することができ、2対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算することができ、2対の水平カメラと2対の垂直カメラとの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算することができる。前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データを比較、分析して、測定精度と正確率を向上させることができる。
ステップ4は、得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の3次元寸法を計算して、3次元点のクラウドデータを形成し、3次元点のクラウド図形を形成して、3次元立体再現を行う。
測定距離が変更しない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離を増加する場合、測定可能な範囲も大きくなる。
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、4カメラ組の光軸焦点マトリックスの寸法を大きくすることである。
aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の焦点Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、Yは、垂直方向であり、Zは、長さまたは深さ方向である。
測定対象物の同一の点P1の空間位置の座標は、P1(P1x,P1y,P1z)とし、P1点の空間3次元座標のaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組における対応する結像点はP1a(P1ax,P1ay)、P1b(P1bx,P1by)、P1c(P1cx,P1cy)、P1d(P1dx,P1dy)とする場合の位置座標の関係式は、
だだし、mは、矩形平面のOaObの長さであり、nは、OaOcの長さであり、fは、4台のカメラの焦点距離である。
図3において、a、b、c、dの4台カメラ組の焦点をOa、Ob、Oc、Odとし、焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、1つの矩形平面を形成する。矩形平面のOaObの長さをmとし、OaOcの長さをnとし、4カメラ組の光軸は、互いに平行であり、且つ当該矩形平面に垂直である。a、b、c、dの4台のカメラは、完全に同じCCD(Charge−coupled Device,電荷結合素子)を選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、その焦点距離をfとし、a、b、c、dの4カメラ組のCCD結像の像平面の中心をOa'、Ob'、Oc'、Od'とする。
図4においては、a、bカメラの空間結像位置関係のみが表される。P1点のa、bカメラの像平面における結像点をP1a、P1bとし、P1点の座標XY軸平面における投影点をP1'とし、その座標は、P1'(P1x,P1y,0)であり、結像原理によると、P1点とP1aの連結線は、Oa点を通過し、P1点とP1bの連結線は、Ob点を通過する。Oa'、Ob'を中心として、物体空間座標系のOXYZ座標軸方向と一致するa、bカメラの像平面座標系をそれぞれ設定すると、P1aの座標は、P1a(P1ax,P1ay)であり、P1bの座標は、P1b(P1bx,P1by)である。
a、b、c、dの4台カメラ組の焦点Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、Yは、垂直方向であり、Zは、長さまたは深さ方向である。測定対象物の同一の点であるP1点の空間位置の座標は、P1(P1x,P1y,P1z)であり、P1点の空間3次元座標の、a、b、c、dの4台カメラ組における対応する結像点P1a、P1b、P1c、P1dの位置座標に関する関係式は、以下のとおりである(だだし、mは、矩形平面のOaObの長さであり、nは、OaOcの長さであり、fは、4台のカメラの焦点距離である)。
aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台のカメラの焦点をOa、Ob、Oc、Odとし、焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、且つ1つの矩形平面を形成する。矩形平面のOaObの長さをmとし、OaOcの長さをnとし、4台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直である。aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組は、完全に同じCCDを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、その焦点距離をfとする。
Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、矩形のOaOb辺に平行であり、Yは、垂直方向であり、矩形のOaOc辺に平行であり、Zは、長さまたは深さ方向であり、その方向は、測定対象物に向かう。
測定対象物のいずれか1つの特徴点をPNとし、PNがaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の像平面における投影点の座標をPNa(PNax,PNay)、PNb(PNbx,PNby)、PNc(PNcx,PNcy)、PNd(PNdx,PNdy)とすると、PN点の空間位置の座標は、PN(PNx,PNy,PNz)と設定される。
Claims (8)
- 4台のディジタルカメラを1組として構成される4カメラ組を少なくとも1組含み、
前記4台のディジタルカメラで構成される1組の4カメラ組は、2×2アレイの形式で配置され、
前記4台のディジタルカメラは、aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラを含み、当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラは、同一の平面に配置され、
前記aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラの4台のカメラの結像光軸における焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面で1つの矩形に組合わされて1つの矩形平面を形成し、当該aカメラ、当該bカメラ、当該cカメラ及び当該dカメラの4台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
前記aカメラ、bカメラ、cカメラ及びdカメラの4台のカメラの型番は同じであり、レンズも同じであり、
前記aカメラと前記bカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記aカメラ内のCCDのx方向の座標値が同一の行の延長線と、前記bカメラ内のCCDの対応するx方向の座標値が同一の行とが重ね合わされ、前記cカメラと前記dカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記cカメラ内のCCDのx方向の座標値が同一の行の延長線と、前記dカメラ内のCCDの対応するx方向の座標値が同一の行とが重ね合わされ、
前記aカメラと前記cカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記aカメラ内のCCDのy方向の座標値が同一の列の延長線と、前記cカメラ内のCCDの対応するy方向の座標値が同一の列とが重ね合わされ、前記bカメラと前記dカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記bカメラ内のCCDのy方向の座標値が同一の列の延長線と、前記dカメラ内のCCDの対応するy方向の座標値が同一の列とが重ね合わされ、
当該4台のディジタルカメラで構成される1組の4カメラ組は、選定されたカメラの結像光軸における焦点と、前記選定されたカメラと隣接する3台のカメラの結像光軸における焦点とが1つの矩形に組合わされて1つの矩形平面を形成する4台のディジタルカメラにより構成され、4台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
少なくとも1つの垂直レーザと少なくとも1つの水平レーザをさらに含み、当該垂直レーザはOaとObの連結線の垂直二等分線上に配置され、当該水平レーザはOaとOcの連結線の垂直二等分線上に配置されることを特徴とする4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システム。 - 当該4カメラ組は、2×3、2×4、2×5、3×2、3×3、3×4、3×5または4×4アレイの形式の多カメラ組に切り替えることができることを特徴とする請求項1に記載の4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システム。
- 当該4カメラ組のカメラのセンサの種類は、2/3型CMOSであり、ピクセル寸法は、5.5μmであり、解像度は、1024×2048であり、レンズの焦点距離は、25mmであることを特徴とする請求項1または2に記載の4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システム。
- 当該4カメラ組において、水平方向で互いに隣接する2台のカメラの間の距離は、mであり、垂直方向で互いに隣接する2台のカメラの間の距離は、nであり、ここで、mの範囲は、50〜100mmであり、nの範囲は、50〜100mmであることを特徴とする請求項1または2に記載の4カメラ組の平面アレイの特徴点の3次元測定システム。
- 下記のステップを含む、請求項1に記載の3次元測定システムに基づく測定方法において、
ステップ1:4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築し、
当該測定システムの構築は、少なくとも4台以上の同じカメラを有し、その光軸が互いに平行であり、焦点が同一の平面に位置し、焦点が1つの矩形を形成することを含み、
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法を含み、測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、測定対象物が同時に4台のカメラにおいて対応する結像点が存在するように保証し、測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成し、
ステップ2:画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行い、
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの1つの結像点をすでに知っている場合、他の1つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことであり、極線幾何拘束は、1つのよく用いられているマッチング拘束技術であり、測定点及び対応画像における結像点のこれら3つの点を連結して1つの平面を形成し、当該平面と2つの画像との結像空間における交差線を極線と称し、極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することであり、
極線アルゴリズムに対して、4カメラ組の平面アレイの3次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点が同一の平面に位置する矩形を形成することで、極線は、直接にX軸またはY軸に平行する直線に簡略化され、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもX軸またはY軸に平行する直線上に位置され、
当該マッチング演算において、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、X軸とY軸方向で平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定対象物の測定できる全ての特徴点を完全マッチングさせ、
当該マッチング演算は、4台カメラ組画像にマッチング演算を行って、計算する必要のある空間位置の特徴点を全部探し出し、4台のカメラを超えるカメラアレイを使用して測定する場合、それぞれ異なる4カメラ組で異なるマッチング演算を行い、
ステップ3:マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算し、
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの1つの特徴点がPNである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算し、
特徴点の空間位置計算式に基づいて、2対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算し、2対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算し、2対の水平カメラと2対の垂直カメラとの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算し、前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データ(Redundant Data)を比較、分析することによって測定精度と正確率を向上させ、
ステップ4:得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の3次元寸法を計算して、3次元点のクラウドデータを形成し、3次元点のクラウド図形を形成して、3次元立体再現を行う、
ことを特徴とする3次元測定システムの測定方法。 - 当該ステップ1において、
当該カメラとレンズのパラメータ、矩形の長さと幅の寸法を選択する基準は、
測定距離が変更されない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離が大きくなる場合、測定可能な範囲も大きくなることであり、
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、4カメラ組の光軸中心マトリックスの寸法を大きくすることであることを特徴とする請求項5に記載の測定方法。 - 当該ステップ3において、
マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する計算式において、
aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の焦点Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、Yは、垂直方向であり、Zは、長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の同一の点P1の空間位置の座標は、P1(P1x,P1y,P1z)とし、P1点の空間3次元座標のaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組における対応する結像点はP1a(P1ax,P1ay)、P1b(P1bx,P1by)、P1c(P1cx,P1cy)、P1d(P1dx,P1dy)とすると、位置座標の関係式は、
だだし、mは、矩形平面のOaObの長さであり、nは、OaOcの長さであり、fは、4台のカメラの焦点距離であることを特徴とする請求項5に記載の測定方法。 - 当該ステップ3において、
特徴点の空間位置座標がPNである座標を計算する一般的な式は、
だだし、aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台のカメラの焦点をOa、Ob、Oc、Odとし、焦点Oa、Ob、Oc、Odは、同一の平面に位置し、1つの矩形平面を形成し、矩形平面のOaObの長さをmとし、OaOcの長さをnとし、4台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直であり、aカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組は、完全に同じCCDを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、それらの焦点距離をfとし、
Oa、Ob、Oc、Odにより形成される矩形平面の中心点Oを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Xは、水平方向であり、矩形のOaOb辺に平行であり、Yは、垂直方向であり、矩形のOaOc辺に平行であり、Zは、測定対象物に向かう長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の何れか1つの特徴点をPNとし、PNがaカメラ、bカメラ、cカメラ、dカメラの4台カメラ組の像平面における投影点の座標をPNa(PNax,PNay)、PNb(PNbx,PNby)、PNc(PNcx,PNcy)、PNd(PNdx,PNdy)とすると、PN点の空間位置の座標は、PN(PNx,PNy,PNz)と設定されることを特徴とする請求項5に記載の測定方法。
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