JP6679440B2 - 回転速度計測装置及び回転速度計測方法 - Google Patents
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Description
好ましい構成として、前記スキャン部は、前記ライン状のスキャン光を前記回転体に照射する光源部と、前記光源部が前記回転体をスキャンする期間、前記回転体に照射された光を露光し続けるカメラとを備える。
このような構成によれば、外周に特徴点があるような回転体について回転速度を計測できる。
このような構成によれば、ラインスキャナのスキャン速度が、スキャン画像の短手方向に回転速度に応じた特徴として表れる長さに応じて調整される。回転体をスキャンすると、回転体はスキャン方向の順方向に移動する範囲と、逆方向に移動する範囲とが存在することとなり、順方向の範囲では特徴点及び特徴点間の間隔が長く写り、逆方向の範囲では特徴点及び特徴点間の間隔が短く写る現象が生じる。よって、こうした現象に基づいてスキャン速度を調整することができる。
このような構成によれば、ずれ量を角度で算出することで、回転体の回転速度の計測が容易になる。
図1〜図11を参照して、回転速度計測装置を具体化した第1の実施形態について説明する。回転速度計測装置は、計測対象である回転体100をスキャンして取得したスキャン画像に基づいて、回転体100の単位時間あたりの回転数である回転速度ωを計測する。
図1に示すように、回転速度計測装置は、スキャン部10で、回転体100の回転軸101と交差する一方向であるスキャン方向Sxとラインスキャナのライン状のスキャン光L2の短手方向とを整合させてライン状のスキャン光L2を短手方向にスキャンさせる。ライン状のスキャン光L2は、ライン状のスキャン範囲の画像を一度にスキャンする。それによって、スキャン部10で、回転中の回転体100における特徴点が含まれる回転中のスキャン画像としての回転画像120を取得する。また、回転速度計測装置は、推定部22で、静止中の回転体100について予め登録された静止画像110から、静止画像110に含まれる特徴点の配置に基づいて、前記スキャンの開始時の画像を含む開始範囲を特定するとともに、開始範囲から離れた範囲である離間範囲における特徴点の画像を推定する。さらに、回転速度計測装置は、抽出部23で、回転画像120から推定部22で推定した離間範囲に対応する対応範囲における特徴点の画像を抽出し、比較部24で、推定部22が推定した特徴点の画像と抽出部23が抽出した特徴点の画像との間のずれ量を算出する。そして、回転速度計測装置は、計測部25で、比較部24が算出したずれ量とスキャン光L2のスキャン速度vsとに基づいて回転体100の回転速度ωを計測する。
回転速度計測装置は、スキャンに利用される光L0を出力する光源部としての光源11と、光L0をスキャン用の光L1に変更する光学部品12と、光学部品12を通過したスキャン光L2で回転体100をスキャンする回転多面鏡13とを備えている。また、回転速度計測装置は、回転体100のスキャン面102を撮像するカメラ14と、回転体100の回転速度ωを計測する計測部25とを備える。
静止画像110と、回転速度が「0」の回転画像120とにおいて、静止画像110の特徴部分m1〜m12と回転画像120の特徴部分n1〜n12とは、それらのうちの一箇所を重ね合わせれば、他の箇所も重なり合う。本実施形態では、最初に重ね合わせる箇所を静止画像110の2つの特徴部分m1,m12と回転画像120の2つの特徴部分n1,n12とする。この条件で、静止画像110に回転していた回転画像120を重ねると、その特徴部分n2〜n11の位置が静止画像110の特徴部分m2〜m11の位置に対してずれる。詳述すると、図6において回転画像120の下半円部分では、スキャン方向Sxと同方向に移動する特徴部分n2〜n6が静止画像110の特徴部分m2〜m6よりも回転方向Rd2へ徐々に離れるように配置される。一方、図6において回転画像120の上半円部分では、スキャン方向Sxと逆方向に移動する特徴部分n6〜n11が静止画像110の特徴部分m6〜m11に徐々に近づくように配置される。
図7は特徴部分を含む範囲である円形領域mavを示す。回転体100の特徴部分とは、撮像画像からはっきり認識できる形状であったり、光度や色彩等の違いがはっきり分かる部分のことであり、回転体100を撮像した画像から選択できる部分である。こうした特徴部分は、回転中の回転体100を露光時間を長めにして撮像して得られる領域選択画像130において、特徴部分を含まない部分に比べて異なる輝度等を有する円形領域mavとして現れる。つまり円形領域mavには、回転体100の特徴部分として好ましい形状、光度、色彩等が含まれている。そこで、こうして得られる円形領域mavを静止画像110と回転画像120との比較領域として特定する。また、特定された円形領域mavから回転軸101の位置(中心座標)と、回転半径(直径D)の長さも算出できる。
特徴点を抽出する処理では、静止画像110からの特徴点の抽出と、回転画像120からの特徴点の抽出を行う。例えば、静止画像110から特徴点cp(図8参照)を抽出し、回転画像120から特徴点cp1や特徴点cp6(図9参照)を抽出する。なお、静止画像110と回転画像120とでは、特徴点が抽出される位置が相違するものの、特徴点の抽出方法は同様であるので、以下では、静止画像110から特徴点の抽出する処理について説明し、回転画像120から特徴点を抽出する処理についての説明は割愛する。
(1)推定部22が推定した離間範囲ap2の特徴点の画像と対応範囲の特徴点の画像との間のずれ量が算出されるため、少ない回数の撮像であっても回転の向きや、回転速度の絞り込みが可能である。また、離間範囲ap2や対応範囲を広くとれば、回転速度をより広範囲の比較で推定可能にもなる。つまり、安定して回転している時間の短い回転体の回転速度であっても計測できる可能性が高まる。よって、非接触での回転体の回転速度の計測を容易にすることができる。
(7)回転体100がギアのように周期的な特徴点を有する場合、ずれ量が大きくなると、トラッキングが困難になる。本実施形態では、特徴点のずれ量が周期の半分未満となる値にスキャン時間Δt(つまりスキャン速度vs)が設定されるので周期的な特徴点であれ、特定の特徴点を正確にトラッキングすることが可能になり、回転速度を正しく計測することができる。
図12〜図17を参照して、回転速度計測装置を具体化した第2の実施形態について説明する。本実施形態は、回転体100Aの特徴点の配置が不等間隔であるため計測装置20が特徴点を抽出する処理が第1の実施形態と相違する。そこで、本実施形態では主に、第1の実施形態と相違する部分について説明し、第1の実施形態と同様の部分については同様の符号を付し、その詳細な説明は割愛する。
{184,1.745,3.578,5.061,6.190}rx
こうしたデータセットは、円形領域mavのなかの調査半径rb毎に生成される。
={1.833,1.483,1.129,1.838}rx
次に、図16に示すように、計測装置20は、上述の特徴点を抽出する処理により、回転画像120Aの4つの特徴点n21〜n24を抽出する。つまり、回転画像120Aに基づいて、円形領域mavから特徴量G(θ)を算出して特徴点の配置を特定する。
={1.431,1.833,1.518,1.501}rx
また、回転画像120Aにおいては、「スキャン時間Δt」の影響により、特に、スキャン方向Sxに一致する、特徴点n21〜n24のx方向位置x1〜x4が間延び、又は圧縮されている。回転画像120Aにおいて、2つの特徴点n21,n22のx方向位置x1,x2の間は距離Δx1、2つの特徴点n22,n23のx方向位置x2,x3の間は距離Δx2、2つの特徴点n23,n24のx方向位置x3,x4の間は距離Δx3、2つの特徴点n24,n21のx方向位置x4,x1の間は距離Δx4である。
={1.248,0.397,−1.362,−0.284}rx
こうして、特定された静止画像110Aの特徴点と回転画像120Aの特徴点とが比較されて回転速度ωが算出される。しかし、このままでは、回転画像120Aの特徴点n21〜n24が、静止画像110Aのどの特徴点m21〜m24に対応するのか不明であるし、各特徴点m21〜m24と各特徴点n21〜n24との間の角度も一致しない。
(8)回転体100が不規則な特徴点を有する場合、画像の変形により静止画像110(離間範囲)にある特徴点と回転画像120(対応範囲)にある特徴点との対応関係が不明確になる場合がある。本実施形態では、不規則な特徴点であれ、静止画像110(離間範囲)の画像と回転画像120(対応範囲)の画像について複数の特徴点に基づくマッチングを行うことで各特徴点の対応関係が求められ、その求められた対応関係からずれ量が取得できる。
図18を参照して、回転速度計測装置を具体化した第3の実施形態について説明する。本実施形態は、回転画像120を取得するスキャン部10の構成が第1の実施形態と相違する。そこで、本実施形態では主に、第1の実施形態と相違する部分について説明し、第1の実施形態と同様の部分については同様の符号を付し、その詳細な説明は割愛する。
なお、スキャン制御部21は、回転体100の静止画像110や回転画像120の取得を制御するが、本実施形態では、カメラ14Aに対して撮像の開始/終了を指示するとともに、カメラ14Aから静止画像110や回転画像120を取得し、画像管理部26を介して記憶部27に記憶させることを行う。
以上説明したように、本実施形態に係る回転速度計測装置は、上記第1の実施形態にて記載した(1),(5)〜(7)の効果に加えて、以下に記載する効果が得られる。
なお上記各実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記第3の実施形態は、そのスキャン部10が第1の実施形態のスキャン部10と置き換わる場合について例示したが、第2の実施形態のスキャン部10と置き換わってもよい。
Claims (13)
- 撮像可能な特徴点を有する回転体の回転速度を計測する回転速度計測装置であって、
一定のスキャン速度によるスキャンで回転中の前記回転体の特徴点を含んでいるスキャン画像を取得するスキャン部と、
前記回転体について予め登録された特徴点の配置から前記スキャンの開始時の画像を含む開始範囲を特定するとともに、前記開始範囲から離れた範囲である離間範囲における特徴点の画像を推定する推定部と、
前記スキャン画像から前記離間範囲に対応する対応範囲における特徴点の画像を抽出する抽出部と、
前記推定部が推定した特徴点の画像と前記抽出部が抽出した特徴点の画像との間のずれ量を算出する比較部と、
前記比較部が算出したずれ量と前記一定のスキャン速度とに基づいて前記回転体の回転速度を計測する計測部とを備える
ことを特徴とする回転速度計測装置。 - 前記スキャン部は、二次元イメージセンサを備え、
前記二次元イメージセンサは、並列に並ぶ複数の画素列を有し、各画素列は、ライン状のスキャン範囲の画像を一度の読み込みでスキャンする複数の画素で構成され、
前記複数の画素列は、前記各画素列の列方向に交差する短手方向を前記回転体の回転軸と交差する一方向に整合させ、前記各画素列の列方向の画像取得を前記短手方向に隣接する画素列を順次移動させて行うことで前記スキャン画像を取得する
請求項1に記載の回転速度計測装置。 - 前記スキャン部は、ラインスキャナを備え、前記ラインスキャナは、ライン状のスキャン範囲の画像を一度にスキャンするライン状のスキャン光を有し、前記回転体の回転軸と交差する一方向と前記ライン状のスキャン光の短手方向とを整合させて前記ラインスキャナを前記短手方向にスキャンさせて前記スキャン画像を取得する
請求項1に記載の回転速度計測装置。 - 前記スキャン部は、前記ライン状のスキャン光を前記回転体に照射する光源部と、前記光源部が前記回転体をスキャンする期間、前記回転体に照射された光を露光し続けるカメラとを備える
請求項3に記載の回転速度計測装置。 - 前記ライン状のスキャン範囲には、前記回転体の回転中の最大外径の幅が含まれる
請求項2又は4に記載の回転速度計測装置。 - 前記スキャン部は、前記スキャン画像のなかの特徴点における前記短手方向の長さに応じて、前記一定のスキャン速度を設定する
請求項2〜5のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。 - 前記推定部は、前記回転体の回転中心を中心とする所定の周上において、特徴点が特徴点の全数の半分の数だけ前記開始範囲から離れた範囲を前記離間範囲とする
請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。 - 前記比較部は、前記ずれ量を前記回転体の回転した角度として算出する
請求項1〜7のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。 - 前記スキャン部は、前記回転体がその回転方向に周期的な特徴点を有するとき、前記一定のスキャン速度を前記ずれ量が前記特徴点の周期の半分未満になる値に設定する
請求項1〜8のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。 - 前記比較部は、前記離間範囲の各特徴点に対し、前記スキャン画像の前記対応範囲における各特徴点をマッチングさせ、前記ずれ量としてマッチングされた特徴点のずれ量を算出する
請求項1〜9のいずれか一項に記載の回転速度計測装置。 - 撮像可能な特徴点を有する回転体の回転速度を計測する回転速度計測装置で用いる回転速度計測方法であって、
スキャン部で、一定のスキャン速度によるスキャンで回転中の前記回転体の特徴点を含んでいるスキャン画像を取得し、
推定部で、前記回転体について予め登録された特徴点の配置から前記スキャンの開始時の画像を含む開始範囲を特定するとともに、前記開始範囲から離れた範囲である離間範囲における特徴点の画像を推定し、
抽出部で、前記スキャン画像から前記離間範囲に対応する対応範囲における特徴点の画像を抽出し、
比較部で、前記推定部が推定した特徴点の画像と前記抽出部が抽出した特徴点の画像との間のずれ量を算出し、
計測部で、前記比較部が算出したずれ量と前記一定のスキャン速度とに基づいて前記回転体の回転速度を計測する
ことを特徴とする回転速度計測方法。 - 前記スキャン部は、二次元イメージセンサを備え、
前記二次元イメージセンサは、並列に並ぶ複数の画素列を有し、各画素列は、ライン状のスキャン範囲の画像を一度の読み込みでスキャンする複数の画素で構成され、
前記二次元イメージセンサでは、前記各画素列の列方向に交差する短手方向を前記回転体の回転軸と交差する一方向に整合させ、前記各画素列の列方向の画像取得を前記短手方向に隣接する画素列を順次移動させて行うことで前記スキャン画像を取得する
請求項11に記載の回転速度計測方法。 - 前記スキャン部は、ラインスキャナを備え、前記ラインスキャナは、ライン状のスキャン範囲の画像を一度にスキャンするライン状のスキャン光を有し、
前記スキャン部では、前記ラインスキャナで前記回転体の回転軸と交差する一方向と前記ラインスキャナの短手方向とを整合させて前記ラインスキャナを前記短手方向にスキャンさせて前記スキャン画像を取得する
請求項11に記載の回転速度計測方法。
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