JPH0196504A

JPH0196504A - 立体物測定装置

Info

Publication number: JPH0196504A
Application number: JP25418587A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Iketani; 池谷　和俊; Kunio Yoshida; 邦夫吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1989-04-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、非接触で対象物体の移動量または形状を測定
する立体物測定装置に関するものである。

従来の技術従来の立体物測定装置は、第７図に示すようにレーザ発
振器ｌより発射されたレーザビーム２を集束レンズ３に
よってビーム径を絞った後、スキャナ４によって対象物
体６にスリット状に照射し、その対象物体６をビデオカ
メラ７で撮影し、その映像信号をＡ　／　Ｄコンバータ
８でデジタルの画像情報に変換した後、この画像情報を
画像メモリ９に記憶し、ＯＰ　Ｕ、□によって画像メモ
リ９の画像情報を読み出しながら重心座標の計算を行い
、その後重心座標の値により三角測量の原理を用いて三
次元座標の計算を行っていた。

特に最近は、半導体技術の進展に伴い、また、その安定
性が良いことから対象物体を撮影する手段としてＣＣＤ
カメラが多く使われてきている。

一般的に立体物測定装置については、いかに精度よく対
象物体の三次元座標を測定するかが重要な課題となって
いる。従って、第７図のような構成において座標測定精
度を高めるためには、ビデオカメラ７からの映像信号の
中のレーザビーム像の重心座標の検出精度を充分高くし
なければならない。

発明が解決しようとする問題点しかし、第７図のような構成でＯＣＤカメラを用いて重
心座標を検出する場合、カメラの撮像面となるＣＣＤ基
板上には第８図（ａ）で示すような受光部８１の窓が間
隔をあけて配列されている。そのため、受光部８１と受
光部８１の間は光を感じることができず、レーザスリッ
ト像８２の映像信号は連続しておらず、第８図（ｂ）で
示したように光強度の部分的な積分値（斜線部）８３で
与えられる。

このＣＣＤ素子上の離散的な画像情報、即ち輝度値（Ｄ
ｎ）を用いて、重心計算をすると、計算に（但し、Ｘは
ＣＣＤ素子上の水平走査方向の位置）用いる画像情報が位置に関して連続していないため、第
９図に示すようにスリット像の重心位置の計算結果は、
連続した直線ではなく、ＣＣＤ素子間で不連続な曲線９
１となってしまい、重心計算に周期的に大きな誤差が生
じてしまう。なお、スリット像の真の中心を示す直線９
２からの誤差の分散本発明は上記問題点を解決するため
、撮影手段から出力される映像信号をＡ／Ｄ変換した後
、この画像情報を画像メモリに記憶させると同時に一水
平走査ごとの画像情報の最大値を検出し、この最大値を
示す画像メモリのアドレス情報を検出するアドレス検出
手段と、この最大値の画素を中心として走査方向に±ｎ
画素の画像情報と各画素のアドレス情報を入力とし、画
素ごとに画像情報を変数とした多項式に変換し、その多
項式の値を各画素の代表値とし、各画素のアドレス情報
とその代表値とから重心計算を行なう回路で構成されて
いる重心座標演算手段と三次元空間座標計算手段とから
構成されているものである。

作用本発明は上記の構成により、レーザスリット光が対象物
体のどこに当っているかをすばやく、かつ高精度に検出
し、その検出結果から対象物体の三次元空間座標を測定
するものである。

実施例第１図は本発明の立体物測定装置の一実施例を示すブロ
ック図である。第１図において、１はレーザ発振器、２
はレーザ発振器１より発射されたレーザビーム、３はレ
ーザビーム２を集束させる集束レンズ、４は集束された
レーザビームをスリット状に変換し、かつスリット光を
偏向させるスキャナ、５はスリット光、６は形状を測定
される対象物体、７は対象物体６を撮影するためのＣＣ
Ｄカメラ、８はＣＣＤカメラ７で撮影した対象物体６の
映像信号をｍピットのデジタル画像情報に変換するＡ／
Ｄコンバータ、９はＡ／Ｄコンしく一タ８で変換された
画像情報を記憶する画像メモリ、１０ｄ　Ａ　／　Ｄコ
ンバータ８で変換された画像情報の中で一水平走査ごと
に最大値を見つけ出し、その最大値を示すアドレス情報
を検出するアドレス検出回路、１１はその最大値の画素
を中心に±ｎ画素の画像情報を多項変換して、その式の
値を用いて重心座標を計算する重心座標演算回路、１２
は重心座標演算回路１１により求められた値により対象
物体６の三次元座標を計算するとともに、本装置の制御
を行５Ｃ！ＰＵ、１３は０ＰＵＩ２の命令およびデータ
を格納するＣＰＵメモリ、１４は画像メモリ９に記憶さ
れている画像情報をモニタに出力するＣＩ’ＬＴコント
ローラ、１５はそのモニタ、１６はスキャナ４を制御す
るスキャナ制御回路である。

以下、上記装置の動作を説明する。レーザ発振器１より
発射されたレーザビーム２は集束レンズ３を通りスキャ
ナ４に入力される。スキャナ４は集束されたレーザビー
ムをシリンドリカルレンズ等でスリット光に変換し、か
つそのスリット光をガルバノミラ−等で偏向させる機能
を有する。

スキャナ４より出力されたスリット光５は対象物体６に
照射される。この対象物体６をＣＣＤカメラ７で撮影す
る。ＯＣＤカメラ７から出力される映像信号は、Ａ／Ｄ
コンバータ８によｐｍビットのデジタル画像信号に変換
される。Ａ／Ｄコンバータ８から出力される画像信号は
、０ＰＵ１２の指令により画像メモリ９に記憶されると
同時にアドレス検出回路１０に入力され、−水平走査ご
とに画像情報が最大の時のアドレスを検知する。

第２図は画像メモリ９の内容を表わしたものである。同
図に示すように、水平り画素、垂直１画素、各画素ｍピ
ットで構成されており、水平方向のアドレスを１（ｉ＝
ｌ〜ｈ）、垂直方向のアドレスなｊ　（ｊ＝１〜Ｖ）で
表わす。この画像メモリ９はＣＣＤカメラ７の視野情報
を二次元的に配列しているものであり、ＣＣＤカメラ７
の各ＣＣＤ素子に対応している。なお、水平方向のアド
レスｉはアドレス検出回路１０及び重心座標演算回路１
１で使用される。

第３図はアドレス検出回路１０を更に詳しく表わしたブ
ロック図である。同図において、１００は入力される画
像情報を比較する比較器、１０１は画像情報を比較した
結果、あらたに入力された画像情報が大きい時のみその
入力された画像情報を保持するレジスタ、１０２はレジ
スタ１０１と同様に画像情報を比較した結果、あらたに
入力された画像情報が大きい時のみその入力された画像
情報を示すアドレスを保持するレジスタ、１０３はレジ
スタ１０２から出力されたアドレス情報が重心座標を計
算するのに適した値であるかどうかを調べるだめの範囲
を設定する範囲設定回路、１０４及び１０５はレジスタ
１０２が出力するアドレスが所定の範囲内であるかを調
べるための比較器、１０６は比較器１０４及び１０５の
出力を論理和するゲートである。

以下、その動作を説明する。通常、レジスタ１０１及び
レジスタ１０２は水平ブランキング期間に“０”にリセ
ットされている。ＯＰ　Ｕｌ□の指令により、Ａ／Ｄコ
ンバータ８から出力される画像情報は、画像メモリ９に
記憶されると同時にアドレス検出回路１０に入力される
。アドレス検出回路１０では、一画素ごとに入力される
画像情報とレジスタ１０１の出力とを比較器１００で比
較し、入力された画像情報が大きい時のみ比較器１００
が信号を出力し、この信号によりレジスタ１０１には画
像情報が、レジスタ１０２にはレジスタ１０１に保持さ
れている画像情報を示すアドレス情報が保持される。

従って、−水平走査が終了するとレジスタ１０２には、
入力された画像情報の中で最も大きな値の画素のアドレ
ス情報が保持されている。

レジスタ１０２の出力は比較器１０４及び１０５に入力
され、検出されたアドレスが所定の範囲内であるかどう
かを調べる。即ち、このアドレスが示す画素を中心に十
〇画素の画像情報により重心座標の計算を行なうため、
ここで検出されるアドレスＡｔは、画像メモリ９の水平
方向のアドレスを１（蔦＝１〜ｈ）とすると、１＋ｎ≦Ａｉ≦ｈ　−ｎ　　　　　　　　　−−（２）
で、上記第（２）式を満たす範囲でなければならない。

この結果、検出されたアドレスが第（２）式で示す範囲
外であれば、ゲート１０６から信号が出力され、後述す
るように重心座標及び三次元座標の計算は行なわないよ
うにする。なお、レジスタ１０２から出力されるアドレ
ス情報は重心座標演算回路１１に入力される。

アドレス検出器１０により、−水平走査ごとに画像情報
が最大の時のアドレス情報が検出されると、水平ブラン
キング期間にこのアドレス情報は重心座標演算回路１１
に入力され、このアドレスが示す画素を中心に±ｎ画素
の画像情報を用いて、−水平走査ごとに重心座標の計算
を行なう準備をする。

ここで画素ごとに画像情報は、その画像情報を変数とす
る多項式に変換され、その多項式の値（Ｖｉ）を用いて
下記筒（３）式により重心計算を行なう。

第４図は重心座標演算回路１１を更に詳しく表わしたブ
ロック図である。同図において、１１０はアドレス検出
回路１０で検出されたアドレスからｎを減じる減算器、
１１１は画像メモリ９のナトレスを示すカウンタ、１１
２は多項式変換回路、１１３は多項式の値を加算する加
算器、１１４は加算器１１３の結果を累積するレジスタ
、１１５はレジスタ１１４の最終結果を記憶するメモリ
、１１６は各画素に重み付けをする乗算器、１１７は重
み付けされた結果を加算する加算器、１１８は加算器１
１７の結果を累積するレジスタ、１１９はレジスタ１１
８の最終結果を記憶するメモリである。この重心座標演
算回路１１は、水平ブランキング期間に第（３）式の分
母及び分子の各部分、即ち第（４）及び（５）式の計算
をそれぞれ行なう。

Ｄ　Ｖｉ　　　　　　　　　　　・・・・・・（４）Σ
（ｉ−Ｖｉ）　　　　　　　　・・・・・・（５）以下
、その動作を説明する。アドレス検出器１０で検出され
たアドレスは減算器１１０に入力される。

減算器１１０は、アドレス検出器１１０で検出されたア
ドレスからｎを減じ、その結果をカウンタ１１１にロー
ドする。カウンタ１１１の出力は画像メモリ９のアドレ
スとなっており、クロックが入力されるたびに出力の値
が更新される。即ち、この値によって画像メモリ９から
一水平走査のうちの最大値とその前後ｎ画素ずつの画像
情報が読み出され、多項式変換回路１１２に入力される
。多項式変換回路１１２では、画素ごとに、画像情報を
変数とした多項式の値が第（６）式に基づいて計算され
る。

Ｖｔ＝　Ｂｅ　＋　Ｂ＋　Ｄｉ　十Ｂ２　Ｄｉ”　十Ｂ
ｓ　Ｄｉ３＋　−−ＢＫ　Ｄｉ　・・（６）本実施例に
おいては、第（６）式において３次の項までの多項式、
即ち、第（７）式で表わされる多項式を用いた。

Ｖｌ＝Ｂｅ　十Ｂ＋　Ｄｉ　十Ｂ２　Ｄｉ　十Ｄｓ　Ｄ
ｉ３　　　・・・・・・（７）ここで第５図の多項式変
換回路１１２のブロック図を用いて更に詳しく多項式変
換回路の構成を説明する。同図において、１１２０．　
１１２１．　１１２２゜１１２７及び１１２９は乗算器
で、１１２４．　１１２６及び１１３１は加算器である
。また、１１２５．　１１２３．　１１２８及び１１３
０はレジスタで、あらかじめ第（７）式の係数であるＢ
ｅ　、　　Ｂ＋　、　　Ｂｚ及びＢ、が設定されている
。

１１３２は加算のタイミングをとるクロックである。

以下、その動作を説明する。多項式変換回路１１２に入
力された画像情報は乗算器１１２０．乗算器１１２１へ
２人力及び乗算器１１２２へ入力される。乗算器１１２
０では、予めレジスタ１１２３に設定しである係数Ｂ１
の値と画像情報とを乗算し、加算器１１２４へ出力する
。加算器１１２４では、予めレジスタ１１２５に設定し
である係数Ｂ。と乗算器１１２０の出力とを加算し、更
に加算器１１２６へ出力する。これらの回路で第（７）
式の第１項（Ｂ。）と第２項（Ｂ、Ｄｉ）の加算がまず
終了した。

次に、乗算器１１２１で画像情報を２乗し、結果を乗算
器１１２７と乗算器１１２２へ出力する。乗算器１１２
７では、予めレジスタ１１２８に設定しである係数Ｂｔ
　と乗算器１１２１の出力とを乗算し、その結果を加算
器１１２６へ出力する。加算器１１２６では、加算器１
１２４と乗算器１１２７のそれぞれの出力を加算し、加
算器１１３１へ出力する。これまでの回路で第（７）式
の第１項から第３項までの加算が終了した。

そして、乗算器１１２２では、乗算器１１２１の出力と
画像情報とを乗算し、即ち画像情報の３乗した値を乗算
器１１２９へ出力する。乗算器１１２９では、予めレジ
スタ１１３０に設定しである係数Ｂ、と乗算器１１２２
の出力とを乗算し、その結果を加算器１１３１へ出力す
る。加算器１１３１では、加算器１１２６の出力と乗算
器１１２９の出力とを加算し、回路外部へ出力する。こ
の時、それぞれの加算器は、タイミングクロック１１３
２によって動作を制御される。

以上の動作で、式（７）の多項式の計算が終了する。

第４図にもどって再び重心演算回路１１の説明をする。

多項式変換回路１１２から出力された多項式の値は、加
算器１１３及び乗算器１１６に入力される。

なお、レジスタ１１４及びレジスタ１１８は予めクリア
しておく。加算器１１３及びレジスタ１１４は入力され
る多項式の値を一画素ずつ加算し累積する。

即ちここでは、前記第（４）式の計算を行なう。この結
果はメモリ１１５に格納される。また、乗算器１１６は
多項式変換回路１１２から出力される値と、カウンタ１
１１から出力される画像メモリ９のアドレス情報とを乗
算し、その結果を加算器１１７に送る。

加算器１１７及びレジスタ１１８は乗算器１１６から出
力される値を累積する。即ちここでは、前記第（５）式
の計算を行なう。この結果はメモリ１１９に格納される
。

以上の処理を水平ブランキング期間に行なう。

従って、ＣＰＵＩ２の指令によりレーザスリット画像の
取り込みを行うと、メモリ１１５及び１１９には各水平
走査ごとの重心座標の計算に必要な情報が格納されるこ
とになる。

その後、０ＰＵ１２はレーザスリット光取り込み終了信
号を受けて、メモリ１１５及び１１９の情報を読み出し
、重心座標の計算、即ち前記第（３）式の計算を行なっ
た後、対象物体６の三次元座標を計算する。この計算が
終了すると０ＰＵＩλはスキャナ制御回路１６に指令を
出して、スリット光を移動させ、前記処理を繰り返す。

なお、アドレス検出回路１０の中の論理和ゲート１０６
が信号を出力した時、即ち、検出されたアドレスが範囲
外である時は、重心座標演算回路１１の中のメモＩＪ　
１１５及びメモリ１１９には選択回路（図示せず）によ
って、特定の値が記憶されるようになっており、ＯＰ　
ｕｎがこの値を検知すると重心座標と三次元座標の計算
は行なわない。

以上のような構成と動作をもってして、従来例と同様に
、第８図（ａ）に示すようなレーザスリット光の重心座
標を計算すると、第６図に示すように誤差が大幅に縮小
され、はぼ連続した直線６１として得られる。得られた
重心座標値と、スリット像の真の中心位置を示す直線６
２との誤差の分散は、０．０７７画素あり、従来例の場
合の０２１画素に比べて１／３に誤差を小さくすること
ができる。従って、この重心座標値をもとに対象物体の
三次元座標を計算しているため、三次元座標の測定値も
、従来例に比べて非常に高精度に計算することができ、
誤差の分散を約１／３に小さくすることができる。

また、本実施例では、集束レンズでレーザスリット光を
絞っているため、重心計算に用いた画素数は最大輝度の
画素を中心に±３画素、計７画素あれば充分で、−水平
走査上の全ての画素を用いる必要がなく計算時間を短縮
することができる。

なお、Ａ　／　Ｄコンバータ８は８ビツトのものを用い
、多項式変換回路１１２内の４つのレジスタに設定した
第（７）式の係数Ｂ０からＢ、の値は、それぞれ、Ｂｅ
　−０，Ｂｔ−５，Ｂｔ＝　　２．　　Ｂｓ＝＋　０．
１である。これらの係数は、対象物体及び測定環境にあ
わせて最適なものを設定すれば良い。

発明の効果以上述べてきたように本発明によれば、アドレス検出回
路と重心演算回路と、多項式変換回路という比較的簡易
な回路を設けることで、レーザスリット光が対象物体の
どこに当っているかをすばやく、かつ高精度に計算し、
従って高精度に三次元座標を測定することができ、測定
誤差の分散を従来の約１／３に低減することができると
いう極めて大きな効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における立体物測定装置のブ
ロック結線図、第２図は同装置の要部である画像メモリ
の記憶状況を示すを表わした概念図、第３図は同装置の
要部であるアドレス検出回路のブロック図、第４図は同
装置の要部である重心座標演算回路のブロック図、第５
図は同装置の要部である多項式変換回路のブロック図、
第６図は同装置におけるスリット像の重心計算結果を示
す特性図、第７図は従来の立体物測定装置のブロック結
線図、第８図はＣＣＤ素子受光模型図で、同図（ａ）は
概観図、同図（ｂ）は走査線での断面図、第９図は同装
置におけるスリット像の重心計算結果を示す特性図であ
る。１・・・レーザ発振器、３・・・集束レンズ、４・・・
スキャナ、５・・・スリット光、６・・・対象物体、７
・・・ＣＣＤカメラ、８・・・Ａ／Ｄコンバータ、９・
・・画像メモリ、１０・・・アドレス検出回路、１１・
・・重心演算回路、１２・・・ＣＰＵ、１１２・・・多
項式変換回路。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男ほか１名第１図ノ第２図り第３図１０　　アドレスＷ：工回路区　　　　　　　　　１す？騨第６図水千画素値直第７図第９図７に＋画素位置 ′！ＪＪ８図（ａ）ＣＣＤ父九郁（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）発光手段から発射された光を集光しかつスリット
状に変換する光変換手段と、前記スリット光を対象物体
に照射させ、かつ前記スリット光を偏向させる偏向手段
と、前記対象物体からの前記スリット光の反射光を撮影
する撮像手段と、前記撮像手段より出力される輝度信号
を量子化するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器により
変換された画像情報を記憶する記憶手段と、前記画像情
報の中から、前記撮像手段の一水平走査ごとに最大値を
検出するとともに、前記最大値を示す前記記憶手段のア
ドレス情報を検出するアドレス検出手段と、前記アドレ
ス検出手段により検出されたアドレス情報が示す画素を
中心に±ｎ画素の画像情報を用いて重心座標を計算する
重心座標演算手段と、前記重心座標演算手段によって計
算されたスリット光画像の重心から対象物体上のスリッ
ト光が投射されている部位の三次元空間座標を計算する
三次元空間座標算出手段とを具備し、前記重心座標演算
手段は入力された（２ｎ＋１）個の前記画像情報を、そ
れぞれに前記画像情報を変数とした多項式に変換し、前
記多項式の値を前記画像情報に対応する（２ｎ＋１）個
の画素の代表値とし、前記各画素のアドレス情報と前記
代表値とから重心計算を行なう立体物測定装置。
（２）撮像手段は、二次元のＣＣＤカメラであることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の立体物測定装置
。
（３）発光手段は、レーザ発振器であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の立体物測定装置。