JPH02223810A - 光切断法による三次元形状測定装置 - Google Patents

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〉 この発明は、光切断法による三次元形状測定装置の改良
に関する。

〈従来の技術〉 光切断法による三次元形状測定装置は、回転する被測定
物にスリット光を照射し、被測定物の表面に生ずる光切
断線を撮像手段で撮像して得られる光切断像から被測定
物の三次元形状を求めるものである。撮像手段で得られ
る光切断像は二次元の画像となっており、これを三次元
座標のデータに変換するには三角関数計算などを多量に
繰り返す必要がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記の計算はコンピュータにとっても非常に負荷のかか
る複雑なものであるため、測定しながらリアルタイムで
このような計算を実施するには高速のコンピュータが必
要となり、必然的に測定装置は大型化し、高価なものと
なっていた。

この発明はこのような問題点に着目し、比較的安価な汎
用タイプのコンピュータの使用を可能として、高速でし
かも安価な装置を実現することを目的としてなされたも
のである。

く課題を解決するための手段〉 上述の目的を達成するために、この発明の光切断法によ
る三次元形状測定装置は、撮像手段で得られた光切断像
の各点の二次元データを被測定物の回転中心軸からの距
離Ｒと、この回転中心軸上の基準点からの高さＺにそれ
ぞれ変換するための変換テーブルをあらかじめ作成して
変換テーブル記憶手段に記憶させておき、上記各変換テ
ーブルを用いて撮像手段の二次元データから光切断像の
各点の距離Ｒと高さＺのデータを得て、これを回転位置
検出手段によって検出される被測定物の回転位置データ
θと対応させてデータ記憶手段に記憶させるようにして
いる。

上記の距離Ｒと高さＺへの変換テーブルは、例えば次の
ような校正方法によって求められる。すなわち、被測定
物の回転中心軸に対してスリット光の面を平行に保つよ
うにスリット光照射手段を配置し、このスリット光の面
内に基準となる三次元座標上の位置が既知な４個の校正
用目標物を配置し、撮像手段で得られる上記各校正用目
標物の二次元座標データを用いて、透視変換の関係式か
ら距１１ｔＲと高さ２の変換テーブルを作成するのであ
る。

第１図はこの発明の構成を示す図であり、Ａはスリット
光照射手段、Ｂは撮像手段、Ｃは被測定物、Ｄは校正手
段を兼ねる演算手段、Ｅは変換テーブルＥユを記憶する
変換テーブル記憶手段、Ｆは回転装置、Ｇは回転位置検
電手段、Ｈはデータ記憶手段である。また工は校正／測
定切換手段。

Ｊはデータ記憶手段Ｈに記憶された演算結果データを必
要に応じて出力する出力装置であり、被測定物Ｃは校正
時には校正用目標物に置き換えられる。なお、被測定物
Ｃの回転はスリット光照射手段Ａと撮像手段Ｂに対する
相対的なものであり、固定された被測定物Ｃの回りを光
照射手段Ａと撮像手段Ｂを公転させてもよい。

く作用〉 被測定物表面の各点の三次元データは、各変換テーブル
を用いた変換演算によって回転中心軸からの距離データ
Ｒと、この回転中心軸上の基準点からの高さデータＺ、
及び回転位置検出手段Ｇで検出されるある基準位置から
の回転位置データθの三種類のデータの形で得られる。

距離Ｒと高さＺへのデータ変換は、記憶手段Ｅに記憶さ
れている変換テーブルを利用して行われ、また回転位置
データθも回転位置検出手段Ｇによって簡単に得られる
ので、各種演算の負荷は小さく、所要時間も短くなり、
演算手段りとしては汎用タイプのコンピュータやいわゆ
るマイクロコンピュータでも充分実用可能となる。

また、距離Ｒと高さ２への変換テーブルは、三次元座標
上の位置が既知な４個の校正用目標物を利用した校正に
よって求めることができ、この校正はスリット光照射手
段Ａと撮像手段Ｂの位置関係に対する制約条件が少なく
、各手段の配置に柔軟性が得られるため、装置の移動や
測定に際しＣのセツティングが容易となる。

〈実施例〉 次に図示の一実施例について説明する。第２図は装置の
全体の配置を示す概略平面図、第３図はブロック図、第
４図は直交三次元座標と、同転中心軸からの距離データ
Ｒ１基準点からの高さデータＺ、及び回転位置データθ
の三種類のデータとの関係を示す説明図、第５図は校正
方法の説明図、第６図は制御手順のフローチャート、第
７図は変換テーブルを例示した図、第８図は中心値検出
の説明図、第９図は処理結果の記憶に関する説明図であ
る。

第２図において、１はスリット光照射手段である光源、
２は撮像手段である撮像カメラ、３は被測定物である。

光源１は、原点○を含む図の紙面に垂直な方向に広がる
スリット光４を照射する姿勢で配置され。

撮像カメラ２は光源１からある距離を隔てて配置され、
スリット光４によって被測定物３上に生ずる光切断線５
が視野に入るように原点Ｏに向けられている。また、被
測定物３は原点Ｏを含む位置に置かれ、原点○を含む図
の紙面に垂直な方向を回転中心軸として所定の速度で回
転するように構成されている。なお光源１としては、従
来の光切断法による三次元形状測定装置で使用されてい
るものと同種の光源を適宜用いることができ、また撮像
カメラ２としては、従来の光切断法による三次元形状測
定装置で使用されているもの、例えばＣＣＤカメラ等を
適宜用いることができる。

第３図のブロック図において、６は画像処理装置、７は
回転駆動部、８は回転角度センサ、９は出力装置であり
、被測定物３は校正時には後述の校正用輝点１０（校正
用目標物）と置き換えられる。

画像処理装置６の主要部はコンピュータで構成されてお
り、演算や各種制御の中心となるＣＰＵ６１、制御プロ
グラム等を記憶させであるＲＯＭ６２．変換テーブルを
記憶するデータ変換用ＲＡＭ６３．変換処理で得られた
諸データを記憶するデータ記憶用ＲＡＭ６４．校正／測
定切換スイッチ６５のほか、適宜の入出力回路（図示せ
ず）等を備えている。なおＲＡＭ６３．６４は、必要と
する容散に応じて一つにまとめられ、あるいは磁気ディ
スク等の他の記憶装置に適宜置き換えられる。

回転駆動部７は、画像処理装置６からの制御４５号によ
り被測定物３が置かれている回転台（図示せず）を駆動
するように適宜構成されている。また回転角度センサ８
には例えばロータリエンコーダやポテンショメータを使
用し、被測定物３の回転位置データを検出するように構
成される６更に、出力装置９は画像処理装置６で得られ
た三次元形状の認識結果のデータを出力するもので、例
えばＣＲＴデイスプレィやプリンタ等で構成されている
。

次に、直交三次元座標と、距離データＲ１高さデータＺ
、及び回転位置データθの関係について第４図により説
明する。図において、Ｏよ−０２は原点Ｏを含む回転中
心軸であり、スリット光４はその面が回転中心軸Ｏ□−
０２と一致するように照射されている。直交三次元座標
のＸ軸は回転中心軸○、−〇２に直交し、且つスリット
光４の面と一致する水平方向に、ｙ軸はＸ軸に直交する
水平方向に、Ｚ軸は回転中心軸と一致させてそれぞれ設
定されており、任意の点Ｐの直交座標は（Ｘ＋ｙ＋２）
で表される。一方、この点Ｐは回転中心軸０ニー０２か
らの距離Ｒ１原点０からの高さＺ、基準となるある位置
、例えばＸ軸に対する角度θ、という三種類のデータに
よっても表すことができる。

ここで、撮像カメラ２で得られる光切断像５ａは二次元
の画像座標（ｕ、ｖ）で表される像であり、この発明で
は、この光切断像５ａの画像座標（ｕ。

■）から上記の距離データＲ及び高さデータ２を変換テ
ーブルを用いて演算し、これらと回転位置データθとを
用いて点Ｐ、すなわち被測定物３の表面上の各点の位置
をＬ！！誠するのである。

上記の変換テーブルは次のような校正によって作成する
ことができる。すなわち、スリット光４上に存在する点
の直交座標を（Ｎ　ｉ＋　ｙｉｔ　Ｚ　ｉ）とし、この
点を撮像カメラ２でｖＩｌ像した時の画像座標を（ｕ；
＋Ｖｉ）とすると、両者の関係は透視変換の関係から 、、（ｕ、ｖ、）＝　ｍ、、ｕ４＋ｍ、、、ｖＨ＋ｍ。

ｍ２１ｕ　ｉ＋ｍ２ｔ　ｖ；＋ｍ２゜ ３’１（ｕｉ＊Ｖｉ）＝□−・・・・・・■ｚ；（ｕｔ
＋ｖｔ）＝　ｍ、１ｕｉ＋ｍ、、ｖ”＋１゛但し　ｓ＝
ｍ４１ｕ、＋ｍ、、ｖ＋＋１となることが知られており
、未知数ｍ０１〜ｍ４ｚが求まれば、上記０式によりｕ
　ｉ　＊　Ｖ　ｉからＸ　ｉ　ｅ　３’　ｉ　ｒＺ、を
算出できることになる。

そこで、最終的に解くべき方程式は次の■式となって、
座標位置が既知である４点を与えることにより未知の係
数ｍよ、〜ｍ４２を求めることができるから、この結果
を用いて■式を完成するのである。上述の手順で求まる
係数ｍい、〜ｍ、よけ、スリット光４と撮像カメラ２の
相互の位置関係が変らない限り一定であり、このような
校正は校正用輝点１０を４個用いて行うことができる。

すなわち、第５図に示すように座棚位装置がそれぞれ異
なり、且つ既知である４個の校正用輝点１０をスリット
光４上に配置し、撮像カメラ２で撮像した時の画像座標
上の各点１０ａの座標データｕ、、Ｖ１〜ｕ４１ｖ４を
■式に代入して画像処理装置６のＣＰＬ１６１で解を求
めるのである。なお校正用輝点１０は、例えば小球を図
示のように細い線材１１の先端に固定して支持台１２上
に立てて配置すればよいが、糸で／］Ｘ球を吊り下げる
ようにしてもよい。こうして得られた係数ｍ工、〜ｍ、
ｚを■式に用いることにより、任意の点の画像座標（Ｕ
、。

■、）からこれに対応する点の直交座標（Ｘｉ＋ｙｉ。

２＝）を■式によって求めることが可能となるのであり
、Ｘ、はそのまま距離データＲになり、またＺ、はその
まま高さデータ２になる。

この実施例の場合は、スリット光４を回転中心軸０□−
０２と一致する方向に照射して常にｙ、＝０の関係が成
立するようにしているので、Ｘｉがそのまま距離データ
Ｒとなる。しかし、ｙ８＝０でなくてもこのような手法
により画像座標（ｕｉ＋Ｖｉ）から距離データＲを求め
ることは、演算がやや面倒にはなるがスリット光４の面
が回転中心軸Ｏ□−〇２に平行でありさえすれば可能で
ある。

次に、実施例の全体の動作を第６図のフローチャートに
より説明する。装置の各部は図示しないクロック回路の
基準同期信号によって相互に関連して動作するようにな
っている。

ステップＳ１から８４までは測定前に実施される校正の
手順である。まずステップＳ１では、第５図に示すよう
にスリット光４上に配置された４個の校正用輝点１０の
画像座標データｕｌ）Ｖｌ〜ｕ４．■４が入力され、ス
テップＳ２で信号の高速処理を可能とするためのデータ
の２値化、レンズ歪の補正、データの中心値検出等のデ
ータ前処理が必要に応じて行われる。ステップＳ３では
、上記の前処理がなされたデータを用いて上述したよう
な手順により各係数用よ、〜ｍ　４．を演算し、■式を
得る。次のステップＳ４では、■式を用いて画像座標デ
ータｕ　ｉ　＋　Ｖ　ｉと距離データＲｉ　ｉ及び高さ
データＺ　ｉｉの関係・を演算し、第７図の（ａ）（ｂ
）に例示したようなＲ変換テーブルとＺ変換テーブルを
距離データＲ及び高さデータＺについてそれぞれ作成す
る。これは画像座標データｕ　ｉ、　ｖ　ｉＶ）　一定
の刻みごとに、例えば撮像カメラ２がＣＣＤカメラであ
ればＣＣＤの各画素ごとに行われるのであり、後の演算
に利用するためデータ変換用ＲＡＭ　６３に記憶される
。

なお、ステップＳ２におけるデータの中心値検出は、光
ｇ１と被測定物３との距離や表面の傾斜等によって光切
断！５の幅が異なるため、光切断線５の中心の画素の座
標を用いて演算を行うようにして誤差をなくすために行
われるものであり。

例えば次のような手順で処理される。第８図において、
（ａ）は例えば５ＭＨｚのクロック基準信号、（ｂ）は
このタロツク基準信号を２分周した２分周信号、（ｃ）
は水平同期信号、（ｄ）は２値化されたデータであり、
水平同期信号のトリガーが入力されると（ａ）のクロッ
ク基準信号のカウントを開始し、（ｄ）の２値化データ
が入力されている期間中は（ｂ）の２分周信号をカウン
トするのである。これにより２値化データの入力中にお
けるカウント数は２値化データの幅の丁度１／２に対応
した値となり、簡単且つ高速度で中心画素の座標が検出
されることになる。

次のステップ８５以下は実際の測定の手順である。まず
ステップＳ５で撮像カメラ２により被測定物３上の光切
断線５を撮像し、得られた光切断像５ａの画像座標デー
タｕｉ、Ｖｉと１回転角度センサ８で検出された被測定
物３の回転位置データθ、がステップＳ６で入力され、
ステップＳ７で前述のステップＳ２と同様なデ−タ記憶
用が行われる。

ステップＳ８では、前処理された画像座標データｕｉ＋
Ｖｉをデータ変換用ＲＡＭ６３に記憶させであるＲ及び
２の各変換テーブルを利用して距離データＲｉ　ｉ及び
高さデータＺ　ｉ　ｉに変換し、得られたデータを回転
位置データθ、と対応させながらステップＳ９でデータ
記憶用ｉ（ＡＭ６４に記憶させる。

こうして得られた処理結果はステップＳＩＯでＲＡＭ６
４から呼び出し、そのままで、あるいは必要に応じて適
宜の加工を行って出力装置９から出力するのである。続
いてステップ８１１で被測定物３を所定角度だけ回転さ
せ、ステップＳＬ２で被測定物３の回転量が測定の対象
範囲、例えば３６０°に達したか否かが判定され、達し
ていなければステップＳ５に戻って同じ手順が繰り返さ
れる。

このようにして被測定物３の形状測定が例えば全周につ
いて行われ、測定は終了する。なお、出力装置９からの
データを上記のようにその都度出力せず、測定終了後に
まとめて出力するようにしてもよい。

上記のステップＳ９でのデータの記憶は、例えば第９図
に例示したように行われる。すなわち、基準位置からの
回転角度ｏｎにおける光切断線５上の各点のデータを、
第９図の（ｂ）のようにデータＺをアドレスとしてこれ
にデータＲを対応させるという形式で順次記憶させる。

このように、データＺをアドレスとしてデータＲをこれ
に対応する番地に書き込むことにより、回転位置データ
θをパラメータとしながら、各回転位置における光切断
線５のデータがそれぞれ記憶されることになるので、使
用するメモリの所要量が少なくなると共に、以後のデー
タの利用にも好都合となり、メモリへのアクセス量も低
減されて処理時間の短縮化が可能となるのである。

なお、被測定物３が凹凸の大きなものである場合などに
は、死角となる部分が生じて画像座標データｕ　ｉ　＋
　Ｖ　ｉの一部が欠落する可能性がある。これを防止す
るには、例えば撮像カメラを２個用いてそれぞれの画像
座標データで相互に補完しながら測定を行うようにすれ
ばよい。この場合には、それぞれのデータ２を相互に補
完してデータ値をそろえた後、このデータＺをアドレス
として対応するデータＲを記憶するという上述の処理を
行うのである。

〈発明の効果〉 上述の実施例から明らかなように、この発明の三次元形
状測定装置は、被；１す宝物表面の各点の三次元データ
を、各変換テーブルを用いて回転中心軸からの距離デー
タＲとこの回転中心軸上の基準点からの高さデータＺ、
及びある基準位置からの回転位置データθの三種類のデ
ータの形で得るようにしたものである。

また、距離Ｒと高さＺへの変換テーブルは、三次元座標
上の位置が既知な４個の校正用目標物を利用し、透視変
換の関係式を用いた校正によって求めるようにしたもの
である。

従って、撮像手段で得られる二次元の画像座標データか
ら三角関数計算などを多量に繰り返して三次元座標のデ
ータに変換する場合と比較して、各種演算の負荷が小さ
くなり、所要時間も短くなるので、演算用のコンピュー
タとしては汎用タイプなどの比較的速度が遅く、小型で
価格も安いものを使用することが可能となり、小型で安
価な測定装置を得ることが容易となる。

また、変換テーブルを作成するための校正はスノット光
照射手段と撮像手段の位置関係に対する制約条件が少な
く、各手段の配置に柔軟性が得られるため、装置の移動
や測定に際してのセツティングが容易となり、扱いやす
い装置が得られるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す図、第２図は一実施例の
概略平面図、第３図は同ブロック図、第４図は直交三次
元座標と、距離データＲ１高さデータＺ及び回転位置デ
ータθとの関係を示す説明図、第５図は校正方法の説明
図、第６図は制御手順のフローチャート、第７図は変換
テーブルを例示した図、第８図は中心値検出の説明図、
第９図は処理結果の記憶に関する説明図である。 １・・・光源（スリット光照射手段）、２・・・撮像カ
メラ（場像手段）、３・・被測定物、４・・・スリット
光、５・・・光切断線、５ａ・・・光切断像、６・・・
画像処理装置（演算手段）、７・・・回転駆動部、８・
・・回転角度センサ（回転位置検出手段）、１０・・・
校正用輝点（校正用目標物）、６１・・・ＣＰＵ、６３
・・・データ変換用ＲＡＭ（変換テーブル記憶手段）、
６４・・・データ記憶用ＲＡＭ（データ記憶手段）、Ｅ
□・・・変換テーブル、Ｒ・・・距離データ、２・・・
高さデータ、Ｏ・・・回転位置データ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転する被測定物にスリット光を照射し、被測定
   物の表面に生ずる光切断線を撮像手段で撮像して得られ
   る光切断像から被測定物の三次元形状を求める光切断法
   による三次元形状測定装置において、 撮像手段で得られた光切断像の各点の二次元データを、
   被測定物の回転中心軸からの距離Ｒと、この回転中心軸
   上の基準点からの高さＺにそれぞれ変換するための変換
   テーブルをあらかじめ記憶する変換テーブル記憶手段と
   、 撮像手段で得られた光切断像の各点の距離Ｒと高さＺの
   データを上記各変換テーブルを用いて演算し、回転位置
   検出手段によって検出される被測定物の回転位置データ
   θと対応させてデータ記憶手段に記憶させる演算手段、 とを備えたことを特徴とする光切断法による三次元形状
   測定装置。
2. （２）被測定物の回転中心軸に対してスリット光の面を
   平行に保つように配置されたスリット光照射手段と、 スリット光の面内に配置されており、且つ基準となる三
   次元座標上の位置が既知な４個の校正用目標物を撮像手
   段で撮像し、得られた上記各校正用目標物の二次元座標
   データを用いて、透視変換の関係式から距離Ｒと高さＺ
   の変換テーブルを作成する校正手段、 とを備えた請求項１記載の光切断法による三次元形状測
   定装置。