JPH02302604A - 三次元座標計測装置 - 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］ 本発明は、蛍光灯などの照明光や太陽光などの外乱光が
急変する環境下でも、これらの外乱光に影響されること
な（、安定にかつリアルタイムに測定対象物の三次元位
置を計測できる三次元座標計測装置に関するものである
。この装置は、例えば移動体に載置されて用いられる。

［従来の技術とその問題点］　　　゛ 従来より、外乱光がある場合に被測定物の三次元座標を
計測するものとして特開昭６１−９５２０３号公報に記
載の装置があった。これは、光切断線発生装置とカメラ
とを用いた光切断法を利用した三次元形状計測装置で、
外乱光を除去するために光切断線（スリット光）を投光
した時のカメラ画像と投光していない時のカメラ画像の
差を求めてスリット光を抽出し、その位置から三次元形
状を求めるものである。

この様な装置を、例えば移動体に載置して、走行しつつ
屋外を含む外部環境を認識しようとする場合、外乱光と
して照明光、警告灯等からの光や太陽光等が存在し、し
かも移動体の走行に伴い、それらと移動体との相対位置
が刻々変化する。すなわち、カメラ画像にあっては、外
乱光の輝度レベルの変化となって現れる。従って、変化
する外乱光の影響を考慮せずに単にスリット光の投光時
と無投光時とのカメラ画像の差を求めても、スリット光
以外にも上述した変化する外乱光による明るい部分が残
ってしまい、この部分をスリット光と判断して誤計測を
行うという問題点があった。

すなわち、通常のカメラでは、フレーム蓄積モードでは
１／３０秒毎、フィールド蓄積モードでは１／６０秒毎
の撮像周期で画像を得ることができる。そこで、一定の
照明条件下での室内や外乱光の輝度レベルが変化せずほ
ぼ一定の場合には、第２図（ａ）に示すように、スリッ
ト光投光時と無投光時の画像を連続した２枚の画像で撮
像すればよい。しかし、外乱光の輝度レベルが変化する
、特に第２図（ｂ）に示すように前記撮像周期よりも短
時間に変化する場合には、スリット光投光時と無投光時
の画像を、単に連続した２枚の画像として撮像しても、
スリット光以外に変化する外乱光に起因する明るい部分
が残ってしまうという問題があった。

さらに、三次元座標測定装置を移動体に載置して対象物
の認識結果に基づいて移動制御するには、上述の外乱光
の変化以外に、測定のリアルタイム性についても考慮し
なければならない。すなわち、時々刻々変化する移動体
と対象物との相対位置関係をリアルタイムに、かつ順次
、測定認識する必要があるが、従来は、この点を考慮し
ていなかった。

［発明の目的］ 本発明の目的は、外乱光がありその輝度レベルが大きく
変化した場合でも被測定物を安定に、かつリアルタイム
に計測できる三次元座標計測装置を提供することにある
。

［発明の着眼点］ スリット光投光時と無投光時の差画像に現れる外乱光は
、二つの画像を取り込んだ時刻における外乱光の輝度レ
ベルの差によって生じる。。そこで、外乱光の輝度レベ
ルの変化が無視できる程度の時間内にスリット光投光画
像と無投光画像を撮像すればよい。

そこで、高速シャッターを利用して輝度レベル変化が無
視できる時間間隔で撮像する。すなわち、第２図（ｂ）
に示すように、スリット光の投光終了時点の前後で、シ
ャッター等による短時間かつ同時間長の光信号入力期間
を設けて、スリット光投光時と無投光時の画像を撮像す
る。この２枚の画像の外乱光の輝度レベルは同じである
ので、外乱光の無いスリット光だけの差画像が得られる
ことになる。したがって、急変する外乱光の影響を受け
にくい三次元座標計測ができる。

［発明の説明］ 本発明の三次元座標計測装置を、第１図を用いて説明す
る。

本発明の三次元座標計測装置は、一定の繰り返し周期で
、かつ、該繰り返し周期より短い時間オン状態となって
スリット光を被測定物に投光するスリット光投光手段ｌ
と、 前記スリット光投光手段１のオン状態に基づき、スリッ
ト光のオン状態の開始および終了時点の−１ずれか一方
を基準時点とし、該基準時点の前後で互いに等しい時間
、かつ、スリット光の次のオン状態開始時点より前まで
の十分短い時間のみ、被測定物からの光信号を入力する
とともに、前記基準時点の前後で２つの画像として撮像
し、該２つの画像を順次、第１の画像および第２の画像
として出力する撮像手段２と、前記第１の画像を入力し
一時記憶する画像メモリ３と、前記撮像手段より前記第
２の画像を入力するとともに、前記画像メモリより読み
出された第１の画像と前記第２の画像との差画像を演算
する差画像演算手段４と、前記差画像よりスリット光位
置を算出するスリット光位置算出手段５と、前記スリッ
ト光位置より被測定物の三次元座標を演算する座標演算
手段６と、からなり、スリット光投光時および無投光時
の画像を連続した２枚の画像として得ると同時にその差
画像からスリット光位置を求め、リアルタイムに座標計
測を行うことを特徴とする。

以上の構成を有する本発明の作用は次の通りである。

スリット光投光手段ｌは、一定の繰り返し周期でパルス
的にスリット光を被測定物に向けて投光する。投光され
たスリット光は被測定物によって反射され、光信号とし
て外乱光とともに撮像手段２へ到達する。撮像手段２は
スリット光のオン状態に基づき、スリット光のオン状態
の開始および終了時点のいずれか一方の基準時点の前後
で互いに等しい時間τであって、かつ、スリット光が次
にオン状態となる前までの時間２τのみ光信号を入力し
、撮像する。撮像周期は、たとえば前記基準時点で終了
および開始し、その撮像期間は前記光信号の入力期間１
以上の長さに設定される。これにより撮像手段２は、ス
リット光の投光時および無投光時の期間において、それ
ぞれ等しい時間で、かつ、外乱光の光強度の変化が無視
できる程度の短い時間内で連続して入力した光信号を撮
像し、第１および第２の画像として順次出力する。

ここで、前記基準時点を、スリット光のオン状態開始時
点とする場合は、第１および第２の画像はそれぞれスリ
ット光の無投光および投光画像となり、基準時点を、ス
リット光のオン状態終了時点とする場合は、第１および
第２の画像はそれぞれスリット光の投光および無投光画
像となる。

画像メモリ３は、撮像手段２より出力される第１の画像
を入力し、一時記憶するとともに、撮像手段２より続い
て直後に第２の画像が出力されるのに伴って、記憶した
第１の画像を出力する。一方、差画像算出手段４は、撮
像手段より出力される第２の画像と画像メモリに記憶さ
れている第１の画像とを同時に入力するとともに、それ
ら両画像の差を算出し、差画像として出力する。

算出された差画像は、スリット光位置算出手段５により
、画面上での位置が算出され、さらに、座標演算手段６
により、算出されたスリット光位置および予め把握され
ているスリット光投光手段および撮像手段の位置関係よ
り、被測定物の三次元座標が演算される。以上の一連の
計測が、スリット光が投光される毎に行われる。

本発明によれば、外乱光の輝度レベルが時間的に変化し
ても、その変化時間より充分短い時間間隔でスリット光
投光時および無投光時の画像を両者連続して撮像し、そ
の差画像からスリット光を得て計測しているので、外乱
光の変化の影響を除去して正確な三次元座標計測を行う
ことができる。

また、スリット光投光時および無投光時の画像の先に得
られる一方の画像を画像メモリに一時記憶し、続く他方
の画像が得られると同時に両者の差画像を求め、更に、
そのスリット光位置から直ちに三次元座標を求めている
ので、リアルタイムに三次元座標を計測することができ
る。従って、たとえば本発明の三次元座標測定装置を移
動体に載置する場合、移動体の移動に伴って刻々変化す
る対象物の認識を正確かつリアルタイムに行うことがで
きる。

［その他の発明の説明コ 請求項（２）記載の発明は、前記差画像算出手段４が、
前記差画像に微分処理を行ってスリット光の強調を行い
強調画像を出力する画像処理手段を有し、画像上のスリ
ット光部分のみを強調することを特徴とする。

これによれば、微分処理によって画像上のスリット光部
分のみを強調して計測を行っているので、外乱光による
誤動作防止の効果を一層高めることができる。

［実施例］ 本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する。本実
施例の三次元位置計測装置は、第３図に示すように、ス
リット光投光手段１と、タイミング制御回路２１．電子
シャッタ２２、カメラ２３、アナログ／デジタル変換器
（以下Ａ／Ｄ変換器という）２４、ルックアップテーブ
ルメモリ（以下ＬＵＴという）２５よりなる撮像手段２
と、画像メモリ３と、差演算回路４Ｌ　ＬＵＴ４２、画
像処理回路４３よりなる差画像算出手段４と、スリット
光位置算出手段５と、座標演算手段６とからなる。

スリット光投光手段ｌは、後述するタイミング制御回路
２１からの投光タイミング信号Ｓ２に基づいて、短時間
τの間だけ高出力パルス発光するレーザ発光器により水
平方向のスリット光を被測定物に向けて投光する。パル
ス発光時間τは、画像の１フレ一ム時間、すなわちｌ／
６０秒に対して充分短い時間であって、レーザ発光器の
パワーであるスリット光の輝度レベルＩＬＤと外乱光の
輝度レベルの時間変化率′δとの比より充分小さくする
（　Ｉ　ＬＤ／δ〉〉τ）。これにより、スリット光の
発光時間τ内における外乱光の輝度レベルの変化量（δ
・τ）に対してスリット光の輝度レベルを充分大きくで
きるので、相対的に外乱光の輝度レベル変化の影響が小
さくなる。本実施例では、τを約１／１０００秒として
いる。

撮像手段２のカメラ２３は、撮像素子として電荷結合素
子（ＣＣＤ）を用いたもので、カメラを縦置きすること
により、第４図に示すように、被測定物からのスリット
光をカメラ画像上垂直方向の線分として撮像する。タイ
ミング制御回路２１は、カメラ２３の発生する同期信号
Ｓ１に基づき、スリット光投光タイミング信号Ｓ２、シ
ャツタ開閉信号Ｓ３、スリット光投光時の画像を記憶す
るためのメモリ制御信号Ｓ４を発生する。すなわち、タ
イミング制御回路２１は、第５図に示すように、ｌ／２
分周器２０１１モノマルチバイブレーク２０２、カウン
タ２０３、コンパレータ２０４ａ〜２０４ｄ１オア回路
２０５ａ、　２０５ｂ　、アンド回路２０６からなる。

第６図に示すように、１／２分周器２０１はカメラ２３
のビデオ垂直同期信号ＶＤを分周して、分周信号ａを発
生する。モノマルチバイブレータ２０２は分周信号ａの
立ち下がりに同期してカウンタクリア信号すを発生する
。カウンタ２０３はカメラ２３のビデオ水平同期信号Ｈ
Ｄをカウントし、カウンタクリア信号すからの時間を繰
り返し計測する。コンパレータ２０４ａ〜２０４ｄは夫
々、しきい値Ｔａ−Ｔｄを持ち、カウンタ２０３の出力
値との比較を行う。オア回路２０５ａはコンパレータ２
０４ａ、　２０４ｂの出力のオア（ＯＲ）をとり、カウ
ンタクリア信号すからτ＝（Ｔｂ　−Ｔａ　）の時間間
隔だけパルスＣを発生する。同様に、オア回路２０５ｄ
はコンパレータ２０４ｃ。

２０４ｄの出力のオアをとり、カウンタクリア信号すか
らτ＝　（Ｔｄ　−Ｔｃ　）の時間間隔だけパルスｄを
発生する。アンド回路２０６は、オア回路２０５ａ。

２０５ｂの出力のアンド（ＡＮＤ）をとり、制御信号ｅ
を発生する。以上の動作により、タイミング制御回路２
１は、分周信号ａを画像メモリ３の書込みおよび読出し
を制御するメモリ制御信号Ｓ４として、パルスＣをスリ
ット光のパルス発光時間を決めるスリット光投光タイミ
ング信号Ｓ２として、また、制御信号ｅをシャッタの開
閉を制御するシャツタ開閉信号Ｓ３として夫々出力する
。なお、第５図および第６図では、負論理として示して
いる。

電子シャッタ２２は、タイミング制御回路２１からのシ
ャツタ開閉信号Ｓ３のオン・オフにより開閉する。カメ
ラ２３は電子シャッタ２２の開の期間のみ被測定物から
の光信号を入力し、スリット光の投光画像および無投光
画像を撮像する。なお、カメラ２３は、ノンインタレー
スモードおよびフィールド蓄積モードに設定されている
。

ここで、スリット光の投光およびカメラの撮像タイミン
グを第７図を用いて説明する。カメラ２３の上記設定モ
ードにより、ビデオ信号は、ＣＣＤ素子に１／６０秒の
蓄積期間に蓄積された光量が各蓄積期間の終了時点で一
度に電気信号に変換され、各画素毎に順次連続して読み
出して構成される。電子シャッタ２２の開時間をスリッ
ト光投光画像撮像期間（ａ）の終了直前の短時間■およ
び無投光画像撮像期間（ｂ）の開始直後の短時間■とし
、■と■は同じ時間長τとする。また、スリット光投光
タイミング信号Ｓ２は■の間だけ発生し、この間のみス
リット光がパルス投光される。そして、投光画像撮像期
間（ａ）で撮像されたスリット光投光画像は、ビデオ信
号（ａ）としてカメラ２３より出力され、また、無投光
画像撮像期間（ｂ）で撮像されたスリット光無投光画像
は、ビデオ信号（ｂ）としてカメラ２３より出力される
。すなわち、本実施例では、基準時点をスリット光投光
終了時点とし、第１および第２の画像を、夫々投光およ
び無投光画像としている。以上により、スリット光投光
画像、無投光画像が連続した２枚の画像で得られ、また
、その撮像間隔はシャッタによってｌ／６０秒よりはる
かに小さくなる。

Ａ／Ｄ変換器２４は、カメラ２３からのビデオ信号をＡ
／Ｄ変換する。ＬＵＴ２５は、Ａ／Ｄ変換器２４の画像
信号をスリット光が強調されるように所定の階調で変換
して階調画像を出力する。このＬＵＴ２５は第８図中に
示すＩの入出力関係を持ち、外乱光のような輝度レベル
の小さな入力（図中Ａ）に対してはより小さい出力に、
またスリット光のような輝度レベルの大きな入力（図中
Ｂ）に対してはより大きい出力とすることにより階調変
換している。これにより、リニアな入出力関係■と比べ
て、スリット光のみを強調することができる。

画像メモリ３は、メモリ制御信号Ｓ４に同期して、撮像
手段２より出力されるスリット光投光時の階調画像を一
時記憶するとともに、スリット光無投光時の階調画像が
撮像手段２より出力されるのと同期して一時記憶した投
光画像を出力する。

差画像算出手段４の差演算回路４１は、撮像手段２から
スリット光無投光時の階調画像が得られると同時に記憶
メモリ３に記憶された投光時の階調画像を読み出してそ
の差を演算し差画像を出力する。連続撮像した２枚の画
像上の外乱光の輝度レベルはほとんど同じであるから、
差画像を求めることによって、スリット光画像のみが得
られる。

ＬＵＴ４２は、入力した差画像を上述のＬＵＴ２５と同
様の入出力特性で階調変換して更にスリット光を強調し
て階調差画像を出力する。

画像処理回路４３は、ＬＵＴ４２より階調差画像が出力
されると同時に、階調差画像に微分処理を行って更にス
リット光の強調を行い強調画像を出力する。これはスリ
ット光部分では輝度レベルの変化が大きいことを利用し
たものである。微分処理は：第９図に示すように、画像
上の全ての画素に対して、スリット光に垂直な９画素ａ
−ｉを取り出し、それらの画素の各輝度に対して次の（
１）式の処理を行う。

ｅ＝−ａ−ｂ−ｃ＋ｄ＋４　ｅ ＋ｆ　−ｇ−ｈ−ｉ　　　　　　　　　（１）スリット
光位置算出手段５は、走査線単位で強調画像の゛最大輝
度レベルの画素を求め、その走査線上の位置をスリット
光位置として位置信号を出力する。これは、カメラ２３
をスリット光が垂直に撮像されるように取り付けられて
いるので、画像上の横方向、即ち、走査線１本に１力所
スリツト光位置が定まるためである。上述の処理によっ
て、強調画像上にはスリット光のみが撮像されているの
で、最大輝度レベルの画素位置を求めることによってス
リット光位置を求めることができる。

座標演算手段６は、スリット光投光手段ｌおよびカメラ
２３の取り付は位置とスリット光位置算出手段５の出力
する位置信号から光学三角測量の原理に基づいて三次元
座標を求めて三次元座標信号を出力する。第１Ｏ図は光
学三角測量を示したもので、画像上の位置信号（Ｘ。、
ｙ、）より、被測定物のスリット光の照射位置Ｐの三次
元座標（ｘ、　　ｙ＊　　ｚ）を（２）〜（５）式を用
いて求めることができる。

ｊａｎ７−ｊａｎ　（Ｂ＋ａ、） ！ Ｚ＝ｌＩＬ−Ｘ　ｅｔａｎ　７　　　　　　　　　　（
４）！ 各記号は、以下のとおりである。

ｈＬ＝スリット光投光手段１の高さ、 ｈｃ：カメラ２３の高さ、 γニスリット光投光手段ｌの俯角、 β：カメラ２３の俯角、 ｌ：カメラ２３の焦点距離、 Ｌニスリット光投光手段ｌとカメラ２３との距離、（Ｘ
ａｅ）’＋）：　ＣＣＤ素子上のスリット光位置。

座標演算手段６は、上記関係式を座標変換テーブルとし
て構成したもので、スリット光位置信号（ｘ、、ｙ、）
が与えられると直ちに、被測定物の三次元座標（ｘ、　
　ｙｅ　　ｚ）を出力する。

上述の動作によりスリット光が当たった部分の三次元座
標を求めることができる。被測定物の全体の三次元形状
を知るには、三次元座標計測装置を移動させる、被測定
物を移動させる、あるいはスリット光投光手段を回転さ
せるなど、被測定物上でのスリット光の当たる位置を連
続的に変えればよい。

本実施例によれば、レーザスリット光投光画像と無投光
画像をシャッタを用いてｌ／６０秒よりはるかに小さい
時間間隔で撮像しているので、２枚の画像内の外乱光部
分の輝度レベルの変化がほどんど無く、その差画像を求
めるとスリット光のみの画像を得ることができる。この
ため、輝度レベルが急変する外乱光がある環境下におい
ても誤動作の無い座標計測を行うことができる。

また、ルックアップテーブルメモリによる階調変換や微
分処理によってスリット光部分を強調し外乱光部分との
Ｓ／Ｎ比を高めて処理しているので、誤動作無く計測で
きる。

また、レーザをシャッタの開いている短時間だけパルス
投光しているので平均出力を非常に小さくできる・。逆
に、同じ平均出力下では連続出力方式に比べてはるかに
大きな出力でレーザを投光できるのでスリット光の外乱
光に対するＳ／Ｎ比を高めることができ、誤動作の無い
計測ができる。

また、画像メモリをスリット光投光時の画像記憶用に１
枚用意すればよく、大量のメモリを必要とせず、装置が
シンプルになる。また、２枚の画像を撮像しながら同時
に各処理をパイプライン処理しているのでリアルタイム
に計測を行うことができる。

なお、本実施例では、画像処理回路において（１）式に
より微分処理を行ったが、ラプラシアン等のエツジ強調
のための画像処理手法を用いてもよい。

また、本実施例では、撮像期間を決めるシャツタ開閉信
号Ｓ３を、基準時点付近で一旦オフしたが、これに限ら
ず、例えば第１１図に示すような種々の変形例をとりつ
る。第１１図において、５３−ａ、ｂ、ｃは基準時点付
近においてもシャツタ開閉信号をオフせず、カメラ内の
ＣＣＤ撮像素子自体を制御して撮像タイミングを基準時
点付近で切り換えるものである。また、撮像期間は必ず
しも、第１１図中３３−ａのように、スリット光投光期
間と完全に同期して、スリット光投光開始と同時にシャ
ツタ開としスリット光投光期間の２倍の時間終了時にシ
ャツタ閉とする必要はなく、第１１図中８３−ｂ−ｈに
示すように、撮像期間を基準時点前後で、単に少なくと
も夫々等しい時間τに設定することによっても実施でき
る。

さらに、本実施例では、撮像期間を決める基準時点をス
リット光の投光終了時点としたが、スリット光の投光開
始時点に設定することもできる。

この場合、無投光画像→投光画像の順に撮像して、投光
画像から次の無投光画像までの時間間隔が長く設定され
るので、無投光画像において撮像装置に生ずる残像の影
響を無くすことができ、さらに高精度の測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図である。第２図（ａ）および（
ｂ）は本発明の詳細な説明図である。 第３図は実施例の全体構成図である。第４図はビデオ画
面上でのスリット光を示す図である。第５図はタイミン
グ制御回路の構成図である。第６図はタイミング制御回
路の動作を示す図である。第７図は実施例のタイムチャ
ートである。第８図はルックアップテーブルメモリの人
出力特性を示す図である。第９図は画像処理回路の微分
演算の対象となる画素を示す図である。第１θ図は被測
定物の三次元座標の算出原理を示す図である。第１１図
は撮像期間の他の例を示す図である。 ｌ・・・スリット光投光手段 ２・・・撮像手段 ３・・・画像メモリ ４・・・差画像算出手段 ５・・・スリット光位置算出手段 ６・・・座標演算手段 ２１・・・タイミング制御回路 ２２・・−電子シャッタ ２３−−−カメラ ２４・・・Ａ／Ｄ変換器 ２５、４２　・・φルックアップテーブルメモリ４１・
・・差演算回路 ４３・・・画像処理回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一定の繰り返し周期で、かつ、該繰り返し周期よ
   り短い時間オン状態となってスリット光を被測定物に投
   光するスリット光投光手段と、 前記スリット光投光手段のオン状態に基づき、スリット
   光のオン状態の開始および終了時点のいずれか一方を基
   準時点とし、該基準時点の前後で互いに等しい時間、か
   つ、スリット光の次のオン状態開始時点より前までの十
   分短い時間のみ、被測定物からの光信号を入力するとと
   もに、前記基準時点の前後で２つの画像として撮像し、
   該２つの画像を順次、第１の画像および第２の画像とし
   て出力する撮像手段と、 前記第１の画像を入力し一時記憶する画像メモリと、 前記撮像手段より前記第２の画像を入力するとともに、
   前記画像メモリより読み出された第１の画像と前記第２
   の画像との差画像を算出する差画像算出手段と、 前記差画像よりスリット光位置を算出するスリット光位
   置算出手段と、 前記スリット光位置より被測定物の三次元座標を演算す
   る座標演算手段と、 からなり、スリット光投光時および無投光時の画像を連
   続した２枚の画像として得ると同時にその差画像からス
   リット光位置を求め、リアルタイムに座標計測を行うこ
   とを特徴とする三次元座標計測装置。
2. （２）前記差画像算出手段が、前記差画像に微分処理を
   行ってスリット光の強調を行い強調画像を出力する画像
   処理手段を有し、画像上のスリット光部分のみを強調す
   ることを特徴とする請求項（１）記載の三次元座標計測
   装置。