JPH0354762B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は形状検出方法及び装置、特に対象物の
位置決めや形状認識等をほぼ実時間で行うために
対象物の表面形状を電気的に座標計算することの
できる改良された形状検出方法及び装置に関する
ものである。

［従来技術］ 各種対象物の形状検出あるいは形状認識を行う
ことが各種産業分野において要請され、例えば近
年におけるロボツトを用いた加工あるいは処理装
置において有益であり、また各種の無人走行車に
おいて搬送物を認識するために用いられ、これら
の利用分野において対象物の位置あるいは姿勢等
を正確に知るために対象物の表面形状を認識する
ことが必要とされる。特に、前述した形状検出
は、近年のごとく対象物に対して正確なかつ精密
な処理を行うためにはその位置あるいは姿勢検出
を迅速に行う必要があり、その形状検出あるいは
認識時間が全体の処理時間に与える影響が大きい
ために、実際上実用化に適する検出時間はごく短
時間例えば0.5秒程度あるいはこれ以下の短時間
しか許容されない場合が多い。

従来の一般的な対象物の位置あるいは姿勢検出
は、テレビカメラによつて対象物を撮像し、得ら
れた画像の濃淡に各種画像処理を施して所望の検
出データを得ることが行われている。

このような従来方式は、単純な形状の対象物に
対しては十分に実用化可能な検出を行うことがで
きるが、複雑な表面形状、特に一般的な機械加工
面を持つ金属物体のごとく表面の明暗比率が小さ
い金属製品等の対象物に対しては充分な形状識別
を行うことができず、通常の場合、ロボツトその
他において取扱う対象物はこの種の製品がほとん
どであることから、従来においてはロボツト等の
応用範囲に著しい制約が与えられるという欠点が
あり、またこのような形状認識を高速度で行うこ
とは到底不可能であつた。

従来の他の方式として、ベルトコンベア等によ
り搬送される対象物を扱う場合、単にテレビカメ
ラで対象物を撮像するばかりでなく、所定のスリ
ツト光を搬送される対象物に投射してこのときに
スリツト光で投射された対象物上の光切断線をテ
レビカメラで撮像する方式が提案され、この従来
方式によれば、外光に比して照度の高いスリツト
光によつて明暗の強い光切断線を対象物上に形成
できることからテレビカメラによる識別能力を著
しく増大させ正確な形状検出を行う利点を有す
る。

しかしながら、この改良された方式もベルトコ
ンベア等で搬送される対象物のごとき特定の応用
分野にしか適用することができず、一般的な静止
対象物には実用できなないという欠点があつた。

前記スリツト光による光投射を静止対象物に適
用するために、従来においても、スリツト光を投
射する送光器とテレビカメラ等の受光器とを一体
構造にして静止対象物の周囲に移動させ、前記搬
送される移動対象物と同様の効果を得る方式が提
案され、前記送受光器を一体構造で送り駆動する
装置が用いられている。

しかしながら、この移動送受光器システムにお
いては、機械的な送り機構が複雑大型となり、高
速度でかつ広範囲に対象物の位置あるいは姿勢を
検出することが不可能であり、従来装置ではその
処理速度が遅く、例えば１画面の処理に４〜５秒
を必要とし、実際上その応用範囲も極めて制限さ
れるという欠点があつた。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は複雑な表面形状静止対象物であ
つても迅速正確にその位置あるいは姿勢を検出す
ることのできる改良された形状検出方法及び装置
を提供することにあり、本発明によれば、対象物
の表面形状を二次元的あるいは三次元的に座標変
換し、ロボツトあるいは無人走行車等に対して有
効に利用できる形状検出方法及び装置を提供す
る。

［発明の構成］ 上記目的を達成するために、本発明による形状
検出方法は対象物にスリツト光をそのスリツトの
方向とほぼ直交する方向に所定の掃引速度で投射
し、対象物から反射光を掃引方向とほぼ同一の方
向に水平走査するテレビカメラの二次元走査で電
気信号に変換し、前記スリツト光の１回の掃引と
複数回のカメラ二次元走査とを同期制御し、テレ
ビカメラの各水平走査毎に対象物表面の光切断位
置を検出し、前記光切断位置とスリツト光投射角
度とから各水平走査毎に対象物の表面形状を座標
計算して対象物の表面形状を求めることを特徴と
する。

また、本発明に係る形状測定装置は対象物にス
リツト光をそのスリツトの方向とほぼ直光する方
向に所定の掃引速度で投射するスリツト光投射機
構と、前記スリツト光投射機構に対応した所定位
置に固定されスリツト光により生じた対象物表面
の光切断線を撮像するテレビカメラと、テレビカ
メラの走査と同期してスリツト光投射機構の連続
的なスリツト光掃引作用を制御するスリツト光掃
引回路と、前記テレビカメラの各水平走査毎にス
リツト光の光切断位置を検出する光切断位置検出
回路と、前記光切断位置検出回路から検出された
光切断位置と前記スリツト光投射機構のスリツト
光投射角度からテレビカメラの各水平走査毎に対
象物の表面座標を計算する座標計算回路と、を有
し、テレビカメラを固定した状態で各スリツト光
の掃引周期内でテレビカメラの多数回の二次元走
査を行い、光切断位置をテレビカメラの水平走査
毎に順次座標計算して対象物の表面形状を検出す
ることを特徴とする。

［実施例の説明］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

（実施例装置の概略） 第１図には本発明が適用された形状検出装置の
概略的な構成が示されており、対象物１０は静止
状態におかれている。

本発明において、前記対象物１０にはスリツト
光１００が掃引投射され、またこのときの対象物
１０の表面がテレビカメラ１８により撮像あるい
は電気信号に変換され、このようなスリツト光１
００の送光及び受光を行うために送受光器１２が
設けられている。

送受光器１２は固定基板１４に固定されたスリ
ツト光投射機構１６とテレビカメラ１８とを含
み、スリツト光投射機構１６から対象物１０に投
射されるスリツト光１００を対象物１０の表面で
掃引させ、一方でテレビカメラ１８は固定基板１
４上に固定された状態で対象物１０の表面形状を
撮像する。

前記スリツト光投射機構１６は光源２０を含
み、該光源２０から出射された細光線１０２には
円筒レンズから成るスリツト光変換器２２によつ
てスリツト光１００に変換され、これがミラー２
４にて反射されて対象物１０に向かつて投射され
る。前記ミラー２４は回転機構２６によつて回転
駆動され、これによつてスリツト光１００を対象
物１０の表面に所定の掃引速度で掃引制御するこ
とができる。

一方、前記スリツト光１００によつて対象物１
０の表面に形成された光切断線Ａは前述した固定
テレビカメラ１８によつて撮像され、所定の平面
画素に電気信号として変換される。テレビカメラ
１８は光軸ｌを有するレンズ２８と平面状の撮像
素子３０そして前記撮像素子３０を電気的に平面
走査する走査回路３２を含む。

本実施例において、前記撮像素子３０はノンイ
ンターレース走査の固体撮像素子が用いられてい
る。実施例において、走査回路３２は連続的にノ
ンインターレース走査を継続しており、１画面の
撮像が終了する時にエンドオブフレーム信号
EOFを出力し再び次の画面の撮像を開始し、常
時撮像素子３０には対象物１０の表面形状がリア
ルタイムで記憶される。

本発明において特徴的なことは、前記固定され
たテレビカメラ１８の走査と前述したスリツト光
投射機構１６のスリツト光掃引とが同期制御され
ていることであり、このために装置はスリツト光
掃引回路３４を含み、その掃引制御信号、実施例
においてはランプ信号１０４が前述した回転機構
２６に供給され、該回転機構２６の回転角度がラ
ンプ信号１０４の電圧値によつて制御される。従
つてこのランプ信号１０４の供給によつてミラー
２４が回動しスリツト光１００を対象物１０の表
面で掃引させることが可能となる。

スリツト光掃引回路３４のスタートは掃引開始
パルス発生器３６のパルス信号によつて制御され
ており、前述したテレビカメラ１８が常時平面走
査しているのに対し、スリツト光投射機構１６は
掃引開始パルスの入力前においてはその初期位置
に停止している。従つて、通常の検出待機状態で
はスリツト光投射機構１６はスリツト光１００を
所定の投射角度位置に静止した状態で掃引開始パ
ルスの供給を待つ。

前述したテレビカメラ１８の走査とスリツト光
１００の掃引との同期を取るために、テレビカメ
ラ１８のエンドオブフレーム信号EOFがスリツ
ト光掃引回路３４に供給されており、前述した掃
引開始パルス発生器３６からの掃引開始パルス入
力後にテレビカメラ１８から最初に出力されるエ
ンドオブフレーム信号EOFを検出して前記ラン
プ信号１０４の出力を開始し、これによつてスリ
ツト光１００の掃引がテレビカメラ１８の走査と
同期した状態で開始される。

本実施例において、前記テレビカメラ１８の走
査及びスリツト光１００の掃引を行うためクロツ
ク信号発生器３８が設けられており、クロツク信
号CLK１が走査回路３２に供給されるとともに、
これより十分に低い周波数を有するクロツクパル
スCLK２がスリツト光掃引回路３４に供給され
ている。

従つて、スリツト光１００の１回の掃引に対し
て十分に多数の回数に選択された多数回のテレビ
カメラ１８の走査が行われることとなり、前記エ
ンドオブフレーム信号EOFはその複数回の出力
毎にスリツト光掃引回路３４を初期状態に戻す制
御を行い、その間のエンドオブフレーム信号
EOFはスリツト光掃引回路３４から無視される。
従つて、掃引リセツトに用いられるエンドオブフ
レーム信号EOFの回数を任意に設定することに
より、スリツト光１００の掃引量が任意に選択で
きることが理解される。前記ランプ信号１０４は
連続的な増加特性を有し、これによつてミラー２
４は滑らかな連続回転を行い、スリツト光１００
が対象物１０の表面を連続的に掃引移動すること
ができる。

従つて、前述したスリツト光１００の１回の掃
引に対してテレビカメラ１８は予め定められた数
の画面を撮像し、再びテレビカメラ１８の走査と
同期してスリツト光掃引回路３４のランプ信号１
０４をクリアスタートすることにより、繰返しス
リツト光１００の掃引及びこの間の複数回の画面
撮像を同期して行うことが可能となる。

前述したテレビカメラ１８の走査速度とスリツ
ト光１００の掃引速度とは前者が後者より十分に
速くなるよう設定されており、このため、テレビ
カメラ１８の１枚の撮像画面上では対象物１０の
表面における光切断線Ａはほとんど停止している
ものと考えることができる。そして、テレビカメ
ラ１８は撮像素子３０によつて撮像される各画面
毎に対象物１０の表面を順次移動する光切断線Ａ
を記録することができ、このことは対象物１０の
表面を光切断線Ａで細かく高密度で分解した複数
の画像が得られることを意味し、この複数の画面
から各切断線Ａを電気的に検出して座標計算すれ
ば対象物１０の表面形状を高い精度で検出可能と
なる。

本発明において、前述したテレビカメラ１８に
よる各画面上での光切断線Ａを高速度（ほぼ実時
間）で検出するために、光切断位置検出回路４０
が設けられており、本発明においては、この検出
速度を増加させるために、テレビカメラ１８の水
平走査毎に光切断位置の検出が行われる。そし
て、この光切断位置検出回路４０には前記テレビ
カメラ１８からエンドオブライン信号EOL及び
ビデオ信号VIDEOが供給されている。

そして、前述したテレビカメラ１８の各水平走
査毎の光切断位置は次に座標計算回路４２によつ
て所望の座標値として計算される。

座標計算回路４２の計算は前述した光切断位置
とこの光切断位置が得られた時のスリツト光１０
０の対象物１０表面上での光切断線Ａの位置とか
ら求められ、前記各掃引時における光切断線Ａの
位置は前述したスリツト光掃引回路３４からスリ
ツト光投射角度を示す掃引位置信号１０６として
前記光切断位置検出回路４０を介して座標計算回
路４２へ供給される。

従つて、座標計算回路４２はテレビカメラ１８
の各画面上の各水平走査毎にそのときの光切断位
置を求めることができ、この各光切断位置の座標
をスリツト光１００の１回の掃引に対して全て行
うことにより、選択された掃引範囲内の対象物１
０の表面形状を正確に電気的な座標として検出す
ることが可能となり、これを対象物１０の位置あ
るいは姿勢その他の検出信号として用いることが
可能となる。

（座標計算の原理） 前述した本発明に係る座標計算はスリツト光１
００による対象物１０の表面での光切断線Ａの各
水平走査毎の位置とこのときのスリツト光１００
の掃引位置により定まるが、以下に第２Ａ図に示
される平面座標（xy座標）及び第２Ｂ図に示さ
れる立面座標（yz座標）を参照しながらその原
理を説明する。

送受光器１２の座標軸として、第２Ａ図に示さ
れるごとく、光源２０からの細光線１０２がミラ
ー２４に進む方向をＸ軸とする。そして、テレビ
カメラ１８のレンズ光軸ｌをxy座標の原点Ｏを
通る位置に定める。

スリツト光１００はそのスリツト長手方向がｚ
軸方向となるようスリツト光変換器２２によつて
光変換されており、座標原点Ｏとミラー２４の中
心点との距離をＤそして座標原点Ｏとレンズ２８
の中心点Ｑとの距離をＲとする。

撮像素子３０はその中心がレンズ軸ｌと直交
し、かつその垂直方向画素列がＺ軸と一致するよ
うに設置されている。

説明を簡略にするために、スリツト光１００を
固定した状態とする。スリツト光１００の投射角
度はγで示され、対象物１０の光切断線Ａ上の任
意の一点Ｐからの反射光ｃがレンズ軸ｌとxy平
面内で成す角をα_x、同様にy_z平面内で成す角をα_z
で示すと、Ｐ点の座標ｘ，ｙ，ｚは次式で示され
る。

ｙ＝Ｄ＋Ｒ｛cos α_p tan（α_p＋α_x）−sinα_p｝／
cot γ＋tan（α_p＋α_x）…(1) ｘ＝（ｙ−Rcos α_p）tan（α_p＋α_x）＋Rsinα₀ …(2) ｚ＝（ｙ−Rcos α_p）tan α_z …(3) Ｐ点の撮像素子３０上の結像点が中心から水平
方向にＫ画素そして垂直方向にＬ画素の位置（以
下、Ｋ，Ｌを光切断位置という）にあるとする
と、前記各式のα_x，α_zは次のように表わされる。

tan α_x＝a_xＫ …(4) tan α_z＝a_zＬ …(5) ここで、α_xはレンズ２８の焦点距離と撮像素子
３０の水平方向の画素間距離で定まる定数であ
る。

また、α_zは次式で表わされるように水平方向の
光切断位置Ｋと角度α₀の関数である。

α_z＝b₃／b₁＋b₂K sinα₀ …(6) ここでb₁，b₂，b₃はレンズ２８の焦点距離と撮
像素子３０の水平、垂直方向の画素間距離で定ま
る定数である。

(4)，(5)式を(1)〜(3)式に代入すると、 ｙ＝Ｄ＋Ｒ｛cos α_ptan（α_p＋tan^-1α_xＫ）−sinα
_p｝／cot γ＋tan（α_p＋tan^-1α_xＫ）…(7) ｘ＝（ｙ−Rcosα_p）tan（α_p＋tan^-1a_xＫ）＋Rsin
α_p …(8) Ｚ＝（ｙ−Rcos α_p）a_zＬ …(9) が得られる。この(7)〜(9)式で、Ｄ，Ｒ，α₀，a_xは
定数であり、a_zはＫの関数であるから、光切断位
置Ｋ，Ｌとスリツト光１００の投射角度γを検出
すれば、Ｐ点の座標を求め得ることが理解され
る。従つて、前述した計算を順次光切断線Ａ上の
各点について繰返し行うことにより、光切断像か
ら対象物１０の表面形状の座標を測定することが
可能となる。

本実施例において、前述した座標計算のもとと
なる光切断位置Ｋ，Ｌ及び投射角度γは前述した
ように光切断位置検出回路４０から座標計算回路
４２に供給されており、これらの座標計算データ
は本発明においてテレビカメラ１８の水平走査毎
に検出されまたその計算が施される。

そして、本発明において、テレビカメラ１８の
走査とスリツト光１００の掃引とは互いに同期制
御されており、前述したスリツト光１００の掃引
位置もスリツト光掃引回路３４から得られるラン
プ信号を適当なタイミングでサンプリングするこ
とにより正確かつ容易に得ることができる。勿
論、座標計算において、前述した各定数は予め電
気的な信号として座標計算回路４２に供給するこ
とができる。

本発明において、前記座標計算はビデオカメラ
１８の各水平走査毎に行われ、この結果対象物１
０の表面形状を高速度で、実際上テレビカメラ１
８の高速度走査に追従したほぼ実時間で計算可能
であり、例えばテレビカメラ１８の視野を水平画
素４９、そして垂直画素５０に分割する場合には
全画素についての座標計算を0.5秒以内で行うこ
とが可能となる。

（スリツト光の掃引） 第３図には本実施例におけるスリツト光掃引回
路３４の好適な実施例が示され、またその各部タ
イミングチヤートが第４図に示されている。第４
図から明らかなように、本実施例においては、ス
リツト光１００の１回の掃引中にテレビカメラ１
８はＮ枚の画面を撮像することとなり、換言すれ
ば、Ｎ回のエンドオブフレーム信号EOFによつ
てスリツト光１００の掃引がクリアスタートされ
ることとなる。

前述したように、テレビカメラ１８は自走して
おり、そのエンドオブフレーム信号EOFはテレ
ビカメラ１８とスリツト光１００の掃引を同期制
御するためにスリツト光掃引回路３４に供給され
ている。

実施例におけるスリツト光掃引回路３４は基本
的にランプ信号発生回路から成り、その原信号は
クロツク信号発生器３８のクロツク信号CLK２
から成り、このCLK２をカウンタ４４によりカ
ウントし、このカウント値に対応したアナログ値
をＤ／Ａ変換器４６から変換出力することにより
滑らかな一定の増加特性を有するランプ信号が得
られ、Ｄ／Ａ変換器４６の出力は電流増幅器４８
を介して回転機構２６へ所望のランプ信号１０４
を出力する。

そして、前記カウンタ４４のリセツトを所定時
期に行うことによつて所望のランプ信号１０４を
繰返し出力することができ、前記カウンタ４４の
リセツトを行うために、前述したテレビカメラ１
８のエンドオブフレーム信号EOFが用いられ、
そのＮ回のカウントがカウンタ５０によつて行わ
れている。

前記エンドオブフレーム信号EOFはフリツプ
フロツプ（以下FFという）５２のクリア端子及
び前記カウンタ５０のクロツク入力端子に接続さ
れ、スリツト光１００の掃引が行われていない初
期状態すなわち掃引開始パルス発生器３６からの
スタートパルスがFF５２に供給されていない状
態では、前記FF５２、これに後続するFF５４そ
してカウウン５０，４４は共にクリア状態にあ
る。

掃引開始パルス発生器３６からのスタートパル
ス１０８がFF５２のクロツク入力端子に供給さ
れると、該FF５２はセツトされ、その出力は
「０」となる。

そして、この後初めてのエンドオブフレーム信
号EOFがテレビカメラ１８からFF５２へ供給さ
れると、FF５２はクリアされ、その出力は
「１」となり、FF５４をトリガするので、該FF
５４の出力は「０」に変化する。従つて、FF
５４の出力にて両カウンタ５０，４４は共にそ
ののクリア状態が解除され、カウンタ５０はエン
ドオブフレーム信号EOFのカウントを開始し、
また同時に、他方のカウンタ４４はクロツク信号
CLK２のカウントを開始する。

従つて、前記カウンタ４４の出力は順次増加
し、これをＤ／Ａ変換器４６にてアナログ信号に
変換することにより、所望のランプ信号１０４を
得ることが可能となる。従つて、回転機構２６は
ランプ信号１０４の出力に応じてミラー２４を回
動させ、前述したように、スリツト光１００の掃
引を行うことができる。

前記カウンタ５０がエンドオブフレーム信号
EOFを（Ｎ＋１）個カウントすると、これに後
続するゲート５６の出力が「１」となり、FF５
４をクリアするので、その出力「１」が両カウ
ンタ５０，４４をクリアする。従つて、この所定
数のテレビカメラ走査完了後に、ランプ信号１０
４の出力が停止し、ミラーが初期状態に復帰す
る。

以上のようにしてテレビカメラ１８の走査に同
期してミラー２４の回動すなわちスリツト光１０
０の掃引を予め定められたテレビカメラ１８の画
面数だけ行わせることができ、これによつて、ス
リツト光１００を所定の角度範囲、すなわち、テ
レビカメラ１８の所定画面数と対応した角度だけ
連続的に掃引させることが可能となる。

なお、後述する座標計算を行うためのスリツト
光１００の掃引位置はカウンタ４４の出力として
光切断位置検出回路４０へ出力される。

（光切断位置の検出） 前述したごとく、本発明によれば、座標計算を
行うために、テレビカメラ１８の各水平走査毎の
光切断位置が一方の計算データとして用いられて
おり、以下にその検出回路及びその作用を説明す
る。

第５図にはテレビカメラ１８の撮像素子３０に
おける画素マトリクスが示されており、水平（ｘ
軸）及び垂直（Ｚ軸）の画素数はそれぞれＭ＋
１、Ｎ＋１でいずれも中心の基準点（０，０）に
対して両側方向に同数の画素が配列された奇数画
素の例を示す。この画素数はテレビカメラ１８に
おける撮像素子３０の水平及び垂直方向画素数と
等しく設定されている。

第６図には本実施例における光切断位置検出回
路４０の好適な実施例が示されており、各水平走
査毎に、光切断位置がいずれの列番号に在るかを
デジタル的に検出しこれを水平（Ｘ軸）方向の光
切断位置信号Ｋとして、またこのときの行番号を
垂直（Ｚ軸）方向の光切断位置信号Ｌとして出力
する。

光切断位置検出回路４０の基本的な作用は、各
水平走査毎にスリツト光１００によつて対象物１
０の表面に生ずる他と比してその輝度が著しく強
くなる１個若しくは２個以上の画素を検出し、こ
のときの列番号をデジタル的に求めることにより
行われる。

第６図において、テレビカメラ１８の撮像素子
３０はクロツク信号CLK１にて走査制御されて
おり、第７図のタイミングチヤートから明らかな
ごとく、１列の走査が完了すると所定のブランキ
ング時間T_B経過後に次の行の走査が開始され、
この水平走査は左上の画素（−Ｎ／２、−Ｍ／２）
から右方向に行われ、順次Ｎ／２行まで繰返され
る。そして、１枚のフレーム完了時に走査回路３
２からはエンドオブライン信号EOLが出力され
る。

テレビカメラ１８によつて撮像されたビデオ信
号VIDEOはアンプ５８で増幅された後Ａ／Ｄ変
換器６０によつてクロツク信号CLK１の入力毎
にデジタル信号に変換され、比較器６２によつて
その輝度レベルが所定値と比較される。実施例に
おいて、この比較値はスレツシヨルド設定器６４
からのスレツシヨルド値で形成されて、ビデオ信
号に含まれている雑音信号を除去し、光切断位置
信号を良好なSN比にて抽出可能としている。

本発明において、スリツト光１００を対象物１
０の表面に掃引させ、外光より十分に高い照度の
光切断線Ａを対象物１０の表面に形成しているの
で、光切断位置を比較器６２から出力することは
極めて容易である。従つて、比較器６２はＡ／Ｄ
変換器６０の出力値がスレツシヨルド値より大き
い時のみ「１」信号を出力し、この出力は実際上
各水平走査毎に単一の画素若しくは２個以上の連
続した画素にまたがつて検出されるのみであり、
離れた複数位置に生じることはない。

前述した比較器６２が光切断位置を検出したタ
イミングでの列番号を検出するためにカウンタ６
６が設けられており、エンドオブライン信号
EOLの出力毎にプリセツトデータとして撮像画
面の左端の列番号である−Ｍ／２をロードした
後、クロツク信号CLK１をカウントする。

従つて、カウント６６の計数値は常時現在の列
番号を示すこととなり、比較器６２の出力タイミ
ングでカウンタ６６の計数値を出力すればこれを
光切断位置信号として用いることができる。

しかしながら、前述したように、各水平走査中
でコンパレータ６２から「１」信号が出力される
画素は１個若しくは２個以上の連続した画素であ
つて、第５図の（−Ｎ／２）では１個そして次の
（−Ｎ／２＋１）行では２個の信号が出力される
例を示しており、このために、前記カウンタ６６
の出力は２個のラツチ６８，７０によつて記憶さ
れ、両信号の加算値が平均化された水平方向の光
切断位置信号として用いられる。

前述した比較器６２が光切断位置を検出して
「１」信号を出力するとラツチ６８はイネーブル
となり、このときの列番号をカウンタ６６の出力
として記憶する。

また、前記比較器６２の「１」信号はFF７２
をセツトし、そのＱ出力「１」によつて他方のラ
ツチ７０に前記カウンタ６６の出力である列番号
を記憶する。この時点において両ラツチ６８，７
０は同一の列番号を記憶することとなる。

前述したように、スリツト光１００の掃引速度
とテレビカメラ１８の走査速度の選定により、水
平走査中に連続した２以上の画素に光切断像Ａが
撮像されることがあり、このような場合にも正確
な水平走査位置を検出するため、実施例おいて
は、第１のラツチ６８が連続した画素の最後の列
番号を記憶することができる。

すなわち、ラツチ６８は比較器６２の出力によ
つて常にその列番号記憶を更新することができ、
このときにはそれ以前の列番号は消去される。一
方において、第２のラツチ７０はFF７２によつ
てイネーブルにされており、最初の列番号を記憶
した後はFF７２がクリアされるまで次の列番号
の受付を拒否し、これによつて、両ラツチ７０，
６８によつて連続した２以上の画素の最初と最後
の列番号を記憶することが可能となる。

両ラツチ６８，７０の出力は加算器７４にて加
算されラツチ７６に記憶される。

一方、このときのテレビカメラ１８の垂直方向
走査位置を知るために、他のカウンタ７８が設け
らており、このカウンタ７８はテレビカメラ１８
のエンドオブフレーム信号EOFによつてスター
ト行番号である−Ｎ／２をプリセツトデータとし
てロードした後エンドオブライン信号EOLをカ
ウントする。従つて、カウンタ７８は常時現在の
行番号を記憶していることが理解され、その内容
はラツチ８０に記憶されている。

以上のようにして列番号及び行番号は両ラツチ
７６，８０に記憶されることとなるが、これを各
水平走査毎に出力するために１行毎の水平走査が
カウンタ８２によつて監視されており、カウン８
２はクロツク信号CLK１を（Ｍ＋１）個計数す
るとゲート８４の出力を「１」に切替え、FF８
６をセツトしてそのＱ出力を「１」とする。そし
て、FF８６のＱ出力は前述したFF７２のＱ出力
とアンドゲート８８にて論理積がとられているの
で、各水平走査中でスリツト光１００による光切
断位置が存在していた時にアンドゲート８８の出
力が「１」となり、このときに前記両ラツチ７
６，８０の記憶が実行され、各水平走査の終了時
にラツチ７６から列番号がまたラツチ８０から行
番号がそれぞれ光切断位置信号Ｋ，Ｌとして出力
されることとなる。

従つて、本発明によれば、各水平走査終了時に
遅れなく光切断位置が検出されることとなる。

また、前記アンドゲート８８の出力は光切断位
置の存在を示す信号として出力される。

以下に第５図における画素（−Ｎ／２、Ｋ−
１）、（Ｎ／２＋１、Ｋ）（−Ｎ／２＋１、Ｋ＋１）
に光切断像が撮像されている状態を例にして実際
の光切断位置検出作用を説明する。

−Ｎ／２行の走査においては、ラツチ６８，７
０には同一の列番号Ｋ−１が記憶され、この結果
両者が加算されたラツチ７６には2K−２が、ま
た行番号のラツチ８０には−Ｎ／２が記憶され
る。また−Ｎ／２＋１行においては、ラツチ６８
にはＫ＋１が、ラツチ７０にはＫが記憶され、こ
の結果両者の合算である2K＋１がラツチ７６に
記憶されることとなり、一方行番号を示すラツチ
８０には−Ｎ／２＋１が記憶される。

以上のように、本実施例によれば、光切断位置
を各水平走査終了時に検出することができ、また
列方向の２画素に撮像された場合でも両者の加算
値を記憶するので、この結果、実際の列番号の平
均値の２倍が得られ、いずれか一方を記憶する場
合に比して検出誤差を低下させることができる。

本実施例において、光切断位置検出回路４０は
第３図に示したスリツト光掃引回路３４からの掃
引位置信号１１０を記憶するラツチ９０を含み、
投射角度γとして出力可能であり、各画面に対応
したスリツト光１００の掃引位置をスリツト光の
投射角度として検出する。

前述した各検出信号は座標計算回路４２へ供給
され次の座標計算に供される。

（座標の計算） 第８図には本実施例における座標計算回路４２
が示されており、前述した光切断位置検出回路４
０から得られる光切断位置信号及び投射角度信号
を用いて所定の座標計算が行われる。

なお、前述したごとく、水平走査方向の光切断
位置信号は該当する列番号の平均値の２倍の値と
なつており、この水平方向光切断位置データを
K′で示すと、前述した(4)〜(9)式における定数a_x
に関しては1/2a_x＝a_x′なる定数を定めることによ
り、(4)式の右辺はa_xＫ＝a_x′K′と示される。また
各式における距離Ｒと角度α₀がいずれも０の時、
すなわちレンズ２８の中心Ｑが座標原点０とレン
ズ光軸ｌがｙ軸とそれぞれ一致している時には、
前述した(7)〜(9)式は ｙ＝Ｄ／（cotγ＋a_x′K′） …(10) ｘ＝ya_x′K′ …(11) Ｚ＝ya_zＬ …(12) となる。この時、係数a_zは(6)式から明らかなよう
に定数と成る。

以下に前述した(10)〜(12)式を用いて座標計算を行
う回動を第８図に基づいて具体的に説明する。

座標計算回路４２は乗算、除算等の演算機能を
有するプログラミング乗除算器９２と該乗除算器
９２にクロツク信号CLK３及び所定の命令コー
ドを供給するコントローラ９４を含み、このコン
トローラ９４は以下に示す各機能素子の制御を行
う。

前記機能素子は複数のバスバツフア９６−１〜
９６−９、ラツチ９８−１〜９８−４、定数設定
器９１−１〜９１−４そしてcotγテーブル９２を
含む。前記定数設定器９１−１〜９１−４はそれ
ぞれ前述した式(10)〜(12)の定数Ｄ，a_x′，a_z及び１
を設定し、またテーブル９２は角度γからcotγの
演算を行う。

コントローラ９４には光切断位置検出回路４０
のアンドゲート８８の出力が供給されており、光
切断位置検出が各水平走査毎に完了した時点でコ
ントローラ９４は座標計算に必要な各種コントロ
ール信号を順次発生する。そして、乗除算器９２
はコントローラ９４から供給されるクロツク信号
CLK３で制御され、クロツク信号CLK３と同期
してデータ入力端子から供給された各データにつ
いてクロツク信号CLK３と同期してコントロー
ラ９４から入力される命令コードに従つた演算を
行い、所定のクロツクサイクル経過後データ出力
端子に演算結果を出力する。

前記データ処理中において、コントローラ９４
による各バツフア群９６及びラツチ群９８の制御
はこれらの内の選択された単一素子をアクテイブ
にし（バツフアの場合閉、ラツチの場合イネーブ
ル）２以上の素子が同時にアクテイブ状態になる
ことを禁止している。

実際の座標計算の手順は以下のごとく行われ
る。

光切断位置検出回路４０のアンドゲート８８の
出力が「１」となると、コントローラ９４はバツ
フア９６−２からの定数a_x′バツフア９６−５か
らの水平走査方向の光切断位置信号K′、バツフ
ア９６−７からのcotγそしてバツフア９６−４か
らの定数を順次取込み、乗除算器９２は所定の除
算を行い、この演算結果［a_x′K′＋cotγ・１］が
ラツチ９８−１に記憶される。

次に、コントローラ９４はバツフア９６−１か
ら定数Ｄそしてバツフア９６−８から前述したラ
ツチ９８−１の記憶内容を乗除算器９２へ送り、
その演算結果［Ｄ／（a_x′K′＋cotγ）］をラツチ
９８−２に記憶し、これによつて、ｙ座標値が求
められたことが理解される。

また、コントローラ９４は次にバツフア９６−
２からa_x′を取込み、続いてバツフア９６−５か
ら水平走査方向の光切断位置信号K′を取込み、
その演算結果［a_x′K′］をラツチ９８−１に記憶
する。

次に、バツフア９６−９からはラツチ９８−２
のｙ座標値が乗除算器９２へ再び取込まれ、バツ
フア９６−８を用いてラツチ９８−１から前記
［a_x′K′］を乗除算器９２へ取込んで所望の演算
が行われ、その演算結果［ya_x′K′］すなわちｘ
座標値がラツチ９８−３に記憶される。

更に、バツフア９６−３からの定数a_z、バツフ
ア９６−６からの垂直方向での光切断位置信号Ｌ
が乗除算器９２へ取込まれ、その演算結果［a_z
Ｌ］がラツチ９８−１に記憶される。そして、バ
ツフア９６−９から得られるラツチ９８−２のｙ
座標値とバツフア９６−８からのラツト９８−１
に記憶されている［a_zＬ］とによつて乗除算器９
２が所望の演算を行い、その演算結果［yazL］
すなわちＺ座標値がラツチ９８−４に記憶され
る。

従つて、前記各ラツチ９８−２，９８−３，９
８−４から各座標値ｙ，ｘ，ｚの値を出力するこ
とができ、これらの座標計算に必要な所要時間は
コントローラ９４から供給されるクロツク信号
CLK３の周期で定まり、これを適当に選択する
ことによつて、撮像素子３０の１行分の走査時間
内で所望の演算を完了することが可能となる。

［発明の変形例］ 図示した実施例において、送受光器１２の回転
機構２６はスキヤナからなるが、本発明におい
て、このスキヤナを一定速度で連続回転するモー
タに置換してミラー２４をモータで回転する回転
多面鏡を用いることも可能である。

また、実施例のテレビカメラ１８はその撮像素
子３０としてノンインターレース走査型固体撮像
素子を用いているが、他の任意の撮像素子、例え
ばインターレース走査型固体撮像素子あるいはそ
の他の各種撮像管を使用可能である。

また、前記撮像素子３０の画素数は実施例にお
いて水平方向及び垂直方向共に奇数に選択されて
いるが、これらの画素数の選択は任意であり、撮
像画像の基準位置（０，０）を画像のほぼ中心に
設定し、これに対応して光切断位置検出回路にお
けるプリセツトデータを定めることにより効率の
良い光切断位置検出を行うことが可能である。

更に、前述した実施例に示した計算式は単に本
発明の一例を示し、これを簡略化した計算式その
他を用いることも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば対象物に
対してスリツト光を掃引投射するとともに、受光
するテレビカメラは固定型とし、かつ前記テレビ
カメラの水平走査毎に所望の光切断位置検出及び
座標計算を行うので、従来の方式に比して高速度
で所望の光切断位置を検出し、またこの座標計算
を行うことが可能であり、ほぼ実時間で対象物の
形状検出あるいは形状認識を行うことが可能とな
り、無人走行車あるいはロボツト等の目標物認識
に極めて有益であり、特に同一の対象物に対して
繰返して形状検出を行う際に有益な形状検出を提
供可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る形状検出装置の好適な実
施例を示す概略構成図、第２Ａ図及び第２Ｂ図は
第１図における座標測定の原理を説明するための
xy平面及びyz立面図、第３図は第１図における
スリツト光掃引回路の具体的な回路構成を示す回
路、第４図は第３図に示したスリツト光掃引回路
のタイミングチヤート図、第５図は第１図で示し
た撮像素子の画面及び該画面上の光切断像の一例
を示す説明図、第６図は第１図で示した光切断位
置検出回路の好適な実施例を示す回路図、第７図
は第６図に示した回路のタイミングチヤート図、
第８図は第１図に示した座標計算回路の好適な実
施例を示す回路図である。 １０……対象物、１２……送受光器、１６……
スリツト光投射機構、１８……テレビカメラ、２
４……ミラー、３４……スリツト光掃引回路、３
６……掃引開始パルス発生器、３８……クロツク
信号発生器、４０……光切断位置検出回路、４２
……座標計算回路、１００……スリツト光、１０
４……ランプ信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対象物にスリツト光をそのスリツトの方向と
   ほぼ直交する方向に所定の掃引速度で投射し、対
   象物から反射光を掃引方向とほぼ同一の方向に水
   平走査するテレビカメラの二次元走査で電気信号
   に変換し、前記スリツト光の１回の掃引と複数回
   のカメラ二次元走査とを同期制御し、テレビカメ
   ラの各水平走査毎に対象物表面の光切断位置を検
   出し、前記光切断位置とスリツト光投射角度とか
   ら各水平走査毎に対象物の表面形状を座標計算し
   て対象物の表面形状を求める形状検出方法。 ２ 対象物にスリツト光をそのスリツトの方向と
   ほぼ直交する方向に所定の掃引速度で投射するス
   リツト光投射機構と、前記スリツト光投射機構に
   対応した所定位置に固定されスリツト光により生
   じた対象物表面の光切断線を撮像するテレビカメ
   ラと、テレビメラの走査と同期してスリツト光投
   射機構の連続的なスリツト光掃引作用を制御する
   スリツト光掃引回路と、前記テレビカメラの各水
   平走査毎にスリツト光の光切断位置を検出する光
   切断位置検出回路と、前記光切断位置検出回路か
   ら検出された光切断位置と前記スリツト光投射機
   構のスリツト光投射角度からテレビカメラの各水
   平走査毎に対象物の表面座標を計算する座標計算
   回路と、を有し、テレビカメラを固定した状態で
   各スリツト光の掃引周期内でテレビカメラの多数
   回の二次元走査を行い、光切断位置をテレビカメ
   ラの水平走査毎に順次座標計算して対象物の表面
   形状を検出することを特徴とする形状検出装置。 ３ 特許請求の範囲２記載の装置において、スリ
   ツト光投射機構は、光源と、光源からの細光線を
   スリツト光に変換するスリツト光変換器と、スリ
   ツト光を反射して対象物に投射するミラーと前記
   ミラーを所定の回転速度で回転させて対象物に対
   してスリツト光を掃引投射する回転機構とを含む
   ことを特徴とする形状検出装置。