JPH0364801B2 - - Google Patents
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- JPH0364801B2 JPH0364801B2 JP15522485A JP15522485A JPH0364801B2 JP H0364801 B2 JPH0364801 B2 JP H0364801B2 JP 15522485 A JP15522485 A JP 15522485A JP 15522485 A JP15522485 A JP 15522485A JP H0364801 B2 JPH0364801 B2 JP H0364801B2
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- JP
- Japan
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- sensor
- equation
- auxiliary light
- light
- chart board
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- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 23
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- Image Input (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は３次元空間における物体位置、寸法の
計測方式に係り、特に光切断法における計測精度
を高めるため補助光面とセンサとの相対的位置関
係を高精度に推定するに好適な補助光校正方式に
関する。 〔発明の背景〕 生産における効査、組立工程において、対象物
の３次元空間における位置、寸法の計測が必要な
場合が多い。この目的のための非接触計測方法の
うち比較的簡易で高い精度の得られる方法とし
て、光切断法がある。方法と原理については例え
ば文献、シライヨシアキによる“レンジフアイン
ダを用いた多面体の認識”パターンリコグニツシ
ヨン、ペルガモン出版、４巻、243頁−250頁、
1972年（Yoshiaki Shirai，“Recognition of
Polyhedrons with ａ Range Finder”，
Pattern Recognition，Pergamon Press，vol4，
pp.243−250，1972）を参照されたい。これは光
源とテレビカメラ等のセンサを設け、光源からス
リツトをを通して作られた平面状の補助光が測定
対象物体面に交わつて作る光切断線の像をセンサ
でとらえ、該像の各点のセンサが撮した画像中の
位置から三角測量の原理により、対応する光切断
線上の点の３次元空間における位置を算出する。
この処理を、光源とスリツトを回転させ補助光面
の位置を変えて繰り返すことにより対象物体表面
の各点の位置を計測することができる。 この計測方法において、センサに対する補助光
面の位置をあらかじめ校正しておく必要がある。
通常は、同一の治具の上にセンサと光源を固定
し、スリツトの回転角に対し、センサと補助光面
との相対位置関係が再現性を持つように制御され
る。この位置関係を記憶しておき、上記の対象物
の位置計算処理に利用する。ところが作業環境、
装置の設置条件によつては上述のごときセンサと
光源を固定した治具を用いることができず、セン
サと光源を切離して独立に設置しなければならな
い場合もある。また、最適な計測条件を決定する
ため、センサと光源との相対位置関係を種々変更
し、計測を繰返す必要が生ずる場合がある。この
ような場合に、現場にセンサと光源とを設置した
状態で補助光面の校正、すなわちセンサと補助光
面との相対位置関係の測定を行なう必要がある。
この際、校正方法としては簡易で高精度を得られ
るものが望まましい。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、光切断法による３次元計測方
法において、光源とセンサを任意の位置に設置し
た場合に、光源による補助光とセンサとの相対位
置関係を簡易かつ高精度に測定する手段を提供す
ることにある。 〔発明の概要〕 上記目的を達成するため本発明では、既知の位
置に基準マークをつけたテストチヤート板を用い
る点に特徴がある。該チヤート板を空間内の任意
の、補助光面と交わる位置に設置しこれをセンサ
で撮像して得られた像中の基準マークからチヤー
ト板の空間内における位置、姿勢を推定し、該板
の平面の方程式を決定する。次に同じく像中の補
助光面による該板の切断線の位置から、この切断
線の空間内の位置を決定する。さらにチヤート板
を空間内の別の任意の位置に移動し、上記と同様
の処理により該板の平面の方程式と該板上の光切
断線の位置を決定する。この結果得られた２つの
光切断線は同一の補助光面内にあることから、２
つの線の位置情報から該補助光面の空間における
位置が決定できる。これが所望のセンサと補助光
との相対位置関係を与える。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を図を用いて説明す
る。第１図は本発明による３次元計測方式の全体
構成図である。測定対象物１の上に、光源２から
スリツト３を通して作られた補助光面４が交わつ
て作る光切断線５をセンサ６で撮像する。像は
AD変換機７によりデイジタルデータに変換され
たのち処理装置８に送られる。処理装置８は後述
の処理により光面４の３次元空間における方程式
を決定する。駆動装置１０はスリツト３を光源２
の前で回転させることにより光面４の位置を回転
させるためのものである。処理装置８は駆動装置
１０の回転角を変えるたびに光面４の方程式決定
処理を行ない結果の方程式と装置１０から送られ
た回転角とを合わせ記憶装置９に格納する。格納
されたデータは測定対象物１上の光切断線５の各
点の３次元座標算出に使用される。方法について
は後述する。図中のテストチヤート板１２は本発
明による補助光面の校正に使用される。使用方法
については後述する。該板上には所定の既知の位
置に複数の基準マーク１３が付けられている。こ
の基準マークの位置は外部１１から処理装置８に
与えられ、光面４の方程式決定に利用される。線
１４は板１２上の補助光の切断線である。 ここで、第２図を用いて光切断法による計測の
原理を説明する。センサ光学系の内心に固定した
座標系２１（ｘ，ｙ，ｚ）を考える。ｚ軸は光軸
と一致させておく。この座標系をセンサ座標系と
呼ぶ。いま光面４のセンサ座標系における方程式 ａ・ｒ＝ｂ 但し｜ａ｜＝１ (1) が既知であるとする。ここにｒは座標ベクトル、
ａはパラメータベクトル、ｂはスカラーのパラメ
ータである。ｚ軸方向に原点よりｆ（焦点距離）
だけ離れたところに焦点面２２を考え、画像座標
系２３（ｘ，ｙ）を考える。光面４上の切断線５
上の点２０について像２４の位置（ｘ，ｙ）が与
えられたとき、点２０の座標は次ののようにして
求められる。像２４に対応する視線ベクトル２５
をｌと表わすと、 ｌ＝ ｘ ｙ −ｆ (2) で与えられる。点２０の座標ｒは未知パラメータ
ｍを用いて ｒ＝ｍｌ (3) で表わされる。これと(1)式を連立させて解くとパ
ラメータｍは ｍ＝ｂ／ａ・ｌ (4) で与えられる。 さて本発明による補助光面の方程式決定のため
の処理装置８における処理手順のフローチヤート
を第３図に示す。ステツプ31は空間内のある任意
の位置にチヤート板１２を置いてその板の平面方
程式を決定する処理、ステツプ32はチヤート板を
同位置に置いたまま該板上の光切断線１４の位置
を決定する処理、ステツプ33はチヤート板１２を
上記とは相異なる任意の位置に置いてその板の平
面方程式を決定する処理、ステツプ34はステツプ
33と同位置にチヤート板を置いたまま該板上の光
切断線１４の位置を決定する処理、ステツプ35は
ステツプ32，34の処理結果から補助光面の平面方
程式を決定する処理である。以下に各処理の内容
を詳述する。 ステツプ31，33の処理は次の如くである。第４
図に示すごとくチヤート板１２に固定したチヤー
ト板座標系４１（xc，yc，zc）を考える。この座
標系における位置ベクトルをｒ cと表わす。原点
４２はチヤート板１２の上にあり座標はｒ cpとす
る。軸xc，ycは板１２上にあり、zc軸４３は板の
法線に沿うものとする。いま板１２上の基準マー
ク１３のうちセンサ６で観測された第ｉ番目のマ
ークの座標を、センサ座標系でｒ i、チヤート板
座標系でｒ ciとすると、これらの間に ｒ i＝Ｇ（ｒ ci−ｒ cp） (5) なる関係が成立つ。但しｉ＝１…，Ｎ，Ｇは座標
系の直立回転マトリツクスで、各軸まわりのオイ
ラ角θx，θy，θzの関数として与えられる。このと
き第ｉ基準マークのセンサの焦点面２２の座標は
（−ti・ｆ／zi，−yiｆ／zi）で与えられる。一方該像
の 画像処理により得られる実測位置を（Xi，Yi）と
すると、これは上記計算式により与えられる値と
必ずしも一致しない。これは(5)式のパラメータ
θx，θy，θzとｒ cpが必ずしも正確に知られないた
めである。そこで処理装置８は、AD変換器から
与えられる（Xi，Yi）と外部１１から与えられる
基準マークのチヤート板上の座標ｒ ciから次の処
理により、未知パラメータ ｘ＝θx θy θx rcp (6) を推定する。すなわち評価関数 Ｊ＝N 〓i 1 ｅ T i Wi ei (7) を最小にするｘを求める。ここに誤差ｅ iは で与えられる。またWiは重みマトリツクスであ
る。この最小２乗推定問題は例えばニユートン法
により解くことができ、解としてｘの推定値が得
られる。ｘからマトリツクスＧとベクトルｒ cpが
得られる。このとき所望のチヤート板１２の平面
方程式を ａ・ｒ＝ｂ (9) と表わせば、 ａ＝Ｇ０ ０ １ (10) ｂ＝ａ・ｒ cp で与えられる。 ステツプ32，34の処理は次の如くである。セン
サの焦点面の光切断線１４の像を画像処理により
検出しその上の任意の点（Ｘ，Ｙ）をとる。この
とき対応する線１４上の空間における位置すなわ
ちセンサ座標系における座標は、(2)〜(4)式で計算
できる。但しａ，ｂは(10)式により与えられた値を
用いる。ステツプ32，34でそれぞれ１つ以上、合
計３つ以上の点についてこの座標計算をしてお
く。 ステツプ35の処理は次の如くである。上記ステ
ツプ32，34の処理結果として得られた互に独立な
位置にある３点の座標をｒ i（ｉ＝１，２，３）
とする。このときこの３点を通る平面の方程式を ａ・ｒ＝ｂ (11) と表わすと、 ａ＝（r2−r1）×（r3×r1） ｂ−（r2×r3）・r1 (12) で与えられる。これが所望の補助光面の方程式を
与える。 以上の処理をスリツト３の回転角毎に行なえば
各角度に対応する方程式の係数が得られる。これ
を記憶装置９に蓄えておき、、対象物体計測の際
スリツトの回転角度に応じて方程式の係数を記憶
装置９から読み出し利用すればよい。 〔発明の効果〕 本発明によれば、平板に基準マークを印したチ
ヤート板を用意するだけで、画像処理、データ処
理により補助光面の方程式を決定することができ
るので、環境に合わせて任意の位置に光源を設置
した場合も光切断法による計測精度を高めること
を可能にする効果がある。
計測方式に係り、特に光切断法における計測精度
を高めるため補助光面とセンサとの相対的位置関
係を高精度に推定するに好適な補助光校正方式に
関する。 〔発明の背景〕 生産における効査、組立工程において、対象物
の３次元空間における位置、寸法の計測が必要な
場合が多い。この目的のための非接触計測方法の
うち比較的簡易で高い精度の得られる方法とし
て、光切断法がある。方法と原理については例え
ば文献、シライヨシアキによる“レンジフアイン
ダを用いた多面体の認識”パターンリコグニツシ
ヨン、ペルガモン出版、４巻、243頁−250頁、
1972年（Yoshiaki Shirai，“Recognition of
Polyhedrons with ａ Range Finder”，
Pattern Recognition，Pergamon Press，vol4，
pp.243−250，1972）を参照されたい。これは光
源とテレビカメラ等のセンサを設け、光源からス
リツトをを通して作られた平面状の補助光が測定
対象物体面に交わつて作る光切断線の像をセンサ
でとらえ、該像の各点のセンサが撮した画像中の
位置から三角測量の原理により、対応する光切断
線上の点の３次元空間における位置を算出する。
この処理を、光源とスリツトを回転させ補助光面
の位置を変えて繰り返すことにより対象物体表面
の各点の位置を計測することができる。 この計測方法において、センサに対する補助光
面の位置をあらかじめ校正しておく必要がある。
通常は、同一の治具の上にセンサと光源を固定
し、スリツトの回転角に対し、センサと補助光面
との相対位置関係が再現性を持つように制御され
る。この位置関係を記憶しておき、上記の対象物
の位置計算処理に利用する。ところが作業環境、
装置の設置条件によつては上述のごときセンサと
光源を固定した治具を用いることができず、セン
サと光源を切離して独立に設置しなければならな
い場合もある。また、最適な計測条件を決定する
ため、センサと光源との相対位置関係を種々変更
し、計測を繰返す必要が生ずる場合がある。この
ような場合に、現場にセンサと光源とを設置した
状態で補助光面の校正、すなわちセンサと補助光
面との相対位置関係の測定を行なう必要がある。
この際、校正方法としては簡易で高精度を得られ
るものが望まましい。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、光切断法による３次元計測方
法において、光源とセンサを任意の位置に設置し
た場合に、光源による補助光とセンサとの相対位
置関係を簡易かつ高精度に測定する手段を提供す
ることにある。 〔発明の概要〕 上記目的を達成するため本発明では、既知の位
置に基準マークをつけたテストチヤート板を用い
る点に特徴がある。該チヤート板を空間内の任意
の、補助光面と交わる位置に設置しこれをセンサ
で撮像して得られた像中の基準マークからチヤー
ト板の空間内における位置、姿勢を推定し、該板
の平面の方程式を決定する。次に同じく像中の補
助光面による該板の切断線の位置から、この切断
線の空間内の位置を決定する。さらにチヤート板
を空間内の別の任意の位置に移動し、上記と同様
の処理により該板の平面の方程式と該板上の光切
断線の位置を決定する。この結果得られた２つの
光切断線は同一の補助光面内にあることから、２
つの線の位置情報から該補助光面の空間における
位置が決定できる。これが所望のセンサと補助光
との相対位置関係を与える。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を図を用いて説明す
る。第１図は本発明による３次元計測方式の全体
構成図である。測定対象物１の上に、光源２から
スリツト３を通して作られた補助光面４が交わつ
て作る光切断線５をセンサ６で撮像する。像は
AD変換機７によりデイジタルデータに変換され
たのち処理装置８に送られる。処理装置８は後述
の処理により光面４の３次元空間における方程式
を決定する。駆動装置１０はスリツト３を光源２
の前で回転させることにより光面４の位置を回転
させるためのものである。処理装置８は駆動装置
１０の回転角を変えるたびに光面４の方程式決定
処理を行ない結果の方程式と装置１０から送られ
た回転角とを合わせ記憶装置９に格納する。格納
されたデータは測定対象物１上の光切断線５の各
点の３次元座標算出に使用される。方法について
は後述する。図中のテストチヤート板１２は本発
明による補助光面の校正に使用される。使用方法
については後述する。該板上には所定の既知の位
置に複数の基準マーク１３が付けられている。こ
の基準マークの位置は外部１１から処理装置８に
与えられ、光面４の方程式決定に利用される。線
１４は板１２上の補助光の切断線である。 ここで、第２図を用いて光切断法による計測の
原理を説明する。センサ光学系の内心に固定した
座標系２１（ｘ，ｙ，ｚ）を考える。ｚ軸は光軸
と一致させておく。この座標系をセンサ座標系と
呼ぶ。いま光面４のセンサ座標系における方程式 ａ・ｒ＝ｂ 但し｜ａ｜＝１ (1) が既知であるとする。ここにｒは座標ベクトル、
ａはパラメータベクトル、ｂはスカラーのパラメ
ータである。ｚ軸方向に原点よりｆ（焦点距離）
だけ離れたところに焦点面２２を考え、画像座標
系２３（ｘ，ｙ）を考える。光面４上の切断線５
上の点２０について像２４の位置（ｘ，ｙ）が与
えられたとき、点２０の座標は次ののようにして
求められる。像２４に対応する視線ベクトル２５
をｌと表わすと、 ｌ＝ ｘ ｙ −ｆ (2) で与えられる。点２０の座標ｒは未知パラメータ
ｍを用いて ｒ＝ｍｌ (3) で表わされる。これと(1)式を連立させて解くとパ
ラメータｍは ｍ＝ｂ／ａ・ｌ (4) で与えられる。 さて本発明による補助光面の方程式決定のため
の処理装置８における処理手順のフローチヤート
を第３図に示す。ステツプ31は空間内のある任意
の位置にチヤート板１２を置いてその板の平面方
程式を決定する処理、ステツプ32はチヤート板を
同位置に置いたまま該板上の光切断線１４の位置
を決定する処理、ステツプ33はチヤート板１２を
上記とは相異なる任意の位置に置いてその板の平
面方程式を決定する処理、ステツプ34はステツプ
33と同位置にチヤート板を置いたまま該板上の光
切断線１４の位置を決定する処理、ステツプ35は
ステツプ32，34の処理結果から補助光面の平面方
程式を決定する処理である。以下に各処理の内容
を詳述する。 ステツプ31，33の処理は次の如くである。第４
図に示すごとくチヤート板１２に固定したチヤー
ト板座標系４１（xc，yc，zc）を考える。この座
標系における位置ベクトルをｒ cと表わす。原点
４２はチヤート板１２の上にあり座標はｒ cpとす
る。軸xc，ycは板１２上にあり、zc軸４３は板の
法線に沿うものとする。いま板１２上の基準マー
ク１３のうちセンサ６で観測された第ｉ番目のマ
ークの座標を、センサ座標系でｒ i、チヤート板
座標系でｒ ciとすると、これらの間に ｒ i＝Ｇ（ｒ ci−ｒ cp） (5) なる関係が成立つ。但しｉ＝１…，Ｎ，Ｇは座標
系の直立回転マトリツクスで、各軸まわりのオイ
ラ角θx，θy，θzの関数として与えられる。このと
き第ｉ基準マークのセンサの焦点面２２の座標は
（−ti・ｆ／zi，−yiｆ／zi）で与えられる。一方該像
の 画像処理により得られる実測位置を（Xi，Yi）と
すると、これは上記計算式により与えられる値と
必ずしも一致しない。これは(5)式のパラメータ
θx，θy，θzとｒ cpが必ずしも正確に知られないた
めである。そこで処理装置８は、AD変換器から
与えられる（Xi，Yi）と外部１１から与えられる
基準マークのチヤート板上の座標ｒ ciから次の処
理により、未知パラメータ ｘ＝θx θy θx rcp (6) を推定する。すなわち評価関数 Ｊ＝N 〓i 1 ｅ T i Wi ei (7) を最小にするｘを求める。ここに誤差ｅ iは で与えられる。またWiは重みマトリツクスであ
る。この最小２乗推定問題は例えばニユートン法
により解くことができ、解としてｘの推定値が得
られる。ｘからマトリツクスＧとベクトルｒ cpが
得られる。このとき所望のチヤート板１２の平面
方程式を ａ・ｒ＝ｂ (9) と表わせば、 ａ＝Ｇ０ ０ １ (10) ｂ＝ａ・ｒ cp で与えられる。 ステツプ32，34の処理は次の如くである。セン
サの焦点面の光切断線１４の像を画像処理により
検出しその上の任意の点（Ｘ，Ｙ）をとる。この
とき対応する線１４上の空間における位置すなわ
ちセンサ座標系における座標は、(2)〜(4)式で計算
できる。但しａ，ｂは(10)式により与えられた値を
用いる。ステツプ32，34でそれぞれ１つ以上、合
計３つ以上の点についてこの座標計算をしてお
く。 ステツプ35の処理は次の如くである。上記ステ
ツプ32，34の処理結果として得られた互に独立な
位置にある３点の座標をｒ i（ｉ＝１，２，３）
とする。このときこの３点を通る平面の方程式を ａ・ｒ＝ｂ (11) と表わすと、 ａ＝（r2−r1）×（r3×r1） ｂ−（r2×r3）・r1 (12) で与えられる。これが所望の補助光面の方程式を
与える。 以上の処理をスリツト３の回転角毎に行なえば
各角度に対応する方程式の係数が得られる。これ
を記憶装置９に蓄えておき、、対象物体計測の際
スリツトの回転角度に応じて方程式の係数を記憶
装置９から読み出し利用すればよい。 〔発明の効果〕 本発明によれば、平板に基準マークを印したチ
ヤート板を用意するだけで、画像処理、データ処
理により補助光面の方程式を決定することができ
るので、環境に合わせて任意の位置に光源を設置
した場合も光切断法による計測精度を高めること
を可能にする効果がある。
第１図は本発明による３次元計測における補助
光の校正方式の全体構成を示す図、第２図は３次
元計測の原理を示す図、第３図は本発明における
データ処理手順のフローチヤート、第４図は本発
明に使用するチヤート板上の座標系を説明するた
めの図である。 １……計測対象物体、２……光源、３……スリ
ツト、４……補助光面、５……光切断線、６……
センサ、８……処理装置、１２……チヤート板、
１３……基準マーク。
光の校正方式の全体構成を示す図、第２図は３次
元計測の原理を示す図、第３図は本発明における
データ処理手順のフローチヤート、第４図は本発
明に使用するチヤート板上の座標系を説明するた
めの図である。 １……計測対象物体、２……光源、３……スリ
ツト、４……補助光面、５……光切断線、６……
センサ、８……処理装置、１２……チヤート板、
１３……基準マーク。
Claims (1)
- １ 光源とスリツトとセンサとデータ処理装置と
より成る３次元計測システムにおいて、表面に基
準マークを記した平板を用いて補助光面の３次元
空間における方程式を決定することを特徴とする
３次元計測における補助光の校正方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15522485A JPS6217604A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | ３次元計測における補助光の校正方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15522485A JPS6217604A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | ３次元計測における補助光の校正方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6217604A JPS6217604A (ja) | 1987-01-26 |
| JPH0364801B2 true JPH0364801B2 (ja) | 1991-10-08 |
Family
ID=15601236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15522485A Granted JPS6217604A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | ３次元計測における補助光の校正方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6217604A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2555368B2 (ja) * | 1987-08-14 | 1996-11-20 | 日本電信電話株式会社 | パタ−ン投影器の位置姿勢校正法 |
| JPS6468677A (en) * | 1987-09-10 | 1989-03-14 | Komatsu Mfg Co Ltd | Position detecting method for moving body |
| JPH08110807A (ja) * | 1995-09-04 | 1996-04-30 | Omron Corp | 自動キャリブレーション方法およびその装置 |
-
1985
- 1985-07-16 JP JP15522485A patent/JPS6217604A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6217604A (ja) | 1987-01-26 |
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