JPH04155205A - 三次元計測装置 - 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】 ［概要〕 マルチスリット光を投影して三次元計測を行う三次元計
測装置に関し、 被測定物の三次元計測の高速化を図ることを目的とし、 コード化マルチスリット光パターンを被測定物に投影す
るマルチスリット投光器と、前記被測定物に投影された
前記コード化マルチスリット光パターンを撮像する撮像
部と、該撮像部からの画像信号を２値化する２値化回路
と、該２値化回路からの２値画像信号を、前記コード化
マルチスリフト光パターン対応に蓄積する複数の画像メ
モリと、該複数の画像メモリのアドレス信号を発生する
アドレス発生回路と、該アドレス発生回路からのアドレ
ス信号と、該アドレス信号により前記複数の画像メモリ
から同時に読出した前記２値画像信号のビット構成によ
るスリット光番号とを基に前記被測定物の輪郭点の三次
元位置を求める距離計算部とを備えて構成した。

（産業上の利用分野〕 本発明は、マルチスリット光を投影して三次元計測を行
う三次元計測装置に関するものである。

ロボット等の形状認識により自動的に動作する自動装置
や、設計や構造解析等、の為の形状入力装置等に於いて
、マルチスリット光を被測定物に投影し、テレビカメラ
等の撮像装置により撮像し、投影されたマルチスリット
光の中の基準スリット光を定めて、観測点から被測定物
の輪郭点までの距離を算出する三次元計測装置が知られ
ている。

このような三次元計測装置に於ける計測の高速化が要望
されている。

〔従来の技術］ 従来例の三次元計測装置は、被測定物にスリット光を投
影し、それを撮像した二次元面に於けるスリット光の座
標により、観測点からの距離を計測するもので、スリッ
ト光を順次走査する必要があるから、計測時間が長くな
る欠点があった。

このような欠点を改善する為に、コード化マルチスリッ
ト光を被測定物に投影して、三次元計測を行う装置が提
案されている。その三次元計測装置に於けるマルチスリ
ット投光器は、例えば、第６図に示す構成を有するもの
であり、半導体レーザ５１からの単一波長のレーザ光が
コリメ、−トレンズ５２により平行光に変換されて、第
１の回折格子５４に入射され、ｙ軸方向にスポット光が
１列に配列された出力光５８となり、第２の回折格子５
５に入射される。この第２の回折格子５５は、第１の回
折格子５４と回折方向が直交するように構成されている
から、スポット光は複数列に配列された出力光５９とな
り、シリンドリカルレンズ５３に入射される。前述の第
１及び第２の回折格子５４．５５は、例えば、２０−７
０μｍ程度の直径の光ファイバを平板状に配列して構成
することができる。

又シリンドリカルレンズ５３は、Ｘ軸方向に延長されて
いるので、出力光６０はｙ軸方向にスポット光が連続し
たマルチスリット光となる。この場合、シリンドリカル
レンズ５３がｙ軸方向に延長されていると、出力光６０
はＸ軸方向に連続したマルチスリット光となる。この出
力光６０はシャ、タアレイ５７に入射され、選択された
ンヤノタの開閉制御により、コード化マルチスリット光
パターン５６となる。ンヤノタアレイ５７は、例えば、
偏光を利用した液晶ノ４７タや電気光学効果素子等を利
用したシャノタ二ニより構成することができる。

コード化マルチスリット光パターンは、２′本のマルチ
スリット光に対してｎ種類のパターンとすることにより
、総てのスリット光に番号付けを行うことができる。そ
の場合、ｎ種類のコード化マルチスリット光パターンを
切替えて投影する毎に、テレビカメラ等の撮像装置によ
り被測定物を撮像し、１画素複数ビット構成の１画面分
の画像信号を画像メモリに蓄積し、ｎ個の画像メモリに
それぞれ蓄積された画像信号を読出して、画像信号間の
演算処理によりスリット光の番号付けをスリット光単位
で行うものであった。

［発明が解決しようとする課題〕 前述のように、コード化マルチスリット光パターンを被
測定物に投影して撮像した画像信号を、例えば、１画素
８ビツト構成のディジタル信号に変換して画像メモリに
蓄積し、コード化マルチスリット光パターンを切替える
毎に異なる画像メモリに画像信号を蓄積するものである
から、多数のスリット光を用いる場合にパターン数が多
くなり、それに伴って画像メモリ数を多く必要とするか
ら、高価な装置となる欠点があった。又各画像メモリに
蓄積された画像信号を基に、スリット光単位で照合処理
等を順次行い、それによりスリ・ノド光に番号付けを行
うものであるから、処理時間が長くなる欠点があった。

本発明は、被測定物の三次元計測の高速化を図ることを
目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の三次元計測装置は、並列処理により高速化を図
るものであり、第１図を参照して説明する。

コード化マルチスリット光パターンを被測定物に投影す
るマルチスリット投光器１と、被測定物に投影されたコ
ード化マルチスリット光パターンを撮像するテレビカメ
ラ等からなる撮像部２と、この撮像部２からの画像信号
を２値化する２値化回路３と、この２値化回路３からの
２値画像信号を、コード化マルチスリット光パターン対
応に蓄積する複数の画像メモリ４−１〜４−ｎと、これ
らの画像メモリ４−１〜４−ｎのアドレス信号を発生す
るアドレス発生回路５と、このアドレス発生回路５から
のアドレス信号と、このアドレス信号により複数の画像
メモリ４−１〜４−ｎから同時に読出した２値画像信号
のビット構成によるスリット光番号とを基に、被測定物
の輪郭点の三次元位置を求める距離計算部６とを備えて
構成したものである。

又複数の画像メモリ４−１〜４−ｎから同時に読出した
２値画像信号のビット構成の中のオール′“０パを除く
ビット構成によるスリット光番号を形成し、このスリッ
ト光番号についてのみ、アドレス発生回路５からのアド
レス信号を距離計算部６に加える判定制御回路を設けた
ものである。

又コード化マルチスリット光パターンを被測定物に投影
するマルチスリット投光器１と、被測定物に投影された
コード化マルチスリット光パターンを撮像する複数のフ
ォトダイオード等の受光素子からなる撮像部２と、この
撮像部２の受光素子の出力信号をそれぞれ２値化する受
光素子対応の２値化回路と、この受光素子対応の２値化
回路の出力信号を、コート化マルチスリット光パターン
の切替え毎にシフトして蓄積するシリアルイン・パラレ
ルアウトの受光素子対応のシフトレジスタと、この受光
素子対応のシフトレジスタを指定するアドレス信号を発
生するアドレス発生回路と、このアドレス発生回路から
のアドレス信号と、このアドレス信号により指定された
受光素子対応のシフトレジスタから並列に読出されたビ
ット構成によるスリット光番号とを基に、被測定物の輪
郭点の三次元位置を求める距離計算部とを備えて構成し
た。

［作用］ 第１項の発明に於いては、マルチスリット投光器１から
被測定物にコード化マルチスリット光パターンを投影し
、撮像部２により被測定物を撮像して得られた画像信号
を２値化回路３により２値化し、コード化マルチスリッ
ト光パターン対応の画像メモリ４−１〜４−ｎに蓄積す
る。即ち、ｎ種ｌのコード化マルチスリット光パターン
を順次投影して得られた２値画像信号が、ｎ個の画像メ
モリ４−１〜４−ｎに蓄積されることになる。

そして、アドレス発生回路５からのアドレス信号に従も
てｎ個の画像メモリ４−１〜４−ｎから同時に２値画像
信号を読出す。従って、ｎビノトの信号が得られるから
、それぞれ２°〜２　＋１−１の重みを与えてデコード
することにより、スリット光番号が得られる。このスリ
ット光番号とアドレス信号とを基に距離計算部６に於い
て観測点から被測定物までの距離を算出し、被測定物の
三次元位置を求めることができる。

第２項の発明に於いては、コード化マルチスリット光パ
ターンのスリット光間の２値画像信号は“０”となり、
画像メモリ４−１〜４−ｎから同時に読出した２値画像
信号がオール゛′Ｏ”′の場合のアドレス信号は、距離
計算に利用できないので、これを判定制御回路に於いて
判定し、距離計算部６に無駄なアドレス信号が入力され
ないように制御するものである。

第３項の発明に於いては、撮像部２を複数の二次元配列
の受光素子により構成し、受光素子対応に比較器等によ
る２値化回路を設け、２値化された信号をシフトレジス
タに入力し、コード化マルチスリット光パターンを切替
える毎にシフトする。

従って、各シフトレジスタには、１画素単位でコード化
マルチスリット光パターン毎の２値画像信号が蓄積され
る。アドレス発生回路は、１画素単位のシフトレジスタ
を指定するアドレス信号を発生することになり、そのア
ドレス信号により指定されたシフトレジスタから並列に
読出した複数ビットをデコードすることによってスリッ
ト光番号が求められる。このスリット光番号とアドレス
信号とを基に距離計算部６に於いて被測定物の三次元位
置を求めることができる。

（実施例〕 以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第２図は本発明の一実施例のブロック図であり、１０は
被測定物、１１はマルチスリット投光器、１２は撮像部
を構成するテレビカメラ、１３は２値化回路、１４−１
〜１４−３はコード化マルチスリット光パターン対応の
画像メモリ、１５はアドレス発生回路、１６は距離計算
部、１７は有効データを格納するテーブル、１８は判定
制御回路、１９は投光制御部である。

二の実施例は、マルチスリット投光器１１から被測定物
１０に、３種類のコード化マルチスリット光パターンを
切替えて投影する場合を示し、コード化マルチスリット
光パターンの種類に対応して３個の画像メモリ１４−１
〜】４−３が設けられている。又コード化マルチスリッ
ト光パターンが投影された被測定物１０をテレビカメラ
１２により撮像して得られた画像信号は２値化回路１３
により２値化され、その２値画像信号Ｃは画像メモリ１
４−１〜１４−３に加えられる。

３個の画像メモリ１４−１〜１４−３には、投光制御部
１９からのコード化マルチスリット光パターンの切替信
号ａと、アドレス発生回路１５からのアドレス信号すと
が加えられ、切替信号ａにより第１のコード化マルチス
リット光パターンを投ｉした時に画像メモＩＪ　１４−
１が指定され、第２のコード化マルチスリット光パター
ンを投影した時に画像メモリ１４−２が指定され、第３
のコード化マルチスリット光パターンを投影した時に画
像メモリエ４−３が指定されて、それぞれアドレス信号
すにより指定されたアドレスに画素対応の２値画像信号
が書込まれる。

コード化マルチスリット光パターンが切替えられて投影
され、画像メモリ１４−１〜１４−３Ｓ二２値画像信号
Ｃが書込まれると、アドレス発生口８１５からのアドレ
ス信号すにより同時ムニ読出しが行われる。その続出信
号ｄｉ、ｄ２．ｄ３は判定制御回路１８！：加えられる
。この場合、例えば、ｄｌＸ２°＋ｄ２Ｘ２’　＋’ｄ
３ｘ２２とし、その３ビツトをデコードすることにより
、アドレス信号すによる座標χ、ｙに於けるスリット光
番号りが得られる。

第３図はコード化マルチスリット光パターンの説明図で
あり、前述のように、３種類のコード化マルチスリット
光パターンＡ、Ｂ、ｃを切替えて投影した時、実線をス
リット光有り、点線をスリット光無しとじ、コード化マ
ルチスリ、ト光パターンＡを投影した時の２（Ｉｉ！画
像信号を画像メモリ１４−１に蓄積し、コート化マルチ
スリ、ト光パターンＢを投影した時の２値画像信号を画
像メモリ１４−２に蓄積し、コード化マルチスリットパ
ターンＣを投影した時の２値画像信号を画像モリ１４−
３に蓄積したとすると、３個の画像モリ１４−１−１４
−３の同一アドレスから同□に続出した時、ｄｉ、ｄ２
．ｄ３＝１．０．０場合は、前述のように、１×２°”
ＯＸ２’＋Ｘ２２＝１となるから、スリット光番号は「
１となる。又ｄｉ、ｄ２．ｄ３＝０．１．Ｏの場・は、
０×２°＋１ｘ２’　＋ＯＸ２”　＝２となる；ら、ス
リット光番号は「２」となる。以下同様１して、３ビツ
ト構成の読出信号ｄ１〜ｄ３のデートにより「０」〜「
７」のスリット光番号を二めることができる。

又コード化マルチスリット光パターンを、例ｊば、６種
類とすると、２”＝６４本のスリットに対して、ｒ□コ
〜「６３」の番号付けを行う、とができる。

判定制御回路１８に於いて、前述のように、劉像メモリ
１４〜１〜１４−３から同時に読出しフ信号ｄ１〜ｄ３
の３ビツトにより、スリ・ノド光４光　　号りを求める
ことができるものであり、そのスリン　　　シト光番号
りと、その時のアドレス信号ｂ＝　（ｘ。

メ　　　ｙ）とを対応させてテーブル１７に書込み、そ
れ時　　を読出して距離計算部１６に加えるものである
。

の　　又判定制御回路１８は、スリ・シト光番号が得ら
れ０　　　るアドレス信号すのみを、書込信号ｅにより
チー」　　　プル１７に書込むもので、テーブル１７の
有効利き　　用を図るものである。即ち、スリット光と
スリンか　　　ト光との間の画素対応の２値画像信号は
、コードこ　　　化マルチスリット光パターンを切替え
た場合でも、コ　　　スリ・メト光が照射されないもの
であるから、オーＲル′″Ｏ゛となり、このオール“０
”を判定した時は、その時のアドレス信号すをテーブル
１７に書し　　　込まないようにするものである。

屹　　　第４図は距離計測説明図であり、テレビカメラ
二　　　１２のレンズ中心を原点とする座標系を０−Ｘ
ＹＺ、マルチスリット投光５１１の光源中心を原点附　
　　とする光源座標系を０−χｙｚとすると、両者の関
係は、 隷 ・・・（１） で表される。ここで、ｔ＋Ｊ（ｉ＝１〜３．ｊ＝１〜４
）は、マルチスリット投光器１１とテレビカメラ１２と
の配置関係により定まる係数であり、これらは計算によ
り求めることができる。

マルチスリット投光器１１からのスリット光は、光源か
らｙ軸回りに広がるｍ本からなる場合を示し、各スリッ
ト光面をπｋ　　（ｋ＝１〜ｍ）とすると、３番目のス
リット光π、に着目した時、その投影によって被測定物
１０上に投影像Ｐが形成され、テレビカメラ１２のイメ
ージ面π１上に、その投影像１が結像される。なお、簡
略化の為に１本のスリット光２１が照射された場合を示
している。

又、その時の投影像Ｐ上の点Ｐ、［Ｘｋ、Ｙｋ。

Ｚ、）の三次元位置は、三角測量の原理に基いてレンズ
中心Ｏとイメージ面π、上の点１ｍ（Ｘｍ。

ｙｋ）を結んだ視線０−■、とスリット光面π。

との交点として求めることができる。

Ｚ、＝ｕｆ　　　’ ｕ　＝　ｈ　／　ｇ　　　　　　　　　　　　　　・・
・（３）ｇ−（ｔｚＸｋ”’Ｌ＋ｚｙｋ＋ｔ＋３ｆ）Ｃ
Ｏ５θＪ（Ｌ：＋＋Ｘｗ　　＋　　ｔ：＋ｚ　ｙｈ　　
ｊ−、Ｌ＊ｘｆ　　）　　　ｓｉｎθ、・・・（４） ｈ　＝Ｌ　ｓａ　Ｓ！ｎθ、　−ｔ　＋ａ　ｃｏｓ　ｆ
ｌ　Ｊ　　　−（５）ここで、（χア、ｙ、）は、イメ
ージ面π１上のＰ、の位置を示し、θ、はスリット光面
π４の投影角を示し、ｆは焦点距離を示す。

イメージ面π４上のＩｋの位置（ｘｈ、ｙｋ）は、画像
メモリ１４−１〜１４−３のアドレスに対応し、投影角
θ、は、スリ７）先番号ｊから求めることができる。従
って、距離計算部１６に於いては、テーブル１７から読
出されたアドレス信号ｂ＝（ｘ、ｙ）と、スリット光番
号りとにより、被測定物ｌＯの輪郭点の三次元位置ｘ、
　ｙ、　　ｚを求めることができる。

前述のように、画像メモリ１４−１−１’４−３からア
ドレス信号すに従って読出された信号ｄｌ〜ｄ３の３ビ
ツト構成により、スリット光番号りを求めることができ
るから、コード化マルチスリット光パターンを所定種類
だけ順次切替えて投影した後は、直像信号としての演算
等を必要とすることなく、距離計算に必要なアドレス信
号すとスリット光番号りとを得ることができる。従って
、三次元計測を高速化できる。又画像メモリ１４−１〜
１４−３は、コード化マルチスリット光パターン対応の
個数を必要とする−ことになるが、２値画像信号を蓄積
するものであるから、全体の容量は特に多くなることは
なく、距離計算に必要なスリット光番号を求める処理が
高速化される利点が大きいものである。

又テーブル１７及び判定制御回路１８を省略して、画像
メモリ１４−１〜１４−３から同時に読出した信号ｄｌ
−ｄ３と、アドレス信号すとを距離計算部１６に加え、
この距離計算部１６に於いてスリット光番号りを求める
ことにより、被測定物１０の輪郭点の三次元位置ｘ、ｙ
、ｚを求める距離計算を行わせることもできる。

第５図は本発明の他の実施例のブロック図であり、３１
−１〜３１−ｍは二次元配列のフォトダイオード等の受
光素子、３２−１〜３２−ｍは受光素子対応の２値化回
路、３３−１〜３３−ｍは受光素子対応のシリアルイン
・パラレルアウトのシフトレジスタ、３４はアドレス発
生回路、３５はハス、３６は距離計算部である。

図示を省略した被測定物にコード化マルチスリット光パ
ターンを投影し、その投影像を受光素子３１−１〜３１
−ｍからなる撮像部で撮像し、各受光素子３１−１〜３
１−ｍの出力信号を、２値化回路３２−１〜３２−ｍに
加える。この２値化回路３２−１〜３２−ｍは、基１！
電圧ｒと比較する比較器により構成することができる。

この２値化回路３２−１〜３２−ｍからの２値画像信号
は、シフトレジスタ３３−１〜３３−ｍに加えられ、シ
フト信号Ｓによってシフトされる。

このシフト信号Ｓは、コード化マルチスリット光パター
ンを切替えた時に加えられるものであり、前述のように
、３種類のコード化マルチスリ、ト光パターンを用いる
場合、各シフトレジスタ３３−１〜３３−ｍは３段構成
で良いことになる。即ち、全シフトレジスタ３３−１〜
３３−ｍにより、３画面分の２値画像信号を蓄積できる
。

又アドレス発生回路３４からアドレス信号χ。

ｙが各ソフトレジスタ３３−１〜３３−ｍと距離計算部
３６とに加えられ、コード化マルチスリット光パターン
の投影が終了すると、アドレス発生回路３４からのアド
レス信号ｘ、ｙによりソフトレジスタ３３−１〜３３−
ｍの一つが指定され、並列に続出された信号は、バス３
５を介して距離計算部３６に加えられる。

前述のように、３種類のコード化マルチスリ。

ト光パターンを用いる場合は、アドレス信号Ｘ。

ｙにより指定されたシフトレジスタから並列に３ビツト
続出されるので、前述の実施例のｄ１〜ｄ３の３ビツト
と同様にスリット光番号りを求めることができる。即ち
、アドレス信号χ、ｙとスリット光番号りとにより被測
定物の輪郭点の三次元位置ｘ、ｙ、ｚを求めることがで
きる。

二次元配列の受光素子３１−１〜３１−ｍの集積回路化
は容易であり、更に２値化回路３２−１〜３２−ｍを含
めて集積回路化も可能である。又シフトレジスタ３３−
１〜３３−ｍを含めて集積回路化することにより、受光
素子３１−１〜３１−ｍの個数を増加して解像度を向上
させることが容易となる。

〔発明の効果： 以上説明したように、本発明は、コード化マルチスリッ
ト光パターンを被測定物乙二投影し、撮像部２により撮
像して２値化５、コード化マルチスリ、ト光パターン対
応の画像メモリ４−１〜４−ｎに蓄積し、アドレス信号
Ｃ二従って同時Ｃ二続出した複数ビット構成の続出信号
のデコートニニよりスリット光番号を直ちに得ることが
できるから、そのスリット先番号とその時のアドレス信
号とを用いて距離計算を行うことができる。即ち、画像
メモリの容量を特別に増大することなく、三次元計測の
高速化を図ることができる。

又撮像部２を二次元配列の受光素子３１−工〜３１−ｍ
により構成し、受光素子対応に２値化回路３２−１〜３
２−ｍ及びシフトレジスタ３３−１〜３３−ｍを設けて
、コード化マルチスリット光パターンを切替えて被測定
物に投影し、その２値画像信号をシフトレジスタに蓄積
し、アドレス信号により指定されたシフトレジスタから
並列に読出すことにより、スリット光番号を求めること
ができるから、三次元計測の高速化を図ることができる
と共に、受光素子と２値化回路とを含めて、更にはシフ
トレジスタを含めて集積回路化も可能）　となるから、
小型且つ経済的な計測装置を提供できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１回は本発明の原理説明図、第２図は本発明の一実施
例のブロック図、第３回はコード化マルチスリット光パ
ターンの説明図、第４図は距離計測説明図、第５図は本
発明の他の実施例のブロック図、第６図はマルチスリッ
ト投光器の説明図である。 工はマルチスリット投光器、２は撮像部、３は２値化回
路、４−１〜４−ｎは画像メモリ、５はアドレス発生回
路、６は距離計算部である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、コード化マルチスリット光パターンを被測定物
   に投影するマルチスリット投光器（１）と、前記被測定
   物に投影された前記コード化マルチスリット光パターン
   を撮像する撮像部（２）と、該撮像部（２）からの画像
   信号を２値化する２値化回路（３）と、 該２値化回路（３）からの２値画像信号を、前記コード
   化マルチスリット光パターン対応に蓄積する複数の画像
   メモリ（４−１〜４−ｎ）と、該複数の画像メモリ（４
   −１〜４−ｎ）のアドレス信号を発生するアドレス発生
   回路（５）と、該アドレス発生回路（５）からのアドレ
   ス信号と、該アドレス信号により前記複数の画像メモリ
   （４−１〜４−ｎ）から同時に読出した前記２値画像信
   号のビット構成によるスリット光番号とを基に前記被測
   定物の輪郭点の三次元位置を求める距離計算部（６）と を備えたことを特徴とする三次元計測装置。
2. （２）、前記複数の画像メモリ（４−１〜４−ｎ）から
   同時に読出した前記２値画像信号のビット構成のオール
   “０”を除くビット構成によるスリット光番号を形成し
   、且つ該スリット光番号についてのみ前記アドレス発生
   回路（５）からのアドレス信号を前記距離計算部（６）
   に加える判定制御回路を設けたことを特徴とする請求項
   １記載の三次元計測装置。
3. （３）、コード化マルチスリット光パターンを被測定物
   に投影するマルチスリット投光器（１）と、前記被測定
   物に投影された前記コード化マルチスリット光パターン
   を撮像する複数の受光素子からなる撮像部（２）と、 該撮像部（２）の前記受光素子の出力信号をそれぞれ２
   値化する該受光素子対応の２値化回路と、該受光素子対
   応の２値化回路の出力信号を前記コード化マルチスリッ
   ト光パターンの切替え毎にシフトして蓄積するシリアル
   イン・パラレルアウトの前記受光素子対応のシフトレジ
   スタと、該受光素子対応のシフトレジスタを指定するア
   ドレス信号を発生するアドレス発生回路と、該アドレス
   発生回路からのアドレス信号と、該アドレス信号により
   指定された前記受光素子対応のシフトレジスタから並列
   に読出されたビット構成によるスリット光番号とを基に
   、前記被測定物の輪郭点の三次元位置を求める距離計算
   部とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。