JPH05223524A

JPH05223524A - 加工物の空間座標決定方法

Info

Publication number: JPH05223524A
Application number: JP3206691A
Authority: JP
Inventors: Steven J White; スティーブン、ジェームズ、ホワイト
Original assignee: TECHNICAL ARTS CORP
Current assignee: TECHNICAL ARTS CORP
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 1993-08-31
Also published as: JPS59112211A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、加工物の空間座標座標を求めるた
めの方法を提供することを目的とする。【構成】パルス信号をサンプリングする段階と、この
サンプリングの結果の標本値をデジタル化し、前記各標
本値を代表するデジタル量を発生する段階と、前記デジ
タル量を順に加算して総和を求めてこれを第１の合計と
し、前記デジタル量を順に加えていく段階で生じる中計
をそれぞれ加算して総和を求めてこれを第２の合計とす
る段階と、前記第２の合計を前記第１の合計で除してオ
フセット長を求め、前記パルス信号の最後の標本位置か
ら前記オフセット長だけ戻った位置として前記パルス信
号の重心を決定する段階と、を有するパルス信号の重心
の決定方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検知電気パルスの位置
決定、より具体的に言えば視野内にある加工物の空間座
標の決定のための高速走査方法および装置の改善、特に
従来知られているものよりも高速でしかもより正確な視
野内の加工物の空間座標を与えることができる高速走査
方法に関する。

【０００２】

【発明の技術的背景】加工物を視野内でとらえ、その位
置を決定し、その加工物に対して作用する機器に指示を
与えることができる装置は従来から知られている。しか
しながらこれらの従来の装置は、それに用いられるカメ
ラやレーザ走査における具体的な制限から反応が遅い、
精度が悪いという欠点がある。例えば米国特許第４，１
８８，５４４号に開示されている装置は、木材産業用に
設計されたもので、加工物としての丸太に光源から平面
状の光束を照射し、ビディコン撮像管カメラで丸太表面
と平面状光束との交線を検出することによって丸太を走
査するものである。この装置では、更に撮像管からの信
号を修正するキャリブレーション技術が開示されてい
る。この技術によれば、カメラの視野内に置かれた既知
の三次元参照物体からの走査信号を、その参照物体につ
いてあらかじめ得られている空間座標と比較することに
よって得られるキャリブレーション情報をメモリーユニ
ットに貯える。実際の測定は加工物の走査信号をキャリ
ブレーション走査によって得られたキャリブレーション
情報と比較することによって行なわれる。この従来技術
によるシステムでは、キャリブレーション演算にはメモ
リーに貯えられた空間座標のみが用いられる。このため
従来装置では貯える空間座標データの数、精度ともにそ
の分解能に限界を生じ、キャリブレーション走査中に対
応する空間座標を正確に決定する能力にも限界があっ
た。

【０００３】米国特許第３，８９５，８７０号および同
第３，７９６，４９２号には、コヒーレント光を加工物
の表面に照射し、ビディコン撮像管カメラで受像する方
式の別なシステムが開示されている。これらの特許に開
示されている内容は、１本の線状ビームと１対の受像部
の組合わせか、あるいは１対の線状ビームと１個の受像
部の組合わせにより、ビームが照射されている物体と受
像部のカメラとの距離を決定するというもので、換言す
れば単に距離計を開示したにすぎない。

【０００４】米国特許第４，１１１，５５７号には、物
体の形状と位置とを光学的に決定し比較する方法が開示
されている。この方法でも物体は光電受像器によって受
像され、電気パルスに変換され、Ａ−Ｄ変換の後に空間
座標データとして貯えられる。物体が移動したり変形し
たりした後の実際の物体に関するデータが、既に貯えら
れていたデータと比較されて物体の位置、形状の変化が
決定される。しかしこの発明は単に位置、形状の変化を
検知するだけであり、空間座標を決定する試みすらでき
ない。

【０００５】米国特許第４，１４６，９２６号にも１本
の線状ビームと１対の反射光集光手段の組合わせによっ
て、物体の表面を検知し、参照点についてその位置を決
定する方法が開示されている。

【０００６】米国特許第４，１１５，８０６号および同
第３，９８０，８１２号の開示内容は電気信号に変換さ
れた像の分析方法に関するものであるが、本発明に係る
方法とは異なり関連性は非常に少ないと考えられる。

【０００７】米国特許第４，１２６，３９５号には、鏡
面上の識別マークの空間的位置を各点の位置として決定
する方法が開示されている。

【０００８】米国特許第３，４５９，２４６号、同第
３，７３６，９６８号、同第３，７８７，７００号、お
よび同第３，９６３，９３８号には非コヒーレント光の
光源と光電管センサとを用いたその他の従来技術に係る
システムが開示されており、また米国特許第３，７７
３，４２２号にはテレビカメラとレーザ光源とを用い、
既知の距離と幾何的相対関係とによって物体の大きさを
計算するシステムが開示されている。

【０００９】米国特許第３，１８７，１８５号、同第
３，５９０，２５８号、および同第３，６２５，６１８
号には、照射光ビームに対しある程度の角度をもった方
向から物体を観測することによって物体の外形表面を決
定するシステムが開示されている。

【００１０】従来技術に係るテレビジョンタイプのセン
サとビデオデジタイザとによるシステムには、検知パル
スの位置決定における精度に問題があった。発明におけ
るパルス重心の決定方法はこれらの従来技術では用いら
れていない新技術である。また本発明では物体の空間座
標を正確に決定するためのキャリブレーション技術の改
善された方法をも含む。

【００１１】

【発明の目的】本発明は、加工物の空間座標を求めるた
めの方法を提供することをその一般的目的とし、より詳
細に言えば以下のような目的をもつ。

【００１２】本発明の第１の目的は、視野内に置かれた
加工物の空間座標を従来技術に比べてより正確にかつ高
速に決定することができる方法を提供することである。

【００１３】本発明の第２の目的は、不規則な表面をも
つ加工物の全寸法および視覚的要素の詳細を決定する方
法を提供することである。

【００１４】本発明の第３の目的は、非常にさまざまな
光学的特性をもった加工物の視覚的要素の詳細を決定す
る方法を提供することである。

【００１５】本発明の第４の目的は、視野内に既知の形
状をもつジグを設け、このジグの空間座標を記録してお
くことなく自己キャリブレーションができるようにした
方法を提供することである。

【００１６】本発明の第５の目的は、高価でしかも処理
時間がかかる乗算プロセスを必要とせずに、加算器のよ
うな比較的安価なアナログあるいはデジタル論理回路を
用いることによってパルスの重心を決定することができ
る装置および方法を提供することである。

【００１７】

【発明の概要】本発明はパルス重心の位置決定方法に係
る。本発明に係る方法はコヒーレント光源を物体に照射
する段階をも含む。コヒーレント光と物体表面との交線
をも含めたその物体の像は、イメージオルシコン管等の
光電変換装置に従来から知られている干渉フィルターお
よびレンズを用いて形成される。光電変換装置はコヒー
レント光源から一定の角度離れた位置で物体の像を受像
する。コヒーレント光の平面状光束と物体表面との交線
はイメージオルシコン管の各水平走査線上に１つずつ参
照パルスを発生させる。各パルスの位置、特にそのパル
スの幾何学平均、即ち重心の位置が決定される。

【００１８】本願では２つのパルス位置決定法を開示す
る。まず第１の方法は一般に「パルス積分法」と呼ばれ
るもので、光電変換装置からの１つの信号パルスをまず
サンプリングし、デジタル化するものである。続いて次
のような方法でパルス積分が行なわれる。まずサンプリ
ングされたパルスの各標本値を合計する。次に各標本値
をそれぞれ２倍する。そして最初の標本値から最後の標
本値へ向かって順に（あるいはその逆向きに順に）、そ
れぞれの標本値の２倍の値を先に求めた合計値から次々
と減算してゆく。このような減算により先に求めた合計
値は徐々に減少してゆくが、この合計値が０を越えたと
ころでこの減算操作を中止する。ここでその２倍の値を
合計値から減ずることによって合計値が０を越すことに
なったところの標本を基準標本として記録しておく。最
後に基準標本値の２倍の値と減算操作中止時の合計値の
絶対値との比を求め、基準標本の位置にこの比に対応す
る値を加え（あるいは減じ）ることによってパルスの重
心位置を決定する。

【００１９】第２の方法は一般に「重心法」と呼ばれる
もので、「パルス積分法」と同様に光電変換装置からの
１つの信号パルスをまずサンプリングし、デジタル化す
る。続いて、次のような方法で重心が求められる。まず
サンプリングされたパルスの各標本値の合計である第１
の合計値が求められる。次に各標本値についての中計値
が求められるが、これはその標本値以前（その標本値も
含めて）のすべての標本値を合計した値として求められ
る。続いて各標本値についての中計値すべてを合計した
第２の合計値が求められる。そしてパルスの最後の標本
値の位置を記録しておき、第１の合計値と第２の合計値
との比に対応する値を先に記録した位置から減じること
によってパルスの重心、即ち幾何学平均を決定する。

【００２０】以上２つの方法では、デジタル論理回路を
用いることが好ましい。もっとも重心法ではアナログ積
分器を用いることも可能である。コヒーレント光源、加
工物、および光電変換器のレンズ相互間における角度、
距離の関係が、後述するユニークなキャリブレーション
法によって決定され、この角度、距離の関係によって決
まる参照パルスの幾何学平均、即ち重心が前述したよう
に求まり、これによって加工物の空間座標が決定され
る。

【００２１】キャリブレーション技術は光電変換装置の
視野内に正確に形状が決定されたジグを置くことによっ
て行なわれる。断面として特異な形状の幾何図形、例え
ば三角形、がジグによって一義的に決定される。接続さ
れたコンピュータには、ジグの空間座標よりはむしろこ
の幾何図形の寸法が詳しく記憶される。幾何図形の形
は、ジグの平坦な表面に沿って各点を走査し、これらの
各点を線で連結し、このようにしてできた線の交点によ
って決定される。これらの交点はジグにそなわっている
固有の幾何図形の頂点を決定することになる。このよう
にしてその図形についてあらかじめ記憶されていた寸法
を参照して求められた幾何図形によって、ジグと同様に
光電変換装置の視野内にある加工物の空間座標Ｘ，Ｙ，
Ｚを正確に計算することが可能になる。ジグの長手方向
は光電変換装置の水平走査線に沿うように配置するのが
好ましい。ただ完全に平行にする必要はない。

【００２２】以下に添付図面を参照しながら本発明の好
ましい一実施例について詳述する。これによって今まで
述べてきた本発明の種々の特徴、目的、利点がより明ら
かになるであろう。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例である加工物の空間座標を決
定する装置の代表例について図１のブロック図を用いて
説明する。レーザ１０等の通常用いられる光源に光学系
１２を取りつけ、コヒーレント光の平面状光束を作り、
これを加工物１４に照射する。図１で加工物１４として
木材の平板を例にとっているが、加工物としては精密測
定、検査、あるいは加工のためにその空間座標を求める
ことが必要とされるあらゆる対象物でよいことは言うま
でもない。従ってここでは木材を加工するという特定の
例について本発明の説明を行なうが、本発明に係る装置
は産業上の種々の制御装置、生産ラインの検査、在庫管
理、医学的なスキャニング等にも何ら制限を受けずに用
いることができる。また後述するパルス位置決定法も木
材加工の分野以外にも広く応用できる技術である。

【００２４】イメージオルシコン、ビディコン、ウルト
ラコン等の撮像管を光電変換装置１８として用い、これ
を平面状光源に対して既知のあらかじめ決定された角度
をなすように配置し、加工物の像をとらえる。この撮像
管は、１走査図形あたり複数の走査線を発生する。この
各走査線はそれぞれの走査線上に１つの参照パルスをも
つ。この参照パルスは走査線と、加工物に照射されてい
るコヒーレント光の平面状光束との交点に相当する。図
１に示すようなビデオ画像器に映してみれば、各走査線
の参照パルスによって形成される参照パルス線があらわ
れる。撮像管の出力信号はビデオデジタイザ２２に入力
され、ここで各走査線について参照パルスをも含んだサ
ンプリングとデジタル化が行なわれる。ビデオデジタイ
ザ２２はデジタル化された情報を用いて各参照パルスの
位置、特に各パルスの重心、即ち幾何学平均の位置を決
定する。この決定された各パルスの正確な位置情報、光
学系１２の視野内に置かれた既知の形状をしたジグと光
学系１２との距離情報、および後述するキャリブレーシ
ョン技術によって決定される種々の既知情報は、コンピ
ュータによって統合され、その結果加工物の空間座標が
徐々に決定される。このようにして決定された空間座標
は、木材切断装置等のユーザーが用いる外部装置を制御
する別なコンピュータに入力される。ユーザーが用いる
このような装置までは本発明に含まないが、本発明によ
る出力がこのような装置を制御するために容易に用いう
ることは周知のことである。

【００２５】本発明の別な一実施例の概略を図２に示
す。前述の実施例と同様にレーザ１０が走査用光源とし
てコヒーレント光を加工物１４に照射する。２つの別々
な、しかも互いに一定の間隔離れた受像器を有する光学
系２０によって加工物がとらえられ、加工物の２つの像
が作られる。光学系２０の中で作られた２つの像は、イ
メージオルシコン管等の光電変換装置１８によって受像
され、各走査線に付き１対の参照パルスが作られる。こ
れらの参照パルスは走査線と、加工物に照射されている
コヒーレント光の平面状光束との交点に相当する。図２
に示すようなビデオ画像器にこの結果を映してみれば、
図のような１対の参照パルス線となる。前述の実施例と
同様に、１つあるいは複数のビデオデジタイザ２２が２
つの参照パルスを含んだ各走査線をサンプリングし、デ
ジタル化する。このデジタル化された情報は各パルスの
重心、即ち幾何学平均の位置を非常に正確に決定するた
めに用いられ、更にこの情報は、既知のあるいは計算に
よって求められたパラメータとともに、図１の装置に基
づいてこれから詳述するような方法によって加工物の空
間座標を決定する。

【００２６】なお図１および図２に示すビデオ映像器
は、本発明を実施する上に必要な装置には含まれないこ
とを注記しておく。ここではビデオデジタイザに入力さ
れる電気信号を目にみえる形にした場合にどのような形
になるかを単に示すためにビデオ映像器を例示したにす
ぎない。

【００２７】再び図１の実施例について説明する。レー
ザ１０はこの装置の他の要素とは別に、離れて示されて
おり、これは本発明においてはこのレーザ１０はその他
要素との間に何らハードウエア的なインターフェースを
要さないことを示す。もっとも何らかのハードウエア的
なインターフェースが用いられるとすれば、レーザを走
査する場合のＸ座標を計算するために用いられるレーザ
の角度検知器が考えられよう。加工物の上に配置された
レーザ１０は、線状のコヒーレント光を発するが、レー
ザ出力光用の従来から知られている光学系１２によって
この光は平面状光束に変換される。本発明の実施にはレ
ーザ以外の光源を用いることも可能であるが、周囲の光
の散乱効果を防ぐためにレーザを光源として用いる方が
好ましい。コヒーレント光の平面状光束は、空間座標を
決定すべき加工物１４に照射される。図にその一部分が
示されるように、加工物はコンベヤ１６等の上にのせら
れる。好ましい実施例としては、レーザ１０は動かない
ように固定した方がよいのであるが、本発明のまた別な
実施例として、加工物を走査するためにレーザを側方に
のみ動くように取り付けてもよい。

【００２８】光電変換装置１８に用いるレンズは、図１
に示す装置では加工物を視野内に確保できる程度に適当
に運ばれた通常のレンズを用いているが、その仕事の目
的に応じて種々のものが選ばれる。図には示されていな
いが、周囲の光をカットするために、このレンズと光電
変換装置との間にレーザ干渉フィルタが設けられる。図
２に示すような２つの受像器を有する光学系では、加工
物を視野内に確保できる程度に適当に選ばれた双眼鏡用
のレンズが用いられる。

【００２９】図１に示す光電変換装置は、左から右へス
イープを繰り返し、１つの走査図形あたり複数の走査線
を発生する標準的閉回路テレビカメラでよい。このカメ
ラはその装置の仕事の目的による要求に応じて、高解像
度のもの、低解像度のもの、あるいは高感度のもの、低
感度のものを用いることができる。各走査線は、その走
査線と加工物に照射されているコヒーレント光の平面状
光束との交点に対応する参照パルスを含んでおり、図１
のビデオ映像器に示されるような出力信号を形成する。

【００３０】図１および図２で１ブロックとして示した
ビデオデジタイザ２２を図３に詳細に示す。このビデオ
デジタイザ２２は、光電変換装置１８の出力であるアナ
ログ信号を受け、概して言えばこのアナログ信号をサン
プリングしてデジタル化する。イメージオルシコン管か
らの１スイープ分の信号がサンプリングされた後、ビデ
オデジタイザ２２の中のデジタル論理回路によって以下
に述べるような方法で各参照パルスの幾何学平均、即ち
重心が決定される。ビデオデジタイザ２２の出力は図１
で各機能を表示した複数のブロックの集まりとして図式
化して示されているコンピュータ２４に入力される。ビ
デオデジタイザの出力信号を受けたコンピュータ２４
は、この信号を線形化、即ちレーザ光、カメラのレン
ズ、カメラの電気的要素等の非線形部分を数学的に補償
する。もっとも、このような補償機能は用いたカメラシ
ステムが結果に大きな影響を与える程度の非線形像を作
り出すような場合にのみ必要となろう。低品質のレンズ
を用いた場合にはかなり正確さが歪められることになろ
うが、高品質のカメラとレーザ用レンズを用いれば、こ
のような線形補償は必要なくなる。

【００３１】ビデオデジタイザ２２の出力は続いて、加
工物の空間座標を計算するためにキャリブレーションパ
ラメータと結合される。このキャリブレーションパラメ
ータは、正確に形状が定められたジグを走査し、このジ
グの平坦な表面に沿って走査された各点を選択し、これ
らの点を結んで交線を形成させることによって計算され
る。このようにして形成された交線どうしの交点はコン
ピュータに記憶される。これらの交点は例えば三角形の
ようなジグ固有の幾何図形の頂点を決定するとともに、
例えば底辺と高さのような寸法をも決定する。ジグを走
査することによって得られた幾何図形と、その図形につ
いて記憶されている寸法とを結合することにより、キャ
リブレーションパラメータは以下に述べる方法によって
計算され、加工物上で走査された各点の位置が正確に決
定される。

【００３２】本発明によって得られる重要な利点、改善
点は、求めるべき参照パルスの位置を決定する際の精度
が、本発明に係る装置によって大幅に改善された点であ
る。テレビ放送等で用いられている典型的なビデオ信号
のバンド幅では、水平方向解像度はほぼ３００〜５００
画素が限度である。本発明に係る装置および方法によれ
ば、潜在的に利用可能な解像度が２００００画素程度か
ら１００００００画素程度以上に至るまでのきわめて高
い解像度を得ることができる。

【００３３】前述したように、光電変換装置によって作
られた参照パルスの重心、即ち幾何学平均は、２つの方
法のうちのどちらか１つによって決定される。１つのパ
ルス積分法で、パルスの面積を積分によって求め、この
面積を互いに等しくとなりあう２つの部分に分けるよう
に位置をみつける方法である。もう１つは重心法で、パ
ルスのサンプリングされた標本値の一重積分値と二重積
分値を求める方法である。ここで一重積分値とは通常の
積分値、即ちパルスのサンプリングされた全標本値の合
計であり、二重積分値とは、後に詳述するが、一重積分
値として求められた中計をすべて合計したものである。
二重積分によって得られた値を一重積分によって得られ
た値で除することによってオフセット値が求まり、パル
スの最後の標本値の位置からこのオフセット値を減ずる
ことによって、パルスの重心が求められる。本実施例で
は、パルスの積分を行なう上で、ビデオデジタイザの分
解能によって制限を受ける閾値が、装置のコンピュータ
部分によってあらかじめ設定されている。ビデオデジタ
イザはビデオ信号をサンプリングし、サンプリングした
値を何倍かに増幅したデジタル信号の標本値を発生させ
る。

【００３４】第１の方法、即ちパルス積分法では、パル
スの増幅された全標本値はすべてが記憶される。これは
本発明によればこれらの標本値がパルス積分過程で必要
となるからである。どちらの方法においても線形補間あ
るいは可能な場合には多項式を用いることになる曲線補
間が行なわれる。これらの補間により、増幅手段の分解
能、サンプリングする標本数といった主たる制限を受け
ながらも、できうる限りの精度で、パルスの平均を決定
することができる。どちらの方法も、アナログ回路、ビ
ットスライスプロセッサ、ソフトウエアとして具現化さ
れたプロセッサアルゴリズム、あるいはデジタル回路の
いずれを用いても実施できるが、現時点での技術的問題
に最も具体的な解決法を与えるのはデジタル回路を用い
る方法であろう。

【００３５】図３のブロック図を用いながら、ビデオデ
ジタイザ２２によって行なわれる第１の方法、即ちパル
ス積分法について説明する。ビデオ信号はビデオプリア
ンプ３０２に入力され、ここで整合、バッファリングさ
れて、更にビデオアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ
コンバータ３０４に入力される。またこのビデオプリア
ンプ３０２からの信号は、同期検出器３０６およびフレ
ーム検出器３０８を経由して、それぞれ各ビデオ走査線
のスタート位置における同期パルスおよびビデオスクリ
ーンの開始点（スクリーン上部）におけるフレーム（ブ
ランキング）パルスとなる。これらのパルスはコンピュ
ータ２４へ入力され、ビデオカメラで走査された走査線
番号ｐが決定される。同期発振器３１０は同期パルスを
受けて、この同期パルスに同期した出力信号を発生す
る。従ってこの出力信号は、ビデオデジタイザ２２内部
での論理タイミングとして用いることができ、また全ビ
デオ信号のサンプリングにも用いることができる。

【００３６】一方Ａ／Ｄコンバータ３０４はビデオプリ
アンプ３０２にバッファーされているビデオ信号をサン
プリングし、その標本値を２進データ（デジタル）に変
換する。ビデオデジタイザ２２には２つの動作モードが
ある。即ち（１）走査モードと、（２）検索モードであ
る。走査モードではデジタイザは、標本値がコンピュー
タ２４によってセットされた設定値以上になった後の各
標本値をデジタル化し、積算し、記憶する。このように
して標本値が設定値以下になるまでサンプリングは続け
られ、各標本値は積算（積分）され、記憶される。サン
プリングが行なわれている間、カウンタ３２２は同期発
振器３１０からのパルスをＮとしてカウントする。同期
発振器３１０からのパルスはこのようにカウンタ３２２
の内部でカウント値Ｎとしてカウントされるが、この値
は与えられた走査図形の走査線上における対応する標本
がサンプリングされたおおまかな位置に相当する。この
おおまかな位置Ｎ（即ちおおまかなカウント値Ｎ）は続
けて得られるより細かい補正要素によってより正確な値
となる。以下にこの補正要素について述べる。

【００３７】全標本値が積算された後、この積算された
各標本値はランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）３１４
に記憶される。積算は加算器３１６によって行なわれ、
パルスの全標本値の積算合計Σ、即ちそのパルスを代表
する全標本合計値がレジスタ３１７に記憶される。走査
モード中は、レジスタ３１７に記憶されるべき積算合計
値が負になるように、加算器３１６で加算される各標本
値の符号はスケーラー３１８により反転されてから加算
器３１６に入力される。

【００３８】パルスの全標本値の加算が終了すると、シ
ステムは検索モードに切換わる。検索モードではメモリ
ー３１４に記憶されている各標本値の２倍の値が加算器
３１６によりレジスタ３１７の値にそれぞれ加算されて
ゆく。走査モードでは符号反転を行なったスケーラー３
１８は、検索モードではビデオパルス検出器３２０の制
御のもとに標本値を２倍にする演算を行なう。この２倍
の値が加算器に加えられるごとに、その積算結果である
レジスタ３１７の内容の符号ビットが検索制御論理回路
３２４によって調べられる。もしこの符号ビットが正に
なっていたら次の３つの値が記憶される。まずカウンタ
３２２のカウント値ＮがＮレジスタ３２６に記憶され
る。次に加算が行なわれた最後の標本値Ａの２倍の値、
即ち２Ａが２Ａレジスタ３２８に記憶される。そして最
後にレジスタ３１７に残った正の数、即ち加算剰余Σ_ｒ
がΣ_ｒレジスタ３３０に記憶される。これらの３つの値
を次式に代入することによって各走査パルスの幾何学平
均ηが求められる。

【００３９】

【数１】また走査モードから検索モードへの切換時にレジスタ３
１７に残っているパルスの全標本値の合計、即ちパルス
の面積がＳレジスタ３３２に記憶される。

【００４０】パルス積分法を詳細に考慮して、Ａ／Ｄコ
ンバータ３０４によって発生できるデジタル出力信号の
フルスケールを利用できるようにＡ／Ｄコンバータの限
界を設定してやることにより、ビデオデジタイザ内に用
いられている固有のＡ／Ｄコンバータから最大限の分解
能を得ることができる。

【００４１】以上のパルス積分法をもう一度まとめて述
べることにする。パルスの立上り部分の大きさが設定値
以上になったら、ビデオデジタイザ２２は撮像管からの
出力信号をサンプリングし、デジタル化する。このデジ
タル化された値は、個々にＲＡＭ３１４に記憶されると
ともに、符号が反転されて負の合計値として互いに加算
されてゆく。パルスを代表する全標本値が個々に記憶さ
れ、かつ加算されたら、ＲＡＭ３１４に記憶された個々
の標本値は順に取り出され、２倍されて加算器３１６に
よって負の合計値に加算されてゆく。

【００４２】即ちパルスを代表する全標本値は一番最初
の標本値から記憶された順番に、あるいは一番最後の標
本値から記憶された逆順に、１つずつ取り出され、２倍
され、この２倍の値が加算器３１６によって合計値に次
々と加算されていくのである。この操作は加算器３１６
の合計値が正の値になるまで、即ち加算された２倍標本
値の合計２Σ′が、標本値の合計Σを越えるまで続けら
れる。

【００４３】加算器３１６の合計がひとたび正になった
ら、最後に加算された標本値の位置は、パルスの重心即
ち幾何学平均から１標本区間内にあることは知られてい
る。このようにして、Ｎカウンタに残っている対応する
カウンタ値（補間前のＮ）が幾何学平均を決定するため
の標準標本位置として用いられる。標本値を２倍して加
算してゆく操作がパルスを代表する全標本値の一番最後
の標本値から行なわれた場合はＮカウンタは１ずつ減少
させてカウントしていくが、標本値を２倍して加算して
いく操作がパルスを代表する全標本値の一番最初の標本
値から行なわれた場合は、Ｎカウンタはその一番最初の
標本値に対応する値にリセットされ、そこから１ずつ増
加させてカウントしていくことになる。標準標本位置、
即ちＮカウンタの値の補間補正は、加算器３１６に残っ
ている最終合計である加算剰余Σ_ｒと、２倍して加算器
の合計に２Ａとして加算された最後の標本値Ａとを用い
て計算される。即ち、加算剰余Σ_ｒを最終加算標本値の
２倍である２Ａで除することによって補間量が求まる。
従ってパルスの重心、即ち幾何学平均ηは次式で求ま
る。

【００４４】

【数２】ここで、２倍加算がパルスの最初の標本値から順に行な
われた場合は、補間値Σ_ｒ／２ＡはＮに加算され２倍加
算がパルスの最後の標本値から逆順に行なわれた場合
は、補間値Σ_ｒ／２ＡはＮから減算される。

【００４５】Ｎに補間値を加減することによって幾何学
平均が求まることは、Σ_ｒが加算器３１６に加えられた
最後の数、即ちその加算によって合計が幾何学平均を超
えることになった最終加算標本値の２倍の値に対する比
例配分値に対応することを考えれば明らかである。この
ようにして、補間値Σ_ｒ／２Ａを最終加算標本値の位置
を示すＮカウンタ値に加減することによって、幾何学平
均の正確な位置が決定される。この場合のデジタル分解
能はＮ×２Ａ′で与えられる。ここでＭは１本の走査線
を構成する標本数、Ａ′は１つの標本値に許される最大
デジタル段階数である。例えば８ビットのＡ／Ｄコンバ
ータを用いた場合、１つの標本値に許される最大デジタ
ル段階数は２５６である。従って８ビットのＡ／Ｄコン
バータを用い、３０ＭＨｚのサンプル周期でサンプリン
グを行なうと（Ｍ＝１７００）、Ｍ×２Ａ′＝８．７０
×１０⁵となる。

【００４６】次に前述したビデオデジタイザ２２にかえ
て用いることができるビデオデジタイザ２３によって行
なわれる重心法について図１２に示すブロック図を参照
しながら説明する。前述のパルス積分法と同様に、ビデ
オ信号はビデオプリアンプ４０２に入力され、ここで整
合、バッファリングされて、更にＡ／Ｄコンバータ４０
４へ入力される。またこのビデオプリアンプ４０２から
の信号は、同期検出器４０６およびフレーム検出器４０
８を経由して、それぞれ各ビデオ走査線のスタート位置
における同期パルスおよびビデオスクリーンの開始点
（スクリーン上部）におけるフレーム（ブランキング）
パルスとなる。これらのパルスはコンピュータ２４へ入
力され、光電変換装置１８で走査された走査番号ρが決
定される。同期発振器４１０は同期パルスを受けて、こ
の同期パルスに同期した出力信号を発生する。従ってこ
の出力信号は、ビデオデジタイザ２３内部での論理タイ
ミングとして用いることができ、また全ビデオ信号のサ
ンプリングにも用いることができる。

【００４７】一方Ａ／Ｄコンバータ４０４はビデオプリ
アンプ４０２にバッファーされているビデオ信号をサン
プリングし、その標本値を２進データ（デジタル）に変
換する。第１加算器４１６は、標本値がコンピュータ２
４によってセットされた設定値以上になった後の各標本
値を合計する。このようにして標本値が設定値以下にな
るまでサンプリングは続けられ、各標本値は積算（積
分）される。これが第１の合計値である。第２の合計値
は第１の加算器４１６によって各標本値を加算するごと
に得られる各中計値を、それぞれ第２加算器４１８で合
計することによって求められる。

【００４８】サンプリングが行なわれている間、カウン
タ４２２は同期発振器４１０からのパルスをＮとしてカ
ウントする。同期発振器４１０からの各パルス、即ちカ
ウンタ４２２におけるカウント値は、ビデオ信号の標本
１つ１つに対応する。カウンタ４２２のカウント値Ｎ
は、また与えられた走査線上での対応する標本値の位置
を示すことにもなる。同期発振器の周波数は高くすれば
する程、精度および分解能が向上する。パルスを代表す
る全標本値がサンプリングされると、これら標本値の合
計値が第１加算器４１６にストアされ、この全標本値、
即ち、パルスを代表する全標本値の積算合計Σは第１レ
ジスタ４１７に記憶される。第２加算器４１８およびそ
の出力を受ける第２レジスタ４１９には、パルス標本値
の中計値の合計、即ち標本列の二重積分の値が入れられ
る。パルスの全標本値の加算が終了すると、加算および
カウント操作は停止する。そして以下の３つの値が記憶
される。まずカウンタ４２２のカウント値ＮがＮレジス
タ４２６に記憶される。次に第２レジスタ４１９の値が
Ｉ₂レジスタ４２８に記憶される。そして最後に第１レ
ジスタ４１７の値がＩ₁レジスタ４３０に記憶される。
これら３つの値を次式に代入することによって各走査パ
ルスの幾何学平均ηが求められる。

【００４９】

【数３】本実施例でも、また正確なパルス位置決定を要求される
他の実施例でも、古典的な重心方程式を用いることがで
きる。パルスの大きさを示す関数をｆ（ｔ）とすれば、
重心方程式の連続形式は次式で表わされる。

【００５０】

【数４】離散的なシステムでは、上記方程式は以下のとおりとな
る。

【００５１】

【数５】この重心法は、比較的標本数が少ないパルスについて
は、前に説明したパルス積分法に比べて著しく有利であ
ることが確認された。この重心法を用いる唯一の問題点
は、パルス積分法と同じ演算速度で同じ経済性をもっ
て、ｉｆ_iという項を演算することが困難である点であ
る。この問題点は重心方程式を乗算のない形に変形し、
演算速度、コストともに著しく削減することによって解
決することができる。この変形方法を図１３に示すデー
タ配列を参照しながら説明する。このデータ配列は次の
３つの特徴をもっている。（１）全配列要素の合計：（２）斜線より下の全配列要素の合計：（３）斜線より上の全配列要素の合計よって、また、従って重心方程式は次式のように変形できる。

【００５２】

【数６】ここでを求める演算はパルスの標本値を加算することによって
求まる。図１３の斜線より上の配列要素の横の各中計値
は、第１加算器４１７で得られ、Ｉ₁レジスタ４３０に
逐次記憶される。従ってこれらの中計値を単に合計する
ことにより、が求まる。この値は第２加算器４１９で得られ、Ｉ₂レ
ジスタ４２８に記憶される。このように比較的安価な２
つの加算器を用いるだけで、標本値から次の標本値へと
オンライン演算が可能になる。パルスの重心を求めるに
は、サンプリング終了後、による除算を行なえばよい。

【００５３】上述した１つあるいはいくつかの方法を用
いて、必要とされる程度の分解能で各参照パルスの幾何
学平均即ち重心がひとたび決定されると、この装置のコ
ンピュータ部分が得られた幾何学平均を光学系とジグと
の距離のような既知のパラメータと比較し、加工物の空
間座標を計算する。

【００５４】キャリブレーションに必要なパラメータを
決定する場合、図４乃至図１１に示すような精密な形を
もったジグ９００の１つを用いる。このジグは、従来技
術で用いられていたように記憶された空間座標として用
いるよりはむしろ計算を行なうための参照標準として用
いられる。図８乃至図１１に示すように、ジグの表面の
平面に沿って走査された複数のパルス中心点９０１が選
択され、これらの点を結ぶ複数の直線９０２が形成され
る。このようにして形成されたこれらの直線の交点９０
４は、図９および図１０に示される三角形９０５のよう
な幾何図形の頂点を決定する。このようにして形成され
た図形の特定の寸法、即ち三角形の底辺と高さとがコン
ピュータに記憶される。頂点９０４の空間座標はコンピ
ュータによって知ることができない。またこれらの頂点
は図８乃至図１１に示すようにジグの表面にある必要は
なく、ジグの好ましい形としてはむしろ表面にない方が
よい。

【００５５】図８および図９に示すジグ９００は、低コ
ストで、成形が容易で、異物がたまらないという点でジ
グとして好ましい形である。図８および図９のジグ９０
０に形成されているスロット９０８は、切りかす、小さ
な木片、その他の破片をジグ内から落とす役目をし、他
の形のジグに比べて走査される表面を汚れのない状態に
保つことができる。更に図８および図９に示すジグ９０
０は、加工物の支持体表面に容易かつ安価に形成させる
ことができる。即ち表面に何ら障害物を設けることな
く、図示されたコンベヤ１６の上面に設けることができ
る。このように加工物の支持体表面にジグを形成させる
ということは、またジグの加工物の支持体に対する相対
位置を高精度で保証することにもなり、計算を容易に
し、精度の改善が行なえる。

【００５６】ジグを走査することによって得られた情報
をもとに、コンピュータによって求められたジグ固有の
幾何図形は、あらかじめコンピュータに記憶されている
図形の各寸法と比較される。この幾何図形の頂点の１つ
が座標０，０，０の点として三次元座標系の原点として
定義される。座標系の原点として選ばれた頂点は、コン
ベヤ１６との相対位置が決定され、この相対位置はコン
ピュータ２４に取り込まれ、その座標系において加工物
の表面の各点の位置が正確に決定される。当然ながら、
ジグが加工物の支持体表面、即ちコンベヤ１６の表面に
形成されている場合には、このジグの相対位置は固定さ
れコンピュータにあらかじめプログラムされることにな
る。幾何図形の１つあるいは複数の他の頂点がこの座標
系において決定される。この座標系で決定された各点
は、原点を含めて後述する式において設定されるキャリ
ブレーションパラメータの計算に用いられることにな
る。

【００５７】ジグの空間座標を記憶する分解能に避けら
れない制限を受けていた従来装置に比較して、本発明に
係る装置では、このようなユニークな方法によりその精
度が著しく改善される。本発明によれば、光学走査器が
どこを向いていようが、ジグがカメラの視野内にある限
りキャリブレーションを行なうことができる。ジグの長
手方向の軸はコンベヤ１６の長手方向の軸に向けた方
が、加工物の空間座標の計算を単純にする上で好ましい
が、こうすることが必要であるわけではない。

【００５８】ＹＺ座標の計算には４つのパラメータを計
算するキャリブレーション手段が用いられる。加工物の
各点のＹおよびＺ空間座標の計算には次式が用いられ
る。

【００５９】

【数７】またＸ空間座標の計算は次式で行なわれる。

【００６０】Ｘ＝Ｚtan β ここでη₀，η_∞，Ｋ₁，Ｋ₂およびρ′はキャリブレ
ーションによって計算されるパラメータ、ηおよびρは
デジタイザによってコンピュータに送られるパラメー
タ、Ｚ₀はカメラとキャリブレーションジグとの距離に
等しい定数、またβはレーザのカメラに対する角度であ
る。ジグの表面の各点についてのデータをサンプリング
するために精密に成形されたキャリブレーションジグと
ビデオデジタイザとが用いられ、前述したように三次元
座標系での各点が決定される。

【００６１】上述の式を移項し、この移項した式を各パ
ラメータについて解くために幾何図形の頂点についての
既知の位置座標を用いることによって、４つのパラメー
タ（η₀，η_∞，Ｋ₁およびＫ₂）を高精度で決定する
ことができる。

【００６２】図８乃至図１１に示すジグを用いる場合、
コンピュータはジグのＺ＝０面９０６（図５のジグでも
破線として示されている。）の位置を指示させる。これ
によってシステムはジグの平坦な表面にサンプル点を選
ぶことができる。ジグの平坦な表面上（即ちジグの表面
どうしの交差部分を除いたジグ表面上）に、２またはそ
れ以上のサンプル点９０１が選ばれ、コンピュータによ
ってこれらの各点を連結した線９０２が形成される。そ
してこれら選択点から形成される複数の線９０２の交点
９０４が決定される。続いて図形の各頂点としての視野
上の各点が構成された特定の幾何図形についてのあらか
じめ記憶されている寸法と、これらの各交点９０４が比
較される。座標系はこれら頂点のうちの１つを原点とし
てとらえ、残りの頂点はこの座標系のもとに正確に定義
される。この座標系での原点を含めたこれら既知の点
は、上述したＹおよびＺに関する方程式を移項した式に
用いられ、これら方程式を連立して解くことによってη
₀，η_∞，Ｋ₁およびＫ₂が計算される。このようにし
て、本発明に係る装置では、ジグ表面の各点の空間座標
を記憶することなしにキャリブレートが行なえる。４つ
のパラメータは周期的に、あるいは上述したように連続
的に決定することができる。

【００６３】以上、高速かつ高精度で加工物の位置を決
定させることができる従来知られていなかった新規でユ
ニークな方法および装置について述べてきたわけであ
る。しかしながら、当業者であれば本発明の精神、本質
的特徴からはずれないような、上述してきた特定の実施
例以外の実施例、実施態様として本発明の実施を行ない
得ることは明らかである。上述した高速走査装置の特定
の実施例は、あらゆる点で説明のためだけのもので、何
ら制限を与えるものではないと考えるべきである。従っ
て本発明の主旨は前述してきた実施例によって何ら制限
を受けるものではなく、特許請求の範囲に記載したとお
りのものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加工物の空間座標を決定する典型
的な装置の一実施例のブロック図。

【図２】一対のレンズをもつカメラを用いた本発明に係
る加工物の空間座標を決定する典型的な装置の別な実施
例のブロック図。

【図３】本発明に係る典型的なビデオデジタイザのブロ
ック図。

【図４】本発明に用いることのできる典型的なキャリブ
レーションジグの側面図。

【図５】図４に示したジグの斜視図。

【図６】本発明に用いることのできるキャリブレーショ
ンジグの別な実施例の側面図。

【図７】図６に示したジグの斜視図。

【図８】加工物の支持体表面に形成された好ましいキャ
リブレーションジグの一例の斜視図。

【図９】図８に示す好ましいキャリブレーションジグの
切断線９−９によって切断した断面図。

【図１０】図６に示すジグを改良したジグの側面図。

【図１１】図１０に示したジグの斜視図。

【図１２】本発明に用いることができるビデオデジタイ
ザの別の好ましい一例のブロック図。

【図１３】デジタル化したパルスの代表値データの配列
を示すグラフ。

【符号の説明】

１０レーザ１２光学系１４加工物１６コンベヤ１８光電変換装置２０光学系９００ジグ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス信号をサンプリングする段階と、このサンプリングの結果の標本値をデジタル化し、前記
各標本値を代表するデジタル量を発生する段階と、前記デジタル量を順に加算して総和を求めてこれを第１
の合計とし、前記デジタル量を順に加えていく段階で生
じる中計をそれぞれ加算して総和を求めてこれを第２の
合計とする段階と、前記第２の合計を前記第１の合計で除してオフセット長
を求め、前記パルス信号の最後の標本位置から前記オフ
セット長だけ戻った位置として前記パルス信号の重心を
決定する段階と、を有するパルス信号の重心の決定方法。
【請求項２】第１の合計および第２の合計がデジタル加
算器を用いて得られる特許請求の範囲第１項記載のパル
ス信号の重心の決定方法。
【請求項３】パルスを含んだ前記信号の１周期にわたっ
て前記信号をアナログ積分器により積分し、その結果を
第１の合計とする段階と、前記第１の合計をアナログ積分器により更に積分し、そ
の結果を第２の合計とする段階と、前記第２の合計を前記第１の合計で除することにより、
前記信号の１周期の最後の位置と前記パルスの重心の位
置との時間的距離に比例した信号をつくる段階と、を有するパルス信号の重心の決定方法。