JPH06103171B2

JPH06103171B2 - 立体物測定装置

Info

Publication number: JPH06103171B2
Application number: JP62254186A
Authority: JP
Inventors: 和俊池谷; 邦夫吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1994-12-14
Anticipated expiration: 2009-12-14
Also published as: JPH0196505A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、非接触で対象物体の移動量または形状を測定
する立体物測定装置に関するものである。

従来の技術従来の立体物測定装置は、第８図に示すように、レーザ
発振器１より発射されたレーザビーム２を集束レンズ３
によってビーム径を絞った後、スキャナ４によって対象
物体６にスリット状に照射し、その対象物体６をビデオ
カメラ７で撮影し、その映像信号をA/Dコンバータ８で
デジタルの画像情報に変換した後、この画像情報を画像
メモリ９に記憶し、CPU12によって画像メモリ９の画像
情報を読み出しながら重心座標の計算を行ない、その後
重心座標の値により三角測量の原理を用いて三次元座標
の計算を行なっていた。特に最近は、半導体技術の進展
に伴い、またその安定性が良いことから、対象物体を撮
影する手段としてCCDカメラが多く使われてきている。

一般的に立体物測定装置については、いかに精度よく対
象物体の三次元座標を測定するかが重要な課題となって
いる。従って、第８図のような構成において座標測定精
度を高めるためには、カメラからの映像信号の中のスス
リット像の重心座標の検出精度を充分高くしなければな
らない。

発明が解決しようとする問題点しかし、第８図のような構成でCCDカメラを用いて重心
座標を検出する場合、カメラの撮像面となるCCD基板上
には第９図（ａ）で示すような受光部91の窓が間隔をあ
けて配列されている。そのため、受光部と受光部の間は
光を感じることができず、レーザスリット光像92の映像
信号は連続しておらず、第９図（ｂ）で示したように光
強度の部分的な積分値（斜線部）93で与えられる。

このCCD素子上の離散的な画像情報、即ち輝度値（Dn）
を用いて重心計算（第（１）式）をすると、計算に用い
る画像情報が位置に関して連続してい（但し、ＸはCCD素子上の水平走査方向の位置）ないため、第10図に示すようにスリット光像の重心位置
の計算結果は、連続した直線ではなく、CCD素子間で不
連続な曲線94となってしまい、重心計算に周期的に大き
な誤差が生じてしまう。なお、スリット光像の真の中心
を示す直線95からの誤差の分散は、第10図に示す例では
0.14画素であった。

また、第８図で示したような円柱状の対象物体６の曲面
部分について、重心計算を使った従来の立体物測定装置
を用いて三次元座標測定を行なったところ、第11図に示
す結果が得られた。第11図は、三次元座標測定結果をＹ
ーＺ平面にプロットしたものであるが、円柱（φ120m
m）側面の円弧部分が、なめらかな曲線ではなく、段差
のある階段状の折線96として測定されている。

本発明は高精度測定を目的とするものである。

問題点を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するため、レーザ発振器から
発射された光を集光しかつスリット状に変換する光変換
手段と、前記スリット光を対象物体に照射させ、かつ前
記スリット光を偏向させる偏向手段と、ガウス分布が歪
んだ前記対象物体からのスリット反射分布光を、間隔を
あけ２次元に配列されたCCD素子で撮影するCCDカメラ
と、前記CCDカメラより出力される輝度信号を量子化す
るA/D変換器と、前記A/D変換器により変換された画像情
報を記憶する記憶手段と、前記画像情報の中から、前記
CCDカメラのー水平走査ごとに最大値を検出するととも
に、前記最大値を示す前記記憶手段のアドレス情報を検
出するアドレス検出手段と、前記最大値を示すCCDカメ
ラの画素を中心とした前記水平走査上の±ｍ個、計2m＋
１個の画素の画像情報と前記最大値を示す画素のアドレ
ス情報を変数とした重回帰モデルを用いてスリット光像
の中心位置を計算するスリット中心演算手段と、前記ス
リット中心演算手段によって計算された前記スリット光
像の中心位置から前記対象物体上のスリット光が投射さ
れている部位の三次元空間座標を計算する三次元空間座
標算出手段とを設けたものである。

作用本発明は上記の構成により、スリット光が対象物体のど
こに当っているかをすばやく、かつ高精度に検出し、そ
の検出結果から対象物体の三次元空間座標を測定するも
のである。

実施例第１図は本発明の立体物測定装置の一実施例を示すブロ
ック図である。第１図において、１はレーザ発振器、２
はレーザ発振器１より発射されたレーザビーム、３はレ
ーザビーム２を集束させるための集束レンズ、４は集束
されたレーザビームをスリット状に変換し、かつスリッ
ト光を偏向させるためのスキャナ、５はスリット光、６
は形状を測定される対象物体、７は対象物体６を撮影す
るためのCCDカメラ、８はCCDカメラ７で撮影した対象物
体６の映像信号をｌビットのデジタル画像情報に変換す
るためのA/Dコンバータ、９はA/Dコンバータ８で変換さ
れた画像情報を記憶するための画像メモリ、10はA/Dコ
ンバータで変換された画像情報の中で一水平走査ごとに
最大値を見つけ出し、その最大値を示すアドレス情報を
検出するためのアドレス検出回路、11はその最大値の画
素を中心に±ｍ画素の画像情報と最大値を示すアドレス
情報を変数とする重回帰モデルを用いてスリット光像の
中心を計算するスリット中心計算回路、12はスリット中
心計算回路11により求められた値を用いて対象物体６の
三次元座標を計算するとともに、本装置の制御を行うCP
U、13はCPU12の命令およびデータを格納するCPUメモ
リ、14は画像メモリ９に記憶されている画像情報をモニ
タに出力するためのCRTコントローラ、15はモニタ、16
はスキャナ４を制御するためのスキャナ制御回路であ
る。

以下その動作を説明する。レーザ発振器１より発射され
たレーザビーム２は集束レンズ３を通りスキャナ４に入
力される。スキャナ４は集束されたレーザビームをシリ
ンドリカルレンズ等でスリット光に変換し、かつそのス
リット光をガルバノミラー等で偏向させる機能を有す
る。

スキャナ４より出力されたスリット光５は対象物体６に
照射される。この対象物体６をCCDカメラ７で撮影す
る。CCDカメラ７から出力される映像信号は、A/Dコンバ
ータ８によりｌビットのデジタル画像信号に変換され
る。A/Dコンバータ８から出力される画像信号は、CPU12
の指令により画像メモリ９に記憶されると同時にアドレ
ス検出回路10に入力され、一水平走査ごとに画像情報が
最大の時のアドレスを検知する。

第２図は画像メモリ９の内容を表わしたものである。同
図に示すように水平ｈ画素、垂直ｖ画素、各画素ｌビッ
トで構成されており、水平方向のアドレスをｉ（ｉ＝１
〜ｈ）、垂直方向のアドレスをｊ（ｊ＝１〜ｖ）で表わ
す。この画像メモリ９はCCDカメラ７の視野情報を二次
元的に配列しているものであり、CCDカメラ７の各CCD素
子に対応している。なお、水平方向のアドレスｉはアド
レス検出回路10及びスリット中心計算回路11で使用され
る。

第３図はアドレス検出回路10を更に詳しく表わしたブロ
ック図である。同図において、100は入力される画像情
報を比較するための比較器、101は画像情報を比較した
結果、あらたに入力された画像情報が大きい時のみその
入力された画像情報を保持するレジスタ、102はレジス
タ101と同様に画像情報を比較した結果、あらたに入力
された画像情報が大きい時のみその入力された画像情報
を示すアドレスを保持するレジスタ、103はレジスタ102
から出力されたアドレス情報がスリット中心位置を計算
するのに適した値であるかどうかを調べるための範囲を
設定する回路、104及び105はレジスタ102が出力するア
ドレスが所定の範囲内であるかを調べるための比較器、
106は比較器104及び105の出力を論理和するためのゲー
トである。

以下、その動作を説明する。通常、シジスタ101及びレ
ジスタ102は水平ブランキング期間に“0"にリセットさ
れている。CPU12の指令により、A/Dコンバータ８から出
力される画像情報は、画像メモリ９に記憶されると同時
にアドレス検出回路10に入力される。アドレス検出回路
10では、一画素ごとに入力される画像情報とレジスタ10
1の出力とを比較器100で比較し、入力された画像情報が
大きい時のみ比較器100が信号を出力し、この信号によ
りレジスタ101には画像情報が、レジスタ102にはレジス
タ101に保持されている画像情報を示すアドレス情報が
保持される。

従って、一水平走査が終了するとレジスタ102には、入
力された画像情報の中で最も大きな値の画素のアドレス
情報が保持されている。

レジスタ102の出力は比較器104及び105に入力され、検
出されたアドレスが所定の範囲内であるかどうかを調べ
る。たとえば、このアドレスが示す画素を中心に±ｍ画
素の画像情報によりスリット光像の中心位置の計算を行
なう場合、ここで検出されるアドレスAiは、画像メモリ
９の水平方向のアドレスをｉ（ｉ＝１〜ｈ）とすると、１＋ｍ≦Ai≦ｈ−ｍ ……（２）′ で、上記第（２）′式を満たす範囲でなければならな
い。この結果、検出されたアドレスが第（２）′式で示
す範囲外であれば、ゲート106から信号が出力され、後
述するようにスリット中心位置及び三次元座標の計算は
行なわないようにする。なお、レジスタ102から出力さ
れるアドレス情報はスリット中心計算回路11に入力され
る。

アドレス検出器10により、一水平走査ごとに画像情報が
最大の時のアドレス情報が検出されると、水平ブランキ
ング期間にこのアドレス情報はスリット中心計算回路11
に入力され、このアドレスが示す画素を中心に±ｍ画素
の画像情報を用いて、一水平走査ごとにスリット光像の
中心位置の計算を行なう。

中心位置の計算には、最大値を示す画素のアドレスＩと
2m＋１個の画像情報Diを変数とした重回帰モデル（第
（２）式）を用いる。なお、本実施例では３次の項まで
の回帰モデルを用い、ｍ＝１即ち最大値を示す画素とそ
の両隣りの画素、計３画素の画像情報を用いた場合を例
にして説明する。

Gj＝Ｉ＋B₀＋B₁D₁＋B₂D₁ ²＋B₃DD₁ ³ ＋B₄D₀＋B₅D₀ ²＋B₆D₀ ³ ＋B₇D₂＋B₈D₂ ²＋B₉D₂ ³ …（２）第４図は、スリット中心計算回路11を更に詳しく表わし
たブロック図である。同図において、110はアドレス検
出回路10で検出されたアドレスからｍを減じるための減
算器、111は画像メモリ９のアドレスを示すカウンタ、1
12は画像メモリ９から出力される画像情報を、カウンタ
111の値によって出力先を選択するスイッチ回路、113,1
14,115はそれぞれ多項式変換回路A,B,C116は、アドレス
情報とレジスタ117の値を加算する加算器、118は加算器
116と出力と、多項式変換回路からの出力を加算する加
算回路、119は加算回路の結果を記憶するためのメモリ
である。

以下、その動作を説明する。アドレス検出器10で検出さ
れた一水平走査上で最大値を示す画素のアドレスは、減
算器110に入力される。減算器110は、アドレス検出器で
検出されたアドレスからｍを減じ、その結果をカウンタ
111にロードする。カウンタ111の出力は画像メモリ９の
アドレスとなっており、クロックが入力されるたびに出
力の値が更新される。即ち、この値によって画像メモリ
９から一水平走査のうちの最大値とその前後ｍ画素ずつ
の画像情報が読み出され、スイッチ回路112を介して各
多項式変換回路に入力される。

多項式変換回路A113,B114,C115では、入力された画像情
報を変数とした多項式の値が第（３）式に基づいて計算
される。

Vi＝B_K1・Di＋B_K2・Di²＋B_K3・Di³ ……（３）スイッチ回路112では、カウンタ111の値によって、最大
値を示す画素の左隣りの画素の画像情報（D₀）を多項式
変換回路Ａに、右隣りの画素の画像情報（D₂）を多項式
変換回路Ｃに、最大値を示す画素の画像情報（D₁）を多
項式変換回路Ｂに入力させる。従って、各多項式変換回
路での係数B_K1，B_K2，B_K3の値は、多項式変換回路A113
では、それぞれB₄,B₅,B₆であり、B114ではそれぞれB₁,B
₂,B₃であり、C115ではそれぞれB₇,B₈,B₉の値を設定して
ある。

また、アドレス検出回路10で検出されたアドレス情報
（Ｉ）は加算器116へ入力され、レジスタ117に設定され
ている係数B₀の値と加算され、加算結果は加算回路118
に出力される。加算回路118では、加算器116と各多項式
変換回路の出力を順次加算し、最終加算結果即ち第
（２）式の中心座標値Gjをメモリ119へ記憶させる。

ここで第５図の多項式変換回路Ｂのブロック図を用い
て、更に詳しく多項式変換回路を説明する。同図におい
て、120,121,122,125及び127は乗算器、124及び129は加
算器である。また123,126及び128はレジスタで、第
（２）式の係数であるB₁,B₂,B₃が予め設定されている。
130は加算のタイミングをとるクロックである。多項式
変換回路Ａ及びＣについては、上記の係数B₁〜B₃がそれ
ぞれB₄〜B₆及びB₇〜B₉に変わるだけで他は同様の構成で
ある。

以下、その動作を説明する。多項式変換回路Ｂに入力さ
れた画像情報（D₁）は、乗算器120、乗算器121へ２入力
及び乗算器122へ入力される。乗算器120では、予めレジ
スタ123に設定してある係数B₁の値と画像情報とを乗算
し、加算器124へ出力する。この回路で第（３）式の第
１項（B₁D₁）の計算がまず終了する。

次に、乗算器121で画像情報を２乗し、結果を乗算器125
と乗算器122へ出力する。乗算器125では、予めレジスタ
126に設定してある係数B₂と乗算器121の出力とを乗算
し、その結果を加算器124へ出力する。加算器124では、
乗算器120と乗算器125のそれぞれの出力を加算し、加算
器129へ出力する。これまでの回路で第（３）式の第１
及び第２項の加算が終了する。

そして、乗算器122では、乗算器121の出力と画像情報と
を乗算し、即ち画像情報の３乗した値を乗算器127へ出
力する。乗算器127では、予めレジスタ128に設定してあ
る係数B₃と乗算器122の出力とを乗算し、その結果を加
算器129へ出力する。加算器129では、加算器124の出力
と乗算器127の出力とを加算し、回路外部へ出力する。

この時、それぞれの加算器はタイミングクロック130に
よって動作を制御される。

以上の動作で、第（３）式の多項式の計算が終了し、ス
リット中心計算回路11内で第（２）式の一水平走査ごと
のスリット光像の中心座標値が計算される。

以上の処理を水平ブランキング期間に行なう。従ってCP
U12の指令によりレーザスリット画像の取り込みを行な
うと、メモリ119には各水平走査ごとのスリット中心座
標が格納されることになる。その後、CPU12はレーザス
リット光取り込み終了信号を受けて、メモリ119の情報
を読み出し、対象物体６の三次元座標を三角測量の原理
を用いて計算する。この計算が終了するとCPU12はスキ
ャナ制御回路16に指令を出して、スリット光を移動さ
せ、前記処理を繰り返す。

なお、アドレス検出回路10の中の論理和ゲート106が信
号を出力した時、即ち検出されたアドレスが範囲外であ
る時は、スリット中心計算回路11の中のメモリ119には
選択回路（図示せず）によって特定の値が記憶されるよ
うになっており、CPU12がこの値を検知すると三次元座
標の計算は行なわない。

以上のような構成と動作をもってして、従来例と同様
に、第９図（ａ）に示すようなレーザスリット光の中心
座標を計算すると、第10図の従来例に比べ第６図に示す
ように誤差が大幅に縮小され、ほぼ連続した直線61とし
て得られる。得られた中心座標値とスリット像の真の中
心位置を示す直線62との誤差の分散は0.04画素であり、
従来例の場合の0.14画素に比べて約1/4に誤差を小さく
することができる。従って、この中心座標値をもとに対
象物体の三次元座標を計算しているため、三次元座標の
測定値も従来に比べて非常に高精度に計算することがで
きる。

第７図は、第１図で示したような円柱状の対象物体６の
曲面部分について、本発明の上記の構成の立体物測定装
置を用いて三次元座標測定を行なった結果を示してい
る。第７図は三次元座標測定結果をＹ−Ｚ平面にプロッ
トしたものであるが、円柱（φ120mm）側面の円弧部分
が、第11図に示した従来例の様な階段状の折線に比べ、
非常になめらかな曲線71として得られており、従来に比
べ高精度に三次元座標が測定できていることが明白であ
る。なお、この測定時の誤差分散は従来例に比べて約1/
4に低減することができている。

また、本実施例では、集束レンズでレーザスリット光を
絞っているため、中心計算に用いた画素数は最大値を示
す画素を中心に±１画素、計３画素でよく、一水平走査
上の全ての画素を用いて重心計算する必要がなく計算時
間を短縮することができる。

なお、A/Dコンバータ８は８ビットのものを用い、スリ
ット中心計算回路内の10個のレジスタに設定した第
（２）式の係数B₀からB₉の値は、それぞれ B₀＝−2.678 B₁＝0.032 B₂＝−0.063 B₃＝0.078 B₄＝−2.823×10^-4 B₅＝6.283×10^-4 B₆＝−5.482×10^-4 B₇＝6.496×10^-7 B₈＝−2.156×10^-6 B₉＝1.528×10^-6 である。これらの係数は、対象物体及び測定環境にあわ
せて最適なものと設定する。係数決定の際は、三次元座
標測定前に第６図に示したような真の中心位置が既知で
ある傾斜線としてレーザスリット像を得、第（２）式を
変形した第（４）式を水平走査線ごとに得る。これらの
複数の第（４）式を用いて、最小２乗法により本実施例
の場合係数B₀〜B₉を決定した。

Yi＝GJ−Ｉ＋B₀＋B₁D₁＋B₂▲Ｄ² ₁▼＋B₃▲Ｄ³ ₁▼ ＋B₄D₀＋B₅▲Ｄ² ₀▼＋B₆▲Ｄ³ ₀▼ ＋B₇D₂＋B₈▲Ｄ² ₂▼＋B₉▲Ｄ³ ₂▼ …（４）ここで用いた傾斜線とは、CCDカメラの撮像面であるCCD
基板上において、スリット光の像がCCD素子の配列に対
して傾斜している直線であることであり、撮像面の水平
及び垂直軸に平行でなければよい。本発明に用いた重回
帰モデルは、たとえば第９図（ａ）で示したような受光
部でのデータのサンプリングが不連続になる場合の補間
に非常に有効的であり、重回帰モデルの係数（偏回帰係
数）の決定も、上記の傾斜線のようなデータのサンプリ
ングが不連続となる状態でスリット光を撮像して行なう
だけでよい。

また本実施例で用いた重回帰モデルでは、最大値を示す
画素中心に±１画素で、３次の項までの近似式を用いた
が、これらの値は本発明を限定するものではなく、精度
上もしくはハードウェア構成上の制限等からこれらの値
を増減させても、本発明の主旨から逸脱するものではな
い。

発明の効果以上述べてきたように本発明によれば、アドレス検出回
路とスリット中心計算回路及び多項式変換回路という比
較的簡易な回路構成を設けることにより、レーザスリッ
ト光が対象物体のどこに当っているかをすばやく、かつ
高精度に計算し、従って高精度に三次元座標を測定する
ことができ、測定誤差の分散を従来の約1/4に低減する
ことができるという極めて大きな効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における立体物測定装置のブ
ロック結線図、第２図は同装置の要部である画像メモリ
の記憶状態を表わした概念図、第３図は同アドレス検出
回路のブロック結線図、第４図は同スリット中心計算回
路のブロック結線図、第５図は同多項式変換回路Ｂのブ
ロック図、第６図は本発明の一実施例におけるスリット
像の中心位置計算結果を示す図、第７図は本発明の一実
施例における円柱物体の曲面部の三次元座標測定結果を
示す図、第８図は従来の立体物測定装置のブロック結線
図、第９図はCCD素子受光模型図で同図（ａ）は概観
図、同図（ｂ）は走査線での断面図、第10図は従来例に
おけるスリット像の重心計算結果を示す図、第11図は同
立体物測定装置を用いた円柱物体の曲面部の三次元座標
測定結果を示す図である。１……レーザ発振器、３……集束レンズ、４……スキャ
ナ、５……スリット光、６……対象物体、７……CCDカ
メラ、８……A/Dコンバータ、９……画像メモリ、10…
…アドレス検出回路、11……スリット中心計算回路、12
……CPU、113・114・115……多項式変換回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から発射された光を集光しか
つスリット状に変換する光変換手段と、前記スリット光
を対象物体に照射させ、かつ前記スリット光を偏向させ
る偏向手段と、ガウス分布が歪んだ前記対象物体からの
スリット反射分布光を、間隔をあけ２次元に配列された
CCD素子で撮影するCCDカメラと、前記CCDカメラより出
力される輝度信号を量子化するA/D変換器と、前記A/D変
換器により変換された画像情報を記憶する記憶手段と、
前記画像情報の中から、前記CCDカメラの一水平走査ご
とに最大値を検出するとともに、前記最大値を示す前記
記憶手段のアドレス情報を検出するアドレス検出手段
と、前記最大値を示すCCDカメラの画素を中心とした前
記水平走査上の±ｍ個、計2m＋１個の画素の画像情報と
前記最大値を示す画素のアドレス情報を変数とした重回
帰モデルを用いてスリット光像の中心位置を計算するス
リット中心演算手段と、前記スリット中心演算手段によ
って計算された前記スリット光像の中心位置から前記対
象物体上のスリット光が投射されている部位の三次元空
間座標を計算する三次元空間座標算出手段とを具備した
立体物測定装置。
【請求項２】スリット中心演算手段で用いる重回帰モデ
ルの偏回帰係数は、あらかじめ測定前に、CCDカメラの
撮像面上においてスリット光像が水平もしくは垂直でな
い直線の状態でスリット光を撮像し、複数個の水平走査
線に対応する画像情報と前記スリット光像の直線の方程
式にもとづいて最小二乗法により最良不偏推定値として
決定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の立体物測定装置。