JPH0650730A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定対象物から得られる多量の点列データを
圧縮し削減して、ＣＡＤシステムとの接続を可能にし、
ＣＡＤ上での形状確認、修正などを効率的に実現できる
ようにする。 【構成】 測定対象物３の撮像により生成されるビデオ
信号の各走査線上における最輝度点の位置を求める光点
検出部１６を設け、その求めた最輝度点の位置から測定
対象物３の三次元座標の点列データを求める第１のデー
タ生成部１３と、その点列データから、三次元座標を近
似的に含む面データを生成する第２のデータ生成部１４
とを設ける。そして、第２のデータ生成部１４からの面
データをＣＡＤシステム１５に転送することで、測定対
象物３の形状確認、修正などを効率的に実現するシステ
ムを構築できるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定対象物に、たと
えばレーザ光などのスポット光やスリット光を投射し
て、その光像をＣＣＤカメラ等の撮像部で撮像すること
により、測定対象物の位置を求めて、その形状を非接触
で計測する三次元形状計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】立体形状、すなわち三次元形状を計測す
る装置は、一般に接触式と非接触式に二分される。接触
式計測装置は、接触プローブを測定対象物に当てて順次
必要箇所を測定するポイント計測であり、比較的高い精
度が得られる反面、測定に時間を要するために測定点数
が制約されること、プローブの当て方に個人差があり、
それがそのまま測定値に影響すること、動体測定がきな
いこと、柔らかい材質の測定物に対しては測定精度が低
下しやすい等の問題がある。

【０００３】一方、非接触式計測装置は、上述した接触
式計測装置が有する問題点の幾つかを解消することがで
きるものの、一般に計測精度が落ちる。しかしながら、
光切断法を用いた計測はポイント計測に対し、スリット
光上の複数のポイントを一度に入力して測定データを得
ることができる点に大きな利点がある。

【０００４】自動車、電機等多くの産業分野におけるデ
ザイン部門では、立体形状モデルの製作にＣＡＤ等のコ
ンピュータ支援ツールを用いて画面上で寸法定義、面定
義を行ないながら設計する方法がごく一般的である。ま
た、自由曲面を必要とするモデル形状に対して、従来の
二次元ＣＡＤでは処理しきれない場合も多く、今日で
は、三次元ＣＡＤの導入による設計の三次元化が普及し
つつある。しかしながら、複雑な自由曲面や人間の感性
を必要とする形状のものにあっては、三次元ＣＡＤ自身
の能力が十分高くない、デザイナーが三次元ＣＡＤを十
分使いこなせない、モデルのイメージを二次元画面上で
確認しづらい等の問題を抱えているのが現状である。こ
のため、クレイモデルと呼ばれるベースを作成して、形
状定義に必要な箇所を接触式等のポイント測定でデータ
を採り、そのデータをＣＡＤに入力して形状確認、修正
等を行なうやり方も多く実施されている。この場合、ポ
イント計測に時間を要する制約から、採取するデータ数
が高々数百点程度に限定される。光切断法による非接触
式三次元計測装置はこのようなモデルを高速に測定し、
かつ多量のデータが得られる点で有利であり、これを利
用する産業部門も増えつつある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な光切断法による非接触式三次元計測装置は、モデル計
測からＣＡＤ処理といった一連の設計プロセスにおい
て、時間を要することなく、形状定義するのに十分な点
列データが得られるが、そのデータ量が数万点から数十
万点にも及ぶほどに膨大であり、この膨大なデータ量を
ＣＡＤで扱う点データフォーマットに表現するとなる
と、メガバイトオーダーに達する場合もあり、実際に直
接ＣＡＤで扱うデータ量としては多すぎて、ＣＡＤ側が
受けつけない。そこで、ＣＡＤに入力する前に膨大な量
のデータの一部を削除、つまり間引きによってデータ量
を減らすことも考えられるが、この場合は、データの要
・不要の判定が難しい等の問題がある。

【０００６】この発明は上述のような実情に鑑みてなさ
れたもので、膨大な数の点列データの情報を維持しつ
つ、データ量を削減してＣＡＤへのデータ転送を可能に
し、計測から形状確認、修正までに至る一連の設計シス
テムを容易に実現することができる三次元形状計測装置
を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係る三次元形状計測装置は、測定対象物
に光を照射する光源部と、照射された測定対象物を撮像
してビデオ信号を生成する撮像部と、ビデオ信号の各走
査線上における最輝度点の位置を求める光点検出部と、
最輝度点の位置から測定対象物の三次元座標データを求
める第１のデータ生成部と、上記三次元座標データから
その三次元座標を近似的に含む面を定義し、この面上の
所定数の点の三次元座標データを生成する第２のデータ
生成部とを有するものである。

【０００８】

【作用】この発明によれば、光源部より測定対象物に光
を照射し撮像することで生成されるビデオ信号の各走査
線上における最輝度点の位置を求めるとともに、その最
輝度点の位置から測定対象物の三次元座標の点列データ
を求め、この三次元座標の点列データからその三次元座
標を近似的に含む面を定義して、その定義された面上の
所定数の点の三次元座標データを、面データとして生成
することにより、測定対象物の膨大な数の三次元座標デ
ータのもつ情報を維持しながらも、計測装置から出力さ
れるデータ数を大幅に圧縮することが可能となる。した
がって、その圧縮されたデータをＣＡＤへ転送して、こ
のＣＡＤ上での形状確認、修正などを容易に実行するこ
とができる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にもとづいて
説明する。図１は、この発明の一実施例の三次元形状計
測装置のシステム構成図であり、同図において、１は光
源部を構成するレーザ光源であり、ポリゴンミラー（図
示せず）を回転することにより、スリット光を測定対象
物３に照射する。２はスリット光像を入力する入力部と
同入力信号をアナログビデオ信号として出力するための
信号生成部をもつ撮像部であり、本実施例においては死
角を減らす意味で２台のＣＣＤカメラ２Ａを使用してい
るが、１台であってもよい。４は測定対象物３を固定し
てＸ方向に移動しながらスリット光を測定対象物に対し
スキャン（走査）するためのテーブルである。

【００１０】５はスリット光を測定対象物３に対してス
キャンさせるためにテーブル４を単位移動量ずつ移動さ
せる駆動系制御部、６は光源制御部で、上記レーザ光源
１をＯＮ，ＯＦＦ制御する。７は撮像系制御部で、上記
ＣＣＤカメラ２Ａのシャッタ制御等を行なう。８は上記
ＣＣＤカメラ２Ａが撮像したスリット光像のビデオ信号
を入力するビデオ入力部である。

【００１１】９はＡ／Ｄ変換部で、上記ビデオ入力部８
から出力されるビデオ信号を２値化する。１０はピーク
値検出部であり、上記Ａ／Ｄ変換部９で２値化されたビ
デオ信号の最輝度点を、カメラ画面上の座標点として各
走査線毎に検出するものであり、測定精度の向上を図る
ために、実際にピーク値としてサンプリングされたカメ
ラ画素位置（アドレス）とその両隣りの位置のサンプリ
ング値を用いて真の最輝度点の位置を求める。カメラ画
面Ａは図２に示すようであり、矢印Ｘ（図１のＸ方向と
同じ）方向にたとえば２５６本の走査線で走査して最輝
度点を求めることにより、測定対象物３の外形を求め
る。

【００１２】図１の１１は同期信号発生部で、上記ビデ
オ信号から水平同期信号および垂直同期信号を分離発生
させる同期分離部１１Ａと、各走査線上のサンプリング
クロックを発生する画像クロック発生部１１Ｂとからな
る。

【００１３】１２はアドレス生成部で、上記同期信号発
生部１１の同期分離部１１Ａで分離された水平同期信号
を基にしてＹ方向アドレスを生成する。以上のビデオ入
力部８、Ａ／Ｄ変換部９、ピーク値検出部１０、同期信
号発生部１１およびアドレス生成部１２によって、ビデ
オ信号の各走査線上における最輝度点の位置（アドレ
ス）を求める光点検出部１６が構成されている。

【００１４】１３は第１のデータ生成部で、上記光点検
出部１６で得られたカメラ座標上の最輝度アドレスから
測定対象物３の置かれた空間である物体座標上の高さ
（Ｚ座標）を求めると同時に、その三次元座標（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）の点列データを作成し、これをディスプレイ１
７上に表示するものである。１４は第２のデータ生成部
で、上記第１のデータ生成部１３で得られた三次元座標
の点列データからその三次元座標を近似的に含む面を定
義して、この面上の所定数の点の三次元座標データ、つ
まり、面データを生成し、それをＣＡＤ用フォーマット
に変換するものであり、本実施例では、上記の三次元座
標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点列データからＢスプライン曲面変
換またはＮＵＲＢＳ曲面変換にて面データを生成して汎
用ＣＡＤの標準フォーマットであるＩＧＥＳフォーマッ
トに変換する。上記第１のデータ生成部１３および第２
のデータ生成部１４は、主にソフトウエアの形で存在す
る。

【００１５】以上の各構成要素１〜１４により三次元形
状計測装置が構成されている。１５はＣＡＤシステムで
あって、上記の三次元形状計測装置における第２のデー
タ生成部１４から入力される面データを基に、測定した
測定対象物３の形状確認、修正等を行なうものである。

【００１６】図３は、上記第２のデータ生成部１４での
処理フローを示す。第１のデータ生成部１３で作成され
た三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点列データｄ１は測定対
象物３の形状を表し、第２のデータ生成部１４のディス
プレイ１７上において、例えば図４（ａ）のように表示
される。まず最初に、任意に定める切断線ＣＬにより測
定対象物３の表面を、図４（ｂ）のように、分割するこ
とで部分面ｋとその面数Ｎを設定し、同時に許容誤差範
囲ｄ（後述）を設定する（ステップＳ１，Ｓ２）。つぎ
に、一つの部分面ｋについて、上記点列データｄ１のう
ちで部分面ｋ上に存在する点列（Ｘ_KJ, Ｙ_KJ, Ｚ_KJ Ｊ
＝１，２，…，ｍ_K ：ｍ_K は部分面ｋ内の点列数）から
部分面ｋの面定義（Ｂスプライン変換）を行なう（ステ
ップＳ３，Ｓ４）。

【００１７】通常、三次元曲面は、制御点Ｐ_ij（ｉ＝
０，１，２，…，ｎ； ｊ＝０，１，２，…，ｍ）によ
り、ｎ×ｍ次のパラメトリック関数として定義される
が、本実施例においては、許容誤差範囲ｄの設定によっ
て、双３次（ｉ＝０，１，２，３；ｊ＝０，１，２，
３）または双４次（ｉ＝０，１，２，３，４；ｊ＝０，
１，２，３，４）のＢスプライン曲面として、１６個ま
たは２５個の制御点を決定することにより定義してい
る。したがって、点列データｄ１で表現された各部分面
ｋは、１６個または２５個の制御点情報により面変換定
義されたことになる。

【００１８】ついで、各点列データｄ１とそれに対応し
て定義された面上の点（Ｘ_KJ，Ｙ_KJ，Ｚ_KJ’）のＺ座標
値を比較して、全ての点列について、その差（Ｚ−Ｚ’
の絶対値）が許容誤差範囲ｄ内にあるか否かをチェック
する（ステップＳ５，Ｓ６）。そのチェックの結果にお
いて、図５（ａ）に示すように、何かれの点が許容誤差
範囲ｄを越える場合は、その部分面ｋを図４（ｃ）のよ
うに、再度、切断線ＣＬ１により４分割して上述のステ
ップＳ４〜Ｓ６までと同様の処理を繰り返し（ステップ
Ｓ７，Ｓ８）、全ての部分面ｋについて、図５（ｂ）に
示すように、許容誤差範囲ｄ内で定義された面データを
得る（ステップＳ９，Ｓ１０）。

【００１９】一般に、面変換時に精度を要する部分面に
対しては、許容誤差範囲ｄを小さく設定することによ
り、三次元形状計測装置による測定情報を維持できる、
すなわち、測定情報に充分近似した部分面を得ることが
できるが、分割面数Ｎの増加をともなう。逆に、単純形
状の部分面に対しては許容誤差範囲ｄをさほど小さくし
なくても、測定情報を維持でき、分割面数Ｎも少なくて
済む。一般にデザインモデルの計測に際しては、計測情
報の正確さ（測定精度）が要求される箇所が限定されて
いるため、全体としては許容誤差範囲ｄを制御すること
で大幅なデータ数の圧縮が図れる。

【００２０】そして、上述のような全ての部分面ｋにつ
いて面データが得られた後は、同データをＣＡＤシステ
ム１５の標準フォーマットであるＩＧＥＳに変換して
（ステップＳ１１）、そのデータを直接ＣＡＤシステム
１５へ転送して、このＣＡＤシステム１５において、測
定対象物３の形状確認、修正などを行なう。

【００２１】上記のような構成の三次元形状計測装置で
は、点列データを直接的に測定対象物３の三次元形状を
示すポリライン型式データに変換して、ＣＡＤシステム
へ転送する従来の計測方法に比べて、ＣＡＤシステムの
標準フォーマットであるＩＧＥＳ変換時点のデータ量を
数十分の一以上に圧縮し削減することが可能であり、し
たがって、三次元形状の計測から、その計測データを基
にしたＣＡＤ処理といった一連の設計システムの構築を
容易に実現することができる。

【００２２】なお、上記実施例では、点列データから面
データの生成にあたって、Ｂスプライン曲面変換を利用
したもので説明したが、ＮＵＲＢＳ曲面変換を利用して
もよい。

【００２３】以上のように、この発明によれば、測定対
象物への光照射にともなう撮像により生成されるビデオ
信号の各走査線上における最輝度点の位置から測定対象
物の三次元座標の点列データを求め、この三次元座標の
点列データから、その面を近似的に定義する面データを
生成することにより、測定対象物の膨大な数の三次元座
標データのもつ情報を維持しながらも、計測装置から出
力されるデータ数を大幅に圧縮してデータ量を削減する
ことができる。したがって、その圧縮されたデータをＣ
ＡＤへ転送して、このＣＡＤ上での形状確認、修正など
を容易に実行することができ、デザイン設計、開発にお
ける大幅なリードタイムを削減できると同時に、ＣＡＤ
単独ではなし難い複雑な曲面形状の設計効率の大幅な向
上を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による三次元形状計測装置
のシステム構成図である。

【図２】カメラ画面を示す正面図である。

【図３】図１の要部である第２のデータ生成部の処理フ
ローを説明する図である。

【図４】図３の処理フローにおけるデータの変化を説明
する図である。

【図５】図３の処理フローにおけるステップＳ６でのチ
ェック状況の説明図である。

【符号の説明】

１…レーザ光源（光源部）、２…撮像部、２Ａ…ＣＣＤ
カメラ、３…測定対象物、１０…ピーク値検出部、１
３，１４…第１，第２のデータ生成部、１５…ＣＡＤシ
ステム、１６…光点検出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物に光を照射する光源部と、照
   射された測定対象物を撮像してビデオ信号を生成する撮
   像部と、ビデオ信号の各走査線上における最輝度点の位
   置を求める光点検出部と、最輝度点の位置から測定対象
   物の三次元座標データを求める第１のデータ生成部と、
   上記三次元座標データからその三次元座標を近似的に含
   む面を定義し、この面上の所定数の点の三次元座標デー
   タを生成する第２のデータ生成部とを有する三次元形状
   計測装置。