JPH0666526A - ３次元計測方法及び３次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象物の長尺部材が直線状でない場合や観察
画像内に最暗点が存在しない場合においても、測定のた
めの補助具を必要とすることなく２次元画像から３次元
座標を求め、長さなどを計測可能にする。 【構成】 電子内視鏡２には光源装置３、計測装置４及
びモニタ５が接続されている。モニタ５上に表示された
観察画像より２つの等輝度円を抽出し、それぞれの等輝
度円の中心の３次元位置を求め、スコープの座標系をパ
イプの座標系に一致させる。そして、パイプ１５の直
径，電子内視鏡２の光学系の焦点距離など既知の値を用
いることにより、パイプ１５の内面上の任意の点の３次
元座標を算出して、任意の対象の３次元的寸法を計測す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パイプなどの単一断面
を有する長尺な対象物を撮像した２次元観察画像から、
３次元計測を行うにあたり測定座標系を対象物に合わせ
て傷などのサイズを計測する３次元計測方法及び３次元
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パイプ内部にある傷の長さを計測する場
合には、従来は以下のような方法が使われていた。パイ
プ内に長さのわかっている参照物体を入れてその参照物
体と傷を画像内で比較して傷の長さを計測していた。あ
るいは、観察光学系とはある距離（基線長）離れたとこ
ろからチャートを投影して観察画像内でのチャートのズ
レを基に３次元座標を算出していたり、実開昭５７−２
９８０６号に開示されているようにパターンを投影して
３次元座標を算出していた。又、特開昭６３−１４０９
０３号では光切断線を投影して、円筒物体の位置などを
計測する従来例が開示されている。

【０００３】このようにパイプ内部の傷を計測するとき
に、被測定物に対して参照物体を使用したり、チャート
を投影したり、補助手段を使用していて、観察画像のみ
から３次元座標を算出しているものではなかった。

【０００４】このため、チャートを投影する手段とか、
補助手段が必要になり、測定できる装置が制限されると
いう問題がある。このため、そのような手段を有しない
既存の装置でも長さなどの測定できる装置が望まれる状
況にあった。つまり、測定時に必要となる変数で、あら
かじめわかっている定数以外の変数を観察画像中から得
て測定する事。すなわち、測定補助具を使用しない測定
を行うことができる装置があれば非常に便利である。

【０００５】そこで、本出願人は、特願平４−８４０６
６号及び特願平４−１８２５９５号において、画像中の
最も暗い点と、被測定部材の断面を表す線を用いる事に
より、予め分かっている定数以外の変数を観察画像中か
ら得て、測長の為などの補助具を必要とすることなく、
２次元画像から３次元座標を求めて長さなどを計測でき
る３次元計測方法及び３次元計測装置を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
願平４−８４０６６号及び特願平４−１８２５９５号で
は、得られた２次元観察画像においてパイプなどの長尺
部材の最も遠い点は最暗点として画面内に存在していな
ければ、３次元座標を求めることができなかった。ま
た、長尺部材は直線状のものでなければならなかった。
よって、例えば熱交換器のＵ字管のように直線部と曲線
部とが組み合わされたパイプを計測することができない
という不具合があった。

【０００７】本発明は、これらの事情に鑑みてなされた
もので、予め分かっている定数以外の変数を観察画像中
から得て２次元画像から３次元座標を求め、対象物の３
次元計測を行うものにおいて、対象物の長尺部材が直線
状でない場合や、観察画像内に最暗点が存在しない場合
においても３次元座標を求めることができ、長さなどを
計測できる３次元計測方法及び３次元計測装置を提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の３次元
計測方法は、単一断面を有する長尺部材を観察し、観察
画像内の情報から前記長尺部材の表面の３次元計測方法
において、画面内に想定した長尺部材の異なる位置の２
つ以上の断面形状から測定用座標を設定するための情報
を算出し、この測定用座標を前記断面形状に対応して設
定し、前記長尺部材及び観察光学系の既知の情報を用い
て前記画面に表示される長尺部材の任意位置に対応する
３次元位置を計測可能にしている。

【０００９】本発明の３次元計測装置は、単一断面を有
する長尺部材を観察し、観察画像内の情報から前記長尺
部材の表面の３次元計測を行う３次元計測装置におい
て、画面内に想定した長尺部材の断面の形状と相似な図
形を２つ以上画面内にマッチさせるマッチング手段と、
前記断面にマッチングした図形の中心を画像内で求める
中心点抽出手段と、前記中心点抽出手段からの２つ以上
の座標から測定用の座標軸を算出する座標軸算出手段
と、前記長尺部材及び観察光学系の既知の情報を用いて
少なくとも前記画面に表示される長尺部材の任意位置に
対応する３次元位置を算出する３次元位置算出手段とを
設けることにより、測定補助具を使用しないで観察画像
から３次元位置とか長さなどを算出できる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１ないし図２４は本発明の一実施例に係り、図
１は内視鏡装置の全体構成を示す構成説明図、図２は光
源装置の構成を示す構成説明図、図３は光源装置に設け
られるランプハウスの詳細の構成を示す断面図、図４は
ランプハウス内の反射板の構成を示す説明図、図５はラ
ンプハウス内での照明光の経路を示す説明図、図６はラ
ンプハウス内の単ファイバ付近での照明光の経路を示す
説明図、図７はランプバルブから放射される赤外線の光
路を示す説明図、図８はランプハウスの変形例の構成及
び作用を示す説明図、図９は電子内視鏡の先端側の構成
を示す断面図、図１０は電子内視鏡の先端側を傾けた様
子を示す説明図、図１１は図１０の場合に得られる観察
画像を示す説明図、図１２はパイプの内部を観察してい
る様子を示す説明図、図１３はパイプの長さ方向に対し
ての反射光の輝度のレベル変化を示す説明図、図１４は
対物光学系の中心がパイプの中心に一致している場合で
の観察画像を示す説明図、図１５は測定座標系をパイプ
座標系に一致するように平行移動する様子を示す説明
図、図１６はＵ字状のパイプ内部を観察する場合を示す
説明図、図１７は図１６の場合に得られる観察画像を示
す説明図、図１８は２つの等輝度円と内視鏡先端部との
座標の関係を示す説明図、図１９は画面内で指定された
点の測定座標系での３次元座標を計算する処理を示すフ
ローチャート、図２０はパイプ内部の凹凸を測定する際
の座標系の配置を示す説明図、図２１は図２０の場合に
おける観察画像上の位置を示す説明図、図２２はパイプ
内部の凹凸の高さを示す説明図、図２３はパイプ内部の
凹凸を測定する際に求める２つの直線の距離を示す説明
図、図２４はパイプ内部の凹凸を測定する際の演算処理
を示すフローチャートである。

【００１１】図１に示すように、本発明の３次元計測装
置の一実施例は内視鏡装置であり、パイプを観察する場
合のものである。図１に示す内視鏡装置１は撮像手段を
内蔵した電子内視鏡（電子スコープとも記す）２と、こ
の電子スコープ２に照明光を供給する光源装置３と、電
子スコープ２の撮像手段に対する信号処理を行う計測装
置４と、この計測装置４から出力される画像信号を表示
するモニタ５とから構成され、計測装置４にはデータ入
力等を行うためのキーボード６が接続されている。

【００１２】上記電子スコープ２は細長の挿入部７と、
この挿入部７の後端に形成された太幅の操作部８と、こ
の操作部８から延出されたユニバーサルコード９とを有
し、このユニバーサルコード９の先端に設けたコネクタ
１１を光源装置３に着脱自在で接続することができる。

【００１３】上記挿入部７は手元側から長尺の軟性部１
２と、先端近くに形成され、湾曲自在の湾曲部１３と、
後述する対物光学系と照明光学系が設けてある先端部１
４とからなり、この挿入部７は先端部１４側から検査対
象物となるパイプ１５などに挿入され、パイプ１５の内
面が検査される。又、操作部８には湾曲部１３を湾曲操
作するアングルノブ１６が設けてある。

【００１４】上記コネクタ１１にはＥＬコード１７が設
けられていて、ＥＬコード１７の他端にはＥＬコネクタ
１８が設けられている。このＥＬコネクタ１８は計測装
置４に接続できるようになっている。又、計測装置４と
光源装置３とは調光ケーブル１９で接続され、例えば画
像信号の輝度レベルで光源装置３内の後述する光源ラン
プからライトガイド２１後端の入射端面に供給される照
明光の強度を絞りで調光し、観察に適した明るさで表示
できるようにしている。

【００１５】図２を参照して光源装置３の構成について
説明する。ユニバーサルコード９端部のコネクタ１１
は、コネクタ受け５１に嵌入され、ユニバーサルコード
９内に挿通されたライトガイド２１の後端部が挿入され
るようになっている。光源装置３には、光源ランプを内
部に設けたランプハウス５２が設けられており、ランプ
ハウス５２の照明光出射端部に単ファイバ５３が固定さ
れて突出している。

【００１６】前記単ファイバ５３とライトガイド２１と
の間には、ライトガイド２１の後端に対向して集光レン
ズ５４が配設されている。すなわち、前記単ファイバ５
３の端面とライトガイド２１の後端面とは、それぞれ集
光レンズ５４の焦点位置に配置されている。また、単フ
ァイバ５３と集光レンズ５４との間には、絞り５５が設
けられている。絞り５５には駆動モータ５６の回転軸が
取り付けられており、駆動モータ５６によって照明光の
光路中に介挿されるようになっている。

【００１７】また、光源装置３内には電源５７が設けら
れており、ランプハウス５２に接続されている。

【００１８】前記ランプハウス５２の詳細の構成を図３
を参照しながら説明する。ランプハウス５２は、内面が
楕円面を形成しているハウジングＡ５８とハウジングＢ
５９とが接合されて構成されている。このハウジングＡ
５８及びハウジングＢ５９は、内面に赤外線透過・可視
光線反射コーティングが施されている。ハウジングＡ５
８には、ランプバルブ６０が取り付けられており、電源
５７に接続されている。このランプバルブ６０は、ハウ
ジングＡ５８による楕円面の焦点に位置するように配置
されている。一方、ハウジングＢ５９には、単ファイバ
５３が取り付けられている。この単ファイバ５３の端面
は、ハウジングＢ５９による楕円面の焦点よりも外側に
位置するように設けられている。

【００１９】また、ハウジングＡ５８とハウジングＢ５
９との間には、２つのハウジングの内部を仕切るように
赤外線反射フィルタ６１が設けられている。さらに、ハ
ウジングＢ５９による楕円面の焦点位置には、反射板６
２が配設されている。この反射板６２の構成を図４に示
す。図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は斜視図を示して
いる。反射板６２は、お椀型の形状をしており、入射し
た照明光を反射すると共に、中心部に入射する光は透過
するように円形の透過孔が形成されている。そして、反
射板本体より３本の腕部が延出しており、ハウジングＢ
５９に固定されるようになっている。

【００２０】この光源装置３の動作について説明する。
光源装置３の電源を入れると、電源５７からランプバル
ブ６０に電源が供給されて照明光が発光される。ここ
で、発光された照明光のランプハウス５２内での経路を
図５に、単ファイバ５３付近の照明光の経路を図６に示
す。

【００２１】図５（ａ）は、直接単ファイバ５３に入射
する光線と、楕円面を反射して焦点に集まる光のうち反
射板６２に反射して単ファイバ５３に入射する光線とを
示している。図５（ｂ）は、単ファイバ５３の開口角度
内に入らずに単ファイバ５３を通り抜けて反射を繰り返
した後、単ファイバ５３の開口角度内に入って端面より
入射する光線を示している。単ファイバ５３付近では、
単ファイバ５３の開口角度内に入る光線は、図６（ａ）
に示すように単ファイバ５３の端面より入射し、単ファ
イバ５３の開口角度内に入らない光線は、図６（ｂ）に
示すように単ファイバ５３を通り抜ける。また、図５
（ｃ）は、反射板６２の裏面で反射してから楕円面等で
反射を繰り返した後、単ファイバ５３の端面に入射する
光線を示している。

【００２２】すなわち、本来であれば単ファイバ５３に
入射しない光線も反射を繰り返して単ファイバ５３に入
射するようになる。よって、ランプバルブ６０より発生
した光束を効率良く単ファイバ５３へ入射させ、外部に
出射することができる。

【００２３】また、図７はランプバルブ６０から放射さ
れる赤外線の光路を示している。赤外線が大量に単ファ
イバ５３へ入射されると、単ファイバ５３が燃えてしま
う恐れがあるため、これを回避しなければならない。そ
こで、本実施例では赤外線反射フィルタ６１を設けるよ
うにしている。

【００２４】図７に示すように、ハウジングＡ５８の内
面に直接向かう光線は、赤外線透過・可視光線反射コー
ティングによって赤外線成分がハウジングＡ５８を透過
する。また、ハウジングＡ５８の内面に直接向かわなか
った光線とハウジングＡ５８で反射した残りの光線と
は、赤外線反射フィルタ６１により赤外線成分が反射し
てハウジングＢ５９側の単ファイバ５３には向かわな
い。よって、単ファイバ５３には赤外線が入射すること
なく、可視光線のみ効率良く入射することになる。ま
た、赤外線透過・可視光線反射コーティングや赤外線反
射フィルタ６１で透過あるいは反射した赤外線は発散す
るため、不要な赤外線が不用意にどこかの点に集中する
ことがなく、安全に赤外光を放出することができる。

【００２５】単ファイバ５３に入射した光線は、単ファ
イバ５３の他端より出射し、図３に示す絞り５５を通り
集光レンズ５４を通ってライトガイド２１の後端面に入
射する。ここで、ライトガイド２１の開口角度と単ファ
イバ５３の開口角度とはほぼ等しいので、単ファイバ５
３を出た光線は効率良くライトガイド２１の後端面に入
射する。そして、ライトガイド２１の後端面に入射した
照明光は、ユニバーサルコード９内を通り、挿入部７を
経由して先端部１４まで導かれる。この照明光は、図示
しない照明レンズにより挿入部７先端で光束が広げられ
て出射され、パイプ１５の内面を照明する。

【００２６】なお、光源装置３のランプハウスは、楕円
面でなく放物面を形成したハウジングを２つ組み合わせ
た構成とすることもできる。この変形例のランプハウス
の構成を図８に示す。ランプハウス６５は、内面が放物
面を形成しているハウジングＡ６６とハウジングＢ６７
とが接合されて構成されている。ハウジングＢ６７によ
る放物面の焦点位置には反射板６２が配設され、ハウジ
ングＡ６６とハウジングＢ６７との間には赤外線反射フ
ィルタ６１が設けられている。その他は前述した実施例
と同様に構成されている。

【００２７】図８（ａ）はランプハウス６５内で何度か
反射した後単ファイバ５３の端面に直接入射する光線を
示しており、図８（ｂ）は単ファイバ５３を一旦通り抜
けて反射を繰り返してから単ファイバ５３の端面に入射
する光線を示しており、図８（ｃ）は赤外線反射フィル
タ６１で反射及び赤外線透過・可視光線反射コーティン
グにより透過する赤外光の光線を示している。このよう
に、放物面を組み合わせたハウジングによりランプハウ
スを構成しても、前述の実施例と同様に、照明光を効率
良く外部へ出射できると共に、不要な赤外光を安全に放
出することができる。

【００２８】図９は電子内視鏡２の先端側の光学系を示
している。操作部８から延出されたユニバーサルコード
９内及び挿入部７内にはライトガイド２１が挿通され、
このライトガイド２１の先端側は（挿入部７の）先端部
１４の照明窓に固定され、入射端面に供給される照明光
をこの先端側の端面、つまり出射端面から出射する。

【００２９】この出射端面に対向して照明光学系を構成
する照明レンズ２２が取り付けてあり、出射端面から出
射された照明光はこの照明レンズ２２により広げられて
出射され、この照明光学系の中心軸２３前方側を照明す
る。

【００３０】この照明窓に隣接して観察窓が設けてあ
り、この観察窓には対物光学系（観察光学系）２４がレ
ンズ枠を介して取り付けてあり、この対物光学系２４の
結像位置にはＣＣＤ２５が配置され、対物光学系２４で
結像された光学像を光電変換する。このＣＣＤ２５で光
電変換された信号は挿入部７、操作部８、ユニバーサル
コード９、コネクタ１１、ＥＬコード１７、ＥＬコネク
タ１８を通り計測装置４に送られる。送られた画像信号
は計測装置４内で信号処理されて標準的な映像信号に変
換されてモニタ５に送られモニタ５で映し出される。

【００３１】上記対物光学系２４は、例えば先端の凹レ
ンズを含めて６枚のレンズで構成されている。最後の凸
レンズの後ろにはＣＣＤ２５が接合されている。図９で
は対物光学系２４の中心軸２６と共に、入射光線がどの
ようにＣＣＤ２５面上に届くかその一例を示している。

【００３２】レンズが無かった場合に入射光線が対物光
学系２４の中心軸２６と交わる点を、（対物）光学系の
座標中心Ｏと呼ぶ。図１０に示すようにこの光学系の座
標中心Ｏを中心にして対物光学系２４を角度θ傾け、対
物光学系２４の中心軸２６を物体ＡＢのＢに合わせる
（尚、分かり易くするため、図１０（この図以降でも同
様）では対物光学系２４の中心軸２６は先端部１４の中
心軸に沿っているとして示している）。

【００３３】このときモニタ５の表示面５Ａでの観察画
像は図１１に示すようになる。すなわち、観察画像の中
心に物体Ｂがあり、画像中でＢの下にＡがくる。後述す
るように画面からＡの位置に相当する光線の光学系の中
心軸に対する出射角度が算出できるが、この場合には光
学系の座標中心Ｏを中心にして電子スコープ２を回転さ
せているので、算出した出射角度と電子スコープ２の回
転角度が一致する。

【００３４】もしも回転中心が光学系の座標中心Ｏより
も手前側にあれば、少ない回転角度でも画像中では多く
ずれが出る。逆に光学系の座標中心Ｏよりも物体側にあ
れば多く回転しても画像中のずれ量は少なくなる。

【００３５】尚、図１１（この図以降でも同様）では分
かり易くするため、ＣＣＤ２５に結像された光学像はＣ
ＣＤ２５の中心に物体Ａが上側にＢが位置するよう上下
が反転して結像されるが、モニタ５の表示面５Ａではさ
らに反転されて図１１に示すように表示されるとしてい
る。この場合、ＣＣＤ２５の中心位置はモニタ５の表示
面５Ａの中心位置に表示されるものとしている。

【００３６】一方、図１２はパイプ１５内部を観察して
いるときの光線を示した図である。照明レンズ２２から
出射された照明光はパイプ１５内面１５Ａのある点Ｃを
照明し、その反射光が対物光学系に戻ってくる。この反
射光の明るさが点Ｃの明るさとして観察画像内に表示さ
れる。

【００３７】図１３はパイプ１５の長さ方向に対して反
射光の輝度がどうなるかを定性的に示したグラフであ
る。このグラフに示すように単調減少関数となってい
る。

【００３８】点Ｃがスコープ２の先端よりもある程度遠
いところにあれば、照明光学系と対物光学系の位置の差
による輝度のむらを無視できるので、パイプ１５の横断
面ＣＤに相当する円周上からの反射光量は等しいと見な
せる。

【００３９】すなわち、対物光学系の中心がパイプ１５
の中心と一致している場合は、図１４に示すように観察
画像内に輝度の等しい等輝度線を描くと画像中心を中心
とする円となる（図１２における仮想線ＣＤと対応す
る）。また、画像の中心はパイプ１５の中心軸と一致し
ていてパイプ画像の消失点（バニシングポイント）ＢＰ
となっている。さらに、図１４で矢印で示すように画像
の中心が最も暗く、画像の中心から遠ざかるに従って明
るくなる。

【００４０】特願平４−８４０６６号に示したように、
観察画像より最暗点（消失点）及び等輝度線を抽出し、
最暗点及び等輝度線の円の中心と直径を基にして、スコ
ープの座標系をパイプの座標系に一致させることによ
り、パイプ１５の直径Ｄ及び光学系の焦点距離ｆなどが
既知であることを用いると、補助具等を必要とすること
なくパイプの内面上の任意の点の３次元座標を観察画像
のみから求めることができる。また、この３次元座標を
基にして長さとか面積等を簡単に求めることができる。

【００４１】なお、等輝度線を抽出する際には、画面内
でほぼ同じの明るさの点を抽出し、２値化処理や平滑化
処理を行い等輝度の円を抽出する。そして、抽出した円
に対して大きさのわかっている円をマッチングさせた
り、あるいは抽出した円の x,y 座標の最大最小値を取
って円の縁を検出し直径と中心位置を求める。

【００４２】図１５（特願平４−８４０６６号における
図１９）に示すように、画面内の最暗点を CO 、距離 s
y での等輝度線の円の中心を CP とし、ＣＣＤ面上の座
標のCO に相当する測定座標上（スコープ座標上）の距
離 sy での点を SO とする。なお、 CA, CB は画面内で
の等輝度線上の点、 SA, SB は測定座標上での等輝度線
上の点である。ここで、測定座標上で等輝度線の中心点
SP は距離 sy の所にあることがわかっているので、Ｃ
ＣＤ面上の座標での CP, CO のずれ量 ch からSP の測
定座標上の３次元位置を求めることができる。すなわ
ち、 CP, CO のずれ量 ch から CP-Ｏ-CO のなす角がわ
かり、その角度で出た光線が sy の距離にある y軸と垂
直な平面と交わる点の３次元座標を求めればよい。

【００４３】図１５からわかるように、測定座標系の中
心軸は SO を通っていてパイプの中心軸は SP を通って
いる。すなわち、測定座標系を SO, SP のずれ量に相当
する量だけ平行移動すれば、測定座標系をパイプ座標系
に一致させる事ができる。

【００４４】観察画面内の１点を指定するとそれに対応
する測定座標系上のパイプ表面の座標が１つ決定するの
で、観察画面内の１点の３次元座標が算出される。２点
を指定すると２点間のパイプ面上での距離が算出され
る。３点を指定すると３点で囲まれるパイプ面上の面積
が算出される。

【００４５】このように、観察画像より最暗点及び等輝
度線を抽出することによって、補助具などを必要とする
ことなく、既知の情報を用いて画像上から任意の点に対
応するパイプの３次元位置情報を求めることができ、こ
の３次元位置情報を用いた３次元的長さ、３次元的面積
なども簡単に求めることができる。

【００４６】ところが、観察画像内に最暗点が存在しな
い場合やパイプが直線状でない場合などは、前述のよう
にして３次元座標を求めることができない。以下に、パ
イプがＵ字状である場合の３次元座標の算出方法を説明
する。

【００４７】ここでは、一例として、熱交換器のパイプ
内を観察する場合を示す。図１６に示すように、熱交換
器のパイプ１５はＵ字型をしており、直線部と曲線部と
が組み合わさった形状をしている。このパイプ１５に内
視鏡挿入部７の先端部１４を挿入し、観察する。

【００４８】このときの観察画像を図１７に示す。画面
内において等輝度線を抽出すると、パイプの直線部では
図中の等輝度線７１のように円形となる。パイプの曲線
部では図中の等輝度線７２のように円の一部の円弧を重
ねたような形状となる。そして、等輝度線を抽出した
後、等輝度線７１，７２の中心を結ぶ直線７３を画面上
に引く。特願平４−８４０６６号に示したように、パイ
プの直線部での等輝度線７１の円の中心点は直線７３上
に位置する。一方、パイプの曲線部では等輝度線７２の
ように円ではなく円の一部となるが、この図形の重心を
図形の中心として図１７の下に示すようなグラフを考え
る。

【００４９】図１７の下のグラフは、縦軸に等輝度線の
図形の明るさを、横軸に直線７３上での等輝度線の図形
の中心位置をとって示したものである。このグラフよ
り、パイプの直線部では等輝度線の中心位置と明るさと
の関係はほぼ線形であるが、パイプの曲線部では線形か
ら大きくずれることがわかる。

【００５０】本実施例では、２つの等輝度線の円を抽出
し、それぞれの等輝度円に相当する部分のスコープの光
学系の座標中心Ｏからの距離を求めることにより、それ
ぞれの等輝度円の中心の３次元位置を求めるようにして
いる。そこで、パイプの直線部における等輝度線の中心
位置と明るさとが線形である部分から２つの等輝度円を
得るようにする。まず、２つの等輝度円を得るための２
つの輝度値を設定し、等輝度円を抽出する。

【００５１】この２つの輝度値に対応する等輝度円は、
図１８の仮想線で示すようになる。図１８において、 S
O1, SO2 は、それぞれの等輝度円上におけるスコープの
座標軸と交わる点であり、 SP1, SP2 は、それぞれの等
輝度円の中心点を表している。また、それぞれの等輝度
円のスコープの光学系の座標中心Ｏからの距離を sy1,
sy2 とする。前述した図１５（特願平４−８４０６６号
における図１９）と同様にして、２つの等輝度円の中心
点 SP1, SP2 までのスコープからの距離 sy1,sy2 を求
めることができる。

【００５２】また、図１５に示すように、 ch に相当す
る画面上のずれ量から点 SP を通る入射光線がわかるの
で、特願平４−８４０６６号に示したように距離 sy で
の点SP の３次元位置を算出することができる。よっ
て、これと同様にして、距離 sy1, sy2 と等輝度円のそ
れぞれの直径とから、スコープから見た等輝度円の中心
点 SP1, SP2 の３次元座標を算出することができる。

【００５３】このように、距離が異なる２つの等輝度円
の中心のスコープに対する３次元座標が求まると、この
２点を通る直線の式を求めることができる。すなわち、
この直線は、特願平４−１８２５９５号における測定座
標（Ｍ座標）でのｙ軸に一致している。さらに、パイプ
の直径はわかっているので、図１９（特願平４−１８２
５９５号における図３９）に示すように、この直線を中
心とするパイプの内面のスコープに対する３次元座標も
求めることができる。

【００５４】すなわち、特願平４−１８２５９５号と同
様にして、Ｓ１５−２ａないしｃで３次元座標 xM,yM,z
M を求める。図１９において、Ｔ座標はモニタ画面上の
座標、Ｃ座標はＣＣＤ面上の座標である。

【００５５】まず、ステップＳ１５−２ａに示すように
Ｔ座標で指定された座標をＣ座標に変換する。これは通
常の拡大縮小と平行移動の変換式である。

【００５６】次にステップＳ１５−２ｂに示すように、
Ｃ座標から測定座標上での３次元座標を計算する。すな
わち、（xM,yM,zM）と（xS,yS,zS）との関係行列式と、 xM² ＋zM² ＝ (D/2)² より、xM,yM,zMを求める。

【００５７】そして、ステップＳ１５−２ｃに示すよう
に、この解の xM,yM,zM を点の求める３次元座標とす
る。このようにして、スコープから見たパイプ面上の３
次元座標を求められる。

【００５８】以上示したように、この実施例によれば、
観察画面中に最暗点がなくても、あるいはパイプが直線
状でなくてもパイプ面上の点の３次元座標を算出するこ
とができる。よって、補助具などを必要とすることな
く、既知の情報を用いて画像上から任意の点に対応する
パイプの３次元位置情報を求めることができ、この３次
元位置情報を用いた３次元的長さ、３次元的面積なども
簡単に求めることができる。このため、測定の作業が容
易にできる。又、測定のための補助機構などを有しない
既存の内視鏡でも利用できる。

【００５９】さらに、本実施例では、パイプ内面にある
凹凸の高さを測定することができる。この測定方法の概
要について図２０以降を参照しながら説明する。

【００６０】図２０に示すように、３次元空間でのパイ
プ１５の溝の幅に相当する第１，第２の点をそれぞれ
Ａ，Ｂとする。また、図２１に示すように、前記第１，
第２の点に対応するモニタ画面５Ａ内の点をそれぞれ
ａ，ｂとする。次に、図２０に示すように、第１の点Ａ
を含みパイプ１５の中心軸に直角な平面Πを設定する。
そして、第２の点Ｂをパイプ１５の中心軸に沿って前記
平面Πに投影した点をＣとする。

【００６１】次に、画面内で凹凸の深さや高さに相当す
る点ｄを指定する。この場合は溝の深さである。この点
ｄは、平面Π上では点Ｄで表される。ここで、図２２に
示すように、平面Π上で点Ｄを通り点ＡＣに平行な直線
ｌを設定すると、凹凸の高さはｈで表される。

【００６２】このｈを求める方法を図２４のフローチャ
ートに沿って説明する。まず、Ｓ２１で点Ａ，Ｂの３次
元座標を算出する。前述した方法によって点Ａ（ｘa,ｙ
a,ｚa ），点Ｂ（ｘb,ｙb,ｚb ）を求めることができ
る。そして、Ｓ２２で点Ｃの３次元座標（ｘc,ｙc,ｚc
）を求める。点Ｃの３次元座標は、点Ｂのｙ座標を点
Ａのｙ座標と一致させる（ｙa ＝ｙc ）、すなわち点Ｂ
をパイプの中心軸に対して平行移動することにより求め
ることができる。

【００６３】次に、Ｓ２３で平面Π上において点Ａ，Ｃ
を通る直線を求める。図２２で平面Π上において点Ａ，
Ｃを通る直線は、Ａ（ｘa,ｙa,ｚa ），Ｃ（ｘc,ｙc,ｚ
c ）とすると、 ａ₁ ｘM ＋ｂ₁ ｚM ＝ｃ₁ ただし ａ₁ ｘa ＋ｂ₁ ｚa ＝ｃ₁ ａ₁ ｘc ＋ｂ₁ ｚc ＝ｃ₁ で表される。

【００６４】これより、Ｓ２４で平面Π上において点Ｄ
を通り直線ＡＣに平行な直線を求める。ここで、Ｄ（ｘ
d,ｙd,ｚd ）とすると直線ＡＣに平行で点Ｄを通る直線
は、ｙd ＝ｙa より、 ａ₁ ｘM ＋ｂ₁ ｚM ＝ｄ₁ ただし ａ₁ ｘd ＋ｂ₁ ｚd ＝ｄ₁ で表される。

【００６５】そして、Ｓ２５で２つの直線間の距離を求
める。図２３に示すように、 ｈc ＝ｃ／ｂ・ cosθ cosθ＝ (ｃ /ａ) ／ (ｃ /ａｂ)(ａ² ＋ｂ² ) ^1/2 であるので、これより、 ｈc ＝ｃ／ (ａ² ＋ｂ² ) ^1/2 となる。よって、２つの直線間の距離は、 ｈ＝｜ｃ−ｄ｜／ (ａ² ＋ｂ² ) ^1/2 により求めることができる。

【００６６】この距離ｈが図２２のｈとなるので、前記
手順によりパイプ内面にある凹凸の深さまたは高さを求
めることができる。

【００６７】なお、本実施例では、２つの等輝度円を用
いて３次元座標を求めるようにしたが、２つ以上の等輝
度円を用いてさらに測定精度を上げることもできる。こ
の場合には、２つずつの点の組で定義される直線の平均
位置を座標軸とする。

【００６８】また、本実施例では、等輝度円の抽出を画
面内の明るさによって行っているが、これに限定される
ことなく、色の情報と組み合わせて等輝度円の抽出を行
うようにしても良い。例えば、材質の異なるパイプが接
続されている場合にはパイプ内面の色が大きく異なるの
で、明るさの変化よりも正確にパイプの断面形状を抽出
することができる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、対
象物の長尺部材が直線状でない場合や、観察画像内に最
暗点が存在しない場合においても、測定のための補助具
を必要とすることなく予め分かっている定数以外の変数
を観察画像中から得て、２次元画像から３次元座標を求
めることができ、長さなどを計測できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１ないし図２４は本発明の一実施例に係り、
図１は内視鏡装置の全体構成を示す構成説明図

【図２】光源装置の構成を示す構成説明図

【図３】光源装置に設けられるランプハウスの詳細の構
成を示す断面図

【図４】ランプハウス内の反射板の構成を示す説明図

【図５】ランプハウス内での照明光の経路を示す説明図

【図６】ランプハウス内の単ファイバ付近での照明光の
経路を示す説明図

【図７】ランプバルブから放射される赤外線の光路を示
す説明図

【図８】ランプハウスの変形例の構成及び作用を示す説
明図

【図９】電子内視鏡の先端側の構成を示す断面図

【図１０】電子内視鏡の先端側を傾けた様子を示す説明
図

【図１１】図１０の場合に得られる観察画像を示す説明
図

【図１２】パイプの内部を観察している様子を示す説明
図

【図１３】パイプの長さ方向に対しての反射光の輝度の
レベル変化を示す説明図

【図１４】対物光学系の中心がパイプの中心に一致して
いる場合での観察画像を示す説明図

【図１５】測定座標系をパイプ座標系に一致するように
平行移動する様子を示す説明図

【図１６】Ｕ字状のパイプ内部を観察する場合を示す説
明図

【図１７】図１６の場合に得られる観察画像を示す説明
図

【図１８】２つの等輝度円と内視鏡先端部との座標の関
係を示す説明図

【図１９】画面内で指定された点の測定座標系での３次
元座標を計算する処理を示すフローチャート

【図２０】パイプ内部の凹凸を測定する際の座標系の配
置を示す説明図

【図２１】図２０の場合における観察画像上の位置を示
す説明図

【図２２】パイプ内部の凹凸の高さを示す説明図

【図２３】パイプ内部の凹凸を測定する際に求める２つ
の直線の距離を示す説明図

【図２４】パイプ内部の凹凸を測定する際の演算処理を
示すフローチャート

【符号の説明】

１…内視鏡装置 ２…電子スコープ ３…光源装置 ４…計測装置 ５…モニタ ６…キーボード ７…挿入部 ８…操作部 ９…ユニバーサルコード １１…コネクタ １４…先端部 １５…パイプ ２１…ライトガイド ２２…照明レンズ ２４…対物光学系 ２５…ＣＣＤ ２６…中心軸

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】図１５（特願平４−８４０６６号における
図１９）に示すように、画面内の最暗点を CO 、距離 s
y での等輝度線の円の中心を CP とし、ＣＣＤ面上の座
標のCO に相当する測定座標上（スコープ座標上）の距
離 sy での点を SO とする。なお、 CA, CB は画面内で
の等輝度線上の点、 SA, SB は測定座標上での等輝度線
上の点である。ここで、測定座標上で等輝度線の中心点
SP は距離 sy の所にあることがわかっているので、Ｃ
ＣＤ面上の座標での CP, CO のずれ量 ch からSP の測
定座標上の３次元位置を求めることができる。すなわ
ち、 CP, CO のずれ量 ch から SP-Ｏ-SO のなす角がわ
かり、その角度で出た光線が sy の距離にある y軸と垂
直な平面と交わる点の３次元座標を求めればよい。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一断面を有する長尺部材を観察し、観
   察画像内の情報から前記長尺部材の表面の３次元計測方
   法において、 画面内に想定した長尺部材の異なる位置の２つ以上の断
   面形状から測定用座標を設定するための情報を算出し、
   この測定用座標を前記断面形状に対応して設定し、前記
   長尺部材及び観察光学系の既知の情報を用いて前記画面
   に表示される長尺部材の任意位置に対応する３次元位置
   を計測可能とする３次元計測方法。
2. 【請求項２】 単一断面を有する長尺部材を観察し、観
   察画像内の情報から前記長尺部材の表面の３次元計測を
   行う３次元計測装置において、 画面内に想定した長尺部材の断面の形状と相似な図形を
   ２つ以上画面内にマッチさせるマッチング手段と、 前記断面にマッチングした図形の中心を画像内で求める
   中心点抽出手段と、 前記中心点抽出手段からの２つ以上の座標から測定用の
   座標軸を算出する座標軸算出手段と、 前記長尺部材及び観察光学系の既知の情報を用いて少な
   くとも前記画面に表示される長尺部材の任意位置に対応
   する３次元位置を算出する３次元位置算出手段と、を有
   することを特徴とする３次元計測装置。