JPH07294216A - 長さまたは距離の測定方法と測定用の較正治具 - Google Patents

長さまたは距離の測定方法と測定用の較正治具

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JPH07294216A
JPH07294216A JP9225694A JP9225694A JPH07294216A JP H07294216 A JPH07294216 A JP H07294216A JP 9225694 A JP9225694 A JP 9225694A JP 9225694 A JP9225694 A JP 9225694A JP H07294216 A JPH07294216 A JP H07294216A
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泰康 久保
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 撮像装置による光学的な平面上の長さまたは
距離の測定方法であって、平面部とその平面部に平行な
面に端部を有する脚部とを備えた較正治具(301)を
被測定対象部上に配置し、較正治具の画像上の座標値と
較正治具の既知寸法とから撮像装置光軸に対する被測定
対象部平面の三次元の傾きを求め、この傾きによる較正
で被測定対象部の長さまたは距離を測定する。また、そ
のための較正治具は平面部と放射状脚部とを備えてもい
る。 【効果】 一般的にはカメラ光軸と対象平面とが厳密に
直交していない場合、そのカメラ画像から正確な2点間
の長さを求めることはできないが、これを厳密に直交さ
せることなく、簡易な治具を用いて、光軸に対する対象
平面の角度を計算上の処理によって容易に求め、正確な
2点間の長さを求めることが可能となる。また、較正治
具は、この方法を精度よく実施する上で必要な構成を、
最も簡易な形態で有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、長さまたは距離の測
定方法とそのための較正治具に関するものである。さら
に詳しくは、生産自動化工程、精密計測等において有用
な、非接触で、被測定対象部平面に傾きがある場合にも
精度良く長さまたは距離を測定することのできる光学的
な測定方法と、この方法のための傾き較正用の治具に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、生産自動化工程や精密計測等
においては、各種の被測定対象部の平面上の長さや距離
を非接触で光学的に測定する方法とそのための装置が採
用されてきている。これらの従来の方法では、CCDカ
メラ等の撮像装置を用いて得られる二次元画像の画像処
理によって所定の対象部の寸法等の二点間の長さや距離
が測定されている。
【0003】しかしながら、この光学的な長さまたは距
離の測定方法では、たとえば図1に示したように、カメ
ラ(101)により対象物設置台(103)上の対象物
設置面(104)での二点間の長さや距離を測定する場
合、カメラ光軸(102)と撮像対象平面、すなわち合
焦点(105)とが直交しない時には正確な測定結果が
得られないという問題がある。殊に、図1に示したよう
に、設置面(104)と測定対象平面(合焦面)(10
5)が同一でなく、カメラ(101)から見て奥行き方
向にズレがある長さや距離の測定は難しく、複雑な対応
が必要とされている。
【0004】図2に示したように、カメラ(201)の
カメラ光軸(202)に対して、対象物設置台(20
3)上の設置面(204)、そして対象平面(合焦点)
(205)とが直交する場合には、たとえカメラ(20
1)から見て奥行き方向にズレがあっても長さや距離の
測定には上記のような問題は生じない。そこで、従来の
方法においては、図1に例示したように、対象平面(合
焦点)がカメラ光軸に対して傾きを持つ場合には、水準
器等を用いてカメラ(101)と対象平面(合焦面)の
水平を出すなどの方法によって、絶対的に直交性を確保
するようにしていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の方法の場合には、水準器等による絶対的直交性の
確保にはその調整のための機構が複雑化し、その調整そ
のものにも多くの労力が必要になるという欠点があっ
た。そして、対象とする平面周辺の構造が複雑に込み入
っており、水準器が使えないなど、その平面の水平を容
易に計り知れない場合には、従来技術のみでは正確に調
整できないという問題があった。
【0006】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであって、従来技術の欠点を解消し、カメラ
光軸と対象部平面とが厳密に直交していなくとも、光軸
に対する対象部平面の傾きを求め、この傾きを較正因子
とすることで平面上の二点間の長さや距離を正確に、か
つ容易に測定することのできる新しい測定方法とそのた
めの較正治具と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】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、撮像装置による光学的な平面上
の長さまたは距離の測定方法であって、平面部とその脚
部とを備えた較正治具を被測定対象部上に配置し、較正
治具の平面部の基準点と、脚部端点の画像上の座標値を
読み取り、この座標値と較正治具の既知寸法とから撮像
装置光軸に対する被測定対象部平面の三次元の傾きを求
め、この傾きによる較正で被測定対象部の長さまたは距
離を測定することを特徴とする長さまたは距離の測定方
法を提供する。
【0008】また、この発明は、撮像装置による光学的
な長さまたは距離の測定用の較正治具であって、平面部
と、その脚部とを備え、被測定対象部平面上に配置さ
れ、その画像上の座標値と治具の既知寸法とから被測定
対象部平面の三次元の傾きが求められることを特徴とす
る長さまたは距離測定用の較正治具をも提供する。
【0009】
【作用】この発明の測定方法では、上記の通りの手段に
よってカメラ光軸と対象部平面とのなす傾き角度を求
め、平面方程式によって対象部の長さまたは距離を光学
的に測定する。より詳しくは、この発明の方法では、上
記の較正治具を被測定対象物の置かれる平面上に載置
し、CCDカメラ等の撮像装置によって撮像し、カメラ
画像上の較正治具の特定点の座標値を読み取り、この座
標値と治具各部の既知寸法と撮像装置や治具を含む系の
寸法から幾何的な計算処理により平面の三次元の傾きを
求め、さらに、対象部の長さまたは距離のカメラ画像上
の座標値から、傾き較正を行って真の長さまたは距離を
求める。
【0010】この場合の較正治具は、好適には、その平
面部に基準となる特定点を有し、この点を中心に、放射
状に設けた少くとも三つの脚部の既知の長さの位置に少
くとも別の3点を設定し、それらの座標値を読み取るこ
とができるようにしている。そして、これらの少くとも
3点は、治具の置かれている平面に平行な平面位置上に
あるものとする。
【0011】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明の方法等について説明する。
【0012】
【実施例】実施例1 図3は、この発明の方法の概要を例示したものである。
カメラ光軸をZ軸にとり、点Cを主点位置とする。カメ
ラは見かけ上この点Cから撮像することになり、点Cよ
り放射状に描かれる直線上の各点はカメラからみて同一
点に見える。較正治具(301)はその中心点Co′の
ある平面をZ=0の平面とする。またカメラはZ=Zn
の平面に合焦しており、被写界深度は十分あるものとす
る。Coはカメラ側から見たCo′の合焦面への投影で
あり、カメラ画像上の座標値として観測できるのはCo
である。Qi(i=1,2,3)は較正治具(301)
の各一端であり、Pi(i=1,2,3)はQiの合焦
面へのカメラ面からみた投影である。従って、カメラ画
像上で観測できるのは、Piのみである。
【0013】図4は、図3に示した3次元表現の系を、
ある断面によって2次元表現で示したものである。Ri
(i=1,2,3)は、Co′とQiとの距離であり、
実測による既知量である。空間上のCo′座標は、上記
の主点Cと投影面上の中心点Coとの直線と、平面Z=
0との交点として以下の方法で求められる。
【0014】すなわち、検出点座標(中心点)Co(X
0,Y0,Z0)、空間上の真の座標Co′(α,β,
0)とすると、直線の式:
【0015】
【数1】
【0016】であるから、Co′を代入して
【0017】
【数2】
【0018】となる。従って、
【0019】
【数3】
【0020】が求められる。次に、画像上の座標値よ
り、空間上の治具端点Qiを主点Cと、投影面上の治具
端点Piとによる直線と、上記の既知量距離Riを半径
としCo′を中心とする球との交点として以下の方法で
求める。この場合、空間上の中心座標Co′(α,β,
0)、C(CX,CY,CZ)、Pi(Xi,Yi,Z
i)とする。
【0021】
【数4】
【0022】CとPiとの直線の式より
【0023】
【数5】
【0024】となるので、これを上記の球の式に代入し
【0025】
【数6】
【0026】を導く。従って、
【0027】
【数7】
【0028】において、tiの2次元の係数をAti2
+2・Bti+C=0とおくと、
【0029】
【数8】
【0030】となる。この値を前述のC,Piの直線の
式に代入すると、空間上の治具端点座標Qiを得ること
ができる。次に、ここで得た3点Qi(i=1,2,
3)を含む平面方程式を以下の方法で求める。
【0031】すなわち、まず、治具端点座標をQr(X
qn,Yqn,Zqn)とおく。(n=1〜3) また、平面の法線ベクトルを(a,b,c)とおくと、
平面の式より次式が成り立つ。
【0032】
【数9】
【0033】従って、順次、次の式が導かれる。
【0034】
【数10】
【0035】ここで、a=1としている。上記(1)に
この結果を代入すると次式によって、主点Cが求まる。
【0036】
【数11】
【0037】また、次式によって、dが求まる。
【0038】
【数12】
【0039】次に、長さを求めるべき2つの観測点の内
の一端の、空間上の座標を求める。まず、平面の方程式
をax+by+cz+d=0、観測点PRを(XR,Y
R,ZR)とすると、
【0040】
【数13】
【0041】が導かれる。従って、次式の通り表わすこ
とができる。
【0042】
【数14】
【0043】この点が平面上にあることから、順次、次
の式が導かれる。
【0044】
【数15】
【0045】これを前述の直線の式に代入して、空間上
の座標(XR′,YR′,ZR′)を得る。同様の手段
によって、長さを求めるべき3つの観測点の内のもう一
端の、空間上の座標を求め、これを(X″,Y″,
Z″)とする。この時、求める空間上の長さLは、次式
によって求められる。
【0046】
【数16】
【0047】以上のように、カメラ光軸と対象平面とが
厳密に直交していなくても、光軸に対する対象平面の方
程式を計算上の処理によって容易に求め、これを用いて
正確な2点間の長さを求めることが可能となる。なお、
図5は、上記測定方法において、較正治具の配置例を示
した側断面図である。たとえば、この図5に例示したよ
うに、対象物設置台(501)上の設置面(502)で
の長さもしくは距離を測定するに際し、その上に較正治
具(503)を配置する。この較正治具は、平面部(5
04)と脚部(505)とを有してもいる。
【0048】この治具を用いる上記方法によって、水準
器等の特別な手段や複雑な調整法を採用することなし
に、簡便にしかも正確に、傾きのある平面上の長さや距
離の測定が可能となる。実施例2 図6(a)(b)(c)は、この発明に用いる較正治具
を例示したものである。たとえば、この図5に例示した
ように、この治具は、治具が被測定対象部平面に設置さ
れる平面設置面(601)に1つの基軸点として中心点
Co′を持ち、その設置面(601)のカメラ光軸に対
する傾きを求めるために3つの脚部(602)とその端
点(603)を有している。これら3つの脚部端点(6
03)は、設置面の基準点Co′に対して120°方向
に放射状に離れているのが精度を確保する上で好まし
い。また、これら3点を含む平面は、設置面と平行であ
る必要がある。
【0049】また、本治具を利用する上で、設置面上の
基準点と3つの各端点との長さRiは、既知量として扱
うため、あらかじめ求めておく必要がある。以上の較正
治具により、実施例1にも説明した通り、カメラ光軸と
対象平面とが厳密に直交していなくても、光軸に対する
対象平面の角度を計算上の処理によって求め、簡便、か
つ正確に、長さもしくは距離の測定が可能となる。
【0050】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、一般的には
カメラ光軸と対象平面とが厳密に直交していない場合、
そのカメラ画像から正確な2点間の長さを求めることは
できないが、この発明の方法によれば、これを厳密に直
交させることなく、簡易な治具を用いて、光軸に対する
対象平面の角度を計算上の処理によって容易に求め、正
確な2点間の長さを求めることが可能となる。
【0051】また、この発明の較正治具は、上記測定方
法を精度よく実施する上で必要な構成を、最も簡易な形
態で有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来方法の問題点を説明するための測定系の概
要図である。
【図2】カメラ光軸と対象平面とが直交する場合を示し
た測定系の概要図である。
【図3】この発明の測定方法を示した概要図である。
【図4】図3に対応する側断面図である。
【図5】較正治具の配置を例示した側断面図である。
【図6】(a)(b)(c)は、各々、この発明の較正
治具を例示した平面図、正面図および斜視図である。
【符号の説明】
101、201 カメラ 102、202 カメラ光軸 103、203 設置台 104、204 設置面 105、205 撮像対象平面(合焦面) 301 較正治具 501 設置台 502 設置面 503 較正治具 504 平面部 505 脚部 601 平面設置面 602 脚部 603 脚部端点

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撮像装置による光学的な平面上の長さま
    たは距離の測定方法であって、平面部とその脚部とを備
    えた較正治具を被測定対象部上に配置し、較正治具の平
    面部の基準点と、脚部端点の画像上の座標値を読み取
    り、この座標値と較正治具の既知寸法とから撮像装置光
    軸に対する被測定対象部平面の三次元の傾きを求め、こ
    の傾きによる較正で被測定対象部の長さまたは距離を測
    定することを特徴とする長さまたは距離の測定方法。
  2. 【請求項2】 撮像装置による光学的な長さまたは距離
    の測定用の較正治具であって、平面部と、その脚部とを
    備え、被測定対象部平面上に配置され、その画像上の座
    標値と治具の既知寸法とから被測定対象部平面の三次元
    の傾きが求められることを特徴とする長さまたは距離測
    定用の較正治具。
  3. 【請求項3】 脚部が三本備えられている請求項2の較
    正治具。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009121900A (ja) * 2007-11-14 2009-06-04 Seiko Instruments Inc 寸法測定装置、及びワーク製造方法
JP2009172718A (ja) * 2008-01-24 2009-08-06 Canon Inc 作業装置及びその校正方法

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JP2009121900A (ja) * 2007-11-14 2009-06-04 Seiko Instruments Inc 寸法測定装置、及びワーク製造方法
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