JPH0875430A - 形状計測装置 - Google Patents

形状計測装置

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JPH0875430A
JPH0875430A JP6242031A JP24203194A JPH0875430A JP H0875430 A JPH0875430 A JP H0875430A JP 6242031 A JP6242031 A JP 6242031A JP 24203194 A JP24203194 A JP 24203194A JP H0875430 A JPH0875430 A JP H0875430A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 必要なメモリ容量を減少するとともに、高さ
の値を予め格納したメモリを備えることにより計測時間
を短縮した形状計測装置を提供すること。 【構成】 レーザ光源1と、偏向照射装置3と、撮像手
段6とを有する形状計測装置において、二値化手段12
により二値化された撮像データを空間コードデータとし
て記憶する記憶手段14と、二値化手段12から新たに
提供されるデータと記憶手段14に既に記憶されている
データとの論理演算により記憶手段14を更新する更新
手段13とを設けた。また、全ての空間コードデータと
全ての座標データとに対応する高さの値を予め格納した
変換手段16を設け、形状計測を高速化した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、計測対象物の三次元形
状を光学的手段を用いて非接触で計測する形状計測装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、代表的な光学的形状計測方法の一
つとして空間コード化法が知られている。空間コード化
法は、計測機側に投光装置を有し、投光した光の計測対
象による反射光を計測する能動的計測法の一つである。
空間コード化法による形状計測装置の一例として、特開
平5−332737号公報に開示されているものを図3
を参照して説明する。図3の形状計測装置は、レーザ光
源1と、レーザ光をスリット形に整形するレンズ系2
と、整形されたレーザ光を計測対象物Qに向けて照射す
る偏向照射装置3と、計測対象物Qによる反射光を検出
するCCDカメラ6と、これらを制御するコントロール
部82とを有している。更に、CCDカメラ6の撮像デ
ータを二値化する二値化回路83、二値化したデータを
空間コードデータとして格納する第1メモリ84乃至第
4メモリ87等を介して演算処理部に接続されている。
【0003】レーザ光源1のレーザ光が、偏向照射装置
3によりある偏向角で照射されると、計測対象物Qの表
面には、レーザ光が照射された部分と照射されなかった
部分との縞模様が生ずる。CCDカメラ6では、この縞
模様を画像データとして取り込む。二値化回路83で
は、この画像データを二値化する。二値化されたデータ
は第1メモリ84乃至第4メモリ87のいずれかに格納
される。セレクタ88は、どのメモリに格納するかを選
択するものである。
【0004】かかる第1メモリ84乃至第4メモリ87
に格納された空間コードデータとCCDカメラ6の撮像
面上の位置に基づく座標データとにより、三角測量の原
理を利用して各画素に対応する計測対象物Q上の点の高
さ座標が算出される。これを種々の偏向角にて行うこと
により、計測対象物Qの形状が計測される。具体的に
は、CCDカメラ6の1フレーム分の撮像時間内に計測
対象物Q全体がカバーされるように偏向照射装置3を走
査する一方、レーザ光源1を所定の規則で点滅させ、こ
れを異なる点滅規則で複数フレーム行うことにより実行
される。このように複数フレーム分の画像データをフレ
ームごとに取り込むために、第1メモリ84乃至第4メ
モリ87という複数のメモリを設けているのである。
【0005】三角測量法による高さ座標の算出につい
て、図2を参照して説明する。レーザ光源1のレーザ光
は、偏向照射装置3により反射されて計測対象物Qに照
射される。そして、計測対象物Qにより反射された光
は、CCDカメラ6に撮像される。ここで、図中に示す
ように、レーザ光源1の測定基準面(CCDカメラ6の
光軸に垂直な面)からの高さをhl、偏向角度をθ、計測
対象物Qのレーザ照射照射位置の高さをz、CCDカメ
ラ6の対物レンズ7の測定基準面からの高さをhc、対物
レンズ7の焦点距離をf、CCDカメラ6の光軸の基準
点Oからの基準面上の距離をl、CCDカメラ6の感光
面8上の受光した画素位置をx、とする。
【0006】このとき、高さzは、 z = {x・hc−f(l−hl・tanθ)}/(x+f・tanθ) (1) で表すことができる。ここで、hc、f、l、hlはいずれ
も既知であるので、xとθとがわかればzが算出され
る。xは画像データを二値化して得た座標データから、
θは偏向照射装置3の駆動信号から求められる。かかる
演算処理は、コントロール部82の演算装置において、
ソフトウェア上で行われる。なお、y方向の座標は図2
中には現れないが、CCDカメラ6のy方向の画素位置
から直接導出される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の形状計測には以下の問題点があった。第1に、二値
化した画像データを記憶するためのメモリの容量の問題
がある。即ち、形状計測の精度を確保するためには空間
コードとしての分解能を高める必要があり、そのために
は多数のパターンで測定する必要があるので、CCDカ
メラ6の撮像フレーム数も多くなる。従来は、1フレー
ムごとに1つのメモリを使用していたので、必要なメモ
リの数が多かった。図3のものでは4つ設けているが、
計測精度向上のためにフレーム数を増やそうとすれば更
に多数のメモリが必要となる。
【0008】第2に、形状測定の所要時間の問題があ
る。即ち従来は、z等の算出を各x及び各θについて各
別にソフトウェア上で行っていたために、形状測定の所
要時間が長かった。例えば、CCDカメラ6の画素数が
512×256セルである場合に、パーソナルコンピュ
ータのような汎用演算手段を用いて行うと、約4分を要
する。この所要時間は、データの二値化の計算手法その
他の因子により若干の影響を受けるが、パーソナルコン
ピュータを使う限り4分前後であり大きくは変わらな
い。従って、現在実用化されているレンジファインダシ
ステムと比較してかなり遅く、ロボットの視覚システム
への適用には到底不十分である。パーソナルコンピュー
タの替わりにワークステーション等の高級機器を用いて
も約40秒前後まで短縮できるにすぎず、なお不十分で
ある。
【0009】また、高速演算用の専用MPU、専用CP
U、DSP等を使用して演算を行ったとしても、この方
式での画像取り込みに要する時間内には512×256
セル分の演算は完了しない。この方式での画像取り込み
には、わずか0.15秒しか要しないからである。この
0.15秒とは、1/60秒×9画面分の時間のことで
ある。1/60秒は、NTSC規格での垂直周波数に対
応して定まる1画面分の取り込み時間である。9画面と
は、第1メモリ84乃至第4メモリ87のうち1つにデ
ータを格納する1画面分と、8ビット分の空間コードデ
ータを作成するための8画面分との合計9画面である。
【0010】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、複数フレーム分の空間コードデータを1つのメモリ
に記憶することにより必要なメモリ容量を減少するとと
もに、各x及び各θについて対応するzの値を予め格納
したメモリを備えることにより必要な演算の量を減少
し、計測時間を短縮した形状計測装置を提供することに
ある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の形状計測装置(1)は、レーザ光を発生するレ
ーザ光源と、前記レーザ光を被測定面に置いた被測定物
体に向けて偏向走査する偏向照射装置と、前記レーザ光
の照射により被測定物体の表面に生じる映像を撮像する
撮像手段とを有する形状計測装置であって、前記撮像手
段による撮像データを二値化する二値化手段と、前記二
値化手段により二値化されたデータを空間コードデータ
として記憶する記憶手段と、前記二値化手段から新たに
提供されるデータと前記記憶手段に既に記憶されている
データとの論理演算により前記記憶手段を更新する更新
手段と、前記撮像手段の撮像面上の位置に基づき座標デ
ータを発生する座標データ発生手段と、前記空間コード
データと前記座標データとに基づき高さの値を算出する
演算手段とを有することを特徴とする構成とされる。
【0012】また、本発明の形状計測装置(2)は、レ
ーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光を被測定
面に置いた被測定物体に向けて偏向走査する偏向照射装
置と、前記レーザ光の照射により被測定物体の表面に生
じる映像を撮像する撮像手段とを有する形状計測装置で
あって、前記撮像手段による撮像データを二値化する二
値化手段と、前記二値化手段により二値化されたデータ
を空間コードデータとして記憶する記憶手段と、前記撮
像手段の撮像面上の位置に基づき座標データを発生する
座標データ発生手段と、全ての空間コードデータと全て
の座標データとに対応する高さの値を予め格納した変換
手段とを有し、前記空間コードデータと前記座標データ
とに基づき高さの値を前記変換手段から読み出すことに
より被測定物体の形状を算出することを特徴とする構成
とされる。
【0013】また、本発明の形状計測装置(3)は、
(2)の形状計測装置であって、前記二値化手段から新
たに提供されるデータと前記記憶手段に既に記憶されて
いるデータとの論理演算により前記記憶手段を更新する
更新手段を有することを特徴とする構成とされる。
【0014】
【作用】前記の構成を有する本発明の形状計測装置
(1)では、レーザ光源が発生するレーザ光が、偏向照
射装置により被測定物体に向けて偏向走査して照射され
る。これにより被測定物体の表面に生ずる映像が撮像手
段により撮像され、そのデータは二値化手段により二値
化され、記憶手段に空間コードデータとして記憶され
る。撮像手段による次フレームの撮像がなされると、更
新手段が、二値化手段により新たに二値化されたデータ
と記憶手段に既に記憶されているデータとの論理演算に
より記憶手段を更新する。そして、撮像手段の撮像面上
の位置に基づき座標データ発生手段が座標データを発生
し、かかる空間コードデータと座標データとに基づき演
算手段が高さの値を算出する。
【0015】また、本発明の形状計測装置(2)では、
レーザ光源が発生するレーザ光が、偏向照射装置により
被測定物体に向けて偏向走査して照射される。これによ
り被測定物体の表面に生ずる映像が撮像手段により撮像
され、そのデータは二値化手段により二値化され、記憶
手段に空間コードデータとして記憶される。そして、撮
像手段の撮像面上の位置に基づき座標データ発生手段が
座標データを発生し、かかる空間コードデータと座標デ
ータとに基づき対応する高さの値が変換手段から読み出
される。そして本発明の形状計測装置(3)では、撮像
手段による次フレームの撮像がなされると、更新手段
が、二値化手段により新たに二値化されたデータと記憶
手段に既に記憶されているデータとの論理演算により記
憶手段を更新する。
【0016】
【実施例】以下、本発明の形状計測装置を具体化した一
実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図1に、
本実施例に係る形状計測装置の概略構成を示す。図1に
示す形状計測装置は、レーザ光を発生するレーザ光源1
と、レーザ光源1が発生するレーザ光をスリット形に整
形するレンズ系2と、スリット形に整形されたレーザ光
を偏向して被測定物Q上を走査するように照射させる偏
向照射装置3と、被測定物Q上に照射されるレーザ光4
の像を撮像するCCDカメラ6と、これらを制御するコ
ントロール部5と、A/D変換器10等のデータ処理系
とを有している。
【0017】レーザ光源1は、半導体レーザ、気体レー
ザ、固体レーザ、液体レーザ等公知のレーザ光源であれ
ば何でもよいが、装置の小形化及び高速スイッチングが
可能であることという観点から半導体レーザが最も適し
ている。偏向照射装置3は、レンズ系2でスリット形に
整形されたレーザ光を被測定物Qに向けて反射するもの
であり、揺動または回転運動して反射光4を偏向走査
し、被測定物Q上を走査する機能を有している。かかる
機能を有する偏向照射装置3としては、公知のガルバノ
ミラーやポリゴンミラー等が考えられる。
【0018】A/D変換器10は、CCDカメラ6の撮
像データをデジタル化するものである。比較メモリ11
は、デジタル化した撮像データを二値化するためのスレ
ッシュホルドレベルを格納するためのものである。この
スレッシュホルドは、レーザ照射のオンオフを反転した
ネガパターンを取ること、レーザの発光強度を通常の半
分とした全照射パターンをとること、レーザの全照射パ
ターンを撮像して輝度値を半分としたパターンを取り込
むこと、のいずれかにより得られる。そして、A/D変
換器10から得られるデジタルデータと比較メモリ11
に格納されたスレッシュホルドとを比較するデジタルコ
ンパレータ12が設けられている。デジタルコンパレー
タ12により、二値化された画像データが得られる。
【0019】デジタルコンパレータ12の先には、ビッ
トスワッパ13と空間メモリ14とが設けられている。
空間メモリ14は、デジタルコンパレータ12により二
値化された画像データを空間コードデータとしてストア
するものである。ここでビットスワッパ13は、空間メ
モリ14に既にストアされているデータと、デジタルコ
ンパレータ12から提供された新たなデータとの間で、
任意のビット位置に対してデータ交換する機能を有して
いる。かかる機能により、空間メモリ14には複数フレ
ーム分の空間コードデータがストアされることとなる。
変換メモリ16は、図2のx及びθの全ての値に対する
zの値を予め格納したメモリである。後述するようにx
及びθの値を入力されると、対応するzの値を読み出せ
るようになっている。デコーダ15は、このための座標
データ(x)に対応する値をCCDカメラ6の撮像面上
の位置に基づき供給するものである。
【0020】次に、前記構成を有する形状計測装置の作
用を説明する。偏向照射装置3は、CCDカメラ6にお
ける1フレーム分の撮像時間内に測定範囲全体をカバー
するように偏向走査する。そしてレーザ光源1は、所定
の規則に従って点滅する。かくして、被測定物Qの表面
上には、いくつかの偏向角θに対応する光帯が投影され
明暗のストライプパターンを生じる。このストライプパ
ターンが被測定物Qの形状を反映して歪むことから形状
計測が可能となるものである。CCDカメラ6は、この
ストライプパターンを撮像する。CCDカメラ6の撮像
データはA/D変換器10によりデジタル化され、そし
てデジタルコンパレータ12によりスレッシュホルドと
比較されて二値化される。スレッシュホルドは前記のよ
うに、オンオフ反転によるネガパターン、強度パター
ン、又は半輝度パターンにより予め作成され比較メモリ
11に格納されている。
【0021】二値化されたデータは、ビットスワッパ1
3を介して空間メモリ14に空間コードデータとしてス
トアされる。CCDカメラ6の最初の撮像フレームのデ
ータは、そのまま空間メモリ14に記憶されるが、2回
目以後は、ビットスワッパ13の論理演算が働く。ビッ
トスワッパ13は、デジタルコンパレータ12から新た
に二値化データが供給されると、空間メモリ14の対応
するアドレスの部分を新たに供給されたデータにより上
書きして更新する。具体的には、空間メモリ14の更新
する部分について、既に記憶されているデータとゼロデ
ータとのアンド演算をとり、その結果と新たに供給され
たデータとのオア演算をとることにより更新がなされ
る。かくして空間メモリ14にストアされたデータは、
偏向照射装置3での偏向角に対応する情報を含んでお
り、空間コードデータとして使用される。
【0022】そして、空間メモリ14にストアされた空
間コードデータ(θ)とデコーダ15から提供される座
標データ(x)とをアドレスとして、変換メモリ16か
ら計測対象物Qの高さzの値が読み出される。変換メモ
リ16には、全てのxと全てのθとに対応する、三角測
量法によるzの算出値が予め格納されているからであ
る。従って、計測時にソフトウェア上での演算処理を行
うことなくハードウェア手段のみで短時間に測定するこ
とができる。具体的には、パソコン等によりソフトウェ
ア処理した場合に約4分を要する測定を、本実施例では
0.15秒以内に実行することができる。これは、他の
レンジファインダシステムと比較して十分に高速であ
る。
【0023】変換メモリ16に格納される高さ座標デー
タの三角測量法による算出について、図2を参照して説
明する。図中に示すように、レーザ光源1の測定基準面
(CCDカメラ6の光軸に垂直な面)からの高さをhl、
偏向角度をθ、計測対象物Qのレーザ照射照射位置の高
さをz、CCDカメラ6の対物レンズ7の測定基準面か
らの高さをhc、対物レンズ7の焦点距離をf、CCDカ
メラ6の光軸の基準点Oからの基準面上の距離をl、C
CDカメラ6の感光面8上の受光した画素位置をx、と
する。
【0024】このとき、高さzは、 z = {x・hc−f(l−hl・tanθ)}/(x+f・tanθ) (1) で表すことができる。図2より、hc、f、l、hlはいず
れも計測対象物Qと無関係な固定値であることがわか
る。即ち、xとθとがわかれば(1)式よりzが算出さ
れる。従って、各xについて対応するθの値が判明すれ
ば計測対象物Qの形状が得られることになる。xは、前
記のようにCCDカメラ6において撮像された位置であ
り、θはそのときの偏向照射装置3からの照射角であ
る。
【0025】ここで、xはCCDカメラ6における撮像
位置であるから、CCDカメラ6のx方向の画素数が仮
に512であれば512種類の値を持つことになる。こ
れはCCDカメラ6における画素配列の番号と1対1で
対応がつけられる。次にθは、複数のレーザ照射の点滅
パターンにより空間コードとして得られるデータと1対
1で対応づけできる。例えば8桁のグレイコードパター
ンを用いれば、256種類のコードが得られる。
【0026】従って、x、θの値の種類はともに有限個
(この例ではxが512種類、θが256種類)に限ら
れるので、全てのx及びθについてzの値を予め求めて
おくことができ、そうすれば(1)式の計算を計測時に
いちいち行う必要はない。そこでこの形状計測装置で
は、予め求めたzの値をテーブルとして保持することに
より、求めるzの値を瞬時に得られるようにしているの
である。なお、y方向の座標は図2中には現れないが、
CCDカメラ6のy方向の画素位置から直接導出され
る。
【0027】以上詳細に説明したように、本実施例の形
状計測装置においては、ビットスワッパ13を設け、デ
ジタルコンパレータ12から新たに提供された二値化デ
ータと空間メモリ14に既に格納されているデータとの
論理演算により空間メモリ14を更新するようにしたの
で、空間メモリを多数個設ける必要がない。また、変換
メモリ16を設け、全てのx及びθについてのzの値を
予め格納したので、計測対象物Qを計測する際に変換メ
モリ16から値を読み出すことで足り、実際の演算処理
をソフトウェア上で実行する必要がなく、従って測定時
間が短い。従って、ロボットの視覚システム等への適用
も可能な高速形状計測装置を、少ないメモリ容量により
実現することができるものである。尚、前記実施例は本
発明を何ら限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱
しない範囲にいて種々の変形・改良が可能であることは
もちろんである。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状計測
装置によれば、二値化手段が二値化した画像データを記
憶する記憶手段の他、二値化手段から新たに提供される
データと記憶手段に既に記憶されているデータとの論理
演算により記憶手段を更新する更新手段を設けたので、
1フレーム分の記憶手段をもって複数フレーム分のデー
タの格納に充てることができ、必要なメモリ容量が減少
される。また、全ての空間コードデータと全ての座標デ
ータとに対応する高さの値を予め格納した変換手段を設
けたので、ソフトウェア上で三角測量法に基づく演算処
理を行うことなくハードウェア処理で値を読み出すこと
ができ、形状計測を著しく高速で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る形状計測装置の構成を示す図で
ある。
【図2】三角測量法による座標の算出を説明する概念図
である。
【図3】従来の形状計測装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源 3 偏向照射装置 6 CCDカメラ 10 A/D変換器 11 比較メモリ 12 デジタルコンパレータ 13 ビットスワッパ 14 空間メモリ 15 デコーダ 16 変換メモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石榑 克範 愛知県小牧市大字北外山字早崎3005番地 シーケーディ株式会社内 (72)発明者 佐藤 幸男 名古屋市千種区観月町1丁目29番地

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光を発生するレーザ光源と、前記
    レーザ光を被測定面に置いた被測定物体に向けて偏向走
    査する偏向照射装置と、前記レーザ光の照射により被測
    定物体の表面に生じる映像を撮像する撮像手段とを有す
    る形状計測装置において、 前記撮像手段による撮像データを二値化する二値化手段
    と、 前記二値化手段により二値化されたデータを空間コード
    データとして記憶する記憶手段と、 前記二値化手段から新たに提供されるデータと前記記憶
    手段に既に記憶されているデータとの論理演算により前
    記記憶手段を更新する更新手段と、 前記撮像手段の撮像面上の位置に基づき座標データを発
    生する座標データ発生手段と、 前記空間コードデータと前記座標データとに基づき高さ
    の値を算出する演算手段とを有することを特徴とする形
    状計測装置。
  2. 【請求項2】 レーザ光を発生するレーザ光源と、前記
    レーザ光を被測定面に置いた被測定物体に向けて偏向走
    査する偏向照射装置と、前記レーザ光の照射により被測
    定物体の表面に生じる映像を撮像する撮像手段とを有す
    る形状計測装置において、 前記撮像手段による撮像データを二値化する二値化手段
    と、 前記二値化手段により二値化されたデータを空間コード
    データとして記憶する記憶手段と、 前記撮像手段の撮像面上の位置に基づき座標データを発
    生する座標データ発生手段と、 全ての空間コードデータと全ての座標データとに対応す
    る高さの値を予め格納した変換手段とを有し、 前記空間コードデータと前記座標データとに基づき高さ
    の値を前記変換手段から読み出すことにより被測定物体
    の形状を算出することを特徴とする形状計測装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載する形状計測装置におい
    て、 前記二値化手段から新たに提供されるデータと前記記憶
    手段に既に記憶されているデータとの論理演算により前
    記記憶手段を更新する更新手段を有することを特徴とす
    る形状計測装置。
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