JPH10221066A - ステレオ法による３次元位置計測装置及びその計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高精度で、かつ、簡単な３次元位置測定が可
能なステレオ法による３次元位置計測装置及びその計測
方法を提供する。 【解決手段】 複数の撮像装置により撮像した画像デー
タを入力し、この画像データの画像処理により撮像装置
内のモニタ座標系での各パターンに対応する複数点の座
標値を算出し、各離間位置でのプレートに対応するモニ
タ座標系内の複数点により形成される各曲面を近似する
曲面多項式を前記算出された座標値に基づいて求め、各
離間位置に対応した曲面多項式の各係数を記憶し、実際
の位置計測時には、測定点７のモニタ座標系内の座標値
を算出し、この座標値と、上記記憶された各係数による
複数の曲面の内でモニタ座標系内の測定点７をはさんだ
両側の曲面との位置関係に基づいて、補間により測定点
７のワールド座標位置を算出して計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステレオ法による
３次元計測装置の位置計算方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の３次元的な位置を計測する、いわ
ゆる３次元計測装置においては、従来からステレオ法が
多く採用されている。このステレオ法による位置計測
は、複数の撮像装置により計測対象物を異なる方向から
撮像し、これらの撮像データに基づいて３次元の位置座
標データを求めるものである。

【０００３】ステレオ法による計測方法の一つとして、
上記複数の撮像装置に関する位置関係、例えば互いのレ
ンズ光軸の成す角度等に基づいて、撮像画面上の位置デ
ータから対象物の位置を求める方法がある。例えば、特
開昭６２−１６２９１２号公報には、２台の撮像装置を
レンズの光軸が基準面上で所定角度θで交差するように
配設し、基準面上に設置された計測対象物をこの２台の
撮像装置で撮像し、第１の撮像装置の撮像結果を基準と
して第２の撮像装置の撮像結果より計測対象物の所定点
Ｐの変位を知り、この変位に基づいて上記所定点Ｐの前
記基準面からの高さを求めることができる高さ測定装置
が開示されている。すなわち、第１の撮像装置の画像上
で所定点Ｐが位置Ｘ1 に撮像され、第２の撮像装置の画
像上で所定点Ｐが位置Ｘ2 に撮像されたとすると、所定
点Ｐの高さＨは、例えば数式「Ｈ＝（Ｘ2 −Ｘ1 ）／si
n θ」によって求められる。

【０００４】また、ステレオ法による他の計測方法とし
て、撮像した画像上での座標（モニタ座標と呼ぶ）位置
と測定対象物の実際に計測したい座標（ワールド座標と
呼ぶ）位置との所定の関係から、対象物の測定位置を算
出して求める方法がある。これは、予め、ワールド座標
系内の位置が明確な複数の特定点の座標と、この複数の
特定点を撮像した点のモニタ座標上の座標との対応を求
めておき、測定対象物の計測点の実際のモニタ座標値と
上記各特定点に対応する点のモニタ座標値との位置関係
から、上記計測点のワールド座標上の座標を算出するも
のである。したがって、算出した座標の正確さは、上記
予め対応させる特定点の数の多さ、つまり特定点同士の
間隔の細かさによって左右されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記特開昭６２−１６
２９１２号公報に開示されたステレオ法による位置（高
さ）測定方法においては、３次元の位置座標を正確に求
めるために、予め前記複数の撮像装置に関する位置関係
を正確に求めておく必要がある。逆に言うと、この位置
関係の正確さがステレオ法による位置測定結果の精度に
大きく影響することになる。通常、この位置関係は設計
値及び計測値によって算出されたり、キャリブレーショ
ンによって算出されたりしている。しかしながら、この
撮像装置のワールド座標系における位置関係を求めるキ
ャリブレーション方法や測定方法は精密さが要求される
ために非常に困難となっている。この結果、このキャリ
ブレーション等の作業性が悪く、また精度の良い位置関
係が得られ難いという問題がある。

【０００６】また、前記のようなワールド座標系内の特
定点の座標と、この特定点を撮像した点のモニタ座標上
の座標との対応を予め求めておく方法においては、この
方法により算出した座標の正確さは上記特定点同士の間
隔の細かさによって左右されるので、非常に多くの特定
点に関する情報が必要になる。したがって、多大な情報
量を記憶するために非常に大容量のメモリ装置が必要と
なってコストアップを招くことになると共に、実際に位
置測定を行う時に画像処理等のコンピュータの計算時間
がかかり過ぎるという問題も生じている。

【０００７】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、高精度で、かつ、簡単な３次元位置測定
が可能なステレオ法による３次元位置計測装置及びその
計測方法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、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レンズ
の光軸を互いに異なる方向に設置した複数の撮像装置
１、２を備え、ワールド座標系内に設置された測定対象
物をこの複数の撮像装置１、２で撮像した画像データを
画像処理して測定点７の撮像装置内のモニタ座標系での
位置を求め、このモニタ座標位置に基づいて測定点７の
ワールド座標系内の位置を計測するステレオ法による３
次元位置計測装置において、予め、複数のパターン９ａ
がワールド座標系内の所定位置に描かれたキャリブレー
ションプレート９が所定距離ずつ離間した複数の位置に
設置されたとき、このキャリブレーションプレート９の
各離間位置毎に、前記複数の撮像装置１、２でキャリブ
レーションプレート９を撮像した画像データを入力し、
この画像上の上記各パターン９ａに対応する複数点の位
置からモニタ座標系内のこの複数点の座標値を算出し、
前記各離間位置でのキャリブレーションプレート９に対
応するモニタ座標系内の上記複数点により形成される曲
面１１を近似する曲面多項式を前記算出された座標値に
基づいて求め、各離間位置に対応した曲面多項式の各係
数を記憶し、この後実際の測定対象物の位置計測時に
は、画像上の測定点７の位置からモニタ座標系内の測定
点７の座標値を算出し、この算出された座標値と、上記
記憶された複数の曲面多項式の各係数による複数の曲面
１１の内でモニタ座標系内の測定点７をはさんだ両側の
曲面１１との位置関係に基づいて、補間によって測定点
７のワールド座標系の位置を算出して計測する画像処理
装置５を備えた構成としている。

【０００９】請求項７に記載の発明は、レンズの光軸を
互いに異なる方向に設置した複数の撮像装置１、２によ
り、ワールド座標系内に設置された測定対象物を撮像
し、この撮像した画像データを画像処理して測定点７の
撮像装置内のモニタ座標系での位置を求め、このモニタ
座標位置に基づいて測定点７のワールド座標系内の位置
を計測するステレオ法による３次元位置計測方法におい
て、予め、複数のパターン９ａがワールド座標系内の所
定位置に描かれたキャリブレーションプレート９が所定
距離ずつ離間した複数の位置に設置されたとき、このキ
ャリブレーションプレート９の各離間位置毎に、前記複
数の撮像装置１、２でキャリブレーションプレート９を
撮像した画像データを入力し、この画像上の上記各パタ
ーン９ａに対応する複数点の位置からモニタ座標系内の
この複数点の座標値を算出し、前記各離間位置でのキャ
リブレーションプレート９に対応するモニタ座標系内の
上記複数点により形成される曲面１１を近似する曲面多
項式を前記算出された座標値に基づいて求め、各離間位
置に対応した曲面多項式の各係数を記憶し、この後実際
の測定対象物の位置計測時には、画像上の測定点７の位
置からモニタ座標系内の測定点７の座標値を算出し、こ
の算出された座標値と、上記記憶された複数の曲面多項
式の各係数による複数の曲面１１の内でモニタ座標系内
の測定点７をはさんだ両側の曲面１１との位置関係に基
づいて、補間によって測定点７のワールド座標系の位置
を算出して計測する方法としている。

【００１０】請求項１又は７に記載の発明によると、レ
ンズの光軸を互いに異なる方向に設置した複数の撮像装
置で測定対象物を撮像した画像データを画像処理して測
定点のモニタ座標が得られるが、キャリブレーションプ
レートを所定距離ずつ離間した複数の位置に設置して撮
像すると、キャリブレーションプレート内の複数のパタ
ーンに対応するモニタ座標内での複数点によって、キャ
リブレーションプレートの各設置位置毎に対応する曲面
が得られる。この各曲面をそれぞれ所定の曲面多項式で
近似することによって、各曲面と各曲面多項式の係数の
集合とを一義的に対応させることができる。よって、予
めこの係数の集合をキャリブレーションプレートの各設
置位置に対応させて記憶しておき、実際の測定点の位置
計測時には、測定点に対応するモニタ座標系内の座標値
と、記憶された複数の曲面多項式の各係数による複数の
曲面の内でモニタ座標系内の測定点をはさんだ両側の曲
面との位置関係に基づいて、補間によって測定点のワー
ルド座標系の位置が算出される。この結果、キャリブレ
ーションプレートの各設置位置毎に各パターンのワール
ド座標系及びモニタ座標系での座標の対応を記憶する方
法に比べて、上記各係数を記憶する方が、キャリブレー
ションデータの記憶データ量を情報の劣化無しに圧縮さ
せることができるので、メモリ容量の低減及び演算時間
の短縮化が可能となる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のステレオ法による３次元位置計測装置において、前記
曲面１１を近似する曲面多項式は滑らかな３次元多項式
であることを特徴としている。

【００１２】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
のステレオ法による３次元位置計測方法において、前記
曲面１１を近似する曲面多項式を滑らかな３次元多項式
としている。

【００１３】請求項２又は８に記載の発明によると、曲
面を３次元多項式により近似しているので、近似誤差を
所定の許容範囲以内に収めて精度よく近似できる

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のステレオ法による３次元位置計測装置において、前記
複数の撮像装置１、２の内、少なくとも、第１の撮像装
置１のレンズ光軸をワールド座標系の一座標軸と平行に
し、かつ、第２の撮像装置２のレンズ光軸を上記一座標
軸に対して傾斜させ、前記画像処理装置５は、上記第１
の撮像装置１の画像データに基づいて、上記一座標軸に
直交するモニタ座標系の座標軸による座標値を算出し、
かつ、上記第２の撮像装置２の画像データに基づいて、
上記一座標軸に平行なモニタ座標系の座標軸による座標
値を算出するようにしている。

【００１５】請求項９に記載の発明は、請求項７に記載
のステレオ法による３次元位置計測方法において、前記
複数の撮像装置１、２の内、少なくとも、第１の撮像装
置１のレンズ光軸をワールド座標系の一座標軸と平行に
し、かつ、第２の撮像装置２のレンズ光軸を上記一座標
軸に対して傾斜させると共に、上記第１の撮像装置１の
画像データに基づいて、上記一座標軸に直交するモニタ
座標系の座標軸による座標値を算出し、かつ、上記第２
の撮像装置２の画像データに基づいて、上記一座標軸に
平行なモニタ座標系の座標軸による座標値を算出する方
法としている。

【００１６】請求項３又は９に記載の発明によると、第
１の撮像装置での画像はワールド座標系の一座標軸に直
交する平面を表しており、よって、この画像データから
求められるモニタ座標系の座標値はワールド座標系の上
記一座標軸に直交する他の２座標軸の座標値そのものを
表すことになる。また、第２の撮像装置での画像による
モニタ座標系の一座標軸は、ワールド座標系の上記一座
標軸に平行となるので、モニタ座標系の上記一座標軸で
の座標値によって、容易にワールド座標系の上記一座標
軸での座標値を算出できる。よって、ワールド座標系で
の各座標値を容易に算出できるので、演算処理の負荷を
軽減できる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のステレオ法による３次元位置計測装置において、前記
複数の位置に設置される前記キャリブレーションプレー
ト９はワールド座標系の一座標軸に直交することを特徴
としている

【００１８】請求項１０に記載の発明は、請求項７に記
載のステレオ法による３次元位置計測方法において、前
記キャリブレーションプレート９を複数の位置に設置す
るときは、ワールド座標系の一座標軸に直交させて設置
する方法としている。

【００１９】請求項４又は１０に記載の発明によると、
キャリブレーションプレートをワールド座標系の一座標
軸に直交させて設置するので、このキャリブレーション
データに基づいて測定点のワールド座標系の上記一座標
軸での座標値を演算するとき、非常に容易に補間等によ
って演算できる。したがって、演算処理の負荷を軽減で
きる。

【００２０】請求項５に記載の発明は、請求項２又は３
に記載のステレオ法による３次元位置計測装置におい
て、前記画像処理装置５が、前記複数の曲面１１に対応
して近似されたモニタ座標系内の各曲面多項式に基づい
て、前記測定対象物の測定点７のワールド座標系の位置
を算出するときは、上記各曲面多項式と、モニタ座標系
内の測定点７を通り、かつ、モニタ座標系内の一座標軸
に平行な直線を表す式とに基づいて、前記曲面１１とこ
の直線との交点の座標値を求め、この交点の座標値を補
間して測定点７のワールド座標系の位置を算出するよう
にしている。

【００２１】請求項１１に記載の発明は、請求項８又は
９に記載のステレオ法による３次元位置計測方法におい
て、前記複数の曲面１１に対応して近似されたモニタ座
標系内の各曲面多項式に基づいて、前記測定対象物の測
定点７のワールド座標系の位置を算出するときは、上記
各曲面多項式と、モニタ座標系内の測定点７を通り、か
つ、モニタ座標系内の一座標軸に平行な直線を表す式と
に基づいて、前記曲面１１とこの直線との交点の座標値
を求め、この交点の座標値間を補間して測定点７のワー
ルド座標系の位置を算出する方法としている。

【００２２】請求項５又は１１に記載の発明によると、
測定点のワールド座標系の位置を算出するときは、キャ
リブレーションデータとして記憶された係数により表さ
れる曲面多項式と、モニタ座標系内の測定点を通り、か
つ、モニタ座標系内の一座標軸に平行な直線を表す式と
に基づいて、簡単な計算により前記曲面と前記直線との
交点の座標値が求められ、この交点の座標値間を補間す
ることによって測定点のワールド座標系の位置が算出さ
れる。したがって、演算処理の負荷を軽減できる。

【００２３】請求項６に記載の発明は、請求項１〜５に
記載のステレオ法による３次元位置計測装置において、
前記複数の撮像装置１、２の内、少なくとも１台は斜め
ＣＣＤカメラ装置であることを特徴としている。

【００２４】請求項６に記載の発明によると、斜めＣＣ
Ｄカメラ装置を使用するので、測定対象物の画像データ
の深度が深く撮像される。よって、画像データを画像処
理してモニタ座標系での座標を算出するとき、精度良く
算出できるので、位置計測の精度を向上できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、実施形態
を説明する。図１は、本発明に係わるステレオ法による
３次元位置計測装置の構成を示している。まず、測定対
象物８が設置されている空間内にワールド座標系の互い
に直交する所定の座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚを設けており、本３
次元位置計測装置によって、測定対象物８の測定点７の
ワールド座標系での座標位置を計測することを考える。
ステレオ法により計測するために、ここでは２台の撮像
装置１、２と、これに対応する２台の画像表示装置（以
後、モニタ装置と言う）３、４と、画像処理装置５とを
備えている。第１の撮像装置１のレンズ光軸はワールド
座標系の一座標軸（ここでは、Ｚ軸）の方向に平行に設
置され、また、第２の撮像装置２のレンズ光軸は上記一
座標軸（ここでは、Ｚ軸）の方向に対して所定角度を成
すように設置されている。なお、第２の撮像装置２は、
その撮像面をこのレンズ光軸に対して斜めに設定した斜
めＣＣＤ装置としてもよい。

【００２６】各撮像装置１、２からの撮像信号は画像処
理装置５によって画像処理され、それぞれの画像がモニ
タ装置３、４に表示される。いま、モニタ装置３によっ
て表示される画像上での座標軸をＰ、Ｑとし、またモニ
タ装置４によって表示される画像上での座標軸をＲ、Ｓ
とする。このとき、座標軸Ｐ、Ｑは、第１の撮像装置１
のレンズ光軸と平行なワールド座標系の一座標軸（ここ
では、Ｚ軸）に直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行な面
を表す座標軸となっている。また、座標軸Ｒ、Ｓの内の
いずれか一方（ここでは、Ｒ軸）は、ワールド座標系の
上記一座標軸（ここでは、Ｚ軸）に平行になるように設
定されている。

【００２７】画像処理装置５は、測定点７の撮像信号を
撮像装置１、２から入力して画像処理し、各画像をモニ
タ装置３、４にそれぞれ出力するとともに、測定点７の
座標軸Ｐ、Ｑによる座標位置と座標軸Ｒ、Ｓによる座標
位置とに基づいて、測定点７のワールド座標系での座標
位置を演算している。この画像処理装置５は、通常のマ
イクロコンピュータ等のコンピュータ装置を主体にして
構成されている。また、画像処理装置５には、位置計測
のために必要なキャリブレーションデータを予め計測前
に記憶しておくメモリが設けられている。

【００２８】次に、画像処理装置５の処理内容をその手
順に従って説明する。本発明に係わるステレオ法による
３次元位置計測装置においては、予め、ワールド座標系
での座標位置が規定されている複数の点を第１及び第２
の撮像装置１、２によってそれぞれ撮像し、このワール
ド座標系での座標位置と座標軸Ｐ、Ｑによる座標位置と
座標軸Ｒ、Ｓによる座標位置との対応関係を表すデータ
（これを、キャリブレーションデータと呼ぶ）を記憶し
ておく。そして、実際の測定点７の位置計測時には、画
像上での測定点７に対応する点の座標位置と、上記キャ
リブレーションデータとに基づいて補間演算し、ワール
ド座標系での測定点７の座標位置を求めている。

【００２９】まず、キャリブレーションデータの作成方
法を図２〜図５に基づいて説明する。図２において、キ
ャリブレーションプレート９は、所定の平らな基盤上に
互いの位置関係（位置、又は距離及び方向）が規定され
た複数のパターン９ａが描かれたものである。このパタ
ーン９ａは撮像装置１、２により判別可能なものであれ
ばよく、例えば、不透明基板上に感光やメッキ、エッチ
ング等の手段によって所定の大きさの黒い円形図形が描
かれる。同図では、複数の黒い円形図形が所定間隔で所
定位置に描かれている。そして、このキャリブレーショ
ンプレート９は、ワールド座標系の第１の撮像装置１の
レンズ光軸と平行な一座標軸（Ｚ軸）に垂直に設置され
ている。第１及び第２の撮像装置１、２によってキャリ
ブレーションプレート９を撮像し、画像処理装置５によ
って各パターン９ａの画像処理を行って各パターン９ａ
の座標軸Ｐ、Ｑによる座標位置データ及び座標軸Ｒ、Ｓ
による座標位置データをそれぞれ算出する。さらに、図
３に示すようにキャリブレーションプレート９のＺ軸方
向の位置を所定距離間隔でずらし、この複数個所でキャ
リブレーションプレート９を撮像し、各Ｚ軸位置に対応
した各パターン９ａの上記座標軸Ｐ、Ｑ及び座標軸Ｒ、
Ｓによる座標位置データをそれぞれ算出する。なお、上
記所定距離間隔は、一定の間隔であってもよく、あるい
は、精度良く計測したい位置によっては間隔を小さくす
るなどして、それぞれ異なる間隔であってもよい。

【００３０】ここで、前述のように、座標軸Ｐ、Ｑと座
標軸Ｘ、Ｙとは平行であるので、座標軸Ｐ、Ｑによる座
標位置データから座標軸Ｘ、Ｙによる座標位置データを
簡単な変換式によって求めることができる。また、座標
軸Ｒ、Ｓの内、座標軸Ｒは座標軸Ｚに平行であるので、
座標軸Ｒによる座標位置データは座標軸Ｚによる位置情
報と多く含んでいることになる。したがって、このこと
から、座標軸Ｐ、Ｑ、Ｒで張られる空間をモニタ座標系
と呼び、以後、このモニタ座標系による座標位置データ
を使用してワールド座標系での座標位置を算出する。

【００３１】上記キャリブレーションプレート９上の複
数のパターン９ａに対応するモニタ座標系での複数の点
は、図４に示されるように、モニタ座標系で所定の平面
もしくは曲面１１（説明の都合上、以後、統一して曲面
１１と呼ぶ）を形成している。一般的に、このモニタ座
標系での面は曲面となる。したがって、上記複数のキャ
リブレーションプレート９に対応して、図５に示される
ように複数の曲面１１が形成される。この得られた各曲
面１１は連続性が保たれているので、何らかの近似手法
を用いて、各曲面１１を例えば２次元多項式等の所定の
曲面多項式によって近似することができる。ここで、２
次元多項式を数式「Ｒ＝a1・Ｐ² ＋a2・Ｑ² ＋a3・ＰＱ
＋a4・Ｐ＋a5・Ｑ＋a6」で表すと、一つの曲面１１はこ
の係数a1〜a6の集合と一義的に対応させることができ
る。よって、上記複数の曲面１１毎の各パターン９ａの
位置座標データを記憶する代わりに、各曲面１１に対応
した係数a1〜a6の各集合をキャリブレーションデータと
して記憶しておくことにより、記憶するデータ量を情報
の劣化無しに圧縮でき、メモリ容量を減少させることが
できる。

【００３２】次に、実際の位置計測時において、キャリ
ブレーションデータに基づいて測定点７のワールド座標
系での位置座標を算出する方法を図６〜図９を参照して
説明する。いま、測定点７を２台の撮像装置によって撮
像した結果、図６に示すように測定点７のモニタ座標系
での位置座標（ｐ0 ，ｑ0 ，ｒ0 ）が求められたとす
る。この位置座標（ｐ0 ，ｑ0 ）により、簡単な変換式
を用いてワールド座標系の座標軸Ｘ、Ｙによる座標位置
データを求めることができる。また、座標値ｒ0 に基づ
いて、以下のようにして座標軸Ｚによる座標位置データ
が求められる。

【００３３】すなわち、最初に、図７に示すように、数
式「ｐ＝ｐ0 、かつ、ｑ＝ｑ0 」で表される直線と、前
記予め記憶されているキャリブレーションデータの係数
a1〜a6の各集合に対応する複数の曲面１１との交点のＲ
軸位置座標を算出する。そして、図８のように、この算
出した各交点のＲ軸位置座標の内で、前記位置座標（ｐ
0 ，ｑ0 ，ｒ0 ）の点と各交点との距離が近い順に２つ
のＲ軸位置座標（ここでは、ｒ1 及びｒ2 とする）を選
出する。この２つのＲ軸位置座標は、前記位置座標（ｐ
0 ，ｑ0 ，ｒ0 ）の点を間にはさんでいる両側の曲面１
１の内部にある交点のＲ軸位置座標を表している。次
に、数式１によって、上記位置座標ｒ0 と上記２つのＲ
軸位置座標ｒ1 、ｒ2 との差の絶対値の比Ｈを求める。

【数１】Ｈ＝｜ｒ1 −ｒ0 ｜：｜ｒ2 −ｒ0 ｜＝ｍ：ｎ 隣接する曲面１１間の距離は小さいので、上記比Ｈはワ
ールド座標系内においてもほぼ等しい値となる。よっ
て、図９に示すように、測定点７のワールド座標系にお
けるＺ軸座標位置データは、上記Ｒ軸位置座標ｒ1 、ｒ
2 にそれぞれ対応する２つのキャリブレーションプレー
ト９のＺ軸座標値間を上記の比Ｈで分割して求めること
ができる。

【００３４】以上説明したように、位置計測する前に、
キャリブレーションのために、相互の位置関係が規定さ
れた複数のパターンが描かれた平面状のキャリブレーシ
ョンプレート９を２つの撮像装置１、２で撮像し、画像
処理によって各パターンに対応するモニタ座標系での座
標位置を求める。２つの撮像装置１、２の内、第１の撮
像装置１のレンズ光軸はワールド座標系の一座標軸（こ
こでは、Ｚ軸）に平行となるように配設し、第２の撮像
装置２のレンズ光軸はこの一座標軸にたいして所定角度
で傾けて配設している。よって、第１の撮像装置１の撮
像データによって変換される座標軸Ｐ、Ｑはワールド座
標系の上記一座標軸に直交する平面と平行となるので、
測定点７のワールド座標系の他の２つの座標軸による座
標位置を容易に求めることができる。また、第２の撮像
装置１の撮像データによって変換される座標軸Ｒ、Ｓの
内の一方（ここでは、Ｒ軸）は、ワールド座標系の上記
一座標軸に関する情報を多く含むことになる。このこと
から、座標軸Ｐ、Ｑ、Ｒによりモニタ座標系を構成し、
このモニタ座標系での測定点７の座標値からワールド座
標系の位置を計測している。

【００３５】上記キャリブレーションプレート９は上記
一座標軸に垂直に設置され、かつ、所定距離毎にずらし
た複数の位置で撮像される。そして、この複数の位置に
対応して、モニタ座標系での各パターンの点の集合によ
り、複数の曲面１１が互いに交差することなく形成され
る。この各曲面１１は曲面を表す所定の多項式（例え
ば、２次元多項式）により近似されるので、このときの
多項式の各係数a1〜a6の集合は一義的に対応する曲面１
１を表すことができる。したがって、複数の曲面１１に
対応させてこの係数a1〜a6の集合をキャリブレーション
データとして記憶することにより、記憶データの圧縮が
可能となり、また、キャリブレーションデータに基づく
演算処理時間を短縮化することができる。

【００３６】実際の位置計測時には、測定点７のモニタ
座標系での位置座標（ｐ0 ，ｑ0 ，ｒ0 ）と上記キャリ
ブレーションデータとに基づいて、ワールド座標系での
位置座標が算出される。すなわち、位置座標（ｐ0 ，ｑ
0 ）からワールド座標系の位置座標（Ｘ0 , Ｙ0 ）が容
易に求められる。また、数式「ｐ＝ｐ0 、かつ、ｑ＝ｑ
0 」で表される直線と、係数a1〜a6の各集合に対応する
複数の曲面１１との交点のＲ軸位置座標を算出し、この
内で位置座標（ｐ0 ，ｑ0 ，ｒ0 ）の点に最も近い２つ
の曲面１１との交点のＲ軸位置座標ｒ1 、ｒ2 を選出
し、前記数式１によって、位置座標ｒ0 と２つのＲ軸位
置座標ｒ1 、ｒ2 との差の絶対値の比Ｈを求める。そし
て、このＲ軸位置座標ｒ1 、ｒ2 に対応する２つの曲面
１１のＺ軸座標値間を上記の比Ｈで分割することによ
り、測定点７のワールド座標系での位置座標Ｚ0 が求め
られる。したがって、２台の撮像装置１、２間の位置関
係を計測すること無しに、高精度に、かつ、簡単に３次
元位置測定ができる。

【００３７】また、同一のキャリブレーションプレート
上の複数のパターン９ａを撮像したときの画像上の複数
の点を画像処理して求められたモニタ座標系での位置座
標データは、それ自体画像処理時の演算誤差等を含んで
いる。したがって、この位置座標データをキャリブレー
ションデータとして直接用いて、補間によってワールド
座標系の位置を演算したときは、上記誤差の影響を受け
易くなり、精度を損ねる可能性がある。上記のように本
発明によれば、モニタ座標系上の上記複数の点の集合を
曲面で近似補間するので、上記誤差が補正され、よって
高精度の計測が可能となる。

【００３８】なお、モニタ座標系上の上記複数の点の集
合により形成される曲面は理論的には２次曲面となるの
で、厳密に言うと、この曲面を２次曲面で近似しなけれ
ばならない。しかし、本発明は２次曲面に限定するもの
でなく、近似が所定の近似誤差内に収まるのであれば、
例えば３次曲面等のような更に高次の多次元曲面で近似
してもよい。これによって、実際の計測装置の構成が何
らかの原因で理論と大きく異なって２次曲面で近似でき
ない場合でも、所定の多次元曲面により近似することが
可能となる。また、更に言えば、近似が所定の近似誤差
内に収まるのであれば、どのような曲面式を用いて近似
してもよい。

【００３９】また、以上で記述した計測方法を組み込ん
だソフトウェアは、フロッピーディスクを、該ソフトウ
ェアを格納する電子データ記録媒体にして、流通配布さ
れる。該電子データ記録媒体はフロッピーディスクに限
られるものではなく、例えばハードディスク、ＩＣカー
ド又はＣＤＲＯＭ等でもよい。また、流通配布の形態
も、電子データ記録媒体による流通のみではなく、前記
ソフトウェアを利用するハードウェアと、上記ソフトウ
ェアが収納されている開発機器、例えば開発用のパーソ
ナルコンピュータとを、公衆回線やネットワークを経由
して接続して流通配布する形態を取ってもよい。前記流
通配布の際には、前記ソフトウェアを利用するハードウ
ェア、例えば、専用の検査装置や、パーソナルコンピュ
ータと電子カメラとを接続した装置等にインストールす
るためのインストーラを添付して流通配布してもよく、
前記計測方法を組み込んだソフトウェアを容量圧縮した
データを流通配布してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる３次元位置計測装置の構成を示
す。

【図２】本発明に係わるキャリブレーションプレートの
説明図である。

【図３】本発明に係わるキャリブレーションプレートの
設置位置の説明図である。

【図４】本発明に係わるキャリブレーションプレートに
対応するモニタ座標系での曲面の説明図である。

【図５】本発明に係わるキャリブレーションプレートの
複数位置に対応するモニタ座標系での複数の曲面の説明
図である。

【図６】本発明に係わる測定点のモニタ座標系での位置
の説明図である。

【図７】本発明に係わる測定点のモニタ座標系でのＲ軸
位置座標の算出方法説明図である。

【図８】本発明に係わる測定点のモニタ座標系でのＲ軸
位置座標の算出方法説明図である。

【図９】本発明に係わる測定点のワールド座標系でのＺ
軸位置座標の算出方法説明図である。

【符号の説明】

１ 第１の撮像装置 ２ 第２の撮像装置 ３、４ モニタ装置 ５ 画像処理装置 ７ 測定点 ８ 測定対象物 ９ キャリブレーションプレート ９ａ パターン １１ 曲面 Ｘ、Ｙ、Ｚ ワールド座標軸 Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ モニタ座標軸

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズの光軸を互いに異なる方向に設置
   した複数の撮像装置(1,2) を備え、ワールド座標系内に
   設置された測定対象物をこの複数の撮像装置(1,2) で撮
   像した画像データを画像処理して測定点(7) の撮像装置
   内のモニタ座標系での位置を求め、このモニタ座標位置
   に基づいて測定点(7) のワールド座標系内の位置を計測
   するステレオ法による３次元位置計測装置において、 予め、複数のパターン(9a)がワールド座標系内の所定位
   置に描かれたキャリブレーションプレート(9) が所定距
   離ずつ離間した複数の位置に設置されたとき、このキャ
   リブレーションプレート(9) の各離間位置毎に、前記複
   数の撮像装置(1,2) でキャリブレーションプレート(9)
   を撮像した画像データを入力し、この画像上の上記各パ
   ターン(9a)に対応する複数点の位置からモニタ座標系内
   のこの複数点の座標値を算出し、前記各離間位置でのキ
   ャリブレーションプレート(9) に対応するモニタ座標系
   内の上記複数点により形成される曲面(11)を近似する曲
   面多項式を前記算出された座標値に基づいて求め、各離
   間位置に対応した曲面多項式の各係数を記憶し、この後
   実際の測定対象物の位置計測時には、画像上の測定点
   (7) の位置からモニタ座標系内の測定点(7) の座標値を
   算出し、この算出された座標値と、上記記憶された複数
   の曲面多項式の各係数による複数の曲面(11)の内でモニ
   タ座標系内の測定点(7) をはさんだ両側の曲面(11)との
   位置関係に基づいて、補間によって測定点(7) のワール
   ド座標系の位置を算出して計測する画像処理装置(5) を
   備えたことを特徴とするステレオ法による３次元位置計
   測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のステレオ法による３次
   元位置計測装置において、 前記曲面(11)を近似する曲面多項式は、滑らかな３次元
   多項式であることを特徴とするステレオ法による３次元
   位置計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のステレオ法による３次
   元位置計測装置において、 前記複数の撮像装置(1,2) の内、少なくとも、第１の撮
   像装置(1) のレンズ光軸をワールド座標系の一座標軸と
   平行にし、かつ、第２の撮像装置(2) のレンズ光軸を上
   記一座標軸に対して傾斜させ、 前記画像処理装置(5) は、上記第１の撮像装置(1) の画
   像データに基づいて、上記一座標軸に直交するモニタ座
   標系の座標軸による座標値を算出し、かつ、上記第２の
   撮像装置(2) の画像データに基づいて、上記一座標軸に
   平行なモニタ座標系の座標軸による座標値を算出するこ
   とを特徴とするステレオ法による３次元位置計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のステレオ法による３次
   元位置計測装置において、 前記複数の位置に設置される前記キャリブレーションプ
   レート(9) は、ワールド座標系の一座標軸に直交するこ
   とを特徴とするステレオ法による３次元位置計測装置。
5. 【請求項５】 請求項２又は３に記載のステレオ法によ
   る３次元位置計測装置において、 前記画像処理装置(5) が、前記複数の曲面(11)に対応し
   て近似されたモニタ座標系内の各曲面多項式に基づい
   て、前記測定対象物の測定点(7) のワールド座標系の位
   置を算出するときは、上記各曲面多項式と、モニタ座標
   系内の測定点(7)を通り、かつ、モニタ座標系内の一座
   標軸に平行な直線式とに基づいて補間して算出すること
   を特徴とするステレオ法による３次元位置計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５に記載のステレオ法による
   ３次元位置計測装置において、 前記複数の撮像装置(1,2) の内、少なくとも１台は斜め
   ＣＣＤカメラ装置であることを特徴とするステレオ法に
   よる３次元位置計測装置。
7. 【請求項７】 レンズの光軸を互いに異なる方向に設置
   した複数の撮像装置(1,2) により、ワールド座標系内に
   設置された測定対象物を撮像し、この撮像した画像デー
   タを画像処理して測定点(7) の撮像装置内のモニタ座標
   系での位置を求め、このモニタ座標位置に基づいて測定
   点(7) のワールド座標系内の位置を計測するステレオ法
   による３次元位置計測方法において、 予め、複数のパターン(9a)がワールド座標系内の所定位
   置に描かれたキャリブレーションプレート(9) が所定距
   離ずつ離間した複数の位置に設置されたとき、このキャ
   リブレーションプレート(9) の各離間位置毎に、前記複
   数の撮像装置(1,2) でキャリブレーションプレート(9)
   を撮像した画像データを入力し、この画像上の上記各パ
   ターン(9a)に対応する複数点の位置からモニタ座標系内
   のこの複数点の座標値を算出し、前記各離間位置でのキ
   ャリブレーションプレート(9) に対応するモニタ座標系
   内の上記複数点により形成される曲面(11)を近似する曲
   面多項式を前記算出された座標値に基づいて求め、各離
   間位置に対応した曲面多項式の各係数を記憶し、この後
   実際の測定対象物の位置計測時には、画像上の測定点
   (7) の位置からモニタ座標系内の測定点(7) の座標値を
   算出し、この算出された座標値と、上記記憶された複数
   の曲面多項式の各係数による複数の曲面(11)の内でモニ
   タ座標系内の測定点(7) をはさんだ両側の曲面(11)との
   位置関係に基づいて、補間によって測定点(7) のワール
   ド座標系の位置を算出して計測することを特徴とするス
   テレオ法による３次元位置計測方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のステレオ法による３次
   元位置計測方法において、 前記曲面(11)を近似する曲面多項式は、滑らかな３次元
   多項式であることを特徴とするステレオ法による３次元
   位置計測方法。
9. 【請求項９】 請求項７に記載のステレオ法による３次
   元位置計測方法において、 前記複数の撮像装置(1,2) の内、少なくとも、第１の撮
   像装置(1) のレンズ光軸をワールド座標系の一座標軸と
   平行にし、かつ、第２の撮像装置(2) のレンズ光軸を上
   記一座標軸に対して傾斜させると共に、上記第１の撮像
   装置(1) の画像データに基づいて、上記一座標軸に直交
   するモニタ座標系の座標軸による座標値を算出し、か
   つ、上記第２の撮像装置(2) の画像データに基づいて、
   上記一座標軸に平行なモニタ座標系の座標軸による座標
   値を算出することを特徴とするステレオ法による３次元
   位置計測方法。
10. 【請求項１０】 請求項７に記載のステレオ法による３
    次元位置計測方法において、 前記キャリブレーションプレート(9) を複数の位置に設
    置するときは、ワールド座標系の一座標軸に直交させて
    設置することを特徴とするステレオ法による３次元位置
    計測方法。
11. 【請求項１１】 請求項８又は９に記載のステレオ法に
    よる３次元位置計測方法において、 前記複数の曲面(11)に対応して近似されたモニタ座標系
    内の各曲面多項式に基づいて、前記測定対象物の測定点
    (7) のワールド座標系の位置を算出するときは、上記各
    曲面多項式と、モニタ座標系内の測定点(7) を通り、か
    つ、モニタ座標系内の一座標軸に平行な直線式とに基づ
    いて補間して算出することを特徴とするステレオ法によ
    る３次元位置計測方法。