JPS5892903A - 立体形状検出方法および同装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は対象物を撮像した画像情報に基づいて対象物表
面の各点における面の方向ケ非接触的に検出する方法、
並びに上記の方法を容易に実施してその効果を発揮せし
め得る立体形状検出装置にｒ＠するものである。

従来１面の方向を検出画像から非接触的に検出する方法
としてペルソルド・ホーンの研究がある。

この方法は、対象物に成る一方向から光ン照射し、その
反射光によって得られた濃淡画像から反射面の各点の傾
きを求めるものである。

ホーンの研究によると、反射光の強さと面の傾舞との関
係は２個の未知数に関する非線形１階偏微分方程式で表
わされる。この方程式を解くために１等価な５個の常微
分方程式に変換する。さらに１局所的な情報のみで面の
傾きを決定できる点（％異点）を濃淡画像から探し、こ
れを利用して初期曲線を計算する。そして、この初期曲
線に基づいて常微分方程式を数値積分することＫより。

各点における面の傾きを逐次計算してゆ（。

以上のようにホーンの方法は１局所的な画像情報だけか
らでは各点の面の方向を決定できないため、処理時間が
長いこと、計算誤差が伝播して累積する虞れがあること
等の問題がある。

本発明の目的は、上述の事情に鑑みて対象物の画像情報
に基づいてその表面の方向又は形状を迅速に算定し得る
方法、並びに上記の方法の実施に好適な装置を提供する
Ｋある。

次に、Ｅ発明方法の基本的原理を第１図乃至第４図につ
いて説明する。

第１図は反射光の指向特性を示す図表である。

乱反射面Ａの法＠ＢＶＣ対して角θで入射光Ｃを照射す
ると１反射光強度の分布は反射光指向性曲線りのように
、法線ＢＥ関して入射光Ｃと対称をなす線ＥＹ長軸方向
とする楕円形ンなす。

（第２図参照）入射光Ｃの方向と強さとを一定にし１反
射観測方向Ｆを固定して乱反射面Ａ−に紙面と垂直に保
ったまま入射光Ｃの入射点０乞中心にして回転させると
１反射光強暉は反射面Ａの法線（図示せず）の関数とし
て反射光強度曲線ＧのようＫなる。上記の反射光強度曲
、ｌ＃Ｇは入射光Ｃの方向と反射観測方向Ｆとの２−＃
分線Ｈｇ長軸とする楕円状をなす。

第２図に示した反射光強度の分布曲線に基づいて反射光
を測定すること罠より対象面Ａの方向を算定しようとす
ると欠配のような不具合がある。

上記の反射光強度曲線Ｇは対象面である反射面Ａの材料
９表面状態等によるが、一般に面Ａの法線方向について
２価の関数である。即ち、成る強さの反射光強度１１ｔ
特定するとその強さの反射光強度が得られるような面Ａ
の方向を表わす解が一般、に２個ある。このため、入射
点ＯＫおける反射光の強度のみ罠よっては対象物の面の
方向が決定でき・ない。

本発明方法は上述の゛考察に基づき、複数方向から照射
した光線の反射画像を情報として対象面の方向又は形状
の少なくともいずれか一方を一意的Ｋ　Ｉｔ知すること
、及び上記複数方向からの照射・検知を同時に行い得る
よう、それぞれ方向と波長とｗ１４にする複数個の単色
光を対象面に照射し、その反射光による画偉ヲ各単色光
に分離してその強度Ｙそれぞれ電気信号に変換し、上記
の信号を電気的に演算処理して対象面の方向又は形状の
少なくともいずれか一方を瞬時的に検出することｔ特徴
とする。

第３図は本発明方法の原理的説明図で、入射光Ｃ１反射
光観測方向Ｆ、及び入射点（反射点）０は前述の第２図
と同様のものを表わす。従って入射光Ｃの反射光ｔＦ方
向から観測した反射強度曲線Ｇも第２図と同じ曲線であ
る。そして１本発明方法においては前述の入射光Ｃと異
なる方向から。

前記の特定の入射点０に向けてもう一つの入射光ＪＹ照
射する。この入射光Ｊｔ観測方向Ｆから見た場合の反射
光強度曲線はＫのごとくである。

この図表から容易に理解されるように、Ｉ＃定の反射点
０からの局所的な情報として、入射光Ｃの反射光強度と
入射光Ｊの反射光強度とｙｐ方回から観測すれば、その
測定値をそれぞれ反射光強度曲＠Ｇおよび同曲＃にと対
比することによって反射面Ａの方向が一意的に決定され
る。

ただ１１．上述の面方向測定原理は反射面Ａが紙面に垂
直の姿勢χ保つということを前提φ件としており、この
条件範囲外、即ち反射面Ａが紙面と垂直でない姿勢の場
合は適用できない。

反射面Ａが３次元空間内で任意の方向となる場合１本発
明方法は、第４図に示すように特定点ＯＫ向けて入射光
Ｃ１同Ｊ、及び同Ｌ−１にそれぞれ３方向から照射し、
かつ、上記の特定点Ｏからの反射光ヲ特定の方向Ｆから
観測する。

平面的に考察した第３図においては入射光Ｃの方向と反
射光観測方向Ｆとを定めることにより楕円状の反射光強
度曲＃Ｇが得られたのと同様Ｋ。

これＹ立体的に考察した第４図においては入射光Ｃの方
向と反射光観測方向Ｆとを定めることにより１回転楕円
面状の反射光強度曲面（図示せず）が得られる。同様に
入射光Ｊおよび同ＬＫついてもそれぞれ回転哨円面状の
反射光強度曲面（図示せず）が得られる。

以上説明した基本的原理により、第３図において乱反射
面である検出対象面Ａが紙面に垂直な未知の方向である
場合、入射光ＣＹ照射してＦ方向の反射光強度を測定し
１次いで入射光ＪＹ照射してＦ方向の反射光強度を測定
することにより対象面Ａの方向の算出が可能である。ま
た、第４図において、上記と同様に入射光Ｃ１同Ｊ、及
び同Ｌｔ順次に照射してそのＰ方向の反射強度を観測す
ることにより対象面Ａの立体的方向の算出が可能である
。そして１本発明方法は複数種類の単色光を用いること
により、上記の２回、又は３回の照射・観６（ＩＩ　Ｙ
同時に行う。さらに、上記の峨測と演算とを眠気的に行
うことにより、検出対象面の方向”を瞬時的に算定する
。

本発明方法は上述のようにして検出対象面上の特定点に
おける面方向を瞬時的に検出することでで鎗るので、上
記の特定点を対象物の表面上で走査することにより対象
物の画像を情報源として′成気的に演算処理して上記の
面の形状を検出することもできる。

第５図および＠６図に、本発明方法乞実施するために横
線した２種類の立体形状検出袈肴の各実施例を示し、そ
れぞれの装置の構成、並びに上記の各装置を用いて本発
明１゛・方法を実施した例を次に述べる。

第５図は１本発明方法を適用して、対象物２ｏの成る面
が予め設定された方向になったと蛍、その面が所定の方
向になったということと、その面の形状とχ検知するよ
うに構成した検出装置の一例である。

ｌａ　、　ｌｂ　、　ｌｃは、それぞれタングステンラ
ンプ２ａ。

２ｂ　、　２ｃ　、光学フィルタ３ｉ、３ｂ、３ｃ及び
投光レンズ４ａ　、　４ｂ　、　４ｃで構成された平行
光光源である。

上記の光学フィルタ３ａは通過波長４５０　ｎ　ｍのも
のケ、光学フィルタ３ｂは通過波長５５０　ｎ　ｍのも
のＹ、光学フィルタ３Ｃは通過波長６５０　ｎ　ｍのも
のを七れぞれ選定する。これにより、光源１ａは波長４
５０ｎｍの単色光源となり、光源１ｂは波長５５０ｎｍ
の単色光源となり、光源１Ｃは波長５５Ｑｎｍの単色光
源となる。

上記の単色光源１ａ　、　ｌｂ　、　ｌｃの光軸が１点
で交わり、かつ互いに交角９０°Ｙ：なすように上記３
個の光ｍｙ固定する。

上記の３光軸の交点に向けてカラーＴＶカメラｓ’ｙｆ
＆ｌｔする。このＴＶカメラは上記３　＋１ｍの単色光
源によって照明される位Ｔｉｔ　＆ｃｒｌｔかれた対象
物２０ン撮像して画壇の明暗ｖｔ気信号に変換し、波長
域４５０　ａｍのＢ信号２１ａと、波長域ｊ５０　ｎｍ
　（１）　Ｇ信号２１ｂと、波長域６５０ｎｍのＲ信号
とに分離して出力するように構成する。

上記３種類の信号、即ちＢ、Ｇ、Ｒ信号２１ａ。

２１ｂ　、　２１８　Ｙそれぞれ増幅器６ａ　、　６ｂ
　、　６ＣＹ介して比較器７に入力させる。この比較器
７は３個の入力信号がある誤差範囲内で等レベルになっ
たとき出力信号８奮発するように構成する。

この装＊Ｖ用いて対象物２０の成る面（例えば正２０面
体の１面２０ａ）が所定の方向を向いたとき上記の面２
０ａが所定方向になったことｔ検知し、かつ、矛の面の
形状を確認するには、予めテスト柑のサンプル面（Ｉｇ
示せず）を所定の方向に向けてセットし、３個の単色光
源１ａ　、　ｌｂ　、　Ｉｃで上記サンプル面ン照明し
、これ−ｇＴＶＴＶカメラ撮像し。

上記ＴＶカメラ５が分離して出力する３種類の信号２１
ａ　、　２１ｂ　、　２１ｃがそれぞれ等レベルで比較
器７に入力されるようにタングステンランプ２ａ、２Ｊ
２Ｃの光度若しくは増幅器５ａ　、　６ｂ　、　６ｃの
増幅度乞調節する。既述のよ’５に３信号のレベルが等
しくなると比較器７は出力信号８奮発するので、実際的
にはこの出力信号８が発せられるように増幅器６ａ。

６ｂ、６ｃの増幅度ｙａ−調節すればよい。

上記のように初期調整ｙａ−済ませた後、対象物２０ｇ
ＴＶカメラ５の視野内にａＳ、検知しようとする面２０
ａ　Ｙ：各単色光源１ａ　、　Ｉｂ　、　ｌｃの光軸の
交点に位置させる。

上記の面２０ａが所定の方向ケ回いたときは、先にサン
プル面を用いて初期′調整を行ったときの状態が再現さ
れてＢ、Ｇ、Ｒ信号２１ａ　、２１ｂ　、２１ｃが等レ
ベルで比較器７に入力されるので出力信号８が出力され
る。従って出力信号８が出力されたことによって面２０
ａが所定の方向になったことを検知し得る。

また１面２ｎａが所定の方向でないときは出力信号８が
発信されないので、出力信号８が発せられないときは面
２０ａが所定方向″ｉＫ″′”′ｈいていないと判断す
ることができる。

上記の出力信号８は検出したい方向の面の都会の２１は
画像信号となるから、これをＴＶ受像機（図示せず）Ｋ
入力すると撮＋＠した面２０ａの形状が現わさ４．る。

これにより、たとえば正２０面体の１百Ｙ撮像した場合
、所定の方間にあること’２１知した面がＩ五三角形で
あるか否か、またその面内に欠損が有るか無いかを目視
によって確認することができる。また、上記の出力信号
８ン自＠計算機（図示せず）で処理して目視によらずに
面２０ａの形状Ｙ検知することもできる。

本実施例によれば以上のようにして検出対象面が予め設
定した方向に一致したか否かを検知１〜。

かつ、所定方向に一致したときその面の形状を暎知する
ことかで般る。

上述の構成と作用から容易に理解されるよう（（。

本発明は複数図（上例においては３ｆ固）の矛れぞれ波
長）ｉ’＊にする警色光をそれぞれ異った方向から照射
１７．これらのゝ混合単色光で照明された対象面の画（
象信号を各単色光に対応する画像信号に分２ｏ離するこ
とにより、各方向からの入射光の反射光を検出する操作
を同時に行うことができ、各方向から照射された単色光
は互いに干□渉することが無い。このため、゛本発明に
よれば対象面上のある１点の面方向を瞬時に検知するこ
とができ、上記の１点を走査して極短時間のうちＴ’Ｖ
カメラ視野内の全画像についてその方向を検知すること
ができる。従って、従来技術にかかるホーンの方法（既
述）に比して格段に迅速な検知が可能である。

＠６図は前述の本発明方法を用いてＴＶ右カメラによっ
て撮儂される総ての面の方向を決定し得るようｔｔｔｓ
成した立体形状検出装置の一実施例ケ示す。

本例においてＴＶ右カメラ、波長４５０　ｎｍの単色光
源】ａ、波長５５０ｎｍの単色光源１ｂ及び波長６５０
ｎｍの単色光源１ｃは前例（第５図）Ｋおけると同様の
構成部材で、前例と同様に固定する。２０′は検出対象
物の一例として示した正８面体である。

２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅはそれぞれ上記の８面
体の８個の面のうちＴＶ右カメラの視野に入り得る位置
にある４個の面である。

１ｄは前記の単色光源】ａと同じ構造・機能の単色光源
、ｌｅは前記の単色光源１ｂと同じ構造・機能の単色光
源ンＩｆは前記σ）４色光源１ｃと同じ構造機能の単色
光源である。

単色光源１ｄの光軸を同１ａの光軸と一致させ、対称物
２０’）ｌ挟んで対称位宜となるように固定する。

同様に単色光源１ｅ、’ｌｆｙぞれぞれ単色光源１ｂ、
ｌｅと対称に固定する。

ＴＶ右カメラのＢ、Ｇ、Ｒ，信号２１ａ　、　２１ｂ　
、２１ｃ、ｏ　’にそれぞれＡ／Ｄ変換器９ａ　、　９
ｂ　、　９ｃ４介して計算機１０に入力させる。

上記の計算機１０は、デジタル化して入力されたＢ、Ｇ
、Ｒ，信号相互の間の比率Ｙ算出し、これに対応せしめ
て撮像面の方向データを記憶装ｆｉｌｌ　Ｋ記録させる
機能と、上記の面方向データを呼注出して検知用、力１
２として出力する機能とを有するようＶｃｌｌｌ成する
。

この装＃を用いて対象物２０’の面方向を検出するＫは
、予めテ゛スト用のサンプルＩｆｒ（図示せず）ｙａ’
ＴＶカメラ５の視野内に１１％、各単色光源１ａ１１ｂ
ｅ１０によって上記サンプル面を照明しつつ上記のサン
プル面を種々の方向に向ける（例えば水平な直交２軸Ｘ
、Ｙに関し、Ｘ軸ン中心に１′ごとに傾斜角ン変え、Ｙ
＠ン中心に１′ごとに傾斜角を変えるといった具合に組
み合わせて方向を変える）。そして、これらの方向デー
タχその方向のときのＲｌＧ、Ｂ信号相互間の比率に対
応させて記憶装置１１に記憶させる。

上述のようにしてテスト用のサンプル面によって方向デ
ータケ記憶装置１１に入れる際、サンプル面の方向によ
っては単色光源１ａに関して陰になって照射ン受けな（
なる方向領域がある。このようなと鎗は単色光＠　１　
ａと対称位置の周波長の単色光源１ｄで照明し２、同様
にしてデータの採取を行なう。

単色光＃１１ｂＶｃ関して陰になったときは単色光源１
ｅで、単色光源ＩＣに関して陰になったと鎗は単色光源
１ｆで、それぞれ照明ケ行なって面方向データを記憶装
［１１に記憶させる。

以上のように準備した後、検出対象物２０’ＹＴＶカメ
ラ５の視野内Ｋｆｌき、３個の単色光源１ａ　、１ｂ。

それぞれＡ／Ｄ＊イ器９ａ　、　９ｂ　、　９ｃを介し
て計算機１０に入力させ、上記の計算機１０によってＢ
　、　Ｇ　。

Ｒ信号相互の比率を算出させ、その算出結果である比率
に対応する面方向データを記憶装置１１１から拾い出し
て一出出力１２ヲ発信させる。こ４により。

３個の単色光１ａ、同１ｂ、及び同１ｃＫよって照明さ
れている面にらいて各面の方向を検知することができる
。

３個の嚇色光源１ａ、同１ｂ又は同ＩＣのいずれか１も
しくはそれ以上に関して陰になっている面がある場合は
、Ｂ、Ｇ、Ｒ信号２１ａ　、　２１ｂ　、　２１ｃのう
ち対応した信号出力が発せられないので、計算機１０は
これｔ検出して当該離色源と対称位置に設けた単色光源
（ｌｄ、ｌｅｅ又はｉｆ）によって照明を行って同様の
検出操作ケする。これにより、ＴＶカメラ５によって撮
像され得る総ての面ンそれぞれ３・口、　　　。

種類の単色光で照明しゼ゛上述のようにして七の而の方
向を表わす検出出力信号１２が得られる。

本例においても、前例（１！５図）と同様に３ＩＩｉ類
の単色光Ｙ用いることにより、３方向からの入射光の反
射光を同時に検出し、これを電気信号に変換して電気的
に計算することにより、極めて迅速に面方向を検出する
ことができる。

以上に示した二つの実施例のごとく１本発明方法によれ
ば複数の方向からそれぞれ異った波長の単色光で対象物
を照明し、上記の単色光で照明された対象物の画ＩＪＩ
’各単色光の波長域ごとに分離し、これによって得られ
た複数個の画像をそれぞれ電気信号に変換し、この電気
信号を電気的に演算処理して対象物表面の方向又はその
形状を迅速に検知することができる。

また、第５図の実施例に示したように本発明装置は、複
数の方向からモミぞれ異った波長の単色光で対象物を照
明する手段と、上記照明手段で照明された対象物の画像
を各単色光の波長域に分離する手段と、これによって得
られた複数個の画像ンそれぞれ電気信号に゛変換する手
段と、上記複数個の電気信号相互の関係を比較して予め
設定した関係に等しくなったことｔ検出する手段とＹ設
け。

対象物の検出画像の中で予め設定した方向の面の領域を
分離検出し、かつその面の形状ン検知することができる
。

また、第６図の実施例に示したように、本発明に係るも
う一つの装置は複数の方向からそれぞれ異った波長の単
色光で対象物を照明する手段と。

上記照明手段で照明された対象物の画像を各単色光あ波
長域に分離する手段と、これによって得られた複数個の
画像ンそれぞれ電気信号に変換する手段と、上記複数個
の電気信号に基づいて対象物表面の各点の方向を算出す
る計算手段とを設けることにより１画像上の総ての面に
ついてその方向ｖｌ定することができる。

【図面の簡単な説明】

筑１図は入射光の方向と乱反射面の方向とＶ　一定にし
た場合の反射指向性ケ示す図表、第２図および第３図は
入射光の方向と反射光観測方向とを一定にした場合の反
射光強度の分布ケ示す図表。 第４図は３方向からの入射光の反射光を特定方向から観
測する状ＷＩ４ｖＩ４的に示した斜視図、第５図及び第
６図はそれぞれ本発明に係る立体形状検出装置の一実施
例を示し斜視図に電気系統図ン付記した図である。 １ａ　、　ｌｂ　、　１ｃ・・−単色光源、２ａ、　２
ｂ　、　２ｃ・・・タングステンランプ、３ａ　、　３
ｂ　、　３ｃ・・・光学フィルｐ、４ａ　、４ｂ。 ４Ｃ・・・投光レンズ、５・・・ＴＶカメラ、６ａ　、
　６ｂ　、−６ｃ・・・増幅器、７・・・比較器、８．
１２・・・検出出力信号。 １０・・・計′ｌｔ機、１１・・・記憶装置、２１ａ・
・・Ｂ信号、２１ｂ・・・Ｇ信号、　２１ｃ・・・Ｒ信
号。 代理人弁理士　　秋　本　正　実 第１図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物の検出画像から対象物表面の各点における面
   の方向を非接触的に検出する方法において、複数の方向
   からそれぞれ異った波長の単色光で対象物ン照明し、上
   記の単色光で照明され九対象物の画像ン各単色光の波長
   域ごとに分離し、これによって得られた複数個の画像ヲ
   それぞれ電気信号に変換し、この電気信号ケ電気的に演
   算処理することにより検出対象面についてその方向又は
   形状の少なくともいずれか一方を検知することを特徴と
   する立体形状の検出方法。　　　　−２、対象物の検出
   画像から対象物表面上の各点における面の方向を非接触
   的に検出てる装置において、複数の方向からそれぞれ異
   った波長の単色光で対象物ン照明する手段と、上記照明
   手段で照明された対象物の画像を各単色光の波長域に分
   離する手段と、こ、れによって得られた複数個の画像乞
   それぞれ電気信号に変換する手段と、上記複数個の電気
   信号相互の関係を比較して予め設定した関係九等しくな
   ったことを検出てる手段とよりなり、対象物の検出画像
   の中で予め設定した方向の面の領域を分離検出し得るよ
   うにしたことＹ％徴　　　　□とてる立体形状検出装置
   。 ３、対象物の検出画像から対象物表面トの各点における
   面の方向を非接触的に検出する装＊（ｌｌにおいて、複
   数の方向からそれぞれ異った波長の単色光で対象物音照
   明する手段と、上記照明手段で照明された対象物の画像
   を各単色光の波長域に分離する手段と、これによって得
   られた複数個の画１象をそれぞれ電気信号に変換する手
   段と、上記複数個の電気信号に基づいて対象物表面の各
   点の方向を算出する計算手段とよりなり１画像上の総て
   の面の方向を算定できるようにしたことｔ特徴とてる立
   体形状検出装置。