JPS60253806A - 形状検出方法及び装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は形状検出方法及び装置、特に対象物の位置決め
や形状認識等をほぼ実時間で行うために対象物の表面形
状を電気的に座標計算することのできる改良された形状
検出方法及び装置に関するものである。

し従来技術］ 各種対象物の形状検出あるいは形状認識を行うことが各
種産業分野において要請され、例えば近年におけるロボ
ットを用いた加工あるいは処理装置において有益であり
、また各種の無人走行車において搬送物を認識するため
に用いられ、これらの利用分野において対象物の位置あ
るいは姿勢等を正確に知るために対象物の表面形状を認
識することが必要とされる。特に、前述した形状検出呼
、近年のごとく対象物に対して正確なかつ精密な処理を
行うためにはその位置あるいは姿勢検出を迅速に行う必
要があり、その形状検出あるいは認識時間が全体の処理
時間に与える影響が大きいために、実際上実用化に適す
る検出時間はごく短時間例えば０．５秒程度あるいはこ
れ以下の短時間しか許容されない場合が多い。

従来の一般的な対象物の位置あるいは姿勢検出は、テレ
ビカメラによって対象物を撮像し、得られた画像の濃淡
に各種画像処理を施して所望の検出データを得ることが
行われている。

このような従来方式は、単純な形状の対象物に対しては
十分に実用化可能な検出を行うことができるが、複雑な
表面形状、特に一般的な機械加工面を持つ金属物体のご
とく表面の明暗比率が小さい金属製品等の対象物に対し
ては充分な形状識別を行うことができず、通常の場合、
ロボットその他において取扱う対象物はこの種の製品が
ほとんどであることから、従来においてはロボット等の
応用範囲に著しい制約が与えられるという欠点があり、
またこのような形状認識を高速度で行うことは側底不可
能であった。

従来の他の方式として、ベルトコンベア等により搬送さ
れる対象物を扱う場合、単にテレビカメラで対象物を撮
像するばかりでなく、所定のスリット光を搬送される対
象物に投射してこのときにスリット光で投射された対象
物上の光切断線をテレビカメラで撮像する方式が提案さ
れ、この従来方式によれば、外光に比して照度の高いス
リット光によって明暗の強い光切断線を対象物上に形成
できることからテレビカメラによる識別能力を著しく増
大させ正確な形状検出を行う利点を有する。

しかしながら、この改良された方式もベルトコンベア等
で搬送される対象物のごとき特定の応用分野にしか適用
することができず、一般的な静止対象物には実用できな
いという欠点があった。

前記スリット光による光投射を静止対象物に適用するた
めに、従来においても、スリット光を投射する送光器と
テレビカメラ等の受光器とを一体構造にして静止対象物
の周囲に移動させ、前記搬送される移動対象物と同様の
効果を得る方式が提案され、前記送受光器を一体構造で
送り駆動する装置が用いられている。

しかしながら、この移動送受光器システムにおいては、
機械的な送り機構が複雑大型となり、高速度でかつ広範
囲に対象物の位置あるいは姿勢を検出することが不可能
であり、従来装置ではその処理速度が遅く、例えば１画
面の処理に４〜５秒を必要とし、実際上その応用範囲も
極めて制限されるという欠点があった。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は複雑な表面形状静止対象物であっても迅速正確
にその位置あるいは姿勢を検出することのできる改良さ
れた形状検出方法及び装置を提供することにあり、本発
明によれば、対象物の表面形状を二次元的あるいは三次
元的に座標変換し、ロボットあるいは無人走行車等に対
して有効に利用できる形状検出方法及び装置を提供する
。

［発明の構成］ 上記目的を達成するために、本発明による形状検出方法
は対象物にスリット光を所定の掃引速度で投射し、対象
物からの反射光をテレビカメラの二次元走査で電気信号
に変換し、前記スリット光の１回の掃引と複数回のカメ
ラ走査とを同期制御し、テレビカメラの各水平走査毎に
対象物表面の光切断位置を検出し、前記光切断位置とス
リット光投射角度とから各水平走査毎に対象物の表面形
状を座標計算して対象物の表面形状をめることを特徴と
する。

また、本発明に係る形状測定装置は対象物にスリット光
を所定の掃引速度で投射するスリット光投射機構と、前
記スリット光投射機構に対応した所定位置に固定されス
リット光により生じた対象物表面の光切断線を撮像Ｊ−
るテレビカメラと、テレビカメラの走査と同期してスリ
ット光投射機構の連続的なスリット光掃引作用を制御す
るスリット光掃引回路と、前記テレビカメラの各水平走
査毎にスリット光の光切断位置を検出する光切断位置検
出回路と、前記光切断位置検出回路から検出された光切
断位置と前記スリット光膜！）１機構のスリット光投射
角度からテレビカメラの各水平走査毎に対象物の表面座
標を計算する座標計算回路と、を有し、テレビカメラを
固定した状態で各スリット光の掃引周期内で多数回の反
射光の二次元走査を行い、光切断位置をテレビカメラの
水平走査毎に順次座標計算して対象物の表面形状を検出
することを特徴とする。

［実施例の説明］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

（実施例装置の概略） 第１図には本発明が適用された形状検出装置の概略的な
構成が示されており、対象物１ｏは静止状態におかれて
いる。

本発明において、前記対象物１ｏにはスリット光１００
が掃引投射され、またこのときの対象物１０の表面がテ
レビカメラ１８により撮像あるいは電気信号に変換され
、このようなスリット光１００の送光及び受光を行うた
めに送受光器１２が設けられている。

送受光器１２は固定基板１４に固定されたスリット光投
射機構１６とテレビカメラ１８とを含み、スリット光投
射機構１６から対象物１０に投射されるスリット光１０
０を対象物１０の表面で掃引させ、一方でテレビカメラ
１８は固定基板１４上に固定された状態で対象物１０の
表面形状を撮像する。

前記スリット光投射１ａ構１６は光源２０を含み、該光
源２０から出射された細光線１０２には円筒レンズから
成るスリット光変換器２２によってスリット光１００に
変換され、これがミラー２４にて反射されて対象物１０
に向かって投射される。

前記ミラー２４は回転機構２６によって回転駆動され、
これによってスリット光１００を対象物１０の表面に所
定の掃引速度で掃引制御することができる。

一方、前記スリット光１００によって対象物１０の表面
に形成された光切断線Ａは前述した固定テレビカメラ１
８によってＳ像され、所定の平面画素に電気信号として
変換される。テレビカメラ１８は光軸Ωを有するレンズ
２８と平面状の撮像素子３０そして前記撮像素子３０を
電気的に平面走査する走査回路３２を含む。

本実施例において、前記撮像素子３０はノンインターレ
ース走査の固体撮像素子が用いられている。実施例にお
いて、走査回路３２は連続的にノンインターレース走査
を継続しており、１画面の撮像が終了する時にエンドオ
ブフレーム信号ＥＯＦを出力し再び次の画面の撮像を開
始し、常時撮像素子３０には対象物１０の表面形状がリ
アルタイムで記憶される。

本発明において特徴的なことは、前記固定されたテレビ
カメラ１８の走査と前述したスリット光投射機構１６の
スリット光掃引とが同期制御されていることであり、こ
のために装置はスリット光掃引回路３４を含み、その掃
引制御信号、実施例においてはランプ信号１０４が前述
した回転機構２６に供給され、該回転機構２６の回転角
度がランプ信号１０４の電圧値によって制御される。従
ってこのランプ信号１０４の供給によってミラー２４が
回動しスリッ］−光１００を対象物１０の表面で掃引さ
せることが可能となる。

スリット光掃引回路３４のスタートは掃引開始パルス発
生器３６のパルス信号によって制御されており、前述し
たテレビカメラ１８が常時平面走−査しているのに対し
、スリット光投射機構１６は掃引開始パルスの入力前に
おいてはその初期位置に停止している。従って、通常の
検出待機状態ではスリット光投射機構１６はスリン１〜
光１００を所定の投射角度位置に静止した状態で掃引開
始パルスの供給を待つ。

前述したテレビカメラ１８の走査どスリン１〜光１００
の掃引との同期を取るために、テレビカメラ１８のエン
ドオブフレーム信＝ｒ＝ｏｒ：がスリット光掃引回路３
４に供給されており、前述した掃引開始パルス発生器３
６からの掃引開始パルス人、　方接にテレビカメラ１８
から最初に出力されるエンドオブフレーム信号ＦＯＦを
検出して前記ランプ信号１０４の出力を開始し、これに
よってスリット光１００の掃引がテレビカメラ１８の走
査と同期した状態で開始される。

本実施例において、前記テレビカメラ１８の走査及びス
リット光１００の掃引を行うためクロック信号発生器３
８が設けられており、クロック信号ＣＬＫ１が走査回路
３２に供給されるとともに、これより十分に低い周波数
を有するクロックパルスＣＬＫ２がスリット光掃引回路
３４に供給されている。

従って、スリット光１００の１回の掃引に対して十分に
多数の回数に選択された多数回のテレビカメラ１８の走
査が行われることとなり、前記エンドオブフレーム信号
ＥＯＦはその複数回の出力毎にスリット光掃引回路３４
を初期状態に戻す制御を行い、その間のエンドオブフレ
ーム信号ＥＯＦはスリット光掃引回路３４から無視され
る。従って、掃引リセットに用いられるエンドオブフレ
ーム信号ＥＯＦの回数を任意に設定することにより、ス
リット光１００の掃引量が任意に選択できることが理解
される。前記ランプ信号１０４は連続的な増加特性を有
し、これによってミラー２４は滑らかな連続回転を行い
、スリブ１へ光１００が対象物１０の表面を連続的に掃
引移動することができる。

従って、前述したスリット光１００の１回の掃引に対し
てテレビカメラ１８は予め定められた数の画面を撮像し
、再びテレビカメラ１８の走査と同期してスリット光掃
引回路３４のランプ信号１０４をクリアスタートするこ
とににす、繰返しスリット光１００の掃引及びこの間の
複数回の画面撮像を同期して行うことが可能となる。

前述したテレビカメラ１８の走査速度とスリット光１０
０の掃引速度とは前者が後者より十分に速くなるよう設
定されており、このために、テレビカメラ１８の１枚の
撮像画面上では対象物１０の表面における光切断線Ａは
ほとんど停止しているものと考えることができる。そし
て、テレビカメラ１８は撮像素子３０によって撮像され
る各画面毎に対象物１０の表面を順次移動する光切断線
Ａを記録することができ、このことは対象物１０の表面
を光切断線Ａで細かく高密度で分解した複数の画像が得
られることを意味し、この複数の画面から各切断線Ａを
電気的に検出して座標計算すれば対象物１０の表面形状
を高い精度で検出可能となる。

本発明において、前述したテレビカメラ１８にＪ：る各
画面上での光切断線Ａを高速度（はぼ実時間）で検出す
るために、光切断位置検出回路４０が設けられており、
本発明においては、この検出速度を増加させるために、
テレビカメラ１８の水平走査毎に光切断位置の検出が行
われる。そして、この光切断位置検出回路４０には前記
テレビカメラｉ　３１）１１ジ工ンドオブライン信号Ｅ
ＯＬ及びビデオ信号ＶＩＤＥ’Ｏが供給されている。

そして、前述したテレビカメラ１８の各水平走査毎の光
切断位置は次に座標目算回路４２によって所望の座標値
として計算される。

座標目算回路４２の計算は前述した光切断位置とこの光
切断位置が得られた時のスリット光１００の対象物１０
表面上での光切断線Ａの位置とから宙められ、前記各掃
引時におＣプる光切断線Ａの位置は前述したスリット光
掃引回路３４からスリット光投射角度を示す掃引位置信
号１０６として前記光切断位置検出回路４０を介して座
標計算回路４２へ供給される。

従って、座標計算回路４２はテレビカメラ１８の各画面
上の各水平走査毎にそのときの光切断位置をめることが
でき、この各光切断位置の座標をスリット光１００の１
回の掃引に対して全て行うことにより、選択されｌｃ掃
引範囲内の対象物１０の表面形状を正確に電気的な座標
として検出づることが可能となり、これを対象物１０の
位置あるいは姿勢その他の検出信号として用いることが
可能となる。

（座標計算の原理） 前述した本発明に係る座標計算はスリット光１００によ
る対象物１０の表面での光切断線Ａの各水平走査毎の位
置とこのときのスリット光１００の掃引位置により定ま
るが、以下に第２Ａ図に示される平面座標（ｘｙ座標）
及び第２Ｂ図に示される立面圧＋＝　（ｙ　ｚ座標）を
参照しながらその原理を説明する。

送受光器１２の座標軸として、第２Δ図に示されるごと
く、光源２０からの細光線１０２がミラー２４に進む方
向をＸ軸とする。そして、テレビカメラ１８のレンズ光
軸Ωをｘｙ座標の原点Ｏを通る位置に定める。

スリッｌ〜光１００はそのスリット長手方向がＺ軸方向
となるようスリット光変換器２２によって光変換されて
おり、座標原点Ｏとミラー２４の中心点との距離をＤそ
して座標原点０とレンズ２８の中心点Ｑとの距離をＲと
づ゛る。

撮像素子３０はその中心がレンズ軸Ｑと直交し、かつそ
の垂直方向画素列がＺ軸と一致するように設置されてい
る。

説明を簡略にするために、スリット光１００を固定した
状態とする。スリット光１００の投射角度はγで示され
、対象物１０の光切断線Ａ上の任意の一点Ｐからの反射
光Ｃがレンズ軸Ｑとｘｙ平面内で成す角をα　、同様に
ｙ７平面内で成す角をα２で示すと、Ｐ点の座標ｘ、ｙ
、ｚは次式で示される。

ｘ＝（ｙ−Ｒｃｏｓ　ａ　）　ｔａｎ　（ａ　＋　ａ　
）４Ｒ３ｉｎα。

０　０　ｘ ・・・（２） ｚ＝（ｙ４ｃｏｓα　）　ｔａｎα２・（３）Ｐ点の撮
像素子３０上の結像点が中心から水平方向にに画素そし
て垂直方向にＬ画素の位置（以゛下、Ｋ、Ｌを光切断位
置という）にあるとすると、前記各式のα８．α２は次
のように表わされる。

ｔａｎ　α　＝＝ａ　Ｋ　−（４） ｘ　× ｊａｎ、　ａ　ｚ　＝　ａ　ｚ　Ｌ　・・・（”　）こ
こで、α　はレンズ２８の焦点距離と撮像素子３０の水
平方向の画素間距離で定まる定数である。

また、α２は次式で表わされるように水平方向の光切断
位置にと角度α。の関数である。

ここでｂｌ、ｂ２．ｂ３はレンズ２８の焦点距離と撮像
素子３０の水平、垂直方向の画素間距離で定まる定数で
ある。

（４）、（５）式を（１）〜（３）式に代入すると、 ・・・（７） ｘ＝（ｙ−Ｒｃｏｓ　ａ　）　ｔａｎ（ｃｒ　＋ｔａｎ
−’　ａ　ｘＫ）０ ＋Ｒ５１ｎα０　・・・（８） ｚ＝（ｙ−Ｒｃ、ｏｓ　ａ　）　ａ７Ｌ　−（９）が得
られる。この（７）〜（９）式で、Ｄ、Ｒ。

α　、ａ　は定数であり、ａ２はＫの関数であるｘ から、光切断位置に、Ｌとスリット光１００の投射角度
γを検出すれば、Ｐ点の座標をめ得ることが理解される
。　従って、前述した計算を順次光切断線Ａ上の各点に
ついて繰返し行うことにより、光切断像から対象物１０
の表面形状の座標を測定することが可能となる。

本実施例において、前述した座標計算のもととなる光切
断位置に、Ｌ及び投射角疫Ｔは前述したように光切断位
置検出回路４０から座標計算回路４２に供給されており
、これらの座標ｆｉｔ　ｔｉデータは本発明においてテ
レビカメラ１８の水平走査毎に検出されまたその計算が
施される。

そして、本発明において、テレビカメラ１８の走査とス
リット光１００の掃引とは互いに同期制御されており、
前述したスリット光１００の掃引位置もスリット光掃引
回路３４から得られるランプ信号を適当なタイミングで
サンプリングすることにより正確かつ容易に得ることが
できる。勿論、座標計算において、前述した各定数は予
め電気的な信号として座標計算回路４２に供給すること
ができる。

本発明において、前記座標計算はビデオカメラ１８の各
水平走査毎に行われ、この結果対象物１０の表面形状を
高速度で、実際上テレビカメラ１８の高速度走査に追従
したほぼ実時間で計算可能であり、例えばテレビカメラ
１８の視野を水平画素４９、そして垂直画素５０に分割
する場合には全画素についての座標計算を０，５秒以内
で行うことが可能となる。

（スリット光の掃引） 第３図には本実施例におけるスリット光掃引回路３４の
好適な実施例が示され、またその各部タイミングチャー
トが第４図に示されている。第４図から明らかなように
、本実施例においては、スリット光１００の１回の掃引
中にテレビカメラ１８はＮ枚の画面をＲ徴することとな
り、換言すれば、Ｎ回のエンドオブフレーム信号ＥＯＦ
によってスリット光１００の掃引がクリアスタートされ
ることとなる。

前述したように、テレビカメラ１８は自走しており、そ
のエンドオブフレーム信号ＥＯＦはテレビカメラ１８と
スリット光１００の掃引を同期制御するためにスリット
光掃引回路３４に供給されている。

実施例におけるスリット光掃引回路３４は基本的にラン
プ信号発生回路から成り、その原信号はクロック信号発
生器３８のクロック信号ＣＬＫ２から成り、このＣＬＫ
２をカウンタ４４によりカウントし、このカウント値に
対応したアナログ値をＤ／Ａ変換器４６から変換出力す
ることにより清らかな一定の増加特性を有するランプ信
号が得られ、Ｄ／Ａ変換器４６の出力は電流増幅器４８
を介して回転機構２６へ所望のランプ信号１０４を出力
する。

そして、前記カウンタ４４のリセットを所定時期に行う
ことによって所望のランプ信号１０４を繰返し出力する
ことができ、前記カウンタ４４のリセットを行うために
、前述したテレビカメラ１８のエンドオブフレーム信号
ＥＯＦが用いられ、そのＮ回のカウントがカウンタ５ｏ
によって行ゎれている。

前記エンドオブフレーム信号ＥＯＦはフリップ７０ツブ
（以下ＦＦという）５２のクリア端子及び前記カウンタ
５０のクロック入力端子に接続され、スリット光１００
の掃引が行われていない初期状態すなわち掃引開始パル
ス発生器３６からのスタートパルスがＦＦ５２に供給さ
れていない状態では、前記ＦＦ５２．これに後続するＦ
Ｆ５４そしてカララン５０，４４は共にクリア状態にあ
る。

掃引開始パルス発生器３６からのスタートパルス１０８
が［Ｆ５２のクロック入力端子に供給されると、該ＦＦ
５．？はセットされ、その口出力は「０」となる。

そして、この後初めてのエンドオブフレーム信号ＥＯＦ
がテレビカメラ１８がらＦ　Ｆ　’５２へ供給されると
、ＦＦ５２はクリアされ、その口出力はｒｌＪとなり、
ＦＦ５４をトリガするので、該ＦＦ５４の０出力はｒＯ
Ｊに変化する。従って、ＦＦ５４の口出力にて両カウン
タ５０．’４４は共にそのクリア状態が解除され、カウ
ンタ５０はエンドオブフレーム信号ＥＯＦのカウントを
開始し、また同時に、他方のカウンタ４４はクロック信
号ＣＬＫ２のカウントを開始する。

従って、前記カウンタ４４の出力は順次増加し、これを
Ｄ／Ａ変換器４６にてアナログ信号に変換することによ
り、所望のランプ信号１０４を得ることが可能となる。

従って、回転機構２６はランプ信号１０４の出力に応じ
てミラー２４を回動させ、前述したように、スリット光
１００の掃引を行うことができる。

前記カウンタ５０がエンドオブフレーム信号ＥＯＦを（
Ｎ＋１）個カウントすると、これに後続するゲート５６
の出力が「１」となり、ＦＦ５４をクリアするので、そ
の出力口「１」が両カウンタ５０．４４をクリアする。

従って、この所定数のテレビカメラ走査完了後に、ラン
プ信号１０４の出力が停止し、ミラーが初期状態に復帰
する。

以上のようにしてテレビカメラ１８の走査に同期してミ
ラー２４の回動すなわちスリット光１００の掃引を予め
定められたテレビカメラ１８の画面数だけ行わせること
ができ、これによって、スリット光１００を所定の角度
範囲、すなわち、テレビカメラ１８の所定画面数と対応
した角度だけ連続的に掃引させることが可能となる。

なお、後述する座標計算を行うためのスリット光１００
の掃引位置はカウンタ４４の出力として光切断位置検出
回路４０へ出力される。

（光切断位置の検出） 前述したごとく、本発明によれば、座標計算を行うため
に、テレビカメラ１８の各水平走査毎の光切断位置が一
方の計算データとして用いられており、以下にその検出
回路及びその作用を説明する。

第５図にはテレビカメラ１８の撮像素子３０における画
素マトリクスが示されており、水平（Ｘ軸）及び垂直（
Ｚ軸）の画素数はそれぞれＭ＋１゜Ｎ＋１でいずれも中
心の基準点（０，０）に対して両側方向に同数の画素が
配列された奇数画素の例を示す。この画素数はテレビカ
メラ１８にお（プる撮像素子３０の水平及び垂直方向画
素数と等しく設定されている。

第６図には本実施例における光切断位置検出回路４０の
好適な実施例が示されており、各水平走査毎に、光切断
位置がいずれの列番号に在るかをデジタル的に検出しこ
れを水平（Ｘ軸）方向の光切断位置信号にとして、また
このときの行番号を垂直（２軸）方向の光切断位置信号
りとして出力する。

光切断位置検出回路４０の基本的な作用は、各水平走査
毎にスリット光１００によって対象物１０の表面に生ず
る他と比してその輝度が著しく強くなる１個若しくは２
個以上の画素を検出し、このときの列番号をデジタル的
にめることにより行われる。

第６図において、テレビカメラ１８の撮像素子３０はク
ロック信号ＣＬＫＩにて走査制御されており、第７図の
タイミングチャートから明らかなごとく、１列の走査が
完了すると所定のブランキング時間Ｔｅ経過後に次の行
の走査が開始され、この水平走査は左上の画素（−Ｎ／
２．−Ｍ／２）から右方向に行われ、順次Ｎ／２行まで
繰返される。そして、１枚のフレーム完了時に走査回路
３２からはエンドオブライン信号ＥＯＬが出力される。

テレビカメラ１８によって撮像されたビデオ信号ＶＩＤ
ＥＯはアンプ５８で増幅された後Ａ／Ｄ変換器６０によ
ってクロック信号ＣＬＫ１の入力毎にデジタル信号に変
換され、比較器６２によってその輝度レベルが所定値と
比較される。実施例において、この比較値はスレッショ
ルド設定器６４からのスレッショルド値で形成され、ビ
デオ信号に含まれている雑音信号を除去し、光切断位置
信号を良好なＳＮ比にて抽出可能としている。

本発明においては、スリット光１００を対象物１０の表
面に掃引させ、外光より十分に高い照度の光切断線Ａを
対象物１０の表面に形成してい丞ので、光切断位置を比
較器６２がら出力することは極めて容易である。従って
、比較器６２はＡ／Ｄ変換器６０の出力値がスレッショ
ルド値より大きい時のみ「１」信号を出力し、この出力
は実際上各水平走査毎に単一の画素若しくは２個以上の
連続した画素にまたがって検出されるのみであり、離れ
た複数位置に生じることはない。

前述した比較器６２が光切断位置を検出したタイミング
での列番号を検出するためにカウンタ６６が設けられて
おり、■ンドオブライン信号ＥＯＬの出力毎にプリセッ
トデータとして撮像画面の左端の列番号である一Ｍ／２
をロードした後、クロック信号ＣＬＫＩをカウントする
。

従って、カウント６６の計数値は常時現在の列番号を示
すこととなり、比較器６２の出力タイミングでカウンタ
６６の計数値を出力すればこれを光切断位置信号として
用いることができる。

しかしながら、前述したように、各水平走査中でコンパ
レータ６２から「１」信号が出力される画素は１個若し
くは２個以上の連続した画素であって、第５図の（−Ｎ
／２）では１個そして次の行（−Ｎ／２−！−１）行で
は２個の信号が出力される例を示しており、このために
、前記カウンタ６６の出力は２個のラッチ６８．７０に
よって記憶され、両信号の加算値が平均化された水平方
向の光切断位置信号として用いられる。

前述した比較器６２が光切断位置を検出して「１」信号
を出力するとラッチ６８はイネーブルとなり、このとき
の列番号をカウンタ６６の出力として記憶する。

また、前記比較器６２の「１」信号はＦＦ７２をセラｉ
へし、そのＱ出力「１」によって他方のラッチ７０に前
記カウンタ６６の出力である列番号を記憶する。この時
点において両ラッチ６８．７０は同一の列番号を記憶す
ることとなる。

前述したように、スリット光１００の掃引速度とテレビ
カメラ１８の走査速度の選定により、水平走査中に連続
した２以上の画素に光切断像Ａが撮像されることがあり
、このような場合にも正確な水平走査位置を検出するた
め、実施例おいては、第１のラッチ６８が連続した画素
の最後の列番号を記憶することができる。

づなわち、ラッチ６８は比較器６２の出力によって常に
その列番号記憶を更新づることかでき、このどきにはそ
れ以前の列番号は消去される。一方において、第２のラ
ッチ７０はＦＦ７２にＪ：つてイネーブルにされてｄ５
す、最初の列番号を記憶した後はＦＦ７２がクリアされ
るまで次の列番号の受付を拒否し、これによって、両ラ
ッチ７０゜６８によって連続した２以上の画素の最初と
最後の列番号を記憶することが可能となる。

両ラッチ６８．７０の出力は加算器７４にて加算されラ
ンチ７６に記憶される。

一方、このとぎのテレビカメラ１８の垂直方向走査位置
を知るために、他のカウンタ７８が設（すられており、
このカウンタ７８はテレビカメラ１８のエンドオブフレ
ーム信号ＥＯＦによつ−Ｃスター１〜行番号であるーＮ
／２をプリセットデータとしてロードした後エンドオブ
ライン信号ＥＯＬをカウントする。従って、カウンタ７
８は常時現在の行番号を記憶しＣいることが理解され、
その内容はランチ８０に記憶されている。

以上のようにして列番号及び行番号は両ラッチ７６．８
０に記憶されることとなるが、これを各水平走査毎に出
力するために１行毎の水平走査がカウンタ８２によって
監視されており、カウンタ８２はクロック信号ＣＬＫ１
を（Ｍ＋１）個計数するとゲート８４の出力を「１」に
切替え、ＦＦ８６をセットしてそのＱ出力を「１」とす
る。そして、ＦＦ８６のＱ出力は前述したＦＦ７２のＱ
出力とアンドゲート８８にて論理積がとられて０るので
、各水平走査中でスリット光１００による光切断位置が
存在していた時にナントゲート８８の出力が「１」とな
り、このときに前記両ラッチｊ６．８０の記憶が実行さ
れ、各水平走査の終了時にラッチ７６から列番号がまた
ラッチ８０力＼ら行番号がそれぞれ光切断位置信号に、
Ｌとして出力されることとなる。

従って、本発明によれば、各水平走査終了時に遅れなく
光切断位置が検出されることとなる。

また、前記アンドゲート８８の出力は光切断位置の存在
を示す信号として出力される。

以下に第５図における画素（−Ｎ／’２．に−１）、（
−Ｎ／２＋１．Ｋ）（−Ｎ／２＋１．に＋１）に光切断
像が搬像されている状態を例にして実際の光切断位置検
出作用を説明する。

−Ｎ／２行の走査においては、ラッチ６８．７０には同
一の列番号に−１が記憶され、この結果両者が加算され
たラッチ７６には２に−２が、また行番号のラッチ８０
には−Ｎ／２が記憶される。

また−Ｎ／２＋１行においては、ラッチ６８にはに＋１
が、ラッチ７０にはＫが記憶され、この結果両者の合算
である２に＋１がラッチ７６に記憶されることとなり、
一方行番号を示すラッチ８０には−Ｎ／２＋１が記憶さ
れる。

以上のように、本実施例によれば、光切断位置を各水平
走査終了時に検出することができ、また列方向の２画素
に撮像された場合でも両者の加算値を記憶するので、こ
の結果、実際の列番号の平均値の２倍が得られ、いずれ
か一方を記憶する場合に比して検出誤差を低下させるこ
とができる。

本実施例において、光切断位置検出回路４０は第３図に
示したスリット光掃引回路３４からの掃引位置信号１１
０を記憶するラッチ９０を含み、投射角度γとして出力
可能であり、各画面に対応したスリット光１００の掃引
位置をスリット光の投射角度として検出する。

前述した各検出信号は座標計算回路４２へ供給され次の
座標計算に供される。

（座標の計算） 第８図には本実施例にお（プる座標計算回路４２が示さ
れており、前述した光切断位置検出回路４０から得られ
る光切断位置信号及び投射角度信号を用いて所定の座標
計算が行われる。

なお、前述したごとく、水平走査方向の光切断位置信号
は該当する列番号の平均値の２倍の値となっており、こ
の水平方向光切断位置データをに−で示すと、前述した
（４）〜（９）式における定数ａｘに関しては１／２ａ
ｘ＝ａｘ−なる定数を定めることにより、（４）式の右
辺はａ　Ｋ＝ａｘ”Ｋ”’と示される。また各式におけ
る距＠Ｒと角度α０がいずれも０の時、Ｖなわち゛レン
ズ２８の中心Ｑが座標原点Ｏとレンズ光軸Ｑがｙ軸とそ
れぞれ一致している時には、前述した（７）〜（９）式
は ｙ＝Ｄ／（ｃｏｔ７＋ａ　−に−）　・（１０）× ｘ＝ｙａ　−に′　・・・（１１） Ｚ＝４”８２Ｌ　・（１２） となる。この時、係数ａ７は（６）式から明らかなよう
に定数と成る。

以下に前述したく１０）〜（１２）式を用いて座標計算
を行う回動を第８図に基づいて具体的に説明する。

座標計算回路４２は乗算、除算等の演Ｗ機能を有するプ
ログラミング乗除算器９２と該乗除算器９２にクロック
信号ＣＬＫ３及び所定の命令コードを供給するコントロ
ーラ９４を含み、このコント０−ラ９４は以下に示す各
機能素子の制御を行う。

前記機能素子は複数のパスバッファ９６−１〜９６−９
、ラッチ９８−１〜９８−４、定数設定器−９１−１〜
９１−４そしてｃｏｔγテーブル９２を含む。前記定数
設定器９１−１〜９１−４はそれぞれ前述した式（１０
）〜（１２）の定数　Ｄ。

ａｘ−２ａ７及び１を設定し、またテーブル９２は角度
γからｃｏｔγの演算を行う。

コントローラ９４には光切断位置検出回路４０のアンド
ゲート８８の出力が供給されており、光切断位置検出が
各水平走査毎に完了した時点でコントローラ９４は座標
計算に必要な各種コントロール信号を順次発生する。そ
して、乗除算器９２はコントローラ９４から供給される
クロック信号ＣＬＫ３で制御され、クロック信号ＣＬＫ
３と同期してデータ入力端子から供給された各データに
ついてクロック信号ＣＬＫ３と同期してコントローラ９
４から入力される命令コードに従った演算を行い、所定
のクロックサイクル経過後データ出力端子に演算結果を
出力する。

前記データ処理中において、コントローラ９４による各
バッファ群９６及びラッチ群９８の制御はこれらの内の
選択された単一素子をアクティブにしくバッファの場合
間、ラッチの場合イネーブル）２以上の素子が同時にア
クティブ状態になることを禁止している。

実際の座標計算の手順は以下のごとく行われる。

光切断位置検出回路４０のアン１さゲー１−８８の出力
が「１」となると、コントローラ９４はバッファ９６−
２からの定数ａｘ′バッファ９６−５からの水Ｙ走査方
向の光切断位置信号に−、バッファ９６−７からのｃｏ
ｔγそしてバッファ９６−４からの定数を順次取込み、
乗除算器９２は所定の除算を行い、この演算結果［ａｘ
′Ｋ　−十ｃｏｔγ・１］がラッチ９８−１に記憶され
る。

次に、コントローラ９４はバッファ９６−１から定数り
そしてバッファ９６−８から前述したランチ９８−１の
記憶内容を乗除算器９２へ送り、その演算結果［Ｄ　／
　（ａ　ｘ　′Ｋ　′＋　ｃｏｔγ）］をラッチ９８−
２に記憶し、これによって、ｙ座標値がめられたことが
理解される。

また、コントローラ９４は次にバッファ９６−２からａ
ｘ″を取込み、続いてバッファ９６−５から水平走査方
向の光切断位置信号に′を取込み、その演算結果［ａ、
−に′］をランチ９８−１に記憶する。

次に、バッファ’９６−９からはラッチ９８−２のｙ座
標値が乗除算器９２へ再び取込まれ、バッファ９６−８
を用いてラッチ９８−１から前記［ａｘ′に一］を乗除
算器９２へ取込んで所望の演算が行われ、その演算結果
［ｙａｘ′に一］すなわちＸ座標値がラッチ９８−３に
記憶される。

更に、バッフ７９６−３からの定数８２．バッノ？９６
−６からの垂直方向での光切断位置信号［が乗除算器９
２へ取込まれ、その演算結果［ａ７Ｌ］がラッチ９８−
１に記憶される。そして、バッファ９６−９から得られ
るラッチ９８−２のｙ座標値とバッファ９６−８から、
のラット９８−１に記憶されている［　ａ　ｚ　Ｌ　］
とによって乗除算器９２が所望の演算を行い、その演算
結果［ｙａＺＬ］すなわち２座標値がラッチ９８−４に
記憶される。

従って、前記各ラッチ９８−２．９８−３．９８−４か
ら各座標値ｙ、ｘ、ｚの値を出力することができ、これ
らの座標計算に必要な所要時間はコントローラ９４から
供給されるクロック信号ＣＬＫ３の周期で定まり、これ
を適当に選択することによって、撮像素子３０の１行分
の走査詩間内で所望の演算を完了することが可能となる
。

［発明の変形例］ 図示した実施例において、送受光器１２の回転機構２６
はスキャナからなるが、本発明において、このスキャナ
を一定速度で連続回転するモータに置換してミラー２４
をモータで回転する回転多面鏡を用いることも可能であ
る。

また、実施例のテレビカメラ１８はその撮像素子３０と
してノンインターレース走査型固体撮像素子を用いてい
るが、他の任意の撮像素子、例えばインターレース走査
型固体撮像素子あるいはその他の各種撮像管を使用可能
である。

また、前記撮像索子３０の画素数は実施例において水平
方向及び垂直方向共に奇数に選択されているが、これら
の画素数の選択は任意であり、撮像画像の基準位置（０
，０）を画像のほぼ中心に設定し、これに対応して光切
断位置検出回路におけるプリセットデータを定めること
により効率の良い光切断位置検出を行うことが可能であ
る。

更に、前述した実施例に示した計算式は単に本発明の一
例を示し、これを簡略化した計算式その他を用い′るこ
とも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば対象物に対してス
リット光を掃引投射するとともに、受光するテレビカメ
ラは固定型とし、かつ前記テレビカメラの水平走査毎に
所望の光切断位置検出及び座標計算を行うので、従来の
方式に比して高速度で所望の光切断位置を検出し、また
この座標計算を行うことが可能であり、はぼ実ＩＩ間で
対象物の形状検出あるいは形状認識を行うことが可能と
なリ、無人走行車あるいはロボット等の目標物認識に極
めて有益であり、特に同一の対象物に対して繰返して形
状検出を行う際に有益な形状検出を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る形状検出装置の好適な実施例を示
す概略構成図、 第２Ａ図及び第２Ｂ図は第１図における座標測定の原理
を説明するためのｘｙ平面及びｙｚ立面図、 第３図は第１図におけるスリ引１〜光掃引回路の具体的
な回路構成を示す回路図、 第４図は第３図に示したスリット光掃引回路のタイミン
グチャート図、 第５図は第１図で示した撮像索子の画面及び該画面上の
光切断像の一例を示す説明図、第６図は第１図で示した
光切断位置検出回路の好適な実施例を示す回路図、 第７図は第６図に示した回路のタイミングチャート図、 第８図は第１図に示した座標計算回路の好適な実施例を
示す回路図である。 １０　・・・　対象物、 １２　・・・　送受光器、 １６　・・・　スリット光投射機構、 １８　・・・　テレビカメラ、 ２４　・・・　ミラー、 ３４　・・・　スリット光掃引回路、 ３６　・・・　掃引開始パルス発生器、３８　・・・　
クロック信号発生器、 ４０　・・・　光切断位置検出回路、 ４２　・・・　座標計算回路、 １００　・・・　スリット光、 １０４　・・・　ランプ信号。 出願人　株式゛会社　豊田中央研究所 代理人　弁理士　吉田研二 （外１名） 第１図 Δ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対象物にスリット光を所定の掃引速瓜で投射し、
   対象物からの反射光をテレビカメラの二次元走査で電気
   信号に変換し、前記スリット光の１回の掃引と複数回の
   カメラ走査とを同期制御し、テレビカメラの各水平走査
   毎に対象物表面の光切断位置を検出し、前記光切断位置
   とスリット光投射角度とから各水平走査毎に対象物の表
   面形状を座標計算して対象物の表面形状をめる形状検出
   方法。
2. （２）対象物にスリット光を所定の掃引速度で投射する
   スリット光投射機構と、前記スリット光投射機構に対応
   した所定位置に固定されスリット光により生じた対象物
   表面の光切断線を撮像するテレビカメラと、テレビカメ
   ラの走査と同期してスリット光投射機構の連続的なスリ
   ット光掃引作用を制御するスリット光掃引回路と、前記
   テレビカメラの各水平走査毎にスリット光の光切断位置
   を検出する光切断位置検出回路と、前記光切断位置検出
   回路から検出された光切断位置と前記スリット光投射機
   構のスリット光投射角度からテレビカメラの各水平走査
   毎に対象物の表面座標を計算する座標計算回路と、を有
   し、テレビカメラを固定した状態で各スリット光の掃引
   周期内で多数回の反射光の二次元走査を行い、光切断位
   置をテレビカメラの水平走査毎に順次座標計算して対象
   物の表面形状を検出することを特徴とする形状検出装置
   。
3. （３）特許請求の範囲（２）記載の装置において、スリ
   ット光投射機構は、光源と、光源からの細光線をスリッ
   ト光に変換するスリット光変換器と、スリット光を反射
   して対象物に投射するミラーと前記ミラーを所定の回転
   速度で回転させて対象物に対してスリット光を掃引投射
   する回転機構とを含むことを特徴とする形状検出装置。