TWI416065B - 原木的三維形狀測量裝置及方法 - Google Patents

Description

原木的三維形狀測量裝置及方法

本發明係關於一種原木的三維形狀測量裝置及方法，尤其適合用於藉由在圓周方向的複數處，檢測從支承原木的臨時軸心到原木外圍表面的距離，測量與臨時軸心呈正交的截面下的輪廓的裝置及方法。

一般而言，在製造合板(一般稱為veneer板)時，在其初始工程中，進行從原木製造片材狀的板(正式稱為單板)。製造單板如所謂的“蘿蔔刨削”(roll paper radish，日本料理中的一種蘿蔔刀切成形方法，用刀切削蘿蔔成薄且寬度寬的形狀)般，藉由一邊使原木旋轉，一邊用刀具切削原木表面來進行。用於該切削的裝置為薄片木車床(veneer lathe)。在薄片木車床中係藉由在前端設有爪部(夾頭)的轉軸(spindle)支承原木的兩端面，一邊使原木旋轉，一邊使安裝有刀具的鉋機以預定的速度朝向原木旋轉中心移動，藉此製造一定厚度的單板。

但是，由於原木是自然物體，形狀不是規整的圓柱。因此，為了從原木良率佳地得到單板，必須預先測量原木的三維形狀，再根據該測量形狀，求取用以良率最佳地得到單板的旋轉中心。另外，在開始切削一根原木時，必須預先使刀具遠離原木旋轉中心，在開始旋轉時，原木不能抵碰到刀具。因為開始動作時，如果原木抵碰到刀具，會有零件損傷之虞。

但是，若開始切削時的原木與鉋機的距離過大，則鉋機從接近到開始切削原木，會無謂耗費時間，生產性較差。為了將該時間成為最小，必須預先求取從所求出的旋轉中心到原木外圍表面的距離的最大值(原木的最大旋轉半徑)。亦即，在使鉋機在與所求得的最大旋轉半徑的值相對應的位置待機之後，藉由轉軸來支承原木而開始旋轉，藉此可提高切削的作業效率。

如上所述，為了提高切削的良率及作業效率，必須求出原木的旋轉中心及最大旋轉半徑。接著，作為求取旋轉中心及最大旋轉半徑的前提，必須先測量出原木的三維形狀。具有進行該等測量，決定轉軸的支承位置(夾持位置)或鉋機的待機位置而對薄片木車床供給原木的作用的裝置為車床進料機(lathe charger)。以往，以測量原木三維形狀的車床進料機而言，係提供接觸式的機械式檢測體的裝置，或者使用超音波感測器或雷射位移計等非接觸感測器的裝置(參照例如專利文獻1、2)。

(專利文獻1)日本特開平6-293002號公報

(專利文獻2)日本特開2007-90519號公報

在專利文獻1所記載的技術中，如第15圖所示，使複數個接觸式檢測體與原木外圍相對應設置，該複數個接觸式檢測體在原木的全長上，各檢測區域大致密接相連，同時，設有與該等檢測體個數相同，用以檢測檢測體的位移量的位移檢測器。並且，在使檢測體與原木外圍表面相抵接的狀態下，使原木繞臨時軸心旋轉，以檢測各檢測體的位移量，藉此對複數檢測區域的各個，分別檢測在與臨時軸心呈正交的截面下的輪廓。此外，在該文獻中，如第24圖所示，亦已揭示使用在原木長度方向大致密接相連的非接觸式的輪廓檢測器，來代替接觸式的檢測體。

在專利文獻2所記載的技術中，藉由繞臨時軸心旋轉的原木每旋轉預定旋轉角度，相對原木的長度方向離散地設置的複數個非接觸式的距離檢測器，分別檢測直到原木外圍表面的距離。此外，藉由與各臂對應設置的複數個角度檢測器，分別檢測沿原木長度方向並列設置且與原木外圍表面相抵接的接觸式臂的旋動角度。並且，根據由各距離檢測器檢測到的各距離，求取原木的旋轉中心，同時，根據藉由各角度檢測器所檢測到的各旋轉角度，求取原木的最大旋轉半徑。

但是，在專利文獻1、2所記載的習知技術中，測量原木三維形狀(在與臨時軸心呈正交的截面下的輪廓)的解析度，會因為相對原木長度方向的檢測體(檢測器)的數量而被限制，因此存在著無法正確測量原木三維形狀的問題。換言之，上述的習知技術，由於相對原木長度方向的輪廓的檢測截面數量受到限制，因此會有在檢測截面以外的部位所存在的結節、凸起、凹孔等凹凸未被檢測出來的情形。

具體地說，在一個檢測區域中，原木沿長度方向具有各種各樣凹凸形狀，但是，僅僅凸部的最突出部位接觸接觸式檢測體，因此，除此之外的部位並無法正確地捕捉到原木的輪廓。此外，即使在使用非接觸式感測器的情形下，也只有在該非接觸式感測器存在的位置能檢測與原木的距離，因此，在除此之外的位置，並無法正確地捕捉原木的輪廓。由於無法在全長上正確捕捉原木的三維形狀，因此原木的旋轉中心及最大旋轉半徑亦無法求出在提升單板切削的良率及作業效率時真正較佳的值。

本發明係為了解決如上所示之問題而硏創者，目的在於可更加正確地測量原木全長的三維形狀(在與臨時軸心呈正交的截面下的輪廓)。

為了達成上述課題，在本發明中係將以與支承原木的臨時軸心呈平行的線狀光線由複數個視點朝臨時軸心方向照射，並對線狀光線照射狀態的原木進行攝影。接著，使用表示在攝影圖像上線狀光線照射處的位置的光線圖像位置資訊、和表示發光裝置及攝像裝置相對臨時軸心的相對位置的裝置位置資訊，進行預定的運算，藉此分別計算從在臨時軸心上每隔預定間隔所決定的複數個位置，到原木外圍表面上線狀光線照射位置的各距離。在本發明中，對在原木以臨時軸心為中心旋轉一周的期間作複數次攝影的複數個圖像的每個圖像，進行如上所示之距離運算。然後，再根據該複數次份的距離資訊，沿著原木的長度方向每隔預定間隔，求取在與臨時軸心呈正交的截面下的原木的輪廓。

按照構成為如上所示的本發明，係使用沿原木長度方向呈連續照射的線狀光線的攝影圖像，求取從臨時軸心到規定原木輪廓的外圍表面的距離。照射到原木的線狀光線不管在什麼地方均與原木外圍表面相接，因此，沿原木長度方向每隔預定間隔所求得的距離，均包含習知技術中沒有被計算的原木表面的凹凸，而正確地捕捉原木的輪廓。由此，可求得從臨時軸心到原木外圍表面的正確距離。而且，線狀光線係沿原木長度方向呈連續，因此亦可藉由將計算距離的長度方向的位置間隔變窄，以提高測量的解析度。

如上所述，按照本發明，可提高從臨時軸心到原木外圍表面的距離的測量精準度，而且可提高該距離的測量解析度。由此，可以更加正確地測量原木全長的三維形狀(在與臨時軸心呈正交的截面下的輪廓的集合)。結果，對於原木的旋轉中心及最大旋轉半徑，可求取最適當的值，而可提高切削良率及作業效率。

以下根據圖示，說明本發明之一實施形態。第1圖係表示本實施形態之原木三維形狀測量裝置之構成例的方塊圖。第2圖係表示實施本實施形態之三維形狀測量裝置的車床進料機之構成例圖。

如第2圖所示，本實施形態的三維形狀測量裝置100係具備有：藉由雷射驅動器10所驅動的2個雷射11、12(相當於本發明的發光裝置)、照相機20(相當於本發明的攝像裝置)、及電腦30。該等各構成要素將於後文詳細說明。

如第2圖所示，本實施形態的車床進料機200除了上述三維形狀測量裝置100之外，另具備有：擺臂201、檢測轉軸202、及檢測轉軸‧擺臂控制裝置203。擺臂201係將原木RW運送到檢測轉軸202的位置者，沿著原木RW的長度方向相對向而設。

檢測轉軸202係藉由設在前端的爪部(夾頭)來軸支原木RW的兩端面。檢測轉軸202係以暫時決定的臨時軸心TS(固定位置)為中心而非最終求得的原木RW的旋轉中心，而可旋轉地支承原木RW。檢測轉軸‧擺臂控制裝置203係根據由電腦30所被供予的控制訊號，來控制擺臂201及檢測轉軸202的動作。

在第1圖中，雷射11、12係將沿如第2圖所示可以臨時軸心TS為中心進行旋轉的方式所被支承的原木RW的長度方向呈連續的光線且為與臨時軸心TS呈平行的線狀光線，從複數個視點朝著臨時軸心TS的方向進行照射。該雷射11、12係例如紅色半導體雷射等的線雷射。其中，在此使用雷射11、12作為發光裝置之一例，但是，只要是能發出可由照相機20所拍攝的光線，並不一定必須發出雷射光線。

照相機20係每隔預定時間間隔，對由2個雷射11、12所發出的2個線狀光線照到不同處的狀態的原木RW進行複數次攝影。例如，在原木RW以一秒鐘繞臨時軸心TS旋轉一周的期間，照相機20拍攝32幀圖像。亦即，照相機20以1/32秒的時間間隔對原木RW進行攝影。其中，在此所列舉的數值僅為一例。亦可以使用更高速開閉快門的照相機20，以比1/32秒更短的時間間隔，對原木RW進行攝影。當時間間隔越短，越能提高輪廓相對原木RW的旋轉方向的測量解析度，較為理想。

第3圖係表示雷射11、12及照相機20的配置、以及照相機20之攝影圖像之一例圖。如第3圖(a)及(b)所示，照相機20係設置在臨時軸心TS的正上方，並與該臨時軸心TS距離預定的位置。此外，2個雷射11、12係以臨時軸心TS為中心，沿著原木RW旋轉的方向AW，當設置有照相機20的臨時軸心TS正上方的方向設為0度(基準角度)時，係分別配置在相對該基準角度成為±θ角度的位置。在此，若是在原木RW的長度方向全區域都能照到雷射光線的位置，則臨時軸心TS和各雷射11、12的距離為任意。

當如上所示配置雷射11、12及照相機20時，如第3圖(a)所示，若從2個雷射11、12朝著臨時軸心TS的方向照射與臨時軸心TS呈平行的線狀光線LB1、LB2，則由該2個雷射11、12所發出的2個線狀光線LB1、LB2會照到原木RW上不同的場所。若在此狀態下，照相機20對原木RW進行攝影，則其攝影圖像係如第3圖(c)所示。如第3圖(c)所示，在攝影圖像中係包含有：-θ線狀光線圖像LBP1以及+θ線狀光線圖像LBP2，該-θ線狀光線圖像LBP1係從設置在-θ方向的雷射11所發出的線狀光線LB1的照相圖像，+θ線狀光線圖像LBP2係從設置在+θ方向的雷射12所發出的線狀光線LB2的照相圖像。

如第1圖所示，電腦30係具備有：光線圖像位置檢測部31、裝置位置資訊記憶部32、距離計算部33及輪廓檢測部34，作為其功能構成。光線圖像位置檢測部31係特定線狀光線在由照相機20所拍攝到的圖像上(-θ線狀光線圖像LBP1及+θ線狀光線圖像LBP2)所照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊(使用第4圖及第5圖之原理說明圖，容後詳細說明)。

裝置位置資訊記憶部32係預先記憶有表示雷射11、12及照相機20相對臨時軸心TS的相對位置的裝置位置資訊的記錄媒體。在本實施形態中，裝置位置資訊記憶部32係作為表示雷射11、12相對臨時軸心TS的相對位置的裝置位置資訊，記憶±θ的角度資訊。臨時軸心TS的位置係為固定且為已知，從臨時軸心TS到雷射11、12的距離可不加以考量，只要預先記憶有±θ的角度資訊，作為測量原木RW的三維形狀時所使用的資訊即為足夠。

此外，裝置位置資訊記憶部32係作為表示照相機20相對臨時軸心TS的相對位置的裝置位置資訊，記憶從臨時軸心TS到照相機20的距離資訊。更具體而言，記憶從臨時軸心TS到照相機20所具備有的透鏡的距離資訊D、以及從該透鏡到照相機20所具備有的區域感測器(area sensor)的距離資訊f。臨時軸心TS的位置係為固定且為已知，照相機20的設置方向的基準角度為0度，因此，只要預先記憶上述距離資訊D、f，作為測量原木RW的三維形狀時所使用的資訊即為足夠。

距離計算部33係使用由光線圖像位置檢測部31所檢測到的光線圖像位置資訊、及被記憶在裝置位置資訊記憶部32的裝置位置資訊，進行基於光切斷法的預定運算，藉此分別計算從臨時軸心TS上每隔預定間隔所設定的複數個位置到原木RW的外圍表面上線狀光線LB1、LB2照射位置的各距離。關於藉由基於光切斷法的運算求取距離的具體內容，係使用第4圖及第5圖之原理說明圖容後說明。

輪廓檢測部34係在原木RW以臨時軸心TS為中心旋轉一周的期間，藉由照相機20攝影，並藉由光線圖像位置檢測部31檢測光線圖像位置資訊，以及由距離計算部33計算距離，上述動作進行複數次，以求得複數次距離資訊，而根據該距離資訊，每隔原木RW的長度方向的預定間隔，求取在與臨時軸心TS呈正交的截面下的原木RW的輪廓。並藉由每隔長度方向的預定間隔，求取原木RW的輪廓，即能得到原木RW的整體的三維形狀。

第4圖及第5圖係測量原木RW的三維形狀(輪廓)的原理說明圖。其中，在第4圖及第5圖中，為簡單說明，針對使用從設置在-θ方向的雷射11所照射的線狀光線LB1來測量原木RW的輪廓(從臨時軸心TS到線狀光線LB1照射的原木RW的外圍表面的距離)的原理加以說明。使用從設置在+θ方向的雷射12所照射的線狀光線LB2來測量原木RW的輪廓(從臨時軸心TS到線狀光線LB2照射的原木RW的外圍表面的距離)的原理亦與其相同。

如第4圖(a)所示，在存在有原木RW、雷射11及照相機20(具備有透鏡21及區域感測器22)的XYZ座標空間中，將臨時軸心TS的方向設為Z軸時，照相機20係被設置在Y軸上的預定位置。亦即，如第4圖(b)所示，照相機20係被設置在將從Z軸的臨時軸心TS(更具體而言為XYZ座標的原點)到透鏡21的距離成為D的Y軸上的位置。其中，從透鏡21到區域感測器22的距離f係藉由所使用的照相機20所決定的照相機固有值。此外，照相機20係被設置為區域感測器22的受光面的中心位於Y軸上，且該受光面與XZ平面呈平行。

雷射11係在XYZ座標空間中，被設置在從Y軸相對X軸方向成為-θ角度的位置。而另一個雷射12係被設置在從Y軸相對X軸方向成為+θ角度的位置(未圖示)。其中，在此係說明將雷射11、12設置在XY平面上的例子，但是若是在原木RW長度方向全區域都是線狀光線LB1、LB2可照射的位置，則雷射11、12不一定必須處於XY平面上(若分別被設置在從YZ平面相對X軸方向成為±θ角度的位置，即為足夠)。

第4圖(b)係表示原木RW、雷射11、透鏡21及區域感測器22在XY平面上的位置關係圖。在該XY平面中，將從臨時軸心TS上的一點到原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射的位置的距離設為R。另外，將在原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射的位置在XYZ座標空間上的X座標值設為xd。此外，在由照相機20所攝影的圖像上，將表示-θ線狀光線圖像LBP1照射處在攝影圖像空間內的X方向的位置，換言之，-θ線狀光線圖像LBP1在區域感測器22上成像處的X方向的像素位置的光線圖像位置資訊設為xp。

上述之場合，可根據三角函數定理，成立以下關係式：

xd/(D-R‧cos(θ))=xp/f　......(1)

xd=R‧sin(θ)　......(2)

因此，成為下式：

R=xp‧D/(f‧sin(θ)+xp‧cos(θ))　......(3)

，即能求取在原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射處的在XY平面上的位置(R，θ)。

第5圖係表示原木RW、透鏡21及區域感測器22在YZ平面上的位置關係圖。在該YZ平面中，將在原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射的位置在XYZ座標空間上的Z座標值設為zd。此外，在由照相機20所攝影到的圖像上，表示-θ線狀光線圖像LBP1照射處在攝影圖像空間內的Z方向的位置，換言之，-θ線狀光線圖像LBP1在區域感測器22上成像處的Z方向的像素位置的光線圖像位置資訊設為zp。

上述之場合，根據三角函數定理，可成立以下關係式：

d=(zp/f)(D-R‧cos(θ))　......(4)

將在式(3)求得的距離R代入上式(4)，即能求取在原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射處的Z軸方向的位置zd。由此，可確定在原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射處在XYZ平面上的三維位置(R，θ，zd)。

其中，在距離計算部33計算從臨時軸心TS到線狀光線LB1的距離R時，在臨時軸心TS上，每隔預定間隔設定複數個檢測處，因此各檢測處的Z軸方向的位置zd(zd1，zd2，…zdn，其中n為檢測處的數)為已知。因此，實際上，距離計算部33僅僅計算距離R，即可確定與原木RW的各檢測處相對應的複數個三維位置(R，θ，zd)。

在本實施形態中，距離計算部33分別計算從臨時軸心TS上每隔預定間隔所設定的n個位置到原木RW的外圍表面上線狀光線LB1照射的位置的各距離R(R1，R2，…Rn)。距離R的檢測處的數n，例如相對具有3m長度的原木RW，設為n=1200。亦即，距離計算部33在對原木RW的長度方向被作1200分割的各位置，從一張-θ線狀光線圖像LBP1分別計算1200個距離R。此外，在本實施形態中，在原木RW一秒鐘旋轉一周的期間，對照相機20所攝影到的32幀攝影圖像的每一幀計算距離R。亦即，距離計算部33相對原木RW的旋轉方向在被作32分割的各位置，從32張-θ線狀光線圖像LBP1計算32組(一組為1200個)的距離R。

在本實施形態中，實際上，距離計算部33使用32幀攝影圖像，不僅在原木RW的外圍表面上-θ方向的線狀光線LB1照射的位置的各距離R，也分別計算到+θ方向的線狀光線LB2照射的位置的各距離R。若決定θ值及攝影時間間隔等，使得在某時序照相機20進行攝影時，-θ方向的線狀光線LB1照射的原木RW的部位(作為-θ線狀光線圖像LBP1所被攝影的部位)必定與在其他時序照相機20進行攝影時，+θ方向的線狀光線LB2照射的部位(作為+θ線狀光線圖像LBP2所被攝影的部位)不同，則距離計算部33在沿著原木RW的旋轉方向被作64分割的各位置，從32張±θ線狀光線圖像LBP1、LBP2計算64組(一組為1200個)的距離R。

利用該等複數個距離資訊R，輪廓檢測部34係檢測沿原木RW的長度方向被作1200分割的切成圓片的輪廓(一個輪廓係用相對原木RW的旋轉方向以64個距離資訊R予以特定)。由此可得原木RW整體的三維形狀。第6圖係表示將由輪廓檢測部34所檢測到的原木RW的輪廓三維顯示在未圖示的顯示器上的例圖。如第6圖所示，按照本實施形態，可大致正確地掌握具有各式各樣凹凸的原木RW的三維形狀。

第7圖係表示構成為如上所示之實施形態之三維形狀測量裝置100之動作例的流程圖。在第7圖中，首先電腦30係向車床進料機200的擺臂201發送控制訊號，以控制擺臂201將原木RW運送到檢測轉軸202的位置，藉由該檢測轉軸202的夾頭，在臨時軸心TS將原木RW可旋轉地支承(步驟S1)。接著，電腦30係向檢測轉軸202發送控制訊號，使得在臨時軸心TS所軸支的原木RW開始旋轉(步驟S2)。

原木RW開始旋轉後，雷射11、12係朝著臨時軸心TS的方向照射與臨時軸心TS呈平行的線狀光線LB1、LB2(步驟S3)。接著，照相機20係對從雷射11、12所發出的線狀光線LB1、LB2照射外圍表面的狀態的原木RW進行攝影，藉此得到一張攝影圖像(步驟S4)。接著，將該攝影圖像輸入電腦30。

在己輸入攝影圖像的電腦30中，光線圖像位置檢測部31藉由圖像識別處理來特定在所輸入的攝影圖像上-θ線狀光線圖像LBP1及+θ線狀光線圖像LBP2照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊xp(步驟S5)。

接著，距離計算部33係使用表示雷射11、12相對臨時軸心TS的相對位置的裝置位置資訊±θ、表示照相機20相對臨時軸心TS的相對位置的裝置位置資訊D、f、及在步驟S5中藉由光線圖像位置檢測部31所檢測到的光線裝置位置資訊xp，來進行式(3)的運算，藉此分別計算從臨時軸心TS上每隔預定間隔所設定的複數個位置到原木RW的外圍表面上線狀光線LB1、LB2照射的位置的各距離R(R1，R2，…Rn)(步驟S6)。距離計算部33係將所計算出的距離資訊R暫時儲放在未圖示的記憶體中(步驟S7)。

此後，電腦30係判斷從在步驟S4中開始攝影的時點起，原木RW是否已結束旋轉一周(步驟S8)。若尚未旋轉一周，則返回步驟S4，進行下一次攝影。在此，在從上次攝影時序經過預定時間後的時序進行攝影。藉此，在原木RW的外圍表面，在與上次攝影時序不同處，得到線狀光線LB1、LB2照射的狀態的攝影圖像。照相機20係將該攝影圖像輸入電腦30。之後進行步驟S5～S7的處理，藉此對於重新攝影到的圖像同樣計算出各距離R(R1，R2，…Rn)，並將所計算出的距離資訊R暫時儲放在未圖示的記憶體中。

另一方面，若電腦30判斷出原木RW已結束旋轉一周，則電腦30係向檢測轉軸202發送控制訊號，停止以臨時軸心TS所軸支的原木RW的旋轉(步驟S9)。此外，雷射11、12停止照射線狀光線LB1、LB2(步驟S10)。接著，輪廓檢測部34係根據暫時儲放在未圖示的記憶體中的複數個距離資訊R(使用在原木RW旋轉一周的期間由照相機20每隔預定時間間隔作複數次攝影的圖像，藉由光線圖像位置檢測部31及距離計算部33對複數個攝影圖像的各個所求得的複數次份的距離資訊R)，沿著原木RW的長度方向，每隔預定間隔求取在與臨時軸心TS呈正交的截面下的原木RW的輪廓(步驟S11)。

如以上之詳細說明，在本實施形態中，使用沿著原木RW的長度方向連續照射的線狀光線LB1、LB2的攝影圖像，求取從臨時軸心TS到規定原木RW輪廓的外圍表面的距離R。照射在原木RW上的線狀光線LB1、LB2取任何部位均與原木RW的外圍表面相接，因此，可求取從臨時軸心TS到原木RW外圍表面的正確距離R。而且，線狀光線LB1、LB2沿原木RW的長度方向呈連續，因此藉由使計算距離R的位置間隔變窄，可提高原木RW的長度方向的測量解析度。將計算距離R的位置間隔變窄，可利用電腦30的圖像處理來簡單實現。

此外，在本實施形態中，使用2個雷射11、12，將2條線狀光線LB1、LB2照射在原木RW的兩處，由一張攝影圖像求取從原木RW的臨時軸心TS到兩處的線狀光線LB1、LB2的距離R。因此，若選擇θ值及攝影時間間隔，使得在某時序作為-θ線狀光線圖像LBP1所被攝影的原木RW上的部位、與在其他時序作為+θ線狀光線圖像LBP2所被攝影的原木RW上的部位不同(亦即，使得原木RW旋轉2θ所需的時間間隔和攝影時間間隔成為非同步)，與使用1個雷射的情形相比，即使在使用相同攝影時間間隔的照相機20的情形下，亦可將原木RW的旋轉方向的測量解析度提高到2倍。

如以上所述，依據本實施形態，能提高從臨時軸心TS到原木RW外圍表面的距離R的測量精準度本身，而且，不論是原木RW的長度方向還是旋轉方向，均可提高距離R的測量解析度。由此，可更加正確地測量原木RW的三維形狀(在與臨時軸心TS呈正交的截面下的輪廓的集合)。結果，關於原木RW的旋轉中心及最大旋轉半徑，亦可求取更為理想的值，以可提高切削良率及作業效率。

其中，在上述實施形態中，使用2個雷射11、12，同時將線狀光線LB1、LB2照射在原木RW的外圍表面上的兩處為例進行說明，但是亦可使用m個(m為3以上)雷射，同時將線狀光線LB1、LB2、…LBm照射在原木RW外圍表面上的m處。增加照射在原木RW的線狀光線的數，對該等攝影圖像的各個計算距離R，藉此可提高相對原木RW的旋轉方向的距離R(輪廓)的測量解析度。

此外，在上述實施形態中，係針對設定θ值及攝影時間間隔，俾使原木RW旋轉2θ所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔成為非同步加以說明，但是本發明並非限定於此。亦可與上述實施形態相反地，選擇6值及攝影時間間隔，俾使當原木RW旋轉2θ時，+θ方向的線狀光線LB2剛好照射在與該2θ旋轉前-θ方向的線狀光線LB1所攝影處為相同的部位(亦即，使原木RW旋轉2θ所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔同步)。

第8圖係表示設定θ值及攝影時間間隔，俾使原木旋轉2θ所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔同步時之例圖。第8圖(a)係表示某時序(原木RW的旋轉角度為α時)的狀態。如第8圖(a)所示，在從-θ方向的雷射11所照射的線狀光線LB1照射原木RW的部分的附近存在有凸起。若從照相機20的方向觀看，線狀光線LB1的一部分被凸起的陰影隱藏，無法對該線狀光線LB1的一部分進行攝影。第8圖(c)係表示在第8圖(a)的狀態下藉由照相機20所攝影到的圖像。如第8圖(c)所示，在原木RW的凸起部分，欠缺一部分的-θ線狀光線圖像LBP1。

另一方面，第8圖(b)係表示從第8圖(a)狀態原木RW旋轉2θ的時序(原木RW的旋轉角度為α+2θ時)的狀態。如第8圖(b)所示，在從+θ方向的雷射12所照射的線狀光線LB2照射原木RW的部分的附近存在有與第8圖(a)的情形相同的凸起。但是，第8圖(b)中，線狀光線LB2並未被凸起的陰影隱藏，從照相機20的方向可以看到的凸起角度亦產生變化，因此，可整體對該線狀光線LB2進行攝影。第8圖(d)係表示在第8圖(b)的狀態下由照相機20所攝影到的圖像。如第8圖(d)所示，即使在原木RW的凸起部分，+θ線狀光線圖像LBP2亦沒有間斷地映射。

如上所示，若設定θ值及攝影時間間隔，俾使原木RW旋轉2θ所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔同步，即使在從-θ方向的視點所照射的線狀光線LB1因原木RW上的凹凸而被隱藏而以照相機20無法攝影的情形下，從+θ方向的視點照射在相同凹凸的線狀光線LB2亦可進行攝影。相反時亦同。

因此，若採用當原木RW的旋轉角度為α時所攝影到的-θ線狀光線圖像LBP1、及原木RW的旋轉角度為α+2θ時所攝影到的+θ線狀光線圖像LBP2中之任一者(原木RW的長度方向整體不欠缺線狀光線而映照者。若雙方均不欠缺線狀光線時，則為任意一者)來計算距離R，則因原木RW的凹凸而成為陰影的部分的輪廓亦可以測量。其中，此時，與上述實施形態相比，旋轉方向的測量解析度雖然較低，但是若將照相機20的攝影時間間隔儘可能地設定為較短，則可彌補測量解析度降低的問題。

其中，在此係就將其中一方雷射11配置在-θ方向，將另一方雷射12配置在+θ方向之例加以說明，但是並非一定配置成如上所示。例如，將其中一方雷射11配置在-θ方向，將另一方雷射12配置在與+θ方向不同的+β方向。接著，設定攝影時間間隔及θ、β值，俾使原木RW旋轉(θ+β)所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔同步。

如此一來，將-θ方向的線狀光線LB1所攝影到的原木RW的部位，在原木RW上旋轉(θ+β)時再次受到+β方向的線狀光線照射的狀態下進行攝影。藉此，即使在由於原木RW有凸起而使-θ方向或+β方向中其中一方線狀光線有一部分被隱藏而以照相機20無法攝影的情形下，亦與第8圖的情形相同，可不間斷地對另一方線狀光線進行攝影。

此外，例如設定θ值及攝影時間間隔，俾使原木RW旋轉2θ所需的時間間隔與照相機20的攝影時間間隔同步時，亦可不採用-θ線狀光線圖像LBP1及+θ線狀光線圖像LBP2的任一者，而是合成兩圖像。第9圖係表示適用於本實施形態的三維形狀測量裝置100的電腦30的其他構成例圖。在第9圖所示之例中，電腦30係除了第1圖所示構成以外，另外具備有圖像合成部35。

圖像合成部35係將藉由照相機20所攝影到的圖像以與Z軸呈平行的線作為分界線而等分為第1區域及第2區域。接著，將在某時序所攝影到的第1區域的圖像、與從某時序起原木RW旋轉2θ時所攝影到的第2區域的圖像，在使任一方圖像以上述分界線為對稱軸以線對稱進行反轉的狀態下，進行合成。在此所稱的合成係指例如將2個圖像以兩層(layer)相疊合。

第10圖係用以說明藉由圖像合成部35的圖像合成處理的圖。在第10圖(a)中係表示原木RW以臨時軸心TS為中心旋轉一周的期間藉由照相機20所攝影到的複數個圖像PCT、其中在某時序所攝影到的圖像PCT1、及從某時序起原木RW旋轉2θ時所攝影到的其他圖像PCT2。此外，關於圖像PCT1、PCT2，亦顯示出以與Z軸呈平行的線作為分界線而等分為第1區域AR1及第2區域AR2的情形。

圖像合成部35係使在某時序所攝影到的圖像PCT1之中第1區域AR1的圖像(以斜線表示的下半部分)，形成為以與Z軸呈平行的分界線作為對稱軸而以線對稱進行反轉的狀態，合成到從某時序起原木RW旋轉2θ時所攝影到的圖像PCT2之中第2區域AR2的圖像(以斜線表示的上半部分)上，如以上所合成的圖像顯示於第10圖(b)。其中，與此相反地，亦可使第2區域AR2的圖像反轉而與第1區域AR1的圖像加以合成。

例如，如第8圖(c)所示，在某時序所攝影到的圖像PCT1係形成為因凸起的部分而欠缺-θ線狀光線圖像LBP1之一部分的圖像。此外，從某時序起原木RW旋轉2θ時所攝影到的圖像PCT2係形成為如第8圖(d)所示的圖像。若使用該2個圖像，將第8圖(c)的下半部分(第1區域AR1)的圖像和第8圖(d)的上半部分(第2區域AR2)的圖像合成為如上所示，則第8圖(c)的-θ線狀光線圖像LBP1和第8圖(d)的+θ線狀光線圖像LBP2被合成，如第10圖(b)所示，得到在原木RW的長度方向不間斷地相連的線狀光線圖像。

光線圖像位置檢測部31係在藉由圖像合成部35的合成處理所得到的合成圖像上，特定線狀光線所映照處，且檢測用於表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊。

如此一來，即使為如第8圖(a)所示從-θ方向的視點所照射到的線狀光線LB1因原木RW上的凹凸而被隱藏而以照相機20無法攝影的情形下，亦可如第8圖(b)所示，藉由使用對從+θ方向的視點照射在相同凹凸的線狀光線LB2進行攝影的圖像，即可得到在原木RW的長度方向整體，線狀光線不欠缺地映射的合成圖像。藉此，亦可測量因原木RW的凹凸而成為陰影的部分的輪廓。而且，由於2個圖像被合成，因此可獲得與使雷射強度為2倍予以照射同等的效果，而容易藉由光線圖像位置檢測部31來檢測線狀光線圖像。

此外，在上述實施形態中，為了對線狀光線圖像LBP1、LBP2進行攝影而使用照相機20，但是會有因照相機20所具有的透鏡21歪曲特性，而在攝影圖像發生失真的情形。若使用有失真的圖像，則無法測量正確值的距離R。因此，較佳的方式是，對藉由照相機20所攝影到的圖像失真進行補正後，再使用經失真補正的圖像來測量距離R。

第11圖係表示此時之電腦30之構成例圖。在第11圖所示之例中，電腦30係除了第1圖所示構成以外，另外具備有補正值記憶部36及圖像補正部37。補正值記憶部36係將用以補正因照相機20所具備的透鏡21歪曲所引起的攝影圖像失真的補正值作預先記憶的記錄媒體。

記憶在補正值記憶部36的補正值係以例如下列方法所求取。第12圖係表示求取歪曲補正值之方法之一例圖。如第12圖所示，將以一定間隔以格子狀描繪有複數條線的基準樣板(gauge)40配置成使該基準樣板40的一邊與Z軸(臨時軸心TS)相一致。接著，以照相機20對配置成如上所示的基準樣板40進行攝影。此時所攝影的圖像因透鏡21的歪曲而產生失真。亦即，基準樣板40所描繪的直線被歪曲映照。因此，例如圖像處理裝置(未圖示)求取使該歪曲的線成為直線的歪曲補正值，並將其記憶在電腦30的補正值記憶部36。

圖像補正部37係藉由記憶在補正值記憶部36的補正值來補正藉由照相機20所攝影到的圖像(發生歪曲的圖像)。光線圖像位置檢測部31係在藉由圖像補正部37予以補正的攝影圖像上特定線狀光線LB1、LB2照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊。如此一來，即可避免因照相機20所具備有的透鏡21歪曲特性所造成的影響，且可從所攝影到的線狀光線圖像LBP1、LBP2求取原木RW的正確輪廓。

其中，在此係就如第11圖所示進行攝影圖像之失真補正之例加以說明，但是亦可使用2台照相機20，以代替進行失真補正。亦即，如第13圖所示，沿著Z軸(臨時軸心TS)的方向，具備複數台照相機20。複數台照相機20係沿原木RW的長度方向分割區域，以對由雷射11、12所發出的線狀光線LB1、LB2所照射的狀態的原木RW進行攝影。

通常，原木RW的縱橫比與照相機20的區域感測器22的縱橫比(aspect ratio)相比，橫的比率較大(長度方向的長度與寬度方向的長度相比非常大)。因此，若在原木RW的長度方向的中央附近設置1台照相機20進行攝影，則愈為接近區域感測器22的Z軸方向的端部的區域，攝影圖像愈會發生較大的失真。因此，如第13圖所示，沿著原木RW的長度方向(Z軸方向)設置複數台照相機20，藉由使用該複數台照相機20對原木RW進行攝影，藉此可抑制攝影圖像發生失真的情形。

此外，藉由使用複數台照相機20，亦產生以下優點。照相機20的區域感測器22的縱橫比絕大部分為4：3，原木RW的縱橫比則比該比值為大。因此，若用1台照相機20對一根原木RW進行攝影，則映照有原木RW的有效區域會成為區域感測器22的整體區域的極小部分，浪費區域會變多。結果，從照相機20向電腦30轉送浪費區域的圖像會耗費時間。此外，由於所使用的有效區域的感測器數受到限制，因此解析度變差。相對於此，若沿著原木RW的長度方向設置複數台照相機20來進行攝影，各照相機20的有效區域的比例會增加，連該等問題亦可得到解決。為了使由複數台照相機20所得到的原木RW的各部分的攝影圖像正確地對位而作為原木RW整體的圖像資訊，較佳的方式是進行使用第12圖所示的基準樣板40的攝影圖像失真補正。

此外，在上述實施形態中係就使用2個雷射11、12作為發光裝置之例加以說明，但是雷射亦可僅形成為1個。但是，如第8圖之說明所示，為了使得因原木RW的凹凸而成為陰影的部分的線狀光線亦可攝影，較佳的方式是從複數個視點對原木RW進行攝影。因此，設置雷射的移動機構，使1個雷射移動到±θ的位置，依序照射線狀光線。此時，使原木RW旋轉二周，而從不同視點進行攝影(第一周從-θ方向，第二周從+θ方向進行攝影)，或使原木RW的旋轉速度為一半，每次使雷射移動到±θ位置來進行攝影。

上述實施形態均僅顯示在實施本發明時之具體化之一例，藉此並不能限定性地解釋本發明之技術範圍。亦即，本發明在未脫離其精神或其主要特徵的情形下可以各種形式加以實施。

11、12．．．雷射(發光裝置)

21．．．透鏡

22．．．區域感測器

20．．．照相機(攝像裝置)

30．．．電腦

31‧‧‧光線圖像位置檢測部

32‧‧‧裝置位置資訊記憶部

33‧‧‧距離計算部

34‧‧‧輪廓檢測部

35‧‧‧圖像合成部

36‧‧‧補正值記憶部

37‧‧‧圖像補正部

40‧‧‧基準樣板

100‧‧‧三維形狀測量裝置

200‧‧‧車床進料機

201‧‧‧擺臂

202‧‧‧檢測轉軸

203‧‧‧檢測轉軸．擺臂控制裝置

LB1、LB2‧‧‧線狀光線

RW‧‧‧原木

TS‧‧‧臨時軸心

第1圖為表示本實施形態之三維形狀測量裝置之構成例的方塊圖。

第2圖為實施本實施形態之三維形狀測量裝置的車床進料機的構成例圖。

第3圖為表示本實施形態之雷射及照相機的配置，以及照相機之攝影圖像之一例圖。

第4圖為用以說明適用本實施形態來測量原木的三維形狀的原理的圖。

第5圖為用以說明適用本實施形態來測量原木的三維形狀的原理的圖。

第6圖為表示三維顯示藉由本實施形態的輪廓檢測部所檢測到的原木輪廓之例圖。

第7圖為表示本實施形態之三維形狀測量裝置之動作例的流程圖。

第8圖為表示設定θ值及攝影時間間隔以使原木旋轉2θ所需的時間間隔與照相機的攝影時間間隔同步時之例圖。

第9圖為表示適用於本實施形態之三維形狀測量裝置的電腦的其他構成例圖。

第10圖為用以針對本實施形態之圖像合成部的圖像合成處理加以說明之圖。

第11圖為表示適用於本實施形態之三維形狀測量裝置的電腦的其他構成例圖。

第12圖為表示在本實施形態之其他態樣中求取歪曲補正值之方法之一例圖。

第13圖為表示以複數台照相機對原木進行攝影之例圖。

11、12．．．雷射(發光裝置)

20．．．照相機(攝像裝置)

LB1、LB2．．．線狀光線

RW．．．原木

TS．．．臨時軸心

Claims (5)

1. 一種原木的三維形狀測量裝置，其特徵為具備有：發光裝置，將沿可以臨時軸心為中心進行旋轉地被支承的原木的長度方向呈連續的光線、且為與上述臨時軸心呈平行的線狀光線，由複數個視點朝上述臨時軸心的方向照射；攝像裝置，對上述發光裝置所發出的線狀光線照射之狀態的原木進行攝影；裝置位置資訊記憶部，記憶有上述發光裝置及上述攝像裝置相對於上述臨時軸心的相對位置的裝置位置資訊；光線圖像位置檢測部，在藉由上述攝像裝置所被攝影到的圖像上，特定上述線狀光線照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊；距離計算部，使用被記憶在上述裝置位置資訊記憶部的上述裝置位置資訊及藉由上述光線圖像位置檢測部所檢測到的上述光線圖像位置資訊，進行預定的運算，藉此分別計算由上述臨時軸心上每隔預定間隔所決定的複數個位置，到在上述原木外圍表面上上述線狀光線照射位置的各距離；及輪廓檢測部，根據在上述原木以上述臨時軸心為中心旋轉一周的期間進行複數次：由上述攝像裝置進行攝影、由上述光線圖像位置檢測部檢測上述光線圖像位置資訊、及由上述距離計算部計算上述距離所求得的複數次份的距 離資訊，沿著上述原木的長度方向每隔上述預定間隔求出在與上述臨時軸心呈正交的截面下的上述原木輪廓，於XYZ座標空間中，將上述臨時軸心設為Z軸時，將上述攝像裝置設置在Y軸上的預定位置，並將2個上述發光裝置分別配置在從YZ平面相對X軸方向呈±θ角度的位置，而使上述原木旋轉2θ所需的時間間隔與上述攝像裝置的攝影時間間隔同步，另外具備有圖像合成部，將藉由上述攝像裝置所攝影到的圖像以與Z軸呈平行的線作為分界線而等分為第1區域及第2區域，將在某時序所攝影到的上述第1區域的圖像、和由上述某時序起上述原木旋轉2θ時所攝影到的上述第2區域的圖像，使其中任何一方圖像，在以上述分界線為對稱軸而以線對稱進行反轉的狀態下進行合成；上述攝像裝置係對由上述2個發光裝置所發出的2個線狀光線照射到不同處的狀態的原木進行攝影；上述光線圖像位置檢測部係在上述該圖像合成部所生成的合成圖像上，特定上述線狀光線照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊。
2. 如申請專利範圍第1項之原木的三維形狀測量裝置，其中，係於XYZ座標空間中，將上述臨時軸心設為Z軸時，將上述攝像裝置設置在Y軸上的預定位置，並將2個上述發光裝置分別配置在從YZ平面相對X軸方向呈±θ角度的位置的三維形狀測量裝置，上述攝像裝置係對上述2個發光裝置所發出的2個線 狀光線照射到不同處的狀態的原木進行攝影；上述光線圖像位置檢測部係在藉由該攝像裝置所攝影到的圖像上，分別特定上述2個線狀光線照射處，檢測表示該等特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊；上述距離計算部係使用被記憶在上述裝置位置資訊記憶部的上述裝置位置資訊、及藉由上述光線圖像位置檢測部對上述2個線狀光線的各個所檢測到的上述光線圖像位置資訊，來進行預定的運算，藉此分別計算由在上述臨時軸心每隔預定間隔所決定的複數個位置，到在上述原木外圍表面上上述2個線狀光線照射位置的各距離。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之原木的三維形狀測量裝置，其中，另外具備有：補正值記憶部，記憶有用以補正因上述攝像裝置所具備的透鏡歪曲所引起的攝影圖像失真的補正值；及圖像補正部，藉由記憶在上述補正值記憶部的補正值，對藉由上述攝像裝置所攝影到的圖像進行補正，上述光線圖像位置檢測部係在藉由上述圖像補正部所補正的攝影圖像上，特定上述線狀光線照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊。
4. 如申請專利範圍第1項之原木的三維形狀測量裝置，其中，於XYZ座標空間中將上述臨時軸心設為Z軸時，在YZ平面上，沿著上述臨時軸心的方向，設有複數個上述攝像裝置，該複數個攝像裝置係分別將由上述發光裝置所發出的線狀光線照射的狀態的原木，沿上述臨時軸 心的方向作區域分割而進行攝影。
5. 一種原木的三維形狀測量方法，其特徵為具有：第1步驟：發光裝置將沿以臨時軸心為中心進行旋轉的原木的長度方向呈連續的光線、且為與上述臨時軸心呈平行的線狀光線，由複數個視點朝上述臨時軸心的方向照射；第2步驟：攝像裝置將從上述發光裝置所發出的線狀光線照射的狀態的原木，每隔預定時間間隔進行攝影；第3步驟：電腦輸入藉由上述攝像裝置每隔預定時間間隔所攝影到的複數個圖像，對上述複數個圖像的每個圖像，在該圖像上特定上述線狀光線照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊；第4步驟：上述電腦使用：作為表示上述發光裝置及上述攝像裝置相對上述臨時軸心的相對位置的資訊而預先被記憶在記憶媒體的裝置位置資訊、及在上述第3步驟中按上述複數個圖像的每個圖像所被檢測到的複數個上述光線圖像位置資訊，進行預定的運算，藉此對上述複數個圖像的每個圖像，分別計算由在上述臨時軸心上每隔預定間隔所決定的複數個位置，到上述原木外圍表面上上述線狀光線照射位置的各距離；及第5步驟：上述電腦使用在上述原木以上述臨時軸心為中心進行旋轉一周的期間，藉由上述攝像裝置每隔上述預定時間間隔作複數次攝影的圖像，根據藉由上述電腦對上述複數個圖像的每個圖像所求得的複數次份的距離資 訊，沿著上述原木的長度方向每隔上述預定間隔求取與上述臨時軸心呈正交的截面下的上述原木的輪廓，於XYZ座標空間中將上述臨時軸心設為Z軸時，上述攝像裝置被設置在Y軸上的預定位置，並且2個上述發光裝置分別被配置在從YZ平面相對X軸方向呈±θ角度的位置；於上述第2步驟中，上述攝像裝置對由上述2個發光裝置所發出的2個線狀光線照射到不同處的狀態的原木進行攝影；於上述第3步驟中，將在上述第2步驟中藉由上述攝像裝置每隔上述預定時間間隔所攝影到的圖像中的每個圖像，以與上述Z軸呈平行的線作為分界線而等分為第1區域及第2區域，將在某時序所攝影到的上述第1區域的圖像、和由上述某時序起上述原木旋轉2θ時所攝影到的上述第2區域的圖像，使其中任何一方圖像，在以上述分界線為對稱軸而以線對稱進行反轉的狀態下進行合成，在所得到的合成圖像上，特定上述線狀光線照射處，檢測表示該特定處在攝影圖像上的位置的光線圖像位置資訊。