JP2005031039A - Video type three-dimensional position measuring instrument, video type extensometer, and video type width meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビデオカメラを用いて対象物を撮影することによって、その対象物の3次元位置を計測する装置と、その装置を応用した装置であって、材料試験機に用いられて試験片の伸びまたは幅変化を計測するビデオ式伸び計並びにビデオ式幅計に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring a three-dimensional position of an object by photographing the object using a video camera, and an apparatus to which the apparatus is applied. The present invention relates to a video extensometer that measures elongation or width change and a video width meter.
材料試験機に用いられて試験片の伸びを計測する伸び計として、従来、ビデオ式伸び計が知られている。ビデオ式伸び計では、試験片に2箇所の標線を付し、その試験片を試験中に撮影し、その映像信号を用いた画像処理によって各標線の刻々の位置情報を得て、標線間の刻々の伸びを算出する。 Conventionally, a video extensometer is known as an extensometer used in a material testing machine to measure the elongation of a test piece. In the video extensometer, two marked lines are attached to the test piece, the test piece is photographed during the test, and the position information of each marked line is obtained by image processing using the video signal. Calculate the elongation between lines.
このようなビデオ式伸び計においては、その原理上、試験片の撮影倍率によって標線間距離が変化してしまう。撮影倍率は、カメラの種類、使用するレンズ、およびカメラと試験片との間の距離が決まれば一定の値に確定されるが、カメラと試験片との間の距離は様々な要因によって変化しやすく、この距離の変化がこの種の伸び計の測定誤差の要因となる。 In such a video extensometer, the distance between the marked lines varies depending on the imaging magnification of the test piece. The shooting magnification is fixed when the camera type, the lens to be used, and the distance between the camera and the specimen are determined, but the distance between the camera and the specimen varies depending on various factors. This change in distance easily causes measurement errors in this type of extensometer.
カメラと試験片との間の距離の変化は、試験中における試験片のカメラの光軸方向への変位(以下、前後方向への変位と称する)と、試験片の各軸回りの回転に由来するのであるが、試験片の前後方向への変位の影響を取り除く技術として、従来、カメラと試験片との間の距離の変化を測定する変位計測手段をカメラの位置に配置し、その変位計測手段により試験片の前後方向への変位量を刻々と計測し、その計測結果を用いて、試験片の前後方向への移動に起因する撮影倍率の変化による伸びの計測結果に含まれる誤差を除去する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
ところで、実用化されている多くのビデオ式伸び計においては、試験中における試験片の前後方向への変位や回転等の、伸び方向以外の変位は小さいものと仮定し、これらの変位による誤差を無視して伸びを計測している。これでは、伸び計測の精度は試験片の前後移動・回転が生じた場合に劣化してしまう。 By the way, in many video extensometers in practical use, it is assumed that the displacement other than the elongation direction, such as the displacement or rotation of the test piece in the front-rear direction during the test, is small, and errors due to these displacements are assumed. Ignored and measured elongation. In this case, the accuracy of the elongation measurement is deteriorated when the test piece is moved back and forth or rotated.
また、前記した特許文献1に開示されている技術では、変位計測手段という伸び計測には本来必要のない装置を用いる必要があるので、装置構成が複雑となってコストがかさむばかりでなく、この技術においては、各標線の前後方向への動きによる誤差のみが補正されることになり、従って、試験片がカメラ方向に倒れる方向への回転を除く、他の軸回りの回転による誤差を解消することはできない。
Further, in the technique disclosed in
本発明は、ビデオカメラによる対象物の撮影信号を用いて、対象物の3次元位置を計測することのできるビデオ式3次元計測装置と、その技術を応用して、比較的簡単な構成のもとに、試験中における試験片の3軸方向への移動とこれらの各軸回りの回転に起因する誤差を解消して正確な伸びを計測することのできるビデオ式伸び計、および、上記と同様に各軸方向への移動と回転による誤差を解消して、試験片の刻々の幅変化を正確に計測することのできるビデオ式幅計の提供を目的としている。 The present invention is a video three-dimensional measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional position of an object using a video signal of the object by a video camera, and a technique of applying the technique to the video three-dimensional measuring apparatus. In addition, a video extensometer that can accurately measure the elongation by eliminating the error caused by the movement of the specimen in the three-axis directions and the rotation around each axis during the test, and the same as above In addition, the object is to provide a video width meter that can accurately measure the change in the width of each test piece by eliminating errors caused by movement and rotation in each axial direction.
上記の目的を達成するため、本発明のビデオ式3次元計測装置は、対象物に貼着されるマーク体であって、互いの位置関係が既知で、かつ、その位置関係が対象物の移動時に不変の少なくとも3つのマークが付されたマーク体と、その対象物に貼着されたマーク体を撮影するビデオカメラと、そのビデオカメラからの撮影信号を取り込んで、当該ビデオカメラの光軸(z軸)方向に直交する平面上で互いに直交する2軸(x,y軸)方向への上記各マークの刻々の位置情報を得る画像処理手段と、その画像処理手段による各マークの位置情報を用いて、数値計算により上記各マーク間の中心の刻々のx,y,z軸方向への座標と、上記マーク体のx,y,z軸回りの刻々の回転角度のいずれかもしくは全てを算出する3次元位置演算手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項1)。 In order to achieve the above object, the video three-dimensional measuring apparatus of the present invention is a mark body that is attached to an object, the mutual positional relationship is known, and the positional relationship is the movement of the target object. Sometimes a mark body with at least three invariant marks attached, a video camera that captures the mark body attached to the object, and a video signal from the video camera, and the optical axis ( image processing means for obtaining the position information of each mark in the two axis (x, y axis) directions orthogonal to each other on a plane orthogonal to the (z axis) direction, and the position information of each mark by the image processing means. By using numerical calculation, either or all of the coordinates in the x, y, z axis direction of the center between the marks and the rotation angle of the mark body around the x, y, z axis are calculated. Equipped with 3D position calculation means Characterized by that (claim 1).
また、本発明のビデオ式伸び計は、請求項1に記載のマーク体が貼着され、かつ、負荷方向に所定の距離を開けて2つの標線が付された試験片を撮影する1台もしくは複数台のビデオカメラと、そのビデオカメラからの撮影信号を取り込んで、請求項1に記載の画像処理を行うとともに、上記各標線のx,y軸方向への位置情報を得る画像処理手段と、その画像処理手段による各マークの位置情報を用いる請求項1に記載の3次元位置演算手段と、上記画像処理手段による各標線の位置情報を用いて当該各標線間の刻々の伸びを算出する伸び演算手段と、その伸び演算手段による刻々の伸びの算出結果を上記3次元位置演算手段によるマーク体のx,y,z軸方向への変位並びにこれら各軸回りの回転角度のいずれかもしくは全てを用いて補正する補正演算手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項2)。
Further, the video extensometer of the present invention is an apparatus for photographing a test piece to which the mark body according to
ここで、本発明のビデオ式伸び計においては、 試験片の2つ以上の標線に対応する位置にそれぞれ上記マーク体を貼着するとともに、上記画像処理手段は上記ビデオカメラからの撮影信号を取り込んでこれら2つ以上のマーク体上のそれぞれのマークの位置情報を得て、上記3次元位置演算手段は、その2つ以上のマーク体についてそれぞれx,y,z軸方向への変位並びにこれら各軸回りの回転角度を算出し、上記伸び演算手段および補正演算手段に代えて、当該3次元位置演算手段による2つ以上の各マーク体の3次元位置の演算結果から、2つ以上の各マーク体間の距離を算出して伸びを求める伸び演算手段を備えた構成(請求項3)とすることもできる。 Here, in the video extensometer according to the present invention, the mark body is attached to each of the positions corresponding to two or more marked lines of the test piece, and the image processing means outputs a photographing signal from the video camera. The position information of each mark on the two or more mark bodies is obtained, and the three-dimensional position calculation means performs displacement in the x-, y-, and z-axis directions for the two or more mark bodies, and A rotation angle around each axis is calculated, and instead of the elongation calculation means and the correction calculation means, two or more of each of the three-dimensional position calculation results of the two or more mark bodies by the three-dimensional position calculation means are calculated. It can also be set as the structure (Claim 3) provided with the elongation calculating means which calculates the distance between mark bodies and calculates | requires elongation.
そして、本発明のビデオ式幅計は、請求項1に記載のマーク体が貼着された試験片を撮影するビデオカメラと、そのビデオカメラからの映像信号を取り込んで、請求項1に記載の画像処理を行うとともに、試験片の負荷方向に沿った両側のエッジの刻々の位置情報を得る画像処理手段と、その画像処理手段による各マーク位置の位置情報を用いる請求項1に記載の3次元位置演算手段と、上記画像処理手段による各エッジの位置情報を用いて当該各エッジ間の刻々の距離を算出する幅寸法演算手段と、その幅寸法演算手段による刻々の幅の算出結果を上記3次元位置演算手段によるマーク体のx,y,z軸方向への変位並びにこれら各軸回りの回転角度のいずれかもしくは全てを用いて補正する補正演算手段を備えていることによって特徴づけられる(請求項4)。
The video width meter according to the present invention includes a video camera for photographing the test piece to which the mark body according to
本発明のビデオ式3次元計測装置によると、規定のマーク体を対象物に貼着してビデオカメラで撮影することにより、その撮影信号のみを用いて対象物の3軸方向への移動とこれらの各軸回りの回転を計測することができ、簡単な構成のもとに各種物体の3次元計測が可能となる。 According to the video-type three-dimensional measuring apparatus of the present invention, a predetermined mark body is attached to an object and photographed with a video camera, and only the photographing signal is used to move the object in three axial directions. The rotation around each axis can be measured, and three-dimensional measurement of various objects is possible with a simple configuration.
また、本発明のビデオ式伸び計およびビデオ式幅計によれば、伸び計ないしは幅計に本来的に必要なビデオカメラを単一の計測機器として用いることによって、試験片の3軸方向への移動およびこれら各軸回りの回転による誤差を解消して、低コストで正確な伸びないしは幅の計測が可能となる。 Further, according to the video extensometer and video width meter of the present invention, the extensometer or the video camera inherently required for the width meter is used as a single measuring instrument, so that the test piece can be moved in the three-axis directions. Errors due to movement and rotation around these axes can be eliminated, and accurate elongation or width measurement can be performed at low cost.
計測機器としてビデオカメラのみを用いた簡単な構成のもとに、試験中における試験片の3軸方向への変位とこれら各軸回りの回転による影響を除去して、常に正確に試験片の伸びと幅とを計測することのできるビデオ式伸び・幅計を実現した。 Based on a simple configuration using only a video camera as a measuring instrument, the effects of the displacement of the specimen in the three axes and the rotation around each axis during the test are eliminated, and the specimen is always stretched accurately. A video-type stretcher / width meter that can measure the width and width.
図1は本発明実施例の要部構成図であり、材料試験機に装着された試験片W近傍の側面図とビデオ式伸び・幅計の構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図2は図1のA−A矢視拡大図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of the main part of an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a side view in the vicinity of a test piece W mounted on a material testing machine and a block diagram showing a configuration of a video type elongation / width meter. is there. Moreover, FIG. 2 is an AA arrow enlarged view of FIG.
試験片Wはその上下両端部が材料試験機の掴み具1a,1bによって把持されることによって材料試験機に装着され、一方の掴み具1aが他方の掴み具1bに対して離隔する向きに変位が与えられることによって、試験片Wに引張負荷が加えられる。この試験片Wの表面には、引張方向に所定の距離を隔てて2つの標線S1,S2があらかじめ付されるとともに、その背面側には、図2に示すようなマーク体Mが貼着される。
The test piece W is mounted on the material testing machine by gripping the upper and lower ends thereof by the
この例においてマーク体Mはそれ自体略正方形の紙ないしはフィルム状のものであって、その中央部分の微小な面積において試験片Wに貼着される。このマーク体Mには、その四隅部に菱形のマークm1〜m4が印刷されている。各マークm1〜m4はそれぞれ同じ形状・寸法を有し、正方形の4つの頂点をなす位置に印刷されている。以上のように実質的に1点において試験片Wに貼着されたマーク体Mは、試験片Wの3次元方向への変位ないしは各軸回りの回転に際して、各マークm1〜m4の相対的な変位はなく、従って、各マークm1〜m4は試験片Wの移動により実質的に剛体として移動する。 In this example, the mark body M is a substantially square paper or film, and is attached to the test piece W in a very small area at the center. On the mark body M, rhombus marks m1 to m4 are printed at the four corners. Each of the marks m1 to m4 has the same shape and size, and is printed at positions that form four vertices of a square. As described above, the mark body M attached to the test piece W substantially at one point is relative to the marks m1 to m4 when the test piece W is displaced in the three-dimensional direction or rotated around each axis. There is no displacement, and therefore, each of the marks m1 to m4 moves substantially as a rigid body by the movement of the test piece W.
ビデオ式伸び・幅計2は、CCDカメラ21と、そのCCDカメラ21からの撮影信号を取り込むキャプチャーボード等がインストールされたコンピュータ22を主体として構成されている。CCDカメラ21は、試験の開始から終了まで、試験片Wの2つの標線マークS1,S2およびマーク体Mが視野内に収まるようにセットされる。
The video type stretcher /
コンピュータ22には、CCDカメラ21からの撮影信号を用いた画像処理を行うためのソフトと、その画像処理により求められた位置情報を用いて各種演算を行うソフトなどがインストールされており、図1では、説明の便宜上、インストールされている主要なソフトが有する機能ごとにブロック図で示している。
The
試験中におけるCCDカメラ21からの撮影信号は、画像処理部22aに取り込まれ、この画像処理部22aにより、2つの標線S1,S2の刻々の位置情報と、試験片Wの負荷方向に沿った左右両側のエッジの刻々の位置情報、および、マーク体M上の各マークm1〜m4の刻々の位置情報が求められる。
A photographing signal from the
2つの標線S1,S2の位置情報は伸び演算部22bに送られ、この伸び演算部22bでは、従来のビデオ式伸び計と同様に、標線S1,S2間の負荷方向(y方向)への距離を刻々と算出し、これらの標線S1,S2間の伸びを算出する。
The positional information of the two marked lines S1 and S2 is sent to the
また、試験片Wの左右のエッジの位置情報は幅演算部22cに送られ、この幅演算部22cでは、左右のエッジ間の距離(x方向距離)を刻々と算出し、試験中における試験片の幅寸法の変化を刻々と算出する。
The position information of the left and right edges of the test piece W is sent to the
さて、3次元位置演算部22dにおいては、マーク体Mの各マークm1〜m4の位置情報を取り込み、マーク体Mのひいては試験片Wの3次元位置を演算する。以下にその演算の手法について説明する。
In the three-dimensional
図3に示すように、CCDカメラ21によりあるマークmを観察したとする。このとき、CCDカメラ21の焦点Aとマークmとの光軸方向への距離をz,光軸に垂直な面B内の水平方向への距離をx,同じく面B内の鉛直方向への距離をyとする。
As shown in FIG. 3, it is assumed that a certain mark m is observed by the
図3をCCDカメラ21の像を考慮して示した図が図4である。マークmがCCDカメラ21の撮像面Cにm′としてとらえられる。このとき、CCDカメラ21の撮像面C上でのマーク像m′の中心からの水平方向の距離をxp 、同じく鉛直方向への距離をyp とする。
このとき、x,y,zおよびxp ,yp の関係は、
FIG. 4 is a diagram showing FIG. 3 in consideration of the image of the
At this time, x, y, z and x p, the relationship of y p is
ここで、Sは使用するレンズ、CCDカメラ21の画素の数に依存するパラメータで、レンズとカメラが決定すれば一意的に決定される。
Here, S is a parameter that depends on the lens to be used and the number of pixels of the
さて、図5(A)に示すように、3次元空間に剛体としてのマーク体Mが存在し、そのマーク体M上に複数のマークm1〜m4が付されているとする。図4のA点と同一の点に原点を持つ座標系[a0 ]をとり、X0 −Y0 −Z0 方向は図4のx−y−z方向と一致するようにとる。ここで、A点からマーク体Mの中心(m1〜m4間の中心)m0 までのベクトルをr0 (ベクトル)とし、マーク体Mの中心m0 から各マークm1〜m4へのベクトルをそれぞれL1 (ベクトル)、L2 (ベクトル)、L3 (ベクトル)、L4 (ベクトル)とするとともに、原点Aから各マークm1〜4へのベクトルをそれぞれr1 (ベクトル)、r2 (ベクトル)、r3 (ベクトル)、r4 (ベクトル)とする(図5(B)ではr2 のみを代表して図示)。 Now, as shown in FIG. 5A, it is assumed that a mark body M as a rigid body exists in a three-dimensional space, and a plurality of marks m1 to m4 are attached on the mark body M. A coordinate system [a 0 ] having an origin at the same point as point A in FIG. 4 is taken, and the X 0 -Y 0 -Z 0 direction is taken to coincide with the xyz direction in FIG. Here, (the center between m1 to m4) center of the mark M with the A point vector to m 0 and r 0 (vector), each vector from the center m 0 of the mark M with the respective marks m1 to m4 L 1 (vector), L 2 (vector), L 3 (vector), and L 4 (vector), and vectors from the origin A to the marks m1 to m 4 are r 1 (vector) and r 2 (vector), respectively. ), R 3 (vector), r 4 (vector) (in FIG. 5B, only r 2 is shown as a representative).
[a0 ]座標の原点Aより各マークmi(ただしi=1〜4)へのベクトルは、 The vector from the origin A of the [a 0 ] coordinate to each mark mi (where i = 1 to 4) is
一方、図5(B)に示すように、マーク体Mの中心m0を原点とする座標系をとり、これを[a1 ]座標系とする。[a1 ]のX1 −Y1 −Z1 方向は図示の通りとする。このとき、[a1 ]座標系で表現されるm0から各マークm1〜m4へのベクトルをC1 (ベクトル)、C2 (ベクトル)、C3 (ベクトル)、C4 (ベクトル)とする。ここで、4つのマークm1〜m4は中心m0からX1 ,Y1 座標上で全て等しい距離に配置されているとすれば、[a1 ]座標上で表現される成分は、 On the other hand, as shown in FIG. 5B, a coordinate system having the center m0 of the mark body M as the origin is taken as the [a 1 ] coordinate system. The X 1 -Y 1 -Z 1 direction of [a 1 ] is as illustrated. At this time, the vectors from m0 to the marks m1 to m4 expressed in the [a 1 ] coordinate system are C 1 (vector), C 2 (vector), C 3 (vector), and C 4 (vector). Here, if the four marks m1 to m4 are all arranged at the same distance on the X 1 and Y 1 coordinates from the center m0, the component expressed on the [a 1 ] coordinates is
ここで、Ci とLi は本来同じベクトルを示しているが、Ci は[a1 ]座標で表現されており、Li は[a0 ]座標で表現されている。 Here, C i and L i originally represent the same vector, but C i is represented by [a 1 ] coordinates, and L i is represented by [a 0 ] coordinates.
[a1 ]座標系から[a0 ]座標系への回転を示す変換行列をAx Ay Az で表すと、 A transformation matrix indicating rotation from the [a 1 ] coordinate system to the [a 0 ] coordinate system is represented by A x A y A z .
ここで、座標変換を示す回転行列として、例えば3−2−1オイラー角を使用した場合、Ax Ay Az について示せば、 Here, when a 3-2-1 Euler angle is used as a rotation matrix indicating coordinate transformation, for example, if A x A y A z is shown,
さて、以上はマーク体Mの3次元計測を行うための基本方程式であり、以下、逐次近似法により、[a0 ]座標系のマーク体Mの中心m0のx0 ,y0 ,z0 、並びにこれら各軸を中心とした回転軸θx ,θy ,θz に対する回転角度を、逐次近似法(ピカールの逐次近似法)により算出する。その算出に当たっては、以下に示す第1〜第4ステップを繰り返し行うことにより、計算結果は徐々に正しい値に近づいていく。
第1ステップとして、前記した(7),(8)式より、
The above is a basic equation for performing the three-dimensional measurement of the mark body M. Hereinafter, x 0 , y 0 , z 0 , the center m 0 of the mark body M in the [a 0 ] coordinate system is determined by a successive approximation method. In addition, the rotation angles with respect to the rotation axes θ x , θ y , and θ z around these axes are calculated by the successive approximation method (Picart's successive approximation method). In the calculation, the calculation result gradually approaches a correct value by repeatedly performing the following first to fourth steps.
As the first step, from the above equations (7) and (8),
よって、これらの(9),(10)および前記した(3)より、
Therefore, from these (9), (10) and the above (3),
ここで、[a0 ]座標系における原点Aから各マークmi へのベクトルri の成分を、
Here, the component of the vector r i from the origin A to each mark m i in the [a 0 ] coordinate system is
(11),(13)より、
From (11) and (13),
この(14)式を用いて、x0 ,y0 を計算する。このとき、xpi,ypiは、CCDカメラ21による撮影信号を用いた画像処理により、各マークm1〜m4の位置を求めてその値を用いる。また、Sは使用しているCCDカメラ21のレンズの情報より決定される(固定値)。そして、z0 は、逐次近似法による繰り返し計算の1回目の計算にあっては、CCDカメラ21の撮影倍率を求めるキャリブレーションの結果から、後述するようにほぼ正しい値が計算されるので、その値を用いる。2回目以降は1回前の計算結果を用いる。更に、zi については、1回目は0として計算し、2回目以降は1回前の計算結果を用いる。z0 ,zi は第1〜第4ステップを1セットとして繰り返し計算するごとに正しい値に近づく。
Using this equation (14), x 0 and y 0 are calculated. At this time, x pi and y pi use the values obtained by obtaining the positions of the marks m1 to m4 by image processing using the photographing signal by the
上記した1回目の計算に用いるz0 の求め方について言及すると、図6に示すように、CCDカメラ21の画像上でのマーク位置ypA[単位:ピクセル]は、(2)式より
Referring to the method for obtaining z 0 used in the first calculation described above, as shown in FIG. 6, the mark position y pA [unit: pixel] on the image of the
計測されたマーク位置ypA[ピクセル]は、次の式で寸法ym [mm]に換算することができる。例えばCCDカメラ21のy方向への全ピクセル数が640であり、その寸法がyL [mm]であったとすると、
The measured mark position y pA [pixel] can be converted into the dimension y m [mm] by the following equation. For example, if the total number of pixels in the y direction of the
この(16)式において右辺のypAに掛かっている項は事前にキャリブレーションにより求められる係数であり、画像上のピクセル→実距離[mm]への変換係数となっている。これをKとおくと、(16)式は In this equation (16), the term applied to y pA on the right side is a coefficient obtained by calibration in advance, and is a conversion coefficient from pixel on image to actual distance [mm]. If this is set to K, the equation (16) becomes
さて、(14)式によりx0 ,y0 を計算した後、第2ステップとして、z軸回りの回転角度θz を算出する。
(8)式の両辺にAx -1 ,Ay -1をかけて
Now, after calculating x 0 and y 0 by the equation (14), the rotation angle θ z around the z-axis is calculated as the second step.
(8) Multiply A x -1 and A y -1 on both sides
さて、(21)式の左辺を計算する。(3)式より Now, the left side of the equation (21) is calculated. From equation (3)
すなわち、(26)式を計算し、その結果にAy -1Ax -1を乗じると、(21)式の左辺として、 That is, when calculating equation (26) and multiplying the result by A y −1 A x −1 , the left side of equation (21) is
次に、(21)式の右辺を計算する。(6)式と(23)式より、 Next, the right side of equation (21) is calculated. From Equation (6) and Equation (23),
(27)および(28)式より、(21)式の両辺での対応成分より、sin θの項とcos θの項をまとめると、 From the equations (27) and (28), the sin θ term and the cos θ term are summarized from the corresponding components on both sides of the equation (21).
このθz の計算に用いるxpi、ypi、S、z0 、zi は第1ステップと同じである。また、θx およびθy は、1回目の計算では0とし、2回目以降は1回前の計算結果を用いる。 X pi used for the calculation of the θ z, y pi, S, z 0, z i is the same as the first step. Also, θ x and θ y are set to 0 in the first calculation, and the calculation results from the previous one are used from the second time onward.
次に、第3ステップとして、z0 、θx 、θy を計算する。
(8)式より、
Next, as a third step, z 0 , θ x , and θ y are calculated.
From equation (8)
(3)式より、
From equation (3)
(33),(34)の方程式はi=1〜4まであり、合計8つの方程式となる。その8つの方程式をz0 ,θy ,θx についての方程式とみなし、各係数をaijとおき、右辺をbi とおくと、(33),(34)式は、 The equations (33) and (34) have i = 1 to 4, which is a total of eight equations. If the eight equations are regarded as equations for z 0 , θ y , θ x , each coefficient is a ij and the right side is b i , the equations (33) and (34) are
ここで、(35)式の両辺にAT (転置行列)をかけて、
Here, A T (transpose matrix) is applied to both sides of equation (35), and
(33),(34)および(37)式よりz0 ,θy ,θx を計算する。このときに用いるxpi,ypi,S,zi は第1ステップと同じ値とし、Cxi ,Cyi はマーク体Mのx,y距離であり、(6)式のようにkあるいは−k(固定値)となり、x0 ,y0 ,θz は第1,第2ステップの結果を使用する。また、θx ,θy の非線形の項(θx 2 、θx 3 等)は第2ステップと同様に1回目の計算は0とし、2回目以降は1回前の計算結果を用いる。 Z 0 , θ y , and θ x are calculated from the equations (33), (34), and (37). X pi used in this case, y pi, S, z i is the same value as the first step, Cx i, Cy i is x, y distance of the mark body M, (6) k or as formula - k (fixed value), and x 0 , y 0 , and θ z use the results of the first and second steps. For the nonlinear terms of θ x , θ y (θ x 2 , θ x 3, etc.), the first calculation is 0 as in the second step, and the calculation results from the previous one are used for the second and subsequent times.
次に第4ステップとして、(8)式からxi ,yi ,zi を計算する。このとき、θx ,θy ,θz は第2,第3ステップの結果を使用し、Ci (ベクトル)の各成分はマーク体Mのx,y距離で(6)式で表される。 Next, as a fourth step, x i , y i and z i are calculated from the equation (8). At this time, θ x , θ y , and θ z use the results of the second and third steps, and each component of C i (vector) is expressed by the expression (6) as the x, y distance of the mark body M. .
以上の第1〜第4ステップを繰り返し計算すると、計算値は徐々に正しい値に近づき、マーク体Mのx,y,z方向への変位とこれら各軸回りの回転角度θx ,θy ,θz を正確に求めることができる。 When the above first to fourth steps are repeatedly calculated, the calculated value gradually approaches the correct value, and the displacement of the mark body M in the x, y, and z directions and the rotational angles θ x , θ y , θ z can be accurately obtained.
以上の3次元位置演算部22dによるマーク体Mの3次元位置情報の演算結果は、伸び演算部22bの出力とともに伸び補正演算部22eに送られると同時に、幅演算部22cの出力とともに幅補正演算部22fに送られる。
The calculation result of the three-dimensional position information of the mark body M by the above three-dimensional
伸び補正演算部22bでは、マーク体Mの3次元位置情報、従って等価的にそのマーク体Mが貼着された試験片Wの刻々の3次元位置情報を用いて、標線S1,S2の試験開始当初からの3次元方向への変位並びに各軸方向への回転を考慮し、標線S1,S2間の距離を正確に補正する。この補正演算は、[a1 ]座標系で標線S1,S2間の距離を計測することを意味し、従って、試験開始当初からの試験片Wの3次元方向への変位並びに各軸回りの回転による影響を排除した正確な伸びを求めることができる。
The elongation
また、幅補正演算部22fについても同様であり、マーク体Mの3次元位置情報を用いて、幅演算部22cにより算出された試験片Wの刻々の幅寸法が、試験片Wの3次元方向への変位並びに各軸回りの回転による誤差を排除した正確な寸法に補正される。
The same applies to the width
以上の実施例において特に注目すべき点は、標線S1,S2の位置情報、試験片Wの両エッジの位置情報、およびマーク体Mの3次元位置情報の全てが、1台のCCDカメラ21からの撮影信号によって得ている点であり、従って、別途試験片の変位検出手段等の他の計測機器を用いることなく、比較的簡単なハード構成のもとに低コストに、試験片の3次元方向並びに各軸回りの回転による誤差分の全てを解消した正確な伸びおよび幅変化の計測が可能となる。
Of particular note in the above embodiments is that the position information of the marked lines S1 and S2, the position information of both edges of the test piece W, and the three-dimensional position information of the mark body M are all in one
なお、以上の実施例では、マーク体Mに4つの菱形マークm1〜m4を付した例を示したが、マークの数3以上であれば任意数とすることができ、また、マークの形状についてもその中心が判る形状であれば任意の形状とすることができる。 In the above embodiment, an example is shown in which four rhombus marks m1 to m4 are attached to the mark body M. However, any number can be used as long as the number of marks is three or more. Also, any shape can be used as long as its center is known.
また、以上の実施例では、試験片Wに1個のマーク体Mを貼着するとともに、これとは別に標線S1,S2を付した例を示したが、以上の実施例から明らかなように、マーク体Mの中心の3次元位置情報が得られるので、2つの標線に対応させてそれぞれにマーク体を貼着して、その2つのマーク体の3次元位置情報を上記と同等の手法によって計算することによって、その2つのマーク体の中心を実質的に2つの標線とみなして、各マーク体の3次元位置情報そのものから、これら2つのマーク体中心間距離を算出して伸びを求めてもよい。 Moreover, in the above Example, while the one mark body M was stuck to the test piece W, and the markings S1 and S2 were attached | subjected separately from this, the example which attached | subjected mark lines S1 and S2 was shown, but it is clear from the above Example. In addition, since the three-dimensional position information of the center of the mark body M is obtained, the mark body is attached to each of the two marked lines, and the three-dimensional position information of the two mark bodies is equivalent to the above. By calculating using the technique, the centers of the two mark bodies are substantially regarded as two marked lines, and the distance between the centers of the two mark bodies is calculated from the three-dimensional position information itself of each mark body to expand. You may ask for.
更に、以上の実施例では1台のカメラにて処理を行う方法を示したが、複数台のカメラを用いることも可能である。例えば3次元の計測を行うカメラを1つ使用し、2つの標線にカメラ1台もしくは2台使用することも可能であり、マーク体を標線と兼用するあ場合には、各マーク体1つにつき1台のカメラとし、2台のカメラを用いて計測することも可能である。
Furthermore, in the above embodiment, a method of performing processing with one camera has been shown, but it is also possible to use a plurality of cameras. For example, it is possible to use one camera for three-dimensional measurement and use one or two cameras for two marked lines. In the case where a mark body is also used as a marked line, each
更にまた、以上の実施例では、伸びおよび幅の双方を計測する場合について述べたが、伸びのみ、あるいは幅のみの計測に本発明を適用し得ることは勿論である。 Furthermore, although the case where both the elongation and the width are measured has been described in the above embodiments, the present invention can of course be applied to the measurement of only the elongation or only the width.
また更に、本発明のビデオ式3次元計測装置は、材料試験における試験片のみならず、任意の対象物の3次元計測に適用し得ることは言うまでもなく、3次元位置情報を遠隔的に知りたい任意の対象物に所要のマーク体を貼着することにより、その対象物の3次元位置情報を簡単なハード構成によって知ることが可能である。 Furthermore, it is needless to say that the video type three-dimensional measuring apparatus of the present invention can be applied not only to a test piece in a material test but also to a three-dimensional measurement of an arbitrary object. By sticking a required mark body to an arbitrary object, it is possible to know the three-dimensional position information of the object with a simple hardware configuration.
1a,1b 掴み具
2 ビデオ式伸び・幅計
21 CCDカメラ
22 コンピュータ
22a 画像処理部
22b 伸び演算部
22c 幅演算部
22d 3次元位置演算部
22e 伸び補正演算部
22f 幅補正演算部
M マーク体
m1〜m4 マーク
W 試験片
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