JP3081035B2 - 三次元座標計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元物体の外観形状
の三次元座標値を計測する三次元座標計測装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】対象とする物体の立体形状の計測は、製
品の外観、組立検査、数値制御の工作機における倣い加
工のための形状入力、産業用ロボットの眼等の工業分野
においてのみならず、アパレル産業における人体形状計
測等の他の産業分野、側彎症診断のための人体形状計測
等の医学分野においても幅広く求められている。このよ
うな三次元的な広がりを有する立体形状を紙面やディス
プレイのような二次元表示面上において表現するために
は、二次元座標上で三次元物体の外観形状を表現する座
標値にその物体の奥行きに関するデータを盛り込まなけ
ればならない。

【０００３】特開平２−５２２０４号公報に記載されて
いるのは、このような物体を三次元座標上で表現する技
術の一例である。この技術においては、撮像装置の合焦
点位置を変化させながら撮像対象物を複数回撮像し、撮
像された複数の画像の中から該撮像対象物の各部分につ
いて合焦点位置を決定する工程を撮像装置の焦点距離
（＝倍率）を変化させて反復して行い、これらの結果に
もとづき、撮像装置から各部分までの距離、言い換えれ
ば二次元座標におけるその撮像対象物の奥行きに関する
データを決定するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述さ
れた技術においては、撮像装置の合焦点位置を変化させ
ながら撮像対象物を複数回撮像することにより合焦点位
置を決定し、さらにそのような工程を焦点距離を変えて
反復して行なわなければならず、１つの撮像対象物の三
次元座標値を得るには多大の時間を要するという問題点
がある。しかも、合焦点位置の決定は試行錯誤により行
なわれるため、確実性に欠けるという問題点もある。

【０００５】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを目的として、任意の位置に置かれた物体の外観形状
を短時間で確実に三次元座標値に変換する三次元座標計
測装置を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による三次元座標
計測装置は、前述された目的を達成するために、 （ａ）レンズの焦点距離およびレンズと結像面との間の
結像距離を変更可能な撮像手段、 （ｂ）この撮像手段と撮像対象物との間の距離を計測す
る超音波センサよりなる測距手段、 （ｃ）前記撮像手段と所定の位置関係に設置されて、前
記撮像対象物に投光してその撮像対象物表面に光切断線
を形成し、かつ投光レンズの焦点距離およびレンズと結
像面との間の結像距離を変更可能な投光手段、 （ｄ）前記撮像対象物としての表面に多数の基準位置が
表示された平板を、前記撮像手段からの距離を所定間隔
で変化させながらその平板のそれぞれの位置において撮
像される複数の画像と、その撮像手段とその平板との間
の距離と、その撮像手段のレンズの焦点距離および結像
距離と、前記撮像手段と前記投光手段との位置関係とに
もとづき三次元座標変換パラメータを得る演算手段、 （ｅ）前記演算手段により得られる三次元座標変換パラ
メータを記憶する記憶手段および、 （ｆ）前記測距手段により前記撮像手段と前記撮像対象
物としての物体との間の距離を計測し、この計測された
距離にもとづきその撮像手段のレンズの焦点距離および
結像距離を変更するとともに、前記記憶手段に記憶され
てその計測された距離に応じた三次元座標変換パラメー
タを再起動し、前記投光手段により表面に光切断線を形
成させたその物体を撮像し、その再起動された三次元座
標パラメータにもとづき撮像された画像において表現さ
れるその物体の形状を三次元座標値に変換する変換手段
を具えることを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】まず、レンズの焦点距離およびレンズと結像面
との間の結像距離を変更可能な撮像手段により、表面に
多数の基準位置が表示された平板をその撮像手段からの
距離を所定間隔で変化させ、かつ平板にスリット光を投
光しながらその平板のそれぞれの位置で撮像して複数の
画像を得る。さらに、演算手段により、これらの複数の
画像と、前記撮像手段と平板との間の距離と、その撮像
手段のレンズの焦点距離および結像距離と、前記撮像手
段と前記投光手段との位置関係（例えば、前記撮像手段
と前記投光手段との間の距離、前記平板に対する前記撮
像手段の撮像角度および前記投光手段の投光角度）とに
もとづき三次元座標変換パラメータを得るとともに、こ
の三次元座標変換パラメータは記憶手段に記憶される。

【０００８】次いで、超音波センサよりなる測距手段に
より前記撮像手段と物体との間の距離を計測するととも
に、この計測された距離にもとづきその撮像手段のレン
ズの焦点距離および結像距離、撮像手段の撮像角度、投
光手段の投光角度等を変更し、投光手段により表面に光
切断線を形成させたその物体を撮像する。さらに、変換
手段により、撮像された画像において表現されるその物
体の形状は、前記記憶手段に記憶されて前記測距手段に
より計測された撮像手段と物体との間の距離に応じて再
起動された三次元座標変換パラメータにもとづき三次元
座標値に変換される。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の三次元座標計測装置の具体的
一実施例について図面を参照しつつ説明する。

【００１0 】本実施例においては、図１に示されている
ように、本発明による三次元座標計測装置１によりワー
ク２の三次元座標を計測する。この本発明による三次元
座標計測装置１は、基本的には撮像手段であるＣＣＤカ
メラ11と、測距手段である超音波センサ12と、ワーク２
にスリット光を投光する投光手段であるプロジェクタ13
と、各種演算、制御および記憶を行なうコンピュータ
（図３参照）とにより構成される。

【００１1 】前記ＣＣＤカメラ11は自動ズームレンズを
有し、512 ×480 画素の撮像が可能である。また、ＣＣ
Ｄカメラ11および超音波センサ12は雲台14のテーブル15
上に固定されており、テーブル15が雲台14の軸線に平行
および垂直方向に回転移動するのにともなって撮像方向
および測距方向を変更し、所望に位置にあるワーク２を
画像として捉えるとともに、そのワーク２までの距離を
計測することができる。なお、テーブル15上において、
ＣＣＤカメラ11と超音波センサ12とは所定の角度をもっ
て設置されているため、超音波センサ12とワーク２との
間の距離を計測しさらに所定の演算を行なうことにより
ＣＣＤカメラ11とワーク２のとの間の距離が得られる。
また、プロジェクタ13も自動ズームレンズを有してい
る。

【００１2 】図２に示されているように、前記プロジェ
クタ13は光軸方向に放射状に広がる光束を発する光源16
と液晶スリットマスク17とレンズ群18とより構成されて
おり、液晶スリットマスク17を介してレンズ18群により
フォーカシングされたスリット光は、スリットマスク17
を矢印方向に走査することによりワーク２表面上を移動
しながら投光される。プロジェクタ13もＣＣＤカメラ11
および超音波センサ12と同様の雲台14’のテーブル15’
上に固定されて、所望の位置にあるワーク２にスリット
光を投光することができる。なお、プロジェクタ13はＣ
ＣＤカメラ11および超音波センサ12と所定の距離をもっ
てセットされている。

【００１3 】図３に示されているように、超音波センサ
12により計測されてＡ／Ｄ変換器21においてディジタル
値に変換される距離情報および、ＣＣＤカメラ11により
撮像されてビデオ入力ボード22においてディジタル値に
変換される画像情報は、コンピュータ23の制御のもとに
バスを介してコンピュータ23に与えられる。なお、ＣＣ
Ｄカメラ11の画像の倍率( 焦点距離 )を変更するための
ズームレンズのズーミングおよび焦点合わせのためのレ
ンズのフォーカシングは、このコンピュータ23による所
定のプログラムの実行にもとづき、コンピュータ23の制
御にもとにパラレル入出力ボード24a 、24b を介してそ
れぞれズーミングモータ25a およびフォーカシングモー
タ25b を制御するモータコントローラ26a 、26b に所定
の信号を出力することにより行われる。また、プロジェ
クタ13の光源16の点滅はパラレル入出力ボード24e を介
して光源16に所定の信号を与えることにより行われると
ともに、液晶スリットマスク17の走査およびレンズ群18
のフォーカシングとズーミングとはパラレル入出力ボー
ド24j 、24f 、24g を介して液晶スリットマスク17およ
びレンズ群駆動モータ25f 、25g をそれぞれ制御するス
リットマスク制御装置34およびモータコントローラ26f
、26g に所定の信号を出力することにより行われる。

【００１４】また、雲台14、14’のテーブル15、15’の
平行方向および垂直方向の回転移動も、このコンピュー
タ23の制御にもとにパラレル入出力ボード24c 、24d 、
24h、24i を介して平行方向回転用モータ25c 、25h お
よび垂直方向回転用モータ25d 、25i を制御するそれぞ
れのモータコントローラ26c 、26d 、26h 、26i に所定
の信号を出力することにより行われる。

【００１５】前記コンピュータ23は、所定プログラムを
実行する中央処理装置（ＣＰＵ）27と、ハードディスク
28等の外部メモリより転送されたそのプログラムを一時
的に記憶するとともにそのプログラムの実行に必要な内
部メモリ29と、前記所定プログラムを永続的に記憶する
とともにＣＣＤカメラ11により得られる画像に関するデ
ータ等を記憶するハードディスク28と、キャリブレーシ
ョン計測条件等を手操作により入力するキーボード30
と、所要事項を表示するディスプレイ31とにより構成さ
れる。また、変換された三次元座標値はＲＳ−２３２Ｃ
ボード32を介してシリアル通信によりロボットコントロ
ーラ33に与えられて所定の処理が行われる。

【００１６】ところで、例えば "三次元画像計測"(井口
征士、佐藤宏介著、昭晃堂、１９９０）に記載されてい
るように、ワークに幅方向には厚さゼロで光軸方向に放
射状に広がるスリット光を投光すると、スリット光がそ
のワークを切断するときの切断線像すなわちワークの外
形を表現するスリット光像が得られる。そこで、ワーク
表面上をスリット光の投光方向を少しずつ変化させなが
ら走査させて一定の角度からその切断線像を撮像する
と、切断線像の歪みや屈曲の様相にもとづいて二次元座
標を有する画像上においてそのワークの三次元形状を表
現することができる。したがって、前記二次元座標にお
いてＣＣＤカメラの各画素に一致する各座標値に奥行き
を表すデータを盛り込めば、そのワークをその撮像角度
から見た場合のワークの外観形状を三次元座標上で表す
ことができる。

【００１７】本実施例においては、ＣＣＤカメラ11によ
り撮像される画像上において二次元座標にて表されるワ
ーク２を、奥行きを加味した三次元座標にて表現するた
めに、次に説明されるような三次元座標変換パラメータ
を用いる。

【００１８】まず、三次元座標変換パラメータを得るた
めに、キャリブレーションを実施する。まず、図４に示
されているような表面に方眼41を有する平板42とＣＣＤ
カメラ11とを所定の角度をもってセットし、次いで平板
42を所定間隔でＣＣＤカメラ11から遠ざけて、プロジェ
クタ13よりスリット光を投光しながらＣＣＤカメラ11に
より撮像して複数の画像を得る。こうして、平板42が移
動する空間内において、このような複数の画像上に表さ
れる方眼41の格子点41' の位置情報とその時々のスリッ
ト光の位置情報はその平面的な位置のみならずＣＣＤカ
メラ11との間の距離情報をも表すものである。このよう
な多数の格子点41' の位置情報とその時々のスリット光
の位置情報が撮像された複数の画像と、撮像時のＣＣＤ
カメラ11のレンズの焦点距離および合焦点位置( レンズ
と結像面との間の距離) 等とから、一定の計算により
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸で表される三次元座標への三次元座標変換
パラメータが得られ、コンピュータ23のハードディスク
28に記憶される。

【００１９】前述されたような平板42の寸法、方眼41の
間隔、平板42の移動間隔と移動距離は、ワーク２の寸法
および外観形状の複雑さ、ＣＣＤカメラの画素分解能、
変換された三次元座標値の使用目的等に応じて適宜変更
すればよい。例えば、大きなワーク２の場合は前記空間
を大きく設定するために平板42の寸法および移動距離を
大きく、複雑な外観形状を有するワーク２の場合は方眼
41の間隔、平板42の移動間隔を小さく設定すればよい。

【００２０】次に、このような三次元座標計測装置１に
よるワーク２の三次元座標変換方法の各工程を、図６を
参照しつつ、図５および図７に示されているプログラム
のフローチャート図にもとづき詳述する。

【００２１】まず、前述されたような表面に方眼41を有
する平板42を用いて三次元座標変換パラメータを設定す
る方法を、図５に示されているフローチャート図にもと
づき説明する。

【００２２】Ｓ−１：計測開始時におけるＣＣＤカメラ
11と平板42との距離（以下、”カメラ・ワーク間距離”
と称する）、平板42の移動間隔、方眼41間隔、計測空間
範囲をキーボード30より入力する。 Ｓ−２：平板42を順次所定間隔で遠ざけてスリット光を
投光しながら方眼41をＣＣＤカメラ11により撮像する。 Ｓ−３：前ステップＳ−２により撮像された複数の画像
情報は、カメラ・ワーク間距離、撮像時のＣＣＤカメラ
11のレンズの焦点距離および合焦点位置、スリット光投
光条件、２台の雲台14、14' のセットされている方向等
とともに所定のプログラムにもとづき三次元座標変換パ
ラメータとして演算されるとともに、ハードディスク28
上のファイルに入力されて記憶される。 Ｓ−４：前ステップＳ−３にて得られたファイルのファ
イル名は、図６に示されているような500 mm毎に繰り下
がるカメラ・ワーク間距離Ｉおよび、200 mm毎に繰り下
がる立法体に計測空間に一辺Ｊで表されるハードディス
ク28上のファイル参照テーブル（Ｉ，Ｊ）の所定位置に
入力される。

【００２３】本実施例においては、前述されたような工
程を３回繰り返し、ファイル名Ａ１，Ａ２，Ａ３で表さ
れる３範囲についてキャリブレーションを実施して三次
元座標変換パラメータを得る。なお、それぞれのファイ
ルにおけるカメラ・ワーク間距離は５００ｍｍ、１００
０ｍｍ、１５００ｍｍであり、計測空間は２００×２０
０×２００ｍｍ、４００×４００×４００ｍｍ、２００
×２００×２００ｍｍである。したがって、これらの３
ファイルＡ１，Ａ２，Ａ３は図６に示されているような
ファイル参照テーブルにおいて、それぞれ（１、１）、
（２、２）、（１、３）の位置に入力されて記憶され
る。

【００２４】次いで、前述された三次元座標変換パラメ
ータを用いてワーク２の三次元座標を計測する方法につ
いて、図７に示されているフローチャート図にもとづき
説明する。

【００２５】Ｔ−１：ＲＳ−２３２Ｃボード32を介して
シリアル通信によりロボットコントローラ33から計測さ
れるワーク２の大きさを入力する。例えば、ワーク２を
100×100 ×100 mmの立方体とする。 Ｔ−２：超音波センサ12によりワーク２までの距離を計
測する。例えば、この距離を501.5 mmとする。 Ｔ−３：ステップＴ−２において計測されたワーク２ま
での距離を500 で割り、小数点以下を切り捨ててカメラ
・ワーク間距離Ｉを得る。計測された距離が501.5 mmで
あればＩ＝１である。 Ｔ−４：ロボットコントローラ33から入力されたワーク
２の大きさより、適用する計測空間に一辺Ｊを選択す
る。ワーク２は100 ×100 ×100 mmの立方体であるから
Ｊ＝１である。 Ｔ−５：ファイル参照テーブルの（Ｉ，Ｊ）の位置にフ
ァイルがあるか否かを調べる。該当する位置にファイル
があればステップＴ−６に進み、無ければステップＴ−
１１に進む。 Ｔ−６：ファイル参照テーブル（１、１）の位置にある
ファイル名Ａ１の内容を読み出す。 Ｔ−７：ファイル名Ａ１から読み出されたデータの中か
らＣＣＤカメラ11の焦点距離および合焦点位置、スリッ
ト光投光条件、雲台方向等の情報にもとづき、ＣＣＤカ
メラ11とプロジェクタ13と雲台14、14' とを設定する。 Ｔ−８：スリット光をワーク２表面上を走査させながら
撮像する。 Ｔ−９：撮像された二次元座標上で表される画像をファ
イルＡ１から読み出した三次元座標変換パラメータによ
りワーク２を表現する三次元座標値に変換する。 Ｔ−１０：変換された三次元座標値または計測不能であ
った旨をシリアル通信によりロボットコントローラ33に
与えて所定の処理を行なう。 Ｔ−１１：対応する位置にファイル存在しないため、計
測不能であることをディスプレイ31に表示し、ステップ
Ｔ−１０に進む。

【００２６】前述されたように、本発明の三次元座標計
測装置１は測距機能と倍率変更機能を合わせもつととも
に、予めキャリブレーションを実施して複数の三次元座
標変換パラメータを得ることにより、ワークの位置およ
び大きさににかかわらず短時間でワークの三次元座標値
を計測することができる。このようにして得られるワー
クの三次元座標値は、画像処理手法等の手段により複数
のワークの同一性を判断する等の目的用途に応じて二次
処理がなされ、種種の分野に幅広く応用され得る。

【００２７】本実施例においてはキャリブレーションを
実施した３空間を三次元座標計測可能範囲としたが、非
連続的にキャリブレーションを実施し、非計測区間を内
挿法により補間して連続的な三次元座標計測可能範囲を
得ることも可能である。また、スリットマスクを走査す
る代わりにマルチスリットマスクを用いて、ワーク表面
に同時に多数に光切断線像を形成して１回の撮像で得ら
れる画像により三次元座標値に変換するようにしても良
い。

【００２８】また、本実施例においては、ワークを一方
向から撮像してその方向から見えるワークの外観形状の
三次元座標値を計測したが、ＣＣＤカメラを移動させて
ワークを多方向から撮像する、またはＣＣＤカメラを固
定してワークを多数回回転移動させて撮像し、プログラ
ムにより所定の処理を行なえばワークの全体形状を把握
することもできる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の三次元座標計測装置により、ワ
ークの位置が変化しても試行錯誤によることなく、自動
的に短時間でワークの三次元座標を計測することができ
るため、作業性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による三次元座標計測装置の外観概略図
である。

【図２】プロジェクタの拡大図である。

【図３】本発明による三次元座標計測装置の構成を示す
ブロック図である。

【図４】キャリブレーションの計測方法を説明するため
の説明図である。

【図５】三次元座標変換パラメータを設定するプログラ
ムを説明するフローチャート図である。

【図６】ファイル参照テーブルを説明する図である。

【図７】ワークの三次元座標値を計測するプログラムを
説明するフローチャート図である。

【符号の説明】

１ 三次元座標計測装置 ２ ワーク 11 ＣＣＤカメラ 12 超音波センサ 13 プロジェクタ 14,14' 雲台 15,15' テーブル 16 光源 17 液晶スリットマスク 18 レンズ群 21 Ａ／Ｄ変換器 22 ビデオ入力ボード 23 コンピュータ 24a,24b,24c,24d,24e,24f,24g,24h,24i,24j パラレ
ル入出力ボード 25a ズーミングモータ 25b フォーカシングモータ 25c,25h 水平方向回転用モータ 25d,25i 垂直方向回転用モータ 25f レンズ群駆動モータ 25g レンズ群駆動モータ 26a,26b,26c,26d,26f,26g,26h,26i モータコントロー
ラ 27 ＣＰＵ 28 ハードディスク 29 内部メモリ 30 キーボード 31 ディスプレイ 32 ＲＳ−２３２Ｃボード 33 ロボットコントローラ 34 スリットマスク制御装置 41 方眼 41' 格子点 42 平板

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）レンズの焦点距離およびレンズと
   結像面との間の結像距離を変更可能な撮像手段、 （ｂ）この撮像手段と撮像対象物との間の距離を計測す
   る超音波センサよりなる測距手段、 （ｃ）前記撮像手段と所定の位置関係に設置されて、前
   記撮像対象物に投光してその撮像対象物表面に光切断線
   を形成し、かつ投光レンズの焦点距離およびレンズと結
   像面との間の結像距離を変更可能な投光手段、 （ｄ）前記撮像対象物としての表面に多数の基準位置が
   表示された平板を、前記撮像手段からの距離を所定間隔
   で変化させながらその平板のそれぞれの位置において撮
   像される複数の画像と、その撮像手段とその平板との間
   の距離と、その撮像手段のレンズの焦点距離および結像
   距離と、前記撮像手段と前記投光手段との位置関係とに
   もとづき三次元座標変換パラメータを得る演算手段、 （ｅ）前記演算手段により得られる三次元座標変換パラ
   メータを記憶する記憶手段および、 （ｆ）前記測距手段により前記撮像手段と前記撮像対象
   物としての物体との間の距離を計測し、この計測された
   距離にもとづきその撮像手段のレンズの焦点距離および
   結像距離を変更するとともに、前記記憶手段に記憶され
   てその計測された距離に応じた三次元座標変換パラメー
   タを再起動し、前記投光手段により表面に光切断線を形
   成させたその物体を撮像し、その再起動された三次元座
   標パラメータにもとづき撮像された画像において表現さ
   れるその物体の形状を三次元座標値に変換する変換手段
   を具えることを特徴とする三次元座標計測装置。