JPH07260444A - 光切断法による対象物の三次元計測方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 光切断法により対象物を非接触で三次元計測
する方法および装置を提供する。 【構成】 スリット光を対象物に直角に照射することに
よりこの対象物上に設定される平面の方程式を処理手段
により求め，カメラの画角内において，平面とカメラと
の間に平行な複数の仮想面を設定し，平面と複数の仮想
面とに投影される対象物からの反射光を，カメラで撮像
するとともに，処理手段により最小自乗法より直線の方
程式として求め，カメラから任意の位置に設定した仮想
面から平面までの距離を処理手段により求め，直線の方
程式と距離とから平面における計測点の三次元座標を求
めてこれを対象物の断面デ−タとし，対をなすスリット
光とカメラとを一体として対象物の長さ方向に沿って移
動させることにより，所定ピッチ毎の断面デ−タを処理
手段により求め，これらの各断面デ−タから対象物を三
次元計測するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，光切断法により対象
物を非接触法で自動的に三次元計測するための方法およ
び装置に関するもので，特に，表面が柔軟で，且つ複雑
な形状をした対象物を三次元計測するのに適した方法お
よびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年，単に二次元的に位置や形状を計測
するのではなく，対象物の奥行情報を取得して三次元的
に位置や形状を求める需要が生じている。三次元的に計
測する方法としては接触法と非接触法とがある。接触法
は，接触子により直接対象物に接触して計測する方法で
あるが，この方法では，対象物が柔軟な場合には，接触
子が対象物の表面に接触することにより表面が損傷され
るおそれがある。そのため非接触法で三次元的に計測す
る方法が求められている。

【０００３】そこで，発明者等は，非接触法の一手段と
して，２台のカメラを用いて三次元的に位置を測定する
方法を開発し，出願中（特開昭６３−２３８５１０号）
である。

【０００４】これは，図１３に示すように，２台のカメ
ラ５０，５１がその画角内に測定対象物をとらえている
状態で，それぞれ光軸を標点Ｐに向けて互いに内傾させ
て設置されている。そして，この光学系を用い，その光
学系の視野内に光軸と直交する面Ｈ₁₁とＨ₁₂およびＨ₂₁
とＨ₂₂を少なくとも２つずつ互いに対向させて求め，こ
の測定対象物をこれら面上に投影した点を三次元の基準
座標で表わす。このようにして，測定対象物がこれら面
上に投影された点を三次元の基準座標で示すことが出来
ることから，上記の対向する面Ｈ₁₁とＨ₁₂およびＨ₂₁と
Ｈ₂₂上に投影された点Ｐ_H1とＰ_H2，Ｐ_H3とＰ_H4をそれぞ
れ結ぶことにより，既知の基準座標系で測定対象物が存
在する標点Ｐを含む一対の直線Ｌ₁ ，Ｌ₂ を得る。この
直線Ｌ₁，Ｌ₂ の交点の座標値を既知の基準座標系の座
標値で表すことが出来る方法である。

【０００５】又，非接触法の一手法として光源としてス
リット光を使用して対象物を切断するイメ−ジから三次
元計測デ−タを得る光切断法がある。これは，物体を切
断した時の切り口を横から見ても対象物の断面形状が判
定出来るのと同じ方法で，スリット光とカメラ１台で高
さ情報が計測される方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】前者の方法では，正
確に三次元測定するためには，カメラの台数が６台必要
であるため，装置がかなり大掛かりとなるとともに，高
価なカメラを多く使用するため，経費がかさむという問
題があった。

【０００７】又，後者の方法のものは，カメラが１台し
か使用されていないため，三次元対象物の場合，カメラ
の死角をカバ−することは出来ない。又，スリット光が
幅を持つ場合，二値化処理すると重心が変動してしま
う。従って，デ−タの変動が大きく正確な対象物の三次
元計測デ−タが得られないという問題があった。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】この発明は，スリット
光を対象物に直角に照射することによりこの対象物上に
設定される平面の方程式を処理手段により求め，カメラ
の画角内において，平面とカメラとの間に平行な複数の
仮想面を設定し，平面と複数の仮想面とに投影される対
象物からの反射光を，カメラで撮像するとともに，処理
手段により最小自乗法より直線の方程式として求め，カ
メラから任意の位置に設定した仮想面から平面までの距
離を処理手段により求め，直線の方程式と距離とから平
面における計測点の三次元座標を求めてこれを対象物の
断面デ−タとし，対をなすスリット光とカメラとを一体
として対象物の長さ方向に沿って移動させることによ
り，所定ピッチ毎の断面デ−タを処理手段により求め，
これらの各断面デ−タから対象物を三次元計測するよう
にしたものである。

【０００９】又，この発明は，カメラの画角内に，スリ
ット光に対して直角に幅の狭いウインドを設定するとと
もに，このウインド内を対象物の各断面に沿って走査
し，このウインド内の座標デ−タＹ_P と輝度デ−タＦ_M
とから，Ｙ_P ＝Σ（Ｙ_P ・Ｆ_M）／ΣＦ_M 式により，ス
リット光の濃度重心を求めることにより，スリット光の
幅に関係のないデ−タが得られるようにしたものであ
る。

【００１０】さらに，この発明は，互いに隣接する両カ
メラの画角のオ−バ−ラップ範囲内の中心位置をそれぞ
れ算出し，この中心位置を基準として任意の幅の合成範
囲を設定し，この合成範囲内のデ−タを最小自乗法によ
り直線化し，この直線化したデ−タの平均値を求めて，
この値を前記オ−バ−ラップ範囲の断面デ−タとすると
ともに，このオ−バ−ラップ範囲外は，カメラから得ら
れた断面デ−タを用いるようにして，つなぎ目における
デ−タを円滑化するようにしたものである。

【００１１】又，この発明は，対象物を載置するテ−ブ
ルとこのテ−ブルの両側端部に設けたアクチュエ−タ
と，対象物をいずれも複数方向から直角に照射するため
に設置された複数のスリット光の光源と，この各スリッ
ト光に対してそれぞれ内傾させて設置されて，対象物か
らの反射光をそれぞれ撮像する自動シャッタ−機能を備
えた複数のカメラと，それぞれ互いに対をなす複数箇所
のスリット光の光源とカメラとを所定位置に支持すると
ともに，両末端部にアクチュエ−タに沿って移動する駆
動機構を備えた門型フレ−ムと，各カメラからの画像デ
−タをそれぞれ処理する複数の画像処理装置と，門型フ
レ−ムの駆動機構を制御するとともに，複数の画像処理
装置を時間的に制御するためのタイミング信号を出力す
る制御部と，各画像処理装置からの三次元計測デ−タを
演算処理するとともに，制御部を制御するコンピュ−タ
とを備えたものである。

【００１２】

【作用】スリット光８は対象物２に対して直角に照射さ
れ，対象物２からの反射光２１を撮像するカメラ９は，
スリット光８に対して光軸が４５°の位置になるよう設
置されている。スリット光８は，対象物２に対して平面
２０として交わるので，その反射光２１はカメラ９へ直
線的に入射され，門型フレ−ム６が移動するにつれて，
カメラ９から次々と断面デ−タが取り込まれる。

【００１３】このようにして各カメラ９（９ａ〜９ｃ）
から次々取り込まれた断面デ−タ，それぞれ各画像処理
装置１２（１２ａ〜１２ｃ）に入力され，画像処理され
る。この際，Ｘ軸方向へ移動しつつそれぞれデ−タを取
り込む３台のカメラ９とそれぞれこのカメラ９に対応す
る３台の画像処理装置１２とは，制御部１４からのタイ
ミング信号により制御されている。画像処理装置１２で
画像処理された三次元計測デ−タは，コンピュ−タ１３
に入力され，演算処理されて断面デ−タが合成され，画
面１６に表示される。

【００１４】スリット光８が幅を持つ場合には，１断面
毎にカメラ９の画角θ内にスリット光８と直角に交わる
幅の狭いウインド１５が設定され，このウインド１５は
対象物２の断面方向に走査されて，輝度デ−タＦ₁ ，Ｆ
₂ ・・・およびその時のＹ軸方向の座標デ−タＹ₁ ，Ｙ
₂ ・・・が抽出される。

【００１５】この抽出された輝度デ−タＦ_M は，画像処
理装置１２により輝度デ−タに対して重み付けが行わ
れ，即ち，ウインド１５内における輝度が最大となる輝
度デ−タＦ_M およびその時のＹ軸方向の座標デ−タＹ_P
が検出され，下記に示す式からスリット光８の濃度重心
の座標Ｙｐが求められる。 Ｙ_P ＝Σ（Ｙ_P ・Ｆ_M ）／ΣＦ_M

【００１６】又，３本のスリット光８（８ａ，８ｂ，８
ｃ）による３台のカメラ９（９ａ，９ｂ，９ｃ）から得
られる各画像デ−タのオ−バ−ラップ範囲の断面デ−タ
部分を円滑化するために，カメラ９ａとカメラ９ｂおよ
びカメラ９ｂとカメラ９ｃの画角がオ−バ−ラップする
オ−バ−ラップ範囲のそれぞれ中心位置Ｏ_ABおよび中心
位置Ｏ_BCが算出され記憶される。

【００１７】この算出され記憶された中心位置Ｏ_ABおよ
び中心位置Ｏ_BCから適当な範囲にある断面デ−タを左右
何ポイントか設定するとともに，この範囲が合成範囲Ａ
Ｂおよび合成範囲ＢＣとして設定される。この合成範囲
ＡＢおよび合成範囲ＢＣ内においては，中心位置Ｏ_ABお
よび中心位置Ｏ_BCから予めそれぞれ合成範囲ＡＢ，ＢＣ
として設定されたカメラ９ａとカメラ９ｂとからの断面
デ−タおよびカメラ９ｂとカメラ９ｃとからの断面デ−
タを最小自乗法により直線化して，その平均値が最終の
断面デ−タとして採用される。このようにして得られた
合成範囲ＡＢ，ＢＣ内の断面デ−タ以外の断面デ−タ
は，各カメラ９からそれぞれ抽出された断面デ−タ（図
１２にメッシュで示されている）が使用される。

【００１８】

【発明の実施例】この発明の実施例を図１〜図１２に基
づいて詳細に説明する。図１はこの発明の実施例を示す
要部構成図，図２は対象物の三次元計測装置の検出部の
要部斜視図，図３はカメラ９とスリット光８との配置状
態を示す説明図，図４はカメラ９とスリット光８との基
本的な配置状態を示す説明図，図５は精度確認用として
用いた対象物２の円柱ゲ−ジの断面図，図６は計測方法
を説明するための説明図，図７〜図１０はスリット光８
の位置検出方法を説明するためのもので，図７は斜視
図，図８はデ−タの表示部１７，図９，図１０はＸ軸方
向の濃度分布を示すグラフ，図１１は３台のカメラ９を
使用した場合のデ−タを合成するための説明図，図１２
はオ−バ−ラップ処理するための説明図である。

【００１９】図１〜図２において，１は画像デ−タを検
出する検出部で，対象物２，テ−ブル３，アクチュエ−
タ４，駆動機構５を有する門型フレ−ム６，スリット光
８の光源１８，カメラ９とにより構成されている。三次
元的に計測される対象物２としては，この実施例では，
図５に示すように，カマボコ状に底面をカットした精度
確認用の円柱ゲ−ジを用いて計測実験をおこなった。こ
の場合，底面の計測は行わないこととし，断面の測定範
囲は円柱ゲ−ジの中心に対し−２０°〜＋２００°まで
測定した。

【００２０】対象物２を載置するテ−ブル３の両側端部
には，門型フレ−ム６が移動するアクチュエ−タ４が設
けられている。このアクチュエ−タ４には，両末端部に
このアクチュエ−タ４に沿って移動するための駆動機構
５を備えた略コ字状の門型フレ−ム６がＸ軸方向に摺動
自在に取り付けられている。この実施例の場合には，門
型フレ−ム６の移動距離は最大で８００ｍｍ，移動速度
は最大で３００ｍｍ／秒，最小ステップ単位は，０．０
０５ｍｍ，Ｘ軸駆動ステ−ジは，左右２軸同時制御され
ている。

【００２１】この門型フレ−ム６には，支持部材７（７
ａ，７ｂ，７ｃ）が３箇所に取り付けられており，この
支持部材７（７ａ，７ｂ，７ｃ）の一端部には，それぞ
れ対象物２をいずれも３方向から直角に照射するために
３箇所にスリット光８（８ａ，８ｂ，８ｃ）の光源１８
（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）が設置されており，他端部
には，対象物２からの反射光をそれぞれ撮像する自動シ
ャッタ−機能を備えた３台のカメラ９（９ａ，９ｂ，９
ｃ）が設置されている。各支持部材７ａ〜７ｃにそれぞ
れ設置されているスリット光８ａとカメラ９ａ，スリッ
ト光８ｂとカメラ９ｂ，スリット光８ｃとカメラ９ｃと
は互いに対をなしている。スリット光８とカメラ９との
位置関係は，図４に示すように，スリット光８は対象物
２に対して直角方向に位置し，カメラ９はスリット光８
に対して４５°の位置に設置されている。従って，スリ
ット光８は，対象物２に直角に照射される。

【００２２】この実施例では，３台のカメラ９ａ，９
ｂ，９ｃは，いずれも水平方向７６８画素，直角方向４
９３画素の白黒のＣＣＤエリアカメラが使用されてお
り，いづれもシャッタ−速度１／５００秒の自動シャッ
タ−機能が備えられている。又，図３に示すように，門
型フレ−ム６の中央部に設置されているカメラ９ｂの画
角には，対象物２の下方向に死角１０が形成される。そ
こで，この図において中心に位置しているカメラ９ｂの
両側には，４５°の位置にカメラ９ａ，９ｃが配置され
ており，門型フレ−ム６の中央部に設置されているカメ
ラ９ｂから対象物２を見た時，対象物２の下方に形成さ
れる２箇所の死角１０を覆うような位置に設置されてい
る。

【００２３】なお，スリット光８の光源１８としては，
投射されるスリット光８の幅を細く出来るレ−ザ光源が
理想的であるが，レ−ザ光が赤色の場合には，対象物２
の色により反射率が異なる。そのため，カメラ９には，
色による影響が濃度差となって入力されてしまうので，
対象物２により条件設定が異なる。従って，スリット光
８の光源１８としては，色による影響のない白色光源が
望ましい。この実施例では，スリット光８の投射幅は広
くなるが，色による影響の少ない白色光源として，ハロ
ゲン光源を用いたスリット光が採用されており，対象物
２の下面で幅３ｍｍ，長さ１５０ｍｍのスリット光８が
得られた。

【００２４】１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）は，それ
ぞれカメラ９ａ，９ｂ，９ｃからの画像デ−タを処理す
る画像処理装置で，各カメラ９ａ，９ｂ，９ｃからの対
象物２の画像がそれぞれ入力して画像処理されて，それ
ぞれ三次元計測デ−タが出力される。この実施例では，
画像処理装置１２は，画像分解能２５６階調，５１２×
４８０画素，処理速度０．２５秒（１断面が２１０ポイ
ント）のものが使用された。

【００２５】１３はコンピュ−タで，各画像処理装置１
２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）からの三次元計測デ−タ
が演算処理されるとともに，対象物２の断面デ−タが合
成される。さらに，制御部１４のＸ軸方向を制御するＸ
軸制御信号が出力されるとともに，校正値から計測値へ
座標デ−タが変換され，最終計測値が算出される。

【００２６】制御部１４は，コンピュ−タ１３からのＸ
軸制御信号により制御されて，門型フレ−ム６の駆動機
構５のＸ軸方向の制御をするとともに，３台の画像処理
装置１２を時間的に制御してデ−タ取り込みピッチ間隔
を設定するＸ軸制御用のタイミング信号が出力される。

【００２７】次に，計測原理および計測手順について説
明する。この実施例では，対象物２の定量的な計測精度
が評価出来るように，対象物２として，図５に示すよう
に，直径２００ｍｍのカマボコ状に底面をカットした円
柱ゲ−ジを計測する場合について説明する。従来の光切
断法による計測の場合，対象物２までの距離を高さに変
換して高さ情報が求められているが，この発明では，
Ｘ，Ｙ，Ｚ座標が求められるもので，以下，図３，図
４，図６および図７に基づいてその計測原理を説明す
る。

【００２８】まず，図３，図６に示すように，スリット
光８は対象物２に対して直角に照射され，その反射光２
１は，スリット光８に対して光軸が４５°の位置になる
よう設置されているカメラ９で撮像される。この際，図
６，図７に示すように，スリット光８は，対象物２の長
さ方向，即ち，Ｙ軸方向に走査されるが，常に，スリッ
ト光８は，対象物２に対して平面２０として交わるの
で，その反射光２１はカメラ９へ直線的に入射される。

【００２９】そして，スリット光８とカメラ９とを搭載
している門型フレ−ム６が，駆動機構５によりアクチュ
エ−タ４に沿ってＸ軸方向に移動すると，カメラ９から
次々と対象物２の画像の断面デ−タが取り込まれる。こ
の際，カメラ９は１／５００秒のシャッタ−速度を持つ
自動シャッタ−機能を備えたＣＣＤカメラが使用されて
いるので，デ−タ取り込み時におけるブレを防止するこ
とが出来る。

【００３０】このようにして各カメラ９（９ａ〜９ｃ）
から取り込まれたデ−タは，それぞれ各画像処理装置１
２（１２ａ〜１２ｃ）に入力され，画像処理される。こ
の際，Ｘ軸方向へ移動しつつそれぞれデ−タを取り込む
３台のカメラ９とそれぞれこのカメラ９に対応する３台
の画像処理装置１２とは，制御部１４からのタイミング
信号により制御されている。画像処理装置１２で画像処
理された三次元計測デ−タは，コンピュ−タ１３に入力
され，演算処理されて断面デ−タが合成され，表示部１
７に表示される。

【００３１】ここで，理想的な平面光としてのスリット
光８は，幅に広がりを持つため，対象物２の大きさ，表
面の凹凸により計測精度が悪くなる。そこで，このよう
な理想的な平面光に近づけるために，対象物２の表面，
即ち，反射面においてスリット光８の幅の中心を計測す
れば理想に近づけることが出来る。

【００３２】そのために，本願発明では，図７，図８に
示すように，１断面毎にカメラ９の画角θ内にスリット
光８と直角に交わる幅の狭いウインド１５が設定され
る。この際，ウインド１５の幅は３画素程度が好まし
い。この設定されたウインド１５内の断面デ−タは，図
８に示すように，ａからｃへとＹ軸方向に走査され，図
９，図１０に示すように，輝度デ−タＦ₁ ，Ｆ₂ ・・・
およびその時のＹ軸方向の座標デ−タＹ₁ ，Ｙ₂ ・・・
が抽出される。

【００３３】この抽出された輝度デ−タＦ_M は，画像処
理装置１２により輝度デ−タに対して重み付けが行わ
れ，下記に示す式からスリット光８の濃度重心の座標Ｙ
_P が求められる。このようにして，ウインド１５内にお
ける輝度が最大となる輝度デ−タＦ_M およびその時のＹ
軸方向の座標デ−タＹ_P が検出される。 Ｙ_P ＝Σ（Ｙ_P ・Ｆ_M ）／ΣＦ_M ・・・・・（１）

【００３４】このように，スリット光８に幅がある場合
でも，設定したウインド１５内の断面デ−タの内，輝度
が最大となる点を求めれば，このスリット光８の中心を
示す濃度重心の座標Ｙｐを求めることが出来る。即ち，
ウインド１５内では，スリット光８の幅に影響されない
正確なデ−タを得ることが出来る。

【００３５】設定されたウインド１５は，対象物２の１
断面を表す画面１６内を左から右，即ち，Ｘ軸方向に走
査される。従って，ウインド１５から取り込まれた画像
デ−タ（座標デ−タと輝度デ−タ）から求められた濃度
重心の断面デ−タは，スリット光８の幅の中心位置を示
すことになるので，スリット光８の幅に影響のない正確
なデ−タとなる。

【００３６】なお，スリット光８が幅を持っている場
合，対象物２として本願発明の実施例の試料として用い
た円柱ゲ−ジのように表面が平坦な場合には，単にスリ
ット光８の幅の中心位置を求めればよいが，対象物２の
表面に凹凸がある場合には，角度によっては，スリット
光８が散乱される場合もある。そのため，本願発明で
は，上記したように，濃度重心を算出する方法を採用し
た。演算結果の精度は，１／１０画素単位まで有効数値
として使用することが出来た。なお，対象物２の寸法に
応じて，計測ポイント数（ウインド１５の横方向の幅と
ピッチ）を任意に設定すれば，計測時間を短縮すること
が出来る。

【００３７】ここで，各カメラ９の画角θから計測され
る対象物２の球状接線付近（点線で示す領域）のデ−タ
は，各カメラ９からの距離が大きく変化するため，計測
精度が悪くなる。そこで，図１１に示すように，本願発
明では，３本のスリット光８（８ａ，８ｂ，８ｃ）によ
る３台のカメラ９（９ａ，９ｂ，９ｃ）から得られる各
画像デ−タを互いにオ−バ−ラップさせてこのオ−バ−
ラップ範囲の断面デ−タ部分を円滑化することにより，
３台のカメラで合成された１本の断面デ−タを作成する
方法が採用されている。

【００３８】この方法では，図１１，図１２に示すよう
に，カメラ９ａはＡ₁ からＡ_M 迄の断面デ−タを抽出
し，カメラ９ｂでは，Ｂ₁ からＢ_M 迄，同様にカメラ９
ｃではＣ₁ からＣ_M 迄の断面デ−タがそれぞれ抽出され
る。そこで，カメラ９ａとカメラ９ｂおよびカメラ９ｂ
とカメラ９ｃの画角がオ−バ−ラップする２箇所のオ−
バ−ラップ範囲のそれぞれ中心位置Ｏ_ABおよび中心位置
Ｏ_BCが算出され記憶される。

【００３９】この算出され記憶された中心位置Ｏ_ABおよ
び中心位置Ｏ_BCから適当な範囲にあるデ−タを左右何ポ
イントか設定するとともに，この範囲が合成範囲ＡＢお
よび合成範囲ＢＣとして設定される。この合成範囲ＡＢ
および合成範囲ＢＣ内においては，中心位置Ｏ_ABおよび
中心位置Ｏ_BCから予めそれぞれ合成範囲ＡＢ，ＢＣとし
て設定されたカメラ９ａとカメラ９ｂとからのデ−タお
よびカメラ９ｂとカメラ９ｃとからの断面デ−タを最小
自乗法により直線化して，その平均値が最終の断面デ−
タとして採用される。このようにして得られた合成範囲
ＡＢ，ＢＣ内の断面デ−タ以外の断面デ−タは，各カメ
ラ９からそれぞれ抽出された断面デ−タ（図１２にメッ
シュで示されている）が使用される。

【００４０】次に，演算処理される断面デ−タの算出方
法について説明する。スリット光８は対象物２に対して
平面２０として交わっており，その反射光２１はカメラ
９に直線的に入射される。従って，スリット光８による
平面２０と反射光２１による直線Ｌの交点Ｐを求めれ
ば，対象物２の断面の三次元座標を求めることが出来
る。

【００４１】そこで，カメラ９の画角内のスリット光８
による平面２０について，その平面２０内に含まれる３
点Ｅ，Ｆ，Ｇの座標を，Ｅ（ｘ₁ ，ｙ₁ ，ｚ₁ ），Ｆ
（ｘ₂，ｙ₂ ，ｚ₂ ），Ｇ（ｘ₃ ，ｙ₃ ，ｚ₃ ）とする
と，平面２０は，以下のように表される。

【００４２】 Ｘ＝ｘ₁ ＋（ｘ₂ −ｘ₁ ）ｓ＋（ｘ₃ −ｘ₁ ）ｔ・・・・・（２） Ｙ＝ｙ₁ ＋（ｙ₂ −ｙ₁ ）ｓ＋（ｙ₃ −ｙ₁ ）ｔ・・・・・（３） Ｚ＝ｚ₁ ＋（ｚ₂ −ｚ₁ ）ｓ＋（ｚ₃ −ｚ₁ ）ｔ・・・・・（４） 但し，ｓ，ｔは変数，ｘ₁ 〜ｘ₃ ，ｙ₁ 〜ｙ₃ ，ｚ₁ 〜
ｚ₃ は平面２０内に含まれる３点Ｅ，Ｆ，Ｇの各座標
で，この実施例では装置を校正する際に，Ｘ，Ｙ，Ｚテ
−ブルを使いスリット光８の照射ポイントを３点（Ａ，
Ｂ，Ｃ）実測して変数ｓ，ｔを消去する方法が採用され
ている。

【００４３】そこで，式（２），（３），（４）より変
数ｓ，ｔを消去すると，平面の式Ｄは，以下の式で表さ
れる。 Ｄ＝ＲＸ＋ＳＹ＋ＴＺ・・・・・（５） 但し，Ｒ，Ｓ，Ｔは平面により定まる定数で，以下の式
で表される。 Ｒ＝（ｙ₂ −ｙ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｚ₂ −ｚ₁ ） −（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｙ₃ −ｙ₁ ）（ｚ₂ −ｚ₁ ） −（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｙ₂ −ｙ₁ ）（ｚ₂ −ｚ₁ ） ＋（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｙ₂ −ｙ₁ ）（ｚ₃ −ｚ₁ ）・・・・（６） Ｓ＝（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｚ₂ −ｚ₁ ） −（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｚ₃ −ｚ₁ ）・・・・（７） Ｔ＝（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｙ₃ −ｙ₁ ） −（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｙ₂ −ｙ₁ ）・・・・（８） Ｄ＝｛（ｚ₂ −ｚ₁ ）ｘ₁ −（ｘ₂ −ｘ₁ ）ｚ₁ ｝ ×｛（ｙ₂ −ｙ₁ ）（ｘ₃ −ｘ₁ ）−（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｙ₃ −ｙ₁ ）｝ −｛（ｙ₂ −ｙ₁ ）ｘ₁ −（ｘ₂ −ｘ₁ ）ｙ₁ ｝ ×｛（ｘ₃ −ｘ₁ ）（ｚ₂ −ｚ₁ ）−（ｘ₂ −ｘ₁ ）（ｚ₃ −ｚ₁ ）｝ ・・・・（９）

【００４４】一方，図１５に従来例として示すものは，
先に発明者等により提案されたもので，カメラ９の画角
内に仮想面Ｈ₁₁〜Ｈ₂₂を設定し，この仮想面Ｈ₁₁〜Ｈ₂₂
に投影されるＰ点を直線で結び，直線の交点を求めるこ
とにより，三次元座標が計測される方法である。本願発
明の光切断法の基本原理によるものは，図１５に示す２
台のカメラの内の１台をスリット光８に置き換えたもの
である。

【００４５】即ち，図６に示すように，スリット光８の
反射光２１を撮像するカメラ９は，スリット光８に対し
て４５°の角度を持って設置されている。そこで，図６
に示すように，スリット光８は平面２０で表されるの
で，カメラ９の画角内にこの平面２０と平行な複数の仮
想面Ｈ₀ ，Ｈ₁ ，Ｈ₂ ・・・を設定する。この状態で
は，カメラ９から見た対象物２（反射光２１）は，対象
物２の外形形状を示す帯状となり，この反射光２１は，
複数の仮想面Ｈ₀ ，Ｈ₁ ，Ｈ₂ ・・・に投影される。

【００４６】そこで，各仮想面Ｈ₀ ，Ｈ₁ ・・・に投影
されたＰ点を通る直線Ｌを最小自乗法により求めると，
Ｐ点の三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ），即ち，直線Ｌは下式
のように表せる。 Ｘ＝Ｘ₀ ＋ｄ₁ ・ｃｏｓα・・・・（１０） Ｙ＝Ｙ₀ ＋ｄ₁ ・ｃｏｓβ・・・・（１１） Ｚ＝Ｚ₀ ＋ｄ₁ ・ｃｏｓγ・・・・（１２）

【００４７】そこで，平面２０上のＰ点が，仮想面Ｈ₀
に投影された点ｈ₀ （Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ₀ ）を始点とし
て，各仮想面Ｈ₁ ，Ｈ₂ ・・・と交叉する点ｈ₁ ，ｈ₂
・・・を通り，Ｐ点に至までの直線Ｌの長さｄは，以下
の式で表される。

【００４８】 この式（１３）を式（１０）〜（１２）に代入すること
により，Ｐ点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることが出来
る。このようにして，仮想面Ｈ₀ ，Ｈ₁ ，Ｈ₂・・・に
投影されるＰ点を直線Ｌで結び，この直線Ｌの交点を求
めることにより三次元座標が計測される。

【００４９】次に，本願発明の方法および装置を用い
て，図５に示すような測定対象物２である底面をカット
した円柱ゲ−ジを計測した場合の計測値と，中心座標位
置を別の接触式三次元測定機で測定した場合の基準とな
る実測値との結果について説明する。

【００５０】本願発明の装置では，機構部の移動精度
は，６００ｍｍのスパンに対してカメラ９の上下方向の
変動が実測値で０．０３ｍｍ以下で実現できたので，高
さ方向（Ｚ）の測定精度は，０．０２ｍｍの範囲で実現
出来た。

【００５１】計測時間は，１断面当り，０．２１秒で，
長さ６００ｍｍの対象物２の場合には，８ｍｍ単位でピ
ッチ取り込みした場合は，１５．８秒で計測出来た。

【００５２】なお，この実施例では，門型フレ−ム６を
移動させて計測する方法が採用されたが，この発明は，
上記実施例に限定されることなく，例えば，タ−ンテ−
ブル上に対象物を載置して，このタ−ンテ−ブルを回転
させて三次元計測デ−タを取り込み，ＣＡＤ／ＣＡＭに
入力させるような方法でもよい。

【００５３】

【発明の効果】この発明は，スリット光を対象物に直角
に照射することによりこの対象物上に設定される平面の
方程式を処理手段により求め，カメラの画角内におい
て，平面とカメラとの間に平行な複数の仮想面を設定
し，平面と複数の仮想面とに投影される対象物からの反
射光を，カメラで撮像するとともに，処理手段により最
小自乗法より直線の方程式として求め，カメラから任意
の位置に設定した仮想面から平面までの距離を処理手段
により求め，直線の方程式と距離とから平面における計
測点の三次元座標を求めてこれを対象物の断面デ−タと
し，対をなすスリット光とカメラとを一体として対象物
の長さ方向に沿って移動させることにより，所定ピッチ
毎の断面デ−タを処理手段により求め，これらの各断面
デ−タから対象物を三次元計測するようにしたので，非
接触で正確な計測結果が得られるとともに，カメラを３
台使用する場合には，測定対象物の死角をなくすことが
出来る。

【００５４】又，この発明は，対象物を載置するテ−ブ
ルとこのテ−ブルの両側端部に設けたアクチュエ−タ
と，対象物をいずれも複数方向から直角に照射するため
に設置された複数のスリット光の光源と，この各スリッ
ト光に対してそれぞれ内傾させて設置されて，対象物か
らの反射光をそれぞれ撮像する自動シャッタ−機能を備
えた複数のカメラと，それぞれ互いに対をなす複数箇所
のスリット光の光源とカメラとを所定位置に支持すると
ともに，両末端部にアクチュエ−タに沿って移動する駆
動機構を備えた門型フレ−ムと，各カメラからの画像デ
−タをそれぞれ処理する複数の画像処理装置と，門型フ
レ−ムの駆動機構を制御するとともに，複数の画像処理
装置を時間的に制御するためのタイミング信号を出力す
る制御部と，各画像処理装置からの三次元計測デ−タを
演算処理するとともに，制御部を制御するコンピュ−タ
とを備えたので装置的にも構造が簡単であるとともに，
測定対象物の形状，性質等の変化にも対応することが出
来る。

【００５５】又，この発明は，互いに隣接する両カメラ
の画角のオ−バ−ラップ範囲内の中心位置をそれぞれ算
出し，この中心位置を基準として任意の幅の合成範囲を
設定し，この合成範囲内のデ−タを最小自乗法により直
線化し，この直線化したデ−タの平均値を求めて，この
値を前記オ−バ−ラップ範囲の断面デ−タとするととも
に，このオ−バ−ラップ範囲外は，カメラから得られた
断面デ−タを用いるようにしたので，複数台のカメラで
得られた断面デ−タと断面デ−タとのつなぎ目の正確な
断面デ−タを得ることが出来るとともに，つなぎ目を円
滑にすることが出来る。さらに，スリット光の変動，ス
リット光の照射角度の変動等の変動も吸収することがで
き，正確な測定デ−タが得られる。

【００５６】さらに，この発明は，カメラの画角内に，
スリット光に対して直角に幅の狭いウインドを設定する
とともに，このウインド内を対象物の各断面に沿って走
査し，このウインド内の座標デ−タＹ_P と輝度デ−タＦ
_M とから，Ｙ_P ＝Σ（Ｙ_P ・Ｆ_M ）／ΣＦ_M 式により，
スリット光の濃度重心を求めることにより，スリット光
の幅に関係のないデ−タが得られるようにしたので，ス
リット光の幅に影響されることなく，正確な測定デ−タ
が得られ，従来の二値化処理により生じていた誤差は全
く発生することはない。その上，対象物の高さの変動に
より照射されているスリット光がぼけた状態で照射され
て，スリット光の幅が太くなった場合でも計測デ−タが
影響を受けることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す要部構成図である。

【図２】この発明の実施例を示すもので，対象物２の三
次元計測装置の検出部の要部斜視図である。

【図３】この発明の実施例を示すもので，カメラ９とス
リット光８との配置状態を示す説明図である。

【図４】カメラ９とスリット光８との基本的な配置状態
を示す説明図である。

【図５】精度確認用として用いた対象物２としての円柱
ゲ−ジの断面図である。

【図６】この発明の実施例を示すもので，計測方法を説
明するための説明図である。

【図７】この発明の実施例を示すもので，スリット光８
の位置検出方法を説明するための斜視図である。

【図８】この発明の実施例を示すもので，スリット光８
の位置検出方法を説明するためのデ−タの表示部１７で
ある。

【図９】この発明の実施例を示すもので，対象物２の表
面が円滑な場合の濃度分布を示すグラフである。

【図１０】この発明の実施例を示すもので，対象物２の
表面が凹凸の場合の濃度分布を示すグラフである。

【図１１】この発明の実施例を示すもので，３台のカメ
ラ９を使用した場合のデ−タを合成するための説明図で
ある。

【図１２】この発明の実施例を示すもので，オ−バ−ラ
ップ処理するための説明図である。

【図１３】従来方法を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 検出部 ２ 対象物 ３ テ−ブル ４ アクチュエ−タ ５ 駆動機構 ６ 門型フレ−ム ７ 支持部材 ８（８ａ，８ｂ，８ｃ） スリット光 ９（９ａ，９ｂ，９ｃ） カメラ １０ 死角 １２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，） 画像処理装置 １３ コンピュ−タ １４ 制御部 １５ ウインド １６ 画面 １８ 光源 ２０ 平面 ２１ 反射光 ＡＢ 合成範囲 ＢＣ 合成範囲 Ｏ_AB 合成範囲ＡＢの中心位置 Ｏ_BC 合成範囲ＢＣの中心位置 Ｌ 直線 Ｈ₀ ，Ｈ₁ ・・・ 仮想面 Ｐ 計測点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対をなすスリット光とカメラとを
   互いに内傾させて設置し，対象物に前記スリット光を照
   射し，その反射光を前記カメラで撮像して三角法により
   前記カメラと前記対象物までの距離を計測する処理手段
   を備えた三次元計測方法において，前記スリット光を前
   記対象物に直角に照射することによりこの対象物上に設
   定される平面の方程式を前記処理手段により求め，前記
   カメラの画角内において，前記平面と前記カメラとの間
   に平行な複数の仮想面を設定し，前記平面と前記複数の
   仮想面とに投影される前記対象物からの反射光を，前記
   カメラで撮像するとともに，前記処理手段により最小自
   乗法より直線の方程式として求め，前記カメラから任意
   の位置に設定した前記仮想面から前記平面までの距離を
   前記処理手段により求め，前記直線の方程式と前記距離
   とから前記平面における計測点の三次元座標を求めてこ
   れを前記対象物の断面デ−タとし，前記対をなすスリッ
   ト光と前記カメラとを一体として前記対象物の長さ方向
   に沿って移動させることにより，所定ピッチ毎の断面デ
   −タを前記処理手段により求め，これらの各断面デ−タ
   から前記対象物を三次元計測することを特徴とする光切
   断法による対象物の三次元計測方法。
2. 【請求項２】 カメラの画角内に，スリット光に対して
   直角に幅の狭いウインドを設定するとともに，このウイ
   ンドを対象物の各断面に沿って走査し，このウインド内
   の座標デ−タＹ_P と輝度デ−タＦ_M とから，Ｙ_P ＝Σ
   （Ｙ_P ・Ｆ_M ）／ΣＦ_M 式により，前記ウインドの濃度
   重心を求めて断面デ−タとすることを特徴とする請求項
   １に記載の光切断法による対象物の三次元計測方法。
3. 【請求項３】 互いに隣接する両カメラの画角のオ−バ
   −ラップ範囲内の中心位置をそれぞれ算出し，この中心
   位置を基準として任意の幅の合成範囲を設定し，この合
   成範囲内にある断面デ−タを最小自乗法により直線化
   し，この直線化したデ−タの平均値を求めて，この値を
   前記オ−バ−ラップ範囲の断面デ−タとするとともに，
   このオーバ−ラップ範囲外は，前記各カメラから得られ
   た断面デ−タを用いることを特徴とする請求項１および
   請求項２にそれぞれ記載の光切断法による対象物の三次
   元計測方法。
4. 【請求項４】 対象物を載置するテ−ブルと，このテ−
   ブルの両側端部に設けたアクチュエ−タと，前記対象物
   をいずれも複数方向から直角に照射するために設置され
   た複数の前記スリット光の光源と，この各スリット光に
   対応してそれぞれ内傾させて設置されて，前記対象物か
   らの反射光をそれぞれ撮像する自動シャッタ−機能を備
   えた複数のカメラと，それぞれ互いに対をなす複数箇所
   の前記スリット光の光源と前記カメラとを所定位置に支
   持するとともに，両末端部に前記アクチュエ−タに沿っ
   て移動する駆動機構を備えた門型フレ−ムと，前記各カ
   メラからの画像デ−タをそれぞれ処理する複数の画像処
   理装置と，前記門型フレ−ムの駆動機構を制御するとと
   もに，前記複数の画像処理装置を時間的に制御するため
   のタイミング信号を出力する制御部と，前記各画像処理
   装置からの三次元計測デ−タを演算処理するとともに，
   前記制御部を制御するコンピュ−タと，を備えたことを
   特徴とする光切断法による対象物の三次元計測装置。
5. 【請求項５】 前記対象物に直角に照射されるスリット
   光の光源と，このスリット光に対して４５°傾けて設置
   されているカメラとを一対として，この互いに対をなす
   スリット光の光源とカメラとを少なくとも３箇所に設置
   したことを特徴とする請求項４に記載の光切断法による
   対象物の三次元計測装置。