JP2012237613A - Shape measuring device and shape measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method using a large number of reference planes that can perform shape measurement of an object without contact and with high accuracy.
従来から、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う技術がある。例えば、互いに直交するX,Y軸平面を有する基準面を、基準面の法線方向(即ち、X,Y軸平面に垂直なZ軸方向)に所定の間隔で複数設定しておき、計測すべき物体を当該複数の基準面の内、両端に位置する基準面の間に配置し、その後、物体の表面上の点Sの座標を求めるために、物体上の点Sを撮像するカメラの視線と物体上の点Sを通るプロジェクタからの光線の各々が当該複数の基準面にそれぞれ交わる点を算出し、カメラの視線上の当該交わる点からなる直線と、プロジェクタからの光線上の当該交わる点からなる直線との交点を求め、この交点のZ座標からその点に最も近接した2つの基準面を選出し、選出した2つの基準面を用いて物体の形状を計測する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, there is a technique for measuring the shape of an object based on a plurality of reference planes using a camera and a projector. For example, a plurality of reference planes having X and Y axis planes orthogonal to each other are set at predetermined intervals in the normal direction of the reference plane (that is, the Z axis direction perpendicular to the X and Y axis planes) and measured. The line of sight of the camera that images the point S on the object in order to determine the coordinates of the point S on the surface of the object by arranging the power object between the reference surfaces located at both ends of the plurality of reference surfaces And a point where each of the light rays from the projector passing through the point S on the object intersects the plurality of reference planes, and a line formed by the intersecting points on the line of sight of the camera and the intersecting point on the light rays from the projector A technique is known in which an intersection point with a straight line is obtained, two reference planes closest to the point are selected from the Z coordinate of the intersection point, and the shape of the object is measured using the two selected reference planes. (For example, refer to Patent Document 1).
他方、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う別の技術として、X,Y軸平面を有する基準面をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの複数の基準面について、後述する二次元パターンや空間分割パターンを利用することにより、物体に投影する空間分割パターンの輝度分布が余弦波状でなくても、物体に投影する空間分割パターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る形状計測装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, as another technique for measuring the shape of an object on the basis of a plurality of reference planes using a camera and a projector, a reference plane having X and Y axis planes is translated by a minute amount in the normal direction. By using a two-dimensional pattern or a spatial division pattern, which will be described later, for a plurality of reference planes, the pitch of the spatial division pattern projected onto the object is not affected even if the luminance distribution of the spatial division pattern projected onto the object is not cosine-like. 2. Description of the Related Art A shape measuring apparatus that can accurately measure a shape even at regular intervals is known (see, for example, Patent Document 2).
以下、特許文献2の技術について、さらに詳細に説明する。特許文献2の技術では、基準面を構成する基準平板として例えば液晶ディスプレイを用いる。このような基準平板(液晶ディスプレイ)は、移動ステージ上に設置され、基準面の法線方向(即ち、X,Y軸平面に垂直なZ軸方向)に所定の間隔で設定可能となっている。 Hereinafter, the technique of Patent Document 2 will be described in more detail. In the technique of Patent Document 2, for example, a liquid crystal display is used as a reference flat plate constituting the reference plane. Such a reference flat plate (liquid crystal display) is installed on the moving stage, and can be set at a predetermined interval in the normal direction of the reference plane (that is, the Z-axis direction perpendicular to the X and Y axis planes). .
この基準平板(液晶ディスプレイ)は、所定の二次元パターン(例えば等間隔格子)を表示可能である。この二次元パターンは、カメラで撮像された画像の画素と、X,Y軸平面におけるx,y座標の対応付けに用いる。 The reference flat plate (liquid crystal display) can display a predetermined two-dimensional pattern (for example, an equidistant grid). This two-dimensional pattern is used for associating pixels of an image captured by a camera with x and y coordinates on the X and Y axis planes.
一方、プロジェクタも、当該移動ステージのZ軸方向に平行移動する各位置の基準面に対してX,Y軸方向の空間分割パターン(例えば格子状の濃淡パターン)を位相シフトしながら投影可能である。ただし、この空間分割パターンは、基準平板(液晶ディスプレイ)上に計測する物体が載置されているとき、物体上に投影されることになる。 On the other hand, the projector can also project a spatial division pattern (for example, a grid-like light and shade pattern) in the X and Y axis directions while shifting the phase with respect to a reference plane at each position that translates in the Z axis direction of the moving stage. . However, this space division pattern is projected onto the object when the object to be measured is placed on the reference flat plate (liquid crystal display).
カメラは、基準面に対して正面に設置され、当該移動ステージのZ軸方向に平行移動する各位置の基準面にそれぞれ形成されるX,Y軸方向の二次元パターンを撮影した第1撮影画像に対応する第1撮影画像信号と、基準面に投影される空間分割パターンを撮影した第2撮影画像に対応する第2撮影画像信号と、基準平板に物体を載置して物体に投影される空間分割パターンを撮影した第3撮影画像に対応する第3撮影画像信号を生成する。 The camera is installed in front of the reference plane, and is a first photographed image obtained by photographing a two-dimensional pattern in the X and Y axis directions formed on the reference plane at each position that translates in the Z axis direction of the moving stage. The first captured image signal corresponding to the second captured image signal corresponding to the second captured image obtained by capturing the space division pattern projected on the reference plane, and the object placed on the reference plate and projected onto the object A third captured image signal corresponding to the third captured image obtained by capturing the space division pattern is generated.
これらの第1撮影画像信号、第2撮影画像信号及び第3撮影画像信号を用いて、物体の形状を解析する解析装置としてPC(Personal Computer)が設けられる。解析装置は、校正処理部と、連続撮影部と、実時間解析部と、精密解析部とを備える。 A PC (Personal Computer) is provided as an analysis device that analyzes the shape of the object using the first captured image signal, the second captured image signal, and the third captured image signal. The analysis apparatus includes a calibration processing unit, a continuous photographing unit, a real time analysis unit, and a precision analysis unit.
校正処理部は、投影された格子の位相と計測する三次元座標との対応関係を予めカメラの画素毎に求める校正処理を行う。具体的には、校正処理部は、第1撮影画像信号及び第2撮影画像信号を用いて、基準面に表示された格子の位相とx座標及びy座標を取得して対応付けを行う。z座標に関しては、基準面が移動する位置(基準平板の移動量)がz座標に対応する。したがって、校正処理部は、空間分割パターンの位相と三次元空間座標とを1対1で対応付けたテーブル(以下、「位相・座標テーブル」という)を作成し、作成した位相・座標テーブルをメモリに保存する。 The calibration processing unit performs a calibration process in which a correspondence relationship between the phase of the projected grating and the three-dimensional coordinates to be measured is obtained for each pixel of the camera in advance. Specifically, the calibration processing unit uses the first captured image signal and the second captured image signal to acquire and associate the phase of the lattice displayed on the reference plane with the x coordinate and the y coordinate. As for the z coordinate, the position (the amount of movement of the reference flat plate) where the reference plane moves corresponds to the z coordinate. Accordingly, the calibration processing unit creates a table (hereinafter referred to as “phase / coordinate table”) in which the phase of the spatial division pattern and the three-dimensional spatial coordinates are associated one-to-one, and the created phase / coordinate table is stored in the memory. Save to.
連続撮影部は、物体の形状計測をリアルタイムに行うために、プロジェクタにおける空間分割パターン画像(例えば格子画像)の位相をシフトさせながら投影画像として入力するのに同期して連続撮影を行なって、第3撮影画像信号を取得する機能部である。 In order to measure the shape of the object in real time, the continuous shooting unit performs continuous shooting in synchronization with inputting as a projection image while shifting the phase of a space division pattern image (for example, a lattice image) in the projector, 3 is a functional unit that acquires captured image signals.
実時間解析部は、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第3撮影画像信号を構成する連続する4フレームの画像から、1画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、得られた位相から、校正処理部で作成した位相・座標テーブルを用いて、x座標又はy座標と、z座標とを求め、表示画像処理を行って、x座標、y座標及びz座標を用いて物体の形状データをモニタに表示することを繰り返す。 The real-time analysis unit obtains the phase of the spatial division pattern pixel by pixel from the four consecutive frames of the third captured image signal continuously captured in synchronization with the phase shift of the spatial division pattern image. Using the phase / coordinate table created by the calibration processing unit, the x-coordinate or y-coordinate and the z-coordinate are obtained from the obtained phase, display image processing is performed, and the object is obtained using the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate. Repeatedly displaying the shape data on the monitor.
精密解析部は、実時間解析部とは別に、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第3撮影画像信号を構成する連続する4フレームの画像から、1画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、物体の形状データをメモリに格納する。 In addition to the real-time analysis unit, the precision analysis unit separates the spatial division pattern pixel by pixel from the four consecutive frames of the third captured image signal that are continuously captured in synchronization with the phase shift of the spatial division pattern image. And the object shape data is stored in the memory.
このように、上述の特許文献1及び特許文献2に開示される技術では、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行うものであるため、プロジェクタによる投影が不可欠である。 As described above, in the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, since the shape of an object is measured based on a plurality of reference planes using a camera and a projector, projection by a projector is indispensable. is there.
一方、プロジェクタを用いることなしに物体の形状を計測する、より単純な技法が従来から知られている。図8に示すように、2つの光源L1,L2(それぞれ点光源20,30で表される)により照明された物体をカメラ10で撮影することで、物体の形状を計測することができる。カメラ10の光軸に対して垂直に基準平板40を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するX,Y軸をとり、このX,Y軸に対して垂直にZ軸をとる。基準平板40の上に物体を置いて、物体上の一点Sの基準平板40からの高さをz(変数)とする。 On the other hand, a simpler technique for measuring the shape of an object without using a projector is conventionally known. As shown in FIG. 8, the shape of an object can be measured by photographing an object illuminated by two light sources L 1 and L 2 (represented by point light sources 20 and 30, respectively) with a camera 10. . A reference flat plate 40 is placed perpendicular to the optical axis of the camera 10 and is used as a reference plane. On this reference plane, the X and Y axes orthogonal to each other are taken, and the Z axis is taken perpendicular to the X and Y axes. An object is placed on the reference flat plate 40, and the height of the point S on the object from the reference flat plate 40 is defined as z (variable).
点光源により照明された物体をカメラ10で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Iの値は、点光源の発光輝度ISに比例し、点光源と物体との間の距離の2乗に反比例する。カメラ10による像面の物体の光の反射率をrとすると、反射した光の輝度は、この反射率rに比例する。結局、カメラ10で撮影された物体の画像の輝度Iは、式(1)で表現することができる。ここで、kは、感度等のカメラのパラメータを含む光学系固有の比例係数である。 When the illuminated object by a point light source is photographed by the camera 10, 2 of the distance between the value of the luminance I obtained from the captured image is proportional to the emission intensity I S of the point light source, a point light source and the object Inversely proportional to the power. When the reflectance of the light of the object on the image plane by the camera 10 is r, the luminance of the reflected light is proportional to the reflectance r. Eventually, the luminance I of the image of the object photographed by the camera 10 can be expressed by Expression (1). Here, k is a proportional coefficient specific to the optical system including camera parameters such as sensitivity.
図8に示すように、カメラ10の光軸に対して垂直に基準平板40を設置し、さらにカメラ10の光軸上に光源L1,L2を設置するものとする。物体上の一点Sからの距離の異なる位置d1,d2は、物体上の一点Sの基準平板40からの高さzと、基準平板40から光源L1,L2までの距離D1,D2とを用いて(D2>D1)、式(2)、式(3)のように表すことができる。 As shown in FIG. 8, it is assumed that a reference plate 40 is installed perpendicular to the optical axis of the camera 10, and light sources L 1 and L 2 are installed on the optical axis of the camera 10. The positions d 1 and d 2 having different distances from the point S on the object are the height z of the point S on the object from the reference plate 40 and the distances D 1 and L 2 from the reference plate 40 to the light sources L 1 and L 2 . Using D 2 (D 2 > D 1 ), it can be expressed as shown in Formula (2) and Formula (3).
一方、物体上の一点Sからの距離の異なる位置d1,d2にある2個の光源L1,L2を発光させ、そのときの物体の画像を上方に設置したカメラ10で撮影する。光源L1,L2の発光輝度をそれぞれIS1,IS2とする。2個の光源L1,L2を別々に点灯し、カメラ10で撮影したそれぞれの画像のS点における輝度I1,I2は、式(4)及び式(5)のように表すことができる。 On the other hand, two light sources L 1 and L 2 at different positions d 1 and d 2 from the point S on the object are caused to emit light, and an image of the object at that time is taken by the camera 10 installed above. The light emission luminances of the light sources L 1 and L 2 are denoted as I S1 and I S2 , respectively. The two light sources L 1 and L 2 are turned on separately, and the luminances I 1 and I 2 at the point S of each image photographed by the camera 10 can be expressed as in equations (4) and (5). it can.
式(2)、式(3)をそれぞれ式(4)、式(5)に代入すると、式(6)及び式(7)が得られる。 When Expression (2) and Expression (3) are substituted into Expression (4) and Expression (5), respectively, Expression (6) and Expression (7) are obtained.
この式(6)及び式(7)を利用すると、撮影した画像の輝度I1,I2から物体上の点Sにおける高さzを求めることができる。すなわち、zが求めるべき未知数である。距離D1,D2は光学系の寸法から決まる既知数である。輝度I1,I2は、カメラ10で計測した輝度値である。係数k及び係数rも未知数であるが、これらを求める必要はない。k・rを一つの未知数とすると、未知数はk・rとzの2個となり、式が2個あるので解けることになる。 By using the equations (6) and (7), the height z at the point S on the object can be obtained from the luminances I 1 and I 2 of the captured image. That is, z is an unknown to be obtained. The distances D 1 and D 2 are known numbers determined from the dimensions of the optical system. The luminances I 1 and I 2 are luminance values measured by the camera 10. The coefficient k and the coefficient r are also unknown numbers, but it is not necessary to obtain them. If k · r is one unknown, the number of unknowns is two, k · r and z, and since there are two equations, they can be solved.
一方、式(6)を式(7)で割ると、式(8)となる。 On the other hand, when equation (6) is divided by equation (7), equation (8) is obtained.
すなわち、式(8)は式(9)のように表される。 That is, Expression (8) is expressed as Expression (9).
このzに関する2次方程式を解くと、式(10)のようにzを求めることができる。 When this quadratic equation for z is solved, z can be obtained as shown in equation (10).
式(10)について、I12=I1/I2、IS12=IS1/IS2とおくと、式(11)が得られる。 When the expression (10) is set as I 12 = I 1 / I 2 and I S12 = I S1 / I S2 , the expression (11) is obtained.
式(11)の2次方程式を解くと、式(12)のようにzが求められる。 When the quadratic equation of Equation (11) is solved, z is obtained as shown in Equation (12).
このように、プロジェクタを用いることなしに、2つの光源とカメラを用いることで物体の形状を計測することができる。 In this way, the shape of an object can be measured by using two light sources and a camera without using a projector.
前述したように、特許文献1及び特許文献2の技術は、プロジェクタを用いて投影した空間分割パターンや格子パターン自体の細密な変化又は空間分割パターンや格子パターンから生じる細密な位相変化を読み取ることにより物体の形状を計測する技術であるため、高精度の計測が可能となるが、プロジェクタを用いる点で装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。 As described above, the techniques of Patent Literature 1 and Patent Literature 2 read the fine phase change generated from the spatial division pattern or the lattice pattern itself or the fine phase change generated from the spatial division pattern or the lattice pattern projected by the projector. Since it is a technique for measuring the shape of an object, high-accuracy measurement is possible, but there are drawbacks in that the apparatus configuration becomes large and the cost increases in that a projector is used.
一方、前述したようにプロジェクタを用いることなしに、2つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する従来の技法では、物体上の計測される点と2つの光源がカメラの光軸の同じ直線上にあることが基本となっている。このため、実際に物体の形状を計測する際には、カメラと2つの光源を基準面(X,Y軸の平面)に対して平行に走査させる必要がある。この平行走査を維持するための機構を設ける点で、やはり装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。 On the other hand, as described above, in the conventional technique of measuring the shape of an object by using two light sources and a camera without using a projector, the point to be measured on the object and the two light sources are arranged on the optical axis of the camera. It is basically on the same straight line. For this reason, when actually measuring the shape of the object, it is necessary to scan the camera and the two light sources in parallel with the reference plane (X and Y axis planes). In terms of providing a mechanism for maintaining the parallel scanning, there is a disadvantage that the apparatus configuration becomes large and a cost increases.
仮に、2つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する技法において、物体上の計測される点と2つの光源が同じ直線上でない場合を想定すると、光源と物体との距離が垂直方向の位置zだけでなくX,Y軸平面の位置x,yの関数にもなり、式(10)や式(12)で示される関数はさらに複雑化することになる。また、この場合、2つの光源のあらゆる照射方向に対して光源の発光輝度IS1,IS2にムラがないことが要求される。しかし、実際の光源は方向によって発光輝度のムラがあるため、正確な計測が困難になる。発光輝度のムラを考慮した計算ができる場合も複雑な式となり、計算に時間がかかることになる。 In the technique of measuring the shape of an object by using two light sources and a camera, assuming that the measured point on the object and the two light sources are not on the same straight line, the distance between the light source and the object is vertical. In addition to the position z, the function is a function of the positions x and y on the X- and Y-axis planes, and the functions expressed by the equations (10) and (12) are further complicated. In this case, the light emission luminances I S1 and I S2 of the light sources are required to be uniform with respect to all the irradiation directions of the two light sources. However, since the actual light source has uneven emission luminance depending on the direction, accurate measurement becomes difficult. Even when the calculation considering the unevenness of the light emission luminance can be performed, it becomes a complicated expression, and the calculation takes time.
すなわち、図9に示すように、2つの光源L1,L2の位置と物体上の点Sが同一直線上にない場合を考える。この場合も、この撮影された画像の輝度Iは点光源からの発光輝度ISに比例し、光源と物体間の距離dの2乗に反比例する。ここでは、光源の発光輝度のムラはなくあらゆる方向に均一な輝度分布であると仮定する。この場合、光源L1,L2及び物体上の一点Sの三次元位置をそれぞれ、(xL1,yL1,zL1)、(xL2,yL2,zL2)及び(x,y,z)とすると、この場合の式(1)のdは、式(13)及び式(14)のように表現できる。 That is, as shown in FIG. 9, consider a case where the positions of the two light sources L 1 and L 2 and the point S on the object are not on the same straight line. Again, the brightness I of the captured image is proportional to the emission intensity I S from the point light source is inversely proportional to the square of the distance d between the light source and the object. Here, it is assumed that there is no unevenness in the light emission luminance of the light source and the luminance distribution is uniform in all directions. In this case, the three-dimensional positions of the light sources L 1 and L 2 and the point S on the object are respectively (x L1 , y L1 , z L1 ), (x L2 , y L2 , z L2 ) and (x, y, z ) In this case, d in Expression (1) can be expressed as Expression (13) and Expression (14).
式(13)及び式(14)を、式(2)及び式(3)に代入すると、カメラ10で撮影したそれぞれの画像のS点における輝度I1,I2は、式(15)及び式(16)のように表される。 When Expression (13) and Expression (14) are substituted into Expression (2) and Expression (3), the luminances I 1 and I 2 at the S point of each image captured by the camera 10 are expressed by Expression (15) and Expression It is expressed as (16).
式(15)を式(16)で割ると、カメラ10で撮影したそれぞれの画像のS点における輝度比R12は式(17)となる。ここで、式(18)で表すRS12はS点における2つの光源の輝度比であり、光源の発光輝度のムラを考えると、一般に場所の関数である。 Dividing equation (15) in equation (16), luminance ratio R 12 at the point S of the respective images taken by the camera 10 becomes equation (17). Here, R S12 represented by the equation (18) is a luminance ratio of the two light sources at the point S, and is generally a function of location in consideration of unevenness of the light emission luminance of the light source.
式(17)は、x,y,zに関する2次方程式である。撮影した物体上の点Sを見るカメラ10の画素の視線を考えると、視線は直線であり、この視線上でx,yはそれぞれzの1次関数となる。この1次関数を、式(17)に代入すると、x,yは消去されるが、式(17)はzの複雑な2次式となる。このため、この複雑な式の計算をするのに時間がかかることになる。また、S点から見た2つの光源の方向が異なっているため、光源の光軸からの方向により、発光輝度にムラがあると、IS1,IS2が一定でなくなり、その計算は非常に複雑となる。したがって、物体上の計測される点Sと2つの光源L1,L2の位置がカメラ10の光軸の同じ直線上にあることが基本となり、実際に物体の形状を計測する際には、カメラ10と2つの光源L1,L2を基準面(X,Y軸平面)に対して平行に走査させるのが一般的である。 Expression (17) is a quadratic equation regarding x, y, and z. Considering the line of sight of the pixel of the camera 10 viewing the point S on the photographed object, the line of sight is a straight line, and x and y are linear functions of z on this line of sight. When this linear function is substituted into equation (17), x and y are eliminated, but equation (17) becomes a complex quadratic equation of z. For this reason, it takes time to calculate this complicated expression. In addition, since the directions of the two light sources as viewed from the point S are different, if the emission luminance is uneven depending on the direction from the optical axis of the light source, I S1 and I S2 are not constant, and the calculation is very difficult. It becomes complicated. Therefore, the point S to be measured on the object and the positions of the two light sources L 1 and L 2 are basically on the same straight line of the optical axis of the camera 10, and when actually measuring the shape of the object, In general, the camera 10 and the two light sources L 1 and L 2 are scanned in parallel to the reference plane (X and Y axis planes).
このように、従来の技術においては、装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。 As described above, the conventional techniques have a drawback that the apparatus configuration is large and a cost is increased.
本発明は、上述の問題を鑑みて為されたものであり、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a shape measuring device and a shape measuring method using a large number of reference surfaces that can perform object shape measurement with high accuracy without contact. And
本発明の形状計測装置は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置であって、物体を照射するための第1の光源と、該第1の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第2の光源と、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、を備えることを特徴とする。 A shape measuring apparatus according to the present invention is a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of an object using a plurality of reference planes constituting a two-dimensional plane, the first light source for irradiating the object, and the first light source A second light source for illuminating an object, fixed in a three-dimensional spatial position different from the light source of the camera, a camera having a plurality of pixels for imaging the object, and coordinates and density of a two-dimensional plane are defined When each of the two-dimensional planes when the reference plate is translated at a predetermined interval in the normal direction of the reference plate is a reference plane in the height direction, the plurality of reference planes are Obtained by each of the first light source and the second light source from the luminance of each pixel of the image signal obtained by imaging each reference plane irradiated by each of the first light source and the second light source. The luminance ratio for each pixel is the height of each reference plane. Memory obtained by preliminarily storing a pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for each associated pixel, and an object irradiated with each of the first light source and the second light source by the camera. The luminance ratio obtained by each of the first light source and the second light source is calculated from the luminance of each pixel of the image signal, and the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table is calculated from the luminance ratio value. And a control unit that determines a three-dimensional shape of the object with reference to the control unit.
また、本発明の形状計測装置において、前記第1の光源は1個または複数のLED光源からなり、前記第2の光源は1個または複数のLED光源からなり、前記制御ユニットは、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々を構成するLED光源の点灯及び消灯を制御することにより調光制御を行う光源決定部を備えることを特徴とする。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the first light source is composed of one or a plurality of LED light sources, the second light source is composed of one or a plurality of LED light sources, and the control unit includes the first light source. And a light source determination unit that performs dimming control by controlling lighting and extinguishing of the LED light sources constituting each of the light source and the second light source.
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出する画素別輝度比算出部を備えることを特徴とする。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the control unit calculates an average of image signals obtained by imaging a plurality of times when calculating a luminance ratio obtained by each of the first light source and the second light source. A luminance ratio calculation unit for each pixel that calculates the luminance ratio from the value is provided.
また、本発明の形状計測装置において、前記第2の光源は、前記第1の光源よりも光源の輝度が高く、前記第1の光源及び前記第2の光源は略同一の波長分布を有することを特徴とする。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the second light source has a higher light source luminance than the first light source, and the first light source and the second light source have substantially the same wavelength distribution. It is characterized by.
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、当該物体の三次元形状を決定するとともに、当該物体の明るさ及び色情報を決定することを特徴とする。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the control unit determines a three-dimensional shape of the object and determines brightness and color information of the object.
さらに、本発明の形状計測方法は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測方法であって、物体を照射するための第1の光源、該第1の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第2の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、前記制御ユニットの処理手順は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、を含むことを特徴とする。 Furthermore, the shape measurement method of the present invention is a shape measurement method for measuring the three-dimensional shape of an object using a plurality of reference planes constituting a two-dimensional plane, the first light source for irradiating the object, the first light source, A second light source for illuminating an object, a camera having a plurality of pixels for imaging the object, and a control unit, which are fixed at a three-dimensional spatial position different from the one light source, The processing procedure of the control unit is that the respective two-dimensional planes when the reference plate is translated at a predetermined interval in the normal direction of the reference plate where the coordinates and concentration of the two-dimensional plane are defined are When a reference plane is used, the luminance of each image signal obtained by imaging each reference plane irradiated by each of the first light source and the second light source by the camera with respect to the plurality of reference planes. From the first light And pre-holding, in a memory, a pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for each pixel in which the luminance ratio for each pixel obtained by each of the second light sources is associated with the height of each reference plane; From the luminance for each pixel of the respective image signals obtained by imaging the object irradiated with each of the first light source and the second light source, the first light source and the second light source are obtained. Calculating a luminance ratio to be obtained, and determining a three-dimensional shape of the object by referring to the pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table from the value of the luminance ratio.
本発明によれば、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。さらに、物体計測時に、物体に対して光学系(カメラ、第1の光源及び第2の光源)を平行移動させる機構やプロジェクタを必要せず、カメラ、第1の光源及び第2の光源を一直線上に配置することなしに固定した光学系で物体の計測が可能であることから、従来よりも装置構成を小型化することが可能となり、さらに装置のコストを低減させることができる。 According to the present invention, the shape of an object is canceled while canceling the influence of a light source position error, a target object position error, a light source luminance variation, a light source luminance distribution unevenness, a camera lens aberration, a camera lens stain, and the like. Measurement can be performed in a non-contact and highly accurate manner. Furthermore, at the time of object measurement, there is no need for a mechanism or a projector that translates the optical system (camera, first light source, and second light source) relative to the object, and the camera, first light source, and second light source are straightened. Since an object can be measured with a fixed optical system without being arranged on a line, the apparatus configuration can be made smaller than before, and the cost of the apparatus can be further reduced.
以下、図面を参照して、本発明による各実施形態の形状計測装置について説明する。第1実施形態の形状計測装置は基準平板の上に載置された物体を計測する例であり、第2実施形態の形状計測装置は物体の形状計測時にて基準平板を用いずに物体を計測する例であり、順に説明する。 Hereinafter, a shape measuring apparatus according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The shape measuring device of the first embodiment is an example of measuring an object placed on a reference plate, and the shape measuring device of the second embodiment measures an object without using the reference plate when measuring the shape of the object. Will be described in order.
<第1実施形態>
〔装置構成〕
図1は、本発明による第1実施形態の形状計測装置の概略図である。本実施形態の形状計測装置100は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ10と、光源20,30(第1の光源L1及び第2の光源L2)と、制御ユニット50と、メモリ70とを備える。形状計測装置100における光学系の校正処理時には、基準平板40と、基準面ガイド80と、モータ90とを備える機構を用いて光学系の校正処理を行う。尚、光学系の校正処理時には、基準平板40と、基準面ガイド80と、モータ90とを備える機構について、以下の説明は一例を示すものである。モニタ60は、必要に応じて計測結果の表示を行うのに用いる。
<First Embodiment>
〔Device configuration〕
FIG. 1 is a schematic diagram of a shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The shape measuring apparatus 100 according to the present embodiment is an apparatus that measures a three-dimensional shape of an object using a plurality of reference planes that form a two-dimensional plane, and includes a camera 10 and light sources 20 and 30 (first light source L 1 and A second light source L 2 ), a control unit 50, and a memory 70. At the time of optical system calibration processing in the shape measuring apparatus 100, the optical system calibration processing is performed using a mechanism including the reference flat plate 40, the reference surface guide 80, and the motor 90. Note that the following description shows an example of a mechanism including the reference flat plate 40, the reference surface guide 80, and the motor 90 during the calibration process of the optical system. The monitor 60 is used to display measurement results as necessary.
本実施形態の形状計測装置100は、2つの光源L1,L2(それぞれ点光源20,30で表される)により照明された物体をカメラ10で撮影することで、物体の形状を計測する。一方、光学系の校正処理を行うために、カメラ10の光軸に対して垂直に基準平板40を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するX,Y軸をとり、このX,Y軸に対して垂直にZ軸をとる。基準平板40の上に物体を置いた場合、物体上の一点Sの基準平板40からの高さをz(変数)とする。 The shape measuring apparatus 100 according to the present embodiment measures the shape of an object by photographing an object illuminated by two light sources L 1 and L 2 (respectively represented by point light sources 20 and 30) with the camera 10. . On the other hand, in order to perform the calibration process of the optical system, a reference flat plate 40 is placed perpendicular to the optical axis of the camera 10, and this is used as a reference plane. On this reference plane, the X and Y axes orthogonal to each other are taken, and the Z axis is taken perpendicular to the X and Y axes. When an object is placed on the reference flat plate 40, the height of the point S on the object from the reference flat plate 40 is z (variable).
点光源により照明された物体をカメラ10で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Iの値は、点光源の発光輝度ISに比例し、点光源と物体との間の距離の2乗に反比例する。カメラ10による像面の物体の光の反射率をrとすると、反射した光の輝度は、この反射率rに比例する。 When the illuminated object by a point light source is photographed by the camera 10, 2 of the distance between the value of the luminance I obtained from the captured image is proportional to the emission intensity I S of the point light source, a point light source and the object Inversely proportional to the power. When the reflectance of the light of the object on the image plane by the camera 10 is r, the luminance of the reflected light is proportional to the reflectance r.
光源20(第1の光源L1)は、物体を照射するための光源であり、発光輝度IS1を有する。光源20(第1の光源L1)は、複数のLED光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各LED光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。第1の光源L1の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット50からの制御信号(光源L1制御信号)によってなされる。 The light source 20 (first light source L 1 ) is a light source for irradiating an object, and has a light emission luminance I S1 . The light source 20 (first light source L 1 ) is preferably configured as a point light source composed of a plurality of LED light sources, and thus light control can be performed by a combination of turning on and off each LED light source. The first light source L 1 is turned on and off, or dimming control is performed by a control signal (light source L 1 control signal) from the control unit 50.
光源30(第2の光源L2)は、第1の光源L1とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための光源であり、発光輝度IS2を有する。光源30(第2の光源L2)は、複数のLED光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各LED光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。また、光源30(第2の光源L2)は、第1の光源L1よりも光源の発光輝度が高い(IS2>IS1)ように構成するのが好適であり、より好適には第1の光源L1及び第2の光源L2について基準平板40までの距離の2乗に反比例することを加味した輝度バランスとすることで、SN比を揃えるようにするのが望ましい。第2の光源L2の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット50からの制御信号(光源L2制御信号)によってなされる。 The light source 30 (second light source L 2 ) is a light source for irradiating an object, which is fixed at a three-dimensional space position different from that of the first light source L 1, and has a light emission luminance I S2 . The light source 30 (second light source L 2 ) is preferably configured as a point light source composed of a plurality of LED light sources, and thus light control can be performed by a combination of turning on and off each LED light source. The light source 30 (second light source L 2 ) is preferably configured so that the light emission luminance of the light source is higher than that of the first light source L 1 (I S2 > I S1 ), more preferably It is desirable that the S / N ratio is made uniform by setting the luminance balance in consideration of being inversely proportional to the square of the distance to the reference flat plate 40 for the first light source L 1 and the second light source L 2 . The second light source L 2 is turned on and off, or dimming control is performed by a control signal (light source L 2 control signal) from the control unit 50.
カメラ10は、物体を撮像するための複数の画素を有し、例えばCCDセンサやCMOSセンサなどの撮像素子を用いたカメラを利用する。このようなカメラは、単色撮像又は多色撮像のいずれでもよく、例えば単色(フィルタなし)用のカメラであれば感度がよくなり、RGBカラーフィルタを有するカメラの場合には、RGB出力値を輝度値に変換することができる。カメラ10の撮像制御や画像信号の取得は、制御ユニット50からの制御信号(カメラ制御信号/画像信号)によってなされる。 The camera 10 has a plurality of pixels for imaging an object, and uses a camera using an imaging device such as a CCD sensor or a CMOS sensor. Such a camera may be either monochromatic imaging or multicolor imaging. For example, if a camera for a single color (no filter) is used, the sensitivity is improved. In the case of a camera having an RGB color filter, the RGB output value is set to luminance. Can be converted to a value. Imaging control of the camera 10 and acquisition of an image signal are performed by a control signal (camera control signal / image signal) from the control unit 50.
基準平板40は、X,Y軸の二次元平面を構成する。基準平板40は、校正処理時にのみ用いればよい。校正処理の際には、基準平板40の表面に、計測結果のx,y座標の目盛とするための格子(X軸方向に平行で等間隔の格子及びY軸方向に平行で等間隔の格子)を例えば白色面に黒色で格子線を描いたシートを載置したり、画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を決定するための一定濃度のシート(例えば、反射率が既知の白色シート)を載置したりする方法があるが、以下の説明では、主に、白色面に黒色で格子線を描いたシート(以下、総括して校正像を表示したシートを「校正シート」と称する)を用いて光学系の校正処理を行う例を説明する。尚、誤差要因として無視できる場合には、液晶ディスプレイを用いることも可能である。つまり、基準平板40を構成する液晶ディスプレイの表面に計測結果のx,y座標の目盛とするための格子像を表示し、その位相をシフトすることができる。 The reference flat plate 40 constitutes a two-dimensional plane with X and Y axes. The reference flat plate 40 may be used only during the calibration process. At the time of the calibration process, on the surface of the reference flat plate 40, a grid for measuring the x and y coordinates of the measurement result (a grid that is parallel to the X-axis direction and is equally spaced and parallel to the Y-axis direction) ) For example, a sheet having a black grid line drawn on a white surface, or a sheet having a constant density (for example, reflectivity is determined) for determining the luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel. Although there is a method of placing a known white sheet), in the following explanation, a sheet in which a grid line is drawn in black on a white surface (hereinafter, a sheet displaying a calibration image collectively) will be calibrated. An example of performing an optical system calibration process using a “sheet” will be described. If the error factor can be ignored, a liquid crystal display can be used. That is, it is possible to display a lattice image for making the scale of the x and y coordinates of the measurement result on the surface of the liquid crystal display constituting the reference flat plate 40 and shift the phase thereof.
基準面ガイド80は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板40の法線方向(Z軸方向)に、基準平板40をΔzの所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn:nは任意の整数であり、znで高さ分布の分解能や計測範囲が定まり、z=z0はすなわち、物体の高さ座標として0である)で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面とするためのガイドレールである。モータ90は、基準平板40を基準面ガイド80に沿って平行移動させるための駆動源であり、その機構については既知の技術を用いればよく、更なる詳細な説明は省略する。基準平板40を所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)で平行移動させるための制御は、制御ユニット50からの制御信号(基準面位置制御信号)によってなされる。 The reference plane guide 80 moves the reference flat plate 40 at a predetermined interval of Δz (z = z 0 , z 1 , z 2 ) in the normal direction (Z-axis direction) of the reference flat plate 40 in which the coordinates and density of the two-dimensional plane are defined. ,..., Z n : n is an arbitrary integer, the resolution of the height distribution and the measurement range are determined by z n , and z = z 0 is, ie, the height coordinate of the object is 0) It is a guide rail for making each said two-dimensional plane when making it the reference plane of a height direction. The motor 90 is a drive source for translating the reference flat plate 40 along the reference plane guide 80. A known technique may be used for the mechanism, and further detailed description is omitted. Control for translating the reference flat plate 40 at a predetermined interval (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ) is performed by a control signal (reference surface position control signal) from the control unit 50. The
制御ユニット50は、校正処理時に、基準平板40の法線方向(Z軸方向)に、基準平板40を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成してメモリ70に予め保持する。また、制御ユニット50は、形状計測処理時に、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比R12を算出し、該輝度比の値からメモリ70に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。 During the calibration process, the control unit 50 converts each two-dimensional plane when the reference flat plate 40 is translated at a predetermined interval in the normal direction (Z-axis direction) of the reference flat plate 40 to a reference plane in the height direction. when, for the plurality of reference planes, the luminance I of each pixel of each image signal obtained each reference surface that is irradiated by the first of each of the light source L 1 and the second light source L 2 by the camera 10 and imaging 1 and I 2 , a pixel in which the luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel obtained by each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is associated with the height of each reference plane A luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for each pixel is created and stored in the memory 70 in advance. Further, the control unit 50, when the shape measurement process, the luminance I of each pixel of each image signal obtained by the object irradiated by the first light source L 1 and the second of each of the light source L 2 by the camera 10 and imaging 1 , I 2 , the luminance ratio R 12 obtained by each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is calculated, and the pixel-specific luminance ratio and tertiary stored in the memory 70 in advance from the value of the luminance ratio The three-dimensional shape of the object is determined with reference to the original coordinate conversion table.
モニタ60は、制御ユニット50によって決定した物体の三次元形状を表示するための装置である。モニタ60で計測結果を表示する代わりに、プリンタによる出力を用いてもよいし、記録媒体に記録する構成としてもよい。 The monitor 60 is a device for displaying the three-dimensional shape of the object determined by the control unit 50. Instead of displaying the measurement result on the monitor 60, an output from a printer may be used, or a recording medium may be used.
尚、本実施形態の制御ユニット50、モニタ60及びメモリ70は、コンピュータ装置110として構成することができ、制御ユニット50をコンピュータとして構成させる場合には、当該コンピュータに、後述する制御ユニット50の各構成要素を実現させるためのプログラムをメモリ70に記憶する。当該コンピュータに備えられる中央演算処理部(CPU)が、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムや処理データを、適宜、メモリ70から読み込んで制御ユニット50の各構成要素の機能をコンピュータ上で実現させることができる。ここで、各構成要素の機能をハードウェアの一部で実現してもよいことは勿論である。 Note that the control unit 50, the monitor 60, and the memory 70 of the present embodiment can be configured as a computer device 110. When the control unit 50 is configured as a computer, each computer of the control unit 50, which will be described later, is configured in the computer. A program for realizing the constituent elements is stored in the memory 70. A central processing unit (CPU) provided in the computer reads a program or processing data in which processing content for realizing the function of each component is described from the memory 70 as appropriate, and each component of the control unit 50 Can be realized on a computer. Here, it goes without saying that the function of each component may be realized by a part of hardware.
〔制御ユニット〕
図2は、本発明による第1実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。制御ユニット50は、校正処理部510と、形状計測部520と、モニタ60で計測結果を表示する制御を行う表示制御部530とを備える。
〔Controller unit〕
FIG. 2 is a block diagram of a control unit in the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The control unit 50 includes a calibration processing unit 510, a shape measurement unit 520, and a display control unit 530 that performs control to display a measurement result on the monitor 60.
校正処理部510は、基準面可変位置設定部511と、光源決定部512と、カメラ撮像処理部513と、画素別輝度比算出部514と、輝度比・高さ座標処理部515と、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部516とを備える。 The calibration processing unit 510 includes a reference plane variable position setting unit 511, a light source determination unit 512, a camera imaging processing unit 513, a pixel-by-pixel luminance ratio calculation unit 514, a luminance ratio / height coordinate processing unit 515, and pixel-by-pixel A luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table generation unit 516;
基準面可変位置設定部511は、基準平板40を所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)で基準面ガイド80に沿ってZ軸方向に平行移動させるために、モータ90に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。基準面可変位置設定部511は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)とを予め対応付けた基準面位置データ710をメモリ70から参照して制御する。 The reference surface variable position setting unit 511 translates the reference flat plate 40 in the Z-axis direction along the reference surface guide 80 at a predetermined interval (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ). In addition, it is a functional unit that generates a reference surface position control signal for the motor 90. The reference surface variable position setting unit 511 obtains the motor control value and a predetermined interval (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ) if necessary for controlling the parallel movement. Control is performed by referring to the reference plane position data 710 associated in advance from the memory 70.
光源決定部512は、所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)の複数の基準面について、それぞれカメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した各基準面を撮像するために、カメラ10の撮像に同期して第1の光源L1及び第2の光源L2の点灯(調光制御も含む)及び消灯の切り替えを行うための光源L1制御信号や光源L2制御信号を発生する機能部である。光源決定部512は、第1の光源L1又は第2の光源L2の調光制御に必要であれば、第1の光源L1や第2の光源L2の基準平板40からの高さ(Z軸方向)や光源のタイプ(複数のLED光源からなる点光源等)に応じて予め決定された光源調光用データ730をメモリ70から参照して制御する。 The light source determination unit 512 uses the camera 10 to generate a first light source L 1 and a second light source L for a plurality of reference planes at predetermined intervals (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ). 2 , the first light source L 1 and the second light source L 2 are switched on / off (including dimming control) and off in synchronization with the imaging of the camera 10. a light source L 1 control signal and the light source L 2 function unit for generating a control signal for performing. Source determination unit 512, the height from the first light source L 1 or the second if necessary dimming control of the light source L 2, the first light source L 1 and the second reference flat 40 of the light source L 2 The light source dimming data 730 determined in advance according to (Z-axis direction) and the type of light source (such as a point light source composed of a plurality of LED light sources) is controlled by referring to the memory 70.
カメラ撮像処理部513は、所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)の複数の基準面について、それぞれ第1の光源L1又は第2の光源L2の点灯に同期してカメラ10の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号/画像信号を発生する機能部である。 The camera imaging processing unit 513 sets the first light source L 1 or the second light source L 2 for a plurality of reference planes at predetermined intervals (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ). This is a functional unit that generates a camera control signal / image signal for acquiring an image signal by controlling imaging of the camera 10 in synchronization with lighting.
画素別輝度比算出部514は、基準平板40の法線方向(Z軸方向)に、基準平板40を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面(校正シートを載置した面)について、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部514は、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。 The luminance ratio calculation unit 514 for each pixel uses each two-dimensional plane when the reference flat plate 40 is translated at a predetermined interval in the normal direction (Z-axis direction) of the reference flat plate 40 as a reference plane in the height direction. when, the plurality of reference surfaces for (surface mounted with the calibration sheet), respectively obtained by each of the reference surface illuminated by the first light source L 1 and the second of each of the light source L 2 by the camera 10 and imaging The luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel obtained from each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is calculated from the luminance I 1 and I 2 for each pixel of the image signal. It is a functional part to do. The pixel-specific luminance ratio calculator 514, in calculating the first light source L 1 and second respectively in the resulting luminance ratio of the light source L 2, the average value of the image signal obtained by a plurality of times imaging The luminance ratio can also be calculated.
輝度比・高さ座標処理部515は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を高さ座標(z=z0,z1,z2,・・・,zn)に対応付けた輝度比・高さ座標変換テーブルを生成する機能部である。輝度比・高さ座標処理部515は、生成した輝度比・高さ座標変換テーブル740(図5参照)をメモリ70に格納することができる。 The luminance ratio / height coordinate processing unit 515 converts the calculated luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel on the plurality of reference planes into height coordinates (z = z 0 , z 1 , z 2 , .., Z n ) is a functional unit that generates a luminance ratio / height coordinate conversion table associated with each other. The luminance ratio / height coordinate processing unit 515 can store the generated luminance ratio / height coordinate conversion table 740 (see FIG. 5) in the memory 70.
画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部516は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比・高さ座標変換テーブル740における高さ座標(z座標)と、校正像(又は格子像)を撮像したことで得られるX,Y軸平面(x,y座標)から、輝度比R12を基準にした複数の基準面における画素毎のx,y,z座標を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成してメモリ70に格納する。例えば、図6に示すように、各画素で、各基準面における均一像部分による輝度I1,I2を取得し、格子線部分によるx,y座標を決定することができ、画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を高さ座標に対応付けを行っていることから、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成することができる。尚、格子線上にある画素(複数のx,y座標値を跨る画素)については、格子像からx,y座標を決定することができ、格子線上にない画素は、輝度値の算出のために用いることができる。また、図6では、格子線を1画素サイズ以下で例示的に表しているが、格子線部分が複数画素に跨って撮像される構成となっても同様に処理することができる。 The pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table generation unit 516 generates a height coordinate (z coordinate) in the calculated luminance ratio / height coordinate conversion table 740 for each pixel on a plurality of reference planes, and a calibration image (or lattice). X obtained by capturing the image), the Y-axis plane (x, y-coordinate), x of each pixel in a plurality of reference surfaces relative to the luminance ratio R 12, y, pixel by the luminance ratio, the z-coordinate A three-dimensional coordinate conversion table is generated and stored in the memory 70. For example, as shown in FIG. 6, the luminance I 1 and I 2 by the uniform image portion on each reference plane can be obtained for each pixel, and the x and y coordinates by the grid line portion can be determined. Since the ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) is associated with the height coordinate, a pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table can be created. For pixels on the grid line (pixels straddling a plurality of x and y coordinate values), the x and y coordinates can be determined from the grid image. For pixels not on the grid line, the luminance value is calculated. Can be used. In FIG. 6, the grid lines are exemplarily represented with a size of one pixel or less, but the same processing can be performed even if the grid line portion is configured to be imaged across a plurality of pixels.
形状計測部520は、基準面初期位置設定部521と、光源決定部522と、カメラ撮像処理部523と、画素別輝度比算出部524と、画素別三次元座標決定処理部525とを備える。 The shape measurement unit 520 includes a reference plane initial position setting unit 521, a light source determination unit 522, a camera imaging processing unit 523, a pixel-by-pixel luminance ratio calculation unit 524, and a pixel-by-pixel three-dimensional coordinate determination processing unit 525.
基準面初期位置設定部521は、基準平板40を初期位置(z=z0)となるように基準面ガイド80に沿ってZ軸方向に平行移動させるために、モータ90に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。計測対象の物体のサイズは、z=z0〜znの範囲内であり、且つ基準面に描写される格子像によるx,y座標の範囲内であり、この物体は、計測処理時に、初期位置(z=z0=0)の基準平板40に載置される。基準面初期位置設定部521は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)とを予め対応付けた基準面位置データ710をメモリ70から参照して制御する。ただし、基準平板40を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内(z=z0〜znの範囲内)に物体を置けばよいため、基準面初期位置設定部521の処理は、基準平板40に物体を載置する場合の処理である。 The reference plane initial position setting unit 521 moves the reference flat plate 40 in the Z-axis direction along the reference plane guide 80 so as to be the initial position (z = z 0 ). It is a functional unit that generates a control signal. The size of the object to be measured is in the range of z = z 0 to z n and is in the range of x and y coordinates by the lattice image drawn on the reference plane. It is placed on the reference flat plate 40 at the position (z = z 0 = 0). The reference plane initial position setting unit 521 determines the motor control value and a predetermined interval (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ) if necessary for the control of the parallel movement. Control is performed by referring to the reference plane position data 710 associated in advance from the memory 70. However, when the shape of the object is measured without using the reference flat plate 40, it is only necessary to place the object within the range of the plurality of reference surfaces (within the range of z = z 0 to z n ). The processing of the position setting unit 521 is processing when an object is placed on the reference flat plate 40.
光源決定部522は、当該複数の基準面の範囲内(z=z0〜znの範囲内)にある物体形状について、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した物体をそれぞれ撮像するために、カメラ10の撮像に同期して第1の光源L1及び第2の光源L2の点灯(調光制御も含む)及び消灯の切り替えを行うための光源L1制御信号や光源L2制御信号を発生する機能部である。光源決定部522は、第1の光源L1又は第2の光源L2の調光制御に必要であれば、第1の光源L1や第2の光源L2の基準平板40からの高さ(Z軸方向)や光源のタイプ(複数のLED光源からなる点光源等)に応じて予め決定された光源調光用データ730をメモリ70から参照して制御する。 The light source determination unit 522 uses the camera 10 for each of the first light source L 1 and the second light source L 2 for an object shape that is within the range of the plurality of reference planes (z = z 0 to z n ). in in order to image the illuminated object, respectively, the first light source L 1 and the second lighting of the light source L 2 (dimming control included) and the light source for switching off in synchronism with the imaging of the camera 10 L 1 is a control signal and a light source L 2 control signal function unit for generating a. Source determination unit 522, the height from the first light source L 1 or the second if necessary dimming control of the light source L 2, the first light source L 1 and the second reference flat 40 of the light source L 2 The light source dimming data 730 determined in advance according to (Z-axis direction) and the type of light source (such as a point light source composed of a plurality of LED light sources) is controlled by referring to the memory 70.
カメラ撮像処理部523は、当該複数の基準面の範囲内(z=z0〜znの範囲内)にある物体形状について、第1の光源L1又は第2の光源L2の点灯に同期してカメラ10の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号/画像信号を発生する機能部である。 Camera imaging processing unit 523, the object shape within the range of the plurality of reference surfaces (in the range of z = z 0 ~z n), the first light source L 1 or the second light source L 2 of the lighting in the synchronization This is a functional unit that generates a camera control signal / image signal for controlling the imaging of the camera 10 and acquiring an image signal.
画素別輝度比算出部524は、当該複数の基準面の範囲内(z=z0〜znの範囲内)にある物体形状について、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部524は、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。 -Pixel luminance ratio calculator 524, the object shape within the range of the plurality of reference surfaces (in the range of z = z 0 ~z n), the first light source L 1 and the second light source L by the camera 10 the object was irradiated with 2 each from the luminance I 1, I 2 for each pixel of each image signal obtained by imaging, for each pixel obtained by the first light source L 1 and the second of each of the light source L 2 This is a functional unit that calculates the luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ). The pixel-specific luminance ratio calculator 524, in calculating the first light source L 1 and second respectively in the resulting luminance ratio of the light source L 2, the average value of the image signal obtained by a plurality of times imaging The luminance ratio can also be calculated.
画素別三次元座標決定処理部525は、算出された第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比R12の値から校正処理でメモリ70に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定し、計測結果をメモリ70に格納し、表示制御部530と協働して物体の三次元座標をモニタ60に表示する機能部である。 Pixel-dimensional coordinate determination processing unit 525, a first light source L 1 and previously held the pixel-in the memory 70 in the calibration process the value of the luminance ratio R 12 obtained by the second respective light source L 2 calculated The three-dimensional shape of the object is determined with reference to the luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table, the measurement result is stored in the memory 70, and the three-dimensional coordinates of the object are displayed on the monitor 60 in cooperation with the display control unit 530. It is a functional part to do.
〔装置動作〕
次に、本発明による第1実施形態の形状計測装置の装置動作について説明する。
[Device operation]
Next, the operation of the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described.
(校正処理)
図3は、本発明による第1実施形態の形状計測装置における制御ユニットの校正処理フローを示す図である。以下の動作説明では、格子像と一定濃度の均一像を兼ねて1つの校正像(一定濃度の均一像の部分と格子線部分からなる)の校正シートを用いる場合を説明する。
(Calibration process)
FIG. 3 is a diagram showing a calibration processing flow of the control unit in the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the following description of the operation, a case will be described in which a calibration sheet of one calibration image (consisting of a uniform image portion having a constant density and a lattice line portion) is used as a lattice image and a uniform image having a constant density.
まず、基準面可変位置設定部511によって基準平板40を初期位置(z=z0)に設定する(ステップS1)。x,y座標の目盛とするための格子並びに光源別の輝度比のための一定濃度の均一像からなる校正像の校正シートは基準平板40に設定される(ステップS2)。 First, the reference flat plate 40 is set to the initial position (z = z 0 ) by the reference surface variable position setting unit 511 (step S1). A calibration sheet of a calibration image composed of a grid for making the scale of x and y coordinates and a uniform image of a constant density for the luminance ratio for each light source is set on the reference flat plate 40 (step S2).
次に、光源決定部512によって第1の光源L1を点灯し第2の光源L2を消灯する(ステップS3)。続いて、カメラ撮像処理部513によって基準平板40を撮像し、校正像における格子のx,y座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する(ステップS4)。 Next, the first light source L 1 and turning off the second light source L 2 lit by the light source determining unit 512 (step S3). Subsequently, the camera imaging processing unit 513 images the reference flat plate 40, and holds the correspondence between the x and y coordinates of the grid and the pixels in the calibration image and the luminance value for each pixel as data (step S4).
次に、光源決定部512によって第2の光源L2を点灯し第1の光源L1を消灯する(ステップS5)。続いて、カメラ撮像処理部513によって基準平板40を撮像し、校正像における格子のx,y座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する(ステップS6)。校正像における格子のx,y座標と画素との対応付けのために、第1の光源L1と第2の光源L2のいずれか一方のみで取得したデータを用いてもよいが、複数のデータを用いて平均処理することで精度を向上させることができる。 Next, the light source determination unit 512 turns on the second light source L2 and turns off the first light source L1 (step S5). Subsequently, the camera imaging processing unit 513 captures the reference flat plate 40, and holds the correspondence between the x and y coordinates of the lattice in the calibration image and the pixels and the luminance value for each pixel as data (step S6). X grid at the calibration image, for correspondence between the y-coordinate and the pixel, the first light source L 1 and may be used second data acquired only in one of the light source L 2, but a plurality of The accuracy can be improved by averaging the data.
次に、画素別輝度比算出部514によって、初期位置(z=z0=0)に設定した基準平板40の基準面(一定濃度の均一像の部分)を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を算出する(ステップS7)。続いて、輝度比・高さ座標処理部515によって、算出された基準面における画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を高さ座標に対応付けを行い(ステップS8)、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部516によって初期位置(z=z0)に設定した基準平板40の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ70に格納する(ステップS9)。 Next, each image signal obtained by imaging the reference plane (a portion of a uniform image with a constant density) of the reference flat plate 40 set at the initial position (z = z 0 = 0) by the pixel-by-pixel luminance ratio calculation unit 514. The luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel obtained by each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is calculated from the luminances I 1 and I 2 for each pixel (step). S7). Subsequently, the luminance ratio / height coordinate processing unit 515 associates the calculated luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel on the reference plane with the height coordinate (step S 8), A separate luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table generation unit 516 generates a pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table on the reference plane of the reference plate 40 set to the initial position (z = z 0 ) and stores it in the memory 70. (Step S9).
ステップS1〜S9について、所定間隔(z=z0,z1,z2,・・・,zn)の複数の基準面について繰り返し行い、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ70に格納する(ステップS10,S11)。 Steps S1 to S9 are repeatedly performed for a plurality of reference planes at predetermined intervals (z = z 0 , z 1 , z 2 ,..., Z n ), and the luminance ratio and three-dimensional coordinate conversion for each pixel on the plurality of reference planes is performed. A table is generated and stored in the memory 70 (steps S10 and S11).
このようにして、形状計測装置100は、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ70に格納しておく。 In this way, the shape measuring apparatus 100 generates a pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for a plurality of reference planes and stores it in the memory 70 as a calibration process before measuring the shape of the object.
(形状計測処理)
図4は、本発明による第1実施形態の形状計測装置における制御ユニットの形状計測処理フローを示す図である。
(Shape measurement process)
FIG. 4 is a diagram showing a shape measurement processing flow of the control unit in the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
まず、基準面初期位置設定部521によって基準平板40を初期位置(z=z0)に設定する(ステップS21)。物体は、初期位置(z=z0=0)に設定される基準平板40に載置されているものとする。ただし、基準平板40を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内(z=z0〜znの範囲内)に物体が置かれる。 First, the reference plane initial position setting unit 521 sets the reference flat plate 40 to the initial position (z = z 0 ) (step S21). It is assumed that the object is placed on the reference flat plate 40 set at the initial position (z = z 0 = 0). However, when the shape of the object is measured without using the reference flat plate 40, the object is placed within the range of the plurality of reference surfaces (in the range of z = z 0 to z n ).
次に、光源決定部522によって第1の光源L1を点灯し第2の光源L2を消灯する(ステップS22)。続いて、カメラ撮像処理部523によって基準平板40に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する(ステップS23)。 Next, the first light source L 1 and turning off the second light source L 2 lit by the light source determining unit 522 (step S22). Subsequently, an object placed on the reference flat plate 40 is imaged by the camera imaging processing unit 523, and the luminance value for each pixel is held as data (step S23).
次に、光源決定部522によって第2の光源L2を点灯し第1の光源L1を消灯する(ステップS24)。続いて、カメラ撮像処理部523によって基準平板40に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する(ステップS25)。 Next, the light source determination unit 522 turns on the second light source L2 and turns off the first light source L1 (step S24). Subsequently, an object placed on the reference flat plate 40 is imaged by the camera imaging processing unit 523, and the luminance value for each pixel is held as data (step S25).
次に、画素別輝度比算出部524によって、初期位置(z=z0=0)に設定した基準平板40に載置した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる画素毎の輝度比R12(=I1/I2)を算出する(ステップS26)。 Next, the luminance I 1 for each pixel of each image signal obtained by imaging the object placed on the reference plate 40 set to the initial position (z = z 0 = 0) by the pixel-specific luminance ratio calculation unit 524. , I 2 , the luminance ratio R 12 (= I 1 / I 2 ) for each pixel obtained from each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is calculated (step S 26).
続いて、画素別三次元座標決定処理部525によって、算出された第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比R12の値から校正処理でメモリ70に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して(ステップS27)、当該物体の三次元形状を決定し(ステップS28)、計測結果をメモリ70に格納し、表示制御部530と協働して物体の三次元座標をモニタ60に表示する(ステップS29)。 Subsequently, previously held in the memory 70 in the calibration process the value of the pixel-dimensional coordinates by the determination processing section 525, first light source L 1 and the second luminance ratio R 12 obtained in each of the light source L 2 calculated Referring to the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table (step S27), the three-dimensional shape of the object is determined (step S28), the measurement result is stored in the memory 70, and the display control unit 530 cooperates. Then, the three-dimensional coordinates of the object are displayed on the monitor 60 (step S29).
尚、複数回の物体の三次元座標の計測結果を平均処理した結果を表示したりするように構成することができる。 In addition, it can comprise so that the result of averaging the measurement result of the three-dimensional coordinate of the object of multiple times may be displayed.
このようにして、形状計測装置100は、従来よりも装置構成を小型化し、コストを低減させた構成で、物体の形状計測を行うことができるようになる。 In this manner, the shape measuring apparatus 100 can measure the shape of an object with a structure that is smaller in size and lower in cost than the conventional apparatus.
また、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。 Non-contact measurement of object shape while canceling effects of light source position error, target object position error, light source brightness variation, light source brightness distribution unevenness, camera lens aberration, camera lens dirt, etc. And it can be performed with high accuracy.
次に、本発明による第2実施形態の形状計測装置について説明する。第2実施形態の形状計測装置は、第1実施形態とは相違して、基準平板を用いずに物体を計測する例である。 Next, a shape measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. Unlike the first embodiment, the shape measuring apparatus of the second embodiment is an example of measuring an object without using a reference flat plate.
<第2実施形態>
〔装置構成〕
図7は、本発明による第2実施形態の形状計測装置の概略図である。第1実施形態と同様な構成要素には同一の参照番号を付している。本実施形態の形状計測装置100は、物体の形状計測時にて基準平板を用いずに、複数の基準面40bの範囲内(z=z0〜znの範囲内)に置かれる物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ10と、光源20,30(第1の光源L1及び第2の光源L2)と、制御ユニット50と、メモリ70とを備える。
Second Embodiment
〔Device configuration〕
FIG. 7 is a schematic view of a shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. Components similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The shape measuring apparatus 100 according to the present embodiment does not use the reference flat plate when measuring the shape of the object, and the three-dimensional object is placed within the range of the plurality of reference surfaces 40b (within the range of z = z 0 to z n ). It is a device for measuring a shape, and includes a camera 10, light sources 20 and 30 (first light source L 1 and second light source L 2 ), a control unit 50, and a memory 70.
第2実施形態においても、第1実施形態の場合と同様に、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ70に格納しておく。 Also in the second embodiment, as in the case of the first embodiment, as a calibration process before measuring the shape of the object, a luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for each pixel on a plurality of reference planes is generated and stored in the memory 70. Keep it.
物体の三次元形状の計測時には、複数の基準面40bの範囲内(z=z0〜znの範囲内)にある物体形状を、第1実施形態の場合と同様に処理すればよく、すなわち、制御ユニット50は、形状計測処理時に、カメラ10によって第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度I1,I2から、第1の光源L1及び第2の光源L2の各々で得られる輝度比R12を算出し、該輝度比の値からメモリ70に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。したがって、第2実施形態では、図2で説明した制御ユニット50における機能部のうち、基準面初期位置設定部521が不要となる。 When measuring the three-dimensional shape of the object, the object shape within the range of the plurality of reference planes 40b (z = z 0 to z n ) may be processed in the same manner as in the first embodiment. The control unit 50 performs luminance I 1 for each pixel of each image signal obtained by imaging an object irradiated with each of the first light source L 1 and the second light source L 2 by the camera 10 during the shape measurement process. , I 2 , the luminance ratio R 12 obtained by each of the first light source L 1 and the second light source L 2 is calculated, and the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional value previously stored in the memory 70 from the value of the luminance ratio The three-dimensional shape of the object is determined with reference to the coordinate conversion table. Therefore, in 2nd Embodiment, the reference plane initial position setting part 521 is unnecessary among the function parts in the control unit 50 demonstrated in FIG.
第2実施形態によれば、物体計測時にて基準平板40を用いる必要がないため、例えば、人間の顔の三次元形状を計測したりする場合など、ハンディタイプの装置構成を実現することができるようになる。 According to the second embodiment, since it is not necessary to use the reference flat plate 40 at the time of object measurement, for example, when measuring the three-dimensional shape of a human face, a handy type device configuration can be realized. It becomes like this.
以下、計測対象の物体の形状計測について、「輝度比」を算出することで、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルから物体の形状計測を行うことができる原理についてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, with respect to the shape measurement of the object to be measured, the principle that the shape of the object can be measured from the pixel-by-pixel brightness ratio / three-dimensional coordinate conversion table on multiple reference planes by calculating the “brightness ratio” Explained.
本発明の形状計測装置100では、式(17)の計算について、物体の高さ座標zの値を見つけることのできるようにするために、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによるx,y,z座標の全空間テーブル化法を用いる。 In the shape measuring apparatus 100 of the present invention, in order to be able to find the value of the height coordinate z of the object in the calculation of Expression (17), x, y based on the pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table. , Z-coordinate whole space tabulation method is used.
(zとR12の関係の各画素のテーブル化)
式(17)の具体例として数値を入れて計算をしてみることにする。図9より、式(19)で表される視線上のデータを見ている画素について、例えばy=0の場合を計算してみる。
(Table of each pixel of the relationship between z and R 12)
As a specific example of the equation (17), a calculation will be made with numerical values. From FIG. 9, for the pixel viewing the data on the line of sight represented by Expression (19), for example, the case of y = 0 will be calculated.
ここで、zCは視線とカメラ光軸との交点であり,xRは基準面がzCにあるときの基準面と視線の交点であり、zC=400mm、xR=10mmとする。 Here, z C is the intersection of the line of sight and the camera optical axis, x R is the reference plane and the intersection of the line of sight when the reference surface is the z C, z C = 400mm, and x R = 10 mm.
2つの光源L1及びL2の位置(xL1,yL1,zL1)、(xL2,yL2,zL2)及び各光源自体の輝度比RS12を以下の値とする。
(xL1,yL1,zL1)=(30mm,0mm,200mm)
(xL2,yL2,zL2)=(20mm,0mm,300mm)
RS12=IS1/IS2=0.5
The positions (x L1 , y L1 , z L1 ), (x L2 , y L2 , z L2 ) of the two light sources L 1 and L 2 and the luminance ratio R S12 of each light source itself are set to the following values.
(X L1 , y L1 , z L1 ) = (30 mm, 0 mm, 200 mm)
(X L2 , y L2 , z L2 ) = (20 mm, 0 mm, 300 mm)
R S12 = I S1 / I S2 = 0.5
これらの値を式(17)に代入すると、R12とzの関係は式(20)となり、この関係をグラフにすると図10のようになる。 When these values are substituted into equation (17), the relationship between R 12 and z becomes equation (20), and when this relationship is graphed, FIG. 10 is obtained.
このように図9のようなカメラ10の光軸上に第1の光源L1及び第2の光源L2がない光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに、図10に示すように、カメラ10の画素ごとに、zはR12の一価関数となり、R12の値が決まればzが一意に決まる。すなわち、図9のような光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに精度よく式(17)を解くために、予めR12とx,y,zの関係を各画素について画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして求めておき、物体を撮影したときの画素の輝度比R12より画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照することでその画素が見ている点のx,y,z座標が求められる。したがって、全ての画素について物体を撮影したときの画素の輝度比R12を求めることで物体の三次元形状を求めることができる。 Thus, even if the first light source L 1 and the second light source L 2 is not the optical system on the optical axis of a camera 10 shown in FIG. 9, without scanning the optical system relative to the object, As shown in FIG. 10, z is a monovalent function of R 12 for each pixel of the camera 10, and z is uniquely determined when the value of R 12 is determined. That is, even in the case of the optical system as shown in FIG. 9, in order to accurately solve the expression (17) without scanning the optical system with respect to the object, the relationship between R 12 and x, y, z is previously set. to previously obtain a pixel-luminance ratio, the three-dimensional coordinate transformation table for the pixels, and seen that pixel by referring to the pixel luminance ratio R 12-pixel luminance ratio, the three-dimensional coordinate transformation table from the upon shooting object The x, y and z coordinates of the point are obtained. Therefore, it is possible to determine the three-dimensional shape of an object by obtaining luminance ratio R 12 of the pixels upon shooting object for all the pixels.
尚、光源の輝度比RS12も各画素の関数とすることもでき、この値を含めて画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成することもできる。 Note that the luminance ratio R S12 of the light source can also be a function of each pixel, and this value can be generated as a pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table.
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの生成手順の一例について説明する。 Next, an example of a procedure for generating a pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table will be described.
(1)z方向に移動する基準面を用いたx,y座標とz座標の関係のテーブル化
基準面の表面にx方向に平行で等間隔の格子及びy方向に平行で等間隔の格子を描くか、液晶ディスプレイなどを用いて表示させることで、x,y座標の目盛とすることができる。
(1) Creating a table of the relationship between x, y and z coordinates using a reference plane that moves in the z direction A grid that is parallel to the x direction and equally spaced in parallel to the x direction and a grid that is parallel to the y direction and equally spaced on the reference surface By drawing or displaying using a liquid crystal display or the like, the scale of the x and y coordinates can be obtained.
先ず、基準平板40をzの原点(z=z0=0)に設置した基準面を設定し、この画像をカメラ10で撮影し、撮影した格子像から画素が見ている格子の基準面上のx座標及びy座標を求め、画素とx,y座標の対応付けを行う。撮影した格子像からx座標及びy座標を求める際に、例えばフーリエ変換法或いは位相シフト法により座標を解析してもよい。 First, a reference plane in which the reference flat plate 40 is set at the origin of z (z = z 0 = 0) is set, this image is taken by the camera 10, and the reference plane of the grid on which the pixel is viewed from the captured grid image is set. X coordinates and y coordinates are obtained, and the pixels are associated with the x and y coordinates. When obtaining the x coordinate and the y coordinate from the captured lattice image, the coordinate may be analyzed by, for example, a Fourier transform method or a phase shift method.
次に、基準平板40を垂直方向に所定間隔Δzだけ動かした基準面を設定し、光源L1,L2のいずれか一方又は双方を点灯し、この画像をカメラ10で撮影し、撮影した格子像から所定間隔Δzだけ動かした基準面のz位置に対して画素が見ている格子の基準面上のx座標及びy座標を求め、画素とx,y座標の対応付けを行う。このようにして基準面のz座標を一定間隔Δzずつ増加させながら、各画素におけるzとx,yの関係をテーブルとして生成してメモリ70に記憶する。この動作を、zの計測したい範囲(z0〜zn)まで繰り返す。これにより、各画素におけるx,y座標とz座標の対応関係をテーブルとして生成することができる。 Next, a reference plane in which the reference flat plate 40 is moved in the vertical direction by a predetermined interval Δz is set, one or both of the light sources L 1 and L 2 are turned on, this image is taken by the camera 10, and the taken grid The x coordinate and the y coordinate on the reference plane of the lattice that the pixel is viewing are obtained with respect to the z position of the reference plane moved by a predetermined interval Δz from the image, and the pixel is associated with the x and y coordinates. In this way, while increasing the z coordinate of the reference plane by a constant interval Δz, the relationship between z and x, y in each pixel is generated as a table and stored in the memory 70. This operation is repeated until z is desired to be measured (z 0 to z n ). Thereby, the correspondence of the x, y coordinate and the z coordinate in each pixel can be generated as a table.
(2)各画素の輝度比R12とz座標の関係のテーブル化
次に、基準面の格子の表示から、基準面を均一な明るさの白色に変更する。基準平板40をzの原点(z=z0=0)に設置した基準面を設定し、光源L1,L2を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比R12を求める。次に、基準平板40を垂直方向に一定間隔Δzだけ動かした基準面を設定し、再度、光源L1,L2を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして、各画素における画像の輝度比R12を求める。基準平板40を垂直方向に一定間隔Δzずつ動かしながらこの動作を繰り返し、各画素におけるz座標と輝度比R12の関係をテーブルとして生成してメモリ70に記憶する。
(2) a table of the relationship between the luminance ratio R 12 and z coordinates of each pixel then the display of the lattice of the reference surface, to change the reference plane uniform brightness of the white. A reference plane in which the reference flat plate 40 is set at the origin of z (z = z 0 = 0) is set, the light sources L 1 and L 2 are sequentially turned on, and respective images are taken. And obtaining the luminance ratio R 12 of the image at each pixel. Next, a reference plane in which the reference flat plate 40 is moved in the vertical direction by a fixed interval Δz is set, and the light sources L 1 and L 2 are sequentially turned on again to capture respective images. Then, a luminance ratio R 12 of the image at each pixel. This operation is repeated while moving the reference flat plate 40 in the vertical direction by a constant interval Δz, and the relationship between the z coordinate and the luminance ratio R 12 in each pixel is generated as a table and stored in the memory 70.
上記(1)及び(2)で生成したテーブルを組み合わせることで、各画素で輝度比R12が求められると、x,y,z座標が求められる画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成することができる。この画素別輝度比・三次元座標変換テーブルは一度作成すると、光学系の構成や配置を変えないかぎり、いつまでも使えることになる。 By combining the table generated in the above (1) and (2), generated when the luminance ratio R 12 sought, x, y, a pixel-luminance ratio, the three-dimensional coordinate conversion table is required z-coordinate at each pixel can do. Once this pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table is created, it can be used forever as long as the configuration and arrangement of the optical system are not changed.
また、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの分解能を上げたい場合には、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの各要素の近傍のデータを用いた補間により大きな要素数の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成して分解能を向上させることができる。 Also, if you want to increase the resolution of the pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table, the pixel-specific luminance ratio with a large number of elements can be obtained by interpolation using data in the vicinity of each element in the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table. The ratio / three-dimensional coordinate conversion table can be generated to improve the resolution.
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを用いた形状計測の一例について説明する。 Next, an example of shape measurement using the pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table will be described.
基準平板40をzの原点(z=z0=0)に設置した基準面を設定し、物体を基準平板40に載置する。形状計測時には、2つの光源L1,L2を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比R12を求める。この輝度比R12を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルと比較することにより、x,y,z座標が直ちに分かることになる。計算としては輝度比R12を求めるだけで物体の三次元座標を求めることができる。尚、この輝度比R12の算出も2つの光源L1,L2による輝度の値から輝度比を求めることができるテーブルを作成しておくのが処理速度の向上に好適である。 A reference plane in which the reference flat plate 40 is placed at the origin of z (z = z 0 = 0) is set, and the object is placed on the reference flat plate 40. At the time of shape measurement, the two light sources L 1 and L 2 are sequentially turned on to capture respective images. And obtaining the luminance ratio R 12 of the image at each pixel. By comparing the intensity ratio R 12 and pixel-luminance ratio, the three-dimensional coordinate conversion table, x, y, z coordinate it will be immediately apparent. As calculation can be obtained three-dimensional coordinates of the object by simply obtaining the luminance ratio R 12. Note that idea to create a table that can be determined luminance ratio from the value of the luminance by the luminance ratio light source L 1 calculated also two of R 12, L 2 are suitable to improve processing speed.
(物体の明るさ情報や色情報のマッピング)
本発明に係る計測方法では、撮影した画像の輝度I1及びI2がいわゆる写真画像であるので、その輝度値を得られた座標にそのままマッピングすれば、三次元CG画像データを生成することもできる。
(Mapping of object brightness information and color information)
In the measurement method according to the present invention, since the luminances I 1 and I 2 of the captured image are so-called photographic images, three-dimensional CG image data can be generated if the luminance values are directly mapped to the obtained coordinates. it can.
(画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法による誤差のキャンセル)
画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法を用いると、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの作成時の光学系と物体計測時の光学系が同じである場合、光学系の影響による誤差は基本的にキャンセルされる。具体的には、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどはキャンセルされる。また、計測対象の物体の反射率(色)の違いも原理的に削除される。
(Cancellation of errors by using a total space table based on the pixel-specific luminance ratio and 3D coordinate conversion table)
When using the whole space tabulation method based on the brightness ratio by pixel and 3D coordinate conversion table, when the optical system at the time of creating the brightness ratio by pixel and 3D coordinate conversion table is the same as the optical system at the time of object measurement, Errors due to the influence of the optical system are basically canceled. Specifically, the positional error of the light source, the positional error of the target object, the variation in the luminance of the light source, the luminance distribution unevenness of the light source, the aberration of the camera lens, the contamination of the camera lens, etc. are cancelled. Further, the difference in reflectance (color) of the object to be measured is also deleted in principle.
(カメラの各画素における輝度のばらつきのキャンセル)
カメラの各画素における輝度の時間的ばらつきが無視できない場合、複数回、画像を撮影して平均処理を施し、この平均の輝度値を用いるのが好適である。また、物体には、2つの光源L1,L2からの光以外のいわゆる外光の影響を受けないように、暗室の中で計測を行うか、物体を含めた光学系を無反射布で覆われた暗箱の中に納めることが考えられるが、装置の可搬性を高めるために外光防止の黒色フードを設けるのが好適である。
(Cancellation of luminance variation in each pixel of the camera)
If the temporal variation in luminance of each pixel of the camera cannot be ignored, it is preferable to take an image a plurality of times, perform an average process, and use this average luminance value. Further, the object is measured in a dark room so that it is not affected by so-called external light other than the light from the two light sources L 1 and L 2 , or the optical system including the object is made of a non-reflective cloth. Although it can be considered to be housed in a covered dark box, it is preferable to provide a black hood for preventing external light in order to enhance the portability of the apparatus.
尚、2つの光源L1,L2の波長が異なると反射率が異なってくる影響を、上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによる方法では取り除けないことから、ペアとなる2つの光源L1,L2の波長分布は略同一の波長分布とする(略同一の波長分布とは、2つの光源L1,L2の波長分布の差によってカメラ10の撮像分解能として与える誤差がx,y,z座標の分解能以下となる波長分布を云う)のが好適である。光源としては、点光源が望ましいが面光源或いは多数の点光源で構成してもよい。例えば、第1の光源L1や第2の光源L2について、それぞれx,y座標で異なる複数個の光源を第1の光源L1や第2の光源L2として構成したとしても上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルのようにテーブル化する為、計測上の問題が生じない。LEDチップを用いた光源は、小さな面積で、高出力であり、輝度のムラの影響が少ないことから、より好適である。また、LED光源によれば発光時間の調整が容易であり、高速に対応でき、カメラ10の撮像処理の同期も容易である。LED光源は、発光効率もよく省エネルギでもある。 In addition, since the influence by which the reflectance differs when the wavelengths of the two light sources L 1 and L 2 are different cannot be removed by the method based on the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table, the two light sources forming a pair The wavelength distributions of L 1 and L 2 are substantially the same wavelength distribution (the substantially same wavelength distribution is an error given as an imaging resolution of the camera 10 due to a difference between the wavelength distributions of the two light sources L 1 and L 2 . It is preferable that the wavelength distribution is equal to or less than the resolution of the y and z coordinates. As the light source, a point light source is desirable, but a surface light source or a number of point light sources may be used. For example, the first light source L 1 and the second light source L 2, the above pixel even constituted x, a plurality of different light sources in the y-coordinate as the first light source L 1 and the second light source L 2, respectively Since it is tabulated like a separate luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table, no measurement problems occur. A light source using an LED chip is more suitable because it has a small area, high output, and little influence of luminance unevenness. Further, according to the LED light source, it is easy to adjust the light emission time, it is possible to cope with high speed, and the imaging processing of the camera 10 is easily synchronized. The LED light source has high luminous efficiency and energy saving.
また、撮影にあたって輝度分解能を上げるために、第2の光源L2の発光輝度を第1の光源L1の発光輝度よりも高く設定しておき、サチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつ画像が得られるように第1の光源L1及び第2の光源L2の発光輝度やカメラ10の撮像パラメータを設定するのが好適である。このため、カメラ10の撮影時間を変えることや、複数のLEDを用いた光源とした場合にはその数を変えることや、LEDの印加電流を変えることなどの方法が考えられる。また、カメラ10の撮影時間は、物体に近い方の第1の光源L1で撮影した画像がサチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつように決めるとよい。 Further, in order to increase the intensity resolution when shooting, the second light emission luminance of the light source L 2 may be set higher than the first light emission luminance of the light source L 1, an image having a maximum luminance range which does not cause Sachireshon it is preferable to set the imaging parameters of the first light source L 1 and the second light-emitting luminance and the camera 10 of the light source L 2 so as to obtain. For this reason, methods such as changing the shooting time of the camera 10, changing the number of light sources using a plurality of LEDs, and changing the applied current of the LEDs are conceivable. In addition, the shooting time of the camera 10 may be determined so that an image shot with the first light source L1 closer to the object has the highest luminance in a range where no saturation occurs.
本発明は、装置構成を小型化し、コストを低減させることができるため、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行う用途に有用である。 The present invention can reduce the size of the apparatus and reduce the cost, and thus is useful for applications in which object shape measurement is performed in a non-contact and highly accurate manner.
10 カメラ
20 第1の光源L1
30 第2の光源L2
40 基準平板
50 制御ユニット
60 モニタ
70 メモリ
80 基準面ガイド
90 モータ
100 形状計測装置
10 camera 20 first light source L1
30 Second light source L2
40 Reference Plate 50 Control Unit 60 Monitor 70 Memory 80 Reference Surface Guide 90 Motor 100 Shape Measuring Device
Claims (6)
物体を照射するための第1の光源と、
該第1の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第2の光源と、
物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、
前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、
を備えることを特徴とする形状計測装置。 A shape measuring device that measures a three-dimensional shape of an object using a plurality of reference planes constituting a two-dimensional plane,
A first light source for illuminating an object;
A second light source for illuminating an object, which is fixed at a different three-dimensional spatial position from the first light source;
A camera having a plurality of pixels for imaging an object;
When each two-dimensional plane when the reference plate is translated at a predetermined interval in the normal direction of the reference plate in which the coordinates and density of the two-dimensional plane are defined is used as a reference plane in the height direction, For a plurality of reference planes, the first light source is determined from the luminance of each pixel of each image signal obtained by imaging each reference plane irradiated with each of the first light source and the second light source by the camera. And a memory that holds in advance a pixel-by-pixel luminance ratio and a three-dimensional coordinate conversion table for each pixel in which the luminance ratio for each pixel obtained by each of the second light sources is associated with the height of each reference plane;
Each of the first light source and the second light source is determined from the luminance of each pixel of the image signal obtained by imaging the object irradiated with each of the first light source and the second light source by the camera. A control unit for calculating the luminance ratio obtained in step (a) and determining the three-dimensional shape of the object with reference to the pixel-specific luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table from the value of the luminance ratio;
A shape measuring device comprising:
物体を照射するための第1の光源、該第1の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第2の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、
前記制御ユニットの処理手順は、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、
前記カメラによって前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第1の光源及び前記第2の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、
を含むことを特徴とする形状計測方法。 A shape measurement method for measuring a three-dimensional shape of an object using a plurality of reference planes constituting a two-dimensional plane,
A first light source for illuminating the object, a second light source for illuminating the object, which is fixed in a three-dimensional spatial position different from the first light source, and a plurality of pixels for imaging the object A camera and a control unit are provided,
The processing procedure of the control unit is as follows:
When each two-dimensional plane when the reference plate is translated at a predetermined interval in the normal direction of the reference plate in which the coordinates and density of the two-dimensional plane are defined is used as a reference plane in the height direction, For a plurality of reference planes, the first light source is determined from the luminance of each pixel of each image signal obtained by imaging each reference plane irradiated with each of the first light source and the second light source by the camera. And pre-holding, in a memory, a pixel-by-pixel luminance ratio / three-dimensional coordinate conversion table for each pixel in which the luminance ratio for each pixel obtained by each of the second light sources is associated with the height of each reference plane;
Each of the first light source and the second light source is determined from the luminance of each pixel of the image signal obtained by imaging the object irradiated with each of the first light source and the second light source by the camera. Calculating the luminance ratio obtained in step (b), determining the three-dimensional shape of the object by referring to the luminance ratio by pixel and the three-dimensional coordinate conversion table from the value of the luminance ratio;
A shape measuring method comprising:
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