JP6043974B2 - Three-dimensional position measuring device, three-dimensional measuring device, and three-dimensional position measuring program - Google Patents
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Description
本発明は、三次元空間に配置された複数の発光装置を備えた識別対象物の位置を、発光装置を撮像する複数のカメラによって測定する三次元位置測定装置、それを使用した三次元測定装置、及びそれらに使用される三次元位置測定プログラムに関する。 The present invention relates to a three-dimensional position measuring device that measures the position of an identification object having a plurality of light emitting devices arranged in a three-dimensional space by a plurality of cameras that image the light emitting device, and a three-dimensional measuring device using the same. And a three-dimensional position measurement program used for them.
三次元空間に配置された識別対象物、例えば非接触式又は接触式の測定プローブの三次元座標と姿勢を、複数のカメラで捉えた画像によって測定する三次元測定装置が知られている。この種の三次元測定装置では、識別対象物である測定プローブに、測定プローブが測定する被測定対象を検知する検知装置と、検知装置と位置関係が固定された複数の発光装置とを備え、複数のカメラから取得された画像によって発光装置の撮像方向に直交する水平方向の位置と、鉛直方向の位置とを検出し、複数のカメラの視差によって発光装置の奥行き方向の位置を検出することによって測定プローブの三次元座標位置と姿勢とを算出する(特許文献1)。 There is known a three-dimensional measurement apparatus that measures three-dimensional coordinates and postures of identification objects arranged in a three-dimensional space, for example, non-contact or contact-type measurement probes, using images captured by a plurality of cameras. In this type of three-dimensional measurement apparatus, a measurement probe that is an identification object includes a detection device that detects a measurement target to be measured by the measurement probe, and a plurality of light emitting devices whose positional relationship with the detection device is fixed, By detecting the position in the horizontal direction perpendicular to the imaging direction of the light emitting device and the position in the vertical direction from images acquired from a plurality of cameras, and detecting the position in the depth direction of the light emitting device by the parallax of the plurality of cameras The three-dimensional coordinate position and orientation of the measurement probe are calculated (Patent Document 1).
この様な三次元位置測定装置においては、識別対象物の奥行き方向の位置を複数のカメラの視差によって検出している。従って、被測定対象がカメラから離れるごとに複数のカメラから取得される発光装置の位置が近付いてしまい、測定精度が落ちてしまうという問題があった。また、上述した従来の三次元測定装置では、各発光装置の三次元座標値を復元した上で対象物の位置及び姿勢を算出するようにしているので、全てのカメラから見える発光装置のみが三次元座標値を復元可能であり、識別対象物の位置、姿勢などの自由度が制限されるという問題があった。 In such a three-dimensional position measuring apparatus, the position of the identification target in the depth direction is detected by the parallax of a plurality of cameras. Therefore, every time the object to be measured is moved away from the camera, the positions of the light emitting devices acquired from the plurality of cameras approach each other, and there is a problem that the measurement accuracy is lowered. Further, in the conventional three-dimensional measuring apparatus described above, the position and orientation of the object are calculated after restoring the three-dimensional coordinate values of each light-emitting device, so that only the light-emitting devices visible from all cameras are tertiary. There is a problem that the original coordinate value can be restored, and the degree of freedom of the position and orientation of the identification target is limited.
本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、測定精度を改善すると共に識別対象物の配置自由度が高い三次元測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional measurement apparatus that improves measurement accuracy and has a high degree of freedom in arrangement of identification objects.
本発明に係る三次元位置測定装置は、識別対象物に設けられ相互の位置関係が固定された複数の発光装置と、発光装置を第1方向から撮像して発光装置の前記第1方向と直交する第1の水平方向及び鉛直方向の位置を検出する第1のカメラユニットと、発光装置を第2方向から撮像して第1の方向と平行な第2の水平方向位置を検出する第2のカメラユニットと、検出された発光装置の第1水平方向の位置と予め測定された前記第1のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における第1水平方向の位置との誤差、発光装置の鉛直方向の位置と予め測定された第1のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における鉛直方向の位置との誤差及び発光装置の前記第2水平方向の位置と予め測定された第2のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における第1水平方向の位置との誤差を最小にする発光装置の回転量及び平行移動量を非線形最小二乗法で算出し、算出された発光装置の回転量及び平行移動量から、識別対象物の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出する演算装置とを備えたことを特徴とする。 A three-dimensional position measurement apparatus according to the present invention includes a plurality of light emitting devices that are provided on an identification object and whose positional relationship is fixed, and images the light emitting devices from a first direction and is orthogonal to the first direction of the light emitting device. A first camera unit that detects a position in a first horizontal direction and a vertical direction, and a second that detects a second horizontal position parallel to the first direction by imaging the light emitting device from the second direction. The first horizontal direction at an arbitrary rotation amount and translation amount of the light emitting device converted by the camera unit and the detected first horizontal position of the light emitting device and the projection matrix of the first camera unit measured in advance Error between the vertical position of the light emitting device and the position of the light emitting device in the vertical direction and the arbitrary rotation amount and translation amount of the light emitting device converted by the projection matrix of the first camera unit measured in advance. Light emitting device Light emission that minimizes an error between the position in the second horizontal direction and the position in the first horizontal direction in an arbitrary rotation amount and translation amount of the light emitting device converted by the projection matrix of the second camera unit measured in advance. Calculation that calculates the rotation amount and parallel movement amount of the device by the nonlinear least square method, and calculates the rotation amount and parallel movement amount of the identification object in the three-dimensional space from the calculated rotation amount and translation amount of the light emitting device. And an apparatus.
本発明に係る三次元位置測定装置によれば、第1及び第2の水平方向位置を、視差によってではなくそれぞれ異なるカメラユニットによって取得している為、奥行き方向の測定精度を改善させることが可能である。また、本発明によれば、複数のカメラユニットによって発光装置の三次元座標値を復元するのではなく、それぞれのカメラユニットの射影行列を介して三次元座標から二次元座標に変換された発光装置の位置と、検出された位置情報とを比較する。従って、各発光装置の三次元座標値を復元する場合と異なり、発光装置が一部のカメラによって撮像されなかった場合においても識別対象物の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出することが可能となり、識別対象物の位置、姿勢などの自由度が向上する。 According to the three-dimensional position measurement apparatus according to the present invention, since the first and second horizontal positions are acquired by different camera units, not by parallax, it is possible to improve the measurement accuracy in the depth direction. It is. Further, according to the present invention, the light-emitting device converted from the three-dimensional coordinate to the two-dimensional coordinate via the projection matrix of each camera unit, instead of restoring the three-dimensional coordinate value of the light-emitting device by a plurality of camera units. And the detected position information are compared. Accordingly, unlike the case where the three-dimensional coordinate values of each light emitting device are restored, the rotation amount and the parallel movement amount of the identification object in the three-dimensional space are calculated even when the light emitting device is not captured by some cameras. Thus, the degree of freedom such as the position and posture of the identification object is improved.
また、本発明の一実施形態に係る三次元位置測定装置において、第1のカメラユニットは、第1の保持部に保持された第1のカメラ及び第2のカメラを有し、第2のカメラユニットは、第2の保持部に保持された第3のカメラを有し、第1及び第3のカメラは、発光装置の画像を鉛直方向に集約した水平方向に延びる一次元画像情報を取得し、第2のカメラは、発光装置の画像を水平方向に集約した鉛直方向に延びる一次元画像情報を取得する。 In the three-dimensional position measurement apparatus according to the embodiment of the present invention, the first camera unit includes a first camera and a second camera held by the first holding unit, and the second camera. The unit has a third camera held in the second holding unit, and the first and third cameras acquire one-dimensional image information extending in the horizontal direction, in which the images of the light emitting devices are aggregated in the vertical direction. The second camera obtains one-dimensional image information extending in the vertical direction by collecting the images of the light emitting devices in the horizontal direction.
また、本発明の他の実施形態に係る三次元位置測定装置において、演算装置は、既知の測定位置にあるマーカを予め撮像することによって第1及び第2のカメラユニットの相対的な位置関係を求める。 Further, in the three-dimensional position measurement apparatus according to another embodiment of the present invention, the arithmetic unit may obtain a relative positional relationship between the first and second camera units by previously imaging a marker at a known measurement position. Ask.
また、本発明に係る三次元測定装置は、上述した三次元位置測定装置と、識別対象物である測定プローブとを備え、前記測定プローブは、被測定対象を検知する検知装置を備え、上述した発光装置は、検知装置との位置関係が固定されて測定プローブに設けられていることを特徴とする。 Further, a three-dimensional measurement apparatus according to the present invention includes the above-described three-dimensional position measurement apparatus and a measurement probe that is an identification object, and the measurement probe includes a detection device that detects a measurement target. The light emitting device is characterized in that the positional relationship with the detection device is fixed and provided in the measurement probe.
本発明に係る三次元位置測定プログラムは、識別対象物に設けられ相互の位置関係が固定された複数の発光装置と、発光装置を第1方向から撮像して前記発光装置の第1方向と直交する第1の水平方向及び鉛直方向の位置を検出する第1のカメラユニットと、発光装置を第2方向から撮像して第1の方向と平行な第2の水平方向の位置を検出する第2のカメラユニットと、検出された発光装置の第1の水平方向の位置、鉛直方向の位置及び第2の水平方向の位置に基づいて識別対象物の位置を検出する演算装置とを備えた三次元位置測定装置を用いて識別対象の三次元位置を検出するプログラムであって、検出された発光装置の第1水平方向の位置と予め測定された第1のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における第1水平方向の位置との誤差、発光装置の鉛直方向の位置と予め測定された第1のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における鉛直方向の位置との誤差及び発光装置の第2水平方向の位置と予め測定された第2のカメラユニットの射影行列により変換された発光装置の任意の回転量及び平行移動量における第1水平方向の位置との誤差を最小にする発光装置の回転量及び平行移動量を非線形最小二乗法で算出するステップと、算出された発光装置の回転量及び平行移動量から、識別対象物の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。 The three-dimensional position measurement program according to the present invention includes a plurality of light emitting devices that are provided on an identification object and whose mutual positional relationship is fixed, and images the light emitting devices from a first direction and is orthogonal to the first direction of the light emitting devices. A first camera unit that detects a position in the first horizontal direction and a vertical direction, and a second that detects the position in the second horizontal direction parallel to the first direction by imaging the light emitting device from the second direction. A three-dimensional camera unit and a computing device that detects the position of the identification object based on the first horizontal position, the vertical position, and the second horizontal position of the detected light emitting device. A program for detecting a three-dimensional position of an identification target using a position measuring device, the light emission converted by the first horizontal position of the detected light emitting device and the projection matrix of the first camera unit measured in advance Arbitrary rotation amount of the device And the amount of rotation of the light emitting device and the amount of parallel movement converted by the projection matrix of the first camera unit measured in advance and the vertical position of the light emitting device. The first horizontal at an arbitrary rotation amount and translation amount of the light emitting device converted by the error from the vertical position and the second horizontal position of the light emitting device and the projection matrix of the second camera unit measured in advance. The step of calculating the rotation amount and the parallel movement amount of the light emitting device that minimizes the error with the position of the direction by the nonlinear least square method, and the three-dimensional of the identification object from the calculated rotation amount and the parallel movement amount of the light emitting device And calculating the amount of rotation and the amount of parallel movement in space.
本発明によれば、測定精度を改善すると共に識別対象物の配置自由度が高い三次元測定装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide a three-dimensional measuring apparatus which improves a measurement precision and has high arrangement | positioning freedom degree of an identification target object.
[第1実施形態]
次に、本発明の第1実施形態に係る三次元位置測定装置及びそれを備えた三次元測定装置について詳細に説明する。
[First Embodiment]
Next, the three-dimensional position measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention and the three-dimensional measuring apparatus including the same will be described in detail.
[全体構成]
図1は本実施形態に係る三次元測定装置の斜視図である。本実施形態に係る三次元測定装置は、被測定対象を検知するプローブ1と、プローブ1を撮像し、識別対象物として識別する第1のカメラユニットCU1と、第1のカメラユニットCU1と独立に形成され、第1のカメラユニットCU1と異なる角度からプローブ1を撮像し、識別対象物として識別する第2のカメラユニットCU2と、プローブ1、第1のカメラユニットCU1及び第2のカメラユニットCU2を駆動制御する演算装置7と、入力装置8と出力装置9とを備える。
[overall structure]
FIG. 1 is a perspective view of a three-dimensional measuring apparatus according to this embodiment. The three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment includes a probe 1 that detects a measurement target, a first camera unit CU1 that images the probe 1 and identifies it as an identification object, and is independent of the first camera unit CU1. A second camera unit CU2 that is formed and images the probe 1 from an angle different from that of the first camera unit CU1 and is identified as an identification object, and the probe 1, the first camera unit CU1, and the second camera unit CU2 An arithmetic device 7 for driving control, an input device 8 and an output device 9 are provided.
図2(a)は、上記三次元測定装置の第1及び第2のカメラユニットCU1,CU2の位置関係を示す平面図、図2(b)は同じく正面図である。図示のように、本実施形態では、カメラユニットCU1,CU2が、それらの光軸がほぼ直交する位置関係で配置されている。 FIG. 2A is a plan view showing the positional relationship between the first and second camera units CU1 and CU2 of the three-dimensional measuring apparatus, and FIG. 2B is a front view of the same. As shown in the figure, in this embodiment, the camera units CU1 and CU2 are arranged in a positional relationship in which their optical axes are substantially orthogonal.
プローブ1は、図3に示す通り、被測定対象100を検知する検知装置11と、検知装置11と位置関係が固定された複数の発光装置12とを備える。検知装置11としては接触式のプローブや、非接触式の、例えばレーザプローブ等が適用可能であり、図3においてはレーザプローブを適用した例を示している。本実施形態において、検知装置11は被測定対象100表面にレーザを照射するレーザ照射部111と、被測定対象100表面に照射されたレーザを撮像するレーザ撮像部112とを有する。また、発光装置12としては、例えば図3に示す様な複数のLEDを備えたものが適用可能である。LEDは演算装置7からの指令に応じて一つずつ順番に点灯する。本実施形態に係るレーザプローブは、検知装置11の取り付けられた方向を前面とすると、前面上部、前面下部、両側面、背面上部及び背面下部にそれぞれ数個ずつLEDが配置されて発光装置12を構成している。 As shown in FIG. 3, the probe 1 includes a detection device 11 that detects the measurement target 100 and a plurality of light-emitting devices 12 that are fixed in positional relationship with the detection device 11. As the detection device 11, a contact-type probe or a non-contact type, for example, a laser probe can be applied. FIG. 3 shows an example in which a laser probe is applied. In the present embodiment, the detection apparatus 11 includes a laser irradiation unit 111 that irradiates the surface of the measurement target 100 with a laser, and a laser imaging unit 112 that images the laser irradiated on the surface of the measurement target 100. Further, as the light emitting device 12, for example, a device provided with a plurality of LEDs as shown in FIG. 3 is applicable. The LEDs are turned on one by one in response to a command from the arithmetic unit 7. In the laser probe according to the present embodiment, when the direction in which the detection device 11 is attached is the front surface, several LEDs are arranged on the front upper surface, the lower front surface, both side surfaces, the upper back surface, and the lower back surface, respectively. It is composed.
第1のカメラユニットCU1は、発光装置12をy方向(第1方向)から撮像して発光装置のy方向と直交するx方向(第1の水平方向)の位置を検出する第1の撮像装置2、発光装置12をy方向(第1方向)から撮像して発光装置のy方向と直交するz方向(鉛直方向)の位置を検出する第2の撮像装置3及び第1の撮像装置2と第2の撮像装置3を保持する保持部5を有する。保持部5は、三脚51と三脚51によって支持されるレール状の基体52を有している。基体52上には、基体52の長手方向に第1の撮像装置2及び第3の撮像装置3が、それぞれのレンズを測定空間に向けて、かつ基体52の長手方向に移動可能に配置されている。また、基体52はリニアエンコーダ53を有しており、これによって第1の撮像装置2及び第3の撮像装置3の基体52の長手方向における位置を測定している。 The first camera unit CU1 images the light emitting device 12 from the y direction (first direction) and detects the position in the x direction (first horizontal direction) orthogonal to the y direction of the light emitting device. 2. The second imaging device 3 and the first imaging device 2 that image the light emitting device 12 from the y direction (first direction) and detect the position in the z direction (vertical direction) orthogonal to the y direction of the light emitting device. A holding unit 5 that holds the second imaging device 3 is provided. The holding unit 5 includes a tripod 51 and a rail-shaped base 52 supported by the tripod 51. On the base 52, the first imaging device 2 and the third imaging device 3 are arranged in the longitudinal direction of the base 52 so that the respective lenses are directed toward the measurement space and are movable in the longitudinal direction of the base 52. Yes. In addition, the base 52 has a linear encoder 53, which measures the position of the first imaging device 2 and the third imaging device 3 in the longitudinal direction of the base 52.
撮像装置2及び3はそれぞれカメラ21、31と、カメラ21、31を保持し、基体52上に可動自在に装着される可動台22、32とを有している。カメラ21及び31は可動台22及び32上に水平面内で回転可能に装着されている。また、可動台22及び32は図示しないロータリーエンコーダを有しており、カメラ21及び31の基準位置からの角度を測定している。カメラ21,31の移動、回転は、個別に手動で行うことも可能であるが、電動等の動力により演算装置7からの制御に基づき一括して行うことも可能である。 The imaging devices 2 and 3 have cameras 21 and 31 and movable bases 22 and 32 that hold the cameras 21 and 31 and are movably mounted on a base 52. The cameras 21 and 31 are mounted on the movable bases 22 and 32 so as to be rotatable in a horizontal plane. Moreover, the movable bases 22 and 32 have a rotary encoder (not shown), and measure the angle of the cameras 21 and 31 from the reference position. The movement and rotation of the cameras 21 and 31 can be manually performed individually, but can also be collectively performed based on control from the arithmetic unit 7 by power such as electric power.
第2のカメラユニットCU2は、発光装置12をx方向(第2方向)から撮像してy方向の位置を検出する第3の撮像装置4及び第3の撮像装置4を保持する保持部6を有する。保持部6は、三脚61と三脚61によって支持されるレール状の基体62を有している。基体62上には、基体62の長手方向に第2の撮像装置4が、それぞれのレンズを測定空間に向けて、かつ基体62の長手方向に移動可能に配置されている。また、基体62はリニアエンコーダ63を有しており、これによって第2の撮像装置4の基体62の長手方向における位置を測定している。 The second camera unit CU2 includes a third imaging device 4 that images the light emitting device 12 from the x direction (second direction) and detects a position in the y direction, and a holding unit 6 that holds the third imaging device 4. Have. The holding unit 6 has a tripod 61 and a rail-shaped base body 62 supported by the tripod 61. On the base body 62, the second imaging device 4 is disposed in the longitudinal direction of the base body 62 so that the respective lenses are directed toward the measurement space and are movable in the longitudinal direction of the base body 62. In addition, the base 62 has a linear encoder 63, which measures the position of the base 62 of the second imaging device 4 in the longitudinal direction.
撮像装置4はカメラ41と、41を保持し、基体62上に可動自在に装着される可動台42とを有している。カメラ41は可動台42上に水平面内で回転可能に装着されている。また、可動台42は図示しないロータリーエンコーダを有しており、カメラ41の基準位置からの角度を測定している。カメラ41の移動、回転は、個別に手動で行うことも可能であるが、電動等の動力により演算手段7からの制御に基づいて行うことも可能である。 The imaging device 4 includes a camera 41 and a movable base 42 that holds the 41 and is movably mounted on a base 62. The camera 41 is mounted on the movable table 42 so as to be rotatable in a horizontal plane. The movable base 42 has a rotary encoder (not shown) and measures the angle of the camera 41 from the reference position. The movement and rotation of the camera 41 can be manually performed individually, but can also be performed based on control from the calculation means 7 by power such as electric power.
本実施形態では、第1のカメラ21によってx方向の、第2のカメラ31によってz方向の、第3のカメラ41によってy方向の一次元画像を撮像するのに用いられ、これら3つの一次元画像情報によりプローブ1の三次元座標値が算出されるようになっている。これにより大幅な情報量の削減が可能である。 In this embodiment, the first camera 21 is used to capture a one-dimensional image in the x direction, the second camera 31 is in the z direction, and the third camera 41 is in the y direction. The three-dimensional coordinate value of the probe 1 is calculated from the image information. This can greatly reduce the amount of information.
図4は、本実施形態に係る画像測定装置における第1のカメラ21の内部構造の一例を表す図である。なお、図4(a)は平面図、(b)は側面図を示している。カメラ21はアナモルフィックレンズ211及びラインCCD(以下、LCCD)センサ212を有している。アナモルフィックレンズ211は、シリンドリカル面C1〜C5を有し、被測定対象の画像を鉛直方向に集約する。鉛直方向に集約された被測定対象の画像はLCCDセンサ212の受光部において、水平方向に延びる一次元画像情報として取得される。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the internal structure of the first camera 21 in the image measurement apparatus according to the present embodiment. 4A is a plan view and FIG. 4B is a side view. The camera 21 has an anamorphic lens 211 and a line CCD (hereinafter, LCCD) sensor 212. The anamorphic lens 211 has cylindrical surfaces C1 to C5 and collects images to be measured in the vertical direction. The images of the measurement target collected in the vertical direction are acquired as one-dimensional image information extending in the horizontal direction by the light receiving unit of the LCCD sensor 212.
なお、第3のカメラ41も同様の構成であるが、第2のカメラ31は被測定対象の画像を水平方向に集約し、鉛直方向に延びる一次元画像情報を取得するように、光学系(アナモルフィックレンズ211及びLCCDセンサ212)が、光軸を中心として90°回転させた状態で配置されている。 The third camera 41 has the same configuration, but the second camera 31 collects the images to be measured in the horizontal direction and acquires one-dimensional image information extending in the vertical direction (optical system ( An anamorphic lens 211 and an LCCD sensor 212) are arranged in a state of being rotated by 90 ° about the optical axis.
[三次元位置測定方法]
次に、本発明の第1実施形態に係る三次元測定装置の三次元位置測定方法について、比較例と対比して説明する。図5は、比較例に係る三次元位置測定方法を示すための概略図であり、図5(a)は平面図を、(b)は側面図を示している。比較例に係る三次元位置測定方法においては、カメラ20及び40によってLEDのx方向位置を検出し、カメラ30によってLEDのz方向位置を検出し、LEDのy方向位置はカメラ20及びカメラ40によって検出されたLEDのx方向位置の差、カメラ20及びカメラ30の距離、撮像方向等に基づいた演算処理によって検出していた。従って、LEDがカメラ20及びカメラ40から遠ざかるとカメラ20及びカメラ40で検出されるLEDのx方向位置が近付き、カメラ20及びカメラ40の解像度がx方向位置の差に対して無視できない領域に近づき、測定精度の劣化を招いてしまう。
[Three-dimensional position measurement method]
Next, a three-dimensional position measurement method of the three-dimensional measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described in comparison with a comparative example. 5A and 5B are schematic diagrams for illustrating a three-dimensional position measurement method according to a comparative example. FIG. 5A shows a plan view and FIG. 5B shows a side view. In the three-dimensional position measurement method according to the comparative example, the x-direction position of the LED is detected by the cameras 20 and 40, the z-direction position of the LED is detected by the camera 30, and the y-direction position of the LED is detected by the camera 20 and the camera 40. The detection is performed by calculation processing based on the difference in the x-direction position of the detected LED, the distance between the camera 20 and the camera 30, the imaging direction, and the like. Therefore, when the LED moves away from the camera 20 and the camera 40, the x-direction position of the LED detected by the camera 20 and the camera 40 approaches, and the resolution of the camera 20 and the camera 40 approaches a region that cannot be ignored with respect to the difference in the x-direction position. The measurement accuracy will be degraded.
図6は、本実施形態に係る三次元位置測定方法を示すための概略図であり、図6(a)は平面図を、(b)は側面図を示している。本実施形態においては、第1のカメラ21によってLEDのx方向位置を、第3のカメラ41によってLEDのy方向位置を、第2のカメラ31によってLEDのz方向位置を検出する。即ち、比較例と異なり、y方向の位置を直接撮像によって求める。この様な方法によれば、カメラ41の解像度が問題となることは無く、y方向の測定精度が飛躍的に改善される。尚、第1のカメラ21の撮像方向及び第2のカメラ41の撮像方向がなす角度θは90°に設定された時に最も高精度な測定が可能である。 6A and 6B are schematic diagrams for illustrating the three-dimensional position measurement method according to the present embodiment, in which FIG. 6A shows a plan view and FIG. 6B shows a side view. In the present embodiment, the first camera 21 detects the x-direction position of the LED, the third camera 41 detects the y-direction position of the LED, and the second camera 31 detects the z-direction position of the LED. That is, unlike the comparative example, the position in the y direction is obtained by direct imaging. According to such a method, the resolution of the camera 41 does not become a problem, and the measurement accuracy in the y direction is dramatically improved. Note that the most accurate measurement is possible when the angle θ formed by the imaging direction of the first camera 21 and the imaging direction of the second camera 41 is set to 90 °.
[キャリブレーション]
次に、本実施形態に係る三次元測定装置のキャリブレーションの方法について説明する。本実施形態に係る三次元測定装置においては、測定に先立って予めキャリブレーションを行い、カメラ21〜41の位置関係やレンズパラメータ等に応じて各カメラ21〜41の射影行列Pの取得・校正を行う。
[Calibration]
Next, a calibration method for the coordinate measuring apparatus according to the present embodiment will be described. In the three-dimensional measuring apparatus according to this embodiment, calibration is performed in advance prior to measurement, and the projection matrix P of each camera 21 to 41 is acquired and calibrated according to the positional relationship of the cameras 21 to 41, lens parameters, and the like. Do.
射影行列Pの取得・校正は、以下のように行う。即ち、例えば図7に示す様な複数のLEDを有するマーカ101を既知の位置に既知の姿勢で設置してLEDを順次発光させ、カメラ21〜41によってLEDの位置を検出する。次に、演算装置7によって以下の計算を行う。まず、カメラ21〜41によって取得された平面画像の水平方向をu、垂直方向をv、LEDの三次元座標を(X,Y,Z)とすると、数1〜数4が成り立つ。
演算装置7は、歪みパラメータをk、歪みパラメータkの初期値をk=0、画像中心をkcx,kcyとして、数5及び数6によって表される評価関数Cが最小となる様な射影行列P、歪みパラメータk及び画像中心kcx、kcyを非線形最適化によって求める。
次に、数1中、A,R,Tを、下記数7〜数9によって表し、数1にA,R,Tを代入してカメラ21〜41のR及びTを算出する。
Next, in Equation 1, A, R, and T are represented by the following Equations 7 to 9, and R and T of the cameras 21 to 41 are calculated by substituting A, R, and T into Equation 1.
[三次元位置測定プログラム]
次に、本発明の第1実施形態に係る三次元位置測定プログラムについて説明する。本実施形態に係る三次元位置測定プログラムは、第1のカメラ21によって取得された発光装置12のx方向の位置と、第1のカメラ21の射影行列Pにより変換された発光装置12の任意の回転量及び平行移動量におけるx方向の位置との誤差、第2のカメラ31によって取得された発光装置12のz方向の位置と第2のカメラ31の射影行列Pにより変換された発光装置12の任意の回転量及び平行移動量におけるz方向の位置との誤差及び第3のカメラ41によって取得された発光装置12のy方向の位置と第3のカメラの射影行列Pにより変換された発光装置12の任意の回転量及び平行移動量におけるy方向の位置との誤差を最小にする発光装置12の回転量及び平行移動量を非線形最小二乗法で算出するステップと、算出された発光装置12の回転量及び平行移動量から、測定プローブ1の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出するステップとを演算装置7に実行させる。
[Three-dimensional position measurement program]
Next, the three-dimensional position measurement program according to the first embodiment of the present invention will be described. The three-dimensional position measurement program according to the present embodiment is an arbitrary program of the light emitting device 12 converted by the position of the light emitting device 12 in the x direction acquired by the first camera 21 and the projection matrix P of the first camera 21. The difference between the rotation amount and the translation amount with respect to the position in the x direction, the position in the z direction of the light emitting device 12 acquired by the second camera 31 and the projection matrix P of the second camera 31 of the light emitting device 12 converted. The light emitting device 12 converted by the error with respect to the position in the z direction at an arbitrary amount of rotation and translation, the position in the y direction of the light emitting device 12 acquired by the third camera 41 and the projection matrix P of the third camera. Calculating a rotation amount and a parallel movement amount of the light emitting device 12 to minimize an error from a position in the y direction in an arbitrary rotation amount and a parallel movement amount of The rotation amount and translation amount of the optical device 12, and a step of calculating the amount of rotation and translation of the three-dimensional space of the measuring probe 1 to the arithmetic unit 7.
図8は本実施形態に係る三次元位置測定プログラムの構成を示すブロック図、図9は動作を示すフローチャートである。本発明に係る三次元位置測定プログラムは、演算装置7及び演算装置7に接続された記憶装置10によって、以下の機能を実現する。即ち、ステップS1において、LED指定部71は発光装置12の有する複数のLEDのうちの一つを指定して発光させ、カメラ21〜41は、LEDから照射された光を撮像して画像S(n)(LED位置)を出力する。ステップS2において、仮想プローブ位置初期値算出部72は、カメラ21〜41から出力された画像S(n)(LED位置)からプローブ1の位置を概算し、仮想プローブ位置初期値Ri,Tiとして出力する。ステップS3において、仮想プローブ位置検出部74は、LED指定部71から指定されたLEDの基準位置における座標Model(n)を、仮想プローブ位置初期値算出部72から仮想プローブ位置初期値Ri,Tiを、設定部73から射影行列Pを入力し、仮想プローブ位置R,Tを算出する。ステップS4において、ワーク位置検出部75は仮想プローブ位置R,Tを入力し、ワーク位置を検出して出力装置9に出力する。 FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the three-dimensional position measurement program according to this embodiment, and FIG. 9 is a flowchart showing the operation. The three-dimensional position measurement program according to the present invention realizes the following functions by the arithmetic device 7 and the storage device 10 connected to the arithmetic device 7. That is, in step S1, the LED designating unit 71 designates one of the plurality of LEDs included in the light emitting device 12 to emit light, and the cameras 21 to 41 capture the light emitted from the LEDs and capture the image S ( n) (LED position) is output. In step S2, the virtual probe position initial value calculation unit 72 estimates the position of the probe 1 from the images S (n) (LED positions) output from the cameras 21 to 41, and outputs them as virtual probe position initial values Ri and Ti. To do. In step S3, the virtual probe position detection unit 74 obtains the coordinate Model (n) at the reference position of the LED designated from the LED designation unit 71, and the virtual probe position initial values Ri and Ti from the virtual probe position initial value calculation unit 72. The projection matrix P is input from the setting unit 73, and the virtual probe positions R and T are calculated. In step S <b> 4, the work position detection unit 75 receives the virtual probe positions R and T, detects the work position, and outputs the work position to the output device 9.
次に、本実施形態に係る三次元位置測定プログラムの各ステップについて詳細に説明する。ステップS1においてLED指定部71は、発光装置12の有する複数のLEDのうちの一つを指定して発光させる。本実施形態では発光装置12がN個のLEDを有するが、LED指定部71は、N個中n番目のLEDのみを指定して順次発光させる。また、N個のLEDにはそれぞれ基準値からの位置座標Model(1)〜Model(N)が割り振られており、指定されたn番目のLEDに対応した位置座標Model(n)が順次出力される。 Next, each step of the three-dimensional position measurement program according to the present embodiment will be described in detail. In step S1, the LED designating unit 71 designates one of the plurality of LEDs of the light emitting device 12 to emit light. In the present embodiment, the light emitting device 12 has N LEDs, but the LED designating unit 71 designates only the nth LED out of N and sequentially emits light. Further, the position coordinates Model (1) to Model (N) from the reference value are allocated to the N LEDs, respectively, and the position coordinates Model (n) corresponding to the designated nth LED are sequentially output. The
ステップS2において、仮想プローブ位置初期値算出部72は、カメラ21〜41から出力された画像S(n)(LED位置)からプローブ1の位置を概算し、仮想プローブ位置初期値Ri,Tiとして出力する。尚、仮想プローブ位置初期値は、プローブ1の初期値からの回転(姿勢)を示す回転量Rの概算値Riと、プローブ1の初期値からの平行移動量を示す移動量Tの概算値Tiとによって表される。 In step S2, the virtual probe position initial value calculation unit 72 estimates the position of the probe 1 from the images S (n) (LED positions) output from the cameras 21 to 41, and outputs them as virtual probe position initial values Ri and Ti. To do. Note that the virtual probe position initial value is an approximate value Ri of the rotation amount R indicating the rotation (posture) from the initial value of the probe 1 and an approximate value Ti of the movement amount T indicating the parallel movement amount from the initial value of the probe 1. And is represented by
仮想プローブ位置初期値Ri,Tiの概算には種々の方法が適用可能であるが、本実施形態においては、取得された一部のLEDの位置座標について重心を計算して回転量初期値Riを、取得された全てのLEDの位置座標について重心を計算して移動量初期値Tiを算出する。例えば、発光装置12の前面上部、前面下部、背面上部及び背面下部にそれぞれ配置されたLEDや、両側面にそれぞれ配置されたLEDの重心位置に基づいて回転量初期値Riを算出し、取得された全てのLEDの重心位置を移動量初期値Tiとすることが考えられる。 Various methods can be applied to approximate the virtual probe position initial values Ri and Ti. In this embodiment, the center of gravity is calculated for the obtained position coordinates of some LEDs, and the rotation amount initial value Ri is calculated. Then, the center of gravity is calculated for all the obtained position coordinates of the LEDs, and the movement amount initial value Ti is calculated. For example, the rotation amount initial value Ri is calculated and acquired based on the LEDs arranged on the front upper part, the lower front part, the rear upper part and the lower rear part of the light emitting device 12, and the center of gravity positions of the LEDs arranged on both side faces. It is conceivable that the center-of-gravity positions of all LEDs are set to the movement amount initial value Ti.
次に、ステップS3における仮想プローブ位置検出部74の動作について説明する。図10は、仮想プローブ位置検出部74の構成を示すブロック図である。回転&移動部741は、仮想プローブ位置初期値Ri,Tiに基づいて座標Model(n)を回転させ、平行移動させて三次元仮想LED位置(n)として出力する。補正&二次元化部742は、射影行列Pに基づいて三次元仮想LED位置(n)を、カメラ21〜41によって撮像した場合に得られるであろう二次元座標を、二次元仮想LED位置(n)として出力する。比較部743は、画像S(n)(LED位置)と二次元仮想LED位置(n)とを比較して、LED位置誤差E(n)を出力する。二乗&積算部744は、LED位置誤差E(n)を自乗し、得られたLED位置誤差E(n)の自乗値を積算して、プローブ位置誤差E(R,T)として出力する。仮想プローブ位置調整部745は、プローブ位置誤差E(R,T)が最小値となるように仮想プローブ位置R,Tを調整して出力する。 Next, the operation of the virtual probe position detection unit 74 in step S3 will be described. FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of the virtual probe position detection unit 74. The rotation & movement unit 741 rotates the coordinate Model (n) based on the virtual probe position initial values Ri and Ti, translates it, and outputs it as a three-dimensional virtual LED position (n). The correction & two-dimensionalization unit 742 converts the two-dimensional coordinates that will be obtained when the three-dimensional virtual LED position (n) is imaged by the cameras 21 to 41 based on the projection matrix P into the two-dimensional virtual LED position ( n). The comparison unit 743 compares the image S (n) (LED position) with the two-dimensional virtual LED position (n) and outputs an LED position error E (n). The square & integration unit 744 squares the LED position error E (n), integrates the square value of the obtained LED position error E (n), and outputs the result as a probe position error E (R, T). The virtual probe position adjustment unit 745 adjusts and outputs the virtual probe positions R and T so that the probe position error E (R, T) becomes the minimum value.
プローブ位置誤差E(R,T)は、数10によって表す事が可能である。
尚、数10において、N1〜N3はそれぞれカメラ21〜41によって取得されたLED位置座標の数を、S1i〜S3iはそれぞれカメラ21〜41によって取得された画像S(i)(LED位置)を、P1〜P3は、それぞれカメラ21〜41の射影行列Pを表している。尚、仮想プローブ位置R,Tの調整方法としては種々の方法が適用可能であるが、本実施形態においては、非線形最小二乗法を用いている。 In Equation 10, N1 to N3 are the numbers of LED position coordinates acquired by the cameras 21 to 41, respectively, and S1i to S3i are images S (i) (LED positions) acquired by the cameras 21 to 41, respectively. P1 to P3 represent projection matrices P of the cameras 21 to 41, respectively. Various methods can be applied as the method of adjusting the virtual probe positions R and T, but in this embodiment, the nonlinear least square method is used.
ステップS4において、ワーク位置検出部75は仮想プローブ位置R,Tを入力し、ワーク位置を検出して出力装置9に出力する。ワーク位置の検出は、例えば検知装置11が接触式のプローブである場合には仮想プローブ位置R,Tの基準位置とスタイラス等の位置関係によって算出可能であり、非接触式のレーザプローブ等であった場合には検出されたワーク表面の座標データ等を仮想プローブ位置R,Tに基づいて移動させればよい。 In step S <b> 4, the work position detection unit 75 receives the virtual probe positions R and T, detects the work position, and outputs the work position to the output device 9. For example, when the detection device 11 is a contact-type probe, the workpiece position can be calculated based on the positional relationship between the reference positions of the virtual probe positions R and T and the stylus, and is not a non-contact type laser probe. In such a case, the detected coordinate data of the workpiece surface may be moved based on the virtual probe positions R and T.
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る三次元測定装置について詳細に説明する。第1実施形態においては、カメラ21〜カメラ41によって、それぞれ一次元画像を撮像していたが、当然二次元画像を撮像するカメラを適用することも可能である。図11は、本実施形態に係る三次元測定装置の構成を示す斜視図である。本実施形態に係る三次元測定装置は基本的には第1の実施形態に係る三次元測定装置と同様に構成されているが、本実施形態に係る三次元測定装置は、発光装置12のx方向及びz方向の位置を検出する第1のカメラ21’と、発光装置12のy方向及びz方向の位置を検出する第2のカメラ31’とを備えている。この様な構成によっても、第1の実施形態と同様の測定精度で発光装置12のy方向位置を検出することが可能である。尚、第1の実施形態においてはプローブ位置誤差E(R,T)は、数1によって表されていたが、本実施形態においては、数11のように表す事が可能である。
Next, the three-dimensional measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described in detail. In the first embodiment, the cameras 21 to 41 each capture a one-dimensional image, but it is naturally possible to apply a camera that captures a two-dimensional image. FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the three-dimensional measuring apparatus according to this embodiment. The three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment is basically configured in the same manner as the three-dimensional measuring apparatus according to the first embodiment, but the three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment is an x of the light emitting device 12. The first camera 21 ′ for detecting the position in the direction and the z direction, and the second camera 31 ′ for detecting the position in the y direction and the z direction of the light emitting device 12 are provided. Even with such a configuration, it is possible to detect the y-direction position of the light-emitting device 12 with the same measurement accuracy as in the first embodiment. In the first embodiment, the probe position error E (R, T) is expressed by Equation 1, but in the present embodiment, it can be expressed by Equation 11.
[その他の実施形態]
上記第1及び第2の実施形態においては、カメラユニットCU1及びCU2を独立に構成していたが、例えば基体52をL字型に形成すれば、一体形成することも可能であるし、カメラ21〜41を、例えば測定室の壁に固定することも可能である。また、リニアエンコーダ53、63や、可動台22〜42のロータリーエンコーダ等は当然省略可能である。
[Other Embodiments]
In the first and second embodiments, the camera units CU1 and CU2 are configured independently. However, for example, if the base 52 is formed in an L shape, the camera units CU1 and CU2 can be integrally formed. It is also possible to fix -41 to the wall of a measurement chamber, for example. Of course, the linear encoders 53 and 63 and the rotary encoders of the movable bases 22 to 42 can be omitted.
1…プローブ、2…第1の撮像装置、3…第2の撮像装置、4…第3の撮像装置、5、6…保持部、7…演算装置、8…入力装置、9…出力装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe, 2 ... 1st imaging device, 3 ... 2nd imaging device, 4 ... 3rd imaging device, 5, 6 ... Holding part, 7 ... Arithmetic device, 8 ... Input device, 9 ... Output device.
Claims (5)
前記発光装置を第1方向から撮像して前記発光装置の前記第1方向と直交する第1水平方向の位置を示す第1画像情報、及び、前記発光装置の鉛直方向の位置を示す第2画像情報を取得する第1のカメラユニットと、
前記発光装置を第2方向から撮像して前記第1方向と平行な第2水平方向の位置を示す第3画像情報を取得する第2のカメラユニットと、
前記第1画像情報における前記発光装置の前記第1水平方向の位置と予め測定された前記第1のカメラユニットの射影行列により変換された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記第1水平方向の位置との誤差、前記第2画像情報における前記発光装置の前記鉛直方向の位置と予め測定された前記第1のカメラユニットの射影行列により変換された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記鉛直方向の位置との誤差、及び、前記第3画像情報における前記発光装置の前記第2水平方向の位置と予め測定された前記第2のカメラユニットの射影行列により変換された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記第2水平方向の位置との誤差を最小にする前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量を非線形最小二乗法で算出し、算出された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量から、前記識別対象物の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出する演算装置と
を備えたことを特徴とする三次元位置測定装置。 A plurality of light emitting devices which are provided on the identification object and whose positional relationship is fixed;
The light emitting device of the first horizontal direction first image information indicating the position of which is perpendicular to the first direction of the light emitting device and the imaging from the first direction, and a second indicating the vertical position of the light emitting device A first camera unit for obtaining image information ;
A second camera unit for acquiring third image information by imaging the light-emitting device from the second direction indicates the position of the first way direction parallel to the second horizontal direction,
In the virtual rotation amount and the parallel movement amount of the identification object converted by the first horizontal position of the light emitting device in the first image information and the projection matrix of the first camera unit measured in advance. error, the converted by projection matrix of the previously measured and the vertical position of the first camera unit the identification of the light emitting device in the second image information of the first horizontal position of the light emitting device error between the vertical position of the light emitting device in a virtual rotation amount and translation of the object, and, measured in advance and the second horizontal position of the light emitting device in the third image information erroneous between the position of the second horizontal direction of the light emitting device in a virtual rotation amount and translation amount of converted the identified object by projection matrix of the second camera unit The virtual rotation amount and translation of virtual rotation amount and translation amount calculated by a nonlinear least-squares method, the identification object is calculated of the identification object to minimize the identification object A three-dimensional position measuring apparatus comprising: an arithmetic unit that calculates a rotation amount and a parallel movement amount in a three-dimensional space.
前記第2のカメラユニットは、第2の保持部に保持された第3のカメラを有し、
前記第1及び第3のカメラは、前記発光装置の画像を鉛直方向に集約した水平方向に延びる一次元画像情報を取得し、
前記第2のカメラは、前記発光装置の画像を水平方向に集約した鉛直方向に延びる一次元画像情報を取得する
ことを特徴とする請求項1記載の三次元位置測定装置。 The first camera unit includes a first camera and a second camera held by a first holding unit,
The second camera unit has a third camera held by a second holding unit,
The first and third cameras acquire one-dimensional image information extending in the horizontal direction, in which the images of the light emitting devices are aggregated in the vertical direction,
The three-dimensional position measuring apparatus according to claim 1, wherein the second camera acquires one-dimensional image information extending in a vertical direction in which images of the light emitting device are aggregated in a horizontal direction.
前記識別対象物である測定プローブとを備え、
前記測定プローブは、被測定対象を検知する検知装置を備え、
前記発光装置は、前記検知装置との位置関係が固定されて前記測定プローブに設けられている
ことを特徴とする三次元測定装置。 The three-dimensional position measuring device according to any one of claims 1 to 3,
A measurement probe that is the identification object,
The measurement probe includes a detection device that detects a measurement target;
The light emitting device is provided in the measurement probe with a positional relationship with the detection device being fixed. The three-dimensional measuring device.
前記第1画像情報における前記発光装置の前記第1水平方向の位置と予め測定された前記第1のカメラユニットの射影行列により変換された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記第1水平方向の位置との誤差、前記第2画像情報における前記発光装置の前記鉛直方向の位置と予め測定された前記第1のカメラユニットの射影行列により変換された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記鉛直方向の位置との誤差、及び、前記第3画像情報における前記発光装置の前記第2水平方向の位置と予め測定された前記第2のカメラユニットの射影行列により変換された識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量における前記発光装置の前記第2水平方向の位置との誤差を最小にする前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量を非線形最小二乗法で算出するステップと、
算出された前記識別対象物の仮想的な回転量及び平行移動量から、前記識別対象物の三次元空間上の回転量及び平行移動量を算出するステップと
をコンピュータに実行させる三次元位置測定プログラム。 A plurality of light emitting devices positional relationship of mutual is fixed provided on the identification object, the first horizontal direction position orthogonal to the first direction of the light emitting device by imaging the light-emitting device from a first direction parallel first image information, and a first camera unit for acquiring second image information indicating the vertical position of the light emitting device, the light emitting device and said first hand direction by capturing the second direction it indicated a second camera unit for acquiring third image information indicating a second horizontal direction position, the first image information indicating the position of the first horizontal direction before Symbol emitting device, the position of the vertical direction the second image information representing, and the identification by using the three-dimensional position measuring device and an arithmetic device for detecting the position of the third image the identification object based on the information indicating the second horizontal direction position A program for detecting a three-dimensional position of an object,
In the virtual rotation amount and the parallel movement amount of the identification object converted by the first horizontal position of the light emitting device in the first image information and the projection matrix of the first camera unit measured in advance. error, the converted by projection matrix of the previously measured and the vertical position of the first camera unit the identification of the light emitting device in the second image information of the first horizontal position of the light emitting device error between the vertical position of the light emitting device in a virtual rotation amount and translation of the object, and, measured in advance and the second horizontal position of the light emitting device in the third image information an error between the position of the second horizontal direction of the light emitting device in a virtual rotation amount and translation amount of the converted identification object by projection matrix of the second camera unit Calculating a virtual rotation amount and translation of the identification object of the small non-linear least-squares method,
A three-dimensional position measurement program that causes a computer to execute a step of calculating a rotation amount and a parallel movement amount of the identification object in a three-dimensional space from the calculated virtual rotation amount and translation amount of the identification object. .
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