JP2001241928A - Shape measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、使用者が測定ヘッ
ドを自由に動かして被測定物の3次元的形状を測定する
形状測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shape measuring device for measuring a three-dimensional shape of an object by freely moving a measuring head by a user.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、スポット光またはスリット光
を被測定物に照射し、表面に観察される光像の位置から
形状を復元する能動ステレオ型の形状測定装置が知られ
ている。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an active stereo type shape measuring apparatus which irradiates spot light or slit light to an object to be measured and restores a shape from a position of an optical image observed on a surface.
【0003】能動ステレオ型の形状測定装置として、ス
リット光を回転ミラーによって走査させるものがある。
このような走査メカニズムを備えた形状測定装置では、
測定器から観察される被測定物の表面の形状を測定する
ことができるが、被測定物全体の形状を測定することが
できない。As an active stereo shape measuring device, there is one that scans slit light with a rotating mirror.
In a shape measuring device provided with such a scanning mechanism,
Although the shape of the surface of the measured object observed from the measuring instrument can be measured, the shape of the entire measured object cannot be measured.
【0004】これに対して、被測定物全体の形状を測定
するために、回転ステージを使用し、被測定物を360
度の全周囲から観察するようにした能動ステレオ型の形
状測定装置が開発されている。しかしながら、被測定物
が複雑な形状である場合には、回転ステージを用いても
観察できない領域が存在するため、被測定物全体の形状
を測定できない。On the other hand, in order to measure the shape of the whole object to be measured, a rotary stage is used to move the object to be measured in 360.
An active stereo shape measuring device for observing from all around the degree has been developed. However, when the object to be measured has a complicated shape, there is an area that cannot be observed even with the use of the rotary stage, so that the shape of the entire object to be measured cannot be measured.
【0005】そこで、測定者が測定ヘッドを把持し、被
測定物の周りで測定ヘッドを動かして測定を行うことに
より、複雑な形状の被測定物全体の形状を測定できる形
状測定装置が提案されている。In view of the above, there has been proposed a shape measuring apparatus capable of measuring the entire shape of an object having a complicated shape by holding the measuring head and moving the measuring head around the object to perform measurement. ing.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この形
状測定装置においては、測定ヘッドの位置及び姿勢を測
定するために、測定ヘッド上面に配置されたマーカを、
上方から2台のカメラで撮影する必要があるため、測定
ヘッドの位置や姿勢によっては、そのマーカがカメラの
死角に入り、測定できない場合がある。However, in this shape measuring apparatus, in order to measure the position and orientation of the measuring head, a marker arranged on the upper surface of the measuring head is used.
Since it is necessary to take an image with two cameras from above, depending on the position and orientation of the measurement head, the marker may enter the blind spot of the camera and measurement may not be possible.
【0007】そこで、本発明は、測定ヘッドの位置や姿
勢によらず、被測定物の3次元形状を精度良く測定する
ことができる形状測定装置を提供することを目的とす
る。Accordingly, an object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus capable of accurately measuring a three-dimensional shape of an object to be measured irrespective of the position and posture of a measuring head.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の形状測定装置
は、測定者によって自由に移動せしめられ、被測定物を
測定する測定ヘッドと、その測定ヘッドに配置されたマ
ーカと、そのマーカを所定の位置から撮像する測定ヘッ
ド撮像手段と、測定ヘッド及び測定ヘッド撮像手段の出
力に基づいて被測定物の3次元形状を求める演算手段と
を備えた形状測定装置であって、マーカを測定ヘッドの
複数面に配置し、そのマーカの中から測定に使用するマ
ーカを切り替えるマーカ切替手段を備えていることを特
徴とする。A shape measuring apparatus according to the present invention comprises a measuring head which is freely moved by a measurer to measure an object to be measured, a marker disposed on the measuring head, and a predetermined marker. A measuring head imaging means for imaging from a position of the measuring head, and a calculating means for calculating a three-dimensional shape of the object to be measured based on an output of the measuring head and the measuring head imaging means, wherein Marker switching means for arranging on a plurality of surfaces and switching a marker to be used for measurement from the markers is provided.
【0009】このような構成において、測定ヘッドにて
測定された被測定物の座標は、測定ヘッド撮像手段にて
撮像されたマーカの座標に基づいて、予め定められた座
標軸上の座標に変換される。そして、この測定を、被測
定物の複数の個所で行うことにより、被測定物の3次元
形状が得られる。このとき、変換のために使用されるマ
ーカは、測定ヘッドの複数の面に設けられたマーカのう
ち、測定に適した位置、すなわち、測定ヘッド撮像手段
から撮像される位置にあるものが使用される。In such a configuration, the coordinates of the object measured by the measuring head are converted into coordinates on a predetermined coordinate axis based on the coordinates of the marker imaged by the measuring head imaging means. You. Then, by performing this measurement at a plurality of locations on the measured object, a three-dimensional shape of the measured object is obtained. At this time, the marker used for conversion is a marker provided on a plurality of surfaces of the measurement head, which is at a position suitable for measurement, that is, a marker at a position imaged by the measurement head imaging unit. You.
【0010】また、マーカ切替手段は、測定ヘッドの複
数面に配置されたマーカの中から面ごとに測定に使用す
るマーカを切り替えるものである。The marker switching means switches a marker used for measurement for each surface from among markers arranged on a plurality of surfaces of the measuring head.
【0011】このような構成とすることにより、測定に
使用されるマーカは、測定ヘッドの面ごとに切り替えら
れる。With such a configuration, the markers used for measurement are switched for each surface of the measurement head.
【0012】また、測定ヘッドの傾きを検出する傾き検
出手段を備え、その傾き検出手段の検出結果に基づいて
マーカ切替手段が制御される。Further, the apparatus further includes an inclination detecting means for detecting an inclination of the measuring head, and the marker switching means is controlled based on a detection result of the inclination detecting means.
【0013】このような構成とすることにより、測定ヘ
ッドの傾きに応じて測定ヘッド撮像手段にて撮像される
マーカが自動的に求められ、得られたマーカが測定に使
用される。好ましくは、測定ヘッドの複数の面のうち、
測定ヘッド撮像手段に対して、最も垂直に近い面に配置
されたマーカを測定に使用すればよく、たとえば、測定
ヘッド撮像手段が、複数のビデオカメラから構成されて
いる場合には、各ビデオカメラに対する角度の平均が最
も垂直に近くなる面に配置されたマーカを測定に使用す
ればよい。With this configuration, a marker imaged by the measuring head image pickup means is automatically obtained in accordance with the inclination of the measuring head, and the obtained marker is used for measurement. Preferably, among the plurality of surfaces of the measuring head,
For the measurement head imaging means, the marker arranged on the plane closest to the vertical may be used for measurement. For example, when the measurement head imaging means is composed of a plurality of video cameras, each video camera The marker arranged on the plane where the average of the angles with respect to is closest to the vertical may be used for the measurement.
【0014】また、測定ヘッドは、能動的なステレオ計
測方法によって被測定物上の測定点の位置を測定するも
のである。The measuring head measures the position of a measuring point on an object to be measured by an active stereo measuring method.
【0015】また、演算手段は、測定ヘッドの出力を用
いて測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定
点の座標を求めるとともに、撮像手段の出力を用いて得
られるマーカの位置からワールド座標系における測定ヘ
ッドの位置に関する情報を求め、得られた測定ヘッドの
位置に関する情報に基づいて、測定ヘッド中心の座標系
における被測定物上の測定点の座標を、ワールド座標系
の座標に変換することにより、被測定物の3次元形状を
求めるものである。The calculating means obtains the coordinates of the measurement point on the object to be measured in the coordinate system of the center of the measuring head using the output of the measuring head, and obtains the world from the position of the marker obtained using the output of the imaging means. Finds information about the position of the measuring head in the coordinate system, and converts the coordinates of the measuring point on the DUT in the coordinate system of the center of the measuring head into coordinates in the world coordinate system based on the obtained information about the position of the measuring head. By doing so, the three-dimensional shape of the measured object is obtained.
【0016】また、測定ヘッド撮像手段は、測定ヘッド
を撮像するための1または複数のビデオカメラを含むも
のである。[0016] The measuring head imaging means includes one or a plurality of video cameras for imaging the measuring head.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below.
【0018】図1は、本発明の一実施の形態における形
状測定装置の概略構成を示している。FIG. 1 shows a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
【0019】被測定物100は、台201上に載せられ
ている。台201には、支柱202が取り付けられてい
る。支柱202の上部には、水平バー203が取り付け
られている。The device under test 100 is placed on a table 201. The support 201 is attached to the base 201. A horizontal bar 203 is attached to an upper part of the support column 202.
【0020】形状測定装置は、測定者によって自由に移
動せしめられる測定ヘッド10と、水平バー203の両
端部に取り付けられたステレオカメラ21、22と、そ
れらの制御、各種演算等を行うパーソナルコンピュータ
からなる制御装置30とを備えている。各ステレオカメ
ラ21、22の撮像レンズには、図2に示すマーカ14
〜17が放つ光の周波数帯を選択的に透過するバンドパ
スフィルタ23が取り付けられている。The shape measuring apparatus is composed of a measuring head 10 which can be freely moved by a measurer, stereo cameras 21 and 22 attached to both ends of a horizontal bar 203, and a personal computer which controls them and performs various calculations. And a control device 30. The imaging lens of each of the stereo cameras 21 and 22 has a marker 14 shown in FIG.
A band-pass filter 23 for selectively transmitting the frequency band of light emitted by the light-emitting devices 17 to 17 is attached.
【0021】図2及び図3は、測定ヘッド10の概略構
成を示している。FIGS. 2 and 3 show a schematic configuration of the measuring head 10.
【0022】測定ヘッド10は、直方体形状で前方開口
のケーシング11と、ケーシング11内に収納された1
台のCCDカメラ12、スリット光源13及び傾斜角セ
ンサ18と、それらを囲むケーシング11の4面それぞ
れに設けられた6つのLED光源からなるマーカ14〜
17とを備えている。スリット光源13としては、半導
体レーザが用いられている。The measuring head 10 includes a casing 11 having a rectangular parallelepiped shape and having a front opening, and a casing 11 housed in the casing 11.
Markers 14 to 12 comprising a CCD camera 12, a slit light source 13, a tilt angle sensor 18, and six LED light sources provided on each of four surfaces of a casing 11 surrounding them.
17 are provided. As the slit light source 13, a semiconductor laser is used.
【0023】傾斜角センサ18は、測定ヘッド10のケ
ーシング11においてマーカが配置されていない面の中
心Oを通る垂線を軸として、その回転方向における傾き
角を検出するものである。ここでは、ケーシング11に
おいて、マーカ14が配置されている面が水平となる測
定ヘッド10の姿勢を基準に、鉛直方向に対する角度が
検出される。The tilt angle sensor 18 detects the tilt angle in the direction of rotation about a vertical line passing through the center O of the surface of the casing 11 of the measuring head 10 where no marker is disposed. Here, the angle with respect to the vertical direction is detected based on the posture of the measuring head 10 in which the surface on which the marker 14 is arranged is horizontal in the casing 11.
【0024】マーカ14を構成する6つのLED光源1
4a〜14fは、測定ヘッド10の方向を特定するため
に、点対称な配置とせず、測定ヘッド10の中心線に対
し線対称な配置となっている。ここでは、ケーシング1
1の上面にLED光源14b〜14fの5点が長方形を
なすように配置され、それら5点の重心にLED光源1
4aが配置される。また、残りのマーカ15〜17につ
いても同様に、それぞれ6つのLED光源のうちの各5
点が長方形をなすように配置され、それら5点の重心に
残りのLED光源が配置される。Six LED light sources 1 constituting the marker 14
In order to specify the direction of the measuring head 10, the positions 4 a to 14 f are not symmetrical with respect to a point but are symmetrical with respect to the center line of the measuring head 10. Here, the casing 1
5 are arranged on the upper surface of the LED light source 14b to 14f so as to form a rectangle.
4a is arranged. Similarly, for each of the remaining markers 15 to 17, each 5 of the 6 LED light sources is also used.
The points are arranged so as to form a rectangle, and the remaining LED light sources are arranged at the center of gravity of the five points.
【0025】なお、3次元空間中での測定ヘッド10の
位置及び姿勢を測定するためには、マーカとして少なく
とも3個のLED光源があれば十分であるが、4個以上
のLED光源を用いることにより、測定ヘッド10の位
置及び姿勢の測定精度が最小2乗的に向上する。In order to measure the position and orientation of the measuring head 10 in a three-dimensional space, it is sufficient to use at least three LED light sources as markers, but it is necessary to use four or more LED light sources. As a result, the measurement accuracy of the position and orientation of the measuring head 10 is improved in a least square manner.
【0026】図4は、形状測定装置の測定原理を示して
いる。FIG. 4 shows the measurement principle of the shape measuring device.
【0027】測定者によって自由に移動せしめられる測
定ヘッド10を用いてある測定点Aの座標を測定する。
測定された座標を測定ヘッド中心の座標系における座標
(x,y,z)で表す。この座標系は、測定ヘッド10
の移動とともに移動する座標系である。The coordinates of a measurement point A are measured using the measurement head 10 which can be freely moved by a measurer.
The measured coordinates are represented by coordinates (x, y, z) in the coordinate system of the center of the measuring head. This coordinate system corresponds to the measuring head 10
Is a coordinate system that moves with the movement of.
【0028】一方、被測定物100の形状は、固定した
座標系で表され、この座標系をワールド座標と呼ぶ。測
定ヘッド10によって測定された測定点のワールド座標
系における座標を(X,Y,Z)とする。被測定物10
0の形状はワールド座標系で記述する必要があるため、
測定ヘッド10によって測定された測定点Aの測定ヘッ
ド中心の座標系における座標(x,y,z)を、ワール
ド座標系に変換する。この変換は、測定ヘッド10の移
動を表す回転行列Rと並進ベクトルtとを用いて、次の
数式1に基づいて行われる。On the other hand, the shape of the DUT 100 is represented by a fixed coordinate system, and this coordinate system is called world coordinates. The coordinates of the measurement point measured by the measurement head 10 in the world coordinate system are (X, Y, Z). DUT 10
Since the shape of 0 needs to be described in the world coordinate system,
The coordinates (x, y, z) of the measurement point A measured by the measurement head 10 in the coordinate system of the center of the measurement head are converted to the world coordinate system. This conversion is performed using the rotation matrix R representing the movement of the measuring head 10 and the translation vector t based on the following equation 1.
【0029】[0029]
【数1】 (Equation 1)
【0030】したがって、ワールド座標系における測定
ヘッド10の位置及び姿勢を、回転行列Rと並進ベクト
ルtとして求めることで、測定ヘッド中心の座標系にお
ける座標(x,y,z)を、ワールド座標系に変換する
ことができる。Therefore, by obtaining the position and orientation of the measuring head 10 in the world coordinate system as a rotation matrix R and a translation vector t, the coordinates (x, y, z) in the coordinate system of the center of the measuring head can be calculated in the world coordinate system. Can be converted to
【0031】測定ヘッド10を被測定物100の周囲で
移動させながら、上記の処理を行い、その都度得られる
測定点のワールド座標系における座標(X,Y,Z)の
集合として、被測定物100の形状が記述される。The above-described processing is performed while moving the measuring head 10 around the measured object 100, and as a set of coordinates (X, Y, Z) of the measuring points obtained in each case in the world coordinate system, is measured. 100 shapes are described.
【0032】この形状測定装置による形状測定は、次の
ような処理手順によって実行される。The shape measurement by this shape measuring device is executed according to the following processing procedure.
【0033】第1ステップ:測定ヘッド10内に配置さ
れた傾斜角センサ18を用いて、マーカ14〜17の中
から測定に使用するマーカを決定する。First step: A marker to be used for measurement is determined from the markers 14 to 17 using the inclination angle sensor 18 arranged in the measuring head 10.
【0034】第2ステップ:測定ヘッド10を用いて、
測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定点の
座標を求める。Second step: Using the measuring head 10,
The coordinates of the measurement point on the measured object in the coordinate system of the center of the measurement head are obtained.
【0035】第3ステップ:ワールド座標系での測定ヘ
ッド10の位置に関する情報、すなわち、ワールド座標
系での測定ヘッド10の移動を表す回転行列Rと並進ベ
クトルtとを、ステップ1で選択された測定ヘッド10
上のマーカをステレオカメラ21、22によりステレオ
画像計測することにより求める。Third step: Information on the position of the measuring head 10 in the world coordinate system, that is, the rotation matrix R and the translation vector t representing the movement of the measuring head 10 in the world coordinate system are selected in step 1. Measuring head 10
The upper marker is obtained by measuring a stereo image with the stereo cameras 21 and 22.
【0036】第4ステップ:第3ステップで得られた回
転行列Rと並進ベクトルtとに基づいて、第2ステップ
で求めた測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の
測定点の座標を、ワールド座標系の座標に変換する。Fourth step: Based on the rotation matrix R and the translation vector t obtained in the third step, the coordinates of the measuring point on the object to be measured in the coordinate system of the measuring head center obtained in the second step are Convert to world coordinates.
【0037】そして、これら一連のステップを被測定物
の複数の個所で行うことにより、被測定物の形状が測定
される。By performing these series of steps at a plurality of locations on the object to be measured, the shape of the object to be measured is measured.
【0038】以下、これら各ステップについて説明す
る。 〔1〕第1ステップについての説明 図5は、第1ステップの処理順序を示すフローチャート
である。以下に説明する処理は、測定ヘッド10内に配
置された傾斜角センサ18の出力に基づいて、制御装置
30によって行われる。Hereinafter, each of these steps will be described. [1] Description of First Step FIG. 5 is a flowchart showing the processing order of the first step. The processing described below is performed by the control device 30 based on the output of the tilt angle sensor 18 arranged in the measuring head 10.
【0039】第1ステップでは、まず、傾斜角センサ1
8の出力(ステップS01)に基づいて、測定ヘッド1
0の鉛直方向に対する傾斜角度が検出され、得られた傾
斜角度に基づいて点灯させるマーカを決定する。すなわ
ち、傾き角度が45度〜135度の場合はマーカ15が
選択され(ステップS02、S03)、傾き角度が13
5度〜225度の場合はマーカ16が選択され(ステッ
プS04、S05)、傾き角度225度〜315度の場
合はマーカ17が選択され(ステップS06、S0
7)、傾き角度が315度〜45度の場合はマーカ14
が選択される(ステップS08)。そして、選択された
マーカを構成するLED光源に対してのみ、電流が供給
されて、LED光源が点灯する。In the first step, first, the inclination angle sensor 1
8 (step S01), the measuring head 1
A tilt angle with respect to the vertical direction of 0 is detected, and a marker to be turned on is determined based on the obtained tilt angle. That is, when the inclination angle is 45 degrees to 135 degrees, the marker 15 is selected (steps S02 and S03), and the inclination angle is 13 degrees.
When the angle is 5 degrees to 225 degrees, the marker 16 is selected (steps S04 and S05). When the inclination angle is 225 degrees to 315 degrees, the marker 17 is selected (steps S06 and S0).
7) When the inclination angle is 315 degrees to 45 degrees, the marker 14
Is selected (step S08). Then, a current is supplied only to the LED light sources constituting the selected marker, and the LED light sources are turned on.
【0040】これにより、ケーシング11において最も
水平に近い面に配置されたマーカが点灯されることにな
る。このため、点灯されたマーカがその上方に位置する
ステレオカメラ21、22の死角に隠れることがなくな
り、良好なマーカの撮像画像を得ることができる。 〔2〕第2ステップについての説明 図5は、測定ヘッド10による測定点の位置測定方法を
示している。なお、以下では、測定に使用するマーカと
して、マーカ14が選択されている場合について説明す
る。Thus, the marker arranged on the surface closest to the horizontal in the casing 11 is turned on. For this reason, the lit marker is not hidden by the blind spots of the stereo cameras 21 and 22 located above the marker, and a good captured image of the marker can be obtained. [2] Description of Second Step FIG. 5 shows a method of measuring the position of a measuring point by the measuring head 10. Hereinafter, a case will be described in which the marker 14 is selected as a marker used for measurement.
【0041】測定ヘッド中心の座標系とは、CCDカメ
ラ12の光学中心を原点とし、光軸方向をz軸、CCD
カメラ12の水平方向をx軸、CCDカメラ12の垂直
方向をy軸とする座標系である。CCDカメラ12の画
像面Sは、原点から焦点距離fの位置に存在する。つま
り、画像面Sは、x−y平面に平行でかつz=fである
平面である。The coordinate system of the center of the measuring head is such that the optical center of the CCD camera 12 is the origin, the optical axis direction is the z axis, and the CCD
This is a coordinate system in which the horizontal direction of the camera 12 is the x axis and the vertical direction of the CCD camera 12 is the y axis. The image plane S of the CCD camera 12 is located at a focal distance f from the origin. That is, the image plane S is a plane parallel to the xy plane and z = f.
【0042】測定ヘッド10による位置計測方法自体
は、光切断法と呼ばれる公知の測定方法である。被測定
物100の表面上におけるスリット光源13からのスリ
ット光が照射されている線上の所定の点を測定点Aとい
うことにする。The position measuring method itself by the measuring head 10 is a known measuring method called a light section method. A predetermined point on a line on the surface of the DUT 100 on which the slit light from the slit light source 13 is irradiated is referred to as a measurement point A.
【0043】測定点Aの測定ヘッド中心の座標を(x,
y,z)とし、画像面S上での測定点Aに対応する観察
点A’の座標を(xs ,ys ,f)とし、スリット光を
表す平面の方程式をax+by+cz+d=0とする。
観察点A’の座標(xs ,ys ,f)におけるfは、C
CDカメラ12の焦点距離として既知であり、(xs,
ys )は画像面で観察されるスリット光の画素位置から
求められる。Let the coordinates of the center of the measuring head of the measuring point A be (x,
y, z), the coordinates of the observation point A ′ corresponding to the measurement point A on the image plane S are (xs, ys, f), and the equation of the plane representing the slit light is ax + by + cz + d = 0.
F at the coordinates (xs, ys, f) of the observation point A 'is C
Known as the focal length of the CD camera 12, (xs,
ys) is obtained from the pixel position of the slit light observed on the image plane.
【0044】スリット光を表す平面の方程式は測定ヘッ
ド10の校正によって予め求められている。したがっ
て、x,y,z,αを未知数とする次の数式2で表され
る連立方程式を解くことにより、(x,y,z)が求め
られる。The equation of the plane representing the slit light is obtained in advance by calibration of the measuring head 10. Therefore, (x, y, z) is obtained by solving a simultaneous equation represented by the following equation 2 with x, y, z, and α as unknowns.
【0045】[0045]
【数2】 (Equation 2)
【0046】このような処理は、CCDカメラ12の出
力に基づいて、制御装置30によって行われる。 〔3〕第3ステップについての説明 第3ステップでは、まず、第1ステップで決定された測
定に使用されるマーカのワールド座標がステレオカメラ
21、22によって測定される。この位置測定方法は、
ステレオ法としてよく知られているので、その説明を省
略する。マーカ14を構成する各LED光源14a〜1
4fのワールド座標の算出は、ステレオカメラ21、2
2の出力に基づいて、制御装置30によって行われる。Such processing is performed by the control device 30 based on the output of the CCD camera 12. [3] Description of Third Step In the third step, first, the stereo cameras 21 and 22 measure the world coordinates of the marker used for the measurement determined in the first step. This position measurement method
Since it is well known as the stereo method, its description is omitted. Each LED light source 14a-1 constituting the marker 14
The calculation of the world coordinates of 4f is performed by the stereo cameras 21 and 2
2 is performed by the control device 30 based on the output of the control unit 2.
【0047】次に、測定ヘッド10の移動を表す回転行
列Rと並進ベクトルtが求められる。つまり、予め分か
っている各LED光源14a〜14fの測定ヘッド中心
の座標を(xi 、xi ,xi )とする。ただし、iは、
1、2…6である。また、ステレオカメラ21、22に
よって計測された各LED光源14a〜14fのワール
ド座標を(Xi ,Yi ,Zi )とする。測定ヘッド10
の移動を表す回転行列Rと並進ベクトルtは、次の数式
3を満足する行列Rとベクトルtとして求められる。回
転行列Rと並進ベクトルtの算出は、制御装置30によ
って行われる。Next, a rotation matrix R representing the movement of the measuring head 10 and a translation vector t are obtained. That is, the coordinates of the center of the measurement head of each of the LED light sources 14a to 14f which are known in advance are (xi, xi, xi). Where i is
1, 2,... The world coordinates of each of the LED light sources 14a to 14f measured by the stereo cameras 21 and 22 are defined as (Xi, Yi, Zi). Measuring head 10
Is obtained as a matrix R and a vector t satisfying the following equation (3). The calculation of the rotation matrix R and the translation vector t is performed by the control device 30.
【0048】[0048]
【数3】 (Equation 3)
【0049】〔4〕第4ステップについての説明 第3ステップで求められた回転行列Rと並進ベクトルt
と、上記数式1とを用いて、測定ヘッド10によって測
定された測定点の測定ヘッド中心の座標(x,y,z)
が、ワールド座標(X,Y,Z)に変換されることによ
り、測定点のワールド座標が求められる。この座標変換
も制御装置30によって行われる。[4] Description of Fourth Step Rotation matrix R and translation vector t obtained in the third step
And coordinates (x, y, z) of the center of the measurement head at the measurement point measured by the measurement head 10 using Equation 1 above.
Is converted into world coordinates (X, Y, Z), thereby obtaining world coordinates of the measurement point. This coordinate conversion is also performed by the control device 30.
【0050】なお、測定ヘッド10の移動を表す回転行
列Rと並進ベクトルtを求めるためには、マーカ14を
構成するLED光源の必要最低数は3個(3点で平面が
決まる)であるが、精度を高めるために、ここでは6つ
設けられている。In order to obtain the rotation matrix R and the translation vector t representing the movement of the measuring head 10, the required minimum number of LED light sources constituting the marker 14 is three (a plane is determined by three points). In order to increase the accuracy, six are provided here.
【0051】このように、本実施の形態によれば、測定
ヘッド10のケーシング11の複数の面にマーカを配置
して、測定ヘッド10の姿勢に応じて測定に使用すべき
マーカを切り替えるように構成しているため、マーカが
ステレオカメラ21、22の死角に入ることがなくな
る。これにより、測定ヘッド10の位置や姿勢によら
ず、被測定物の3次元形状を得ることができるため、測
定装置自体の精度及び信頼性を向上させることが可能と
なる。As described above, according to the present embodiment, the markers are arranged on a plurality of surfaces of the casing 11 of the measuring head 10 and the markers to be used for the measurement are switched according to the attitude of the measuring head 10. With this configuration, the marker does not enter the blind spot of the stereo cameras 21 and 22. Thereby, the three-dimensional shape of the object to be measured can be obtained regardless of the position and orientation of the measuring head 10, so that the accuracy and reliability of the measuring device itself can be improved.
【0052】また、本実施の形態によれば、測定ヘッド
10のケーシング11の複数の面に設けたマーカを面毎
に切り替えるように制御しているため、測定に使用され
るマーカが同一平面上にあることになる。これにより、
容易にマーカの位置を求めることできるだけでなく、マ
ーカを構成するLED光源の識別も容易に行うことが可
能となる。Further, according to the present embodiment, since the markers provided on the plurality of surfaces of the casing 11 of the measuring head 10 are controlled to be switched for each surface, the markers used for the measurement are on the same plane. It will be in. This allows
Not only can the position of the marker be easily obtained, but also the identification of the LED light source constituting the marker can be easily performed.
【0053】また、本実施の形態においては、傾斜角セ
ンサ18の出力に基づいて自動的に測定に使用するマー
カを切り替えるように制御しているめ、測定者は測定ヘ
ッド10の姿勢を意識することなく自由に測定を行うこ
とができ、これにより使用感を向上させることが可能と
なる。In the present embodiment, the marker used for measurement is controlled to be automatically switched based on the output of the inclination angle sensor 18, so that the measurer is conscious of the posture of the measuring head 10. The measurement can be freely performed without using it, and thus the usability can be improved.
【0054】なお、上記実施の形態では、ワールド座標
系における測定ヘッド10の移動を表す回転ベクトルR
および並進ベクトルtを求めるために、2台のカメラ
(ステレオカメラ)21、22によってマーカを撮像
し、この撮像画像に基づいて各マーカを構成するLED
光源のワールド座標を算出しているが、1台のカメラに
よって各マーカを撮像し、この撮像画像に基づいて各マ
ーカを構成するLED光源のワールド座標を算出するよ
うにしてもよい。In the above embodiment, the rotation vector R representing the movement of the measuring head 10 in the world coordinate system is used.
In order to determine the translation vector t, the markers are imaged by the two cameras (stereo cameras) 21 and 22, and the LEDs constituting each marker are formed based on the captured images.
Although the world coordinates of the light source are calculated, each marker may be imaged by one camera, and the world coordinates of the LED light source constituting each marker may be calculated based on the captured image.
【0055】また、台201上等に所定のパターンを有
するシートを固定しておき、測定ヘッドにこのシートを
撮像するためのカメラを取付け、このカメラの撮像画像
に基づいてワールド座標系における測定ヘッド10の移
動を表す回転ベクトルRおよび並進ベクトルtを求める
ようにしてもよい。Further, a sheet having a predetermined pattern is fixed on a table 201 or the like, and a camera for picking up an image of the sheet is attached to the measuring head. Based on an image picked up by the camera, the measuring head in the world coordinate system is used. A rotation vector R and a translation vector t representing ten movements may be obtained.
【0056】また、測定ヘッド10としては、能動的な
ステレオ計測方法によって被測定物上の測定点の位置を
測定するものであれば、上述した実施の形態と異なるも
のであってもよい。例えば、スリット光源13の代わり
にスポット光源を用いてもよい。また、2台のCCDカ
メラによって測定点の位置(測定ヘッド中心の座標)を
測定するようにしてもよい。The measuring head 10 may be different from the above-described embodiment as long as it measures the position of the measuring point on the object to be measured by an active stereo measuring method. For example, a spot light source may be used instead of the slit light source 13. Alternatively, the position of the measurement point (the coordinates of the center of the measurement head) may be measured by two CCD cameras.
【0057】また、上記実施の形態では、ステレオカメ
ラ21、22が被測定物100の上方に配置されている
場合について説明したが、被測定物100を撮像できる
位置であれば、いずれの位置に配置してもよい。この場
合、被測定物100に対する測定ヘッド10の位置が同
じであっても、ステレオカメラ21、22の位置に応じ
て、点灯されるマーカが異なる。In the above embodiment, the case where the stereo cameras 21 and 22 are arranged above the device under test 100 has been described. It may be arranged. In this case, even if the position of the measurement head 10 with respect to the DUT 100 is the same, the marker that is turned on differs depending on the position of the stereo cameras 21 and 22.
【0058】また、本実施の形態においては、傾斜角セ
ンサ18の出力に基づいて、測定に使用するマーカを決
定したが、傾斜角センサ18の出力に基づく測定ヘッド
10の姿勢だけでなく、測定ヘッド10の凡その位置を
考慮して測定に使用するマーカを決定してもよし、手動
で切り替えるように構成してもよい。In the present embodiment, the marker used for measurement is determined based on the output of the tilt angle sensor 18. However, not only the attitude of the measuring head 10 based on the output of the tilt angle sensor 18 but also the measurement is performed. A marker to be used for measurement may be determined in consideration of the approximate position of the head 10, or the marker may be manually switched.
【0059】また、上記実施の形態においては、測定ヘ
ッド10の5面のうち前方開口を囲む4面にマーカを設
けた場合について説明したが、任意の2以上の面にマー
カを設けるように構成してもよい。Further, in the above-described embodiment, the case has been described where the markers are provided on four surfaces surrounding the front opening out of the five surfaces of the measuring head 10, but the marker is provided on any two or more surfaces. May be.
【0060】[0060]
【発明の効果】本発明によれば、測定ヘッドの複数の面
にマーカを配置して、測定ヘッドの姿勢に応じて測定に
使用すべきマーカを切り替えるように構成しているた
め、マーカが測定ヘッド撮像手段の死角に入ることがな
くなる。これにより、測定ヘッドの位置や姿勢によら
ず、被測定物の3次元形状を得ることができるため、測
定装置自体の精度及び信頼性を向上させることが可能と
なる。According to the present invention, the markers are arranged on a plurality of surfaces of the measuring head, and the marker to be used for the measurement is switched according to the posture of the measuring head. It does not enter the blind spot of the head imaging means. Thus, the three-dimensional shape of the object to be measured can be obtained regardless of the position and the posture of the measuring head, so that the accuracy and reliability of the measuring device itself can be improved.
【図1】 本発明の一実施の形態における形状測定装置
の概略構成を表す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図2】 図1の形状測定装置における測定ヘッドの概
略構成を示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing a schematic configuration of a measuring head in the shape measuring apparatus of FIG.
【図3】 図1の形状測定装置における測定ヘッドの概
略構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of a measuring head in the shape measuring device of FIG. 1;
【図4】 測定原理を説明する説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a measurement principle.
【図5】 第1ステップの処理手順を説明するフローチ
ャートである。FIG. 5 is a flowchart illustrating a processing procedure of a first step.
【図6】 測定ヘッドにより測定点の位置測定方法を説
明する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a method for measuring the position of a measurement point using a measurement head.
10 :測定ヘッド 12 :CCDカメラ 13 :スリット光源 14〜17 :マーカ 18 :傾斜角センサ 21 :ステレオカメラ 22 :ステレオカメラ 10: Measuring head 12: CCD camera 13: Slit light source 14 to 17: Marker 18: Inclination angle sensor 21: Stereo camera 22: Stereo camera
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蚊野 浩 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA04 AA17 AA19 AA37 AA53 BB05 BB29 DD03 FF05 FF07 FF61 FF65 GG06 GG07 GG12 GG16 HH04 HH05 JJ03 JJ05 JJ07 JJ26 LL21 LL28 MM06 QQ21 QQ29 QQ32 QQ38 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Hiroshi Kamosono 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka F-term (reference) in Sanyo Electric Co., Ltd. 2F065 AA04 AA17 AA19 AA37 AA53 BB05 BB29 DD03 FF05 FF07 FF61 FF65 GG06 GG07 GG12 GG16 HH04 HH05 JJ03 JJ05 JJ07 JJ26 LL21 LL28 MM06 QQ21 QQ29 QQ32 QQ38
Claims (6)
被測定物を測定する測定ヘッドと、該測定ヘッドに配置
されたマーカと、該マーカを所定の位置から撮像する測
定ヘッド撮像手段と、前記測定ヘッド及び前記測定ヘッ
ド撮像手段の出力に基づいて前記被測定物の3次元形状
を求める演算手段とを備えた形状測定装置であって、 前記マーカを前記測定ヘッドの複数面に配置し、該マー
カの中から測定に使用するマーカを切り替えるマーカ切
替手段を備えていることを特徴とする形状測定装置。Claims 1. An operator is free to move a subject,
A measuring head for measuring the object to be measured, a marker disposed on the measuring head, a measuring head imaging unit for imaging the marker from a predetermined position, and the measurement head based on outputs from the measuring head and the measurement head imaging unit. Claims: 1. A shape measuring device comprising: a calculating means for obtaining a three-dimensional shape of an object to be measured; a marker switching means for arranging the markers on a plurality of surfaces of the measuring head and switching a marker to be used for measurement from the markers A shape measuring device comprising:
の複数面に配置されたマーカの中から面ごとに測定に使
用するマーカを切り替えるものである請求項1記載の形
状測定装置。2. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the marker switching means switches a marker used for measurement for each surface from markers arranged on a plurality of surfaces of the measuring head.
出手段を備え、該傾き検出手段の検出結果に基づいて前
記マーカ切替手段が制御される請求項1または2記載の
形状測定装置。3. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising an inclination detecting unit that detects an inclination of the measuring head, wherein the marker switching unit is controlled based on a detection result of the inclination detecting unit.
測方法によって被測定物上の測定点の位置を測定するも
のである請求項1ないし3のいずれかに記載の形状測定
装置。4. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein said measuring head measures a position of a measuring point on an object to be measured by an active stereo measuring method.
を用いて測定ヘッド中心の座標系における前記被測定物
上の測定点の座標を求めるとともに、前記撮像手段の出
力を用いて得られる前記マーカの位置からワールド座標
系における前記測定ヘッドの位置に関する情報を求め、
得られた測定ヘッドの位置に関する情報に基づいて、前
記測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定点
の座標を、ワールド座標系の座標に変換することによ
り、前記被測定物の3次元形状を求めるものである請求
項1ないし4のいずれかに記載の形状測定装置。5. The calculation means obtains the coordinates of a measurement point on the object to be measured in a coordinate system of the measurement head center using the output of the measurement head, and obtains the coordinates obtained using the output of the imaging means. Finding information on the position of the measurement head in the world coordinate system from the position of the marker,
Based on the obtained information on the position of the measurement head, the coordinates of the measurement point on the measurement object in the coordinate system of the measurement head center are converted into the coordinates of the world coordinate system, so that the three-dimensional 5. The shape measuring device according to claim 1, wherein the shape is determined.
ッドを撮像するための1または複数のビデオカメラを含
むものである請求項1ないし5のいずれかに記載の形状
測定装置。6. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein said measuring head imaging means includes one or a plurality of video cameras for imaging said measuring head.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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