JPH06105166B2 - ビーム中心位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は三次元物体にスリット光を投光し、物体面に生
じた輝線をテレビカメラで撮像して物体面までの距離を
計測する三次元物体計測装置に係り、特に計測物体によ
りスリット光が分割されてしまう場合でも、その中心位
置を求めることができるビーム中心位置検出装置に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に、工場における検査工程や組み立てロボットに使
用される視覚機能としては、三次元の認識能力が必要と
されるが、従来行われていた輝度画像情報から物体認識
を行う方式では十分でないのが実情である。そのため、
輝度画像情報だけでなく物体までの距離情報を求めるこ
とによって物体の認識や抽出を容易にする試みが盛んに
行われるようになってきている。

第15図（イ）はこのような従来の三次元物体計測装置の
構成を示す図、同図（ロ）は輝線を示す図であり、図
中、１はテレビカメラ、３は投光器、５は計測面、７は
スリット光である。

図において、テレビカメラ１と投光器３は間隔ｌで所定
位置に配置されているものとし、投光器３は計測面を単
位角度ずつ角度を変え視野範囲P1〜P2に渡ってスリット
光７を投光する。テレビカメラ１は視野範囲を撮像可能
で、スリット光による輝線を撮像して図示しないモニタ
上に表示する。

このような構成において、まずテレビカメラにより物体
面を走査して通常の輝度画像情報が得られる。次に、投
光器３を所定ステップ数だけスキャンし、その結果第15
図（ロ）のような輝線画像が得られる。今測面５の位置
Pxにおける輝線を観測したとする。投光器３の単位ステ
ップにおける角度は既知であるので、これとステップ数
とから投光器３の角度αが分かり、また観測された輝線
の位置から輝線のテレビカメラへの入射角度βも分かる
ので、投光器とテレビカメラ間の距離ｌとにより三角法
でテレビカメラから計測位置までの距離を算出すること
ができる。

こうして、輝度画像情報と共に、距離情報を求めること
が可能となる。

ところで、テレビカメラで輝線を観測する場合、スリッ
ト光には幅があるので、輝線の中心位置を正確に求める
必要があり、この方法として、従来、輝線の輝度分布よ
り中心位置を求める方法、輝線の２値化像の中心位置を
求める方法、輝線の２値化像の幅をあらかじめ実測して
仮定しておき、輝線の２値化像の左右エッジを求めて中
心値を概算して求める方法等が行われている。

これらの方法について第16図を参照して説明する。

第16図（イ）は輝線の分割が生じないような平面にレー
ザー光を照射した状態においてTVカメラで撮像した画像
の１次元プロファイルを示す図で、横軸に画素数、縦軸
に輝度をとったものである。

第16図（ロ）は輝線の輝度分布より中心位置を求める方
法を示すもので、第16図（イ）のような輝線の輝度分布
が得られたとき、ガウス分布等の分布関数を想定してそ
の最大値から中心となる画素を求めている。

第16図（ハ）はレーザー光の輝線の画像を２値化して２
値化像の中心位置を求める方法を示すもので、第16図
（イ）のような輝度分布に対してある２値化レベルを設
定して２値化した画像の１次元プロファイル像の中心位
置を求めることにより、スリット光の投光された位置を
求めている。

第16図（ニ）は輝線の２値化像を幅をあらかじめ実測し
て仮定しておき、輝線の２値化像の左右エッジを求めて
中心値を概算して求める方法を示すもので、２値化像の
幅をあらかじめ求めておき、この幅の1/2の値を補正量
として左右どちらかのエッヂの位置より加減することに
より中心となる画素を求めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら観測される輝線は、例えば第17図（イ）の
ような形状の３次元物体の場合には11、12のように分割
されてしまい、輝線画像は第17図（ロ）（図の黒い部分
が輝線）のように観測されることになる。この場合、ビ
ームの中心位置が第17図（イ）のPcの位置であるとする
と、この位置を精度よく求める必要があり、これから第
17図（ハ）のように輝度分布を求め、これに対して適当
な２値化レベルを設定して第17図（ニ）に示すような２
値化画像が得られることになる。ビームの中心は、各２
値化画像の幅をＡ、Ｂとしたとき（Ａ＋Ｂ）/2として求
められる。

しかしながらこのような２値化画像のプロファイルを求
めたとしても前述した輝度分布を求める方法や２値化像
の中心値を求める方法、輝線のエッジを求めて中心値を
概算する方法では、Pcの位置を正確に求めることはでき
ない。

本発明は上記問題点を解決するために前述の２値化像の
中心値を求める方法を応用したので、輝線が分割されて
も正確に投光したスリット光の中心を検出し、その結果
物体形状を高精度に計測することを可能にするビーム中
心位置検出装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明のビーム中心位置検出装置は、ステッ
プ状に走査しつつスリット光を計測物体に投光し、各走
査ステップのスリット光による計測物体上の輝線を撮像
して計測物体の形状を計測する三次元物体計測装置にお
いて、各走査ステップ毎のスリット光により生ずるすべ
ての輝線の撮像データが得られている期間クロックを積
算して前記すべての輝線の合計輝線幅を求める手段と、
該積算値を1/2する手段とを備え、前記合計輝線幅に対
する積算値の1/2にあたるアドレスをスリット光の投光
されたアドレスとすることを特徴とする。

〔作用〕

本発明のビーム中心位置検出装置は、計測物体にスリッ
ト光を投光し、スリット光による輝線撮像データが得ら
れている期間クロックを計数して輝線幅を求め、該係数
値の1/2にあたるアドレスをスリット光の投光されたア
ドレスとする。

〔実施例〕

以下、実施例を図面に基づき説明する。

第１図は本発明のビーム中心位置検出装置の構成を示す
ブロック図、第２図はタイミングチャート、第３図は計
測物体による輝線の分割を示す図である。図中、101は
２値化回路、102はクロック発生器、103はAND回路、105
は幅カウンタ、107は1/2回路、111はセレクタ、113はRA
M、117はＸアドレスカウンタである。

第３図（イ）に示すように投光器３からのスリット光の
拡がりにより計測物体上で２つの輝線に分割され、これ
がテレビカメラ１で第３図（ロ）に示すように２本の輝
線として撮像されたとすると、輝度分布は第３図（ハ）
に示すようになり、これに所定の２値化レベルを設定す
ることにより、第３図（ニ）に示すような２値化画像が
得られる。

こうして２値化回路101では第２図（ロ）のような２値
化信号を発生する。この信号とクロック発生器102から
のクロック（第２図（イ））がAND回路103に加えられる
ので、幅カウンタ105では２つの輝線の幅に対応した計
数値がカウントされる。即ち、第２図（ハ）に示すよう
に、例えば左側の輝線でクロックをｎ＋３までカウント
したとすると、右側の輝線でｎ＋４からカウントを始
め、例えば合計値が2nとなる。そして幅カウンタ105の
値をアドレスとしてクロックをカウントしているＸアド
レスカウンタ117の計数値をデータとしてRAM113に読み
込み、幅カウンタ105でのカウントが終了したときの値
を1/2回路107で1/2する。そしてこの値ｎをアドレスと
して、RAMに読み込んだデータの値を取り出せば、第２
図（ニ）に示すようにビームの中心に対応したアドレス
値Xnを求めることができる。

なお、上記説明ではビームが２分された例について説明
したが、どのように分割されても同様にビーム中心を求
めることができる。

本発明は第15図に示した従来の三次元物体計測装置に適
用することができるが、さらに以下に示す本発明の三次
元物体計測装置に好適に適用することが可能である。

前述の第15図に示す従来の３次元物体計測装置では、輝
度画像は瞬時に得られるにしても、第17図（イ）に示す
ような形状の物体の場合、影の部分が生じてしまうの
で、先ずテレビカメラに対して一方の側からスリット光
を投光してスキャニングし、次にテレビカメラに対して
反対側からスリット光を投光して同様にスキャニング
し、合計２回のスキャニングを行わなければ完全な計測
を行うことはできない。１本の輝線を撮像するのに１画
面の走査時間である1/30秒を要するので、これを水平方
向に、例えば512画素スキャンするとすると、１回のス
キャンだけで約17秒（＝512×1/30）も要し、２回では3
4秒も要してしまう。

第４図はこの点を解決するようにした本発明による三次
元物体計測装置の一実施例を示す図、第５図はスキャン
方法を示す図、第６図は半球状計測物体の計測例を示す
図であり、１はテレビカメラ、3a、3bは左右の投光器、
Ｓは基準面、５は計測面、7a、7bはスリット光、11、13
はステップモータ、15は前処理部、17は位置検出部、19
は距離演算部、21は距離データ記録部、23は距離画像メ
モリ、25はテーブル補正部、27、29は制御テーブル、31
は左側投光各制御部、33は右側投光角制御部である。

図において、テレビカメラ１の両側には投光器3a、3bが
配置され、スリット光7a、7bを、テレビカメラ１から一
定距離ｄの基準面Ｓ上の同一位置に向けて投光し、第５
図に示すように１画素ごとにスキャニングする。投光器
3a,3bの投光角は、左側投光角制御部31、右側投光角制
御部33によりステップモータ11、13を制御することによ
り行われる。この場合、ステップモータの回転はギヤ等
を用い、減速して投光器に伝達されるため、ギヤのピッ
チ誤差、ベアリング径の誤差、あるいはバックラッシュ
等の機械的な誤差のためにステップモータに加えられる
パルス数と投光器の回転角の関係が完全には線形にはな
らないので、パルスと回転角との関係をあらかじめ実測
して求め、基準面の各画素に応じたパルス数を制御テー
ブル27、29として作成しておき、制御テーブルの値を読
み出して投光角の制御を行うことにより各画素ごとにス
キャニングを行うようにしている。このように制御テー
ブルはあらかじめ作成しておくことが、さらに精度よく
するために、計測に先立ち、基準面を１画素ごとにスキ
ャニングして計測を行い、輝線の位置検出結果から実際
に投光されている位置に対する本来あるべき位置とのず
れからパルス数を換算し、テーブル補正部25により制御
テーブル27、29の内容を補正するようにする。

計測面５は、第５図に示すように基準面Ｓより所定間隔
だけ前側とする。こうすることにより計測面上の輝線位
置は、基準面上の対象画素に対して必ず左右に分離し、
左側スリット光による左側の輝線と、右側スリット光に
よる右側輝線をそれぞれ測定することにより１回のスキ
ャニングにより影部をなくして計測することができる。

例えば、第６図（イ）に示すように計測面に半球状物体
を置いた場合で説明すると、輝度画像は第６図（ロ）の
ように得られる。基準面Ｓ上のＡ、Ｂ、Ｃ位置における
輝線が第６図（ハ）のようであるとすると、基準面Ａ位
置にスリット光が投光されている場合、左側スリット光
は平面を投光しているので輝線は直線状になり、右側ス
リット光は球面を投光するので輝線は円弧状となる（第
６図（ニ））。また基準面上のＢの位置を投光した場合
は、左側スリット光と右側スリット光とも球面を投光し
ているので基線は円弧状となり（第６図（ホ））、基準
面上のＣの位置を投光した場合は、同様に輝線は円弧状
となるが、右側スリット光は球面の端を投光するので、
つぶれた円弧状となる（第６図（ヘ））。なお、破線は
基準面における輝線位置を示している。

こうして得られた輝度画像、輝線信号はテレビカメラ１
から前処理部15に取り込まれる。前処理部15は輝度画像
用のフレームメモリ、輝線を２値化して抽出するための
回路、明環境で輝線の認識を行い易くするための輝度画
像と輝線画像との差分をとる回路を有している。

前処理部からのデータにより位置検出部17はスリット光
の位置検出を行い、これに基づき距離演算部19は、投光
の輝線の位置とテレビカメラ、投光器の位置、投光角に
より従来のものと同様に３角法により距離演算を行う。
算出された距離データは、距離データ記録部21で記録さ
れると共に、距離画像メモリ部23において位置検出され
た画像上のアドレスに書き込まれる。

ところで、スリット光のビームに幅があると、左右の投
光器のビームが重なる領域においてビームが分離され
ず、その結果撮像された輝線も左右に分離されず測定精
度が落ちてしまう。

第７図はこの様子を示す図で、ビームの幅が５画素の場
合を示しており、基準面からＲの領域では左右のビーム
が重なってしまうので、計測面はＲより手前にあるよう
にする必要がある。重なり領域Ｄの大きさはビーム幅、
基準面への入射角度に応じて変化するので、これらを考
慮して計測面を設定する必要がある。なお、図示のよう
に左側ビームと右側ビームでアドレスｘの画素を投光し
たとき、１画素幅を投光するビームの距離換算値r1（左
側投光の場合）、距離換算値r2（右側投光の場合）が距
離分解能となり、これらはビームの入射角度に依存する
ことが分かる。

第８図は距離分解能を説明するための図で、同図（イ）
は全体構成図、同図（ロ）は視野中心部Ｐの拡大図、同
図（ハ）はテレビカメラと投光器との距離に対する距離
分解能の関係を示す図である。

第８図（イ）に示すようにレーザ光の入射角度をθ、
θ′、テレビカメラ１と投光器３との距離をｌ、測定距
離をｄ、テレビカメラの視野をＶとし、第８図（ロ）に
示すように視野中心部の１画素の視野をΔＶとしたと
き、距離分解能はΔＶに対する分解能Δｄとして定義さ
れる。このΔｄは入射角度θ′に依存し、θ′はｌに依
存して変化するので、Δｄとｌとの関係を示すと第８図
（ハ）に示すようになる。第８図（ハ）から分かるよう
に距離分解能はテレビカメラと投光器との距離を長くす
ることにより高くすることができる。

第９図は第４図の三次元計測装置の具体的構成の実施例
を示す図で、図中、41はHe−Neレーザ、43はハーフミラ
ー、45、47は可動ミラー、Ｄ、Ｅはスリット光の輝線で
ある。

この実施例では、He−Neレーザ41からのレーザ光をハー
フミラー43で２分し、それぞれ可動ミラー45、47で左右
のスリット光を発生させている。可動ミラーはＹ方向に
振動すると共に、前述のようにステップモータによりＸ
方向に駆動されるミラーからなり、Ｙ方向に振動させる
ことによりスリット光を生じさせ、Ｘ方向に駆動するこ
とによりスキャニングしている。図のＤ、Ｅは左右の投
光器により物体に照射されたスリット光の輝線を示して
いる。

なお、この実施例のようにレーザ光源は１個でなく、左
右の投光器にそれぞれ設けてもよい。

第10図は本発明により三次元物体を計測した例を示す図
で、例えば硬質のように反射率が同じものが同図（イ）
に示すように配置されている場合、輝度画像だけでは同
図（ロ）のように観測され、角硬質の相対位置関係は実
際には判別不可能であるが、本発明によればこれらの距
離信号が同図（ハ）に示すように、また各硬貨のエッジ
による輝線が同図（ニ）に示すように得られ、反射率の
同じものであってもそれらの相対位置関係を明瞭に判別
することが可能となる。

第11図は第１図に示すビーム中心位置検出装置を第４図
の三次元物体計測装置に適用した場合の構成を示す図、
第12図はタイミングチャートを示す図、第13図は動作説
明用の図である。図中、101は２値化回路、103はAND回
路、105は幅カウンタ、107は1/2回路、109は遅延回路、
111はセレクタ、113はRAM、115は遅延回路、117はＸア
ドレスカウンタ、119は比較回路、121は２進カウンタ、
123はＸカウンタである。

図において、テレビカメラの画像クロックは約80ns周期
（約12.5MHz）であり、Ｘアドレスカウンタ117で計数さ
れ、水平走査（HD）毎にリセットされている。したがっ
てＸアドレスカウンタ117の内容は各走査ラインにおけ
るＸアドレスを表している。計測範囲はテレビ画面上に
全て入っている必要があるので、計測有効領域は１水平
走査よりも短くなる（第12図（ハ））。また垂直偏向
（VD）信号は２進カウンタ121に入力されて1/2に分周さ
れ、Ｘカウンタ123で計数されている。したがってＸカ
ウンタ123は、奇数フィールドまたは偶数フィールドご
と、即ち１画面更新ごとにカウントアップされるので、
スリット光のスキャニングステップ数、即ち第13図で破
線で示す現在の基準面上の投光位置を表している。した
がって、ＸアドレスカウンタとＸカウンタの大小により
走査位置が基準面上の投光画素位置より左か右が分かる
ので、輝線が検出された時のＸアドレスカウンタとＸカ
ウンタ内容を比較し、 Ｘアドレスカウンタ＜Ｘカウンタ→左輝線 Ｘアドレスカウンタ＞Ｘカウンタ→右輝線 と判別することができ、比較回路119の出力が「１」な
らば左側投光器による輝線、「０」ならば右側投光器に
よる輝線として検出することができる。なお、Ｘアドレ
スカウンタの出力を９ビット構成として示しているが、
これは画像クロック周波数に依存して適宜変更すればよ
い。

一方、ビデオ信号は２値化回路101に加えられ、スレッ
ショールドレベルと比較されてスリット投光像、即ち輝
線信号が検出される。この輝線信号と画像クロックとが
AND回路103に加えられるので、幅カウンタ105は輝線画
像が得られている期間のみクロックを計数する。

従って、例えば２つにビームが分割されて第12図（ホ）
に示すような２値化輝線信号が得られたような場合に
は、幅カウンタは第12図（ヘ）に示すように分割された
ビームの幅の総和を計数することになり、この計数が終
了したときにこの値を1/2回路107で1/2することにより
ビームの中心を求めることができる。1/2回路は例えば
シフトレジスタで構成し、１ビットシフトすることによ
り1/2の演算を行うようにすればよい。

そこで、幅カウンタの値のアドレスとしてＸアドレスカ
ウンタの値（第12図（ニ））をデータとしてRAM113に読
み込み、1/2回路の出力をアドレスとしてデータを読
み、このときの比較回路119の出力が「１」ならば、第1
2図（ト）に示すように、例えば55が左側からの投光器
によるビームの中心位置を示すことになる。

この様子を第13図に示すと、走査開始位置からのクロッ
クカウント数55が左側輝線の中心位置を示すことにな
る。そしてＸアドレスカウンタとＸカウンタの内容が一
致したときの比較回路119の出力で幅カウンタ105をクリ
アする。即ち、走査位置が第13図の破線で示す基準面上
投光位置に達した時点でカウンタをクリアする。そし
て、同様にして右側輝線の中心位置検出を行い、水平偏
向（HD）のブランキングの開始と同時に幅の中心値をア
ドレスとしてＸアドレスな内容を読むと、輝線位置から
HDのブランキング開始位置までのカウント数（第13図で
ｍとして示した値）として右側投光器によるビームの位
置検出を行うことができる。

以後HDにより幅カウンタ105、1/2回路107をリセットし
て各水平走査毎に同様の検出を行って左側輝線、右側輝
線の位置検出を行っていく。

なお、セレクタ111は、RAM113が１ポートである場合に
必要なもので、デュアルポートでランダムアクセスでき
るのであれば必要がない。また遅延回路109、115は各回
路装置のタイミング調整用である。

次に第14図により代表的な輝線の状態についての本発明
と従来の方法による投光位置検出精度についての比較結
果を説明する。

第14図は、（Ａ）物体が平面の場合、（Ｂ）物体のエッ
ジにより幅が減少した場合、（Ｃ）物体エッジにより２
分割されて左輝線の幅が広い場合、（Ｄ）物体エッジに
より２分割されて右輝線の幅が広い場合、（Ｅ）物体の
反射率の変化により幅が変化した場合について、輝線
の輝度分布、輝線の２値化画像、求めたい中心画
素、輝度分布より求めた中心画素、２値化像より求
めた中心画素、２値化像の左右エッジより求めた中心
画素、本発明により求めた中心画素をそれぞれ求めた
ものである。なお、輝線の幅は10画素とし、の方法の
補正量は５画素とする。

物体が平面である（Ａ）の場合は、〜の各方法によ
り求めた中心画素はの真の中心画素と一致し、いづれ
の方法によってもずれは生じない。

物体のエッジにより輝度分布の幅に変化が生じた（Ｂ）
の場合（図の例では幅が半分に変化し、求めたい中心画
素が左端画素）、の方法では、輝線の２値化像にガウ
ス分布関数等をフィッティングしてその関数の最大値か
ら中心位置を求めるため、真の中心画素より右側にず
れ、の方法による２値化像の中心位置は、真の中心画
素より右側に２画素ずれ、の方法では左エッジに対し
ては５画素を加算し、右エッジに対しては５画素を減ず
るので、左エッジによる中心は右エッジとなり、右エッ
ジによる中心は左エッジとなり、ずれ量は０または５画
素となる。またの本発明では、の方法と同じ位置と
なる。

物体エッジにより２分割され、左側輝線が７画素、右側
輝線が３画素である（Ｃ）の場合、、の方法では右
側輝線は無視するため、中心位置は真の中心位置より左
側に１〜２画素ずれ、の方法では左側輝線の左エッジ
と右側輝線の右エッジに５画素を加減するため、左エッ
ジによる中心は左側輝線の左端から５画素、右エッジに
よる中心は右側輝線の左端から５画素となり、図示する
ようなずれを生ずる。の本発明は、前述したように分
割された両画素の幅の合計の中心を求めるので、ずれは
生じない。

物体エッジにより２分割され、左側輝線が３画素、右側
輝線が７画素である（Ｄ）の場合、、の方法では右
側輝線は無視するため、中心位置は真の中心位置より左
側に大きくずれ、の方法では左側輝線の左エッジと右
側輝線の右エッジに５画素を加減するため、左エッジに
よる中心は左側輝線の左端から５画素、右エッジによる
中心は右側輝線の右端から５画素となり左側エッジによ
る中心がずれを生じる。の本発明では、前述したよう
に分割された両画素の幅の合計の中を求めるので、ずれ
は生じない。

物体の反射率の変化により輝線の幅が半分の５画素に変
化した（Ｅ）の場合、、、ではずれは生ぜず、
では左側エッジによる中心は右側エッジ、右側エッジに
よる中心は左側エッジとなり、ずれ量は±２画素とな
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ビームが分割された場合
にも正確にその中心位置を求めることができるので、高
精度に輝度の位置検出を行うことができ、これを三次元
物体計測装置に適用することにより高精度な距離画像を
得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のビーム中心位置検出装置の構成を示す
ブロック図、第２図はタイミングチャート、第３図は輝
線の分割を示す図である。図中、第４図は本発明による
三次元物体計測装置の一実施例を示す図、第５図はスキ
ャン方法を示す図、第６図は半球状計測物体の計測例を
示す図、第７図はビームの重なり領域を説明するための
図、第８図はテレビカメラ、投光器との間隔に対する距
離分解能の関係を示す図、第９図は本発明の三次元計測
装置の具体例を示す図、第10図は本発明による計測結果
を示す図、第11図は第１図のビームの中心位置検出装置
を第４図の三次元物体計測装置に適用した場合の構成を
示す図、第12図はタイミングチャートを示す図、第13図
は動作を説明するための図、第14図は本発明と従来法に
よる投光位置検出についての比較結果を示す図、第15図
は従来の三次元計測装置の構成を示す図、第16図は投光
位置を求める従来の方法を説明するための図、第17図は
３次元物体による輝線の分割の例を示す図である。 101……２値化回路、102……クロック発生器、103……A
ND回路、105……幅カウンタ、107……1/2回路、111……
セレクタ、113……RAM、117……Ｘアドレスカウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステップ状に走査しつつスリット光を計測
   物体に投光し、各走査ステップのスリット光による計測
   物体上の輝線を撮像して計測物体の形状を計測する三次
   元物体計測装置において、各走査ステップ毎のスリット
   光により生ずるすべての輝線の撮像データが得られてい
   る期間クロックを積算して前記すべての輝線の合計輝線
   幅を求める手段と、該積算値を1/2する手段とを備え、
   前記合計輝線幅に対する積算値の1/2にあたるアドレス
   をスリット光の投光されたアドレスとすることを特徴と
   するビーム中心位置検出装置。