(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）対象物表面の３次元座標データ（１２）を取得するレンジファィンダ（１）と、
（Ｂ）前記レンジファィンダ（１）により得られた３次元座標データ（１２）をグループ化し、平面近似することにより面素を検出する面素検出手段（２）と、
（Ｃ）前記面素検出手段（２）により生成された多くの面素をグループ化することにより、対象物（６）を構成する表面を検出する面検出手段（３）と、
（Ｄ）前記面検出手段（３）により検出された面に対する平面近似度の悪い面素の位置関係と高さ分布を記述する表面状態検出手段（４）と、
（Ｅ）前記表面状態検出手段（４）により得られた面の境界の形や面同志の隣接性を記述する形状記述手段（５）を具備したことを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項２】
面素検出手段（２）は、レンジファィンダ（１）により得られた３次元座標データ（１２）に対して各データの近傍同志でグループ化し、平面近似することにより、面素を検出するとともに、その平面近似度を求めることを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
【請求項３】
面検出手段（３）は、面素検出手段（２）により生成された多くの面素の集合に対して、各面素の法線ベクトルが同一方向を向き、かつ、その重心位置が同一平面上にあるもの同志をグループ化することにより、対象物（６）を構成する面を検出することを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
【請求項４】
表面状態検出手段（４）は、面検出手段（３）により検出された対象物（６）の概略形状を示すマクロな面（８）に対し、面素検出手段（２）において平面近似度が悪く、面検出手段（３）へは送られなかったミクロな面（９）の位置関係と高さ分布を求め、マクロな面（８）の表面状態として記述することを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
【請求項５】
形状記述手段（５）は、表面状態検出手段（４）により得られる表面状態を記述されたマクロな面（８）により対象物（６）の形状を記述することを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射能汚染自動検査装置の形状ティチングに利用される３次元形状計測装置に関する。
本発明は、塗装ロボット用オフライン形状ティチングにも利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術を図５〜図８に示す。
図５は従来の３次元形状計測装置のブロック図、
図６は従来のレンジファィンダの構成を示す図、
図７は従来のレンジファィンダの計測原理を示す図、
図８は従来の３次元形状計測の流れを示す図である。
【０００３】
従来、物体の３次元形状はレンジファィンダと呼ばれる距離測定器により、物体表面の３次元座標データを多数計測し、その点の集合をグループ化することにより、面の形や位置を検出していた。
【０００４】
図５において、レンジファィンダ１０１は、その視野内に存在する対象物面上の任意の点までの距離を計測する。
図６に示すように、このレンジファィンダ１０１は、レーザスリット１０８を投光するレーザプロジェクタ１０７と、そのレーザスリット１０８により対象物１０６の面上に生じる光のすじを撮像するＴＶカメラ１００とで構成される。
【０００５】
レーザスリット１０８は、レーザプロジェクタ１０７により走査され、対象物１０６の面上の様々な位置にレーザスリット１０８を投光することが出来る。
図７に示すように、ＴＶカメラ１００の中心を座標系ＸＹＺの原点Ｏにとり、その撮像面１０９がＸＹ平面に平行かつその中心ＣがＺ軸上にくるようにＴＶカメラ１００を置く。
【０００６】
このとき、ＴＶカメラ１００のレンズの焦点距離ｆはＯＣで表される。
一方、レーザプロジェクタ１０７は、その中心ＬをＸ軸上かつ原点Ｏからの距離がｂの位置に置く。
【０００７】
レーザスリット１０８の走査角は、Ｚ軸とのなす角θとして定義する。
撮像面１０９の座標系ｘｙは、点Ｃを中心に、それぞれＸ軸、Ｙ軸と平行にとる。
【０００８】
このような構成の下で、対象物１０６の面上にレーザスリット１０８を投光し、その光の筋をＴＶカメラ１００で撮像すると、スリット像１１０を得る。
この時、対象物１０６の面上の光の筋の１点Ｐ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の３次元座標は、点Ｐに対応する撮像面１０９上のｐ（ｘ、ｙ、ｚ）の座標、およびパラメータθ、ｂ、ｆを用いて式（１）により計算することが出来る。
【０００９】
Ｘ＝（ｘ／ｆ）Ｚ
Ｙ＝（ｙ／ｆ）Ｚ
Ｚ＝（ｆｂ）／（ｘ＋ｆｔａｎθ）                      （１）
このように、ある走査角θ方向に投光されたレーザスリット１０８のスリット像１１０の各々の画像点から対象物１０６の面上の光の筋上のすべての点の３次元座標が計測できる。
【００１０】
この走査角θをレーザプロジェクタ１０７により制御し、光の筋を対象物１０６の面上を順次操作することにより、面上の多数の３次元座標の集合が得られる。  このようにして得られる３次元座標データは、図８（ａ）に示すように対象物１０６の面上に多数得られるので、面素検出器１０２により各点の近傍をグループ化して面素１１２と呼ぶ小領域平面に近似する。
【００１１】
例えば、近傍の８×８点の３次元座標データをグループ化し、その６４点を平面近似することにより、面素と呼ばれるデータが得られる。
この処理をすべての３次元座標データに施すと、図８（ｂ）に示すような面素の集合がえられる。
【００１２】
一般には、各面素Ｓi （ｉ＝１、２、…、Ｍ）を構成する３次元座標データを（ｘij、ｙij、ｚij）（ｊ＝１、２、…、Ｎ）とすると、平面近似は、あてはめる平面πi の式を
ｌi ｘ＋ｍi ｘ＋ｎi ｚ＝ｐi                       （２）
ただし、
（ｌi ）2 ＋（ｍi ）2 ＋（ｎi ）2 ＝１
とすると、式（３）で示す残差ｒi を最小にする、ｌi 、ｍi 、ｎi 、ｐi 、を求めればよい。
【００１３】
【数１】
0003664799.tif 000002
この残差ｒi の大きさによって面素Ｓi の平面近似度を定義し、その大きさが、あらかじめ設定した閾値以下の時、その面素Siの平面近似度は良いとし、この閾値より大きい時、その面素Siの平面近似度は悪いとする。
次に、面素検出器１０２により生成された多くの面素Ｓi の法線ベクトル
【００１４】
【数２】
0003664799.tif 000003
と、その重心座標から、互いに同一方向を向き、かつ、それらの重心座標が同一平面上にあるもののみを面検出器１０３により、グループ化してゆくことにより、図８（ｃ）に示すように、対象物１０６を構成するいくつかの面を求めることが出来る。
【００１５】
形状記憶器１０４により、それらの面の形状や隣接する面の関係交角を求め、対象物１０６の形状記述とする。
なお、これらの処理の詳細については、
0003664799.tif 000004
に述べられている。
【００１６】
このような３次元形状計測装置は、原理的には、走査角θを十分細かくきざみながら走査することにより、対象物１０６の３次元形状を復元することが出来る。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の３次元形状計測装置により、対象物３次元形状を計測する場合に次のような問題がある。
図９は小さな凹凸のある対象物表面での形状計測の流れを示す図、
図１０は対象物表面をトレースするロボットの説明図である。
（１）表面に小さな凹凸がある対象物の形状を検出するためには、レーザプロジェクタのレーザスリットの走査ステップの数を非常に大きくする必要がある。
【００１８】
例えば、１ｍ×１ｍの面上に１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体が置かれた対象を考える。
その立方体の上面を面として検出するためには、少なくとも１ｍｍ程度のピッチでレーザスリットを走査する必要があり、立方体の面上の何処に有るのか分からない場合には、結果として、１ｍ×１ｍの面上をすべて走査する必要がある。
【００１９】
従って、１０００回レーザスリットを移動させ、かつ、１回ごとに、画像を取る必要がある。
一般に、レンジファィンダは、１枚の画像を撮像しスリット像から３次元座標データを得るためには、１フレームの撮像時間である３３ｍｓｅｃ（ミリセカンド）要するので、１０００回繰り返すと３３ｓｅｃかかってしまう。
【００２０】
計測の高速化のために、レーザスリットの走査回数を減らすと、立方体の上面に当たるレーザスリットの本数も減少し、ついには、立方体の上面を検出できなくなる。
【００２１】
図９は、そのような状況を示したものであり、図９（ａ）のように得られた３次元座標データをグループ化して、図９（ｂ）のような面素が得られる。
しかし、３次元座標データの密度が低いので、対象物１０５の前面の小さな凹凸の部分や段差がある部分では、３次元座標データをグループ化して面素を作ろうとするとき、平面近似しようとしても、近似誤差が大きく、図９（ｂ）の斜線で示した面素は平面近似できない。
【００２２】
平面近似できた面素だけを接続すると、図９（ｃ）のような領域が得られる。このように、計測時間を短縮しようとした場合、必然的に３次元座標の密度が低くなり、対象物表面上の小さな凹凸を検出することが困難になる。
（２）放射能汚染自動検査装置は、図１０のように、検査対象１１４の表面をロボットアーム１１５の先端に取り付けた放射線センサ１１６により、検査対象１１４に対して約１ｃｍの間隔でトレース軌道１１７に沿って移動させながら、放射能汚染の有無を検査するものである。
【００２３】
３次元計測装置により、検査対象１１４の形や表面上の凹凸を予め計測しておく必要があるが、処理の高速化のため、３次元座標データの密度が低くすると、表面上の小さな突起部を見落とす可能性が高く、トレース時に放射線センサ１１６と衝突してしまうので、不都合が生じる。
本発明は、これらの問題を解決することが出来る３次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
（第１の手段）
本発明に係る３次元形状計測装置は、
（Ａ）対象物の表面の３次元座標データを取得するレンジファィンダと、
（Ｂ）前記レンジファィンダにより得られた３次元座標データに対して各データの近傍同志でグループ化し、平面近似することにより、面素を検出するとともに、その平面近似度を求める面素検出手段と、
（Ｃ）前記面素検出手段により生成された多くの面素の集合に対して、各面素の法線ベクトルが同一方向を向き、かつ、その重心位置が同一平面上にあるもの同志をグループ化することにより、対象物を構成する面を検出する面検出手段と、
（Ｄ）前記面検出手段により検出された対象物６の概略形状を示す比較的大きな面（以下マクロな面という）に対し、面素検出手段において平面近似度が悪く、面検出器へは送られなかった面素、すなわち、対象物の細かな凹凸の部分や段差がある部分の面素（以下ミクロな面という）の位置関係と高さ分布を求め、マクロな面の表面状態として記述する表面状態検出手段と、
（Ｅ）前記表面状態検出手段により得られる表面状態を記述されたマクロな面により対象物の形状を記述する形状記述手段を具備したことを特徴とする。
【００２５】
従って、次のように作用する。
レンジファィンダ１により得られる３次元座標データ、即ち、点の集合が面素検出手段２によりグループ化され、面素の集合が生成される。
【００２６】
この時、個々の面素の平面近似度も記憶される。
面検出手段３は生成された面素の集合から、平面近似度の良い面素を対象として、法線ベクトルと重心位置に基いて、面素同志をグループ化し、対象物６の面の形状を検出する。
【００２７】
表面状態検出手段４は、検出された対象物６のマクロな面に対し、面素検出手段２において、面検出手段３へは送られなかった平面近似度の悪い面素、即ち、ミクロな面に対して、マクロな面に対するミクロな面の位置、及び、各々のミクロな面を構成する３次元座標データのばらつきから、最大変位を求め、それをミクロな面の高さとして、マクロな面の表面状態を記述する。
【００２８】
形状記述手段５は、表面状態の記述されたマクロな面の形状および隣接するマクロな面同志の交角を求め、対象物６の形状記述に用いられる。
そのため、高速化のために、レンジファィンダ１のレーザスリットの走査を粗くして、３次元座標データの密度を低くしても、対象物表面の小さな凹凸は、マクロな面の表面状態として記述されるので、そのデータによりロボットアームをトレースしても、小さな突起との衝突を避けることが出来る。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３次元形状計測装置を、図１〜図４に示す。
図１は本発明の第１の実施の態様に係る３次元形状計測装置のブロック図、
図２は本発明の表面状態検出器における平面近似度の悪い面素を示す図、
図３は本発明の表面状態検出器におけるマクロな面とミクロな面を示す図、
図４は本発明の表面状態検出器における最大高さを示す図である。
【００３０】
図１に示すように、本発明装置は、レンジファィンダ１、面素検出器２、面検出器３、表面状態検出器４、形状記述器５で構成される。
レンジファィンダ１は、対象物２の表面上の多数の点の３次元座標データ１２を計測する。
【００３１】
面素検出器２は、レンジファィンダ１により得られる３次元座標データ１２から、近傍に含まれる点同志をグループ化し、平面近似することにより、面素の集合を生成する。この時、同時に平面近似度も記憶する。
【００３２】
面検出器３は、生成された面素の内、平面近似度の良いものを対象とし、その法線ベクトルが同一方向を向き、かつ、その重心位置が同一平面上にあるものをグループ化して、マクロな面を検出する。
【００３３】
表面状態検出器４は、検出されたマクロな面に対して、面検出器３へは送られなかった平面近似度の悪い面素、即ち、ミクロな面に対して、マクロな面に対するミクロな面の位置、及び、各々のミクロな面を構成する３次元座標データのばらつきから、最大変位を求め、それをミクロな面の高さとして、マクロな面の表面状態を記述する。
形状記述器５は、表面状態の記述がなされたマクロな面に対して、そのマクロな面の境界の形状や、隣接するマクロな面とマクロな面の関係（交角）をその隣接性として記述し、記憶する。
【００３４】
次に、第１の実施の形態における動作について説明する。
図１に示した対象物６の前面の３次元座標データから面素検出器２により面素を生成するが、表面の小さな凹凸部分や段差により平面近似できない面素が存在する。
【００３５】
そこで、式（３）の残差ｒi があらかじめ設定した閾値よりも大きい面素Ｓi を平面近似度が悪い面素とすると、図２のようになる。
平面近似度の良い面素、即ち、残差ｒi があらかじめ設定した閾値よりも小さい面素Ｓi は、面検出器３により、その法線ベクトルが同一方向を向き、かつ、その重心位置が同一平面上にあるものをグループ化して、マクロな面８を図３のように検出する。
その法線ベクトルｎi と、重心座標ｇi 、は次の式（４）で与えられる、
【００３６】
【数３】
0003664799.tif 000005
【００３７】
表面状態検出器４は、面検出器３で得られるマクロな面８に対して平面近似度の悪い面素７がどのような位置関係にあり、その最大高さ、および、深さがどれぐらいかを調べる。
【００３８】
すなわち、平面近似度の悪い各々の面素ｔi （ｉ＝１、２、…、Ｉ）の重心座標ｇi と最も近いマクロな面Ｆk （ｋ＝１、２、…、Ｋ）を探索し、そのマクロな面Ｆk に面素ｔi の位置ｇi を記述する。
【００３９】
さらに、面素ｔi に含まれる３次元座標（ｘij、ｙij、ｚij）が最も近いマクロな面Ｆk に対して、どれだけ離れているかを調べ、レンジファィンダ１側に最も離れている点の距離を最大高さｈi とし、その逆方向に最も離れている点の距離を最大深さｄi として記憶する。
【００４０】
これらの処理を式で示すと次のようになる。
マクロな面Ｆk の平面方程式を
ａk ｘ＋ｂk ｙ＋ｃk ｚ＝ｄk                           （５）
ただし、
（ａk ）2 ＋（ｂk ）2 ＋（ｃk ）2 ＝１
とすると、
面素ｔi を構成する各点の３次元座標（ｘij、ｙij、ｚij）から、その平面までの距離ｌijは式（６）であたえられる。
【００４１】
ｌij＝ａk ｘij＋ｂk ｙij＋ｃk ｚij−ｄk               （６）
ここで、マクロな面Ｆk の法線ベクトルの向きを対象物の外向にとるという約束にすると、マクロな面Ｆk に対して、
ｌij＞０、ならば、その点は凸部にあり、
ｌij＜０、ならば、その点は凹部にある。
【００４２】
従って、
ｈi ＝ｍａｘ（ｌij：ｊ＝１、２、…、Ｎ、）
ｄi ＝ｍｉｎ（ｌij：ｊ＝１、２、…、Ｎ、）            （７）
を求めれば良い。
【００４３】
これらの処理により、平面近似度の悪い面素は、図３のようにミクロな面９として記憶される。
例えば、図４において、面素１１は対象物の凸部にかかっているので、平面近似度が悪い面素になる。
【００４４】
そこで、その面素を構成する個々の３次元座標データ１２から重心座標を求め、最近接のマクロな面１０に、その位置を記述する。
さらに、その面素１１を構成する各３次元座標データ１２のマクロな面１０の平面方程式に対する最大高さ、及び、深さを求める。
【００４５】
この図４では、凸部の高さｈが最大高さｈi になる。深さｄi については、この場合０である。
形状記述器５は、ミクロな面の情報、即ち、ミクロな面が最近接しているマクロな面に対するミクロな面の位置関係と、最大高さ、最大深さを表面状態として記述されたマクロな面に基いて、マクロな面の境界線の形を形状として記述し、また、隣接するマクロな面については、その交角を記述する。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は前述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
（１）本発明装置によれば、対象物の表面の小さな凹凸に比べて、レンジファィンダにより得られる３次元座標データの密度が低く、小さな凹凸の正しい形を検出できない場合においても、対象物の概略形状を示すマクロな面の表面状態として、小さな凹凸に対応するミクロな面の位置関係や、高さ分布を記述することが出来る。
（２）そのため、検査対象をわずかな距離だけ離れてトレースするような応用に対しても、突起物との衝突を避けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の態様に係る３次元形状計測装置のブロック図。
【図２】本発明の表面状態検出器における平面近似度の悪い面素を示す図。
【図３】本発明の表面状態検出器におけるマクロな面とミクロな面を示す図。
【図４】本発明の表面状態検出器における最大高さを示す図。
【図５】従来の３次元形状計測装置のブロック図。
【図６】従来のレンジファィンダの構成を示す図。
【図７】従来のレンジファィンダの計測原理を示す図。
【図８】従来の３次元形状計測の流れを示す図。
【図９】小さな凹凸のある対象物表面での形状計測の流れを示す図。
【図１０】対象物表面をトレースするロボットの説明図。
【符号の説明】
１…レンジファィンダ
２…面素検出器（面素検出手段）
３…面検出器（面検出手段）
４…表面状態検出器（表面状態検出手段）
５…形状記述器（形状記述手段）
６…対象物
７…平面近似度の悪い面素
８…マクロな面
９…ミクロな面
１０…マクロな面
１１…面素（ミクロな面）
１２…３次元座標データ
１００…ＴＶカメラ
１０１…レンジファィンダ
１０２…面素検出器
１０３…面検出器
１０４…形状記憶器
１０５…対象物
１０６…対象物
１０７…レーザプロジェクタ
１０８…レーザスリット
１０９…撮像面
１１０…スリット像
１１１…３次元座標データ
１１２…面素
１１３…面
１１４…検査対象
１１５…ロボットアーム
１１６…放射線センサ
１１７…トレース軌道
【図１】
0003664799.tif 000006
【図２】
0003664799.tif 000007
【図３】
0003664799.tif 000008
【図４】
0003664799.tif 000009
【図５】
0003664799.tif 000010
【図６】
0003664799.tif 000011
【図７】
0003664799.tif 000012
【図８】
0003664799.tif 000013
【図９】
0003664799.tif 000014
【図１０】
0003664799.tif 000015