(57)【要約】      （修正有）【課題】鏡面を有する物体の位置と法線方向を，高精度で，かつ，高安定に，高い信頼性で検出することができる手段を提供する。【解決手段】少なくとも１枚のパターン板と、ハーフミラーと、該ハーフミラーを介して前記パターン板の反射像もしくは虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段と、パターン板もしくはパターン板内領域に対応した画像に分離する手段と，分離された画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けるための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と，反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚のパターン板と、該パターン板を移動する手段と、該パターン板の反射像または虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段を有し、かつ、該入力画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けして対応位置を得るための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と，反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項２】
請求項１において記載のパターン板とパターン板移動手段の代わりに、少なくとも２枚のパターン板と、該パターン板の少なくとも１枚を移動もしくは回転する手段を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項３】
請求項１において、パターン板とパターン板の移動手段の代わりに、少なくとも２枚のパターン板を用い，該パターン板の少なくとも１枚は透明もしくは半透明状態が可能なパターン板を用いたことを特徴とする物体計測装置
【請求項４】
少なくとも２枚のパターン板と、該パターン板の反射像もしくは虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段と、該入力画像を入力する際に観測するパターン板を選択するためのミラーと、ミラーを移動もしくは回転する機構を有し，かつ、該入力画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けるための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と，反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項５】
少なくとも１枚のパターン板と、ハーフミラーと、該ハーフミラーを介して前記パターン板の反射像もしくは虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段を有し、かつ、画像をパターン板もしくはパターン板内領域に対応した画像に分離する画像分離手段と、分離された画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けるための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と，反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項６】
請求項５において、ハーフミラーの代わりにハーフミラーとミラーを組み合わせた光路分岐回路を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項７】
請求項５および６において、ハーフミラーもしくはミラーの代わりに、プリズムを用いたことを特徴とする物体計測装置
【請求項８】
請求項５，６における画像分離手段の代わりに、パターン板前面に可動遮光板の設置、もしくは、パターン板点灯をＯＮ／ＯＦＦする機構を備えたことを特徴とする物体計測装置
【請求項９】
請求項５，６における画像分離手段は、前記パターン板のパターン構成の特徴により画像分離するものであることを特徴とする物体計測装置
【請求項１０】
請求項５と６において、前記画像入力手段はカラーフィルターもしくはカラー対応機構を備えてカラー画像を入力可能な画像入力手段であって、かつ、前記パターン板は色配置したものを表示するパターン板もしくは色フィルタを前面に取り付けたパターン板であり、かつ、画像分離手段においては、入力画像を色特徴を使って分離するものであることを特徴とする物体計測装置
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】［発明の属する技術分野］
本発明は鏡面の位置形状を計測する物体計測装置に関するものである。
【０００２】［従来の技術］
従来の物体形状計測法は拡散反射物体を対象としており，鏡面物体への適用は一般的に困難であるが，工業応用をはじめ多くの分野で鏡面物体の形状計測が求められている。
鏡面の置かれた位置と形状をレーザ光を投影して計測する能動的方法は従来から多くの研究が行われてきた。スポット光走査式光切断法では，スポット投影法を使って，半田部の金属表面形状を計測した例や，光源とカメラをほぼ同位置に配置してＬＥＤ光が再度光源方向に戻ってくる投光角度を機械的走査により検出して鏡面を計測した例などが提案されている。しかしながら計測分解能を高くするには光の走査と多量の画像入力が必要になる。
一方，受動式の手法については，符号化格子光源の照明を使い，予め固定した参照面上での反射を仮定して鏡面の法線方向を検出し，形状に復元している例が報告されている。  高い精度を得るためには，光源が十分遠方であり，鏡面は十分小さい場合に限定される。  その欠点を解決する方法として符号化パターン投影の利用を提案した例があり，局部鏡面法線方向を利用して参照面を修正・更新している点が特徴的である。しかし、  基準点から離れるにつれて，更新される参照面に誤差が累積されて計測誤差が大きくなりやすいという問題を抱えている。
【０００３】［発明が解決しようとする課題］
本発明は，鏡面の前面に置かれたパターン板と画像入力装置を用いて，鏡面の位置と形状を高い分解能で，高い精度，かつ，高い安定性で計測する手段を提供することを目的とする。
【０００４】［課題を解決するための手段］
本発明では、少なくとも１枚のパターン板と、ハーフミラーと、該ハーフミラーを介して前記パターン板の反射像もしくは虚像を観測して入力画像を得る画像入力手段を有し、かつ、画像を分離する手段と、該入力画像の画像点とパターン板上のパターン位置とを対応付けるための画像−パターン間対応付け手段と、反射点入射直前の入射光線を算出する入射光線算出手段と，反射点から画像点に進む反射光線を算出する反射光線算出手段と、該入射光線と該反射光線の交点を反射点として算出する反射点算出手段を備えている。
【０００５】［発明の実施の形態］
第１の実施例を第１図を用いて説明する。左側にカメラ１が置かれ，右側の２箇所にパターン板２，３が置かれている。計測対象の鏡面４は任意の位置に置かれており，パターン板２もしくは３の虚像がカメラ１で観察される。
【０００６】カメラ撮像素子上の任意の結像点ｉが，パターン板２上の位置ｐ１の虚像位置であり，同時に，パターン板３上の位置ｐ２の虚像点であって，これらｐ１，ｐ２の座標を検出することができれば，結像点ｉに入射した光線が鏡面４で反射する前に通過した光線軌跡Ｔ１，Ｔ２を決定することができる。但し，Ｔ１、Ｔ２は同一直線上にある。鏡面反射後の光線軌跡Ｔ３はレンズ主点位置と結像点位置により定まる。このため，三角測量の原理により鏡面の反射点Ａの位置を確定することができる。
【０００７】  結像点ｉは画像上の特徴点により与えられるが，それに対応するパターン板２，３上の位置であるｐ１，ｐ２は，パターン板上のパターンとカメラ入力画像とのパターンマッチングによって検出することができる。計測点数を単一ではなく，できるだけ多くすることは，パターン板に構造化パターンを表示して特徴点数を多くすることにより容易に実現することができる。なお、パターン板３の画像を入力する際には，パターン板２を取り除くか，あるいは、パターン板２をパターン板３の位置に移動する。また、パターン板２と３はそれぞれの方向が分かっていれば必ずしも平行である必要がない。また、パターン板２は透明または半透明可能なものを使用し，パターン板３の画像入力の際にはパターン板２は透明または半透明とすることにより、パターン板の移動を避けることができる。透過型液晶パネルを使って実現可能である。さらに、そのパターン板を利用してパターン板モジュールを構成すれば取り扱いが容易になる。一方また、パターン板２と３の画像を切り替えるため，ミラーを設置し，そのミラーの移動や回転によって光路を切り替えても良い。
【０００８】  第２図は計測の手順を示したものである。パターン板２の画像を入力（１１）した後，各画像点ｉとパターン板２上の対応位置ｐ１を同定する（１２）。次に、パターン板３の画像を入力し（１３），各画像点ｉとパターン板３上の対応位置ｐ２を同定する（１４）。次に，同じ画像点に共に対応するｐ１とｐ２から発した光線は鏡面への共通した入射光となることに着目し，その入射光線Ｔ１を算出する。一方，反射点Ａで反射し画像点ｉに至る反射光線Ｔ３をカメラパラメータと画像点から算出する。そして、Ｔ１とＴ３の交点を算出すれば，その位置が反射点Ａの位置であり，また、反射点における鏡面の法線方向ｎも求めることができる。
【０００９】第２の実施例を第３図に示す。パターン板２２上の位置ｐ１からの光線Ｔ４は赤フィルタ２５とハーフミラー２３を通過して光線Ｔ１となり、鏡面４の反射点Ａで反射してＴ３の光線となり，カラーカメラ２１の画像点ｉに達する。一方，同じ画像点に対応したパターン板２２上の位置ｐ２を出た光線Ｔ５は青フィルタ２６を通過し，ミラー２４とハーフミラー２３で反射し，ｐ１からの光線Ｔ１と一致し、反射点で反射した後、画像点ｉに達する。カラーカメラ２１で得られた入力画像を赤成分と青成分に分離し，赤成分の画像は赤フィルタを通過した光により作られた画像，青成分の画像は青フィルタを通過した光により作られた画像とする。これにより、各画素について、ｐ１の位置とｐ２の位置が得られる。ハーフミラー２３とミラー２４の配置が定まっていれば光線Ｔ１が算出でき、一方，反射点Ａから画像点ｉに至る光線Ｔ３との交点として，反射点Ａの位置を確定することができる。
【００１０】第４図に処理手順を示した。画像入力３１の後，赤フィルタ２５を通る光線軌跡Ｔ４と青フィルタ２６を通る光線軌跡Ｔ５のそれぞれの画像Ｉ１，Ｉ２を作製する。（３２）次に，各画像点に対応するパターン板上の位置ｐ１を求める。ｐ１は各画像点ｉに依存する分布として得る。（３３）同様にして，各画像点に対応するパターン板上の位置ｐ２を求める。（３４）続いて，画像点が一致する光線Ｔ４とＴ５は、鏡面入射前は共通の入射光線Ｔ１となることに着目し、３３と３４の処理結果とハーフミラー２３，ミラー２４、およびパターン板２２の配置パラメータを使って、各画像点に対応する入射光線Ｔ１を算出する。（３６）Ｔ１は各画像点に依存して求められる。一方，反射後に各画像点に至る反射光線Ｔ３を、カメラパラメータと画像点位置から算出する。（３５）反射光線の算出にはパターン板上の対応位置の結果は使用しないが，図中では画像点ｉについての反射光線ということを表すため，敢えて３３と３５を線で結んでいる。  こうして得られたＴ１とＴ３を使って，交点Ａの位置を反射点として算出する。（３７）また、同時に鏡面４の法線方向も求めることができる。
【００１１】図では各ステップにおいてすべての画像点に対して処理をすることを想定して記載しているが，画像点１つずつ図に示した処理を行い，それを画像点分繰り返しても構わない。また、実施例では赤と青のフィルタを用いたが、他の色の組合わせであっても構わないことは自明である。また、パターン板２２に複数の色の組合わせで表示し，光線Ｔ４とＴ５の光線色が異なるように構成すれば色フィルタである２５，２６はなくてもよい。また、Ｔ４とＴ５の光線が時間的に異なるようにパターン板２２のパターンを区別すれば、２５，２６は不要となる。また、２３，２４の構成をプリズム光学素子で実現しても良い。また、パターン板２２を２つのパターン板に分け，その一つは光線Ｔ４，もう一つは光線Ｔ５用に使ってもよい。その場合，色フィルタである２５，２６を使う代わりに，パターン板には互いに異なる色を発することができるカラー表示のパターン板を用いることができ，その方が装置として簡素となる。また、パターン板にパターン構造をもたせて光線Ｔ４とＴ５を区別できれば、画像分離においてパターン構造の特徴による分離を行えばよく，その場合，画像入力においては白黒カメラを使用することができる。
【００１２】第５図は第３の実施例である。パターン板２と３を交差する方向に置く。必ずしも直交でなくても良い。パターン板２には赤のパターンを，パターン板３には青のパターンを表示する。パターン板２を出た光線Ｔ４はハーフミラー２３を透過して入射光線Ｔ１になり，パターン板３を出た光線Ｔ５はハーフミラー２３で反射してＴ１になる。Ｔ１とＴ３との交点を算出して反射点Ａの位置と鏡面４の法線方向を求めることができる。但し，この場合，各画像点に対応するパターン板２，３上の位置ｐ１、ｐ２を得るためにカメラはカラーカメラ２１を使用し，入力画像を赤成分と青成分の画像に分離して、それぞれパターン板２とパターン板３からの画像として対応させる。処理手順は第４図に示したものと同じである。
【００１３】この実施例において，パターン板はカラー表示可能なパターン板の代わりに色フィルタを前面に置いたパターン板であっても良い。また、カラーカメラは前面に色フィルタを置いた白黒カメラでもよい。また、この実施例において，パターン板２と３の色の組合わせは赤と青としたが，他の色の組合わせであっても良い。また、ハーフミラー２３とパターン板３の間にミラーを設けて，パターン板３の方向を自由に変更することができる。また、パターン板２と３を同時表示しないように、可動遮光板や表示点灯回路により，時間的に切り替えるならば、カラーカメラの代わりに白黒カメラを使用しても良い。
【００１４】第１，第２，第３の実施例ではカメラまたはカラーカメラを用いたが，必ずしも光学カメラに限定されるものではない。また、単にカメラと記載したものは白黒カメラであっても、カラーカメラであってもよい。また、対象とする物体表面は完全な鏡面である必要はなく，正反射成分を有する面であれば良い。但し，現実には、拡散反射が強い面の計測は、精度が低く，計測できない場合も多い。また，実施例の説明において，記載されたパターン板の虚像というのは、パターン板上に表示されたパターンの虚像のことである。
［発明の効果］
鏡面の位置と形状を求めるには鏡面の反射点と法線方向の分布を検出する必要があるが，従来は計測条件に制約があると共に，安定して検出することができなかった。本発明ではパターン板からの入射光線と鏡面での反射光線を求めて交点を算出する三角測量原理による方式であるため，安定で高い精度を得ることができる。この場合，パターン板の移動があると機械的な精度劣化が心配されるが，この問題に対する解決として、パターン板の移動を必要としない方法を開示した。また、画像点ごとに反射点を算出することができるため，計測点の密度を高くすることができる利点がある。また、計測の際に鏡面の知られた位置の情報を全く必要としないため，任意の画像点での鏡面位置を、隣接画像点での鏡面位置の情報が全く無しで検出できる。このため、鏡面と乱反射面が混在する場合でも鏡面部分を計測できる。
【図面の簡単な説明】［第１図］は本発明の第１の実施例を説明するための図である。
［第２図］は第１の実施例における処理手順を示したものである。
［第３図］は本発明の第２の実施例を説明するための図である。
［第４図］は第２の実施例における処理手順を示したものである。
［第５図］は第３の実施例を説明するために示した図である。
【符号の説明】
１：カメラ
２、３：パターン板
４：鏡面
１１：画像入力
１２：画像−パターン間対応付け
１３：画像入力
１４：画像−パターン間対応付け
１５：入射光線算出
１６：反射光線算出
１７：反射点算出
２１：カラーカメラ
２２：パターン板
２３：ハーフミラー
２４：ミラー
２５：赤フィルタ
２６：青フィルタ
３１：画像入力
３２：画像分離
３３、３４：画像−パターン間対応付け
３５：反射光線算出
３６：入射光線算出
３７：反射点算出
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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