(57)【要約】【課題】簡易な構成でドット位置の歪を正確に補正することが可能な自動キャリブレーション装置を提供する。【解決手段】この自動キャリブレーション装置１１０は、所定間隔に配置された複数の表示点を有するＬＣＤパネル３と、ＬＣＤパネル３を駆動するＬＣＤドライバ１１と、ＬＣＤパネル３を撮影するＣＣＤカメラ４と、液体９を収容する水槽２と、ＣＣＤカメラ４により撮影された画像をＰＣ６が処理しやすい信号に変換する画像処理回路５と、画像処理回路５に基づいて撮影されたＬＣＤパネル３の表示点座標を補正するＰＣ６と、を備えて構成されている。【選択図】図２
2008070347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器と、撮像装置により撮影された画像を撮影する撮像手段と、制御手段と、を備え、
前記撮像装置により撮影された画像の歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置であって、
前記制御手段は、前記表示器の表示面が計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により前記撮像装置を介して撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする自動キャリブレーション装置。
【請求項２】
液体中にスリット光を照射する光源と、前記スリット光により照射された計測面に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影する撮像手段と、前記液体を収容する容器と、制御手段と、を備えた流体計測装置において、前記容器の形状による歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置であって、
所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器を備え、
前記制御手段は、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする自動キャリブレーション装置。
【請求項３】
前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点を順次表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項４】
前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点をコード化して表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合、前記表示器を異なる２平面に配置したときの前記絶対位置座標と前記撮影位置座標との対応表を夫々作成し、前記２平面の略中間位置の平面における対応表を前記２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記計測面が前記キャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る場合、前記キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点を前記スリット光の平面方程式と前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めることを特徴とする請求項５に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項７】
前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記容器の歪の大小に応じて前記表示点の間隔を粗密にするように制御することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項８】
前記表示器は、複数の表示点を有する液晶パネルにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項９】
前記表示器は、背面発光手段を有する液晶パネルにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項１０】
前記表示器は、所定間隔に配置された発光ダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の自動キャリブレーション装置。
【請求項１１】
所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器と、撮像装置により撮影された画像を撮影する撮像手段と、制御手段と、を備え、
前記撮像装置により撮影された画像の歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置のキャリブレーション方法であって、
前記制御手段は、前記表示器の表示面が計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により前記撮像装置を介して撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項１２】
液体中にスリット光を照射する光源と、前記スリット光により照射された計測面に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影する撮像手段と、前記液体を収容する容器と、制御手段と、を備えた流体計測装置において、前記容器の形状による歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置のキャリブレーション方法であって、
所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器を備え、
前記制御手段は、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項１３】
前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点を順次表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のキャリブレーション方法。
【請求項１４】
前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点をコード化して表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のキャリブレーション方法。
【請求項１５】
前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合、前記表示器を異なる２平面に配置したときの前記絶対位置座標と前記撮影位置座標との対応表を夫々作成し、前記２平面以外の平面における対応表を前記２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成することを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一項に記載のキャリブレーション方法。
【請求項１６】
前記計測面が前記キャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る場合、前記キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点を前記スリット光の平面方程式と前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めることを特徴とする請求項１５に記載のキャリブレーション方法。
【請求項１７】
前記表示器を前記計測面に配置した後に前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記容器の歪の大小に応じて前記表示点の間隔を粗密にするように制御することを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか一項に記載のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動キャリブレーション装置及びキャリブレーション方法に関し、さらに詳しくは、流体計測装置により流れ場を間接的に計測する場合、容器の歪や撮像装置のレンズ歪を補正する自動キャリブレーション装置及びキャリブレーション方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体中にトレーサ粒子を混入し、粒子運動を計測することで流れ場を間接的に計測するＰＩＶ（流体計測）が多くの研究機関等で利用されている。図１は流体計測装置の概略構成を示す図である。この流体計測装置１００は、液体９中にレーザ光１を照射するレーザダイオード（ＬＤ）８と、レーザ光１により照射された計測面１０に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影するＣＣＤカメラ４と、液体９を収容する水槽２と、ＣＣＤカメラ４により撮影された画像をＰＣ６が処理しやすい信号に変換する画像処理回路５と、画像処理回路５に基づいて粒子運動を計測するＰＣ６と、ＬＤ８を点灯するＬＤドライバ７と、を備えて構成されている。
即ち、流体９中にトレーサ粒子を混入し、図１のようなレーザ光１で可視化された計測面１０をＣＣＤカメラ４で撮影することにより計測を行う。しかしながら、図１のように水槽２の形状が曲面を含んでいる場合（２ａの部分）や広角レンズによるレンズ歪が大きい場合には、撮影される画像に歪みが生じ、正確な計測ができないといった問題がある。
【０００３】
従来技術として特許文献１には、ドットパターン等を用いてカメラキャリブレーションを実行し、カメラモデルのパラメータを記憶し、基準対象物の撮像を取り込み、カメラモデルの式に基づいてレンズ歪みと透視変換（パースペクティブ）による歪みの無い補正基準画像を作成し、それに準拠して被検対象物検出用パラメータを設定し、システム稼働時には、位置にばらつきのある被検対象物の画像を取得すると共に歪みの無い補正基準画像を作成し、被検対象物検出用パラメータを用いて被検対象物を検出し、アプリケーションのための必要データ作成・出力し、検出不成功時には適当なメッセージを出力する計測装置について開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２４１１２０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、レンズ歪のあるカメラとレンズ歪のないカメラ２台でドットパターンに対して垂直な方向と斜め方向から撮影して歪を補正するため、カメラが２台必要となり装置のコストが高くなると共に、ドットパターンが固定的なため精度の高い補正が難しいといった問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑み、電気的にドットを表示する表示器を用意し、表示器の表示面が計測面に重なるように配置されたときの表示点の絶対位置座標と、撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正することにより、簡易な構成でドット位置の歪を正確に補正することが可能な自動キャリブレーション装置を提供することを目的とする。
また、他の目的は、電気的にドットを表示することにより、歪量の大小によりドットの位置及び密度を適宜変更して、歪が大きい位置の補正精度を高めることである。
また、他の目的は、電気的にドットを表示することにより、絶対位置座標と撮影位置座標との対応表を迅速に、且つ正確に作成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器と、撮像装置により撮影された画像を撮影する撮像手段と、制御手段と、を備え、前記撮像装置により撮影された画像の歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置であって、前記制御手段は、前記表示器の表示面が計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により前記撮像装置を介して撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
【０００７】
例えば、撮像装置の表示部等に歪がなく、且つ撮像装置のレンズにも歪が無ければ、アフィン変換の手法を用いてキャリブレーションを比較的簡単に実施することができる。しかし、現実的には、撮像装置の表示部に表示された画像が歪んでいたりする場合は、この変形を一般的なアフィン変換に用いられる数式で表現できない。また、レンズに広角レンズや望遠レンズ等を使用すると、レンズの端部で歪が生じ撮影された表示点の位置がずれてしまう。そこで、正確な計測を行なうにはこの変形を取り除く必要がある。即ち、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである。これにより、撮像装置の表示部に表示された画像による歪や、撮像装置のレンズによる歪を予め補正して、正確な計測を行うことができる。
【０００８】
請求項２は、液体中にスリット光を照射する光源と、前記スリット光により照射された計測面に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影する撮像手段と、前記液体を収容する容器と、制御手段と、を備えた流体計測装置において、前記容器の形状による歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置であって、所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器を備え、前記制御手段は、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
【０００９】
液体を収容する容器に歪がなく、且つ撮像装置のレンズにも歪が無ければ、アフィン変換の手法を用いてキャリブレーションを比較的簡単に実施することができる。しかし、現実的には、水槽の形状が湾曲していたり歪んでいたりする場合は、レンズ効果により表示点が局所的に拡大されたり、歪んでしまい、この変形を一般的なアフィン変換に用いられる数式で表現できない。また、レンズに広角レンズや望遠レンズ等を使用すると、レンズの端部で歪が生じ撮影された表示点の位置がずれてしまう。そこで、正確な流体計測を行なうにはこの変形を取り除く必要がある。即ち、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである。これにより、容器の形状による歪や、撮像装置のレンズによる歪を予め補正して、正確な流体計測を行うことができる。
【００１０】
請求項３は、前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点を順次表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
キャリブレーションを行う場合、表示器を実際に計測する計測面に正確に配置して、そのときの表示点がどの位歪かを調べておく必要がある。そこで本発明では、計測面に配置した表示器の表示点を１つずつ表示させて撮影し、絶対位置座標と撮影位置座標の対応表を作成して、その結果から前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求めるものである。これにより、各座標における絶対位置座標と撮影位置座標の変換ができるようになり撮影位置座標の補正を行うことができる。
【００１１】
請求項４は、前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点をコード化して表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
表示器の表示点が少ない場合は、１つずつ表示させて絶対位置座標と撮影位置座標の対応表を作成しても良いが、表示点が増加するほどその作業が煩雑となる。また、表示点の数が多いほど補正の精度が高まるので、可能な限り表示点の数を多くしたい。そこで本発明では、表示点をコード化して表示させて撮像手段により表示点を撮影し、絶対位置座標と撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求めることにより、計測誤差を補正するものである。これにより、ｎ回の表示回数で２n−１の表示点を識別することができる。例えば、ｎ＝２０即ち２０回の表示回数で約１００万点の表示が可能となる。
【００１２】
請求項５は、前記制御手段は、前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合、前記表示器を異なる２平面に配置したときの前記絶対位置座標と前記撮影位置座標との対応表を夫々作成し、前記２平面の略中間位置の平面における対応表を前記２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成することを特徴とする。
キャリブレーションを行う場合、実際にスリット光を照射する計測面に表示器を正確に配置する必要がある。しかし、キャリブレーションを完了した後に、計測面が同じ位置になるとは限らない場合もある。即ち、計測面が実際にはＺ軸方向にずれる可能性もある。その場合、キャリブレーションの結果との間に誤差を生じる。そこで本発明では、表示器を異なる２平面に配置したときの絶対位置座標と撮影位置座標との対応表を夫々作成し、２平面の略中間位置の平面における対応表を２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成するものである。これにより、キャリブレーションを行なった計測面の位置と実際の計測面がずれても流体計測を行うことができる。
【００１３】
請求項６は、前記制御手段は、前記計測面が前記キャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る場合、前記キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点を前記スリット光の平面方程式と前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めることを特徴とする。
キャリブレーションを行う場合、実際にスリット光を照射する計測面に表示器を正確に配置する必要がある。しかし、キャリブレーションを完了した後に、計測面が同じ位置になるとは限らない場合もある。即ち、計測面がキャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る可能性もある。その場合、キャリブレーションの結果との間に誤差を生じる。そこで本発明では、キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点をスリット光の平面方程式とキャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めるものである。これにより、キャリブレーションを行なった計測面の位置と実際の計測面がずれても流体計測を行うことができる。
【００１４】
請求項７は、前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記容器の歪の大小に応じて前記表示点の間隔を粗密にするように制御することを特徴とする。
容器の形状が複雑になればなるほど歪量は大きくなる。即ち、歪の大きな部分は細かく補正する必要がある。そこで本発明では、容器の歪の大小に応じて表示点の間隔を粗密にするように制御するものである。即ち、歪が大きいほど表示点の密度を密にして、歪が小さいほど表示点の密度を粗にするものである。これにより、歪の大小に的確に対応した補正が可能となる。
【００１５】
請求項８は、前記表示器は、複数の表示点を有する液晶パネルにより構成されていることを特徴とする。
電気的に表示する表示器の中で最も表示点の密度が高くできるのが液晶パネルである。また、消費電力が少なく、且つ防水性に優れている。これにより、簡単な構成で外部から多数の表示点の制御を容易に行うことができる。
【００１６】
請求項９は、前記表示器は、背面発光手段を有する液晶パネルにより構成されていることを特徴とする。
液晶パネルは自らが発光することができない。従って、一般的には背面に反射板を備え、外光により反射させて表示させている。しかし、外光が常にあるとは限らない場合もあるので、背面に発光手段を備えて液晶の表示を行うものである。これにより、外光を必要とせず、表示の解像度が高まり表示点の密度を高くすることができる。
【００１７】
請求項１０は、前記表示器は、所定間隔に配置された発光ダイオードにより構成されていることを特徴とする。
発光ダイオードは、表示密度を液晶パネルほど高めることはできないが、マトリックス構成にすることにより、かなり高密度に表示器を構成することができる。ただし、発光ダイオードの最大の特徴は、自らが発光する点である。これにより、外光や背面発光手段を必要とせず、高輝度の表示器を実現することができる。
【００１８】
請求項１１は、所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器と、撮像装置により撮影された画像を撮影する撮像手段と、制御手段と、を備え、前記撮像装置により撮影された画像の歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置のキャリブレーション方法であって、前記制御手段は、前記表示器の表示面が計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により前記撮像装置を介して撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
本発明は請求項１と同様の作用効果を奏する。
【００１９】
請求項１２は、液体中にスリット光を照射する光源と、前記スリット光により照射された計測面に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影する撮像手段と、前記液体を収容する容器と、制御手段と、を備えた流体計測装置において、前記容器の形状による歪、及び／又は前記撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置のキャリブレーション方法であって、所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器を備え、前記制御手段は、前記表示器の表示面が前記計測面に重なるように配置された時の前記表示点の絶対位置座標と前記撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
本発明は請求項２と同様の作用効果を奏する。
【００２０】
請求項１３は、前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点を順次表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
本発明は請求項３と同様の作用効果を奏する。
【００２１】
請求項１４は、前記表示器を前記計測面に配置して前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記表示点をコード化して表示させて前記撮像手段により該表示点を撮影し、前記絶対位置座標と前記撮影位置座標の位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、前記計測誤差を補正することを特徴とする。
本発明は請求項４と同様の作用効果を奏する。
【００２２】
請求項１５は、前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合、前記表示器を異なる２平面に配置したときの前記絶対位置座標と前記撮影位置座標との対応表を夫々作成し、前記２平面以外の平面における対応表を前記２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成することを特徴とする。
本発明は請求項５と同様の作用効果を奏する。
【００２３】
請求項１６は、前記計測面が前記キャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る場合、前記キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点を前記スリット光の平面方程式と前記キャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めることを特徴とする。
本発明は請求項６と同様の作用効果を奏する。
【００２４】
請求項１７は、前記表示器を前記計測面に配置した後に前記キャリブレーションを実施する場合、前記制御手段は、前記容器の歪の大小に応じて前記表示点の間隔を粗密にするように制御することを特徴とする。
本発明は請求項７と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、液体中にスリット光を照射する光源と、スリット光により照射された計測面に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影する撮像手段と、液体を収容する容器と、制御手段と、を備えた流体計測装置において、容器の形状による歪、及び／又は撮像装置のレンズ歪による計測誤差を予めキャリブレーションする自動キャリブレーション装置であって、所定間隔に配置された複数の表示点を有する表示器を備え、制御手段は、表示器の表示面が計測面に重なるように配置された時の表示点の絶対位置座標と撮像手段により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて前記撮像位置座標から前記絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するので、容器の形状による歪や、撮像装置のレンズによる歪を予め補正して、正確な流体計測を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は流体計測装置の概略構成を示す図である。この流体計測装置１００は、液体９中にレーザ光１を照射するレーザダイオード（ＬＤ）８と、レーザ光１により照射された計測面１０に浮遊するトレーサ粒子の粒子運動を撮影するＣＣＤカメラ４と、液体９を収容する水槽２と、ＣＣＤカメラ４により撮影された画像をＰＣ６が処理しやすい信号に変換する画像処理回路５と、画像処理回路５に基づいて粒子運動を計測するＰＣ６と、ＬＤ８を点灯するＬＤドライバ７と、を備えて構成されている。
【００２７】
図２は本発明の自動キャリブレーション装置の構成を示す図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この自動キャリブレーション装置１１０は、所定間隔に配置された複数の表示点を有する液晶パネル（以下、ＬＣＤパネルと記す）（表示器）３と、ＬＣＤパネル３を駆動するＬＣＤドライバ１１と、ＬＣＤパネル３を撮影するＣＣＤカメラ（撮像手段）４と、液体９を収容する水槽２と、ＣＣＤカメラ４により撮影された画像をＰＣ６が処理しやすい信号に変換する画像処理回路５と、画像処理回路５に基づいて撮影されたＬＣＤパネル３の表示点座標を補正するＰＣ（制御手段）６と、を備えて構成されている。
【００２８】
電気的に表示する表示器の中で最も表示点の密度が高くできるのがＬＣＤパネルである。また、消費電力が少なく、且つ防水性に優れている。これにより、簡単な構成で外部から多数の表示点の制御を容易に行うことができる。しかし、ＬＣＤパネルは自らが発光することができない。従って、一般的には背面に反射板を備え、外光により反射させて表示させている。しかし、外光が常にあるとは限らない場合もあるので、背面に発光手段を備えてＬＣＤの表示を行うようにしてもよい。これにより、外光を必要とせず、表示の解像度が高まり表示点の密度を高くすることができる。また、ＬＣＤパネルの代わりに発光ダイオードを使用しても良い。発光ダイオードは、表示密度をＬＣＤパネルほど高めることはできないが、マトリックス構成にすることにより、かなり高密度に表示器を構成することができる。ただし、発光ダイオードの最大の特徴は、自らが発光する点である。これにより、外光や背面発光手段を必要とせず、高輝度の表示器を実現することができる。
【００２９】
そしてＰＣ６は、ＬＣＤパネル３の表示面が計測面１に重なるように配置された時の表示点の絶対位置座標とＣＣＤカメラ４により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである（詳細は後述する）。即ち、図２に示すように防水されたＬＣＤパネル３を液体９に入れ、ＬＣＤパネル３をＣＣＤカメラ４で撮影する構成とする。この時のＬＣＤパネル３の設置位置は、レーザ光１を投光する面の位置に正確に合わせる。この装置により、校正点の実際の位置（図３（ａ）Ｘ，Ｙ）とＣＣＤカメラ４で撮影された位置（図３（ｂ）Ｕ，Ｖ）の対応表（図４）を作成する。校正点の表示方法は、図４（ｂ）のように一点ずつ表示（走査）させ、ＣＣＤカメラ４の一画面に一つの計測点を撮影する方法がある。この方法は、例えば図４（ｂ）のＰ１点を表示したときの校正点の実際の位置を図４（ａ）のように（Ｘ１，Ｙ１）とし、ＣＣＤカメラ４で撮影された位置を（Ｕ１，Ｖ１）とし、図４（ｂ）のＰ２点を表示したときの校正点の実際の位置を図４（ａ）のように（Ｘ２，Ｙ２）とし、ＣＣＤカメラ４で撮影された位置を（Ｕ２，Ｖ２）とし、図４（ｂ）のＰｎ点を表示したときの校正点の実際の位置を図４（ａ）のように（Ｘｎ，Ｙｎ）とし、ＣＣＤカメラ４で撮影された位置を（Ｕｎ，Ｖｎ）として対応表を作成する。
【００３０】
図４（ａ）の対応表が完成すると、ＣＣＤカメラ４で撮影された計測位置の補正は以下の式で求めることができる。
2008070347.tif 000003
ｌ＜α
・・・（１）
【００３１】
ここで、ｌiは、画面内での計測位置（ｕ’，ｖ’）と図４（ａ）の対応表の各校正点（Ｕi，Ｖi）の間の画面座標上での距離で以下の式で表される。
2008070347.tif 000004
・・・（２）
【００３２】
しかし、ＬＣＤパネル３の表示点が少ない場合は、１つずつ表示させて絶対位置座標と撮影位置座標の対応表を作成しても良いが、表示点が増加するほどその作業が煩雑となる。また、表示点の数が多いほど補正の精度が高まるので、可能な限り表示点の数を多くしたい。そこで本実施形態では、表示点をコード化して表示させてＣＣＤカメラ４により表示点を撮影し、絶対位置座標と撮影位置座標の位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである。これにより、ｎ回の表示回数で２n−１の表示点を識別することができる。例えば、ｎ＝２０即ち２０回の表示回数で約１００万点の表示が可能となる。
また、水槽の形状により計測点の位置が歪んで撮影される場合がある。均等に配置されているＬＣＤ画面上の輝点の位置が不均等に撮影されている場所に対し、再度多数の輝点を表示させ、これらの校正点とＣＣＤカメラ４で撮影された位置の対応を図４（ａ）に追加する。
【００３３】
図５は一度に多数の点を表示し順次点滅させることでコード化し、ＣＣＤカメラで点滅の状態を記録することによって各点を区別する方法を説明する図である。例えば、図５に従って時刻Ｔ１〜Ｔ４まで４回校正点を点滅させ、点滅の度画像を撮影すると１５個の校正点の識別ができる。従ってｎ回の点滅で２n−１個の校正点が識別できることになる。即ち、時刻Ｔ１では、点１〜点１５は「０００００・・１１」と点滅し、時刻Ｔ２では、点１〜点１５は「０００１１・・１１」と点滅し、時刻Ｔ３では、点１〜点１５は「０１１００・・１１」と点滅し、時刻Ｔ４では、点１〜点１５は「１０１０１・・０１」と点滅する。ここで、１は点灯（表示あり）、０は滅灯（表示なし）とする。
【００３４】
図６は２進コード化した場合の４回の点滅で１５点を認識する場合の図である。図６（ａ）では、１回目は点０〜７まで点灯し、点８〜１５まで滅灯する。２回目は点０〜３まで点灯し、点４〜７まで滅灯し、点８〜１１まで点灯し、点１２〜１５まで滅灯する。３回目は点０〜１まで点灯し、点２〜３まで滅灯し、点４〜５まで点灯し、点６〜７まで滅灯し、点８〜９まで点灯し、点１０〜１１まで滅灯し、点１２〜１３まで点灯し、点１４〜１５まで滅灯する。４回目は、点０、２、４、６、８、１０、１２、１４が点灯し、１、３、５、７、９、１１、１３、１５が滅灯する。図６（ｂ）は以上の結果を各回数毎にまとめた図である。このように、４回の点滅で１５点を認識することが可能となる。即ち、ｎ回の表示回数で２n−１の表示点を識別することができる。尚、点０は常に滅灯のため表示することができないので、２n−１となる。
【００３５】
図７は、本発明の自動キャリブレーション装置の動作を説明するフローチャートである。まず、ＬＣＤパネル３を計測面１０の位置に正確に配置する（Ｓ１）。予め水槽２の底部に印をつけておくと位置がずれずに済む。次に表示させる回数の１回目をカウンタにセットする（Ｓ２）。次にカウンタにセットされた回数のパターン（例えば図６（ｂ）の１回目のパターン）をテーブルから呼出し、そのパターンをＬＣＤドライバ１１に供給してＬＣＤパネル３に表示する（Ｓ３）。次にＬＣＤパネル３の表示状態をＣＣＤカメラ４により撮影し、画像処理回路５に出力する。画像処理回路５ではその画像をＰＣ６が処理しやすい信号（デジタル信号）に処理する。ＰＣ６はその画像から座標（Ｕ、Ｖ）に変換して記憶する（Ｓ４）。このとき座標（Ｘ、Ｙ）はパターンを読み出すときに判っているので、この時点で図４（ａ）で説明した対応表を作成する（Ｓ５）。次に、カウンタをインクリメントして（Ｓ６）次のパターンを読み出す準備をする。そして、ｎが最終回数Ｎになったか否かをチエックし（Ｓ７）、ＮにならなければステップＳ３に戻って繰り返し、対応表を作成する。ステップＳ７でｎ＝Ｎとなると、対応表に基づいてＣＣＤカメラ４で撮影された計測位置を式（１）、（２）より計算して補正する（Ｓ８）。
【００３６】
キャリブレーションを行う場合、実際にスリット光１を照射する計測面１０にＬＣＤパネル３を正確に配置する必要がある。しかし、キャリブレーションを完了した後に、計測面１０が同じ位置になるとは限らない場合もある。即ち、計測面１０が実際にはＺ軸方向にずれる可能性もある。その場合、キャリブレーションの結果との間に誤差を生じる。そこで本実施形態では、ＬＣＤパネル３を異なる２平面に配置したときの絶対位置座標と撮影位置座標との対応表を夫々作成し、２平面の略中間位置の平面における対応表を２平面の対応表に基づいて線形補間により求めて作成するものである。これにより、キャリブレーションを行なった計測面の位置と実際の計測面がずれても流体計測を行うことができる。
【００３７】
図８は三次元キャリブレーションの補正方法を説明する図である。例えば、トラバーサを用いて、ｚ1とｚ2の位置でキャリブレーションを行い、それぞれの位置について図９（１）、（２）を作成する。実際の計測をｚ1とｚ2の中間位置ｚ0で実施する場合は、図９（１）、（２）より線形補間によりｚ０位置での表を作成する。例えば、ｘ11，ｙ11，ｚ1，およびｘ21，ｙ22，ｚ2よりｘ01，ｙ01は以下の式から求める。
2008070347.tif 000005
・・・（３）
以上の補間により、平行な様々な断面における補正テーブルが算出される。
【００３８】
また、計測面１０がキャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る場合、キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点をスリット光の平面方程式とキャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表により補正して求めることができる。
即ち、キャリブレーションを行う場合、実際にスリット光１を照射する計測面１０にＬＣＤパネル３を正確に配置する必要がある。しかし、キャリブレーションを完了した後に、計測面１０が同じ位置になるとは限らない場合もある。即ち、計測面１０がキャリブレーションを行なった面に対して斜めに横切る可能性もある。その場合、キャリブレーションの結果との間に誤差を生じる。そこで本実施形態では、キャリブレーションを行なった面と交差する線上の点をスリット光１の平面方程式とキャリブレーションを三次元空間で実施する場合に求めた対応表（図９（１）、（２））により補正して求めるものである。これにより、キャリブレーションを行なった計測面の位置と実際の計測面がずれても流体計測を行うことができる。
【００３９】
図１０はＣＣＤカメラに対して斜めにスリット光を照射する場合の補正方法を説明する図である。図１０（ａ）のようにスリット光１がキャリブレーションを行った断面に対して、斜めに投光される場合が想定される。この場合は、以下のような方法で、このレーザ平面上の対応表を作成する。このレーザ平面は図１０（ｂ）のように、キャリブレーションを行った断面３ａ〜３ｃに対して、斜めに横断し、Ｌ1，Ｌ0，Ｌ2を通る。例えば、キャリブレーションを行った断面Ｚ＝Ｚ1との交線Ｌ1上の点は、レーザスリットの平面の方程式と図９（１）、（２）における（１）Ｚ＝Ｚ1の対応表により補正できる。例えば、レーザ平面の方程式を目盛りが記入されたトラバーサなどを用いて算出できるようにし、この時のレーザの方程式を
Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃｚ＝１      ・・・（４）
とする。
【００４０】
Ｚ＝Ｚ1のとき光線Ｌ1の方程式は、
Ａｘ＋Ｂｙ＋ｃＺ1＝１      ・・・（５）
である。
この直線上にある任意のｘi，ｙiの点に対応する点Ｕf,Ｖfは以下の換算式で求められる。
2008070347.tif 000006
・・・（６）
ここで、
2008070347.tif 000007
である。
【００４１】
以上の手続きをキャリブレーションを実施した各断面とレーザ平面の交線上で行う。また、（３）式の補正により算出した断面との交線上においても算出できる。
図１１は、自動キャリブレーション装置の概略構成を示す図である。この自動キャリブレーション装置１２０は、所定間隔に配置された複数の表示点を有するＬＣＤパネル（表示器）３と、ＬＣＤパネル３を駆動するＬＣＤドライバ１１と、携帯カメラ（撮像装置）２０により撮影されたＬＣＤパネル３のＬＣＤ２０ａ上の画像を撮影するＣＣＤカメラ（撮像手段）４と、ＣＣＤカメラ４により撮影された画像をＰＣ６が処理しやすい信号に変換する画像処理回路５と、画像処理回路５に基づいて撮影されたＬＣＤパネル３の表示点座標を補正するＰＣ（制御手段）６と、を備えて構成されている。
そしてＰＣ６は、ＬＣＤパネル３の表示面が計測面に重なるように配置された時の表示点の絶対位置座標とＣＣＤカメラ４により携帯カメラ２０を介して撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである。
【００４２】
例えば、携帯カメラ２０のＬＣＤ２０ａ等に歪がなく、且つ携帯カメラ２０のレンズにも歪が無ければ、アフィン変換の手法を用いてキャリブレーションを比較的簡単に実施することができる。しかし、現実的には、携帯カメラ２０のＬＣＤ２０ａに表示された画像が歪んでいたりする場合は、この変形を一般的なアフィン変換に用いられる数式で表現できない。また、レンズに広角レンズや望遠レンズ等を使用すると、レンズの端部で歪が生じ撮影された表示点の位置がずれてしまう。そこで、正確な計測を行なうにはこの変形を取り除く必要がある。即ち、ＬＣＤパネル３の表示面が計測面に重なるように配置された時の表示点の絶対位置座標とＣＣＤカメラ４により撮像された表示点の撮影位置座標との位置関係に基づいて撮像位置座標から絶対位置座標への変換表と補正式を求め、計測誤差を補正するものである。これにより、携帯カメラ２０のＬＣＤ２０ａに表示された画像による歪や、携帯カメラ２０のレンズによる歪を予め補正して、正確な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】流体計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の自動キャリブレーション装置の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は水槽内のＬＣＤパネル画面を示す図、（ｂ）はＣＣＤカメラで撮影された画像を示す図である。
【図４】（ａ）は校正点の実際の位置とＣＣＤカメラで撮影された位置の対応を示す図、（ｂ）は校正点の表示方法を示す図である。
【図５】一度に多数の点を表示し順次点滅させることでコード化し、ＣＣＤカメラで点滅の状態を記録することによって各点を区別する方法を説明する図である。
【図６】（ａ）は各回数毎の各点のＯＮ／ＯＦＦを表す図、（ｂ）は各回数毎にまとめた図である。
【図７】本発明の自動キャリブレーション装置の動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の三次元キャリブレーションの補正方法を説明する図である。
【図９】（１）はＺ＝Ｚ１の場合の校正点の実際の位置とＣＣＤカメラで撮影された位置の対応を示す図、（２）はＺ＝Ｚ２の場合の校正点の表示方法を示す図である。
【図１０】（ａ）はＣＣＤに対して斜めにレーザを投光した図、（ｂ）はキャリブレーションを行った平面とレーザ平面との関係を示す図である。
【図１１】自動キャリブレーション装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  スリット光、２  水槽、３  ＬＣＤパネル、４  ＣＣＤカメラ、５  画像処理回路、６  ＰＣ、７  ＬＤドライバ、８  ＬＤ、９  液体、１０  計測面、１１  ＬＣＤドライバ、１１０  自動キャリブレーション装置
【図１】
2008070347.tif 000008
【図２】
2008070347.tif 000009
【図３】
2008070347.tif 000010
【図４】
2008070347.tif 000011
【図５】
2008070347.tif 000012
【図６】
2008070347.tif 000013
【図７】
2008070347.tif 000014
【図８】
2008070347.tif 000015
【図９】
2008070347.tif 000016
【図１０】
2008070347.tif 000017
【図１１】
2008070347.tif 000018