(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４台のディジタルカメラを１組として構成される４カメラ組を少なくとも１組含み、
前記４台のディジタルカメラで構成される１組の４カメラ組は、２×２アレイの形式で配置され、
前記４台のディジタルカメラは、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラを含み、当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラは、同一の平面に配置され、
前記ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラの４台のカメラの結像光軸における焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面で１つの矩形に組合わされて１つの矩形平面を形成し、当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラの４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
前記ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラの４台のカメラの型番は同じであり、レンズも同じであり、
前記ａカメラと前記ｂカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記ａカメラ内のＣＣＤのｘ方向の座標値が同一の行の延長線と、前記ｂカメラ内のＣＣＤの対応するｘ方向の座標値が同一の行とが重ね合わされ、前記ｃカメラと前記ｄカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記ｃカメラ内のＣＣＤのｘ方向の座標値が同一の行の延長線と、前記ｄカメラ内のＣＣＤの対応するｘ方向の座標値が同一の行とが重ね合わされ、
前記ａカメラと前記ｃカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記ａカメラ内のＣＣＤのｙ方向の座標値が同一の列の延長線と、前記ｃカメラ内のＣＣＤの対応するｙ方向の座標値が同一の列とが重ね合わされ、前記ｂカメラと前記ｄカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記ｂカメラ内のＣＣＤのｙ方向の座標値が同一の列の延長線と、前記ｄカメラ内のＣＣＤの対応するｙ方向の座標値が同一の列とが重ね合わされ、
当該４台のディジタルカメラで構成される1組の４カメラ組は、選定されたカメラの結像光軸における焦点と、前記選定されたカメラと隣接する３台のカメラの結像光軸における焦点とが１つの矩形に組合わされて１つの矩形平面を形成する４台のディジタルカメラにより構成され、４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
少なくとも１つの垂直レーザと少なくとも１つの水平レーザをさらに含み、当該垂直レーザはＯａとＯｂの連結線の垂直二等分線上に配置され、当該水平レーザはＯａとＯｃの連結線の垂直二等分線上に配置されることを特徴とする４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム。
【請求項２】
当該４カメラ組は、２×３、２×４、２×５、３×２、３×３、３×４、３×５または４×４アレイの形式の多カメラ組に切り替えることができることを特徴とする請求項１に記載の４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム。
【請求項３】
当該４カメラ組のカメラのセンサの種類は、２／３型ＣＭＯＳであり、ピクセル寸法は、５．５μｍであり、解像度は、１０２４×２０４８であり、レンズの焦点距離は、２５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム。
【請求項４】
当該４カメラ組において、水平方向で互いに隣接する２台のカメラの間の距離は、ｍであり、垂直方向で互いに隣接する２台のカメラの間の距離は、ｎであり、ここで、ｍの範囲は、５０〜１００ｍｍであり、ｎの範囲は、５０〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム。
【請求項５】
下記のステップを含む、請求項１に記載の３次元測定システムに基づく測定方法において、
ステップ１：４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築し、
当該測定システムの構築は、少なくとも４台以上の同じカメラを有し、その光軸が互いに平行であり、焦点が同一の平面に位置し、焦点が１つの矩形を形成することを含み、
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法を含み、測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、測定対象物が同時に４台のカメラにおいて対応する結像点が存在するように保証し、測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成し、
ステップ２：画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行い、
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの１つの結像点をすでに知っている場合、他の１つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことであり、極線幾何拘束は、１つのよく用いられているマッチング拘束技術であり、測定点及び対応画像における結像点のこれら３つの点を連結して１つの平面を形成し、当該平面と２つの画像との結像空間における交差線を極線と称し、極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することであり、
極線アルゴリズムに対して、４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点が同一の平面に位置する矩形を形成することで、極線は、直接にＸ軸またはＹ軸に平行する直線に簡略化され、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもＸ軸またはＹ軸に平行する直線上に位置され、
当該マッチング演算において、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸とＹ軸方向で平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定対象物の測定できる全ての特徴点を完全マッチングさせ、
当該マッチング演算は、４台カメラ組画像にマッチング演算を行って、計算する必要のある空間位置の特徴点を全部探し出し、４台のカメラを超えるカメラアレイを使用して測定する場合、それぞれ異なる４カメラ組で異なるマッチング演算を行い、
ステップ３：マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算し、
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの１つの特徴点がＰＮである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算し、
特徴点の空間位置計算式に基づいて、２対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算し、２対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算し、２対の水平カメラと２対の垂直カメラとの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算し、前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データ（Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ Ｄａｔａ）を比較、分析することによって測定精度と正確率を向上させ、
ステップ４：得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の３次元寸法を計算して、３次元点のクラウドデータを形成し、３次元点のクラウド図形を形成して、３次元立体再現を行う、
ことを特徴とする３次元測定システムの測定方法。
【請求項６】
当該ステップ１において、
当該カメラとレンズのパラメータ、矩形の長さと幅の寸法を選択する基準は、
測定距離が変更されない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離が大きくなる場合、測定可能な範囲も大きくなることであり、
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、４カメラ組の光軸中心マトリックスの寸法を大きくすることであることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【請求項７】
当該ステップ３において、
マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する計算式において、
ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、Ｙは、垂直方向であり、Ｚは、長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の同一の点Ｐ１の空間位置の座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ）とし、Ｐ１点の空間３次元座標のａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組における対応する結像点はＰ１ａ（Ｐ１ａｘ，Ｐ１ａｙ）、Ｐ１ｂ（Ｐ１ｂｘ，Ｐ１ｂｙ）、Ｐ１ｃ（Ｐ１ｃｘ，Ｐ１ｃｙ）、Ｐ１ｄ（Ｐ１ｄｘ，Ｐ１ｄｙ）とすると、位置座標の関係式は、
【数１】
0006440730.tif 000009
であり、
だだし、ｍは、矩形平面のＯａＯｂの長さであり、ｎは、ＯａＯｃの長さであり、ｆは、４台のカメラの焦点距離であることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【請求項８】
当該ステップ３において、
特徴点の空間位置座標がＰＮである座標を計算する一般的な式は、
【数２】
0006440730.tif 000010
であり、
だだし、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台のカメラの焦点をＯａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄとし、焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、１つの矩形平面を形成し、矩形平面のＯａＯｂの長さをｍとし、ＯａＯｃの長さをｎとし、４台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直であり、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組は、完全に同じＣＣＤを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、それらの焦点距離をｆとし、
Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、矩形のＯａＯｂ辺に平行であり、Ｙは、垂直方向であり、矩形のＯａＯｃ辺に平行であり、Ｚは、測定対象物に向かう長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の何れか１つの特徴点をＰＮとし、ＰＮがａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の像平面における投影点の座標をＰＮａ（ＰＮａｘ，ＰＮａｙ）、ＰＮｂ（ＰＮｂｘ，ＰＮｂｙ）、ＰＮｃ（ＰＮｃｘ，ＰＮｃｙ）、ＰＮｄ（ＰＮｄｘ，ＰＮｄｙ）とすると、ＰＮ点の空間位置の座標は、ＰＮ（ＰＮｘ，ＰＮｙ，ＰＮｚ）と設定されることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム及び測定方法に関するものであり、光学電子測定技術の製品と方法の技術分野に属する。具体的には、測定対象物の３次元特徴点の座標に対して、ディジタルカメラの組を用いて、画像処理によって位置及び寸法を測定し、被視物体の特徴点の３次元位置座標点のクラウドデータを計算する方法の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
現在、被視物体の特徴点の３次元位置座標点のクラウドデータを高速且つ正確に算出して、被視物体全体の外観寸法の３次元立体に対する高速且つ正確な測定を実現する３次元測定を採用する方式、及びそこに存在する問題は、下記のとおりである。
【０００３】
１．シングル点ビジョン測定法
様々な種類の接近測長センサは、シングル点ビジョンとみなすことができ、典型的には、例えばレーザ距離センサ、及び高速走査機能を有するレーザースキャナーのようなものがある。
【０００４】
シングル点の高速走査によって、シングル点ビジョンを３次元立体ビジョンシステムにすることができるが、このようなシステムのデメリットは、測定物全体の模様特徴を高速かつ全面的に把握することができず、ダイナミック測定時に、高速で移動する物体に対して変形が発生してしまって、測定死角が発生しやすいとともに、３次元点のクラウドデータの処理速度とアルゴリズムを更に強化する必要がある、ということである。
【０００５】
２．平面ビジョン測定法
平面ビジョンにおいては、主に様々な種類のカメラを用いて２次元結像を行う。現在、様々な種類のカメラ、ビディオカメラ、監視カメラなどが広く応用されている。２次元画像のオンライン測定は、印刷と包装ライン品質検査、製品品質外観検査などのいろいろな種類の特定の対象の流れ作業検査に広く応用されている。
【０００６】
２次元結像によって、視野範囲内の物体に対して一回的な結像を行うことができ、エッジと分類アルゴリズムを通じて、物体に対して検査とインテリジェント処理を行う。そのもっとも大きな問題は、平面画像に基づいて物体の物理的な大きさを直接算出することが難しく、３次元検出に対して、独立の画像解析のみを行う場合、平面外形輪郭の定性分析しかできない、ということである。
【０００７】
３．３次元ビジョン測定
現在、３次元データの直接的な収集を確実に実現できる機器はまだ存在しない。３次元ビジョンというのは、いずれも１次元と２次元ビジョンに関する機器と技術が組み合わせてなるものである。３次元ビジョン及び測定技術は、主に下記の幾つかのものを含む。
【０００８】
（１）光切断技術（light sectioning method）及びラインレーザー測定
光切断技術及びラインレーザー測定は、レーザ光平面の確立を通じて、３次元測定を２次元の問題に変換させて解決する。１つのラインレーザ光発生装置により１つのレーザ光平面が発生し、当該平面と一定の角度をなすように設けられたディジタルビディオカメラによって結像を行った後、画像に対して２値化処理を行って、測定対象物と当該レーザ光線が交差してなる画像が得られ、当該レーザ光平面と２次元画像画素との間には、唯一の対応関係が存在し、キャリブレーションを通じて、当該物体のレーザ光の切線の正確な測定を実現することができる。現在、ラインレーザー距離計は、レーザ光線上の各点の距離の直接的な測定に対して、基本的に当該方法を採用することができる。
【０００９】
（２）両眼または多眼ビジョン測定技術
人間の目が被視物体の遠さと大きさを早く判断できるのは、人類が、一定な間隔を有しダイナミックに焦点と角度を調整できる二つの目を持っているとともに、演算速度が現在最も早いコンピュータも及び難い大脳を持っているためである。距離と焦点距離が一定である２つのカメラが同一の物体に対して同時に結像を行う場合、測定対象物の同一の測定点に対して、前記２つのカメラにより結像された画像の間には、唯一の対応関係が存在する。これが両眼ビジョン測定原理である。現在、３Ｄ映画は、基本的に当該方法によって撮影と立体再現を行う。
【００１０】
両眼ビジョンにおいて、物体のエッジ特徴の抽出及び現在の両眼画素のマッチングアルゴリズムの技術を実現するのは困難であり、両眼画像を高速且つ正確にマッチングし難いため、両眼または多眼ビジョン測定はまだ大規模的には応用されておらず、両眼で直接測定と画像認識を行う製品もまだ存在しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、多眼カメラを用いて、物体の３次元寸法を簡易、高速且つ正確に直接測定する目的を達成することができる４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システム及び測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するための本発明が採用する技術方案と方法は、下記のとおりである。
４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システムは、
４台のディジタルカメラを１組として構成される４カメラ組を少なくとも１組含み、
前記４台のディジタルカメラで構成される１組の４カメラ組は、２×２アレイの形式で配置され、
前記４台のディジタルカメラは、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラを含み、当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラは、同一の平面に配置され、
前記ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、及びｄカメラの４台のカメラの結像光軸における焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、１つの矩形を形成するとともに１つの矩形平面を形成し、当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラの４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直であり、
前記ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラの４台のカメラの型番は、完全に同じであり、レンズも完全に同じであり、
前記ａカメラとｂカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記ｃカメラとｄカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、
前記ａカメラとｃカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記ｂカメラとｄカメラとの相対的な位置は、垂直に配置される。
【００１３】
当該４台のディジタルカメラで構成される１組の４カメラ組は、選定されたカメラの結像光軸における焦点とそれと隣接する３台のカメラの結像光軸における焦点とが１つの矩形を形成するとともに１つの矩形平面を形成する４台のディジタルカメラで構成され、４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直である。
【００１４】
当該４カメラ組は、２×３、２×４、２×５、３×２、３×３、３×４、３×５または４×４アレイの形式で配置される。
【００１５】
少なくとも１つの垂直レーザと少なくとも１つの水平レーザをさらに含み、当該垂直レーザは、ＯａとＯｂの連結線の垂直二等分線上に配置され、当該水平レーザは、ＯａとＯｃの連結線の垂直二等分線上に配置される。
【００１６】
当該４カメラ組のカメラのセンサの種類は、２／３型ＣＭＯＳであり、ピクセル寸法は、５．５μｍであり、解像度は、１０２４×２０４８であり、レンズの焦点距離は、２５ｍｍである。
【００１７】
当該４カメラ組において、水平方向で互いに隣接する２台のカメラの間の距離は、ｍであり、垂直方向で互いに隣接する２台のカメラの間の距離は、ｎであり、ここで、ｍの取る値の範囲は、５０〜１００ｍｍであり、ｎの取る値の範囲は、５０〜１００ｍｍである。
【００１８】
上記の３次元測定システムに基づく測定方法は、以下の具体的なステップを含む。
ステップ１は、４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築する。
当該測定システムを構築する主な原則は、少なくとも４台以上の同じのカメラを有し、その光軸が互いに平行し、焦点が同一の平面に位置し、焦点が１つの矩形を形成できることである。
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の主な考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法であり、測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、測定対象物が同時に４台のカメラにおいて対応する結像点が存在するように保証し、測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成する。
ステップ２は、画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行う。
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの１つの結像点をすでに知っている場合、他の１つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことである。極線幾何拘束は、１つのよく用いられているマッチング拘束技術である。測定点及び対応画像における結像点のこれら３つの点を連結して１つの平面を形成し、当該平面と２つの画像との結像空間における交差線を極線と称する。極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することである。
極線アルゴリズムに対して、４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点で同一の平面に位置する矩形を形成するため、極線は、直接にＸ軸またはＹ軸に平行する直線に簡略化される。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもＸ軸またはＹ軸に平行する直線上に位置する。このように、マッチング演算を行うとき、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸とＹ軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。
マッチング演算は、４カメラ組の画像でマッチング演算を行って、空間位置の計算の必要のある特徴点を全部探し出す。４台のカメラを超えるカメラアレイを採用して測定する場合、それぞれ異なる４カメラ組で異なるマッチング演算を行う。
ステップ３は、マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する。
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの１つの特徴点がＰＮである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算し、
特徴点の空間位置計算式に基づいて、２対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算することができ、２対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算することができ、２対の水平カメラと２対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算することができ、前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データ上で比較、分析して、測定精度と正確率を向上させる。
ステップ４は、得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の３次元寸法を計算して、３次元点のクラウドデータを形成し、３次元点のクラウド図形を形成して、３次元立体再現を行う。
【００１９】
当該ステップ１において、
当該カメラとレンズのパラメータ、矩形の長さと幅の寸法を選択する基準は、
測定距離が変更しない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離が大きくなる場合、測定可能な範囲も大きくなることであり、
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、４カメラ組の光軸中心マトリックスの寸法を大きくすることである。
【００２０】
当該ステップ３において、
マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する計算式において、
ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、Ｙは、垂直方向であり、Ｚは、長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の同一の点Ｐ１の空間位置の座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ）とし、Ｐ１点の空間３次元座標のａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組における対応する結像点はＰ１ａ（Ｐ１ａｘ，Ｐ１ａｙ）、Ｐ１ｂ（Ｐ１ｂｘ，Ｐ１ｂｙ）、Ｐ１ｃ（Ｐ１ｃｘ，Ｐ１ｃｙ）、Ｐ１ｄ（Ｐ１ｄｘ，Ｐ１ｄｙ）とすると、位置座標の関係式は、
【００２１】
【数１】
0006440730.tif 000002
であり、
だだし、ｍは、矩形平面のＯａＯｂの長さであり、ｎは、ＯａＯｃの長さであり、ｆは、４台のカメラの焦点距離である。
【００２２】
当該ステップ３において、
特徴点の空間位置座標がＰＮである座標を計算する一般的な表現式は、
【００２３】
【数２】
0006440730.tif 000003
であり、
だたし、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台のカメラの焦点をＯａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄとし、焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、１つの矩形平面を形成し、矩形平面のＯａＯｂの長さをｍとし、ＯａＯｃの長さをｎとし、４台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直であり、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組は、完全に同じカメラを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、４台のカメラの焦点距離をｆとし、
Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、矩形のＯａＯｂ辺に平行であり、Ｙは、垂直方向であり、矩形のＯａＯｃ辺に平行であり、Ｚは、測定対象物に向かう長さまたは深さ方向であり、
測定対象物の何れか１つの特徴点をＰＮとし、ＰＮがａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の像平面における投影点の座標をＰＮａ（ＰＮａｘ，ＰＮａｙ）、ＰＮｂ（ＰＮｂｘ，ＰＮｂｙ）、ＰＮｃ（ＰＮｃｘ，ＰＮｃｙ）、ＰＮｄ（ＰＮｄｘ，ＰＮｄｙ）とすると、ＰＮ点の空間位置の座標は、ＰＮ（ＰＮｘ，ＰＮｙ，ＰＮｚ）と設定される。
【００２４】
本発明の技術方案と方法は、４台以上のディジタルカメラを同一の平面に矩形アレイに配置し、多眼マッチングアルゴリズムを完成して、対応する各特徴点を探し出した後、当該方法を採用して高速かつ正確に被視物体の特徴点の３次元位置座標を算出し、さらに、被視物体全部の外観寸法の３次元立体の高速且つ正確な測定を実現する。特徴点の３次元座標を高速に計算できる以外に、４カメラ組の平面マトリックス配置方式を採用したため、当該方法は、特徴点のマッチングアルゴリズムを大幅に簡略化できる。
【００２５】
本発明の提案と方法は、下記の利点を有する。
【００２６】
１．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、測定対象物の同一の点の、異なるカメラにおける結像点の位置の変化に基づいて、測定対象物の同一の点の３次元立体座標を算出することができる。ここで、水平寸法は、２対の水平に配置されたカメラにより算出され、垂直寸法は、２対の垂直に配置されたカメラにより算出され、深さ寸法は、２対の水平カメラまたは２対の垂直カメラにより算出される。
【００２７】
２．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、特徴点の画像座標の間の簡単な代数計算によって、測定対象物の特徴点の３次元立体データを算出することができ、測定対象物の同一の点の座標計算精度は、カメラの精度と解像度、カメラ同士の位置精度と距離のみに関連する。従来の光切断アルゴリズムと予めキャリブレーションが必要な他のアルゴリズムに比べて、複雑なキャリブレーション計算式に代入する必要がなく、空間寸法計算を大幅に簡略化させるとともに、キャリブレーション装置とキャリブレーション過程で発生する誤差による測定結果への影響を避けることができる。
【００２８】
３．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、マルチカメラ冗長化と特殊構造化の配置方法に属し、両眼ビジョンマッチングアルゴリズムのうちの極線アルゴリズムに対して、直接にＸ軸とＹ軸に平行する直線に簡略化することができる。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもＸ軸とＹ軸とに平行する直線上に位置する。直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸とＹ軸方向で平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。当該方法は、両眼マッチングの複雑なアルゴリズムを大幅に簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の平面４カメラ組アレイの配置平面模式図である。
【図２】本発明の平面４カメラ組アレイの平面斜視模式図である。
【図３】本発明の平面４カメラ組アレイの配置座標系の設定模式図である。
【図４】本発明の４カメラ組アレイの水平寸法を計算するときの斜視模式図である。
【図５】本発明の４カメラ組アレイの水平寸法を計算するときの平面模式図である。
【図６】本発明の４カメラ組アレイの垂直寸法を計算するときの斜視模式図である。
【図７】本発明の４カメラ組アレイの垂直寸法を計算するときの平面模式図である。
【図８】本発明の３×２カメラアレイの３次元測定システムの配置模式図である。
【図９】本発明の３×２カメラアレイの３次元測定システムの配置平面図である。
【図１０】本発明の３×２カメラアレイの３次元測定システムの配置側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の技術方案と方法を全面的に理解させるために、図面を参照して本発明の技術方案と方法を詳細に説明する。
【００３１】
図１、図２及び図３に示すように、４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定システムは、４台のディジタルカメラを１組として構成される４カメラ組を少なくとも１組含む。
前記の４台のディジタルカメラで構成される１組の４カメラ組は、２×２アレイの形式で配置される。
前記の４台のディジタルカメラは、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラを含み、当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラは、同一の平面に配置される。
前記のａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラの４台のカメラの結像光軸における焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、１つの矩形を形成するとともに１つの矩形平面を形成する。即ち、ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラは、それぞれ当該矩形の４つの角（図１、図２、図３）に位置する。当該ａカメラ、当該ｂカメラ、当該ｃカメラ及び当該ｄカメラの４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直である。
前記のａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ及びｄカメラの４台のカメラの型番は、完全に同じであり、レンズも完全に同じである。カメラ同士の間の距離は、矩形の要求を満足する上で、その長さと幅を任意に調整することができる。カメラ解像度と他のパラメータ、レンズの焦点距離、矩形の長さと幅寸法の選択は、測定対象物の位置と寸法に基づいて適当なパラメータを選択して、４台のカメラが視野範囲内でいずれも測定対象物の画像を撮影できることを保証するとともに、画像解像度に対する測定精度の要求を満足する。
【００３２】
また、少なくとも１つの垂直レーザと少なくとも１つの水平レーザを含む。垂直レーザとは、垂直方向に配置されたレーザであり、水平レーザとは、水平方向に配置されたレーザである。レーザは、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、自由電子レーザまたはパルスレーザから選出できる。
前記のａカメラとｂカメラとの相対的な位置は、水平に配置され、前記のｃカメラとｄカメラとの相対的な位置は、水平に配置される（ａカメラ、ｂカメラと平行）。当該垂直レーザは、ＯａとＯｂの連結線の垂直二等分線上に位置し、図１、図２に示すように、ａカメラとｂカメラの上方に位置し、距離は、ａカメラとｂカメラの焦点の連結線の長さの１〜３倍である。
前記のａカメラとｃカメラとの相対的な位置は、垂直に配置され、前記のｂカメラとｄカメラとの相対的な位置は、垂直に配置される（ａカメラ、ｃカメラと平行）、当該水平レーザは、ＯａとＯｃの連結線の垂直二等分線上に位置し、図１、図２に示すように、ａカメラとｃカメラの左側に位置し、距離は、ａカメラとｃカメラの焦点の連結線の長さの１〜３倍である。
当該４台のディジタルカメラで構成される1組の４カメラ組は、選定されたカメラの結像光軸における焦点と、それと隣接する３台のカメラの結像光軸における焦点とが１つの矩形を形成するとともに１つの矩形平面を形成する４台のディジタルカメラで構成される。４台のカメラの結像光軸は、いずれも当該矩形平面に垂直である。
【００３３】
当該４カメラ組は、２×３、２×４、２×５、３×２、３×３、３×４、３×５または４×４アレイの形式で配置される。異なる位置と外形寸法の物体を測定でき、異なる測定精度の要求を満足するために、当該ビジョン測定システムは、必要により、４カメラ組の２×２アレイを、矩形を元にペアでカメラアレイに配置して拡張することによって、測定する視野範囲を拡大する。４カメラ組のアレイが２×２アレイであると設定する場合、横方向の視野範囲を増加させようとすると、横方向に１対のカメラをさらに配置して３×２アレイにすることができ、拡張可能なアレイは、例えば、２×３、２×４、２×５、３×２、３×３、３×４、３×５、４×４などがある。
【００３４】
測定カメラのマトリックス配置のもっとも重要な原則は、カメラの結像光軸上の焦点、及びそれと隣接する３台のカメラの結像光軸上の焦点が１つの矩形を形成し、カメラの結像光軸がいずれも当該矩形平面に垂直となるようにすることである。
【００３５】
測定カメラのマトリックス配置のもう一つの原則は、測定される必要のある特徴点がカメラアレイのうちの少なくとも１つの４カメラの２×２アレイのうちのすべての画像から対応するマッチング点を探し出されるようにすることである。
【００３６】
測定カメラマトリックスの計算原則は、４カメラ組の２×２アレイを基礎として画像マッチングと３次元座標計算をすることである。当該１対のカメラが水平または垂直方向で２対の他のカメラとそれぞれ隣接する場合、当該１対のカメラは、それぞれ、それと隣接する２対の他のカメラとの４カメラ組の２×２アレイ演算に寄与することができる。
【００３７】
４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定法においては、１つまたは複数の垂直ラインレーザー発生器（即ち、垂直レーザー）または水平ラインレーザー発生器（即ち、水平レーザー）を配置してもよい。図１、図２を参照すると、１つまたは複数の垂直ラインレーザー発生器または水平ラインレーザー発生器の用途は、レーザ光構造化光によって被視物体とレーザ光との交差線における同一の測定点に対する４カメラ組の画像を高速且つ正確にマッチングさせることである。（レーザ光が普通の光源に比べて照度が高いため、画像において容易に物体との交差線図形が形成され、光切断原理に基づいて、交差線の３次元座標を容易に算出でき、ずれはない。指示線と類似し、画像マッチングに便利である。逆にいうと、画像を直接マッチングさせる場合、アルゴリズムが複雑であり、マッチングエラーが発生しやすく、唯一性を保証することが難しい。）しかしながら、ラインレーザー発生器を配置しなくても、画像特徴点の高速マッチングを実現できれば、測定結果にも影響がない。測定速度と精度の要求を達成するために、複数本の水平または垂直レーザ光線を配置する場合がある。配置方式としては、レーザ光線が互いに平行するように配置されることを提案する。
【００３８】
当該４カメラ組のうちのカメラセンサの種類は、２／３型ＣＭＯＳであり、ピクセル寸法は、５．５μｍであり、解像度は、１０２４×２０４８であり、レンズの焦点距離は、２５ｍｍである。
【００３９】
当該４カメラ組のうちの水平方向で互いに隣接する２台のカメラの距離は、ｍであり、垂直方向で互いに隣接する２台のカメラの距離は、ｎであり、ここで、ｍの範囲は、５０〜１００ｍｍであり、ｍの好ましい範囲は、６０ｍｍであり、ｎの範囲は、５０〜１００ｍｍであり、ｎの好ましい範囲は、５０ｍｍである。
【００４０】
前記のような３次元測定システムに基づく測定方法は、下記の具体的なステップを含む。
ステップ１は、４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法に基づいて測定システムを構築する。
当該測定システムを構築する主な原則は、少なくとも４台以上の同じのカメラを有し、その光軸が互いに平行であり、焦点が同一の平面に位置し、焦点が１つの矩形を形成できるようにすることである。
当該矩形の寸法とカメラ及びレンズのパラメータとの選択時の主な考慮要素は、測定システムの精度と測定対象物の寸法である。測定精度の要求が高い場合、カメラの解像度を向上させ、レンズの焦点距離を増加させるとともに、同時に４台のカメラに測定対象物の対応する結像点が存在するように保証する。測定対象物が結像範囲を超える場合、ペアで測定カメラを追加して、測定カメラマトリックスを形成することが考えられる。
ステップ２は、画像収集完了後、カメラ組の画像の特徴点に対してマッチング演算を行う。
両眼と多眼画像マッチングアルゴリズムに関して、現在、大量の関連研究とアルゴリズムがあり、現在のアルゴリズムを参考にして、画像における測定対象物の結像点に対して、対応するマッチングを行うことができる。マルチカメラ冗長と特殊構造化配置方法を採用したため、両眼・多眼画像とマッチングアルゴリズムを採用して、画像における測定対象物の結像点に対して、対応するマッチングを行う。両眼ビジョンマッチングアルゴリズムのうちの極線アルゴリズムに対して、直接にＸ軸とＹ軸に平行する直線に簡略化する。即ち、測定対象物の各像平面における対応するすべての投影点は、いずれもＸ軸及びＹ軸に平行する直線上に位置する。直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸方向とＹ軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。当該方法は、両眼マッチングの複雑なアルゴリズムを大幅に簡略化することができる。
両眼立体ビジョン測定において、立体マッチングとは、そのうちの１つの結像点をすでに知っている場合、他の１つの画像から当該結像点に対応する点を探し出すことである。極線幾何拘束は、１つのよく用いられているマッチング拘束技術である。測定点及び対応画像における結像点のこれら３つの点を連結して１つの平面を形成し、当該平面と２つの画像との結像空間における交差線を極線と称する。極線の拘束条件は、マッチング点が必ず極線上に位置することである。
極線アルゴリズムに対して、４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法のカメラ光軸が平行になり、且つ焦点で同一の平面に位置する矩形を形成するため、極線は、直接にＸ軸またはＹ軸に平行する直線に簡略化される。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもＸ軸またはＹ軸に平行する直線上に位置する。このように、マッチング演算を行うとき、直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸とＹ軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。
マッチング演算は、４カメラ組の画像でマッチング演算を行うことを要求し、空間位置の計算の必要がある特徴点を全部探し出す。４台のカメラを超えるカメラアレイを採用して測定する場合、それぞれ異なる４カメラ組で異なるマッチング演算を行う必要がある。
ステップ３は、マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する。
マッチングされた特徴点の像座標を測定対象物空間内の何れかの１つの特徴点がＰＮである座標を表す式に代入して、各特徴点の空間位置座標を計算する。
特徴点の空間位置計算式に基づいて、２対の水平カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の幅寸法を計算することができ、２対の垂直カメラの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の高さ寸法を計算することができ、２対の水平カメラと２対の垂直カメラとの間のマッチング特徴点によって、測定対象物の長さ寸法を計算することができる。前記の寸法は、いずれも冗長性を有し、冗長データを比較、分析して、測定精度と正確率を向上させることができる。
ステップ４は、得られた各特徴点の空間位置座標に基づいて、測定対象物の特別に測定する必要のある他の３次元寸法を計算して、３次元点のクラウドデータを形成し、３次元点のクラウド図形を形成して、３次元立体再現を行う。
【００４１】
当該ステップ１において、当該カメラとレンズのパラメータ、矩形の長さと幅を選択するときの具体的な基準は、以下のとおりである。
測定距離が変更しない場合、測定対象物の体積が大きいほど、レンズの必要とする焦点距離が小さくなり、測定距離を増加する場合、測定可能な範囲も大きくなる。
測定解像度を向上させる方法は、カメラの解像度を向上させ、測定距離を減少させ、測定距離が変更しない条件で、焦点距離の値を減少させ、４カメラ組の光軸焦点マトリックスの寸法を大きくすることである。
【００４２】
当該ステップ３において、マッチングされた特徴点の像座標に基づいて、特徴点の空間位置座標を計算する式は、以下のとおりである。
ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、Ｙは、垂直方向であり、Ｚは、長さまたは深さ方向である。
測定対象物の同一の点Ｐ１の空間位置の座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ）とし、Ｐ１点の空間３次元座標のａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組における対応する結像点はＰ１ａ（Ｐ１ａｘ，Ｐ１ａｙ）、Ｐ１ｂ（Ｐ１ｂｘ，Ｐ１ｂｙ）、Ｐ１ｃ（Ｐ１ｃｘ，Ｐ１ｃｙ）、Ｐ１ｄ（Ｐ１ｄｘ，Ｐ１ｄｙ）とする場合の位置座標の関係式は、
【００４３】
【数３】
0006440730.tif 000004
である。
だだし、ｍは、矩形平面のＯａＯｂの長さであり、ｎは、ＯａＯｃの長さであり、ｆは、４台のカメラの焦点距離である。
【００４４】
本発明の３次元立体ビジョン測定原理は、図３、図４、図５、図６、図７を参照する。ここで、図４、図５は、ａカメラ、ｂカメラで水平寸法を測定する模式図であり、図６、図７は、ａカメラ、ｃカメラで垂直寸法を測定する模式図である。
【００４５】
図３、図４、図５、図６、図７を例として、以下のように測定原理を説明する。
図３において、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４台カメラ組の焦点をＯａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄとし、焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、１つの矩形平面を形成する。矩形平面のＯａＯｂの長さをｍとし、ＯａＯｃの長さをｎとし、４カメラ組の光軸は、互いに平行であり、且つ当該矩形平面に垂直である。ａ、ｂ、ｃ、ｄの４台のカメラは、完全に同じＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ，電荷結合素子）を選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、その焦点距離をｆとし、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４カメラ組のＣＣＤ結像の像平面の中心をＯａ'、Ｏｂ'、Ｏｃ'、Ｏｄ'とする。
【００４６】
測定対象物の１つの特徴点をＰ１とし、Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、Ｙは、垂直方向であり、Ｚは、長さまたは深さ方向である場合、Ｐ１点の空間位置の座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ）とする。
図４においては、ａ、ｂカメラの空間結像位置関係のみが表される。Ｐ１点のａ、ｂカメラの像平面における結像点をＰ１ａ、Ｐ１ｂとし、Ｐ１点の座標ＸＹ軸平面における投影点をＰ１'とし、その座標は、Ｐ１'（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，０）であり、結像原理によると、Ｐ１点とＰ１ａの連結線は、Ｏａ点を通過し、Ｐ１点とＰ１ｂの連結線は、Ｏｂ点を通過する。Ｏａ'、Ｏｂ'を中心として、物体空間座標系のＯＸＹＺ座標軸方向と一致するａ、ｂカメラの像平面座標系をそれぞれ設定すると、Ｐ１ａの座標は、Ｐ１ａ（Ｐ１ａｘ，Ｐ１ａｙ）であり、Ｐ１ｂの座標は、Ｐ１ｂ（Ｐ１ｂｘ，Ｐ１ｂｙ）である。
【００４７】
図５においては、Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１の３つの点のＸＺ座標平面に投影されたときの幾何関係が表される。相似三角形の原理に基づいて、下記の式が成立する。
【００４８】
【数４】
0006440730.tif 000005
図６においては、ａ、ｃカメラの空間結像位置関係のみが表れる。Ｐ１点のｃカメラの像平面における結像点をＰ１ｃとし、Ｐ１点の座標ＸＹ軸平面における投影点をＰ１'とし、その座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，０）であり、結像原理によると、Ｐ１点とＰ１ｃの連結線は、Ｏｃ点を通過する。Ｏｃ'を中心として、物体空間座標系のＯＸＹＺ座標軸方向と一致するｃカメラの像平面座標系を設定し、Ｐ１ｃの座標は、Ｐ１ｃ（Ｐ１ｃｘ，Ｐ１ｃｙ）である。
【００４９】
図７においては、Ｐ１ａ、Ｐ１ｃ、Ｐ１これら３つの点のＹＺ座標平面に投影されたときの幾何関係が表れる。相似三角形の原理に基づいて、下記の式が成立する。
【００５０】
【数５】
0006440730.tif 000006
式（３）、（４）、（７）、（８）から、ａ、ｂカメラとａ、ｃカメラによって、それぞれペアで演算を行って、Ｐ１点の空間位置座標Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙ、Ｐ１ｚの、Ｐ１点のａ、ｂ、ｃカメラにおける投影点Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃの座標に関する計算式を得る。
【００５１】
カメラ組により水平寸法を測定するとき、ａ、ｂカメラまたはｃ、ｄカメラを用いてペアで演算を行うことができ、ｃ、ｄカメラの演算原理及び方法は、ａ、ｂカメラと完全に同じである。カメラ組により垂直寸法を測定するとき、ａ、ｃカメラまたはｂ、ｄカメラを用いてペアで演算を行うことができ、ｂ、ｄカメラの演算原理及び方法は、ａ、ｃカメラと完全に同じである。
【００５２】
測定計算式をまとめると、以下のとおりである。
ａ、ｂ、ｃ、ｄの４台カメラ組の焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点として、測定対象物空間の三角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、Ｙは、垂直方向であり、Ｚは、長さまたは深さ方向である。測定対象物の同一の点であるＰ１点の空間位置の座標は、Ｐ１（Ｐ１ｘ，Ｐ１ｙ，Ｐ１ｚ）であり、Ｐ１点の空間３次元座標の、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４台カメラ組における対応する結像点Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃ、Ｐ１ｄの位置座標に関する関係式は、以下のとおりである（だだし、ｍは、矩形平面のＯａＯｂの長さであり、ｎは、ＯａＯｃの長さであり、ｆは、４台のカメラの焦点距離である）。
【００５３】
【数６】
0006440730.tif 000007
【００５４】
当該ステップ３において、特徴点の空間位置座標がＰＮである座標を計算する一般的な式は、以下のとおりである。
ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台のカメラの焦点をＯａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄとし、焦点Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄは、同一の平面に位置し、且つ１つの矩形平面を形成する。矩形平面のＯａＯｂの長さをｍとし、ＯａＯｃの長さをｎとし、４台のカメラの光軸は、互いに平行であるとともに当該矩形平面に垂直である。ａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組は、完全に同じＣＣＤを選択使用して結像を行い、レンズも完全に同じであり、その焦点距離をｆとする。
Ｏａ、Ｏｂ、Ｏｃ、Ｏｄにより形成される矩形平面の中心点Ｏを原点とする測定対象物空間の直角座標系を設定し、Ｘは、水平方向であり、矩形のＯａＯｂ辺に平行であり、Ｙは、垂直方向であり、矩形のＯａＯｃ辺に平行であり、Ｚは、長さまたは深さ方向であり、その方向は、測定対象物に向かう。
測定対象物のいずれか１つの特徴点をＰＮとし、ＰＮがａカメラ、ｂカメラ、ｃカメラ、ｄカメラの４台カメラ組の像平面における投影点の座標をＰＮａ（ＰＮａｘ，ＰＮａｙ）、ＰＮｂ（ＰＮｂｘ，ＰＮｂｙ）、ＰＮｃ（ＰＮｃｘ，ＰＮｃｙ）、ＰＮｄ（ＰＮｄｘ，ＰＮｄｙ）とすると、ＰＮ点の空間位置の座標は、ＰＮ（ＰＮｘ，ＰＮｙ，ＰＮｚ）と設定される。
【００５５】
一般的に、４カメラ組の平面アレイの特徴点の３次元測定方法において、測定対象物空間における何れか１つの特徴点ＰＮの座標を表す式は、以下のとおりである。
【００５６】
【数７】
0006440730.tif 000008
【００５７】
前記の計算式によって、下記の結論が得られる。
【００５８】
１．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、測定対象物の同一の点の、異なるカメラにおける結像点の位置の変化に基づいて、測定対象物の同一の点の３次元立体座標を算出することができる。ここで、水平寸法は、２対の水平に配置されたカメラにより算出され、垂直寸法は、２対の垂直に配置されたカメラにより算出され、深さ寸法は、２対の水平カメラまたは２対の垂直カメラにより算出される。
【００５９】
２．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、特徴点の画像座標の間の簡単な代数計算によって、測定対象物の特徴点の３次元立体データを算出することができ、測定対象物の同一の点の座標計算精度は、カメラの精度と解像度、カメラ同士の位置精度と距離のみに関連する。従来の光切断アルゴリズムと予めキャリブレーションが必要な他のアルゴリズムに比べて、複雑なキャリブレーション計算式に代入する必要がなく、空間寸法計算を大幅に簡略化させるとともに、キャリブレーション装置とキャリブレーション過程で発生する誤差による測定結果への影響を避けることができる。
【００６０】
３．４カメラ組の平面アレイの３次元ビジョン測定法は、マルチカメラ冗長化と特殊構造化の配置方法に属し、両眼ビジョンマッチングアルゴリズムのうちの極線アルゴリズムに対して、直接にＸ軸とＹ軸に平行する直線に簡略化することができる。即ち、測定対象物のすべての各像平面における対応投影点は、いずれもＸ軸とＹ軸とに平行する直線上に位置する。直接に各対の測定画像に対して画素点ごとに、Ｘ軸とＹ軸方向に平行移動、重ね合わせ、比較を行うことによって、測定物の測定できるすべての点を完全マッチングさせる。当該方法は、両眼マッチングの複雑なアルゴリズムを大幅に簡略化することができる。
【００６１】
以下、１つの実施例を挙げて詳細に説明する。
【００６２】
図８、図９及び図１０に示すように、カメラ１、カメラ２、カメラ３、カメラ４、カメラ５、カメラ６で１つの３×２カメラアレイの３次元測定システムを構成し、カメラ１、カメラ２、カメラ３、カメラ４、カメラ５、カメラ６をそれぞれ１、２、３、４、５、６と略称する。
【００６３】
用いられる６台のカメラのセンサの種類は、２／３型ＣＭＯＳであり、ピクセル寸法は、５．５μｍであり、解像度は、１０２４×２０４８であり、レンズの焦点距離は、２５ｍｍであり、水平方向に３台のカメラが配置され、垂直方向に２台のカメラが配置されて、３×２カメラアレイの３次元測定システムを構成する。だだし、水平方向におけるカメラの間の距離は、ｍ＝６０ｍｍであり、垂直方向におけるカメラの間の距離は、ｎ＝５０ｍｍである。
【００６４】
測定対象物は長方体であると仮定し、長方体の頂部の２つの測定点をＰ１、Ｐ２とする。図９（平面図）から分かるように、測定対象物を、Ｌ１より小さい視野範囲内に配置してはいけない。さもないと、測定対象物が水平方向における少なくとも２台のカメラの視野交差範囲内に結像することを保証できない。図１０（側面図）から分かるように、測定対象物は、Ｌ２より小さい視野範囲内に配置してはいけない。さもないと、測定対象物が垂直方向における２台のカメラの視野交差範囲内に結像することを保証できない。Ｌ１、Ｌ２は、最も近いテスト距離と呼んでもよい。図８から分かるように、Ｌ２＞Ｌ１であり、測定距離がＬ２より小さい領域を当該測定システムの死角地帯とする。死角地帯以外の図面において斜線で表示された範囲が、測定できる領域である。
【００６５】
図面から分かるように、測定点Ｐ１は、１、２、４、５の４カメラ組の測定領域に位置し、Ｐ２は、２、３、５、６の４カメラ組の測定領域に位置する。当該測定システムにおいて、まず、１、２、４、５の４カメラ組で演算を行って、Ｐ１点を含む、１、２、４、５の４カメラ組のいずれのカメラに結像できる測定対象物の各測定点を算出した後、２、３、５、６の４カメラ組で演算を行って、Ｐ２点を含む、２、３、５、６の４台のカメラのいずれのカメラに結像できる測定対象物の各測定点を算出し、最後に、２回の計算結果をまとめて分析して、２つの組でいずれも測定できるデータを優先的に選出して、すべての点の３次元測定を完成する。
【００６６】
測定対象物の３次元立体表面の４カメラ組に結像できない部分に対しては、数回に分けて測定する方法、或いは他の測定システムを追加する方法を採用して解決することができる。
【図１】
0006440730.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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