(57)【要約】【課題】  測定対象物の反射率変動や背景光などの測定環境の影響を受けず、前記物体の形状や変形を高速かつ高精度で簡便に測定できるラインセンサーを用いた形状計測装置およびその計測制御方法を提供することである。【解決手段】  相対的に連続移動する測定対象物６に、垂直方向に対して等しい角度だけ傾いた方向からプロジェクター１、２で濃度傾斜パターン光と一定輝度光とをそれぞれ投影し、移動方向に直列に配置したラインセンサー３、４、５により濃度傾斜パターン光を投影した状態、一定輝度光を投影した状態、光を投影しない状態にある測定対象物体の画像を撮影し、同一位置の輝度が測定可能なラインセンサーを用いた形状計測装置で、各ラインセンサーにバンドパスフィルタを装着し、投影光の散乱角度をそれぞれ等しくし、各ラインセンサーへの入力光量とその出力との関係を線形化し、直線ゲイン係数を同一に設定したのである。【選択図】  図３
2005140537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも３台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測装置であって、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の波長域の光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しく設定したことを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測装置。
【請求項２】
前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であることを特徴とする請求項１に記載のラインセンサーを用いた形状計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のラインセンサーを用いた形状計測装置であって、この形状計測装置が車両に搭載されて連続移動し、路面の形状を測定することを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測装置。
【請求項４】
相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも３台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測方法であって、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の幅の波長光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の幅の波長光のみを入射させる波長制限手段を設け、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しく設定したことを特徴とするラインセンサーを用いた形状計測方法。
【請求項５】
前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であり、一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれ投影するストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から所要の発光遅れ時間を設けてラインセンサーによる測定対象物体の画像撮影を開始するようにしたことを特徴とする請求項４に記載したラインセンサーを用いた形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、測定対象物に一定輝度光と、輝度分布が傾斜して異なる濃度傾斜パターン光とを投影し、その輝度をラインセンサーにより測定して比較することにより、測定対象物の形状を計測するラインセンサーを用いた形状計測装置とその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道の道床バラストや道路の路面は、長期間使用されることにより磨耗や変形などの経時劣化を生じるため、変形等を監視し、当状況に応じて補修を行なう保守点検作業が必要である。現状の検査方法では、作業に多大な時間を要し、車両の通行を制限する場合もあるため、より高速で定量的に道床バラストや路面形状を検査できる技術が必要であり、このため、高速で走行する車両から、道床バラストや路面の形状検査を非接触で行なう手法の開発が求められている。
【０００３】
従来、道床バラストや路面の形状計測手法としては、スリット光を物体に投影し、物体表面でゆがんだスリット光を２次元ＣＣＤカメラで撮影して、スリット光のゆがみ量から物体の形状を算出する光切断法を用いる手法が知られている。この計測手法では、２次元画像を解析するため、解析に時間を要し、形状検査を高速に行なえないなどの問題がある。一方、試料に投影する格子パターンの位相を連続的にシフトさせ、ＣＣＤカメラなどのテレビカメラを用いて位相分布画像を得ることにより、リアルタイムに形状計測を行なう方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この形状計測手法では、平行な投影格子のピッチを厳密に調整して投影する必要があり、実用上不便な面があるなどの問題がある。
【０００４】
このような問題点を解消する形状計測手法として、濃度傾斜パターンのついた光を測定対象物に投影し、その反射光を２次元ＣＣＤカメラで撮影し、対象物の三次元形状を算出する計測手法が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。この計測手法では、輝度分布のパターンが異なる２種類の光を被測定物に交互に投影し、この投影光間の輝度比に基づいて、予め求めた輝度比と距離とのキャリブレーション曲線を用いて距離演算を行ない、形状計測が行なわれる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４３３８号公報（［０００９］〜［００１４］）
【非特許文献１】宮阪  健夫ほか：「濃度傾斜投影法を用いたリアルタイム三次元計測装置の開発」（第７回画像センシングシンポジウム講演論文集（2001年 P.251-P.254））
【非特許文献２】Brian Carrihill and Robert Hummel:「Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor」（COMPUTER VISION,GRAPHICS,AND IMAGE PROCESSING,VOL.32(1985),P.337-P.358
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１および２に提案された形状計測手法では、測定対象物上へ投影された投影光による画像の撮影にＣＣＤカメラを用い、投影光の輝度比に対応する撮影画像における輝度比を求めて計測データを得ているが、高速画像撮影が可能なラインセンサーを使用していない。また、前記画像における輝度比は、測定対象物の反射率の影響を受けるが、この反射率変動への対策が講じられていない。さらに、非特許文献１では、測定対象物への投影光の光源に関しては具体的に記述されておらず、非特許文献２では、単色光を用いた場合のみの実験結果について検討されている。従って、単色光以外の光源をも使用可能とするためには計測手法の一般化が必要である。
【０００７】
これに対し、図７に示すような、ラインセンサーを用いた計測原理が、本願の発明者の一人から提案されている。この計測原理は、２台のプロジェクター３１、３２と、測定対象物３３の移動方向に等間隔に配置された３台のラインセンサー３４、３５、３６を用いて、測定対象物３３の形状測定を可能とするもので、基準面上を矢印方向に移動する測定対象物３３に対して、プロジェクター３１からは一定輝度光を、プロジェクター３２からは濃度輝度パターン光、即ち濃淡パターンのついた濃度傾斜パターン光を、斜め方向にそれぞれ順次投影し、何も投影しない状態、一定輝度光を投影した状態、濃度傾斜パターン光を投影した状態で、ラインセンサー３４、３５、３６により、測定対象物３３の同一位置Ｐを撮影して輝度を測定し、この同一位置Ｐにおける輝度比を算出することにより、形状計測が行なわれる。
【０００８】
前記ラインセンサー３４で、何も投影しない状態で測定される測定対象物３３の位置Ｐにおける輝度Ｉ1、ラインセンサー３５で、一定輝度光を投影した状態で測定される位置Ｐにおける輝度Ｉ2、濃度傾斜パターン光を投影した状態で測定される位置Ｐにおける輝度Ｉ3は、ラインセンサー３４、３５、３６の視線方向の高さｈにおける光輝度をそれぞれ、ｆ1（ｈ）、ｆ2（ｈ）、ｆ3（ｈ）とし、この位置Ｐにおけるラインセンサー３４の視線方向の反射率をＲ1、ラインセンサー３５、３６の視線方向の反射率をＲとすると、次のように表すことができる。
【数１】
2005140537.tif 000003
ここで、輝度比Ｊを次のように定義すると、輝度比Ｊは高さｈの関数Ｆ（ｈ）として表すことができる。
【数２】
2005140537.tif 000004
Ｆ（ｈ）が一価の逆関数Ｆ-1（Ｊ）を有する場合は、高さｈは次のように輝度比Ｊから求めることができる。
【数３】
2005140537.tif 000005
輝度比Ｊと高さｈとの関係を予め求めてテーブル化しておくことにより、輝度比Ｊから高さを求めることが容易となる。
【０００９】
しかし、上記原理を用いた計測方法では、プロジェクター３１、３２からの投影光として、分光組成を有する一般光を用いたり、投影角度に誤差を生じたりした場合、上記輝度比Ｊが測定対象物３３の反射率変動の影響を受け、輝度比Ｊから高さを精度よく測定することができない。
【００１０】
このように、従来の計測手法ではいずれも、路面のような連続した物体、生産ラインにおける製品のように連続的に移動する物体、パイプや鋼板などの大きく、長い物体などの測定対象物などの形状計測を、容易に得られる分光組成を有する一般の光源を用いて、高速かつ高精度で簡便に行なうことは困難である。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、測定対象物の反射率変動や背景光などの測定環境の影響を受けず、前記物体の形状や変形を高速かつ高精度で簡便に測定できるラインセンサーを用いた形状計測装置およびその計測制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１３】
即ち、相対的に連続移動する測定対象物体に、垂直方向に対して所定の角度だけ傾いた方向から、異なる投影機で一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影し、移動方向に直列に配置された少なくとも３台のラインセンサーによって、前記一定輝度光を投影した状態、前記濃度傾斜パターン光を投影した状態および光を投影しない状態のそれぞれの状態にある測定対象物の画像を撮影して同一位置の輝度を測定し、算出した同一位置の輝度比から形状計測を可能としたラインセンサーを用いた形状計測装置で、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または前記測定対象物による反射経路に各ラインセンサーに一部の波長域の光のみを入射させる波長制限手段を設け、前記投影機の光軸をそれぞれ垂直方向に対して同じ方向に等しい角度で傾斜させて対応するラインセンサーの視線とのなす角度を等しくし、各ラインセンサー間で入力光量に対する出力の関係を線形化し、直線ゲイン係数を等しくしたのである。
【００１４】
一般に、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影するそれぞれの光源に単色光を用いず、分光組成を有する一般光を用いる場合、前記輝度比は、測定対象物の反射率変動の影響を受ける。単色光以外の光源を用いた場合、上記のように、波長制限手段を設けて波長域を制限し、一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する投影機の光軸とラインセンサーの視線とのなす角度をそれぞれ等しくして、投影光の散乱角度を同一にして画像撮影することにより、前記輝度比が測定対象物の反射率変動の影響を受けずに済む。それにより、単色光の光源のみならず、太陽光よりも高い輝度が容易に得られる、分光組成を有する一般光を光源として用いることができる。即ち、汎用光源の使用が可能となり、装置構成に融通性を持たせることができ、装置コストの低減に寄与する。
【００１５】
上記の作用を具体的に示すために、まず、前記ラインセンサーを用いた形状計測装置の計測原理について説明する。図１に示すように、プロジェクター１、２および、視線がそれぞれ垂直方向（Ｚ方向）となるように配置されたラインセンサー３、４、５に対して、測定対象物が矢印Ａ１の方向に一定速度で移動しているものとする。前記測定対象物に対して、プロジェクター１によりラインセンサー３の視線に対して角度θ1だけ傾斜した方向から濃度傾斜パターン光を投影した状態、プロジェクター２によりラインセンサー４の視線に対して角度θ2だけ傾斜した方向から一定輝度光を投影した状態、およびプロジェクターから何も投影しない状態を、それぞれラインセンサー３、４、５で画像撮影する。前記測定対象物の移動速度、即ちプロジェクター１、２およびラインセンサー３、４、５との相対速度に対して、プロジェクター１、２の発光タイミングとラインセンサー３、４、５の画像撮影タイミングとを制御することにより、測定対象物上の同一位置を前記３種類の状態下で画像撮影することができる。
【００１６】
前記各ラインセンサー３、４、５の視線上における高さｈとある波長λに対する光輝度をそれぞれ、ｆｇ（ｈ，λ）、ｆｎ（ｈ，λ）、ｆｂ（ｈ，λ）とすると、プロジェクター１、２の光源に分光組成を有する一般光を用いた場合、対応するラインセンサー３、４で撮影・測定される輝度をＩｇ、Ｉｎ、何も投影しない状態、即ち背景光でラインセンサー５により撮影・測定される輝度をＩｂとし、一般化した形で表すと、
【数４】
2005140537.tif 000006
となる。ここで、λは波長を、λ1およびλ2、λ3およびλ4は、前記バンドパスフィルタを透過する下限および上限の波長を、Ｒ（θ1，λ）、Ｒ（θ2，λ）、Ｒ（θ3，λ）は、前記３種類の状態下での測定対象物の反射率を、Ｃ１〜Ｃ３はラインセンサーのゲイン係数を、γ１〜γ３はラインセンサーの入力光量に対する出力の依存性を表す指数を表す。背景光の反射成分Ｉｂを引き去って輝度比Ｊを次のように定義する。
【数５】
2005140537.tif 000007
【００１７】
各ラインセンサー３、４、５の、入力光量と出力との関係を線形化して、前記指数γ１、γ２、γ３がいずれも１に等しくなるような処理を施し、直線ゲイン係数（Ｃ１）1/γ1、（Ｃ２）1/γ2、（Ｃ３）1/γ3をそれぞれ等しく設定すれば、上記式（９）は次のようになる。
【数６】
2005140537.tif 000008
となって、背景光の影響を受けなくなる。
【００１８】
前記線形化（γ１＝γ２＝γ３＝１）について説明すると、図２（ａ）に示すように、一般にラインセンサーの入力光量Ｉに対する出力Ｌ0は、ゲイン係数をＣ0、入力光量に対する出力の依存指数をγとすれば、Ｌ0＝Ｃ0＊Ｉγで表される。図２（ｂ）に示すように、この式の両辺をそれぞれ１／γ乗して、図２（ｃ）に示すように平滑化すると、入力光量Ｉと出力Ｌとの関係は直線となって、すなわち線形化され、前記指数γを１にすることができる。このような平滑化処理を、前記ラインセンサー３、４、５の画像取り込み過程で施すことにより、線形化が実現される。なお、前記直線ゲイン係数は、図２（ｃ）に示したように、ラインセンサーへの入力光量Ｉに対する出力Ｌ（Ｌ＝Ｌ01/γ）の関係を線形化したときの直線の傾きＣ（Ｃ＝Ｃ01/γ）を意味する。
【００１９】
前記波長域制限手段によって、ラインセンサー３、４に入射する反射光の波長域を制限していることにより、反射率Ｒに対する波長λの影響を無視することができるため、前記プロジェクター１のラインセンサー３の視線に対する角度θ1とプロジェクター２のラインセンサー４の視線に対する角度θ2を等しくすれば（θ1＝θ2）、Ｒ（θ1，λ）＝Ｒ（θ2，λ）となる。したがって、上記式（１０）は、
【数７】
2005140537.tif 000009
となって、輝度比Ｊは、背景光とともに測定対象物の反射率の影響も受けなくなる。
【００２０】
前記数式（１１）から、Ｆ（ｈ）が一価の逆関数を持つ場合に、測定対象物の高さｈは、その反射率や背景光の変動など測定環境の影響を受けずに次式のように、輝度比Ｊから求めることができる。
【数８】
2005140537.tif 000010
【００２１】
前記式（１１）および（１２）により、輝度比Ｊから、解析的に測定対象物の高さｈを求めることは煩雑になるため、実用上は、高さの異なる平板からなる標準試験片を用いて基準面の高さを変え、それぞれの高さに対する輝度比ＪをＣＣＤ素子の各画素について求め、その際の、各基準面の高さについての計測点を線形補間することにより、輝度比Ｊと測定対象物の高さｈとを予めテーブル化しておく。このようにすれば、輝度比Ｊから測定対象物の高さｈの算出に要する時間を短縮し、高速な計測を行なうことが可能となる。
【００２２】
なお、前記高さｈの方向（Ｚ方向）のみならず、上述の形状計測装置の移動方向およびそれに垂直な方向（Ｘ−Ｙ方向）の測定データについては、輝度比Ｊを介さずに、移動速度場およびラインセンサーの各画素から容易に求めることができる。即ち、車両の進行方向をＸ方向とすると、Ｘ座標はラインセンサーの画像のサンプリング回数を取り入れて算出できる。軌道路面の幅方向がＹ方向となるため、ラインセンサーの画素位置と幅データの対比によりＹ座標を算出できる。
【００２３】
前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光とを投影する光源がいずれもストロボ光源であることが望ましい。
【００２４】
ストロボ光源はキセノンガスの良好な放電特性を利用して短時間発光を行なう光源であり、発光スペクトルが太陽光に近く、太陽光よりも高い輝度が得られ、発光効率も良好である。このように汎用のストロボ光源を用いることにより、発光タイミング、即ち放電のオンオフを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。また、連続点灯用光源に比べて少ないワット数で大きな光量が得られるため、光源装置を小型化することができる。
【００２５】
上記のラインセンサーを用いた形状計測装置で、この形状計測装置を車両に搭載して連続移動させ、路面の形状を測定することができる。
【００２６】
このように、上記形状計測装置の方を移動させて固定の測定対象物体と相対的に連続移動させるようにすれば、鉄道の道床バラストや道路面などの路面の形状を高速で計測することができる。
【００２７】
上記の一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれストロボ光源により投影するラインセンサーを用いた形状計測装置の計測制御方法であって、前記ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から所要の発光遅れ時間を設けてラインセンサーによる測定対象物体の画像撮影をそれぞれ開始することが望ましい。
【００２８】
一般に、ストロボ光源の発光時間は、１フラッシュの光量の半値幅、即ち、発光波形における５０％発光輝度間で規定されている。ストロボ光源を用いた場合に、その発光タイミングとラインセンサーによる画像撮影タイミングとを上記のように発光遅れ時間を考慮して制御することにより、前記５０％発光輝度間での最大発光時にラインセンサーの感光素子、即ちＣＣＤ素子を露光し、画像撮影することができる。このため、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができる。それにより、一般輝度光と濃度傾斜パターン光の投影光による輝度比から求めた形状計測精度が向上する。なお、前記所要の発光遅れ時間は、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、少なくとも２５％発光輝度に到達するのに要する時間を設けることが望ましい。
【発明の効果】
【００２９】
この発明では、異なる光源から一定輝度光と濃度傾斜パターン光とをそれぞれ投影し、測定対象物の同一位置での輝度比から計測結果を得るラインセンサーを用いた形状計測装置で、光源をその光軸が垂直方向に対して同じ方向に等しい角度でそれぞれ傾斜させ、かつ、ラインセンサーの光軸となす角度を等しくして投影光の散乱角度を同一に保ち、前記一定輝度光と濃度傾斜パターン光の投影経路または反射経路にバンドパスフィルタを設けて波長域を制限し、さらに、各ラインセンサーにおける入力光量と出力との関係を線形化し、その直線ゲイン係数を同一に設定するようにしたので、単色光以外の光源を用いた場合でも、輝度比が測定対象物の反射率変動の影響を受けずに済み、反射率補正に余分な装置やアルゴリズムを必要とせず、三次元形状計測の中でも最も計測が難しい、測定対象物の高さ方向の計測精度が向上する。このため、分光組成を有する汎用光源の使用が可能となり、装置構成に融通性を持たせることができる。
【００３０】
また、前記汎用光源としてストロボ光源を用いた場合、放電のオンオフを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。また、連続点灯用光源に比べて少ないワット数で大きな光量が得られるため、光源装置を小型化することができる。
【００３１】
さらに、ストロボ光源の最大発光時にラインセンサーでの画像撮影を行なうように発光タイミングと画像撮影タイミングとを制御するようにしたので、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができ、形状計測精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、この発明の実施形態を添付の図３から図６に基づいて説明する。
【００３３】
図３は実施形態のラインセンサーを用いた形状計測装置の構成を、図４はラインセンサーとプロジェクターの配置をそれぞれ示したものである。前記形状計測装置は、垂直方向から傾斜して設けた、濃度傾斜パターン光を投影するプロジェクター１および一定輝度光を投影するプロジェクター２と、視線を垂直方向に、互いに平行に等間隔Ｌで設けた、受光面にＣＣＤ素子を直線状に配置したラインセンサー３、４、５と、パルスカウンターを備えた車速受信用機器７と、ＣＰＵシステム、画像入力ボードを備えた高速ＣＰＵのパソコンをベースとしたラインセンサー画像処理装置８と、同様に高速パソコンをベースとした三次元形状解析装置９とから構成され、プロジェクター１および２と、ラインセンサー３、４、５はそれぞれ装置収納筐体１０に収納されている。前記プロジェクター１および２は、図４に示したように、その光軸が垂直方向に対して、同じ方向に等しい角度だけそれぞれ傾斜して同一平面内に設けられ、前記ラインセンサー３、４の垂直方向に設けた各視線と等しい散乱角度θ1、θ2（θ1＝θ2）を形成している。プロジェクター１、２の傾斜角度、即ち散乱角度θ1、θ2（θ1＝θ2）は４５°よりも小さくすることが望ましく、３０°程度が好適である。なお、図中のｈは測定物体の高さの範囲を示し、矢印は濃度傾斜パターン光の高さ方向の投影範囲を示す。
【００３４】
前記形状計測装置は、形状計測用車両に搭載され、この車両が所要の速度でレール１１、１１上を矢印の移動方向に一定速度Ｖで移動しながら、図３に示したレール１１、１１の間および両側に敷設された、測定対象物である道床バラスト１２ａの形状計測、即ち、レール１１、１１に直交する方向に、道床バラスト１２ａの高さ分布の計測が行なわれる。なお、各ラインセンサー３、４、５の視線はそれぞれ平行であれば必ずしも垂直方向に設ける必要はないが、測定対象物の高さを測定するためには、形状解析およびデータ算出処理を簡便にするためには、垂直方向に設けることが望ましい。
【００３５】
前記プロジェクター１は、ランプハウス内にストロボ光源（キセノン）を備え、その前方に配置した集光レンズと投影レンズとの間に、濃度傾斜パターン光を投影するための、石英ガラスからなる基材の表面にアルミの蒸着膜を、その膜厚を傾斜して形成し、前記ストロボ光源からの投影光の透過率を傾斜して変化させるようにした投影パターンスライドが組み込まれ、測定対象物に濃度傾斜パターン像を与えるようになっている。また、前記ラインセンサー３、４、５には、受光レンズの前面側に、前述の波長域限定手段であるバンドパスフィルタが装着され、波長がおよそ４００ｎｍの紫外線域からおよそ１μｍの赤外線域の波長域の反射光のみによってＣＣＤ素子が露光されるようになっている。なお、前記波長域限定手段はプロジェクター１、２にそれぞれ装着してもよく、投影経路または測定対象物による反射経路に別個に設けてもよい。また、バンドパスフィルタにより、ラインセンサーに受光される波長域を４００ｎｍから１μｍに限定するのは、４００ｎｍ以下の波長域の反射光に対してはラインセンサーの感度がわるくなり、また、１μｍを超える波長域の反射光に対しては、ラインセンサーへの透過特性がわるくなり、いずれの場合も画像撮影データの信頼性が低下し、再現性がわるくなるためである。
【００３６】
前記ラインセンサーの画像処理装置８には、前記投影光の測定対象物６での反射によるラインセンサー３、４、５への入力光量とその出力との関係を、前述のようにして線形化する線形化処理手段が組み込まれている。そして、ラインセンサー３、４、５の前記直線ゲイン係数はいずれも同一に設定されている。
【００３７】
次に形状計測方法について説明する。測定対象物であるレール１１、１１の両側に敷設されたバラストの、形状計測装置の移動方向のＰ点の位置（図３参照）の形状計測、即ちバラストの高さ分布を測定する場合、プロジェクター１から投影された濃度傾斜パターン光を、対応するラインセンサー３がＰ点の位置に来たときに、そのＣＣＤ素子を露光して画像撮影する。このとき、プロジェクター１のストロボ光源の５０％発光輝度間での最大発光時にラインセンサー３のＣＣＤ素子を露光させるために、発光のタイミングと画像撮影のタイミングとが制御され、図５に示すように、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、例えば、１５μｓ程度の所要の遅れ時間を設け、ラインセンサー３のＣＣＤ素子を４０μｓ程度露光させて画像撮影が行なわれる。
【００３８】
前記プロジェクター２の一定輝度光を発光するストロボ光源の発光トリガーは、前記形状計測装置の移動速度Ｖ、即ち、この形状計測装置を搭載した車両の速度と、プロジェクター１に対応するラインセンサー３と、プロジェクター２に対応するラインセンサー４との間隔Ｌとから算出される、ラインセンサー４の測定位置Ｐ点への移動時間に基づいて、発せられる。その際に、プロジェクター１の場合と同様に、プロジェクター２のストロボ光源の５０％発光輝度間での最大発光時にラインセンサー４のＣＣＤ素子を露光させるために、図５に示したように、ストロボ光源の発光トリガー信号を発した時点から、例えば、１５μｓ程度の所要の遅れ時間を設けてラインセンサー４のＣＣＤ素子を４０μｓ程度露光させて画像撮影を行なうように、発光のタイミングと画像撮影のタイミングとが制御される。そして、前記移動速度Ｖと、ラインセンサー４と、背景光の下での測定対象物を撮影するラインセンサー５との間隔Ｌから算出される、ラインセンサー５の測定位置Ｐ点への移動時間に基づいて、図５に示したように、ストロボ光源を発光させる場合と同様の遅れ時間を設けて、ラインセンサー５ＣＣＤ素子が露光され、背景光の下で画像撮影される。このように、各ラインセンサー３、４、５が同一位置（Ｐ点）のバラスト、即ち測定対象物を撮影するように、ラインセンサー３とラインセンサー４との撮影間隔、およびラインセンサー４とラインセンサー５との撮影間隔が同一に保たれる。
【００３９】
図６は、前記形状計測装置の画像処理フローを示したものである。前述のように、測定対象物６に、例えばストロボ光源を用いたプロジェクター１、２から、プロジェクター制御装置１３を介して、濃度傾斜パターン光の投影、および一定輝度光のパターン投影１４がなされ、投影光および背景光の状態下で、ラインセンサ画像処理装置８から撮影条件設定処理１５がなされたラインセンサー３、４、５により、測定対象物の輝度が測定される。その際に、前記車速受信用機器７からの車速入力処理１６により、車速が前記画像処理装置８のＣＰＵ処理システムに入力され、測定対象物の同一位置の画像をストロボ光源の最大発光時に撮影できるように、ストロボ光源の発光タイミングとラインセンサー３、４、５の画像撮影タイミングとが同期回路１７により制御される。このタイミング制御により、ラインセンサー３、４、５に発せられる画像撮影開始の外部同期トリガーの間隔は、最速で１０ｍｓ毎に行なわれる。この最速外部同期トリガーの間隔と車速、即ち前記形状計測装置の移動速度Ｖとから、形状計測が可能な測定対象物の最短間隔が算出される。ラインセンサー３、４、５による画像撮影データは、ビデオキャップチャーボード１８とＤＭＡ転送用フレームメモリ１９を備えた画像入力ボード２０を介して、画像処理装置８のＣＰＵシステム内で画像取込み制御２１がなされ、画像処理装置８の記憶装置のバッファに前記画像撮影データの格納処理２２（画像データバッファリング）がなされる。前記三次元形状解析装置９で、画像撮影データのサンプリング処理２３がなされ、画像撮影データから求めた輝度比と、輝度比と測定対象物の高さとの関係を示すテーブルに基づいて形状解析処理２４、および高さ（Ｚ方向）分布の形状データ算出処理２５が行なわれる。Ｘ方向およびＹ方向の形状算出処理は、輝度比を介さずに、ラインセンサー３、４の各画素データから直接行なうことができる。そして、算出した形状データから、最終的に三次元形状表示処理２６が行なわれ、前記形状データは、三次元形状データ管理処理２７により、前記三次元形状解析装置９の記憶装置のデータファイルに格納される。なお、高さの異なる平板からなる標準試験片を用いて基準面の高さを変え、それぞれの高さの基準面について撮影した画像データをサンプリングして輝度比ＪをＣＣＤ素子の各画素について求め、その際の、各基準面についての計測点を線形補間することにより、輝度比Ｊと測定対象物の高さｈとを予めテーブル化しておくキャリブレーション処理を行なうことにより、輝度比Ｊから測定対象物の高さｈの算出に要する時間を短縮し、高速な計測を行なうことが可能となる。
【００４０】
この発明の実施形態は以上のような構成であり、以下にその特徴について説明する。
【００４１】
前記各ラインセンサー３、４、５にバンドパスフィルタを装着し、図４に示したように、測定対象物に対して、濃度傾斜パターン光を投影するプロジェクター１の光軸と、その反射光を受光するラインセンサー３の視線とのなす角度θ1、および一定輝度光を投影するプロジェクター２の光軸と、その反射光を受光するラインセンサー４の視線とがなす角度θ2とを等しくし、即ち、前記２つの投影光の散乱角度を等しくし、かつ、各ラインセンサー３、４、５に、入力光量と出力との関係を線形化する換算式を組み込み、各ラインセンサー３、４、５のそれぞれの直線ゲイン係数を等しく設定しているため、プロジェクター１、２の分光組成を有す射る光源を使用しても、前記輝度比Ｊが測定対象物の反射率および背景光の変化の影響を受けずにすむ。それにより、一般光を光源として使用しても測定環境に影響されず、また、反射率補正に余分な装置やアルゴリズムを必要とせず、精度よく形状計測を行なうことができる。
【００４２】
また、プロジェクター１、２の光源として、一般光のストロボ光源を用いているため、発光タイミングを非常に短時間で制御でき、高速での形状計測が可能となる。さらに、前記ストロボ光源の５０％発光輝度間での最大発光時にラインセンサーの感光素子であるＣＣＤ素子を露光し、画像撮影するように、発光タイミングと撮影タイミングとを制御しているため、少量の光源パワーで、太陽光の数倍以上の輝度が得られ、太陽光との輝度比を大きく取ることができ、形状計測精度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
この発明は、測定対象物の反射率や背景光などの環境に影響されず、ストロボ光源などの一般光を用いて、形状計測装置と測定対象物が相対的に連続移動する計測条件下で、鉄道の道床バラストや道路の路面、生産ラインを一定速度で搬送される製品、連続移動するパイプや鋼板などの長い物体表面形状などの高速形状計測に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施形態の計測原理を示す説明図
【図２】（ａ）〜（ｃ）同上のラインセンサーの入出力特性の線形化を示す説明図
【図３】同上のラインセンサーを用いた計測装置の構成を示す説明図
【図４】同上のラインセンサーとプロジェクターの配置を示す説明図
【図５】同上のプロジェクターの発光タイミングとラインセンサーの撮影タイミングとの関係を示す説明図
【図６】同上の形状計測の流れを示す説明図
【図７】ラインセンサーを用いた形状計測装置の計測原理の一例を示す説明図
【符号の説明】
【００４５】
１、２：プロジェクター    ３、４、５：ラインセンサー  ６：測定対象物
７：車速受信用機器        ８：ラインセンサー画像処理装置
９：三次元形状解析装置      １０：装置収納筐体      １１：レール
１２：枕木          １２ａ：道床バラスト    １３：プロジェクター制御装置    １４：パターン投影          １５：ラインセンサー条件設定処理
１６：車速入力処理  １７：同期回路      １８：ビデオキャップチャーボード        １９：フレームメモリ    ２０：画像入力ボード    ２１：画像取込み制御    ２２：格納処理          ２３：サンプリング処理    ２４：形状解析処理    ２５：形状データ算出処理            ２６：三次元形状表示処理
２７：三次元形状データ管理処理      ２８：キャリブレーション処理
【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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【図６】
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【図７】
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