(57)【要約】【解決課題】計測対象の三次元形状を直接計測することなく、容易かつ高速に計測対象の凹凸の有無を判定することができるようにする。【解決手段】スリット光を計測対象面に照射させ（１００）、計測対象面から反射された反射光を撮像し、スリット光反射像を生成し（１０２）、スリット光反射像に対して細線化処理を行い、スリット構成点列を抽出する（１０４）。そして、スリット構成点列の各点の座標に対して、ハフ変換を行い（１０６）、ρ−θ平面において、予め設定した数以上のハフ曲線が交わる点の領域の代表点を線分候補として抽出し（１０８）、格子領域の投票数がしきい値を越えた代表点の数と最大投票数、最小投票数、及び平均投票数とを線分パラメータとして算出し（１１０）、計測対象面の凹凸の有無の判定及び凹凸度の計測を行う（１１２）。【選択図】図２
2007256101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に対してスリット状の光を照射するスリット光照射手段と、
前記スリット光照射手段によって照射され、かつ、前記計測対象から反射された反射光を撮像して、スリット光反射像を生成する撮像手段と、
前記撮像手段によって生成されたスリット光反射像を構成する線分の本数を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記線分の本数に基づいて、前記計測対象の凹凸の有無を判定する判定手段と、
を含む凹凸判定装置。
【請求項２】
前記撮像手段によって生成された前記スリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、前記直交する方向におけるスリット中心位置となる中心画素を前記長手方向に複数抽出する抽出手段と、を更に含み、
前記算出手段は、前記抽出手段によって抽出された複数の中心画素に基づいて、前記線分の本数を算出する請求項１記載の凹凸判定装置。
【請求項３】
前記抽出手段は、前記スリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、最大光量の反射光を示す画素信号の画素を前記中心画素として前記長手方向に複数抽出する請求項２記載の凹凸判定装置。
【請求項４】
前記抽出手段は、前記スリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、各画素の画素信号が示す反射光の光量の重心位置となる画素を前記中心画素として前記長手方向に複数抽出する請求項２記載の凹凸判定装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記抽出手段によって抽出された複数の中心画素の位置を示す座標の各々をハフ平面上のハフ曲線に変換するハフ変換手段を備え、前記ハフ変換手段による変換結果に基づいて、前記線分の本数を算出する請求項２〜請求項４の何れか１項記載の凹凸判定装置。
【請求項６】
前記ハフ変換手段は、前記複数の中心画素の位置を示す座標の各々を前記ハフ曲線に変換すると共に、前記ハフ平面を複数の所定の格子状領域に分割したときの前記格子状領域の各々に対して、前記ハフ曲線の通過位置又は交点位置の前記格子状領域に投票して、前記格子状領域の各々の投票数を算出し、
前記算出手段は、前記ハフ変換手段で算出された前記投票数に基づいて、前記線分を検出することにより、前記線分の本数を算出する請求項５記載の凹凸判定装置。
【請求項７】
前記算出手段によって算出された前記線分の本数及び前記ハフ変換手段で算出された前記投票数に基づいて、前記測定対象の平坦度又は凹凸度を計測する計測手段を更に含む凹凸判定装置。
【請求項８】
計測対象に対してスリット状の光を照射し、
前記照射され、かつ、前記計測対象から反射された反射光を撮像して、スリット光反射像を生成し、
前記生成されたスリット光反射像を構成する前記線分の本数を算出し、
前記算出された線分の本数に基づいて、前記計測対象の凹凸の有無を判定することを特徴とする凹凸判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹凸判定装置及び凹凸判定方法に係り、特に、計測対象の凹凸の有無を判定する凹凸判定装置及び凹凸判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、移動ロボットの移動に際しては、床面の凹凸状態が移動安定性に大きな影響を与えるため、床面の形状を三次元センサで計測して三次元座標で表した上で、形状としての特徴や凹凸を判定して移動制御を行ってきた。この方法では、床面に凹凸がある場合にも無い場合にも、三次元形状の計測を行う必要があるために、床面に凹凸が無い場合にも形状計測のための処理に時間がかかり、更に得られた形状からその凹凸を判断するためにも時間がかかるために、安定な移動のために移動速度を遅くする必要があるなどの悪影響が出ていた。
【０００３】
ここで、スリット光源とＴＶカメラを用いた光切断法による高さ計測装置で、三次元形状の測定処理速度を速くするために、スリット光の反射画像を撮像したＴＶカメラの画像処理領域を予め狭く設定しておく高さ測定装置が知られている（特許文献１）。
【０００４】
この高さ測定装置では、狭い範囲を走査することになるので処理時間は短縮されるが、測定範囲は狭くなっている。また、対象の三次元形状を座標データとしている。
【特許文献１】特開２００１−１８８００８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、得られた三次元形状から凹凸の有無を判定する必要があり、床面に凹凸が無い場合には無駄な処理時間を要してしまう、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、計測対象の三次元形状を直接計測することなく、容易かつ高速に計測対象の凹凸の有無を判定することができる凹凸判定装置及び凹凸判定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明に係る凹凸判定装置は、計測対象に対してスリット状の光を照射するスリット光照射手段と、前記スリット光照射手段によって照射され、かつ、前記計測対象から反射された反射光を撮像して、スリット光反射像を生成する撮像手段と、前記撮像手段によって生成されたスリット光反射像を構成する線分の本数を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記線分の本数に基づいて、前記計測対象の凹凸の有無を判定する判定手段とを含んで構成されている。
【０００８】
また、本発明に係る凹凸判定方法は、計測対象に対してスリット状の光を照射し、前記照射され、かつ、前記計測対象から反射された反射光を撮像して、スリット光反射像を生成し、前記生成されたスリット光反射像を構成する前記線分の本数を算出し、前記算出された線分の本数に基づいて、前記計測対象の凹凸の有無を判定することを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、計測対象に対してスリット状の光を照射し、照射され、かつ、計測対象から反射された反射光を撮像して、スリット光反射像を生成する。そして、生成されたスリット光反射像を構成する線分の本数を算出し、算出された線分の本数に基づいて、計測対象の凹凸の有無を判定する。
【００１０】
従って、計測対象に対してスリット状の光を照射して、生成されたスリット光反射像を構成する線分の本数によって、計測対象の凹凸の有無を判定することにより、スリット光反射像が何本の線分から構成されているのかのみ算出すればよいため、計測対象の三次元形状を直接計測することなく、容易かつ高速に計測対象の凹凸の有無を判定することができる。
【００１１】
なお、スリット光反射像を構成する線分とは、スリット光反射像を構成する線分であって、スリット光反射像の隣り合う端部と端部とを結ぶ線分、隣り合う端部と折曲点とを結ぶ線分、又は隣り合う折曲点と折曲点とを結ぶ線分である。
【００１２】
また、本発明に係る凹凸判定装置は、撮像手段によって生成されたスリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、直交する方向におけるスリット中心位置となる中心画素を長手方向に複数抽出する抽出手段と、を更に含み、算出手段は、抽出手段によって抽出された複数の中心画素に基づいて、線分の本数を算出することができる。これにより、スリット光反射像の長手方向の複数の中心画素に基づいて、スリット光反射像を構成する線分の本数を算出することにより、高精度に線分の本数を算出することができる。
【００１３】
また、本発明に係る抽出手段は、スリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、最大光量の反射光を示す画素信号の画素を中心画素として長手方向に複数抽出することができる。
【００１４】
また、本発明に係る抽出手段は、スリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、各画素の画素信号が示す反射光の光量の重心位置となる画素を中心画素として長手方向に複数抽出することができる。
【００１５】
また、本発明に係る算出手段は、抽出手段によって抽出された複数の中心画素の位置を示す座標の各々をハフ平面上のハフ曲線に変換するハフ変換手段を備え、ハフ変換手段による変換結果に基づいて、線分の本数を算出することができる。これにより、ハフ変換を用いてスリット光反射像を構成する線分の本数を算出すればよいため、更に容易かつ高速に計測対象の凹凸の有無を判定することができる。
【００１６】
また、本発明に係るハフ変換手段は、複数の中心画素の位置を示す座標の各々をハフ曲線に変換すると共に、ハフ平面を複数の所定の格子状領域に分割したときの格子状領域の各々に対して、ハフ曲線の通過位置又は交点位置の格子状領域に投票して、格子状領域の各々の投票数を算出し、算出手段は、ハフ変換手段で算出された投票数に基づいて、線分を検出することにより、線分の本数を算出することができる。
【００１７】
また、本発明に係る凹凸判定装置は、算出手段によって算出された線分の本数及びハフ変換手段で算出された投票数に基づいて、測定対象の平坦度又は凹凸度を計測することができる。これにより、凹凸の有無の判定だけでなく、測定対象の平坦度又は凹凸度を容易かつ高速に計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の凹凸判定装置及び凹凸判定方法によれば、計測対象に対してスリット状の光を照射して、生成されたスリット光反射像を構成する線分の本数によって、計測対象の凹凸の有無を判定することにより、スリット光反射像が何本の線分から構成されているのかのみ算出すればよいため、計測対象の三次元形状を直接計測することなく、容易かつ高速に計測対象の凹凸の有無を判定することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る凹凸判定装置１０は、計測対象面に１本のスリット光を照射するスリット光源１２と、スリット光源１２によるスリット光の照射を制御するスリット光照射制御部１４と、スリット光の計測対象面による反射光を撮像し、スリット光の反射光を示す１本のスリット光反射像の画像信号を生成する撮像部１６と、撮像部１６で生成された画像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１８と、Ａ／Ｄ変換された画像信号を一時的に格納するための画像メモリ２０とを備えている。
【００２１】
また、凹凸判定装置１０には、更に、画像メモリ２０に格納された画像信号からスリット中心位置となる中心画素を抽出するスリット抽出画像処理部２２と、スリット抽出画像処理部２２で抽出されたスリット中心位置となる中心画素から１本のスリット光反射像を構成する線分の本数を算出する線分算出部２４と、線分算出部２４によって算出された線分の本数に基づいて、計測対象面の凹凸の有無の判定及び凹凸度の計測を行う計測部２６と、計測部２６によって判定された凹凸の有無及び計測された凹凸度を出力する出力部２８とが設けられている。
【００２２】
ここで、１本のスリット光反射像を構成する線分とは、１本のスリット光反射像を構成する線分であって、１本のスリット光反射像の隣り合う端部と端部とを結ぶ線分であるか、隣り合う端部と折曲点とを結ぶ線分であるか、又は隣り合う折曲点と折曲点とを結ぶ線分である。
【００２３】
次に、本実施の形態に係る凹凸判定装置１０の作用について説明する。
【００２４】
凹凸判定装置１０のスリット光源１２が、計測対象面に向けられると、図２に示す凹凸度を計測するための処理が行われる。
【００２５】
まず、ステップ１００において、スリット光照射制御部１４によって、スリット光源１２にスリット光を計測対象面に照射させ、ステップ１０２で、撮像部１６によって、スリット光源１２によって照射され、かつ、計測対象面から反射された反射光を撮像し、２次元である１本のスリット光反射像を生成する。
【００２６】
そして、ステップ１０４で、スリット抽出画像処理部２２によって、スリット光反射像に対して細線化処理を行い、スリット光反射像のスリット中心位置となる中心画素を示すスリット構成点列（Ｘ1、Ｙ1）、（Ｘ2、Ｙ2）．．．（Ｘn、Ｙn）を抽出する。例えば、１本のスリット光反射像の長手方向に直交する方向に配列された複数の画素の画素信号に基づいて、最大光量の反射光を示す画素信号の画素を中心画素として長手方向に複数抽出し、長手方向に配列される複数の中心画素をスリット構成点列とする。
【００２７】
次のステップ１０６では、抽出されたスリット構成点列の各点の座標（ＸＹ平面上の座標）に対して、線分算出部２４によって、ハフ変換を行い、ハフ平面としてのρ−θ平面へ投影する。ここで、スリット構成点列のハフ変換は以下の式によって行われる。
ρ1＝Ｘ1・ｃｏｓθ1＋Ｙ1・ｓｉｎθ1
ρ2＝Ｘ2・ｃｏｓθ2＋Ｙ2・ｓｉｎθ2
・・・
ρn＝Ｘn・ｃｏｓθn＋Ｙn・ｓｉｎθn
このハフ変換により、スリット構成点列のＮ個の点の座標は、ρ−θ平面上への変換後Ｎ本のハフ曲線と表現される。これらのＮ本のハフ曲線のうち、Ｍ本が１点で交わっている場合には、このＭ本のハフ曲線の変換前の点が同一直線上にあるものと判断され、図３に示すように、全てのハフ曲線が１点で交わっている場合には、スリット構成点列の各点は、１つの線分上の点となっていると判断される。また、スリット構成点列の各点が、２つの線分上の点となっている場合には、図４に示すように、変換後のＮ本のハフ曲線が主に２点で交わるようになっている。
【００２８】
そして、ステップ１０８では、投影されたρ−θ平面において、予め設定した数以上のハフ曲線が交わる点の領域の代表点を線分候補として抽出する。例えば、ρ−θ平面を予め量子化（ｐ×ｑ）して、格子領域に分割した投票平面において、全てのハフ曲線の交点（ρ、θ）を、交点の位置に対応する格子領域へ投票し、各格子領域の投票数を算出し、算出された各格子領域の投票数に基づいて、格子領域に対して予め定められた代表点を線分候補として抽出する。このとき、ハフ曲線の交点が集中する格子領域の代表点を線分候補として抽出することによって、一点で交わるはずの同一の直線上の点が、撮像時の量子化誤差の影響によりある範囲の中で交わることを考慮することができる。
【００２９】
ここで、ｐ、ｑは、ρとθといった次元の異なる値で構成されるρ−θ面を量子化するための予め定められたパラメータであり、格子領域の大きさを示し、例えば、ｐ＝ｑ＝１となっている。また、測定対象面の微妙な凹凸が存在する場合には、その凹凸の大きさに応じて交わりの範囲が広くなるため、この交わり範囲のしきい値をｐ及びｑによって設定することにより、ある凹凸範囲について同一直線として判断されるようになっている。
【００３０】
次のステップ１１０では、抽出された代表点のうち、代表点の格子領域の投票数Ｒがしきい値Ｍｉｎ（例えば、Ｍｉｎ＝１００）を越えた代表点の数Ｎｕｍを線分パラメータとして算出し、また、しきい値Ｍｉｎを超えた代表点の最大投票数Ｒｍａｘ、最小投票数Ｒｍｉｎ、及び平均投票数Ｒｍｅａｎを線分パラメータとして算出する。ここで、Ｎｕｍは、１本のスリット光反射像を構成する線分の本数に相当する値であり、Ｒｍａｘは、１本のスリット光反射像を構成する線分のうち、最も長い線分の長さに相当する値であり、Ｒｍｉｎは、１本のスリット光反射像を構成する線分のうち、最も短い線分の長さに相当する値となっている。本来は、しきい値を超えた代表点をハフ変換前の直線に戻し、これらの直線を再構成して測定対象面の凹凸を調べるが、簡単化して、Ｎｕｎ、Ｒｍａｘ、Ｒｍｉｎ、Ｒｍｅａｎから、測定対象面の凹凸をおおよそ推定することができる。
【００３１】
そして、ステップ１１２において、計測部２６によって、計測対象面の凹凸の有無の判定及び凹凸度の計測を行う。例えば、計測対象面が平面である場合には、スリット光源１２から照射された１本のスリット光は、計測対象面から反射され、図５に示すように、１本の線分から構成されるスリット光反射像が生成されるため、Ｎｕｍが１であれば、凹凸無しと判定する。また、計測対象面が段差を持つ面である場合には、段差部分では、照射したスリット光が、断続したスリット反射光として計測対象面から反射され、図６に示すように、スリット光反射像は、２本以上の線分によって構成されているため、Ｎｕｍが２以上であり、かつ、しきい値Ｍｉｎを超えた代表点の座標（ρ、θ）の距離が予め設定された値Ｚ以上であれば、凹凸有りと判定し、測定対象面が複数の面で構成されていると判定する。
【００３２】
なお、Ｚは、距離のしきい値を表し、例えば、Ｚ＝２となっており、また、上記のｐ及びｑを調整することで、Ｚ＝１と固定することも可能である。
【００３３】
また、凹凸度は、凹凸の大きさを表している。例えば、計測対象面が小さな凹凸を多く持つ面である場合には、照射したスリット光が、断続したスリット反射光として計測対象面から反射され、図７に示すように、１本のスリット光反射像が、多くの線分によって構成され、ハフ変換した結果のハフ平面においても、図８に示すように、ハフ曲線の通過位置が集中する領域が複数に分散し、多くの代表点が線分候補として抽出されるため、Ｒｍａｘ及びＲｍｉｎの値も差も小さくて、Ｎｕｍが大きければ、面は小さな凹凸が多いと推定され、低い凹凸度が計測される。一方、Ｎｕｍが小さい場合には、なだらかであって、かつ、大きな凹凸があるものと推定されるため、高い凹凸度が計測される。
【００３４】
そして、凹凸の有無や計測された凹凸度が出力部２８によって出力される。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る凹凸判定装置によれば、計測対象面に対して１本のスリット光を照射して、生成された１本のスリット光反射像を構成する線分の本数によって、計測対象面の凹凸の有無を判定することにより、スリット光反射像が何本の線分から構成されているのかのみ算出すればよいため、計測対象面の三次元形状を直接計測することなく、処理を簡略化することができ、容易かつ高速に計測対象面の凹凸の有無を判定することができる。
【００３６】
また、１本のスリット光反射像を細線化して、スリット光反射像から長手方向に複数の中心画素を抽出して、スリット構成点列とし、抽出されたスリット構成点列の各点の位置に基づいて、線分の本数を算出することにより、高精度にスリット光反射像を構成する線分の本数を算出することができる。
【００３７】
また、ハフ変換を用いて１本のスリット光反射像を構成する線分の本数を算出すればよいため、更に容易かつ高速に計測対象面の凹凸の有無を判定することができる。
【００３８】
また、線分の本数に相当するＮｕｍや、投票数に関するＲｍａｘ、Ｒｍｉｎに基づいて、測定対象面の凹凸度を計測するため、凹凸の有無の判定だけでなく、測定対象面の凹凸度を容易かつ高速に計測することができる。
【００３９】
また、通常は３角測量の原理により、照射されたスリット光の３次元位置を算出し、計測対象面の形状計測を行うが、本実施の形態に係る凹凸判定装置では、照射した１本のスリット光の反射光を撮像し、生成された１本のスリット光反射像を構成する線分の本数や折れ曲がりの様子を測定して、容易かつ高速に、計測対象面の凹凸の有無の判定や凹凸の大きさの計測を行うことができる。
【００４０】
なお、上記の実施の形態では、凹凸度を計測する場合を例に説明したが、平坦の度合いを示す平坦度を計測するようにしてもよい。
【００４１】
また、ハフ変換によって、多くの交点が位置する格子領域の代表点を線分候補として抽出する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、スリット構成点列の各点をハフ変換して得られたハフ曲線の通過位置が集中するハフ平面上の格子領域の代表点を線分候補として抽出するようにしてもよい。この場合には、各ハフ曲線の通過位置となる格子領域に投票し、各格子領域について投票数を算出するようにすればよい。
【００４２】
また、投票数に関するＲｍａｘ、Ｒｍｉｎなどの線分パラメータに基づいて、凹凸度を計測する場合を例に説明したが、抽出した代表点の個数と、ρ−θ平面上での抽出された代表点周辺領域でのρ、θ方向への投影点のバラツキを線分パラメータとして抽出して、投影点のバラツキから凹凸度を計測するようにしてもよい。
【００４３】
また、同一直線の線分と判断される凹凸範囲である交わり範囲のしきい値を示すｐ及びｑが同一の値となっている場合を例に説明したが、ρ−θ平面の特徴としてρ方向（ＸＹ平面でのＹ切片の違いに相当）の範囲は広くとり、θ方向（ＸＹ平面での傾きの違いに相当）の範囲は狭く取るようにｐ、ｑを設定してもよい。
【００４４】
また、ハフ平面で抽出された代表点の線分を、ＸＹ平面で直線に再構成して、撮像したスリット光反射像に重ね合わせて比較することにより、抽出した線分の再確認を行うようにしてもよい。
【００４５】
また、照射するスリット光が一本である場合を例に説明したが、２本以上のスリット光を照射するようにしてもよい。この場合、反射光を撮像して生成されたスリット光反射像から、複数のスリット光の各々について、スリット構成点列を抽出し、線分の本数を算出するようにすればよい。
【００４６】
また、最大光量の反射光を示す画素信号の画素を中心画素として長手方向に複数抽出して、スリット構成点列とする場合を例に説明したが、長手方向に直交する方向に配列された各画素の画素信号が示す反射光の光量の重心位置となる画素を中心画素として長手方向に複数抽出して、スリット構成点列としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る凹凸判定装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る凹凸判定装置の凹凸の有無の判定と凹凸度の計測とを行うための処理の内容を示す流れ図である。
【図３】１線分の場合のハフ曲線の様子を説明するための図である。
【図４】２線分の場合のハフ曲線の様子を説明するための図である。
【図５】計測対象面が平面である場合のスリット光反射像を説明するための図である。
【図６】計測対象面が段差面である場合のスリット光反射像を説明するための図である。
【図７】計測対象面が凹凸面である場合のスリット光反射像を説明するための図である。
【図８】計測対象面が凹凸面であり、線分が多数ある場合のハフ曲線の様子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０   凹凸判定装置
１２   スリット光源
１４   スリット光照射制御部
１６   撮像部
１８   Ａ／Ｄ変換部
２０   画像メモリ
２２   スリット抽出画像処理部
２４   線分算出部
２６   計測部
２８   出力部
Ｒ     投票数
【図１】
2007256101.tif 000003
【図２】
2007256101.tif 000004
【図３】
2007256101.tif 000005
【図４】
2007256101.tif 000006
【図５】
2007256101.tif 000007
【図６】
2007256101.tif 000008
【図７】
2007256101.tif 000009
【図８】
2007256101.tif 000010