(57)【要約】【課題】  簡易な構成で使い勝手が良く、高速走行させても高い精度でタイヤ形状を測定できる三次元形状測定システム、三次元形状測定方法、及び、撮影装置の設置状態補正方法を提供することを課題とする。【解決手段】  三次元形状測定システム１１は、連続的に発光する発光源を用いて、転動するタイヤに格子状の光マークを投射する液晶プロジェクター１４と、投射された光マークを撮影する２台のビデオカメラ１６、１８と、を備えている。更に、三次元形状測定システム１１は、ビデオカメラ１６、１８で撮影された画像データを演算処理することにより、光マークを構成する格子点の各三次元座標を算出し、算出した各三次元座標に基づいてサイドウォール部の形状を表示するデータ処理装置２０を備えている。液晶プロジェクター１４の設置位置から、すなわち固定された位置から光マークを投射するので、タイヤの走行速度が上昇しても、光マークによる格子点と撮影装置との相対速度がほとんどゼロである。【選択図】        図１
2007085836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的に発光する発光源を用いて、転動するタイヤに格子状の光マークを投射する投射装置と、
投射された前記光マークを撮影する少なくとも２台の撮影装置と、
前記撮影装置で撮影された画像データを演算処理することにより、前記光マークを構成する複数の構成部位の各三次元座標を算出する演算処理手段と、
前記演算処理手段で算出された前記各三次元座標に基づいて、前記タイヤの少なくとも一部の形状を表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項２】
前記複数の構成部位が格子点であることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定システム。
【請求項３】
前記発光源が液晶プロジェクターであることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状測定システム。
【請求項４】
前記撮影装置がビデオカメラであることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の三次元形状測定システム。
【請求項５】
連続的に発光する発光源を用いて、転動するタイヤに格子状の光マークを投射装置により投射し、
投射された前記光マークを、距離が互いに異なる位置でそれぞれ撮影し、
撮影された画像データを演算処理することにより、前記光マークを構成する複数の構成部位の各三次元座標を算出し、
算出した前記各三次元座標に基づいて、前記タイヤの少なくとも一部の形状を表示することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項６】
前記複数の構成部位として格子点を用いることを特徴とする請求項５に記載の三次元形状測定方法。
【請求項７】
転動するタイヤの三次元形状を測定するのに用いる撮影装置の設置状態補正方法であって、
前記タイヤに組み込まれたホイールに予めマーカを貼り付け、
前記タイヤを転動させた状態で前記マーカを少なくとも２台の撮影装置で撮影し、
前記撮影装置の設置角度誤差及び設置位置誤差の少なくとも一方を算出し、前記撮影装置の設置角度及び設置位置の少なくとも一方を補正することを特徴とする撮影装置の設置状態補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転動するタイヤの三次元形状を測定する三次元形状測定システム、三次元形状測定方法、及び、撮影装置の設置状態補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転するタイヤの各部位の変形を計測する試験が行われてきている。従来、この試験では、タイヤにマーカを貼り付け、タイヤを回転させて転動タイヤの状態にして、このマーカの位置をビデオカメラ等で三次元座標で撮影している。
【０００３】
しかし、タイヤの回転速度（走行速度）が高速になるとマーカが流れた像が撮影されてしまう。このため、高速走行におけるタイヤ部位の性格な形状を測定することが困難である、という問題があった。この問題は、高速走行で試験を行う場合に特に深刻なものになっていた。
【０００４】
また、転動タイヤの変形を詳細に計測するにはマーカの貼付け密度（単位面積あたりの貼付け数）を高める必要があるが、貼付け工数の観点から貼付け範囲を限定する必要がある。このため、死角の関係でカメラ１台のみの撮影画像しか得られない場合、三次元座標の測定は不可能であるという問題もあった。
【０００５】
なお、動的負荷状態のタイヤにレーザースリット光を操作させ、その反射光をカメラで読み取って３次元画像データを取得することにより、動的負荷時におけるタイヤ断面形状を計測することが特許文献１に提案されている。しかし、この計測では、タイヤ回転中のある瞬間のタイヤ形状を計測することは困難であるという難点がある。また、レーザー装置が高価でしかも取り扱う際に安全対策を施す必要があり、装置構成が複雑になるという難点もある。
【特許文献１】特開平７−１７４５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事実を考慮して、簡易な構成で使い勝手が良く、高速走行させても高い精度でタイヤ形状を測定できる三次元形状測定システム、三次元形状測定方法、及び、撮影装置の設置状態補正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】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、連続的に発光する発光源を用いて、転動するタイヤに格子状の光マークを投射する投射装置と、投射された前記光マークを撮影する少なくとも２台の撮影装置と、前記撮影装置で撮影された画像データを演算処理することにより、前記光マークを構成する複数の構成部位の各三次元座標を算出する演算処理手段と、前記演算処理手段で算出された前記各三次元座標に基づいて、前記タイヤの少なくとも一部の形状を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記の演算処理手段や表示手段としては市販のものを用いることができる。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、２台の撮影装置で被測定物に投射された光マークを同時に撮影する。
【００１０】
そして、演算処理手段により、各撮影装置でそれぞれ撮影された２つの画像から、光マークの三次元座標を各格子点毎に算出する。
【００１１】
更に、表示手段により、意図する範囲内における格子点の三次元座標で、被測定物であるタイヤの少なくとも一部の形状を表示する。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、このように、タイヤにマーカを貼り付けるのではなく、投射装置の設置位置から、すなわち固定された位置から上記の光マークを投射（投影）している。これにより、タイヤの走行速度が上昇しても、光マークによる格子点と撮影装置との相対速度がほとんどゼロである。従って、タイヤを高速走行させても、ある瞬間のタイヤ形状を高い精度で測定可能な転動タイヤの三次元形状測定システムが実現される。しかも、大型のタイヤであっても正確に測定することができる。
【００１３】
また、光マークを投射する事で、従来のようにマーカを貼り付ける作業を行わなくても、投射された光マークを撮影範囲内に留めておく事が可能である。従って、作業性が向上する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、前記複数の構成部位が格子点であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、上記の構成部位が明確になり、データ処理し易い。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記発光源が液晶プロジェクターであることを特徴とする。
【００１７】
これにより、操作が簡易で安価な発光源を用いて良好な光マークが投射される。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記撮影装置がビデオカメラであることを特徴とする。
【００１９】
これにより、撮影装置を市販の安価なビデオカメラとすることができ、装置構成が簡易になる。
【００２０】
ところで、請求項１に記載では、投射装置による投射光は光路が安定し且つ直進するので、撮影装置と投射装置との相対位置を固定した後に光マーク毎の光路を測定しておく事で、１台の撮影装置によるデータのみによっても三次元形状の測定が可能となる。
【００２１】
そこで、請求項５に記載の発明は、連続的に発光する発光源を用いて、転動するタイヤに格子状の光マークを投射装置により投射し、投射された前記光マークを、距離が互いに異なる位置でそれぞれ撮影し、撮影された画像データを演算処理することにより、前記光マークを構成する複数の構成部位の各三次元座標を算出し、算出した前記各三次元座標に基づいて、前記タイヤの少なくとも一部の形状を表示することを特徴とする。
【００２２】
これにより、使用する撮影装置が１台であっても、タイヤを高速で転動させた状態で、すなわちタイヤを高速走行させた状態で、高い精度で三次元形状を測定することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、前記複数の構成部位として格子点を用いることを特徴とする。
【００２４】
これにより、上記の構成部位が明確になり、データ処理し易い。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、転動するタイヤの三次元形状を測定するのに用いる撮影装置の設置状態補正方法であって、前記タイヤに組み込まれたホイールに予めマーカを貼り付け、前記タイヤを転動させた状態で前記マーカを少なくとも２台の撮影装置で撮影し、前記撮影装置の設置角度誤差及び設置位置誤差の少なくとも一方を算出し、前記撮影装置の設置角度及び設置位置の少なくとも一方を補正することを特徴とする。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、ホイール上に貼り付けたマーカを少なくとも２台の撮影装置で同時に撮影する。
【００２７】
次に、撮影装置の目標設置位置、目標設置角度を基に、マーカの軌跡を分析し、それから得られた二つの三次元座標における軸方向誤差（例えばＺ軸方向座標の誤差）を算出し、更に、誤差二乗和を算出する。そして、算出された誤差二乗和に基づいて、撮影装置の設置角度（ヨー角、ロール角、ピッチ角など）や設置位置を最適化する。
【００２８】
更に、得られた三次元座標とタイヤ軸回りの円運動で想定される三次元座標との差異の二乗和が最小となるように、各撮影装置の設置角度や設置位置を補正する。
【００２９】
請求項７に記載の発明により、簡易な手法で撮影装置の設置角度及び設置位置を最適化させることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、簡易な構成で使い勝手が良く、高速走行させても高い精度でタイヤ形状を測定できる三次元形状測定システム、三次元形状測定方法、及び、撮影装置の設置状態補正方法が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、実施形態を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。なお、第２実施形態以下では、既に説明した構成要素と同様のものには同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状測定システム１１では、連続的に発光する発光源を用いて、転動する空気入りタイヤ１０に格子状の光マーク１２（図３参照）を投射する液晶プロジェクター１４と、光マーク１２を撮影する２台のビデオカメラ１６、１８と、ビデオカメラ１６、１８で撮影されたデータを演算処理し、空気入りタイヤ１０の形状を画面に表示するデータ処理装置２０と、を備えている。
【００３３】
本実施形態では、位置が固定された液晶プロジェクター１４から上記の光マーク１２を転動する空気入りタイヤ１０に投射する。
【００３４】
更に、この光マーク１２の格子点１２Ｐの位置を２台のビデオカメラ１６、１８で撮影する。ビデオカメラ１６、１８で撮影されたデータはデータ処理装置２０に送信され、データが演算処理される。そして、データ処理装置２０は、演算処理によって得られたデータに基づき、転動する空気入りタイヤ１０の形状を画面に表示する。
【００３５】
以下、データ処理装置２０で、２台のビデオカメラ１６、１８で撮影された画像に基づいて、転動する空気入りタイヤ１０の三次元画像が算出されることを、図２を参照しながら説明する。図２で、ｃａｍｅｒａa（ｘa，ｙa，ｚa）はビデオカメラ１６の設置位置の座標であり、ｃａｍｅｒａb（ｘb，ｙb，ｚb）はビデオカメラ１８の設置位置の座標である。そして、ｔａｒｇｅｔ（ｘ，ｙ，ｚ）は、光マーク１２によって形成された一格子点の位置である。
【００３６】
ｔａｒｇｅｔの座標を示すｘ，ｙ及びｚは、以下の式で算出される。なお、ｚは、以下に示すように２通りの式で算出され得るが、値は原理的には互いに一致する。
【００３７】
【数１】
2007085836.tif 000003
【００３８】
【数２】
2007085836.tif 000004
【００３９】
【数３】
2007085836.tif 000005
【００４０】
【数４】
2007085836.tif 000006
以上説明したように、本実施形態では、位置が固定された２台のビデオカメラ１６、１８から光マーク１２を投射（投影）している。これにより、空気入りタイヤ１０の走行速度が上昇しても、光マーク１２による格子点１２Ｐと撮影装置との相対速度がほとんどゼロである。従って、高速走行させても高い精度で測定可能な転動タイヤの三次元形状測定システム１１が実現される。
【００４１】
また、光マーク１２を液晶プロジェクター１４で投射する事で、従来のようにマーカを貼り付ける作業を行わなくても、投射された光マークを撮影範囲内に留めておく事が可能である。従って、作業性が向上する。
【００４２】
また、光マーク１２を投射する発光源として液晶プロジェクター１４を用いているので、これにより、操作が簡易で安価な発光源を用いて良好な光マーク１２を投射することができる。
【００４３】
また、光マーク１２の格子点を撮影する撮影装置としてビデオカメラ１６、１８を用いているので、これにより、市販の安価なビデオカメラを撮影装置とすることができ、装置構成が簡易になる。
【００４４】
（第１実施形態の実施例）
本実施例では、液晶プロジェクター１４としてソニー製の液晶プロジェクター（商品名：ＶＰＬ−ＰＸ１）を用いた。ビデオカメラ１６、１８としてはフォトロン社製のビデオカメラ（商品名：ＦａｓｔｃａｍＭａｘ）を用いた。また、データ処理装置２０として、ＩｍａｇｅＳｙｓｔｅｍ社製のハイエンド動作解析ソフトウェア（商品名：ＴＥＭＡ）がインストールされた装置を用いた。また、転動させる空気入りタイヤ１０として、表面を白く塗装したタイヤを用いた。
【００４５】
そして、空気入りタイヤ１０に正規リムを組み込んで正規内圧とし、タイヤを回転させる試験装置に取付け、正規荷重を負荷した。ここで、「正規リム」とは、例えばＪＡＴＭＡが発行する２００４年版のＹＥＡＲ  ＢＯＯＫに定められた適用サイズにおける標準リムを指し、「正規荷重」及び「正規内圧」とは、同様に、ＪＡＴＭＡが発行する２００４年版のＹＥＡＲ  ＢＯＯＫに定められた適用サイズ・プライレーティングにおける最大荷重及び該最大荷重に対する空気圧を指す。使用地又は製造地において、ＴＲＡ規格、ＥＴＲＴＯ規格が適用される場合は、各々の規格に従う。
【００４６】
そして、この空気入りタイヤ１０を時速３０ｋｍ／ｈの走行となるように転動させ、更に、格子状に配列された１６画素×１６画素の白黒の光マーク１２を、白く塗装した空気入りタイヤ１０のサイドウォール部１０Ｓに投射し、ビデオカメラ１６、１８で露光時間１／２０００秒の条件で撮影した。この撮影によってビデオカメラ１６、１８に録画された画像を図３に示す。
【００４７】
更に、ビデオカメラ１６、１８に録画された画像の各格子点１２Ｐの位置を示すデータを、データ処理装置２０が演算処理する。そして、空気入りタイヤ１０のサイドウォール部１０Ｓの形状を、データ処理装置２０に設けられている画面に表示させた。表示結果を図４に示す。
【００４８】
なお、比較のために、従来のように空気入りタイヤ１０に白点のマーカを貼り付け、時速３０ｋｍ／ｈの走行となるように空気入りタイヤ１０を転動させ、その状態をビデオカメラ１６、１８で撮影した。この撮影によって得られた画像を図１０に示す。図１０では時速３０キロで画像が流れてしまうことが判る。
【００４９】
これに比較して、本実施例のように液晶プロジェクター１４で投射された格子状の光マーク１２では、時速８０キロで走行させてもビデオカメラ１６、１８に鮮明な画像が録画される。従って、高速走行させても空気入りタイヤ１０の三次元形状を高い精度で測定できることが確認された。
【００５０】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態で説明したビデオカメラ１６、１８のうち１台のみを使用して、転動する空気入りタイヤ１０の三次元形状を測定する形態である。
【００５１】
液晶プロジェクター１４による投射光では光路が安定し且つ直進するので、ビデオカメラ１６、１８と液晶プロジェクター１４との相対位置を固定した後に光マーク毎の光路を測定しておく事で、１台のビデオカメラ（例えばビデオカメラ１６）から得られるデータのみによっても三次元形状の測定が可能となる。
【００５２】
以下、データ処理装置２０で、１台のビデオカメラで撮影された画像に基づいて、転動する空気入りタイヤ１０の三次元画像が算出されることを、図４を参照しながら説明する。ここでは、ｙ方向位置、ｚ方向位置をビデオカメラ１６、１８で同一にし、２台のビデオカメラ１６、１８の中心（中間位置）を基準点とすることにより、ビデオカメラ１６、１８の設置位置を示す座標のうち１つを減らすことができることを示す。
【００５３】
ｔａｒｇｅｔの座標を示すｘ，ｙ及びｚは、以下の式で算出される。なお、ｚは、以下に示すように２通りの式で算出され得るが、値は原理的には互いに一致する。
【００５４】
【数５】
2007085836.tif 000007
【００５５】
【数６】
2007085836.tif 000008
【００５６】
【数７】
2007085836.tif 000009
【００５７】
【数８】
2007085836.tif 000010
【００５８】
【数９】
2007085836.tif 000011
【００５９】
【数１０】
2007085836.tif 000012
【００６０】
【数１１】
2007085836.tif 000013
本実施形態により、設置するビデオカメラの台数が第１実施形態に比べて１台減っても、転動する空気入りタイヤ１０の三次元形状を精度良く測定することができる。
【００６１】
（第２実施形態の実施例）
液晶プロジェクター１４からの投射光は、その光路が安定し且つ直線性が高いため、図５〜図７に示すように、１台のビデオカメラ１６から見た一つの光マーク１２（図３参照）の方位及び仰角と、２台のビデオカメラ１６、１８から計算された光マーク１２の三次元座標と、に高い相関性が得られた。
【００６２】
従って、予めこれらの関係を測定することで、１台のビデオカメラで撮影した画像からでも、転動する空気入りタイヤ１０の形状を示す三次元座標を推定することが可能となることが判った。
【００６３】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図８に示すように、本実施形態では、空気入りタイヤ１０に組み込まれたホイールに複数のマーカ２２を予め貼り付ける。
【００６４】
更に、このホイールが組み込まれている空気入りタイヤ１０を第１実施形態で説明した試験装置に取付けて回転させ、マーカ２２を２台のビデオカメラ１６、１８で同時に撮影する。本実施形態では、ビデオカメラ１６、１８を水平方向面内に配置する。
【００６５】
更に、ビデオカメラ１６、１８の目標設置位置、目標設置角度に基づきホイールに貼付けたマーカ２２の軌跡を分析し、それから得られる二つのＺ軸座標差の二乗和が最小となるように、ビデオカメラ１６、１８のヨー角、ロール角及びピッチ角を、エクセルのソルバーなどで最適化させる。
【００６６】
ビデオカメラ１６、１８の設置角度については、設置角度誤差などを考慮し、以下の式を用いて実際の方位、仰角に変換する。
【００６７】
【数１２】
2007085836.tif 000014
【００６８】
【数１３】
2007085836.tif 000015
【００６９】
【数１４】
2007085836.tif 000016
【００７０】
【数１５】
2007085836.tif 000017
【００７１】
【数１６】
2007085836.tif 000018
本実施形態により、簡易な手法で、ビデオカメラ１６、１８の設置角度及び設置位置を補正して最適化させることができる。
【００７２】
（第３実施形態の実施例）
本実施例では、ビデオカメラ１６、１８の目標設置角度及び目標設置位置を基に、マーカ２２の軌跡を分析し、それから得られる二つのＺ軸座標差（カメラ２台を水平配置した場合の高さ差）の二乗和（誤差二乗和）が最小となるように、ビデオカメラ１６、１８のヨー角、ロール角及びピッチ角をエクセルのソルバーを使用して最適化させた。この結果を表１に示す。
【００７３】
【表１】
2007085836.tif 000019
また、タイヤ軸回りの円運動で想定される三次元座標を初期値として、ビデオ画像から上記のようにして得られた三次元座標との差異の二乗和が最小となるように、ビデオカメラ１６、１８の設置位置、設置角度をエクセルのソルバーを使用して最適化させた。
【００７４】
本実施例では、更に、得られた最適化結果を用い、２台のビデオカメラ１６、１８のビデオ画像から、タイヤ回転軸座標でのサイドウォール部の断面形状を算出した。算出した結果を図９に示す。
【００７５】
このように、本実施形態により、簡易な手法でビデオカメラ１６、１８の設置角度及び設置位置を補正して最適化させ、転動する空気入りタイヤ１０のサイドウォール部などの三次元形状を測定することができる。
【００７６】
以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１実施形態に係る３次元形状測定システムを示す模式図である。
【図２】第１実施形態で、三次元座標を求める原理の説明図である。
【図３】第１実施形態の実施例で、転動する空気入りタイヤに投射された光マークを示す側面図である。
【図４】第１実施形態の実施例で、転動する空気入りタイヤのサイドウォール部の形状を示すグラフ図である。
【図５】第２実施形態の実施例で得られたグラフ図である。
【図６】第２実施形態の実施例で得られたグラフ図である。
【図７】第２実施形態の実施例で得られたグラフ図である。
【図８】第３実施形態で、転動する空気入りタイヤの三次元形状を測定することを示す説明図である。
【図９】第３実施形態の実施例で、転動する空気入りタイヤのサイドウォール部の形状を示すグラフ図である。
【図１０】従来例で、転動する空気入りタイヤに投射された光マークを示す側面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０    空気入りタイヤ（タイヤ）
１１    三次元形状測定システム
１２    光マーク
１２Ｐ  格子点
１４    液晶プロジェクター
１６    ビデオカメラ
１８    ビデオカメラ
２０    データ処理装置（演算処理手段、表示手段）
２２    マーカ
【図１】
2007085836.tif 000020
【図２】
2007085836.tif 000021
【図３】
2007085836.tif 000022
【図４】
2007085836.tif 000023
【図５】
2007085836.tif 000024
【図６】
2007085836.tif 000025
【図７】
2007085836.tif 000026
【図８】
2007085836.tif 000027
【図９】
2007085836.tif 000028
【図１０】
2007085836.tif 000029