JPH0769144B2 - 三次元位置測定方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、CAD（Computer Aided Design）,CAT（Comput
er Aided Testing）等の利用時に加工品実体三次元形状
寸法を入力する際や、三次元情報の交換によるコンピュ
ータとのマンマシンインターフェイスとして用いて好適
の三次元位置測定方式に関する。

［従来の技術］ この種の三次元位置測定装置としては、従来、特開昭63
−61904号公報に示されたものがある。この従来装置
は、ワーク表面上の測定点の三次元座標を得るために、
測定点に輝点を投射するための複数の投光器と、輝
点周辺のステレオ画像を得るための２台の撮像器と、
ステレオ画像から三角測量法により複数の測定点の三次
元座標を算出する手段と、複数の測定点の三次元座標
から測定ヘッド（投光器，撮像器）とワークとの相対的
位置関係を求める手段とから構成されている。つまり、
この従来装置では、ワーク表面上の測定点を教示するた
めに、投光器から投射された輝点を用いている。

また、上記従来技術のほかに、ワーク表面上の測定点に
点光源を直接付加する手段も開示されている〔テレビジ
ョン学会技術報告ITA40−２（1977）第７頁「倉沢他：
半導体位置検出方式による歩行パターン計測システム」
参照〕。

更に、測定対称物の表面を先端で接触操作するスタイラ
スの軸線上に一定間隔をおいて３個の光点を設け、この
スタイラスの動作空間の上方又は下方に設けた１個の撮
像カメラによりスタイラスを撮影し、上記光点の間隔、
光点から接触点までの距離、撮像カメラによる光点の映
像に含まれる情報から測定対象物各点の３次元座標値を
算出するようにした三次元測定装置も公知である（特開
昭63−217205号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、測定点を光ビームの照射による輝点で教
示する従来装置では、次のような問題がある。

（ａ）ワークの穴内部や背面，側面など左右の撮像器で
共通に見ることのできない部位の教示は不可能である。

（ｂ）ワーク表面が鏡面の場合、輝点から散乱光が生じ
ず、撮像できなくなる。

（ｃ）ワーク表面が低反射率の場合、輝点の像が得られ
ない。

（ｄ）ワーク表面が拡散面であっても面が傾いている
と、近い方に明るい輝点が生じ、誤差の原因となる。

（ｅ）ワークの形状変化が激しいと多重反射を生じ、輝
点が複数となる。

また、測定点に点光源を直接付加する従来手段では、上
述した（ａ），（ｄ），（ｅ）と同様の問題があるほ
か、点光源の位置が実際の表面から光源の大きさの半分
程度ずれ、誤差の原因となってしまうなどの課題もあ
る。

更に、特開昭63−217205号公報に開示されている三次元
測定装置においては、１台の撮像装置により測定対称点
教示手段に設けた３個の点光源を撮影するものであるた
め、点光源の大きさは有限であり、しかも撮像装置で撮
影した点光源の解像度は有限であるので、計測作業中、
測定対称点教示手段上に指示点と共に１直線上に並んだ
３個の点光源を結ぶ軸線を、これを撮影する１台の撮像
装置の光軸と一致する方向に傾斜させていくと、測定誤
差は次第に増大する。特に誤差を生じる元となる点光源
を３個用いる結果、１個ずつの測定誤差が集積するた
め、上記のように傾斜を進めて行くと、最終的には実質
的に測定不能の状態となり、その測定不能の範囲は極め
て高精度の機器を使用してもかなりの範囲の死角を有す
ることになり、機具の使用中にもその点留意しつつ作業
を行わなければならない等の欠点を有するものである。

本発明は、このような課題を解決しようとするもので、
測定対象ワークの穴内部，背面，側面、あるいはその表
面が鏡面，拡散面，反射率の大小に係らず測定を可能に
するとともに、測定精度の向上をはかった三次元位置測
定方式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］ 上記目的を達成するために、本発明の三次元位置測定方
式は、ステレオ画像を得るための少なくとも２台の撮像
装置と、該撮像装置からのステレオ画像に基づき三次元
位置を算出する演算手段と、測定対象点を指示する指示
点と該指示点に対し予め既知の固定的位置関係にある複
数の点光源とを有する測定対象点教示手段とをそなえ、
前記指示点により前記測定対象点を指示し前記複数の点
光源を点灯させた状態の前記測定対象点教示手段を前記
撮像装置により撮像し、前記演算手段が、前記撮像装置
からの前記複数の点光源のステレオ画像に基づき前記の
各点光源の三次元位置を演算し、得られた三次元位置と
前記固定的位置関係とに基づき前記指示点の三次元位置
を演算し、該三次元位置を前記測定対象点の三次元位置
として出力することを特徴としている。

［作用］ 上述した本発明の三次元位置測定方式では、測定対象点
の三次元位置を測定する際には、その測定対象点に、測
定対象点教示手段の指示点を接触配置し、この状態で測
定対象点教示手段の複数の点光源を点灯させ、その点光
源のステレオ画像を撮像装置により撮像する。

そして、演算手段により、撮像装置からの複数の点光源
のステレオ画像に基づき、各点光源の三次元位置が演算
される。ここで、複数の点光源と指示点とは、予め既知
の固定的位置関係にあるので、複数の点光源の三次元位
置が分かるとその三次元位置に前記固定的位置関係を加
味することで、容易に指示点の三次元位置が演算され
る。そして、現ステレオ画像は、指示点で測定対象点を
指示した状態で得られたものであるので、指示点の三次
元位置は、そのまま測定対象点の三次元位置となってい
る。

これにより、測定対象点のステレオ画像を直接撮像する
ことができなくても、測定対象点教示手段の複数の点光
源のステレオ画像が得られれば、その画像から測定対象
点の三次元位置を測定することができる。

［発明の実施例］ 以下、図面により本発明の一実施例としての三次元位置
測定方式について説明すると、第１図はその説明図、第
２図その座標教示ペンを示す正面図、第３図は該座標教
示ペンの回路構成を示す回路図、第４図は本実施例の方
式の他の使用例を示す説明図である。

第１図において、1,2はステレオ画像を得るための２台
のTVカメラ（撮像装置）、３はこれらのTVカメラ1,2か
らのステレオ画像の左右画像中の輝点ずれ（視差）に基
づいて三次元位置を算出する画像処理器（演算手段）、
４は三次元位置測定対象のワークで、このワーク４は、
TVカメラ1,2からは撮像不可能な凹部4aを有している。

５は座標教示ペン（測定対象点教示手段）で、この座標
教示ペン５は、第2,3図に示すように、ワーク４表面上
の測定対象点Ｐを指示する指示点６と、この指示点６に
対し予め既知の固定的位置関係にある４個のLED（点光
源）７と、指示点６を含むペン５の先端部において指示
点６がワーク４表面に接すると閉路状態になるスイッチ
８と、LED7点灯用の電源となる電池９と、LED7を覆うガ
ラスカバー10と、保護抵抗11とから構成されている。各
LED7は、第３図に示すように、相互に並列的に接続さ
れ、スイッチ８が閉路されると保護抵抗11を介して電池
９からの給電を受けて点灯するようになっている。ま
た、第２図に示すように、指示点６および各LED7はすべ
て座標教示ペン５の中心軸上に配置され、指示点６と最
下部のLED7との距離はｌ′、各LED7,7間の距離はｌとな
っており、予め既知である。さらに、各LED7としては例
えば400μｍ角の大きさのものが用いられる。

上述の構成により、例えば、第１図に示すように、TVカ
メラ1,2からは直接撮像することのできないワーク４の
凹部4aにある測定対象点Ｐの三次元位置を測定する際に
は、まず、その測定対象点Ｐに、座標教示ペン５の指示
点６を接触配置する。座標教示ペン５の指示点６が、測
定対象点Ｐに対して接触ないし押し付けられると、スイ
ッチ８が閉じられ、座標教示ペン５の各LED7が点灯す
る。

このようにして各LED7を点灯させた状態で、LED7を含む
座標教示ペン５のステレオ画像をTVカメラ1,2により撮
像する。

その撮像結果は画像処理器３へ入力され、この画像処理
器３においては、LED7のステレオ画像の左右画像中にお
ける輝点視差に基づいて、各LED7の三次元位置が演算さ
れる。

更に、各LED7と指示点６とは、第２図により前述した通
り予め既知の固定的位置関係にあるので、各LED7の三次
元位置が分かるとその三次元位置にその固定的位置関係
を加味することで、TVカメラ1,2では直接撮像すること
のできない位置にある指示点６の三次元位置（三次元座
標）、即ち、測定対象点Ｐの三次元位置（三次元座標）
が容易に演算される。

ところで、上述した座標教示ペン５を、第４図に示すよ
うに、机上で平面的に並進移動させることにより、従来
のディジタイザやマウスと類似の二次元座標入力器とし
て用いることもできる。また、上述した座標教示ペン５
を用い、複数個のLED7の三次元位置を求めれば、これら
の三次元位置からペン５の中心軸の方向をもつ も算出することが可能で、従来のジョイスティックと類
似の機能を得ることもできる。このような２種の機能を
組み合わせると、人間の空間感覚に合致した「三次元座
標＋方向」という情報をコンピュータと交換できるた
め、新しいマンマシンインターフェイス機器として有効
に利用できる。

このように、本実施例の測定方式によれば、測定対象点
Ｐのステレオ画像を直接撮像することができなくても、
座標教示ペン５の各LED7のステレオ画像が得られれば、
その画像から測定対象点Ｐの三次元位置を求めることが
できるので、ワーク４の穴内部，背面，側面、あるいは
その表面が鏡面，拡散面，反射率の大小に係らず表面の
三次元位置の測定が可能になるほか、LED7の個数を増す
ことで測定精度を大幅に向上することができる。

また、本実施例の測定方式における座標教示ペン５は、
コンピュータとのマンマシンインターフェイス機器とし
て、従来のマウスのような二次元ディジタイザよりも一
次元情報量の多い三次元ディジタイザ機器として利用で
き、その場合、人間のもつ空間感覚と整合性の高いマン
マシンインターフェイスを実現することができる。

なお、上記実施例では、座標教示ペン５のLED7を４個そ
なえた場合について説明しているが、最低限２個のLED
があれば上述した実施例と同様の機能を得ることができ
る。また、座標やベクトルの検出精度を向上するために
多数個のLEDを配置してもよい。さらに、上記実施例で
は、各LED7を直線に配置した場合について説明している
が、指示点６との固定的位置関係が明確であれば、各LE
D7はどのように配置してもよい。

また、上述の実施例では、各点光源の三次元位置を得る
ために、２台の撮像装置でステレオ画像を撮像し、画像
処理器で画像処理により演算する方式を開示している
が、２台の撮像装置の代わりに２台の光点位置検出器を
用いると、画像処理器を要することなく簡単な演算で各
点光源の三次元位置を求めることも可能である。ただ
し、光点位置検出器は同時に複数の点光源を扱えないた
め、その場合には、各点光源を時系列的に点灯させるこ
とが必要になる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の三次元位置測定方式によ
れば、測定対象点のステレオ画像を直接撮像することが
できなくても、測定対象点教示手段の点光源のステレオ
画像を撮像することで、そのステレオ画像に基づいて測
定対象点の三次元位置を測定できるように構成したの
で、測定対象ワークの穴内部，背面，側面、あるいはそ
の表面が鏡面，拡散面，反射率の大小に係らず測定を行
なえるとともに、測定精度が大幅に向上するなどの効果
がある。

また、点光源は２個で充分であり、しかもその各点光源
を２台の撮像装置によりステレオ画像として撮像するた
め、測定対称点教示手段のいかなる傾斜に対しても許容
できない誤差を生ずる範囲が存在せず、使用範囲が広く
なり、計測作業が容易となり、特に、測点対称ワークの
穴内部が複雑に変化している場合においても広範囲にわ
たって容易に計測することができる。しかも計測誤差を
生じる点光源が少なくてすみ、このように計測誤差が少
ないものを更に精度を向上するために、３個、４個、…
と多くの点光源を設けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明の一実施例としての三次元位置測定
方式を示すもので、第１図はその説明図、第２図その座
標教示ペンを示す正面図、第３図は該座標教示ペンの回
路構成を示す回路図、第４図は本実施例の方式の他の使
用例を示す説明図である。 図において、1,2……TVカメラ（撮像装置）、３……画
像処理器（演算手段）、４……ワーク、4a……凹部、５
……座標教示ペン（測定対象点教示手段）、６……指示
点、７……LED（点光源）、８……スイッチ、９……電
池、10……ガラスカバー、11……保護抵抗、Ｐ……測定
対象点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステレオ画像を得るための少なくとも２台
   の撮像装置と、該撮像装置からのステレオ画像に基づい
   て三次元位置を算出する演算手段とがそなえられるとと
   もに、 測定対象点を指示する指示点と該指示点に対して予め既
   知の固定的位置関係にある複数の点光源とを有してなる
   測定対象点教示手段がそなえられ、 前記指示点により前記測定対象点を指示して前記複数の
   点光源を点灯させた状態の前記測定対象点教示手段を、
   前記撮像装置により撮像し、 前記演算手段が、前記撮像装置により撮像された前記複
   数の点光源のステレオ画像に基づいて、前記の各点光源
   の三次元位置を演算し、得られた前記の各点光源の三次
   元位置と前記予め既知の固定的位置関係とに基づいて、
   前記指示点の三次元位置を演算し、得られた該指示点の
   三次元位置を前記測定対象点の三次元位置として出力す
   ることを特徴とする三次元位置測定方式。