JP4378128B2 - ３次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の外形形状を光学的に３次元で測定する３次元形状測定方法に関する。

従来より、モアレトポグラフィに代表されるような縞を利用し、被測定物上に縞状パターンを投影し、被測定物の形状により変形した縞模様と基準の縞模様を重ね合わせ、その差周波数として生じる等高線を示すモアレ縞を解析することにより、被測定物の３次元形状を測定する方法として、例えば、特許文献１や特許文献２にあるような方法が知られている。このような方法では、被測定物上にできた縞模様をＣＣＤカメラにより撮像して、解析している。
特開昭５３−６８２６７号公報 特開昭６１−２６０１０７号公報

しかしながら、こうした従来の方法では、被測定物が小さい場合は、被測定物全体をＣＣＤカメラで撮像して解析しても、十分な測定精度が得られるが、被測定物が大きい場合、一度で被測定物全体を撮像したのでは、十分な解像度が得られない場合がある。

そのような場合には、被測定物の一部を撮像して３次元形状を測定し、次に、場所を変えて、被測定物の他の一部を撮像して３次元形状を測定し、これを繰り返して全体の３次元形状を測定しているが、分けて測定した測定値を一つの基準座標系の測定値に合成する作業が繁雑であるという問題があった。

本発明の課題は、大きな被測定物であっても容易に３次元測定できる３次元形状測定方法を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
それぞれ３次元形状が異なる複数のマーカーを被測定物の測定箇所に取り付け、同時に２つの前記マーカーを含む前記被測定物の部分領域を形状測定手段により前記マーカーと共に光学的に３次元測定して測定値を得て、その後、前記形状測定手段を移動して、２つの前記マーカーの一方と別の１つの前記マーカーとを含む他の測定箇所の部分領域を光学的に３次元測定して測定値を得て、前記マーカーの３次元形状に基づいて、前記各測定値を同一座標系に変換し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法がそれである。前記マーカーは、非対称の３次元形状であることが好ましい。

あるいは、前記複数のマーカーは、それぞれ高さが異なるようにしてもよい。

前述したように本発明の３次元形状測定方法によると、大きな被測定物であっても十分な精度で容易に３次元測定できるという効果を奏する。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は被測定物であり、例えば、乗用車の車体等の大型の３次元形状の外形を有するものである。この被測定物１の３次元形状を光学的に測定する形状測定器２を備え、この形状測定器２は、ＣＣＤカメラ４とフリンジプロジェクター６と制御装置８とを備えている。ＣＣＤカメラ４とフリンジプロジェクター６とは、制御装置８に接続されている。

形状測定器２は、フリンジプロジェクター６が複数の格子を被測定物１の表面に投影し、ＣＣＤカメラ４がこの被測定物１の外形形状に応じて変形した格子を撮像する。そして、この変形格子と基準格子とに基づいて、制御装置８が被測定物１の３次元形状を測定し、３次元形状の測定値を得るものである。

形状測定器２は、ＣＣＤカメラ４により撮像する領域Ｓが広ければ解像度が低下して測定精度が粗くなり、撮像する領域Ｓが狭ければ十分な解像度が得られて測定精度が精密になる。従って、必要な測定精度を得ようとすると、ＣＣＤカメラ４により撮像する領域Ｓの面積が限定され、被測定物１の部分領域を測定することになる。形状測定器２は、３次元の部分座標系に基づいた測定値を出力する。部分座標系は、形状測定器２が有する座標系であり、形状測定器２を移動して別の箇所を測定した際には、それらの測定値の部分座標系が異なり、そのままでは、それらの測定値をつなぎ合わせて、１つの測定値とすることはできない。

そこで、３次元形状測定の際には、第１マーカーＭ１が貼り付けられる。第１マーカーＭ１は、図３（イ）に示すように、３次元形状に形成されており、被測定物１に貼り付けられる。貼り付けは、第１マーカーＭ１に設けた磁石により被測定物１に貼り付けるようにしてもよく、あるいは、接着剤や両面接着テープにより貼り付けるようにしてもよい。

第１マーカーＭ１の形状は、３次元の立体形状に形成されており、本実施形態では、直方体あるいは立方体の一部を、上面１２から斜めに切り欠いて２つの傾斜面１４，１６を形成している。上面１２と２つの傾斜面１４，１６の交点を基準点１８としていると共に、上面１２は辺が直交する正方形あるいは長方形となるように形成されている。

これにより、第１マーカーＭ１は、３次元の立体に形成されると共に、非対称形状に形成されている。即ち、第１マーカーＭ１は、第１マーカーＭ１を形状測定器２により方向を変えて測定した際、測定方向の違いを第１マーカーＭ１の形状から判別できるように形成されている。即ち、形状が円錐のような対称形状であると、どの方向から見ても形状が同じになり、形状から方向を判別できない。

また、本実施形態では、複数の形状の異なるマーカーが用意されている。前述した図３（イ）に示す第１マーカーＭ１の傾斜面１４，１６より下の高さｈ１が異なる、図３（ロ）に示す高さｈ２の第２マーカーＭ２が用意されている。これらの第１及び第２マーカーＭ１，Ｍ２の３次元形状は、予め測定されて、制御装置８に記憶されている。尚、第１及び第２マーカーＭ１，Ｍ２の違いは、この高さ違いに限らず、上面１２の大きさの違いを判別できるようにしてもよい。

次に、制御装置８で行われる測定処理について、図４のフローチャートによって説明する。
まず、３次元形状の測定に先立って、第１及び第２マーカーＭ１，Ｍ２が測定箇所に張り付けられる。第１及び第２マーカーＭ１，Ｍ２は、図２に示すように、ＣＣＤカメラ４により撮像する部分領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の領域内に貼り付けられる。例えば、形状測定器２による撮像領域は矩形であり、第１マーカーＭ１は、第１部分領域Ｓ１の角端に貼り付けられ、第２部分領域Ｓ２は、この第１部分領域Ｓ１に貼り付けられた第１マーカーＭ１を角端に含む領域として設定される。

また、第２部分領域Ｓ２には、高さが異なる別の第２マーカーＭ２が第２部分領域Ｓ２の角端に貼り付けられる。第３部分領域Ｓ３は、この第２部分領域Ｓ２に貼り付けられた第２マーカーＭ２を角端に含む領域として設定される。尚、本実施形態では、第１〜第３部分領域Ｓ１〜Ｓ３の測定について説明したが、更に、これ以上の部分領域を測定する場合には、同様に、共通のマーカーを含むように設定すればよい。

そして、第１及び第２マーカーＭ１，Ｍ２を貼り付けた後、形状測定器２により被測定物１の各第１〜第３部分領域Ｓ１〜Ｓ３を撮像する。撮像したデータは、制御装置８に記憶される。形状測定器２により第１〜第３部分領域Ｓ１〜Ｓ３を撮像する際には、形状測定器２を測定者が移動して撮像するか、あるいは、形状測定器２をロボットのアーム先端に取り付けて、ロボットにより移動するようにしてもよい。移動は平行移動である必要はなく、移動量を測定する必要もない。

そして、３次元形状測定処理では、この撮像したデータから、まず、第１部分領域Ｓ１の測定値Ｐｓ１（ｓ１ｘｎ，ｓ１ｙｎ，ｓ１ｚｎ）を算出する（ステップ１００）。添字ｎはｎ個の測定点があることを示す。第２、第３部分領域Ｓ２，Ｓ３についても同様である。

次に、第１部分領域Ｓ１の測定値Ｐｓ１（ｓ１ｘｎ，ｓ１ｙｎ，ｓ１ｚｎ）から第１マーカーＭ１を認識する（１１０）。第１マーカーＭ１の認識は、予め第１マーカーＭ１の３次元形状を記憶して、この記憶した３次元形状に基づいて、第１マーカーＭ１を認識する。

続いて、認識した第１マーカーＭ１の位置及び姿勢を算出する（１２０）。位置は、第１マーカーＭ１の基準点１８の３次元座標値（ｘ11，ｙ11，ｚ11）である。姿勢は第１マーカーＭ１の部分座標系での３次元の方向を示し、例えば、部分座標系での直交座標と第１マーカーＭ１の上面１２の辺及び垂線とのなす角度を示す値（ａ11，ｂ11，ｃ11）として算出する。

次に、第１マーカーＭ１であるか、第２マーカーＭ２であるかの個別認識を実行する（１３０）。個別認識は、本実施形態では、高さｈ１，ｈ２の違いにより判別する。尚、同じ形状の場合には、上面１２に表示した文字やバーコードにより個別認識してもよい。あるいは、各第１マーカーＭ１の上面１２の形状をそれぞれ異なるものとし、この上面１２の形状に基づいて個別認識するようにしてもよい。

制御装置８に記憶されている第２、第３部分領域Ｓ２，Ｓ３毎の撮像したデータについて、前述したステップ１００〜１３０の処理を繰り返し、被測定物１の第２、第３部分領域Ｓ２，Ｓ３の測定値Ｐｓ２，Ｐｓ３を算出する（ステップ１００）。次に、第１、第２マーカーＭ１，Ｍ２の認識を行い（ステップ１１０）、第１、第２マーカーＭ１，Ｍ２の位置・姿勢を算出する（ステップ１２０）。そして、第１、第２マーカーＭ１，Ｍ２の個別認識を実行する（ステップ１３０）。

第１部分領域Ｓ１ 第１マーカーＭ１ ｘ11，ｙ11，ｚ11，ａ11，ｂ11，ｃ11
第２部分領域Ｓ２ 第１マーカーＭ１ ｘ21，ｙ21，ｚ21，ａ21，ｂ21，ｃ21
第２部分領域Ｓ２ 第２マーカーＭ２ ｘ22，ｙ22，ｚ22，ａ22，ｂ22，ｃ22
第３部分領域Ｓ３ 第２マーカーＭ２ ｘ32，ｙ32，ｚ32，ａ32，ｂ32，ｃ32
更に、部分領域がある場合には（ステップ１４０）、引き続き繰り返し実行して、各部分領域毎にマーカーを認識すると共に、位置・姿勢を算出し、マーカーを個別に認識する。

第ｎ部分領域Ｓｎ 第ｍマーカーＭｍ ｘnm，ｙnm，ｚnm，ａnm，ｂnm，ｃnm
続いて、第１〜第ｎ部分領域Ｓ１〜Ｓｎの測定値Ｐｓ１〜Ｐｓｎを、共通の３次元座標系に変換する処理を実行する（ステップ２００）。３次元位置変換処理では、図５に示すように、まず、第１マーカーＭ１の基準点１８の位置・姿勢に基づいて、下記式により座標変換係数Ｒ１を算出する（ステップ２１０）。ここで、［Ｒ１］はマトリックスである。

（ｘ11，ｙ11，ｚ11，ａ11，ｂ11，ｃ11）＝［Ｒ１］×（ｘ21，ｙ21，ｚ21，ａ21，ｂ21，ｃ21）
即ち、第１部分領域Ｓ１の測定値Ｐｓ１から算出した第１マーカーＭ１の基準点１８の位置（ｘ11，ｙ11，ｚ11）及び姿勢（ａ11，ｂ11，ｃ11）と、第２部分領域Ｓ２の測定値Ｐｓ２から算出した同じ第１マーカーＭ１の基準点１８の位置（ｘ21，ｙ21，ｚ21）及び姿勢（ａ21，ｂ21，ｃ21）とから、第２部分領域Ｓ２の測定値Ｐｓ２の部分座標系を、第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換するための座標変換係数Ｒ１を算出する。

第１マーカーＭ１の基準点１８を基準として、第１部分領域Ｓ１の第１マーカーＭ１の基準点１８に、第２部分領域Ｓ２の第１マーカーＭ１の基準点１８を重ね合わせるために、平行移動する変換成分と、第１部分領域Ｓ１の第１マーカーＭ１の姿勢及び第２部分領域Ｓ２のマーカーの姿勢とが同じになるように回転移動して重ね合わせる変換成分とを、座標変換係数Ｒ１が含んでいる。

続いて、この座標変換係数Ｒ１を用いて、第２部分領域Ｓ２の測定値Ｐｓ２を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換する（ステップ２２０）。
Ｐｓ２’＝［Ｒ１］×Ｐｓ２
次に、第２部分領域Ｓ２の第２マーカーＭ２を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換する（ステップ２３０）。

（ｘ22'，ｙ22'，ｚ22'，ａ22'，ｂ22'，ｃ22'）＝［Ｒ１］×（ｘ22，ｙ22，ｚ22，ａ22，ｂ22，ｃ22）
即ち、第３部分領域Ｓ３の測定値Ｐｓ３を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換するために、まず、座標変換係数Ｒ１により、第２部分領域Ｓ２の第２マーカーＭ２の位置・姿勢を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換する。

続いて、この第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換した第２マーカーＭ２の位置・姿勢と、第３部分領域Ｓ３の第２マーカーＭ２の位置・姿勢とを用いて、第３部分領域Ｓ３の測定値Ｐｓ３を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換するための座標変換係数Ｒ２を算出する（ステップ２４０）。ここで、［Ｒ２］はマトリックスである。

（ｘ22'，ｙ22'，ｚ22'，ａ22'，ｂ22'，ｃ22'）＝［Ｒ２］×（ｘ32，ｙ32，ｚ32，ａ32，ｂ32，ｃ32）
次に、第３部分領域Ｓ３の測定値Ｐｓ３を第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換する（ステップ２５０）。

Ｐｓ３’＝［Ｒ２］×Ｐｓ３
更に、部分領域の測定値がある場合には（ステップ２６０）、前述したステップ２３０〜２５０と同様の処理を実行して（ステップ２７０）、第１部分領域Ｓ１の部分座標系に変換して、一旦本制御処理を終了する。これにより、各測定値Ｐｓ１〜Ｐｓｎは、第１部分領域Ｓ１の座標系に変換され、被測定物１の全体を解像度よく、十分な精度で容易に測定できる。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

本発明の一実施形態としての３次元形状測定方法の実施に用いる形状側定器の概略構成図である。 本実施形態の複数のマーカーの貼り付け箇所の説明図である。 本実施形態のマーカーの斜視図である。 本実施形態の制御装置において行われる３次元形状測定処理のフローチャートである。 本実施形態の制御装置において行われる３次元位置変換処理のフローチャートである。

符号の説明

１…被測定物 ２…形状測定器
４…ＣＣＤカメラ
６…フリンジプロジェクター
８…制御装置 １２…上面
１４，１６…傾斜面 １８…基準点
Ｍ１…第１マーカー Ｍ２…第２マーカー
Ｓ１…第１部分領域 Ｓ２…第２部分領域
Ｓ３…第３部分領域

Claims (3)

1. それぞれ３次元形状が異なる複数のマーカーを被測定物の測定箇所に取り付け、同時に２つの前記マーカーを含む前記被測定物の部分領域を形状測定手段により前記マーカーと共に光学的に３次元測定して測定値を得て、その後、前記形状測定手段を移動して、２つの前記マーカーの一方と別の１つの前記マーカーとを含む他の測定箇所の部分領域を光学的に３次元測定して測定値を得て、前記マーカーの３次元形状に基づいて、前記各測定値を同一座標系に変換し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 前記マーカーは、非対称の３次元形状であることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
3. 前記複数のマーカーは、それぞれ高さが異なることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。

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