JP7315920B2

JP7315920B2 - サイズ測定装置及びサイズ測定方法

Info

Publication number: JP7315920B2
Application number: JP2019155293A
Authority: JP
Inventors: 勇人川島; 裕信高橋; 祐司水口
Original assignee: Applied Vision Systems Corp
Current assignee: Applied Vision Systems Corp
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: JP2021032791A

Description

本発明は、非接触で荷物の大きさを測定するサイズ測定装置及びサイズ測定方法に関する。

一般に、郵便や宅配便などの荷物配送サービスでは、荷物のサイズと重さで料金が決定される。このため、通常、荷物を受け付ける際には、担当者がメジャーなどを用いて荷物のサイズ（幅・長さ・高さ）を測定している。

従来、作業の効率化のため、荷物サイズを自動で測定する装置も提案されている（特許文献１～４参照）。例えば、特許文献１には、荷物にレーザ光を走査しながら照射し、荷物により光が遮蔽された部分から荷物の輪郭を仮想認識して荷物サイズを演算する荷物サイズ測定装置が開示されている。

また、特許文献２には、２つのカメラにより異なる角度で（異なる位置から）パッケージ（箱）全体を撮像し、その画像から特徴点間の距離（各辺の長さ）を算出するサイズ測定装置が開示されている。特許文献３には、測定対象物（箱）が写る画像を取得し、その画像に仮想測定マーカーを重ねて表示し、演算により各辺の長さを算出するサイズ測定装置が開示されている。

一方、特許文献４には、パッケージ（箱）の角部に光パターンを投影し、２つのカメラにより異なる角度で同時にパッケージ全体を撮像し、その画像からパッケージの各辺の長さを算出するハンディターミナル型のサイズ測定装置が開示されている。

特開２００３－２３２６２１号公報国際公開第２０１４／００６８３２号国際公開第２０１４／１５７３４０号特開２０１３－２５３７９９号公報

しかしながら、前述した特許文献１～３に記載のサイズ測定装置は、レーザ照射装置やカメラなどを所定位置に固定する必要があるため、可搬性に乏しく、設置場所が営業所や配送拠点などに限定されるという課題がある。

一方、特許文献４に記載の装置のように、ハンディターミナル型のサイズ測定装置も開発されているが、従来のハンディターミナル型サイズ測定装置は、基準点の位置合わせが難しく、荷物の高さを精度よく測定することができないという課題がある。また、特許文献４に記載の装置は、計測値に影響する特徴点（共通頂点）、面及び辺（エッジ）などは、撮像された画像を基に画像処理で検出しているため、明るさ、ピント、荷物の向きなどの撮像条件によって測定結果が大きく異なり、測定精度及び計測安定性が劣るという課題がある。

具体的には、特許文献４に記載のサイズ測定装置は、頂点に集まる３辺上にパターンを投影しているが、パターンが投影されている任意の一面についてみると、４つある辺のうち２辺にパターンを投影し、２つの屈曲点（特徴点）から辺の長さを算出している。しかしながら、立方体や直方体の面のサイズを精密に求めるには、最低でも３点が必要である。

特許文献４に記載の装置では、さらにもう１点ある屈曲点（特徴点）から、共通頂点なるものを求め、その点を用いて面を構成する３点を求めているが、面を特定する１点のうち１点がパターン投影による屈曲点から得られる特徴点でないため、面の特定に誤差が生じやすい。また、特許文献４に記載の装置では、辺を特定する際に画像からエッジの検出を行っているが、ダンボールなどの角に丸みを持つ形状のものでは精密なエッジ検出は非常に困難である。

そこで、本発明は、簡便に荷物の幅、長さ及び高さを測定可能で、かつ、携帯可能な小型のサイズ測定装置及びサイズ測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係るサイズ測定装置は、レーザ光源及び表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を備え、測定対象の荷物に対して面毎の測定用パターンを投影するパターン投影部と、前記測定用パターンが投影された荷物を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像から前記荷物の幅、長さ及び高さを算出する演算処理部とを有する。
前記回折光学素子の微細凹凸構造は、例えば計算機合成ホログラムとすることができる。
本発明のサイズ測定装置は、例えば前記回折光学素子の微細凹凸構造が形成されている領域全体に前記レーザ光源からの光が照射される。
本発明のサイズ測定装置は、前記回折光学素子の微細凹凸により前記レーザ光源からの光が回折し、例えば前記荷物の少なくとも相互に隣接する３面それぞれに投影される前記測定用パターンが形成される。
また、測定用パターンには前記３面に共通する角部の位置を示すマーカーが設けられていてもよい。
一方、前記演算処理部では、前記荷物に投影された測定用パターンの屈曲点を検出し、前記屈曲点の三次元位置から前記荷物の各辺を示す三次元直線を求めてもよい。

本発明に係るサイズ測定方法は、レーザ光源及び表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を備えるパターン投影装置を用いて、測定対象の荷物に対して面毎の測定用パターンを投影するパターン投影工程と、前記測定用パターンが投影された荷物を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像された画像から前記荷物の幅、長さ及び高さを算出する演算処理工程とを行う。
前記パターン投影工程では、前記レーザ光源からの光を前記回折光学素子の微細凹凸構造が形成されている領域全体に照射することができる。
前記パターン投影工程では、前記荷物の少なくとも相互に隣接する３面それぞれに前記測定用パターンを投影してもよい。
前記演算処理工程は、前記荷物に投影された測定用パターンの屈曲点を検出し、前記屈曲点の三次元位置から前記荷物の各辺を示す三次元直線を求めてもよい。

本発明によれば、表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を用いて測定用パターンを形成しているため、装置の軽量化・小型化が可能であり、かつ、簡便に荷物の幅、長さ及び高さを測定することができる。

本発明の実施形態のサイズ測定装置の構成を模式的に示す図である。パターン投影部２の構成を示す図である。図１に示すサイズ測定装置１０の使用方法を示す概念図である。測定用パターンを示す図である。Ａ，Ｂは測定用パターン投影時の状態を示す図である。角を示すマーク（目印）がある測定用パターンの例を示す図である。演算処理部４での処理工程を示すフローチャートである。演算に用いる各点を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（構成）
図１は本発明の実施形態に係るサイズ測定装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のサイズ測定装置１０は、直方体（略直方体状も含む）又は立方体状（略立方体状も含む）の荷物のサイズを非接触で測定するものであり、例えば、図１に示すように、パターン投影部２及び撮像部３を備える測定部１ａと、把持部１ｂと、演算処理部４とを有する。

［パターン投影部２］
図２はパターン投影部２の構成を示す図である。パターン投影部２は、測定対象の荷物に対して面毎の測定用パターンを投影するものであり、図２に示すように、レーザ光源２１及び表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子２２などを備えている。本実施形態のサイズ測定装置１０に用いるレーザ光源２１の種類は、特に限定されるものではなく、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ、固体レーザ及び気体レーザなどを用いることができる。

回折光学素子は、一般に、光学面に微細な凹凸構造が形成されており、この微細な凹凸構造によって入射光を回折し、光の照射位置の制御や任意パターンでの光照射を実現している。特に、本実施形態のサイズ測定装置１０では、表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子２２を用いているため、通常の２次元状のパターンではなく、３次元状のパターンを形成することができる。その結果、一度の照射で、荷物の複数の面にその面毎の測定用パターンを投影することが可能となる。

本実施形態のサイズ測定装置１０に用いられる回折光学素子２２の非周期微細凹凸構造は、例えば計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）の手法を用いて形成することができる（Masahiro Yamaji 他３名、APPLIED PHYSICS LETTERS、Ｎｏ．９３、０４１１１６、２００８年）。

また、本実施形態のサイズ測定装置１０では、回折光学素子２２の微細凹凸構造が形成されている領域全体にレーザ光源２１からの光が照射される。これにより、回折光学素子２２の微細凹凸によりレーザ光源２１からの光が回折し、測定対象の荷物の少なくとも相互に隣接する３面それぞれに投影される測定用パターンを形成することができる。

パターン投影部２から照射される測定パターンは、例えば格子状のグリッド・パターン、楕円形パターン及び双曲線パターンなどが挙げられるが、演算処理の観点からグリッド・パターンが好適である。また、測定用パターンは、荷物の少なくとも相互に隣接する３面に投影されればよく、投影領域に各面に共通する角部及び当該角部につながる３辺が含まれていれば、各面の全面に測定用パターンが形成されていなくてもよい。更に、測定用パターンには投影される３面に共通する角部の位置を示すマーカーが設けられていてもよい。

従来のサイズ測定装置では、測定対象の荷物にグリッド・パターンなどの測定用パターンを投影しようしても、一部の面又は全ての面においてパターンに歪みや乱れが生じてしまい、異なる面に同一間隔で、均一な測定用パターンを投影することはできなかった。これに対して、本実施形態のサイズ測定装置１０では、表面に微細凹凸構造が非周期的に形成されている回折光学素子２２を用いているため、一度の照射で、測定対象の荷物の複数の面に歪みがなく均一な測定用パターンを投影することができる。

なお、前述した従来の方法で荷物に測定用パターンを投影する場合、例えば特許文献１に記載されているようなミラーデバイスでレーザ走査する手法を採用すると、システムが複雑になり、可搬性に乏しくなる。また、特許文献１に記載の方法は、測定用パターンを荷物に同時投影（一括投影）できないため、撮像素子から取得する画像の質が低下し、画像処理に余分な負荷がかかる。一方、例えば特許文献４に記載されているようなＬＥＤ光源とマスクを利用する手法では、マスクで遮る光が多量であるため、エネルギー利用効率が低く、更に、ＬＥＤ光源はレーザ光源に比べて光の指向性が低いため、広範囲に精度よくパターン投影することが難しい。

レーザ光源を用いて光パターンを生成可能な光学部品としては、前述した回折光学素子の他に回折格子（グレーティング）があるが、回折格子には、投影できるパターンが単純な繰り返しパターンのみに限られるという問題点がある。また、任意のパターンが投影可能な液晶やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いた一般的なプロジェクターは、光を遮ることで図形を描いており、エネルギー効率が低く、可搬性に乏しいといった問題がある。

これに対して、本実施形態のサイズ測定装置では、レーザ光源２１と表面に微細凹凸構造が非周期的に形成されている回折光学素子２２を利用しているため、任意の測定用パターンを広範囲に高精度に同時投影することができ、装置自体の小型化も実現できる。なお、パターン投影部２には、前述したレーザ光源２１及び回折光学素子２２に加えて、回折光学素子２２から出射した光を集光し、荷物に向けて出射する投影レンズ２３が設けられていてもよい。

［撮像部３］
撮像部３は、測定用パターンが投影されている状態の荷物を撮像し、画像を取得するものであり、例えばＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）やＣＣＤ（Charged-coupled devices）などの撮像素子と、被写体像を撮像素子上に結像するレンズ系などを備えている。本実施形態のサイズ測定装置に用いられるレンズ系としては、例えば短焦点レンズ、ズームレンズ及び魚眼レンズなどが挙げられる。

また、撮像部３と演算処理部４との接続は、ＣＳＩ（Camera Serial Interface）によるアナログ通信又はデジタルのシリアル通信若しくはパラレル通信を適用することができる。また、撮像部３は、パターン投影部２による測定用パターンの投影と同期して撮像することが好ましい。これにより、電力消費量を低減することができる。

更に、本実施形態のサイズ測定装置には、撮像部３からトリガー信号を送信し、撮像時にレーザ光源２１を強く発光させる機構が設けられていてもよい。このような機構を設けることにより、電力消費量を低減できると共に、レーザ光源２１からの不要な光の発光を防止又は抑制して作業環境を改善することができ、更に、撮影タイミングを使用者（操作者）に伝えることも可能となる。

［演算処理部４］
演算処理部４は、撮像部３で取得した画像を用いて測定対象の荷物の幅、長さ及び高さを算出するものである。画像から荷物のサイズを算出する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、グリッド・パターンなどの測定用パターンにより特定される荷物上の点を示す画素を検出し、検出した画素の位置に基づき荷物の３次元座標を計算する方法などを適用することができる。

この演算処理部４は、装置内に設けられていてもよいが、有線、無線又はインターネットを介して本実施形態のサイズ測定装置１０に接続され、画像データや算出された荷物のサイズに関するデータを受送信可能であれば、装置外に設けることもできる。

本実施形態のサイズ測定装置１０は、上記各部の他に表示部（図示せず）、入力部（図示せず）、ラベル出力部（図示せず）などが設けられていてもよく、荷物受け付け用のハンディターミナルを兼ねていてもよい。また、パターン投影部２をスマートフォンなどのカメラ機能を備えるモバイル端末に取り付け可能な形態にし、演算処理部４として機能するアプリモバイル端末で動作させることにより、モバイル端末をサイズ測定装置とすることも可能である。

（動作）
次に、本実施形態のサイズ測定装置１０の動作、即ち、サイズ測定装置１０を用いて、荷物のサイズを測定する方法について説明する。図３は本実施形態のサイズ測定方法を示す概念図である。図３に示すように、本実施形態のサイズ測定方法では、例えばサイズ測定装置１０を手で持ち、パターン投影部２からレーザ光１２を照射して荷物１１に面毎の測定用パターンを投影する。その際、例えばレーザ光源２１からの光を回折光学素子２２の微細凹凸構造が形成されている領域全体に照射する。

図４は測定用パターンを示す図であり、図５Ａ，Ｂは図４に示す測定用パターンを荷物１１に投影した時の状態を示す図である。本実施形態のサイズ測定方法で用いられる測定用パターン１２ａは、例えば図４に示す格子状のグリッド・パターンであり、図５Ａ，Ｂに示すように、荷物１１の少なくとも相互に隣接する３面に投影される。

その際、各面に形成される測定用パターン１２ａに歪みや乱れが生じないように、目視によりレーザ光１２の照射位置を調整する。ただし、荷物１１の外形は一律でないため、図５Ｂに示すように、測定用パターン１２ａの角と荷物１１の角が完全に一致していない部分１２ｃがあってもよく、また、測定用パターン１２ａの線と荷物の辺が平行になっていない部分１２ｃがあってもよい。

また、本実施形態のサイズ測定方法では、測定用パターン１２ａ中に、隣接する３面に共通する角部の位置を示す目印を設けてもよい。図６は角を示すマーカー（目印）を備える測定用パターンの例を示す図である。図６に示すように、測定用パターン１２ａ中にマーカー１２ｂを設けることにより、レーザ光１２の照射位置の調整が容易になる。

なお、マーカー１２ｂの形状は、特に限定されるものではなく、図６に示す三角形以外の他、四角形や五角形などの多角形、円形や楕円形、星形、ロゴ及びキャラクターなど種々の形状を適用することができる。本実施形態のサイズ測定装置では、回折光学素子２２を用いて測定用パターン１２ａを形成しているため、測定用パターン１２ａ中にマーカー１２ｂを組み込み、これらを同時に投影することが可能である。

次に、撮像部３により、相互に隣接する３面に測定用パターン１２ａが投影された状態の荷物１１を撮像する。その際、マーカー１２ｂをピント合わせや距離調整に利用することもできる。

引き続き、演算処理部４において、撮像部３で取得した画像から荷物１１の幅、長さ及び高さを算出する。図７は演算処理部４での処理工程を示すフローチャートであり、図８は演算に用いる検出点、辺及び面を示す図である。図７に示すように、演算処理部４では、先ず、撮像部３で撮像された画像からレーザの屈曲点を検出する。例えば、図８に示す面Ｓ１の場合、レーザ光１２の屈曲点として点Ｐ_Ａ１，Ｐ_Ａ２，Ｐ_Ｂ１，Ｐ_Ｂ２，Ｐ_Ｃ１，Ｐ_Ｃ２が検出される。

次に、三角測量の原理を用いて、検出された屈曲点（以下、検出点という）Ｐ_Ａ１，Ｐ_Ａ２，Ｐ_Ｂ１，Ｐ_Ｂ２，Ｐ_Ｃ１，Ｐ_Ｃ２の三次元位置を求める。そして、各検出点の三次元位置から、辺ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤを示す三次元直線を求める。具体的には、検出点Ｐ_Ａ１，Ｐ_Ａ２から辺ＬＡを示す三次元直線を求め、検出点Ｐ_Ｂ１，Ｐ_Ｂ２から辺ＬＢを示す三次元直線を求め、検出点Ｐ_Ｃ１，Ｐ_Ｃ２から辺ＬＣを示す三次元直線を求め、検出点Ｐ_Ｄ１，Ｐ_Ｄ２から辺ＬＤを示す三次元直線を求める。ここで、図８に示す荷物の場合、対向する２辺間の距離がそれらの辺に直交する辺の長さに相当するから、辺ＬＡ及び辺ＬＣの三次元直線と、辺ＬＢ及び辺ＬＤの三次元直線から、面Ｓ１における相互に直交する２辺の長さが求められる。

なお、撮像部３で撮像した画像で見えない（検出できない）屈曲点がある場合でも、荷物１１の各面は長方形又は正方形であるため、その他の情報から各辺を示す三次元直線を求めることが可能である。例えば、画像では図８に示す点Ｄ１が見えない場合、辺ＬＡと辺ＬＤは直交するため、点Ｄ２の位置が特定できていれば、辺ＬＡから辺ＬＤまでの距離を求めることができ、辺ＬＤを示す三次元直線を求めることが可能である。

また、測定精度の観点からは、各辺に対して２個ずつ、１つの面に対して合計８個の検出点（屈曲点）があることが望ましいが、荷物１１の各面は長方形又は正方形であることが明らかであるから、検出点は、一の面を構成する４辺のうち１つの辺に２点あれば、残りの３辺が１点ずつで計５点の情報であっても、荷物１１のサイズ算出は可能である。また、図８に示す辺ＬＡは面Ｓ２と、辺ＬＤは面Ｓ３とそれぞれ共通であるから、荷物１１全体では更に少ない検出点でサイズ測定を行うことが可能である。

上述した各工程を、面Ｓ２及び面Ｓ３についても行い、荷物１１の３辺の長さ、即ち荷物１１のサイズ（幅・長さ・高さ）を算出する。このようにして演算処理部４で算出した荷物のサイズは、例えばサイズ測定装置１０の表示部に表示され、担当者はその値に基づき受け付け処理を行う。

以上詳述したように、本実施形態のサイズ測定装置は、表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を用いて、測定対象の荷物に面毎の測定用パターンを投影しているため、一度の照射で、荷物の複数の面に歪みや乱れがなく、光強度が均一なパターンを形成することができる。これにより、本実施形態のサイズ測定装置は、測定用パターンと荷物をカメラで撮影するという簡便な操作だけで、荷物の幅、長さ及び高さを測定することが可能となる。

更に、本実施形態のサイズ測定装置は、光源から放射されるエネルギーのうち９０％以上を使用して測定用パターンの生成ができ、従来よりも光源に供給する電力量を少なくすることができる。その結果、小型・軽量で、手で持って操作することができ、携帯可能なサイズ測定装置を実現することができる。

１ａ測定部
１ｂ把持部
２パターン投影部
３撮像部
１０サイズ測定装置
１１荷物
１２レーザ光
１２ａ測定用パターン
１２ｂマーカー
２１レーザ光源
２２回折光学素子
２３投影レンズ

Claims

レーザ光源及び表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を備え、測定対象の荷物に対して面毎の測定用パターンを投影するパターン投影部と、
前記測定用パターンが投影された荷物を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像から前記荷物の幅、長さ及び高さを算出する演算処理部と
を有するサイズ測定装置。
前記回折光学素子の微細凹凸構造は、計算機合成ホログラムである請求項１に記載のサイズ測定装置。
前記回折光学素子の微細凹凸構造が形成されている領域全体に前記レーザ光源からの光が照射される請求項１又は２に記載のサイズ測定装置。
前記回折光学素子の微細凹凸により前記レーザ光源からの光が回折し、前記荷物の少なくとも相互に隣接する３面それぞれに投影される前記測定用パターンが形成される請求項１～３のいずれか１項に記載のサイズ測定装置。
測定用パターンには前記３面に共通する角部の位置を示すマーカーが設けられている請求項４に記載のサイズ測定装置。
前記演算処理部は、前記荷物に投影された測定用パターンの屈曲点を検出し、前記屈曲点の三次元位置から前記荷物の各辺を示す三次元直線を求める請求項１～５のいずれか１項に記載のサイズ測定装置。
レーザ光源及び表面に微細凹凸構造が非周期的に形成された回折光学素子を備えるパターン投影装置を用いて、測定対象の荷物に対して面毎の測定用パターンを投影するパターン投影工程と、
前記測定用パターンが投影された荷物を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された画像から前記荷物の幅、長さ及び高さを算出する演算処理工程と
を有するサイズ測定方法。
前記パターン投影工程では、前記レーザ光源からの光を前記回折光学素子の微細凹凸構造が形成されている領域全体に照射する請求項７に記載のサイズ測定装置。
前記パターン投影工程では、前記荷物の少なくとも相互に隣接する３面それぞれに前記測定用パターンを投影する請求項７又は８に記載のサイズ測定方法。
前記演算処理工程は、前記荷物に投影された測定用パターンの屈曲点を検出し、前記屈曲点の三次元位置から前記荷物の各辺を示す三次元直線を求める請求項７～９のいずれか１項に記載のサイズ測定方法。