JPH0658210B2 - Three-dimensional coordinate measurement method - Google Patents
Three-dimensional coordinate measurement methodInfo
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- JPH0658210B2 JPH0658210B2 JP61275322A JP27532286A JPH0658210B2 JP H0658210 B2 JPH0658210 B2 JP H0658210B2 JP 61275322 A JP61275322 A JP 61275322A JP 27532286 A JP27532286 A JP 27532286A JP H0658210 B2 JPH0658210 B2 JP H0658210B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スリット光を用いる、物体の三次元座標計測
方法に関する。The present invention relates to a three-dimensional coordinate measuring method for an object using slit light.
従来、この種の三次元座標計測方法は、座標計算式を簡
単にするために測定系の配置（物体に照射されるスリッ
ト光とカメラの位置関係）に束縛条件を持たせていた。Conventionally, in this type of three-dimensional coordinate measuring method, the arrangement of the measuring system (the positional relationship between the slit light irradiated on the object and the camera) has a constraint condition in order to simplify the coordinate calculation formula.
上述した従来の三次元座標計測方法は、測定系の配置あ
るいは座標系のとり方を変えると計算式も変って、汎用
性がなくなり、さらに、測定系の正確な位置設定と位置
測定が必要であり、これらの設定誤差や測定誤差が三次
元座標計測の誤差に大きく影響するという欠点がある。In the conventional three-dimensional coordinate measuring method described above, when the arrangement of the measuring system or the way of taking the coordinate system is changed, the calculation formula also changes, the versatility is lost, and moreover, accurate position setting and position measurement of the measuring system are required. However, there is a drawback that these setting errors and measurement errors greatly affect the errors in three-dimensional coordinate measurement.
〔問題点を解決するための手段〕 本発明の三次元座標計測方法は、計測しようとする物体
の三次元座標を、スリット光で該物体を照射して撮像さ
れた該物体の画像上の反射光点の画像面座標より変換し
て得る変換マトリックスを有し、物体の位置座標の計測
前に、予め、物体位置の三次元座標およびこれに対応す
る画像面座標を実測して得られたデータから前記変換マ
トリックスの各要素を算出することにより、計算式中の
定数の値を確定し、以後の計測において、物体位置の三
次元座標を該計算式を用いて対応する画像面座標値から
算出する方法である。[Means for Solving Problems] A three-dimensional coordinate measuring method according to the present invention is a method of reflecting the three-dimensional coordinates of an object to be measured on an image of the object captured by irradiating the object with slit light. Data obtained by measuring the three-dimensional coordinates of the object position and the corresponding image surface coordinates in advance before measuring the position coordinates of the object, which has a conversion matrix obtained by converting the image surface coordinates of the light spot. By calculating each element of the conversion matrix from, the value of the constant in the calculation formula is determined, and in the subsequent measurement, the three-dimensional coordinate of the object position is calculated from the corresponding image plane coordinate value using the calculation formula. Is the way to do it.
本発明の原理を図面を参照して説明する。 The principle of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図はスリット光で照射された物体の位置座標系と、
物体を撮像するカメラ位置、および物体の画像面座標系
との関係を示す説明図である。FIG. 1 shows the position coordinate system of the object illuminated by the slit light,
It is explanatory drawing which shows the relationship between the camera position which images an object, and the image plane coordinate system of an object.
物体位置の座標系をｘ−ｙ−ｚ座標系とし、カメラ（不
図示）の画像面座標系をｕ−ｖ座標系として、スリット
光で照射された測定対象物（不図示）がスリット光面１
と交わる線上の点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は、カメラレンズの
光軸２に垂直な画像面４上の点ｐ（ｕ，ｖ）に結像され
るものとする。このとき、画像面４上の点ｐは測定すべ
き点Ｐとカメラのレンズの光心３とを結んだ直線が画像
面４と交わる点で、点Ｐのｕ，ｖ座標から点Ｐのｘ，
ｙ，ｚ座標値を変換式を用いて計算することができる。The coordinate system of the object position is the xyz coordinate system, the image plane coordinate system of the camera (not shown) is the uv coordinate system, and the measurement object (not shown) illuminated by the slit light is the slit light surface. 1
A point P (x, y, z) on the line intersecting with is imaged at a point p (u, v) on the image plane 4 perpendicular to the optical axis 2 of the camera lens. At this time, a point p on the image plane 4 is a point where a straight line connecting the point P to be measured and the optical center 3 of the lens of the camera intersects with the image plane 4, and from the u and v coordinates of the point P to the x of the point P. ，
The y, z coordinate values can be calculated using a conversion formula.
この変換式は、マトリクスによる同次形式を用いて、 で示される。ここで、ｓは同次座標、ｍ11〜ｍ43は変換
マトリックスの各要素である。式(1)はスリット光によ
る三次元計測の一般的表現式となっており、この変換式
を使えば、ｘ−ｙ−ｚ座標系とｕ−ｖ座標系はいずれも
直交座標系である必要がなく、さらに、各座標軸の単位
ベクトルも任意にとることが可能である。すなわち、三
次元座標計測を行なうにあたって都合のよい座標系を任
意に設定することができるという利点が生じる。This conversion formula uses the matrix homogeneous form, Indicated by. Here, s is the homogeneous coordinate, m 11 ~m 43 are the elements of the transformation matrix. Equation (1) is a general expression for three-dimensional measurement using slit light, and if this conversion equation is used, both the xyz coordinate system and the uv coordinate system must be orthogonal coordinate systems. Moreover, the unit vector of each coordinate axis can be arbitrarily set. That is, there is an advantage that a convenient coordinate system can be arbitrarily set when performing three-dimensional coordinate measurement.
次に、式(1)における変換マトリックスの較正方式につ
いて説明する。Next, the calibration method of the conversion matrix in Expression (1) will be described.
式(1)は同次形式であるから変換マトリックスの０でな
い要素の１つを１とおくことができ、通常、最終要素ｍ
43は０になることはないのでｍ43を１として未定要素は
ｍ11〜ｍ42の１１個となる。Since the equation (1) has the homogeneous form, one of the non-zero elements of the transformation matrix can be set to 1, and normally the final element m
Since 43 never becomes 0, m 43 is set to 1 and there are 11 undetermined elements from m 11 to m 42 .
式(1)を展開してｓを消去し、変換マトリックスの各要
素ｍ11〜42に関して整理すると、 を得る。これより、１組の実測データ（ｘ，ｙ，ｚ，
ｕ，ｖ）によって３つの方程式が得られるため、11の未
知要素ｍ11〜ｍ42を解くには最低４点に対応する４組の
実測データが必要である。一般にｎ組の実測データによ
って解く場合には実測データの組番号を添字として付し
て、 が解くべき変換式を示す。Expanding equation (1) to eliminate s and rearranging for each element m 11 to 42 of the transformation matrix, To get From this, a set of measured data (x, y, z,
Since three equations are obtained by u, v), four sets of actual measurement data corresponding to at least four points are necessary to solve the 11 unknown elements m 11 to m 42 . Generally, when solving with n sets of measurement data, the set number of the measurement data is added as a subscript, Shows the conversion formula to be solved by.
式(3)の左辺のマトリクスをＵ，変換マトリックスの要
素のベクトルを，右辺のベクトルをとおくと、式
(3)は、 Ｕ＝ ……(4) で表わされ、マトリックスＵの擬似逆マトリックスをＵ
+とすると、の最小２乗解は、 ＝Ｕ+ ……(5) によって求めることができる。ここで、擬似逆マトリッ
クスＵ+はＵTをＵの転置行列として、 Ｕ+＝（ＵTＵ）-1ＵT ……(6) で定義される。Let U be the matrix on the left side of equation (3), the vector of elements of the transformation matrix be the vector on the right side, and
(3) is expressed by U = ... (4), and the pseudo-inverse matrix of the matrix U is U
Assuming + , the least squares solution of can be obtained by = U + ... (5). Here, the pseudo-inverse matrix U + is defined by U + = (U T U) −1 U T (6), where U T is a transposed matrix of U.
上記の方式によって変換マトリクスの較正を行なえば、
実測データの精度が良くない場合でも実測データの数を
増すことによって高精度の較正が可能になるという利点
も生じる。If you calibrate the transformation matrix by the above method,
Even if the accuracy of the actually measured data is not good, there is an advantage that high-accuracy calibration becomes possible by increasing the number of actually measured data.
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第２図は本発明の三次元座標計測方法の一実施例を適用
した、自動車シャーシ取付ナットの有無検査装置による
検査状況を示す外観図である。FIG. 2 is an external view showing an inspection state by an automobile chassis mounting nut presence / absence inspection device to which an embodiment of the three-dimensional coordinate measuring method of the present invention is applied.
自動車のシャーシに取付けられたナットは鋼板の穴の部
分にナットプロジェクションに依って溶接されている。
このナットの有無をナット側（裏側）及び穴側（表側）
のどちらから見る場合に対しても認識できることが要求
されている。通常の２値画像処理ではナット部分の輪郭
を正確に抽出することができないため有無の判定が難し
いが、ナット取付け部分の高さを計測すれば容易に判定
ができる。The nut mounted on the chassis of the automobile is welded to the hole portion of the steel plate by nut projection.
Check the presence or absence of this nut on the nut side (back side) and hole side (front side).
It is required to be recognizable when viewed from either side. In normal binary image processing, it is difficult to accurately extract the contour of the nut portion, so it is difficult to determine whether or not the nut portion is present. However, if the height of the nut mounting portion is measured, it can be easily determined.
本装置は、光源として赤外半導体レーザ装置５を用い
て、そのビームをシリンドリカルレンズによって広げた
スリット光６を使い、このスリット光６がカメラ７の光
軸に対して30°の角度を持つようにカメラ７とレーザ装
置５（波長780nm）をロボット８に固定し、カメラ光軸
が検査対象のプレート９に対して垂直になるように構成
されている。カメラ７には焦点距離50mmのレンズと10mm
の接写リングが装着され、さらに外乱光の影響を避ける
ため、赤色フィルター（Ｒ−69）が取付けられ、このフ
ィルターによって通常の蛍光灯による室内照明の場合に
は照明光の影響をほぼ完全に取除くことができる。プレ
ート９は深さ100mmの黒色検査台（不図示）の上に置か
れて穴の裏側からの反射光を受けないようにされてい
る。カメラ７の出力は不図示の画像処理装置により処理
されて、画像面上に映し出される。This device uses an infrared semiconductor laser device 5 as a light source, and uses slit light 6 obtained by expanding the beam by a cylindrical lens so that the slit light 6 has an angle of 30 ° with respect to the optical axis of the camera 7. The camera 7 and the laser device 5 (wavelength 780 nm) are fixed to the robot 8, and the optical axis of the camera is perpendicular to the plate 9 to be inspected. The camera 7 has a lens with a focal length of 50 mm and 10 mm
The close-up ring is attached and a red filter (R-69) is attached to avoid the influence of ambient light. With this filter, the influence of the illumination light is almost completely removed in the case of indoor lighting with ordinary fluorescent lamps. Can be excluded. The plate 9 is placed on a black inspection table (not shown) having a depth of 100 mm so as not to receive the reflected light from the back side of the hole. The output of the camera 7 is processed by an image processing device (not shown) and displayed on the image plane.
検査にあたっては、ロボット８によりレーザ装置５およ
びカメラ７を移動させてプレート９の全面を検査でき
る。In the inspection, the robot 8 can move the laser device 5 and the camera 7 to inspect the entire surface of the plate 9.
第３図は本発明の三次元座標計測方法の一実施例を適用
した実験装置を示す外観図である。FIG. 3 is an external view showing an experimental apparatus to which an embodiment of the three-dimensional coordinate measuring method of the present invention is applied.
検査台16上に、調節台17が検査台座標軸（ｘ，ｙ，ｚ−
軸）の方向に合わせて設置されており、調節台17の上に
検査対象の試料10が載せられていて、試料10の位置はね
じ181、182により前後左右に調節できる。レーザ装置５
から放射されたレーザ光はスリット光６の状態とされて
回転ミラー11で反射された後、試料10上に投射される。
カメラ７は、スリット光６で照射された試料10を撮像
し、その画像15が画像処理装置12およびコンソール14に
よりＣＲＴ13の画像面上に映し出される。ＣＲＴ13の画
像面は二次元座標系（ｕ−ｖ座標系）を構成している。On the inspection table 16, the adjustment table 17 has an inspection table coordinate axis (x, y, z-
The sample 10 to be inspected is placed on the adjusting table 17, and the position of the sample 10 can be adjusted to the front, rear, left and right by screws 18 1 and 18 2 . Laser device 5
The laser light emitted from the laser beam is converted into the slit light 6 and reflected by the rotating mirror 11 and then projected onto the sample 10.
The camera 7 captures an image of the sample 10 illuminated by the slit light 6, and an image 15 thereof is displayed on the image surface of the CRT 13 by the image processing device 12 and the console 14. The image plane of the CRT 13 constitutes a two-dimensional coordinate system (uv coordinate system).
第４図は、以上の二つの装置例において、対象物体の位
置座標を計測する手順を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for measuring the position coordinates of the target object in the above two device examples.
まず、検査台16上の検査対象のプレート９または試料10
の位置を設定したあと、スリット光６を照射して画像面
上に画像15を映し出す。このようにして、検査対象をス
リット光６が切断する切断線上の点の座標（ｘ，ｙ，
ｚ）と、対応する画像面上の点の座標（ｕ，ｖ）を精密
に実測する（ステップ20）。この操作を目的精度に応じ
て必要回数行ない（ステップ21）、終れば、これらの実
測データを用いて前記式(5)により変換マトリックスの
要素ベクトルを計算する（ステップ22）。First, the plate 9 or the sample 10 to be inspected on the inspection table 16
After setting the position of, the slit light 6 is irradiated to display the image 15 on the image surface. In this way, the coordinates (x, y,
z) and the coordinates (u, v) of the corresponding point on the image plane are precisely measured (step 20). This operation is performed as many times as necessary according to the target precision (step 21), and when the operation is completed, the element vector of the conversion matrix is calculated by the above equation (5) using these measured data (step 22).
以上の操作により較正が終り、必要な一般変換式が得ら
れたので、以後、自由に検査対象をスリット光６で照射
し、その照射線上の任意の点の画像面上の座標（ｕ，
ｖ）を測定すると（ステップ23）、これらのデータから
その都度、対応する検査対象上の点の位置座標（ｘ，
ｙ，ｚ）を確定された変換式を用いて計測することが可
能となる（ステップ24）。必要回数の座標計算を行ない
（ステップ25）、終ればプログラムを終了する。Since the calibration is completed by the above operation and the necessary general conversion formula is obtained, thereafter, the inspection object is freely irradiated with the slit light 6, and the coordinates (u,
When v) is measured (step 23), the position coordinates (x,
It becomes possible to measure y, z) using the determined conversion formula (step 24). The coordinates are calculated the required number of times (step 25), and the program is terminated when the calculation is completed.
なお、上述した実施例では、いずれも二次元撮像素子を
有するカメラを用いているが、一次元撮像素子を有する
カメラを用いるときは計算操作はさらに簡単となる。こ
の場合は、画像は一次元であるから、第１図において画
像素子がｕ軸上に並んでいると考えてよい。この場合は
ｖ座標の値が常に０であるから式(1)の変換式は、 に書き換えられる。ここでも変換マトリックスの最終要
素ｍ42は１とおいてよいので、二次元の場合と同様に解
くべき方程式は、 となる。変換マトリックスの各要素ｍ11〜ｍ41は擬似逆
行列を使って簡単に求めることができる。この場合は未
定要素ｍ11〜ｍ41の数が７つであるので最低３点の実測
データにより較正が可能である。It should be noted that although the cameras having the two-dimensional image pickup device are used in all of the above-described embodiments, the calculation operation is further simplified when using the camera having the one-dimensional image pickup device. In this case, since the image is one-dimensional, it can be considered that the image elements are arranged on the u axis in FIG. In this case, since the value of the v coordinate is always 0, the conversion formula of the formula (1) is Can be rewritten as Since the final element m 42 of the transformation matrix can be set to 1 here as well, the equation to be solved as in the two-dimensional case is Becomes Each element m 11 to m 41 of the transformation matrix can be easily obtained by using a pseudo inverse matrix. In this case, since the number of undetermined elements m 11 to m 41 is 7, it is possible to calibrate the measured data of at least 3 points.
〔発明の効果〕 以上説明したように本発明は、計測対象とされる物体位
置の三次元座標を、その画像画面上の対応する物体位置
の二次元座標から計算するための変換マトリックスを有
し、その変換マトリックスの各要素の値を、計測開始前
に物体位置を必要回数実測して得られたデータにより較
正することにより、映像面上座標から物体の位置座標を
得るための一般計算式が得られるので、測定系の配置に
よらない三次元座標の計測が可能となり、さらに測定系
の位置決めや位置測定が不必要となり、これらに起因す
る計測誤差の要因が完全になくなるため、高精度の計測
が可能となる効果がある。As described above, the present invention has a transformation matrix for calculating the three-dimensional coordinates of the object position to be measured from the two-dimensional coordinates of the corresponding object position on the image screen. , The value of each element of the conversion matrix is calibrated by the data obtained by actually measuring the object position a required number of times before the measurement is started, and a general calculation formula for obtaining the position coordinate of the object from the coordinates on the image plane is obtained. Since it can be obtained, it is possible to measure three-dimensional coordinates independent of the arrangement of the measurement system, and it is unnecessary to position and measure the position of the measurement system. There is an effect that measurement becomes possible.
第１図はスリット光で照射された物体の位置座標系と、
物体を撮像するカメラ位置、および物体の画像面座標系
との関係を示す説明図、第２図は本発明の三次元座標計
測方法の一実施例を適用した自動車シャーシ取付ナット
の有無検査装置による検査状況を示す外観図、第３図は
同様の一実施例を適用した実験装置を示す外観図、第４
図は第２図および第３図の装置の動作を示すフローチャ
ートである。 １…スリット光面、２…レンズ光軸、 ３…レンズ光心、４…画像面、 ５…レーザ装置、６…スリット光、 ７…カメラ、８…ロボット、 ９…プレート、10…試料、 11…回転ミラー、12…画像処理装置、 13…ＣＲＴ、14…コンソール、 15…画像、16…検査台、 17…調節台、181，182…ねじ、 ｘ，ｙ，ｚ，ｕ，ｖ…座標。FIG. 1 shows the position coordinate system of the object illuminated by the slit light,
FIG. 2 is an explanatory view showing the relationship between the camera position for picking up an image of an object and the image plane coordinate system of the object, and FIG. 2 shows an automobile chassis mounting nut presence / absence inspection apparatus to which an embodiment of the three-dimensional coordinate measuring method of the present invention is applied FIG. 4 is an external view showing an inspection situation, FIG. 3 is an external view showing an experimental apparatus to which the same embodiment is applied, FIG.
The figure is a flow chart showing the operation of the apparatus of FIGS. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Slit light surface, 2 ... Lens optical axis, 3 ... Lens optical center, 4 ... Image surface, 5 ... Laser device, 6 ... Slit light, 7 ... Camera, 8 ... Robot, 9 ... Plate, 10 ... Sample, 11 ... Rotating mirror, 12 ... Image processing device, 13 ... CRT, 14 ... Console, 15 ... Image, 16 ... Inspection table, 17 ... Adjusting table, 18 1 , 18 2 ... Screws, x, y, z, u, v ... Coordinate.
Claims (2)
物体の像を画像面上に撮像し、該物体の画像上のスリッ
ト光による反射光点の画像面座標から該反射光点に対応
する物体上の点の位置座標を計算式を用いて算出する三
次元座標計測方法であって、 前記反射光点の画像面上の二次元座標をｕ，ｖとし、該
反射光点に対応する物体上の点の三次元座標をｘ、ｙ、
ｚとして次に示す前記計算式中に変換マトリックスを有
し、 ここで、ｓは同次座標、ｍ11〜ｍ43は変換マトリックス
の各要素であり、 物体上の点の位置座標の計測開始前に、前記スリット光
で照射された物体上の点の位置の三次元座標およびこれ
に対応する画像面座標の組を所要組数だけ実測して得ら
れたデータから計算式（１）中の変換マトリックスの各
要素ｍ11、ｍ12、…、ｍ43を予め算出して、計算式
（１）中の定数の値を確定し、 以後の計測において、前記スリット光で照射された物体
上の点の位置の三次元座標を、計算式（１）を用いて対
応する画像面座標値から算出する三次元座標計測方法。1. An object is illuminated with slit light, an image of the illuminated object is imaged on an image surface, and the image plane coordinates of the reflected light point by the slit light on the image of the object are changed to the reflected light point. A three-dimensional coordinate measuring method for calculating the position coordinates of a point on a corresponding object using a calculation formula, wherein the two-dimensional coordinates on the image plane of the reflected light point are u, v and correspond to the reflected light point. The three-dimensional coordinates of the point on the object
having a transformation matrix in the above formula as z, Here, s is a homogeneous coordinate, and m 11 to m 43 are elements of the transformation matrix. Before starting the measurement of the position coordinate of the point on the object, the position of the point on the object illuminated by the slit light is three-dimensional coordinates and image plane coordinates of the set required number of sets only the measured-obtained equation from the data (1) transformation matrix for each element m 11 in, m 12 corresponding thereto, ..., a m 43 previously By calculating, the value of the constant in the calculation formula (1) is determined, and in the subsequent measurement, the three-dimensional coordinates of the position of the point on the object illuminated by the slit light are calculated using the calculation formula (1). A three-dimensional coordinate measuring method that calculates from corresponding image plane coordinate values.
ｍ12、…、ｍ43は、所要組数の前記実測データから最小
二乗法を用いて得られる請求項１記載の三次元座標計測
方法。2. Each element m 11 of the transformation matrix,
3. The three-dimensional coordinate measuring method according to claim 1, wherein m 12 , ..., M 43 are obtained from the required number of sets of the measured data by using the least squares method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61275322A JPH0658210B2 (en) | 1986-11-20 | 1986-11-20 | Three-dimensional coordinate measurement method |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP61275322A JPH0658210B2 (en) | 1986-11-20 | 1986-11-20 | Three-dimensional coordinate measurement method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63131007A JPS63131007A (en) | 1988-06-03 |
| JPH0658210B2 true JPH0658210B2 (en) | 1994-08-03 |
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| JP61275322A Expired - Fee Related JPH0658210B2 (en) | 1986-11-20 | 1986-11-20 | Three-dimensional coordinate measurement method |
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1986
- 1986-11-20 JP JP61275322A patent/JPH0658210B2/en not_active Expired - Fee Related
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