JPH0660807B2 - 光の中心位置の高精度計測方法 - Google Patents

光の中心位置の高精度計測方法

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JPH0660807B2
JPH0660807B2 JP24405185A JP24405185A JPH0660807B2 JP H0660807 B2 JPH0660807 B2 JP H0660807B2 JP 24405185 A JP24405185 A JP 24405185A JP 24405185 A JP24405185 A JP 24405185A JP H0660807 B2 JPH0660807 B2 JP H0660807B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は、視覚センサと対象物との距離等を計測する際
に必要となる対象物からの反射光の中心位置を計測する
方法に関する。
特に光を照射し、その反射光を画像処理する際に対象物
の反射率を考慮した補正を行ないかつ反射光の量子化さ
れた光強度分布を連続した光強度分布曲線で近似するこ
とにより、反射光の中心位置を高精度で計測する方法に
関するものである。
(従来の技術) 従来、光を用いて対象物について各種の計測を行なう場
合には、反射光の中心位置を精度よく計測することが重
要になる。例えば、第10図に示すように、視覚センサ
と対象物の距離を計測する場合、視覚センサであるITV
カメラ101と対象物の壁面102との距離dは で求めることができる。光源103からレーザ光を壁面
102に照射し、その反射光を検出することによって、
この距離dを(1)式を用いて計測する場合、レーザ光1
04が傾斜している角度φ及びレーザ光源103とITV
カメラ101との距離lは予め正確に測れるが、レーザ
光104の壁面102上の投影位置Pと光軸105との
なす角θは従来正確に測れなかった。なぜならθは (hは光軸105と反射レーザ光106の撮像面107
上の入射位置Qの間の距離、fは焦点距離で撮像面10
7とITVカメラ101のレンズ108との距離)であ
り、この時のhが精度良く測れなかったからである。
hの測定精度が悪かった原因、即ち反射光の中心位置が
高精度で計測できなかった原因は次の2つである。
通常壁面102の反射率は一様でなく、壁面から反射
されてITVカメラ101に入ってくる反射レーザ光10
6自身の光強度分布が歪んでしまうこと。
ITVカメラ101に入射された反射レーザ光106の
光強度分布が画素単位で量子化されている為に画素単位
以下の光強度分布の情報は得られないこと。
上記を解決する手段は従来考えられていなかった。上
記については、その改善方法として特開昭59-79105号
が提案されている。この特開昭59-79105号は、量子化さ
れた光強度分布を代表的な3点をとることによって二次
曲線でおきかえ、この二次曲線を利用して、反射レーザ
光の光強度分布の中心位置を1画素以下の精度で測定し
ようとするものである。しかし、実際の光強度分布曲線
は必ずしも二次曲線とはならないため、従来法のように
二次曲線で近似した場合には、誤差が大きくなり、hの
測定精度を上げること即ち反射光の中心位置を高精度で
計測することが困難であった。
(発明の目的) 本発明の目的は、対象物からの反射光の中心位置を高精
度で計測する方法を提供することにある。
(発明の構成) 第1図は本発明の方法の概略を示したものである。第2
図に示すように光度が一様な光を、参照用光源1から対
象物2に照射し、その反射光を対象物2に対して正対化
された視覚センサ3で検出する。このとき得られる各点
の光強度を最高光強度で除して対象物2の被照射面の反
射率比を求める。次いで測定用光源4から測定光を対象
物2に照射し、そのときの反射光を視覚センサ3に入射
させ、反射光の光強度分布を求める。その後、反射光の
光強度分布を反射率比で割ることにより、被照射面の反
射率の非一様性による影響を補正する。そして補正され
た光強度分布から最小二乗法を用いて連続して変化する
光強度分布曲線(例えば正規分布曲線)を求め、反射光
の中心位置を決定する。
反射率比を測定する際には、第3図に示すように光度が
一様でない光を発する測定用光源4を対象物2に沿って
平行に移動させ、光度が実質的に一様な状態を作り出
し、その反射光を利用してもよい。
本発明の方法は、被照射面の反射率比を求めて、これを
光強度分布の補正に利用し、かつ量子化された光強度分
布を最小二乗法で連続した光強度分布曲線に近似する点
が、従来方式と異なる。
(実施例) 第4図は、本発明に用いる装置例を示したものである。
4は参照用光源を兼ねた測定用光源である。測定用光源
4はHe−Neレーザ10及び水平なスリット光を作るため
のレンズ11から成っている。また測定用光源4には移
動のためのダイヤルゲージ12がつけられている。3は
対象物2に対して正対化されたITVカメラで256×256画
素の固体撮像素子を備えている。
ここで、ITVカメラの対壁面3次元計測として、壁面とI
TVカメラの視軸とがなす角度を計測する方法とそれに基
づく正対化の概要を述べる。第5図に示すように、画像
平面のu,v軸を3次元空間のx,y軸と平行にとり、
ITVカメラ3(0,0,−f)の視軸をz軸に一致させ
る。レーザ光源を4(0,l,−f)とし、レーザ光が
水平面となす角度をφ、壁面とx軸となす角度をηとす
る。ここでfはレンズの焦点距離である。すると、レー
ザ光のつくる平面の方程式は、 y+tanφ・z=l−tanφ・f (2) と表される。また、壁面は垂直に作られているので、壁
面のつくる平面の方程式は、 z−z0=tanη・x (3) と表される。したがって、レーザ光投影像はこの2平面
の交線の方程式となるから、この直線が(0,y0,z0
を通るとすると、レーザ光投影像は、 と求められる。一方、(u,v)と(x,y,z)の関
係として、 が成り立つので、式(4),(5)より、画像平面上に写され
るレーザ光投影像の直線の方程式が求められる。その結
果、画像上における直線の傾きをmとすると、 と計算される。したがって、ηすなわちITVカメラの対
壁面3次元計測が行える。次に、このηをもとにマニピ
ューレータのフィードバック制御を行い、ξが0となる
ようにITVカメラを正対化させる。
前述のようにITVカメラ3を対象物2に対して正対化し
た後、測定用光源を第4図で矢印A方向に対象物上の1
画素の距離ずつ移動させながら、光を対象物2に照射
し、その間ITVカメラ3中の撮像素子に入射してくる反
射光の強度を積算して、参照光の反射光強度分布を求め
る。ついでこの反射光強度分布の中で最高強度の値で各
強度を割って被照射面の反射率比を求める。この反射率
比を第6図に示す。次いで、測定用光源4をある位置に
固定し、光を対象物2に照射し、そのときの反射光をIT
Vカメラ3で測定する。このとき得られる量子化された
光強度分布は第7図▲印である。この▲印で示される光
強度分布を第6図の反射率比で割る補正を行ない、第7
図△印で示す補正された光強度分布を得る。
ところで、通常第4図のような装置構成をとる時、光源
4の光の強度分布曲線は正規分布とみなせるので、位置
xと光強度Iとの関係は となる。ここで、a,b,cは定数とする。式(7)の対
数をとると、 となる。従って、位置xと撮像素子面上の光強度の値I
から最小二乗法を用いて、式(8)における定数a,b,
cを決め、撮像素子面上の光強度分布曲線を求める。こ
のようにして決めた光強度分布曲線が第7図の(A)であ
る。そして、この光強度分布曲線(A)の最大値から反射
光の中心位置を決定する。
第7図の〇印は反射率が一様な面に光を照射したときに
得られる反射光の光強度分布で、曲線(B)は最小二乗法
で求めた光強度分布曲線である。曲線(B)の最大値を与
える中心位置、即ち理想状態での反射光の中心位置と本
発明から求めた反射光の中心位置とが高精度で一致して
いることがわかる。因みに、第7図の▲印の光強度分布
から最小二乗法を用いて光強度分布曲線(C)を求め、そ
れから決定できる反射光の中心位置は、約1画素程度精
度が悪い。このことは逆に本発明の一工程である反射率
比による補正が、中心位置を高精度に測定する上で、大
きな役割を果たしていることを意味している。
次に別の観点から本発明の計測法が高精度であることを
説明する。
ITVカメラ3の位置を固定し、He−Neレーザ光源4をス
リット方向と垂直に微小平行移動させて計測法の精度を
検討した。すなわち、予め被照射面上における1画素に
対応する長さを計測しておき、ダイヤルゲージ12で計
測された光源4の移動量と比較した。なお、各点に対し
てそれぞれ10回ずつ計測した。その結果を第8図に示す
が、計測値の上下限は3σを示している。個々の計測値
に対する最大のσは0.021画素である。
なお、従来の技術である2次曲線で近似した場合は、σ
=0.083であり、本発明は従来方法に比べ4倍程度
の高精度な計測ができる。
マンホール点検装置に本発明の計測方法を応用する場合
について説明する。
マンホール点検装置は第9図に示すように、画像処理装
置20、マニピュレータ21、視覚センサ(ITVカメ
ラ)22、レーザ照射装置23から構されていて、これ
らが運搬用自動車24に積載されている。この点検装置
は、マンホール25内部の大きさの計測、ダクト口2
6、ケーブルの認識,計測を行うものである。なお27
はダクト、28はケーブルである。まず、マニピュレー
タ21の先端にとりつけられた光照射装置23とITVカメ
ラ22をマンホール25の首から内部へ挿入する。次い
で、マンホール壁面のうちで一つの面に対して、その壁
面に対するITVカメラ22の姿勢を計測し、マニピュレ
ータ21によってITVカメラ22の光軸が壁面と垂直に
なるように姿勢を制御する。次にこの状態で先に述べた
方法により反射光の中心位置を計測し、(1)式から壁面
とITVカメラ22の距離を計測する。この計測を他の壁
面に対しても行ない、マンホールの寸法を測る。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明は対象物の反射率比を用いて
光強度分布を補正し、かつ量子化された光強度分布から
最小二乗法で連続的な光強度分布曲線を求め、その最大
強度を与える所を反射光の中心位置と決定する。従っ
て、対象物の反射率が一様でない場合、例えばマンホー
ル内の壁面が泥等で汚れていても反射光の中心位置を高
精度で計測できる。その結果、光を用いた計測法、例え
ばセンサと対象物間の距離、あるいはマンホールの寸法
測定を高精度に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の概略を説明するための図、第2図及び
第3図は本発明の方法の工程のうち対象物の反射率比を
求める工程を説明するための図、第4図は本発明に使用
する装置の概略図、第5図はセンサを対象物に対して正
対化する方法を説明するための図、第6図及び第7図は
本発明の工程のうち補正工程を説明するため及びその効
果を示すための図、第8図は本発明の効果を説明するた
めの図、第9図は本発明の応用例を説明するための図、
第10図は従来技術の説明図である。 1……参照用光源、2……対象物、3……視覚センサ、
4……測定用光源、10……He−Neレーザ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光度が実質的に一様となるように参照光を
    対象物に照射する第1照射工程と、 参照光による対象物からの反射光の第1光強度分布から
    対象物の反射率比を求める工程と、 対象物に測定光を照射する第2照射工程と、 測定光による対象物からの反射光の第2光強度分布を測
    定する工程と、 前記第2光強度分布を前記反射率比で補正して補正光強
    度分布を求める工程と、 前記補正光強度分布から光強度分布曲線を求める工程
    と、 前記光強度分布曲線から測定光の反射光の中心位置を決
    定する工程とから成ることを特徴とする光の中心位置の
    高精度計測方法。
  2. 【請求項2】前記第1照射工程は、光度が一様な光源か
    らの光を照射する工程であることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の光の中心位置の高精度計測方法。
  3. 【請求項3】前記第1照射工程は、前記測定光の光源を
    対象物面に平行に移動する工程であることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の光の中心位置の高精度計測
    方法。
  4. 【請求項4】前記反射率比を求める工程は第1光強度分
    布の最強の値で他の強度を割ることにより求める工程で
    あり、前記補正光強度分布を求める工程は第2光強度分
    布を反射率比で割る工程であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の光の中心位置の高精度計測方法。
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