JPH08178633A - ３次元形状計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来よりも速く、かつ、正確に大型構造物の
形状を計測する３次元形状計測装置を提供する。 【構成】 レーザ光走査装置３１が被測定物３６に対
し、その上方を走査しながらレーザ光を照射する。レー
ザ光走査装置３１は、被測定物３６上で反射された上記
レーザ光を受光して形状計算器３２に出力する。形状計
算器３２は、上記被測定物３６を含む計測範囲内に設定
される複数の測定点における照射光と反射光との位相差
を基に、上記複数の測定点の奥行き情報を求めて形状合
成装置３５に出力する。また、可視カメラ３３は、被測
定物３６を撮影し、その画像情報を画像処理装置３４に
出力する。画像処理装置３４は、上記画像情報を２次元
情報として作成し、形状合成装置３５に出力する。形状
合成装置３５は、上記奥行き情報と２次元情報とを組み
合わせて被測定物３６の３次元形状情報を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、タンカー等の大型構
造物の部分的な形状を把握し、大型鋼板等の溶接を行な
うために溶接線の検出を行なう３次元形状計測装置及び
計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】タンカーやフェリー等の大型構造物を製
造する過程において、必要となってくる作業に溶接工事
がある。この溶接工事を滞りなく行なうためには、対象
となる上記タンカー、フェリーに対して迅速、かつ、正
確な形状把握ができるか否かが重要なポイントとなる。

【０００３】図７は、従来におけるレーザ光走査による
被測定物の形状計測を説明する図である。同図におい
て、１は例えば平板上に複数（図７では２箇所）の突出
部を有している被測定物である。同図に示すように、被
測定物１に対してレーザ光源２から出力されたレーザ光
３は、可動可能である走査用ミラー４に照射される。ま
た、この走査用ミラー４は、ハーフミラー構造になって
いる。レーザ光３は、走査用ミラー４により反射されて
被測定物１上の任意の測定点Ａに照射される成分と、走
査用ミラー４を透過してその後方のハーフミラー５に照
射される成分、即ちレーザ光６，７の２方向に分岐され
る。次に、この測定点Ａにおいて反射したレーザ光８
は、ハーフミラー５によって受光器９内に導かれた後、
電気信号に変換されて位相差検出器１０に送られる。

【０００４】一方、走査用ミラー４において分岐したも
う１つの成分であるレーザ光７は、ハーフミラー５を透
過して受光器９に入射された後、電気信号に変換されて
位相差検出器１０に送出される。次に、位相差検出器１
０においてレーザ光７（照射光）とレーザ光８（反射
光）との位相差が検出され、位相差／奥行き変換器１１
に出力されて測定点Ａに対する奥行き情報が求められ
る。また、レーザ光７とレーザ光８との位相差は、図８
に示すように検出される。同図（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、位相差検出器１０は、上記レーザ光７及びレーザ
光８の位相信号の波形を比較して時間遅れを見ることに
より、位相差を検出する。

【０００５】また、測定点を変更する場合は、走査用ミ
ラー４を動かすことにより、被測定物１上における測定
点を移動させることができる。例えば図７に示すよう
に、測定点Ｂに照射点を移動させる。この場合において
も上記した手順により、位相差／奥行き変換器１１内で
測定点Ｂに対する奥行き情報が求められる。即ち、上記
測定点Ａや測定点Ｂ、そして他の複数の測定点に対する
奥行き情報を求めることにより、被測定物１の突出部の
形状を把握する。

【０００６】また、図９に示すように、被測定物２１を
可視カメラ２２によって撮影することによって形状把握
を行なうこともできる。同図に示す可視カメラ２２によ
って撮影された被測定物２１の画像情報は、例えばフィ
ルタ等の画像処理装置２３に送られて処理され、被測定
物２１の凹凸部分の境界線が検出される。この境界線に
より、被測定物２１の形状を把握する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した図７に示すレ
ーザ光を走査させて測定対象物の形状を把握する従来の
３次元形状計測装置においては、内部の各装置の処理速
度の限界から、被測定物１に対し、水平方向の位置を離
散的に計測することになる。被測定物１の形状を正確に
把握するためには、上記水平方向のピッチをより細かく
して計測を行なう必要がある。しかし、タンカー等のよ
うな大型構造物に関しては、計測範囲が非常に広くなる
ために、細かい計測ピッチでは計測に多大な時間を費や
し、また、計測情報量も莫大なものになる。

【０００８】また、図９に示す可視カメラ２２を用いる
方法においては、得られた画像情報から被測定物２１の
凹凸部分の境界線を抽出することができる。しかし、上
記画像情報は２次元的なものであるため、被測定物２１
の奥行き情報を得ることができなかった。

【０００９】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、タンカー等の大型構造物を形状計測する場合におい
ても、従来に比べて短時間、かつ、正確な形状認識計測
を可能にする３次元形状計測装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、被測定物に
対し、上方からこの被測定物を含む計測範囲内を縦横走
査しながらレーザ光を照射し、このレーザ光及び上記被
測定物上で反射されるレーザ光を外部に送出するレーザ
光走査装置と、上記計測範囲内に複数の測定点を設定
し、かつ、上記レーザ光走査装置から送出された上記被
測定物に照射されるレーザ光と上記被測定物上で反射さ
れるレーザ光との位相差を検出して上記複数の測定点各
々に対する奥行き情報を求める形状計算器と、上記被測
定物の平面形状を撮影するカメラと、このカメラによっ
て撮影された画像情報から上記被測定物の２次元情報を
求める画像処理装置と、この画像処理装置から出力され
る上記２次元情報と形状計算器から出力される上記奥行
き情報とを組み合わせて上記被測定物の３次元形状情報
を求める形状合成装置とを具備したことを特徴とする。

【００１１】また、この発明は、被測定物に対し、上方
からこの被測定物を含む計測範囲内を縦横走査しながら
レーザ光を照射し、このレーザ光と上記被測定物上で反
射されるレーザ光との位相差を求めて上記被測定物上に
複数設定される測定点各々に対する奥行き情報を求め、
この奥行き情報と、カメラによって撮影された上記被測
定物の画像情報から作成した２次元情報とを組み合わせ
ることによって上記被測定物の３次元形状情報を求める
ことを特徴とする。

【００１２】

【作用】レーザ光走査装置が、被測定物に対し、その上
方から縦または横方向に走査を行ないながらレーザ光を
照射していく。このレーザ光は、形状計算器によって上
記被測定物を含む計測範囲内に設定される複数の測定点
を順番に通過していき、上記被測定物上で反射されたレ
ーザ光は、レーザ光走査装置で受光されて形状計算器に
送られる。また、この時、上記レーザ光走査装置から被
測定物に対して照射されるレーザ光も同時に形状計算器
に送られている状態にある。この形状計算器は、上記複
数の測定点各々について、レーザ光走査装置から照射さ
れるレーザ光と、反射されたレーザ光との位相差を求め
る。この位相差から形状計算器は、上記複数の測定点各
々における被測定物表面上の奥行き情報を求めて形状合
成装置に送出する。

【００１３】一方、カメラは、上記被測定物に対し、そ
の上方から撮影を行ない、画像情報を得る。この画像情
報は、画像処理装置に送られて被測定物の２次元情報と
して作成され、形状合成装置に送出される。この形状合
成装置は、上記複数の測定点の奥行き情報と２次元情報
とを組み合わせて上記被測定物の３次元形状を得る。

【００１４】上記のように、レーザ光走査装置及び形状
計算器によって求められる被測定物上の複数の測定点各
々の奥行き情報と、カメラ及び画像処理装置によって求
められる上記被測定物の２次元情報とを合成することに
より、従来に比べて速く、正確な３次元形状計測を行な
うことが可能になる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１は、この発明の一実施例に係る３次元形
状計測装置の構成図である。図１に示すように、上記３
次元形状計測装置は、基本的にレーザ光走査装置３１、
形状計算器３２、可視カメラ３３、画像処理装置３４、
形状合成装置３５によって構成される。また、上記３次
元形状計測装置によって被測定物３６の形状計測が行な
われる。この被測定物３６は、タンカー等の大型構造物
における１ブロックの構造例を表しており、平板部３７
及び円柱部３８から構成される。

【００１６】レーザ光走査装置３１は、被測定物３６に
対し、その上方を縦方向、あるいは横方向に走査しなが
らレーザ光（以下、照射光と呼称する）の照射を行な
う。また、レーザ光走査装置３１は、被測定物３６上で
反射された上記レーザ光（以下、反射光と呼称する）を
受光して形状計算器３２に送る。また、レーザ光走査装
置３１は、被測定物３６に対する照射光も形状計算器３
２に送出する。上記レーザ光走査装置３１は、図７の従
来の形状計測において用いられるレーザ光源２、走査用
ミラー４、ハーフミラー５、受光器９を内蔵しており、
内部機能も同一である。従って、構成についての詳細な
説明は省略する。形状計算器３２は、被測定物３６全体
を含む計測範囲内に、レーザ光走査装置３１の走査ピッ
チによって決まる複数の測定点を設定し、記憶する。ま
た、形状計算器３２は、上記複数の測定点各々の位置に
おける照射光と反射光の位相差を検出して距離に変換す
ることにより、奥行き情報を得る。即ち、形状計算器３
２は、上記複数の測定点に対応する奥行き情報を求める
機能を有する。上記複数の測定点について、図２を用い
て説明する。

【００１７】図２は、被測定物３６を含む上記複数の測
定点を説明する図である。この場合では、図２（ａ）に
示す原点４１を起点としてｘ方向に向かって等間隔に設
けられる複数本（同図では１１本）の縦走査線４２の各
々について、ｙ方向に沿って等間隔に設けた複数の点
（同図では縦走査線４２各々につき、１１点）を測定点
として定める。この測定点の座標位置が、予め形状計算
器３２に記憶されている。また、同図（ａ）において、
４３は定められた各測定点をｘ方向に結んだ線、即ち、
横走査線である。即ち、上記した複数の測定点は、縦走
査線４２と横走査線４３との交点である。レーザ光走査
装置３１は、原点４１を起点として、定められた測定点
全てを含むように複数本の縦走査線４２、または横走査
線４３に沿った走査を距離Ｘ，Ｙにより決まる計測範囲
内について行なう。また、各測定点の間隔は比較的大き
め、即ち計測ピッチは粗く取ってある。上記同図（ａ）
において、４４，４５はそれぞれ平板部測定点及び円柱
部測定点である。また、レーザ光走査装置３１は、被測
定物３６に対する照射光と反射光を、走査によって時間
の経過と共に変化する各測定点の座標位置情報と共に形
状計算器３２に出力する。

【００１８】上記形状計算器３２は、得られた各測定点
の奥行き情報から、図２（ａ）に示す複数の円柱部測定
点４５が、平板部測定点４４に比べて隆起した点として
認識するが、レーザ光走査装置３１による走査ピッチ、
即ち計測ピッチが粗いために円柱部３８の形状を、同図
（ｂ）に示すように大まかにとらえる。また、形状計算
器３２により得られた各測定点の奥行き状報は、形状合
成装置３５に送出される。

【００１９】また、図１に示す可視カメラ３３は、被測
定物３６を、その上方から撮影して画像情報を画像処理
装置３４に出力する。上記可視カメラ３３が一回に撮影
する範囲は、約１０〜２０ｍ四方である。これは、この
発明の３次元形状計測装置が上記したタンカー等の大型
構造物の１ブロックを製造する際の溶接線を検出するた
めのものである故に、被測定物３６の形状全てを一度に
撮影する必要がないことによるものである。また、画像
処理装置３４は、上記画像情報を基に図３（ａ），
（ｂ）に示す処理を行なって図４に示す２次元情報を作
成し、形状合成装置３５に送る。

【００２０】図３は、画像処理装置３４内で行なわれる
上記処理について説明する図である。画像処理装置３４
は、被測定物３６の接合面に何らかの形で現れる色調変
化を抽出する。即ち、可視カメラ３３により、図３
（ａ）に示すような平板部３７及び円柱部３８に関する
画像情報が得られた場合、ｘ方向、例えば任意のライン
５１に沿った円柱部３８周辺における画素の明暗の特性
は、同図（ｂ）に示すものとなる。この図に示すよう
に、円柱部３８の境界付近においては、画素の明るさ、
即ち輝度が著しく低下している。このように、画像処理
装置３４は、画素の明暗変化の大きい部分を境界点とし
てライン５１のみでなく、全画面に渡って抽出した平板
部３７と円柱部３８との境界点を結ぶことにより、図４
に示す境界線６１ａを抽出する。また同様に、画像処理
装置３４は、平板部３７及びその周囲物（図示せず）と
の境界点を結ぶことによって境界線６１ｂも抽出する。

【００２１】図１に示す形状合成装置３５は、形状計算
器３２から出力される上記図２（ｂ）に示す被測定物３
６上の複数の測定点各々の奥行き情報と、画像処理装置
３４から出力される図４に示す２次元情報とを組み合わ
せて被測定物３６の３次元形状情報を作成する。

【００２２】図５は、形状合成装置３５の内部構成を示
す図である。同図において、７１は領域分割部であり、
画像処理装置３４からの上記２次元情報が入力される。
領域分割部７１は、図４に示す被測定物３６における境
界線６１ａ，６１ｂに従い、被測定物３６を平板部３７
と円柱部３８に領域分割し、領域／奥行き対応部７２に
出力する。また、領域／奥行き対応部７２には、形状計
算器３２からの上記奥行き情報が入力される。領域／奥
行き対応部７２は、領域分割部７１で分割された平板部
３７と円柱部３８の各領域に対する奥行きを図２（ｂ）
に示す複数の測定点のうち、該当する点から決定する。
分割された平板部３７と円柱部３８の各領域の２次元情
報と、上記各領域に対応する測定点の奥行き情報は、３
次元形状情報作成部７３に送られ、被測定物３６の３次
元形状として合成された後、溶接線検出部７４に出力さ
れる。溶接線検出部７４は、３次元形状情報作成部７３
において得られた上記３次元形状から、複数の不連続な
面における交線を抽出（不連続な２つの面の交線を複数
本抽出）することにより、被測定物３６に対する溶接線
を検出する。

【００２３】次に上記実施例の動作について説明する。
図１及び図２に示す被測定物３６に対し、その上方をレ
ーザ光走査装置３１が原点４１を起点として照射光を当
てながら水平（ｘ方向）に走査を開始する。レーザ光走
査装置３１は、複数の横走査線４３上を１本ずつ順番に
ｘ方向に走査して行き、被測定物３６からの反射光を受
光して形状計算器３２に送る。またこの時、レーザ光走
査装置３１から出射される照射光は、被測定物３６に当
てられると同時に、常に形状計算器３２に送られている
状態にある。また、上記走査の際に、レーザ光照射点位
置の座標も形状計算器３２に順次出力される。

【００２４】形状計算器３２は、予め記憶されている複
数の測定点の座標位置のうち、いずれか１点でもレーザ
光走査装置３１から送られる座標位置情報に一致した場
合、該当する測定点における照射光と反射光との位相差
を検出する。次に、この位相差から、上記該当する測定
点の奥行きを求める。レーザ光走査装置３１がｘ方向に
走査を行ないながら、形状計算器３２が上記した操作を
繰り返すことにより、図２（ａ）に示す距離Ｘ，Ｙによ
って決まる計測範囲内にある全ての測定点の奥行きが求
められる。形状計算器３２は、求めた各測定点の奥行き
情報から、図２（ａ）に示す平板部測定点４４に比べて
円柱部測定点４５（１２箇所）が隆起していると判断す
る。即ち、形状計算器３２は、被測定物３６を同図
（ｂ）に示すように粗い形状で認識し、この形状の情
報、つまり各測定点の奥行き情報を形状合成装置３５に
送出する。

【００２５】一方、可視カメラ３３は、被測定物３６を
上方から撮影し、得られた画像情報を画像処理装置３４
に送る。次に、画像処理装置３４は、上記図３（ａ），
（ｂ）において説明した過程を経て、図４に示す被測定
物３６に関する境界線６１ａ，６１ｂを抽出する。次
に、画像処理装置３４は、境界線６１ａ，６１ｂを含ん
だ画像情報、即ち被測定物３６の２次元情報を形状合成
装置３５に送出する。

【００２６】画像処理装置３４から出力された上記２次
元情報は、図５に示す形状合成装置３５内の領域分割部
７１に入力される。また、形状計算器３２から出力され
た図２（ｂ）に示す各測定点の奥行き情報は、領域／奥
行き対応部７２に入力される。領域分割部７１は、図４
に示す被測定物３６を、境界線６１ａによって囲まれる
円柱部３８の領域と、境界線６１ｂによって囲まれる平
板部３７の領域（円柱部３８部分の領域は除く）とに分
割し、領域／奥行き対応部７２に送出する。領域／奥行
き対応部７２は、送られてきた各領域に、上記各測定点
の奥行き情報を照らし合わせ、それぞれの領域に存在す
る測定点の奥行きを得る。

【００２７】次に、領域／奥行き対応部７２は、領域分
割部７１において分割された平板部３７と円柱部３８の
各領域の２次元情報と、各々の領域に対応する奥行き情
報とを３次元形状情報作成部７３に送出する。３次元形
状情報作成部７３は、上記した２つの入力情報を図６
（ａ）に示す３次元形状情報として合成処理する。この
合成処理により、３次元形状情報作成部７３は、図２
（ｂ）における隆起した部分が円柱の形状であること
と、その他の部分が四角い平板形状であることを認識す
る。次に３次元形状情報作成部７３は、得られた上記３
次元形状情報を溶接線検出部７４に送出する。

【００２８】溶接線検出部７４は、送られてきた上記形
状情報、つまり図６（ａ）に示す被測定対象物３６の３
次元形状から、不連続な２つの面の交線を抽出する。次
に、溶接線検出部７４は、抽出した上記交線のうち、開
角が予め定められた角度より小さいものを同図（ａ）に
示す溶接線８１，８２として検出する。

【００２９】即ち、被測定物３６の断面図である同図
（ｂ）に示すＡ〜Ｈ点は、被測定物３６上に存在する複
数の不連続面における変化点であるが、上記Ａ〜Ｈ点の
うち、開角が予め決められた角度より小さい点は、この
場合はＡ，Ｃ，Ｆ，Ｈ点である。従って上記Ｃ，Ｆ点部
分に該当する溶接線８１、そして上記Ａ，Ｈ点部分に該
当する溶接線８２が検出される。なお、実際には平板部
３７の底面部の溶接は行なわないため、上記した処理の
後に、溶接線検出部７４は、溶接線８２の除去を行な
う。

【００３０】上記のように、レーザ光走査装置３１によ
って粗い計測ピッチで被測定物３６上の走査を行ない、
この被測定物３６全体を含む複数の測定点における奥行
き情報を形状計算器３２内で求め、上記情報に、可視カ
メラ３３により撮影され、画像処理装置３４内で生成さ
れる被測定物３６の凹凸部分の境界線６１ａ，６１ｂを
含む２次元情報を組み合わせることにより、タンカー等
の大型構造物の形状計測を行なう時にも、速く、かつ正
確に被測定物３６の３次元形状を把握することができ
る。また、粗いピッチのままで正確な形状把握が行なえ
るため、細かいピッチで計測を行なった場合に比べて計
測情報量が少なくて済む。また、認識した被測定物３６
の３次元形状に対する溶接線８１，８２の検出処理も速
やかに行なうことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
レーザ光走査装置の走査から形状計算器を通じて得られ
る被測定物上の複数の測定点の奥行き情報と、可視カメ
ラによる撮影から画像処理装置を通じて得られた上記被
測定物の２次元情報とを組み合わせて３次元形状情報を
作成することにより、従来よりも短時間、かつ正確に被
測定物の形状認識が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る３次元形状計測装置
の構成図。

【図２】同実施例における形状計算器によって設定され
る複数の測定点における被測定物の奥行き情報を説明す
る図。

【図３】同実施例における画像処理装置内で被測定物の
境界線を検出する過程を説明する図。

【図４】図３の境界線検出過程によって得られる被測定
物の２次元情報を説明する図。

【図５】図１に示す形状合成装置の内部構成を示す図。

【図６】形状合成装置内で行なわれる被測定物の奥行き
情報と２次元情報とを組み合わせた３次元形状情報を説
明する図。

【図７】従来におけるレーザ光走査方法による形状計測
を説明する図。

【図８】図７に示す位相差検出器において行なわれる被
測定物に対する照射光と反射光との位相差の検出を説明
する図。

【図９】従来における可視カメラによる形状計測を説明
する図。

【符号の説明】

３１ レーザ光走査装置 ３２ 形状計算器 ３３ 可視カメラ ３４ 画像処理装置 ３５ 形状合成装置 ３６ 被測定物 ３７ 平板部 ３８ 円柱部 ４１ 原点 ４２ 縦走査線 ４３ 横走査線 ４４ 平板部測定点 ４５ 円柱部測定点 ６１ａ，６１ｂ 境界線 ７１ 領域分割部 ７２ 領域／奥行き対応部 ７３ ３次元形状情報作成部 ７４ 溶接線検出部 ８１，８２ 溶接線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に対し、上方からこの被測定物
   を含む計測範囲内を縦横走査しながらレーザ光を照射
   し、このレーザ光及び上記被測定物上で反射されるレー
   ザ光を外部に送出するレーザ光走査装置と、上記計測範
   囲内に複数の測定点を設定し、かつ、上記レーザ光走査
   装置から送出された上記被測定物に照射されるレーザ光
   と上記被測定物上で反射されるレーザ光との位相差を検
   出して上記複数の測定点各々に対する奥行き情報を求め
   る形状計算器と、上記被測定物の平面形状を撮影するカ
   メラと、このカメラによって撮影された画像情報から上
   記被測定物の２次元情報を求める画像処理装置と、この
   画像処理装置から出力される上記２次元情報と形状計算
   器から出力される上記奥行き情報とを組み合わせて上記
   被測定物の３次元形状情報を求める形状合成装置とを具
   備したことを特徴とする３次元形状計測装置。
2. 【請求項２】 被測定物に対し、上方からこの被測定物
   を含む計測範囲内を縦横走査しながらレーザ光を照射
   し、このレーザ光と上記被測定物上で反射されるレーザ
   光との位相差を求めて上記被測定物上に複数設定される
   測定点各々に対する奥行き情報を求め、この奥行き情報
   と、カメラによって撮影された上記被測定物の画像情報
   から作成した２次元情報とを組み合わせることによって
   上記被測定物の３次元形状情報を求めることを特徴とす
   る３次元形状計測方法。