(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024007646
(43)【公開日】2024-01-19
(54)【発明の名称】多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/25 20060101AFI20240112BHJP
G01B 11/24 20060101ALI20240112BHJP
【ＦＩ】
G01B11/25 H
G01B11/24 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022108843
(22)【出願日】2022-07-06
(71)【出願人】
【識別番号】501204525
【氏名又は名称】国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100098545
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 伸一
(74)【代理人】
【識別番号】100189717
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 貴章
(72)【発明者】
【氏名】白石 耕一郎
(72)【発明者】
【氏名】澤田 祐希
(72)【発明者】
【氏名】濱田 達也
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA04
2F065AA53
2F065BB05
2F065CC08
2F065FF04
2F065FF42
2F065GG04
2F065HH04
2F065JJ02
2F065JJ05
2F065JJ25
2F065LL08
2F065LL13
2F065LL15
2F065LL62
2F065MM16
2F065QQ31
2F065SS13
(57)【要約】
【課題】被測定物体の３次元形状を従来よりも精度よく計測する３次元計測装置を提供すること。
【解決手段】被測定物体１にレーザ発振器１０からのレーザ光をシングルスポット光Ｌとして照射し、被測定物体１から反射された反射光を受光することにより、被測定物体１の３次元形状を計測する装置であって、３台以上のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラで被測定物体１からの反射光を１次元軸上で受光する光学系２０と、光学系２０で受光した１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号から反射光の３次元的位置を演算する解析手段４０とを具備し、解析手段４０は、被測定物体１を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析において、３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらにカメラ座標系から計測点Ｐの３次元座標を算出する。
【選択図】図１
【解決手段】被測定物体１にレーザ発振器１０からのレーザ光をシングルスポット光Ｌとして照射し、被測定物体１から反射された反射光を受光することにより、被測定物体１の３次元形状を計測する装置であって、３台以上のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラで被測定物体１からの反射光を１次元軸上で受光する光学系２０と、光学系２０で受光した１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号から反射光の３次元的位置を演算する解析手段４０とを具備し、解析手段４０は、被測定物体１を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析において、３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらにカメラ座標系から計測点Ｐの３次元座標を算出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定物体にレーザ発振器からのレーザ光をシングルスポット光として照射し、前記被測定物体から反射された反射光を受光することにより、前記被測定物体の３次元形状を計測する装置であって、
３台以上のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラで前記被測定物体からの前記反射光を１次元軸上で受光する光学系と、
前記光学系で受光した前記１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号から前記反射光の３次元的位置を演算する解析手段とを具備し、
前記解析手段は、前記被測定物体を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析において、３台以上の前記ラインＣＣＤカメラを組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらに前記カメラ座標系から計測点の３次元座標を算出することを特徴とする多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
３台以上のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラで前記被測定物体からの前記反射光を１次元軸上で受光する光学系と、
前記光学系で受光した前記１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号から前記反射光の３次元的位置を演算する解析手段とを具備し、
前記解析手段は、前記被測定物体を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析において、３台以上の前記ラインＣＣＤカメラを組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらに前記カメラ座標系から計測点の３次元座標を算出することを特徴とする多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項2】
前記透視投影モデルの解析としてＤＬＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）法のアルゴリズムを用いた前記解析手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項3】
前記ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、前記解析手段は、Ｎ台の前記ラインＣＣＤカメラそれぞれの平面の式のうち二つの平面の式を用いてカメラ光線を求め、他の一つの平面の式と前記カメラ光線との交点を求めることで前記計測点の３次元座標を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項4】
前記解析手段は、前記平面の式の組み合わせを変えて前記計測点の３次元座標を複数回算出し、複数回算出することにより蓄積した前記計測点の情報に統計処理を加えて前記計測点の３次元座標を決定することを特徴とする請求項３に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項5】
前記ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、Ｎ台の前記ラインＣＣＤカメラにより前記被測定物体を少なくとも２方向から撮影することを特徴とする請求項１に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項6】
前記シングルスポット光を前記被測定物体の表面で移動させる走査手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【請求項7】
前記シングルスポット光の前記走査手段を用いることにより、前記被測定物体の全体３次元形状を生成することを特徴とする請求項６に記載の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラを備えて被測定物体の３次元形状を計測する多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ラインＣＣＤカメラ（ラインＣＣＤセンサ）を用いて物体の３次元形状を計測する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、互いに異なる位置に配置され、シングルスポット光の反射光をＸ軸上の異なる領域に集束する光学系と、互いに異なる位置に配置され、光学系によってＸ軸上の異なる領域に集束されたシングルスポット光の反射光をそれぞれ受光し、Ｘ軸上における輝度分布を表す第１及び第２の検出信号をそれぞれ出力するラインセンサと、シングルスポット光の反射光を、Ｙ軸上に集束する光学系と、該光学系によってＹ軸上に集束された反射光を受光し、Ｙ軸上における輝度分布を表す第３の検出信号を出力するラインセンサと、第１～第３の検出信号に基づいて、検出対象におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理部とを含む３次元計測システムが開示されており、請求項３には、ラインセンサがラインＣＣＤセンサであってもよい旨が記載されている。
また、特許文献２には、撮像手段と、撮像手段によって被測定対象を撮像して得られた画像情報から被測定対象の座標情報を算出する演算手段とを有し、演算手段は、撮像手段によって被測定対象を撮像して得られた画像情報を、撮像手段に固有の誤差情報によって補正して補正画像情報を得る誤差補正手段と、補正画像情報から被測定対象の座標情報を算出する座標算出手段とを備える画像測定装置が開示されており、段落００２４には、撮像手段のカメラがラインＣＣＤセンサを有することが記載されている。
また、特許文献３には、任意の位置に移動可能な測定用点光源と、測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備え、位置検出装置を構成する第１光学系と第１ラインセンサとの間、および、第２光学系と第２ラインセンサとの間に、各ラインセンサの画素配列方向に間隔を隔てた少なくとも２つの基準線を有する透明な校正用基板が配置され、また、プローブ演算部において、各ラインセンサで検出される輝度分布信号および２つの基準線に基づく基準位置信号のうち、基準位置信号と対応するラインセンサの画素位置から、ラインセンサの熱膨張または移動に伴うシフト量を算出し、このシフト量を補正して測定用点光源の座標を演算する三次元測定システムが開示されており、段落００１９には、ラインセンサの構成としてＣＣＤを一列に配列した構成が記載されている。
例えば、特許文献１には、互いに異なる位置に配置され、シングルスポット光の反射光をＸ軸上の異なる領域に集束する光学系と、互いに異なる位置に配置され、光学系によってＸ軸上の異なる領域に集束されたシングルスポット光の反射光をそれぞれ受光し、Ｘ軸上における輝度分布を表す第１及び第２の検出信号をそれぞれ出力するラインセンサと、シングルスポット光の反射光を、Ｙ軸上に集束する光学系と、該光学系によってＹ軸上に集束された反射光を受光し、Ｙ軸上における輝度分布を表す第３の検出信号を出力するラインセンサと、第１～第３の検出信号に基づいて、検出対象におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理部とを含む３次元計測システムが開示されており、請求項３には、ラインセンサがラインＣＣＤセンサであってもよい旨が記載されている。
また、特許文献２には、撮像手段と、撮像手段によって被測定対象を撮像して得られた画像情報から被測定対象の座標情報を算出する演算手段とを有し、演算手段は、撮像手段によって被測定対象を撮像して得られた画像情報を、撮像手段に固有の誤差情報によって補正して補正画像情報を得る誤差補正手段と、補正画像情報から被測定対象の座標情報を算出する座標算出手段とを備える画像測定装置が開示されており、段落００２４には、撮像手段のカメラがラインＣＣＤセンサを有することが記載されている。
また、特許文献３には、任意の位置に移動可能な測定用点光源と、測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備え、位置検出装置を構成する第１光学系と第１ラインセンサとの間、および、第２光学系と第２ラインセンサとの間に、各ラインセンサの画素配列方向に間隔を隔てた少なくとも２つの基準線を有する透明な校正用基板が配置され、また、プローブ演算部において、各ラインセンサで検出される輝度分布信号および２つの基準線に基づく基準位置信号のうち、基準位置信号と対応するラインセンサの画素位置から、ラインセンサの熱膨張または移動に伴うシフト量を算出し、このシフト量を補正して測定用点光源の座標を演算する三次元測定システムが開示されており、段落００１９には、ラインセンサの構成としてＣＣＤを一列に配列した構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００５－２３３７５９号公報
【特許文献2】特開２０１２－５７９９６号公報
【特許文献3】特開２０１４－２０２６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１～３においては計測に用いるラインＣＣＤカメラ（ラインＣＣＤセンサ）を３台としているが、３台では測定対象物によっては陰になって計測できない箇所が生じることがある。
また、２台以上のカメラを用いたステレオ計測による３次元計測も知られているが、一般的なステレオ計測においては複数画像のマッチングが必要なため画像処理が難しい。
そこで本発明は、被測定物体の３次元形状を従来よりも精度よく計測する３次元計測装置を提供することを目的とする。
また、２台以上のカメラを用いたステレオ計測による３次元計測も知られているが、一般的なステレオ計測においては複数画像のマッチングが必要なため画像処理が難しい。
そこで本発明は、被測定物体の３次元形状を従来よりも精度よく計測する３次元計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項１記載に対応した多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置においては、被測定物体にレーザ発振器からのレーザ光をシングルスポット光として照射し、被測定物体から反射された反射光を受光することにより、被測定物体の３次元形状を計測する装置であって、３台以上のラインＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラで被測定物体からの反射光を１次元軸上で受光する光学系と、光学系で受光した１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号から反射光の３次元的位置を演算する解析手段とを具備し、解析手段は、被測定物体を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析において、３台以上のラインＣＣＤカメラを組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらにカメラ座標系から計測点の３次元座標を算出することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、３台以上のラインＣＣＤカメラを使用した透視投影モデルの解析により被測定物体の３次元形状を精度よく計測することができる。
請求項１に記載の本発明によれば、３台以上のラインＣＣＤカメラを使用した透視投影モデルの解析により被測定物体の３次元形状を精度よく計測することができる。
【0006】
請求項２記載の本発明は、透視投影モデルの解析としてＤＬＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）法のアルゴリズムを用いた解析手段を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、計測点の３次元座標をＤＬＴ法により算出することができる。
請求項２に記載の本発明によれば、計測点の３次元座標をＤＬＴ法により算出することができる。
【0007】
請求項３記載の本発明は、ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、解析手段は、Ｎ台のラインＣＣＤカメラそれぞれの平面の式のうち二つの平面の式を用いてカメラ光線を求め、他の一つの平面の式とカメラ光線との交点を求めることで計測点の３次元座標を算出することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
請求項３に記載の本発明によれば、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0008】
請求項４記載の本発明は、解析手段は、平面の式の組み合わせを変えて計測点の３次元座標を複数回算出し、複数回算出することにより蓄積した計測点の情報に統計処理を加えて計測点の３次元座標を決定することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、さらに計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
請求項４に記載の本発明によれば、さらに計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0009】
ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、Ｎ台のラインＣＣＤカメラにより被測定物体を少なくとも２方向から撮影することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、従来は陰になって計測できなかった箇所も含めて計測できるため、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
請求項５に記載の本発明によれば、従来は陰になって計測できなかった箇所も含めて計測できるため、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0010】
請求項６記載の本発明は、シングルスポット光を被測定物体の表面で移動させる走査手段を具備することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、シングルスポット光を走査させることにより計測効率を高めることができる。
請求項６に記載の本発明によれば、シングルスポット光を走査させることにより計測効率を高めることができる。
【0011】
請求項７記載の本発明は、シングルスポット光の走査手段を用いることにより、被測定物体の全体３次元形状を生成することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、被測定物体の全体の３次元形状を短時間で得ることができる。
請求項７に記載の本発明によれば、被測定物体の全体の３次元形状を短時間で得ることができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置によれば、３台以上のラインＣＣＤカメラを使用した透視投影モデルの解析により被測定物体の３次元形状を精度よく計測することができる。
【0013】
また、透視投影モデルの解析としてＤＬＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）法のアルゴリズムを用いた解析手段を備えた場合には、計測点の３次元座標をＤＬＴ法により算出することができる。
【0014】
また、ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、解析手段は、Ｎ台のラインＣＣＤカメラそれぞれの平面の式のうち二つの平面の式を用いてカメラ光線を求め、他の一つの平面の式とカメラ光線との交点を求めることで計測点の３次元座標を算出する場合には、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0015】
また、解析手段は、平面の式の組み合わせを変えて計測点の３次元座標を複数回算出し、複数回算出することにより蓄積した計測点の情報に統計処理を加えて計測点の３次元座標を決定する場合には、計測の精度とロバスト性をさらに向上させることができる。
【0016】
また、ラインＣＣＤカメラをＮ（Ｎ≧４）台具備し、Ｎ台のラインＣＣＤカメラにより被測定物体を少なくとも２方向から撮影する場合には、従来は陰になって計測できなかった箇所も含めて計測できるため、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0017】
また、シングルスポット光を被測定物体の表面で移動させる走査手段を具備する場合には、シングルスポット光を走査させることにより計測効率を高めることができる。
【0018】
また、シングルスポット光の走査手段を用いることにより、被測定物体の全体３次元形状を生成する場合には、被測定物体の全体の３次元形状を短時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の構成図
【図2】同レーザ発振器の構成図
【図3】エリアＣＣＤカメラとラインＣＣＤカメラの違いを示す図
【図4】球面レンズによる集光とセミシリンドリカルレンズによる集光の違いを示す図
【図5】ラインＣＣＤカメラで受光した輝度分布を示す図
【図6】本発明の実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の動作を示すフローチャート
【図7】同計測点の３次元座標の算出方法に用いる一般化透視投影モデルを示す図
【図8】同平面の式を用いて計測点の３次元座標を算出するイメージ図
【図9】同３次元計測装置を水槽に設置した状態を示す概略図
【図10】同実際の計測に用いた３次元計測装置の３Ｄモデルを示す図
【図11】同実際の計測に用いた３次元計測装置の写真
【図12】同プロペラの翼形状計測結果の比較図
【図13】同プロペラの翼端付近におけるキャビテーション形状計測結果の比較図
【図14】同３次元計測装置を用いたプロペラの翼端渦キャビテーションの形状計測結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置について説明する。
図１は本実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の構成図、図２はレーザ発振器の構成図である。
多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置（以下、単に「３次元計測装置」という場合がある。）は、レーザ発振器１０と、複数の光学系２０と、複数のラインＣＣＤカメラ３０と、解析手段（解析装置）４０と、制御手段５０と、走査手段（レーザ走査装置）５１を備える。解析手段４０及び制御手段５０には、例えばコンピュータを用いることができる。
図１は本実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の構成図、図２はレーザ発振器の構成図である。
多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置（以下、単に「３次元計測装置」という場合がある。）は、レーザ発振器１０と、複数の光学系２０と、複数のラインＣＣＤカメラ３０と、解析手段（解析装置）４０と、制御手段５０と、走査手段（レーザ走査装置）５１を備える。解析手段４０及び制御手段５０には、例えばコンピュータを用いることができる。
【0021】
レーザ発振器１０は、レーザ光をシングルスポット光Ｌとして発生させ、シングルスポット光Ｌをプロペラ等の被測定物体１に照射する。
制御手段５０は、走査手段５１に対して制御信号を送信し、シングルスポット光Ｌを被測定物体１の表面で移動させる走査を制御する。被測定物体１上をシングルスポット光Ｌで走査することにより、計測効率を高めることができる。
また、走査手段５１を用いて被測定物体１上にシングルスポット光Ｌをくまなく走査させることで、被測定物体１の全体３次元形状を短時間で生成することもできる。
図２に示すように、レーザ発振器１０は、レーザ発振部１１と、第一ミラー１２と、第二ミラー１３を備える。
レーザ発振部１１は、所定径のレーザビームを発生する。レーザの発振波長は、使用環境や被測定物体１の物性等に応じて適宜選択する。
第一ミラー１２は、例えば、Ｙ軸を回転軸として往復回転運動することにより、レーザ発振部１１から出射したレーザ光をＸＺ平面上において偏向する。第二ミラー１３は、例えば、Ｘ軸を回転軸として往復回転運動することにより、第一ミラー１２から反射されたレーザ光をＹＺ平面上において偏向する。これにより、レーザ光が被測定物体１に照射される。
なお、第一ミラー１２及び第二ミラー１３には、電気制御可能なミラーを使用する。電気制御可能なミラーとしては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等がある。
制御手段５０は、走査手段５１に対して制御信号を送信し、シングルスポット光Ｌを被測定物体１の表面で移動させる走査を制御する。被測定物体１上をシングルスポット光Ｌで走査することにより、計測効率を高めることができる。
また、走査手段５１を用いて被測定物体１上にシングルスポット光Ｌをくまなく走査させることで、被測定物体１の全体３次元形状を短時間で生成することもできる。
図２に示すように、レーザ発振器１０は、レーザ発振部１１と、第一ミラー１２と、第二ミラー１３を備える。
レーザ発振部１１は、所定径のレーザビームを発生する。レーザの発振波長は、使用環境や被測定物体１の物性等に応じて適宜選択する。
第一ミラー１２は、例えば、Ｙ軸を回転軸として往復回転運動することにより、レーザ発振部１１から出射したレーザ光をＸＺ平面上において偏向する。第二ミラー１３は、例えば、Ｘ軸を回転軸として往復回転運動することにより、第一ミラー１２から反射されたレーザ光をＹＺ平面上において偏向する。これにより、レーザ光が被測定物体１に照射される。
なお、第一ミラー１２及び第二ミラー１３には、電気制御可能なミラーを使用する。電気制御可能なミラーとしては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等がある。
【0022】
各光学系２０は、セミシリンドリカルレンズを有し、シングルスポット光Ｌの反射光を１次元軸上に集束する。
各ラインＣＣＤカメラ３０は、光学系２０で集束された反射光を受光し、１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号を出力する。
解析手段４０は、ラインＣＣＤカメラ３０が出力した検出信号から計測点Ｐ（シングルスポット光Ｌの照射位置）の３次元的位置を解析アルゴリズムにより演算する。
各ラインＣＣＤカメラ３０は、光学系２０で集束された反射光を受光し、１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号を出力する。
解析手段４０は、ラインＣＣＤカメラ３０が出力した検出信号から計測点Ｐ（シングルスポット光Ｌの照射位置）の３次元的位置を解析アルゴリズムにより演算する。
【0023】
ここで、図３はエリアＣＣＤカメラとラインＣＣＤカメラの違いを示す図であり、図３（ａ）はエリアＣＣＤカメラ、図３（ｂ）はラインＣＣＤカメラである。エリアＣＣＤカメラはＣＣＤ素子１００が縦横に配列されているのに対し、ラインＣＣＤカメラ３０はＣＣＤ素子１００が横一列に配列されている。ラインＣＣＤカメラ３０は、平面を走査しないため速度が速く分解能が高いという特長がある。
また、図４は球面レンズによる集光とセミシリンドリカルレンズによる集光の違いを示す図であり、図４（ａ）は球面レンズ、図４（ｂ）はセミシリンドリカルレンズである。図５はラインＣＣＤカメラで受光した輝度分布を示す図である。球面（半球）レンズは、３次元空間の全ての場所の起点を焦点として１点に集光する。一方セミシリンドリカルレンズ（半円筒レンズ）は、ある３次元空間の２次元平面の輝点をラインＣＣＤカメラ３０の１軸上に集光し、この時の受光した輝点の輝度分布は図５に示すように表れる。
また、図４は球面レンズによる集光とセミシリンドリカルレンズによる集光の違いを示す図であり、図４（ａ）は球面レンズ、図４（ｂ）はセミシリンドリカルレンズである。図５はラインＣＣＤカメラで受光した輝度分布を示す図である。球面（半球）レンズは、３次元空間の全ての場所の起点を焦点として１点に集光する。一方セミシリンドリカルレンズ（半円筒レンズ）は、ある３次元空間の２次元平面の輝点をラインＣＣＤカメラ３０の１軸上に集光し、この時の受光した輝点の輝度分布は図５に示すように表れる。
【0024】
図６は本実施形態による多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の動作を示すフローチャートである。
計測を開始すると、走査手段５１は、レーザ発振器１０からシングルスポット光Ｌを被測定物体１に照射する（ステップＳ１）。
次に、シングルスポット光Ｌを照射した被測定物体１から反射された反射光を、各光学系２０で集束して各ラインＣＣＤカメラ３０で検出する（ステップＳ２）。これにより、１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号が取得される。
計測を開始すると、走査手段５１は、レーザ発振器１０からシングルスポット光Ｌを被測定物体１に照射する（ステップＳ１）。
次に、シングルスポット光Ｌを照射した被測定物体１から反射された反射光を、各光学系２０で集束して各ラインＣＣＤカメラ３０で検出する（ステップＳ２）。これにより、１次元軸上における反射光輝度分布を表す検出信号が取得される。
【0025】
解析手段４０は、透視投影モデルに基づいて被測定物体１における反射光の３次元座標を算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３における３次元座標の算出方法については後述する。
次に、解析手段４０は、被測定物体１における他の点を計測するかを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４における判断は、例えば、計測すべき点として予め入力されている点が残っているか否かにより行う。
まだ計測すべき点が残っている等により、他の点を計測する（Ｙｅｓ）と解析手段４０が判断した場合、制御手段５０は、走査手段５１にシングルスポット光Ｌの投影位置を移動させ（ステップＳ５）、再びステップＳ１を実行する。
一方、もう計測すべき点が残っていない等により、他の点を計測しない（Ｎｏ）と解析手段４０が判断した場合は、ステップＳ６へ移行する。
次に、解析手段４０は、被測定物体１における他の点を計測するかを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４における判断は、例えば、計測すべき点として予め入力されている点が残っているか否かにより行う。
まだ計測すべき点が残っている等により、他の点を計測する（Ｙｅｓ）と解析手段４０が判断した場合、制御手段５０は、走査手段５１にシングルスポット光Ｌの投影位置を移動させ（ステップＳ５）、再びステップＳ１を実行する。
一方、もう計測すべき点が残っていない等により、他の点を計測しない（Ｎｏ）と解析手段４０が判断した場合は、ステップＳ６へ移行する。
【0026】
ステップＳ６において、解析手段４０は、収集された反射光の３次元座標に基づいて、被測定物体１の全体の３次元座標情報を算出し、画像データを生成する。
解析手段４０が生成した画像データはモニタ等の表示手段（図示略）に送信され、表示手段に被測定物体１の画像が表示される。
解析手段４０が生成した画像データはモニタ等の表示手段（図示略）に送信され、表示手段に被測定物体１の画像が表示される。
【0027】
図７は計測点の３次元座標の算出方法に用いる一般化透視投影モデルを示す図である。
解析手段４０は、被測定物体１を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析として、例えば、ＤＬＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）法のアルゴリズムを用いる。この場合、３台のラインＣＣＤカメラ３０の画像（検出信号）を組み合わせることで計測点Ｐの画像座標を構築し、その２次元座標からＤＬＴ法を用いて３次元座標を算出する。
カメラ座標系は、カメラに固定された座標系であり、横方向をＸ、縦方向をＹ、奥行方向をＺとし、カメラのレンズ中心を原点としている。また、ワールド座標系は、被測定物体１が存在する空間に設定する座標系である。カメラ座標系とワールド座標系の関係式を下式（１）に示す。
ここで、Ｒは回転行列、ｔは平行移動ベクトルである。
また、下式（２）、（３）はＤＬＴ法の基本式である。
ここで、Ｌ１からＬ１１はカメラパラメータである。
解析手段４０は、被測定物体１を２次元平面に投影して解析する透視投影モデルの解析として、例えば、ＤＬＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）法のアルゴリズムを用いる。この場合、３台のラインＣＣＤカメラ３０の画像（検出信号）を組み合わせることで計測点Ｐの画像座標を構築し、その２次元座標からＤＬＴ法を用いて３次元座標を算出する。
カメラ座標系は、カメラに固定された座標系であり、横方向をＸ、縦方向をＹ、奥行方向をＺとし、カメラのレンズ中心を原点としている。また、ワールド座標系は、被測定物体１が存在する空間に設定する座標系である。カメラ座標系とワールド座標系の関係式を下式（１）に示す。
【数1】
また、下式（２）、（３）はＤＬＴ法の基本式である。
【数2】
【数3】
【0028】
ＤＬＴ法では、計測作業を行う前に、カメラパラメータ推定作業であるキャリブレーションを行う必要がある。このとき、コントロールポイントと呼ばれるキャリブレーション用の既知のワールド座標と、計測されたコントロールポイントのカメラ座標との対応から、式（２）、（３）のカメラパラメータＬ１～Ｌ１１を推定する。カメラパラメータＬ１～Ｌ１１の推定には最小二乗法を用いる。
カメラパラメータを推定しておくことで、上記ステップＳ３において、カメラ座標系からワールド座標系へ座標変換して計測点Ｐの３次元座標を算出することができる。
このように解析手段４０は、透視投影モデルに基づき、３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらにカメラ座標系から計測点Ｐの３次元座標を算出する。この３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を使用した透視投影モデルの解析により被測定物体１の３次元形状を精度よく計測することができる。
カメラパラメータを推定しておくことで、上記ステップＳ３において、カメラ座標系からワールド座標系へ座標変換して計測点Ｐの３次元座標を算出することができる。
このように解析手段４０は、透視投影モデルに基づき、３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を組み合わせてワールド座標系からカメラ座標系へ変換し、さらにカメラ座標系から計測点Ｐの３次元座標を算出する。この３台以上のラインＣＣＤカメラ３０を使用した透視投影モデルの解析により被測定物体１の３次元形状を精度よく計測することができる。
【0029】
図８は平面の式を用いて計測点の３次元座標を算出するイメージ図である。
演算手段は、ＤＬＴ法に代えて、あるいはＤＬＴ法と併用して、平面の式を用いた透視投影モデルの解析を行う。
ラインＣＣＤカメラ３０のカメラモデルは、下式（４）、（５）、（６）のように平面の式で表現できる。
演算手段は、ＤＬＴ法に代えて、あるいはＤＬＴ法と併用して、平面の式を用いた透視投影モデルの解析を行う。
ラインＣＣＤカメラ３０のカメラモデルは、下式（４）、（５）、（６）のように平面の式で表現できる。
【数4】
【数5】
【数6】
【0030】
３台以上のラインＣＣＤカメラ３０で被測定物体１からの反射光を受光し、その内２台のラインＣＣＤカメラ３０の二つの平面の式を組み合わせることでカメラ光線（直線）を求め、そのカメラ光線と別の１台のラインＣＣＤカメラ３０の平面の式との交点を求める。この交点が計測点Ｐの３次元座標となる。なお、カメラ光線は、一般的にカメラ（視点）からある点を見た場合の、視点からある点までの追跡光である。例えば、図７のカメラ座標系から（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）に延ばした矢印がカメラ光線となる。
この原理にしたがって、ラインＣＣＤカメラ３０の台数をＮ（Ｎ≧４）台とすることで平面の式を増やし、各計測点Ｐについての３次元座標の算出を平面の式の組み合わせを変えて複数回行うことにより、計測点Ｐの情報を増やすことができる。そして、計測点Ｐの３次元座標を複数回算出することにより蓄積した計測点Ｐの情報について統計処理を行い、例えば最大値、最小値、平均値、又は標準偏差等に基づいて計測点Ｐの３次元座標を決定する。
このようにラインＣＣＤカメラ３０の台数を４台以上とすること、計測点Ｐの情報について統計処理を行うことにより、計測の精度とロバスト性をさらに向上させることができる。
この原理にしたがって、ラインＣＣＤカメラ３０の台数をＮ（Ｎ≧４）台とすることで平面の式を増やし、各計測点Ｐについての３次元座標の算出を平面の式の組み合わせを変えて複数回行うことにより、計測点Ｐの情報を増やすことができる。そして、計測点Ｐの３次元座標を複数回算出することにより蓄積した計測点Ｐの情報について統計処理を行い、例えば最大値、最小値、平均値、又は標準偏差等に基づいて計測点Ｐの３次元座標を決定する。
このようにラインＣＣＤカメラ３０の台数を４台以上とすること、計測点Ｐの情報について統計処理を行うことにより、計測の精度とロバスト性をさらに向上させることができる。
【0031】
図９は多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置を水槽に設置した状態を示す概略図であり、船舶のプロペラが入れられたキャビテーション水槽を上から見た状態を示している。
ラインＣＣＤカメラ３０は計６台であり、水槽２の一方側と他方側に３台ずつ分けて配置している。
水槽２の一方側においては、１台のレーザ発振器１０と、３つの光学系２０と、３台のラインＣＣＤカメラ３０を共通の第一架台６０に取り付けて水槽２の近傍に設置し、水槽２の他方側においては、３つの光学系２０と、３台のラインＣＣＤカメラ３０を共通の第二架台７０に取り付けて水槽２の近傍に設置している。
回転しているプロペラ（被測定物体１）へレーザ発振器１０からシングルスポット光Ｌを照射し、水槽２の両側に３台ずつ配置された６台のラインＣＣＤカメラ３０で反射光を受光し、プロペラやキャビテーション等の３次元形状を再現する。このとき、図９に示すようラインＣＣＤカメラ３０を４台以上用い、４台以上のラインＣＣＤカメラ３０により被測定物体１を少なくとも２方向から撮影することで、ラインＣＣＤカメラ３０が３台以下の場合、又は１方向から撮影する場合よりも多角的な撮影が可能となり、被測定物体１上の陰（死角）となる箇所を減らせるため、従来は計測できていなかった箇所も含めて計測でき、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
ラインＣＣＤカメラ３０は計６台であり、水槽２の一方側と他方側に３台ずつ分けて配置している。
水槽２の一方側においては、１台のレーザ発振器１０と、３つの光学系２０と、３台のラインＣＣＤカメラ３０を共通の第一架台６０に取り付けて水槽２の近傍に設置し、水槽２の他方側においては、３つの光学系２０と、３台のラインＣＣＤカメラ３０を共通の第二架台７０に取り付けて水槽２の近傍に設置している。
回転しているプロペラ（被測定物体１）へレーザ発振器１０からシングルスポット光Ｌを照射し、水槽２の両側に３台ずつ配置された６台のラインＣＣＤカメラ３０で反射光を受光し、プロペラやキャビテーション等の３次元形状を再現する。このとき、図９に示すようラインＣＣＤカメラ３０を４台以上用い、４台以上のラインＣＣＤカメラ３０により被測定物体１を少なくとも２方向から撮影することで、ラインＣＣＤカメラ３０が３台以下の場合、又は１方向から撮影する場合よりも多角的な撮影が可能となり、被測定物体１上の陰（死角）となる箇所を減らせるため、従来は計測できていなかった箇所も含めて計測でき、計測の精度とロバスト性を向上させることができる。
【0032】
次に、多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置を用いた実際の計測結果について説明する。
図１０は実際の計測に用いた３次元計測装置の３Ｄモデルを示す図であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は正面図である。図１１は実際の計測に用いた３次元計測装置の写真である。
計測においては、４台のラインＣＣＤカメラ３０及び光学系２０等を図１０に示す配置とし、被測定物体１として、船舶の模型プロペラ（φ２５０ｍｍ）の形状と、キャビテーションの形状を撮影した。
図１０は実際の計測に用いた３次元計測装置の３Ｄモデルを示す図であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は正面図である。図１１は実際の計測に用いた３次元計測装置の写真である。
計測においては、４台のラインＣＣＤカメラ３０及び光学系２０等を図１０に示す配置とし、被測定物体１として、船舶の模型プロペラ（φ２５０ｍｍ）の形状と、キャビテーションの形状を撮影した。
【0033】
図１２はプロペラの翼形状計測結果の比較図であり、図１２（ａ）は従来の組合せラインＣＣＤ法による３次元計測装置の計測結果、図１２（ｂ）は本発明の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の計測結果である。
なお、従来の組合せラインＣＣＤ法とは、被測定物体１にレーザを照射して、表面で散乱する光を３台のラインＣＣＤカメラ３０で撮影し、それぞれの撮影画像のピーク位置から計測点Ｐの３次元位置を算出する方法である。
また、下表１は二つの３次元計測装置の精度を比較したものである。
図１２及び表１より、本発明の３次元計測装置は、従来の組合せラインＣＣＤ法による３次元計測装置に比べて形状計測精度が大きく向上していることが分かる。
なお、従来の組合せラインＣＣＤ法とは、被測定物体１にレーザを照射して、表面で散乱する光を３台のラインＣＣＤカメラ３０で撮影し、それぞれの撮影画像のピーク位置から計測点Ｐの３次元位置を算出する方法である。
また、下表１は二つの３次元計測装置の精度を比較したものである。
【表1】
【0034】
図１３はプロペラの翼端付近におけるキャビテーション形状計測結果の比較図であり、図１３（ａ）は従来の組合せラインＣＣＤ法による３次元計測装置の計測結果、図１３（ｂ）は本発明の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置の計測結果である。なお、図１３（ａ）、（ｂ）中の左側にはキャビテーションを撮影した写真も併せて示している。
図１３から、従来の組合せラインＣＣＤ法による３次元計測装置では捉えることのできない翼端付近のキャビテーションを、本発明の３次元計測装置ではしっかりと捉え形状を計測できていることが分かる。
図１３から、従来の組合せラインＣＣＤ法による３次元計測装置では捉えることのできない翼端付近のキャビテーションを、本発明の３次元計測装置ではしっかりと捉え形状を計測できていることが分かる。
【0035】
図１４は本発明の多視点型ラインセンシング法による３次元計測装置を用いたプロペラの翼端渦キャビテーションの形状計測結果を示す図である。なお、図１４中の上側には翼端渦キャビテーションを撮影した写真も併せて示している。
従来はプロペラの翼端渦キャビテーションの形状計測は困難であったが、本発明の３次元計測装置を用いれば、図１４に示すように、プロペラの翼端渦キャビテーションの形状を計測することも可能である。
従来はプロペラの翼端渦キャビテーションの形状計測は困難であったが、本発明の３次元計測装置を用いれば、図１４に示すように、プロペラの翼端渦キャビテーションの形状を計測することも可能である。
【0036】
このように、本発明の３次元計測装置は、従来の３次元計測装置よりも精度とロバスト性が向上することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明は、キャビテーション水槽におけるプロペラ形状や変形量計測、キャビテーションの形状計測等に利用できる他、水中ロボットの距離センサや物体認識センサ等にも利用できる。また、その他、３次元計測であれば何にでも適用可能である。
【符号の説明】
【0038】
１ 被測定物体
１０ レーザ発振器
２０ 光学系
３０ ラインＣＣＤカメラ
４０ 解析手段
５１ 走査手段
Ｌ シングルスポット光
Ｐ 計測点
１０ レーザ発振器
２０ 光学系
３０ ラインＣＣＤカメラ
４０ 解析手段
５１ 走査手段
Ｌ シングルスポット光
Ｐ 計測点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
