特開 2025-2793 計測システム、計測方法及びプログラム

(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】P2025002793

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】計測システム、計測方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20241226BHJP

   G01B 11/26 20060101ALI20241226BHJP

   G01J 5/48 20220101ALI20241226BHJP

   G01J 5/0802 20220101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

G01B11/25 H

G01B11/26 H

G01J5/48 D

G01J5/0802

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023103147

(22)【出願日】2023-06-23

(71)【出願人】

【識別番号】000203977

【氏名又は名称】日鉄テックスエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100202913

【弁理士】

【氏名又は名称】武山 敦史

(74)【代理人】

【識別番号】100131152

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 耕司

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(72)【発明者】

【氏名】谷口 敦史

【テーマコード（参考）】

2F065

2G066

【Ｆターム（参考）】

2F065AA35

2F065AA53

2F065FF04

2F065FF09

2F065FF69

2F065GG04

2F065HH05

2F065HH13

2F065JJ03

2F065JJ08

2F065JJ26

2F065LL22

2F065MM03

2F065PP16

2F065QQ41

2F065QQ42

2F065SS13

2G066BC15

2G066CA01

2G066CA02

(57)【要約】

【課題】表面に凹凸を持つ物体に対しても形状と温度とを並行して計測可能な計測システム、計測方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】計測システムは、ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面をラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得する取得部１５１と、取得部１５１により取得された画像に描画されたラインレーザ光の画素位置に基づいて、計測対象面の形状を演算する形状演算部１５２と、取得部１５１により取得された画像においてラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、計測対象面の温度を演算する温度演算部１５３と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得する取得部と、
前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算する形状演算部と、
前記取得部により取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算する温度演算部と、
を備える計測システム。

【請求項2】

前記カメラは、前記ラインレーザ光源から出射される前記ラインレーザ光の波長を透過する波長フィルタを備える、
請求項１に記載の計測システム。

【請求項3】

前記温度演算部は、
前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素に隣接する領域に温度計測領域を設定し、
設定された前記温度計測領域における複数の画素の平均輝度を演算し、
演算された平均輝度に基づいて前記計測対象面の温度を演算する、
請求項１又は２に記載の計測システム。

【請求項4】

前記温度演算部は、
設定された前記温度計測領域における全ての画素を対象に平均輝度と輝度の標準偏差とを演算し、
演算された平均輝度から標準偏差以上離れている輝度を有する画素を除外して前記温度計測領域における複数の画素の平均輝度を演算する、
請求項３に記載の計測システム。

【請求項5】

前記温度演算部は、前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置から予め設定された画素数だけ離れた領域に矩形状の前記温度計測領域を設定する、
請求項３に記載の計測システム。

【請求項6】

前記形状演算部により演算された前記計測対象面の形状に基づいて、前記温度計測領域に存在する画素の輝度を補正する輝度補正部をさらに備え、
前記温度演算部は、前記輝度補正部により補正された輝度に基づいて前記計測対象面の補正された温度を演算する、
請求項３に記載の計測システム。

【請求項7】

前記輝度補正部は、前記形状演算部により演算された前記計測対象面の３次元形状に基づいて、基準面に対する前記温度計測領域の面の傾きを演算し、演算された面の傾きに基づいて前記温度計測領域に存在する画素の輝度を補正する、
請求項６に記載の計測システム。

【請求項8】

計測システムが実行する計測方法であって、
ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得するステップと、
取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算するステップと、
取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算するステップと、
を含む計測方法。

【請求項9】

コンピュータを、
ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得する取得手段、
前記取得手段により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算する形状演算手段、
前記取得手段により取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算する温度演算手段、
として機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測システム、計測方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

物体の形状と温度とを並行して計測する技術が知られている。例えば、特許文献１には、炉の排出口から流下する溶融スラグを異なる方向から並行して観測して溶融スラグの３次元形状を測定する３次元形状測定手段と、溶融スラグの温度を測定する温度測定手段と、を備える監視装置が開示されている。３次元形状測定手段では、溶融スラグの周方向に間隔をあけて少なくとも３箇所以上に配置したＣＣＤカメラにより得られた画像を用いて溶融スラグの３次元形状を求め、温度測定手段では、ＣＣＤカメラにより得られた画像の輝度分布を用いて溶融スラグの３次元の表面温度分布を求めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－１１８７４４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の監視装置では、溶融スラグがへこみのない楕円形状の断面を持つ柱状物体であることが前提となっており、その他の形状を持つ物体の形状を計測できない。このため、形状計測時に物体表面の凹凸を検出できないという問題がある。

【0005】

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、表面に凹凸を持つ物体に対しても形状と温度とを並行して計測可能な計測システム、計測方法及びプログラム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】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る計測システムは、
ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得する取得部と、
前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算する形状演算部と、
前記取得部により取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算する温度演算部と、
を備える。

【0007】

前記カメラは、前記ラインレーザ光源から出射される前記ラインレーザ光の波長を透過する波長フィルタを備えてもよい。

【0008】

前記温度演算部は、
前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素に隣接する領域に温度計測領域を設定し、
設定された前記温度計測領域における複数の画素の平均輝度を演算し、
演算された平均輝度に基づいて前記計測対象面の温度を演算してもよい。

【0009】

前記温度演算部は、
設定された前記温度計測領域における全ての画素を対象に平均輝度と輝度の標準偏差とを演算し、
演算された平均輝度から標準偏差以上離れている輝度を有する画素を除外して前記温度計測領域における複数の画素の平均輝度を演算してもよい。

【0010】

前記温度演算部は、前記取得部により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置から予め設定された画素数だけ離れた領域に矩形状の前記温度計測領域を設定してもよい。

【0011】

前記形状演算部により演算された前記計測対象面の形状に基づいて、前記温度計測領域に存在する画素の輝度を補正する輝度補正部をさらに備え、
前記温度演算部は、前記輝度補正部により補正された輝度に基づいて前記計測対象面の補正された温度を演算してもよい。

【0012】

前記輝度補正部は、前記形状演算部により演算された前記計測対象面の３次元形状に基づいて、基準面に対する前記温度計測領域の面の傾きを演算し、演算された面の傾きに基づいて前記温度計測領域に存在する画素の輝度を補正してもよい。

【0013】

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る計測方法は、
計測システムが実行する計測方法であって、
ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得するステップと、
取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算するステップと、
取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算するステップと、
を含む。

【0014】

上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
ラインレーザ光源からのラインレーザ光が照射された計測対象面を前記ラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラにより撮影した画像を取得する取得手段、
前記取得手段により取得された画像に描画された前記ラインレーザ光の画素位置に基づいて、前記計測対象面の形状を演算する形状演算手段、
前記取得手段により取得された画像において前記ラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、前記計測対象面の温度を演算する温度演算手段、
として機能させる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、表面に凹凸を持つ物体に対しても形状と温度とを並行して計測可能な計測システム、計測方法及びプログラムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１に係る計測システムの構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態１に係るラインレーザ光源とカメラとの関係を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係る処理ユニットのハードウェア構成を示すブロック図である。

【図4】（ａ）は、画像データ記憶部に記憶されるデータテーブルの一例を示す図であり、（ｂ）は、パラメータ記憶部に記憶されるデータテーブルの一例を示す図であり、（ｃ）は、相関データ記憶部に記憶されたデータテーブルの一例を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態１に係るカメラにより撮像された撮影画像におけるラインレーザ光と温度計測領域との関係を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態１に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】本発明の実施の形態１に係る形状演算処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】本発明の実施の形態１に係る温度演算処理の流れを示すフローチャートである。

【図9】本発明の実施の形態２に係る処理ユニットのハードウェア構成を示すブロック図である。

【図10】本発明の実施の形態２に係る補正データ記憶部に記憶されるデータテーブルの一例である。

【図11】ＸＹ平面と点群にフィットする平面とのなす角を説明する図である。

【図12】本発明の実施の形態２に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。

【図13】本発明の実施の形態２に係る温度補正処理の流れを示すフローチャートである。

【図14】実施例における鉄片を撮影したデジタルカメラ画像、温度計測用画像、光切断センサ用画像を示す図である。

【図15】実施例における鉄片の輝度と温度との関係を示すグラフである。

【図16】実施例におけるコントラスト調整前後の撮影画像を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態に係る計測システム、計測方法及びプログラムを、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。実施の形態では、ラインレーザ光源から出射されたラインレーザ光が広がる方向をＹ軸方向、ラインレーザ光の出射方向をＺ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対して直交する方向をＸ軸方向とする空間座標系を用いる。

【0018】

（実施の形態１）
実施の形態１に係る計測システムは、光切断法を用いて計測対象面の３次元形状を計測すると共に、当該計測対象面の温度を並行して計測するシステムである。計測対象は、例えば、製鋼工程の中間製品であるビレットである。実施の形態１に係る計測システムでは、三角測量法の原理を用い、計測対象面のうちラインレーザ光源から照射されたラインレーザ光により描画されたスリット状の部分（光切断線）を撮影し、撮影画像に基づいて計測対象面の３次元形状（プロファイル）を示すデータを演算する。

【0019】

また、実施の形態１に係る計測システムでは、計測対象を加熱することで熱放射が発生し、計測対象の撮影により得られた画像の輝度が変化する現象を用いて計測対象の温度を演算する。熱放射により画像の輝度が変化する現象は、特に計測対象が高温、例えば、８００℃以上に加熱された場合に顕著に現れる。計測対象からの熱放射による輝度と計測対象の温度との間には相関関係があるため、光切断法により得られた計測対象の撮影画像の輝度を計測することで、計測対象面の温度を合わせて演算できる。実施の形態１に係る計測システムでは、上記の手法を用いることで光切断法による形状計測を妨げることなく、計測対象面の温度計測を行うことができる。

【0020】

図１は、実施の形態１に係る計測システム１の構成を示す正面図である。計測システム１は、計測対象面に照射することによりＹ軸方向に延びるスリット状のラインレーザ光を描画するラインレーザ光源２と、ラインレーザ光源２によりラインレーザ光が描画された計測対象面を撮影するカメラ３と、計測対象面に描画されたラインレーザ光が相対的に移動するように光計測対象をＸ軸方向に移動させる搬送装置４と、カメラ３により撮影された画像に基づいて計測対象面の３次元形状を示すデータと計測対象の温度を示すデータとを演算する処理ユニット１００と、を備える。

【0021】

ラインレーザ光源２及びカメラ３は互いの位置関係を固定した状態で支持手段（図示せず）により支持されている。ラインレーザ光源２及びカメラ３は同一の支持手段により支持されてもよく、異なる支持手段により別々に支持されてもよい。

【0022】

ラインレーザ光源２は、計測対象面の上方に設置され、Ｙ軸方向に延びると共にＺ軸方向に向けて出射されるラインレーザ光を計測対象面上に照射する。このラインレーザ光は、レーザ光の照射中に計測対象面に描画され、レーザ光の照射を停止すると計測対象面から消滅する。ラインレーザ光源２では、例えば、レーザ光がＹ軸方向に延びる直線上のスリットを通過することでスリット状のラインレーザ光を生成する。

【0023】

カメラ３は、ラインレーザ光源２からのラインレーザ光に対して光軸が傾くように設置され、ラインレーザ光源２からのラインレーザ光が計測対象面に描画された部分を含むように計測対象面を撮影する。カメラ３には、波長フィルタ３ａが取り付けられている。波長フィルタ３ａは、ラインレーザ光源２から出射されるレーザ光の波長を含む波長域の光を透過するバンドパスフィルタである。波長フィルタ３ａを介してカメラ３により撮影された画像は、ほぼラインレーザ光だけが描画される。ラインレーザ光が描画された計測対象の画像データは、カメラ３から処理ユニット１００に送信され、処理が施される。

【0024】

カメラ３としては、計測対象の温度に合わせて機種を選択するとよい。計測対象の温度が高温領域、例えば、８００℃～１０００℃である場合には、波長帯６００ｎｍ～７００ｎｍの光の放射が強くなるため、可視域での撮影が可能なカメラを用いることが好ましい。また、計測対象の温度が低温領域、例えば、８００℃未満での計測を実施する場合には、より波長の長い放射光に感度が必要となるため、近赤外領域での撮影が可能な赤外線カメラを用いることが好ましい。

【0025】

なお、ラインレーザ光源２が出射するレーザ光の波長については、カメラ３による撮影が可能な波長域に含まれるように選択する。一例として８００℃～１０００℃の高温鋼材を計測対象とする場合には、可視域対応のカメラを使用することからラインレーザ光源２も波長が可視域のレーザを用いる。なお、赤色域のレーザ光、例えば、波長６００ｎｍ～７００ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源を用いる場合は、前述のとおり高温物体放射光と同一又は同等範囲の波長となることから、その影響を低減するため、波長フィルタ３ａを用いればよい。

【0026】

搬送装置４は、例えば、計測対象を載せた状態で計測対象を一定速度でＸ軸方向に移動させる搬送テーブルである。搬送装置４が駆動した状態で計測対象面にラインレーザ光を照射し、ラインレーザ光が描画された部分を含むように計測対象面を撮影することで、Ｘ軸方向の異なる位置におけるＹＺ平面で切断した計測対象の２次元形状を順次計測できる。

【0027】

処理ユニット１００は、例えば、汎用コンピュータであり、ラインレーザ光源２及びカメラ３のそれぞれに対して通信可能に接続されている。処理ユニット１００は、カメラ３により撮影された画像におけるラインレーザ光が描画された部分の画素位置に基づいて、計測対象面の３次元形状を示す形状データを演算すると共に、カメラ３による撮影画像のラインレーザ光が描画された部分以外の画素における輝度に基づいて、計測対象の温度を演算する。

【0028】

図２に示すように、計測システム１では、カメラ３による撮影画像においてラインレーザ光が描画された部分を構成する各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを、空間座標系における計測対象面上にラインレーザ光が描画された部分を構成する各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚに変換する。これによりＹＺ平面で切断された計測対象の２次元断面形状を２次元座標値ｙ、ｚで表現することができる。搬送装置４により計測対象に対してラインレーザ光をＸ軸方向に相対的に移動させ、計測対象に設定されたｘ座標値ｘ０、ｘ１、ｘ２、…に対して順番に上記の処理を繰り返すことで、計測対象面を構成する多数の点群の位置を示す３次元座標値ｘ、ｙ、ｚを得ることができる。
以上が、計測システム１の構成である。

【0029】

次に、図３を参照して、実施の形態１に係る処理ユニット１００のハードウェア構成を説明する。処理ユニット１００は、操作部１１０と、表示部１２０と、通信部１３０と、記憶部１４０と、制御部１５０と、を備える。処理ユニット１００の各部は、内部バス（図示せず）を介して相互に接続されている。

【0030】

操作部１１０は、ユーザの指示を受け付け、受け付けた操作に対応する操作信号を制御部１５０に供給する。操作部１１０は、例えば、マウス、キーボードを備える。

【0031】

表示部１２０は、ディスプレイと表示駆動回路とを備え、制御部１５０から供給されるデータに基づいて、ユーザに向けて各種の画像を表示する。

【0032】

通信部１３０は、処理ユニット１００が外部の機器と通信するための通信インタフェースである。通信部１３０は、インターネットといった通信ネットワークを介して外部の機器と通信する。また、通信部１３０は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）といった入出力端子を備え、通信ケーブルを介して外部の機器と通信する。

【0033】

記憶部１４０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクを備える。記憶部１４０は、制御部１５０で実行されるプログラムや各種のデータを記憶する。また、記憶部１４０は、各種の情報を一時的に記憶し、制御部１５０が処理を実行するためのワークメモリとしても機能する。さらに、記憶部１４０は、画像データ記憶部１４１と、パラメータ記憶部１４２と、相関データ記憶部１４３と、を備える。

【0034】

図４（ａ）に示すように、画像データ記憶部１４１は、ラインレーザ光が描画された部分を含むように計測対象面を撮影した画像に関するデータを、計測対象面に設定されたｘ座標値ｘ０、ｘ１、ｘ２、…に対応付けて順番に記憶する。計測対象面に設定されたｘ座標値は、計測対象に設定された基準点のｘ座標値ｘ０を基準とするＸ軸方向の座標である。基準点は、例えば、図２に示すように計測対象を搬送方向に移動させた場合に最初に撮影が開始される計測対象の先端に設定し、基準点から順番にｘ０、ｘ１、ｘ２、…と設定すればよい。ｘ座標値ｘ０、ｘ１、ｘ２、…は、互いに一定間隔で並べられていることが好ましい。

【0035】

図４（ｂ）に示すように、パラメータ記憶部１４２は、カメラ３の内部パラメータ及び外部パラメータを記憶する。カメラ３の外部パラメータは、例えば、図２に示すようにラインレーザ光源２の光軸からカメラ３に取り付けたレンズの主点までのＹ軸方向の距離ｌ、ラインレーザ光源２の光軸とカメラ３の光軸との角度θである。カメラ３の内部パラメータは、例えば、レンズ焦点距離ｆである。

【0036】

図４（ｃ）に示すように、相関データ記憶部１４３は、計測対象の種類やラインレーザ光源２の波長を考慮して設定された撮影画像の輝度Ｌ１、Ｌ２、…と温度Ｔ１、Ｔ２、…との関係を示す相関データを記憶する。計測対象の種類は、例えば、材料により区分されている。輝度Ｌ１、Ｌ２、…と温度Ｔ１、Ｔ２、…との関係は、予め実験により求めておくとよい。

【0037】

図３に戻り、制御部１５０は、プロセッサを備え、処理ユニット１００の各部の制御を行う。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１５０は、記憶部１４０に記憶されているプログラムを実行することにより、図６の計測処理、図７の形状演算処理及び図８の温度演算処理を実行する。制御部１５０は、機能的には、取得部１５１と、形状演算部１５２と、温度演算部１５３と、出力部１５４と、を備える。

【0038】

取得部１５１は、ラインレーザ光が描画された部分を含む計測対象面を撮影した画像に関する画像データを取得し、当該画像データを計測対象面に設定されたｘ座標値ｘ０、ｘ１、…に対応付けて図４（ａ）の画像データ記憶部１４１に記憶させる。カメラ３によりラインレーザ光が描画された部分を含むように計測対象面を撮影すると、撮影画像では、波長フィルタ３ａの作用により図５に示すようにほぼ光切断線のみが描画されている。図５の破線で示される温度計測領域は、実際には描画されていない領域であり、その用い方は後述する。なお、取得部１５１によるデータの取得には、記憶部１４０に記憶された各種のデータを読み出すことも含まれる。

【0039】

形状演算部１５２は、取得部１５１により取得された撮影画像に基づいて計測対象面の３次元断面形状を示すデータを演算する。具体的には、三角測量の原理を用い、図４（ｂ）のパラメータ記憶部１４２に記憶されたパラメータを参照して、カメラ３による撮影画像においてラインレーザ光が描画された部分を構成する各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを、空間座標系における計測対象面上にラインレーザ光が描画された部分を構成する各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚに変換する。

【0040】

その手順を説明すると、まず、撮影画像のｕ方向の延びる画素の列において輝度がピークとなる画素を探索する。撮影画像の各列において輝度がピークとなる画素は、ラインレーザ光源２から出射されたラインレーザ光が描画された部分である。この処理により画像上でラインレーザ光が描画された部分を構成する各画素ｃの画素位置ｕ、ｖのセットを特定できる。

【0041】

次に、画像上でラインレーザ光が描画された部分の各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを、空間座標系における計測対象面上にラインレーザ光が描画された部分を構成する各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚに変換する。この変換処理では、図４（ｂ）のパラメータ記憶部１４２に記憶されたパラメータを読み出し、読み出したパラメータを用いて各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚに変換する。画像上の点ｃの画素位置ｕ、ｖと空間座標系の点ｐの３次元座標値ｘ、ｙ、ｚとの関係は、以下の式（１）で表現される。

【0042】

【数1】

【0043】

ｃｘ、ｃｙは、カメラ３の主点（画像中心）であり、ｆｘ、ｆｙは、ピクセル単位で表される焦点距離である。これらのパラメータは内部パラメータ行列を構成する。ｒ１１～ｒ３３は、回転行列Ｒを構成するパラメータであり、ｔ１～ｔ３は、並進ベクトルｔを構成するパラメータである。回転行列Ｒ及び並進ベクトルｔは、基準座標系とカメラ座標系との相対位置を表している。

【0044】

上記の手順で空間座標系においてラインレーザ光が描画された部分を構成する２次元座標値ｙ、ｚを計測対象面に設定されたｘ座標値毎に繰り返し演算し、ｘ座標値毎に演算した空間座標系の２次元座標値ｙ、ｚを並べることで計測対象面の３次元断面形状を示す形状データを得ることができる。３次元形状を示す形状データは、計測対象面を構成する多数の点群の位置を示す３次元座標値ｘ、ｙ、ｚで構成されている。

【0045】

温度演算部１５３は、取得部１５１により取得された撮影画像に基づいて計測対象面の温度を演算する。具体的には、撮影画像のラインレーザ光が描画されていない領域に図５に示す温度計測領域を設定し、設定された温度計測領域における平均輝度に基づいて計測対象面の温度を演算する。

【0046】

その手順を説明すると、まず、撮影画像において温度計測領域を設定する。温度計測領域は、ラインレーザ光が照射されていない領域、例えば、輝度のピークが検出された画素からｖ方向に予め設定された画素数ｒだけ離れた位置に設定する。温度計測領域は、ラインレーザ光による影響を避けるため、画素の輝度が閾値以下である領域に設定すればよい。温度計測領域は、例えば、図５の破線で示すように矩形状の領域である。矩形状の領域は、ｕ方向の画素数をｐ、ｖ方向の画素数をｑとすると、ｐ＝ｑであってもよくｐ≠ｑであってもよい。また、温度計測領域は、計測対象面に付着物、例えば、スケールができるだけ付着していない領域に設定することが好ましい。

【0047】

次に、温度計測領域の画像から除外対象の画素を探索して除去する。除外対象画素は、温度計測領域の画像から除去する画素であり、例えば、温度計測領域において輝度が平均輝度よりも標準偏差以上離れている画素を除去する。これにより平均輝度の演算において大きな影響を与える輝度が大きな画素と小さな画素とが除去される。除外対象画素の除去では、例えば、除外対象画素の画素を隠すマスク処理を実施すればよい。

【0048】

次に、温度計測領域において除去画素を除いた他の全ての画素を対象にして平均輝度を演算する。次に、図４（ｃ）の相関データ記憶部１４３に記憶された相関データを参照して平均輝度から温度を演算する。

【0049】

出力部１５４は、形状演算部１５２により演算された計測対象面の３次元形状を示す形状データと温度演算部１５３により演算された計測対象面の温度データとを出力する。出力部１５４は、例えば、形状データと温度データとをそれぞれ記憶部１４０に記憶させ、表示部１２０のディスプレイに表示させる。
以上が、処理ユニット１００の構成である。

【0050】

（計測処理）
次に、図６を参照して、実施の形態１に係る処理ユニット１００が実行する計測処理の流れを説明する。計測処理は、光切断法を用いて計測対象面の３次元形状を計測すると共に、当該計測対象面の温度を並行して計測する処理である。計測処理は、計測システム１が搬送装置４を駆動して計測対象を移動させている最中にラインレーザ光源２からラインレーザ光を照射すると共にカメラ３が計測対象の撮影を開始した時点で開始する。計測処理の実行前には、計測対象のｘ座標値と空間座標系のｘ座標値との関係を特定する。例えば、計測対象に設定された基準点がラインレーザ光を通過した時点でｘ座標値の計測を開始し、その後は搬送装置４の搬送速度に基づいてｘ座標値を演算すればよい。

【0051】

まず、取得部１５１は、カメラ３により撮影された画像を取得し、計測対象面に照射されたラインレーザ光が描画された部分のｘ座標値ｘ０、ｘ１、ｘ２，…のいずれかに対応付けて図４（ａ）の画像データ記憶部１４１に記憶する（ステップＳ１）。

【0052】

次に、形状演算部１５２は、ステップＳ１の処理で取得した画像に基づいて、ＹＺ平面で切断された計測対象の２次元形状を示すデータを演算する形状演算処理を実行する（ステップＳ２）。以下、図７を参照して、形状演算部１５２が実行する形状演算処理の流れを説明する。

【0053】

まず、形状演算部１５２は、撮影画像の各列で輝度がピークとなる画素を探索する（ステップＳ１１）。撮影画像の各列で輝度値がピークとなる画素は、ラインレーザ光が描画された部分である。この処理により図５に示すように撮影画像におけるラインレーザ光が描画された部分を示す各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを特定できる。

【0054】

次に、形状演算部１５２は、撮影画像においてラインレーザ光が描画された部分を示す各画素ｃの画素位置ｕ、ｖを、空間座標系における計測対象面上にラインレーザ光が描画された部分の各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚに変換する（ステップＳ１２）。この変換処理では、図４（ｂ）のパラメータ記憶部１４２に記憶されたパラメータを読み出し、読み出したパラメータを用いて撮影画像上の画素位置ｕ、ｖを空間座標系の２次元座標値ｙ、ｚに変換する。

【0055】

次に、空間座標系における計測対象面上にラインレーザ光が描画された部分の各点ｐの２次元座標値ｙ、ｚを記憶部１４０に記憶し（ステップＳ１３）、処理をリターンする。
以上が、形状演算処理の流れである。

【0056】

図６に戻り、温度演算部１５３は、ステップＳ２の処理と並行して、ステップＳ１の処理で取得した画像に基づいて計測対象面の温度を演算する温度演算処理を実行する（ステップＳ３）。以下、図８を参照して、温度演算部１５３が実行する温度演算処理の流れを説明する。

【0057】

まず、温度演算部１５３は、撮影画像において温度計測領域を設定する（ステップＳ２１）。温度計測領域は、例えば、図５に示すようにｕ方向の画素数ｐ、ｖ方向の画素数ｑの矩形状の領域である。温度計測領域は、例えば、ステップＳ２の処理で撮影画像の各列で輝度がピークとなる画素からｖ方向に予め設定された画素数ｒだけ離れた位置に設定する。

【0058】

次に、温度演算部１５３は、ステップ２１の処理で設定された温度計測領域の画像から除外対象画素を探索して除外する（ステップＳ２２）。具体的には、温度計測領域において平均輝度と輝度の標準偏差とを演算し、温度計測領域において輝度が平均輝度よりも標準偏差以上離れている画素を除去する。除外対象画素の除去では、例えば、除外対象画素の画素を隠すマスク処理を実施すればよい。

【0059】

次に、温度計測領域において除去画素を除いた他の全ての画素を対象にして平均輝度を演算する（ステップＳ２３）。

【0060】

次に、図４（ｃ）の相関データ記憶部１４３に記憶された相関データを参照して平均輝度から温度を演算し（ステップＳ２４）、処理をリターンする。
以上が、温度演算処理の流れである。

【0061】

図６に戻り、取得部１５１は、画像データ記憶部１４１に未処理の画像データが存在しているかどうかを判定する（ステップＳ４）。未処理の画像データが存在していると判定された場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、ステップＳ１の処理に戻る。他方、未処理の画像データが存在していないと判定された場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、形状演算部１５２は、ステップＳ２の処理で演算された計測対象面の２次元座標値ｙ、ｚを計測対象面に設定されたｘ座標値の順番に並べて計測対象面の３次元形状を示す形状データを生成する（ステップＳ５）。

【0062】

次に、出力部１５４は、ステップＳ５の処理で演算された計測対象面の３次元形状を示す形状データと、ステップＳ２の処理で演算された計測対象面の温度データとを出力し（ステップＳ６）、処理を終了する。
以上が計測処理の流れである。

【0063】

以上説明したように、実施の形態１に係る計測システム１は、ラインレーザ光源２からのラインレーザ光が照射された計測対象面をラインレーザ光が描画された部分を含むようにカメラ３により撮影した画像を取得する取得部１５１と、取得部１５１により取得された画像に描画されたラインレーザ光の画素位置に基づいて、計測対象面の形状を演算する形状演算部１５２と、取得部１５１により取得された画像においてラインレーザ光が描画されていない領域の輝度に基づいて、計測対象面の温度を演算する温度演算部１５３と、を備える。このため、表面に凹凸を持つ物体に対しても形状と温度とを並行して計測できる。

【0064】

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に係る計測システム、計測方法及びプログラムを説明する。実施の形態２では、基準面に対する計測対象面の傾きに基づいて温度を補正する手法を説明する。このような手法が有用であるのは、放射率の低い計測対象から放射される熱放射の輝度が、計測対象面が向く方向に依存するためである。以下、実施の形態１の場合と相違する点を中心に説明する。

【0065】

実施の形態２に係る計測システム１では、光切断法により計測された計測対象面の３次元形状を示すデータに基づいて温度計測領域における面の傾きを演算し、演算された面の傾きに基づいて計測対象の温度を補正する演算を行う。以下、図９を参照して、実施の形態２に係る計測システムの構成を説明する。

【0066】

処理ユニット１００の記憶部１４０は、補正データ記憶部１４４をさらに備える。図１０に示すように、補正データ記憶部１４４は、ＸＹ平面（基準面）に対する点群にフィットした仮想平面の角度φ１、φ２、…と重み係数ｗ１、ｗ２、…との関係を示す補正データを記憶する。補正データは、計測対処の種類毎に設定され、実験により予め求められている。この重み係数ｗ１、ｗ２、…を温度演算部１５３により演算された平均輝度に乗算することで、平均輝度の補正値を得ることができる。

【0067】

図９に戻り、制御部１５０は、記憶部１４０に記憶されているプログラムを実行することにより、図１２の計測処理、図７の形状演算処理、図８の温度演算処理及び図１３の温度補正処理を実行する。制御部１５０は、機能的には、輝度補正部１５５をさらに備える。

【0068】

輝度補正部１５５は、形状演算部１５２により演算された計測対象面の３次元形状データに基づいて、温度計測領域に存在する画素の輝度を補正する。具体的には、まず、形状演算部１５２により演算された計測対象の３次元形状を示すデータに基づいて、ＸＹ平面に対する温度計測領域の面の傾きを演算する。ＸＹ平面に対する温度計測領域の面の傾きは、例えば、図１１に示すように温度計測領域に存在する点群にフィットする平面を生成し、このフィットする面とＸＹ平面とのなす角φとして演算される。点群にフィットする平面は、例えば、最小二乗法を用いて生成すればよい。

【0069】

次に、演算されたＸＹ平面に対する面の傾きに基づいて、温度計測領域における輝度を補正する。具体的には、図１０の補正データ記憶部１４４を参照して面の傾きに対応する重み係数を読み取り、図８の温度演算処理で演算した平均輝度に読み取った重み係数を乗算することで、平均輝度の補正値を得る。

【0070】

温度演算部１５３は、輝度補正部１５５により補正された平均輝度に基づいて計測対象面の補正された温度を演算する。具体的には、図４（ｃ）の相関データ記憶部１４３に記憶された相関データを参照して平均輝度の補正値を温度に変換する。
以上が、処理ユニット１００のハードウェア構成である。

【0071】

次に、図１２を参照して、実施の形態２に係る処理ユニット１００の制御部１５０が実行する計測処理の流れを説明する。
まず、制御部１５０は、ステップＳ１の処理を実行し、次に、ステップＳ２、Ｓ３の処理を並行して実行する。ステップＳ２の形状演算処理では、図７のフローチャートに示す処理を実行し、ステップＳ３の温度演算処理では、図８のフローチャートに示す平均輝度を演算する処理（ステップＳ２３）まで実行し、ステップＳ２４の処理は省略する。次に、ステップＳ４、Ｓ５の処理を順次実行する。

【0072】

次に、制御部１５０は、ステップＳ５の処理で演算された計測対象面の３次元形状データに基づいて、温度計測領域に存在する画素の輝度を補正し、補正された輝度に基づいて計測対象面の温度を演算する温度補正処理を実行する（ステップＳ５Ａ）。以下、図１３を参照して、制御部１５０が実行する温度補正処理の流れを説明する。

【0073】

まず、輝度補正部１５５は、記憶部１４０に記憶された計測対象面の３次元形状を示すデータに基づいて、撮影画像毎にＸＹ平面に対する温度計測領域の面の傾きを演算する（ステップＳ３１）。ＸＹ平面に対する温度計測領域の面の傾きは、例えば、図１１に示すように温度計測領域に存在する点群にフィットする平面を生成し、このフィットする面とＸＹ平面とのなす角として演算される。

【0074】

対象とする撮影画像に設定された温度計測領域の位置は、計測対象に設定された光切断線が描画された部分のｘ座標値と、撮影画像における光切断線と温度計測領域との間の画素数ｒとに基づいて特定すればよい。画素数ｒは、空間座標系におけるＸ軸方向の距離に変換すればよい。

【0075】

次に、輝度補正部１５５は、ステップＳ３１の処理で演算されたＸＹ平面に対する面の傾きに基づいて、撮影画像毎に温度計測領域における平均輝度を補正する（ステップＳ３２）。具体的には、図１０の補正データ記憶部１４４を参照して面の傾きに対応する重み係数を読み取り、図８の温度演算処理で演算した平均輝度に読み取った重み係数を乗算することで、平均輝度の補正値を得る。

【0076】

次に、温度演算部１５３は、図４（ｃ）の相関データ記憶部１４３に記憶された相関データを参照して、ステップＳ３２の処理で演算された平均輝度の補正値から温度を演算（ステップＳ３３）、処理をリターンする。

【0077】

図１２に戻り、出力部１５４がステップＳ６の処理を実行し、全ての処理を終了する。
以上が、計測処理の流れである。

【0078】

以上説明したように実施の形態２に係る計測システム１は、演算された計測対象面の形状に関するデータに基づいて、温度計測領域に存在する画素の輝度を補正する輝度補正部１５５を備え、温度演算部１５３が補正された輝度に基づいて計測対象面の補正された温度を演算する。このため、計測対象面における温度計測の精度を向上させることができる。

【0079】

本発明は上記実施の形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。

【0080】

（変形例）
上記実施の形態では、ラインレーザ光源２がレーザ光を放射していたが、本発明はこれに限られない。カメラ３により計測対象面におけるラインレーザ光が描画された部分の撮影が可能であれば、ラインレーザ光源２以外の光源を用いてもよい。

【0081】

上記実施の形態では、ラインレーザ光源２から出射される可視域のレーザ光として赤色光を用いていたが、本発明はこれに限られない。計測対象の温度を考慮して、例えば、緑色、青色などの他の波長のレーザ光を出射してもよい。

【0082】

上記実施の形態では、搬送装置４が計測対象をＸ軸方向に移動させていたが、本発明はこれに限られない。計測対象を静止させておき、互いに位置決めされたラインレーザ光源２及びカメラ３を一体としてＸ軸方向に移動させてもよい。また、計測対象面の２次元形状を示すデータを取得する場合には、計測対象面とラインレーザ光源２及びカメラ３とを相対的に移動させる必要がないため、搬送装置４のような計測対象面とラインレーザ光源２及びカメラ３とを相対的に移動させる装置を省略してもよい。

【0083】

上記実施の形態では、温度計測領域が矩形状であったが、本発明はこれに限られない。温度計測領域は、例えば、円形、楕円形であってもよい。

【0084】

上記実施の形態では、撮影画像の輝度と温度との相関データを用いて計測対象面の撮影画像の輝度から計測対象面の温度を演算していたが、本発明はこれに限られない。例えば、各画素の輝度の差分を求め、輝度の変化の差分に基づいて計測対象面の温度変化を演算してもよい。

【0085】

上記実施の形態では、温度計測領域において輝度が平均輝度よりも標準偏差以上離れている画素を除去していたが、本発明はこれに限られない。例えば、温度計測領域において輝度が平均輝度から標準偏差を引いた輝度以下である画素を削除してもよい。また、温度計測領域から画素を除去せずに、全ての画素を用いて平均輝度を演算してもよい。

【0086】

上記変形例に関連して、温度計測領域のおける除去対象画素の除去処理において標準偏差以外の数値を用いて除去を行ってもよい。例えば、温度計測領域において輝度が平均輝度よりも標準偏差の２倍、３倍、…離れている画素を除去してもよい。また、温度計測領域において輝度が平均輝度よりも標準偏差とは無関係に設定した基準値だけ離れている画素を除去してもよい。

【0087】

上記実施の形態では、計測対象面における形状と温度とを計測し、その計測結果をディスプレイに表示していたが、本発明はこれに限られない。例えば、計測対象をビレットした場合において、計測システム１により互いに並行して計測した形状データと温度データとを圧延機に送信し、圧延機が形状データと温度データとに基づいてビレットに対するローラの押圧力やローラ間の距離を調整するか、加熱炉におけるビレットの加熱温度を上昇させてもよい。

【0088】

上記実施の形態２では、計測対象面の３次元形状データを生成した後に温度補正処理を実行していたが、本発明はこれに限られない。例えば、撮影画像の温度計測領域における輝度を読み取った後、当該撮影画像の温度計測領域に対応する計測対象面の領域における３次元形状データを生成し、生成された３次元形状データに基づいて当該撮影画像の温度計測領域のＸＹ平面に対する面の傾きを演算してもよい。

【0089】

上記実施の形態２では、温度計測領域における平均輝度を温度計測領域における面の傾きに基づいて補正していたが、本発明はこれに限られない。温度計測領域における各画素において対象画素に隣接する画素（例えば、対象画素の上下左右にある８つの画素）を含む領域を設定し、当該領域における面の傾きを演算し、演算された面の傾きに基づいて対象画素の輝度を補正してもよい。

【0090】

上記実施の形態では、処理ユニット１００の記憶部１４０に各種データが記憶されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種データは、その全部又は一部が通信ネットワークを介して外部の制御装置やコンピュータに記憶されていてもよい。

【0091】

上記実施の形態では、処理ユニット１００は、それぞれ記憶部１４０に記憶されたプログラムに基づいて動作していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、プログラムにより実現された機能的な構成をハードウェアにより実現してもよい。

【0092】

上記実施の形態では、処理ユニット１００は、例えば、汎用コンピュータであったが、本発明はこれに限られない。例えば、処理ユニット１００は、クラウド上に設けられたコンピュータで実現してもよい。

【0093】

上記実施の形態では、処理ユニット１００が実行する処理は、上述の物理的な構成を備える装置が記憶部１４０に記憶されたプログラムを実行することによって実現されていたが、本発明は、プログラムとして実現されてもよく、そのプログラムが記録された記憶媒体として実現されてもよい。

【0094】

また、上述の処理動作を実行させるためのプログラムを、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）のようなコンピュータにより読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、上述の処理動作を実行する装置を構成してもよい。

【0095】

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。

【実施例0096】

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0097】

（実施例１）
実施例１では、電気炉に試験片として鉄片を入れ、常温から１０００℃まで加熱しながら、実施の形態で説明した方法により鉄片の形状と温度とを並行して計測できるかどうかを検証した。ラインレーザ光源からラインレーザ光を鉄片に照射し、カメラによりラインレーザ光が照射された部分を含むように加熱中の鉄片表面を撮影した。カメラによる撮影時には、６６０ｎｍ付近の波長の光を透過するレーザ透過フィルタをカメラに着脱して鉄片を撮影した。フィルタを取り付けた場合の画像は、光切断センサ用画像として用い、フィルタを取り外した場合の画像は、光切断センサ用画像を用いた温度計測結果と比較するための温度計測用画像として用いる。また、鉄片の外観を肉眼で観察するため、デジタルカメラを用いて鉄片を撮影した。

【0098】

以下に実験結果を説明する。図１４に示すデジタルカメラ画像から理解できるように鉄片は温度上昇と共に赤熱した。温度計測用画像は、温度上昇に伴い面全体の輝度が大きく増加したのに対し、光切断センサ用画像は、ラインレーザ光が描画された部分を明瞭に撮影できるが、温度上昇に伴う輝度の変化が非常に小さかった。

【0099】

光切断センサ用画像の一部にラインレーザ光が描画された部分と重ならないように温度計測領域を設定した。温度計測領域のサイズは、縦５１ｐｉｘ×横３５１ｐｉｘである。この温度計測領域において平均輝度と輝度の標準偏差とを算出した。

【0100】

その結果を図１５のグラフに示す。予想していたとおり輝度の変化は、温度計測用画像（フィルタなし）の方が大きく、光切断センサ用画像（フィルタあり）の輝度変化は相対的に小さかった。とはいえ、下側のグラフから理解できるように、鉄片を温度８００℃～１０００℃まで加熱すると、光切断センサ用画像にも輝度変化が見られることが判明した。

【0101】

（実施例２）
実施例２では、製鋼工程において中間素材であるビレット表面に発生するスケールが光切断センサ用画像の平均輝度や標準偏差に影響を及ぼすかどうかを検証した。スケールは、黒皮とも呼ばれ、熱処理により鋼材表面に発生する酸化被膜である。

【0102】

計測システムのカメラでは、露光時間３００μｓで高温のビレットを撮影し、図１６の模式図（コントラスト調整前）に示すような画像を取得した。肉眼での表面観察のため画像のコントラストを調整すると、図１６の模式図（コントラスト調整後）に示すような黒い斑点状にスケールが点在していた。コントラスト調整前の画像の対象領域に対してスケールを示す画素を隠すマスク処理を人手により行った。次いで、マスク処理の前後における対象領域の画素の平均輝度及び輝度の標準偏差σをそれぞれ算出した。対象領域は、ラインレーザ光が描画された部分と重ならない９００ｐｉｘ×３００ｐｉｘの領域である。

【0103】

その結果、スケールの除去前では、対象領域の画素の平均輝度が９．２１５で、２σが３．２９０あるのに対し、スケールの除去後では、対象領域の画素の平均輝度が９．７６０１で、２σが２．４０８０であった。以上から画像上に点在するスケールを示す画素にマスク処理を施すことで、スケールの影響を除外した正確な温度を演算できることが理解できる。

【符号の説明】

【0104】

１ 計測システム
２ ラインレーザ光源
３ カメラ
３ａ 波長フィルタ
４ 搬送装置
１００ 処理ユニット
１１０ 操作部
１２０ 表示部
１３０ 通信部
１４０ 記憶部
１４１ 画像データ記憶部
１４２ 係数記憶部
１４３ 相関データ記憶部
１４４ 補正データ記憶部
１５０ 制御部
１５１ 取得部
１５２ 形状演算部
１５３ 温度演算部
１５４ 出力部
１５５ 輝度補正部

【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】

【図15】

【図16】