トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験




【発明の名称】 コイル位置検出装置
【発明者】 【氏名】猪股 雅一

【氏名】杉浦 寛幸

【氏名】上杉 満昭
【要約】 【課題】鏡面状でも、位置を正確に演算できるコイル位置検出装置を得る。

【解決手段】レーザスリット光を照射するスリット光走査装置１２と、画像を撮像するテレビカメラ１０と、明るさが変化した部分を抽出し、２値化処理画像を作成する画像合成装置１４と、撮像画像に正反射した光が入力したものと判断すると、スリット光走査装置１２レーザスリット光の照射位置を変更させて照射させるように指示する正反射光ノイズ除去装置１７と、明るさが変化した部分の断面形状データを算出する形状演算装置１６と、コイル部分の断面形状データを抽出し、コイルの幅、幅の中心位置、コイルの径及び径の中心位置を算出するコイル演算装置１８とを備えている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 コイルの運搬を行う天井クレーンに取り付けられ、前記コイルに複数の直線状レーザスリット光を照射するレーザ光投光手段と、前記天井クレーンに取り付けられ、前記コイルを被写体とした画像を撮像する撮像手段と、該撮像手段が撮像した画像を処理して、前記各レーザスリット光の照射により明るさが変化した部分を判断して抽出する画像処理手段と、前記撮像手段が撮像した画像に、前記レーザスリット光により正反射した光が入力したかどうかを判断し、前記正反射した光が入力したものと判断すると、前記レーザ光投光手段に直線状レーザスリット光の照射位置を変更させて照射させるように指示する正反射検出手段と、前記処理画像に基づいて、前記明るさが変化した部分の３次元形状データを算出する形状演算手段と、前記形状演算手段が算出した前記３次元形状データのうち、前記コイル部分と判断した３次元形状データを抽出し、前記抽出した３次元形状データを前記コイルの径方向に投影して、少なくとも前記コイルの幅及び幅の中心位置を算出し、また、前記抽出した３次元形状データを前記コイルの幅方向に投影して、少なくとも前記コイルの径及び径の中心位置を算出するコイル演算手段とを備えたことを特徴とするコイル位置検出装置。
【請求項２】 前記レーザ光投光手段は、前記各レーザスリット光の投光角度を表す投光角度信号を出力し、前記正反射検出手段は、前記処理画像及び前記投光角度信号に基づいて、抽出した部分の画素を前記レーザスリット光毎に計数し、前記レーザスリット光毎の画素数に基づいて、前記撮像手段が撮像した画像に前記正反射した光が入力したかどうかを判断することを特徴とする請求項１記載のコイル位置検出装置。
【請求項３】 前記レーザ光投光手段は、レーザスポット光を２次元的に走査して前記複数のレーザスリット光を照射することを特徴とする請求項１又は２記載のコイル位置検出装置。
【請求項４】 前記レーザ光投光手段は、前記正反射検出手段から直線状レーザスリット光の照射位置の変更を指示されると、前記直線状レーザスリット光の間隔の半周期ずらせて照射することを特徴とする請求項１、２又は３記載のコイル位置検出装置。
【請求項５】 前記コイル演算手段は、前記３次元形状データを前記コイルの径方向に投影する際、前記コイルの径を垂線とし、かつ前記天井クレーンに鉛直な線分と平行な面に投影することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコイル位置検出装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の位置・高さ等の３次元形状（位置）を非接触で計測する装置であって、特に製鉄所のコイルヤードで無人化運転される天井クレーンに備えられ、コイルの中心位置等を検出するコイル位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】物体の位置・高さ等の３次元情報を簡便に計測する方法として、従来から光切断法がよく知られている。この光切断法においては、被測定物にレーザスリット光を照射し、被測定物表面に写し出されるレーザスリット光の形状パターン（光切断線）を、レーザスリット光の照射方向とは別の方向からテレビカメラで撮像する。このとき、被測定物に凹凸があれば、光切断線は撮像した画像上で被測定物の凹凸に応じて変形する。そこで、テレビカメラで撮像したときの光切断線の位置（変形量）と、レーザスリット光の投光角度から、三角測量の原理に基づいて被測定物の形状を演算する。この被測定物をコイルとし、コイルヤードにあるコイルの幅、径中心位置等の測定に応用したのがコイル位置測定装置である。
【０００３】次に、この方法をコイル位置測定装置に適用した場合について説明する。テレビカメラで撮像し、処理した画像においては、通常、光切断線の部分が明るい（つまり、輝度が高い）。そこで、２値化処理により高輝度部分と低輝度部分とに分け、高輝度部分だけを抽出する。そして抽出した部分とレーザスリット光の投光角度から三角測量の原理に基づいてコイルの３次元形状を演算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、コイル位置検出装置は、スリット状のレーザ光をコイル表面に照射し、そのコイル表面に現れる光切断線を撮像して３次元の形状データを作成し、その形状データに基づいてコイルの中心位置等を演算する。そして、その演算結果を利用してクレーンを制御し、コイル運搬等を行う。ここで、検出対象であるコイルの表面性状が照射光を拡散反射する拡散性状であれば、コイル表面に照射したレーザ光は、広い角度にわたって拡散反射する。そのため、コイルの形状に関わらず、テレビカメラに入力する光の強さは常に安定する。
【０００５】しかし、レーザ光照射対象のコイル表面の性状が鏡面状に近い場合には、照射したレーザ光は拡散反射せずに正反射（＝鏡面反射）する。したがって、レーザ光を照射するコイル表面位置によって、テレビカメラに入力する光の強さは大きく変化する。
【０００６】図１１は、レーザ光を照射するコイルの位置とテレビカメラとの位置関係とを表した図である。例えば、コイル表面の性状により、照射したレーザ光が拡散する場合は、レーザ光をＡ点に照射してもＢ点に照射してもテレビカメラに入力する光の強さはほぼ一定である。一方、コイル表面の性状により、照射したレーザ光が正反射する場合には、Ａ点に照射した時には、正反射した光はテレビカメラに入力しないので、テレビカメラに入力される光は強くない。しかし、Ｂ点に照射した時には、正反射した光がテレビカメラに入り込むため、このときの光は非常に強くなる。ここで、通常、コイルの形状は円筒形であることから、このようにテレビカメラに正反射光が入力する時のレーザ光照射位置は、レーザ光源とテレビカメラの配置とコイル表面の傾きとによって決まり、その位置はコイル表面の特定部分に限定される。
【０００７】図１２は撮像処理した画面を表した図である。正反射を起こすような表面性状のコイルでの位置検出を従来通りの方法で行うと、上述のようにレーザ光源、コイルの形状及びテレビカメラの位置関係によっては、テレビカメラに正反射光が入力される場合がある。テレビカメラに正反射光のような非常に強い光が入ると、テレビカメラのレンズ及び撮像面（例えば、ＣＣＤ）で構成される光学系内部では、入力した光が反射、散乱等を起こす。そのため、撮像面において結像されたその光は、実際のレーザ光より広がりをもつ。また、場合によっては、レンズと撮像面との間で生じるゴースト画像が映り込む等の現象を生じることがある。そのため、画面上では、実際得られるべき照射部分以外の部分でも輝度が高い部分が生じることとなり、レーザ光の照射による光切断線を正確に検出することができない。
【０００８】したがって、テレビカメラがその反射光を受ける位置によっては、正反射により生じた光の広がりが、真のコイルエッジより外側にまで達してしまう場合がある。そのため、コイルが実在しない部分についても、あたかもコイルが存在するかのように検出されてしまう。従来の位置検出装置でコイル幅、中心位置を演算した場合、光が広がった分だけ、コイル幅を広く検出してしまうために、正確なコイル幅等が求められないという問題点があった。
【０００９】本発明は上記のような問題を解決するためのものであり、コイル表面の性状が鏡面状であっても、コイルの位置を正確に演算できるようなコイル位置検出装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係るコイル位置検出装置は、コイルの運搬を行う天井クレーンに取り付けられ、コイルに複数の直線状レーザスリット光を照射するレーザ光投光手段と、天井クレーンに取り付けられ、コイルを被写体とした画像を撮像する撮像手段と、撮像手段が撮像した画像を処理して、各レーザスリット光の照射により明るさが変化した部分を判断して抽出する画像処理手段と、撮像手段が撮像した画像に、レーザスリット光により正反射した光が入力したかどうかを判断し、正反射した光が入力したものと判断すると、レーザ光投光手段に直線状レーザスリット光の照射位置を変更させて照射させるように指示する正反射検出手段と、処理画像に基づいて、明るさが変化した部分の３次元形状データを算出する形状演算手段と、形状演算手段が算出した３次元形状データのうち、コイル部分と判断した３次元形状データを抽出し、抽出した３次元形状データをコイルの径方向に投影して、少なくともコイルの幅及び幅の中心位置を算出し、また、抽出した３次元形状データをコイルの幅方向に投影して、少なくともコイルの径及び径の中心位置を算出するコイル演算手段とを備えている。本発明においては、レーザ光投光手段は、コイルの運搬を行う天井クレーンに取り付けられ、複数の直線状レーザスリット光を、コイルを切断するように照射する。撮像手段が撮像した画像を画像処理手段が処理し、各レーザスリット光の照射により明るさが変化した部分を判断して抽出し、処理画像を作成する。正反射光検出手段が、撮像手段が撮像した画像に、レーザスリット光により正反射した光が入力したかどうかを判断し、正反射した光が入力したものと判断すると、レーザ光投光手段に直線状レーザスリット光の照射位置を変更させて照射させるように指示し、正反射した光が入力した場合にはその画像での位置検出は行わない。形状演算手段は、処理画像に基づいて３次元形状データを作成する。コイル演算手段は、形状演算手段が算出した３次元形状データのうち、コイル部分の３次元形状データを判断して抽出し、抽出した３次元形状データをコイルの径方向に投影してコイルの幅及び幅の中心位置を算出する。また、抽出した３次元形状データをコイルの幅方向に投影してコイルの径及び径の中心位置を算出する。
【００１１】また、本発明に係るコイル位置検出装置において、各レーザスリット光の投光角度を表す投光角度信号を出力し、正反射検出手段は、処理画像及び投光角度信号に基づいて、抽出した部分の画素をレーザスリット光毎に計数し、レーザスリット光毎の画素数に基づいて、撮像手段が撮像した画像に正反射した光が入力したかどうかを判断するものである。本発明においては、レーザ光投光手段は、レーザスリット光の照射により得られる情報である投光角度信号をさらに出力する。正反射検出手段は、処理画像及び投光角度信号に基づいて、レーザスリット光毎に、抽出した部分の画素を計数し、レーザスリット光毎の画素数に基づいて、異常に画素数の多いものは正反射した光が入力したものと判断する。
【００１２】また、本発明に係るコイル位置検出装置において、レーザ光投光手段は、レーザスポットを２次元的に走査して複数のレーザスリット光を照射するものである。本発明においては、レーザ光投光手段は、複数のレーザスリット光を照射する際、レーザ光の点であるレーザスポットを２次元的に走査して照射する。
【００１３】また、本発明に係るコイル位置検出装置において、レーザ光投光手段は、正反射検出手段から直線状レーザスリット光の照射位置の変更を指示されると、直線状レーザスリット光の間隔の半周期ずらせて照射するものである。本発明においては、レーザ光投光手段が、正反射検出手段から直線状レーザスリット光の照射位置を変更を指示されると、レーザスリット光の間隔の半周期分照射位置を変更させて、反射光が生じないような位置で再度照射する。
【００１４】また、本発明に係るコイル位置検出装置においては、コイル演算手段は、３次元形状データをコイルの径方向に投影する際、コイルの径を垂線とし、かつ天井クレーンに鉛直な線分と平行な面に投影する。本発明においては、コイル演算手段は、３次元形状データをコイルの径方向に投影する際、コイルの径を垂線とし、かつ天井クレーンに鉛直な線分と平行な面に投影し、必ずコイルの最も高い部分が含まれるようにする。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施形態１．図１は本発明のコイル計測装置の計測原理を説明するための構成図である。図では、基準面（床面）１上にコイル３が置かれている。撮像手段となるテレビカメラ１０は、基準面１にその中心軸が直交するように配置され、撮像画像を映像信号に変換して送信する。レーザ光投光手段となるスリット光走査装置１２は、テレビカメラ１０とは異なった位置に配置されている。スリット光走査装置１２は、レーザスポット光からレーザスリット光１２ａを生成させるとともにそれを走査し、コイル３を切断させるように照射する。また、その走査に基づいた投光角度θを表す投光角度信号を送信する。画像合成手段となる画像合成装置１４は、テレビカメラ１０から送信された映像信号及びスリット光走査装置１２から送信された投光角度信号に基づいて、２値処理画像信号及び投光角度画像信号を生成処理する。形状演算手段となる形状演算装置１６は、画像合成装置１４が生成処理した２値処理画像信号及び投光角度画像信号に基づいて３次元の断面形状データを演算する。正反射検出手段となる正反射光ノイズ除去装置１７は、正反射光が入力した場合に、撮像画像ではレーザ光が広がることを利用して、レーザ光の広がりが生じているかどうかを判断し、生じているものと判断するとレーザ光照射位置を変更させる。コイル演算手段となるコイル演算装置１８は形状演算装置１６が求めた３次元の断面形状データに基づいて、コイル３の径、幅等を求める。その際に、正反射に基づくレーザスポット光の広がりにより生じる成分を除去する。コイル位置検出装置の構成は以上であるが、図１のコイル位置検出装置の全体動作を説明する前に、測定方法、画像合成方法、レーザスリット光の位置と投光角度θとの関係及び形状演算原理の観点から、それぞれ関連する装置の動作について説明する。
【００１６】（Ａ）測定方法図２はスリット光走査装置１２の構成を示した図である。図２に基づいて本実施の形態の測定方法について説明する。測定方法は、一般的に光切断法と呼ばれる方法を用いる。図において、半導体レーザ２０は、レーザスポット光を発する。駆動モータ２２ａは、第１の走査ミラー２２の回転を制御する。第１の走査ミラー２２は、回転しながら半導体レーザ２０が発するレーザスポット光を反射する。これにより、レーザスポット光が走査し、レーザスリット光が生成される。ここで、駆動モータ２２ａは、生成されたレーザスリット光の向きが図１のｙ軸方向となるように第１の走査ミラー２２の回転を制御する。また、駆動モータ２４ａは、第２の走査ミラー２４の回転を制御し、生成されたレーザスリット光の照射位置を、図１のｘ軸方向に対して制御する。これにより、生成されたレーザスリット光がｘ軸方向に走査され、複数のレーザスリット光が照射される。そして、同時に第２の走査ミラー２４により定められる投光角度θを、投光角度信号として画像合成装置１４に送信する。テレビカメラ１０は、撮像した画像を映像信号として画像合成装置１４に出力する。
【００１７】そして、第２の走査ミラー２４をθからΔθだけ回転させて再度実行する。このような動作を適当回繰り返す。ここで、コイル位置等の計測のためには投光角度θの値が必要であり、コイル上にレーザスリット光を適当数照射でき、θの値が確定できれば、回転させるΔθの値はその都度同じでなくてもかまわない。
【００１８】画像合成装置１４は、テレビカメラ１０の映像信号を、各々の光切断線による映像信号を合成しながら処理する。そして、映像信号と投光角度信号とから２値処理画像信号及び投光角度画像信号を生成する。形状演算装置１６は、画像合成装置１４が画像処理した２値処理画像信号及び投光角度画像信号を用いて、３次元の断面形状データを複数演算する。これらの演算結果に基づいて、コイル３の全体形状を得る。
【００１９】ここで、測定精度を上げるため、光切断線（投射角θのレーザスリット光）と光切断線（投射角θ＋Δθのレーザスリット光）との間に不要にレーザ光を照射しないようにする必要がある。そこで、図２のスリット光走査装置１２には、遮蔽板２６を設けている。これを駆動モータ２４ａと同期させて制御し、レーザスリット光の投光角度θがθ＋Δθに変化するまでの間は、レーザスリット光がコイル３に照射されないようにする。これは、レーザスリット光の投光角度θがθ＋Δθに変化するまでの間、半導体レーザ２０にレーザスポット光を発生させないようにしても実現できる。なお、第２の走査ミラー２４の回転ピッチΔθを細かくするほどコイル３の形状分解能は向上する。しかし、その一方で演算処理が多くなり、測定時間は長くなる。
【００２０】コイル演算装置１８は、それぞれの形状データ及び投光角度θに基づいてコイルの中心位置、幅等を算出する。
【００２１】（Ｂ）画像合成方法図３は画像合成装置１４の構成を示すブロック図である。テレビカメラ１０から送信される映像信号は、Ａ／Ｄ変換器３０によりデジタル信号に変換され、最大輝度画像演算部３１に入力される。最大輝度画像演算部３１は、コンパレータ３１ａ、セレクタ３１ｂ及び最大輝度画像メモリ３２で構成されている。この最大輝度画像演算部３１は、コンパレータ３１ａ及びセレクタ３１ｂにより各画素領域の最大輝度レベルの映像信号を求め、最大輝度画像メモリ３２内の該当する画素領域に格納する。
【００２２】この最大輝度画像演算部３１が最大輝度画像信号を格納するまでの処理手順を詳細に説明する。Ａ／Ｄ変換器３０を介してある画素領域の映像信号ａc が入力されると、コンパレータ３１ａは、最大輝度画像メモリ３２から、映像信号ａcに対応する画素領域の信号ａm を読み出す。そして、その映像信号ａc の輝度レベルと最大輝度画像メモリ３２の信号ａm の輝度レベルとを比較する。ここで、ａc ＞ａm の場合には、セレクタ３１ｂ及びコード化画像演算部３４のセレクタ３４ａにセレクタ信号を送信する。セレクタ３１ｂはセレクタ信号が入力されると、最大輝度画像メモリ３２の信号ａm をその映像信号ａc に書き換える（つまり、ａc ＝ａm ）。また、ａc ≦ａm の場合は、書き換えない（つまり、ａm ＝ａm ）。このような処理を、テレビカメラ１０から入力されてくる映像信号ａcについて順次行う。したがって、最大輝度画像メモリ３２には、各画素領域の最大輝度画像レベルが最大輝度画像信号として格納される。
【００２３】また、スリット光走査装置１２から送信されるレーザスリット光の投光角度信号は、Ａ／Ｄ変換器３３によりデジタル信号に変換され、コード化画像演算部３４に入力される。コード化画像演算部３４は、セレクタ３４ａ及び投光角度画像メモリ３５で構成されている。このコード化画像演算部３４では、各画素領域について、最大輝度画像レベルが得られたときの投光角度信号を、最大輝度画像メモリ３２に対応する投光角度画像メモリ３５の画素領域に投光角度θを表す投光角度画像信号としてコード化し、格納する。
【００２４】このコード化画像演算部３４が投光角度信号を格納する処理手順を詳細に説明する。最大輝度画像演算部３１のコンパレータ３１ａは、映像信号ａc の輝度レベルと最大輝度画像メモリ３２の信号ａm の輝度レベルとを比較し、ａc ＞ａmを満たすものと判断すると、セレクタ信号を出力する。セレクタ３３ａがそのセレクタ信号を受け取ると、輝度レベルの比較対象となった画素領域に対応する投光角度画像メモリ３４の信号ｂm を、その時に送信される投光角度信号が表す投光角度θをコード化した投光角度画像信号ｂc に書き換える。このような処理を、テレビカメラ１０から入力されてくる映像信号ａc 及びスリット光走査装置１２から入力されてくる投光角度信号ｂc に基づいて順次行う。したがって、角度信号画像メモリ３５には、各画素領域において最大輝度画像レベルとなった時の投光角度θが投光角度画像信号ｂm として格納される。
【００２５】更に、テレビカメラ１０から送信される映像信号は、Ａ／Ｄ変換器３６によりデジタル信号に変換され、最小輝度画像演算部３７に入力される。最小輝度画像演算部３７は、コンパレータ３７ａ、セレクタ３７ｂ及び最小輝度画像メモリ３８で構成されている。この最小輝度画像演算部３７は、コンパレータ３７ａ及びセレクタ３７ｂにより、各画素領域の最小輝度レベルの映像信号を求め、最小輝度画像メモリ３８内の該当する画素領域に格納する。
【００２６】この最小輝度画像演算部３７が最小輝度画像信号を格納するまでの処理手順を詳細に説明する。コンパレータ３７ａは、Ａ／Ｄ変換器３６を介してある画素領域の映像信号ａc が入力されると、最小輝度画像メモリ３８から、その映像信号ａc に対応する画素領域の信号ａmiを読み出す。そして、その映像信号ａc の輝度レベルと最小輝度画像メモリ３８の信号ａmiの輝度レベルとを比較する。ここで、ａc ＜ａmiの場合には、セレクタ３１ｂ及びコード化画像演算部３４のセレクタ３４ａにセレクタ信号を送信する。セレクタ３１ｂはセレクタ信号が入力されると、最小輝度画像メモリ３８の信号ａmiをその映像信号ａc に書き換える（つまり、ａc ＝ａmi）。ａc ≧ａmiの場合は、書き換えない（つまり、ａmi＝ａmi）。このような処理を、テレビカメラ１０から入力されてくる映像信号ａc について順次行う。したがって、最小輝度画像メモリ３８には、画素領域の最小輝度画像レベルが最小輝度画像信号として格納される。
【００２７】図４は画像合成装置１４の演算処理を概念的に示した説明図である。図４（ａ）は、Ａ−Ａ’間の最大輝度画像レベルを表した図である。図４（ｂ）は、Ｂ−Ｂ’間の最小輝度画像レベルを表した図である。図４（ｃ）は、Ｃ−Ｃ’（Ａ−Ａ’）間において、最大輝度画像レベルを得たときの投光角度θを表した図である。図４（ｂ）では、レーザスポット光以外の光の反射光（背景光）に影響を受けたために、コイル部分の最小輝度画像レベルが基準面の輝度よりも高くなっている。画像合成装置１４は、上述のように、テレビカメラ１０で撮像した映像信号をリアルタイム処理し、各画素領域の最大輝度画像レベル及び最小輝度画像レベルを検出して各々最大輝度画像メモリ３２、最小輝度画像メモリ３８に保持する。また、最大輝度画像レベルとなったタイミング（通常、レーザスポット光が照射される位置では、視野内の対応する点に当たった時）での投光角度信号を投光角度画像メモリ３５の、最大輝度画像メモリ３２に対応する画素領域に記録する。したがって、複数のレーザスリット光が合成された最大又は最小輝度画像信号と投光角度画像信号とを同時に得ることができる。
【００２８】（Ｃ）レーザスリット光の位置と投光角度情報の抽出上述の最大輝度画像信号、最小輝度画像信号及び投光角度画像信号から、光切断線を抽出するために、次式（１）に示す画像演算を行い、背景光（レーザ光以外の影響により生ずる光）の影響による輝度レベルを差し引く。
輝度画像レベル＝最大輝度画像レベル−最小輝度画像レベル …（１）
（１）式の画像演算により背景光の影響を差し引いた輝度画像レベルを算出し、更に比較部３９において、予め設定した閾値レベルで２値化処理し、閾値レベル以上の高輝度の部分（通常、光切断線）だけを２値化処理画像信号として抽出する。なお、本実施の形態においては、上述のように、最小輝度画像演算を同時に行い、最大輝度レベルと最小輝度レベルとの差を算出してから比較部３９で２値化処理することにしているが、最大輝度画像のみに基づいて、比較部３９で２値化処理を行い、高輝度部分を抽出するようにしても良い。
【００２９】画像合成装置１４では、輝度画像メモリ３９ａに記憶させた２値化処理画像信号を送信する。また、投光角度画像メモリ３５から投光角度画像信号を送信する。
【００３０】（Ｄ）形状演算原理次に２値化処理画像信号及び投光角度画像信号による、三角測量法に基づいた３次元の断面形状データ演算について説明する。形状演算装置１６では、スリット光走査装置１２により生成される複数のレーザスリット光について、その光切断線のそれぞれの３次元座標を演算することによりコイル３の全体形状を求める。この形状演算は三角測量の方式に基づいたものである。スリット光走査装置１２からコイル３上にレーザスリット光１２ａを投光角度θで投光する。その状態を撮像した画像から抽出したレーザ光が当たった点（ｘ′，ｙ′）の高さｚ（ｘ′，ｙ′）は、撮像画像のパースペクティブ効果を考慮すると、次式（２）のような関係で表される。
ｚ（ｘ′，ｙ′）＝Ｚ0 −｛Ｘ0 −（１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ）ｘ｝
×tan θ（ｘ′，ｙ′） …（２）
ｘ′ ：テレビカメラで撮像された画像の基準面上での位置（ｘ軸方向）
ｙ′ ：テレビカメラで撮像された画像の基準面上での位置（ｙ軸方向）
Ｘ0 ：レーザ光走査回転軸のｘ座標Ｚ0 ：レーザ光走査回転軸のｚ座標ａ ：テレビカメラ−基準面間の距離θ ：レーザスリット光投光角度上記の（２）式を変形すればレーザスリット光が当たった点の高さｚ（ｘ′，ｙ′）は次式（３）で求まる。
【００３１】
【数１】

【００３２】また、画像上でレーザ光が抽出された点（ｘ’，ｙ’）の３次元座標上での座標（ｘ，ｙ）は次式（４）及び（５）で与えられる。
ｘ＝｛１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ｝ｘ′ …（４）
ｙ＝｛１−ｚ（ｘ′，ｙ′）／ａ｝ｙ′ …（５）
【００３３】以上の説明から明らかなように、レーザスリット光が投光角度θでテレビカメラ１０の画像上の座標（ｘ′，ｙ′）に検出された点の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は上記の（３）、（４）、（５）式で求まる。ここで、上記の（４）、（５）式は、コイル３とテレビカメラ１０との間の距離が有限であるためにテレビカメラ１０に近いものほど大きく見えるというパースペクティブ効果に対する補正を施したものである。撮像した画像を単に処理だけの２次元画像だけでは正確な形状検出ができず、補正をすることが必要なことが分かる。
【００３４】図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１の光学系（テレビカメラ１０、スリット光走査装置１２）を天井クレーンに配置した場合における平配置図、正面図及びテレビカメラ１０の視野内の映像をそれぞれ示した図である。同図（Ａ）に示されるように、テレビカメラ１０は、トロリ３０の横行方向に対して時計回りに４５°回転させた方向に、且つその光軸が鉛直方向下向きに位置するように配置される。また、スリット光走査装置１２は、トロリ３０上で、かつテレビカメラ１０のｘ軸上に設置される。そして、生成するレーザスリット光の向きがテレビカメラ１０のｙ軸方向に平行となるように調整される。また、測定対象となるコイル３は、天井クレーンの横行方向又は走行方向に平行に置かれている。通常、ヤード内においては、コイル３は天井クレーンの横行方向又は走行方向の何れかに配置され、その配置方向はヤードを管理しているシステムコンピュータにおいて把握されているものなので、このようにコイル３を配置することは可能である。したがって、本実施の形態では、テレビカメラ１０によって撮像されるコイル３の姿勢は、視野内で４５°傾いた（回転した）状態となっているものとする。
【００３５】スリット光走査装置１２は、レーザスポット光からレーザスリット光を生成し、コイル３を切断するように、テレビカメラ１０の視野内でそのレーザスリット光を走査する。テレビカメラ１０はその状態を撮像する。撮像した画像は、コイル３に対して斜め４５度方向にレーザスリット光が照射された画像となる。画像合成装置１４は上述の方法により合成画像を生成する。形状演算装置１６は、その合成画像に基づいてレーザスリット光が当たった部分（光切断線）の形状を上述の演算式に基づいて演算する。各光切断線について演算を行うことにより、コイル・台車、床面等、テレビカメラ１０の測定視野内の物体の複数の断面形状を得ることができる。
【００３６】正反射光ノイズ除去装置１７は、画像合成装置１４から送信される２値化処理画像及び投光角度画像に基づいてテレビカメラ１０への正反射光の入力が生じているかどうかを判断する。
【００３７】図６は、正反射光入力が生じていない２値化処理画像及び各投光角度における画素の数を表すヒストグラムを示す図である。正反射光がテレビカメラ１０に入力しなければ、各投光角度となる画素の数はほぼ均一なものとなる。これは、撮像されるレーザスポット光の大きさが各投光角度により差がないためである。
【００３８】図７は、正反射光入力が生じている２値化処理画像及び各投光角度における画素の数を表すヒストグラムを示す図である。正反射光のような強い光がテレビカメラ１０に入力されると、その光は大きく撮像される。そのため、その時の投光角度だけが画素数が増える（つまり、正反射光入力が生じた投光角度の画素数が最も多くなる）。
【００３９】そこで、正反射光ノイズ除去装置１７には閾値を設ける。そして、正反射光ノイズ除去手段１７は、閾値以上の画素数となる投光角度が存在すれば正反射光が生じているものと判断する。正反射光が生じているものと判断すると、正反射光ノイズ除去手段１７は、スリット光走査装置１２に対し、例えば、レーザスリット光の間隔を半分（半周期）程度ずらして再度照射するように指示を出す。
【００４０】図８はレーザスリット光の間隔をずらす前後を示す図である。テレビカメラ１０へ正反射光が入力する場合、クレーン上に取り付けてあるカメラとレーザ投光位置とコイルの表面形状との位置関係で決まり、その位置は限られる。したがって、再度、その位置にレーザ光を照射しなければ、テレビカメラ１０への正反射光の入力をなくすことができ、テレビカメラ１０へは正反射光が入力されなくなる。
【００４１】次に、コイル演算装置１８はその断面形状データを用いて、コイルの方が床面や台車より高いことから、コイルと周辺部（床面及び台車）とを高さの違いから識別し、コイルと判断される部分の形状データのみを抽出する。更に、抽出されたコイルの断面形状のデータから、コイルの位置を検出するために、コイルの径方向及び幅方向の投影形状のデータを求める。ここで、コイルの径方向へは、基準面１と垂直な面に投影するものとする。
【００４２】図９はコイルの径方向投影及び幅方向投影の投影形状のデータを求める際の説明図である。図９では、説明を簡単にするために、レーザスリット光の数及びスリット光走査装置１２の投光方向を、図５とは別にしている。ここでは、検出ヘッドであるテレビカメラ１０の設置角度（４５°）分回転させた方向、すなわちトロリ３０の横行方向及び走行方向にそれぞれコイル３の形状を投影する。コイル幅方向への投影では、各断面形状のコイル幅方向に対する形状データの平均値を求め、その値を幅方向の投影形状のデータとする。また、コイル径方向への投影では、各断面形状のコイル径方向に対する形状データの最大値を径方向の投影形状のデータとする。
【００４３】図１０はコイル幅の投影形状と幅判別用の閾値レベルとの関係を表す図である。コイル演算装置１８は、断面形状をコイル幅方向及び径方向に投影したそれぞれの投影形状データから、コイルの幅方向位置、コイル幅、コイル径方向中心位置及びコイル径を求める。コイルの径方向については、ある閾値を設定し、図９に示されるように、投影した径方向の投影形状データから、閾値以上の部分の左右両端の点を検出し、その点をコイルの右エッジ及び左エッジとして認識する。コイル幅及び幅中心位置は、それぞれ次式（５）及び（６）により求められる。
コイルの幅中心位置 ＝（右エッジ＋左エッジ）／２ …（５）
コイル幅 ＝｜右エッジ−左エッジ｜ …（６）
【００４４】次に幅方向の投影形状のデータ算出について説明する。図９のレーザスリット光４１、４２、４３において、例えば図示の点における平均値を求め、その平均値をコイル幅方向の投影形状における点の座標値とする。同様にして、レーザスリット光４１、４２、４３、４４の他の点についてもその平均値を求め、コイル幅方向の全体の投影形状４５を求める。理論的には、得られる幅方向への投影形状は半円となる。
【００４５】コイル幅方向については、投影されたコイル形状が半円状になることから、円の方程式に形状データを代入することで、コイルの中心位置及び径を求めることができる。
（ｘ−ｃx ）2 ＋（ｚ−ｚx ）2 ＝ｒ2 …（７）
ｘ，ｚ ：投影によって得られたコイルの半円状の形状データｃx ，ｚx ：コイル径方向中心位置ｒ ：コイル半径【００４６】具体的にはコイルの幅方向の３点以上の投影形状データがあれば、上記の（７）式を解き、中心位置等を得ることができる。ここでは、コイルの幅方向の投影形状データを有効に使い、位置検出の信頼性を向上させるために、コイル幅方向の投影形状データに対して３点の組み合わせを複数通り設定する。各々の演算で得られた複数の中心位置から規定を満たさない数値を除去し、その後統計処理を行うことにより精度及び信頼性の高いコイル径及び径中心位置を求める。
【００４７】この規定の設定及び除去の方法として、測定値の分布を求め、多数決の理論により予め設定した範囲より離れた点を除去する方法や、点演算によって求められた全ての中心位置の平均値から距離の離れている順に予め設定した点数のデータを削除する方法等がある。なお、このような処理は当然コイル径方向の断面形状を求める段階及び求めた断面形状から異常な形状データを除去するためにも用いられる。
【００４８】また、演算した多数のコイル中心位置から真の中心位置を求める方法には、多数点の平均値を求める方法や、多数点の分布をメッシュ状に分割しその分布の最大値をとる位置を求める方法等がある。
【００４９】なお、上記の説明はコイル３の配置方向が予め分かっている場合についての例であるが、コイル３の方向が予め分かっていない場合においても同様にして処理することができる。その場合、コイル３の方向を仮に決めておいてから、コイル幅方向及び径方向の投影形状のデータを求める。求めた形状データからコイル３の配置方向を決定することができるので、仮に決めたコイルの配置方向と比較し、方向が異なっていた場合には、決定した配置方向について上記のコイル径方向形状のデータを求める。
【００５０】このコイル位置検出装置により求めたコイル幅及び中心位置等に基づいて天井クレーンを制御し、コイルの運搬等を行う。
【００５１】本実施の形態は、以上の説明からも明らかなように、スリット光走査装置１２が、レーザスポット光を２次元走査させてレーザスリット光をコイル３上に照射する。照射された光切断線をテレビカメラ１０で撮像して、画像合成装置１４が各レーザスリット光の照射による輝度画像レベル及びその時の投光角度を合成して、２値化処理画像信号及び投光角度画像信号を生成し、正反射光ノイズ除去装置１７が、投光角度毎に画素数を計数し、閾値以上の画素数が、あるレーザスリット光に存在すれば、正反射光が入力したものと判断して、例えば、投光角度θをずらして照射位置の間隔を約１／２ずらし、再度計測を行う。正反射光ノイズ除去装置１７が、正反射光が入力したものと判断しなければ、形状演算装置１６が２値化処理画像信号及び投光角度画像信号光に基づいて３次元の断面形状データを演算する。この断面形状データが光切断線の位置座標を表す。コイル演算装置１８が、断面形状を径方向に投影し、コイル幅及び幅の中心位置を算出する。その際、コイル径方向の投影において、同じ投光角度で作成された形状のみ部分を除去してからコイル幅及び幅の中心位置を算出する。また、断面形状データをコイル幅方向に投影し、径の中心位置及び径の大きさを算出する。したがって、コイル３の表面性状が鏡面状であっても、正反射光の影響を除くことができ、コイル幅を正確に算出できるので、精度の高いコイル位置検出装置を得ることができる。また、スリット光走査装置１２が、レーザスリット光の照射に基づいて同時に得られる、各レーザスリット光の投光角度θを表す投光角度信号を出力し、正反射光ノイズ除去装置１７が、投光角度θに基づいて行うようにしたので、より簡便に精度を高めることができる。スリット光走査装置１２が、複数のレーザスリット光を照射する際、レーザ光の点であるレーザスポット光を２次元的に走査して照射するようにしたので、コイル３の大きさに応じたレーザスリット光を照射することもできる。また、本発明によれば、コイル演算手段１８が、３次元の断面形状データをコイルの径方向に投影する際、基準面１と垂直な面に投影するようにしたので、コイルの径を垂線とし、かつ天井クレーンに鉛直な線分と平行な面に投影し、必ずコイル３のｚ軸方向が最も大きい部分（最も高さがある部分）が含まれ、コイルの幅及び幅方向中心位置の算出の精度を高めることができる。
【００５２】実施形態２．上述の実施の形態では、コイル位置検出装置に限定して説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、コイル以外の被測定物であっても適用できる。
【００５３】実施形態３．上述の実施の形態では、合成した処理画像のレーザスリット光の画素数に基づいて正反射の入力を判断するようにしたが、例えば、合成画像ではなく、各レーザスリット光照射の際に撮像されている全ての撮像画面について処理を行い、全ての撮像画面に基づいて、正反射の入力を判断してもよい。また、ある閾値を定めておき、テレビカメラ１０に入力される光の強さを常に測定して、閾値に基づいて正反射光の入力を判断するようにしてもよい。
【００５４】実施形態４．上述の実施の形態では、画像合成装置１４において撮像した画像を一度合成した後で、形状演算等の処理をするようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ照射、処理画像作成と並行させて、形状演算等の処理を行うようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、正反射光検出手段が、正反射したレーザスリット光が撮像手段が撮像した画像に入力したかどうかを判断し、入力したものと判断すると、レーザ光投光手段に複数の直線状レーザスリット光の照射位置を変更させて再度照射させるように指示するようにしたので、正反射光が入力した場合には、その画像に基づく位置検出は行わず、正反射光が入力しない撮像した画像により行うことにより、コイル幅を正確に算出でき、精度の高いコイル位置検出装置を得ることができる。
【００５６】また、本発明によれば、レーザ光投光手段が、レーザスリット光の照射により得られる投光角度信号を出力し、正反射検出手段は、処理画像及び投光角度信号に基づいて、抽出した部分の画素をレーザスリット光毎に計数し、異常に画素数の多いものはレーザスリット光が正反射したものと判断するようにしたので、より簡便に精度が高いコイル位置検出装置を得ることができる。
【００５７】また、本発明によれば、レーザ光投光手段は、複数のレーザスリット光を照射する際、レーザ光の点であるレーザスポットを２次元的に走査して照射するようにしたので、コイルの大きさに応じたレーザスリット光を照射することも可能となる。
【００５８】また、本発明によれば、レーザ光投光手段は、正反射検出手段から照射位置の変更指示により、レーザスリット光の間隔の半周期分照射位置を変更し、再度照射するようにしたので、正反射光の入力はある一定条件の下でしか生じないことを利用し、確実に正反射光が入力されないコイル位置検出装置を得ることができる。
【００５９】また、本発明によれば、コイル演算手段が、３次元形状データをコイルの径方向に投影する際、コイルの径を垂線とし、かつ天井クレーンに鉛直な線分と平行な面に投影し、必ずコイルの最も高い部分が含まれるようにしたので、コイルの幅及び幅方向中心位置の算出の精度を高めることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
【出願日】 平成１１年６月３０日（１９９９．６．３０）
【代理人】 【識別番号】１０００６１２７３
【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 宗治 （外３名）
【公開番号】 特開２００１−１２９１３（Ｐ２００１−１２９１３Ａ）
【公開日】 平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】 特願平１１−１８６０４１