３次元形状測定システムおよび３次元形状測定方法
【課題】簡単かつ小型な構成で測定対象物の３次元形状を測定することが可能な３次元形状測定システムを提供する。
【解決手段】３次元形状測定システムは、引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θｘ，θｚをそれぞれ検出可能なワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備える。各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣは、３次元形状測定装置１０の背面に接続されている。３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０による測定時におけるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび回転角θｘ，θｚを用いて座標変換関数ＦＰＳを計算する。そして、各測定位置ごとに生成される３次元形状データを予め記憶している座標変換関数ＦＣＰと計算した座標変換関数ＦＰＳとを用いて座標変換する。
【解決手段】３次元形状測定システムは、引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θｘ，θｚをそれぞれ検出可能なワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備える。各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣは、３次元形状測定装置１０の背面に接続されている。３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０による測定時におけるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび回転角θｘ，θｚを用いて座標変換関数ＦＰＳを計算する。そして、各測定位置ごとに生成される３次元形状データを予め記憶している座標変換関数ＦＣＰと計算した座標変換関数ＦＰＳとを用いて座標変換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定装置により複数の異なる位置で測定した測定対象物の各座標系における３次元形状データ群を１つの基準座標系における３次元形状データ群に変換して、同測定対象物の３次元形状を任意の方向から見た形状に表示させることが可能な３次元形状測定システムおよび３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象の物体に対し測定位置が移動される３次元形状測定装置により、測定対象物の３次元形状を複数の異なる位置から測定して各測定位置ごとの３次元形状データを合成し、測定対象物の立体形状を任意の方向から見て表示できるようにした３次元形状測定システムはよく知られている。例えば、下記特許文献１に記載の３次元形状測定システムにおいては、複数のアームを互いに可動的に連結して構成される支持機構の先端部に測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置が取り付けられている。そして、作業者は、支持機構の可動範囲内において３次元形状測定装置を複数の位置に移動させ、各位置ごとに測定対象物の測定を行う。
【特許文献１】特開２００４−２５７９２７号公報
【０００３】
この場合、各測定位置ごとに３次元形状測定装置によって測定された測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データは、支持機構の先端部に関する座標系を介して基準座標系による３次元形状データに座標変換される。支持機構の先端部に関する座標系は、支持機構の先端部に取り付けられた３次元形状測定装置の基準座標系に対する座標軸原点の位置および座標軸の向きを特定するための座標系である。この支持機構の先端部に関する座標系の基準座標系に対する原点の位置および座標軸の向きは、支持機構を構成する各アームの長さ、各アーム間の角度および各アーム間のねじれ角などを用いて検出される。
【０００４】
しかしながら、このような３次元形状測定システムにおいては、３次元形状測定装置を支持する支持機構が大型かつ複雑な構成となっているため、３次元形状測定システムの構成を大型かつ複雑化するという問題がある。すなわち、３次元形状測定装置を支持する支持機構は、基準座標系に対する３次元形状測定装置の位置および向きを正確に特定するため精度よく製作する必要があるとともに、３次元形状測定装置を安定的に支持するための剛性を確保する必要があるため、構成が大型かつ複雑となる。また、３次元形状測定装置の可動範囲は測定対象物の大きさに応じて設定されるため、形状の大きな測定対象物を測定する場合には可動範囲の広い支持機構を用意しなければならない。この場合、可動範囲が広くなるほど支持機構の構成がより大型かつ複雑化して３次元形状測定システムの構成がさらに大型かつ複雑化するという問題がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、従来例のような支持機構に比べて、簡単かつ小型な構成で測定対象物の３次元形状を測定することが可能な３次元形状測定システムおよび３次元形状測定方法を提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物の３次元形状を測定して同測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状測定装置と、基端部にて支持装置により引出し量および引出し方向が自在に支持され、かつ先端部に３次元形状測定装置を接続する接続部材と、接続部材の支持装置に対する引出し量および引出し方向を用いて、所定の基準座標系に対する３次元形状測定装置の少なくとも位置を表す位置情報を取得する情報取得手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記取得した位置情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するデータ変換手段と、データ変換手段によって変換された複数組の３次元形状データを合成する合成手段とを備えたことにある。この場合、前記支持装置は、接続部材の引出し量および引出し方向を検出する検出器を備えるとよい。また、接続部材を、ワイヤにするとよい。
【０００７】
この場合、前記所定の基準座標系の原点および座標軸の向きは、支持装置を基準に定められており、前記情報取得手段は、前記位置情報に加えて、前記所定の基準座標系に対する３次元形状測定装置の向きを表す向き情報も取得するとよい。この場合、前記接続部材は、少なくとも３つ用意するとよい。また、前記データ変換手段は、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記位置情報および前記向き情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するための第１の座標変換関数を計算する第１の座標変換関数計算手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、第１の座標変換関数を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに座標変換する座標変換手段とを備えるようにするとよい。この場合、第１の座標変換関数計算手段は、３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第２の座標変換関数と、接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第３の座標変換関数とを第１の座標変換関数として計算するようにするとよい。
【０００８】
また、これに代えて、３次元形状測定装置は、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データに加え、３次元形状測定装置の測定対象空間内に配置された基準物体の３次元形状を表す３次元形状データも出力するものであり、前記所定の基準座標系の原点は支持装置を基準に定められ、かつ基準座標系の座標軸の向きは基準物体を基準に定められるものであり、データ変換手段は、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記取得した位置情報に加え基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するようにしてもよい。この場合、前記接続部材は、少なくとも１つ用意するとよい。また、前記データ変換手段は、基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて基準物体に関係した座標軸の向きを計算し、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記計算した座標軸の向きと同じ座標軸を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第４の座標変換関数を計算する第４の座標変換関数計算手段と、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記所定の基準座標系の原点と同じ原点を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第５の座標変換関数を計算する第５の座標変換関数計算手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記計算した第４および第５の座標変換関数を用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する座標変換手段とで構成するとよい。この場合、前記第４の座標変換関数は、３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換し、前記第５の座標変換関数は、接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに座標変換するとよい。
【０００９】
このように構成した本発明の特徴によれば、支持装置から引き出される接続部材の先端部を３次元形状測定装置に接続している。そして、３次元形状測定装置によって測定対象物を測定する基準座標系における位置を接続部材の引出し量および引出し方向によって特定している。すなわち、基準座標系において３次元形状測定装置の位置が特定できる接続部材の先端部を３次元形状測定装置に接続した構成で測定対象物の３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、従来例のような大型かつ複雑な構成の支持機構を用いることなく、簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、測定対象物の大きさに応じて接続部材の長さを設定すればよいので、形状の大きな測定対象物を測定する場合であっても３次元形状測定システムを簡単かつ小型に構成することができる。
【００１０】
また、上記３次元形状測定システムにおいて、さらに、前記所定の基準座標系は、前記支持装置の所定の位置に基づいて定められており、前記所定の基準座標系に対して支持装置を移動させる支持装置移動手段と、前記所定の基準座標系によって表された支持装置の位置を検出する支持装置位置検出手段とを備え、データ変換手段は、前記取得された位置情報に加え、支持装置位置検出手段によって検出される支持装置の位置を用いて、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するようにしてもよい。これによれば、基準座標系における支持装置の位置が検出されるため、測定対象物を複数の位置から測定する場合、３次元形状測定装置とともに支持装置も移動させることができ、３次元形状測定装置の移動範囲が拡大し測定対象物をより広範囲から測定することができる。したがって、例えば、３次元形状測定装置に対向する測定対象物の裏側の部分も３次元形状測定装置とともに支持装置を移動させることにより測定することができる。
【００１１】
また、本発明は前記３次元形状測定システムに限定されるものではなく、３次元形状測定方法によっても実施できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る３次元形状測定システムの基本構成を示す概略図である。この３次元形状測定システムは、測定対象物であるワークＷＫの３次元形状を測定する３次元形状測定装置１０を備えている。
【００１３】
３次元形状測定装置１０は、箱型に形成されており、ワークＷＫに向けてレーザ光を出射するとともに同ワークＷＫからの反射光を受光して、ワークＷＫの３次元立体表面形状を測定して同測定結果を表す測定情報を出力する。この３次元形状測定装置１０としては、ワークＷＫの３次元表面形状を測定するとともに同測定した３次元表面形状を表す信号を出力するものであれば、いかなる３次元形状測定装置をも利用できる。本実施形態においては、レーザ光を用いて３角測量法に従って物体の３次元表面形状を測定するものを簡単に紹介しておく。
【００１４】
この３次元形状測定装置においては、レーザ光源から物体に向けて出射されるレーザ光の進行方向にほぼ垂直な仮想平面を想定するとともに、同仮想平面上にて互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアを想定する。そして、３次元形状測定装置は、前記多数の微小エリアにレーザ光を順次照射し、物体からの反射光によって前記微小エリアが規定する物体表面までの距離をＺ軸方向距離として順次検出して、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報を得て、同３次元形状測定装置に面した物体表面の形状を測定するものである。
【００１５】
したがって、この３次元形状測定装置は、出射レーザ光の向きをＸ軸方向に変化させるＸ軸方向走査器と、出射レーザ光の向きをＹ軸方向に変化させるＹ軸方向走査器と、物体表面にて反射された反射レーザ光を受光して物体表面までの距離を検出する距離検出器とを備えている。Ｘ軸方向走査器およびＹ軸方向走査器としては、レーザ光源からの出射レーザ光の光路をＸ軸方向およびＹ軸方向に独立に変化させ得る機構であればよく、例えば、レーザ光源自体をＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させたり、出射レーザ光の光路に設けられてその方向を変更するガルバノミラーをＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させる機構を利用できる。距離検出器としては、前記出射レーザ光の光路に追従して回転し、物体表面にて反射された反射レーザ光を集光する結像レンズおよび同集光したレーザ光を受光するＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置させたラインセンサからなり、ラインセンサによる反射レーザ光の受光位置によって物体表面までの距離を検出する機構を利用できる。
【００１６】
したがって、このような３次元形状測定装置は、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報として、Ｘ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＸ軸方向への傾きθｘ、Ｙ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＹ軸方向への傾きθｙ、および距離検出器による物体表面までの距離Ｌｚとが、前記仮想したＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアごとに出力される。より具体的には、Ｘ軸およびＹ軸方向への傾きθｘ，θｙは、電動モータの基準位置からの回転角である。また、物体表面までの距離Ｌｚは、ラインセンサにおける反射レーザ光の受光位置である。
【００１７】
この３次元形状測定装置１０の底面には、円柱状の把持部１１が設けられており、作業者による把持部１１の把持により３次元形状測定装置１０を任意の位置に移動させることができる。また、３次元形状測定装置１０の背面、具体的には、３次元形状測定装置１０におけるレーザ光が出射される側面に対向する側面には、３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されたワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣがそれぞれ接続されている。具体的には、図２に示すように、３次元形状測定装置１０の背面には、内周面が球面状に形成された３つの穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）がそれぞれ設けられている。なお、図２は、穴部１２Ａを示しているが他の穴部１２Ｂ，１２Ｃも穴部１２Ａと同様である。これらの穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）には、同穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）の内径より小径の球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が、その表面の一部を露出させた状態で、かつ摺動可能な状態で埋め込まれている。
【００１８】
この球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）における３次元形状測定装置１０の背面から露出した表面部には、球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の中心部に向けて雌ネジ１３ａＡ（１３ａＢ，１３ａＣ）が設けられており、この雌ネジ１３ａＡ（１３ａＢ，１３ａＣ）に、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の各先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）に設けられた雄ネジ２１ｂＡ（２１ｂＢ，２１ｂＣ）が螺合している。したがって、３次元形状測定装置１０の背面に対するワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の向きに応じて球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）は、穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）内において回転摺動する。なお、３次元形状測定装置１０の背面に設けられた穴部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれ同一直線上に位置しないように、すなわち、各穴部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれ三角形の頂点を形成するように配置されている。
【００１９】
ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、円筒状に形成された外筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ内に収容された所定の長さのワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを検出して、同引出し量Ｌおよび各回転角θＸ，θＺを表す信号をそれぞれ出力する。これらのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、それぞれ同一の構成であるため、図３に示すワイヤ装置２０Ａについて説明する。外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、ゼンマイバネによりロール状に巻かれたワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を収容する大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）と、同大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）より小径に形成された小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）とから構成されている。
【００２０】
これらのうち、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の外周部における中央部には、その内部に収容されたワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を引き出すための孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）が設けられている。また、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）内には、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引出し量Ｌを検出して同引出し量Ｌを表す信号を出力するリニアエンコーダ２３Ａ（２３Ｂ，２３Ｃ）が組み込まれている。一方、小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）内には、外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）の軸線方向の回転角θＸを検出して同回転角θＸを表す信号を出力するエンコーダ２４Ａ（２４Ｂ，２４Ｃ）が組み込まれている。この外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、水平方向に配置された支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）に同支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）回りに回転可能な状態で支持されている。すなわち、小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）内に組み込まれるエンコーダ２４Ａ（２４Ｂ，２４Ｃ）は、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引き出される方向のうち、支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）回りの回転角を検出する。
【００２１】
支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）の両端部は、略Ｕ字状に形成された支持アーム２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）の両端部にそれぞれ支持されている。この支持アーム２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）の中央部は、垂直方向に配置された回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の上面に固定されている。回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）は、その軸線回りに回転可能な状態で基台２８Ａ（２８Ｂ，２８Ｃ）に支持されている。すなわち、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を収容する外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線回りにも回転するように構成されている。基台２８Ａ（２８Ｂ，２８Ｃ）内には、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線回りの回転角θＺを検出して同回転角θＺを表す信号を出力するエンコーダ２９Ａ（２９Ｂ，２９Ｃ）が組み込まれている。すなわち、エンコーダ２９Ａ（２９Ｂ，２９Ｃ）は、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引き出される方向のうち、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）回りの回転角を検出する。
【００２２】
これらの引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺによって、ワイヤ装置２０Ａ（２０Ｂ，２０Ｃ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の位置、すなわち、同先端部に接続される３次元形状測定装置１０の位置を特定することができる。この場合、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の位置とは、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の軸線上における先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の点からワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の軸線方向に球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の半径長さ分移動した点である。後述する３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置内に球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の半径長さが記憶されたおり、検出した引出し量Ｌにこの半径長さを追加した量を引出し量Ｌとする。そして、この先端の位置は、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）回りの回転角を０°とするときの支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）の軸線をＸ軸とし、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線をＺ軸とし、同Ｘ軸とＺ軸との交点を通るとともに同Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸線をＹ軸とする３次元座標系（以後、「ワイヤ装置座標系ＷＡ（ＷＢ，ＷＣ）」という）による座標によって表される。
【００２３】
ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、柱状のワイヤ装置支持脚３０の上部にそれぞれ固定されている。ワイヤ装置支持脚３０は、垂直方向に設けられた支柱３１の上部にワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを載置して固定する載置台３２Ａ，３２Ｂを備えるとともに、支柱３１の下部に三方に延びる脚３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを有する脚部３４を備えている。したがって、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、ワイヤ装置支持装置３０を移動させることによって、任意の位置に移動させることができる。
【００２４】
これらの３次元形状測定装置１０およびワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃには、コントローラ４１が接続されている。コントローラ４１は、キーボードからなる入力装置４２からの指示に従って、３次元形状測定装置１０の作動を制御する。また、コントローラ４１は、入力装置４２からの指示に従って３次元画像データ処理装置４３の作動を制御するとともに、同入力装置４２にて入力されたデータを３次元画像データ処理装置４３に供給する。
【００２５】
３次元画像データ処理装置４３は、コンピュータ装置によって構成され図５,図６および図８に示す各プログラムを実行することにより座標変換関数を計算するとともに、図９に示すプログラムを実行することにより、３次元形状測定装置１０からの３次元形状に関する情報（立体形状データ群）、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌ、およびワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出される方向を表す回転角θＸ，θＺを入力して、測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を任意の方向から見て表示可能な３次元形状データを生成する。この３次元画像データ処理装置４３には、表示装置４４が接続されている。表示装置４４は、液晶ディスプレイまたはＣＲＴなどで構成され、３次元画像データ処理装置４３から出力される３次元形状データに基づいて測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を表示する。
【００２６】
次に、このように構成した３次元形状測定システムの作動について説明する。作業者は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに関する座標系であるの各ワイヤ装置座標系ＷＡ，ＷＢ，ＷＣによって表された各座標値（ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端の位置）を、１つの基準座標系Ｓによって表された座標値に変換するための座標変換関数ＦＷＳを計算する。本実施形態においては、ワイヤ装置２０Ａに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡを基準座標系Ｓとする。
【００２７】
まず、作業者は、図４に示すように、ワイヤ装置２０Ａから引き出されたワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに、先端を尖らせて形成した触針５０を取り付ける。この場合、先端部２１ａＡに取り付けられる触針５０の長さは、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置に予め記憶されており、検出した引出し量Ｌにこの触針５０の長さを追加した量を引出し量Ｌとすることで、触針５０の先端位置の座標を特定することができる。なお、触針５０の先端を球状に形成し、同球の中心位置までの長さを記憶させておくようにしてもよい。次に、作業者は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの先端が届く範囲に配置されたテーブル６０上に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃをそれぞれ配置する。基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃは、互いに直径の異なる３つの真球体で構成され、測定対象空間内において定点を定める機能を有する。なお、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの先端が届く範囲であれば、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置するばよく、必ずしもテーブル６０を用意するとともに、同テーブル６０上に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置する必要はない。
【００２８】
次に、作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＷＳの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して３次元画像データ処理装置４３は、図５に示す、座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。ここで基準物体の特徴とは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃがそれぞれ球体であることを表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが球体であることを表すデータを３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ１０２の処理をスキップさせてもよい。
【００２９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０４にて、測定を行うワイヤ装置の識別番号の入力を待つ。作業者は、入力装置４２を操作して、ワイヤ装置２０Ａを表す識別番号を３次元画像データ処理装置４３に入力する。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０６にて、基準物体の測定情報の入力を待つ。作業者は、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報を入力する。この場合、ワイヤ２１Ａは、触針５０の移動に応じて外筒２２Ａから引き出される。また、外筒２２Ａは、触針５０の移動に応じて支持軸２５Ａ回りおよび回転軸２７Ａ回りに回転する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ装置２０Ａから引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに、それぞれ４つの接触点の各座標値（ｘ、ｙ，ｚ）が計算される。
【００３０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０８にて、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点をそれぞれ計算する。具体的には、前記ステップＳ１０６にて計算した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各４つの接触点の座標値（ｘ、ｙ，ｚ）を、下記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、前記座標値（ｘ、ｙ，ｚ）によって表された各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの中心座標を表す。なお、下記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ１０８の処理においては計算する必要はない。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとにそれぞれ球体中心座標が定点として計算される。
【数１】
【００３１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１０にて、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行ったか否かを判定する。すなわち、この判定処理においては、すべてのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行うまで、「Ｎｏ」と判定し続けてステップＳ１０４に戻る。ステップＳ１０４においては、前記したように、測定を行うワイヤ装置の識別番号の入力を待つ。この場合、作業者は、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられている触針５０をワイヤ２１Ｂ（またはワイヤ２１Ｃ）の先端部２１ａＢ（または先端部２１ａＣ）に付け替えて、入力装置４２からワイヤ装置２０Ｂ（またはワイヤ装置２０Ｃ）の識別番号を入力し、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を繰り返し実行する。一方、すべてのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行った場合には、この判定処理において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１１２に進む。これにより、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃごとに、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの定点がそれぞれ計算される。
【００３２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１２にて、座標変換関数ＦＷＳを計算する。この場合、座標変換関数ＦＷＳには、ワイヤ装置２０Ｂに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＢによって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳ１と、ワイヤ装置２０Ｃに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＣによって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳ２とがある。なお、ワイヤ装置２０Ａに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡは基準座標系Ｓであるため、ワイヤ装置座標系ＷＡによって表された座標値を基準座標系Ｓによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳは計算する必要はない。
【００３３】
このステップＳ１１２による座標変換係数ＦＷＳの計算処理に先立ち、座標変換について簡単に説明しておく。Ｘ，Ｙ，Ｚ座標からなる第１座標系と、同第１座標系をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りにそれぞれθｘ，θｙ，θｚだけ回転させるとともに、同第１座標系の原点をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれａ，ｂ，ｃだけ移動させた第２座標系を想定する。第１座標系における一点の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）とし、第２座標系における同一点の座標値を（ｘ’，ｙ’，ｚ’）とすると、これらの座標値の間には下記式２が成立する。この場合、下記式２中のＭは下記式３によって表される行列値である。
【数２】
【数３】
【００３４】
このステップＳ１１２の座標変換関数ＦＷＳの計算は、前記式２および式３中の行列値Ｍ（ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３，ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３，ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３）および行列値ａ，ｂ，ｃを計算することを意味する。この場合、本実施形態のワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）が第１座標系に対応するとともに、基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）が第２座標系に対応する。したがって、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃのワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）における各定点(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)と、基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）における各定点(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)とを前記式２に適用すると、下記式４〜６の関係が成立する。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３５】
前記式４を変形すると、下記式７の連立方程式が成立する。
【数７】
【００３６】
ここで、定点座標(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)を含む平面の法線ベクトルを（α，β，γ）とし、定点座標(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)を含む平面の法線ベクトルを（α’，β’，γ’）とすると、２つの法線ベクトルの大きさが同じであれば下記式８が成立する。同式８中の行列Ｍは、前記式３によって表される。
【数８】
【００３７】
定点座標(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)を含む平面の法線ベクトルを(ｘ2,ｙ2,ｚ2)から(ｘ1,ｙ1,ｚ1)に向かうベクトルと、(ｘ3,ｙ3,ｚ3)から(ｘ2,ｙ2,ｚ2)に向かうベクトルとの外積により成立するベクトルとすると、前記法線ベクトル（α，β，γ）は下記式９によって表される。
【数９】
【００３８】
同様に、前記ベクトル（α’，β’，γ’）は下記式１０によって表される。
【数１０】
【００３９】
前記式９および前記式１０を前記式８に代入すると、下記式１１が成立する。
【数１１】
【００４０】
前記式１１の１番目の式を前記式７に加えれば、下記式１２の連立方程式となる。
【数１２】
【００４１】
この式１２の連立方程式を解くことにより、行列値ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３を計算することができる。また、前記式５および式６に関しても、前記式７の連立方程式のように変形し、前記式１１の２番目の式および３番目の式をそれぞれ加えた連立方程式を解くことにより行列値ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３および行列値ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３を計算できる。そして、これらの計算した各行列値を前記式４〜６に代入すれば、行列値ａ，ｂ，ｃを計算できる。これにより、ワイヤ装置２０Ｂ（またはワイヤ装置２０Ｃ）に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）によって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換するための座標変換関数ＦＷＳ１（または座標変換関数ＦＷＳ２）が計算される。なお、計算された座標変換関数ＦＷＳは、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置内に記憶される。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１４にて、この座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行を終了する。
【００４２】
次に、作業者は、３次元形状測定装置１０に関する座標系（以後、「カメラ座標系Ｃ」という）によって表された３次元形状データを、基準座標系Ｓが設定されているワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに関する座標系（以後、「ワイヤ先端座標系Ｐ」という）によって表された３次元形状データに変換するための座標変換関数ＦＣＰを計算する。ここで、カメラ座標系Ｃは、互いに直交する３つの座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）からなり、３次元形状測定装置１０の特定点を原点とする３次元座標系である。また、ワイヤ先端座標系Ｐは、カメラ座標系Ｃに対応する３つの座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）からなり、基準座標系Ｓが設定されたワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの軸線上における先端部２１ａＡの先端の点からワイヤ２１Ａの軸線方向に球体１３Ａの半径長さ分移動した点を原点とする３次元座標系である。この座標変換関数ＦＣＰの計算に際して作業者は、基準座標系Ｓが設定されたワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに前記触針５０を再度取り付ける。
【００４３】
作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＣＰの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図６に示す座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行をステップＳ２００にて開始して、ステップＳ２０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。この場合、基準物体の特徴とは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃがそれぞれ球体であることを表すデータおよび同各球体の直径を表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが球体であることを表すデータおよび同球体の直径を表すデータを３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ２０２の処理をスキップさせてもよい。
【００４４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０４にて、触針５０による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、前記ステップＳ１０６と同様にして、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ装置２０Ａから引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに、それぞれ４つの接触点の各座標値（ｘ、ｙ，ｚ）が計算される。
【００４５】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０６にて、前記ステップＳ１０８と同様にして、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点をそれぞれ計算する。具体的には、前記ステップＳ２０４にて計算した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各４つの接触点の座標値（ｘ、ｙ，ｚ）を、前記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、前記座標値（ｘ、ｙ，ｚ）によって表された各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの中心座標を表す。なお、前記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ２０６の処理においては計算する必要はない。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに各球体の中心座標が定点としてそれぞれ計算される。なお、このステップＳ２０６によって計算される基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点は、前記ステップＳ１０８にて計算される基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点と同じであるため、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの位置やワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの位置が変更されず前記ステップ１０６にて計算された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点の座標値が記憶されていれば、ステップＳ２０４およびステップＳ２０６の処理は不要である。
【００４６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０８にて、３次元形状測定装置１０による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、図７に示すように、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられている触針５０を取り外して３次元形状測定装置１０の背面に設けられている球体１３Ａに接続するとともに、他のワイヤ２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＢ，２１ａＣを同３次元形状測定装置１０の背面に設けられている球体１３Ｂ，１３Ｃにそれぞれ接続する。そして、各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが接続された３次元形状測定装置１０を３次元形状測定装置支持脚８０に固定した後、入力装置４２を操作して基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行う。３次元形状測定装置支持脚８０は、ワイヤ装置支持脚３０と同様に３次元形状測定装置１０を所定の位置に支持するものである。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。
【００４７】
３次元形状測定装置１０は、コントローラ４１からの指示に応答して基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を開始して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す情報を３次元画像データ処理装置４３に出力する。すなわち、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像データ処理装置４３にそれぞれ出力する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ２０８にて、３次元形状測定装置１０から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。なお、この３次元形状データ中には、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃのほかに同基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００４８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１０にて、前記ステップＳ２０８にて生成された３次元形状データの中から、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データをそれぞれ抽出する。この基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データの抽出処理は、図示しない基準物体抽出サブプログラムによって実行される。基準物体抽出サブプログラムの処理内容を簡単に説明する。
【００４９】
３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ２０２にて入力された基準物体の特徴のうち球体の直径を表すデータを用いて、単位ブロックおよび探索ブロックを設定する。単位ブロックは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの存在位置を特定するために探索ブロックを移動させる最小のブロックであり、探索ブロックは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃをその内部に包含する位置を特定するために利用される単位ブロックの集まりである。３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０の測定対象空間内を単位ブロックの大きさで立体的に分割するとともに、探索ブロックを測定対象空間内で順次移動させて探索ブロック内に包含される単位ブロックのうち３次元形状データを含む単位ブロックの数をカウントする。このカウントした単位ブロックの数に応じて、探索ブロック内に含まれる３次元形状データがそれぞれ基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ全体を含む３次元形状データであるか否かを判定し、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ全体を含む３次元形状データであると判定されたとき、探索ブロック内の３次元形状データを抽出する。なお、この技術は、既によく知られた技術であり、例えば特開２００４−３３３３７１号公報に記載されている。
【００５０】
また、前記説明した基準物体の抽出方法のほかに、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量を用いて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データを抽出することもできる。この場合、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量を予め検出するとともに、同反射光の光量を３次元画像データ処理装置４３に設定しておく。そして、３次元形状測定装置１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）に加えて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量も検出して、前記設定した光量と一致する３次元形状データを抽出するようにする。
【００５１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１２にて、前記ステップＳ２１０にてそれぞれ抽出した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを表す３次元形状データを用いて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点座標をそれぞれ計算する。具体的には、前記抽出した３次元形状データを基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに前記式１の左辺にそれぞれ代入し、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、３次元形状データによって表された球体、すなわち各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各中心座標を表す。なお、前記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ２１２の処理においては計算する必要はない。
【００５２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１４にて、基準座標系Ｓによって表された座標値をワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＳＰを計算する。この座標変換関数ＦＳＰの計算は、図８に示す座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行により行われる。
【００５３】
３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３００にて、座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行を開始して、ステップＳ３０２にて、ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ２０８にて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを測定した３次元形状測定装置１０の位置における各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃごと、すなわちワイヤ装置座標系ＷＡ，ＷＢ，ＷＣごとに各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００５４】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３０４にて、前記ステップＳ３０２にて計算した各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端座標を、前記座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行により計算された座標変換関数ＦＷＳ（座標変換関数ＦＷＳ１および座標変換関数ＦＷＳ２）を用いて基準座標系Ｓによって表された座標値にそれぞれ座標変換する。この場合、ワイヤ装置座標系ＷＡによって表された先端部２１ａＡの先端座標は、ワイヤ装置座標系ＷＡが基準座標系Ｓであるため、座標変換する必要はない。なお、このステップＳ３０４にて計算された３つの先端座標を、各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣに対応させてＰＡ，ＰＢ，ＰＣとする。
【００５５】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３０６にて、座標変換関数ＦＳＰを計算する。この座標変換関数ＦＳＰにおける座標軸の回転成分の計算は、前記ステップＳ３０４にて計算した基準座標系Ｓにおける３つの先端座標ＰＡ，ＰＢ，ＰＣを用いて３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを定義し、同３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各ベクトルの成分を用いて計算する。具体的には、基準座標系Ｓにおける１つのベクトルの成分を（α，β，γ）とするとともに、ワイヤ先端座標系Ｐにおける前記１つのベクトルの成分を（α’，β’，γ’）とすると、前記式８が成立する。同式８中の行列値Ｍは、基準座標系Ｓの座標軸に対するワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の相対的な回転成分を表しており、前記式３によって表される。この場合、ベクトル（α，β，γ）とベクトル（α’，β’，γ’）は、その大きさが同じとする。
【００５６】
このステップＳ３０６の座標変換関数ＦＳＰにおける座標軸の回転成分の計算は、前記式８中の行列値Ｍ（Ｍ＝ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３，ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３，ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３）を計算することを意味する。すなわち、互いに同一方向でない３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを想定し、この３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、この３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、下記式１３〜１５の関係が成立する。
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００５７】
この前記式１３〜１５の連立方程式を解くことにより、行列値Ｍを計算することができる。本実施形態においては、前記先端座標ＰＡから先端座標ＰＢ（または先端座標ＰＣ）に向かうベクトルの単位ベクトルを前記３つのベクトルＡ，Ｂ，ＣうちのベクトルＡとし、先端座標ＰＡから先端座標ＰＣ（または先端座標ＰＢ）に向かうベクトルと、前記ベクトルＡとの外積により計算される単位ベクトルをベクトルＢとし、前記ベクトルＡとベクトルＢとの外積により計算される単位ベクトルをベクトルＣとする。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、これらのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの向きと同一であるとして定義する。よって同ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分は（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）となる。そして、基準座標系Ｓにおける同ベクトルＡ，Ｂ，Ｃにおける各成分は、３つの先端座標ＰＡ，ＰＢ，ＰＣを用いて計算される。したがって、これらのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍを計算することができる。また、基準座標系Ｓの原点に対するワイヤ先端座標系Ｐの原点のずれ量は先端座標ＰＡの座標値（ａ，ｂ，ｃ）となる。これらの行列値Ｍおよび先端座標ＰＡの座標値（ａ，ｂ，ｃ）が座標変換関数ＦＳＰである。基準座標系Ｓによって表された座標値（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）とワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値（ＸＰ，ＹＰ，ＺＰ）との関係を座標変換関数ＦＳＰを用いて表すと下記式１６に示すようになる。
【数１６】
【００５８】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、前記計算した座標変換関数ＦＳＰを記憶した後、ステップＳ３０８にて、この座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行を終了してステップＳ２１６に戻る。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１６にて、前記ステップＳ２０６にて計算された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点座標を、前記ステップＳ２１４にて計算した座標変換関数ＦＳＰを用いてワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。これにより、３つの基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対して、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３つの定点座標と、カメラ座標系Ｃによって表された３つの定点座標とが計算されたことになる。
【００５９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１８にて、座標変換関数ＦＣＰを計算する。この座標変換関数ＦＣＰの計算は、前記ステップＳ２１２にて計算されたカメラ座標系Ｃにおける３つの定点座標と、前記ステップＳ２１６にて計算されたワイヤ先端座標系Ｐにおける３つの定点座標とを用いて、前記座標変換関数ＦＷＳと同様な処理によって計算する。すなわち、前記第１座標系をカメラ座標系Ｃとし、前記第２座標系を基準座標系Ｓとして、カメラ座標系Ｃによって表された３つの定点(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)と、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３つの定点(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)とを前記式２にそれぞれ代入すれば、前記と同様にして座標変換関数ＦＣＰを計算することができる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、前記計算した座標変換関数ＦＣＰを記憶した後、ステップＳ２２０にて、この座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行を終了する。
【００６０】
この座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行後、作業者は、テーブル６０から基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを取り除いて、同テーブル６０上に測定対象物であるワークＷＫを配置する。そして、入力装置４２を操作してワークＷＫの３次元立体形状の表示を指示する。これに応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図９に示す３次元形状表示プログラムの実行をステップＳ４００にて開始して、ステップＳ４０２にてワークＷＫの３次元形状を表す測定情報の入力を待つ。
【００６１】
作業者は、３次元形状測定装置１０を３次元形状測定装置支持脚８０上から取り外し、同３次元形状測定装置１０を手で持って、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃから引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび外筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの回転角θｘ，θｙの変化を伴いながら、ワークＷＫに対して３次元形状測定装置１０を移動させてワークＷＫの３次元形状の測定を行う。
【００６２】
３次元形状測定装置１０によって測定されたワークＷＫの測定情報は、３次元画像データ処理装置４３に出力される。すなわち、ワークＷＫの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像データ処理装置４３に出力する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ４０２にて、３次元形状測定装置１０から出力された１つのＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、１つの３次元形状データ（すなわち、１つの座標値）を計算する。この場合、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。なお、この３次元形状データは、ワークＷＫや同ワークＷＫの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０）の表面形状を表す３次元形状データのいずれかのデータである。
【００６３】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０４にて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値を基準座標系Ｓによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＰＳを計算する。この座標変換関数ＦＰＳの計算は、前記座標変換関数ＦＳＰの逆関数として計算される。すなわち、３次元画像データ処理装置４３は、前記図８に示す座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムを実行することにより座標変換関数ＦＳＰを計算した後、同計算した座標変換関数ＦＳＰの逆関数を座標変換関数ＦＰＳとして計算する。
【００６４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０６にて、前記ステップＳ４０２にて生成した３次元形状データを、前記座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行によって計算された座標変換関数ＦＣＰを用いて、カメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０８にて、前記ワイヤ先端座標系Ｐに座標変換された３次元形状データを、前記ステップＳ４０４にて計算した座標変換関数ＦＰＳを用いて基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する。すなわち、これらのステップＳ４０６およびＳ４０８によって、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データが基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換される。
【００６５】
なお、この場合、座標変換関数ＦＣＰと座標変換関数ＦＰＳとを乗算（ＦＣＰ・ＦＰＳ）した座標変換関数ＦＣＳを計算し、この座標変換関数ＦＣＳを用いてカメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換しても結果は同じである。すなわち、座標変換関数ＦＣＰが本発明に係る第２の座標変換関数に相当し、座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第３の座標変換関数に相当し、これらの座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第１の座標変換関数に相当する。この基準座標系Ｓに座標変換された３次元形状データは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００６６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１０にて、３次元形状測定が終了したか否かを判定する。具体的には、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が入力したときは、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ４０２に戻り、前述したように３次元形状データの計算と座標変換関数ＦＰＳを計算と、計算した３次元形状データの基準座標系Ｓの３次元形状データへの座標変換を行い、座標変換を行った３次元形状データを３次元画像データ処理装置４３に記憶する。この処理は、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が入力する限り繰り返し行われる。一方、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が所定時間以上入力しないときは、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ４１２にて、ワークＷＫを別の測定位置から測定するか否かを判定する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、ワークＷＫの測定を続行するか否かを作業者に問い合わせ、作業者から測定終了の指示が入力されるまで、同判定において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ４０２に戻る。この場合、作業者はワークＷＫに対する３次元形状測定装置１０の測定位置を変えて再度測定を行う。これにより、前記とは異なる測定位置からワークＷＫを測定した際の３次元形状データが３次元画像データ処理装置４３に記憶される。なお、この場合、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの位置は固定である。一方、作業者から測定終了の指示が入力された場合には、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ４１４に進む。
【００６７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１４にて、各測定位置ごとに基準座標系Ｓによって表された３次元形状データを一組の３次元形状データ群に合成する。この合成においては、すべての測定位置における３次元形状データが同一座標系である基準座標系Ｓ上の座標値で表されているので、各測定位置によって測定されないワークＷＫの部分を表す３次元形状データが互いに補われるとともに、同一場所で複数の３次元形状データ群が存在する場合には、平均化の処理が行われ一組のデータ群とされる。
【００６８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１６にて、前記合成された３次元形状データ群を用いてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１８にて、３次元形状表示プログラムの実行を終了する。このワークＷＫの３次元形状の表示においては、作業者は入力装置４２を操作することによりワークＷＫの表示方向を指示することができ、コントローラ４１および３次元画像データ処理装置４３は表示装置４４にて表示されるワークＷＫの表示方向を変更する。これにより、ワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示させることができる。
【００６９】
また、新たなワークＷＫをテーブル６０上に置いて、前述のようにワークＷＫの表示を指示して３次元形状測定装置１０による測定を行えば、前記３次元形状表示プログラムの実行により基準座標系Ｓによる３次元形状データの生成と３次元形状データの合成とが行われ、新たなワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示装置４４に表示させることができる。すなわち、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを用いて座標変換関数ＦＷＳおよび座標変換関数ＦＣＰを一度だけ計算しておけば、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ（すなわち、基準座標系Ｓ）の位置を変位させない限り、ワークＷＫを次々に換えて表示装置４４にてワークＷＫの立体形状を表示させることができる。
【００７０】
上記作動説明からも理解できるように、上記第１実施形態によれば、３次元画像データ処理装置４３は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって検出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを用いて、３次元形状測定装置１０、具体的にはカメラ座標系Ｃの基準座標系Ｓにおける位置を特定して座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算している。これにより作業者は、基準座標系Ｓにおいて３次元形状測定装置１０の位置が特定できるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣを３次元形状測定装置１０にそれぞれ接続した構成でワークＷＫの測定を行えば、３次元画像データ処理装置４３は測定により得られた３次元形状データを基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換して合成し３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、従来例のように大型かつ複雑な構成の支持機構を用いることなく、簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、ワークＷＫの大きさに応じてワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに収容されているワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの長さを設定すればよいので、形状の大きなワークＷＫを測定する場合であっても３次元形状測定システムを簡単かつ小型に構成することができる。
【００７１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態においては、３次元形状測定装置１０に３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを接続した３次元形状測定システムについて説明した。しかし、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換するための座標変換関数（上記第１実施形態においては座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳ）を計算することができれば、これに限定されるものではない。図１０は、１つのワイヤ装置２０’を３次元形状測定装置１０’に接続した３次元形状測定システムを示している。ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａは、上記第１実施形態と同様に、３次元形状測定装置１０’の背面（３次元形状測定１０’におけるレーザ光が出射される側面に対向する側面）に埋め込まれた球体１３’に接続されている。なお、このワイヤ装置２０’は、上記第１実施形態において座標変換関数ＦＣＰを計算するときと同様に、ワイヤ装置２０’を所定の位置に支持するワイヤ装置支持脚３０’上に固定されている。
【００７２】
３次元形状測定装置１０’は、上記第１実施形態における３次元形状測定装置１０によって測定される測定情報、すなわち、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）に加えて、同各分割エリアごとの反射光量Ｒも検出する。したがって、３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０’が検出した反射光量Ｒを用いて、測定対象空間内に位置する物体表面の前記微小エリアごとの反射光量を計算する。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
次に、このように構成した第２実施形態に係る３次元形状測定システムの作動について説明する。作業者は、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＰＳを構成する座標軸の回転成分ＭＰＳ、およびカメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＣＰを構成する座標原点の原点ずれ成分ＧＣＰを計算する。
【００７４】
まず、作業者は、図１１に示すように、上記第１実施形態と同様に、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａに、先端を尖らせて形成した触針５０を固定する。次に、作業者は、ワイヤ装置２０Ａ’から引き出されるワイヤ２１’の先端が届く範囲に直方体状に形成されたテーブル６０’を配置する。テーブル６０’は、ワイヤ先端座標系Ｐを定義して座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算する際に用いられる基準物体を構成する物体であり、テーブル６０’を構成する少なくとも２つの面６０’ａ，６０’ｂが３次元形状測定装置１０’に対向するように配置される。テーブル６０’における３次元形状測定装置１０’に対向する２つの面６０’ａ，６０’ｂは、互いに異なる反射率となるように形成されている。図においては、これらの各面６０’ａ，６０’ｂの反射率の違いを各面上の模様の違いによって表している。また、これら２つの面６０’ａ，６０’ｂにそれぞれレーザ光を照射した場合における各面６０’ａ，６０’ｂからの反射光の光量は事前に作業者により認識されており、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置に予め記憶されている。
【００７５】
次に、作業者は、テーブル６０’上に１つの基準物体７０’を配置する。基準物体７０’は、上記第１実施形態と同様に、真球体で構成されており、測定対象空間内において定点を定める機能を有する。なお、基準物体７０’は、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１Ａ’の先端が届く範囲、かつ３次元形状測定装置１０’によって前記テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂと同時に測定できる位置関係に配置されていれば、必ずしもテーブル６０’上に配置する必要はない。
【００７６】
次に、作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＰＳを構成する座標軸の回転成分ＭＰＳ、および座標変換関数ＦＣＰを構成する座標原点の原点ずれ成分ＧＣＰの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して３次元画像データ処理装置４３は、図１２に示す回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行をステップＳ５００にて開始して、ステップＳ５０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。この基準物体の特徴とは、基準物体が１つの球体と２つの平面とからなることを表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、これらの情報を３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、前記と同様に、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ５０２の処理をスキップさせてもよい。
【００７７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０４にて、基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、上記第１実施形態と同様に、ワイヤ２１’の先端部２１’ａに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０’の各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０’に対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０’に対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０’に対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。
【００７８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０６にて、面の識別番号の入力を待つ。この場合、作業者は、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを識別するためにそれぞれ予め付けられた番号を入力する。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０８にて、面の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端をテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面における互いに異なる３つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する各接触を表す情報ごとに、ワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。
【００７９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１０にて、基準物体７０’の中心座標を定点として計算する。具体的には、上記第１実施形態における前記ステップ１０６と同様に、前記ステップＳ５０４にて計算した基準物体７０’の各４つの接触点の座標値を、前記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この計算された定点は、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００８０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１２にて、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂにおける各法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’を計算する。具体的には、前記ステップＳ５０８にて計算した各面６０’ａ，６０’ｂごとの各３つの接触点の座標値を下記式１７の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄをそれぞれ計算する。各面６０’ａ，６０’ｂごとに計算した未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、未知数ａ、ｂ、ｃが各面６０’ａ，６０’ｂに対応する各法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’のベクトル成分を表す。
【数１７】
【００８１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１４にて、回転成分ＭＰＳを計算する。具体的には、前記ステップＳ５１２にて計算した２つの法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’のうち、一方の法線ベクトルαＳ６０’（または法線ベクトルβＳ６０’）の単位ベクトルをベクトルＡとし、同２つの法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’の外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＢとし、これらのベクトルＡ，Ｂの外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＣとしてそれぞれ計算し、同計算したこれら３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの方向をそれぞれ座標軸とする座標系をワイヤ先端座標系Ｐと定義する。
【００８２】
そして、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各ベクトル成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、同ベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐおよび基準座標系Ｓにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＰＳを計算することができる。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰである（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）は、それぞれ（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）であり、基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳである（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）は、２つの法線ベクトルαＳ６０，βＳ６０の各成分から前述のように既に計算されている。これにより、座標変換関数ＦＰＳにおける回転成分ＭＰＳが計算される。この計算された回転成分ＭＰＳは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００８３】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１６にて、３次元形状測定装置１０’による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、図１３に示すように、上記第１実施形態と同様にして、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’に取り付けられている触針５０を取り外して３次元形状測定装置１０’の背面に設けられている球体１２’に接続する。そして、ワイヤ２１’が接続された３次元形状測定装置１０’を３次元形状測定装置支持脚８０に固定した後、入力装置４２を操作して基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの測定を行う。
【００８４】
３次元形状測定装置１０’は、コントローラ４１からの指示に応答して基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの測定を開始して、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各３次元形状を表す情報、および基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光の光量を表す情報を３次元画像データ処理装置４３に出力する。すなわち、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）、および基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光に関する情報（具体的には、反射光量Ｒ）を３次元画像データ処理装置４３にそれぞれ出力する。
【００８５】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ５１６にて、３次元形状測定装置１０’から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報および反射光に関する情報に基づいて、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データには、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面をそれぞれ微小エリアごとに表す３次元形状データに、各エリア位置に対応する反射光量Ｒを表す反射光量データが付加されている。なお、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０’に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。また、この３次元形状データ中には、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂのほかに同基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０’の上面）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００８６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１８にて、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ５１２にて基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを測定した３次元形状測定装置１０’の位置におけるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、ワイヤ装置座標系Ｗ、すなわち基準座標系Ｓにおける先端部２１ａ’の先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００８７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２０にて、前記ステップＳ５１６にて生成された３次元形状データの中から、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す各３次元形状データをそれぞれ抽出する。これらのうち、基準物体７０’の３次元形状を表す３次元形状データの抽出処理は、上記第１実施形態と同様に、図示しない基準物体抽出サブプログラムによって実行される。また、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データは、前記ステップＳ５１６にて生成された３次元形状データにおける反射光量データを用いてそれぞれ抽出する。すなわち、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂからの各反射光の光量に一致する、または所定の判別値内に含まれる前記反射光量データに対応する３次元形状データを各面６０’ａ，６０’ｂごとに抽出する。
【００８８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２２にて、前記ステップＳ５２０にて抽出した基準物体７０’を表す３次元形状データを用いて定点座標を算する。具体的には、上記第１実施形態と同様に、前記抽出した３次元形状データを前記式１の左辺にそれぞれ代入し、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。これにより、カメラ座標系Ｃにおける基準物体７０’の中心座標が定点として計算される。なお、前記式１においてｄは、基準物体７０’の半径を表すが、このステップＳ５１８の処理においては計算する必要はない。
【００８９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２４にて、前記ステップＳ５２０にて抽出したテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂをそれぞれ表す各３次元形状データを用いて各面６０’ａ，６０’ｂごとに各法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’を計算する。具体的には、上記第１実施形態と同様に、前記ステップＳ５２０にて生成した各面６０’ａ，６０’ｂごとの各３次元形状データを前記式１７の左辺にそれぞれ代入して、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄをそれぞれ計算する。各面６０’ａ，６０’ｂごとに計算した未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、未知数ａ、ｂ、ｃが各面６０’ａ，６０’ｂに対応する法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’のベクトル成分を表す。
【００９０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２６にて、前記ステップＳ５１０にて計算した基準座標系Ｓによって表された定点座標を、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。具体的には、前記ステップＳ５１４にて計算した回転成分ＭＰＳの逆関数ＭＳＰと、前記ステップＳ５１８にて検出したワイヤ２１’の先端座標、すなわちワイヤ先端座標系Ｐと基準座標系Ｓとの原点ずれ（座標値）とから構成される座標変換関数ＦＳＰを用いて、前記ステップＳ５１０にて計算した基準座標系Ｓによって表された定点座標を、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。これにより、基準物体７０’に対して、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標と、カメラ座標系Ｃによって表された定点座標とが計算されたことになる。
【００９１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２８にて、原点ずれ成分ＧＣＰを計算する。具体的には、前記ステップＳ５２４にて計算した２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’のうち、一方の法線ベクトルαＣ６０’（または法線ベクトルβＣ６０’）の単位ベクトルをベクトルＡとし、同２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’の外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＢとし、これらのベクトルＡ，Ｂの外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＣとしてそれぞれ計算する。これら３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃは、前述したベクトルＡ，Ｂ，Ｃと同一である。
【００９２】
したがって、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃにおける各ベクトル成分ＡＣ，ＢＣ，ＣＣを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、同ベクトルのＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＣＰを計算することができる。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃの向きと同一である。よって、ワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰである（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）は、それぞれ（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）であり、カメラ座標系Ｃにおける各成分ＡＣ，ＢＣ，ＣＣである（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）は、２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’の各成分から前述のように既に計算されている。
【００９３】
そして、計算した回転成分ＭＣＰを前記式２におけるＭに代入し、カメラ座標系Ｃによって表された定点座標を同式２におけるｘ、ｙ、ｚに代入し、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標を同式２におけるｘ’、ｙ’、ｚ’にそれぞれ代入すれば、両座標系における原点ずれ成分ＧＣＰが同式２におけるａ，ｂ，ｃとして計算される。この原点ずれ成分ＧＣＰは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５３０にて、回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行を終了する。
【００９４】
この回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行後、作業者は、図１０に示すように、テーブル６０’から基準物体７０’を取り除いて、同テーブル６０’上に測定対象物であるワークＷＫを配置する。そして、入力装置４２を操作してワークＷＫの３次元立体形状の表示を指示する。この指示に応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図１４に示す３次元形状表示プログラムの実行をステップＳ６００にて開始して、ステップＳ６０２にてワークＷＫの３次元形状を表す測定情報の入力を待つ。
【００９５】
作業者は、３次元形状測定装置１０’が取り付けられた３次元形状測定装置支持脚８０を移動させることにより、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の引出し量Ｌの変化を伴いながら、ワークＷＫに対して３次元形状測定装置１０’を移動させて３次元形状測定装置支持脚８０を固定させて３次元形状の測定を行う。この場合、作業者は、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内にワークＷＫとともにテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂが位置するように３次元形状測定装置支持脚８０、すなわち３次元形状測定装置１０’を位置決めする。したがって、３次元画像データ処理装置４３には、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内に存在するワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂに関する測定情報が出力される。すなわち、前記ステップＳ５１２と同様に、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）、およびワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光に関する情報（具体的には、反射光量Ｒ）がそれぞれ出力される。
【００９６】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０’からのＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報の入力が終了すると、同ステップＳ６０２にて、３次元形状測定装置１０’から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データには、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面をそれぞれ微小エリアごとに表す３次元形状データに、各エリア位置に対応する反射光量Ｒを表す反射光量データが付加されている。なお、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０’に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。また、この３次元形状データ中には、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂのほかに同基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０’の上面）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００９７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０４にて、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ６０２にてワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを測定した３次元形状測定装置１０’の位置におけるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、ワイヤ装置座標系Ｗ、すなわち基準座標系Ｓにおける先端部２１ａ’の先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００９８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０６にて、前記ステップＳ６０２にて生成された３次元形状データの中から、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データをそれぞれ抽出する。テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データは、前記ステップＳ５１６と同様に、３次元形状データにおける反射光量データを用いてそれぞれ抽出される。すなわち、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂからの各反射光の光量に一致する、または所定の判別値内に含まれる前記反射光量データに対応する３次元形状データを各面６０’ａ，６０’ｂごとに抽出する。
【００９９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０８にて、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＣＰを計算する。この場合、座標変換関数ＦＣＰにおける原点ずれ成分ＧＣＰは、前記回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行により３次元画像処理装置４３に記憶されているため、座標変換関数ＦＣＰにおける座標軸の回転成分ＭＣＰを計算する。この回転成分ＭＣＰの計算は、前記ステップＳ５１４およびステップＳ５２８における回転成分ＭＣＰの計算と同様の処理によって行われる。
【０１００】
すなわち、前記ステップＳ６０６にて抽出したテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂをそれぞれ表す各３次元形状データを用いて各面６０’ａ，６０’ｂごと各法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’を計算し、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃを計算する。そして、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＣＰを計算する。この計算された回転成分ＭＣＰと前記記憶した原点ずれ成分ＧＣＰとによって座標変換関数ＦＣＰが計算される。
【０１０１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１０にて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＰＳを計算する。この場合、座標変換関数ＦＰＳにおける回転成分ＭＰＳは、前記回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行により３次元画像処理装置４３に記憶されているため、座標変換関数ＦＰＳにおける原点ずれ成分ＧＰＳを計算する。具体的には、前記ステップＳ６０４にて検出したワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標が原点ずれ成分ＧＰＳとなる。したがって、この原点ずれ成分ＧＰＳと前記記憶した回転成分ＭＰＳとによって座標変換関数ＦＰＳを計算することができる。すなわち、前記ステップＳ６０４にて検出したワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標は、基準座標系Ｓにおける３次元形状測定装置１０’の位置、より具体的には、カメラ座標系Ｃの位置を特定するために用いられる。
【０１０２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１２にて、前記ステップＳ６０２にて生成されカメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データを、前記ステップＳ６０８にて計算した座標変換関数ＦＣＰを用いて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１４にて、前記ワイヤ先端座標系Ｐに座標変換された３次元形状データを、前記ステップＳ６１０にて計算した座標変換関数ＦＰＳを用いて基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する。すなわち、これらのステップＳ６１２およびＳ６１４によって、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データが基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換される。
【０１０３】
なお、この場合、座標変換関数ＦＣＰと座標変換関数ＦＰＳとを乗算（ＦＣＰ・ＦＰＳ）した座標変換関数ＦＣＳを計算し、この座標変換関数ＦＣＳを用いてカメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換しても結果は同じである。すなわち、座標変換関数ＦＣＰが本発明に係る第４の座標変換関数に相当し、座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第５の座標変換関数に相当する。この基準座標系Ｓに座標変換された３次元形状データは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【０１０４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１６にて、ワークＷＫを別の測定位置から測定するか否かを判定する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、ワークＷＫの測定を続行するか否かを作業者に問い合わせ、作業者から測定終了の指示が入力されるまで、同判定において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ６０２に戻る。この場合、作業者はワークＷＫに対する３次元形状測定装置１０’の測定位置を変えて再度測定を行う。これにより、前記とは異なる測定位置からワークＷＫを測定した際の３次元形状データが３次元画像データ処理装置４３に記憶される。一方、作業者から測定終了の指示が入力された場合には、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ６１８に進む。
【０１０５】
なお、異なる位置からワークＷＫを測定する場合、各測定位置ごとに座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳが計算される。これは、座標変換関数ＦＣＰにおける回転成分ＭＣＰと座標変換関数ＦＰＳにおける原点ずれ成分ＧＰＳが、３次元形状測定装置１０’の測定位置に応じて変化するためである。すなわち、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂによって３次元形状測定装置１０’の向きとは無関係に固定的に定義されるため、３次元形状測定装置１０’の向きが変化するごとにカメラ座標系Ｃに対するワイヤ先端座標系Ｐの回転成分ＭＣＰを計算する必要があり、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸原点は３次元形状測定装置１０’の位置により変化するため、３次元形状測定装置１０’の位置が変化するごとに基準座標系Ｓに対するワイヤ先端座標系Ｐの原点ずれ成分ＧＰＳを計算する必要があるためである。
【０１０６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１８にて、各測定位置ごとに基準座標系によって表された３次元形状データを一組の３次元形状データ群に合成する。この合成においては、すべての測定位置における３次元画像データが同一座標系である基準座標系Ｓ上の座標値で表されているので、各測定位置によって測定されないワークＷＫの部分を表す３次元形状データが互いに補われるとともに、同一場所で複数の３次元形状データ群が存在する場合には、平均化の処理が行われ一組のデータ群とされる。
【０１０７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６２０にて、前記合成された３次元形状データ群を用いてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６２２にて、３次元形状表示プログラムの実行を終了する。このワークＷＫの３次元形状の表示においては、作業者は入力装置４２を操作することによりワークＷＫの表示方向を指示することができ、コントローラ４１および３次元画像データ処理装置４３は表示装置４４にて表示されるワークＷＫの表示方向を変更する。これにより、ワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示させることができる。
【０１０８】
また、新たなワークＷＫをテーブル６０上に置いて、前述のようにワークＷＫの表示を指示して３次元形状測定装置１０’による測定を行えば、前記３次元形状表示プログラムの実行により基準座標系Ｓによる３次元形状データの生成と３次元形状データの合成とが行われ、新たなワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示装置４４に表示させることができる。すなわち、基準物体７０’およびテーブル６０’を用いて座標変換関数ＦＰＳの回転成分ＭＰＳおよび座標変換関数ＦＣＰの原点ずれ成分ＧＣＰを一度だけ計算しておけば、ワイヤ装置２０’（すなわち、基準座標系Ｓ）やテーブル６０の位置を変位させない限り、ワークＷＫを次々に換えて表示装置４４にて立体形状を表示させることができる。
【０１０９】
上記作動説明からも理解できるように、上記第２実施形態によれば、ワイヤ装置２０’によって検出されるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１’の引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを用いて、基準座標系Ｓにおける３次元形状測定装置１０’の位置、より具体的にはカメラ座標系Ｃの位置を特定するとともに、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを用いて、基準座標系Ｓに対する前記ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きを特定して、座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算している。これにより作業者は、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内にワークＷＫとともにテーブル６０’を配置するようにし、基準座標系Ｓにおいて位置が特定できるワイヤ２１’の先端部２１’ａを同３次元形状測定装置１０’に接続した構成で測定を行えば、３次元画像データ処理装置４３は測定により得られた３次元形状データを基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換して合成し、ワークＷＫの３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、上記第１実施形態と同様に、従来例における支持機構に比べて簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、この第２実施形態においては、１つのワイヤ装置２０’を用いて３次元形状測定システムを構成しているため、上記第１実施形態と比べてより簡単に３次元形状測定システムを構成することができる。
【０１１０】
なお、上記第２実施形態においては、ワークＷＫの３次元立体形状の測定に際して３次元形状測定装置１０’を３次元形状測定装置支持脚８０上に固定した。これは、前記ステップＳ６１０およびステップＳ６１２にて計算される座標変換関数ＦＰＳおよび座標変換関数ＦＣＰは、３次元形状測定装置１０’の測定位置固有の座標変換関数であるため、ワークＷＫの測定中（レーザ光の走査中）における３次元形状測定装置１０’の位置を固定するためである。したがって、ワークＷＫの測定中（レーザ光の走査中）における３次元形状測定装置１０’の位置を変化させなければ、上記第１実施形態と同様に３次元形状測定装置１０’を手で持って測定するようにしてもよい。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１１】
また、上記第２実施形態においては、座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳの計算に用いる２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを、テーブル６０’を構成する２つの面６０’ａ，６０’ｂを用いてそれぞれ定義した。しかし、基準物体７０’およびワークＷＫと同時に測定できるとともに、互いに平行でない２つのベクトルが定義できれば、これに限定されるものではない。例えば、図１５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ワークＷＫ（および基準物体７０’）の近傍に互いに平行でない２つの平面９０ａ，９０ｂを設けるようにすればよい。
【０１１２】
また、図１６（Ａ）に示すように、１つの平面９０ａ上に同平面９０ａとは異なる反射率によって形成された直線９１ａを設けるようにしてもよい。この場合、３次元画像データ処理装置４３は、上記第２実施形態と同様にして、平面９０ａを表す３次元形状データに基づいて１つのベクトルを計算するとともに、３次元形状測定装置１０’から出力される測定情報の中から反射光量データに基づいて直線９１ａに関する３次元形状データを抽出し、同抽出した３次元形状データに基づいてもう１つのベクトルを計算する。また、図１６（Ｂ）に示すように、１つの平面９０ａ上に互いに異なる反射率によって形成された２つの直線９１ａ，９１ｂを設け、これら２つの直線９１ａ，９１ｂを用いて２つのベクトルを定義するようにしてもよい。図においては、これらの各直線９１ａ，９１ｂの反射率の違いを各直線上の模様の違いによって表している。これらによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１３】
また、上記第２実施形態においては、１つの定点を定義するための基準物体７０’と２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを定義するための２つの面６０’ａ，６０’ｂを備えるテーブル６０’とをそれぞれ用意した。しかし、ワークＷＫの測定時に障害にならなければ基準物体７０’を２つの面６０’ａ，６０’ｂと一体的に構成してもよい。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１４】
また、上記第２実施形態においては、２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを定義するための２つの面６０’ａ，６０’ｂを互いに直交するように構成した。しかし、互いに平行でない２つのベクトルをそれぞれ定義できれば、２つの面６０’ａ，６０’ｂは必ずしも直交する必要はない。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１５】
また、上記第２実施形態においては、基準座標系Ｓをワイヤ装置２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系Ｗ’とした。しかし、これに代えて、基準座標系Ｓの原点をワイヤ装置座標系Ｗ’と同一とし、基準座標系Ｓの座標軸の向きをワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きと同一とした座標系を基準座標系Ｓとしてもよい。これによれば、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに変換する座標変換関数ＦＰＳのうち、回転成分ＭＰＳが不要となる。このため、座標変換関数ＦＰＳは、原点ずれ成分ＧＰＳとなり、座標変換関数ＦＰＳの計算を簡単にすることができる。
【０１１６】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記第１実施形態および第２実施形態およびこれらの変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【０１１７】
上記第１実施形態および第２実施形態においては、ワイヤ装置２０Ａ，２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡ，Ｗを基準座標系Ｓに設定した。しかし、この基準座標系Ｓは、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’から引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１’の各先端部ワイヤ２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣ，２１ａ’の位置が特定できれば、これに限定されるものではない。例えば、ワイヤ装置２０Ａ，２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡ，Ｗ’によって特定することができるワイヤ装置支持脚３０，３０’上のいずれかの位置に基準座標系Ｓの原点を設定してもよい。また、図１７に示すように、基準座標系Ｓに対するワイヤ装置座標系ＷＡの原点位置と座標軸の向きとを検出する機構を設けるようにしてもよい。図１７は、ワイヤ装置座標系ＷＡ以外の位置に基準座標系Ｓの原点を設定した３次元形状測定システムを示している。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。
【０１１８】
この３次元形状測定システムにおいては、リング状に設けられたレール１００に沿って摺動可能な移動体１０１上にワイヤ装置支持脚３１’が固定されている。ワイヤ装置支持脚３１’上には、上記第１実施形態と同様に３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃがそれぞれ設けられているとともに、同３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣに３次元形状測定装置１０が接続されている。リング状に形成されたレール１００の中心位置は既知であり、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されている。このレール１００の所定の位置（例えば、図示矢印の示す位置）における断面中心に基準座標系Ｓの原点が設定されている。また、レール１００には、基準座標系Ｓが設定された位置に対する移動体１０１のレール１００上の位置を検出する位置検出器（図示せず）が設けられており、検出した移動体１０１の位置を表す信号が３次元画像データ処理装置４３に出力されるようになっている。
【０１１９】
そして、移動体１０１の検出位置を原点とし、座標軸の向きが移動体１０１の検出位置からレール１００の中心に向かうベクトルとレール１００の接線方向のベクトルと、この２つのベクトルに垂直なベクトルの３つのベクトルの向きと同一である座標軸を設定した場合、移動体１０１の検出位置からワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の原点に向かうベクトルは常に同一であり、前記座標軸の向きに対するワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の座標軸の向きも常に同一であり、このベクトル成分および前記座標軸の向きをワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の座標軸の向きにするための座標変換関数の回転成分は３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されている。そして、基準座標系Ｓにおける移動体１０１の検出位置から基準座標系Ｓの原点に向かうベクトルは計算でき、前述のようにレール１００の中心位置は既知であるので、移動体１０１の検出位置からレール１００の中心に向かうベクトルと、レール１００の接線方向のベクトルは移動体１０１の位置を検出すれば計算できる。すなわち、ワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による座標値を移動体１０１の検出位置を原点とした座標軸による座標値に変換するための座標変換関数は記憶されており、移動体１０１の検出位置を原点とした座標軸による座標値を基準座標系Ｓの座標値に変換するための座標変換関数は、移動体１０１の検出位置を検出すれば計算できる。すなわち、移動体１０１の検出位置を検出すれば、ワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による３次元形状データは基準座標系Ｓによる３次元形状データに変換することができる。
【０１２０】
ワークＷＫの測定に先立って作業者は、リング状に形成されたレール１００の内側に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置（図示せず）して、上記第１形態と同様にして座標変換関数ＦＳＰおよび座標変換関数ＦＣＰを計算する。そして、レール１００の内側に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに代えてワークＷＫを配置（図示せず）してワークＷＫの測定を行う。この場合、移動体１０１をレール１００に沿って移動させることにより、ワークＷＫを全周に亘って測定することができる。３次元形状測定装置１０によって測定され３次元画像データ処理装置４３によって生成された３次元形状データは、座標変換関数ＦＣＰによりワイヤ先端座標系Ｐによる３次元形状データに座標変換された後、座標変換関数ＦＰＳによりワイヤ装置座標系ＷＡによる３次元形状データに座標変換される。
【０１２１】
そして、このワイヤ装置座標系ＷＡによって表された３次元形状データは、前記位置検出器によって検出される移動体１０１の位置から計算される移動体１０１の検出位置を座標軸原点とした座標値を基準座標系Ｓの座標値に変換するための座標変換関数と、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による座標値を、移動体１０１の検出位置を座標軸原点とした座標値に変換するための座標変換関数により、基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換される。３次元画像処理装置４３は、この基準座標系Ｓによって表された３次元画像データに基づいてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。これによれば、上記第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が期待できるとともに、上記第１実施形態および第２実施形態に比べてワークＷＫをより広い範囲、例えば、３次元形状測定装置１０に対向する測定対象物の裏側の部分から測定することができる。なお、この場合、ワイヤ装置支持脚３１’の図示上下方向の長さを変化させることができる構成にすれば、３次元形状測定装置１０を移動させることができる範囲を更に広くすることができ、高さのあるワークＷＫも測定することができる。また、いかなる測定方向からも共通の互いに平行でない２つのベクトルが定義できれば、上記第２実施形態に示したように、１つのワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａを３次元形状測定装置１０’に接続した構成としてもよい。
【０１２２】
また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、３次元形状測定装置１０，１０’とワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’とをワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１’で接続した。しかし、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’、すなわち、本発明に係る支持装置から引き出される量、引き出される方向が特定できる部材であれば、ワイヤに限定されるものではない。例えば、互いに外径が異なる複数の筒体を同心円状に配置して、各筒体がより大きな外径の筒体内から出没することにより長さが伸縮自在の部材を接続部材として用いるようにしてもよい。この場合、接続部材の引き出される量および引き出される方向を上記第１実施形態および上記第２実施形態と同様にして検出する検出器を、接続部材を支持する支持装置に設ける。これによっても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１２３】
また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’として球体を用いたが、３次元形状測定装置１０による測定によって生成される３次元形状データにより所定の位置を定点として定義できるものであれば、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’の大きさおよび形状等は特に限定されるものではない。例えば、楕円状の球体、角柱、角錐、円柱、円錐および多面体などの形状により形成された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’、またはこれらの形状を含む形状に形成された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’を用いてもよい。また、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’の表面に同表面と識別可能なマークを形成し同マークを抽出して定点を計算するようにしてもよい。これによっても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定システムの全体を示す概略図である。
【図２】図１の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置とワイヤとの接続状態を説明するための断面図である。
【図３】図１の３次元形状測定システムにおけるワイヤ装置を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態において触針によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図５】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムのフローチャートである。
【図６】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図７】図１の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図８】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＳＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図９】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される３次元形状表示プログラムのフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定システムの全体を示す概略図である。
【図１１】第２実施形態において触針によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図１２】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図１３】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図１４】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される３次元形状表示プログラムのフローチャートである。
【図１５】（Ａ）〜（Ｄ）は第２実施形態における変形例を示す斜視図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は第２実施形態における他の変形例を示す斜視図である。
【図１７】第１実施形態における変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２５】
ＷＫ…ワーク、１０…３次元形状測定装置、１３…球体、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…ワイヤ装置、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…ワイヤ、２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＢ…先端部、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…外筒、３０…ワイヤ装置支持脚、４１…コントローラ、４２…入力装置、４３…３次元画像データ処理装置、４４…表示装置、５０…触針、６０…テーブル、７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ…基準物体、８０…３次元形状測定装置支持脚
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定装置により複数の異なる位置で測定した測定対象物の各座標系における３次元形状データ群を１つの基準座標系における３次元形状データ群に変換して、同測定対象物の３次元形状を任意の方向から見た形状に表示させることが可能な３次元形状測定システムおよび３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象の物体に対し測定位置が移動される３次元形状測定装置により、測定対象物の３次元形状を複数の異なる位置から測定して各測定位置ごとの３次元形状データを合成し、測定対象物の立体形状を任意の方向から見て表示できるようにした３次元形状測定システムはよく知られている。例えば、下記特許文献１に記載の３次元形状測定システムにおいては、複数のアームを互いに可動的に連結して構成される支持機構の先端部に測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置が取り付けられている。そして、作業者は、支持機構の可動範囲内において３次元形状測定装置を複数の位置に移動させ、各位置ごとに測定対象物の測定を行う。
【特許文献１】特開２００４−２５７９２７号公報
【０００３】
この場合、各測定位置ごとに３次元形状測定装置によって測定された測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データは、支持機構の先端部に関する座標系を介して基準座標系による３次元形状データに座標変換される。支持機構の先端部に関する座標系は、支持機構の先端部に取り付けられた３次元形状測定装置の基準座標系に対する座標軸原点の位置および座標軸の向きを特定するための座標系である。この支持機構の先端部に関する座標系の基準座標系に対する原点の位置および座標軸の向きは、支持機構を構成する各アームの長さ、各アーム間の角度および各アーム間のねじれ角などを用いて検出される。
【０００４】
しかしながら、このような３次元形状測定システムにおいては、３次元形状測定装置を支持する支持機構が大型かつ複雑な構成となっているため、３次元形状測定システムの構成を大型かつ複雑化するという問題がある。すなわち、３次元形状測定装置を支持する支持機構は、基準座標系に対する３次元形状測定装置の位置および向きを正確に特定するため精度よく製作する必要があるとともに、３次元形状測定装置を安定的に支持するための剛性を確保する必要があるため、構成が大型かつ複雑となる。また、３次元形状測定装置の可動範囲は測定対象物の大きさに応じて設定されるため、形状の大きな測定対象物を測定する場合には可動範囲の広い支持機構を用意しなければならない。この場合、可動範囲が広くなるほど支持機構の構成がより大型かつ複雑化して３次元形状測定システムの構成がさらに大型かつ複雑化するという問題がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、従来例のような支持機構に比べて、簡単かつ小型な構成で測定対象物の３次元形状を測定することが可能な３次元形状測定システムおよび３次元形状測定方法を提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物の３次元形状を測定して同測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状測定装置と、基端部にて支持装置により引出し量および引出し方向が自在に支持され、かつ先端部に３次元形状測定装置を接続する接続部材と、接続部材の支持装置に対する引出し量および引出し方向を用いて、所定の基準座標系に対する３次元形状測定装置の少なくとも位置を表す位置情報を取得する情報取得手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記取得した位置情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するデータ変換手段と、データ変換手段によって変換された複数組の３次元形状データを合成する合成手段とを備えたことにある。この場合、前記支持装置は、接続部材の引出し量および引出し方向を検出する検出器を備えるとよい。また、接続部材を、ワイヤにするとよい。
【０００７】
この場合、前記所定の基準座標系の原点および座標軸の向きは、支持装置を基準に定められており、前記情報取得手段は、前記位置情報に加えて、前記所定の基準座標系に対する３次元形状測定装置の向きを表す向き情報も取得するとよい。この場合、前記接続部材は、少なくとも３つ用意するとよい。また、前記データ変換手段は、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記位置情報および前記向き情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するための第１の座標変換関数を計算する第１の座標変換関数計算手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、第１の座標変換関数を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに座標変換する座標変換手段とを備えるようにするとよい。この場合、第１の座標変換関数計算手段は、３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第２の座標変換関数と、接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第３の座標変換関数とを第１の座標変換関数として計算するようにするとよい。
【０００８】
また、これに代えて、３次元形状測定装置は、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データに加え、３次元形状測定装置の測定対象空間内に配置された基準物体の３次元形状を表す３次元形状データも出力するものであり、前記所定の基準座標系の原点は支持装置を基準に定められ、かつ基準座標系の座標軸の向きは基準物体を基準に定められるものであり、データ変換手段は、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記取得した位置情報に加え基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するようにしてもよい。この場合、前記接続部材は、少なくとも１つ用意するとよい。また、前記データ変換手段は、基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて基準物体に関係した座標軸の向きを計算し、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記計算した座標軸の向きと同じ座標軸を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第４の座標変換関数を計算する第４の座標変換関数計算手段と、測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記所定の基準座標系の原点と同じ原点を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第５の座標変換関数を計算する第５の座標変換関数計算手段と、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記計算した第４および第５の座標変換関数を用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する座標変換手段とで構成するとよい。この場合、前記第４の座標変換関数は、３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換し、前記第５の座標変換関数は、接続部材の先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに座標変換するとよい。
【０００９】
このように構成した本発明の特徴によれば、支持装置から引き出される接続部材の先端部を３次元形状測定装置に接続している。そして、３次元形状測定装置によって測定対象物を測定する基準座標系における位置を接続部材の引出し量および引出し方向によって特定している。すなわち、基準座標系において３次元形状測定装置の位置が特定できる接続部材の先端部を３次元形状測定装置に接続した構成で測定対象物の３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、従来例のような大型かつ複雑な構成の支持機構を用いることなく、簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、測定対象物の大きさに応じて接続部材の長さを設定すればよいので、形状の大きな測定対象物を測定する場合であっても３次元形状測定システムを簡単かつ小型に構成することができる。
【００１０】
また、上記３次元形状測定システムにおいて、さらに、前記所定の基準座標系は、前記支持装置の所定の位置に基づいて定められており、前記所定の基準座標系に対して支持装置を移動させる支持装置移動手段と、前記所定の基準座標系によって表された支持装置の位置を検出する支持装置位置検出手段とを備え、データ変換手段は、前記取得された位置情報に加え、支持装置位置検出手段によって検出される支持装置の位置を用いて、３次元形状測定装置から出力される３次元形状データを、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するようにしてもよい。これによれば、基準座標系における支持装置の位置が検出されるため、測定対象物を複数の位置から測定する場合、３次元形状測定装置とともに支持装置も移動させることができ、３次元形状測定装置の移動範囲が拡大し測定対象物をより広範囲から測定することができる。したがって、例えば、３次元形状測定装置に対向する測定対象物の裏側の部分も３次元形状測定装置とともに支持装置を移動させることにより測定することができる。
【００１１】
また、本発明は前記３次元形状測定システムに限定されるものではなく、３次元形状測定方法によっても実施できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る３次元形状測定システムの基本構成を示す概略図である。この３次元形状測定システムは、測定対象物であるワークＷＫの３次元形状を測定する３次元形状測定装置１０を備えている。
【００１３】
３次元形状測定装置１０は、箱型に形成されており、ワークＷＫに向けてレーザ光を出射するとともに同ワークＷＫからの反射光を受光して、ワークＷＫの３次元立体表面形状を測定して同測定結果を表す測定情報を出力する。この３次元形状測定装置１０としては、ワークＷＫの３次元表面形状を測定するとともに同測定した３次元表面形状を表す信号を出力するものであれば、いかなる３次元形状測定装置をも利用できる。本実施形態においては、レーザ光を用いて３角測量法に従って物体の３次元表面形状を測定するものを簡単に紹介しておく。
【００１４】
この３次元形状測定装置においては、レーザ光源から物体に向けて出射されるレーザ光の進行方向にほぼ垂直な仮想平面を想定するとともに、同仮想平面上にて互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアを想定する。そして、３次元形状測定装置は、前記多数の微小エリアにレーザ光を順次照射し、物体からの反射光によって前記微小エリアが規定する物体表面までの距離をＺ軸方向距離として順次検出して、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報を得て、同３次元形状測定装置に面した物体表面の形状を測定するものである。
【００１５】
したがって、この３次元形状測定装置は、出射レーザ光の向きをＸ軸方向に変化させるＸ軸方向走査器と、出射レーザ光の向きをＹ軸方向に変化させるＹ軸方向走査器と、物体表面にて反射された反射レーザ光を受光して物体表面までの距離を検出する距離検出器とを備えている。Ｘ軸方向走査器およびＹ軸方向走査器としては、レーザ光源からの出射レーザ光の光路をＸ軸方向およびＹ軸方向に独立に変化させ得る機構であればよく、例えば、レーザ光源自体をＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させたり、出射レーザ光の光路に設けられてその方向を変更するガルバノミラーをＸ軸方向およびＹ軸方向の軸線回りに電動モータによって回転させる機構を利用できる。距離検出器としては、前記出射レーザ光の光路に追従して回転し、物体表面にて反射された反射レーザ光を集光する結像レンズおよび同集光したレーザ光を受光するＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置させたラインセンサからなり、ラインセンサによる反射レーザ光の受光位置によって物体表面までの距離を検出する機構を利用できる。
【００１６】
したがって、このような３次元形状測定装置は、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ，Ｙ，Ｚ座標に関する情報として、Ｘ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＸ軸方向への傾きθｘ、Ｙ軸方向走査器による出射レーザ光の基準方向に対するＹ軸方向への傾きθｙ、および距離検出器による物体表面までの距離Ｌｚとが、前記仮想したＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って分割した多数の微小エリアごとに出力される。より具体的には、Ｘ軸およびＹ軸方向への傾きθｘ，θｙは、電動モータの基準位置からの回転角である。また、物体表面までの距離Ｌｚは、ラインセンサにおける反射レーザ光の受光位置である。
【００１７】
この３次元形状測定装置１０の底面には、円柱状の把持部１１が設けられており、作業者による把持部１１の把持により３次元形状測定装置１０を任意の位置に移動させることができる。また、３次元形状測定装置１０の背面、具体的には、３次元形状測定装置１０におけるレーザ光が出射される側面に対向する側面には、３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されたワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣがそれぞれ接続されている。具体的には、図２に示すように、３次元形状測定装置１０の背面には、内周面が球面状に形成された３つの穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）がそれぞれ設けられている。なお、図２は、穴部１２Ａを示しているが他の穴部１２Ｂ，１２Ｃも穴部１２Ａと同様である。これらの穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）には、同穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）の内径より小径の球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）が、その表面の一部を露出させた状態で、かつ摺動可能な状態で埋め込まれている。
【００１８】
この球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）における３次元形状測定装置１０の背面から露出した表面部には、球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の中心部に向けて雌ネジ１３ａＡ（１３ａＢ，１３ａＣ）が設けられており、この雌ネジ１３ａＡ（１３ａＢ，１３ａＣ）に、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の各先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）に設けられた雄ネジ２１ｂＡ（２１ｂＢ，２１ｂＣ）が螺合している。したがって、３次元形状測定装置１０の背面に対するワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の向きに応じて球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）は、穴部１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）内において回転摺動する。なお、３次元形状測定装置１０の背面に設けられた穴部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれ同一直線上に位置しないように、すなわち、各穴部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃがそれぞれ三角形の頂点を形成するように配置されている。
【００１９】
ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、円筒状に形成された外筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ内に収容された所定の長さのワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを検出して、同引出し量Ｌおよび各回転角θＸ，θＺを表す信号をそれぞれ出力する。これらのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、それぞれ同一の構成であるため、図３に示すワイヤ装置２０Ａについて説明する。外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、ゼンマイバネによりロール状に巻かれたワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を収容する大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）と、同大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）より小径に形成された小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）とから構成されている。
【００２０】
これらのうち、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の外周部における中央部には、その内部に収容されたワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を引き出すための孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）が設けられている。また、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）内には、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引出し量Ｌを検出して同引出し量Ｌを表す信号を出力するリニアエンコーダ２３Ａ（２３Ｂ，２３Ｃ）が組み込まれている。一方、小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）内には、外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）の軸線方向の回転角θＸを検出して同回転角θＸを表す信号を出力するエンコーダ２４Ａ（２４Ｂ，２４Ｃ）が組み込まれている。この外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、水平方向に配置された支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）に同支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）回りに回転可能な状態で支持されている。すなわち、小径部２２ｂＡ（２２ｂＢ，２２ｂＣ）内に組み込まれるエンコーダ２４Ａ（２４Ｂ，２４Ｃ）は、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引き出される方向のうち、支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）回りの回転角を検出する。
【００２１】
支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）の両端部は、略Ｕ字状に形成された支持アーム２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）の両端部にそれぞれ支持されている。この支持アーム２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）の中央部は、垂直方向に配置された回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の上面に固定されている。回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）は、その軸線回りに回転可能な状態で基台２８Ａ（２８Ｂ，２８Ｃ）に支持されている。すなわち、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）を収容する外筒２２Ａ（２２Ｂ，２２Ｃ）は、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線回りにも回転するように構成されている。基台２８Ａ（２８Ｂ，２８Ｃ）内には、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線回りの回転角θＺを検出して同回転角θＺを表す信号を出力するエンコーダ２９Ａ（２９Ｂ，２９Ｃ）が組み込まれている。すなわち、エンコーダ２９Ａ（２９Ｂ，２９Ｃ）は、大径部２２ａＡ（２２ａＢ，２２ａＣ）の孔部２２ｃＡ（２２ｃＢ，２２ｃＣ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の引き出される方向のうち、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）回りの回転角を検出する。
【００２２】
これらの引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺによって、ワイヤ装置２０Ａ（２０Ｂ，２０Ｃ）から引き出されるワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の位置、すなわち、同先端部に接続される３次元形状測定装置１０の位置を特定することができる。この場合、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の位置とは、ワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の軸線上における先端部２１ａＡ（２１ａＢ，２１ａＣ）の先端の点からワイヤ２１Ａ（２１Ｂ，２１Ｃ）の軸線方向に球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の半径長さ分移動した点である。後述する３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置内に球体１３Ａ（１３Ｂ，１３Ｃ）の半径長さが記憶されたおり、検出した引出し量Ｌにこの半径長さを追加した量を引出し量Ｌとする。そして、この先端の位置は、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）回りの回転角を０°とするときの支持軸２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）の軸線をＸ軸とし、回転軸２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）の軸線をＺ軸とし、同Ｘ軸とＺ軸との交点を通るとともに同Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸線をＹ軸とする３次元座標系（以後、「ワイヤ装置座標系ＷＡ（ＷＢ，ＷＣ）」という）による座標によって表される。
【００２３】
ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、柱状のワイヤ装置支持脚３０の上部にそれぞれ固定されている。ワイヤ装置支持脚３０は、垂直方向に設けられた支柱３１の上部にワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを載置して固定する載置台３２Ａ，３２Ｂを備えるとともに、支柱３１の下部に三方に延びる脚３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを有する脚部３４を備えている。したがって、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、ワイヤ装置支持装置３０を移動させることによって、任意の位置に移動させることができる。
【００２４】
これらの３次元形状測定装置１０およびワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃには、コントローラ４１が接続されている。コントローラ４１は、キーボードからなる入力装置４２からの指示に従って、３次元形状測定装置１０の作動を制御する。また、コントローラ４１は、入力装置４２からの指示に従って３次元画像データ処理装置４３の作動を制御するとともに、同入力装置４２にて入力されたデータを３次元画像データ処理装置４３に供給する。
【００２５】
３次元画像データ処理装置４３は、コンピュータ装置によって構成され図５,図６および図８に示す各プログラムを実行することにより座標変換関数を計算するとともに、図９に示すプログラムを実行することにより、３次元形状測定装置１０からの３次元形状に関する情報（立体形状データ群）、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌ、およびワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出される方向を表す回転角θＸ，θＺを入力して、測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を任意の方向から見て表示可能な３次元形状データを生成する。この３次元画像データ処理装置４３には、表示装置４４が接続されている。表示装置４４は、液晶ディスプレイまたはＣＲＴなどで構成され、３次元画像データ処理装置４３から出力される３次元形状データに基づいて測定対象空間内に位置する物体の３次元画像を表示する。
【００２６】
次に、このように構成した３次元形状測定システムの作動について説明する。作業者は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに関する座標系であるの各ワイヤ装置座標系ＷＡ，ＷＢ，ＷＣによって表された各座標値（ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端の位置）を、１つの基準座標系Ｓによって表された座標値に変換するための座標変換関数ＦＷＳを計算する。本実施形態においては、ワイヤ装置２０Ａに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡを基準座標系Ｓとする。
【００２７】
まず、作業者は、図４に示すように、ワイヤ装置２０Ａから引き出されたワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに、先端を尖らせて形成した触針５０を取り付ける。この場合、先端部２１ａＡに取り付けられる触針５０の長さは、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置に予め記憶されており、検出した引出し量Ｌにこの触針５０の長さを追加した量を引出し量Ｌとすることで、触針５０の先端位置の座標を特定することができる。なお、触針５０の先端を球状に形成し、同球の中心位置までの長さを記憶させておくようにしてもよい。次に、作業者は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの先端が届く範囲に配置されたテーブル６０上に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃをそれぞれ配置する。基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃは、互いに直径の異なる３つの真球体で構成され、測定対象空間内において定点を定める機能を有する。なお、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの先端が届く範囲であれば、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置するばよく、必ずしもテーブル６０を用意するとともに、同テーブル６０上に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置する必要はない。
【００２８】
次に、作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＷＳの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して３次元画像データ処理装置４３は、図５に示す、座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。ここで基準物体の特徴とは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃがそれぞれ球体であることを表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが球体であることを表すデータを３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ１０２の処理をスキップさせてもよい。
【００２９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０４にて、測定を行うワイヤ装置の識別番号の入力を待つ。作業者は、入力装置４２を操作して、ワイヤ装置２０Ａを表す識別番号を３次元画像データ処理装置４３に入力する。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０６にて、基準物体の測定情報の入力を待つ。作業者は、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報を入力する。この場合、ワイヤ２１Ａは、触針５０の移動に応じて外筒２２Ａから引き出される。また、外筒２２Ａは、触針５０の移動に応じて支持軸２５Ａ回りおよび回転軸２７Ａ回りに回転する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ装置２０Ａから引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに、それぞれ４つの接触点の各座標値（ｘ、ｙ，ｚ）が計算される。
【００３０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１０８にて、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点をそれぞれ計算する。具体的には、前記ステップＳ１０６にて計算した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各４つの接触点の座標値（ｘ、ｙ，ｚ）を、下記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、前記座標値（ｘ、ｙ，ｚ）によって表された各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの中心座標を表す。なお、下記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ１０８の処理においては計算する必要はない。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとにそれぞれ球体中心座標が定点として計算される。
【数１】
【００３１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１０にて、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行ったか否かを判定する。すなわち、この判定処理においては、すべてのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行うまで、「Ｎｏ」と判定し続けてステップＳ１０４に戻る。ステップＳ１０４においては、前記したように、測定を行うワイヤ装置の識別番号の入力を待つ。この場合、作業者は、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられている触針５０をワイヤ２１Ｂ（またはワイヤ２１Ｃ）の先端部２１ａＢ（または先端部２１ａＣ）に付け替えて、入力装置４２からワイヤ装置２０Ｂ（またはワイヤ装置２０Ｃ）の識別番号を入力し、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を繰り返し実行する。一方、すべてのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行った場合には、この判定処理において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１１２に進む。これにより、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃごとに、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの定点がそれぞれ計算される。
【００３２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１２にて、座標変換関数ＦＷＳを計算する。この場合、座標変換関数ＦＷＳには、ワイヤ装置２０Ｂに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＢによって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳ１と、ワイヤ装置２０Ｃに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＣによって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳ２とがある。なお、ワイヤ装置２０Ａに関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡは基準座標系Ｓであるため、ワイヤ装置座標系ＷＡによって表された座標値を基準座標系Ｓによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＷＳは計算する必要はない。
【００３３】
このステップＳ１１２による座標変換係数ＦＷＳの計算処理に先立ち、座標変換について簡単に説明しておく。Ｘ，Ｙ，Ｚ座標からなる第１座標系と、同第１座標系をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸回りにそれぞれθｘ，θｙ，θｚだけ回転させるとともに、同第１座標系の原点をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれａ，ｂ，ｃだけ移動させた第２座標系を想定する。第１座標系における一点の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）とし、第２座標系における同一点の座標値を（ｘ’，ｙ’，ｚ’）とすると、これらの座標値の間には下記式２が成立する。この場合、下記式２中のＭは下記式３によって表される行列値である。
【数２】
【数３】
【００３４】
このステップＳ１１２の座標変換関数ＦＷＳの計算は、前記式２および式３中の行列値Ｍ（ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３，ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３，ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３）および行列値ａ，ｂ，ｃを計算することを意味する。この場合、本実施形態のワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）が第１座標系に対応するとともに、基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）が第２座標系に対応する。したがって、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃのワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）における各定点(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)と、基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）における各定点(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)とを前記式２に適用すると、下記式４〜６の関係が成立する。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３５】
前記式４を変形すると、下記式７の連立方程式が成立する。
【数７】
【００３６】
ここで、定点座標(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)を含む平面の法線ベクトルを（α，β，γ）とし、定点座標(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)を含む平面の法線ベクトルを（α’，β’，γ’）とすると、２つの法線ベクトルの大きさが同じであれば下記式８が成立する。同式８中の行列Ｍは、前記式３によって表される。
【数８】
【００３７】
定点座標(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)を含む平面の法線ベクトルを(ｘ2,ｙ2,ｚ2)から(ｘ1,ｙ1,ｚ1)に向かうベクトルと、(ｘ3,ｙ3,ｚ3)から(ｘ2,ｙ2,ｚ2)に向かうベクトルとの外積により成立するベクトルとすると、前記法線ベクトル（α，β，γ）は下記式９によって表される。
【数９】
【００３８】
同様に、前記ベクトル（α’，β’，γ’）は下記式１０によって表される。
【数１０】
【００３９】
前記式９および前記式１０を前記式８に代入すると、下記式１１が成立する。
【数１１】
【００４０】
前記式１１の１番目の式を前記式７に加えれば、下記式１２の連立方程式となる。
【数１２】
【００４１】
この式１２の連立方程式を解くことにより、行列値ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３を計算することができる。また、前記式５および式６に関しても、前記式７の連立方程式のように変形し、前記式１１の２番目の式および３番目の式をそれぞれ加えた連立方程式を解くことにより行列値ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３および行列値ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３を計算できる。そして、これらの計算した各行列値を前記式４〜６に代入すれば、行列値ａ，ｂ，ｃを計算できる。これにより、ワイヤ装置２０Ｂ（またはワイヤ装置２０Ｃ）に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＢ（またはワイヤ装置座標系ＷＣ）によって表された座標値を基準座標系Ｓ（ワイヤ装置座標系ＷＡ）によって表された座標値に変換するための座標変換関数ＦＷＳ１（または座標変換関数ＦＷＳ２）が計算される。なお、計算された座標変換関数ＦＷＳは、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置内に記憶される。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ１１４にて、この座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行を終了する。
【００４２】
次に、作業者は、３次元形状測定装置１０に関する座標系（以後、「カメラ座標系Ｃ」という）によって表された３次元形状データを、基準座標系Ｓが設定されているワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに関する座標系（以後、「ワイヤ先端座標系Ｐ」という）によって表された３次元形状データに変換するための座標変換関数ＦＣＰを計算する。ここで、カメラ座標系Ｃは、互いに直交する３つの座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）からなり、３次元形状測定装置１０の特定点を原点とする３次元座標系である。また、ワイヤ先端座標系Ｐは、カメラ座標系Ｃに対応する３つの座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）からなり、基準座標系Ｓが設定されたワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの軸線上における先端部２１ａＡの先端の点からワイヤ２１Ａの軸線方向に球体１３Ａの半径長さ分移動した点を原点とする３次元座標系である。この座標変換関数ＦＣＰの計算に際して作業者は、基準座標系Ｓが設定されたワイヤ装置２０Ａから引き出されるワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに前記触針５０を再度取り付ける。
【００４３】
作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＣＰの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図６に示す座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行をステップＳ２００にて開始して、ステップＳ２０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。この場合、基準物体の特徴とは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃがそれぞれ球体であることを表すデータおよび同各球体の直径を表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃが球体であることを表すデータおよび同球体の直径を表すデータを３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ２０２の処理をスキップさせてもよい。
【００４４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０４にて、触針５０による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、前記ステップＳ１０６と同様にして、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ装置２０Ａから引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに、それぞれ４つの接触点の各座標値（ｘ、ｙ，ｚ）が計算される。
【００４５】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０６にて、前記ステップＳ１０８と同様にして、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点をそれぞれ計算する。具体的には、前記ステップＳ２０４にて計算した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各４つの接触点の座標値（ｘ、ｙ，ｚ）を、前記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、前記座標値（ｘ、ｙ，ｚ）によって表された各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの中心座標を表す。なお、前記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ２０６の処理においては計算する必要はない。これにより、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに各球体の中心座標が定点としてそれぞれ計算される。なお、このステップＳ２０６によって計算される基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点は、前記ステップＳ１０８にて計算される基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点と同じであるため、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの位置やワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの位置が変更されず前記ステップ１０６にて計算された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点の座標値が記憶されていれば、ステップＳ２０４およびステップＳ２０６の処理は不要である。
【００４６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２０８にて、３次元形状測定装置１０による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、図７に示すように、ワイヤ２１Ａの先端部２１ａＡに取り付けられている触針５０を取り外して３次元形状測定装置１０の背面に設けられている球体１３Ａに接続するとともに、他のワイヤ２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＢ，２１ａＣを同３次元形状測定装置１０の背面に設けられている球体１３Ｂ，１３Ｃにそれぞれ接続する。そして、各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが接続された３次元形状測定装置１０を３次元形状測定装置支持脚８０に固定した後、入力装置４２を操作して基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を行う。３次元形状測定装置支持脚８０は、ワイヤ装置支持脚３０と同様に３次元形状測定装置１０を所定の位置に支持するものである。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。
【００４７】
３次元形状測定装置１０は、コントローラ４１からの指示に応答して基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの測定を開始して、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す情報を３次元画像データ処理装置４３に出力する。すなわち、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像データ処理装置４３にそれぞれ出力する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ２０８にて、３次元形状測定装置１０から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。なお、この３次元形状データ中には、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃのほかに同基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００４８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１０にて、前記ステップＳ２０８にて生成された３次元形状データの中から、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データをそれぞれ抽出する。この基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データの抽出処理は、図示しない基準物体抽出サブプログラムによって実行される。基準物体抽出サブプログラムの処理内容を簡単に説明する。
【００４９】
３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ２０２にて入力された基準物体の特徴のうち球体の直径を表すデータを用いて、単位ブロックおよび探索ブロックを設定する。単位ブロックは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの存在位置を特定するために探索ブロックを移動させる最小のブロックであり、探索ブロックは、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃをその内部に包含する位置を特定するために利用される単位ブロックの集まりである。３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０の測定対象空間内を単位ブロックの大きさで立体的に分割するとともに、探索ブロックを測定対象空間内で順次移動させて探索ブロック内に包含される単位ブロックのうち３次元形状データを含む単位ブロックの数をカウントする。このカウントした単位ブロックの数に応じて、探索ブロック内に含まれる３次元形状データがそれぞれ基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ全体を含む３次元形状データであるか否かを判定し、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ全体を含む３次元形状データであると判定されたとき、探索ブロック内の３次元形状データを抽出する。なお、この技術は、既によく知られた技術であり、例えば特開２００４−３３３３７１号公報に記載されている。
【００５０】
また、前記説明した基準物体の抽出方法のほかに、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量を用いて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの３次元形状を表す３次元形状データを抽出することもできる。この場合、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量を予め検出するとともに、同反射光の光量を３次元画像データ処理装置４３に設定しておく。そして、３次元形状測定装置１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）に加えて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃからの反射光の光量も検出して、前記設定した光量と一致する３次元形状データを抽出するようにする。
【００５１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１２にて、前記ステップＳ２１０にてそれぞれ抽出した基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを表す３次元形状データを用いて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに定点座標をそれぞれ計算する。具体的には、前記抽出した３次元形状データを基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとに前記式１の左辺にそれぞれ代入し、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この場合、ａ，ｂ、ｃは、３次元形状データによって表された球体、すなわち各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの各中心座標を表す。なお、前記式１においてｄは、各基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃの半径を表すが、このステップＳ２１２の処理においては計算する必要はない。
【００５２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１４にて、基準座標系Ｓによって表された座標値をワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＳＰを計算する。この座標変換関数ＦＳＰの計算は、図８に示す座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行により行われる。
【００５３】
３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３００にて、座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行を開始して、ステップＳ３０２にて、ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ２０８にて基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを測定した３次元形状測定装置１０の位置における各ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、各ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃごと、すなわちワイヤ装置座標系ＷＡ，ＷＢ，ＷＣごとに各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００５４】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３０４にて、前記ステップＳ３０２にて計算した各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣの先端座標を、前記座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムの実行により計算された座標変換関数ＦＷＳ（座標変換関数ＦＷＳ１および座標変換関数ＦＷＳ２）を用いて基準座標系Ｓによって表された座標値にそれぞれ座標変換する。この場合、ワイヤ装置座標系ＷＡによって表された先端部２１ａＡの先端座標は、ワイヤ装置座標系ＷＡが基準座標系Ｓであるため、座標変換する必要はない。なお、このステップＳ３０４にて計算された３つの先端座標を、各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣに対応させてＰＡ，ＰＢ，ＰＣとする。
【００５５】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ３０６にて、座標変換関数ＦＳＰを計算する。この座標変換関数ＦＳＰにおける座標軸の回転成分の計算は、前記ステップＳ３０４にて計算した基準座標系Ｓにおける３つの先端座標ＰＡ，ＰＢ，ＰＣを用いて３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを定義し、同３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各ベクトルの成分を用いて計算する。具体的には、基準座標系Ｓにおける１つのベクトルの成分を（α，β，γ）とするとともに、ワイヤ先端座標系Ｐにおける前記１つのベクトルの成分を（α’，β’，γ’）とすると、前記式８が成立する。同式８中の行列値Ｍは、基準座標系Ｓの座標軸に対するワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の相対的な回転成分を表しており、前記式３によって表される。この場合、ベクトル（α，β，γ）とベクトル（α’，β’，γ’）は、その大きさが同じとする。
【００５６】
このステップＳ３０６の座標変換関数ＦＳＰにおける座標軸の回転成分の計算は、前記式８中の行列値Ｍ（Ｍ＝ｇ１１，ｇ１２，ｇ１３，ｇ２１，ｇ２２，ｇ２３，ｇ３１，ｇ３２，ｇ３３）を計算することを意味する。すなわち、互いに同一方向でない３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃを想定し、この３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、この３つのベクトルのＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、下記式１３〜１５の関係が成立する。
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００５７】
この前記式１３〜１５の連立方程式を解くことにより、行列値Ｍを計算することができる。本実施形態においては、前記先端座標ＰＡから先端座標ＰＢ（または先端座標ＰＣ）に向かうベクトルの単位ベクトルを前記３つのベクトルＡ，Ｂ，ＣうちのベクトルＡとし、先端座標ＰＡから先端座標ＰＣ（または先端座標ＰＢ）に向かうベクトルと、前記ベクトルＡとの外積により計算される単位ベクトルをベクトルＢとし、前記ベクトルＡとベクトルＢとの外積により計算される単位ベクトルをベクトルＣとする。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、これらのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの向きと同一であるとして定義する。よって同ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分は（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）となる。そして、基準座標系Ｓにおける同ベクトルＡ，Ｂ，Ｃにおける各成分は、３つの先端座標ＰＡ，ＰＢ，ＰＣを用いて計算される。したがって、これらのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍを計算することができる。また、基準座標系Ｓの原点に対するワイヤ先端座標系Ｐの原点のずれ量は先端座標ＰＡの座標値（ａ，ｂ，ｃ）となる。これらの行列値Ｍおよび先端座標ＰＡの座標値（ａ，ｂ，ｃ）が座標変換関数ＦＳＰである。基準座標系Ｓによって表された座標値（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）とワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値（ＸＰ，ＹＰ，ＺＰ）との関係を座標変換関数ＦＳＰを用いて表すと下記式１６に示すようになる。
【数１６】
【００５８】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、前記計算した座標変換関数ＦＳＰを記憶した後、ステップＳ３０８にて、この座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムの実行を終了してステップＳ２１６に戻る。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１６にて、前記ステップＳ２０６にて計算された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃごとの各定点座標を、前記ステップＳ２１４にて計算した座標変換関数ＦＳＰを用いてワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。これにより、３つの基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに対して、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３つの定点座標と、カメラ座標系Ｃによって表された３つの定点座標とが計算されたことになる。
【００５９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ２１８にて、座標変換関数ＦＣＰを計算する。この座標変換関数ＦＣＰの計算は、前記ステップＳ２１２にて計算されたカメラ座標系Ｃにおける３つの定点座標と、前記ステップＳ２１６にて計算されたワイヤ先端座標系Ｐにおける３つの定点座標とを用いて、前記座標変換関数ＦＷＳと同様な処理によって計算する。すなわち、前記第１座標系をカメラ座標系Ｃとし、前記第２座標系を基準座標系Ｓとして、カメラ座標系Ｃによって表された３つの定点(ｘ1,ｙ1,ｚ1)，(ｘ2,ｙ2,ｚ2)，(ｘ3,ｙ3,ｚ3)と、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３つの定点(ｘ’1,ｙ’1,ｚ’1)，(ｘ’2,ｙ’2,ｚ’2)，(ｘ’3,ｙ’3,ｚ’3)とを前記式２にそれぞれ代入すれば、前記と同様にして座標変換関数ＦＣＰを計算することができる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、前記計算した座標変換関数ＦＣＰを記憶した後、ステップＳ２２０にて、この座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行を終了する。
【００６０】
この座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行後、作業者は、テーブル６０から基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを取り除いて、同テーブル６０上に測定対象物であるワークＷＫを配置する。そして、入力装置４２を操作してワークＷＫの３次元立体形状の表示を指示する。これに応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図９に示す３次元形状表示プログラムの実行をステップＳ４００にて開始して、ステップＳ４０２にてワークＷＫの３次元形状を表す測定情報の入力を待つ。
【００６１】
作業者は、３次元形状測定装置１０を３次元形状測定装置支持脚８０上から取り外し、同３次元形状測定装置１０を手で持って、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃから引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび外筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの回転角θｘ，θｙの変化を伴いながら、ワークＷＫに対して３次元形状測定装置１０を移動させてワークＷＫの３次元形状の測定を行う。
【００６２】
３次元形状測定装置１０によって測定されたワークＷＫの測定情報は、３次元画像データ処理装置４３に出力される。すなわち、ワークＷＫの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）を３次元画像データ処理装置４３に出力する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ４０２にて、３次元形状測定装置１０から出力された１つのＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、１つの３次元形状データ（すなわち、１つの座標値）を計算する。この場合、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。なお、この３次元形状データは、ワークＷＫや同ワークＷＫの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０）の表面形状を表す３次元形状データのいずれかのデータである。
【００６３】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０４にて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された座標値を基準座標系Ｓによって表された座標値に変換する座標変換関数ＦＰＳを計算する。この座標変換関数ＦＰＳの計算は、前記座標変換関数ＦＳＰの逆関数として計算される。すなわち、３次元画像データ処理装置４３は、前記図８に示す座標変換関数ＦＳＰ計算サブプログラムを実行することにより座標変換関数ＦＳＰを計算した後、同計算した座標変換関数ＦＳＰの逆関数を座標変換関数ＦＰＳとして計算する。
【００６４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０６にて、前記ステップＳ４０２にて生成した３次元形状データを、前記座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムの実行によって計算された座標変換関数ＦＣＰを用いて、カメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４０８にて、前記ワイヤ先端座標系Ｐに座標変換された３次元形状データを、前記ステップＳ４０４にて計算した座標変換関数ＦＰＳを用いて基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する。すなわち、これらのステップＳ４０６およびＳ４０８によって、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データが基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換される。
【００６５】
なお、この場合、座標変換関数ＦＣＰと座標変換関数ＦＰＳとを乗算（ＦＣＰ・ＦＰＳ）した座標変換関数ＦＣＳを計算し、この座標変換関数ＦＣＳを用いてカメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換しても結果は同じである。すなわち、座標変換関数ＦＣＰが本発明に係る第２の座標変換関数に相当し、座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第３の座標変換関数に相当し、これらの座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第１の座標変換関数に相当する。この基準座標系Ｓに座標変換された３次元形状データは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００６６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１０にて、３次元形状測定が終了したか否かを判定する。具体的には、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が入力したときは、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ４０２に戻り、前述したように３次元形状データの計算と座標変換関数ＦＰＳを計算と、計算した３次元形状データの基準座標系Ｓの３次元形状データへの座標変換を行い、座標変換を行った３次元形状データを３次元画像データ処理装置４３に記憶する。この処理は、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が入力する限り繰り返し行われる。一方、３次元形状測定装置１０からＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報が所定時間以上入力しないときは、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ４１２にて、ワークＷＫを別の測定位置から測定するか否かを判定する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、ワークＷＫの測定を続行するか否かを作業者に問い合わせ、作業者から測定終了の指示が入力されるまで、同判定において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ４０２に戻る。この場合、作業者はワークＷＫに対する３次元形状測定装置１０の測定位置を変えて再度測定を行う。これにより、前記とは異なる測定位置からワークＷＫを測定した際の３次元形状データが３次元画像データ処理装置４３に記憶される。なお、この場合、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの位置は固定である。一方、作業者から測定終了の指示が入力された場合には、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ４１４に進む。
【００６７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１４にて、各測定位置ごとに基準座標系Ｓによって表された３次元形状データを一組の３次元形状データ群に合成する。この合成においては、すべての測定位置における３次元形状データが同一座標系である基準座標系Ｓ上の座標値で表されているので、各測定位置によって測定されないワークＷＫの部分を表す３次元形状データが互いに補われるとともに、同一場所で複数の３次元形状データ群が存在する場合には、平均化の処理が行われ一組のデータ群とされる。
【００６８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１６にて、前記合成された３次元形状データ群を用いてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ４１８にて、３次元形状表示プログラムの実行を終了する。このワークＷＫの３次元形状の表示においては、作業者は入力装置４２を操作することによりワークＷＫの表示方向を指示することができ、コントローラ４１および３次元画像データ処理装置４３は表示装置４４にて表示されるワークＷＫの表示方向を変更する。これにより、ワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示させることができる。
【００６９】
また、新たなワークＷＫをテーブル６０上に置いて、前述のようにワークＷＫの表示を指示して３次元形状測定装置１０による測定を行えば、前記３次元形状表示プログラムの実行により基準座標系Ｓによる３次元形状データの生成と３次元形状データの合成とが行われ、新たなワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示装置４４に表示させることができる。すなわち、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを用いて座標変換関数ＦＷＳおよび座標変換関数ＦＣＰを一度だけ計算しておけば、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ（すなわち、基準座標系Ｓ）の位置を変位させない限り、ワークＷＫを次々に換えて表示装置４４にてワークＷＫの立体形状を表示させることができる。
【００７０】
上記作動説明からも理解できるように、上記第１実施形態によれば、３次元画像データ処理装置４３は、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによって検出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを用いて、３次元形状測定装置１０、具体的にはカメラ座標系Ｃの基準座標系Ｓにおける位置を特定して座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算している。これにより作業者は、基準座標系Ｓにおいて３次元形状測定装置１０の位置が特定できるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣを３次元形状測定装置１０にそれぞれ接続した構成でワークＷＫの測定を行えば、３次元画像データ処理装置４３は測定により得られた３次元形状データを基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換して合成し３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、従来例のように大型かつ複雑な構成の支持機構を用いることなく、簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、ワークＷＫの大きさに応じてワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに収容されているワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの長さを設定すればよいので、形状の大きなワークＷＫを測定する場合であっても３次元形状測定システムを簡単かつ小型に構成することができる。
【００７１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態においては、３次元形状測定装置１０に３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを接続した３次元形状測定システムについて説明した。しかし、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換するための座標変換関数（上記第１実施形態においては座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳ）を計算することができれば、これに限定されるものではない。図１０は、１つのワイヤ装置２０’を３次元形状測定装置１０’に接続した３次元形状測定システムを示している。ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａは、上記第１実施形態と同様に、３次元形状測定装置１０’の背面（３次元形状測定１０’におけるレーザ光が出射される側面に対向する側面）に埋め込まれた球体１３’に接続されている。なお、このワイヤ装置２０’は、上記第１実施形態において座標変換関数ＦＣＰを計算するときと同様に、ワイヤ装置２０’を所定の位置に支持するワイヤ装置支持脚３０’上に固定されている。
【００７２】
３次元形状測定装置１０’は、上記第１実施形態における３次元形状測定装置１０によって測定される測定情報、すなわち、物体の表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）に加えて、同各分割エリアごとの反射光量Ｒも検出する。したがって、３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０’が検出した反射光量Ｒを用いて、測定対象空間内に位置する物体表面の前記微小エリアごとの反射光量を計算する。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７３】
次に、このように構成した第２実施形態に係る３次元形状測定システムの作動について説明する。作業者は、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＰＳを構成する座標軸の回転成分ＭＰＳ、およびカメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＣＰを構成する座標原点の原点ずれ成分ＧＣＰを計算する。
【００７４】
まず、作業者は、図１１に示すように、上記第１実施形態と同様に、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａに、先端を尖らせて形成した触針５０を固定する。次に、作業者は、ワイヤ装置２０Ａ’から引き出されるワイヤ２１’の先端が届く範囲に直方体状に形成されたテーブル６０’を配置する。テーブル６０’は、ワイヤ先端座標系Ｐを定義して座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算する際に用いられる基準物体を構成する物体であり、テーブル６０’を構成する少なくとも２つの面６０’ａ，６０’ｂが３次元形状測定装置１０’に対向するように配置される。テーブル６０’における３次元形状測定装置１０’に対向する２つの面６０’ａ，６０’ｂは、互いに異なる反射率となるように形成されている。図においては、これらの各面６０’ａ，６０’ｂの反射率の違いを各面上の模様の違いによって表している。また、これら２つの面６０’ａ，６０’ｂにそれぞれレーザ光を照射した場合における各面６０’ａ，６０’ｂからの反射光の光量は事前に作業者により認識されており、３次元画像データ処理装置４３のメモリ装置に予め記憶されている。
【００７５】
次に、作業者は、テーブル６０’上に１つの基準物体７０’を配置する。基準物体７０’は、上記第１実施形態と同様に、真球体で構成されており、測定対象空間内において定点を定める機能を有する。なお、基準物体７０’は、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１Ａ’の先端が届く範囲、かつ３次元形状測定装置１０’によって前記テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂと同時に測定できる位置関係に配置されていれば、必ずしもテーブル６０’上に配置する必要はない。
【００７６】
次に、作業者は、入力装置４２を操作して、座標変換関数ＦＰＳを構成する座標軸の回転成分ＭＰＳ、および座標変換関数ＦＣＰを構成する座標原点の原点ずれ成分ＧＣＰの計算を３次元画像データ処理装置４３に指示する。この指示に応答して３次元画像データ処理装置４３は、図１２に示す回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行をステップＳ５００にて開始して、ステップＳ５０２にて、基準物体の特徴の入力を待つ。この基準物体の特徴とは、基準物体が１つの球体と２つの平面とからなることを表すデータである。したがって、作業者は、入力装置４２を操作して、これらの情報を３次元画像データ処理装置４３に入力する。なお、前記と同様に、以前に入力された基準物体の特徴が変更されない場合には、このステップＳ５０２の処理をスキップさせてもよい。
【００７７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０４にて、基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、上記第１実施形態と同様に、ワイヤ２１’の先端部２１’ａに取り付けられた触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端を基準物体７０’の各表面における互いに異なる４つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の基準物体７０’に対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の基準物体７０’に対する接触を表す情報ごとに、ワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の基準物体７０’に対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。
【００７８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０６にて、面の識別番号の入力を待つ。この場合、作業者は、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを識別するためにそれぞれ予め付けられた番号を入力する。次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５０８にて、面の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、触針５０を手で持って移動させることにより、触針５０の先端をテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面における互いに異なる３つの位置にそれぞれ接触させるとともに、各接触ごとに入力装置４２を操作することにより触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する接触を表す情報を入力する。３次元画像データ処理装置４３は、作業者から入力される触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する各接触を表す情報ごとに、ワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、触針５０の面６０’ａ，６０’ｂに対する各接触点の座標値をそれぞれ計算する。
【００７９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１０にて、基準物体７０’の中心座標を定点として計算する。具体的には、上記第１実施形態における前記ステップ１０６と同様に、前記ステップＳ５０４にて計算した基準物体７０’の各４つの接触点の座標値を、前記式１の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。この計算された定点は、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００８０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１２にて、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂにおける各法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’を計算する。具体的には、前記ステップＳ５０８にて計算した各面６０’ａ，６０’ｂごとの各３つの接触点の座標値を下記式１７の左辺にそれぞれ代入することで成立する連立方程式を解くことで未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄをそれぞれ計算する。各面６０’ａ，６０’ｂごとに計算した未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、未知数ａ、ｂ、ｃが各面６０’ａ，６０’ｂに対応する各法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’のベクトル成分を表す。
【数１７】
【００８１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１４にて、回転成分ＭＰＳを計算する。具体的には、前記ステップＳ５１２にて計算した２つの法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’のうち、一方の法線ベクトルαＳ６０’（または法線ベクトルβＳ６０’）の単位ベクトルをベクトルＡとし、同２つの法線ベクトルαＳ６０’，βＳ６０’の外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＢとし、これらのベクトルＡ，Ｂの外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＣとしてそれぞれ計算し、同計算したこれら３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃの方向をそれぞれ座標軸とする座標系をワイヤ先端座標系Ｐと定義する。
【００８２】
そして、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各ベクトル成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、同ベクトルのＡ，Ｂ，Ｃの基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐおよび基準座標系Ｓにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＰＳを計算することができる。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰである（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）は、それぞれ（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）であり、基準座標系Ｓにおける各成分ＡＳ，ＢＳ，ＣＳである（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）は、２つの法線ベクトルαＳ６０，βＳ６０の各成分から前述のように既に計算されている。これにより、座標変換関数ＦＰＳにおける回転成分ＭＰＳが計算される。この計算された回転成分ＭＰＳは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【００８３】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１６にて、３次元形状測定装置１０’による基準物体の測定情報の入力を待つ。この場合、作業者は、図１３に示すように、上記第１実施形態と同様にして、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’に取り付けられている触針５０を取り外して３次元形状測定装置１０’の背面に設けられている球体１２’に接続する。そして、ワイヤ２１’が接続された３次元形状測定装置１０’を３次元形状測定装置支持脚８０に固定した後、入力装置４２を操作して基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの測定を行う。
【００８４】
３次元形状測定装置１０’は、コントローラ４１からの指示に応答して基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの測定を開始して、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各３次元形状を表す情報、および基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光の光量を表す情報を３次元画像データ処理装置４３に出力する。すなわち、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）、および基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光に関する情報（具体的には、反射光量Ｒ）を３次元画像データ処理装置４３にそれぞれ出力する。
【００８５】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、同ステップＳ５１６にて、３次元形状測定装置１０’から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報および反射光に関する情報に基づいて、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データには、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面をそれぞれ微小エリアごとに表す３次元形状データに、各エリア位置に対応する反射光量Ｒを表す反射光量データが付加されている。なお、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０’に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。また、この３次元形状データ中には、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂのほかに同基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０’の上面）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００８６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５１８にて、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ５１２にて基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを測定した３次元形状測定装置１０’の位置におけるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、ワイヤ装置座標系Ｗ、すなわち基準座標系Ｓにおける先端部２１ａ’の先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００８７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２０にて、前記ステップＳ５１６にて生成された３次元形状データの中から、基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す各３次元形状データをそれぞれ抽出する。これらのうち、基準物体７０’の３次元形状を表す３次元形状データの抽出処理は、上記第１実施形態と同様に、図示しない基準物体抽出サブプログラムによって実行される。また、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データは、前記ステップＳ５１６にて生成された３次元形状データにおける反射光量データを用いてそれぞれ抽出する。すなわち、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂからの各反射光の光量に一致する、または所定の判別値内に含まれる前記反射光量データに対応する３次元形状データを各面６０’ａ，６０’ｂごとに抽出する。
【００８８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２２にて、前記ステップＳ５２０にて抽出した基準物体７０’を表す３次元形状データを用いて定点座標を算する。具体的には、上記第１実施形態と同様に、前記抽出した３次元形状データを前記式１の左辺にそれぞれ代入し、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃを定点として計算する。これにより、カメラ座標系Ｃにおける基準物体７０’の中心座標が定点として計算される。なお、前記式１においてｄは、基準物体７０’の半径を表すが、このステップＳ５１８の処理においては計算する必要はない。
【００８９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２４にて、前記ステップＳ５２０にて抽出したテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂをそれぞれ表す各３次元形状データを用いて各面６０’ａ，６０’ｂごとに各法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’を計算する。具体的には、上記第１実施形態と同様に、前記ステップＳ５２０にて生成した各面６０’ａ，６０’ｂごとの各３次元形状データを前記式１７の左辺にそれぞれ代入して、最小２乗法を用いて未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄをそれぞれ計算する。各面６０’ａ，６０’ｂごとに計算した未知数ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、未知数ａ、ｂ、ｃが各面６０’ａ，６０’ｂに対応する法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’のベクトル成分を表す。
【００９０】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２６にて、前記ステップＳ５１０にて計算した基準座標系Ｓによって表された定点座標を、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。具体的には、前記ステップＳ５１４にて計算した回転成分ＭＰＳの逆関数ＭＳＰと、前記ステップＳ５１８にて検出したワイヤ２１’の先端座標、すなわちワイヤ先端座標系Ｐと基準座標系Ｓとの原点ずれ（座標値）とから構成される座標変換関数ＦＳＰを用いて、前記ステップＳ５１０にて計算した基準座標系Ｓによって表された定点座標を、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標に座標変換する。これにより、基準物体７０’に対して、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標と、カメラ座標系Ｃによって表された定点座標とが計算されたことになる。
【００９１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５２８にて、原点ずれ成分ＧＣＰを計算する。具体的には、前記ステップＳ５２４にて計算した２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’のうち、一方の法線ベクトルαＣ６０’（または法線ベクトルβＣ６０’）の単位ベクトルをベクトルＡとし、同２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’の外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＢとし、これらのベクトルＡ，Ｂの外積により計算されるベクトルの単位ベクトルをベクトルＣとしてそれぞれ計算する。これら３つのベクトルＡ，Ｂ，Ｃは、前述したベクトルＡ，Ｂ，Ｃと同一である。
【００９２】
したがって、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃにおける各ベクトル成分ＡＣ，ＢＣ，ＣＣを（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）とし、同ベクトルのＡ，Ｂ，Ｃのワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰを（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）とすれば、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＣＰを計算することができる。この場合、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃの向きと同一である。よって、ワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分ＡＰ，ＢＰ，ＣＰである（α’１，β’１，γ’１），（α’２，β’２，γ’２），（α’３，β’３，γ’３）は、それぞれ（１，０，０），（０，１，０），（０，０，１）であり、カメラ座標系Ｃにおける各成分ＡＣ，ＢＣ，ＣＣである（α１，β１，γ１），（α２，β２，γ２），（α３，β３，γ３）は、２つの法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’の各成分から前述のように既に計算されている。
【００９３】
そして、計算した回転成分ＭＣＰを前記式２におけるＭに代入し、カメラ座標系Ｃによって表された定点座標を同式２におけるｘ、ｙ、ｚに代入し、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された定点座標を同式２におけるｘ’、ｙ’、ｚ’にそれぞれ代入すれば、両座標系における原点ずれ成分ＧＣＰが同式２におけるａ，ｂ，ｃとして計算される。この原点ずれ成分ＧＣＰは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ５３０にて、回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行を終了する。
【００９４】
この回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行後、作業者は、図１０に示すように、テーブル６０’から基準物体７０’を取り除いて、同テーブル６０’上に測定対象物であるワークＷＫを配置する。そして、入力装置４２を操作してワークＷＫの３次元立体形状の表示を指示する。この指示に応答して、３次元画像データ処理装置４３は、図１４に示す３次元形状表示プログラムの実行をステップＳ６００にて開始して、ステップＳ６０２にてワークＷＫの３次元形状を表す測定情報の入力を待つ。
【００９５】
作業者は、３次元形状測定装置１０’が取り付けられた３次元形状測定装置支持脚８０を移動させることにより、ワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の引出し量Ｌの変化を伴いながら、ワークＷＫに対して３次元形状測定装置１０’を移動させて３次元形状測定装置支持脚８０を固定させて３次元形状の測定を行う。この場合、作業者は、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内にワークＷＫとともにテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂが位置するように３次元形状測定装置支持脚８０、すなわち３次元形状測定装置１０’を位置決めする。したがって、３次元画像データ処理装置４３には、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内に存在するワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂに関する測定情報が出力される。すなわち、前記ステップＳ５１２と同様に、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの表面を微小エリアずつに分割した各分割エリア位置を表すＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報（具体的には、傾きθx，θyおよび距離Ｌz）、およびワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面からの反射光に関する情報（具体的には、反射光量Ｒ）がそれぞれ出力される。
【００９６】
そして、３次元画像データ処理装置４３は、３次元形状測定装置１０’からのＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報の入力が終了すると、同ステップＳ６０２にて、３次元形状測定装置１０’から出力されたＸ−Ｙ−Ｚ座標に関する情報に基づいて、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す立体形状データ群からなる３次元形状データを生成する。この場合、３次元形状データには、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの各表面をそれぞれ微小エリアごとに表す３次元形状データに、各エリア位置に対応する反射光量Ｒを表す反射光量データが付加されている。なお、３次元形状データは、３次元形状測定装置１０’に関する座標系、すなわちカメラ座標系Ｃによって表されている。また、この３次元形状データ中には、ワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂのほかに同基準物体７０’およびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの周辺に存在する他の物体（例えば、テーブル６０’の上面）の表面形状を表す３次元形状データも含まれている。
【００９７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０４にて、ワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標を検出する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、前記ステップＳ６０２にてワークＷＫおよびテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを測定した３次元形状測定装置１０’の位置におけるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび回転角θＸ，θＺを入力して、ワイヤ装置座標系Ｗ、すなわち基準座標系Ｓにおける先端部２１ａ’の先端の位置（座標値）を先端座標として計算する。
【００９８】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０６にて、前記ステップＳ６０２にて生成された３次元形状データの中から、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データをそれぞれ抽出する。テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂの３次元形状を表す３次元形状データは、前記ステップＳ５１６と同様に、３次元形状データにおける反射光量データを用いてそれぞれ抽出される。すなわち、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂからの各反射光の光量に一致する、または所定の判別値内に含まれる前記反射光量データに対応する３次元形状データを各面６０’ａ，６０’ｂごとに抽出する。
【００９９】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６０８にて、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データをワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＣＰを計算する。この場合、座標変換関数ＦＣＰにおける原点ずれ成分ＧＣＰは、前記回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行により３次元画像処理装置４３に記憶されているため、座標変換関数ＦＣＰにおける座標軸の回転成分ＭＣＰを計算する。この回転成分ＭＣＰの計算は、前記ステップＳ５１４およびステップＳ５２８における回転成分ＭＣＰの計算と同様の処理によって行われる。
【０１００】
すなわち、前記ステップＳ６０６にて抽出したテーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂをそれぞれ表す各３次元形状データを用いて各面６０’ａ，６０’ｂごと各法線ベクトルαＣ６０’，βＣ６０’を計算し、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃを計算する。そして、ベクトルＡ，Ｂ，Ｃのカメラ座標系Ｃおよびワイヤ先端座標系Ｐにおける各成分を前記式１３〜１５に代入して連立方程式を解くことにより、行列値Ｍ、すなわち回転成分ＭＣＰを計算する。この計算された回転成分ＭＣＰと前記記憶した原点ずれ成分ＧＣＰとによって座標変換関数ＦＣＰが計算される。
【０１０１】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１０にて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する座標変換関数ＦＰＳを計算する。この場合、座標変換関数ＦＰＳにおける回転成分ＭＰＳは、前記回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムの実行により３次元画像処理装置４３に記憶されているため、座標変換関数ＦＰＳにおける原点ずれ成分ＧＰＳを計算する。具体的には、前記ステップＳ６０４にて検出したワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標が原点ずれ成分ＧＰＳとなる。したがって、この原点ずれ成分ＧＰＳと前記記憶した回転成分ＭＰＳとによって座標変換関数ＦＰＳを計算することができる。すなわち、前記ステップＳ６０４にて検出したワイヤ２１’の先端部２１ａ’の先端座標は、基準座標系Ｓにおける３次元形状測定装置１０’の位置、より具体的には、カメラ座標系Ｃの位置を特定するために用いられる。
【０１０２】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１２にて、前記ステップＳ６０２にて生成されカメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データを、前記ステップＳ６０８にて計算した座標変換関数ＦＣＰを用いて、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データに座標変換する。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１４にて、前記ワイヤ先端座標系Ｐに座標変換された３次元形状データを、前記ステップＳ６１０にて計算した座標変換関数ＦＰＳを用いて基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換する。すなわち、これらのステップＳ６１２およびＳ６１４によって、カメラ座標系Ｃによって表された３次元形状データが基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換される。
【０１０３】
なお、この場合、座標変換関数ＦＣＰと座標変換関数ＦＰＳとを乗算（ＦＣＰ・ＦＰＳ）した座標変換関数ＦＣＳを計算し、この座標変換関数ＦＣＳを用いてカメラ座標系Ｃによって表された前記３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに座標変換しても結果は同じである。すなわち、座標変換関数ＦＣＰが本発明に係る第４の座標変換関数に相当し、座標変換関数ＦＰＳが本発明に係る第５の座標変換関数に相当する。この基準座標系Ｓに座標変換された３次元形状データは、３次元画像データ処理装置４３に記憶される。
【０１０４】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１６にて、ワークＷＫを別の測定位置から測定するか否かを判定する。具体的には、３次元画像データ処理装置４３は、ワークＷＫの測定を続行するか否かを作業者に問い合わせ、作業者から測定終了の指示が入力されるまで、同判定において「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ６０２に戻る。この場合、作業者はワークＷＫに対する３次元形状測定装置１０’の測定位置を変えて再度測定を行う。これにより、前記とは異なる測定位置からワークＷＫを測定した際の３次元形状データが３次元画像データ処理装置４３に記憶される。一方、作業者から測定終了の指示が入力された場合には、同判定において「Ｎｏ」と判定してステップＳ６１８に進む。
【０１０５】
なお、異なる位置からワークＷＫを測定する場合、各測定位置ごとに座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳが計算される。これは、座標変換関数ＦＣＰにおける回転成分ＭＣＰと座標変換関数ＦＰＳにおける原点ずれ成分ＧＰＳが、３次元形状測定装置１０’の測定位置に応じて変化するためである。すなわち、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きは、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂによって３次元形状測定装置１０’の向きとは無関係に固定的に定義されるため、３次元形状測定装置１０’の向きが変化するごとにカメラ座標系Ｃに対するワイヤ先端座標系Ｐの回転成分ＭＣＰを計算する必要があり、ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸原点は３次元形状測定装置１０’の位置により変化するため、３次元形状測定装置１０’の位置が変化するごとに基準座標系Ｓに対するワイヤ先端座標系Ｐの原点ずれ成分ＧＰＳを計算する必要があるためである。
【０１０６】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６１８にて、各測定位置ごとに基準座標系によって表された３次元形状データを一組の３次元形状データ群に合成する。この合成においては、すべての測定位置における３次元画像データが同一座標系である基準座標系Ｓ上の座標値で表されているので、各測定位置によって測定されないワークＷＫの部分を表す３次元形状データが互いに補われるとともに、同一場所で複数の３次元形状データ群が存在する場合には、平均化の処理が行われ一組のデータ群とされる。
【０１０７】
次に、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６２０にて、前記合成された３次元形状データ群を用いてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。そして、３次元画像データ処理装置４３は、ステップＳ６２２にて、３次元形状表示プログラムの実行を終了する。このワークＷＫの３次元形状の表示においては、作業者は入力装置４２を操作することによりワークＷＫの表示方向を指示することができ、コントローラ４１および３次元画像データ処理装置４３は表示装置４４にて表示されるワークＷＫの表示方向を変更する。これにより、ワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示させることができる。
【０１０８】
また、新たなワークＷＫをテーブル６０上に置いて、前述のようにワークＷＫの表示を指示して３次元形状測定装置１０’による測定を行えば、前記３次元形状表示プログラムの実行により基準座標系Ｓによる３次元形状データの生成と３次元形状データの合成とが行われ、新たなワークＷＫを任意の方向から見た立体形状を表示装置４４に表示させることができる。すなわち、基準物体７０’およびテーブル６０’を用いて座標変換関数ＦＰＳの回転成分ＭＰＳおよび座標変換関数ＦＣＰの原点ずれ成分ＧＣＰを一度だけ計算しておけば、ワイヤ装置２０’（すなわち、基準座標系Ｓ）やテーブル６０の位置を変位させない限り、ワークＷＫを次々に換えて表示装置４４にて立体形状を表示させることができる。
【０１０９】
上記作動説明からも理解できるように、上記第２実施形態によれば、ワイヤ装置２０’によって検出されるワイヤ２１’の引出し量Ｌおよび同ワイヤ２１’の引き出される方向を表す回転角θＸ，θＹを用いて、基準座標系Ｓにおける３次元形状測定装置１０’の位置、より具体的にはカメラ座標系Ｃの位置を特定するとともに、テーブル６０’の２つの面６０’ａ，６０’ｂを用いて、基準座標系Ｓに対する前記ワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きを特定して、座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳを計算している。これにより作業者は、３次元形状測定装置１０’の測定対象空間内にワークＷＫとともにテーブル６０’を配置するようにし、基準座標系Ｓにおいて位置が特定できるワイヤ２１’の先端部２１’ａを同３次元形状測定装置１０’に接続した構成で測定を行えば、３次元画像データ処理装置４３は測定により得られた３次元形状データを基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換して合成し、ワークＷＫの３次元形状を任意の方向から表示可能な３次元形状データを生成することができる。このため、上記第１実施形態と同様に、従来例における支持機構に比べて簡単かつ小型に３次元形状測定システムを構成することができる。また、この第２実施形態においては、１つのワイヤ装置２０’を用いて３次元形状測定システムを構成しているため、上記第１実施形態と比べてより簡単に３次元形状測定システムを構成することができる。
【０１１０】
なお、上記第２実施形態においては、ワークＷＫの３次元立体形状の測定に際して３次元形状測定装置１０’を３次元形状測定装置支持脚８０上に固定した。これは、前記ステップＳ６１０およびステップＳ６１２にて計算される座標変換関数ＦＰＳおよび座標変換関数ＦＣＰは、３次元形状測定装置１０’の測定位置固有の座標変換関数であるため、ワークＷＫの測定中（レーザ光の走査中）における３次元形状測定装置１０’の位置を固定するためである。したがって、ワークＷＫの測定中（レーザ光の走査中）における３次元形状測定装置１０’の位置を変化させなければ、上記第１実施形態と同様に３次元形状測定装置１０’を手で持って測定するようにしてもよい。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１１】
また、上記第２実施形態においては、座標変換関数ＦＣＰおよび座標変換関数ＦＰＳの計算に用いる２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを、テーブル６０’を構成する２つの面６０’ａ，６０’ｂを用いてそれぞれ定義した。しかし、基準物体７０’およびワークＷＫと同時に測定できるとともに、互いに平行でない２つのベクトルが定義できれば、これに限定されるものではない。例えば、図１５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ワークＷＫ（および基準物体７０’）の近傍に互いに平行でない２つの平面９０ａ，９０ｂを設けるようにすればよい。
【０１１２】
また、図１６（Ａ）に示すように、１つの平面９０ａ上に同平面９０ａとは異なる反射率によって形成された直線９１ａを設けるようにしてもよい。この場合、３次元画像データ処理装置４３は、上記第２実施形態と同様にして、平面９０ａを表す３次元形状データに基づいて１つのベクトルを計算するとともに、３次元形状測定装置１０’から出力される測定情報の中から反射光量データに基づいて直線９１ａに関する３次元形状データを抽出し、同抽出した３次元形状データに基づいてもう１つのベクトルを計算する。また、図１６（Ｂ）に示すように、１つの平面９０ａ上に互いに異なる反射率によって形成された２つの直線９１ａ，９１ｂを設け、これら２つの直線９１ａ，９１ｂを用いて２つのベクトルを定義するようにしてもよい。図においては、これらの各直線９１ａ，９１ｂの反射率の違いを各直線上の模様の違いによって表している。これらによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１３】
また、上記第２実施形態においては、１つの定点を定義するための基準物体７０’と２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを定義するための２つの面６０’ａ，６０’ｂを備えるテーブル６０’とをそれぞれ用意した。しかし、ワークＷＫの測定時に障害にならなければ基準物体７０’を２つの面６０’ａ，６０’ｂと一体的に構成してもよい。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１４】
また、上記第２実施形態においては、２つのベクトルα６０’ａ，β６０’ｂを定義するための２つの面６０’ａ，６０’ｂを互いに直交するように構成した。しかし、互いに平行でない２つのベクトルをそれぞれ定義できれば、２つの面６０’ａ，６０’ｂは必ずしも直交する必要はない。これによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１１５】
また、上記第２実施形態においては、基準座標系Ｓをワイヤ装置２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系Ｗ’とした。しかし、これに代えて、基準座標系Ｓの原点をワイヤ装置座標系Ｗ’と同一とし、基準座標系Ｓの座標軸の向きをワイヤ先端座標系Ｐの座標軸の向きと同一とした座標系を基準座標系Ｓとしてもよい。これによれば、ワイヤ先端座標系Ｐによって表された３次元形状データを基準座標系Ｓによって表された３次元形状データに変換する座標変換関数ＦＰＳのうち、回転成分ＭＰＳが不要となる。このため、座標変換関数ＦＰＳは、原点ずれ成分ＧＰＳとなり、座標変換関数ＦＰＳの計算を簡単にすることができる。
【０１１６】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記第１実施形態および第２実施形態およびこれらの変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【０１１７】
上記第１実施形態および第２実施形態においては、ワイヤ装置２０Ａ，２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡ，Ｗを基準座標系Ｓに設定した。しかし、この基準座標系Ｓは、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’から引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１’の各先端部ワイヤ２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣ，２１ａ’の位置が特定できれば、これに限定されるものではない。例えば、ワイヤ装置２０Ａ，２０’に関する座標系であるワイヤ装置座標系ＷＡ，Ｗ’によって特定することができるワイヤ装置支持脚３０，３０’上のいずれかの位置に基準座標系Ｓの原点を設定してもよい。また、図１７に示すように、基準座標系Ｓに対するワイヤ装置座標系ＷＡの原点位置と座標軸の向きとを検出する機構を設けるようにしてもよい。図１７は、ワイヤ装置座標系ＷＡ以外の位置に基準座標系Ｓの原点を設定した３次元形状測定システムを示している。なお、図において、コントローラ４１、入力装置４２、３次元画像データ処理装置４３および表示装置４４の各図は省略されている。
【０１１８】
この３次元形状測定システムにおいては、リング状に設けられたレール１００に沿って摺動可能な移動体１０１上にワイヤ装置支持脚３１’が固定されている。ワイヤ装置支持脚３１’上には、上記第１実施形態と同様に３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃがそれぞれ設けられているとともに、同３つのワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃからそれぞれ引き出されるワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各先端部２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＣに３次元形状測定装置１０が接続されている。リング状に形成されたレール１００の中心位置は既知であり、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されている。このレール１００の所定の位置（例えば、図示矢印の示す位置）における断面中心に基準座標系Ｓの原点が設定されている。また、レール１００には、基準座標系Ｓが設定された位置に対する移動体１０１のレール１００上の位置を検出する位置検出器（図示せず）が設けられており、検出した移動体１０１の位置を表す信号が３次元画像データ処理装置４３に出力されるようになっている。
【０１１９】
そして、移動体１０１の検出位置を原点とし、座標軸の向きが移動体１０１の検出位置からレール１００の中心に向かうベクトルとレール１００の接線方向のベクトルと、この２つのベクトルに垂直なベクトルの３つのベクトルの向きと同一である座標軸を設定した場合、移動体１０１の検出位置からワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の原点に向かうベクトルは常に同一であり、前記座標軸の向きに対するワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の座標軸の向きも常に同一であり、このベクトル成分および前記座標軸の向きをワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）の座標軸の向きにするための座標変換関数の回転成分は３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されている。そして、基準座標系Ｓにおける移動体１０１の検出位置から基準座標系Ｓの原点に向かうベクトルは計算でき、前述のようにレール１００の中心位置は既知であるので、移動体１０１の検出位置からレール１００の中心に向かうベクトルと、レール１００の接線方向のベクトルは移動体１０１の位置を検出すれば計算できる。すなわち、ワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による座標値を移動体１０１の検出位置を原点とした座標軸による座標値に変換するための座標変換関数は記憶されており、移動体１０１の検出位置を原点とした座標軸による座標値を基準座標系Ｓの座標値に変換するための座標変換関数は、移動体１０１の検出位置を検出すれば計算できる。すなわち、移動体１０１の検出位置を検出すれば、ワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による３次元形状データは基準座標系Ｓによる３次元形状データに変換することができる。
【０１２０】
ワークＷＫの測定に先立って作業者は、リング状に形成されたレール１００の内側に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを配置（図示せず）して、上記第１形態と同様にして座標変換関数ＦＳＰおよび座標変換関数ＦＣＰを計算する。そして、レール１００の内側に基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃに代えてワークＷＫを配置（図示せず）してワークＷＫの測定を行う。この場合、移動体１０１をレール１００に沿って移動させることにより、ワークＷＫを全周に亘って測定することができる。３次元形状測定装置１０によって測定され３次元画像データ処理装置４３によって生成された３次元形状データは、座標変換関数ＦＣＰによりワイヤ先端座標系Ｐによる３次元形状データに座標変換された後、座標変換関数ＦＰＳによりワイヤ装置座標系ＷＡによる３次元形状データに座標変換される。
【０１２１】
そして、このワイヤ装置座標系ＷＡによって表された３次元形状データは、前記位置検出器によって検出される移動体１０１の位置から計算される移動体１０１の検出位置を座標軸原点とした座標値を基準座標系Ｓの座標値に変換するための座標変換関数と、３次元画像データ処理装置４３に予め記憶されているワイヤ装置座標系ＷＡ（またはワイヤ装置座標系ＷＢ，ＷＣ）による座標値を、移動体１０１の検出位置を座標軸原点とした座標値に変換するための座標変換関数により、基準座標系Ｓによる３次元形状データに座標変換される。３次元画像処理装置４３は、この基準座標系Ｓによって表された３次元画像データに基づいてワークＷＫの３次元形状を表示装置４４に表示させる。これによれば、上記第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が期待できるとともに、上記第１実施形態および第２実施形態に比べてワークＷＫをより広い範囲、例えば、３次元形状測定装置１０に対向する測定対象物の裏側の部分から測定することができる。なお、この場合、ワイヤ装置支持脚３１’の図示上下方向の長さを変化させることができる構成にすれば、３次元形状測定装置１０を移動させることができる範囲を更に広くすることができ、高さのあるワークＷＫも測定することができる。また、いかなる測定方向からも共通の互いに平行でない２つのベクトルが定義できれば、上記第２実施形態に示したように、１つのワイヤ装置２０’から引き出されるワイヤ２１’の先端部２１’ａを３次元形状測定装置１０’に接続した構成としてもよい。
【０１２２】
また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、３次元形状測定装置１０，１０’とワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’とをワイヤ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１’で接続した。しかし、ワイヤ装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０’、すなわち、本発明に係る支持装置から引き出される量、引き出される方向が特定できる部材であれば、ワイヤに限定されるものではない。例えば、互いに外径が異なる複数の筒体を同心円状に配置して、各筒体がより大きな外径の筒体内から出没することにより長さが伸縮自在の部材を接続部材として用いるようにしてもよい。この場合、接続部材の引き出される量および引き出される方向を上記第１実施形態および上記第２実施形態と同様にして検出する検出器を、接続部材を支持する支持装置に設ける。これによっても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【０１２３】
また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’として球体を用いたが、３次元形状測定装置１０による測定によって生成される３次元形状データにより所定の位置を定点として定義できるものであれば、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’の大きさおよび形状等は特に限定されるものではない。例えば、楕円状の球体、角柱、角錐、円柱、円錐および多面体などの形状により形成された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’、またはこれらの形状を含む形状に形成された基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’を用いてもよい。また、基準物体７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０’の表面に同表面と識別可能なマークを形成し同マークを抽出して定点を計算するようにしてもよい。これによっても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定システムの全体を示す概略図である。
【図２】図１の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置とワイヤとの接続状態を説明するための断面図である。
【図３】図１の３次元形状測定システムにおけるワイヤ装置を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態において触針によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図５】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＷＳ計算プログラムのフローチャートである。
【図６】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＣＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図７】図１の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図８】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される座標変換関数ＦＳＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図９】図１の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される３次元形状表示プログラムのフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る３次元形状測定システムの全体を示す概略図である。
【図１１】第２実施形態において触針によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図１２】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される回転成分ＭＰＳ，原点ずれ成分ＧＣＰ計算プログラムのフローチャートである。
【図１３】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元形状測定装置によって基準物体を測定する様子を示した斜視図である。
【図１４】図１０の３次元形状測定システムにおける３次元画像データ処理装置によって実行される３次元形状表示プログラムのフローチャートである。
【図１５】（Ａ）〜（Ｄ）は第２実施形態における変形例を示す斜視図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は第２実施形態における他の変形例を示す斜視図である。
【図１７】第１実施形態における変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２５】
ＷＫ…ワーク、１０…３次元形状測定装置、１３…球体、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…ワイヤ装置、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…ワイヤ、２１ａＡ，２１ａＢ，２１ａＢ…先端部、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…外筒、３０…ワイヤ装置支持脚、４１…コントローラ、４２…入力装置、４３…３次元画像データ処理装置、４４…表示装置、５０…触針、６０…テーブル、７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ…基準物体、８０…３次元形状測定装置支持脚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の３次元形状を測定して同測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状測定装置と、
基端部にて支持装置により引出し量および引出し方向が自在に支持され、かつ先端部に前記３次元形状測定装置を接続する接続部材と、
前記接続部材の前記支持装置に対する引出し量および引出し方向を用いて、所定の基準座標系に対する前記３次元形状測定装置の少なくとも位置を表す位置情報を取得する情報取得手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記取得した位置情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するデータ変換手段と、
前記データ変換手段によって変換された複数組の３次元形状データを合成する合成手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記支持装置は、前記接続部材の引出し量および引出し方向を検出する検出器を備える３次元形状測定システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記所定の基準座標系の原点および座標軸の向きは、前記支持装置を基準に定められており、
前記情報取得手段は、前記位置情報に加えて、前記所定の基準座標系に対する前記３次元形状測定装置の向きを表す向き情報も取得する３次元形状測定システム。
【請求項４】
請求項３に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、少なくとも３つである３次元形状測定システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記データ変換手段は、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記位置情報および前記向き情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するための第１の座標変換関数を計算する第１の座標変換関数計算手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記第１の座標変換関数を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに座標変換する座標変換手段とを備えた３次元形状測定システム。
【請求項６】
請求項５に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記第１の座標変換関数計算手段は、前記３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第２の座標変換関数と、前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第３の座標変換関数とを前記第１の座標変換関数として計算する３次元形状測定システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の３次元形状測定システムにおいて、
前記３次元形状測定装置は、前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データに加え、前記３次元形状測定装置の測定対象空間内に配置された基準物体の３次元形状を表す３次元形状データも出力するものであり、
前記所定の基準座標系の原点は前記支持装置を基準に定められ、かつ前記所定の基準座標系の座標軸の向きは前記支持装置または前記基準物体を基準に定められるものであり、
前記データ変換手段は、前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記取得した位置情報に加え前記基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する３次元形状測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、少なくとも１つである３次元形状測定システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記データ変換手段は、
前記基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて前記基準物体に関係した座標軸の向きを計算し、
前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記計算した座標軸の向きと同じ座標軸を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第４の座標変換関数を計算する第４の座標変換関数計算手段と、
前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記所定の基準座標系の原点と同じ原点を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第５の座標変換関数を計算する第５の座標変換関数計算手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記計算した第４および第５の座標変換関数を用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する座標変換手段とを備えた３次元形状測定システム。
【請求項１０】
請求項９に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記第４の座標変換関数は、前記３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換し、
前記第５の座標変換関数は、前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに座標変換する３次元形状測定システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、さらに、
前記所定の基準座標系は、前記支持装置の所定の位置に基づいて定められており、
前記所定の基準座標系に対して前記支持装置を移動させる支持装置移動手段と、
前記所定の基準座標系によって表された前記支持装置の位置を検出する支持装置位置検出手段とを備え、
前記データ変換手段は、前記取得された位置情報に加え、前記支持装置位置検出手段によって検出される前記支持装置の位置を用いて、前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する３次元形状測定システム。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、ワイヤである３次元形状測定システム。
【請求項１】
測定対象物の３次元形状を測定して同測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを出力する３次元形状測定装置と、
基端部にて支持装置により引出し量および引出し方向が自在に支持され、かつ先端部に前記３次元形状測定装置を接続する接続部材と、
前記接続部材の前記支持装置に対する引出し量および引出し方向を用いて、所定の基準座標系に対する前記３次元形状測定装置の少なくとも位置を表す位置情報を取得する情報取得手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記取得した位置情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するデータ変換手段と、
前記データ変換手段によって変換された複数組の３次元形状データを合成する合成手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記支持装置は、前記接続部材の引出し量および引出し方向を検出する検出器を備える３次元形状測定システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記所定の基準座標系の原点および座標軸の向きは、前記支持装置を基準に定められており、
前記情報取得手段は、前記位置情報に加えて、前記所定の基準座標系に対する前記３次元形状測定装置の向きを表す向き情報も取得する３次元形状測定システム。
【請求項４】
請求項３に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、少なくとも３つである３次元形状測定システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記データ変換手段は、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記位置情報および前記向き情報を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換するための第１の座標変換関数を計算する第１の座標変換関数計算手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記第１の座標変換関数を用いて前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに座標変換する座標変換手段とを備えた３次元形状測定システム。
【請求項６】
請求項５に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記第１の座標変換関数計算手段は、前記３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第２の座標変換関数と、前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに変換するための第３の座標変換関数とを前記第１の座標変換関数として計算する３次元形状測定システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の３次元形状測定システムにおいて、
前記３次元形状測定装置は、前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データに加え、前記３次元形状測定装置の測定対象空間内に配置された基準物体の３次元形状を表す３次元形状データも出力するものであり、
前記所定の基準座標系の原点は前記支持装置を基準に定められ、かつ前記所定の基準座標系の座標軸の向きは前記支持装置または前記基準物体を基準に定められるものであり、
前記データ変換手段は、前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記取得した位置情報に加え前記基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する３次元形状測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、少なくとも１つである３次元形状測定システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記データ変換手段は、
前記基準物体の３次元形状を表す３次元形状データを用いて前記基準物体に関係した座標軸の向きを計算し、
前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記計算した座標軸の向きと同じ座標軸を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第４の座標変換関数を計算する第４の座標変換関数計算手段と、
前記測定対象物の３次元形状を表す３次元形状データを、前記所定の基準座標系の原点と同じ原点を有する３次元座標系によって表された３次元形状データに変換するための第５の座標変換関数を計算する第５の座標変換関数計算手段と、
前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記計算した第４および第５の座標変換関数を用いて、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する座標変換手段とを備えた３次元形状測定システム。
【請求項１０】
請求項９に記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記第４の座標変換関数は、前記３次元形状測定装置に関する座標系によって表された３次元形状データを前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データに変換し、
前記第５の座標変換関数は、前記接続部材の前記先端部に関する座標系によって表された３次元形状データを前記所定の基準座標系に関する座標系によって表された３次元形状データに座標変換する３次元形状測定システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、さらに、
前記所定の基準座標系は、前記支持装置の所定の位置に基づいて定められており、
前記所定の基準座標系に対して前記支持装置を移動させる支持装置移動手段と、
前記所定の基準座標系によって表された前記支持装置の位置を検出する支持装置位置検出手段とを備え、
前記データ変換手段は、前記取得された位置情報に加え、前記支持装置位置検出手段によって検出される前記支持装置の位置を用いて、前記３次元形状測定装置から出力される前記３次元形状データを、前記所定の基準座標系によって表された３次元形状データに変換する３次元形状測定システム。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定システムにおいて、
前記接続部材は、ワイヤである３次元形状測定システム。
【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】
【図１７】
【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】
【図１７】
【公開番号】特開２００７−２５６１８８（Ｐ２００７−２５６１８８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８３４３０（Ｐ２００６−８３４３０）
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２４日（２００６．３．２４）
【出願人】（０００１１２００４）パルステック工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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