JP2000292121A - 3次元計測方法及び3次元入力装置 - Google Patents
3次元計測方法及び3次元入力装置Info
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Abstract
減する。 【解決手段】参照光Uを起点Aから物体Uに向かって投
射する投光手段と、物体Qで反射した参照光Uを起点A
から基線方向に離れた位置Bで受光する撮影手段とを備
え、参照光Uで照射された物体Qを撮影して物体の位置
を特定するためのデータを出力する3次元入力装置にお
いて、基線方向の倍率が基線方向と直交する方向より大
きい像を光電変換デバイスの受光面S2に結像させるア
ナモフィックレンズ51を設ける。
Description
測方法及び計測データ又はその基となるデータを出力す
る3次元入力装置に関する。
比べて高速の計測が可能であることから、CGシステム
やCADシステムへのデータ入力、身体計測、ロボット
の視覚認識などに利用されている。
としては、スリット光投影法(光切断法ともいう)、空
間パターンコード化法、及び縞パターン投影法といった
参照光を投射する能動法が一般的である。ただし、受動
法であるステレオ視法を用いた装置もある。例えばスリ
ット光投影法は、参照光としてビーム断面が直線帯状で
あるスリット光を用い、スリットの幅方向にビームを偏
向する線順次の走査を行う。スリットの長さ方向が主走
査方向であり、幅方向が副走査方向である。走査中のあ
る時点では物体の一部が照射され、撮影系の受光面には
照射部分の起伏に応じて曲がった輝線が現れる。したが
って、走査中に周期的に受光面の各画素の輝度をサンプ
リングすることにより、物体形状を特定する一群の3次
元入力データを得ることができる。
測では、物体のうちの参照光で照射され且つ受光面に投
影される範囲の形状のみを計測することができる。参照
光で照射されても受光面に対して陰になる部分は計測で
きない。すなわち、いわゆるオクルージョンが発生する
という問題があった。オクルージョンの発生を抑えるに
は、投光の起点と受光の主点とを近づけて三角測量の基
線長を短くすればよい。しかし、それによって計測にお
ける奥行き方向(距離方向)の分解能が低下してしま
う。ステレオ視法の場合にも、2箇所の撮影位置間の距
離(基線長)を短くすれば分解能が低下する。
行き寸法が小さかったりした場合には、受光面の大半が
物体像の投影(結像)されない領域となり、受光面の利
用率が極端に小さくなる。計測の精度及び不要データの
低減の上で、受光面により大きい物体像を投影するのが
望ましい。
ルージョンを低減し、又はオクルージョンを増加させず
に分解能を高めることを目的としている。
は、物体の撮影データに基づいて三角測量法を適用して
前記物体の位置を計測する光学式の3次元計測方法であ
って、撮影のための光電変換デバイスの受光面に前記物
体の像を結像させる受光レンズとしてアナモフィックレ
ンズを用い、三角測量の基線に沿った方向の倍率を他の
方向の倍率より大きくなるように前記物体の像を結像さ
せるものである。
ら物体に向かって投射する投光手段と、当該物体で反射
した前記参照光を前記起点から基線方向に離れた位置で
受光する撮影手段とを備え、前記参照光で照射された前
記物体を撮影して当該物体の位置を特定するためのデー
タを出力する3次元入力装置であって、前記撮影手段
は、光電変換デバイスと、前記基線方向の倍率が当該基
線方向と直交する方向より大きい像を前記光電変換デバ
イスの受光面に結像させるアナモフィックレンズと、を
備えたものである。
の構成図である。測定システム1は、スリット光投影法
によって立体測定を行う3次元カメラ(レンジファイン
ダ)2と、3次元カメラ2の出力データを処理するホス
ト3とから構成されている。
Q上のサンプリング点の3次元位置を特定する測定デー
タとともに、物体Qのカラー情報を示す2次元画像及び
キャリブレーションに必要なデータを出力する。三角測
量法を用いてサンプリング点の座標を求める演算処理は
ホスト3が担う。
b、キーボード3c、及びマウス3dなどから構成され
たコンピュータシステムである。CPU3aには測定デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト3と3次元カメラ2との間では、ケーブル又は赤外
通信によるオンライン及び可搬型の記録メディア4によ
るオフラインの2形態のデータ受渡しが可能である。記
録メディア4としては、光磁気ディスク(MO)、ミニ
ディスク(MD)、メモリカードなどがある。
る。ハウジング20の前面に投光窓20a及び受光窓2
0bが設けられている。投光窓20aは受光窓20bに
対して上側に位置する。内部の光学ユニットOUが射出
するスリット光(所定幅wの帯状のレーザビーム)U
は、投光窓20aを通って測定対象の物体(被写体)に
向かう。スリット光Uの長さ方向M1の放射角度φは固
定である。物体の表面で反射したスリット光Uの一部が
受光窓20bを通って光学ユニットOUに入射する。な
お、光学ユニットOUは、投光軸と受光軸との相対関係
を適正化するための2軸調整機構を備えている。
タン25a,25b、手動フォーカシングボタン26
a,26b、及びシャッタボタン27が設けられてい
る。図2(b)のように、ハウジング20の背面には、
液晶ディスプレイ21、カーソルボタン22、セレクト
ボタン23、キャンセルボタン24、アナログ出力端子
32、ディジタル出力端子33、及び記録メディア4の
着脱口30aが設けられている。
画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。
撮影者は背面の各ボタン21〜24によって撮影モード
の設定を行うことができる。アナログ出力端子32から
は、カラー画像信号が例えばNTSC形式で出力され
る。ディジタル出力端子33は例えばSCSI端子であ
る。
する操作画面の案内に従って所望の動作モードを設定す
る。その後、カラーモニタ画像を見ながら、カメラの位
置と向きを決め、画角を設定する。その際に必要に応じ
てズーミング操作を行う。
ック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示している。3次元カメラ2
は、上述の光学ユニットOUを構成する投光光学系40
及び撮影系50を有している。
(LD)41が射出する波長685nmのレーザビーム
は、投光レンズ系42を通過することによってスリット
光Uとなり、ガルバノミラー(走査手段)43によって
偏向される。半導体レーザ41のドライバ44、投光レ
ンズ系42の駆動系45、及びガルバノミラー43の駆
動系46は、システムコントローラ61によって制御さ
れる。
モフィック撮影レンズ51によって集光された光は、ビ
ームスプリッタ52で分光される。半導体レーザ41の
発振波長帯域の光は測定用のイメージセンサ53に入射
する。可視帯域の光はモニタ用のカラーイメージセンサ
54に入射する。イメージセンサ53及びカラーイメー
ジセンサ54はどちらもCCD撮像デバイスである。ア
ナモフィック撮影レンズ51のオートフォーカシング
(AF)を行うため、アナモフィック撮影レンズ51の
近傍に光学的測距を行うAFモジュール57が配置され
る。AFモジュール57が出力する距離データに基づい
てレンズコントローラ58がフォーカシング駆動系59
を制御する。ズーミング駆動系60は電動ズーミングの
ために設けられている。
次のとおりである。まず、イメージセンサ53による撮
影情報は、ドライバ55からのクロックに同期して信号
処理回路62へ転送される。信号処理回路62は、イメ
ージセンサ53の出力する各画素の光電変換信号を増幅
する増幅器、及び光電変換信号を8ビットの受光データ
に変換するAD変換器を有している。信号処理回路62
で得られた受光データはメモリ63によって一時的に記
憶された後、重心演算回路73へ送られる。その際のア
ドレス指定はメモリコントローラ65が行う。重心演算
回路73は、入力された受光データに基づいて3次元位
置を算出するための基となるデータを算出し、それを出
力メモリ64に出力する。また、重心演算回路73は、
測定対象の物体の形状に対応した濃淡画像(距離画像)
を生成し、それを表示コントローラ74に送る。LCD
21は、濃淡画像、カラー画像、及び操作案内画面など
を表示する。システムコントローラ61は、図示しない
キャラクタジェネレータに対して、LCD21の画面上
に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。
像情報は、ドライバ56からのクロックに同期してカラ
ー処理回路67へ転送される。カラー処理を受けた撮像
情報は、NTSC変換回路70及びアナログ出力端子3
2を経てオンライン出力され、又はディジタル化回路6
8で量子化されてカラー画像メモリ69に格納される。
その後、カラー画像メモリ69からSCSIコントロー
ラ66へカラー画像データが転送され、ディジタル出力
端子33からオンライン出力され、又は測定データと対
応づけて記録メディア4に格納される。
による距離画像と同一の画角の像であり、ホスト3にお
けるアプリケーション処理に際して参考情報として利用
される。カラー画像を利用する処理としては、例えばカ
メラ視点の異なる複数組の測定データを組み合わせて形
状モデルを生成する処理、形状モデルの不要の頂点を間
引く処理がある。
(a)は正面図であり、図4(b)は側面図である。投
光レンズ系42は、コリメータレンズ421、バリエー
タレンズ422、及びエキスパンダレンズ423の3つ
のレンズから構成されている。半導体レーザ41が射出
したレーザビームに対して、次の順序で適切なスリット
光Uを得るための光学的処理が行われる。まず、コリメ
ータレンズ421によってビームがわずかに内に向いた
略平行光にされる。次にバリエータレンズ422によっ
てレーザビームのビーム径が調整される。最後にエキス
パンダレンズ423によってビームがスリット長さ方向
M1に拡げられる。
撮影の画角に係わらず、イメージセンサ53に複数画素
分の幅のスリット光Uを入射させるために設けられてい
る。駆動系45は、システムコントローラ61の指示に
従って、イメージセンサ53上でのスリット光Uの幅w
を一定に保つようにバリエータレンズ422を移動させ
る。バリエータレンズ422は受光側のズームレンズと
連動する。
リット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比
べてスリット光Uの歪みを低減することができる。エキ
スパンダレンズ423を投光レンズ系42の最終段に配
置することにより、すなわちガルバノミラー43に近づ
けることにより、ガルバノミラー43を小型化すること
ができる。
である。アナモフィック撮影レンズ51は、ズーミング
の可能な結像部51Aと、アフォーカル型アナモフィッ
クレンズ51Bとからなる。結像部51Aは、前側固定
レンズ515、バリエータレンズ514、フォーカシン
グレンズ511、及び後側固定レンズ512から構成さ
れている。バリエータレンズ514及びフォーカシング
レンズ511は、光軸に沿って互いに独立に移動可能で
ある。
ーカシング駆動系59が担う。フォーカシング駆動系5
9は、レンズを駆動するパルスモーター59Aと、原点
位置を検出する原点スイッチ59Bを備えている。フォ
ーカシングレンズ511は、原点スイッチ59Bが動作
する点を基準として、パルスモーター59Aの回転量に
応じた距離だけ移動する。バリエータレンズ514の移
動はズーミング駆動系60が担う。ズーミング駆動系6
0は、レンズを駆動するパルスモーター60Aと、原点
位置を検出する原点スイッチ60Bとを備えている。バ
リエータレンズ514は、原点スイッチ60Bが動作す
る点を基準として、パルスモーター60Aの回転量に応
じた距離だけ移動する。
の倍率が基線方向と直交する方向の倍率より大きくなる
ように、結像部51Aの前側に光軸を一致させて配置さ
れている。
図7は基線長と撮影像との関係を示す図である。図6に
おいて、物体Qは略直方体であり、その前面には水平方
向に並んで凸部q1と凹部q2とが存在する。ここで
は、物体Qのうちの特に凸部q1及び凹部q2の形状を
測定対象、すなわち撮影すべきものとする。
れ、物体Qの前面が線状に照射されている。この状態の
物体像がアナモフィック撮影レンズ51によって受光面
S2に結像する。ここで、スリット光Uの長さ方向を水
平方向とし、三角測量の基線方向を垂直方向とする。す
なわち、受光の主点Bと起点Aとが垂直方向に並ぶもの
とする。ただし、これら2点A,Bの位置に関して奥行
き方向(受光軸方向)のオフセットがあっても、それを
加味して演算を行えば、正しく3次元座標を求めること
ができる。2点の位置、受光面の画素位置、及びオフセ
ットなどの演算に必要な装置データは、測定データ(時
間重心ip)と合わせて又は別個にホスト3へ出力され
る。
においては、水平方向の倍率と比べて基線方向である垂
直方向の倍率が大きい。つまり、従来の等倍結像と比べ
て垂直方向に拡大した像が結像される。図示では垂直方
向の倍率Vは水平方向の倍率Hの4倍である。
射部位の起伏に応じて曲がった輝線GUが結像する。輝
線GUの垂直方向の変化幅yが、物体Qの凸部q1と凹
部q2との高低差に対応する。結像がアナモフィックで
あるので、受光面S2上に投影される凸部q1及び凹部
q2のそれぞれの像Gq1,Gq2の垂直方向の寸法4
Yは、等倍結像をした場合の寸法Yの4倍となる。同様
に輝線GUの変化幅yも等倍結像をした場合の値の4倍
となっており、これは主点Bから基線長Lの4倍の距離
だけ離れた点A’から投射を行ったのと同等の値であ
る。つまり、1:4のアナモフィック結像により、基線
長Lを1/4に短縮しても短縮しない場合と同等の分解
能の計測が可能である。また、基線長Lを短縮しなけれ
ば、等倍結像の場合の4倍の分解能が得られることにな
る。ただし、アナモフィック結像によって輝線GUの幅
も拡大するので、重心演算の精度を確保するには、等倍
結像の場合よりもスリット幅wの小さいスリット光Uを
投射する必要がある。
算出の原理図である。同図では理解を容易にするため、
各画素gの受光量のサンプリングについて5回分のみが
示されている。
の受光面(撮像面)S2上でのスリット幅がピッチpv
で並ぶ画素gの複数個分となる比較的に幅の広いスリッ
ト光Uを物体Qに投射する。具体的にはスリット光Uの
幅を5画素分程度とする。スリット光Uは起点Aを中心
に図の上下方向に等角速度で偏向される。物体Qで反射
したスリット光Uは結像の主点B(ズームの後側主点)
を通ってイメージセンサ53の受光面S2に入射する。
スリット光Uの投射中に受光面S2の各画素gの受光量
を周期的にサンプリングすることにより、物体Q(厳密
には奥行き方向と直交する仮想面)が走査される。サン
プリング周期毎にイメージセンサ53から1フレーム分
の光電変換信号が出力される。
本実施形態においては、走査中に行う32回のサンプリ
ングによって32回分の受光データが得られる。これら
32回分の受光データに対する重心演算によって時間重
心ipを求める。時間重心ipは、物体表面のうちの注
目画素gがにらむ範囲agの中心をスリット光Uの光軸
が通過する時点である。
によるノイズがないとすると、注目画素gの受光量は、
図8(b)に示すようにスリット光Uが通過する期間に
おいて多くなり、通常はほぼ正規分布曲線を描くように
推移する。図8(b)の例ではn回目のサンプリング時
点Tn とその1つ前の(n−1)回目のサンプリング時
点Tn-1 との間で受光量が最大になっており、その時点
は演算結果の時間重心ipとほぼ一致する。ここで、主
点Bと受光面S2の各画素gとの位置関係から、各画素
gに対するスリット光Uの入射角度が一義的に決まる。
したがって、時間重心は、「特定の角度でスリット光U
が主点Bに入射する時刻」ということもできる。
照射方向と、注目画素に対するスリット光の入射方向と
の関係に基づいて、物体Qの位置(座標)を算出する。
これにより、受光面の画素ピッチpvで規定される分解
能よりも高い分解能の測定が可能となる。なお、注目画
素gの受光量は物体Qの反射率に依存する。しかし、サ
ンプリングの各受光量の相対比は受光の絶対量に係わら
ず一定である。つまり、物体色の濃淡は測定精度に影響
しない。
インとフレームとの関係を示す図である。イメージセン
サ53における1フレームの読出しは、受光面S2の全
体ではなく、高速化を図るために副走査方向の一部であ
る帯状の有効受光領域のみを対象に行われる。有効受光
領域は、測定可能な距離範囲内の物体の起伏を示す輝線
が結像する領域であり、スリット光Uの偏向に伴ってフ
レーム毎に1画素分ずつシフトする。有効受光領域のシ
フト方向の画素数は32に固定されており、長さ方向
(水平方向)の画素数は例えば200に選定されてい
る。
ム1には、先頭ラインであるライン1からライン32ま
での32ライン分の受光データが含まれる。フレーム2
はライン2からライン33まで、フレーム3はライン3
からライン34までというように、フレーム毎に1ライ
ン分だけシフトされる。フレーム32はライン32から
ライン63までの32ラインである。
受光データが、信号処理回路62を介してメモリ63に
順次転送されて記憶される。つまり、メモリ63には、
フレーム1、2、3…の順に受光データが記憶される。
サンプリング範囲の先頭ラインであるライン32のデー
タは、フレーム1については32ライン目、フレーム2
については31ライン目というように、フレーム毎に1
ラインずつ上方にシフトされて記憶される。フレーム1
からフレーム32までの受光データがメモリ63に記憶
されると、ライン32の各画素について、時間重心ip
の算出が行われる。ライン32についての演算が行われ
ている間に、フレーム33の受光データがメモリ63に
転送されて記憶される。フレーム33の受光データは、
メモリ63のフレーム32の次のアドレスに記憶され
る。フレーム33のデータがメモリ63に記憶される
と、これらフレーム2からフレーム33までに含まれる
ライン33の各画素について、時間重心ipの算出が行
われる。
重心演算回路73が算出する時間重心ipは、32回の
サンプリングによって得られた32個の時系列の受光デ
ータについての時間軸上の重心である。各画素について
の32個の受光データに、1〜32のサンプリング番号
を付す。i番目の受光データはxiで表される。iは1
〜32の整数である。このとき、iは1つの画素につい
て、その画素が有効受光領域に入ってからのフレーム数
を示している。
いての時間重心ipは、32個の受光データについて、
i・xiの総和Σi・xiをxiの総和Σxiで除すこ
とにより求められる。
出したデータに基づいて、各画素についての時間重心i
pを算出する。ただし、メモリ63から読み出したデー
タをそのまま用いるのではなく、各データから定常光デ
ータを減算した値(その値が負になるときは0)を用い
る。つまり、イメージセンサ53から出力される受光デ
ータに対して、定常光データの分だけ差し引いてオフセ
ットを与える。
ラ内のメモリに逐次記憶され、LCD21の画面に表示
される。時間重心ipの値は物体Qの表面の位置が3次
元カメラ2に近い場合に大きく、遠い場合に小さい。し
たがって、受光面S2の各画素の時間重心ipを濃度デ
ータとして濃淡画像を表示させることによって、測定結
果である距離分布を可視化することができる。
(垂直方向と水平方向の画角比が1)に、アフォーカル
系アナモフィックレンズを接続する形態を図示したが、
アナモフィックレンズ51Bについて単体構成を採用し
てもよい。
に偏向するものに限らず、スリット光を一方向に投射
し、物体を移動させる形態、スリット光の投光手段を
平行移動させる形態、スリット光の長さ方向と平行な
軸を中心に物体が回転する形態、スリット光の長さ方
向と平行な軸を中心に3次元カメラが物体の周囲を回る
形態、スポット光を2方向に偏向する形態、上述の
〜の形態でスリット光に代えてスポット光の1次元
偏向を行う形態のいずれでもよい。
光を投射する光切断法に限らず、空間パターンコード化
法、縞パターン投影法、ステレオ視法などの他の方法を
適用してもよい。
が細長かったり、奥行き寸法が小さかったりした場合に
も、受光面に大きい物体像を投影し、受光面の利用率を
高めることができる。
所定の分解能を確保しつつ、基線長を短縮してオクルー
ジョンのを低減と装置の小型化とを図ることができる。
また、基線長を短縮しない場合には分解能を高めること
ができる。
る。
図である。
ームとの関係を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】物体の撮影データに基づいて三角測量法を
適用して前記物体の位置を計測する光学式の3次元計測
方法であって、 撮影のための光電変換デバイスの受光面に前記物体の像
を結像させる受光レンズとしてアナモフィックレンズを
用い、三角測量の基線に沿った方向の倍率を他の方向の
倍率より大きくなるように前記物体の像を結像させるこ
とを特徴とする3次元計測方法。 - 【請求項2】参照光を起点から物体に向かって投射する
投光手段と、当該物体で反射した前記参照光を前記起点
から基線方向に離れた位置で受光する撮影手段とを備
え、前記参照光で照射された前記物体を撮影して当該物
体の位置を特定するためのデータを出力する3次元入力
装置であって、 前記撮影手段は、光電変換デバイスと、前記基線方向の
倍率が当該基線方向と直交する方向より大きい像を前記
光電変換デバイスの受光面に結像させるアナモフィック
レンズとを備えたことを特徴とする3次元入力装置。
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JP11100866A JP2000292121A (ja) | 1999-04-08 | 1999-04-08 | 3次元計測方法及び3次元入力装置 |
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2000
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