JP2005099022A - 対象物体の3次元検出方法および対象物体の3次元検出用周囲スキャナ - Google Patents
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Abstract
【課題】特に耳型を比較的簡単かつコスト的に手頃に3次元検出可能にする。
【解決手段】検出すべき対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12)およびカメラ(6;13)を回転させる手段を準備し、回転中に対象物体(3;11)に対して相対的に同じ位置を保つマーク(14)を準備し、プロジェクタ(4;12)により対象物体(3;11)にパターン(5)を投射し、カメラ(6;13)により対象物体画像(7)を撮影し、対象物体画像(7)内の少なくとも1つのマーク(14)の像を検出し、パターン(5)のそれぞれの投射および対象物体画像(7)の撮影により、中止基準が達成されるまで、対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12)およびカメラ(6;13)を繰り返し調整し、対象物体画像または対象物体画像から得られたデータを対象物体画像に含まれているマーク(14)の像に基づいて自動的につなぎ合わせて3次元の対象物体モデルを作成する。
【選択図】図3
【解決手段】検出すべき対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12)およびカメラ(6;13)を回転させる手段を準備し、回転中に対象物体(3;11)に対して相対的に同じ位置を保つマーク(14)を準備し、プロジェクタ(4;12)により対象物体(3;11)にパターン(5)を投射し、カメラ(6;13)により対象物体画像(7)を撮影し、対象物体画像(7)内の少なくとも1つのマーク(14)の像を検出し、パターン(5)のそれぞれの投射および対象物体画像(7)の撮影により、中止基準が達成されるまで、対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12)およびカメラ(6;13)を繰り返し調整し、対象物体画像または対象物体画像から得られたデータを対象物体画像に含まれているマーク(14)の像に基づいて自動的につなぎ合わせて3次元の対象物体モデルを作成する。
【選択図】図3
Description
本発明は対象物体の3次元検出方法に関する。更に、本発明は対象物体の3次元検出用周囲スキャナと、対象物体の3次元検出方法および周囲スキャナの使用方法に関する。
対象物体の3次元検出およびディジタル化方法は種々の使用目的で使用され、例えば工業製品および構成部品の開発、製造および品質管理に使用される。医療技術においては、例えば耳に装着可能な補聴器ケースを製造するために光学式測定法が用いられる。補聴器装着部の耳道にケースを個別に合せるために、聴覚医師によってゴム状のプラスチック材料により患者の外耳道の型が作成される。ケースの作成にステレオリソグラフィ又は類似の方法を適用できるようにするために、耳型から3次元のコンピュータモデルが作成されなければならない。このプロセスはこれまで補聴器メーカで行なわれている。補聴器メーカにおいて型が精密スキャナにより3次元で周囲を測定され、これらのデータに基づいて外耳道の3Dコンピュータモデルが作成される。次に、レーザ焼結プロセスにおいて、コンピュータモデルのデータに基づいて個別成形のケース外被の製造が行なわれる。
使用される精密スキャナの大部分はレーザスキャナとして構成され、このレーザスキャナにおいては、レーザビームが制御されて型の表面上に案内され、後方散乱光が検出器(例えばCCDカメラ)によってレーザビームとは異なる方向から観察される。型の表面座標は三角測量法によって算出される。公知のレーザスキャナすなわちミノルタ社製のVIVID910の場合、レーザビームから、検出すべき対象物体(例えば耳型)の表面上を移動させられる線が発生させられる。この線の画像がカメラで観察され、線画像の変形から三角測量法によって検出すべき対象物体の表面座標が推定される。公知のレーザスキャナの付属品として回転円板(回転台コントローラ)が使用され、この回転円板上において対象物体がスキャン中に360°回転する。
公知のレーザスキャナの欠点は高い調達費にあり、これは時々回転円板の高精密の機構によっても引き起こされる。
構造化された光による対象物体の3D検出方法は公知である(非特許文献1参照)。この方法においては、プロジェクタにより、冗長符号を有するカラーパターンが既知の投射データと共に対象物体の表面に投射され、対象物体が投射されたカラーパターンと共にカメラにより投射方向とは異なる方向から撮影される。カメラ画像の各画素におけるカラーパターンの解読によって、対象物体表面の3次元座標を三角測量法で求めることができる。この方法は、ビデオ画像を用いて対象物体の表面の部分範囲を再構成することを可能にする。
対象物体の3次元検出のための3Dスキャナは公知である(特許文献1参照)。スキャン時に、対象物体がマークを取付けた基準物体と共に回転する。そこで、対象物体および基準物体の種々の眺めが撮影され、写真から、基準物体におけるマークに基づいて3次元コンピュータモデルが合成される。この公知の方法の欠点は、コンピュータモデルと現実の対象物体との一致性が幾つかの用途にとって不十分である点にある。
Frank Forster,Manfred Lang,Bernd"Real−Time Range Imaging for Dynamic Scenes Using Colour−Edge Based Structured Light",ICPR ’02,Vol.3,pp30645−30648,2002 特開2001−108421号明細書
Frank Forster,Manfred Lang,Bernd"Real−Time Range Imaging for Dynamic Scenes Using Colour−Edge Based Structured Light",ICPR ’02,Vol.3,pp30645−30648,2002
本発明の課題は、対象物体および特に耳型を比較的簡単かつコスト的に手頃に補聴器ケース外被の製造に必要な精度で3次元検出することのできる対象物体の3次元検出方法および対象物体の3次元検出用周囲スキャナを提供することにある。
対象物体の3次元検出方法に関する課題は、本発明によれば、検出すべき対象物体と、プロジェクタと、カメラと、対象物体に対して相対的にプロジェクタおよびカメラを回転させる手段とを準備し、回転中に対象物体に対して相対的に同じ位置を保つマークを準備し、プロジェクタにより、検出すべき対象物体にパターンを投射し、カメラにより対象物体画像を撮影し、対象物体画像内の少なくとも1つのマークの像を検出し、パターンのそれぞれの投射および対象物体画像の撮影により、中止基準が達成されるまで対象物体に対して相対的にプロジェクタおよびカメラを繰り返し調整し、対象物体画像または対象物体画像から得られたデータを対象物体画像に含まれているマークの像に基づいて自動的につなぎ合わせて3次元の対象物体モデルを作成することによって解決される。
周囲スキャナに関する課題は、本発明によれば、検出すべき対象物体にパターンを投射するためのプロジェクタと、対象物体を検出するためのカメラと、プロジェクタおよびカメラに対して相対的に対象物体を回転させる手段とを備えた対象物体の3次元検出用周囲スキャナにおいて、回転中に対象物体に対して相対的に同じ位置を保つマークが存在し、対象物体画像内にマークの像が存在し、プロジェクタおよびカメラに対する相対的な対象物体の異なる回転角において作成された対象物体画像または対象物体画像から得られたデータが対象物体画像内に存在するマークの像に基づいてつなぎ合わされ3次元対象物体モデルを作成することによって解決される。
周囲スキャナに関する課題は、本発明によれば、検出すべき対象物体にパターンを投射するためのプロジェクタと、対象物体を検出するためのカメラと、プロジェクタおよびカメラに対して相対的に対象物体を回転させる手段とを備えた対象物体の3次元検出用周囲スキャナにおいて、回転中に対象物体に対して相対的に同じ位置を保つマークが存在し、対象物体画像内にマークの像が存在し、プロジェクタおよびカメラに対する相対的な対象物体の異なる回転角において作成された対象物体画像または対象物体画像から得られたデータが対象物体画像内に存在するマークの像に基づいてつなぎ合わされ3次元対象物体モデルを作成することによって解決される。
本発明による対象物体の3次元検出のために、少なくとも、プロジェクタと、カメラと、プロジェクタおよびカメラを対象物体に対して相対的に回転させる手段とが必要である。プロジェクタによって、既知の投射データを持つ2次元パターン、例えば冗長符号を有するカラーパターンが対象物体の表面上に投射される。続いて、投射されたカラーパターンが、カメラ、例えばCCDカメラにより、投射方向とは異なる方向から撮影される。カメラ画像の各画素におけるカラーパターンの解読によって、対象物体表面の3次元座標が求められる。
3次元で対象物体の周囲のスキャンを可能にするために、対象物体はプロジェクタおよびカメラに対して相対的に回転させられる。このためには対象物体が回転円板上にあると好ましい。2つの撮影の間に、回転円板は、全周当たり多数の、例えば60個の対象物体画像を取得することができるように、予め設定可能な角度だけ回転する。スキャン時に対象物体は一般に回転軸線の周りを360°だけ一度回転する。対象物体において部分範囲だけをディジタル化しようとする場合、対象物体を360°よりも小さい角度だけ回転させることもできる。更に、作成すべき3Dモデルの精度向上のために対象物体の検出時に完全な一回転よりも多く回転させることもできる。スキャンの中止基準は、対象物体の例えば5回の全回転である。
これらの個別画像から対象物体の全周のつながったスキャンを可能にするために、個別画像の3Dデータを共通な座標系に関連させると好ましい。このために必要な較正については、本発明によれば、スキャン時に対象物体に対して位置の変化しないマークがスキャナに取付けられている。回転円板を使用する場合、マークは回転円板上に、もしくは回転円板縁部に存在すると好ましい。マークは、各カメラ画像においてこれらのマークの定められた個数が視認可能であり、これらのマークからプロジェクタおよびカメラに対する相対的な対象物体の回転角を一義的にかつ必要な精度で取出すことができるように構成されている。マークの個数を高めることによって3D再構成の精度が高まる。
対象物体と共に移動させられるマークの位置が「世界座標系」に対して一度正確に求められ評価システムに伝送されると好ましい。その場合、プロジェクタおよびカメラに対する対象物体の相対的位置もしくは回転円板の回転角は、その座標系における対象物体画像内に撮影されたマークの位置およびコード化から求めることができる。相前後して撮影された個別画像もしくはそれらから得られた3Dデータセットは、座標変換によって簡単に「世界座標系」における全貌に組み合わされることができる
本発明は、簡単かつコスト的に手頃に、個別画像撮影と対象物体の回転運動との同期が、高精密の、従って高価な機構を要することなく達成される利点をもたらす。周囲スキャナの使用者によって、回転円板上への測定すべき対象物体の固定を除いて、較正プロセスや調整プロセスを行なわなくてもよい。それゆえ、対象物体の3D周囲表面を、簡単な取扱いにも拘わらず高精密でコスト的に手頃に検出することができる。従って、本発明による周囲スキャナは聴覚医師による使用に好適である。聴覚医師は患者から耳型を作成し、スキャナにより3次元ディジタル化し、それによって、得られたモデルデータをデータ伝送(Eメール等)により直接にケース外被のメーカへ送り届けることができる。これによって補聴器ケースの製造時の時間およびコストが節減される。
本発明の実施態様において、カメラおよびプロジェクタに対する対象物体の相対的な回転の際に部分的に重なり合った複数の対象物体画像が撮影される。その際、相前後する対象物体画像においてそれぞれ複数の同一のマークが視認可能である。共通に視認可能なマークにより、いわゆる画像結合が生じるように対象物体画像がつなぎ合わされる。このためにマークの正確な測定は必要ではなく、このことがシステムの製造を簡単化する。
「ビーム調整」と呼ばれ写真測量法から公知である方法により、各撮影の相対的なカメラ座標を求めることができる。「世界座標系」において測定された僅かな個数のマークが世界座標系に基づいて画像結合を組み立てるのに役立つ。このステップの後に個々の対象物体画像を座標変換によって簡単につなぎ合わせて全貌を作成することができる。計算を簡単化するために、「世界座標系」の2つの軸を回転円板によって設定された平面に置き、「世界座標系」の第3の軸を回転円板の回転軸線と一致させると好ましい。
マークは、1〜nの範囲の、例えば2進コードの形でのコードを有するように構成すると好ましい。マークは幾つかの測定位置(角、線、円など)を有すると好ましい。対象物体画像内に撮影されたマークは、各対象物体画像内において適切な画像処理ソフトウェアによって自動的に検出され、解読され、測定される。マークは、各対象物体画像についてそれに含まれているマークに基づいてカメラおよびプロジェクタに対する空間位置の一義的な割付けが可能であるように実施されていると好ましい。
本発明の実施態様によれば、プロジェクタおよびカメラに対して相対的に対象物体が回転する回転軸線が、プロジェクタおよびカメラに対して相対的に揺動される。回転円板を使用する場合、これは、回転円板が少なくとも1つの方向において定められた角度だけ傾斜させられることによって簡単に達成される。これは耳型のディジタル化の際に有利である。なぜならば、耳型はかなりでこぼこが有り得るからである。回転軸線の揺動によって、3次元コンピュータモデルにおける陰および隙間や不正確さを避けることができる。
本発明の好ましい実施態様において、マークは、各対象物体画像から、回転角のほかに、回転軸線を出発位置に対して揺動させる揺動角が検出可能であるように配置されかつ構成されている。出発位置として、先行する対象物体画像における回転軸線の位置または原位置を用いることができる。
本発明の他の実施態様において、対象物体を異なる方向から同時に撮影することができるように、少なくとも2つの互いにずらされて配置されたカメラが存在する。カメラは検出すべき対象物体の回転軸線に関して異なる高さに配置されているので、1つのカメラしか使用しなかった場合にコンピュータモデルにエラー個所をもたらすであろうアンダーカットも他のカメラによって検出することができる。それによって、カメラに対する回転円板の相対的な揺動運動は省略することができる。第2のカメラのほかに第2のプロジェクタを使用することも好ましい。それにより、1つのカメラ・プロジェクタ対によってそれぞれ対象物体画像が作成される。
本発明による周囲スキャナの自動較正特性は、全ての個別3D画像を簡単に合成して3D周囲画像を形成することができる利点を有する。その場合に回転運動の不変性に高い要求がなされることはない。従って、コスト的に手頃な機構を使用することができる。3D検出の精度は1回転当たりの画像数を高めることによって簡単に高めることができる。
測定データの多い個数および特に部分的に重なり合う対象物体画像によって測定の力強さおよび精度を著しく高めることができる。
以下において本発明を実施例に基づいて説明する。
図1はカラーコード化された構造化光による対象物体の3D検出の原理概略図、
図2は本発明によるスキャナの原理図、
図3は本発明によるスキャナの斜視図、
図4は図3に対して揺動させられた回転軸線を有する図3によるスキャナ、
図5はケースを有する図3および図4によるスキャナ、
図6は2つのカメラを有するスキャナの他の実施形態を示す。
図1はカラーコード化された構造化光による対象物体の3D検出の原理概略図、
図2は本発明によるスキャナの原理図、
図3は本発明によるスキャナの斜視図、
図4は図3に対して揺動させられた回転軸線を有する図3によるスキャナ、
図5はケースを有する図3および図4によるスキャナ、
図6は2つのカメラを有するスキャナの他の実施形態を示す。
図1には、検出すべき対象物体3の表面2の3次元の対象物体座標を求めるのに役立つ装置1が示されている。
装置1はプロジェクタ4を有し、このプロジェクタ4はカラーパターン5を、検出すべき対象物体3の表面2に投射する。図1に示された例では、カラーパターン5は一連の並んでいるカラー縞からなる。しかしながら、図1に示された1次元のカラーパターン5の代わりに2次元のカラーパターンを使用することも考え得る。
図1に示されている実施例では、対象物体3の表面2の各点Pに投射面gが割付けられる。従って、カラーパターン5によって投射データがコード化される。対象物体3の表面2に投射されたカラーパターン5はカメラ6によって像7に変換される。像7においては、表面2上の点Pが点P’に変換される。プロジェクタ4およびカメラ6の配置が既知である、特に基礎区間8の長さが既知である場合、三角測量法によって表面2における点Pの3次元空間座標を算出することができる。このために必要なデータ換算および評価が評価ユニット9によって行なわれる。
対象物体3の表面2が深い亀裂や遮蔽物を有する場合にも個々の像7から表面2上の点Pの3次元空間座標を求めることを可能にするために、カラーパターン5は、投射面gのコード化がエラーに対してできるだけ強いように構成されている。更に、コード化は対象物体の色調に基づくエラーを除去することができる。
図1に示された実施例では、カラーパターン5のカラーはRGBモデルによって記述される。カラーパターン5のカラー値の変化は個々のカラーチャネルR,G,Bにおけるカラー値の変化によって行なわれる。
カラーパターンは次の条件を満たすべきである。
(1)各カラーチャネルにおいて2つのカラー値だけが使用される。特に、各カラーチャネルにおいてそれぞれ最小値および最大値が使用され、従ってRGBモデルでは全部で8つのカラーが使用できる。
(2)コードワード内において各カラーチャネルは少なくとも1つのカラー変化を有する。この条件は個々のコードワードの解読を可能にする。
(3)並んでいるカラーエレメントは少なくとも2つのカラーチャネルが相異する。この条件は、特に深い亀裂に対して許容誤差を保証するために特に役立つ。
(4)カラーパターン5の個々のコードワードは些細でないハミング距離を有する。この条件も投射面gの解読時の許容誤差を高めるのに役立つ。
(5)カラー変化も些細でないハミング距離を有するコードワードにまとめられる。
(1)各カラーチャネルにおいて2つのカラー値だけが使用される。特に、各カラーチャネルにおいてそれぞれ最小値および最大値が使用され、従ってRGBモデルでは全部で8つのカラーが使用できる。
(2)コードワード内において各カラーチャネルは少なくとも1つのカラー変化を有する。この条件は個々のコードワードの解読を可能にする。
(3)並んでいるカラーエレメントは少なくとも2つのカラーチャネルが相異する。この条件は、特に深い亀裂に対して許容誤差を保証するために特に役立つ。
(4)カラーパターン5の個々のコードワードは些細でないハミング距離を有する。この条件も投射面gの解読時の許容誤差を高めるのに役立つ。
(5)カラー変化も些細でないハミング距離を有するコードワードにまとめられる。
次に、上述の5つの条件を満たすカラーパターン5の例を挙げる。このカラーパターン5は赤色チャネルR、緑色チャネルGおよび青色チャネルBを有するRGBモデルに関連する。各カラーチャネルにおけるカラー値はそれぞれ最小値および最大値しか取ってはならないので、全部で8個の混合色が使用でき、それぞれには次の数値が割付けられている。
黒 0
青 1
緑 2
シアン 3
赤 4
マゼンダ 5
黄 6
白 7
黒 0
青 1
緑 2
シアン 3
赤 4
マゼンダ 5
黄 6
白 7
カラー値のコードワードについては4個のカラー縞の長さが選ばれ、隣り合うコードワードはそれぞれ3個のカラー縞が部分的に重なる。
カラー変化にも数値が割付けられた。3つのカラーチャネルのそれぞれにおいてカラー値が同じままか、下降するかまたは上昇するかであるので、全部で27個の異なる混合色カラー変化が生じ、これらにそれぞれ0と26との間の数値が割付けられた。カラー変化に割付けられたコードワードの長さは等しい3つのカラー変化が選ばれた。その場合、それぞれ2つのカラー変化を有する隣り合うコードワードが部分的に重なり合っている。
探索アルゴリズムによって、上記の5つの条件を満たすカラーパターン5の実施例を記述する次の数列が発見された。
1243070561217414270342127216534171614361605306352717072416305250747147065035603634743506172524253607
1243070561217414270342127216534171614361605306352717072416305250747147065035603634743506172524253607
上述の実施例において、1番目のコードワードは数値1243からなり、2番目のコードワードは数値2430からなり、3番目のコードワードは数値4307からなる。示された実施例は非常に強固な符号化である。
図2には、本発明による周囲スキャナの原理図が示されている。スキャナは回転軸線の周りに回転可能に支持されている回転円板10を有する。回転円板10上には補聴器の個人の解剖学的実状に基づいて作られた耳型11が固定されている。耳型11は、耳に装着可能な補聴器の個々に成形された外被の製造のためにディジタル化されるべきである。耳型11の検出はコード化された照明および三角測量により行なわれる。このために、周囲スキャナは耳型11の表面上にカラーコード化されたパターンを投射するプロジェクタ12を有する。耳型11の表面上に投射されたカラーパターンは、CCDカメラ13によって耳型11の像に変換される。回転円板10の回転運動によって、異なる注視角からこの種の多数の像を取得することができる。個々の像にそれぞれの注視角を割付けることを可能にするために、回転円板10の外周部にマーク14が取付けられている。各像において、耳型11のほかにこれらのマーク14の個数も検出される。マーク14の像は、対象物体画像において、適切な画像処理ソフトウェアを有するコンピュータ15によって自動的に検出され、解読され、測定される。それにより得られた角度情報に基づいて、個々の像から耳型11の3次元コンピュータモデルが算出される。コンピュータ15は、本来の周囲スキャナの部分ではないこと、すなわち回転円板10,プロジェクタ12およびカメラ13と共に共通のハウジング内に配置されていないと好ましい。むしろ、コンピュータ15としては適切なソフトウェアを有する外部の性能のよいPCを用いるとよい。周囲スキャナはコンピュータ15との接続用のインターフェースを持っている。
図3は図2に原理図で示された周囲スキャナを斜視図で示す。図3からも回転円板10、プロジェクタ12およびCCDカメラ13が相互にそれぞれの位置にあることが読取れる。更に、図3では、回転円板10の駆動ユニットも見て取ることができる。この駆動ユニットは、歯車17および歯付きベルト18を介して回転円板10を駆動するモータ16を含む。更に、図3には、回転円板10において回転運動のほかに揺動運動も可能にするメカニズムが示されている。揺動軸線19はこの実施例では回転軸線20と回転円板10の表面との交点を通過する。実施例では、揺動運動も電気駆動装置によって自動的に行なわれる。図示の実施例ではモータ16が回転運動も揺動運動も生じさせる。つまり、回転円板10の回転によってこれに結合されている歯車21Aが駆動され、歯車21Aはスキャナのハウジング内に固定されている歯付き片21Bと噛み合い、それによってモータ16と歯付きベルト18とを有する駆動ユニットの揺動運動をもたらす。更に、回転円板10の周辺部に配置されているマーク14が見て取ることができる。それらのマーク14により、プロジェクタ12およびカメラ13に対する回転円板10の、従ってその上に支持された対象物体(図2参照)の正確な回転角が作成像から検出可能である。
回転軸線が対象物体の検出開始時にそのために設けられた出発位置にあると好ましい。これは、例えば周囲スキャナのハウジングにハウジングカバー(図示されていない。)が揺動可能に固定されていることによって実行することができる。回転円板10上に対象物体を置く前に、このハウジングカバーが先ず開かれなければならない。このハウジングカバーが開かれた際、モータ16と回転円板10とを有する回転ユニット全体が相応の機構(図示されていない。)によって出発位置へ移行させられる。それゆえ、スキャン開始時に回転円板10は図3に示された出発位置にあり、やがて数回転後に回転円板10は図4に示された終端位置を取る。終端位置ではモータ16が自動的に停止させられる。対象物体画像内のマークに基づいて、各画像から、回転角と回転円板10が出発位置から揺動されている角度とを一義的に読取ることができる。個々の対象物体画像から3Dモデルを高精度で作成することができる。
代替として、回転円板10は揺動運動の実施のために第2のモータ(図示されていない。)とも接続することができる。揺動運動はコンピュータ15によって制御することもでき、従って回転円板が出発位置から終端位置まで揺動するまでの回転円板の回転個数は可変である。
図3による周囲スキャナにおいて、回転円板、回転円板の駆動ユニット、プロジェクタおよびカメラは、図5に示された共通のハウジング30内に収納されている。それによって、周囲スキャナはコンパクトな簡単に取扱いできるユニットになる。操作も簡単である。なぜならば、使用者は、回転円板10への検査対象物体の固定のほかは較正プロセスも調整プロセスも実施しなくてもよいからである。更に、図5からなおもプロジェクタおよびカメラのための両ハウジング開口31,32を見て取ることができる。更に、周囲スキャナはなおもコンピュータに接続するためのケーブル33を有する。
図6は本発明による周囲スキャナの他の実施形態を示す。先行の実施例とは違って、回転円板60はこの実施形態では揺動可能でない。それにもかかわらず、アンダーカットを有する複雑な対象物体の検出も可能にするために、スキャナは2つの上下に配置されたカメラ61,62を有し、それゆえ両カメラ61,62は対象物体を互いに異なる注視方向から検出する。更に、プロジェクタ63は点状光源として構成されていない。むしろ、プロジェクタは垂直に延びる線から出射するコード化されたパターンを発生する。それによって、カメラによって検出される対象物体の全範囲へのパターンの投射が保証される。代替として図示されていない点状光源を持つ複数のプロジェクタを使用することもできる。複数のカメラの使用によって、回転円板60の揺動運動が不要となり、前出の実施例に比べて駆動ユニットが簡単化される。図6による実施例では回転円板60が直接に(歯付きベルトの介在なしに)駆動される。
図6による周囲スキャナにおいても全ての構成要素が共通のハウジングによって包囲されているので、この周囲スキャナはコンパクトな簡単に取扱いが可能なユニットを構成する。更に、入手可能な市販品のコスト的に手頃の構成要素(CCDカメラ、プロジェクタ)およびとりわけ簡単な機構を用いることができる。
1 装置
2 表面
3 対象物体
4 プロジェクタ
5 カラーパターン
6 カメラ
7 像
8 基礎区間
9 評価装置
10 回転円板
11 耳型
12 プロジェクタ
13 CCDカメラ
14 マーク
15 コンピュータ
16 モータ
17 歯車
18 歯付きベルト
19 揺動軸線
20 回転軸線
21A 歯車
21B 歯付き片
30 ハウジング
31 ハウジング開口
32 ハウジング開口
33 ケーブル
60 回転円板
61 カメラ
62 カメラ
63 プロジェクタ
65 マーク
g 投射面
P 点
P’ 点
2 表面
3 対象物体
4 プロジェクタ
5 カラーパターン
6 カメラ
7 像
8 基礎区間
9 評価装置
10 回転円板
11 耳型
12 プロジェクタ
13 CCDカメラ
14 マーク
15 コンピュータ
16 モータ
17 歯車
18 歯付きベルト
19 揺動軸線
20 回転軸線
21A 歯車
21B 歯付き片
30 ハウジング
31 ハウジング開口
32 ハウジング開口
33 ケーブル
60 回転円板
61 カメラ
62 カメラ
63 プロジェクタ
65 マーク
g 投射面
P 点
P’ 点
Claims (29)
- 検出すべき対象物体(3;11)と、プロジェクタ(4;12;63)と、カメラ(6;13;61;62)と、対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61;62)を回転させる手段とを準備し、
回転中に対象物体(3;11)に対して相対的に同じ位置を保つマーク(14;65)を準備し、
プロジェクタ(4;12;63)により、検出すべき対象物体(3;11)にパターン(5)を投射し、
カメラ(6;13;61;62)により対象物体画像(7)を撮影し、対象物体画像(7)内の少なくとも1つのマーク(14;65)の像を検出し、
パターン(5)のそれぞれの投射および対象物体画像(7)の撮影により、中止基準が達成されるまで、対象物体(3;11)に対して相対的にプロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61;62)を繰り返し調整し、
対象物体画像または対象物体画像から得られたデータを対象物体画像に含まれているマーク(14;65)の像に基づいて自動的につなぎ合わせて3次元の対象物体モデルを作成する
ことを特徴とする対象物体の3次元検出方法。 - 対象物体画像(7)または対象物体画像(7)から得られたデータに、対象物体画像内に含まれているマーク(14;65)の像に基づいて、プロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61;62)に対して相対的に対象物体(3;11)の空間位置がそれぞれ割付けられることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 対象物体画像から対象物体(3;11)の3Dデータが座標系(X,Y,Z)に基づいて求められることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- 回転軸線(20)の周りを対象物体(3;11)が回転する際、部分的に重なり合う複数の対象物体画像が撮影されることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- 2つの相前後する対象物体画像内に同一のマーク(14;65)の像が含まれていることを特徴とする請求項4記載の方法。
- マーク(14;65)はコード化されていることを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の方法。
- コード化のために2進コードが使用されることを特徴とする請求項6記載の方法。
- パターン(5)は構造化されたカラーパターンであることを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載の方法。
- カラーパターン(5)において投射データが冗長コードによりコード化されていることを特徴とする請求項8記載の方法。
- プロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61;62)に対して相対的に対象物体(3;11)が回転する回転軸線(20)が、対象物体(3;11)の検出中に、プロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61;62)に対して相対的に自動的に揺動されることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載の方法。
- 相前後する対象物体画像の撮影の間に回転運動および揺動運動が行なわれることを特徴とする請求項10記載の方法。
- 回転軸線(20)の揺動のために、対象物体(11)を支持する回転円板(10)がプロジェクタ(12)およびカメラ(13)に対して自動的に揺動されることを特徴とする請求項10又は11記載の方法。
- 対象物体画像または対象物体画像から得られたデータが、対象物体画像内に含まれているマーク(14)の像に基づいて、回転軸線(20)を出発位置に対して揺動させる揺動角をそれぞれ割付けられることを特徴とする請求項10乃至12の1つに記載の方法。
- 2つのずらされて配置されたカメラ(61,62)によって対象物体画像が撮影されることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載の方法。
- 検出すべき対象物体(3;11)にパターン(5)を投射するためのプロジェクタ(4;12;63)と、対象物体(3;11)を検出するためのカメラ(6;13;61,62)と、プロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61,62)に対して相対的に対象物体(3;11)を回転させる手段とを備えた対象物体の3次元検出用周囲スキャナにおいて、
回転中に対象物体(3;11)に対して相対的に同じ位置を保つマーク(14;65)が存在し、対象物体画像内にマークの像が存在し、プロジェクタ(4;12;63)およびカメラ(6;13;61,62)に対する相対的な対象物体(3;11)の異なる回転角において作成された対象物体画像または対象物体画像から得られたデータが対象物体画像内に存在するマーク(14;65)の像に基づいてつなぎ合わされ3次元対象物体モデルを作成することを特徴とする対象物体の3次元検出用周囲スキャナ。 - マーク(14;65)の像から、プロジェクタ(4;12;63)および/またはカメラ(6;13;61,62)に対して相対的な対象物体(3;11)の空間位置が検出可能であることを特徴とする請求項15記載の周囲スキャナ。
- 対象物体(11)はスキャン中に回転円板(10;60)上に支持されていることを特徴とする請求項16記載の周囲スキャナ。
- マーク(14;65)は回転円板(10;60)上に配置されていることを特徴とする請求項17記載の周囲スキャナ。
- 各対象物体画像内に複数のマーク(14;65)の像が存在することを特徴とする請求項15乃至18の1つに記載の周囲スキャナ。
- プロジェクタ(12;63)と、カメラ(13;61,62)と、回転円板(10;60)と、回転円板(10;60)の駆動ユニットとが共通のハウジングを有するコンパクトな構造ユニットとして構成されていることを特徴とする請求項17乃至19の1つに記載の周囲スキャナ。
- プロジェクタ(12)およびカメラ(13)に対して相対的に対象物体(11)の回転軸線(20)を揺動させる手段が存在することを特徴とする請求項17乃至20の1つに記載の周囲スキャナ。
- マーク(14)の像から、回転軸線(20)を出発位置に対して揺動させる揺動角が検出可能であることを特徴とする請求項21記載の周囲スキャナ。
- 回転軸線(20)は自動的に揺動可能であることを特徴とする請求項21又は22記載の周囲スキャナ。
- 回転軸線(20)の揺動のために回転円板(10)が揺動可能に支持されていることを特徴とする請求項21乃至23の1つに記載の周囲スキャナ。
- 回転円板(10)が回転軸線(20)の自動揺動のために駆動装置を備えていることを特徴とする請求項24記載の周囲スキャナ。
- 唯一のモータ(16)を備えた回転円板(10)の回転および揺動のための駆動機構が存在することを特徴とする請求項25記載の周囲スキャナ。
- 異なる方向から対象物体画像を検出するために第1および第2のカメラ(61,62)が存在することを特徴とする請求項15乃至20の1つに記載の周囲スキャナ。
- 異なる方向から検出すべき対象物体へ2次元パターンを投射するために第1および第2プロジェクタが存在することを特徴とする請求項27記載の周囲スキャナ。
- 耳型の3次元検出に用いられることを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の方法または請求項15乃至28の1つに記載の周囲スキャナの使用方法。
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