JP2005189205A - ３次元形状計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一部に複雑な形状を有する対象物であっても，単純な形状の対象物と同様な操作で全周レンジデータを取得できるようにする。
【解決手段】 回転テーブル２上には測定対象物３が回転テーブル２に対して相対的に固定した配置で保持されている。レーザー光照射装置４は，回転テーブル２の中心軸に向けて破線で示すようにレーザー光５を照射する。測定対象物３は、回転テーブル２の中心軸を覆うように配置されるので、レーザー光５は測定対象物３により反射される。反射スポット受光素子１０８は、反射スポットを判別し、例えば、反射スポットが消失したときには該当部分の表面形状が複雑なものと判別して対応する角度位置を付加的な停止角度として追加する。デフォルトの停止角度および付加的な停止角度で回転テーブル２を停止して測定対象物３の３次元座標を３次元座標取得装置１で取得し、そののち合成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は，対象物の３次元形状を取得する３次元形状計測技術に関し，とくに，対象物を３次元座標取得部に対して相対的に回転させて，対象物の全周形状を取得する３次元形状測定技術に関する。

３次元形状を取得する手法には，アクティブ手法（Ａｃｔｉｖｅ ｖｉｓｉｏｎ）とパッシブ手法（Ｐａｓｓｉｖｅ ｖｉｓｉｏｎ）がある。アクティブ手法は，（１）レーザー光を発して，対象物からの反射光量や到達時間を計測し，奥行き情報を抽出するレーザ手法や，（２）スリット光などの特殊なパターン光源を用いて，対象表面パターンの幾何学的変形等の画像情報より対象形状を推定するパターン投影方法や，（３）光学的処理によってモアレ縞により等高線を形成させて，３次元情報を得る方法などがある。一方，パッシブ手法は，対象物の見え方，光源，照明，影情報等に関する知識を利用して，一枚の画像から３次元情報を推定する単眼立体視，三角測量原理で各画素の奥行き情報を推定するステレオ法等がある。上述の手法を適用して得られる計測対象の距離情報は，計測対象の表面形状を表すデータであり，レンジデータと呼ばれる。レンジデータは測定対象上におけるある１点の距離データ・サンプル点の集合データである。

ところで，一般にレンジデータは単一回の測定においては，その測定が行われたある一視点での視野内における測定対象のレンジデータが求められるのみである。したがって，物体全体の３次元形状を求める場合は，複数の測定点からのレンジデータを測定位置ごとに位置合わせて合成する処理が必要になる。複数のレンジデータの位置合わせには，例えば特許文献１に開示されるように，測定対象を回転ステージの上に設置し，撮影方向と回転ステージの回転角度を対応付けて複数のレンジデータを取得して，回転ステージの回転角度に基づいて回転変換を行い，複数のレンジデータの合成を行う方法が知られている。
特開２００２−３２８０１３公報

しかしながら従来の手法では，予め回転角度を定めておいて複数のレンジデータを取得することが一般的で，形状の複雑な対象物は，その複雑な部分が一部分であっても細かい回転角度を指定してレンジデータを取得する回数が多くなり計測全体にかかる時間や，後工程で複数のレンジデータを合成する手間がかかるといった問題があった。逆にこのような対象物を大まかな回転角度を指定すると，形状が複雑な部分のレンジデータを正確に取得できない。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので，一部に複雑な形状を有する対象物であっても，単純な形状の対象物と同様な操作で全周レンジデータの取得が可能な３次元形状測定方法および装置を提供することを目的とする。

この発明によれば，上述の目的を達成するために，特許請求の範囲に記載のとおりの構成を採用している。ここでは，発明を詳細に説明するのに先だって，特許請求の範囲の記載について補充的に説明を行なっておく。

なお，便宜上，図１の実施例を参考にその符号を用いて説明するが，これに限定されるものではないことはもちろんである。

すなわち，この発明の一側面によれば，上述の目的を達成するために，測定空間に設置される測定対象物３の３次元形状を計測する３次元形状計測装置に：前記測定対象物を，測定の間，保持手段本体に対する相対位置が変化しないように保持する保持手段２と；前記測定対象物上における複数の点の３次元座標を画像入力素子によって取得する３次元座標取得手段１と；前記測定対象物に対して光線を照射する光線照射手段４と；前記保持手段と前記３次元座標取得手段との間の相対位置を変化させて当該相対位置の各々について前記３次元座標取得手段による測定を行う複数回測定制御手段１０６と；前記光線照射手段から照射された光線が前記測定対象物に当った反射光の様子によって前記保持手段と前記３次元座標取得手段との相対位置の変化の大きさを制御する相対位置制御手段１０４とを設けるようにしている。

この構成においては，反射スポットの振る舞いに基づいて測定対象物の個々の位置の複雑さを判定し，必要に応じて細かく測定位置を設定して必要な３次元座標データを取得することができる。

また，この構成において，前記保持手段を回転ステージとすることが好ましい。この場合，前記複数測定制御手段は前記回転ステージの回転制御手段を含み，前記相対位置制御手段は前記回転ステージの回転角度制御手段を含む。

また，前記画像入力素子をカメラであり，前記光線照射手段をレーザー光照射装置とすることが好ましい。

また，前記光線照射装置を前記３次元座標取得手段の両側に設けてもよい。

また，前記光線照射装置は，点滅駆動されるようにしてもよい。

また，前記光線照射装置は，複数位置に照射スポットを実質的に同時に生成するようにしても良い。

なお，本発明は装置またはシステムとして実現できるのみでなく，方法としても実現可能である。また，そのような発明の一部をソフトウェアとして構成することができることはもちろんである。またそのようなソフトウェアをコンピュータに実行させるために用いるソフトウェア製品もこの発明の技術的な範囲に含まれることも当然である。

本発明の上述の側面および他の側面は特許請求の範囲に記載され以下実施例を用いて詳述される。

本発明によれば，測定対象物の全周形状を計測するような３次元形状計測において，測定対象物に計測方向とは異なる方向から光線を照射しその反射画像を計測方向からモニターすることで測定対象物の表面形状の複雑さの場所（方向）を検知することが可能となり，その方向からの計測を必ず行なうようにすることで取得データ欠けのない正確な全周の３次元計測がおこなえる。

以下，この発明の実施例について説明する。

本発明に係る３次元形状計測装置の実施例を，図を基にして説明する。

図１は，本発明の実施例の３次元形状計測装置を模式的に示しており，この図において，３次元形状計測装置は，３次元座標取得装置１，回転テーブル（回転ステージ、回転台ともいう）２，レーザー光照射装置４，制御装置１００を含んで構成されている。回転テーブル２上には測定対象物３が回転テーブル２に対して相対的に固定した配置で保持されている。レーザー光照射装置４は，回転テーブル２の中心軸に向けて破線で示すようにレーザー光５を照射する。測定対象物３は、回転テーブル２の中心軸を覆うように配置されるので、レーザー光５は測定対象物３により反射される。制御装置１００はたとえばパーソナルコンピュータであり，３次元座標取得装置１，回転テーブル２，レーザー光照射装置４等に接続され，各部の動作制御，座標演算等を行なう。

制御装置１００は，例えば，３次元座標取得部１０１，３次元座像合成部１０２，反射スポット判別部１０３，追加停止角度決定部１０４，デフォルト停止角度記憶部１０５，回転駆動制御部１０６，照射駆動制御部１０７等の機能ブロックを含む。

回転駆動制御部１０６は，回転テーブル２を回転させてこれを所望の角度位置に配置するものである。回転テーブル２が回転することにより，３次元座標取得部１０１から回転テーブル２上の測定対象物３への視点が順次変更される。基本的には所定の角度間隔例えば６０度ずつ回転テーブル２が回転駆動され視点が変更されていく。この角度間隔はデフォルトのものであり，デフォルト停止角度記憶部１０４に記憶されている。デフォルト停止角度は計測対象に応じてユーザが可変しても良い。

３次元座標取得部１０１，各視点について測定対象物３上の複数の点の３次元座標（３次元画像）を取得する。３次元座標取得装置１は，特にその方式を限定するものではないが，複数回の撮像を行う必要があるため，特開２０００−６５５４２公報に開示されたようなＣＣＤカメラを内蔵して一回の撮像で距離情報が取得できるような方式のものが，測定に必要とする時間的な観点からは望ましい。３次元座標取得装置１の例についてはのちに図３〜図５を参照して説明する。

３次元座標合成部１０２は，３次元座標取得部１０１により各視点について取得された３次元座標を合成して測定対象物の全周データをえる。

照射駆動制御部１０７は，レーザー光照射装置４を駆動するものである。レーザー光の反射スポットの判別が容易になるようにレーザー光照射装置４を点滅駆動してもよい。反射スポットは，例えば３次元座標取得装置１のカメラ（後述する）により兼用する反射スポット受光素子１０８により判別される。追加停止角度決定部１０４は，反射スポット受光素子１０８の判別出力に基づいて反射スポットの振る舞いに応じて付加的な停止角度位置を決定する。すなわち，反射スポットの振る舞いにより，スポット位置の計測対象の表面形状が複雑と判断されるときには，対応する角度位置を付加的な停止角度位置とする。この実施例では，後述するように，反射スポットが視野からはずれたときに，計測対象の当該表面形状が複雑と判別する。

回転駆動制御部１０６は上述のデフォルトの停止角度位置に加えて付加的な停止角度位置でも回転テーブル２を停止して測定対象物３の３次元座標を取得する。

３次元座標取得装置１の例を図３に示す。図３において，３次元座標取得装置１は，投影装置（プロジェクタ）１１，モニタ用撮像装置（第１カメラ。ＣＣＤカメラ）１２，三角測量用撮像装置（第２カメラ。ＣＣＤカメラ）１３およびハーフミラー１４を含んで構成されている。投影装置１１は，３次元座標取得を行うためにパターンを測定対象に対して投影する。モニタ用撮像装置１２は，投影装置１１と，ほぼ同一主点，同一光軸に配置されパターンをモニタする。三角測量用撮像装置１３は撮影装置と異なる光軸に配置されている。この点は先の特開２０００−６５５４２公報に記載のものと同様の構成である。投影装置１１は，プロジェクタもしくはレーザスリット投影系を用いる。この投影装置１１はあらかじめ定められたコードに対応する輝度値によって投影パターンを形成し，投影を行う。投影パターンは，図４に示すような濃淡のあるスリットパターンを用い，例えば，図４の右側に図示されている物体（測定対象）にパターン投影する。投影パターンはハーフミラー１４を介して測定対象に投影され，その反射光がハーフミラー１４で反射されてモニタ用撮像装置１２に入射する。測定対象からの反射光はモニタ用撮像装置１２とは異なる光路を経て三角測量用撮像装置１３に入射する。

図５も用いてパターン投影およびその撮像について詳細に説明する。モニタ用撮像装置（カメラ１）１２と投影装置（プロジェクタ）１１は，先に述べたようにハーフミラー１４などを用いて，ほぼ同一主点，同一光軸に配置される。三角測量用撮像装置（第２カメラ）１３は，別光軸上に配置される。投影装置（プロジェクタ）１１により図４に示すようなストライプパターンを投影する。ほぼ同主点，同光軸のモニタ用撮像装置（第１カメラ）１２で観測された画像（第１カメラの撮像画像）から再符号化を実施し，さらに，モニタ用撮像装置（カメラ１）１２で観測された画像（第１カメラの撮像画像）と三角測量用撮像装置（第２カメラ）１３で観測された画像（第２カメラの撮像画像）とから距離画像を算出する。再符号化は高精度の計測に必要であるが，必須なわけではない。

図１の反射スポット受光素子は，モニタ用撮像装置１２，三角測量用撮像装置１３のいずれでもよいし，また，別途設けるようにしても良い。

３次元座標取得装置１と回転テーブル２とレーザー光照射装置４の位置関係を図２に示す。レーザー光照射装置４は回転テーブル２の回転中心に向かってレーザー光を照射するように設置され，さらにこの回転中心を軸として３次元座標取得装置１と特定の角度を持つように配置される。この角度は０度から９０度までは理論的に設定可能であるが，好ましくは３０度から６０度程度に設定する。以下の説明では４５度を例にとっている。

図６および図７は本実施例の原理について簡単に説明したものである。図６に示す測定対象物３ａのように形状が滑らかで単純なものは，レーザー光照射装置４からレーザー光を照射しながら回転テーブル２を回転させて，３次元座標取得装置１内のカメラでモニターすると，カメラ画像上ではレーザー反射スポットが現れ，全周中消えることはない。一方，図７に示す測定対象物３ｂのように一部で凸凹が大きく形状の複雑なものは，３次元座標取得装置１内のカメラのモニター画像で，レーザー反射スポットが消える角度領域（回転テーブル制御用入力データでθａ〜θｂとする）が発生する。このようにレーザー反射スポットが消える場合には形状の凸凹が激しいと判定する。そこで回転テーブル制御用入力データでθａ〜θｂに４５度を加えた角度データθＡ〜θＢ近辺では必ず計測を行なう必要がある。

図８を用いて詳細に説明する。図８の測定対象物の断面形状は凹みを有している。凹みが無ければ通常６方向からの計測で充分な全周形状が得られるが，凹みがあるために太字曲線で示した部分の形状は良好に計測できない。これを図１のような構成においてみると，回転テーブル制御用入力データでθ１からθ３までの間では，３次元座標取得装置１内のカメラのモニター画像で，レーザー反射スポットが消える。従って，回転テーブル制御用入力データで４５度＋θ１から４５度＋θ３までで追加の計測を行なう必要がある。ここでは４５度＋θ１から４５度＋θ３までの中間値である４５度＋θ２で追加の計測を行なうことにするが，例えば４５度＋θ１と４５度＋θ２と４５度＋θ３との３回の追加計測など，４５度＋θ１から４５度＋θ３までの範囲内であればよいことはいうまでもない。

つぎに本発明の実施例の計測手順を説明する。

図９は，計測手順の１つを示しており，図１０は他の計測手順を示している。

図９の例では，測定対象物３の３次元座標の計測に先立ってレーザ照射を用いた停止位置の決定処理を行なう。図１０の例では，測定対象物３の３次元座標の計測と並行してレーザ照射を用いた停止位置の決定処理を行なう。

図９の処理は以下のとおりである。
［ステップＳ１０］：デフォルトの停止角度を設定する。
［ステップＳ１１］：回転テーブル２を１回転させつつレーザー光を測定対象物３に照射して反射スポットをモニターする。
［ステップＳ１２］：反射スポットが消失したことに基づいて，あるいは消失している角度範囲に基づいて追加の停止角度を設定する。こののち，ステップＳ１３〜Ｓ１６において，デフォルトの停止角度おおび追加の停止角度について，回転テーブル２が回転駆動され，３次元座標取得が行なわれる。
［ステップＳ１３］：次回の停止角度位置まで回転デーブル２を回転させる。
［ステップＳ１４］：停止角度位置で，計測条件を設定する。
［ステップＳ１５］：停止角度位置で，計測条件の下，測定対象物上の複数の点の３次元座標を取得する。
［ステップＳ１６］：すべての停止角度位置で処理が終了したか判別する。終了していない場合にはステップＳ１３へ戻り，処理を繰り返す。終了している場合にはステップＳ１７へ進む。
［ステップＳ１７］：各停止角度での３次元座標データを貼り合わせて全周データを取得する。

図１０の処理は以下のとおりである。
［ステップＳ２０］：デフォルトの停止角度を設定する。
［ステップＳ２１］：計測条件を設定する。
［ステップＳ２２］：当初の停止角度位置で最初の３次元座標の計測を行なう。
［ステップＳ２３］：回転テーブル２を次の停止角度を目標値として回転駆動する。
［ステップＳ２４］：ステップ２の回転駆動と並行してレーザー光を測定対象物３に照射して反射スポットをモニターする。
［ステップＳ２５］：反射スポットが消失したかどうかを判別する。消失したと判別した場合にはステップＳ２６へ進み，そうでない場合には，ステップＳ２７へ進む。
［ステップＳ２６］：反射スポットが消えたときの角度に所定角度を加えた角度位置を付加的な停止角度として追加する。
［ステップＳ２７］：目標の停止角度で停止する。
［ステップＳ２８］：停止角度位置で，測定対象物上の複数の点の３次元座標を取得する。
［ステップＳ２９］：すべての停止角度で計測を終了したかどうかを判別する。終了していない場合にはステップＳ２３へ戻り，処理を繰り返す。終了している場合にはステップＳ３０へ進む。
［ステップＳ３０］：各停止角度での３次元座標データを貼り合わせて全周データを取得する。

以上で本実施例の説明を終了する。なお，この発明は上述の実施例に限定されるものではなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば，図１１に示すように２つのレーザー光照射装置４ａと４ｂを３次元座標取得装置１を挟むように配置してもよい。この場合，通常はカメラ画像に２つのレーザー反射スポットが現れるが，２つのレーザー光は回転台の中心に向けて照射され，かつ回転台の中心には必ず測定対象物が被るように置かれるので，カメラ画像の左半分にあるレーザー反射スポットは左からのレーザー光，右半分は右からのレーザー光と判別可能である。また２つのレーザー光の波長を変えて判別するようにしても良い。

また上述の実施例では，レーザー光を垂直方向に１本のみとしているが，垂直方向に複数本のレーザー光を照射するようにしてもよく，そのためにレーザー光照射装置を複数設けてもよいし，１台のレーザー光照射装置の光線を分岐してもよい。さらにレーザー光を高速に振動させて反射光が線状になるように照射しても同様の効果を実現できる。

また，レーザー光を点滅させて反射スポットの認識を容易にしても良い。この場合たとえば画像を微分して反射スポットを認識しても良い。

また，上述の例では，回転テーブルを用いたが，回転テーブルの代わりに固定テーブルを用い，１または複数の３次元座標取得装置を移動させるようにしてもよい。この場合，レーザー光照射装置も同様に移動させる。

またレーザー光以外の光源を用いても良い。

本発明の実施例の構成を全体として示す図である。 上述実施例の３次元座標取得装置とレーザー光照射装置との位置関係を説明する図である。 上述実施例の３次元座標取得装置の構成例を説明する図である。 図３の３次元座標取得装置を説明する図である。 図３の３次元座標取得装置を説明する図である。 上述実施例の動作を説明する図である。 上述実施例の動作を説明する図である。 上述実施例の動作を説明する図である。 上述実施例の計測手順の１つを説明するフローチャートである。 上述実施例の他の計測手順を説明するフローチャートである。 上述実施例の変形例を説明する図である。

符号の説明

１ ３次元座標取得装置
２ 回転テーブル
２ 回転テーブル
３ 測定対象物
４ レーザー光照射装置
５ レーザー光
１１ 投影装置
１２ モニタ用撮像装置
１３ 三角測量用撮像装置
１４ ハーフミラー
１００ 制御装置
１０１ ３次元座標取得部
１０２ ３次元座像合成部
１０３ 反射スポット判別部
１０４ デフォルト停止角度記憶部
１０４ 追加停止角度決定部
１０５ デフォルト停止角度記憶部
１０６ 回転駆動制御部
１０７ 照射駆動制御部
１０８ 反射スポット受光素子

Claims (7)

1. 測定空間に設置される測定対象物の３次元形状を計測する３次元形状計測装置であって，
   前記測定対象物を，測定の間，保持手段本体に対する相対位置が変化しないように保持する保持手段と，
   前記測定対象物上における複数の点の３次元座標を画像入力素子によって取得する３次元座標取得手段と，
   前記測定対象物に対して光線を照射する光線照射手段と，
   前記保持手段と前記３次元座標取得手段との間の相対位置を変化させて当該相対位置の各々について前記３次元座標取得手段による測定を行う複数回測定制御手段と，
   前記光線照射手段から照射された光線が前記測定対象物に当った反射光の様子によって前記保持手段と前記３次元座標取得手段との相対位置の変化の大きさを制御する相対位置制御手段と，
   を有することを特徴とする３次元形状計測装置。
2. 請求項１に記載の３次元形状計測装置であって，前記保持手段が回転ステージであり，前記複数測定制御手段は前記回転ステージの回転制御手段を含み，前記相対位置制御手段は前記回転ステージの回転角度制御手段を含む３次元形状計測装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の３次元形状計測装置であって，前記画像入力素子はカメラであり，前記光線照射手段はレーザー光照射装置である３次元形状計測装置。
4. 請求項１，請求項２または請求項３に記載の３次元形状計測装置であって，前記光線照射装置を前記３次元座標取得手段の両側に設ける３次元形状計測装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の３次元形状計測装置であって，前記光線照射装置は，点滅駆動される３次元形状計測装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の３次元形状計測装置であって，前記光線照射装置は，前記保持手段と前記３次元座標取得手段との間の相対位置を変化させるときの移動平面に直角の方向に間隔を置いて前記測定対象物上に複数の照射スポットを形成する３次元形状計測装置。
7. 測定空間に設置される測定対象物の３次元形状を計測する３次元形状計測方法であって，
   前記測定対象物を，測定の間，保持手段に対する相対位置が変化しないように保持手段に保持するステップと，
   ３次元座標取得手段により，前記保持手段と前記３次元座標取得手段との間の相対位置を変化させて当該相対位置の各々について前記測定対象物の３次元形状を計測するステップと，
   前記３次元座標取得手段と異なる方向から前記測定対象物に対して光線を照射するステップと，
   前記光線照射手段から照射された光線が前記測定対象物に当った反射光の様子によって前記保持手段と前記３次元座標取得手段との相対位置の変化の大きさを制御するステップと，
   を有することを特徴とする３次元形状計測方法。