JP2005221243A - ３次元形状計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数方向から計測された形状を用いて全周モデルを精度良くしかも安価に自動合成する。
【解決手段】 ３次元座標取得装置３と，回転テーブル２と，複数の校正棒７と，制御系１００とによって構成される。回転テーブル２には複数の凹部１１が設けられている。３次元座標取得装置３は，被写体１上の複数の３次元座標を取得して３次元形状の情報を取得する。回転テーブル２上に被写体１が配置され，これを囲む配置で校正棒７が凹部１１を用いて取り付けられる。複数回測定制御部１０１は３次元座標取得装置３により被写体１等を異なる視点で複数回測定するように制御する。校正棒認識部１０２は，校正棒の３次元座標データから撮像に係る校正棒がどの校正棒かを特定する。座標変換パラメータ算出部１０３は，校正棒の３次元座標データと，特定された校正棒の配置情報から当該視点における座標変換パラメータを算出する。座標変換部１０４は，当該視点で取得された測定対象物のローカル座標の３次元座標データを例えばワールド座標に変換する。
【選択図】 図３

Description

本発明は，実物体の形状を複数の方向から非接触にて計測し，複数の形状データを合成することで全周モデルを生成する３次元形状計測技術に関する。

物体の３次元形状を非接触で計測する技術が実用化されている。方式としては，光切断法，空間コード化法，傾斜濃度パターン投影法，モアレ法，ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法など，さまざまであるが，いずれの方式によっても，一度に計測できるのはある測定方向からの形状だけである。物体の全周モデルを生成するためには，少なくとも全周４方向から，複雑な形状の物体では８方向以上から形状計測を行う必要がある。得られた複数の形状を合成して全周モデルを生成しなければならない。必要な方向に必要な台数だけ３次元形状計測装置を設置して形状計測を行う方法が考えられるが，通常はコスト面から１台の形状計測装置を設置し，物体を回転テーブルに搭載して複数の方向から形状計測を行う。この際，形状計測装置の歪や物体の形状による計測誤差等により，ある２方向から計測されたふたつの形状が完全に一致することはない。複数の形状を合成する時は，各方向から計測された各形状を少しずつ並進位置（３軸）／回転位置（３軸）を修正しながら，全体として段差が生じないように補正を行い，表面形状の滑らかな３Ｄモデルを生成する。

隣り合う方向から計測された形状から同一だと思われる点をできるだけ多く探索し（対応点探索），それらの点の位置を一致させるように並進／回転補正を行う。形状が複雑であったり，表面にテクスチャがある場合はその形状やテクスチャを対応点とするが，テクスチャのない平面や曲面で校正された物体は，対応点を求めるのが困難となり，良好な全周モデルを構築することができない。

これらを改良するために特許文献１では，寸法が既知である校正用物体を被計測物体の近くに置き，この校正用物体を対応点として形状を合成する方法が提案されている（図１参照）。例えば，図１においては，回転テーブル２の上に測定対象物とともに校正用物体５を配置している。しかし，この方法では計測方向によっては，校正用物体が被計測物体の後に隠れてしまい対応点が求められないことがある。また，校正用物体を対応点としてワールド座標系への変換パラメータを算出する際，校正物体からの距離が大きい地点では変換誤差が増大するため，校正物体が置かれた側と反対側の物体形状では，良好な合成を行うことができない。なお，図１において，３は３次元座標取得装置であり，４は種々の制御・演算を行なうコンピュータである。

特許文献２では，回転テーブルに基準ターゲットを設置し，このターゲットを対応点として形状を合成する方式が提案されている（図２参照）。図２の例では，回転テーブル２に複数のターゲット６を設けている。しかし，この方式では被写体の形状に合わせた大きさの基準ターゲットを予め準備しておかなければならず，計測にかかるコストが大きくなってしまう。
特開２００２−３２８０１３公報 特開平１０−３３２３４７号公報

本発明の目的は，複数方向から計測された形状を用いて全周モデルを精度良くしかも安価に自動合成できるシステムを提供することである。

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３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１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，対象物配置手段本体に対する相対位置が変化しないように配置する対象物配置手段２と；予め定められた一意に識別可能な模様を有する複数の棒状部材７と；前記複数の棒状部材を，前記対象物配置手段の取付面に測定の間予め定められた位置関係を維持するように取り付けるための棒状部材取付手段１１と；前記対象物配置手段に配置された前記測定対象物上における複数の点の３次元座標および前記対象物配置手段に配置された前記複数の棒状部材の各々の表面の複数の点の３次元座標を取得する３次元座標取得手段３と；前記対象物配置手段と前記３次元座標取得手段と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１０１と；前記３次元座標取得手段からの前記棒状部材の３次元座標データが棒状部材のどれに相当するかを前記予め定められた一意に識別可能な模様の情報を参照して認識する棒状部材認識手段１０２と；認識された棒状部材の３次元座標データと前記対象物配置手段における当該棒状部材の位置関係から，当該３次元座標データを単一の座標系へと座標変換を行う座標変換パラメータを算出する座標変換パラメータ算出手段１０３と；前記測定対象物の３次元座標データを前記座標変換パラメータにより単一の座標系へ変換する座標変換手段１０４とを設けるようにしている。

棒状部材の模様は，反射像の模様でも良いし，自発光の模様でもよい。

この構成において，被写体の大きさ／形状に合わせて被写体の直近に校正物体を設置できるため精度よく視点の異なる形状データを合成することができる。また，校正物体として細い棒を複数用いているので，各視点からは必ず複数の校正物体が観測されるため合成エラーを生じることがなくなる。

この構成において，前記対象物配置手段を回転ステージとし，前記複数回測定制御手段は前記回転ステージの回転角度の制御手段としてもよい。３次元座標取得手段は固定されている。

また，前記複数の棒状部材は白および黒の帯状のパターンをそれぞれ固有の長さだけ繰り返したテクスチャを有するものや，複数カラーの帯状のパターンをそれぞれ固有の長さだけ繰り返したテクスチャを有するものや，色の異なる発光体をある間隔で埋め込んでなるものとすることができる。

また，前記棒状部材取付手段は，前記対象物配置手段の前記棒状部材を取り付ける面に設けられた，前記棒状部材を嵌着する複数の嵌着部とすることができる。

なお，この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。

この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。

本発明によれば被写体の大きさ／形状に合わせて被写体の直近に校正物体を設置できるため精度よく視点の異なる形状データを合成することができる。また，校正物体として細い棒を複数用いているので，各視点からは必ず複数の校正物体が観測されるため合成エラーを生じることがなくなる。

以下，図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。

図３は本発明の実施例の３次元形状計測装置の構成を説明する模式図であり，この図において，３次元形状計測装置は，回転テーブル２，３次元座標取得装置３，コンピュータ４，複数の例えば６本の校正棒７等を具備している。回転テーブル２は被写体１を配置するものであり。矢印に示すように回転する。この実施例の３次元座標取得装置３は例えばステレオ法による形状計測であるが，形状を計測できる方式であればどんな方式でもよく，ステレオ法にこだわるものでないことは言うまでもない。回転テーブル２の上面には，校正棒（棒状部材）７を嵌着する複数の凹部（棒状部材取付手段）１１が形成されている。凹部１１は，回転テーブル２の上面に中央位置から放射状に伸びる仮装線に沿って設けられ，回転テーブル２の上面の種々の位置に任意の校正棒７を着脱自在に取り付けることができるようになっている。もちろん，凹部１１は，校正棒７を種々の配置で取り付けられればよく，上述に限らず種々の配置で形成できる。例えば，格子状に凹部１１を設けてもよい。校正棒７は，白い部分と黒い部分とを有し，白い部分の長さと白い部分の長さが校正棒７ごとに異なるようになっている。この結果，校正棒７の白い部分と黒い部分の長さを比較することによりどの穴に差し込まれた校正棒なのかを識別できるようになっている。凹部１１は校正棒７を取り付ける手段の一例であり，その他種々の校正を採用できる。例えば，校正棒７を真空吸着，磁気吸着により回転テーブル２に取り付けるものでもよい。

この実施例では，どの凹部１１にどの校正棒７が取り付けられているかを予め対応づけておく。例えば，コンピュータ４が提供するインタフェースを用いて利用者が対応づけを入力する。もちろん，凹部１１に校正棒７の種類（識別情報）を検出する種々の検出部を設け，校正棒７の種類を自動的に取得できるようにしても良い。校正棒７の識別は，光学的，磁気的，電気的，機械的な検出手段で検出可能である。

コンピュータ４は３次元座標取得装置３および回転テーブル２に接続され，３次元座標取得装置３の制御，形状の算出，複数視点から得られた形状を合成して全周モデルを生成する処理，および回転テーブル２の回転制御を行う。具体的には，コンピュータ４は制御系１００を構成し，制御系１００は，複数回測定制御部１０１，校正棒認識部１０２，座標変換パラメータ算出部１０３，座標変換部１０４等を含んで構成されている。複数回測定制御部１０１は３次元座標取得装置３により測定対象物等を異なる視点で複数回測定するように制御するものである。校正棒認識部１０２は，例えば校正棒７の３次元座標データから撮像に係る板状部材がどの校正棒７かを特定するものである。座標変換パラメータ算出部１０３は，校正棒７の３次元座標データと，特定された校正棒７の配置情報から当該視点における座標変換パラメータを算出するものである。座標変換部１０４は，当該視点で取得された測定対象物のローカル座標の３次元座標データを例えばワールド座標に変換するものである。制御系１００の各部の動作についてはのちに詳述される。

つぎに３次元形状の計測動作について図４のフローチャートをも参照しつつ説明する。この例では，被写体１は校正棒７とともに回転テーブル２の上に置かれコンピュータ４の制御により指定された位置まで回転され，その都度，３次元形状取得装置３を用いて形状を計測される。この動作をくりかえすことにより，コンピュータ４が複数の視点からの複数の形状データを獲得する。

図３の例では，白い部分と黒い部分の長さが異なる細い６本の校正棒７が回転テーブル２の盤面上に刻まれた凹部（穴）１１に差し込まれる。これら６本の校正棒７は，上述の通り，白い部分と黒い部分の長さがそれぞれの校正棒７によって異なっているため，その長さを比較することによりどの穴に差し込まれた校正棒なのかを識別できるようになっている。

各視点からの形状取得の動作に先立って，回転テーブル２へ被写体（測定物）１を配置し，さらに，各視点において被写体１の直近の配置となるように複数の校正棒７を配置する（Ｓ１０）。各視点からの形状取得の動作はつぎのように行なわれる。まず，回転テーブル２を各視点の応じた角度位置まで回転させる（Ｓ１１）。つぎに３次元座標取得装置３により当該視点における被写体形状データを取得する（Ｓ１２）。この被写体形状データには少なくとも被写体１の直近に位置する校正棒７も計測されており，この校正棒７の座標データ（白黒境界のエッジの座標データ）を抽出し，これに基づいて，校正棒７を特定する（Ｓ１３，Ｓ１５）。また，被写体形状データのうち校正棒の部分は点郡から除去し，校正棒の陰になって計測できない被写体形状部分は周囲の形状に合わせて補間する（Ｓ１４）。ステップＳ１３において検出された校正棒の白黒境界のエッジを対応点として，各視点で得られた形状データのワールド座標系への変換パラメータ（変換行列）を算出する（Ｓ１６）。そのパラメータにしたがって各視点から取得された被写体の形状データをワールド座標系に変換する（Ｓ１７）。以上の動作を繰り返し（Ｓ１８），これらの形状データを合成することで全周モデルを生成する。

なお，変換行列に関しては，ワールド座標系で表した座標をＰｏとし，ローカル座標系であらわした座標をＰｌとしたとき，
と記述することができる。ここで，Ｒは回転行列であり，Ｔは並進ベクトルである。ＲとＴを求めるにあたって，例えば同一直線状にない３点を一致させる場合には，以下のように求めることができる。ワールド座標系における３点の座標を列ベクトルで記述したものをＰｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３とし，ある測定時におけるそれらの点のローカル座標を列ベクトルで記述したものをＰｌ１，Ｐｌ２，Ｐｌ３とする。まず，各座標系において，
を算出する。
とすると，回転行列Ｒは以下の式で記述できる。
回転行列Ｒが求まったとき，並進ベクトルＴは以下の式で記述できる。

この実施例によれば，被写体の大きさ／形状に合わせて被写体の直近に校正物体を設置できるため精度よく視点の異なる形状データを合成することができる。すなわち，本方式では被写体の大きさ／形状に合わせて校正棒を設置できる。たとえば，図５のように小さな被写体に対してはより内側の穴に校正棒を設置する。図６にように大きな被写体に対してはより外側の穴に校正棒を設置する。このように被写体の大きさ／形状に合わせて被写体のすぐ近くに校正棒を設置できるので，形状合成の精度が向上する。

また，校正物体として細い棒を複数用いているので，各視点からは必ず複数の校正物体が観測されるため合成エラーを生じることがなくなる。すなわち，校正物体が被写体の手前に配置されても，その形状が棒状であるため，遮蔽箇所が少なく，容易に補間可能である。

なお，本発明は上述の実施例に限定されるものではなく種々変更が可能である。以下では，上述実施例の変形例について説明する。

図３の例では校正棒７として白黒パターンを有するものを採用したが，図７に示すように各校正棒８で濃度もしくは色の異なるパターンを採用してもよい。各校正棒の濃度もしくは色を識別することによりどの穴に差し込まれた校正棒なのかを識別できるようになっている。

図８の例では校正棒９として，各校正棒で色の異なる例えばＬＥＤなどの発光物体を埋め込んだものである。各校正棒のＬＥＤ色を識別することによりどの穴に差し込まれた校正棒なのかを識別できるようになっている。

さらに，回転テーブルにより被写体を回転させることを前提に説明したが，図９に示すように被写体はテーブルに固定し，３次元座標取得装置３を被写体１の周りで移動させ（Ｓ２０，Ｓ２１），異なる視点からの形状計測を行うことでも同様の結果を取得することができる。図９の例の動作を図１０に示す。図１０において図４に対応する箇所には対応する符号を付して説明を省略する。

上述実施例の校正棒は被写体が隠れる面積を少なくするためできるだけ細い方がよい。ただし，細すぎてしなってしまう場合は図１１に示すように校正棒支持板１０を用いて校正棒の上部端点をはさみこんで，計測時に校正棒が動かないように固定することもできる。

従来の校正物体を模式的に示す図である。 従来の他の校正物体を模式的に示す図である。 本発明の実施例を模式的に示す図である。 上述実施例の動作を説明するフローチャートである。 上述実施例において小さな被写体の３次元形状を計測する場合を説明する図である。 上述実施例において大きな被写体の３次元形状を計測する場合を説明する図である。 上述実施例の変形例を説明する図である。 上述実施例の他の変形例を説明する図である。 上述実施例のさらに他の変形例を説明する図である。 図９の変形例の動作を説明するフローチャートである。 上述実施例のさらに他の変形例を説明する図である。

符号の説明

１ 被写体
２ 回転テーブル
３ ３次元形状取得装置
４ コンピュータ
５ 校正用物体
６ ターゲット
７，８，９ 校正棒
１０ 校正棒支持板
１１ 凹部
１００ 制御系
１０１ 複数回測定制御部
１０２ 校正棒認識部
１０３ 座標変換パラメータ算出部
１０４ 座標変換部

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，対象物配置手段本体に対する相対位置が変化しないように配置する対象物配置手段と，
   予め定められた一意に識別可能な模様を有する複数の棒状部材と，
   前記複数の棒状部材を，前記対象物配置手段の取付面に測定の間予め定められた位置関係を維持するように取り付けるための棒状部材取付手段と，
   前記対象物配置手段に配置された前記測定対象物上における複数の点の３次元座標および前記対象物配置手段に配置された前記複数の棒状部材の各々の表面の複数の点の３次元座標を取得する３次元座標取得手段と，
   前記対象物配置手段と前記３次元座標取得手段と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３次元座標取得手段からの前記棒状部材の３次元座標データが棒状部材のどれに相当するかを前記予め定められた一意に識別可能な模様の情報を参照して認識する棒状部材認識手段と，
   認識された棒状部材の３次元座標データと前記対象物配置手段における当該棒状部材の位置関係から，当該３次元座標データを単一の座標系へと座標変換を行う座標変換パラメータを算出する座標変換パラメータ算出手段と，
   前記測定対象物の３次元座標データを前記座標変換パラメータにより単一の座標系へ変換する座標変換手段と，
   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，前記対象物配置手段が回転ステージであり，前記複数回測定制御手段は前記回転ステージの回転角度の制御手段であるを含む３次元形状計測装置。
3. 請求項１に記載の３次元形状計測装置であって，前記複数の棒状部材は白および黒の帯状のパターンをそれぞれ固有の長さだけ繰り返したテクスチャを有する３次元形状計測装置。
4. 請求項１に記載の３次元形状計測装置であって，前記複数の棒状部材は複数カラーの帯状のパターンをそれぞれ固有の長さだけ繰り返したテクスチャを有する３次元形状計測装置。
5. 請求項１に記載の３次元形状計測装置であって，前記複数の棒状部材は各部材に色の異なる発光体をある間隔で埋め込んでなる３次元形状計測装置。
6. 前記請求項１に記載の３次元形状計測装置であって，前記棒状部材取付手段は，前記対象物配置手段の前記棒状部材を取り付ける面に設けられた，前記棒状部材を嵌着する複数の嵌着部である３次元形状測定装置。
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，配置台に，当該配置台に対する相対位置が変化しないように配置するステップと，
   予め定められた一意に識別可能な模様を有する複数の棒状部材を，前記配置台の取付面に測定の間予め定められた位置関係を維持するように取り付けるステップと，
   ３次元座標取得手段を用いて，前記配置台に配置された前記測定対象物上における複数の点の３次元座標および前記配置台に配置された前記複数の棒状部材の各々の表面の複数の点の３次元座標を取得するステップと，
   前記配置台と前記３次元座標取得手段と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よう制御するステップと，
   前記３次元座標取得手段からの前記棒状部材の３次元座標データが棒状部材のどれに相当するかを前記予め定められた一意に識別可能な模様の情報を参照して認識するステップと，
   認識された棒状部材の３次元座標データと前記対象物配置手段における当該棒状部材の位置関係から，当該３次元座標データを単一の座標系へと座標変換を行う座標変換パラメータを算出するステップと，
   前記測定対象物の３次元座標データを前記座標変換パラメータにより単一の座標系へ変換するステップと，
   を有することを特徴とする３次元形状計測方法。