JP2007051893A - 三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置において、簡略化した構成を提供することを目的とする。
【解決手段】 投光部１０１（点光源）から発せられた照明光は、第１照明光変換部１０２によって構造化され、第２照明光変換部１０３によって再構造化されたのち、被写体２００に投影される。第１照明光変換部１０２と第２照明変換部１０３は平行に配置され、撮像部３００は、投光部１０１から発せられ、構造化された照明光が被写体２００に投影されている状態を撮像することができる。また、撮像部３００と投光部１０１との位置関係は予め測定しておき、移動装置１０４は、第２照明光変換部１０３を第１照明光変換部１０２とを平行に保ち、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０４との距離を保持する方向に移動させることができ、撮影スイッチ３０１を押下すると撮影を開始する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の形状を計測する三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置に関する。

三次元形状計測を行う方法の１つであるスリット光投影法は、被写体にスリットパターンを投影し、スリットパターン投影位置とは異なる位置から画像を取得し、三角測量を用いて３次元形状を復元する方法である。それに類似して被写体にパターンを投影し、三次元形状を復元する方法の１つに空間コード化法がある。

空間コード化法とは、物理的なパターンマスクにより光源からの光を遮ることにより、縞模様を投影するものであり、開口した複数の板やフィルムを機械的に切り換えたり、円盤状のパターンマスクを回転させたりすることにより時系列的に光パターンを生成する方法である。また、これを液晶シャッターで実現した方法が良く知られている。

また、特許文献１に従来の形状測定方法が開示されている。特許文献１によれば、形状測定方法として、光量を２値化した２値照明工程と、２値化された照度分布を正弦波状に修正する照射分布修正工程からなる照明方法をとっており、各々の工程を独立に最適化できて放射分布を精密に制御することで、形状計測の精度を改善することができる。
特開２００２−２６７４３０号公報

しかし、高精度に三次元形状を計測する場合、機械的にパターンマスクを切り替える方法では、切り替える前のパターンマスクの位置と切り替えた後のパターンマスクの位置を厳密に同じ位置に配置する必要があるため、機械が高価化、大型化することになる。

また、最近、パターンマスクを切り替える代わりに液晶マスクによりソフト的に切り替える手法があるが、高コスト、配線の複雑化を招く要因となる。

空間コード化法以外に高解像度の三次元形状を求める方法として、パターンコード化法というものがある。パターンコード化法は、投光するスリットパターン光をコード化（隣接する投光線の順序を利用して、次数を特定する方法）することで、空間コード化法と同等の分解能を達成しようとしている。しかし空間コード化法と同等の分解能を有するパターンコード化法は、理論的には存在するが、実際には、画像から投光線の次数を判別するには非常に難しく実用化されているものはほとんどない。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置において、簡略化した構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の三次元形状計測方法は、所定の光強度分布パターンの照射光を測定物体に照射し、反射光を検知することで三角測量の原理により測定物体への照射を行う際の照明に用いる三次元形状計測方法において、１種類またはそれ以上の異なる波長帯の光を吸収するフィルタを複数のパターンで配列したパターン構造体に測定物体へ照射する照射光を透過させ、照射光を複数のパターンで配列化された照射光へ変換する工程を複数有することを特徴とする。

請求項２記載の三次元形状計測装置は、所定の光強度分布パターンの照射光を測定物体に照射し、反射光を検知することで三角測量の原理により測定物体への照射を行う際の照明に用いる三次元形状計測装置において、１種類またはそれ以上の異なる波長帯の光を吸収するフィルタを複数のパターンで配列したパターン構造体を備える照明光変換手段を有し、照明光変換手段に測定物体へ照射を行う照射光を透過させることで、該照射光を、複数のパターンに配列化された照射光へ変換することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段は、２つまたはそれ以上備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段が、測定物体に対して平行に移動可能な移動手段を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２から４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段によって複数の格子パターンに配列化された照射光を波長により領域ごとに分離した時に、少なくとも１つ以上の照明光変換手段が領域をストライプ状に分離することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項２から５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段によって複数の格子パターンに配列化された照射光を、ある平面に投影した時の投影像を波長により領域分けを行った時に、投影光が存在する領域に隣接する領域に照射光が存在しない領域となるように照射光を変換する手段を１つまたはそれ以上有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項２から５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段によって複数のパターンに配列化された照射光を、ある平面に投影した時の投影像を波長により領域分けを行った時に、投影光が存在しない領域と照射光が存在する領域とが交互になるように照射光を変換する手段を１つまたはそれ以上有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項２記載の三次元形状計測装置であって、照明光変換手段は、照射光の光量の調整を可能とすることを特徴とする。

本発明によれば、複数のパターンを配列したパターン構造体に照射光を透過させて投影することで、１つのパターン構造体を簡略化させることができ、パターン構造体の作成を容易にすることができる。

［第１の実施形態］
図１は、三次元形状計測装置１００の構成を示した図である。
三次元形状計測装置１００は、投光部１０１、第１照明光変換部１０２、第２照明光変換部１０３、移動装置１０４、撮像スイッチ３０１を有する撮像部３００から構成されている。

投光部１０１（点光源）から発せられた照明光は、第１照明光変換部１０２によって構造化され、第２照明光変換部１０３によって再構造化されたのち、被写体２００に投影される。第１照明光変換部１０２と第２照明変換部１０３は平行に配置され、撮像部３００は、投光部１０１から発せられ、構造化された照明光が被写体２００に投影されている状態を撮像することができる。また、撮像部３００と投光部１０１との位置関係は予め測定しておき、移動装置１０４は、第２照明光変換部１０３を第１照明光変換部１０２とを平行に保ち、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０４との距離を保持する方向に移動させることができ、撮影スイッチ３０１を押下すると撮影を開始する。

次に、図２を参照して、三次元形状計測装置の処理動作について説明する。
まず、使用者が撮影ボタン３０１を押下すると（ステップＳ１００）、投光部１０１から照明光が発光される（ステップＳ１０１）。次に、発光された照明光は、第１照明光変換部１０２を透過し（ステップＳ１０２）、次に第２照明光変換部１０３を透過する（ステップＳ１０３）。第１、第２照明光変換部を透過した照明光は、被写体２００に投影され、投影されている瞬間を撮像部３００で撮像し保存する（ステップＳ１０４）。

次に、パターン数の撮影がされた否かを判断する（ステップＳ１０５）。規定数の撮影が行われていない場合は（ステップＳ１０５／ＮＯ）、ステップＳ１０１に戻り、第２照明光変換部１０３を移動装置１０４によって規定量移動させる。また、パターン数の撮影が行われた場合（ステップＳ１０５／ＹＥＳ）、規定回数枚の画像を利用して、三次元形状復元を行う（ステップＳ１０６）。

図３に示すように、第１照明光変換部１０２の投光部１０１から光が照射される部分は、直方体の形状をしたパターンマスクとなっている。また、第１照明光変換部１０２の奥行き（投光部１０１から被写体２００の方向）は、非常に薄く作られている。

図３に示すように、マスク領域４００ａ〜ｌから構成されており、各マスク領域の大きさは全て等しくなっている。各マスク領域は、赤色の波長のみを透過する成分から作られたＲ（レッド）透過成分、緑色の波長のみを透過する成分から作られたＧ（グリーン）透過成分、青色の波長にのみを透過する成分から作られたＢ（ブルー）透過成分のいずれかから構成されている。

撮像部３００にＣＣＤを用いる場合などは、ＣＣＤの分光感度特性に応じて、Ｒ，Ｇ，Ｂの各透過成分の各波長領域を重ならないように設定すると、高精度の三次元計測を行うことができる。本実施形態において、厳密に３色の波長領域を分離することは必要とせず、画像処理によってＲ，Ｇ，Ｂの３成分に分離するものとする。表１に第１照明光変換部１０２の各マスク領域に割り当てられた透過成分を示す。

次に、第２照明光変換部１０３について説明する。
第２照明光変換部１０３は、第１照明光変換部１０２と同様に直方体の形状をしたパターンマスクであり、図４（ａ）、図４（ｂ）のように、マスク領域５００ａ〜ｍから構成されており、各マスク領域の大きさは全て等しい。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）を右へシフトしたものである。

各マスク領域は、第１照明光変換部１０２と同様に、Ｒ透過成分、Ｇ透過成分、Ｂ透過成分に、赤色と青色の波長のみを透過する成分から作られたＭ（マゼンタ）透過成分、赤色と緑色の波長のみを透過する成分から作られたＹ（イエロー）透過成分、緑色と青色の波長のみを透過する成分から作られたＣ（シアン）透過成分から構成されている。

このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｃ，Ｍ，Ｙの各透過成分は、第１照明光変換部１０２と同じ周波数をカットするように構成され、表２に第２照明光変換部１０３の各マスク領域に割り当てられた透過成分を示す。

第１照明光変換部１０２のマスク領域４００ａ〜ｌの面積と、第２照明光変換部１０３のマスク領域５００ａ〜ｍの面積は、図５に示すような関係である。すなわち、投光部１０１（点光源）から第１照明光変換部１０２までの距離をｄ１、投光部１０１から第２照明光変換部１０３までの距離をｄ２とした場合に、マスク領域４００ａ〜ｌとマスク領域５００ａ〜ｍとのマスク領域の縦の辺、横の辺がそれぞれｄ１：ｄ２の関係が成り立つように設定する。つまり、マスク領域の面積比がｄ１の２乗：ｄ２の２乗となる。

移動装置１０４は、第２照明光変換部１０３と第１照明光変換部１０２とを平行に保ちながら第２照明光変換部１０３を移動させることができる。そのため、上記の第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３の大きさの関係から、投光部１０１から発せられた光のうち、マスク領域４００ａを通過する光が全て、マスク領域５００ａを通過する位置が存在する。そのため、移動装置１０４を用いて第２照明光変換部１０３を該位置へ移動させる。

その際、同様にマスク領域４００ｂを透過した光がマスク領域５００ｃを透過し、マスク領域４００ｃを透過した光がマスク領域を透過した光がマスク領域５００ｃを透過し、マスク領域４００ｃを透過した光がマスク領域５００ｄを透過する。このように、
投光部１０１からの光が第１照明光変換部１０２、第２照明光変換部１０３を透過する時の関係が成り立つ時の第２照明変換部１０３の位置をＰＯＳ１とする。

また、ＰＯＳ１にある第２照明変換部１０３を右方向へマスク領域１つ分シフトした場合（図４（ｂ））においても、上記のような関係が成り立ち、その時の第２照明光変換部１０３の位置をＰＯＳ２とする。

第２照明光変換部１０３がＰＯＳ１の位置にある場合、全ての可視光の波長成分を有する光を投光部１０１から投光すると、第１照明光変換部１０２のマスク領域２００ａ〜ｌを透過した光が第２照明光変換部１０３のマスク領域５００ｂを透過する。投光部１０１から放たれた照明光は、マスク領域４００ａを透過することにより、Ｒ成分のみになり、マスク領域５００ｂと透過することで、透過光は無しとなる。

第２照明光変換部１０３がＰＯＳ１にある場合、各マスク領域の対応関係を図３、図４（ａ）になるように設定した場合、被写体に投影される構造化された照明光を表３に示す。

表３における第１マスク領域、第２マスク領域とは、それぞれ、第１照明光変換部１０２、第２照明光変換部１０３のマスク領域、第１透過成分、第２透過成分は、それぞれ、第１マスク領域、第２マスク領域を透過する透過成分を表す。照明光は、表３を縦方向に見たとき、第１透過成分と第２透過成分のＡＮＤをとった結果である。

よって、第２照明光変換部１０３をＰＯＳ１に配置すると、表３のような構造化された照明光が被写体３００に投光されることになり、第２照明光変換部１０３をＰＯＳ２に配置すると、表４のような構造化された照明光が被写体３００に投光される。

次に、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３による最低撮影回数について説明する。
第１照明光変換部１０２、第２照明光変換部１０３のマスク領域は、パターン数が２回となるように設計されている。パターン数とは、移動装置１０４により、第２照明光変換部１０３を右方向（左方向）に領域の整数倍分シフトしたときに得られる。異なる構造化された照明光の種類を表す。

広く定義すると、第２照明光変換部１０３を拡張してマスク領域５００ａ〜マスク領域が有限回繰り返されているような照明光変換部を作成し、移動部１０４によって整数倍の領域分をシフトして構造化された照明光を作ったとき、被写体に投影される照明光は表３もしくは表４の照明光した投影されない。この場合、パターン数を２回とカウントする。もちろん、マスク領域４００ａ〜ｌ、マスク領域５００ａ〜ｍに割り当てる透過成分を変更することにより最低撮影回数を増やすことは可能である。

被写体２００を撮影する際に、第２照明光変換部１０３をＰＯＳ１に配置し、被写体２００に照明光が投影された様子を撮影して得られた画像を画像１とし、次に、第２照明光変換部をＰＯＳ２に配置し、被写体２００に照明光が投影された様子を撮影して得られた画像を画像２とする。

画像１，２を撮影する際の構造化された照明光のパターンは、表３，４に因る。よって、一般的に用いられる空間コード化法のアルゴリズムなどを用いて三次元形状を復元する。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、第１の実施形態とは、第１照明光変換部１０２および第２照明光変換部１０３によって構造化される照明光が異なるだけであり、他の構成は同様である。第１の照明光変換部１０２は、図６に示すように、赤色の波長のみを透過する成分から作られたＲ透過成分、緑色の波長のみを透過する成分から作られたＧ透過成分、青色の波長のみを透過する成分から作られたＢ透過成分と、光を透過しないＫ透過成分から構成される。これら４種類のマスク領域により、図６の太枠６０１でマスク領域６００ａ〜ｌが定義されており、マスク領域５００ａは、透過領域Ｋ＋透過領域Ｒ＋透過領域Ｋからなり、同様にマスク領域５００ｂは、透過領域Ｋ＋透過領域Ｂ＋透過領域Ｋから構成されている。

第２照明光変換部１０３は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、第１照明光変換部１０２と同様に、赤色と青色の波長のみを透過する成分から作られたＭ透過成分、赤色と緑色の波長のみを透過する成分から作られたＹ透過成分、緑色と青色の波長のみを透過する成分から作られたＣ透過成分からなる。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｃ，Ｍ，Ｙの各透過成分は第１照明光変換部１０２と同じ周波数をカットするように作成されている。

第１照明光変換部１０２でＲ透過成分を透過した赤色の波長領域を有する光は第２照明光変換部１０３でＧ透過成分またはＢ透過成分を通過すると被写体２００に照明光は透過されなくなる。つまり、投光部１０１より発せられた光は、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３とで、同じ透過成分を通過しない限り、照明光は遮断されることになる。

また、図７に示すように、マスク領域７００ａ〜ｍはＲ，Ｂ，Ｇ，Ｋ透過成分のいずれかを有し、面積が等しく設計されている。同様に図７（ａ）、（ｂ）のマスク領域７００ａ〜ｍは、Ｙ，Ｇ，Ｃ，Ｂ，Ｍ，Ｒの各透過成分のいずれかを有し、面積が等しく設計されている。また、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３は、マスク領域５００ａ〜ｌ、マスク領域６００ａ〜ｍが並べられている面の法線方向に関して十分に薄く作られているものとする。

上記のように第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３の大きさ、位置、透過成分を設定し、全ての可視光の波長成分を有する光を投光部１０１より投光すると、以下に示すことが可能となる。

投光部１０１から第１照明光変換部１０２のマスク領域５００ａを透過した光は、全て、そして、それのみ第２照明光変換部１０３のマスク領域６００ｂを透過する。よって、投光部１０１からの照明光は、マスク領域５００ａを透過することにより、Ｒ成分のみになり、マスク領域６００ｂを等位かすることにより透過光は無しになる。このことを第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部の位置関係が図６と図７（ａ）になるように設定した場合に、被写体に投影される構造化された照明光を表すのが表５である。

ここで、表５における第１領域とは、図６の第１照明光変換部１０２の各領域を表す。また、第２領域は、図７（ａ），（ｂ）の第２照明光変換部１０３の各領域を表す。また、各マスク領域に対応する各透過成分を第１照明光変換部１０２に対しては、第１透過成分、第２照明光変換部に対しては第２透過成分とする。このとき、移動装置１０４により、第１照明光変換部１０２と第２照明光変換部１０３との位置関係が図６と図７（ａ）のような関係になるときを第２領域１、それに対応する透過成分を第２透過成分１とし、被写体に実際に投影される構造化された照明光を照明光１とする。

同様に、図６の第１領域と、移動装置１０４により第２照明光変換部１０３を第１照明光変換部１０２の位置（図６）に対して図７（ｂ）の位置にある場合を、第２領域２として、そのとき構造化される照明光を照明光２として表６に示す。

［第３の実施形態］
第３の実施形態では、第１、第２の実施形態とは異なり、第２照明光変換部１０３を縦方向にスライドして撮影ごとに投影するパターンを切り替える。
第３の実施形態では、図８に示す照明光変換部９００を用いる。
照明光変換部９００は、図１に示す第１、第２照明光変換部１０２，１０３の位置に設置する。パターン部９０１は、図４（ａ），（ｂ）で示したパターンを上下に重ねた形状のマスクである。パターン部９０１は、両端をパターン部保持機構９０２によって保持され、パターン部保持機構９０２に描かれている横線の位置に照明光が投光されるように、投光部１０１と照明光変換部との位置にする。

また、パターン部９０１はパターン保持部９０３を有し、パターン保持機構９０２に対してパターン部９０１を平行移動させることができる。照明光変換部９００によって、１回目の撮影の際には上側のマスクパターン（図４（ａ）と同じマスクパターン）を光りが通るように設置し、２回目の撮影の際には下側のマスクパターン（図４（ｂ）と同じマスクパターン）を光が通るようにパターンをスライドさせることにより、第１の実施形態と同様の三次元形状測定を行うことができる。

また、撮像部がＡＦ（オート・フォーカス）機能を保持している場合、ＡＦによる被写体の距離に応じて、細かい照明光が投影できる照明光変換部と粗い照明光が投影できる照明光変換部とを切り替えることができる。

本実施形態における三次元形状計測装置の構成を示した図である。 図１に示す三次元形状計測装置の処理動作を示したフローチャートである。 第１照明光変換部のパターンマスクの形状を示した図である。 図４（ａ）は、第２照明光変換部のパターンマスクの形状を示した図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のパターンマスクを右へシフトしたものを示す。 投光部、第１照明光変換部、第２照明光変換部の位置関係を示した図である。 第２の実施形態における第１照明光変換部のパターンマスクの形状を示した図である。 図７（ａ）は、第２照明光変換部のパターンマスクの形状を示した図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したパターンマスクを右にシフトしたものである。 第３の実施形態における照明光変換部の構成を示した図である。

符号の説明

１００ 三次元形状計測装置
１０１ 投光部
１０２ 第１照明光変換部
１０３ 第２照明光変換部
１０４ 移動装置
２００ 被写体
３００ 撮像部
３０１ 撮影スイッチ

Claims (8)

1. 所定の光強度分布パターンの照射光を測定物体に照射し、反射光を検知することで三角測量の原理により測定物体への照射を行う際の照明に用いる三次元形状計測方法において、
   １種類またはそれ以上の異なる波長帯の光を吸収するフィルタを複数のパターンで配列したパターン構造体に前記測定物体へ照射する照射光を透過させ、
   前記照射光を複数のパターンで配列化された照射光へ変換する工程を複数有することを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 所定の光強度分布パターンの照射光を測定物体に照射し、反射光を検知することで三角測量の原理により測定物体への照射を行う際の照明に用いる三次元形状計測装置において、
   １種類またはそれ以上の異なる波長帯の光を吸収するフィルタを複数のパターンで配列したパターン構造体を備える照明光変換手段を有し、
   前記照明光変換手段に前記測定物体へ照射を行う照射光を透過させることで、該照射光を、複数のパターンに配列化された照射光へ変換することを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 前記照明光変換手段は、２つまたはそれ以上備えることを特徴とする請求項２記載の三次元形状計測装置。
4. 前記照明光変換手段が、前記測定物体に対して平行に移動可能な移動手段を有することを特徴とする請求項２または３記載の三次元形状計測装置。
5. 前記照明光変換手段によって複数のパターンに配列化された照射光を波長により領域ごとに分離した時に、少なくとも１つ以上の照明光変換手段が前記領域をストライプ状に分離することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
6. 前記照明光変換手段によって複数のパターンに配列化された照射光を、ある平面に投影した時の投影像を波長により領域分けを行った時に、投影光が存在する領域に隣接する領域に照射光が存在しない領域となるように照射光を変換する手段を１つまたはそれ以上有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
7. 前記照明光変換手段によって複数のパターンに配列化された照射光を、ある平面に投影した時の投影像を波長により領域分けを行った時に、投影光が存在しない領域と照射光が存在する領域とが交互になるように照射光を変換する手段を１つまたはそれ以上有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
8. 前記照明光変換手段は、照射光の光量の調整を可能とすることを特徴とする請求項２記載の三次元形状計測装置。

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