JP2007051893A - 三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置 - Google Patents
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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
【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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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