JP2015155886A - 三次元計測装置、三次元計測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、微細形状を持つ物体に対応した、三次元形状の計測手法について説明する。本実施形態では、図1に示すように、直線のマルチスリットの計測線101上に識別特徴102を加えたパターン100を利用する。以下、本実施形態の詳細について説明する。
図2に示すように、本実施形態の情報処理装置200は、投影装置210及び撮像装置220を外部に備えており、さらにパターン出力部201、画像取得部202、パターン検出部203、パターン識別部204、及び三次元計測部205を備えている。
パターン出力部201は、投影するパターンを投影装置210に出力し、投影装置210から計測対象物体230にパターンを投影する。ここで出力するパターンは、例えば図1に示すように、マルチスリットの計測線101上に識別特徴102を有するパターン100である。投影するパターンは、計測線とパターンの背景部分とにおいて画像上で異なる画素値で観測され、さらに計測線と識別特徴とにおいても、画像上で異なる画素値で観測されるように設定する。本実施形態では、図1に示すパターン100として、背景部分103に比べて計測線101が高輝度に投影され、さらに計測線101に比べて識別特徴102が高輝度に投影される濃淡パターンを用いる。
撮像装置220は、計測対象物体230に投影されたパターンを撮像し、画像取得部202は、その画像を撮像装置220から取得する。
パターン検出部203は、画像取得部202が取得した画像から、計測線と識別特徴とを検出する。まず、画像から計測線を検出する前に、画像上の計測線と識別特徴との画素値の差が影響して識別特徴を境に計測線が分割された状態で検出されないように、画像に平滑化フィルタをかけ、計測線と識別特徴との画素値の差を少なくする。
パターン識別部204は、パターン検出部203で検出した識別特徴の位置に基づいて、その識別特徴1点毎に計測線番号を識別する。以下、計測線番号の識別方法について、図4を参照しながら説明する。図4(a)に示す画像400は、計測対象物体401を撮像した画像を表し、図4(b)に示すパターン410は、計測対象物体401に投影したパターンを表す。
三次元計測部205は、パターン識別部204が計算した識別結果に基づいて、パターンが投影された計測対象物体230の表面の三次元点の位置を算出する。この処理では、まず、パターン検出部203が検出した計測線から画素を1つ選択する。次に、選択した計測線上の画素の位置と、その同一の計測線上で近傍にある識別特徴から識別した計測線番号の計測線から、光切断法の原理を用いて計測線が投影された先の三次元点の位置を計測する。以上の操作を画像から検出した計測線上の全ての画素について行うことにより、計測対象物体230表面の三次元点群を算出することができる。
本変形例では、本発明におけるパターンのバリエーションを説明する。第1の実施形態に述べたように投影するパターンは、計測線とパターンの背景部分とにおいて画像上で異なる画素値で観測され、さらに計測線と識別特徴とにおいて画像上で異なる画素値または形状で観測されるように設定する。
本実施形態では、画像上で検出した識別特徴の位置とその隣接関係とを用いて、画像上の識別特徴1点毎に計測線番号を識別する方法について説明する。本実施形態では、画像上の識別特徴の隣接関係と、各識別特徴から識別する計測線番号の順序とが整合するように制約して、各識別特徴の計測線番号を識別する。つまり、画像上で同一の計測線上にある識別特徴は同一の計測線番号に識別され、画像上で数本分異なる計測線上にある識別特徴はその分異なる計測線番号に識別される。
パターン識別部204は、パターン検出部203で検出した識別特徴の位置関係に基づいて、その識別特徴1点毎に計測線番号を識別する。まず、第1の実施形態と同様に、画像上の各識別特徴の位置に基づいて、パターンの座標系にエピポーラ線の位置及び傾きを計算して、エピポーラ線とマルチスリットの各計測線との各交点から近傍の識別特徴までの距離を計算する。
本実施形態では、物体の形状に合わせてパターンの識別特徴の分布を調整する方法について説明する。本実施形態では、識別特徴が観測しやすい広く滑らか部分に対しては粗な間隔で識別特徴を投影し、識別特徴を観測しにくい細かな部分や段差部分に対しては密な間隔で識別特徴を投影する。
パターン出力部201は、投影するパターンを投影装置210に出力し、投影装置210から計測対象物体230にパターンを投影する。ここで出力するパターンは、第1の実施形態とは異なり、投影先の物体の形状に合わせて設定する。具体的には、識別特徴が観測しやすい広く滑らか部分に対しては粗な間隔で識別特徴が投影され、識別特徴を観測しにくい細かな部分や段差部分に対しては密な間隔で識別特徴が投影されるように、パターン上の識別特徴の分布を決定する。これは、細かな部分に合わせて、一様に識別特徴を密に設定する方法に比べ、パターン上の識別特徴の総数を抑えることができる。これにより、画像上から検出した識別特徴を識別する際に、パターン上のエピポーラ線と近接する識別特徴が減り、誤った計測線が識別される確率を減らすことができる。そのためには、パターンの各部位の投影先がどの程度の微細度合いであるかを計算する必要がある。
本実施形態では、単一種ではなく複数種類の識別特徴を有するパターンを用いた識別方法について説明する。本実施形態では、第1の実施形態で説明した図3のステップS301及びS304の処理内容が異なり、それ以外の構成要素、処理手順は第1の実施形態と同じである。以下、本実施形態におけるステップS301及びS304の処理手順について説明する。
パターン出力部201は、投影するパターンを投影装置210に出力し、投影装置210から計測対象物体230にパターンを投影する。ここで出力するパターンは、第1の実施形態とは異なり、図6に示すように、複数種類の識別特徴601、602を有するパターン600を用いる。本実施形態では、識別特徴が2種類である場合を例にして説明する。
パターン識別部204は、パターン検出部203で検出した識別特徴の位置とその種類とに基づいて、その識別特徴1点毎に計測線番号を識別する。まず、第1の実施形態と同様に、画像上の各識別特徴の位置に基づいて、パターンの座標系におけるエピポーラ線の位置及び傾きを計算し、エピポーラ線とマルチスリットの各計測線との交点座標から近傍の識別特徴までの距離を計算する。このとき、マルチスリットの各計測線とエピポーラ線との交点座標から近傍の識別特徴までの距離は、識別を行う識別特徴と同一種類の識別特徴のみ計算する。この計算で、パターン上の識別特徴をその種類によって絞り込むことができるため、誤識別を少なくすることができる。最後に、交点で計算した距離が最も小さかった計測線の番号を識別結果として選択する。
本実施形態では、画像上から識別特徴の位置を複数検出した後、その中に含まれる外れ値を除くことで、ロバストに三次元形状を計測する方法を説明する。ここで、外れ値とは、画像上から識別特徴の位置を検出した時、画像上のノイズ等の影響で識別特徴ではない位置を、誤って識別特徴であると判定した位置を意味する。計測線番号を識別する際に外れ値が混入すると、識別の間違いが発生する。本実施形態では、本発明におけるパターンの識別特徴の配置に所定の条件を与え、画像上で観測される計測線上から識別特徴の位置を複数検出した後、前記所定の条件に合わない位置を外れ値として除くことで、ロバストに三次元形状を計測する。
パターン出力部201は、投影するパターンを投影装置210に出力し、投影装置210から計測対象物体230にパターンを投影する。ここで出力するパターンは、第1の実施例で説明した計測線と識別特徴の画素値を異なる値で設定したパターンではあるが、計測線上に配置する識別特徴の間隔に所定の条件を与える。具体的には、同一線上の識別特徴の間隔の最小値をXとしたとき、最大値は2Xより小さい値で設定する。本実施形態では識別特徴の間隔の最小値をA、最大値をB(B<2A)として、それぞれユーザーが指定する。投影するパターンに識別特徴を設定する方法としては、計測線上の識別特徴の間隔を[A〜B]範囲で発生する一様乱数で設定する。
パターン検出部203は、画像取得部202が取得した画像から、計測線と識別特徴とを検出する。まず、第1の実施形態に示す検出方法と同様の方法で、画像上から計測線と計測線上の識別特徴の位置とを検出する。ただし、画像上にノイズが多い場合など検出が難しい条件では、識別特徴の位置を検出する際に、外れ値となる位置を検出する場合がある。以降、検出した識別特徴を候補特徴と呼び、この中から外れ値を除く方法を説明する。
第1の実施形態では、画像において観測する計測線上の識別特徴1点毎に計測線番号を識別できるため、微細部分でも計測線番号を識別することができる。また、複数の計測線の中で粗な間隔の計測線を設ける必要がないため、微細部分でも計測線を観測することができる。このように、第1の実施形態では、微細形状を持つ物体に対して、ロバストに三次元形状を計測することができる。
本発明における投影手段は、2次元のパターンを投影するものであればどのような装置でもよい。例えば、2次元画像を投影するプロジェクタであってもよく、光源とマスクパターンを組み合わせた装置であってもよい。また、投影するパターンは濃淡パターンでもよく、カラーパターンでもよい。この場合も、投影するパターンは、計測線とパターンの背景部分とにおいて画像上で異なる画素値または形状で観測され、さらに計測線と識別特徴とにおいても、画像上で異なる画素値または形状で観測されるように設定する。例えば、投影光の輝度を変えてもよいし、色を変えてもよい。識別特徴についてはその形状を変えてもよい。つまり、背景部分と計測線と識別特徴とが、画像情報に基づいて判別できるパターンであれば、どのようなパターンでもよい。また、マスクパターンをセットする投影装置の場合、パターンは物理的に投影装置にセットするため、計測時にパターン出力部からパターンを与える必要はない。そのため、パターン出力部は本実施形態における構成から取り除いても良い。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
202 画像取得部
203 パターン検出部
204 パターン識別部
205 三次元計測部
Claims (13)
- 複数の線から構成され、前記複数の線上にある特徴の少なくとも一部が不等間隔で配置されたパターンを投影手段から物体へ投影する出力手段と、
前記パターンが投影された物体を含む画像を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得された画像から前記投影されたパターンの線及び特徴を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出した前記特徴の位置に基づいて、前記検出手段により検出された前記特徴それぞれが、前記パターンの前記複数の線のどの線に属するかを識別する識別手段と、
前記識別手段の識別結果に基づいて、前記パターンが投影された物体の三次元形状を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする三次元計測装置。 - 前記複数の線上にある特徴は、線上の輝度、色、形状の少なくとも1つが異なる部位、或いは線上の切れ目、であることを特徴とする請求項1に記載の三次元計測装置。
- 前記識別手段は、
前記検出手段によって検出した特徴の位置に基づいて算出する前記パターン上の前記複数の線に対する対応度合いと、前記検出手段によって検出した複数の特徴の画像上での順序とに基づいて、
前記検出手段によって検出した複数の前記特徴それぞれが前記パターンの前記複数の線のどの線に属するかの解の組み合わせのうち、前記対応度合いが高く、かつ前記順序と前記解の組み合わせとの整合性が高い前記組み合わせを選定することで、
前記検出手段により検出された前記特徴それぞれが、前記パターンの前記複数の線のどの線に属するかを識別する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元計測装置。 - 前記出力手段は、前記パターンの投影先にある前記物体の三次元形状に基づいて前記複数の線に配置される特徴の分布を設定することを特徴とする請求項1又は3に記載の三次元計測装置。
- 前記出力手段は、前記物体の三次元点群の距離の分散に基づいて前記複数の線に配置される特徴の分布を設定することを特徴とする請求項4に記載の三次元計測装置。
- 前記出力手段は、前記物体の面の広さに基づいて前記複数の線に配置される特徴の分布を設定することを特徴とする請求項4に記載の三次元計測装置。
- 前記出力手段は、前記複数の線上に単一種の特徴が配置されたパターンを出力することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 前記出力手段は、前記複数の線上に複数種の特徴が配置されたパターンを出力することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 前記パターンにおいて、前記複数の線上の少なくとも一部の特徴の間隔について、間隔の最大値が最小値の2倍未満であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 複数の直線上にあり、少なくとも一部の長さが異なる複数の線分から構成されたパターンを投影手段から物体へ投影する出力手段と、
前記パターンが投影された物体を含む画像を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得された画像から前記パターンの前記線分と、同一直線上にある隣り合う2つの線分の切れ目を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された切れ目それぞれが、前記複数の線のどの線に属するかを前記切れ目の位置に基づいて識別する識別手段と、
前記識別手段の識別結果に基づいて、前記パターンが投影された物体の三次元形状を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする三次元計測装置。 - 前記取得手段は、前記物体を撮像する撮像手段から前記画像を取得することを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 複数の線から構成され、前記複数の線上にある特徴の少なくとも一部が不等間隔で配置されたパターンを投影手段から物体へ投影する出力工程と、
前記パターンが投影された物体を含む画像を取得する取得工程と、
前記取得工程において取得された画像から前記投影されたパターンの線及び特徴を検出する検出工程と、
前記検出工程において検出した前記特徴の位置に基づいて、前記検出工程により検出された前記特徴それぞれが、前記パターンの前記複数の線のどの線に属するかを識別する識別工程と、
前記識別工程の識別結果に基づいて、前記パターンが投影された物体の三次元形状を計測する計測工程と、
を備えることを特徴とする三次元計測方法。 - 複数の線から構成され、前記複数の線上にある特徴の少なくとも一部が不等間隔で配置されたパターンを投影手段から物体へ投影する出力工程と、
前記パターンが投影された物体を含む画像を取得する取得工程と、
前記取得工程において取得された画像から前記投影されたパターンの線及び特徴を検出する検出工程と、
前記検出工程において検出した前記特徴の位置に基づいて、前記検出工程により検出された前記特徴それぞれが、前記パターンの前記複数の線のどの線に属するかを識別する識別工程と、
前記識別工程の識別結果に基づいて、前記パターンが投影された物体の三次元形状を計測する計測工程と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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