JP2504944B2 - ３次元情報処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は３次元情報処理方法に係り、さらに詳しくは
アクティブ方式により物体の形状を測定する３次元情報
処理方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、画像センサなどを用いて３次元形状に関す
る情報を取得する方法として、光切断法（スリット
法）、ステレオ法などが知られている。

光切断法は、対象物表面にスリット光を投射し、対象
物面上の投射線を投射方向と別の方向から観測し、対象
物の断面形状、距離などの情報を得るものである。この
方法では、撮像側は固定され、スリット投射方法を少し
ずつ換えながら複数枚の画像をスリット１本ごとに撮像
して３次元情報を取得する。

また、出願人が提案した特願昭59−44920号などにお
けるステレオ法は、像倍率の等しい光学系と組み合わさ
れた２次元の撮像素子を所定基線長だけ離して配置し、
異なる方向からみた２次元画像を得、２枚の画情報のず
れから対象物の各位置の高さ（撮像系までの距離）を算
出するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが光切断では、撮像時のスリット投射方向の制
御が面倒で、撮像に時間がかかる問題がある。また、複
数枚のスリット画像から３次元情報を得るため、処理す
る情報量が多く、最終的な情報取得までに多大な時間を
要する欠点がある。また、ステレオ法では、スリット走
査などの制御が必要ないが、一般に従来方式はパッシブ
方式であるため、対象物表面が滑らかで、一様な輝度を
有している場合には、２つの撮像素子で得られる像のコ
ントラストが低下し、２枚の画像の比較による距離測定
が不可能になる問題がある。このような測定が不可能に
なってしまうケースは像倍率が大きくなる近距離におい
て出現頻度が多く、したがって対象物の形状、色、サイ
ズ、距離などが限定されてしまう。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明においては、
光軸を平行に、且つ所定基線距離隔てて配置されるとと
もに、対象物側の主平面をほぼ同一の平面内に整合させ
た複数の光学系と、前記の光学系の１つを通して光軸に
垂直な面内で一方向に分散するとともに前記一方向と異
る方向にも分散する複数のパターン光束を対象物に照射
する手段と、対象物上の前記パターン光束による像を、
前記と異なる光学系を通して受像する二次元画像センサ
とを設け、この二次元画像センサにより受像された前記
対象物上のパターン光束による光像の各位置を検出し、
該検出された各位置に基づいて各光像の距離を測定し、
対象物の３次元情報を取得する構成を採用した。

なお、主平面とは光学系の横倍率が１になるような１
対の共役点（主点）を通り、光軸に垂直な平面である。

［作 用］ 以上の構成によれば、平行配置された光学系の基線方
向に沿った２方向分散パターン光束の光像位置を光軸に
垂直な二次元面内に渡って二次元画像センサで検出する
ことにより、各光像に対応した対象物の距離を各々測定
でき、これによって対象物の３次元形状に関する情報を
取得することができる。しかもパターン光束照射系と、
受像系の光学系の主平面を一致させることにより、１つ
のパターン光束による光像が二次元画像センサ上で、そ
の照射点の距離に応じて一直線に移動するようにできる
ため、共に光軸に垂直な面内で２方向に分散している、
パターン光束と画像センサ上の光像との対応付けが容易
になり、簡単な画像処理により、高速な３次元情報の取
得が実現できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細を説
明する。

第１実施例 第１図は本発明の３次元情報処理方式を採用した測定
装置の第１の実施例を示しており、図において符号1,2
は所定の基線距離だけ離して配置されたレンズで、レン
ズ1,2は等しい焦点距離を有し、その光軸が平行になる
ように配置されている。各レンズ1,2の後方にはそれぞ
れマスク板３と２次元の電荷結合素子などからなる画像
センサ４が配置され、これらのマクク板3,画像センサ４
はレンズ1,2の光軸と直交する同一の平面上に配置され
ている。

マスク板３の後方には、照明用の光源（例えばハロゲ
ンランプなど）５が配置されており、前記レンズ１はこ
の光源の点灯によりマスク板３のスリットのパターンを
対象物６上に投影する。

第１図において、6,6′は被写体の異なる位置をそれ
ぞれ示しており、レンズ1,2の非写界深度は、これらの
２つの位置を充分カバーできる深さを有するものとす
る。

即ち、この実施例においては、レンズ1,レンズ２から
成る照射系、受像系の２つの光学系は、焦点距離が等し
い同一の単レンズとして示されている。

しかも、２つの光学系は、所定基線距離隔てて配置さ
れるとともに、単レンズとして図示したように、対象物
側の主平面をほぼ同一の平面に一致させてある。簡単に
いえば、これら２つの光学系の対象距離は等しく設定さ
れている。

ここで、第２図はマスク板３の開口パターンの一例を
示す。本実施例において、マスク板３には細い長方形状
のスリット状の窓Wnが複数個配列されている。図におい
て、窓Wnはその横方向の中心を一点鎖線３′で示すよう
に、水平方向に疎、垂直方向に比較的密な配列パターン
となっており、結果として斜め方向に延びるスリット列
を形成している。窓Wnの密度、配列は必要な測定精度、
使用する画像センサの縦横の解像力に応じて定めればよ
いので、上記のような構成に限定されるものではなく、
種々のパターンを使用可能である。マスク板３の窓Wnの
水平方向の密度を第２図のように比較的低くしたのは、
後述のように対象物６の距離により光像の位置が水平方
向に移動するため、検出を行える距離範囲を大きくとる
ためである。

第１図，第２図の構成において、光源５で照明され、
窓WnのうちW₁,W₂を通過した光束は、レンズ１を通って
それぞれ対象物６上の符号F₁,F₂に示す位置に光像を結
ぶ。そして光像F₁,F₂はそれぞれレンズ２を通って画像
センサ４上の位置D₁,D₂に光像を結ぶ。

ステレオ法の場合と同様に、光像Dnの位置は反射点の
距離、即ち、対象物６上の光像Fnの距離により、レンジ
1,2の配置方向に平行な直線上（基線方向）を移動する
ことになる。これは前記のように、レンズ1,2の主平面
がほぼ同一平面にあり、それぞれの対物距離が等しくな
るよう設置されているためである。

幾何光学的に見れば、マスク板３〜レンズ１〜対象物
６の幾何学的関係と、画像センサ４〜レンズ２〜対象物
６の幾何学的関係は、本実施例の場合、全く左右対称で
ある。

本実施例のマスク板３を画像センサに置き換えてみる
と、２つの画像センサで受像される対象物の２つの２次
元画像は、像倍率が等しく、かつ２つの画像の形は撮影
位置（レンズ1,2の位置）に応じた差異を持つものとな
る。この２次元画像の形の差異は、レンズ1,2の左右方
向に関しては、対象物の方向とレンズ1,2の光軸とのな
す角度の違いから生じる左右方向の像のずれに関するも
ので、レンズ1,2の上下方向に関しては対象物の方向と
レンズ1,2の光軸とのなす角度が等しくなるため、像の
ずれは生じない。

このような関係は、光の進行方向を逆にとっても同様
であるから、前記のように画像センサ４上での光像Dnの
左右位置のみが対象物６上の光像Fnの距離に応じて基線
方向に移動することになる。

したがって、マスク板３の一点鎖線（第２図）３′方
向と画像センサ４の走査線方向を一致させておけば、対
象物６表面の測定装置からの距離分布を光像Dnの水平方
向の密度の分布として検出することが可能となる。すな
わち、画像センサ４の出力波形をコンピュータシステム
などを用いた画像処理装置により観測することにより、
対象物６表面の光像Fnの位置（光束投射点）までの距離
を三角測量の原理により容易に求めることができる。こ
の場合、マスク板３上に基線方向に一列に配置された窓
Wnによる、センサ４上に結像される光像Dnは画像センサ
４上の同一の走査線上で検出でき、異なる走査線上に移
動することがないため、処理装置において画像センサ４
から得た光像は左右の順位のみにより容易に識別できる
から、処理は従来のスリット方法などに比して著しく簡
略化され、３次元情報を極めて迅速に取得することが可
能となる。

第３図は画像センサ４としてTVカメラ用の２次元CCD
センサを用いた場合の１本の走査線（第２図のマスク板
３の一点鎖線３′に対応）の出力波形Ｏを示したもので
ある。ここでは図の左右方向を画像センサ４の水平方向
の距離に対応させてある。上記から明らかなように、こ
の走査線と同一直線上にあるマスク板３上の窓Wnに対応
して出力値が極大値Ｍを示す。１つの窓Wnに対応して出
現する出力波形の極大値の左右位置は、その位置が限定
されており、他の透孔窓Wnによる極大値出現範囲と分離
されているので、窓Wnとその窓を通過した高速の画像セ
ンサ４への入射位置は容易に対応づけることができる。

したがって、従来のステレオ法におけるように近距離
におけるコントラスト低下による測定不能などの不都合
を生じることなく、確実に対象物６の３次元情報を取得
することができる。また、光源を用いて照明を行なうア
クティブ方式は、近距離の対象物の測定では光源の光量
が小さくて済むので実用的である。また、画像センサ出
力の極大値の大きさから、対象物の光像位置の傾斜角な
どを推定することも可能である。

以上のようにして、対象物６表面の測定系からの距離
を２次元の画像センサ４を介して測定することができ
る。以上の構成によれば、光切断法のように機械的な走
査を行なう必要なく、対象物６全面の３次元情報を１回
の画像読み取りで抽出することができる。

また、後の画像処理もセンサ４上における光像の左右
方向の分布のみに関して行えばよいので、簡単かつ高速
な処理が可能である。さらに、本実施例によれば、画像
センサ４上の光像の画像をそのまま２値化するなどして
CRTディスプレイや、ハードコピー装置に出力して視覚
的な３次元表現を行なうことができる。

本実施例による３次元情報処理方式は、いわば多数の
触針を物体に押し付けて触針の基準面からの突出量の変
化により物体形状を知覚する方法を光学的に非接触で行
なうものであり、高速かつ正確な処理が可能なため、実
時間処理が必要とされるロボットなどの知覚センサとし
て用いることが可能である。特に比較的近距離に配置さ
れた対象物の形状、姿勢などを知覚し、対象物の把握、
回避などの動作を行なわせる場合に有効である。

以上では対象物６に対する光束投射パターンを光源お
よびマスク板３により形成したが、マスク板３の平面位
置に発光ダイオードなどの点光源を複数配置することに
よっても同様の効果を得ることが可能である。

また、以上の説明では簡略化のために、装置の主要部
のみを図示し、光源背面の反射鏡、コンデンサレンズな
どの光源光の集光光学系、遮閉のための筺体の図示を省
略したが、これらの部材は必要に応じて当業者において
従来どおり適当なものを設ければよい。また光学系は単
レンズのみを図示したが、複数エレメントから成る光学
系、ミラーなどを含む光学系を用いることもできる。

第４図は、第１図，第２図の第１実施例の変形例を示
したものである。上記の構成では、正確な測定のために
対象物がレンズ1,の被写界深度内の測定範囲内に位置し
ている必要があるが、第４図の構成は３次元情報の取得
に先だって、対象物を測定範囲内に位置させる制御をも
可能にするためのものである。

第４図において、符号７は半導体レーザ素子で、第２
の光源としてマスク板３の背面近傍に設けてある。半導
体レーザ素子７のレーザ光はレンズ８によってレンズ１
の焦点面上に結像するように集光され、反射鏡９によっ
て反射され、マスク板３の窓Wnのひとつを透過して対象
物６上に投射される。その他の構成は前記と同じであ
る。

対象物６が測定範囲外にある場合には光学系の合焦位
置から外れるため、光源５による投射光束の像のぼけは
大きくなるが、レーザ光束は光学系８とレンズ１によっ
て平行光束として投射されるのでぼけは小さく、投射エ
ネルギー密度が高いので、画像センサ４の出力波形Ｏは
第５図に示すように対象物６上の物点像に対応した極大
値M_Lが高くなり、他の光像の出力と識別することが可能
になる。したがって、レーザ光束の照射される物体上の
点までの距離を三角測量の原理より求め、対象物を測定
範囲内に位置づける情報としうる。前記と同様に、対象
物６の距離はレーザ光による画像センサ４上の光像の水
平方向の位置として測定することができ、測定された距
離に応じて測定系、あるいは対象物６を移動することに
より対象物６を測定範囲内に位置づけることが可能とな
る。

第２実施例 上記の第１実施例では、２つの同一焦点距離の光学系
を用いる構成を示したが、必要に応じて異なる焦点距離
の光学系を用いることも考えられる。この場合にも、画
像処理を容易にするため、基線方向以外の光像移動が生
じないよう、照射系、受像系の光学系の対物主平面の位
置をほぼ同一平面内に一致させるものとする。

第６図は、照射系のレンズ７と受像系のレンズ８の焦
点距離を異ならせた場合の実施例を示している。以下の
図面では、前述と同様の部材には同一符号を付してあ
り、これらについての説明は省略する。第６図の場合、
レンズ７の方がレンズ８よりも焦点距離が長い。レンズ
7,8の対象物側の主平面７′,8′はほぼ同一平面上に一
致させてある。反対側の主平面７″,8″には制約はな
く、ここでは主平面７″,8″は一致していない。

マスク3,画像センサ４と各レンズ7,8の距離は、もち
ろんマスク3,画像センサ４が焦点面にくるように定めら
れる。この場合には、各レンズからマスク3,画像センサ
４までの距離はもちろん各レンズの焦点距離に対応した
値となる。

以上の構成では、レンズ７のマスクパターンの投影倍
率と、レンズ８の撮影倍率が第１図の構成と異なるだけ
で、光束の投射状態、光像の撮影状態は第１図の場合と
同等である。この実施例においても、レンズ7,8の対象
物側の主平面を対物距離が等しくなるよう、同一平面内
に置いているので、マスク板３の窓Wnの画像センサ４上
の光像Dnは、対象物の距離に応じてセンサの左右方向の
走査線上を直線的に変位し、距離によって上下方向に移
動することはない。従って光像Dnの位置は限定されたも
のとなり、前記実施例同様、後の画像処理が容易とな
る。

第６図の構成は、マスク３を比較的大きく、画像セン
サ４をCCDセンサなどのように比較的小さくする必要が
ある場合に有効である。

マスク３は、第１実施例におけるように等倍のシステ
ムに用いる場合には、センサ４と同一の大きさで、しか
もセンサの解像力に対応した密度で窓を形成する必要が
あるが、このような小さいマスクを形成するのには製造
技術上の問題がある。

また、小さなマスク面積では、対象物に対して充分な
光量を持つパターン光束を投射するのが困難となり、対
象物の距離が制約されたり、不当に大きな光量を持つ光
源が必要となる、といった不都合が生じる。

したがって、マスク３は比較的大きくし、画像センサ
４を比較的小さくすることが望ましいが、このような場
合に必要とされる倍率変換は第６図のような構成により
実現できる。

画像処理は、第６図の場合でも同様に行なえばよい。
画像センサ４で得られる光像は縮小されるが、その上下
方向のパースペクティブは、センサの走査線と異なる方
向にずれることはないので、前述同様容易な３次元情報
の処理が可能である。

第６図の場合と逆に、第７図のように照射側のレンズ
９の焦点距離を短く、受像側のレンズ８の焦点距離を長
くすることもできる。第７図でも対象物側のレンズの主
平面９′,8′、その他の条件は第６図と同じである。こ
の場合、光源は面発光の半導体レーザアレイ、あるいは
LEDアレイなど点光源を第２図のような配列で配置した
光源アレイ10を用いる。図においてW₁,W₂は前記と異な
り、窓ではなく光源アレイ10の光源の１つを示す。光源
アレイ10としてのLEDアレイ、あるいは半導体レーザア
レイは基板上に多数形成され、通常は個々に切断して用
いるものをそのままアレイとして用いることができる。

このような光源アレイからの光は基板から垂直方向の
発光強度が強いので、レンズ９の有効口径などの条件に
応じてコンデンサレンズ11などを光源アレイ10の近傍に
配置して、光源からの光を有効にレンズ９に向けるよう
にするのが望ましい。

以上の構成によっても、第６図の場合と倍率が異なる
だけで、同様の処理により３次元情報の取得が可能であ
る。この場合でも、光源アレイ10、画像センサ４から成
る照射系、受像系のサイズに関する制約を緩和し、より
有効な製造条件によるシステムの設計が可能となる。

［効 果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光
軸を平行に、且つ所定基線距離隔てて配置されるととも
に、対象物側の主平面をほぼ同一の平面内に整合させた
複数の光学系と、前記の光学系の１つを通して光軸に垂
直な面内で２方向に分散する複数のパターン光束を対象
物に照射する手段と、対象物上の前記パターン光束によ
る像を、前記と異なる光学系を通して受像する二次元画
像センサとを設け、この二次元画像センサにより検出さ
れた前記対象物上のパターン光束による光像の各位置か
ら各光像の距離を測定し、対象物の３次元情報を取得す
る構成を採用したことにより、高速、かつ信頼性の高い
３次元情報の処理が可能になり、自由度の高い優れた３
次元情報処理方式を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３次元情報処理方式による測定装置の
第１の実施例を示した説明図、第２図は第１図のマスク
板の構成を示した説明図、第３図は第１図の構成におけ
る動作を説明した波形図、第４図は第１図の構成の変形
例を示した説明図、第５図は第４図の構成における動作
を示した波形図、第６図，第７図は本発明の第２の実施
例における測定装置の異なった構成をそれぞれ示した説
明図である。 1,2,8,9……レンズ ３……マスク板、４……画像センサ ５……光源、６……対象物 ７……半導体レーザ素子 10……光源アレイ 11……コンデンサレンズ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸を平行に、且つ所定基線距離隔てて配
   置されるとともに、対象物側の主平面をほぼ同一の平面
   内に整合させた複数の光学系と、 前記の光学系の１つを通して光軸に垂直な面内で一方向
   に分散するとともに前記一方向と異る方向にも分散する
   複数のパターン光束を対象物に照射する手段と、 対象物上の前記パターン光束による像を、前記と異なる
   光学系を通して受像する二次元画像センサとを設け、 この二次元画像センサにより受像された前記対象物上の
   パターン光束による光像の各位置を検出し、該検出され
   た各位置に基づいて各光像の距離を測定し、対象物の３
   次元情報を取得することを特徴とする３次元情報処理方
   法。
2. 【請求項２】前記複数の光学系の焦点距離が異なってお
   り、前記照射手段と前記二次元画像センサと前記光学系
   の距離が異なる焦点距離に応じて定められることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の３次元情報処理方
   法。
3. 【請求項３】前記照射手段が前記光学系の焦点面に配置
   された複数の開口部からなるマスクパターンを有するマ
   スク板及び、このマスク板後方に配置された光源から構
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項に記載の３次元情報処理方法。
4. 【請求項４】前記光学系の光軸が前記マスク板と二次元
   画像センサの配置面に直交して配置されることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項に記載の３次元情報処理方
   法。
5. 【請求項５】前記照射手段が１つの光学系の焦点面に配
   置された複数の点光源から構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の３次元情報処理方法。
6. 【請求項６】前記パターン光束のうち、少なくとも１つ
   がレーザ光束であり、このレーザ光束の対象物上の光像
   の位置を前記二次元画像センサで検出することにより対
   象物の距離を測定し、この測定値に基づき、対象物を測
   定範囲内に位置づけることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第５項までのいずれか１項に記載の３次元情
   報処理方法。