JP3220179B2 - ３次元カラーイメージ化方法および装置 - Google Patents

３次元カラーイメージ化方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は目標物外面の３次元（３Ｄ）のカ
ラーイメージ化に関する。
【０００２】
【発明の背景】物体のモノクロ３Ｄイメージ化はよく知
られており、物体（品物、場面および／または人物）の
形状および外面に関する詳細データの蓄積、物品の自動
検査または自動組立、ロボット工学、および、種々の医
療に応用されている。
【０００３】
【従来技術】三角測量法は目標物の距離範囲を正確に知
ることができ、それ故に、目標物の外見を正確に知るこ
とができる。代表的な公知技術である三角測量原理の実
現について述べられた米国特許は、第3,986,774号（ロ
ーリーら(Lowrey et al)）、1979年10月23日付第4,171,
917号（パーレット(Pirlet)）、1982年9月14日付第4,34
9,277号（マンディ(Mundy)ら）、1986年12月9日付第4,6
27,734号（リュー(Rioux)）および1987年10月20日付第
4,701,049号（ベックマンら(Beckman et al)）がある。
【０００４】パーレットおよびリューに与えられた特許
は、物体表面を光線で走査する三角測量法である。同期
走査線受光器は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）のよう
な位置検知器上に反射光をイメージ化し、基準面からの
目標物表面における偏差範囲を示す電気信号を発生させ
る。
【０００５】ベックマンらもまた三角測量原理を用いた
測定方法を開示した。この特許は測定用光線断面を変化
させることにより解像度を上げる技術であり、真の反射
とそうでない反射とを見分けるために目標物表面に異な
る２つの角度で光線を当てその光点を観察するという特
徴を備えている。
【０００６】マンディらは、カラーパターンを目標物表
面に投影して、波長帯の変移を分離した検知器アレイで
検知し、これらの変移が表面の形状を示すことになる光
学視差三角測量原理を用いている。
【０００７】1987年2月24日付米国特許第4,645,347号
（リュー）は外観測定の別の方法を提案している。これ
は開口を２カ所備えたマスクで覆われた集光レンズを用
いるものである。検知器でのイメージ間隔は、例えば集
光レンズの焦点面のような基準面からの目標物表面にお
ける偏差範囲をあらわしている。
【０００８】また、三角測量法とは別の方法、例えば、
レーダー測定方法によって距離範囲データを検知するこ
とが可能である。光学的距離範囲測定の種々の方法に関
する集大成は、「アクティブ、オプティカル・レンジ・
イメージング・センサーズ(Active, Optical Range Ima
ging Sensors)」（ポール・ジェイ・ベスル(Paul J.Bes
l)著、マシーン・ヴィジョン・アンド・アプリケーショ
ン社、１９８８年、１章１２７〜１５２）に示されてい
る。
【０００９】しかし、これらの公知のシステムも、目標
物表面の色に関するデータを収集することはできない。
【００１０】一方では、カラービデオカメラに関する数
多くの先願がある。例えば、1978年2月7日付米国特許第
4,072,405号（オゼキ）は、３原色に分解するためにビ
デオカメラにおいてカラーフィルターをプリズムと組合
わせている。３原色それぞれに対応する３つの検知器
は、カラーテレビ信号に処理される赤、緑および青の信
号を発生させる。完全な色分解が必要であるので、それ
ぞれ独立の検知器が必要である。
【００１１】
【発明の概要】本発明の第１の目的は、既に用いられて
いる公知のモノクロ３Ｄカメラにほんの少しの改良を施
すだけの簡単な方法で、３Ｄデータとともにカラーデー
タの優れた収集が可能な方法を提供することである。
【００１２】より特別には、本発明の目的は、複数の検
知器、または、複数のカラーフィルタの複雑さをできる
限り無くすこと、または、３Ｄカメラの必要構成に対し
て根本的な変更を避けることである。
【００１３】本発明は、少なくとも一つは既知の値の波
長を含んだ複数の波長からなる入射光線で目標物表面を
走査する方法および装置を提供することで、上記の目的
を達成する。目標物表面からの反射光線は、位置検知器
により受光される複数の戻り光線に分解され、目標物表
面の色を示す信号を発生させる。
【００１４】本発明においては位置検知器信号だけが必
要である。さらには、位置検知器はモノクロ機能のもの
で十分である。即ち、カラーフィルタや他のカラー検知
素子は必要ない。
【００１５】結果的に、本発明は、既にあるモノクロ３
Ｄカメラをカラーデータ処理可能に改良することが可能
になる。光源の種類を変更し、戻り光線の色分解デバイ
スを用意し、さらに、カメラの検知器からの出力信号の
処理を変更するだけでよい。他のあらゆる点については
カメラに関する変更はない。
【００１６】本発明の一つの形態においては、入射光線
は既知の３つの波長、すなわち、青、緑および赤の波長
からなる。本発明のこの形態は、デジタル形状データと
ともにデジタル色データを記録し、このデータから人間
の目に見えるように表示させるのに都合がよい。
【００１７】本発明の今一つの形態においては、可視領
域の連続光と、これと明確に区別するために、好ましく
は可視スペクトル領域外の例えば赤外領域の一つの既知
波長とを混合した入射光線を用いる。光線の連続可視ス
ペクトル領域から検知器に入力される信号は、詳細な解
析のために比較的多数の波長に分解されるので、この形
態は非常に正確な測色を必要とする場合に適している。
【００１８】
【好ましい実施例の詳細な説明】図１は同期光学三角測
量走査システムを模式的に示すものであり、これは、リ
ューの米国特許第4,627,734号における開示に従って動
作し、該特許公報の第１２図に記載された実施例と基本
的に構造が同じである。
【００１９】例えばＲＧＢレーザのような光源２は、赤
緑青の既知波長からなる光線６を出す。固定ミラー１０
と回転両面ミラー４の一面は光線６をＸ方向に走査して
物体８に向って発射する。物体８の目標面上の一点Ｐか
らの反射光７は、今一つの固定ミラー１０により方向を
変えられ、回転ミラー４の他面によってレンズ１４に反
射される。反射光７はレンズ１４を通って戻り光線１２
となって、例えばＣＣＤのような位置検知器１８の上に
投影される。また戻り光線１２を３原色１２Ｂ，１２Ｇ
および１２Ｒに分解する装置１６がレンズ１４と位置検
知器１８の間に置かれる。色分解装置１６が単純なくさ
び型でもよいが、少なくとも１色の光線、好ましくは緑
光線について共線効果(collinear effect)を達成する２
重くさび型や他の装置を用いてもよい。換言すれば、光
線１２Ｇは光線１２の連続スペクトルのうちの一つの波
長である。しかし、本発明にとって、この共線性は重要
ではない。
【００２０】検知器１８は、光線１２Ｂ，１２Ｇおよび
１２Ｒそれぞれの振幅Ａおよび位置Ｄを測定し、図２に
示す信号１７Ｂ，１７Ｇおよび１７Ｒを発生させる。こ
れらの信号はいずれも点Ｐの距離範囲、すなわち、光線
１２の光軸に対して垂直な基準面（Ｚ＝０）からのＺ方
向における点Ｐの偏差を示す。検知器１８は、焦点面が
ある程度の範囲をもっているため、光線１２の光軸に対
して傾けられる。信号１７Ｒ，１７Ｇおよび１７Ｂの位
置は互いに変化しないので、これらの信号の一つ、二つ
あるいは全てをＺ方向における偏差の測定に用いること
ができる。通常、最大振幅の信号がこの目的に用いられ
る。これらの信号の一つが検知されなかったり、測定の
ためにあまりにも小さすぎるような物体の色であれば、
残る２信号の色は、それぞれの間隔によって認識されう
る。
【００２１】検知器１８が、２次元であれば、すなわ
ち、Ｘ方向と同様にＹ方向（Ｘ，Ｚ方向それぞれに対し
て垂直である）に沿って受光部を備えていれば、ミラー
をさらにＸ方向に延びる軸廻りに回転させることによ
り、必要なＹ方向の光線の走査は容易に行える（上記の
米国特許公報第4,627,734号第１２図のミラーＭ６参
照）。
【００２２】ミラーを回転させることは好ましい走査方
である一方、物体８および図１の構成要素が示す３Ｄカ
メラ全体を相対的に移動させても同様の効果が得られ
る。
【００２３】従来、マイクロコンピュータ２０は、接続
線１３によりミラー４（もし複数のミラーで構成されて
いるなら、そのミラー郡）の走査系、または、物体８お
よびカメラ１９の相対移動を制御している一方、接続線
１５の信号１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒを受信しデジタル化
して、３Ｄカラーデータを生成して蓄積する。このデー
タは、物体を識別するのに使用されたり、あるいは、フ
ァクシミリ化されたり、またディスプレイ２１にも表示
される。
【００２４】より基本的な三角測量構成が図３に示され
ている。図３において、ＲＧＢレーザからの光線３２は
あるメカニズム（図示せず）によりＹ方向に走査され、
物体３４の表面の一点Ｐに投射される。作像レンズ３
５、および、戻り光線３３を３原色に分解する分解装置
３８を通過した後、戻り光線３３は１次元位置検知器３
６上の点Ｍで受光される。物体３４がない場合に基準面
Ｚ＝０から受光される光線３３’に対する基準点Ｎと点
Ｍとの偏差Ｑが、基準面に対する点Ｐの高さＨを示す。
同様に、物体表面の色が、３原色光線の相対強度から測
定できる。Ｂは、三角測量角であり、図に破線で示すよ
うに、レンズ３５の横断中心面の延長が入射光線３２と
交わる点から伸びた直線上の検知器３６の傾斜角でもあ
る。
【００２５】図４は、光源２２が、可視領域連続光線と
既知波長、好ましくは、可視スペクトル外の赤外波長レ
ーザー光との混合である光線６’を出す点を除いては、
図１と同様の実施例を示す。また、検知信号が可視光の
検知信号と区別されるならば、レーザー光の波長は可視
スペクトル内であってもよい。検知器１８に受光される
分解戻り光線１２Ｖおよび１２Ｉはそれぞれ信号１７Ｖ
および１７Ｉを発生させる（図５参照）。信号１７Ｉは
Ｚ方向における点Ｐの偏差を決定するのに用いられる一
方、信号１７Ｖはマイクロコンピュータ２０によって比
較的多数の波長に分解され、３原色を用いるよりも簡単
に正確な測色を行うことができる。従って、このシステ
ムは、測色時における物体表面のかすかな変化、例え
ば、表面がきれいになったり、その他の理由による変化
を検知可能である。
【００２６】図６は、リューの米国特許第4,645,347号
公報に示された光学的構成を用いた簡略化した実施例を
示す。レーザー４８はいわゆるラミナ(laminar)または
プレーナ(planar)構造の多重波長光線４９、すなわち、
実質的にＹ方向に伸び、Ｘ方向に対しては非常に幅の狭
い光線を発生し、それによって物体８表面に帯状光を投
射する。開口マスク４４によって、レンズ４２は、目標
物からの光４５を例えばＣＣＤアレイのような２次元位
置検知器５２上の離れた２点に合焦する。この離れた２
点間の距離が基準面からの点ＰにおけるＺ方向偏差を示
す。光線４５は色分解装置５０を通るため、各光線は光
線４５Ｂ，４５Ｇおよび４５Ｒに分解され、信号は図７
における３組の波線６２Ｂ，６２Ｇおよび６２Ｒとなっ
て、マイクロコンピュータ２０によって処理される。該
波線の振幅は処理され目標物表面の色データを発生する
一方、選択された一組の波線、例えば、波線６２Ｇ間の
Ｙ方向の異なった位置間隔Ｄ１，Ｄ２等はＺ方向のデー
タ、すなわち、偏差を示す。上記の実施例と同様に、装
置は、物体に関して光線をＸ方向に走査する手段を有し
ている。
【００２７】図８は図７と同様の実施例を示している
が、図４に示すような既知波長レーザ光と連続可視光と
が混合したラミナ光線７１を発生させる光源７０を用い
るように変更している。結果的に、検知器５２は、図９
に示す形状の光線７２Ｖおよび７２Ｉを受光する。図７
と同様に、間隔Ｄ１，Ｄ２はＺ方向データを示す一方、
スペクトル７４の特性は物体表面の色を示す。
【００２８】図１０は、距離範囲を測定する三角測量法
に改良を施したものを示し、このレーダーシステムによ
り物体表面の外観は得られる。ハーフミラー８０は戻り
光線、例えば、光線１２Ｇの一部をマイクロコンピュー
タ２０に接続された検知器８１に偏向させる。入射光線
はパルス化されていて、発射から戻りまでのパルス飛行
時間をもとにしてマイクロコンピュータは距離範囲を測
定し、デジタル化する。検知器１８は、物体の距離範囲
（外観）を測定には用いられないので、光軸に対して傾
斜している必要はないが、図１０において傾いて示され
ているのは、これが３Ｄカメラにおける一般的な使われ
方であり、本発明の特徴の一つはカメラに対する変更を
最小限にすることであるからである。検知器１８は距離
範囲を検知する必要はないため、三角測量角はほぼ０に
まで減じることができる。すなわち、入射光線はその戻
り光線とほぼ平行な光軸を有しており、特に目標物表面
がカメラからかなり離れている場合に有効である。従っ
て、図１０の実施例は、検知器８１を追加する必要があ
るという点で図１〜図９の方法よりもさらにカメラの変
更を必要とするが、代償として、入射光線と戻り光線の
光軸間の角度を０に、あるいは、非常に小さくすること
ができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例の模式図である。
【図２】 図１の実施例により発生する信号を示す図で
ある。
【図３】 本発明の第２実施例の模式図である。
【図４】 図１の実施例の改良を示す模式図である。
【図５】 図４の実施例により発生する信号を示す図で
ある。
【図６】 本発明のさらに別の実施例の模式図である。
【図７】 図６の実施例により発生する信号を示す図で
ある。
【図８】 図６の実施例の改良を示す模式図である。
【図９】 図８の実施例により発生する信号を示す図で
ある。
【図１０】 図１のシステムの改良の簡易模式図であ
る。
【符号の説明】
２ 光源 ４ 回転両面ミラー ６ 光線 ７ 反射光 ８ 物体 １０ 固定ミラー １２ 戻り光線 １２Ｇ 戻り光線（緑） １２Ｂ 戻り光線（青） １２Ｒ 戻り光線（赤） １３ 接続線 １４ レンズ １５ 接続線 １６ 色分解装置 １８ 位置検知器 ２０ マイクロコンピュータ ２１ ディスプレイ Ｐ 物体表面上の点 Ｘ 方向 Ｚ 方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−83635（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開315939（ＥＰ，Ａ ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/24 G06T 1/00 G06T 11/00 - 11/80

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の基準面に対する各点の高さに基づ
    き目標物表面の外観を決定する光学的方法で、複数の波
    長を含む光の入射光線（６；６’；３２；４９；７１）
    を用いた上記表面の走査と、上記外観をあらわす信号を
    生成するための、上記表面から、位置検知手段を含む検
    知手段（１８；３６；５２；８１）上へ反射される戻り
    光線（１２；３３；４５；７２）のイメージ化とを行な
    う光学的方法において、 （ａ） 入射光線（６；６’；３２；４９；７１）が、
    上記複数の波長のうちの、他の波長とは区別される少な
    くとも１つの既知波長を有し、また、 （ｂ） 戻り光線（１２；３３；４５；７２）が、その
    波長によって、上記位置検知手段（１８；３６；５２）
    上へイメージ化される、複数の分解された戻り光線（１
    ２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ；１２Ｖ，１２Ｉ；４５Ｂ，４５
    Ｇ，４５Ｒ；７２Ｖ，７２Ｉ）へ分解され、それによ
    り、上記位置検知手段における各戻り光線の相対位置
    が、上記戻り光線の各波長をあらわし、また、各戻り光
    線により位置検知手段において生成された信号の振幅
    が、上記表面上の点の色についてのデータを提供するこ
    とにより、目標物表面の色を決定すると同時に、 少なくとも１つの既知波長を有する戻り光線についての
    位置検知手段上での所定の絶対値より、目標物表面の外
    観を決定することを特徴とする３次元カラーイメージ化
    方法。
  2. 【請求項２】 入射光線は３原色に対応する３つの既知
    波長からなっていることを特徴とする請求項１記載の３
    次元カラーイメージ化方法。
  3. 【請求項３】 ３波長のそれぞれの戻り光線の相対強度
    を表す信号から色が算出されることを特徴とする請求項
    ２に記載の３次元カラーイメージ化方法。
  4. 【請求項４】 入射光線は、可視領域の連続光および好
    ましくは可視領域外の例えば赤外領域の既知波長光から
    なっていることを特徴とする請求項１に記載の３次元カ
    ラーイメージ化方法。
  5. 【請求項５】 連続光である戻り光線の異なる波長部の
    相対強度を表す信号から色が算出されることを特徴とす
    る請求項４に記載の３次元カラーイメージ化方法。
  6. 【請求項６】 上記目標物表面の外観が、基準位置に対
    する、既知波長の戻り光線の検知手段上の位置をそれぞ
    れ表す信号から算出されることを特徴とする請求項１か
    ら５のいずれか一に記載の３次元カラーイメージ化方
    法。
  7. 【請求項７】 戻り光線は複数の部分に分解され、この
    複数の部分はそれぞれ波長に応じて複数の戻り光線に分
    解され、上記目標物表面の外観が、検知手段上で該戻り
    光線の複数部分のそれぞれに応じた既知波長の戻り光線
    の間隔を表わす信号から算出されることを特徴とする請
    求項１から５のいずれか一に記載の３次元カラーイメー
    ジ化方法。
  8. 【請求項８】 上記目標物表面の外観が、入射光線の発
    射から戻り光線の受光までの時間を表す信号から算出さ
    れることを特徴とする請求項１から５のいずれか一に記
    載の３次元カラーイメージ化方法。
  9. 【請求項９】 複数の波長を含む光の光線（６；６’；
    ３２；４９；７１）を生じるための光源（２；２２；４
    ８；７０）と、目標物表面上に上記光線を走査させるた
    めの手段（４）と、位置検知手段を含み、マイクロプロ
    セッサ（２０）へ接続された検知手段（１８；３６；５
    ２；８１）と、上記表面から反射される、上記表面上の
    位置の範囲つまり所定の基準面に対する各点の高さに基
    づき決定される目標物表面の外観をあらわす戻り光線
    （１２；３３；４５；７２）をイメージ化するための光
    学系（１４，１６；３５，３８；４２，５０）とを有し
    ている請求項１〜８のいずれか一に記載の３次元カラー
    イメージ化方法を実行するための装置において、 （ａ）上記入射光線（６；６’；３２；４９；７１）
    が、上記複数の波長のうちの、他の波長とは区別される
    少なくとも１つの既知波長を有すること、また、 （ｂ）マイクロプロセッサによって、上記位置検知手段
    上での複数の分解された戻り光線の各々の相対位置を決
    定し、少なくとも１つの既知波長を有する戻り光線につ
    いての上記位置検知手段上での所定の絶対値より、目標
    物表面の外観を決定するとともに、位置検知手段（１
    ８；３６；５２）から受信された信号の相対強度（Ａ）
    を測定することにより、目標物表面の色を決定すること
    を可能とするために、上記光学系が、戻り光線を、その
    波長によって、複数の分解された戻り光線（１２Ｂ，１
    ２Ｇ，１２Ｒ；１２Ｖ，１２Ｉ；４５Ｂ，４５Ｇ，４５
    Ｒ；７２Ｖ，７２Ｉ）へ分解するためのデバイス（１
    ６；３８；５０）を有していることを特徴とする３次元
    カラーイメージ化方法を実行するための装置。
  10. 【請求項１０】 光源は、三原色のそれぞれに対応する
    ３つの既知波長、または、可視領域の連続光および連続
    光と区別可能な既知波長との混合を発射することを特徴
    とする請求項９に記載の装置。
JP11737891A 1990-05-24 1991-05-22 ３次元カラーイメージ化方法および装置 Expired - Lifetime JP3220179B2 (ja)

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