JP3740848B2 - 3次元入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体に検出光を投射して物体を走査し、物体形状を特定するデータを出力する3次元入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レンジファインダと呼称される非接触型の3次元入力装置は、接触型に比べて高速の計測が可能であることから、CGシステムやCADシステムへのデータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用されている。
【0003】
レンジファインダに好適な計測方法としてスリット光投影法(光切断法ともいう)が知られている。この方法は、物体を光学的に走査して距離画像(3次元画像)を得る方法であり、特定の検出光を照射して物体を撮影する能動的計測方法の一種である。距離画像は、物体上の複数の部位の3次元位置を示す画素の集合である。スリット光投影法では、検出光として投射ビームの断面が直線帯状であるスリット光が用いられる。走査中のある時点では物体の一部が照射され、その部分の位置は投射方向と受光面における高輝度位置(つまり受光方向)とから三角測量の手法で算出することができる。したがって、受光面の各画素の輝度をサンプリングすることにより、物体形状を特定する一群のデータを得ることができる。
【0004】
レンジファインダの中には対物間距離を測定して検出光の投射角度範囲を調整するものがある。すなわち、撮像倍率と対物間距離とに応じて受光面に写る物体の全体が走査範囲となるように投射の開始及び終了の角度位置を設定する動作制御が行われている。また、受光面の輝度のサンプリングにおいて、1回のサンプリングの対象を受光面全体ではなく検出光が入射すると予想される一部の領域に限定し、その領域をサンプリング毎にシフトさせる手法が知られている。これによれば、サンプリングの1回当たりの所要時間を短縮して走査を高速化することができ、データ量を削減して信号処理系の負担を軽減することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来では、計測対象の物体が奥行き方向の計測可能範囲からはみ出す場合があり、その場合には操作者がズーミングやピント調整をして画角を変えて再計測を行う必要があった。画角を拡げると奥行き方向の計測可能範囲も拡がるが分解能は低下してしまう。なお、受光面の一部を1回のサンプリングの対象とする場合において、その対象領域を拡げれば計測可能範囲は拡がる。しかし、走査速度を低下させなければならず、データ処理の負担が増大する。
【0006】
本発明は、物体の奥行き寸法が大きい場合でも、奥行き寸法が小さい場合と同程度の分解能の3次元データを物体全体について入力できるようにすることを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、検出光の投射角度範囲を自動的に変更して複数回の走査を行うようにする。これにより、ある回の走査では有効な受光情報が得られない物体上の部位についても、他の走査では適切な受光情報が得られる。つまり、奥行き方向の受光可能範囲は各回の走査における受光可能範囲を合わせたものとなり、原理的には走査回数倍に拡がる。
【0008】
請求項1の発明の装置は、検出光を投射する投光手段と、物体で反射した前記検出光を受光して電気信号に変換する撮像手段とを有し、前記検出光の投射方向を変化させて周期的に前記物体を撮像する走査を行う3次元入力装置であって、動作開始の指示に呼応して、前記検出光の投射角度範囲が互いに異なる複数回の走査を連続的に行うものである。動作開始の指示はスイッチやボタンの操作又は外部からの制御信号により行われる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る計測システム1の構成図である。
計測システム1は、スリット光投影法によって立体計測を行う3次元カメラ(レンジファインダ)2と、3次元カメラ2の出力データを処理するホスト3とから構成されている。
【0010】
3次元カメラ2は、物体Q上の複数のサンプリング点の3次元位置を特定する計測データとともに、物体Qのカラー情報を示す2次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求める演算処理はホスト3が担う。
【0011】
ホスト3は、CPU3a、ディスプレイ3b、キーボード3c、及びマウス3dなどから構成されたコンピュータシステムである。CPU3aには計測データ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホスト3と3次元カメラ2との間では、オンライン及び可搬型の記録メディア4によるオフラインの両方の形態のデータ受渡しが可能である。記録メディア4としては、光磁気ディスク(MO)、ミニディスク(MD)、メモリカードなどがある。
【0012】
図2は3次元カメラ2の外観を示す図である。
ハウジング20の前面に投光窓20a及び受光窓20bが設けられている。投光窓20aは受光窓20bに対して上側に位置する。内部の光学ユニットOUが射出するスリット光(所定幅wの帯状のレーザビーム)Uは、投光窓20aを通って計測対象の物体(被写体)に向かう。スリット光Uの長さ方向M1の放射角度φは固定である。物体の表面で反射したスリット光Uの一部が受光窓20bを通って光学ユニットOUに入射する。なお、光学ユニットOUは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化するための2軸調整機構を備えている。
【0013】
ハウジング20の上面には、ズーミングボタン25a,25b、手動フォーカシングボタン26a,26b、及びシャッタボタン27が設けられている。図2(b)のように、ハウジング20の背面には、液晶ディスプレイ21、カーソルボタン22、セレクトボタン23、キャンセルボタン24、アナログ出力端子32、デジタル出力端子33、及び記録メディア4の着脱口30aが設けられている。
【0014】
液晶ディスプレイ(LCD)21は、操作画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。撮影者は背面の各ボタン21〜24によって撮影モードの設定を行うことができる。アナログ出力端子32からは、2次元画像信号が例えばNTSC形式で出力される。ディジタル出力端子33は例えばSCSI端子である。
【0015】
図3は3次元カメラ2の機能構成を示すブロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示し、破線矢印は光の流れを示している。
3次元カメラ2は、上述の光学ユニットOUを構成する投光側及び受光側の2つの光学系40,50を有している。光学系40において、半導体レーザ(LD)41が射出する波長670nmのレーザビームは、投光レンズ系42を通過することによってスリット光Uとなり、ガルバノミラー(走査手段)43によって偏向される。半導体レーザ41のドライバ44、投光レンズ系42の駆動系45、及びガルバノミラー43の駆動系46は、システムコントローラ61によって制御される。
【0016】
光学系50において、ズームユニット51によって集光された光はビームスプリッタ52によって分光される。半導体レーザ41の発振波長帯域の光は、計測用のセンサ53に入射する。可視帯域の光は、モニタ用のカラーセンサ54に入射する。センサ53及びカラーセンサ54は、どちらもCCDエリアセンサである。ズームユニット51は内焦型であり、入射光の一部がオートフォーカシング(AF)に利用される。AF機能は、AFセンサ57とレンズコントローラ58とフォーカシング駆動系59とによって実現される。ズーミング駆動系60は電動ズーミングのために設けられている。
【0017】
センサ53による撮像情報は、ドライバ55からのクロックに同期して出力処理回路62に入力され、8ビットの受光データとなってメモリ63に一旦格納される。メモリ63のアドレス指定はメモリコントローラ63Aが行う。所定のタイミングでメモリ63から重心演算回路73へ受光データが転送され、対象物体の3次元位置を算出するための基となるデータ(後述の“重心ip”)が生成される。重心ipは計測結果として出力用メモリ64を経てSCSIコントローラ66へ送られる。また、重心ipはモニタ情報として重心演算回路73から表示用メモリ74へも送られ、液晶ディスプレイ(LCD)21による距離画像の表示に用いられる。
【0018】
一方、カラーセンサ54による撮像情報は、ドライバ56からのクロックに同期してカラー処理回路67へ送られる。カラー処理を受けた撮像情報は、NTSC変換回路70及びアナログ出力端子32を経てオンライン出力され、又はディジタル画像生成部68で量子化されてカラー画像メモリ69に格納される。その後、カラー画像データがカラー画像メモリ69からSCSIコントローラ66へ転送される。
【0019】
SCSIコントローラ66は、出力用メモリ64からのデータとカラー画像とをディジタル出力端子33からオンライン出力し、又は記録メディア4に格納する。なお、カラー画像は、センサ53の出力に基づく距離画像と同一の画角の像であり、ホスト3におけるアプリケーション処理に際して参考情報として利用される。カラー情報を利用する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の計測データを組み合わせて3次元形状モデルを生成する処理、3次元形状モデルの不要の頂点を間引く処理などがある。システムコントローラ61は、図示しないキャラクタジェネレータに対して、LCD21の画面上に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。
【0020】
図4は受光のためのズームユニット51の模式図である。
ズームユニット51は、前側結像部515、バリエータ部514、コンペンセータ部513、フォーカシング部512、後側結像部511、及び入射光の一部をAFセンサ57に導くビームスプリッタ516から構成されている。前側結像部515及び後側結像部511は、光軸に対して固定である。
【0021】
フォーカシング部512の移動はフォーカシング駆動系59が担い、バリエータ部514の移動はズーミング駆動系60が担う。フォーカシング駆動系59は、フォーカシング部512の移動距離(レンズ繰り出し量Ed)を指し示すフォーカシングエンコーダ59Aを備えている。ズーミング駆動系60は、バリエータ部514の移動距離(レンズ刻み値fp)を指し示すズーミングエンコーダ60Aを備えている。
【0022】
図5は計測システム1における3次元位置の算出の原理図、図6は重心ipの概念を示す図である。図5では理解を容易にするために受光量のサンプリングについて5回分のみが示されているが、3次元カメラ2における1画素当たりのサンプリング数は32である。
【0023】
図5のように、センサ53の撮像面S2上でのスリット幅がピッチpvで並ぶ画素gの複数個分となる比較的に幅の広いスリット光Uを物体Qに投射する。具体的にはスリット光Uの幅を5画素分程度とする。スリット光Uは図の上下方向に起点Aを中心に等角速度で偏向される。物体Qで反射したスリット光Uは結像の主点O(ズーミングの後側主点H’)を通って撮像面S2に入射する。スリット光Uの投射中にセンサ53の受光量を周期的にサンプリングすることにより、物体Q(厳密には物体像)が走査される。サンプリング周期(センサ駆動周期)毎にセンサ53から1フレーム分の光電変換信号が出力される。
【0024】
物体Qの表面が平面であって光学系の特性によるノイズがない場合には、センサ53の撮像面S2の各画素gの受光量は、当該画素gがにらむ範囲の物体表面agをスリット光Uの光軸が通過する時点Npeakで最大となり、その時間的な分布は正規分布に近くなる。図5(b)の例において、時点Npeakはn回目とその1つ前の(n−1)回目のサンプリング時刻間にある。
【0025】
本実施形態においては、1フレームがセンサ53の撮像面S2の一部に対応する32ラインとされている。したがって、撮像面S2の1つの画素gに注目すると、走査中に32回のサンプリングが行われることになり、32個の受光データが得られる。これら32フレーム分の受光データに対する重心演算によって、時点Npeakに相当する重心(時間重心)ipを算出する。
【0026】
重心ipは、図6のように32回のサンプリングによって得られた32個の受光データの分布の時間軸上の重心である。各画素についての32個の受光データに、1〜32のサンプリング番号を付す。i番の受光データはxiで表される。iは1〜32の整数である。このとき、iは、注目する画素が32ラインからなる有効受光領域に入ってからのフレーム数を示している。
【0027】
1〜32番の受光データx1〜x32についての重心ipは、32個の受光データについて、i・xiの総和Σi・xiをxiの総和Σxiで除すことにより求められる。すなわち、
【0028】
【数1】
【0029】
となる。重心演算回路73はこの(1)式の演算を行って重心ip(すなわち時間重心Npeak)を算出する。
ホスト3は、求められた重心ipにおけるスリット光Uの照射方向と注目画素gに対するスリット光Uの入射方向との関係に基づいて、三角測量の手法を適用して物体Qの位置(座標)を算出する。これにより、撮像面S2の画素配列のピッチpvで規定される分解能より高い分解能の計測が可能となる。
【0030】
次に、本発明に特有の3次元カメラ2の動作をホスト3の動作及び計測の手順と合わせて説明する。
ユーザー(撮影者)は、LCD21が表示するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミング操作及びフォーカシング操作の一方又は両方を行う。操作に応じてズームユニット51の中のバリエータ部514及びフォーカシング部512が移動し、逐次にその時点のレンズ刻み値(fp)及びレンズ繰り出し量(Ed)がレンズコントローラ58を介してシステムコントローラ61に送られる。システムコントローラ61は、予め(2)式に基づいて作成された変換テーブルを用いて対物間距離Dを算定する。
【0031】
D=G(fp,Ed) …(2)
G:関数
ユーザーがシャッタボタン27をオンすると、画角が設定されたことになる。これを受けてシステムコントローラ61は、決定した対物間距離Dに基づいてスリット光Uの偏向条件(走査開始角、走査終了角、偏向角速度)を設定する。
【0032】
図7は光学系の主要な点と物体との位置関係の模式図である。
偏向条件の設定の基本的な内容は次のとおりである。対物間距離Dの位置に基準面Ssが存在するものと仮定し、撮像倍率から基準面Ssのうちの撮像面S2に写る(投影される)領域を割り出す。その領域の全域に下端側からスリット光Uを投射するように走査開始角及び走査終了角を定め、走査の所要時間が一定値となるように偏向角速度を定める。
【0033】
実際の設定では、対物間距離Dの測距基準点である受光系の前側主点Hと投光の起点AとのZ方向のオフセットDoffを考慮する。また、走査方向の端部においても中央部と同様の計測可能距離範囲dを確保するため、所定量(例えば16画素分)のオーバースキャンを行うようにする。走査開始角th1、走査終了角th2、偏向角速度ωは、次式で表される。
β:撮像倍率(=D/実効焦点距離freal)
pv:画素ピッチ
np:撮像面S2のY方向の有効画素数
L:基線長
ここで、計測可能距離範囲dは、センサ53の読み出し動作における1フレームのライン数に依存する。ライン数を多くするほど計測可能距離範囲dは拡がるが、読み出し時間が長くなりデータ量が増えて処理の負担が大きくなる。このことを踏まえた上で本実施形態では1フレームのライン数が上述のとおり32とされている。
【0034】
物体Qが計測可能距離範囲dの内側に納まる大きさであれば、1回の走査で物体Qを計測することができる。しかし、物体Qの奥行き方向(Z方向)の寸法が大きい場合など、物体Qの一部が計測可能距離範囲dからはみ出すと、その部分についての形状データが得られない。
【0035】
そこで、3次元カメラ2は、計測動作の開始指示であるシャッタボタン27のオンに呼応して、自動的に基準面Ssの位置を変更して複数回(具体的には3回)の走査を連続的に行う。これにより、分解能を低下させることなく計測可能距離範囲dよりも広い範囲の形状データを得ることができる。
【0036】
図8は基準面Ssの位置変更の一例を示す図である。
1回目の走査では基準面Ssを対物間距離Dの位置Z0に設定し、2回目の走査では対物間距離D1(D1<D)の位置Z1に設定し、3回目の走査では対物間距離D2(D2>D)の位置Z2に設定する。つまり、2回目では基準面Ssを手前側に移動させ、3回目では後ろ側に移動させる。ただし、基準面Ssの位置と走査の順序は任意であって、後ろ側の走査を手前側の走査より先に行っても何ら支障はない。対物間距離D1,D2は、2回目及び3回目の走査における計測可能距離範囲d2,d3がそれぞれ1回目の走査における計測可能距離範囲dと部分的に重複するように設定される。計測可能距離範囲d,d2,d3を重複させることにより、各回の走査で得られた形状データの合成が容易になる。計3回の走査において撮像倍率は固定であるので、基準面Ssの位置が変わればスリット光Uを投射すべき角度範囲も変わる。したがって、走査毎に偏向条件が算定されることになる。
【0037】
図9及び図10は計測可能距離範囲を説明するための図である。
図9のように基準面Ssを位置Z0に設定した場合、撮像面S2における受光軸が通る画素のY方向のアドレスをncとすると、アドレスncの画素のサンプリングを開始する時点の走査角θ1 は、
θ1=th1−ω×(nc−1) …(6)
となる。なお、Y方向のアドレスは先頭アドレス(走査開始アドレス)を1として1,2,3…とインクリメントされる。
【0038】
また、アドレスncの画素のサンプリングを終了する時点の走査角θ2は、1画素当たりのサンプリング回数をj(本例では32)として次式で求まる。
θ2=θ1−ω×(j−1) …(7)
アドレスncの画素についての計測可能距離範囲d’は、走査角θ1 の投光軸とアドレスncの画素の視線との交点Z1から、走査角θ2の投光軸とアドレスncの画素の視線との交点Z2までの奥行き範囲となる。
【0039】
同様に、アドレスnc以外のアドレスnmについてもサンプリング開始時点及び終了時点の走査角θ1m,θ2mを求めることができる。アドレスnmの画素についての計測可能距離範囲dmは、図10のように走査角θ1mの投光軸と画素の視線との交点Z1mから、走査角θ2mの投光軸と画素の視線との交点Z2mまでの奥行き範囲となる。
【0040】
図11及び図12は偏向条件の設定の要領を説明するための図である。
2回目の走査については、上述の計測可能距離範囲dの手前側(図の左側)の限界位置Z1を基準位置として、走査開始角th1a及び走査終了角th2aを求める。
【0041】
tanθ1=L/(Doff +D1)であるので、
D1=(L/tanθ1)−Doff …(8)
となる。
【0042】
(7)式から対物間距離D1を求め、上述の(3)式、(4)式を適用する。走査開始角th1a及び走査終了角th2aは(9)、(10)式で表される。
このとき偏向角速度ωaは、
ωa=(th1a−th2a)/np …(11)
となる。
【0043】
同様に、3回目の走査については計測可能距離範囲dの後ろ側(図の右側)の限界位置Z2を基準位置として、走査開始角th1b及び走査終了角th2bを求める。走査開始角th1b及び走査終了角th2bは(12)式、(13)式で表される。
このとき偏向角速度ωbは、
ωa=(th1b−th2b)/np …(14)
となる。
【0044】
このようにして求めた偏向条件(th1,th2,ω)、(th1a,th2a,ωa)、(th1b,th2b,ωb)の計3回の走査を行うことにより、アドレスncの画素については位置Z11から位置Z22までの範囲d’が計測可能範囲となる(図8参照)。
【0045】
なお、走査回数は2以上であればよく、4以上として計測可能距離範囲をさらに拡げてもよい。2回目及び3回目の走査の偏向条件に基づいて4回目以降の走査の偏向条件を求めれば、各回の計測可能距離範囲どうしを確実に重複させることができる。
【0046】
各回の走査では、対物間距離D,D1,D2に応じてレンズ繰り出し量Edを調整するオートフォーカシングが行われる。システムコントローラ61は、予め(15)式に基づいて作成された変換テーブルを用いてレンズ繰り出し量Edを求め、レンズコントローラ58に制御目標値として与える。
【0047】
Ed=F(D,fp) …(15)
F:関数
各回の走査において、バリエータ部514は操作者による設定状態に固定され、レンズ刻み値fp=fp0である。第1の偏向条件(th1,th2,ω)により得られる対物間距離D1,D2を(16)、(17)式に適用して、システムコントローラ61は2回目及び3回目の走査におけるレンズ繰り出し量Ed1,Ed2を算出する。
【0048】
Ed1=F(D1,fp0) …(16)
Ed2=F(D2,fp0) …(17)
図13は3次元カメラ2の動作の概略を示すフローチャートである。
【0049】
シャッタボタン27によって計測開始が指示されると、システムコントローラ61は第1の走査の偏向条件を算出し、その算出結果に基づいて第2、第3の走査の偏向条件を算出する(#50〜52)。
【0050】
第1の走査の偏向条件を設定して走査を開始する(#53、#54)。スリット光Uの投射、及びセンサ53による受光量のサンプリングが開始される。走査は偏向角度位置が走査終了角th2に達するまで行われる。
【0051】
第1の走査が終了すると、システムコントローラ61は第2の走査の偏向条件を設定する(#55、#56)。また、この偏向条件でのレンズ繰り出し量Ed2を求め、レンズコントローラ58を介してフォーカシング駆動系59にフォーカシング部512の移動を指示する(#57)。
【0052】
フォーカシング部512の移動が終了すると、第2の走査を開始する(#58、#59)。第2の走査が終了すると、システムコントローラ61は第3の走査の偏向条件を設定し、フォーカシング部512の移動を指示する(#60〜#62)。フォーカシングが終了すると第3の走査を開始する(#63、#64)。
【0053】
第3の走査が終了すると、3回分の計測結果を示す距離画像のモニタ表示を行い、操作者が指定した回の走査で得られた受光データに基づく重心ipを出力するデータ処理制御を行う(#65、#66)。
【0054】
図14はモニタ表示内容の一例を示す図である。
図14(b)のように計測対象の物体が位置Z11と位置Z22とに跨がる場合、各回の走査では物体Qの一部が計測される。図14(a)のように、液晶ディスプレイ21には、各回の走査結果を示す3つの距離画像g1,g2,g3が基準面の位置の順に左右に並べて表示される。すなわち、第1の走査に対応した距離画像g1を真ん中にして、左側に第2の走査に対応した距離画像g2が、右側に第3の走査に対応した距離画像g3が表示される。
【0055】
操作者はカーソルボタン22及びセレクトボタン23によってどの回の走査結果を出力するかを指定する。2以上の走査を指定してもよいし、いずれか1回の走査を指定してもよい。図14の例では上向き矢印で示されるように、第1の走査及び第2の走査が指定されている。
【0056】
指定された走査結果(所定数の画素のそれぞれについて算出された重心ip)は、重心演算回路73から出力メモリ64及びSCSIコントローラ66を介してホスト3又は記録メディア4に出力される。これと同時に、偏向条件及びセンサ53の仕様を含む装置情報も出力される。表1は3次元カメラ2がホスト3へ送る主なデータをまとめたものである。
【0057】
【表1】
【0058】
以下、計測システム1におけるデータ処理を説明する。
図15はセンサ53の読出し範囲を示す図である。
センサ53における1フレームの読出しは、撮像面S2の全体ではなく、高速化を図るために撮像面S2の一部である有効受光領域(帯状画像)Aeのみを対象に行われる。有効受光領域Aeは、ある照射タイミングにおける計測可能距離範囲に対応する撮像面S2上の領域であり、スリット光Uの偏向に伴ってフレーム毎に1画素分ずつシフトする。本実施形態では、有効受光領域Aeのシフト方向の画素数は32に固定されている。なお、CCDエリアセンサの撮影像の一部のみを読み出す手法は、特開平7−174536号公報に開示されている。
【0059】
図16はセンサ53の撮像面S2におけるラインとフレームとの関係を示す図、図17は各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
図16のように、撮像面S2の最初のフレームであるフレーム1には、ライン1からライン32までの32(ライン)×200画素分の受光データが含まれる。1ラインを200画素としている。フレーム2はライン2からライン33まで、フレーム3はライン3からライン34までというように、フレーム毎に1ライン分だけシフトされる。フレーム32はライン32からライン63までである。
【0060】
これらフレーム1からフレーム32までの受光情報が順にA/D変換されてメモリ63に記憶される(図3参照)。図17のようにメモリ63にはフレーム1、2、3〜の順に受光データが記憶され、各フレームに含まれるライン32のデータは、フレーム1については32ライン目、フレーム2については31ライン目というようにフレーム毎に1ラインづつ上方にシフトされている。フレーム1からフレーム32までの受光データがメモリ63に記憶されることによりライン32の各画素についてのサンプリングが終了する。サンプリングの終了した各画素の受光データは重心演算を行うためにメモリ63から順次読み出される。重心演算の内容は上述のとおりである。
【0061】
重心ipは物体Qの表面の位置を特定する。物体Qの表面の位置が3次元カメラ2に近いほど重心ipの値は大きく、遠いほど小さい。したがって、重心ipを濃度データとして濃淡画像を表示することにより、距離分布を具現化することができる。
【0062】
ホストにおいては、3次元位置演算処理が実行され、200×200個のサンプリング点(画素)の3次元位置(座標X,Y,Z)が算定される。サンプリング点はカメラ視線(サンプリング点と前側主点Hとを結ぶ直線)とスリット面(サンプリング点を照射するスリット光Uの光軸面)との交点である。
【0063】
図18はホストにおける3次元位置演算の処理手順を示すフローチャートである。
まず、3次元カメラ2から送られてきたxiの総和Σxiが所定値を上回っているかどうかを判定する(#11)。xiが小さい場合、つまりスリット光成分の総和Σxiが所定の基準に満たない場合には誤差を多く含んでいるので、その画素については3次元位置の算出を実行しない。そして、その画素については「エラー」を示すデータを設定して記憶する(#17)。Σxiが所定値を上回っている場合には十分な精度が得られるので、3次元位置の算出を実行する。
【0064】
3次元位置の算出に先立って、スリット光Uの通過タイミングnopを算出する(#12)。通過タイミングnopは、i=1〜32について(Σi・xi)/(Σxi)を計算して重心ip(時間重心Npeak)を求め、これにライン番号を加算することによって算出される。
【0065】
すなわち、算出された重心ipは、その画素の出力が得られている32フレーム内のタイミングであるので、ライン番号を加えることによって走査開始からの通過タイミングnopに変換する。具体的には、ライン番号は、最初に算出されるライン32の画素については「32」、次のライン33については「33」となる。注目画素gのラインが1つ進む毎にライン番号は1つ増大する。しかし、これらの値は他の適当な値とすることが可能である。その理由は、3次元位置を算出する際に、係数である後述の(20)式におけるX軸周りの回転角(the1)及びX軸周りの角速度(the4)などをキャリブレーションにより適切に設定することができるからである。
【0066】
そして3次元位置算出を行う(#13)。算出された3次元位置は、その画素に対応するメモリ領域に記憶し(#14)、次の画素について同様の処理を行う(#16)。全ての画素についての処理が終わるとルーチンから抜ける(#15でイエス)。
【0067】
次に、3次元位置の算出方法について説明する。
カメラ視線方程式は次の(18)式及び(19)式である。
(u−u0)=(xp)=(b/pu)×〔X/(Z−FH)〕 …(18)
(v−v0)=(yp)=(b/pv)×〔Y/(Z−FH)〕 …(19)
b:像距離
FH:前側主点位置
pu:撮像面における水平方向の画素ピッチ
pv:撮像面における垂直方向の画素ピッチ
u:撮像面における水平方向の画素位置
u0:撮像面における水平方向の中心画素位置
v:撮像面における垂直方向の画素位置
v0:撮像面における垂直方向の中心画素位置
スリット面方程式は(20)式である。
【0068】
【数2】
【0069】
幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離の3次関数で近似する。2次の補正係数をd1、3次の補正係数をd2とする。補正後の画素位置u’,v’は(21)式及び(22)式で与えられる。
【0070】
上述の(18)、(19)式において、uに代えてu’を代入し、vに代えてv’を代入することにより、歪曲収差を考慮した3次元位置を求めることができる。なお、キャリブレーションについては、電子情報通信学会研究会資料PRU91-113[カメラの位置決めのいらない画像の幾何学的補正]小野寺・金谷、電子情報通信学会論文誌D-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9 [光学系の3次元モデルに基づくレンジファインダの高精度キャリブレーション法]植芝・吉見・大島、などに詳しい開示がある。
【0071】
以上の実施形態では、対物間距離Dをフォーカシング部及びスーミング部の位置を検出するパッシブ型測距により算定したが、所定の角度にスリット光Uを投射して入射角を検出する予備計測を行い、三角測量法を用いて対物間距離を算出するアクティブ型測距を行ってもよい。また、測距を行わずに予め設定された対物間距離、又は操作者が設定入力して対物間距離を基準に偏向条件を設定してもよい。
【0072】
走査を1回のみ行うモードを設け、複数回の走査を行うモードとの切り換えを操作者が指定できるようにしてもよい。重心ipから座標を求める演算を3次元カメラ2の内部で行うこともできる。その構成を採用した場合には、1回目の走査の結果を分析して2回目以降の走査を要否を自動判別し、必要なときのみ複数回の走査を行う機能を設けてもよい。また、各画素についてのデータΣi・xi,Σxiを計測結果として3次元カメラ2がホスト3へ送り、ホストが重心演算を行う構成を採用してもよい。
【0073】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、物体の奥行き寸法が大きい場合でも、奥行き寸法が小さい場合と同程度の分解能の3次元データを物体全体について入力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る計測システムの構成図である。
【図2】3次元カメラの外観を示す図である。
【図3】3次元カメラの機能構成を示すブロック図である。
【図4】受光のためのズームユニットの模式図である。
【図5】計測システムにおける3次元位置の算出の原理図である。
【図6】重心の概念を示す図である。
【図7】光学系の主要な点と物体との位置関係の模式図である。
【図8】基準面の位置変更の一例を示す図である。
【図9】計測可能距離範囲を説明するための図である。
【図10】計測可能距離範囲を説明するための図である。
【図11】偏向条件の設定の要領を説明するための図である。
【図12】偏向条件の設定の要領を説明するための図である。
【図13】3次元カメラ2の動作の概略を示すフローチャートである。
【図14】モニタ表示内容の一例を示す図である。
【図15】センサの読出し範囲を示す図である。
【図16】センサの撮像面におけるラインとフレームとの関係を示す図である。
【図17】各フレームの受光データの記憶状態を示す図である。
【図18】ホストにおける3次元位置演算の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
2 3次元カメラ(3次元入力装置)
27 シャッタボタン(動作開始の指示に係わる構成要素)
40 光学系(投光手段)
50 光学系(撮像手段)
61 システムコントローラ
Q 物体
U スリット光(検出光)
Claims (5)
- 検出光を投射する投光手段と、物体で反射した前記検出光を受光して電気信号に変換する撮像手段とを有し、前記検出光の投射方向を変化させて周期的に前記物体を撮像する走査を行う3次元入力装置であって、
動作開始の指示に呼応して、前記検出光の投射角度範囲が互いに異なる複数回の走査を連続的に行う
ことを特徴とする3次元入力装置。 - 前記複数回の走査において、3次元入力の基準面がそれぞれ異なることを特徴とする請求項1に記載の3次元入力装置。
- 前記複数回の走査におけるそれぞれの回において、前記撮像手段のオートフォーカシングが行われることを特徴とする請求項1に記載の3次元入力装置。
- 請求項1に記載の3次元入力装置において、さらに前記走査による走査結果を表示する表示手段を有し、前記複数回の走査による複数の走査結果を同時に表示することを特徴とする請求項1に記載の3次元入力装置。
- 前記複数回の走査による複数の走査結果のうち、いずれを出力するかを操作者が選択可能であることを特徴とする請求項1に記載の3次元入力装置。
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