JP4392833B2 - 3次元画像情報取得装置 - Google Patents
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Description
対象物の3次元位置情報を取得するには、種々の方法が知られている。
複数のカメラを搭載したシステムでは撮影画像を用いて対象物の位置情報を取得し、また複数の距離センサを用いたシステムでは対象物の距離情報を距離センサから取得する。また、カメラと距離センサを組み合わせたシステムでは対象物の撮影画像と距離情報を取得して対象物の3次元位置情報を取得する。
また、軍事、保安用レーザレーダとして、また火星探査ロボットとして、対象物の3次元位置情報を取得することが望まれている。
また、レーザ光をポリゴンミラーやガルバノミラーに反射させて対象物上で2次元的に走査し、対象物から反射されてくるレーザ光を受光することによって対象物の位置情報を知り、これと別途三角測量法やパルスエコー法を用いて求めた距離情報とともに対象物の3次元位置情報を取得する方法が知られている(非特許文献2)。
また、レーザ光を対象物上にスリット投影して、対象物に投影されたスリット状のレーザ光の変形状態を用いて対象物の3次元形状を知る方法が知られている(非特許文献3)。
また非特許文献2では、3次元位置情報を所望の分解能で取得する際、ポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させて反射させレーザ光の光束を絞って対象物上で走査させる際、光束の大きいレーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させて3次元位置情報を取得するのには限界がある。
また、非特許文献3では、3次元形状を求めることはできるが、対象物の距離情報を得て3次元位置情報を取得するには、対象物上に予め距離情報を得るための参照点を設定しなければならず、自動化するのが困難である。
装置10は、測定対象物Tに照射したレーザ光のうち測定対象物Tからの反射光を受光することにより取得される測定対象物Tの3次元位置情報と、測定対象物Tの表面における反射率とにより3次元画像情報を取得する装置である。3次元画像情報取得装置10は、複数のレーザ光を異なる8つの出射位置から出射させて測定対象物Tの異なる領域に照射し、測定対象物Tの表面で反射したレーザ光を受光する。
コンピュータ14は、本体部12から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部12の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。
本体部12は、レーザ光出射ユニット20と、光学ユニット30と、レーダ回路ユニット40と、制御回路ユニット50とを有する。制御回路ユニット50は、コンピュータ14と接続されている。
また、本実施形態では8つのレーザダイオードのレーザ光は測定対象物Tの異なる領域の表面を照射する、同一波長の照射光であるが、同一の領域を照射する波長の異なるレーザ光であってもよい。この場合、例えばR(赤)、G(緑)及びB(青)の3原色の可視レーザ光を同一の領域に照射することによって、後述するように測定対象物Tの表面における3原色の反射率を得ることができ、3次元カラー画像情報として取得することができる。
プリズム33は、後述する空間変調素子34とともに用いて、空間変調素子34のマイクロミラーで反射したレーザ光を、斜行面33aで透過あるいは全反射させる部分である。
具体的には、プリズム33は、空間変調素子34のマイクロミラーのうち、所定の向きに反射面の向いたマイクロミラー(ON状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光のみプリズム33の斜行面33aを透過させ、所定の向きに反射面が向かないマイクロミラー(OFF状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光を斜行面33aで全反射させるように配置される。
ON状態にあるマイクロミラーAの反射面で反射したレーザ光はレンズ36を介して光電変換器38に導かれ、OFF状態にあるマイクロミラーBの反射面で反射したレーザ光は光電変換器38と異なる方向に反射する。このように、ON状態にあるマイクロミラーで反射されたレーザ光は光電変換器38にて受光される。
空間変調素子34は、各マイクロミラーの状態をON状態/OFF状態に切り換えるためのマイクロミラー制御器35と接続されている。マイクロミラー制御器35の制御により、全マイクロミラーのうち半数以上がON状態となるマイクロミラーの異なる制御パターンに順次切り換えられる。
図4(a)は、64個(=8個×8個)のマイクロミラーアレイの空間変調素子34について、マイクロミラーの反射面の側から見た制御パターンの一例を説明する図である。
マイクロミラーは、縦方向に8列、横方向に8列、矩形形状に配列されている。図4(a)中、灰色のマイクロミラーはON状態、白色のマイクロミラーはOFF状態を示している。
このような制御パターンは、ON状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの50%以上占める制御パターンである。制御パターンは、後述する制御回路ユニット50にて作成される制御パターン信号で制御される。
一方、空間変調素子34において制御しようとするマイクロミラーの縦方向及び横方向の位置における、横方向の1次元制御パターン及び縦方向の1次元制御パターンの値(1又は−1)をそれぞれ参照し、縦方向の値と横方向の値の積が1になる場合、制御しようとするマイクロミラーはON状態とし、積が−1となる場合マイクロミラーはOFF状態に設定する。例えば、3行5列の位置にあるマイクロミラーMの、横方向の1次元制御パターンの値は−1であり、縦方向の1次元制御パターンの値は−1であり、積は1である。このことから、マイクロミラーMはON状態に設定される。こうしてON状態のマイクロミラーの数が全マイクロミラーの数の50%以上となる制御パターンの制御パターン信号が作成される。
この場合、マイクロミラーの制御パターンは、横方向の1次元制御パタ−ン及び縦方向の1次元制御パターンを組み合わせて64通り(=8×8)作成でき、この64個の異なる制御パターンを順次切り換えるように制御パターン信号が作成される。
このように制御パターンは、アダマール行列の選択された各行同士のテンソル積によって生成される。
このように空間変調素子34は、異なる制御パターンに順次切り替えながら測定対象物Tから到来するレーザ光を反射する。
光電変換器38は、受光したレーザ光を電気信号に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等のデバイスが独立して8個設けられている部分である。これらのデバイスからそれぞれ電気信号が出力される。なお、光電変換器38に設けられる上記デバイスの数は8個に限定されず、複数個でもよく、又1個であってもよい。これらのデバイスは複数のマイクロミラーの異なる領域で反射されたレーザをそれぞれ別々に受光するようにデバイスを配置してもよい。こうすることによりON状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光し、短時間に3次元画像情報を取得することができる。なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外(800〜1200μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域(400μm〜800μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。
具体的には、レーダ回路ユニット40は、発振器41、パワースプリッタ42、増幅器43、移相器44、増幅器45、パワースプリッタ46、8つのミキサ47(47a〜47h)及びミキサ47a〜47hのそれぞれに対応した増幅器48(48a〜48h)を有する。
移相器44は、RF変調信号を位相シフトさせることなく通過させ、また位相制御信号に応じて90度位相シフトさせて位相シフト変調信号を生成し、これらの信号を、増幅器45を介してパワースプリッタ46に供給する部分である。
パワースプリッタ46は、光電変換器38の複数の光電子倍増管等のデバイスに対応して設けられたミキサ47a〜47hにRF変調信号又は位相シフト変調信号を分配する部分である。
制御回路ユニット50は、システム制御器51、ローパスフィルタ52、増幅器53及びA/D変換器54を有する。
ローパスフィルタ52は、レーダ回路ユニット40から出力された中間周波数信号(IF信号)と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、時間変調されたレーザ光の信号情報のみを含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、増幅器53で増幅された後、A/D変換器54で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ14に供給される。
なお、レーザ回路ユニット40から出力される信号は、光電変換器38の8つの光電子倍増管毎に独立に出力され、それぞれ別々にフィルタ処理、増幅、A/D変換されて、コンピュータ14にパラレル信号として供給される。
CPU60は、本体部12の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路ユニット50に作成するように指示し、また後述するデータ処理部64の各処理の演算を実質的に行う部分である。
信号変換部66は、中間周波数デジタル信号を、制御パターン信号及びPN符号化変調信号を用いて変換する部分である。
制御パターン信号は、コンピュータ14の指示に従って制御回路ユニット50で作成される信号であるため、制御パターン信号は既知であり、この制御パターン信号を用いて信号変換される。
アダマール行列の各行同士は直交性を有する(各行同士の内積は0となる)ことから、アダマール行列の各行の成分同士のテンソル積にて得られる、制御パターンを表す合成行列も合成行列同士で互いに直交性を維持する。上記アダマール逆変換の処理は、上記合成行列の逆行列を用いて逆変換する処理であるが、この逆変換は、合成行列が直交性を有することから、規格化因子を除き上記合成行列を用いて行うアダマール変換と同様の処理内容となる。これにより、アダマール変換の処理を用いて、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。
上記制御パターンはアダマール行列の行成分同士のテンソル積によって得られる合成行列によって表されるため、互いに直交性を有するものであるが、本発明においては、制御パターンは、上記合成行列によって生成される必要はなく、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報に分解できる限りにおいて特に制限されない。
なお、アダマール逆変換にて求められる受光したレーザ光の情報は、複数のレーザダイオード24から出射されるレーザ光が互いに重畳されている。このため、以下に示すようにレーザ光の出射の際に時間変調に用いたPN符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用して各レーザ光に対応した中間周波数デジタル信号に分解する。PN符号化変調信号の自己相関性及び直交性については後述する。
図6は、PN符号化変調信号の一例を示す図である。図6では、PN符号化変調信号の1周期分が示されている。
PN符号化変調信号は値が0又は1からなる信号で、一定の時間間隔シフトすることによって相関関数の値が0又は−1/n(nは後述する系列符号の長さ)となる。
PN符号化変調信号は、一例を挙げると以下のように作成される符号化系列データを用いて信号化することができる。
次数k=5、符号系列の長さn=31とし、係数h1=1,h2=1,h3=0,h4=1,h5=1とし、初期値a0=1,a1=1,a2=0,a3=1,a4=0としたとき下記式(1)に示す漸化式で一意的にPN系列符号C={ak}(kは自然数)を求めることができる。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号C,Tq1・C,Tq2・Cは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
すなわち、系列符号CとC’は自己相関性を持ち、かつ直交性を有するといえる。
このようなPN系列符号の値を0,1として時系列信号としたのがPN符号化系列信号である。したがって、PN符号化変調信号も互いに自己相関性及び直交性を有する。このことから、図6におけるC1の信号と、C2〜C5の信号の相関関数を求めると値が0となる。
このようにして、信号変換部66は、アダマール逆変換及びPN符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用した分解(符号化識別変換)により、中間周波数デジタル信号から各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の時間変調の信号情報を取得することができる。
なお、PN符号化変調信号による時間変調は100KHz〜10MHzの周波数で行われ、RF変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数(50MHz〜10GHz)に比べて低周波である。
具体的には、本体部12のレーザ光出射ユニット20のレーザダイオード22から測定対象物Tまでの距離と測定対象物Tの表面上の反射点からレンズ32に至るまでの距離をρ、RF変調信号の波長をλ、RF変調信号の周波数をf、光速度をc、各レーザ光の信号の、RF変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ρは、下記式(5)を介して下記式(6)のように表すことができる。
なお、距離ρはレーザダイオード22から測定対象物Tの表面上の反射点を経由して光学レンズ36までの距離であるが、この距離ρを知れば十分である。光学レンズ32から光電変換器38の受光面までの光路の距離、さらにはミキサ47にいたる伝送線路の距離は既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
距離情報算出部68は、具体的には、信号変換部66で算出された各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光毎の信号情報を、RF変調信号の周波数別に取得する。この信号情報は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときr・cos(θ)(rは測定対象物の表面における反射率、θは位相ずれ量)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときr・sin(θ)となることから、距離情報算出部68は、これらの信号を用いて位相ずれ量θを算出する。この位相ずれ量θは、RF変調信号の少なくとも2つの周波数毎に取得されるので、この周波数に関する位相ずれ量の微分を算出することで位相ずれ情報の感度(dθ/df)を求める。
具体的には、図7(a)に示すように、光学レンズ32の中心を原点OとしてXYZ直交座標系を定め、レーザダイオード22の出射位置を点Q(位置座標(a,b,c)とする)、測定対象物Tの反射位置を点P(位置座標(x,y,z)とする)、点Pで反射したレーザ光が向かう空間変調素子34のON状態にあるマイクロミラーの位置R(位置座標(−x0,−y0,−z0)とする)とする。このとき、図7(b)に示すように、距離POは、レンズ32の倍率mと距離ROとを用いてPO=m×ROと表すことができる。なお、マイクロミラーの位置Rのうちz0は装置固有の寸法として設定されている。
一方、距離ρは下記式(7)で表すことができる。また、点Pの位置x,y,zは、下記式(8)で表すことができることから、式(7)及び式(8)を用いて倍率mは下記式(9)で表すことができる。
距離情報算出部68において説明したように、信号変換部66では、各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の信号情報が、RF変調信号の周波数別に算出され、これが反射率算出部72に供給される。この信号は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときに得られる信号情報は上述したようにr・cos(θ)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときに得られる信号情報はr・sin(θ)となる。これら2つの信号情報の値から反射率算出部72は反射率rを算出する。
図8(a)〜(e)は、装置10の駆動の際に生成される各種トリガ信号のタイミングチャートである。
次に、システム制御器51では、空間変調素子34を所定の制御パターンでマイクロミラーを制御するようにフレームトリガ信号が生成される。フレームトリガ信号とは、空間変調素子34の制御パターンを切り換えるためのトリガ信号であって、上述したようにマイクロミラーのON状態の配列を所定のパターンに制御した制御パターンを順次切り換えるためのトリガ信号である。
フレームトリガ信号が生成されると、発振器41の発振周波数を所定の周波数とするための周波数トリガ信号(図8(c)参照)が生成され、この周波数トリガ信号に従って予め定められた発信周波数制御信号が生成され発振器41に供給される。周波数トリガ信号によって発信周波数は周波数f1とf2に交互に切り換えられる。従って各モードでは、2つの発振周波数でレーザ光を時間変調するRF変調信号を生成することとなる。レーザ光は複数同時に出射されるので、光電変換器38における受光においてどのレーザ光を受光したのか識別可能としなければならない。このため各レーザ光をPN符号化変調信号によって時間変調(レーザ光の出射のON/OFF)するために、システム制御器51はレーザ光毎に互いに異なるPN符号化変調信号を生成しレーザドライバ24a〜24hに供給する。
すなわち、レーザ光の強度は周波数f1とf2で時間変調されるとともに、さらに、PN符号化変調信号によるレーザ光の出射のON/OFFにより時間変調される。周波数数f1,f2は50MHz〜10GHzであり、PN符号化変調信号による出射のON/OFFの切換周波数は100KHz〜10MHzであり、時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。
ミキサ47では、増幅器48から供給された電気信号を2つのローカル信号のそれぞれでミキシング(乗算)し、IF信号及び高次成分からなる信号が生成される。IF信号には、周波数f1の時間変調の信号情報と、PN符号化変調信号による時間変調の信号情報が含まれる。
さらに、生成された信号からローパスフィルタ52により高次成分が除去され、周波数f1の時間変調の信号情報とPN符号化変調信号による時間変調の信号情報とからなるIF信号が生成される。
こうして増幅器53を介してA/D変換器54に取り込まれ、順次サンプリングクロック信号(図8(e)参照)に従ってサンプリングされ、中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ14に供給される。
こうして、モード1におけるレーザ光の出射、受光が終了すると、順次モード2、3……に切り換えられ、各モードにおいて周波数f1,周波数f2に交互切り換えられ、制御回路ユニット50にて順次信号処理されてコンピュータ14に供給される。
信号変換部66では、各モードの中間周波数デジタル信号を用いて、アダマール逆変換及び符号化識別変換が行われる。
各モード毎に定められるマイクロミラーのON状態の制御パターンは、アダマール行列の各行間のテンソル積を利用したパターンを用いるので、この各モードの制御パターン毎に得られた中間周波数デジタル信号を用いてマイクロミラー毎の中間周波数デジタル信号に分解する。この分解はアダマール逆変換を利用して行われる。
この位相ずれ量の微分を上述した式(6)に代入することで、測定対象物Tの距離ρが求められる。この距離ρは、レーザ光毎に、かつ空間変調素子34のマイクロミラー毎に求められる。3次元位置情報算出部70では、距離情報算出部68で求められた距離ρとマイクロミラーの位置情報とを用いてレーザ光の反射した測定対象物Tの表面の3次元位置座標(x,y,z)が上述した式(8)及び(9)を用いて求められる。
こうして3次元位置情報算出部70及び反射率算出部72で求められた3次元位置情報及び反射率がディスプレイ16に供給されて、測定対象物Tの3次元画像が表示される。
なお、反射率riは測定対象物Tの表面の反射率を表し、例えばレーザ光が赤、緑及び青の3原色の可視レーザ光であれば、3原色における測定対象物Tの表面における反射率を求めることができる。すなわち、測定対象物Tの表面の色情報を取得することができ、測定対象物Tの3次元カラー画像を取得することができる。
このように、装置10は、空間変調素子34を用いるので、従来のように、レーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させる必要が無く、図2に示す光学レンズ32として大口径のものを用いることができる。これにより、レーザ光の集光能力も増大するので、遠方の測定対象物を低出力のレーザ光を用いて短時間に3次元画像を取得することができる。
12 本体部
14 コンピュータ
16 ディスプレイ
20 レーザ光出射ユニット
22 レーザダイオード
24 レーザドライバ
26,42,46 パワースプリッタ
28,32,36 光学レンズ
30 光学ユニット
34 マイクロミラー空間変調素子
37 ミラー
38 光電変換器
40 レーダ回路ユニット
41 発振器
43,45,48,53 増幅器
44 移相器
47 ミキサ
50 制御回路ユニット
51 システム制御器
52 ローパスフィルタ
54 A/D変換器
60 CPU
62 メモリ
64 データ処理部
66 信号変換部
68 距離情報算出部
70 3次元位置情報算出部
72 反射率算出部
Claims (9)
- レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の3次元画像情報を取得する3次元画像情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、
測定対象物と前記光電変換器の受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に配列された複数のマイクロミラーを有する素子であり、これらのマイクロミラーのうち選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してON状態にすることにより、このON状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からのレーザ光の反射光を前記光電変換器の受光面に導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
前記ON状態のマイクロミラーで反射され前記光電変換器で受光されたレーザ光の電気信号における、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を取得するとともに、この位相ずれ情報と、前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求めるデータ処理部と、を有することを特徴とする3次元画像情報取得装置。 - 前記レーザ光出射部は複数のレーザ光を出射し、
複数のレーザ光は、前記振幅変調信号により時間変調されるとともに、さらに各レーザ光毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調され、
前記データ処理部は、前記電気信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して、前記電気信号に変換されたレーザ光を識別する請求項1に記載の3次元画像情報取得装置。 - 前記データ処理部は、前記位相ずれ情報及び前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とともに、前記レーザ光の前記レーザ光出射部における出射位置の情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求める請求項2に記載の3次元画像情報取得装置。
- 前記レーザ光出射部は、互いに周波数の異なる複数の振幅変調信号を用いてレーザ光を時間変調し、
前記データ処理部は、異なる周波数の振幅変調信号毎に前記電気信号における前記位相ずれ情報を取得し、この複数の位相ずれ情報を用いて、3次元画像情報取得装置と測定対象物との間の距離情報を求める請求項1〜3のいずれか1項に記載の3次元画像情報取得装置。 - 前記データ処理部は、求められた前記距離情報と前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とから、測定対象物の前記3次元位置情報を求める請求項4に記載の3次元画像情報取得装置。
- 前記データ処理部は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号を参照信号として、前記電気信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における反射率の情報を求め、この反射率の情報と前記3次元位置情報とを3次元画像情報とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の3次元画像情報取得装置。
- 前記レーザ光出射部は、波長の異なる複数のレーザ光を出射し、これらのレーザ光毎に前記測定対象物における表面の反射率の情報を求めることにより、測定対象物のカラー画像情報を取得する請求項6に記載の3次元画像情報取得装置。
- 前記マイクロミラーアレイ空間変調素子は、ON状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの50%以上を占める、マイクロミラーの制御パターンが順次切り換えられ、この制御パターンに応じて空間変調されたレーザ光を前記光電変換器の受光面に導く請求項1〜7のいずれか1項に記載の3次元画像情報取得装置。
- 順次切り換えられる前記制御パターンは、互いに直交性を有する制御パターンである請求項8に記載の3次元画像情報取得装置。
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