JP4877105B2 - 車両の3次元形状モデルデータ作成方法 - Google Patents

車両の3次元形状モデルデータ作成方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の部品から構成される車両の3次元形状モデルデータを作成する方法に関する。
製品のさまざまな検討を行うために、その製品を構成する部品を含めた製品全体の3次元形状モデルデータを効率よく得たいという要求がある。
例えば、車両のCAE解析(衝突、NVH、車体強度、剛性、ユニット、空力等)や形状ベンチマークを行うためには、車両の外形の3次元形状モデルデータだけではなく、車両を構成するパーツを含めた3次元形状モデルデータが必要であり、この3次元形状モデルデータを効率よく得るための手法の確立が求められている。
車両の3次元形状モデルデータを作成する方法としては、測定対象物にターゲットマークを貼り付け、非接触光学3次元デジタイザで多方向から撮影し、得られた各方向からの画像からターゲットマークの3次元座標値データを演算し、この3次元座標値データから3次元形状モデルデータを作成する方法が知られている。測定対象物にターゲットマークを付与してターゲットマークの3次元座標値データを得る手法は、例えば特許文献1に記載されている。
特開2002−2566号公報
従来の方法によれば、車両の外側のみ、あるいは構成パーツ単体といった単位で、個々に3次元形状モデルデータを作成することは可能である。しかし、これらの3次元形状モデルデータは個々に独立のものであり、このような3次元形状モデルデータからは、各パーツが車両全体のどこに位置しているのかといった車両全体に対する各パーツの関連性や、パーツとパーツの関連性を得ることはできなかった。車両の外形のみの3次元形状モデルデータと、個々のパーツの3次元形状モデルデータを別々に作成しても、それらのデータを相互に関連付けるものがなければ、信頼性の高い解析を行うことはできない。
本発明は、車両の外形及び各部品が相互に関連付けられた3次元形状モデルデータを高速・高精度に作成する方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る車両の3次元形状モデルデータを作成する方法は、以下の工程を有することを特徴とする。
(A1)車両の外面に複数のターゲットマークを付与する。
(A2)工程A1で複数のターゲットマークが付与された車両の外面を第1撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により前記複数のターゲットマークの全体3次元座標値データを取得する。
(A3)車両の外面形状を第2撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により前記全体3次元座標値データに関連付けた車両外面の3次元座標値からなる全体3次元形状モデルデータを作成する。
(B1)車両の蓋物を取り外し、露見する部品の外面に複数のターゲットマークを付与する。
(B2)工程B1で複数のターゲットマークが付与された部品の外面と該部品周辺の車両の外面とを含む範囲を前記第1撮像手段で撮像し、画像処理により当該複数のターゲットマークの部分3次元座標値データを取得する。
(B3)工程A1で前記部品周辺の車両の外面に付与された少なくとも3点のターゲットマークの前記部分3次元座標値データにおける座標値を前記全体3次元座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、前記部分3次元座標値データを前記全体3次元座標値データと同じ座標系のデータへと座標変換する。
(B4)前記部品の外面形状を前記第2撮像手段で撮像し、画像処理により、工程B3で座標変換された部分3次元座標値データに関連付けた当該部品外面の3次元座標値からなる部分3次元形状モデルデータを作成する。
(C1)前記部品を車両から取り外し、工程B1でターゲットマークが付与された外面以外の外面に、追加的に複数のターゲットマークを付与する。
(C2)工程C1で全外面に複数のターゲットマークが付与された前記部品の全外面を前記第1撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により複数のターゲットマークの部品3次元座標値データを取得する。
(C3)工程B1で前記部品の外面に付与された少なくとも3点のターゲットマークの前記部品3次元座標値データにおける座標値を工程B3で座標変換された部分3次元座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、前記部品3次元座標値データを当該座標変換された部分3次元座標値データと同じ座標系のデータへと座標変換する。
(C4)前記部品の全外面形状を前記第2撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により、工程C3で座標変換された部品3次元座標値データに関連付けた当該部品の全外面の3次元座標値からなる部品3次元形状モデルデータを作成する。
上記の一連の工程によれば、車両の外形と各部品とが相互に関連付けられた3次元形状モデルデータを効率的に作成することができる。
本発明によれば、車両の外形と各部品とが相互に関連付けられた3次元形状モデルデータを高速・高精度に作成することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
<システム構成>
図1は、本実施形態における3次元形状モデルデータの作成方法のプラットフォームとなるシステムの構成を示す図である。
10が本実施形態において計測対象とする車両である。20,30は計測手段であり、具体的には20は、第1撮像手段としての座標測定カメラである。この座標測定カメラは、いわゆる3次元デジタイザで、例えば、CogniTens社のOptigo 11が好適であるが、一般のデジタル一眼レフカメラを使用することもできる。30は、第2撮像手段としての3次元測定カメラである。上記の座標測定カメラ20と比較すると、この3次元測定カメラ30は、31,32,33で示される3つのCCDカメラを装備し、1ショットで3枚の2次元画像データを得ることができ、高速な撮影が可能となっている点が特徴である。このような3次元測定カメラとしては、例えば、CogniTens社のOptigo 200などが好適である。座標測定カメラ20及び3次元測定カメラ30は共に可搬性があり、計測対象である車両10をあらゆる角度から手持ち撮影が可能である。もっとも、3次元測定カメラ30について図示のように、多関節アーム付きの台車34によって支持されていてもよい。
座標測定カメラ20及び3次元測定カメラ30はそれぞれ、画像処理手段としてのパーソナルコンピュータ40に接続されており、撮影により得られた画像データをこのパーソナルコンピュータ40に転送することができる。
図2は、パーソナルコンピュータ40のハードウェア構成を示すブロック図である。
図示の如く、パーソナルコンピュータ40は、動作を司るCPU41、CPU41のワークエリアを提供し主記憶装置として機能するRAM42、ブートプログラム等を記憶しているROM43をはじめ、以下の構成を備える。
VRAM44は表示する画像データを展開するメモリであり、ここに画像データ等を展開することでモニタ45に画像を表示させることができる。
HDD46はハードディスク装置であって、ここにオペレーティング・システム(OS)や、後述する3次元座標値データや3次元形状モデルデータの生成等を行うための画像処理ソフトウェアがインストールされている。また、HDD46には、生成された3次元座標値データや3次元形状モデルデータを記憶する領域も確保されている。
47及び48はそれぞれ、入力デバイスであるキーボード及びマウスである。また、49は座標測定カメラ20及び3次元測定カメラ30と接続するためのインタフェース(I/F)である。
以下、上記したシステム構成において、計測対象物である車両10の3次元形状モデルデータを作成する方法の一例を詳しく説明する。
<工程A1.車両外面へのターゲットマークの付与>
はじめに、図3に示すように、車両10の外面の全体に、光学反射面を有する複数のターゲットマークTを貼り付ける。以下に説明する一連の工程が完了するまで、ターゲットマークTのずれやはがれが生じないように固定する。ボディのような磁性体に対してはマグネット製のターゲットマークを使用すると便利である。ターゲットマークTは車両10の外面全体に概ね均一に貼り付ける。ただし、位置の認識を行うために直線状にならないように留意する。
また、車両10の周囲には、オートバー及びスケールバーを配置する(図示省略)。オートバーは、例えば5つのターゲットが十字形に並んだもので、座標測定カメラ20又は3次元測定カメラ30の方向を決定するのに使用される。また、スケールバーは、間隔が既知の複数のターゲットを有し、3次元座標系の基準器として使用される。
<工程A2.全体3次元座標値データの取得>
工程A1で複数のターゲットマークTが付与された車両10の外面を、座標測定カメラ20で複数の位置から撮像する。撮影者は、車両10の周囲を、ポジションを変えながら撮影していく。これにより、各ターゲットマークTについて、少なくとも2つの視点からの2次元画像データを得る。
撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、画像処理ソフトウェアにより、公知のデジタル写真測量のアルゴリズムによる画像処理を施し、ターゲットマークTの3次元座標値データ(アライメントデータ)を生成する。この3次元座標値データは、図4に示すように、ターゲットマークTのXYZ座標値を表すテキストデータであり、車両10の外面の全体に係るものであることから、ここでは「全体3次元座標値データ」という。
<工程A3.全体3次元形状モデルデータの作成>
工程A2で得られた全体3次元座標値データを3次元測定カメラ30にインポートし、その後、車両10の外面形状を、この3次元測定カメラ30で複数の位置から撮像する(図5参照)。この撮影の際には、撮影範囲内に必ずターゲットマークTが複数個収まるように撮影する。
撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだ2次元画像データを3次元形状モデルデータ(点群データ)に変換する。
パーソナルコンピュータ40は更に、この3次元形状モデルデータを、全体3次元座標値データの座標空間上に配置する。具体的には、図6に示すように、1ショット当たりの3次元形状モデルデータからターゲットマークを検出し(図6の61)、全体3次元座標値データに対してパタンマッチングを行う。そしてこの結果に応じてその3次元形状モデルデータの座標変換(位置合わせ)を行う。
撮影の都度、上記の3次元形状モデルデータへの変換及びその3次元形状モデルデータの座標空間上への配置が行われる。こうして、全体3次元座標値データに関連付けた車両外面の3次元座標値からなる車両10の外面全体の3次元形状モデルデータが作成される。以下、この3次元形状モデルデータを「全体3次元形状モデルデータ」という。
<工程B1.部品外面へのターゲットマークの付与>
次に、図7に示すように、車両10の蓋物であるボンネット11を取り外す。そして、これにより露見する部分、具体的には、エンジンルーム12内及びエンジン本体13上部に、複数のターゲットマークTを貼り付ける。なお、車両10の別の蓋物であるフロントドア、リヤドア、トランクリッド(リフトゲート)も、この工程で取り外してしまってよい。
<工程B2.部分3次元座標値データの取得>
工程B1で複数のターゲットマークTが付与された部分を、座標測定カメラ20で複数の位置から撮像する。このとき、工程B1で複数のターゲットマークTが付与された部分だけでなく、エンジンルーム12周辺の車両外面の部分14(工程A1でターゲットマークT1〜T4が付与されている)もあわせて撮影する。
撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、工程A2と同様に、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、ターゲットマークTの3次元座標値データを生成する。この3次元座標値データはターゲットマークのXYZ座標値を表すテキストデータである。この3次元座標値データは、工程B1で車両10の蓋物を取り外した際に露見する、組み付けられた部品群(ターゲットマークが付与される部分)に係るものであることから、ここでは「部分3次元座標値データ」又は「部品群3次元座標値データ」という。
<工程B3.部分3次元座標値データの座標変換>
図8に示すように、工程B2で得られた部分3次元座標値データと、工程A2で得られた全体3次元座標値データとでは、座標系が異なっている。そこで、両者の座標系を合わせる処理を行う。
具体的には、工程B2で撮影したエンジンルーム12周辺の車両外面に付与された少なくとも3点のターゲットマーク(例えば、ターゲットマークT1〜T3)の部分3次元座標値データにおける座標値を、全体3次元座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、部分3次元座標値データを全体3次元座標値データと同じ座標系のデータに変換する。この処理は、パーソナルコンピュータ40の画像処理ソフトウェアの一機能として実行可能である。例えば、ユーザは、パーソナルコンピュータ40上で、部分3次元座標値データ及び全体3次元座標値データからそれぞれ、3点のターゲットマークT1〜T3の座標値データを選択し、座標変換処理を指示する。すると、パーソナルコンピュータ40は、部分3次元座標値データにおける当該3点のターゲットマークT1〜T3の座標値を全体3次元座標値データにおける座標値に一致させ、これに応じて部分3次元座標値データのその他の座標値も変位させる。
この座標変換により、車両10の外面形状の全体3次元座標値データと、エンジンルーム12内の部分3次元座標値データとの座標基準が揃ったことになる。
<工程B4.部分3次元形状モデルデータの作成>
工程B3で座標変換された部分3次元座標値データを、3次元測定カメラ30にインポートし、その後、インポートされた座標値データを基に3次元測定カメラ30でエンジンルーム12内、エンジン本体13上部の撮影を複数の位置から行う(図9参照)。
撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだエンジンルーム12内、エンジン本体13上部の2次元画像データを3次元形状モデルデータに変換する。この3次元形状モデルデータは、車両10の蓋物を取り外した際に露見する、組み付けられた部品群の3次元形状モデルデータであることから、「部分3次元形状モデルデータ」又は「部品群3次元形状モデルデータ」という。
ここで得られた部分3次元形状モデルデータは、工程B3で座標変換された部分3次元座標値データに基づくものであるから、全体3次元形状モデルデータと同じ座標系となっている。
<工程C1.部品の他の外面へのターゲットマークの付与>
次に、図10に示すように、エンジン本体13を車両10から取り外す。このエンジン本体13の上部には、工程B1においてターゲットマークTが付与されている。ここでは、工程B1でターゲットマークが付与された外面以外の外面に、追加的に複数のターゲットマークTを貼付する。
<工程C2.部品3次元座標値データの取得>
工程C1で全外面に複数のターゲットマークTが付与されたエンジン本体13の全外面を、座標測定カメラ20で複数の位置から撮像する。
撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、工程A2,B2と同様に、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、ターゲットマークの3次元座標値データを生成する。この3次元座標値データはターゲットマークのXYZ座標値を表すテキストデータであり、工程C1でターゲットマークTが付与された部品(エンジン本体13)に係るものであることから、ここでは「部品3次元座標値データ」という。
<工程C3.部品3次元座標値データの座標変換>
工程C2で得られた部品3次元座標値データの座標系と、工程B3で座標変換された部分座標値データの座標系(すなわち、工程A2で得られた全体3次元座標値データの座標系)とは異なっている。そこで、工程C2で得られた部品3次元座標値データの座標系を工程B3で座標変換された部分座標値データの座標系に変換する処理を行う。
具体的には、工程B1でエンジン本体13の上部に付与された少なくとも3点のターゲットマークTの部品3次元座標値データにおける座標値を、工程B3で座標変換された部分座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、部品3次元座標値データを部分3次元座標値データと同じ座標系のデータに変換する。この処理も、工程B3と同様に、パーソナルコンピュータ40の画像処理ソフトウェアの一機能として実行可能である。例えば、ユーザは、パーソナルコンピュータ40上で、部品3次元座標値データ及び座標変換後の部分3次元座標値データからそれぞれ、3点のターゲットマークの座標値データを選択し、座標変換処理を指示する。すると、パーソナルコンピュータ40は、部品3次元座標値データにおける当該3点のターゲットマークの座標値を部分3次元座標値データにおける座標値に一致させ、これに応じて部品3次元座標値データのその他の座標値も変位させる。
この座標変換により、エンジン本体13の部品3次元座標値データは、エンジンルーム12内の部分3次元座標値データ及び、車両10の外面形状の全体3次元座標値データと座標基準が揃ったことになる。
<工程C4.部品3次元形状モデルデータの作成>
工程C3で座標変換された部品3次元座標値データを、3次元測定カメラ30にインポートし、その後、インポートされた座標値データを基に3次元測定カメラ30でエンジン本体13の全外面形状を複数の位置から撮像する(図12参照)。
この撮影により得られた複数の2次元画像データはパーソナルコンピュータ40に転送される。パーソナルコンピュータ40は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだエンジン本体13の全外面に係る2次元画像データを部品3次元形状モデルデータに変換する。
ここで得られた部品3次元形状モデルデータは、工程C3で座標変換されたエンジン本体13に係る部品3次元座標値データに基づくものであるから、部分3次元形状モデルデータ及び全体3次元形状モデルデータと同じ座標系となっている。
以上の一連の工程により、車両10の外面を表す全体3次元形状モデルデータ、ボンネット11を除去した状態のエンジンルーム12内を表す部分3次元形状モデルデータ、及び、エンジン本体13を表す部品3次元形状モデルデータを、同一の座標系で取得することができる。
そして、上記したB1以降の工程を、ドアを取り外した際に露見する車室内の部品(インストルメントパネル、シート等)、タイヤ、アンダカバーなどの、車両を構成する各パーツについて繰り返すことにより、これらのパーツについても座標系を共通にする部品3次元形状モデルデータを得ることができる。
このように、本実施形態の3次元形状モデルデータの作成方法によれば、全体3次元形状モデルデータ、部分3次元形状モデルデータ、部品3次元形状モデルデータの座標系を共通にすることで、それぞれのモデルデータの関連付けが行われる。これにより、各部品の車両全体における位置関係を容易に把握可能であり、効果的な解析等の作業が可能になる。例えば、これらの3次元形状モデルデータを処理可能なCADソフトウェアを利用することで、車両のCAE解析(衝突、NVH、車体強度、剛性、ユニット、空力等)や形状ベンチマークを行うことが可能になる。
また、上記のようにして座標系が統一された全体3次元形状モデルデータ、部分3次元形状モデルデータ、部品3次元形状モデルデータを合成して、各部品を含む車両10全体の合成3次元形状モデルデータを作成することも可能である。
なお、詳細は省略するが、ボンネットなどの各蓋物についても、内側にターゲットマークを貼り付けて座標測定カメラ20及び3次元測定カメラ30で測定し、画像処理により関連付けた3次元座標値データと3次元形状モデルデータを取得する。
本発明は、上述したようなタイプの車両に限らず、種々のタイプの車両に対して適用可能である。
実施形態における3次元形状モデルデータの作成方法のプラットフォームとなるシステムの構成を示す図である。 実施形態におけるパーソナルコンピュータのハードウェア構成を示すブロック図である。 実施形態における車両外面へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。 実施形態におけるパーソナルコンピュータによるターゲットマークの全体3次元座標値データの生成を説明する図である。 実施形態における3次元測定カメラへの全体3次元座標値データのインポート及び3次元測定カメラによる車両外面の撮影を説明する図である。 実施形態における3次元形状モデルデータの全体3次元座標値データの座標空間上への配置を説明する図である。 実施形態におけるボンネットの取り外し、エンジンルーム内へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。 実施形態における部分3次元座標値データの座標変換を説明する図である。 実施形態における3次元測定カメラによるエンジンルーム内及びエンジン本体上部の撮影を説明する図である。 実施形態におけるエンジン本体の取り外し、エンジン本体へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。 実施形態における部品3次元座標値データの座標変換を説明する図である。 実施形態における3次元測定カメラによるエンジン本体の撮影を説明する図である。
符号の説明
10:車両
20:座標測定カメラ
30:3次元測定カメラ
31,32,33:CCDカメラ
34:台車
40:パーソナルコンピュータ

Claims (2)

  1. 車両の3次元形状モデルデータを作成する方法であって、
    (A1)車両の外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
    (A2)工程A1で複数のターゲットマークが付与された車両の外面を第1撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により前記複数のターゲットマークの全体3次元座標値データを取得する工程と、
    (A3)車両の外面形状を第2撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により前記全体3次元座標値データに関連付けた車両外面の3次元座標値からなる全体3次元形状モデルデータを作成する工程と、
    (B1)車両の蓋物を取り外し、露見する部品の外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
    (B2)工程B1で複数のターゲットマークが付与された部品の外面と該部品周辺の車両の外面とを含む範囲を前記第1撮像手段で撮像し、画像処理により当該複数のターゲットマークの部分3次元座標値データを取得する工程と、
    (B3)工程A1で前記部品周辺の車両の外面に付与された少なくとも3点のターゲットマークの前記部分3次元座標値データにおける座標値を前記全体3次元座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、前記部分3次元座標値データを前記全体3次元座標値データと同じ座標系のデータへと座標変換する工程と、
    (B4)前記部品の外面形状を前記第2撮像手段で撮像し、画像処理により、工程B3で座標変換された部分3次元座標値データに関連付けた当該部品外面の3次元座標値からなる部分3次元形状モデルデータを作成する工程と、
    (C1)前記部品を車両から取り外し、工程B1でターゲットマークが付与された外面以外の外面に、追加的に複数のターゲットマークを付与する工程と、
    (C2)工程C1で全外面に複数のターゲットマークが付与された前記部品の全外面を前記第1撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により複数のターゲットマークの部品3次元座標値データを取得する工程と、
    (C3)工程B1で前記部品の外面に付与された少なくとも3点のターゲットマークの前記部品3次元座標値データにおける座標値を工程B3で座標変換された部分3次元座標値データにおける当該少なくとも3点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、前記部品3次元座標値データを当該座標変換された部分3次元座標値データと同じ座標系のデータへと座標変換する工程と、
    (C4)前記部品の全外面形状を前記第2撮像手段で複数の位置から撮像し、画像処理により、工程C3で座標変換された部品3次元座標値データに関連付けた当該部品の全外面の3次元座標値からなる部品3次元形状モデルデータを作成する工程と、
    を有することを特徴とする方法。
  2. 前記車両の蓋物はドア及びボンネットであり、前記部品は、ドアを取り外した際に露見する車室内の部品及びボンネットを取り外した際に露見するエンジンルーム内の部品であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
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