JP5123522B2 - ３次元計測方法及びそれを用いた３次元形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト法を用いた画像処理により計測対象物の３次元形状を計測する３次元計測方法に及びその装置に関する。

物体の３次元形状を非接触で計測する方法として、基準となるパターン光を計測対象物体に投影して計測対象物体の形状を計測するものがあり、例えば、位相シフト法を用いた方法が挙げられる。この方法では、計測対象物体の表面に正弦波形状の縞パターンを投影し、投影した縞パターンの位相を求める際に、カメラで撮像して得た画像の各画素について、π／２ずつ位相をずらして縞パターンを投影したときの明度値の変化を利用している。

しかしながら、明度値の変化の大きさ（コントラストの強さ）が計測精度に影響し、物体表面の反射率などの影響で明度値が飽和または暗くつぶれていると正しく位相を求めることができないため、３次元形状を測定する過程において、各画素の明度値から規定されるパラメータで、明度値の信頼性を評価する技術が開発されている。

例えば、特許文献１では、ある画素の明度の飽和を検出し、レンズの絞りを変えて再投影、撮像することによって、それぞれの画素について最適な明るさで投影された場合の明度値を選び出し、位相を求めることが開示されている。

また、特許文献２では、各画素についてコントラストを特定の計算式によって算出し、光量を変えて２度以上投影したときに、よりコントラストの大きいほうのデータを用いることで、全体として安定した形状計測結果を得るという方法が提案されている。

さらに、特許文献３では、縞パターンを投影する投影光学部を複数配置し、それぞれ異なる方向から計測対象物を投影し、これにより得られる夫々の画像の各画素でのコントラストの大小を比較し、コントラストが最も大きい投影方向からのデータを基に高さ情報を演算することが開示されている。
特許３５２５９６４号公報 特開２００５−２１４６５３号公報 特開２００４−３０９２４０号公報

しかしながら、上述のような従来技術においては、コントラストの低下による計測精度の低下並びに明度値の飽和による誤計測への対応は可能であるが、これら以外の計測精度低下の原因、すなわちノイズの重畳や正弦波形状の歪によって誤計測を発生する場合を検出することができず、信頼性の高い計測を行うための対策を行うことができなかった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、画像の各画素でのコントラストが高い場合であっても、ノイズの重畳や正弦波形状の歪みにより３次元形状計測結果の信頼性が低い点を検出することができ、信頼性の高い明度値を持つ画素においてのみ３次元形状計測計算を行うことで、測定の信頼性が高く、計測値の異常値の発生を防止できる３次元計測方法に及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、
前記縞パターンが投影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を
、前記縞パターンの位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップ
と、前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測
明度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する
演算ステップと、を備え、前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測
対象物の高さ情報を求め、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、前記演算
ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用いて位相毎
の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の絶対値を、
前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演算するステ
ップを備え、前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値より
も小さい点のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し
、前記信頼性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、前
記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、投影する縞パ
ターンの位相値の初期値を一定量変化させることを特徴とする。

請求項２の発明は、光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、
前記縞パターンが投影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を
、前記縞パターンの位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップ
と、前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測
明度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する
演算ステップと、を備え、前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測
対象物の高さ情報を求め、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、前記演算
ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用いて位相毎
の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の絶対値を、
前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演算するステ
ップを備え、前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値より
も小さい点のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し
、前記信頼性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、前
記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、縞パターンの
振幅値を定めた値だけ変化させることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、
前記縞パターンが投影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を
、前記縞パターンの位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップ
と、前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測
明度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する
演算ステップと、を備え、前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測
対象物の高さ情報を求め、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、前記演算
ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用いて位相毎
の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の絶対値を、
前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演算するステ
ップを備え、前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値より
も小さい点のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し
、前記信頼性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、前
記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、縞パターンの
投影方向を異なる方向に変化させることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の３次元形状計測方法を用いて３次元形状を計測する３次元形状計測装置である。

請求項１の発明によれば、明度値の信頼性を向上させて、投影する縞パターンの歪みやノイズ等による３次元形状の計測結果における異常値の発生を防止することができる。

請求項２の発明によれば、撮像画像にランダムノイズが重畳した場合であっても、より一層広範囲にわたって、計測対象物の高さ情報を高信頼性で得ることができる

請求項３の発明によれば、位相状態で計測結果が異常値となりやすい点についても、高さ情報を高信頼性で得ることができる。

請求項４の発明によれば、計測対象物の反射率に依存することなく、高さ情報を高信頼性で得ることができる。

請求項５の発明によれば、計測対象物が立体形状であるため影ができるような場合であっても、全体の３次元形状を高信頼性で計測することができる。

請求項６の発明によれば、３次元形状を高信頼性で計測することができる３次元形状計測装置が得られる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る３次元形状計測方法について説明する。図１は本実施形態の３次元形状計測方法が適用される３次元形状計測システムを示す。本システム１は、位相シフト法を用いた物体の３次元形状を非接触で計測するためのものであって、計測対象物６に縞パターンを投影する縞パターン投影部２と、縞パターンが投影された計測対象物６を撮像する撮像部３と、縞パターン投影部２及び撮像部３を制御すると共に、縞パターン投影部２及び撮像部３から出力された各種データを基に計測対象物６における３次元形状の計測計算を行う３次元計測処理部４と、計算結果及び撮像画像等を表示する表示部５と、を備える。

縞パターン投影部２は、照明部２１、縞パターン生成部２２及び投影光学部２３を備える。照明部２１は、光源と光源からの光を平行光に変換するコンデンサーレンズと、から成り、縞パターン生成部２２は透過型液晶と偏光板から成る。投影光学部２３は、縞パターン生成部２２で作られた縞パターンを計測対象物６に投影するためのレンズである。なお、本実施形態においては、縞パターン生成部２２に透過型液晶と偏光板を使用したが、反射型液晶と偏光板との組合せ、フィルムに焼き付けた縞パターンと所定の位相をずらすためのアクチュエータとの組合せ及びデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）でも同等の機能を実現することもできる。

撮像部３は、計測対象物６の像を撮像素子３２上に作るための光学レンズから成る撮像光学部３１と、像を光電変換するための撮像素子３２と、を備える。これにより、計測対象物６に投影され、その表面上で変形された縞パターンが撮像光学部３１に決像され、撮像素子３２によりその画像信号を出力する。

３次元計測処理部４は、縞パターンデータ作成部４１と、投影・撮像制御部４２と、メ
モリ４３と、演算部４４と、信頼性パラメータ演算部４５と、を備える。縞パターンデー
タ作成部４１は、縞パターン生成部２２において縞パターンが生成されるに際し、光の明
度が正弦波状に変化する縞パターンデータを作成する。投影・撮像制御部４２は、縞パタ
ーンの位相を一定間隔でシフトさせて、縞パターンを計測対象物６に投影し、縞パターン
が投影された計測対象物６を投影方向と異なる方向から撮像するための制御を行う。メモ
リ４３は、縞パターン投影部２で設定されたカメラ分解能、入射角度、縞パターンピッチ
及び位相シフトステップ数や、撮像部３で撮像された撮像画像における各点での明度（実
測明度）等、各部によって出力されるデータの記録を行なう。演算部４４は、メモリ４３
に記録されたデータから、撮像画像における同一点での実測明度の明度変化に基づき縞パ
ターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算し、求まった位相値から各点での計測対象
物６の高さ情報を求める。その際、信頼性パラメータ判定部は、演算部４４により求まっ
た各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用いて推定明度を計算し、実測明度と推
定明度との差の平方値、又は差の絶対値を、撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加
算した信頼性パラメータの演算を行ない、位相値の信頼性の判定を行なう。表示部５は、
上記各部における処理の結果を表示するディスプレイ等である。

次に、本実施形態に係る３次元形状計測方法の計測手順について説明する。図２は本実施形態のフローチャートを示す。ここで、下記に記すのは投影する縞パターンにおける正弦波の位相を１／４周期ずつ変化させる４相の位相シフト法の例であるが、本発明においては、５相以上の位相シフト法であっても構わない。なお、撮像部３で取得する撮像画像のサイズはｍ×ｎであって、撮像画像における各点は各画素に対応する。

まず、ステップＳ１では、計測対象物６の計測結果として表される３次元空間中の座標Ｘ（ｘ，ｙ）、Ｙ（ｘ，ｙ）、Ｚ（ｘ，ｙ）を、３次元座標算出不可を表す値γで初期化する。このように、最初にこれらを初期化することにより、３次元形状計測終了後、３次元形状計測結果を利用する際に、初期化の値γであるかどうかを判断し、正しく計測できた結果だけを使うことができる。ここで、（ｘ，ｙ）は撮像画像上の座標である。

次に、ステップＳ２では、縞パターンの位相を所定の位相π／２ずつシフトさせて縞パターン投影と撮像を繰り返し、４枚の撮像画像をメモリ４３に記録する。本ステップについては、後に詳しく説明する。

次に、ステップＬ１Ａ及びＬ１Ｂによって、この間のステップＬ２ＡからＬ２Ｂまでの処理における座標値をｙ方向にループさせ、さらにステップＬ２Ａ及びＬ２Ｂによって、この間のステップＳ３からＳ５までの処理における座標値を座標ｘ方向にループさせることにより、下記ステップＳ３，Ｓ４，及びＳ５を、撮像画像における全点について行う。

ステップＳ３では、保存した４枚の撮像画像の各点について、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）を計算する。本ステップについては、後に詳しく説明する。

次に、ステップＳ４では、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）が予め設定された所定値αより小さいかを判断する。これにより、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）によって、撮像画像における各点の信頼性を評価する。もっとも信頼性の高い場合にＳ（ｘ，ｙ）の値は０であり、Ｓ（ｘ，ｙ）が大きくなるほど計測の信頼性が低下することを表している。このようにして求めた信頼性パラメータを指標にし、この信頼性パラメータが所定値より小さい場合は、３次元座標の計算を行い、大きい場合には、３次元座標の計算は行わない。

次に、ステップＳ５では、３次元座標Ｘ（ｘ，ｙ）、Ｙ（ｘ，ｙ）、Ｚ（ｘ，ｙ） を計算する。計測対象物６に投影された縞パターンは計測対象物６の３次元形状により変調されているが、投影時の位相φ（ｕ）と、撮像画像から求めた位相φ（ｘ，ｙ）は同じものであるため、撮像素子３２上の座標と液晶上の座標の対応関係が得られ、三角測量の原理によって計測対象物６表面の３次元座標が（式１）から求められる。

ここで、ｕ（ｆ）は位相から液晶の素子上の画素へ対応付ける関数、ｐ^ｃ，ｐ^ｐはそれぞれ、撮像部３、縞パターン投影部２のキャリブレーションで求められるパラメータであり、次の（式２）、（式３）を満足する。

以上の手順で、計測対象物６表面の３次元座標が求められる。このように計測の信頼性が高い画素のみにおいて３次元計測を行うことにより、３次元形状データを用いた物体の認識、形状の検査などの処理を高精度に行うことが可能になる。また、信頼性の低い不要なデータを計算しないことにより計算速度の向上も期待できる。ここで、正確な計測値を得るためには、後述する（式５）によって得られる位相値が正確であることと、（式１）の三角測量の計算の際に用いる撮像部３および縞パターン投影部２のパラメータが正確であることが必要である。本実施形態に係る発明はこのうち、前者の位相が正確に求められたかどうかを評価する手法に関する。

ここで、ステップ２に係る位相変化・投影処理について説明する。図３はそのフローチャートを示す。本ステップにおいては、ステップＬ２１Ａ及びＬ２１Ｂによって、この間のステップＳ２１からＳ２４までを、ｉπ／２で設定される変化量においてｉの値を０〜３まで変化させ、すなわち、正弦波の位相をπ／２ずつ変化させ、繰り返して行う。まず、ステップＳ２１では、縞パターンデータ作成部４１において、光の明度が正弦波状に変化する縞パターンデータＬｉ（ｕ，ｖ）を作成する。縞パターンＬｉ（ｕ，ｖ）は（式４）のように表される。

ここで、（ｕ，ｖ）は縞パターン投影部２の液晶上の座標、ｂ（ｕ，ｖ）はバイアス値、ａ（ｕ，ｖ）は振幅値、φ（ｕ）は位相値、ｉπ／２は位相シフト量（ｉ＝０， １， ２， ３）である。縞パターンの明度はｕ方向に対して変化し、ｕは位相φの関数となっておりｕ（φ）と表すこともできる。

次に、ステップＳ２２では、縞パターン投影部２により、上記縞パターンデータＬｉ（ｕ，ｖ） の縞パターンを計測対象物６に投影し、ステップＳ２３では、縞パターンが投影された計測対象物６を、撮像部３で撮像する。さらに、ステップＳ２４では、メモリ４３に撮像された撮像画像における各点での明度（実測明度）を記録する。

次に、ステップ３に係る信頼性パラメータ算出処理について説明する。図４はそのフローチャートを示す。まず、ステップＳ３１では、演算部４４において、ステップ２でメモリ４３に記録された４枚の撮像画像における各点の明度Ｉｉ（ｘ，ｙ）（ｉ＝０，１，２，３）から、各点における縞パターンの位相値φ（ｘ，ｙ）、バイアス値Ｂ（ｘ，ｙ）、振幅値Ａ（ｘ，ｙ）を求める。位相値φ（ｘ，ｙ）、バイアス値Ｂ（ｘ，ｙ）、振幅値Ａ（ｘ，ｙ）はそれぞれ（式５）、（式６）、（式７）のように表される。

次に、Ｓ３２では、撮像画像の各点について、推定明度Ｉｉ’（ｘ，ｙ）を計算する。ある点において、π／２ずつ位相をシフトして得られた４つの明度Ｉｉ（ｘ，ｙ）（ｉ＝０，１，２，３）と、位相を求めるために推定する正弦波の関係を図５に示す。推定された正弦波においてπ／２ずつ位相をシフトした各点に対応する推定明度値をＩｉ’（ｘ，ｙ）は（式８）のように表される。

次に、ステップＳ３３では、推定明度Ｉｉ’（ｘ，ｙ）を用いて、計算された位相値の信頼性の評価を行うため、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）を計算する。Ｉｉ（ｘ，ｙ）とＩｉ’（ｘ，ｙ）の値は、もし投影された正弦波の縞パターンが正確であり、得られた明度に誤差がないとすれば一致するはずである。しかし実際には縞パターン投影時、撮像時の縞パターン生成部２２の液晶や撮像素子３２で発生するランダムノイズによる明度ばらつき、また、量子化誤差、撮像素子３２での飽和等の正弦波形状の歪によって、両者の値にはずれが生じる。そこで、このずれの大きさに着目し、各点の信頼性を評価する。本実施形態においては、信頼性を評価するパラメータＳ（ｘ，ｙ）を実測明度と推定明度の平方和により（式９）のように表す。信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）は実測明度と推定明度との差の大きさを表すものであるから、他に（式１０）のように絶対値の和で表してもよい。また、（式９）において差の平方を取っている項の平方根を取った後の和から求めてもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る３次元形状計測方法について説明する。本実施形態の３次元形状計測方法が適用される３次元形状計測システムについては、第１の実施形態と同様である（以下、同様）。図６は本実施形態のフローチャートを示す。本実施形態は、第１の実施形態に係る計測手順を複数回繰り返し、計測を行う度に、撮像画像における各点について、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）が前回の計測処理時よりも小さい場合のみ３次元座標計算を行って計測結果を更新する。このように、異なるタイミングで計測された結果の中から信頼性の高い結果のみを最終結果として残すことにより、ランダムノイズの重畳により発生する計測劣化の影響を軽減する効果がある。

まず、ステップＳ１は、前述の図２のステップＳ１と同様である（以下、同様に、同等のステップには同符号を付す）。次に、ステップＳ６では、作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ）を、信頼性パラメータ判定の所定値αで初期化する。次に、ステップＬ３Ａ及びＬ３Ｂによって、その間のステップＳ２からＬ１Ｂまでを、予め設定した繰り返し計測回数ｋ回に到達するまで繰り返して行う。

まず、ステップＳ２を行い、ステップＬ１Ａ及びＬ１Ｂと、ステップＬ２Ａ及びＬ２Ｂで下記ステップＳ３及びＳ７を、撮像画像における全点について行う。ステップＳ３を行った後、次にステップＳ７では、信頼性パラメータが予め設定された所定値α及び作業用の信頼性パラメータ Ｓｗ（ｘ，ｙ）より小さいかを判断し、その判断に基づき、作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ）を更新すると共に、３次元座標Ｘ（ｘ，ｙ）、Ｙ（ｘ，ｙ）、Ｚ（ｘ，ｙ） を計算する。ここで、本ステップに係る信頼性パラメータ判断による３次元座標更新処理について詳しく説明する。図７はそのフローチャートを示す。まず、ステップＳ４では、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）が予め設定された所定値αより小さいかを判断する。この信頼性パラメータが所定値より小さい場合は、ステップＳ７２で作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ） の値と比較を行い、大きい場合には、比較を行わない。ステップＳ７２では、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）が作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ）より小さいかを判断する。この信頼性パラメータが作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ）より小さい場合は、ステップＳ７３において、作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ） を信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ） で更新し、大きい場合は更新しない。このステップＳ７３の処理後は、前述のステップＳ５を行う。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る３次元形状計測方法について説明する。図８は本実施形態のフローチャートを示す。本実施形態は、第１の実施形態に係る３次元形状計測方法の計測手順を、投影する縞パターンの位相値の初期値を一定量Δφずつずらして繰り返し、計測を行う度に、撮像画像における各点について、信頼性パラメータ Ｓ（ｘ，ｙ）が前回の計測処理時よりも小さい場合のみ３次元座標計算を行って計測結果を更新する。このように、異なる初期位相位置で計測された結果の中から信頼性の高い結果のみを最終結果として残すことにより、（式５）の位相値φ（ｘ，ｙ） の計算において、分子、分母のどちらかが０に近づきアークタンジェントの計算が不安定になる場合の影響を軽減させる効果がある。

まず、ステップＳ１、Ｓ６を行う。次に、ステップＬ４Ａ及びＬ４Ｂによって、その間のステップＳ８からＬ１Ｂまでを、予め設定した初期位相変更ループ回数 ｋ 回に到達するまで繰り返して行う。位相値の初期値をずらす量Δφ、初期位相変更ループ回数ｋの例としては、 Δφ＝π／４、ｋ＝２とすることで有効な結果が得られる。

ステップＳ８では、位相値の初期値を一定量Δφずらし、縞パターンの位相を所定の位相π／２ずつシフトさせて縞パターン投影と撮像を繰り返し、４枚の撮像画像をメモリ４３に記録する。本ステップについては、後に詳しく説明する。

次に、ステップＬ１Ａ及びＬ１Ｂと、ステップＬ２Ａ及びＬ２Ｂで下記ステップＳ３及びＳ９を、撮像画像における全点について行う。まず、ステップＳ３を行い、次に、ステップＳ９では、信頼性パラメータが予め設定された所定値α及び作業用の信頼性パラメータ Ｓｗ（ｘ，ｙ）より小さいかを判断し、その判断に基づき、作業用の信頼性パラメータＳｗ（ｘ，ｙ）を更新すると共に、３次元座標Ｘ（ｘ，ｙ）、Ｙ（ｘ，ｙ）、Ｚ（ｘ，ｙ） を計算する。本ステップについては、後に詳しく説明する。

ここで、ステップＳ８に係る位相変化・投影処理について説明する。図９はそのフローチャートを示す。本ステップにおいては、ステップＬ２１ＡとＬ２１Ｂによって、下記ステップＳ８１，Ｓ２２，Ｓ２３、及びＳ２４を、ｉπ／２で設定される変化量においてｉの値を０〜３まで変化させ、すなわち、正弦波の位相をπ／２ずつ変化させ、繰り返して行う。ステップＳ８１では、縞パターンデータ作成部４１において、光の明度が正弦波状に変化する縞パターンデータＬｉ（ｕ，ｖ）を作成する。縞パターンＬｉ（ｕ，ｖ）は（式１１）のように表される。

ここで、（ｕ，ｖ）は縞パターン投影部２の液晶上の座標、ｂ（ｕ，ｖ）はバイアス値、ａ（ｕ，ｖ）は振幅値、φ（ｕ）は位相値、ｉπ／２は位相シフト量（ｉ＝０，１，２，３）である。縞パターンの明度はｕ方向に対して変化し、ｕは位相φの関数となっておりｕ（φ）と表すこともできる。次に、ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４を順に行う。

次に、ステップＳ９に係る信頼性パラメータ判断による３次元座標更新処理について説明する。図１０はそのフローチャートを示す。まず、ステップＳ４、Ｓ７２、Ｓ７３を順に行う。次にステップＳ９４では、位相値の初期値をｊΔφずらした分だけ算出した位相値Φから差し引く。その後、ステップＳ５を行う。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る３次元形状計測方法について説明する。図１１は本実施形態のフローチャートを示す。本実施形態は、第１の実施形態に係る３次元形状計測方法の計測手順を、投影する縞パターンの振幅値を変化させて繰り返し、計測を行う度に、撮像画像における各点について、信頼性パラメータ Ｓ（ｘ，ｙ）が前回の計測処理時よりも小さい場合のみ３次元座標計算を行って計測結果を更新する。このように、異なる振幅値で計測された結果の中から信頼性の高い結果のみを最終結果として残すことにより、明度値が飽和または、暗くつぶれて正しい計測ができない場合の影響を軽減させる効果がある。本実施形態では、縞パターンの振幅値を変化させる方法として、縞パターン投影部２の照明部２１の明るさの調節と、縞パターン生成部２２での振幅 ａ（ｕ，ｖ） の調整を組み合わせて行う。

まず、ステップＳ１、Ｓ６を行う。次に、ステップＬ５Ａ及びＬ５Ｂによって、この間のステップＳ１０からＬ６Ｂまでを、予め設定した照明調整ループ回数 ｋ 回に到達するまで、繰り返して行う。ステップＳ１０では、縞パターン投影部２の照明部２１をＬ５Ａ及びＬ５Ｂの照明調整ループの１回目には最大の明るさに設定し、以降のループ時には減光するように調節する。次に、ステップＬ６Ａ及びＬ６Ｂによって、この間のステップＳ１１からＬ１Ｂまでを、予め設定した投影振幅調整ループ回数 ｔ 回に到達するまで、繰り返して行う。ステップＳ１１では、縞パターンデータ作成部４１で（式４）中の振幅 ａ（ｕ，ｖ） を、Ｌ６Ａ及びＬ６Ｂの投影振幅調整ループの１回目には最大の振幅に設定し、以降のループ時には振幅を小さくするように調節する。

次に、ステップＳ２を行い、ステップＬ１Ａ及びＬ１Ｂと、ステップＬ２Ａ及びＬ２Ｂで下記ステップＳ３及びＳ７を、撮像画像における全点について行う。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る３次元形状計測方法について説明する。図１２は、本実施形態の３次元形状計測方法が適用される３次元形状計測システムを示す。このシステムにおいて、縞パターンの投影方向が２つの場合の構成例を示し、図１３は投影方向を４つにした場合の縞パターン投影部２の平面配置例を示す。このように本システム１は、縞パターン投影部２を複数備え、縞パターンの投影方向を増やすことで、計測対象物６の形状が複雑な場合にも、計測の信頼性を高めることができるように構成されている。

次に、本実施形態に係る３次元形状計測方法の計測手順について説明する。図１４は本実施形態のフローチャートを示す。本実施形態は、第１の実施形態に係る３次元形状計測方法の計測手順を、縞パターンの投影方向を変化させて繰り返し、計測を行う度に、撮像画像における各点について、信頼性パラメータＳ（ｘ，ｙ）が前回の計測処理時よりも小さい場合のみ３次元座標計算を行って計測結果を更新する。このように、異なる方向から投影された縞パターンで計測された結果の中から信頼性の高い結果のみを最終結果として残すことにより、計測対象物６が立体形状であるため影が発生し、影になる部分の計測が正しくできない場合や、計測対象物６の面が投影方向に対して傾斜が強く撮像部３に縞パターンの反射光が入射しにくい場合の影響を軽減させる効果がある。

まず、ステップＳ１、Ｓ６を行う。次に、ステップＬ７Ａ及びＬ７Ｂによって、この間のステップＳ１２からＬ１Ｂまでを、予め設定した投影方向変更ループ回数 ｋ 回に到達するまで、繰り返して行う。ステップＳ１２では、縞パターン投影部２をＬ７Ａ及びＬ７Ｂの投影方向変更ループの１回目には１番の縞パターン投影部２を選択し、以降のループ時には順次、次の縞パターン投影部２を選択する。次に、ステップＳ２を行い、ステップＬ１Ａ及びＬ１Ｂと、ステップＬ２Ａ及びＬ２Ｂで下記ステップＳ３及びＳ７を、撮像画像における全点について行う。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、縞パターン投影部を複数備え、縞パターンの投影方向を増やした３次元形状計測システムにおいて、３次元形状計測方法の計測手順を、投影する縞パターンのそれぞれの振幅値を個別に変化させて繰り返し、計測を行う度に、撮像画像における各点について、信頼性パラメータ Ｓ（ｘ，ｙ）が前回の計測処理時よりも小さい場合のみ３次元座標計算を行って計測結果を更新するものであってもよい。

本発明の第１の実施形態の３次元形状計測方法が適用される３次元形状計測システムを示す構成図。 上記計測方法のフローチャート。 上記計測方法での位相変化・投影処理のフローチャート。 上記計測方法での信頼性パラメータ算出処理のフローチャート。 上記計測方法での撮像画像のある点における実測明度と推定された正弦波の関係を示す図。 本発明の第２の実施形態の３次元形状計測方法のフローチャート。 上記計測方法での信頼性パラメータ判断による３次元座標更新処理のフローチャート。 本発明の第３の実施形態の３次元形状計測方法のフローチャート。 上記計測方法での位相変化・投影処理のフローチャート。 上記計測方法での信頼性パラメータ判断による３次元座標更新処理のフローチャート。 本発明の第４の実施形態の３次元形状計測方法のフローチャート。 本発明の第５の実施形態の３次元形状計測方法が適用される３次元形状計測システムにおいて、縞パターンの投影方向が２つの場合のものを示す構成図。 同システムにおいて、縞パターンの投影方向を４つにした場合の縞パターン投影部の配置状態を示す平面図。 上記計測方法のフローチャート。

符号の説明

１ ３次元形状計測システム
２ 縞パターン投影部
３ 撮像部
４ ３次元計測処理部
５ 表示部
６ 計測対象物
２１ 照明部
２２ 縞パターン生成部
２３ 投影光学部
３１ 撮像光学部
３２ 撮像素子
４１ 縞パターンデータ作成部
４２ 投影・撮像制御部
４３ メモリ
４４ 演算部
４５ 信頼性パラメータ演算部

Claims (4)

1. 光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、前記縞パターンが投
   影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を、前記縞パターンの
   位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップと、
   前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測明
   度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する演
   算ステップと、を備え、
   前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測対象物の高さ情報を求め
   、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、
   前記演算ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用
   いて位相毎の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の
   絶対値を、前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演
   算するステップを備え、
   前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値よりも小さい点
   のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し、前記信頼
   性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、
   前記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、投影する
   縞パターンの位相値の初期値を一定量変化させることを特徴とする３次元形状計測方法。
2. 光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、前記縞パターンが投
   影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を、前記縞パターンの
   位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップと、
   前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測明
   度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する演
   算ステップと、を備え、
   前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測対象物の高さ情報を求め
   、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、
   前記演算ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用
   いて位相毎の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の
   絶対値を、前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演
   算するステップを備え、
   前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値よりも小さい点
   のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し、前記信頼
   性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、
   前記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、縞パター
   ンの振幅値を定めた値だけ変化させることを特徴とする、３次元形状計測方法。
3. 光の明度が正弦波状に変化する縞パターンを計測対象物に投影し、前記縞パターンが投
   影された前記計測対象物を投影方向と異なる方向から撮像する過程を、前記縞パターンの
   位相を一定間隔でシフトさせて複数回実行する撮像画像取得ステップと、
   前記撮像画像取得ステップにより得られた複数枚の撮像画像における同一点での実測明
   度の明度変化に基づいて、前記縞パターンの位相値、バイアス値及び振幅値を演算する演
   算ステップと、を備え、
   前記演算ステップにより求まった位相値から各点での前記計測対象物の高さ情報を求め
   、３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、
   前記演算ステップにより求まった前記各点における位相値、バイアス値及び振幅値を用
   いて位相毎の推定明度を計算し、前記実測明度と前記推定明度との差の平方値、又は差の
   絶対値を、前記撮像画像取得ステップを実行した回数だけ加算した信頼性パラメータを演
   算するステップを備え、
   前記ステップにより得られた信頼性パラメータが予め設定された所定値よりも小さい点
   のみのデータを用いて、３次元形状を計測する３次元形状計測方法を繰り返し、前記信頼
   性パラメータが最小値となる点のみのデータを用いて３次元形状を計測し、
   前記撮像画像取得を複数回繰り返し行うに際して、これら複数回の計測毎に、縞パター
   ンの投影方向を異なる方向に変化させることを特徴とする、３次元形状計測方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の３次元形状計測方法を用いて３次元形状
   を計測することを特徴とする３次元形状計測装置。

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