JPH07260451A - ３次元形状測定システム - Google Patents
３次元形状測定システムInfo
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- JPH07260451A JPH07260451A JP6049145A JP4914594A JPH07260451A JP H07260451 A JPH07260451 A JP H07260451A JP 6049145 A JP6049145 A JP 6049145A JP 4914594 A JP4914594 A JP 4914594A JP H07260451 A JPH07260451 A JP H07260451A
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ３次元形状測定システムに関し、交叉軸系の
ワンステップ位相シフト法において、比較的簡単な処理
で、３次元形状測定値を得ることのできる３次元形状測
定システムを提供する。 【構成】 基準面１４に投影された格子の画像の周期が
４画素又は８画素にほぼ相当する長さになるように格子
プロジェクタ１０及びＣＣＤカメラ１２を配置し、基準
面１４について予め位相量の分布を測定してψconstant
（ｉ，ｊ）として予め格納しておき、測定対象物１６に
ついて得られたψ（ｉ，ｊ）から差し引くことによって
補正し、高さデータｚ（ｉ，ｊ）を得る。位相量は連続
する３画素の値から計算する。
ワンステップ位相シフト法において、比較的簡単な処理
で、３次元形状測定値を得ることのできる３次元形状測
定システムを提供する。 【構成】 基準面１４に投影された格子の画像の周期が
４画素又は８画素にほぼ相当する長さになるように格子
プロジェクタ１０及びＣＣＤカメラ１２を配置し、基準
面１４について予め位相量の分布を測定してψconstant
（ｉ，ｊ）として予め格納しておき、測定対象物１６に
ついて得られたψ（ｉ，ｊ）から差し引くことによって
補正し、高さデータｚ（ｉ，ｊ）を得る。位相量は連続
する３画素の値から計算する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、測定対象物の表面の３
次元形状を測定する３次元形状測定システム、特に、測
定対象物が生体であっても、支障なくその表面の微細な
３次元形状を測定することの可能な３次元形状測定シス
テムに関する。生体表面のしわ等の微細な３次元形状が
測定できれば、例えば、しわ取りクリームの効果の客観
的な評価が可能となる。しかしながら、測定対象が生体
である場合、種々の制約があり、また、深さが数１０〜
１００μｍである小じわまで検出しその形状を測定する
ためには１０μｍまでの分解能が要求される。
次元形状を測定する３次元形状測定システム、特に、測
定対象物が生体であっても、支障なくその表面の微細な
３次元形状を測定することの可能な３次元形状測定シス
テムに関する。生体表面のしわ等の微細な３次元形状が
測定できれば、例えば、しわ取りクリームの効果の客観
的な評価が可能となる。しかしながら、測定対象が生体
である場合、種々の制約があり、また、深さが数１０〜
１００μｍである小じわまで検出しその形状を測定する
ためには１０μｍまでの分解能が要求される。
【０００２】本発明は、このような制約のある測定環境
下においても、要求される仕様を満足する測定が可能な
３次元形状測定システムに言及する。
下においても、要求される仕様を満足する測定が可能な
３次元形状測定システムに言及する。
【０００３】
【従来の技術】本願出願人は、既に特願平２−２１５８
８５号において、上述の測定環境下における測定に最適
な３次元形状測定システムを提案している。この装置に
よれば、黒白２値のみの濃淡を有する格子（ロンキー格
子）を用いて測定対象に格子を投影し、撮像して得られ
た信号をＡ／Ｄ変換したものは、正弦波状の濃淡を持つ
格子（正弦格子）とみなせるとの発見にもとづき、格子
パターン投影法（精密工学会誌、５３、（３）、ｐｐ４
２２−４２６）で使用されるロンキー格子を用いて得ら
れた信号に縞走査法における解析手法を適用することに
よって、生体にとって安全上問題のあるレーザ光を使用
することなく、除震装置が不要であるので測定上の幾何
学的制約が少なく、かつ、短時間で測定を完了すること
ができる等の、生体の３次元形状測定に最適の環境で、
縞走査法による精密な３次元形状測定値を得ることがで
きるようになった。
８５号において、上述の測定環境下における測定に最適
な３次元形状測定システムを提案している。この装置に
よれば、黒白２値のみの濃淡を有する格子（ロンキー格
子）を用いて測定対象に格子を投影し、撮像して得られ
た信号をＡ／Ｄ変換したものは、正弦波状の濃淡を持つ
格子（正弦格子）とみなせるとの発見にもとづき、格子
パターン投影法（精密工学会誌、５３、（３）、ｐｐ４
２２−４２６）で使用されるロンキー格子を用いて得ら
れた信号に縞走査法における解析手法を適用することに
よって、生体にとって安全上問題のあるレーザ光を使用
することなく、除震装置が不要であるので測定上の幾何
学的制約が少なく、かつ、短時間で測定を完了すること
ができる等の、生体の３次元形状測定に最適の環境で、
縞走査法による精密な３次元形状測定値を得ることがで
きるようになった。
【０００４】また、特願平４−７７９６号において、上
記のシステムの測定精度を一層改善するためにロンキー
格子の替わりに使用される、正弦関数の濃度分布を有す
る格子板とその製造方法を提案している。前述の縞走査
法では、測定対象物の高さ（深さ）によって生じた変形
格子画像における位相の大きさを算出するために、格子
の位相を変えて測定対象物に投影し、それぞれにおいて
得られる画像から投影格子の位相を算出しているので、
１回の３次元形状測定のために複数回撮影する必要があ
り、そのための時間を要するという問題があった。ま
た、格子の位相を精度良くシフトさせるために高価な位
相シフタが必要であるという問題もあった。さらに、複
数画面分の画像データを蓄積するために大容量のメモリ
が必要であるという問題もあった。
記のシステムの測定精度を一層改善するためにロンキー
格子の替わりに使用される、正弦関数の濃度分布を有す
る格子板とその製造方法を提案している。前述の縞走査
法では、測定対象物の高さ（深さ）によって生じた変形
格子画像における位相の大きさを算出するために、格子
の位相を変えて測定対象物に投影し、それぞれにおいて
得られる画像から投影格子の位相を算出しているので、
１回の３次元形状測定のために複数回撮影する必要があ
り、そのための時間を要するという問題があった。ま
た、格子の位相を精度良くシフトさせるために高価な位
相シフタが必要であるという問題もあった。さらに、複
数画面分の画像データを蓄積するために大容量のメモリ
が必要であるという問題もあった。
【０００５】そこで本願発明者は、Ｒ．Ｇｕ，Ｔ．Ｙｏ
ｓｈｉｚａｗａ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １７２０、４７
０（１９９２）において、１枚分の画像データから変形
格子画像の位相を計算するワンステップ位相シフト法に
よる３次元形状測定法を提案した。提案された手法で
は、格子板の平面がカメラの光学系の光軸に対して垂
直、すなわち、格子の投影系の光軸と撮像系の光軸とが
平行な系（以下平行軸系と称する）について、両光軸に
垂直な基準面へ投影されＣＣＤカメラで撮影された画像
における格子の周期が４画素分の長さになるように調整
し、ＣＣＤカメラで得られた画像の各画素について格子
線に直角な方向に連続する３画素の値から格子の位相を
算出している。投影系としては、タルボ効果を利用した
レーザ光による光学系が採用されている。
ｓｈｉｚａｗａ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １７２０、４７
０（１９９２）において、１枚分の画像データから変形
格子画像の位相を計算するワンステップ位相シフト法に
よる３次元形状測定法を提案した。提案された手法で
は、格子板の平面がカメラの光学系の光軸に対して垂
直、すなわち、格子の投影系の光軸と撮像系の光軸とが
平行な系（以下平行軸系と称する）について、両光軸に
垂直な基準面へ投影されＣＣＤカメラで撮影された画像
における格子の周期が４画素分の長さになるように調整
し、ＣＣＤカメラで得られた画像の各画素について格子
線に直角な方向に連続する３画素の値から格子の位相を
算出している。投影系としては、タルボ効果を利用した
レーザ光による光学系が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述のワンステップ位
相シフト法では、投影系の光軸と撮像系の光軸とが本質
的に平行であるという要請があるため、投影系として安
価な点光源を用いた格子プロジェクタを採用すると、Ｃ
ＣＤカメラの視野内に明瞭な格子パターンが投影されな
いので、精度の良い測定ができないという問題がある。
相シフト法では、投影系の光軸と撮像系の光軸とが本質
的に平行であるという要請があるため、投影系として安
価な点光源を用いた格子プロジェクタを採用すると、Ｃ
ＣＤカメラの視野内に明瞭な格子パターンが投影されな
いので、精度の良い測定ができないという問題がある。
【０００７】Ｓ．Ｔｏｙｏｏｋａ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐ
ｌ．Ｏｐｔ．２５、１６３０（１９８６）には、投影系
の光軸と撮像系の光軸が交叉している系（以下交叉軸系
と称する）におけるワンステップ位相シフト法に相当す
る技術が開示されている。しかしながら、位相量の計算
に複雑な処理を要するという問題がある。したがって本
発明の目的は、交叉軸系のワンステップ位相シフト法に
おいて、比較的簡単な処理で、３次元形状測定値を得る
ことのできる３次元形状測定システムを提供することに
ある。
ｌ．Ｏｐｔ．２５、１６３０（１９８６）には、投影系
の光軸と撮像系の光軸が交叉している系（以下交叉軸系
と称する）におけるワンステップ位相シフト法に相当す
る技術が開示されている。しかしながら、位相量の計算
に複雑な処理を要するという問題がある。したがって本
発明の目的は、交叉軸系のワンステップ位相シフト法に
おいて、比較的簡単な処理で、３次元形状測定値を得る
ことのできる３次元形状測定システムを提供することに
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段並びに作用】本発明によれ
ば、測定対象物に格子パターンを投影する格子パターン
投影装置と、測定対象物に投影された格子パターンの２
次元画像を生成する撮像装置であって、その光学系の光
軸が該格子パターン投影装置の光学系の光軸と実質的に
交叉し、該交叉点を通る基準面に投影された格子パター
ンについて生成される２次元画像における格子線の周期
が、ｎを４以上の整数とするとき、ｎ画素分の長さにほ
ぼ等しくなるように設けられた撮像装置と、該撮像装置
が生成する２次元画像の各画素について、格子線に直角
な方向に近接するｎ画素のうちの少なくとも３画素の値
から位相量を算出する手段と、測定対象物について該位
相量算出手段が算出する位相量から、基準面について該
位相量算出手段が算出する位相量を対応する画素毎に減
算することによって位相量を画素毎に補正する手段と、
該位相量補正手段により補正された位相量に基づき、画
素毎に測定対象物の基準面からの距離を算出することに
より、測定対象物の３次元形状測定値を計算する手段と
を具備することを特徴とする３次元形状測定システムが
提供される。
ば、測定対象物に格子パターンを投影する格子パターン
投影装置と、測定対象物に投影された格子パターンの２
次元画像を生成する撮像装置であって、その光学系の光
軸が該格子パターン投影装置の光学系の光軸と実質的に
交叉し、該交叉点を通る基準面に投影された格子パター
ンについて生成される２次元画像における格子線の周期
が、ｎを４以上の整数とするとき、ｎ画素分の長さにほ
ぼ等しくなるように設けられた撮像装置と、該撮像装置
が生成する２次元画像の各画素について、格子線に直角
な方向に近接するｎ画素のうちの少なくとも３画素の値
から位相量を算出する手段と、測定対象物について該位
相量算出手段が算出する位相量から、基準面について該
位相量算出手段が算出する位相量を対応する画素毎に減
算することによって位相量を画素毎に補正する手段と、
該位相量補正手段により補正された位相量に基づき、画
素毎に測定対象物の基準面からの距離を算出することに
より、測定対象物の３次元形状測定値を計算する手段と
を具備することを特徴とする３次元形状測定システムが
提供される。
【０００９】
【実施例】図１は本発明に係る３次元形状測定システム
の幾何学的配置を表わす。格子プロジェクタ１０の光軸
とＣＣＤカメラ１２の光軸は点Ｏにおいて交叉し、点Ｏ
を通りＣＣＤカメラ１２の光軸に垂直な基準面１４を想
定したとき、格子プロジェクタ１０の光学系の主点とＣ
ＣＤカメラ１２の光学系の主点とが基準面１４から等距
離Ｌにあり、また、格子プロジェクタ１０から投影され
ＣＣＤカメラ１２で生成される画像における格子線の周
期がほぼ４画素又は８画素に相当するように配置され
る。なお、格子プロジェクタ１０から投影される格子
は、既に述べたように、好ましくは正弦関数に従う濃度
分布を有する格子であるが、２値のみの濃淡を有するロ
ンキー格子でも良く、いずれの場合でも、精度の差こそ
あれ正弦関数に従う強度分布を有する格子画像が得られ
る。
の幾何学的配置を表わす。格子プロジェクタ１０の光軸
とＣＣＤカメラ１２の光軸は点Ｏにおいて交叉し、点Ｏ
を通りＣＣＤカメラ１２の光軸に垂直な基準面１４を想
定したとき、格子プロジェクタ１０の光学系の主点とＣ
ＣＤカメラ１２の光学系の主点とが基準面１４から等距
離Ｌにあり、また、格子プロジェクタ１０から投影され
ＣＣＤカメラ１２で生成される画像における格子線の周
期がほぼ４画素又は８画素に相当するように配置され
る。なお、格子プロジェクタ１０から投影される格子
は、既に述べたように、好ましくは正弦関数に従う濃度
分布を有する格子であるが、２値のみの濃淡を有するロ
ンキー格子でも良く、いずれの場合でも、精度の差こそ
あれ正弦関数に従う強度分布を有する格子画像が得られ
る。
【００１０】図１に示すように、交叉点Ｏを原点とし、
ＣＣＤカメラ１２の光軸上にｚ軸をとり、格子プロジェ
クタ１０の主点からＣＣＤカメラ１２の主点へ向かう方
向へｘ軸をとり、両軸に垂直な方向へｙ軸（図示せず）
をとる。ＣＣＤカメラ１０から測定対象１６へ投影され
ＣＣＤカメラ１２で撮影された変形格子画像の各点
（ｘ，ｙ）における輝度Ｉ（ｘ，ｙ）は、 Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ｂ＋Ｃ・ｃｏｓ〔２πｆo ｘ＋φ（ｘ，ｙ）〕 （１） で表わされる。（１）式中、Ｂは背景の輝度（オフセッ
ト）、Ｃは格子のコントラストを表わす。ｆo は、格子
プロジェクタ１０から基準平面１４に投影されＣＣＤカ
メラ１２で撮影された格子の画像の原点Ｏ近傍における
空間周波数、言い換えれば、図１の破線１８で示す原点
Ｏを通り格子プロジェクタ１０の光軸に垂直な面に格子
プロジェクタ１０から投影される格子が、格子プロジェ
クタ１０の光軸上の無限の遠方から投影されたと仮定し
たとき、すなわちテレセントリックの仮定のもとで、基
準平面１４上に投影されＣＣＤカメラ１２で撮影される
格子画像の空間周波数を表わす。φ（ｘ，ｙ）はこの様
な格子画像を基準としたときの変形格子画像の位相量を
表わす。
ＣＣＤカメラ１２の光軸上にｚ軸をとり、格子プロジェ
クタ１０の主点からＣＣＤカメラ１２の主点へ向かう方
向へｘ軸をとり、両軸に垂直な方向へｙ軸（図示せず）
をとる。ＣＣＤカメラ１０から測定対象１６へ投影され
ＣＣＤカメラ１２で撮影された変形格子画像の各点
（ｘ，ｙ）における輝度Ｉ（ｘ，ｙ）は、 Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ｂ＋Ｃ・ｃｏｓ〔２πｆo ｘ＋φ（ｘ，ｙ）〕 （１） で表わされる。（１）式中、Ｂは背景の輝度（オフセッ
ト）、Ｃは格子のコントラストを表わす。ｆo は、格子
プロジェクタ１０から基準平面１４に投影されＣＣＤカ
メラ１２で撮影された格子の画像の原点Ｏ近傍における
空間周波数、言い換えれば、図１の破線１８で示す原点
Ｏを通り格子プロジェクタ１０の光軸に垂直な面に格子
プロジェクタ１０から投影される格子が、格子プロジェ
クタ１０の光軸上の無限の遠方から投影されたと仮定し
たとき、すなわちテレセントリックの仮定のもとで、基
準平面１４上に投影されＣＣＤカメラ１２で撮影される
格子画像の空間周波数を表わす。φ（ｘ，ｙ）はこの様
な格子画像を基準としたときの変形格子画像の位相量を
表わす。
【００１１】位相量φ（ｘ，ｙ）は、次の（２）式に示
すように、測定対象物の基準面１４からのｚ方向の偏位
に関連する位相量φobjectと、両光軸が平行でないこと
による位相量であって、ｚには無関係の位相量φ
constantの和で表わすことができる（Ｍ．Ｔａｋｅｄａ
ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２２、３９７７（１
９８３))。
すように、測定対象物の基準面１４からのｚ方向の偏位
に関連する位相量φobjectと、両光軸が平行でないこと
による位相量であって、ｚには無関係の位相量φ
constantの和で表わすことができる（Ｍ．Ｔａｋｅｄａ
ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２２、３９７７（１
９８３))。
【００１２】 φ（ｘ，ｙ）＝φobject＋φconstant （２） （２）式はφ（ｘ，ｙ）、φconstantが得られればそれ
らからφobjectが得られることを意味する。φobjectが
得られればそれから対象物の深さ（高さ）を表わすｚが
計算される。ところで、平行軸系においてはφconstant
はゼロであるから、（２）式は φ（ｘ，ｙ）＝φobject （３） となり、φ（ｘ，ｙ）の値が得られれば直ちにｚが計算
される。さらに、平行軸系において、基準面に投影され
た格子の画像の周期が４画素分の長さになるように配置
するとき、各画素（ｉ，ｊ）に対する位相シフト量φ
（ｉ，ｊ）は、ｘ軸方向に連続する３画素の値を使って φ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋２，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝〕 −（π／２）ｉ （４） から計算される（前述のＲ．Ｇｕ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｚａ
ｗａ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １７２０、４７０（１９９
２))。
らからφobjectが得られることを意味する。φobjectが
得られればそれから対象物の深さ（高さ）を表わすｚが
計算される。ところで、平行軸系においてはφconstant
はゼロであるから、（２）式は φ（ｘ，ｙ）＝φobject （３） となり、φ（ｘ，ｙ）の値が得られれば直ちにｚが計算
される。さらに、平行軸系において、基準面に投影され
た格子の画像の周期が４画素分の長さになるように配置
するとき、各画素（ｉ，ｊ）に対する位相シフト量φ
（ｉ，ｊ）は、ｘ軸方向に連続する３画素の値を使って φ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋２，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝〕 −（π／２）ｉ （４） から計算される（前述のＲ．Ｇｕ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｚａ
ｗａ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １７２０、４７０（１９９
２))。
【００１３】そこで、図１の交叉軸系についても基準面
１４に投影された格子の像の間隔が４画素にできるだけ
近くなるように配置し（例えば原点Ｏの近傍において４
画素とする）、（４）式の右辺の第１項と同じ計算によ
り、 ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋２，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝〕 （５） を計算する。
１４に投影された格子の像の間隔が４画素にできるだけ
近くなるように配置し（例えば原点Ｏの近傍において４
画素とする）、（４）式の右辺の第１項と同じ計算によ
り、 ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋２，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋１，ｊ）｝〕 （５） を計算する。
【００１４】 ψ（ｉ，ｊ）＝φobject＋ψconstant （６） と書き表わすとすると、（６）式の右辺の第２項のψ
constantには（２）式の右辺第２項のφconstantの他
に、（４）式の右辺の第２項に相当する成分、及び、実
際の格子画像の周期が４画素分の長さからずれることに
よる成分が含まれる。しかしながら、基準面１４の近傍
ではいずれもｚに依存しないと考えることができるか
ら、最初に、基準面１４についてψ（ｉ，ｊ）を測定す
れば、基準面についてはφobject＝０であるから、この
値がψconstantに相当し、ψconstantの値が各画素
（ｉ，ｊ）について得られる。これらを位相マップψ
constant（ｉ，ｊ）の形でメモリに格納しておき、測定
対象物について得られたψ（ｉ，ｊ）の値からψ
constant（ｉ，ｊ）の値を対応する画素毎に減算するこ
とにより、各画素（ｉ，ｊ）についてφobjectが計算さ
れる。
constantには（２）式の右辺第２項のφconstantの他
に、（４）式の右辺の第２項に相当する成分、及び、実
際の格子画像の周期が４画素分の長さからずれることに
よる成分が含まれる。しかしながら、基準面１４の近傍
ではいずれもｚに依存しないと考えることができるか
ら、最初に、基準面１４についてψ（ｉ，ｊ）を測定す
れば、基準面についてはφobject＝０であるから、この
値がψconstantに相当し、ψconstantの値が各画素
（ｉ，ｊ）について得られる。これらを位相マップψ
constant（ｉ，ｊ）の形でメモリに格納しておき、測定
対象物について得られたψ（ｉ，ｊ）の値からψ
constant（ｉ，ｊ）の値を対応する画素毎に減算するこ
とにより、各画素（ｉ，ｊ）についてφobjectが計算さ
れる。
【００１５】測定対象物から得られるψ（ｉ，ｊ）とψ
constant（ｉ，ｊ）との対応関係について詳細に説明す
ると、測定対象物が基準面１４の近傍に置かれた凹凸の
あるものであるとき、同じ位置（ｉ，ｊ）にある画素ど
うしが対応する。基準面１４から離れた位置に置かれた
凹凸のある物体であるときは、格子像は全体的にｘ軸方
向へシフトするので、格子に付されたマークを基準とし
てψ（ｉ，ｊ）とψco nstant（ｉ，ｊ）のいずれか一方
を相対的にシフトさせて対応付ける、各画素についてφ
objectが得られれば、測定対象物の高さ（深さ）の分布
ｚ（ｉ，ｊ）は次の（７）式により計算される、 φobject＝２πｆo Ｗ・Ｚ（ｉ，ｊ）／｛Ｌ＋Ｚ（ｉ，ｊ）｝ （７） （７）式中、Ｗは格子プロジェクタ１０の主点とＣＣＤ
カメラ１２の主点との距離を表わす。
constant（ｉ，ｊ）との対応関係について詳細に説明す
ると、測定対象物が基準面１４の近傍に置かれた凹凸の
あるものであるとき、同じ位置（ｉ，ｊ）にある画素ど
うしが対応する。基準面１４から離れた位置に置かれた
凹凸のある物体であるときは、格子像は全体的にｘ軸方
向へシフトするので、格子に付されたマークを基準とし
てψ（ｉ，ｊ）とψco nstant（ｉ，ｊ）のいずれか一方
を相対的にシフトさせて対応付ける、各画素についてφ
objectが得られれば、測定対象物の高さ（深さ）の分布
ｚ（ｉ，ｊ）は次の（７）式により計算される、 φobject＝２πｆo Ｗ・Ｚ（ｉ，ｊ）／｛Ｌ＋Ｚ（ｉ，ｊ）｝ （７） （７）式中、Ｗは格子プロジェクタ１０の主点とＣＣＤ
カメラ１２の主点との距離を表わす。
【００１６】１周期を８画素とした場合、（５）式から
単純に ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋４，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝〕 （８） が導かれる。（８）式によりψ（ｉ，ｊ）を算出する場
合、６画素にわたって測定対象物の高さが変化しないと
いう仮定が必要であるから、空間分解能は（５）式の４
画素１周期の場合の１／２になる。
単純に ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔｛Ｉ（ｉ＋４，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝ ／｛Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝〕 （８） が導かれる。（８）式によりψ（ｉ，ｊ）を算出する場
合、６画素にわたって測定対象物の高さが変化しないと
いう仮定が必要であるから、空間分解能は（５）式の４
画素１周期の場合の１／２になる。
【００１７】本発明によれば、８画素１周期の場合にお
いても、次式に従って連続する３画素からψ（ｉ，ｊ）
を算出することができる。 ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔（√２−１）・｛Ｉ（ｉ，ｊ） −Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝／｛２Ｉ（ｉ＋１，ｊ） −Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝〕 （９） （９）式によれば（５）式による場合と同じ空間分解能
が得られるとともに、２倍の周期を有する格子が使用さ
れるので、４画素１周期の場合よりもより急激な起伏を
有する対象物の測定が可能である。しかしながら、連続
する３画素における位相の変化が４画素１周期の場合と
比べて少ないので、精度の点では劣っている。したがっ
て、測定対象物の特性に応じて、格子を使い分けて測定
することが望ましい。
いても、次式に従って連続する３画素からψ（ｉ，ｊ）
を算出することができる。 ψ（ｉ，ｊ）＝ｔａｎ-1〔（√２−１）・｛Ｉ（ｉ，ｊ） −Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝／｛２Ｉ（ｉ＋１，ｊ） −Ｉ（ｉ，ｊ）−Ｉ（ｉ＋２，ｊ）｝〕 （９） （９）式によれば（５）式による場合と同じ空間分解能
が得られるとともに、２倍の周期を有する格子が使用さ
れるので、４画素１周期の場合よりもより急激な起伏を
有する対象物の測定が可能である。しかしながら、連続
する３画素における位相の変化が４画素１周期の場合と
比べて少ないので、精度の点では劣っている。したがっ
て、測定対象物の特性に応じて、格子を使い分けて測定
することが望ましい。
【００１８】図２及び図３は図１に示した測定システム
において得られる画像データを処理して３次元計測デー
タを得るための処理のフローチャートである。この処理
は図１のシステムに接続されたパーソナルコンピュータ
等によりオンラインで行なわれる。図２は基準面１４
（図１）についての位相量を測定してψconstant（ｉ，
ｊ）としてメモリへ格納するまでの処理のフローチャー
トである。まず所定の位置に基準面１４（図１）をセッ
トし（ステップａ）、格子プロジェクタ１０から格子を
投影し、ＣＣＤカメラ１２により画像データＩ（ｉ，
ｊ）を取り込む（ステップｂ）。Ｉ（ｉ，ｊ）の値か
ら、式（５）又は式（９）に従ってψ（ｉ，ｊ）を計算
する（ステップｃ）。ｔａｎ-1の計算にはルックアップ
テーブルを使用することが演算速度の点で好ましい。
（５）式又は（９）式により算出される位相量ψ（ｉ，
ｊ）は−π〜＋πの範囲に折り返されているので、同じ
次数の格子どうしを接続することによって各格子の次数
を決定し、位相の接続を行なう（ステップｄ）。位相の
接続後の位相量ψ（ｉ，ｊ）をψconstantとしてメモリ
へ格納する（ステップｅ）。
において得られる画像データを処理して３次元計測デー
タを得るための処理のフローチャートである。この処理
は図１のシステムに接続されたパーソナルコンピュータ
等によりオンラインで行なわれる。図２は基準面１４
（図１）についての位相量を測定してψconstant（ｉ，
ｊ）としてメモリへ格納するまでの処理のフローチャー
トである。まず所定の位置に基準面１４（図１）をセッ
トし（ステップａ）、格子プロジェクタ１０から格子を
投影し、ＣＣＤカメラ１２により画像データＩ（ｉ，
ｊ）を取り込む（ステップｂ）。Ｉ（ｉ，ｊ）の値か
ら、式（５）又は式（９）に従ってψ（ｉ，ｊ）を計算
する（ステップｃ）。ｔａｎ-1の計算にはルックアップ
テーブルを使用することが演算速度の点で好ましい。
（５）式又は（９）式により算出される位相量ψ（ｉ，
ｊ）は−π〜＋πの範囲に折り返されているので、同じ
次数の格子どうしを接続することによって各格子の次数
を決定し、位相の接続を行なう（ステップｄ）。位相の
接続後の位相量ψ（ｉ，ｊ）をψconstantとしてメモリ
へ格納する（ステップｅ）。
【００１９】図３は測定対象物１６の画像の各画素
（ｉ，ｊ）について高さ（深さ）データＺ（ｉ，ｊ）を
得る処理のフローチャートである。測定対象物１６を所
定の位置にセットした後（ステップａ）、図２のステッ
プｂ〜ｄの処理と同一の処理により、位相接続された位
相量ψ（ｉ，ｊ）を得る（ステップｂ〜ｄ）。次に、メ
モリに格納されているψconstantの値を対応する画素毎
に減算してψobjectを計算する（ステップｅ）。さらに
式（７）によりＺ（ｉ，ｊ）の値を計算する（ステップ
ｆ）。
（ｉ，ｊ）について高さ（深さ）データＺ（ｉ，ｊ）を
得る処理のフローチャートである。測定対象物１６を所
定の位置にセットした後（ステップａ）、図２のステッ
プｂ〜ｄの処理と同一の処理により、位相接続された位
相量ψ（ｉ，ｊ）を得る（ステップｂ〜ｄ）。次に、メ
モリに格納されているψconstantの値を対応する画素毎
に減算してψobjectを計算する（ステップｅ）。さらに
式（７）によりＺ（ｉ，ｊ）の値を計算する（ステップ
ｆ）。
【００２０】以下に、実際に行なわれる３次元計測の手
順の詳細について説明する。
順の詳細について説明する。
【００２１】光学系の初期設定 光学系の設定の際の誤差は求めた位相に含まれるため、
光学系の設定は厳密に行わなければならない、設定は以
下の（１）から（４）の順序でおこなう。 １）観察系（ＣＣＤカメラ）と基準面の設定方法 ＣＣＤカメラ１２の光軸と基準面１４を直角に設定す
る。基準面は以後の設定においても重要であるのでまず
最初にこれを行う。
光学系の設定は厳密に行わなければならない、設定は以
下の（１）から（４）の順序でおこなう。 １）観察系（ＣＣＤカメラ）と基準面の設定方法 ＣＣＤカメラ１２の光軸と基準面１４を直角に設定す
る。基準面は以後の設定においても重要であるのでまず
最初にこれを行う。
【００２２】基準面１４上に一定のピッチの格子パター
ンを描き、それをＣＣＤカメラで撮り込む。理想の格子
パターンをモニタ上に描きこの基準面上の画像をモニタ
上で重ね合わせる、そのとき両格子線によってモアレ縞
が発生する。そのモアレ縞が平行かつモアレ縞の間隔が
一定になるようにＣＣＤカメラ１２の向きをｘ，ｙ，ｚ
各々の軸に対して調整し設定する。
ンを描き、それをＣＣＤカメラで撮り込む。理想の格子
パターンをモニタ上に描きこの基準面上の画像をモニタ
上で重ね合わせる、そのとき両格子線によってモアレ縞
が発生する。そのモアレ縞が平行かつモアレ縞の間隔が
一定になるようにＣＣＤカメラ１２の向きをｘ，ｙ，ｚ
各々の軸に対して調整し設定する。
【００２３】２）観察系と投影系（格子および投影レン
ズ）の設定方法 格子プロジェクタ１０から基準面１４に格子パターンを
投影しＣＣＤカメラ１２で撮り込む。その画像と画面上
に描いた理想の格子パターン画像とをモニタ上で重ね合
わせる。そのとき発生するモアレ縞が平行になるように
格子プロジェクタ１０内の格子、投影レンズの向きを
ｘ，ｙ，ｚ各々の軸に対して調整し設定する。
ズ）の設定方法 格子プロジェクタ１０から基準面１４に格子パターンを
投影しＣＣＤカメラ１２で撮り込む。その画像と画面上
に描いた理想の格子パターン画像とをモニタ上で重ね合
わせる。そのとき発生するモアレ縞が平行になるように
格子プロジェクタ１０内の格子、投影レンズの向きを
ｘ，ｙ，ｚ各々の軸に対して調整し設定する。
【００２４】３）ＣＣＤカメラのレンズと投影レンズの
主点の位置の設定方法 ＣＣＤカメラ１２のレンズと投影レンズの主点の位置
（基準面からの距離）を合わせる。格子パターンの代わ
りに縦２本のみの縞のパターンを基準面１４に投影し、
それをＣＣＤカメラで撮り込む。基準面を前後に位置を
変え、同様にそれぞれの画像を撮り込む。ここでカメラ
レンズと投影レンズの主点の位置が一致していれば、Ｃ
ＣＤカメラ１２で撮り込んだそれぞれの画像上で２本の
縞の間隔は等しいことになる。したがって、この間隔が
等しくなるように格子プロジェクタ１０の投影レンズの
位置をｚ軸方向に調整し設定する。
主点の位置の設定方法 ＣＣＤカメラ１２のレンズと投影レンズの主点の位置
（基準面からの距離）を合わせる。格子パターンの代わ
りに縦２本のみの縞のパターンを基準面１４に投影し、
それをＣＣＤカメラで撮り込む。基準面を前後に位置を
変え、同様にそれぞれの画像を撮り込む。ここでカメラ
レンズと投影レンズの主点の位置が一致していれば、Ｃ
ＣＤカメラ１２で撮り込んだそれぞれの画像上で２本の
縞の間隔は等しいことになる。したがって、この間隔が
等しくなるように格子プロジェクタ１０の投影レンズの
位置をｚ軸方向に調整し設定する。
【００２５】４）パラメータの決定 三次元座標の算出のためＬ，ｗ，ｆo を決定する。レン
ズの主点から基準面までの距離Ｌは、直接測定すること
はできないので次のように求める。ＣＣＤカメラ１２と
基準面１４を前方にｌ1 及び後方にｌ2 動かして、それ
ぞれについて基準面１４にあらかじめ印した２点間の距
離ｄ1 ，ｄ2 をそれぞれ測定すると、Ｌは幾何学的な関
係から次式によって求められる。
ズの主点から基準面までの距離Ｌは、直接測定すること
はできないので次のように求める。ＣＣＤカメラ１２と
基準面１４を前方にｌ1 及び後方にｌ2 動かして、それ
ぞれについて基準面１４にあらかじめ印した２点間の距
離ｄ1 ，ｄ2 をそれぞれ測定すると、Ｌは幾何学的な関
係から次式によって求められる。
【００２６】 ｗは投影レンズとＣＣＤカメラのレンズとの主点間の距
離を測定することによって得られる。
離を測定することによって得られる。
【００２７】ｆo は基準面１４に投影された格子パター
ンの１周期に相当する実際の長さの逆数であるが、次の
ようにして求める。格子を９０°回転させて投影すると
ピッチが一定になるので、その像をＣＣＤカメラ１２で
取込みフーリエ変換することによって空間周波数ｆo を
決定することができる。
ンの１周期に相当する実際の長さの逆数であるが、次の
ようにして求める。格子を９０°回転させて投影すると
ピッチが一定になるので、その像をＣＣＤカメラ１２で
取込みフーリエ変換することによって空間周波数ｆo を
決定することができる。
【００２８】形状計測手順 三次元座標を算出するためには基準面、物体表面上とも
に基準となる点が必要となる。ある縞に注目したとき、
物体表面による縞の変形量を求めるにはその縞がどれだ
けずれているのか、算出しなければならない。したがっ
て、三次元座標を算出するためには投影する格子にラベ
リングを行う必要がある。そこで、ガラスにマーク（基
準面上で約０．３×３mmの長方形状）をつけたものを格
子と同時に投影する。
に基準となる点が必要となる。ある縞に注目したとき、
物体表面による縞の変形量を求めるにはその縞がどれだ
けずれているのか、算出しなければならない。したがっ
て、三次元座標を算出するためには投影する格子にラベ
リングを行う必要がある。そこで、ガラスにマーク（基
準面上で約０．３×３mmの長方形状）をつけたものを格
子と同時に投影する。
【００２９】まず基準面の位置でのマークの位置（原
点）をマークの重心を求めることによって求め、それか
ら物体表面上のマークの位置（基準点）を同様に求める
ことによって物体上の基準点の座標を算出する。計測手
順としては、投影する格子パターンのピッチの補正およ
び原点を決めるために格子パターンを基準平面に投影
し、ＣＣＤカメラで画像を撮り込む。そして基準平面の
位相分布をあらかじめ求めておく。また、マークの中心
の位置をその強度の重心から求め、それを原点としてお
く。
点）をマークの重心を求めることによって求め、それか
ら物体表面上のマークの位置（基準点）を同様に求める
ことによって物体上の基準点の座標を算出する。計測手
順としては、投影する格子パターンのピッチの補正およ
び原点を決めるために格子パターンを基準平面に投影
し、ＣＣＤカメラで画像を撮り込む。そして基準平面の
位相分布をあらかじめ求めておく。また、マークの中心
の位置をその強度の重心から求め、それを原点としてお
く。
【００３０】次に、測定対象物を設置し、その変形格子
像をＣＣＤカメラで撮り込み、位相分布、基準点の位置
を求める。位相計算、位相つなぎを行い、原点からの基
準点の変位に基いて、基準面の位相分布と測定対象物に
ついて求められた位相分布とを相互に対応付けて減算す
ることにより補正を行ない、三次元座標を算出する。結
果は等高線図、ワイヤーフレーム、サーフェイスモデル
で表示をおこなう。
像をＣＣＤカメラで撮り込み、位相分布、基準点の位置
を求める。位相計算、位相つなぎを行い、原点からの基
準点の変位に基いて、基準面の位相分布と測定対象物に
ついて求められた位相分布とを相互に対応付けて減算す
ることにより補正を行ない、三次元座標を算出する。結
果は等高線図、ワイヤーフレーム、サーフェイスモデル
で表示をおこなう。
【００３１】図４には目尻付近の皮膚のレプリカの３次
元形状測定の結果をワイヤーフレームモデルにより示
す。
元形状測定の結果をワイヤーフレームモデルにより示
す。
【００３２】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
比較的簡単な処理により、交叉軸系のワンステップ位相
シフト法による３次元形状測定が可能となる。
比較的簡単な処理により、交叉軸系のワンステップ位相
シフト法による３次元形状測定が可能となる。
【図１】本発明の３次元形状測定装置の光学系の幾何学
配置を表わす図である。
配置を表わす図である。
【図２】基準面の位相分布ψconstantを得るための処理
のフローチャートである。
のフローチャートである。
【図３】測定対象物の高さ分布を得るための処理のフロ
ーチャートである。
ーチャートである。
【図４】本発明の３次元形状測定装置による測定結果の
一例をワイヤーフレームモデルにより表わす図である。
一例をワイヤーフレームモデルにより表わす図である。
１０…格子プロジェクタ １２…ＣＣＤカメラ １４…基準面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｔ 7/00
Claims (3)
- 【請求項１】 測定対象物に格子パターンを投影する格
子パターン投影装置と、 測定対象物に投影された格子パターンの２次元画像を生
成する撮像装置であって、その光学系の光軸が該格子パ
ターン投影装置の光学系の光軸と実質的に交叉し、該交
叉点を通る基準面に投影された格子パターンについて生
成される２次元画像における格子線の周期が、ｎを４以
上の整数とするとき、ｎ画素分の長さにほぼ等しくなる
ように設けられた撮像装置と、 該撮像装置が生成する２次元画像の各画素について、格
子線に直角な方向に近接するｎ画素のうちの少なくとも
３画素の値から位相量を算出する手段と、 測定対象物について該位相量算出手段が算出する位相量
から、基準面について該位相量算出手段が算出する位相
量を対応する画素毎に減算することによって位相量を画
素毎に補正する手段と、 該位相量補正手段により補正された位相量に基づき、画
素毎に測定対象物の基準面からの距離を算出することに
より、測定対象物の３次元形状測定値を計算する手段と
を具備することを特徴とする３次元形状測定システム。 - 【請求項２】 前記整数ｎは４であり、前記位相量算出
手段は、格子線に直角な方向に連続する３画素の値から
位相量を算出する請求項１記載の３次元形状測定システ
ム。 - 【請求項３】 前記整数ｎは８であり、前記位相量算出
手段は、格子線に直角な方向に連続する３画素の値から
位相量を算出する請求項１記載の３次元形状測定システ
ム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04914594A JP3370418B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | ３次元形状測定システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04914594A JP3370418B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | ３次元形状測定システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260451A true JPH07260451A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3370418B2 JP3370418B2 (ja) | 2003-01-27 |
Family
ID=12822930
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04914594A Expired - Fee Related JP3370418B2 (ja) | 1994-03-18 | 1994-03-18 | ３次元形状測定システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3370418B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002065643A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-05 | Oki Electric Ind Co Ltd | 眼画像撮影装置 |
| KR100815503B1 (ko) * | 1999-07-14 | 2008-03-20 | 솔비젼 인코포레이티드 | 물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템 |
| JP2010039912A (ja) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Sony Corp | 静脈パターン取得装置、静脈パターン取得方法および静脈テンプレート |
| JP2010537183A (ja) * | 2007-08-17 | 2010-12-02 | レニショウ パブリック リミテッド カンパニー | 非接触プローブ |
| JP2012132727A (ja) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Canon Inc | 三次元計測装置及び三次元計測方法 |
| WO2016001985A1 (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | ４Ｄセンサー株式会社 | 計測方法、計測装置、計測プログラム及び計測プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
| US9329030B2 (en) | 2009-09-11 | 2016-05-03 | Renishaw Plc | Non-contact object inspection |
| WO2017175341A1 (ja) * | 2016-04-06 | 2017-10-12 | ４Ｄセンサー株式会社 | 計測方法、計測装置、計測プログラム及び計測プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
-
1994
- 1994-03-18 JP JP04914594A patent/JP3370418B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100815503B1 (ko) * | 1999-07-14 | 2008-03-20 | 솔비젼 인코포레이티드 | 물체의 기복을 측정하기 위한 방법 및 시스템 |
| KR100858521B1 (ko) * | 1999-07-14 | 2008-09-12 | 솔비젼 인코포레이티드 | 검사를 이용하여 제품을 생산하는 방법 |
| JP4538924B2 (ja) * | 2000-08-30 | 2010-09-08 | 沖電気工業株式会社 | 眼画像撮影装置 |
| JP2002065643A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-05 | Oki Electric Ind Co Ltd | 眼画像撮影装置 |
| US8792707B2 (en) | 2007-08-17 | 2014-07-29 | Renishaw Plc | Phase analysis measurement apparatus and method |
| JP2010537183A (ja) * | 2007-08-17 | 2010-12-02 | レニショウ パブリック リミテッド カンパニー | 非接触プローブ |
| USRE46012E1 (en) | 2007-08-17 | 2016-05-24 | Renishaw Plc | Non-contact probe |
| US8605983B2 (en) | 2007-08-17 | 2013-12-10 | Renishaw Plc | Non-contact probe |
| US8923603B2 (en) | 2007-08-17 | 2014-12-30 | Renishaw Plc | Non-contact measurement apparatus and method |
| JP2010039912A (ja) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Sony Corp | 静脈パターン取得装置、静脈パターン取得方法および静脈テンプレート |
| US9329030B2 (en) | 2009-09-11 | 2016-05-03 | Renishaw Plc | Non-contact object inspection |
| JP2012132727A (ja) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Canon Inc | 三次元計測装置及び三次元計測方法 |
| WO2016001985A1 (ja) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | ４Ｄセンサー株式会社 | 計測方法、計測装置、計測プログラム及び計測プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
| CN105579809A (zh) * | 2014-06-30 | 2016-05-11 | 4维传感器有限公司 | 测量方法、测量装置、测量程序以及记录有测量程序的计算机可读记录介质 |
| JPWO2016001985A1 (ja) * | 2014-06-30 | 2017-04-27 | ４Ｄセンサー株式会社 | 計測方法、計測装置、計測プログラム及び計測プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
| US10267626B2 (en) | 2014-06-30 | 2019-04-23 | 4D Sensor Inc. | Measurement method, measurement apparatus, measurement program and computer readable recording medium in which measurement program has been recorded |
| WO2017175341A1 (ja) * | 2016-04-06 | 2017-10-12 | ４Ｄセンサー株式会社 | 計測方法、計測装置、計測プログラム及び計測プログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
| US10551177B2 (en) | 2016-04-06 | 2020-02-04 | 4D Sensor Inc. | Apparatus and method for measuring 3D form or deformation of an object surface using a grid pattern and reference plane |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3370418B2 (ja) | 2003-01-27 |
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