JP2002191058A - ３次元画像取得装置および３次元画像取得方法 - Google Patents

３次元画像取得装置および３次元画像取得方法

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JP2002191058A
JP2002191058A JP2000387428A JP2000387428A JP2002191058A JP 2002191058 A JP2002191058 A JP 2002191058A JP 2000387428 A JP2000387428 A JP 2000387428A JP 2000387428 A JP2000387428 A JP 2000387428A JP 2002191058 A JP2002191058 A JP 2002191058A
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projecting
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JP2000387428A
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Fumiyuki Shiratani
文行 白谷
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ストライプパターン投影像からのストライプ
境界抽出や格子パターン投影像からのマス目境界抽出を
正しく行え、且つ白色系や淡色系の物体でなくても符号
化された投影像から正しい復号が可能な３次元画像取得
方法及び装置を提供する。 【解決手段】 測定対象物体に所定パターンを投影する
パターン投影部１０２と、この投影部１０２と所定距離
離れて位置し該パターンを投影された物体を撮影する撮
影部(１０３,１０４)と、この撮影部の撮影画像からパ
ターンを検出しそのパターンとパターン投影部１０２が
投影したパターンを対応させこれを用いて該物体の各部
分の奥行きを計算する奥行き算出部１０６と、から３次
元画像取得装置を構成し、上記パターン投影部１０２が
投影するパターンには、輝度値の極大領域と極小領域を
交互に配置したものを用いた処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の３次元形状
を非接触で計測するための技術に係わる３次元画像取得
方法とこの方法を実施するための３次元画像取得装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】３次元形状の計測技術として３次元画像
取得装置に適用された従来の３次元物体の形状計測方法
には、大別して次の２種類がある。１つは光の伝播時間
の測定による方法であり、もう１つは三角測量の原理を
利用した方法である。前者は死角が無く、原理的には理
想的な方法であるが、現状では計測時間と精度に問題が
ある故に、主に後者の三角測量法が利用されている。
【０００３】三角測量を利用した方法には、能動的な手
法の「アクティブ法」と受動的な手法の「パッシブステ
レオ法」がある。このパッシブステレオ法は、位置の異
なる２台のカメラから得られたステレオの画像間の対応
づけを行い、その対応づけの結果と予め計測されている
２台のカメラの位置関係とから、三角測量の原理により
被写体までの距離を求める方法である。この方法は、画
像間の対応づけの困難さが伴う上、テクスチャの無い物
体の形状を求められないという欠点がある。
【０００４】これに対し、三角測量の原理を応用したア
クティブ法として、上記２台のカメラの一方を光源に置
き換え、被写体表面での上記光源の像をもう一方の視点
に設定したカメラで観察し形状計測する「光投影法」が
ある。この光投影法はさらに、スポット光投影法、スリ
ット光投影法およびパターン光投影法に分類できる。
【０００５】このスポット光投影法では、１回の画像入
力で被写体の１点しか計測できない。スリット光投影法
では、１回の画像入力で被写体の１ラインの計測を行え
るが、やはり被写体全域の形状計測を行うには、投影光
を偏向させながら何度も画像入力を繰り返す必要がある
故にその入力に時間がかかる。また上記パターン光投影
法は、ストライプパターンや格子パターンのような２次
元的なパターンを投影するもので、パターン投影画像の
入力が１回で済むというメリットがある。
【０００６】このパターン光投影法は「空間符号化」と
も呼ばれ、これは更にパターン形状符号化と階調符号化
に分けられる。前者のパターン形状符号化としては、ス
リットの開口幅の分布によるものと、Ｍ系列符号を利用
したものが提案されているが、計測密度や計測の安定性
に問題があり、実用性に乏しい。一方、階調符号化に
は、濃淡階調によるものと色階調によるものがあり、何
れも識別できる階調数が少ないという問題がある。濃淡
階調については、５階調程度が識別の限度と言われてお
り、色階調に対しては白色又は淡色系の場合を除き、多
くの階調を利用することができない。これらの問題に対
処する方法として、複数の色や濃淡を組み合せて１つの
符号を割り当てる方法が提案されている。
【０００７】以下、格子パターンとストライプパターン
の符号化の従来例を説明する。まず、格子パターンに関
しては、例えば、特許第２５６５８８５号公報で提案さ
れているような「空間パターンコード化方法」がある。
この方法は、３値以上の濃淡、又は３色以上の色、又は
濃淡と色の組合せによる３種類以上の階調領域を有し、
階調領域の境界線の交点において少なくとも３種類の階
調領域が互いに接するように配置した多値格子板パター
ンを用いる。そして、このパターンを被測定対象物に投
影して生じる投影像の交点に階調の種類と順序に応じた
主コードを付与する。それから、この主コードを、また
は前記交点の主コードとその周囲交点の主コードを組み
合せたコードを、交点の識別用の特徴コードとして付与
するものである。
【０００８】図９は、このような従来の空間パターンコ
ード化の方法による３値の階調を用いた格子パターンの
一例であり、白を２、黒を０、灰色を１として表示して
いる。また図１０は、このコード化の方法による全体の
流れをフローチャートで示している。ステップST1001で
は、３値化のための識別閾値を求め、続くステップST10
02では、それぞれの画素毎に、階調に応じて０,１,又は
２のように３値化して書き表す。
【０００９】ステップST1003では、多値格子板パターン
の各格子板領域のコーナー、即ちエッジ交点をノードと
して抽出するノード選択を行う。ステップST1004では、
抽出したノードを囲む階調分布に応じて、コードのうち
の１つを主コードとして付与する復号処理を行う。ステ
ップST1005では、ノード識別、コード番号の結果をテー
ブルに記録する。
【００１０】このような方法は、最低３階調のパターン
を１回投影するだけで、多くの特徴コードを作り出すパ
ターン構造を提供している点において優れた方法であ
る。受光したパターンから符号化情報を引き出して３次
元情報を引き出すには、まず、輝度変化を確実に読み取
り、マス目１つがどこからどこまでなのかをできるだけ
正確に検出することが重要である。図９の格子パターン
の下方には、その格子パターン中の上から２行目の階調
をグラフ表示している。これによると、投影する光の拡
散によって極大点や極小点でない変曲点付近(即ち、図
９中で、(１)(２)(１)の２つの(１))でグラフの傾きが
大きくなってしまうため、格子構造(マスの区切り)の抽
出が不安定になってしまう不具合が生ずる。つまり、測
距点の左右へのずれが大きくなり、信頼性に欠けるとい
う問題がある。
【００１１】次に、図１１にこの空間パターンコード化
の方法によるＲ,Ｇ,Ｂの３色の階調を用いる場合の従来
例を示す。この例では、例えば、Ｒに０、Ｇに１、Ｂに
２を対応させる。また図１１中の格子パターンの下方に
は、その格子パターン中の上から２行目のＲ,Ｇ,Ｂそれ
ぞれの輝度値のグラフを示す。
【００１２】例えば、Ｇ成分とＢ成分の反射信号がほと
んどゼロに近く、Ｒ成分の反射信号が強いような表面反
射率特性をもつ物体(即ち、濃い赤の物体)に対して、図
１１のパターンの上から２行目のラインでは、Ｒの輝度
値において１つの極大の信号が得られるが、ＧやＢの輝
度値では、ほとんどノイズレベルになってしまう。この
ような状況下では、復号は不可能となる。同様に、Ｒ,
Ｇ,Ｂの１つの成分でも、その反射信号がほとんどゼロ
に近いような表面反射率特性をもつ物体に対しては、復
号は困難になる。この事を換言すると、白色系又は淡色
系の物体表面に対しては、うまく復号できるが、ＲＧＢ
成分の反射信号のうち１つでも、ほとんどゼロに近いよ
うな値となるような表面反射率特性をもつ物体に対して
は、ＲＧＢの組合せから求まる色による判定は困難にな
ってしまう。
【００１３】つづいて、ストライプパターンの従来例を
説明する。これに関しては例えば、電子通信学会論文誌
(Vol.J61-D, No.6, pp.411-418, 1978)中で提案されて
いる。図１２は、Ｒ,Ｇ,Ｂの色によって符号化されたス
トライプパターンの一例を示している。図１１に示した
例とこの例との違いは、格子とストライプという点の他
に、Ｒ,Ｇ,Ｂの間に黒の領域(斜線ハッチンング部分)が
存在する事にある。黒の領域が在る事によって、光の拡
散による混色を軽減できるというメリットがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例の場合も、Ｒ,Ｇ,Ｂの１つの成分でも、その反
射信号がほとんどゼロに近似するような表面反射率特性
をもつ物体に対しては、復号は困難になる。
【００１５】本発明は以上に説明した従来技術が有する
不具合に対処すべく立案されたものであり、この発明の
目的は、ストライプパターン投影像からのストライプ境
界抽出や格子パターン投影像からのマス目境界抽出を正
しく行え、且つ、白色系や淡色系の物体でなくても符号
化された投影像から正しい復号が可能となる空間パター
ン符号化方法による３次元画像取得方法及び３次元画像
取得装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するため、本発明では次のような手段を講じてい
る。すなわち３次元画像取得方法においては、３次元物
体の形状を非接触で計測するために空間パターン符号化
の手法を適用して、パターンを投影し、受光パターンと
投光パターンの対応を求めることによりその物体の奥行
き情報を取得するもので、この方法を実現できるように
３次元画像計測装置を提案するものである。
【００１７】例えば、第１の発明によれば、物体に所定
パターンを投影するパターン投影手段と、このパターン
投影手段と所定距離離れて位置されて上記所定パターン
を投影された物体を撮影する撮影手段と、この撮影手段
が撮影した画像からパターンを検出しこの検出したパタ
ーンと上記パターン投影手段が投影したパターンを対応
させこの対応を用いて上記物体の各部分の奥行きを計算
する奥行き計算手段と、を有し、上記パターン投影手段
が投影するパターンは、輝度値が極大となる領域と極小
になる領域を交互に配置したものであるような３次元画
像取得装置を提案する。
【００１８】第２の発明によれば、物体に所定パターン
を投影するパターン投影手段と、このパターン投影手段
と所定距離離れて位置されて上記所定パターンを投影さ
れた物体を撮影する撮影手段と、この撮影手段が撮影し
た画像からパターンを検出しこの検出したパターンと上
記パターン投影手段が投影したパターンを対応させ、こ
の対応を用いて当該物体の各部分の奥行きを計算する奥
行き計算手段と、を有し、上記パターン投影手段が投影
するパターンは、複数の色成分毎のパターンが重畳され
たものであり、各色成分毎のパターンは輝度値が極大と
なる領域と極小になる領域を交互に配置したような３次
元画像取得装置を提案する。
【００１９】そして、上記複数の各色成分毎のパターン
は、互いに輝度が極大となる領域と極小となる領域が一
致していることが特徴の上記載の３次元画像取得装置で
ある。
【００２０】上記複数の各色成分毎のパターンは、互い
に輝度が極大となる領域と極小となる領域が異なってい
ることを特徴とする上記載の３次元画像取得装置であ
る。上記複数の各色成分とは、ＲＧＢ成分であることが
特徴の上記載の３次元画像取得装置である。上記パター
ンは、ストライプパターン又は格子パターンであること
が特徴の上記載の３次元画像取得装置である。
【００２１】また、第３の発明によれば、物体に所定の
パターンを投影するパターン投影ステップと、このパタ
ーンを投影した位置より所定距離離れた位置で上記所定
パターンを投影された物体を撮影する撮影ステップと、
この撮影ステッブで撮影した画像からパターンを検出し
この検出したパターンと上記パターン投影ステップで投
影したパターンを対応させこの対応を用いて当該物体各
部分の奥行きを計算する奥行き計算ステップと、を有
し、上記パターン投影ステップで投影するパターンは、
輝度値が極大となる領域と極小になる領域を交互に配置
したような３次元画像取得方法を提案する。
【００２２】さらに第４の発明によれば、物体に所定の
パターンを投影するパターン投影ステップと、このパタ
ーンを投影した位置より所定距離離れた位置で上記所定
パターンを投影された物体を撮影する撮影ステップと、
この撮影ステップが撮影した画像からパターンを検出し
この検出したパターンと上記パターン投影ステップで投
影したパターンを対応させこの対応を用いて当該物体各
部分の奥行きを計算する奥行き計算ステップとを有し、
上記パターン投影ステップで投影するパターンは複数の
色成分毎のパターンが重畳されたものであり、各色成分
毎のパターンは輝度値が極大となる領域と極小になる領
域を交互に配置したような３次元画像取得方法を提案す
る。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下に、複数の実施形態を挙げて
本発明について説明する。 （第１実施形態）図１〜図３に基づき、本発明の第１実
施形態を詳しく説明する。この第１実施形態における空
間パターン符号化を行うパターン光投影方法を例にする
図１には、パターン構造として４階調のストライプ(縞)
パターンの場合を例示している。
【００２４】このパターンは、輝度値が略一定である領
域(図１の場合は各縞)が複数で構成されている。各領域
の輝度(階調)は複数の予め定められた輝度(階調)の何れ
か１つの輝度(階調)に属している。図１では、各縞は４
つの階調(0,1,2,3)の何れか１つに属している。そして
これは、パターンの輝度値が極大となる領域と極小にな
る領域を交互に配置したものである。また、各領域は、
一方で隣接する領域が自領域より輝度(階調)が高けれ
ば、反対側で隣接する領域も自領域より輝度(階調)が高
いように、輝度が低ければ反対側でも輝度が低いように
なっている。また、隣接する領域同士は輝度(階調)が異
なるようになっている。
【００２５】各ストライプパターンに対応する符号化で
は、図示のグラフの如く、極大と極小が交互に配置さ
れ、1,２,3の階調をとる極大を(1),(2),(3)で表わし、
O,1,２,の階調をとる極小を(O),(-1),(-2)で表わす。こ
れらの表記を用いて、ストライプの並びにおいて同じ符
号が二度出現しない空間パターン符号化方法を説明す
る。このとき、極小の階調は、左右の極大の階調より小
さく、奇数番目が極大、偶数番目が極小という制約付き
の順列を扱うことになる。
【００２６】図１の例において、極大、極小、極大、極
小の順番に４つ並んだ数字を１つに符号化すると、[(1)
(0)(2)(-1)],［(2)(-1)(3)(-2)］の２つの符号が得られ
る。このとき、２つ並んだ符号は、左側の符号の右２つ
の数字と右側の符号の左２つの数字、つまり(2)(-1)の
部分を共有している。このように、数字を共有するよう
に工夫して符号を並べていくと、付号数がｍのとき、
(２ｍ＋２)本のストライプの並びが得られる。そして、
４階調、符号長４のとき、符号数ｍは３０となる。従っ
て、４階調の情報と極大、極小情報を組合せた場合に、
４つのストライプの並びで符号化した場合、６２本のス
トライプが得られることになる。
【００２７】本発明に係わる空間パターン符号化の処理
を図３のフローチャートに表わし説明すると、まず最初
に、ステップST301で、パターン投影像に基づいて極大
および極小となる位置のストライプを検出する。これに
は、Sobelフィルタなどによってストライプのエッジ部
分を抽出し、エッジに挟まれた区間で、階調が極大とな
るか、極小となるかを判定することで検出できる。
【００２８】次のステップST302では、エッジに挟まれ
た区間の階調の判定を行う。続くステップST303では、
エッジに挟まれた区間の極大、極小情報と階調情報を用
いて数値化して復号処理し、ステップST304ではその数
値情報をメモリ上のテーブルに並べて記録する。そし
て、この数値情報とパターンメモリ１０１にあらかじめ
記憶されている情報とを照合する。
【００２９】例えば４階調の場合では、４つの数字の並
びが一致しているものを探し出す。もし一致する符号が
複数ある場合は、例えば、連続して一致する符号の長さ
が最大のものを信頼性が高いものとして選択する。この
ようにして、投光パターンと受光パターンの各ストライ
プに対して、高々１対１の対応関係が定まり、周知の三
角測量の原理から奥行き情報が算出できる。
【００３０】つづいて、上述した空間パターン符号化の
方法により得られるパターンを用いて、３次元画像を取
得するための３次元画像取得装置について説明する。図
２は、第１実施形態の３次元画像取得装置に関する概略
構成例を示している。この３次元画像取得装置は、測定
対象物に所定のパターンを投影してその物体を撮影し、
得られた検出パターンと投影したパターンとを対応させ
ることで、その物体の各部の奥行きを計測できるように
次の如くの要素から構成されている。
【００３１】投光する所定のパターンをあらかじめ記憶
しておくパターンメモリ１０１と、その所定のパターン
光を物体に投影するパターン投影手段としてのパターン
投影部１０２とが接続されており、このパターン投影部
１０２から投影されるパターンが、例えば、輝度値が極
大となる領域と極小になる領域を図示のように交互に配
置した状態で測定対象物体（不図示）に照射されるよう
になっている。
【００３２】このパターン投影部１０２から所定距離だ
け離間した所には、所定パターンが投影された物体を撮
影するための撮影手段が設置され、この撮影手段は物体
からの反射光の集光用レンズ１０３と、集光された反射
光を受光する受光部１０４とから構成されている。
【００３３】上記撮影手段を成す受光部１０４で受光さ
れた情報を記憶する画像メモリ１０５がその撮影手段に
接続され、この画像メモリ１０５とパターンメモリ１０
１とに接続して、上記撮影手段(１０３,１０４)が撮影
した画像からパターンを検出できるようになっている。
そして、この検出したパターンと上記パターン投影部１
０２が投影したパターンを対応させ、この対応を用いて
当該物体各部分の奥行きを計算する奥行き計算手段とし
ての奥行き算出部１０６が設けられている。
【００３４】また、上記画像メモリ１０５から２次元画
像情報を生成する２次元画像情報生成部１０７と、この
２次元画像情報生成部１０７で生成された２次元画像情
報と上記奥行き算出部１０６で算出された奥行き値とに
基づき３次元画像を生成する３次元画像生成部１０８が
接続されている。
【００３５】ここで、この３次元画像取得装置の動作に
ついて順序を追って説明する。パターンメモリ１０１に
は、あらかじめパターンの符号化情報を格納しておき、
まず、パターン無しの画像を撮影するため、物体からの
反射光を集光レンズ１０３によって集光し、これを受光
部１０４で受光し、画像メモリ１０５に取り込む。 続
いて、２次元画像生成部１０７で平面的な写真膚報が生
成されると共に、この情報によって、物体の表面反射率
特性を取得する。尚、パターン無しの画像より得た物体
の表面反射率特性は、パターンを投光した物体を撮影し
た画像よりパターン情報を抽出する際に、輝度を比較す
るベースとして用いられる。
【００３６】次に、所定のパターンを物体に投光し、物
体からの反射光を集光レンズ１０３によって集光する。
これを受光部１０４で受光し、画像メモリ１０５に取り
込む。そして、奥行き算出部１０６において、パターン
メモリ１０１に格納された情報と画像メモリ１０５中に
取り込んだパターン情報を比較、照合し、投光パターン
と受光パターンの対応関係を決定する。
【００３７】続いて、受光位置と焦点距離の情報から入
射角を算出し、射出地点と受光地点間の距離間隔と光の
射出角度の情報から、三角測量の原理によって奥行きが
算出される。尚、入射角は、レンズ１０３の光学パラメ
ータ(例えば焦点距離)と受光部の大きさが既知なので、
撮影画像上の位置(受光位置)から判明する。射出地点と
受光地点間の距離聞隔は装置の構成により与えられる。
光の射出角度は、画像に写ったパターンからわかる。
【００３８】そして最後に、３次元画像生成部１０８に
おいて、２次元画像生成部１０７で生成された２次元画
像と、奥行き算出部１０６で算出された奥行き値とから
３次元画像を生成する。
【００３９】このように、第１実施形態の３次元画像取
得装置の構成例によれば、適用するパターンにおいて極
大と極小が交互に配置されているので、ストライプ像
(ストライプ境界)の抽出が容易となる。また、ＲＧＢの
各バンドに対して、その極大、極小情報と階調情報を組
み合せた符号化を行っているので、白色系や淡色系の物
体に限定されることなく、３次元形状測定が可能な適用
範囲を拡大することができる。
【００４０】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図４に基づき説明すると、図２との比較に
よりこの第２実施形態は、前述の第１実施形態で用いた
空間パターン符号化方法は実質的に同じである。ただ
し、図４に示す如く３次元画像取得装置の構成が次の如
く異なる。すなわち、撮影手段が視点の異なる複数箇
所、例えばパターン投影部に対して左右一組（二箇所）
に設けられ、これに伴って画像メモリも左右一組設けら
れる。また、左右の対応関係を決定する手段が新たに設
けられている。
【００４１】詳しくは、投光するパターンを記憶してお
くパターンメモリ２０１と、パターン光を物体に投影す
るパターン投影部２０２と、例えば左右二箇所の撮影手
段を構成する集光用レンズ２０３Ｒ,２０３Ｌ及び受光
部２０４Ｒ,２０４Ｌと、左右の画像メモリ２０５Ｒ,２
０５Ｌと、投影したパターンと検出したパターンとの対
応関係を決定する対応関係決定部２０６と、２次元画像
情報生成部２０７と、奥行き算出部２０８と、３次元画
像生成部２０９とによって３次元画像取得装置が構成さ
れている。
【００４２】この第２実施形態に係わる３次元画像取得
装置の動作について説明する。まず、第１実施形態の場
合と同様、あらかじめパターン無しの画像を撮影してお
き、視点の異なる二箇所で撮影されたその画像が、それ
ぞれ画像メモリ２０５Ｒ,２０５Ｌに取り込まれてい
る。次に、所定のパターンが物体に投影されると、投影
されたパターンが物体によって反射され、２つの異なる
位置(ここではＬ(左)、Ｒ(右))に配置された集光用レン
ズ２０３Ｒ,２０３Ｌによって集光される。そして、そ
の集光された光はそれぞれ受光部２０４Ｒ,２０４Ｌで
受光され、画像メモリ２０５Ｒ,２０５Ｌに各々記憶さ
れる。
【００４３】次に、対応関係決定部２０６において、
投光パターンと左の受光部４０１Ｌで受光したパター
ン、投光パターンと右の受光部４０２Ｒで受光したパ
ターン、左の受光部４０２Ｌと右の受光部４０２で受
光したパターン無しの画像、左の受光部４０２Ｌと右
の受光部４０２で受光したパターン有りの画像の計４通
り（）の対応づけが行われる。このとき、パッ
シブステレオ法の場合に問題となるテクスチャの無い領
域への対応づけの困難さがかなり軽減されている。
【００４４】さらに、前述の第１実施形態の場合には、
投光パターンと受光パターンの対応関係を奥行き算出の
手がかりとしたが、この第２実施形態においては、左右
のパターン無しの画像及びパターン有りの画像の対応関
係をも利用するので、より信頼性の高い対応づけを実現
できるようになっている。そして最後に、３次元画像生
成部２０９において、２次元画像情報生成部２０７で得
られた２次元画像情報と、奥行き算出部２０８で算出さ
れた奥行き値とから、３次元画像を生成する。
【００４５】このように、第２実施形態の３次元画像取
得装置の構成例によれば、２つ以上の視点に設置された
撮像素子でパターンの投影像を取得し、投光パターンと
受光パターンの対応関係づけだけでなく、複数の画像間
の対応づけも行うため、より正確な対応づけが可能とな
り、計測精度と信頼性が向上する効果が得られる。
【００４６】（第３実施形態）つづいて、本発明の第３
実施形態について図５及び図６に基づき説明する。前述
の第１実施形態で用いた３次元画像取得装置の構成は実
質的に同じである。ただし、図５に示す如く空間パター
ン符号化方法が次の如く異なる。
【００４７】図５には、複数の色信号の極大、極小を揃
えたストライプパターンの例を示す。 つまり、前述し
た第１実施形態では、濃淡値を用いた場合のパターンの
構成例を示したが、この第３実施形態で用いるパターン
は、各色(Ｒ,Ｇ,Ｂ)の成分毎のパターンであり、互いに
輝度が極大となる領域と極小となる領域が一致している
ことを特徴とするような図示の如くの、ＲＧＢの極大位
置と極小位置を揃えたカラーストライプパターンであ
る。そして、Ｒ,Ｇ,Ｂの各信号でそれぞれ別々に符号化
しておき、Ｒ,Ｇ,Ｂの信号の反射率がノイズレベルとな
らないものを用いて復号処理するものである。よって、
もしＲ,Ｇ,Ｂ全ての信号の反射率がノイズレベルでなけ
れば、色の復元処理を試みて、色による情報を復号処理
に役立てることができるようになっている。また、極大
と極小が交互に存在するので、パターン像の抽出が容易
となるメリットも得られるものである。
【００４８】次に第３実施形態の３次元画像取得装置に
関する処理動作について説明する。図６のフローチャー
トは、３次元画像取得方法に基づく処理の流れを表わ
す。まずステップST601で、パターン無しの画像データ
を入力する。続いて、ステップST602Ｒ,ST602G,ST602B
において、この画像データのＲ,Ｇ,Ｂ成分を調べ、物体
に投光したＲ,Ｇ,Ｂ光がそれぞれどれくらい戻ってきて
いるかを調べる。これによって、物体表面の反射率特性
をある程度推定する。この時、もし反射光のＲ成分がノ
イズレベルで０に近い値であれば、その近傍ではパター
ン投影画像のＲ成分のデータもほとんどノイズレベルで
あり、Ｒ成分のデータでの復号はできない。同様のこと
が、Ｇ成分のデータ、Ｂ成分のデータについても当ては
まる。
【００４９】以上の事項がそれぞれ判断され、ＲＧＢの
例えばＲ成分では、もし、画像のＲ成分のデータがノイ
ズレベルでなければ、パターン投影画像のＲ成分のデー
タを使用する(ST603R)。このときステップST604Rにて、
Ｒ成分のデータの極大、極小を検出し、続くステップST
605Rでは、極大、極小となる区間での階調を求める。ま
た同様にして、Ｇ成分、Ｂ成分の各データについても同
様の処理を行う(ST603G,ST604G,ST605G及びST603B,ST60
4B,ST605B)。
【００５０】一方、ステップST602T〜ST605Tでは次のよ
うな処理が行われる。すなわち、Ｒ,Ｇ,Ｂに対する表面
反射率特性が、全てノイズレベル以上であれば、投光パ
ターンの色を推定する。色の推定は、例えば、パターン
投影画像のＲＧＢ成分をパターン無しの画像のＲＧＢ成
分でそれぞれ割算してそれらの比を算出することでなさ
れる。こうして、Ｒ,Ｇ,Ｂの表面反射特性が全てノイズ
レベルを上回っていれば、パターン投影画像のＲＧＢの
データを使用し、そのデータの極大、極小を検出して、
色判定を行う。
【００５１】そして、ステップST606において、処理対
象の区間の極大、極小情報と階調情報を用いて数値化し
て復号処理した後、ステップST607ではその数値情報を
メモリ上のテーブルに並べて記録する。そして、この数
値情報とパターンメモリ１０１にあらかじめ記憶されて
いる情報とを照合し、三角測量の原理に基づき物体の奥
行き情報を算出する。
【００５２】このように、第３実施形態の３次元画像取
得装置に用いるパターンは、Ｒ,Ｇ,Ｂにて互いに輝度が
極大となる領域と極小となる領域の一致しているもので
ある。よって、Ｒ,Ｇ,Ｂのそれぞれのグラフ中の輝度値
や、極大、極小情報を用いた復号だけでなく、各ストラ
イプでＲ,Ｇ,Ｂの値から定まる色の情報もまた復号に役
立てることができる。
【００５３】さらに、Ｒ,Ｇ,Ｂの３信号のうち２信号が
ノイズレベルでない場合にも、それらの２つの信号比を
復号に役立てることができる。そして、Ｒ,Ｇ,Ｂの符号
化をそれぞれ別々に行っているので、それらを組み合せ
た復号処理を行うことによって、復号時の信頼性が向上
する効果が得られる。
【００５４】（第４実施形態）図７には、本発明の第４
実施形態の３次元画像取得方法にてパターン光投影を行
う際のパターン構造を例示している。この第４実施形態
では、前述の第３実施形態で用いた３次元画像取得装置
の構成は実質的に同じでよく、空間パターン符号化方法
におけるパターンの形態が次のように異なる。すなわち
図７に示す如く、適用するパターンがＲ,Ｇ,Ｂ信号の極
大、極小をずらしたカラーストライプパターンにしてい
ることが特徴である。
【００５５】このように、第４実施形態の３次元画像取
得において用いるパターンが、互いに輝度が極大となる
領域と極小となる領域が異なるものである、即ち、Ｒ,
Ｇ,Ｂ信号の極大、極小をずらしたカラーストライプパ
ターンを用いる方法によれば、Ｒ,Ｇ,Ｂ全ての信号の反
射率がノイズレベルでないような場合に、前述の第３実
施形態で実施のような極大、極小となるストライプを
Ｒ,Ｇ,Ｂですべて揃えたパターンよりも、彩度が大きく
なるので、色の判定処理が第３実施形態の場合よりも容
易になるというメリットが得られる。
【００５６】（第５実施形態）この第５実施形態でも、
前述の第１実施形態で用いた３次元画像取得装置の構成
は実質的に同じであるとする。ただし、空間パターン符
号化方法におけるパターンの形態が次のように異なる。
図８に、本発明の第５実施形態の３次元画像取得方法で
用いるパターンを示すと、このパターン構造は、濃淡値
を用いた階調格子パターンであって、しかも極大と極小
が図示のように２次元的に交互に配置されているところ
に特徴がある。
【００５７】このように、第５実施形態で適用するパタ
ーンが極大と極小が２次元的に交互に配置されているこ
とで、従来例に比べて、格子像(マス目の区切り)の抽出
が、容易となるというメリットが得られる。また、この
ストライプパターンでは、４つの数字の並びで符号化し
ていたものを２×２のマス目を用いて符号化が可能なの
で、縦に長い物体や正方形の物体に対しては、途中で符
号が途切れる可能性が少なくなり、都合が良い。
【００５８】（第６実施形態）つづいて例示する第６実
施形態で適用されるパターンの形態は、図示はしない
が、輝度値が極大、極小となるマス目をＲ,Ｇ,Ｂで揃え
た格子パターンである。尚、３次元画像取得装置の構成
は、前述の実施形態と実質的に等価なものでよい。
【００５９】このような第６実施形態によれば、Ｒ,Ｇ,
Ｂの符号化をそれぞれ別々に行っているので、それらを
組み合せた復号処理を行うことによって、復号時の信頼
性が向上する効果が得られる。
【００６０】（第７実施形態）最後に、第７実施形態で
適用されるパターンの形態（不図示）は、輝度値が極
大、極小となるマス目をＲ,Ｇ,Ｂでずらした格子パター
ンである。同様にここでも、３次元画像取得装置の構成
は前述の実施形態と実質的に等価なものでよい。
【００６１】このような第７実施形態によれば、Ｒ,Ｇ,
Ｂ全ての信号の反射率がノイズレベルでないような場合
に、極大、極小となるマス目をＲ,Ｇ,Ｂですべて揃えた
パターンよりも、彩度が大きくなるので、色の判定処理
が容易となる効果がある。
【００６２】（変形例）本発明は次のようにも変形実施
が可能である。すなわち、例示した各実施形態の輝度
(階調)パターンは、前述の如く４階調を採用したが、階
調は多様性を確保する観点より少なくとも３階調以上が
望ましい。また、識別の容易性からは６階調以下できれ
ば５階調以下が望ましい。
【００６３】また、輝度が極大な領域と極小な領域とを
交互に配置するという特徴は、パターン全体に対して実
現されているのが望ましいが、パターンの隅は実際には
使われない場合が多いことを考えれば、撮像光学系の視
野に入る範囲で上記特徴が実現されていれば実用上問題
はない。すなわち、パターン投影手段と撮影手段の距離
が、対象物との距離に比較して充分小さいことを考慮に
入れれば、投影されるパターンのうち、撮影手段の撮影
画角と同じ立体角度の範囲内に投影されるパターン部分
で上記の特徴が実現されていればよい。
【００６４】つまり、撮影画角が上下に例えば１０度、
左右に１５度の範囲を撮影するものである場合は、投影
されるパターンのうち、上下１０度、左右１５度の範囲
に投影される部分において、輝度が極大領域と極小領域
を交互に配置する特徴を実現していれば実用上問題はな
い。このほかにも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変形実施が可能である。
【００６５】以上、実施形態に基づき説明したが、本明
細書中には次の発明が含まれる。 （１） 輝度値が極大、極小となる区間もしくは領域を
交互に配置し、極大、極小情報と階調情報を組合せて符
号を生成する空間パターン符号化方法を提供できる。そ
して、この発明の第１の構成例によれば、極大と極小が
交互に配置されているので、ストライプ像(ストライプ
境界)の抽出が容易となる効果がある。
【００６６】（２） （１）記載の空間パタ一ン符号化
方法は、ストライプパターンもしくは格子パターンであ
ることを特徴とする空間パターン符号化方法を提供でき
る。そして、この発明の第２の構成例によれば、２つ以
上の視点に設置された撮像素子でパターンの投影像を取
得し、投光パターンと受光パターンの対応関係づけだけ
でなく、複数の画像間の対応づけも行うため、より正確
な対応づけが可能となり、計測精度と信頼性が向上する
という効果がある。
【００６７】（３） （１）記載の空間パターン符号化
方法は、Ｒ,Ｇ,Ｂのように、ほぼ独立な複数の波長帯で
それぞれ符号化されたことを特徴とする空間パターン符
号化方法を提供できる。そして、この発明の第３の構成
例によれば、Ｒ,Ｇ,Ｂの符号化を別々に行っているの
で、それらを組合せた復号処理を行うことにより復号時
の信頼性が向上する。
【００６８】（４） （３）記載の空間パターン符号化
方法は、Ｒ,Ｇ,Ｂの輝度値が極大、極小となる区間、も
しくは極大、極小となる領域が揃っていることを特徴と
する空間パターン符号化方法を提供できる。そして、こ
の発明の第４の構成例によれば、Ｒ,Ｇ,Ｂ全ての信号の
反射率がノイズレベルでないような場合に、極大、極小
となるストライプをＲ,Ｇ,Ｂで全て揃えたパターンより
も彩度が大きくなるので、色の判定処理が容易となる。
【００６９】（５） （３）記載の空間パターン符号化
方法は、Ｒ,Ｇ,Ｂの輝度値が極大、極小となる区間、も
しくは極大、極小となる領域がずれていることを特徴と
する空間パターン符号化方法を提供できる。そして、こ
の発明の第５の構成例によれば、極大、極小となるマス
目が交互に配置されているので、従来例に比べ、格子像
(マス目の区切り)の抽出が容易となる。
【００７０】（６） （１）記載の空間符号化パターン
を投影するパターン投影部と、前記パターン投影部で投
影されたパターンを記憶するパターンメモリと、反射し
た光を受光する受光部と、前記受光部で受光された情報
を記憶する画像メモリと、前記画像メモリに記憶された
パターンと前記パターンメモリで記憶されたパターンか
ら被写体の奥行き情報を算出する奥行き算出部と、前記
受光部で受光された情報を記憶する画像メモリと、前記
画像メモリから２次元画像情報を生成する２次元画像情
報生成部と、前記２次元画像情報生成部で生成された２
次元画像情報と前記奥行き算出部で算出された奥行き値
とから３次元画像を生成する３次元画像生成部と、から
成ることを特徴とする３次元画像取得装置を提供でき
る。そして、この発明の第６の構成例によれば、Ｒ,Ｇ,
Ｂの符号化を別々に行っているので、それらを組合せた
復号処理を行うことによって、復号時の信頼性が向上す
る。
【００７１】（７） （６）記載の３次元画像取得装置
は、前記受光部と前記画像メモリをそれぞれ複数個具備
し、前記複数個の画像メモリどうしの内容をマッチング
し、画像間の対応づけを行う対応関係決定部を有し、前
記対応関係決定部で決定された情報を基に前記奥行き算
出部で物体の３次元情報を算出し、前記２次元画像情報
生成部で生成された情報と前記奥行き算出部で算出され
た値から３次元画像を生成する３次元画像生成部と、を
有することを特徴とする３次元画像取得装置を提供でき
る。そして、この発明の第７の構成例によれば、Ｒ,Ｇ,
Ｂ全ての信号の反射率がノイズレベルでないような場合
に、極大、極小となるマス目をＲ,Ｇ,Ｂですべて揃えた
パターンよりも、彩度が大きくなるので、色の判定処理
が容易となる。
【００７２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ＲＧ
Ｂの各バンドに対して、その極大、極小情報と階調情報
を組合せた符号化を行っているので、白色系や淡色系の
物体に限定されることなく、３次元形状測定可能な適用
範囲を拡大できる効果がある。
【００７３】そして、本発明によれば、ストライプパタ
ーン投影像からのストライプ境界抽出や格子パターン投
影像からのマス目境界抽出を正しく行え、且つ、白色系
や淡色系の物体でなくても符号化された投影像から正し
い復号が可能となる空間パターン符号化を行うための３
次元画像取得方法、及びこの方法を実現する３次元画像
取得装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の３次元画像取得方法
にてパターン光投影を行う際のパターン構造を示す説明
図。
【図２】 第１実施形態の３次元画像取得装置の構成を
概略的に示す構成図。
【図３】 第１実施形態の３次元画像取得方法における
処理の流れを表わすフローチャート。
【図４】 本発明の第２実施形態の３次元画像取得装置
の構成を概略的に示す構成図。
【図５】 本発明の第３実施形態の３次元画像取得方法
にてパターン光投影を行う際のパターン構造を示す説明
図。
【図６】 第３実施形態の３次元画像取得方法における
処理の流れを表わすフローチャート。
【図７】 本発明の第４実施形態の３次元画像取得方法
にてパターン光投影を行う際のパターン構造を示す説明
図。
【図８】 本発明の第５実施形態の３次元画像取得方法
にてパターン光投影を行う際のパターン構造を示す説明
図。
【図９】 従来の空間パターンコード化方法による３値
の階調を用いた格子パターンの一例を示す説明図。
【図１０】 従来の空間パターンコード化方法による処
理全体の流れを示すフローチャート。
【図１１】 従来のパターン光投影を行う際のパターン
構造を示す説明図。
【図１２】 従来のパターン光投影を行う際のパターン
構造を示す説明図。
【符号の説明】
１０１，２０１…パターンメモリ、 １０２，２０２…パターン投影部（パターン投影手
段）、 １０３，２０３Ｒ,２０３Ｌ…レンズ（撮影手段）、 １０４，２０４Ｒ,２０４Ｌ…受光部（撮影手段）、 １０５，２０５Ｒ,２０５Ｌ…画像メモリ、 １０６，２０８…奥行き算出部（奥行き計算手段）、 １０７，２０７…２次元画像情報生成部（２次元画像情
報生成手段）、 １０８，２０９…３次元画像生成部（３次元画像生成手
段）、 ２０６…対応関係決定部。 ST301〜ST304…第１実施形態における処理ステップ、 ST601〜ST607…第３実施形態における処理ステップ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 BB29 FF00 FF09 FF42 HH07 JJ03 JJ05 JJ26 LL21 QQ21 QQ24 QQ25 QQ29 QQ32 5B057 BA02 BA15 DA17 DB03 DB06 DB09 DC02 DC22 DC25 5C061 AA29

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 物体に所定パターンを投影するパターン
    投影手段と、 上記パターン投影手段と所定距離離れて位置され、上記
    所定パターンを投影された物体を撮影する撮影手段と、 上記撮影手段が撮影した画像からパターンを検出し、こ
    の検出したパターンと上記パターン投影手段が投影した
    パターンを対応させ、この対応を用いて当該物体の各部
    分の奥行きを計算する奥行き計算手段と、 を有し、 上記パターン投影手段が投影するパターンは、輝度値が
    極大となる領域と極小になる領域を交互に配置したもの
    であることを特徴とする３次元画像取得装置。
  2. 【請求項２】 物体に所定パターンを投影するパターン
    投影手段と、 上記パターン投影手段と所定距離離れて位置され、上記
    所定パターンを投影された物体を撮影する撮影手段と、 上記撮影手段が撮影した画像からパターンを検出し、こ
    の検出したパターンと上記パターン投影手段が投影した
    パターンを対応させ、この対応を用いて当該物体の各部
    分の奥行きを計算する奥行き計算手段と、 を有し、 上記パターン投影手段が投影するパターンは、複数の色
    成分毎のパターンが重畳されたものであり、各色成分毎
    のパターンは輝度値が極大となる領域と極小になる領域
    を交互に配置したものであることを特徴とする３次元画
    像取得装置。
  3. 【請求項３】 上記複数の各色成分毎のパターンは、互
    いに輝度が極大となる領域と極小となる領域が一致して
    いることを特徴とする、請求項２に記載の３次元画像取
    得装置。
  4. 【請求項４】 上記複数の各色成分毎のパターンは、互
    いに輝度が極大となる領域と極小となる領域が異なって
    いることを特徴とする、請求項２に記載の３次元画像取
    得装置。
  5. 【請求項５】 上記複数の各色成分とは、ＲＧＢ成分で
    あることを特徴とする、請求項２,３又は４の何れかに
    記載の３次元画像取得装置。
  6. 【請求項６】 上記パターンは、ストライプパターン又
    は格子パターンであることを特徴とする、請求項１〜５
    の何れか１つに記載の３次元画像取得装置。
  7. 【請求項７】 物体に所定のパターンを投影するパター
    ン投影ステップと、 上記パターンを投影した位置より所定距離離れた位置
    で、上記所定パターンを投影された物体を撮影する撮影
    ステップと、 上記撮影ステッブで撮影した画像からパターンを検出
    し、この検出したパターンと上記パターン投影ステップ
    で投影したパターンを対応させ、この対応を用いて当該
    物体各部分の奥行きを計算する奥行き計算ステップと、 を有し、 上記パターン投影ステップで投影するパターンは、輝度
    値が極大となる領域と極小になる領域を交互に配置した
    ものであることを特徴とする３次元画像取得方法。
  8. 【請求項８】 物体に所定のパターンを投影するパター
    ン投影ステップと、 上記パターンを投影した位置より所定距離離れた位置
    で、上記所定パターンを投影された物体を撮影する撮影
    ステップと、 上記撮影ステップが撮影した画像からパターンを検出
    し、この検出したパターンと上記パターン投影ステップ
    で投影したパターンを対応させ、この対応を用いて当該
    物体各部分の奥行きを計算する奥行き計算ステップと、 を有し、 上記パターン投影ステップで投影するパターンは、複数
    の色成分毎のパターンが重畳されたものであり、各色成
    分毎のパターンは、輝度値が極大となる領域と極小にな
    る領域を交互に配置したものであることを特徴とする３
    次元画像取得方法。
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