JP2006170744A - Three-dimensional distance measuring instrument - Google Patents

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Masao Kumagai
正朗 熊谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restore three-dimensional information on a flat unfigured floor, a wall, or a physical object having a repetitive pattern. <P>SOLUTION: This three-dimensional distance measuring instrument is equipped with one or more cameras and one or more light source devices. This instrument acquires distances from respective points to the object all over the areas photographed with the cameras, by using a light source device capable of continuously projecting a banded photo-pattern that continuously moves as time goes on, the camera for photographing the object with the pattern projected thereonto and capable of detecting a change in luminance of each point on an image plane, a means for detecting a difference in times of blinking from a change in the luminance of each point, and a means for converting the times of blinking into distance information. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明はロボットが必要とする作業対象や周辺環境認識や工場における製品の形状計測等に用いる3次元距離装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional distance device used for recognition of a work target and surrounding environment required by a robot, product shape measurement in a factory, and the like, and a manufacturing method thereof.

従来、この種の装置としては、パッシブ型ステレオビジョン、光切断法、位相シフト法等が用いられてきた。   Conventionally, as this type of apparatus, passive stereo vision, light cutting method, phase shift method, and the like have been used.

パッシブ型ステレオビジョンは広く用いられている手法で複数台のカメラを並べ、得られた各々の画像内で同一物を撮影した対応点を検出して、主に三角測量によって撮影された対象物群までの距離を得る。しかし、対応点検出の成否は対象によって左右され、白壁のような模様のない面、逆に編み目のような繰り返しの多い模様では対応点が正しく検出されない。   Passive stereo vision is a widely used technique that arranges multiple cameras, detects corresponding points in the obtained images and detects the corresponding points, and is mainly used for triangulation. Get the distance to. However, the success or failure of corresponding point detection depends on the object. Corresponding points are not correctly detected on a surface without a pattern such as a white wall, or on a pattern with many repetitions such as a stitch.

光切断法もよく知られた方法であり非特許文献1や特許文献1など開示されており、対象にスリット光を照射して、別の方向からカメラで撮影し、その形状から3次元情報を復元する。しかし、形状検出の制約からスリット光は同時に1本ないし数本に限定されるため処理速度は制限される。また、スリット光を認識する処理の制約から、利用は一般に暗室などの照明状況が管理された室内に限られる。   The light cutting method is also a well-known method, which is disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and the like. The object is irradiated with slit light, photographed with a camera from another direction, and three-dimensional information is obtained from the shape. Restore. However, the processing speed is limited because the number of slit lights is limited to one or several at the same time due to restrictions on shape detection. Moreover, the use is generally limited to a room in which lighting conditions such as a dark room are managed, due to restrictions on processing for recognizing slit light.

位相シフト法は非特許文献1で開示されているように、細かな正弦波横縞を形成した板を光源の前で微少に移動させることで対象に縞状の光を投影して数枚の画像を取得し、画像上の各点の位相を検出して距離に変換するが、単純な繰り返し縞を利用するため、異なる点が同じ位相を持つ曖昧さを確実に解決しなければ結果が不定となる、また平板の平行移動であるため復帰動作が必要で連続的な計測が不可能であるという欠点がある。   As disclosed in Non-Patent Document 1, the phase shift method projects a striped light onto a target by slightly moving a plate on which fine sine wave horizontal stripes are formed in front of a light source, thereby producing several images. , And the phase of each point on the image is detected and converted to distance, but since a simple repeated fringe is used, if the ambiguity where different points have the same phase is not resolved reliably, the result is indeterminate. Further, there is a drawback that since the plate is moved in parallel, a return operation is required and continuous measurement is impossible.

特開平5−46739号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-46739 大池祐輔、新宅宏彰、池田誠、浅田邦博:光切断法による高精細・実時間3次元撮像システム、情報映像メディア学会誌 Vol57-No9 1149/1151Yusuke Oike, Hiroaki Shinke, Makoto Ikeda, Kunihiro Asada: High-definition, real-time three-dimensional imaging system using the optical cutting method, Journal of the Institute of Image and Video Media Vol57-No9 1149/1151 V.Srinvasan, H,C,Liu, M.Halioua: Automated phase-measuring profilometry of 3-D diffuse objects, Applied Optics, Vol23-No18 3105/3108V. Srinvasan, H, C, Liu, M. Halioua: Automated phase-measuring profilometry of 3-D diffuse objects, Applied Optics, Vol23-No18 3105/3108

上記のように、従来の技術では方式ごとに撮影対象が限定される、撮影環境が限定される、結果の不確実になりうる、連続検出ができないという問題があった。   As described above, in the conventional technique, there are problems that the photographing target is limited for each method, the photographing environment is limited, the result may be uncertain, and continuous detection cannot be performed.

本発明は、撮影対象や撮影環境を選ばず、結果の不確実さを低減し、連続検出を可能とした上で、計測時間や計測精度などを状況に応じて可変することが可能な、精細な3次元距離計測装置を提供することを目的としている。   The present invention reduces the uncertainty of the result regardless of the subject and the shooting environment, enables continuous detection, and can change the measurement time and measurement accuracy according to the situation. An object of the present invention is to provide a three-dimensional distance measuring apparatus.

1台以上のカメラと1台以上の光源装置を備えた3次元距離計測装置において、時間の経過とともに連続的に移動する縞状の光パターンを連続的に投影することが可能な光源装置と、これを投影した対象を撮影し画面上での各点の輝度の変化を検出可能なカメラと、各点の輝度の変化から明滅のタイミングの差異を検出する手段と、明滅のタイミングから距離情報に変換する手段により、カメラで撮影した領域全域に渡ってその各点での対象までの距離を取得する3次元距離計測装置および該装置を用いた距離計測方法を提供する。   A light source device capable of continuously projecting a striped light pattern that continuously moves with time in a three-dimensional distance measuring device including one or more cameras and one or more light source devices; A camera capable of photographing the object on which the image is projected and detecting a change in luminance at each point on the screen, a means for detecting a difference in blinking timing from the change in luminance at each point, and distance information from the blinking timing There are provided a three-dimensional distance measuring device and a distance measuring method using the device for acquiring the distance to the object at each point over the entire region photographed by the camera by means of conversion.

本発明によれば、3次元距離計測装置において、撮影対象や撮影環境を選ばず、対象に応じた計測時間、計測精度などの条件を可変して、連続的により確実な距離計測が可能という効果が得られる。   According to the present invention, in the three-dimensional distance measuring apparatus, the effect of continuously and reliably measuring the distance by changing the conditions such as the measurement time and the measurement accuracy according to the target without selecting the shooting target and the shooting environment. Is obtained.

本発明を実現するには、光パターンを投影するための光源装置、これを撮影するカメラ、撮影した映像を処理する処理装置を用いる。   In order to realize the present invention, a light source device for projecting a light pattern, a camera for capturing the light pattern, and a processing device for processing the captured image are used.

図1は装置全体の構成を示したものである。光源装置1−1は光の明暗縞を投影する。この縞は明るさが連続的に変化する縞であり、対象1−2に縞状の明暗模様1−3を生じさせる。また、この縞は時間の経過とともに、移動する。縞の移動とともに、照明されている対象上の任意の点の輝度も変化する。縞はある周期を持っており、対象上の点の輝度も周期的に変化する。   FIG. 1 shows the configuration of the entire apparatus. The light source device 1-1 projects light and dark stripes of light. This fringe is a fringe whose brightness changes continuously, and produces a striped light-dark pattern 1-3 on the object 1-2. Moreover, this stripe moves as time passes. As the stripes move, the brightness at any point on the illuminated object also changes. The stripes have a certain period, and the brightness of points on the object also changes periodically.

これをカメラ1−4で撮影する。光源装置はカメラの撮像と同期するように光源制御装置1−5によって制御されており、これが持つ基準位相と、撮影された映像をもとに、位相検出装置1−6が、映像上の各点ごとの輝度の変化が、基準位相からどれだけ進退しているかを検出する。この位相を、距離変換装置1−7において距離に変換する。一方、撮影した映像は映像平均化装置1−8において、平均化され、縞の無い通常の画像に変換される。   This is photographed with the camera 1-4. The light source device is controlled by the light source control device 1-5 so as to be synchronized with the imaging of the camera. Based on the reference phase of the light source device and the photographed image, the phase detection device 1-6 can detect each of the images on the image. It is detected how much the luminance change for each point has advanced or retreated from the reference phase. This phase is converted into a distance by the distance converter 1-7. On the other hand, the captured images are averaged by the image averaging device 1-8 and converted to a normal image without stripes.

図2は光源装置の実現例を示す。光源2−1は対象を照らすためのものである。この光源は点光源、もしくは投影する縞と平行である線光源、平行光源等であるが、任意の光源と光学系を組み合わせることで同等なものを用意してもよい。また、光源の波長は対象を照らすために適したものを任意に選択できる。   FIG. 2 shows an implementation example of the light source device. The light source 2-1 is for illuminating the object. This light source is a point light source, a line light source parallel to the projected stripe, a parallel light source, or the like, but an equivalent light source may be prepared by combining an arbitrary light source and an optical system. Further, the wavelength of the light source can be arbitrarily selected to be suitable for illuminating the object.

遮蔽装置2−2〜2−4は、光源の波長に対して透明な円筒2−2、円筒上に形成した不透明素材による遮蔽模様2−3、円筒を回転させるモータ2−4からなる。   The shielding devices 2-2 to 2-4 include a cylinder 2-2 that is transparent to the wavelength of the light source, a shielding pattern 2-3 made of an opaque material formed on the cylinder, and a motor 2-4 that rotates the cylinder.

光源およびモータは制御装置2−5によって制御される。光源の明暗は撮影された映像輝度が飽和しないように決定される他、非測定時に遮断することでエネルギー消費を低減するために制御される。モータの回転は、回転が撮影と同期するように制御する。映像信号から同期信号を得て、各点の輝度変化の周期が、映像フレーム間隔の整数倍となるように、モータの回転速度を制御する。   The light source and the motor are controlled by the control device 2-5. The brightness of the light source is determined so as not to saturate the brightness of the captured image, and is controlled to reduce energy consumption by shutting off when not measured. The rotation of the motor is controlled so that the rotation is synchronized with the photographing. A synchronization signal is obtained from the video signal, and the rotation speed of the motor is controlled so that the luminance change period at each point is an integral multiple of the video frame interval.

たとえば、具体的な構成例としては、アクリル製円筒に、縞を印刷した透明シートを一周にわたって貼り付けて作成し、直流サーボモータで回転させる。   For example, as a specific configuration example, a transparent sheet on which stripes are printed is attached to an acrylic cylinder over one turn, and is rotated by a DC servo motor.

また、ここでは点光源と遮蔽装置をそのまま使用する例を図としたが、対象に変調光が照射され、かつ対象上の各点に同一光源から2つ以上の経路で光が届かないように設計されていれば、光の経路は問わない。つまり、レンズ系や鏡などを用いることで、点光源からの放射状の光路を平行に、または狭い範囲に収束させることもできる。光学系の設計によっては顕微鏡下のようなきわめて狭い領域に照射することもかまわない。   In this example, the point light source and the shielding device are used as they are. However, the target is irradiated with the modulated light, and each point on the target is prevented from reaching the light from two or more paths from the same light source. As long as it is designed, the light path does not matter. That is, by using a lens system or a mirror, the radial optical path from the point light source can be converged in parallel or in a narrow range. Depending on the design of the optical system, it is possible to irradiate a very narrow area such as under a microscope.

また、本発明に用いる光源装置としては、請求項に記載した、縞模様のついた円筒、円盤、角柱筒を回転させる方式、光源アレイによるものには限定されない。光源装置に要求されることは、光源装置から見て異なる方向には異なる位相をもって時間的に周期変化する光を投影することである。そのような光を投影することが出来る装置であれば、本発明に使用することが出来る。たとえば、液晶プロジェクタのような装置で、かようなパターンを投影することも可能である。   Further, the light source device used in the present invention is not limited to the light source device described in the claims, which is a method of rotating a striped cylinder, a disk, a prismatic cylinder, or a light source array. What is required of the light source device is to project light that periodically changes in time with different phases in different directions as viewed from the light source device. Any apparatus capable of projecting such light can be used in the present invention. For example, such a pattern can be projected by a device such as a liquid crystal projector.

図1の1−4に示したカメラは、光源の波長を検出でき、一定の時間間隔で連続して撮像可能で、その画像列を得られるカメラであれば、すべて使用できる。もっとも一般的なものでは、通常のビデオカメラが使用でき、この場合は1秒間に60枚程度の画像が連続して得られる。工業用の高速度ビデオカメラも使用可能であるほか、計測時間は長くなるが高分解能のデジタルスチルカメラとインターバルタイマの組み合わせも使用可能である。また、光源装置からのパターン光を光学系でごく狭い範囲に投影した上で、カメラ付きの顕微鏡で観測するといった方式もあり得る。   The camera indicated by 1-4 in FIG. 1 can be used as long as it can detect the wavelength of the light source, can continuously capture images at a constant time interval, and can obtain the image sequence. In the most general case, a normal video camera can be used. In this case, about 60 images are obtained continuously per second. An industrial high-speed video camera can be used, and a combination of a high-resolution digital still camera and an interval timer can be used although the measurement time is long. Further, there may be a method in which pattern light from the light source device is projected onto a very narrow range by an optical system and then observed with a microscope with a camera.

縞の進行速度はビデオカメラの撮像間隔によって決まるが、あえて、撮像間隔に比較して高速に、具体的には、たとえば1回の間隔で縞が1本分とすこしだけ進むようにすると、サンプリング定理による折り返しひずみが発生し、低速で進ませたものと同等となる。従来の光パターン投影方式では、そのパターンを人間がみると明滅するなど気分を害しやすく、生理的にも悪影響が懸念されるが、縞を十分高速で進ませた場合、人間の目の応答速度を超えるため、人間には通常の光として知覚され、この問題が解決される。   The moving speed of the fringe is determined by the imaging interval of the video camera. However, if the daring is advanced a little faster than the imaging interval, specifically, for example, one fringe at one interval, sampling is performed. Folding distortion occurs according to the theorem, which is equivalent to the one advanced at low speed. With the conventional light pattern projection method, when the human eye sees the pattern, it tends to be offended and there are concerns about adverse effects on the physiological side, but when the stripes are advanced at a sufficiently high speed, the response speed of the human eye Therefore, it is perceived as normal light by humans and this problem is solved.

得た映像に対しては、以下の処理を行う。周期的に変化する値は、かならずその基本周波数の正弦波成分を有する。この基本成分は以下の式で表される。
ここで、nは縞が1周期進むのに必要な画像の枚数であるが、実際にn枚で処理すると設計した上で円筒の回転制御を行う。 Yxy[i]は画像系列番号iの座標(x,y)の画素の輝度、Y0,xyは基準となる輝度定数、a,bは輝度変化の平均値と振幅を決定する係数、φは光源装置からの光の照射方向に依存する位相値である。YB,xyはその他の光源による背景光である。
The following processing is performed on the obtained video. A periodically changing value always has a sinusoidal component of its fundamental frequency. This basic component is represented by the following formula.
Here, n is the number of images necessary for the fringe to advance by one period, and the rotation control of the cylinder is performed after designing to actually process with n sheets. Y xy [i] is the luminance of the pixel at the coordinate (x, y) of the image sequence number i, Y 0, xy is a reference luminance constant, a, b are coefficients that determine the average value and amplitude of the luminance change, φ Is a phase value that depends on the irradiation direction of light from the light source device. Y B and xy are background lights from other light sources.

この、連続した画像の、各点における輝度の変化値に対して、参照信号 sin(2πi /n)およびcos(2πi /n)を生成し、乗じた上で積算する。
これにより、各画素の明暗の位相の正弦および余弦の比が得られる。逆正接を用いることで、位相を得ることが出来る。
The reference signals sin (2πi / n) and cos (2πi / n) are generated for the luminance change values at each point of the continuous image, multiplied and integrated.
Thereby, the ratio of the sine and cosine of the light and dark phases of each pixel is obtained. By using the arc tangent, the phase can be obtained.

また、参照波を乗じることなく積算することで
各画素を非パターン光で照明した場合の輝度が得られる。
In addition, by multiplying without multiplying the reference wave
Luminance is obtained when each pixel is illuminated with non-patterned light.

なお、本実施例では輝度を代表して説明したが、一般的なカメラの映像信号では、たとえば赤緑青の三原色の成分も得られる。このような各成分を代表して使うことも、また、これらの関数で得られる数値も使用できる。輝度は三原色の関数値の一つである。   In this embodiment, the luminance has been described as a representative. However, for example, components of three primary colors of red, green and blue can be obtained from a general video signal of a camera. Such components can be used as representatives, and numerical values obtained by these functions can also be used. Luminance is one of the function values of the three primary colors.

図3は位相検出装置の構成例である。映像信号は画像取得回路3−1により、画像のデータとなる。位相検出装置をコンピュータを用いて構成する場合はビデオキャプチャ回路、デジタル信号処理回路で構成する場合はAD変換器などを用いる。   FIG. 3 shows a configuration example of the phase detection device. The video signal becomes image data by the image acquisition circuit 3-1. When the phase detection device is configured using a computer, a video capture circuit is used. When the phase detection device is configured using a digital signal processing circuit, an AD converter is used.

取り込んだ画像の枚数をカウンタ3−2で計数し、光源装置の制御情報で補正して参照信号生成器3−3で正弦波および余弦波を生成する。乗算器3−4によって、画像データの各画素の輝度値と2種類の参照信号を乗じる。これを積算バッファ3−5にて、画素ごとに積算する。積算区間が終了後、各画素の積算値より逆正接演算器3−6を介して位相値を得る。   The number of captured images is counted by the counter 3-2, corrected by the control information of the light source device, and a sine wave and a cosine wave are generated by the reference signal generator 3-3. A multiplier 3-4 multiplies the luminance value of each pixel of the image data and two types of reference signals. This is integrated for each pixel in the integration buffer 3-5. After the integration period ends, the phase value is obtained from the integrated value of each pixel via the arctangent calculator 3-6.

この構成において、画像データは1画面分ごと、もしくはそれを分割したものごとに取得回路、乗算器、バッファと送ることができるほか、1画素ずつ順次送ることもできる。前者の場合は積算バッファは画素を格納する配列メモリとそれを順次アクセスする演算器で構成される。後者の場合、積算バッファとしては図4に示すような構成をとることができる。画像データは画面ごとに同じ数の画素から構成されるため、その画素数の長さを持つシフトレジスタ4−1と加算器4−2で構成する。ある時点である画面のある画素の加算処理が行われたあと、加算された値はシフトレジスタで順次送られ、次の画面の同一の画素の加算処理の時点でシフトレジスタから出力され、加算器に入力される。スイッチ4−3は積算区間の開始時にゼロクリアするためのものである。また積算出力は最終結果のみを利用するように、後続の回路で選択する。画面ごとにデータを送る形式では処理は断続的に行われるが、1画素ずつ送る形式では連続して、かつ、各処理が平行して行われ、本発明をデジタル信号処理回路として構成する際に利用できる。   In this configuration, image data can be sent to an acquisition circuit, a multiplier, and a buffer for each screen or for each divided screen, and can also be sent sequentially pixel by pixel. In the former case, the integration buffer is composed of an array memory for storing pixels and an arithmetic unit for sequentially accessing the memory. In the latter case, the integration buffer can be configured as shown in FIG. Since the image data is composed of the same number of pixels for each screen, the image data is composed of a shift register 4-1 and an adder 4-2 having the length of the number of pixels. After addition processing of a certain pixel on a screen at a certain time point, the added value is sequentially sent by a shift register and output from the shift register at the time of addition processing of the same pixel on the next screen. Is input. The switch 4-3 is for clearing to zero at the start of the integration interval. Further, the integrated output is selected in the subsequent circuit so that only the final result is used. In the format of sending data for each screen, processing is intermittently performed, but in the format of sending one pixel at a time, each processing is performed in parallel and when the present invention is configured as a digital signal processing circuit. Available.

距離変換装置1−7は、位相を距離情報に変換するためのものである。その構成は、たとえば、光源装置と撮像装置と画素の位置の幾何学的位置関係より、三角測量で常時計算を行うような演算装置、あらかじめ位相と距離の関係を計算しておいた変換テーブルを格納し、これを参照しながら変換する方式、テーブルを補間しながら使用する方式などによる。   The distance converter 1-7 is for converting the phase into distance information. The configuration is, for example, an arithmetic device that always performs triangulation calculation based on the geometric positional relationship between the light source device, the imaging device, and the pixel position, and a conversion table that has previously calculated the relationship between phase and distance. A method of storing and converting while referring to this, a method of using a table while interpolating, etc.

波の重畳について説明する。前記正弦波による処理式は、同じ処理期間に整数回の明暗を繰り返すような光源装置を使用した場合でも同様に成立し、かつ、三角関数の性質により、異なる回数の明暗は独立してその位相を検出することが出来る。そこで、一つの光源装置の遮蔽装置において、透過度を設定する際、2種類の明暗周期を重畳したものを用意すると、1台の撮像装置で検出し、各々の位相を独立して得ることが出来る。一方は計測対象全体が1周期の範囲に収まるものとし、もう一方はより細かな縞を投影する。両者で検出される位相を一括して処理することにより、前者で大まかでかつ曖昧さのない位相を得て、後者で分解能を得ることが出来る。位相シフト法では後者のみであり、計測結果において、異なる部位でありながら同一位相の箇所が多数発生し曖昧さの原因となっていたが、本発明では前者を加えることで曖昧さが無くなる。   Wave superposition will be described. The processing formula using the sine wave holds true even when a light source device that repeats an integer number of times of light and dark is used in the same processing period. Can be detected. Therefore, in the shielding device of one light source device, when setting the transparency, if two types of light and dark periods superimposed are prepared, it can be detected by one imaging device and each phase can be obtained independently. I can do it. One assumes that the entire measurement object falls within the range of one cycle, and the other projects finer stripes. By processing the phases detected by both at once, a rough and unambiguous phase can be obtained in the former, and a resolution can be obtained in the latter. In the phase shift method, only the latter is used, and in the measurement result, a lot of parts having the same phase are generated although they are different parts, which causes ambiguity. However, in the present invention, the former is added to eliminate ambiguity.

ここでは簡単のために、全体が1周期に収まるものを使用したが、2種類以上の周期を併用し、かつそれらの波数が互いに素であるならば、対となる位相から一意に結果を特定できる。   Here, for the sake of simplicity, we used one that fits in one period. If two or more kinds of periods are used together and their wave numbers are relatively prime, the result is uniquely identified from the paired phases. it can.

複数光源装置の使用について説明する。図5は異なる周期をもつ複数の光源装置を使用した実施例である。本発明において、対象物の凹凸により、対象物に光源の陰が生じると、その部分は位相を検出できなく、距離検出が不能となる。そこで、複数の光源装置を用いることで陰の領域を減らす。   The use of the multiple light source device will be described. FIG. 5 shows an embodiment using a plurality of light source devices having different periods. In the present invention, when the shade of the light source is generated on the object due to the unevenness of the object, the phase cannot be detected at that portion, and the distance cannot be detected. Therefore, the shadow area is reduced by using a plurality of light source devices.

対象5−1に対して、同じ処理区間内に異なる回数の明暗を起こす光源装置5−2および5−3を、異なる方向におき、異なる方向からパターンを投影し、1台のカメラにて撮影する。光源装置5−2により、対象には陰5−4が生じるが、光源5−3の光は照射される。処理装置を5−6および5−7の2系統用い、カメラの出力を分配し、各々の処理装置は各光源装置に対応する参照波で処理を行う。それぞれの処理装置はカメラの各画素における距離と、その信頼性を出力する。信頼性はたとえば輝度の周期変動の振幅の関数とする。この信頼性を加味し、距離統合処理装置5−9によって2系統の処理装置から得られた距離を合成する。この例では2系統であるが、3以上の系統でも同様である。なお、映像平均化装置は一式あればよい。従来の光投影方式では一方向のみからの投影であり、複数併用したとしても同時には照射できなかった。しかし、本手法では同時に照射し、同時に計測でき、合成できる。   For the target 5-1, the light source devices 5-2 and 5-3 that cause different numbers of brightness in the same processing section are placed in different directions, and patterns are projected from different directions and photographed with one camera. To do. The light source device 5-2 causes shadow 5-4 on the object, but the light from the light source 5-3 is irradiated. Two processing units 5-6 and 5-7 are used to distribute the output of the camera, and each processing unit performs processing with a reference wave corresponding to each light source device. Each processing device outputs the distance at each pixel of the camera and its reliability. Reliability is, for example, a function of the amplitude of periodic fluctuations in luminance. Considering this reliability, the distances obtained from the two systems of processing are synthesized by the distance integration processing device 5-9. In this example, there are two systems, but the same applies to three or more systems. A set of video averaging devices is sufficient. In the conventional light projection method, projection is performed from only one direction, and even when a plurality of light projections are used in combination, irradiation cannot be performed simultaneously. However, in this method, it is possible to irradiate simultaneously, measure simultaneously and synthesize.

これらの実施例に加え、独立して観測可能な複数の波長で同時に照明することで、より多くの観測を並列させることが可能である。   In addition to these embodiments, it is possible to parallelize more observations by simultaneously illuminating with a plurality of wavelengths that can be observed independently.

また、撮像装置は1個である必要はなく、撮影が同期していれば、複数台で同時に撮像し、各光源装置の位相情報をもとに処理を行うことができる。なお、これらの場合を総合して、位相検出装置は使用する周期の数と撮像装置数の積となる。   Further, it is not necessary to have a single imaging device, and if imaging is synchronized, imaging can be performed simultaneously by a plurality of units, and processing can be performed based on the phase information of each light source device. In total, the phase detector is the product of the number of cycles used and the number of imaging devices.

本発明に係る3次元距離計測装置はロボットのための作業対象および周辺環境の検出、工業製品、農業産品の形状計測などの様々な分野に適用できる。   The three-dimensional distance measuring apparatus according to the present invention can be applied to various fields such as detection of a work target and surrounding environment for a robot, shape measurement of industrial products and agricultural products.

また、本発明によって製造された3次元距離計測装置は、ロボットの状況検出装置、物体の形状計測装置として広く用いることができる。   The three-dimensional distance measuring device manufactured according to the present invention can be widely used as a robot state detecting device and an object shape measuring device.

本発明による3次元距離計測装置の構成概略図である。1 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional distance measuring device according to the present invention. 本発明に用いる光源装置の実施例である。It is an Example of the light source device used for this invention. 本発明で使用する位相検出装置および映像平均化装置の構成例である。1 is a configuration example of a phase detection device and a video averaging device used in the present invention. 画素積算装置を順次行うための回路の構成例である。It is a structural example of the circuit for performing a pixel integration device sequentially. 2系統の光源装置を用いて陰の影響を少なくする手法を実施するための概略図である。It is the schematic for implementing the method of reducing the influence of a shadow using a two-system light source device.

符号の説明Explanation of symbols

1−1 光源装置
1−2 測定対象物
1−3 光源装置によって投影された光の明暗縞であり、時間の経過とともに移動する
1−4 撮像装置
1−5 光源装置の回転を撮像装置に同期させ、また光量を制御する装置
1−6 画像上の各画素における位相を検出する装置
1−7 検出した位相から各画素における距離に変換する装置
1−8 画像列を単純に平均し、一般的なカメラ画像を得る装置
2−1 光源(ランプなど)
2−2 透明な回転体(透明樹脂製円筒など)
2−3 円筒上に設けた光遮蔽模様(模様の印刷、印刷したフィルムの添付など)
2−4 回転駆動用モータ
2−5 モータの回転および光源の輝度を制御する装置
3−1 外部から入力される映像、画像信号を処理用に変換する回路
3−2 入力された画像の枚数を計測する装置
3−3 画像の進行に伴って参照信号を生成する装置
3−4 画像の各画素輝度値と参照信号を乗じる乗算器
3−5 各画素ごとに積算する装置(積算のための記憶装置を含む)
3−6 積算値を除し、逆正接により位相を求める装置
3−7 映像平均化のための積算装置
4−1 画素輝度と参照信号の乗算結果の積算値を順次送るシフトレジスタ(1画面分を格納する長さ)
4−2 加算器
4−3 積算開始時に保持値をゼロとするためのスイッチ
5−1 陰が生じうるような凹凸のある対象物
5−2 第一系統の光源装置
5−3 第二系統の光源装置
5−4 第一系統の光源装置の光が照射されない 対象物等による陰
5−5 第二系統の光源装置の光が照射されない 対象物等による陰
5−6 第一系統の処理装置群
5−7 第二系統の処理装置群
5−8 通常の画像をえるための映像平均化処理装置
5−9 2系統で得られた各画素の距離をその信頼性をもとに統合する装置
1-1 Light Source Device 1-2 Measurement Object 1-3 Bright and Dark Stripes of Light Projected by Light Source Device and Moves as Time Elapses 1-4 Imaging Device 1-5 Rotation of Light Source Device is Synchronized with Imaging Device 1-6 A device for detecting the phase at each pixel on the image 1-7 A device for converting the detected phase into a distance at each pixel 1-8 An image sequence is simply averaged, For obtaining accurate camera images 2-1 Light source (lamp etc.)
2-2 Transparent rotating body (transparent resin cylinder, etc.)
2-3 Light shielding pattern provided on the cylinder (printing of patterns, attachment of printed films, etc.)
2-4 Motor for Rotation Drive 2-5 Device for Controlling Motor Rotation and Luminance of Light Source 3-1 Circuit for Converting Video and Image Signals Input from Outside 3-2 The Number of Input Images Device for Measurement 3-3 Device for Generating Reference Signal with Progress of Image 3-4 Multiplier for Multiplying Pixel Brightness Value of Image and Reference Signal 3-5 Device for Accumulating Each Pixel (Memory for Integration) Including equipment)
3-6 Device for Dividing Integrated Value and Obtaining Phase by Inverse Tangent 3-7 Accumulating Device for Video Averaging 4-1 Shift register (for one screen) that sequentially sends the integrated value of pixel luminance and reference signal Length to store)
4-2 Adder 4-3 Switch 5-1 for Setting Holding Value to Zero at Start of Accumulation Object 5-2 with Unevenness that Can Shade 5-2 First System Light Source Device 5-3 Second System Light source device 5-4 Light from the light source device of the first system is not irradiated 5-5 Shadow by the object, etc. Light from the light source device of the second system is not irradiated 5-6 Shadow by the object, etc. 5-7 Second System Processing Device Group 5-8 Video Averaging Processing Device 5-9 for Obtaining Normal Images 5-9 Device that integrates distances of pixels obtained by two systems based on their reliability

Claims (5)

1台以上のカメラと1台以上の光源装置を備えた3次元距離計測装置において、時間の経過とともに連続的に移動する縞状の光パターンを連続的に投影することが可能な光源装置と、これを投影した対象を撮影し画面上での各点の輝度の変化を検出可能なカメラと、各点の輝度の変化から明滅のタイミングの差異を検出する手段と、明滅のタイミングから距離情報に変換する手段により、カメラで撮影した領域全域に渡ってその各点での対象までの距離を取得することを特徴とする3次元距離計測装置。   A light source device capable of continuously projecting a striped light pattern that continuously moves with time in a three-dimensional distance measuring device including one or more cameras and one or more light source devices; A camera capable of photographing the object on which the image is projected and detecting a change in luminance at each point on the screen, a means for detecting a difference in blinking timing from the change in luminance at each point, and distance information from the blinking timing A three-dimensional distance measuring apparatus characterized in that, by means of conversion, a distance to an object at each point is acquired over the entire area photographed by a camera. 前記光源装置が、白色光、単一波長光、赤外光など任意の波長の光源と、縞パターンを有する遮蔽装置で構成され、遮蔽装置は円筒、円盤、角柱筒などに代表される、軸と重心が一致する透明な面で構成される上記波長に対して透明な物体に、上記波長に対して段階的な明暗をもって光の透過を調整できる物質によって連続的にかつ周期的に変化する縞模様を描いたものを、モータで回転させることを特徴とする請求項1に記載の3次元距離計測装置。   The light source device includes a light source having an arbitrary wavelength such as white light, single wavelength light, infrared light, and a shielding device having a stripe pattern, and the shielding device is represented by a cylinder, a disk, a prismatic cylinder, or the like. A fringe that changes continuously and periodically with a substance that can adjust the transmission of light with a stepwise brightness and darkness with respect to the wavelength, on an object that is transparent with respect to the wavelength and that consists of a transparent surface with the same center of gravity The three-dimensional distance measuring apparatus according to claim 1, wherein a pattern is rotated by a motor. 前記光源装置が、複数の小形光源のアレイで構成され、その小形光源の明滅を制御することによって対象に縞状の光パターンを投影することが可能なことを特徴とする請求項1に記載の3次元距離計測装置。   2. The light source device according to claim 1, wherein the light source device includes an array of a plurality of small light sources, and can project a striped light pattern onto an object by controlling blinking of the small light sources. 3D distance measuring device. 前記距離計測装置が1台以上のカメラと互いに異なる方向から照明する2台以上の光源装置で構成され、各光源装置があい異なる周期で明滅するような縞パターンを投影し、これを1台のカメラが同時に対象を撮影し、それぞれのパターンに対して同時に距離の検出を行い、合成することで物体による陰の影響を低減する手段を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の3次元距離計測装置。   The distance measuring device is composed of two or more light source devices that illuminate from one or more cameras and different directions, and each light source device projects a fringe pattern that blinks in different periods, 4. The apparatus according to claim 1, further comprising means for reducing the influence of shadows by an object by simultaneously photographing a target, simultaneously detecting a distance for each pattern, and synthesizing the patterns. The three-dimensional distance measuring device described. 1台以上のカメラと1台以上の光源装置を備えた3次元距離計測装置において、時間の経過とともに移動する縞状の光パターンを投影することが可能な光源装置と、これを投影した対象を撮影し画面上での各点の輝度の変化を検出可能なカメラと、各点の輝度の変化から明滅のタイミングの差異を検出する手段と、明滅のタイミングから距離情報に変換する手段により、カメラで撮影した領域全域に渡ってその各点での対象までの距離を取得することを特徴とする距離計測方法。   In a three-dimensional distance measuring device including one or more cameras and one or more light source devices, a light source device capable of projecting a striped light pattern that moves with the passage of time, and a target on which the light source device is projected. A camera capable of photographing and detecting a change in brightness of each point on the screen, a means for detecting a difference in blinking timing from the change in brightness of each point, and a means for converting the blinking timing into distance information A distance measuring method characterized in that the distance to the target at each point is acquired over the entire area imaged in (1).
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009115612A (en) * 2007-11-06 2009-05-28 Panasonic Electric Works Co Ltd Three-dimensional shape measuring device and three-dimensional shape measurement method
JP2010243495A (en) * 2009-04-03 2010-10-28 Carl Zeiss Oim Gmbh Device for optically inspecting surface of matter
JP2012512400A (en) * 2008-12-19 2012-05-31 アイメス サービシーズ ゲーエムベーハー Apparatus and method for three-dimensional optical measurement of highly reflective or transmissive materials
JP2014508938A (en) * 2011-03-10 2014-04-10 ミルテク カンパニー リミテッド Vision inspection equipment using multiple grid patterns
JP2015105883A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 株式会社アバールデータ Measurement device
US9781397B2 (en) 2015-10-05 2017-10-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Projector and projector system
CN109579790A (en) * 2018-11-24 2019-04-05 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 A kind of aviation linear array camera imaging function ground detection method and device
JP2020056698A (en) * 2018-10-03 2020-04-09 株式会社日立エルジーデータストレージ Distance measuring imaging device
US11272147B2 (en) 2017-03-17 2022-03-08 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Projector and projector system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0546739A (en) * 1991-08-19 1993-02-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Visual system
JP2003254732A (en) * 2002-03-04 2003-09-10 Wakayama Univ Grid projection shape measurement method and device therefor based on frequency modulation grid
JP2004226317A (en) * 2003-01-24 2004-08-12 Saki Corp:Kk Scanning head and visual inspection apparatus capable of using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0546739A (en) * 1991-08-19 1993-02-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Visual system
JP2003254732A (en) * 2002-03-04 2003-09-10 Wakayama Univ Grid projection shape measurement method and device therefor based on frequency modulation grid
JP2004226317A (en) * 2003-01-24 2004-08-12 Saki Corp:Kk Scanning head and visual inspection apparatus capable of using the same

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009115612A (en) * 2007-11-06 2009-05-28 Panasonic Electric Works Co Ltd Three-dimensional shape measuring device and three-dimensional shape measurement method
JP2012512400A (en) * 2008-12-19 2012-05-31 アイメス サービシーズ ゲーエムベーハー Apparatus and method for three-dimensional optical measurement of highly reflective or transmissive materials
JP2010243495A (en) * 2009-04-03 2010-10-28 Carl Zeiss Oim Gmbh Device for optically inspecting surface of matter
JP2014508938A (en) * 2011-03-10 2014-04-10 ミルテク カンパニー リミテッド Vision inspection equipment using multiple grid patterns
JP2015105883A (en) * 2013-11-29 2015-06-08 株式会社アバールデータ Measurement device
US9781397B2 (en) 2015-10-05 2017-10-03 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Projector and projector system
US11272147B2 (en) 2017-03-17 2022-03-08 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Projector and projector system
US11531102B2 (en) 2018-10-03 2022-12-20 Hitachi-Lg Data Storage, Inc. Distance measurement image pickup apparatus
JP2020056698A (en) * 2018-10-03 2020-04-09 株式会社日立エルジーデータストレージ Distance measuring imaging device
CN110988902A (en) * 2018-10-03 2020-04-10 日立乐金光科技株式会社 Distance-measuring camera device
CN110988902B (en) * 2018-10-03 2023-05-12 日立乐金光科技株式会社 Distance measuring camera device
JP7154924B2 (en) 2018-10-03 2022-10-18 株式会社日立エルジーデータストレージ ranging imaging device
CN109579790A (en) * 2018-11-24 2019-04-05 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 A kind of aviation linear array camera imaging function ground detection method and device
CN109579790B (en) * 2018-11-24 2021-01-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Aerial linear array camera imaging function ground detection method and device

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