JP2019159872A - 演算装置、演算装置の制御方法、および、コンピュータープログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】相対位相の演算時間を短縮できる技術を提供する。【解決手段】コンピュータープログラムは、相対位相を演算する演算機能と、第1パターン投影と第2パターン投影とを実行する投影実行機能とをコンピューターに実現させ、演算機能は、第1パターン投影によって光が投影された被計測物の濃淡画像と、第2パターン投影によって光が投影された被計測物の濃淡画像とを撮像部から取得して、取得した濃淡画像を用いて相対位相を演算する機能を含む。【選択図】図1
Description
本発明は、相対位相を演算するための技術に関する。
従来、被計測物の3次元形状を計測する方法として位相シフト法が知られている(例えば、特許文献1,2)。
位相シフト法は、輝度の変化が正弦波状である縞模様の投影パターンを、位相をずらして複数回だけ被計測物に投影し、投影パターンが投影された被計測物の複数の画像を用いて未知数を求める。
例えば、投影パターンをπ/2ずつずらして4回の投影を行い、投影パターンが投影された被計測物の濃淡画像を取得する。撮像部の1画素で撮像された濃淡画像の輝度値は以下の式(1)〜式(4)で表される。以下の式(1)〜式(4)において、I1〜I4は、撮像部のある1画素で撮像された画像の輝度値であり、Aは輝度(投影パターン)の振幅であり、φは相対位相であり、Gは背景輝度(グローバルアンビエント)であり、Mは物体反射率である。
上記の式(1)〜式(4)を用いて相対位相φは以下の式(5)によって算出される。
算出された相対位相φは縞模様の投影パターンの1周期ごとの値、すなわち−π〜πの間の値となる。よって、複数位相にわたって投影された各縞の絶対位相を算出するために、縞次数nを推定する。縞次数nの推定方法としては、例えば、特許文献1や特許文献2に開示された技術が知られている。相対位相φと推定した縞次数nとを用いて、絶対位相が算出される。絶対位相の等しい点を連結して得られる線(等位相線)が、光切断法における切断線と同じく被計測物をある平面で切断した断面の形状を表す。よって、絶対位相をもとに、撮像部と投影部との光学的な位置関係に基づいて三角測量の原理により被計測物の3次元形状(画像各点における深さ情報)が計測される。
従来の位相シフト法では、相対位相φを演算するためには、投影パターンを少なくとも3回(通常は上述のごとく4回)だけ位相をずらして被計測物に投影する必要がある。このため、相対位相φを求めるための演算時間が長くなる場合があった。演算時間が長くなった場合、計測中に被計測物を照らす外光照度が変化したり、被計測物が移動したりする場合があり、演算精度が低下する場合が生じ得る。よって、従来から相対位相φを求めるための演算時間を短縮できる技術が望まれている。
(1)本発明の一形態によれば、輝度の変化が正弦波状である投影パターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムが提供される。このコンピュータープログラムは、前記撮像部が撮像した前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する演算機能と、(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた前記投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第1パターン投影と、(ii)前記第1パターンおよび前記第2パターンに対して前記位相がπ/2だけずれた前記投影パターンとしての第3パターンと第4パターンであって、互いに前記位相がπだけずれた第3パターンおよび第4パターンを、前記第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第2パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、前記投影実行機能は、1つの周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影と、次の周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影との間に前記第1パターン投影を実行する機能を含み、前記演算機能は、前記第1パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記第2パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像とを前記撮像部から取得して、取得した前記濃淡画像を用いて前記相対位相を演算する機能を含む。
(2)本発明の他の一形態によれば、予め定められたパターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムが提供される。このコンピュータープログラムは、相対位相を演算する演算機能と、(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた輝度の変化が正弦波状である投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを、第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる正弦波パターン投影と、(ii)全白画像である全白パターンと全黒画像である全黒パターンとを、前記正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に前記投影部によって投影させる全白黒パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、前記投影実行機能は、1つの周期目の前記全白パターンと全黒パターンの投影と、次の周期目の前記全白パターンおよび前記全黒パターンの投影との間に前記正弦波パターン投影を実行する機能を含み、前記演算機能は、前記正弦波パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記全白黒パターン投影によって光が投影された前記被計測物の参考画像とを前記撮像部から取得し、取得した前記濃淡画像および前記参考画像を用いて、前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する機能を含む。
A.第1実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態としての演算装置100を説明するための図である。図2は、投影部1が被計測物105に投影する投影パターン391を説明するための図である。演算装置100(図1)は、被計測物105の相対的な3次元形状を計測するための装置である。演算装置100は、投影部1と、撮像部2と、制御装置3とを備える。
図1は、本発明の第1実施形態としての演算装置100を説明するための図である。図2は、投影部1が被計測物105に投影する投影パターン391を説明するための図である。演算装置100(図1)は、被計測物105の相対的な3次元形状を計測するための装置である。演算装置100は、投影部1と、撮像部2と、制御装置3とを備える。
投影部1は、液晶プロジェクターである。投影部1は、光源11と、液晶パネル13と、レンズ15とを有する。光源11は、超高圧水銀ランプ等の光源ランプの他、発光ダイオードやレーザーダイオード等の種々の光源を採用可能である。液晶パネル13としては、透過型及び反射型のいずれであってもよいし、色光別に複数の液晶パネル13を備えた構成としてもよい。レンズ15は、液晶パネル13を通過した光を被計測物105の表面に集光する。投影部1は、輝度の変化が正弦波状である縞模様の投影パターン391(図2)の光を被計測物105に投影する。
撮像部2は、被計測物105を撮像するカメラである。撮像部2は、CCDやCMOSなどの固体撮像素子と、被計測物105の像を固体撮像素子の撮像面に結像させる光学系と、固体撮像素子の出力を信号処理して画素毎の輝度(濃度値)を得る信号処理部とを備える。撮像部2は、被計測物105を撮像して濃淡画像を生成する。濃淡画像は、白黒の濃淡を有する画像である。
撮像部2の撮像方向(光軸方向)L2と、投影部1の投影方向(光軸方向)L1とは異なる。撮像部2と投影部1とは互いの位置関係(例えば、距離)は、予め定められている。また、ステレオキャリブレーションによって、撮像部2の座標系と投影部1の座標系との座標対応関係(座標変換式)は予め定められている。位置関係および座標対応関係は関係テーブル393として、後述する記憶部39に記憶されている。
制御装置3は、制御部31と記憶部39とを有する。記憶部39は、フラッシュメモリーやEEPROMなどの不揮発性のメモリーによって構成されている。記憶部39は、制御部31が実行する各種プログラムの他に、投影パターン391と、関係テーブル393と、座標情報395とが記憶されている。投影パターン391(図2)は、輝度の変化が正弦波状である縞模様のパターンである。関係テーブル393は、上述のごとく撮像部2と投影部1との位置関係および座標対応関係とを規定するテーブルである。座標情報395は、撮像部2によって撮像された被計測物105の濃淡画像である基準画像から演算された、被計測物105の絶対座標系における座標情報(3次元座標情報)である。基準画像は、投影部1によって任意のパターンの光が被計測物105に投影された被計測物105の撮像画像である。任意のパターンとしては、絶対座標系を演算できるパターンであればよく、例えば投影パターン391であってもよいし、白黒の格子状のパターンなどの他のパターンであってもよい。
制御部31は、演算装置100の動作を制御する。制御部31は、記憶部39に記憶されたプログラムの機能として、投影制御部312と、撮像制御部314と、相対位相演算部316と、深度ずれ演算部318とを有する。
投影制御部312は、投影部1の動作を制御する。例えば、投影制御部312は、投影部1によって投影パターン391の光を被計測物105に投影させる。具体的には、投影制御部312は、相対位相φの演算のために、第1パターン投影と第2パターン投影を実行することで投影部1によって投影パターン391の光を被計測物105に投影させる。第1パターン投影と第2パターン投影との詳細は後述する。撮像制御部314は、撮像部2の動作を制御する。例えば、撮像制御部314は、後述するタイミングで投影パターン391の光が投影された被計測物105を撮像部2に撮像させる。撮像部2によって撮像された濃淡画像は記憶部39に記憶される。
相対位相演算部316は、撮像部2が撮像した投影パターン391の光が投影された被計測物105の濃淡画像内の任意の位置における、投影パターン391の相対位相φを演算する。
深度ずれ演算部318は、座標情報395と相対位相演算部316が演算した相対位相φとを用いて、基準画像を取得したときの被計測物105に対する相対位相φが演算されたときの被計測物105の深度のずれ量(相対3次元形状)を演算する。「相対位相φが演算されたとき」とは、第1パターン投影による1組の第1パターン391aと第2パターン391bの投影のうちで、後半に投影される第2パターン391bの光が投影された被計測物105を撮像部2が撮像したときである。
図3は、第1パターン投影によって被計測物105に投影される投影パターンを示す図である。図4は、第2パターン投影によって被計測物105に投影される投影パターンを示す図である。図5は、第1パターン投影と第2パターン投影とによる投影パターン391a〜391dの投影タイミングチャートである。
図3に示すように、第1パターン投影は、空間周波数における位相が互いにπだけずれた投影パターン391としての第1パターン391aおよび第2パターン391bを投影部1によって投影させる。図4に示すように、第2パターン投影は、第1パターン391aおよび第2パターン391bに対して位相がπ/2だけずれた投影パターン391としての第3パターン391cと第4パターン391dを投影部1によって投影させる。また、第3パターン391cと第4パターン391dとは位相が互いにπだけずれている。
また図5に示すように、第1パターン投影は、第1パターン391aおよび第2パターン391bを第1時間周期で交互に投影部1によって複数回にわたって投影させる制御である。第1パターン投影では、各周期において、第1パターン391aの投影の終了直後に、第2パターン391bの投影が実行される。
第2パターン投影は、第3パターン391cおよび第4パターン391dを第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に投影部1によって投影させる。第2パターン投影では、各周期において、第3パターン391cの投影の終了直後に、第4パターン391dの投影が実行される。本実施形態において、第1時間周期は1/60秒であり、第2時間周期は1/6秒である。また、第1パターン391a〜第4パターン391dの投影時間はそれぞれ1/120秒である。
また、投影制御部312は、第2パターン投影による1つの周期目の第3パターン391cおよび第4パターン391dの投影と、次の周期目における第3パターン391cおよび第4パターン391dの投影との間に、第1パターン投影を実行する。
第2時間周期は、第1時間周期よりも長ければよいが、第1時間周期のN倍(Nは2以上の自然数)であることが好ましい。こうすることで、投影制御部312による投影のタイミング制御を容易に行うことができる。また第2時間周期は、太陽光などによる背景輝度の変動がほぼ一定であると想定される時間周期であることが好ましい。例えば、第2時間周期は10秒以下が好ましく、1秒以下がより好ましい。
第1パターン投影および第2パターン投影において、第1パターン391aから第4パターン391dの光が被計測物105に投影されるごとに、撮像制御部314は撮像部2に、各パターン391a〜391dの光が投影された被計測物105を撮像させることで濃淡画像を生成させる。
図6は、相対位相演算部316が実行する相対位相φの演算工程を示すフローチャートである。このフローチャートは、演算装置100が外部からの入力を受け付けることで、パターン投影周期ごとに繰り返し実行される。パターン投影周期とは、第2パターン投影における一つの周期目開始から次の周期目の開始までの時間周期であり、第2時間周期に相当する。
相対位相φの演算工程が開始されると、第1パターン391aから第4パターン391dの4位相を用いて、基準比R(=背景輝度G/振幅A)を演算する(ステップS10)。相対位相演算部316はステップS10において、上記式(1)〜(4)から導出される以下の式(6)を用いて基準比R(=G/A)を演算する。式(6)は物体反射率を関係式に含んでいない。
上記式(6)において、振幅Aは、投影制御部312によって制御された投影パターン391の振幅である。また、上記式(6)における濃淡画像の各画素における輝度値I2,I4は、各パターン投影周期の1回目の第3パターン391cと第4パターン391dの光を被計測物105に投影したときの濃淡画像における画素ごとの輝度値である。つまり、上記式(6)における輝度値I2は、第3パターン391cの投影における濃淡画像の輝度値である。また、上記式(6)における輝度値I4は、第4パターン391dの投影Bにおける濃淡画像の輝度値である。つまり、本実施形態では、相対位相演算部316は、パターン投影周期ごとにおいて、初めの4/120秒間において時系列に第1パターン391aから第4パターン391dの光が投影された被計測物105の4枚の濃淡画像を撮像部2から取得する。次に相対位相演算部316は、取得した4枚の濃淡画像のうちの位相が互いにπだけずれた2枚の濃淡画像を用いて上記式(6)を用いて基準比R(=G/A)を演算する。
次に、相対位相演算部316は、第1パターン投影で投影される第1パターン391aと第2パターン391bの2位相を用いて以下の式(7)を演算する(ステップS12)。式(7)は、上述の式(1)と式(3)から得られる。
上記式(7)に代入される輝度値I1および輝度値I3は、以下の輝度値である。すなわち、パターン投影周期において、図5に示すように第1パターン投影によって時系列に第1パターン391aや第2パターン391bの光を被計測物105に投影する。そして、第1パターン391aや第2パターン391bの光が投影された被計測物105を撮像部2によって撮像させる。そして相対位相演算部316は、撮像部2が撮像した第1パターン391aと第2パターン392bにおける2枚の濃淡画像を取得して、画素ごとに濃淡画像の輝度値を上記式(7)の輝度値I1、I3に代入する。
次に、ステップS12で演算した式(7)にステップS10で演算した式(6)の基準比Rを上記式(7)に代入することで、以下の式(8)を用いて相対位相φを演算する(ステップS14)。
ステップS12およびステップS14は、パターン投影周期において、1組の第1パターン391aおよび第2パターン391bの投影ごとに実行される。全ての組の投影が終了することで、次のパターン投影周期におけるステップS10〜ステップS14が実行される。つまり、本実施形態では、時間による変動が少ない基準比Rについては、パターン投影周期ごとにおいて、1回目の第1パターン391aから第4パターン391dの投影による濃淡画像を用いて演算しておく。次に、パターン投影周期において、第1パターン投影による第1パターン391aと第2パターン391bとを時系列に被計測物105に投影する。そして、第1パターン391aの光が投影された被計測物105と、第2パターン391bの光が投影された被計測物105とはそれぞれ撮像部2によって撮像されることで2枚の濃淡画像が生成される。相対位相演算部316は、この2枚の濃淡画像を用いて演算した式(8)に、初めに演算した基準比R(=G/A)の式(6)を代入する。これにより、パターン投影周期における、第1パターン391aと第2パターン391bの2位相のパターンを用いた相対位相φの演算が可能となる。
ステップS14において、相対位相φが演算される毎に、深度ずれ演算部318は、以下の演算を実行する。つまり、深度ずれ演算部318は、演算された相対位相φと記憶部39に記憶された座標情報395(図1)とを用いて、基準画像を取得したときの被計測物105に対する、相対位相φが演算されたときの被計測物105の深度のずれ量(相対3次元形状)を演算する。
上記第1実施形態によれば、相対位相演算部316は、第1パターン投影によって光が投影された被計測物105の濃淡画像と、第2パターン投影によって光が投影された被計測物105の濃淡画像とを撮像部2から取得する。そして相対位相演算部316は、取得した濃淡画像を用いて相対位相φを演算している。これにより、第2時間周期(パターン投影周期)ごとに、第1パターン391aから第4パターン391dが投影された濃淡画像を用いて、時間経過による変動が少ない変数である基準比Rを予め演算することができる。基準比Rが演算された以降は、相対位相演算部316は、第1パターン391aと第2パターン391bの2枚の濃淡画像と、予め演算した基準比Rとを用いて相対位相φを演算できる。これにより、相対位相φの演算時間を短縮できる。具体的には、図5に示すように、パターン投影周期において、1回ずつの第1パターン391a〜第4パターン391dの光の被計測物105への投影A〜Dによって、相対位相演算部316は、時間経過による変動が他の変数(相対位相φ)よりも小さい基準比Rを予め演算する。そして、パターン投影周期において、基準比Rが演算された以降は、第1パターン391aと第2パターン391bが交互の投影される毎に、相対位相φが演算される。これにより、パターン投影周期において、予め演算した基準比Rを共通に用いて相対位相φの演算を行うことができるので、相対位相φの演算時間を短縮できる。
また、上記第1実施形態に開示の技術は、深度ずれ演算部318が深度のずれ量を演算することで、以下のような深度解析に応用できる。例えば、演算装置100は、被計測物105の振動解析や、被計測物105に対して物体が接触したか否かの接触解析を行うことができる。振動解析としては、例えば、被計測物105が基準位置から振動によってずれる場合の深度のずれ量を演算することで、振動の状態を解析することが挙げられる。また、接触解析としては、例えば、被計測物105としてのスクリーンに指やタッチペンなどの物体が接触したか否かを被計測物105の深度のずれ量に応じて解析することが挙げられる。特に、本実施形態では、相対位相φの演算時間が短縮できるので、深度のずれ量の演算も短縮できる。
B.第2実施形態:
図7は、本発明の第2実施形態としての演算装置100aを説明するための図である。上記第1実施形態の演算装置100(図1)と異なる点は、記憶部39aに記憶されたパターン391Aと、投影制御部312aの制御内容と、相対位相演算部316aの演算内容である。その他の構成については第1実施形態と同様の構成であるので、第1実施形態と同様の構成については第1実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
図7は、本発明の第2実施形態としての演算装置100aを説明するための図である。上記第1実施形態の演算装置100(図1)と異なる点は、記憶部39aに記憶されたパターン391Aと、投影制御部312aの制御内容と、相対位相演算部316aの演算内容である。その他の構成については第1実施形態と同様の構成であるので、第1実施形態と同様の構成については第1実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
制御装置3aの記憶部39aには、投影部1によって投影される予め定められたパターン391Aが記憶されている。パターン391Aは、投影パターン391と、投影画像が全白画像である全白パターン391A2と、投影画像が全黒画像である全黒パターン391A3とを有する。投影パターン391は、第1実施形態の投影パターン391と同一であり、輝度の変化が正弦波状である投影パターン(図2)である。
制御部31aの投影制御部312aは、投影パターン391の光や、全白パターン391A2の光や、全黒パターン391A3の光を投影部1に投影させる。投影制御部312aは、相対位相φの演算のために、正弦波パターン投影と全白黒パターン投影とを実行することで投影部1によってパターン391Aの光を被計測物105に投影させる。
正弦波パターン投影は、上記第1実施形態の第1パターン投影と同一の投影内容である。つまり、正弦波パターン投影は、空間周波数における位相が互いにπだけずれた投影パターン391としての第1パターン391aと第2パターン391bを、第1時間周期で交互に投影部1によって投影させる。全白黒パターン投影は、上記第1実施形態の第2パターン投影に代えて実行される投影である。以下に全白黒パターン投影の詳細について説明する。
図8は、全白黒パターン投影によって被計測物105に投影される全白パターン391A2および全黒パターン391A3を示す図である。全白パターン391A2の輝度値は、投影パターン391aのうちで最も高い輝度値の半分である。つまり、全白パターン391A2の輝度値は、第1パターン391a(図3)の振幅に対応するように設定されている。こうすることで、後述する全白パターン391A2と全黒パターン391A3とを用いた振幅Aの演算を容易に行うことができるので、相対位相φを容易に演算できる。なお、他の実施形態では、全白パターン391A2の輝度値は、第1パターン391aのうちで最も高い輝度値(最高輝度値)の何倍であるかが投影制御部312aによって制御されていれば、第2実施形態に限定されるものではない。
図9は、正弦波パターン投影と全白黒パターン投影とによる投影タイミングチャートである。図9の投影タイミングチャートは、第1実施形態の投影タイミングチャート(図5)のうち第3パターン391cの投影を全黒パターン391A3の投影に代え、さらに、第4パターン391dの投影を全白パターン391A2の投影に代えている。つまり、全白黒パターン投影は、全白パターン391A2と全黒パターン391A3とを正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に投影部1によって投影させる。また、投影制御部312aは、1つの周期目の全白パターン391A2と全黒パターン391A3の投影と、次の周期目の全白パターン391A2と全黒パターン391A3との間に正弦波パターン投影を実行する。
図10は、相対位相演算部316aが実行する相対位相φの演算工程を示すフローチャートである。このフローチャートは、演算装置100が外部からの入力を受け付けることで、パターン投影周期ごとに繰り返し実行される。パターン投影周期とは、全白黒パターン投影における一つの周期目開始から次の周期目の開始までの時間周期である。
相対位相φの演算工程が開始されると、相対位相演算部316aは、被計測物105の2枚の参考画像を用いて基準比R(=G/A)を演算する(ステップS10a)。2枚の参考画像のうちの一方は、全白黒パターン投影において全白パターン391A2の光が投影された被計測物105を、撮像部2によって撮像した画像(白参考画像)である。また2枚の参考画像のうちの他方は、全白黒制御における全黒パターン391A3の光が投影された被計測物105を、撮像部2によって撮像した画像(黒参考画像)である。相対位相演算部316aは、黒参考画像の各画素の輝度値を、各画素における背景輝度Gとする。また、相対位相演算部316aは、各画素において、白参考画像の輝度値から黒参考画素の輝度値を引くことで振幅Aを演算する。なお、全白パターン391A2の輝度値が、第1パターン391aの振幅に対応していない場合は、白参考画像の輝度値から黒参考画素の輝度値を引いた値に、補正値を乗ずることで振幅Aが演算される。補正値は、全白パターン391A2の輝度値と、第1パターン391aの振幅とに基づいて予め算出されている。例えば、全白パターン391A2の輝度値が、第1パターン391aの最高輝度値のN倍である場合は、補正値は1/(2N)となる。
次に、相対位相演算部316aは、第1実施形態と同様のステップS12,ステップS14の処理を実行する。なお、第2実施形態のステップS12における「正弦波パターン投影」と第1実施形態のステップS12における「第1パターン投影」とは、投影内容が同じである。図9に示すように、パターン投影周期ごとにまず基準比Rを演算し、この基準比Rを、相対位相φを演算するための共通の値として用いる。また、第2実施形態の深度ずれ演算部318は、第1実施形態と同様に、相対位相φが演算される毎に、被計測物105の深度のずれ量(相対3次元形状)を演算する。
上記のごとく、第2実施形態の演算装置100aによれば、相対位相演算部316aが、正弦波パターン投影によって光が投影された被計測物105の濃淡画像と、全白黒パターン投影によって光が投影された被計測物105の参考画像とを撮像部2から取得する。そして相対位相演算部316aは、取得した濃淡画像および参考画像を用いて、投影パターン391の光が投影された被計測物105の濃淡画像の任意の位置における、投影パターン391の相対位相φを演算している。これにより、パターン投影周期(全白黒パターン投影の投影周期)ごとに、全黒パターン391A3の光が投影された参考画像と全白パターン391A2の光が投影された2枚の参考画像を用いて、基準比Rを予め演算しておくことができる。これにより、パターン投影周期において、基準比Rを演算した以降では、第1パターン391aと第2パターン391bの2枚の濃淡画像と、予め演算した基準比Rとを用いて相対位相φを演算できる。これにより、相対位相φの演算時間を短縮できる。また、上記第2実施形態によれば、上記第1実施形態と同様に、相対位相φの演算時間が短縮できるので、深度のずれ量の演算も短縮できる。
C.第3実施形態:
図11は、本発明の第3実施形態としての演算装置100bを説明するための図である。上記第1実施形態の演算装置100(図1)と異なる点は、制御装置3bの制御部31bが実行する処理内容と、記憶部39bに記憶された内容である。第3実施形態において、第1実施形態と同様の構成については第1実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
図11は、本発明の第3実施形態としての演算装置100bを説明するための図である。上記第1実施形態の演算装置100(図1)と異なる点は、制御装置3bの制御部31bが実行する処理内容と、記憶部39bに記憶された内容である。第3実施形態において、第1実施形態と同様の構成については第1実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
制御部31bは、新たに、絶対位相演算部319と、3次元座標演算部320とを有する。絶対位相演算部319は、任意の位置の相対位相φを位相接続して投影パターン391の絶対位相φaを演算する。つまり、絶対位相演算部319は、縞次数nを演算し、相対位相φと演算した縞次数nとを用いて、絶対位相φaを演算する。3次元座標演算部320は、演算された絶対位相φaから三角測量の原理を用いて被計測物105の絶対座標系における3次元座標、つまり絶対深度を演算する。被計測物105の絶対座標系における3次元座標が演算されることで、被計測物105の3次元形状を得ることができる。三角測量の測定原理については従来周知であるから詳細な説明は省略する。
記憶部39bは、投影部1によって投影される予め定められたパターン391Bが記憶されている。パターン391Bは、投影パターン391と、補助投影パターン群399を有する。投影パターン391は、第1実施形態の投影パターン391と同一であり、輝度の変化が正弦波状である投影パターン(図2)である。補助投影パターン群399は、投影パターン391よりも空間周波数が低い複数の補助投影パターンを有する。複数の補助投影パターンはそれぞれ、輝度の変化が正弦波状である縞模様のパターンである。補助投影パターン群399が有するそれぞれの補助投影パターンの空間周波数は、投影パターン391の空間周波数の1/N倍(Nは2以上の自然数)であることが好ましい。こうすることで、絶対位相演算部319は容易に縞次数を演算できる。複数の補助投影パターンはそれぞれ、互いに空間周波数が異なる。本実施形態では、補助投影パターン群399は、第A補助投影パターン399Aと、第B補助投影パターン399Bと、第C補助投影パターン399Cとを有する。第A補助投影パターン399Aは、投影パターン399の空間周波数の1/2である。第B補助投影パターン399Bは、投影パターン399の空間周波数の1/4である。第C補助投影パターン399Cは、投影パターン399の空間周波数の1/8である。
投影制御部312bは、投影パターン391を用いた第1パターン投影および第2パターン投影の実行に加え、補助投影パターン群399を用いた第1補助パターン投影および第2補助パターン投影を実行する。なお、第1パターン投影の各パターン、第2パターン投影の各パターン、第1補助パターン投影の各パターン、および、第2補助パターン投影の各パターンが、被計測物105に投影される毎に、撮像部2によって被計測物105が撮像される。これにより、各パターンが投影された被計測物105の濃淡画像が取得される。
図12は、第1補助パターン投影によって被計測物105に投影される第A補助投影パターン399Aを示す図である。第1補助パターン投影は、空間周波数における位相が互いにπだけずれた第A補助投影パターン399Aとしての第5パターン399a1および第6パターン399b1を時系列に投影する。
図13は、第2補助パターン投影によって被計測物105に投影される第A補助投影パターン399Aを示す図である。第2補助パターン投影は、空間周波数における位相が互いにπだけずれた第A補助投影パターン399Aとしての第7パターン399c1および第8パターン399d1を時系列に投影する。また、第7パターン399c1および第8パターン399d1は、第5パターン399a1および第6パターン399b1に対して位相がπ/2だけずれている。
図12および図13は、補助投影パターン群399の第A補助投影パターン399Aを例に説明したが、第B補助投影パターン399Bと第C補助投影パターン399Cのそれぞれについても、同様に、第1補助パターン投影と第2補助パターン投影とによって被計測物105に投影される。つまり、第B補助投影パターン399Bと第C補助投影パターン399Cのそれぞれについても、空間周波数における位相が互いにπだけずれた第5パターン399aと第6パターン399bが投影される第1補助パターン投影が実行される。また、第B補助投影パターン399Bと第C補助投影パターン399Cのそれぞれについても、空間周波数における位相が互いにπだけずれた第7パターン399cと第8パターン399dが投影される第2補助パターン投影が実行される。また、各補助投影パターン399A〜399Cの第5パターン399a〜第8パターン399dを区別して用いる場合には、以下を用いる。つまり、第A補助投影パターン399Aの第5パターン399a〜第8パターン399dは符号の末尾に「1」を付し、第B補助投影パターン399Bの第5パターン399a〜第8パターン399dは符号の末尾に「2」を付し、第C補助投影パターン399Cの第5パターン399a〜第8パターン399dは符号の末尾に「3」を付す。
また本実施形態において、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cの3つの第5パターン399aをまとめて第5パターン群399Gaとも呼び、3つの第6パターン399bをまとめて第6パターン群399Gbとも呼ぶ。また、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cの3つの第7パターン399cをまとめて第7パターン群399Gcとも呼び、3つの第8パターン399dをまとめて第8パターン群399Gdとも呼ぶ。
図14は、第1補助パターン投影と第2補助パターン投影とによる第5パターン群399Ga〜第8パターン399Gdの投影タイミングチャートである。第1補助パターン投影では、第5パターン群399Gaの光と、第6パターン群399Gbの光とが被計測物105に投影される。また、第2補助パターン投影では、第7パターン群399Gcの光と、第8パターン群399Gdの光とが被計測物105に投影される。図14に示す例では、第5パターン群399Ga〜第8パターン群399Gdが順次投影されている。また、図14に示す例では、第5パターン群399a〜第8パターン群399Gdの各パターンの投影時間は、それぞれ1/120秒である。つまり、投影制御部312bは、第5パターンおよび第6パターンが投影パターン391よりも低い複数の空間周波数ごとに設定された第5パターン群および第6パターン群を、投影部1によって投影させている。また、投影制御部312bは、第5パターン群および第6パターン群のそれぞれに対して位相がπ/2だけずれた第7パターン群および第8パターン群であって、互いに位相がπだけずれた第7パターン群および第8パターン群を撮像部1によって投影させている。
例えば、第A補助投影パターン399Aの第5パターン399a1〜第8パターン399d1が、図14に示す投影タイミングで投影され、次に第B補助投影パターン399Bの第5パターン399a2〜第8パターン399d2が、図14に示す投影タイミングで投影され、最後に第C補助投影パターン399Cの第5パターン399a3〜第8パターン399d3が、図14に示す投影タイミングで投影される。
投影制御部312bは、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれについても、相対位相演算部316によって相対位相φを演算するために、第1実施形態に示した図5のタイミングチャートと同様のタイミングチャートで第5パターン399a〜第8パターン399dの投影を実行する。つまり、1回のパターン投影周期において、図5における第1パターン391a〜第4パターン391dの1回目の投影が終了した後に、第5パターン群399Ga〜第8パターン群399Gdの投影(図14の第1補助パターン投影および第2補助パターン投影)を行う。これにより、相対位相演算部316は、投影パターン399の基準比Rに加えて、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれの基準比Rを演算する。ここで理解の容易のために、投影パターン391の基準比Rを基本基準比Rとも呼び、第A補助投影パターン399Aの基準比Rを第1補助基準比R1とも呼び、第B補助投影パターン399Bの基準比Rを第2補助基準比R2とも呼び、第C補助投影パターン399Cの基準比Rを第3補助基準比R3とも呼ぶ。
投影制御部312bは、基本基準比R、第1補助基準比R1〜第3補助基準比R3を演算するためのパターンの投影を実行した後に以下の投影を実行する。つまり、投影制御部312bは、投影パターン391の相対位相φを演算するために図5に示す第1パターン投影と、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれの相対位相φを演算するために第5パターン399a1,399a2,399a3と第6パターン399b1,399b2,399b3との投影(第1補助パターン投影)を実行する。例えば、投影制御部312bは、1組の第1パターン391aおよび第2パターンの投影(第1パターン投影)を実行する毎に、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれにおいて、1組の第5パターン399aおよび第6パターン399bの投影(第1補助パターン投影)を実行する。これにより、相対位相演算部316は、演算した基本基準比R、第1補助基準比R1〜第3補助基準比R3と、第1パターン投影や第1補助パターン投影の光が投影された被計測物105の画像を用いて、各投影パターン399,399a,399b,399cの相対位相φを演算する。ここで、投影パターン399の相対位相φを「相対位相φ1」とも呼び、第A補助投影パターン399Aの相対位相φを「相対位相φ2」とも呼び、第B補助投影パターン399Bの相対位相φを「相対位相φ3」とも呼び、第C補助投影パターン399Cの相対位相φを「相対位相φ4」とも呼ぶ。
絶対位相演算部319(図11)は、第1パターン投影や第2パターン投影の光が投影された被計測物105の4枚の濃淡画像と、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれにおいて、第1補助パターン投影や第2補助パターン投影の光が投影された被計測物105の4枚の補助濃淡画像とを用いて絶対位相φaを演算する。つまり、絶対位相演算部319は、4枚の濃淡画像と第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれにおける4枚の補助濃淡画像とを用いて、縞次数nを演算し、相対位相φと演算した縞次数nとを用いて絶対位相φaを演算する。具体的には、絶対位相演算部319は、演算された相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を用いて縞次数nおよび絶対位相φaを演算する。縞次数nおよび絶対位相φaの演算方法は、公知の手法を用いて演算できるので詳細は省略する。
3次元座標演算部320は、演算された絶対位相φaから三角測量の原理を用いて被計測物105の絶対座標系における3次元座標を演算する。
上記第3実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の構成を有する点において同様の効果を奏する。加えて、上記第3実施形態によれば、絶対位相演算部319によって絶対位相φaを演算できると共に、3次元座標演算部320によって被計測物105の絶対座標系における3次元座標を演算できる。
D.第4実施形態:
図15は、本発明の第4実施形態としての演算装置100cを説明するための図である。上記第2実施形態の演算装置100a(図7)と異なる点は、制御装置3cの制御部31cが実行する処理内容と、記憶部39cに記憶された内容である。第4実施形態において、第2実施形態と同様の構成については第2実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
図15は、本発明の第4実施形態としての演算装置100cを説明するための図である。上記第2実施形態の演算装置100a(図7)と異なる点は、制御装置3cの制御部31cが実行する処理内容と、記憶部39cに記憶された内容である。第4実施形態において、第2実施形態と同様の構成については第2実施形態と同様の符号を付すと共に説明を省略する。
制御部31cは、第3実施形態の制御部31bと同様に、新たに、絶対位相演算部319と、3次元座標演算部320とを有する。絶対位相演算部319は、第3実施形態と同様であり、任意の位置の相対位相φを位相接続して投影パターン391の絶対位相φaを演算する。3次元座標演算部320は、第3実施形態と同様であり、演算された絶対位相φaから三角測量の原理を用いて被計測物105の絶対座標系における3次元座標を演算する。
記憶部39cは、投影部1によって投影される予め定められたパターン391Cが記憶されている。パターン391Cは、投影パターン391と、全白パターン391A2と、全黒パターン391A3と、補助投影パターン群399とを有する。補助投影パターン群399は、上記第3実施形態と同様に第A補助投影パターン399A、第B補助投影パターン399B、および第C補助投影パターン399Cを有する。
投影制御部312cは、第2実施形態と同様の正弦波パターン投影と全白黒パターン投影との実行に加え(図9)、新たに、補助投影パターン群399を用いた補助パターン投影を実行する。
投影制御部312cが実行する補助パターン投影は、第3実施形態の第1補助パターン投影と同様であり、第A補助投影パターン399A、第B補助投影パターン399B、および、第C補助投影パターン399Cのそれぞれについて、第5パターン399a1,399a2,399a3および第6パターン399b1,399b2,399b3を時系列に投影する。つまり、投影制御部312cは、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれについても、相対位相演算部316aによって相対位相φを演算するために、図9の正弦波投影パターンと同様のタイミングチャートで第5パターン399a1,399a2,399a3および第6パターン399b1,399b2,399b3を投影する。具体的には、投影制御部312cは、1回のパターン投影周期において、1組の第1パターン391aおよび第2パターン391bの投影(正弦波パターン投影)を実行する毎に、以下の投影を順次実行する。つまり、投影制御部312cは、第A補助投影パターン399Aにおける第5パターン399a1と第6パターン399b1の投影、第B補助投影パターン399Bにおける第6パターン399a2と第7パターン399b2の投影、および、第C補助投影パターン399Cにおける第5パターン399a3と第6パターン399b3の投影を順次実行する。
相対位相演算部316aは、パターン投影周期ごとに演算した基準比Rと、正弦波パターン投影および第1補助パターン投影の光を投影した被計測物105の濃淡画像とを用いて、各パターン391,399A,399B,399Cの相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を演算する。
絶対位相演算部319cは、正弦波パターン投影の光が投影された被計測物105の2枚の濃淡画像と、全白黒パターン投影の光が投影された被計測物105の2枚の参考画像と、補助パターン投影の光が投影された被計測物105の2枚の補助濃淡画像とを用いて絶対位相φaを演算する。つまり、絶対位相演算部319cは、2枚の濃淡画像と、第A補助投影パターン399A〜第C補助投影パターン399Cのそれぞれにおける2枚の補助濃淡画像とを用いて、縞次数nを演算し、相対位相φと演算した縞次数nとを用いて絶対位相φaを演算する。具体的には、絶対位相演算部319cは、演算された相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を用いて縞次数nおよび絶対位相φaを演算する。3次元座標演算部320は、演算された絶対位相φaから三角測量の原理を用いて被計測物105の絶対座標系における3次元座標を演算する。
上記第4実施形態によれば、上記第2実施形態と同様の構成を有する点において同様の効果を奏する。加えて、上記第4実施形態によれば、絶対位相演算部319cによって絶対位相φaを演算できると共に、3次元座標演算部320によって被計測物105の絶対座標系における3次元座標を演算できる。また、相対位相φ1,φ2,φ3,φ4の演算に、共通の基準比Rを用いることができるので相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を演算する時間を短縮できる。
E.他の実施形態:
E−1.他の実施形態1:
上記第3実施形態および上記第4実施形態では、絶対位相演算部319,319cは、補助濃淡画像や濃淡画像や参考画像を用いて絶対位相φaを演算していたが、絶対位相φaの演算方法は上記に限定されるものではない。例えば、絶対位相演算部319,319cは、空間コードパターンと、投影パターン391とを用いて縞次数nを演算することで絶対位相φaを演算してもよい。
E−1.他の実施形態1:
上記第3実施形態および上記第4実施形態では、絶対位相演算部319,319cは、補助濃淡画像や濃淡画像や参考画像を用いて絶対位相φaを演算していたが、絶対位相φaの演算方法は上記に限定されるものではない。例えば、絶対位相演算部319,319cは、空間コードパターンと、投影パターン391とを用いて縞次数nを演算することで絶対位相φaを演算してもよい。
E−2.他の実施形態2:
上記第3および第4実施形態では、補助投影パターン群399が有する3つの補助投影パターン399A〜399Cは、投影パターン399の空間周波数の1/2,1/4,1/8の空間周波数であったがこれに限定されるものではない。例えば、3つの補助投影パターンは、投影パターン391の空間周波数よりも低ければ上記に限定されるものではなく、投影パターン391の空間周波数の1/16,1/32,1/64などであってもよい。また、補助投影パターンの投影数は3つに限定されるものではなく、投影パターン391の空間周波数の1/2,1/4,1/8,1/16の4つや、それ以上であってもよい。また、上記第3および第4実施形態において、パターン投影周期における1回の相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を演算するための各投影パターン391,399A,399B,399Cの投影タイミングは上記第3および第4実施形態に限定されるものではない。例えば、第3実施形態において、1組の第1パターン391aと第2パターン391bの投影の後に、3つの第5パターン399a1〜399a3を順次投影し、次に3つの第6パターン399b1〜399b3を順次投影し、次に3つの第7パターン399c1〜399c3を順次投影し、次に3つの第8パターン399d1〜399d3を順次投影してもよい。
上記第3および第4実施形態では、補助投影パターン群399が有する3つの補助投影パターン399A〜399Cは、投影パターン399の空間周波数の1/2,1/4,1/8の空間周波数であったがこれに限定されるものではない。例えば、3つの補助投影パターンは、投影パターン391の空間周波数よりも低ければ上記に限定されるものではなく、投影パターン391の空間周波数の1/16,1/32,1/64などであってもよい。また、補助投影パターンの投影数は3つに限定されるものではなく、投影パターン391の空間周波数の1/2,1/4,1/8,1/16の4つや、それ以上であってもよい。また、上記第3および第4実施形態において、パターン投影周期における1回の相対位相φ1,φ2,φ3,φ4を演算するための各投影パターン391,399A,399B,399Cの投影タイミングは上記第3および第4実施形態に限定されるものではない。例えば、第3実施形態において、1組の第1パターン391aと第2パターン391bの投影の後に、3つの第5パターン399a1〜399a3を順次投影し、次に3つの第6パターン399b1〜399b3を順次投影し、次に3つの第7パターン399c1〜399c3を順次投影し、次に3つの第8パターン399d1〜399d3を順次投影してもよい。
E−3.他の実施形態3:
上記第3実施形態では、相対位相φ2,φ3,φ4を演算するために、第1〜第3補助基準比R1,R2,R3を演算していたが、これに限定されるものではない。例えば、基本基準比R、第1〜第3補助基準比R1,R2,R3の少なくともいずれか一つの基準比を、他の基準比として見なして相対位相φ2,φ3,φ4を演算してもよい。こうすることで、パターン投影周期を短縮できる。
上記第3実施形態では、相対位相φ2,φ3,φ4を演算するために、第1〜第3補助基準比R1,R2,R3を演算していたが、これに限定されるものではない。例えば、基本基準比R、第1〜第3補助基準比R1,R2,R3の少なくともいずれか一つの基準比を、他の基準比として見なして相対位相φ2,φ3,φ4を演算してもよい。こうすることで、パターン投影周期を短縮できる。
E−4.他の実施形態4:
上記各実施形態では、投影部1として液晶プロジェクターを用いていたが、これに限定されるものではない。例えば、投影部1は、MEMSスキャナーや、DLPなどの空間上にパターンを投影できる要素であってもよい。また上記各実施形態において、投影されるパターンの波長は、可視光であってもよいし、近赤外光などの不可視光であってもよい。また、上記各実施形態において、被計測物105に投影される輝度の変化が正弦波状の投影パターンの光は、縦方向の縞模様(つまり、横方向に沿って輝度が変化する縞模様)や横方向の縞模様(つまり、縦方向に沿って輝度が変化する縞模様)であってもよく、これらを組み合わせた模様であってもよい。縦方向のみの縞模様の投影パターンの光を被計測物105に投影する場合は、投影部1と撮像部2とが水平方向に並んで配置されていることが好ましい。また、横方向のみの縞模様の投影パターンの光を被計測物105に投影する場合は、投影部1と撮像部2とが鉛直方向に並んで配置されていることが好ましい。つまり、投影パターンが、投影部1と撮像部2の配置位置によって決定されるエピポーラ線と垂直であることが好ましい。
上記各実施形態では、投影部1として液晶プロジェクターを用いていたが、これに限定されるものではない。例えば、投影部1は、MEMSスキャナーや、DLPなどの空間上にパターンを投影できる要素であってもよい。また上記各実施形態において、投影されるパターンの波長は、可視光であってもよいし、近赤外光などの不可視光であってもよい。また、上記各実施形態において、被計測物105に投影される輝度の変化が正弦波状の投影パターンの光は、縦方向の縞模様(つまり、横方向に沿って輝度が変化する縞模様)や横方向の縞模様(つまり、縦方向に沿って輝度が変化する縞模様)であってもよく、これらを組み合わせた模様であってもよい。縦方向のみの縞模様の投影パターンの光を被計測物105に投影する場合は、投影部1と撮像部2とが水平方向に並んで配置されていることが好ましい。また、横方向のみの縞模様の投影パターンの光を被計測物105に投影する場合は、投影部1と撮像部2とが鉛直方向に並んで配置されていることが好ましい。つまり、投影パターンが、投影部1と撮像部2の配置位置によって決定されるエピポーラ線と垂直であることが好ましい。
E−5.他の実施形態5:
上記各実施形態の演算装置100,100a,100c,100dは、被計測物105の3次元形状を計測する機器に搭載してもよいし、3次元振動解析を行う機器に搭載してもよいし、ある対象物に物体が接触したかどうかを認識するタッチ認識器に搭載されてもよい。
上記各実施形態の演算装置100,100a,100c,100dは、被計測物105の3次元形状を計測する機器に搭載してもよいし、3次元振動解析を行う機器に搭載してもよいし、ある対象物に物体が接触したかどうかを認識するタッチ認識器に搭載されてもよい。
F.他の形態:
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本発明は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本発明は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本発明の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本発明の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、輝度の変化が正弦波状である投影パターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムが提供される。このコンピュータープログラムは、前記撮像部が撮像した前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する演算機能と、(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた前記投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第1パターン投影と、(ii)前記第1パターンおよび前記第2パターンに対して前記位相がπ/2だけずれた前記投影パターンとしての第3パターンと第4パターンであって、互いに前記位相がπだけずれた第3パターンおよび第4パターンを、前記第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第2パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、前記投影実行機能は、1つの周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影と、次の周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影との間に前記第1パターン投影を実行する機能を含み、前記演算機能は、前記第1パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記第2パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像とを前記撮像部から取得して、取得した前記濃淡画像を用いて前記相対位相を演算する機能を含む。この形態によれば、第2時間周期ごとに、第1パターンから第4パターンが投影された濃淡画像を用いて時間経過による変動が少ない変数を予め演算しておくことで、以降は第1パターンと第2パターンの濃淡画像と、予め演算した変数とを用いて相対位相を演算できる。これにより、相対位相の演算時間を短縮できる。
(2)本発明の他の一形態によれば、予め定められたパターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムが提供される。このコンピュータープログラムは、相対位相を演算する演算機能と、(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた輝度の変化が正弦波状である投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを、第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる正弦波パターン投影と、(ii)全白画像である全白パターンと全黒画像である全黒パターンとを、前記正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に前記投影部によって投影させる全白黒パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、前記投影実行機能は、1つの周期目の前記全白パターンと全黒パターンの投影と、次の周期目の前記全白パターンおよび前記全黒パターンの投影との間に前記正弦波パターン投影を実行する機能を含み、前記演算機能は、前記正弦波パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記全白黒パターン投影によって光が投影された前記被計測物の参考画像とを前記撮像部から取得し、取得した前記濃淡画像および前記参考画像を用いて、前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する機能を含む。この形態によれば、全白黒パターンの時間周期ごとに、全白パターンと全黒パターンが投影された参考画像を用いて時間経過による変動が少ない変数を予め演算しておくことで、以降は第1パターンと第2パターンの濃淡画像と、予め演算した変数とを用いて相対位相を演算できる。これにより、相対位相の演算時間を短縮できる。
(3)上記形態であって、前記全白パターンの輝度値は、前記正弦波パターン投影によって投影される前記投影パターンうちで最も高い輝度値の半分の輝度値であってもよい。この形態によれば、相対位相を容易に演算できる。
(4)上記形態であって、さらに、任意のパターンの光が前記被計測物に投影された前記被計測物の撮像画像である基準画像から演算された、前記被計測物の絶対座標系における座標情報を予め記憶する記憶機能と、前記座標情報と前記相対位相とを用いて、前記基準画像を取得したときの前記被計測物に対する、前記相対位相が演算されたときの前記被計測物の深度のずれ量を演算する深度ずれ量演算機能と、を有していてもよい。この形態によれば、相対位相の演算時間が短縮できるので、深度のずれ量の演算時間も短縮できる。
(5)上記形態であって、さらに、任意の位置の前記相対位相を位相接続して前記投影パターンの絶対位相を演算する絶対位相演算機能と、前記絶対位相から前記被計測物の絶対座標系における3次元座標を演算する3次元座標演算機能と、を有し、前記投影実行機能はさらに、前記投影パターンより空間周波数が低く、輝度の変化が正弦波状の補助投影パターンであって、互いに位相がπだけずれた補助投影パターンとしての第5パターンおよび第6パターンが複数の前記空間周波数ごとに設定された第5パターン群および第6パターン群を前記投影部によって投影させる第1補助パターン投影機能と、前記第5パターン群および前記第6パターン群のそれぞれに対して前記位相がπ/2だけずれた第7パターン群および第8パターン群であって、互いに前記位相がπだけずれた第7パターン群および第8パターン群を前記撮像部によって投影させる第2補助パターン投影機能と、を含み、前記絶対位相演算機能は、前記濃淡画像と、前記第1補助パターン投影機能および前記第2補助パターン投影機能によって光が投影された前記被計測物の補助濃淡画像と、を用いて前記絶対位相を演算する機能を含んでもよい。この形態によれば、絶対位相演算機能によって容易に絶対位相を演算できる。
(6)上記形態であって、さらに任意の位置の前記相対位相を位相接続して絶対位相を演算する絶対位相演算機能と、前記絶対位相から前記被計測物の3次元座標を演算する3次元座標演算機能と、を有し、前記投影実行機能はさらに、前記投影パターンより空間周波数が低く、輝度の変化が正弦波状の補助投影パターンであって、互いに位相がπだけずれた補助投影パターンとしての第5パターンおよび第6パターンが複数の前記空間周波数ごとに設定された第5パターン群および第6パターン群を、前記投影部によって投影させる補助パターン投影機能を含み、前記絶対位相演算機能は、前記濃淡画像と、前記参考画像と、前記補助パターン投影機能によって光が投影された前記被計測物の補助濃淡画像と、を用いて前記絶対位相を演算する機能を含んでもよい。この形態によれば、絶対位相演算機能によって容易に絶対位相を演算できる。
本発明は、画像処理システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、コンピュータープログラムの他に、演算装置や演算装置の制御方法、コンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体などの形態で実現することができる。
1…投影部、2…撮像部、3,3a,3b,3c…制御装置、11…光源、13…液晶パネル、15…レンズ、31,31a,31b,31c…制御部、39,39a,39b,39c…記憶部、100,100a,100b,100c…演算装置、105…被計測物、312,312a,312b,312c…投影制御部、314…撮像制御部、316,316a…相対位相演算部、318…演算部、319,319c…絶対位相演算部、320…3次元座標演算部、391…投影パターン、391A,391B,391C…パターン、391A2…全白パターン、391A3…全黒パターン、391a…第1パターン、391b…第2パターン、391c…第3パターン、391d…第4パターン、393…関係テーブル、395…座標情報、399a…第5パターン、399…補助投影パターン群、399d…第8パターン、399c…第7パターン、399b…第6パターン、L1…投影方向、L2…撮像方向
Claims (10)
- 輝度の変化が正弦波状である投影パターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムであって、
前記撮像部が撮像した前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する演算機能と、
(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた前記投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第1パターン投影と、(ii)前記第1パターンおよび前記第2パターンに対して前記位相がπ/2だけずれた前記投影パターンとしての第3パターンと第4パターンであって、互いに前記位相がπだけずれた第3パターンおよび第4パターンを、前記第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第2パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、
前記投影実行機能は、1つの周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影と、次の周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影との間に前記第1パターン投影を実行する機能を含み、
前記演算機能は、前記第1パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記第2パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像とを前記撮像部から取得して、取得した前記濃淡画像を用いて前記相対位相を演算する機能を含む、コンピュータープログラム。 - 予め定められたパターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するためのコンピュータープログラムであって、
相対位相を演算する演算機能と、
(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた輝度の変化が正弦波状である投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを、第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる正弦波パターン投影と、(ii)全白画像である全白パターンと全黒画像である全黒パターンとを、前記正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に前記投影部によって投影させる全白黒パターン投影と、を実行する投影実行機能と、をコンピューターに実現させ、
前記投影実行機能は、1つの周期目の前記全白パターンと全黒パターンの投影と、次の周期目の前記全白パターンおよび前記全黒パターンの投影との間に前記正弦波パターン投影を実行する機能を含み、
前記演算機能は、前記正弦波パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記全白黒パターン投影によって光が投影された前記被計測物の参考画像とを前記撮像部から取得し、取得した前記濃淡画像および前記参考画像を用いて、前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する機能を含む、コンピュータープログラム。 - 請求項2に記載のコンピュータープログラムであって、
前記全白パターンの輝度値は、前記正弦波パターン投影によって投影される前記投影パターンうちで最も高い輝度値の半分の輝度値である、コンピュータープログラム。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のコンピュータープログラムであって、さらに、
任意のパターンの光が前記被計測物に投影された前記被計測物の撮像画像である基準画像から演算された、前記被計測物の絶対座標系における座標情報を予め記憶する記憶機能と、
前記座標情報と前記相対位相とを用いて、前記基準画像を取得したときの前記被計測物に対する、前記相対位相が演算されたときの前記被計測物の深度のずれ量を演算する深度ずれ量演算機能と、を有する、コンピュータープログラム。 - 請求項1に記載のコンピュータープログラムであって、さらに、
任意の位置の前記相対位相を位相接続して前記投影パターンの絶対位相を演算する絶対位相演算機能と、
前記絶対位相から前記被計測物の絶対座標系における3次元座標を演算する3次元座標演算機能と、を有し、
前記投影実行機能はさらに、
前記投影パターンより空間周波数が低く、輝度の変化が正弦波状の補助投影パターンであって、互いに位相がπだけずれた補助投影パターンとしての第5パターンおよび第6パターンが複数の前記空間周波数ごとに設定された第5パターン群および第6パターン群を、前記投影部によって投影させる第1補助パターン投影機能と、
前記第5パターン群および前記第6パターン群のそれぞれに対して前記位相がπ/2だけずれた第7パターン群および第8パターン群であって、互いに前記位相がπだけずれた第7パターン群および第8パターン群を前記撮像部によって投影させる第2補助パターン投影機能と、を含み、
前記絶対位相演算機能は、前記濃淡画像と、前記第1補助パターン投影機能および前記第2補助パターン投影機能によって光が投影された前記被計測物の補助濃淡画像と、を用いて前記絶対位相を演算する機能を含む、コンピュータープログラム。 - 請求項2または請求項3に記載のコンピュータープログラムであって、さらに
任意の位置の前記相対位相を位相接続して絶対位相を演算する絶対位相演算機能と、
前記絶対位相から前記被計測物の3次元座標を演算する3次元座標演算機能と、を有し、
前記投影実行機能はさらに、
前記投影パターンより空間周波数が低く、輝度の変化が正弦波状の補助投影パターンであって、互いに位相がπだけずれた補助投影パターンとしての第5パターンおよび第6パターンが複数の前記空間周波数ごとに設定された第5パターン群および第6パターン群を、前記投影部によって投影させる補助パターン投影機能を含み、
前記絶対位相演算機能は、前記濃淡画像と、前記参考画像と、前記補助パターン投影機能によって光が投影された前記被計測物の補助濃淡画像と、を用いて前記絶対位相を演算する機能を含む、コンピュータープログラム。 - 演算装置であって、
輝度の変化が正弦波状である投影パターンの光を被計測物に投影する投影部と、
前記投影部の動作を制御する投影制御部と、
前記被計測物を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する相対位相演算部と、を備え、
前記投影制御部は、
空間周波数における位相が互いにπだけずれた前記投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第1パターン投影と、
前記第1パターンおよび前記第2パターンに対して前記位相がπ/2だけずれた前記投影パターンとしての第3パターンと第4パターンであって、互いに前記位相がπだけずれた第3パターンおよび第4パターンを、前記第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第2パターン投影と、を実行し、
前記投影制御部は、1つの周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影と、次の周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影との間に前記第1パターン投影を実行し、
前記相対位相演算部は、前記第1パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記第2パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像とを前記撮像部から取得して、取得した前記濃淡画像を用いて前記相対位相を演算する、演算装置。 - 演算装置であって、
予め定められたパターンの光を被計測物に投影する投影部と、
前記投影部の動作を制御する投影制御部と、
前記被計測物を撮像する撮像部と、
相対位相演算部と、を備え、
前記投影制御部は、
空間周波数における位相が互いにπだけずれた輝度の変化が正弦波状である投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを、第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる正弦波パターン投影と、
全白画像である全白パターンと全黒画像である全黒パターンとを、前記正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に前記投影部によって投影させる全白黒パターン投影と、を実行し、
前記投影制御部は、1つの周期目の前記全白パターンと全黒パターンの投影と、次の周期目の前記全白パターンおよび前記全黒パターンの投影との間に前記正弦波パターン投影を実行し、
前記相対位相演算部は、
前記正弦波パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記全白黒パターン投影によって光が投影された前記被計測物の参考画像とを前記撮像部から取得し、
取得した前記濃淡画像および前記参考画像を用いて、前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する、演算装置。 - 輝度の変化が正弦波状である投影パターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するための制御方法であって、
前記撮像部が撮像した前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する演算工程と、
(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた前記投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第1パターン投影と、(ii)前記第1パターンおよび前記第2パターンに対して前記位相がπ/2だけずれた前記投影パターンとしての第3パターンと第4パターンであって、互いに前記位相がπだけずれた第3パターンおよび第4パターンを、前記第1時間周期よりも長い第2時間周期で交互に前記投影部によって投影させる第2パターン投影と、を実行する投影実行工程と、を備え、
前記投影実行工程は、1つの周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影と、次の周期目の前記第3パターンおよび前記第4パターンの投影との間に前記第1パターン投影を実行する工程を含み、
前記演算工程は、前記第1パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記第2パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像とを前記撮像部から取得して、取得した前記濃淡画像を用いて前記相対位相を演算する工程を含む、制御方法。 - 予め定められたパターンの光を被計測物に投影する投影部と、前記被計測物を撮像する撮像部とを備える演算装置を制御するための制御方法であって、
相対位相を演算する演算工程と、
(i)空間周波数における位相が互いにπだけずれた輝度の変化が正弦波状である投影パターンとしての第1パターンおよび第2パターンを、第1時間周期で交互に前記投影部によって投影させる正弦波パターン投影と、(ii)全白画像である全白パターンと全黒画像である全黒パターンとを、前記正弦波パターン投影よりも長い時間周期で交互に前記投影部によって投影させる全白黒パターン投影と、を実行する投影実行工程と、を備え、
前記投影実行工程は、1つの周期目の前記全白パターンと全黒パターンの投影と、次の周期目の前記全白パターンおよび前記全黒パターンの投影との間に前記正弦波パターン投影を実行する工程を含み、
前記演算工程は、前記正弦波パターン投影によって光が投影された前記被計測物の濃淡画像と、前記全白黒パターン投影によって光が投影された前記被計測物の参考画像とを前記撮像部から取得し、取得した前記濃淡画像および前記参考画像を用いて、前記投影パターンの光が投影された前記被計測物の濃淡画像内の任意の位置における、前記投影パターンの相対位相を演算する工程を含む、制御方法。
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