JP2731681B2 - 3D measurement system - Google Patents

3D measurement system

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JP2731681B2
JP2731681B2 JP4278643A JP27864392A JP2731681B2 JP 2731681 B2 JP2731681 B2 JP 2731681B2 JP 4278643 A JP4278643 A JP 4278643A JP 27864392 A JP27864392 A JP 27864392A JP 2731681 B2 JP2731681 B2 JP 2731681B2
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dimensional
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light
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桂 川瀬
富夫 越後
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、スリット光を被計測対
象に照射し、その反射光を二次元イメージセンサで受光
して、被計測対象の三次元形状を高速に計測する三次元
計測システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional measuring system for irradiating a target with slit light, receiving the reflected light with a two-dimensional image sensor, and measuring the three-dimensional shape of the target at high speed. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】工場での自動組立て、自動検査における
位置決め、形状の判別、また移動ロボットにおける位置
の同定、経路誘導等に必要とされる視覚機能として、一
般に三次元の認識能力が要求されている。あるいはま
た、既存製品のCAD(計算機援用設計)データとして
の図面化、コンピュータグラフィクスにおける人工現実
感における実シーンのデータ作成などにも三次元計測が
必要とされる。特に、移動ロボットなどに三次元計測シ
ステムを非接触三次元視覚センサとして適用した場合
は、できるだけ高速計測が望まれる。
2. Description of the Related Art In general, three-dimensional recognition ability is required as a visual function required for automatic assembly in a factory, positioning and shape determination in automatic inspection, position identification and route guidance in a mobile robot. I have. Alternatively, three-dimensional measurement is also required for drawing as CAD (computer-aided design) data of existing products, creating real scene data in artificial reality in computer graphics, and the like. In particular, when a three-dimensional measurement system is applied to a mobile robot or the like as a non-contact three-dimensional visual sensor, high-speed measurement is desired as much as possible.

【0003】三次元計測には汎用性の高いステレオ法
(両眼立体視法とも云う)などの受動型計測と、制御さ
れたエネルギーを被計測対象に投射し、その反射エネル
ギーの挙動を計測する能動型計測とがある。能動型計測
では投影されるエネルギーとして光が用いられることが
多く、投影した光の反射光が背景光に比べて十分大きけ
れば処理が簡単になるので、受動型に比べて信頼性の高
い、高速で高精度の距離計測が行える。この能動型計測
において、ステレオ法の二台のカメラの一方を投光器に
置き換え、三角測量の原理を利用した計測法は構成が簡
単で容易に行えるので以下に述べるように数多くの報告
がある。
[0003] For three-dimensional measurement, passive measurement such as a stereo method (also referred to as binocular stereovision) with high versatility, and controlled energy are projected onto an object to be measured, and the behavior of the reflected energy is measured. There is active measurement. In active measurement, light is often used as the projected energy, and the process is simple if the reflected light of the projected light is sufficiently large compared to the background light. Can measure distance with high accuracy. In this active type measurement, there are many reports as described below because the measurement method using the principle of triangulation by replacing one of the two cameras in the stereo method with a projector is simple and easy to carry out.

【0004】レーザビームを被計測対象に投影し、そこ
にできたスポットを異なった角度に置かれたカメラから
とりこんだ画像から三次元位置を求める方法をスポット
光計測法(スポット光投影法とも云う)と呼ぶ。この計
測方法では対象物全体を計測するためにレーザビームを
二次元走査し、一点の計測に一枚の画像を必要とするの
で計測に多くの時間を要する。そこで、カメラの代わり
にPSD(Position Sensitive Detector :入射スポッ
ト光の位置に比例したアナログ信号を出力する位置検出
素子)を用いると、一点あたりの計測が高速に行えるの
で、対象物全体の距離計測を高速に行える。カナダNC
R社では、スポット光走査と一次元PSDを組み合わせ
たシステムが開発され、高速で高精度のレンジデータが
得られることを実証した。この構成例は、M.リオック
ス氏の論文(M.Rioux, 「Laser Range Finder Based on
Synchronized Scanners (シンクロナイズ スキャナに
基づいたレーザレンジファインダ)」,Applied Optic
s, vol.23, no.21, pp.3837-3844, 1984 )に開示され
ている。
A method of projecting a laser beam onto an object to be measured, and obtaining a three-dimensional position from images taken from cameras placed at different angles from spots formed thereon, is a spot light measurement method (also referred to as a spot light projection method). ). In this measurement method, two-dimensional scanning with a laser beam is performed to measure the entire object, and one image is required for one point measurement, so that much time is required for the measurement. Therefore, if a PSD (Position Sensitive Detector: a position detection element that outputs an analog signal proportional to the position of the incident spot light) is used instead of a camera, measurement per point can be performed at high speed, and distance measurement of the entire target object can be performed. Can be done at high speed. Canada NC
Company R has developed a system that combines spot light scanning and one-dimensional PSD, and has demonstrated that high-speed, high-accuracy range data can be obtained. This configuration example is described in M. Riox's paper (M. Rioux, “Laser Range Finder Based on”
Synchronized Scanners (Laser Range Finder Based on Synchronized Scanner) ”, Applied Optic
s, vol.23, no.21, pp.3837-3844, 1984).

【0005】しかし、上記のPSDは背景光の影響を受
け易いので、計測場所を暗室にするなど測定環境を限定
する必要がある。一方、スポット光の代わりにスリット
光を被計測対象物に投影すると、一回の画像入力で走査
線に沿って現れるスリット像の三次元位置が、多数点で
得られるためスポット光よりも効率が良い。その例が白
井氏の論文(Y.Shirai, 「Recognition of Polyhedra wi
th a Range Finder (レンジファインダを用いた多面体
の認識)」, Pattern Recognition, vol.4,no.2, pp.24
3-250, 1972 )に開示されている。この方法の概要を図
1に示す。
However, since the above-mentioned PSD is easily affected by the background light, it is necessary to limit the measurement environment such as by setting the measurement place in a dark room. On the other hand, when the slit light is projected on the object to be measured instead of the spot light, the three-dimensional position of the slit image appearing along the scanning line by one image input can be obtained at many points, so the efficiency is higher than the spot light. good. An example is Shirai's paper (Y. Shirai, "Recognition of Polyhedra wi
th a Range Finder (Polyhedron Recognition Using Range Finder) ", Pattern Recognition, vol.4, no.2, pp.24
3-250, 1972). An outline of this method is shown in FIG.

【0006】図1において、スリット光が基準位置から
角度θi にあるとき、画像Pk(xk,yk)の三次元
座標(X,Y,Z)は、次式(1)で与えられる。
In FIG. 1, when the slit light is at an angle θ i from the reference position, the three-dimensional coordinates (X, Y, Z) of the image Pk (xk, yk) are given by the following equation (1).

【0007】 X=xk*L/(xk+f*tanθi ) Y=f*L/(xk+f*tanθi ) Z=yk*L/(xk+f*tanθi ) …(1) ただし、fはピンホールカメラの焦点距離(固定値)、
Lはカメラレンズとスロット光源のプロジェクターレン
ズ間の距離(固定値)である。また、kは各画素の間隔
に相当する定数である。この方法をスリット光計測法ま
たは光切断法(線状光投影法とも云う)と呼ぶ。
X = xk * L / (xk + f * tan θ i ) Y = f * L / (xk + f * tan θ i ) Z = yk * L / (xk + f * tan θ i ) (1) where f is a pinhole camera Focal length (fixed value),
L is a distance (fixed value) between the camera lens and the projector lens of the slot light source. K is a constant corresponding to the interval between the pixels. This method is called a slit light measurement method or a light cutting method (also referred to as a linear light projection method).

【0008】しかし、このスリット光計測法でも対象物
全体を計測するには、スリット光を一次元走査し、一本
のスリット光の計測に一枚の画像を必要とするので、計
測に多くの時間を要する。そこで、複数本のスリット光
を対象物に投射すると、今度は投射したスリット光とカ
メラから見えるスリット像の同定ができなくなる。この
問題の解決のため、もう一台のカメラを用い、三眼視と
同じ原理で同定問題を解くアルゴリズムが開発された。
この方法は本願発明者等による論文(T.Echigoand M.Ya
chida, 「A Fast Method for Extraction of 3-D Inform
ation using Multiple Stripes and Two Cameras (複
数スリット光と2台のカメラを用いる三次元情報の抽出
のための敏速な方法),IJCAI-85, pp.155-159, 1985)
に開示されている。
However, even in this slit light measurement method, in order to measure the entire object, one-dimensional scanning of the slit light is required, and one image is required for measuring one slit light. Takes time. Therefore, when a plurality of slit lights are projected on the object, it is impossible to identify the projected slit light and the slit image seen from the camera. To solve this problem, an algorithm was developed to solve the identification problem using the same principle as three-eye viewing using another camera.
This method is based on a paper by the present inventors (T. Echigoand M. Ya
chida, `` A Fast Method for Extraction of 3-D Inform
ation using Multiple Stripes and Two Cameras (a rapid method for extracting three-dimensional information using multiple slit lights and two cameras), IJCAI-85, pp.155-159, 1985)
Is disclosed.

【0009】また、複数本のスリット光のそれぞれに色
を与え、カラーカメラでとらえた画像から色の判別によ
ってスリット光を判別し、高速にレンジデータを得る装
置がある。その構成例は、田島譲二氏の論文「Rainbow
Range Finder(レインボーレンジファインダ)による距
離画像取得」,情処研報コンピュータビジョン,vol.8
6, no.44-3, 1986 に開示されている。
There is also an apparatus which gives a color to each of a plurality of slit lights, determines the slit light by determining the color from an image captured by a color camera, and obtains range data at high speed. An example of this configuration is shown in the paper "Rainbow
Range Image Acquisition by Range Finder ”, Jikken Kenho Computer Vision, vol.8
6, no.44-3, 1986.

【0010】さらに、プロジェクターから明暗のピッチ
が倍々に変わる二進コード化されたパターンを時系列的
に投影し、空間をコード化して、多数のスリットを投射
したのと同じ効果を得る方法が開発された。この方法で
は、n枚の画像入力で2n 本のスリット像が得られるの
で、レンジデータが比較的短時間で得られる。その構成
例は、佐藤,井口氏の論文「液晶レンジファインダー−
液晶シャッタによる高速距離画像計画システム」,信学
論,vol.J71-D, no.7, pp.1249-1257, 1988 に開示され
ている。
Further, a method has been developed in which a binary coded pattern in which the light and dark pitches are doubled from a projector is projected in time series, the space is coded, and the same effect as when a large number of slits are projected is obtained. Was done. In this method, since 2 n slit images are obtained by inputting n images, range data can be obtained in a relatively short time. An example of the configuration is shown in the paper "Liquid crystal range finder-" by Sato and Iguchi.
High Speed Range Image Planning System Using Liquid Crystal Shutter ", IEICE, vol.J71-D, no.7, pp.1249-1257, 1988.

【0011】以上述べた従来の計測方法は、画像入力を
前提としていたので、ビデオフレーム時間が計測時間の
限界になっていた。そこで、画素に相当する画像センサ
の一つ一つにスリット光の検出とスリット光の投射角度
の保持・転送機能を持たせ、二次元的に並べ、半導体チ
ップ上に集積化する方法が開発された。この方法は画像
センサの一画素ごとに視線方向を固定し、スリット光の
走査時間内でピーク値を検出し、そのときのスリット光
の投影角を保持することによって、スリット光と視線の
交点となる距離計算が行えるので、背景光の影響を抑え
ることができ、暗室などのように環境を限定しなくてよ
い利点がある。さらに、この方法によればスリット光の
走査時間でレンジデータが得られるので高速性がある。
例えばカーネギーメロン大学(CMU)では、フォトセ
ンサ,増幅器,サンプルホールド回路を平面的に32×
28画素並べたチップセンサを開発している。その構成
例は、A.グラス氏等による論文(A.Gruss, L.R.Carle
y, and T.Kanade, 「High Speed VSLI Range Sensor(高
速VSLIレンジセンサー)」,CMU, 1990 )に開示されて
いる。
Since the conventional measuring method described above is based on the premise of image input, the video frame time has reached the limit of the measuring time. Therefore, a method has been developed in which each of the image sensors corresponding to pixels has a function of detecting slit light and holding / transferring the projection angle of the slit light, two-dimensionally arranging them, and integrating them on a semiconductor chip. Was. This method fixes the line-of-sight direction for each pixel of the image sensor, detects the peak value within the scanning time of the slit light, and holds the projection angle of the slit light at that time, so that the intersection of the slit light and the line of sight Since a certain distance calculation can be performed, the effect of the background light can be suppressed, and there is an advantage that the environment need not be limited as in a dark room. Further, according to this method, range data can be obtained in the scanning time of the slit light, so that there is high speed.
For example, at Carnegie Mellon University (CMU), photo sensors, amplifiers, and sample and hold circuits
We are developing a chip sensor with 28 pixels. The configuration example is described in A.I. A paper by Mr. Glass et al. (A.Gruss, LRCarle
y, and T. Kanade, "High Speed VSLI Range Sensor", CMU, 1990).

【0012】また、大阪大学でもディスクリート回路で
等価なシステムを開発している。その例は、木田,佐
藤,井口氏著の「リアルタイム距離画像センサ」,第5
回センシングフォーラム.pp.91-95, 1988に開示されて
いる。
Osaka University has also developed an equivalent system using discrete circuits. An example is “Real-time range image sensor” by Kida, Sato and Iguchi, No. 5.
Times sensing forum. pp. 91-95, 1988.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たこれらの従来システム(カーネギーメロン大学のシス
テム、大阪大学のシステム)では、各画素毎にサンプル
ホールド回路を持つために各画素の受光部の面積が狭く
なり、画素間が疎らになるので、解像度が十分に得られ
ず、対象物の密なレンジデータ(ある領域における深さ
データ、すなわち三次元の距離データのこと)を得るこ
とができない。また、これらのシステムでは、時間計測
を含む全ての処理をアナログで行っているので、回路
(特に時間計測のための回路)の非直線性や温度による
特性の変化の補償を行わなければならない。しかも、一
般に全てを精度良く補償することは困難である。また、
これらのシステムはそのため一画素が占める回路が複雑
になるのでチップサイズを小さくするのに限界があり、
小型化したときに受光部の感度が問題となり、開口率を
大きくとれないという点がある。
However, in these conventional systems (the system of Carnegie Mellon University and the system of Osaka University), the area of the light receiving section of each pixel is reduced because each pixel has a sample hold circuit. Since the pixel becomes narrow and the pixels become sparse, resolution cannot be sufficiently obtained, and dense range data (depth data in a certain area, that is, three-dimensional distance data) of the object cannot be obtained. Further, in these systems, since all processes including time measurement are performed in analog, it is necessary to compensate for non-linearity of a circuit (particularly a circuit for time measurement) and a change in characteristics due to temperature. In addition, it is generally difficult to compensate for all of them with high accuracy. Also,
In these systems, the circuit occupied by one pixel is complicated, so there is a limit in reducing the chip size,
When the size is reduced, the sensitivity of the light receiving unit becomes a problem, and there is a point that the aperture ratio cannot be increased.

【0014】また、シーン(計測対象のこと、例えば室
の一部の場合もある)を走査するスリット光と、配列型
PSD(位置検出素子)を用いて、物体の立体形状を1
/30秒周期で連続的に計測できる非接触三次元視覚セ
ンサ・システムが中京大学と松下技研の共同研究で開発
され、荒木氏等による「High Spead and ContinuousRan
gefinding System (高速・連続レンジファインディン
グシステム)」 IEICETRANSACTIONS, VOL.E 74, NO.10,
PP.3401-3406, 1991に開示されている。この視覚セン
サ・システムの特徴は、撮像素子として新たに開発した
配列型PSDを用いていることである。このPSDは、
垂直方向は128行に分割し、水平方向は1/128の
分解能で受光位置を検出できる。これにより、1回の撮
像で垂直方向に並ぶ128点を二次元像として1/40
00秒で読み取ることができる。この撮像素子を用い
て、スリット光を走査しながら128回センサ情報を読
み取ると、物体に投射された128本のスリット像(ス
リット光の像)を得ることができ、1シーンあたり1/
32秒で計測できることが報告されている。なお、物体
までの距離は撮像素子とスリット光源の間で三角計量法
によって計算される。
[0014] In addition, using a slit light for scanning a scene (a measurement object, for example, a part of a room) and an array type PSD (position detecting element), the three-dimensional shape of the object is reduced to one.
A non-contact three-dimensional visual sensor system capable of continuous measurement with a period of 30 seconds has been developed in a joint research between Chukyo University and Matsushita Giken, and "High Spead and ContinuousRan by Araki et al.
gefinding System (High-speed, continuous range finding system) "IEICETRANSACTIONS, VOL.E 74, NO.10,
PP.3401-3406, 1991. The feature of this visual sensor system is that a newly developed array type PSD is used as an image sensor. This PSD is
The vertical direction is divided into 128 rows, and the light receiving position can be detected with a resolution of 1/128 in the horizontal direction. As a result, 128 points arranged in the vertical direction in one image pickup are set to 1/40 as a two-dimensional image.
It can be read in 00 seconds. When the sensor information is read 128 times while scanning the slit light using this image sensor, 128 slit images (images of the slit light) projected on the object can be obtained.
It is reported that it can be measured in 32 seconds. Note that the distance to the object is calculated between the image sensor and the slit light source by the triangulation method.

【0015】だが、上記のようなPSDを用いた撮像素
子では、1回の画像読み出し毎に全ての水平列において
スリット光の位置を読み出すが、そのとき背景とスリッ
ト光の受光位置で十分な差がなければならない。PSD
では各列毎にスリット光を受光した1点の位置を出力す
るが、その点における十分な受光量とその他の位置での
低受光量を確保しなければならない。しかし、背景およ
びスリット光の反射光は対象物体により異なるため、デ
ータ取得時に周囲を暗くしたり対象物体により感度を変
えるなどの測定条件が必要となる。このように、PSD
を用いたシステムでは背景の明暗、背景に対するスリッ
ト光の反射光の強弱の程度によって測定できないことが
あり、適用対象が大幅に制限される。
However, in the image pickup device using the PSD as described above, the position of the slit light is read in all the horizontal rows each time the image is read, but at this time, there is a sufficient difference between the background and the light receiving position of the slit light. There must be. PSD
In this method, the position of one point where slit light is received is output for each column, but a sufficient amount of light received at that point and a low amount of light received at other positions must be secured. However, since the reflected light of the background and the slit light differs depending on the target object, measurement conditions such as darkening the surroundings and changing the sensitivity depending on the target object are necessary when acquiring data. Thus, the PSD
In some systems, measurement cannot be performed depending on the brightness of the background and the intensity of the reflected light of the slit light with respect to the background, and the application target is greatly limited.

【0016】そこで、本発明の目的は、上述のような従
来技術の問題点を解消し、撮像機構とスリット光の投光
器から得られる三次元物体の表面のスリット像から、カ
メラから物体表面までの距離画像を高速に検出すること
を可能にすることにある。
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to obtain a slit image of the surface of a three-dimensional object obtained from an imaging mechanism and a projector of slit light from a camera to an object surface. An object of the present invention is to enable high-speed detection of a range image.

【0017】本発明の他の目的は、良好な解像度、感度
および精度を得つつ、距離画像を高速に検出することに
ある。
Another object of the present invention is to detect a range image at high speed while obtaining good resolution, sensitivity and accuracy.

【0018】本発明のさらに他の目的は、測定環境を特
に限定しないこと、すなわち、背景の明暗、背景に対す
るスリット光の反射光の強弱に拘らず測定が行えるよう
にすることにある。
Still another object of the present invention is to not particularly limit the measurement environment, that is, to enable measurement regardless of the brightness of the background and the intensity of the reflected light of the slit light with respect to the background.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の三次元計測システムは、スリット光をその
方向を変えながら被計測対象に投射するスリット光投射
手段と、前記被計測対象からのスリット光の反射光を受
光し、複数の出力端子から信号を並列に出力するマトリ
ックス配列の二次元撮像デバイスと、前記スリット光の
方向の微小変化毎に、前記二次元撮像デバイスの各列の
信号を並列に取り出し、デジタル信号に変換する信号変
換手段と、該信号変換手段から転送される前記デジタル
信号を並列入力して、スリット光による一回の走査の間
に前記二次元撮像デバイスの各画素での明るさが最大に
なるスリット光の方向を検出する検出手段を具備したこ
とを特徴とする。
In order to achieve the above object, a three-dimensional measuring system according to the present invention comprises: a slit light projecting means for projecting slit light onto a measurement object while changing its direction; The two-dimensional imaging device having a matrix arrangement that receives reflected light of the slit light and outputs signals in parallel from a plurality of output terminals, and for each minute change in the direction of the slit light, the two-dimensional imaging device A signal conversion means for extracting signals in parallel and converting the signals into digital signals, and the digital signals transferred from the signal conversion means are input in parallel, and each of the two-dimensional imaging devices is scanned during one scan by slit light. It is characterized by comprising a detecting means for detecting the direction of the slit light at which the brightness at the pixel becomes maximum.

【0020】また、本発明は、前記検出手段は、並列に
配置された複数の回路からなり、各回路は前記二次元撮
像デバイスから読み出された画像の各画素におけるデジ
タル信号を前回までに得られた当該画素のデジタル信号
の最大値と比較する比較手段と、該比較手段による比較
により判定された大きい方の信号を蓄え、蓄えられた信
号のデータを次回の信号の比較に用いるための第1のF
IFOバッファと、前記比較手段が前回の信号の最大値
よりも今回の信号の方が大きいと判定した時の前記スリ
ット光の方向データを格納する第2のFIFOバッファ
とを有し、スリット光を走査中の各画素における最大出
力値とそのときのスリット光の方向を記録することを特
徴とすることができる。
Further, according to the present invention, the detection means comprises a plurality of circuits arranged in parallel, and each circuit obtains a digital signal in each pixel of an image read from the two-dimensional imaging device up to the previous time. Comparing means for comparing with the maximum value of the digital signal of the pixel, and storing the larger signal determined by the comparison by the comparing means, and using the stored signal data for the next signal comparison. 1 F
An FIFO buffer; and a second FIFO buffer for storing the direction data of the slit light when the comparing means determines that the current signal is larger than the maximum value of the previous signal. It is characterized in that the maximum output value of each pixel during scanning and the direction of slit light at that time are recorded.

【0021】また、本発明は好ましくは、前記算出手段
で算出された距離データを基に画像を作成・表示するコ
ンピュータグラフィック装置をさらに有することを特徴
とすることができる。
[0021] The present invention preferably further includes a computer graphic device for creating and displaying an image based on the distance data calculated by the calculation means.

【0022】[0022]

【作用】従来のテレビカメラに用いられる二次元撮像素
子は二次元配列のデータを一箇所から順次シーケンシャ
ルに読み出していたので、一画面読み出すのに1/30
秒を費やしていた。一方、ファクシミリやスキャナーで
用いられるラインセンサは、512画素の一次元配列の
データを1/25ミリ秒で読み出す製品であり、さらに
高速な素子も開発されている。
The two-dimensional image pickup device used in the conventional television camera sequentially reads the data of the two-dimensional array sequentially from one place.
Spending seconds. On the other hand, a line sensor used in a facsimile or a scanner is a product that reads data of a one-dimensional array of 512 pixels in 1/25 milliseconds, and higher-speed elements have been developed.

【0023】そこで、本発明では二次元配列のデータを
読み出すためにラインセンサ等の一次元の撮像素子を並
列に複数本並べ、並列にデータを読み出すことで二次元
画像の読み取りを一つの素子の読み出し速度で行い高速
化を図る。例えば、上述の512画素のラインセンサを
n本並べると、n*512の解像度の二次元画像を1/
25ミリ秒で読み出せる。
Therefore, in the present invention, a plurality of one-dimensional imaging devices such as line sensors are arranged in parallel to read data in a two-dimensional array, and reading data in parallel allows reading a two-dimensional image of one device. The reading speed is used to increase the speed. For example, if n line sensors of 512 pixels described above are arranged, a two-dimensional image having a resolution of n * 512 is divided by 1 /.
It can be read in 25 milliseconds.

【0024】しかし、一本のスリット光からは、一本の
スリット像に沿った距離データしか得られないので、密
な距離画像を得るにはスリット光でシーン(被計測対
象)を密に走査しなくてはならない。本発明で提案した
撮像デバイスによれば、スリット光を高速に走査しても
複数本のスリット像を密に読み出させる。ただし、スリ
ット光の方向を記録することが必要になる。そのため本
発明では、スリット光を走査しながら各画素値を高速に
読み出し、スリット光が当たっているか否の判定と、そ
のときのスリット光の方向を同時に記録する手段を有す
る。
However, since only one distance data along one slit image can be obtained from one slit light, a scene (measurement target) is densely scanned with the slit light to obtain a dense distance image. I have to do it. According to the imaging device proposed in the present invention, a plurality of slit images can be read out densely even when the slit light is scanned at high speed. However, it is necessary to record the direction of the slit light. Therefore, the present invention has means for reading out each pixel value at a high speed while scanning the slit light, determining whether or not the slit light is applied, and simultaneously recording the direction of the slit light at that time.

【0025】その一例として、次に述べる本発明の一実
施例では、各画素における時間変化に対し明るさの最大
値とそのときのスリット光の方向をFIFO(ファスト
インファストアウト)のメモリを用いて記録している。
すなわち、一次元ラインセンサを複数個並列に並べ、そ
の複数の出力端子から信号を並列に取り出し、さらに、
出力側では読み出された信号を前回までに得られた信号
の最大値と比較し、大きい方の信号をFIFOバッファ
に入れる。FIFOバッファに蓄えられたデータは次回
の信号との比較に用いる。そのため、スリット光でシー
ンを一回走査する間の各画素における最も明るい値(す
なわちスリット光が投影されたとき)とそのときのスリ
ット光の方向が記録される。こうしてスリット光の1回
の走査の間に得られた複数枚の画像の内、最大出力値と
そのときのスリット光の方向が記録され、この記録デー
タにより物体までの距離は三角計量法によって計算され
る。従って、各画素では、スリット光が当たっていると
きと、そうでないときの差が検出できれば良く、特に周
囲を暗くする必要はない。また全ての画素で距離情報が
得られるので、密な距離画像データが得られる。
As an example, in the embodiment of the present invention described below, the maximum value of the brightness and the direction of the slit light at that time with respect to the time change in each pixel are determined using a FIFO (fast-in fast-out) memory. Recorded.
That is, a plurality of one-dimensional line sensors are arranged in parallel, signals are taken out in parallel from the plurality of output terminals, and further,
On the output side, the read signal is compared with the maximum value of the signal obtained up to the previous time, and the larger signal is put into the FIFO buffer. The data stored in the FIFO buffer is used for comparison with the next signal. Therefore, the brightest value (ie, when the slit light is projected) and the direction of the slit light at each pixel during one scan of the scene with the slit light are recorded. In this way, the maximum output value and the direction of the slit light at that time are recorded among the plurality of images obtained during one scan of the slit light, and the distance to the object is calculated by the triangulation method based on the recorded data. Is done. Therefore, in each pixel, it is sufficient that the difference between when the slit light is applied and when it is not applied can be detected, and it is not particularly necessary to darken the surroundings. Further, since distance information can be obtained for all pixels, dense distance image data can be obtained.

【0026】[0026]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0027】図2は本発明の一実施例の三次元計測シス
テムの要部構成を示す。この三次元計測システムは複数
の出力端子からアナログ映像信号を並列に出力する撮像
デバイスとしての二次元イメージセンサ1、およびこれ
ら映像信号をデジタル化する複数のアナログデジタル
(A/D)コンバータ2を有し、それぞれのA/Dコン
バータ2に図3で後述する素子3〜7がそれぞれ接続さ
れている。
FIG. 2 shows a main configuration of a three-dimensional measuring system according to one embodiment of the present invention. This three-dimensional measurement system includes a two-dimensional image sensor 1 as an imaging device that outputs analog video signals in parallel from a plurality of output terminals, and a plurality of analog-to-digital (A / D) converters 2 that digitize these video signals. Elements 3 to 7 described later with reference to FIG. 3 are connected to the respective A / D converters 2.

【0028】図3は上記撮像デバイスの1つの出力端子
に接続する回路の詳細な構成を示す。スリット光に変換
するためのシリンドリカルレンズをレーザ出力口に有す
るレーザスリット光源8から出射する扇状のスリット光
は、回転ミラー9で方向を制御されながら被計測対象物
10を照射する。対象物10からの反射光像は結像レン
ズ11により二次元イメージセンサ1上に集光される。
FIG. 3 shows a detailed configuration of a circuit connected to one output terminal of the imaging device. A fan-shaped slit light emitted from a laser slit light source 8 having a cylindrical lens at a laser output port for converting into a slit light irradiates an object 10 to be measured while its direction is controlled by a rotating mirror 9. The reflected light image from the object 10 is condensed on the two-dimensional image sensor 1 by the imaging lens 11.

【0029】このイメージセンサ1は、図4に示すよう
に、複数のフォトセンサを有するラインセンサを並列に
複数個並べた二次元のマトリックス配列の撮像デバイス
であり、その複数の出力端子から映像信号を並列に取り
出せる。図4のイメージセンサ1は256×128画素
のもので、ライン数(n)は128である。イメージセ
ンサ1からの1画素分の出力は当該画素の照度(受光
量)に応じたアナログ電圧であり、CCD(電荷結合素
子)もしくはFET(電界効果トンラジスタ)スイッチ
によって順次読み出される。出力と受光量の関係は単調
関数であればよく、比例でなくてもよい。この出力はA
/Dコンバータ2によりA/D変換され、以降全てデジ
タル信号として扱われる。従って、イメージセンサ1の
出力部において単調性が保証できれば、それ以降の部分
で誤差を生じることがない。この構成は、全てチップ内
でアナログ処理を行うタイプのシステムに比べて、撮像
デバイスの直線性や温度補償の問題が全くないので、高
精度の計測を行うことができる。各画素のデータはシス
テム内の基準クロックfc に同期して読み出すことがで
き、1クロックに1画素のデータを読み出すことができ
る。
As shown in FIG. 4, the image sensor 1 is a two-dimensional matrix array image pickup device in which a plurality of line sensors having a plurality of photosensors are arranged in parallel. Can be taken out in parallel. The image sensor 1 of FIG. 4 has 256 × 128 pixels, and the number of lines (n) is 128. The output of one pixel from the image sensor 1 is an analog voltage corresponding to the illuminance (light reception amount) of the pixel, and is sequentially read out by a CCD (charge coupled device) or FET (field effect transistor) switch. The relationship between the output and the amount of received light may be a monotonic function, and may not be proportional. This output is A
A / D conversion is performed by the / D converter 2, and thereafter, all are treated as digital signals. Therefore, if monotonicity can be guaranteed at the output section of the image sensor 1, no error will occur in the subsequent sections. With this configuration, there is no problem of linearity or temperature compensation of the imaging device at all, as compared with a system of a type in which all analog processing is performed in a chip, so that highly accurate measurement can be performed. Data of each pixel can be read in synchronization with the reference clock f c in the system can read the data of one pixel per clock.

【0030】回転ミラー9は不図示のパルスモータを介
してパルス発生回路12からのパルスにより回転制御さ
れ、これによりスリット光の方向はθi の単位でステッ
プ上に変化させることができる。このパルスはまたパル
スカウンタ13によりカウントされ、そのカウント値が
スリット光の現在の方向を示すデータとして第2データ
セレクタ6に供給される。さらに、このパルスはシフト
クロック発生回路14により逓倍されて上記の基準クロ
ックfc に変えられる。
The rotating mirror 9 is rotated and controlled by a pulse from the pulse generating circuit 12 through a pulse motor (not shown), thereby the direction of the slit light can be changed on the step in units of theta i. This pulse is also counted by the pulse counter 13, and the count value is supplied to the second data selector 6 as data indicating the current direction of the slit light. Furthermore, this pulse is multiplied is changed to the reference clock f c of the by the shift clock generation circuit 14.

【0031】インテンシィティFIFO4は各画素にお
ける最大輝度の値を抽出するためのバッファメモリであ
り、オリエンテーションFIFO7はその最大輝度の時
のスリット光の方向データを格納するためのバッファメ
モリである。これらFIFO4および7は共にスリット
光の走査方向に対応する方向に並ぶイメージセンサ1の
画素(フォトディテクタ)数と等しい段数dn を持ち
(図2参照)、システム内の基準クロックfc と同期し
てファストインファストアウトの書き込み・読み出し動
作をする。A/Dコンバータ2からの出力データはコン
パレータ3と第1データセレクタ5に供給され、パルス
カウンタ13のカウント値は第2データセレクタ6に供
給される。なお、このカウント値はスリット光の反射角
度を示すもので、全画素が転送されるまで変わらない。
コンパレータ3は画素ごとにインテンシィティFIFO
4から読み出された前回までの最大の輝度値aとA/D
コンバータ2から送られた現在の受光量を表す輝度値b
とを比較して、その大小関係の情報(すなわち、いずれ
の入力が大きいかの指示)を2つのデータセレクタ5,
6に送る。
The intensity FIFO 4 is a buffer memory for extracting the maximum luminance value of each pixel, and the orientation FIFO 7 is a buffer memory for storing the direction data of the slit light at the maximum luminance. These FIFO4 and 7 both have a number d n equal to the number of pixels (photodetector) image sensor 1 arranged in the direction corresponding to the scanning direction of the slit light (see FIG. 2), in synchronization with the reference clock f c in the system Perform fast-in fast-out write / read operation. The output data from the A / D converter 2 is supplied to the comparator 3 and the first data selector 5, and the count value of the pulse counter 13 is supplied to the second data selector 6. This count value indicates the reflection angle of the slit light, and does not change until all the pixels are transferred.
Comparator 3 has an intensity FIFO for each pixel
4 and the maximum luminance value a and A / D up to the previous time
Brightness value b representing the current amount of received light sent from converter 2
And compares the magnitude relationship information (that is, an indication of which input is greater) with the two data selectors 5,
Send to 6.

【0032】それぞれのデータセレクタ5,6はコンパ
レータ3からの指示によって、2つの入力a,bの内の
いずれかを選択して出力cに出す。この選択のルール
は、コンパレータ3の入力のaがbよりも大きいときは
2つのデータセレクタ5,6とも自分の入力のa(前回
値)を選択し、それ以外(a≦bのとき)は自分の入力
のb(現在値)を選択する。データセレクタ6の入力a
にはオリテンテーションFIFO7から出されたデータ
が与えられ、その入力bには常に現在のスリット光の方
向が与えられる。
Each of the data selectors 5 and 6 selects one of the two inputs a and b according to an instruction from the comparator 3 and outputs it to the output c. The rule of this selection is that when the input a of the comparator 3 is larger than b, the two data selectors 5 and 6 select their own input a (previous value), otherwise (when a ≦ b) Select b (current value) of your input. Input a of data selector 6
Is supplied with the data output from the orientation FIFO 7, and the input b thereof is always supplied with the current direction of the slit light.

【0033】以上述べた回路の動作を実際の処理の流れ
に沿ってさらに詳細に説明する。
The operation of the above-described circuit will be described in more detail along the actual processing flow.

【0034】処理1.まず、初期化としてインテンシィ
ティFIFO4とオリエンテーションFIFO7の内容
を全て0にする。また、スリット光の方向を初期位置に
持ってくる。
Processing 1. First, all the contents of the intensity FIFO 4 and the orientation FIFO 7 are set to 0 as initialization. Also, the direction of the slit light is brought to the initial position.

【0035】処理2.イメージセンサ1に画像を取り込
み、基準クロックfc に同期させてイメージセンサ1か
ら一画素ずつ輝度データを取り出し、前述の選択ルール
を適用しながら、インテンシィティFIFO4とオリエ
ンテーションFIFO7を動かし、イメージセンサの全
画素の転送を行う。上記のようにインテンシィティFI
FO4の初期値は0だったので、イメージセンサ1の1
ラインの画素数dn の転送が終った後は、インテンシィ
ティFIFO4の中身は全てA/Dコンバータ2の値と
なっている。また、オリエンテーションFIFO7の中
身は全てスリット光の方向の初期位置となっている。
Processing 2. An image capture in the image sensor 1, takes out the luminance data pixel by pixel from the image sensor 1 in synchronization with the reference clock f c, while applying the above selection rule, moving the Intenshiiti FIFO4 and orientation FIFO 7, the image sensor All pixels are transferred. Intensity FI as described above
Since the initial value of FO4 was 0,
After finished transmission of the number of pixels d n lines, the contents of Intenshiiti FIFO4 has a value of all A / D converter 2. Further, the contents of the orientation FIFO 7 are all initial positions in the direction of the slit light.

【0036】処理3.スリット光の方向を1つ(θi
進め、処理2.と同様にイメージセンサ1に画像を取り
込み、基準クロックfc に同期させて一画素ずつ取り出
し、前述の選択ルールを適用しながら、インテンシィテ
ィFIFO4とオリエンテーションFIFO7を動か
し、イメージセンサの全画素の転送を行う。これを行う
と、インテンシィティFIFO4の値と今回のイメージ
センサの輝度の値を比べて、今回のイメージセンサ1の
輝度の値の方が大きい場合にインテンシィティFIFO
4およびオリエンテーションFIFO7の値は新しい値
に置き換わる。
Processing 3. One direction of slit light (θ i )
Proceed, processing 2. Similarly to the image capture in the image sensor 1, taken out reference clock f by one pixel in synchronization with the c, while applying the above selection rule, moving the Intenshiiti FIFO4 and orientation FIFO 7, the transfer of all the pixels of the image sensor I do. When this is done, the value of the intensity FIFO 4 is compared with the value of the brightness of the current image sensor, and if the value of the brightness of the current image sensor 1 is larger, the intensity FIFO 4
4 and the value of the orientation FIFO 7 are replaced by new values.

【0037】処理4.スリット光の方向が終了位置に来
るまで処理3.を繰り返す。
Processing 4. 2. Processing until the direction of the slit light reaches the end position repeat.

【0038】処理5.スリット光の方向が終了位置に来
たら、インテンシィティFIFO4およびオリエンテー
ションFIFO7から計測結果を取り出す。
Processing 5 When the direction of the slit light reaches the end position, the measurement result is taken out from the intensity FIFO 4 and the orientation FIFO 7.

【0039】以上の処理1から処理5までが終ると、イ
ンテンシィティFIFO4の中は各画素における最大輝
度の値が入り、その最大輝度が得られた時のスリット光
の方向がオリエンテーションFIFO7に入る。すなわ
ち、オリエンテーションFIFO7の値が各画素に対応
する対象物10にスリット光が当たる方向となる。
When the above processing 1 to processing 5 are completed, the value of the maximum luminance in each pixel enters into the intensity FIFO 4, and the direction of the slit light at the time when the maximum luminance is obtained enters the orientation FIFO 7. . That is, the value of the orientation FIFO 7 is in the direction in which the slit light impinges on the object 10 corresponding to each pixel.

【0040】図5はイメージセンサ1における1つのラ
インセンサの出力の変化と、この出力が転送されるイン
テンシィティFIFO4の内容との関係を示す。図3か
ら分るように、スリット光の方向の変化(θ1 〜θn
に伴って、対象物10のスリット光照射位置が移動し、
イメージセンサ1上の反射光像も移動するので、最大輝
度の画素位置も図5に示すように順次移動することにな
る。従って、1シーンの走査が終了すると、インテンシ
ィティFIFO4の中は図5に示すように各画素におけ
る最大輝度の値が格納される。このように、各画素にお
ける最大輝度の値のみ検出するようにしているので、イ
メージセンサ1にスリット光が当たっているときと、そ
うでないときの差が検出できるように配慮すれば十分
で、スリット光以外は検出されないので、特に周囲を暗
くする必要はない。しかも、一般にレーザ光は通常の周
囲光よりも十分に高い光量を有しているので、通常上記
の配慮も不要である。
FIG. 5 shows the relationship between the change in the output of one line sensor in the image sensor 1 and the contents of the intensity FIFO 4 to which this output is transferred. As can be seen from FIG. 3, the change in the direction of the slit light (θ 1 to θ n )
Along with this, the slit light irradiation position of the object 10 moves,
Since the reflected light image on the image sensor 1 also moves, the pixel position of the maximum luminance also moves sequentially as shown in FIG. Therefore, when the scanning of one scene is completed, the value of the maximum luminance in each pixel is stored in the intensity FIFO 4 as shown in FIG. As described above, since only the value of the maximum luminance in each pixel is detected, it is sufficient to consider the difference between when the slit light is shining on the image sensor 1 and when the slit light is not illuminated. Since only light is not detected, there is no need to darken the surroundings. In addition, since the laser light generally has a sufficiently higher light amount than the ordinary ambient light, the above-mentioned consideration is not usually necessary.

【0041】処理6.ところで、ある画素に対応する対
象物10が無限遠点にあるなどして、スリット光の反射
が得られなかった場合の背景ノイズを除去するための補
正を行う必要がある。この補正のための回路の構成例を
図6に示す。コンパレータ21において一定のスレッシ
ョルドItを越えなかった画素データ(インテンシィテ
ィ出力)はスリット光があたらなかった、つまりそのデ
ータは背景ノイズであると判断して、無効化する処理を
行う。また、スリット光の方向(オリエンテーション出
力)から距離を求める演算はCPU23により前述した
三角測量法の式(1)に基づいて行う。なお、この演算
をルックアップテーブルによって行うことも可能であ
る。
Processing 6 By the way, it is necessary to perform correction for removing background noise when reflection of slit light is not obtained because the object 10 corresponding to a certain pixel is at an infinite point. FIG. 6 shows a configuration example of a circuit for this correction. Pixel data that does not exceed a certain threshold value It (intensity output) in the comparator 21 is not affected by slit light, that is, the data is determined to be background noise, and a process of invalidating the data is performed. The calculation for obtaining the distance from the direction of the slit light (orientation output) is performed by the CPU 23 based on the above-described equation (1) of the triangulation method. Note that this calculation can be performed by a look-up table.

【0042】すなわち、インテンシィティFIFO4か
らの出力と輝度のスレッショルドItをコンパレータ2
1で比較して、インテンシィティFIFO4からの出力
の方が小さければ、オリエンテーションFIFO7から
の値を計算不能を意味するアウトオブレンジ(例えば0
または−1あるいは∞)にする。CPU23で計算され
た距離データは不図示のコンピュータグラフィックシス
テムに送られて、公知の補間処理や面作成処理等が施さ
れ、不図示のCRTディスプレイ等のモニタ装置の画面
に画像を表示させることができる。その際、インテンシ
ィティFIFO4に蓄積された画素の濃淡データもコン
ピュータグラフィックシステムに送り、表面の濃淡状態
も同時に表示することも可能である。
That is, the output from the intensity FIFO 4 and the luminance threshold It are compared with the comparator 2.
Compared with 1, if the output from the intensity FIFO 4 is smaller, the value from the orientation FIFO 7 cannot be calculated out-of-range (for example, 0).
Or -1 or ∞). The distance data calculated by the CPU 23 is sent to a computer graphic system (not shown), and is subjected to known interpolation processing, surface creation processing, and the like, and an image is displayed on a screen of a monitor device such as a CRT display (not shown). it can. At that time, the grayscale data of the pixels stored in the intensity FIFO 4 can also be sent to the computer graphic system, and the grayscale state of the surface can be displayed at the same time.

【0043】以上、図3および図6を用いて一次元の距
離画像を計測するための具体例について説明したが、図
2の構成により二次元の距離画像を得る場合も基本的に
上記と同様の処理手順(処理1から処理6)で並列処理
により距離画像を高速に精度良く得ることができる。
Although a specific example for measuring a one-dimensional distance image has been described with reference to FIGS. 3 and 6, the case where a two-dimensional distance image is obtained by the configuration of FIG. 2 is basically the same as described above. In the processing procedure (processing 1 to processing 6), a distance image can be obtained quickly and accurately by parallel processing.

【0044】また、本発明の計測システムにおいて一画
面の距離画像を得るために必要な時間ts は、スリット
光の移動の回数((スリット光の方向の終了位置−スリ
ット光の方向の初期位置)/θi )をsn 、ラインセン
サの画素数をdn 、一画素の転送速度をfc とすると、 ts =dnn /fc …(2) となる。例えば、 fc =20〔MHz〕 …(3) dn =256 …(4) sn =256 …(5) とすれば、 ts ≒0.3秒 …(6) となる。このように本発明によれば、固体撮像デバイス
を利用しながら極めて高速に距離画像を得ることができ
る。
[0044] Further, the time t s required to obtain a distance image of one screen in the measurement system of the present invention, the number of movement of the slit light ((slit light in the direction of the end position - the initial position in the direction of the slit light ) / θ i) a s n, the number of pixels d n of the line sensor, when the transfer rate of one pixel to f c, the t s = d n s n / f c ... (2). For example, f c = 20 [MHz] ... (3) If d n = 256 ... (4) s n = 256 ... and (5), and t s ≒ 0.3 seconds ... (6). As described above, according to the present invention, a range image can be obtained at a very high speed while using a solid-state imaging device.

【0045】(他の実施例)上述の本発明の実施例で
は、パルス発生回路12から発生させたパルスをシフト
クロック発生回路14を用いて逓倍することによりイメ
ージセンサ1等を駆動する基準クロックfc を生成する
ように構成したが、本発明はこれに限定されず、例えば
イメージセンサ1中に通常設けられているシフトクロッ
ク発生器のシフトクロックを基準クロックfc としてF
IFO等も駆動し、さらにこのクロックを分周して回転
ミラーやパルスカウンタへ供給するパルスを生成するよ
うにしてもよい。要は回転ミラーを振らせるタイミング
とイメージセンサの駆動タイミングを合せればよいの
で、別々の独立のクロック発生手段を用いて、トリガ信
号により計測開始の初期化の時に同期をとるようにして
も同様な動作が得られる。
(Other Embodiments) In the above-described embodiment of the present invention, the reference clock f for driving the image sensor 1 and the like is obtained by multiplying the pulse generated from the pulse generation circuit 12 using the shift clock generation circuit 14. is configured so as to produce a c, the present invention is not limited to this, the shift clock of the shift clock generator is usually provided for example in an image sensor 1 as the reference clock f c F
The IFO and the like may be driven, and the clock may be frequency-divided to generate a pulse to be supplied to the rotating mirror or the pulse counter. The point is that the timing of rotating the rotating mirror and the driving timing of the image sensor need only be matched, so that separate independent clock generation means can be used to synchronize at the time of initialization of measurement start with a trigger signal. Operation is obtained.

【0046】また、上述の実施例では、スリット光の走
査時間内で各画素の最大の明るさと、そのときのスリッ
ト光の投影角を得るため、2つのFIFOメモリを用い
ていたが、このような専用のハードウエアを用いる代わ
りに、例えば図7に示すように一般的な汎用のメモリ
(例えば、IC−RAM)28,29を用いてアドレス
制御によりソフト的に実現することもできる。
In the above embodiment, two FIFO memories are used in order to obtain the maximum brightness of each pixel within the scanning time of the slit light and the projection angle of the slit light at that time. Instead of using dedicated hardware, for example, as shown in FIG. 7, software can be realized by address control using general-purpose memories (for example, IC-RAM) 28 and 29.

【0047】図7に示す実施例のシステムでは、2つの
メモリの一方がインテンシィティメモリ28、他方がオ
リエンテーションメモリ29として用いられる。イメー
ジセンサ1を構成するラインセンサ毎に、メモリ28,
29の一連の番地が確保され、かつその番地に対してア
クセスするためのメモリ制御回路30が用意される。各
ラインセンサに対して割り当てられるメモリ28,29
の番地は同一とされる。メモリ制御回路30に含まれる
アドレス発生回路31は、画素読み出しの同期信号であ
るシフトクロックを入力し、対応するラインセンサに割
り当てられたメモリ28,29の番地を、順次かつ循環
的に発生する。
In the system of the embodiment shown in FIG. 7, one of the two memories is used as an intensity memory 28 and the other is used as an orientation memory 29. Each of the line sensors constituting the image sensor 1 has a memory 28,
A series of 29 addresses are secured, and a memory control circuit 30 for accessing the addresses is prepared. Memory 28, 29 assigned to each line sensor
Are the same. An address generation circuit 31 included in the memory control circuit 30 receives a shift clock, which is a synchronization signal for pixel reading, and sequentially and cyclically generates addresses of the memories 28 and 29 assigned to the corresponding line sensors.

【0048】メモリ制御回路30はアドレス発生器31
の他に、コンパレータ32、一組のセレクタ33,3
4、リードバッファ35およびライトバッファ36を含
む。コンパレータ32および第1,第2のセレクタ3
3,34は図3のコンパレータ3、セレクタ5,6に対
応し、同様の動作を行う。リードバッファ35はメモリ
28,29からの読み出しデータを一時格納し、ライト
バッファ36はメモリ28,29への書き込みデータを
一時格納する。従って、上記アドレス発生器31,リー
ドバッファ35,ライトバッファ36,インテンシィテ
ィメモリ28およびオリエンテーションメモリ29から
なる回路は、図3の一組のFIFO4および7に相当す
る。
The memory control circuit 30 includes an address generator 31
, A comparator 32, a set of selectors 33, 3
4, including a read buffer 35 and a write buffer 36. Comparator 32 and first and second selectors 3
Reference numerals 3 and 34 correspond to the comparator 3 and the selectors 5 and 6 in FIG. The read buffer 35 temporarily stores read data from the memories 28 and 29, and the write buffer 36 temporarily stores write data to the memories 28 and 29. Therefore, the circuit including the address generator 31, the read buffer 35, the write buffer 36, the intensity memory 28, and the orientation memory 29 corresponds to a pair of FIFOs 4 and 7 in FIG.

【0049】図7に示す実施例では、画素を読み出す毎
に、アドレス発生器31を用いてメモリ28,29の番
地を更新し、インテンシィティメモリ28から読み出さ
れたリードバッファ35の内容によって2つのメモリ2
8,29の内容を書き換えるか否かをコンパレータ32
と一組のセレクタ33,34を用いて選択し、書き換え
ると選択した場合にはA/Dコンバータ2からの現入力
データおよびパルスカウンタ13からの現入力データを
ライトバッファ36を介してインテンシィティメモリ2
8,オリエンテーションメモリ29へ送り、書き込む。
In the embodiment shown in FIG. 7, each time a pixel is read, the addresses of the memories 28 and 29 are updated using the address generator 31, and the contents of the read buffer 35 read from the intensity memory 28 are used. Two memories 2
The comparator 32 determines whether or not the contents of 8, 29 should be rewritten.
Is selected using a set of selectors 33 and 34, and when it is selected to rewrite, the current input data from the A / D converter 2 and the current input data from the pulse counter 13 are transmitted through the write buffer 36 to the intensities. Memory 2
8. The data is sent to the orientation memory 29 and written.

【0050】また、スリット光を偏向するための回転ミ
ラーとしては平板のミラーに限らず、非接触三次元視覚
センサとして連続計測が必要である場合等にはポリゴン
ミラーも好適である。また、このようなミラーを用いず
に、パルスモータ駆動のターンテーブル上にレーザスリ
ット光源をスリット光出射口が回転中心と一致するよう
に乗せ、ターンテーブルを回転することによりスリット
光の方向を偏向しても同様な作用が得られる。
The rotating mirror for deflecting the slit light is not limited to a flat mirror, but a polygon mirror is also suitable when continuous measurement is required as a non-contact three-dimensional visual sensor. Also, without using such a mirror, a laser slit light source is mounted on a pulse motor driven turntable so that the slit light emission port coincides with the center of rotation, and the direction of the slit light is deflected by rotating the turntable. The same operation can be obtained even if the above operation is performed.

【0051】また、計測対象物をターンテーブルに乗せ
てスリット光の偏向範囲(例えば、60度)に対応した
所定角度づつ回転させるようにしたり、あるいは計測装
置自体を対象物の周囲に回動させるようにすれば、対象
物の全体の面の三次元計測を迅速にできる。
Further, the object to be measured is placed on a turntable and rotated by a predetermined angle corresponding to the deflection range (for example, 60 degrees) of the slit light, or the measuring device itself is rotated around the object. By doing so, three-dimensional measurement of the entire surface of the object can be quickly performed.

【0052】また、本発明で用いる撮像素子を構成する
ラインセンサとしてはCCDタイプのものに限らず、M
OSタイプ等の既存の種々のタイプの固体イメージセン
サが利用できる。近年のパッケージング技術の進歩によ
り、1つの半導体チップから500本以上の端子を出す
ことも容易になってきたので、現在の技術で256並列
程度の並列読み出しは簡単に実現できる。
The line sensor constituting the image pickup device used in the present invention is not limited to the CCD type, but is
Various existing types of solid-state image sensors such as the OS type can be used. Recent developments in packaging technology have made it easier to provide more than 500 terminals from a single semiconductor chip, so that current technology can easily realize about 256 parallel reads.

【0053】なお、スリット光の光源としてはレーザ光
以外の他の電磁波も適用可能であるが、拡散しないこ
と、深さによってビートの太さが変わらないこと、人間
にとって安全性があること、取り扱い易いこと等の条件
を満足する可視のレーザ光が実用上最も好ましいと考え
られる。
As a light source of the slit light, other electromagnetic waves other than the laser light can be used. However, the light does not diffuse, the thickness of the beat does not change depending on the depth, it is safe for humans, Visible laser light that satisfies conditions such as ease is considered most practically preferable.

【0054】本発明の三次元計測システムを用いて得ら
れる三次元情報は工場の自動組立て・自動検査において
の位置決め・形状の判別に利用され、搬送に用いられる
移動ロボットの経路誘導では、位置の同定、経路への復
帰計画に有効な情報となる。自動化の推進には、安全性
・確実性が重要で、従来の直線運動だけの自動機器に較
べ、多自由度を持つロボットでは広範な外界の情報を高
速に高精度に知ることが必要であり、そのためにも本発
明の三次元システムは有効である。さらに、既存製品の
CADデータとしての入力に対する要求がある。例え
ば、自動車業界では、他社のエンジンを自社製品と比較
するためその形状データをCADに入力しているが、従
来では接触型の、あるいは非並列処理の三次元測定器を
用いていたため、データ入力に時間がかかった。本発明
の三次元計測システムのデータ抽出の高速性はこのよう
な開発・設計部門の要求にも応えることができる。ま
た、コンピュータグラフィクスでの応用では、人工現実
感における実シーンのデータ提供としての有用性が大い
に期待される。しかし、現在利用されている装置は、単
一のスリット光を利用したものが多く、対象全体のデー
タを抽出するには時間がかかる欠点があった。服飾関係
など対象が剛体でないものに対しては、瞬時のデータ抽
出が不可欠であり、高速なレンジセンサが期待されてい
る。本発明のシステムは、環境を限定しない、高速で、
高精度のレンジデータを抽出することができるので、上
述のような人工現実感における実シーンのデータ提供
等、工場・オフィスを初め、幅広い分野での利用が期待
できる。
The three-dimensional information obtained by using the three-dimensional measurement system of the present invention is used for positioning and shape discrimination in automatic assembly and automatic inspection in a factory. This is useful information for identification and return to route planning. To promote automation, safety and reliability are important.Compared to conventional linear motion-only automatic equipment, robots with more degrees of freedom need to know a wide range of external information at high speed and with high accuracy. The three-dimensional system of the present invention is effective for that purpose. Further, there is a demand for input of existing products as CAD data. For example, in the automotive industry, the shape data of other companies' engines are input to CAD in order to compare them with their own products. However, conventionally, contact-type or non-parallel processing three-dimensional measuring devices were used, so data input It took time. The high-speed data extraction of the three-dimensional measurement system of the present invention can meet the demands of such development and design departments. Further, in applications in computer graphics, usefulness as data provision of real scenes in artificial reality is greatly expected. However, most of the currently used apparatuses use a single slit light, and there is a disadvantage that it takes time to extract data of the entire target. For non-rigid objects such as clothing, instantaneous data extraction is indispensable, and high-speed range sensors are expected. The system of the present invention is fast, without limiting the environment,
Since high-accuracy range data can be extracted, it can be expected to be used in a wide range of fields, such as factories and offices, such as provision of actual scene data in the above-described artificial reality.

【0055】以上説明した本発明の実施例によれば次の
ような効果が得られる。
According to the embodiment of the present invention described above, the following effects can be obtained.

【0056】(1) スリット光の微小移動毎に二次元
撮像デバイスの各列の信号を並列に取り出し、ディジタ
ル変換し、スリット光全走査時に各画素で明るさがピー
クになるスリット光の方向を検出するので、既存の撮像
素子を組み合わせた撮像機構と、スリット光の方向を高
速に検出する機構を組み合わせることで、比較的簡潔な
構成で廉価に、かつ非常に高速に高精度の距離画像(レ
ンジデータ)を得ることができる。
(1) For each minute movement of the slit light, the signal of each column of the two-dimensional imaging device is taken out in parallel, digitally converted, and the direction of the slit light at which the brightness reaches a peak at each pixel when the slit light is fully scanned is determined. Since detection is performed, by combining an imaging mechanism combining an existing imaging element with a mechanism that detects the direction of slit light at a high speed, a relatively simple configuration is inexpensive, and very quickly, and a high-precision distance image ( Range data).

【0057】(2) 各画素の明るさの値をディジタル
化した後は全てディジタル量で処理されるので、回路の
非直線性やノイズの影響を受けない。また、各画素のフ
ォトディテクタやそこからの転送経路(CCDやFET
スイッチ)の特性も単調であれば非線形でも良く、アナ
ログ回路における誤差も、測定結果に影響しない。ま
た、撮像部に撮像機能のみを集積した既存の撮像素子を
利用するので、その撮像素子の開口率・転送速度などの
特性が利用でき、イメージセンサ部分を小型化できる。
(2) After the brightness value of each pixel is digitized, all are processed in a digital amount, so that they are not affected by the non-linearity of the circuit or noise. Also, the photodetector of each pixel and the transfer path from it (CCD or FET)
The characteristic of the switch may be non-linear as long as it is monotonic, and an error in the analog circuit does not affect the measurement result. In addition, since an existing image pickup device in which only an image pickup function is integrated in the image pickup unit is used, characteristics such as an aperture ratio and a transfer speed of the image pickup device can be used, and the size of the image sensor can be reduced.

【0058】(3) 二次元撮像デバイスから読み出さ
れた画像の各画素における映像信号を前回までに得られ
た対応の画素の映像信号の最大値と比較し、大きい方の
信号をFIFOに入れ、FIFOに蓄えられたデータは
次回の映像信号の比較に用いるようにして、スリット光
の1回の走査の間に得られた複数の画像の内、スリット
光を走査中の各画素における最大出力値(最も明るい
値)とそのときのスリット光の方向を記録し、この記録
したデータを用いて対象物までの距離を三角測量法によ
り計算するようにしたので、測定環境も暗室などに限定
されず、撮像素子の動作環境であれば良く、また各画素
におけるスリット光が当たったときと、そうでないとき
の差が検出できれば良いので、特に周囲を暗くするなど
測定環境を限定しなくてもよく、従って背景の明暗、ス
リット光の反射光の強弱に拘らず一般光の下での計測を
行うことができる。
(3) The video signal at each pixel of the image read from the two-dimensional imaging device is compared with the maximum value of the video signal of the corresponding pixel obtained up to the previous time, and the larger signal is put into the FIFO. The data stored in the FIFO is used for comparison of the next video signal, and the maximum output of each pixel during scanning of the slit light among a plurality of images obtained during one scanning of the slit light is used. The value (the brightest value) and the direction of the slit light at that time are recorded, and the distance to the object is calculated by triangulation using the recorded data, so the measurement environment is limited to dark rooms. In other words, the operating environment of the image sensor is sufficient, and it is only necessary to detect the difference between when the slit light hits each pixel and when the slit light does not hit it. Therefore, measurement can be performed under general light regardless of the brightness of the background and the intensity of the reflected light of the slit light.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、三
次元計測を高速で行うことができる。また、背景の明暗
や背景に対するスリット光の強弱に拘らず一般光の下で
三次元計測を高速に行える。また、解像度、レーザー反
射光に対する感度および得られる距離データの精度を良
好にすることができる。
As described above, according to the present invention, three-dimensional measurement can be performed at high speed. Further, three-dimensional measurement can be performed at high speed under general light regardless of the brightness of the background and the intensity of slit light with respect to the background. Further, the resolution, sensitivity to laser reflected light, and accuracy of the obtained distance data can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】スリット光を用いて三角測量法により三次元計
測を行う原理を示す概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of performing three-dimensional measurement by triangulation using slit light.

【図2】本発明の一実施例の三次元計測システムの要部
構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a main configuration of a three-dimensional measurement system according to an embodiment of the present invention.

【図3】図2のイメージセンサの1つの出力端子に接続
する回路の詳細な構成を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a circuit connected to one output terminal of the image sensor of FIG. 2;

【図4】図2のイメージセンサの構成例を示す概念図で
ある。
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of the image sensor of FIG. 2;

【図5】図3のイメージセンサの1つのラインセンサの
出力の変化とこの出力が転送されるインテンシィティF
IFOの内容との関係を示す波形図である。
FIG. 5 shows a change in output of one line sensor of the image sensor of FIG. 3 and an intensity F to which the output is transferred;
FIG. 7 is a waveform diagram showing a relationship with the contents of an IFO.

【図6】本発明の一実施例におけるスリット光の反射が
得られなかった場合の背景ノイズ除去のための補正回路
の構成を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a correction circuit for removing background noise when slit light reflection is not obtained in one embodiment of the present invention.

【図7】本発明の他の実施例における要部回路構成を示
すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a main part circuit configuration in another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 二次元イメージセンサ 2 A/Dコンバータ 3 コンパレータ 4 インテンシィティFIFO 5,6 セレクタ 7 オリエンテーションFIFO 8 レーザスリット光源 9 回転ミラー 10 被計測対象物 11 結像レンズ 12 パルス発生回路 13 パルスカウンタ 14 シフトクロック発生回路 21 コンパレータ 22 セレクタ 23 CPU 28 インテンシィティメモリ 29 オリエンテーションメモリ 31 アドレス発生器 35 リードバッファ 36 ライトバッファ Reference Signs List 1 2D image sensor 2 A / D converter 3 Comparator 4 Intensity FIFO 5, 6 Selector 7 Orientation FIFO 8 Laser slit light source 9 Rotating mirror 10 Object to be measured 11 Imaging lens 12 Pulse generation circuit 13 Pulse counter 14 Shift clock Generator 21 Comparator 22 Selector 23 CPU 28 Intensity memory 29 Orientation memory 31 Address generator 35 Read buffer 36 Write buffer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 越後 富夫 東京都千代田区三番町5−19 日本ア イ・ビー・エム株式会社 東京基礎研究 所内 (56)参考文献 特開 昭62−228106(JP,A) 特開 平2−223811(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tomio Echigo 5-19 Sanbancho, Chiyoda-ku, Tokyo IBM Japan, Ltd. Tokyo Basic Research Laboratory (56) References JP-A-62-228106 (JP) , A) JP-A-2-223811 (JP, A)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 スリット光をその方向を変えながら被計
測対象に投射するスリット光投射手段と、 前記被計測対象からのスリット光の反射光を受光し、複
数の出力端子から信号を並列に出力するマトリックス配
列の二次元撮像デバイスと、 前記スリット光の方向の微小変化毎に、前記二次元撮像
デバイスの各列の信号を並列に取り出し、デジタル信号
に変換する信号変換手段と、 該信号変換手段から転送される前記デジタル信号を並列
入力して、スリット光による一回の走査の間に前記二次
元撮像デバイスの各画素での明るさが最大になるスリッ
ト光の方向を検出する検出手段を具備したことを特徴と
する三次元計測システム。
1. A slit light projecting means for projecting slit light onto a measurement object while changing its direction, receiving reflected light of the slit light from the measurement object, and outputting signals from a plurality of output terminals in parallel. A two-dimensional imaging device having a matrix arrangement to perform, signal conversion means for taking out a signal of each column of the two-dimensional imaging device in parallel for each minute change in the direction of the slit light, and converting the signal into a digital signal; Detecting means for detecting the direction of the slit light at which the brightness at each pixel of the two-dimensional imaging device is maximized during one scan by the slit light by inputting the digital signals transferred in parallel from one another. A three-dimensional measurement system characterized by:
【請求項2】 前記検出手段で検出された前記スリット
光の方向のデータを基に三角計量法により前記被計測対
象の距離データを算出する算出手段をさらに有すること
を特徴とする請求項1に記載の三次元計測システム。
2. The apparatus according to claim 1, further comprising calculating means for calculating distance data of the object to be measured by a triangular metric method based on data on the direction of the slit light detected by the detecting means. The three-dimensional measurement system as described.
【請求項3】 前記検出手段と前記算出手段の間に接続
されて、前記スリット光の受光がなかった時のスリット
光の方向データを無効にする補正手段をさらに有するこ
とを特徴とする請求項2に記載の三次元計測システム。
3. The image processing apparatus according to claim 2, further comprising a correction unit connected between the detection unit and the calculation unit, the correction unit invalidating direction data of the slit light when the slit light is not received. 3. The three-dimensional measurement system according to 2.
【請求項4】 前記検出手段は、並列に配置された複数
の回路からなり、各回路は前記二次元撮像デバイスから
読み出された画像の各画素におけるデジタル信号を前回
までに得られた当該画素のデジタル信号の最大値と比較
する比較手段と、 該比較手段による比較により判定された大きい方の信号
を蓄え、蓄えられた信号のデータを次回の信号の比較に
用いるための第1のFIFOバッファと、 前記比較手段が前回の信号の最大値よりも今回の信号の
方が大きいと判定した時の前記スリット光の方向データ
を格納する第2のFIFOバッファとを有し、 スリット光を走査中の各画素における最大出力値とその
ときのスリット光の方向を記録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三次元計測システ
ム。
4. The detecting means comprises a plurality of circuits arranged in parallel, each circuit obtaining a digital signal at each pixel of an image read from the two-dimensional imaging device by a corresponding pixel obtained up to the previous time. And a first FIFO buffer for storing the larger signal determined by the comparison by the comparing means and using the data of the stored signal for the next signal comparison. And a second FIFO buffer for storing the direction data of the slit light when the comparison means determines that the current signal is larger than the maximum value of the previous signal. 4. The three-dimensional measurement system according to claim 1, wherein the maximum output value of each pixel and the direction of the slit light at that time are recorded.
【請求項5】 前記二次元撮像デバイスは複数のフォト
センサからなる一次元のラインイメージセンサを並列に
複数配列し、各該ラインイメージセンサのそれぞれに信
号を読み出すための出力端子を設けたことを特徴とする
請求項1ないし4のいずれかに記載の三次元計測システ
ム。
5. The two-dimensional imaging device according to claim 1, wherein a plurality of one-dimensional line image sensors including a plurality of photosensors are arranged in parallel, and each of the line image sensors is provided with an output terminal for reading a signal. The three-dimensional measurement system according to any one of claims 1 to 4, wherein:
【請求項6】 前記スリット光投射手段、前記二次元撮
像デバイスおよび前記検出手段を同期して駆動するため
の駆動信号を発生する駆動信号発生手段を有することを
特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の三次元
計測システム。
6. The apparatus according to claim 1, further comprising a driving signal generating unit for generating a driving signal for driving the slit light projecting unit, the two-dimensional imaging device, and the detecting unit in synchronization with each other. The three-dimensional measurement system according to any one of the above.
【請求項7】 前記スリット光投射手段は、レーザのス
リット光を発生するレーザスリット光源と、該スリット
光を偏向する回転ミラーとからなることを特徴とする請
求項1ないし6のいずれかに記載の三次元計測システ
ム。
7. The apparatus according to claim 1, wherein said slit light projecting means comprises a laser slit light source for generating laser slit light, and a rotating mirror for deflecting said slit light. 3D measurement system.
【請求項8】 前記算出手段で算出された距離データを
基に画像を作成・表示するコンピュータグラフィック装
置をさらに有することを特徴とする請求項1ないし7の
いずれかに記載の三次元計測システム。
8. The three-dimensional measurement system according to claim 1, further comprising a computer graphic device for creating and displaying an image based on the distance data calculated by said calculation means.
【請求項9】 請求項1ないし8に記載の前記三次元計
測システムを非接触三次元視覚センサとして有すること
を特徴とする移動ロボット、自動組立機、自動検査機お
よび搬送装置のうちのいずれかの装置。
9. A mobile robot, an automatic assembly machine, an automatic inspection machine, and a transfer device, comprising the three-dimensional measurement system according to claim 1 as a non-contact three-dimensional visual sensor. Equipment.
【請求項10】 スリット光の被計測対象に対する位置
を微小移動させる手段と、 前記被計測対象からのスリット光の反射光を二次元撮像
デバイスに受光させる手段と、 前記スリット光の微小移動毎に、前記二次元撮像デバイ
スの信号を取り出し、デジタル信号に変換する手段と、 該デジタル信号を入力して、スリット光による一回の走
査の間に各画素での明るさが最大となるスリット光の方
向を検出する手段と、 検出された前記スリット光の方向を基に三角計量法によ
り前記被計測対象の距離データを算出する手段とを具備
したことを特徴とする三次元計測システム。
10. A means for minutely moving the position of slit light with respect to the object to be measured, a means for causing a two-dimensional imaging device to receive reflected light of slit light from the object to be measured, and for each minute movement of the slit light. Means for extracting a signal from the two-dimensional imaging device and converting the signal into a digital signal; and inputting the digital signal, and the slit light having a maximum brightness at each pixel during one scan by the slit light. A three-dimensional measurement system, comprising: means for detecting a direction; and means for calculating distance data of the object to be measured by triangulation based on the detected direction of the slit light.
【請求項11】 スリット光の被計測対象に対する位置
を微小移動させ、 前記被計測対象からのスリット光の反射光を二次元撮像
デバイスに受光させ、 前記スリット光の微小移動毎に、前記二次元撮像デバイ
スの信号を取り出し、デジタル信号に変換し、 該デジタル信号を入力して、スリット光による一回の走
査の間に各画素での明るさが最大となるスリット光の方
向を検出し、 検出された前記スリット光の方向を基に三角計量法によ
り前記被計測対象の距離データを算出することを特徴と
する三次元計測方法。
11. A minute movement of a position of the slit light with respect to the object to be measured, a reflected light of the slit light from the object to be measured is received by a two-dimensional imaging device, and the two-dimensional image is received every minute movement of the slit light. The signal of the imaging device is taken out, converted into a digital signal, and the digital signal is input, and the direction of the slit light at which the brightness of each pixel is maximized during one scan by the slit light is detected. A three-dimensional measuring method, wherein distance data of the object to be measured is calculated by a triangulation method based on the direction of the slit light thus obtained.
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