JPH0658212B2 - Three-dimensional coordinate measuring device - Google Patents

Three-dimensional coordinate measuring device

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JPH0658212B2
JPH0658212B2 JP63202991A JP20299188A JPH0658212B2 JP H0658212 B2 JPH0658212 B2 JP H0658212B2 JP 63202991 A JP63202991 A JP 63202991A JP 20299188 A JP20299188 A JP 20299188A JP H0658212 B2 JPH0658212 B2 JP H0658212B2
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optical system
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right image
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は3次元座標計測装置の改良に関するものであ
る。
The present invention relates to an improvement of a three-dimensional coordinate measuring device.

(従来の技術) 従来より、3次元的な広がりを有する計測対象物の3次
元座標を計測する手法は種々あるが、その1つに合焦点
位置変化法がある。この手法は撮像装置の合焦点位置を
変えながら計測対象物を多数回撮像し、得られた多数の
画像中より計測対象物の各部分について焦点の合った画
像を決定し、各画像撮像時の撮像装置の光学系の状態か
ら計測対象物の各部分までの距離、即ち各部分に対する
3次元座標を求めるものであった。
(Prior Art) Conventionally, there are various methods for measuring the three-dimensional coordinates of a measurement object having a three-dimensional spread, and one of them is a focus position changing method. In this method, the measurement target is imaged many times while changing the focus position of the imaging device, and the in-focus image for each part of the measurement target is determined from among the obtained many images, and The distance from the state of the optical system of the image pickup device to each part of the measurement object, that is, the three-dimensional coordinates for each part is obtained.

前述した合焦点画像の決定には、通常、画像のコントラ
ストの大きさが用いられる。
In order to determine the focused image described above, the magnitude of image contrast is usually used.

3次元的な広がりを有する計測対象物を所定の焦点深度
を備えた光学系を有する撮像装置を用いて撮像した場
合、画像中で焦点の合った部分は最もコントラストが大
きくなり、逆に焦点のずれた部分はぼけを生じるため、
コントラストが小さくなる。即ち、合焦点位置を手前か
ら奥へ連続的に変化させると、画像中のエッジ部分のコ
ントラストは、当初、ぼけのため小さく、焦点が合って
くるに従って大きくなり、焦点が合った時に最も大きく
なり、それを過ぎると、ぼけによって再び小さくなる。
When a measurement target having a three-dimensional spread is imaged by using an imaging device having an optical system having a predetermined depth of focus, the in-focus portion of the image has the highest contrast, and conversely Since the displaced part causes blurring,
The contrast decreases. That is, when the focus position is continuously changed from the front to the back, the contrast of the edge portion in the image is initially small due to the blur, becomes larger as the focus comes in, and becomes the largest when the focus comes in. , And then it gets smaller again due to the blur.

従って、エッジ部分のコントラスト、即ち微分成分が最
も大きい画像が得られた時の光学系の合焦点位置に対応
する距離をその特徴点までの距離と見なすことができ、
合焦点位置が異なる多数の画像中、エッジ部分の微分成
分が最も大きくなるものを求めれば、距離を計測できる
ことになる。
Therefore, the contrast of the edge portion, that is, the distance corresponding to the in-focus position of the optical system when the image with the largest differential component can be regarded as the distance to the characteristic point,
The distance can be measured by finding the one having the largest differential component in the edge portion among a large number of images having different in-focus positions.

第2図は前記手法を用いた3次元座標計測装置の一例を
示すものである。ビデオカメラ1はレンズ2を介して計
測対象物(被写体)Aの画像を撮像素子3に結像させ、
映像信号に変換する。該映像信号はアナログ・ディジタ
ル(A/D)変換器4によりアナログ信号からディジタ
ル信号に変換され、処理装置5に転送される。処理装置
5は前記ディジタル信号に微分演算処理を施し、被写体
Aの画像のコントラストを検出し、さらにこの結果に基
づいてレンズコントローラ6を制御し、レンズ2の位
置、即ちビデオカメラ1の合焦点位置を変更する。ま
た、合焦点位置変更後の被写体Aの画像は前記同様にし
てビデオカメラ1により映像信号に変換され、A/D変
換器4を介して処理装置5に転送され、処理される。こ
のような一連の処理を繰返すことにより合焦点位置の異
なる多数の画像中のコントラストが検出され、被写体A
の各部分についてコントラストが最も大きくなる画像を
選択することにより、被写体Aの各部分までの距離が求
めるられる。
FIG. 2 shows an example of a three-dimensional coordinate measuring device using the above method. The video camera 1 forms an image of the measuring object (subject) A on the image sensor 3 via the lens 2,
Convert to video signal. The video signal is converted from an analog signal to a digital signal by an analog / digital (A / D) converter 4 and transferred to the processing device 5. The processing device 5 performs a differential calculation process on the digital signal to detect the contrast of the image of the subject A, and further controls the lens controller 6 based on this result to control the position of the lens 2, that is, the focus position of the video camera 1. To change. Further, the image of the subject A after changing the in-focus position is converted into a video signal by the video camera 1 in the same manner as described above, transferred to the processing device 5 via the A / D converter 4, and processed. By repeating such a series of processes, the contrast in a large number of images with different in-focus positions is detected, and the object A
The distance to each part of the subject A is obtained by selecting the image having the largest contrast for each part.

(発明が解決しようとする課題) ところで、前述した装置における測定精度はコントラス
トの検出精度に依存する。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, the measurement accuracy in the above-described device depends on the contrast detection accuracy.

物点が光学系によって共役な像面上に結像されている
時、像面を前後に移動すると、光学系の射出瞳を通り、
像点に収束してくる光線束は像面上にぼけた像を生ず
る。このぼけの大きさは像点に向かって収束する光線束
の開きの角度と、像面の正しい位置からのずれの量に比
例し、該ぼけの大きさが撮像素子の分解能εより小さけ
れば、像は実用上鮮明、即ちコントラストが大きいと考
えられる。像面の位置を固定した時、この上に鮮明な像
を生ずる物体の範囲を物体(被写界)深度という。
When the object point is imaged on the conjugate image plane by the optical system, if the image plane is moved back and forth, it passes through the exit pupil of the optical system,
The bundle of rays that converges on the image point produces a blurred image on the image plane. The size of this blur is proportional to the angle of opening of the bundle of rays that converges toward the image point and the amount of deviation from the correct position on the image plane. If the size of the blur is smaller than the resolution ε of the image sensor, It is considered that the image is practically clear, that is, has a high contrast. When the position of the image plane is fixed, the range of the object that produces a clear image on this is called the object (field of field) depth.

第3図は像面上の画像と物体深度との関係を示すもの
で、図中、Qは像面、Oは像面Qに共役な物面、Eは光
学系、ここでは焦点距離fのレンズ7の中心面であり、
像面Qと中心面Eとの距離をa、中心面Eと物面Oとの
距離をbとする。
FIG. 3 shows the relationship between the image on the image plane and the object depth. In the figure, Q is the image plane, O is the object plane conjugate to the image plane Q, E is the optical system, and here the focal length f Is the center plane of the lens 7,
The distance between the image plane Q and the center plane E is a, and the distance between the center plane E and the object plane O is b.

物面O上の物点はレンズ7を介して像面Q上に鮮明な像
を結像する。また、物面Oからその前後に距離Δ1及び
Δ2だけ離れた位置に存在する平面O1及びO2上の物
点はレンズ7を介して像面Q上に所定の大きさの円形像
を結像し、この円形像の直径が前記分解能ε以下であれ
ば、像面Q上に鮮明な像を結像したと見なせる。
The object point on the object plane O forms a clear image on the image plane Q via the lens 7. Further, the object points on the planes O1 and O2 existing at the distances Δ1 and Δ2 from the object surface O before and after the object surface O form a circular image of a predetermined size on the image surface Q via the lens 7. However, if the diameter of the circular image is equal to or less than the resolution ε, it can be considered that a clear image is formed on the image plane Q.

前記平面O1及びO2上の物点に対応する像面Q上の円
形像の直径が前記分解能εに等しい時、平面O1及びO
2間の間隔、即ち Δ=Δ2−Δ1 …(1) を物体深度という。
When the diameter of the circular image on the image plane Q corresponding to the object points on the planes O1 and O2 is equal to the resolution ε, the planes O1 and O
The interval between the two, that is, Δ = Δ2-Δ1 (1) is called the object depth.

また、レンズ7の横倍率をβ、絞り8による射出瞳の直
径をDとすると、|β|D》εであれば、Δ2≒−Δ1
となり、物体深度Δは Δ=Δ2−Δ1≒2ε・b/|β|D …(2) となる。
Further, assuming that the lateral magnification of the lens 7 is β and the diameter of the exit pupil by the diaphragm 8 is D, if | β | D >> ε, Δ2≈−Δ1
Therefore, the object depth Δ is Δ = Δ2-Δ1≈2ε · b / | β | D (2)

このように像面Q上に鮮明な像が得られる、即ち大きな
コントラストが得られる物面の範囲には一定の幅がある
ため、前記装置では距離を高精度に測定することが困難
であり、特に被写体までの距離、即ち式(2)中の距離b
が大きい程、物体深度Δも大きくなり、測定精度が劣化
するという問題点があった。
As described above, since a clear image can be obtained on the image plane Q, that is, the range of the object plane where a large contrast can be obtained has a certain width, it is difficult to measure the distance with high accuracy by the device. In particular, the distance to the subject, that is, the distance b in equation (2)
There is a problem that the larger the value is, the larger the object depth Δ is, and the measurement accuracy is deteriorated.

本発明は前記問題点を解決し、測定精度が高く、特に遠
方の被写体でも高精度に測定し得る3次元座標計測装置
を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and provide a three-dimensional coordinate measuring device which has high measurement accuracy and can measure a distant subject with high accuracy.

(課題を解決するための手段) 第1図は本発明の3次元座標計測装置の概要を示すもの
で、図中、9は倍率を変更可能な光学系9aを有する撮
像装置、10は撮像装置9の合焦点位置を変えながら計
測対象物Aを多数回撮像し、得られた多数の画像中より
計測対象物Aの各部分について焦点の合った画像を決定
し、各画像撮像時の撮像装置9の光学系9aの状態から
計測対象物Aの各部分に対する3次元座標を求める座標
算出手段、11は撮像装置9の光学系9aの倍率を最も
低い倍率から最も高い倍率へ(又は最も高い倍率から最
も低い倍率へ)順次変更するとともに、該変更の都度、
座標算出手段10を再起動する倍率変更手段である。
(Means for Solving the Problems) FIG. 1 shows an outline of a three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention. In the figure, 9 is an image pickup apparatus having an optical system 9a whose magnification can be changed, and 10 is an image pickup apparatus. The measurement target A is imaged many times while changing the in-focus position of 9, and the in-focus image for each part of the measurement target A is determined from the obtained many images, and the imaging device at the time of imaging each image The coordinate calculation means for obtaining three-dimensional coordinates for each part of the measurement object A from the state of the optical system 9a of the reference numeral 9, and 11 is the magnification of the optical system 9a of the imaging device 9 from the lowest magnification to the highest magnification (or the highest magnification). From the lowest to the lowest magnification), and with each change,
It is a magnification changing unit that restarts the coordinate calculating unit 10.

また、第4図は本発明の他の3次元座標計測装置の概要
を示すもので、図中、12及び13は所定間隔を隔てて
配置された左右一対の撮像装置、14及び15は撮像装
置12及び13にそれぞれ対応して、撮像装置12及び
13の合焦点位置を変えながら計測対象物Aを多数回撮
像し、得られた多数の画像中より計測対象物Aの各部分
について焦点の合った画像を決定し、各画像撮像時の撮
像装置12及び13の光学系12a及び13aの状態か
ら計測対象物Aの各部分に対する左画像及び右画像の3
次元座標を求める第1及び第2の座標算出手段、16は
第1及び第2の座標算出手段14及び15により求めら
れた左画像及び右画像の3次元座標に基づいて、該左画
像及び右画像を同様な距離を有する複数の範囲に区分す
る探索範囲限定手段、17は撮像装置12及び13によ
り撮像された左画像及び右画像中の前記範囲内より対応
する点を探索し、その3次元座標を求める第3の座標算
出手段である。
Further, FIG. 4 shows an outline of another three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention. In the figure, 12 and 13 are a pair of left and right image pickup devices arranged at a predetermined interval, and 14 and 15 are image pickup devices. Corresponding to 12 and 13, respectively, the measurement object A is imaged many times while changing the in-focus position of the imaging devices 12 and 13, and each part of the measurement object A is focused from the obtained many images. 3) of the left image and the right image for each part of the measuring object A from the states of the optical systems 12a and 13a of the imaging devices 12 and 13 at the time of capturing each image.
First and second coordinate calculating means for obtaining dimensional coordinates, 16 are provided for the left image and the right image based on the three-dimensional coordinates of the left image and the right image obtained by the first and second coordinate calculating means 14, 15. A search range limiting means for dividing an image into a plurality of ranges having similar distances, and 17 searches for corresponding points in the ranges in the left image and the right image captured by the image capturing devices 12 and 13, and their three-dimensional It is a third coordinate calculating means for obtaining coordinates.

また、第5図は本発明のさらに他の3次元座標計測装置
の概要を示すもので、図中、14及び15は第4図の装
置と同様な第1及び第2の座標算出手段、16は第4図
の装置と同様な探索範囲限定手段、17は第4図の装置
と同様な第3の座標算出手段、18及び19は倍率を変
更可能な光学系18a及び19aをそれぞれ有する左右
一対の撮像装置、20及び21は左右一対の撮像装置1
8及び19の光学系18a及び19aの倍率を最も低い
倍率から最も高い倍率へ(又は最も高い倍率から最も低
い倍率へ)順次変更するとともに、該変更の都度、第1
及び第2の座標算出手段14及び15を再起動する第1
及び第2の倍率変更手段である。
Further, FIG. 5 shows an outline of still another three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention. In the figure, 14 and 15 are first and second coordinate calculating means 16 similar to those of the apparatus of FIG. Is a search range limiting means similar to that of the apparatus of FIG. 4, 17 is third coordinate calculating means similar to that of the apparatus of FIG. 4, and 18 and 19 are a pair of left and right having optical systems 18a and 19a whose magnification can be changed, respectively. Image pickup devices, 20 and 21 are a pair of left and right image pickup devices 1.
The magnifications of the optical systems 18a and 19a of 8 and 19 are sequentially changed from the lowest magnification to the highest magnification (or from the highest magnification to the lowest magnification), and each time the change is performed, the first magnification is changed.
And first restarting the second coordinate calculating means 14 and 15
And second magnification changing means.

(作用) 第1図の装置によれば、倍率変更手段11によって撮像
装置9の光学系9aの倍率が変えられる、例えば大きく
なると、該撮像装置9の光学系9aの物体深度も変る、
即ち小さくなる。
(Operation) According to the apparatus of FIG. 1, the magnification changing means 11 can change the magnification of the optical system 9a of the image pickup apparatus 9, for example, when the magnification is increased, the object depth of the optical system 9a of the image pickup apparatus 9 is also changed.
That is, it becomes smaller.

第6図は光学系の横倍率と物体深度との関係を示すもの
で、光学系、例えばレンズ22及び23においてレンズ
22の方がレンズ23より横倍率が大きい、即ち焦点距
離が長いとすると、レンズ22の物体深度Δ01の方がレ
ンズ23の物体深度Δ02より小さくなる。
FIG. 6 shows the relationship between the lateral magnification of the optical system and the object depth. If the lateral magnification of the lens 22 is larger than that of the lens 23 in the optical system, for example, the lenses 22 and 23, that is, the focal length is longer, The object depth Δ01 of the lens 22 is smaller than the object depth Δ02 of the lens 23.

従って、前記装置において、さらに倍率変更手段11に
よって座標算出手段10が再起動されると、該物体深度
が小さい状態の撮像装置9により撮像された多数の画像
中より焦点のあった画像が決定され、これより計測対象
物Aの3次元座標が高精度に求められる。
Therefore, in the above-mentioned apparatus, when the coordinate changing means 11 is restarted by the magnification changing means 11, the in-focus image is decided out of the many images picked up by the image pickup device 9 in the state where the object depth is small. From this, the three-dimensional coordinates of the measuring object A can be obtained with high accuracy.

また、第4図の装置によれば、第1及び第2の座標算出
手段14及び15によって撮像装置12及び13の合焦
点位置を変えながら撮像された左右の多数の画像中より
計測対象物Aの各部分について焦点の合った左画像及び
右画像が決定され、各画像撮像時の撮像装置12及び1
3の光学系12a及び13aの状態から計測対象物Aの
各部分に対する左画像及び右画像の3次元座標が求めら
れる。また、これらの左画像及び右画像の3次元座標か
ら探索範囲限定手段16によって左画像及び右画像が同
様な距離を有する複数の範囲に区分され、さらに第3の
座標算出手段17によって撮像装置12及び13により
撮像された左画像及び右画像中の前記範囲、即ち第1及
び第2の座標算出手段14及び15による計測結果から
対応点の存在が予想される範囲内より対応する点が探索
され、その3次元座標が求められる。
Further, according to the apparatus of FIG. 4, the measurement object A is selected from a large number of left and right images imaged by the first and second coordinate calculating means 14 and 15 while changing the in-focus positions of the imaging devices 12 and 13. The in-focus left image and right image are determined for each part of
The three-dimensional coordinates of the left image and the right image for each part of the measurement object A are obtained from the states of the optical systems 12a and 13a of No. 3. Further, from the three-dimensional coordinates of the left image and the right image, the search range limiting means 16 divides the left image and the right image into a plurality of ranges having the same distance, and the third coordinate calculating means 17 further causes the image capturing device 12 to be divided. And 13 are searched for the corresponding points from the ranges in the left and right images, that is, within the range where the corresponding points are expected to exist from the measurement results by the first and second coordinate calculating means 14 and 15. , Its three-dimensional coordinates are obtained.

また、第5図の装置によれば、第1及び第2の座標算出
手段14及び15に対応した第1及び第2の倍率変更手
段20及び21によって物体深度が変えられた、例えば
小さい状態の撮像装置18及び19により撮像された左
右の多数の画像に基づいて計測対象物Aの各部分に対す
る左画像及び右画像の3次元座標が求められ、これらか
ら前記同様にして左画像及び右画像が同様な距離を有す
る複数の範囲に区分され、さらに撮像装置18及び19
により撮像された左画像及び右画像中の前記範囲、即ち
対応点の存在がより確率高く予想される範囲内から対応
する点が探索され、その3次元座標が求められる。
According to the apparatus of FIG. 5, the object depth is changed by the first and second magnification changing means 20 and 21 corresponding to the first and second coordinate calculating means 14 and 15, for example, in a small state. The three-dimensional coordinates of the left image and the right image for each part of the measurement object A are obtained based on a large number of left and right images captured by the image capturing devices 18 and 19, and the left image and the right image are obtained in the same manner as described above. The image pickup devices 18 and 19 are divided into a plurality of ranges having similar distances.
Corresponding points are searched for in the ranges in the left and right images captured by, that is, the range in which the presence of corresponding points is predicted with a higher probability, and the three-dimensional coordinates thereof are obtained.

(実施例) 第7図は本発明の3次元座標計測装置の第1の実施例を
示すもので、ここでは前述した第1図の装置に対応した
例を示す。図中、31はビデオカメラ、32はカメラマ
ウント、33はA/D変換器、34はカメラコントロー
ラ、35はレンズコントローラ、36は処理装置であ
る。
(Embodiment) FIG. 7 shows a first embodiment of the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention, and here shows an example corresponding to the apparatus of FIG. 1 described above. In the figure, 31 is a video camera, 32 is a camera mount, 33 is an A / D converter, 34 is a camera controller, 35 is a lens controller, and 36 is a processing device.

ビデオカメラ31は倍率を変更可能な光学系、ここでは
ズームレンズ31aを備え、該ズームレンズ31aを介
して計測対象物(被写体)Aの画像を撮像素子(図示せ
ず)に結像させ、映像信号に変換する。カメラマウント
32はビデオカメラ31を水平方向及び垂直方向の任意
の方向に首振り自在に支持する如くなっている。
The video camera 31 is provided with an optical system whose magnification can be changed, here, a zoom lens 31a, and an image of a measurement object (subject) A is formed on an image sensor (not shown) through the zoom lens 31a. Convert to signal. The camera mount 32 is configured to support the video camera 31 so that it can be swung freely in any of horizontal and vertical directions.

カメラコントローラ34は処理装置36からの制御コマ
ンドに基づいてカメラマウント32を駆動し、ビデオカ
メラ31の撮像方向を変更する。レンズコントローラ3
5は処理装置36からの制御コマンドに基づいてビデオ
カメラ31のズームレンズ31aを駆動し、その倍率及
び合焦点位置を変更する如くなっている。
The camera controller 34 drives the camera mount 32 based on the control command from the processing device 36, and changes the imaging direction of the video camera 31. Lens controller 3
Reference numeral 5 drives the zoom lens 31a of the video camera 31 on the basis of a control command from the processing device 36 to change the magnification and the focus position.

処理装置36は周知のコンピュータ等よりなり、所定の
プログラムに従って、カメラコントローラ34及びレン
ズコントローラ35を制御するとともに、A/D変換器
33を介してディジタル信号に変換された被写体Aの撮
像信号を受信し、所定の演算処理を行なって被写体Aの
3次元座標を算出する。
The processing device 36 comprises a well-known computer and the like, controls the camera controller 34 and the lens controller 35 in accordance with a predetermined program, and receives the image pickup signal of the subject A converted into a digital signal via the A / D converter 33. Then, the three-dimensional coordinates of the subject A are calculated by performing a predetermined calculation process.

第8図は処理装置36のプログラムに対応する流れ図
で、該プログラム及び処理装置36により第1図におけ
る座標算出手段10及び倍率変更手段11が実現され
る。
FIG. 8 is a flow chart corresponding to the program of the processing device 36, and the program and the processing device 36 realize the coordinate calculating means 10 and the magnification changing means 11 in FIG.

次に、動作について説明する。Next, the operation will be described.

まず、処理装置36はカメラコントローラ34及びレン
ズコントローラ35を介してカメラマウント32及びズ
ームレンズ31aを動作させ、ズームレンズ31aの倍
率並びに合焦点位置を所定の初期状態(例えば、倍率は
1番低い状態)に設定するとともに、ビデオカメラ31
の撮像視野を所定の撮像開始位置に設定し(ステップs
1)、画像入力する(ステップs2)。この時、被写体
Aが写っていなければ(ステップs3)、カメラコント
ローラ34を介してカメラマウント32を動作させ、ビ
デオカメラ31の視野を所定の走査方向に移動させ(ス
テップs4)、再度、画像入力する。
First, the processing device 36 operates the camera mount 32 and the zoom lens 31a via the camera controller 34 and the lens controller 35, and sets the magnification and focus position of the zoom lens 31a in a predetermined initial state (for example, the state where the magnification is the lowest). ) And the video camera 31
The imaging field of view is set to a predetermined imaging start position (step s
1) Input an image (step s2). At this time, if the subject A is not captured (step s3), the camera mount 32 is operated via the camera controller 34 to move the field of view of the video camera 31 in a predetermined scanning direction (step s4), and image input is performed again. To do.

次に、処理装置36はビデオカメラ31より入力されA
/D変換器33によりディジタル信号に変換された映像
信号に従来例の場合と同様な微分演算処理を施し、被写
体Aの画像のコントラスト(画像ぼけ)を検出する(ス
テップs5)。さらに処理装置36は検出結果に基づい
てズームレンズ31aの合焦点位置を変更し(ステップ
s6,s7)、画像入力(ステップs8)及び画像ぼけ
の検出(ステップs5)を繰返し、コントラストの最大
値が得られる合焦点位置を決定する(ステップs9)。
Next, the processing device 36 receives an input from the video camera 31
The video signal converted into the digital signal by the / D converter 33 is subjected to the same differential operation as in the conventional example to detect the contrast (image blur) of the image of the subject A (step s5). Further, the processing device 36 changes the focus position of the zoom lens 31a based on the detection result (steps s6, s7), repeats the image input (step s8) and the image blur detection (step s5), and the maximum value of the contrast is The obtained focus position is determined (step s9).

その後、処理装置36はビデオカメラ31の撮像視野を
移動させ、その全視野について前述したステップs2〜
ステップs9の処理を繰返す(ステップs10,s11)。
After that, the processing device 36 moves the imaging visual field of the video camera 31, and steps s2 to s2 described above for the entire visual field.
The process of step s9 is repeated (steps s10 and s11).

次に、処理装置36はビデオカメラ31の焦点距離、即
ち倍率を変更し、その全倍率について前述したステップ
s2〜ステップs11の処理を繰返し(ステップs12,s
13)、これらの結果に基づいて被写体Aの各部分までの
距離、即ち3次元座標を計算する(ステップs14)。
Next, the processing device 36 changes the focal length of the video camera 31, that is, the magnification, and repeats the processing of steps s2 to s11 described above for all the magnifications (steps s12, s).
13) Based on these results, the distance to each part of the subject A, that is, the three-dimensional coordinates is calculated (step s14).

本実施例によれば、倍率を変更した、即ち物体深度を変
更したズームレンズ31aによる被写体Aの画像が得ら
れ、物体深度が小さい状態のビデオカメラ31による合
焦点位置が被写体Aの各部分について検出され、これら
から被写体Aの各部分までの距離が算出されるため、精
度の高い3次元座標が得られる。
According to the present embodiment, an image of the subject A is obtained by the zoom lens 31a whose magnification is changed, that is, the object depth is changed, and the focus position of the video camera 31 in the state where the object depth is small is about each part of the subject A. Since these are detected and the distances from these to each part of the subject A are calculated, highly accurate three-dimensional coordinates can be obtained.

また、本実施例では全視野走査した後、倍率を変更する
如くなしたが、ある視野の範囲について順次倍率を変更
し、その後、視野を変更するようになしても良い。な
お、全視野とはカメラマウント32における移動可能範
囲、又は倍率が1番低い状態におけるビデオカメラ31
の画角である。
Further, in the present embodiment, the magnification is changed after scanning the entire visual field, but the magnification may be sequentially changed in a certain visual field range, and then the visual field may be changed. The entire field of view means the movable range of the camera mount 32, or the video camera 31 in the state where the magnification is the lowest.
Is the angle of view.

第9図は本発明の3次元座標計測装置の第2の実施例を
示すもので、ここでは前述した第4図の装置に対応した
例を示す。図中、37及び38はビデオカメラ、39及
び40はカメラマウント、41及び42はA/D変換
器、43及び44はカメラコントローラ、45及び46
はレンズコントローラ、47は処理装置である。
FIG. 9 shows a second embodiment of the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention, and here shows an example corresponding to the apparatus of FIG. 4 described above. In the figure, 37 and 38 are video cameras, 39 and 40 are camera mounts, 41 and 42 are A / D converters, 43 and 44 are camera controllers, and 45 and 46.
Is a lens controller, and 47 is a processing device.

ビデオカメラ37及び38はそれぞれ標準レンズ37a
及び38aを備え且つ所定間隔を隔てて配置されてお
り、該標準レンズ37a及び38aを介して被写体Aの
左画像及び右画像を撮像素子(図示せず)に結像させ、
映像信号に変換する。カメラマウント39及び40はビ
デオカメラ37及び38を水平方向及び垂直方向の任意
の方向に首振り自在に支持する如くなっている。
The video cameras 37 and 38 are standard lenses 37a, respectively.
And 38a, which are arranged at predetermined intervals, form a left image and a right image of the subject A on an image sensor (not shown) via the standard lenses 37a and 38a,
Convert to video signal. The camera mounts 39 and 40 are designed to support the video cameras 37 and 38 so that they can be swung freely in horizontal and vertical directions.

カメラコントローラ43及び44は処理装置47からの
制御コマンドに基づいてカメラマウント39及び40を
駆動し、ビデオカメラ37及び38の撮像方向を変更す
る。レンズコントローラ45及び46は処理装置47か
らの制御コマンドに基づいてビデオカメラ37及び38
の標準レンズ37a及び38aを駆動し、その合焦点位
置を変更する如くなっている。
The camera controllers 43 and 44 drive the camera mounts 39 and 40 based on the control command from the processing device 47, and change the imaging directions of the video cameras 37 and 38. The lens controllers 45 and 46 are controlled by the video cameras 37 and 38 based on the control command from the processing unit 47.
The standard lenses 37a and 38a are driven to change their in-focus positions.

処理装置47は周知のコンピュータ等よりなり、所定の
プログラムに従って、カメラコントローラ43及び44
並びにレンズコントローラ45及び46を制御するとと
もに、A/D変換器41及び42を介してディジタル信
号に変換された被写体Aの左画像及び右画像に対応する
映像信号を受信し、所定の演算処理を行なって被写体A
の3次元座標を算出する。
The processing device 47 comprises a well-known computer and the like, and the camera controllers 43 and 44 are operated according to a predetermined program.
In addition to controlling the lens controllers 45 and 46, the video signals corresponding to the left and right images of the subject A converted into digital signals via the A / D converters 41 and 42 are received, and predetermined arithmetic processing is performed. Subject A going
The three-dimensional coordinate of is calculated.

第10図(a)(b)は処理装置47のプログラムに対応する
流れ図で、該プログラム及び処理装置47により第4図
における第1及び第2の座標算出手段14及び15、探
索範囲限定手段16並びに第3の座標算出手段17が実
現される。
10 (a) and 10 (b) are flow charts corresponding to the program of the processing device 47. The program and the processing device 47 allow the first and second coordinate calculating means 14 and 15 and the search range limiting means 16 in FIG. In addition, the third coordinate calculating means 17 is realized.

次に、動作について説明する。Next, the operation will be described.

まず、処理装置47は被写体Aの左画像及び右画像の各
部分までの距離、即ち3次元座標を、それぞれビデオカ
メラ37及び38を用いた合焦点位置変化法に基づいて
検出する(ステップsp1,sp2)。
First, the processing device 47 detects the distances to the respective parts of the left image and the right image of the subject A, that is, the three-dimensional coordinates, based on the focusing position change method using the video cameras 37 and 38, respectively (step sp1, sp2).

前記ステップsp1及びsp2における動作は、第10
図(b)に示すようにビデオカメラにおける倍率変更を行
なわない点を除いて第1の実施例と同様であるから、そ
の説明を省略する。
The operation in steps sp1 and sp2 is the tenth.
The description is omitted because it is the same as the first embodiment except that the magnification is not changed in the video camera as shown in FIG.

次に、処理装置47は前述した被写体Aの左画像及び右
画像の各部分までの距離の値から該被写体Aの左画像及
び右画像を、同様な距離を有する複数の範囲に区分する
(ステップsp3)。
Next, the processing device 47 divides the left image and the right image of the subject A into a plurality of ranges having the same distance based on the value of the distance to each part of the left image and the right image of the subject A described above (step sp3).

さらに、処理装置47はビデオカメラ37及び38を介
して入力した被写体Aの左画像及び右画像中の前記範囲
(探索範囲)のそれぞれについて、周知の両眼立体視法
に基づく対応点探索を行ない(ステップsp4)、これ
に基づいて被写体Aの各部分までの距離、即ち3次元座
標を計算する(ステップsp5)。
Further, the processing device 47 performs a corresponding point search based on the well-known binocular stereoscopic vision for each of the ranges (search range) in the left image and the right image of the subject A input via the video cameras 37 and 38. (Step sp4), and the distance to each part of the subject A, that is, the three-dimensional coordinates is calculated based on this (step sp5).

本実施例によれば、両眼立体視法による3次元座標の検
出に先立って、2台のビデオカメラ37及び38を用い
た合焦点位置変化法による左画像及び右画像の3次元座
標から同様な距離を有する範囲、即ち対応点が存在する
と予想される範囲を求めたため、対応点探索の範囲を狭
めることができ、対応点探索に伴う計算量を軽減するこ
とができるとともに、その精度を向上させることがで
き、より精度の高い3次元座標が得られる。
According to the present embodiment, prior to the detection of the three-dimensional coordinates by the binocular stereoscopic method, the same is done from the three-dimensional coordinates of the left image and the right image by the focus position changing method using the two video cameras 37 and 38. Since a range having a large distance, that is, a range in which a corresponding point is expected to exist, is obtained, the range of the corresponding point search can be narrowed, the calculation amount associated with the corresponding point search can be reduced, and the accuracy thereof can be improved. And more accurate three-dimensional coordinates can be obtained.

第11図は本発明の3次元座標計測装置の第3の実施例
を示すもので、ここでは前述した第5図の装置に対応し
た例を示す。図中、39及び40はカメラマウント、4
1及び42はA/D変換器、43及び44はカメラコン
トローラ、48及び49はビデオカメラ、50及び51
はレンズコントローラ、52は処理装置である。
FIG. 11 shows a third embodiment of the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention, and here shows an example corresponding to the apparatus of FIG. 5 described above. In the figure, 39 and 40 are camera mounts, 4
1 and 42 are A / D converters, 43 and 44 are camera controllers, 48 and 49 are video cameras, and 50 and 51.
Is a lens controller, and 52 is a processing device.

ビデオカメラ48及び49はそれぞれズームレンズ48
a及び49aを備え且つ所定間隔を隔てて配置されてお
り、該ズームレンズ48a及び49aを介して被写体A
の左画像及び右画像を撮像素子(図示せず)に結像さ
せ、映像信号に変換する。
The video cameras 48 and 49 are zoom lenses 48, respectively.
a and 49a, which are arranged at a predetermined interval, and the subject A through the zoom lenses 48a and 49a.
The left image and the right image of are imaged on an image sensor (not shown) and converted into video signals.

レンズコントローラ50及び51は処理装置52からの
制御コマンドに基づいてビデオカメラ48及び49のズ
ームレンズ48a及び49aを駆動し、その倍率及び合
焦点位置を変更する如くなっている。
The lens controllers 50 and 51 drive the zoom lenses 48a and 49a of the video cameras 48 and 49 based on the control command from the processing unit 52, and change the magnification and focus position thereof.

処理装置52は周知のコンピュータ等よりなり、所定の
プログラムに従って、カメラコントローラ43及び44
並びにレンズコントローラ50及び51を制御するとと
もに、A/D変換器41及び42を介してディジタル信
号に変換された被写体Aの左画像及び右画像に対応する
映像信号を受信し、所定の演算処理を行なって被写体A
の3次元座標を算出する。なお、その他の構成は第2の
実施例と同様である。
The processing device 52 comprises a well-known computer and the like, and the camera controllers 43 and 44 according to a predetermined program.
In addition to controlling the lens controllers 50 and 51, the video signals corresponding to the left and right images of the subject A converted into digital signals via the A / D converters 41 and 42 are received, and predetermined arithmetic processing is performed. Subject A going
The three-dimensional coordinate of is calculated. The other structure is the same as that of the second embodiment.

第12図(a)(b)は処理装置52のプログラムに対応する
流れ図で、該プログラム及び処理装置52により第5図
における第1及び第2の座標算出手段14及び15、探
索範囲限定手段16、第3の座標算出手段17並びに第
1及び第2の倍率変更手段20及び21が実現される。
FIGS. 12 (a) and 12 (b) are flowcharts corresponding to the program of the processing device 52. The program and the processing device 52 allow the first and second coordinate calculating means 14 and 15 and the search range limiting means 16 in FIG. , Third coordinate calculating means 17 and first and second magnification changing means 20 and 21 are realized.

次に、動作について説明する。Next, the operation will be described.

まず、処理装置52は被写体Aの左画像及び右画像の各
部分までの距離、即ち3次元座標を、それぞれビデオカ
メラ48及び49を用いた倍率変更を伴う合焦点位置変
化法に基づいて検出する(ステップsp6,sp7)。
First, the processing device 52 detects the distances to the left and right images of the subject A, that is, the three-dimensional coordinates, based on the focusing position change method involving magnification change using the video cameras 48 and 49, respectively. (Steps sp6, sp7).

前記ステップsp6及びsp7における動作は、第12
図(b)に示すように第1の実施例と同様であるから、そ
の説明を省略する。
The operations in steps sp6 and sp7 are the twelfth.
Since it is the same as the first embodiment as shown in FIG. 6B, its explanation is omitted.

以下、処理装置52は第2の実施例の場合と同様に、被
写体Aの左画像及び右画像の各部分までの距離の値から
該被写体Aの左画像及び右画像を、同様な距離を有する
複数の範囲に区分し(ステップsp3)、ビデオカメラ
48及び49を介して入力した被写体Aの左画像及び右
画像中の前記範囲(探索範囲)のそれぞれについて、周
知の両眼立体視法に基づく対応点探索を行ない(ステッ
プsp4)、これに基づいて被写体Aの各部分までの距
離、即ち3次元座標を計算する(ステップsp5)。
Hereinafter, as in the case of the second embodiment, the processing device 52 has the same distance between the left image and the right image of the subject A from the value of the distance to each part of the left image and the right image of the subject A. Each of the ranges (search range) in the left image and the right image of the subject A, which are divided into a plurality of ranges (step sp3) and input via the video cameras 48 and 49, is based on the well-known binocular stereoscopic method. Corresponding point search is performed (step sp4), and the distance to each part of the subject A, that is, three-dimensional coordinates is calculated based on this (step sp5).

本実施例によれば、両眼立体視法による3次元座標の検
出に先立って求められる対応点探索の範囲が、ズームレ
ンズ48a及び49aを備えたビデオカメラ48及び4
9から入力される画像に基づいてより精密に求められる
ため、第2の実施例に比べて対応点探索に伴う計算量を
より軽減することができるとともに、その精度をより向
上させることができ、さらに精度の高い3次元座標が得
られる。
According to the present embodiment, the corresponding point search range obtained prior to the detection of the three-dimensional coordinates by the binocular stereoscopic method is the video cameras 48 and 4 equipped with the zoom lenses 48a and 49a.
Since it is obtained more accurately based on the image input from 9, it is possible to further reduce the amount of calculation involved in the corresponding point search as compared with the second embodiment, and it is possible to further improve its accuracy. Further accurate three-dimensional coordinates can be obtained.

なお、実施例中では倍率の変更可能な光学系として焦点
距離を連続的に変えられるズームレンズを用いたが、焦
点距離を段階的に切替えることができるようなレンズを
用いても良い。
In the embodiments, a zoom lens that can continuously change the focal length is used as the optical system whose magnification can be changed, but a lens that can change the focal length stepwise may be used.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、撮像装置の光学系
の倍率を変更することにより、その物体深度を小さくし
た状態における被写体の合焦点画像が得られ、これに基
づいて3次元座標が算出されるため、誤差の少ない3次
元座標が得られ、特に被写体までの距離が大きい場合で
も精度の良い3次元座標が得られる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, by changing the magnification of the optical system of the image pickup apparatus, a focused image of a subject in a state where the object depth is reduced can be obtained, and based on this, Since the three-dimensional coordinates are calculated, the three-dimensional coordinates with less error can be obtained, and particularly, the accurate three-dimensional coordinates can be obtained even when the distance to the subject is large.

また、本発明によれば、左右一対の撮像装置からそれぞ
れ合焦点画像を得て、これから被写体の左画像及び右画
像の3次元座標を算出し、これらに基づいて被写体の左
画像及び右画像中の同様な距離を有する範囲を限定し、
該範囲内にて周知の両眼立体視法による対応点探索を行
なって3次元座標を算出するようになしたため、左右の
画像から対応点を求めるための計算量を減らすことがで
きるとともに、精度良く対応点を求めることができ、従
って、高精度な3次元座標が得られる。
Further, according to the present invention, focused images are respectively obtained from a pair of left and right imaging devices, three-dimensional coordinates of a left image and a right image of a subject are calculated, and based on these, a left image and a right image of the subject are calculated. Limits the range with a similar distance of
Since three-dimensional coordinates are calculated by performing the corresponding point search by the well-known binocular stereoscopic method within the range, the amount of calculation for obtaining the corresponding points from the left and right images can be reduced, and the accuracy can be reduced. Corresponding points can be obtained well, and therefore highly accurate three-dimensional coordinates can be obtained.

さらにまた、本発明によれば、左右一対の撮像装置から
それぞれ物体深度を小さくした状態における合焦点画像
を得て、これから被写体の左画像及び右画像の3次元座
標を算出し、これらに基づいて被写体の左画像及び右画
像中の同様な距離を有する範囲を限定し、該範囲内にて
周知の両眼立体視法による対応点探索を行なって3次元
座標を算出するようになしたため、左右の画像から対応
点を求めるための計算量を著しく減らすことができると
ともに、極めて精度良く対応点を求めることができ、従
って、さらに高精度な3次元座標が得られる。
Furthermore, according to the present invention, focused images in a state where the object depth is reduced are obtained from a pair of left and right image pickup devices, from which the three-dimensional coordinates of the left and right images of the subject are calculated, and based on these, Since the range having the same distance in the left and right images of the subject is limited and the corresponding points are searched by the well-known binocular stereoscopic method within the range, the three-dimensional coordinates are calculated. It is possible to remarkably reduce the amount of calculation for obtaining the corresponding points from the image, and it is possible to obtain the corresponding points with extremely high accuracy, and therefore, it is possible to obtain more highly accurate three-dimensional coordinates.

また、本発明のいずれの装置も自然光による測定が可能
であり、自然光中の物体や風景等の3次元座標を測定す
ることができ、また、画像データベースやCADのため
の3次元情報を高精度に入力することができ、さらにま
た、航空写真による地形解析や自動車の自動運転、ロボ
ットの視覚制御等に応用できる等の利点がある。
Further, any of the devices of the present invention can measure by natural light, can measure the three-dimensional coordinates of an object, a landscape, etc. in the natural light, and can accurately measure three-dimensional information for an image database and CAD. It has the advantage of being applicable to topographical analysis by aerial photography, automatic driving of automobiles, visual control of robots, etc.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の3次元座標計測装置の概要を示す機能
ブロック図、第2図は従来の3次元座標計測装置の一例
を示す構成図、第3図は像面上の画像と物体深度との関
係を示す説明図、第4図は本発明の他の3次元座標計測
装置の概要を示す機能ブロック図、第5図は本発明のさ
らに他の3次元座標計測装置の概要を示す機能ブロック
図、第6図は光学系の横倍率と物体深度との関係を示す
説明図、第7図は本発明の3次元座標計測装置の第1の
実施例を示す構成図、第8図は第7図の処理装置のプロ
グラムに対応する流れ図、第9図は本発明の3次元座標
計測装置の第2の実施例を示す構成図、第10図(a)(b)
は第9図の処理装置のプログラムに対応する流れ図、第
11図は本発明の3次元座標計測装置の第3の実施例を
示す構成図、第12図(a)(b)は第11図の処理装置のプ
ログラムに対応する流れ図である。 9,12,13,18,19…撮像装置、9a,12
a,13a,18a,19a…光学系、10…座標算出
手段、11…倍率変更手段、14…第1の座標算出手
段、15…第2の座標算出手段、16…探索範囲限定手
段、17…第3の座標算出手段、20…第1の倍率変更
手段、21…第2の倍率変更手段。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a functional block diagram showing an outline of a three-dimensional coordinate measuring device of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a conventional three-dimensional coordinate measuring device, and FIG. 3 is an image. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between an image on a surface and an object depth, FIG. 4 is a functional block diagram showing an outline of another three-dimensional coordinate measuring device of the present invention, and FIG. 5 is still another three-dimensional coordinate of the present invention. 6 is a functional block diagram showing the outline of the measuring device, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the lateral magnification of the optical system and the object depth, and FIG. 7 shows the first embodiment of the three-dimensional coordinate measuring device of the present invention. Configuration diagram, FIG. 8 is a flow chart corresponding to the program of the processing device of FIG. 7, FIG. 9 is a configuration diagram showing a second embodiment of the three-dimensional coordinate measuring device of the present invention, and FIG. 10 (a) ( b)
Is a flow chart corresponding to the program of the processing apparatus of FIG. 9, FIG. 11 is a configuration diagram showing a third embodiment of the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention, and FIGS. 12 (a) and (b) are FIG. 4 is a flowchart corresponding to the program of the processing device of FIG. 9, 12, 13, 18, 19 ... Imaging device, 9a, 12
a, 13a, 18a, 19a ... Optical system, 10 ... Coordinate calculating means, 11 ... Magnification changing means, 14 ... First coordinate calculating means, 15 ... Second coordinate calculating means, 16 ... Search range limiting means, 17 ... Third coordinate calculating means, 20 ... First magnification changing means, 21 ... Second magnification changing means.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】撮像装置と、該撮像装置の合焦点位置を変
えながら計測対象物を多数回撮像し、得られた多数の画
像中より計測対象物の各部分について焦点の合った画像
を決定し、各画像撮像時の撮像装置の光学系の状態から
計測対象物の各部分に対する3次元座標を求める座標算
出手段とを備えた3次元座標計測装置において、 倍率を変更可能な光学系を有する撮像装置を用い、 撮像装置の光学系の倍率を最も低い倍率から最も高い倍
率へ(又は最も高い倍率から最も低い倍率へ)順次変更
するとともに、該変更の都度、座標算出手段を再起動す
る倍率変更手段を設けた ことを特徴とする3次元座標計測装置。
1. An image pickup device and a measurement target imaged a number of times while changing an in-focus position of the image pickup device, and an in-focus image is determined for each part of the measurement target object from the obtained many images. Then, in a three-dimensional coordinate measuring device having coordinate calculating means for obtaining three-dimensional coordinates for each part of the measurement object from the state of the optical system of the image capturing device at the time of capturing each image, the three-dimensional coordinate measuring device has an optical system whose magnification can be changed. Using the imaging device, the magnification of the optical system of the imaging device is sequentially changed from the lowest magnification to the highest magnification (or from the highest magnification to the lowest magnification), and the coordinate calculation means is restarted each time the magnification is changed. A three-dimensional coordinate measuring device characterized in that a changing means is provided.
【請求項2】所定間隔を隔てて配置された左右一対の撮
像装置と、 左右一対の撮像装置にそれぞれ対応して、撮像装置の合
焦点位置を変えながら計測対象物を多数回撮像し、得ら
れた多数の画像中より計測対象物の各部分について焦点
の合った画像を決定し、各画像撮像時の撮像装置の光学
系の状態から計測対象物の各部分に対する左画像及び右
画像の3次元座標を求める第1及び第2の座標算出手段
と、 第1及び第2の座標算出手段により求められた左画像及
び右画像の3次元座標に基づいて、該左画像及び右画像
を同様な距離を有する複数の範囲に区分する探索範囲限
定手段と、 左右一対の撮像装置により撮像された左画像及び右画像
中の前記範囲内より対応する点を探索し、その3次元座
標を求める第3の座標算出手段とを備えた ことを特徴とする3次元座標計測装置。
2. A pair of left and right image pickup devices arranged at a predetermined interval, and a pair of left and right image pickup devices respectively corresponding to a pair of left and right image pickup devices. An in-focus image is determined for each part of the measurement object from among the obtained many images, and the left image and the right image for each part of the measurement object are determined from the state of the optical system of the imaging device at the time of imaging each image. Based on the three-dimensional coordinates of the left image and the right image obtained by the first and second coordinate calculating means, the left image and the right image are similar to each other. Search range limiting means for dividing into a plurality of ranges having a distance, and searching for corresponding points in the ranges in the left and right images picked up by a pair of left and right image pickup devices, and obtaining three-dimensional coordinates thereof. With the coordinate calculation means of And a three-dimensional coordinate measuring device.
【請求項3】倍率を変更可能な光学系をそれぞれ有する
左右一対の撮像装置を用い、 左右一対の撮像装置の光学系の倍率を最も低い倍率から
最も高い倍率へ(又は最も高い倍率から最も低い倍率
へ)順次変更するとともに、該変更の都度、第1及び第
2の座標算出手段を再起動する第1及び第2の倍率変更
手段を設けた ことを特徴とする請求項(2)記載の3次元座標計測装
置。
3. A pair of left and right image pickup devices each having an optical system capable of changing the magnification is used, and the magnification of the optical system of the pair of left and right image pickup devices is changed from the lowest magnification to the highest magnification (or from the highest magnification to the lowest magnification). The first and second magnification changing means for sequentially changing the magnifications and restarting the first and second coordinate calculating means each time the change is made are provided. Three-dimensional coordinate measuring device.
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