CN100507441C - 非接触三维形状测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法，其中，使投影侧及摄像侧的焦点连续移位，以扩大深度方向的测定范围，由此可在短时间内对大测定范围的三维形状进行非接触测定。

Description

非接触三维形状测定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法及装置。尤其涉及适用于基于设计形状数字化的CAD开发以及用于试制和批量产品的形状精度评估(逆向工程设计)的非接触数字器的、可在短时间内对实物大的汽车等大测定范围的三维形状进行非接触测定的非接触三维形状测定方法及装置。

背景技术

作为在短时间内对三维形状进行非接触测定的技术，如特开平10-246612号公报(专利文献1)、美国专利第5175601号说明书(专利文献2)、美国专利第5319445号说明书(专利文献3)中的记载所示，有一种利用了莫阿形貌学的莫阿法，其将光栅状图形投影到测定对象，根据按测定对象各部的高度分布来变形的光栅图像来测定三维形状。该莫阿法有光栅摄影型和实体光栅型两种，在光栅摄影型中，如图1所示，将投影用和观察用的2个光栅G1、G2配置到投影透镜L1和摄像透镜L2之前，由透镜L1将光栅G1投影到测定对象，通过透镜L2，使根据物体形状来变形的光栅线在一个光栅G2上成像，在距离基准面规定的距离h1、h2、h3、...的位置上形成条纹等高线，在实体光栅型中，如图2所示，在基准面上配置1个大光栅G，在投影透镜L1的位置上配置点光源S，在摄像透镜L2的位置上配置观察眼e，使基于光栅G的光源S的阴影落到测定对象上，形成根据物体形状来变形的光栅G的阴影，通过光栅G，由观察眼e观察这一现象，由此来观察由该光栅G与变形光栅的阴影所产生的莫阿条纹。此外特开2002-267429号公报(专利文献4)称对实体光栅型莫阿法可适用相位移位法。

另一方面，殿冈雅仁等6人提交的「基于采用了光栅图形投影法的相位及对比度检测的表面形状计测」(精密工学会志，社团法人精密工学会，平成12年1月，第66卷第1号，P132-136(非专利文献1))一文中，记载了一种图3所示的使相位移位与光栅图形投影相组合的非接触形状测定方法。

该方法采用以下过程来测定形状。

(1)比如用照明灯10，对配置到投影透镜14前面的光栅滤光器12进行照明，由此从不同于摄像光学系统(摄像透镜20)的焦点位置的位置，将光栅图形投影到测定物件8。

(2)由光栅移位机构16，使光栅滤光器12向箭头A所示的横向移动(相位移位)，并将通过摄像透镜20由摄像元件22获得的图像的像素浓淡变化转换为正弦波形状。

(3)按每个相等间隔的相位移位量，来摄制多个图像。

(4)计算各像素的相位及对比度。

(5)使测定物件8的位置向高度方向(或焦点方向等)逐步移动，重复(2)～(4)。测定物件8的位置最低移动2次。

(6)求出具有各像素最大对比度的聚焦位置，并求出条纹级数。

(7)选择各像素处于最大对比度时的相位，求出相位分布。

(8)计算与基准相位的相位差。

(9)利用相位差及条纹级数，来计算深度方向的距离(高度)。

然而在专利文献1～4中，如图4所示，由于每当相位变化2π时，便重复同一输出，因而只由相位移位，不能特定所映现出的是投影光栅的第几条线，不能决定条纹的级数。因而测定范围被限定于A、B、C、D、...的任意一个，当使测定范围处于1个条纹级数以内后，光栅间隔将扩大，测定精度下降。反之，如果缩小光栅间隔来确保高精度，则深度方向的测定范围将缩小。此外存在着与对焦的像素相比，其焦点偏焦的像素的测定精度下降等问题点。

另一方面，在非专利文献1中，在测定步骤数较少的场合下，由于在求算最大对比度时所进行的高斯函数匹配时会发生误差，因而处于步骤与步骤之间的点的精度将下降。尽管通过增加移动次数可减少该误差，但同时测定时间将增大。此外由于移动测定物件，或者移动照明光学系统及摄像光学系统，因而装置将变得复杂。另外，虽然深度方向的测定范围可通过增加步骤数来扩大，但存在着对测定时间及装置方面有制约等问题点。

发明内容

本发明旨在解决上述以往所存在的问题，其课题是：用可小型化的单纯构成，扩大深度方向的测定范围，在整个测定范围内实现高精度测定。

本发明利用一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法，使投影侧与摄像侧的焦点连续移位，扩大深度方向的测定范围，以此来解决上述课题。

本发明的这种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定装置具有边使焦点及相位移位，边将光栅图形投影到测定对象的单元；边使焦点移位，边输入投影到测定对象的图形的图像数据的单元；对所输入的图像数据进行处理，并作成三维图的单元，由此来解决上述课题。

此外作成上述三维图的单元包括从焦点中心来决定条纹级数，展开相位，并计算相位的绝对值的单元；计算条纹级数的光栅面与摄像点的表极线的交点的三维位置的单元。

此外，具有校正投影光学系统与摄像光学系统的畸变(distortion)的单元。

此外将投影光学系统与摄像光学系统搭载于一个移位机构中，并按Z轴方向来驱动。

在本发明中，为了使光栅的条纹级数的决定成为可能，并在保持高精度的同时来扩大深度方向的测定范围，对焦点移位进行了组合。

根据本发明，从焦点中心来求出光栅图形的条纹级数，展开相位，并求出深度(Z)方向的绝对值，同时使焦点连续地移位，因而可维持高精度，同时显著扩大深度方向的测定范围。此外由于从按每个像素来对焦时的相位来计算三维坐标值，因而可在所有的测定点对焦的状态下，求出坐标值，在XY方向也可进行高精度的测定。

附图说明

通过参阅附加了附图的下述发明说明，可更晓喻本发明的上述目的、特性和优点以及其它目的及优点，附图中的相同参考符号表示相同或相类似的部分。

图1是表示传统的光栅投影型莫阿法的测定原理的光路图。

图2是表示传统的实体光栅型莫阿法的测定原理的光路图。

图3是表示基于传统的光栅图形投影+相位移位的非接触形状测定法原理的斜视图。

图4是同发明的光路图。

图5是表示本发明的测定原理的斜视图。

图6是表示基于本发明的测定过程的流程图。

图7是表示本发明中某像素的浓淡波形示例的定时图。

图8是表示同发明焦点与相位的关系的光路图。

图9是表示同发明光栅面与表极线的交点的斜视图。

图10是表示同发明图像数据输入过程的流程图。

图11是表示同发明像素的扫描方法的附图。

图12是表示同发明三维图作成过程的流程图。

图13是表示同发明偏移成分及波动成分的除去过程一例的流程图。

图14是表示同发明偏移成分及波动成分的除去过程的其它示例的流程图。

图15是表示同发明焦点中心计算过程的流程图。

图16是表示同发明相位计算过程的流程图。

图17是表示同发明详细内容的附图。

图18是表示同发明相位展开过程的流程图。

图19是表示同发明三维位置计算过程的流程图。

图20是表示同发明畸变校正原理的斜视图。

图21是表示具体实施例系统构成的附图。

图22是表示实施例中所采用的测定头的构成的剖面图。

图23是沿着图22的XXIII-XXIII线的横剖面图。

图24是表示实施例中测定状态的斜视图。

图25是表示测定物件的附图。

图26是表示采用了焦点深度无限大的针孔光学系统时的光栅投影图像的附图。

图27是表示实际光学系统的光栅投影图像的附图。

图28是表示作成三维图的过程的焦点中心图像的附图。

图29是表示同发明相位图像的附图。

图30是表示同发明展开相位图像的附图。

图31是表示同发明三维图图像示例的附图。

图32是表示同发明误差分布图像示例的附图。

图33是表示图像测定机中所搭载的实施例的构成的附图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的最佳实施方式作详细说明。

图5表示用于实施本发明的装置的整体构成。

本实施方式在与图3所示的传统示例同样的装置中，还设有第1焦点移位机构18，其按使光栅滤光器12在箭头A所示的横向上按恒定速度来移动的各光栅移位机构16，使光栅滤光器12在箭头B所示的前后方向上按恒定速度来移动；第2焦点移位机构24，其使摄像机等摄像元件22同样在箭头B所示的前后方向上按恒定速度来移动，同时使投影透镜15及摄像透镜21均构成像侧远心光学系统，从而即使焦点移位，像素中所记录的测定物件8上的摄像点也不发生变化。

上述光栅滤光器12用的第1焦点移位机构18及摄像元件22用的第2焦点移位机构24被控制为同步移动。

与上述光栅滤光器12的相位移位量对应，来决定摄像元件22的摄像定时。照明灯10根据该摄像定时来点亮。该照明灯10可采用比如氙闪光灯及卤灯。

本发明涉及的处理按图6所示的过程来进行。即，首先在步骤100，边按恒定速度来使焦点及相位移位，边连续输入测定物件8的图像数据。图7表示某像素的浓淡波形示例。由比如30fps摄像机(摄像元件22)来摄制128张影像的数据输入时间为4.3秒。这里，横轴的时间t与摄像张数对应。

接下来进入步骤200，在计算机内对所输入的数据进行处理，作成三维图。即，由于焦点中心与相位具有图8所示的关系，因而在步骤210，从焦点中心来决定条纹级数，按0～2π→0～nπ来进行相位连接(称为展开)，并计算出相位的绝对值。此外如图9所示，由于条纹级数的光栅面与摄像面的表极线从摄像机位置、焦距、图像中心等已知参数和在步骤210求出的绝对相位来求出，因而在步骤220，将该交点的三维位置作为画面坐标(u，v)的摄像点三维位置来计算。通过对图像整体进行这种计算，来作成三维图。

具体地说，上述步骤100中的图像数据输入按图10所示的过程来进行。即，首先在步骤102，使投影光学系统与摄像光学系统的焦点移位机构18、24向初始位置移动。

接下来在步骤104，使照明灯10点亮，将光栅滤光器12的图形投影到测定物件8上。

接下来在步骤106，使投影光学系统与摄像光学系统的焦点移位机构18、24如下式所示，按恒定速度V来移动。

z_f＝V·t+z₀    ...(1)

接下来进入步骤108，使光栅移位机构16如下式所示，按恒定速度ω来移动。

φ＝ω·t+φ₀    ...(2)

接下来进入步骤110，判定是否达到了必要的摄像张数K。当摄像张数i达到K时，就此结束该过程。

另一方面，在摄像张数i小于必要摄像张数K的场合下，进入步骤112，进行摄像，在步骤114，向计算机的存储器转送图像，在步骤116待机，直至光栅的相位前移了规定值2π/n为止。

在上述步骤200中作成三维图时，如图11所示，对图像的全部像素，将左上角的像素设为(u，v)＝(0，0)，首先对v＝0即第1行的像素，从左端的u＝0至u＝w，实施从浓淡波形的抽出至三维位置④的计算为止的处理，接着对v＝1这一行实施上述处理，直至达到最后v＝h这一行为止，进行同样的反复实施，从而结束图像的所有像素三维位置的计算。

具体地说，如图12所示，在步骤250抽出图像坐标的浓淡波形后，进入步骤260，除去浓淡波形的偏移成分及波动成分。该步骤260中除去浓淡波形的偏移成分及波动成分的目的在于：在排除浓淡波形的偏移成分的同时，排除基于偏焦的来自物件摄像点附近的反射光的入射以及基于周围环境的照明变化的偏移成分波动。但假设波动的变化与基于相位移位的浓淡变化相比，是十分缓慢的。

具体地说，如图13所示，在步骤262计算出浓淡波形的微分波形，由此可除去偏移及波动成分。即，如果将第i张摄像张数的图像坐标(u，v)的浓淡波形以下式来表示：

Gi＝A(i)sin{(2πi/n)+φ}+B+ε(i)    ...(3)

(这里A(i)＝波形的振幅变动，B＝偏移，ε(i)＝波动成分)，则微分波形可成为下式，从而可除去偏移及波动成分。

【数1】

$g_i=A\cos \{\frac{(2i+1)\mathrm{\π}}{n}+\mathrm{\φ}\}\·\·\·\left(4\right)$

这里，

此外由于对离散数据进行微分，因而微分波形的相位前移π/n。

此外步骤260中浓淡波形的偏移成分及波动成分的除去也可以如图14的变形例所示，在步骤264中，将某相位移位量下浓淡波形的偏移值作为其附近(前后)±π的浓淡值的平均值来除去。

即，如果以上述式(3)来表示图像坐标(u，v)的浓淡波形，则i中的偏移+波动成分B+ε(i)将成为下式(4a)，除去了偏移及波动成分的浓淡波形g_i成为下式(4b)。

$B+\mathrm{\ϵ}\left(i\right)=\underset{j=i-n}{\overset{i+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j\·\·\·\left(4\right)$

$g_i=G_i-\underset{j=i-n}{\overset{i+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j\·\·\·\left(4b\right)$

在该场合下，除去后的浓淡波形的相位不发生偏移。

图12的步骤260结束后，进入步骤270，计算焦点中心(图8的(1))。该步骤270的焦点中心计算的目的在于：为决定条纹级数，而计算对焦的Z轴方向的深度。即，如果假设光栅投影的相位移位间隔为2π/n(这里n是整数)，则每隔n数据的浓淡变化便成为焦点的对比曲线，对比曲线的顶点即浓淡值达到最大的位置便成为焦点中心。因而可将对比曲线看作是正态分布曲线，并通过统计计算来求出顶点。

图15表示具体的处理过程。这里，分别对每隔n数据的浓淡变化曲线(j条抽出波形)的平方波形，求出频数平均值，附加基于抽出波形的峰值高度所对应的系数(面积比)的权重系数，进行平均处理来求出。

图12的步骤270结束后，进入步骤290，计算焦点中心的相位(图8的(2))(-π～π)。该步骤290的相位计算的目的在于计算光栅图形投影条纹的相位。这里，由于偏离焦点之处的波形中混入了摄像点附近的反射光，因而可增大接近于焦点中心的数据的权重，来求出相位。

即，如果假设光栅图形投影的相位移位间隔为2π/n(这里n为整数)，则每隔n数据的微分波形值将成为正态分布曲线，表示相位2πi/n(这里，i＝0，1，...，n-1)中的聚焦对比曲线。此外各相位的对比曲线与焦点中心的顶点高度成比例。由对比曲线与浓淡值的中央线所围成的面积(≈每隔n数据的微分波形值的总和)与对比曲线的顶点高度成比例。为此，如图16中的具体处理过程所示，与在步骤292中求出的主波mj进行相乘，在步骤300中进行傅里叶积分，由此来求出相位。即，由于在π/8～(15π)/8范围内，每隔π/4便有8个相位的对比曲线，因而求出由该各曲线与浓淡值的中央线所围成的面积，从而求出由图17所示各相位的区间面积所形成的正弦波(傅里叶积分)。将主波与该正弦波的相位差作为φ来求出。对整个像素(u，v)实施上述过程。

图12的步骤290结束后，进入步骤310，展开相位，作为最接近焦点中心的条纹级数的相位，来计算绝对相位(图8的(3))。该步骤310中的相位展开的目的在于：求出最接近焦点中心的条纹，以计算绝对相位。图18表示具体的处理过程。即，在图8的(2)中，从左端计数，计算其相当于光栅的哪个条纹级数。因此，步骤322的φfoCus成为展开的大致值(接近于展开的相位的值)。此外在步骤324中的算式中，exp(iφ)是-π～+π之间的正确相位，对右边第2项，求出角度(φ-φf0cus的小数角)，由于φfocus＝(2π×级数)+φfocus的小数角，因而由φunwrap＝(2π×级数)+φ来求出正确的相位。

图12的步骤310结束后，进入步骤330，计算实际的点Pi的三维位置(图8的(4))，然后返回步骤240。该步骤330中的三维位置计算的目的在于计算所摄像的点的三维位置。图19表示具体的处理过程。

在图6的步骤220中计算三维位置时，必要情况下，在步骤400进行测定头的畸变(distortion)校正，以实现高精度化。

具体地说，由于投影光学系统及摄像光学系统具有图20所示的畸变，因而由考虑了该畸变的摄像机模式算式来校正。

用于从由预先摄制已知的光栅图形来获得的畸变坐标(u_dist，v_dist)，来求出原针孔坐标(x_pin，y_pin)的摄像机模式算式示例如下所示。

x_dist＝(u_dist-u₀)/f_u，  y_dist＝(v_dist-v₀)/f_v    ...(5)

x_pin＝x_dist+(g₁+g₃)x_dist ²+g₄x_disty_dist+g₁y_dist ²

+(k₁r²+k₂r⁴)x_dist                              ...(6)

y_pin＝x_dist+g₂x_dist ²+g₃x_disty_dist+(g₂+g₄)y_dist ²

+(k₁r²+k₂r⁴)y_dist                            ...(7)

这里，r²＝x_dist ²+y_dist ²

另一方面，为校正基于摄影透镜的畸变，对于从针孔坐标(x_pin，y_pin)求算畸变坐标(u_dist，v_dist)的计算，可通过基于牛顿法的收敛计算来求出。具体按以下方法来进行。

(1)初始值设定

(x_dist，  y_dist)＝(x_pin，  y_pin)        ...(8)

(2)误差计算

将畸变坐标值(x_dist，y_dist)转换为针孔坐标值(x_temp，y_temp)，计算出与欲求出的针孔坐标值的误差(x_err，y_err)。

(x_err，y_err)＝(x_temp，y_temp)·(x_pin，y_pin)    ...(9)

(3)修正量计算

$({\∂x}_{\mathrm{pin}}/{\∂x}_{\mathrm{dist}})=1+2(g_i+g_3)x_{\mathrm{dist}}+g_4{y}_{\mathrm{dist}}+k_1({{3x}_{\mathrm{dist}}}^2+{y_{\mathrm{dist}}}^2)$

$=k_2({{5x}_{\mathrm{dist}}}^4+{{6x}_{\mathrm{dist}}}^2{y_{\mathrm{dist}}}^2+{y_{\mathrm{dist}}}^4)\·\·\·\left(10\right)$

$({\∂x}_{\mathrm{pin}}/{\∂y}_{\mathrm{dist}})=g_4{x}_{\mathrm{dist}}+{2g}_1{y}_{\mathrm{dist}}+{2k}_1{x}_{\mathrm{dist}}{y}_{\mathrm{dist}}$

$+{4k}_2({x_{\mathrm{dist}}}^3+y_{\mathrm{dist}}+x_{\mathrm{dist}}{y_{\mathrm{dist}}}^3)\·\·\·\left(11\right)$

$({\∂x}_{\mathrm{pin}}/{\∂x}_{\mathrm{dist}})={2g}_2{x}_{\mathrm{dist}}+g_3{y}_{\mathrm{dist}}+{2k}_1{x}_{\mathrm{dist}}{y}_{\mathrm{dist}}$

$+{4k}_2({x_{\mathrm{dist}}}^3+y_{\mathrm{dist}}+x_{\mathrm{dist}}{y_{\mathrm{dist}}}^3)\·\·\·\left(12\right)$

$({\∂y}_{\mathrm{pin}}/{\∂y}_{\mathrm{dist}})=1+g_3{y}_{\mathrm{dist}}2+(g_2+g_4)y_{\mathrm{dist}}+k_1({x_{\mathrm{dist}}}^2+{3y_{\mathrm{dist}}}^2)$

$+k_2({x_{\mathrm{dist}}}^4+{{6x}_{\mathrm{dist}}}^2{y_{\mathrm{dist}}}^2+{{5y}_{\mathrm{dist}}}^4)\·\·\·\left(13\right)$

【数2】

$(x_{\mathrm{diff}},y_{\mathrm{diff}})=(\frac{x_{\mathrm{err}}}{\left(\frac{{\∂x}_{\mathrm{pin}}}{{\∂x}_{\mathrm{dist}}}\right)}+\frac{y_{\mathrm{err}}}{\left(\frac{{\∂y}_{\mathrm{pin}}}{{\∂x}_{\mathrm{dist}}}\right)},\frac{y_{\mathrm{err}}}{\left(\frac{{\∂y}_{\mathrm{pin}}}{{\∂y}_{\mathrm{dist}}}\right)}+\frac{x_{\mathrm{err}}}{\left(\frac{{\∂x}_{\mathrm{pin}}}{{\∂y}_{\mathrm{dist}}}\right)})\·\·\·\left(14\right)$

这里，由于基于第2项的影响量较小，以及为了减少计算量，也可省略第2项，由下式来进行计算。

(4)畸变坐标值的修正

(x_dist，y_dist)＝(x_dist，y_dist)-(x_diff，y_diff)    ...(16)

(5)收敛判定

比如，如果(x_diff<ε)，而且(y_diff<ε)，则结束收敛计算。否则便返回(2)，修正坐标值。

这里，f_u、f_v是焦距(X轴、Y轴)，u₀、v₀是表示图像中心的线性参数，k₁、k₂是径向畸变系数，g₀、g₁、g₂、g₃是表示正交方向的畸变系数的畸变参数。

根据发明者的试验，在上述摄像机模式ε＝1×e^-8的场合下，其收敛次数平均为1.5次，最大为6次。

有关畸变校正，下述文献中有详细记载。

Juyang Weng，“Camera Calibration with Distortion Modelsand Accuracy Evaluation”IEEE Trans.Patt.  Anal.  MachingIntell.Vol.14，no.4，pp965-980。

Zhengyou Zhang，“A Flexible New Technique for CameraCalibration”Dec.2.1998，MSR-TR-98-71。

在图19的步骤342～354中，由Newton-Raphson法来进行收敛计算的目的在于：由于畸变是非线性的，因而要除去该影响。

这样，通过校正透镜光学系统及移位机构系统的畸变，可以提高XY方向的测定精度。此外根据用途，也可以省略畸变校正。

图21表示具体实施例的系统构成。

本实施例构成为：包含具有投影光栅图形的投影部及从不同视点来摄像的摄像部的测定头40；从所摄像的图像数据来计算三维图的计算机(PC)50；连接上述部件的电缆60。

具体地说，如图22(从上方观看的剖面图)及图23(沿着图22的XXIII-XXIII线的横剖面图)所示，上述测定头40具有使光栅滤光器12按恒定速度移动的光栅移位机构16；用于投影光栅图形的照明灯10；用于对所投影的光栅图形进行摄像的摄像元件(摄像机)22；使投影光学系统的焦点按恒定速度来移动的第1焦点移位机构18；使摄像光学系统的焦点按恒定速度来移动的第2焦点移位机构24；旨在即使焦点移位，像素中所记录的物件上的摄像点也不发生变化的具有像侧远心光学系统的投影透镜15B及摄像透镜21；检测光栅滤光器12的移位量，生成针对摄像机22的摄像定时信号的摄像机控制板42；使光栅移位机构16的驱动装置及焦点移位机构18、24的驱动装置同步移动的控制电路(省略图示)；在摄像时使照明灯10点亮的投影仪控制板44。图中，46是比如手动光圈，48是冷却风扇。

这里，将投影光学系统(15)及摄像光学系统(21)作为像侧远心的目的在于：即使焦点移位，像素中所记录的测定物件8上的摄像点也不发生变化。

上述计算机50具有帧接收器52，其捕捉从测定头40的摄像元件22输入的图像；控制测定头40的移位机构16、18、24的运动控制板54；软件(省略图示)，其用于控制测定头40，具有边使焦点及相位同时移位边输入连续图像，并向计算机50的主存储器转送的功能、实况显示与测定头40的测定范围相当的图像的功能、以及设定测定的深度范围的功能；软件(省略图示)，其用于作成三维图，具有从由焦点移位而使振幅变动的浓淡波形来计算焦点中心的功能、计算焦点中心附近的浓淡波形相位的功能、利用焦点中心数据来展开相位的功能、考虑光学系统的畸变，来校正图像上的坐标的功能、求出以摄像元件22的像素为起点的表极线与光栅图形投影的光栅面的交点，计算投影到像素的三维位置的功能、再生所输入的连续图像，使得可确认图像数据已正常输入的功能、显示所作成的三维图的功能、按IGES等CAD格式来保存三维图的点群数据的功能。

图23表示由本实施例来对测定物件(这里为汽车)8进行测定的状态。

以下，对将摄像张数设为128张，并将投影侧与摄像侧的间隔设定为500mm的测定示例作以说明。这里，扩大了间隔后，条纹级数间隔将变窄，解像能力得到提高。这里，如果假设测定物件8是图25所示形状的相当于实物大小的汽车，测定范围为X方向4000mm×Y方向3000mm×Z方向2000mm，至物件中心的距离为4800mm，图像尺寸为320×240像素，则在焦点深度无限大的针孔光学系统的场合下，如图26所示，可从前至后清晰地进行光栅图形投影及摄像。另一方面，由于实际光学系统的焦点深度有限，因而如图27所示，光栅图形的投影范围由焦点位置而受限。

接下来，图28至图31表示作成三维图的过程。只从焦点中心图像来求出的三维图在全尺寸深度表现形式下如图28(a)所示，在200mm间隔的深度表现形式下如图28(b)所示，在这种场合下，相位图像将如图29所示，展开相位图像将如图30所示，最终所获得的三维图图像在全尺寸深度表现形式下将如图31(a)所示，在200mm间隔的深度表现形式下将如图31(b)所示。虽然从图中难以看清，但尤其在200mm间隔的深度表现的场合下，图31(b)与图28(b)相比，可得到光滑的形状。

图30表示附加了设想实际机械的噪声成分的数据测定结果误差。由于车胎不反光，因而将埋入噪声中，降低精度，但对其它部分，可得到高精度的测定结果。

在上述实施例中以汽车作为测定对象，但测定对象的种类并非限定于此。光源也不限于氙闪光灯及卤灯。

接下来，对图像测定机的实施例作以说明。该实施例可采用以下方法：即，(1)按原样来使用图像测定机的摄像光学系统(测定光学系统)，并追加投影光学系统，或者(2)不使用图像测定机的摄像光学系统，而是如图33所示，将组装了摄像光学系统及投影光学系统的测定头40与上述图像测定机的摄像光学系统并列安装到图像测定机的Z轴，由图像测定机的Z轴驱动来进行光栅移位及焦点移位。

在图33的实施例中，光栅移位机构及焦点移位机构可由Z轴方向的导向机构60来代用。在焦点移位中，与现行的图像测定机同样，测定头40自身在Z轴方向上下来进行。由于光栅图形从斜向来投影，因而通过测定头40上下运动，投影到测定物件8的光栅图形便产生移动及相位移位。焦点移位速度及相位移位速度通过投影光学系统的角度调节或光栅间隔的调节来设定。

图中，6是载置测定物件8的平台，11是发光元件，15、21分别是两侧远心投影透镜及摄像透镜，45是照明控制电路，62是Z轴导向机构的传送电机，64是控制该传送电机62的运动控制单元。

在方法(2)中，不限于图像测定机，也可以安装到三维测定机(其Z轴可由电机按恒定速度来驱动的类型的三维测定机)来使用。在任意一种场合下，由于光栅图形从斜向来投影，因而只需Z轴方向的移动便可。

在上述说明中，光栅移位机构及焦点移位机构均按恒定速度来移动，但只要能掌握移位位置，也可以不按恒定速度来移动。

尽管以上介绍了某些优先实施方式，但应理解的是，在不脱离权利要求范围的前提下，可对其进行多种改动及修正。

本文中整体参照了于2003年3月31日注册的日本专利申请No.2003-96712的内容，包括说明书、附图及权利要求。

Claims (18)

1.一种非接触三维形状测定方法，是一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，从而获取形状的非接触三维形状测定方法，其特征在于：

通过相对于投影镜头和摄像透镜分别改变光栅滤光器和摄像元件的位置，使投影侧与摄像侧的焦点在前后方向连续移位，扩大了深度方向的测定范围，

该非接触三维形状测定方法包括：

边使焦点和相位按一定速度移位，边连续输入上述测定对象的图像数据的步骤；以及

在计算机内处理所输入的数据，作成三维图的步骤，

上述作成三维图的步骤包括：

从焦点中心来决定条纹级数，展开相位并计算相位绝对值的步骤；

计算条纹级数的光栅面与摄像点的表极线的交点的三维位置的步骤。

2.根据权利要求1中记载的非接触三维形状测定方法，其特征在于，

上述作成三维图的步骤还包括：

抽出图像坐标的浓淡波形的步骤；

除去该浓淡波形的偏移成分及波动成分的步骤；

计算焦点中心的步骤；以及

计算焦点中心的相位的步骤。

3.根据权利要求2中记载的非接触三维形状测定方法，其特征在于，

上述除去浓淡波形的偏移成分及波动成分的步骤用于计算浓淡波形的微分波形。

4.根据权利要求2中记载的非接触三维形状测定方法，其特征在于，

上述除去浓淡波形的偏移成分及波动成分的步骤用于对上述浓淡波形的某相位移位量附近±π的浓淡值进行平均处理。

5.根据权利要求2中记载的非接触三维形状测定方法，其特征在于，

上述计算焦点中心的步骤用于当将光栅投影的相位移位间隔设为2π/n时，分别对每个第n个数据的浓淡变化曲线的平方波形，求出频数平均值，附加基于抽出波形的峰值高度所对应的系数的权重系数，进行平均处理来求出，其中，n是整数。

6.根据权利要求2中记载的非接触三维形状测定方法，其特征在于，

上述计算焦点中心的相位的步骤用于与主波相乘并进行傅里叶积分，由此来求出相位。

7.一种非接触三维形状测定装置，是一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，从而获取形状的非接触三维形状测定装置，其特征在于：具有

通过相对于投影镜头改变光栅滤光器的位置，边使焦点在前后方向连续移位，边将光栅图形投影到测定对象并且使相位移位的单元；

通过相对于摄像透镜改变摄像元件的位置，边使焦点在前后方向连续移位，边输入投影到测定对象的图形的图像数据的单元；以及

对所输入的图像数据进行处理，并作成三维图的单元，

上述三维图作成单元包括：

从焦点中心来决定条纹级数，展开相位并计算相位的绝对值的单元；

计算条纹级数的光栅面与摄像点的表极线的交点的三维位置的单元。

8.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，还具有：

校正投影光学系统与摄像光学系统的畸变的单元。

9.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

其中，投影光学系统与摄像光学系统搭载于一个移位机构中，并按Z轴方向来驱动。

10.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

上述图形投影单元包含：

使光栅滤光器在横向上移动的光栅移位机构；以及

第1焦点移位机构，其按该光栅移位机构，使光栅滤光器在前后方向移动。

11.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

上述图像数据输入单元包含：

使摄像元件在前后方向移动的第2焦点移位机构。

12.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

上述图形投影单元的投影透镜与上述图像数据输入单元的摄像透镜均构成为像侧远心光学系统。

13.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

其中，用上述图形投影单元来使光栅滤光器移动的第1焦点移位机构和用上述图像数据输入单元来使摄像元件移动的第2焦点移位机构被同步驱动。

14.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，还具有：

照明单元，其与上述投影图形的相位移位量对应来点亮。

15.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

其中，上述图形投影单元和图像数据输入单元一体化于测定头。

16.根据权利要求15中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于：

上述测定头与图像测定机的摄像光学系统并列安装到该图像测定机的Z轴，光栅移位及焦点移位由图像测定机的Z轴驱动来进行。

17.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

上述三维图作成单元由计算机来构成，

该计算机具有：

帧接收器，其捕捉从测定头的摄像元件输入的图像；

控制测定头的移位机构的运动控制板；

软件，其用于控制测定头，具有边使焦点及相位同时移位边输入连续图像，并向计算机的主存储器转送的功能、实况显示与测定头的测定范围相当的图像的功能、以及设定测定的深度范围的功能；

软件，其用于作成三维图，具有从由焦点移位而振幅变动的浓淡波形来计算焦点中心的功能、计算焦点中心附近的浓淡波形相位的功能、利用焦点中心数据来展开相位的功能、考虑光学系统的畸变来校正图像上的坐标的功能、求出以摄像元件的像素为起点的表极线与光栅图形投影的光栅面的交点，计算投影到像素的三维位置的功能、再生所输入的连续图像，使得可确认图像数据已正常输入的功能、显示所作成的三维图的功能、按CAD格式来保存三维图的点群数据的功能。

18.根据权利要求7中记载的非接触三维形状测定装置，其特征在于，

其中，上述图像数据输入单元利用图像测定机的摄像光学系统。

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