CN104380036A - 用于三维测量装置的合成参数的生成装置 - Google Patents

Abstract

在测定对象的周围设置多个由将周期性的格子向测定对象投影的投影仪和拍摄被投影的格子的摄像机构成的单元，通过坐标变换将各单元测量的三维坐标合成。对摄像机的每个像素存储由利用各单元的摄像机拍摄第一格子后的图像求出的相对于第一格子的相位。对摄像机的每个像素存储从各单元的投影仪将第二格子投影到基准面，而利用各单元的摄像机拍摄第二格子时的每个摄像机的坐标系中的基准面的三维坐标。对摄像机的每个像素的相位进行插值，生成在摄像机间相位共通的亚像素，并且求出每个摄像机的坐标系中的各亚像素的三维坐标，在各单元间共通的基准坐标系以相位相同的亚像素的三维坐标在单元间一致的方式，生成合成参数。提高了坐标变换用的合成参数的精度。

Description

用于三维测量装置的合成参数的生成装置

技术领域

本发明涉及三维测量，特别是涉及多个测量用的单元间的坐标变换。

背景技术

发明人正在开发通过具备摄像机和投影仪的多个单元来测定人体等测量对象的三维形状的装置。该装置中，将基于每个单元的坐标系的测量数据变换成基于共通的坐标系的数据，并且将每个单元的数据合成来求出对象的三维形状。

关于单元间的坐标变换，专利文献1(日本专利4429135)公开了以下的内容。三维形状的测定通过相位移动法(例如专利文献2：日本专利2903111)来进行。从2台单元的一方通过投影仪投射正弦波状的图案，使图案每隔正弦波的例如1/4波长移动而拍摄例如4次，测定相对于正弦波的各像素的相位，测定对象的三维形状。相位移动法中，若求出相位则求出三维坐标。对由投影仪投影的正弦波状的图案也利用其他单元拍摄，基于对象的形状数据或纹理等提取特征点。并且在利用2个单元拍摄的图像间，匹配特征点，若利用相位建立对应则能够高精度地匹配。但是该方法中难以提取大量的特征点，因此在坐标变换的精度上存在极限。

以下示出相关的在先技术。专利文献3(日本特公平3-58442)提出了如下方法：不使正弦波状的图案移动，固定于对象，而测定三维形状。该方法中，通过来自拍摄的图像的像素的提取，近似地生成与使图案移动后的4张图像对应的图像。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利4429135

专利文献2：日本专利2903111

专利文献3：日本特公平3-58442

发明内容

本发明的课题是，在利用不同的单元的摄像机拍摄的图像间，能够将相同位置的点采样多个，由此提高坐标变换用的合成参数的精度。

另外，本发明的课题是，能够准确地采样相同位置的点。

本发明的合成参数的生成装置，在测定对象的周围设置多个由将周期性的格子向测定对象投影的投影仪和拍摄被投影的格子的摄像机构成的单元，对每个单元测量测定对象表面的三维坐标，通过单元间的坐标变换而将测量后的三维坐标合成，因此，通过利用各单元的摄像机拍摄在规定的基准面显示的第一格子，而生成用于所述坐标变换的合成参数。

本发明的合成参数的生成装置包括：

用于对摄像机的每个像素存储由利用各单元的摄像机拍摄所述第一格子后的图像求出的相对于第一格子的相位的单元；

用于对摄像机的每个像素存储从各单元的投影仪将第二格子投影到基准面，而利用各单元的摄像机拍摄第二格子时的、每个摄像机的坐标系中的基准面的三维坐标的单元；

用于对摄像机的每个像素的相位进行插值，生成在摄像机间相位共通的亚像素，并且求出每个摄像机的坐标系中的各亚像素的三维坐标的单元；

用于在各单元间共通的基准坐标系，以相位相同的亚像素的三维坐标在单元间一致的方式，生成将每个摄像机的坐标系向各单元间共通的基准坐标系变换的合成参数的单元。

本发明中，以第一格子为基准的相位一致的点成为相同位置的点的方式，生成合成参数。虽然说是相同位置的点，但在不同的摄像机间存在对应于完全相同的位置的像素的情况少。因此以摄像机间相位一致的方式产生亚像素。亚像素的数能够以例如与像素的数相同的方式产生，因此能够在摄像机间产生多个相位准确地一致的亚像素。因此坐标变换的合成参数的精度增加。

合成参数的生成装置可以是三维测量装置的一部分，也可以是与三维测量装置不同的装置，能够借用在合成参数的生成时三维测量装置具备的功能。例如，对摄像机的每个像素求出相对于第一格子的相位，是三维测量装置的功能的一部分。求出基准面的三维坐标，也是三维测量装置的功能的一部分。基准面例如为平面，但也可以为曲面等。摄像机的像素不是指摄像机的全部的像素就，而是指摄像机图像中的合成参数的生成所用的像素。规定的基准面例如是液晶监视器等的画面、白色的板、或描画了第一格子的板等，以任何含义能够显示第一格子的物体即可。第一格子利用在液晶监视器等的画面显示的格子、或从三维测量装置的投影仪等投影的格子、或在基准面描画的格子等，能够利用摄像机拍摄而求出相位即可。

优选合成参数的生成装置构成为，使第一格子每隔格子的周期的1/3间距以下、优选每隔1/4间距移动，在使第一格子移动的每个位置拍摄第一格子。这样，能够由使第一格子移动后的多个图像求出各像素的相位。

特别优选的是，具备以画面为基准面而显示第一格子的平板显示器。这样，能够准确地显示第一格子而使其移动。

优选合成参数的生成装置构成为，由不使第一格子移动而拍摄第一格子后的图像，由改变位置而规则地提取像素后的多个第二图像，求出相对于第一格子的各摄像机的每个像素的相位。于是能够不使格子移动而求出相对于格子的相位。

附图说明

图1是实施例的三维测量装置的框图。

图2是表示实施例中的合成参数的生成算法的流程图。

图3是实施例的合成参数生成装置的框图。

图4是表示实施例中的基准面和单元的配置的俯视图。

图5是示意地表示实施例中的合成参数的生成的图。

图6是表示实施例中的相位的计算过程的图，a)表示单元4-1拍摄的格子图像，b)表示单元4-2拍摄的格子图像，c)表示单元4-1中的x方向的相位的图像，d)表示单元4-2中的x方向的相位的图像，e)表示单元4-1中的y方向的相位的图像，f)表示单元4-2中的y方向的相位的图像。

图7是表示变形例中的基准物体和单元的配置的俯视图。

图8是变形例中的基准物体的正视图。

图9是表示第二变形例中的基准面和单元的配置的俯视图。

具体实施方式

以下示出用于实施发明的最优实施例。

实施例

图1～图9示出三维测量装置2和实施例的合成参数生成装置22。合成参数生成装置22作为三维测量装置2的一部分示出，但也可以为另外的装置。1是用于测定三维形状的对象，例如人体、家具、机械、汽车、建筑物等。以包围对象1的方式配置4台或3台等的单元4，各单元4具备投影仪6和数码摄像机8。单元4的投影仪6将格子投影到对象1，利用摄像机8拍摄。并且利用控制器10控制单元4，并且对摄像机8的图像进行处理，求出对象1的表面的三维坐标的集合。

控制器10的单元控制部12控制来自各单元4的格子的投影(发光)和拍摄，相位解析部14基于来自各摄像机8的数码图像，求出对象的表面的格子的1个间距内的相位θ(0～2π)。三维坐标计算部16将2π周期的相位变换为格子的距离基准点的相位(2nπ+θ：n为整数)，根据相位和像素的位置，求出对象的三维坐标(xyz)。这样得到的坐标是基于每个摄像机8的坐标系的坐标，因此通过坐标变换部18变换为适宜的基准坐标系中的三维坐标。若将单元4例如配置4台，则能够利用多个单元拍摄对象1的相同位置，因此也求出多个三维坐标。合成部20以基于像素的位置的可靠性为权重，对多个三维坐标进行平均，输出基准坐标系中的对象1的表面的三维坐标的集合。

图2示出合成参数的生成算法，图3示出合成参数生成装置22的构成。基准面上表示第一格子(步骤1)，对摄像机8的每个像素求出相对于第一格子的相位(步骤2)。从投影仪6将第二格子投影到基准面，利用摄像机8拍摄，通过三维坐标计算部16，求出各像素的三维坐标(步骤3)。由此对摄像机8的每个像素求出相对于第一格子的相位和三维坐标。在摄像机间相位完全一致的像素少，因此以相位一致的方式生成亚像素，对三维坐标进行插值(步骤4)。于是在摄像机间相位完全一致，且三维坐标在各摄像机的坐标系大量地生成已知的亚像素，使用这些亚像素生成合成参数(步骤5)。

图3表示合成参数生成装置22的构成，格子编号计数部24对第一格子的例如从端部起的格子的编号进行计数。相位计算部26算出相对于第一格子的相位，但也可以通过相位解析部14算出相位。利用到此为止的处理可知格子的编号，也可知相对于格子的相位，因此可知2nπ+θ的完全的相位(n为格子的编号，θ为0以上且小于2π的相位)，将其与利用三维坐标计算部16求出的三维坐标一起以摄像机的像素单位存储于存储部28～31。实施例中将第一格子在x方向(水平方向)和y方向(铅直方向)显示，求出分别相对于它们的相位，因此相位为x方向和y方向这2种。若设具有上下左右的条纹状的明暗的格子为第一格子，则能够由相同的格子求出x方向和y方向的2种相位。

在不同的摄像机间，具有多个相位大致相等的像素，但完全一致的像素少。因此通过插值部32，利用周围的像素间的插值生成x方向、y方向的相位为2nπ+0、2nπ+1/4π、…、2nπ+7/4π等规定的相位的亚像素。对应于插值的比例对周围的像素的三维坐标进行插值而设为亚像素的三维坐标，与x方向、y方向的相位一起，存储于每个摄像机的存储部33～36。亚像素的相位规则地变化，因此也可以对存储部33～36的地址分配相位而近似地存储，实际存储的仅为三维坐标。

相同相位的亚像素的对存在多个，因此以相位相同的亚像素具有相同的三维坐标的方式，利用运算部38生成合成参数。坐标变换所需要的参数是伴随坐标原点的移动的三维的平移向量和伴随坐标系的旋转的旋转矩阵(旋转角为绕x轴、绕y轴、绕z轴这3种)。相对于这6个未知数，通过坐标变换而坐标一致的亚像素存在多个，因此能够准确地生成合成参数。合成参数是以某一个摄像机的坐标系为基准坐标系而将另一个摄像机的坐标变换为基准坐标系的坐标的参数、或以独立于摄像机的坐标系为基准坐标系而将各摄像机中的坐标变换为基准坐标系的坐标的参数。

对于4台单元，例如对逆时针每隔90°的位置不同的单元以单元4-1～4的顺序添加编号。能够利用单元4-1、4-2拍摄相同的格子，利用单元4-2、4-3拍摄相同的格子，但难以利用单元4-1、4-3拍摄相同的格子。因此例如以单元4-1的摄像机的坐标系为基准坐标系，生成用于将单元4-2的摄像机的坐标系变换为基准坐标系的合成参数，同样地生成用于将单元4-4的摄像机的坐标系变换为基准坐标系的合成参数。生成用于将单元4-3的摄像机的坐标系变换为单元4-2的摄像机的坐标系的合成参数。和用于将单元4-3的摄像机的坐标系变换为单元4-4的坐标系的合成参数。若以单元4-3→单元4-2→单元4-1、及单元4-3→单元4-4→单元4-1的顺序将坐标变换合成，则能够生成2种从单元4-3向单元4-1进行坐标变换的合成参数，例如若将它们平均，则能够生成从单元4-3向单元4-1进行坐标变换的合成参数。或者也可以以单元4-4→单元4-3→单元4-2→单元4-1的顺序环状地进行坐标变换，也可以以单元4-3→单元4-2→单元4-1及单元4-4→单元4-1的方式用2个路线进行坐标变换。如何将单元间的坐标变换组合，作为整体的坐标变换是任意的。

图4示出使用液晶面板42显示第一格子的例子，也可以取代液晶面板使用其他的平板的监视器，使面板42在旋转台40上使基准面的朝向每隔90°旋转。以面板42的各朝向显示在x方向呈正弦波状明暗变化的格子和在y方向呈正弦波状明暗变化的格子，使显示的格子每隔格子的间距的1/4移动，对每个格子位置利用单元4的摄像机拍摄。也可以取代从液晶面板42投射第一格子，从单元4的投影仪投射第一格子。

图5示出在图4的状况下显示x方向的格子的例子，利用相邻的单元4-1、4-2等拍摄。数格子的条纹的编号，并且求出相对于格子的各像素的相位。作为搜索相位为2nπ+0.00°的像素，例如设为寻找-0.01°和+0.59°的像素。于是通过对这些像素间以1:59进行内分，而能够生成x方向的相位为0.00°的点。通过在y方向也进行同样的处理，例如能够大量生成x方向和y方向的相位为2nπ+0.00°等的规定的值的亚像素。

图6a)、b)示出图4的状况下显示于液晶面板42的x方向的第一格子、利用单元4-1、4-2的摄像机拍摄的图像。由这些图像求出的x方向的相位示于c)、d)。在液晶面板42显示y方向的第一格子而求出的y方向的相位示于e)、f)。

液晶面板的位置通过单元4测量，因此不需要将基准面配置于已知的位置。同样地不需要基准面为平面。

图7、图8示出使用四棱柱的基准物体50的变形例，如图8所示，在基准物体50的4个侧面，格子52以通过旋转部54而90°旋转自如地安装。利用相邻的2个的单元的摄像机拍摄格子52，使格子52旋转90°而再次拍摄。格子52不移动，但能够如专利文献3那样求出相对于格子52的相位。格子52的各点的三维坐标能够从单元4的投影仪投射第二格子而求出。此处若设格子52为纵横的条纹状的格子，则不需要旋转部54。

图9示出第二变形例，在透明且厚度为一定的基准板56的例如两面对称地描画正弦波状的格子58。例如相对于单元4-1的图像，产生相对于格子58a相位为规定的值的亚像素，求出其三维坐标。同样地相对于单元4-2的图像，产生相对于格子58b相位为规定的值的亚像素，求出三维坐标。格子58a、b为对称的，因此若使相对于格子58b的亚像素的三维坐标在基准板56的厚度方向上移动，则能够正如利用单元4-2也取得了以格子58a为基准的相位和三维坐标那样处理。在单元4-2、4-3间等能够观察相同的格子58b，因此处理更容易。如以上所述，能够生成合成参数。若设格子58为纵横的条纹状的格子则不需要旋转部等。格子58仅为纵条纹或横条纹的格子的情况下，优选通过图8的旋转部54等，求出水平方向的相位和铅直方向的相位。

标号说明

1对象 2三维测量装置 4单元

6投影仪 8摄像机 10控制器

12单元控制部 14相位解析部

16三维坐标计算部 18坐标变换部 20合成部

22合成参数生成装置 24格子编号计数部

26相位计算部 28～31存储部 32插值部

33～36存储部 38运算部 40旋转台

42液晶面板 50基准物体 52格子

54旋转部 56基准板 58a，b格子

Claims (4)

1.一种用于三维测量装置的合成参数的生成装置，用于在测定对象的周围设置多个由将周期性的格子向测定对象投影的投影仪和拍摄被投影的格子的摄像机构成的单元，对每个单元测量测定对象表面的三维坐标，通过单元间的坐标变换而将测量后的三维坐标合成的三维测量装置，通过利用各单元的摄像机拍摄在规定的基准面显示的第一格子，而生成用于所述坐标变换的合成参数，其中，

所述合成参数的生成装置包括：

用于对摄像机的每个像素存储由利用各单元的摄像机拍摄所述第一格子后的图像求出的相对于第一格子的相位的单元；

用于对摄像机的每个像素存储从各单元的投影仪将第二格子投影到基准面，而利用各单元的摄像机拍摄第二格子时的每个摄像机的坐标系中的基准面的三维坐标的单元；

用于对摄像机的每个像素的相位进行插值，生成在摄像机间相位共通的亚像素，并且求出每个摄像机的坐标系中的各亚像素的三维坐标的单元；

用于在各单元间共通的基准坐标系以相位相同的亚像素的三维坐标在单元间一致的方式，生成将每个摄像机的坐标系向各单元间共通的基准坐标系变换的合成参数的单元。

2.根据权利要求1所述的用于三维测量装置的合成参数的生成装置，其特征在于，

构成为，使所述第一格子每隔格子的周期的1/3间距以下的距离移动，在使第一格子移动的每个位置拍摄第一格子。

3.根据权利要求2所述的用于三维测量装置的合成参数的生成装置，其特征在于，

具备以画面为所述基准面而显示所述第一格子的平板显示器。

4.根据权利要求1所述的用于三维测量装置的合成参数的生成装置，其特征在于，

由不使所述第一格子移动而拍摄所述第一格子后的图像，由改变位置而规则地提取像素后的多个第二图像，求出相对于第一格子的各摄像机的每个像素的相位。