CN107091617A - 形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法 - Google Patents

形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法。抑制对测定对象物的形状进行测定时的多重反射的影响。形状测定装置(3)具有：图像获取部(321)，其获取多个摄像图像，该多个摄像图像是通过拍摄依次被投射各不相同的多个投影图案的测定对象物而生成的；量化部(322)，其通过将多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成亮度值的量化值；选择部(323)，其根据多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与基准值的关系，从与多个摄像图像对应的多个量化值中选择在测定对象物的形状的确定中使用的量化值；以及形状确定部(324)，其根据选择部所选择出的量化值，来确定测定对象物的形状。

Description

形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法
技术领域
本发明涉及一种用于测定物体的形状的形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法。
背景技术
以往，已知如下一种方法：向测定对象物投射规定的投影图案，对拍摄被投射光线的测定对象物而得到的摄像图像进行解析，由此不接触测定对象物地对测定对象物的形状进行测定。
在日本特开2009-94295号公报中公开了如下一种测定装置：根据对将线光投射于电子部件时的光切割线进行拍摄而得到的摄像图像，来测定电子部件的高度。
发明内容
发明要解决的问题
当向测定对象物投射投影图案时，有时发生光在测定对象物所具有的多个表面之间的反射、即多重反射。当发生多重反射时，导致在摄像图像中产生亮度与没有多重反射的情况不同的区域，从而测定对象物的形状的测定精度下降。为了防止这样的问题，而进行了在测定对象物的表面涂布用于防止多重反射的涂料、或者使用用于限定测定对象物上被投射投影图案的区域的掩模的处理。
然而，向测定对象物涂布涂料的方法存在如下那样的问题：由于被涂布涂料而导致测定对象物的形状变化；向测定对象物涂布涂料的工时和清洗涂料的工时增加；以及在被要求较高的纯度的环境中无法使用。另外，使用掩模的方法存在需要针对每个测定对象物制作专用的掩模的问题以及能够一次性测定的区域被限定而导致测定时间变长的问题。因此，寻求一种抑制对测定对象物的形状进行测定时的多重反射的影响的新方法。
因此，本发明是鉴于这些点而完成的，其目的在于提供一种能够抑制对测定对象物的形状进行测定时的多重反射的影响的形状测定系统、形状测定装置以及形状测定方法。
用于解决问题的方案
在本发明的第一方式中，提供一种形状测定系统，具备：投影装置，其向测定对象物投射各不相同的多个投影图案的光；摄像装置，其通过依次在所述投影装置投射所述多个投影图案的每个投影图案的期间拍摄所述测定对象物，来生成多个摄像图像；以及形状测定装置，其根据所述多个摄像图像来测定所述测定对象物的形状，其中，所述形状测定装置具有：图像获取部，其获取所述多个摄像图像；量化部，其通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值；选择部，其根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素；以及形状确定部，其根据由所述选择部选择出的像素的所述量化值，来确定所述测定对象物的形状。
所述投影装置向所述测定对象物依次投射所述多个投影图案，所述多个投影图案例如是将宽度按每个投影图案而不同的由光投影区域和非投影区域构成的条纹沿同一方向排列而成的。所述投影装置也可以向所述测定对象物依次投射所述条纹的图案对应于格雷码的所述多个投影图案。
所述选择部例如根据所述多个像素的亮度值与所述基准值的差值，选择在所述测定对象物的形状的确定中使用的像素。所述选择部也可以选择将与所述多个像素对应的多个所述差值的各个差值除以黑白差值而生成的多个评价值的平均值大于规定的阈值的像素，来作为在所述测定对象物的形状的确定中使用的像素，其中，该黑白差值是在未向所述测定对象物投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的全黑摄像图像的亮度值与在向所述测定对象物整体投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的全白摄像图像的亮度值之差。
所述选择部也可以将所述多个摄像图像中包含的像素中的、亮度值最接近所述基准值的像素的亮度值从用于计算所述平均值的亮度值中排除。另外，所述选择部也可以将所述多个摄像图像中包含的像素中的、与被投射光的区域同未被投射光的区域之间的边界位置对应的像素所对应的亮度值从用于计算所述平均值的亮度值中排除。另外，所述选择部也可以通过根据所述投影图案的频率对所述差值进行加权，来计算所述平均值。
所述量化部也可以通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与对应于以下亮度值的所述基准值进行比较，来生成所述量化值，该亮度值是在未向所述测定对象物投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的第一摄像图像的亮度值与在向所述测定对象物整体投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的第二摄像图像的亮度值的中间的亮度值。
也可以为，所述图像获取部获取多个摄像图像群，其中，该多个摄像图像群是对以各不相同的条件被投射多个投影图案群的所述测定对象物进行拍摄所得到的，该投影图案群包含所述多个投影图案，所述量化部生成所述多个摄像图像群各自包含的所述多个摄像图像的各像素的亮度值的量化值，所述选择部根据所述多个像素的亮度值，与所述多个摄像图像群相关联地决定所选择出的像素的可靠度，所述形状确定部根据与基于所述可靠度从所述多个摄像图像群中选择出的摄像图像群中包含的像素对应的量化值，来确定所述测定对象物的形状。
在本发明的第二方式中，提供一种形状测定装置，具有：图像获取部，其获取多个摄像图像，该多个摄像图像是通过对被依次投射各不相同的多个投影图案的测定对象物进行拍摄而生成的；量化部，其通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值；选择部，其根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素；以及形状确定部，其根据由所述选择部选择出的像素的量化值，来确定所述测定对象物的形状。
在本发明的第三方式中，提供一种形状测定方法，包括以下步骤：由投影装置执行的步骤，向测定对象物投射各不相同的多个投影图案的光；由摄像装置执行的步骤，通过依次在投射所述多个投影图案的每个投影图案的期间拍摄所述测定对象物，来生成多个摄像图像；以及由计算机执行的步骤，获取所述多个摄像图像，通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值，根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素，根据所选择出的像素的量化值来确定所述测定对象物的形状。
发明的效果
根据本发明，起到能够抑制对测定对象物的形状进行测定时的多重反射的影响的效果。
附图说明
图1是用于说明第一实施方式所涉及的形状测定系统S的概要的图。
图2是用于说明多重反射的图。
图3是用于说明多重反射光的入射对亮度值的影响的图。
图4是表示投影装置1投射的投影图案的种类的例子的图。
图5是表示与图案编号1至图案编号4的投影图案对应的格雷码的例子的图。
图6是表示形状测定装置3的结构的图。
图7是表示形状测定系统S确定测定对象物的形状的过程的流程图。
图8是示意性地表示投影图案中的条纹的边界位置处的亮度值的图。
图9是表示摄像图像中的某个像素(x，y)的亮度值与量化值的关系的图。
附图标记说明
1：投影装置；2：摄像装置；3：形状测定装置；21：透镜；22：摄像元件；31：存储部；32：控制部；321：图像获取部；322：量化部；323：选择部；324：形状确定部。
具体实施方式
<第一实施方式>
[形状测定系统S的概要]
图1是用于说明第一实施方式所涉及的形状测定系统S的概要的图。图1的(a)表示形状测定系统S的结构。形状测定系统S具有投影装置1、摄像装置2以及形状测定装置3。
投影装置1具有发光二极管或激光器等光源，向测定对象物的测定面投射各不相同的多个投影图案。
摄像装置2具有透镜21和摄像元件22，通过依次在投影装置1投射多个投影图案的每个投影图案的期间拍摄测定对象物，来生成多个摄像图像。
形状测定装置3根据摄像装置2所生成的多个摄像图像，来对测定对象物的形状进行测定。形状测定装置3例如能够由计算机来实现。
图1的(b)表示在投影装置1朝向没有凹凸的测定面投射了由被投射光的光投影区域和未被投射光的非投影区域构成的条纹图样的投影图案的情况下由摄像装置2生成的摄像图像。白色的区域表示光投影区域，黑色的区域表示非投影区域。在测定面没有凹凸的情况下，由摄像装置2生成的摄像图像与投影图案的形状一致。
图1的(c)是在投影装置1向存在凸部的测定面投射了投影图案的情况下由摄像装置2生成的摄像图像。在图1的(c)的摄像图像中，呈条纹图样的局部图像发生了变形的状态。在摄像图像中，投影图案的图像发生与凸部的高度相应的量的变形。因此，形状测定装置3通过根据摄像图像中的投影图案的图像的变形量来确定凸部的各位置的高度，由此能够测定出测定对象物的形状。
形状测定装置3为了确定摄像图像中的投影图案的图像的变形量，而判定摄像图像中的投影图案的图像中包含的各像素的亮度值是光照射到的情况下的亮度值、还是光照射不到的情况下的亮度值。形状测定装置3根据将亮度值与基准值进行比较的结果，生成被分类为数量比亮度值的灰度级数少的组的量化值，由此判定各像素的亮度值是光照射到的情况下的亮度值、还是光照射不到的情况下的亮度值。
形状测定装置3根据亮度值是基准值以上还是小于基准值，来生成量化值。例如，形状测定装置3将在未向测定对象物投射光的状态下由摄像装置2拍摄到的全黑摄像图像的亮度值与在向测定对象物整体投射光的状态下由摄像装置2拍摄到的全白摄像图像的亮度值的中间的亮度值作为基准值，将亮度值为基准值以上的像素的量化值设为1，将亮度值小于基准值的像素的量化值设为0。形状测定装置3能够使用通过这样生成的量化值，来确定测定对象物的形状。
此外，在本说明书中，将未向测定对象物投射光的状态定义为投射全黑图案的状态，将向测定对象物整体投射光的状态定义为投射全白图案的状态。
[关于多重反射]
通过上述的方法，形状测定装置3能够测定出测定对象物的形状，但是在发生多重反射的情况下，测定精度下降。因此，需要抑制多重反射的影响的处理。
图2是用于说明多重反射的图。在测定对象物有光泽且形成了复杂的形状的情况下，有时投影装置1发出的光在测定对象表面重复多次反射后入射至摄像装置2。在该情况下，如图2的(a)所示，投影装置1发出的光经由两个以上的路径入射至摄像元件22的一个像素。
具体地说，向摄像元件22入射的光中存在从投影装置1发出的光在测定对象面发生漫反射后直接入射至摄像装置2的直接光以及在测定对象面多重反射后入射至摄像装置2的多重反射光。其结果，存在如下情况：在由摄像装置2拍摄的摄像图像中，亮度值在没有多重反射光的情况下与量化值0(黑色)对应的像素成为了与量化值1(白色)对应的亮度值。图2的(b)是表示受到了多重反射的影响的摄像图像的例子的图。图2的(b)对应于图1的(c)，但是斜线所示的部分由于多重反射光的影响而形成为与图1的(c)中的亮度不同的亮度。
对于直接光和多重反射光两方都未入射的像素的亮度值和仅直接光入射的像素的亮度值，由于没有多重反射光的影响，因此认为亮度值的可靠性高。与此相对地，如果多重反射光入射，则亮度值的可靠性下降。
图3是用于说明多重反射光的入射对亮度值的影响的图。图3的(a)表示尽管没有直接光入射但入射了多重反射光的事例。在该情况下，尽管本来的亮度值为0、量化值为0，但是由于多重反射光的影响而亮度值变为了120，导致量化值被错误判定为1。
图3的(b)表示由于多重反射光的影响而导致为了决定基准值而向整个面投射光的情况下的亮度值与不存在多重反射的情况相比变大的事例。尽管基准值本来为100，但是在图3的(b)中，由于在决定基准值时存在多重反射光，因此基准值变为了150。其结果，在摄像图像的亮度值为125的情况下，尽管量化值本来为1，但是导致量化值被判定为0。
当形状测定系统S使用像这样受到多重反射光的影响的像素的亮度值来确定测定对象物的形状时，导致精度下降。因此，本实施方式的形状测定系统S的特征在于，确定受到多重反射光的影响的可能性高而可靠性低的像素，不使用确定出的像素的亮度值地确定测定对象物的形状。下面说明形状测定系统S确定受到多重反射光的影响的可能性高的像素的方法和确定测定对象物的形状的方法。
[投影图案的种类]
图4是表示投影装置1投射的投影图案的种类的例子的图。图4中的黑色的区域表示投影装置1未投射光的区域(以下称为“非投影区域”)，白色的区域表示投影装置1投射光的区域(以下称为“光投影区域”)。
图4的(a)是向测定对象物整体都不投射光的投影图案(全黑图案)。图4的(b)是向测定对象物整体投射光的投影图案(全白图案)。图4的(c)至图4的(f)表示将由光投影区域和非投影区域构成且宽度按每个投影图案而不同的条纹沿同一方向排列而成的条纹图样的投影图案。图4的(c)是图案编号1的投影图案，图4的(d)是图案编号2的投影图案，图4的(e)是图案编号3的投影图案，图4的(f)是图案编号4的投影图案。
图4的(c)至图4的(f)所示的投影图案中的条纹的图案对应于格雷码。图5是表示与图案编号1至图案编号4的投影图案对应的格雷码的例子的图。通过使格雷码中的0对应于非投影区域、使1对应于光投影区域，由此生成图4的(c)至图4的(f)所示的投影图案。
图4和图5中的x方向的各位置由将图案编号1至图案编号4的各格雷码的对应位置的0或1的数字组合得到的代码值来表示。图5中的位置0对应于代码值“0000”，位置1对应于代码值“0001”，位置15对应于代码值“1000”。
形状测定装置3根据由投影装置1依次投射图案编号1至图案编号4的投影图案并由摄像装置2在投射各个投影图案的状态下拍摄得到的4个摄像图像中的各像素的亮度值，来确定各像素的代码值，由此能够对于各像素的位置确定拍摄了朝向哪个位置投射的投影图案。然后，形状测定装置3使用三角测量的原理来确定测定对象物的各位置的高度，由此能够测定出测定对象物的形状。
例如在坐标(x1，y1)的像素的代码值为“0001”的情况下，形状测定装置3能够确定出测定对象物的与坐标(x1，y1)对应的位置对应于图5中的位置1。然后，形状测定装置3能够根据投影装置1与摄像装置2的距离以及投影装置1投射与位置1对应的光的朝向，来计算测定对象物的与坐标(x1，y1)对应的位置的高度。
在本实施方式中，以使用4种格雷码图案的例子进行了说明，但是通过使用更多的格雷码，由此白色区域和黑色区域的宽度变窄，从而能够提高高度的测定分辨率。
[形状测定装置3的结构]
接着，详细地说明形状测定装置3的结构和动作。
图6是表示形状测定装置3的结构的图。形状测定装置3具有存储部31和控制部32。存储部31是由ROM(Read Only Memory：只读存储器)和RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等构成的存储介质。存储部31存储有由控制部32执行的程序和控制部32使用的各种数据。存储部31例如存储有使由投影装置1投射的投影图案中的位置、由摄像装置2生成的摄像图像中的各像素的坐标以及表示高度的高度信息关联起来的高度确定用信息。
控制部32例如是CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)。控制部32通过执行存储在存储部31中的程序，来作为图像获取部321、量化部322、选择部323以及形状确定部324发挥功能。控制部32对摄像图像进行解析，来确定摄像图像中的各像素对应于投影图案中的哪个位置，通过参照存储在存储部31中的高度确定用信息，来确定与各像素对应的测定对象面的高度。
图像获取部321获取多个摄像图像，该多个摄像图像是由摄像装置2拍摄被投影装置1依次投射各不相同的多个图案光的测定对象物而生成的。在本实施方式中，图像获取部321设为获取与图案编号1至图案编号4的投影图案对应的4个摄像图像1～4。图像获取部321将获取到的摄像图像1～4输入到量化部322。
量化部322通过将从图像获取部321被输入的多个摄像图像1～4的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成亮度值的量化值。在本实施方式中，设为量化部322将亮度值二值化为0或1。在后面记述量化部322的处理的详细内容。
选择部323根据多个摄像图像1～4中的同一坐标的多个像素的亮度值与基准值的关系，从多个像素中选择在测定对象物的形状的确定中使用量化值的像素。在后面记述选择部323选择像素的处理的详细内容。
形状确定部324根据由选择部323选择出的像素的量化值，来确定测定对象物的形状。由于选择部323选择多重反射光的影响比较少的像素，因此形状确定部324能够不受多重反射光较大影响地确定测定对象物的形状。因而，形状确定部324能够高精度地确定测定对象物的形状。
此外，形状确定部324为了确定测定对象物的形状而使用的投影图案是任意的。形状确定部324例如使用基于投射为了由选择部323选择多重反射光的影响比较少的像素而使用的不良点检测用的投影图案时的摄像图像的像素的亮度值的量化值来确定测定对象物的形状。不良点检测用的投影图案是用于检测受到多重反射光的影响的像素的投影图案。形状确定部324也可以使用与不良点检测用的投影图案不同的形状确定用的投影图案来确定测定对象物的形状。另外，形状测定系统S能够使用任意的图案作为不良点检测用的图案。例如，投影图案自身不限定于条纹图案，形状测定系统S也可以使用白与黑的亮度被随机配置的图案。另外，形状测定系统S也可以使用图案相同的仅使位置偏移那样的图案。
[形状确定处理的流程]
图7是表示形状测定系统S确定测定对象物的形状的过程的流程图。
首先，投影装置1向测定对象物依次照射多个投影图案(S11)。摄像装置2与依次照射多个投影图案的定时同步地对测定对象物进行拍摄(S12)。接着，投影装置1和摄像装置2判定是否结束了所有投影图案的投射和拍摄(S13)。投影装置1和摄像装置2在判定为所有投影图案的投射和拍摄未结束的情况下，返回步骤S11，在判定为结束了所有投影图案的投射和拍摄的情况下，进入步骤S14。通过这样，投影装置1依次投射全黑图案、全白图案、投影图案1～4，摄像装置2生成与照射各投影图案的状态对应的多个摄像图像。
接着，图像获取部321从摄像装置2获取多个摄像图像(S14)。通过步骤S15至S19，量化部322生成由图像获取部321获取到的多个摄像图像的各像素的亮度值的量化值，选择部323选择在形状确定中使用的像素。
首先，量化部322计算与全黑图案对应的全黑摄像图像和与全白图案对应的全白摄像图像各自包含的所有像素的亮度值的平均值。量化部322将计算出的平均值设为在使亮度值量化(在本例中为二值化)时使用的基准值(S15)。
接着，量化部322和选择部323按每个像素执行以下的步骤S16～S18的处理。
量化部322计算全黑摄像图像和全白摄像图像的对应像素间的亮度值的差(S16)。接着，量化部322将摄像图像1～4各自包含的多个像素分类为以下的3组。
(组1)在形状的确定中无法使用的像素
(组2)与未被投射光的位置对应的量化值0的像素
(组3)与被投射了光的位置对应的量化值1的像素
量化部322将全黑摄像图像和全白摄像图像的对应像素间的亮度值的差为规定的阈值以下的像素设为组1的像素。组1中包含的像素被认为是由于测定对象面的反射率、朝向的影响而无法以足够的亮度拍摄投影图案的像素、或者来自投影装置1的光照射不到的形成影子的区域的像素，被认为可靠性低。因此，量化部322不生成与组1中包含的像素对应的量化值。
量化部322在全黑摄像图像和全白摄像图像的对应像素间的亮度值的差大于规定的阈值且进行分类的对象的像素的亮度值小于基准值的情况下，设为该像素是组2的像素。另外，量化部322在全黑摄像图像和全白摄像图像的对应像素间的亮度值的差大于规定的阈值且进行分类的对象的像素的亮度值为基准值以上的情况下，设为该像素是组3的像素。量化部322通过将摄像图像1～4所有图像中包含的所有像素分类为上述的3组，能够决定摄像图像1～4各自的各像素的量化值(S17)。
在投影装置1投射投影图案1～4的情况下，当将与投影图案i对应的摄像图像i(其中，i为1～4的整数)的像素(x，y)的量化值设为ci时，作为与像素(x，y)对应的量化值，能够得到c1、c2、c3、c4。在形状测定装置3的存储部中存储有投影装置1对投影图案1～4进行投射的朝向，形状测定装置3能够对于图案编号1的投影图案中的量化值为c1、图案编号2的投影图案中的量化值为c2、图案编号3的投影图案中的量化值为c3、图案编号4的投影图案中的量化值为c4的位置，确定从投影装置1向哪个朝向投射了光。因而，将c1、c2、c3、c4组合而得到的信息能够作为表示在像素(x，y)中投射了投影图案中的哪个区域的位置信息来使用。因此，量化部322生成代码值C＝(c1，c2，c3，c4)来作为表示像素(x，y)的位置的信息，在存储部31中与像素(x，y)的坐标相关联地存储该代码值。
接着，选择部323根据多个摄像图像1～4中包含的多个像素的亮度值与基准值的差值，选择受到多重反射的影响的可能性低、可靠性高且能够在测定对象物的形状的确定中使用的像素。未受到多重反射光的影响的像素的亮度值被认为是接近最大亮度值或最小亮度值的值，与此相对地，受到多重反射光的影响的像素的亮度值被认为具有与最大亮度值或最小亮度值之间的差大且接近基准值的值的可能性高。
因此，选择部323根据摄像图像1～4的各像素的亮度值与基准值的差值，计算用于评价各像素的亮度值的可靠性的评价值(S18)。选择部323例如通过将差值除以黑白差值来计算评价值，该黑白差值是在未向所述测定对象物投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的全黑摄像图像的亮度值与在向所述测定对象物整体投射光的状态下由摄像装置拍摄到的全白摄像图像的亮度值之差。选择部323针对量化部322将量化值设为1的像素，通过将从亮度值减去基准值得到的值的绝对值或平方值除以黑白差值，来计算评价值。另外，选择部323针对量化部322将量化值设为0的像素，通过将从基准值减去亮度值得到的值除以黑白差值，来计算评价值。在有多重反射光的影响的情况下，由于黑白差值有变大的倾向，因此选择部323通过将差值除以黑白差值，能够降低黑白差值变大的情况下的评价值。
接着，选择部323选择将与多个像素对应的多个差值的各个差值除以黑白差值而生成的多个评价值的平均值大于规定的阈值的像素，来作为在测定对象物的形状的确定中使用的像素(S19)。平均值是表示像素的可靠度的数值。选择部323将用于确定通过这样选择出的像素的信息与代码值相关联地通知给形状确定部324。
接着，形状确定部324根据从选择部323通知的各像素的代码值，确定被投射到各像素上的投影图案中的位置。然后，形状确定部324根据各像素的坐标(x，y)、投影图案中的位置以及存储在存储部31中的高度确定用信息来计算各像素的高度，由此确定测定对象物的形状(S20)。
此外，控制部32也可以与步骤S16和S17的处理并行地执行图中的步骤S18和S19的处理。另外，控制部32也可以在步骤S16和S17的处理之前执行步骤S18和S19的处理。
另外，选择部323也可以在将多个摄像图像1～4中包含的像素中的、亮度值最接近基准值的像素的亮度值从用于计算平均值的亮度值中排除之后，计算平均值。选择部323也可以将与投影图案中包含的被投射光的区域同未被投射光的区域之间的边界位置对应的像素的亮度值作为多个摄像图像1～4中包含的像素中的、亮度值最接近基准值的像素的亮度值而从用于计算平均值的亮度值中排除。选择部323也可以将多个摄像图像1～4中包含的像素中的、最靠近条纹状的投影图案中的条纹的边界位置的像素的亮度值从用于计算平均值的亮度值中排除。这是因为与条纹的边界位置对应的像素即使在未受到多重反射光的影响的情况下，也有可能亮度值为接近基准值的值，如果在平均值的计算中使用这样的亮度值，则像素的可靠度的判定精度下降。
综上所述，形状测定系统S能够通过以下的式子计算像素的可靠度。
其中，(i，j)为像素位置，I(i，j)为黑白差值，αk为权重系数(例如0～1)，k为图案编号，pr(i，j)为基准值，pm(i，j，k)为测定值，K为投影图案的个数，K’为在可靠度的计算中使用的图案个数。此外，关于pr(i，j)-pm(i，j，k)的绝对值为最小的k，不做相加。例如，在投影图案为4比特的格雷码的情况下，投射4个(K＝4)，但是为了降低边界部的影响而去掉1个，因此K’＝3。
图8是示意性地表示投影图案中的条纹的边界位置处的亮度值的图。在图8中，在像素5和像素10中亮度值发生了变化。在将格雷码用作投影图案的情况下，各像素与条纹的边界位置一致的投影图案被限制为一个，因此选择部323即使去除与边界位置对应的像素也能够使用足够数量的像素的信息。
另外，选择部323也可以代替选择评价值的平均值大于规定的阈值的像素，而选择针对多个摄像图像1～4的各个摄像图像计算出评价值的各像素中的、评价值的最小值大于规定的阈值的像素，来作为在测定对象物的形状的确定中使用的像素。通过这样，选择部323能够不选择虽然平均值大于规定的阈值但在特定的投影图案中强烈受到多重反射的影响的可能性高的像素。选择部323为了提高选择的精度，也可以使用评价值的平均值和评价值的最小值这两方来选择像素。另外，选择部323也可以使用标准偏差等来选择像素。
另外，选择部323也可以通过根据投影图案的频率对多个像素的亮度值与基准值的差值进行加权来计算平均值。在投影图案的条纹的宽度窄且投影图案中包含高的频率成分的情况下，由于投影光学系统、摄像光学系统的透过特性的影响等而输入到摄像元件的图像信号的振幅变小、边界部的产生频度变高，因此容易产生误差。因而，导致可靠度的判定精度下降。
因此，选择部323使与投影图案的频率低的图案对应的摄像图像(例如，摄像图像1)的差值的加权系数大于与投影图案的频率高的图案对应的摄像图像(例如，摄像图像4)的差值的加权系数来计算平均值，由此能够提高像素的可靠度的判定精度。此外，加权系数能够取例如0到1之间的值，也可以将针对一部分投影图案的权重设为0而不包含在可靠度的判定中。
[实施例]
图9是表示摄像图像中的某个像素(x，y)的亮度值与量化值的关系的图。横轴表示投影图案的种类，纵轴表示摄像图像中的亮度值。实线的箭头表示直接光所产生的亮度值，虚线的箭头表示多重反射光所产生的亮度值。在存在实线的箭头的投影图案中，向像素(x，y)投射了光，在存在虚线的箭头的投影图案中，未向像素(x，y)投射光。因而，仅在投影图案1、2、4时向像素(x，y)投射了光，在未受到多重反射光的影响的情况下，该像素(x，y)的代码值为C＝(c1，c2，c3，c4)＝(1，1，0，1)。
在图9的(a)中，增加了多重反射光之后的量化值也为(1，1，0，1)。但是，在图9的(b)中，尽管在投影图案3时未向像素(x，y)投射光，但是由于多重反射光的影响而亮度值超过了基准值，量化值被判定为1。即使在这样的情况下，本实施方式的形状测定装置3中的选择部323也在投影图案3中的亮度值与基准值之差小且所有投影图案的评价值的平均值小于阈值时，不选择该像素(x，y)。因而，能够防止形状确定部324在形状的确定中使用受到了多重反射光的影响的像素(x，y)。
在图9的(c)中，投射全白图案时的多重反射光的影响大，针对以投影图案1～4投射光时的亮度值而将基准值设定得大。其结果，尽管在投影图案1时向像素(x，y)投射了光，但是增加了多重反射光之后的亮度值低于基准值，量化值被判定为0。即使在该情况下，选择部323也在所有投影图案的评价值的平均值小于阈值时不选择该像素(x，y)，因此能够防止形状确定部324在形状的确定中使用受到了多重反射光的影响的像素(x，y)。
[变形例1]
在上述的说明中，量化部322将在未向测定对象物投射光的状态下由摄像装置2拍摄到的全黑摄像图像(第一摄像图像)的亮度值与在向测定对象物整体投射光的状态下由摄像装置2拍摄到的全白摄像图像(第二摄像图像)的亮度值的中间的亮度值设为基准值，但是基准值也可以是其它的值。在向测定对象物整体投射光的状态下由摄像装置2拍摄到的摄像图像的亮度值有大于在向测定对象物投射投影图案1～4的状态下拍摄到的摄像图像的亮度值的倾向。因而，量化部322也可以在使在向测定对象物投射投影图案1～4的状态下拍摄到的摄像图像的亮度值量化时，将基准值设定为比全黑摄像图像的亮度值与全白摄像图像的亮度值的中间的亮度值小的值。例如，量化部322也可以将中间的亮度值的80％～90％的值设为基准值。
[变形例2]
形状测定系统S也可以改变投影装置1投射多个投影图案的条件而多次进行测定，根据多次的测定结果，来确定测定对象物的形状。在该情况下，投影装置1例如改变由多个投影图案构成的投影图案群的“朝向”、“位置”以及“投影图案的强度分布形状”中的任一个，来依次投射多个投影图案群中包含的多个投影图案。在此，改变“投影图案的强度分布形状”是指例如改变图案形状、图案周期、振幅分布等与强度分布有关的任意的参数。摄像装置2生成与多个投影图案群对应的多个摄像图像群。在摄像图像群中包含多个摄像图像。在此，在一个投影图案群中包含如上述的说明中的投影图案1～4那样在同一条件下投射的多个不同的投影图案。在一个摄像图像群中包含如上述的说明中的摄像图像1～4那样在同一条件下拍摄到的多个不同的摄像图像。
当投影装置1投射投影图案的条件改变时，多重反射的影响也发生变化。因此，形状测定系统S也可以按每个像素求出使用第一投影图案群确定的量化值的可靠度以及使用第二投影图案群确定的量化值的可靠度，使用与更大的可靠度对应的量化值来确定测定对象物的形状。
在该情况下，图像获取部321获取对在各不相同的条件下被投射多个投影图案群的测定对象物进行拍摄所得到的多个摄像图像群。量化部322生成多个摄像图像群各自包含的多个摄像图像的各像素的亮度值的量化值。然后，选择部323根据多个像素的亮度值，与多个摄像图像群相关联地决定所选择出的像素的可靠度。形状确定部324根据与由选择部323基于决定的可靠度从多个摄像图像群中选择出的摄像图像群中包含的像素对应的量化值，来确定测定对象物的形状。例如，形状确定部324使用表示可靠度的值超过规定的阈值的量化值、或者使用多个量化值中的表示可靠度的值高的量化值，来确定测定对象物的形状。此时，形状确定部324也可以使用计算与表示可靠度的值超过规定的阈值的多个量化值对应的形状的平均值并进行合成而得到的结果，还可以使用与可靠度最高的量化值对应的形状。另外，在可靠度变化大的情况下，也可以不使用该像素作为形状测定结果。另外，形状确定部324也可以在所有的条件下可靠值都不超过规定的阈值的情况下，不使用该像素作为形状测定结果。
通过这样，形状测定系统S能够在基于在投射多个投影图案群的各个投影图案群的状态下生成的摄像图像的量化值中，按各像素使用可靠性更高的量化值，来确定测定对象物的形状，因此能够提高测定结果的可靠性。并且，形状测定系统S有时即使在如果使用一个投影图案的集合则测定对象物的一部分区域无法测定的情况下也能够使用其它的投影图案的集合来进行测定，因此能够扩展可测定的区域。
[变形例3]
形状测定系统S也可以使用以相互不同的位置和角度设置的多个摄像装置2来拍摄被投射投影图案的测定对象物。此时，从投影装置1投射的光在测定对象面发生反射而入射至各个摄像装置2。由于对每个摄像装置2入射不同的反射路径的光线，因此即使是测定对象面的相同位置的像素，多重反射的影响也按由各摄像装置2生成的摄像图像而不同。
因此，形状测定系统S也可以根据基于各个摄像装置2生成的多个摄像图像群的亮度值来确定测定对象物的形状。形状测定系统S根据各个摄像装置2生成的多个摄像图像群，通过使用图7的流程图说明的过程来选择可靠性高的像素。然后，选择部323在从多个摄像图像群中选择了被判断为与测定对象物的同一位置对应的多个像素的情况下，选择从多个摄像图像群中选择出的多个像素中的、可靠度更大的像素，形状确定部324使用所选择出的像素的量化值来确定测定对象物的形状。
此时，形状确定部324也可以使用计算与可靠度超过规定的阈值的多个量化值对应的形状的平均值并进行合成而得到的结果，还可以使用与可靠度最高的量化值对应的形状。另外，形状确定部324也可以在对应的同一像素的可靠度在使用从多个不同的方向拍摄到的多个摄像图像的各个摄像图像进行测定时变化大的情况下，在形状的确定中不使用该像素。另外，形状确定部324也可以在所有的测定方向的可靠值不超过规定的阈值的情况下，不使用该像素作为形状测定结果。
此外，形状测定系统S也可以代替使用多个摄像装置2，而使用以相互不同的位置、角度设置的多个投影装置1来进行同样的处理。
另外，也可以为，形状测定系统S例如具有载置测定对象物的转台，使转台旋转，并由投影装置1从多个不同的朝向来向测定对象物投射投影图案，由摄像装置2生成与从各个朝向投射投影图案的状态对应的多个摄像图像群。
这样，形状测定系统S通过使用多个摄像图像群，即使在一个摄像图像群中包含的摄像图像中存在亮度值的可靠性低的像素，也能够用其它的摄像图像群中包含的摄像图像的亮度值来弥补，因此测定精度提高。
[变形例4]
形状测定系统S也可以将在以上的说明中使用的投影图案与由正弦波的亮度分布构成的移相法结合，来使投影图案的亮度多值化，由此进一步提高高度方向的分辨率。在该情况下，也可以将基于移相法的正弦波的偏移值用作基准值，并且使用正弦波的振幅来代替除法用的黑白差值。
[本实施方式的效果]
如以上说明的那样，在本实施方式所涉及的形状测定系统S中，选择部323根据从投影装置1向测定对象物投射各不相同的多个投影图案的光而得到的多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与基准值的关系，从多个像素中选择在测定对象物的形状的确定中使用量化值的像素。然后，形状确定部324使用由选择部323选择出的像素来确定测定对象物的形状。通过这样，能够抑制多重反射光的影响，因此能够提高形状测定的精度。
另外，投影装置1向测定对象物依次投射将宽度按每个投影图案而不同的条纹沿同一方向排列而成的多个条纹的图案，因此能够根据条纹的宽度的大小来调整高度方向的分辨率。另外，由于多个条纹的图案对应于格雷码，因此多个条纹图案中的、一个像素与条纹的边界位置一致的条纹图案被限制为一个，不容易受到边界位置的影响。
选择部323根据多个像素的亮度值与基准值的差值，来选择在测定对象物的形状的确定中使用的像素。通过这样，能够不将由于受到多重反射光的影响而亮度值变为基准值附近的像素用于测定对象物的形状的测定，因此形状测定的精度提高。
并且，选择部323选择将与多个像素对应的多个差值的各个差值除以黑白差值而生成的多个评价值的平均值大于规定的阈值的像素，来作为在测定对象物的形状的确定中使用的像素。通过这样，在基准值受到多重反射光的影响而变得过大的情况下，由于评价值的平均值变小，因此能够不将受到多重反射光的影响的像素用于测定对象物的形状的测定，因此形状测定的精度提高。
另外，选择部323将多个摄像图像中包含的像素中的、亮度值最接近基准值的像素的亮度值从用于计算平均值的亮度值中排除。通过这样，与投影图案中的条纹的边界位置对应的像素的亮度值不产生影响，因此形状测定的精度提高。
以上，使用实施方式说明了本发明，但是本发明的保护范围不限定于上述实施方式所记载的范围。能够对上述实施方式施加多种变更或改进，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。从权利要求书的记载来看，显然这种施加了变更或改进而得到的方式也能够包含于本发明的保护范围中。
例如，在上述的说明中，量化部322将亮度值二值化为0或1，但是量化部322也可以使用三个以上的值来使亮度值量化。

Claims (13)

1.一种形状测定系统，具备：
投影装置，其向测定对象物投射各不相同的多个投影图案的光；
摄像装置，其通过依次在所述投影装置投射所述多个投影图案的每个投影图案的期间拍摄所述测定对象物，来生成多个摄像图像；以及
形状测定装置，其根据所述多个摄像图像来测定所述测定对象物的形状，
其中，所述形状测定装置具有：
图像获取部，其获取所述多个摄像图像；
量化部，其通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值；
选择部，其根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素；以及
形状确定部，其根据由所述选择部选择出的像素的所述量化值，来确定所述测定对象物的形状。
2.根据权利要求1所述的形状测定系统，其特征在于，
所述投影装置向所述测定对象物依次投射所述多个投影图案，所述多个投影图案是将宽度按每个投影图案而不同的由光投影区域和非投影区域构成的条纹沿同一方向排列而成的。
3.根据权利要求2所述的形状测定系统，其特征在于，
所述投影装置向所述测定对象物依次投射所述条纹的图案对应于格雷码的所述多个投影图案。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部根据所述多个像素的亮度值与所述基准值的差值，选择在所述测定对象物的形状的确定中使用的像素。
5.根据权利要求4所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部选择将与所述多个像素对应的多个所述差值的各个差值除以黑白差值而生成的多个评价值的平均值大于规定的阈值的像素，来作为在所述测定对象物的形状的确定中使用的像素，其中，该黑白差值是在未向所述测定对象物投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的全黑摄像图像的亮度值与在向所述测定对象物整体投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的全白摄像图像的亮度值之差。
6.根据权利要求5所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部将所述多个摄像图像中包含的像素中的、亮度值最接近所述基准值的像素的亮度值从用于计算所述平均值的亮度值中排除。
7.根据权利要求5所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部将所述多个摄像图像中包含的像素中的、最靠近条纹状的所述投影图案中的条纹的边界位置的像素的亮度值从用于计算所述平均值的亮度值中排除。
8.根据权利要求5所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部将所述多个摄像图像中包含的像素中的、与被投射光的区域同未被投射光的区域之间的边界位置对应的像素所对应的亮度值从用于计算所述平均值的亮度值中排除。
9.根据权利要求5所述的形状测定系统，其特征在于，
所述选择部通过根据所述投影图案的频率对所述差值进行加权，来计算所述平均值。
10.根据权利要求1所述的形状测定系统，其特征在于，
所述量化部通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与对应于以下亮度值的所述基准值进行比较，来生成所述量化值，该亮度值是在未向所述测定对象物投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的第一摄像图像的亮度值与在向所述测定对象物整体投射光的状态下由所述摄像装置拍摄到的第二摄像图像的亮度值的中间的亮度值。
11.根据权利要求1所述的形状测定系统，其特征在于，
所述图像获取部获取多个摄像图像群，其中，该多个摄像图像群是对以各不相同的条件被投射多个投影图案群的所述测定对象物进行拍摄所得到的，该投影图案群包含所述多个投影图案，
所述量化部生成所述多个摄像图像群各自包含的所述多个摄像图像的各像素的亮度值的量化值，
所述选择部根据所述多个像素的亮度值，与所述多个摄像图像群相关联地决定所选择出的像素的可靠度，
所述形状确定部根据与基于所述可靠度从所述多个摄像图像群中选择出的摄像图像群中包含的像素对应的量化值，来确定所述测定对象物的形状。
12.一种形状测定装置，具有：
图像获取部，其获取多个摄像图像，该多个摄像图像是通过对被依次投射各不相同的多个投影图案的测定对象物进行拍摄而生成的；
量化部，其通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值；
选择部，其根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素；以及
形状确定部，其根据由所述选择部选择出的像素的量化值，来确定所述测定对象物的形状。
13.一种形状测定方法，包括以下步骤：
由投影装置执行的步骤，向测定对象物投射各不相同的多个投影图案的光；
由摄像装置执行的步骤，通过依次在投射所述多个投影图案的每个投影图案的期间拍摄所述测定对象物，来生成多个摄像图像；以及
由计算机执行的步骤，获取所述多个摄像图像，通过将所述多个摄像图像的各像素的亮度值与规定的基准值进行比较，来生成所述亮度值的量化值，根据所述多个摄像图像中的同一坐标的多个像素的亮度值与所述基准值的关系，从所述多个像素中选择在所述测定对象物的形状的确定中使用所述量化值的像素，根据所选择出的像素的量化值来确定所述测定对象物的形状。
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