CN110612428B - 使用特征量的三维测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

预先求出根据从多个投影部投影的图案或上述图案的变化中的至少一方得到的多个特征量与空间坐标的关系，使用上述特征量与上述空间坐标的上述关系，根据从上述多个投影部向测量对象物表面投影的图案或上述图案的变化得到的特征量来求出上述对象物表面的空间坐标。

Description

使用特征量的三维测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种使用特征量的三维测量方法及使用该方法的装置。

背景技术

关于使用照相机进行的三维形状测量，从上世纪80年代起在日本的国内外进行了很多研究。

在机器人视觉的领域中还提出了不需要照相机校准的方法。还提出了一种根据从多个方向拍摄得到的图像来复原三维形状的方法，但是由于将图像上的边界部等的特征点对应起来，因此无法进行平滑的面的形状测量，并且分析需要花费时间。

近年来，要求一种针对通过机械臂进行的原子反应堆内部的去污活动以及移动机器人等，实时且高精度地检测并测量障碍物、突起物等的位置、形状的方法。另外，灾害救援机器人为了保护幸存者，需要高精度地测量人体与障碍物的位置关系。

但是，道路不良引起很多振动，在现有的立体方式中，由于照相机的位置关系发生偏移从而测量精度下降。根据以往的常识，光学系统在校准后必须固定，因此无法进行缩放、对焦。

作为即使是平面、曲面状也高精度地测量三维形状的方法，广泛研究了进行投影栅格的相位分析的方法，其是为了将栅格图案投影到测量对象物的表面，使用从与投影方向不同的方向投影到上述测量对象物表面的栅格图案被拍摄到的图像来进行三维测量。

在日本国内，武田等人提出了使用傅里叶变换的相位分析方法，吉泽等人开发出了实用的三维测量装置。在国外，美国的Song Zhang等人正在积极地推进使用了DMD(Digital Micro-mirror Device：数字微镜设备)的超高速三维测量的研究。作为最近的趋势，注意力集中在三维形状测量的高速化。但是，在室外、振动多的环境下几乎不考虑使用上述三维测量装置。

另外，与用于提高测量精度的校准方法有关的研究较少，特别是在日本和国外，除了发明人以外，并没有人提出完全不会产生系统误差的三维测量方法。并且，在日本的国内外未发现通过只对投影部进行校准而能够进行三维测量的研究。

目前，发明人等提出了图1所示的不产生系统误差的“全空间表格化方法(参照专利文献1)”，并且已经进行了基础技术开发和许多应用研究。在栅格投影方法中，能够使投影栅格的相位与三维坐标为一对一的对应关系。通过利用该关系，针对照相机的每个像素生成相位值与三维坐标的表，从而能够完全不产生透镜畸变像差等系统误差，能够进行无畸变的精确良好的三维测量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-281491号公报

专利文献2：日本特开2001-108422号公报

专利文献3：日本特开2017-40482号公报

专利文献4：日本特开2012-189479号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在包括专利文献1所公开的方法在内的现有的三维测量方法中，必须在使照相机与投影仪全部一体化的状态下进行校准。因此，需要固定为包含照相机的三维测量单元，装置尺寸增大，因此难以安装在机械手、移动机器人、自动运输车等。另外，当进行拍摄镜头的对焦、视角调整时重新进行校准，从而还存在难以维护的问题。

因此，本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于提供一种使用了三个以上的特征量的组的三维测量方法及其装置。

用于解决课题的手段

本发明的一实施方式是一种测量方法，其用于求出测量对象物表面的空间坐标，其包含以下步骤：

包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向测量对象物表面投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各个组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

对已投影到上述测量对象物表面的上述图案或上述图案的变化进行拍摄；以及

使用预先使用基准物体求出的上述三个以上的特征量的各组与上述空间坐标的关系，根据基于上述拍摄到的图像而得到的三个以上的特征量的组，求出上述空间坐标。

在上述一实施方式中，将上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系表格化，在上述测量对象物表面的各空间坐标的测量时，根据参照了上述表格的值来求出上述测量对象物表面的空间坐标。

另外，在上述一实施方式中，将上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系中的一部分关系表格化，在上述测量对象物表面的各空间坐标的测量时，使用参照了上述表格的值进行插值，由此求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在上述一实施方式中，通过使从上述多个位置投影的光的波长为多个波长，同时得到多个特征量，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在上述实施方式中，将上述多个位置并排配置成一列，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在本发明的一实施方式中，关于上述三个以上的特征量的组与各个上述空间坐标的关系，从上述多个位置向上述基准物体的表面，对上述多个位置与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化，从而求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

在本发明的一实施方式中，包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向基准物体表面，对上述多个位置与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影图案或上述图案的变化来求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各个组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置。

在上述一实施方式中，在上述基准物体表面固定栅格图案或标记。

在上述一实施方式中，使用多个从上述多个位置投影的光的波长。

在上述一实施方式中，将上述多个位置并排配置成一列。

本发明的实施方式是一种测量装置，其求出上述测量对象物表面的空间坐标，其具备：

投影部，其包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向测量对象物表面投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各个组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

拍摄部，其对已投影到上述测量对象物表面的上述图案或上述图案的变化进行拍摄；

存储部，其存储上述三个以上的特征量的各组与各个上述空间坐标的关系；以及

空间坐标取得部，其使用上述存储单元中存储的上述三个以上的特征量的组与各个上述空间坐标的关系，根据基于上述拍摄到的图像而得到的三个以上的特征量的组求出上述空间坐标。

在上述一实施方式中，将上述三个以上的特征量的各组与各个上述空间坐标的关系表格化而存储到上述存储部中，在上述测量对象物表面的空间坐标的测量时，根据参照了上述表格的值来求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在上述一实施方式中，将上述三个以上的特征量的各组与上述空间坐标的关系中的一部分关系表格化而存储到上述存储部中，在上述测量对象物表面的空间坐标的测量时，使用参照了上述表格的值进行插值，由此求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在上述一实施方式中，通过使从上述投影部的多个位置投影的光的波长为不同的波长，同时得到多个上述特征量。

在上述一实施方式中，将上述多个位置并排配置成一列来求出上述测量对象物表面的空间坐标。

在本发明的实施方式中，关于上述三个以上的特征量的各组与各个上述空间坐标的关系，从上述投影部的多个位置向基准物体的表面，对上述投影部与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化，从而求出三个以上的特征量的组与各空间坐标的关系。

在本发明的一实施方式中，关于各个上述三个以上的特征量与各个上述空间坐标的关系，使用具有与上述投影部相同结构的其它投影部，从上述其它投影部向基准物体表面，将上述其它投影部与上述基准物体之间距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化来求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

本发明的一实施方式为测量装置，其具备：

投影部，其包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各个组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

变更部，其对多个上述与基准物体的间隔进行变更；以及

拍摄部，其对多个上述投影部与上述基准物体的距离进行变更以多个间隔对上述图案或上述图案的变化进行拍摄，

根据由上述拍摄部拍摄到的图像以及多个上述投影部与上述基准物体的距离，求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系。

在上述一实施方式中，在上述基准物体表面上固定栅格图案或标记，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

在上述一实施方式中，将上述多个位置并排配置成一列，以求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系。

在上述实施方式中，上述投影部由一个投影单元构成，上述拍摄部由多个照相机构成，将上述多个照相机设置在上述投影单元。

发明效果

根据本发明，能够提供一种使用了三个以上的特征量的组的三维测量方法及其装置。

附图说明

图1说明专利文献1公开的全空间表格化方法。

图2说明装置的结构。

图3说明光源5A点亮时的样子。

图4说明光源5B点亮时的样子。

图5说明校准的样子(固定在基准面的栅格图案的拍摄)。

图6说明校准的样子(投影栅格图案8A的情况)。

图7说明校准的样子(投影栅格图案8B的情况)。

图8说明特征量

的分布。

图9说明特征量

的分布。

图10说明基准取得点。

图11说明特征量-坐标表格生成的过程。

图12说明特征量A向物体上的投影。

图13说明特征量B向物体上的投影。

图14说明从特征量-坐标表格中读取坐标的过程。

图15说明本发明的在测量对象空间内的各点(各位置)取得三个相位值的方法。

图16说明将本发明的实施方式的测量装置搭载在移动机器人的例子。

图17说明从特征量-坐标表格中读取三维坐标的过程。

图18说明通过搜索来求出坐标的过程。

图19说明装置的结构例。

图20说明装置的结构例。

图21说明装置的结构例。

图22说明装置的结构例。

图23说明装置的结构例。

图24说明试验装置的结构。

图25说明物体的测量例。

具体实施方式

以下将本发明的实施方式与附图一起进行说明。

1.测量原理的说明

1.1校准

首先，对本发明的测量原理进行说明。在此，为了使说明简单，说明使用两个特征量来求出二维坐标(x,z)。实际上，为了求出三维空间的空间坐标(x,y,z)，需要扩展为三维，将以下说明的投影仪的数量设为三个以上，将从此得到的特征量设为三个以上，由此能够通过与二维相同的方法来求出三维空间坐标。

图2示出本发明的实施方式的测量装置的结构。在栅格投影单元3固定了光源5A与栅格玻璃4A、光源5B与栅格玻璃4B。栅格投影单元3由使来自光源的光透射的材质的材料或中空的材料构成。光源5A、光源5B、栅格玻璃4A以及栅格玻璃4B被固定在栅格投影单元3，因此光源5A、光源5B、栅格玻璃4A、栅格玻璃4B的相对位置关系不变，或即使相对位置关系发生变化，也是可忽视对测量的影响的程度。光源5A与栅格玻璃4A的组合作为投影仪发挥功能。同样地，光源5B与栅格玻璃4B的组合作为投影仪发挥功能。

如图3所示，当光源5A点亮时，安装在栅格玻璃4A的栅格图案8A被投影到基准面7、物体6(测量对象物)。

如图4所示，光源5B与栅格玻璃4B也同样地，当光源5B点亮时，安装在栅格玻璃4B的栅格图案8B被投影到基准面7、物体6(测量对象物)。

基准面7安装在未图示的载置台上，通过将载置台上下移动，能够在基准面7的法线方向上平行移动任意的量。另外，设为在基准面7的表面固定了表示x坐标的栅格图案(或刻度等标记)。如专利文献2记载的那样，还能够将显示器等用于基准面7。另外，如专利文献3记载的那样，还能够使用曲面状的基准面7。

首先，为了进行校准，如图5所示，决定栅格投影单元3的位置和照相机1、基准面7的配置来进行设置。照相机1是为了进行校准而拍摄图像的照相机。此外，该照相机1还能够用于测量物体6。

如图5所示，将基准面7移动至R₀、R₁、...R_N的位置(分别为z＝z₀、z₁、...z_N)，在各位置，对固定在基准面7的用于表示x坐标(在三维的情况下为(x,y)坐标)的栅格图案或刻度等标记进行拍摄。从在此拍摄到的图像中，针对照相机1拍摄到的每个像素，能够得到x坐标(在三维的情况下为(x,y)坐标)。

接着，如图6所示，通过使光源5A点亮，将安装在栅格玻璃4A的栅格图案8A投影到基准面7，使用照相机1对其进行拍摄。并且，如图7所示，通过使光源5B点亮，将安装在栅格玻璃4B的栅格图案8B投影到基准面7，使用照相机1对其进行拍摄。此时，如专利文献4所示，通过对光源的点亮位置进行切换来进行投影栅格的相移，由此能够求出相位分布。

根据得到的相位分布进行相位连接处理，由此得到连续的相位值

和

的分布。连续的相位值

和

为通过栅格图案8A和栅格图案8B得到的特征量。如此，如在图8和图9中示意性地所示那样，能够通过栅格图案8A和栅格图案8B得到特征量

和特征量

的分布。关于该分部，如上所述，基于使用照相机1对基准面7进行拍摄而得到的图像，针对基准面7的每个位置，能够取得为每个像素的离散分布。此外，在栅格投影法的情况下，按栅格图案的每一周期相位变化2π，因此得到的相位值每2π而重复，但是通过使用空间上的相位变化信息能够进行相位连接，或者通过将投影栅格的间距设为多个，能够根据其组合的信息来进行相位连接。由此，能够针对投影栅格消除每2π的重复而得到连续的相位值(相位连接起来的相位值)。这在使用抽样莫尔法(Sampling moire method)、相移法、其它的相位分析方法时也相同。

通过进行上述过程，在图10示出的基准取得点的位置，分别得到特征量的组

和坐标(x,y)。在图10中在分散的位置示意性地写入基准取得点。实际上，在x方向上以照相机1的像素数量，并且在z方向上以使基准面7移动的间隔得到基准取得点，因此实际上比图10所示的更密集地得到基准取得点。

另外，通过采用液晶投影仪或使用了DMD(数字微镜设备)的投影仪来代替在此示出的栅格投影机构，也能够同样地在空间内生成特征量的分布。另外，即使在使用扫描缝隙光的光切法时，也能够将扫描缝隙光的量(例如，缝隙光的出射角度等)用作特征量。

如此，不仅是从投影部投影的图案中得到特征量的方法，如果是像相移法、雷格码法(Grey code method)那样通过改变多个图案来得到特征量的方法、如上述光切法等那样通过图案的变化来得到特征量的方法，则能够应用于本方法。将在相移法的情况下得到的相位值设为特征量，将在雷格码法的情况下对空间进行分割的雷格码值设为特征量即可。另外，在利用偏振光的方法中，将其偏振方向设为特征量即可。

1.2特征量-坐标表的生成

接着，表示用于生成根据特征量A和特征量B的组

求出坐标(x,z)的特征量-坐标表格的过程。如图11所示，首先，通过上述校准方法，在基准面7的每个位置，将作为每个像素的离散分布而取得的基准取得点投影到特征量空间。在此，特征量空间为将特征量A和特征量B设为坐标轴的空间。针对每个基准取得点，得到了该点的特征量的组

和坐标(x,z)，因此能够向特征量空间进行投影，成为针对所投影的每个基准取得点得到了坐标(x,z)的状态。

接着，考虑使特征量A与特征量B离散的点。在图11中，示出了以等间隔离散化的情况。将该栅格点作为表格要素，根据位于其附近的多个基准取得点所具有的坐标(x,z)的值，对该要素的坐标值进行插值来求出。由此，能够求出与特征量A和特征量B有关的特征量-坐标表格的各要素的值(在各表格要素存储的数据)。此时，在特征量空间内，通过基准取得点位于附近而能够进行有效的插值，因此将基准取得点以某种程度密集的区域设为测量区域。

此外，实际上，为了求出三维空间的空间坐标(x,y,z)，需要扩展为三维，将投影仪的数量设为三个以上，并将由此得到的特征量设为三个以上，由此能够同样地生成特征量-坐标表格。各表格要素成为三维的空间坐标。

1.3测量对象物的三维坐标的取得

接着，表示用于对物体6(测量对象物)表面上的点的坐标(x,z)进行测量的过程。首先，将照相机2设置在能够拍摄测量对象物的位置。此时，不需要照相机1和基准面7，因此可以去除。

如在上述图3和图4的说明中所叙述的那样，通过将光源5A和光源5B点亮，安装在栅格玻璃4A和栅格玻璃4B的栅格图案8A和栅格图案8B被投影到物体表面。在该情况下，如图12和图13所示，可认为与拍摄基准面7的情况同样地，在物体表面上分别投影了特征量

和特征量

的分布。

考虑照相机2的某一像素拍摄的物体上的点P。将特定的特征量

以及特征量

投影到点P，通过照相机2的相应的一个像素得到特征量的组

在由照相机2拍摄的其它像素中，也同样得到与各像素对应的特征量的组。

接着，表示根据在点P得到的特征量的组

求出点P的空间坐标(x_P,z_P)的过程。如上所述，使用预先生成的图11示出的特征量-坐标表格，如图14所示，通过读出与特征量的组

最接近的表格要素

中存储的数据，能够求出(x'_P,z'_P)。另外，根据在特征量的组

附近的多个表格要素(例如T₁，T₂，T₃，T₄)中存储的数据，通过插值也能够计算出点P的空间坐标(x_P,z_P)。

为了求出三维空间的空间坐标(x,y,z)，需要将上述二维空间的说明扩展为三维。图15说明本发明的在测量对象空间内的各点(各位置)取得三个相位值的方法。

如图15所示，将三台投影仪PA，PB，PC配置在不同的位置，并调整所投影的栅格的朝向，由此针对测量对象空间内的每个点(各位置)具有三个连续的相位值(对应于上述说明的“特征量”)。另外，即使将三个投影仪中的两个配置在相同位置，使投影的栅格的朝向或间距不同即可。总之，根据三个投影仪的配置与投影的栅格的朝向、间距等的组合，通过对于测量区域或部分测量区域，三个相位值与三维坐标成为一对一的对应关系的方式作出的投影仪的配置和投影的栅格的朝向、间距即可。由此，该组合与三维坐标成为一对一的对应关系，因此与二维的情况相同，即使在三维的情况下也能够表格化。预先将该三个连续的相位值与三维坐标的对应关系表格化。

在通过照相机12对配置在测量对象空间内的测量对象物即物体6进行拍摄时，针对每个点得到三个相位值。而且，在进行对象物的三维测量的情况下，根据从照相机12拍摄到的图像中得到的三个以上的相位值，参照表格能够得到三维坐标值。

如此，通过将三个相位值与三维坐标值的关系表格化，能够立即求出三维坐标值，能够不产生系统误差地高精度地得到坐标。在该方法中，与照相机12的位置无关地得到三维坐标值。如后文中所述，照相机、透镜的位置也可以改变，还能够进行缩放、对焦。能够在安装测量装置后使用缩放或自动对焦对测量对象物进行放大来进行拍摄的三维测量装置是前所未有的，能够期待革命性的广泛的应用范围。

投影仪PA、PB、PC所具备的各光源按照计算机30中安装的控制程序进行动作。照相机12对投影到物体6的栅格图案图像进行拍摄，将拍摄到的图像信息发送到计算机30。计算机30使用存储单元31中存储的三个相位值(特征量)与三维坐标值关联起来的表格，求出物体6的表面的各点的三维坐标值。然后，使用求出的三维坐标值，在计算机30所具备的未图示的显示装置的显示画面中能够显示为三维图像。此外，即使在实施取得表格数据的本发明的方法的情况下，使用计算机30使用于取得表格数据的程序运行，取得表示特征量与三维坐标值的关系的表格数据。这些程序可以存储在存储介质32，也可以使计算机30经由未图示的互联网等通信线路在云上运行程序。

另外，关于计算机30、存储单元31或存储介质32所进行的运算处理或存储处理，也可以经由互联网等通信线路，通过未图示的其它计算机等处理装置来进行上述处理中的一部分处理。

在本发明中，与照相机的像素数量、照相机的数量无关，全部仅为一个相同的表格即可。因此，即使照相机的像素数量增加，表格用存储器容量也不会不合理地增加。另外，即使在配置多个照相机的情况下，表格容量也不会增加。

例如，如图16所示，即使搭载在移动机器人14上，在路面状况不良的现场由于振动而使照相机或镜头的位置产生移动，只要使用本方法则能够高精度地进行三维测量。作为行驶单元而具有车轮的移动机器人14上下具备照相机12、13以及能够进行纵向与横向这两个方向的栅格投影的栅格投影单元15A、15B。

此外，本发明的测量方法并不仅限于栅格投影法，还能够应用于空间编码法、光切法。在空间编码法的情况下，在三个方向上设置投影仪，对2值的图案多次进行投影，由此分割空间。得到三个由各投影仪得到的代码，因此生成该三个代码与空间坐标对应关系即可。

在光切法的情况下，准备三个激光器等缝隙光的光源。针对每个光源取得三个缝隙光的移动量，因此生成表示该三个移动量的值与空间坐标的对应关系即可。

如上所述，在仅考虑二维空间的情况下，至少有两个投影仪即可。即使是三个以上，也能够根据三个值得到坐标值的两个成分。如上所述，在考虑三维空间的情况下，最低具有三个投影仪即可。即使是四个以上，也能够根据四个以上的值来得到坐标值的三个成分。

图17表示将投影仪的数量设为三个以上，将由此得到的特征量设为三个以上而生成的特征量-坐标表格以及使用该表格读取坐标的过程。

该情况与图14的情况相同，能够根据在点P得到的特征量的组

从最接近特征量的组的表格要素求出(x'_P,y'_P,z'_P)来作为点P的空间坐标，或者能够根据在特征量的组附近的多个表格要素中存储的数据，通过插值来求出(x_P,y_P,z_P)。

另外，还存在一种不生成特征量-坐标表格，通过搜索来求出坐标的方法。在图18中示出其过程。在图18中从上开始作为曲线图A、曲线图B、曲线图X，分别示出与照相机1拍摄到的图像的横向的像素编号(i坐标)相对的特征量

特征量

以及从基准面7得到的x坐标的分布。

另外，曲线图A、曲线图B、曲线图X均示意性地表示对于将基准面7移动到R₀，R₁，...R_N的位置(分别为z＝z₀，z₁，...z_N)而得到的值进行了绘制。这些值沿着基准面7而连续地单调变化，因此，如图18所示，在基准面7的每个位置以平滑的曲线状得到这些值。

首先，在曲线图A和曲线图B中，从在物体上的点P得到的特征量的组

搜索曲线图A和曲线图B的均为相同的z值的i坐标或成为接近的z值的i坐标。

点P为物体上的一个点，因此i坐标相同且z坐标也相同的点必然存在于曲线图A和曲线图B内。但是，设置基准面7的位置为离散，因此并不一定找到相同的点。在该情况下，如果设置基准面7的间隔小，则能够以近似的方式找到这样的点或者通过插值计算出这样的点。

在图18中示出在基准面7上搜索到这样的点的情况。记住如此搜索求出的基准面7的编号及其z坐标、i坐标。在此，基准面7的编号为2，z坐标为z₂，i坐标为i_P。接着，在曲线图X中，能够根据该基准面7的编号2和i坐标i_P读取x坐标x_P的值。另外，z坐标为z₂，因此通过该过程得到(x_P,z_P)。

关于通过搜索求出坐标的该方法，也能够扩展为三维。在图18中，横轴为i坐标，曲线图A、曲线图B、曲线图X分别为与i坐标相对的特征量。与此相对，在扩展为三维的情况下，生成与照相机1的像素的坐标(i,j)相对的特征量

特征量

特征量

以及x坐标、y坐标的曲线图即可。由此，能够通过同样的过程来求出三维坐标(x_P,y_P,z_P)。

通过使用上述方法，对于进行物体三维测量的照相机2，能够完全不需要进行校准地进行三维测量。即，照相机2的位置可以移动，另外，也可以进行拍摄镜头的对焦、缩放调整。另外，有时由于照相机内部的发热等原因导致温度变化，由此照相机内部发生变形，拍摄位置轻微发生变化，但这没有影响。

根据照相机的方向，由于重力相对于照相机的方向，引起镜头、照相机内部的偏斜量轻微变化，但这没有影响。通常，在拍摄镜头中具有对焦机构、缩放机构等可动部，因此会有一些摆动、晃动，并且由于振动、重力的方向等引起轻微变形。由此，以往的三维测量装置的测量精度下降，但是在本发明的测量方法的情况下不受其影响。

此外，在本说明书中，将以上说明的根据多个特征量与空间坐标对应关系来求出空间坐标的方法称为“特征量型全空间测量方法”，把将该对应关系表格化来求出空间坐标的方法称为“特征量型全空间表格化方法”。

1.4装置的结构例

以下，示出装置的结构例。在图19中为如下方式：在左右安装对纵向的栅格进行投影的栅格投影部，在中央部安装对横向的栅格进行投影的栅格投影部。由此，多个特征量的组在测量区域内或其部分区域内能够成为唯一。

在栅格投影单元3的左右安装栅格玻璃4A、4B，在中央部安装栅格玻璃4C。通过与各栅格玻璃4A、4B、4C相对应的方式，将光源5A、5B、5C设置在栅格投影单元3。希望配置为栅格玻璃4A、4B、4C的全部栅格的朝向不同。

图20表示将照相机安装到装置内部的方式。用于校准的照相机以及用于测量的照相机可以使用同一照相机，也可以使用不同的照相机。通过将照相机安装在装置，能够使整个装置小型化。

还能够将变焦镜头用于安装在内部的照相机。安装多个照相机，一个为使用广角镜头能够测量大范围的照相机，对另一个照相机使用变焦镜头，由此能够局部地详细进行三维测量。另外，通过将水平摇摄/俯仰摇摄机构安装在照相机中，还能够做出可详细地拍摄所需区域的三维测量装置。在图20的实施方式中，安装了带变焦镜头的照相机16和照相机17。

在图21中对投影的栅格赋予任意的角度。将栅格玻璃4A、4B、4C安装在栅格投影单元3。在本发明的测量方法中，即使如此安装任意方向的投影栅格，只要是多个特征量的组在测量区域内或其部分区域内为唯一的配置，则能够进行三维测量。另外，在多个特征量的组在测量区域的部分区域内为唯一的配置时，具有能够确定是哪一个部分区域的单元即可。例如，当在测量区域中针对左侧与右侧的每个部分区域唯一地决定特征量的组的情况下，另行具有可知是测量区域的左侧还是右侧的单元即可。该部分区域即使数量多也是相同的。例如，在将未相位连接的相位分布(每2π重复的相位分布)设为特征量时，假设在测量区域内存在特征量的组相同的多个点。在该情况下，另外具备用于辨别哪个部分区域为要求出的区域的单元即可。

在图22中，将栅格的投影部分设为栅格玻璃4A、4B、4C、4D这四个。即使投影的栅格图案为四个以上，只要是多个特征量的组在测量区域内或其部分区域内为唯一的配置，则能够进行三维测量。

在图23中，如栅格玻璃4A、4B、4C那样，对投影的栅格赋予任意的朝向，并且安装多个照相机18、19、20。通过使照相机为多个，还能够使各个照相机分别具有广角拍摄、缩放拍摄，对焦位置，水平摇摄/俯仰摇摄机构等不同的功能。另外，通过将多个照相机进行拍摄得到的空间坐标分布进行合成，还能够得到降低了噪声的测量结果。

另外，作为本发明的实施方式，通过对在栅格投影部使用的光源的波长进行划分，能够在拍摄侧分开地进行拍摄，因此能够同时将栅格图案进行投影。即，还能够从单次拍摄的图像中求出空间坐标。由此，即使在摇摆的状态下也能够进行三维测量。例如，即使是手持也能够高精度地进行三维测量。另外，即使搭载在无人机等也能够高精度地进行三维测量，因此还能够用于基础设施构造物的检查等。

另外，作为栅格投影部，能够使用如液晶投影仪那样可在两个方向上投影栅格图案的投影仪。在该情况下，能够通过一个投影部得到两个特征量。因此，在使用这样的投影部的情况下，为了求出三维的空间坐标，至少需要两个栅格投影部。

如上所述，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限于上述实施方式的例子，通过施加适当的变更，能够以其它方式来实施，能够起到以下的效果。

(1)能够立即求出三维坐标值，不产生系统误差地高精度地得到坐标。

(2)与照相机的位置无关地得到三维坐标值。即，照相机、镜头的位置可以变化，能够进行缩放、对焦。即使照相机为多个，也不需要增加表格。

(3)即使在振动下，仅加强栅格投影部分来进行振动应对即可。

2.试验例

以下示出特征量型全空间测量方法的实验例。在该实验中，为了简单，进行了使用两个特征量来求出(x,z)坐标的实验。图24表示两台投影仪与基准面7、测量对象物，表格生成用照相机即照相机1、测量用照相机即照相机2的配置。

在栅格投影单元3固定了光源5A和栅格玻璃4A、光源5B和栅格玻璃4B。光源5A和栅格玻璃4A作为投影仪而发挥功能。由此，能够将栅格A和栅格B分别投影到基准面7与测量对象物。另外，照相机1被固定在栅格投影单元3内。栅格投影单元3被安装在线性平台，能够在基准面7的法线方向上平行移动任意量。

对于基准面7使用在液晶监视器10的表面上粘贴了光扩散板的基准面。在液晶监视器10中显示x方向的栅格图案，通过照相机1对该栅格图案进行拍摄，由此能够针对每个拍摄像素得知基准面7上的x坐标值。另外，通过将栅格A和栅格B进行投影，能够针对拍摄基准面7的每个像素，得到x坐标值、z坐标值、栅格A的相位值

和栅格B的相位值

此外，在本实验中，将基准面7从z＝0mm到z＝90mm以10mm间隔进行移动，在各个位置进行了所投影的栅格的相位值的分析和x方向的栅格向液晶监视器的显示及其拍摄。在所投影的栅格的相位分析中使用抽样莫尔法，对于得到的相位分布进行相位连接的处理，由此求出在各像素的栅格图案8A的相位值

和栅格图案8B的相位值

另外，对于在基准面7显示的x方向的栅格的相位分析使用了相移法。

在本实验的情况下，基准面7不移动，作为替代使栅格投影单元3移动，由此做出基准面7相对移动的状态。图24所示的基准面7的位置R₀，R₁，...R_N表示了相对于栅格投影单元3的相对位置。

接着，如图25所示，作为测量对象物，使用白色的平板11，设置成相对于x轴倾斜30度。在白色的平板11上，将以40mm的间隔在两处附加了标记的该标记存在的点设为P₁和P₂。对物体投影栅格图案8A，通过照相机2进行拍摄。通过抽样莫尔法从得到的图像中求出相位分布，并且进行相位连接，由此分别求出点P₁和点P₂的相位值

以及栅格图案8B的相位值

同样地，通过对物体投影栅格图案8B，求出点P₁和点P₂的相位值

和栅格图案8B的相位值

这些相位值成为特征量。

作为实验结果，点P₁的相位值

和

分别为-31.49rad和-35.44rad。另外，点P₂的相位值

和

分别为-47.66rad和-53.64rad。当根据这些特征量来求出(x,z)坐标时，在点P₁为(61.0mm,50.0mm)，在点P₂为(96.1mm,30.0mm)。可知根据得到的坐标值求出了这两点的间隔，为40.4mm，得到了两点间的间隔。此外，在本实验中采用了使用图18说明的不生成特征量-坐标表格而通过搜索来求出坐标的方法。

本申请主张以2017年5月8日申请的日本申请特愿2017-092144为基础的优先权，在此引用其全部的公开内容。

附图标记说明

1：照相机；2：照相机；3：栅格投影单元；4A：栅格玻璃；4B：栅格玻璃；5A：光源；5B：光源；6：物体；7：基准面；8A：栅格图案；8B：栅格图案；9：线性平台；10：液晶监视器；11：平板；12：照相机；13：照相机；14：移动机器人；15A：栅格图案；15B：栅格图案；16：带变焦镜头的照相机；17：照相机；18：照相机；19：照相机；20：照相机；30：计算机；31：存储单元；32：存储介质。

Claims (25)

1.一种测量方法，其用于求出测量对象物表面的空间坐标，其特征在于，包含以下步骤：

包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向测量对象物表面投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各个组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

对已投影到上述测量对象物表面的上述图案或上述图案的变化进行拍摄；以及

使用预先使用基准物体求出的上述三个以上的特征量的各组与上述空间坐标的关系，根据基于上述拍摄到的图像而得到的三个以上的特征量的组，求出上述空间坐标。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

将上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系表格化，在测量上述测量对象物表面的空间坐标时，根据参照了上述表格的值来求出上述测量对象物表面的空间坐标。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

将上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系中的一部分关系表格化，在测量上述测量对象物表面的空间坐标时，使用参照了上述表格的值进行插值，由此求出上述测量对象物表面的空间坐标。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的测量方法，其特征在于，

通过使从上述多个位置投影的光的波长为多个波长来同时得到多个特征量，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的测量方法，其特征在于，

将上述多个位置并排配置成一列，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的测量方法，其特征在于，

关于上述三个以上的特征量的组与上述各空间坐标的关系，从上述多个位置向上述基准物体的表面，对上述多个位置与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化，从而求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

在上述基准物体的表面固定栅格图案或标记，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

通过使从上述多个位置投影的光的波长为多个波长来求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

将上述多个位置并排配置成一列，以求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系。

10.一种测量方法，其特征在于，

包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向基准物体表面，对上述多个位置与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影图案或上述图案的变化来求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，

在上述基准物体表面固定栅格图案或标记，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

12.根据权利要求10或11所述的测量方法，其特征在于，

通过使从上述多个位置投影的光的波长为多个波长来求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

13.根据权利要求10或11所述的测量方法，其特征在于，

将上述多个位置并排配置成一列，以求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系。

14.一种测量装置，其求出测量对象物表面的空间坐标，其特征在于，具备：

投影部，其包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置向测量对象物表面投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

拍摄部，其对已投影到上述测量对象物表面的上述图案或上述图案的变化进行拍摄；

存储部，其存储上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系；以及

空间坐标取得部，其使用上述存储部中存储的上述三个以上的特征量的组与上述各空间坐标的关系，根据基于上述拍摄到的图像而得到的三个以上的特征量的组求出上述空间坐标。

15.根据权利要求14所述的测量装置，其特征在于，

将上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系表格化而存储到上述存储部中，在测量上述测量对象物表面的空间坐标时，根据参照了上述表格的值来求出上述测量对象物表面的空间坐标。

16.根据权利要求14所述的测量装置，其特征在于，

将上述三个以上的特征量的各组与上述空间坐标的关系中的一部分关系表格化而存储到上述存储部中，在测量上述测量对象物表面的空间坐标时，使用参照了上述表格的值进行插值，由此求出上述测量对象物表面的空间坐标。

17.根据权利要求14～16中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，

通过使从上述投影部的多个位置投影的光的波长为不同的波长，同时得到多个上述特征量，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

18.根据权利要求14～16中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，

将上述多个位置并排配置成一列，以求出上述测量对象物表面的空间坐标。

19.根据权利要求14～16中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，

关于上述三个以上的特征量的各组与上述各空间坐标的关系，从上述投影部的多个位置向基准物体的表面，对上述投影部与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

20.根据权利要求14～16中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，

关于各上述三个以上的特征量与上述各空间坐标的关系，使用具有与上述投影部相同结构的其它投影部，从上述其它投影部向基准物体表面，将上述其它投影部与上述基准物体之间的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化来求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

21.根据权利要求20所述的测量装置，其特征在于，

在上述基准物体表面固定栅格图案或标记，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

22.根据权利要求14～16、21中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，

上述投影部由一个投影单元构成，上述拍摄部由多个照相机构成，将上述多个照相机设置在上述投影单元。

23.一种测量装置，其特征在于，具备：

投影部，其包含三个以上的特征量的多个组，从多个位置投影图案或上述图案的变化，上述多个位置是以上述三个以上的特征量的各组在测量区域内或上述测量区域内的部分区域内与各空间坐标成为一对一的对应关系的方式配置的多个位置；

变更部，其对上述多个位置与基准物体的间隔进行变更；以及

拍摄部，其对多个上述投影部与上述基准物体的距离进行变更以多个间隔投影上述图案或上述图案的变化，

根据由上述拍摄部拍摄到的图像以及多个上述投影部与上述基准物体的距离，求出三个以上的特征量的组与上述空间坐标的关系。

24.根据权利要求23所述的测量装置，其特征在于，

在上述基准物体的表面固定栅格图案或标记，以求出三个以上的特征量的组与空间坐标的关系。

25.根据权利要求23或24所述的测量装置，其特征在于，

上述投影部由一个投影单元构成，上述拍摄部由多个照相机构成，将上述多个照相机设置在上述投影单元。

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