CN112292577A - 三维测量装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

一面提高测量对象物的三维形状的测量精度，一面防止操作性以及处理效率降低。三维测量装置具备：投光拍摄部，至少具备第一单元和第二单元，第一单元具有第一投光部和第一拍摄部，第一投光部对测量对象物投影第一图案光，第一拍摄部从第一拍摄方向对测量对象物进行拍摄，第二单元具有第二投光部和第二拍摄部，第二投光部对测量对象物投影第二图案光，第二拍摄部从第二拍摄方向对测量对象物进行拍摄；以及计算部，基于测量对象物的拍摄图像中的规定图案和所存储的规定图案，计算目标像素的三维位置。于是，投光拍摄部对测量对象物分别单独地投影第一图案光及第二图案光，并通过第一拍摄部及第二拍摄部对分别被投影有各图案光的测量对象物进行拍摄。

Description

三维测量装置以及方法
技术领域
本发明涉及对测量对象物的三维形状进行测量的三维测量装置及其方法。
背景技术
以往，已知有用于对测量对象物(工件等)的三维形状进行测量的各种方法，着眼于光的性质，它们大致分为利用光的直进性的方法和利用光的速度的方法。其中，在利用光的直进性的方法中，包括被分类为主动测量(active measurement，主动式测量)以及被动测量(passive measurement，被动式测量)中的任意一者的方式，在利用光的速度的方法中，包括被分类为主动测量的方式。
其中，作为主动测量方式的一个例子，例如已知有采用所谓的主动单发(activeone shot)方式的方法，该方式中，在将包含进行了例如空间编码(coding)的图案(构造化光图案)的图案光投影到测量对象物的状态下进行拍摄，根据拍摄图像上的图案的位置确定测量对象物的三维形状。基于这样的主动单发方式的方法特别是在近距离时具有高的测量精度，另外，具有宽视野以及成本低廉的优点。
另外，作为采用主动单发方式的其它方法，在专利文献1中记载有一种三维测量装置，其具备用于将图案光投影到测量对象物的一台投光单元、以及从不同方向对被投影有图案光的测量对象物进行拍摄的三台以上的拍摄单元。该三维测量装置通过合并从多个拍摄图像获得的多个三维点群数据，从而实现更恰当地进行镜面反射成分强的测量对象物的三维形状的测量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利第5633058号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，为了提高基于主动单发方式的测量对象物的三维形状的测量精度，有效的是从不同的多个位置朝向测量对象物投影图案光来增加拍摄图像数量，由此，能够实现获取的信息量的增大和可靠度的提高。因此，例如，在具备一台投光单元和多个拍摄单元的上述以往的三维测量装置(专利文献1)中想到增设投光单元为多个。
但是，在像这样具有多个投光单元的装置结构中，若对测量对象物同时实施来自多个投光单元的图案光的投影，则图案光相互重叠或者发生干扰，存在有无法准确地辨别规定图案的隐患。另外，例如在对上述以往的三维测量装置(专利文献1)的现有结构增设投光单元的情况下，可能需要调整各投光单元和各拍摄单元的配置，因此，与之相伴地，需要重新进行各投光单元和各拍摄单元的校正，因此导致装置的操作性降低和处理时间增大。
为此，本发明一方面是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够一面提高测量对象物的三维形状的测量精度、一面防止操作性及处理效率降低的三维测量装置及方法。
用于解决技术问题的方案
本发明为了解决上述技术问题，采用以下的结构。
〔1〕本公开所涉及的三维测量装置的一个例子是对测量对象物的三维形状进行测量的三维测量装置，其具备：投光拍摄部，至少具备第一单元和第二单元，所述第一单元具有第一投光部和第一拍摄部，所述第一投光部从第一投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第一图案光，所述第一拍摄部从第一拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄，所述第二单元具有第二投光部和第二拍摄部，所述第二投光部从第二投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第二图案光，所述第二拍摄部从第二拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄；图案存储部，存储所述规定图案；以及计算部，从所述测量对象物的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置。并且，所述投光拍摄部对所述测量对象物分别单独地投影所述第一图案光以及所述第二图案光，并通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。
在此，对于“规定图案”，并没有特别限制，可以采用公知的主动测量方式(例如主动单发方式)中采用的各种图案。更具体而言，例如，可列举将多条线以规定的间隔二维配置的所谓的基于线的图案、将能够相互区分的多种单位图像、单位图形、几何学形状等二维配置(既可以是规则的，也可以随机，还可以将规则的部分和随机的部分混合或者重叠)的所谓的基于区域的图案、在横线和竖线的栅格中配置有图形符号等的所谓的基于栅格图形的图案等。需要注意的是，在用于编码的情况下，各规定图案也可以包括用于区分例如线、单位图形的ID信息。
另外，不管在采用了哪种规定图案的情况下，都能够通过极线约束来确定拍摄图像中的对应点。不过，在采用基于区域的图案的情况下，根据图案的不同，也存在能够不依赖于极线约束而通过二维匹配来确定对应点的情况。进而，第一图案光所包含的规定图案和第二图案光所包含的规定图案既可以相同也可以不同。
另外，下面有时会将第一投光部以及第二投光部统称为“投光部”，将第一投光方向以及第二投光方向统称为“投影方向”，将第一拍摄部以及第二拍摄部统称为“拍摄部”，将第一拍摄方向以及第二拍摄方向统称为“拍摄方向”，将第一单元以及第二单元统称为“单元”。在它们中，序数词“第一”及“第二”是为了区分互不相同的投光部、投影方向、拍摄部、拍摄方向以及单元的方便的表达方式。进而，各单元所具备的各投光部以及各拍摄部既可以是单个也可以是多个。另外，投光拍摄部当然也可以还具备与第一单元以及第二单元不同的其它“单元”。在该情况下，不同的其它“单元”既可以是单个也可以是多个，例如，可方便地表达为“第三单元”、“第四单元”等。
在该结构中，针对测量对象物，自投光拍摄部从互不相同的投影方向投影包含规定图案的第一图案光以及第二图案光，求出所获取的拍摄图像中的目标像素的三维位置，从而进行基于主动测量方式的三维测量。此时，通过第一拍摄部以及第二拍摄部从各不相同的第一拍摄方向以及第二投影方向对从第一投影方向被投影有第一图案光的测量对象物进行拍摄，获得多个拍摄图像。同样地，通过第一拍摄部以及第二拍摄部对从第二投影方向被投影有第二图案光的测量对象物进行拍摄，获得多个拍摄图像。
如此一来，根据该结构，能够获得投光部的台数×拍摄部的台数的量(单元的台数的平方)的拍摄图像。由此，通过适当地采用这多个拍摄图像，能够增大与测量对象物的三维形状相关的信息量。由此，能够提高针对目标像素确定的三维位置的可靠度，另外，还能够提高对于测量对象物的表面形状、相互反射的鲁棒性。另外，由于通过第一拍摄部以及第二拍摄部对分别被单独地投影有第一图案光以及第二图案光的测量对象物进行拍摄，因此不存在多个图案光相互重叠或者发生干扰的隐患，能够准确地辨别拍摄图像中的规定图案。进而，由于以单元化的方式采用投光部和拍摄部，因此无需在每次追加设置投光部时进行投光部与拍摄部的几何位置关系(坐标系)的校正。
〔2〕在上述结构中，更具体而言，也可以是，所述投光拍摄部通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部同时对被投影有所述第一图案光的所述测量对象物进行拍摄，且通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部同时对被投影有所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。在该结构中，能够更迅速地进行被投影有图案光的假想对象物的拍摄。
〔3〕在上述结构中，也可以是，所述计算部生成多个三维点群数据，并将生成的该多个三维点群数据组合(合并)并精细化(细化)，所述三维点群数据表示通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部得到的多个拍摄图像各自中的所述目标像素的三维位置。在此，作为精细化的方法，并没有特别限制，例如，也可以按每个目标像素，采用多个三维点群数据进行通常的平均化运算或者适当的加权平均化运算，或者进行适当的数值滤波处理来选择所使用的三维点群数据。在该结构中，能够进一步提高目标像素的三维位置的可靠度。
〔4〕在上述结构中，也可以是，所述第一投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系以及所述第二投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系被预先校正。在该结构中，无需在每次三维测量时都进行每个单元的投光部和拍摄部的几何位置关系(坐标系)的校正。
〔5〕在上述结构中，也可以是，还具备校正部，所述校正部对所述第一投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系以及所述第二投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系进行校正。在该结构中，针对不同的单元的投光部和拍摄部，进行相互的几何位置关系的校正，因此即使在适当变更了单元的相对配置的情况下，也能够进行恰当的三维测量，能够提高装置结构进而三维测量的通用性。
〔6〕在上述结构中，作为不同单元间的投光部与拍摄部的几何位置关系的校正方法，例如能够列举以下的方法。即，也可以是，所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对规定的校正仪进行拍摄，所述校正部基于所述参照图案的拍摄图像，对所述第一拍摄部和所述第二拍摄部的几何位置关系进行校正，并基于该校正后的第一拍摄部和第二拍摄部的几何位置关系、以及所述预先校正后的所述第一投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系和所述第二投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系，对所述第一投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系和所述第二投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系进行校正。
在此，作为“规定的校正仪”，并没有特别限制，能够采用在三维测量装置的投光部或拍摄部的校正中通常采用的校正仪，例如，可列举被印刷或投影有规定的码、棋盘格(可以是黑白，也可以是灰度，还可以是彩色)、适当的图案的立体校正仪或者平面校正仪。
在该结构中，基于以不同的拍摄部拍摄规定的校正仪所得的结果来校正不同单元中的拍摄部间的几何位置关系，只要各单元的投光部与拍摄部的几何位置关系是已知的，就能够简单地校正不同单元间的投光部与拍摄部的几何位置关系。
〔7〕在上述结构中，也可以是，具备投射部，该投射部将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光投射于所述测量对象物。在该结构中，由于能够将与用于三维测量的图案光(测量光)不同的普通照明光用作例如检查用途的一般照明，因此例如即使在测量对象物处于暗的周边环境下的情况下，也能够理想地实施三维测量。另外，通过将拍摄被投射有普通照明光的测量对象物而得到的图像与预先设定或存储的测量对象物的形状设计数据(CAD模型数据)进行对比，例如进行所谓的CAD匹配，从而能够更准确地确定测量对象物的三维形状。
〔8〕在上述结构中，也可以是，具备投射部，该投射部将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光投射于所述规定的校正仪。在该结构中，例如即使在校正仪处于暗的周边环境下的情况下，也能够理想地实施校正仪的拍摄。
〔9〕本公开所涉及的三维测量方法的一个例子是可采用三维测量装置的一个例子来有效地实施的方法，该三维测量装置具备投光拍摄部、图案存储部以及计算部，该投光拍摄部至少具备具有第一投光部和第一拍摄部的第一单元以及具有第二投光部和第二拍摄部的第二单元，该三维测量方法包括以下的各步骤。
即，该方法包括：投光拍摄步骤，至少包括所述第一投光部从第一投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第一图案光的步骤、所述第二投光部从第二投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第二图案光的步骤、所述第一拍摄部从第一拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄的步骤、以及所述第二拍摄部从第二拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄的步骤；存储步骤，所述图案存储部存储所述规定图案；以及计算步骤，所述计算部从所述测量对象物的拍摄图像中筛选目标像素，基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置。并且，在所述投光拍摄步骤中，通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。
需要注意的是，在本公开中，“部”以及“装置”并非单单指物理单元，也包括通过软件来实现该“部”以及“装置”所具有的功能的结构。另外，一个“部”以及“装置”所具有的功能也可以通过两个以上的物理单元、装置来实现，或者也可以通过一个物理单元、装置来实现两个以上的“部”以及“装置”的功能。进而，“部”以及“装置”例如是也能够改称为“单元”以及“系统”的概念。
发明效果
根据本发明，在测量对象物的三维测量中，能够高效且理想地获得不同的多个拍摄图像，能够增大与测量对象物的三维形状相关的信息量而提高目标像素的三维位置的可靠度，并且能够简单地实施装置的校正。由此，能够一面提高测量对象物的三维形状的测量精度，一面防止操作性及处理效率降低。
附图说明
图1是示意性示出实施方式所涉及的三维测量装置的应用场景的一个例子的俯视图。
图2是示意性示出实施方式所涉及的三维测量装置的硬件结构的一个例子的俯视图。
图3是示意性示出实施方式所涉及的三维测量装置的功能结构的一个例子的俯视图。
图4是示出实施方式所涉及的三维测量装置中的处理过程的一个例子的流程图。
图5是示意性示出在实施方式所涉及的三维测量装置中进行作为预处理的校正的状态的一个例子的俯视图。
图6是示意性示出通过实施方式所涉及的三维测量装置对测量对象物进行图案光的投影以及拍摄的状态的一个例子的俯视图。
图7是示意性示出通过实施方式所涉及的三维测量装置对测量对象物进行图案光的投影以及拍摄的状态的一个例子的俯视图。
图8是示意性示出通过实施方式所涉及的三维测量装置对测量对象物进行图案光的投影以及拍摄的状态的一个例子的俯视图。
图9的(A)以及(B)是分别示意性示出第一变形例所涉及的单元Ui的第一结构例以及第二结构例的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本公开的一个例子所涉及的实施方式(以下表述为“实施方式”。)。不过，以下说明的实施方式只不过是示例，并非意在排除以下未明示的各种变形或技术的应用。即，本公开的一个例子能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变形来实施。另外，在以下的附图的记载中，对相同或者类似的部分标注相同或者类似的附图标记，附图是示意性的，未必与实际的尺寸、比率等一致。进而，有时在附图相互之间也包含有相互的尺寸关系、比率不同的部分。
§1应用例
首先，采用图1，对应用本公开的一个例子的一例场景进行说明。图1是示意性示出本实施方式所涉及的三维测量装置100的应用场景的一个例子的俯视图。本实施方式所涉及的三维测量装置100具备：具有单元U1～U3的投光拍摄装置1、以及与投光拍摄装置1连接的控制装置2。投光拍摄装置1中的单元U1～U3与测量对象物W对置配置，分别具有相互并设的投影仪P1和相机C1、投影仪P2和相机C2、以及投影仪P3和相机C3。需要注意的是，在图1中，示出了各投影仪P1～P3和各相机C1～C3构成为一体的例子，但也可以分别分体设置而未一体化。
单元U1～U3中的投影仪P1～P3分别是将包括用于进行测量对象物W的三维测量的规定图案的图案光(测量光)在投影区域α1～α3中朝向测量对象物W进行投影的3D用照明。这些投影仪P1～P3的结构并没有特别限制，例如能够举例示出具备激光光源、图案掩模以及透镜的结构。从激光光源射出的光被形成有规定图案的图案掩模转换为具有规定图案的图案光，并经由透镜朝向测量对象物W进行投影。
另外，单元U1～U3中的相机C1～C3分别构成为包括例如搭载有一般性光学传感器的相机装置，分别在拍摄区域β1～β3(视角)对被投影有图案光的测量对象物W进行拍摄。如此一来，三维测量装置100通过主动单发方式进行测量对象物W的三维测量。
需要注意的是，在本实施方式中，单元U1中的投影仪P1与相机C1的几何位置关系(投影坐标系和拍摄坐标系)在三维测量装置100运转之前被预先校正。同样地，单元U2中的投影仪P2与相机C2的几何位置关系、以及单元U3中的投影仪P3与相机C3的几何位置关系也分别被预先校正。
控制装置2控制投影仪P1～P3朝向测量对象物W投影图案光的投影处理以及相机C1～C3的拍摄处理，并且进行包括测量对象物W的拍摄图像的图像处理在内的各种处理。作为图像处理，对于各拍摄图像，复原与所投影的图案光中包含的规定图案相应的示出多个目标像素的三维位置的三维点群，根据需要，组合获得的多个三维点群数据并进行精细化，根据最终获得的三维点群数据，确定测量对象物W的三维形状。
在此，基于主动单发方式的测量对象物W的三维测量中的规定图案的创建以及三维点群数据的计算处理能够适当采用公知的或者规定的方法，例如，作为优选的一个例子，可列举本申请人提交的日本特愿2017-211840号所记载的三维测量方法(该方法的说明中记载的“图案”是上述的基于区域的图案的一个例子)。
如上所述，投光拍摄装置1相当于本发明中的“投光拍摄部”的一个例子。另外，投影仪P1～P3相当于本发明中的“投光部”的一个例子(投影仪P1～P3的一部分是“第一投光部”，剩余部分是“第二投光部”。)。进而，相机C1～C3相当于本发明中的“拍摄部”的一个例子(相机C1～C3的一部分是“第一拍摄部”，剩余部分是“第二拍摄部”。)。另外，单元U1～U3相当于本发明中的“单元”的一个例子(单元U1～U3的一部分是“第一单元”，剩余部分是“第二单元”。)。进而，从投影仪P1～P3投影的图案光相当于本发明中的“图案光”的一个例子(从投影仪P1～P3投影的图案光的一部分是“第一图案光”，剩余部分是“第二图案光”。)。
另外，从投影仪P1～P3朝向投影区域α1～α3的方向相当于本发明中的“投影方向”的一个例子(投影区域α1～α3的方向的一部分是“第一投影方向”，剩余部分是“第二投影方向”。)。进而，从相机C1～C3朝向拍摄区域β1～β3的方向相当于本发明中的“拍摄方向”的一个例子(拍摄区域β1～β3的方向的一部分是“第一拍摄方向”，剩余部分是“第二拍摄方向”。)。
如上所述，本实施方式通过采用了多个单元U1～U3的主动单发方式，能够进行测量对象物W的三维测量，如后所述，在从单元U1的投影仪P1对测量对象物W投影有图案光的状态下，通过全部单元U1～U3的全部相机C1～C3对测量对象物W进行拍摄。然后，同样地进行各投影仪P2、P3对图案光的投影和全部相机C1～C3的拍摄。
由此，在本实施方式中，能够获得投影仪P1～P3的台数(三个)×相机C1～C3的台数(三个)的合计九个(单元U1～U3的台数的平方)拍摄图像。另外，在各投影仪P1～P3的投影时所获得的相机C1～C3的三个拍摄图像是从不同的拍摄方向对测量对象物W进行拍摄而得的图像，在各投影仪P1～P3的投影时所获得的由各同一相机C1～C3拍摄得到的三个拍摄图像中，朝向测量对象物W投影的图案光的投影方向不同。
由此，通过采用上述多个拍摄图像，能够增大与测量对象物W的三维形状相关的信息量。其结果是，能够提高针对目标像素算出的三维位置的可靠度，且还能够提高对于测量对象物W的表面形状、相互反射的鲁棒性(防止晕影等)，因此能够提高测量对象物W的三维形状的测量精度。需要注意的是，“晕影”表示在拍摄图像中过亮部分的灰度丢失而成为全白的状态，有时也被称为“泛白”或者“光晕”。
另外，由于通过相机C1～C3对单独地被投影有来自投影仪P1～P3的图案光的测量对象物W进行拍摄，因此不存在多个图案光相互重叠或者发生干扰的隐患，能够准确地辨别拍摄图像中的规定图案。因而，能够进一步提高测量对象物W的三维形状的测量精度。
进而，由于将各投影仪P1～P3和各相机C1～C3分别单元化(单元U1～U3)加以使用，因此每当例如在原本一台的投影仪的基础上追加设置其它投影仪时，无需进行投影仪与相机的几何位置关系(坐标系)的校正。由此，能够简化三维测量装置100中的校正处理，因此能够防止操作性以及处理效率降低。
§2结构例
[硬件结构]
接着，采用图2，说明本实施方式所涉及的三维测量装置100的硬件结构的一个例子。图2是示意性示出三维测量装置100的硬件结构的一个例子的俯视图。
在图2的例子中，三维测量装置100也是具备投光拍摄装置1以及控制装置2，该投光拍摄装置1具有图1所举例示出的单元U1～U3。在此，控制装置2包括控制运算部21、通信接口(I/F)部22、存储部23、输入部24以及输出部25，各部可以经由总线26以能够相互通信的方式连接。
控制运算部21包括CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)等，根据信息处理进行各构成要素的控制以及各种运算。
通信I/F部22例如是用于通过有线或者无线与作为其它构成要素的“部”以及“装置”进行通信的通信模块。通信I/F部22用于通信的通信方式是任意的，例如可列举LAN(Local Area Network：局域网)、USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)等，也能够应用与总线26同等的适当的通信线。投光拍摄装置1可设置为能够经由通信I/F部22与控制运算部21等通信。
存储部23例如是硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)等辅助存储装置，存储由控制运算部21执行的各种程序(用于执行各种处理的运算程序、以及用于进行单元U1～U3所具备的投影仪P1～P3和相机C1～C3各自的动作的控制处理的控制程序等)、包含校正条件、测量条件、图像处理条件(测量对象物W的识别参数等)的数据库、从投光拍摄装置1输出的拍摄图像(测量数据)、图像处理结果的数据、测量对象物W的三维模型数据等。如此一来，通过由控制运算部21执行存储于存储部23的运算程序以及控制程序，从而实现后述的功能结构例中的各种处理功能。
输入部24是用于接收来自利用三维测量装置100的用户的各种输入操作的接口设备，例如可通过鼠标、键盘、触摸面板、语音麦克风等实现。输出部25是用于通过其显示、语音输出、印刷输出等向利用三维测量装置100的用户等报告各种信息的接口设备，例如可通过显示器、扬声器、打印机等来实现。
[功能结构]
接着，采用图3说明三维测量装置100的功能结构的一个例子。图3是示意性示出本实施方式所涉及的三维测量装置100的功能结构的一个例子的俯视图。
图2所示的三维测量装置100的控制运算部21将存储于存储部23的各种程序(控制程序以及运算程序等)在RAM中展开。然后，控制运算部21利用CPU对在RAM中展开的各种程序进行解释以及执行，从而控制各构成要素。由此，如图3中所举例示出的那样，本实施方式所涉及的三维测量装置100能够实现具备控制部210、图像获取部220、图像记录部230、图像输出部240、图像处理部250、图案存储部260以及校正部270的结构。
需要注意的是，在本实施方式中，说明了利用通用的CPU来实现三维测量装置100的控制装置2所实现的各功能的例子，但是以上的功能的一部分或者全部也可以由一个或者多个专用的处理器来实现。另外，三维测量装置100的控制装置2的功能结构当然也可以根据实施方式、结构例适当地进行功能的省略、替换以及追加。另外，能够将“控制装置”理解为一般性的信息处理装置(例如计算机、工作站等)。
§3动作例
接着，采用图4说明三维测量装置100的动作的一个例子。图4是示出本实施方式所涉及的三维测量装置100中的处理过程的一个例子的流程图，也是示出采用了三维测量装置100的三维测量方法中的处理过程的一个例子的流程图。需要注意的是，以下说明的处理过程只不过是一个例子，各处理可以在本公开的技术构思的范围内尽可能地变更。另外，以下说明的处理过程可根据实施方式、各结构例适当地进行步骤的省略、替换以及追加。
(启动)
首先，三维测量装置100的用户启动三维测量装置100，使其执行各种程序(运算程序以及控制程序等)。然后，控制装置2中的控制运算部21按照以下的处理过程，控制投光拍摄装置1的各单元U1～U3中的投影仪P1～P3以及相机C1～C3各自的动作，且进行控制装置2中的各功能部的运算处理以及测量对象物W的拍摄图像的图像处理。
另外，本实施方式中，在以下的各步骤中的处理之前，从存储部23读出在各个步骤中所需的校正条件、测量条件以及图像处理条件，将其适当地预先保持在控制部210、图像处理部250以及校正部270中。不过，只要是在各步骤的处理前即可，可在适当的时机读出这样的测量条件、各种参数。
(步骤S1)
如上所述，各单元U1～U3中的投影仪P1～P3以及相机C1～C3的几何位置关系在三维测量装置100的运转之前被预先校正。另一方面，单元U1的投影仪P1与各单元U2、U3的相机C2、C3的几何位置关系、单元U2的投影仪P2与各单元U1、U3的相机C1、C3的几何位置关系、以及单元U3的投影仪P3与各单元U1、U2的相机C1、C2的几何位置关系的校正未在三维测量装置100的运转前实施。为此，在步骤S1中，作为预处理，进行这些未实施的校正。
在此，图5是示意性示出在三维测量装置100中进行作为预处理的校正(中的一个处理)的状态的一个例子的俯视图。在步骤S1中，首先，在相机C1～C3的拍摄区域β1～β3的范围内配置规定的校正仪K。在该状态下，控制部210使全部单元U1～U3的相机C1～C3同时或者依次工作，以所设定的测量条件下的拍摄条件进行校正仪K的拍摄。
相机C1～C3将校正仪K的拍摄图像输出给控制装置2，图像获取部220获取这些拍摄图像数据，并将其记录于图像记录部230。校正部270计算记录于图像记录部230的校正仪K的拍摄图像各自中拍到的校正仪K的图案中的多个特征点的三维位置，基于各个拍摄图像间对应的特征点的坐标，进行相机C1～C3间的几何位置关系(拍摄坐标系)的校正。
进而，校正部270采用预先校正完毕的单元Ui(i＝1～3。以下相同。)中的投影仪Pi与相机Ci的已知的几何位置关系、以及根据校正仪K的拍摄图像校正后的相机C1～C3间的几何位置关系，进行单元Ui中的投影仪Pi与其它单元Uj(j＝1～3，但j≠i。以下相同。)中的相机Cj的几何位置关系的校正。由此，全部投影仪P1～P3与全部相机C1～C3的几何位置关系被校正并成为已知的。需要注意的是，校正部270例如计算并保持各投影仪P1～P3与各相机C1～C3的相对的三维坐标(x，y，z)以及绕三维轴的旋转角度(rx，ry，rz)的关系作为校正结果。
(步骤S2)
在步骤S2之前，在投影仪P1～P3的投影区域α1～α2的范围内且是相机C1～C3的拍摄区域β1～β3的范围内配置测量对象物W。在步骤S2中，在该状态下，控制部210使单元Ui(i为1～3中任一个。以下相同。)的投影仪Pi工作，以所设定的测量条件下的投影条件对测量对象物W投影规定的图案光。
(步骤S3)
在步骤S3中，在从投影仪Pi对测量对象物W投影有规定的图案光的状态下，控制部210使全部单元U1～U3的全部相机C1～C3同时或者依次工作，以所设定的测量条件下的拍摄条件进行测量对象物W的拍摄。相机C1～C3向控制装置2输出测量对象物W的拍摄图像，图像获取部220获取这些拍摄图像数据，并记录于图像记录部230。
(步骤S4)
在步骤S4中，控制部210判定来自投影仪P1～P3的图案光的投影是否全部结束。在来自投影仪P1～P3的图案光的投影未全部结束的情况下(在步骤S4中为“否”)，重复步骤S2、S3，从未完成图案光的投影的投影仪Pi进行图案光的投影，并在进行各个投影的状态下通过全部单元U1～U3的全部相机C1～C3进行拍摄。在来自投影仪P1～P3的图案光的投影全部结束的情况下(在步骤S4中为“是”)，将处理转移至步骤S5。如上所述，步骤S2、S3相当于本发明中的“投光拍摄步骤”的一个例子。
在此，图6～图8是示意性示出通过三维测量装置100对测量对象物W进行图案光的投影以及拍摄的状态(步骤S2、S3)的一个例子的俯视图，分别示出了在使投影仪P1～P3单独工作而向测量对象物W投影有图案光的状态下进行相机C1～C3的拍摄的状态。在图6～图8中，示出了以标注影线的方式显示的投影仪Pi和相机C1～C3正在工作，并示出了未以标注影线的方式显示的投影仪Pi未在工作。
(步骤S5)
在步骤S5中，图像处理部250筛选记录于图像记录部230的测量对象物W的拍摄图像中的多个目标像素。然后，图像处理部250进行各拍摄图像中拍到的规定图案与存储于图案存储部260的图案光中的规定图案的对比(匹配)，采用校正部270所保持的各投影仪P1～P3与各相机C1～C3的几何位置关系的校正结果，计算各目标像素的三维位置。图像处理部250在计算出各拍摄图像中的全部目标像素的三维位置之后，生成该拍摄图像中的三维点群数据。进而，图像处理部250将针对多个拍摄图像获得的多个三维点群数据适当组合(合并)并进行精细化处理，根据最终获得的三维点群数据确定测量对象物W的三维形状。
如上所述，图像处理部250相当于本发明中的“计算部”的一个例子，步骤S5相当于本发明中的“计算步骤”的一个例子。需要注意的是，在图案存储部260中存储规定图案相当于本发明中的“存储步骤”的一个例子。
需要注意的是，将根据各拍摄图像生成的三维点群数据以及最终精细化得到的三维点群数据与拍摄图像一起记录于图像记录部230中，图像输出部240根据需要将示出测量对象物W的三维形状的三维点群图像等以三维测量装置100的用户能够视觉辨认的方式向显示器、打印机等输出。
§4作用、效果
如上所述，根据本实施方式所涉及的三维测量装置100以及采用该三维测量装置100的三维测量方法的一个例子，从各单元U1～U3中的投影仪P1～P3对测量对象物W单独地投影图案光，在各图案光的投影状态下，用全部单元U1～U3的全部相机C1～C3对测量对象物W进行拍摄。由此，能够获得投影仪P1～P3的台数(三个)×相机C1～C3的台数(三个)的合计九个(单元U1～U3的台数的平方)的拍摄图像，这些拍摄图像是从不同的投影方向投影图案光并从不同的拍摄方向拍摄得到的图像。
然后，在所获得的多个拍摄图像中分别计算目标像素的三维位置，从而能够生成与多个拍摄图像对应的多个三维点群数据，因此能够增大与测量对象物W的三维形状相关的信息量。其结果是，能够提高各目标像素的三维位置的可靠度，另外，还能够提高对于测量对象物W的表面形状、相互反射的鲁棒性(防止晕影等)。因而，能够提高测量对象物W的三维形状的测量精度。进而，组合所获得的多个三维点群数据并精细化，基于最终被最优化的三维点群数据确定测量对象物W的三维形状，从而能够进一步提高测量对象物W的三维形状的测量精度。
另外，由于通过多个相机C1～C3对被单独投影有各图案光的状态下的测量对象物W进行拍摄，而不是在对测量对象物W同时(一次)投影来自投影仪P1～P3的图案光的状态下进行拍摄，因此，多个图案光不存在相互重叠或者发生干扰的隐患。因而，能够准确地辨别拍摄图像中的规定图案，能够更进一步提高测量对象物W的三维形状的测量精度。
进而，由于使各投影仪P1～P3和各相机C1～C3成为单元U1～U3来进行使用，因此无需每次在一台投影仪的基础上追加设置其它投影仪时都进行投影仪与相机的几何位置关系(坐标系)的校正。由此，能够简化校正处理而抑制工作量的增大，从而能够防止操作性以及处理效率降低。
另外，在通过相机C1～C3同时拍摄从各投影仪P1～P3投影有图案光的状态下的测量对象物W的情况下，与通过相机C1～C3依次进行拍摄的情况相比，能够缩短投影以及拍摄时间，能够提高处理效率。
进而，由于在进行测量对象物W的三维测量时，针对各单元U1～U3的投影仪P1～P3和相机C1～C3，进行相互的几何位置关系的校正，因此即使在组合使用预先知道投影仪Pi与相机Ci的几何位置关系的单元U1～U3，进而适当变更了各单元U1～U3的相对配置的情况下，也能够进行恰当的三维测量。由此，能够提高装置结构进而三维测量的通用性。
再进一步地，由于基于采用校正仪K校正后的相机C1～C3间的几何位置关系以及各单元Ui的投影仪Pi与相机Ci的已知的几何位置关系进行各单元U1～U3的投影仪P1～P3与相机C1～C3的相互的几何位置关系的校正，因此能够简单且可靠地进行校正处理。
§5变形例
以上，详细说明了作为本公开的一个例子的实施方式，但是，上述说明在所有方面只不过是表示本公开的一个例子，当然能够在不脱离本公开的范围的情况下进行各种改良或变形，例如，能够进行如下所示的变更。需要注意的是，在以下的说明中，对于与上述实施方式相同的构成要素采用相同的附图标记，对于与上述实施方式相同的点，适当地省略说明。另外，上述实施方式以及以下的各变形例能够适当地组合而构成。
＜5.1：第一变形例＞
图9的(A)以及图9的(B)分别是示意性示出第一变形例所涉及的单元Ui的第一结构例和第二结构例的立体图。这些第一结构例以及第二结构例是对三维测量装置100所具备的单元U1～U3中的任一单元Ui(例如单元U1)追加配置投影仪Qi的例子。投影仪Qi是用于将普通照明光投射于测量对象物W的2D用照明。这样，投影仪Qi相当于本发明中的“投射部”的一个例子。
不管根据该第一结构例还是第二结构例，都能够将投影仪Qi用作例如检查用途的一般照明，因此即使在测量对象物W处于暗的周边环境下的情况下，也能够理想地实施该三维测量。另外，不仅是在测量对象物W的拍摄时，通过在校正仪K的拍摄时也投射普通照明光，由此，同样地，例如在校正仪K处于暗的周边环境下的情况下，也能够理想地实施该拍摄。
另外，将从投影仪Qi投射有普通投光的测量对象物W的拍摄图像与例如预先存储于控制装置2的存储部23的测量对象物W的形状设计数据(CAD模型数据)进行对比，例如进行所谓的CAD匹配，从而能够更准确地掌握测量对象物W的三维形状。
进而，在第一结构例中，可以将单元Ui的外形设为接近正方形或者正三角形的形状，因此即使在追加设置投影仪Qi的情况下，也能够使单元Ui的占用空间较小，能够减少三维测量装置的设置面积。另一方面，在第二结构例中，可以使投影仪Pi与相机Ci的距离比没有投影仪Qi时(图1等)大，因此能够提高以该单元Ui进行主动单发方式的三维测量的精度。
＜5.2：第二变形例＞
各单元Ui所包括的相机Ci也可以是多个。另外，单元Ui的台数并不限定于三台，也可以设置两台或者四台以上，在该情况下，能够实施与投影仪Pi的台数相应的量的步骤S2、S3的投影以及拍摄处理。
＜5.3：第三变形例＞
上述实施方式中，在全部图案光的投影以及拍摄结束之后实施了图像处理，但也可以每次各图案光的投影以及拍摄结束时进行各拍摄图像的图像处理而生成三维点群数据，还可以在全部图案光的投影以及拍摄结束之后，组合在那时间点获得的多个三维点群数据并进行精细化处理。
＜5.4：第四变形例＞
在上述实施方式中，拍摄所设置的校正仪K来进行相机U1～U3间的校正处理，但也可以将从投影仪Pi投影与校正仪K同等的图案后的图案用作校正仪K，采用所投影的该图案的拍摄图像来进行相机U1～U3之间的校正处理。
§6附记
以上说明的实施方式及变形例是用于容易地理解本发明的例子，并不用于限定解释本发明。实施方式及变形例所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状以及尺寸等并不限定于举例示出的内容，可适当地进行变更。另外，也能够将不同实施方式及变形例所示的结构彼此局部地替换或者组合。
(附记1)
一种三维测量装置(100)，对测量对象物(W)的三维形状进行测量，
所述三维测量装置(100)具备：
投光拍摄部(1)，至少具备第一单元(U1)和第二单元(U2)，所述第一单元(U1)具有第一投光部(P1)和第一拍摄部(C1)，所述第一投光部(P1)从第一投影方向对所述测量对象物(W)投影包含规定图案的第一图案光，所述第一拍摄部(C1)从第一拍摄方向对所述测量对象物(W)进行拍摄，所述第二单元(U2)具有第二投光部(P2)和第二拍摄部(C2)，所述第二投光部(P2)从第二投影方向对所述测量对象物(W)投影包含规定图案的第二图案光，所述第二拍摄部(C2)从第二拍摄方向对所述测量对象物(W)进行拍摄；
图案存储部(260)，存储所述规定图案；以及
计算部(250)，从所述测量对象物(W)的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部(260)的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置，
所述投光拍摄部(1)对所述测量对象物(W)分别单独地投影所述第一图案光以及所述第二图案光，并通过所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物(W)进行拍摄。
(附记2)
根据附记1的三维测量装置(100)，所述投光拍摄部(1)通过所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)同时对被投影有所述第一图案光的所述测量对象物(W)进行拍摄，且通过所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)同时对被投影有所述第二图案光的所述测量对象物(W)进行拍摄。
(附记3)
根据附记1或2的三维测量装置(100)，所述计算部(250)生成多个三维点群数据，并将生成的该多个三维点群数据组合并精细化，所述三维点群数据表示通过所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)得到的多个拍摄图像各自中的所述目标像素的三维位置。
(附记4)
根据附记1至3中任一项的三维测量装置(100)，所述第一投光部(P1)与所述第一拍摄部(C1)的几何位置关系以及所述第二投光部(P2)与所述第二拍摄部(C2)的几何位置关系被预先校正。
(附记5)
根据附记1至4中任一项的三维测量装置(100)，具备校正部(270)，所述校正部(270)对所述第一投光部(P1)与所述第二拍摄部(C2)的几何位置关系以及所述第二投光部(P2)与所述第一拍摄部(C1)的几何位置关系进行校正。
(附记6)
根据附记5的三维测量装置(100)，所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)对规定的校正仪(K)进行拍摄，所述校正部(270)基于所述规定的校正仪(K)的拍摄图像，对所述第一拍摄部(C1)和所述第二拍摄部(C2)的几何位置关系进行校正，并基于该校正后的第一拍摄部(C1)和第二拍摄部(C2)的几何位置关系、以及所述预先校正后的所述第一投光部(P1)与所述第一拍摄部(C1)的几何位置关系和所述第二投光部(P2)与所述第二拍摄部(C2)的几何位置关系，对所述第一投光部(P1)与所述第二拍摄部(C2)的几何位置关系和所述第二投光部(P2)与所述第一拍摄部(C1)的几何位置关系进行校正。
(附记7)
根据附记1至6中任一项的三维测量装置(100)，具备投射部(Qi)，所述投射部(Qi)将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光向所述测量对象物进行投射。
(附记8)
根据附记6或7的三维测量装置(100)，具备投射部(Qi)，所述投射部(Qi)将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光向所述规定的校正仪进行投射。
(附记9)
一种三维测量方法，采用三维测量装置(100)对测量对象物(W)的三维形状进行测量，所述三维测量装置(100)具备投光拍摄部(1)、图案存储部(260)以及计算部(250)，所述投光拍摄部(1)至少具备第一单元(U1)和第二单元(U2)，所述第一单元(U1)具有第一投光部(P1)和第一拍摄部(C1)，所述第二单元(U2)具有第二投光部(P2)和第二拍摄部(C2)，所述三维测量方法包括：
投光拍摄步骤，所述投光拍摄步骤至少包括所述第一投光部(P1)从第一投影方向对所述测量对象物(W)投影包含规定图案的第一图案光的步骤、所述第二投光部(P2)从第二投影方向对所述测量对象物(W)投影包含规定图案的第二图案光的步骤、所述第一拍摄部(C1)从第一拍摄方向对所述测量对象物(W)进行拍摄的步骤、以及所述第二拍摄部(C2)从第二拍摄方向对所述测量对象物(W)进行拍摄的步骤；
存储步骤，在所述存储步骤中，所述图案存储部(260)存储所述规定图案；以及
计算步骤，在所述计算步骤中，所述计算部(250)从所述测量对象物(W)的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部(260)的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置，
在所述投光拍摄步骤中，对测量对象物(W)分别单独地投影所述第一图案光以及所述第二图案光，并通过所述第一拍摄部(C1)以及所述第二拍摄部(C2)对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物(W)进行拍摄。
需要注意的是，所述附记1的结构例如也可以如下进行表述。
(附记10)
一种三维测量装置(100)，对测量对象物(W)的三维形状进行测量，
所述三维测量装置(100)具备：
投光拍摄部(1)，具备多个单元(Ui)，所述多个单元(Ui)分别具有投光部(Pi)和拍摄部(Ci)，多个投光部(Pi)从互不相同的投影方向对所述测量对象物(W)投影包含规定图案的图案光，多个拍摄部(Ci)从互不相同的拍摄方向对所述测量对象物(W)进行拍摄；
图案存储部(260)，存储所述规定图案；以及
计算部(250)，从所述测量对象物(W)的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部(260)中的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置，
所述投光拍摄部(1)对所述测量对象物(W)分别单独地投影多个所述图案光，并通过所述多个拍摄部(Ci)对被投影有所述各图案光的所述测量对象物(W)进行拍摄。
附图标记说明
1…投光拍摄装置、2…控制装置、21…控制运算部、22…通信接口(I/F)部、23…存储部、24…输入部、25…输出部、26…总线、100…三维测量装置、210…控制部、220…图像获取部、230…图像记录部、240…图像输出部、250…图像处理部、260…图案存储部、270…校正部、C1～C3…相机、K…校正仪、P1～P3…投影仪、Pi…投影仪、Qi…投影仪、S1～S5…步骤、U1～U3…单元、W…测量对象物、α1～α3…投影区域、β1～β3…拍摄区域。

Claims (9)

1.一种三维测量装置，对测量对象物的三维形状进行测量，所述三维测量装置具备：
投光拍摄部，至少具备第一单元和第二单元，所述第一单元具有第一投光部和第一拍摄部，所述第一投光部从第一投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第一图案光，所述第一拍摄部从第一拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄，所述第二单元具有第二投光部和第二拍摄部，所述第二投光部从第二投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第二图案光，所述第二拍摄部从第二拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄；
图案存储部，存储所述规定图案；以及
计算部，从所述测量对象物的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置，
所述投光拍摄部对所述测量对象物分别单独地投影所述第一图案光以及所述第二图案光，并通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。
2.根据权利要求1所述的三维测量装置，其中，
所述投光拍摄部通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部同时对被投影有所述第一图案光的所述测量对象物进行拍摄，且通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部同时对被投影有所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。
3.根据权利要求1或2所述的三维测量装置，其中，
所述计算部生成多个三维点群数据，并将生成的该多个三维点群数据组合并精细化，所述三维点群数据表示通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部得到的多个拍摄图像各自中的所述目标像素的三维位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维测量装置，其中，
所述第一投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系以及所述第二投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系被预先校正。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维测量装置，其中，
所述三维测量装置具备校正部，所述校正部对所述第一投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系以及所述第二投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系进行校正。
6.根据权利要求5所述的三维测量装置，其中，
所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对规定的校正仪进行拍摄，
所述校正部基于所述规定的校正仪的拍摄图像，对所述第一拍摄部和所述第二拍摄部的几何位置关系进行校正，并基于该校正后的第一拍摄部和第二拍摄部的几何位置关系、以及所述预先校正后的所述第一投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系和所述第二投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系，对所述第一投光部与所述第二拍摄部的几何位置关系和所述第二投光部与所述第一拍摄部的几何位置关系进行校正。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三维测量装置，其中，
所述三维测量装置具备投射部，所述投射部将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光向所述测量对象物进行投射。
8.根据权利要求6或7所述的三维测量装置，其中，
所述三维测量装置具备投射部，所述投射部将与所述第一图案光以及所述第二图案光不同的普通照明光向所述规定的校正仪进行投射。
9.一种三维测量方法，采用三维测量装置对测量对象物的三维形状进行测量，所述三维测量装置具备投光拍摄部、图案存储部以及计算部，所述投光拍摄部至少具备第一单元和第二单元，所述第一单元具有第一投光部和第一拍摄部，所述第二单元具有第二投光部和第二拍摄部，所述三维测量方法包括：
投光拍摄步骤，所述投光拍摄步骤至少包括所述第一投光部从第一投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第一图案光的步骤、所述第二投光部从第二投影方向对所述测量对象物投影包含规定图案的第二图案光的步骤、所述第一拍摄部从第一拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄的步骤以及所述第二拍摄部从第二拍摄方向对所述测量对象物进行拍摄的步骤；
存储步骤，在所述存储步骤中，所述图案存储部存储所述规定图案；以及
计算步骤，在所述计算步骤中，所述计算部从所述测量对象物的拍摄图像中筛选目标像素，并基于所述拍摄图像中的规定图案和存储于所述图案存储部的所述规定图案，计算所述目标像素的三维位置，
在所述投光拍摄步骤中，对所述测量对象物分别单独地投影所述第一图案光以及所述第二图案光，并通过所述第一拍摄部以及所述第二拍摄部对分别被投影有所述第一图案光以及所述第二图案光的所述测量对象物进行拍摄。
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