CN114080535A - 测量设备、摄像设备、测量系统、控制方法以及程序 - Google Patents

测量设备、摄像设备、测量系统、控制方法以及程序 Download PDF

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Abstract

一种测量设备，包括投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；以及摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，其中视点之间的距离比投影设备和所述视点之间的距离短，测量设备还包括：相对位置计算部，用于根据所述图像组上的图案图像位置以及视点之间的位置关系来获得投影设备相对于至少一个视点的相对位置，其中根据所述相对位置和所述视点处的图像上的图案图像位置来获取与被摄体相关的距离信息。

Description

测量设备、摄像设备、测量系统、控制方法以及程序
技术领域
本发明涉及测量设备、摄像设备、测量系统、控制方法以及程序，以及特别地，涉及以组合的方式使用包括立体法的多个距离测量方法的测量技术。
背景技术
迄今，已经提出用于使用三角测量原理根据通过拍摄而获得的图像来获取被摄体的距离信息和形状信息的技术(即所谓的立体法，stereo method)。例如，已知用于使用通过位于不同位置处的两个摄像设备对被摄体进行拍摄而获得的视差图像对，通过使用三角测量原理来测量被摄体的形状的被动式立体法(passive stereo method)。此外，已知用于测量具有少量纹理的被摄体的形状或者测量处于暗处的被摄体的形状的图案投影立体法(pattern projection stereo method)。在图案投影立体法中，通过投影设备将预定图案投影到被摄体上，通过位于与投影设备的位置不同的位置处的摄像设备来拍摄图像，并且根据投影设备和摄像设备之间的位置关系以及通过拍摄而获得的图像上的图案的位置关系，使用三角测量原理来获取与被摄体相关的距离信息和形状信息。此外，为了提高精度等，提出以组合的方式使用图案投影立体法和被动式立体法的混合方法(专利文件1)。
引用列表
专利文件
专利文件1：日本特开2002-286415
发明内容
发明要解决的问题
在专利文件1中，提出了以组合的方式使用图案投影立体法和被动式立体法的混合方法，但是并未公开具体的结构和方法。
因为立体法使用三角测量原理，因此为了获得高测量精度，引起视差的两个元件之间的位置关系预定(已知)且稳定是重要的。这里，在被动式立体法中，两个元件是两个摄像设备，并且在图案投影立体法中，两个元件是投影设备和摄像设备。因此，当以组合的方式使用被动式立体法和图案投影立体法时，为了获得高测量精度，两个摄像设备之间的位置关系以及一个摄像设备和投影设备之间的位置关系已知且稳定是重要的。
此外，由于三角测量原理，为了获得高测量精度，用于引起视差的两个元件之间的距离(基线长度)更长是有利的。
然而，为了在温度环境和存在振动等的情况下使两个元件之间的位置关系已知且稳定，需要牢固地固定两个元件，并且存在测量系统的结构变得复杂以及测量系统的尺寸增大的问题。此外，如果为了进行高精度的测量而增大作为两个元件之间的距离的基线长度，则机械稳定性降低，由此存在用于保持两个元件的机构的尺寸进一步增大的问题。
另一方面，如果投影设备和摄像设备之间的位置关系是固定的，则因为例如需要根据被摄体的形状来投影图案以使得不产生阴影等，因此投影位置的调节范围和方向受到限制，由此存在可用性降低的问题。
此外，通过使用投影设备投影图案来在被摄体上形成纹理，由此使得利用被动式立体法来测量具有少量纹理的被摄体的形状或者测量在暗处的被摄体成为可能。然而，在这种情况下，图案投影目的仅在于改善被动式立体法，并且此结构与以组合方式使用图案投影立体法的结构不同。因此，与混合型的情况相比，存在测量稳定性和精度低的问题。
为了解决已知技术的问题中的至少一个问题而作出本发明，并且目的在于提供用于在抑制设备规模增大和可用性降低的同时实现良好的测量精度的测量设备、摄像设备、测量系统、控制方法和程序。
用于解决问题的方案
测量设备，包括：投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；以及摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，其中，所述视点之间的距离比所述投影设备与所述视点之间的距离短，所述测量设备还包括：相对位置计算部，用于根据所述图像组上的图案图像位置以及所述视点之间的位置关系来获得所述投影设备相对于所述视点中的至少一个视点的相对位置，其中，根据所述相对位置以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取与所述被摄体相关的距离信息。
发明的有益效果
根据本发明，可以在抑制设备规模增大以及可用性降低的同时实现良好的测量精度。
参考附图，根据以下说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。注意，附图中的相同的附图标记表示相同或相似的组件。
附图说明
被并入说明书并构成说明书的一部分的附图示出发明的实施例，并且与说明一起用于解释发明的原理。
图1是示出根据本发明的实施例的测量系统的功能结构的框图。
图2A是示出根据第一实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的流程图。
图2B是用于描述第一实施例中的图案投影模式的图。
图3A是示出根据第一实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的变形的流程图。
图3B是示出根据第一实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的另一变形的流程图。
图4是示出根据第一实施例的计算投影设备110的位置和姿势的方法的图。
图5A是示出根据第二实施例的测量系统的功能结构的框图。
图5B是用于描述根据第二实施例的摄像系统120的详细结构的图。
图6A是示出根据第三实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的流程图。
图6B是示出在进行根据第三实施例的图案投影的状态下可获得的所拍摄图像的图。
图7A是示出根据第三实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的变形的流程图。
图7B是示出根据第三实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的另一变形的流程图。
图8A是示出根据第四实施例的由测量设备150执行的距离测量处理的流程图。
图8B是示出在进行根据第四实施例的图案投影的状态下可获得的所拍摄图像的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述实施例。注意，以下实施例不旨在限制所要求保护的发明的范围。尽管实施例中描述了多个特征，但是并不将本发明限制为需要所有这样的特征，并且可以适当地组合多个这样的特征。此外，在附图中，对相同或相似的结构赋予相同的附图标记，并且省略其冗余描述。
以下描述的一个实施例描述了如下示例，在该示例中，本发明被应用于测量系统，作为测量系统的示例，该测量系统包括两个摄像设备(照相机)和一个投影设备、以及连接至这些设备并且可以测量摄像设备与被摄体的距离的测量设备。然而，本发明可被应用于能够在进行图案投影的状态下使用被动式立体法进行深度方向上的距离测量的任何装置。
[第一实施例]
在图1中示出本发明中的测量系统100的示例性结构。
在图1中，测量系统100由在被摄体上投影图案的投影设备110、基于来自被摄体的光束来获取视差图像的摄像系统120以及测量设备150构成。
投影设备110由投影光学系统111、包括空间调制器或标线(reticle)的图案单元112以及诸如LED等的照明单元构成。附图标记113指示投影光学系统111的出射光瞳，并且附图标记114指示表示投影设备110的投影方向的投影轴。投影设备110包括控制单元(未示出)，该控制单元包括记录有投影设备110的块的控制程序的ROM以及用作控制程序的展开区域的RAM，并且该控制单元通过对图案单元112进行控制来在被摄体上投影图案(光)。
摄像系统120由第一照相机130和第二照相机140构成，并且拍摄来自两个不同的视点的图像组。第一照相机130包括第一摄像光学系统131以及诸如CCD传感器或CMOS传感器等的第一图像传感器132，并且以第一摄像光学系统131的第一入射光瞳133作为视点并以第一摄像轴134作为摄像方向来拍摄图像。第二照相机140包括第二摄像光学系统141以及诸如CCD传感器或CMOS传感器等的第二图像传感器142，并且以第二摄像光学系统141的第二入射光瞳143作为视点并以第二摄像轴144作为摄像方向来拍摄图像。注意，这样的结构使得第一入射光瞳133与第二入射光瞳143之间的距离比投影设备的出射光瞳113与摄像系统120的第一入射光瞳133之间的距离短。此外，第一照相机130和第二照相机140各自包括普通数字照相机中所包括的组成元件，诸如由CPU、ROM和RAM构成的控制单元，以及进行诸如针对从图像传感器输出的图像信号的显像和校正等的图像处理并生成数字数据的所拍摄图像的图像处理单元。
测量设备150包括由CPU构成的控制单元151、存储器152、相对位置计算单元154和距离/形状计算单元153。控制单元151通过以下处理来控制块的操作：将存储在存储器152的非易失性的部分(为方便起见，在下文中被称为ROM)中的块的操作程序读出，在存储器152的其他区域展开操作程序并执行该程序。此外，测量设备150连接至作为外部设备的摄像系统120和投影设备110，并且使设备之间能够进行数据的发送与接收。
接着，将使用图2A描述由测量系统100进行的计算距离和形状的流程。作为测量设备150的控制单元151执行相应控制程序的结果，本流程的各个处理步骤通过控制单元151或根据控制单元151的控制而操作的块来执行。
在步骤S1501中，控制单元151经由通信单元来指示投影设备110以投影图案，并且经由通信单元来指示摄像系统120以在图案被投影的状态下拍摄图像，并且从摄像系统120获取通过拍摄而获得的视差图像对。如图2B所示，投影设备110在从测量设备150接收到指示的情况下，通过图案单元112和投影光学系统111来在投影轴114的方向上在被摄体上投影图案200。摄像系统120在从测量设备150接收到指示的情况下使用第一照相机130和第二照相机140拍摄被摄体与图案200的视差图像。
在步骤S1502中，距离/形状计算单元153根据所拍摄视差图像上的被摄体的位置和图案图像的位置以及视点之间的位置关系，使用被动式立体法的已知方法来计算与被摄体相关的一次距离信息。
接着，在步骤S1503中，相对位置计算单元154根据被摄体的一次距离信息以及视差图像上的图案图像的位置，来计算出射光瞳113的位置和投影轴114，其中该出射光瞳113的位置和投影轴114是投影设备110相对于摄像系统120的第一入射光瞳133的位置和姿势。注意，在本实施例中，将给出采用以第一照相机130的位置和姿势为基准的相对位置和姿势来作为投影设备110的位置和姿势的说明。然而，也可以采用以第二照相机140的位置和姿势为基准的相对位置和姿势。
接着，在步骤S1504中，距离/形状计算单元153根据计算出的投影设备110的位置和姿势、摄像系统120的位置和姿势以及视差图像上的图案图像的位置，使用图案投影立体法的已知方法来计算被摄体的二次距离信息。
然后，在步骤S1505中，控制单元151将计算出的二次距离信息存储在存储单元(未示出)中，或者经由记录单元或通信单元等将其输出至外部设备。这里，投影设备110的出射光瞳113与摄像系统120的第一入射光瞳133之间的距离(基线长度)比摄像系统120的第一入射光瞳133与第二入射光瞳143之间的距离(基线长度)长。因此，通过投影设备110所执行的图案投影立体法而获得的二次距离信息的距离精度比通过摄像系统120所执行的被动式立体法而获得的一次距离信息的距离精度高。因此，摄像系统120的第一照相机130和第二照相机140仅需要保持基线长度比获得期望测量精度所需的基线长度更短的位置关系，由此可以以更简单的结构获得更高的距离测量精度。
此外，如图3A所示，除了图2A中进行的处理之外，控制单元151还可进行步骤S1506的处理，在步骤S1506中，通过将由被动式立体法所获得的一次距离信息和由图案投影立体法所获得的二次距离信息进行整合来获得被摄体的距离信息。注意，图3A的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。根据投影设备110的位置和被摄体的形状之间的关系，存在出现由于被摄体的阴影而未投影图案的区域的情况。在这种情况下，可以利用使用被摄体图案作为线索的被动式立体法来获取一次距离信息，由此，通过将一次距离信息与二次距离信息进行整合，可以获得没有损失的距离信息。
接着，将使用图4描述根据被摄体的一次距离信息以及视差图像上的图案图像的位置来计算表示投影设备110的位置和姿势的出射光瞳113的位置和投影轴114的方法，该方法在步骤S1503中通过控制单元151来执行。图4示出通过在被摄体300上投影图案来测量距离的情况。从投影设备110的出射光瞳113在投影轴114的方向上投影图案，并且获取与第一照相机130的第一入射光瞳133以及第二照相机140的第二入射光瞳143相关的视差图像。首先，针对在被摄体300的表面上形成的图案上的任意两点(图案201、图案202)计算一次距离信息，并且获得图案相对于第一照相机130的第一入射光瞳133的位置的相对位置坐标。相对于第一入射光瞳133的相对位置坐标是在例如以第一入射光瞳133为原点，连接第一入射光瞳133和第二入射光瞳143的直线为一个轴并且在垂直于该轴的方向上设置另一轴的直角坐标系中的位置坐标。接着，当图案201和图案202之间的投影角表示为θ1时，获得通过图案201和图案202的两点的圆310，其中θ1是圆周角。这里，投影设备的出射光瞳113存在于圆310的圆周上的某位置处。注意，投影角θ1是关于投影设备110的已知信息，并且例如根据图案单元112和投影光学系统111之间的几何关系来确定。接着，计算与被摄体300表面上形成的图案上的另一点(图案203)相关的一次距离信息，并且获得图案相对于第一照相机130的第一入射光瞳133的位置的相对位置坐标。当图案202和图案203之间的投影角表示为θ2时，获得通过图案202和图案203的两点的圆311，其中θ2是圆周角。这里，投影设备的出射光瞳113存在于圆311的圆周上的某位置处。即，圆310和圆311的交点中的、不为图案202的交点指示出射光瞳113的位置。在本实施例中，选择投影轴上的图案作为图案202。这里，包括连接出射光瞳113的位置和图案202的位置的线段的直线指示投影轴114。如上所述，可根据被摄体的一次距离信息以及视差图像上的图案图像的位置来计算表示投影设备110的位置和姿势的、出射光瞳113的位置和投影轴114。
注意，虽然在本实施例中，使用被摄体表面上的三个点的相对位置信息，但是也可以使用与四个点或多于四个点相关的信息，使用平均化处理等来以更高的精度获得出射光瞳113的位置和投影轴114。此外，如果存在与出射光瞳113的位置坐标以及投影轴114的方向相关的先验信息，则可以利用两个点的相对位置信息来获得出射光瞳113的位置和投影轴114。例如，如果已知投影轴114相对于以第一入射光瞳133为原点的坐标系的倾斜度，则根据两个点的相对位置信息而获得的圆310和穿过图案202的位置的投影轴114之间的交点指示出射光瞳113的位置。注意，使用如图4所示的几何关系来获得投影设备110的出射光瞳113的位置和投影轴114的方法不限于本实施例中所示的处理步骤。该方法仅需要是使用摄像系统120所获取的视差图像上的图案图像位置以及视点之间的位置关系作为输入信息来获得投影设备相对于至少一个视点的相对位置的方法，并且也可以是不使用诸如一次距离信息等的中间数据的方法。
在本实施例中，使用图4描述了获得投影设备110的位置和姿势的方法，其中在包括连接摄像系统120的第一入射光瞳133和第二入射光瞳143的线段的二维平面中绘制了图(构造)。如果在此二维平面中不存在投影设备110的出射光瞳113的位置，则也可以在包括第一照相机130的第一入射光瞳133且与图4中所示的平面正交的平面上使用几何关系获得投影设备110的位置和姿势。可以通过将在这些平面上获得的位置和姿势进行组合来获得三维的位置和姿势。注意，优选地，投影设备110被配置在连接摄像系统120的第一入射光瞳133和第二入射光瞳143的直线的延长线上的位置处。据此，仅需要在二维平面上获得投影设备110的位置和姿势，并且可以减少计算量，由此可以实现高速化并且可以抑制功耗。
根据如上所述的结构，在本实施例中，仅需要保持基线长度比获得期望测量精度所需要的基线长度短的位置关系，由此可以以更简单的结构稳定地获得高的距离测量精度。
此外，可以获得投影设备110的位置和姿势，因此必要时可改变投影设备110的位置和姿势，而不是将投影设备110的位置和姿势固定于预定状态。因此，可以确定图案被投影的方向以及图案的位置，以使得将不会产生由于被摄体的形状而导致的阻挡，因此可以大幅地扩展被摄体可被测量的条件。注意，并非每次进行测量时均需要获得投影设备110的位置和姿势。例如，可以是这样的结构，使得当主动地改变投影设备110的位置和姿势时，或者考虑由于环境温度改变或诸如振动等的扰动而导致的位置关系的改变时，获得投影设备110的位置和姿势。
注意，要被投影的图案优选是条纹图案，在该条纹图案中，在与连接摄像系统120的第一入射光瞳133和第二入射光瞳143的直线相垂直的方向上延伸的线段在该直线的方向上(视差图像对中出现视差的方向)大致周期性地排列。根据这样的结构，可获取在摄像系统120的视差方向上对比度高的视差图像，以及可提高通过被动式立体法的一次距离信息的测量精度。在摄像系统120中，还可以在进行测试图案投影之后以基于拍摄测试图案的所拍摄图像动态地配置图案的模式来实现这样的良好的图案投影。
此外，期望的是，条纹图案的至少一个线段(条纹)具有与其它线段的颜色或形状不同的颜色或形状。据此，可减小在比较视差图像时的误差，并且可减小测量误差。特别地，相对于其它线段的颜色或形状改变投影轴114上的图案的颜色或形状，作为结果，可以简化投影轴114的计算。此外，优选地，还预先在摄像系统侧存储了与为了测量一次距离信息而要被投影的图案200(图案之间的位置关系)相关的信息，如此使得当摄像系统120识别投影的图案图像时，可以了解图案之间的相对位置关系。据此，摄像系统120根据图案之间的位置关系(例如，条纹图案中的条纹之间的位置关系)容易地估计处于图案被投影的位置处的被摄体的在光瞳分割方向上的位置关系。
此外，可以采用在使用被动式立体法获得投影设备的相对位置时使用的图案与在利用图案投影立体法获取距离信息时使用的图案不同的结构。此外，除图2A中所示的处理之外，测量系统100可使用图3B中所示的流程进行测量。注意，图3B的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或者通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。在步骤S1503之后，在步骤S1507中，投影设备110投影诸如在图案投影立体法中通常使用的随机点或梯级(grade)等的图案，通过摄像系统120对要被投影图案的被摄体进行拍摄，并且获取视差图像对。根据这样的结构，可以使用适用于各个方法的图案，并且可以进行具有更高精度的位置计算和距离测量。此外，通过将在图案投影立体法中使用的图案改变为适用于使用一次距离信息的被摄体的形状的图案(诸如改变图案的精细度)并且投影改变后的图案，可以以更高的精度获取距离信息。
[第二实施例]
接着，将使用图5A和5B描述第二实施例。如图5A所示，第二实施例与第一实施例不同点在于：摄像系统120由照相机400构成。处理流程包括图2A中所示的示例，并且与第一实施例的处理流程相同。
照相机400由摄像光学系统401和图像传感器402构成。在图像传感器402中，一个像素包括两个光电转换单元。如图5B所示，图像传感器402的各个像素由微透镜403、第一光电转换单元404和第二光电转换单元405构成。经由微透镜403，光电转换单元和摄像光学系统401的光瞳处于光学共轭关系，并且通过将摄像光学系统的光瞳进行分割来获取来自不同视点的视差图像。使用来自第一光电转换单元404的图像信号而获得的图像与以第一实施例中的第二入射光瞳143为视点的图像相对应，该第二入射光瞳143与摄像光学系统401的光瞳区域的一部分相对应。此外，使用来自像素的第二光电转换单元405的图像信号而获得的图像是以第一实施例中的第一入射光瞳133为视点的图像，该第一入射光瞳133与摄像光学系统401的光瞳区域的另一部分相对应。此外，使用通过将来自像素的第一光电转换单元404的图像信号以及来自像素的第二光电转换单元405的图像信号相加所获得的信号而获得的图像是以入射光瞳406为视点的图像。
如上所述，在本实施例中，与使用多个照相机的第一实施例不同，可以使用一个摄像光学系统401和一个图像传感器402来获取视差图像对，由此摄像系统可被配置为机械稳定并且基线长度短，并且可以以更简单的结构获得稳定且高的距离测量精度。
此外，还获取在不投影图案的情况下通过拍摄而获得的普通图像，因此可获取具有与普通图像相同的视点的测量值，并且将测量值作为中间信息添加到图像中，或者将测量值用于识别，结果实现具有更高的识别精度的摄像设备。
[第三实施例]
接着，将使用图6A和6B描述第三实施例。注意，图6A的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或者通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。图6A示出处理流程，并且在步骤S1511中，投影并拍摄图案。图6B示出具有作为第一入射光瞳133的视点的图像的示例，其中该图像是使用图5A中所示的测量系统100通过投影设备110投影图案以及摄像系统120进行拍摄来获得的。要被投影的图案优选是条纹图案，在该条纹图案中，在与连接摄像系统120的第一入射光瞳133和第二入射光瞳143的直线相垂直的方向上延伸的线段在该直线方向上大致周期性地排列。被摄体是平面状表面以及位于该平面状表面上的半球状物体。
在步骤S1512中，距离/形状计算单元153使用被动式立体法根据所拍摄视差图像计算被摄体的一次距离信息。
接着，在步骤S1513中，距离/形状计算单元153根据一个视差图像中的条纹图案图像的条纹间隔来生成表面法线信息。条纹图案图像的条纹间隔指示表面在条纹周期方向上的倾斜度，并且当表面正对观测方向时，条纹间隔与投影图案的条纹间隔相同，并且当表面法线倾斜时，条纹间隔减小。如图6B所示，例如在作为平面状表面的区域210中的条纹是直线并且等间隔。另一方面，在作为弯曲表面的区域211中的条纹是曲线，并且条纹间隔根据位置而改变。
在步骤S1513中，距离/形状计算单元153获得位于图像上的位置处的局部条纹间隔，并且据此，可以获取处于被摄体的局部位置处的表面法线信息。此外，在步骤S1514中，距离/形状计算单元153通过整合表面法线信息与一次距离信息来生成高精度的距离和形状信息。
然后，在步骤S1515中，控制单元151将计算出的高精度的距离和形状信息存储在存储单元(未示出)中，或者经由记录单元或通信单元等将其输出至外部设备。
使用被动式立体法获得的一次距离信息和使用条纹间隔获得的表面法线信息是微分和积分之间的关系。即，表面法线的积分通常与距离信息相同，或者表面法线通常与距离信息的微分相同。因此，距离/形状计算单元153比较距离信息和表面法线，并且可以通过消除明显误差值以及平均化来减少偏差。可替代地，针对平面状表面部分使用通过将表面法线进行积分获得的信息，并且在水平差异(level difference)部分处使用距离信息以获得水平差异量，并且据此可以抑制偏差。以这种方法，将一次距离信息和表面法线信息进行整合，由此相对于使用单一测量方法获得的距离和形状信息，可以获取高精度的距离和形状信息。注意，可交换步骤S1512和步骤S1513的顺序。
此外，这里，如图7A所示，也可以是这样的结构：通过附加进行步骤S1516中的处理，以使得当使用被动式立体法获得一次距离信息时使用的图案相对于当根据条纹间隔获取表面法线信息时使用的图案发生改变。注意，图7A的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。在步骤S1516中，控制单元151经由通信单元指示投影设备110投影图案，并且还经由通信单元指示摄像系统120在图案被投影的状态下拍摄图像，并且从摄像系统120重新获取通过拍摄而获得的视差图像对。这里，期望的是，在步骤S1516中获取表面法线信息时使用的图案的条纹间隔比在步骤S1511中获得一次距离信息时使用的图案的条纹间隔小。据此，可以获取空间上密集的表面法线信息。当获得表面法线信息时，可以切换并投影正交的条纹图案，或者可投影通过将正交的条纹图案进行组合来获得的双十字图案或者虚线图案。根据这样的结构，可获得彼此正交的轴线方向上的法线，由此可以以更高的精度获得与被摄体相关的表面法线信息。
此外，可以基于一次距离信息来选择在获取表面法线信息时的图案。例如，随着与投影设备的距离增大，投影图案图像变得粗糙，并且随着距离减小，投影图案图像变得精细，由此根据距离控制图案以使得实现获取表面法线信息所需要的条纹间隔。此外，可根据一次距离信息粗略地掌握表面倾斜方向，由此，通过选择并投影条纹在与倾斜方向垂直的方向上延伸的条纹图案，或者通过投影精细图案，可以以高精度获取表面倾斜量(表面法线的倾斜量)。
此外，还可基于表面法线信息来选择被动式立体法中使用的图案。当表面法线倾斜时，条纹图案图像变得过于粗糙，视差图像不能彼此对比，并且距离测量精度降低，由此针对倾斜的表面增大投影图案的精细度。据此，可获取高精度的距离信息。因此，可投影适合于被摄体的形状的图案，由此可以以更高的精度获取距离信息。
此外，期望的是，在获取表面法线信息时的图案是如下的条纹图案，在该条纹图案中，在与连接投影设备110和摄像系统120的视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在该直线的方向上大致周期性地排列。根据这样的结构，条纹间隔相对于表面法线的改变增大，由此可以以高精度检测表面法线。
此外，如图7B所示，还可使用用图案投影立体法获取的距离信息。注意，图7B的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。
在步骤S1517中，相对位置计算单元154根据与被摄体相关的一次距离信息以及视差图像上的图案图像的位置来计算投影设备110相对于摄像系统120的位置和姿势。
接着，在步骤S1518中，距离/形状计算单元153根据计算出的投影设备110的位置和姿势、摄像系统120的位置和姿势以及视差图像上的图案图像的位置，使用图案投影立体法来计算与被摄体相关的二次距离信息。
在步骤S1514中，距离/形状计算单元153在一次距离信息、二次距离信息和表面法线信息之间进行比较，以及进行误差值的消除和平均化，由此可获取更稳定且更高精度的距离和形状信息。如上所述，在本实施例中，通过将使用被动式立体法获得的一次距离信息以及通过使用条纹间隔而获得的表面法线信息进行整合来计算一个距离和形状信息，结果，可生成更高精度的距离和形状信息。
[第四实施例]
在本实施例中，通过基于投影设备110所投影的条纹图案分析图像中的条纹的连续性来提取被摄体的边界区域，并且使用此信息来以高精度获取距离和形状信息。下面将使用图8A描述根据本实施例的处理流程。注意，图8A的流程中的各处理还通过测量设备150的控制单元151或通过根据控制单元151的控制而操作的块来执行。
在步骤S1521中，控制单元151经由通信单元指示投影设备110投影条纹图案，经由通信单元指示摄像系统120在条纹图案被投影的状态下拍摄图像，并且从摄像系统120获取通过拍摄而获得的视差图像对。
接着，在步骤S1522中，距离/形状计算单元153生成被摄体的边界部分信息。在图6B中，在作为平面状表面的区域210中的条纹是相同方向的线，并且在作为弯曲表面的区域211中的条纹中，线的方向改变但是改变小。另一方面，在距离变化更大的区域(边界部分)212中，线的方向急剧地变化。图8B示出由平面状表面以及位于近侧且在深度方向上与平面状表面分离的平面状表面物体所构成的被摄体的图像的示例，并且在包括深度方向上的水平差异的被摄体的边界部分222中，条纹线是断开且不连续的。以这种方法，分析条纹连续性，因此可以提取距离变化大的区域(即，被摄体的边界部分)。
在步骤S1523中，距离/形状计算单元153使用被动式立体法根据所拍摄视差图像来计算被摄体的一次距离信息。
接着，在步骤S1524中，距离/形状计算单元153使用被摄体的边界部分信息根据一次距离信息生成高精度的距离和形状信息。在距离变化大的边界区域中，立体法的精度原则上会降低。因此，对于提取的边界区域，在不使用用立体法获得的一次距离信息的情况下，通过将夹着边界区域的区域中的各个区域的一次距离信息扩展到边界部分来生成距离和形状信息。例如，在图8B所示的示例中，相对于边界部分222，对区域221侧使用与区域221相关的一次距离信息，并且对区域220侧使用与区域220相关的一次距离信息。例如，在图6B所示的示例中，相对于边界部分212，对区域210侧使用与区域210相关的一次距离信息，并且对区域211侧生成一次距离信息以使得区域211中的表面法线连续地变化。以这种方式，基于条纹形状提取被摄体的边界区域并且基于此结果获得距离信息，由此即使关于距离变化大的边界部分，也可以以高精度获得距离和形状信息。这里，使用用图案投影立体法获得的二次距离信息以及根据条纹间隔获得的表面法线信息，由此可以以更高的精度获得与被摄体相关的距离和形状信息。
然后，在步骤S1525中，控制单元151将计算出的高精度的距离和形状信息存储在存储单元(未示出)中，或者经由记录单元或通信单元等将其输出至外部设备。
如上所述，根据所述本实施例，通过投影设备110投影条纹图案光，通过分析包括被摄体和图案光的图像中的条纹连续性来提取被摄体的边界区域，可通过使用与边界区域相关的信息来以更高的精度获取距离和形状信息。
[其它实施例]
本发明可通过将用于处理根据上述典型实施例的功能的程序经由网络或存储介质供给至系统或设备并且使系统或设备的计算机中的一个或多于一个处理器读取并执行该程序的处理来实现。此外，本发明还可以通过用于实现一个或多于一个功能的电路(例如ASIC)来完成。
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的精神和范围内形成各种变化和变形。因此，附上权利要求书以向公众告知本发明的范围。
本申请要求于2019年6月28日提交的日本专利申请2019-122099以及于2020年6月19日提交的日本专利申请2020-106407的优先权和权益，并通过引用将其整体并入本文中。

Claims (24)

1.一种测量设备，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；以及
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，
其中，所述视点之间的距离比所述投影设备与所述视点之间的距离短，
所述测量设备还包括：
相对位置计算部，用于根据所述图像组上的图案图像位置以及所述视点之间的位置关系来获得所述投影设备相对于所述视点中的至少一个视点的相对位置，
其中，根据所述相对位置以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取与所述被摄体相关的距离信息。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述投影设备的位置和姿势是可变的。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，所述投影设备被配置在连接两个所述视点的直线的延长线上的位置处。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的测量设备，其中，在获得所述相对位置时使用的图案与在获取所述距离信息时使用的图案不同。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的测量设备，其中，所述图案是条纹图案，在所述条纹图案中，与连接两个所述视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在所述直线的方向上大致周期性地排列。
6.根据权利要求5所述的测量设备，其中，所述条纹图案中的至少一个线段的颜色和/或形状与其它线段的颜色和/或形状不同。
7.根据权利要求5或6所述的测量设备，其中，使用所述图像的局部位置处的所述条纹图案的图案图像的局部条纹间隔来获取所述被摄体的所述局部位置处的表面法线信息。
8.根据权利要求7所述的测量设备，其中，根据所述表面法线信息、所述相对位置以及所述视点处的图像上的所述图案图像位置来获取所述被摄体的距离信息。
9.根据权利要求7或8所述的测量设备，其中，根据所述表面法线信息、所述相对位置、所述视点处的图像上的图案图像位置、所述视点之间的距离以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取所述被摄体的距离信息。
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的测量设备，其中，在获取所述表面法线信息时使用的图案与在获取所述图案图像位置时使用的图案不同，并且在获取所述表面法线信息时使用的图案中的条纹图案间隔更小。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的测量设备，其中
所述图案是包括线段的图案，以及
通过基于所述图像上的所述线段的图案图像的所述形状提取所述被摄体的边界区域并且使用与所述边界区域相关的信息，来获取所述被摄体的距离信息。
12.一种测量设备，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；以及
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，
其中，所述图案包括条纹图案，在条纹图案中，与连接两个所述视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在所述直线的方向上大致周期性地排列，
使用所述条纹图案在至少一个视点处的图像上的图案图像的局部位置处的条纹间隔，来获取所述被摄体的所述局部位置处的表面法线信息，以及
根据所述表面法线信息、所述视点之间的距离以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取所述被摄体的距离信息。
13.根据权利要求12所述的测量设备，其中，在获取所述表面法线信息时使用的图案与在获取所述图案图像位置时使用的图案不同，并且在获取所述表面法线信息时使用的图案中的条纹图案间隔更小。
14.根据权利要求12或13所述的测量设备，其中，在获取所述表面法线信息时使用的图案包括条纹图案，在所述条纹图案中，与连接所述投影设备和所述摄像系统的视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在所述直线的方向上大致周期性地排列。
15.一种测量设备，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；以及
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，
其中，所述图案是包括线段的图案，以及
通过基于所述图像上的所述线段的图案图像的形状提取所述被摄体的边界区域并且使用与所述边界区域相关的信息，来获取被摄体的距离信息。
16.根据权利要求1-15中任意一项所述的测量设备，其中，所述摄像系统包括光瞳被分割的光学系统，并且拍摄多个视点处的图像组。
17.一种摄像设备，包括：
权利要求1-16中任意一项所述的测量设备；以及
其中，所述摄像系统还获取在不投影所述图案的情况下拍摄的图像。
18.一种测量系统，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组；以及
测量设备，其连接至所述投影设备和所述摄像系统，
其中，所述视点之间的距离比所述投影设备与所述视点之间的距离短，
所述测量设备还包括：
相对位置计算部，其用于根据所述图像组上的图案图像位置以及所述视点之间的位置关系来获得所述投影设备相对于所述视点中的至少一个视点的相对位置，
其中，根据所述相对位置以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取与所述被摄体相关的距离信息。
19.一种测量系统，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组；以及
测量设备，其连接至所述投影设备和所述摄像系统，
其中，所述图案包括条纹图案，在所述条纹图案上，与连接两个所述视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在所述直线的方向上大致周期性地排列，以及
所述测量设备
使用所述条纹图案在至少一个视点处的图像上的图案图像的、在局部位置处的条纹间隔，来获取所述被摄体的所述局部位置处的表面法线信息，以及
根据所述表面法线信息、所述视点之间的距离以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取所述被摄体的距离信息。
20.一种测量系统，包括：
投影设备，其被配置为在被摄体上投影预定图案；
摄像系统，其被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组；以及
测量设备，其连接至所述投影设备和所述摄像系统，
其中，所述图案是包括线段的图案，以及
所述测量设备通过基于所述图像上的所述线段的图案图像的形状提取所述被摄体的边界区域并且使用与所述边界区域相关的信息，来获取所述被摄体的距离信息。
21.一种测量设备的控制方法，所述测量设备包括投影设备和摄像系统，所述投影设备被配置为在被摄体上投影预定图案，所述摄像系统被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，其中所述视点之间的距离比所述投影设备与所述视点之间的距离短，
所述控制方法包括：
相对位置计算步骤，用于根据所述图像组上的图案图像位置以及所述视点之间的位置关系来获得所述投影设备相对于所述视点中的至少一个视点的相对位置，
其中，根据所述相对位置以及在所述视点处的图像上的图案图像位置来获取与所述被摄体相关的距离信息。
22.一种测量设备的控制方法，所述测量设备包括投影设备和摄像系统，所述投影设备被配置为在被摄体上投影预定图案，所述摄像系统被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，其中
所述图案包括条纹图案，在该条纹图案中，与连接两个所述视点的直线相垂直的方向上延伸的线段在所述直线的方向上大致周期性地排列，以及
所述控制方法包括：
使用所述条纹图案在至少一个视点处的图像上的图案图像的、在局部位置处的条纹间隔，来获取所述被摄体的所述局部位置处的表面法线信息，以及
根据所述表面法线信息、所述视点之间的距离以及所述视点处的图像上的图案图像位置来获取所述被摄体的距离信息。
23.一种测量设备的控制方法，所述测量设备包括投影设备和摄像系统，所述投影设备被配置为在被摄体上投影预定图案，所述摄像系统被配置为拍摄来自至少两个不同的视点的图像组，其中
所述图案是包括线段的图案，以及
所述控制方法包括：
基于所述图像上的所述线段的图案图像的形状来提取被摄体的边界区域，以及
使用与所述边界区域相关的信息来获取所述被摄体的距离信息。
24.一种程序，用于使计算机用作根据权利要求1-16中任意一项所述的所述测量设备。
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