JP2000020723A - モデル製作装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容易にかつ高速に、３次元モデルを製作する
ことができるようにする。 【解決手段】 オブジェクト１は、例えば、人間の顔な
ど、３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）により特定することがで
きる立体的な面である。３次元距離センシング部１１
は、オブジェクト１を撮像し、その結果得られる画像デ
ータに対して後述する処理を施して、オブジェクト１の
距離データを算出し、オブジェクト１の撮影画像ととも
に、３次元モデルデータ生成部１２に出力する。３次元
モデルデータ生成部１２は、３次元距離センシング部１
１から供給されるオブジェクト１の距離データに対して
後述する処理を施して、３次元モデルの距離データを生
成し、３次元モデル製作部１３に出力する。３次元モデ
ル製作部１３は、３次元モデルデータ生成部１２から供
給される３次元モデルの距離データに基づいて、容易に
変形させることができる平面上の紙、または薄い樹脂か
らなる加工材料２を加工し、オブジェクト１に類似した
３次元モデル３を製作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モデル製作装置お
よび方法に関し、特に、容易にかつ高速に、立体モデル
を製作することができるようにしたモデル製作装置およ
び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、人間の顔（対象物）をカメラで
撮影し、その結果得られた画像と、予め記憶している他
の画像とを合成し、その場でプリントアウトする装置、
通称、プリントクラブ（商標）装置が、現在普及してい
る。この装置は、いわゆる、２次元画像データを処理
し、２次元モデルを製作する装置で、小型化され、容易
にかつ高速に、２次元モデルを製作することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、立体的なモデル
（以下、３次元モデルと称する）を製作する装置は、従
来、対象物を忠実に再現することが目的とされているの
で、３次元スキャナーによりまたは手作業により、詳細
な３次元データをＣＡＤに入力しておく必要があり、そ
のデータ入力に時間と手間がかかる課題があった。ま
た、大型な加工装置が必要とされ、さらに加工自体に時
間がかかる課題があった。

【０００４】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、容易にかつ高速に、３次元モデルを製作で
きるようにするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のモデル
製作装置は、立体対象物の距離データを算出する算出手
段と、算出手段により算出された立体対象物の距離デー
タに基づいて、立体モデルの距離データを生成する生成
手段と、生成手段により生成された立体モデルの距離デ
ータに基づいて、立体モデルを製作する製作手段とを備
えることを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載のモデル製作方法は、立体
対象物の距離データを算出する算出ステップと、算出ス
テップで算出された立体対象物の距離データに基づい
て、立体モデルの距離データを生成する生成ステップ
と、生成ステップで生成された立体モデルの距離データ
に基づいて、立体モデルを製作する製作ステップとを含
むことを特徴とする。

【０００７】請求項１に記載のモデル製作装置および請
求項に記載のモデル製作方法においては、立体対象物の
距離データが算出され、算出された立体対象物の距離デ
ータに基づいて、立体モデルの距離データが生成され、
生成された立体モデルの距離データに基づいて、立体モ
デルが製作される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
するが、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の
実施の形態との対応関係を明らかにするために、各手段
の後の括弧内に、対応する実施の形態（但し一例）を付
加して本発明の特徴を記述すると、次のようになる。但
し勿論この記載は、各手段を記載したものに限定するこ
とを意味するものではない。

【０００９】請求項１に記載のモデル製作装置は、立体
対象物の距離データを算出する算出手段（例えば、図１
の３次元距離センシング部１１）と、算出手段により算
出された立体対象物の距離データに基づいて、立体モデ
ルの距離データを生成する生成手段（例えば、図１の３
次元モデルデータ生成部１２）と、生成手段により生成
された立体モデルの距離データに基づいて、立体モデル
を製作する製作手段（例えば、図１の３次元モデル製作
部１３）とを備えることを特徴とする。

【００１０】図１は、本発明を適用した３次元モデル製
作装置１０の構成例を表している。この例において、オ
ブジェクト１は、例えば、人間の顔など、３次元座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）により特定することができる立体的な面
である。３次元距離センシング部１１は、オブジェクト
１を撮像し、その結果得られる画像データに対して後述
する処理を施して、オブジェクト１の距離データを算出
し、オブジェクト１の撮影画像とともに、３次元モデル
データ生成部１２に出力するようになされている。

【００１１】３次元モデルデータ生成部１２は、３次元
距離センシング部１１から供給されるオブジェクト１の
距離データに対して後述する処理を施して、３次元モデ
ルの距離データを生成し、３次元モデル製作部１３に出
力するようになされている。

【００１２】３次元モデル製作部１３は、３次元モデル
データ生成部１２から供給される３次元モデルの距離デ
ータに基づいて、容易に変形させることができる平面上
の紙、または薄い樹脂からなる加工材料２を加工し、オ
ブジェクト１に類似した３次元モデル３を製作するよう
になされている。

【００１３】制御部１４は、各部を制御し、各種の処理
を実行するようになされている。

【００１４】以上のような各部から構成される３次元モ
デル製作装置１０は、加工材料２を加工し、人間が見て
オブジェクト１に似ていると感じる程度の３次元モデル
３を、容易にかつ高速に、製作することができる小型の
装置である。

【００１５】図２は、３次元距離センシング部１１、３
次元モデルデータ生成部１２、および３次元モデル製作
部１３の内部の構成例を表している。

【００１６】３次元距離センシング部１１のＮ個のビデ
オカメラ２１−１乃至２１−Ｎ（以下、個々に区別する
必要がない場合、単に、ビデオカメラ２１と称する。他
の装置についても同様である）は、所定の位置関係を保
って固定されており、この例の場合、ビデオカメラ２１
−１が基準とされ、オブジェクト１の正面に配置され、
そしてそれを中心にして、他のビデオカメラ２１−２乃
至２１−Ｎがオブジェクト１の周りを囲むように配置さ
れている。ビデオカメラ２１−１乃至２１−Ｎはまた、
同期を取りつつ、オブジェクト１を撮像し、その撮像結
果であるディジタルビデオ信号１０１−１乃至１０１−
Ｎを視差計算部２２に出力する。

【００１７】視差計算部２２は、基準とされたビデオカ
メラ２１−１により供給されるディジタルビデオ信号１
０１−１に対応する画像（以下、オブジェクト基準画像
と称する）と、他のビデオカメラ２１−２乃至２１−Ｎ
から供給されるディジタルビデオ信号１０１−２乃至１
０１−Ｎのそれぞれに対応する各画像（以下、オブジェ
クト画像と称する）との視差１０２−１乃至１０２−Ｍ
を算出し、ステレオ距離変換部２３に出力する。なお、
この処理は、具体的には、ビデオカメラ２１により供給
されるディジタルビデオ信号１０１を、視差計算部２２
に内蔵されるフレームメモリに描画することで行われ
る。

【００１８】すなわち、視差計算部２２は、ビデオカメ
ラ２１−１により出力されるオブジェクト基準画像から
複数の画素を含む小領域を切り出し、この切り出した領
域と最も画素値の一致度が高い領域を、ビデオカメラ２
１−２乃至２１−Ｎから出力されるオブジェクト画像の
それぞれにおいて検索する。そして、小領域から、検出
された一致度が最も高い領域までの変位量を、切り出し
領域の中心画素における視差１０２とする。

【００１９】３次元距離センシング部１１のステレオ距
離変換部２３は、制御部１４から供給される、ビデオカ
メラ２１のオブジェクト１に対する位置やビデオカメラ
２１（具体的には、内蔵するレンズ）のオブジェクト１
に対する角度などのビデオカメラ２１の位置情報および
レンズパラメータに基づいて、視差計算部２２により計
算された視差１０２を、オブジェクト１の表面の各点Ｐ
Mまでの距離データ１０３−１乃至１０３−Ｍに変換
し、３次元モデルデータ生成部１２の３次元モデルデー
タ変換部３１に出力する。

【００２０】なお、オブジェクト１の全周の３次元モデ
ルを製作する場合、オブジェクト１の全周を撮像するこ
とができるように、ビデオカメラ２１を移動させるか、
またはビデオカメラ２１をオブジェクト１の全周に配置
する。

【００２１】また、以上のように複数のビデオカメラか
らの画像を用いて距離データを算出するのは、統計的な
処理により測定精度を向上させるためであるので、当
然、１つのビデオカメラからの画像を用いて距離データ
を算出することもできる。この場合、算出された距離デ
ータは、３次元モデルデータ生成部１２に供給されず、
３次元モデル製作部１３に直接供給される。

【００２２】また、ビデオカメラにより供給される画像
から、カラー画像データを抽出し、抽出したカラー画像
データと上述した距離データとを組み合わせて用い、新
たにより詳細な距離データを生成することもできる。

【００２３】図２の３次元モデルデータ生成部１２の３
次元モデルデータ変換部３１は、制御部１４から供給さ
れる各ビデオカメラ２１の位置情報およびレンズパラメ
ータに基づいて、３次元距離センシング部１１のステレ
オ距離変換部２３から供給される距離データ１０３を、
３次元モデル３の状態（３次元モデル３の大きさ、位
置）に対応する座標データ（ＸM，ＹM，ＺM）２０１−
１乃至２０１−Ｍに変換し、３次元モデルデータ生成部
１２の合成部３２に出力する。

【００２４】３次元モデルデータ生成部１２の合成部３
２は、３次元モデルデータ変換部３１から出力される座
標データ２０１を、ビデオカメラ２１−１から出力され
るディジタルビデオ信号１０１−１に対応するフォーマ
ットのディジタル距離信号２０２に変換し、３次元モデ
ル製作部１３のソレノイド制御部４１に出力する。

【００２５】なお、合成部３２は、３次元モデルデータ
変換部３１からの座標データ２０１と、予め記憶してい
る他の画像データとを合成したり、またその差分を検出
し、検出した差分を強調するような、ディジタル距離信
号２０２を生成することもできる。

【００２６】３次元モデル製作部１３のソレノイド制御
部４１は、３次元モデルデータ生成部１２の合成部３２
から供給されるディジタル距離信号２０２に基づいて、
ソレノイド加工部４２を制御する。

【００２７】図３は、ソレノイド加工部４２の断面を表
している。ソレノイド６１−１乃至６１−Ｒ、加圧ピン
６２−１乃至６２−Ｒ、および位置センサ６３−１乃至
６３−Ｒが、挿入されている加工材料２に対して、上下
に配置されている。なお、実際には、Ｘ軸方向と同様
に、Ｙ軸方向にもソレノイド６１、加圧ピン６２、およ
び位置センサ６３が配置されている。

【００２８】ソレノイド６１は、後述する電流ドライバ
５４（図４）から供給される電流に対応して、加圧ピン
６２を上下の一方向に移動させるリニアモータである。
加圧ピン６２は、ソレノイド６１に上下させられ、その
結果決定される高さＨに対応する圧力で、加工材料２を
加圧し、変形させる。位置センサ６３は、その可動部が
加圧ピン６２に連動され、加圧ピン６２の高さＨに対応
した抵抗値を出力する可変抵抗器である。

【００２９】図４は、ソレノイド制御部４１の内部の構
成例を表している。加圧ピン高さ計算部５１は、ディジ
タル距離信号２０２に対応した３次元モデルの面の各点
（ＸM，ＹM）の高さＺMに基づいて、ソレノイド加工部
４２の加圧ピン６２の高さＨを算出する。抵抗値計算部
５２は、加圧ピン６２が加圧ピン高さ計算部５１により
算出された高さＨに設定されたとき、位置センサ６３が
出力する抵抗値を計算する。

【００３０】抵抗値比較部５３は、抵抗値計算部５２に
より計算された抵抗値と、ソレノイド加工部４２の位置
センサ６３から出力される現在の抵抗値を比較して、そ
の差を検出し、電流ドライバ５４に出力する。電流ドラ
イバ５４は、抵抗値比較部５３において検出される抵抗
値の差に対応して、ソレノイド加工部４２のソレノイド
６１に電流を供給する。すなわち、ソレノイド加工部４
２の加圧ピン６２は、ソレノイド制御部４１の加圧ピン
高さ計算部５１により計算された高さＨに位置するよう
に、ソレノイド６１により上下される。

【００３１】次に、以上の実施の形態の動作について説
明する。この場合、図５に示す人間Ａの顔面Ｂをオブジ
ェクトとし、図６に示すようなキーホルダの飾りＣの３
次元モデルを製作するものとする。

【００３２】人間Ａが顔面Ｂをビデオカメラ２１−１に
向くように頭を固定させ、撮影処理を開始すると、図２
の３次元距離センシング部１１を構成するＮ個のビデオ
カメラ２１−１乃至２１−Ｎは、それぞれのアングルか
ら被写体（人間Ａの顔面Ｂ）を撮像し、得られたディジ
タルビデオ信号１０１−１乃至１０１−Ｎを出力する。

【００３３】３次元距離センシング部１１のビデオカメ
ラ２１から出力されたディジタルビデオ信号１０１は、
視差計算部２２に供給され、そこで、視差計算部２２に
内蔵されているフレームメモリに書き込まれ、以降、オ
ブジェクト基準画像およびオブジェクト画像として処理
される。視差計算部２２は、ビデオカメラ２１−１によ
り出力されたオブジェクト基準画像から所定の小領域を
切り出し、この小領域と最も一致度が高い領域を、ビデ
オカメラ２１−２乃至２１−Ｎから出力されたオブジェ
クト画像のそれぞれにおいて検索する。そして、検索の
結果得られた最も一致度が高い小領域に対する変位量を
求め、得られた変位量を、オブジェクト基準画像の切り
出し領域の中心画素における視差とする。視差計算部２
２は、このような処理を繰り返すことにより、オブジェ
クト基準画像の各画素（ＩM，ＪM）について、視差１０
２−１乃至１０２−Ｍを計算し、ステレオ距離変換部２
３に出力する。

【００３４】３次元距離センシング部１１のステレオ距
離変換部２３は、制御部１４から供給された各ビデオカ
メラ２１の位置情報やレンズパラメータに基づいて、視
差１０２を顔面Ｂの表面の各点ＰMまでの距離データ１
０３に変換する。

【００３５】ステレオ距離変換部２３から出力された距
離データ１０３は、３次元モデルデータ生成部１２の３
次元モデルデータ変換部３１に供給され、そこで、３次
元モデル３の形状に対応する座標データ（ＸM，ＹM，Ｚ
M）２０１に変換され、合成部３２に供給される。すな
わち、顔面Ｂの各部の位置関係が、３次元モデル３であ
るキーホルダの飾りＣにおける位置関係に変換される。
合成部３２は、３次元モデルデータ変換部３１から供給
された座標データ２０１を、ビデオカメラ２１−１から
供給されるディジタルビデオ信号１０１−１に対応する
フォーマットのディジタル距離信号２０２に変換し、出
力する。

【００３６】３次元モデル製作部１３のソレノイド制御
部４１は、ディジタル距離信号２０２に対応して、ソレ
ノイド加工部４２を制御する。すなわち、レノイド制御
部４１の加圧ピン高さ計算部５１が、ディジタル距離信
号２０２に基づいて、加圧ピン６２の高さＨを算出し、
抵抗値計算部５２が、加圧ピン２が加圧ピン高さ計算部
５１により算出された高さＨに位置するとき、位置セン
サ６３が出力すべき抵抗値を算出する。さらに、抵抗値
比較部５３が、抵抗値計算部５２により算出された抵抗
値と、位置センサ６３が現在出力する抵抗値との差を検
出し、そして電流ドライバ５４が、その差に対応する電
流値の電流をソレノイド加工部４２のソレノイド６１に
供給する。その結果、図７に示すように、加圧ピン６２
は、算出された高さＨになるように移動され、その高さ
Ｈに対応する圧力で、加工材料２を、加圧し、変形させ
る。

【００３７】最後に、変形された加工材料２に、図６に
示すような、顔面Ｂの絵柄が印刷される。この場合、イ
ンクが吹き付けられたまたは転写塗装された熱収縮チュ
ーブが、変形した加工材料２に巻き付けられたり、ま
た、変形した加工材料２に直接インクが吹き付けられ、
顔面Ｂの絵柄が印刷され、図６に示すキーホルダが完成
される。また、図８に示すように、加工される前の加工
材料２に顔面Ｂの絵柄を予め印刷しておくこともでき
る。このようにすることより、オブジェクトに、より類
似した３次元モデルを製作することができる。

【００３８】以上においては、３次元距離センシング部
１１が、ステレオ法に基づいてオブジェクト１の距離デ
ータを取得する場合を例として説明したが、図９に示す
ように、投影光７０とその反射光８０の飛行時間差に基
づいて、オブジェクト１の距離データを取得することも
できる。

【００３９】図９の変調器７１は、光源７２から出射さ
れる投影光７０の位相を変調する。光源７２は、変調器
７１により位相変調された投影光７０を、ダイクロック
ミラ７３に出射する。ダイクロックミラ７３に出射され
た投影光７０は、そこで反射され、レンズ７４およびス
キャニングミラ７５を介してオブジェクト１に投光され
る。オブジェクト１により反射された反射光８０は、ス
キャニングミラ７５、レンズ７４、およびダイクロック
ミラ７３を介して、受光センサ７６に入射される。受光
センサ７６は、入射された反射光８０の位相を検出し、
位相差検出器７７に出力する。

【００４０】位相差検出器７７には、変調器７１が投影
光７０に設定した位相のデータも供給されるので、そこ
で位相差検出器７７は、投影光７０の位相と反射光８０
の位相との差を検出し、位相差距離変換器７８に出力す
る。

【００４１】位相差距離変換器７８は、位相差検出器７
７により検出された位相差に基づいて、投影光７０と反
射光８０の飛行時間差を算出し、その算出結果に基づい
てオブジェクト１の表面の所定の点までの距離を計算す
る。スキャニングミラ７５が移動され、投影光７０がオ
ブジェクト１の各部に投光されることにより、図２の３
次元距離センシング部１１が出力する距離データ１０３
−１乃至１０３−Ｍと同様の距離データを生成すること
ができる。

【００４２】以上において、変調器７１は、投影光７０
の位相を変調するようにしたが、投影光７０の輝度を変
調することもできる。

【００４３】図１０は、三角測量の原理を利用して、オ
ブジェクト１の距離データを取得する場合の３次元距離
センシング部１１の他の構成例を表している。

【００４４】光源９１から出射された光９５は、ミラー
９２により２次元投影され、オブジェクト１に照射され
る。オブジェクト１による反射光９６は、センサ９３に
撮影される。光源９１、ミラー９２の位置、ミラー９２
の角度、およびセンサ９３の位置が予め決定されていれ
ば、センサ９３により撮影された光９５の位置によっ
て、三角測量の原理により、オブジェクト１の距離デー
タが計算される。

【００４５】なお、光源９１が点光源である場合、ミラ
ー９２を２次元にスキャン（移動）し、また、光源９１
がスリット光源である場合、ミラー９２を１次元にスキ
ャンすることにより、オブジェクト１の表面の各点の距
離データを算出することができる。

【００４６】以上においては、３次元モデル製作部１３
が、ソレノイドにより制御される加圧ピンにより加工材
料を変形させ、３次元モデルを製作する場合を例として
説明したが、光造形法を用い、３次元モデルを製作する
こともできる。例えば、図１１（Ａ）に示すような想定
する３次元モデル５０１の複数の断面の輪郭データに基
づいて、図１１（Ｂ）に示すような複数の輪郭枠５０２
を作製し、作製した輪郭枠を、図１２に示すような、例
えば、エポキシ系、ウレタン系、およびアクリル系から
なる液体紫外線硬化樹脂漕に浸水させ、レーザから出射
される紫外線を、照射させ、それを硬化させながら、漕
から引き上げるようにして、３次元モデルを製作するこ
ともできる。

【００４７】このように、オブジェクトの距離データを
取得する３次元距離センシング部１１、オブジェクトの
距離データを３次元モデルの距離データに変換する３次
元モデルデータ生成部１２、および３次元モデルの距離
データに基づいて３次元モデルを製作する３次元モデル
製作部１３から、３次元モデル製作装置を構成すること
より、３次元モデルを、容易にかつ高速に、製作するこ
とができる。

【００４８】なお、上記したような処理を行うコンピュ
ータプログラムをユーザに提供する提供媒体としては、
磁気ディスク、CD-ROM、固体メモリなどの記録媒体の
他、ネットワーク、衛星などの通信媒体を利用すること
ができる。

【００４９】

【発明の効果】請求項１に記載のモデル製作装置および
請求項２に記載のモデル製作方法によれば、立体対象物
の距離データを算出し、算出した立体対象物の距離デー
タに基づいて、立体モデルの距離データを生成し、生成
した立体モデルの距離データに基づいて、立体モデルを
製作するようにしたので、容易にかつ高速に、立体モデ
ルを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した３次元モデル製作装置の構成
例を表す図である。

【図２】図１の３次元距離センシング部１１、３次元モ
デルデータ生成部１２、および３次元モデル製作部１３
の構成例を表す図である。

【図３】図２のソレノイド加工部４２の断面を表す図で
ある。

【図４】図２のソレノイド制御部４１の構成例を表す図
である。

【図５】オブジェクト１の例を表す図である。

【図６】３次元モデル３の例を表す図である。

【図７】図２のソレノイド加工部４２の加工時状態を表
す図である。

【図８】加工材料２の例を表す図である。

【図９】図１の３次元距離センシング部１１の他の構成
例を表す図である。

【図１０】図１の３次元距離センシング部１１の他の構
成例を表す図である。

【図１１】図１の２次元モデル製作部１３の他の構成例
を表す図である。

【図１２】図１１の構成例を説明する図である。

【符号の説明】

１ オブジェクト， ２ 加工材料， ３ ３次元モデ
ル， １１ ３次元距離センシング部， １２ ３次元
モデルデータ生成部， １３ ３次元モデル製作部，
１４ 制御部， ２１ ビデオカメラ， ２２ 視差計
算部， ２３ステレオ距離変換部， ３１ ３次元モデ
ルデータ変換部， ３２ 合成部，４１ ソレノイド制
御部， ４２ ソレノイド加工部， ５１ 加圧ピン高
さ計算部， ５２ 抵抗値計算部， ５３ 抵抗値比較
部， ５４ 電流ドライバ，６１ ソレノイド， ６２
加圧ピン， ６３ 位置センサ， ７１ 変調器，
７２ 光源， ７３ ダイクロックミラ， ７４ レン
ズ， ７５ スキャニングミラ， ７６ 受光センサ，
７７ 位相差検出器， ７８ 位相差距離変換器，
９１ 光源， ９２ ミラ， ９３ センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 CC16 DD00 DD06 FF01 FF05 FF09 FF13 GG12 HH05 JJ26 LL20 NN05 NN08 QQ31 4F213 AH81 WA25 WA97 WB01 5B057 AA01 BA02 CA01 CA08 CA13 CB01 CB08 CB13 CC01 DA07 DB03 DB06 DB09 DC02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体対象物に類似した立体モデルを製作
   するモデル製作装置において、 前記立体対象物の距離データを算出する算出手段と、 前記算出手段により算出された前記立体対象物の距離デ
   ータに基づいて、前記立体モデルの距離データを生成す
   る生成手段と、 前記生成手段により生成された前記立体モデルの距離デ
   ータに基づいて、前記立体モデルを製作する製作手段と
   を備えることを特徴とするモデル製作装置。
2. 【請求項２】 立体対象物に類似した立体モデルを製作
   するモデル製作方法において、 前記立体対象物の距離データを算出する算出ステップ
   と、 前記算出ステップで算出された前記立体対象物の距離デ
   ータに基づいて、前記立体モデルの距離データを生成す
   る生成ステップと、 前記生成ステップで生成された前記立体モデルの距離デ
   ータに基づいて、前記立体モデルを製作する製作ステッ
   プとを含むことを特徴とするモデル製作方法。