JP2000055616A - 3次元画像撮影方法および装置 - Google Patents

3次元画像撮影方法および装置

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JP2000055616A
JP2000055616A JP10241113A JP24111398A JP2000055616A JP 2000055616 A JP2000055616 A JP 2000055616A JP 10241113 A JP10241113 A JP 10241113A JP 24111398 A JP24111398 A JP 24111398A JP 2000055616 A JP2000055616 A JP 2000055616A
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light
measurement
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signal
distance
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JP10241113A
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Ken Tokai
研 東海
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Fuji Xerox Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広いレンジの距離測定を簡易な光源で高精度
に行い得る3次元画像撮影方法および装置を提供する。 【解決手段】 3次元画像撮影装置は、投射光2を測定
対象9に照射するストロボ光源1と、測定対象9からの
反射光3をストロボ光源1の投射光に基づいて生成され
た信号を用いて復調する強度変調器42と、復調した光
を電気信号に変換する受光器43と、受光器43で得ら
れた電気信号を用いて測定対象9までの距離情報を算出
する未知変数算出プロセッサ7と、算出した距離情報を
格納する3次元画像メモリを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は3次元画像撮影方法
および装置に係り、特に対象物体の距離測定を簡易に行
うのに好適な3次元画像撮影方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】対象物体の形状を測定する手法として
は、パッシブ手法(shape from X、ステレ
オ視)とアクティブ手法(レーザーレーダ、パターン投
影、スポット投影)とが存在する。一般的にパッシブ手
法では、測定レンジは比較的大きいが測定精度が低く、
対象物上のテクスチャによっては測定できない場合があ
る。一方、アクティブ手法の方は計測精度は高いが、測
定レンジを大きくしようとした場合には大型で高価な光
源を必要とすることが多い。
【0003】アクティブ手法の3次元計測方法として、
位相差測定法がある。位相差測定法においては、レーダ
方式が良く知られている。この方式は一点を測定するも
のであり、3次元画像を撮像しようとする際には、輝度
情報を得ている領域にわたって測定点を走査しなければ
ならない。たとえば、640×480の画素について距
離情報を得ようとする場合、この方式は、約31万点に
対して距離測定を行わなければならず、距離測定に長時
間を要するという問題がある。
【0004】そこで、例えば米国特許第4,935,6
16号明細書に開示されているように、強度変調光を測
定対象に一括して投光し、光学系を使用して領域全体の
位相差を検出する方式が提案されている。この方式で
は、測定点の走査を行う必要がないため、測定領域全体
にわたって高速に距離測定を行うことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の方式で
は、レーザ光のような一定強度光を発生する光源を必要
とする。しかも、測定レンジを広げようとする際には、
大型で大電力を有する光源を使用しなければならないと
いう問題がある。さらに上述の方式では、投射光の強度
変調を理想的なかたちで行うことは現実には困難であ
り、強度変調の現実と理想との間にずれが生じ、位相差
検出の誤差、すなわち距離測定精度の低下をもたらすと
いう問題がある。
【0006】従って本発明の目的は、広いレンジの距離
測定を簡易な光源で高精度に行い得る3次元画像撮影方
法および装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、時間的に変
化する投射光を測定対象に照射し、測定対象からの反射
光を投射光の時間的変化に応じて復調し、復調した信号
を用いて測定対象までの距離を算出するようにした3次
元画像撮影方法により、達成される。ここで、投射光は
ストロボ光源から照射される光が用いられる。
【0008】本発明に係る3次元画像測定装置は、時間
的に変化する投射光を測定対象に照射する投光手段と、
測定対象からの反射光を投射光の時間的変化に応じて復
調する復調手段と、復調した光を電気信号に変換する受
光手段と、電気信号を用いて測定対象までの距離算出を
行う距離算出手段とを備えて構成される。本装置では、
投射光の時間的変化を測定するために投射光測定手段
が、また復調信号を蓄積するために信号蓄積手段が備え
られる。
【0009】本装置は具体的には、投射光を測定対象に
照射するストロボ光源と、上記測定対象からの反射光を
ストロボ光源の投射光より生成された信号を用いて復調
する強度変調器と、復調した光を電気信号に変換する受
光器と、受光器で得られた電気信号を用いて測定対象ま
での距離を算出する距離算出器とから構成される。
【0010】このように本発明では、投光光源の時間的
な発光プロファイルを利用することにより、測定距離を
大きく保ったまま、比較的簡易で携帯性のある光源を用
いて距離測定を行うことができる。また、投光光源があ
らかじめ決められた理想的な波形を持っていない場合で
も、高精度な測定が可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しながら説明する。図1は本発明に係る3次元画像撮
影装置の一実施例を示すブロック図であり、図2は本実
施例の動作を説明するフローチャートである。
【0012】図1のように、本装置は、投射光2を投光
光学系11を介して測定対象9に投光するストロボ光源
1と、測定対象9からの反射光3を受光光学系41を介
して復調する復調器4と、ストロボ光源1から投射され
た光の一部を入力する参照信号生成器5と、参照信号生
成器5に接続された位相シフト器6と、復調器4からの
信号に基づいて未知変数を算出するプロセッサ7と、算
出した値を格納する3次元画像メモリ8とを備える。こ
こで復調器4は、強度変調器42および受光器43から
なる。また参照信号生成器5は、フォトダイオード51
および帯域フィルタ52からなる。
【0013】次に、本実施例の動作を説明する。まず、
ストロボ光源1から投射された投射光2は、測定対象9
の表面で拡散反射され、その反射光3が受光光学系41
に到達する。反射光3は受光光学系41の結像面に配置
された強度変調器42を通った後、受光器43へと達す
る。
【0014】ここで強度変調器42は、位相シフト器6
からの信号に基づいて強度変調で反射光の復調を行う。
位相シフト器6からの信号は、次のようにして形成され
る。すなわち、ストロボ光源1から投射された光のうち
の一部が参照光としてフォトダイオード(PD)51に
入力され、電気信号に変換される。ストロボ光源1は、
図3に示すような発光プロファイルを持っており、一定
周波数での強度変調は実現されていない。ただし、この
発光プロファイルはフーリエ展開することにより、一定
強度光と、複数周波数が合成された強度変調の組合わせ
であると理解できる。等価的な合成強度変調をT
e(t)とすると、Te(t)は次式であらわすことがで
きる。
【0015】
【数1】
【0016】このとき発光プロファイルをI(t)とす
ると、I(t)は次式であらわすことができる。
【0017】
【数2】
【0018】ここで、I0は光源のパワーをあらわす係
数である。PD51で変換された電気信号のうち、帯域
フィルタ(BPF)52によって所望の周波数成分だけ
が位相シフト器6に入力される。所望の周波数としてf
1〜f3を設定する。測定可能距離をrメートル、測定精
度をpメートルとした場合、その周波数は次式であらわ
される。
【0019】
【数3】
【0020】ここで、cは光速、pdは復調器4におい
て検出可能な位相(単位degree)である。合成強
度変調Te(t)のうち、所望の周波数成分(ここでは
1,f2,f3)のみを透過した信号Te’(t)は次式
であらわすことができる。
【0021】
【数4】
【0022】このNn(n=1,2,3)は、Nnfがそ
れぞれf1,f2,f3となるような整数である。またN0
=0であり、これはDC成分を表すものである。
【0023】次に、図2を用いて本実施例の動作フロー
を説明する。まず、ステップ21では、位相シフト器6
により位相シフト量の設定が行われ、その内容にしたが
って帯域フィルタ52を通過した信号Te’(t)を所
定の位相だけシフトする。ステップ22ではストロボ発
光が行われる。ステップ23では、強度変調器42によ
り測定対象9からの反射光3を位相シフト器6からの信
号に基づいて強度変調で復調する。ステップ24では、
復調された光が受光器43によって受光され、電気信号
に変換されて一定時間蓄積される。ステップ25では、
所定数の位相シフトが終わったかどうかを判断し、終わ
っていない場合はステップ21に戻る。所定数の位相シ
フトが終わった場合には、ステップ26にて、未知変数
算出プロセッサ7によって、先に復調、蓄積された信号
から距離情報および輝度情報が算出される。ステップ2
7では、これらの情報を3次元画像メモリに格納し、処
理を終了する。
【0024】ここで、復調された信号から距離情報およ
び輝度情報を算出する方法について説明する。測定対象
9により反射され、強度変調器42に入射された光の強
度をIr(t)とすると、Ir(t)は次式であらわすこ
とができる。
【0025】
【数5】
【0026】ここで、反射率Rは測定対象としている点
の位置ベクトルに依存する。上述の信号Te’(t)に
対してk番目の位相シフトtkを行ったものを用いて、
光信号Ir(t)を復調したときの復調信号Srk(t)
は次式であらわされる。
【0027】
【数6】
【0028】また、実際に得られる信号Skは、受光器
43において一定時間tmの間、復調信号Srk(t)を
積分したもので、次式であらわされる。
【0029】
【数7】
【0030】ここで未知変数は、R’,M1,M2
3,tdの5つあるので、位相シフトkを5つ以上行っ
てSkを測定すれば、この方程式は満たされて飛行時間
dを算出することができる。また、受光器系における
ノイズをキャンセルするために、最小自乗統計を用いて
dを算出することもできる。この場合、次式におい
て、Eが最小となるように未知変数を定める。
【0031】
【数8】
【0032】具体的には、EをR,Mn,tdで偏微分し
たものを0とおいた方程式を解くことによって得られ
る。求められたtdは、光速をcとすると、次式の関係
を満たす。
【0033】
【数9】
【0034】したがって、距離Lは次式で求めることが
できる。
【0035】
【数10】
【0036】また、上述した(数7)に示すように、
R’は構成要素として測定点での反射率Rを含んでいる
ので、輝度情報のデータとして用いることができる。こ
れにより、測定対象に関する輝度情報と距離情報が得ら
れるので、3次元画像を取得することができる。未知変
数算出プロセッサ7は、画素ごとに距離情報tdと輝度
情報R’を算出する。これらの値は、それぞれ3次元画
像メモリ8に格納、記憶される。
【0037】図4は、本発明に係る3次元画像撮影装置
の他の実施例を示すブロック図である。同図において、
図1と同じ符号はそれと同一のものを表す。本実施例で
は、図1の実施例と比較すると、図4に示すように、参
照信号生成器5において帯域フィルタ52が省略されて
いる。本実施例は、光源が、元々ある一定の周波数成分
だけを持っている、あるいは所定の周波数以外の成分が
目標精度に対して無視できるほど小さい場合に、簡易な
構成として用いられる。また、ストロボのような分光ス
ペクトルを有する光源を使用すれば、RGBのフィルタ
を使用することにより、カラーの輝度情報を取得するこ
とも可能である。また、反射光に対しビームスプリッタ
を使用し、分割された反射光のそれぞれに位相シフトの
異なる強度変調を行うことにより、複数回のストロボ発
光および撮像が不要となり、一回の撮像で3次元画像を
得ることも可能である。
【0038】このように本発明では、光源自体が一定強
度を保つ必要がなくなるため、ストロボのような比較的
簡易な光源を用いて測定レンジの大きい3次元画像撮像
を行うことができる。さらに、光源の発光プロファイル
を測定し、その波形に応じて復調を行うことにより、強
度変調があらかじめ設定された理想波形でない場合にお
いても、精度良く距離測定を行うことが可能となる。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、広いレンジの距離測定
を簡易な光源で高精度に行いうる3次元画像撮影方法お
よび装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る3次元画像撮影装置の一実施例を
示すブロック図である。
【図2】本実施例の動作を説明するフローチャートであ
る。
【図3】ストロボ光源の発光波形の一例を示す図であ
る。
【図4】本発明に係る3次元画像撮影装置の他の実施例
を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 ストロボ光源 2 投射光 3 反射光 4 復調器 5 参照信号生成器 6 位相シフト器 7 未知変数算出プロセッサ 8 3次元画像メモリ 9 測定対象 11 投光光学系 42 強度変調器 43 受光器 51 フォトダイオード 52 帯域フィルタ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 時間的に変化する投射光を測定対象に照
    射し、上記測定対象からの反射光を上記投射光の時間的
    変化に応じて復調し、上記復調した信号を用いて測定対
    象までの距離を算出するようにしたことを特徴とする3
    次元画像撮影方法。
  2. 【請求項2】上記投射光がストロボ光源から照射される
    ことを特徴とする請求項1記載の3次元画像撮影方法。
  3. 【請求項3】 時間的に変化する投射光を測定対象に照
    射する投光手段と、上記測定対象からの反射光を上記投
    射光の時間的変化に応じて復調する復調手段と、上記復
    調した光を電気信号に変換する受光手段と、上記電気信
    号を用いて測定対象までの距離算出を行う距離算出手段
    とを有することを特徴とする3次元画像測定装置。
  4. 【請求項4】 上記投射光の時間的変化を測定する投射
    光測定手段を備えたことを特徴とする請求項3記載の3
    次元画像測定装置。
  5. 【請求項5】 上記復調信号を蓄積する信号蓄積手段を
    備えたことを特徴とする請求項3又は4記載の3次元画
    像測定装置。
  6. 【請求項6】 投射光を測定対象に照射するストロボ光
    源と、上記測定対象からの反射光を上記ストロボ光源の
    投射光より生成された信号を用いて復調する強度変調器
    と、上記復調した光を電気信号に変換する受光器と、上
    記受光器で得られた電気信号を用いて測定対象までの距
    離を算出する距離算出器とを備えたことを特徴とする3
    次元画像測定装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011149942A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Samsung Electronics Co Ltd 距離情報抽出方法及び該方法を採用した光学装置
JP2011529576A (ja) * 2008-07-29 2011-12-08 マイクロソフト インターナショナル ホールディングス ビイ.ヴイ. 撮像システム

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JP2011149942A (ja) * 2010-01-21 2011-08-04 Samsung Electronics Co Ltd 距離情報抽出方法及び該方法を採用した光学装置

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