JP2000074637A

JP2000074637A - 三次元形状計測法および装置

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Publication number: JP2000074637A
Application number: JP10259401A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yamaguchi; 義紀山口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-14
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: JP3788060B2

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性の高い距離情報を一括で取得可能な三
次元形状計測法および装置を提供する。【解決手段】三次元形状計測装置は、測定対象３に平
面光２を射出する光射出装置１と、測定対象３の反射像
を取り込む撮像装置４とを備え、光射出装置１による平
面光２の射出から撮像装置４による反射像の取り込みま
での時間を用いて、測定対象３までの距離を計測する。
その際、射出される複数の平面光２の順番を例えばＭ系
列符号に従ってコード化し、コード化された平面光２の
反射像をデコードすることにより距離計測を行うように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は三次元形状計測法お
よび装置に係り、特に信頼性の高い距離情報の取得に好
適な三次元形状計測法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触で測定対象物の三次元情報を得る
方法は、受動的方法と能動的方法に大別できる。受動的
方法には、ステレオ画像を用いた両眼視法やＳｈａｐｅ
ｆｒｏｍＸと総称される単眼視法がある。ステレオ
画像法とは、視点を変えた左右２枚の対象物画像を取り
込み、両画像の対応点を抽出することにより視差を算出
し、三角測量の原理により対象物までの距離を求める方
式である。この方式は、左右２枚の画像に特徴的な画像
情報がない場合、対応点の決定にあいまいさが残り計測
精度が低くなる。また、ＳｈａｐｅｆｒｏｍＸは一
つの画像から三次元情報を得ることができるものであ
る。ＳｈａｐｅｆｒｏｍＸの中の一つであるＳｈａ
ｐｅｆｒｏｍＳｈａｄｉｎｇは、物体の反射光の傾
きからその物体の面の傾きを求め、得られた複数の面を
繋ぎあわせて三次元形状を再構成する方式である。この
方式は、対象物の反射率が一様でないと計測精度が低く
なる。このようなことから、この種の受動的方法は実用
的なレベルに至ってない。

【０００３】一方、能動的方法は、何らかのエネルギー
を対象物に照射し、その反射エネルギーを検出して距離
を求めるものである。この方法では、測定精度の点で光
を用いた方式が主流であり、受動的方法に比べて測定精
度が高いが、受動的方法のようにシーン全体の距離画像
を一括に取り込むことはできない。そのため光線等を対
象物全体に照射して走査しなければならず、計測時間が
長くかかるといった問題がある。

【０００４】計測時間の短縮を目的として工夫された方
式として、空間コード化法がある。これは光切断法の改
良である。光切断法においても、光源をスポット光から
スリット光にすることにより照射領域を点から線に変更
し、計測時間の短縮を計っている。測定原理は、いずれ
も光源と撮像面を幾何学的に既知の配置にしておき、射
出部と撮像面からなる線（基線）に対する光源から射出
された光の角度と撮像面上の反射像と対象物上の像を結
ぶ線と基線がなす角度から、三角測量の原理に基づいて
対象物までの距離を求めるものである。

【０００５】光切断法をさらに改良したのが空間コード
化法である。光切断法のスリット光がちょうど空間を１
進数でコード化しているのに対し、空間コード化法は、
２進数のようなコードで符号化することにより、少ない
撮像回数で距離画像を得ようとするものである。この方
式では、グレーコードパターンと呼ばれる２進符号で明
暗をつけられた光パターンが順番に投影される。ｎビッ
トの２進数で符号化された光パターンを用いれば、測定
空間は２ⁿ−１本のスリット光を投影しているのと等価
になる。例えば４ビットのグレーコードでは、４回の投
影で１５本のスリット光を投影したのと等価になる。

【０００６】これらの方式とは発想を異にしたものが、
米国特許第４１９９２５３号明細書に提案されている。
この方式は、先に示した方式の照射光であるスポット光
あるいはスリット光が形成する光線あるいは光の面が距
離方向に対して平行であるのに対し、距離方向に垂直な
面を持つ平面光を形成し、それらの平面光の距離方向に
おける幅をコード化し、測定対象に照射／撮像を繰り返
すものである。この方式は、いわば距離方向における空
間コード化法と言える。測定対象までの距離は、平面光
の射出から反射像を取り込むまでの時間と光速とで求ま
る。コード化しているため、撮像回数を少なくすること
ができる。

【０００７】これらの能動的方法は種々の改良がなされ
てきているが、距離データの一括取得に関してはいまだ
完全ではなく、特に動きのある計測対象には適用しにく
いという使用条件の大きな制約があった。

【０００８】距離方向における空間コード化法に類する
方式として、例えば「フェムト秒パルス光による形状計
測」、計測・制御・システム工学部会シンポジウム、３
次元形状計測の最新動向、１７頁−２８頁、１９９７に
提案されている方式がある。この方式は、一つのパルス
光の先頭から末尾にかけて、色が時間とともに連続的に
変化する光パルス（チャープした光パルス）を照射し、
反射光をあるタイミングで高速光シャッタを用いて切り
出して、一括で三次元形状を計測するものである。この
方式によれば、一括で距離情報を取得できるため、動画
における計測にも適用できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの上記
方式では、ダイナミックレンジがチャープパルス幅によ
り、また距離分解能が色分解能によって決定される。こ
のため、ダイナミックレンジを大きくとると、色のスペ
クトル幅が広がることにより距離分解能が低下してしま
う。それに対してダイナミックレンジが小さい場合は、
撮像系の色分解能の限界により距離分解能が制限され
る。このようなことからこの方式では、距離情報の信頼
性の面において問題があった。

【００１０】従って本発明の目的は、信頼性の高い距離
情報を一括で取得可能な三次元形状計測法および装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、光源から射
出する異なる波長の光の順番をＭ系列符号等を用いてコ
ード化し、あるいは単一波長の光の射出タイミングを変
えてＭ系列符号等を用いてコード化することにより、ダ
イナミックレンジと距離分解能の相互関係を無くして、
両者を任意に設定し得るようにした三次元形状計測法お
よび装置により、達成される。

【００１２】本発明に係る三次元形状計測法は、具体的
には、測定対象に光が射出されてから反射像が取り込ま
れるまでの時間を用いて測定対象までの距離を計測する
ものであって、射出される光の順番をコード化し、コー
ド化された光の反射像をデコードすることにより距離計
測を行うようにしたものである。ここで、測定対象に射
出される光は、平面光あるいは略平面光を用いる。平面
光とは、波面が伝搬方向に垂直な平面である光をいう。
またコード化は、射出される光の波長あるいは光の射出
タイミングを変えることにより行われる。これらのコー
ド化は、上述のとおり、例えばＭ系列符号に従って行わ
れる。

【００１３】また、本発明に係る三次元形状計測装置
は、測定対象に光を射出する光射出装置と、測定対象の
反射像を取り込む撮像装置とを備え、光射出装置による
光の射出から撮像装置による反射像の取り込みまでの時
間を用いて測定対象までの距離を計測するものであっ
て、前記光射出装置は射出する光の順番をコード化する
手段を有し、また前記撮像装置は前記コード化された光
の反射像をデコードする手段を有する。そして、この光
射出装置は平面光又は略平面光を射出するように構成さ
れる。

【００１４】ここで用いる光射出装置は、異なる波長の
光を発生する複数の光源と、各光源からの光をそれぞれ
オンオフする複数の光シャッタとを備えて構成される。
この複数の光源は、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）お
よび青色（Ｂ）の波長成分を有する光を発生するもので
ある。また光射出装置は、単一波長の光を発生する光源
と、前記光源からの光の射出タイミングを変える光シャ
ッタとを備えて構成することもできる。これらの光シャ
ッタはＭ系列符号に対応した動作を行うように制御され
る。一方、撮像装置の方は、光の反射像をオンオフする
光シャッタと、光シャッタを介して入力された反射像を
ストアする感光性フィルムとを備えて構成される。光シ
ャッタとしては、例えばカーセルあるいはポッケルスセ
ルが用いられる。

【００１５】このように構成することにより、信頼性の
高い距離情報を一括で取得可能な三次元形状計測法およ
び装置を得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を述べる前
に、その原理を説明する。本発明は、光射出装置と測定
対象を結ぶ方向に対してパルス状で垂直な面状の光（平
面光）を光射出装置により形成し、これを測定対象に向
かって進行させ、反射像を撮像するものである。平面光
の射出時刻と反射像の撮像時刻を計測することにより、
これらの計測値と光速とから測定対象までの距離が求ま
る。この作業を測定対象全体に渡って繰り返し行って、
測定対象全体の三次元形状を求める。

【００１７】予め複数の平面光を形成することにより繰
り返し撮像は不要となり、ワンショットで距離画像を取
得できることになるが、このままでは対象物上のそれぞ
れの像と撮像装置で取り込んだそれぞれの撮像イメージ
との対応がとれず、対象物の凹凸の判断がつかない。そ
こで、複数の平面光の順番をコード化し、撮像装置で得
られたの撮像イメージをデコードする。これにより、そ
れぞれの撮像イメージの射出時刻が明らかとなり、対象
物の凹凸を判断することができる。本発明では、コード
化する方法としてＭ系列符号法を用いることができる。
これは符号長が同じであれば、系列長を最も長く取れる
コード化法であるため、本方式には有効である。ｑ元の
符号長ｎのＭ系列は、次式で与えられる。

【００１８】

【数１】ｑⁿ−１（数１）

【００１９】ｑの値（平面光を特徴づける種類の個数）
は、多いほどコード化の効率は高くなるが、それに伴っ
て判定が難しくなり判定ミスが多く発生する。実用的に
は２〜３が適当である。平面光を特徴づけるやり方は、
特に指定はない。例えば、光の波長や強度を変えても良
いし、単一の波長で射出のタイミングを変えても良い。
また平面光の距離方向の幅を変えても良い。そして、そ
れらの組み合わせを用いることもできる。このように、
何らかの特徴付けをした平面光をＭ系列化し、測定対象
に複数の平面光を照射し、高速撮像装置により一括で取
り込んだ複数の反射像をデコードする。これにより、そ
れぞれの撮像イメージの射出時刻が明らかとなり、対象
物の凹凸を判断することができる。

【００２０】以下、図面を参照しながら実施例に基づい
て、本発明を具体的に説明する。図１は本発明に係る三
次元形状計測法の一実施例を示す図である。図のよう
に、光射出装置１により所定のタイミングに従って平面
光２を複数形成し、これを測定対象３に向けて進行さ
せ、測定対象３上に所定の像（等高線イメージ）を形成
させる。そして、この反射像を高速撮像装置４で取り込
んで処理をする。ここで光射出装置１は、光射出部５、
エクスパンダー６およびコリメーター７を備えて構成さ
れる。光射出部５から射出された光は、エクスパンダー
６およびコリメーター７により一旦拡大され平面光２が
形成される。この平面光２は、厳密に言うとエクスパン
ダー６からコリメーター７までの光路長が中心と端で異
なるため完全な平面光ではないが、光路差を距離方向の
分解能に対して十分小さく取ることにより平面光として
扱うことができる。また、より厳密に測定する場合は、
後で光路差分を補正する。

【００２１】平面光２は、図２に示すように赤緑青（Ｒ
ＧＢ）の３色から構成される。光源としては、それらの
色に対応するＲＧＢのレーザ光を用いた。ＲＧＢ夫々の
平面光の順番は、３元のＭ系列符号に従っており、これ
により平面光はコード化される。

【００２２】図３は、光射出部５および高速撮像装置４
の一例を示すブロック図である。光射出部５は、ＲＧＢ
の光を発生するレーザ光源５１と、レーザ光源５１から
の光をオン／オフする光シャッタ５２と、レーザ光源５
１に信号を出力するカウンタ５３と、光シャッタ５２に
信号を出力する高精度パルスジェネレータ５４とを備え
て構成される。光シャッタ５１は、距離方向に幅の狭い
平面光を形成するために、高い周波数で動作する。光シ
ャッタ５１としては、例えばカーセル（ＫｅｒｒＣｅ
ｌｌ）やポッケルスセル（ＰｏｃｋｅｌｓＣｅｌｌ）
のような光学素子が用いられる。これらの光学素子は動
作周波数が１ＧＨｚ以上であるため、レーザ光源５１が
連続射出の場合であっても、短パルスの光源と同様な平
面光が形成される。

【００２３】上述のとおり光射出部５は、ＲＧＢのレー
ザ光源５１と、それに対応して設けられた光シャッタ５
２とを組み合わせて構成される。レーザ光源５１は連続
発振動作をするものであり、通常のカウンタ５３等のコ
ントローラからの信号ｌｒ、ｌｇ、ｌｂにより制御され
る。一方、光シャッタ５２は高精度なオン／オフ動作を
必要とするものであり、高精度パルスジェネレータ５４
からの信号Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂにより制御される。この高
精度パルスジェネレータ５４は、例えば時間分解能が５
ｐｓｅｃ、レンジが０〜１０００ｓｅｃ、周期が１ＭＨ
ｚのもので、各光シャッタ５２のオン／オフ動作を高精
度に制御することができる。

【００２４】図４は、レーザ光源５１と光シャッタ５２
のタイミングチャートを示す図である。ＲＧＢのレーザ
光源５１にはカウンタ５３からそれぞれ図に示すような
信号ｌｒ、ｌｇ、ｌｂが与えられ、連続的に光を射出す
る。高精度パルスジェネレータ５４にＳＴＳ（Ｓｔａｒ
ｔＴｒｉｇｇｅｒＳｉｇｎａｌ：スタートトリガ信
号）を入力すると、図に示すような信号Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓ
ｂが出力される。これらの信号に基づいてＲＧＢの光シ
ャッタ５２はオン／オフする。図のパルス信号の間隔が
距離方向の分解能に相当する。本実施例ではパルス間隔
を５０ｐｓｅｃに設定することにより、分解能を１５ｍ
ｍとした。これらの信号は、Ｍ系列符号に従って設定さ
れている。このように、レーザ光源５１より射出した連
続光を光シャッタ５２でオン／オフすることにより形成
された平面光２は、先の図２に示したような、Ｍ系列符
号に従った順番で連続して測定対象３に照射され、測定
対象３上に像が形成される。

【００２５】高速撮像装置４は測定対象３からの反射像
を取り込むもので、図３に示すように、ＲＧＢ用の３つ
の光シャッタ４１と、フィルタ４２と、感光性フィルム
４３とを備えて構成される。本実施例では、高速な撮像
を可能にするため、光のオン／オフを瞬時で行うことの
できる光シャッタと、光シャッタを通過した光情報をス
トアする媒体とを組み合わせている。光シャッタ４１と
しては、先の光射出部５で説明したカーセル（Ｋｅｒｒ
Ｃｅｌｌ）やポッケルスセル（ＰｏｃｋｅｌｓＣｅ
ｌｌ）のような光学素子を用いる。また光情報をストア
する媒体としては、感光性フィルム４３を用いる。

【００２６】これらを図に示したように３つ配列し、光
シャッタ４１と感光性フィルム４３の間にＲＧＢに対応
したフィルタ４２を介在させることにより、測定対象３
上のＲＧＢ３色の反射像をストアする。感光性フィルム
４３は、当然のことながら可視光線領域に感度を持つ材
料を用いる。光シャッタ４１は、光射出部５と同様に高
精度パルスジェネレータ５４からの信号により制御され
る。この場合、高精度パルスジェネレータ５４からは図
４に示すような信号ａが与えられ、測定対象３上のＲＧ
Ｂ３色の反射像を一括でストアする。

【００２７】また図示していないが、ビームスプリッタ
を用いれば、一つの光シャッタでも済む。この場合、光
シャッタを通過した光をビームスプリッタでＲＧＢに分
割し、それぞれに対応する感光性フィルムで光の像をス
トアする。ストアされた像をデコードすることにより、
測定対象上の等高線イメージとストアされた像の対応が
付く。従って、測定対象３上の等高線イメージまでの距
離は、図４で示したタイミングチャートの信号Ｓｒ、Ｓ
ｇ、Ｓｂと信号ａ間のタイミングを計測することにより
求めることができる。このようにして測定対象上の三次
元形状を一括で計測する。

【００２８】図５は、平面光２の系列の他の例を示す図
である。先の図２の例では平面光の特徴付けを光の波長
を変えることにより行っているが、本例では単一の波長
で射出のタイミングを変えることにより行っている。す
なわち図５に示すように、射出の間隔を３通り設定し、
それらを−１、０、１として対応づけ、３元のＭ系列符
号に割り当てる。本例における光射出装置および高速撮
像装置の構成および動作は、上述の実施例と同様であ
る。また、図４におけるタイミングチャートの信号Ｓ
ｒ、Ｓｇ、ＳｂがＭ系列符号に対応するように高精度パ
ルスジェネレータを動作させる。

【００２９】このように本発明は、光射出装置と測定対
象を結ぶ方向に対して垂直な面を持つ複数の平面光の光
の波長あるいは射出タイミングをコード化して測定対象
に照射し、複数の反射像を高速撮像装置で取り込むこと
により、光射出装置と測定対象を結ぶ方向において距離
的に等価な等高線イメージを得るものである。そして、
高速撮像装置で取り込んだ反射像をデコードし、平面光
の夫々の出射時刻から高速撮像装置の反射像取り込み時
刻までの時間を用いて、測定対象上の夫々の等高線イメ
ージまでの距離を計測する。これにより一括で信頼性の
高い距離情報を取得可能となり、三次元形状計測法およ
び装置として、より広い用途に適用することができるよ
うになる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、信頼性の高い距離情報
を一括で取得可能な三次元形状計測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】本発明に係る三次元形状計測法の一実施例を示
す図である。

【図２】平面光の系列の一例を示す図である。

【図３】光射出部および高速撮像装置の一例を示すブロ
ック図である。

【図４】レーザ光源と光シャッタのタイミングチャート
を示す図である。

【図５】平面光の系列の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１光射出装置２平面光３測定対象４高速撮像装置５光射出部４１光シャッタ４２フィルタ４３感光性フィルム５１レーザ光源５２光シャッタ５３カウンタ５４高精度パルスジェネレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象に光が射出されてから反射像が
取り込まれるまでの時間を用いて測定対象までの距離を
計測する三次元形状計測法であって、前記射出される光
の順番をコード化し、前記コード化された光の反射像を
デコードすることにより距離計測を行うようにしたこと
を特徴とする三次元形状計測法。
【請求項２】前記測定対象に射出される光が測定対象
に光を射出する光射出装置と測定対象を結ぶ方向に対し
て垂直な平面光又は略平面光であることを特徴とする請
求項１記載の三次元形状計測法。
【請求項３】前記コード化が射出される光の波長を変
えることにより行われることを特徴とする請求項１又は
２記載の三次元形状計測法。
【請求項４】前記コード化が光の射出タイミングを変
えることにより行われることを特徴とする請求項１又は
２記載の三次元形状計測法。
【請求項５】前記コード化がＭ系列符号に従って行わ
れることを特徴とする請求項３又は４記載の三次元形状
計測法。
【請求項６】測定対象に光を射出する光射出装置と、
前記測定対象の反射像を取り込む撮像装置とを備え、前
記光射出装置による光の射出から前記撮像装置による反
射像の取り込みまでの時間を用いて測定対象までの距離
を計測する三次元形状計測装置であって、前記光射出装
置は射出する光の順番をコード化する手段を有し、前記
撮像装置は前記コード化された光の反射像をデコードす
る手段を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項７】前記光射出装置が平面光又は略平面光を
射出するよう構成されたことを特徴とする請求項６記載
の三次元形状計測装置。
【請求項８】前記光射出装置は、異なる波長の光を発
生する複数の光源と、前記各光源からの光をそれぞれオ
ンオフする複数の光シャッタとを備えたことを特徴とす
る請求項６又は７記載の三次元形状計測装置。
【請求項９】前記複数の光源は、それぞれ赤色、緑色
および青色の波長成分を有する光を発生するものである
ことを特徴とする請求項８記載の三次元形状計測装置。
【請求項１０】前記光射出装置は、単一波長の光を発
生する光源と、前記光源からの光の射出タイミングを変
える光シャッタとを備えたことを特徴とする請求項６又
は７記載の三次元形状計測装置。
【請求項１１】前記光シャッタがＭ系列符号に対応し
た動作を行うことを特徴とする請求項８乃至１０のいず
れかに記載の三次元形状計測装置。
【請求項１２】前記撮像装置は、前記光の反射像をオ
ンオフする光シャッタと、前記光シャッタを介して入力
された反射像をストアする感光性フィルムとを備えたこ
とを特徴とする請求項６又は７記載の三次元形状計測装
置。
【請求項１３】前記光シャッタがカーセル又はポッケ
ルスセルにより構成されることを特徴とする請求項１２
記載の三次元形状計測装置。