JP2000088538A - ３次元入力方法及び３次元入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】参照光の入射角度情報によらない３次元入力を
実現し、入射角度情報をえるための演算を不要にすると
ともに、投射角度情報と比べて入射角度情報の精度が低
い場合における３次元入力データの精度の向上を図る。 【解決手段】第１の起点Ａから物体Ｑ上の特定部位Ｐに
向かって第１の参照光を投射するとともに、第１の起点
Ａと離れた第２の起点Ｂから特定部位Ｐに向かって第２
の参照光を投射し、第１及び第２の参照光の投射角度θ
Ａ，θＢと第１及び第２の起点Ａ，Ｂの間の距離Ｌとに
基づいて、特定部位Ｐの位置を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体に参照光を投
射して物体を走査し、物体形状を特定するデータを得る
３次元入力方法及び３次元入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元入力装置は、接触型に比べて高速の計測が可能
であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデ
ータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用さ
れている。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
スリット光投影法（光切断法ともいう）が知られてい
る。この方法は、物体を光学的に走査して距離画像（３
次元画像）を得る方法であり、特定の参照光を投射して
物体を撮影する能動的計測方法の一種である。距離画像
は、物体上の複数の部位の３次元位置を示す画素の集合
である。スリット光投影法では、参照光として投射ビー
ムの断面が直線帯状であるスリット光が用いられる。走
査中のある時点では物体の一部が照射され、撮像面には
照射部分の起伏に応じて曲がった輝線が現れる。したが
って、走査中に周期的に撮像面の各画素の輝度をサンプ
リングすることにより、物体形状を特定する一群のデー
タ（３次元入力データ）を得ることができる。

【０００４】従来においては、撮像面内の輝線の位置に
基づいて物体で反射して撮像面に入射したスリット光の
入射角度を求め、その入射角度と当該スリット光の投射
角度と基線長（投射の起点と受光基準点との距離）とか
ら三角測量の手法で物体の位置を算出していた。つま
り、参照光の投射方向と受光方向とに基づく位置演算が
行われていた。

【０００５】なお、レンジファインダにおいて、撮像の
画角を調整するズーミングが実現されている。また、撮
像面の輝度のサンプリングにおいて、１回のサンプリン
グの対象を撮像面全体ではなく参照光が入射すると予想
される一部の領域に限定し、その領域をサンプリング毎
にシフトさせる手法が知られている。これによれば、サ
ンプリングの１回当たりの所要時間を短縮して走査を高
速化することができ、データ量を削減して信号処理系の
負担を軽減することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来においては、３次
元入力データの精度が撮像情報に基づいて特定される参
照光の入射角度の精度に依存し、このために十分に高い
精度の３次元入力データが得られなかったり、精度を確
保するために複雑な演算が必要となったりするという問
題があった。例えば、ミラーを用いて間接的に物体を撮
像する場合には、ミラーの面精度及び取付け姿勢の影響
を受けるので、直接的に撮像する場合と比べて入射角度
の精度が低下する。また、ズーミング機能やフォーカシ
ング機能を設けた場合には、可動レンズの停止位置毎に
微妙に異なるレンズ歪み補正を行わなければならない。
補正内容を設定するためにズーム段を切り換えて測定を
行ったり、測定結果から他のズーム段の補正内容を推測
したりする処理が必要になることもある。

【０００７】本発明は、参照光の入射角度情報によらな
い３次元入力を実現し、入射角度情報を得るための演算
を不要にするとともに、投射角度情報と比べて入射角度
情報の精度が低い場合における３次元入力データの精度
の向上を図ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、互い
に離れた２点のそれぞれを起点として物体に対する参照
光の投射を行い、起点間の距離と各起点からの投射の角
度（起点どうしを結ぶ直線に対する傾き）とから三角測
量の手法で物体の位置を算出する。その際、各起点から
の投射の物体上の照射位置の一致確認に物体の撮像情報
を用いる。ただし、撮像における視線方向（参照光の入
射角度）の情報は用いない。各起点からの投射を順に行
ってもよいし、同時に行ってもよい。順に行う場合には
各起点から同じ波長の参照光を投射してもよい。同時に
行う場合には、波長や点滅周期などの異なる識別可能な
２種の参照光を用いる。

【０００９】請求項１の発明の方法は、第１の起点から
物体上の特定部位に向かって第１の参照光を投射すると
ともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記特
定部位に向かって第２の参照光を投射し、前記第１及び
第２の参照光の投射角度と前記第１及び第２の起点の間
の距離とに基づいて、前記特定部位の位置を算出する３
次元入力方法である。

【００１０】請求項２の発明の方法は、第１の起点から
仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を
投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点
から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の
参照光を投射し、物体で反射した前記第１及び第２の参
照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サンプリン
グ区画を通過する時点を検出し、検出した各時点におけ
る前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度と前
記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記各
サンプリング区画毎に前記物体の位置を算出する３次元
入力方法である。

【００１１】請求項３の発明の装置は、第１の起点から
仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を
投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点
から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の
参照光を投射する投光系と、物体で反射した前記第１及
び第２の参照光を受光して電気信号に変換する撮像系
と、前記電気信号に基づいて、物体で反射した前記第１
及び第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した
各サンプリング区画を通過する時点を検出する信号処理
手段とを備え、前記信号処理手段の検出した各時点にお
ける前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度に
応じたデータを、前記物体における複数の部位の位置情
報として出力する３次元入力装置である。

【００１２】請求項４の発明の３次元入力装置におい
て、前記投光系は、前記第１の参照光を投射する第１光
学機構と、前記第２の参照光を投射する第２光学機構と
を有する。

【００１３】請求項５の発明の３次元入力装置におい
て、前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を順に投
射するための光学機構と、前記光学機構の少なくとも一
部を移動させて投射の起点を変更する移動機構とを有す
る。

【００１４】請求項６の発明の３次元入力装置におい
て、前記第１及び第２の参照光はスリット光であり、前
記投光系は、前記第１及び第２の参照光を前記仮想面を
第１方向に走査するように投射するとともに、前記第１
の参照光を前記仮想面を前記第１方向と直交する第２方
向に走査するように投射する。

【００１５】請求項７の発明の３次元入力装置におい
て、前記撮像系の結像の主点は、前記第１の起点と前記
第２の起点との間の位置である。請求項８の発明の３次
元入力装置において、前記撮像系の結像の主点は、前記
第１及び第２の起点の双方に対して等距離の位置であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は第１実施形態に係る３次元
入力装置１の機能ブロック図である。３次元入力装置１
は、２個の投光機構１１，１６からなる投光系１０と、
ズーミング及びフォーカシングの可能な撮像系２０とを
有し、ＣＰＵ３１によって制御される。

【００１７】投光機構１１は、光源としての半導体レー
ザ１２、スリット光を投射するためのレンズ群１３、及
び投射角度を変更するビーム偏向手段としてのガルバノ
ミラー１４からなる。レンズ群１３は、コリメータレン
ズとシリンドリカルレンズとで構成される。同様に投光
機構１６も半導体レーザ１７、レンズ群１８、及びガル
バノミラー１９からなる。ガルバノミラー１４，１９に
は、投光制御回路３２からＤ／Ａ変換器３３，３４を介
して偏向制御信号が与えられる。

【００１８】撮像系２０は、受光レンズ２１、ビームス
プリッタ２２、物体Ｑの形状を表す距離画像を得るため
のイメージセンサ２４、モニター用のカラーイメージセ
ンサ２５、及びレンズ駆動機構２６からなる。ビームス
プリッタ２２は、半導体レーザ１２，１７の発光波長域
（例えば中心波長６７０ｎｍ）の光と可視光とを分離す
る。イメージセンサ２４及びカラーイメージセンサ２５
はＣＣＤエリアセンサである。ただし、ＣＭＯＳエリア
センサをカラーイメージセンサ２５として使用してもよ
い。イメージセンサ２４の出力はＡ／Ｄ変換器３５で受
光データＤ３５に変換され、逐次にメモリ回路３７に転
送される。メモリ回路３７では受光データＤ３５の値に
応じて後述の投射角度θＡ，θＢを特定するデータ（Ｔ
Ａ，ＴＢ）が記憶される。カラーイメージセンサ２５の
出力はＡ／Ｄ変換器３６で受光データに変換され、カラ
ー画像メモリ３８によって逐次に記憶される。メモリ回
路３７及びカラー画像メモリ３８のアドレス指定はメモ
リ制御回路３９が担う。

【００１９】ＣＰＵ３１は、制御対象に適時に指示を与
えるとともに、メモリ回路３７からデータを読み出して
距離画像データを得る演算を行う。距離画像データは適
時に３次元入力データとして図示しない外部装置に出力
される。その際、カラー画像メモリ３８によって記憶さ
れている２次元カラー画像も出力される。外部装置とし
ては、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置などがあ
る。

【００２０】図２は投射の模式図、図３は距離画像デー
タの生成要領を説明するための図である。３次元入力装
置１は、ガルバノミラー１４の反射面上の点を起点Ａと
して仮想面ＶＳを走査するようにスリット光Ｕ１を投射
するとともに、ガルバノミラー１９の反射面上の点を起
点Ｂとして仮想面ＶＳを走査するようにスリット光Ｕ２
を投射する。仮想面ＶＳは、イメージセンサ２４で撮像
可能な空間（画角内の範囲）の奥行き方向と直交する断
面に相当する。そして、仮想面ＶＳのうちのイメージセ
ンサ２４における各画素ｇに対応した範囲が、３次元入
力のサンプリング区画となる。図２においては、起点
Ａ、起点Ｂ、及び受光の主点Ｃが一直線上に配置されて
いる。ここでは、起点Ａ，Ｂが垂直方向に沿って並び、
スリット光Ｕ１，Ｕ２のスリット長さ方向を水平方向と
する。

【００２１】物体Ｑの３次元入力の概要は次のとおりで
ある。イメージセンサ２４によるフレーム周期の撮像に
同期させてガルバノミラー１４の偏向角を制御する。そ
して、イメージセンサ２４の各画素が、刻々と偏向され
ていくスリット光Ｕ１のどの時点の投射により照らされ
たかを検知する。スリット光Ｕ１の投射された物体をイ
メージセンサ２４で撮像し、そのＩ×Ｊ個の画素ｇのう
ちのｉ列ｊ行の画素ｇ_ijの出力に注目すると、画素ｇ_ij
に対応した点Ｐをスリット光Ｕ１が通過する際にその出
力が最大値となる。つまり、画素ｇ_ijの出力がピークを
示す時刻ＴＡのスリット光Ｕ１の投射角度θＡ（図３参
照）と起点Ａの空間座標とによって特定される平面上に
点Ｐが存在することになる。同様に、起点Ｂからの投射
を行ったときには、画素ｇ_ijの出力が最大となる時刻Ｔ
Ｂのスリット光Ｕ２の投射角度θＢと起点Ｂの空間座標
とによって特定される平面上に点Ｐが存在することにな
るので、これら２つの平面の交線上に点Ｐの存在が規定
されることになる。したがって、投射角度θＡ，θＢ及
び基線長Ｌに基づいて、三角測量の原理を適用して、起
点Ａ，Ｂを通る基線と点Ｐとの奥行き方向の距離Ｄを算
出することができ、起点Ａ，Ｂと点Ｐとの垂直方向及び
奥行き方向の相対位置を特定することができる。

【００２２】以上の処理を各画素ｇについて行えば、物
体Ｑについて画素数分のサンプリング点の位置情報が得
られる。本実施形態の構成では水平方向の位置は未定で
あるが、３次元入力データの用途によっては、奥行き情
報が重要であり水平方向の位置はさほど重要ではないこ
ともある。水平方向についてはおおよその位置でよい場
合であれば、簡易的に画素位置から算出することができ
る。また、後述のように水平方向にスリット光Ｕ１を偏
向すれば、水平方向の位置も正確に測定することが可能
となる。なお、起点Ａ，Ｂについては、投光系１０の構
成によってその位置や位置の時間変化が異なるが、任意
の時点において投射角度と一対一で対応する。したがっ
て、３次元位置の算出には投射角度と起点位置のうちの
投射角度のみが検出できれば十分である。

【００２３】次に、画素ｇ_ijの出力が最大となる時刻Ｔ
Ａ，ＴＢを検出するための回路の具体的な構成を説明す
る。図４はメモリ回路の第１例のブロック図である。

【００２４】例示のメモリ回路３７は、２個のメモリ３
７１，３７６、比較器３７７、及びインデックスジェネ
レータ３７８から構成されている。メモリ３７１は、投
光機構１１による第１の走査に際して用いるメモリバン
ク３７１Ａと、投光機構１６による第２の走査に際して
用いるメモリバンク３７１Ｂとを有している。同様に、
メモリ３７６も２個のメモリバンク３７６Ａ，３７６Ｂ
を有している。

【００２５】メモリ３７１にはＡ／Ｄ変換器３５から受
光データＤ３５が入力され、メモリ３７６にはインデッ
クスジェネレータ３７８からフレーム番号Ｔが入力され
る。。比較器３７７は、イメージセンサ２４の画素毎に
最新の入力データであるｔ番目のフレームの受光データ
Ｄ３５と以前にメモリ３７１に書き込まれた受光データ
Ｄ３５とを比較し、最新の受光データＤ３５が以前の受
光データＤ３５より大きい場合にメモリ３７１，３７６
に対して書込みを許可する。これを受けて各メモリ３７
１，３７６は最新の入力データで上書きを行う。比較結
果が逆の場合は各メモリ３７１，３７６において以前の
記憶内容が保持される。したがって、各走査が終了した
時点において、メモリ３７１は各画素ｇ_ij毎に受光デー
タＤ３５の最大値を記憶し、メモリ３７６は各画素ｇ_ij
毎に受光データＤ３５が最大となったフレームの番号Ｔ
を記憶することになる。各フレームの撮像は一定周期で
行われるので、フレーム番号Ｔは走査期間中の時刻（走
査開始からの経過時間）を表す。つまり、メモリ３７６
が記憶するフレーム番号Ｔは上述の時刻ＴＡ，ＴＢに相
当し、投射角度θＡ，θＢを特定する情報である。

【００２６】この例によれば、比較的に簡単な回路構成
によって投射角度θＡ，θＢを検知することができる。
ただし、投射角度の検知の分解能はイメージセンサ２４
の画素ピッチに依存する。分解能の向上を図ったものが
次の第２例である。

【００２７】図５はメモリ回路の第２例のブロック図、
図６は撮像面における輝度分布と受光データとの関係を
示す図である。図５において図４に対応した要素には図
４と同一の符号を付してある。

【００２８】第２例のメモリ回路３７ｂは、メモリ３７
１に加えてそれと同サイズの４個の２個のメモリ３７
２，３７３，３７４，３７５を設け、計４個の１フレー
ムディレイメモリ３７９ａ〜ｄを介在させて各メモリ３
７２〜３７５のデータ入力をメモリ３７１に対して順に
１フレームずつ遅らせるように構成したものである。す
なわち、メモリ回路３７ｂでは、各画素ｇ_ijについて連
続した５フレームの受光データＤ３５が同時に記憶され
る。比較器３７７は、入力が２フレーム遅れの第３番目
のメモリ３７３の入出力を比較する。メモリ３７３の入
力データ値が出力データ値（以前に書き込まれたデータ
値）より大きい場合に、メモリ３７１〜３７５及びメモ
リ３７６の書込みが許可される。

【００２９】各走査が終了した時点において、メモリ３
７３は各画素ｇ_ij毎に受光データＤ３５の最大値を記憶
することになる。また、メモリ３７１，３７２，３７
４，３７５によって、受光データＤ３５が最大となった
フレームの２つ前、１つ前、１つ後、２つ後の計４フレ
ームの受光データＤ３５が記憶されることになる。そし
て、メモリ３７６は、各画素ｇ_ij毎に受光データＤ３５
が最大となったフレームの番号Ｔを記憶することにな
る。

【００３０】ここで、図６（ａ）のように、撮像面に結
像したスリット光像の幅が５画素分であり、輝度分布が
単一峰の山状であるものとする。このとき、１つの画素
ｇ_ijに注目すると、図６（ｂ）のように輝度分布に応じ
た変化の受光データが得られる。したがって、メモリ３
７１〜３７５に記憶されている５フレーム分の受光デー
タＤ３５に基づいて重心演算を行うことにより、フレー
ム周期（つまり画素ピッチ）よりも細かな刻みで時刻Ｔ
Ａ，ＴＢを算出することができる。図６（ｂ）の例で
は、時刻ＴＡ（ＴＢ）はｔ回目と（ｔ＋１）回目のサン
プリング時刻間にある。

【００３１】この第２例によれば分解能が向上するが、
輝度分布によっては所望の精度が得られないという問題
がある。すなわち、実際の撮像では、光学系の特性など
に起因して結像に何らかのノイズが加わる。このため、
輝度分布に複数のピークが生じたり、平坦でピークの不
明瞭な輝度分布となったりする。輝度分布が理想形状か
ら大きく外れると、重心演算の信頼性が低下する。

【００３２】このようなノイズの影響は、輝度の最大値
が得られたフレームとその前後の各数フレームを合わせ
た程度の短い期間ではなく、十分に長い期間の輝度分布
に基づいて重心演算を行うことによって低減することが
できる。それを実現するのが次の第３例である。

【００３３】図７はメモリ回路の第３例のブロック図、
図８は図７に係る重心の概念図である。第３例のメモリ
回路３７ｃは、メモリ３７１０、定常光データ記憶部３
７２０、減算部３７３０、第１加算部３７４０、第２加
算部３７５０、及び除算部３７６０から構成され、各画
素ｇ_ij毎にフレーム数分の受光データＤ３５に基づいて
重心（時間重心）を算出する。

【００３４】メモリ３７１０は、２個のバンクを有し、
順に行われる第１及び第２の走査で得られた所定数ｋの
フレームの受光データＤ３５を記憶する。各画素ｇ_ijの
Ｔ番目（Ｔ＝１〜ｋ）のフレームの受光データ値をｘ_T
と表す。定常光データ記憶部３７２０は、スリット光Ｕ
１，Ｕ２以外の不要入射光量を表す定常光データを記憶
する。定常光データはスリット光Ｕ１，Ｕ２が入射して
いないときの受光データＤ３５に基づいて算出される。
その値ｓは、予め定めた固定値でもよいし、受光データ
Ｄ３５を用いてリアルタイムで求めてもよい。固定値と
する場合には、受光データＤ３５が８ビット（２５６階
調）である場合に、例えば「５」「６」又は「１０」な
どとする。減算部３７３０は、メモリ３７１０から読み
出された受光データＤ３５の値ｘ_T から定常光データの
値ｓを差し引く。ここで、減算部３７３０からの出力デ
ータの値をあらためてＸ_T とする。第１加算部３７４０
は、画素ｇ_ij毎にｋ個の受光データＤ３５について、そ
れぞれの値Ｘ_T とそれに対応したフレーム番号Ｔとの乗
算を行い、得られた積の合計値を出力する。第２加算部
３７５０は、画素ｇ_ij毎にｋ個の受光データＤ３５の値
Ｘ_T の総和を出力する。除算部３７６０は、第１加算部
３７４０の出力値を第２加算部３７５０の出力値で除
し、得られた重心を時刻ＴＡ（又はＴＢ）として出力す
る。

【００３５】図９は投光起点と受光主点との位置関係の
設定例を示す図である。投光系１０及び撮像系２０の配
置においては、必ずしも投光の起点Ａ，Ｂ及び受光の主
点Ｃが一直線上に並ぶ図９（ａ）又は（ｂ）のような構
成にする必要はない。例えば、物体側からみて３点がＬ
字状に並ぶ図９（ｃ）の構成、Ｔ字状に並ぶ図９（ｄ）
の構成を採用してもよい。特に、図９（ｂ）又は（ｄ）
のように起点Ａと起点Ｂとの間に主点Ｃを配置すれば、
起点Ａ，Ｂの位置が異なることにより発生するオクルー
ジョンを軽減することができる。その際には主点Ｃと各
起点Ａ，Ｂとの距離ｄを等しくするのが好ましい。

【００３６】図１０は第２実施形態に係る３次元入力装
置２の機能ブロック図である。図１０及び以下の各図に
おいて図１と同一の符号を付した構成要素の機能は上述
の３次元入力装置１と同一である。

【００３７】３次元入力装置２の構成は、投光系１０ｂ
及びその制御に係わる部分を除いて図１の３次元入力装
置１と同様である。３次元入力装置２において、投光系
１０ｂは、投光機構１１とそれを平行移動させる移動機
構１１０とから構成されている。半導体レーザ１２、レ
ンズ群１３及びガルバノミラー１４の配置関係を保持し
たまま投光機構１１を移動させることにより、２個の投
光機構を設けるのと同様に互いに離れた２点を起点とし
てスリット光Ｕ１，Ｕ２の投射を行うことができる。な
お、投光機構１１を移動させる代わりに光路内に退避可
能にミラーを設け、起点を変更することも可能である。

【００３８】図１１は第３実施形態に係る３次元入力装
置３の機能ブロック図である。第３実施形態は、スリッ
ト光ではなくビーム断面が点状のスポット光Ｖ１，Ｖ２
を投射し、１次元のイメージセンサ（ラインセンサ）２
７を用いて撮像を行うものである。

【００３９】３次元入力装置３は、２個の投光機構１１
ｃ，１６ｃからなる投光系１０ｃ、ズーミング及びフォ
ーカシングの可能な撮像系２０ｃとを有している。投光
機構１１は、半導体レーザ１２、コリメータレンズ１３
ｃ、及びガルバノミラー１４ｃからなる。同様に投光機
構１６ｃも半導体レーザ１７、コリメータレンズ１８
ｃ、及びガルバノミラー１９ｃからなる。

【００４０】撮像系２０ｃは、受光レンズ２１、レンズ
駆動機構２６、赤外カットフィルタＦ１、バンドパスフ
ィルタＦ２、フィルタ切換え機構２８、及び３次元入力
とモニター撮影とに兼用のイメージセンサ２７からな
る。イメージセンサ２７は、ＲＧＢの各色に対応した画
素列を有する３ラインＣＣＤセンサである。モニター撮
影のときには赤外カットフィルタＦ１を用いる。また、
３次元入力のときにはレーザ波長域の光を透過させるバ
ンドパスフィルタＦ２を用い、イメージセンサ２７のＲ
の画素列の出力のみを受光情報として用いる。

【００４１】スポット光Ｖ１，Ｖ２による場合も、時刻
ＴＡ，ＴＢを検出することにより、物体Ｑ上の点Ｐの位
置を算出することができる。その原理はスリット光Ｕ
１，Ｕ２による場合と同様であるので、ここではその説
明を省略する。

【００４２】図１２は第４実施形態に係る３次元入力装
置４の機能ブロック図、図１３は図１２に係る投射の模
式図である。第４実施形態は、スリット光Ｕ１による水
平方向の走査を可能にし、物体Ｑ上の点Ｐの水平方向の
位置を正確に特定できるようにしたものである。

【００４３】３次元入力装置４の構成は、投光系１０ｄ
及びその制御に係わる部分を除いて図１の３次元入力装
置１と同様である。３次元入力装置４の投光系１０ｄ
は、２個の投光機構１１，１６と、投光機構１１の偏向
方向を垂直方向と水平方向とに切り換えるための回転機
構１２０とから構成されている。半導体レーザ１２、レ
ンズ群１３及びガルバノミラー１４の配置関係を保持し
たまま投光機構１１を９０°回動させることにより、水
平方向の走査が可能となる。

【００４４】３次元入力装置４においては、スリット光
Ｕ１，Ｕ２を垂直方向に偏向して時刻（時間重心）Ｔ
Ａ，ＴＢを検出する走査に続いて、起点Ａを中心に投光
機構１１を９０°回動させてスリット光Ｕ３による水平
方向の走査を行う。水平方向の走査においても垂直方向
と同様の要領で各画素ｇ_ijの出力が最大となる時間重心
（時刻）ＴＣを求める。時間重心ＴＣによって一義的に
決まる水平方向の投射角度と、上述のように垂直方向の
投射角度θＡ，θＢから求めた距離Ｄとから三角測量法
を適用して点Ｐの水平方向の位置を算出することができ
る。

【００４５】図１４は回転によって全周囲入力〔図１４
（ａ）〕、全方位入力〔図１４（ｂ）〕を実現する装置
構成例を示す図、図１５、図１６はミラーによって全方
位入力（図１５）、全周囲入力（図１６）を実現する装
置構成例を示す図である。

【００４６】図１４（ａ）の３次元入力装置５は、投光
及び撮像を行う光学系１０ｅと物体Ｑを乗せて回転する
ターンテーブル４５とを備えている。光学系１０ｅは、
投光の起点間に受光の主点を配置したものであり、フィ
ルタを切り換えて１個のイメージセンサで３次元入力と
カラー撮影とを行うように構成されている。ターンテー
ブル４５は、ある方向から物体Ｑを走査して重心を求め
ると、所定角度だけ回転する。光学系１０ｅによる走査
とターンテーブル４５の回転とをＮ回繰り返すことによ
り、物体Ｑの外周面の最大３６０°の角度範囲にわたる
３次元入力が可能である。光学系１０ｅにはＮ回分のデ
ータ記憶が可能な容量のメモリを設けられている。何回
目の走査のデータであるからn ×θというかたちで方向
成分が求められるので、測定対象物の空間上での３次元
位置データが得られることになる。なお、物体Ｑを静止
させてその周囲を光学系１０ｅが回るように構成しても
よい。

【００４７】図１４（ｂ）の３次元入力装置６では、タ
ーンテーブル４６の上に光学系１０ｅが取り付けられて
いる。３次元入力装置６を用いれば、空洞を有した物体
の内壁面の全方位３次元入力が可能となる。

【００４８】図１５は、凸型の曲面ミラー２１０を使用
した全方位３次元計測装置の構成例を示す。曲面ミラ一
２１０の軸上に、撮像装置（例えばビデオカメラ）２０
ｆをその光軸がミラー軸と一致するように配置する。曲
面ミラ一２１０は、例えば双曲面のように、軸対称で且
つ軸を含む平面による断面がその傾きを単調に増加させ
る曲線である形状をしている。これにより、撮像装置２
０ｆと投光系を含む光学システム自身が写っている範囲
を除いて、図中のＥの範囲の軸まわり全周の画像が、撮
像装置２０ｆの中に取り込まれる。

【００４９】さらに、曲面ミラ一２１０の軸上には、光
源１２、レンズ１３ｆ、走査ミラー１５及びミラー回転
機構１３０を備えた投光系１０ｆを配置する。光源１２
から発せられた光は、レンズ１３ｆにより適切な径を有
するビームに整えられ、走査ミラー１５で反射して投射
される。走査ミラー１５は、曲面ミラ一２１０の軸に垂
直な軸周り角度制御が可能（図中Ｂ）で、これにより投
射されるビームを図中Ｂ’のように偏向する。これを副
走査とする。例えばガルバノスキャナのような角度制御
機構付きの走査ミラー１５を使用すれば、この副走査を
実現することができる。

【００５０】ミラー回転機構１３０は、副走査中の走査
ミラー１５を、それのみ又はレンズ１３ｆ及び光源１２
の少なくとも一方とともに曲面ミラー軸周りに回転させ
る（図中Ａ）。これによって、ビームは曲面ミラー軸周
り、すなわち撮像装置の光軸周りに全周を走査する。こ
れを主走査とする。

【００５１】主走査の１周期（方向Ａの１回転）に対
し、走査ミラー１５の角度を副走査方向Ｂの分解能分だ
け変化させる。これを図中Ｂ’の範囲で片道１副走査の
間繰り返せば、Ｂ’の範囲で曲面ミラー軸周り全周の範
囲をビームで走査することができる。

【００５２】主走査の１周期は、撮像装置２０ｆの露光
時間以下になるように設定する。ビームの投射角すなわ
ち走査ミラー１５の偏角φ（図中のＢの方向）における
全方位に投射したビームの反射光による軌跡を撮像する
ことができる。撮像する毎に走査ミラー１５の角度を副
走査方向Ｂの分解能分だけ変化させる。この動作を繰り
返しながら、上述した重心画像Ａ（時刻ＴＡを示す画素
の集合）を作成する。

【００５３】その後、移動機構１１７により、投光系１
０ｆの位置を所定の距離だけ曲面ミラー軸方向（図中
Ｃ）に移動させ上述の動作にて重心画像Ｂ（時刻ＴＢを
示す画素の集合）を作成する。

【００５４】この２枚の重心画像Ａ，Ｂから各画素に対
する投光系のそれぞれの位置での走査ミラー１５の角度
位置と投光系１０ｆを移動させた距離とを用いて三角測
量の原理で、垂直方向と奥行き方向の位置が求められ
る。また、各画素と画像中心位置（曲面ミラー軸が相当
する位置）とから方位角を求めることかできる。したが
って、画像中の各画素について空間上の３次元位置を算
出することができる。

【００５５】図１６は、逆円錐台状の曲面ミラー２２０
を使用した全方位３次元計測装置の構成例を示す。内面
が反射面となっている曲面ミラー２２０をその軸を鉛直
方向に向けて配置する。ミラー形状は、ミラー軸鉛直上
向きに座標軸ｈをとり、ある高さｈに対するミラー断面
半径をｒ、ｈ軸に対するミラー面の角度をθｍとおい
て、以下の式で表わすことができる。

【００５６】ｒ＝ｈ・ｔａｎθｍ＋Ｒ ここでＲは、ｈ＝０に対するｒの値である。その中に入
力対象の物体（図示の例では人体）Ｑが置かれていると
する。曲面ミラー２２０の上方に撮像装置２０ｇ及び投
光系１１ｇが、それらの光軸をミラー軸と一致させるよ
うに配置されている。曲面ミラー２２０における逆円錐
台の頂角、撮像装置２０ｇとの距離、及び撮像の画角を
適切に設定することによって、撮像装置２０ｇは曲面ミ
ラー２２０を介して、頂点付近を除き物体Ｑの全周の映
像をひとつの画像の中に捉えることができる。投光系１
１ｇは、ミラーの軸を回転軸として光ビームの投射方位
（図中のＭ１方向）を回転させることが可能である。こ
れを主走査とする。同時に、光ビームの投射角θｙを鉛
直面内（図中のＭ２方向）で走査することができるもの
とする。これを副走査とする。Ｍ１方向の走査は、モー
ターなどの動力源を使用して投光系１１ｇの一部または
全部を回転運動させることで実現できる。また、Ｍ２方
向の変化は、例えばガルバノスキャナのような走査デバ
イスを使用すれば容易に可能である。なお、投光系１１
ｇは、撮像装置２０ｇの視野の中で、ミラーの反射面が
存在せず３次元情報の入力に関与しない中央付近の円形
の領域内に収まるように、その大きさや形状、及び鉛直
方向の設置位置を定める。

【００５７】物体Ｑ上の点Ｐの像が、撮影した画像にお
いて点Ｐｉとして観測されているとする。この３次元入
力本装置８は軸対称であるので、簡単化のために、以下
では方位角を固定して、ミラー軸を含むある鉛直断面内
に着目して説明する。

【００５８】光ビームの投射起点の高さをｈ＝ｈｘとし
て、あるタイミングにおいて、光ビームが経路ｘから
ｘ’を経て点Ｐ上に到達しているとする。投射角θｘに
対し、光ビームは経路ｘを経て反射後には以下の式で表
現される経路ｘ’をたどる。

【００５９】ｒ＝ｈ・ｔａｎ（θｘ＋２θｍ）＋〔ｔａ
ｎθｘ（ｈｘｔａｎθｍ＋Ｒ）−ｔａｎ（θｘ＋２θm
）（ｈｘｔａｎθｘ−Ｒ）〕／（ｔａｎθｍ＋ｔａｎ
θｘ） この経路ｘ’上に点Ｐが存在することになる。

【００６０】また、光ビームの投射起点の高さをｈ＝ｈ
ｙとして、あるタイミングにおいて、光ビームが経路ｙ
からｙ’を経て点Ｐ上に到達しているとする。投射角θ
ｙに対し、光ビームは経路ｙを経て反射後には以下の式
で表現される経路ｙ’をたどる。

【００６１】ｒ＝ｈ・ｔａｎ（θｙ＋２θｍ）＋〔ｔａ
ｎθｙ（ｈｙｔａｎθｍ＋Ｒ）−ｔａｎ（θｙ＋２θm
）（ｈｙｔａｎθｘ−Ｒ）〕／（ｔａｎθｍ＋ｔａｎ
θｙ） この経路ｙ’上に点Ｐが存在することになる。

【００６２】以上から、点Ｐ（画像において点Ｐｉ）の
位置（奥行き方向の位置：ｒ、垂直方向の位置：ｈ）は
経路ｘ’と経路ｙ’との交点として定まることになる。
したがって点Ｐの位置は、光ビームの投射角θｘとθｙ
から算出することが可能である。また、画像において点
Ｐｉと画像中心位置（曲面ミラー軸が相当する位置）と
から方位角を求めることができる。

【００６３】したがって、画像中の各画素に対する空間
上の３次元位置を算出することが可能である。一部繰り
返しになるが、３次元入力の過程を説明する。上述の主
走査の１周期は、撮像装置２０ｆの露光時間以下になる
ように設定する。ビームの投射角、すなわち走査ミラー
の偏角θ（図中のＭ２の方向）における全方位から投射
したビームの反射光による軌跡を撮像することができ
る。撮像する毎に、走査ミラーの角度を副走査方向の分
解能分だけ変化させる。この動作を繰り返しながら、重
心画像Ａを作成する。その後、移動機構１１８により、
投光系１１ｇの位置を所定の距離だけ曲面ミラー軸方向
（図中Ｍ３）に移動させ、上述の動作にて重心画像Ｂを
作成する。

【００６４】この二枚の重心画像Ａ，Ｂから各画素に対
する投光系１１ｇの各々の位置での走査ミラーの偏角を
求める。これらの値と投光系１１ｇを移動させた距離と
を用いて三角測量の原理で、垂直方向と奥行き方向の位
置が求められる。また、各回素と画像中心位置（曲面ミ
ラー軸が相当する位置）とから方位角を求めることがで
きる。したがって、画像中の各画素について空間上の３
次元位置を算出することが可能である。

【００６５】

【発明の効果】請求項１乃至請求項８の発明によれば、
参照光の入射角度情報によらない３次元入力を実現し、
入射角度情報をえるための演算を不要にするとともに、
投射角度情報と比べて入射角度情報の精度が低い場合に
おける３次元入力データの精度の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る３次元入力装置の機能ブロ
ック図である。

【図２】投射の模式図である。

【図３】距離画像データの生成要領を説明するための図
である。

【図４】メモリ回路の第１例のブロック図である。

【図５】メモリ回路の第２例のブロック図である。

【図６】撮像面における輝度分布と受光データとの関係
を示す図である。

【図７】メモリ回路の第３例のブロック図である。

【図８】図７に係る重心の概念図である。

【図９】投光起点と受光主点との位置関係の設定例を示
す図である。

【図１０】第２実施形態に係る３次元入力装置２の機能
ブロック図である。

【図１１】第３実施形態に係る３次元入力装置３の機能
ブロック図である。

【図１２】第４実施形態に係る３次元入力装置４の機能
ブロック図である。

【図１３】図１２に係る投射の模式図である。

【図１４】回転によって全周囲入力又は全方位入力を実
現する装置構成例を示す図である。

【図１５】ミラーによって全方位入力を実現する装置構
成例を示す図である。

【図１６】ミラーによって全周囲入力を実現する装置構
成例を示す図である。

【符号の説明】

１〜８ ３次元入力装置 Ａ，Ｂ 起点 Ｐ 点（物体上の特定部位） Ｕ１，Ｕ２ 参照光 Ｌ 基線長（起点の間の距離） ＶＳ 仮想面 ＴＡ，ＴＢ 時刻（サンプリング区画を通過する時点） θＡ，θＢ 投射角度 １０ 投光系 ２０ 撮像系 ３７ メモリ回路（信号処理手段） １１ 投光機構（第１光学機構） １６ 投光機構（第２光学機構） １１０ 移動機構

フロントページの続き (72)発明者 井手 英一 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA17 AA53 BB05 CC16 DD03 FF04 FF09 FF44 GG06 GG12 GG23 HH05 JJ02 JJ03 JJ05 JJ25 JJ26 LL08 LL13 LL19 LL22 LL26 LL46 MM04 MM08 MM16 MM22 MM28 PP05 PP13 QQ01 QQ04 QQ24 QQ26 QQ27 QQ29 QQ33 QQ42 QQ43 QQ45 SS11 UU01 UU05 UU06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の起点から物体上の特定部位に向かっ
   て第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と
   離れた第２の起点から前記特定部位に向かって第２の参
   照光を投射し、 前記第１及び第２の参照光の投射角度と前記第１及び第
   ２の起点の間の距離とに基づいて、前記特定部位の位置
   を算出することを特徴とする３次元入力方法。
2. 【請求項２】第１の起点から仮想面に向かってそれを走
   査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第
   １の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かって
   それを走査するように第２の参照光を投射し、 物体で反射した前記第１及び第２の参照光のそれぞれが
   前記仮想面を細分化した各サンプリング区画を通過する
   時点を検出し、 検出した各時点における前記第１及び第２の参照光のそ
   れぞれの投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離
   とに基づいて、前記各サンプリング区画毎に前記物体の
   位置を算出することを特徴とする３次元入力方法。
3. 【請求項３】第１の起点から仮想面に向かってそれを走
   査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第
   １の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かって
   それを走査するように第２の参照光を投射する投光系
   と、 物体で反射した前記第１及び第２の参照光を受光して電
   気信号に変換する撮像系と、 前記電気信号に基づいて、物体で反射した前記第１及び
   第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サ
   ンプリング区画を通過する時点を検出する信号処理手段
   とを備え、 前記信号処理手段の検出した各時点における前記第１及
   び第２の参照光のそれぞれの投射角度に応じたデータ
   を、前記物体における複数の部位の位置情報として出力
   することを特徴とする３次元入力装置。
4. 【請求項４】前記投光系は、前記第１の参照光を投射す
   る第１光学機構と、前記第２の参照光を投射する第２光
   学機構とを有する請求項３記載の３次元入力装置。
5. 【請求項５】前記投光系は、前記第１及び第２の参照光
   を順に投射するための光学機構と、前記光学機構の少な
   くとも一部を移動させて投射の起点を変更する移動機構
   とを有する請求項３記載の３次元入力装置。
6. 【請求項６】前記第１及び第２の参照光はスリット光で
   あり、 前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を前記仮想面
   を第１方向に走査するように投射するとともに、前記第
   １の参照光を前記仮想面を前記第１方向と直交する第２
   方向に走査するように投射する請求項３乃至請求項５の
   いずれかに記載の３次元入力装置。
7. 【請求項７】前記撮像系の結像の主点は、前記第１の起
   点と前記第２の起点との間の位置である請求項３乃至請
   求項６のいずれかに記載の３次元入力装置。
8. 【請求項８】前記撮像系の結像の主点は、前記第１及び
   第２の起点の双方に対して等距離の位置である請求項７
   記載の３次元入力装置。