JP2000275024A

JP2000275024A - ３次元入力装置

Info

Publication number: JP2000275024A
Application number: JP11081055A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miyazaki; 誠宮崎
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】撮像デバイスの無駄な読出しを低減することに
よって、３次元入力の所要時間の短縮及びデータ処理負
担の軽減を図る。【解決手段】物体に向かって仮想面を走査するように参
照光を投射し、撮像デバイスを用いて走査中に周期的に
物体を撮影し、撮像デバイスの受光面における物体で反
射した参照光の入射位置に応じたデータを出力する３次
元入力装置において、受光面Ｓ２のうちの参照光が入射
する受光領域ＡＳｈを走査に先立って推定する手段と、
推定された受光領域ＡＳｈの大きさに応じて、撮像デバ
イスの読出しの範囲設定を行うコントローラとを設け
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出力
する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測定が可能
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測定方法として
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、参照光を照射して物体を
撮影する能動的測定方法の一種である。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、参照光としてビーム断面が直線
帯状であるスリット光が用いられ、スリットの幅方向に
ビームを偏向する線順次の走査が行われる。スリットの
長さ方向が主走査方向であり、幅方向が副走査方向であ
る。走査中のある時点では物体の一部が照射され、撮影
系の受光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、走査中に周期的に受光面の各画素
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３次元入力データを得ることができる。

【０００４】従来において、受光面の輝度のサンプリン
グに際して、１回のサンプリングの対象を受光面全体で
はなく参照光が入射すると予想される一部の帯状領域
（ブロック）に限定し、その帯状領域をサンプリング毎
に副走査方向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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように参照光を
投射して物体を撮影する３次元入力においては、撮影の
視野に対して物体が過度に小さくなることがある。視野
に対する物体の大きさは撮影の画角及び撮影距離によっ
て決まる。画角については、ズーム機能により調整可能
であるが、ズーム仕様で決まる下限値がある。撮影距離
についても許容範囲があり、最低距離（一般に数十ｃｍ
〜１ｍ）より近づいて撮影することはできない。

【０００６】従来では、１主走査毎の各回のサンプリン
グにおける撮影像の読出し範囲は受光面の一部であって
も、走査の全期間についてみると受光面の全体が読出し
範囲であった。このため、上述のように視野に対して物
体が過度に小さい場合には、サンプリングで得られるデ
ータのうちの不要データの占める割合が大きいという問
題、すなわち撮像デバイスからのデータの読出し及びそ
の後のデータ処理の無駄が多いという問題があった。

【０００７】本発明は、撮像デバイスの無駄な読出しを
低減することによって、３次元入力の所要時間の短縮及
びデータ処理負担の軽減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、撮像
デバイスの受光面における読出し範囲を可変とする。範
囲については、大きさ及び位置を任意に設定してもよい
し、予め定めた複数の選択肢の中から選択してもよい。
変更の要否については、自動的に判定する形態と、ユー
ザー又は外部装置が指示する形態とがある。自動的に判
定する場合は、受光面のうちの物体で反射した参照光が
入射する受光領域を推定し、受光領域が設定値より小さ
いときに読出し範囲を縮小する。受光領域が設定値以上
であれば、読出し範囲を最大とする。ここでいう受光領
域は、物体の走査の開始から終了までの期間中のいずれ
かの時点に参照光が入射する画素（厳密には入射すると
予想される画素）の集合である。参照光として例えばス
リット光を用いる場合、走査のある時点における受光領
域は線状であるが、走査の進行につれて受光領域が移動
するので、走査期間の全体での受光領域は面状となる。

【０００９】このような受光領域は、例えば参照光の受
光と同じ画角で物体を撮影し、撮影像から画像処理で物
体像を抽出することにより、実用に十分な精度で推定す
ることができる。

【００１０】請求項１の発明の装置は、物体に向かって
仮想面を走査するように参照光を投射し、撮像デバイス
を用いて走査中に周期的に前記物体を撮影し、前記撮像
デバイスの受光面における前記物体で反射した参照光の
入射位置に応じたデータを出力する３次元入力装置であ
って、前記撮像デバイスは、前記受光面のうちの任意範
囲の選択的な読出しが可能であり、前記受光面のうちの
前記物体で反射した参照光が入射する受光領域を走査に
先立って推定する手段と、推定された受光領域の大きさ
に応じて、前記撮像デバイスの読出しの範囲設定を行う
コントローラとを有している。

【００１１】請求項２の発明の３次元入力装置において
は、前記撮像デバイスの読出し範囲を可変とする動作モ
ードと、当該読出し範囲を最大範囲に固定する動作モー
ドとの切換えが可能である。

【００１２】請求項３の発明の装置は、物体に向かって
仮想面を走査するように参照光を投射し、撮像デバイス
を用いて走査中に周期的に前記物体を撮影し、前記撮像
デバイスの受光面における前記物体で反射した参照光の
入射位置に応じたデータを出力する３次元入力装置であ
って、前記撮像デバイスは、前記受光面のうちの任意範
囲の選択的な読出しが可能であり、特定の操作入力に呼
応して前記撮像デバイスの読出し範囲の設定を変更する
コントローラを有している。

【００１３】請求項４の発明の装置は、前記受光領域の
大きさに応じて、参照光の走査範囲又は走査速度の少な
くとも一方を変更する参照光コントローラを有してい
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る測定システム
の構成図である。測定システム１は、スリット光投影法
によって立体測定を行う３次元カメラ（レンジファイン
ダ）２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホス
ト３とから構成されている。

【００１５】３次元カメラ２は、測定対象物である物体
Ｑ上のサンプリング点の３次元位置を特定する測定デー
タとともに、物体Ｑのカラー情報を示す２次元画像及び
キャリブレーションに必要なデータを出力する。三角測
量法を用いてサンプリング点の座標を求めて３次元モデ
ルを生成する演算処理はホスト３が担う。２次元のカラ
ー画像は、ホスト３における３次元モデルの修正のため
の参考情報、３次元モデルが物体Ｑのモデルであること
をユーザーが容易に理解できるようにする識別情報、及
び本発明に特有の読出し範囲の自動設定のためのフレー
ミング情報として利用される。カラー画像からの物体像
の抽出を容易にするため、立体測定に際して物体Ｑの後
方に青色のバックスクリーン５が配置される。

【００１６】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成され
たコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには測定デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト３と３次元カメラ２との間では、ケーブル又は赤外
通信によるオンライン及び可搬型の記録メディア４によ
るオフラインの２形態のデータ受渡しが可能である。記
録メディア４としては、光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニ
ディスク（ＭＤ）、メモリカードなどがある。

【００１７】図２は３次元カメラの外観を示す図であ
る。ハウジング２０の前面に投光窓２０ａ及び受光窓２
０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂに
対して上側に位置する。内部の光学ユニットＯＵが射出
するスリット光（所定幅ｗの帯状のレーザビーム）Ｕ
は、投光窓２０ａを通って測定対象の物体（被写体）に
向かう。スリット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度φは固
定である。物体の表面で反射したスリット光Ｕの一部が
受光窓２０ｂを通って光学ユニットＯＵに入射する。な
お、光学ユニットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係
を適正化するための２軸調整機構を備えている。

【００１８】ハウジング２０の上面には、ズーミングボ
タン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６
ａ，２６ｂ、及びシャッタボタン２７が設けられてい
る。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、
液晶ディスプレイ２１、カーソルボタン２２、セレクト
ボタン２３、キャンセルボタン２４、アナログ出力端子
３２、ディジタル出力端子３３、及び記録メディア４の
着脱口３０ａが設けられている。

【００１９】液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１は、操作
画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。
撮影者は背面の各ボタン２１〜２４によって撮影モード
の設定を行うことができる。アナログ出力端子３２から
は、カラー画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力され
る。ディジタル出力端子３３は例えばＳＣＳＩ端子であ
る。

【００２０】ユーザー（撮影者）は、ＬＣＤ２１が表示
する操作画面の案内に従って所望の動作モードを設定す
る。その後、カラーモニタ画像を見ながら、カメラの位
置と向きを決め、画角を設定する。その際に必要に応じ
てズーミング操作を行う。

【００２１】図３は３次元カメラの機能構成を示すブロ
ック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示している。３次元カメラ２
は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光側及び受光
側の２つの光学系４０，５０を有している。

【００２２】光学系４０において、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）４１が射出する波長６８５ｎｍのレーザビームは、
投光レンズ系４２を通過することによってスリット光Ｕ
となり、ガルバノミラー（走査手段）４３によって偏向
される。半導体レーザ４１のドライバ４４、投光レンズ
系４２の駆動系４５、及びガルバノミラー４３の駆動系
４６は、システムコントローラ６１によって制御され
る。

【００２３】光学系５０において、ズームユニット５１
によって集光された光は、ビームスプリッタ５２で分光
される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は測定用
のイメージセンサ５３に入射する。可視帯域の光はモニ
タ用のカラーイメージセンサ５４に入射する。イメージ
センサ５３は、ＭＯＳ型エリアセンサであり、任意の画
素の読出しが可能である。カラーイメージセンサ５４は
ＣＣＤエリアセンサである。ズームユニット５１は内焦
型であり、入射光の一部がオートフォーカシング（Ａ
Ｆ）に利用される。ＡＦ機能は、ＡＦセンサ５７とレン
ズコントローラ５８とフォーカシング駆動系５９とによ
って実現される。ズーミング駆動系６０は電動ズーミン
グのために設けられている。

【００２４】３次元カメラ２における物体情報の流れは
次のとおりである。まず、イメージセンサ５３による撮
影情報は、ドライバ５５からのクロックに同期して信号
処理回路６２へ転送される。信号処理回路６２は、イメ
ージセンサ５３の出力する各画素の光電変換信号を増幅
する増幅器、及び光電変換信号を８ビットの受光データ
に変換するＡＤ変換器を有している。信号処理回路６２
で得られた受光データはメモリ６３によって一時的に記
憶された後、重心演算回路７３へ送られる。その際のア
ドレス指定はメモリ制御回路６５が行う。重心演算回路
７３は、入力された受光データに基づいて３次元位置を
算出するための基となるデータを算出し、それを出力用
メモリ６４に出力する。また、重心演算回路７３は、測
定対象の物体の形状に対応した濃淡画像（距離画像）を
生成し、それを表示コントローラ７４に送る。ＬＣＤ２
１は、濃淡画像、カラー画像、及び操作案内画面などを
表示する。

【００２５】一方、カラーイメージセンサ５４による撮
像情報は、ドライバ５６からのクロックに同期してカラ
ー処理回路６７へ転送される。カラー処理を受けた撮像
情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０及びアナログ出力端子３
２を経てオンライン出力され、又はディジタル化回路６
８で量子化されてカラー画像メモリ６９に格納される。
その後、カラー画像メモリ６９からＳＣＳＩコントロー
ラ６６へカラー画像データが転送され、ディジタル出力
端子３３からオンライン出力され、又は測定データと対
応づけて記録メディア４に格納される。なお、カラー画
像は、イメージセンサ５３による距離画像と同一の画角
の像である。つまり、カラーイメージセンサ５４による
受光の視野は、イメージセンサ５３による受光の視野と
実質的に一致する。

【００２６】システムコントローラ６１には、上述のボ
タン２１〜２４で構成される操作部２５から操作の内容
が伝えられる。システムコントローラ６１は、図示しな
いキャラクタジェネレータに対して、ＬＣＤ２１の画面
上に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。
また、システムコントローラ６１は、カラー画像メモリ
６９からカラー画像を読出して後述の解析を行う。シス
テムコントローラ６１とカラー画像メモリ６９とで本発
明における受光領域を推定する手段が構成される。

【００２７】図４は測定システム１における３次元位置
の算出の原理図である。同図では理解を容易にするた
め、各画素ｇの受光量のサンプリングについて５回分の
みが示されている。

【００２８】イメージセンサ５３の受光面（撮像面）Ｓ
２上で複数画素分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕ
を物体Ｑに照射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を５
画素分とする。スリット光Ｕは、サンプリング周期毎に
受光面Ｓ２上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように、
図４の上から下に向かって偏向され、それによって物体
Ｑ（厳密には奥行き方向と直交する仮想面）が走査され
る。スリット光Ｕの偏向方向が副走査方向である。サン
プリング周期毎にイメージセンサ５３から１フレーム分
の受光データ（光電変換情報）が出力される。なお、こ
の偏向は実際には等角速度で行われる。

【００２９】受光面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、
本実施形態においては、走査中に行う３２回のサンプリ
ングによって３２回分の受光データが得られる。これら
３２回分の受光データに対する重心演算によって、注目
画素ｇがにらむ範囲の物体表面をスリット光Ｕの光軸が
通過する時点（時間重心ｉｐ）を求める。

【００３０】物体Ｑの表面が平面であって光学系の特性
によるノイズがないとすると、注目画素ｇの受光量は、
図４（ｂ）に示すようにスリット光Ｕが通過する期間に
おいて多くなり、通常はほぼ正規分布曲線を描くように
推移する。図示の例では、ｎ回目とその１つ前の（ｎ−
１）回目の間の時点で受光量が最大となっており、その
時点は演算結果の時間重心ｉｐとほぼ一致する。

【００３１】求めた時間重心ｉｐにおけるスリット光の
照射方向と、注目画素に対するスリット光の入射方向と
の関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）を算出する。
これにより、受光面の画素ピッチｐｖで規定される分解
能より高い分解能の測定が可能となる。なお、注目画素
ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依存する。しかし、サン
プリングの各受光量の相対比は受光の絶対量に係わらず
一定である。つまり、物体色の濃淡は測定精度に影響し
ない。

【００３２】図５は測定の視野と物体との関係を示す図
である。３次元カメラ２と物体Ｑとを測定可能な範囲内
で最大限に近づけ、且つズーミングを行ったとしても、
視野ＡＶに対して物体Ｑが極端に小さくなる場合があ
る。このような場合において測定時間の短縮と出力デー
タ量の削減を図るため、３次元カメラ２には“高速モー
ド”が設けられている。高速モードは、イメージセンサ
５３の受光面Ｓ２の読出し範囲を、視野ＡＶに対する物
体Ｑの大きさに応じて設定する動作モードである。ユー
ザーは、高速モード及び物体Ｑの大きさに係わらず読出
し範囲を最大とする“ノーマルモード”のどちらかを選
択することができる。高速モードにおいて、３次元カメ
ラ２は読出し範囲を自動的に最適化する。

【００３３】図５（Ａ）のように視野ＡＶに対して物体
Ｑが十分に大きい場合には、ノーマルモードを選択して
も出力データのうちの不要データの割合は小さい。図５
（Ｂ）のように視野ＡＶに対して物体Ｑが小さい場合に
は、高速モードを選択することにより、不要データの割
合を低減することができる。

【００３４】図６はイメージセンサの読出し範囲を示す
図である。ノーマルモードと高速モードとに係わらず、
イメージセンサ５３における１フレームの読出しは、高
速化を図るために１フレームの有効受光領域（帯状画
像）Ａｅｎ，Ａｅｈのみを対象に行われる。有効受光領
域Ａｅｎ，Ａｅｈは、測定可能な距離範囲内の物体の起
伏を示す輝線が結像する領域であり、スリット光Ｕの偏
向に伴ってフレーム毎に１画素分ずつシフトする。本実
施形態では、有効受光領域Ａｅｎ，Ａｅｈのシフト方向
の画素数は３２に固定されている。ノーマルモードにお
ける有効受光領域Ａｅｎの長さ方向（水平方向）の画素
数は２００である。高速モードにおける有効受光領域Ａ
ｅｈの長さ方向の画素数は例えば５０〜１５０の範囲内
の値Ｈに設定される（図示ではＨ＝１００）。

【００３５】ノーマルモードの読出し範囲ＡＲｎは、受
光面Ｓ２のうちの２００×２００画素サイズのサンプリ
ング範囲ＡＳｎとその上下両側の３１画素幅の帯状領域
とを合わせた範囲である。サンプリング範囲ＡＳｎと
は、上述の時間重心ｉｐの算出の対象とする画素の集合
である。つまり、ノーマルモードのサンプリング点数は
２００×２００である。

【００３６】また、高速モードの読出し範囲ＡＲｈは、
受光面Ｓ２のうちのＨ×Ｈ画素サイズのサンプリング範
囲ＡＳｈとその上下端の各３１画素幅の帯状領域とを合
わせた範囲である。高速モードのサンプリング点数はＨ
×Ｈである。

【００３７】このように読出し範囲ＡＲｎ，ＡＲｈをサ
ンプリング範囲ＡＳｎ，ＡＳｈより広くすることによ
り、１画素当たり３２フレーム分の受光情報を用いて時
間重心ｉｐを算出することができる。なお、図６ではノ
ーマルモードの読出し範囲ＡＲｎが受光面Ｓ２より若干
小さいが、これに限らず受光面Ｓ２の全体を読出し範囲
ＡＲｎとしてもよい。さらに、読出し範囲ＡＲｎ，ＡＲ
ｈをそのモードのサンプリング範囲ＡＳｎ，ＡＳｈと同
一とすることも可能である。

【００３８】図７はイメージセンサの受光面におけるラ
インとフレームとの関係を示す図である。受光面Ｓ２の
最初のフレーム１には、読出し範囲の先頭ラインである
ライン１からライン３２までの３２ライン分の受光デー
タが含まれる。上述のとおり、ノーマルモードにおける
１ラインの画素数は２００であり、高速モードにおける
１ラインの画素数Ｈは２００より少ない。フレーム２は
ライン２からライン３３まで、フレーム３はライン３か
らライン３４までというように、フレーム毎に１ライン
分だけシフトされる。フレーム３２はライン３２からラ
イン６３までの３２ラインである。

【００３９】これらフレーム１からフレーム３２までの
受光データが、信号処理回路６２を介してメモリ６３に
順次転送されて記憶される。つまり、メモリ６３には、
フレーム１、２、３…の順に受光データが記憶される。
サンプリング範囲の先頭ラインであるライン３２のデー
タは、フレーム１については３２ライン目、フレーム２
については３１ライン目というように、フレーム毎に１
ラインずつ上方にシフトされて記憶される。フレーム１
からフレーム３２までの受光データがメモリ６３に記憶
されると、ライン３２の各画素について、時間重心ｉｐ
の算出が行われる。ライン３２についての演算が行われ
ている間に、フレーム３３の受光データがメモリ６３に
転送されて記憶される。フレーム３３の受光データは、
メモリ６３のフレーム３２の次のアドレスに記憶され
る。フレーム３３のデータがメモリ６３に記憶される
と、これらフレーム２からフレーム３３までに含まれる
ライン３３の各画素について、時間重心ｉｐの算出が行
われる。

【００４０】図８は時間重心の概念を示す図である。時
間重心ｉｐは、３２回のサンプリングによって得られた
３２個の時系列の受光データについての時間軸上の重心
である。各画素についての３２個の受光データに、１〜
３２のサンプリング番号を付す。ｉ番目の受光データは
ｘｉで表される。ｉは１〜３２の整数である。このと
き、ｉは１つの画素について、その画素が有効受光領域
Ａｅｎ，Ａｅｈに入ってからのフレーム数を示してい
る。

【００４１】１〜３２番の受光データｘ１〜ｘ３２につ
いての時間重心ｉｐは、３２個の受光データについて、
ｉ・ｘｉの総和Σｉ・ｘｉをｘｉの総和Σｘｉで除すこ
とにより求められる。

【００４２】重心演算回路７３は、メモリ６３から読み
出したデータに基づいて、各画素についての時間重心ｉ
ｐを算出する。ただし、メモリ６３から読み出したデー
タをそのまま用いるのではなく、各データから定常光デ
ータを減算した値（その値が負になるときは０）を用い
る。つまり、イメージセンサ５３から出力される受光デ
ータに対して、定常光データの分だけ差し引いてオフセ
ットを与える。

【００４３】算出された時間重心ｉｐは表示コントロー
ラ内のメモリに逐次記憶され、ＬＣＤ２１の画面に表示
される。時間重心ｉｐの値は物体Ｑの表面の位置が３次
元カメラ２に近い場合に大きく、遠い場合に小さい。し
たがって、受光面Ｓ２の各画素の時間重心ｉｐを濃度デ
ータとして濃淡画像を表示させることによって、測定結
果である距離分布を可視化することができる。

【００４４】次にイメージセンサ５３の選択的な読出し
の方法を説明する。図９はイメージセンサの構成の模式
図である。イメージセンサ５３は、受光面Ｓ２の各画素
ｇを順に指定して受光情報を読みだすいわゆるＸ−Ｙア
ドレス走査型の撮像デバイスであって、各画素ｇに対応
したスイッチの制御によって任意の範囲の読出しが可能
である。一般的には、垂直走査回路５３１を構成するデ
ィジタルシフトレジスタと水平走査回路５３２を構成す
るディジタルシフトレジスタとに所定のタイミングでシ
フト信号を入力することにより、ライン順次の読出しが
行われる。ラインは水平方向の画素列である。本実施形
態において、水平方向は物体Ｑの走査における主走査方
向に相当する方向であり、垂直方向は副走査方向（スリ
ット光の偏向方向）に相当する方向である。ただし、イ
メージセンサ５３の配置の向きは光学系の構成に応じて
変更可能であるので、ここでの垂直方向が必ずしも実空
間での鉛直方向と一致するとは限らない。

【００４５】イメージセンサ５３においては、垂直走査
回路５３１に対して走査開始ラインを示すレジスタ初期
値を与える走査開始セットレジスタ５３３が設けられ、
これによって上述の有効受光領域Ａｅｎ，Ａｅｈの読出
しが実現される。また、水平走査回路５３２に対して走
査開始列を示すレジスタ初期値を与える走査開始セット
レジスタ５３５が設けられ、これによって高速モードの
読出しが実現される。

【００４６】走査開始セットレジスタ５３３へは走査開
始位置を表すデータ信号ｓｇｎ１、及び走査終了位置を
表すデータ信号ｓｇｎ２を入力することで、どの位置の
帯状画像を読み出すかを指示する。走査開始セットレジ
スタ５３５についても同様に、走査開始位置を表すデー
タ信号ｓｇｎ３、及び走査終了位置を表すデータ信号ｓ
ｇｎ４を入力することで、１ライン内のどの位置を読み
出すかを指示する。

【００４７】また、受光面Ｓ２の画素数が増加するとデ
ータ信号ｓｇｎ１〜４のビット数が増えるので、入力端
子の低減の上でデータ信号ｓｇｎ１，２のデコーダ５３
４及びデータ信号ｓｇｎ３，４のデコーダ５３６を設け
るのが望ましい。読み出し開始時には、走査開始セット
レジスタ５３３の内容を垂直走査回路５３１に並列転送
し、走査開始セットレジスタ５３５の内容を水平走査回
路５３２に並列転送することで走査開始位置及び走査終
了位置がセットされたことになる。

【００４８】帯状画像の読み出しは、水平走査を繰り返
すのではなく垂直走査を繰り返すことにより行う。ま
ず、イメージセンサ５３は、走査開始セットレジスタ５
３５にセットされた列に対して垂直走査を開始位置から
終了位置まで行うことで垂直方向に並ぶ３３（＝３２＋
１）個の画素からなる画素列から光電変換信号を出力す
る。ただし、メモリ６３への格納の対象になるのは３２
画素分の光電変換信号である。続いて、水平方向の読出
し位置をシフトし、再び垂直走査を行って３３画素分の
光電変換信号を出力する。このような動作を繰り返すこ
とで指定された位置の帯状画像を出力する。この要領で
帯状画像の読出しを行うことにより、読出し範囲の全体
を読み出す場合より大幅に短い時間で１フレームの読出
しが完了する。

【００４９】垂直方向に並ぶ３３画素分の範囲の読出し
を行う理由は次のとおりである。ＭＯＳ型センサでは、
一度読み出された領域はリセットされ次の電荷蓄積を開
始するのに対し、読み出されなかった領域は電荷の蓄積
が継続して行われる。次回の読み出しの対象が同じ領域
であれば問題はないが、異なる領域を読み出す場合に
は、ｎ回目と（ｎ＋１）回目の読出しで蓄積時間の異な
る画像情報が混在することになる。すなわち、光投影法
による３次元測定においては、スリット光Ｕの偏向とと
もに読み出しの必要な有効受光領域Ａｅｎ，Ａｅｈが副
走査方向にシフトする。したがって、ｎ回目と（ｎ＋
１）回目とで重複して読み出される領域の画像は前回
（ｎ回目）の読み出しから今回（ｎ＋１回目）の読み出
しまでの蓄積時間の画像が読み出されるのに対し、有効
受光領域Ａｅｎ，Ａｅｈのシフトによって今回に新たに
読み出される領域の画像は１回目の撮影から継続して光
電変換をした画像となってしまう。そこで、本実施形態
においては、読み出し対象領域を今回に必要な領域と次
回に必要な領域の双方を包含する領域に設定する。こう
することで、次回に読出しが必要な領域については必ず
前回に電荷蓄積がクリアされることになり、蓄積時間の
異なる画素からなる画像を取り込んでしまうという問題
を回避することができる。

【００５０】図１０はノーマルモード及び高速モードに
おける読出しデータ量を示す図である。ノーマルモード
の場合は、１ライン当たり２００画素の２６２フレーム
分のデータをイメージセンサ５３から読み出して読出し
順にメモリ６３に書き込む。ただし、メモリ６３への書
き込みを並行して重心演算のためのデータの読出しを行
うことができるので、読出しを終えたアドレスに新たな
データを書き込むことで必要メモリ容量を低減すること
ができる。高速モードの場合は、例えば１ライン当たり
１００画素の１６２（＝Ｈ＋５２）フレーム分のデータ
を読み出して読出し順にメモリ６３に書き込む。受光面
Ｓ２の読出し範囲が小さいほどデータ量が少なくなり、
イメージセンサ５３からの読出しの所要時間が短くな
る。

【００５１】図１１は読出し範囲の設定の手順を示す図
である。図１１（Ａ）のように、カラーイメージセンサ
５４によって得られたカラー画像Ｇ５４は、物体像とバ
ックスクリーン５の像（ブルーバック）Ｇ５とで構成さ
れる。

【００５２】まず、色判別処理によって、カラー画像Ｇ
５４から物体像を抽出する。続いて図１１（Ｂ）のよう
に、抽出された物体像ＧＱの水平方向及び垂直方向の寸
法（画素数）を調べる。そして、図１１（Ｃ）のよう
に、物体像ＧＱを包含する最小の矩形領域より所定マー
ジン分だけ大きい領域を算定し、受光面Ｓ２でのサンプ
リング範囲ＡＳｈを設定する。このとき、カラー画像Ｇ
５４と受光面Ｓ２とで解像度が異なる場合は、その差異
を考慮する。図１１の例では、解像度４００×４００で
の物体像ＧＱのサイズが８４×８４画素であり、これよ
り１周り大きい１００×１００画素の矩形領域を算定し
て受光面Ｓ２に当てはめ、５０×５０画素のサンプリン
グ範囲ＡＳｈが設定されている。

【００５３】図１２はサンプリング範囲の設定の変形例
を示す図である。サンプリング範囲ＡＳｈ１〜７のサイ
ズが小さいほど出力データ量は少ない。サイズ変更は例
えば各方向に５０画素刻みの数段階程度としてもよい
し、１画素刻みのいわゆる無段階としてもよい。読出し
範囲ＡＳｈ１〜７の位置は、図１２（Ｂ）〜（Ｃ）のよ
うに中心が受光面Ｓ２の中心と一致する固定位置でも、
図１２（Ｅ）（Ｆ）のように受光面Ｓ２の端縁に寄った
任意位置でもよい。後者の方がより不要データを低減す
ることができる。また、サイズについては水平方向の画
素数と垂直方向の画素数とが同一である必要はなく、図
１２（Ｇ）（Ｈ）のように各方向毎に画素数を設定する
ことができる。

【００５４】いずれにしても、３次元カメラ２はサンプ
リング範囲ＡＳｈ１〜７の画素数分の時間重心ｉｐとと
もに、サンプリング範囲ＡＳｈ１〜７の位置情報を測定
結果としてホスト３へ送る。ホスト３は、受光面Ｓ２の
各画素の受光方向を特定する装置情報と測定結果とを合
わせて３次元位置を演算する。

【００５５】図１３は３次元カメラ２の動作の概要を示
すフローチャートである。３次元カメラ２は、電源投入
時の初期設定を終えるとユーザーによる操作を待つ（＃
１１）。読出し範囲の設定に係わる操作が行われると、
自動／手動の選択に従って自動範囲設定処理又は手動範
囲設定処理を行う（＃１２〜＃１５）。シャッタボタン
２７のオンによって測定開始が指示されると、動作モー
ド設定をした後、測定を行う（＃１６〜＃１８）。

【００５６】図１４は自動範囲設定サブルーチンのフロ
ーチャートである。図１１で説明したように、カラー画
像Ｇ５４から測定対象物を抽出する（＃１４１）。抽出
結果に基づいて、視野ＡＶに対する測定対象物の大きさ
を算定する（＃１４２）。そして、カラー画像Ｇ５４の
解析で推定した有効受光領域の大きさに応じて、サンプ
リング範囲ＡＳｈを決め、読出し範囲ＡＲｈを設定する
（＃１４３）。

【００５７】図１５は動作モード設定サブルーチンのフ
ローチャートである。高速モードが設定された場合に
は、上述の選択的な読出しに係わるパラメータを制御デ
ータＲＯＭから読み出す（＃１７１、＃１７２）。上述
の読出し範囲ＡＲｈの位置及び大きさもこのステップで
読み出される。ノーマルモードが設定された場合には、
ノーマルモードの読出しに係わるパラメータを制御デー
タＲＯＭから読み出す（＃１７１、＃１７３）。読み出
したパラメータを制御対象に与えた後、ズーミング及び
フォカシング状態に応じて測定の基準面である仮想面の
位置を定め、スリット光Ｕの偏向角度範囲及び走査の速
度を設定する（＃１７５）。スリット光走査範囲は、読
出し範囲ＡＲｈ，ＡＲｎの上端に対応する角度を開始角
とし、読出し範囲ＡＲｈ，ＡＲｎの下端に対応する角度
を終了角とする。また、スリット光走査速度は、１フレ
ームの読出し時間に基づいて設定される。つまり、高速
モード時は読出し時間が短いので、その分だけスリット
光の走査速度を高速にする。これにより、１画面Ｑの走
査（すなわち測定時間）が短縮される。なお、走査範囲
をノーマルモードと同じとし、走査速度を高速にするだ
けでも同様の効果が生じる。

【００５８】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、
撮像デバイスの無駄な読出しを低減することができ、こ
れによって３次元入力の所要時間の短縮及びデータ処理
負担の軽減を図ることができる。

【００５９】請求項２又は請求項３の発明によれば、ユ
ーザーは用途に応じてサンプリング点の数（解像度）を
選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る測定システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】測定システムにおける３次元位置の算出の原理
図である。

【図５】測定の視野と物体との関係を示す図である。

【図６】イメージセンサの読出し範囲を示す図である。

【図７】イメージセンサの受光面におけるラインとフレ
ームとの関係を示す図である。

【図８】時間重心の概念を示す図である。

【図９】イメージセンサの構成の模式図である。

【図１０】ノーマルモード及び高速モードにおける読出
しデータ量を示す図である。

【図１１】読出し範囲の設定の手順を示す図である。

【図１２】サンプリング範囲の設定の変形例を示す図で
ある。

【図１３】３次元カメラの動作の概要を示すフローチャ
ートである。

【図１４】自動範囲設定サブルーチンのフローチャート
である。

【図１５】動作モード設定サブルーチンのフローチャー
トである。

【符号の説明】

２３次元カメラ（３次元入力装置）５３イメージセンサ（撮像デバイス）６１システムコントローラ（コントーラ、参照光コン
トーラ）Ｓ２受光面Ｑ物体Ｕスリット光（参照光）７５推定手段ＧＱ物体像（受光領域）ＡＲｈ読出し範囲２５操作部

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA17 AA51 BB05 DD06 FF01 FF02 FF04 FF09 GG06 HH05 JJ03 JJ19 JJ26 LL06 LL13 LL62 MM16 QQ01 QQ03 QQ23 QQ24 QQ31 QQ35 SS02 SS13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体に向かって仮想面を走査するように参
照光を投射し、撮像デバイスを用いて走査中に周期的に
前記物体を撮影し、前記撮像デバイスの受光面における
前記物体で反射した参照光の入射位置に応じたデータを
出力する３次元入力装置であって、前記撮像デバイスは、前記受光面のうちの任意範囲の選
択的な読出しが可能であり、前記受光面のうちの前記物体で反射した参照光が入射す
る受光領域を走査に先立って推定する手段と、推定された受光領域の大きさに応じて、前記撮像デバイ
スの読出しの範囲設定を行うコントローラとを有したこ
とを特徴とする３次元入力装置。
【請求項２】前記撮像デバイスの読出し範囲を可変とす
る動作モードと、当該読出し範囲を最大範囲に固定する
動作モードとの切換えが可能である請求項１記載の３次
元入力装置。
【請求項３】物体に向かって仮想面を走査するように参
照光を投射し、撮像デバイスを用いて走査中に周期的に
前記物体を撮影し、前記撮像デバイスの受光面における
前記物体で反射した参照光の入射位置に応じたデータを
出力する３次元入力装置であって、前記撮像デバイスは、前記受光面のうちの任意範囲の選
択的な読出しが可能であり、特定の操作入力に呼応して前記撮像デバイスの読出し範
囲の設定を変更するコントローラを有したことを特徴と
する３次元入力装置。
【請求項４】前記受光領域の大きさに応じて、参照光の
走査範囲又は走査速度の少なくとも一方を変更する参照
光コントローラを有した請求項１乃至請求項３のいずれ
かに記載の３次元入力装置。