JP2000304514A

JP2000304514A - ３次元入力装置

Info

Publication number: JP2000304514A
Application number: JP11108813A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ide; 英一井手; Hiroshi Uchino; 浩志内野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: JP4032556B2

Abstract

(57)【要約】【課題】参照光の投射角度情報によらない３次元入力を
実現し、投射角度制御の精度に係わらず高精度の３次元
入力データを得ることを可能にする。【解決手段】入力対象の物体Ｑを走査するように起点Ｃ
から物体に向かって参照光Ｕを投射する投光系を有した
３次元入力装置において、仮想の基線上の互いに離れた
第１及び第２の位置Ａ，Ｂで同時に物体を撮像する撮像
系を設け、基線に沿った方向における起点Ｃの位置を、
第２の位置Ｂと同一とし、第１及び第２の位置Ａ，Ｂの
それぞれに対応した撮像データに基づいて、物体Ｑにお
ける複数の部位のそれぞれについて、当該部位で反射し
た光の第１及び第２の位置のそれぞれでの受光角度を検
出し、検出した１組の受光角度に応じたデータを当該部
位の位置情報として出力するように構成する。

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ためのデータ
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。なお、特開平１０−２７２２号の装置の
ように参照光としてスポット光（ビーム断面が点状）を
用いる場合にも、投射方向と受光方向とに基づいて物体
の位置が算出されていた。

【０００５】

【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参照光の投射角度制御の精度に依
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高価な部品を
用いなければならなかったり、投光系の取付け姿勢の調
整に手間がかかったりするという問題があった。精度の
確保が難しい理由としては、投光系は参照光を偏向する
可動機構を有しており、その動作は温度、湿度などの使
用環境の変化の影響を受け易いことが挙げられる。

【０００６】なお、パターン光投影を行うステレオ視測
距装置においては、エピポラー拘束された複数の画像の
特徴点のマッチングによって複数の視点からみた物体位
置の方位が求めれら、それらの方位に基づいて三角測量
の手法で物体位置が算出される。この３次元入力方法で
は、３次元入力データの精度がパターン光投射の精度に
は依存しないものの、マッチングの精度に依存する。受
光デバイスの画素間の感度のばらつきもマッチングに影
響する。

【０００７】本発明は、参照光の投射角度情報によらな
い３次元入力を実現し、投射角度制御の精度に係わらず
高精度の３次元入力データを得ることを可能にすること
を目的としている。他の目的は撮像系の低価格化を図る
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、参照
光又は環境光で部分的に照らされた状態の物体を互いに
離れた２点のそれぞれを視点として撮像し、視点間の距
離と各視点からみた物体上の照射部分の方位（視点どう
しを結ぶ直線に対する傾き）とから三角測量の手法で物
体の位置を高精度に算出したデータ又は算出のためのデ
ータを出力する。また、一方の視点と投射の起点とを基
線方向の同一位置とする。これにより、当該視点につい
ては１次元の撮像を行えばよいことになり、２次元の撮
像を行う場合よりもデバイスの低価格化及び信号処理の
簡略を図ることができる。

【０００９】請求項１の発明の装置は、入力対象の物体
を走査するように起点から前記物体に向かって参照光を
投射する投光系と、仮想の基線上の互いに離れた第１及
び第２の位置で同時に前記物体を撮像する撮像系とを有
し、前記基線に沿った方向における前記起点の位置は、
前記第２の位置と同一であり、前記第１及び第２の位置
のそれぞれに対応した撮像データに基づいて、前記物体
における複数の部位のそれぞれについて、当該部位で反
射した光の前記第１及び第２の位置のそれぞれでの受光
角度を検出し、検出した１組の受光角度に応じたデータ
を当該部位の位置情報として出力する３次元入力装置で
ある。

【００１０】請求項２の発明の３次元入力装置は、前記
第１の位置での撮像を２次元撮像デバイスによって行
い、前記第２の位置での撮像を１次元撮像デバイスによ
って行う。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る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、ス
リット光Ｕを投射する投光系１０と、２個の撮像系２０
Ａ，２０Ｂからなる受光系２０と、撮像系２０Ａ，２０
Ｂに１個ずつ対応した計２個の受光信号処理部３０Ａ，
３０Ｂとを有している。

【００１２】投光系１０は、光源としての半導体レーザ
１２、ビーム整形のためのレンズ群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。ガルバノミラー１４に
は、投光制御回路３２からＤ／Ａ変換器３３を介して偏
向制御信号が与えられる。

【００１３】撮像系２０Ａ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２４Ａ、モニター用の２次元画像を
得るためのカラーイメージセンサ２５、及びズーミング
とフォーカシングとを可能にするレンズ駆動機構２６か
らなる。ビームスプリッタ２２は、半導体レーザ１２の
発光波長域（例えば中心波長６８５ｎｍ）の光と可視光
とを分離する。イメージセンサ２４Ａ及びカラーイメー
ジセンサ２５は２次元撮像デバイス（エリアセンサ）で
ある。これらセンサとして、ＣＣＤセンサ、ＭＯＳセン
サを使用することができる。

【００１４】撮像系２０Ｂは、物体像をスリット光の長
さ方向に圧縮して結像させるアナモフィックレンズ２
７、レーザ波長域の光を透過させるバンドパスフィルタ
Ｆ２、距離画像を得るためのイメージセンサ（ＣＣＤセ
ンサ）２４Ｂ、及びレンズ駆動機構２６からなる。イメ
ージセンサ２４Ｂは１次元撮像デバイス（ラインセン
サ）であり、その受光面の画素配列方向が基線方向とな
るように配置されている。

【００１５】撮像系２０Ａの出力に対する処理は受光信
号処理部３０Ａが行う。イメージセンサ２４Ａが出力す
る各画素の光電変換信号はＡ／Ｄ変換器３５で所定ビッ
ト数の受光データに変換され、逐次にメモリ回路３７に
転送される。メモリ回路３７は第１の受光角度θＡを特
定する“時間重心ＴＡ”を受光データに基づいて検出し
て記憶する。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。メモリ制御回路３９は
メモリ回路３７及びカラー画像メモリ３８のアドレス指
定を担う。

【００１６】撮像系２０Ｂの出力に対する処理は受光信
号処理部３０Ｂが行う。イメージセンサ２４Ｂが出力す
る各画素の光電変換信号はＡ／Ｄ変換器４５で所定ビッ
ト数の受光データに変換され、逐次にメモリ回路４７に
転送される。メモリ回路４７は第２の受光角度θＢを特
定する“空間重心ｊＢ”を受光データに基づいて検出し
て記憶する。メモリ制御回路４９はメモリ回路４７のア
ドレス指定を担う。

【００１７】３次元入力装置１を制御する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３７，４７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、
受光信号処理部３０Ａのカラー画像メモリ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。

【００１８】図２は投射の模式図である。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Ｃと
して仮想面ＶＳを走査するようにスリット光Ｕを投射す
る。仮想面ＶＳは、イメージセンサ２４Ａ，２４Ｂ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２４Ａ，２４Ｂにおける各画素に対応した範囲ａ
ｇが、３次元入力のサンプリング区画となる。図２
（ｂ）によく示されるように、投光の起点Ｃは、視点
（受光の主点）Ａ，Ｂの配列方向である基線方向におい
て、視点Ｂと同一位置である。ここで、視点Ａ，Ｂは垂
直方向に沿って並び、スリット光Ｕのスリット長さ方向
は水平方向であるものとする。視点Ａからみた物体Ｑの
照射部位の形状は、物体Ｑの起伏に応じて曲がった帯状
となる。したがって、視点Ａではエリアセンサにより物
体Ｑを撮像する必要がある。これに対して、起点Ｃと視
点Ｂとが垂直方向の同一位置であるので、視点Ｂからみ
た物体Ｑの照射部位の形状は、スリット光Ｕの投射角度
に係わらず常に直線帯状になる。つまり、撮像における
スリット光Ｕの受光角度は水平方向のどの位置でも同じ
になる。したがって、視点Ａではラインセンサにより物
体Ｑを撮像すればよいことになる。

【００１９】図３はアナモフィックレンズによる結像の
模式図である。アナモフィックレンズ２７によってイメ
ージセンサ２４Ｂの撮像面Ｓ２ｂに結像される物体の撮
影像ＧＱは、縦横の倍率が等しい通常のレンズによる撮
影像ＧＱ’を水平方向に圧縮した像である。通常のレン
ズではイメージセンサ２４Ｂがにらむ位置の物体表面が
低反射率である場合には、スリット光の反射光が３次元
入力装置１に戻らず、撮像面Ｓ２ｂに物体が結像されな
い。つまり、測定不能となる。これに対して、本実施例
では、アナモフィックレンズ２７によってスリット光の
長さ方向の圧縮を行うので、スリット光が投射された物
体表面の一部が低反射率であったとしても、その他の部
分での反射光が戻れば、撮像面Ｓ２ｂに物体を結像させ
ることができ、測定が可能である。

【００２０】図４は時間重心の説明図である。３次元入
力装置１は、イメージセンサ２４Ａの撮像面Ｓ２上での
スリット幅がピッチｐｖで並ぶ画素ｇの複数個分となる
比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに投射する。具
体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分程度とする。スリ
ット光Ｕは起点Ｃを中心に図の上下方向に等角速度で偏
向される。物体Ｑで反射したスリット光Ｕは結像の主点
Ａ（上述の視点に相当する）を通って撮像面Ｓ２に入射
する。スリット光Ｕの投射中に撮像面Ｓ２の各画素ｇの
受光量を周期的にサンプリングすることにより、物体Ｑ
が走査される。サンプリング周期（撮像周期）毎にイメ
ージセンサ２４Ａから１フレーム分の光電変換信号が出
力される。

【００２１】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ものとすると、撮像面Ｓ２の各画素
ｇの受光量は、当該画素ｇがにらむ範囲（厳密にはその
中心）の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通過する
時点で最大となり、その時間的な分布は正規分布に近く
なる。図４では撮像面Ｓ２における垂直方向のｊ番目の
画素ｇ_jが注目され、その受光量の推移が図４（ｂ）に
示されている。図４（ｂ）の例ではｎ回目のサンプリン
グ時点Ｔ_nとその１つ前の（ｎ−１）回目のサンプリン
グ時点Ｔ_n-1との間で受光量が最大になっている。この
ように注目した１つの画素ｇにおける受光量が最大にな
る時点、すなわち輝度分布曲線の頂上付近の変曲点を
“時間重心”と定義する。ただし、離散的なサンプリン
グデータの大小判別による時間重心の検出では、検出結
果（図４の例では時点Ｔ_n）と実際の時間重心との間に
最大でサンプリング周期の１／２のずれが生じる。

【００２２】ここで、主点Ａと撮像面Ｓ２の各画素ｇと
の位置関係から、各画素ｇに対するスリット光Ｕの入射
角度が一義的に決まる。したがって、時間重心は、「特
定の角度（これを受光角度θＡという）でスリット光Ｕ
が主点Ａに入射する時刻」ということもできる。

【００２３】図５は空間重心の説明図である。起点Ｃか
ら投射されて物体Ｑで反射したスリット光Ｕは結像の主
点Ｂを通ってイメージセンサ２４Ｂの撮像面Ｓ２ｂに入
射する。

【００２４】“空間重心”は、物体Ｑを走査する周期的
サンプリングにおける各サンプリング時点Ｔでの主点Ｂ
に対するスリット光Ｕの入射角度である。主点Ｂに対す
る入射角度と撮像面Ｓ２ｂ上での光軸の位置とが対応す
るので、各サンプリング時点Ｔにおいてどの画素ｇの受
光量が最大であるかを判別することにより、空間重心を
検出することができる。図５ではｎ回目のサンプリング
時点Ｔ_nが注目され、その受光量の空間分布が図５
（ｂ）に示されている。図５（ｂ）の例ではｊ番目の画
素ｇ_jと（ｊ−１）番目の画素ｇ_j-1との間の位置で受
光量が最大になっている。したがって、撮像面Ｓ２ｂの
輝度分布曲線の頂上付近の変曲点に相当する画素位置ｊ
Ｂを空間重心ということもできる。ただし、離散的なサ
ンプリングデータの大小判別による空間重心の検出で
は、検出結果（図５の例では画素ｇ_j）と実際の空間重
心との間に最大で画素ピッチｐｖの１／２のずれが生じ
る。

【００２５】図６は距離画像データの生成要領を説明す
るための図、図７は時間重心画像と空間重心画像とのマ
ッチングの模式図である。物体Ｑの３次元入力の概要は
次のとおりである。

【００２６】２個のイメージセンサ２４Ａ，２４Ｂ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。このとき、２個のイメージセンサ
２４Ａ，２４Ｂを同一タイミングで駆動する。つまり、
物体Ｑを視点Ａ，Ｂから同時に撮像する。

【００２７】イメージセンサ２４Ａの出力に基づいて、
撮像面Ｓ２の各画素ｇについて時間重心ＴＡを検出し、
検出結果の集合である時間重心画像ＧＡをメモリに記録
する。このとき、撮像面Ｓ２の水平方向（主走査方向）
の画素位置を示す水平アドレスｉと、垂直方向（副走査
方向）の画素位置を示す垂直アドレスｊとによって個々
の時間重心ＴＡを記録するメモリ空間を指定する。ま
た、イメージセンサ２４Ｂの出力に基づいて、フレーム
毎に空間重心ｊＢを検出し、検出結果の集合である空間
重心画像ＧＢをメモリに記録する。このとき、撮像時刻
を示すフレーム番号Ｔによって個々の空間重心ｊＢを記
録するメモリ空間を指定する。１次元のイメージセンサ
２４Ｂを用いると、１フレームの撮像につき１画素分の
メモリしか使用しないので、メモリ容量が少なくて済
む。

【００２８】一方のイメージセンサ２４Ａにおける水平
方向ｉＡ番目で垂直方向ｊＡ番目の画素ｇ_iAjAに注目す
ると、画素ｇ_iAjAに対応した視線上の点Ｐをスリット光
Ｕが通過する際にその出力が最大となる。このとき、他
方のイメージセンサ２４Ｂの出力に注目すると、点Ｐを
通る視線に対応した画素ｇ_jBの出力が最大となる。

【００２９】ここで、撮像系２０Ａの撮影像を基準画像
とし、この基準画像と撮像系２０Ｂの撮影像とについ
て、垂直方向にエピポラー拘束が成り立っているとする
と、画素ｇ_iAjAの垂直方向位置ｊＡに対する画素ｇ_jBの
垂直方向位置ｊＢは、空間重心画像ＧＢのうち、画素ｇ
_iAjAについて検出した空間重心ＴＡ_iAjAとフレーム番号
Ｔが同一又は最も近い画素を見つければ判る。つまり、
時間重心画像ＧＡと空間重心画像ＧＢとの画素の対応を
把握するマッチング（対応点検索）が可能である。

【００３０】点Ｐがイメージセンサ２４Ａの画素ｇ_iAjA
に対応するとき、画素ｇ_iAjAの位置で決まる受光角度θ
Ａ_iAjAと視点Ａの空間座標とによって特定される直線上
に点Ｐが存在することになる。また、イメージセンサ２
４Ｂの各画素の視線はアナモフィックレンズ２７の通過
によって平面になるので、点Ｐがイメージセンサ２４Ｂ
の画素ｇ_jBに対応するとき、画素ｇ_jBの位置で決まる受
光角度θＢ_jBと視点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。このような直線と
平面との交点が点Ｐである。したがって、受光角度θＡ
_iAjA，θＢ_jB及び視点間の距離Ｌに基づいて、三角測量
の原理を適用して、視点Ａ，Ｂを通る基線と点Ｐとの奥
行き方向の距離Ｄ_iAjAを算出することができ、視点Ａ，
Ｂと点Ｐとの相対位置を特定することができる。そし
て、以上の処理をイメージセンサ２４Ａの各画素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３次元位置情報である距離画像ＧＤを得ることができ
る。フレーム数をイメージセンサ２４Ａの垂直方向の画
素数以上とすればよい。

【００３１】次に、時間重心ＴＡ及び空間重心ｊＢを検
出するための回路の具体的な構成を説明する。なお、以
下では画素位置の区別が必要な場合を除いて、画素位置
を表す添字_iAjA，_jBの記述を省略する。

【００３２】図８は時間重心に係るメモリ回路の第１例
のブロック図である。例示のメモリ回路３７は、２個の
メモリ３７１，３７６、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。

【００３３】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２４Ａ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３７１，３７
６に対して書込みを許可する。これを受けて各メモリ３
７１，３７６は上書き形式で最新の入力データを記憶す
る。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、走査が
終了した時点において、メモリ３７１は各画素ｇ毎に受
光データＤ３５の最大値を記憶し、メモリ３７６は各画
素毎に受光データ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３
７６が記憶するフレーム番号Ｔは上述の時間重心ＴＡに
相当する。

【００３４】この例によれば、比較的に簡単な回路構成
によって時間重心ＴＡを検出することができる。ただ
し、検出の分解能は撮像の周期に依存する。分解能の向
上を図ったものが次の第２例である。

【００３５】図９は時間重心に係るメモリ回路の第２例
のブロック図、図１０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９において図８に対
応した要素には図８と同一の符号を付してある。

【００３６】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個のメモリ３７２，３７
３，３７４，３７５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３７２〜３
７５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３
７３の入力と出力とを比較する。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３
７６の書込みが許可される。

【００３７】各走査が終了した時点において、メモリ３
７３は各画素ｇ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３７１，３７２，３７４，
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。

【００３８】ここで、図１０（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に注目すると、図１０（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
３７１〜３７５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間
重心ＴＡを検出することができる。図１０（ｂ）の例で
は、時間重心ＴＡはｔ回目と（ｔ＋１）回目のサンプリ
ング時刻間にある。重心演算については、ＣＰＵ３１が
行う構成及び演算回路を設ける構成がある。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】図１１は時間重心に係るメモリ回路の第３
例のブロック図、図１２は図１１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３７２０、減算部３７３０、第１加
算部３７４０、第２加算部３７５０、及び除算部３７６
０から構成され、各画素ｇ毎にフレーム数分の受光デー
タＤ３５に基づいて時間重心ＴＡを算出する。

【００４２】メモリ３７１０は、物体Ｑに対する走査で
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Ｕ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３
７５０は、画素ｇ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３７
４０の出力値を第２加算部３７５０の出力値で除し、得
られた時間重心ＴＡを出力する。

【００４３】以上と同様の構成の回路によって空間重心
ｊＢを得ることもできる。図１３は空間重心に係るメモ
リ回路の第１例のブロック図である。例示のメモリ回路
４７は、２個のメモリ４７１，４７６、比較器４７７、
及びインデックスジェネレータ４７８から構成されてい
る。各メモリ４７１，４７６は、走査のフレーム数と同
数以上のメモリ空間をもつ。各メモリ空間は、インデッ
クスジェネレータ４７８からのフレーム番号Ｔによりア
ドレス指定される。

【００４４】各フレームにおいて、メモリ４７１にはＡ
／Ｄ変換器４５から受光データＤ４５が入力され、メモ
リ４７６には垂直アドレスｊがデータとして入力され
る。比較器４７７は、最新の入力データであるｊ番目の
画素の受光データＤ４５と以前にメモリ４７１に書き込
まれた受光データＤ４５とを比較し、最新の受光データ
Ｄ４５が以前の受光データＤ４５より大きい場合にメモ
リ４７１，４７６に対して書込みを許可する。これを受
けて各メモリ４７１，４７６は上書き形式で最新の入力
データを記憶する。比較結果が逆の場合は各メモリ４７
１，４７６において以前の記憶内容が保持される。した
がって、走査が終了した時点において、メモリ４７１は
各フレームにおける受光データＤ４５の最大値を記憶
し、メモリ４７６は各フレームにおいて受光データＤ４
５が最大となった画素の垂直画素位置ｊを記憶すること
になる。メモリ４７６が記憶する垂直画素位置ｊは上述
の空間重心ｊＢに相当し、受光角度θＢを特定する情報
である。

【００４５】この例によれば、比較的に簡単な回路構成
によって空間重心ｊＢを検出することができる。ただ
し、受光角度の検知の分解能はイメージセンサ２４Ｂ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。

【００４６】図１４は空間重心に係るメモリ回路の第２
例のブロック図である。同図において図１３に対応した
要素には図１３と同一の符号を付してある。第２例のメ
モリ回路４７ｂは、メモリ４７１に加えてそれと同サイ
ズの４個のメモリ４７２，４７３，４７４，４７５を設
け、計４個の１ラインディレイメモリ４７９ａ〜ｄを介
在させて各メモリ４７２〜４７５のデータ入力をメモリ
４７１に対して順に１ライン転送周期ずつ遅らせるよう
に構成したものである。すなわち、メモリ回路４７ｂで
は、各画素ｇについて配列順位の連続した５画素分の受
光データＤ４５が同時に記憶される。比較器４７７は、
入力が２ライン遅れの第３番目のメモリ４７３の入力と
出力とを比較する。メモリ４７３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４７１〜４７５及びメモリ４７６の書込み
が許可される。

【００４７】各走査が終了した時点において、メモリ４
７３は各フレームにおける受光データＤ４５の最大値を
記憶することになる。また、メモリ４７１，４７２，４
７４，４７５によって、受光データＤ４５が最大となっ
たラインの２つ前、１つ前、１つ後、２つ後の計４画素
の受光データＤ４５が記憶されることになる。そして、
メモリ４７６は、各フレームにおいて受光データＤ４５
が最大となった垂直画素位置ｊを記憶することになる。
メモリ４７１〜４７５に記憶されている５画素分の受光
データＤ４５に基づいて重心演算を行うことにより、画
素ピッチｐｖよりも細かな刻みで空間重心ｊＢを検出す
ることができる。重心演算については、ＣＰＵ３１が行
う構成及び演算回路を設ける構成がある。

【００４８】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、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。

【００４９】このようなノイズの影響は、輝度の最大値
が得られた画素を含む数画素ではなく、十分に広い垂直
方向範囲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。

【００５０】図１５は空間重心に係るメモリ回路の第３
例のブロック図である。第３例のメモリ回路４７ｃは、
メモリ４７１０、定常光データ記憶部４７２０、減算部
４７３０、第１加算部４７４０、第２加算部４７５０、
及び除算部４７６０から構成され、各フレーム毎に垂直
方向画素数分の受光データＤ４５に基づいて空間重心ｊ
Ｂを算出する。

【００５１】メモリ４７１０は、物体Ｑに対する走査で
得られた画素数×フレーム数の受光データＤ４５を記憶
する。各フレームのｊ番目の受光データ値をｘ_jと表
す。定常光データ記憶部４７２０は、スリット光Ｕ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Ｕが入射していないときの受光デー
タＤ４５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Ｄ４５を用いてリアル
タイムで求めてもよい。減算部４７３０は、メモリ４７
１０から読み出された受光データＤ４５の値ｘ_jから定
常光データの値ｓを差し引く。ここで、減算部４７３０
からの出力データの値をあらためてＸ_jとする。第１加
算部４７４０は、フレーム数分の受光データＤ４５につ
いて、それぞれの値Ｘ_jとそれに対応した垂直画素位置
ｊ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４７５０は、フレーム数分の受光データＤ４５
の値Ｘ_jの総和を出力する。除算部４７６０は、第１加
算部４７４０の出力値を第２加算部４７５０の出力値で
除し、得られた空間重心ｊＢを出力する。

【００５２】以上の実施形態においては、時間重心ＴＡ
と空間重心ｊＢとを検出して距離データを算出する例を
挙げたが、これに限るものではない。視点Ｂについても
視点Ａと同様に時間重心ＴＢを検出して距離データを算
出することもできる。

【００５３】図１６は距離画像データの生成要領の第２
例を説明するための図、図１７は２つの時間重心画像の
マッチングの模式図である。視点Ａ，Ｂのそれぞれにつ
いて時間重心ＴＡ，ＴＢを検出する場合にも、上述のよ
うに時間重心ＴＡと空間重心ｊＢとを検出する場合と同
様に、イメージセンサ２４Ａ，２４Ｂ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。このとき、２個のイメージセンサ２４を同一タ
イミングで駆動し、物体Ｑを視点Ａ，Ｂから同時に撮像
する。そして、各イメージセンサ２４Ａ，２４Ｂの各画
素が、刻々と偏向されていくスリット光Ｕのどの時点の
投射により照らされたかを検知する。

【００５４】２次元のイメージセンサ２４Ａにおける水
平方向ｉＡ番目で垂直方向ｊＡ番目の画素ｇ_iAjAに注目
すると、画素ｇ_iAjAに対応した視線上の点Ｐをスリット
光Ｕが通過する際にその出力が最大となる。このとき、
１次元のイメージセンサ２４Ｂの出力に注目すると、点
Ｐを通る視線に対応した画素ｇ_jBの出力が最大となる。
ここで、イメージセンサ２４Ａの撮影像（時間重心画
像）ＧＡを基準画像とし、この基準画像ＧＡとイメージ
センサ２４Ｂの撮影像（時間重心画像）ＧＢとについ
て、垂直方向にエピポラー拘束が成り立っているとする
と、画素ｇ_iAjAの垂直方向位置ｊＡに対する画素ｇ_jBの
垂直方向位置ｊＢは、時間重心画像ＧＢのうち、画素ｇ
_iAjAの出力が最大となった時刻と同時刻に出力が最大と
なった画素を見つければ判る。したがって、イメージセ
ンサ２４Ａ，２４Ｂの各画素の出力が最大となる時刻
（時間重心）ＴＡ_iAjA，ＴＢ_jBを把握すれば、時間重心
画像ＧＡ中の各画素に対応する時間重心画像ＧＢ中の画
素を見つけ出すことができる。

【００５５】点Ｐが時間重心画像ＧＡの画素ｇ_iAjAに対
応するとき、画素ｇ_iAjAの位置で決まる受光角度θＡ
_iAjAと視点Ａの空間座標とによって特定される直線上に
点Ｐが存在することになる。また、点Ｐが時間重心画像
ＧＢの画素ｇ_jBに対応するとき、画素ｇ_jBの位置で決ま
る受光角度θＢ_jBと視点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。つまり、直線
と平面との交点が点Ｐである。したがって、受光角度θ
Ａ_iAjA，θＢ_jB及び基線長Ｌに基づいて、三角測量の原
理を適用して、視点Ａ，Ｂを通る基線と点Ｐとの奥行き
方向の距離Ｄ_iAjAを算出することができ、視点Ａ，Ｂと
点Ｐとの相対位置を特定することができる。そして、以
上の処理を時間重心画像ＧＡの各画素ｇについて行え
ば、物体Ｑについてイメージセンサ２４Ａの画素数分の
サンプリング点の３次元位置情報が得られる。

【００５６】以上の実施形態において、イメージセンサ
２４Ｂとしては、１次元の受光位置の検出が可能であれ
ばよいので、ＣＣＤセンサに代えて位置検知型検知器
（ＰＳＤ）を用いてもよい。

【００５７】

【発明の効果】請求項１又は請求項２の発明によれば、
参照光の投射角度情報によらない３次元入力が実現され
て、投射角度制御の精度に係わらず高精度の３次元入力
データを得ることが可能になるとともに、位置算出に係
わるデータ量を低減することができる。請求項２の発明
によれば、撮像系の低価格化を図ることができる。

【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】アナモフィックレンズによる結像の模式図であ
る。

【図４】時間重心の説明図である。

【図５】空間重心の説明図である。

【図６】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７】時間重心画像と空間重心画像とのマッチングの
模式図である。

【図８】時間重心に係るメモリ回路の第１例のブロック
図である。

【図９】時間重心に係るメモリ回路の第２例のブロック
図である。

【図１０】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１１】時間重心に係るメモリ回路の第３例のブロッ
ク図である。

【図１２】図１１に係る重心の概念図である。

【図１３】空間重心に係るメモリ回路の第１例のブロッ
ク図である。

【図１４】空間重心に係るメモリ回路の第２例のブロッ
ク図である。

【図１５】空間重心に係るメモリ回路の第３例のブロッ
ク図である。

【図１６】距離画像データの生成要領の第２例を説明す
るための図である。

【図１７】２つの時間重心画像のマッチングの模式図で
ある。

【符号の説明】

１３次元入力装置Ｑ物体Ｕスリット光（参照光）１０投光系Ａ視点（第１の位置）Ｂ視点（第２の位置）２０受光系（撮像系）Ｐ点（物体上の部位）ＴＡ，ＴＢ時間重心ｊＢ空間重心 θＡ，θＢ受光角度Ｄ距離データ（位置情報）Ｄ３５受光データ（撮像データ）Ｄ４５受光データ（撮像データ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA17 AA31 AA45 DD03 FF04 FF09 GG06 HH05 HH12 JJ02 JJ03 JJ16 JJ23 JJ25 JJ26 LL04 LL06 LL08 LL10 LL13 LL37 QQ03 QQ23 QQ24 QQ25 QQ27 QQ33 QQ41 SS02 SS13 2H059 AA07 AA18 5B057 BA02 BA11 BA21 CA13 CB13 CC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力対象の物体を走査するように起点から
前記物体に向かって参照光を投射する投光系と、仮想の
基線上の互いに離れた第１及び第２の位置で同時に前記
物体を撮像する撮像系とを有し、前記基線に沿った方向における前記起点の位置は、前記
第２の位置と同一であり、前記第１及び第２の位置のそれぞれに対応した撮像デー
タに基づいて、前記物体における複数の部位のそれぞれ
について、当該部位で反射した光の前記第１及び第２の
位置のそれぞれでの受光角度を検出し、検出した１組の
受光角度に応じたデータを当該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。
【請求項２】前記第１の位置での撮像を２次元撮像デバ
イスによって行い、前記第２の位置での撮像を１次元撮
像デバイスによって行う請求項１記載の３次元入力装
置。