JP2001507133A - 高速３ｄイメージパラメータ表示装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 三次元表面の高速幾何学的パラメータ化を行う装置および方法である。ランダムスペックルパターンがその表面に投射されてイメージ化されて複数の二次元デジタルイメージが得られる。その二次元イメージはその表面の三次元特徴を得るように処理される。照射された表面はその二次元デジタルイメージに基づいて表面の特徴を表わすパラメータのセットを得るためにモデル化される。

Description

【発明の詳細な説明】 高速３Ｄイメージパラメータ表示装置および方法発明の分野 本願発明は三次元表面の測定およびモデル化に関する。特に、本願発明は、ス ペックルパターンを三次元表面に投射し、複数のカメラを用いて複数の二次元デ ジタルイメージを得るためにそのスペックルパターンをイメージ化し、さらに、 その複数の二次元デジタルイメージから三次元デジタルイメージおよび三次元の 照射された表面を表わすモデルパラメータセットを得ることによって三次元表面 を測定およびモデル化することに関する。発明の技術的背景 写真の及び干渉計のスペックル技術は公知で、それにより、空間周波数のリッ チセットを含む表面のイメージを生成して、広範なスケールに空間情報を提供す る。スペックル技術の概要は、Jones，Robert，Holographic and speckle inter ferometry:a discussion of the theory，practice，and application of the t echniques、第２版、ケンブリッジ大学出版(1989)、に記載されており、それは 参考としてここに組み入れる。発明の概要 本願発明の望ましい実施例は、三次元表面の計測およびモデル化方法を提供す る。その方法は、(i)スペックルパターンを用いて三次元表面を照射する工程と 、(ii)そのスペックルパターンをイメージ化して複数の二次元デジタルイメージ を得る工程と、(iii)複数の二次元デジタルイメージを処理して照射された三次 元表面の三次元特徴を得る工程とを含む。別の実施例は、複数の二次元デジタル イメージを基づいて、照射された表面をモデル化して、その照射された表面の特 徴を表わすパラメータセットを得る工程を含む。さらに、その実施例は、概略を 上に示す２以上の工程(i)乃至(iii)を実行してスペックルパターンの集合および 二次元デジタルイメージの集合を提供する工程であって、そのスペックルパター ンの集合が少なくとも２つの別々のスペックルパターンを含む工程を含む。本願 発明の 別の実施例によると、方法は、さらに、照射された表面をモデル化してその照射 された表面の特徴を表わすパラメータセットを得る工程であって、モデル化が二 次元デジタルイメージの集合に基づく工程を含む。 本願発明の別の観点によると、一つの実施例では、三次元表面の高速三次元イ メージパラメータ化装置を提供する。その装置は、三次元表面にスペックルパタ ーンを提供するスペックルパターン発生装置と、スペックルパターンをイメージ 化して複数の二次元デジタルイメージを提供する複数のカメラと、その複数のカ メラに接続されていて複数の二次元デジタルイメージを処理して三次元表面の三 次元デジタル特徴を得るプロセッサとを備える。そのプロセッサはさらに三次元 表面の特徴を表わすパラメータを提供することができる。スペックルパターン発 生装置は、光ファイバを経由して結合される光放射の発生源と、時間の関数とし て三次元表面に投射された前記スペックルパターンを変えるスペックルパターン シフト装置とを備えることができる。スペックルパターンシフト装置はひずみを 光ファイバに与えるための機械的ひずみ誘導手段であり、その機械的ひずみ誘導 手段は圧電素子である。 本願発明のさらに別の実施例は、三次元表面の高速三次元イメージパラメータ 化装置であって、三次元表面にスペックルパターンを提供するスペックルパター ン発生装置と、スペックルパターンをイメージ化して複数の二次元デジタルイメ ージを提供する複数のカメラと、複数のカメラと関連して複数の二次元デジタル イメージを記憶するメモリと、そのメモリと関連して複数の二次元デジタルイメ ージを処理して三次元表面の三次元デジタル特徴を得るプロセッサとを備える。図面の簡単な説明 図１は本願発明に係る望ましい実施例の流れ図を示す。特定の実施例の詳細な説明 図１に、物体の三次元表面を測定及びモデル化する方法の一実施例を示す。物 体１０はレーザースペックル発生装置２０によって照射されている。本願発明の 技術は従来公知の様々な光学分析様式に広く応用でき、その技術のいずれの様式 への応用も請求の範囲の本願発明の範囲内にあると考える。 望ましい実施例においては、レーザースペックル発生装置２０は、当業者に公 知の光結合技術を用いて光ファイバーの一方の端部に結合されたレーザーである 。レーザーから遠くに離れた光ファイバーの端部は物体を照射するように用いら れる。レーザースペックル発生装置は物体１０上にスペックルパターンを投射す る。スペックルパターンは、照射の強度のプロフィールがランダムな照射パター ンを具現化したものとして現れるような照射パターンである。低価格で低品質の 光ファイバーに結合されたレーザーはスペックルパターンを提供することがあり 、それは望ましい実施例のスペックル発生装置として機能するような組み合わせ となる。そのスペックルは回折制限を受け、それにより、到達できる最高空間周 波数を含むランダムパターンを提供することがある。さらに、望ましい実施例で は、機械的ひずみを光ファイバーに与え、その機械的ひずみを変化させることに よって、相関関係のないスペックルパターンの全体的な集合体を発生することが できる。それは、圧電性材料の周りを光ファイバーで巻き、その圧電性材料に供 給された電圧によって、それが光ファイバーに機械的ひずみを与えるようにする ことによって達成することができる。望ましい実施例においては、物体１０は、 図１においてインデックスｎ＝１，２，３,・・・によって示されているように 、レーザースペックルパターンの集合によって照射される。 複数のカメラ３０が、物体１０に照射されたスペックルパターンをイメージ化 するために用いられる。望ましい実施例では、カメラ３０はデジタルイメージを 提供する。視差のために、カメラ３０から得られたそれぞれのイメージは互いに 差がある。カメラ３０から得られたデジタルイメージにおけるその差から、さら に、カメラの互いに対する相対的位置の情報から、各スペックル照射ごとに物体 １０の三次元表面を描く三次元座標を得ることができる。視差によるデジタルイ メージのおける差を決定する際に、スペックル照射のランダムな性質が活用され る。スペックルパターンが十分にランダムな場合には、そのスペックルパターン の小さな部分はそのスペックルの他の小さな部分とは十分に異なるであろうし、 さらに、デジタルイメージの相対的シフトを決定することは、それらの独自に同 一視できる小さな部分の間で比較を行うことによって容易に行うことができる。 図１のステップ４０に示すように、モデルパラメータフィッティングアルゴリ ズムにしたがってカメラ３０から得られたデジタルイメージに適合するように、 モデルのパラメータを選択することができる。有限要素モデル化は、P.Charette 他の主題、つまり、「Large deformation mechanical testing of biological m embranes using speckle interferometry in transmission.II.Finite element modeling」応用光学、vol．３６(10)，2246-51頁(1997)であり、これは参考まで にここに組み入れる。パラメータは、基本関数がエルミート関数である有限要素 法を用いる最少自乗法適合によって得ることができる。モデルパラメータ適合化 ステツプ４０から得られたパラメータは、物体１０の三次元（３Ｄ）表面のモデ ルを得るためにステップ５０において用いることができる。それらのパラメータ は物体１０の三次元表面を表示することに用いられるか、または、それらは物体 の三次元表面の特徴を表わす新たな三次元表面を製作又は合成するために用いら れる。 流れ図の制御ライン６０および７０によって示されているように、照射および イメージ化プロセスは、スペックルパターンを変えてまたはそれを変えないで何 回も繰り返すことができる。例えば、物体１０の表面は時間の関数として変化す ることがあり、その場合には、そのプロセスは時間を指標とするパラメータのセ ットを得るために繰り返されなければならない。それは時間帯域制御ライン６０ によって示されている。また、適切に捕捉されなければならない三次元表面の空 間周波数からの観点がある。それは空間帯域制御ライン７０によって示されてお り、その場合には、物体１０が各照射ステップ毎にレーザースペックル発生装置 ２０によって発生された異なるスペックルパターンによって繰り返し照射される 。統計的に互いに相関関係のない異なるスペックルパターンを用いることによっ て、同一のスペックルパターンを測定およびモデル化プロセスを通じて用いてい た場合に見落としていたであろう物体１０の表面の特徴を捕捉することができる ようになる。異なるスペックルパターンを用いて物体１０を照射することによっ て得られたデジタルイメージの集合に統計的平均を用いると、単一のパラメータ のセットを得ることができ、そこでは、物体１０の表面の空間的特徴を適切に捕 捉することができる。 本願発明の意図および範囲を逸脱することなく、上記の実施例にはさまざまな 変更を行うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 三次元表面を計測およびモデル化する方法であって、 a. スペックルパターンを用いて三次元表面を照射する工程と、 b. 前記スペックルパターンをイメージ化して複数の二次元デジタルイメージ を得る工程と、 c. 前記複数の二次元デジタルイメージを処理して前記照射された三次元表面 の三次元特徴を得る工程とを含む方法。 2. 請求項１の方法において、さらに、 d. 前記複数の二次元デジタルイメージを基づいて、前記照射された表面をモ デル化して、前記照射された表面の特徴を表わすパラメータセットを得る工 程を含む方法。 3. 請求項１の方法において、さらに、２以上の前記工程(a)乃至(c)を実行して スペックルパターンの集合および二次元デジタルイメージの集合を提供する工 程であって、該スペックルパターンの集合が少なくとも２つの別々のスペック ルパターンを含む工程を含む方法。 4. 請求項３の方法において、さらに、前記照射された表面をモデル化して該照 射された表面の特徴を表わすパラメータセットを得る工程であって、該モデル 化が二次元デジタルイメージの集合に基づく工程を含む方法。 5. 三次元表面の高速三次元イメージパラメータ化装置であって、 前記三次元表面にスペックルパターンを提供するスペックルパターン発生装 置と、 前記スペックルパターンをイメージ化して複数の二次元デジタルイメージを 提供する複数のカメラと、 該複数のカメラと関連して前記複数の二次元デジタルイメージを処理して前 記三次元表面の三次元デジタル特徴を得るプロセッサとを備える装置。 6. 請求項５の装置において、前記スペックルパターン発生装置は光ファイバを 経由して結合される光放射の発生源を備える装置。 7. 請求項５の装置において、さらに、時間の関数として前記三次元表面に投射 された前記スペックルパターンを変えるスペックルパターンシフト装置を備え る装置。 8. 請求項６の装置において、さらに、時間の関数として前記三次元表面に投射 された前記スペックルパターンを変えるスペックルパターンシフト装置を備え る装置。 9. 請求項８の装置において、前記スペックルパターンシフト装置はひずみを前 記光ファイバに与えるための機械的ひずみ誘導手段である装置。 10．請求項９の装置において、前記機械的ひずみ誘導手段は圧電素子である装置 。 11．請求項５の装置において、前記プロセッサはさらに前記三次元表面の特徴を 表わすパラメータセットを提供する装置。 12．三次元表面の高速三次元イメージパラメータ化装置であって、 a. 前記三次元表面にスペックルパターンを提供するスペックルパターン発生装 置と、 b. 前記スペックルパターンをイメージ化して複数の二次元デジタルイメージを 提供する複数のカメラと、 c. 該複数のカメラと関連して前記複数の二次元デジタルイメージを記憶するメ モリと、 d. 該メモリと関連して前記複数の二次元デジタルイメージを処理して前記三次 元表面の三次元デジタル特徴を得るプロセッサとを備える装置。