JP2002022424A

JP2002022424A - ３次元測定装置

Info

Publication number: JP2002022424A
Application number: JP2000210922A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Kiyoi; 計弥清井
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】データ欠損のない３次元測定を実現する。【解決手段】三角測距によって対象物体の形状を測定す
る３次元測定装置において、三角測距による測定のデー
タ欠損の有無を検出する手段（＃３）と、対象物体にお
けるデータ欠損部分について合焦法による測距を行う手
段（＃４〜１０）と、三角測距による測定データを合焦
法による測定データによって補間する手段（＃１１〜１
４）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、物体の形状を測定
する３次元測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】三角測距により物体の形状情報を得る非
接触型の３次元測定装置は、ＣＧシステムやＣＡＤシス
テムへのデータ入力、身体計測などに利用されている。
測定方法としては、スリット光投影法（光切断法）が一
般的であるが、他にスポット光投影法およびステレオ視
法もある。例えばスリット光投影法の場合、スリット光
の投射して物体を走査する。撮像面には物体上の照射部
分の起伏に応じて曲がった輝線が現れる。撮像面内の輝
線の位置は、物体で反射して撮像面に入射したスリット
光の入射角度を特定する。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を結
ぶ基線の長さ）とから、三角測量の手法によって基線か
ら物体までの距離が求まる。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次元データ）を得ることが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】三角測距においては、
投光系と受光系との間またはステレオ視法の場合の２つ
の受光系の間に視差があるので、物体の形状によって
は、投光系または片方の受光系に対して陰になる部分が
生じることがある。この陰については測定不能であり、
３次元データが欠損する。従来では、測定装置の配置を
変えて測定をやり直したり、陰の周囲の３次元データに
基づく補間演算でデータの穴埋めを行ったりする必要が
あった。どちらにしてもユーザーにとって面倒であっ
た。

【０００４】データ欠損を避けるため、投光系または受
光系の数を複数にする構成も提案されている。しかし、
このような構成を採用しても陰が残る場合が多く、しか
も部品点数が増えて大型になりかつ高価になるという問
題があった。

【０００５】本発明は、データ欠損のない３次元測定の
実現を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、三角
測距の視差によるデータ欠損を合焦法による測距で補
う。合焦法では、三角測距法とは違って投受光の視差が
なく、受光系の視野内であれば原理的には全ての位置に
ついて測距可能である。したがって、合焦法を併用する
ことにより、データ欠損を無くすことができる。

【０００７】三角測距のための受光系を用いて合焦法に
よる測距を行えば、部品点数を増加させることなく簡便
に高精度のデータ穴埋めを行うことができる。ただし、
合焦法のための受光系を別途に配置してもよい。合焦法
による測距の精度を高めるには、受光レンズとしてＦナ
ンバーが小さく焦点深度が浅いレンズを用いるのが望ま
しい。

【０００８】合焦法による測距を行うために、予め合焦
状態におけるレンズ位置と被写体距離（または撮影距
離）との関係を求めて記憶しておく。対象物体のうちの
三角測距ではデータが得られなかった部分について、レ
ンズを光軸方向に移動させて複数のレンズ位置のそれぞ
れでの結像状態を調べ、コントラスト値が最も大きくな
る合焦状態の得られたレンズ位置を検出する。そして、
検出したレンズ位置に対応する被写体距離を測定値とす
る。合焦法による測距におけるレンズの移動範囲を三角
測距の結果を参照して設定することにより、無駄なレン
ズ移動を無くして検出時間を短縮することができる。三
角測距でデータが得られた部分とオーバーラップするよ
うに合焦法による測距を行えば、三角測距による３次元
データと合焦法による３次元データとを高精度に位置合
わせすることができる。

【０００９】請求項１の発明に係る装置は、三角測距に
よって対象物体の形状を測定する３次元測定装置であっ
て、三角測距による測定のデータ欠損の有無を検出する
手段と、対象物体におけるデータ欠損部分について合焦
法による測距を行う手段と、三角測距による測定データ
を合焦法による測定データによって補間する手段とを有
する。

【００１０】請求項２の発明に係る３次元測定装置は、
予め測定されたレンス位置と合焦距離との関係を記憶す
る手段を有し、前記合焦法による測距を行う手段が、対
象物体からの光を集光するレンズを光軸方向に移動させ
て複数のレンズ位置のそれぞれでの結像状態を調べ、コ
ントラスト値が最も大きくなるレンズ位置を検出するも
のである。

【００１１】請求項３の発明に係る３次元測定装置は光
切断法による三角測距を行う。請求項４の発明に係る３
次元測定装置はステレオ視法による三角測距を行う。請
求項５の発明に係る３次元測定装置は、データ欠損があ
る場合に、三角測距による測定のデータ存在部分の一部
についても合焦法による測距を行い、データ存在部分に
ついての三角測距による測定データと合焦法による測定
データとを比較することによって、データ欠損部分につ
いて合焦法による測定データを補正する。

【００１２】請求項６の発明に係る３次元測定装置は、
合焦法による測定データに対する補正として、三角測距
による測定データを平行移動させることによる位置合わ
せ処理を行う。

【００１３】請求項７の発明に係る３次元測定装置は、
合焦法による測定データに対する補正として、三角測距
による測定データを平行移動および回転移動させること
による位置合わせ処理を行う。

【００１４】請求項８の発明に係る３次元測定装置は、
合焦法による測定において、レンズと撮像面との相対位
置の変更範囲を、三角測距による測定データに基づいて
設定する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る３次元入力シ
ステムの構成図である。３次元入力システム１は、スリ
ット光投影法による測定のための投受光手段である３次
元カメラ２と、３次元カメラ２の出力データを処理する
ホスト５とから構成されている。ホスト５は、ディスプ
レイ５１、および操作入力デバイスを備えたコンピュー
タシステムであり、例えばＵＳＢケーブルで３次元カメ
ラ２と接続されている。

【００１６】３次元カメラ２において、光源１２は発光
ドライバ３２からの電力供給を受けて所定波長のレーザ
光を発する。光源１２から射出されたレーザ光はレンズ
群１３によってスリット光にビーム整形される。スリッ
ト光はスキャナ１４により偏向されて測定対象の物体Ｑ
を照射する。物体Ｑで拡散反射したスリット光の一部が
３次元カメラ２に戻り、レンズ２１を経てエリアセンサ
（２次元撮像デバイス）２２に入射する。エリアセンサ
２２は、撮像ドライバ３５からのクロックに同期して各
画素の受光量に応じた光電変換信号を出力する。光電変
換信号は、信号処理回路３６でＡ／Ｄ変換され、一時的
に記憶された後にＣＰＵ３１へ送られる。

【００１７】ＣＰＵ３１は、スキャナドライバ３３をは
じめとする各種制御対象に所定の指示を与えるともに、
測定に係るデータ処理を行う。本例の三角測距では、エ
リアセンサ２２の個々の画素に注目し、注目画素の受光
強度Ｘとサンプリング時刻ｉとに基づく次式の演算で、
時間重心（最大強度時点）Ｊを求める。

【００１８】Ｊ＝Σｉ・Ｘ_i／ΣＸ_i 時間重心Ｊは走査の開始からの経過時間を表し、投射角
度を特定する（等角速度走査では時間と角度とが比例す
る）。各画素の入射角度はレンズとの関係で既知である
ので、画素毎にそれに対応した物体上の位置までの距離
を算出することができる。時間重心Ｊを求めることによ
り、サンプリング周期で決まる値よりも分解能を高める
ことができる。算出された距離データは、ホスト５へ送
られ、距離画像のモニタ表示および３次元座標演算に用
いられる。座標演算に必要な装置情報は、距離データと
ともに、または前もってホスト５へ送られる。

【００１９】このような三角測距（以下、これを“主測
定”という）において、エリアセンサ２２は、物体Ｑに
おける位置ａから位置ｄまでの範囲の像を捉える。しか
し、スキャナ１４による位置ａから位置ｄまでの走査に
おいて、位置ｂから位置ｃまでの範囲は投光の陰とな
る。この陰については主測定ができず、距離データが欠
損する。データ欠損が生じたとき、ＣＰＵ３１は、パル
スモータ４１を駆動してレンズ２１を移動させ、後述す
る合焦法による測距（以下、これを“副測定”という）
を実行する。レンズ２１には位置検出のための原点スイ
ッチ４２が設けられ、ＣＰＵ３１にはレンズ位置と被写
体距離との関係を示す合焦テーブルＴｆが設けられてい
る。

【００２０】図２は合焦法の原理図、図３はコントラス
ト値の測定結果の一例を示す図である。図２のように非
合焦状態では合焦状態と比べて結像が暈けるので、注目
画素とその周囲の画素との受光強度の比（コントラスト
値）が小さい。図３ではステップ数６００〜１２００の
６００個のレンズ位置においてコントラスト値が測定さ
れており、ステップ数１１００のレンズ位置で合焦して
いる。合焦したレンズ位置に対応する距離を合焦テーブ
ルＴｆから読み出すことにより、当該注目画素について
の測距が終わる。

【００２１】図４は副測定領域の設定の説明図である。
主測定が終わった段階でホスト５のディスプレイ５１に
測定結果を示すモニタ画像として例えば距離画像が表示
される。図４において、エリアセンサ２２の撮像面に相
当する視野９０のうち、データ取得領域９１は物体に対
応した部分であり、その周囲の背景領域９２は物体が存
在しない部分に対応する。データ取得領域９１の一部が
データ未取得領域９３、すなわち主測定でのデータ欠損
部分となっている。副測定領域９５は、データ未取得領
域９３を包含し、１０画素分程度の幅でデータ未取得領
域９３を囲むオーバーラップ部を設けるように設定され
る。オーバーラップ部の画素については主副双方の測定
が行われる。副測定領域９５の設定については、３次元
入力システム１が自動的に行う形態とユーザーが指定す
る形態とがある。なお、例示では、データ未取得領域９
３が１個であるが、複数のデータ未取得領域９３が点在
する場合もある。

【００２２】図５は３次元入力システムにおける測定動
作の概要を示すフローチャートである。主測定を行って
モニタ表示をする（＃１、＃２）。そして、データ未取
得領域９３があれば副測定を始める（＃３）。副測定領
域９５を設定し（＃４）、主測定の結果を参照してレン
ズ移動の始点および終点の位置（原点からのステップ
数）を求める（＃５）。レンズを一旦原点へ戻してか
ら、または現時点の位置から直接に始点へ移動させる
（＃６）。副測定領域９５の全画素について、画素毎に
コントラスト値を測定し、レンズを１ステップだけ移動
させる（＃７、＃８）。終点に達するまで、コントラス
ト値の測定とステップ移動とを繰り返す（＃９）。

【００２３】副測定領域９５の各画素について、コント
ラスト値が最大となるレンズ位置を検出し（＃１０）、
合焦テーブルＴｆを参照して距離情報（ｚ座標）を得る
（＃１１）。撮像面をｘｙ平面、それと直交する奥行き
方向をｚ軸とするｘｙｚ座標系での視線方程式に距離情
報を代入することによって、注目画素に対応した物体上
の位置（測定点）のｘｙ座標を求める（＃１２）。副測
定領域９５におけるオーバーラップ部の各画素につい
て、主副両測定の結果を比較して副測定の結果を補正す
る（＃１３）。このときの補正処理には２つの形態があ
る。１つは、主測定による座標と副測定による座標との
差を各画素について求め、ｘｙｚの各方向について座標
の差の平均分の平行移動を行うものである。他の１つ
は、副測定による座標についてｘｙｚの各方向の平行移
動およびｘｙｚの各軸周りの回転を行って、主測定によ
る座標との残差が最小となるようにするものである。

【００２４】最後に、補正した副測定によるデータを主
測定によるデータに組み入れて、一群の３次元データと
する（＃１４）。これにより、主測定でのデータ欠損が
補われる。

【００２５】このような測定動作のうち、ステップ＃３
のチェックが“データ欠損の有無を検出する手段”の機
能に相当し、ステップ＃４〜ステップ＃１１の処理が
“合焦法による測距を行う手段”の機能に相当し、ステ
ップ＃１２〜ステップ＃１４の処理が“三角測距による
測定データを合焦法による測定データによって補間する
手段”の機能に相当する。副測定におけるレンズ移動の
制御はＣＰＵ３１が受け持つが、データ欠損の有無チェ
ック（＃３）、副測定領域の設定（＃４）、レンズ移動
範囲の算出（＃５）、コントラスト値の算出（＃７）、
合焦位置の検出（＃１０）、および穴埋めに係わる一連
のデータ処理（＃１１〜＃１４）については、プログラ
ム処理能力を勘案して受持ちをＣＰＵ３１とホスト５と
に振り分けてもよいし、ＣＰＵ３１またはホスト５に全
てを受け持たせるようにしてもよい。

【００２６】図６は副測定領域の設定処理の詳細を示す
フローチャートである。主測定でデータが得られなかっ
た画素のうち、つながっているものどうしを１つのグル
ープとする（＃４１）。主測定でデータが得られた画素
で囲まれていないグループ、すなわち視野９０の周縁と
接するグループについては、全周を囲むオーバーラップ
部を設定できないので、副測定の対象外とする（＃４
２）。それ以外のグループについては、ｘｙ方向の端縁
の座標ｘｍｉｎ，ｘｍａｘ，ｙｍｉｎ，ｙｍａｘを求め
（＃４３）、十分なオーバーラップ部を設定できるか否
かをチェックする（＃４４）。すなわち、グループの端
縁から１０画素離れた辺からなる矩形領域を設定し、そ
の矩形領域のうちのグループ以外の画素が主測定でデー
タが得られた画素か否かをチェックする。そして、イエ
スであれば、矩形領域を副測定領域９５とする。グルー
プが視野９０の周縁近傍に存在したり、グループどうし
が近接していたりして十分な幅のオーバーラップ部を設
定できない場合には、副測定によるデータを高精度に補
正（位置合わせ）するのが難しいので、当該グループに
ついては副測定を行わない。低精度のデータが混じるよ
りもデータが欠損する方が実用上は好ましい。

【００２７】図７は副測定におけるレンズ移動範囲の設
定例を示す図である。上述したとおり、合焦位置を見つ
けるためのレンズ移動は、常に移動可能範囲の一端から
他端まで行われるのではなく、主測定の結果に基づいて
設定された範囲で行われる。

【００２８】物体Ｑの最前面には投光の陰は生じない。
したがって、図７（ａ）のように、主測定で得られた距
離データの最小値Ｚｍｉｎを調べ、最小値Ｚｍｉｎに対
応したレンズ位置ｆ（Ｚｍｉｎ）から無限遠側の移動限
界までをレンズ移動範囲とすることにより、近接側の移
動限界からレンズ位置ｆ（Ｚｍｉｎ）までの移動が省略
される分だけ、副測定時間を短縮することができる。

【００２９】図７（ｂ）のように、距離データの最小値
Ｚｍｉｎおよび平均値Ｚａｖｅを調べ、平均値Ｚａｖｅ
に一定値を加えた距離に対応したレンズ位置を遠方側の
移動端とすることにより、さらに移動範囲を狭めること
ができる。図示では、平均値Ｚａｖｅを基準としたとき
の主測定が可能な奥行き幅Ｚｒの半分を加えた距離に対
応したレンズ位置ｆ（Ｚａｖｅ＋Ｚｒ／２）が移動端で
ある。奥行き幅Ｚｒは受光の視野角および投光の偏向角
度範囲の設定により一義的に決まる数値である。

【００３０】以上の実施形態では、３次元カメラ２とホ
スト５とが別体であったが、これらの機能を共通のハウ
ジングに収めて一体化した装置構成を採用することがで
きる。参照光はスリット光に限らず、スポット光であっ
てもよい。さらに、一対の受光系によって三角測距を行
うステレオ視方式の装置においても、本発明を適用する
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】請求項１乃至請求項８の発明によれば、
データ欠損のない３次元測定を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元入力システムの構成図であ
る。

【図２】合焦法の原理図である。

【図３】コントラスト値の測定結果の一例を示す図であ
る。

【図４】副測定領域の設定の説明図である。

【図５】３次元入力システムにおける測定動作の概要を
示すフローチャートである。

【図６】副測定領域の設定処理の詳細を示すフローチャ
ートである。

【図７】副測定におけるレンズ移動範囲の設定例を示す
図である。

【符号の説明】

１３次元入力システム（３次元測定装置）Ｑ物体３３次元カメラ５ホスト９１データ取得領域（データ存在部分）９３データ未取得領域（データ欠損部分）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA17 DD00 FF05 FF09 FF10 GG06 HH04 HH05 JJ03 JJ26 LL13 LL62 MM16 PP02 PP22 QQ01 QQ03 QQ24 QQ29 QQ42 SS02 SS13 UU03 UU05 5B057 DA07 DB03 DC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三角測距によって対象物体の形状を測定す
る３次元測定装置であって、三角測距による測定のデータ欠損の有無を検出する手段
と、対象物体におけるデータ欠損部分について合焦法による
測距を行う手段と、三角測距による測定データを合焦法による測定データに
よって補間する手段とを有したことを特徴とする３次元
測定装置。
【請求項２】予め測定されたレンス位置と合焦距離との
関係を記憶する手段を有し、前記合焦法による測距を行う手段は、対象物体からの光
を集光するレンズを光軸方向に移動させて複数のレンズ
位置のそれぞれでの結像状態を調べ、コントラスト値が
最も大きくなるレンズ位置を検出する請求項１記載の３
次元測定装置。
【請求項３】光切断法による三角測距を行う請求項１記
載の３次元測定装置。
【請求項４】ステレオ視法による三角測距を行う請求項
１記載の３次元測定装置。
【請求項５】データ欠損がある場合に、三角測距による
測定のデータ存在部分の一部についても合焦法による測
距を行い、データ存在部分についての三角測距による測
定データと合焦法による測定データとを比較することに
よって、データ欠損部分について合焦法による測定デー
タを補正する請求項１記載の３次元測定装置。
【請求項６】合焦法による測定データに対する補正とし
て、三角測距による測定データに対して相対移動させる
位置合わせ処理を行う請求項５記載の３次元測定装置。
【請求項７】合焦法による測定データに対する補正とし
て、三角測距による測定データに対して平行移動または
回転移動させる位置合わせ処理を行う請求項６記載の３
次元測定装置。
【請求項８】合焦法による測定において、レンズと撮像
面との相対位置の変更範囲を、三角測距による測定デー
タに基づいて設定する請求項１記載の３次元測定装置。