JP2002027501A - ３次元画像撮像装置および３次元画像撮像方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターン照射画像に基づく距離データ算出に
用いるパターン投光手段の簡易な構成を実現する３次元
画像撮像装置を提供する。 【解決手段】フォトマスクなどの透過マスクによる光学
フィルターと、パターンを投影する為の光源を構成要素
とするパターン投光手段を構成する。パターン光を不可
視領域光、例えば近赤外光とする場合は、フィルターは
赤外カット用のマスクを用い、形成パターンに対応させ
て透過率を変化させて強度分布を持たせる。本構成によ
り、レーザを用いた構成と異なり駆動系が不要なため振
動に強く、特殊な装置や制御装置がいらないために単純
な構造が実現できる。また、ハーフミラーを用いて撮像
手段と組み合わせることにより、コンパクトな撮像およ
び投光手段構成が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は測定対象に対してパ
ターン光を照射することによって得られるパターン投影
像を、複数の撮像手段で異なる方向から撮像し、パター
ンの変化に基づいて距離情報を得る３次元画像撮像装置
および３次元画像撮像方法に関し、測定対象に投影する
パターンに対応させて光透過態様を変化させたパターン
を形成した光学フィルター、および光源とを備えた投光
手段を用いた３次元画像撮像装置および３次元画像撮像
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元形状を取得する手法には、アクテ
ィブ手法（Active vision）とパッシブ手法（Passive v
ision）がある。アクティブ手法は、（1）レーザ光や超
音波等を発して、対象物からの反射光量や到達時間を計
測し、奥行き情報を抽出するレーザー手法や、（2）ス
リット光などの特殊なパターン光源を用いて、対象表面
パターンの幾何学的変形等の画像情報より対象形状を推
定するパターン投影方法や、(3)光学的処理によってモ
アレ縞により等高線を形成させて、３次元情報を得る方
法などがある。一方、パッシブ手法は、対象物の見え
方、光源、照明、影情報等に関する知識を利用して、一
枚の画像から３次元情報を推定する単眼立体視、三角測
量原理で各画素の奥行き情報を推定する二眼立体視等が
ある。

【０００３】一般的にアクティブ手法のほうが計測精度
は高いが、投光手段の限界などにより、測定できるレン
ジが小さい場合が多い。一方、パッシブ手法は汎用的で
あり、対象に対する制約が少ない。本発明は、このアク
ティブ手法の３次元計測装置であるパターン投影法に関
するものである。

【０００４】パターン投影法では、対象とする物体に基
準となるパターン光を投影し、基準となるパターン光が
投影された方向とは異なる方向から撮影を行う。撮影さ
れたパターンは、物体の形状によって変形を受けたもの
となる。観測された変形パターンと投影したパターンと
の対応づけを行うことで、物体の3次元計測を行える。
パターン投影法では、変形パターンと投影したパターン
の対応づけにおいていかに誤対応を少なくし、かつ簡便
に行うかが課題となる。そこで、様々なパターン投影の
手法(空間パターンコード化、モアレ、色符号化)が提案
されている。

【０００５】代表的な空間コード化の一例として特開平
５−３３２７３７５号公報に開示されている実施例につ
いて説明する。この例では、レーザ光源とレーザ光をス
リット形に整形するレンズ系と、整形されたレーザ光を
対象物に走査して照射するスキャンニング装置と対象物
からの反射光を検出するカメラとこれらを制御する装置
からなる。

【０００６】スキャンニング装置から走査されるレーザ
光によって対象物上に、レーザ光が照射された部分と照
射されていない部分とで縞模様が形成される。レーザ光
の照射を異なる複数のパターンによって行うことで対象
物上はＮ個の識別可能な部分に分割される。対象物を異
なる位置からカメラで撮影した画像上の各画素が分割さ
れたどの部分に含まれるかを判別することで対象物の形
状を算出できる。

【０００７】解像度を高くする為には複数回のレーザに
よるスキャンを行い、複数回のカメラによる撮影が必要
となる。例えば、画面を２５６の領域に分割する為には
8回の撮影が必要となる。そのため動きの早い物体の撮
影は困難となり、更にスキャンを行う間は撮影系を確実
に固定しておく必要があるので装置自体は簡便となって
も手軽に撮影を行う事は難しい。

【０００８】パターンの投光回数を減らす手段として特
開平３−１９２４７４号公報に開示されている色符号化
がある。色符号化においては、q、kを2以上の所定の自
然数とした時、q色以上の色を用いて、隣接する2本のス
リット光が同色にならず、隣接するk本のスリット光に
よる色の並びが1度しか現れないように符号化されたパ
ターンを投影し、観測された画像からスリットの色を検
出し、該当スリットの色並びからスリット番号を取得す
る。スリット番号から、スリットの照射方向を算出し空
間コード化の例と同様に距離を算出することができる。

【０００９】しかしながら、色符号化ではコード列の並
びからコードを復元する為に、コードの復元の計算量が
大きいという問題点がある。更に、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を
用いて２５６の領域に分割したい場合には、コードを知
りたいスリットの周囲８本のスリット光の並びを知る必
要があり、連続してスリットが長く観測できるような形
状の物体の計測にしか適さない。

【００１０】スリットの復元を容易に行い、更に1回で
コード化されたパターンを投影する手段として特許第２
５６５８８５号で公開されている空間パターンコード化
法がある。この特許では、３値以上の濃淡、又は３色以
上の色、又は濃淡と色の組み合わせによって３種類以上
の階調領域を有し、該階調領域の境界線の交点において
少なくとも３種類の階調領域が互いに接しているように
配置した多値格子板パターンを具備し、該パターンを被
測定対象物に投影して生じる投影像の交点に該交点で接
する階調の種類と順序に応じた主コードを付与し、該主
コードを、または交点の主コードとその周囲交点の主コ
ードとを組み合わせた組み合わせコードを、交点の識別
用の特徴コードとして付与したことを特徴とする。

【００１１】しかし、上述の方式では撮影対象によって
はコード化が崩れてしまい正しくコードの対応づけがで
きなくなる場合がある。例えば、図２１に示すように光
源によって投光されたパターン列が"12345678"であると
き、撮影対象の構造によってはカメラで撮影されるパタ
ーン列が"1267"と欠落して認識されたり、パターン列"7
58"のように反転したパターン列が得られる場合があ
る。また、対象物の形状や反射率などによっても投光し
たパターンと撮影されたパターン列の変化により対応づ
けは困難となる。

【００１２】色符号化においては、復号化時にスリット
のグループ化を行う際、スリットの欠落、反転の可能性
があるパターンについては復号を行わない手法を用いて
この問題を回避している。空間パターンコード化法では
２次元パターンを用いることで、前述の誤りの可能性を
低減してはいるが、原理的には対象物によっては同じ誤
りが生じる。従って、前述の方式では、実験室内の特殊
な状況や対象物体を限定した状況での撮影では優れた精
度が得られるものの、対象を限定しない一般的な撮影状
況では精度の劣化は否めない。また、光源を用いた投光
を行う手法では、広いレンジを有するものを対象とした
時に、投光が届かない部位については３次元形状が得ら
れない。また、投光されたパターンを対象物が遮ること
で生じる影の領域も、距離の計測ができないため、実際
に見えているのに距離が得られない領域が存在してしま
う。

【００１３】そこで、本出願と同一出願人に係る特願平
１０−１９１０６３号、(特開２０００−９４４２)、特
願平１０−２４７７９６(特開２０００−６５５４２)で
は投光されたパターンをフィードバックし新たなコード
を生成することで対象物に依存しない3次元画像撮影装
置を提案した。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の特願平１０−１
９１０６３号、(特開２０００−９４４２)、特願平１０
−２４７７９６(特開２０００−６５５４２)における３
次元画像撮影装置は、投光パターンを複数の強度や複数
の波長によって符号化されたものを投影して実現する。
その際に、投光パターンが被写体の輝度情報、素材など
の影響によって変化し、３次元形状を算出する際に、エ
ラーとなって適切な３次元形状が計測できない。そのた
めに、上記３次元撮像装置は、投光素子と同光軸に配置
をし、被写体情報による投光パターンの変化分をモニタ
し、再符号化を実施し、３次元形状を計測している。

【００１５】上記構成において、符号化されたパターン
を投影する際の投影には、液晶などをつかったＰＣなど
のコントローラで照射パターンを制御して投影するプロ
ジェクタあるいはレーザによる投影構成を使用してい
る。レーザ光を使ったものは、ポリゴンミラーなどの駆
動系を有してしまうので、手持ちなどの振動に弱いとい
う欠点や、ビデオレート以上の高速カメラなど高速シャ
ッターが必要な物体に対してはプロジェクトパターンが
追いつかないという欠点がある。また、ポリゴンミラー
の駆動及びスリットレーザ光のコントロールをするため
の制御が必要となるといった問題があった。

【００１６】本発明は、このようなパターン照射を実行
する投影手段の問題点に鑑みてなされたものであり、本
発明は、投影するパターンを、フォトマスクなどの透過
マスクと、そのパターンを投影する為の光源を使うこと
によって、軽量かつ低コストの構成を持つ３次元画像撮
像装置および３次元画像撮像方法を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
解決するものであり、その第１の側面は、測定対象に投
影するパターンに対応させて光透過態様を変化させたパ
ターンを形成した光学フィルター、および光源とを備え
た投光手段と、前記投光手段の光軸方向から投影パター
ンを撮影する第１の撮像手段と、前記投光手段の光軸方
向と異なる方向から前記投影パターンを撮影する第２の
撮像手段とを備え、前記第２の撮像手段の撮影した撮影
パターンに基づいて第１の距離情報を生成する構成を有
することを特徴とする３次元画像撮像装置にある。

【００１８】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投影パターンに対する第１の撮
像手段による撮影パターンの変化量が所定値以上の領域
について、該第１の撮像手段による撮影パターンに対応
する新規コードを割り付け、前記新規コードに基づいて
第２の撮像手段による撮影パターンから前記第１の距離
情報を生成する構成を有することを特徴とする。

【００１９】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段は、パターン光を不可
視領域光によって形成する構成であり、前記光源は、赤
外光または紫外光を用いた不可視領域の光源であること
を特徴とする。

【００２０】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段を構成する光学フィル
ターは、可視領域光を透過する構成であるとともに、投
影パターンに対応させて不可視領域光の強度変化パター
ンを形成した構成であり、前記光源は、可視領域および
不可視領域の波長の双方の領域のスペクトルを有する構
成であることを特徴とする。

【００２１】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段を構成する光学フィル
ターは、赤外カット用のマスクの透過率を変化させて照
射パターンに対応した強度分布を持たせた構成であり、
前記光源は、可視領域および不可視領域の波長の双方の
領域のスペクトルを有する構成であることを特徴とす
る。

【００２２】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段の出射光と、前記第１
の撮像手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力
されるとともにビームスプリッタによって分離される構
成であり、前記投光手段と前記第１の撮像手段とは、そ
れぞれ光学的に同軸に配置された構成であることを特徴
とする。

【００２３】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段は不可視領域の光を発
生する光源を有し、前記第１の撮像手段および前記第２
の撮像手段は不可視領域の光を透過するフィルターおよ
び不可視領域の光を遮断するフィルターを有し、パター
ン投影画像と、輝度画像とを並列に撮り込む構成を有す
ることを特徴とする。

【００２４】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段による投影パターンに
対する第１の撮像手段による撮影パターンの変化量が所
定値未満の領域について、第１の撮像手段および第２の
撮像手段より得られた各輝度情報の対応づけにより第２
の距離情報を生成し、前記第１の距離情報、第２の距離
情報および第１または第２の撮像手段より得られた輝度
情報を用いて３次元画像を得るよう構成したことを特徴
とする。

【００２５】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記第２の撮像手段は、前記測定対
象を異なる角度で撮像する複数の撮像手段によって構成
され、該複数の第２の撮像手段の各々の撮影した投影パ
ターンに基づいて求められる距離情報を合成して３次元
画像を得るよう構成したことを特徴とする。

【００２６】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段の出射光と、前記第１
の撮像手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力
されるとともにビームスプリッタとして構成されるハー
フミラーによって分離される構成であり、前記投光手段
を構成する光学フィルターは、前記ハーフミラーの光源
側の面に沿って近接して配置した構成を有することを特
徴とする。

【００２７】さらに、本発明の３次元画像撮像装置の一
実施態様において、前記投光手段の出射光と、前記第１
の撮像手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力
されるとともにビームスプリッタとして構成されるハー
フミラーによって分離される構成であり、前記投光手段
を構成する光学フィルターは、前記ハーフミラーの光源
側の面に沿って近接して配置した構成を有するととも
に、前記光源は、平板型の発光素子または蛍光体であ
り、前記光学フィルターに近接して配置された構成を有
することを特徴とする。

【００２８】さらに、本発明の第２の側面は、測定対象
に投影するパターンに対応させて光透過態様を変化させ
たパターンを形成した光学フィルター、および光源とを
備えた投光手段により、パターンを測定対象に投影する
投光ステップと、前記投光手段の光軸方向から投影パタ
ーンを撮影する第１の撮像手段と、前記投光手段光軸方
向と異なる方向から前記投影パターンを撮影する第２の
撮像手段とにより、パターンの投影された測定対象を撮
影する撮像ステップと、前記第２の撮像手段の撮影した
撮影パターンに基づいて第１の距離情報を生成するステ
ップと、を有することを特徴とする３次元画像撮像方法
にある。

【００２９】さらに、本発明の３次元画像撮像方法の一
実施態様において、前記投影パターンに対する第１の撮
像手段による撮影パターンの変化量が所定値以上の領域
について、該第１の撮像手段による撮影パターンに対応
する新規コードを割り付けるステップと、前記新規コー
ドに基づいて第２の撮像手段による撮影パターンから前
記第１の距離情報を生成するステップとを有することを
特徴とする。

【００３０】さらに、本発明の３次元画像撮像方法の一
実施態様において、前記投光ステップは、前記光源を赤
外光または紫外光を用いた不可視領域の光源として、パ
ターン光を不可視領域光によって形成するステップであ
ることを特徴とする。

【００３１】さらに、本発明の３次元画像撮像方法の一
実施態様において、前記投光ステップは、前記光源を赤
外光または紫外光を用いた不可視領域の光源として、パ
ターン光を不可視領域光によって形成するステップであ
り、前記撮像ステップは、パターン投影画像と、輝度画
像とを並列に撮り込むステップであることを特徴とす
る。

【００３２】さらに、本発明の３次元画像撮像方法の一
実施態様において、前記３次元画像撮像方法は、さら
に、前記投光手段による投影パターンに対する第１の撮
像手段による撮影パターンの変化量が所定値未満の領域
について、第１の撮像手段および第２の撮像手段より得
られた各輝度情報の対応づけにより第２の距離情報を生
成し、前記第１の距離情報、第２の距離情報および第１
または第２の撮像手段より得られた輝度情報を用いて３
次元画像を得るステップを有することを特徴とする。

【００３３】さらに、本発明の３次元画像撮像方法の一
実施態様において、前記３次元画像撮像方法において、
前記第２の撮像手段は、前記測定対象を異なる角度で撮
像する複数の撮像手段によって構成され、該複数の第２
の撮像手段の各々の撮影した投影パターンに基づいて求
められる距離情報を合成して３次元画像を得ることを特
徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の３次元
画像撮像装置および３次元画像撮像方法の実施の形態を
詳しく説明する。

【００３５】まず、再コード化処理を用いた距離データ
の取得原理について説明する。再コード化処理を用いた
距離データの取得を実行する３次元画像撮像装置の構成
を表すブロック図を図１に示す。図２に光源と撮像素子
の位置関係を示す。

【００３６】図２に示すように、３次元形状測定装置
は、３台のカメラ１０１〜１０３および投光器１０４を
備える。各カメラの距離関係が揃うように、図示の距離
Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3は等しくされている。カメラ３，１０３
と投光器１０４は、ビームスプリッタとしてのハーフミ
ラー１０５を用いて光軸が一致するように配置される。
カメラ１，１０１、カメラ２，１０２は、カメラ３，１
０３と投光器１０４の両側に、それらと光軸が異なるよ
うに配置される。中央の光軸と両側の光軸との距離が基
線長Ｌである。

【００３７】投光器１０４は、光源１０６と、マスクパ
ターン１０７と、強度パターン１０８と、プリズム１０
９とを有する。ここで光源１０６は、赤外もしくは紫外
光を用いた不可視領域の光源を用いることができる。こ
の場合、各カメラは図３に示すように構成される。すな
わち、入射してきた光３１０は、プリズム３０１で２方
向に分割され、一方は不可視領域（赤外あるいは紫外）
透過フィルター３０２を通って撮像装置（例えばＣＣＤ
カメラ）３０３に入射し、他方は不可視領域（赤外と紫
外）遮断フィルター３０４を通って撮像装置３０５に入
射する。

【００３８】また図２に示す光源１０６は、可視領域あ
るいは不可視領域に限定せず、撮像可能な波長帯の光源
を用いてもよい。この場合、カメラ３，１０３において
は、プログレッシブスキャンタイプのＣＣＤカメラを用
い、カメラ１，１０１、カメラ２，１０２に関しては、
特に構成はこだわらない。ただし、カメラ３，１０３と
の対応を考慮すれば、同じ構成のＣＣＤカメラが望まし
い。光源１０６からパターンが投影され、３台のカメラ
１〜３（１０１〜１０３）が同時に撮影を行う。そして
各カメラは、フィルター３０４，３０５（図３参照）を
通過した光を撮像装置３０３，３０５で得ることによ
り、画像の一括取得を行う。

【００３９】図１を用いて３次元形状測定装置の構成を
説明する。図示のように、カメラ１，１０１は、撮影し
て得た輝度情報を輝度値メモリ１２１に記憶し、撮影パ
ターンをパターン画像メモリ１２２に記憶する。カメラ
２，１０２は、同様に、輝度情報を輝度値メモリ１２３
に記憶し、撮影パターンをパターン画像メモリ１２４に
記憶する。カメラ３，１０３は、輝度情報を輝度値メモ
リ１２５に記憶し、撮影パターンをパターン画像メモリ
１２６に記憶する。投光器１０４は、事前に作成したコ
ード化されたパターンを後に参照する為に、各スリット
を正方格子上のセルに分割してフレームメモリ１２７に
格納している。

【００４０】この記憶保持された撮影パターンおよび輝
度情報を用いて、次のようにして３次元画像を得る。以
下の操作は、カメラ１，１０１とカメラ３，１０３の組
み合わせ、カメラ２，１０２とカメラ３，１０３の組み
合わせの双方に共通なので、ここではカメラ１，１０１
とカメラ３，１０３の組み合わせを例にとって説明す
る。

【００４１】図１において、領域分割部１２８は、カメ
ラ３，１０３で撮影された撮影パターンの領域分割を行
う。そして、隣り合うスリットパターン間の強度差が閾
値以下である領域については投光器からの光が届いてな
い領域１として抽出し、スリットパターン間の強度差が
閾値以上である領域については領域２として抽出する。
再コード化部１２９は、抽出された領域２について、パ
ターン画像メモリ１２６に記憶された撮影パターンとフ
レームメモリ１２７に格納された投影パターンを用いて
再コード化を行う。

【００４２】図４は、再コード化を行う際のフローチャ
ートである。まず、各スリットパターンをスリット幅毎
に縦方向に分割し（ステップ１００１）、正方形のセル
を生成する。生成された各セルについて強度の平均値を
とり、平均値を各セルの強度とする（ステップ１００
２）。画像の中心から順に、投影パターン及び撮影パタ
ーンの対応する各セル間の強度を比較し、対象物の反射
率、対象物までの距離などの要因によってパターンが変
化したためにセル間の強度が閾値以上異なるかどうかを
判断する（ステップ１００３）。閾値以上異ならない場
合は、撮影されたすべてのセルについて再コード化を終
了する（ステップ１００７）。

【００４３】閾値以上異なる場合は、新たな強度のセル
かどうか判断する（ステップ１００４）。そして、新た
な強度のセルのときは、新たなコードの生成、割り付け
を行う（ステップ１００５）。また、新たな強度のセル
でないときは、他に出現している部位と識別可能とする
スリットパターンの並びを用いてコード化する（ステッ
プ１００６）。これで、再コード化を終了する（ステッ
プ１００７）。

【００４４】図５はスリットパターンのコード化の例を
示すもので、同図（ａ）はスリットの並びによってコー
ド化された投影パターンであり、強度としてそれぞれ３
（強）、２（中）、１（弱）が割り当てられている。同
図（ｂ）においては、左から３つめのセルで強度が変化
して新たなコードが出現したので、新たに０というコー
ドを割り当てている。同図（ｃ）においては、左から３
つめ上から２つめのセルに既存のコードが出現している
ので、セルの並びから新たなコードとして、縦の並びを
［２３２］、横の並びを［１３１］という具合に再コー
ド化する。この再コード化は、対象の形状が変化に富む
部位には２次元パターンなどの複雑なパターンを投光
し、変化の少ない部位には簡単なパターンを投光してい
るのに等しい。この過程を繰り返し、全てのセルに対し
て一意なコードを割り付けることで再コード化を行う。

【００４５】図６は、カメラ６０１〜６０３および投光
器６０４を用いて、壁６０５の前に配置された板６０６
にコード化されたパターンを投光する例を示す。ここで
コード化されたパターンは、図７に示すスリットパター
ンである。このとき、カメラ６０１、カメラ６０２で得
られる画像は、図８及び図９に示すように、それぞれ板
６０６の影となる領域８０１、９０１が生ずる。本例で
は、板６０６の表面には新たにコード化されたパターン
として、図１０に示すようなスリットパターンが得られ
る。

【００４６】次に図１に戻って説明する。カメラ１，１
０１側のコード復号部１３０は、パターン画像メモリ１
２２から投影パターンを抽出し、上述と同様にしてセル
に分割する。そして、先に再コード化部１２９で再コー
ド化されたコードを用いて各セルのコードを検出し、こ
の検出したコードに基づいて光源からのスリット角θを
算出する。図１１は空間コード化における距離の算出方
法を示す図であり、各画素の属するセルのスリット角θ
とカメラ１で撮影された画像上のｘ座標とカメラパラメ
ータである焦点距離Ｆと基線長Ｌとから、次の（数１）
によって距離Ｚを算出する。

【００４７】

【数１】 Ｚ＝（Ｆ×Ｌ）／（ｘ＋Ｆ×ｔａｎθ） （数１）

【００４８】この距離Ｚの算出は、カメラ２，１０２側
のコード復号部１３１においても、同様に行われる。ま
た、上述の領域１については次のようにして距離を算出
する。領域１では、投光されたパターンによるパターン
検出は行うことができないので、対応点探索部１３２に
おいて、カメラ１〜３の輝度値メモリ１２１、１２３、
１２５から読み出された輝度情報を用いて視差を検出
し、これに基づいて距離を算出する。領域１を除く領域
に対しては、前述の操作により距離が算出されているの
で、領域１の距離の最小値が得られ、また対応づけ可能
な画素も限定される。これらの制限を用いて、画素間の
対応づけを行い視差ｄを検出し、カメラパラメータであ
る画素サイズλを用いて、次の（数２）によって距離Ｚ
を算出する。

【００４９】

【数２】Ｚ＝（Ｌ×Ｆ）／（λ×ｄ） （数２）

【００５０】前述の手法でカメラ３，１０３とカメラ
１，１０１の組み合わせによって得られた距離情報で
は、図８に示す板の影となる領域８０１の距離情報が検
出できない。一方、カメラ３，１０３とカメラ２，１０
２の組み合わせによって得られた距離情報では、図９に
示す板の影となる領域９０１の距離情報が検出できな
い。しかし、図８に示す板の影となる領域８０１の距離
情報が算出可能である。従って、図１の距離情報統合部
１３３において、カメラ３，１０３とカメラ１，１０１
の組で算出された距離情報およびカメラ３，１０３とカ
メラ２，１０２で算出された距離情報から、カメラ３の
画像（図１２）のすべての画素に対する距離情報を取得
する。以上の操作によって得られた距離情報を、例えば
カメラ３の輝度画像に対応づけて３次元画像メモリに記
憶することで３次元画像撮像を行う。

【００５１】上述したような構成により、距離データを
取得して３次元画像の生成を実行する。上述の構成の３
次元画像撮影装置は、投光パターンを複数の強度や複数
の波長によって符号化されたものを投影して実現する。
このためのパターン投影手段の具体的構成を図１３に示
す。

【００５２】図１３に示すパターン投影手段は、光源１
３０１と、光源１３０１の光の光透過態様、すなわち、
光透過量あるいは透過率をコントロールするようなフォ
トマスクなどの透過マスクで構成される濃度分布を持っ
た光学フィルター１３０２によって構成される。光学フ
ィルター１３０２は、予め所定の濃度分布のパターン光
を透過するように構成された光学フィルターである。光
源１３０１からの出射光は、光学フィルター１３０２を
介して測定対象物に照射されて投影パターン１３０３が
測定対象に投影される。

【００５３】このような投光手段構成において、例えば
測定対象である被写体が動く物体の場合は、光源１３０
１を撮影時に常時点灯することによって、任意のタイミ
ングで３次元画像生成のためのパターン画像を撮影する
ことができる。また、被写体の対象が静物の場合は、撮
影時、前後の時間も含めて光源１３０１を点灯させてお
くか、撮影時に同期させて光源１３０１を瞬間的に光ら
せることで、３次元画像生成のためのパターン画像を撮
像することができる。

【００５４】なお、図１３に示す投光手段構成におい
て、投光手段を構成する光学フィルター１３０２は、可
視領域光を透過する構成とするとともに、投影パターン
に対応させて不可視領域光の強度変化パターンを形成
し、光源１３０１は、可視領域および不可視領域の波長
の双方の領域のスペクトルを有する構成とすることで、
撮像手段によって撮影される輝度画像の照明手段として
も兼用できる構成とすることが可能である。

【００５５】具体的には、パターン光を不可視領域光、
例えば近赤外光によって形成しようとする場合は、光学
フィルター１３０２は、赤外カット用のマスクの透過率
を変化させて照射パターンに対応した強度分布を持たせ
る構成とする。この場合、可視光は光学フィルター１３
０２を透過する。光源１３０１は、可視領域及び近赤外
の波長に強度を持つものを使用する。このような構成で
あれば、投光装置は、輝度画像の照明装置としても兼用
でき、暗所などにおいての測定も可能になる。

【００５６】測定対象である被写体と、スリットパター
ンを形成した光学フィルターと、光学フィルターを用い
た投光手段による被写体への投光パターン照射例を図１
４に示す。図１４（ａ）は、測定対象である被写体であ
り、図１４（ｂ）はスリットパターンを形成した光学フ
ィルター、図１４（ｃ）は光学フィルターを用いた投光
手段による被写体への投光パターン照射例である。図１
４（ｃ）に示す照射パターンを投影した被写体を、前述
したよう、撮像手段を用いて異なる角度から撮影して、
撮影されたパターンに基づいて距離情報を取得する。

【００５７】図１５に光学系を中心とした本発明の３次
元画像撮像装置の構成を示す。図１５の３次元画像撮像
装置において、測定対象物体１５０１にパターン光を照
射し、測定対象物体１５０１に対して異なる角度に設置
した複数のカメラ、例えばＣＣＤ等の撮像素子で、パタ
ーンの照射された画像を撮影し、画像撮り込み部で複数
画像を撮り込み、画像処理部において対応付け処理を実
行し、計算処理部で距離を算出する。これらの処理は、
図１以下を用いてすでに説明した通りである。パターン
光を投光する投光素子は、光源１５１１、光源１５１１
の光の透過量をコントロールするような濃度分布を持っ
た光学フィルター１５１２、レンズ光学系１５１３によ
って構成される。また、投光素子と同軸配置される撮像
素子は、ＣＣＤ等の撮像素子１５２１と、レンズ光学系
１５２２によって構成される。投光素子から出力された
パターン光は、ビームスプリッタとしてのハーフミラー
を介して測定対象物体１５０１に照射され、測定対象物
のパターン照射像は、ハーフミラーを介して反射して、
撮像素子１５２１によって撮影される。

【００５８】図１５の構成例において、画像撮込部は、
３次元画像の画像処理を実行するＰＣに接続されている
が、制御装置、画像記憶装置、画像処理/演算装置など
を、画像撮込部と一体化した構造にしたり、また、画像
データ、光学系パラメータなどをコンパクトフラッシュ
（登録商標）などの記憶媒体に記憶し、後程、データを
ＰＣなどの画像処理装置に転送し、距離情報の算出演算
を行う構成とすることも可能である。

【００５９】図１６は、光学系のみを抽出して示す構成
図である。被写体１６０１に対して投影装置１６０２に
よりパターン光を、光の透過量をコントロールするよう
な濃度分布を持った光学フィルター１６１２を用いて照
射し、撮像素子１６０３，１６０４により、パターン照
射のなされた像を撮影する。なお、図１６においては、
カメラを２つのみ示しているが、先に説明した図１，２
の構成のように３つのカメラを配置した構成としてもよ
い。

【００６０】撮像素子１６０３及び撮像素子１６０４
は，同じ構成の撮像素子で，撮像素子１６０３は、投影
装置１６０２と光学的に同軸に配置し、投影パターンを
モニタし、輝度画像を同時に取る。撮像素子１６０４
は、投影パターンをある基線長を隔てた地点で観測し、
撮影されるパターン投影画像に基づいて三角測量の原理
で距離画像を算出する。同時に，輝度も撮影する。

【００６１】図１７は、図１６に示す構成における撮像
素子の詳細構成例を示すものである。撮像素子は、図１
７に示すように、レンズ１７０１、不可視光トリミング
フィルター１７０２、不可視反射ダイクロイック膜１７
０３、可視光トリミングフィルター１７０４、および２
つの撮像素子光電面１７０５，１７０６を有する。レン
ズ１７０１を介する入射光は、不可視光トリミングフィ
ルター１７０２、不可視反射ダイクロイック膜１７０３
によって、不可視光像が撮像素子光電面１７０５によっ
て撮像され、可視光像が撮像素子光電面１７０６によっ
て撮像される。パターン光は、赤外もしくは紫外光の不
可視光によって照射され、他の角度から撮影されたパタ
ーン照射光との対応付け用の距離情報分析データとして
用いられる。

【００６２】図１８は、投光素子と、投光素子と光学的
に同軸に配置される撮像素子とを組み合わせた構成を示
すものである。撮像素子は、図１７と同様の構成であ
り、レンズ１８０１、不可視光トリミングフィルター１
８０２、不可視反射ダイクロイック膜１８０３、可視光
トリミングフィルター１８０４、および２つの撮像素子
光電面１８０５，１８０６を有する。レンズ１８０１を
介する入射光は、不可視光トリミングフィルター１８０
２、不可視反射ダイクロイック膜１８０３によって、不
可視光像が撮像素子光電面１８０５によって撮像され、
可視光像が撮像素子光電面１８０６によって撮像され
る。パターン光は、赤外光源１８１１、光学的フィルタ
ー１８１２を介して照射される。なお、パターン光は、
紫外光の不可視光によって照射する構成としてもよい。

【００６３】赤外光源１８１１、光学的フィルター１８
１２によって構成される投光手段の出射光と、前記撮像
手段の入射光とは、ビームスプリッタとしてのハーフミ
ラー１８１３によって分離され、投光手段と撮像手段と
は、それぞれが光学的に同軸となるように配置される。

【００６４】さらに、図１９にビームスプリッタとして
のハーフミラーと、投光パターン形成用の光学フィルタ
ーを一体化あるいは近接させて構成した光学系の構成を
示す。

【００６５】被写体１９０１に対して光源１９０２から
発せられた光は、ビームスプリッタとしてのハーフミラ
ー１９２１の手前に一体化して貼りつけられた、あるい
は近接して配置された光の透過量をコントロールするよ
うな濃度分布を持った光学フィルター１９２２を通過
し、さらにハーフミラー１９２１を通過することによっ
て、被写体１９０１に投影パターンを形成する。

【００６６】投影パターンの投影された被写体１９０１
の像は、光源１９０２と光学的に同軸の被写体像を撮影
する撮像素子１，１９０３と、撮像素子１，１９０３と
は異なる方向から被写体像を撮影する撮像素子１，１９
０４により撮影される。なお、図１９においては、カメ
ラを２つのみ示しているが、先に説明した図１，２の構
成のように３つのカメラを配置した構成としてもよい。

【００６７】撮像素子１９０３は、光源１９０２および
光学フィルター１９２２により構成される投影装置と光
学的に同軸に配置し、投影パターンをモニタし、輝度画
像を同時に取る。撮像素子１９０４は、投影パターンを
ある基線長を隔てた地点で観測し、撮影されるパターン
投影画像に基づいて三角測量の原理で距離画像を算出す
る。同時に，輝度も撮影する。

【００６８】図１９の構成は、ビームスプリッタとして
のハーフミラー１９２１と、光学フィルター１９２２と
を近接してまとめた構成であり、このようにハーフミラ
ー背面にパターンを形成した光学フィルターを形成する
ことによりコンパクトな構成が可能となり、投光手段お
よび撮影手段を含めた光学系全体の大きさの小型化を図
ることができる。

【００６９】ビームスプリッタと光学フィルターの小型
化構成の例を図２０に示す。図２０（ａ）は、図１９を
用いて説明したと同様の構成であり、ビームスプリッタ
としてのハーフミラー２００１背面にパターンを形成し
た光学フィルター２００２を形成し、光源２００３から
の光を光学フィルター２００２およびハーフミラー２０
０１を介して被写体に投影する構成である。すなわち、
光学フィルターをハーフミラーの光源側の面に沿って近
接して配置した構成である。

【００７０】図２０（ｂ）は、ビームスプリッタとして
のハーフミラー２００１背面にパターンを形成した光学
フィルター２００２を形成し、さらにＥＬ（electric L
uminescence）素子、あるいは薄形の蛍光灯のような平
板型の光源を使用した構成であり、平板型の光源２００
４を光学フィルター２００２の側面に沿って設置した構
成を持つ、光源２００４からの光は光学フィルター２０
０２およびハーフミラー２００１を介して被写体に投影
される。図２０（ｂ）の構成ではビームスプリッタ、光
学フィルター、光源を一体化して構成することが可能と
なり、さらなる小型化が実現される。

【００７１】以上、特定の実施例を参照しながら、本発
明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成
し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で
本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべ
きではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に
記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

【００７２】

【発明の効果】以上、述べたように、本発明の３次元画
像撮像装置および３次元画像撮像方法は、投影するパタ
ーンを、フォトマスクなどの透過マスクと、そのパター
ンを投影する為の光源を使うことによって、軽量かつ低
コストの構成を持つ３次元画像撮像装置および３次元画
像撮像方法が実現される。駆動装置や制御装置がいらな
いために小型化および簡易構造とした投光手段構成とす
ることができる。レーザー等によるパターン形成を行な
う投光手段構成と異なり、駆動系が必要とならないため
に振動などに強く、例えば携帯型の撮像装置として使用
する場合に適した構成である。

【００７３】さらに、本発明の３次元画像撮像装置およ
び３次元画像撮像方法によれば、ハーフミラーを用い
て、投光手段の投光パターン照射光と、パターン照射さ
れた被写体の撮影像に対応する入射光を分離する構成と
することにより、投光手段と撮像手段とを組み合わせる
構成が実現され、コンパクトな撮像および投光手段構成
が実現される。

【００７４】さらに、本発明の３次元画像撮像装置およ
び３次元画像撮像方法によれば、ハーフミラー、光学フ
ィルターを一体化する構成としたことにより投光手段と
撮像手段とを組み合わせた小型の撮像および投光手段構
成が実現される。さらに、平板型の光源を組み合わせる
ことにより、一層の小型化が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の構成例を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置のカメラ構成例を示すブロック図
である。

【図３】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の撮像構成を説明する図である。

【図４】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の処理フローを示す図である。

【図５】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の投影パターンのコード化の例を
示す図である。

【図６】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の撮影構成例を示す図である。

【図７】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置の投影パターン例を示す図であ
る。

【図８】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置のカメラ１で撮影されるスリット
パターンの例を示す図である。

【図９】本発明の３次元画像撮像装置において使用され
る３次元形状計測装置のカメラ２で撮影されるスリット
パターンの例を示す図である。

【図１０】本発明の３次元画像撮像装置において使用さ
れる３次元形状計測装置において新たにコード化された
スリットパターンの例を示す図である。

【図１１】本発明の３次元画像撮像装置において使用さ
れる３次元形状計測装置の空間コード化法による距離算
出法を示す図である。

【図１２】本発明の３次元画像撮像装置において使用さ
れる３次元形状計測装置のカメラ３で撮影されるスリッ
トパターンの例を示す図である。

【図１３】本発明の３次元画像撮像装置における光学フ
ィルターを適用した投光手段構成を示す図である。

【図１４】本発明の３次元画像撮像装置における光学フ
ィルターおよび測定対象物の具体例を説明する図であ
る。

【図１５】本発明の３次元画像撮像装置における撮像素
子、投光素子の画角の一致構成例を示す図である。

【図１６】本発明の３次元画像撮像装置における撮像素
子、投光素子の画角の一致構成を光学系を中心として示
す図である。

【図１７】本発明の３次元画像撮像装置における撮像素
子の構成例を示す図である。

【図１８】本発明の３次元画像撮像装置における投光素
子と撮像素子の組み合わせ構成例を示す図である。

【図１９】本発明の３次元画像撮像装置における投光素
子と撮像素子の小型化を実現する構成例を示す図であ
る。

【図２０】本発明の３次元画像撮像装置における投光素
子と撮像素子の小型化を実現する構成例をす図である。

【図２１】空間コード化法によるコードの転写、途切れ
の例を説明する図である。

【符号の説明】 １０１ カメラ１ １０２ カメラ２ １０３ カメラ３ １０４ 投光器 １０５ ハーフミラー １０６ 光源 １０７ マスクパターン １０８ 強度パターン １０９ プリズム １２１，１２３，１２５ 輝度値メモリ １２２，１２４，１２６ パターン画像メモリ １２７ フレームメモリ １２８ 領域分割部 １２９ 再コード化部 １３０，１３１ コード復号部 １３３ 距離情報の統合部 １３４ ３次元メモリ ３０１ プリズム ３０２，３０４ 透過フィルタ ３０３，３０５ 撮像装置 ６０１，６０２，６０３ カメラ ６０４ 投光器 ６０５ 壁 ６０６ 板 ８０１，９０１ 影領域 １５１１ 光源 １５１２ 光学フィルター １５１３ レンズ １５２１ 撮像素子 １５２２ レンズ １６０２ 投影装置 １６０３，１６０４ 撮像素子 １６１２ 光学フィルター １７０１ レンズ １７０２ 不可視光トリミングフィルター １７０３ 不可視反射ダイクロイック膜 １７０４ 可視光トリミングフィルター １７０５，１７０６ 撮像素子光電面 １８０１ レンズ １８０２ 不可視光トリミングフィルター １８０３ 不可視反射ダイクロイック膜 １８０４ 可視光トリミングフィルター １８０５，１８０６ 撮像素子光電面 １８１１ 赤外光源 １８１２ 光学フィルター １８１３ ハーフミラー １９０１ 被写体 １９０２ 光源 １９０３，１９０４ 撮像素子 １９２１ ハーフミラー １９２２ 光学フィルター ２００１ ハーフミラー ２００２ 光学フィルター ２００３，２００４ 光源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｔ 1/00 ４２０ Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｅ Ｎ Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 DD02 FF01 FF07 GG23 HH07 HH13 JJ03 JJ05 JJ08 JJ26 LL00 LL20 LL22 LL25 LL26 LL46 NN03 PP22 QQ03 QQ23 QQ24 QQ25 QQ38 QQ42 SS13 UU05 UU07 5B047 AA07 AB02 BB06 BC05 BC09 BC11 CB08 CB22 DC09 5B057 AA20 BA02 CA13 CB12 CC01 DB03 DB09 DC03 5C061 AA20 AA23 AB06 AB08

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象に投影するパターンに対応させて
   光透過態様を変化させたパターンを形成した光学フィル
   ター、および光源とを備えた投光手段と、 前記投光手段の光軸方向から投影パターンを撮影する第
   １の撮像手段と、 前記投光手段の光軸方向と異なる方向から前記投影パタ
   ーンを撮影する第２の撮像手段とを備え、 前記第２の撮像手段の撮影した撮影パターンに基づいて
   第１の距離情報を生成する構成を有することを特徴とす
   る３次元画像撮像装置。
2. 【請求項２】前記投影パターンに対する第１の撮像手段
   による撮影パターンの変化量が所定値以上の領域につい
   て、該第１の撮像手段による撮影パターンに対応する新
   規コードを割り付け、前記新規コードに基づいて第２の
   撮像手段による撮影パターンから前記第１の距離情報を
   生成する構成を有することを特徴とする請求項１に記載
   の３次元画像撮像装置。
3. 【請求項３】前記投光手段は、 パターン光を不可視領域光によって形成する構成であ
   り、前記光源は、赤外光または紫外光を用いた不可視領
   域の光源であることを特徴とする請求項１または２に記
   載の３次元画像撮像装置。
4. 【請求項４】前記投光手段を構成する光学フィルター
   は、 可視領域光を透過する構成であるとともに、投影パター
   ンに対応させて不可視領域光の強度変化パターンを形成
   した構成であり、 前記光源は、可視領域および不可視領域の波長の双方の
   領域のスペクトルを有する構成であることを特徴とする
   請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
5. 【請求項５】前記投光手段を構成する光学フィルター
   は、 赤外カット用のマスクの透過率を変化させて照射パター
   ンに対応した強度分布を持たせた構成であり、 前記光源は、可視領域および不可視領域の波長の双方の
   領域のスペクトルを有する構成であることを特徴とする
   請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
6. 【請求項６】前記投光手段の出射光と、前記第１の撮像
   手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力される
   とともにビームスプリッタによって分離される構成であ
   り、前記投光手段と前記第１の撮像手段とは、それぞれ
   光学的に同軸に配置された構成であることを特徴とする
   請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
7. 【請求項７】前記投光手段は不可視領域の光を発生する
   光源を有し、 前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段は不可視
   領域の光を透過するフィルターおよび不可視領域の光を
   遮断するフィルターを有し、パターン投影画像と、輝度
   画像とを並列に撮り込む構成を有することを特徴とする
   請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
8. 【請求項８】前記投光手段による投影パターンに対する
   第１の撮像手段による撮影パターンの変化量が所定値未
   満の領域について、第１の撮像手段および第２の撮像手
   段より得られた各輝度情報の対応づけにより第２の距離
   情報を生成し、前記第１の距離情報、第２の距離情報お
   よび第１または第２の撮像手段より得られた輝度情報を
   用いて３次元画像を得るよう構成したことを特徴とする
   請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
9. 【請求項９】前記第２の撮像手段は、前記測定対象を異
   なる角度で撮像する複数の撮像手段によって構成され、
   該複数の第２の撮像手段の各々の撮影した投影パターン
   に基づいて求められる距離情報を合成して３次元画像を
   得るよう構成したことを特徴とする請求項１または２に
   記載の３次元画像撮像装置。
10. 【請求項１０】前記投光手段の出射光と、前記第１の撮
    像手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力され
    るとともにビームスプリッタとして構成されるハーフミ
    ラーによって分離される構成であり、前記投光手段を構
    成する光学フィルターは、前記ハーフミラーの光源側の
    面に沿って近接して配置した構成を有することを特徴と
    する請求項１または２に記載の３次元画像撮像装置。
11. 【請求項１１】前記投光手段の出射光と、前記第１の撮
    像手段の入射光とは、共通のレンズを介して入出力され
    るとともにビームスプリッタとして構成されるハーフミ
    ラーによって分離される構成であり、前記投光手段を構
    成する光学フィルターは、前記ハーフミラーの光源側の
    面に沿って近接して配置した構成を有するとともに、前
    記光源は、平板型の発光素子または蛍光体であり、前記
    光学フィルターに近接して配置された構成を有すること
    を特徴とする請求項１または２に記載の３次元画像撮像
    装置。
12. 【請求項１２】測定対象に投影するパターンに対応させ
    て光透過態様を変化させたパターンを形成した光学フィ
    ルター、および光源とを備えた投光手段により、パター
    ンを測定対象に投影する投光ステップと、 前記投光手段の光軸方向から投影パターンを撮影する第
    １の撮像手段と、前記投光手段光軸方向と異なる方向か
    ら前記投影パターンを撮影する第２の撮像手段とによ
    り、パターンの投影された測定対象を撮影する撮像ステ
    ップと、 前記第２の撮像手段の撮影した撮影パターンに基づいて
    第１の距離情報を生成するステップと、を有することを
    特徴とする３次元画像撮像方法。
13. 【請求項１３】前記３次元画像撮像方法は、さらに、 前記投影パターンに対する第１の撮像手段による撮影パ
    ターンの変化量が所定値以上の領域について、該第１の
    撮像手段による撮影パターンに対応する新規コードを割
    り付けるステップと、 前記新規コードに基づいて第２の撮像手段による撮影パ
    ターンから前記第１の距離情報を生成するステップと、 を有することを特徴とする請求項１２に記載の３次元画
    像撮像方法。
14. 【請求項１４】前記投光ステップは、 前記光源を赤外光または紫外光を用いた不可視領域の光
    源として、パターン光を不可視領域光によって形成する
    ステップであることを特徴とする請求項１２または１３
    に記載の３次元画像撮像方法。
15. 【請求項１５】前記投光ステップは、 前記光源を赤外光または紫外光を用いた不可視領域の光
    源として、パターン光を不可視領域光によって形成する
    ステップであり、 前記撮像ステップは、 パターン投影画像と、輝度画像とを並列に撮り込むステ
    ップであることを特徴とする請求項１２または１３に記
    載の３次元画像撮像方法。
16. 【請求項１６】前記３次元画像撮像方法は、さらに、 前記投光手段による投影パターンに対する第１の撮像手
    段による撮影パターンの変化量が所定値未満の領域につ
    いて、第１の撮像手段および第２の撮像手段より得られ
    た各輝度情報の対応づけにより第２の距離情報を生成
    し、前記第１の距離情報、第２の距離情報および第１ま
    たは第２の撮像手段より得られた輝度情報を用いて３次
    元画像を得るステップを有することを特徴とする請求項
    １２または１３に記載の３次元画像撮像方法。
17. 【請求項１７】前記３次元画像撮像方法において、 前記第２の撮像手段は、前記測定対象を異なる角度で撮
    像する複数の撮像手段によって構成され、該複数の第２
    の撮像手段の各々の撮影した投影パターンに基づいて求
    められる距離情報を合成して３次元画像を得ることを特
    徴とする請求項１２または１３に記載の３次元画像撮像
    方法。