JP2002031511A

JP2002031511A - ３次元デジタイザ

Info

Publication number: JP2002031511A
Application number: JP2000213788A
Authority: JP
Inventors: Tokifumi Shibata; 兆史芝田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】誤ったデータの出力を防止してデータ化の信頼
性を高める。【解決手段】対象物体の立体形状をデータ化する３次元
デジタイザ１において、対象物体の立体形状を測定する
主測定手段１０と、対象物体における複数の位置の距離
関係を合焦法によって測定する補助測定手段２０と、測
定された立体形状と測定された距離関係との矛盾の有無
を判定する照合手段２２と、矛盾があると判定された場
合に、予め定められた対応処理を実行する制御手段１１
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、立体の形状をデー
タ処理装置に入力するための３次元デジタイザに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】３次元デジタイザは、ＣＧシステムやＣ
ＡＤ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。特に、写真撮影と同様の手軽さで３次元画像が
得られる小型のデジタイザは、３Ｄコンテンツを作成す
るインターネットユーザーに注目されている。

【０００３】外観形状の測定方法は、触針で物体表面を
なぞる機械式と非接触の光学式とに分かれる。光学式と
しては、光切断法やステレオ視法といった三角測距を行
う方法が広く知られるが、他にも光パルスの送信から受
信までの時間を測定する飛行時間形式、およびスロトボ
光で照らした物体を撮影して受光の位相差の分布を測定
する形式もある。

【０００４】従来の３次元デジタイザは、接触型と非接
触型のどちらも、１つの３次元測定方法のみを用いて対
象物体の形状をデータ化するように構成されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】対象物体が不特定であ
る場合、形状・表面反射率・模様といった条件は様々で
あるので、全ての物体の形状を正しく測定することは難
しい。物体とデジタイザとの位置関係の設定も測定の正
否に影響する。従来では、対象物体の形状を部分的に誤
ってデータ化した場合（例えば表面の穴を暗色の模様と
誤認して表面を平坦とした場合）に、使用者が誤りに気
づかずにそのまま測定作業を終えてしまうことがあると
いう問題があった。データを利用する段階で誤りに気づ
いても、既に物体が手元に無かったり、デジタイザの使
用者とデータの利用者とが異なったりして測定のやり直
しができないという状況も生じた。

【０００６】本発明の第１の目的は、誤ったデータの出
力を防止してデータ化の信頼性を高めることである。第
２の目的は作業のやり直しを少なくして使用者の負担を
低減することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、接触
または非接触の測定方法によるデジタイズとは別に、合
焦条件を変えて複数回の撮影を行う合焦法により物体面
の距離分布を求める。デジタイズの結果を距離分布と照
合し、矛盾があれば作業のやり直しを促す警告を発した
り、求めた距離分布に基づいてデジタイズの結果を修正
したりする。矛盾が生じたときに、その都度に使用者が
対応を指定するようにしてもよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るモデリングシ
ステムの構成図である。モデリングシステム１００は、
手持ちサイズの光学式の３次元デジタイザ１、コンピュ
ータ５、およびデータの受渡しに用いる着脱式の記録媒
体７から構成される。記録媒体７としてはメモリカード
が好適である。

【０００９】対象物体９０のモデリングに際して、使用
者は対象物体９０から０．５ｍ〜１ｍ程度離れた位置に
３次元デジタイザ１を配置して形状測定を行う。測定範
囲の設定には液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１７に映し出
される視野内の情景が役立つ。視野外は測定不能である
ので、必要に応じて配置方向を変えて複数回の測定を行
う。３次元デジタイザ１と対象物体９０のどちらを動か
してもよい。一般には前後左右上下の６面の測定を行え
ば、外観全体のモデリングが可能である。各回の測定に
おいて、対象物体９０は投光窓１２１からの光で照射さ
れ、それによる反射光が受光窓１３１へ戻る。外光の影
響を避けるため、測定を暗い屋内で行うのが望ましい。

【００１０】測定で得られた形状データおよびテクスチ
ャとして撮影された２次元画像は、記録媒体７を介して
コンピュータ５に入力される。コンピュータ５には３次
元合成プログラムがインストールされている。使用者
は、ディスプレイ５１に形状データをモニタ表示させ
て、複数の部分的な形状データどうしの合成およびテク
スチャの貼り付けを行い、形状モデルを完成させる。

【００１１】図２は３次元デジタイザの機能構成図、図
３は補助測定に係るメモリ構成を示す図である。３次元
デジタイザ１は、アクティブ測距法により対象物体の形
状をデータ化する主測定手段１０と、パッシブ測距法の
１種である合焦法により形状をデータ化する補助測定手
段２０とを有する。主測定手段１０は、コントローラ１
１、投光器１２、受光器１３、画像メモリ１４、および
測定演算部１５からなる。補助測定手段２０は、コント
ローラ１１、受光器１３、画像メモリ１４、およびコン
トラスト判定部２１からなる。

【００１２】投光器１２は光源と発光ドライバとを含
む。例えば光切断法で主測定を行う場合には、波長の異
なる複数のスリット光を同時に投射するか、またはスキ
ャナでビームを偏向するように投光器１２が構成され
る。

【００１３】受光器１３は、受光レンズ、２次元のイメ
ージセンサ、光電変換信号を量子化する回路、および本
発明に係るフォーカシング機構を含む。受光器１３から
出力された撮影データは画像メモリ１４を経て測定演算
部１５およびコントラスト判定部２１へ送られる。

【００１４】測定演算部１５は、測定方法に応じたデー
タ処理を行い、対象物体における撮影範囲内の部分の形
状データＤ１’を出力する。例えば光切断法の場合であ
れば、同時に投射されたスリット光を波長により識別
し、イメージセンサの各画素に入射した光がどのスリッ
ト光の反射光であるかを調べる。各スリット光の投光角
度および各画素の受光角度は既知であるので、これら２
個の角度と基線長（投受光の起点間距離）とから三角測
量演算で基線と対象物体との距離が求まる。仮にスリッ
ト光で照射された物体上の位置が基線の垂直二等分線上
にある場合、基線の中間点から照射位置までの距離Ｌ
は、基線長を２ｄとし受光角度をβとしてＬ＝ｄ／ｔａ
ｎβと表わすことができる。画素数分の算出距離の集合
が形状データＤ１’を構成する。

【００１５】このように主測定手段１０によって仕様に
応じた精度の形状データＤ１’が得られる。しかし、形
状データＤ１’が誤りを含むおそれがある。例えば、図
１に示した対象物体９０において、穴９１が存在するに
も係わらず、穴９１の無い形状データＤ１’が出力され
るという状況が起こり得る。誤った形状データＤ１’を
最終出力としないため、補助測定手段２０が設けられて
いる。

【００１６】補助測定手段２０におけるコントローラ１
１は、受光器１３に対して、合焦距離を段階的に変更
し、１〜Ｎの段階毎に対象物体９０を撮影する制御を行
う。各回の撮影データ（撮影像Ｇ₁〜Ｇ_N）は画像メモ
リ１４のバンク１〜Ｎに順に格納される。コントラスト
判定部２１は、画像メモリ１４からの撮影像Ｇ₁〜Ｇ_N
の空間周波数を調べ、イメージセンサの受光面を分割し
たブロック毎に撮影像Ｇ ₁〜Ｇ_Nのうちの最も鮮明なも
のを抽出する。抽出された撮影像に対応する合焦距離
は、対象物体９０における当該ブロックに対応した部分
の平均距離に相当する。ブロック単位の合焦距離分布
（マップ）Ｄ２がコントラスト判定部２１の出力であ
る。より詳しく説明すると、コントラスト判定部２１
は、図３のように画像メモリ１４の各バンク１〜ＮをＸ
×Ｙ個（図３では３×３個）のブロックに分割し、ブロ
ック毎に平均空間周波数を計算し、計算結果をコントラ
ストメモリ２０１に書き込む。続いて、ブロック毎にバ
ンク１〜Ｎのうちの最も平均空間周波数の高いバンクを
検出し、そのバンク番号を平均距離情報メモリ２０２に
書き込む。そして、平均距離情報メモリ２０２の内容を
ソートし、それにより得られたブロックどうしの距離関
係情報を合焦距離分布Ｄ２して出力する。

【００１７】形状データＤ１’と合焦距離分布Ｄ２との
矛盾の有無が照合処理部２２によって判定される。主測
定の結果と補助測定の結果とに食い違いがあれば、少な
くともどちらかの測定が誤っている。照合処理部２２が
“矛盾あり”と判定した場合、判定結果Ｄｎｇを受けた
コントローラ１１は、予め定められた対応処理を実行す
る。本例では使用者が対応処理の内容を切り換えること
ができる。使用者の指定は操作スイッチ群１６からモー
ド信号Ｓｍｏｄｅによってコントローラ１１に通知され
る。警告表示モードであれば、コントローラ１１はＬＣ
Ｄ１７に対して絵またはメッセージによる警告表示の指
示Ｄａｔを与える。この場合、使用者は以前と異なる条
件（配置や明るさ）を設定して測定をやり直す。修正モ
ードであれば、コントローラ１１はデータ修正部２３に
対して修正を指示する。データ修正部２３は、形状デー
タＤ１’のうちの矛盾が生じた部分について合焦距離分
布Ｄ２に基づいて修正を行う。修正された形状データＤ
１は、出力回路１８によって最終出力データとして記録
媒体７に書き込まれる。

【００１８】以上の機能構成において、コントローラ１
１、測定演算部１５、コントラスト判定部２１、照合処
理部２２、およびデータ処理部２３は、プロセッサとそ
れが実行する適切なプログラムとによって実現される。

【００１９】図４はコントラスト判定部の機能を説明す
るための図、図５はコントラストの測定結果の一例を示
す図、図６は合焦距離分布の一例を示す図である。図４
では近距離から遠距離へ合焦距離を変えて３回の撮影が
行われている。３つの撮影像Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃は複数の
ブロックに分割され、ブロック毎に比較される。図示の
例では長方形のブロックに分割しているが、ブロック形
状は長方形以外であってもよく、六角形でもよいし、全
てが異なる形状となっていてもよい。必要条件は複数の
撮影像Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃を同じ条件で分割することのみ
である。

【００２０】撮影像Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃のそれぞれにおけ
る例えば左下のブロックを、ｇ₁，ｇ₂，ｇ₃とする。
これらのブロックｇ₁，ｇ₂，ｇ₃の画像データをフー
リエ解析すると、周波数とインテンシティとの関係を示
すグラフが得られる（図５参照）。ブロックｇ₁，
ｇ₂，ｇ₃の中で最も平均周波数が高いブロックのデー
タを選び出す。平均ではなく最高周波数の高さによって
選択してもよい。

【００２１】同様に左下以外の位置のブロックについて
最もシャープな画像を選んでいくと図６のようなマップ
（合焦距離分布Ｄ２）が得られる。このマップにより、
各ブロックとカメラ位置との距離関係が大まかにわか
る。

【００２２】このようにして得られたブロック毎の位置
関係と、主測定による形状データとを比較する。３次元
形状に対し、合焦距離を変えて撮影を行なったカメラ位
置と同じ位置にカメラがあったものとして、カメラとの
距離関係を計算する。その際には図４と同じブロックに
分けて考える。各ブロックに含まれる対象物表面との距
離はブロック内で一定ではないが、ブロック内での平均
距離を算出する。これによってブロック間での平均距離
の相対関係が求まる。求まった相対関係と図６のマップ
Ｄ２とを比較し、矛盾の有無を判定する。

【００２３】図７は３次元デジタイザの動作の概略を示
すフローチャート、図８は補助測定動作のフローチャー
トである。主測定と補助測定とを行う（＃１）。主測定
を先に補助測定を後に行ってもよいし、逆の順でもよ
い。また、双方のデータ処理を並行して行ってもよい。
主測定で得られた形状データ（形状モデル）を、補助測
定における撮影像に対する画像分割のブロックに合致す
るように複数のブロックに分け、ブロック毎に平均距離
を算出する（＃２）。主測定による平均距離と補助測定
による距離関係とを比較し（＃３）、両者に矛盾があれ
ば警告動作を行う（＃４、＃５）。

【００２４】補助測定動作は、合焦距離を変更するＮ回
の撮影動作（＃２１）、空間周波数を求める画像解析動
作（＃２２）、最も鮮明な撮影像が得られた合焦距離を
調べるコントラスト判定動作（＃２３）、および合焦距
離順にブロックをソートしてブロックどうしの距離関係
情報を出力する結果出力動作（＃２４）からなる。以上
の実施例では、主測定のための撮影と補助測定のための
撮影とが受光器１３を共用するので、装置を大型化する
ことなく形状データの信頼性を高めることができる。ま
た、主測定における撮影データを補助測定に係る複数の
撮影像のうちの１つとして流用し、それによって測定の
所要時間を短縮することができる。図６は他の３次元デ
ジタイザの構成図である。

【００２５】３次元デジタイザ２は、触針５２１による
機械式走査で対象物体９０ｂの形状をデータ化する主測
定手段に加えて、合焦法により形状をデータ化する補助
測定のための撮影機構５３を有している。主測定手段
は、コントローラ５１、触針５２１を移動させる走査機
構５２、および触針５２１からの信号に基づいて形状デ
ータを生成するデータ処理部５５から構成されている。
データ処理部５５は、補助測定に係る処理をも担い、撮
影機構５３からの合焦距離の異なる撮影像Ｇ₁〜Ｇ_Nを
解析する。

【００２６】３次元デジタイザ２においても、上述の３
次元デジタイザ１と同様に撮影像Ｇ ₁〜Ｇ_Nに基づいて
形状を大まかに示すマップが生成され、主測定で得られ
た形状データとの矛盾の有無が判定される。機械式走査
においても、例えば対象物体９０ｂが触針５２１に対し
て隠れるような凹部９３を有する場合、部分的に誤った
形状データとなってしまう。形状データとマップとに矛
盾があれば、警告を発したり、データ修正を行ったりす
る予め定められた対応処理が行われる。

【００２７】矛盾が生じた場合の対応処理については、
あらかじめ定めた優先順位、例えば「周囲との距離差が
大きい方を採用する」または「補助測定の結果を優先す
る」といった規則に基づいて、形状データに修正を加え
る必要があるかどうかを判断することもできる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１乃至請求項５の発明によれば、
誤ったデータの出力を防止することができ、それによっ
てデータ化の信頼性が高まる。

【００２９】請求項３の発明によれば、作業のやり直し
が必要な状況の発生を少なくすることができ、それによ
って使用者の負担が低減される。すなわち、多様な物体
について１回の作業で誤りのない所定精度のデータを得
ることができるようになり、、用途が拡がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモデリングシステムの構成図であ
る。

【図２】３次元デジタイザの機能構成図である。

【図３】補助測定に係るメモリ構成を示す図である。

【図４】コントラスト判定部の機能を説明するための図
である。

【図５】コントラストの測定結果の一例を示す図であ
る。

【図６】合焦距離分布の一例を示す図である。

【図７】３次元デジタイザの動作の概略を示すフローチ
ャートである。

【図８】補助測定動作のフローチャートである。

【図９】他の３次元デジタイザの構成図である。

【符号の説明】

１，２３次元デジタイザ９０，９０ｂ対象物体１０主測定手段２０補助測定手段２２照合処理部（照合手段）５５データ処理部（照合手段）１１，５１コントローラ（制御手段）１３受光器（撮影機構）５３撮影機構ｇブロック（区画）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA53 BB05 DD03 FF04 FF09 GG23 HH05 JJ19 JJ26 LL04 PP22 QQ24 QQ31 QQ44 RR03 SS02 SS09 2F069 AA66 DD08 GG04 GG07 GG52 GG56 GG58 GG77 HH09 JJ08 JJ19 JJ26 PP01 QQ05 QQ10 5B057 BA02 CA13 CB13 CE08 DA07 DA16 DB03 DC03 DC09 DC30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物体の立体形状をデータ化する３次元
デジタイザであって、対象物体の立体形状を測定する主測定手段と、前記対象物体における複数の位置の距離関係を合焦法に
よって測定する補助測定手段と、測定された立体形状と測定された距離関係との矛盾の有
無を判定する照合手段と、矛盾があると判定された場合に、予め定められた対応処
理を実行する制御手段とを有したことを特徴とする３次
元デジタイザ。
【請求項２】前記対応処理は、立体形状の測定データの
不備を使用者に知らせる処理である請求項１記載の３次
元デジタイザ。
【請求項３】前記対応処理は、前記補助測定手段によっ
て測定された距離関係に基づいて、立体形状の測定デー
タを部分的に修正する処理である請求項１記載の３次元
デジタイザ。
【請求項４】前記主測定手段は、撮影機構を備え、対象
物体の撮影画像に基づいて立体形状を測定し、前記補助測定手段は、前記撮影機構を用いて測定を行う
請求項１記載の３次元デジタイザ。
【請求項５】前記補助測定手段は、対象物体に対して合
焦距離を変えて複数回の撮影を行ない、撮影範囲を分割
した複数の区画毎に複数回分の撮影画像の空間周波数を
比較し、最も空間周波数の高い撮影画像に対応した合焦
距離の分布を前記距離関係として測定する請求項１記載
の３次元デジタイザ。