JP2002107129A - 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】 複数のカメラによって撮影されたパターン照
射画像に基づく距離データ算出処理を効率的に実行可能
とする３次元画像撮像装置を提供する。 【解決手段】 投影したパターンを同じ光軸で撮影した
パターンを用いて再コード化する方法による３次元形状
計測において、投光素子の主点と、投光素子と同軸配置
した撮像素子の主点を一致させる構成とした。本構成に
より、投光素子と同軸配置した撮像素子の撮影するパタ
ーン像から対象物の形状による歪を消去することが可能
となるので、複数のカメラによって撮影されたパターン
照射画像に基づく距離データ算出処理において、投光素
子と同軸配置した撮像素子による撮影画像の補正処理を
省略することが可能となり、効率的な３次元形状計測お
よび３次元画像生成処理が可能となる。

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三角測量法に基づく
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】本例では、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１８で示すように光
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】しかしながら、上記構成において、投光素
子及び撮像素子を同光軸にすることが再符号化を実施す
るための必須条件であるが、投光素子と受光素子の主点
の差によって、投光パターンのスリットが同光軸では連
続した直線のスリットパターンにならなくなってしま
う。

【００１６】この例を図１９を用いて説明する。図１９
（ａ）に示すような、同光軸に配置してある投光素子
（ＡまたはＢ）と受光素子（ＡまたはＢ）を仮想的に重
ねた系で、素子からの距離が異なる表面を持つオブジェ
クト（図１９（ｂ）参照）にスリットパターンを照射し
て撮像する。図中の広がりはストライプの幅を表す。ま
た、素子Ａ，Ｂは仮想的に主点の位置を表すものであ
る。

【００１７】このような凹凸を持つ物体に投光したスリ
ットパターンを撮像するとスリットＡ及びＢは図２０に
示すように観測される。理想的には、図２０（ａ）の様
に、被写体の位置に依存せずに二本のスリットとして観
測されるのが望ましい。しかしながら、投光素子や受光
素子の、主点の相違により、図２０（ｂ）や図２０
（ｃ）のようなスリットとして観測されてしまう。図２
０（ｃ）は、投光素子の主点が物体に近い前方の素子
Ａ、撮像素子の主点が後方の素子Ｂとして設定した場合
の観測画像であり、図２０（ｂ）は、撮像素子の主点が
物体に近い前方の素子Ａ、投光素子が後方の素子Ｂとし
て設定した場合の観測画像である。

【００１８】符号化したパターンを投光し、被写体情報
によって変化させられた同光軸で観測される輝度情報を
再度符号化する際に、図２０（ａ）のようなスリットで
なく、図２０（ｂ）や図２０（ｃ）のようなパターンで
観測されると、再符号化処理の際に、膨大な計算時間が
かかったり、符号化認識エラーが発生し、正確な距離画
像算出が出来ないといった問題があった。

【００１９】本発明は、上記問題点を解決することを目
的としてなされたものであり、投影装置と、同光軸撮像
する撮像素子を同じ光軸、同じ主点で設計し、欠落情報
のないスリットパターンを撮像することによって、良好
な距離情報を得ることを可能にする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。

【００２０】

【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、パターンを測
定対象に投影する投光手段と、前記投光手段の光軸上で
投影パターンを撮影する第１の撮像手段であり、前記投
光手段の投光光学系の持つ主点と一致する主点を持つ第
１の撮像手段と、前記投光手段の光軸上と異なる位置か
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投影パターンに基づ
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。

【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。

【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、前記第１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に基づいて３次
元画像を生成する構成を有す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、前記投光手段の出射光と、前記第１
の撮像手段の入射光とは、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、それぞれの光学系の持つ光軸および主点が一致
するように配置された構成であ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、前記投光手段は不可視領域の光を発
生する光源を有し、第１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
ィルターを有することを特徴とする。

【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。

【００２７】さらに、本発明の第２の側面は、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上で投影パターンを撮影する第
１の撮像手段であり、前記投光手段の投光光学系の持つ
主点と一致する主点を持つ第１の撮像手段と、前記投光
手段の光軸上と異なる位置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
定対象を撮影するステップと、前記第２の撮像手段の撮
影した投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。

【００２８】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。

【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、前記第１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に基づいて３次
元画像を生成するステップ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。

【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。

【００３２】

【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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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）。

【００４１】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）。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】

【数１】 Ｚ＝（Ｆ×Ｌ）／（ｘ＋Ｆ×ｔａｎθ） （数１）

【００４６】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。

【００４７】

【数２】Ｚ＝（Ｌ×Ｆ）／（λ×ｄ） （数２）

【００４８】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次元画像生成を行う。

【００４９】上述したような距離情報の取得により３次
元画像の生成を実行するわけであるが、先の図１９，図
２０で説明したように、パターンの投光を行なう投光素
子と、撮像を行なう撮像素子が同軸上に配置した場合で
あっても、測定対象物体の形状によっては、図２０のよ
うな撮影パターンが得られることになり、その補正処理
が困難となる。

【００５０】このような補正を省略するために、本発明
の構成では、パターン投光手段と同軸に配置する撮像素
子、図１，２の例では、カメラ３，１０３を、主点が一
致するように配置する構成とした。

【００５１】ここで、主点について、図１３を用いて説
明する。レンズ１３０１の焦点距離をｆ、前側焦点面
（物体面）とレンズ１３０１の主平面との距離をａ、後
側焦点面（結像面）と主平面との距離をｂとすると、次
のような関係が成り立つ。

【００５２】

【数３】１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ （数３）

【００５３】また、薄肉レンズの場合、物体側主点（平
面）と、像側主点（平面）は一致し、レンズの中心にあ
る。レンズの横倍率ｍは、ｍ＝ｂ／ａで与えられる。

【００５４】パターンを照射する投光素子においても同
様に主点を定義できる。パターンを照射する投光素子
と、投光素子と同軸に配置されたパターン像を撮像する
撮像素子との主点を一致させて上記の３次元画像撮像装
置を構成することにより、投光素子と同軸に配置された
撮像素子は、先に説明した図２０の（ａ）に示すような
理想的なパターン画像を撮り込むことが可能となる。

【００５５】図１４に主点を一致させた場合の投光素子
と、撮像素子との対応関係を説明する図を示す。図１４
（ａ）に示すように、先に説明した図３の構成と異な
り、素子Ａと、素子Ｂの入力あるいは出力光が同一の角
度で設定されている。このように主点を一致させること
で、図１４（ｂ）のように、投光素子と同軸に配置され
た撮像素子には、測定対象物の形状によらず、理想的な
パターン像が撮影される。

【００５６】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、フィルタ１５
１２、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。

【００５７】ここで、撮像素子と投光素子の主点は同一
に設定される。いずれもその出射光、あるいは入射光の
レンズを介した角度、すなわち主点が一致するように、
それぞれの配置を制御する。図１５の例では、投光手段
を固定とし、撮像手段を撮像装置制御部によって制御し
て位置調整する構成としている。この構成は一例であ
り、撮像素子と投光素子の両者を位置制御する構成とし
てもよい。

【００５８】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。

【００５９】図１６の構成において、投影装置１６０２
と、投光素子と同軸配置される撮像素子１，１６０３の
主点を一致するように配置する。主点を一致して配置す
ることにより、図１４を用いて説明したように、撮像素
子１，１６０３には、測定対象物の形状による歪みの発
生しないパターン像の撮影が可能となり、その後の距離
算出において補正処理を実行する必要がない。

【００６０】図１７は、図１６に示す構成における撮像
素子の詳細構成を示すものである。撮像素子は、図１７
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１７０
３、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。

【００６１】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。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、投影したパターンを同
じ光軸で撮影したパターンを用いて再コード化する方法
による３次元形状計測において、投光素子の主点と、投
光素子と同軸配置した撮像素子の主点を一致させる構成
としたので、投光素子と同軸配置した撮像素子の撮影す
るパターン像から対象物の形状による歪を消去すること
が可能となるので、複数のカメラによって撮影されたパ
ターン照射画像に基づく距離データ算出処理において、
投光素子と同軸配置した撮像素子による撮影画像の補正
処理を省略することが可能となり、効率的な３次元形状
計測および３次元画像生成処理が可能となる。

【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】撮像素子、投光素子の主点について説明する
図である。

【図１４】本発明の３次元画像撮像装置における撮像素
子、投光素子の主点の一致構成、および撮影画像を説明
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、投光素子の主点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、投光素子の主点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】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。

【図１９】投光素子と、撮像素子の主点が一致しない構
成について説明する図である。

【図２０】投光素子と、撮像素子の主点が一致しない場
合の撮影画像について説明する図である。

【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 １３０１ レンズ １５１１ 光源 １５１２ 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 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

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０４Ｎ 7/18 Ｈ０４Ｎ 7/18 Ｎ Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｅ Ｎ Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 FF04 FF09 HH07 JJ03 JJ05 JJ07 JJ26 QQ31 UU05 UU07 5B057 BA11 CA08 CA12 CA16 CB08 CB13 CB20 CE06 CE11 DA11 DA17 DB03 DB09 5C022 AA15 AB13 AB15 AB24 AB61 AB62 AC42 AC54 AC55 5C054 AA01 AA05 CA03 CA04 CA05 CC02 EH00 FC15 HA05

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パターンを測定対象に投影する投光手段
   と、 前記投光手段の光軸上で投影パターンを撮影する第１の
   撮像手段であり、前記投光手段の投光光学系の持つ主点
   と一致する主点を持つ第１の撮像手段と、 前記投光手段の光軸上と異なる位置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投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】前記第１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に基づいて３次元画像
   を生成する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。
4. 【請求項４】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、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、それぞれの光学系の持つ光軸および主点が一致する
   よう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。
5. 【請求項５】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。
6. 【請求項６】前記投光手段は不可視領域の光を発生する
   光源を有し、第１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。
7. 【請求項７】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。
8. 【請求項８】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上で投影パターンを撮影する第１の
   撮像手段であり、前記投光手段の投光光学系の持つ主点
   と一致する主点を持つ第１の撮像手段と、前記投光手段
   の光軸上と異なる位置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
   象を撮影するステップと、 前記第２の撮像手段の撮影した投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。
9. 【請求項９】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８に記載の３次元画像
   撮像方法。
10. 【請求項１０】前記３次元画像撮像方法は、さらに、 前記第１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に基づいて３次元画像を生成するス
    テップを有することを特徴とする請求項８または９に記
    載の３次元画像撮像方法。
11. 【請求項１１】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
    ８または９に記載の３次元画像撮像方法。
12. 【請求項１２】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８または９に記載の３次元画像撮像方
    法。