JP2002515594A - 三次元表面の立体構造を検出する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第１の軸を形成する投影方向に沿って三次元表面にパターンを投影し、該表面に投影されたパターンの少なくとも１つの領域を、１つ以上のセンサによって、第２の軸を形成するセンサの視線方向に画素レベルで検出することによって三次元表面の立体構造を検出する方法において、第１および第２の軸（すなわち、第２の軸と平行なライン）は、第１および第２の軸が三角形分割面を画定するように０°以外の角度で交差し、パターンは、少なくとも第１の軸と垂直な平面への投影時に、前記センサに検出可能な可変物理パラメータによって定義され、パターンは、好ましくは三角形分割面と平行な事前設定可能な画素行に沿って、事前設定可能な画素間または画素群間を測定することによって得られる物理的に測定可能なパラメータの差が、少なくと２種類の値になると見なされるようなパターンである、三次元表面の立体構造の検出方法に関するものである。三角形分割面に垂直なラインに対する種々の傾斜とは実質的に無関係であり、また、表面の空間範囲とは無関係に測定対象の物理パラメータに影響を及ぼしうる他の表面特性とも無関係である、三次元表面の立体構造を検出するために、本発明によれば、画像形成されたパターンの構造を評価するために、三角形分割面と平行であることが好ましい１つ以上の画素行の、予め決められた画素または予め決められた画素群の間の物理パラメータの変化だけを検出し、その表面の空間座標に変換することが提案される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、第１の軸を形成する投影方向に沿って三次元表面にパターンを投影
し、該表面に投影されたパターンの少なくとも１つの領域を、１つ以上のセンサ
によって、第２の軸を形成するセンサの視線方向に画素レベルで検出することに
よって三次元表面の立体構造を検出する方法において、第１および第２の軸（す
なわち、第２の軸と平行なライン）は、第１および第２の軸が三角形分割面を画
定するように０°以外の角度で交差し、該パターンは、少なくとも第１の軸と垂
直な平面への投影時に、前記センサに検出可能な可変物理パラメータによって定
義され、該パターンは、好ましくは三角形分割面と平行な事前設定可能な画素行
に沿って事前設定可能な画素間または画素群間を測定することによって得られる
物理的に測定可能なパラメータの差が、少なくと２種類の値になると見なされる
ようなパターンである、三次元表面の立体構造の検出方法に関するものである。

【０００２】 そのような方法は、例えば米国特許明細書第５，６１５，００３号により、公
知である。前述の特許明細書に具体的に開示されているパターンは、例えば製品
や価格を識別するために小売業で使用されるようになってから久しい、種々の太
さの一連のラインまたはバーによって例えば製品とその価格にはっきり対応する
一連の２値数を定義する一連のバーコードに極めて酷似している。三次元表面の
立体構造を検出するために、この種のバーの幅と間隔は、関係表面の個々の特定
構造に基づいて歪むが、この公知方法は、そのような歪み結果にもかかわらず、
任意のバーパターン領域を識別させ、それによって第１の歪みパターンを投影パ
ターンに適合させることができるようにし、前述の歪み結果を生じさせた表面構
造をそのような適合度パラメータから判断する装置および計器を特徴としている
。

【０００３】 ドイツ特許出願公開明細書第１９６ ３８ ７２７号によってコード化パター
ンを使用する同様方法が知られているが、詳細には、当該方法は、一方向だけの
パターンのコード化に限定されているのではなく、それぞれの同様構造およびサ
イズの個々の区別可能なパターン要素から構成されており、パターン要素は、互
いに垂直な方向に交互に異なっている。コード化パターンは、任意の最小サイズ
のパターンの少なくともいくつかの部分が、パターン表面全体の任意の点で繰り
返されないことを特徴としている。これは、この要件が厳密な意味で満たされな
い場合でさえ、これらの繰り返しがパターン表面から十分に離れていれば、パタ
ーンの構造の繰り返しが確かに発生可能であり、画像形成されたパターンの構造
評価時に、パターンの任意の同一の２領域間に混乱が生じる可能性は実質的に存
在しないことを意味する。

【０００４】 しかしながら、既知の方法はすべて、基本的にパターン認識の原理に基づいて
作用するものであり、換言すれば、視線方向から非平坦面に画像形成される歪み
パターンへフラットパターンを画像形成するものであり、計算によって実施され
る。しかしながら、画像形成手順において、投影パターン要素の情報内容を、表
面の空間範囲または他の構成に応じていつ変更させるか、という点で常に問題が
発生する。例えば、測定され変化させられてパターンの構造を明確化する物理パ
ラメータは、パターンの色または個々のパターン要素の色を含んでおり、そのた
め、現存している着色表面のせいで、投影されるパターンの色情報の解釈が妨害
されたり、不可能を余儀なくされることさえある。パターンに種々のライン幅を
使用する場合、三角形分割面と平行な方向へ表面を傾斜させることだけでなく、
三角形分割面と垂直なラインに対して物体または表面を傾斜させることによって
も画像のライン幅が変化する。これは、種々の幅のラインを投影するときに、表
面の空間範囲が不利な構成であり（例えば、画像内の狭いラインが、投影パター
ンにおいて幅広のラインの画像の大きさのオーダのものである幅で表現されてい
る）、それにより評価手順で不正確な情報項目を生じる可能性があること示唆す
る。

【０００５】 また、投影されたパターン要素の幾何学的構成が、画像内で激しく歪んだ状態
で繰り返される可能性があるので、パターン要素の種々の幾何学的構成を含むコ
ード化パターンの評価に際し、極めて高度な要求がデータ評価処理手順に課せら
れる。

【０００６】 前述の到達水準と比較して、本発明の目的は、三角形分割面に垂直なラインに
対する種々の傾斜とは実質的に無関係で、また、表面の空間範囲に依存せずに測
定対象の物理パラメータに影響を及ぼしうる他の表面特性とも無関係である、三
次元表面の立体構造を検出する方法を提供することである。

【０００７】 この目的は、画像形成されたパターンの構造を評価するために、三角形分割面
と平行であることが好ましい１つ以上の画素行の、予め決められた画素または予
め決められた画素群の間の物理パラメータの変化だけを検出して、その表面の空
間座標に変換することによって達成される。

【０００８】 詳細には、物理パラメータの変化は、三角形分割面と平行なその構成要素にお
いて少なくとも検出され、空間座標に変換される。

【０００９】 好ましくは隣接する画素間または隣接する画素群間の、検出対象のパターンの
物理的測定パラメータの変化だけが検出されるということは、特に隣接する画素
によって画像形成すなわち複製される表面領域が一般に同じ特性を有しているの
で、言ってみれば、特定の表面特性が取り除かれるようなものである。その固有
の寸法および形状について検出され、オリジナルの投影パターンと比較され、そ
れに適合させられるようなパターンではなく、好ましくは隣接する画素または画
素群間で測定される、対象の物理パラメータの値だけが、詳細にはその差を形成
することによって、互いに比較されるので、三角形分割面に垂直なラインに対す
る表面の傾斜が、パターンの構造の検出、あるいはその識別に影響を及ぼすこと
もない。この場合、与えられた画素と別の予め決められた画素との間、特に隣接
画素間の、または、与えられた画素群と別の予め決められた、好ましくは隣接す
る画素群との間の、または、ともに比較させようとする別の適切な画素シーケン
スに沿った、物理パラメータの特性変化に基づいて明確に画像形成されたパター
ンが単純に生成される。

【００１０】 本発明によれば、画像画素で検出または複製され、明確に評価される物理パラ
メータの値の変化は、少なくとも２つの値であると考えることができ、一方の画
素から他の画素に対して、または一方の画素群から他の画素群に対して起こり得
る変化が様々な値により、この点で役割を果たす表面の固有特性と関係なく、構
造を定義および認識することが可能となる。

【００１１】 パターンは、画素または画素群を相互に比較する予め決められた測定方向に、
少なくとも部分的に最大量の変化値が存在し、発生する他の変化値が比較的に小
さい量またはゼロ値となるように方向付けられることが好ましい。

【００１２】 本発明の好適な変形例では、列方向に隣接する画素行の中の、列内に相互に積
み重ねた関係に配置されているそれぞれの複数画素が画素群を形成するように組
み立てられており、物理パラメータの変化は、ライン方向に隣接するそのような
各画素群間の変化によって評価される。しかしながら、ライン方向に並べた関係
で配置されている複数の画素をそれぞれ含む隣接画素から成る群を比較すること
も可能である。この構成の変形例において、複数のラインから別々の群を形成す
るように組み立てられる画素は、互いにずらすこともでき、すなわち異なるが、
好ましくは互いに近接している列から開始される。

【００１３】 本願明細書の中で使用されている用語としての、画像センサまたは画像画素の
「ライン」および「行」は、必ずしも互いに直角関係に交差する直すぐなライン
に沿って延在している必要は無い。

【００１４】 本発明の特に好適な実施態様は、パターンがコード化パターンの形をしている
ことになっているが、この点に関し、当該要件は厳格な意味に解釈されるもので
は無い。

【００１５】 パターンの構造は、パターンの全体範囲と比較して相対的に小型であることが
好ましく、また、繰り返されないパターンの構造を有する表面領域の最小サイズ
も、明確に識別可能な個々の構造を適切かつ正確に配置できるように、全体表面
領域と比較してできる限り小型でなくてはならない。しかしながら、多くの使用
状況下において、パターンの繰り返しが十分に大きな間隔をおいて発生してもよ
い。

【００１６】 本発明の別の好適実施形態は、投影方向に対して垂直な面内でほぼ同じ面積を
それぞれ占めている個々のパターン要素によってパターンが形成されているもの
である。個々の要素から成る同サイズの表面領域は、例えば、一方のパターン要
素から他方のパターン要素への変化が特に顕著であるため、はっきり検出される
場合、または、個々のパターン要素から成る任意領域の測定物理パラメータが、
画像画素のライン方向に実質的に変化しているため、十分確認可能なパターン認
識点として役立つ場合に、評価手順を楽なものにする。

【００１７】 詳細には、本発明の特に好適な実施形態は、少なくとも２種類のパターン要素
が存在し、その領域内で、物理パラメータはそれぞれ一定レベルまたは一定値の
ものであり、当該物理パラメータの値は、それぞれ、２種類のパターン要素間で
、それぞれ明確かつ測定可能に異なっているものである。このように、第１のタ
イプのパターン要素から第２のタイプのパターン要素への、またはその逆の移行
を、極めて簡単に行うことができる。その種のパターン要素に関しては、１つの
画素または１つの画素群が２つのパターン要素うちの一方の画像を形成し、隣接
する画素または隣接する画素群が、それぞれ他のパターン要素についてそのよう
にするとき、比較しようとする画素または画素群が同一パターン要素内にあり、
２種類のパターン要素間のようにはっきりと測定可能な別個の値と見なされる場
合に、隣接する画素または画素群間に構成される差はゼロ値と見なされる。この
ように、一方のパターン要素から他方のパターン要素への移行時、詳細には、パ
ターンの構造およびそのような移行位置を識別するための測定点にも、それぞれ
はっきりと測定可能な変化が生じる。これは、調査対象の物品の表面特性が投影
パターン領域内で著しく変化し、そのため、表面上の別の位置にある同じパター
ン要素間の同じ移行が明らかに異なる差を示しているが、それにもかかわらず、
両方のケースの差が、発生する別の差の値（例えば、ゼロ値）とは、依然として
明らかに違っているために同様の移行と認識されるる場合でさえも、該当する。

【００１８】 また、本発明の好適実施形態は、検出対象の物理パラメータの値が予め決めら
れた方向に連続的に変化する表面領域に、少なくとも１タイプのパターン要素と
、それとは別の少なくとも１タイプのパターン要素とが設けられたものである。
この種のパターン要素では、隣接する画素または画素群間の物理パラメータの変
化は、一般に比較的小さいが、このパターン要素の領域または副領域内の物理パ
ラメータの連続変化により、これらの変化値はすべての隣接または隣接群間でそ
れぞれ等価である。これは、別のパターン要素への移行の場合、すなわち、隣接
画素または隣接画素群間の物理パラメータに大きな差を生じ、その差がパターン
の任意領域の特性となりうるという前記した事柄にしたがって、物理パラメータ
がもはや連続的に変化しえないパターン要素領域が達せられる場合のみである。

【００１９】 詳細には、特に好ましい本発明の実施形態は、少なくとも前述のパターン要素
から成る副領域内に、物理パラメータの連続変化を伴う前述の２タイプのパター
ン要素が提供されるもので、これら２タイプは、予め決められた方向への、隣接
画素または隣接画素群の連続比較に関し、物理的な測定パラメータの変化の符号
が正確に反対になっている点が、互いに異なっている。したがって、第１のタイ
プのパターン要素の問題となっている表面領域において、対象となる物理パラメ
ータの値は、例えば、それぞれのケースで、１つの画素から別の画素に同じ値ず
つ増加するが、他方のタイプのパターン要素については、この値は、それぞれの
ケースで、１つの画素から別の画素に同じ量ずつ減少する。

【００２０】 隣接パターン要素への移行に際し、隣接画素または隣接画素群間で物理パラメ
ータ値にかなり大きな差異が生じ得ることが分かるであろう。

【００２１】 隣接画素または隣接画素群に関し、別のパターン要素へ移行する際、多かれ少
なかれ、少なくとも領域規模で連続的な物理パラメータの変化を伴うパターン要
素により、それぞれの場合に物理パラメータの明確なジャンプを同方向に得るこ
とが可能となるが、表面領域内の物理的測定パラメータが一定の対応値を示す前
述タイプのパターン要素に関しては、次のパターン素子への移行に関する変化の
符号は、何らかの変更がある場合、先行するパターン要素の物理パラメータの値
によって明確に設定される。

【００２２】 詳細には、変化は、実際には、それぞれ他タイプへの移行が２タイプのパター
ン素子のどちらに発生したかに応じて、それぞれ互いに符号の異なる２種類の値
と見なすこともできるが、以前に実施された物理的測定パラメータの値の正の変
化の後は、その種のパターン素子に関しては、次のパターン素子への移行時に負
または無変化としか成りえず、また、逆の場合も同様である。対照的に、領域規
模で連続的だが、それらの範囲内でそれぞれ隣接する画素間が比較的小さく、従
って無視できるタイプのパターン素子の場合、物理パラメータの値は、以前に既
に達成され、その後、次のパターン素子への移行で、または、与えられたパター
ン素子内で急激に変化し、これについて、この急激な変化がパターンの特徴的構
造素子として検出され、任意の方向または任意の符号を伴っている値に連続的に
繰り返して復帰させられ、どちらの各タイプのパターン要素が次の次に続くかに
応じて、同じ符号または例えば反対の符号を伴う変化が引き続きすぐに起こる。

【００２３】 コード化分布の概念は既に述べたが、この種の種々のタイプのパターン要素に
ついては、これらのタイプが投影されたパターンの表面にコード化分布で配列さ
れていれば望ましいことが理解されるであろう。コード化分布の好適実施例は、
投影表面全体に種々タイプのパターン要素をただランダムに分布させたものであ
る。これに関し、前述タイプのすべてのパターン要素、すなわち、その表面領域
内にある両方のものがそれぞれ一定のレベルものであり、また、物理パラメータ
がそれぞれ連続的に変化する表面領域を含むものも、そのようなパターンの生成
に使用されるのであれば、特に好ましい。

【００２４】 画像形成面のパターン要素の表面領域は、最大でｍ×ｎの画素数に対応するも
のでなくてはならない。ここで、ｍとｎはいずれも２を越え、同時に、Ｍ×Ｎが
検出すなわち画像形成される画像画素の総数であるときに、ｍは明らかにＭより
小さく、ｎは明らかにＮより小さいことが望ましい。

【００２５】 この点で、パターンのパターン要素すなわち特性領域のパターンコード化と識
別の場合、手順に関係するのは、物理パラメータの連続変化を少なくとも部分的
に有しているこれらのタイプのパターン要素内の、隣接画素分間の変化よりも大
きい評価用変化だけである。隣接するパターン要素間に起こりうる比較的大きな
変化と比較して、隣接画素間または隣接画素分間の領域に沿って生じる物理パラ
メータの小さな変化を無視できるということは、既に上に述べた。

【００２６】 また、本発明の好適実施形態は、互いに角度が付けられている複数の三角形分
割面を利用して２通りの測定手順を実施するものであり、この２通りの測定手順
の場合、三角形分割面は、互いに約９０度の角度が付けられていることが好まし
い。

【００２７】 画像データの評価は、パターンを基準面に投影するときに、画像変換器上のパ
ターンのラインの画像形成を、画像変換器のラインと実質的に平行に実施すれば
、実質的に簡素化される。基準面という用語は、ここでは、次のように形成され
る面を示すために使用されている。（ｉ）投影装置の光軸と平行に延び、受信す
なわち記録装置の光軸と交差する補助直線を定義する。本発明によれば、この直
線と記録装置の光軸とによって形成される平面を、「三角形分割面」と特定する
。（ｉｉ）記録装置の光軸と補助直線との二等分線を、基準面の法線ベクトルと
する（したがって、基準面は三角形分割面と直角になる）。（ｉｉｉ）基準面を
通過する２つの光軸の間隔が最小になるように基準面を配置する。この定義は、
実際の装置では、構造的にそのように意図されている場合でさえも、２つの光軸
が正確に交差しないことを考慮している。パターンのラインが三角形分割面と平
行に延びている場合、画像変換器上のこれらのラインの画像は、画像変換器のラ
インと平行に延びる。このパターンを基準面と一致しない表面に投影したとき、
平行度からの逸脱は、二次オーダーの小さなものに過ぎない。

【００２８】 このパターンが前述のようなものであり、単一表面形状を利用した三角形分割
面に垂直な平面に対するパターン投影時に、その結果が複数のラインで構成され
た構造となるようにパターンの投影を実施する場合、これらのラインが三角形分
割面と平行である前述の特徴的な変化測定を、これらのラインに沿って起こすこ
とも有利である。

【００２９】 また、（ｉ）光源と、測定しようとする物体への適切な光学手段とを利用して
パターンの投影が行われ、（ｉｉ）投影されるパターンが、それぞれ単一のピッ
チ区分を含み且つそのようにして得られたピッチ区分に配列された、互いに垂直
なラインと列含む平面すなわち面積構成のものであり、光学的に透明、不透明、
または部分的に透明な別々の幾何学形状の要素であり、（ｉｉｉ）部分的に透明
な要素の透明度が、ライン方向に不透明から透明に一様に増加している、または
、透明から不透明に一様に減少しており、（ｉｖ）幾何学形状要素間などの列の
ピッチ区分に、透明から不透明へ、または不透明から透明への変化があるように
、また、いずれか所望の方法で区切られている十分な大きさを有する物体の相互
に関係付けられた表面セグメントの投影パターンを記録する画像に基づいて、列
のピッチ区分格子またはラスタにおける変化量をパターン全体にわたって分散さ
せた異なる符号により、パターンの各投影部との明らかな関係を判断できるよう
に投影されるパターンで、幾何学形状の要素が配列されており、（ｖ）物体から
少なくとも部分的に反射される光線が、輻射線検知要素を行列式に配列した平面
ＣＣＤ画像変換器に、適切な光学手段によって投影され、それにより物体が反射
した投影パターンの構成要素の情報内容を少なくともその一部に含んだ電気信号
に変換され、（ｖｉ）パターンを投影するための光軸の方向と画像変換器上で物
体の画像の形成を行うための光軸の方向が互いに異なっており、（ｖｉｉ）投影
されるパターンのラインが、投影用の光軸と画像変換器への反射光線による画像
形成用の光軸とによって形成される平面と平行に方向付けられており、（ｖｉｉ
ｉ）画像変換器の電気信号が、離散的データに変換されて、データの処理および
記憶用の装置に供給され、（ｉｘ）画像変換器の輻射線検知要素のデータが、三
角形分割面と平行なライン内で、放射線強度の変化の大きさに関して評価され、
（ｘ）このようにして得られる、実質的に急激な変化を示す傾斜が、変化の大き
さを表すそれぞれの符号に基づき、二値情報要素０と１に関連付けられ、（ｘｉ
）そのようにして得られた２進シーケンスが、パターンの一部をパターンの他の
部分から区別するために使用されれば、更に好ましい。

【００３０】 例えば、パターンが、（ｉ）市松模様に配列された黒色および白色要素を有し
、（ｉｉ）可視光と適切な光学手段を利用して、任意の三次元波にの白色物体に
パターンの投影が行われ、（ｉｉｉ）適切な光学手段と利用して、平面画像変換
器上で物体から画像を生成し、（ｉｖ）投影方向が受信すなわち記録方向と異な
っており、（ｖ）画像変換器の信号がデジタル化され、電子メモリまたは記憶装
置の中間記憶機構に入れられ、データ処理装置に送られ、（ｖｉ）画像変換器が
ラインおよび列と互いに垂直であるように構成され、（ｖｉｉ）投影装置内で、
市松パターンのラインが画像変換器のラインの方向に延びるように、パターンを
位置決めし、（ｖｉｉｉ）投影装置および受信または記録装置の両方ともが、三
角形分割角が画像変換器の列方向に市松模様パターンの画像記録方向に延びるよ
うな（言い換えると、三角形分割角で画定される平面が、投影パターンの列の方
向と画像変換器の列の方向にも延びるような）構成および配置のものであり、（
ｉｘ）パターン要素の形状が画像変換器の解像度よりも大きく、したがって、画
像変換器のライン情報を表し、市松模様パターンの白色および黒色要素の輝度値
に対応する値を、画像記憶機構の中で見つけることができる場合。また、（ｘ）
これらの情報項目を画像変換器の対応ラインに沿って評価し、その結果が、投影
パターンの格子すなわちラスタに対応する輝度情報の項目が急激に変化する場合
。公知光路を利用した、対応投影パターンに対する、画像ラインに沿った輝度の
急激な変化の寸法関係の逸脱が、物体の空間範囲を表す。（ｘｉ）物体の観測領
域が、十分に安定していて、投影方向からも受信すなわち記録方向からも光学的
にアクセス可能であって、ライン情報のシーケンスが、明から暗へ、および暗か
ら明への急激な輝度変化を交互に含む場合。（ｘｉｉ）輝度情報の項目が、デジ
タル化手順によって、輝度値に見合った関係のデジタル値として表され、（ｘｉ
ｉｉ）画像変換器の所望の列に沿った輝度の変化が、任意の位置の個々の輝度値
と、輝度の変化の大きさに対応して任意の正または負の値を交互に呈するライン
方向に次に続く画像位置の輝度情報との差から算出される場合、この離散的な数
値シーケンスが輝度信号として解釈されれば、それを当該信号の正または負の傾
斜すなわちエッジと呼ぶことができる。

【００３１】 本発明の好適実施形態において、前述の統計的パターン要素分布を備えた投影
パターンを表す画像データ、および対応するコード化は、その記録に基づいて個
々のパターン要素ごとにチェックされ、個々の要素の情報内容が明確に認識可能
であるかどうか確認される。明確さが保証されない場合には、対応するパターン
要素は、それ以後のデータ処理から除外される。信号エッジの認識および評価に
よって明確に認識されるパターン要素は、それ以後の情報要素の生成の基礎を構
成する。また、明確に認識される隣接情報要素は、いわゆるクラスタによるもの
である。本発明の意味におけるクラスタは、隣接する情報要素から成る群である
。物体に投影される記録パターンの情報に関するコード化項目と投影されるパタ
ーン内容とを比較することにより、復号化された情報項目の配置のもっともらし
さを確認することができる。この状況で何らかの逸脱が生じた場合、逸脱を生じ
させた情報要素の誤りを立証して隔離する。対応する情報要素が、クラスタのエ
ッジにある場合は、適切に修正された境界決定が行われる。当該情報要素がクラ
スタの中央にある場合、いずれかの環境下でクラスタが分割され、そのようにし
て得られた２つのクラスタ部の関係の明確さについて再チェックが行われる。小
さいクラスタを明確に関連付けることができない場合、すべての対応要素の誤り
を立証して隔離する。したがって、クラスタで表現されるのは、相互に隣接する
パターン要素についてクラスタで利用できる情報内容により、投影されたパター
ンのパターン要素を、投影しようとするパターンの対応パターン要素に明確に関
連付けることができる、相互に関係付けられた表面セグメントである。例えば、
重心、または結果として得られた画像のエッジまたは傾斜に基づいて、投影しよ
うとするパターンの配列と比較する場合、物体表面の支援点としての三次元座標
を三角形分割によって計算することができる。本発明によれば、行に配置されて
いない隣接する個々の３つの支援点を適宜に三角形および三角面と定義すること
ができ、そのため、他の方法の場合に必要とされるように大量の点の中から表面
検索を実行する必要が無くなる。個々の画像の画像情報項目の分析および計算の
結果、その形状がはっきりと判断される物体の、相互に関連付けられた表面セグ
メントのデジタル画像を入手できる。しかしながら、相互に関連付けがなされな
いセグメントは、互いの三次元位置と方向から判断される。本発明の更に別の利
点、特徴、および用途の可能性は、以下の好適実施形態の説明と添付図面とから
明らかになるであろう。

【００３２】 （発明の実施の形態） 図１は、その上領域に、詳細には投影軸に対して垂直な平面の、コード化パタ
ーンの一部を示し、下領域に、本発明による評価プロセスによって提供される構
造を示す。

【００３３】 図１に記載されているパターンは、全部で４種類のパターン要素タイプを備え
た四角いフィールド、すなわち８×８のパターン要素を示す。同時に、画像形成
のために対応するパターンを投影できる画像画素の格子網も、画像パターンの上
に重ねられている。見て分かるように、各パターン要素は、８×５個の画素から
成る表面面積を占めている。４種類のパターン要素はいずれも、３×２のパター
ン要素から成る左上領域で認識可能である。この場合、例として、画素の黒色度
、または互いに積み重ねた５個の画素をそれぞれ含む画素群の黒色度を、パター
ン構造識別用の物理的に測定可能なパラメータとして利用できる。その反対に、
黒色面を白色面に置き換えた、このパターンのネガを利用することも可能である
ことが分かるであろう。

【００３４】 図１の真上のパターン要素の場合、発生している当該パターンの最大黒色度が
左縁部にあり、この黒色度は左側から右側に向かって連続的に減少しているが、
黒色度は、当該パターン素子の表面領域に入る列内の縦に連なる５個すべての画
素要素の黒色度の合計として検出できる。相互に積み重ねた関係で列に配列され
ている、当該パターン要素の５個の画素から成る第８の群には、もはや黒色度は
無く、完全に白色である。その右横には、全面にわたって最大黒色度を有する別
のパターン要素３が続いている。パターン要素３は、ここでは、特に参照符号１
によってはっきりと示されている。

【００３５】 次に続くパターン要素２は、パターン要素１と実質的に同様であるが、列幅に
配列された当該パターン要素の第８の画素群の黒色度が、パターン要素１の場合
は黒色度が左から右に減少しているが、パターン要素２は左から右に連続的に増
加している点だけが異なっている。

【００３６】 パターン要素１の下に、その全面にわたって黒色度を全く有しない点がパター
ン要素２と異なっているパターン要素４を見ることができる。特に、白色から黒
色へ、または黒色から白色へ移行できる隣接するパターン要素間の移行は、この
パターンの場合、パターン要素１と３により、それぞれ、黒色から白色へ、また
は白色から黒色への同じ移行を、連続するパターン要素で複数回にわたって繰り
返すことができる。

【００３７】 ここで、図１の下側領域を参照しながら、これについて詳述する。例えば、図
１の上部で、このパターンのパターン要素の第７行（一番上から数えて）の参照
符号８で特定されている画素の行に注意されたい。画素８のラインに沿って左か
ら右に進んで、検出された画素のそれぞれの黒色度を縦方向に記録したときの結
果が、図の下部のライン１０で示しされている黒色度の変動である。画素のライ
ン８において、黒色度は最初に最大値であり、次に、その行の第３の画素から第
４の画素への移行時に、白色画素に一致する最小値に急激に変化している。次の
５個の要素は白色のままであり、したがって最小黒色度を示しているが、このラ
インの次のパターン要素への移行時には、再び、最大黒色度に急激に変化する。
このパターン要素は前出のものと同一であるので、曲線形状が繰り返される。次
のパターン要素への移行時には、再び最大黒色度へ急激に変化するが、完全に白
色が発生する第４のパターン要素への移行までは一定のままになっている。その
表面領域内では、黒色度を示す画素ライン８は、ライン１０に示されているよう
に、最小値のままである。曲線形状の連続は、前述のものと同様である。

【００３８】 ライン１０による曲線形状は、パターン要素の行の中の列の５個の画素をそれ
ぞれの場合に互いに組み合わせ、黒色度に関してただ１つの閾値が設定され、こ
の閾値を超えると、曲線はその最大値にジャンプし、それを下回ると最小値と見
なされる場合にも発生する。

【００３９】 次の曲線１１は、さらに別の方法で求められる。これは、それぞれ、図の上部
に参照符号９で特定され、パターン要素行を定義している画素群の行の中の、互
いに積み重ねられた５個の画素の黒色度をそれぞれ表している。左端は白色パタ
ーン４であるので、それに応じて、当該画素要素の領域では、ライン１１に最小
黒色度が示されている。次に、完全に黒色のパターン要素にジャンプしているの
で、第２のパターン要素の領域は、全体にわたって最大黒色度が再現されている
。次に、再び、黒色度無しで急激に白色画素列に下向きに変化しているが、その
後、一方の画素列から別の画素列に向かって黒色度は連続的に増加し、第３パタ
ーン要素の最後で最大黒色度に達している。これは第４のパターン要素でも繰り
返されているが、第５のパターン要素では、再び第１のものと同じになる。第６
のパターン要素は、黒色度の変化の符号だけが、第３および第４のパターン要素
とは異なっており、すなわち、第６の要素の場合、黒色度は、左から右へ最大初
期値から最小値に連続的に減少している。そのパターン要素行の第７のパターン
要素は、第２のものと同一であり、第８のパターン要素は、再び、その行の第３
および第４の要素と一致している。

【００４０】 その下に示すライン１２は、図１１で示されている曲線の派生物とはっきり言
うこともできる構造の評価を説明するものである。更に詳細には、ライン１２は
、パターン要素行９の中の互いに積み重ねられた５個の画素からそれぞれ構成さ
れている２つの連続する画素列の黒色度のそれぞれの違いを示している。これら
の変化は、純粋に黒色画素の列から純粋に白色画素の列への、またはその逆の移
行時であるときに、１つのパターン要素から次のパターン要素へのそれぞれの移
行時が最大となる。これらの変化は、純粋に白色または純粋に黒色のパターン要
素内で、または（ここでは発生していない）純粋白色または純粋黒色から同様の
パターン要素への移行時（すなわち、パターン要素３から３へ、または４から４
へ）にゼロ値のものあり、これらの変化は、パターン要素の黒色度が左から右に
連続変化する領域で比較的に小さい値のものである。

【００４１】 曲線１２を見て分かるように、白色から黒色への移行時、曲線は上方向に振れ
るが、黒色から白色への移行時、曲線は下方向に振れている。具体的にここでは
三角形の形状を成している黒色度の連続変化を備えるパターン素子により、図１
２に見られるように複数の正または負のピークが連続して発生可能となり、それ
により、コード化パターンの生成が簡単になる。

【００４２】 ライン１３では、パターン要素移行領域の正または負のピークが、上方向また
は下方向を指し矢印に置き換えられているだけであるが、ライン１４は、これら
の矢印方向すなわちピーク方向を、数字の１および０の形で二進表示したもので
あり、正のピークすなわち上方向を指す矢印は数字の１で表現され、負のピーク
すなわち下方向を指す矢印は数字の０で表現されている。このように、検出され
た構造は、デジタル数、詳細には２値数の硬いで簡単に処理できる。

【００４３】 図３に、空間内で湾曲しており、表面にパターンが投影された表面を示すが、
視線方向は紙の平面と垂直な方向をなし、パターンへの投影方向が、三角形分割
角度の分だけ視線方向に傾けられている。すべての知覚可能なパターン要素が、
原則として、同じ面積領域を占めているという想定の下で、これらのパターン要
素から構成される歪んだ大型形状から、例えば、水平方向に細長く見えるパター
ン要素は、投影方向に強く傾けられているが視線方向にはあまり傾けられていな
い表面領域に対応しているが、パターン要素が明らかに相対的に互いに接近して
いて水平方向に短くなっているように見える場合、状況は全く逆である点に注意
されたい。視線方向と投影方向の間の相対角度が分かっている場合は、空間にお
ける各表面の正確な位置を確認することができる。しかしながら同時に、図２も
、図示の画像形成条件下で従来のパターン認識方法が直面してい特定の問題であ
るが、本発明の方法で容易に克服されるものを明確に示すものでもある。更に詳
細には、画像が形成される表面の場合、光の入射が、間違いなく正確に、認識可
能なパターンの右端領域に確かに反射が発生するようになっており、したがって
、当該領域において、このパターンが、残りの領域のものよりも実質的に明るく
見える。図２の下側部は、上側のパターンのネガで表現したものであり、従って
、この場合、パターンの右側領域は、実質的に暗く見える。これにより、従来の
パターン認識法を利用したパターン認識は極めて著しく困難さを増し、不可能に
なることさえある。しかしながら、本発明によれば、隣接するパターン要素間の
明暗の境界だけが明白に配置された場所として検出され、また、これら明−暗の
移行は、反射によって乱される領域にも配置され、例えば図１と関連させて上に
説明された評価手順に基づいて数字の０および１によって明確に識別可能である
ように、常にはっきりと認識可能でもある。

【００４４】 図３に、人間の顔の立体構造を検出する形での特定の使用例を示す。図３の左
側の部分に、一方は顔の対称面に対して約３０°、他方は、顔の対称面に対して
約７５°の角度をなす人間の顔のモデルを写真式に示す。この場合、投影方向は
顔の対称面の方向で、実質的に水平である。三角形分割角度、すなわち顔の対称
面と視線方向の間の角度、すなわち図面の平面に対して直角であるという知識と
、投影方向と直角な表面への投影時に生じる実際のパターン構造の知識とを利用
し、適切なアルゴリズムを利用することにより、画像形成された投影パターンの
個々の明−暗移行の間隔に基づいて顔表面の立体構造を検出してデジタル式に記
憶することができる。またこれは、ヒトの認識のためおよび／または、例えばコ
ンピュータ援用の最小侵入手術の場合のような医療用に使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 コード化パターンの一部を示す図であり、下側部分は評価連略の
側面を示す。

【図２】 表面にパターンが投影されている曲面の、２種類の画像を示す。

【図３】 異なる視線方向から表面にパターンが投影されている、および投
影されていない人間の頭部の画像を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ， ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，Ｈ Ｕ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 CC16 FF05 FF09 FF42 HH07 JJ03 JJ05 JJ26 QQ00 QQ03 QQ24 QQ25 QQ29 4C038 VA07 VB01 VC20 5B057 AA07 BA02 CA02 CA08 CA13 CA16 CA18 CB20 CC01 5L096 AA03 AA06 AA09 BA06 BA13 CA05 DA02 FA59 FA66 FA67 FA69 【要約の続き】 も無関係である、三次元表面の立体構造を検出するため に、本発明によれば、画像形成されたパターンの構造を 評価するために、三角形分割面と平行であることが好ま しい１つ以上の画素行の、予め決められた画素または予 め決められた画素群の間の物理パラメータの変化だけを 検出し、その表面の空間座標に変換することが提案され る。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の軸を形成する投影方向に沿って三次元表面にパターン
   を投影し、前記表面に投影されたパターンの少なくとも１つの領域を、１つ以上
   のセンサによって、第２の軸を形成するセンサの視線方向に画素レベルで検出す
   ることによって三次元表面の立体構造を検出する方法において、前記第１および
   第２の軸（すなわち、前記第２の軸と平行なライン）は、前記第１および第２の
   軸が三角形分割面を画定するように０°以外の角度で交差し、前記パターンは、
   少なくとも前記第１の軸と垂直な平面への投影時に、前記センサに検出可能な可
   変物理パラメータによって定義され、前記パターンは、好ましくは前記三角形分
   割面と平行な事前設定可能な画素行に沿って、事前設定可能な画素間または画素
   群間を測定することによって得られる物理的に測定可能なパラメータの差が、少
   なくと２種類の値になると見なされるようなパターンである、三次元表面の立体
   構造の検出方法に関するものであり、画像形成されたパターンの構造を評価する
   ために、前記三角形分割面と平行であることが好ましい１つ以上の画素行の、予
   め決められた画素または予め決められた画素群の間の物理的パラメータの変化だ
   けを検出して、その表面の空間座標に変換することを特徴とする、検出方法。
2. 【請求項２】 それぞれの隣接画素または隣接画素群間の前記物理的に測定
   可能なパラメータの差は、予め決められた方向に沿って確認されることを特徴と
   する、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記パターンは、ある方向に沿って発生する前記物理的に測
   定可能なパラメータの変化を、少なくとも部分的に量的に、画像形成された同サ
   イズの任意の画素または画素群間に発生する最大の差と見なし、当該方向に沿っ
   て発生する他の変化を比較的低い値と見なすことを特徴とする、請求項１または
   ２に記載の方法。
4. 【請求項４】 複数の平行な画素行の、相互に積み重ねられた関係で列に配
   置されている画素は、画素群を形成するように組み立てられそのような隣接画素
   群のそれぞれの間の物理パラメータの変化が評価されることを特徴とする、請求
   項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記パターンはコード化パターンであり、適切なサイズの種
   々のパターン領域が互いに区別可能で、パターン全体の中の各位置に固定される
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記パターンは、前記投影方向と垂直な平面内のほぼ同サイ
   ズの表面積をそれぞれが有するパターン要素から形成されていることを特徴とす
   る、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 【請求項７】 測定可能な物理パラメータがそれぞれほぼ一定値を示す表面
   領域に、少なくとも２タイプのパターン要素が提供され、前記物理パラメータの
   値は、前記２タイプのパターン要素間ではっきりと測定可能に異なっていること
   を特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 その表面領域の少なくとも一部分の中で、前記物理パラメー
   タの値が前記予め決められた方向に沿って実質的に連続的に変化する、少なくと
   も１タイプのパターン要素が提供されることを特徴とする、請求項６または７に
   記載の方法。
9. 【請求項９】 その表面領域の中の前記予め決められた方向に沿った前記物
   理パラメータの変化の符号が異なる、少なくとも２タイプのパターン要素が提供
   されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記種々のタイプのパターン要素は、前記投影パターンの
    表面にコード化分布式に配列されることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか
    一項に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記種々のタイプのパターン要素は、前記投影パターンの
    表面全体にランダムな配列で分布させられることを特徴とする。請求項５〜１０
    のいずれか一項に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記画像形成面のパターン要素の表面領域は、Ｍ×Ｎが検
    出画像画素の総数であり、ｍ，ｎ＞２、ｍ＜＜Ｍおよびｎ＜＜Ｎのときに、ｍ×
    ｎ個の画素から構成される面積に対応していることを特徴とする、請求項６〜１
    １のいずれか一項に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記パターン要素のパターンのコード化および位置の識別
    に際して、請求項６および７に記載の前記パターン要素内の隣接画素間または隣
    接画素群間の変化より大きい変化だけを評価することを特徴とする、請求項５〜
    １２のいずれか一項に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記三次元表面の立体構造を検出するために、互いに角度
    が付けられている三角形分割面を利用して少なくとも２回の測定を実施され、と
    もに組み合わせられることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載
    の方法。