JP2002543411A - 物体形状の光学的検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はａ）物体（１）、少なくとも１個の光源（２）及び少なくとも１個のカメラを複数の空間的位置に配置するステップと、ｂ）物体の位置（Ｇｉ）、光源の位置（Ｌｉ）及びカメラの位置（Ｋｉ）をそれぞれ検出するステップと、ｃ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）において光源（２）により物体（１）を照明するステップと、ｄ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）において物体（１）の像（４）を記録するステップと、ｅ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）及び像（４）から物体（１）の表面法線（５）を決定するステップと、ｆ）像（４）における対応する像点（６）を表面法線（５）により割り当てるステップと、ｇ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）、表面法線（５）及び対応する像点（６）から物体の三次元形状を決定するステップとを含む、少なくとも１個の三次元物体の形状を光学的に検出する方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は三次元物体の形状を記録するための立体光学的方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

工業生産の多くの分野及びマルチメディアの応用分野で今日、適当な測定装置
を用いて、物体の幾何学的三次元データをコンピュータ上の数値データに変換す
る方法が必要とされている。品質管理のために、又は観測する人間にこれらの物
体をリアリスティックに立体表示することを目指して、こうした変換を行うこと
ができる。また物体を自動的に記録し、インターネットで伝送し、視覚表示する
ことが大きな関心事となっている。

【０００３】 物体の形状を光学的に記録する方法は、従来使用されてきた機械的に走査する
方法にますます取って代わるようになった。光学的方法の大きな利点は、測定が
無接触であり、従って物体に機械的影響を及ぼすことなく行われることである。
もう１つの利点は、物体の多数の点を同時に記録することができ、その結果測定
時間が短縮されることである。

【０００４】 既知の形状記録方法は、一般的に三角測量原理、立体原理又は干渉計技術に基
づいている。

【０００５】 既知の三角測量法では計測物の表面に光点を投影し、照明方向と異なる方向か
ら観測する。投影ビームの立体的向きと、観測点が感知される方向とを知れば、
照射された点の座標を計算することができる。この方法は正確であり明確である
が、しかし計測物の表面を点から点へと走査しなければならないので時間がかか
る。また光源の位置及び観測カメラから直接見える表面の点しか記録できない。
従ってこのような測定で得たデータレコードは決して完全でない。物体の全体の
形状を記録するために、異なる視野又は照明野で測定を繰返すことにより複数の
データレコードを得ることができるが、しかしこれらのデータレコードを相互に
幾何学的に関係づけなければならず（マッチング）、そのためにしばしばユーザ
である人間による作業が必要である。しかも個々のデータレコードを完全に一致
させることができるのは希であるから、マッチングの際に見栄えのよくないデー
タレコードの継ぎ目が現われてしまう。不自然な形でかどや突起が生じ、それが
データの精度を下げるだけでなく、とりわけ観測者にとって視覚的に邪魔になる
。人間の眼は視覚表示された又は現実の物体の表面の極めて小さな隆起やくぼみ
でも認識することができる。人間は点の空間的位置だけでなく、表面の傾きも照
明状態から推定することができる。位置の僅かな変動でさえ傾きの大きな変化を
引き起こすから、ごく小さな異常でも観測する人間にはっきり分かる。なお、こ
のことはたいていの三次元形状記録法の基本的問題である。多くの場合測定デー
タの記録はこうした状況に適応していないから、データの僅かな雑音でも観測者
に極めて好ましくない影響を及ぼす。このことは下記の既知の方法にも当てはま
る。

【０００６】 三角測量に基づく方法をさらに発展させたのが光切断法とストライプ投影法で
ある。前者では個々の点の代わりに線を計測物の表面に投影する。この線を照明
方向と異なる方向から観測する。照明点の立体座標は前述と同様に得られる。こ
の方法は点式三角測量より迅速であるが、全面を一挙に検出できる他の方法より
依然として緩慢である。この場合も物体の完全な表示に到達するには、異なる視
野での複数の測定とそのマッチングが必要である。

【０００７】 ストライプ投影法は光切断法をさらに発展させたもので、計測物の表面に複数
の線を同時に投影する。これらの線の強さを横方向に周期的に変化させ、観測カ
メラが個々の線を区別できるようにする。この方法は迅速だが、しかしこの場合
も複数の測定をマッチングによって継ぎ合わせることが必要であるから、前述の
かどや突起が生じる可能性がある。

【０００８】 高精度の測定のためにしばしば干渉計法が使用される。この方法でも測定物の
完全な三次元表示を得るために、複数の個別測定の結果を継ぎ合わせなければな
らない。しかもこの方法はごく小さな振動に対して大変敏感であり、たいてい実
験室的環境でしか利用できない。

【０００９】 別のグループの方法は立体原理に基づく。この場合は異なる視角で撮影した物
体の２つの写真が三次元形状に関する情報を含むことを利用する。ここで取り上
げられるのは双眼立体法である。２つの写真の物体の対応する特徴がソフトウエ
ア・アルゴリズムによって同定される。２つの像における特徴の位置の差異は、
三次元空間での特徴の深度の尺度となる。双眼立体法の基本問題は特徴の対応を
決定することである。１つの方法は、明るさパターンに基づき小さな部分像を互
いに比較するものである。その場合２つの難点が現われる。部分像に明瞭な明る
さパターンがなければ、互いに関連づけることができない。このことは物点の空
間的深度を物体のパターン形成区域でしか決定できないことを意味する。しかも
物体の明るさ、厳密には輝度は、異なる視角に対して同じでない。その結果、深
度を決定することもできない。

【００１０】 双眼立体原理を２枚の写真から数枚の写真へ拡張することができる。これによ
り他の情報も得られ、対応分析を一層確実にするが、多くの場合依然として十分
でない。

【００１１】 立体法のもう１つのグループは、物体の形状を決定するために異なる照明条件
を利用する。双眼立体法と異なり、視角が固定され、照明方向が変化する。従っ
て測光立体法が取り上げられる。個々の照明方向の明るさから物体表面の傾きを
推定することができる。従ってこの場合は空間的深度でなく、その導関数をなす
量が測定される。測光立体法は局部的物体構造を測定するのに好適であるが、全
般的構造測定には誤差が伴う。全般的物体構造は、空間的深度自体を測定する方
法、例えば双眼立体法による方が、より正確に決定される。

【００１２】 このようにして上述の方法は、異なる像にあって組になった像点を必ずしも明
確に互いに関連させることができないという欠点がある。これが対応問題である
。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】

かくして本発明の課題は、対応問題の少なくとも大部分を克服することができ
る、形状の光学的記録方法を示すことである。

【００１４】 この課題は請求項１で挙げた特徴を有する方法によって解決される。この方法
で全般的及び局部的のいずれの物体構造も正確に記録することができる。なお、
この２つの原理は人間の視覚においても物体の形状の検出に大いに寄与する。従
って計測的側面だけでなく視覚的側面でも現実に極めて近い測定が可能である。

【００１５】 そこで本発明の方法では、対応分析のために輝度値を使用する必要がなく、傾
度値に頼ることができる。傾度値は輝度値と異なり視線方向に対して不変だから
である。従って本発明方法では、特に物体表面上の点の表面法線を種々の視線方
向から決定することによって、対応問題が解決される。こうして同じ表面法線を
有する像点をたやすく迅速に互いに明確に関連づけることができる。

【００１６】 また本発明が提案する方法には、明白なマッチング手順は不要である。これに
より個々の写真の継ぎ目の不自然さが回避される。

【００１７】

【課題を解決するための手段】

本発明の方法は、 ａ）物体１、少なくとも１個の光源２及び少なくとも１個のカメラ３を複数の空
間的位置に配置するステップと、 ｂ）物体の位置Ｇｉ、光源の位置Ｌｉ及びカメラの位置Ｋｉをそれぞれ検出する
ステップと、 ｃ）位置Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉで光源２により物体１を照明するステップと、 ｄ）位置Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉで物体１の像４を記録するステップと、 ｅ）位置Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ及び像４から物体１の表面法線５を決定するステップ
と、 ｆ）像４における対応する像点６を表面法線５により割り当てるステップと、 ｇ）位置Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ、表面法線５及び対応する像点６から物体の三次元形
状を決定するステップとを含む。

【００１８】 その他の実施態様は、従属請求項に見出すことができるであろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】

次に図面を参照して実施例に基づき本発明を詳述する。

【００２０】 計測される三次元物体１を位置Ｇ１、Ｇ２、・・・Ｇｉに、少なくとも１個の
光源２を位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・Ｌｉに、またカメラ３を位置Ｋ１、Ｋ２
、・・・Ｋｉに置く（図１を参照）。これは少なくとも１個のそれ自体公知の駆
動装置、例えば、移動装置、ベルトコンベヤ、回転テーブル又はロボットによっ
て行うことができる。この選択は多数の同種の物体１の自動測定操作に極めて好
適である。利用者が物体１、光源２及びカメラ３を任意に自由に立体的に位置決
めすることも同様に可能である。高い柔軟性を必要とする個別物体の計測におい
ては、手操作可能なポータブル形状記録システムが注目される。また機械式操作
とフリーハンド操作の組合せも可能である。したがって、例えば、光源２をカメ
ラ３に固設する一方で（機械式操作の特殊例）、カメラ３と光源２からなるユニ
ットは移動自在とすることができる。また複数個の固設された光源２を使用し、
これを逐次利用することも考えられる。これは単独の光源２を異なる位置に配置
するのと同じことである。同様に複数個のカメラ３を使用することもできる。こ
れは単一のカメラ３を異なる位置に配置することに等しい。同様に複数個の物体
１を組み入れることもできる。

【００２１】 物体１（Ｇ１）、光源２（Ｌｉ）及びカメラ３（Ｋｉ）の位置を知ることは、
後の測定過程にとって重要である。まず、位置Ｇｉ、Ｌｉ又はＫｉを暗黙の形(i
mplicit form)で与えることができる。次に、機械操作を用いる場合、方向又は
位置Ｇｉ、Ｌｉ及びＫｉは、操作のジオメトリーにより決まる。コンピュータ制
御式移動装置（図示せず）の例を用いれば容易に分かるように、駆動装置の位置
は分かっているので、この位置情報を受信することができる。物体１、光源２又
はカメラ３を固定位置に設置する場合には、一旦決定した位置及び方向を、その
後のすべての測定に使用することができる。他方で、Ｇｉ、Ｌｉ及びＫｉを明示
的測定(explicit measurement)により決定することができる。これは特に手操作
の測定装置に適している。位置Ｇｉ、Ｌｉ又はＫｉを追跡する追加のセンサＳに
より、これを行うことができる。このようなセンサＳは工業的に製造されており
、例えば、写真測量、慣性法則、超音波又は磁気の原理に従って作動する。磁気
式センサＳ（図２）の例を用いて、測定原理を詳しく説明する。磁気センサシス
テムは、固設された送信器ＳＥと、好ましくは複数個の受信器Ｅからなる。受信
器Ｅは物体１、光源２又はカメラ３に取り付けることができる。送信器ＳＥ及び
受信器Ｅに夫々独自の直角座標系を適用することができる。そこで物体１の位置
及び方向Ｇｉは、物体１の送信器座標系と受信器座標系の関係によって与えられ
る。同じことが光源２とカメラ３にも当てはまる。座標系の相互関係は座標変換
で説明することができる。３次元空間における不動の物体の配置に関して、この
座標変換は、３つの空間方向の並進における自由度３、及び空間的回転における
自由度３からなる自由度６を有する。並進と回転を指定する方法が幾つかある。
並進は３つの次元を持つベクトルにより、回転は３つのいわゆるオイラー角の指
定により与えられる。回転の別の表現形態、例えばいわゆる「四元数」による定
義も可能である。

【００２２】 さらに他の表現形態はマトリクス記法に基づく。この場合はいわゆる「回転マ
トリクス」を定義することができる。自由度６の位置及び方向センサは、一般的
に、上記の表現形態又はこれより派生する表現形態での並進及び回転の測定値と
して、座標変換を提供する。この分野についてはこれ以上詳しく説明しないが、
重要なのは必要な測定値すべてが提供され得るということである。

【００２３】 計測物１を照明する光源２はほぼ点状に選定することが好ましい。これには、
後述の測光立体法を簡単に行うことができるという利点がある。光源としては、
例えばフラッシュランプ、ハロゲンランプ、グラスファイバ付きの外部光源２又
は高出力の発光ダイオードが考えられる。

【００２４】 カメラ３として電子カメラ３を使用することが好ましい。その像４をそれ自体
公知のコンピュータにより簡単に記録し、再処理することができる。このカメラ
はデジタルカメラ３であるのが好ましい。選択した位置Ｇｉ、Ｌｉ及びＫｉの組
合わせそれぞれについて、個別の像４を撮影する。続いて既知の位置Ｇｉ、Ｌｉ
及びＫｉと像４から物体１の点７のいわゆる「表面法線」５を決定する。表面法
線５とは物体１の表面の面要素７に垂直なベクトルのことである。これは、３次
元空間における面の位置、方向又は傾きを表す通常の尺度である。面の傾きを光
学的に決定するために効果的に使用できる幾つかの方法がある。「測光立体法」
と呼ばれる基本的方法を上記の方法に使用することができる。測光立体法ではカ
メラ３も物体１もまず同じ場所にあるが、光源２は様々な空間的位置を取る。こ
れらの位置の夫々で像４を撮影する。多くの場合、光源２のちょうど３つの位置
を選定することが好ましい。これで表面法線５が明確に決定されるからである。
３つの未知数即ち法線ベクトルの３つの成分の決定のために、ちょうど３つの照
明方向が必要である。１個の光源２を３つの位置へ持ってゆくのではなく、３つ
の異なる光源を使用して夫々そのうちの１つで物体１を照明することが好ましい
。３個の光源２をカメラに固設することが好ましい（図２を参照）。次に像４で
記録された光度と位置Ｇｉ、Ｌｉ及びＫｉとを組合わせ、その結果物体の表面の
点７における表面法線５が得られる。このとき、物体１の入射光に対する反射特
性の基礎として、物体１のモデルを使用する。反射特性の基本モデルはいわゆる
「ランバート放射体」である。ランバート放射体は入射光をすべての空間方向へ
均等に送出する。このモデルは、拡散反射体については良好な近似で成り立つ。
点状の光源２を使用すれば、特に簡単な関係が得られる。面状の光源も可能であ
り、多数の点状光源の共同作用とみなすことができる。鏡面反射部分を有する物
体で改良モデルが開発されている。その他の位置Ｇｉ及びＫｉに対して測光立体
法を繰返す。数学的及び物理学的背景をこれ以上詳しくは説明しないが、決定的
に重要なのは物体１の表面法線５を測光立体法で決定することが可能であるとい
うことである。

【００２５】 次に、撮影した像４の対応する像点６を決定する、いわゆる「双眼立体法」を
使用する。この決定から像点６に相当する物点７の空間的位置を推定することが
できる。従来対応分析の方法は、一般的に、像４に記録された光度に基づくもの
である。その場合対応する点は、等しい光度又は少なくとも同様な強度パターン
によって感知されることが前提である。しかしながら、この条件はたいてい近似
的にしか与えられないので、うまく行かないことが多い。光源２が移動しない場
合でも、光度は一般にカメラ３の位置に対して不変ではないといえる。同じこと
が色の性質にも当てはまる。

【００２６】 しかしながら、物体１の表面法線５の振る舞いはこれと全く異なる。表面法線
５はカメラ３及び光源２の位置に対して不変である。このことは本発明の方法の
主要な利点である。対応分析を、位置によって変化しない変数に基づいて、はる
かに確実に行うことができる。

【００２７】 双眼立体法で慣用のように、幾何学的関係とカメラパラメータの知識に基づい
て、像点６との対応性から、３次元物体の対応する点の位置及び方向を推定する
ことができる。本発明の方法には、物体１の多数の写真を含めることができるか
ら、ほとんどすべての側面から物体形状の記録が可能である。上述の立体法では
すべての写真が物体１の単一の三次元写真に統合される。これにより、他の方法
のような三次元部分像の明白な継ぎ合わせが回避される。このような明白なマッ
チング過程を回避できることは、上記の方法のもう一つの決定的な利点であると
いえる。

【００２８】 さらに人間の目は視覚表示された物体又は実在する物体の表面のごく僅かな隆
起やくぼみでも認識できることを改めて強調する。人間は照明状態から点の空間
的位置だけでなく、表面の傾きも推定することができる。面の傾きは位置の導関
数であるといえる。位置の僅かな変動でさえ傾きに大きな変化をもたらすことが
あるから、観測する人間にはごく小さな異常でも目立つのである。このことは多
くの三次元形状記録法における基本問題である。測定データの記録はたいていの
場合こうした状況に適応していないから、データの僅かなノイズでも観測者には
大変好ましくない影響を及ぼす。そこですでに得た表面法線５の情報は、対応分
析だけでなく、三次元測定値の改善のためにも利用される。位置測定の不可避的
な誤差を表面法線５の知識によって補正するのである。その場合は主として物体
点の位置の測定誤差が取り除かれるが、表面の各点における曲率はおおむね保た
れる。こうして双眼立体法の測定精度の大幅な改善が期待される。人間の視覚は
三次元物体の表面法線の変動を極めて正確に評価することができるから、計測精
度の改善だけでなく視覚的印象の改善も期待される。従って本発明の方法は人間
の視覚の特殊な条件に合わせて作られたものであり、特にリアリスティックな三
次元視覚表示を可能にする。

【００２９】 次に図２に基づいて本方法の実施に適した手操作式装置Ｖの一例を示す。装置
Ｖは好ましくは磁気式の位置センサＳ及びＣＣＤカメラ３のほかに、外部光源（
図示せず）に接続された３本の光ファイバＦを具備する。カメラ３、位置センサ
Ｓの受信器Ｅ及び光源２をなすファイバ端部Ｆが基板Ｍに固定されている。基板
Ｍはポータブルに形成することができ、そのために把手Ｈを有することが好まし
い。基板Ｍを自動的に移動又は変位させることもできる。カメラ３が記録した像
及び位置センサＳの信号は解析装置Ａへ送られ、解析される。解析装置はコンピ
ュータであるのが好ましい。コンピュータで表面法線５の決定が前述のように行
われる。こうして図２は本発明に係る光学的形状記録方法の実施のための装置Ｖ
を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】物体の形状を光学的に記録する方法の概略図である。

【図２】物体の形状を光学的に記録するためのポータブル装置の図である。

【符号の説明】 １ 物体 ２ 光源 ３ カメラ ４ 像 ５ 表面法線 ６ 像点 Ｇｉ 物体の位置 Ｌｉ 光源の位置 Ｋｉ カメラの位置

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年５月１２日（２００１．５．１２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ）物体（１）、少なくとも１個の光源（２）及び少なくとも１個のカメラを複
   数の空間的位置に配置するステップと、 ｂ）物体の位置（Ｇｉ）、光源の位置（Ｌｉ）及びカメラの位置（Ｋｉ）をそれ
   ぞれ検出するステップと、 ｃ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）において光源（２）により物体（１）を照明する
   ステップと、 ｄ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）において物体（１）の像（４）を記録するステッ
   プと、 ｅ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）及び像（４）から物体（１）の表面法線（５）を
   決定するステップと、 ｆ）像（４）における対応する像点（６）を表面法線（５）により割り当てるス
   テップと、 ｇ）位置（Ｇｉ、Ｌｉ、Ｋｉ）、表面法線（５）及び対応する像点（６）から物
   体の三次元形状を決定するステップと を含む、少なくとも１個の三次元物体の形状を光学的に検出する方法。
2. 【請求項２】前記物体（１）、前記光源（２）又は前記カメラ（３）を手で
   操作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】前記物体（１）、前記光源（２）又は前記カメラ（３）を機械
   的装置により操作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】前記物体の位置（Ｇｉ）、前記光源の位置（Ｌｉ）又は前記カ
   メラの位置（Ｋｉ）を追加のセンサ（Ｓ）によって検出することを特徴とする上
   記請求項のいずれか1つに記載の方法。
5. 【請求項５】前記位置を、写真測量式、慣性式、超音波式又は磁気式センサ
   （Ｓ）によって決定することを特徴とする請求項4に記載の方法。
6. 【請求項６】少なくとも3個の光源（２）を使用することを特徴とする上記
   請求項のいずれか1つに記載の方法。
7. 【請求項７】前記光源（２）は、前記カメラ（３）の固定位置に取り付けら
   れていることを特徴とする請求項６に記載の方法。