JP2004504587A - 物体の３次元形状を検出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は物体の３次元の形状を検出する方法に関する。この場合、写真測量に整合されたマーカの設けられた可塑的に変形可能な質量体に物体が押圧される。マーキングされた質量体から物体が取り除かれた後、それぞれ異なる視点から複数の写真測量用イメージが捕捉され、それらのイメージが写真測量によって評価され、複数のイメージ内の対応するマーカの対応づけを利用して物体の３次元形状が計算される。本発明はさらにこの方法を実施するための相応の装置にも関する。この装置は、負荷を受けて３次元形状の変化する物体の３次元形状の検出に殊に適している。その一例として人間の足の測定を挙げておく。

Description

【０００１】
本発明は、人間の足などのような物体の３次元形状を検出する方法および装置に関する。
【０００２】
ボディやボディの一部の３次元形状（３Ｄ ｓｈａｐｅ）の検出は、ボディまたはボディの一部分の形状に整合させる必要のある形状をもつ製品の製造や選択のための重要な準備段階である。そのような製品の例は靴、フットベッド（ｆｏｏｔｂｅｄ）またはアーチサポート（ａｒｃｈ ｓｕｐｐｏｒｔ 土踏まずの支え）、人工器官、矯正器あるいは衣類などである。
【０００３】
たとえばレーザ三角測量法やストリップ投影に基づく方法を用いて、あるいはシルエットアウトラインのシーケンスの光学的検出により、光学的にボディの部位を検出することは公知である。機械的および光学的に精密に形成され校正されたシステムであるがゆえにかなり複雑なこれらの方法とは対照的に、ヨーロッパ特許 ＥＰ ０ ７６０ ６２２， ”Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｈａｐｅ ｉｎ Ｓｐａｃｅ ｏｆ Ｂｏｄｉｅｓ ｏｒ Ｂｏｄｙ Ｐａｒｔｓ” によれば、著しく簡単な解決手法が開示されており、これは校正されていないイメージングポジションから得られるボディの一部分のイメージの写真測量に基づくものである。この目的で、ボディの一部分が写真測量のために整合されたマーカの設けられた弾性のカバーで覆われる。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願 Ｎｏ． １００ ２５ ９２２．７， ”Ａｕｔｏｍａｔｉｓｃｈｅ ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｓｃｈｅ Ｄｉｇｉｔａｌｉｓｉｅｒｕｎｇ ｖｏｎ Ｋｏｅｒｐｅｒｎ ｕｎｄ Ｏｂｊｅｋｔｅｎ” （Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃ ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｄｉｅｓ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔｓ） によればさらに、このようなマーカの背景に特別なマーキングを施すことにより、つまりエリアマーカ（ａｒｅａ ｍａｒｋｅｒ）を適用することにより、マーカ（ポイントマーカ）の参照指示を、すなわちオーバラップした異なるイメージ内における同一のポイントマーカのペアの対応づけを、どのようにして容易にし自動化できるかが示されている。
【０００５】
これら上述のプロセスのすべては、負荷を受けていないときにボディが数値化される。しかし柔らかい組織の場合には殊に、負荷を受けたボディの３次元形状は負荷を受けていないボディの３次元の形状とは大きく異なっている。
【０００６】
フットベッド、ボディの形状に整合された椅子などボディにフィットさせることを意図する数多くの製品のためには、負荷を受けておらず変形していないボディの部位の空間座標よりも負荷を受けて変形したボディの部位の空間座標が必要とされる。
【０００７】
フィットした靴の中底やアーチサポートあるいはフィットするよう形成されたフットベッドを製造するために足の裏を測定する場合にはたとえば、慣用の手順であると可塑的に変形可能な質量体ないしは塊の中に人が足を入れ、この変形した質量体から慣用の塑造技術を用いてインプレッションすなわち刻印を得るようにしなければならず、この刻印がアーチサポートを作成するための出発ポジションを成していた。この作業は厄介であり長たらしくコストのかかるプロセスであり、負荷を受けた足の裏を自動的に数値化するならば少なからず改善できるはずである。
【０００８】
したがって本発明の課題は、物体の３次元形状を検出するための簡単な方法および簡単な装置を提供し、それによって上述の説明で挙げた従来の方法や装置における問題点を解消し、さらにそれらの方法および装置を、負荷を受けているときに測定しなければならない物体の３次元形状の簡単な検出にいっそう特別に適するように構成することにある。
【０００９】
この課題は、以下のような物体の３次元形状の検出方法によって解決される。すなわち、可塑的に変形可能な質量体を設け、該質量体は写真測量に整合されたマーカの設けられた少なくとも１つの表面部分を有し、該表面部分のところで前記物体を質量体に押し付けて刻印し、該質量体を前記物体の３次元形状に応じて変形させ、該物体を変形した質量体から取り除き、マーカの設けられた変形した質量体の複数のイメージをそれぞれ異なる視点から捕捉し、写真測量プロセスを用いて該複数のイメージから前記物体の３次元形状を求めることによって解決される。
【００１０】
さらに上述の課題は、写真測量により物体の３次元形状を検出する装置によって解決される。この装置には、写真測量用イメージを取得するためのイメージングシステムと、前記イメージを写真測量して物体の３次元形状を決定するためのシステムが設けられている。さらに可塑的に変形可能な質量体が設けられており、該質量体は写真測量に整合されたマーカの設けられた少なくとも１つの表面部分を有する。
【００１１】
本発明によれば、変形可能な質量体材料が写真測量に整合されたコントラストの高いマーカにより特徴づけられることによって、負荷を受けボディの一部により変形された刻印材料の３次元形状の光学的な検出が達成される。たとえば本発明によればこのようなマーキングを、変形可能な刻印質量体の色とは異なる色を含ませることにより、あるいは異なるように色づけされた刻印質量体の局所的な着色によって行うことができる。変形したマーキングされた刻印材料の未知のイメージングポジションから、オーバラップした一連の２次元のイメージを検出することにより、刻印の３次元の形状つまりは負荷を受けて変形したボディの一部分の３次元形状を、２次元のイメージから周知の写真測量法を用いて簡単に決定することができる。
【００１２】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１３】
本発明のその他の構成や利点は、図面を参照した実施例の以下の説明に示されている。
【００１４】
図１は本発明の１つの実施形態で用いられる可塑性変形可能な刻印形成質量体を示す図であり、これには写真測量に整合されたマーカが設けられており、この刻印形成質量体は刻印フレーム内に配置されていて、負荷を受けたときの足の裏の刻印を作成するために用いられる。
【００１５】
図２はカメラの配置構成を示す図であり、これらのカメラのポジションは既知ではなく、オーバラップした複数の２次元の刻印イメージを撮影するために用いられ、それらのイメージにはマーカおよびそれらのイメージの２次元座標に対し相対的なマーカポジションが含まれている。
【００１６】
図３は一例として、図２の刻印から得られたフットベッドの３次元形状を再現するマーカの疑似３次元表示を示す図である。
【００１７】
次に、構造的にフィットするフットベッドを製造するために負荷を受けた足の裏を検出するという、典型的な適用事例と関連させた実施例に基づき本発明による方法について説明する。
【００１８】
当然ながらこの例は決して、本発明による方法の唯一可能な適用事例というわけではない。たとえば、構造的に適合された座席表面を製造するための臀部の３次元の刻印を検出すというようなことも別の例として挙げることができ、その場合には、負荷を受けて変形したボディの３次元の幾何学的形状が重要となる。その他多くの適用事例を考えることができる。
【００１９】
なお、本発明の着想の範囲において「物体」または「ボディ」は人間や動物のボディだけに限定されるものではなく、たとえば機械的なモデルや古美術の彫像、彫刻あるいはそれらと同様の３次元空間の形状物のように、あらゆる物理的なボディをもカバーするものである。
【００２０】
図１に示されているように型枠１内に可塑的に変形可能な塊すなわち質量体２が収容されており、この質量体中に人がその足３を入れて負荷を受ける。質量体２の表面において少なくとも部分７のところに、写真測量に整合されたマーカ４が設けられている。
【００２１】
質量体２は単色のベース材料から成り、その中に写真測量に適合された複数のマーカ４が入れられており、それらのマーカはベース材料の色に対して目立つ対照的な色を有している。この場合、それらのマーカを、たとえばベース材料と同じ材料から成り別の色をもつ埋め込まれたピンによって構成することができ、それらのピンがベース材料中に入れられる。一例としてそれらのピンを円筒形にすることができる。また、ベース材料を一般に市販されている変形可能な材料によって構成することができ、たとえば石膏、蝋、アルギン酸あるいはエラストマ（たとえばシリコーン）などによって構成することができる。
【００２２】
１つの有利な実施形態によれば、可逆的に変形可能な可塑性変形材料が選択される。つまりこの場合、物体により加えられた圧力によって変形が引き起こされて、刻印ないしは印跡の写真測量が完了した後、可塑性材料を熱や光のエネルギーあるいは機械的なエネルギーの作用によって元のかたちに戻すことができる。従来技術におけるこの種の材料は当業者によく知られている。このような材料を使えば、写真測量用マーカの設けられた質量体を望むだけ何度も再利用できる。
【００２３】
本発明によれば簡単に写真測量を行えるようにするためこれらのマーカ周囲の背景にも、異なるカラーの領域によりマークを付けることができる。その結果、２つのレベルでマーキングされることになり、つまりポイントマーカとエリアマーカによって構成されることになる。エリアマーカの各々には複数のポイントマーカが含まれていてそれらはポイントマーカの背景を成しており、光学的特性コンフィギュレーションをもっている。
【００２４】
刻印形成用質量体２は、この質量体２の表面部分７に置かれた足の負荷を受けて変形することになる。外側から見えるマーカ４は、これに応じて横方向にも深さ方向にもずれることになる。
【００２５】
足３が質量体２から離された後、図２に示されているようにあとに残された刻印ないしは印跡６のイメージが撮影される。これは１台のカメラあるいは図２に示されているように複数のカメラ５を有することのできるイメージングシステムを利用して、オーバラップした複数のイメージングポジションから捕捉される。このようにして複数の２次元イメージが作成され、それらのイメージ内でマーカ７はそれぞれ異なるＸＹポジションをとっている。
【００２６】
、３次元の座標を得るためこのようなイメージをどのように評価するのかは、写真測量および短距離写真測量の分野の当業者に知られており、したがってそのことについてはここではこれ以上詳しく説明しない。
【００２７】
写真測量法の場合にはまずはじめに、撮影されたイメージに対し画像処理が実行され、その際、複数のイメージ内でそれぞれ対応するマーカが互いに対応づけられる。このようなマーカ対応づけに基づき写真測量における周知の数学的手法を利用して刻印の３次元形状が決定され、そこから物体の３次元形状が決定される。
【００２８】
上述のようにポイントマーカとエリアマーカを採用した場合、イメージの画像処理にあたりまずはじめに、複数のイメージ内でそれぞれ対応するエリアマーカがそれらの光学的特性コンフィギュレーションを利用して互いに対応づけられる。ついでそれらのエリアマーカに含まれており複数のイメージ内でそれぞれ対応するポイントマーカが、エリアマーカの対応づけを用いることで互いに対応づけられる。その後、ポイントマーカの対応づけを使用し写真測量プロセスによって、物体の３次元形状が決定される。
【００２９】
１つの有利な実施形態によれば、写真測量イメージングシステムとは反対側において可塑的に変形可能な質量体を収容する型に測定ロッドを取り付けることができ、この測定ロッドの上に少なくとも２つの写真測量用マーカが互いに既知の間隔で配置されている。このような測定ロッドをたとえば剛性のストレートなロッドあるいはプレートとすることができ、その上にマーカが塗布されている。当然ながらこの測定ロッドを型の隣りに分離して設けてもよい。この場合、以下のようにして写真測量のイメージが捕捉される。すなわちマーカを押圧する刻印の少なくとも２つのイメージが望ましいポジションから撮影され、その際に同時に測定ロッドもイメージに含まれるようにする。このようにすることで写真測量によりイメージを評価するときに、測定ロッドにより与えられた長さの単位を利用して、刻印あるいは押し付けられて跡の付けられた物体の３次元の形状を絶対的な値としてあとから計算できるようになる。
【００３０】
図３には一例として、フットベッドの３次元形状を反映するマーカの疑似３次元表示が描かれており、これによってたとえば３軸カッタを用いたフットベッドの自動製造が可能となる。
【００３１】
本発明によれば、刻印材料に対し写真測量に適するよう以下のようにマークを施すことも可能である。すなわち ＥＰ ０ ７６０ ６２２ に記載されているように、負荷を受ける前にマーキングの施された弾性のカバーにより刻印材料が覆われるようにし、そのカバーをたとえば繊維材料または合成材料によって構成することができる。有利にはこのカバーを刻印材料に密着させ、そのようにして質量体の変形ができるかぎり精確に弾性カバーの変形に伝わるようにする。このようなカバーを使用することによって、刻印形成用質量体とじかに皮膚が接触するときに生じる衛生上の問題が解決される。使い捨て品のようにこのカバーによって、そのつど使用したあとで刻印材料を手間をかけて殺菌する必要がなくなる。
【００３２】
本発明による方法を他の多くの刻印形成用途あるいはモールディングの用途に転用することができが、それらのうちのいくつかを例として挙げておく：
ａ）マーキングされた平坦な可塑性質量体を使用した構造的にフィットした座席表面製造、この場合、可塑性質量体に顧客自身が座り、その後、負荷により変形した顧客の臀部の刻印が残される。
【００３３】
ｂ）本発明に従ってマーキングされた刻印材料の利用による、鼻の付け根部分の刻印により鼻の領域によくフィットしたメガネフレームの製造。
【００３４】
ｃ）本発明に従ってマーキングされた可塑性材料の刻印を製造することによる古美術物体のコピーの製造。
【００３５】
本願明細書および特許請求の範囲で用いられる「物体の３次元形状の検出」および「物体の３次元形状の決定」という用語は、物体のネガティブな形状すなわち物体の刻印ないしは印跡の検出も含まれるような意味で解釈されることを意図している。なぜならば物体のポジティブな形状も結果としてそこから暗黙的に得られるからであり、つまり結果として物体の測定が行われるからである。さらにこれらの用語は、たとえば人間の体の部位である足の一部のように物体の一部分の３次元形状の検出にも係わるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態で用いられる可塑性変形可能な刻印形成質量体を示す図である。
【図２】カメラの配置構成を示す図である。
【図３】図２の刻印から得られたフットベッドの３次元形状を再現するマーカの疑似３次元表示を示す図である。

Claims (24)

1. 物体（３）の３次元形状の検出方法において、
   可塑的に変形可能な質量体（２）を設け、該質量体（２）は写真測量に整合されたマーカ（４）の設けられた少なくとも１つの表面部分（７）を有し、
   該表面部分（７）のところで前記物体（３）を質量体（２）に押し付けて刻印し、該質量体（２）を前記物体（３）の３次元形状に応じて変形させ、
   該物体（３）を変形した質量体（２）から取り除き、
   マーカ（４）の設けられた変形した質量体（２）の複数のイメージをそれぞれ異なる視点から捕捉し、
   写真測量プロセスを用いて該複数のイメージから前記物体（３）の３次元形状を求めることを特徴とする、
   物体の３次元形状の検出方法。
2. 写真測量プロセス中、前記複数のイメージの画像処理を実行し、該処理において前記複数のイメージ内のそれぞれ対応するマーカ（４）を互いに対応づけ、該マーカの対応づけを用いて前記物体（３）の３次元形状を求める、請求項１記載の方法。
3. 質量体の色とは異なる色をもち表面部分（７）の領域で外側から見ることのできる部材を内部に収容した可塑的に変形可能な質量体を設けることにより、写真測量に整合されたマーカの設けられた少なくとも１つの表面部分をもち可塑的に変形可能な質量体を準備する、請求項１または２記載の方法。
4. 質量体の色とは異なる色のマーカを可塑的に変形可能な質量体の表面部分に塗布することにより、写真測量に整合されたマーカの設けられた少なくとも１つの表面部分をもち可塑的に変形可能な質量体を準備する、請求項１または２記載の方法。
5. マーカの設けられた弾性のカバーを可塑的に変形可能な質量体の表面部分に配置することにより、写真測量に整合されたマーカの設けられた少なくとも１つの表面部分をもち可塑的に変形可能な質量体を準備する、請求項１または２記載の方法。
6. 前記マーカはポイントマーカとエリアマーカから成り、該エリアマーカの各々は複数のポイントマーカから成り、該ポイントマーカの背景を成し、光学的特性コンフィギュレーションをもつ、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記複数のイメージの画像処理にあたりまずはじめに、前記光学的特性コンフィギュレーションを用いて複数のイメージ内のそれぞれ対応するエリアマーカを互いに対応づけ、次に該エリアマーカの対応づけを用いて該エリアマーカに含まれ複数のイメージ内でそれぞれ対応するポイントマーカを対応づけ、該ポイントマーカの対応づけを用いて写真測量プロセスにより物体の３次元形状を求める、請求項６記載の方法。
8. 可塑的に変形可能な質量体を該質量体を収容する型（１）内に設ける、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記物体（３）は、負荷を受けたかたちで測定すべき３次元形状をもつ人間のボディ部分である、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記物体（３）は足である、請求項９記載の方法。
11. 前記物体（３）は彫像である、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
12. 可塑的に変形可能に設けられた質量体は可逆的に変形可能な質量体であり、該質量体はイメージを捕捉してしまうと、物体による刻印の前にとっていた元のかたちに戻る、請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
13. 可逆的に変形可能な質量体は熱、光のエネルギーまたは機械的なエネルギーの作用を受けて元のかたちに戻る、請求項１２記載の方法。
14. イメージを取得する前、写真測量に整合されたマーカを押圧する変形可能な質量体の表面部分の隣りに測定ロッドを配置し、該測定ロッドの上に、写真測量に整合された少なくとも２つのマーカを互いに既知の間隔で配置する、請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
15. マーカの設けられた質量体の複数のイメージのうち少なくとも２つのイメージを、捕捉されたイメージ内に前記測定ロッドが含まれるように捕捉する、請求項１４記載の方法。
16. 写真測量用イメージを取得するためのイメージングシステム（５）と、前記イメージを写真測量して物体の３次元形状を決定するためのシステムが設けられている、写真測量により物体の３次元形状を検出する装置において、
    可塑的に変形可能な質量体（２）が設けられており、該質量体（２）は写真測量に整合されたマーカ（４）の設けられた少なくとも１つの表面部分（７）を有することを特徴とする、３次元形状を検出する装置。
17. マーカとして用いるため前記質量体の色とは異なる色の部材が設けられており、該部材は質量体に収容されていて外側から見える、請求項１６記載の装置。
18. マーカとして用いられるカラーマーキングが質量体の表面部分に設けられており、該マーキングは前記質量体の色とは異なる色を有する、請求項１６記載の装置。
19. 弾性のカバーが設けられており、該カバーの上にはマーカが設けられていて、該カバーは前記質量体を表面部分の領域で覆い該質量体と密着する、請求項１６記載の装置。
20. 前記質量体を収容する型（１）が設けられている、請求項１６から１９のいずれか１項記載の装置。
21. 可塑的に変形可能な前記質量体は可逆的に変形可能な質量体である、請求項１６から２０のいずれか１項記載の装置。
22. 可逆的に変形可能な前記質量体は熱、光のエネルギーまたは機械的なエネルギーの作用を受けてもとのかたちに戻るように形成されている、請求項２１記載の装置。
23. 写真測量に整合されており互いに既知の間隔で配置された少なくとも１つの２つのマーカを有する測定ロッドが設けられており、該測定ロッドは変形可能な前記質量体の表面部分の隣りに配置されている、請求項１６から２２のいずれか１項記載の装置。
24. 前記測定ロッドは質量体を収容する型に結合されている、請求項２０または２３記載の装置。