JP2005091115A - 奥行計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 観測地点から計測対象までの奥行値を簡易に計測する。
【解決手段】 パターン投影部１２０は、計測対象２４０に対して、円環パターンを投影する。撮像処理部１１０はこれを撮像して、エッジ点抽出部１３２は、撮像画像から所望のエッジ点を抽出する。このエッジ点の座標をもとに、エッジ間隔計算部１３４は円環パターンの間隔であるエッジ間隔を計算する。奥行計算部１３６は、このエッジ間隔に基づいて、三角測量の原理により、奥行値を計算する。
【選択図】 図７

Description

この発明は奥行計測技術に関し、特に、計測対象にパターン投射することによって奥行を計測する装置に関する。

コンピュータテクノロジーの発達は様々な情報をデジタル化しつつある。ネットワーク技術の進展はデジタル化された情報を結びつけあう。換言すれば、現代は、あらゆる情報がデジタルとの親和性を求められる時代であるといえる。ここでいう情報とはテキスト情報に限られるものではない。たとえば、デジタルカメラは、視覚によって感知される外界の情報を二次元のデジタル画像データに変換する。デジタルカメラの登場により、いまや二次元のデジタル画像データは、文書ファイル作成やインターネット通信において、完全に溶け込んだ感がある。

コンピュータの画像表現力の向上や、ネットワークのブロードバンド化により、三次元デジタルコンテンツを取り扱うための土壌は整いつつある。このような時代背景の中、視覚によって感知される外界の情報を三次元のデジタル画像データに変換する技術が求められている。そのためには、対象を精確かつ簡易に三次元計測する技術を確立することが、重要である。

対象までの距離や対象の形状を測定するための技術である三次元計測技術については様々な方法論が提案されている。代表的なものとしては、レーザービームを対象に投影してできる輝いたスポットを異なった角度からカメラで捉え、スポットの三次元位置を求めるスポット光投影法、スリット光を計測対象に投影し、投影線上の奥行を計測するスリット光投影法、複数のパターン光を計測対象に投影し、パターンの組み合わせにより特徴づけをおこなう空間コード化パターン光投影法などがある。
井口、佐藤著，「三次元画像計測」，昭晃堂，１９９０年，ｐ．２９−５３

上述の代表例として示した三次元計測技術においては、三角測量の原理が応用されるが、そのための計算処理負荷は膨大である。また、これらの方法では、計測対象に対して複数回、光を投影する必要がある。この計測に要する時間をいかに短縮できるかは、実用的な三次元計測技術を確立する上で極めて重要である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易かつ高速に実行できる三次元計測技術を提供することにある。

本発明の奥行計測装置は、観察地点から三次元物体までの奥行を三次元計測するための装置である。この装置は、所定の幅を有する円環状模様を計測対象に投影し、その円環状模様を投影された計測対象を撮像する。そして、撮像した円環状模様を構成する円の円周の間隔であるエッジ間隔を計算して、これをもとに三角測量の原理を応用して奥行値を計算する。

本発明によれば、簡易かつ高速に三次元計測できる。

まず、本発明における奥行計測方法が基づく原理について説明する。

図１は、円環状のパターンを計測対象に投影することにより奥行計測する方法の原理を示す図である。投影部２３０は、円環状のパターンを生成して、計測対象２４０に投影する。被投影パターン２１２は、計測対象２４０の表面に投影された円環状のパターンである。撮像部２２０は、被投影パターン２１２を含む計測対象２４０を撮像する。撮像パターン２１０は、被投影パターン２１２を含む計測対象２４０を撮像することにより取得される円環状のパターンである。

同図の焦点距離ｆは、撮像焦点が存在する位置である撮像焦点位置２０２と、撮像面が存在する位置である撮像位置２０４の距離を示す。撮像位置２０４は、撮像部２２０が計測対象２４０を撮像する位置である。撮像焦点位置２０２は、撮像パターン２１０と投影部２３０が投影する円環パターンにより定まる。焦点距離ｆは、撮像部２２０の設計によって定まる値である。

同図のＬは、撮像焦点位置２０２と投影焦点が存在する位置である投影焦点位置２０６の距離を示す。投影焦点は、投影部２３０が円環状パターンを投影するときの焦点である。Ｌは、撮像部２２０と投影部２３０の位置関係によって定まる値である。同図のＬ_１は、投影焦点位置２０６と計測表面２０８の距離を示す。計測表面２０８は、被投影パターン２１２を含む計測対象２４０の表面である。Ｌ_１は、奥行計測するまでは未知である。

同図の奥行値Ｚは、撮像焦点位置２０２と計測表面２０８の距離を示す。同図において明らかな如く、奥行値Ｚ、Ｌ、Ｌ_１には、Ｚ＝Ｌ＋Ｌ_１の関係が成立する。この奥行値Ｚは、撮像部２２０から計測対象２４０までの距離であり、計測の対象となる値である。

同図のｄ_１は、被投影パターン２１２の円環における内側の円の半径であり、ｘ_１は撮像パターン２１０の円環における内側の円の半径である。これらの値をもとに、奥行値Ｚを求める。同図に示すように、半径ｘ_１、半径ｄ_１、焦点距離ｆ、および奥行値Ｚの間には、ｘ_１：ｄ_１＝ｆ：Ｚの関係が成り立つ。したがって、奥行値Ｚは、
Ｚ＝（ｆ／ｘ_１）・ｄ_１・・・・・（式１）
となる。ここで、所定の定数ｋをｋ＝ｄ_１／Ｌ_１とおくと、
Ｚ＝（ｆ／ｘ_１）・ｋ・Ｌ_１
＝（ｆ／ｘ_１）・ｋ・（Ｚ−Ｌ）・・・・・（式２）
となる。ｋは、投影部２３０の設計によって定まる既知の値である。さらにこの式を奥行値Ｚについて変形すると、
Ｚ＝（（ｆ／ｘ_１）・ｋ・Ｌ）／（（ｆ／ｘ_１）・ｋ−１）
＝（ｆ・ｋ・Ｌ）／（ｆ・ｋ−ｘ_１）・・・・・（式３）
となる。

この式のうち、先述のように、焦点距離ｆ、ｋ、Ｌはそれぞれ撮像部２２０と投影部２３０の設計によって定まる既知の値である。したがって、撮像位置２０４におけるｘ_１を測定することにより奥行値Ｚが求められる。以上の原理を前提として、次に本発明の実施の形態における奥行計測方法について述べる。

第１の実施の形態：
本実施の形態における奥行計測装置は、所定の幅を有する円環状模様を計測対象に投影する投影部と、円環状模様を投影された前記計測対象を撮像する撮像部と、撮像した円環状模様を構成する円の円周上における所望のエッジ点を抽出するエッジ点抽出部と、抽出したエッジ点に基づいて、撮像した円環状模様を構成する円の円周の間隔であるエッジ間隔を計算するエッジ間隔計算部と、計算したエッジ間隔を用い、撮像部から計測対象までの奥行値または投影部から計測対象までの奥行値を三角測量の原理によって計算する奥行計算部を備える。撮像部の撮像面は、計測対象が円環状模様を投影される方向と略同軸上に設けられてもよい。

「円環状模様」とは、二以上の同心円、または、それに準ずる形状の模様をいう。この奥行計測装置は、撮像した円環状模様を構成する円の円周の間隔であるエッジ間隔をもとにして奥行計測を行う。このエッジ間隔を元にした奥行計測方法は、図１に関連して説明した原理をもとにした方法であるが、その具体的な内容については後に詳述する。

エッジ点抽出部は、円環状模様を構成する円環の外側の円周上の点である外周エッジ点と、その外周エッジ点から円環の中心方向に引いた線が円環の内側の円周と交わる点である内周エッジ点とを抽出し、エッジ間隔計算部は、外周エッジ点と内周エッジ点の間の距離をエッジ間隔として計算してもよい。外周エッジ点を抽出した後、内周エッジ点を抽出することによりエッジ間隔を計算してもよいし、内周エッジ点を抽出した後、外周エッジ点を抽出することによりエッジ間隔を計算してもよい。

また、奥行計算部は、抽出した外周エッジ点から撮像部までの距離と、内周エッジ点から撮像部までの距離は同一であると近似して、奥行値を計算してもよい。奥行計算部は、抽出した外周エッジ点から投影部までの距離と、抽出した内周エッジ点から投影部までの距離は同一であると近似して、奥行値を計算してもよい。

後に詳述するが、これらの距離を同一と近似することにより、奥行値の計算が簡易になる。撮像部の撮像精度や計測対象の形状、投影部から計測対象までの距離などによっては、この近似化処理を行っても計測精度を有意に悪化させない場合も多い。むしろ、これによって、奥行値の計算が簡略化されることにより、計測処理全体として高速化されるメリットの方が遙かに大きい場合もある。

円環状模様は、同一のエッジ間隔を有する円環のストライプ模様であってもよい。そして、エッジ点抽出部は、一回の抽出プロセスによって、円環状模様を構成する複数の円の円周上におけるエッジ点を抽出し、エッジ間隔計算部は、一回の計算プロセスによって、抽出したエッジ点に基づき、撮像した円環状模様を構成する複数の円のエッジ間隔を計算し、奥行計算部は、計算したエッジ間隔を用い、一回の計算プロセスによって、複数の奥行値を計算してもよい。

計測対象に対して、半径の異なる２つの同心円により構成される円環パターンを投影して複数回の奥行計測をするよりも、一度に３以上の同心円により構成される円環パターンを投影すれば、一度の投影処理によって計測対象におけるより多く箇所について、奥行値を取得できる。これにより、高速に三次元計測処理を行う上で効果がある。

図２は、奥行計測装置の構成の一例を示す図である。この構成においては、投影部２３０と撮像部２２０は投影軸上に設けられている。通常、三角測量においては、投影焦点と計測対象に投影された点と撮像焦点の三点を頂点とする三角形は、エピボーラ平面と呼ばれる平面上に形成される。しかし、図１に関連して説明したように、本実施の形態における奥行計測装置は、投影部２３０と撮像部２２０を同軸上に配置する。この結果、奥行計測装置を全体としてよりコンパクトに構成し得る。

図３は、奥行計測装置の構成の別例を示す図である。図２に示した構成と異なり、投影部２３０は、ハーフミラー２３２を介して計測対象２４０に円環パターンを投影する。撮像部２２０は、ハーフミラー２３２を通して、計測対象２４０の表面における被投影パターン２１２を撮像する。この構成においては、投影部２３０の筐体が、被投影パターン２１２を撮像する上で邪魔にならないというメリットがある。また、図３において投影部２３０と撮像部２２０を入れ替えて構成してもよい。すなわち、投影部２３０は、ハーフミラー２３２を通して計測対象２４０に円環パターンを投影する。撮像部２２０は、ハーフミラー２３２を介して、計測対象２４０の表面における被投影パターン２１２を撮像する。

図４は、本実施の形態において、投影部２３０が計測対象２４０に投影する円環パターンである投影パターン２１４を示す図である。同図に示すように、この投影パターン２１４は、８つの同心円により構成される。同図に示すように、これらの同心円は、黒色と白色に塗り分けられた４つの円環を構成する。

以下、同図に示す投影パターン２１４を構成する８つの同心円を中心から順に、第１の円、第２の円、・・・・、第８の円とよぶ。第１の円の半径はｒ_１である。第１の円と第２の円によって構成される円環の幅はｒ_２である。すなわち、第２の円の半径はｒ_１＋ｒ_２である。以下、同様である。すなわち、第７の円と第８の円によって構成される円環の幅はｒ_８であり、第８の円の半径は、ｒ_１＋ｒ_２＋・・・＋ｒ_８である。ここで、投影部２３０が計測対象２４０に投影する投影パターン２１４は、ｒ_１＝ｒ_２＝・・・・＝ｒ_８の関係が成り立つように構成される。以下、このｒ_１からｒ_８に等しい値のことをｒとよぶ。なお、この投影パターン２１４を構成する同心円の数やｒの値の大きさは計測対象２４０などに応じてユーザが設定できてもよい。

図５は、撮像部２２０が被投影パターン２１２を撮像した撮像パターン２１０を示す図である。投影部２３０は、図４に示した投影パターン２１４を、計測対象２４０に投影する。計測対象２４０の表面に投影した投影パターン２１４は、その表面上において被投影パターン２１２となる。投影パターン２１４を投影される計測対象２４０の表面形状によっては、被投影パターン２１２は投影パターン２１４に比べて歪みを生じる。したがって、計測対象２４０の表面に投影されている被投影パターン２１２を撮像して得られる撮像パターン２１０は、必ずしも投影パターン２１４ほど正確な同心円になるとは限らない。撮像パターン２１０に対する奥行計測装置の処理を説明するため、同図に示す撮像パターン２１０は複数の歪みのない同心円により構成されている円環パターンであるとする。

同図に示す撮像パターン２１０を構成する８つの同心円は、中心から順に、被投影パターン２１２の第１の円、第２の円、・・・・、第８の円にそれぞれ対応する円である。以下、これらをそれぞれ、第１撮像円、第２撮像円、・・・・、第８撮像円とよぶ。奥行計測装置は、撮像画像からこれらの撮像パターン２１０を構成する各円を抽出する。次に、この抽出した円の円周上における所定の点をエッジ点として抽出する。そのために、まず、第８撮像円の円周上において、エッジ点Ｅ_１の撮像画像における座標を抽出する。そして、このエッジ点Ｅ_１から同心円の中心方向に走査して、第７撮像円の円周と交わるエッジ点Ｅ_２の座標を抽出する。以下、同様にして、Ｅ_１、Ｅ_２、・・・、Ｅ_８の順に、８つのエッジ点の撮像画像における座標を抽出する。なお、同一の円周上において、複数のエッジ点を抽出してもよいことはいうまでもない。

続いて、奥行計測装置は、これらの抽出した各エッジ点の座標をもとに、エッジ間隔を計算する。エッジ間隔とは、撮像パターン２１０を構成する円環の幅をいう。エッジ間隔ｘ_８は、エッジ点Ｅ_１の座標と、エッジ点Ｅ_２の座標をもとに距離計算することにより求めることができる。以下、同様にして、エッジ間隔ｘ_７からエッジ間隔ｘ_２まで計算する。なお、エッジ間隔ｘ_１はエッジ点Ｅ_８の座標と撮像パターン２１０の中心点の座標をもとに計算する。図１に関連して説明したように、これらのエッジ間隔は、撮像焦点位置２０２から計測表面２０８までの奥行値Ｚによって変化する値である。したがって、計測対象２４０が投影軸に対して垂直な平面でなければ、ｘ_１からｘ_８のエッジ間隔も異なる。本実施の形態における奥行計測装置は、このエッジ間隔をもとに対象までの奥行値の計測を行う。続いて、さらにその具体的な方法について述べる。

図６は、投影パターン２１４と被投影パターン２１２の関係を説明するための図である。同図では投影パターン２１４のうち、２つの同心円によって構成される円環パターンに基づいて説明する。焦点距離ｆｐは、投影部２３０の設計により定まる値である。

Ｌ_１：ｄ_１＝ｆｐ：ｒ_１、ｋ＝ｄ_１／Ｌ_１であるので、ｋ＝ｒ_１／ｆｐである。図４に関連して説明したように、ｒ_１＝ｒ_２＝ｒであるから、ｋ＝ｒ／ｆｐとも表される。投影パターン２１４に含まれる第ｎの円についてのｋをｋ_ｎとすると（ｎは自然数）、
ｋ_ｎ＝（ｒ_１＋ｒ_２＋・・・＋ｒ_ｎ）／ｆｐ
となる。ここでｒ_ｎは投影パターン２１４のうち、第ｎの円と第ｎ−１の円によって形成される円環の幅である。ｒ_１＝ｒ_２＝・・・＝ｒ_ｎ＝ｒであるから、
ｋ_ｎ＝（ｎ・ｒ）／ｆｐ＝ｎ・ｋ・・・・（式４）
となる。

式３を変形すると、
ｘ_１＝（ｆ・ｋ・（Ｚ−Ｌ））／Ｚ
であるから、撮像パターン２１０におけるｎ番目のエッジ間隔ｘ_ｎは、
ｘ_ｎ＝（（ｆ・ｋ_ｎ・（Ｚ_ｎ−Ｌ））／Ｚ_ｎ）−（（ｆ・ｋ_ｎ−１・（Ｚ_ｎ−１−Ｌ））／Ｚ_ｎ−１）
と表される。ここで、奥行値Ｚ_ｎは、投影パターン２１４における第ｎの円の円周上の点をもとに計測される奥行値である。被投影パターン２１２を含む計測対象２４０の表面がその投影軸に対して垂直な平面でなければ、奥行値Ｚ_ｎと奥行値Ｚ_ｎ−１は同一値とはならない。しかし、たとえば、ｄ_ｎが充分に小さい場合には、奥行値Ｚ_ｎと奥行値Ｚ_ｎ−１は同一の値であると近似しても計測上、ほとんど差し支えない。

この近似値をＺ_ｎ＝Ｚ_ｎ−１＝Ｚとおくと、
ｘ_ｎ＝（（ｆ・ｋ_ｎ・（Ｚ−Ｌ））／Ｚ）−（（ｆ・ｋ_ｎ−１・（Ｚ−Ｌ））／Ｚ）
であるから、式４により、
ｘ_ｎ＝（ｆ・ｋ・（Ｚ−Ｌ））／Ｚ
となる。これにより、
Ｚ＝（ｆ・ｋ・Ｌ）／（ｆ・ｋ−ｘ_ｎ）・・・・・（式５）
となる。焦点距離ｆ、ｋ、Ｌは既知の値であるから、ｘ_ｎを計測することより奥行値Ｚが求まる。すなわち、投影パターン２１４に含まれる同心円のうち何番目の円を投影したものについて、奥行計測を行っているかを特定する必要がない。したがって、極めてシンプルな計算処理で計測対象までの奥行値を計測できるため、簡易かつ高速な奥行計測が可能となる。特に、投影パターン２１４を構成する同心円の数が多い場合にはその効果が高い。投影パターン２１４の円環の幅であるｒが小さく、撮像画像の解像度が高いほど、精度の高い奥行計測が可能となる。

図７は、本実施の形態における奥行計測装置１００の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

パターン投影部１２０は投影パターン２１４を計測対象２４０に投影する。パターン投影部１２０は投影処理部１２２とパターン生成部１２４を含む。パターン生成部１２４は投影パターン２１４を生成する。たとえば、投影パターン２１４を構成する同心円の数や、円環の幅であるｒを決定する。投影処理部１２２はパターン生成部１２４が生成した投影パターン２１４の投影処理を行う。

撮像処理部１１０は、投影パターン２１４を投影された計測対象２４０を撮像する。撮像処理部１１０は円周線抽出部１１２を含む。奥行計測装置１００が撮像する画像は、被投影パターン２１２を含む計測対象２４０を撮像した画像である。円周線抽出部１１２はこの撮像画像を画像処理して撮像パターン２１０のエッジ線を抽出する。すなわち、図５に示したストライプ状の撮像パターン２１０の各円周のラインを抽出する。

ユーザインタフェース処理部１４２は、ユーザインタフェースに関する処理を担当する。ユーザからの各種の設定操作を取得するとともに、撮像画像や、計算した奥行値などをユーザに表示させる。すなわち、ユーザの操作に関連する入出力処理全般を担当するブロックである。ユーザインタフェース処理部１４２は、これらの計算された奥行値をもとに、計測対象２４０を立体表示してもよい。

データ格納部１５０は、奥行計測装置１００における各種のデータを格納する。データ格納部１５０は、設定格納部１５２および計測結果格納部１５４を含む。設定格納部１５２は、奥行計測装置１００についての各種の設定値を格納する。ここでいう設定値とは、パターン生成部１２４が設定した円環の幅ｒのほか、ｆ、ｋ、Ｌ、ｆｐなど、奥行値Ｚを計算するための前提となる値をいう。計測結果格納部１５４は、計測結果データを格納する。ここでいう計測結果データとは、奥行値Ｚのほか、撮像パターン２１０において抽出されたエッジ点の座標やエッジ間隔の値も含む。

奥行計算処理部１３０は、奥行値の計算に関する処理を担当する。奥行計算処理部１３０は、エッジ点抽出部１３２、エッジ間隔計算部１３４および奥行計算部１３６を含む。エッジ点抽出部１３２は、円周線抽出部１１２が抽出した撮像パターン２１０の円周上においてエッジ点を抽出する。図５に関連して説明したように、撮像パターン２１０のエッジ点Ｅ_１から同心円の中心に向かって、順次、Ｅ_２、Ｅ_３、・・・・、Ｅ_８の各座標を抽出する。なお、撮像パターン２１０を構成する円の円周上において複数のエッジ点を抽出してもよい。エッジ点抽出部１３２は、これらの抽出したエッジ点の座標を計測結果格納部１５４に格納する。エッジ間隔計算部１３４は、エッジ点抽出部１３２が抽出したこれらのエッジ点の座標をもとに、図５のｘ_１からｘ_８に示したエッジ間隔を計算する。エッジ間隔計算部１３４は、これらの計算したエッジ間隔の値を計測結果格納部１５４に格納する。奥行計算部１３６は、エッジ間隔計算部１３４が計算したエッジ間隔をもとに、式５に示した計算式によってこれらの奥行値を計算する。奥行計算部１３６は、これらの計算した奥行値を計測結果格納部１５４に格納する。

図８は、奥行計測装置１００が計測対象２４０に投影パターン２１４を投影して、奥行値を計算するまでの処理過程を示すフローチャートである。まず、パターン投影部１２０は、パターン生成部１２４が生成した投影パターン２１４を計測対象２４０に投影する（Ｓ１０）。撮像処理部１１０は、被投影パターン２１２を含む計測対象２４０を撮像し（Ｓ１２）、円周線抽出部１１２は撮像画像を画像処理して撮像パターン２１０の円周線を抽出する（Ｓ１４）。エッジ点抽出部１３２は、図５に関連して説明したように、まず、撮像パターン２１０から、第８撮像円の円周上においてエッジ点Ｅ_１の撮像画像における座標を抽出する（Ｓ１６）。つぎに、撮像パターン２１０から、第７撮像円の円周上においてエッジ点Ｅ_２の座標を抽出する（Ｓ１８）。撮像パターン２１０を構成する円のうち、第８撮像円と第７撮像円に対応して構成される円環については、エッジ点Ｅ_１が外周エッジ点であり、エッジ点Ｅ_２が内周エッジ点となる。

エッジ間隔計算部１３４は、この抽出したエッジ点Ｅ_１とエッジ点Ｅ_２の座標をもとに、エッジ間隔ｘ_８を計算する（Ｓ２０）。奥行計算部１３６は、設定格納部１５２に格納された各種の設定値と、エッジ間隔ｘ_８により、奥行値Ｚを計算する（Ｓ２２）。更にエッジ点を抽出して奥行値を計算する場合には（Ｓ２４のＹ）、処理はＳ１６に戻る。所望の奥行値をすべて計算した場合には（Ｓ２４のＮ）、処理は完了する。

以上、実施の形態１によれば、三次元計測を簡易に行うことができる。とくに、複数の同心円によって構成される円環パターンを計測対象に投影することにより、一回の投影で面計測できるため、高速に三次元計測できる。また、撮像装置とプロジェクタを投影軸の同軸上に設置できるので、奥行計測装置全体をコンパクトに構成できる。また、投影する円環パターンを構成する同心円の円周上のいずれの点も、中心点からの距離が等しいので、投影するパターン上のいずれの点についても奥行値を計算しやすい。さらに、計測対象が複雑な形状である場合や、投影する円環パターンを構成する同心円の数が多い場合であっても、円環のエッジ間隔によって面計測ができるため、奥行値を計算する上での計算処理が簡易になる。

第２の実施の形態：
本発明の別の態様も奥行計測装置である。この装置は、円状模様を計測対象に投影する投影部と、計測対象が円状模様を投影される方向と略同軸上に撮像面を設け、円状模様を投影された前記計測対象を撮像する撮像部と、撮像した円状模様を構成する円の円周上における所望のエッジ点を抽出するエッジ点抽出部と、抽出したエッジ点について、三角測量の原理によって撮像部から計測対象までの奥行値または投影部から計測対象までの奥行値を計算する奥行計算部を備える。

「円状模様」とは、円、円環、または、これに準ずる形状をいう。ここに示す態様の奥行計測装置は、図１に関連して説明した三角測量の原理をそのまま応用して、式３に示した計算式により、奥行値Ｚを計測する。この計測方法の場合には、ｘ_１とｄ_１、すなわち撮像パターン２１０と被投影パターン２１２の半径の値に基づいて奥行値の計測を行っている。したがって、投影パターン２１４は、必ずしも円環パターンである必要はなく、円パターンであってもよい。投影パターン２１４が複数の同心円によって構成される円環パターンである場合には、一回の投影で更に多くの箇所における奥行値を計算できる。その際には、撮像パターン２１０が含む複数の同心円の円周上において所定のエッジ点を抽出したとき、計測対象２４０に投影した被投影パターン２１２に含まれる複数の同心円のいずれの点に対応するかを特定する必要がある。装置の構成は図２や図３に示した構成と同様である。

図９は、奥行計測装置１００が計測対象２４０に投影パターン２１４を投影して、奥行値を計算するまでの処理過程を示すフローチャートである。まず、奥行計測装置１００は、投影パターン２１４を計測対象２４０に投影する（Ｓ３０）。被投影パターン２１２を含む計測対象２４０を撮像し（Ｓ３２）、撮像画像を画像処理して撮像パターン２１０の円周線を抽出する（Ｓ３４）。投影パターン２１４が複数の同心円によって構成される円環パターンである場合には、エッジ点を抽出すべき円周線が、被投影パターン２１２を構成する円のいずれに対応するかを既知の方法により特定する（Ｓ３６）。そして、所望のエッジ点を抽出する（Ｓ３８）。

奥行計測装置１００は、抽出したエッジ点の座標について、奥行値を計算する（Ｓ４０）。更にエッジ点を抽出して奥行値を計算する場合には（Ｓ４２のＹ）、処理はＳ３６に戻る。所望の奥行値をすべて計算した場合には（Ｓ４２のＮ）、処理は完了する。

Ｓ３６におけるパターンの特定方法としては、既知の方法である空間コード化パターン光投影法に基づき、複数の空間コードを投影して、パターンの特定を行ってもよい。あるいは、複数の同心円によって構成される円環を異なる色彩に分けて、識別しやすくなるように処置してもよい。

以上、実施の形態２によれば、３次元計測を簡易に行うことができる。とくに、複数の同心円によって構成される円環模様を計測対象に投影することにより、一回の投影で面計測できるため、高速に計測できる。また、撮像部２２０と投影部２３０を投影軸の同軸上に設置できるので、奥行計測装置全体をコンパクトに構成できる。また、投影する円環パターンを構成する円の円周上のいずれの点をエッジ点としても、中心点からの距離が等しいので、投影パターンに基づく差異が生ぜず、奥行値を計算する上での計算負担が軽減される。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。

そうした変形例として、投影部２３０やハーフミラー２３２を投影軸に沿って可動させることにより、Ｌの値を調整できてもよい。また、それにともなって、投影する円環の半径を調整してもよい。また、同様の目的のため、投影部２３０が円環状模様を投影する際のスリットを調整してもよい。

実施の形態１に示した方法と、実施の形態２に示した方法は併用してもよい。たとえば、計測対象を実施の形態１に示した方法によって高速に奥行値を計測した後、実施の形態２に示した方法によって精査することにより、奥行値の計測を行ってもよい。

円環状のパターンを計測対象に投影することにより奥行計測する方法の原理について説明するための図である。 本実施の形態における奥行計測装置の構成の一例を示す図である。 本実施の形態における奥行計測装置の構成の別例を示す図である。 投影パターンを示す図である。 撮像パターンを示す図である。 投影パターンと被投影パターンの関係を説明するための図である。 奥行計測装置の機能ブロック図である 実施の形態１における奥行値を計算するまでの処理過程を示すフローチャートである。 実施の形態２における奥行値を計算するまでの処理過程を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 奥行計測装置、１１０ 撮像処理部、１２０ パターン投影部、１２２ 投影処理部、１３０ 奥行計算処理部、１３２ エッジ点抽出部、１３４ エッジ間隔計算部、１３６ 奥行計算部、１４２ ユーザインタフェース処理部、１５０ データ格納部、２１０ 撮像パターン、２１２ 被投影パターン、２１４ 投影パターン、２２０ 撮像部、２３０ 投影部、２３２ ハーフミラー、２４０ 計測対象。

Claims (8)

1. 所定の幅を有する円環状模様を計測対象に投影する投影部と、
   前記円環状模様を投影された前記計測対象を撮像する撮像部と、
   前記撮像した円環状模様を構成する円の円周上における所望のエッジ点を抽出するエッジ点抽出部と、
   前記抽出したエッジ点に基づいて、前記撮像した円環状模様を構成する円の円周の間隔であるエッジ間隔を計算するエッジ間隔計算部と、
   前記計算したエッジ間隔を用い、前記撮像部から前記計測対象までの奥行値または前記投影部から前記計測対象までの奥行値を三角測量の原理によって計算する奥行計算部と、
   を備えることを特徴とする奥行計測装置。
2. 前記撮像部の撮像面は、前記計測対象が前記円環状模様を投影される方向と略同軸上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の奥行計測装置。
3. 前記エッジ点抽出部は、前記円環状模様を構成する円環の外側の円周上の点である外周エッジ点と、前記外周エッジ点から前記円環の中心方向に引いた線が前記円環の内側の円周と交わる点である内周エッジ点とを抽出し、
   前記エッジ間隔計算部は、前記外周エッジ点と前記内周エッジ点の間の距離を前記エッジ間隔として計算することを特徴とする請求項１または２に記載の奥行計測装置。
4. 前記奥行計算部は、前記抽出した外周エッジ点から前記撮像部までの距離と、前記抽出した内周エッジ点から前記撮像部までの距離は同一であると近似して、前記奥行値を計算することを特徴とする請求項３に記載の奥行計測装置。
5. 前記奥行計算部は、前記抽出した外周エッジ点から前記投影部までの距離と、前記抽出した内周エッジ点から前記投影部までの距離は同一であると近似して、前記奥行値を計算することを特徴とする請求項３に記載の奥行計測装置。
6. 前記円環状模様は、同一のエッジ間隔を有する円環のストライプ模様であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の奥行計測装置。
7. 前記エッジ点抽出部は、一回の抽出プロセスによって、前記円環状模様を構成する複数の円の円周上におけるエッジ点を抽出し、
   前記エッジ間隔計算部は、一回の計算プロセスによって、前記抽出したエッジ点に基づき、前記撮像した円環状模様を構成する複数の円のエッジ間隔を計算し、
   前記奥行計算部は、前記計算したエッジ間隔を用い、一回の計算プロセスによって、複数の奥行値を計算することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の奥行計測装置。
8. 円状模様を計測対象に投影する投影部と、
   前記計測対象が前記円状模様を投影される方向と略同軸上に撮像面を設け、前記円状模様を投影された前記計測対象を撮像する撮像部と、
   前記撮像した円状模様を構成する円の円周上における所望のエッジ点を抽出するエッジ点抽出部と、
   前記抽出したエッジ点について、三角測量の原理によって前記撮像部から前記計測対象までの奥行値または前記投影部から前記計測対象までの奥行値を計算する奥行計算部と、
   を備えることを特徴とする奥行計測装置。

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