JP2005114642A - 立体物形成システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 動的な物体であっても、これを簡単且つ迅速に撮影して、前記物体に対応する立体物を得ることができる立体物形成システムおよび方法の提供を目的としている。
【解決手段】 本発明の立体物形成システム１は、撮影対象物２に所定のパターンを投影する投影手段４，６と、撮影対象物２の周囲の異なる複数の位置に固定され且つその固定された位置で撮影対象物２を前記パターンと共に撮影するカメラ１２と、カメラ１２によって撮影された撮影対象物２と前記パターンとから、撮影対象物２の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて撮影対象物２の３次元画像データを形成する演算制御部１４と、演算制御部１４によって形成された前記３次元画像データに基づいて撮影対象物２に対応する立体物を形成する立体物形成装置１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮影対象物に対応する立体物（例えば複製物）を得るための立体物形成システムおよび方法に関する。

従来、物体の２次元的な表示から物体の表面上における任意の点の３次元的な位置を計算するために利用できる幾つかの機構がある（例えば、特許文献１〜特許文献４参照）。これらの機構は、建築、工業デザイン、考古学、生物学、医学、地質学などにおける様々な要求のために３次元データを供給することができる。

３次元データを得るための前記機構は、例えば、回転台上の物体をレーザ自動読取りによって読み取ると共に、物体の距離を測定することにより、３次元データを得る。また、前記機構は、例えば、物体のシルエット写真表示を取得し、これを演算によってレンダリングすることにより、３Ｄメッシュおよび所定の輪郭を得る。

米国特許第５，３２９，３８１号 米国特許第６，５６３，４９９号 特表２００２−５０１６５０号公報 特開２００１−５２１９４号公報

ところで、３次元データを得る前記機構は、一般に、回転台上で物体を回転させたり、あるいは、物体の周囲をカメラが回転するなど、３次元データを取得するまでにある程度の時間を必要とする。そのため、物体は、その時間の間、静止している必要がある。

しかしながら、撮影対象物が動的な物体（例えば、所定の時間静止させておくことが困難な人や動物等）である場合、これを所定時間静止させておくことが困難な場合がある。

また、最近では、ワールドワイドウェブおよびインターネット上で３次元的な表示を利用する要求が高まっており、３次元データの利用形態も多様化してきている。特に、物体の３次元データを利用して、その物体を模した立体物を得たいという要求が高い。

本発明は前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、動的な物体であっても、これを簡単且つ迅速に撮影して、前記物体に対応する立体物を得ることができる立体物形成システムおよび方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、立体物形成システムであり、撮影対象物に所定のパターンを投影する少なくとも１つの投影手段と、前記撮影対象物の周囲の異なる複数の位置に固定されると共に、その固定された位置で前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影する複数の撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された前記撮影対象物と前記パターンとから、前記撮影対象物の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて前記撮影対象物の３次元画像データを形成する演算手段と、前記演算手段によって形成された前記３次元画像データに基づいて、前記撮影対象物に対応する立体物を形成する立体物形成手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記投影手段は、光源と、この光源と前記撮影対象物との間に配置され且つ前記パターンを形成するパターン形成体とから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記撮影手段は、光源と、前記前記パターンを形成するパターン形成体とを組み込んだユニットから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする。

請求項４に記載された発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記パターンは、メッシュ状、点状、または、線状を成していることを特徴とする。

請求項５に記載された発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発明において、複数の前記撮影手段は、ほぼ同時に、前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影することを特徴とする。

請求項６に記載された発明は、立体物形成方法であり、撮影対象物に所定のパターンを投影する少なくとも１つの投影手段と、前記撮影対象物の周囲の異なる複数の位置に固定されると共に、その固定された位置で前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影する複数の撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された前記撮影対象物と前記パターンとから、前記撮影対象物の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて前記撮影対象物の３次元画像データを形成する演算手段と、前記演算手段によって形成された前記３次元画像データに基づいて、前記撮影対象物に対応する立体物を形成する立体物形成手段とを備えていることを特徴とする。

請求項７に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記投影手段は、光源と、この光源と前記撮影対象物との間に配置され且つ前記パターンを形成するパターン形成体とから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする。

請求項８に記載された発明は、請求項６に記載された発明において、前記撮影手段は、光源と、前記前記パターンを形成するパターン形成体とを組み込んだユニットから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする。

請求項９に記載された発明は、請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の発明において、前記パターンは、メッシュ状、点状、または、線状を成していることを特徴とする。

請求項１０に記載された発明は、請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の発明において、複数の前記撮影手段は、ほぼ同時に、前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影することを特徴とする。

請求項１に記載された発明によれば、前記撮影対象物の３次元データの取得に必須の所定のパターンを前記撮影対象物自体に投影し、複数の前記撮影手段がその固定された位置で撮影対象物および前記パターンを同時に撮影するため、前記撮影対象物が動的な物体であっても、これを簡単且つ迅速に撮影して、前記撮影対象物に対応する立体物を簡単に得ることができる。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載された発明と同様の作用効果を得ることができると共に、前記撮影対象物の３次元データの取得に必須の所定のパターンを前記撮影対象物に対して簡単に投影することができる。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１に記載された発明と同様の作用効果を得ることができると共に、前記撮影対象物の３次元データの取得に必須の所定のパターンを前記撮影対象物に対して簡単に投影することができる。また、前記撮影手段がユニット化されているため、システム構造を簡略化できる。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明と同様の作用効果を得ることができると共に、前記撮影手段によって撮影した２次元的な表示から、前記撮影対象物の表面上の所定の複数の点の３次元座標を簡単且つ効率的に演算することができる。

請求項５に記載された発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発明と同様の作用効果を得ることができると共に、前記撮影対象物をほぼ瞬間的に撮影して、前記撮影対象物に対応する立体物を迅速に形成することができる。

なお、本発明では、前記請求項１ないし請求項５に対応する立体物形成方法も提供される。したがって、これらの方法によれば、前記請求項１ないし請求項５に記載された発明と同様の作用効果を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る立体物形成システム１が概略的に示されている。図示のように、本実施形態の立体物形成システム１は、物や人等の撮影対象物２に所定のパターンを投影する投影手段を備えている。この投影手段は、光源４と、光源４と撮影対象物２との間に配置されたマスク等のパターン形成体６とから成る。

パターン形成体６は、例えば、図２に示されるメッシュ状のパターン、または、図３に示される点状のパターン、または、図４に示される線状のパターンを有している。また、光源４は、レーザ光等の光をパターン形成体６を介して撮影対象物２に照射することにより、所定のパターンを撮影対象物２の表面上に投影する。照射される光は、可視光スペクトル内の波長、可視光以外の波長。または、可視光の波長と可視光以外の波長との組み合わせであっても良い。

本実施形態では、後述する全てのカメラ１２が撮影対象物２上の前記パターンを撮影することができるように、前記投影手段が撮影対象物２の周囲の複数箇所に設置されている。また、図１では、光源４とパターン形成体６とが別体を成して離間して配置されているが、前記撮影手段は、光源４とパターン形成体５とを組み込んだ１つのユニットとして構成されていることが望ましい。

また、立体物形成システム１は、撮影対象物２の周囲の異なる複数の位置に固定された撮影手段としての複数のデジタルカメラ１２を備えている。これらのカメラ１２は、例えば、撮影対象物２の全周にわたり、所定の等しい角度間隔で離間配置されている。また、各カメラ１２は、その固定された位置で且つその対応する撮影領域（所定の視野角度の撮影領域）で、撮影対象物２を前記パターンと共に撮影する。この場合、迅速に撮影を行なうため、複数のカメラ１２がほぼ同時に撮影対象物２および前記パターンを撮影することが望ましい。

また、各カメラ１２は、演算制御部１４に電気的に接続されている。この演算制御部１４は、前記投影手段およびカメラ１２の動作を制御すると共に、各カメラ１２によって撮影された撮影対象物２と前記パターンとから、撮影対象物２の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて撮影対象物２の３次元画像データを形成する。

即ち、図２〜図４に示すように、撮影対象物２の表面上に投影されたメッシュ（図２）、縞模様（図３）、ドット（図４）における各任意の点Ａ，Ｂ・・を三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のデータとして特定する。このような三次元座標を撮影対象物２の３６０度に亘る全周囲についておこない、各点の座標データを撮影対象物２の三次元座標データとする。

また、演算制御部１４には、ＣＮＣ工作機械等の立体物成形装置１６が電気的に接続されている。この立体物成形装置１６は、演算制御部１４によって形成された前記３次元画像データに基づいて、撮影対象物２に対応する立体物を形成する。

なお、上記構成の立体物形成システム１は、その搬送および設置が容易となるように、例えば図５に示されるべく、ドーム状のハウジング内に一体で収容され、１つのユニットを構成することが望ましい。

このように、本実施形態の立体物形成システム１は、ドットパターンや、帯状または縞状のパターン等を形成する投影手段を使用して、撮影対象物２の周囲から得られた写真画像のセットから、３Ｄ領域（身体の立体部分等）を形成する。すなわち、複数の画像を使用すると共に、コンピュータ内で画像位置を相互計算し、これにより、撮影対象物２の３次元イメージングおよびモデリングを行なって、肖像等の立体物を得ることができる。

また、具体的に、本実施形態では、撮影対象物２の周囲の複数の写真画像から３Ｄマップまたは３Ｄメッシュを形成する。周囲の複数の写真画像は、前述したように、撮影対象物２の周囲の既知の位置に配置された複数のカメラ１２によって撮影される。撮影対象物２には所定のパターンが投影され、このパターンは、その後、写真画像上で複数のピクセル位置を確定するために使用される。また、これらのピクセル位置は、演算制御部１４で３次元座標に変換される。更に、３次元座標は、アニメーションまたはファイルフォーマットを形成するために使用される。そして、これらのアニメーションまたはファイルフォーマットは、撮影対象物２の肖像等の再現に使用することができる。

本実施形態の立体物形成システム１の特徴の１つは、前記パターンを撮影対象物２上に投影し、カメラ１２によって得られた複数の写真画像上に前記パターンを出現させることである。このようなパターンは、一連の交互の明暗コントラスト領域または高低コントラスト領域として、撮影対象物２上に形成されても良い。

各投影手段においては、色またはグレースケール値の組み合わせを実現することにより、一方の投影手段のパターンが他方の投影手段のパターンと一致または重なり合う投影領域の端部で、異なる色またはグレースケール値が画像パターンの相違を与えるべく、パターンを構成することもできる。このようなパターンは、撮影対象物２上に投影されると、撮影対象物２の形状に適合するように歪曲する。

また、前記パターンは、一般に、端部の交点すなわち各明暗領域の中心を示す点に分解される。これにより、仮想メッシュを形成する一組のデータポイントが形成される。前記仮想メッシュは、ファイル形式で記憶され、あるいは、データベース内に記憶され、３Ｄ表示のために調整される。例えば、ＴＩＦＦ、ＸＭＬ、または、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標と関連付けられるリレーショナル・データベース（Ｚは深さ（奥行き））を使用してデータを記憶することができる。物体は３次元であるため、各Ｘ，Ｙ座標毎に、複数のＺ座標が存在する。

各位置毎に記憶されるデータは、グレースケール、黒／白、ＲＧＢであっても良く、あるいは、これら又はこれらの構成要素を任意に組み合わせることにより、テクスチャまたは解像度を高めても良い。

記憶されたデータメッシュは、その後、一連の別個の複数の点から表面を形成する標準的な方法であるカーブフィッテイングアルゴリズムおよびポリゴナルフィッティング技術を使用することにより、フル３Ｄモデルにレンダリングされる。

３Ｄモデルは、その後、アニメーション、マッピング、モーフィングを含む、３Ｄ物体（３Ｄオブジェクト）表示を必要とする任意の多数のアプリケーションで使用できるファイル形式として記憶される。３Ｄマップを調整して改善することにより、特定の目的のための表示を形成することができる。例えば、考古学研究のために人間の頭蓋骨の３Ｄマップを形成し、この上に皮膚層および筋肉を加え、生前に近い状態の人間の立体像を再現することができる。また、材料形成装置（本実施形態では、立体物成形装置１６）への供給データとして３Ｄモデルを使用することもできる。この場合、３Ｄモデルは、オリジナルの物体の肖像を形成することができる。

また、本実施形態において、演算制御部１４は、各カメラ１２のダウンロードポートを介して、カメラ１２によって撮影された写真データをコンピュータ制御で引き込む。また、演算制御部１４は、撮影画像を、コンピュータ制御により、撮影画像上の前記パターンの端部位置または中心位置を示す点構造またはメッシュにレンダリングする。また、演算制御部１４は、各点の相対的な奥行き（深さ）をコンピュータ制御で演算して、撮影対象物２において同じ位置を示す点同士間の相対距離を与える。更に、演算制御部１４は、ｘデータ（左右）、ｙデータ（上下）、ｚデータ（奥行き）の全てをコンピュータ制御で収集し、後にいつでも読み出すことができるファイルフォーマットまたはデータベースフォーマットを形成する。この場合、ファイルフォーマットまたはデータベースフォーマットは、これを材料形成装置（立体物成形装置１６）が直接に使用して複製品を形成できるように構成されることが好ましい。また、ファイルフォーマットまたはデータベースフォーマットは、材料形成装置によって使用される前にデータ性能を高めるべく特定の態様で調整できるように構成されることが好ましい。更に、ファイルフォーマットまたはデータベースフォーマットは、アニメーション形成に使用できるように構成されていることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の立体物形成システム１は、撮影対象物２に所定のパターンを投影する少なくとも１つの投影手段４，６と、撮影対象物２の周囲の異なる複数の位置に固定されると共に、その固定された位置で撮影対象物２を前記パターンと共に撮影する撮影手段としての複数のカメラ１２と、カメラ１２によって撮影された撮影対象物２と前記パターンとから、撮影対象物２の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて撮影対象物２の３次元画像データを形成する演算手段としての演算制御部１４と、演算制御部１４によって形成された前記３次元画像データに基づいて、撮影対象物２に対応する立体物を形成する立体物形成手段としての立体物形成装置１６とを備えている。

したがって、このような構成によれば、撮影対象物２の３次元データの取得に必須の所定のパターンを撮影対象物２自体に投影し、複数のカメラ１２がその固定された位置で撮影対象物２および前記パターンを同時に撮影するため、撮影対象物２が動的な物体であっても、これを簡単且つ迅速に撮影して、撮影対象物２に対応する立体物を簡単に得ることができる。

本実施形態の立体物形成システムおよび方法は、建築、工業デザイン、考古学、生物学、医学、地質学などにおける様々な要求のために３次元データを供給してその立体物を形成するために使用できる。また、人物の銅像、車や家の鍵を簡単に撮影してその複製物を形成することもできる。

本発明の一実施形態に係る立体物形成システムの概略構成図である。 撮影対象物に投影されるメッシュパターンの一例を示す図である。 撮影対象物に投影されるドットパターンの一例を示す図である。 撮影対象物に投影される線状パターンの一例を示す図である。 図１の立体物形成システムがドーム状のユニットとして構成された一例を示す図である。

符号の説明

１ 立体物形成システム
２ 撮影対象物
４ 光源（投影手段）
６ パターン形成体（投影手段）
１２ カメラ（撮影手段）
１４ 演算制御部（演算手段）
１６ 立体物形成装置（立体物形成手段）

Claims (10)

1. 撮影対象物に所定のパターンを投影する少なくとも１つの投影手段と、
   前記撮影対象物の周囲の異なる複数の位置に固定されると共に、その固定された位置で前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影する複数の撮影手段と、
   前記撮影手段によって撮影された前記撮影対象物と前記パターンとから、前記撮影対象物の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて前記撮影対象物の３次元画像データを形成する演算手段と、
   前記演算手段によって形成された前記３次元画像データに基づいて、前記撮影対象物に対応する立体物を形成する立体物形成手段と、
   を備えていることを特徴とする立体物形成システム。
2. 前記投影手段は、光源と、この光源と前記撮影対象物との間に配置され且つ前記パターンを形成するパターン形成体とから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする請求項１に記載の立体物形成システム。
3. 前記撮影手段は、光源と、前記パターンを形成するパターン形成体とを組み込んだユニットから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする請求項１に記載の立体物形成システム。
4. 前記パターンは、メッシュ状、点状、または、線状を成していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の立体物形成システム。
5. 複数の前記撮影手段は、ほぼ同時に、前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の立体物形成システム。
6. 少なくとも１つの投影手段によって、撮影対象物に所定のパターンを投影し、
   前記撮影対象物の周囲の異なる複数の位置に固定された複数の撮影手段によって、前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影し、
   前記撮影手段によって撮影された前記撮影対象物と前記パターンとから、前記撮影対象物の表面上の所定の複数の点の３次元座標を演算し、この演算結果に基づいて前記撮影対象物の３次元画像データを形成し、
   前記演算手段によって形成された前記３次元画像データに基づいて、前記撮影対象物に対応する立体物を形成することを特徴とする立体物形成方法。
7. 前記投影手段は、光源と、この光源と前記撮影対象物との間に配置され且つ前記パターンを形成するパターン形成体とから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする請求項６に記載の立体物形成方法。
8. 前記撮影手段は、光源と、前記パターンを形成するパターン形成体とを組み込んだユニットから成り、前記光源からの光を前記パターン形成体を介して前記撮影対象物に照射することにより、前記パターンを前記撮影対象物の表面上に投影することを特徴とする請求項６に記載の立体物形成方法。
9. 前記パターンは、メッシュ状、点状、または、線状を成していることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の立体物形成方法。
10. 複数の前記撮影手段は、ほぼ同時に、前記撮影対象物を前記パターンと共に撮影することを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の立体物形成方法。
    
    

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