JP2006064556A - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元形状測定装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus.
被検体表面の3次元形状を測定する方法のひとつに格子パターン投影法がある。格子パターン投影法は物体表面上に縞パターンを投影し、その投影パターン画像の変形量、つまり横ずれ量から三角測量の原理により物体表面形状を求める技術である。 One method for measuring the three-dimensional shape of the subject surface is a lattice pattern projection method. The grid pattern projection method is a technique for projecting a fringe pattern on the object surface and obtaining the object surface shape from the deformation amount of the projection pattern image, that is, the lateral shift amount, by the principle of triangulation.
この原理を用いた計測を更に簡便なものにするために、(例えば、特許文献1に開示されるように)位相シフト法が用いられる。これは投影する格子パターンの位相を順次変化させて撮像した画像データを基にその初期位相分布を演算で求める方法である。 In order to make measurement using this principle easier, a phase shift method is used (for example, as disclosed in Patent Document 1). This is a method of obtaining the initial phase distribution by calculation based on image data picked up by sequentially changing the phase of the projected grating pattern.
得られるパターンの変形画像を式で表すとI(x、y)=a(x、y)+b(x、y)cos(2πfx+φ(x、y))となる。ここに、I(x、y)は座標(x、y)での画像の輝度を表す。a(x、y)はバイアス成分、b(x、y)はパターンの振幅成分である。fはパターンの空間周波数であり、φ(x、y)が求めるべき位相である。パターンをπ/2ずつX方向へシフトして得られた画像は、Ii(x、y)=a(x、y)+b(x、y)cos(2πfx+φ(x、y)+πi/2)(i=0、1、2、3)で表される。これらの式からφ(x、y)=Arctan((I1(x、y)−I3(x、y))/(I0(x、y)−I2(x、y)))として位相を求めることができる。 When a deformed image of the obtained pattern is expressed by an equation, I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos (2πfx + φ (x, y)). Here, I (x, y) represents the luminance of the image at the coordinates (x, y). a (x, y) is a bias component, and b (x, y) is an amplitude component of the pattern. f is a spatial frequency of the pattern, and φ (x, y) is a phase to be obtained. An image obtained by shifting the pattern by π / 2 in the X direction is Ii (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos (2πfx + φ (x, y) + πi / 2) ( i = 0, 1, 2, 3). From these equations, the phase is obtained as φ (x, y) = Arctan ((I1 (x, y) −I3 (x, y)) / (I0 (x, y) −I2 (x, y))). Can do.
位相φ(x、y)は、Arctan関数を使用して求められるので−π〜πの値に折り畳まれた不連続な値となる。そこで、φ(x、y)の値に2nπ(nは整数)を加算又は減算をして位相分布が滑らかに変化するような処理、つまり位相接続処理(アンラッピング処理)を行い、連続した初期位相分布φ’(x、y)を求める。位相接続処理の従来技術としては、例えば、特許文献2等がある。このようにして求めた、連続した位相分布φ’(x、y)より、三角測量の原理を用いて高さへの変換が行われ、測定物体の高さ形状分布H(x、y)が求められる(特許文献1参照)。
Since the phase φ (x, y) is obtained using the Arctan function, the phase φ (x, y) is a discontinuous value folded to a value of −π to π. Therefore, a process for smoothly changing the phase distribution by adding or subtracting 2nπ (n is an integer) to the value of φ (x, y), that is, a phase connection process (unwrapping process) is performed, and a continuous initial process is performed. A phase distribution φ ′ (x, y) is obtained. As a prior art of the phase connection process, for example, there is
格子パターンの位相を変化させる方法としては、機械的な駆動(1軸の移動ステージ等)により投影するパターンを横方向にずらしながら投影する方法が一般的であるが、中には、特許文献3に開示されるような液晶デバイスを利用する方法も提案されている。この例では、パターンメモリに記憶されたパターンを液晶ドライバを介して投影プロジェクタ内部の液晶に表示させ被検体に投影する。液晶に表示させるパターンを変化させることで投影するパターンの位相シフトを行うため、機械的な駆動により位相シフトを行う場合に比べ、高速な位相シフトが可能で測定のタクトタイムが向上できる。 As a method of changing the phase of the grating pattern, a method of projecting a pattern to be projected while being shifted in the horizontal direction by a mechanical drive (single-axis moving stage or the like) is generally used. There is also proposed a method using a liquid crystal device as disclosed in the above. In this example, the pattern stored in the pattern memory is displayed on the liquid crystal inside the projection projector via the liquid crystal driver and projected onto the subject. Since the phase of the pattern to be projected is changed by changing the pattern to be displayed on the liquid crystal, the phase shift can be performed at a higher speed and the tact time of measurement can be improved as compared with the case of performing the phase shift by mechanical driving.
その他に、液晶による位相シフトの技術を開示した従来技術には、特許文献4、5がある。
上記のような液晶プロジェクタによるパターン投影を行う装置では、パターンを表示させるための専用の液晶ドライバ、又はドライバ内部の専用ファームウェアが必要である。
このような装置に特化した専用のハードウェア又はファームウェア構成では、装置の大型化、装置価格が高価になるという問題がある。
In the apparatus for pattern projection by the liquid crystal projector as described above, a dedicated liquid crystal driver for displaying a pattern or dedicated firmware in the driver is required.
In the dedicated hardware or firmware configuration specialized for such a device, there is a problem that the device becomes large and the device price becomes expensive.
本発明の課題は、持ち運びも容易で、安価な3次元形状測定装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an inexpensive three-dimensional shape measuring apparatus that is easy to carry.
本発明の3次元形状測定装置は、パターンを被検体に投影し、該パターンの変形量から被検体の3次元形状を測定する3次元形状測定装置であって、画像を表示する表示画面と、パターンを該表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御手段と、該制御手段が該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影する投影手段と、該投影されたパターンを撮像する撮像手段とを備えることを特徴とする。 A three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus that projects a pattern onto a subject and measures the three-dimensional shape of the subject from the deformation amount of the pattern, a display screen for displaying an image, Control means for displaying a pattern on the display screen and changing the pattern to be displayed as necessary, projection means for projecting the pattern displayed on the display screen by the control means onto the subject, and the projected An image pickup means for picking up an image of the pattern is provided.
本発明によれば、安価な3次元形状測定装置を提供することができる。 According to the present invention, an inexpensive three-dimensional shape measuring apparatus can be provided.
図1は、本発明の実施形態に従った3次元形状測定装置の概略構成を示す図である。
3次元形状測定装置は、パーソナルコンピュータ(以下、PC)本体1と、PC本体1から出力される画面を映し出すPCモニタ2と、PC本体1に指示を出すためのキーボード、マウスといった指示装置3と、PC本体1内部のメモリ部に格納され、各種演算処理を行うアプリケーションソフトウェア4と、PC本体1から出力される、画面を映し出すPCモニタ2と同じ画面をスクリーンに映し出すプロジェクタ装置5と、前記被検体7を撮像するための撮像装置6とから構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
The three-dimensional shape measuring apparatus includes a personal computer (hereinafter referred to as PC)
プロジェクタ装置5は、投影用の光源、液晶ドライバ、液晶、投影光学系を内蔵している。
PC本体1のモニタ出力端子とPCモニタ2は電気的に接続され、PC本体1で実行されたアプリケーションソフトウェア4のGUI画面11をPCモニタ2の画面上に表示する。
The
The monitor output terminal of the PC
更に、PC本体1のモニタ出力端子はプロジェクタ装置5とも電気的な接続がなされ、PC本体1で実行されたアプリケーションソフトウェア4のGUI画面11に表示されるパターンはプロジェクタ装置5により、被検体7に向けて投影される。パターンの投影領域10は被検体7の測定対象領域と同等もしくはそれより広い領域となるようにプロジェクタ装置5が配置されている。
Furthermore, the monitor output terminal of the PC
撮像装置6はPC本体1の画像入力端子と電気的に接続され、撮像装置6による撮像データはPC本体1内部のメモリ部に取り込まれる。
図2は、本発明の実施形態に従ったGUI画面11の表示例を示す図である。
The imaging device 6 is electrically connected to the image input terminal of the PC
FIG. 2 is a diagram showing a display example of the
GUIのメイン画面は(A−1)のように表示され、マウス、キーボード等の指示装置3にてGUI画面11上のボタンや数値入力部への操作が行われる。
測定パラメータ入力部22には、投影パターンのパターンピッチ、投影角度、位相シフト条件等のパターン投影法と位相シフト法が必要とする測定パラメータの設定値が入力される。
The main GUI screen is displayed as shown in (A-1), and the buttons and numerical value input unit on the
The measurement parameter input unit 22 is supplied with measurement parameter setting values required by the pattern projection method and the phase shift method, such as the pattern pitch, projection angle, and phase shift condition of the projection pattern.
被検体の測定は、測定開始ボタン20を押すことで測定が開始される。このボタンが押されると、GUI画面11は(B−1)のような画面へと切り替わる。この画面では、測定パラメータ入力部22で設定したピッチのストライプパターンがPCモニタ2の全画面に渡って表示されている。
The measurement of the subject is started by pressing the
更に、ストライプパターンはプロジェクタ装置5により被検体7にも投影されている。このとき、アプリケーションソフトウェア4は、撮像装置6に画像取り込みの指示を出し、撮像データI0(x、y)が、PC本体1内部のメモリ部に取り込まれ保存される。ここで、撮像されたストライプパターンは被検体7の表面の凹凸形状により変形されている。
Further, the stripe pattern is also projected onto the subject 7 by the
次に、GUI画面11は(B−2)に切り替わる。この画面は測定パラメータ入力部22で設定した位相シフト量に従って(B−1)の画面から所定量(この例では1/2πrad)位相をずらしたストライプパターンである。このパターンも前記同様にプロジェクタ装置5により被検体7にも投影され、アプリケーションソフトウェア4の指示により撮像データI1(x、y)がPC本体1内部のメモリ部に取り込まれ保存される。
Next, the
以下では、この動作を繰り返し、GUI画面11が(B−3)、(B−4)に切り替わる毎に、撮像データI2(X,y)、I3(x、y)が順次PC本体1のメモリ部に保存される。
Hereinafter, this operation is repeated, and each time the
PC本体1内部のCPU部ではメモリ部に保存されたI0(x、y)、I1(x、y)、I2(x、y)、I3(x、y)を基に、
φ(x、y)=Atan((I1(x、y)−I3(x、y))/(I0(x、y)−I2(x、y)))、
という式に従って位相を演算する。求められた位相分布φ(x、y)に対して、位相接続処理、高さへの変換を行い、被検体表面の高さ分布H(x、y)が求められる。
Based on I0 (x, y), I1 (x, y), I2 (x, y), and I3 (x, y) stored in the memory unit in the CPU unit inside the PC
φ (x, y) = Atan ((I1 (x, y) −I3 (x, y)) / (I0 (x, y) −I2 (x, y))),
The phase is calculated according to the following formula. The obtained phase distribution φ (x, y) is subjected to a phase connection process and converted into a height to obtain a height distribution H (x, y) on the subject surface.
この高さ分布H(x、y)は(A−2)に示すように結果表示部23に表示される。結果表示部23での表示形式は表示形式選択ボタン21で、例えば等高線表示や、グレースケール表示、鳥瞰図表示等のように選択が可能である。このH(x、y)の表示データを基に各種3次元形状の測定を行うことが可能となる。
The height distribution H (x, y) is displayed on the result display unit 23 as shown in (A-2). The display format in the result display section 23 can be selected by a display
PC本体のモニタ出力端子は通常のパーソナルコンピュータには標準的に内蔵されているものであり、また、本実施形態で使用した投影プロジェクタはPCの画面を投影するタイプのものである。これは一般的に市販されているものであるので、パターン投影装置向けに特別にカスタマイズする必要はない。ソフトウェアのGUI画面に位相シフトの投影パターンを表示するだけで被検体にパターン投影が行えるので、持ち運びも容易で、安価な構成で3次元形状測定装置が提供できる。 The monitor output terminal of the PC main body is a built-in standard in a normal personal computer, and the projection projector used in this embodiment is of a type that projects the screen of the PC. Since this is generally commercially available, there is no need for special customization for the pattern projection apparatus. Since the pattern projection can be performed on the subject simply by displaying the phase shift projection pattern on the GUI screen of the software, it is easy to carry and a three-dimensional shape measuring apparatus can be provided with an inexpensive configuration.
また、上記実施形態では液晶を用いたプロジェクタを用いたが、DMD(Digital Micromirror Device)等のマイクロミラー素子を使用するPC画面のプロジェクタを使用しても良いし、同様に、PCのモニタに表示されるパターンを被検体に投影できるものであれば何を使っても良い。 In the above embodiment, a projector using liquid crystal is used. However, a PC screen projector using a micromirror device such as a DMD (Digital Micromirror Device) may be used, and similarly, the display is performed on a PC monitor. Any pattern can be used as long as the pattern to be projected onto the subject can be projected.
また、本実施形態では、ストライプパターンを投影したが、これに限定されるものではなく、マトリックス状のパターンや、同心円パターン等、投影したパターンの変形度合いから三角測量の原理により3次元形状を測定できれば何でも良い。 In this embodiment, a stripe pattern is projected, but the present invention is not limited to this, and a three-dimensional shape is measured by the principle of triangulation from the degree of deformation of the projected pattern, such as a matrix pattern or a concentric circle pattern. Anything is possible.
更に、本実施形態では位相シフト法を用いたが、位相シフトせずに1つの投影パターンの変形度合いから三角測量の原理で測定しても良い。
また、プロジェクタの投影光学系は、縮小投影系であっても、拡大投影系であってもよい。更に、撮像装置の結像光学系は、縮小結像系であっても拡大結像系であってもよい。
Furthermore, although the phase shift method is used in the present embodiment, the measurement may be performed based on the principle of triangulation from the degree of deformation of one projection pattern without phase shift.
Further, the projection optical system of the projector may be a reduction projection system or an enlargement projection system. Furthermore, the imaging optical system of the imaging apparatus may be a reduced imaging system or an enlarged imaging system.
更に、非測定中はPCモニタの画面を被検体に投影しないように、投影光路にシャッター等を設けても良い。
また、本実施形態では、PC本体とPCモニタとを用いるデスクトップ型パソコンを利用した方法で説明したが、PC本体とPCモニタが一体のノート型パソコンを利用すると、よりいっそう持ち運びが容易になる。
Furthermore, a shutter or the like may be provided in the projection optical path so that the PC monitor screen is not projected onto the subject during non-measurement.
In the present embodiment, a method using a desktop personal computer using a PC main body and a PC monitor has been described. However, if a notebook personal computer in which the PC main body and the PC monitor are integrated is used, it becomes even easier to carry.
1 PC本体
2 PCモニタ
3 指示装置
4 アプリケーションソフトウェア
5 プロジェクタ装置
6 撮像装置
7 被検体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
画像を表示する表示画面と、
パターンを該表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御手段と、
該制御手段が該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影する投影手段と、
該投影されたパターンを撮像する撮像手段と、
を備えることを特徴とする3次元形状測定装置。 A three-dimensional shape measuring apparatus that projects a pattern onto a subject and measures the three-dimensional shape of the subject from the deformation amount of the pattern,
A display screen for displaying images;
Control means for displaying a pattern on the display screen and changing the pattern to be displayed as necessary;
Projection means for projecting the pattern displayed on the display screen by the control means onto the subject;
Imaging means for imaging the projected pattern;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:
前記投影手段は、該コンピュータの表示画面の表示内容を投影するプロジェクタであることを特徴とする請求項1に記載の3次元形状測定装置。 The control means is a computer that operates according to predetermined application software,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the projection unit is a projector that projects the display content of the display screen of the computer.
パターンを表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御ステップと、
該制御ステップで該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影させる投影ステップと、
該投影されたパターンを撮像させる撮像ステップと、
を備えることを特徴とする3次元形状測定方法。 A three-dimensional shape measuring method for projecting a pattern onto a subject and measuring the three-dimensional shape of the subject from the deformation amount of the pattern,
A control step for displaying the pattern on the display screen and changing the displayed pattern as necessary;
A projection step of projecting the pattern displayed on the display screen in the control step onto the subject;
An imaging step for imaging the projected pattern;
A three-dimensional shape measuring method comprising:
パターンを表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御ステップと、
該制御ステップで該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影させる投影ステップと、
該投影されたパターンを撮像させる撮像ステップと、
を備えることを特徴とする3次元形状測定方法をコンピュータに実現させるプログラム。
A three-dimensional shape measuring method for projecting a pattern onto a subject and measuring the three-dimensional shape of the subject from the deformation amount of the pattern,
A control step for displaying the pattern on the display screen and changing the displayed pattern as necessary;
A projection step of projecting the pattern displayed on the display screen in the control step onto the subject;
An imaging step for imaging the projected pattern;
A program for causing a computer to realize a three-dimensional shape measuring method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004247980A JP2006064556A (en) | 2004-08-27 | 2004-08-27 | Three-dimensional shape measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009115612A (en) * | 2007-11-06 | 2009-05-28 | Panasonic Electric Works Co Ltd | Three-dimensional shape measuring device and three-dimensional shape measurement method |
JP2021009057A (en) * | 2019-06-28 | 2021-01-28 | 株式会社サキコーポレーション | Shape measuring device, shape measurement method of shape measuring device, and shape measurement program of shape measuring device |
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2004
- 2004-08-27 JP JP2004247980A patent/JP2006064556A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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