JP2007057386A - カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法 - Google Patents
カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】小型で安価なカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法を提供すること。
【解決手段】対象物体Bからの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段5と、一方向に出射された光を受けて2次元画像を出力する1台のカメラ1と、カメラ1より出力された2次元画像を、少なくとも2つの光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離し、複数の2次元画像データを使用して対象物体Bの3次元情報を求める処理手段6とを備える。
【選択図】図2
【解決手段】対象物体Bからの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段5と、一方向に出射された光を受けて2次元画像を出力する1台のカメラ1と、カメラ1より出力された2次元画像を、少なくとも2つの光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離し、複数の2次元画像データを使用して対象物体Bの3次元情報を求める処理手段6とを備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、3次元計測に関し、特に、被測定物体からの光を一台のカメラで記録し、光強度の差や、色の違い等を用いて複数の画像に分離し、非接触で3次元物体の形状計測を三角測量の原理に基づいて行う計測装置およびその計測方法に関する。
三次元計測法は幅広い分野に応用されており、広範囲の利用に対応するため、用途にあった三次元計測法が開発されている。大別すると、受動型計測(レンズ焦点法、ステレオ法)と能動型計測(光レーザー法、アクティブステレオ法、照度差ステレオ法)に分類される。この内、ステレオ法は、複数台のカメラを並べて三角測量の原理で計測を行う方法であり、カメラの配置によって、「両眼視」「三眼視」「カメラ移動型」などの方法がある。さらに、「両眼視」においても、2台のカメラを異なる光軸に配置して計測するオフアクシス(Off−Axis)計測法と、2台のカメラを同じ光軸に配置して計測するインライン(In−Line)計測法(例えば、下記特許文献1、2)がある。オフアクシス計測法では、撮像した2枚の画像の歪みを補正することが必要であり、且つ死角も生じるが、インライン計測法ではこれらの欠点が無い。
図1の(a)及び図1の(b)はそれぞれ、従来の2台のカメラを用いたインライン3次元測定法の構成及び原理を示す平面図及び斜視図である。
図1の(a)及び図1の(b)において、符号1、2は、同じスペック(焦点距離f等)を有する2台のカメラを示し、視差dは2台のカメラ間の距離である。図1の(a)に示されているように、前方にあるカメラ(以下、フロントカメラとも記す)1と後方にあるカメラ(以下、バックカメラとも記す)2は、被測定物である物体Aを通る同じ光軸(Z軸)の上に配置されている。
図1の(a)に示した配置によれば、円筒座標を用いて、3次元空間における物体A上の任意の1点P(R,α,H)は、図1の(b)に示すように、フロントカメラ1の撮像面において点Pf(rf,α)、また、バックカメラ2の撮像面において点Pb(rb,α)として結像する。R、rf、及びrbはそれぞれ、点P、点Pf、及び点Pbの光軸Zに対する垂直距離を示し、Hは、点Pを通り光軸Zに垂直な面からカメラ1のレンズまでの距離を示す。また、フロントカメラ1のレンズの位置を座標原点としている。カメラ1、2のレンズの焦点距離をfとすると、物体A上の点Pの位置と、2台のカメラ1、2より得られた2つの画像上の点Pf及び点Pbとの関係から、次式が得られる。
H : f = R : rf (1)
H+d : f = R : rb (2)
焦点距離f及び視差dは既知であり、rf及びrbは撮像した画像から知ることができるので、上記の2式により、R及びHを求めることができ、また、角度αは、点Pf又は点Pbと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求めることができるため、物体A上の点Pの3次元空間における位置(R,α,H)を求めることができる。
H+d : f = R : rb (2)
焦点距離f及び視差dは既知であり、rf及びrbは撮像した画像から知ることができるので、上記の2式により、R及びHを求めることができ、また、角度αは、点Pf又は点Pbと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求めることができるため、物体A上の点Pの3次元空間における位置(R,α,H)を求めることができる。
一方、この2台のカメラを用いた3次元計測法の応用分野として、流れの非定常現象のメカニズムを解明するための、PIV(Particle Image Velocimetry、粒子画像計測)が知られている(下記非特許文献1)。PIVによれば、微小なトレイサー粒子を投入した流体を2台のカメラで撮影する3次元計測によって、各トレイサー粒子の3次元的位置及びその速度ベクトルを求めることができる。
特開平04−012210号公報
特開平06−281423号公報
The application of an in-line, stereoscopic, PIV system to 3-component velocity measurements, by Grant et al., Experiments in Fluids, 19, 1995, pp.214-221.
しかしながら、上記した従来のインライン3次元計測法では、2台のカメラを使用するため、装置自体が大型になり、且つ高価になってしまうという欠点を有する上、装置の設置調節も複雑であるという問題がある。
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、簡易な調整で3次元計測を行うことができる、小型で安価なカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置および計測方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法(1)は、対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、1台のカメラを用いて前記一方向に出射された光を受けて2次元画像を得るステップと、前記2次元画像を、少なくとも2つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離するステップと、分離された複数の前記2次元画像データを使用して前記対象物体の3次元情報を求めるステップとを含むことを特徴とする。
また、本発明に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法(2)は、対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも2波長帯の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、前記一方向に出射された光を少なくとも2つの前記波長帯に分離し、少なくとも2つの前記波長帯毎の2次元画像を得るステップと、前記2次元画像を使用して前記対象物体の3次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置(1)は、対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、前記一方向に出射された光を受けて2次元画像を出力する1台のカメラと、前記カメラより出力された前記2次元画像を、少なくとも2つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離し、複数の前記2次元画像データを使用して前記対象物体の3次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とする。
前記入射光を2つの前記光路に分離する前記光学手段は、少なくとも1枚のハーフミラーと、前記ハーフミラーによって反射された前記入射光を、異なる長さの前記光路のうちの長い光路を通過させた後、前記ハーフミラーを透過した光と合成させる反射手段とを備えていることができる。
また、前記光学手段が、2枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、2枚の前記ミラーが、前記カメラの光軸と平行に、相互に対向して配置され、前記ハーフミラーが、2枚の前記ミラーの間に、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と45度の角度を成す構成であっても良い。
また、前記光学手段が、3枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、3枚の前記ミラー及び1枚の前記ハーフミラーが、正方形の断面形状を有するように、2枚ずつが対向して配置され、前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸及び3枚の前記ミラーの法線を含む平面内で、前記光軸と45度の角度を成す構成であっても良い。
また、前記光学手段が、2枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、それぞれの一端で互いに直角に交差する2枚の前記ミラーと、前記ハーフミラーとが、三角形の断面形状を有するように配置され、前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と45度の角度を成す構成であっても良い。
また、前記光学手段が、2枚のハーフミラーを備え、2枚の前記ハーフミラーが、前記カメラの光軸と直交するように、互いに対向して配置されていても良い。
また、前記光学手段が、前記入射光を2つの前記光路に分離し、2つの前記光路の何れか一方を通過する光を、所定の時間の間、前記カメラに入射しないようにする手段をさらに備えていても良い。
また、本発明に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置(2)は、対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも2波長帯の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、前記一方向に出射された光を少なくとも2つの前記波長帯に分離し、少なくとも2つの前記波長帯毎の2次元画像を出力する1台のカメラと、前記2次元画像を使用して前記対象物体の3次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とする。
前記光学手段は、複数のカラーフィルターを備え、前記カメラは、少なくとも2方向に光を分離する分光手段と、少なくとも2つの撮像手段とを備えることができる。
さらに、前記光学手段が、1枚のミラー、5枚のハーフミラー、及び3枚の前記カラーフィルターを備え、前記カメラが、3つの前記撮像手段であるCCD又はCMOSイメージセンサを備えることができる。
本発明によれば、従来の2台のカメラを用る場合よりも、安価及び小型であり、且つ設置調整が容易なインライン3次元計測装置を実現することができ、効率的に3次元計測を行うことができる。
従って、流体計測への応用は元より、ステレオ計測法を広く普及させることが可能となる。例えば本発明は、製造ラインにおいては、回路基板などへの部品実装時の実装位置の検査、ロボットアームの位置調整、製品加工時の位置合わせなどに適用することができる。また、自動車の車間距離の測定に適用することができ、さらには、医療分野における内視鏡の撮像部に適用すれば、人体内部を立体的に表示することが可能となる。
以下、本発明に係る、カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法の好ましい実施の形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。尚、図面において、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
(第1の実施の形態)
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
(第1の実施の形態)
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
図2に示した本実施の形態に係るインライン3次元計測装置10は、焦点距離fのレンズを有するCCDカメラ(以下、単にカメラと記す)1と、2枚のミラー3、3’及び1枚のハーフミラー4を有する光学手段5と、カメラ1によって撮影された画像データを一時的にメモリ(図示せず)に記憶し、それに基づいて対象物体の3次元情報(3次元形状、対象物体までの距離など)を求める処理手段6とを備える。ここでは、2枚のミラー3、3’は、カメラの光軸Zと平行に、相互に対向して配置され、ハーフミラー4は、2枚のミラー3、3’の間に、カメラ1に対向して配置され、ハーフミラー4の法線は、光軸Zを含むミラー3,3’に垂直な平面内で、光軸Zと図2の上方に45度の角度を成している。また、カメラ1は輝度画像を撮像可能なカメラであればよい。
次に、本実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測の方法及び原理について説明する。
図2に示すように、物体Bからの光は、光学手段5に入射し、そこでハーフミラー4によって入射光が2方向に分離される。即ち、強度Iの入射光は、光学手段5によって、その半分がハーフミラー4を透過してカメラ1に入射する。一方、入射光の残りの半分はハーフミラー4によって反射されて図2の下方のミラー3’に入射し、ミラー3’により完全反射されて再度ハーフミラー4に入射し、この入射した光の半分、即ちI/4の強度の光がハーフミラー4を透過してミラー3に入射する。ミラー3で、光が完全反射されて再度ハーフミラー4に入射し、この入射した光の半分、即ちI/8の強度の光がハーフミラー4により反射されてカメラ1に入射する。このように、強度Iの入射光は、光学手段5によって2方向に分離され、それぞれ互いに長さの異なる光路をたどった後、I/2の強度の光及びI/8の強度の光として再び合成されて平行にカメラ1に入射する。このため、カメラ1の撮像面では同一の物体に対して2つの像が結ばれる。即ち、これは、対象物体を1台のカメラによって、光軸方向を維持したまま異なる距離から、同時に1枚の画像として撮影することに相当する。
図3は、図2に示したカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法の原理を説明する斜視図である。
図3において、点P(R,α,H)は、円筒座標で表した3次元空間における物体B上の任意の1点を示し、点Ps(rs,α)と点Pw(rw,α)とはそれぞれ、短い光路をたどった強い強度の入射光と、相対的に長い光路をたどった弱い強度の入射光とにより、点Pがカメラ1の撮像面において結像した像である。点Pv(R,α,H+d)は、光学手段5により光路が延ばされることにより結像された点Pwに対応し、3次元空間における実在の点Pのバーチャル点を示す。ここでは、Rは、点P及び点Pvの光軸Zに対する垂直距離、rs及びrwはそれぞれ、点Ps及び点Pwの光軸Zに対する垂直距離、Hは、点Pを通り光軸Zに垂直な平面からカメラ1のレンズまでの距離、視差dは、点Pを通り光軸Zに垂直な平面と点Pvを通り光軸Zに垂直な平面との間の距離である。また、カメラ1のレンズの位置を座標原点としている。従って、これらのことから、図1の(b)の場合と同様に次式が得られる。
H : f = R : rs (3)
H+d : f = R : rw (4)
従って、式(3)、(4)の連立方程式を解くことにより、R及びHを求めることができ、また、角度αは、得られた画像データより、カメラの撮像面上の点Ps又は点Pwと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められるので、物体B上の点Pの位置(R,α,H)を算出することができる。
H+d : f = R : rw (4)
従って、式(3)、(4)の連立方程式を解くことにより、R及びHを求めることができ、また、角度αは、得られた画像データより、カメラの撮像面上の点Ps又は点Pwと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められるので、物体B上の点Pの位置(R,α,H)を算出することができる。
なお、図3では任意の1点に関する結像を示しており、このように光軸上に位置しない1点を対象とする場合には、結像された2つの像が重なることが無いので、画像の分離をしなくても、対応する点を決定することができる。しかし、対象物体が面状体又は立体である場合には、長い光路と短い光路とによって結像される2つの像の形状は、撮像面の中心を相似の中心とする相似形となり、それらが重なって1枚の画像になるので、処理手段6は、2つの像を識別して2枚の画像に分離した後に、対応点を決定する必要がある。
画像分離の方法としては、公知の画像処理を用いて輝度をもとに分離することができる。即ち、上記したように、光学手段5によって分離された2つの光路を通過した光の強度は、入射光の強度をIとして、それぞれI/2及びI/8となり、強度が大きく異なる。例えば、粒子マスク法(PIVハンドブック、可視化情報学会編、2002年、pp.83〜85)を用いて粒子中心位置を検出し、光強度差で粒子像を分離することができる。また、例えば、カメラによって撮像した1枚の画像の輝度データに対して、輝度の差、輝度のヒストグラム、輝度の濃淡差の大きい場所の位置、その連続・不連続性、輝度変化の滑らかさなどを考慮して、2つの像のそれぞれのエッジを抽出することにより、2つの像を分離することもできる。
また、画像分離を容易にする手段として、一方の光路を通過する光がカメラ1に入射しないようにする可動手段を設けても良い。
例えば、可動手段として、ミラー3を所定の時間だけ移動させる移動手段を用いる場合、所定の時間、ミラー3’からの光がカメラ1に入射しないようにし、短い光路の光のみを用いて対象物体Bを撮像する。得られた画像B1(近距離撮影の画像)と、図2の配置で得られた、画像B2(近距離撮影の画像及び遠距離撮影の画像が重畳した画像)とを用いて、画像B2から画像B1を差し引く(B2−B1)こと、即ち対応する画素の値を減算することによって、遠距離撮像の画像B3を得ることができ、分離した2つの画像を得ることができる。尚、ミラー3の代わりにミラー3’又はハーフミラー4を所定の時間だけ移動させても良い。
また、他の可動手段として、一方の光路の光のみを所定の時間だけ遮断する遮断手段を用いても良い。例えば、ハーフミラー4とミラー3との間、又はハーフミラー4とミラー3’との間にシャッタを設ければよい。
さらに、動く対象物を撮像する場合には、ビデオの1フレーム程度の短い時間で、上記の2回の撮像を行えばよい。このような高速応答が必要な場合には、例えばシャッタとして液晶シャッタなどを使用すればよい。
このように、本第1の実施の形態にかかるカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置では、測定する対象物体とカメラとの間に、対象物体からの入射光を分離し、それぞれ互いに異なる長さの光路を通過させてから1台のカメラに入射させる光学手段を設けている。これによって、同じ視線方向の異なる位置から対象物体を同時に撮像し、光強度及びサイズの異なる像が2重に結像した一枚の画像を得ることが可能となり、この2重結像の画像に対して、画像分離を行い、得られた2つの画像上の対応点の位置情報から、対象物体に対する3次元計測を実現することができる。本装置では、1台のカメラを使用しているため、2台のカメラを使う場合に必要な画像歪みの補正が不要となり、且つ死角も発生しないという利点を有する上、装置の設置調整が簡易で、小型で安価な装置として色々な産業分野で利用できる。特に、市販の民生用カメラを使用すれば、非常に安価に構成することができる。尚、カラー撮像可能なカメラを使用しても良く、その場合には撮像したカラー画像を輝度画像に変換すれば良い。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置において、図2と異なる光学手段を用いる場合の概略構成を示す平面図である。
図4に示したインライン3次元計測装置20では、光学手段5aが、3枚のミラー3と1枚のハーフミラー4とを正方形の断面形状を有するように組み立てて構成されており、且つハーフミラー4が、カメラ1の光軸と斜めに交差するように、カメラ1と対向して配置されている。
図5は、図4のインライン3次元計測装置20を用いて1つの微小粒子を一度だけ撮像して得られた画像を示す写真である。図5により、一枚の画像に1つの粒子が異なる強度で、2重に結像していることを確認することができる。即ち、図5に示されているように、短い光路をたどった強い光(I/2の輝度)は画面上、大きな明るい円として結像(I/2で示す)し、長い光路をたどった弱い光(I/4の輝度)は画面上、小さな暗い円として結像(I/4で示す)している。
このように、異なる光強度によって2つの像の明暗がはっきり分かれており、また、異なる長さの光路によって2つの像のサイズ及び画像中心からの距離が大きく異なるので、一枚の画像上の2重結像を容易に分離することができる。よって、3次元計測、即ち、対象物体のカメラからの距離、対象物体の立体形状を測定することができる。尚、2つの像を共に焦点の合った像とすることはできないが、若干焦点が合っていなくても撮像された画像上の輝点の中心を対象として計算すればよい。
このように、図4のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置20は、図2の3次元計測装置10と同様に、小型で安価な装置として、簡易な設置調整で3次元計測を行うことができる。さらに、インライン3次元計測装置20の光学手段5aは、3次元計測装置10の光学手段5と比較して、コンパクトであり、光路をより長く引き延ばすことができるので、装置全体がより小さくなり、且つ2重に結像した2つの像のサイズが一層相違するものとなり、よって2重結像の分離をより容易に行うことができるというメリットがある。
また、図2、図4のインライン3次元計測装置10、20において、光学手段5、5aの代わりに、図6又は図7に示した光学手段5b、5cを用いても良い。これらの場合、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
尚、本発明に係る光学手段は、入射光を複数の方向に分離し、それぞれ異なる長さの光路を通過させた後、強度の異なる複数の光を合成して1つの方向に出射するものであれば良く、例えば、図8〜図11に示す光学手段5d〜5gなど様々に構成することができる。
また、光学手段を構成する、入射光を分離する手段はハーフミラーに限定されず、入射光を異なる方向に反射及び透過させる手段であればよく、三角プリズムを使用してもよい。
(第2の実施の形態)
図12は、本発明の第2の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
(第2の実施の形態)
図12は、本発明の第2の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
図12に示した本実施の形態に係るインライン3次元計測装置30は、上記の第1の実施の形態に係るインライン3次元計測装置10において、光学手段5を別の光学手段5hと置き換え、且つ3枚のCCDを有するカラー撮像可能なカメラ1’を用いた装置である。即ち、本第2の実施の形態では、光学手段5hは、1枚のミラー3、5枚のハーフミラー4、及び赤緑青(以下、RGBと記す)の3枚のカラーフィルター7、8、9を備え、入射光を3つの光路に分離した後、RGBの各フィルター7〜9を通過させ、異なる光路長の光路をたどらせてから合成して、一方向に出射するように構成されている。また、カメラ1’(レンズ等は図示せず)は、光学手段5hから出力される合成されたRGBの光を、分光プリズムによってRGBの3色に分光して対応する3枚のCCDに入射させることにより、RGBカラー画像を撮像するものである。
次に、本実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測の方法及び原理について説明する。
図12に示すように、物体Bからの光は、光学手段5hに入射し、カラーフィルター7〜9の左側に配置された2枚のハーフミラー4及び1枚のミラー3によって入射光が3つの光路に分離され、それぞれの光路をたどってRGBのカラーフィルター7〜9を通過する。カラーフィルター7〜9を通過した光は、カラーフィルター7〜9の右側に配置された3枚のハーフミラー4によって、それぞれの光路をたどった後、合成されて平行にカメラ1’のレンズに入射する。カメラ1’では、上記したように、入射される光を、分光プリズム及び3枚のCCDを用いて、RGBカラー画像として撮像する。このように、強度Iの入射光は、光学手段5hによってRGBの3色の光に分離され、それぞれ互いに長さの異なる光路をたどった後、I/4の強度の赤色光、I/16の強度の緑色光、I/32の強度の青色光として混合されてカメラ1に入射し、カメラ1’のそれぞれのCCDで結像する。即ち、これは、対象物体を1台のカメラによって、光軸方向を維持したまま異なる3種類の距離から、同時に1枚の画像として撮影することに相当する。
図13は、図12に示したカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法の原理を説明する斜視図である。
図13において、点PR(R,α,H)は、円筒座標で表した3次元空間における物体B上の任意の1点を示し、点QR(rR,α)、点QG(rG,α)及び点QB(rB,α)はそれぞれ、RGBカラーフィルターを通過し、異なる光路をたどった入射光により、点PRがカメラ1’の3枚のCCDにおいて結像した像である。図13では、便宜上、3つの像を1枚の撮像面上に示しているが、実際には、RGBの3つの像はそれぞれ、各々のCCDに結像される。点PB(R,α,H+d1+d2)及びPG(R,α,H+d1)はそれぞれ、光学手段5hにより光路が延ばされることにより結像された点QB及び点QGに対応し、3次元空間における実在の点PRのバーチャル点である。ここでは、Rは、点PR、PG及びPBの光軸Zに対する垂直距離、rR、rG、及びrBはそれぞれ、点QR、点QG及び点QBの光軸Zに対する垂直距離である。Hは、点PRを通り光軸Zに垂直な平面からカメラ1’のレンズまでの距離であり、視差d1は、点PRを通り光軸Zに垂直な平面と点PGを通り光軸Zに垂直な平面との間の距離であり、視差d2は、点PBを通り光軸Zに垂直な平面と点PGを通り光軸Zに垂直な平面との間の距離である。また、カメラ1’のレンズの位置を座標原点としている。従って、これらのことから、図1の(b)及び図3の場合と同様に次式が得られる。
H:f =R:rR (5)
H+d1:f =R:rG (6)
H+d1+d2:f =R:rB (7)
従って、上記3つの式のいずれか2つからなる連立方程式を解くことにより、R及びHを求めることができる。また、角度αは、得られた画像データより、カメラの像面上の点QR、点QG、又は点QBと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められる。よって、物体B上の点PRの位置(R,α,H)を求めることができる。
H+d1:f =R:rG (6)
H+d1+d2:f =R:rB (7)
従って、上記3つの式のいずれか2つからなる連立方程式を解くことにより、R及びHを求めることができる。また、角度αは、得られた画像データより、カメラの像面上の点QR、点QG、又は点QBと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められる。よって、物体B上の点PRの位置(R,α,H)を求めることができる。
本実施の形態では、異なる光路をたどった光が異なるCCDで結像し、R画素データ、G画素データ、及びB画素データとしてサンプリングされた後、所定のカラー画像データとして記録される。従って、取得したカラー画像データを各RGBデータに分離すること、即ち、各経路を通過した光による象を分離することは容易に行うことができる。従って、上記第1の実施の形態に関して説明したような画像分離を行う必要がなく、RGBの3つの画像のうち少なくとも2つの画像を得て、互いに対応する点を決定し、上記の連立方程式を解くことにより対象物体の3次元計測を行うことができる。
このように、本第2の実施の形態に係るカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置では、測定する対象物体とカメラとの間に、対象物体からの光をRGBの3色に分離し、それぞれ互いに異なる長さの光路をたどらせてから合成し、1台のカメラに入射させる光学手段、及び入射光をRGBに分光して、RGB毎の画素データを取得し、カラー画像として撮影するカメラを設けたので、同じ視線方向の3つの位置からの対象物体の撮影画像を1台のカメラで得ることが可能となり、且つ第1の実施の形態のような画像分離をすることなく、対象物体に対する3次元計測を高精度で簡単に実現することができる。
尚、図12に示した光学手段5hの構成は一例であり、少なくとも2色の光を用いて撮像することができれば良く、種々の変更が可能である。例えば、カラーフィルター9を通過した光が反射される、カラーフィルター9の右側に配置されたハーフミラー4を、全反射ミラーに置き換えても良い。その場合、3色の光が混合されるときの、カラーフィルター9を通過した光の強度は、カラーフィルター8を通過した光と同じI/16となるが、本第2の実施の形態では、輝度では無く、色で像を分離するので支障は無い。
また、特定の1色の光がカメラ1’に入射しないようにしてもよい。例えば、カラーフィルター9を通過する光路を無くしてもよい。即ち、例えば、カラーフィルター9と、ミラー3と、カラーフィルター9の右側に配置されたハーフミラー4とを備えていない光学手段を使用してもよい。
また、カメラ1’は、CCDを用いたカメラに限らず、CMOSイメージセンサなどの撮像素子を用いたカメラであってもよい。
また、光を分離する波長は、RGBの波長に限定されず、互いに重複しない少なくとも2つの波長帯に分離すればよい。即ち、光を分離するために光学手段で使用するカラーフィルターと同じ波長帯のカラーフィルターを用いたカメラで撮像すれば良い。
以上では、本発明を特定の実施の形態に関連して図示し、説明したが、本発明は上記で説明した実施の形態に限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば特許請求の範囲により定められる本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々に変更できることは言うまでもない。
1、1’、2 カメラ
3、3’ ミラー
4 ハーフミラー
5、5a〜5h 光学手段
6 処理手段
7 赤カラーフィルター
8 緑カラーフィルター
9 青カラーフィルター
10、20、30 カメラ1台を用いたインライン3次元測定装置
3、3’ ミラー
4 ハーフミラー
5、5a〜5h 光学手段
6 処理手段
7 赤カラーフィルター
8 緑カラーフィルター
9 青カラーフィルター
10、20、30 カメラ1台を用いたインライン3次元測定装置
Claims (12)
- 対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、
1台のカメラを用いて前記一方向に出射された光を受けて2次元画像を得るステップと、
前記2次元画像を、少なくとも2つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離するステップと、
分離された複数の前記2次元画像データを使用して前記対象物体の3次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とするカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法。 - 対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも2波長帯の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、
前記一方向に出射された光を少なくとも2つの前記波長帯に分離し、少なくとも2つの前記波長帯毎の2次元画像を得るステップと、
前記2次元画像を使用して前記対象物体の3次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とするカメラ1台を用いたインライン3次元計測方法。 - 対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも2方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、
前記一方向に出射された光を受けて2次元画像を出力する1台のカメラと、
前記カメラより出力された前記2次元画像を、少なくとも2つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の2次元画像データに分離し、複数の前記2次元画像データを使用して前記対象物体の3次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とするカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記入射光を2つの前記光路に分離する前記光学手段が、
少なくとも1枚のハーフミラーと、
前記ハーフミラーによって反射された前記入射光を、異なる長さの前記光路のうちの長い光路を通過させた後、前記ハーフミラーを透過した光と合成させる反射手段とを備えていることを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、2枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、
2枚の前記ミラーが、前記カメラの光軸と平行に、相互に対向して配置され、
前記ハーフミラーが、2枚の前記ミラーの間に、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と45度の角度を成すことを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、3枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、
3枚の前記ミラー及び1枚の前記ハーフミラーが、正方形の断面形状を有するように、2枚ずつが対向して配置され、
前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸及び3枚の前記ミラーの法線を含む平面内で、前記光軸と45度の角度を成すことを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、2枚のミラーと、1枚のハーフミラーとを備え、
それぞれの一端で互いに直角に交差する2枚の前記ミラーと、前記ハーフミラーとが、三角形の断面形状を有するように配置され、
前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と45度の角度を成すことを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、2枚のハーフミラーを備え、
2枚の前記ハーフミラーが、前記カメラの光軸と直交するように、互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、前記入射光を2つの前記光路に分離し、
2つの前記光路の何れか一方を通過する光を、所定の時間の間、前記カメラに入射しないようにする手段をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも2波長帯の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、
前記一方向に出射された光を少なくとも2つの前記波長帯に分離し、少なくとも2つの前記波長帯毎の2次元画像を出力する1台のカメラと、
前記2次元画像を使用して前記対象物体の3次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とするカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、複数のカラーフィルターを備え、
前記カメラが、少なくとも2方向に光を分離する分光手段と、少なくとも2つの撮像手段とを備えることを特徴とする請求項10に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。 - 前記光学手段が、1枚のミラー、5枚のハーフミラー、及び3枚の前記カラーフィルターを備え、
前記カメラが、3つの前記撮像手段であるCCD又はCMOSイメージセンサを備えることを特徴とする請求項11に記載のカメラ1台を用いたインライン3次元計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005243359A JP2007057386A (ja) | 2005-08-24 | 2005-08-24 | カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005243359A JP2007057386A (ja) | 2005-08-24 | 2005-08-24 | カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007057386A true JP2007057386A (ja) | 2007-03-08 |
Family
ID=37921011
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2005243359A Pending JP2007057386A (ja) | 2005-08-24 | 2005-08-24 | カメラ1台を用いたインライン3次元計測装置及び計測方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2007057386A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101755232B1 (ko) | 2014-10-24 | 2017-07-07 | 포항공과대학교 산학협력단 | 선충의 3차원 운동 분석시스템 및 방법 |
WO2017179535A1 (ja) * | 2016-04-15 | 2017-10-19 | 日本電気株式会社 | 構造物の状態判定装置と状態判定システムおよび状態判定方法 |
-
2005
- 2005-08-24 JP JP2005243359A patent/JP2007057386A/ja active Pending
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