JP2008249432A - Three-dimensional image measuring device, method, and program of non-static object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非静止物体に所定のパターン光を投影し、非接触で三次元情報を計測する三次元画像計測装置、三次元画像計測方法および三次元画像計測プログラムに関する。 The present invention relates to a three-dimensional image measurement apparatus, a three-dimensional image measurement method, and a three-dimensional image measurement program that project a predetermined pattern light onto a non-stationary object and measure three-dimensional information without contact.
近年、品質管理、安全防犯やセキュリティ管理などの様々な分野において、生産ラインや生産現場などで非静止生産物の形状計測や所在空間位置の計測などを行ったり、移動中や静止できない人体の顔、胴体、手足などの三次元形状データの取得を行ったりすることが要求されており、これらの非静止物体の非接触かつ高速な三次元計測装置の開発が期待されている。 In recent years, in various fields such as quality control, safety crime prevention and security management, the shape of non-stationary products and the measurement of the location of the location space are performed on the production line and the production site, etc. The acquisition of three-dimensional shape data such as torso and limbs is required, and the development of a non-contact and high-speed three-dimensional measurement apparatus for these non-stationary objects is expected.
従来、三次元画像計測では、三角測量の原理が幅広く応用されている。図12は三角測量の原理に基づく三次元画像計測の原理と座標関係を示している。また、三次元画像計測の手法としては、計測対象物体に計測の補助となる特定の光や電波などを照射することなく計測を行う受動型のものと、光、音波や電波などを計測対象物体に照射し、その情報を利用して計測を行う能動型のものとがあり、受動式三次元画像計測の代表的な方法はステレオ視方法である。 Conventionally, the principle of triangulation has been widely applied in three-dimensional image measurement. FIG. 12 shows the principle and coordinate relationship of 3D image measurement based on the principle of triangulation. In addition, the three-dimensional image measurement method includes a passive type that performs measurement without irradiating the measurement target object with specific light or radio waves that assist measurement, and light, sound wave, radio wave, or the like. There is an active type that performs measurement using the information, and a representative method of passive three-dimensional image measurement is a stereo vision method.
図12において、点O1と点O2の2点に、それぞれカメラ1とカメラ2を置き、カメラ1における計測対象物体A上の計測点Pの方向角αとカメラ2における計測対象物体A上の計測点Pの方向角βにより、計測点Pの奥行き距離Zを計算する。ここで、計測対象物体A上の計測点Pの三次元世界座標系における奥行き距離Zは、次式によって計算される。
ステレオ視方法の特徴は、このように2台のカメラを用い、複数の視点から計測対象物体の写真を複数枚撮影するだけで三次元画像計測が可能であり、動物体への対応も可能であるという点にある。しかしながら、ステレオ視のような受動的な三次元画像計測方法は、計測点Pの対応付けを行う必要があり、自動化は困難である。また、特徴の少ない部分は計測が難しいため、カメラに撮影された計測対象物体の全ての部分の計測、いわゆる全視野計測が困難である。 The feature of the stereo vision method is that it is possible to measure 3D images by taking two photos of the object to be measured from multiple viewpoints and using multiple cameras. It is in that there is. However, a passive three-dimensional image measurement method such as stereo vision needs to associate measurement points P, and automation is difficult. In addition, since it is difficult to measure a part with few features, it is difficult to measure all parts of the measurement target object photographed by the camera, so-called full-field measurement.
一方、能動的な計測方法としては、パターン光投影計測方法がある。パターン光投影計測では、図12の点O1のところに投光機を置き、点O2のところにカメラを置く。そして、点O1の投光機からパターン光を投影角度αで計測点Pに投影し、投影されたパターンを点O2のカメラにより観測し、カメラの画像平面における観測されたパターンの位置により、観測角度βを確定し、さらに式(1)により奥行き距離Zを計算する。したがって、カメラに観測されている計測対象物体の全ての部分にパターン光を投影すれば、全視野計測を行うことが可能である。 On the other hand, there is a pattern light projection measurement method as an active measurement method. In the pattern light projection measurement, a projector is placed at a point O 1 in FIG. 12, and a camera is placed at a point O 2 . Then, the pattern light is projected from the projector at the point O 1 onto the measurement point P at the projection angle α, the projected pattern is observed by the camera at the point O 2 , and the position of the observed pattern on the image plane of the camera is observed. Then, the observation angle β is determined, and the depth distance Z is calculated by the equation (1). Therefore, if the pattern light is projected onto all parts of the measurement target object observed by the camera, it is possible to perform full-field measurement.
これはパターン光投影計測の一番優れている特長である。しかし、従来のスポットパターン光投影法、スリットパターン光投影法や空間コード化パターン光投影法などの手法では、計測に複数回のパターン光投影と撮影が必要であり、計測に時間がかかる。特に、複数回のパターン光投影と撮影を行なう際には、物体が静止しているという前提条件が必要である。もし物体が動いた場合、複数回の撮影画像における投影パターンの方向情報が変化してしまい、三次元計測ができなくなる。 This is the most excellent feature of pattern light projection measurement. However, conventional methods such as the spot pattern light projection method, slit pattern light projection method, and spatially coded pattern light projection method require pattern light projection and photographing a plurality of times for measurement, which takes time. In particular, when performing pattern light projection and photographing a plurality of times, a precondition that the object is stationary is necessary. If the object moves, the direction information of the projection pattern in a plurality of captured images changes, and three-dimensional measurement cannot be performed.
また、パターン光投影計測方法の計測時間を短縮するためには、投影回数を削減する必要がある。そこで、1回の投影で、より多くの投影パターン縞情報を検出するために、白と黒の二値の投影パターンではなく、複数の強度レベルもしくは複数の色の縞を持つ強度変調もしくは色変調パターン光を投影する計測方法が提案されている。 Moreover, in order to shorten the measurement time of the pattern light projection measurement method, it is necessary to reduce the number of projections. Therefore, in order to detect more projection pattern fringe information in one projection, instead of white and black binary projection patterns, intensity modulation or color modulation with multiple intensity levels or multiple color stripes A measurement method for projecting pattern light has been proposed.
例えば、特許文献1に提案されている手法では、パターン光投影装置により二つのストライプパターンを計測対象物体に連続して投影し、投光装置と同じ光軸に設置されたカメラ1と投光装置と異なる光軸に設置されたカメラ2とより、それぞれのストライプパターンの投影像を撮影し、画像処理によりストライプの方向特性を求め、さらに計測対象物体の三次元情報を計算する。しかしながら、この手法では、計測に2回以上パターン光を投影する必要があるので、動物体への対応が困難である。また。この手法では2台のカメラの設置が必要となるので、コストが高い。また、2台のカメラの中の1台は光軸を投光装置と一致させる必要があるので、セットアップが困難である。また、この光軸のセットアップは、計測誤差を生じる原因の一つにもなる。 For example, in the method proposed in Patent Document 1, two stripe patterns are continuously projected onto a measurement target object by a pattern light projection device, and the camera 1 and the light projection device are installed on the same optical axis as the light projection device. The projection image of each stripe pattern is taken by the camera 2 installed on the optical axis different from the above, the direction characteristic of the stripe is obtained by image processing, and the three-dimensional information of the measurement target object is calculated. However, with this method, it is necessary to project pattern light twice or more for measurement, and thus it is difficult to deal with moving objects. Also. This method requires two cameras and is expensive. In addition, one of the two cameras needs to have the optical axis coincident with the light projecting device, so that it is difficult to set up. In addition, the setup of this optical axis becomes one of the causes of measuring errors.
また、特許文献2に提案されている手法では、反射パターン画像により一つ一つの個別パターン光を高速度かつ高精度に検出するために、異なる強度値により構成されたパターン光の強度分布を最適化した最適強度組合せパターンを提案し、全面照明光での撮影と、最適強度組合せパターン光の1回の投影および撮影との2回の撮影により、三次元画像計測を実現することができるので、動物体への応用が想定されている。しかしながら、この手法は、計測対象物体の表面色や環境光の影響を削減するため、全面照明画像を用い反射パターン画像の強度値を補正する割り算補正が必要となる。割り算補正では、最適強度組合せパターン光による反射パターン画像と全面照明画像との2枚の画像が必要であるため、この2枚の画像を撮影する間に計測対象物体が動いてしまうと、2枚の写真撮影時における計測対象物体の位置が変わって割り算補正に大きな誤差が出る可能性があり、計測そのものができなくなる可能性がある。 Moreover, in the method proposed in Patent Document 2, in order to detect each individual pattern light with high speed and high accuracy from the reflection pattern image, the intensity distribution of the pattern light composed of different intensity values is optimized. 3D image measurement can be realized by photographing with the whole surface illumination light and projecting twice with the projection and photographing of the optimum intensity combination pattern light. Application to the animal body is assumed. However, this method requires division correction that corrects the intensity value of the reflection pattern image using the entire illumination image in order to reduce the influence of the surface color of the measurement target object and ambient light. In the division correction, two images of the reflection pattern image by the optimum intensity combination pattern light and the whole surface illumination image are necessary. If the measurement target object moves while the two images are captured, two images are captured. The position of the object to be measured at the time of taking a photograph may change and a large error may occur in the division correction, and the measurement itself may not be possible.
一方、移動物体の非接触三次元形状計測手法として、例えば特許文献3に記載のようにラインイメージセンサを用いた手法が提案されている。この手法では、ストライプ状の投影パターンの代わりに、正弦波状もしくは余弦波状の強度分布の投影光を、均一速度で移動する計測対象物体に投影し、一定の時間間隔で複数枚のライン状イメージを撮影し、各ライン状イメージにおける計測点の位置関係により、計測点の三次元空間座標を計算する。ところが、この手法では、均一速度で移動する物体であれば三次元計測が可能であるが、計測精度は物体の移動速度の均一性に依存し、物体の移動速度が変化すると、計測精度が落ちてしまうという問題がある。また、移動速度が均一ではない物体の場合、もしくは移動方向が不特定である場合には、計測が不可能である。 On the other hand, as a non-contact three-dimensional shape measurement method of a moving object, for example, a method using a line image sensor as described in Patent Document 3 has been proposed. In this method, instead of a striped projection pattern, projection light with a sine wave or cosine wave intensity distribution is projected onto a measurement target object moving at a uniform speed, and a plurality of line images are formed at regular time intervals. Photographing is performed, and the three-dimensional spatial coordinates of the measurement points are calculated based on the positional relationship of the measurement points in each line-shaped image. However, with this method, three-dimensional measurement is possible for an object that moves at a uniform speed, but the measurement accuracy depends on the uniformity of the movement speed of the object, and if the movement speed of the object changes, the measurement accuracy decreases. There is a problem that it ends up. In addition, measurement is impossible when the moving speed is not uniform or the moving direction is unspecified.
上述のように、特許文献1の手法では動物体への対応や計測システムのセッティングが困難であり、特許文献3の手法では動物体の移動速度が均一でない場合もしくは移動方向が不特定の場合では、計測が不可能であるという問題がある。一方、特許文献2の手法では、最適強度組合せパターン光の投影を1回しか必要としないので、割り算補正の問題さえ解決すれば、動物体の計測を行うことが可能となる。 As described above, it is difficult for the method of Patent Document 1 to cope with the moving object and to set the measurement system. With the method of Patent Document 3, the moving speed of the moving object is not uniform or the moving direction is unspecified. There is a problem that measurement is impossible. On the other hand, since the method of Patent Document 2 requires only one projection of the optimal intensity combination pattern light, it is possible to measure a moving object if the problem of division correction is solved.
そこで、本発明においては、上記割り算補正の問題を解決し、投影パターンを構成する縞の強度分布が最適化された最適強度組合せパターン光投影のような強度変調パターン光投影手法による非静止物体の三次元画像計測装置、三次元画像計測方法および三次元画像計測プログラムを提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, the problem of the above-mentioned division correction is solved, and the non-stationary object is detected by an intensity modulation pattern light projection method such as an optimum intensity combination pattern light projection in which the intensity distribution of the fringes constituting the projection pattern is optimized. It is an object to provide a three-dimensional image measurement apparatus, a three-dimensional image measurement method, and a three-dimensional image measurement program.
本発明の非静止物体の三次元画像計測装置は、計測対象物体にパターン光を投影する投影手段と、パターン光が投影された計測対象物体を撮像する撮像手段と、強度値または色が均一である全面投影用のパターンを形成し、投影手段を介して全面投影用のパターンの光(以下、「全照明光」と称す。)を計測対象物体に投影し、全照明光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(以下、「全照明反射画像」と称す。)を取得する全照明光投影撮影手段と、強度値または色の異なるパターンを形成し、投影手段を介して強度値または色の異なるパターンの光(以下、「強度変調パターン光」と称す。)を計測対象物体に投影し、強度変調パターン光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(以下、「反射パターン画像」と称す。)を取得する強度変調パターン光投影撮影手段と、全照明反射画像および反射パターン画像から計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定手段と、運動状態推定手段により推定された計測対象物体の運動状態に基づいて全照明反射画像または反射パターン画像における計測対象物体の画像の幾何変形を行い、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節手段と、反射パターン画像から強度変調パターン光が投影されたパターン光(以下、「投影パターン光」と称す。)を検出する投影パターン光検出手段と、全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体の位置、姿勢および大きさのずれが極小化された反射パターン画像における計測対象物体とを比較して投影パターン光の方向角を算出する方向角算出手段と、反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて投影パターン光の方向角を補正する方向角補正手段と、算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出手段と、奥行き距離算出手段により算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出手段と、三次元情報算出手段により算出された三次元情報を出力する出力手段とを備えるものである。 A non-stationary object three-dimensional image measurement apparatus according to the present invention includes a projection unit that projects pattern light onto a measurement target object, an imaging unit that images the measurement target object onto which the pattern light is projected, and a uniform intensity value or color. A measurement for which a pattern for full projection is formed, light of the pattern for full projection (hereinafter referred to as “all illumination light”) is projected onto the measurement target object via the projection means, and all illumination light is projected An all-illumination light projection photographing unit that captures an image of the reflected light of the target object by an imaging unit and obtains an image (hereinafter referred to as an “all-illumination reflection image”), forms a pattern having a different intensity value or color, and projects the projection unit A light having a pattern with a different intensity value or color (hereinafter, referred to as “intensity modulation pattern light”) is projected onto the measurement target object via the image sensor, and the reflected light of the measurement target object on which the intensity modulation pattern light is projected is imaged. Take a picture with ( (Hereinafter referred to as “reflection pattern image”), intensity modulation pattern light projection photographing means for acquiring, extraction means for extracting the object to be measured from the total illumination reflection image and the reflection pattern image, and the measurement extracted by the extraction means The motion state estimation means for estimating the motion state of the target object, and the geometrical deformation of the image of the measurement target object in the total illumination reflection image or the reflection pattern image based on the motion state of the measurement target object estimated by the motion state estimation means , Image geometric deformation adjusting means for minimizing the position, orientation and size deviation between the measurement target object in the all-illumination reflection image and the measurement target object in the reflection pattern image, and intensity modulation pattern light is projected from the reflection pattern image Projection pattern light detection means for detecting pattern light (hereinafter referred to as “projection pattern light”), and a totally illuminated reflection image The direction angle of the projection pattern light is calculated by comparing the measurement target object in Fig. 2 with the measurement target object in the reflection pattern image in which the deviation of the position, orientation, and size of the measurement target object in the total illumination reflection image is minimized. Direction angle calculation means, direction angle correction means for correcting the direction angle of the projection pattern light based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image; Calculated by a depth distance calculating means for calculating a depth distance, a three-dimensional information calculating means for calculating three-dimensional information of the measurement target object from the depth distance of the measurement point calculated by the depth distance calculating means, and a three-dimensional information calculating means. Output means for outputting three-dimensional information.
本発明によれば、強度値または色が均一である全面投影用のパターンの光(全照明光)が投影手段により計測対象物体に投影され、この全照明光が投影された計測対象物体の反射光が撮像手段により撮影されて全照明反射画像が取得されるとともに、強度値または色の異なるパターンの光(強度変調パターン光)が投影手段により計測対象物体に投影され、この強度変調パターン光が投影された計測対象物体の反射光が撮像手段により撮影されて反射パターン画像が取得される。そして、これらの全照明反射画像および反射パターン画像から計測対象物体がそれぞれ抽出され、抽出された計測対象物体の運動状態が推定され、推定された計測対象物体の運動状態に基づいて全照明反射画像または反射パターン画像における計測対象物体の画像の幾何変形が行われ、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小化される。つまり、計測対象物体が計測中に動いたとしても、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小となるように調整されているので、これらの画像を比較することにより、反射パターン画像から検出される投影パターン光の方向角を容易に算出することができる。また、この方向角は、反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて補正されることで、より正確な値となり、この補正された方向角から計測点の奥行き距離が算出され、算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報が算出され、この算出された三次元情報が出力される。 According to the present invention, light (entire illumination light) of a pattern for full-surface projection having a uniform intensity value or color is projected onto the measurement target object by the projection means, and the measurement target object reflected by the projection of the total illumination light is reflected. Light is imaged by the imaging means to obtain a total illumination reflection image, and light of a pattern with different intensity values or colors (intensity modulation pattern light) is projected onto the measurement target object by the projection means, and the intensity modulation pattern light is The reflected light of the projected measurement target object is photographed by the imaging means, and a reflection pattern image is acquired. Then, the measurement target object is extracted from each of the total illumination reflection image and the reflection pattern image, the motion state of the extracted measurement target object is estimated, and the total illumination reflection image is based on the estimated motion state of the measurement target object. Alternatively, the geometric deformation of the image of the measurement target object in the reflection pattern image is performed, and the deviation in position, posture, and size between the measurement target object in the total illumination reflection image and the measurement target object in the reflection pattern image is minimized. In other words, even if the measurement target object moves during measurement, the position, orientation, and size deviation between the measurement target object in the total illumination reflection image and the measurement target object in the reflection pattern image are adjusted to be minimal. Therefore, by comparing these images, the direction angle of the projection pattern light detected from the reflection pattern image can be easily calculated. The direction angle is corrected based on the intensity characteristic, color distribution characteristic, or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image, and becomes a more accurate value. The depth of the measurement point is calculated from the corrected direction angle. The distance is calculated, the three-dimensional information of the measurement target object is calculated from the calculated depth distance of the measurement point, and the calculated three-dimensional information is output.
また、本発明では、強度値または色の異なるパターンの強度変調パターン光が計測対象物体に投影され、この反射光が撮影されて取得された反射パターン画像から投影パターン光が検出されるので、1回の投影で多くの個別パターン光を持つ投影パターン光を検出することができる。つまり、1回の撮影で多くの投影パターン光の情報を得ることができる。なお、パターン光および投影パターン光は、一つ一つの個別パターン光の集合体である。 Further, in the present invention, intensity modulation pattern light of patterns having different intensity values or colors are projected onto the measurement target object, and the projection pattern light is detected from the reflection pattern image acquired by photographing the reflected light. Projection pattern light having many individual pattern lights can be detected by one projection. That is, a lot of information on the projection pattern light can be obtained by one shooting. The pattern light and the projection pattern light are an aggregate of individual pattern lights.
ここで、前記強度変調パターン光は、反射パターン画像により一つ一つの個別パターン光を高速度かつ高精度に検出するために、異なる強度値または色により構成されたパターン光の強度分布を最適化した最適強度組合せパターン、または、異なる色の縞状パターンにより構成されたパターン光の色分布を最適化した最適カラー変調パターンの光であることが望ましい。異なる強度値または色により構成されたパターン光の強度分布を最適化して最適強度組合せパターンを形成することによって、注目する個別パターンとこれに隣接する個別パターンの各極大値の強度差を最大にする強度変化の大きい最適強度組合せパターンが作成される。この最適強度組合せパターンの光を計測対象物体に投影すると、撮影された計測対象物体の画像から得られる投影パターン光においても、注目する個別パターン光とこれに隣接する個別パターン光の各極大値の強度差が最大となり、注目する個別パターン光とこれに隣接する個別パターン光の区別が付けやすくなり、注目する個別パターン光の特定や方向角の検出が容易となり、誤検出の可能性が少なくなる。したがって、投影パターン光の各個別パターン光の方向角の算出精度を向上させることができ、三次元画像計測の精度をさらに向上させることができる。 Here, the intensity modulation pattern light optimizes the intensity distribution of the pattern light composed of different intensity values or colors in order to detect each individual pattern light with high speed and high accuracy from the reflection pattern image. It is desirable that the light has an optimum color modulation pattern obtained by optimizing the color distribution of the pattern light configured by the optimum intensity combination pattern or the stripe pattern of different colors. By optimizing the intensity distribution of the pattern light composed of different intensity values or colors to form the optimal intensity combination pattern, the intensity difference between each local maximum value of the individual pattern of interest and the adjacent individual pattern is maximized An optimum intensity combination pattern having a large intensity change is created. When the light of this optimum intensity combination pattern is projected onto the measurement target object, the maximum values of the individual pattern light of interest and the individual pattern light adjacent thereto are also obtained in the projection pattern light obtained from the captured image of the measurement target object. The difference in intensity is maximized, making it easy to distinguish between the individual pattern light of interest and the individual pattern light adjacent to it, making it easy to identify the individual pattern light of interest and detecting the direction angle, and reduce the possibility of false detection . Therefore, the calculation accuracy of the direction angle of each individual pattern light of the projection pattern light can be improved, and the accuracy of the three-dimensional image measurement can be further improved.
本発明の非静止物体の三次元画像計測方法は、強度値または色が均一である全面投影用のパターンを形成し、計測対象物体にパターン光を投影する投影手段を介して全面投影用のパターンの光(全照明光)を計測対象物体に投影し、全照明光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(全照明反射画像)を取得する全照明光投影撮影ステップと、強度値または色の異なるパターンを形成し、投影手段を介して強度値または色の異なるパターンの光(強度変調パターン光)を計測対象物体に投影し、強度変調パターン光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(反射パターン画像)を取得する強度変調パターン光投影撮影ステップと、全照明反射画像および反射パターン画像から計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出ステップと、抽出ステップにおいて抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定ステップと、運動状態推定ステップにおいて推定された計測対象物体の運動状態に基づいて全照明反射画像または反射パターン画像における計測対象物体の画像の幾何変形を行い、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節ステップと、反射パターン画像から強度変調パターン光が投影された投影パターン光を検出する投影パターン光検出ステップと、全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小化された反射パターン画像における計測対象物体とを比較して投影パターン光の方向角を算出する方向角算出ステップと、反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて投影パターン光の方向角を補正する方向角補正ステップと、算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出ステップと、奥行き距離算出ステップにおいて算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出ステップと、三次元情報算出ステップにおいて算出された三次元情報を出力する出力ステップとを含む。 The method for measuring a three-dimensional image of a non-stationary object according to the present invention forms a pattern for full-surface projection having a uniform intensity value or color and projects the pattern for full-surface projection via a projection unit that projects pattern light onto the measurement target object. Light (all illumination light) is projected onto the measurement target object, and the reflected light of the measurement target object onto which the total illumination light is projected is photographed by the imaging means to obtain an image (all illumination reflected image). Steps and patterns having different intensity values or colors are formed, and light having different intensity values or colors (intensity modulation pattern light) is projected onto the measurement target object via the projection means, and the intensity modulation pattern light is projected. An intensity-modulated pattern light projection photographing step for capturing an image (reflection pattern image) by capturing reflected light of the measurement target object with an imaging means, and a measurement target object from the all-illumination reflection image and the reflection pattern image An extraction step to extract each, a motion state estimation step to estimate the motion state of the measurement target object extracted in the extraction step, and a total illumination reflection image based on the motion state of the measurement target object estimated in the motion state estimation step An image geometric deformation adjustment step that performs geometric deformation of the image of the measurement target object in the reflection pattern image and minimizes the position, orientation, and size deviation between the measurement target object in the total illumination reflection image and the measurement target object in the reflection pattern image. A projection pattern light detection step for detecting projection pattern light obtained by projecting intensity modulation pattern light from the reflection pattern image, a measurement target object in the total illumination reflection image, and a position of the measurement target object in the total illumination reflection image, Reflection pattern image with minimal deviation in posture and size A direction angle calculation step for calculating the direction angle of the projection pattern light by comparing with the target object, and correcting the direction angle of the projection pattern light based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image Direction angle correction step, depth distance calculation step for calculating the depth distance of the measurement point from the calculated direction angle, and three-dimensional information of the measurement target object from the depth distance of the measurement point calculated in the depth distance calculation step A three-dimensional information calculating step, and an output step for outputting the three-dimensional information calculated in the three-dimensional information calculating step.
本発明の非静止物体の三次元画像計測プログラムは、計測対象物体にパターン光を投影する投影手段と、パターン光が投影された計測対象物体を撮像する撮像手段とが接続されたコンピュータを、強度値または色が均一である全面投影用のパターンを形成し、投影手段を介して全面投影用のパターンの光(全照明光)を計測対象物体に投影し、全照明光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(全照明反射画像)を取得する全照明光投影撮影手段と、強度値または色の異なるパターンを形成し、投影手段を介して強度値または色の異なるパターンの光(強度変調パターン光)を計測対象物体に投影し、強度変調パターン光が投影された計測対象物体の反射光を撮像手段により撮影して画像(反射パターン画像)を取得する強度変調パターン光投影撮影手段と、全照明反射画像および反射パターン画像から計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定手段と、運動状態推定手段により推定された計測対象物体の運動状態に基づいて全照明反射画像または反射パターン画像における計測対象物体の画像の幾何変形を行い、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節手段と、反射パターン画像から強度変調パターン光が投影された投影パターン光を検出する投影パターン光検出手段と、全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小化された反射パターン画像における計測対象物体とを比較して投影パターン光の方向角を算出する方向角算出手段と、反射パターン画像における投影パターンの光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて投影パターンの光の方向角を補正する方向角補正手段と、算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出手段と、奥行き距離算出手段により算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出手段と、三次元情報算出手段により算出された三次元情報を出力する出力手段として機能させるためのものである。 A non-stationary object three-dimensional image measurement program according to the present invention provides a computer connected with a projection unit that projects pattern light onto a measurement target object and an imaging unit that images the measurement target object onto which the pattern light is projected. A measurement target in which a pattern for full-surface projection with uniform value or color is formed, and the light for the whole-surface projection pattern (all illumination light) is projected onto the measurement target object via the projection means, and all illumination light is projected A pattern with different intensity values or colors is formed from the all-illumination light projection imaging means that captures the reflected light of the object by the imaging means to obtain an image (total illumination reflection image), and the intensity value or color of the object is formed via the projection means. A different pattern of light (intensity modulation pattern light) is projected onto the measurement target object, and the reflected light of the measurement target object onto which the intensity modulation pattern light has been projected is captured by the imaging means to obtain an image (reflection pattern image). Intensity-modulation pattern light projection photographing means, extraction means for extracting the measurement target object from the total illumination reflection image and the reflection pattern image, and a motion state estimation means for estimating the motion state of the measurement target object extracted by the extraction means, Based on the motion state of the measurement target object estimated by the motion state estimation means, the measurement target object and the reflection pattern image in the total illumination reflection image are subjected to geometric deformation of the total illumination reflection image or the reflection pattern image. An image geometric deformation adjusting means for minimizing a position, posture and size deviation with respect to the measurement target object, a projection pattern light detecting means for detecting the projection pattern light on which the intensity modulation pattern light is projected from the reflection pattern image, and Position of the measurement target object in the total illumination reflection image and the measurement target object in the total illumination reflection image Direction angle calculation means for calculating the direction angle of the projection pattern light by comparing the object to be measured in the reflection pattern image in which the deviation of the posture and the size is minimized, and the intensity characteristic of the light of the projection pattern in the reflection pattern image, Direction angle correction means for correcting the light direction angle of the projection pattern based on the color distribution characteristic or shape characteristic, depth distance calculation means for calculating the depth distance of the measurement point from the calculated direction angle, and depth distance calculation means A function for functioning as a three-dimensional information calculation means for calculating the three-dimensional information of the measurement target object from the calculated depth distance of the measurement point and an output means for outputting the three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation means. is there.
本発明の非静止物体の三次元画像計測方法または三次元画像計測プログラムによれば、上記本発明の非静止物体の三次元画像計測装置と同様の作用効果を得ることができる。 According to the non-stationary object three-dimensional image measurement method or the three-dimensional image measurement program of the present invention, it is possible to obtain the same effects as the non-stationary object three-dimensional image measurement apparatus of the present invention.
(1)強度変調パターンを計測対象物体に1回しか投影しないので、投影パターン光の方向角が計測対象物体の移動により変化することがなく、精度良くパターン光投影による非静止物体の三次元画像計測を行うことが可能となる。なお、計測のためには、全照明光の投影と全照明反射画像の撮影が必要であるが、全照明反射画像は反射パターン画像の強度補正用のものであり、投影パターン光の方向角(すなわち、式(1)の中のαおよびβ)の計算に使われていないので、計測目標点の三次元情報の計算精度への直接的影響はない。 (1) Since the intensity modulation pattern is projected only once on the measurement target object, the direction angle of the projection pattern light does not change due to the movement of the measurement target object, and the three-dimensional image of the non-stationary object by pattern light projection with high accuracy Measurement can be performed. Note that for the measurement, it is necessary to project all illumination light and capture a total illumination reflection image. However, the total illumination reflection image is used for correcting the intensity of the reflection pattern image, and the direction angle of the projection pattern light ( That is, since it is not used for the calculation of α and β) in the equation (1), there is no direct influence on the calculation accuracy of the three-dimensional information of the measurement target point.
(2)全照明反射画像と反射パターン画像により、計測対象物体の運動状態を推定し、推定した運動状態により全照明反射画像もしくは反射パターン画像を調節し、2枚の画像における計測対象物体の位置、姿勢および大きさのずれが極小化された反射パターン画像の強度補正用の最適な画像を得ることにより、最適な反射パターン画像強度補正ができ、反射パターンの方向情報の計算の精度を向上することができる。これにより、非静止物体にしても、高精度の三次元画像計測が可能である。 (2) The movement state of the measurement target object is estimated from the total illumination reflection image and the reflection pattern image, and the total illumination reflection image or reflection pattern image is adjusted according to the estimated movement state, and the position of the measurement target object in the two images By obtaining an optimal image for correcting the intensity of the reflection pattern image with minimal deviation in posture and size, the optimal reflection pattern image intensity correction can be performed and the accuracy of calculation of the direction information of the reflection pattern can be improved. be able to. Thereby, even if it is a non-stationary object, highly accurate three-dimensional image measurement is possible.
(3)全照明反射画像における計測対象物体と、全照明反射画像における計測対象物体の位置、姿勢および大きさのずれが極小化された反射パターン画像における計測対象物体とを比較して投影パターン光の方向角を算出する方向角算出手段により、投影パターン光検出の精度を向上し、検出時間を短縮することができる。 (3) The projection pattern light by comparing the measurement target object in the total illumination reflection image with the measurement target object in the reflection pattern image in which the deviation of the position, orientation, and size of the measurement target object in the total illumination reflection image is minimized By the direction angle calculation means for calculating the direction angle, the accuracy of the projection pattern light detection can be improved and the detection time can be shortened.
(4)計測対象物体が計測中に動いたとしても、全照明反射画像における計測対象物体と反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小となるように調整され、これらの画像が比較されて、反射パターン画像から検出される投影パターン光の方向角が算出されるので、不均一速度の移動物体に対しても、高精度の三次元画像計測が可能である。 (4) Even if the measurement target object moves during measurement, the position, orientation, and size deviation between the measurement target object in the total illumination reflection image and the measurement target object in the reflection pattern image are adjusted to be minimal, Since these images are compared and the direction angle of the projection pattern light detected from the reflection pattern image is calculated, highly accurate three-dimensional image measurement is possible even for a moving object having a non-uniform speed.
(5)本発明は三次元情報を算出するために、画像の平行移動、回転、拡大縮小のような幾何変換、2枚の撮影画像の割り算による画像強度補正など簡単な手法しか使わず、計算速度が速く、高速な計測が可能である。 (5) The present invention uses only simple methods such as geometric transformation such as translation, rotation, and enlargement / reduction of an image and image intensity correction by dividing two captured images in order to calculate three-dimensional information. High speed and high speed measurement.
以下、本発明の実施の形態における三次元画像計測装置について、図面を用いて説明する。図1は本実施形態における三次元画像計測装置の全体構成を示す図である。図2は図1の三次元画像計測装置の詳細な構成を示すブロック図である。 Hereinafter, a three-dimensional image measurement apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a three-dimensional image measurement apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the three-dimensional image measurement apparatus of FIG.
図1に示すように、本実施形態の三次元画像計測装置は、計測対象物体Aにパターン光を投影する投影手段としてのパターン投影機1と、パターン光が投影された計測対象物体Aを撮像する撮像手段としてのカメラ2と、このカメラ2により撮像した画像のデータを処理するデータ処理装置3とから構成される。パターン投影機1とデータ処理装置3、カメラ2とデータ処理装置3は、各データを伝送することができる伝送ケーブル4,5によって接続されている。 As shown in FIG. 1, the three-dimensional image measurement apparatus of the present embodiment captures a pattern projector 1 as a projection unit that projects pattern light onto a measurement target object A, and the measurement target object A onto which the pattern light is projected. And a data processing device 3 that processes data of an image captured by the camera 2. The pattern projector 1 and the data processing device 3, and the camera 2 and the data processing device 3 are connected by transmission cables 4 and 5 that can transmit each data.
パターン投影機1は、データ処理装置3により形成されたパターンデータをパターン光に変換し、計測対象物体Aに投影する装置、もしくは、データ処理装置3の命令を受け、所定のパターン光を計測対象物体Aに投影する装置である。例えば、液晶プロジェクタ、DLP(デジタルライトプロセッシング、商標)プロジェクタ、レーザ光プロジェクタ、LED(半導体)プロジェクタやフィルムプロジェクタなど市販の簡単な装置を用いることができる。カメラ2はデジタル式カメラである。なお、カメラ2はデジタル式カメラであれば8ビット、10ビット、12ビット、16ビットのものや、3CCD、1CCD、CMOS等や、静止画カメラ、動画カメラ、ビデオカメラ等のどのようなものでもよい。 The pattern projector 1 converts the pattern data formed by the data processing device 3 into pattern light and projects it onto the measurement target object A or receives a command from the data processing device 3 and receives a predetermined pattern light as a measurement target. It is a device that projects onto the object A. For example, a commercially available simple device such as a liquid crystal projector, a DLP (Digital Light Processing (trademark)) projector, a laser light projector, an LED (semiconductor) projector, or a film projector can be used. The camera 2 is a digital camera. If the camera 2 is a digital camera, it can be any of 8-bit, 10-bit, 12-bit, 16-bit, 3CCD, 1CCD, CMOS, still image camera, video camera, video camera, etc. Good.
データ処理装置3は、図2に示すように、パターン投影機1およびカメラ2と接続するためのインターフェース3aを備え、図示しない三次元画像計測プログラムの実行により、カメラ2から伝送された画像のデータや後述する各手段により算出された結果のデータ等を記憶する記憶手段10と、強度値または色が均一である全面投影用のパターンの光(全照明光)をパターン投影機1により投影するとともに、この全照明光投影時の反射光をカメラ2によって撮影することにより画像(全照明反射画像)を取得する全照明光投影撮影手段11と、強度値または色の異なるパターンの光(強度変調パターン光)をパターン投影機1により投影するとともに、この強度変調パターン光投影時の反射光をカメラ2によって撮影することにより画像(反射パターン画像)を取得する強度変調パターン光投影撮影手段12と、記憶手段10から全照明反射画像および反射パターン画像を取得してそれぞれ計測対象物体Aを抽出する抽出手段13と、抽出手段13により抽出された計測対象物体Aの形状と位置により、計測対象物体Aの運動状態を推定する運動状態推定手段14と、運動状態推定手段14により推定された計測対象物体Aの運動状態に基づき、全照明反射画像もしくは反射パターン画像における計測対象物体Aの画像を上下、左右移動、回転、拡大、縮小などの幾何変形を行う画像幾何変形調節手段15と、画像幾何変形調節手段15により調節された反射パターン画像および全照明反射画像を用い、反射パターン画像の強度値を補正する画像強度補正手段16と、画像強度補正手段16により補正された反射パターン画像から投影パターン光を検出する投影パターン光検出手段17と、投影パターン光の各個別パターン光の方向角を算出する方向角算出手段18と、反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて投影パターン光方向角を補正する方向角補正手段19と、算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出手段20と、奥行き距離算出手段20により算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体Aの三次元情報を算出する三次元情報算出手段21と、三次元情報算出手段21により算出された三次元情報を出力する出力手段22として機能する。 As shown in FIG. 2, the data processing apparatus 3 includes an interface 3 a for connecting to the pattern projector 1 and the camera 2, and image data transmitted from the camera 2 by executing a three-dimensional image measurement program (not shown). In addition, the pattern projector 1 projects the light (total illumination light) of the pattern for full-surface projection with uniform intensity values or colors, and storage means 10 for storing data and the like calculated by each means described later. The whole illumination light projection photographing means 11 for obtaining an image (total illumination reflection image) by photographing the reflected light at the time of the projection of the whole illumination light by the camera 2 and light of different intensity values or colors (intensity modulation patterns) Light) is projected by the pattern projector 1, and the reflected light at the time of projecting the intensity-modulated pattern light is photographed by the camera 2 to produce an image. The intensity-modulated pattern light projection photographing means 12 for obtaining the reflection pattern image), the extraction means 13 for obtaining the entire illumination reflection image and the reflection pattern image from the storage means 10 and extracting the measurement target object A, respectively, and the extraction means 13 Based on the extracted shape and position of the measurement target object A, the motion state estimation means 14 for estimating the motion state of the measurement target object A, and the motion state of the measurement target object A estimated by the motion state estimation means 14 An image geometric deformation adjusting means 15 for performing geometric deformation such as up / down, left / right movement, rotation, enlargement and reduction of the image of the measurement target object A in the illumination reflection image or reflection pattern image, and the reflection adjusted by the image geometric deformation adjustment means 15. Image intensity correction means 16 for correcting the intensity value of the reflection pattern image using the pattern image and the total illumination reflection image, and image intensity Projection pattern light detection means 17 for detecting projection pattern light from the reflection pattern image corrected by the correction means 16, direction angle calculation means 18 for calculating the direction angle of each individual pattern light of the projection pattern light, and the reflection pattern image Direction angle correction means 19 for correcting the projection pattern light direction angle based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light, and a depth distance calculation means 20 for calculating the depth distance of the measurement point from the calculated direction angle. The three-dimensional information calculation means 21 for calculating the three-dimensional information of the measurement target object A from the depth distance of the measurement point calculated by the depth distance calculation means 20, and the three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation means 21. It functions as output means 22 for outputting.
全照明光投影撮影手段11は、縞がない強度値もしくは色が均一の全面投影用のパターンを形成し、インターフェース3aを介してパターン投影機1に出力し、この全面投影用のパターンの光(全照明光)をパターン投影機1により計測対象物体Aに投影するものである。あるいは、全照明光投影撮影手段11は、データ処理装置3からの命令を受け、所定の全照明光をパターン投影機1により計測対象物体Aに投影するものとすることも可能である。また、全照明光投影撮影手段11は、この全照明光を投影した計測対象物体Aからの反射光をカメラ2によって撮影し、この撮影した画像(全照明反射画像)をインターフェース3aを介して取り込み、記憶手段10に記憶する。 The all-illumination light projection photographing unit 11 forms a pattern for full-surface projection having no intensity value or color with no stripes, and outputs the pattern to the pattern projector 1 via the interface 3a. All illumination light) is projected onto the measurement target object A by the pattern projector 1. Alternatively, the all-illumination light projection photographing unit 11 may receive a command from the data processing device 3 and project predetermined total illumination light onto the measurement target object A by the pattern projector 1. Further, the all-illumination light projection photographing unit 11 photographs the reflected light from the measurement target object A onto which the all-illumination light is projected, and takes in the photographed image (all-illumination reflection image) via the interface 3a. And stored in the storage means 10.
強度変調パターン光投影撮影手段12は、縞の強度変化があるもしくは色の異なるストライプ状パターンや、振幅の変化がある正弦波状強度分布パターンあるいは余弦波状強度分布パターンなどの強度変調パターンを形成し、インターフェース3aを介してパターン投影機1に出力し、この強度変調パターンの光をパターン投影機1により計測対象物体Aに投影する。あるいは、強度変調パターン光投影撮影手段12は、データ処理装置3からの命令を受け、所定の時刻で強度変調パターン光をパターン投影機1により計測対象物体Aに投影するものとすることも可能である。また、強度変調パターン光投影撮影手段12は、これらの強度変調パターンのいずれかの光を投影した計測対象物体Aからの反射光をカメラ2によって撮影し、この撮影した画像(反射パターン画像)を、インターフェース3aを介して取り込み、記憶手段10に記憶する。 The intensity modulation pattern light projection photographing means 12 forms an intensity modulation pattern such as a stripe pattern having a stripe intensity change or a different color, a sine wave intensity distribution pattern or a cosine wave intensity distribution pattern having an amplitude change, and the like. The light is output to the pattern projector 1 via the interface 3a, and the light of the intensity modulation pattern is projected onto the measurement target object A by the pattern projector 1. Alternatively, the intensity modulation pattern light projection photographing unit 12 can receive an instruction from the data processing device 3 and project the intensity modulation pattern light onto the measurement target object A by the pattern projector 1 at a predetermined time. is there. Further, the intensity modulation pattern light projection photographing means 12 photographs the reflected light from the measurement target object A onto which any one of these intensity modulation patterns is projected by the camera 2, and the photographed image (reflection pattern image). The data is taken in via the interface 3a and stored in the storage means 10.
抽出手段13は、計測対象物体Aの全照明光投影撮影手段11により得られた全照明反射画像および強度変調パターン光投影撮影手段12により得られた反射パターン画像を記憶手段10から取得して、計測対象物体Aを抽出する。運動状態推定手段14は、全照明投影撮影手段11により得られた全照明反射画像および強度変調パターン光投影撮影手段12により得られた反射パターン画像を記憶手段10から取得し、これらの全照明反射画像および反射パターン画像を用いて、これらの異なる画像における計測対象物体Aの位置と姿勢から、計測対象物体Aの運動方向や運動速度などの運動状態を推定するものである。 The extraction unit 13 acquires the total illumination reflected image obtained by the total illumination light projection photographing unit 11 of the measurement target object A and the reflection pattern image obtained by the intensity modulation pattern light projection photographing unit 12 from the storage unit 10, and The measurement target object A is extracted. The motion state estimation means 14 acquires the total illumination reflection image obtained by the all illumination projection imaging means 11 and the reflection pattern image obtained by the intensity modulation pattern light projection imaging means 12 from the storage means 10 and these total illumination reflections. Using the image and the reflection pattern image, the motion state such as the motion direction and motion speed of the measurement target object A is estimated from the position and orientation of the measurement target object A in these different images.
画像幾何変形調節手段15は、運動状態推定手段14により推定された計測対象物体Aの運動状態にしたがって、全照明反射画像もしくは反射パターン画像における計測対象物体Aの画像を、上下および左右の平行移動、各方向に回転、および拡大縮小の幾何変形調節を行い、反射パターン画像における計測対象物体Aと、全照明反射画像における計測対象物体Aとの位置、姿勢および大きさのずれを極小化するものである。画像強度補正手段16は、画像幾何変形調節手段15により計測対象物体Aの位置、姿勢および大きさが調節された反射パターン画像と全照明反射画像とを用いて、次式(2)に示した割り算補正の手法を用いて、反射パターン画像の強度値を補正し、画像から計測対象物体Aの色分布情報や環境光の影響等を取り除くものである。 The image geometric deformation adjusting unit 15 translates the image of the measurement target object A in the all-illumination reflection image or the reflection pattern image vertically and horizontally according to the movement state of the measurement target object A estimated by the movement state estimation unit 14. , Rotating and scaling in each direction and adjusting the geometric deformation to minimize the deviation in position, posture and size between the measurement target object A in the reflection pattern image and the measurement target object A in the total illumination reflection image It is. The image intensity correction unit 16 uses the reflection pattern image in which the position, posture, and size of the measurement target object A are adjusted by the image geometric deformation adjustment unit 15 and the total illumination reflection image, and is expressed by the following equation (2). By using a division correction method, the intensity value of the reflection pattern image is corrected, and the color distribution information of the measurement target object A, the influence of ambient light, and the like are removed from the image.
投影パターン光検出手段17は、画像強度補正手段16により強度値が補正された反射パターン画像から、投影した強度変調パターン光の強度分布を検出するものである。 The projection pattern light detection means 17 detects the intensity distribution of the projected intensity modulation pattern light from the reflection pattern image whose intensity value has been corrected by the image intensity correction means 16.
方向角算出手段18は、計測対象物体Aに投影した強度変調パターン光の各個別パターンの強度分布の極大値と、画像強度補正手段16により強度値が補正された反射パターン画像の各個別パターンの強度分布の極大値とを比較し、反射パターン画像のうちの注目する個別パターンが、強度変調パターン光のうちの推定される個別パターンの反射パターンであるかどうかの確信度を求め、その確信度の一番大きい強度変調パターン光のうちの推定される個別パターンの投影角度を、反射パターン画像のうちの注目する個別パターンの投影方向角とすることにより、反射パターン画像の各個別パターンの投影方向角を算出するものである。 The direction angle calculation means 18 calculates the maximum value of the intensity distribution of each individual pattern of the intensity modulation pattern light projected onto the measurement target object A and each individual pattern of the reflection pattern image whose intensity value has been corrected by the image intensity correction means 16. The maximum value of the intensity distribution is compared, and the certainty of whether or not the individual pattern of interest in the reflection pattern image is the reflection pattern of the estimated individual pattern of the intensity modulation pattern light is obtained. The projection direction of each individual pattern of the reflection pattern image is obtained by setting the projection angle of the estimated individual pattern of the largest intensity modulation pattern light of the reflection pattern image as the projection direction angle of the individual pattern of interest in the reflection pattern image. The angle is calculated.
方向角補正手段19は、反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性および形状特性に基づき、各個別パターンによって反射されたパターンをいくつかのグループに分類し、同一グループに属する個別パターンの投影方向角を一致させるため、方向角算出手段18によって算出された各個別パターンの投影方向角を補正するものである。 The direction angle correction means 19 classifies the patterns reflected by the individual patterns into several groups based on the intensity characteristics, color distribution characteristics, and shape characteristics of the projection pattern light in the reflection pattern image, and the individual patterns belonging to the same group. The projection direction angle of each individual pattern calculated by the direction angle calculation means 18 is corrected in order to match the projection direction angles.
奥行き距離算出手段20は、方向角補正手段19により算出された各計測点の投影方向角αと反射パターン画像における各計測点の画像座標により算出された観測方向角βとから、式(1)により各計測点の奥行き距離を算出するものである。三次元情報算出手段21は、奥行き距離算出手段20により算出された各計測点の奥行き距離から計測対象物体Aの三次元情報を算出するものである。この三次元情報には、計測対象物体Aの空間座標、複数の計測点間の距離、角度、面積、および体積などが含まれる。 The depth distance calculation unit 20 calculates the equation (1) from the projection direction angle α of each measurement point calculated by the direction angle correction unit 19 and the observation direction angle β calculated from the image coordinates of each measurement point in the reflection pattern image. Is used to calculate the depth distance of each measurement point. The three-dimensional information calculation unit 21 calculates three-dimensional information of the measurement target object A from the depth distance of each measurement point calculated by the depth distance calculation unit 20. This three-dimensional information includes spatial coordinates of the measurement target object A, distances between a plurality of measurement points, angles, areas, volumes, and the like.
出力手段22は、三次元情報算出手段21により算出された計測対象物体Aの空間座標、複数の計測点間の距離、角度、面積または体積などをデータ処理装置3に接続されたディスプレイ(図示せず。)上に表示したり、ハードディスクや各種のメモリなどのデータ記憶装置(図示せず。)に記憶したり、文章ファイルや図面ファイルとして印刷したりするものである。 The output means 22 is a display (not shown) connected to the data processing device 3 such as the spatial coordinates of the measurement target object A calculated by the three-dimensional information calculation means 21, the distance, angle, area, or volume between a plurality of measurement points. Or the like, or stored in a data storage device (not shown) such as a hard disk or various memories, or printed as a text file or drawing file.
次に、本実施形態の三次元画像計測装置の計測の流れについて、図3にしたがって説明する。前述のように奥行き距離Zを計算するためには、図12および式(1)に示したように、計測点Pの方向角α(本実施形態においてはパターン投影機1からの投影角度αとする。)と方向角β(本実施形態においてはカメラ2による観測角度βとする。)を求めなければならない。図3は本実施形態における三次元画像計測装置を用いた三次元画像計測の流れを示すフロー図であり、投影角度αと観測角度βを求めるためのパターン光投影から、計測点Pの三次元情報を算出するまでのアルゴリズムを示している。 Next, the measurement flow of the three-dimensional image measurement apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG. In order to calculate the depth distance Z as described above, as shown in FIG. 12 and equation (1), the direction angle α of the measurement point P (in this embodiment, the projection angle α from the pattern projector 1 and And the direction angle β (in this embodiment, the observation angle β by the camera 2) must be obtained. FIG. 3 is a flowchart showing the flow of 3D image measurement using the 3D image measurement apparatus according to the present embodiment. From the pattern light projection for obtaining the projection angle α and the observation angle β, the 3D measurement point P is obtained. An algorithm for calculating information is shown.
まず、図12に示す幾何関係となるように、パターン投影機1とカメラ2とを一定の距離dだけ離してそれぞれO1とO2の位置に配置する。三角測量の関係を保つことができれば、パターン投影機1とカメラ2とをそれぞれ逆にO2とO1に設置することや、他の位置に設置することもできる。 First, the pattern projector 1 and the camera 2 are arranged at positions O 1 and O 2 at a certain distance d so as to have the geometrical relationship shown in FIG. If the triangulation relationship can be maintained, the pattern projector 1 and the camera 2 can be installed at O 2 and O 1 , respectively, or at other positions.
投影するパターン光は、三次元画像計測の計測速度および精度を左右する重要な役割を有する。図4は本実施形態における強度変調パターンの一例を示す図であり、(a)はパターン、(b)は強度の空間分布を示す図である。本実施形態では、図4に示すような横縞状の白黒系のパターン光を用いる。このパターン光における個別パターンは強度変化のあるストライプ状の縞である。ここで、縞の投影方向を表す方向角は等間隔に設定し、各方向角の位置を縞のアドレスと称する。本実施形態で用いるパターン光はN本の縞を持ち、各縞状パターンのアドレスは、それぞれ、1,2,3,・・・,Nとする。また、各縞状パターンの方向角はそれぞれα1,α2,α3,・・・,αNとする。i番目の縞の強度値はIiとする。 Pattern light to be projected has an important role in determining the measurement speed and accuracy of three-dimensional image measurement. FIG. 4 is a diagram showing an example of an intensity modulation pattern in the present embodiment, where (a) shows a pattern and (b) shows a spatial distribution of intensity. In the present embodiment, horizontal stripe-shaped monochrome pattern light as shown in FIG. 4 is used. The individual pattern in the pattern light is a stripe having a change in intensity. Here, the direction angles representing the projection direction of the stripes are set at equal intervals, and the position of each direction angle is referred to as the stripe address. The pattern light used in this embodiment has N stripes, and the addresses of the stripe patterns are 1, 2, 3,. Further, each of the direction angle of each stripe pattern α 1, α 2, α 3 , ···, and alpha N. The intensity value of the i th stripe is I i .
なお、この強度変調パターンとしては、特許文献2に記載の最適強度組合せパターンを用いることが望ましい。この最適強度組合せパターンは、次式(3)のような評価関数d(I1,I2,・・・,IN)を定義し、この評価関数d(I1,I2,・・・,IN)の値を最大にする組み合わせを最適組み合わせとし、この最適組み合わせを用いたパターンである。 As the intensity modulation pattern, it is desirable to use the optimum intensity combination pattern described in Patent Document 2. This optimum intensity combination pattern defines an evaluation function d (I 1 , I 2 ,..., I N ) as in the following equation (3), and this evaluation function d (I 1 , I 2 ,. , I N ) is a pattern using the optimum combination as the optimum combination.
まず、データ処理装置3の全照明光投影撮影手段11により強度均一の全照明パターンを形成する。形成された全照明パターンは記憶手段10に記憶されるとともに伝送ケーブル4によりパターン投影機1に送られる。パターン投影機1に送られた全照明パターンは計測対象物体Aに投影される(ステップS101)。全照明パターンはデータ処理装置3により生成してパターン投影機1に送るだけでなく、パターン投影機1側でデータ処理装置3からの命令を受けて、自分自身に備える投影機能により、計測対象物体Aに投影することも可能である。 First, an all illumination pattern with uniform intensity is formed by the all illumination light projection photographing means 11 of the data processing device 3. All formed illumination patterns are stored in the storage means 10 and sent to the pattern projector 1 via the transmission cable 4. All illumination patterns sent to the pattern projector 1 are projected onto the measurement target object A (step S101). All illumination patterns are not only generated by the data processing device 3 and sent to the pattern projector 1, but also received a command from the data processing device 3 on the pattern projector 1 side, and a projection function provided for itself is used to measure the object to be measured. It is also possible to project to A.
パターン投影機1によって計測対象物体Aに投影された全照明光の反射光をカメラ2により撮像する。撮像された全照明反射画像は、伝送ケーブル5を通じて、データ処理装置3に送られ、記憶手段10に記憶される(ステップS102)。 The reflected light of the entire illumination light projected onto the measurement target object A by the pattern projector 1 is imaged by the camera 2. The captured total illumination reflection image is sent to the data processing device 3 through the transmission cable 5 and stored in the storage means 10 (step S102).
データ処理装置3の強度変調パターン光投影撮影手段12により強度変調パターンを形成する。形成された強度変調パターンは記憶手段10に記憶されるとともに伝送ケーブル4によりパターン投影機1に送られる。パターン投影機1に送られた強度変調パターンは計測対象物体Aに投影される(ステップS103)。なお、強度変調パターンはデータ処理装置3により生成してパターン投影機1に送るだけでなく、パターン投影機1側でデータ処理装置3からの命令を受けて、自分自身に備える投影機能により、計測対象物体Aに投影することも可能である。 The intensity modulation pattern is formed by the intensity modulation pattern light projection photographing means 12 of the data processing device 3. The formed intensity modulation pattern is stored in the storage means 10 and sent to the pattern projector 1 via the transmission cable 4. The intensity modulation pattern sent to the pattern projector 1 is projected onto the measurement target object A (step S103). The intensity modulation pattern is not only generated by the data processing device 3 and sent to the pattern projector 1, but also measured by the projection function provided on its own upon receiving a command from the data processing device 3 on the pattern projector 1 side. It is also possible to project onto the target object A.
パターン投影機1によって計測対象物体Aに投影された強度変調パターンの反射光をカメラ2により撮像する。撮像された反射パターン画像は、伝送ケーブル5を通じて、データ処理装置3に送られ、記憶手段10に記憶される(ステップS104)。 The reflected light of the intensity modulation pattern projected onto the measurement target object A by the pattern projector 1 is imaged by the camera 2. The captured reflection pattern image is sent to the data processing device 3 through the transmission cable 5 and stored in the storage means 10 (step S104).
次に、抽出手段13は、全照明反射画像および反射パターン画像から、計測対象物体Aを抽出する。なお、以下の説明において計測対象物体Aは、全照明反射画像における像をA0とし、反射パターン画像における像をA1とする。また、全照明反射画像および反射パターン画像における計測対象物体Aの位置、姿勢、大きさを用いて、運動状態推定手段14により、計測対象物体Aの運動状態を推定する(ステップS105)。 Next, the extraction unit 13 extracts the measurement target object A from the total illumination reflection image and the reflection pattern image. In the following description, for the measurement target object A, the image in the all-illumination reflection image is A 0 and the image in the reflection pattern image is A 1 . Further, the motion state of the measurement target object A is estimated by the motion state estimation means 14 using the position, posture, and size of the measurement target object A in the total illumination reflection image and the reflection pattern image (step S105).
画像幾何変形調節手段15は、図5に示すように、推定された計測対象物体A0の運動状態により、同図(a)の全照明反射画像における計測対象物体A0の位置を上下、左右に移動したり(同図(b)、(c)参照。)、空間上のX、Y、Z軸を中心に回転したり(同図(d)参照。)、サイズを変更するために拡大したり、縮小したり(同図(e)参照。)するような幾何変換を行い、全照明反射画像における計測対象物体A0と同図(f)の反射パターン画像における計測対象物体A1との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する(ステップS106)。あるいは、画像幾何変形調節手段15は、全照明反射画像を調節せず、反射パターン画像を調節することにより、全照明反射画像における計測対象物体A0と反射パターン画像における計測対象物体A1との位置、姿勢および大きさのずれを極小化することもできる。 Image geometric deformation regulating means 15, as shown in FIG. 5, the motion state of the estimated measurement object A 0, the upper and lower positions of the measurement object A 0 in total illumination reflected image of FIG. (A), left and right (See (b) and (c) in the figure), rotate around the X, Y, and Z axes in space (see (d) in the figure), or enlarged to change the size or performs geometric transformation such as reduction or (see FIG (e).), and the measuring object a 0 in total illumination reflected image and the measurement object a 1 in the reflection pattern image in FIG (f) The deviation of the position, posture and size is minimized (step S106). Alternatively, the image geometric transformation adjusting means 15 does not adjust the total illumination reflected image, by adjusting the reflection pattern image, the measurement object A 1 in the measurement object A 0 and the reflected pattern image in the entire illumination reflected image Deviations in position, posture and size can be minimized.
次に、画像強度補正手段16は、反射パターン画像と調節された全照明反射画像を用い、反射パターン画像の強度値を前述の式(2)により補正する(ステップS107)。 Next, the image intensity correction means 16 uses the reflection pattern image and the adjusted total illumination reflection image, and corrects the intensity value of the reflection pattern image by the above-described equation (2) (step S107).
投影パターン光検出手段17は、強度値が補正された反射パターン画像から投影した強度変調パターン光の縞の強度分布を検出する(ステップS108)。 The projection pattern light detection means 17 detects the intensity distribution of the fringes of the intensity modulation pattern light projected from the reflection pattern image whose intensity value has been corrected (step S108).
方向角算出手段18は、投影パターンのN本の縞状パターンの強度分布を(I1,I2,・・・,IN)とし、観測されたn本(n≦N)の縞状パターンの強度分布を
とする。次式(4)を用いてi番目の注目する縞状パターンのアドレスがkである確率Li(k)を計算し、確率Li(k)を最大とするkを注目する縞状パターンのアドレス(以下、「縞アドレス」と称す。)とする。計算された各計測点の縞アドレスにより、さらにその投影方向角を計算する(ステップS109)。
The direction angle calculation means 18 sets the intensity distribution of N striped patterns of the projection pattern as (I 1 , I 2 ,..., I N ), and observes n (n ≦ N) striped patterns. Intensity distribution
And I-th address of the striped pattern of interest using the following formula (4) calculates the probability L i (k) is k, the probability L i a (k) of the striped pattern of interest the k that maximizes Address (hereinafter referred to as “stripe address”). The projection direction angle is further calculated based on the calculated fringe address of each measurement point (step S109).
方向角補正手段19は、まず連結性や縞の強度値変化もしくは色分布などの特性により、観測パターンにおける各縞状パターンの像をいくつかのグループに分類し、各グループの縞アドレスを、同じグループに属する注目縞上の各計測点の投影方向角の計算値(α1,α2,α3,α4,α5,α6,α7,α8)の分布を調べ、図6に示すように、計測点の数が一番多い投影方向角α5を、このグループのすべての計測点の投影方向角とする(ステップS110)。 The direction angle correction means 19 first classifies the image of each striped pattern in the observation pattern into several groups according to characteristics such as connectivity, stripe intensity value change, or color distribution, and sets the stripe address of each group to the same. The distribution of the calculated values of projection direction angles (α 1 , α 2 , α 3 , α 4 , α 5 , α 6 , α 7 , α 8 ) at each measurement point on the target stripe belonging to the group is examined. As shown, the projection direction angle α 5 having the largest number of measurement points is set as the projection direction angle of all measurement points in this group (step S110).
奥行き距離算出手段20は、方向角算出手段18および方向角補正手段19により算出された投影方向角αと、パターン画像における反射注目点の画像座標により算出された観測方向角βを用いて、式(1)により、その奥行き距離値を計算する(ステップS111)。 The depth distance calculation unit 20 uses the projection direction angle α calculated by the direction angle calculation unit 18 and the direction angle correction unit 19 and the observation direction angle β calculated from the image coordinates of the reflection attention point in the pattern image. The depth distance value is calculated according to (1) (step S111).
三次元情報算出手段21は、投影パターン光の各縞の各計測点である画素ごとにステップS111の計算により得られた奥行き距離Zを用いて、計測対象物体A全体の三次元情報を算出する。この三次元情報には、三次元空間座標、距離、角度、面積または体積などが含まれる。特に、計測対象物体Aが人体の場合には、顔の特徴、体型などの算出や人物の認識などを行うことができ、計測対象物体Aは工場現場の生産物の場合には、リアルタイムの品質管理ができる(ステップS112)。 The three-dimensional information calculation means 21 calculates the three-dimensional information of the entire measurement target object A using the depth distance Z obtained by the calculation in step S111 for each pixel that is each measurement point of each stripe of the projection pattern light. . This three-dimensional information includes three-dimensional space coordinates, distance, angle, area, volume, and the like. In particular, when the measurement target object A is a human body, it is possible to calculate facial features, body shapes, etc., and to recognize a person. When the measurement target object A is a product on the factory floor, real-time quality can be obtained. Management is possible (step S112).
すべての計測結果は、データ処理装置3に接続された記録メディアに保存することができる。また、ディスプレイなどの出力手段22を用いて画面上に表示したり、プリンタなどの別の出力手段22によって、文章ファイルや図面ファイルとして出力したりすることができる(ステップS113)。 All measurement results can be stored in a recording medium connected to the data processing device 3. Further, it can be displayed on the screen using the output means 22 such as a display, or can be output as a text file or a drawing file by another output means 22 such as a printer (step S113).
なお、本実施形態では、図3に示したように、強度変調パターン光を投影する前に全照明光を投影し、全照明反射画像を撮影した後に強度変調パターン光を投影し、反射パターン画像を撮影する投影撮影方法を用いるが、まず、強度変調パターン光を投影し、反射パターン画像を撮影した後に、全照明光を投影して全照明反射画像を撮影する投影撮影方法を用いることもできる。また、強度変調パターン光を投影し、反射パターン画像を撮影する前後に、それぞれ全照明光を投影し、全照明反射画像を撮影する投影撮影方法を用いることもできる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the entire illumination light is projected before the intensity modulation pattern light is projected, the intensity modulation pattern light is projected after the entire illumination reflection image is captured, and the reflection pattern image is projected. However, it is also possible to use a projection imaging method that first projects intensity-modulated pattern light, captures a reflection pattern image, and then projects all illumination reflected images by projecting all illumination light. . Further, it is also possible to use a projection imaging method in which the total illumination light is projected and the total illumination reflected image is captured before and after the intensity modulation pattern light is projected and the reflection pattern image is captured.
なお、本実施形態では、パターン投影機1とカメラ2をそれぞれ1台ずつ用いたが、計測精度をさらに向上させるために、図7に示すように、1台のパターン投影機1と複数台のカメラ2a,2b,・・・を用いて、計測対象物体Aを局所ごとに撮像して合成してもよい。こうすることにより、高解像度画像を得ることができ、この画像を用いることにより、より高精度の三次元情報を算出することができる。 In the present embodiment, one pattern projector 1 and one camera 2 are used. However, in order to further improve the measurement accuracy, as shown in FIG. The measurement target object A may be imaged for each region using the cameras 2a, 2b,. By doing so, a high-resolution image can be obtained, and more accurate three-dimensional information can be calculated by using this image.
また、図8および図9に示すように、パターン投影機1とカメラ2とのペアを計測対象物体Aの周辺に複数セットを設置してもよい。これにより、より短時間で様々な方向から広範囲の計測を実現することができ、計測対象物体Aの三次元情報を全周に渡って短時間で高精度に得ることもできるので、特に人体などを計測する際には被験者に負担をかけることなく計測を行うことができる。また、生産ラインにおける生産物の計測の際に、短時間で広範囲もしくは計測対象物体の全周計測を行うことが可能である。 Further, as shown in FIGS. 8 and 9, a plurality of sets of the pattern projector 1 and the camera 2 may be installed around the measurement target object A. As a result, a wide range of measurements can be realized from various directions in a shorter time, and the three-dimensional information of the measurement target object A can be obtained with high accuracy in a short time over the entire circumference. When measuring, measurement can be performed without placing a burden on the subject. Further, when measuring the product in the production line, it is possible to measure the entire circumference of the wide range or the measurement target object in a short time.
なお、本実施形態では、白黒系の強度変調パターン光を用いたが、これに限らず、投影パターンにおける各縞を区別することができれば、色の異なる縞状パターンにより構成される色変調パターンを用いてもよい。 In this embodiment, monochrome intensity modulation pattern light is used. However, the present invention is not limited to this. If each stripe in the projection pattern can be distinguished, a color modulation pattern constituted by stripe patterns having different colors is used. It may be used.
また、本実施形態では、投影するパターン光は横縞状のものを用いたが、これに限らず、縦縞状、斜めに形成された縞状のものなど直線状の縞で形成されたパターンや、大きさの異なる同心円状、円形状、楕円状などの模様による円形パターンおよび多角形による角形パターンや、格子状などの複雑な模様によるパターンを用いてもよい。 Further, in the present embodiment, the pattern light to be projected is a horizontal stripe, but not limited to this, a pattern formed by a linear stripe such as a vertical stripe, a diagonally formed stripe, Circular patterns such as concentric circles, circles, and ellipses having different sizes, rectangular patterns such as polygons, and patterns based on complicated patterns such as a lattice may be used.
次に、第1実施例として非静止物体としての兎の模型の三次元画像計測を行った結果を図10に示す。図10は本実施形態における三次元画像計測装置を用いて動いた兎の模型を三次元画像計測する様子を示す図であり、(a)は全照明光を投影して撮影された全照明反射画像を示す図、(b)は最適強度組み合わせパターンである強度変調パターンを示す図、(c)は強度変調パターンを投影して撮影された反射パターン画像を示す図、(d)は調整した全照明反射画像を示す図、(e)は強度値補正を行った反射パターン画像を示す図、(f)は計測した三次元情報を元に様々な角度からグラフィック表現した画像を示す図である。 Next, FIG. 10 shows a result of measuring a three-dimensional image of a cocoon model as a non-stationary object as a first example. FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which a three-dimensional image measurement is performed using a three-dimensional image measurement apparatus according to the present embodiment, and (a) is a total illumination reflection imaged by projecting all illumination light. The figure which shows an image, (b) is a figure which shows the intensity | strength modulation pattern which is an optimal intensity | strength combination pattern, (c) is a figure which shows the reflection pattern image image | photographed by projecting an intensity | strength modulation pattern, (d) is all adjusted FIG. 5E is a diagram illustrating an illumination reflection image, FIG. 5E is a diagram illustrating a reflection pattern image subjected to intensity value correction, and FIG. 5F is a diagram illustrating an image graphically expressed from various angles based on measured three-dimensional information.
図10(a)の全照明反射画像と同図(c)の反射パターン画像に示されるように、二枚の画像を撮影する間に、計測対象物体である兎の模型が動いているが、本実施形態における三次元画像計測装置を用いた非静止物体の三次元画像計測では、同図(f)に示されるように良好な結果を得ることができた。本実施形態における三次元画像計測精度は、カメラの写真撮影速度やパターン光投影の切り替え速度、計測システムのキャリブレーションにも依存するが、本実施例のように、全照明光と強度変調パターン光の投影撮影を切り替える際に、計測対象物体が全照明反射画像と反射パターン画像の両方の画像上にきちんと撮影される場合では、各縞状パターンの方向角の認識率が100%となる。 As shown in the total illumination reflection image of FIG. 10A and the reflection pattern image of FIG. 10C, while taking two images, the model of the eyelid that is the measurement target object is moving. In the three-dimensional image measurement of a non-stationary object using the three-dimensional image measurement apparatus in the present embodiment, good results were obtained as shown in FIG. The three-dimensional image measurement accuracy in this embodiment depends on the camera photography speed, the pattern light projection switching speed, and the calibration of the measurement system, but as in this embodiment, the total illumination light and the intensity-modulated pattern light When the projection shooting is switched, when the measurement target object is properly shot on both the all-illumination reflection image and the reflection pattern image, the recognition rate of the direction angle of each striped pattern is 100%.
次に、第2実施例としてカラー変調パターンを用いて三次元画像計測を行った結果について説明する。図11はカラー変調パターンの一例および反射パターン画像の一例のイメージ図であり、(a)はカラー変調パターンの一例を示す図、(b)は計測対象物体より反射されたカラー反射パターン画像を示す図、(c)は補正した反射パターン画像を示す図、(d)はxy色度図における個別パターンおよび反射パターンの縞の位置を示す図である。なお、図11(a)にはグレースケールにて表示されているが、このカラー変調パターン(アドレス1〜7)は、上から順に、赤色の個別パターン101、緑色の個別パターン102、黄色の個別パターン103、ピンク色の個別パターン104、青色の個別パターン105、茶色の個別パターン106、水色の個別パターン107の7本の異なる色の個別パターンにより構成される縞状の投影パターンである。 Next, as a second embodiment, a result of performing a three-dimensional image measurement using a color modulation pattern will be described. FIG. 11 is an image diagram of an example of a color modulation pattern and an example of a reflection pattern image, where (a) is a diagram illustrating an example of a color modulation pattern, and (b) is a diagram illustrating a color reflection pattern image reflected from an object to be measured. (C) is a figure which shows the corrected reflection pattern image, (d) is a figure which shows the position of the stripe of an individual pattern and a reflection pattern in xy chromaticity diagram. Although shown in gray scale in FIG. 11A, the color modulation patterns (addresses 1 to 7) are, in order from the top, the red individual pattern 101, the green individual pattern 102, and the yellow individual. This is a striped projection pattern composed of seven individual patterns of seven different colors: a pattern 103, a pink individual pattern 104, a blue individual pattern 105, a brown individual pattern 106, and a light blue individual pattern 107.
一方、このカラー変調パターンを投影して撮影されたカラー反射パターン画像は、図11(b)に示されるように、4本の反射パターンa,b,c,dにより構成される縞状パターンであったが、このカラー反射パターン画像は、計測対象物体の表面色分布、反射特性の影響や計測対象物体の動きなどの非静止状態の影響によって縞の色強度の変化が生じている。そのため、このカラー反射パターン画像から単純に縞の色分布と投影パターンの色分布の比較によって、縞アドレスを判断することは困難になる。例えば、図11(b)に示すA点の色は黄緑、B点の色は空色となり、同図(a)に示す投影パターンには存在しない色になっているため、A点およびB点の縞アドレスの判断は非常に困難になる。 On the other hand, a color reflection pattern image photographed by projecting this color modulation pattern is a striped pattern composed of four reflection patterns a, b, c, and d, as shown in FIG. However, in this color reflection pattern image, a change in the color intensity of the stripes occurs due to the influence of the non-stationary state such as the surface color distribution of the measurement target object, the influence of reflection characteristics and the movement of the measurement target object. Therefore, it becomes difficult to determine the stripe address from the color reflection pattern image by simply comparing the color distribution of the stripe and the color distribution of the projection pattern. For example, the color of point A shown in FIG. 11B is yellow-green, and the color of point B is sky blue, and is a color that does not exist in the projection pattern shown in FIG. It becomes very difficult to determine the stripe address.
そこで、本実施例では、まず同じグループに属する各縞状パターンの色強度の平均を取る。また、注目点の縞の色および注目点前後の縞の色強度情報を用い、投影パターンの複数の個別パターンの縞の色分布との比較を行い、分布の規則性を調べ、類似度の一番高い色は注目する個別パターンの縞の色とする。これにより、処理後の4本の縞状の反射パターンの色分布は、図11(c)に示すように浅緑色の反射パターン110、黄緑の反射パターン111、ピンク色の反射パターン112、青色の反射パターン113になる。これらの縞の一本の反射パターンの色だけによる縞アドレスの判断は困難であるが、複数本の反射パターンの色分布を総合的に分析すれば、複数本の反射パターンのグループにある各反射パターンのアドレスを簡単に判別できる。例えば、図11(d)に示すように、反射パターン112の色は個別パターン104と個別パターン107の間にあるので、反射パターン112のアドレスは4か7のどちらか分からないが、反射パターン110,111,112,113の縞のグループの色分布は、個別パターン102,103,104,105のグループと一番近いので、反射パターン110,111,112,113の縞アドレスはそれぞれ2,3,4,5であることが分かる。 Therefore, in this embodiment, first, the average of the color intensities of the striped patterns belonging to the same group is taken. Also, using the color of the stripe at the point of interest and the color intensity information of the stripes before and after the point of interest, a comparison is made with the color distribution of the stripes of the individual patterns of the projected pattern, the regularity of the distribution is examined, and the degree of similarity is determined. The highest color is the stripe color of the individual pattern of interest. As a result, the color distribution of the four striped reflection patterns after the processing is as shown in FIG. 11C. As shown in FIG. 11C, the light green reflection pattern 110, the yellow green reflection pattern 111, the pink reflection pattern 112, and blue The reflection pattern 113 is obtained. Although it is difficult to determine the stripe address based on the color of only one reflection pattern of these stripes, if the color distribution of multiple reflection patterns is comprehensively analyzed, each reflection in a group of multiple reflection patterns The pattern address can be easily identified. For example, as shown in FIG. 11D, since the color of the reflection pattern 112 is between the individual pattern 104 and the individual pattern 107, the address of the reflection pattern 112 does not know either 4 or 7, but the reflection pattern 110 , 111, 112, 113 are closest to the group of the individual patterns 102, 103, 104, 105, so the stripe addresses of the reflection patterns 110, 111, 112, 113 are 2, 3, respectively. It turns out that it is 4,5.
こうして、縞のアドレスが分かれば、上述の方法により三次元情報を求めることができる。すなわち、カラー変調パターンの使用により、表面色や反射特性が非均一な非静止物体の三次元画像計測も実現できる。 Thus, if the fringe address is known, three-dimensional information can be obtained by the above-described method. That is, by using a color modulation pattern, it is possible to realize three-dimensional image measurement of a non-stationary object having non-uniform surface color and reflection characteristics.
本発明は、従来静止物体しか対応できないパターン光投影三次元画像計測方法を非静止物体の三次元計測に応用することができ、静止できない計測対象物体、計測機器が静止できない場合での三次元計測装置として有用である。例えば、本発明の三次元画像計測装置を工場に設置し、生産ラインにおける生産物のリアルタイム三次元形状計測と品質管理に使ったり、計測用車両に設置し、車両を走らせながらトンネルなどの形状を計測したり、空港、銀行などに設置し、お客さんを止めずに顔の三次元形状を計測して高精度の顔認証を行ったり、人体のボディや足の三次元形状を計測してもっと相応しい衣服や靴を作ったり、口腔形状計測を行ってぴったりした入れ歯を作ったりするなどのように、生産現場、交通分野、セキュリティ分野、医療分野、衣服設計、生活環境整備などの分野での利用が可能である。また、人体の三次元情報から体型の計測などもできるので、健康管理、ダイエットなどの分野にも利用することができる。 The present invention can apply a pattern light projection three-dimensional image measurement method that can only handle a stationary object to a three-dimensional measurement of a non-stationary object. Useful as a device. For example, the 3D image measuring device of the present invention is installed in a factory and used for real-time 3D shape measurement and quality control of products on the production line, or installed in a measuring vehicle, and the shape of a tunnel or the like is set while running the vehicle. Measure, install in airports, banks, etc., measure the 3D shape of the face without stopping the customer and perform high-precision face authentication, measure the 3D shape of the human body and legs, and more Use in fields such as production site, transportation field, security field, medical field, clothing design, living environment maintenance, such as making appropriate clothes and shoes, making oral dentures to make perfect dentures, etc. Is possible. In addition, since the body shape can be measured from the three-dimensional information of the human body, it can be used in fields such as health management and dieting.
1,1a,1b,1c パターン投影機
2,2a,2b,2c カメラ
3 データ処理装置
3a インターフェース
4,4a,4b,4c,5,5a,5b,5c 伝送ケーブル
10 記憶手段
11 全照明光投影撮影手段
12 強度変調パターン光投影撮影手段
13 抽出手段
14 運動状態推定手段
15 画像幾何変形調節手段
16 画像強度補正手段
17 投影パターン光検出手段
18 方向角算出手段
19 方向角補正手段
20 奥行き距離算出手段
21 三次元情報算出手段
22 出力手段
1, 1a, 1b, 1c Pattern projector 2, 2a, 2b, 2c Camera 3 Data processing device 3a Interface 4, 4a, 4b, 4c, 5, 5a, 5b, 5c Transmission cable 10 Storage means 11 Full illumination light projection photography Means 12 Intensity modulation pattern light projection photographing means 13 Extraction means 14 Motion state estimation means 15 Image geometric deformation adjustment means 16 Image intensity correction means 17 Projection pattern light detection means 18 Direction angle calculation means 19 Direction angle correction means 20 Depth distance calculation means 21 Three-dimensional information calculation means 22 Output means
Claims (4)
前記パターン光が投影された計測対象物体を撮像する撮像手段と、
強度値または色が均一である全面投影用のパターンを形成し、前記投影手段を介して前記全面投影用のパターンの光(以下、「全照明光」と称す。)を計測対象物体に投影し、前記全照明光が投影された前記計測対象物体の反射光を前記撮像手段により撮影して画像(以下、「全照明反射画像」と称す。)を取得する全照明光投影撮影手段と、
強度値または色の異なるパターンを形成し、前記投影手段を介して前記強度値または色の異なるパターンの光(以下、「強度変調パターン光」と称す。)を前記計測対象物体に投影し、前記強度変調パターン光が投影された前記計測対象物体の反射光を前記撮像手段により撮影して画像(以下、「反射パターン画像」と称す。)を取得する強度変調パターン光投影撮影手段と、
前記全照明反射画像および前記反射パターン画像から前記計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出手段と、
該抽出手段により抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定手段と、
該運動状態推定手段により推定された前記計測対象物体の運動状態に基づいて前記全照明反射画像または前記反射パターン画像における前記計測対象物体の画像の幾何変形を行い、前記全照明反射画像における計測対象物体と前記反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節手段と、
前記反射パターン画像から前記強度変調パターン光が投影されたパターン光(以下、「投影パターン光」と称す。)を検出する投影パターン光検出手段と、
前記全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小化された前記反射パターン画像における計測対象物体とを比較して前記投影パターン光の方向角を算出する方向角算出手段と、
前記反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて前記投影パターン光の方向角を補正する方向角補正手段と、
前記算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出手段と、
該奥行き距離算出手段により算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出手段と、
該三次元情報算出手段により算出された三次元情報を出力する出力手段と
を備える非静止物体の三次元画像計測装置。 Projection means for projecting pattern light onto the measurement target object;
Imaging means for imaging the measurement target object onto which the pattern light is projected;
A pattern for full-surface projection having a uniform intensity value or color is formed, and light of the pattern for full-surface projection (hereinafter referred to as “all illumination light”) is projected onto the measurement target object via the projection unit. All-illumination light projection photographing means for obtaining an image (hereinafter referred to as “total illumination reflection image”) by photographing the reflected light of the measurement target object onto which the all-illumination light is projected by the imaging means;
Forming patterns with different intensity values or colors, projecting light of the patterns with different intensity values or colors (hereinafter referred to as “intensity modulation pattern light”) onto the measurement target object via the projection unit, and Intensity modulated pattern light projection photographing means for obtaining an image (hereinafter referred to as “reflection pattern image”) by photographing the reflected light of the measurement target object onto which the intensity modulated pattern light is projected by the imaging means;
Extraction means for extracting each of the measurement target objects from the total illumination reflection image and the reflection pattern image;
Motion state estimation means for estimating the motion state of the measurement target object extracted by the extraction means;
Based on the motion state of the measurement target object estimated by the motion state estimation means, the measurement object in the total illumination reflection image is geometrically deformed in the total illumination reflection image or the reflection pattern image. Image geometric deformation adjusting means for minimizing a deviation in position, posture and size between the object and the measurement target object in the reflection pattern image;
Projection pattern light detection means for detecting pattern light on which the intensity modulation pattern light is projected from the reflection pattern image (hereinafter referred to as “projection pattern light”);
The projection is performed by comparing the measurement target object in the total illumination reflection image with the measurement target object in the reflection pattern image in which the position, orientation, and size deviation between the measurement target object in the total illumination reflection image is minimized. Direction angle calculating means for calculating the direction angle of the pattern light;
Direction angle correction means for correcting the direction angle of the projection pattern light based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image;
A depth distance calculating means for calculating a depth distance of the measurement point from the calculated direction angle;
Three-dimensional information calculation means for calculating three-dimensional information of the measurement target object from the depth distance of the measurement point calculated by the depth distance calculation means;
A non-stationary object three-dimensional image measurement apparatus comprising: output means for outputting three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation means.
強度値または色の異なるパターンを形成し、前記投影手段を介して前記強度値または色の異なるパターンの光(以下、「強度変調パターン光」と称す。)を前記計測対象物体に投影し、前記強度変調パターン光が投影された前記計測対象物体の反射光を前記撮像手段により撮影して画像(以下、「反射パターン画像」と称す。)を取得する強度変調パターン光投影撮影ステップと、
前記全照明反射画像および前記反射パターン画像から前記計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出ステップと、
該抽出ステップにおいて抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定ステップと、
該運動状態推定ステップにおいて推定された前記計測対象物体の運動状態に基づいて前記全照明反射画像または前記反射パターン画像における前記計測対象物体の画像の幾何変形を行い、前記全照明反射画像における計測対象物体と前記反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節ステップと、
前記反射パターン画像から前記強度変調パターン光が投影されたパターン光(以下、「投影パターン光」と称す。)を検出する投影パターン光検出ステップと、
前記全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれが極小化された前記反射パターン画像における計測対象物体とを比較して前記投影パターン光の方向角を算出する方向角算出ステップと、
前記反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて前記投影パターン光の方向角を補正する方向角補正ステップと、
前記算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出ステップと、
該奥行き距離算出ステップにおいて算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出ステップと、
該三次元情報算出ステップにおいて算出された三次元情報を出力する出力ステップと
を含む非静止物体の三次元画像計測方法。 A pattern for full-surface projection having a uniform intensity value or color is formed, and the light for the pattern for full-surface projection (hereinafter referred to as “all illumination light”) is projected through a projection unit that projects pattern light onto the measurement target object. ) Is projected onto the measurement target object, and the reflected light of the measurement target object onto which the total illumination light is projected is imaged by an imaging unit to obtain an image (hereinafter referred to as a “total illumination reflected image”). A light projection shooting step;
Forming patterns with different intensity values or colors, projecting light of the patterns with different intensity values or colors (hereinafter referred to as “intensity modulation pattern light”) onto the measurement target object via the projection unit, and An intensity modulation pattern light projection photographing step of obtaining an image (hereinafter referred to as a “reflection pattern image”) by photographing the reflected light of the measurement target object onto which the intensity modulation pattern light is projected by the imaging unit;
An extraction step of extracting each of the measurement target objects from the total illumination reflection image and the reflection pattern image;
A motion state estimation step for estimating the motion state of the measurement target object extracted in the extraction step;
Based on the motion state of the measurement target object estimated in the motion state estimation step, geometrical deformation of the image of the measurement target object in the total illumination reflection image or the reflection pattern image is performed, and the measurement target in the total illumination reflection image An image geometric deformation adjustment step for minimizing a deviation in position, posture and size between the object and the measurement target object in the reflection pattern image;
A projection pattern light detection step of detecting pattern light (hereinafter referred to as “projection pattern light”) onto which the intensity modulation pattern light is projected from the reflection pattern image;
The projection is performed by comparing the measurement target object in the total illumination reflection image with the measurement target object in the reflection pattern image in which the position, orientation, and size deviation between the measurement target object in the total illumination reflection image is minimized. A direction angle calculating step for calculating a direction angle of the pattern light;
A direction angle correction step of correcting the direction angle of the projection pattern light based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image;
A depth distance calculating step of calculating a depth distance of the measurement point from the calculated direction angle;
A three-dimensional information calculation step of calculating three-dimensional information of the measurement target object from the depth distance of the measurement point calculated in the depth distance calculation step;
A non-stationary object three-dimensional image measurement method comprising: an output step of outputting the three-dimensional information calculated in the three-dimensional information calculation step.
強度値または色が均一である全面投影用のパターンを形成し、前記投影手段を介して前記全面投影用のパターンの光(以下、「全照明光」と称す。)を計測対象物体に投影し、前記全照明光が投影された前記計測対象物体の反射光を前記撮像手段により撮影して画像(以下、「全照明反射画像」と称す。)を取得する全照明光投影撮影手段と、
強度値または色の異なるパターンを形成し、前記投影手段を介して前記強度値または色の異なるパターンの光(以下、「強度変調パターン光」と称す。)を前記計測対象物体に投影し、前記強度変調パターン光が投影された前記計測対象物体の反射光を前記撮像手段により撮影して画像(以下、「反射パターン画像」と称す。)を取得する強度変調パターン光投影撮影手段と、
前記全照明反射画像および前記反射パターン画像から前記計測対象物体をそれぞれ抽出する抽出手段と、
該抽出手段により抽出された計測対象物体の運動状態を推定する運動状態推定手段と、
該運動状態推定手段により推定された前記計測対象物体の運動状態に基づいて前記全照明反射画像または前記反射パターン画像における前記計測対象物体の画像の幾何変形を行い、前記全照明反射画像における計測対象物体と前記反射パターン画像における計測対象物体との位置、姿勢および大きさのずれを極小化する画像幾何変形調節手段と、
前記反射パターン画像から前記強度変調パターン光が投影されたパターン光(以下、「投影パターン光」と称す。)を検出する投影パターン光検出手段と、
前記全照明反射画像における計測対象物体と、この全照明反射画像における計測対象物体の位置、姿勢および大きさのずれが極小化された前記反射パターン画像における計測対象物体とを比較して前記投影パターン光の方向角を算出する方向角算出手段と、
前記反射パターン画像における投影パターン光の強度特性、色分布特性または形状特性に基づいて前記投影パターン光の方向角を補正する方向角補正手段と、
前記算出された方向角より計測点の奥行き距離を算出する奥行き距離算出手段と、
該奥行き距離算出手段により算出された計測点の奥行き距離から計測対象物体の三次元情報を算出する三次元情報算出手段と、
該三次元情報算出手段により算出された三次元情報を出力する出力手段と
して機能させるための非静止物体の三次元画像計測プログラム。 A computer in which projection means for projecting pattern light onto a measurement target object and imaging means for imaging the measurement target object on which the pattern light is projected is connected.
A pattern for full-surface projection having a uniform intensity value or color is formed, and light of the pattern for full-surface projection (hereinafter referred to as “all illumination light”) is projected onto the measurement target object via the projection unit. All-illumination light projection photographing means for obtaining an image (hereinafter referred to as “total illumination reflection image”) by photographing the reflected light of the measurement target object onto which the all-illumination light is projected by the imaging means;
Forming patterns with different intensity values or colors, projecting light of the patterns with different intensity values or colors (hereinafter referred to as “intensity modulation pattern light”) onto the measurement target object via the projection unit, and Intensity modulated pattern light projection photographing means for obtaining an image (hereinafter referred to as “reflection pattern image”) by photographing the reflected light of the measurement target object onto which the intensity modulated pattern light is projected by the imaging means;
Extraction means for extracting each of the measurement target objects from the total illumination reflection image and the reflection pattern image;
Motion state estimation means for estimating the motion state of the measurement target object extracted by the extraction means;
Based on the motion state of the measurement target object estimated by the motion state estimation means, the measurement object in the total illumination reflection image is geometrically deformed in the total illumination reflection image or the reflection pattern image. Image geometric deformation adjusting means for minimizing a deviation in position, posture and size between the object and the measurement target object in the reflection pattern image;
Projection pattern light detection means for detecting pattern light on which the intensity modulation pattern light is projected from the reflection pattern image (hereinafter referred to as “projection pattern light”);
The projection pattern by comparing the measurement target object in the total illumination reflection image with the measurement target object in the reflection pattern image in which the deviation of the position, posture and size of the measurement target object in the total illumination reflection image is minimized Direction angle calculating means for calculating the direction angle of light;
Direction angle correction means for correcting the direction angle of the projection pattern light based on the intensity characteristic, color distribution characteristic or shape characteristic of the projection pattern light in the reflection pattern image;
A depth distance calculating means for calculating a depth distance of the measurement point from the calculated direction angle;
Three-dimensional information calculation means for calculating three-dimensional information of the measurement target object from the depth distance of the measurement point calculated by the depth distance calculation means;
A non-stationary object three-dimensional image measurement program for functioning as output means for outputting three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation means.
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