JP2009014501A

JP2009014501A - 製品の３次元形状モデルデータ作成方法

Info

Publication number: JP2009014501A
Application number: JP2007176440A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Yamamoto; 俊介山本; Tomoyuki Hashimoto; 朋幸橋本; Tetsuji Nagao; 哲治長尾; Takeshi Kurata; 武倉田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: JP5018282B2

Abstract

【課題】製品の外形及び各部品が相互に関連付けられた３次元形状モデルデータを高速・高精度に作成する方法の提供。
【解決手段】外面を構成する各部品の外面に複数のターゲットマークを付与し、計測手段で計測して全体３次元座標値データを取得すると共に、製品外面形状を計測手段で計測し全体３次元形状モデルデータを生成する。次に各部品を取り外し、各部品の残りの外面に複数のターゲットマークを付与する。次に各部品の全外面を計測手段で計測し該複数のターゲットマークの部品３次元座標値データを取得すると共に、各部品の全外面形状を計測手段で計測し部品３次元形状モデルデータを生成する。そして、全体３次元座標値データと各部品の部品３次元座標値データとを関連付けて全体３次元形状モデルデータと各部品の部品３次元形状モデルデータとを合成して、各部品を含む製品の３次元形状モデルデータを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の部品から構成される車両等の製品の３次元形状モデルデータを作成する方法に関する。

製品のさまざまな検討を行うために、その製品を構成する部品を含めた製品全体の３次元形状モデルデータを効率よく得たいという要求がある。

例えば、自動車製品の場合、車両のＣＡＥ解析（衝突、ＮＶＨ、車体強度、剛性、ユニット、空力等）や形状ベンチマークを行うためには、車両の外形の３次元形状モデルデータだけではなく、車両を構成するパーツを含めた３次元形状モデルデータが必要であり、これを効率よく得るための手法の確立が求められている。

製品の３次元形状モデルデータを作成する方法としては、測定対象物にターゲットマークを貼り付け、非接触光学３次元デジタイザで多方向から撮影し、得られた各方向からの画像からターゲットマークの３次元座標値データを演算し、この３次元座標値データから３次元形状モデルデータを作成する方法が知られている。測定対象物にターゲットマークを付与してターゲットマークの３次元座標値データを得る手法は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００２−２５６６号公報

従来の方法によれば、製品の外側のみ、あるいは構成パーツ単体といった単位で、個々に３次元形状モデルデータを作成することは可能である。しかし、これらの３次元形状モデルデータは個々に独立のものであり、このような３次元形状モデルデータからは、各パーツが製品全体のどこに位置しているのかといった製品全体に対する各パーツの関連性や、パーツとパーツの関連性を得ることはできなかった。製品の外形のみの３次元形状モデルデータと、個々のパーツの３次元形状モデルデータを別々に作成しても、それらのデータを相互に関連付けるものがなければ、信頼性の高い解析を行うことはできない。

本発明は、製品の外形及び各部品が相互に関連付けられた３次元形状モデルデータを高速・高精度に作成する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、複数の部品が組み付けられて構成される製品の形状を測定して製品の３次元形状モデルデータを作成する方法であって、
製品の外面を構成する各部品の外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
製品の外面を計測手段で計測し、画像処理により前記複数のターゲットマークの部品群３次元座標値データを取得するとともに、製品の外面形状を計測手段で計測し、画像処理により前記部品群３次元座標値データに関連付けて製品外面の３次元座標値からなる部品群３次元形状モデルデータを生成する工程と、
外面の一部に前記ターゲットマークが付与された各部品を取り外し、この各部品の残りの外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
各部品の全外面を計測手段で計測し、画像処理により該複数のターゲットマークの部品３次元座標値データを取得するとともに、各部品の全外面形状を計測手段で計測し、画像処理により前記部品３次元座標値データに関連付けて各部品の全外面の３次元座標値からなる部品３次元形状モデルデータを生成する工程と、
前記部品群３次元座標値データと各部品の前記部品３次元座標値データとを関連付けて前記部品群３次元形状モデルデータと各部品の前記部品３次元形状モデルデータとを合成して、各部品を含む製品の３次元形状モデルデータを作成する工程と、
を有することを特徴とする方法が提供される。

この方法によれば、製品の外形と各部品とが相互に関連付けられた３次元形状モデルデータを効率的に作成することができる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記部品群３次元形状モデルデータを生成する工程は、製品外面を計測手段である第１撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品群３次元座標値データを取得し、次に、製品の外面形状を計測手段である第２撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品群３次元形状モデルデータを生成することが好ましい。

また、本発明の好適な実施形態によれば、前記部品３次元形状モデルデータを生成する工程は、各部品の全外面を計測手段である第１撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品３次元座標値データを取得し、次に、各部品の全外面形状を計測手段である第２撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品３次元形状モデルデータを生成することが好ましい。

本発明によれば、製品の外形と各部品とが相互に関連付けられた３次元形状モデルデータを高速・高精度に作成することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

＜システム構成＞
図１は、本実施形態における３次元形状モデルデータの作成方法のプラットフォームとなるシステムの構成を示す図である。

１０が本実施形態において計測対象とする車両である。ただし、本発明は車両に限定されるものではなく、複数の部品が組み付けられて構成される製品に広く適用することができるものである。２０，３０は計測手段であり、具体的には２０は、第１撮像手段としての座標測定カメラである。この座標測定カメラは、いわゆる３次元デジタイザで、例えば、CogniTens社のOptigo 11が好適であるが、一般のデジタル一眼レフカメラを使用することもできる。３０は、第２撮像手段としての３次元測定カメラである。上記の座標測定カメラ２０と比較すると、この３次元測定カメラ３０は、３１，３２，３３で示される３つのＣＣＤカメラを装備し、１ショットで３枚の２次元画像データを得ることができ、高速な撮影が可能となっている点が特徴である。このような３次元測定カメラとしては、例えば、CogniTens社のOptigo 200などが好適である。座標測定カメラ２０及び３次元測定カメラ３０は共に可搬性があり、計測対象である車両１０をあらゆる角度から手持ち撮影が可能である。もっとも、３次元測定カメラ３０について図示のように、多関節アーム付きの台車３４によって支持されていてもよい。

座標測定カメラ２０及び３次元測定カメラ３０はそれぞれ、画像処理手段としてのパーソナルコンピュータ４０に接続されており、撮影により得られた画像データをこのパーソナルコンピュータ４０に転送することができる。

図２は、パーソナルコンピュータ４０のハードウェア構成を示すブロック図である。

図示の如く、パーソナルコンピュータ４０は、動作を司るＣＰＵ４１、ＣＰＵ４１のワークエリアを提供し主記憶装置として機能するＲＡＭ４２、ブートプログラム等を記憶しているＲＯＭ４３をはじめ、以下の構成を備える。

ＶＲＡＭ４４は表示する画像データを展開するメモリであり、ここに画像データ等を展開することでモニタ４５に画像を表示させることができる。

ＨＤＤ４６はハードディスク装置であって、ここにオペレーティング・システム（ＯＳ）や、後述する３次元座標値データや３次元形状モデルデータの生成等を行うための画像処理ソフトウェアがインストールされている。また、ＨＤＤ４６には、生成された３次元座標値データや３次元形状モデルデータを記憶する領域も確保されている。

４７及び４８はそれぞれ、入力デバイスであるキーボード及びマウスである。また、４９は座標測定カメラ２０及び３次元測定カメラ３０と接続するためのインタフェース（Ｉ／Ｆ）である。

以下、上記したシステム構成において、計測対象物である車両１０の３次元形状モデルデータを作成する方法の一例を詳しく説明する。

＜工程Ａ１．車両外面へのターゲットマークの付与＞
はじめに、図３に示すように、車両１０の外面の全体に、光学反射面を有する複数のターゲットマークＴを貼り付ける。以下に説明する一連の工程が完了するまで、ターゲットマークＴのずれやはがれが生じないように固定する。ボディのような磁性体に対してはマグネット製のターゲットマークを使用すると便利である。ターゲットマークＴは車両１０の外面全体に概ね均一に貼り付ける。ただし、位置の認識を行うために直線状にならないように留意する。

また、車両１０の周囲には、オートバー及びスケールバーを配置する（図示省略）。オートバーは、例えば５つのターゲットが十字形に並んだもので、座標測定カメラ２０又は３次元測定カメラ３０の方向を決定するのに使用される。また、スケールバーは、間隔が既知の複数のターゲットを有し、３次元座標系の基準器として使用される。

＜工程Ａ２．全体３次元座標値データの取得＞
工程Ａ１で複数のターゲットマークＴが付与された車両１０の外面を、座標測定カメラ２０で複数の位置から撮像する。撮影者は、車両１０の周囲を、ポジションを変えながら撮影していく。これにより、各ターゲットマークＴについて、少なくとも２つの視点からの２次元画像データを得る。

撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、画像処理ソフトウェアにより、公知のデジタル写真測量のアルゴリズムによる画像処理を施し、ターゲットマークＴの３次元座標値データ（アライメントデータ）を生成する。この３次元座標値データは、図４に示すように、ターゲットマークＴのＸＹＺ座標値を表すテキストデータであり、車両１０の外面の全体に係るものであることから、ここでは「全体３次元座標値データ」という。

＜工程Ａ３．全体３次元形状モデルデータの作成＞
工程Ａ２で得られた全体３次元座標値データを３次元測定カメラ３０にインポートし、その後、車両１０の外面形状を、この３次元測定カメラ３０で複数の位置から撮像する（図５参照）。この撮影の際には、撮影範囲内に必ずターゲットマークＴが複数個収まるように撮影する。

撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだ２次元画像データを３次元形状モデルデータ（点群データ）に変換する。

パーソナルコンピュータ４０は更に、この３次元形状モデルデータを、全体３次元座標値データの座標空間上に配置する。具体的には、図６に示すように、１ショット当たりの３次元形状モデルデータからターゲットマークを検出し（図６の６１）、全体３次元座標値データに対してパタンマッチングを行う。そしてこの結果に応じてその３次元形状モデルデータの座標変換（位置合わせ）を行う。

撮影の都度、上記の３次元形状モデルデータへの変換及びその３次元形状モデルデータの座標空間上への配置が行われる。こうして、全体３次元座標値データに関連付けた車両外面の３次元座標値からなる車両１０の外面全体の３次元形状モデルデータが作成される。以下、この３次元形状モデルデータを「全体３次元形状モデルデータ」という。

＜工程Ｂ１．部品外面へのターゲットマークの付与＞
次に、図７に示すように、車両１０の蓋物であるボンネット１１を取り外す。そして、これにより露見する部分、具体的には、エンジンルーム１２内及びエンジン本体１３上部に、複数のターゲットマークＴを貼り付ける。なお、車両１０の別の蓋物であるフロントドア、リヤドア、トランクリッド（リフトゲート）も、この工程で取り外してしまってよい。

＜工程Ｂ２．部分３次元座標値データの取得＞
工程Ｂ１で複数のターゲットマークＴが付与された部分を、座標測定カメラ２０で複数の位置から撮像する。このとき、工程Ｂ１で複数のターゲットマークＴが付与された部分だけでなく、エンジンルーム１２周辺の車両外面の部分１４（工程Ａ１でターゲットマークＴ１〜Ｔ４が付与されている）もあわせて撮影する。

撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、工程Ａ２と同様に、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、ターゲットマークＴの３次元座標値データを生成する。この３次元座標値データはターゲットマークのＸＹＺ座標値を表すテキストデータである。この３次元座標値データは、工程Ｂ１で車両１０の蓋物を取り外した際に露見する、組み付けられた部品群（ターゲットマークが付与される部分）に係るものであることから、ここでは「部分３次元座標値データ」又は「部品群３次元座標値データ」という。

＜工程Ｂ３．部分３次元座標値データの座標変換＞
図８に示すように、工程Ｂ２で得られた部分３次元座標値データと、工程Ａ２で得られた全体３次元座標値データとでは、座標系が異なっている。そこで、両者の座標系を合わせる処理を行う。

具体的には、工程Ｂ２で撮影したエンジンルーム１２周辺の車両外面に付与された少なくとも３点のターゲットマーク（例えば、ターゲットマークＴ１〜Ｔ３）の部分３次元座標値データにおける座標値を、全体３次元座標値データにおける当該少なくとも３点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、部分３次元座標値データを全体３次元座標値データと同じ座標系のデータに変換する。この処理は、パーソナルコンピュータ４０の画像処理ソフトウェアの一機能として実行可能である。例えば、ユーザは、パーソナルコンピュータ４０上で、部分３次元座標値データ及び全体３次元座標値データからそれぞれ、３点のターゲットマークＴ１〜Ｔ３の座標値データを選択し、座標変換処理を指示する。すると、パーソナルコンピュータ４０は、部分３次元座標値データにおける当該３点のターゲットマークＴ１〜Ｔ３の座標値を全体３次元座標値データにおける座標値に一致させ、これに応じて部分３次元座標値データのその他の座標値も変位させる。

この座標変換により、車両１０の外面形状の全体３次元座標値データと、エンジンルーム１２内の部分３次元座標値データとの座標基準が揃ったことになる。

＜工程Ｂ４．部分３次元形状モデルデータの作成＞
工程Ｂ３で座標変換された部分３次元座標値データを、３次元測定カメラ３０にインポートし、その後、インポートされた座標値データを基に３次元測定カメラ３０でエンジンルーム１２内、エンジン本体１３上部の撮影を複数の位置から行う（図９参照）。

撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだエンジンルーム１２内、エンジン本体１３上部の２次元画像データを３次元形状モデルデータに変換する。この３次元形状モデルデータは、車両１０の蓋物を取り外した際に露見する、組み付けられた部品群の３次元形状モデルデータであることから、「部分３次元形状モデルデータ」又は「部品群３次元形状モデルデータ」という。

ここで得られた部分３次元形状モデルデータは、工程Ｂ３で座標変換された部分３次元座標値データに基づくものであるから、全体３次元形状モデルデータと同じ座標系となっている。

＜工程Ｃ１．部品の他の外面へのターゲットマークの付与＞
次に、図１０に示すように、エンジン本体１３を車両１０から取り外す。このエンジン本体１３の上部には、工程Ｂ１においてターゲットマークＴが付与されている。ここでは、工程Ｂ１でターゲットマークが付与された外面以外の外面に、追加的に複数のターゲットマークＴを貼付する。

＜工程Ｃ２．部品３次元座標値データの取得＞
工程Ｃ１で全外面に複数のターゲットマークＴが付与されたエンジン本体１３の全外面を、座標測定カメラ２０で複数の位置から撮像する。

撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、工程Ａ２，Ｂ２と同様に、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、ターゲットマークの３次元座標値データを生成する。この３次元座標値データはターゲットマークのＸＹＺ座標値を表すテキストデータであり、工程Ｃ１でターゲットマークＴが付与された部品（エンジン本体１３）に係るものであることから、ここでは「部品３次元座標値データ」という。

＜工程Ｃ３．部品３次元座標値データの座標変換＞
工程Ｃ２で得られた部品３次元座標値データの座標系と、工程Ｂ３で座標変換された部分座標値データの座標系（すなわち、工程Ａ２で得られた全体３次元座標値データの座標系）とは異なっている。そこで、工程Ｃ２で得られた部品３次元座標値データの座標系を工程Ｂ３で座標変換された部分座標値データの座標系に変換する処理を行う。

具体的には、工程Ｂ１でエンジン本体１３の上部に付与された少なくとも３点のターゲットマークＴの部品３次元座標値データにおける座標値を、工程Ｂ３で座標変換された部分座標値データにおける当該少なくとも３点のターゲットマークの座標値と一致させることにより、部品３次元座標値データを部分３次元座標値データと同じ座標系のデータに変換する。この処理も、工程Ｂ３と同様に、パーソナルコンピュータ４０の画像処理ソフトウェアの一機能として実行可能である。例えば、ユーザは、パーソナルコンピュータ４０上で、部品３次元座標値データ及び座標変換後の部分３次元座標値データからそれぞれ、３点のターゲットマークの座標値データを選択し、座標変換処理を指示する。すると、パーソナルコンピュータ４０は、部品３次元座標値データにおける当該３点のターゲットマークの座標値を部分３次元座標値データにおける座標値に一致させ、これに応じて部品３次元座標値データのその他の座標値も変位させる。

この座標変換により、エンジン本体１３の部品３次元座標値データは、エンジンルーム１２内の部分３次元座標値データ及び、車両１０の外面形状の全体３次元座標値データと座標基準が揃ったことになる。

＜工程Ｃ４．部品３次元形状モデルデータの作成＞
工程Ｃ３で座標変換された部品３次元座標値データを、３次元測定カメラ３０にインポートし、その後、インポートされた座標値データを基に３次元測定カメラ３０でエンジン本体１３の全外面形状を複数の位置から撮像する（図１２参照）。

この撮影により得られた複数の２次元画像データはパーソナルコンピュータ４０に転送される。パーソナルコンピュータ４０は、画像処理ソフトウェアにより画像処理を施し、取り込んだエンジン本体１３の全外面に係る２次元画像データを部品３次元形状モデルデータに変換する。

ここで得られた部品３次元形状モデルデータは、工程Ｃ３で座標変換されたエンジン本体１３に係る部品３次元座標値データに基づくものであるから、部分３次元形状モデルデータ及び全体３次元形状モデルデータと同じ座標系となっている。

以上の一連の工程により、車両１０の外面を表す全体３次元形状モデルデータ、ボンネット１１を除去した状態のエンジンルーム１２内を表す部分３次元形状モデルデータ、及び、エンジン本体１３を表す部品３次元形状モデルデータを、同一の座標系で取得することができる。

そして、上記したＢ１以降の工程を、ドアを取り外した際に露見する車室内の部品（インストルメントパネル、シート等）、タイヤ、アンダカバーなどの、車両を構成する各パーツについて繰り返すことにより、これらのパーツについても座標系を共通にする部品３次元形状モデルデータを得ることができる。

このように、本実施形態の３次元形状モデルデータの作成方法によれば、全体３次元形状モデルデータ、部分３次元形状モデルデータ、部品３次元形状モデルデータの座標系を共通にすることで、それぞれのモデルデータの関連付けが行われる。これにより、各部品の車両全体における位置関係を容易に把握可能であり、効果的な解析等の作業が可能になる。例えば、これらの３次元形状モデルデータを処理可能なＣＡＤソフトウェアを利用することで、車両のＣＡＥ解析（衝突、ＮＶＨ、車体強度、剛性、ユニット、空力等）や形状ベンチマークを行うことが可能になる。

また、上記のようにして座標系が統一された全体３次元形状モデルデータ、部分３次元形状モデルデータ、部品３次元形状モデルデータを合成して、各部品を含む車両１０全体の合成３次元形状モデルデータを作成することも可能であり、各部品のレイアウト解析などを容易に行うことができる。

なお、詳細は省略するが、ボンネットなどの各蓋物についても、内側にターゲットマークを貼り付けて座標測定カメラ２０及び３次元測定カメラ３０で測定し、画像処理により関連付けた３次元座標値データと３次元形状モデルデータを取得する。

また、上述の実施形態では、計測対象を車両としたが、計測対象が小物の製品の場合は、３つのＣＣＤカメラを備えた３次元測定カメラ３０のみを用いて、少なくとも３点のターゲットマークを重複させて撮像するようにし、画像処理によりターゲットマークの３次元座標値データと３次元形状モデルデータとを取得するようにしてもよい。

本発明は、上述したような車両のみならず、産業用／家庭用機器、構造物など、複数のパーツで構成される種々の製品に対して適用可能である。

実施形態における３次元形状モデルデータの作成方法のプラットフォームとなるシステムの構成を示す図である。実施形態におけるパーソナルコンピュータのハードウェア構成を示すブロック図である。実施形態における車両外面へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。実施形態におけるパーソナルコンピュータによるターゲットマークの全体３次元座標値データの生成を説明する図である。実施形態における３次元測定カメラへの全体３次元座標値データのインポート及び３次元測定カメラによる車両外面の撮影を説明する図である。実施形態における３次元形状モデルデータの全体３次元座標値データの座標空間上への配置を説明する図である。実施形態におけるボンネットの取り外し、エンジンルーム内へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。実施形態における部分３次元座標値データの座標変換を説明する図である。実施形態における３次元測定カメラによるエンジンルーム内及びエンジン本体上部の撮影を説明する図である。実施形態におけるエンジン本体の取り外し、エンジン本体へのターゲットマークの付与及び撮影を説明する図である。実施形態における部品３次元座標値データの座標変換を説明する図である。実施形態における３次元測定カメラによるエンジン本体の撮影を説明する図である。

符号の説明

１０：車両
２０：座標測定カメラ
３０：３次元測定カメラ
３１，３２，３３：ＣＣＤカメラ
３４：台車
４０：パーソナルコンピュータ

Claims

複数の部品が組み付けられて構成される製品の形状を測定して製品の３次元形状モデルデータを作成する方法であって、
製品の外面を構成する各部品の外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
製品の外面を計測手段で計測し、画像処理により前記複数のターゲットマークの部品群３次元座標値データを取得するとともに、製品の外面形状を計測手段で計測し、画像処理により前記部品群３次元座標値データに関連付けて製品外面の３次元座標値からなる部品群３次元形状モデルデータを生成する工程と、
外面の一部に前記ターゲットマークが付与された各部品を取り外し、この各部品の残りの外面に複数のターゲットマークを付与する工程と、
各部品の全外面を計測手段で計測し、画像処理により該複数のターゲットマークの部品３次元座標値データを取得するとともに、各部品の全外面形状を計測手段で計測し、画像処理により前記部品３次元座標値データに関連付けて各部品の全外面の３次元座標値からなる部品３次元形状モデルデータを生成する工程と、
前記部品群３次元座標値データと各部品の前記部品３次元座標値データとを関連付けて前記部品群３次元形状モデルデータと各部品の前記部品３次元形状モデルデータとを合成して、各部品を含む製品の３次元形状モデルデータを作成する工程と、
を有することを特徴とする方法。
前記部品群３次元形状モデルデータを生成する工程は、製品外面を前記計測手段である第１撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品群３次元座標値データを取得し、次に、製品の外面形状を前記計測手段である第２撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品群３次元形状モデルデータを生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記部品３次元形状モデルデータを生成する工程は、各部品の全外面を前記計測手段である第１撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品３次元座標値データを取得し、次に、各部品の全外面形状を前記計測手段である第２撮像手段で複数位置から撮像し、この撮像により得られた複数の２次元画像データに基づいて前記部品３次元形状モデルデータを生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。