JP2009168789A - ３次元形状計測方法およびそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の３次元形状計測装置は、三角測量を用いるものはオクルージョンが起こり複雑な形状のものの計測が困難であった。一方、デフォーカス量から計測するものは、高い精度を出すことが困難であった。
【解決手段】デフォーカス量から距離を計測する手法を応用することで、投光系と受光系の光軸を同一にし、オクルージョンを抑えるとともに、位相シフト法の投影パターンを用いることで、各画素独立に高精度で投影パターンの場所を特定しデフォーカス量を高精度に計測することで、高精度３次元形状計測を可能とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、デフォーカス量から距離計測が出来ることを利用し、この手法に高精度化を図った３次元計測方法に関する。

デフォーカス量から距離を計測する手法は、一眼レフカメラの自動焦点装置として広く利用されている。（例えば、特許文献１参照）自動焦点装置では、光軸に対称な位置に２つの開口部を設けており、合焦面とのずれに応じて結像部で２つの開口部を通過した像の対応点位置がずれる。このずれ量を計測することで、ピントずれ量を計算することが出来、このピントずれ量から奥行き距離を計算することが可能となる。

この方法では、１つのポイントの距離しか測れないため、３次元形状計測には使えなかった。そこで、この原理をさらに推し進め、３次元形状計測装置として構成したものが、Ａｃｔｉｖｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓａｍｐｌｉｎｇと名づけられたマサチューセッツ工科大学にて開発された３次元計測手法である。（特許文献２参照）この手法は、２つ以上の開口部をレンズの背後に設け、合焦面にてそれぞれの開口部に対応した２次元光センサー（ＣＣＤなど）にて画像を生成し、その複数の画像に対し各画素について対応点を探索し、その位置から距離を算出するものであり、各画素について距離が得られるため、一度に密な３次元点を計測することが可能となる。

以下、図１にてＡｃｔｉｖｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓａｍｐｌｉｎｇ法の基本的な構成を説明する。１０１はレンズであり、１０２が開口部を光軸に対称な位置に２つ設けたフィルタである。１０３ａ、１０３ｂはミラーであり１０４ａ、１０４ｂは２次元のＣＣＤであり、このＣＣＤ面上が合焦面となるように設計している。１０４ａと１０４ｂから得られる画像の各画素の対応点は、ピントが合っている場合、同じ画素位置に対応点が存在する。そして、ピントずれ生じた場合２つのＣＣＤから得られる対応点はずれており、この位置ずれがピントのずれ量として検知できる。

以下、図２にて、ピントずれと距離の関係について説明する。２０１はレンズであり、２０２は開口部を光軸に対称な位置に２つ設けたフィルタである。２０３は撮像面であり、２０４はピントが合う位置、２０５の位置に物体があったときに、２０３の面からδ後方に撮像面が移動する。すなわち、撮像面を固定していたときには、上部の開口部を通過した像と下部の開口部を通過した像の距離はｄとなる。Ｄは、２つの開口部間の距離、Ｆをレンズの焦点距離、ｕチルドをレンズ主点位置からフォーカス位置までの距離、ｕを物体までの距離、ｖチルドをレンズ終点位置から撮像面までの距離とすると、数１の関係式が導かれる。これは、レンズの公式、１／ｆ ＝ １／ａ ＋ １／ｂ（ｆ：焦点距離、ａ：レンズから物体までの距離、ｂ：レンズから撮像面までの距離）から導かれたものである。この式から、Ｆ、Ｄ、ｖチルドは既知であるから、ｄが求まれば距離ｕが求まることが分かる。

特公平０７−０２７１０２号公報 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｕｍｂｅｒ − ＷＯ２００７／０９５３０７ Ａ１

解決しようとする問題点は、従来法では複数の画像に対する対応点探索が必要であり、ステレオによる対応点探索と同様の問題があり、繰り返しパターンがある場合など、対象物により安定して対応点を見つけることが出来ないことや、画像の特徴量で対応点を見つけるため、１画素ごとに独立した計算ができないことや、さらに複数画素での比較となるため空間周波数が劣化し、高精度な３次元計測が困難であった。これらは、ステレオによる３次元計測と同様の欠点であり、高精度計測に用いるには対応点の探索が大きな課題となっている。

本発明は、位相シフトパターンを投影し、各画素について位相値を算出することで、投影パターンの位置を正確に算出することができるように構成し、デフォーカスによる各画素のずれ量を、画素ごとに独立して高精度に算出することができるようにしたものである。

本発明の３次元形状計測方法は、位相シフト法を用いることで、従来のデフォーカス量からの３次元計測と比較して高精度に安定して計測できるという利点がある。

また、従来の三角測量の原理を応用している光切断法やステレオ法などの３次元計測に対し、１つのレンズ系で構成されるため、小さな装置を構成することが出来、また左右の視差による計測を行ったときに発生するオクルージョンによる計測不能箇所を格段に減らすことが出来るという利点がある。

１つの光路で構成できるという利点を最大限に生かすように、コンパクトな構成にて高精度３次元計測を実現した。

図３は、本発明装置の１実施例のであって、３０１は２次元ＣＣＤセンサー、３０２は光の折り返し用のミラー、３０３は受光のための偏心した小さい開口部と投影パターンを通過するための中央部の開口部からなる遮光フィルタであり、３０４は結像のためのレンズであり、３０５は投影パターンを生成するための透過型液晶パネルであり、３０６は液晶パネルのための照明装置であり、３０７は被測定物である。

図４は、遮光フィルタの形状を示している。レンズとほぼ同じ大きさになっており、中央部が、投影パターン光が通過するための開口部であり、レンズの光軸と開口部の円の中心が一致するように構成されており、上部の小穴が、反射光が通過する開口部である。

液晶パネル３０５は、正弦波からなる縦縞パターンを生成し被写体３０７に投影し、その反射光をＣＣＤ ３０１にて記録する。正弦波の位相を所定角度だけずらしたパターンを複数生成し、同様に反射光をＣＣＤにて撮影を行う。こうして得られた少なくとも３つ以上の位相シフトしたパターンを投影した画像から、各画素の位相値を算出する。正弦波の波長を長いものに変更して同様にして位相値を算出し、これを参考にし最初に算出した短い波長の位相値の接続を行う。このようにして、投影パターンの全体を１波長とする正弦波による位相値まで算出することで、最短の波長の位相値に対し全体に位相接続を行うことができる。さらに、横縞パターンにて同様のパターン投影を行えば、縦縞パターンで得られた位相値に対する垂直方向にも位相値を求めることが出来る。このようにして得られた縦横の位相値は、液晶パネル上の画素位置と対応がとれることになる。液晶パネルからでる光は、レンズ中央部を通過するため、ピントずれによる位置ずれは起こらない。従って、偏心した開口部を通過して得られたカメラにて読み取った位相値を、ピントが合っているときと、ピントがずれているときを比較し、その差を読み取ることで、ピントのずれ量が分かり、さらには、数１の式より奥行きの距離を計測することが出来る。

また、偏心した開口部と光軸を結ぶ直線が、縦縞パターンに対して直交する場合は、横方向に対してピントずれによる像のずれは起こらないため、横縞パターンによる位相値を計測する必要は無い。従って、縦縞パターンで得られた位相値から、数１の式により奥行きの距離を計測することが出来る。

縦縞パターンのみによる位相シフトを用いた計測方法をフローチャートを用いて説明する。まず、図５のフローに沿って、基準面となるフォーカス位置に平面板を置いて撮影する。各画素の位相値算出のための位相シフトパターンの撮影をｓ２〜ｓ４にて行う。この場合は、位相接続を複数の周波数の正弦波パターンを投影することで行っている。そして、得られた位相値を基準面として保持する。そして、次に図６に沿って撮影、計算を行う。まず、被写体を設置し、位相シフトによる撮影を行い、各画素の位相値を算出する（ｓ６）。そして、基準面における位相値との差分を算出する（ｓ７）。位相値は、そのまま投影パターン（液晶パネル）の画素値と対応しているため、画素値に換算を行う（ｓ８）。液晶パネルの画素ピッチは既知であるから、長さに換算し、数１の式に当てはめることで被写体までの距離（ｕ）を算出することが可能となる（ｓ９）。最後に、カメラパラメータ（焦点距離、光軸中心位置）が既知であり、画素位置と距離から３次元座標値ＸＹＺを算出する（ｓ１０）。以上の手順により、位相シフト投影パターンを使用した、デフォーカス量からの３次元形状計測が可能となる。

以上は、基準面の位相値を保持し、その差分から距離を算出する方式であるが、より高精度化を図るため、細かくサンプリングを行い、３次元座標マップを作成し、補間により３次元を算出する方式も可能である。これは、基準面からプラス方向とマイナス方向に、所定のステップで平面をずらして、各位置での位相値を計測する。これを所定の範囲で実施し、各画素における距離と位相値の対応表ができる。３次元計測においては、まず位相シフトにより計測を行い各画素における位相値を算出する。そして、各画素の距離と位相値の対応表から補間により位相値に対する距離を算出する。この距離から３次元座標値を算出することで各画素のＸＹＺが計測することができる。

Ａｃｔｉｖｅ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓａｍｐｌｉｎｇ法の原理図 デフォーカス量からの距離算出の原理図 本発明の実施形態を示す３次元計測装置の光学部断面図 同遮光フィルタを正面から見た図 基準位置での位相値の算出のためのフローチャート ３次元計測するためのフローチャート

符号の説明

［３０１］ＣＣＤ
［３０３］遮光フィルタ
［３０４］レンズ
［３０５］透過型液晶パネル

Claims (4)

1. 複数のパターンを投影する投影手段と、投影されたパターンの反射光をレンズの中心からずれた箇所を通過した光だけに限定して撮影する手段を持ち、各画素ごとに撮影された画像から投影されたパターンのずれ量を算出する手段を持ち、そのずれ量から距離を算出することを特徴とする３次元計測方法。
2. 請求項１において、投影手段にて使用する投影レンズと撮影手段にて使用する撮影レンズを同一とすることを特徴とする３次元計測方法。
3. 請求項１において、複数の投影パターンは、位相をずらした正弦波により作られた縞パターンであり、得られた複数の縞パターン画像から、位相値を算出する手段を持ち、この位相値の違いを算出する手段を請求項１におけるパターンのずれ量を算出する手段とし、距離を算出することを特徴とする３次元計測方法。
4. 請求項１において、通過した光だけに限定して撮影する手段として、レンズの背後に投影パターンの光を通過させる中央部の開口部と中心からずれた位置に反射光を通過させる開口部を持つ遮光フィルタをもつことを特徴とする３次元計測方法。

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