JP2009264862A - 3次元形状計測方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本装置1は、最良の計測結果を選択して決定するため、被計測物体の計測領域10に縞パターンを投影する2つの縞パターン投影部2a,2bと、撮像部3と、撮像部3からのデータを基に計測領域10の3次元形状を求める3次元計測処理部4とを備える。縞パターン投影部2a,2bが、撮像部3を挟んで向かい合うように、かつ撮像部3の光軸30に対して線対称に配置され、縞パターン投影部2a,2bから同じ縞パターンSPを投影する。各縞パターン投影部2a,2bからそれぞれ独立に縞パターンを投影して2種類の3次元座標を求め、撮像部3の撮像素子上の1点に対応して得られる2種類の3次元座標の平均値を計測結果として計測精度を向上させる。
【選択図】図1
Description
において、前記撮像部の撮像レンズ、または前記2つの投影用光軸から縞パターンを投影するための投影レンズのいずれかにテレセントリックレンズを用いるものである。
第1の実施形態に係る3次元形状計測装置について図1乃至図4を参照して説明する。なお、図1に示す構成は他の実施形態に共通であり、他の実施形態においても参照する。また、本実施形態と次の第2の実施形態では、自己隠蔽のない立体表面の形状計測について説明しており、自己隠蔽による影を有する被計測物体の形状計測については、第3、第4の実施形態において説明する。
本実施形態では、被計測物体の計測領域10の上方に撮像部3が設置され、撮像部3の光軸30と、2系統の縞パターン投影部2a,2bの各投影用光軸20a,20bとが同一平面内に設定され、2つの縞パターン投影部2a,2bが互いに撮像部3を挟むように配置されている。3つの光軸20a,20b,30は互いに1つの点Oで交わるように配置されるが、必ずしもこのようにする必要はない。
本実施形態の位相シフト法で用いられる縞パターンSPは、明度が一定方向(以下、パターン変化方向5)に沿って正弦波状に変化するパターンである。本実施形態においては、パターン変化方向5を、X,x軸方向に設定している。
本実施形態の3次元形状計測装置1が、被計測物体の表面に文字や柄などによる反射率の異なる領域が混在して位相値の誤差が発生するような被計測物体についても計測精度を向上できることを説明する。要点は、互いに撮像部3を挟むように配置した2つの縞パターン投影部2a,2bを用いて形状計測を行い、2種類の計測結果を平均化することにより、個々の縞パターン投影部2a,2bによる計測における位相値の誤差に起因する3次元座標の計測誤差を互いに相殺させることができることによる。
第2の実施形態に係る3次元形状計測装置について図5を参照して説明する。本実施形態の3次元形状計測装置1は、第1の実施形態における撮像部3の撮像レンズにテレセントリックレンズ11を用い、2つの縞パターン投影部2a,2bから縞パターンSPを投影するための投影レンズに、それぞれテレセントリックレンズ12a,12bを用いるものである。
第3の実施形態に係る3次元形状計測方法について、図6乃至図11を参照して説明する。本実施形態は、上述の第1、第2の実施形態における3次元形状計測装置1を用いて3次元形状計測を行う方法を示すものである。本実施形態では、自己隠蔽により被計測物体の計測領域に影が発生する場合に、計測精度を向上させることについて説明する。
図9は、上述のフローチャートにおける点群データ取得処理(S1,S2)を行うサブルーティンを示す。この処理は、縞パターン投影部2a,2bにとって共通の処理である。以下において、式や変数における添字kは、縞パターン投影部2a,2bを識別するAまたはBを表す。この点群データ取得処理では、3次元形状データおよび微分強度データが点群データとして取得される。
中央制御部42は、位相変化ループ(LP5〜LP55)において、変数iの値を各ループ毎にi=0,1,2,3と変化させて、投影縞パターンデータ生成(S20)、縞パターン投影(S21)、撮像(S22)、輝度データ記録(S23)を行う。すなわち、中央制御部42は、正弦波の位相をπ/2ずつ変化させて画像データを輝度データとしてメモリ43に4回取り込む。
次に、中央制御部42は、縞パターン投影部2a,2bによって明るさが一様な照明光を被計測物の計測領域10に投影し(S24)、撮像部3によって撮像し(S25)、縞パターンのない一様照明での輝度データIk(x,y)をメモリに記録する(S26)。
(1)パターンのない明るさが一定の画像を投影部から投影して撮像する。
(2)Ik=Ik0+Ik1+Ik2+Ik3により合成して求める。
次に、図9に戻って、位相算出(S11)を説明し、その後、3次元データ計算(S12)を説明する。まず、上述の縞パターン投影と撮像によって得られた各画素の輝度値Iki(x,y)(i=0,1,2,3)から、次式(2)によって定義される位相φ(x,y)が算出される(S11)。算出は演算部44において行われる。
図9における処理では、一様照明での輝度データIk(x,y)について微分強度データ(微分強度画像)を求める計算が行われる(S13)。微分強度画像は、画像のx方向(水平方向)について輝度データの微分値を算出し、その絶対値(すなわち強度)をとって求められる。この算出には、例えばSobelフィルタを用いることができる。輝度データIkに対応するx方向の微分値Dk(x,y)は、次式(7)で求められる。
図8におけるループ処理において(ループLP1〜LP11,LP2〜LP22)、座標x,yによって指定された特定の画素について、PA(x,y),PB(x,y)の存在の如何が判断され、いずれか一方のみが存在する場合には、その値が選択され、P(x,y)=PA(x,y)、または、P(x,y)=PB(x,y)とされる(S6,S8)。また、いずれも存在していなければ(S3,S7でNo)、P(x,y)は、非存在とされ、「999」などの所定の異常値がP(x,y)に与えられる(S9)。
第4の実施形態に係る3次元形状計測方法について、図16乃至図21を参照して説明する。本実施形態は、上述の第3の実施形態における隠蔽部分(領域a1)および影の境界部分(領域a2)の求め方(特定の仕方)を、微分強度を用いるのではなく、差分画像、2値化処理、および膨張処理によって行うものである。従って、点群データの取得の部分は、第3の実施形態と同様である。
図21は、第3の実施形態の図8のフローチャートにおけるxyループ部分に対応する処理ルーティンを示す。xyループ処理において(ループLP1〜LP11,LP2〜LP22)、座標x,yによって指定された特定の画素(注目画素)について、PA(x,y),PB(x,y)の存在の如何が判断され、いずれも存在していなければ(S3,S7でNo)、P(x,y)は、非存在とされ、「999」などの所定の異常値がP(x,y)に与えられる(S42)。
図22は、第5の実施形態に係る3次元形状計測装置および計測方法を示す。本実施形態は、第1または第2の実施形態とは、縞パターン投影部2a,2bが投影する縞パターンSPのパターン変化方向5をX軸方向(x軸方向)からずらした互いに平行な同じ方向としている点が異なり、他の点は同様である。
2,2a,2b 縞パターン投影部
3 撮像部
4 計測処理部
10 計測領域
11,12a,12b テレセントリックレンズ
20,20a,20b 投影用光軸
30 撮像部光軸
SP 縞パターン
X,Y,Z 3次元座標
Claims (6)
- 明度が正弦波状に変化する縞パターンを異なる位相で3回以上被計測物体に投影して撮像し、得られた複数の画像を用いて各画素における被計測物体の3次元座標を位相シフト法により求める3次元形状計測方法において、
被計測物体の計測領域上方に撮像部を設置し、前記撮像部の光軸を含む平面内に投影用光軸を2つ設定し、前記投影用光軸の各方向からそれぞれ独立に計測領域に縞パターンを投影すると共に前記撮像部によって撮像して2種類の3次元座標を求める計測ステップと、
前記計測ステップにより前記撮像部の撮像素子上の1点に対応して得られる2種類の3次元座標の平均値を算出する演算ステップと、を含むことを特徴とする3次元形状計測方法。 - 前記2つの投影用光軸が、前記撮像部の光軸に対して線対称に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の3次元形状計測方法。
- 前記2つの投影用光軸の一方から縞パターンを投影して撮像された画像に影が生じた場合に、その影の部分を任意の距離だけ拡張した領域について、他方の投影用光軸から縞パターンを投影して撮像された画像に基づく3次元座標を用いることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の3次元形状計測方法。
- 前記撮像部の撮像レンズ、または前記2つの投影用光軸から縞パターンを投影するための投影レンズのいずれかにテレセントリックレンズを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の3次元形状計測方法。
- 前記撮像部の撮像レンズ、および前記2つの投影用光軸から縞パターンを投影するための投影レンズのそれぞれにテレセントリックレンズを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の3次元形状計測方法。
- 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の3次元形状計測方法を用いる3次元形状計測装置。
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