JP2010151842A

JP2010151842A - 三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法

Info

Publication number: JP2010151842A
Application number: JP2010071920A
Authority: JP
Inventors: Atsutada Nakatsuji; 敦忠中辻
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: JP4797109B2

Abstract

【課題】物体の三次元形状を迅速に精度良く計測する。
【解決手段】三次元形状計測装置は、短波長及び長波長の光パターン２０、３０の各々を物体２に投射するプロジェクタ３と、物体２を撮影するカメラ４と、距離Ｚ₁と対応付けて光パターン２０の絶対位相を登録した第１テーブル４０と、距離Ｚ₂と対応付けて光パターン３０の相対位相及び光パターン２０のオフセット値ｎを登録した第２テーブル５０と、撮影画像に基づいて光パターン２０、３０の相対位相を算出し、第１及び第２テーブル４０、５０を利用して物体２までの距離を求める制御部５とを備える。制御部５は、光パターン２０の相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、光パターン３０の相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離Ｚ₂と、光パターン２０の絶対位相と第１テーブル４０を照合して得られる距離Ｚ₁とを対比し、両者が適合しないときにオフセット値ｎを変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法に関し、特に、短時間で精度良く三次元形状を計測することのできる装置及び方法に関する。

物体の三次元形状を非接触で計測するための方法が数多く提案されており、その中の１つとして、正弦波格子位相シフト法が知られている。この正弦波格子位相シフト法は、概略以下のようにして行われる。

図１０に示すように、正弦波状に濃淡パターンが印刷されている格子７１を通して、光源７２から物体７３に対して正弦波状の輝度分布を持つ光パターンを投影し、物体７３上の縞パターンを上記の光源７２とは別のところに設置されたカメラ７４で撮影する。物体７３を静止させたままで、格子７１を縞と直角方向へと、波長の１／ＮずつＮ回ずらしながら画像を撮影して行く。例えば、縞パターンの位相がπ／２ずつずれるように格子７１を駆動しながら、位相が１周期分移動するまでの間に４回の撮影を行ったとすると、図１１に示すように、物体７３中の計測対象点Ｐについて、４つの輝度値Ｉｐ₍₀₎、Ｉｐ₍π_/2)、Ｉｐ₍π₎、Ｉｐ₍₃π_/2)を得ることができる。それらの輝度値を下記の数式４に代入することにより、計測対象点Ｐに投射される光の位相φを求めることができる。ここに、数式４中の（ｘ、ｙ）は、計測対象点Ｐの横方向及び縦方向の座標値である。

求められた位相φは、図１０に示すように、計測対象点Ｐに到達する光が格子７１のどの部分を通過するかを表すため、計測対象点Ｐへの光の投射角度βに対応した値となる。計測対象点Ｐについての位相φを求めた後は、求めた位相値と、カメラ７４及び光源７２間の距離Ａと、物体７３を撮影したときの撮影角度αとを用い、三角測量の原理によって、計測対象点Ｐまでの距離Ｚを求める。その後は、物体７３中の他の計測対象点についても、上記の処理を実行して距離Ｚを求め、これにより、物体７３の表面形状を特定することが可能となる。

上述したように、計測対象点Ｐに投射される光の位相φは、数式４を用いて求めることができるが、ｔａｎ^-1が周期２πの周期関数であるため、数式４によって導かれる位相値φは、０〜２πのうちの何れかの値しか取り得ない。このため、例えば、実際の位相値φが７π／２であったとしても、数式４によって導かれる位相値φは、３π／２となり、周期２πの整数倍の不定性を残したものとなる。

そこで、例えば、特許文献１には、基本の周期の正弦波と、その基本の周期の２倍の周期の正弦波とを足し合わせた濃淡パターンを有する光（図１２参照）を物体に投射し、基本の周期の濃淡パターンの光に対応する位相値φ₁と、２倍の周期の濃淡パターンの光に対応する位相値φ₂とを求め、位相値φ₂を参照しながら位相値φ₁を位相接続することにより、位相値φ₁の不定性を取り除くようにした三次元形状計測装置が提案されている。

特許第３１９９０４１号公報

しかしながら、上記の三次元形状計測装置においては、異なる周期の濃淡パターンを足し合わせた光を生成し、それを物体に投射して三次元座標を得るため、計測対象点までの距離を求めるのに、高度な数学的手法が必要となり、演算処理時間が長期化するという問題があった。

また、上記の三次元形状計測装置においては、計測対象点までの距離を求めるに際し、物体に投射された光を、基本周期の光に相当する分と、基本周期の２倍の周期の光に相当する分とに分離する必要があるが、それら２種類の光を正しく分離するには、各光が正しい正弦波特性を有していなければならない。しかしながら、光源から投影される光にはレンズ歪等による非線形作用が生じるため、各周期の光の波形が歪み、その歪みが各々の光を求める際の誤差となって、計測精度が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、演算時間を短縮することができるとともに、計測精度を向上させることができ、短時間で精度良く三次元形状を計測することが可能な三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、第１波長を有する第１光パターンと、前記第１波長より長い第２波長を有する第２光パターンとの各々を前記計測対象物に投射する投射手段と、前記第１光パターン及び前記第２光パターンが投射された計測対象物を撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された画像に基づいて前記第１光パターン及び前記第２光パターンの相対位相を算出する位相算出手段と、前記第１光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第１光パターンの絶対位相が予め登録された第１テーブルと、前記第２光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第２光パターンの相対位相、及び前記第１光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値が予め登録された第２テーブルと、前記位相算出手段によって算出された前記第２光パターンの相対位相と前記第２テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記位相算出手段によって算出された前記第１光パターンの相対位相とに基づいて前記第１光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第１テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める位相接続手段とを備え、前記位相接続手段は、前記位相算出手段によって算出された第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする。

そして、本発明によれば、波長の長い第２光パターンを投射して得られた相対位相からオフセット値を求め、そのオフセット値と、波長の短い第１光パターンを投射して得られた相対位相とから第１光パターンの絶対位相を求め、その絶対位相から計測対象物までの距離を求めるため、第１光パターンの相対位相及び第２光パターンの相対位相を求める際に演算処理が必要になるものの、それらの相対位相さえ算出すれば、その後は、簡単な処理によって、計測対象物までの距離を求めることができる。従って、演算時間を短縮することができ、迅速に三次元形状を計測することが可能となる。加えて、オフセット値及び絶対位相を求めるにあたり、第１及び第２テーブルを利用するため、簡単な処理で求めることができる。

また、本発明によれば、第１光パターンと第２光パターンとの２種類の光パターンを別個に用いつつ、計測対象物の形状は、主として分解能の高い第１光パターンを用いて計測し、その際のオフセット値をダイナミックレンジの大きい第２光パターンを用いて計測するため、計測精度を向上させることができ、精度良く三次元形状を計測することが可能となる。さらに、位相算出手段によって算出された第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときにオフセット値を変更するため、常に正しいオフセット値を導き出すことが可能となる。

上記三次元計測装置において、前記位相接続手段が、前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かの判定に代えて、前記オフセット値及び前記第１光パターンの相対位相から求められた第１光パターンの絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することができる。

また、本発明は、計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、第１波長を有する第１光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第１光パターンの絶対位相を登録した第１テーブルと、前記第１波長より長い第２波長を有する第２光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第２光パターンの相対位相、及び前記第１光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値を登録した第２テーブルとを予め作成し、前記計測対象物までの距離の計測にあたり、前記第１光パターン及び前記第２光パターンの各々を前記計測対象物に投射する第１ステップと、前記第１光パターン及び前記第２光パターンが投射された計測対象物を撮影する第２ステップと、撮影された画像に基づいて前記第１光パターン及び前記第２光パターンの相対位相を算出する第３ステップと、該第３ステップで算出した前記第２光パターンの相対位相と前記第２テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記算出した前記第１光パターンの相対位相とに基づいて前記第１光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第１テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める第４ステップとを有し、前記第４ステップにおいて、前記第３ステップで算出した前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする。

上記三次元計測方法において、前記第４ステップにおいて、前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かの判定に代えて、前記オフセット値及び前記第１光パターンの相対位相から求めた第１光パターンの絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することができる。

以上のように、本発明によれば、演算時間を短縮することができるとともに、計測精度を向上させることができ、短時間で精度良く三次元形状を計測することが可能となる。

本発明にかかる三次元計測装置の一実施の形態を示す全体構成図である。図１の制御部を示す構成図である。図１のオフセットテーブルを示す模式図である。短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。図１の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。長波長の相対位相を示す波形図である。短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。短波長の相対位相を示す波形図である。短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。従来の三次元形状計測装置の一例を示す全体構成図である。従来の三次元形状計測装置の動作を説明する波形図である。従来の三次元形状計測装置で用いられる光パターンを示す波形図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明にかかる三次元形状計測装置１の一実施の形態を示す全体構成図である。この三次元形状計測装置１は、投射手段及び撮影手段を各々１つずつ備える単眼式の三次元形状計測装置であり、所定の濃度分布を有する光（以下、「光パターン」という）を物体２に投射するプロジェクタ３と、光パターンが投射された物体２を撮影するカメラ４と、プロジェクタ３及びカメラ４の制御や各種の演算処理を行う制御部５から構成される。

プロジェクタ３は、所定の強度の光を発する光源３ａと、正弦波状の濃淡パターンを表示し、光源３ａからの光を正弦波状に変調する正弦波格子３ｂから構成される。正弦波格子３ｂは、例えば、画素単位で反射ミラーのオン／オフを制御できるＤＭＤ(Digital Micro-mirror Device)や、画素単位で光透過率を制御できる液晶パネル等から構成され、濃淡パターンのパターン間隔、すなわち、正弦波の波長を電子的に変化させたり、濃淡パターンの位相を電子的にシフトさせることが可能である。

本実施の形態においては、物体２に光パターンを投射する際に、正弦波格子３ｂの濃淡パターンのパターン間隔が制御され、基本の周期を有する正弦波状の光パターン（以下、「短波長の光パターン」という）２０と、光パターン２０の周期より長い周期を有する正弦波状の光パターン（以下、「長波長の光パターン」という）３０との２種類の光パターンが投射される。尚、長波長の光パターン３０は、その周期が短波長の光パターン２０の周期の整数倍とならないように設定される。

また、短波長の光パターン２０及び長波長の光パターン３０の各光パターンを投射する際には、正弦波格子３ｂに表示される濃淡パターンの位相が制御され、各光パターンの位相がπ／２ずつシフトされる。

制御部５は、図２に示すように、カメラ４の動作を制御するカメラ制御部１０と、プロジェクタ３の動作を制御するプロジェクタ制御部１１と、カメラ４から出力される画像信号を取り込む画像取込部１２と、後述するオフセットテーブル等を記憶する記憶部１３と、位相値を算出する位相算出部１４と、算出された位相値を接続して奥行き座標を得る位相接続部１５と、三次元データを生成する三次元データ生成部１６とを備える。

画像取込部１２は、プロジェクタ３の位相シフト動作に同期して、カメラ４から出力される１画面分の画像信号を取り込み、記憶部１３に記憶する。本実施の形態においては、光パターンの位相シフト量が０、π／２、π、３π／２、２πとなる各タイミングで、画像信号が取り込まれる。

位相算出部１４は、画像取込部１２によって取り込まれた画像信号に基づいて、位相値を算出する。位相値の算出は、短波長の光パターン２０が投射されたときと、長波長の光パターン３０が投射されたときとの各々において、画素毎に行われる。短波長の光パターン２０が投射されたときの位相値φ₁は、以下の数式１によって算出され、長波長の光パターン３０が投射されたときの位相値φ₂は、以下の数式２によって算出される。

ここに、（ｘ、ｙ）は、画素の横方向及び縦方向の座標値であり、Ｉ₁、Ｉ₂は、その画素の輝度値である。また、Ｎ₁、Ｎ₂は、位相シフトのシフト回数であり、ｔ₁、ｔ₂は、位相シフトのシフト量である。

上記のようにして算出される位相値φ₁、φ₂は、何れも、周期２πの整数倍の不定性を有するが、以下の説明においては、不定性を有する位相値を「相対位相値」と称し、不定性が取り除かれた位相値を「絶対位相値」と称する。また、位相シフトさせた短波長の光パターン２０を投射し、その撮影画像から得られる相対位相値を「短波長の相対位相値」と称し、位相シフトさせた長波長の光パターン３０を投射し、その撮影画像から得られる相対位相値を「長波長の相対位相値」と称する。

位相接続部１５は、位相算出部１４で算出された相対位相値φと、記憶部１３に記憶されたオフセットテーブルとに基づき、オフセット値２ｎπ及び絶対位相値ψを求める。オフセット値、相対位相値φ及び絶対位相値ψの関係は、下記の数式３のとおりであり、数式３から明らかなように、オフセット値は、絶対位相と相対位相との間の不定性に相当する。

図３は、オフセットテーブルの一例を示す模式図である。図３に示すように、オフセットテーブルは、短波長の光パターンについての第１テーブル４０と、長波長の光パターンについての第２テーブル５０から構成される。第１テーブル４０には、図３（ａ）に示すように、基準点Ｊ（図１参照）から計測対象点Ｐまでの距離Ｚ₁と対応付けて、短波長の相対位相値φ₁及び絶対位相値ψ₁が画素毎に登録される。一方、第２テーブル５０には、図３（ｂ）に示すように、基準点Ｊから計測対象点Ｐまでの距離Ｚ₂と対応付けて、長波長の相対位相値φ₂と、短波長の光パターン２０のｎ値とが画素毎に登録される。

以下、第１テーブル４０及び第２テーブル５０に登録される相対位相値φ₁、φ₂等を、三次元形状の計測時に算出される相対位相値φ₁、φ₂等と区別するため、相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂等と称する。

第１テーブル４０及び第２テーブル５０は、何れも、三次元形状の計測に先立ち、短波長の相対位相値φ₁及び長波長の相対位相値φ₂を各々サンプリングすることによって、作成されるものである。第１テーブル４０及び第２テーブル５０の作成にあたっては、まず、平坦面を有する平板を所定の基準位置に固定した状態で、位相をπ／２ずつシフトさせながら、短波長の光パターン及び長波長の光パターンを平板に向けて各々投射し、短波長の相対位相値φ₁、長波長の相対位相値φ₂を求め、基準位置での相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂として登録する。

ここで、長波長の光パターンは、短波長の光パターンよりも長い周期を有するため、短波長の光パターンの周期と、長波長の光パターンの周期とが予め分かっていれば、図４に示すように、長波長の相対位相値φ₂から短波長の光パターンのオフセット値２ｎπ、すなわち、ｎ値を導くことができる。例えば、長波長の光パターンが、短波長の光パターンの約４．５倍の周期を有する場合に、長波長の相対位相値φ₂がπであれば、短波長の光パターンのｎ値が２であることを導くことができる。また、ｎ値が分かれば、オフセット値２ｎπを短波長の相対位相値φ₁に加算することによって、短波長の絶対位相値ψ₁を求めることもできる。

そこで、本実施の形態においては、相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂を登録した後に、上記の方法を用いて、短波長の光パターンのｎ値及び短波長の光パターンの絶対位相値ψ₁も併せて求め、求めたｎ値を第２テーブル５０に、絶対位相値ψ₁を絶対位相テーブル値Ｔψ₁として第１テーブル４０に登録する。

その後、平板を奥行き方向に所定量だけ移動させ、上記と同様にして、相対位相値φ₁、φ₂等を求め、そのときの距離Ｚ₁、Ｚ₂と対応付けながら、求めた相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂等を第１テーブル４０及び第２テーブル５０に登録する。以後、平板を所定の移動量で奥行き方向に移動させながら、各位置での相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂等を順次登録して行き、これにより、第１テーブル４０及び第２テーブル５０を作成する。尚、第１テーブル４０及び第２テーブル５０中に、相対位相テーブル値Ｔφ₁、Ｔφ₂等の各種データを、どの程度の距離まで登録するかは、計測対象範囲をどの程度の大きさに設定するかや、計測対象物の形状、大きさなどに応じて、適宜決定することができる。

次に、三次元形状の計測方法について、図５を中心に参照して説明する。

物体２の三次元形状を計測するにあたっては、図５に示すように、まず、光パターンの位相シフト量を０にした状態で、短波長の光パターン２０が物体２に投射され、カメラ４から出力される画像信号が取り込まれる（ステップＳ１）。次いで、光パターンの位相をπ／２、π、３π／２、２πだけ順次シフトさせた状態で、短波長の光パターン２０が物体２に投射され、各位相シフト量での画像信号が取り込まれる（ステップＳ２）。

次いで、光パターンの位相シフト量が０のときに取り込んだ画像信号と、光パターンの位相をπ／２、π、３π／２、２πだけシフトさせたときに取り込んだ画像信号とから、短波長の光パターン２０を投射したときの相対位相値φ₁が算出される（ステップＳ３）。このとき、相対位相値φ₁は、画素毎に算出される。

次いで、長波長の光パターン３０が物体２に投射され、光パターンの位相シフト量を０にしたときの画像信号、及び光パターンの位相をπ／２、π、３π／２、２πだけシフトさせたときの画像信号が各々取り込まれる（ステップＳ４、Ｓ５）。そして、取り込んだ各画像信号に基づき、長波長の光パターン３０を投射したときの相対位相値φ₂が画素単位で算出される（ステップＳ６）。

次いで、１画面を構成する複数の画素の中から１つの画素が着目画素（計測対象点）として選択される（ステップＳ７）。次いで、事前に作成した第２テーブル５０中に、相対位相テーブル値Ｔφ₂等の各種データが、長波長の光パターン３０の１周期分より多く登録されているか否かが判定される（ステップＳ８）。

１周期分を超えるデータが登録されている場合には（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、第２テーブル５０が参照され、第２テーブル５０に登録されている距離Ｚ₂のうちから、ステップＳ６で算出された相対位相値φ₂に対応する距離Ｚ₂が取得される（ステップＳ９）。但し、１周期分を超えるデータが登録されている場合には、図６に示すように、相対位相値φ₂に対応する距離Ｚ₂が２以上存在する可能性があり、その場合には、基準点Ｊに近い側の距離Ｚ_2aが距離Ｚ₂として取得される。

次いで、短波長の光パターンについての第１テーブル４０が参照され、第１テーブル４０に登録されている短波長の相対位相テーブル値Ｔφ₁のうちから、距離Ｚ₂に対応する相対位相テーブル値Ｔφ₁が読み出される（ステップＳ１０）。そして、読み出された相対位相テーブル値Ｔφ₁と、先のステップＳ３で算出された相対位相値φ₁とが比較される（ステップＳ１１）。

相対位相値φ₂に対応する距離Ｚ₂が２以上存在していた場合、そのうちの何れかが真の距離となるが、ステップＳ９で取得した距離Ｚ₂が真の距離であれば、図７（ａ）に示すように、相対位相テーブル値Ｔφ₁と、算出された相対位相値φ₁とが略々一致するはずである。逆に、ステップＳ９で取得した距離Ｚ₂が真の距離でなければ、図７（ｂ）に示すように、相対位相テーブル値Ｔφ₁と、算出された相対位相値φ₁とが一致しないはずであるため、読み出された相対位相テーブル値Ｔφ₁と、先のステップＳ３で算出された相対位相値φ₁とを比較することにより、ステップＳ９で取得した距離Ｚ₂が真の距離であるか否かを判定することができる。

比較の結果、相対位相テーブル値Ｔφ₁と、算出された相対位相値φ₁とが一致しない場合には（ステップＳ１１：Ｎｏ）、ステップＳ９で取得した距離Ｚ₂が真の距離ではないため、基準点Ｊから遠い側の距離Ｚ_2b（図６参照）が距離Ｚ₂として取得される（ステップＳ１２）。その後は、ステップＳ１０に処理が移行し、上記と同様にして、相対位相テーブル値Ｔφ₁と相対位相値φ₁との比較処理が実行される。

これに対し、相対位相テーブル値Ｔφ₁と、算出された相対位相値φ₁とが略々一致する場合には（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、条件を満たす距離Ｚ₂が２以上存在するか否かが判定される（ステップＳ１３）。条件を満たす距離Ｚ₂が２以上存在する場合には、どれが正しいものであるかを特定することができないため、その画素についての三次元形状の計測を終了し、他の画素を選択する（ステップＳ１４）。

それとは逆に、条件を満たす距離Ｚ₂が１つである場合には、そのときの距離Ｚ₂が真の距離であるため、その距離Ｚ₂が最終的な距離Ｚ₂として認定される。次いで、第２テーブル５０が参照され、第２テーブル５０中に登録されている短波長の光パターンのｎ値のうちから、距離Ｚ₂に対応するｎ値が取得され、オフセット値２ｎπが求められる（ステップＳ１５）。

一方、第２テーブル５０に、長波長の光パターン３０の１周期分以下のデータしか登録されていない場合には（ステップＳ８：Ｎｏ）、算出された相対位相値φ₂に対応する距離Ｚ₂が１つしか存在しないため、第２テーブル５０に基づいて相対位相値φ₂に対応する距離Ｚ₂が取得され（ステップＳ１６）、その後、上記と同様にして、オフセット値２ｎπが求められる（ステップＳ１５）。

オフセット値２ｎπが求められると、求められたオフセット値２ｎπが、ステップＳ３で算出された短波長の相対位相値φ₁に加算され、短波長の光パターンの絶対位相値ψ₁が求められる（ステップＳ１７）。次いで、短波長の相対位相値φ₁が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かが判定される（ステップＳ１８）。ここに、０、２πの近傍の値とは、０又は２πとの差分が０．２π〜０．３π程度までの値をいい、具体的には、相対位相値φ₁＝０〜０．３π、１．７π〜２πをいう。

ここに、ステップＳ１８で、上記の判定処理を行うのは、短波長の相対位相値φ₁が０、２π又はそれらの近傍の値であると、ステップＳ１５で取得されたオフセット値２ｎπが誤りである可能性があるからである。すなわち、位相を縦軸に、距離を横軸に採って、相対位相の特性をグラフ化した場合、理論的には、図８（ａ）に示すように、横軸方向の長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃が同じになる直角三角形が連続する波形が得られるはずである。しかしながら、実際には、常に図８（ａ）のような波形が得られるとは限らず、光の強度や投射角度の変動等の影響を受けて、図８（ｂ）に示すように、直角三角形の横軸方向の長さが伸縮し、横軸方向の長さＬ₁’、Ｌ₂’、Ｌ₃’が不揃いの直角三角形が連続する波形が得られることがある。その一方で、第２テーブル５０に登録されるオフセット値（ｎ値）は、実測値ではなく、短波長の光パターンの相対位相が理論的特性（図８（ａ））を有するという前提の下で導き出される理論値である。このため、例えば、図９に示すように、実際のＬ₁’が理論上のＬ₁よりも長くなっている状態で、短波長の相対位相値φ₁が２π近傍の値であったとすると、実際は、ｎ値＝０であるにも拘わらず、ｎ値＝１としてオフセット値２ｎπが求められることになる。その結果、物体２の表面までの距離（距離Ｚ₁）としては、図９のＧ点の距離を求めるべきであるにも拘わらず、２π分だけ距離が長くなったＨ点の距離が計測対象の距離として求められてしまう。

ステップＳ１８は、そうした誤りを防止するための処理であり、相対位相値φ₁が０、２π又はそれらの近傍の値である場合には（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、第１テーブル４０中に登録されている距離Ｚ₁のうちから、絶対位相値ψ₁に対応する距離Ｚ₁が取得されれるとともに（ステップＳ１９）、取得された距離Ｚ₁と、ステップＳ８〜Ｓ１６で取得された距離Ｚ₂とが対比され、両者が略々同一の値を有するか否かが判定される（ステップＳ２０）。

距離Ｚ₁と距離Ｚ₂を対比するに際し、両者が一致するか否かではなく、略々同一の値であるか否かを判定するのは、距離Ｚ₁は、短波長の光パターンを基に作成される第１テーブル４０中の値であるの対し、距離Ｚ₂は、長波長の光パターンを基に作成される第２テーブル５０中の値であり、短波長の光パターンと長波長の光パターンとで分解能が異なるため、オフセット値２ｎπが正しい値であったとしても、両者の間に数ｍｍ程度の差異が生じる可能性があるからである。

距離Ｚ₁と距離Ｚ₂が略々同一の値を有する場合には（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１５で取得されたオフセット値２ｎπが正しい値であると推認できるため、そのときの距離Ｚ₁が計測対象点の奥行き座標として認定される。

これに対し、距離Ｚ₁と距離Ｚ₂が全く異なる値を有する場合には（ステップＳ２０：Ｎｏ）、ステップＳ１５で取得されたオフセット値２ｎπのｎ値が誤っていることを示すため、ｎ値が±１され、オフセット値２ｎπが変更される（ステップＳ２１）。そして、再度、ステップＳ１７〜ステップＳ２０の処理が実行され、ステップＳ１８及びステップＳ２０の判定処理を経て、正しいオフセット値２ｎπ及び距離Ｚ₁が導き出され、計測対象点の奥行き座標が取得される。

一方、相対位相値φ₁が０、２π又はそれらの近傍の値でない場合には（ステップＳ１８：Ｎｏ）、ステップＳ１５で取得されたオフセット値２ｎπが正しい値であると推認できるため、ステップＳ１９と同様にして絶対位相値ψ₁に対応する距離Ｚ₁が取得され、その距離Ｚ₁が計測対象点の奥行き座標として認定される（ステップＳ２２）。

計測対象点の奥行き座標が取得されると、奥行き座標を取得していない画素（計測対象点）が残っているか否かが判定される（ステップＳ２３）。奥行き座標を取得していない画素が存在する場合には、その画素が選択され（ステップＳ２４）、上記と同様にして、奥行き座標が取得される（ステップＳ８〜Ｓ２２）。以後、奥行き座標を取得していない画素が無くなるまで、ステップＳ８〜Ｓ２２の処理が繰り返し実行され、物体２の表面上のすべての計測対象点について、奥行き座標が取得される。最後に、取得された奥行き座標と、各計測対象点の縦方向の座標及び横方向の座標とが統合され、物体２の三次元形状を示す三次元データが生成される（ステップＳ２５）。

以上説明したように、本実施の形態によれば、長波長の光パターン３０を投射して得られた相対位相値φ₂からオフセット値２ｎπを求め、そのオフセット値２ｎπと、短波長の光パターン２０を投射して得られた相対位相値φ₁とから、計測対象点の奥行き座標を求めるため、短波長の相対位相値φ₁及び長波長の相対位相値φ₂を求める際に演算処理が必要になるものの、相対位相値φ₁、φ₂さえ算出すれば、その後は、簡単な処理によって、計測対象点の奥行き座標を求めることができる。従って、演算時間を短縮することができ、物体２の三次元形状を迅速に計測することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、短波長の光パターン２０と長波長の光パターン３０との２種類の光パターンを別個に用いつつ、物体２の形状は、主として分解能の高い短波長の光パターン２０を用いて計測し、その際のオフセット値２ｎπをダイナミックレンジの大きい長波長の光パターン３０を用いて計測するため、計測精度を向上させることができ、精度良く三次元形状を計測することが可能となる。

さらに、本実施の形態によれば、物体２までの距離Ｚ₁と対応付けて短波長の光パターン２０の絶対位相値ψ₁を登録した第１テーブル４０と、長波長の光パターン３０の相対位相値φ₂と対応付けてオフセット値２ｎπ（ｎ値）を登録した第２テーブル５０とを作成し、それらを用いて、計測対象点の奥行き座標を求めるため、簡単な処理でオフセット値２ｎπ及び計測対象点の奥行き座標を求めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施の形態においては、オフセット値２ｎπを取得するに際し、第２テーブル５０を参照して、距離Ｚ₂からｎ値を求めるが（図５：ステップＳ１５）、距離Ｚ₂に代えて長波長の相対位相値φ₂を用い、長波長の相対位相値φ₂からｎ値を求めるようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、相対位相値φ₁が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定することによって（図６：ステップＳ１８）、オフセット値２ｎπの真偽を判定しているが、相対位相値φ₁に代えて絶対位相値ψ₁を用い、短波長の絶対位相値ψ₁が０、２πの整数倍又はそれらの近傍の値であるか否かを判定することによって、オフセット値２ｎπの真偽を判定するようにしてもよい。

１三次元形状計測装置
２物体
３プロジェクタ
３ａ光源
３ｂ正弦波格子
４カメラ
５制御部
１０カメラ制御部
１１プロジェクタ制御部
１２画像取込部
１３記憶部
１４位相算出部
１５位相接続部
１６三次元データ生成部
２０短波長の光パターン
３０長波長の光パターン
４０第１テーブル
５０第２テーブル

Claims

計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
第１波長を有する第１光パターンと、前記第１波長より長い第２波長を有する第２光パターンとの各々を前記計測対象物に投射する投射手段と、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンが投射された計測対象物を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段で撮影された画像に基づいて前記第１光パターン及び前記第２光パターンの相対位相を算出する位相算出手段と、
前記第１光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第１光パターンの絶対位相が予め登録された第１テーブルと、
前記第２光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第２光パターンの相対位相、及び前記第１光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値が予め登録された第２テーブルと、
前記位相算出手段によって算出された前記第２光パターンの相対位相と前記第２テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記位相算出手段によって算出された前記第１光パターンの相対位相とに基づいて前記第１光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第１テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める位相接続手段とを備え、
前記位相接続手段は、前記位相算出手段によって算出された第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする三次元形状計測装置。
前記位相接続手段は、前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かの判定に代えて、前記オフセット値及び前記第１光パターンの相対位相から求められた第１光パターンの絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、
第１波長を有する第１光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第１光パターンの絶対位相を登録した第１テーブルと、前記第１波長より長い第２波長を有する第２光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第２光パターンの相対位相、及び前記第１光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値を登録した第２テーブルとを予め作成し、
前記計測対象物までの距離の計測にあたり、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンの各々を前記計測対象物に投射する第１ステップと、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンが投射された計測対象物を撮影する第２ステップと、
撮影された画像に基づいて前記第１光パターン及び前記第２光パターンの相対位相を算出する第３ステップと、
該第３ステップで算出した前記第２光パターンの相対位相と前記第２テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記算出した前記第１光パターンの相対位相とに基づいて前記第１光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第１テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める第４ステップとを有し、
前記第４ステップにおいて、前記第３ステップで算出した前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする三次元形状計測方法。
前記第４ステップにおいて、前記第１光パターンの相対位相が０、２π又はそれらの近傍の値であるか否かの判定に代えて、前記オフセット値及び前記第１光パターンの相対位相から求めた第１光パターンの絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、該絶対位相が０、２πの倍数又はそれらの近傍の値であるときに、前記第２光パターンの相対位相と第２テーブルを照合して得られる距離と、前記第１光パターンの絶対位相と第１テーブルを照合して得られる距離とを対比し、両者が適合しないときに前記オフセット値を変更することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測方法。