JP2011064617A - Three-dimensional information measuring device and three-dimensional information measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属や陶磁器などの他、自動車やその部品などの光沢塗装が施されるなどして表面反射の強い計測対象物の表面の三次元情報を非接触で計測する三次元情報計測装置および三次元情報計測方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional information measuring device for non-contact measurement of three-dimensional information on the surface of a measurement object having a strong surface reflection, for example, by applying glossy coating to automobiles and parts thereof in addition to metals and ceramics. And a three-dimensional information measurement method.
三次元形状計測はデジタルカメラを用いて、計測対象物の写真撮像を行い、コンピュータによって画像処理することにより、非接触で計測対象物の表面の三次元形状を算出する手法である。通常、三次元形状計測は、計測対象物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と、光、音波や電波などを計測対象物に照射し、その情報を利用して計測を行う能動型とに分類される。 The three-dimensional shape measurement is a technique for calculating the three-dimensional shape of the surface of the measurement object in a non-contact manner by taking a photograph of the measurement object using a digital camera and performing image processing with a computer. In general, three-dimensional shape measurement is performed by irradiating a measurement object with light, sound waves, radio waves, etc., a passive type that performs measurement without irradiating the measurement object with specific light or radio waves that assist measurement. It is classified as an active type that performs measurement using information.
受動型の代表的な方法は、２台のカメラを用いて、人間の両目のように計測対象物の画像を異なる視点から撮像し、三角測量の原理により計測対象物の三次元形状を算出するステレオ視方法である。ステレオ視による三次元形状計測方法は、２台もしくは２台以上のカメラだけを用いて、計測対象物の三次元形状を計測できる方法であり、簡単な設備を使って物体の三次元形状を計測できる利点がある。 A typical passive method uses two cameras to capture images of a measurement object from different viewpoints, such as human eyes, and calculates the three-dimensional shape of the measurement object based on the principle of triangulation. Stereo viewing method. Stereoscopic three-dimensional shape measurement method is a method that can measure the three-dimensional shape of an object to be measured using only two or more cameras, and measures the three-dimensional shape of an object using simple equipment. There are advantages you can do.
しかしながら、このような受動法では、複数枚の画像から計測点および対応点を抽出する、いわゆる対応付けが必要である。そのため、特徴のない物体や特徴のない部分では、計測点の対応付けが困難であり、三次元形状計測ができない。 However, in such a passive method, so-called association is required in which measurement points and corresponding points are extracted from a plurality of images. For this reason, it is difficult to associate measurement points with a non-feature object or a non-feature portion, and three-dimensional shape measurement cannot be performed.
一方、能動型の三次元情報計測方法として、例えば特許文献１，２に記載のパターン光投影による方法が知られている。パターン光投影による三次元情報計測方法では、パターン光を計測対象物に投影して、その反射パターンの解析により、物体の表面形状の三次元情報を求める方法であり、特徴のない計測対象物の計測も可能であるという特徴がある。 On the other hand, as an active three-dimensional information measurement method, for example, methods using pattern light projection described in Patent Documents 1 and 2 are known. In the three-dimensional information measurement method using pattern light projection, pattern light is projected onto a measurement object, and the reflection pattern is analyzed to obtain three-dimensional information on the surface shape of the object. There is a feature that measurement is also possible.
図８は従来のパターン光投影による三次元情報計測方法の基本原理を示す幾何関係図である。図８において、ＯPはパターン光投影機のレンズ中心であり、ＯCは観測用カメラのレンズ中心である。パターン光投影機とカメラとは一定の距離ｂだけ離して配置されている。パターン光投影機は、計測用のパターン光をβの角度を以て計測点Ｍに投影する。一方、観測用カメラは、計測点Ｍを観測し、画像を撮像する。このときの観測角度はαとする。 FIG. 8 is a geometrical relationship diagram showing the basic principle of a conventional three-dimensional information measurement method using pattern light projection. In FIG. 8, O P is the lens center of the pattern light projector, O C is the lens center of the observation camera. The pattern light projector and the camera are spaced apart by a certain distance b. The pattern light projector projects the measurement pattern light onto the measurement point M with an angle of β. On the other hand, the observation camera observes the measurement point M and captures an image. The observation angle at this time is α.
このときの計測点Ｍの三次元空間世界座標系（Ｏ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）における奥行座標Ｚは、次式のように求められる。
αは観測角度（観測用カメラから見た計測点の所在の視角）、βは投影角度（パターン光投光機から計測対象物に投影した光の方向角）、ｂは観測用カメラ中心からパターン光投影機中心までの距離である。
The depth coordinate Z in the three-dimensional space world coordinate system (O, X, Y, Z) of the measurement point M at this time is obtained as follows.
α is the observation angle (the viewing angle of the measurement point as seen from the observation camera), β is the projection angle (the direction angle of the light projected from the pattern light projector onto the measurement object), and b is the pattern from the center of the observation camera This is the distance to the center of the optical projector.
ところで、計測対象物が金属などの表面反射の強い物体の場合、パターン光を計測対象物に投影すると、観測用カメラに正反射した部分ではハイライトが形成され、パターン光が非常に強く反射される。逆に、正反射以外の部分では反射光の強度がハイライトに比べて極端に弱く、三次元情報計測に必要な反射パターンを撮像することが困難である。このため、表面反射の強い物体の場合、計測対象物の反射パターンを撮像することができないので、三次元計測ができないという問題がある。 By the way, when the object to be measured is an object with a strong surface reflection such as a metal, when pattern light is projected onto the object to be measured, highlights are formed at the part that is regularly reflected by the observation camera, and the pattern light is reflected very strongly. The On the other hand, the intensity of the reflected light is extremely weak compared to the highlight in the portion other than the regular reflection, and it is difficult to image the reflection pattern necessary for the three-dimensional information measurement. For this reason, in the case of an object with strong surface reflection, there is a problem in that three-dimensional measurement cannot be performed because the reflection pattern of the measurement object cannot be imaged.
そこで、本発明においては、金属や陶磁器などの他、自動車やその部品などの光沢塗装が施されるなどして表面反射の強い計測対象物であっても、パターン光投影による三次元情報の計測が可能な三次元情報計測装置および三次元情報計測方法を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, measurement of three-dimensional information by pattern light projection is possible even for a measurement object having a strong surface reflection, such as metal or ceramics, as well as a car or its parts. It is an object to provide a three-dimensional information measuring apparatus and a three-dimensional information measuring method capable of performing the above.
本発明の三次元情報計測装置は、パターン光を計測対象物に直接当たらないように投影する投影手段と、投影手段により投影されたパターン光（以下、「投影パターン光」と称す。）を反射して計測対象物に投影する反射手段と、反射手段により反射されたパターン光（以下、「反射パターン光」と称す。）が投影された計測対象物を撮像して反射パターン光画像を取得する撮像手段であり、レンズの光軸が反射パターン光の投影方向と同一でない撮像手段と、反射パターン光画像から計測対象物の三次元情報を算出するデータ処理手段とを含むものである。 The three-dimensional information measuring apparatus according to the present invention projects the pattern light so that the pattern light does not directly hit the measurement object, and reflects the pattern light projected by the projection means (hereinafter referred to as “projection pattern light”). Then, the reflecting means for projecting onto the measuring object and the measuring object on which the pattern light reflected by the reflecting means (hereinafter referred to as “reflecting pattern light”) is imaged to obtain a reflected pattern light image. The imaging means includes an imaging means in which the optical axis of the lens is not the same as the projection direction of the reflection pattern light, and a data processing means for calculating three-dimensional information of the measurement object from the reflection pattern light image.
また、本発明の三次元情報計測方法は、パターン光を計測対象物に直接当たらないように投影すること、投影されたパターン光（投影パターン光）を反射して計測対象物に投影すること、反射されたパターン光（反射パターン光）が投影された計測対象物を、反射パターン光の投影方向と同一でない方向に光軸が配置されたレンズにより撮像して反射パターン光画像を取得すること、反射パターン光画像から計測対象物の三次元情報を算出することを含むことを特徴とする。 Further, the three-dimensional information measurement method of the present invention projects the pattern light so that it does not directly hit the measurement object, reflects the projected pattern light (projection pattern light) and projects it onto the measurement object, Imaging a measurement object on which reflected pattern light (reflected pattern light) is projected with a lens having an optical axis arranged in a direction that is not the same as the projection direction of the reflected pattern light to obtain a reflected pattern light image; It includes calculating three-dimensional information of a measurement object from a reflection pattern light image.
光を物体に照射した場合、物体からの反射は内部反射と表面反射との二種類がある。従来のパターン光投影による三次元計測では、内部反射特性を利用している。このため、パターン光投影による計測では、石膏や木材などの表面反射の弱い計測対象物の計測には適しているが、金属や陶磁器などの表面反射の強い計測対象物に対しては計測できなくなるか、計測できる範囲が狭くなる。そこで、本発明では、投影されたパターン光（投影パターン光）を反射手段により反射させて、反射されたパターン光（反射パターン光）の投影方向と同一でない方向に光軸が配置されたレンズにより撮像して反射パターン光画像を取得する。 When light is irradiated onto an object, there are two types of reflection from the object: internal reflection and surface reflection. In the conventional three-dimensional measurement by pattern light projection, internal reflection characteristics are used. For this reason, measurement by pattern light projection is suitable for measuring objects with weak surface reflection, such as plaster and wood, but cannot be performed for objects with strong surface reflection, such as metal and ceramics. Or, the measurable range becomes narrow. Therefore, in the present invention, the projected pattern light (projection pattern light) is reflected by the reflecting means, and the optical axis is arranged in a direction that is not the same as the projection direction of the reflected pattern light (reflection pattern light). The reflected pattern light image is acquired by imaging.
これにより、石膏や木材などの表面反射の弱い計測対象物はもとより、金属や陶磁器などの表面反射の強い計測対象物に投影された反射パターン光の表面反射は撮像されにくくなり、内部反射を撮像して計測対象物の表面形状の三次元情報を計測することが可能となる。 This makes it difficult to capture surface reflections of reflection pattern light projected on measurement objects with high surface reflections such as metal and ceramics, as well as measurement objects with low surface reflections such as plaster and wood, and images internal reflections. Thus, it is possible to measure the three-dimensional information of the surface shape of the measurement object.
また、本発明の三次元情報計測装置は、投影手段、反射手段および撮像手段が、投影手段の投影パターン光の投影方向と、撮像手段のレンズの光軸と、反射手段の法線ベクトルの平均値とが平行でないように配置されたものであることを特徴とする。 In the three-dimensional information measuring apparatus according to the present invention, the projection unit, the reflection unit, and the imaging unit have an average of the projection direction of the projection pattern light of the projection unit, the optical axis of the lens of the imaging unit, and the normal vector of the reflection unit. The values are arranged so that the values are not parallel to each other.
また、本発明の三次元情報計測装置は、データ処理手段が、投影手段により投影したパターン光の投影パターンと、反射手段により反射された反射パターン光のパターンと、撮像手段により撮像された反射パターン光画像との比較により算出される計測点の奥行き距離値から計測対象物の表面形状の三次元情報を算出するものであることを特徴とする。 In the three-dimensional information measuring apparatus of the present invention, the data processing means projects the pattern light projection pattern projected by the projection means, the reflection pattern light pattern reflected by the reflection means, and the reflection pattern imaged by the imaging means. It is characterized in that three-dimensional information of the surface shape of the measurement object is calculated from the depth distance value of the measurement point calculated by comparison with the optical image.
また、データ処理手段は、投影パターン光の注目パターン縞の投影方向角と、反射板の設置角度と、反射パターン光の注目パターン縞の視角とに基づいて計測点の奥行距離値を算出するものであることを特徴とする。 Further, the data processing means calculates the depth distance value of the measurement point based on the projection direction angle of the target pattern stripe of the projection pattern light, the installation angle of the reflector, and the viewing angle of the target pattern stripe of the reflection pattern light. It is characterized by being.
また、本発明の三次元情報計測装置は、パターン光が、撮像手段により撮像された画像の色強度分布が適切となるように強度分布、色分布および空間周波数分布が、計測対象物の形状、色および表面反射特性に従って自動的に調節されたものであることを特徴とする。 Further, the three-dimensional information measuring apparatus of the present invention is configured such that the intensity distribution, the color distribution, and the spatial frequency distribution are the shape of the measurement object so that the pattern light has an appropriate color intensity distribution of the image captured by the imaging unit. It is automatically adjusted according to color and surface reflection characteristics.
また、本発明の三次元情報計測装置は、撮像手段の露出、撮像速度およびホワイトバランスが、投影パターン光の特徴と計測対象物の形状、色および表面反射特性とに従って、自動的に調節されるものであることを特徴とする。 In the three-dimensional information measuring apparatus of the present invention, the exposure, imaging speed and white balance of the imaging means are automatically adjusted according to the characteristics of the projection pattern light and the shape, color and surface reflection characteristics of the measurement object. It is characterized by being.
本発明によれば、計測対象物にパターン光を、反射手段を通じて投影し、撮像するだけで、この撮像された画像から容易に計測対象物の表面形状の三次元情報を算出することができる。これにより、石膏や木材などの表面反射の弱い計測対象物はもとより、金属や陶磁器などの他、自動車やその部品などの光沢塗装が施されるなどして表面反射の強い計測対象物の表面形状の三次元情報や寸法を、簡単な構造により低コストで高精度かつ高速に計測することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily calculate the three-dimensional information of the surface shape of the measurement target from the captured image simply by projecting the pattern light onto the measurement target through the reflecting means and capturing the image. As a result, the surface shape of measurement objects with high surface reflections, such as gypsum and wood, as well as measurement objects with low surface reflections, such as plaster and wood, as well as metals and ceramics, etc. 3D information and dimensions can be measured with high accuracy and high speed at a low cost with a simple structure.
図１は本発明の実施の形態における三次元情報計測装置の全体構成図、図２は本実施形態における三次元情報計測装置の詳細な構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram of a three-dimensional information measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the three-dimensional information measuring apparatus according to the present embodiment.
図１において、本発明の実施の形態における三次元情報計測装置は、パターン光を投影する投影手段としてのパターン光投影装置１と、パターン光投影装置１により投影されたパターン光（投影パターン光）を反射して計測対象物Ａに投影する反射手段としての反射板２と、反射板２により反射されたパターン光（反射パターン光）が投影された計測対象物Ａを撮像する撮像手段としてのカメラ装置３と、このカメラ装置３により撮像した反射パターン光画像のデータを処理するデータ処理手段としてのデータ処理装置４を有する。パターン光投影装置１とデータ処理装置４、カメラ装置３とデータ処理装置４は、各データを伝送することができる伝送ケーブル５ａ，５ｂによってそれぞれ接続されている。 In FIG. 1, the three-dimensional information measuring apparatus according to the embodiment of the present invention includes a pattern light projection device 1 as projection means for projecting pattern light, and pattern light projected by the pattern light projection device 1 (projection pattern light). Reflecting plate 2 as reflecting means for reflecting the light and projecting onto measurement object A, and camera as imaging means for picking up image of measuring object A on which the pattern light reflected by reflecting plate 2 (reflection pattern light) is projected A device 3 and a data processing device 4 as data processing means for processing data of a reflection pattern light image captured by the camera device 3 are provided. The pattern light projection device 1 and the data processing device 4, and the camera device 3 and the data processing device 4 are connected to each other by transmission cables 5a and 5b capable of transmitting each data.
パターン光投影装置１は、データ処理装置４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Ａが存在しない方向に、すなわち、計測対象物Ａに直接当たらないように投影する装置、もしくは、データ処理装置４の命令を受け、所定のパターン光を計測対象物Ａに直接当たらないよう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。 The pattern light projection device 1 converts the pattern data formed by the data processing device 4 into pattern light, and projects it in a direction in which the measurement object A does not exist, that is, so as not to directly hit the measurement object A, Alternatively, it is a device that receives a command from the data processing device 4 and projects the predetermined pattern light so as not to directly hit the measurement 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.
反射板２は光を反射する機能を持つものであり、パターン光投影装置１により投影された投影パターン光を反射して計測対象物Ａに投影するものである。反射板２の反射率は、２０％〜９５％である。なお、本実施形態においては平面状のものを用いるが、曲面状のものを用いることも可能である。 The reflection plate 2 has a function of reflecting light, and reflects the projection pattern light projected by the pattern light projector 1 and projects it onto the measurement object A. The reflectance of the reflecting plate 2 is 20% to 95%. In the present embodiment, a planar one is used, but a curved one can also be used.
カメラ装置３はデジタル式カメラである。なお、カメラ装置３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、ＣＣＤ、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。また、カメラ装置３は、そのレンズの光軸が反射板２により反射されたパターン光（反射パターン光）の投影方向と同一でないように配置される。 The camera device 3 is a digital camera. The camera device 3 may be any digital camera such as an 8-bit, 10-bit, 12-bit, or 16-bit camera, a CCD, a CMOS, a still image camera, a video camera, a video camera, or the like. . Further, the camera device 3 is arranged such that the optical axis of the lens is not the same as the projection direction of the pattern light reflected by the reflector 2 (reflection pattern light).
すなわち、パターン光投影装置１、反射板２およびカメラ装置３は、パターン光投影装置１の光軸（投影パターン光の投影方向）と、カメラ装置３のレンズの光軸と、反射板２の法線ベクトルの平均値とが平行でないように配置される。なお、カメラ装置３は、露出、撮像速度およびホワイトバランスが、投影パターン光の特徴と、計測対象物Ａの形状、色および表面反射特性とに従って自動的に調節される。 That is, the pattern light projection device 1, the reflection plate 2, and the camera device 3 have the optical axis of the pattern light projection device 1 (projection direction of the projection pattern light), the optical axis of the lens of the camera device 3, and the method of the reflection plate 2. They are arranged so that the average value of the line vectors is not parallel. In the camera device 3, exposure, imaging speed, and white balance are automatically adjusted according to the characteristics of the projection pattern light and the shape, color, and surface reflection characteristics of the measurement target A.
データ処理装置４は、三次元情報計測プログラムを実行するコンピュータである。データ処理装置４は、図２に示すように、パターン光投影装置１やカメラ装置３と接続するためのインタフェース４ａを備える。データ処理装置４は、プログラムの実行により、図２に示す記憶手段１０、投影パターン形成手段１１、パターン光投影手段１２、反射パターン光撮像手段１３、計測対象物抽出手段１４、計測パターン検出手段１５、奥行き距離値算出手段１６、三次元情報算出手段１７、計測結果表現手段１８、出力手段１９およびメン・マシン通信手段２０として機能する。 The data processing device 4 is a computer that executes a three-dimensional information measurement program. As shown in FIG. 2, the data processing device 4 includes an interface 4 a for connecting to the pattern light projection device 1 and the camera device 3. By executing the program, the data processing device 4 stores the storage means 10, the projection pattern forming means 11, the pattern light projection means 12, the reflection pattern light imaging means 13, the measurement object extraction means 14, and the measurement pattern detection means 15 shown in FIG. , Depth distance value calculation means 16, three-dimensional information calculation means 17, measurement result expression means 18, output means 19, and men / machine communication means 20.
記憶手段１０は、後述する投影パターン形成手段１１によって生成した計測用投影パターンや、カメラ装置３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ものである。 The storage means 10 stores the measurement projection pattern generated by the projection pattern forming means 11 described later, the image data transmitted from the camera device 3, the result data calculated by each means described later, and the like. .
投影パターン形成手段１１は、三次元計測に必要な計測用投影パターンを生成するものである。計測用投影パターンの形状は、縞状や円状のパターンを用いることが可能であるし、その他の形状でも可能である。パターンの色は、均一の色でも異なる色でも可能であるし、その強度分布は、均一でも均一でなくても可能である。投影パターン形成手段１１は、計測に最適な形状、色および空間周波数分布を持つ計測用投影パターンを、計測対象物の大きさ、形状および表面色分布に従って生成するものである。 The projection pattern forming unit 11 generates a measurement projection pattern necessary for three-dimensional measurement. As the shape of the measurement projection pattern, a striped or circular pattern can be used, and other shapes are also possible. The color of the pattern can be uniform or different, and the intensity distribution can be uniform or non-uniform. The projection pattern forming unit 11 generates a measurement projection pattern having an optimum shape, color, and spatial frequency distribution for measurement according to the size, shape, and surface color distribution of the measurement object.
パターン光投影手段１２は、記憶手段１０に記憶された計測用投影パターンの光を計測対象物Ａが存在しない方向に、すなわち、計測対象物Ａに直接当たらないようにパターン光投影装置１により投影するものである。このパターン光投影装置１により投影されたパターン光（投影パターン光）は、直接計測対象物Ａに投影されず、反射板２によって反射されて、計測対象物Ａに投影される。すなわち、反射板２がなければ、投影パターン光は計測対象物Ａに直接当たることができず、投影パターン光は反射板２の反射により反射パターン光として計測対象物Ａに当たることができるのである。 The pattern light projection unit 12 projects the light of the measurement projection pattern stored in the storage unit 10 in the direction in which the measurement target A does not exist, that is, so as not to directly hit the measurement target A. To do. Pattern light (projection pattern light) projected by the pattern light projector 1 is not directly projected onto the measurement object A, but is reflected by the reflector 2 and projected onto the measurement object A. That is, without the reflection plate 2, the projection pattern light cannot directly hit the measurement object A, and the projection pattern light can hit the measurement object A as reflection pattern light by the reflection of the reflection plate 2.
反射パターン光撮像手段１３は、反射板２によって反射されたパターン光（反射パターン光）が投影された計測対象物Ａをカメラ装置３によって撮像することにより画像（反射パターン光画像）を取得し、記憶装置１０に送るものである。 The reflection pattern light imaging means 13 acquires an image (reflection pattern light image) by imaging the measurement object A onto which the pattern light reflected by the reflection plate 2 (reflection pattern light) is projected by the camera device 3. The data is sent to the storage device 10.
計測対象物抽出手段１４は、記憶手段１０に記憶された反射パターン光画像から計測対象物Ａを抽出するものである。 The measurement object extraction unit 14 extracts the measurement object A from the reflection pattern light image stored in the storage unit 10.
計測パターン検出手段１５は、計測対象物抽出手段１４により抽出された計測対象物Ａの上に投影された反射パターン光のパターン（以下、「計測パターン」と称す。）を検出するものである。 The measurement pattern detection means 15 detects a pattern of reflected pattern light projected on the measurement object A extracted by the measurement object extraction means 14 (hereinafter referred to as “measurement pattern”).
奥行き距離値算出手段１６は、計測パターン検出手段１５より検出された計測パターンの解析による計測点の奥行き距離を算出するものである。より詳しくは、奥行き距離値算出手段１６は、パターン光投影手段１２により投影したパターン光の計測用投影パターンと、計測パターン検出手段１５により検出された計測パターンと、反射パターン光撮像手段１２により撮像された反射パターン光画像との比較を行い、計測用投影パターンの注目パターン縞の投影方向角（後述する投影角度θ）と、反射板２の設置角度（後述する反射板角度φ）と検出された計測パターンの注目パターン縞の視角（後述する観察角度α）とに基づいて、計測点の奥行き距離値を算出する。 The depth distance value calculation means 16 calculates the depth distance of the measurement point by analyzing the measurement pattern detected by the measurement pattern detection means 15. More specifically, the depth distance value calculation unit 16 captures the pattern light measurement projection pattern projected by the pattern light projection unit 12, the measurement pattern detected by the measurement pattern detection unit 15, and the reflection pattern light imaging unit 12. The reflected pattern light image is compared, and the projection direction angle (projection angle θ described later) of the target pattern stripe of the measurement projection pattern and the installation angle of the reflector 2 (reflector angle φ described later) are detected. The depth distance value of the measurement point is calculated based on the viewing angle of the target pattern stripe of the measured pattern (observation angle α described later).
三次元情報算出手段１７は、奥行き距離値算出手段１６により算出された計測点の奥行き距離値から、計測対象物抽出手段１４により抽出された計測対象物Ａの表面形状の画像上の各点の三次元情報を算出するものである。 The three-dimensional information calculation unit 17 calculates each point on the image of the surface shape of the measurement object A extracted by the measurement object extraction unit 14 from the depth distance value of the measurement point calculated by the depth distance value calculation unit 16. Three-dimensional information is calculated.
計測結果表現手段１８は、三次元情報算出手段１７により算出された三次元情報を数値データ、ＣＡＤ図面やコンピュータグラフィックス（ＣＧ）等の方法により表現するものである。 The measurement result expression means 18 expresses the three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation means 17 by a method such as numerical data, CAD drawing or computer graphics (CG).
出力手段１９は、三次元情報算出手段１７により算出された三次元情報を、計測結果表現手段１８により表現された数値データ、図面、ＣＧ等の方法により出力するものである。 The output unit 19 outputs the three-dimensional information calculated by the three-dimensional information calculation unit 17 by a method such as numerical data, drawing, and CG expressed by the measurement result expression unit 18.
メン・マシン通信手段２０は、上記の各手段を実現するための操作者と三次元情報計測装置との間の情報交換のためのものである。 The men / machine communication means 20 is for exchanging information between the operator and the three-dimensional information measuring apparatus for realizing each of the above means.
次に、本実施形態における表面形状の三次元情報計測処理について説明する。図３は本実施形態における三次元情報計測装置による物体の表面形状の三次元情報計測処理のフロー図である。 Next, the surface shape three-dimensional information measurement processing in the present embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart of the three-dimensional information measurement processing of the surface shape of the object by the three-dimensional information measurement apparatus according to this embodiment.
パターン光投影手段１２は、まず予め用意された形状、強度分布、色分布および空間周波数分布特性を持つ初期計測用の投影パターンを形成する（ステップＳ１０１）。図４の（ａ）〜（ｄ）は本実施形態において用いられる４種類の投影パターンの例を示している。なお、同図（ｂ）の色変調縞状パターンは、実際には各縞の色が異なる縞状パターンである。次に、パターン光投影手段１２は、この形成された初期計測用の投影パターンを、パターン光投影装置１により反射板２に投影する（ステップＳ１０２）。 The pattern light projection unit 12 first forms a projection pattern for initial measurement having a shape, intensity distribution, color distribution, and spatial frequency distribution characteristics prepared in advance (step S101). 4A to 4D show examples of four types of projection patterns used in this embodiment. It should be noted that the color modulation stripe pattern in FIG. 5B is actually a stripe pattern in which the colors of the stripes are different. Next, the pattern light projector 12 projects the formed projection pattern for initial measurement onto the reflector 2 by the pattern light projector 1 (step S102).
投影された投影パターン光は反射板２によって反射され、この反射パターン光が計測対象物Ａに投影される（ステップＳ１０３）。このとき、反射パターン光が計測対象物Ａの全体をカバーするように投影する必要があるため、反射板２の位置、角度などの調節が必要である。 The projected projection pattern light is reflected by the reflecting plate 2, and this reflected pattern light is projected onto the measurement object A (step S103). At this time, since it is necessary to project the reflection pattern light so as to cover the entire measurement object A, the position and angle of the reflection plate 2 need to be adjusted.
次に、反射パターン光撮像手段１３は、カメラ装置３により反射板２を通じて計測対象物Ａに投影された反射パターン光の画像を撮像し、計測対象物抽出手段１４に入力する（ステップＳ１０４）。 Next, the reflection pattern light imaging unit 13 captures an image of the reflection pattern light projected onto the measurement object A through the reflection plate 2 by the camera device 3, and inputs the image to the measurement object extraction unit 14 (step S104).
計測対象物抽出手段１４は、上記撮像された反射パターン光画像の色強度分布を調べ、色強度分布が適切かどうかを判断することにより、計測に適応する理想画像かどうかを判断する（図３のステップＳ１０５）。理想画像であれば、ステップＳ１０６の計測対象物Ａの抽出に進む。理想画像でなければ、ステップＳ１０１に戻って、計測用投影パターンのパラメータの修正を行い、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５を繰り返す。これにより、投影パターン光は、撮像された反射パターン光画像の色強度分布が適切となるように強度分布、色分布および空間周波数分布が、計測対象物の形状、色および表面反射特性に従って自動的に調節されたものとなる。 The measurement object extraction unit 14 examines the color intensity distribution of the captured reflected pattern light image and determines whether the color intensity distribution is appropriate, thereby determining whether the image is an ideal image suitable for measurement (FIG. 3). Step S105). If it is an ideal image, it will progress to extraction of the measurement target A of step S106. If it is not an ideal image, the process returns to step S101, the parameters of the measurement projection pattern are corrected, and steps S102 to S105 are repeated. As a result, the projection pattern light has an intensity distribution, a color distribution, and a spatial frequency distribution automatically according to the shape, color, and surface reflection characteristics of the measurement object so that the color intensity distribution of the captured reflection pattern light image is appropriate. It will be adjusted to.
理想画像が撮像されると、計測対象物抽出手段１４により周知の背景差分法などの手法を用いて、撮像された反射パターン光画像から計測対象物Ａを抽出する（ステップＳ１０６）。さらに、この抽出された計測対象物Ａ画像から、計測パターン検出手段１５により、計測対象物Ａの上に投影された反射パターン光のパターン（計測パターン）の縞を検出する（ステップＳ１０７）。 When the ideal image is captured, the measurement object extraction unit 14 extracts the measurement object A from the captured reflection pattern light image using a known method such as the background difference method (step S106). Further, from the extracted measurement object A image, the measurement pattern detection means 15 detects the fringes of the reflection pattern light pattern (measurement pattern) projected on the measurement object A (step S107).
次に、奥行き距離値算出手段１６により、検出された計測パターンの縞と元々のパターン光の計測用投影パターンの縞との比較を行い、カメラ装置３から計測点までの奥行き距離値を計算する（ステップＳ１０８）。さらに、抽出された計測対象物Ａの表面形状の画像上の各計測点の三次元情報を、各計測点の座標と算出された奥行き距離値により算出する（ステップＳ１０９）。 Next, the depth distance value calculating means 16 compares the detected measurement pattern stripe with the original pattern light measurement projection pattern stripe to calculate the depth distance value from the camera device 3 to the measurement point. (Step S108). Furthermore, the three-dimensional information of each measurement point on the extracted surface shape image of the measurement object A is calculated from the coordinates of each measurement point and the calculated depth distance value (step S109).
ここで、奥行き距離値の算出方法について説明する。図６は、本実施形態における三次元情報計測方法の基本原理を示す幾何関係図である。なお、反射板２はパターン光投影装置１のレンズ中心ＯPとカメラ装置３のレンズ中心ＯCとを結んだ直線（以下、「レンズ中心線」と称す。）に並行するよう設定している。パターン光投影装置１は計測用のパターン光をβの角度を持って反射板２に投影し、反射板２から反射された反射パターン光は計測対象物Ａに投影される。カメラ装置３は計測対象物Ａの画像を撮像し、この画像から計測対象物Ａの表面上の計測点Ｍが観測される。このときの観測角度はαとする。 Here, a method of calculating the depth distance value will be described. FIG. 6 is a geometric relationship diagram showing the basic principle of the three-dimensional information measuring method in the present embodiment. The reflector 2 is set so as to be parallel to a straight line (hereinafter referred to as “lens center line”) connecting the lens center O P of the pattern light projector 1 and the lens center O C of the camera device 3. . The pattern light projector 1 projects measurement pattern light onto the reflector 2 with an angle β, and the reflected pattern light reflected from the reflector 2 is projected onto the measurement object A. The camera device 3 captures an image of the measurement object A, and a measurement point M on the surface of the measurement object A is observed from this image. The observation angle at this time is α.
計測点Ｍの三次元空間世界座標系（Ｏ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）における奥行き座標値Ｚは次式（２）のように求められる。
ここで、αは式（１）と同じく観測角度（カメラから見た計測点の所在の視角）、βは投影角度（パターン光投影装置１から反射板２に投影した光の方向角）、ｂはカメラ装置３のレンズ中心ＯCからパターン光投影装置１のレンズ中心ＯPまでの距離、ｈはレンズ中心線と反射板２との間の距離である。
The depth coordinate value Z in the three-dimensional space world coordinate system (O, X, Y, Z) of the measurement point M is obtained as in the following equation (2).
Here, α is the observation angle (the viewing angle of the location of the measurement point as seen from the camera), β is the projection angle (the direction angle of the light projected from the pattern light projector 1 onto the reflector 2), and b is the same as equation (1). is the distance between the distance from the lens center O C of the camera device 3 and the lens center O P of the pattern light projection apparatus 1, h is the lens center line and the reflector 2.
また、図７は、本実施形態における三次元情報計測方法の基本原理を示す幾何関係図であり、反射板２はパターン光投影装置１のレンズ中心ＯPとカメラ装置３のレンズ中心ＯCを結んだ直線（レンズ中心線）に対してφの角度を持っている。パターン光投影装置１は計測用のパターン光をβの角度を持って反射板２に投影し、反射板２から反射された反射パターン光は計測対象物Ａに投影される。カメラ装置３は計測対象物Ａの画像を撮像し、この画像から計測対象物Ａの表面上の計測点Ｍが観測される。このときの観測角度はαとする。 FIG. 7 is a geometrical relationship diagram showing the basic principle of the three-dimensional information measurement method according to the present embodiment. The reflector 2 represents the lens center O P of the pattern light projector 1 and the lens center O C of the camera device 3. It has an angle of φ with respect to the connected straight line (lens center line). The pattern light projector 1 projects measurement pattern light onto the reflector 2 with an angle β, and the reflected pattern light reflected from the reflector 2 is projected onto the measurement object A. The camera device 3 captures an image of the measurement object A, and a measurement point M on the surface of the measurement object A is observed from this image. The observation angle at this time is α.
計測点Ｍの三次元空間世界座標系（Ｏ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）における奥行き座標値Ｚは次式（３）のように求められる。
ここで、αは式（１）と同じく観測角度（カメラから見た計測点の所在の視角）、θは投影角度（パターン光投影装置１から反射板２に投影した光の方向角）、φは反射板２とレンズ中心線との間の角度（反射板角度）、ｂはカメラ装置３のレンズ中心ＯCからパターン光投影装置１のレンズ中心ＯPまでの距離、ｈはレンズ中心線と反射板２との間の距離である。
The depth coordinate value Z in the three-dimensional space world coordinate system (O, X, Y, Z) of the measurement point M is obtained as the following equation (3).
Here, α is the observation angle (the viewing angle of the measurement point as seen from the camera), and θ is the projection angle (the direction angle of the light projected from the pattern light projector 1 onto the reflector 2), φ, as in equation (1). angle (reflection plate angle) between the reflector 2 and the lens centerline, b is the distance from the lens center O C of the camera device 3 and the lens center O P of the pattern light projection apparatus 1, h is a lens center line It is the distance between the reflector 2.
最後に、すべての計測結果を計測結果表現手段１８により、ＣＡＤ図面やＣＧによる三次元表現、あるいは各種フォーマットの数値データに変換することができる。また、出力手段１９により、データ処理装置５に接続された不揮発性メモリやハードディスク装置などの外部記録メディアに保存することができる。また、出力手段１９により、プリンタなどの別の出力装置によって、文章ファイルや図面ファイルとして出力することも可能である（ステップＳ１１０）。 Finally, all measurement results can be converted by the measurement result expression means 18 into a CAD drawing, a three-dimensional representation by CG, or numerical data in various formats. Further, the output unit 19 can store the data in an external recording medium such as a nonvolatile memory or a hard disk device connected to the data processing device 5. In addition, the output unit 19 can output a text file or a drawing file by another output device such as a printer (step S110).
なお、本実施形態においては、図１に示すようにカメラ装置３一台とパターン光投影装置１一台を用いて三次元情報計測装置を構築したが、図５に示すように、計測対象物Ａの全体を多くのカメラ装置３−１，３−２，・・・によって一度に異なる角度から撮像することも可能である。この場合、パターン光投影装置１−１，１−２，・・・と反射板２−１，２−２，・・・も複数台を用意する必要がある。 In the present embodiment, the three-dimensional information measuring device is constructed using one camera device 3 and one pattern light projection device 1 as shown in FIG. 1, but as shown in FIG. It is also possible to pick up an image of A as a whole from different angles at once with many camera devices 3-1, 3-2. In this case, it is necessary to prepare a plurality of pattern light projectors 1-1, 1-2,.
以上のように、本実施形態における三次元情報計測装置によれば、計測対象物Ａに対してパターン光投影装置１から投影されるパターン光が直接当たらないようにするとともに、反射板２を使用することより、投影パターン光は反射パターン光として間接的に計測対象物Ａに投影される。そして、この状態でカメラ装置３により撮像し、この撮像された画像から計測対象物Ａの表面形状の三次元情報を計測するため、表面反射の強い計測対象物Ａであっても普通に撮像するだけで、この撮像された画像から容易に計測対象物Ａの表面形状の三次元情報を計測することできる。 As described above, according to the three-dimensional information measurement apparatus in the present embodiment, the pattern light projected from the pattern light projection apparatus 1 is not directly applied to the measurement object A, and the reflection plate 2 is used. Thus, the projection pattern light is indirectly projected onto the measurement object A as reflection pattern light. In this state, the camera device 3 captures an image, and the three-dimensional information of the surface shape of the measurement object A is measured from the captured image. Therefore, even the measurement object A having a strong surface reflection is imaged normally. The three-dimensional information of the surface shape of the measuring object A can be easily measured from this captured image.
したがって、この三次元情報計測装置では、反射板２を置くという簡単な構造により実現できるため、低コストで高速な表面形状の三次元情報計測を行うことが可能である。また、この三次元情報計測装置では、レーザを使わないため、クリーンな計測システムを構築することが可能である。さらに、パターン光投影は一回しか行わないので、非静止物体の計測にも適用することが可能である。 Therefore, this three-dimensional information measuring apparatus can be realized with a simple structure in which the reflector 2 is placed, and therefore can perform three-dimensional information measurement of the surface shape at a low cost and at a high speed. In addition, since this three-dimensional information measuring apparatus does not use a laser, it is possible to construct a clean measuring system. Furthermore, since the pattern light projection is performed only once, it can be applied to measurement of a non-stationary object.
なお、本実施形態においては、パターン光投影装置１から投影されるパターン光は可視光であり、反射板２はこの可視光に対する反射率が２０％〜９５％のものを用いている。なお、可視光以外にも赤外線光や紫外線光をパターン光投影装置１から投影し、これを反射板２により反射して計測対象物Ａに投影し、それぞれの光に合ったカメラ装置３により撮像する構成とすることも可能である。 In the present embodiment, the pattern light projected from the pattern light projector 1 is visible light, and the reflector 2 having a reflectivity of 20% to 95% for the visible light is used. In addition to visible light, infrared light or ultraviolet light is projected from the pattern light projector 1, reflected by the reflector 2, projected onto the measurement object A, and imaged by the camera device 3 that matches each light. It is also possible to adopt a configuration.
本発明の三次元情報計測装置および三次元情報計測方法は、非接触で計測対象物の表面の立体形状の計測、寸法、面積や体積などの計算、傷や凹みなどの表面欠陥を検査する装置および方法として有用である。特に、本発明は、自動車やその部品、家電製品、磁器製品などの金属製品や光沢製品などの表面反射が強い計測対象物の形状計測および品質管理を行うための装置および方法として好適である。 The three-dimensional information measuring apparatus and the three-dimensional information measuring method of the present invention are a non-contact apparatus for measuring the three-dimensional shape of the surface of a measurement object, calculating dimensions, area, volume, etc., and inspecting surface defects such as scratches and dents. And useful as a method. In particular, the present invention is suitable as an apparatus and method for performing shape measurement and quality control of a measurement object having strong surface reflection, such as a metal product such as an automobile, its parts, home appliances, and porcelain products, and a gloss product.
１，１−１，１−２ パターン光投影装置
２，２−１，２−２ 反射板
３，３−１，３−２ カメラ装置
４ データ処理装置
４ａ インタフェース
５ａ，５ｂ 伝送ケーブル
１０ 記憶手段
１１ 投影パターン形成手段
１２ パターン光投影手段
１３ 反射パターン光撮像手段
１４ 計測対象物抽出手段
１５ 計測パターン検出手段
１６ 奥行き距離値算出手段
１７ 三次元情報算出手段
１８ 計測結果表現手段
１９ 出力手段
２０ メン・マシン通信手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1-1,1-2 Pattern light projection apparatus 2,2-1,2-2 Reflector 3,3-1,3-2 Camera apparatus 4 Data processing apparatus 4a Interface 5a, 5b Transmission cable 10 Storage means 11 Projection pattern formation means 12 Pattern light projection means 13 Reflection pattern light imaging means 14 Measurement object extraction means 15 Measurement pattern detection means 16 Depth distance value calculation means 17 Three-dimensional information calculation means 18 Measurement result expression means 19 Output means 20 Men machine Communication means
Claims (7)
前記投影手段により投影されたパターン光（以下、「投影パターン光」と称す。）を反射して前記計測対象物に投影する反射手段と、
前記反射手段により反射されたパターン光（以下、「反射パターン光」と称す。）が投影された前記計測対象物を撮像して反射パターン光画像を取得する撮像手段であり、レンズの光軸が前記反射パターン光の投影方向と同一でない撮像手段と、
前記反射パターン光画像から前記計測対象物の三次元情報を算出するデータ処理手段と
を含む三次元情報計測装置。 Projection means for projecting pattern light so that it does not directly hit the measurement object;
Reflecting means for reflecting the pattern light projected by the projection means (hereinafter referred to as “projection pattern light”) and projecting it onto the measurement object;
An imaging unit that captures an image of the measurement object on which pattern light reflected by the reflection unit (hereinafter referred to as “reflection pattern light”) is projected, and obtains a reflection pattern light image. Imaging means that is not the same as the projection direction of the reflection pattern light;
A three-dimensional information measuring device including data processing means for calculating three-dimensional information of the measurement object from the reflection pattern light image.
前記投影されたパターン光（以下、「投影パターン光」と称す。）を反射して前記計測対象物に投影すること、
前記反射されたパターン光（以下、「反射パターン光」と称す。）が投影された前記計測対象物を、前記反射パターン光の投影方向と同一でない方向に光軸が配置されたレンズにより撮像して反射パターン光画像を取得すること、
前記反射パターン光画像から前記計測対象物の三次元情報を算出すること
を含む三次元情報計測方法。 Project the pattern light so that it does not directly hit the measurement object,
Reflecting the projected pattern light (hereinafter referred to as “projection pattern light”) and projecting it onto the measurement object;
The measurement object on which the reflected pattern light (hereinafter referred to as “reflection pattern light”) is projected is imaged by a lens having an optical axis arranged in a direction that is not the same as the projection direction of the reflection pattern light. To obtain a reflection pattern light image,
A three-dimensional information measurement method including calculating three-dimensional information of the measurement object from the reflection pattern light image.
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