JP2013178174A - 複数の格子を用いた三次元形状計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】計測対象物に互いに方向の異なる格子パターンを投影するプロジェクタ14と、計測対象物に投影された格子パターンを撮像するカメラ15と、前記撮像装置により撮像された格子パターン画像を元に該撮像装置の画素毎に位相値を求める解析装置16と、前記画素毎に対応する奥行きの広い計測範囲で参照する広範囲テーブルと、前記画素毎に対応する奥行きの狭い計測範囲で参照する狭範囲テーブルと、を備え、前記広範囲テーブルと前記狭範囲テーブルとを解析装置16により算出された画素毎の位相に基づいて参照し前記計測対象物の三次元形状を測定する。
【選択図】図4
Description
請求項2に係る発明は、前記広範囲テーブルの奥行きの広い計測範囲は、複数の前記狭範囲テーブルのそれぞれが有する奥行きの狭い計測範囲により形成され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である。
請求項3に係る発明は、前記奥行きの狭い計測範囲の端部が、隣の奥行きの狭い計測範囲の端部と重なった領域として形成されることを特徴とする請求項2に記載の三次元形状計測装置である。
請求項4に係る発明は、前記プロジェクタにより投影される互いに方向の異なる格子パターンは、2次元の格子パターンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置である。
請求項5に係る発明は、前記奥行きの広い計測範囲と前記奥行きの狭い計測範囲は、前記撮像装置と前記プロジェクタの相対的な位置により設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置である。
まず、本発明に用いる公知の位相シフト法と全空間テーブル化手法の概略を説明する。
<位相シフト法>
位相シフト法は格子の位相を1周期分だけ変化させながら複数の格子画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める手法である。全ての画素において輝度は1周期分変化するため、その輝度変化から各点ごとに独立して、すなわち周囲の画素の輝度変化の情報を使わず位相値を求めることができる。このため、段差や不連続のある物体の形状計測に有効な手法である。ここでは、最も一般的な4つの輝度から位相を求める位相シフト法の原理を示す。位相シフト法を用いて格子画像を位相解析するには、まず格子を対象へ投影し、これをπ/2ずつ位相シフトさせカメラで撮影する。この時に任意の一点における輝度値の変化について模式図化したものを図1に示す。この時、各画像における輝度値I0,I1,I2,I3を数1式に代入し計算することで各画素における位相値を求めることができる。なお、(i,j)はカメラの撮像素子の画素の座標を表す。
全空間テーブル化手法では投影された格子の位相と三次元座標との対応関係をカメラの画素ごとに求めてテーブル化しておく。このことにより、物体に投影された格子の位相が得られれば、従来手法のように変換式による複雑な計算をせずテーブルを参照するだけで高速に三次元座標を得ることができる。図2に全空間テーブル化手法で用いている校正方法を示す。
図4は本発明の実施形態の光学系を説明する図である。図5は図4について、基準面板の方向からプロジェクタとカメラとを見た図である。プロジェクタ14とカメラ15は支持枠体17に固定されている。支持枠体17は移動ステージ(Liner stage)18に載せられている。キャリブレーション時には、カメラ15とプロジェクタ14が固定された支持枠体17を、移動ステージ18上で基準面板(Flat plate)11に対して移動させる。解析装置16は全空間テーブルを作成し、該全空間テーブルと測定対象物に投影された格子パターンの撮像画像とに基づいて測定対象物の三次元形状の空間座標を求める演算を行う。
位相シフト法で位相と座標を対応付ける際、計測可能な範囲はカメラの視線とプロジェクタの格子投影面の交差点から基準面までの距離となる。図6は、y方向に格子パターンを投影して計測範囲を決定することを説明する図である。
カメラ15から基準面(Refelence plane)の一点までを結ぶ直線をLとし、プロジェクタ14から基準面まで同じ輝度値の光を投影する面をS1とする。また輝度値が1周期分変化してS1と同じ輝度を投影する面をS0とする。LとS0が交わる点Cyから基準面までの距離が計測範囲Ryとなる。この交点Cyはy方向のカメラ15とプロジェクタ14の間隔Dyにより変化する。
図7は、図6の投影の様子を側面から見た図である。矢印20は格子1ピッチを表している。図6で説明したように、カメラ15と基準面の一点を結ぶ直線と、投影する格子パターンの面の交点Cyから、基準面までの距離が計測範囲Ryとなる。この計測範囲は、奥行きの浅い三次元形状の計測対象物を計測する時に使用できる。
図9は、図8の投影の様子を側面から見た図である。図8を用いて説明したように、カメラ15と基準面の一点を直線Lと、投影する格子パターンの面の交点Cxから、基準面までの距離が計測範囲Rxとなる。この計測範囲は、奥行きの深い三次元形状の計測対象物を計測する時に使用できる。
位相からZ座標を求めるには、狭範囲テーブルのみを参照してもどの狭範囲テーブルを使用してよいのか判断しにくい。そのため、狭範囲テーブルと広範囲テーブルとを組み合わせて参照することで、どの狭範囲テーブルを使用するかを決めることができる。図11は図10の広範囲テーブルを説明するグラフである。図12は図10の狭範囲テーブル1を説明するグラフである。図13は図10のオーバーラップしない場合の狭範囲テーブル2を説明するグラフである。図14は図10のオーバーラップしない場合の狭範囲テーブル3を説明するグラフである。図15は図11を基に狭範囲テーブル1,2,3がオーバーラップしない場合のテーブル参照番号のテーブルを説明するグラフである。
上述した全空間テーブル化手法を用いて作成した狭範囲テーブルにそれぞれ番号を付与する。ここでは、テーブル1、テーブル2、テーブル3とする。
上述した全空間テーブル化手法を用いて作成した広範囲テーブルから算出した座標値(「Zw」とする)を、番号を付けた狭範囲テーブル1〜3の座標値とを比較する。この時、テーブル1〜3には条件が付与されており、各条件は表1に表されるようになっている。
図4,図5を用いて説明した光学系を用いて行うキャリブレーションについて説明する。カメラ15の画素数は1600×1200画素である。撮影された画像を間引き、400×300画素を解析する。格子投影法におけるキャリブレーションは通常、基準面を移動させるが、この装置では基準面を大きく移動させることが困難であるので、カメラ15とプロジェクタ14を固定し、移動ステージ18に載せて移動させる。図19に図4の光学系を実現するために、実際に基準面を配置した様子を示す。
次に、従来公知の技術である全空間テーブル化手法を用いてテーブル化を行う。この時の線形補間数は2000とした。作成したテーブルを図20に示す。図20においてz=250[mm]から斜め下に延びる線は広範囲テーブル(Wide range Table)表し、Table1〜Table7は狭範囲テーブルに対応する。
精度の確認のため基準面を計測した。キャリブレーションを行った後移動ステージを原点に復帰させる。図20から計測可能な範囲が360mmまでということがわかる。移動ステージ18を原点から50〜350mmの位置へ50mmずつ移動さて各位置で基準面を計測した。そのときの基準面の計測結果を表2に、横1ラインのデータを抜き出したものを図21に示した。
計測サンプルとしてパラボラのアンテナ21の1モジュールを計測した。図19で基準面のあった位置にアンテナ21を設置した様子を図22に示す。y方向の格子投影画像を図23に、位相分布を図24に計測結果を図25に示す。図25では計測範囲を超えた部分が判定できないため0〜85mmの位置を繰り返している。一方、x方向の格子投影画像を図26に、位相分布を図27に計測結果を図28に示す。図28ではアンテナ21が計測範囲を超えておらず0〜350mmの位置として計測されている。図28の座標の分布と複数のテーブルからどの画素が何段階目のテーブルを用いるかを判定した。判定したテーブルの番号を図29に示した。図29と図24の位相分布と複数のテーブルから計測した結果を図30に示した。
上述した2次元格子パターンを三次元計測対象物の一例である球体に投影し、三次元計測対象物に投影された二次元格子パターンを撮像し、該カメラ内で位相分布画像を解析することで三次元計測対象物の形状を計測した例を説明する。
14 プロジェクタ
15 カメラ
16 解析装置
17 支持枠体
18 移動ステージ
20 矢印
21 アンテナ
Claims (5)
- 計測対象物に互いに方向の異なる格子パターンを投影するプロジェクタと、
前記計測対象物に投影された格子パターンを撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された格子パターン画像を元に該撮像装置の画素毎に位相値を求める位相算出手段と、
前記画素毎に対応する奥行きの広い計測範囲で参照する広範囲テーブルと、
前記画素毎に対応する奥行きの狭い計測範囲で参照する狭範囲テーブルと、を備え、
前記撮像装置と前記プロジェクタとは計測範囲が異なるように各格子パターンのピッチ方向にずれを持つように配置され、
前記広範囲テーブルと前記狭範囲テーブルとを前記位相算出手段により算出された画素毎の位相に基づいて参照し前記対象物の三次元形状を測定する三次元形状計測装置。 - 前記広範囲テーブルの奥行きの広い計測範囲は、複数の前記狭範囲テーブルのそれぞれが有する奥行きの狭い計測範囲により形成され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。
- 前記奥行きの狭い計測範囲の端部が、隣の奥行きの狭い計測範囲の端部と重なった領域として形成されることを特徴とする請求項2に記載の三次元形状計測装置。
- 前記プロジェクタにより投影される互いに方向の異なる格子パターンは、2次元の格子パターンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置。
- 前記奥行きの広い計測範囲と前記奥行きの狭い計測範囲は、前記撮像装置と前記プロジェクタの相対的な位置により設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置。
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