JP2013257199A - 立体形状推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、反射率が大きく異なる部分が対象物に含まれている場合でも、より確実に対象物の立体形状を認識できる立体形状推定装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明による立体形状推定装置では、光源３からの投射光３ａを走査手段５が対象物１上に走査する。制御手段４は、光３ａの強度を制御する。撮像手段６は、対象物１で反射された反射光３ｂを受光して、対象物１を含む画像情報６ａを作成する。立体形状推定手段７は撮像手段６からの画像情報６ａに基づいて対象物１の立体形状を認識する。撮像手段６は、反射光３ｂの強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を備え、制御手段４は、時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って投射光３ａの強度を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相シフト法により対象物の立体形状を推定する立体形状推定装置に関する。

従来用いられていたこの種の立体形状推定装置としては、例えば下記の特許文献１等に示されている構成を挙げることができる。すなわち、従来構成では、一般的な撮像素子（入力光の強度に比例して出力が増減する撮像素子）を用いて、位相シフト法により対象物の立体形状を推定している。位相シフト法とは、強度が正弦波状に変化する縞状パターン光の位相をずらして撮影した画像を解析することにより対象物の各測定点までの距離を計測して対象物の立体形状を推定するものである。

特開２００２−２５７５２８号公報

上記のような従来構成では、一般的な撮像手段を用いているので、以下のような問題が生じる。例えば対象物が黒色部（暗部）と白色部（明部）とを含む場合、黒色部と白色部とでは光の反射率が大きく異なる。一般的な撮像素子では、ダイナミックレンジが狭いため、黒色部からの反射光に露光を合わせると白色部でハレーションが生じ、白色部からの反射光に露光を合わせると黒色部で露光不足が生じることがある。すなわち、従来構成では、反射率が大きく異なる部分が対象物に含まれている場合に、対象物のすべての情報を含む画像を得ることができず、対象物の立体形状を正確に推定することが難しい。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反射率が大きく異なる部分が対象物に含まれている場合でも、より確実に対象物の立体形状を推定できる立体形状推定装置を提供することである。

本発明に係る立体形状推定装置は、投射光を出力する光源と、投射光を周期関数に従う光強度分布を有するパターン光として対象物に照射する照射手段と、パターン光の位相を変化させる位相制御手段と、対象物で反射された反射光を受光して、対象物の画像情報を作成する撮像手段と、位相制御手段により投射光の位相を変化させて作成した複数の撮像手段の画像情報に基づいて対象物の立体形状を推定する立体形状推定手段とを備え、撮像手段は、受光した光の強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を含み、照射手段は、光源の出力する投射光の強度を、時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って変化させる強度制御手段を備える。

本発明の立体形状推定装置によれば、撮像手段は、受光した光の強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を含み、強度制御手段は、光源の出力する投射光の強度を時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って変化させるので、反射率が大きく異なる部分が対象物に含まれている場合でも、より確実に対象物の立体形状を推定できる。

本発明の実施の形態１による立体形状推定装置を示す構成図である。 図１の撮像手段の出力特性を示す説明図である。 図１の制御手段による光源の投射光の強度制御を示す説明図である。 図１の撮像手段の受光−出力特性を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による立体形状推定装置を示す構成図である。図において、立体形状推定装置は、位相シフト法により対象物１の立体形状を推定するものである。すなわち、立体形状推定装置は、図中のＸ軸に沿って強度が変化する縞状パターン光２を対象物１に位相をずらしつつ照射するとともに、縞状パターン光２の位相をずらして撮影した対象物１の画像を解析することにより対象物１の各測定点までの距離を計測して対象物１の立体形状を推定する（対象物１の立体形状を示すデータを作成する）ものである。この立体形状推定装置には、光源３、制御手段４、走査手段５、撮像手段６、及び立体形状推定手段７が設けられている。

光源３は、周期関数に従う光強度分布を有するパターン光としての縞状パターン光２を構成する投射光３ａを出力するものである。光源３としては、例えば、レーザ光、又は高輝度ＬＥＤと高輝度ＬＥＤの出力光をコリメートするレンズ系との組み合わせ等が用いられる。光源３からの投射光３ａは、スポット状であるか、又はライン状である。

制御手段４は、光源３に接続されており、光源３の投射光出力動作を制御するものである。具体的には、制御手段４は、光源３から出力される投射光３ａの強度を制御するとともに、投射光３ａの位相を変化させる。すなわち、本実施の形態では、制御手段４は強度制御手段と位相制御手段とを兼ねている。制御手段４としては、例えば、光源３への入力電流を制御する電流制御回路等が用いられる。

走査手段５は、光源３からの投射光３ａを対象物１に走査して、投射光３ａを周期関数に従う光強度分布を有する縞状パターン光として対象物に照射する照射手段を構成するものである。走査手段５としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー（回転多面鏡）、又は図に示すＭＥＭＳミラースキャナ等が用いられる。光源３からの投射光３ａがスポット状である場合には、Ｘ軸及びＹ軸に沿って走査を行うものが走査手段５として用いられ、光源３からの投射光３ａがＹ軸に沿って延在するライン状である場合には、Ｘ軸に沿って走査を行うものが走査手段５として用いられる。制御手段４による投射光３ａの強度制御と、走査手段５による投射光３ａの走査とが同期して行われることにより、縞状パターン光２の２次元平面投射が実現される。このとき、光源から出力されるスポット状又はライン状の光を走査しながら対象物１に投射しているので、プロジェクタのように平面光を対象物に投射する方式よりも光エネルギー密度を高くすることができる。これにより、計測時に環境光などの外乱受けにくく、Ｓ／Ｎ比(Signal to Noise ratio)が高い計測を行うことが可能となる。

撮像手段６は、光を集光するレンズ系及び撮像素子を含むものであり、対象物１で反射された反射光３ｂを受光して、対象物１を含む画像情報６ａを作成するものである。

立体形状推定手段７は、例えばコンピュータ等により構成されたものであり、撮像手段６に接続されて、撮像手段６からの画像情報６ａに基づいて対象物１の立体形状を推定するものである。

次に、図２は、図１の撮像手段６の出力特性を示す説明図である。図に示すように、本実施の形態では、受光した光（入力光）の強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を備えた撮像手段６を用いる。換言すると、本実施の形態の撮像手段６は、受光した光の強度変化に対して対数的に変化する出力信号を出力する撮像素子を含む。受光した光の強度をＩとした場合、本実施の形態の出力信号Ｖ_ＯＵＴは、ｌｏｇ_ｅＩ（ｅは自然対数の底）で表わされる。本実施の形態では出力信号Ｖ_ＯＵＴを表わす式の対数の底をｅとして説明しているが、この対数の底は撮像素子の特性により決定される。このように出力が対数特性を有する撮像素子としては、例えばOMRON Automotive Electronics Technology GmbH社製のＨＤＲＣセンサチップ等が挙げられる。

出力が対数特性を有する撮像素子を用いた場合、入力光の強度に比例して出力が増減する一般的な撮像手段を用いる場合と比較して、ハレーションを起こすことなく、より強い光を受けることができる。すなわち、反射率が大きく異なる部分が対象物１に含まれている場合に撮像手段６の露光を暗部に合わせたとしても、明部でハレーションを起こすことを回避できる。

しかしながら、出力が対数特性を有する撮像素子では、受光した光の強度変化を対数圧縮することになり、受光した光の強度が高くなるほどその光の強度変化の分解能が低くなる。従って、このような撮像素子を単に用いるだけでは、その広い感度領域を十分に生かせず位相シフト法による対象物１の立体形状の認識精度も低くなる。

次に、図３は、図１の制御手段４による光源３の投射光３ａの強度制御を示す説明図である。本実施の形態の制御手段４は、光源３の投射光３ａの強度ＩをＡ×ｅ^{Ｂｓｉｎ（２π・ｔ）}に従って変化させる（Ａ及びＢは任意の係数）。すなわち、制御手段４は、時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って投射光３ａの強度を変化させる（投射光３ａを指数的に増幅させる）。指数関数の底（ｅ）は、撮像素子の対数特性に応じて決定される。なお、本実施の形態では、指数をＢｓｉｎ（２π・ｔ）で表わしているが、この指数は正弦波状のものであればよく例えばＢｃｏｓ（２π・ｔ）等でもよい。

次に、図４は、図１の撮像手段６の受光−出力特性を示す説明図である。図４の（ａ）は、図１の線ＩＶ−ＩＶに沿う反射光３ｂの強度変化を概略的に示しており、対象物１の存在により縞状パターン光２が歪んでいることを示している。ここで、図４の（ａ）の反射光３ｂの強度ＩをＡ’×ｅ^{Ｃ（ｘ）ｓｉｎ（ｘ）}で表わすこととする。

この反射光３ｂを撮像素子が受光した場合、撮像素子により反射光３ｂの強度変化が対数的に圧縮されて、図４の（ｂ）に示すような出力信号Ｖ_ＯＵＴが出力される。出力信号Ｖ_ＯＵＴは、Ｃ（ｘ）ｓｉｎ（ｘ）＋ｌｏｇＡ’により表わされる。すなわち、制御手段４により投射光３ａの強度変化が指数的に増幅されているため、撮像素子により反射光３ｂの強度変化を対数圧縮されることで、強度が正弦波状に変化する縞状パターン光を一般的な撮像手段（入力光の強度に比例して出力が増減する撮像素子）で受光した場合と同様の形式の信号が撮像素子から出力される。これにより、立体形状推定手段７では、一般的な位相シフト法で用いられる画像解析処理によって対象物１の立体形状を推定できる。また、制御手段４により投射光３ａの強度変化が指数的に増幅されているため、撮像素子により反射光３ｂの強度変化が対数圧縮されても、出力信号Ｖ_ＯＵＴにおいて反射光３ｂの強度変化が十分な分解能で表現され、位相シフト法による対象物１の立体形状の認識精度が低くなることを回避できる。

このような立体形状推定装置では、撮像手段６は、受光した光３ｂの強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を含み、制御手段４は、光源３の出力する投射光３ａの強度を時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って変化させるので、反射率が大きく異なる部分が対象物１に含まれている場合でも、ハレーションを起こすことなくより確実に対象物１の画像情報を取得できるとともに、反射光３ｂの強度変化を十分な分解能で表現できる。これにより、より確実に対象物１の立体形状を推定できる。

また、光源３は、スポット状又はライン状の投射光３ａを出力するものであり、走査手段５は、スポット状又はライン状の投射光３ａを対象物１に走査するので、プロジェクタのように平面光を対象物に投射する方式よりも光エネルギー密度を高くすることができ、Ｓ／Ｎ比が高い計測を行うことができる。

なお、上記の実施形態では、投射光の強度を変化させて位相シフト法により立体形状を推定することについて説明したが、さらに、撮像素子の露光量を変化させて作成した複数の画像情報を合成して対象物の立体形状を推定してもよい。即ち、シャッタースピードや絞りなどを調整することで露光条件を変えながら複数の画像を撮像手段にて作成し、それら複数の画像を合成することで白飛びや黒つぶれの少ない幅広いダイナミックレンジを持つ画像を生成する。これにより、より確実に対象物の立体形状を推定することができる。

また、立体形状推定手段は、強度制御手段による強度変化量の異なる複数の投射光を用いて作成した複数の画像情報に基づいて対象物の立体形状を推定するとしてもよい。例えば、ある強度変化量を有する第一の光を用いるとともに位相をシフトさせて撮像手段で作成した複数の画像情報と、第一の光とは強度変化量の異なる第二の光を用いるとともに位相をシフトさせて撮像手段で作成した複数の画像情報とを合わせて対象物の立体形状を推定するとしてもよい。これにより、より鮮明な画像を得ることができる。

さらに、反射光を受光する撮像手段のレンズ系に偏向フィルタを設けてもよい。これにより、より鮮明な画像を得ることができる。

１ 対象物
３ 光源
４ 制御手段
５ 走査手段
６ 撮像手段
７ 立体形状推定手段

Claims (4)

1. 投射光を出力する光源と、
   前記投射光を周期関数に従う光強度分布を有するパターン光として対象物に照射する照射手段と、
   前記パターン光の位相を変化させる位相制御手段と、
   前記対象物で反射された反射光を受光して、前記対象物の画像情報を作成する撮像手段と、
   前記位相制御手段により前記投射光の位相を変化させて作成した複数の前記撮像手段の画像情報に基づいて前記対象物の立体形状を推定する立体形状推定手段と
   を備え、
   前記撮像手段は、受光した光の強度に対する出力が対数特性を有する撮像素子を含み、
   前記照射手段は、前記光源の出力する投射光の強度を、時間を変数とする正弦関数成分を指数に含む指数関数に従って変化させる強度制御手段を備える
   ことを特徴とする立体形状推定装置。
2. 前記撮像手段は、前記撮像素子の露光量を変化させて作成した複数の画像情報を合成する画像合成手段を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体形状推定装置。
3. 前記立体形状推定手段は、前記強度制御手段による強度変化量の異なる複数の前記投射光を用いて作成した複数の前記撮像手段の画像情報に基づいて前記対象物の立体形状を推定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の立体形状推定装置。
4. 前記投射光は、スポット状又はライン状の光であり、
   前記照射手段は、スポット状又はライン状の前記投射光を対象物に走査する走査手段を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の立体形状推定装置。

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