JP2014059261A - Distance measuring device and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measuring device which accurately measures distance to a multiple reflection area of a measurement target object.SOLUTION: A distance measuring device comprises: at least one projection means for projecting pattern light on a measurement target object 4; at least one imaging means for imaging the measurement target object on which the pattern light is projected; measurement means for measuring distance to the measurement target object from the projection means or the imaging means on the basis of an image imaged by the imaging means; determination means for determining whether or not the measured distance is effective; and control means for extinguishing or reducing the luminance of the pattern light projected on an area whose distance is determined to be effective by the determination means among the projected pattern light.

Description

本発明は、対象物体体の三次元計測を行う技術に関する。   The present invention relates to a technique for performing three-dimensional measurement of a target object.

工業製品の部品等の物体の三次元計測を行う技術は従来から様々な手法が提案されており、その中の一つとして,計測対象物体に所定の投影パターン(縞模様や格子模様)を投影して計測対象物体を撮像し、その撮像画像から各画像位置(画素)と、投影パターンにおける縞の位置との対応を求め、三角測量に基づいて計測対象物体の高さを算出し、計測対象物体の三次元形状を計測するものが高精度で安定した計測法である。   Various techniques have been proposed for 3D measurement of objects such as parts of industrial products, and one of them is to project a predetermined projection pattern (striped pattern or grid pattern) onto the measurement target object. Then, the measurement target object is imaged, the correspondence between each image position (pixel) and the position of the stripe in the projection pattern is obtained from the captured image, the height of the measurement target object is calculated based on triangulation, and the measurement target What measures the three-dimensional shape of an object is a highly accurate and stable measurement method.

このような三次元計測手法において、計測対象物体が金属部品などの光沢を有する場合、計測対象物体の形状によっては、他の面に投影されたパターン光が計測対象物体間で複数回の反射、すなわち、多重反射が起こる。計測対象物体の表面で一度反射した光を1次反射、計測対象物体の表面で一度反射した光が再度対象物体で反射されるのを2次反射、さらにもう一度対象物体で反射されるのを3次反射などと言い、2次以上の反射のことを多重反射と言う。多重反射は計測対象物体間で相互に発生するため、相互反射とも呼ばれる。多重反射が起こると計測対象物体中に本来は存在しないはずの映り込みが生じる。このような撮像画像に基づいて、三次元計測処理を適用すると、映り込みがノイズとして作用するため、計測精度が低下するおそれがある。   In such a three-dimensional measurement method, when the measurement target object has a gloss such as a metal part, depending on the shape of the measurement target object, the pattern light projected on the other surface may be reflected multiple times between the measurement target objects, That is, multiple reflection occurs. Light reflected once on the surface of the measurement target object is primary reflected, light reflected once on the surface of the measurement target object is reflected again by the target object, is reflected secondarily, and is reflected again by the target object. The secondary reflection or the like is called secondary reflection, and the reflection of the second or higher order is called multiple reflection. Since multiple reflection occurs mutually between objects to be measured, it is also called mutual reflection. When multiple reflection occurs, a reflection that should not originally exist in the measurement target object occurs. If a three-dimensional measurement process is applied based on such a captured image, the reflection may act as noise, which may reduce the measurement accuracy.

映り込み対策としては、特許文献1にあるように、被検物の表面で多重反射して撮像される投影パターンの一部を減光もしくは消光させる手法が提案されている。具体的には、2種類の異なるパターン光を投影し、それぞれから三次元形状を求める。そして、2つの三次元計測結果に乖離がある領域を、多重反射が発生した領域であると見なす。そして、光線追跡によって多重反射を引き起こす原因となっている面を見つけ出し、その面に対応する投影パターンを消光し、新たに消光したパターンを計測対象物体に投影して得られた撮像画像に基づいて、三次元計測結果を補正している。   As a countermeasure against reflection, as disclosed in Patent Document 1, a method of dimming or extinguishing a part of a projection pattern imaged by multiple reflection on the surface of a test object has been proposed. Specifically, two different pattern lights are projected, and a three-dimensional shape is obtained from each. A region where there is a difference between the two three-dimensional measurement results is regarded as a region where multiple reflections have occurred. Based on the captured image obtained by finding the surface causing the multiple reflection by ray tracing, extinguishing the projection pattern corresponding to the surface, and projecting the newly extinguished pattern onto the measurement target object The 3D measurement result is corrected.

特開2008−309551号公報JP 2008-309551 A

特許文献1による方法は、多重反射の原因となっている投影パターンの一部を見つけ出すために光線追跡を行っているため、処理が複雑で時間がかかるという問題がある。また、相互反射した領域に対応する投影パターンは消光するため、相互反射した領域は、計測が行えないという問題もある。
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、簡単な処理の繰り返しによって、多重反射の影響を低減し計測精度を向上させることを目的とする。
The method according to Patent Document 1 has a problem that the processing is complicated and time-consuming because ray tracing is performed in order to find a part of the projection pattern that causes multiple reflection. Moreover, since the projection pattern corresponding to the mutually reflected area is extinguished, there is also a problem that the mutually reflected area cannot be measured.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to reduce the influence of multiple reflections and improve measurement accuracy by repeating simple processing.

上記の目的を達成するために、本発明に係る距離計測装置は、例えば、以下のような構成を備える。即ち、計測対象物体にパターン光を投影する、少なくとも一つの投影手段と、前記パターン光が投影された計測対象物体を撮像する、少なくとも一つの撮像手段と、前記撮像手段で撮像された画像に基づいて、前記投影手段または前記撮像手段から、前記計測対象物体への距離を計測する計測手段と、前記計測された距離が有効であるかを判断する判断手段と、前記投影されたパターン光のうち、前記判断手段によって距離が有効であると判断された領域に投影されたパターン光の輝度を、消光または減光させる制御手段とを備える。   In order to achieve the above object, a distance measuring device according to the present invention has the following configuration, for example. That is, based on at least one projection unit that projects pattern light onto a measurement target object, at least one imaging unit that images the measurement target object onto which the pattern light is projected, and an image captured by the imaging unit A measuring unit that measures a distance from the projection unit or the imaging unit to the measurement target object, a determination unit that determines whether the measured distance is valid, and the projected pattern light And control means for extinguishing or dimming the brightness of the pattern light projected on the area where the distance is determined to be effective by the determining means.

本発明によれば、計測対象物体の多重反射領域への距離を精度よく計測することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to accurately measure the distance of the measurement target object to the multiple reflection region.

第1実施形態の距離計測装置の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the distance measuring device of 1st Embodiment. 三角測量法による距離計測の原理説明図。Explanatory drawing of the principle of distance measurement by the triangulation method. 計測対象物体が多重反射の影響を受けた例を示す図。The figure which shows the example in which the measurement object was influenced by the multiple reflection. 多重反射光による計測誤差発生メカニズムの説明図。Explanatory drawing of the measurement error generation mechanism by multiple reflected light. パターンの一部を消光して投影した例を示す図。The figure which shows the example which light-projected and projected a part of pattern. 第1実施形態の処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of a process of 1st Embodiment. 第2実施形態の距離計測装置の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the distance measuring device of 2nd Embodiment. 第3実施形態の距離計測装置の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the distance measuring device of 3rd Embodiment. 多重反射検出用パターンの例を示す図。The figure which shows the example of the pattern for multiple reflection detection.

[第1の実施形態]
第1の実施形態では、計測対象物体にパターン光を投影するパターン投影部(プロジェクタ)とパターン光が投影された計測対象物体を撮像する撮像部(カメラ)を用いて、計測対象物体の三次元計測を行う。本実施形態において、計測対象物体の三次元計測とは、撮像部または投影部から計測対象物体までの距離を計測することである。本実施形態では、2つの撮像部と1つの投影部を用いて三次元計測(計測対象物体までの距離計測)を行い、計測された距離が有効であるかを判断する。ここで、距離計測値が有効であるとは、計測された距離値が多重反射や画像ノイズによる影響が小さく、距離計測値として許容できる、すなわち、より正確な距離計測値が計測できている状態を示す。詳しくは後述するが、距離計測は、投影部の有する画素ごとに行われる。そのため、有効であるかの判断は、1画素ごとに行われる。いいかえると、投影部の表示素子の1画素に含まれる計測対象物体の領域ごとに、距離計測が行われ、有効かどうか判断される。そして、有効であると判断された領域は、その領域に対応する投影部の表示素子の画素を消光または減光し、投影部の表示素子の一部を消光または減光したパターンを用いて三次元計測を行うことを繰り返す。また、繰り返しの終了判定条件は任意に回数を指定する。
[First Embodiment]
In the first embodiment, a pattern projection unit (projector) that projects pattern light onto a measurement target object and an imaging unit (camera) that captures the measurement target object onto which the pattern light is projected are used to three-dimensionally measure the measurement target object. Measure. In the present embodiment, the three-dimensional measurement of the measurement target object is to measure the distance from the imaging unit or the projection unit to the measurement target object. In the present embodiment, three-dimensional measurement (distance measurement to a measurement target object) is performed using two imaging units and one projection unit, and it is determined whether the measured distance is valid. Here, the distance measurement value is valid means that the measured distance value is less affected by multiple reflections and image noise and is acceptable as a distance measurement value, that is, a more accurate distance measurement value can be measured. Indicates. Although details will be described later, distance measurement is performed for each pixel of the projection unit. Therefore, the determination of whether or not it is valid is performed for each pixel. In other words, distance measurement is performed for each area of the measurement target object included in one pixel of the display element of the projection unit, and it is determined whether or not it is valid. Then, the area determined to be effective is the third order using a pattern in which the pixels of the display element of the projection unit corresponding to the area are extinguished or dimmed and a part of the display element of the projection unit is extinguished or dimmed. Repeat the original measurement. In addition, the number of repetition end determination conditions is arbitrarily specified.

本実施形態では、投影部の表示素子の1画素ごとに、含まれる計測対象物体の距離計測値の有効性を判断するが、本発明は、これに限定されない。例えば、投影部の表示素子の複数の画素ごとに、含まれる計測対象物体の距離計測値の有効性を判断してもよい。また、撮像部の表示素子の1画素または複数の画素ごとに、含まれる計測対象物体の距離計測値の有効性を判断してもよい。   In this embodiment, the effectiveness of the distance measurement value of the measurement target object included is determined for each pixel of the display element of the projection unit, but the present invention is not limited to this. For example, the effectiveness of the distance measurement value of the measurement target object included may be determined for each of the plurality of pixels of the display element of the projection unit. Moreover, you may judge the effectiveness of the distance measurement value of the measurement target object contained for every 1 pixel or several pixel of the display element of an imaging part.

また、本実施形態では、有効であると判断された領域に対応する投影部の表示素子の1画素ごとに、消光または減光を行うが、本発明はこれに限定されない。例えば、投影部の表示素子の複数の画素ごとに、消光または減光を行ってもよい。   In the present embodiment, extinction or dimming is performed for each pixel of the display element of the projection unit corresponding to the area determined to be effective, but the present invention is not limited to this. For example, extinction or dimming may be performed for each of the plurality of pixels of the display element of the projection unit.

図1は、本実施形態における距離計測装置の構成を示している。同図に示すように、本実施形態における構成では、投影部1、撮像部2Aおよび2B、制御・計算処理部3からなる。   FIG. 1 shows the configuration of a distance measuring apparatus according to this embodiment. As shown in the figure, the configuration in the present embodiment includes a projection unit 1, imaging units 2 </ b> A and 2 </ b> B, and a control / calculation processing unit 3.

投影部1はパターン光、例えばラインパターン光を計測対象物体4に投影する。撮像部2はパターン光が投影された計測対象物体4を撮像する。制御・計算処理部3は、投影部1と撮像部2とを制御し、撮像された画像データを計算処理して計測対象物体4までの距離を計測する。   The projection unit 1 projects pattern light, for example, line pattern light, onto the measurement target object 4. The imaging unit 2 images the measurement target object 4 onto which the pattern light is projected. The control / calculation processing unit 3 controls the projection unit 1 and the imaging unit 2, calculates the captured image data, and measures the distance to the measurement target object 4.

投影部1は、光源11と、照明光学系12と、表示素子13と、投影光学系14とを備える。光源11は、例えばハロゲンランプ、LEDなど各種の発光素子である。照明光学系12は、光源11から出射された光を表示素子13へと導く機能を有する。光源から出射された光が表示素子13に入射する際に、入射輝度が均一である方がよい。そのため、照明光学系12には、例えば、ケーラー照明や拡散板など輝度の均一化に適した光学系が用いられる。表示素子13は、例えば透過型LCDや反射型のLCOS・DMDなどである。表示素子13は、照明光学系12からの光を投影光学系14に導く際に、透過率、または、反射率を空間的に制御する機能を有する。投影光学系14は、表示素子13を計測対象物体4の特定位置に結像させるように構成された光学系である。このような構成を満たす例として、DLPプロジェクタや回折タイプのプロジェクタを利用してもよい。本実施形態では表示素子と投影光学系とを備える投影装置の構成を示したが、スポット光と2次元走査光学系とを備える投影装置を用いることも可能である。   The projection unit 1 includes a light source 11, an illumination optical system 12, a display element 13, and a projection optical system 14. The light source 11 is various light emitting elements such as a halogen lamp and an LED. The illumination optical system 12 has a function of guiding the light emitted from the light source 11 to the display element 13. When the light emitted from the light source enters the display element 13, it is better that the incident luminance is uniform. Therefore, for the illumination optical system 12, for example, an optical system suitable for uniform luminance such as Koehler illumination or a diffusion plate is used. The display element 13 is, for example, a transmissive LCD or a reflective LCOS / DMD. The display element 13 has a function of spatially controlling the transmittance or the reflectance when the light from the illumination optical system 12 is guided to the projection optical system 14. The projection optical system 14 is an optical system configured to form an image of the display element 13 at a specific position of the measurement target object 4. As an example satisfying such a configuration, a DLP projector or a diffraction type projector may be used. In the present embodiment, the configuration of a projection apparatus including a display element and a projection optical system is shown, but a projection apparatus including a spot light and a two-dimensional scanning optical system can also be used.

撮像部2Aおよび2Bはそれぞれ、撮像レンズ21と、撮像素子22とを備える。撮像レンズ21は、計測対象物体4の特定位置を撮像素子22上に結像させるよう構成された光学系である。撮像素子22は、例えばCMOSセンサ、CCDセンサなど各種光電変換素子である。   Each of the imaging units 2 </ b> A and 2 </ b> B includes an imaging lens 21 and an imaging element 22. The imaging lens 21 is an optical system configured to image a specific position of the measurement target object 4 on the imaging element 22. The imaging element 22 is various photoelectric conversion elements such as a CMOS sensor and a CCD sensor.

制御・計算処理部3は、投影パターン制御部31と、画像取得部32と、距離算出部33と、有効性判断部34と、繰り返し制御部35と、パラメータ記憶部36とを備える。制御・計算処理部3のハードウェアは、CPU、メモリ、ハードディスクなどの記憶装置、入出力用の各種インタフェース等を具備する汎用のコンピュータ(ハードウェア)から構成される。また、制御・計算処理部3のソフトウェアは、本発明に係る距離計測方法をコンピュータに実行させる距離計測プログラムを備える。   The control / calculation processing unit 3 includes a projection pattern control unit 31, an image acquisition unit 32, a distance calculation unit 33, an effectiveness determination unit 34, a repetition control unit 35, and a parameter storage unit 36. The hardware of the control / calculation processing unit 3 includes a general-purpose computer (hardware) including a CPU, a storage device such as a memory and a hard disk, and various interfaces for input / output. The software of the control / calculation processing unit 3 includes a distance measurement program that causes a computer to execute the distance measurement method according to the present invention.

CPUが距離計測プログラムを実行することにより、投影パターン制御部31、画像取得部32、距離算出部33、有効性判断部34、繰り返し制御部35およびパラメータ記憶部36の各部を実現している。   When the CPU executes the distance measurement program, the projection pattern control unit 31, the image acquisition unit 32, the distance calculation unit 33, the validity determination unit 34, the repetition control unit 35, and the parameter storage unit 36 are realized.

投影パターン制御部31は、後述する投影パターンを生成して、記憶装置に予め記憶する。また、必要に応じて記憶した投影パターンのデータおよび後述する有効性判断結果を読み出し、例えば、DVIのような汎用的なディスプレイ用インタフェースを介して投影パターンデータを投影部1に伝送する。さらに、RS232CやIEEE488などの汎用の通信インタフェースを介して投影部1の動作を制御する機能を有する。なお、投影部1では、伝送された投影パターンデータに基づいて表示素子13に投影パターンを表示する。投影する計測用のパターンの例としては、空間符号化法によるグレイコードや、位相シフト法による正弦波パターンなどが挙げられる。   The projection pattern control unit 31 generates a projection pattern described later and stores it in the storage device in advance. Further, the stored projection pattern data and the validity determination result described later are read out as necessary, and the projection pattern data is transmitted to the projection unit 1 via a general-purpose display interface such as DVI. Further, it has a function of controlling the operation of the projection unit 1 via a general-purpose communication interface such as RS232C or IEEE488. The projection unit 1 displays the projection pattern on the display element 13 based on the transmitted projection pattern data. Examples of the measurement pattern to be projected include a gray code by a spatial encoding method, a sine wave pattern by a phase shift method, and the like.

画像取得部32は、撮像部2で標本化ならびに量子化されたデジタルの画像信号を取り込む。さらに、取り込んだ画像信号から各画素の輝度(濃度値)で表される画像データを取得してメモリに記憶する機能を有する。なお、画像取得部32は、RS232CやIEEE488などの汎用の通信インタフェースを介して撮像部2の動作(撮像のタイミングなど)を制御する機能を有する。   The image acquisition unit 32 takes in the digital image signal sampled and quantized by the imaging unit 2. Furthermore, it has a function of acquiring image data represented by luminance (density value) of each pixel from the captured image signal and storing it in the memory. The image acquisition unit 32 has a function of controlling the operation of the imaging unit 2 (imaging timing, etc.) via a general-purpose communication interface such as RS232C or IEEE488.

画像取得部32と投影パターン制御部31とは互いに連携して動作する。表示素子13へのパターン表示が完了すると、投影パターン制御部31は、画像取得部32に信号を送信する。画像取得部32は、投影パターン制御部31から信号を受信すると撮像部2を動作させ、画像撮像を実施する。画像撮像が完了すると、画像取得部32は投影パターン制御部31に信号を送信する。投影パターン制御部31は画像取得部32から信号を受信すると、表示素子13に表示する投影パターンを次の投影パターンに切り替える。これを順次繰り返すことで、全ての投影パターンの撮像を実施する。   The image acquisition unit 32 and the projection pattern control unit 31 operate in cooperation with each other. When the pattern display on the display element 13 is completed, the projection pattern control unit 31 transmits a signal to the image acquisition unit 32. When the image acquisition unit 32 receives a signal from the projection pattern control unit 31, the image acquisition unit 32 operates the imaging unit 2 to perform image capturing. When the image capturing is completed, the image acquisition unit 32 transmits a signal to the projection pattern control unit 31. When the projection pattern control unit 31 receives a signal from the image acquisition unit 32, the projection pattern control unit 31 switches the projection pattern to be displayed on the display element 13 to the next projection pattern. By repeating this in sequence, all the projection patterns are imaged.

距離算出部33では、距離計測用パターンの撮像画像、パラメータ記憶部36に格納されているパラメータを用いて、投影部1または撮像部2から、計測対象物体4までの距離を算出する。   The distance calculation unit 33 calculates the distance from the projection unit 1 or the imaging unit 2 to the measurement target object 4 using the captured image of the distance measurement pattern and the parameters stored in the parameter storage unit 36.

有効性判断部34は、計測された領域への距離計測値が正しく信頼性のあるものであるかの有効性を各点または領域ごとに判断する。また有効性判断結果をパラメータ記憶部36に送り、これを用いて投影するパターンの更新を行う。   The validity determination unit 34 determines the validity of whether the measured distance value to the measured area is correct and reliable for each point or area. In addition, the validity determination result is sent to the parameter storage unit 36, and the projection pattern is updated using the result.

繰り返し制御部35は、計測対象物体にパターンを投影し、それを撮像した結果から距離算出を行い、距離算出結果の有効性を判断し、それに基づいて投影パターンを更新する一連の流れを、終了判定条件を満たすまで繰り返し行うように制御する。第1の実施形態ではユーザが指定した任意回数を繰り返したら終了するものとする。   The iterative control unit 35 projects a pattern on the measurement target object, calculates the distance from the result of imaging the pattern, determines the validity of the distance calculation result, and terminates a series of processes for updating the projection pattern based on the result. Control is performed repeatedly until the determination condition is satisfied. In the first embodiment, it is assumed that the process is terminated when an arbitrary number of times designated by the user is repeated.

パラメータ記憶部36は、三次元的な距離を算出するのに必要なパラメータを格納する。パラメータとしては、投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの機器パラメータ、投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの内部パラメータ、投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの外部パラメータ、投影パターンのパラメータがある。また、パラメータ記憶部36は有効性判断部34で得られた有効性判断結果を格納し、投影パターン制御部31で投影パターンを更新する際に用いる。   The parameter storage unit 36 stores parameters necessary for calculating a three-dimensional distance. As parameters, device parameters of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B, internal parameters of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B, external parameters of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B, and projection pattern parameters There is. The parameter storage unit 36 stores the validity determination result obtained by the validity determination unit 34 and is used when the projection pattern control unit 31 updates the projection pattern.

投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの機器パラメータは、表示素子の画素数、撮像素子の画素数である。投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの内部パラメータは、焦点距離、画像中心、ディストーションによる画像歪みの係数などである。投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの外部パラメータは、投影部1と撮像部2Aおよび2Bとの相対位置関係を表す並進行列と回転行列である。投影パターンのパラメータは、距離計測用パターン、消灯・減光用マスクパターンに関する情報である。有効性判断結果は、表示素子の画素に対して有効か無効かを格納したデータである。   Device parameters of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B are the number of pixels of the display element and the number of pixels of the imaging element. Internal parameters of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B are a focal length, an image center, a coefficient of image distortion due to distortion, and the like. External parameters between the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B are a parallel progression and a rotation matrix that represent the relative positional relationship between the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B. The parameters of the projection pattern are information related to the distance measurement pattern and the extinction / dimming mask pattern. The validity judgment result is data that stores whether the pixel is valid or invalid for the display element.

本実施形態では、投影部1、撮像部2Aおよび2Bともにピンホールカメラモデルで近似されるものとして説明する。ただし、本発明が適用できるカメラモデルはピンホールカメラに限られるものではない。   In the present embodiment, description will be made assuming that both the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B are approximated by a pinhole camera model. However, the camera model to which the present invention can be applied is not limited to the pinhole camera.

図2を参照して、三角測量法による距離計測の原理を説明する。撮像部のレンズ中心をCc、画像平面をIc、焦点距離をfc、画像中心ccのピクセル座標を(uco,vco)、撮像素子の画素サイズをPscとすると、撮像部の内部行列Acは以下の式(1)のように記述される。   With reference to FIG. 2, the principle of distance measurement by the triangulation method will be described. If the lens center of the imaging unit is Cc, the image plane is Ic, the focal length is fc, the pixel coordinates of the image center cc are (uco, vco), and the pixel size of the imaging device is Psc, the internal matrix Ac of the imaging unit is It is described as equation (1).

Figure 2014059261
Figure 2014059261

また、投影部のレンズ中心をCp、画像平面をIp、焦点距離をfp、画像中心cpのピクセル座標を(upo,vpo)、表示素子の画素サイズをPspとすると、投影部の内部行列Apは以下の式(2)のように記述される。   When the lens center of the projection unit is Cp, the image plane is Ip, the focal length is fp, the pixel coordinates of the image center cp are (upo, vpo), and the pixel size of the display element is Psp, the internal matrix Ap of the projection unit is It is described as the following formula (2).

Figure 2014059261
Figure 2014059261

撮像部の内部行列Acと投影部の内部行列Apは公知の技術である内部パラメータのキャリブレーション方法を用いることで算出される。   The internal matrix Ac of the imaging unit and the internal matrix Ap of the projection unit are calculated by using an internal parameter calibration method that is a known technique.

撮像部のカメラ座標系XYZと投影部のカメラ座標系XpYpZp間の相対位置関係を表す外部パラメータは回転行列Rと並進行列Tである。回転行列Rは3×3の行列であり、並進行列Tは3×1の行列である。回転行列Rと並進行列Tとは公知の技術である外部パラメータのキャリブレーション方法を用いることにより算出される。   External parameters representing the relative positional relationship between the camera coordinate system XYZ of the imaging unit and the camera coordinate system XpYpZp of the projection unit are a rotation matrix R and a parallel progression T. The rotation matrix R is a 3 × 3 matrix, and the parallel progression T is a 3 × 1 matrix. The rotation matrix R and the parallel progression T are calculated by using an external parameter calibration method which is a known technique.

撮像部のカメラ座標系を原点とする3次元空間中の点Mの座標を(X,Y,Z)とする。点Mを撮像部の画像平面Icに射影した点mcのピクセル座標を(uc,vc)とする。その対応関係は以下の式(3)で記述される。   Let (X, Y, Z) be the coordinates of a point M in the three-dimensional space with the camera coordinate system of the imaging unit as the origin. The pixel coordinate of the point mc obtained by projecting the point M onto the image plane Ic of the imaging unit is (uc, vc). The corresponding relationship is described by the following equation (3).

Figure 2014059261
Figure 2014059261

sはスカラーである。また、同一点Mを投影部の画像平面Ipに射影した点mpのピクセル座標を(up,vp)とする。その対応関係は以下の式(4)で記述される。   s is a scalar. Further, the pixel coordinates of the point mp obtained by projecting the same point M onto the image plane Ip of the projection unit are assumed to be (up, vp). The corresponding relationship is described by the following equation (4).

Figure 2014059261
Figure 2014059261

s’はスカラーである。上記を式(3)、式(4)を展開すると以下の式(5)で示す4つの連立方程式となる。   s' is a scalar. When the above expressions (3) and (4) are expanded, the following four simultaneous equations are obtained by the following expression (5).

Figure 2014059261
Figure 2014059261

点mcのピクセル座標(uc,vc)と点mpのピクセル座標(up,vp)とは、背景技術で説明した種々のパターン投影法を用いることで求められる。また、Cij(i=1〜3、 j=1〜4)、Pij(i=1〜3、j=1〜4)は、内部行列と外部パラメータとから算出されるため、予めキャリブレーションにより求められている。式(5)において点Mの座標値(X、Y、Z)のみが未知数であり、連立方程式を解くことでこれを求めることができる。なお、求める未知数である点Mの座標値は(X,Y,Z)の3つであるため、投影部のピクセル座標値(up,vp)のいずれか一方を求めれば、点Mの座標値を算出することができる。以上が三角測量法に基づく距離計測の原理である。   The pixel coordinates (uc, vc) of the point mc and the pixel coordinates (up, vp) of the point mp are obtained by using various pattern projection methods described in the background art. Since Cij (i = 1 to 3, j = 1 to 4) and Pij (i = 1 to 3, j = 1 to 4) are calculated from the internal matrix and the external parameters, they are obtained in advance by calibration. It has been. In the equation (5), only the coordinate value (X, Y, Z) of the point M is an unknown, and can be obtained by solving simultaneous equations. Since the coordinate value of the point M, which is an unknown, is (X, Y, Z), the coordinate value of the point M can be obtained by calculating one of the pixel coordinate values (up, vp) of the projection unit. Can be calculated. The above is the principle of distance measurement based on the triangulation method.

第1の実施形態では撮像部であるカメラが2台ある場合を想定しているが、投影部1と撮像部2Aおよび2Bのそれぞれに対して上記の三角測量法に基づく距離計測を行う。また、投影部に対応する点mpのピクセル座標(up,vp)の代わりに、もう一方の撮像部のピクセル座標との対応関係を考えることによって、撮像部2Aと2B間における三角測量法に基づいて距離計測を行うことができるため、投影部1と撮像部2A、投影部1と撮像部2B、撮像部2Aと撮像部2Bの合計3つの距離計測結果を得ることができる。ただし、2つの撮像部間のピクセルの対応は、例えば、投影部との対応を介して取ることができる。ただし、これに限るものではなく、以下の文献に示すような二眼ステレオにおける様々なマッチング手法を用いて撮像部2Aと2B間の対応を求めてもよい。   In the first embodiment, it is assumed that there are two cameras as imaging units, but distance measurement based on the triangulation method is performed on each of the projection unit 1 and the imaging units 2A and 2B. Moreover, based on the triangulation method between the imaging units 2A and 2B by considering the correspondence relationship with the pixel coordinates of the other imaging unit instead of the pixel coordinates (up, vp) of the point mp corresponding to the projection unit. Therefore, a total of three distance measurement results of the projection unit 1 and the imaging unit 2A, the projection unit 1 and the imaging unit 2B, and the imaging unit 2A and the imaging unit 2B can be obtained. However, the correspondence of the pixels between the two imaging units can be taken, for example, through the correspondence with the projection unit. However, the present invention is not limited to this, and the correspondence between the imaging units 2A and 2B may be obtained using various matching methods in binocular stereo as shown in the following document.

D. Scharstein and R. Szeliski, “A taxonomy and evaluation of dense two−frame stereo correspondence algorithms,”IJCV, vol. 47, no. 1, 2002
多重反射光が発生しない、あるいは、発生しても影響が顕在化しない場合には、上述の三角測量法で計測対象物体の距離計測を行うことができる。しかし、多重反射光が発生して影響が顕在化すると計測誤差を生じる。例えば図3に示すように、計測対象物体4に対して、パターン光Pt1を投影した場合、撮像部ではO1のように観測され、R1の部分に多重反射の影響が見られる。
D. Scharstein and R.M. Szeliski, “A taxonomy and evaluation of dense two-frame stereocorrespondence algorithms,” IJCV, vol. 47, no. 1, 2002
When the multiple reflected light does not occur or the influence does not become apparent even if it occurs, the distance measurement of the measurement target object can be performed by the triangulation method described above. However, if multiple reflected light is generated and the influence becomes obvious, a measurement error occurs. For example, as shown in FIG. 3, when pattern light Pt1 is projected onto the measurement target object 4, it is observed as O1 in the imaging unit, and the influence of multiple reflection is seen in the R1 portion.

図4を参照して、多重反射光による計測誤差発生のメカニズムを説明する。図4では、簡単のためにX軸とZ軸の2次元断面図の形式で説明する。   With reference to FIG. 4, the mechanism of occurrence of measurement errors due to multiple reflected light will be described. For the sake of simplicity, FIG. 4 will be described in the form of a two-dimensional cross-sectional view of the X axis and the Z axis.

投影部1のレンズ中心Cpから画像平面Ip上の点up1を通過する方向に出射した光線L1は計測対象物体4上の点P1に入射する。点P1で反射された光は撮像部2の画像座標と点uc1で交わり、レンズ中心Ccへと入射する。   A light beam L1 emitted from the lens center Cp of the projection unit 1 in a direction passing through the point up1 on the image plane Ip is incident on the point P1 on the measurement target object 4. The light reflected at the point P1 intersects with the image coordinates of the imaging unit 2 at the point uc1 and enters the lens center Cc.

投影部1のレンズ中心Cpから画像平面Ip上の点up2を通過する方向に出射した光線L2は計測対象物体4上の点P2に入射する。点P2で反射された光は点P1で2次反射される。その後、撮像部2の画像座標上の点uc1で交わり、撮像部1のレンズ中心Ccへと入射する。2次反射が起こると、本来は投影部1のレンズ中心Cpから出射した光が、点P2から出射したかのように振舞う。   A light beam L2 emitted from the lens center Cp of the projection unit 1 in a direction passing through the point up2 on the image plane Ip is incident on the point P2 on the measurement target object 4. The light reflected at the point P2 is secondarily reflected at the point P1. Thereafter, they intersect at a point uc1 on the image coordinates of the imaging unit 2 and enter the lens center Cc of the imaging unit 1. When secondary reflection occurs, the light originally emitted from the lens center Cp of the projection unit 1 behaves as if it is emitted from the point P2.

計測対象物体の光沢性が低く、多重反射の影響が少ない場合には、撮像部2で観測される輝度はL1による反射光が支配的となる。ピクセル座標値がup1であると正しく検出されるため、距離計測結果も正しいZtとなる。   When the measurement target object has low gloss and is less affected by multiple reflections, the luminance observed by the imaging unit 2 is dominantly reflected by L1. Since the pixel coordinate value is correctly detected as up1, the distance measurement result is also correct Zt.

一方、計測対象物体の光沢性が高く、入射角と反射角が等しくなるような正反射方向で反射光が観測され、多重反射の影響が大きい場合には、L2による反射光が支配的となる。このとき、ピクセル座標値がup2であると誤検出されるため、計測点がPeにあるものとして計測されてしまう。距離計測結果はZeとなり、ΔZ=Zt−Zeだけの誤差を生じる。   On the other hand, when the object to be measured has high glossiness and the reflected light is observed in the regular reflection direction where the incident angle and the reflection angle are equal, and the influence of multiple reflection is large, the reflected light by L2 is dominant. . At this time, since the pixel coordinate value is erroneously detected as up2, the measurement point is measured as being at Pe. The distance measurement result is Ze, and an error of ΔZ = Zt−Ze is generated.

実際には、図4で示した2次反射光だけでなく、3次以上の反射光も存在し、より複雑な計測誤差が発生することある。以上が多重反射光による計測誤差発生のメカニズムの説明である。   Actually, not only the secondary reflected light shown in FIG. 4 but also the third or higher order reflected light exists, and a more complicated measurement error may occur. The above is the explanation of the mechanism of occurrence of measurement error due to multiple reflected light.

これに対し本発明では、有効性判断部によって多重反射の影響を受けず、有効であると判断された領域に対応する投影パターン部分を消光または減光し、更新したパターンで投影・撮像・距離計測・判断を繰り返し行うことで、多重反射の発生を低減させながら計測できる領域を拡大していく。   On the other hand, according to the present invention, the projection pattern portion corresponding to the area that is determined to be effective without being affected by the multiple reflection by the validity determination unit is extinguished or dimmed, and the projected / imaging / distance is updated with the updated pattern. By repeating measurement and judgment, the area that can be measured is expanded while reducing the occurrence of multiple reflections.

具体例を図5に示す。V1は図3に示した観測画像O1などを用いて三次元計測を行い、有効性判断部によって、有効であると判断した領域を表している。一方V2は多重反射などの影響により、無効であると判断した領域を表している。投影パターンの更新は、図3のPt1に対して、計測対象物体の有効であると判断されたV1の領域を消光または減光し、図5のPt2にパターンにすることである。Pt2のような更新された投影パターン群を用いて、再び投影、撮像することによって、O2のような観測画像を得ることができ、結果として多重反射の影響を受けない三次元計測が可能となる。   A specific example is shown in FIG. V1 represents a region that is three-dimensionally measured using the observation image O1 shown in FIG. 3 and the like and is determined to be effective by the validity determination unit. On the other hand, V2 represents an area determined to be invalid due to the influence of multiple reflection or the like. The update of the projection pattern is to extinguish or diminish the area of V1 determined to be effective of the measurement target object with respect to Pt1 of FIG. 3, and to change the pattern to Pt2 of FIG. By projecting and imaging again using an updated projection pattern group such as Pt2, an observation image such as O2 can be obtained, and as a result, three-dimensional measurement that is not affected by multiple reflection is possible. .

図6のフローチャートを参照して、第1実施形態に係る多重反射領域の計測までの全体の流れを説明する。   With reference to the flowchart of FIG. 6, the overall flow up to the measurement of the multiple reflection area according to the first embodiment will be described.

(工程S1)
工程S1では投影部1から計測対象物体4に対して計測用のパターン群を投影し、撮像部2Aおよび撮像部2Bによって計測対象物体4を撮像する。各撮像部で撮像が完了すると、計測用の次のパターンが投影されて撮像する。計測用のパターン群が全て投影・撮像されるまで繰り返される。計測用のパターンは例えばグレイコードが挙げられるが、これに限られるものではない。撮像されたデータは画像取得部32に送られる。
(Process S1)
In step S1, a pattern group for measurement is projected from the projection unit 1 onto the measurement target object 4, and the measurement target object 4 is imaged by the imaging unit 2A and the imaging unit 2B. When imaging is completed in each imaging unit, the next pattern for measurement is projected and imaged. It repeats until all the pattern groups for measurement are projected and imaged. The measurement pattern includes, for example, a gray code, but is not limited thereto. The imaged data is sent to the image acquisition unit 32.

(工程S2)
工程S2では撮像画像に基づいて、上述した三角測量法を用いて、領域ごとに投影部1と撮像部2A、投影部1と撮像部2B、撮像部2Aと撮像部2Bの合計3つの距離計測結果が算出される。
(Process S2)
In step S2, using the above-described triangulation method, a total of three distance measurements of the projection unit 1 and the imaging unit 2A, the projection unit 1 and the imaging unit 2B, and the imaging unit 2A and the imaging unit 2B are performed for each region based on the captured image. The result is calculated.

(工程S3)
工程S3では3つの距離計測結果に基づいて、各領域における距離計測結果が有効であるかを判断する。各領域における3つの距離計測値が一致していれば、多重反射による影響などがなく、有効な距離計測結果であると判断することができる。なぜなら、光沢性が高い計測対象物体の多重反射の影響は、観測する視点の方向において異なるため、異なる撮像部(異なる視点)で観測すれば、多重反射の影響の有無が判別できるためである。また多重反射以外の影響、例えばランダムに発生した画像ノイズなどで、3つの距離計測値が一致しない場合は、距離計測結果が無効であると見なす。
(Process S3)
In step S3, it is determined based on the three distance measurement results whether the distance measurement results in each region are valid. If the three distance measurement values in each region match, it can be determined that there is no influence of multiple reflections and the result is an effective distance measurement result. This is because the influence of the multiple reflection of the measurement target object with high glossiness differs in the direction of the viewpoint to be observed, and therefore the presence or absence of the influence of the multiple reflection can be determined by observing with different imaging units (different viewpoints). Further, if the three distance measurement values do not match due to influences other than multiple reflection, such as randomly generated image noise, the distance measurement result is regarded as invalid.

ただし、たとえ多重反射や画像ノイズなどの影響が全く無い場合でも複数の距離計測系において距離計測値が完全には一致しないことがある。なぜなら理想状態(シミュレーション)でない場合、事前にキャリブレ―ションによって求める投影部や撮像部の内部・外部パラメータが、僅かな誤差を含む可能性があるためである。前述の三角測量の原理で説明したように、投影部や撮像部の内部・外部パラメータを用いて距離値を算出するため、内部・外部パラメータの誤差が距離計測値の誤差として現れてしまう。   However, even when there is no influence of multiple reflections or image noise, the distance measurement values may not completely match in a plurality of distance measurement systems. This is because, in the case of not being in an ideal state (simulation), the internal and external parameters of the projection unit and the imaging unit obtained in advance by calibration may include a slight error. As described in the principle of triangulation described above, the distance value is calculated using the internal / external parameters of the projection unit and the imaging unit, and thus the error of the internal / external parameter appears as the error of the distance measurement value.

キャリブレーションの誤差はキャリブレーションをやり直す以外に、誤差を取り除いたり補正したりすることは難しい。そこで、キャリブレーションの誤差による複数の距離計測系における距離計測値の不一致への対策として、ある投影部と撮像部(例えば投影部1と撮像部2A)の位置姿勢をキャリブレーションの基準として定め、そこからの許容範囲を設定することで解決する。ただし、この基準は、真値とは異なる可能性があるが、キャリブレーションの誤差を取り除いたり補正したりできないため、距離計測値の一致不一致を判定する方法としては最善であると考えられる。具体的には、求めた内部・外部パラメータを用いて、キャリブレーション用のデータに対して再投影を行い、キャリブレーションによる距離計測結果の誤差を算出し、それに基づいて距離計測値が一致していると見なせる基準からの許容範囲を定める。また、この場合、距離が一つの計測値に定まらないため、基準とする系の値を代表値とする。ただし、これに限るものではなく、代表値を平均値や中央値で定めてもよい。   It is difficult to remove or correct the calibration error other than re-calibration. Therefore, as a measure against mismatch of distance measurement values in a plurality of distance measurement systems due to calibration errors, the position and orientation of a certain projection unit and imaging unit (for example, projection unit 1 and imaging unit 2A) are determined as calibration standards, This can be solved by setting an allowable range from there. However, although this standard may be different from the true value, calibration error cannot be removed or corrected, so it is considered to be the best method for determining the coincidence / disagreement of distance measurement values. Specifically, using the calculated internal and external parameters, re-projection is performed on the calibration data, and the error of the distance measurement result by calibration is calculated. Establish tolerances from standards that can be considered In this case, since the distance is not fixed to one measurement value, the reference system value is used as a representative value. However, the present invention is not limited to this, and the representative value may be determined by an average value or a median value.

(工程S4)
工程S4では、有効性判断結果に基づいて、投影パターンのうち、距離計測値が有効であると見なされた領域に対応する部分を、消光または減光するように投影パターンを更新する。距離計測値が有効である領域に関しては、所望の距離計測値が得られているため、以降の繰り返し処理の中では処理を行う必要はない。そして、その領域を照らしているパターン光を、消光または減光する。その領域で反射したパターン光が、計測対象物体内の他の面を照らす多重反射の原因となっていた場合には、次の繰り返し処理で更新した投影パターンを投影することで、その多重反射の影響を取り除くことができる。ただし、投影パターンの更新方法は消光や減光に限らず、有効であると見なされた領域を照らす光の影響が、相対的に弱まる方法でありさえすればよい。例えば、距離計測値が有効ではないと判断された領域に対応する投影パターン部を増光させてもよい。
(Process S4)
In step S4, based on the validity determination result, the projection pattern is updated so that the portion of the projection pattern corresponding to the area where the distance measurement value is deemed valid is extinguished or dimmed. Since the desired distance measurement value is obtained for the area where the distance measurement value is valid, it is not necessary to perform the process in the subsequent iterative processes. Then, the pattern light illuminating the area is quenched or dimmed. If the pattern light reflected in the area causes multiple reflections that illuminate other surfaces in the measurement target object, the projection pattern updated in the next iteration is projected to The effect can be removed. However, the method of updating the projection pattern is not limited to extinction or dimming, but may be a method that relatively weakens the influence of light that illuminates a region deemed effective. For example, the projection pattern portion corresponding to the area where the distance measurement value is determined to be invalid may be increased.

(工程S5)
工程S5では、終了判定条件を満たすかどうかを判定し、満たす場合は工程S6へ進み、満たさない場合は工程S1へ戻り、工程S4で更新した投影パターンを用いて処理を繰り返す。す第1実施形態では終了判定条件を任意の指定回数N回繰り返していることとする。よって繰り返し回数がN−1回以下の場合は工程S1へ戻り、N回の場合は工程S6へ進む。複数回繰り返し処理を行うことによって、3次以上の多重反射の影響を取り除いたり、画像ノイズなどの影響を受けにくくしたりすることが可能である。また任意の回数(1回繰り返しを含む)に指定できるため、現場のタクトタイムに合わせて処理を行うことができる。
(Process S5)
In step S5, it is determined whether or not the end determination condition is satisfied. If satisfied, the process proceeds to step S6. If not satisfied, the process returns to step S1, and the process is repeated using the projection pattern updated in step S4. In the first embodiment, it is assumed that the end determination condition is repeated an arbitrary designated number N times. Therefore, if the number of repetitions is N-1 or less, the process returns to step S1, and if it is N times, the process proceeds to step S6. By performing the process repeatedly a plurality of times, it is possible to eliminate the influence of the third and higher order multiple reflections or to make it less susceptible to the influence of image noise and the like. In addition, since it can be specified any number of times (including one repetition), processing can be performed in accordance with the on-site tact time.

繰り返して工程S1へ戻った場合は、工程S4で更新された投影パターン群を投影して撮像を行い、工程S1〜S4の各工程を1回実行し、工程S5の終了判定条件を満たすかどうか判定し、終了判定条件を満たすまで繰り返す。   When returning to step S1 repeatedly, the projection pattern group updated in step S4 is projected and imaged, each step of steps S1 to S4 is executed once, and whether or not the end determination condition of step S5 is satisfied The determination is repeated until the end determination condition is satisfied.

(工程S6)
工程S6では、距離計測結果の統合を行う。繰り返し処理を行っている間、新たに距離計測値が有効であると見なされた領域における、距離計測値が得られるので、その値を保持しておく。一度有効であると見なされた領域は、その距離計測値を保持して対応付けられた後、繰り返しの間に処理が行われることはない。よってi番目の繰り返しの際に新たに距離計測値が有効であると見なされた領域への距離計測値を保持しておけば、工程S6では、N個の距離計測値のデータを統合すれば、計測対象物体の距離計測値が得られる。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、繰り返し処理の間(例えば工程S5の終了判定条件を判定する時など)に、新たに距離計測値が有効であると判断された領域への距離計測値を、距離計測結果のデータに加えていってもよい。その場合は、工程S6に進んだ時点で距離計測結果は既に統合済みとなっている。
(Step S6)
In step S6, the distance measurement results are integrated. While the iterative process is being performed, since the distance measurement value is newly obtained in the area in which the distance measurement value is considered to be valid, the value is retained. Once a region is considered valid, it is associated with the distance measurement value retained, and no processing is performed between iterations. Therefore, if the distance measurement value to the area where the distance measurement value is newly considered valid at the i-th iteration is held, in step S6, the data of N distance measurement values can be integrated. A distance measurement value of the measurement target object is obtained. However, the present invention is not limited to this, and the distance to the area for which the distance measurement value is newly determined to be valid during the repeated processing (for example, when determining the end determination condition of step S5). The measurement value may be added to the distance measurement result data. In that case, the distance measurement results are already integrated when the process proceeds to step S6.

以上で処理が終了する。   The process ends here.

第1の実施形態によれば、多重反射の影響を受けず有効な距離計測値が得られた領域に対応する投影パターンの画素を消光または減光することで、多重反射の影響を低減しながら、繰り返し処理によって有効な距離計測値が得られる領域を増やしていくことができる。   According to the first embodiment, the influence of the multiple reflection is reduced by extinguishing or dimming the pixels of the projection pattern corresponding to the area where the effective distance measurement value is obtained without being affected by the multiple reflection. Thus, it is possible to increase an area where an effective distance measurement value can be obtained by repeated processing.

第1の実施形態では、撮像部を2つ用いる例を紹介した。本発明はこの例に限られるものではなく、撮像部を任意の複数個用いてもよい。その場合は、3つ以上の距離計測結果が得られるが、投影部と撮像部の全ての組合せによって距離計測結果を算出する必要はなく、任意のM通りの組合せで三角測量による距離計測を行ってもよい。また、工程S3の有効性の判断において、M通り全ての距離計測値が一致する必要はなく、一定の個数または割合で一致すれば、それを有効な距離計測値として見なしてよい。   In the first embodiment, an example in which two imaging units are used has been introduced. The present invention is not limited to this example, and an arbitrary plurality of imaging units may be used. In that case, three or more distance measurement results can be obtained, but it is not necessary to calculate the distance measurement result by all combinations of the projection unit and the imaging unit, and the distance measurement by triangulation is performed in any M combinations. May be. Further, in the determination of the effectiveness of step S3, it is not necessary that all M distance measurement values match, and if they match at a certain number or ratio, they may be regarded as effective distance measurement values.

以上が、本発明の第1の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the first embodiment of the present invention.

[第2の実施形態]
第2の実施形態では、有効性判断手段として、投影部2つと撮像部1つを用いて三次元計測を行い、計測された領域への距離が有効であるかを判断する。図7は第2の実施形態に係る距離計測装置の概略構成である。第1の実施形態で説明した図1とほぼ同様であるが、本実施形態では、投影部を2つ(投影部1Aおよび1B)、撮像部を1つ(撮像部2)を用いる点が異なる。第2の実施形態のフローチャートは、第1の実施形態で説明した図6とほぼ同様であるため、同様の処理に関しては説明を省略し、差異がある工程S1に関して説明する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, three-dimensional measurement is performed using two projection units and one imaging unit as validity determination means, and it is determined whether the distance to the measured region is valid. FIG. 7 is a schematic configuration of a distance measuring apparatus according to the second embodiment. 1 is substantially the same as FIG. 1 described in the first embodiment, except that this embodiment uses two projection units (projection units 1A and 1B) and one imaging unit (imaging unit 2). . Since the flowchart of the second embodiment is substantially the same as that of FIG. 6 described in the first embodiment, the description of the same processing will be omitted, and the step S1 having a difference will be described.

第2の実施形態における工程S1では、投影部1Aおよび1Bから計測対象物体4に対して計測用のパターン群を投影し、撮像部2によって計測対象物体4を撮像する。このとき、投影部1Aと1Bがそれぞれ投影したパターンを撮像部で混同しないように、1つずつ順番に投影を行い撮像する。ただし、これに限らず、パターンを混同しないように、光源の多重化を行い、例えば投影部1Aと1Bから投影するパターン光を別の色にするなどしてもよい。撮像部で撮像が完了した後の流れは第1の実施形態と同様であるため省略する。   In step S <b> 1 in the second embodiment, a pattern group for measurement is projected onto the measurement target object 4 from the projection units 1 </ b> A and 1 </ b> B, and the measurement target object 4 is imaged by the imaging unit 2. At this time, images are projected and imaged one by one in order so that the patterns projected by the projection units 1A and 1B are not confused by the imaging unit. However, the present invention is not limited to this, and light sources may be multiplexed so as not to confuse the patterns, for example, the pattern light projected from the projection units 1A and 1B may have a different color. Since the flow after the completion of imaging by the imaging unit is the same as in the first embodiment, a description thereof will be omitted.

三角測量法を適用する範囲の説明に関する補足について説明する。   The supplement about description of the range which applies a triangulation method is demonstrated.

第2の実施形態では、投影部が2つある場合を想定しているが、投影部1Aおよび1Bと撮像部2のそれぞれに対して上記の三角測量法に基づく距離計測を行う。また、撮像部に対応する点mcのピクセル座標(uc,vc)の代わりに、もう一方の投影部のピクセル座標との対応関係を考えることによって、投影部1Aと1B間における三角測量法に基づいて距離計測を行うことができる。そのため、投影部1Aと撮像部2、投影部1Bと撮像部2、投影部1Aと投影部1Bの合計3つの距離計測結果を得ることができる。ただし、2つの投影部間のピクセルの対応は、例えば、撮像部との対応を介して取ることができる。   In the second embodiment, it is assumed that there are two projection units. However, distance measurement based on the triangulation method is performed on each of the projection units 1A and 1B and the imaging unit 2. Further, instead of the pixel coordinates (uc, vc) of the point mc corresponding to the image pickup unit, based on the triangulation method between the projection units 1A and 1B by considering the correspondence relationship with the pixel coordinates of the other projection unit. Distance measurement. Therefore, a total of three distance measurement results of the projection unit 1A and the imaging unit 2, the projection unit 1B and the imaging unit 2, and the projection unit 1A and the projection unit 1B can be obtained. However, the correspondence of the pixels between the two projection units can be taken through the correspondence with the imaging unit, for example.

このようにして3つの距離計測結果を得ることで、工程S2〜S6の処理は第1実施形態とほぼ同じように行うことができるため、説明を省略する。   By obtaining three distance measurement results in this way, the processes in steps S2 to S6 can be performed in substantially the same manner as in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

第2の実施形態では、投影部を2つ用いる例を紹介した。本発明はこの例に限られるものではなく、第1の実施形態で述べたのと同様に、投影部を任意の複数個用いてもよい。   In the second embodiment, an example in which two projection units are used has been introduced. The present invention is not limited to this example, and any number of projection units may be used in the same manner as described in the first embodiment.

以上が、本発明の第2の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the second embodiment of the present invention.

[第3の実施形態]
第3の実施形態では、有効性判断手段として、投影部1つと撮像部1つを用いて複数の異なる投影パターン群を投影して三次元計測を行い、計測された領域への距離が有効であるかを判断する。図8は第3の実施形態に係る距離計測装置の概略構成である。第1の実施形態で説明した図1および第2の実施形態で説明した図6とほぼ同様であるが、本実施形態では、投影部を1つ(投影部1)、撮像部を1つ(撮像部2)しか用いない点が異なる。第3の実施形態のフローチャートは、第1の実施形態で説明した図6とほぼ同様であるため、同様の処理に関しては説明を省略し、差異がある工程S1や工程S3に関して説明する。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, as the effectiveness determining means, a projection unit and an imaging unit are used to project a plurality of different projection pattern groups to perform three-dimensional measurement, and the distance to the measured region is effective. Determine if there is. FIG. 8 is a schematic configuration of a distance measuring apparatus according to the third embodiment. Although it is substantially the same as FIG. 1 demonstrated in 1st Embodiment, and FIG. 6 demonstrated in 2nd Embodiment, in this embodiment, one projection part (projection part 1) and one imaging part ( The difference is that only the imaging unit 2) is used. Since the flowchart of the third embodiment is substantially the same as that of FIG. 6 described in the first embodiment, the description of the same processing is omitted, and the steps S1 and S3 having differences will be described.

第3の実施形態における工程S1では、投影部1から計測対象物体4に対して複数の異なる計測用のパターン群を順次投影し、撮像部2によって計測対象物体4を順次撮像する。この時、異なる計測用のパターンとは、例えばグレイコードや以下の文献に示すような、XOR−04コードやGray codes with maximum min−SWなどを用いたり、異なる周期の位相シフトパターンを用いたりしてもよい。計測用のパターン群が変われば、多重反射の影響も変化するため、多重反射が発生する領域では投影パターン群に応じて距離計測値が異なる。そして、工程S3の有効性判断部において、それぞれの距離計測値が一致しているかどうかを確認することで、注目している領域への距離計測結果が有効であるかを判断できる
M. Gupta, A. Agrawal, A. Veeraraghavan, and S. G. Narasimhan, “Structured light 3D scanning in the presence of global illumination,” CVPR2011, pp713−720, 2011
工程S3において、第1の実施形態ではキャリブレーション時の誤差によって3つの距離計測値が完全には一致しない場合について説明した。第3の実施形態においては、投影部と撮像部が1つずつしかないため、キャリブレーションの誤差によって一致しない場合は起こり得ない。そのため、算出された距離計測値そのものを用いて有効性の判断を行うことができる。
In step S1 in the third embodiment, a plurality of different measurement pattern groups are sequentially projected from the projection unit 1 onto the measurement target object 4, and the measurement target object 4 is sequentially imaged by the imaging unit 2. At this time, the different measurement patterns include, for example, a gray code, XOR-04 code, Gray codes with maximum min-SW, or the like as shown in the following document, or a phase shift pattern with a different period. May be. If the measurement pattern group changes, the influence of multiple reflection also changes, and therefore the distance measurement value differs depending on the projection pattern group in an area where multiple reflection occurs. Then, the effectiveness determination unit in step S3 can determine whether the distance measurement results for the region of interest are valid by checking whether the distance measurement values match each other. Gupta, A.D. Agrawal, A.A. Veeraraghavan, and S.M. G. Narasiman, “Structured light 3D scanning in the presence of global illumination,” CVPR2011, pp 713-720, 2011.
In step S3, the first embodiment has described the case where the three distance measurement values do not completely match due to an error during calibration. In the third embodiment, since there is only one projection unit and one imaging unit, a case where they do not match due to calibration errors cannot occur. Therefore, the validity can be determined using the calculated distance measurement value itself.

三角測量法を適用する範囲の説明に関する補足について説明する。   The supplement about description of the range which applies a triangulation method is demonstrated.

第3の実施形態では投影部と撮像部がそれぞれ1つで、複数の異なる投影パターン群を投影する場合を想定しているが、それらの異なる複数の投影パターン群それぞれに対して上記の三角測量法に基づく距離計測を行う。よって、異なる投影パターン群の数だけ距離計測結果を得ることができる。 このようにして複数の距離計測結果を得ることで、工程S2〜S6の処理は第1の実施形態とほぼ同じように行うことができるため、説明を省略する。   In the third embodiment, it is assumed that there are one projection unit and one imaging unit, and a plurality of different projection pattern groups are projected. However, the triangulation is performed for each of the plurality of different projection pattern groups. Perform distance measurement based on the law. Therefore, distance measurement results can be obtained for the number of different projection pattern groups. By obtaining a plurality of distance measurement results in this way, the processes in steps S2 to S6 can be performed in substantially the same manner as in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

以上が、本発明の第3実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the third embodiment of the present invention.

[第4の実施形態]
第4の実施形態では、有効性判断手段として、投影部1つと撮像部1つと1組の投影パターン群を投影して三次元計測を行い、計測対象物体の形状に関する情報を利用して、計測された領域への距離計測値が有効であるかを判断する。第4の実施形態に係る距離計測装置の概略構成は、第3の実施形態で説明した図8と同様であるため説明を省略する。第4の実施形態のフローチャートは第3の実施形態で説明した図6とほぼ同様であるため、同様の処理に関しては説明を省略し、差異がある工程S1と工程S3に関して説明する。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, as the effectiveness determination means, one projection unit, one imaging unit, and a set of projection pattern groups are projected to perform three-dimensional measurement, and measurement is performed using information on the shape of the measurement target object. It is determined whether the distance measurement value to the specified area is valid. Since the schematic configuration of the distance measuring apparatus according to the fourth embodiment is the same as that of FIG. 8 described in the third embodiment, the description thereof is omitted. Since the flowchart of the fourth embodiment is almost the same as that of FIG. 6 described in the third embodiment, the description of the same processing will be omitted, and the steps S1 and S3 having differences will be described.

第4の実施形態における工程S1では第3の実施形態と同様に投影部と撮像部1つずつの構成であるが、計測用のパターン群は複数ではなく1つ投影するだけでよい。   The process S1 in the fourth embodiment has a configuration of one projection unit and one imaging unit as in the third embodiment, but only one pattern group for measurement is projected instead of a plurality.

工程S3において、第1〜3の実施形態では複数の距離計測値が一致するかどうかで有効性の判断を行っていたが、第4の実施形態では、計測対象物体に関する形状の情報を用いて有効性を判断する。例えば計測対象物体のCADモデルが既知であるとして、距離計測値との位置合わせを行い、CADモデルとの誤差が閾値以下である領域への距離計測値が有効であると判断する。ただし、上記の有効性判断方法は距離計測結果に対してCADモデルの位置姿勢ずれがなく、形状計測誤差による影響がある場合のみ用いることができる。もし、CADモデルの位置姿勢のずれが生じている場合には、距離計測結果の信頼度が高い点を用いてCADモデルの位置合わせをやり直して、位置姿勢のずれを可能な限り小さくしてから有効性の判断を行うことが望ましい。信頼度の高い点の選び方は、特定の方法に限定されるものではなく、例えばユーザが任意に指定しても良いし、その点が観測された画像輝度の情報に基づいて選んでも良い。   In step S3, in the first to third embodiments, effectiveness is determined based on whether or not a plurality of distance measurement values match. In the fourth embodiment, shape information about the measurement target object is used. Determine effectiveness. For example, assuming that the CAD model of the object to be measured is known, alignment with the distance measurement value is performed, and it is determined that the distance measurement value to the area where the error from the CAD model is equal to or less than the threshold value is valid. However, the above-described validity determination method can be used only when there is no CAD model position / posture shift with respect to the distance measurement result and there is an influence of a shape measurement error. If the position / orientation deviation of the CAD model has occurred, the CAD model is re-aligned using a point with high reliability of the distance measurement result, and the position / orientation deviation is reduced as much as possible. It is desirable to determine the effectiveness. The method of selecting a point with high reliability is not limited to a specific method. For example, the user may arbitrarily specify the point, or may select the point based on information on image luminance at which the point is observed.

第4の実施形態では、計測対象物体のCADモデルを用いて有効性を判断する例を紹介した。本発明はこの例に限られるものではなく、計測対象物体が平面ばかりで構成されているならば、距離計測結果に対して領域毎に平面度を検査して有効性を判断してもよい。また、計測対象物体の法線や曲率の分布やエッジ位置などの情報が得られている場合は、それらに基づいて有効性を判断してもよい。   In the fourth embodiment, an example has been introduced in which effectiveness is determined using a CAD model of a measurement target object. The present invention is not limited to this example, and if the object to be measured is composed only of a flat surface, the effectiveness may be determined by examining the flatness for each region with respect to the distance measurement result. Further, when information such as the normal line of the measurement target object, the curvature distribution, and the edge position is obtained, the effectiveness may be determined based on the information.

以上が、本発明の第4の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the fourth embodiment of the present invention.

[第5の実施形態]
第5の実施形態では、有効性判断手段として、投影部1つと撮像部1つを用いて計測用投影パターンを投影して三次元計測を行った後、多重反射判定用パターンを投影して、多重反射が起きているかどうかを判定する。そして、計測された領域への距離計測値が有効であるかを判断する。第5の実施形態に係る距離計測装置の概略構成は、第3の実施形態で説明した図8と同様である。第5実施形態のフローチャートは第3実施形態で説明した図6とほぼ同様であるため、同様の処理に関しては説明を省略し、差異がある工程S1と工程S3に関して説明する。
[Fifth Embodiment]
In the fifth embodiment, as the effectiveness determination means, after projecting a measurement projection pattern using one projection unit and one imaging unit to perform three-dimensional measurement, projecting a multiple reflection determination pattern, Determine whether multiple reflections are occurring. And it is judged whether the distance measurement value to the measured area | region is effective. The schematic configuration of the distance measuring apparatus according to the fifth embodiment is the same as that of FIG. 8 described in the third embodiment. Since the flowchart of the fifth embodiment is substantially the same as that of FIG. 6 described in the third embodiment, the description of the same processing will be omitted, and the steps S1 and S3 having differences will be described.

第5の実施形態における工程S1では、1つの計測用パターン群を投影し、さらに、多重反射検出用パターンの投影を行う。ここで、多重反射検出用のパターンとは、例えば投影部と撮像部の幾何配置から求められる投影部の画像平面上のエピポーララインと略平行な縞パターンなどである。図9に示すように、計測用パターンの1つPt1に対して、多重反射検出用パターンとして投影部におけるエピポーララインに略平行な縞パターンPt3を投影した計測対象物体を撮像部で観測すると、O3のように1次反射光は奥行きによらず同じ縞パターンとして観測される特性を持つ。一方で、O3のR2のように、投影した縞パターンが一度物体表面内で反射してから観測される2次以上の反射光は、この縞パターンとは異なる角度のラインとして撮像される。このようなエピポーララインの特性を利用して、工程S3では縞パターンと異なる角度のラインが観測される部分は、多重反射が観測されているとして、対応する距離計測値を無効であると見なす。逆に、縞パターンと同じ角度のラインが観測される部分は、対応する距離計測結果を有効であるとする。   In step S1 in the fifth embodiment, one measurement pattern group is projected, and further, a multiple reflection detection pattern is projected. Here, the pattern for detecting multiple reflections is, for example, a stripe pattern substantially parallel to the epipolar line on the image plane of the projection unit obtained from the geometric arrangement of the projection unit and the imaging unit. As shown in FIG. 9, when the measurement target object obtained by projecting a stripe pattern Pt3 substantially parallel to the epipolar line in the projection unit as a multiple reflection detection pattern with respect to one measurement pattern Pt1 is observed by the imaging unit. As described above, the primary reflected light has a characteristic of being observed as the same stripe pattern regardless of the depth. On the other hand, second-order or higher-order reflected light that is observed after the projected fringe pattern is once reflected within the object surface, such as R3 of O3, is imaged as a line having an angle different from that of the fringe pattern. Utilizing such epipolar line characteristics, in step S3, a portion where a line having an angle different from that of the fringe pattern is observed is regarded as invalid for the corresponding distance measurement value, assuming that multiple reflection is observed. On the contrary, it is assumed that the corresponding distance measurement result is valid for a portion where a line having the same angle as the stripe pattern is observed.

以上が、本発明の第5実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the fifth embodiment of the present invention.

[第6の実施形態]
第6の実施形態では、工程S5における終了判定条件として、任意の総計測時間Tを経過していることとする。よって計測時間Tを越えていなければ工程S1へ戻り、工程S4で更新した投影パターンを用いて処理を繰り返し、Tを越えていれば、工程S6へ進む。第6の実施形態に係る距離計測装置の概略構成は第1の実施形態で説明した図1と同様であり、フローチャートも第1の実施形態で説明した図6と同様であるため、説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
In the sixth embodiment, it is assumed that an arbitrary total measurement time T has elapsed as the end determination condition in step S5. Therefore, if the measurement time T has not been exceeded, the process returns to step S1, the process is repeated using the projection pattern updated in step S4, and if it exceeds T, the process proceeds to step S6. The schematic configuration of the distance measuring apparatus according to the sixth embodiment is the same as that of FIG. 1 described in the first embodiment, and the flowchart is also the same as that of FIG. 6 described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. To do.

以上が、本発明の第6の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the sixth embodiment of the present invention.

[第7の実施形態]
第7の実施形態では、工程S5における終了判定条件として、指定された距離計測結果が得られていることとする。例えば、指定された領域の距離計測点の数が一定数を越えていなければ工程S1へ戻り、工程S4で更新した投影パターンを用いて処理を繰り返し、一定数を越えていれば、工程S6へ進む。第7の実施形態に係る距離計測装置の概略構成は第1の実施形態で説明した図1と同様であり、フローチャートも第1の実施形態で説明した図6と同様であるため、説明を省略する。
[Seventh Embodiment]
In the seventh embodiment, it is assumed that a designated distance measurement result is obtained as the end determination condition in step S5. For example, if the number of distance measurement points in the designated area does not exceed a certain number, the process returns to step S1, and the process is repeated using the projection pattern updated in step S4. If the number exceeds a certain number, the process proceeds to step S6. move on. The schematic configuration of the distance measuring apparatus according to the seventh embodiment is the same as that of FIG. 1 described in the first embodiment, and the flowchart is also the same as that of FIG. 6 described in the first embodiment, so the description is omitted. To do.

第7の実施形態では、指定された領域の距離計測点の数を終了判定条件の判定基準とする例を紹介した。本発明はこの例に限られるものではなく、ユーザに距離計測結果を提示して、繰り返しを行うかどうかをインタラクティブに決定してもよいし、距離計測結果が別のシステムの入力として適切であるかどうかで判定してもよい。   In the seventh embodiment, an example has been introduced in which the number of distance measurement points in the designated area is used as the determination criterion for the end determination condition. The present invention is not limited to this example. The distance measurement result may be presented to the user to interactively determine whether or not to repeat, and the distance measurement result is appropriate as an input to another system. It may be determined whether or not.

以上が、本発明の第7の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the seventh embodiment of the present invention.

[第8の実施形態]
第8の実施形態では、工程S5における終了判定条件として、過去の距離計測結果と今回新たに計測した距離計測結果との比較に基づいて判定を行う。例えば、N回繰り返して得られた距離計測結果において、N−1回目の距離計測結果と比較して、新たに計測できた点の数や割合などが一定の基準を越えていれば工程S1へ戻り、工程S4で更新した投影パターンを用いて処理を繰り返す。一定の基準を下回り収束していると見なされれば、工程S6へ進む。第8の実施形態に係る距離計測装置の概略構成は第1の実施形態で説明した図1と同様であり、フローチャートも第1実施形態で説明した図6と同様であるため、説明を省略する。
[Eighth Embodiment]
In the eighth embodiment, as an end determination condition in step S5, determination is performed based on a comparison between a past distance measurement result and a distance measurement result newly measured this time. For example, in the distance measurement result obtained repeatedly N times, if the number or ratio of newly measured points exceeds a certain standard as compared with the N-1th distance measurement result, the process proceeds to step S1. Returning, the process is repeated using the projection pattern updated in step S4. If it is considered that the laser beam has converged below a certain standard, the process proceeds to step S6. The schematic configuration of the distance measuring apparatus according to the eighth embodiment is the same as that of FIG. 1 described in the first embodiment, and the flowchart is also the same as that of FIG. 6 described in the first embodiment. .

第8の実施形態では、N回繰り返して得られた距離計測結果において、N−1回目の距離計測結果と比較する例を紹介した。本発明はこの例に限られるものではなく、過去のいずれかK回目の距離計測結果との比較を行ってもよいし、過去の複数の距離計測結果に基づいて判定してもよい。   In the eighth embodiment, an example has been introduced in which the distance measurement result obtained by repeating N times is compared with the N-1th distance measurement result. The present invention is not limited to this example, and may be compared with any Kth distance measurement result in the past, or may be determined based on a plurality of past distance measurement results.

以上が、本発明の第8の実施形態に係る距離計測装置の説明である。   The above is the description of the distance measuring device according to the eighth embodiment of the present invention.

[その他の実施形態]
前半に述べた第2〜5の実施形態は、いずれも有効性判断を行う方法に関する変形例である。一方、後半に述べた第6〜8の実施形態は、繰り返し計測における終了判定条件に関する変形例である。これらの有効性判断と終了判定条件は互いに独立に変更させることができるため、第1の実施形態に対して、第2〜5実施形態と第6〜8の実施形態を自由に組み合わせた例として実施してもよい。
[Other Embodiments]
The second to fifth embodiments described in the first half are all modifications related to the method for determining validity. On the other hand, the sixth to eighth embodiments described in the latter half are modified examples regarding the end determination condition in the repeated measurement. Since these validity judgment and end judgment conditions can be changed independently of each other, as an example in which the second to fifth embodiments and the sixth to eighth embodiments are freely combined with the first embodiment. You may implement.

また、第1の実施形態と第2の実施形態を組合せて、投影部と撮像部を共に複数備えてもよいし、さらに第3の実施形態とも組合せて、複数の投影部と撮像部と投影パターンを用いてもよい。このように、第1の実施形態と第2〜5の実施形態をいくつか組み合わせて有効性判断を行ってもよいし、第6〜8実施形態を組合せたり、AND条件OR条件などを用いたりして終了判定条件としてもよい。   In addition, a combination of the first embodiment and the second embodiment may include a plurality of projection units and imaging units, or a combination of the third embodiment and a plurality of projection units, imaging units, and projections. A pattern may be used. As described above, the validity determination may be performed by combining some of the first embodiment and the second to fifth embodiments, the sixth to eighth embodiments may be combined, an AND condition OR condition, or the like may be used. Then, the end determination condition may be used.

本発明における第1〜8実施形態において、計測用の投影パターンは例えばグレイコードが挙げられるが、これに限られるものではないことはすでに述べたとおりである。ここでは様々な多重反射への対策という観点で最良の形態となる計測用のパターンについて述べる。光沢性の高い計測対象物体においては、1次反射や2次反射と言っても、その反射方向によって明るさが異なる。例えば光の入射角度と反射角度が等しく正反射方向に反射した光は鏡面反射成分と呼ばれ、他の方向に反射した光(拡散反射成分)に比べ非常に明るく、多重反射した際の影響が大きい。本発明における第1の第2実施形態では他の実施形態と比べて、特にこの多重反射の鏡面反射成分による影響への対処に優れている。なぜなら、第1、第2の実施形態では複数の距離計測系を用いて正反射方向以外の観測を行うことで鏡面反射成分を避けているためである。   In the first to eighth embodiments of the present invention, the projection pattern for measurement includes, for example, a gray code, but is not limited to this, as already described. Here, a measurement pattern which is the best mode from the viewpoint of countermeasures against various multiple reflections will be described. In a measurement target object with high glossiness, brightness differs depending on the reflection direction even if it is called primary reflection or secondary reflection. For example, light that is reflected in the regular reflection direction with the same incident angle and reflection angle of light is called a specular reflection component, which is very bright compared to light reflected in other directions (diffuse reflection component), and is affected by multiple reflections. large. The first and second embodiments of the present invention are particularly excellent in dealing with the influence of the specular reflection component of this multiple reflection compared to the other embodiments. This is because in the first and second embodiments, specular reflection components are avoided by performing observations other than the regular reflection direction using a plurality of distance measurement systems.

一方で、拡散反射成分による多重反射の影響はあまり大きく無いが、計測対象物体の形や投影部、撮像部の位置姿勢関係によっては、三次元計測結果の精度を悪くする恐れがある。多重反射の拡散反射成分への対策としては、以下の文献に示されているように、XOR−04コードのような高周波な(縞の太さが細い)縞パターン群を計測用のパターンとして用いることで、その影響を低減することができる。   On the other hand, the influence of multiple reflection due to the diffuse reflection component is not so great, but the accuracy of the three-dimensional measurement result may be deteriorated depending on the shape of the measurement target object and the position and orientation relationship of the projection unit and the imaging unit. As a countermeasure against the diffuse reflection component of multiple reflection, as shown in the following document, a high-frequency stripe pattern group (thin stripes are thin) such as the XOR-04 code is used as a measurement pattern. Thus, the influence can be reduced.

M. Gupta, A. Agrawal, A. Veeraraghavan, and S. G. Narasimhan, “Structured light 3D scanning in the presence of global illumination,” CVPR2011, pp713−720, 2011
よって、第1、第2実施形態において、計測用パターン群の最良の形態は、投影する計測用パターンを高周波な縞パターン群とすることである。つまり、多重反射の鏡面反射成分と拡散反射成分の両方の影響を低減しながら計測できる領域を拡大できるため、非常に本発明との相性が良い。
M.M. Gupta, A.D. Agrawal, A.A. Veeraraghavan, and S.M. G. Narasiman, “Structured light 3D scanning in the presence of global illumination,” CVPR2011, pp 713-720, 2011.
Therefore, in the first and second embodiments, the best mode of the measurement pattern group is to set the measurement pattern to be projected as a high-frequency fringe pattern group. That is, since the area that can be measured can be expanded while reducing the influence of both the specular reflection component and the diffuse reflection component of multiple reflection, the compatibility with the present invention is very good.

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。また、そのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。   The present invention can also be realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and a computer (or CPU, MPU, or the like) of the system or apparatus reads the program. It is a process to be executed. The program may be provided by being recorded on a computer-readable recording medium.

<実施形態の効果>
第1の実施形態では、投影部と複数の撮像部を用いて、多重反射領域の距離計測を行う。複数の撮像部で計測した結果から距離計測結果を複数求めることで、距離計測結果の有効性を判断する。距離計測値が有効であると判断された領域に対応する投影パターンを消光または減光することによって、次の計測時には、多重反射の影響を低減し、有効な距離計測を行える領域を拡大することができる。特に、第1の実施形態では撮像部を複数用いるため、多くの入力画像が得られ、ロバストかつ計測精度を上げることができる。
<Effect of embodiment>
In the first embodiment, distance measurement of a multiple reflection region is performed using a projection unit and a plurality of imaging units. The effectiveness of the distance measurement result is determined by obtaining a plurality of distance measurement results from the results measured by a plurality of imaging units. By extinguishing or dimming the projection pattern corresponding to the area for which the distance measurement value is determined to be effective, the area where effective distance measurement can be performed is reduced during the next measurement by reducing the influence of multiple reflections. Can do. In particular, in the first embodiment, since a plurality of imaging units are used, many input images can be obtained, and the measurement accuracy can be improved robustly.

第2の実施形態では、撮像部と複数の投影部を用いて、多重反射領域の距離計測を行う。光源の多重化によって複数の投影部で投影することで、計測対象物体をより明るく撮像し、電流ノイズなどの影響を受けにくく、より精度の高い計測を行うことができる。   In the second embodiment, distance measurement of a multiple reflection region is performed using an imaging unit and a plurality of projection units. By projecting with a plurality of projection units by multiplexing light sources, the object to be measured can be imaged brighter, less affected by current noise, etc., and more accurate measurement can be performed.

第3の実施形態では、投影部から異なる計測用パターン群を投影して、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると投影部と撮像部1つずつという少ないハードウェア構成で計測を行うことができる。   In the third embodiment, different measurement pattern groups are projected from the projection unit, and the distance of the multiple reflection region is measured. In this way, measurement can be performed with a small hardware configuration of one projection unit and one imaging unit.

第4の実施形態では、計測対象物体の形状に関する情報に基づいて距離計測結果の有効性を判断し、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると投影部と撮像部1つずつという少ないハードウェア構成で計測を行うことができ、一回の計測に必要な投影撮像枚数も計測用パターン群の枚数だけでよい。   In the fourth embodiment, the effectiveness of the distance measurement result is determined based on information on the shape of the measurement target object, and the distance of the multiple reflection region is measured. In this way, measurement can be performed with a small hardware configuration of one projection unit and one imaging unit, and only the number of measurement pattern groups is required for the number of projection imaging required for one measurement.

第5の実施形態では、多重反射検出用のパターンを投影することで距離計測結果の有効性を判断し、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると投影部と撮像部1つずつという少ないハードウェア構成で計測を行うことができ、一回の計測に必要な投影撮像枚数も計測用パターン群の枚数と多重反射検出用のパターンだけでよい。また、多重反射が検出される領域を容易に視覚的に捉えることができる。   In the fifth embodiment, the effectiveness of the distance measurement result is determined by projecting a pattern for multiple reflection detection, and the distance of the multiple reflection region is measured. In this way, measurement can be performed with a small hardware configuration of one projection unit and one imaging unit, and the number of projection imaging required for one measurement is the same as the number of measurement pattern groups and multiple reflection detection patterns. It's okay. In addition, it is possible to easily visually grasp a region where multiple reflections are detected.

第6の実施形態では、計測にかかる総時間に応じて繰り返しを終了させて、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると、計測にかかる時間を簡単に見積もることができるため、現場のタクトタイムに合わせて、柔軟にシステムを導入することができる。   In the sixth embodiment, the repetition is terminated according to the total time required for measurement, and the distance measurement of the multiple reflection region is performed. In this way, since the time required for measurement can be easily estimated, the system can be flexibly introduced in accordance with the on-site tact time.

第7の実施形態では、距離計測結果に基づいて繰り返しを終了させて、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると、必要な部分の計測が終わり次第繰り返しを終了させられるため、計測目的に対して効率よく計測を終えることができる。   In the seventh embodiment, the repetition is ended based on the distance measurement result, and the distance measurement of the multiple reflection region is performed. In this way, the repetition can be terminated as soon as the measurement of the necessary part is completed, so that the measurement can be efficiently completed for the measurement purpose.

第8の実施形態では、過去の計測結果に基づいて繰り返しを終了させて、多重反射領域の距離計測を行う。このようにすると、ある計測環境において本システムを用いて計測対象物体を計測した場合の計測可能な領域の限界を知ることができる。   In the eighth embodiment, the repetition is terminated based on the past measurement result, and the distance measurement of the multiple reflection region is performed. In this way, it is possible to know the limit of the measurable area when the measurement target object is measured using this system in a certain measurement environment.

1 投影部
11 光源
12 照明光学系
13 表示素子
14 投影光学系
2A 撮像部
21A 撮像レンズ
22A 撮像素子
2B 撮像部
21B 撮像レンズ
22B 撮像素子
3 制御・計算処理部
31 投影パターン制御部
32 画像取得部
33 距離算出部
34 有効性判断部
35 繰り返し制御部
36 パラメータ記憶部
4 計測対象物体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Projection part 11 Light source 12 Illumination optical system 13 Display element 14 Projection optical system 2A Imaging part 21A Imaging lens 22A Imaging element 2B Imaging part 21B Imaging lens 22B Imaging element 3 Control and calculation process part 31 Projection pattern control part 32 Image acquisition part 33 Distance calculation unit 34 Effectiveness determination unit 35 Repeat control unit 36 Parameter storage unit 4 Object to be measured

Claims (12)

計測対象物体にパターン光を投影する、少なくとも一つの投影手段と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物体を撮像する、少なくとも一つの撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された画像に基づいて、前記投影手段または前記撮像手段から、前記計測対象物体への距離を計測する計測手段と、
前記計測された距離が有効であるかを判断する判断手段と、
前記投影されたパターン光のうち、前記判断手段によって距離が有効であると判断された領域に投影されたパターン光の輝度を、消光または減光させる制御手段とを備えることを特徴とする距離計測装置。
At least one projection means for projecting pattern light onto the measurement target object;
At least one imaging means for imaging the measurement target object onto which the pattern light is projected;
A measuring unit that measures a distance from the projection unit or the imaging unit to the measurement target object based on an image captured by the imaging unit;
Determining means for determining whether the measured distance is valid;
The distance measurement comprising: a control means for quenching or dimming the brightness of the pattern light projected on the area of the projected pattern light, the distance of which is judged to be effective by the judging means apparatus.
前記投影手段と前記撮像手段とのうち、いずれかまたは両方を複数備え、
前記計測手段は、前記投影手段または前記撮像手段から、前記計測対象物体までの距離を計測し、
前記判断手段は、前記投影手段と前記撮像手段とのうち、いずれかまたは両方を複数用いて撮像した画像ごとに計測された距離が一致しているかどうかに基づいて、前記計測された距離が有効であるかを判断することを特徴とする請求項1に記載の距離計測装置。
A plurality of either or both of the projection unit and the imaging unit are provided,
The measuring unit measures a distance from the projecting unit or the imaging unit to the measurement target object,
The determination means determines whether the measured distance is effective based on whether or not the measured distances for each of the images picked up by using one or both of the projection means and the imaging means match. The distance measuring device according to claim 1, wherein it is determined whether or not.
前記投影手段は、前記計測対象物体に、複数のパターン光を順次投影し、
前記撮像手段は、前記複数のパターン光が順次投影された計測対象物体を、前記複数のパターン光ごとに順次撮像し、
前記計測手段は、前記撮像されたそれぞれの画像に基づいて、前記投影手段または前記撮像手段から前記計測対象物体への距離をそれぞれの画像ごとに計測し、
前記判断手段は、前記撮像されたそれぞれの画像ごとに計測された距離が一致しているかどうかに基づいて、前記計測された距離が有効であるかを判断することを特徴とする請求項1または2に記載の距離計測装置。
The projection means sequentially projects a plurality of pattern lights onto the measurement target object,
The imaging means sequentially images the measurement target object onto which the plurality of pattern lights are sequentially projected for each of the plurality of pattern lights,
The measurement unit measures the distance from the projection unit or the imaging unit to the measurement target object for each image based on the captured images.
2. The determination unit according to claim 1, wherein the determination unit determines whether the measured distance is valid based on whether or not the measured distances match for each of the captured images. 2. The distance measuring device according to 2.
前記判断手段は、前記計測対象物体の形状に関する情報に基づいて、前記計測手段で計測された、前記撮像手段または前記投影手段から前記計測対象物体までの距離が有効であるかを判断することを特徴とする請求項1に記載の距離計測装置。   The determination unit determines whether the distance from the imaging unit or the projection unit to the measurement target object, which is measured by the measurement unit, is valid based on information on the shape of the measurement target object. The distance measuring device according to claim 1, wherein 更に、請求項1に記載の各手段を1回実行した後に、予め定められた終了判定条件を満たすかどうかを判定する終了判定手段を備え、前記終了判定手段によって終了判定条件を満たさないと判定された場合に、前記投影手段、前記撮像手段、前記計測手段、前記判断手段、前記制御手段、の一連の処理を少なくとも1回繰り返して実行することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の距離計測装置。   Furthermore, after each means according to claim 1 is executed once, it is provided with an end determination means for determining whether or not a predetermined end determination condition is satisfied, and the end determination means determines that the end determination condition is not satisfied. 5. If any of the above is performed, a series of processes of the projection unit, the imaging unit, the measurement unit, the determination unit, and the control unit are repeatedly performed at least once. The distance measuring device according to item 1. 前記終了判定手段は、前記投影手段、前記撮像手段、前記計測手段、前記判断手段、前記制御手段、により行われる一連の処理の繰り返し回数に基づいて、判定を行うことを特徴とする請求項5に記載の距離計測装置。   6. The termination determination unit performs determination based on the number of repetitions of a series of processes performed by the projection unit, the imaging unit, the measurement unit, the determination unit, and the control unit. The distance measuring device described in 1. 前記終了判定手段は、前記投影手段、前記撮像手段、前記計測手段、前記判断手段、前記制御手段、により行われる一連の処理に要する時間に基づいて、判定を行うことを特徴とする請求項5に記載の距離計測装置。   6. The termination determination unit performs determination based on a time required for a series of processing performed by the projection unit, the imaging unit, the measurement unit, the determination unit, and the control unit. The distance measuring device described in 1. 前記終了判定手段は、前記投影手段、前記撮像手段、前記計測手段、前記判断手段、前記制御手段、により行われる処理の結果に基づいて、判定を行うことを特徴とする請求項5に記載の距離計測装置。   The said end determination means performs determination based on the result of the process performed by the said projection means, the said imaging means, the said measurement means, the said determination means, and the said control means, The said determination means is characterized by the above-mentioned. Distance measuring device. 前記終了判定手段は、前記投影手段、前記撮像手段、前記計測手段、前記判断手段、前記制御手段、により行われた過去の計測結果と、今回の計測結果とに基づいて、判定を行うことを特徴とする請求項5に記載の距離計測装置。   The end determination means performs a determination based on the past measurement result and the current measurement result performed by the projection means, the imaging means, the measurement means, the determination means, and the control means. 6. The distance measuring device according to claim 5, wherein 計測対象物体にパターン光を投影する投影工程と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物体を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程において撮像された画像に基づいて、前記計測対象物体への距離を計測する計測工程と、
前記計測された距離が、有効であるかを判断する判断工程と、
前記投影されたパターン光のうち、前記判断工程において、計測された距離が有効であると判断された領域に投影されたパターン光の輝度を、消光または減光させる制御工程と、を有することを特徴とする距離計測方法。
A projection step of projecting pattern light onto the measurement object;
An imaging step of imaging the measurement target object onto which the pattern light is projected;
A measurement step of measuring a distance to the measurement target object based on the image captured in the imaging step;
A determination step of determining whether the measured distance is valid;
A control step of extinguishing or dimming the brightness of the pattern light projected on the region of the projected pattern light that is determined to be effective in the measured distance in the determination step. Characteristic distance measurement method.
請求項10に記載の距離計測方法を実現するためのプログラム。   A program for realizing the distance measurement method according to claim 10. 請求項10に記載の距離計測方法を実現するためのプログラムを記録した記録媒体。   The recording medium which recorded the program for implement | achieving the distance measuring method of Claim 10.
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