JP2015040856A

JP2015040856A - ３ｄスキャナ

Info

Publication number: JP2015040856A
Application number: JP2014144810A
Authority: JP
Inventors: 洋得李; Yotoku Ri; 況何; Kwan Ho
Original assignee: Kinpo Electronics Inc; Cal Comp Electronics and Communications Co Ltd; XYZ Printing Inc
Current assignee: Kinpo Electronics Inc; Cal Comp Electronics and Communications Co Ltd; XYZ Printing Inc
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-03-02
Also published as: CN104424662A; US20150054918A1; CN104424662B; US9432655B2

Abstract

【課題】部品構成が単純で、デジタル３Ｄモデルを作成する効率が比較的高く、コストの低い３Ｄスキャナを提供する。
【解決手段】３Ｄスキャナは、光源モジュールと、スクリーンと、回転プラットフォームと、画像取込ユニットと、処理ユニットとを含む。光源モジュールは、光束を出射するよう構成される。光束の伝送経路に配置されたスクリーンは、光源モジュールに面した投影面を有する。３Ｄ物体を搬送する回転プラットフォームは、光源モジュールとスクリーンの間に配置される。３Ｄ物体は、回転軸を中心に複数の方向に回転され、複数の物体影を投影面に形成する。画像取込ユニットは、投影面から物体影を取り込み、複数の物体輪郭画像を取得するよう構成される。処理ユニットは、物体輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、物体輪郭画像に基づいて３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スキャナに関するものであり、特に、３Ｄスキャナに関するものである。

コンピュータ技術の進歩とマルチメディア技術の発展に伴い、コンピュータは、次第に人々の日常生活に必要不可欠な道具となり、画像処理技術の急速な発展によって、３Ｄスキャナ等のコンピュータ周辺画像処理装置が進歩を遂げた。

一般的に、３Ｄスキャナは、現実世界における物体や環境の形状（幾何構造）および外観情報（例えば、色、表面反射率等）を検出し、分析するために用いる道具であり、通常、収集したデータを３Ｄ再構築計算に使用して、実際の物体のデジタルモデルを仮想世界において作成する。これらのデジタルモデルは、応用範囲が非常に広く、例えば、工業デザイン、欠陥検出、リバースエンジニアリング（reverse engineering）、ロボット誘導、地形測定、医学情報、生物情報、犯罪鑑識、デジタルアンティークコレクション、映画制作、ゲーム創作素材、３Ｄ印刷等に応用することができる。

従来の３Ｄスキャナは、通常、少なくとも２つのカメラを使用することによって、再構築したい物体の複数のカラー画像を取り込み、画像処理ソフトウェアを用いてカラー画像の処理を行い、デジタル３Ｄモデルを構築する。このような方法は、概念上、人間が２つの目で感知した画像の重ね合わせから画像の深度を推測する方法と類似しており、カメラと焦点距離の間の空間がわかっている場合、取り込んだ画像をうまく重ねて、深度情報を迅速に推測することができる。このような方法は、画像ピクセルの有効な対応分析（correspondence analysis）に頼り、一般的に、ブラックマッチング法（block matching method）またはエピポーラ幾何アルゴリズム（epipolar geometry algorithm）を用いて実施される。２つのカメラを適用する三次元視覚法は、両眼視法（binocular method）とも称され、三眼視法（trinocular method）や、さらに多くのカメラを適用する他の拡張方法も存在する。しかしながら、このような３Ｄスキャナは、デジタル３Ｄモデルを作成するための画像処理と計算が複雑であるため、コストを有効に下げることができない。

本発明は、部品構成が単純で、デジタル３Ｄモデルを作成する効率が比較的高く、コストの低い３Ｄスキャナを提供する。

本発明は、３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することのできる３Ｄスキャナを提供する。３Ｄスキャナは、光源モジュールと、スクリーンと、回転プラットフォームと、画像取込ユニットと、処理ユニットとを含む。光源モジュールは、光束を出射するよう構成される。スクリーンは、光束の伝送経路に配置され、光源モジュールに面した投影面を有する。回転プラットフォームは、３Ｄ物体を搬送するよう構成され、光源モジュールとスクリーンの間に配置される。回転プラットフォームは、回転軸を中心に３Ｄ物体を複数の方向に回転させ、これらの方向にそれぞれ対応する３Ｄ物体の複数の物体影をスクリーンの投影面に形成するのに適している。画像取込ユニットは、スクリーンの投影面から物体影を取り込み、複数の物体輪郭画像を取得するよう構成される。処理ユニットは、画像取込ユニットに結合され、物体輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、物体輪郭画像に基づいて３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するよう構成される。

本発明は、３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するのに適した３Ｄスキャナを提供する。３Ｄスキャナは、光源モジュールと、回転プラットフォームと、少なくとも１つの画像取込ユニットと、処理ユニットとを含む。光源モジュールは、複数の光束を出射して、平面ライティングカーテン（planar lighting curtain）を形成するよう構成される。回転プラットフォームは、３Ｄ物体を搬送して、３Ｄ物体を平面ライティングカーテンの伝送経路に配置するよう構成される。回転プラットフォームは、回転軸を中心に３Ｄ物体を複数の方向に回転させ、これらの方向にそれぞれ対応する複数の光輪郭を３Ｄ物体の表面に形成するのに適している。画像取込ユニットは、光輪郭を取り込み、複数の光輪郭画像を取得するよう構成される。処理ユニットは、画像取込ユニットに結合され、光輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、光輪郭画像に基づいて３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するよう構成される。

３Ｄ物体は、３Ｄスキャナの回転プラットフォーム上に配置され、３Ｄ物体が回転した時、光源が３Ｄ物体を照射して、３Ｄ物体の影をスクリーンに投影するか、または、視準された光源が３Ｄ物体を照射して、３Ｄ物体の表面に光輪郭を形成し、異なる角度から３Ｄ物体の輪郭を取得する。そして、画像取込ユニットを用いて、異なる角度の輪郭画像を取り込み、処理ユニットを用いて、輪郭画像に基づいて３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。このように、処理ユニットは、３Ｄ物体の輪郭情報を処理するだけでよいため、画像処理や計算を行う際の処理ユニットの負担を大幅に軽減し、且つデジタル３Ｄモデルを作成する３Ｄスキャナの効率を上げることができる。さらに、３Ｄスキャナは、部品配置が単純であるため、製造コストを下げることができる。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

本発明の１つの実施形態に係る３Ｄスキャナの概略部分ブロック図である。本発明の１つの実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの一部の構成要素の概略図である。本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの一部の構成要素の概略図である。本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。

以下、本発明の例示的実施形態が示される添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。ここで使用する「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等の用語は、単に図面における方向を説明するために用いるものであって、本発明を限定する意図はない。また、以下の実施形態において、同一または類似する参照番号は、同一または類似する構成要素を示す。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る３Ｄスキャナの概略部分ブロック図である。図２は、本発明の１つの実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。図１および図２を参照すると、本実施形態において、３Ｄスキャナ１００は、３Ｄ物体１０上で３Ｄモデル構築（3D model construction）を行って、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。３Ｄスキャナ１００は、例えば、３Ｄプリンタに結合され、３Ｄプリンタは、デジタル３Ｄモデルを読み出し、デジタル３Ｄモデルに基づいて３Ｄ物体１０の複製を作成する。本実施形態の３Ｄスキャナ１００は、光源モジュール１１０と、スクリーン１２０と、回転プラットフォーム１３０と、画像取込ユニット１４０と、処理ユニット１５０とを含む。光源モジュール１１０は、光束１１２を出射するよう構成される。本実施形態において、光源モジュール１１０は、発光ダイオード（light-emitting diode, LED）光源を採用する。スクリーン１２０は、光源モジュール１１０に面した投影面１２２を有し、光束１１２の伝送経路に配置される。ここで、３Ｄ物体１０は、スクリーン１２０に影を落とすことにより、投影面１２２に物体影２０を形成する。物体影２０の大きさと３Ｄ物体１０の大きさは、固定比率の関係にある。本実施形態において、固定比率は、実質的に１より大きくてもよい。つまり、物体影２０の大きさは、３Ｄ物体１０の大きさよりも比例して大きくてもよい。３Ｄスキャナ１００は、光源モジュール１１０と３Ｄ物体１０の間の距離および３Ｄ物体１０とスクリーン１２０の間の距離を調整することによって、物体影２０と３Ｄ物体１０の間の大きさの比率を制御して、スクリーン１２０に物体影２０を形成することができる。物体影２０の大きさを３Ｄ物体１０の大きさよりも比例して大きくすることにより、より詳細な物体輪郭画像を得ることができる。

回転プラットフォーム１３０は、３Ｄ物体１０を搬送するよう構成され、光源モジュール１１０とスクリーン１２０の間に配置されるため、３Ｄ物体１０が光束１１２の伝送経路に設置され、光束１１２の伝送を阻止する。光源モジュール１１０によって出射された光束１１２は、安定した輝度を有する。そのため、光源モジュール１１０によって出射された光束１１２が３Ｄ物体１０を照射した時、明確なコントラストを有する物体影２０がスクリーン１２０の後ろに形成される。言及すべきこととして、３Ｄスキャナ１００の光源モジュール１１０、スクリーン１２０および回転プラットフォーム１３０は、直線に沿って配置されるが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、上述した構成要素は、非線形関係に配置されてもよい。例えば、上述した構成要素は、反射により配置されてもよく、または、これらの間に狭角を有してもよい。さらに、３Ｄ物体１０の大きさ、画像取込ユニット１４０のレンズ口径および画像解析度の要件に基づいて、３Ｄスキャナ１００の光源モジュール１１０、スクリーン１２０および回転プラットフォーム１３０の間の距離を調整することにより、より精確なデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

回転プラットフォーム１３０は、回転軸Ａ１を中心に３Ｄ物体１０を複数の方向に回転させるのに適しており、３Ｄ物体１０を光束１１２で照射して、これらの方向にそれぞれ対応する複数の物体影２０をスクリーン１２０に形成する。画像取込ユニット１４０は、回転プラットフォーム１３０が３Ｄ物体１０を回転している間に、スクリーン１２０の投影面１２２から物体影２０を取り込むよう構成される。ここで、画像取込ユニット１４０が物体影２０を取り込んで生成された画像を「物体輪郭画像」として定義する。本実施形態において、画像取込ユニット１４０は、ＣＣＤ（charge coupled device）レンズを用いて物体影２０を取り込むことにより複数の物体輪郭画像を得るカメラであってもよい。もちろん、本発明はこれに限定されない。

処理ユニット１５０は、画像取込ユニット１４０に結合され、物体輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、その物体輪郭画像に基づいて３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するよう構成される。本実施形態において、画像取込ユニット１４０は、例えば、モノクロの画像取込ユニットであり、すなわち、得られる物体輪郭画像は、白黒画像であるため、画像処理および計算を行う際の処理ユニット１５０の負担（loading）を軽減することができる。処理ユニット１５０は、さらに、各物体輪郭画像の最大グレイレベル差（gray level difference）に基づいて対応する物体輪郭線を取得し、物体輪郭線に基づいてデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

本実施形態において、処理ユニット１５０は、記憶装置と、プロセッサとを含んでもよい。記憶装置は、画像取込ユニット１４０によって取り込まれた物体輪郭画像を保存するよう構成され、プロセッサは、記憶装置に保存された物体輪郭画像を処理して、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するよう構成される。さらに、本発明の別の実施形態において、画像取込ユニット１４０および処理ユニット１５０は、例えば、カメラまたはビデオカメラ機能を有するパソコン、ノートパソコン、スマートフォンおよびタブレットＰＣ等の一つのデバイスに統合されてもよいが、本発明はこれに限定されない。さらに、画像取込ユニット１４０は、取り込んだ物体輪郭画像をケーブルまたは無線で処理ユニット１５０に伝送することができる。

詳しく説明すると、処理ユニット１５０は、さらに、回転プラットフォーム１３０に結合され、回転軸Ａ１を中心に３Ｄ物体１０を複数の方向に回転させるよう回転プラットフォーム１３０を制御する。さらに、処理ユニット１５０は、回転軸Ａ１を中心に複数の所定の角度に順番に回転させるよう回転プラットフォーム１３０を制御することによって、３Ｄ物体１０を上述した方向に回転させてもよい。さらに、本実施形態において、回転プラットフォーム１３０は、例えば、回転プラットフォーム１３０の方向を記録するよう構成されたエンコーダ（encoder）を有し、記録した方向は、処理ユニット１５０によって読み出される。このようにして、画像取込ユニット１４０は、回転プラットフォーム１３０が３Ｄ物体１０を所定の角度に回転させる度に、スクリーン１２０から物体影２０の物体輪郭画像を取り込む。上述したステップを繰り返して３Ｄ物体１０の物体輪郭画像を様々な角度で取得し、処理ユニット１５０を用いて、物体輪郭画像を平面座標上の物体輪郭線に変換して、物体輪郭線を方向の座標と一致させることにより、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。

本実施形態において、処理ユニット１５０が回転プラットフォーム１３０を制御して回転軸Ａ１を中心に回転する所定の角度の合計は、１８０度である。つまり、回転プラットフォーム１３０は、３Ｄ物体１０が１８０度完全に回転するまで、３Ｄ物体１０を所定の角度に回転させる。言及すべきこととして、回転プラットフォーム１３０の各回転の所定の角度の大きさは、３Ｄ物体１０の表面輪郭の複雑度によって決定される。３Ｄ物体１０の表面輪郭が複雑になればなるほど、回転プラットフォーム１３０の各回転の所定の角度の大きさが小さくなる。つまり、画像取込ユニット１４０は、より多くの物体輪郭画像を生成する。

一般的に、３Ｄ物体１０を置く時、３Ｄ物体１０を回転プラットフォーム１３０の中心に置いて、３Ｄ物体１０の中心軸が回転プラットフォーム１３０の回転軸Ａ１と実質的に一致するのが理想的である。そのため、回転プラットフォーム１３０の最初の方向に対応する３Ｄ物体１０の最初の物体輪郭画像が、１８０度回転した後の最終方向に対応する３Ｄ物体１０の最終物体輪郭画像と実質的に一致するのが理想的である。

しかしながら、実際の応用では、３Ｄ物体１０の配置にずれが生じて、３Ｄ物体１０の中心軸と回転プラットフォーム１３０の回転軸Ａ１は一致しない。そのため、回転プラットフォーム１３０上の３Ｄ物体１０の最初の方向に対応する最初の物体輪郭画像は、１８０度回転した後の回転プラットフォーム１３０上の最終方向に対応する３Ｄ物体１０の最終物体輪郭画像と実質的に一致することができない。この場合、処理ユニット１５０は、最初の物体輪郭画像と最終物体輪郭画像を比較して、この方向における３Ｄ物体１０の真の物体輪郭画像を取得し、物体輪郭画像の真の中心軸を取得することができる。

また、３Ｄ物体１０が３Ｄ物体１０の中心軸に向かって凹んだ凹部１２を有する場合、画像取込ユニット１４０は、さらに、凹部１２のグレイレベル画像を取り込むことができるため、処理ユニット１５０は、グレイレベル画像の読み出しおよび処理を行って、物体輪郭画像およびグレイレベル画像に基づいて凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。詳しく説明すると、凹部１２が画像取込ユニット１４０に面する位置に３Ｄ物体１０を回転させた時、処理ユニット１５０は、凹部１２のグレイレベル画像を取り込むよう画像取込ユニット１４０を制御するため、処理ユニット１５０は、凹部１２の構造情報を推測して、異なる角度における３Ｄ物体１０の物体輪郭画像および凹部１２のグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

図３は、本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの一部の構成要素の概略図である。言及すべきこととして、本実施形態の３Ｄスキャナ１００は、図２の３Ｄスキャナ１００に類似しているため、上述した実施形態の構成要素の参照番号および内容の一部を本実施形態にも使用して、同一または類似する構成要素を同じ参照番号で示し、同じ技術内容については説明を省略する。省略した部分の説明は、上述した実施形態を参照することができるため、本実施形態では繰り返し説明しない。本実施形態の３Ｄスキャナ１００と図２の３Ｄスキャナ１００の相違点は、以下の通りである。

図１および図３を参照すると、本実施形態において、３Ｄスキャナ１００は、さらに、処理ユニット１５０に結合された補助画像取込ユニット１６０を含む。３Ｄ物体１０は、３Ｄ物体１０の中心軸に向かって凹んだ凹部１２を有し、補助画像取込ユニット１６０は、図３に示すように、凹部１２に面するよう構成されるため、凹部１２のグレイレベル画像を取り込んで、処理ユニット１５０が読み出しおよび処理を行えるようにする。このようにして、処理ユニット１５０は、画像取込ユニット１４０によって取り込まれた物体輪郭画像および補助画像取込ユニット１６０によって取り込まれたグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。例えば、凹部１２が３Ｄ物体１０の上面に設置された時、画像取込ユニット１４０は、図３に示すように、スクリーン１２０に面しているため、画像取込ユニット１４０は、凹部１２のグレイレベル画像を有効に取り込むことができない。ここで、回転プラットフォーム１３０の搬送面に面し、且つ凹部１２に面するよう構成された補助画像取込ユニット１６０は、凹部１２のグレイレベル画像を取り込んで、処理ユニット１５０が読み出しおよび処理を行えるようにすることができる。このようにして、処理ユニット１５０は、画像取込ユニット１４０によって取り込まれた物体輪郭画像および補助画像取込ユニット１６０によって取り込まれたグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

図４は、本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。図５は、本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの一部の構成要素の概略図である。言及すべきこととして、本実施形態の３Ｄスキャナ２００は、図２の３Ｄスキャナ１００に類似しているため、上述した実施形態の構成要素の参照番号および内容の一部を本実施形態にも使用して、同一または類似する構成要素を同じ参照番号で示し、同じ技術内容については説明を省略する。省略した部分の説明は、上述した実施形態を参照することができるため、本実施形態では繰り返し説明しない。図４および図５を参照すると、本実施形態の３Ｄスキャナ２００は、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するのに適している。さらに、３Ｄスキャナ２００は、３Ｄプリンタに結合してもよい。３Ｄプリンタは、デジタル３Ｄモデルの読み出しを行い、デジタル３Ｄモデルに基づいて、例えば、３Ｄ物体１０のサンプルを作成する。本実施形態の３Ｄスキャナ２００は、光源モジュール２１０と、回転プラットフォーム２３０と、少なくとも１つの画像取込ユニット２４０と、処理ユニット２５０とを含む。本実施形態において、光源モジュール２１０は、複数の光束を出射するために使用され、光束が１つに集まって平面ライティングカーテン（planer lighting curtain）２１２を形成する。詳しく説明すると、本実施形態において、光源モジュール２１０は、レーザー光源モジュールであり、複数のレーザー光を出射して、平面レーザーライティングカーテンを形成する。回転プラットフォーム２３０は、３Ｄ物体１０を搬送するために使用され、３Ｄ物体１０を平面ライティングカーテン２１２の伝送経路に設置して、レーザー光の伝送を阻止することにより、３Ｄ物体１０の表面に光輪郭２１４が形成される。

回転プラットフォーム２３０は、回転軸Ａ１を中心に３Ｄ物体１０を複数の方向に回転させるのに適しており、３Ｄ物体１０をレーザー光で照射して、これらの方向にそれぞれ対応する３Ｄ物体１０の複数の光輪郭２１４を３Ｄ物体１０の表面に形成する。画像取込ユニット２４０は、回転プラットフォーム２３０が３Ｄ物体１０を回転させている間、光輪郭２１４を取り込んで、複数の光輪郭画像を取得する。処理ユニット２５０は、画像取込ユニット２４０に結合され、光輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、光輪郭画像に基づいて３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するよう構成される。本実施形態において、画像取込ユニット２４０の数は、複数であってもよく、画像取込ユニット２４０を平面ライティングカーテン２１２の２つの対向する側に対称的に配置することにより、光輪郭画像を異なる角度で取り込む。さらに、画像取込ユニット２４０は、例えば、モノクロ画像取込ユニットであり、すなわち、得られる物体輪郭画像は、白黒画像であるため、画像処理および計算を行う際の処理ユニット２５０の負担を軽減することができる。処理ユニット２５０は、さらに、各光輪郭画像の最大グレイレベル差に基づいて対応する光輪郭線を取得し、光輪郭線に基づいてデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

詳しく説明すると、処理ユニット２５０は、回転プラットフォーム２３０に結合され、回転軸Ａ１を中心に３Ｄ物体１０を複数の方向に回転させるよう回転プラットフォーム２３０を制御する。さらに、処理ユニット２５０は、回転軸Ａ１を中心に複数の所定の角度に順番に回転させるよう回転プラットフォーム２３０を制御することにより、３Ｄ物体１０を上述した方向に回転させることができる。このようにして、回転プラットフォーム２３０が３Ｄ物体１０を所定の角度に回転させる度に、平面ライティングカーテン２１２が３Ｄ物体１０の表面に光輪郭を形成し、画像取込ユニット２４０がその光輪郭を取り込んで、光輪郭画像を取得する。上記のステップを繰り返して３Ｄ物体１０を様々な角度で取得し、処理ユニット２５０を用いて、光輪郭画像を平面座標上の光輪郭線に変換し、光輪郭線と方向の座標を一致させて、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。

上述した実施形態に類似して、本実施形態において、処理ユニット２５０が回転プラットフォーム２３０を制御して回転軸Ａ１を中心に回転する所定の角度の合計は、１８０度である。つまり、回転プラットフォーム２３０は、３Ｄ物体１０が１８０度完全に回転するまで、３Ｄ物体１０を所定の角度に回転させる。そのため、３Ｄ物体１０の中心軸と回転プラットフォーム２３０の回転軸Ａ１が実質的に一致する場合、回転プラットフォーム２３０の最初の方向に対応する３Ｄ物体１０の最初の光輪郭画像は、１８０度回転した最終方向に対応する３Ｄ物体１０の最終光輪郭画像と実質的に一致する。

しかしながら、実際の応用では、おそらく、３Ｄ物体１０の中心軸と回転プラットフォーム２３０の回転軸Ａ１は完全に一致することができず、ずれが生じる。そのため、回転プラットフォーム２３０の最初の方向に対応する３Ｄ物体１０の最初の光輪郭画像は、１８０度回転した回転プラットフォーム２３０の３Ｄ物体１０の最終方向に対応する最終光輪郭画像と実質的に一致することができない。この場合、処理ユニット２５０は、最初の光輪郭画像と最終光輪郭画像を比較して、この方向における３Ｄ物体１０の真の光輪郭画像を取得し、光輪郭画像の真の中心軸を取得することができる。

上述した実施形態に類似して、３Ｄ物体１０が３Ｄ物体１０の中心軸に向かって凹んだ凹部１２を有する場合、画像取込ユニット２４０は、さらに、凹部１２のグレイレベル画像を取り込むことができるため、処理ユニット２５０は、グレイレベル画像の読み出しおよび処理を行って、様々な角度の３Ｄ物体１０の光輪郭画像および凹部１２のグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。詳しく説明すると、凹部１２が画像取込ユニット２４０に面する位置に３Ｄ物体１０を回転させた時、処理ユニット２５０は、凹部１２のグレイレベル画像を取り込むよう画像取込ユニット２４０を制御することにより、凹部１２の画像情報を取得するため、処理ユニット２５０は、グレイレベル画像に基づいて凹部１２の構造情報を推測し、異なる角度における３Ｄ物体１０の物体輪郭画像および凹部１２のグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

また、図５の実施形態において、３Ｄスキャナ２００は、処理ユニット２５０に結合された補助画像取込ユニット２６０を含んでもよい。３Ｄ物体１０は、３Ｄ物体１０の中心軸に向かって凹んだ凹部１２を有し、補助画像取込ユニット２６０は、図５に示すように、凹部１２に面するよう構成されるため、凹部１２のグレイレベル画像を取り込んで、処理ユニット２５０が読み出しおよび処理を行えるようにする。このようにして、処理ユニット２５０は、画像取込ユニット２４０によって取り込まれた光輪郭画像および補助画像取込ユニット２６０によって取り込まれたグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。例えば、凹部１２が３Ｄ物体１０の上面に設置された時、画像取込ユニット２４０は、図５に示すように、回転軸Ａ１に垂直な方向に沿って３Ｄ物体１０に面するため、画像取込ユニット２４０は、凹部１２のグレイレベル画像を有効に取り込むことができない。ここで、回転軸Ａ１に平行な方向に沿って凹部１２に面するよう構成された補助画像取込ユニット２６０は、凹部１２のグレイレベル画像を取り込んで、処理ユニット２５０に凹部１２のグレイレベル画像を提供し、読み出しおよび処理を行えるようにすることができる。このようにして、処理ユニット２５０は、画像取込ユニット２４０によって取り込まれた光輪郭画像および補助画像取込ユニット２６０によって取り込まれたグレイレベル画像に基づいて、凹部１２を有する３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することができる。

図６は、本発明の別の実施形態に係る３Ｄスキャナの概略図である。本実施形態において、３Ｄスキャナ３００もまた、３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するのに適している。３Ｄスキャナ３００は、例えば、３Ｄプリンタに結合され、３Ｄプリンタは、デジタル３Ｄモデルを読み出し、デジタル３Ｄモデルに基づいて、例えば、３Ｄ物体１０のサンプルを作成する。本実施形態の３Ｄスキャナ３００は、回転プラットフォーム３２０と、複数の画像取込ユニット３４０と、処理ユニットとを含む。処理ユニットは、回転プラットフォーム３２０および画像取込ユニット３４０に結合され、これらを制御することができる。本実施形態において、３Ｄ物体１０は、回転プラットフォーム３２０上に配置され、回転プラットフォーム３２０は、回転軸Ａ１を中心に３Ｄ物体１０を複数の方向に回転させるよう構成される。このようにして、画像取込ユニット３４０は、回転プラットフォーム３２０が３Ｄ物体１０を所定の角度に回転させる度に、３Ｄ物体１０の複数の物体画像を異なる角度で同時に取り込む。３Ｄ物体１０が１８０度完全に回転するまで上述したステップを繰り返して、３Ｄ物体１０の物体画像を様々な角度で取得した後、処理ユニットは、例えば、画像処理技術を用いて、画像取込ユニット３４０の共通表示領域における物体画像の３Ｄ座標を計算することにより、物体画像に基づいて３Ｄ物体１０に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。

本実施形態において、画像取込ユニット３４０は、ＣＣＤレンズを用いて３Ｄ物体１０の物体画像を取り込むカメラであってもよい。さらに、画像取込ユニット３４０は、例えば、色彩画像取込ユニットであり、すなわち、得られる物体画像は、多色画像である。もちろん、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、画像取込ユニット３４０は、モノクロ画像取込ユニットであってもよく、すなわち、得られる物体画像は、白黒画像であるため、画像処理および計算を行う際の処理ユニットの負荷を軽減することができる。

３Ｄ物体は、３Ｄスキャナの回転プラットフォーム上に配置され、回転軸を中心に回転する。３Ｄ物体が回転した時、光源が３Ｄ物体を照射して、３Ｄ物体の影をスクリーンに投影するか、または、視準された光源が３Ｄ物体を照射して、３Ｄ物体の表面に光輪郭を形成し、異なる角度から３Ｄ物体の輪郭を取得する。そして、画像取込ユニットを用いて、異なる角度から輪郭画像を取り込み、処理ユニットを用いて、輪郭画像に基づいて３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成する。このように、処理ユニットは、３Ｄ物体の輪郭情報を処理するだけでよいため、画像処理や計算を行う際の処理ユニットの負担を大幅に軽減し、且つデジタル３Ｄモデルを作成する３Ｄスキャナの効率を上げることができる。さらに、３Ｄスキャナは、部品配置が単純であるため、製造コストを下げることができる。

また、３Ｄ物体が３Ｄ物体の中心軸に向かって凹んだ凹部を有する場合、３Ｄスキャナは、画像取込ユニットまたは別の補助画像取込ユニットを使用して、凹部のグレイレベル画像を取り込むため、処理ユニットは、異なる角度に対応する３Ｄ物体の物体輪郭および凹部のグレイレベル画像に基づいてデジタル３Ｄモデルを作成することができ、３Ｄスキャナは、凹部を有する３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを精確に作成することができる。

以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

１０３Ｄ物体
１２凹部
２０物体影
１００、２００、３００３Ｄスキャナ
１１０、２１０光源モジュール
１１２光束
１２０、２２０スクリーン
１２２投影面
１３０、２３０、３２０回転プラットフォーム
１４０、２４０、３４０画像取込ユニット
１５０、２５０処理ユニット
１６０、２６０補助画像取込ユニット
２１２平面ライティングカーテン
２１４光輪郭
Ａ１回転軸

Claims

３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成するのに適した３Ｄスキャナであって、
光束を出射するよう構成された光源モジュールと、
前記光束の伝送経路に配置され、前記光源モジュールに面した投影面を有するスクリーンと、
前記３Ｄ物体を搬送するよう構成されるとともに、前記光源モジュールと前記スクリーンの間に配置され、回転軸を中心に前記３Ｄ物体を複数の方向に回転させて、前記方向にそれぞれ対応する前記３Ｄ物体の複数の物体影を前記スクリーンの前記投影面に形成するよう構成された回転プラットフォームと、
前記スクリーンの前記投影面から前記物体影を取り込み、複数の物体輪郭画像を取得するよう構成された画像取込ユニットと、
前記画像取込ユニットに結合され、前記物体輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、前記物体輪郭画像に基づいて前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成するよう構成された処理ユニットと
を含む３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記回転プラットフォームに結合され、前記回転軸を中心に前記３Ｄ物体を前記各方向に回転させるよう前記回転プラットフォームを制御するとともに、前記処理ユニットが、前記物体輪郭画像に基づいて前記方向に対応する前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記回転プラットフォームが、前記回転軸を中心に複数の所定の角度に順番に回転して、前記３Ｄ物体を前記方向に順番に回転させる請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記所定の角度の合計が、１８０度である請求項３に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記回転プラットフォームの最初の方向における前記３Ｄ物体に対応する最初の物体輪郭画像と、最終的に回転した最終方向における前記３Ｄ物体に対応する最終物体輪郭画像を比較し、前記物体輪郭画像の共通中心軸を取得する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記物体影の大きさと前記３Ｄ物体の大きさが、固定比率の関係にある請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記固定比率が、実質的に１よりも大きい請求項６に記載の３Ｄスキャナ。
前記画像取込ユニットが、モノクロ画像取込ユニットである請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記物体輪郭画像の最大グレイレベル差に基づいて複数の物体輪郭線を取得し、前記物体輪郭線に基づいて前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記３Ｄ物体が、前記３Ｄ物体の中心軸に向かって凹んだ凹部を有し、前記画像取込ユニットが、前記凹部のグレイレベル画像を取り込み、前記処理ユニットが、前記物体輪郭画像および前記グレイレベル画像に基づいて、前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットに結合された補助画像取込ユニットをさらに含み、前記３Ｄ物体が、前記３Ｄ物体の中心軸に向かって凹んだ凹部を有し、前記補助画像取込ユニットが、前記凹部に面し、且つ前記凹部のグレイレベル画像を取り込むよう構成され、前記処理ユニットが、前記物体輪郭画像および前記グレイレベル画像に基づいて、前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１に記載の３Ｄスキャナ。
３Ｄ物体に関連するデジタル３Ｄモデルを作成することのできる３Ｄスキャナであって、
複数の光束を出射して、平面ライティングカーテンを形成するよう構成された光源モジュールと、
前記３Ｄ物体を搬送して、前記３Ｄ物体を前記平面ライティングカーテンの伝送経路に配置するよう構成され、回転軸を中心に前記３Ｄ物体を複数の方向に回転させるのに適し、前記平面ライティングカーテンが、前記方向にそれぞれ対応する前記３Ｄ物体の複数の光輪郭を前記３Ｄ物体の表面に形成する回転プラットフォームと、
前記光輪郭を取り込み、複数の光輪郭画像を取得するよう構成された少なくとも１つの画像取込ユニットと、
前記画像取込ユニットに結合され、前記光輪郭画像の読み出しおよび処理を行って、前記光輪郭画像に基づいて前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成するよう構成された処理ユニットと
を含む３Ｄスキャナ。
前記光源モジュールが、レーザー光源モジュールであり、前記平面ライティングカーテンが、平面レーザーライティングカーテンである請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記回転プラットフォームに結合され、前記回転軸を中心に前記３Ｄ物体を前記各方向に回転させるよう前記回転プラットフォームを制御する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記方向に対応する前記光輪郭画像に基づいて、前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記回転軸が、前記光輪郭画像の中心軸と実質的に重複する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記回転プラットフォームが、前記回転軸を中心に複数の所定の角度に順番に回転して、前記３Ｄ物体を前記各方向に順番に回転させる請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記所定の角度の合計が、１８０度である請求項１７に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記回転プラットフォームの最初の方向における前記３Ｄ物体に対応する最初の光輪郭画像と、最終的に回転した最終方向における前記３Ｄ物体に対応する最終光輪郭画像を比較し、前記光輪郭画像の共通中心軸を取得する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記画像取込ユニットが、モノクロ画像取込ユニットである請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットが、前記光輪郭画像の最大グレイレベル差に基づいて複数の光輪郭線を取得し、前記光輪郭線に基づいて前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記画像取込ユニットの数が、複数であり、前記画像取込ユニットが、前記平面ライティングカーテンの２つの対向する側に対称的に配置される請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記３Ｄ物体が、前記３Ｄ物体の中心軸に向かって凹んだ凹部を有し、前記画像取込ユニットが、前記凹部のグレイレベル画像を取り込み、前記処理ユニットが、前記光輪郭画像および前記グレイレベル画像に基づいて、前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。
前記処理ユニットに結合された補助画像取込ユニットをさらに含み、前記３Ｄ物体が、前記３Ｄ物体の中心軸に向かって凹んだ凹部を有し、前記補助画像取込ユニットが、前記凹部に面し、且つ前記凹部のグレイレベル画像を取り込むよう構成され、前記処理ユニットが、前記光輪郭画像および前記グレイレベル画像に基づいて、前記３Ｄ物体に関連する前記デジタル３Ｄモデルを作成する請求項１２に記載の３Ｄスキャナ。