JP2016008901A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の安価な構成で、被測定物の三次元形状を測定する。【解決手段】形状測定装置１は、少なくとも３つの光源２と、撮像部と、形状測定部とを備える。光源２は、載置面上の被測定物Ａに対して、異なる方向から異なる色の光を同時に出射することにより、被測定物Ａおよび載置面を照明する。撮像部は、各光源２によって照明される載置面上の照明領域Ｍを撮影し、画像を取得する。照明領域Ｍは、単色領域と、混色領域とを含む。形状測定部は、照明領域Ｍの画像から、単色領域および混色領域をそれぞれ認識し、照明領域Ｍから単色領域および混色領域を差し引くことにより、載置面上で被測定物Ａの三次元形状を特定する特定領域ＳＳを認識し、認識した特定領域ＳＳの形状に基づいて、被測定物Ａの三次元形状を求める。【選択図】図１２

Description

本発明は、被測定物の三次元形状を測定する形状測定装置に関するものである。

医療分野での三次元計測には、ＣＴ（Computed Tomography；コンピュータ断層撮影）やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging；磁気共鳴イメージング）等の医療機器が用いられる。これらの機器では、被測定物にＸ線や電磁波を照射して、被測定物の内部を撮影する。これに対して、被測定物の外形を計測する三次元計測においては、近年、画像処理による測定が盛んに行われており、中でも、ステレオビジョン、レーザープロジェクション、三次元デジタイザ、白色光干渉等、様々な方式が用いられている。

また、位相シフト法を用いて三次元計測を行う装置も提案されている。例えば特許文献１の装置では、被測定物（検査対象物）に対して位相変化光を照射して撮像することで、被測定物の外観（例えば半田の印刷状態）の検査が可能となっている。また、この装置では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を被測定物に順次照射して撮像し、各色の画像を合算することで、カラー画像での三次元計測結果の表示が可能となっている。

特開２０１２−１１７９２０号公報（請求項１、段落〔０００５〕、〔０００６〕、〔０００９〕、〔００１３〕〜〔００２２〕、図１等参照）

ところが、特許文献１では、被測定物の三次元形状を測定するにあたり、被測定物に対して位相変化光を照射する特殊な光源が必要であり、装置のコスト上昇を招く。このため、特殊な光源を用いることなく安価な構成で、被測定物の三次元形状を測定できるようにすることが望まれる。

なお、特許文献１では、光源として、ＲＧＢの光を順次出射するリング照明が用いられているが、これは単にカラー画像を取得する目的で用いられているものであり、取得されるＲＧＢの画像のデータを、被測定物の三次元形状の測定に利用するものではない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、光源の安価な構成で、被測定物の三次元形状を測定することができる形状測定装置を提供することにある。

本発明の一側面に係る形状測定装置は、載置面上の被測定物に対して、異なる方向から異なる色の光を同時に出射することにより、前記被測定物および前記載置面を照明する少なくとも３つの光源と、前記各光源によって照明される前記載置面上の照明領域を撮影し、画像を取得する撮像部と、前記撮像部にて取得された前記照明領域の画像から、前記被測定物の三次元形状を求める形状測定部とを備え、前記照明領域は、単色の照明領域である単色領域と、混色の照明領域である混色領域とを含み、前記形状測定部は、前記照明領域の画像から、前記単色領域および前記混色領域をそれぞれ認識し、前記照明領域から前記単色領域および前記混色領域を差し引くことにより、前記載置面上で前記被測定物の三次元形状を特定する特定領域を認識し、認識した前記特定領域の形状に基づいて、前記被測定物の三次元形状を求める。

少なくとも３つの光源から光が同時に出射されることにより、載置面上の被測定物および載置面が照明される。載置面上の照明領域が撮像部にて撮像されると、形状測定部は、撮像部にて取得された照明領域の画像から単色領域および混色領域をそれぞれ認識し、照明領域から単色領域および混色領域を差し引くことにより、載置面上で被測定物の三次元形状を特定する特定領域を認識し、認識した特定領域の形状に基づいて、被測定物の三次元形状を求める。

このように、載置面上の単色領域および混色領域を認識して特定領域を認識し、その特定領域の形状に基づいて被測定物の三次元形状を求めるため、用いる光源としては、載置面上に単色領域および混色領域を生じさせることができる光源であればよく、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）のように、互いに異なる色の光を出射する一般的な光源を用いることができる。したがって、従来のように位相変化光を出射する特殊な光源を用いることなく、光源の安価な構成で、被測定物の三次元形状を測定することができる。

前記形状測定部は、前記特定領域を、前記各光源による個々の照明に対応して複数認識してもよい。この場合、複数の特定領域の形状に基づいて、被測定物の三次元形状を求めることができるため、三次元形状の測定の精度を向上させることができる。

前記形状測定部は、前記複数の特定領域を、前記被測定物の側面に対応する第１の領域と、前記被測定物の上面に対応する第２の領域とにそれぞれ分け、各特定領域ごとに、前記第１の領域を前記載置面に垂直な平面に逆投影してその上端位置で前記第２の領域とつなげ、各特定領域ごとに得られた形状を結合することにより、前記被測定物の三次元形状を求めてもよい。このようにすることで、形状測定部は、被測定物の三次元形状を確実に求めることができ、特に、被測定物が柱状（角柱）の場合に、その三次元形状を確実に求めることができる。

前記各光源は、前記載置面に平行な面内に位置する円周上であって、前記被測定物を通る前記載置面に垂直な軸上に中心が位置する円周上に位置していてもよい。この場合、被測定物の周囲の異なる方向から異なる色の光で被測定物を確実に照明して、単色領域および混色領域を含む照明領域を載置面上に確実に形成することができる。

前記各光源は、赤、緑、青の各色の光をそれぞれ出射するＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を含んでいてもよい。ＲＧＢの各色光を出射する光源は容易にかつ安価に入手可能なので、これらの光源をＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源として用いて、形状測定装置を容易にかつ安価に構成することができる。

前記Ｒ光源、前記Ｇ光源および前記Ｂ光源は、前記円周上で、周方向に３等分した位置に配置されていてもよい。

この場合、被測定物が切り欠きを有するなどの特殊な形状である場合を除き、被測定物の外表面（載置面との接触面を除く）のどの位置についても、Ｒ光源、Ｇ光源およびＢ光源のいずれかで照明することができ、被測定物の外表面上で照明されない部分が生じることはない。これにより、被測定物の外表面の形状の情報を、被測定物の照明によって載置面上に形成される特定領域の形状に確実に反映させて、被測定物の三次元形状を確実に測定することができる。

前記各光源は、赤、緑、青以外の色の光を出射する別光源をさらに含んでいてもよい。この場合、４色以上の照明光で被測定物および載置面が照明されるため、３色の照明光を用いる場合に比べて、照明光の混色のバリエーションが増大する。これにより、載置面上の照明領域に含まれる混色領域の数、すなわち、特定領域を求める際に必要な情報量が増大する。その結果、特定領域の形状を精度よく求めて、被測定物の三次元形状の測定を精度よく行うことができる。

上記の形状測定装置は、前記円周上での前記各光源の位置を変更する光源位置変更機構をさらに備えていてもよい。

光源位置変更機構により、被測定物の形状に応じて各光源の位置を変更することができるため、被測定物の異なる形状ごとに、被測定物を効率よく照明できる位置に各光源を配置して、三次元形状の測定を行うことができる。

前記撮像部は、前記被測定物を通る前記載置面に垂直な軸上に位置していてもよい。この場合、載置面上に形成される照明領域を、１個の撮像部によって撮影することができ、撮像部の最も少ない数の構成で、上述の効果を得ることができる。

前記撮像部は、前記各光源のそれぞれと対応して設けられており、該形状測定装置は、前記載置面に垂直な方向に、前記各光源および前記各撮像部の位置を一体的に変更する高さ位置変更機構をさらに備えており、前記形状測定部は、前記高さ位置変更機構によって変更される高さごとに、前記各撮像部にて取得される前記照明領域の画像から前記特定領域を認識して、前記被測定物の高さ方向の複数の区間での三次元形状を求め、各区間の三次元形状を結合することにより、前記被測定物の全体の三次元形状を求めてもよい。

高さ位置変更機構によって、載置面に垂直な方向における各光源の位置（高さ位置）が変更されるため、被測定物が切り欠きを有するなどの複雑な形状である場合でも、被測定物を高さ方向の全体にわたって確実に照明することができる（各光源のいずれによっても照明できない部分が生じるということがない）。しかも、高さ位置変更機構によって変更される高さごとに、各光源と対応して設けられる撮像部にて、載置面上の照明領域の画像が取得される。これにより、形状測定部は、高さごとの上記画像から、単色領域、混色領域および特定領域を高さごとに認識して、被測定物の高さ方向の各区間の三次元形状を求めて、被測定物全体の三次元形状を求めることができる。したがって、被測定物が切り欠きを有するなどの特殊な形状であっても、被測定物の三次元形状を確実に測定することができる。

前記各光源から出射される光は、コリメート光であることが望ましい。各光源から被測定物にコリメート光（平行光）を照射することで、被測定物に対する光の照射角度を、被測定物の高さに関係なく一定とすることができる。これにより、上記照射角度と、特定領域の長さとから、被測定物の高さを容易に求めることができ、被測定物の三次元形状の特定が容易となる。

上記の構成によれば、位相変化光を出射する特殊な光源を用いることなく、光源の安価な構成で、被測定物の三次元形状を測定することができる。

本発明の実施の一形態に係る形状測定装置の概略の構成を示す平面図である。 上記形状測定装置の側面図である。 上記形状測定装置の構成を示すブロック図である。 載置面上の照明領域の内訳を示す説明図である。 光の三原色を模式的に示す説明図である。 上面が水平な被測定物の側面図である。 上面が傾いた被測定物の側面図である。 被測定物の三次元形状を測定する流れを示すフローチャートである。 上記載置面上に形成される上記照明領域を、光源ごとに分離して示した説明図である。 ２つの照明領域が上記載置面上で一部重なっている状態を示す説明図である。 ３つの照明領域が上記載置面上で一部重なっている状態を示す説明図である。 上記載置面上で特定領域の周囲の色領域を示す説明図である。 Ｇ光源の照明によって形成される特定領域のうち、被測定物の側面に対応する領域を示す説明図である。 上記特定領域の一部を載置面に垂直な平面に逆投影した状態を示す斜視図である。 上記特定領域のうち、被測定物の上面に対応する領域を示す説明図である。 上記被測定物の斜視図である。 上記形状測定装置の他の構成を示す平面図である。 上記形状測定装置のさらに他の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施の形態に係る形状測定装置によって三次元形状を求める対象となる被測定物の形状を示す斜視図である。 上記形状測定装置の平面図である。 上記形状測定装置の側面図である。 上記形状測定装置のブロック図である。 上記被測定物の三次元形状を測定する流れを示すフローチャートである。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

本実施形態の形状測定装置は、被測定物の三次元形状を測定するものである。測定によって得られる三次元形状のデータは、例えば３Ｄプリンタによる積層造形に利用することができる。つまり、３Ｄプリンタでは、三次元の形状データから層ごとのデータ（スライスデータ）を得て積層造形法により立体造形物を製造するが、このとき用いられる三次元の形状データは、本実施形態の形状測定装置によって取得することができる。以下、本実施形態の形状測定装置について説明する。

（装置の構成）
図１は、本実施形態の形状測定装置１の概略の構成を示す平面図であり、図２は、図１の形状測定装置１の側面図であり、図３は、形状測定装置１の構成を示すブロック図である。形状測定装置１は、複数の光源２と、撮像部３と、形状測定部４と、制御部５とを備えている。制御部５は、形状測定装置１の各部の動作を制御するものであり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成されている。

各光源２は、載置面Ｐ上の被測定物Ａに対して、異なる方向から異なる色の光を同時に出射することにより、被測定物Ａおよび載置面Ｐを照明するものであり、被測定物Ａの上方に配置される少なくとも３つの光源で構成されている。すなわち、各光源２は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の光をそれぞれ出射する光源２Ｒ（Ｒ光源）・２Ｇ（Ｇ光源）・２Ｂ（Ｂ光源）で構成されている。なお、各光源２が出射する光の色は、上記のＲＧＢに限定されるわけではない。例えば、ＲＧＢのいずれかが黄色（Ｙ）であってもよく（例えばＲＢＹの組み合わせでもよく）、３色ともＲＧＢ以外の色であってもよい。

各光源２は、所定の色の光を発光する発光部（例えばＬＥＤ）と、発光部から出射される光をコリメート光（平行光）に変換するコリメート光学系とを有して構成されている。したがって、各光源２から出射される光は、コリメート光となっている。また、各光源２は、水平方向から下向きに例えば４５°の角度でコリメート光を出射し、被測定物Ａを照明する。各光源２から光の出射方向（照明角度）は、図示しない角度調整機構によって調整可能である。

各光源２は、載置面Ｐに平行な面内に位置する円周Ｑ上に位置している。この円周Ｑの中心は、被測定物Ａを通る載置面Ｐに垂直な軸Ｘ上に位置している。なお、上記の軸Ｘは、被測定物Ａの重心を通ることが望ましいが、被測定物Ａを通るのであれば、被測定物Ａの重心からずれていてもよい。本実施形態では、光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、円周Ｑ上で、周方向に３等分した位置に配置されている。

撮像部３は、各光源２によって照明される載置面Ｐ上の照明領域Ｍを撮影し、画像を取得するものであり、例えば各画素ごとにＲＧＢの色を検出可能な３板式のＣＣＤ（Charge Coupled Device）で構成されている。撮像部３では、Ａ／Ｄ変換等の処理が施され、撮影画像のデータとして、ＲＧＢのそれぞれについて、例えば８ビットで０〜２５５のデータが取得される。この撮像部３は、被測定物Ａの上方、つまり、被測定物Ａを通る載置面Ｐに垂直な上記の軸Ｘ上に位置している。

ここで、図４は、載置面Ｐ上の照明領域Ｍの内訳を示している。照明領域Ｍは、単色領域Ｍ１と、混色領域Ｍ２とを含む。単色領域Ｍ１は、単色で照明される領域であり、具体的には、Ｒ単色で照明されるＲ領域、Ｇ単色で照明されるＧ領域、Ｂ単色で照明されるＢ領域を含む。これに対して、混色領域Ｍ２は、混色で照明される領域であり、具体的には、ＲとＧとの混色で照明される（Ｒ＋Ｇ）領域、ＧとＢとの混色で照明される（Ｇ＋Ｂ）領域、ＢとＲとの混色で照明される（Ｂ＋Ｒ）領域、ＲとＧとＢとの混色で照明される（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）領域を含む。図１では、照明領域Ｍの詳細を、Ｒ、Ｇ、Ｂ、（Ｒ＋Ｇ）、（Ｇ＋Ｂ）、（Ｂ＋Ｒ）の記号のみで示している。

図５は、光の三原色を模式的に示している。光が混色する場合、ＲとＧとの混色は黄色（Ｙ）となり、ＧとＢとの混色はシアン（Ｃ）となり、ＢとＲとの混色はマゼンタ（Ｍ）となり、ＲとＧとＢとの混色は白（Ｗ）となる。上記した（Ｒ＋Ｇ）領域、（Ｇ＋Ｂ）領域、（Ｂ＋Ｒ）領域、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）領域は、それぞれ、Ｙ、Ｃ、Ｍ、Ｗで照明される領域に対応する。

形状測定部４は、撮像部３にて取得された照明領域Ｍの画像（データ）から、単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２をそれぞれ認識し、照明領域Ｍから単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を差し引くことにより、載置面Ｐ上で被測定物Ａの三次元形状を特定する特定領域ＳＳ（図１０、図１１参照）を認識し、認識した特定領域ＳＳの形状に基づいて、被測定物Ａの三次元形状を求める。特に、形状測定部４は、上記の特定領域ＳＳを、各光源２による個々の照明に対応して複数認識する（図１１参照）。このような形状測定部４は、例えばＡＳＩＣ（application specific integrated circuit ）などの特定の集積回路で構成することができる。なお、上記の特定領域ＳＳは、各光源２の照明によって載置面Ｐ上に形成される被測定物Ａの影の領域ＳＡに含まれる。

このような形状測定部４は、図３に示すように、各色領域分離部１１と、領域形状認識部１２と、特徴量演算部１３と、逆投影部１４と、結合部１５とを有している。

各色領域分離部１１は、撮像部３にて取得される照明領域Ｍを複数の色領域に分離する。複数の色領域は、上述したＲ領域、Ｇ領域、Ｂ領域の３つの単色領域Ｍ１と、（Ｒ＋Ｇ）領域、（Ｇ＋Ｂ）領域、（Ｂ＋Ｒ）領域、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）領域の４つの混色領域Ｍ２とを含む。ここで、Ｒ領域とは、ＲＧＢのうち、Ｒについてのみ０以外の画素値（画像データの値）を有し、ＧおよびＢについては画素値が０の領域である。同様に、Ｇ領域とは、Ｇについてのみ０以外の画素値を有し、ＢおよびＲについては画素値が０の領域である。Ｂ領域とは、Ｂについてのみ０以外の画素値を有し、ＲおよびＧについては画素値が０の領域である。また、（Ｒ＋Ｇ）領域とは、ＲおよびＧについて０以外の画素値を有し、Ｂについては画素値が０の領域である。（Ｇ＋Ｂ）領域とは、ＧおよびＢについて０以外の画素値を有し、Ｒについては画素値が０の領域である。（Ｂ＋Ｒ）領域とは、ＢおよびＲについて０以外の画素値を有し、Ｇについては画素値が０の領域である。（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）領域とは、Ｒ、Ｇ、Ｂの全てについて０以外の画素値を有する領域である。

領域形状認識部１２は、各色領域分離部１１にて分離された各色領域（単色領域Ｍ１、混色領域Ｍ２）に含まれる画素の数を数え、面積としてデータ化し、これによって各色領域の形状を認識する。また、領域形状認識部１２は、照明領域Ｍから各色領域を差し引いて被測定物Ａの影の領域ＳＡを求めるとともに、さらにこの領域ＳＡに含まれる上述した特定領域ＳＳの形状を認識するが、その詳細については後述する。

特徴量演算部１３は、領域形状認識部１２にて認識された特定領域ＳＳの形状から、特徴量を演算する。上記の特徴量としては、例えば、特定領域ＳＳの幅、長さ、頂点の位置、頂点を挟む２辺のなす角度などがある。また、特定領域ＳＳの長さから被測定物Ａの高さも特徴量として求めることができるが、この点については後述する。

逆投影部１４は、特徴量演算部１３にて得られた特徴量をもとに、特定領域ＳＳを載置面Ｐに垂直な平面に逆投影し、立体形状の面とする。結合部１５は、逆投影部１４にて逆投影された面を結合し、被測定物Ａの立体形状として構築する。

以上、色領域分離部１１から結合部１５までの処理を、画像・立体形状変換アルゴリズムと呼ぶ。

（高さ測定について）
次に、上記した形状測定部４により、載置面Ｐ上の影の領域の形状から、被測定物Ａの高さを求める原理について説明する。

図６は、上面が水平な被測定物Ａの側面図である。なお、ここでは、各光源２（光源２Ｒ・２Ｇ）は、水平方向から下向きに３０°の角度で被測定物Ａを照明しているものとする。

光源２Ｒ・２Ｇからのコリメート光による照明により、被測定物Ａの載置面Ｐ上には、被測定物Ａの影の領域Ｓ１・Ｓ２が形成される。光源２Ｇの照明によって載置面Ｐ上に形成される影の領域Ｓ１の長さをＬ１（ｍｍ）とし、光源２Ｒの照明によって載置面Ｐ上に形成される影の領域Ｓ２の長さをＬ２（ｍｍ）とすると、図６より、被測定物Ａにおける領域Ｓ１側の高さＴ１（ｍｍ）は、Ｌ１・ｔａｎ３０°となり、被測定物Ａにおける領域Ｓ２側の高さＴ２（ｍｍ）は、Ｌ２・ｔａｎ３０°となる。図６のように、被測定物Ａの上面が水平である場合（載置面Ｐと平行な場合）、Ｔ１＝Ｔ２、すなわち、Ｌ１＝Ｌ２となる。

Ｌ１およびＬ２は、被測定物Ａの上方に位置する撮像部３による照明領域Ｍの撮影画像から求めることができる。したがって、形状測定部４（特徴量演算部１３）は、上記画像から、Ｌ１およびＬ２の長さを求めることにより、被測定物Ａの両端の高さＴ１およびＴ２を求めることができ、さらに、被測定物Ａの上面が水平であるか否かを判断することができる。

図７は、上面が傾いた被測定物Ａの側面図である。上面が傾いている場合、Ｌ１≠Ｌ２となり、Ｔ１≠Ｔ２となる。すなわち、形状測定部４は、上記画像から、Ｌ１およびＬ２の長さを求めて、被測定物Ａの両端の高さＴ１およびＴ２を求めることができ、さらに、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２だけ、被測定物Ａの上面が傾いていることを認識できる。

（三次元形状測定）
次に、上記の高さ測定も踏まえて、被測定物Ａの三次元形状を測定する具体的な手法について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。なお、各光源２は、図１および図２のように、水平方向から下向きに４５°の角度で被測定物Ａを照明しているものとする。

まず、被測定物Ａを載置面Ｐ上に載置し、各光源２を同時に点灯して、被測定物Ａおよび載置面Ｐを同時に照明する（＃１）。この照明により、載置面Ｐ上には、ＲＧＢの少なくともいずれかの色を含む照明領域Ｍが形成される。また、この照明領域Ｍの内側には、被測定物Ａの影に相当する領域ＳＡ（図１、図２の斜線部参照）も形成される。

次に、撮像部３は、被測定物Ａの上方から、載置面Ｐ上の照明領域Ｍを撮影し、照明領域Ｍのカラー画像を取得する（＃２）。その後、形状測定部４の各色領域分離部１１は、照明領域ＭのＲＧＢの画像データに基づいて、照明領域Ｍを複数の色領域（単色領域Ｍ１、混色領域Ｍ２）に分離する（＃３）。

次に、領域形状認識部１２は、各色領域分離部１１にて分離された各色領域の形状を認識するとともに、被測定物Ａの形状の特定に必要な特定領域ＳＳおよびその形状を認識する（＃４）。以下、この点についてより具体的に説明する。

図９は、図１で示した各光源２の配置による被測定物Ａの照明によって、載置面Ｐ（図２参照）上に形成される照明領域Ｍａ・Ｍｂ・Ｍｃを、光源２ごとに分離して示したものである。同図のように、照明領域Ｍａ・Ｍｂ・Ｍｃが重なっておらず、それぞれ単色のみの領域で構成される場合、照明領域Ｍａ・Ｍｂ・Ｍｃの内側に形成される、被測定物Ａの影の領域Ｓ１１〜Ｓ１３をさらに細かく分離する情報がないため、影の領域Ｓ１１〜Ｓ１３から被測定物Ａを構成する面の情報を取得することができず、影の領域Ｓ１１〜Ｓ１３に基づいて被測定物の形状を測定することはできない。

一方、図１０は、図１の構成において、光源２Ｂの照明によって形成される照明領域Ｍａと、光源２Ｒの照明によって形成される照明領域Ｍｂとが、載置面Ｐ上で一部重なっている状態を示している。同図のように、載置面Ｐ上で照明領域Ｍａ・Ｍｂを重ねることにより、光源２Ｒによる照明領域Ｍｂとその内側の被測定物の影の領域Ｓ１２との境界に、破線で示す境界線Ｄが現れ、これによって、被測定物Ａの側面の端部位置がわかる。そして、この境界線Ｄが通る被測定物Ａの頂点Ｅを通り、光源２Ｂからの照明方向に垂直な方向に伸びる破線Ｆが、被測定物Ａの下端位置を示すことになる。したがって、この例では、光源２Ｂの照明によって形成される被測定物Ａの影の領域Ｓ１１のうち、破線で囲まれたホームベース型の領域が、被測定物Ａの形状を特定するのに必要な特定領域ＳＳとなる。

図１１に示すように、光源２Ｂの照明によって形成される照明領域Ｍａと、光源２Ｒの照明によって形成される照明領域Ｍｂと、光源２Ｇの照明によって形成される照明領域Ｍｃとを全て重ね合わせた場合、図１０と同様の考察により、破線で囲まれたホームベース形状の３つの領域が、被測定物Ａの形状を特定するのに必要な特定領域ＳＳとなる。

特定領域ＳＳの形状は、照明領域Ｍａ・Ｍｂ・Ｍｃから、特定領域ＳＳの周囲の各色領域（単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２）を差し引くことによって認識することができる。例えば、照明領域Ｍａの内側に形成される特定領域ＳＳの形状については、図１２に示すように、照明領域Ｍａから、特定領域ＳＳの周囲のＲ領域、Ｇ領域、Ｂ領域、（Ｒ＋Ｇ）領域、（Ｇ＋Ｂ）領域、（Ｂ＋Ｒ）領域、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）領域を差し引くことにより、認識することができる。

次に、特徴量演算部１３は、領域形状認識部１２にて認識された特定領域ＳＳの形状から、特定領域ＳＳの幅（照明方向と垂直な方向の長さ）、照明方向の長さ、頂点の位置、頂点を挟む２辺のなす角度を特徴量として求める（＃５）。例えば、図１３に示すように、光源２Ｇの照明による被測定物Ａの影の領域Ｓ１３に含まれる特定領域ＳＳを考えた場合、特徴量演算部１３は、特定領域ＳＳの各頂点ａ１〜ａ５の位置、線分ａ１・ａ５と線分ａ１・ａ２とのなす角度などを求める。なお、上記の角度は、後述する特定領域ＳＳの逆投影を行ったときに、被測定物Ａの上面の１内角に相当する。

また、後述するように、特定領域ＳＳの頂点ａ５は、逆投影によって被測定物Ａの上面の頂点Ａ１の位置にくるため、特徴量演算部１３は、上述した高さ位置の算出方法に従って、頂点Ａ１と頂点ａ５との長さから、被測定物Ａの頂点Ａ１の高さを求める。同様に、特定領域ＳＳの頂点ａ１およびａ２は、それぞれ逆投影によって被測定物Ａの上面の頂点Ａ２およびＡ３の位置にくるため、特徴量演算部１３は、頂点Ａ２と頂点ａ１との長さから、被測定物Ａの頂点Ａ２の高さを求め、頂点Ａ３と頂点ａ２との長さから、被測定物Ａの頂点Ａ３の高さを求める。

特定領域ＳＳに含まれる長方形の頂点ａ３・ａ４は、被測定物Ａの下端の頂点を示すため、次に、上述した逆投影部１４は、頂点Ａ２を通って光源２Ｇの照明方向に沿った破線ｂ１で、頂点ａ２・ａ３・ａ４・ａ５で囲まれる面を谷折して、載置面Ｐに垂直な平面に特定領域ＳＳを逆投影する（＃６）。これにより、図１３に示した特定領域ＳＳのＡ面とＢ面は、図１４に示したＡ面とＢ面に逆投影されることとなる。なお、このときの逆投影によって、図１３に示した特定領域ＳＳのＡ面とＢ面のサイズは若干拡大される。

また、図１５で示した特定領域ＳＳの頂点ａ１・ａ２・ａ５で囲まれる領域は、図１６に示すように、被測定物Ａの上面に相当する。

最後に、結合部１５は、図１４で示したＡ面およびＢ面の上端位置に、図１６で示した上面を結合するとともに、各照明領域Ｍａ・Ｍｂ・Ｍｃに含まれる特定領域ＳＳごとに得られる上記の形状同士を、同一の頂点についてはその位置座標が一致するように結合する（＃７）。これにより、被測定物Ａの三次元形状が決定される。本実施形態の手法によると、被測定物Ａの形状は、一辺が２．３ｍｍ、高さが３ｍｍの三角柱であることが測定できた。また、被測定物Ａの三次元形状が特定されることで、被測定物Ａの外表面上の複数の点の位置座標が３Ｄデータとして最終的に取得される（＃８）。

以上のように、形状測定部４は、少なくとも３つの光源２によって被測定物Ａを照明することによって載置面Ｐ上に形成される照明領域Ｍの撮影画像から、各色領域、すなわち単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を認識し、照明領域Ｍから単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を差し引いて、載置面Ｐ上で被測定物Ａの三次元形状を特定する特定領域ＳＳを認識し、認識した特定領域ＳＳの形状に基づいて、被測定物Ａの三次元形状を求める。したがって、用いる光源２としては、載置面Ｐ上に単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を生じさせることができるものであればよく、本実施形態のように、ＲＧＢを出射する一般的な光源を用いることができる。つまり、従来のように位相変化光を出射する特殊な光源を用いることなく、被測定物Ａの三次元形状を測定することができる。よって、光源２の安価な構成で、被測定物Ａの三次元形状を測定することができる。

特に、３つの光源２を同時に点灯させて被測定物Ａおよび載置面Ｐを照明するため、載置面Ｐ上に、単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を同時に生じさせることができる。これにより、照明領域Ｍから単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を差し引いて上記の特定領域ＳＳを確実に認識でき、認識した特定領域ＳＳの形状に基づいて被測定物Ａの三次元形状を確実に測定することができる。

また、例えば文化財を三次元スキャンして調査や複製を行う場合に、レーザーを使う方法が知られている。しかし、レーザーを使う場合は、その出力にもよるが、管理区域を設けるなどして安全面に配慮する必要がある。つまり、レーザーが外部に漏れて第三者の眼に入射すると、網膜を損傷させるおそれがあるため、レーザが外部に漏れないように安全管理を十分に行う必要がある。これに対して、本実施形態では、ＲＧＢの各色の光を出射する一般的な光源を用いるため、安価、安全で取り扱いが簡単であり、レーザーを使用する場合のように管理区域を設ける必要はない。

また、形状測定部４は、特定領域ＳＳを、各光源２による個々のＲＧＢの照明に対応して複数認識するため、載置面Ｐ上の複数の特定領域ＳＳの形状に基づいて、被測定物Ａの三次元形状を求めることができ、三次元形状の測定の精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、形状測定部４は、図１３で示したように、特定領域ＳＳに含まれる、頂点ａ２・ａ３・ａ４・ａ５からなる長方形の領域（第１の領域）と、図１４で示したように、頂点ａ１・ａ２・ａ５からなる三角形の領域（第２の領域）とを認識し、第１の領域を載置面Ｐに垂直な平面に逆投影して被測定物Ａの側面の形状を求め、その側面の上端位置で被測定物Ａの上面となる第２の領域とつなげ、各特定領域ＳＳごとに得られるこれらの形状を結合することにより、被測定物Ａの三次元形状を求めている。このようにすることで、被測定物が特に柱状（角柱）の場合に、被測定物Ａの三次元形状を確実に求めることができる。

このことから、形状測定部４は、複数の特定領域ＳＳを、被測定物Ａの側面に対応する第１の領域（例えば頂点ａ２・ａ３・ａ４・ａ５からなる長方形の領域）と、被測定物Ａの上面に対応する第２の領域（例えば頂点ａ１・ａ２・ａ５からなる三角形の領域）とにそれぞれ分け、各特定領域ＳＳごとに、第１の領域を載置面Ｐに垂直な平面に逆投影してその上端位置で第２の領域とつなげ、各特定領域ＳＳごとに得られた形状を結合することにより、被測定物Ａの三次元形状を求めているとも言うことができる。

また、各光源２は、載置面Ｐに平行な面内に位置する円周Ｑ上で、被測定物Ａを通る載置面Ｐに垂直な軸Ｘ上に中心が位置する円周Ｑ上に位置しているので、被測定物Ａの周囲の異なる方向から、異なる色の光で被測定物Ａを確実に照明して、載置面Ｐ上に照明領域Ｍを確実に形成することができる。

さらに、各光源２が上記の円周Ｑ上に位置することにより、各光源２の載置面Ｐからの高さが同一となる。各光源２の高さが異なると、載置面Ｐ上に形成される照明領域Ｍおよび被測定物Ａの影の領域ＳＡの形状が煩雑になり、特定領域ＳＳの形状も煩雑になるため、特定領域ＳＳの形状に基づく三次元形状の測定の処理が煩雑となる。しかし、各光源２の高さが同一であるため、特定領域ＳＳの形状の煩雑化およびその形状に基づく三次元形状の測定の煩雑化を回避することができる。

また、各光源２は、ＲＧＢの各色の光をそれぞれ出射する光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを含んでいる。これらはＲＧＢ光を出射するＬＥＤ等の一般的な光源で構成可能であるため、形状測定装置１を容易にかつ安価に構成することができる。

また、光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、円周Ｑ上で、周方向に３等分した位置に配置されているので、被測定物Ａが後述する特殊な形状である場合を除き、被測定物Ａの外表面（載置面Ｐと接触する面を除く）のどの位置についても、光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂのいずれかで照明することができる。これにより、被測定物Ａの外表面の形状の情報を、被測定物Ａの照明によって載置面Ｐ上に形成される特定領域ＳＳの形状に確実に反映させて、被測定物Ａの三次元形状を確実に測定することができる。

また、撮像部３は、被測定物Ａを通る載置面Ｐに垂直な軸Ｘ上に位置しているので、載置面Ｐ上に形成される照明領域Ｍを、１個の撮像部３によって撮影することができ、撮像部３の最も少ない数の構成で、上述の効果を得ることができる。

また、各光源２から出射される光は、コリメート光であり、被測定物Ａに対する光の照射角度が被測定物Ａの高さに関係なく一定となるため、上記の照射角度と特定領域ＳＳの長さとから、被測定物Ａの高さを容易に求めることができ、被測定物の三次元形状の特定が容易となる。

なお、本実施形態では、ＲＧＢの各色の光を出射する光源２として、ＬＥＤを用いているが、このほか、カラーフィルターを用いた光源（白熱電球、ハロゲンランプ等）を用いてもよい。各光源２に蛍光灯を用いることも可能であるが、蛍光灯は駆動周波数で点滅しており、撮像部３での画像の撮影と同期させる必要があるため、制御の煩雑化を回避する観点では、上述したＬＥＤ等を用いることが好ましい。

なお、本実施形態では、ＲＧＢの各色の光を出射する光源２（光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂ）を１組用いているが、２組（計６個）以上用いてもよい。また、光源２の数はＲＧＢ間で同数でなくてもよく、例えば光源２Ｒを２個、光源２Ｇを１個、光源２Ｂを１個用いてもよい。

（装置の他の構成）
図１７は、本実施形態の形状測定装置１の他の構成を示す平面図である。形状測定装置１は、上述したＲＧＢの各色の光を出射する光源２Ｒ・２Ｇ・２Ｂに加えて、Ｙ（イエロー）の光を出射する光源２Ｙを備えていてもよい。光源２Ｙは、ＲＧＢ以外の色の光を出射する別光源である。なお、形状測定装置１は、さらに他の色の光を出射する光源を備えていてもよい。

この構成では、４色以上の照明光で被測定物Ａおよび載置面Ｐが照明されるため、３色の照明光を用いる場合に比べて、照明光の混色のバリエーションが増大する。これにより、載置面Ｐ上の照明領域Ｍに含まれる混色領域Ｍ２の数が増大し、照明領域Ｍから特定領域ＳＳを求める際に必要な情報量が増大する。したがって、特定領域ＳＳの形状を精度よく求めることが可能となり、特定領域ＳＳの形状に基づく被測定物の三次元形状の計測を精度よく行うことが可能となる。

また、図１８は、形状測定装置１のさらに他の構成を示すブロック図である。形状測定装置１は、図３の構成に加えて、光源位置変更機構６と、入力部７とをさらに備えていてもよい。光源位置変更機構６は、上述した円周Ｑ上で、各光源２の位置を変更する駆動機構である。

入力部７は、操作者の入力を受け付けるキーボードやタッチパネルなどの操作部で構成されている。例えば、上記の光源位置変更機構６は、入力部７によって指定された位置に各光源２の位置を変更することになる。

光源位置変更機構６を設けることにより、被測定物Ａの形状に応じて各光源２の位置を円周Ｑ上で変更することができるため、被測定物Ａの異なる形状ごとに、被測定物Ａを効率よく照明できる位置に各光源２を配置して、三次元形状の測定を行うことができる。また、光源位置変更機構６により各光源２の位置を容易に変更できるため、光源２の数の増減（例えば上記した光源２Ｙの追加や削除の場合）にも容易に対応することができる。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下では、実施の形態１と共通する部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。

図１９は、本実施形態において、三次元形状を求める対象となる被測定物Ａの形状を示す斜視図であり、図２０は、本実施形態の形状測定装置１の平面図であり、図２１は、上記形状測定装置１の側面図である。また、図２２は、本実施形態の形状測定装置１のブロック図である。

被測定物Ａは、側面から見てコの字型（横Ｕの字型）の形状となっている。被測定物Ａが直方体の一部を切り欠いた形状である場合、各光源２で被測定物Ａを上方から照明しても、被測定物Ａの切り欠き部分の情報が影（特に特定領域ＳＳ）に反映されない可能性がある。そのため、本実施形態では、以下の構成を採用している。

まず、本実施形態では、図２０に示すように、同一の円周Ｑ上で、光源２Ｒと光源２Ｇとを中心角９０度となる位置に配置し、光源２Ｒおよび光源２Ｇの両者から中心角１３５度をなす位置に光源２Ｂを配置し、水平から下向きに３０度の角度で被測定物Ａに光を照射する構成とした。このように、各光源２の配置位置を実施の形態１の配置から変更することにより、被測定物Ａの周方向において、いずれの光源２でも被測定物Ａが照明されない領域が生じるのを回避することができる。

また、撮像部３は、各光源２のそれぞれと対応して、各光源と一体的に設けられている。このように撮像部３が複数台設けられているため、形状測定部４は、各撮像部３にて取得される画像ごとに、実施の形態１と同様にして照明領域Ｍに含まれる単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を認識することになる。

そして、本実施形態の形状測定装置１は、高さ位置変更機構８をさらに備えている。高さ位置変更機構８は、載置面Ｐに垂直な方向（高さ方向）に、各光源２および各撮像部３の位置を一体的に変更する機構である。各光源２と各撮像部３とが一体的に設けられているため、高さ位置変更機構８によってこれらの位置を高さ方向に変更しても、異なる高さごとに、各光源２の照明によって形成される載置面Ｐ上の照明領域Ｍの画像を、各撮像部３によって取りこぼしなく撮影することができる。

次に、高さ位置変更機構８によって各光源２および各撮像部３の高さ位置を変更しながら、被測定物Ａの三次元形状を測定する具体的な手法について、図２３のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、高さ位置変更機構８により、各光源２および各撮像部３の位置を下限の位置にセットし、実施の形態１で示した＃１〜＃７までの処理を行う。この処理により、被測定物Ａの最下面から、各光源２および各撮像部３の最初の高さに対応する高さ位置までの区間の三次元形状が求まる。なお、＃３の工程、すなわち、照明領域Ｍを複数の色領域に分離する工程では、各撮像部３にて取得される個々の画像を平面的につなぎ合わせることで、各光源２のある高さ位置における１つの照明領域Ｍの画像とし、その後、この照明領域Ｍを複数の色領域に分離すればよい。

続いて、制御部５は、高さ位置変更機構８による高さ位置の変更が終了したか否かを判断する（＃７−１１）。この制御部５の判断は、形状測定部４による影の領域ＳＡの認識結果に基づいて行うことができる。すなわち、形状測定部４が、各撮像部３で取得された画像から照明領域Ｍを認識するとともに、単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を認識し、照明領域Ｍから単色領域Ｍ１および混色領域Ｍ２を差し引いた、被測定物Ａの影の領域ＳＡが載置面Ｐ上に存在すると認識した場合、制御部５は、高さ位置の変更が終了していないと判断する。逆に、影の領域ＳＡが存在しないと形状測定部４が認識した場合、制御部５は、高さ位置の変更が終了したと判断する。

＃７−１１にて、高さ位置の変更が終了していなければ、制御部５は高さ位置変更機構８を制御して、各光源２および各撮像部３を上方に移動させる（＃７−１２）。そして、＃１〜＃７までの処理を再度行う。この処理により、被測定物Ａの第１の高さ位置から、各光源２および各撮像部３の次の高さに対応する第２の高さ位置までの区間の三次元形状が求まる。

以降、高さ位置の変更が終了するまで上記の処理を繰り返し、高さ位置の変更が終了したと制御部５が判断すると、形状測定部４は、高さ方向の各区間ごとに得られた被測定物Ａの形状を、高さ方向に結合する（＃７−１３）。これにより、被測定物Ａの全体の三次元形状が決定される。本実施形態の手法によると、被測定物Ａの形状は、側面から見てコの字型の立体物であることが測定できた。また、被測定物Ａの三次元形状が特定されることで、被測定物Ａの３Ｄデータが最終的に取得される（＃８）。なお、高さ位置変更機構８によって各光源２および各撮像部４を一定速度（例えば３ｍｍ／秒）で連続的に移動させることにより、各区間の三次元形状を高さ方向に連続的につなげることができる。

以上のように、形状測定部４は、高さ位置変更機構８によって変更される高さごとに、＃１〜＃７の処理を行う。＃１〜＃７の処理には、各撮像部３にて取得される照明領域の画像から、単色領域および混色領域をそれぞれ認識し、照明領域から単色領域および混色領域を差し引くことにより特定領域を認識し、特定領域の形状に基づいて、被測定物Ａの高さ方向の一区間での三次元形状を求める処理が含まれる。そして、形状測定部４は、被測定物Ａの高さ方向の各区間の三次元形状を結合することにより、被測定物Ａの全体の三次元形状を求める。

被測定物Ａは、各光源２によって高さ方向の区間ごとに照明されるため、本実施形態のように被測定物Ａが高さ方向の途中に切り欠きを有する形状であっても、その切り欠き部分を照明して、載置面Ｐ上に切り欠き部分を反映させた照明領域を形成することができる。そして、高さ位置変更機構８によって変更される高さごとに、各光源２と対応して設けられる各撮像部３によって、載置面Ｐ上の照明領域の画像が取得される。これにより、形状測定部４は、高さごとの上記画像から、単色領域、混色領域および特定領域を高さごとに認識して、被測定物Ａの高さ方向の各区間の三次元形状を求め、これによって被測定物Ａの全体の三次元形状を求めることができる。したがって、被測定物Ａが切り欠きを有する特殊な形状であっても、被測定物Ａの三次元形状を確実に測定することができる。

また、高さ位置変更機構８により、各撮像部３を上方に移動させながら画像を取得し、高さ方向において画像と画像との間を補間することにより、被測定物Ａが一度に測定できない高さを有する場合でも、その三次元形状を測定することが可能となる。

本発明の形状測定装置は、被測定物の三次元形状を測定する装置に利用可能であり、例えば近年普及してきた３Ｄプリンタのデータ入力装置として利用することが可能である。

１ 形状測定装置
２ 光源
２Ｒ 光源（Ｒ光源）
２Ｇ 光源（Ｇ光源）
２Ｂ 光源（Ｂ光源）
２Ｙ 光源（別光源）
３ 撮像部
４ 形状測定部
６ 光源位置変更機構
８ 高さ位置変更機構
Ａ 被測定物
Ｍ 照明領域
Ｍａ 照明領域
Ｍｂ 照明領域
Ｍｃ 照明領域
Ｍ１ 単色領域
Ｍ２ 混色領域
Ｐ 載置面
Ｑ 円周
ＳＳ 特定領域

Claims (11)

1. 載置面上の被測定物に対して、異なる方向から異なる色の光を同時に出射することにより、前記被測定物および前記載置面を照明する少なくとも３つの光源と、
   前記各光源によって照明される前記載置面上の照明領域を撮影し、画像を取得する撮像部と、
   前記撮像部にて取得された前記照明領域の画像から、前記被測定物の三次元形状を求める形状測定部とを備え、
   前記照明領域は、単色の照明領域である単色領域と、混色の照明領域である混色領域とを含み、
   前記形状測定部は、前記照明領域の画像から、前記単色領域および前記混色領域をそれぞれ認識し、前記照明領域から前記単色領域および前記混色領域を差し引くことにより、前記載置面上で前記被測定物の三次元形状を特定する特定領域を認識し、認識した前記特定領域の形状に基づいて、前記被測定物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記形状測定部は、前記特定領域を、前記各光源による個々の照明に対応して複数認識することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記形状測定部は、前記複数の特定領域を、前記被測定物の側面に対応する第１の領域と、前記被測定物の上面に対応する第２の領域とにそれぞれ分け、各特定領域ごとに、前記第１の領域を前記載置面に垂直な平面に逆投影してその上端位置で前記第２の領域とつなげ、各特定領域ごとに得られた形状を結合することにより、前記被測定物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記各光源は、前記載置面に平行な面内に位置する円周上であって、前記被測定物を通る前記載置面に垂直な軸上に中心が位置する円周上に位置していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 前記各光源は、赤、緑、青の各色の光をそれぞれ出射するＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記Ｒ光源、前記Ｇ光源および前記Ｂ光源は、前記円周上で、周方向に３等分した位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記各光源は、赤、緑、青以外の色の光を出射する別光源をさらに含んでいることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
8. 前記円周上での前記各光源の位置を変更する光源位置変更機構をさらに備えていることを特徴とする請求項４、５または７に記載の形状測定装置。
9. 前記撮像部は、前記被測定物を通る前記載置面に垂直な軸上に位置していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の形状測定装置。
10. 前記撮像部は、前記各光源のそれぞれと対応して設けられており、
    該形状測定装置は、前記載置面に垂直な方向に、前記各光源および前記各撮像部の位置を一体的に変更する高さ位置変更機構をさらに備えており、
    前記形状測定部は、前記高さ位置変更機構によって変更される高さごとに、前記各撮像部にて取得される前記照明領域の画像から前記特定領域を認識して、前記被測定物の高さ方向の複数の区間での三次元形状を求め、各区間の三次元形状を結合することにより、前記被測定物の全体の三次元形状を求めることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の形状測定装置。
11. 前記各光源から出射される光は、コリメート光であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の形状測定装置。

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