JP2016033463A - 三次元測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基準面に参照スポットを形成し撮像部材で取得した画像の参照スポットの移動状態を見て被測定物の存在を測定する三次元測定装置を提供する。
【解決手段】 コヒーレント光により基準面２１ａに基準参照スポット像３１ａが正方格子状に規則的に並んだ基準パターン３０ａが成形される。基準面２１ａに測定対象物が現れその表面に参照スポットが形成されると、画像２１ａにおいては、基準参照スポット像３１ａがエピポーラ線Ｅ上を移動して移動参照スポット像３２ａとなる。画像２１ａを取得する第１フレームからその次の第２フレームにかけて基準参照スポット像３１ａが移動参照スポット像３２ａに移動するまでの移動距離Ｌ１が、移動参照スポット像３２ａと他の基準参照スポット像３１ａとの距離Ｌ２よりも短くなるように撮像条件を設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、基準面に複数の参照スポットを生成し、この参照スポットを撮像手段で取得することで、基準面の手前に現れる被測定物体を検知する三次元測定装置に関する。

特許文献１に、コヒーレント光源を使用して被測定物体を検知する三次元測定装置に関する発明が記載されている。

特許文献１に記載された三次元測定装置は、コヒーレント光源から生成されたランダムスペックルパターンが照明領域に照射され、照明領域からの光応答が画像化ユニットで検知される。被測定物体が照明領域に移動したときに得られるパターン画像と、被測定物体が存在していないときのランダムスペックルパターンの参照画像とでスペックルパターンのずれを検出し、三次元測量法を利用して、被測定物体の三次元マップを構築する、というものである。

特許第５００１２８６号公報

特許文献１に記載された三次元測定装置は、スペックルパターンがランダムに形成され、被測定物体が存在してスペックルパターンがずれたときは、参照画像で設定されていたランダムパターンの特徴の相対ずれを検出するものとなっている。

この方法は、ランダムに配置された多数のスペックルパターンの相対位置関係を予め把握し、それぞれのスペックルパターンがどのように位置ずれしたかを相関アルゴリズムを使用して演算することが必要である。そのため、演算量が多くなり、ＣＰＵの負担が増大し、応答速度を速くするのに限界がある。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、被測定物体を精度良く検知でき、しかも演算量が比較的少なくＣＰＵなどの負担を軽減できる三次元測定装置を提供することを目的としている。

本発明は、コヒーレント光を基準面に照射して複数の参照スポットを形成する光照射部材と、参照スポット像を取得する撮像部材と、判別部とが設けられており、
前記基準面では、複数の参照スポットが基準パターン上で規則的に配列し、被測定物体が前記光照射部と前記基準面との間に位置したときに、前記基準パターン上に位置していた参照スポットが、被測定物体の表面に移動し、
前記判別部では、前記画像上で参照スポット像が移動したら、移動後の参照スポット像が、基準パターン上に位置していた複数の参照スポット像のうちの最も距離が短いものから移動したと判定し、これにより被測定物体の存在が判別されることを特徴とするものである。

本発明の三次元測定装置は、規則的に配列する複数の参照スポットを使用し、画像上でいずれかの参照スポット像の位置に変化が生じたときに、基準パターンにおいて最も近くに存在していた参照スポット像が移動元であると判定する。この判定では、少ない演算量で被測定物体を検知することができる。

本発明の三次元測定装置は、参照スポットが被測定物の表面に移動する際に、前記画像の連続する２つのフレームの間で参照スポット像が移動する距離は、移動後の参照スポット像と基準パターン上の他の参照スポット像との距離よりも短くなるように、撮像条件が決められているものである。

例えば、前記撮像条件は、前記撮像部材の焦点距離（ｆ）、前記光照射部材と前記撮像部材との基線長（Ｂ）、フレームレート（ν）、基準パターンでの参照スポット像の最短ピッチ（ｄ）、ならびに前記基準面から垂直な方向での被測定物体の寸法または移動量、に基づいて決められる。

例えば、後に説明する数１０を使用することで、被測定物の形状と寸法の少なくとも一方を求めることができ、後に説明する数１１を使用することで、被測定物の移動量を求めることができる。

本発明の三次元測定装置では、それぞれの参照スポットは、前記光照射部材から延びる照射線上に位置し、前記撮像部材による撮像方向が、それぞれの前記照射線と所定角を有して対向しており、前記基準パターンに位置していた参照スポットが被測定物体の表面に移動したときに、画像上に現れる参照スポット像が、前記照射線に対応するエピポーラ線上を移動するものとして構成できる。

この場合に、前記基準パターンでは、複数の参照スポットが、互いに直交する行方向と列方向の双方に一定のピッチで配列しており、前記エピポーラ線は前記行方向と前記列方向の双方に対して所定の角度を成すように、基準パターンでの参照スポットの配列方向が決められていることが好ましい。

上記のように、エピポーラ線を行方向と列方向に対して所定の角度を成す向きに設定すると、エピポーラ線に沿う方向で隣り合う参照スポット像のピッチを長く確保でき、参照スポット像の移動量が比較的長くても、基準パターンのどの位置から移動してきたかを判別しやすくなる。

本発明は、基準パターンにおいて参照スポットが規則的な配列となるように配置されており、被測定対象物が存在して画像上で参照スポット像が移動したときに、移動後の参照スポットが基準パターンにおいて最短距離の位置に存在していた参照スポット像から移動したものと判断する。これにより、比較的負担の少ない演算処理で、被測定物体を高精度に検知することができる。

本発明は、画像上で、複数の参照スポット像のどれが移動したかを把握することで、被測定物体の形状と寸法を判別できる。また、画像上で、複数の参照スポット像のどれが移動したかを把握することで、被測定物体の移動を判別できる。

本発明の実施の形態の三次元測定装置を示す斜視図、 図１に示す三次元測定装置を上方から見た平面図、 画像上での参照スポット像の移動を示す説明図、 基準面に形成される参照スポットの配列を示す説明図、 撮像部材の画面に表示された参照スポット像の配列と移動を示す説明図、 （Ａ）（Ｂ）は、参照スポット像とエピポーラ線の向きとの関係を比較する説明図、

図１と図２に示す三次元測定装置１は、基準面２と、この基準面２に対向する光照射部材１０ならびに撮像部材２０を有している。

図１と図２に示す基準面２は平面であるが、基準面２は凹凸を有するものであってもよい。

図１と図２には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ−Ｙ面は基準面２と平行な面であり、Ｘ−Ｚ面は基準面１と垂直な平面である。

光照射部材１０は、コヒーレント光源であるレーザ光源１１と、レーザー光源から発せられる発散光束１４ａを平行光束１４ｂに変換するコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２で変換された平行光束１４ｂが通過する透過型のホログラム素子１３とを有している。レーザ光源１１は、人が目視できない近赤外線の波長領域のレーザ光を発する。あるいは、可視光のレーザ光を発するものであってもよい。

ホログラム素子１３は位相型の回折格子であり、平行光束１４ｂが回折されて、所定の発散角度を有する照射光束１４ｃが形成され、照射光束１４ｃが基準面２に与えられる。照射光束１４ｃが基準面２に照射されると、基準面２に複数の基準参照スポット３１が投影される。複数の基準参照スポット３１は、前記レーザ光がホログラム素子１３で回折されて形成されるものであり、図４に示す例では、基準面２に小丸形状の基準参照スポット３１が形成されている。基準参照スポット３１の形状は小丸に限られるものではなく、任意の形状を選択できる。

図４に示すように、平面である基準面２に形成されている基準参照スポット３１が、規則的な投影パターンに従って配列されて、基準パターン３０が形成される。ここでの「規則的」とは、いずれか１つの基準参照スポット３１に着目したときに、その基準参照スポット３１とそれぞれの方向で隣接する基準参照スポット３１との方向ならびに距離の相対関係が、他の全ての基準参照スポット３１において同じである関係を意味している。

図４に示す基準パターン３０では、基準参照スポット３１が行方向と列方向へ一定のピッチで並ぶ正方格子状に配列している。行方向と列方向は、Ｘ−Ｙ方向に対して傾いた状態で基準参照スポット３１が照射されている。

図２には、光照射部材１０から基準面２に向けて照射される照射光束１４ｃの照射基準線Ｏａが示されている。照射基準線Ｏａは、レーザ光源１１とコリメートレンズ１２ならびにホログラム素子１３の光軸に一致している。照射基準線ＯａはＸ−Ｚ平面と平行な面内に位置しており、図２の平面図に示すように、照射基準線Ｏａは基準面２からの垂直線Ｈに対して９０度未満の角度θを有して配置されている。

ホログラム素子１３から基準面２に延びる照射光束１４ｃの内部には、それぞれの基準参照スポット３１に個別に対応する照射線１５が含まれている。ホログラム素子１３の回折現象で生成された複数の基準参照スポット３１は、それぞれの照射線１５と基準面２との交点に生成される。照射光束１４ｃは発散光であるため、厳密には個々の照射線１５が拡散角を有しているが、光照射部材１０と基準面２との距離を十分に長く確保することで、図２に示すように、照射線１５を互いにほぼ平行な配置関係として表すことができる。

図１では、光照射部材１０と基準面２との間に被測定物体５が入り込んだ状態が示されている。図１では被測定物体５が人の手である。被測定物体５が入り込むと、その表面に参照スポットが投影される。本明細書では、被測定物体５の表面に投影された参照スポットを移動参照スポット３２と呼んでいる。図２に示すように、移動参照スポット３２は、個々の照射線１５と被測定物体５の表面との交点に生成される。

図１と図２に示すように、撮像部材２０はビデオカメラ２１を有している。図２には、ビデオカメラ２１の撮像基準線Ｏｂが示されている。撮像基準線Ｏｂはビデオカメラ２１の撮像視野の中心線であり、カメラレンズの光軸に一致している。撮像基準線Ｏｂは、Ｘ−Ｚ面と平行な面内に位置し、この面内において、撮像基準線Ｏｂは垂直線Ｈと平行に配置されている。その結果、照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂとが、Ｘ−Ｚ面と平行な面内で、角度θを有して対向している。図２に示す実施の形態では角度θは鋭角である。なお、前記角度θを有していれば、照射基準線Ｏａが垂直線Ｈと平行であってもよいし、照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂの双方が垂直線Ｈと非平行であってもよい。また角度θは鋭角に限られるものではない。

図３には、ビデオカメラ２１で撮像された画像２１ａが示されている。画像２１ａには基準参照スポット像３１ａと移動参照スポット像３２ａが映し出されている。ここでの基準参照スポット像３１ａと移動参照スポット像３２ａは、基準参照スポット３１の反射光を取得した像と、移動参照スポット３２の反射光を取得した像を意味している。

照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂとが所定の角度θ（θは鋭角に限られない）で対向している結果、画像２１ａにおいては、移動参照スポット像３２ａが基準参照スポット像３１ａから延びるエピポーラ線Ｅ上に位置する。エピポーラ線Ｅは、画像２１ａにおいて、基準参照スポット像３１ａとその基準参照スポット像３１ａが移動した移動参照スポット像３２ａとを結ぶ仮想の直線である。

図２に示すように、撮像部材２０では、ビデオカメラ２１で取得された画像が、フレーム（コマ）毎にフレームメモリ２２に蓄積される。フレームメモリ２２には複数のフレーム分の画像が蓄積され、新たなフレームの画像が入力されると、最も古いフレームの画像が廃棄される。

フレームメモリ２２に蓄積された画像２１ａはフレーム毎に画像分析部２３に送られて画像が分析され、分析結果が判別部２４に送られる。

次に、前記三次元測定装置１の測定動作について説明する。
三次元測定装置１では、基準面２に基準参照スポット３１が投影されている状態で、ビデオカメラ２１で画像が取得される。その画像は、１フレーム毎にフレームメモリ２２に蓄積され、画像分析部２３では、前後のフレームの画像を比較してどの参照スポットが移動したかが分析される。

図５は、フレーム毎に取得される画像２１ａを説明するものであるが、この図には、互いに直交する横軸ｕと縦軸ｖが付加されている。横軸ｕは、図４に示す基準面２におけるＸ軸に対応し、縦軸ｖは基準面２におけるＹ軸に対応している。画像２１ａにおいて参照スポットが移動するエピポーラ線Ｅは、照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂとの対向状態により決まるもので、必ずしも横軸ｕや縦軸ｖと平行になるものではないが、図２と図５に示す実施の形態では、説明の都合上、参照スポットが移動するエピポーラ線Ｅが、横軸ｕ（Ｘ軸）と平行となるように設定されている。

図５には、図４に示す基準参照スポット３１の反射像である基準参照スポット像３１ａが白抜きの小丸で示されている。基準パターン３０の照射領域に被測定物体５が存在していないときに取得される第１フレームの画像２１ａでは、複数の基準参照スポット像３１ａが、正方格子状に規則的に配列した基準パターン像３０ａを構成している。

第１フレームに続く第２フレームの画像２１ａが取得されたときに、被測定物体５が存在してその表面に移動参照スポット３２が照射されていると、画像２１ａに移動参照スポット像３２ａが現れる。この移動参照スポット３２ａは元の基準参照スポット像３１ａ上を通るエピポーラ線Ｅ上に位置する。図５では、第２フレームの画像２１ａに現れた移動参照スポット像３２ａが黒で塗られた小丸で示されている。

また、既に基準パターン３０の照射領域に存在している人の手などの被測定物体５が、前記照射領域内で動いたときは、移動参照スポット像３２ａが、その移動参照スポット像３２ａの元の位置を通過するエピポーラ線Ｅ上を移動する。

図５に示すように、この三次元測定装置１では、第１フレームの画像２１ａで規則的に配置された基準参照スポット３１ａが動いておらず、次の第２フレームの画像２１ａに移動参照スポット像３２ａが現れたときに、第１フレームの基準参照スポット像３１ａと第２のフレームの測定対象となる移動参照スポット像３２ａとの間のエピポーラ線Ｅ上での移動距離Ｌ１が、第１フレームで既に取得されていた複数の基準参照スポット像３１ａのうちの移動元でない基準参照スポット像３１ａと測定対象である移動参照スポット像３２ａとの最短距離Ｌ２よりも短くなるように（Ｌ１＜Ｌ２となるように）撮像条件が決められている。

また、照射領域内に既に存在する被測定物体５が照射領域内で移動するときも、フレーム間で移動した測定対象となる移動参照スポット像３２ａのエピポーラ線Ｅ上での移動距離Ｌ１が、先のフレームの複数の移動参照スポット像３２ａのうちの移動元でない他の移動参照スポット像３２ａと測定対象となる移動参照スポット像３２ａとの最短距離Ｌ２よりも短くなるように（Ｌ１＜Ｌ２となるように）撮像条件が決められている。

前記条件（Ｌ１＜Ｌ２）は、撮像部材２０の焦点距離（ｆ）、光照射部材１０と撮像部材１０との基線長（Ｂ）、フレームレート（ν）、基準参照スポット３１の最短ピッチ（ｄ）、ならびに基準面２から垂直な方向での被測定物体５の寸法または移動量に依存する。ここで、被測定物体５は通常は人の手であり、その大きさと移動速度、ならびに基準面２に対するＺ方向の操作位置を予め予測できる。そのため、撮像部材２０の焦点距離（ｆ）、光照射部材１０と撮像部材２０との基線長（Ｂ）、フレームレート（ν）、基準参照スポット３１の最短ピッチ（ｄ）を調整することで、前記条件（Ｌ１＜Ｌ２）を満たすことが可能である。

前記条件（Ｌ１＜Ｌ２）が満たされていると、基準面２の手前に被測定物体５が存在して移動参照スポット像３２ａが現れたときに、その直前のフレームで得られた画像２１ａの複数の基準参照スポット像３１ａのうち、移動参照スポット像３２ａから最も近い位置にある基準参照スポット像３１ａを、その移動参照スポット像３２ａの移動元であると特定することができる。

同様に、既に基準面２の手前に位置する被測定物体５が移動し、移動参照スポット像３２ａが移動したときにも、その直前のフレームで得られた画像２１ａの複数の移動参照スポット像３２ａのうち、対象となる移動参照スポット像３２ａから最も近い位置にある移動参照スポット像３２ａを、その移動参照スポット像３２ａの移動元であると特定することができる。

画像２１ａ上で規則的に配列する基準参照スポット像３１ａと移動参照スポット像３２ａには、それぞれが区別できるように予め識別記号が付されている。この識別符号は座標点を表す番号などである。移動参照スポット像３２ａは、移動すると座標点が変るため、識別符号が変化し、対応する移動参照スポット像３２ａの識別符号がフレーム間で相違してしまう。ただし、判別部２４では、移動後の移動参照スポット像３２ａから最も近い距離に存在していた基準参照スポット像３１ａまたは移動参照スポット像３２ａの識別記号が、移動した参照スポット像３２ａのものであると特定することが可能になる。

多数の基準参照スポット像３１ａまたは移動参照スポット像３２ａのうちの移動した参照スポットを特定することで、被測定物体５の形状や、被測定物体５がどの方向へ移動しているかなどを、判別部２４で判別できるようになる。

この特定方法は、ランダムに配列した参照スポットを使用した従来例に比べて演算処理を軽減できる。さらに、画像上でエピポーラ線Ｅを特定できなくても、移動元の基準参照スポット像３１ａを特定できるため、被測定物体５の位置や移動を測定する演算処理を容易に行うことができる。

図５に示す実施の形態では、照射線１５に相当しているエピポーラ線Ｅがｕ軸方向に延びているが、基準パターン像３０ａの行方向と列方向は、ｕ軸とｖ軸と平行になっていない。すなわちエピポーラ線Ｅは、行方向ならびに列方向に角度を有して延びている。基準パターン像３０ａとエピポーラ線Ｅとの関係がこのように設定されていると、前記条件（Ｌ１＜Ｌ２）を、さらに設定しやすくなる。

図６（Ａ）は、エピポーラ線Ｅと、基準パターン像３０ａの行方向とが一致している例を示し、図６（Ｂ）は、エピポーラ線Ｅが、行方向と列方向に対して４５度の角度に延びている例を示している。図６（Ａ）では、基準参照スポット像３１ａとその次のフレームで得られた移動参照スポット像３２ａとの距離が（ｄ／２）を超えないように前後のフレームの取得時間を設定しないと、移動参照スポット像３２ａがどの基準参照スポット像３１ａから移動したのかが解らなくなる。（ｄ）は基準参照スポット像３１ａの配列ピッチである。

これに対し、図６（Ｂ）では、移動参照スポット像３２ａと基準参照スポット像３１ａとの距離が（ｄ／２）を超えたとしても、最短距離に有った基準参照スポット像３１ａを移動元であると特定することができる。

よって、エピポーラ線Ｅの方向を、行方向と列方向に対して４５度±β（βは４５度未満）の角度に設定しておくことで、フレームレートが低くても、移動参照スポット像３２ａの最短距離に有った基準参照スポット像３１ａを移動元である、と特定できるようになる。

図５に示す例のように、移動参照スポット像３２ａが現れたときに、または移動参照スポット像３２ａが移動したときに、その移動参照スポット像３２ａが、移動元の基準参照スポット像３１ａを中心とした一辺の長さが（ｄ）である四角形領域３５の内部に位置するようにフレームレートやその他の撮像条件を設定すれば、移動参照スポット像３２ａから最短に位置していた基準参照スポット像３１ａを移動元であると特定することが可能である。

次に、前記条件（Ｌ１＜Ｌ２）を成立させるためのパラメータを説明する。
図５に示すように、基準パターン像３０ａ上では基準参照スポット像３１ａが正方格子状に配列しており、行方向と列方向での基準参照スポット像３１ａのピッチがｄである。エピポーラ線Ｅの向きはｕ軸と平行であり、エピポーラ線Ｅと行方向の成す角度はΦである。Φは、−（π／４）＜Φ≦（π／４）である。

以下では、ｉ行でｊ列に位置する基準参照スポット像３１ａを識別記号α＝（ｉ，ｊ）で表し、行方向においてその前後に位置する基準参照スポット像３１ａの識別記号をそれぞれ、α_＋＝（ｉ，ｊ＋１）、α₋＝（ｉ，ｊ−１）で表している。

時刻ｔ＝ｔ_ｋ−１のフレームにおけるα＝（ｉ，ｊ）の基準参照スポット像３１ａの座標を以下の数１とすると、α_＋＝（ｉ，ｊ＋１）とα₋＝（ｉ，ｊ−１）の基準参照スポット像３１ａは、まとめてα_±として、以下の数２で表すことができる。

次のフレーム取得時刻ｔ＝ｔ_ｋ＝ｔ_ｋ−１＋Δｔにおけるα＝（ｉ，ｊ）の基準参照スポット像３１ａの座標は、ｍ´_α（ｔ_ｋ）＝（ｕ´_α（ｔ_ｋ），ｖ´_α（ｔ_ｋ））である。ｕ´_α（ｔ_ｋ）とｖ´_α（ｔ_ｋ）は、以下の数３で表される。

数３におけるＺ_α（ｔ_ｋ−１），Ｚ_α（ｔ_ｋ）は、それぞれ、時刻ｔ_ｋ−１ならびにｔ_ｋにおけるα＝（ｉ，ｊ）の基準参照スポット像３１ａのｕ−ｖ−Ｚの三次元座標上のＺ成分である。なお、ｕ−ｖ座標は画像座標であり、Ｚは世界座標(空間座標)のＺ成分である。すなわちｕ−ｖとＺは別々の座標系である。ｆはビデオカメラ２１の焦点距離であり、Ｂは光照射部材１０と撮像部材２０との基線長である。また、ΔＺ_α（ｔ_ｋ）＝Ｚ_α（ｔ_ｋ）−Ｚ_α（ｔ_ｋ−１）であり、Δｕ’_α（ｔ_ｋ）＝ｕ’_α（ｔ_ｋ）−ｕ’_α（ｔ_ｋ−１）である。

図５に示す距離Ｌ１，Ｌ２は、以下の数４で定義でき、さらに数５に整理できる。

ここで、Ｌ１＜Ｌ２となる条件を探すと、数５から、ｖ´_α（ｔ_ｋ）に対して以下の数６の条件が導かれる。

また、図３を用いてΔＺ_α（ｔ_ｋ）に対する条件式を求めると、２ｆＢｃｏｓΦ−Ｚ_α（ｔ_ｋ−１）ｄ＞０の場合には、以下の数７となる。

２ｆＢｃｏｓΦ−Ｚ_α（ｔ_ｋ−１）ｄ＜０のときは、視差が以下の数８を満たすため、ΔＺ_α（ｔ_ｋ）の上限がなくなり、数９となる。

被測定物体５が存在しているときのＺ成分の範囲をＺ_ｍｉｎ≦Ｚ≦Ｚ_ｍａｘとすると、Ｚ＝Ｚ_ｍｉｎのときに数７は最も厳しい条件を与え、以下の数１０となる。

以上から、焦点距離（ｆ）、基線長（Ｂ）、基準パターン３０ａの配列ピッチ（ｄ）と角度（Φ）ならびに、基準参照スポット像３１ａのＺ方向の移動最短距離（Ｚ_ｍｉｎ）を調整することで、条件（Ｌ１＜Ｌ２）を実現できる。数１０で、条件（Ｌ１＜Ｌ２）を実現することで、どの基準参照スポット像３１ａが動いたかを知ることができ、その結果、被測定物５の寸法と形状とを把握することができる。

なお、被測定物５が既に基準パターン３０の照射領域に有り、
フレーム間で被測定物５が移動する場合には、
ΔＺ_α（ｔ_ｋ）の代わりに、被測定物体５のＺ方向の移動速度であるΔＶ_α（ｔ_ｋ）＝ΔＺ_α（ｔ_ｋ）／Δｔを用いて数１０を書き換えると、以下の数１１となる。数１１のνはフレームレートであり、Δｔ＝１／νである。

以上から、焦点距離（ｆ）、基線長（Ｂ）フレームレート（ν）、基準パターン３０ａの配列ピッチ（ｄ）と角度（Φ）ならびに、基準参照スポット像３１ａのＺ方向の移動最短距離（Ｚ_ｍｉｎ）を調整することで、条件（Ｌ１＜Ｌ２）を実現可能な操作対象の動作速度を定義することができる。数１１で、条件（Ｌ１＜Ｌ２）を実現することで、被測定物５の移動量を把握できる。

前記実施の形態では
、基準参照スポット像３１ａと移動参照スポット像３２ａとの距離Ｌ１を算出して、最も近い距離に存在していた基準参照スポット３１ａと移動参照スポット像３２ａとを関連付けている。しかし、本発明は、基準参照スポット像３１ａおよび移動参照スポット像３２ａの座標を比較することで距離を算出するのではなく、距離の算出手法を変えても良い。具体的には各スポット像の座標変換を行った後に比較を行っても良い。

例えば、光照射部材１０から照射されるスポット像を片方の画像とみなすことで、撮像部材２０とのステレオ系として考えることができる。この場合には、光照射部材１０から出射されるスポット像と撮像部材２０内のスポット像の間の変換を表す射影変換行列を定義することができるため、射影変換を行ってスポット像を整列させた後に距離を算出することができる。

ここでの射影変換行列とは、ステレオ画像間の点の変換行列を意味している。レーザー・カメラ系も、レーザーの投光パターンを片方の画像とみなすことでステレオ系と考えることができるため、投光パターンとカメラ画像内のレーザー点の間の変換を表す射影変換行列を定義することができる。

その際には、各フレームで用いる射影変換行列は、前フレームで求めた射影変換行列を、前後フレーム両方のスポット像に対して用いるものとする。

前後フレームで共通の射影変換行列を用いる理由は、それぞれのフレームで求めた射影変換行列を用いてそれぞれのスポット像を変換したとすると、変換先の基準参照スポット像３１ａが同一であるため、両方のフレームのスポット像が重なることになる。射影変換行列を求める際に、基準参照スポット像３１ａと移動参照スポット像３２ａとが正しく対応付けされていれば問題ないが、対応付けができていない際には変換後のスポット像が行または列ごとずれて重なってしまう。この場合は、フレーム間のスポット像の対応付けは最も近い距離のものを対応付ける最近傍探索というよりも、基準参照スポット像３１ａの対応付けの問題になってしまう。

なお、射影変換は各スポット像を全て含む画像全体に対して一回行うか、または画像を分割し、その分割されたそれぞれの領域で射影変換行列を行い、結果を組み合わせる、のいずれかを選択すれば良い。

射影変換を用いた演算プロセスは以下の通りである。
仮想画像上のα番目の格子点座標を（ｕ_α，ｖ_α）、カメラ画像上の対応する格子点座標を（ｕ´_α，ｖ´_α）、カメラ画像座標を仮想画像に変換する射影変換行列を以下の数１２とすると、変換式は数１３で与えられる。数１３でのｓはスカラーである。

射影変換行列Ｈの自由度は８であり、４つ以上の仮想画像とカメラ画像上の格子点の組があれば、最小二乗法によりＨを求めることができる。

数１４でのＴは配置を示す。

数１５のように定義すると、β≧４の場合に、ｈを数１６のように求めることができる。ここでＷ^＋はＷの疑似逆行列を表す。

この射影変換行列を使用する手法は、被測定物が既にレーザーの照射範囲にあり、フレーム間で被測定物が移動する場合でも同様に計算できる。

１ 三次元測定装置
２ 基準面
５ 被測定物体
１０ 光照射部材
１１ レーザ光源
１２ コリメートレンズ
１３ ホログラム素子
１５ 照射線
２０ 撮像部材
２１ ビデオカメラ
３０ 基準パターン
３０ａ 基準パターン像
３１ 基準参照スポット
３１ａ 基準参照スポット像
３２ 移動参照スポット
３２ａ 基準スポット像
Ｅ エピポーラ線
Ｏａ 照射基準線
Ｏｂ 撮像基準線

Claims (7)

1. コヒーレント光を基準面に照射して複数の参照スポットを形成する光照射部材と、参照スポット像を取得する撮像部材と、判別部とが設けられており、
   前記基準面では、複数の参照スポットが基準パターン上で規則的に配列し、被測定物体が前記光照射部と前記基準面との間に位置したときに、前記基準パターン上に位置していた参照スポットが、被測定物体の表面に移動し、
   前記判別部では、前記画像上で参照スポット像が移動したら、移動後の参照スポット像が、基準パターン上に位置していた複数の参照スポット像のうちの最も距離が短いものから移動したと判定し、これにより被測定物体の存在が判別されることを特徴とする三次元測定装置。
2. 参照スポットが被測定物の表面に移動する際に、前記画像の連続する２つのフレームの間で参照スポット像が移動する距離は、移動後の参照スポット像と基準パターン上の他の参照スポット像との距離よりも短くなるように、撮像条件が決められている請求項１記載の三次元測定装置。
3. 前記撮像条件は、前記撮像部材の焦点距離（ｆ）、前記光照射部材と前記撮像部材との基線長（Ｂ）、フレームレート（ν）、基準パターンでの参照スポット像の最短ピッチ（ｄ）、ならびに前記基準面から垂直な方向での被測定物体の寸法または移動量、に基づいて決められる請求項２記載の三次元測定装置。
4. 以下の数１０を使用することで、被測定物の形状と寸法の少なくとも一方を求める請求項３記載の三次元測定装置。
   ただし、φは基準スポット像の配列方向とエピポーラ線との成す角度、（Ｚ_ｍｉｎ）はスポット像のＺ方向の移動最短距離、Ｚ_α（ｔ_ｋ）は時刻ｔ_ｋにおける基準スポット像のＺ成分である。
5. 以下の数１１を使用することで、被測定物の移動量を求める請求項３記載の三次元測定装置。
   ただし、φは基準スポット像の配列方向とエピポーラ線との成す角度、（Ｚ_ｍｉｎ）はスポット像のＺ方向の移動最短距離、ΔＶ_α（ｔ_ｋ）は時刻ｔ_ｋにおける被測定物体のＺ方向の移動速度である。
6. それぞれの参照スポットは、前記光照射部材から延びる照射線上に位置し、前記撮像部材による撮像方向が、それぞれの前記照射線と所定角を有して対向しており、
   前記基準パターンに位置していた参照スポットが被測定物体の表面に移動したときに、画像上に現れる参照スポット像が、前記照射線に対応するエピポーラ線上を移動する請求項１ないし５のいずれかに記載の三次元測定装置。
7. 前記基準パターンでは、複数の参照スポットが、互いに直交する行方向と列方向の双方に一定のピッチで配列しており、前記エピポーラ線は前記行方向と前記列方向の双方に対して所定の角度を成すように、基準パターンでの参照スポットの配列方向が決められている請求項６記載の三次元測定装置。