JP2016503509A - 三次元スキャナと操作方法 - Google Patents

Abstract

三次元スキャナが提供される。スキャナは光パターンを表面上に放射するプロジェクタを含む。光パターンは、１対の対向する鋸歯形状の縁辺と第一の位相を有する第一の領域を含む。１対の対向する鋸歯形状の縁辺と第二の位相を有する第二の領域が光パターン内に設けられ、第二の領域は第一の領域から第一の位相差だけずれている。第三の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有し、第三の位相を有する第三の領域が光パターン内に設けられ、第三の領域は第二の領域から第二の位相差だけずれている。カメラがプロジェクタに連結され、光パターンを受け取るように構成される。プロセッサは、表面上の少なくとも１点の三次元座標を、第一の領域、第二の領域、第三の領域の反射光から決定する。

Description

本願で開示される主旨は三次元スキャナ、特にコード化した構造化光パターンを有する三次元スキャナに関する。

三次元（３Ｄ）スキャナは様々な用途において、物体の三次元コンピュータ画像を生成するため、または物体または人の動きを追跡するために使用される。ある種のスキャナは構造化光パターンを表面上に投影する。この種のスキャナは、相互に周知の幾何学的関係に配置されたプロジェクタとカメラを含む。構造化光パターンからの光はその表面で反射され、デジタルカメラによって記録される。このパターンは構造化されているため、スキャナは三角測量法を使って、投影画像と記録画像との間の対応を測定し、その表面上の点の三次元座標を決定できる。点の座標が計算されたら、その表面の表現が生成されてもよい。

多くの構造化光パターンが３Ｄ画像生成用として提案されている。これらのパターンの多くは、固定位置に保持されたスキャナとの使用に適した一連のパターンから生成された。このようなパターンの例としては、バイナリパターンとグレイコード、位相シフト、照度差によるもの等がある。また別のパターンでは、ストライプインデックスやグリッドインデックス等のインデックス付きの１枚のスライドによるパターンが使用された。しかしながら、ポータブルまたはハンドヘルドスキャナの開発に伴い、これらのパターンの多くは、走査対象の物体に関してスキャナが移動するため、所望のレベルの解像度または精度を実現できないであろう。

既存の三次元スキャナはその所期の目的には適しているが、特に表面上の点の三次元座標を決定する性能を向上させるような構造化光パターンを有する三次元スキャナの提供において、依然として改善が求められている。

本発明の１つの態様によれば、三次元スキャナが提供される。スキャナは、ある素面上に対して光パターンを放射するように構成されたプロジェクタを含む。光パターンは、第一の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有する第一の領域を含み、第一の領域は第一の位相を有する。光パターンには、第二の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有する第二の領域が設けられ、第二の領域は第二の位相を有し、第二の領域は第一の領域から第一の位相差だけずれている。光パターンには、第三の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有する第三の領域が設けられ、第三の領域は第三の位相を有し、第三の領域は第二の領域から第二の位相差だけずれている。カメラがプロジェクタに連結され、表面で反射された光パターンからの光を受け取るように構成されている。プロセッサがカメラに電気的に連結されて、第一の領域、第二の領域、第三の領域の反射光から表面上の少なくとも１点の三次元座標を決定する。

本発明の他の態様によれば、三次元スキャナが提供される。スキャナは筐体とプロジェクタを含む。プロジェクタは筐体内に配置され、第一の複数の領域を有する光パターンを放射するように構成される。第一の複数の領域の各々は第一の対の鋸歯形状の縁辺を有し、第一の複数の領域は等間隔の所定の数の位相を含み、等間隔の位相は第一の複数の領域の長さに沿って第一の方向に相互にずれている。デジタルカメラが筐体内に配置され、表面で反射された光パターンからの光を受け取るように構成されている。プロセッサが通信のためにデジタルカメラに連結され、プロセッサは実行可能なコンピュータ命令に応答し、この命令は、プロセッサ上で実行されると、光パターンからの光を受け取ったことに応じて表面上の少なくとも１点の三次元座標を決定する。

本発明のまた別の態様によれば、表面上の点の三次元座標を決定する方法が提供される。この方法は、プロジェクタから光パターンを放射するステップを含み、光パターンは各々が１対の鋸歯形状の縁辺を有する第一の複数の領域を含み、第一の複数の領域の中の隣接する領域同士が異なる位相を有し、プロジェクタは発光面を有する。表面で反射された光パターンからの光がデジタルカメラで受け取られ、デジタルカメラは画像面を有し、デジタルカメラとプロジェクタは基準線の距離だけ離間されている。光パターンの画像が画像面上で得られる。画像上の少なくとも１つの中心が、第一の複数の領域の少なくとも１つについて決定される。画像エピポーラ線が、画像面上のその少なくとも１つの中心を通るように画定される。光源面上で、その少なくとも１つの中心に対応する少なくとも１つの画像点が決定される。光源エピポーラ線が、光源面上のその少なくとも１つの画像点でそれを通るように画定される。少なくとも部分的に、その少なくとも１つの中心、少なくとも１つの画像点、基準線の距離に基づいて、表面上の少なくとも１つの点についての三次元座標が決定される。

上記およびその他の利点と特徴は、以下の説明を図面と併せて読むことにより明らかとなるであろう。

本発明とみなされる主旨は、明細書の末尾にある特許請求の範囲で具体的に指摘され、明確に請求されている。本発明の上記およびその他の特徴と利点は、後述の詳細な説明を以下のような添付の図面と併せて読むことにより明らかとなる。

本発明のある実施形態による３Ｄスキャナの斜視図である。 図１の３Ｄスキャナの概略図である。 図１の装置の動作を示す概略図である。 図１の装置の動作を示す概略図である。 本発明のある実施形態による構造化光パターンの拡大図である。 本発明のある実施形態による構造化光パターンの拡大図である。 本発明のある実施形態による台形の外形を有する構造化光パターンの図である。 本発明のある実施形態による正方形の外形を有する構造化光パターンの図である。

詳細な記述は、例として図面を参照しながら本発明の実施形態を利点と特徴と共に説明している。

三次元（３Ｄ）スキャナは様々な用途において、ある物体の表面点座標とコンピュータ画像を決定するために使用されている。本発明の実施形態は、測定の解像度と精度の向上における利点を提供する。本発明の実施形態は、物体の非接触測定の提供におけるまた別の利点を提供する。本発明の実施形態は、表面の点の座標値を決定するための計算時間を短縮することにおける利点を提供する。本発明の実施形態は、ブラーの許容量を増大させ、より広い視野を提供することにおける利点を提供する。本発明のまた別の実施形態は、表面の点を特定するために使用されるパターンの線の数を減らすことにおける利点を提供する。

本明細書において使用されるかぎり、「構造化光」という用語は、ある物体の連続する領域に投影された光の二次元パターンを意味し、これはその物体上の点の座標を決定するために使用できる情報を伝える。構造化光パターンは、隣接し、取り囲まれた領域内に配置された少なくとも３つの非共線的パターン要素を含む。３つの非共線的パターン要素の各々は、点座標の決定に使用可能な情報を伝える。

一般に、２種類の構造化光、すなわちコード化光パターンと非コード化光パターンがある。本明細書において使用されるかぎり、コード化光パターンとは、物体の照明された表面の三次元座標が１つの画像の取得によって確認できるパターンである。ある場合には、投影装置を物体に関して移動させてもよい。換言すれば、コード化光パターンでは、投影されたパターンと取得された画像との間に有意な時間的関係はない。一般に、コード化光パターンは要素群を含み、これらは要素のうちの少なくとも３つが非共線的となるように配置される。ある場合には、要素群は線またはパターン領域の集合となるように配置されてもよい。要素のうちの少なくとも３つを非共線的とすることにより、パターンは、例えばレーザラインスキャナによって投影されるような単純な線パターンではない。その結果、パターン要素はこのような要素の配置によって認識可能である。

これに対して、非コード化構造化光パターンは、本明細書中で使用されるかぎり、プロジェクタが物体に関して移動している時に１つのパターンを通じた測定が通常はできないパターンである。非コード化光パターンの一例は、一連の連続的パターンおよび、それゆえ一連の連続画像の取得が必要となるパターンである。投影パターンと画像取得の時間的性質から、プロジェクタと物体の間に相対的運動があるべきではない。

理解すべき点として、構造化光は、光の線を生成するレーザラインプローブまたはレーザラインスキャナ型の装置によって投影される光とは異なる。今日、関節式アームと共に使用されるレーザラインプローブが不規則性またはその他、生成された線の特徴とみなされうる性状を有するかぎり、これらの特徴は共線的に配置される。その結果、生成された１本の線の中のこのような特徴により、投影される光は構造化光にならないと考えられる。

３Ｄスキャナ２０が図１と図２に示されており、これは、ポータブルな大きさと形状であり、１人のオペレータが使用するように構成されている。スキャナ２０は筐体２２を含み、これはオペレータが握るための大きさと形状のハンドル部分２４を有する。１つまたは複数のボタン２６がハンドル２４の１つの面に配置され、それによってオペレータはスキャナ２０作動させることができる。前面２８には、プロジェクタ３０とカメラ３２が配置される。スキャナ２０はまた、任意選択のディスプレイ３４を含んでいてもよく、これはオペレータが走査データの画像を取得しながら見ることができるように位置付けられる。

プロジェクタ３０はパターンジェネレータ３８を照明する光源３６を含む。ある実施形態において、光源は可視光源である。光源３６はレーザ、スーパールミネッセントダイオード、白熱電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）、キセノンランプ、またはその他の適当な発光装置であってよい。光源からの光はパターンジェネレータ３８を通じて方向付けられ、光パターンを生成し、これが測定対象表面に投影される。この例示的実施形態において、パターンジェネレータ３８は表面に構造化パターンがエッチングされたクロムコートガラススライドである。他の実施形態では、光源パターンはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ（ＤＬＰ）等、液晶デバイス（ＬＣＤ）、またはｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）装置により反射されるか、透過される光であってもよい。これらの装置はすべて、透過モードまたは反射モードの何れでも使用できる。プロジェクタ３０はレンズ系４０をさらに含んでいてもよく、これは射出光を変化させて、測定対象表面上に所望のパターンを再現する。

カメラ３２は感光センサ４２を含み、これはセンサにより捕捉された画像を表すデジタルデータの電気信号を生成する。センサは、例えばピクセルアレイを有する電荷結合素子（ＣＣＤ）型センサまたは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型センサであってもよい。他の実施形態では、カメラは例えばライトフィールドセンサ、ハイダイナミックレンジシステム、量子ドットイメージセンサを有していてもよい。カメラ３２は他の構成要素をさらに含んでいてもよく、これは例えばレンズ４４とその他の光学素子であり、これらに限定されない。後でより詳しく説明するように、ほとんどの場合、プロジェクタ３０とカメラ３２のうちの少なくとも一方は、カメラとプロジェクタが実質的に同じ視野を有するような角度に配置される。

プロジェクタ３０とカメラ３２は筐体２２内に配置されたコントローラ４６に電気的に連結される。コントローラ４６は１つまたは複数のマイクロプロセッサ４８、デジタル信号プロセッサ、不揮発性メモリ５０、揮発性メモリ５２、通信回路５４、信号調整回路を含んでいてもよい。１つの実施形態において、ある物体を表す点群のＸ、Ｙ、Ｚ座標データを決定するための画像処理は、コントローラ４６によって実行される。他の実施形態において、画像がリモートコンピュータ５６またはポータブル関節アーム座標測定器５８（以下、「ＡＡＣＭＭ」）に送信されて、座標の計算はこの遠隔装置によって実行される。

１つの実施形態において、コントローラ４６は、有線または無線通信媒体の何れかによって、例えばＡＡＣＭＭ ５８またはリモートコンピュータ５６等の外部装置と通信するように構成される。スキャナ２０により取得されたデータはまた、メモリに保存されて、定期的または非定期的に転送されてもよい。転送が行われるのは自動的であっても、またはオペレータの手動の動作に応答しても（例えば、フラッシュ装置を介した転送）よい。

理解すべき点として、本明細書の実施形態はスキャナ２０がハンドヘルドデバイスであると言及しているが、これは例示を目的としており、特許請求される発明はこれに限定されるべきではない。他の実施形態において、スキャナ２０は例えば三脚またはロボット等の固定手段に取り付けられてもよい。他の実施形態において、スキャナ２０は静止していてもよく、測定対象の物体が、例えば製造検査工程中またはゲームコントローラによって、スキャナに関して移動してもよい。

ここで、図３と図４を参照しながら、スキャナ２０の動作を説明する。スキャナ２０はまず、プロジェクタ３０で構造化光パターン５９を放射し、プロジェクタ３０はレンズ４０を介してこのパターンを物体６４の表面６２に投影するプロジェクタ面３１を有する。構造化光パターン５９は、図５〜７に示されるパターン５９を含んでいてもよい。プロジェクタ３０からの光６８は表面６２で反射され、反射光７０はカメラ３２の中の感光アレイ３３によって受け取られる。理解すべき点として、表面６２の中の変化、例えば突出部７２は、パターンの画像がカメラ３２によって捕捉された時に、構造化光パターンの中に歪みを発生させる。パターンは構造化光によって形成されるため、場合によっては、コントローラ４６または遠隔装置５６、５８が、放射されたパターン内のピクセル、例えばピクセル８６と結像されたパターン内のピクセル、例えばピクセル８８との間の１対１の対応を決定することが可能である。この対応により、三角測量の原理を利用して結像パターンの中の各ピクセルの座標を決定できる。表面６２上の点の三次元座標の集合は点群と呼ばれることがある。スキャナ２０を表面６２にわたって移動させる（または表面６２を、スキャナ２０を通過するように移動させる）ことによって、物体６４全体の点群が生成されてもよい。

ピクセルの座標を決定するために、各投影光線６８が点７６で物体６４と交差する角度は、投影角度ファイ（Φ）に対応することがわかっているため、Φの情報が放射パターンにコード化される。ある実施形態において、システムは、結像バターン内の各ピクセルに対応するΦの値を確認できるように構成される。さらに、カメラの中の各ピクセルに関する角度オメガ（Ω）がわかり、これは、プロジェクタ３０とカメラ３２の間の基準線の距離「Ｄ」がわかるからである。２つの角度Ω、Φと、プロジェクタ３０とカメラ３２の間の基準線の距離Ｄがわかるため、工作物の点７６までの距離Ｚを決定できる。これによって、表面点７２の三次元座標の決定が可能となる。同様の方法で、表面６２全体（またはその中の所望の部分）にわたる表面点。

この例示的実施形態において、構造化光パターン５９は図５〜７に示されるパターンであり、これは１対の対向する鋸歯形状形の縁辺を持つ鋸歯領域により形成される繰り返しパターンを有する。以下に説明するように、隣接する鋸歯領域の位相を比較して、隣接するパターンの各集合に関するコードを取得してもよい。このようなコード化パターンにより、取得した１つの画像を使った画像の分析が可能となる。

エピポーラ線とは、エピポーラ面と光源面７８または画像面８０（カメラセンサの面）との交差点により形成される数学的線である。エピポーラ面はプロジェクタの投影中心８２とカメラの投影中心８４を通る何れの面であってもよい。光源面７８と画像面８０の上のエピポーラ線は場合によっては平行かもしれないが、一般には平行でない。エピポーラ線のある特性として、プロジェクタ面７８の上のあるエピポーラ線には、それに対応する画像面８０の上のエピポーラ線がある。

ある実施形態において、カメラ３２は、カメラの光軸が、カメラとプロジェクタの投影中心を結ぶ基準線の次元に垂直となるように配置される。このような配置は図１に示されている。この実施形態において、カメラの画像面上のエピポーラ線のすべてが相互に平行であり、カメラセンサは、ピクセル列がエピポーラ線と一致するように配置できる。こうした配置は有利でありえ、なぜなら、以下に説明するように、それによって隣接する鋸歯領域の位相の決定が容易になるからである。

イメージセンサのピクセル列と一致するエピポーラ線５５１の一例が図５に示されている。鋸歯パターンの一部５５２が、よくわかるように図５Ａで拡大されている。鋸歯領域９４Ｂ、９４Ｃ、９４Ｄの３つが示されている。図５のエピポーラ線５５１は、３つの鋸歯領域と、３つの鋸歯区間５６０、５６２、５６４で交差する。測定後、収集したデータを評価することにより、各鋸歯区間の幅が決定される。この工程が各列の中の鋸歯区間について繰り返される。ある鋸歯領域のｘ方向への周期は、鋸歯区間の幅の勾配が負から正に変化する地点間のピクセルの数に着目することによってわかる。鋸歯周期の３つの中心を、図５Ａにおいて５５４、５５６、５５８とする。これらの中心は、各周期の始点と終点の間の中心点をとることにより求められてもよい。あるいは、これらの中心は、各鋸歯周期の重心をとることによって求められてもよく、これについては以下にさらに説明する。

中心５５４と５５６のｘ位置の差は、図５Ａの例においては、５／１１周期であることがわかる。中心５５６と５５８のｘ位置の差は、この例では７／１１周期であることがわかる。すると、ある実施形態において、真ん中の鋸歯領域９４Ｃは、コード「５７」を有すると言われ、５は５／１１の分子、７は７／１１の分子である。

鋸歯区間５８０の中心には「Ｘ」のマークが付けられている。この点の三次元座標は、ここで説明する方法を使って求められる。図４を参照すると、ある物体の表面上の点７６からの光がカメラレンズの投影中心８４を通って位置８８で感光アレイ３３に当たることがわかる。投影中心と感光アレイの間の距離は、装置２０の製造後に工場で行われる補償手順の結果、わかっている。したがって、ピクセルのｘおよびｙ位置で十分に、図４において破線で示されているカメラ光軸に関する交差角度を決定できる。基準線（点８２から点８４まで延びる）に関する光軸の角度もまた、工場で行われる測定からわかっている。したがって、角度Ωがわかる。

前述のように、カメラ画像面とプロジェクタ面のエピポーラ線は１対１で対応している。プロジェクタ面にある対応するエピポーラ線上の特定の点は、Ｘ点５８０に対応するコードを有する鋸歯領域を見つけることによって求められる。この場合、そのコードは「５７」である。プロジェクタのエピポーラ線の、コード「５７」を有する部分を選択することによって、プロジェクタ面上のピクセル座標が求められ、それによって図４の中の角度Φがわかる。基準線の距離Ｄは所定の数値であり、各スキャナ装置について一定／固定である。したがって、頂点７６、８４、８２を有する三角形の２角と１辺がわかる。それにより、すべての辺と角度がわかり、それには頂点７６と８４の間の距離である距離「Ｚ」も含まれる。この距離は、角度Ωに加えて、点７６の三次元座標を求めるために必要な情報を提供する。同じ手順を用いて、表面６２上のすべての点の座標を求めてもよい。２つの角度と１つの距離を求めることによって三次元座標を求めることを意味する一般的な用語は「三角測量」である。

上の説明では、鋸歯パターンのうちの小さい領域を詳しく見た。ある例示的実施形態において、構造化光パターン５９は複数の鋸歯領域９４を有し、これらは相互に位相がずれている。パターンがクロムコートガラススライドによって生成される実施形態では、鋸歯区間部分は光がスライドを透過する領域である。各鋸歯領域９４は１対の成形された縁辺６１，６３を含み、これらは相互に対向するように配置される。各縁辺６１，６３は、第一の部分６７と第二の部分６９を有する繰り返しパターン６５を含む。第一の部分６７は、第一の端点７１が第二の端点７３まで第一の勾配に沿って延びるように配置される。第二の部分６９は、第二の端点７３から始まり、第二の勾配に沿って第三の端点まで延びるように配置される。換言すれば、第二の端点７３は縁辺６１に関するパターン６５の頂点（または縁辺６３に沿った谷）を形成する。１つの実施形態において、部分６７，６９の勾配は等しいが反対である。理解すべき点として、対向する縁辺６３も同様に、各々が勾配を持つ第一の部分と第二の部分を有する繰り返しの（ただし反対の）パターン群を含む。本明細書で使用されるかぎり、この繰り返しパターン６５は鋸歯形状と呼ばれる。したがって、各鋸歯領域９４は１対の対向する鋸歯縁辺６１，６３を有する。

パターン５９は、特定の位相で構成される所定数の鋸歯領域９４の群を有するように配置される。各鋸歯領域９４に、ゼロから所定数まで（例えば、０〜１１）の位相番号が付与される。位相線は、位相のずれが以下と等しくなるように等間隔で配置される。

位相番号
------------------------------- * 周期 (2)
位相線の所定の数

本明細書で使用されるかぎり、「周期」という用語は、２つの隣接する頂点間の距離「Ｐ」を意味する。この例示的実施形態において、パターン５９には１１の位相線がある。したがって、これらの線の各々のずれは下表のとおりとなる。

この例示的実施形態において、位相線の番号は連続番号ではなく、位相の変化（「位相差」、例えば、位相番号「Ｎ」〜位相番号「Ｎ−１」）が所望の関係になるような順番とされる。１つの実施形態において、位相差の関係は、パターン５９の第一の部分９０の位相差が奇数となり、第二の部分９２の位相差が偶数となるように決められる。例えば、鋸歯領域９４Ｅの位相番号が「１０」であり、鋸歯領域９４Ｄの位相番号が「１」である場合、鋸歯領域９４Ｄから鋸歯領域９４Ｅへの位相差は（１０−１＝９）と、奇数になる。例えば、鋸歯領域９４Ｅの位相番号が「８」であり、鋸歯領域９４Ｄの位相番号が「６」である場合、鋸歯領域９４Ｄから９４Ｅへの位相の変化は（８−６＝２）と、偶数になる。

得られた画像の各ピクセル列の中で、鋸歯区間は強度曲線の勾配を使って特定される。強度曲線は強度に基づく一連のグレイスケール値であり、明るい色ほど強度が高く、反対に、暗い色ほど強度が低い。

強度値がピクセル列の中で測定される間に強度曲線が生成されてもよい。理解すべき点として、強度値はパターンの黒い部分において低く、黒い部分の縁辺の移行領域にあるピクセルは高くなる。最低値は黒い領域の中心である。数値は白い線の中心まで増え続けて、その後、次の黒い領域への移行部で再び低い値となるように減少する。強度曲線の勾配が負から正になる時に、最小値となった。強度曲線の勾配が正から負になる時に、最大値となった。強度曲線の２つの最小値が最大値によって分離され、強度の差が閾値と一致した時に、鋸歯領域９４が特定される。１つの実施形態において、この閾値はノイズによるエラーを回避するために使用される。各鋸歯区間の中心は、１ピクセル未満の精度であることがわかるであろう。鋸歯領域９４の幅は、強度曲線の２つの最小値間のピクセル数を加算することによって計算される。

１つの実施形態において、鋸歯領域の重心（例えば点５５４）は、各鋸歯領域の中のすべての点の（画像面の光強度の）加重平均をとることによって決定される。より正確には、鋸歯区間に沿った各位置において、ピクセルは、ｙ（ｊ）で得られ、ｊがピクセルインデックスであるｙ値と、カメラの露出時間中に特定の（ｊの）ピクセルに加わる光パワーと略比例するデジタル電圧読取値Ｖ（ｊ）を有する。重心は、電圧読取値Ｖ（ｊ）に対する位置ｙ（ｊ）の加重平均である。換言すれば、重心は、ある鋸歯領域内のｊ個の値すべてについての次式で求められる。
Ｙ＝ｙＣＥＮＴＲＯＩＤ＝合計（ｙ（ｊ）^＊Ｖ（ｊ））／合計（Ｖ（ｊ）） （式１）

他の実施形態では、鋸歯領域９４の中間点が鋸歯領域の重心の代わりに使用される。

鋸歯領域９４が特定されたら、これらのステップを線に沿って（図６と図７の方向から見た時に水平に）、強度値の代わりに鋸歯領域９４の鋸歯領域幅を使って再び実行し、各鋸歯周期を決定する。このようにして各鋸歯周期（例えば、鋸歯パターンの各「菱形」部分）の重心に関するＸおよびＹ位置が決定されてもよい。この、ピクセル行に沿った周期はＰｉｘｅｌｓ−Ｐｅｒ−Ｐｈａｓｅと呼ばれる。鋸歯周期の「水平（行）質量中心」から特定の鋸歯領域までのピクセルの数がＸである場合、特定の列の重心についての位相は３６０°^＊（Ｘ／Ｐｉｘｅｌｓ−Ｐｅｒ−Ｐｈａｓｅ）となる。位相をより簡単に伝えるためには、度数の代わりに０から１０の整数値を使用する。線の位相は以下のように計算してもよい。
（Ｘ位置／Ｐｉｘｅｌｓ−ｐｅｒ−Ｐｈａｓｅ）モジュロ（所定数） （式２）

式中、所定数はパターン内の固有の位相線の数である。この例示的実施形態において、所定数は１１である。すると、隣接する線間の位相の変化は次のように計算してもよい。
（（Ｘ_２−Ｘ_１）／Ｐｉｘｅｌｓ−ｐｅｒ−Ｐｈａｓｅ）モジュロ（所定数） （式３）

本明細書で使用されるかぎり、「モジュロ」という用語は、所定数で数量を割り、余りを求めることを意味する。

位相番号を鋸歯領域に割り当て、位相の変化を決定するこの方式は、コントローラ４６が検証のため、およびノイズによるエラーを回避するために、プロジェクタ面との１対１の対応を決定するためのコードを確立できることにおける利点を提供する。例えば、カメラ３２によって取得される鋸歯領域を特定する際、コントローラ４６が２つの鋸歯領域間の位相差をチェックし、それが偶数であり、画像のその位置からして、それは奇数であるべきであると判断すると、コントローラ４６は画像にエラーの原因となる歪みがあると判断することができ、これらの線を無視できる。

１つの実施形態において、３つの鋸歯領域の各々が、そのパターン内での固有の位相差に基づくコードを決定する。すると、このコードを検証工程で使用して、正しい鋸歯領域が特定されたか否を判断できる。コードを決定するために、第一の２つの鋸歯領域からの位相差がコードの第一の桁として定義される。次に、第二の２つ鋸歯領域からの位相差がコードの第二の桁として定義される。例えば、この例示的実施形態の領域９４のコードは次の通りとなる。

図６と図７に示される例示的実施形態において、光パターン５９は６０の鋸歯領域９４からなる。１つの実施形態において、各鋸歯領域９４は前の鋸歯領域から位相量ｄＰの１倍または複数倍だけ水平方向にずれている。他の実施形態において、鋸歯領域の対は相互に同位相であり、ずれの量はゼロｄＰである。各鋸歯領域９４に位相番号が割り当てられ、１１の等間隔の、位相番号を持つ鋸歯領域がある。この位相番号を持つ鋸歯領域の各々は、上述のように周期に基づいて離間される。鋸歯領域９４は順番にではなく、表３に示されるように配置される。

その結果、パターン５９には、位相差が奇数の第一の複数の鋸歯領域９０と、位相差が偶数の第二の複数の鋸歯領域９２が含まれる。前述のように、このような配置は、カメラ３２によって取得された画像を検証して、歪みを検出し、取得された画像の鋸歯領域の数の決定のエラーを回避することにおける利点を提供する。図５と図６の実施形態において、第一の２５の鋸歯領域の位相差は奇数であり、残りの３５の鋸歯領域の位相差は偶数である。図６に示されている１つの実施形態において、パターン５９は台形の形状に配置され、第一の端９６の幅が第二の端９８より小さくなっている。台形の形状は、動作中、表面に関するスキャナ２０の角度によって発生する射影歪みを修正するための補償を提供する。図７に示されるような他の実施形態においては、パターン５９は正方形の形状である。プロジェクタパターンの形状は基準線に関するプロジェクタの角度に依存していてもよい。

本発明を限定的な数の実施形態のみに関して詳しく説明したが、本発明がこのように開示された実施形態に限定されないことは容易に理解できるはずである。むしろ本発明は、上述されていないが、本発明の本質と範囲と整合する変更、変化、置換または同等の構成をいくつでも含めるように改変できる。これに加えて、本発明の各種の実施形態を説明したが、本発明の態様は上記の実施形態のいくつかだけを含んでいてもよいと理解するべきである。したがって、本発明は上記の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、付属の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (23)

1. 三次元スキャナにおいて、
   光パターンをある表面上に放射するように構成されたプロジェクタであって、光パターンが、
   第一の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有し、第一の位相を有する第一の領域と、
   第二の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有し、第二の位相を有し、第一の領域から第一の位相差だけずれている第二の領域と、
   第三の対の対向する鋸歯形状の縁辺を有し、第三の位相を有し、第二の領域から第二の位相差だけずれている第三の領域と、
   を含むプロジェクタと、
   プロジェクタに連結されて、表面で反射された光パターンからの光を受け取るように構成されたカメラと、
   カメラに電気的に連結され、表面上の少なくとも１点の三次元座標を第一の領域、第二の領域、第三の領域の反射光から決定するプロセッサと、
   を含むことを特徴とする三次元スキャナ。
2. 請求項１に記載のスキャナにおいて、
   第一の対の対向する鋸歯形状の縁辺の各々が繰り返しパターンを含み、繰り返しパターンが２つの隣接する頂点間の距離により定義される周期を有し、第一の位相差と第二の位相差が、周期に１を乗じて光パターン内の異なる位相領域の数により定義される所定数で割ったものあることを特徴とするスキャナ。
3. 請求項２に記載のスキャナにおいて、
   第一の領域が少なくとも周期によって定義される第一の位相番号を有し、第二の領域が少なくとも周期によって定義される第二の位相番号を有することを特徴とするスキャナ。
4. 請求項３に記載のスキャナにおいて、
   第一の位相番号から第二の位相番号を引いた差が奇数であることを特徴とするスキャナ。
5. 請求項４に記載のスキャナにおいて、
   第一の位相番号から第二の位相番号を引いた差が偶数であることを特徴とするスキャナ。
6. 請求項３に記載のスキャナにおいて、
   光パターンが、
   一方の端にあり、各々が１対の鋸歯形状の縁辺を有する第一の複数の領域と、
   反対の単に配置され、各々が１対の鋸歯形状の縁辺を有する第二の複数の領域と、
   をさらに含み、
   第一の複数の領域の中の隣接する領域の各々が、第二の隣接する区間の位相番号から第一の隣接する領域の位相番号を引いた差が奇数となるような位相関係を有し、
   第二の複数の領域の中の隣接する領域の各々が、第四の隣接する領域の位相番号から第三の隣接する領域の位相番号を引いた差が偶数となるような位相関係を有することを特徴とするスキャナ。
7. 三次元スキャナにおいて、
   筐体と、
   筐体内に配置され、第一の複数の領域を有する光パターンを放射するように構成されたプロジェクタであって、第一の複数の領域の各々が第一の対の鋸歯形状の縁辺を有し、第一の複数の領域が所定数の等間隔の位相を含み、等間隔の位相が第一の複数の領域の長さに沿って第一の方向に相互にずれているようなプロジェクタと、
   筐体内に配置され、表面で反射された光パターンからの光を受け取るように構成されたデジタルカメラと、
   デジタルカメラと通信するように連結されたプロセッサであって、プロセッサ上で実行された時に、光パターンからの光を受け取ったことに応じて表面上の少なくとも１点の三次元座標を決定するための実行可能なコンピュータ命令に応答するプロセッサと、
   を含むことを特徴とする三次元スキャナ。
8. 請求項７に記載のスキャナにおいて、
   第一の複数の領域の各々が位相番号を有し、第一の複数の領域が、
   光パターンの一方の端に配置された第二の複数の領域であって、第二の複数の領域の中のある領域とその前の領域の位相番号の差が奇数であるような第二の複数の領域と、
   光パターンの反対の端に配置された第三の複数の領域であって、第三の複数の領域の中のある領域とその前の領域の位相番号の差が偶数であるような第三の複数の領域と、
   をさらに含むことを特徴とするスキャナ。
9. 請求項８に記載のスキャナにおいて、
   第一の複数の領域の中の隣接する領域間の位相差が、第一の領域の位相番号を第二の領域の位相番号から引くことによって決定されることを特徴とするスキャナ。
10. 請求項９に記載のスキャナにおいて、
    隣接する領域間の位相差が負の数である時、第一の複数の領域の中の隣接する領域間の位相差が、第一の領域の位相番号を第二の領域の位相番号から引き、等間隔の位相の所定数を足すことによって決定されることを特徴とするスキャナ。
11. 請求項７に記載のスキャナにおいて、
    筐体が、１人の人が持ち運び、操作するような大きさであることを特徴とするスキャナ。
12. 請求項１１に記載のスキャナにおいて、
    筐体に連結され、プロセッサに電気的に連結されるディスプレイをさらに含むことを特徴とするスキャナ。
13. 請求項１２に記載のスキャナにおいて、
    プロセッサが、少なくとも１点をディスプレイに表示するための実行可能なコンピュータ命令にさらに応答することを特徴とするスキャナ。
14. 請求項８に記載のスキャナにおいて、
    第一の複数の領域が台形の形状であることを特徴とするスキャナ。
15. 請求項１４に記載のスキャナにおいて、
    等間隔の位相の所定数が１１と等しいことを特徴とするスキャナ。
16. ある表面上のある点の三次元座標を決定する方法において、
    プロジェクタから光パターンを放射するステップであって、光パターンが、各々が鋸歯形状の１対の縁辺を有する第一の複数の領域を含み、第一の複数の領域の中の隣接する領域が異なる位相を有し、プロジェクタが光源面を有するようなステップと、
    表面で反射された光パターンからの光をデジタルカメラで受け取るステップであって、デジタルカメラが画像面を有し、デジタルカメラとプロジェクタが基準線の距離だけ離間されているようなステップと、
    光パターンの画像を画像面で取得するステップと、
    画像面上で、第一の複数の領域の少なくとも１つに関する少なくとも１つの中心を決定するステップと、
    画像面上の少なくとも１つの中心を通る画像エピポーラ線を画定するステップと、
    光源面上で、少なくとも１つの中心に対応する少なくとも１つの画像点を決定するステップと、
    光源面上の少なくとも１つの画像点を通る光源エピポーラ線を画定するステップと、
    表面上の少なくとも１点に関する三次元座標を、少なくとも部分的に、少なくとも１つの中心、少なくとも１つの画像点、基準線の距離に基づいて決定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    第一の複数の領域の中の領域の各々が位相番号を有することを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    画像の中の前記第一の複数の領域の中の領域の各々の位相番号を決定するステップであって、第一の複数の領域が第一の領域、第二の領域、第三の領域を含むようなステップと、
    第一の領域と第二の領域の間の第一の位相差を決定するステップと、
    第二の領域と第三の領域の間の第二の位相差を決定するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、
    第一の領域と第二の領域から第一のコードを生成するステップをさらに含み、第一のコードが第一の位相差と第二の位相差を含むことを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    第一の複数の領域の中の３つの連続する領域の各々のための複数のコードを生成するステップをさらに含み、複数のコードの各コードが光パターン内で固有であることを特徴とする方法。
21. 請求項１８に記載の方法において、
    第一の複数の領域が、一方の端で第二の複数の領域を、反対の端で第三の複数の領域を含み、
    第二の複数の領域の中の領域の各々が第三の位相差を有し、第三の位相差が、第二の複数の領域の中のある領域とその前の線の位相番号の差として定義され、第三の位相差が奇数であり、
    第三の複数の領域の中の領域の各々が第四の位相差を有し、第四の位相差が、第三の複数の領域の中のある領域とその前の領域の位相番号の差として定義され、第四の位相差が偶数であることを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、
    ある領域の第三の位相差が負の数である時、その領域の第三の位相差がその領域とその前の領域の位相番号の差に所定数を足したものとして定義され、所定数は光パターン内の異なる位相領域の数と等しいことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法において、
    鋸歯形状の周期が２つの隣接する頂点間の距離であり、第一の複数の領域の中の２つの隣接する領域間の位相差が所定数と周期に基づくことを特徴とする方法。

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