JP2017053812A - 3次元測定装置、照明装置、パターン生成装置、および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
わり、前記線分の下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、当該直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分の上端位置よりも所定の長さ以上、下の位置で交わる、ことが好ましい。ここでの所定の長さは、撮影画像の歪みやノイズに伴って生じうる位置ズレ量もしくはそれ以上の値であることが好ましい。このようにすれば、画像撮影時に歪みやノイズが生じた場合であっても、隣接線分を正しく求めることができる。
ターンを再生成すればよい。このようにすれば、ランダムに生成する列の数を全体の半分としつつ全体として制約を満たすパターンを生成できるので、処理が高速化される。
ラムや、当該プログラムを非一時的に記憶したコンピュータ読取可能な記憶媒体として捉えることもできる。上記構成および処理の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態に係る3次元測定装置は、測定対象物にパターン光を投影して撮影を行い、三角測量の原理を用いて測定対象物の3次元形状を測定する。
図1は、本実施形態に係る3次元測定装置100の構成を示す図である。3次元測定装置100は、大略、投影部110、カメラ120、演算装置130から構成される。
投影部110は、測定対象物150に対して、パターン光(構造化光)を投影するためのものであり、ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源、光源から照射された光にパターンを形成するための液晶素子などのパターン生成素子、およびマイクロレンズなどの光学系を備える。この他に、光源として半導体レーザを用いた場合は、パターン生成素子として光学回折素子またはMEMSスキャナを用いて投影部110を構成することもできる。投影部110が投影する光は、近赤外光などの不可視光であってもよい。本実施形態においては光のパターンは、パターン記憶部131が記憶しており、パターン記憶部131から出力されるデータに基づいて制御部132が投影部110を制御することにより、投影部110からパターン光が投影される。
(制約1)各線分の上端位置および下端位置から水平方向に(より正確には、エピポーララインに沿って)直線を引いたときに、これらの直線は隣接する列の線分部分と交わる、
という制約を満たす。図2(B)において、線分200の上端位置および下端位置からそれぞれ水平方向に引いた直線201〜204は、いずれも隣接列の線分と交わっている。
(制約2)隣接する線分の線分方向について所定の長さ以上の重複を有する、
という制約をさらに満たす。図2(B)において、線分200と隣接線分の重複205〜208はいずれも所定の長さ以上ある。この制約2は、線分の上端位置から水平方向に(より正確には、エピポーララインに沿って)直線を引いたときに、隣接列の線分の下端位置から所定の長さ以上上で交わり、線分の下端位置から水平方向に直線を引いたときに、隣接列の線分の上端位置から所定の長さ以上下で交わる、とも表現できる。ここでの所定の長さは、撮影画像の歪みやノイズに伴って生じうる位置ズレ量以上とすることが好ましい。
および下端位置から水平方向に沿って探索を行い、最初に交差した線分を隣接線分として決定する。撮影画像中におけるパターンの形状は、測定対象物150の形状によって変化するが、垂直方向(Y方向)の位置関係は変化しない。したがって、上記制約を満たす線パターンを用いることで、撮影画像における各線分の隣接線分を、正しく求めることができる。
カメラ120は、パターン光が投影された測定対象物150を撮影する。カメラ120は、制御部132からの指令に基づき、投影部110からのパターン光の投影と同期して撮影処理を行う。カメラ120が撮影した画像データは、画像入力部133に入力される。
演算装置130は、CPUなどのプロセッサ、RAMやROMなどのメモリ(記憶装置)、外部装置とのインタフェース、キーボードやマウスなどの入力装置、およびディスプレイやスピーカーなどの出力装置を備えるコンピュータである。演算装置130は、メモリに格納されたプログラムをCPUが実行することにより、パターン記憶部131、制御部132、画像入力部133、3次元位置算出部137などの機能を提供する。なお、3次元位置算出部137は、線分抽出部134、対応付け処理部135、三角測量部136の機能を備える。演算装置130の各機能部については、以下のフローチャートとともに説明する。
図3は、本実施形態に係る3次元測定装置100が行う3次元測定処理の流れを示すフローチャートである。ここで示すフローチャートは処理の一例であり、その処理内容や処理順序は適宜変更して構わない。なお、投影部110とカメラ120のキャリブレーション(較正処理)は完了しているものとし、パターン上の点とそれに対応する撮影画像の点は同じY座標になるように調整されている。
きさのウィンドウ内の平均輝度値を閾値として二値化を行う。線分抽出部134は、適応二値化処理後の画像を、サイズを2倍にして元のサイズに戻す。画像サイズを半分にしてから二値化処理を施すのは、線分の幅が太いと線分の幅方向中心でのエッジ強度が弱く検出され二値化処理時に中心部分が抜けてしまう現象を回避するためである。
(条件1)線分LS2の下端B2のY座標位置がターゲット線分LS1の上端T1よりも上にあり、かつ、
(条件2)線分LS2の下端B2とターゲット線分LS1の上端T1を結ぶ直線と、ターゲット線分LS1の傾き(上端T1と下端B1を結ぶ直線)とのなす角度θが45度以内である。
これらの条件を満たす線分LS2が複数存在する場合は、対応付け処理部135は、上端T1と下端B2の間の重みつき距離が最小となる線分を、ターゲット線分LS1の上方向隣接線分として特定する。なお、重みつき距離は、上端T1と下端B2の変位のうち、線分LS1の傾きに沿った変位をLy、線分LS1の傾きと垂直な変位をLxとしたときに、例えば、[4Lx2+Ly2]1/2として求めることができる。すなわち、線分L
S1の傾きと垂直な方向への変位に対して、傾きに沿った方向の変位よりも大きな重み付けをして得られる距離を、重み付き距離とする。なお、ここでは上方向の隣接線分の求め方を説明したが、下方向の隣接線分も同様にして求めることができる。
本実施形態では、線パターンを用いており、各線分およびその周囲の線分の上下端点のY座標位置の関係を用いて位置を符号化している。したがって、各線分の周囲の線分(隣接線分)を適切に求める必要がある。本実施形態における投影部110が投影する線パターンは、線パターンの各線分の上端位置および下端位置から水平方向に直線を引いたときに、これらの直線は隣接する列の線分部分と交わる、という制約1を満たす。本実施形態では、エピポーララインは撮影画像中において水平なので、パターン中の各点(線分の端点)のY座標は、撮影画像中において変化しない。したがって、撮影画像中においても、線分の上端位置および下端位置から水平方向に直線を引いたときに、これらの直線は隣接する列の線分部分と交わる。すなわち、撮影画像中における各線分の隣接線分を求める際に、隣接する列の線分を確実に検出することができる。上記条件を満たさないような線パターンを用いると、2列以上離れた列の線分を隣接線分として検出してしまう可能性があるが、本実施形態ではこのような誤検出を回避できる。隣接線分を正しく検出できることで、3次元位置の算出における誤検出も回避できる。
上記の説明では、投影部110とカメラ120の光軸が平行であり、したがって、エピポーララインが水平方向であることを前提に説明した。しかしながら、投影部110とカメラ120の光軸は必ずしも平行でなくても良い。投影部110とカメラ120の光軸が平行ではない場合は、エピポーララインは平行ではなく、位置によって変化する。図11(A)はパターンにおけるエピポーラライン(の一部)を示した図である。なお前述の通り、パターン生成素子を用いて光源から照射された光にパターンを形成することからパターンとパターン生成素子の関係は明確であり、パターンにおけるエピポーララインは、パターン生成素子におけるエピポーララインから求めることができる。
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態において用いられる投影光のパターンを生成するためのパターン生成装置である。すなわち、パターン生成装置は下記の制約を満たす線パターンを生成する。
(制約1)各線分の上端位置および下端位置から水平方向に(より正確には、エピポーララインに沿って)直線を引いたときに、これらの直線は隣接する列の線分部分と交わる。(制約2)隣接する線分の線分方向について所定の長さ以上の重複を有する。
本実施形態に係るパターン生成装置1200は、ハードウェア的には通常のコンピュータとして構成される。すなわち、本実施形態に係るパターン生成装置は、CPUなどのプロセッサ、RAMやROMなどのメモリ(記憶装置)、外部装置とのインタフェース、キーボードやマウスなどの入力装置、およびディスプレイやスピーカーなどの出力装置を備えるコンピュータとして構成される。本実施形態に係るパターン生成装置1200は、メモリに格納されたプログラムをCPUが実行することにより、図12に示すように、設計パラメータ取得部1201、ライン生成部1202、制約確認部1203、反転パターン生成部1204として機能する。これらの各機能部については、以下のフローチャートともに説明する。
図13は、本実施形態に係るパターン生成装置が行うパターン生成処理の流れを示すフローチャートである。ここで示すフローチャートは処理の一例であり、その処理内容や処理順序は適宜変更して構わない。なお、ここでは、照明装置(投影部)とカメラの光軸が平行であり、エピポーララインが水平の場合を例に説明する。
本実施形態に係るパターン生成装置によれば、上記制約1,2を満たすパターンを生成できる。制約1,2を満たすことで、3次元測定の際に、隣接線分を確実に求めることでき、精度の良い測定が行える。
上記の説明では、ループL3の処理において、領域の端から中央に向かって1列ずつパターンを生成している。しかしながら、中央から端に向かって1列ずつパターンを生成してもよい。すなわち、ループL3において変数kをk=L/2からk=1まで1ずつ減らしながら処理を行っても良い。この場合、L/2列目のパターンは、自身を上下反転させたパターンとの間でのみ制約1,2を満たせばよいので、制約が比較的緩くなる。
本発明の第3の実施形態は、第2の実施形態と同様に、第1の実施形態において用いられる投影光のパターンを生成するためのパターン生成装置である。第2の実施形態との違いは、本実施形態においては、より精度の良い3次元測定が行える線パターンを生成するための処理を含む点である。
考えられる。そこで、パターン変形部1604は、選択範囲の境界部の列が上記制約1,2を満たすように調整(列の再生成)を行う(S2004)。
本実施形態では、評価値を用いて実際の3次元測定における測定精度を評価している。そして、評価値の高いパターンに基づいて新しいパターンを再生成しているので、より良いパターンが得られることが期待できる。したがって、本実施形態によるパターン生成装置が生成する線パターンは、実際の測定において線分の誤対応が発生しにくく、精度の良い3次元測定が行える。
上記の説明では、パターンの再生成処理(図17のステップS1702〜S1704)を繰り返し実行しているが、この処理を繰り返さずに1回のみ行ってもかまわない。再生成処理を1回しか行わなくても、単純にN個の線パターンを生成して評価のよいパターンを選択するよりも良いパターンを生成できる。
130:演算装置 131:パターン光生成部 132:制御部 133:画像入力部
134:線分抽出部 135:対応付け処理部 136:3次元値算出部
1200:パターン生成装置 1201:設計パラメータ取得部 1202:ライン生成部
1203:制約確認部 1204:反転パターン生成部 1205:パターン記憶部1600:パターン生成装置 1601:パターン生成部 1602:評価部
1603:パターン選択部 1604:パターン変形部 1605:パターン記憶部
Claims (16)
- 複数列に平行に並ぶ直線をそれぞれランダムな位置および間隔で切断して複数の線分に分割したパターンを有するパターン光を測定対象物に投影する照明手段と、
前記パターン光が投影された前記測定対象物を撮影する撮像手段と、
撮影画像における線分の上端および下端の位置と前記線分の周囲の線分の上端および下端の位置を用いて、前記撮影画像における前記線分と前記パターンにおける線分との対応を求めて、前記測定対象物の3次元位置を算出する算出手段と、
を備え、
前記パターンは、前記パターンにおける線分の上端および下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、これらの直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わる、
ことを特徴とする3次元測定装置。 - 前記照明手段と前記撮像手段の光軸は略平行であり、
前記パターンにおける線分はエピポーララインと垂直であり、
前記パターンにおける線分の上端および下端位置を通る当該線分の垂線は、前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わる、
請求項1に記載の3次元測定装置。 - 前記パターンは、前記パターンにおける線分の上端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、当該直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分の下端位置よりも所定の長さ以上、上の位置で交わり、前記線分の下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、当該直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分の上端位置よりも所定の長さ以上、下の位置で交わる、
請求項1または2に記載の3次元測定装置。 - 所定のパターンを有するパターン光を投影する照明装置であって、
前記所定のパターンは、複数列に平行に並ぶ直線をそれぞれランダムな位置および間隔で切断して複数の線分に分割したパターンであり、かつ、前記パターンにおける線分の上端および下端位置を通る当該線分の垂線は、前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わるという制約を満たす、
ことを特徴とする照明装置。 - 前記パターンは、前記パターンにおける線分の上端位置を通る当該線分の垂線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分の下端位置よりも所定の長さ以上、上の位置で交わり、前記線分の下端位置を通る当該線分の垂線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分の上端位置よりも所定の長さ以上、下の位置で交わる、
請求項4に記載の照明装置。 - 照明手段と撮像手段を有する3次元測定装置における前記照明手段が投影する投影光のパターンを生成するパターン生成装置であって、
前記パターンは、複数列に平行に並ぶ直線をそれぞれランダムな位置および間隔で切断して複数の線分に分割したパターンであり、かつ、
前記パターンにおける線分の上端および下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、これらの直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わるという制約を満たす、
ことを特徴とするパターン生成装置。 - 前記パターン生成装置は、
線分の長さおよび線分間の間隔をランダムに決定して1つまたは複数の線分を生成する生成手段と、
新たに生成した1つまたは複数の線分と、既にパターンとして確定した線分との間で、上記制約を満たすか否かを確認する確認手段と、
を備え、
前記制約を満たす場合は新たに生成した1つまたは複数の線分をパターンの一部として確定し、前記制約を満たさない場合は前記制約を満たすまで前記生成手段による生成と前記確認手段による確認を繰り返す、
請求項6に記載のパターン生成装置。 - 前記生成手段は、1列分のパターンを生成し、
前記生成手段が生成したパターンが前記制約を満たす場合は新たに生成した1列分のパターンを新しい列のパターンとして確定し、前記制約を満たさない場合は前記制約を満たすまで前記生成手段による生成と前記確認手段による確認を繰り返す、
請求項7に記載のパターン生成装置。 - 前記生成手段は、複数列分のパターンを生成し、
前記生成手段が生成したパターンが前記制約を満たす場合は新たに生成した複数列分のパターンを新しい列のパターンとして確定し、前記制約を満たさない場合は前記制約を満たすまで前記生成手段による生成と前記確認手段による確認を繰り返す、
請求項7に記載のパターン生成装置。 - 前記パターン生成装置は、
全体の列数の半分の列については、前記生成手段と前記確認手段を用いて生成し、
残りの半分については、前記生成手段と前記確認手段を用いて生成されたパターンを180度回転させたパターンとして生成する、
請求項7から9のいずれか1項に記載のパターン生成装置。 - 前記パターン生成装置は、
生成したパターンに所定の変形処理を加えたパターンと、生成したパターンとの間で線分の対応関係を求めて、求められた対応関係の正確さを評価する評価手段をさらに有し、
前記制約を満たす複数のパターンを生成して、前記評価手段による評価が最も高いパターンを最終的なパターンとして決定する、
請求項6から10のいずれか1項に記載のパターン生成装置。 - 前記制約を満たすパターンをN個(Nは2以上の整数)生成して、
N個のパターンの中から前記評価手段による評価が高い上位M個(Mは1以上N−1以下の整数)に基づいてN−M個のパターンを新たに生成し、
前記上位M個のパターンと、新たに生成したN−M個のパターンの中から前記評価手段による評価が最も高いパターンを最終的なパターンとして決定する、
請求項11に記載のパターン生成装置。 - N個のパターンの中から前記評価手段による評価が高い上位M個に基づいてN−M個のパターンを新たに生成する処理を、繰り返し実行する、
請求項12に記載のパターン生成装置。 - N個のパターンの中から前記評価手段による評価が高い上位M個(Mは1以上N−1以下の整数)に基づく新たなパターンの生成は、前記上位M個のパターンの中から1つを選択し、選択されたパターンの一部分を再生成することによって行われる、
請求項12または13に記載のパターン生成装置。 - 複数列に平行に並ぶ直線をそれぞれランダムな位置および間隔で切断して複数の線分に分割したパターンを有するパターン光を、照明手段から測定対象物に投影する照明ステップと、
前記パターン光が投影された前記測定対象物を撮像手段によって撮影する撮像ステップと、
演算手段が、撮影画像における線分の切断点の位置と前記線分の周囲の線分の切断点の位置を用いて、前記撮影画像における前記線分と前記パターンにおける線分との対応を求めて、前記測定対象物の3次元位置を算出する算出ステップと、
を含み、
前記パターンは、前記パターンにおける線分の上端および下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、これらの直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わる、
ことを特徴とする3次元測定方法。 - 照明手段と撮像手段を有する3次元測定装置における前記照明手段が投影する投影光のパターンを生成するパターン生成方法であって、
前記パターンは、複数列に平行に並ぶ直線をそれぞれランダムな位置および間隔で切断して複数の線分に分割したパターンであり、かつ、
前記パターンにおける線分の上端および下端位置からエピポーララインに沿って直線を引いたときに、これらの直線は前記線分のいずれの側においても隣接列の線分と交わるという制約を満たし、
コンピュータが、
線分の長さおよび線分間の間隔をランダムに決定して1列分のパターンを生成する生成ステップと、
新たに生成した1列分のパターンと、直前に確定した1列分のパターンとの間で、上記制約を満たすか否かを確認する確認ステップと、
を実行し、
前記制約を満たす場合は新たに生成した1列分のパターンを新しい列のパターンとして確定し、前記制約を満たさない場合は前記制約を満たすまで前記生成ステップによる生成と前記確認ステップによる確認を繰り返す、
ことを特徴とするパターン生成方法。
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