JP2019158351A - Object recognition method, height measurement method, and three-dimensional measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、特定のパターンが投影された対象物を撮像し、この撮像画像に基づいて対象物の形状等を認識又は計測する物体認識方法、高さ計測方法、及び、三次元計測方法に関するものである。 The present invention relates to an object recognition method, a height measurement method, and a three-dimensional measurement method for imaging an object on which a specific pattern is projected and recognizing or measuring the shape of the object based on the captured image. It is.
対象物の形状(例えば、高さ等)を認識又は計測する方法としては、位相シフト法に基づく三次元計測方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に開示されている計測方法では、所定の光を発する光源と、該光源からの光を縞パターンに変換する格子板とを備えた照明装置を用いて、対象物に対し縞パターンを投影する。そして、格子板を動かすことにより、対象物に投影された縞パターンを動かしつつ、カメラにより対象物を撮像し、複数の撮像画像データを取得する。これらの複数の撮像画像データから位相シフト法により対象物の形状(具体的には、高さ)を計測する。
As a method for recognizing or measuring the shape (for example, height) of an object, a three-dimensional measurement method based on a phase shift method is known (see, for example, Patent Document 1). In the measurement method disclosed in
ところが、例えば、光源における光量のばらつきやカメラの受光部(すなわち、センサー)における受光感度のばらつき、さらには、特許文献1のように格子板を動かす場合には、格子板の移動の際の位置ばらつき等により、取得された撮像画像データ(具体的には、輝度値)がばらつく虞があった。このため、対象物の形状を正確に計測することができない虞があった。このような計測ばらつきを抑制するため、上記のような計測手順を繰り返して対象物の形状を複数回計測し、得られた計測データを平均化することも考えられるが、計測時間が長くなってしまう。
However, for example, the variation in the amount of light in the light source, the variation in the light receiving sensitivity in the light receiving unit (that is, the sensor) of the camera, and the position when the lattice plate is moved when the lattice plate is moved as in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度を高めつつ、計測時間を短縮できる物体認識方法、高さ計測方法、及び、三次元計測方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an object recognition method, a height measurement method, and a three-dimensional measurement method capable of reducing measurement time while improving measurement accuracy. There is.
本発明の物体認識方法は、上記目的を達成するために提案されたものであり、対象物に向けて投影機から所定のパターンを投影する第1の工程と、
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の形状を認識することを特徴とする。
The object recognition method of the present invention is proposed to achieve the above object, and includes a first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object,
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In different patterns, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the shape of the object is recognized based on a plurality of obtained averaged image data. It is characterized by that.
また、本発明の高さ計測方法は、対象物に向けて投影機から所定のパターンを投影する第1の工程と、
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の高さを計測することを特徴とする。
Moreover, the height measurement method of the present invention includes a first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object,
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In different patterns, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the height of the object is measured based on the obtained plurality of averaged image data. It is characterized by doing.
さらに、本発明の三次元計測方法は、対象物に向けて投影機から所定のパターンを投影する第1の工程と、
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の三次元形状を計測することを特徴とする。
Furthermore, the three-dimensional measurement method of the present invention includes a first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object,
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In a different pattern, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the three-dimensional shape of the object is obtained based on the plurality of averaged image data obtained. It is characterized by measuring.
本発明によれば、計測時間を短縮しつつ、計測結果のばらつきを抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress variations in measurement results while shortening the measurement time.
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the embodiments described below, various limitations are made as preferred specific examples of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the following description unless otherwise specified. However, the present invention is not limited to these embodiments.
図1は、本発明に係る三次元計測装置1の一形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における三次元計測装置1は、ステージ3、計測機群5、コンピューター6、及び、液晶ディスプレイ等の表示装置7等を備えており、対象物2の三次元形状(基準面からの高さ等)を、位相シフト法を用いて計測する。対象物2は、ステージ3上にセットされた載置板12に載置される。この載置板12の上面(計測機群5と対向する面)である載置面13は、高さの基準となる基準面としても機能する。なお、載置板12は、ステージ3内に組み込まれた図示しないモーター等により、X方向、Y方向、Z方向に移動可能に構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a three-
本実施形態における計測機群5は、撮像機9及び投影機10を備えている。撮像機9は、例えば、レンズ等からなる光学系や、投影機10から載置面13又は当該載置面13に載置された対象物2に対して投影された光の反射光を受光して電気信号に変換する受光素子等を備えている。この撮像機9は、載置面13又は対象物2を撮影(以下、撮像ともいう)し、画像データに変換してコンピューター6に出力する。
The
投影機10は、コンピューター6からの画像信号が入力されることにより、当該画像信号に応じた画像を投影するプロジェクターである。この投影機10は、載置面13又は当該載置面13に載置された対象物2に向けて輝度値の明暗による縞状の正弦波パターン(本発明におけるパターンに相当)を投影する。本実施形態においては、予め位相を異ならせた正弦波パターンに対応する画像データが複数用意されており、コンピューター6により、これらのうちの1つが選択されて、選択された画像に対応する正弦波パターンが投影機10から投影される。なお、投影機としては、光源、パターン格子、レンズ等を備え、光軸に対して交差する方向にパターン格子を移動させることにより、正弦波パターンの位相をシフトさせる構成を採用することもできる。
The
図2は、投影機10から投影される正弦波パターンの一例を示すグラフである。図2における横軸は座標であり、縦軸は輝度値である。正弦波パターンは、図2に示すように、座標に対して輝度(又はコントラスト)が正弦波で変化するパターンである。本実施形態においては、周期及び振幅を変えずに、位相を異ならせた16種類の正弦波パターンが投影機10から投影可能なように構成されている。例えば、位相をπ/8ずつずらした16種類の正弦波パターンが用意されている。なお、投影される正弦波パターンは16種類に限られず、三次元計測において必要な種類の正弦波パターンを投影できればよい。例えば、位相シフト法を用いて三次元計測を行う場合、少なくとも位相を異ならせた3種類の正弦波パターンを用意すればよい。
FIG. 2 is a graph showing an example of a sine wave pattern projected from the
本実施形態におけるコンピューター6は、図1に示すように、演算部15及び記憶部16を備えている。記憶部16は、例えばハードディスクドライブ又はフラッシュメモリ等により構成されている。この記憶部16には、オペレーションシステム、各種アプリケーションプログラム、演算用のデータ等のほか、投影機10に投影させる正弦波パターンの画像データが記憶されている。そして、演算部15は、図示しないCPU、ROM、RAM等を有しており、記憶部16に記憶されたオペレーションシステムに従い、画像処理などの各種の処理を行う。また、撮像機9から入力された載置面13又は対象物2の撮像画像データ(以下、単に撮像画像と称する)は、記憶部16に記憶される。
As shown in FIG. 1, the
次に、上記構成の三次元計測装置1において対象物2の計測を行う計測方法について説明する。図3は、本発明における計測方法について説明するフローチャートである。まず、16種類の正弦波パターンから1つの正弦波パターンを選択し(ステップS1)、当該正弦波パターンを投影機10から載置面13に載置された対象物2に向けて投影する(ステップS2、本発明における第1の工程に相当)。次に、この状態、すなわち、1つの正弦波パターンが投影された状態で、撮像機9により対象物2からの反射光をn回(本実施形態においては、8回)連続して撮像(換言すると撮影)する(ステップS3、本発明における第2の工程に相当)。これにより、n枚、即ち、本実施形態では8枚の撮像画像が得られる。ここで、投影される正弦波パターンを変えずに、連続して撮像を行ったとしても、投影機10内の光源における光量のばらつきや撮像機9内の受光素子における受光感度のばらつき等の影響により、撮像画像にばらつきが生じる虞がある。このため、得られた8枚の撮像画像を画像処理により平均化することで、このばらつきを抑制する。すなわち、ステップS4において、8枚の撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する(本発明における第3の工程に相当)。このようにして得られた、平均化された画像データ(以下、平均化画像という)は、記憶部16に記憶される。
Next, a measurement method for measuring the
上記の平均化画像を取得する工程(すなわち、本発明における第1の工程、第2の工程、及び、第3の工程)は、16種類の正弦波パターンの全てにおいて実行される。具体的には、16種類の正弦波パターンの全てにおいて平均化画像が取得されたか否かを判定する(ステップS5)。16種類の正弦波パターンの全てにおいて平均化画像が取得されていない場合(ステップS5においてNOの場合)、平均化画像が取得されていない正弦波パターン、すなわち既に平均化画像が取得された正弦波パターンとは位相が異なる正弦波パターンを選択し(ステップS6)、当該正弦波パターンを投影機10から載置面13に載置された対象物2に向けて投影する(ステップS2)。そして、上記したように、撮像機9により対象物2からの反射光を連続してn回撮像し(ステップS3)、撮像画像を画像処理により平均化する(ステップS4)。このようにして、16種類の正弦波パターンの全てにおいて平均化画像が取得されたならば(ステップS5においてYES)、これら16枚の平均化画像に基づいて、公知の位相シフト法により高さを求める計算処理を行う(ステップS7)。そして、得られた計測結果データは、記憶部16に記憶され、計測を終了する。以上により、対象物2の立体的な三次元形状を精度よく計測することができる。
The step of obtaining the averaged image (that is, the first step, the second step, and the third step in the present invention) is executed in all 16 types of sine wave patterns. Specifically, it is determined whether averaged images have been acquired for all 16 types of sine wave patterns (step S5). When averaged images are not acquired in all 16 types of sine wave patterns (NO in step S5), sine wave patterns for which averaged images have not been acquired, that is, sine waves for which averaged images have already been acquired A sine wave pattern having a phase different from that of the pattern is selected (step S6), and the sine wave pattern is projected from the
このように、複数の撮像画像(本実施形態においては、8枚の撮像画像)を平均化して、平均化画像を作製したので、計測結果のばらつきを抑制することができる。また、正弦波パターンを変えずに連続して対象物2を撮像したので、正弦波パターンの切り替え時間を短縮することができる。すなわち、16種類の正弦波パターンを1回ずつ撮像し、16種類の撮像画像から位相シフト法により高さを求める一連の工程を複数回(例えば、8回)行い、最後に計測結果データを平均化する計測方法と比べて、正弦波パターンの切り替え回数を少なくすることができる。特に、投影機10が液晶パネル等を用いたプロジェクターの場合、画像の切り替えに1フレームの時間を要するため、正弦波パターンの切り替え回数を少なくすることで、顕著な効果が得られる。さらに、16種類の正弦波パターンを1回ずつ撮像し、16種類の撮像画像から位相シフト法により高さを求める一連の工程を複数回(例えば、8回)行い、最後に計測結果データを平均化する計測方法と比べて、高さを求める計算処理を行う回数が少なくなる。その結果、計測結果のばらつきを抑制しつつ、計測時間を短縮することが可能になる。
As described above, since a plurality of captured images (eight captured images in the present embodiment) are averaged to produce an averaged image, variations in measurement results can be suppressed. Further, since the
次に、比較例として、16種類の正弦波パターンを1回ずつ撮像し、16種類の撮像画像から位相シフト法により高さを求める一連の工程を複数回(例えば、8回)行い、最後に計測結果データを平均化する計測方法を説明する。図4は、当該計測方法について説明するフローチャートである。本計測方法の場合、まず、16種類の正弦波パターンから1つの正弦波パターンを選択し(ステップS11)、当該正弦波パターンを投影機10から載置面13に載置された対象物2に向けて投影する(ステップS12)。次に、この状態、すなわち、1つの正弦波パターンが投影された状態で、撮像機9により対象物2からの反射光を1回撮像する(ステップS13)。この一連の工程を、16種類の正弦波パターンの全てにおいて実行する。具体的には、16種類の正弦波パターンの全てにおいて撮像画像が取得されたか否かを判定する(ステップS14)。16種類の正弦波パターンの全てにおいて撮像画像が取得されていない場合(ステップS14においてNOの場合)、撮像画像が取得されていない正弦波パターンを選択し(ステップS15)、当該正弦波パターンを投影機10から載置面13に載置された対象物2に向けて投影する(ステップS12)。そして、撮像機9により対象物2からの反射光を1回撮像し、撮像画像を取得する(ステップS13)。このような工程を繰り返して、16種類の正弦波パターンの全てにおいて撮像画像が取得されたならば(ステップS14においてYES)、これら16枚の撮像画像に基づいて、公知の位相シフト法により高さを求める計算処理を行う(ステップS16)。
Next, as a comparative example, 16 types of sine wave patterns are imaged once, a series of steps for obtaining the height from the 16 types of captured images by the phase shift method are performed a plurality of times (for example, 8 times), and finally A measurement method for averaging the measurement result data will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining the measurement method. In the case of this measurement method, first, one sine wave pattern is selected from the 16 types of sine wave patterns (step S11), and the sine wave pattern is applied from the
その後、同様の処理を複数回行う。具体的には、高さを求める計算処理がn回(例えば、8回)行われたか否かを判定する(ステップS17)。n回(例えば、8回)行われていない場合(ステップS17においてNOの場合)、上記したステップS11からステップS16までの一連の工程を再び実行する。すなわち、16種類の正弦波パターンの切り替えが再度行わる。そして、同様の処理がn回(例えば、8回)行われ、これに応じた複数(例えば、8つ)の高さデータが取得されたならば(ステップS17においてYES)、これら複数(例えば、8つ)の高さデータを平均化する処理を行う(ステップS18)。得られた計測結果データは、記憶部16に記憶され、計測を終了する。これにより、対象物2の立体的な三次元形状を精度よく計測することができる。
Thereafter, the same processing is performed a plurality of times. Specifically, it is determined whether or not the calculation process for obtaining the height has been performed n times (for example, 8 times) (step S17). If n times (for example, 8 times) have not been performed (NO in step S17), the above-described series of steps from step S11 to step S16 is executed again. That is, switching of 16 types of sine wave patterns is performed again. Then, the same processing is performed n times (for example, 8 times), and if a plurality of (for example, 8) height data corresponding to this is acquired (YES in step S17), these multiple (for example, for example) Eight) height data is averaged (step S18). The obtained measurement result data is stored in the
要するに、上記した比較例の場合、正弦波パターンの切り替えが16回×n回(8回)となるのに対し、本発明の場合、正弦波パターンを変えずにn回(8回)撮像するため、正弦波パターンの切り替えが16回となる。また、上記した比較例の場合、位相シフト法による計算処理がn回(8回)となるのに対し、本発明の場合、平均化画像を用いて計算処理を行うため、計算処理が1回となる。このため、本発明においては、計測結果のばらつきを抑制しつつ、計測時間を短縮することが可能になる。 In short, in the case of the above-described comparative example, switching of the sine wave pattern is 16 times × n times (8 times), whereas in the present invention, imaging is performed n times (8 times) without changing the sine wave pattern. Therefore, the sine wave pattern is switched 16 times. Further, in the case of the comparative example described above, the calculation process by the phase shift method is n times (8 times), whereas in the case of the present invention, the calculation process is performed using the averaged image. It becomes. For this reason, in this invention, it becomes possible to shorten measurement time, suppressing the dispersion | variation in a measurement result.
図5は、本発明における計測方法と比較例における計測方法とを比較したグラフである。図5に示す「〇」は、繰り返し精度(すなわち、計測精度)の値を表し、「×」は、計測時間を表している。また、左の縦軸が繰り返し精度であり、右の縦軸が計測時間[s]である。繰り返し精度は、数値が高いほどより計測精度が高いことを示している。即ち、図5の例では、繰り返し精度が「1」である場合に計測精度が最も高く、これよりも値が小さくなるほど(即ち、「0.4」に近づくほど)精度が低下する。図5に示すように、計測精度においては、本発明における計測方法と比較例における計測方法との間にほとんど差が無いことが分かる。一方、計測時間においては、本発明における計測方法の方が、比較例における計測方法よりも約0.3[s]短縮されていることが分かる。このように、本発明の計測方法を用いることで、計測精度を維持したまま、計測時間を短縮することができる。 FIG. 5 is a graph comparing the measurement method in the present invention and the measurement method in the comparative example. “◯” shown in FIG. 5 represents a value of repetition accuracy (that is, measurement accuracy), and “x” represents measurement time. The left vertical axis is the repeatability, and the right vertical axis is the measurement time [s]. The repeatability indicates that the higher the numerical value, the higher the measurement accuracy. That is, in the example of FIG. 5, the measurement accuracy is the highest when the repetition accuracy is “1”, and the accuracy decreases as the value becomes smaller (that is, the closer to “0.4”). As shown in FIG. 5, it can be seen that there is almost no difference in measurement accuracy between the measurement method of the present invention and the measurement method of the comparative example. On the other hand, in the measurement time, it can be seen that the measurement method in the present invention is shortened by about 0.3 [s] than the measurement method in the comparative example. Thus, by using the measurement method of the present invention, the measurement time can be shortened while maintaining measurement accuracy.
ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。例えば、1つの正弦波パターンを撮像する回数は、8回に限られず、計測精度に応じて任意に設定できる。また、正弦波パターンの種類は、16種類に限られず、計測精度に応じて任意の種類に設定できる。さらに、対象物2の高さを求める計算処理は、位相シフト法に限られず、その他の方法を採用することもできる。例えば、空間コード化法を用いた計算処理により、対象物2の高さを求めることができる。なお、空間コード化法を用いた計算処理を行う場合、投影されるパターンは、例えば、白黒の2値化された縞パターンである。この場合、縞幅が異なる縞パターン(例えば、縞幅が画面の半分、4分の1、8分の1、16分の1等のように段階的に細くなっていく縞パターン)が順次投影される。
By the way, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the description of the scope of claims. For example, the number of times of capturing one sine wave pattern is not limited to eight, and can be arbitrarily set according to measurement accuracy. Further, the types of sine wave patterns are not limited to 16 types, and can be set to any type according to measurement accuracy. Furthermore, the calculation process for obtaining the height of the
そして、以上においては、三次元計測装置1において、対象物2の三次元形状を計測する三次元計測方法を説明したが、その他の装置にも本発明を適用できる。物体認識装置において、対象物の形状(例えば、どの位置にどのようなパターンが形成されているのか等)を位相シフト法等により認識する物体認識方法にも本発明を適用できる。また、高さ計測装置において、対象物の高さ(例えば、所定の位置における基準面からの高さや厚さ等)を位相シフト法等により計測する高さ計測方法にも本発明を適用できる。要するに、対象物に対して複数のパターンを投影すると共に投影されたパターン毎に撮像し、得られた複数の撮像画像から画像処理を行う方法において、本発明を適用できる。
In the above description, the three-dimensional measurement method for measuring the three-dimensional shape of the
1…三次元計測装置,2…対象物,3…ステージ,5…計測機群,6…コンピューター,7…表示装置,9…撮像機,10…投影機,12…載置板,13…載置面,15…演算部,16…記憶部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の形状を認識することを特徴とする物体認識方法。 A first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object;
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In different patterns, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the shape of the object is recognized based on a plurality of obtained averaged image data. An object recognition method characterized by the above.
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の高さを計測することを特徴とする高さ計測方法。 A first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object;
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In different patterns, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the height of the object is measured based on the obtained plurality of averaged image data. A height measurement method characterized by:
前記対象物からの反射光を撮像機で複数回撮像する第2の工程と、
前記複数回撮像された撮像画像の輝度値を画素毎に平均化する第3の工程と、
を含み、
異なるパターンにおいて、前記第1の工程、前記第2の工程、及び、前記第3の工程をそれぞれ実行し、得られた複数の平均化された画像データに基づいて前記対象物の三次元形状を計測することを特徴とする三次元計測方法。 A first step of projecting a predetermined pattern from a projector toward an object;
A second step of imaging the reflected light from the object multiple times with an imaging device;
A third step of averaging the luminance value of the captured image captured a plurality of times for each pixel;
Including
In a different pattern, the first step, the second step, and the third step are respectively performed, and the three-dimensional shape of the object is obtained based on the plurality of averaged image data obtained. A three-dimensional measuring method characterized by measuring.
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