JP2020027599A - ３ｄスキャンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄスキャンシステムを提供することを課題とする。【解決手段】３Ｄスキャンシステムであって、投射用光源と画像キャプチャ装置と信号処理装置と、を含む。投射用光源は、対象物に空間周波数を有する２次元光を投射するために用いられる。画像キャプチャ装置は、２次元光から照射された対象物の画像をキャプチャするために用いられる。信号処理装置は、投射用光源と画像キャプチャ装置にカップリングして画像の鮮明度を分析し、画像の鮮明度が要求基準より低い場合、２次元光の空間周波数を低下させるために用いられる。【選択図】図１

Description

本発明は、スキャンシステムに関し、特に、３Ｄスキャンシステムに関する。

３Ｄスキャンは、主に対象物をスキャンして前記対象物の表面上の空間座標を得るために用いられ、現在の３Ｄモデリングの主な方法である。３Ｄスキャンの方式は、接触式及び非接触式に分けることができ、非接触式が最も幅広く使用されている。非接触式光学測定において、往々にしてレンズの被写界深度特性により、スキャン範囲が制限を受ける。この制限を克服するため、比較的大きな対象物への３Ｄスキャナとして、分割スキャン方式を用いる人もいる。しかしながら、この方式は、スキャン後の結果をつなぎ合わせるという後のステップが増える。又、対象物の表面に反射材質がある場合、３Ｄスキャンに対し容易に干渉を引き起こす。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、キャプチャした画像の鮮明度を改善でき、高さの異なる対象物のスキャンに適する３Ｄスキャンシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、投射用光源と画像キャプチャ装置と信号処理装置とを含む３Ｄスキャンシステムを提供する。
投射用光源は、対象物に空間周波数を持つ２次元光を投射するために用いられる。画像キャプチャ装置は、２次元光から照射された対象物の画像をキャプチャするために用いられる。信号処理装置は、投射用光源と画像キャプチャ装置にカップリングして画像の鮮明度を分析し、画像の鮮明度が要求基準より低い場合、２次元光の空間周波数を低下させるために用いられる。

本発明では、投射用光源と画像キャプチャ装置と信号処理装置とを含む３Ｄスキャンシステムを更に提供する。
投射用光源は、対象物に対して時間とともに第１パターンから第２パターンに転換する２次元光を投射するために用いられる。画像キャプチャ装置は、各々第１パターンから照射された対象物の第１画像及び第２パターンから照射された対象物の第２画像をキャプチャするために用いられる。信号処理装置は、投射用光源と画像キャプチャ装置にカップリングし、また第１画像と第２画像を相互参照することで、３Ｄモデルを生成する。

上述をまとめると、本発明の実施例に係る３Ｄスキャンシステムは、必要性に応じて２次元光の空間周波数を調整することで、キャプチャした画像の鮮明度を改善でき、高さの異なる対象物のスキャンに適する。また、パターン特徴の異なる２次元光の投射を通じて、反射しやすい対象物に対しスキャンすることもできる。

本発明の一実施例に係る３Ｄスキャンシステムを示す模式図である。 投射用光源の焦平面における変調伝達関数図である。 投射用光源のデフォーカス時１ｃｍまで近づけた位置の変調伝達関数図である。 投射用光源のデフォーカス時１ｃｍから離れた位置の変調伝達関数図である。 異なる空間周波数の異なる位置における測定結果（１）である。 異なる空間周波数の異なる位置における測定結果（２）である。 異なる空間周波数の異なる位置における測定結果（３）である。 本発明の一実施例に係る周波数の組み合わせを示す模式図である。 本発明の他の実施例に係る周波数の組み合わせを示す模式図である。 本発明の他の実施例に係る第１パターン及び第２パターンを示す模式図である。

図１は本発明の一実施例に係る３Ｄスキャンシステムを示す模式図である。３Ｄスキャンシステムは、投射用光源１００と画像キャプチャ装置２００と信号処理装置３００とを含む。

投射用光源１００は、対象物（図示せず）に２次元光Ｌを投射するために用いられる。投射用光源１００は、１個或いは複数個のプロジェクタを含むことができる。２次元光Ｌとは、２次元空間上に投射して照射範囲を形成できるものをいう。２次元光Ｌは、空間周波数（或いは「空間分解能」という）を有し、すなわち、２次元光Ｌが単位長さ当たりに繰り返して現れる同一の幾何学的構造を含み、繰り返す周波数が空間周波数である。
図１に示すように、２次元光Ｌは、平面において四辺形の照射範囲を投射でき、この四辺形の照射範囲内に明暗を繰り返す縞模様が現れる。

画像キャプチャ装置２００は、前記２次元光Ｌから照射された対象物の画像をキャプチャできる。画像キャプチャ装置２００は、１つ又は複数の撮像用レンズユニットを含み、前記撮像用レンズユニットが電荷結合素子（ＣＣＤ）或いは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサとすることができる。

１台又は複数台のプロジェクタ及び１台又は複数台の画像キャプチャ装置２００は、スケジューリングを通じて運転できる。例えば、投射用光源１００が２台のプロジェクタを含む場合、１台目のプロジェクタから２次元光Ｌが出力されると同時に、１つ又は複数の撮像用レンズユニットが同時に画面をキャプチャし、２台目のプロジェクタから別の２次元光Ｌが出力されると同時に、１つ又は複数の撮像用レンズユニットが同時に画面をキャプチャする。

信号処理装置３００は、投射用光源１００及び画像キャプチャ装置２００にカップリングし、投射用光源１００をコントロールすると共に前記画像を取得することで、画像を分析し、また画像に基づき三角測距原理を利用して逆に推定して深度情報を得て、これをもって該対象物の３Ｄモデルを生成するために用いられる。信号処理装置３００は、演算能力を持つ計算機、例えばコンピュータとすることができ、前記演算を実行するプロセッサ、該演算プログラムコードを保存する媒体等の電子デバイス、メモリ等を含む。

図２乃至図４を参照する。焦点距離５０ミリメートル、絞り範囲Ｆ／４、倍率−０．３ｘのレンズを例にし、図２は、投射用光源１００の焦平面における変調伝達関数（ＭＴＦ）図であり、図３が投射用光源のデフォーカス時１ｃｍまで近づけた位置の変調伝達関数図であり、図４が投射用光源のデフォーカス時１ｃｍから離れた位置の変調伝達関数図である。
図からも分かるように、空間周波数が高ければ高いほど、画像の鮮明度がデフォーカス距離の影響を益々容易に受けてしまう。

図５乃至図７は各々が異なる空間周波数の異なる位置における測定結果である。入力された弦波信号は投射用光源１００から出力され、明暗の間隔の２次元光Ｌを出力させる。図５に示すように、線Ａは、焦平面の測定結果であり、線Ｂがデフォーカス平面から５ｃｍの測定結果であり、線Ｃがデフォーカス平面から１０ｃｍの測定結果である。縦軸は、測定した信号幅の値（規準化処理を経た後の数値であるため、ここではパーセントで示す）であり、横軸が空間長さである。
図からも分かるように、空間周波数が比較的高い時、デフォーカス平面が遠ければ遠いほど、測定した画像が益々不鮮明となる。更に図５を図６及び図７と比較すると分かるように、空間周波数が低下した時、焦平面でずれた位置に十分鮮明な画像も測定できる。

上記測定結果から分かるように、空間周波数の低下を通じて、測定範囲を不鮮明から非常に鮮明に変えることで識別させることができる。よって、信号処理装置３００は画像キャプチャ装置２００でキャプチャした画像を取得した後で、先に該画像の鮮明度を分析する。画像の鮮明度が要求基準より低い場合、２次元光Ｌの空間周波数を低下することで、画像の鮮明度を上げる。
幾つかの実施例において、信号処理装置３００は、空間周波数を自ら低下してから空間周波数の低下後の画像が該要求基準に適合しているかどうかを測定し、まだ適合しない場合、再度空間周波数を低下する。幾つかの実施例において、操作者が信号処理装置３００を操作して空間周波数の低下数値を指定する。

幾つかの実施例において、２次元光Ｌの空間周波数は、単一周波数に保持される。

幾つかの実施例において、２次元光Ｌの空間周波数は、変化でき、１つの周波数の組み合わせとし、該周波数の組み合わせが時間とともに異なる空間周波数を変更する。
図８は本発明の一実施例に係る周波数の組み合わせを示す模式図である。ここで、２次元光Ｌが順次１つの明領域Ｚ１及び１つの暗領域Ｚ２で構成される２次元光Ｌ１から交替する２つの明領域Ｚ１と２つの暗領域Ｚ２で構成される２次元光Ｌ２に変化し、交替する４つの明領域Ｚ１と４つの暗領域Ｚ２で構成される２次元光Ｌ３に変化する。こうして、照射範囲に対して空間符号化することで、照射範囲内の各位置に対して追跡できる。このように、前記明領域、暗領域の境界線は、鮮明或いは漸変とすることができる。

幾つかの実施例において、空間周波数の異なる２次元光Ｌを順次出力でき、また画像キャプチャ装置２００で対応する画像をキャプチャし、信号処理装置３００がキャプチャしたそれら画像から適した空間周波数画像を選別する。例えば、多少の高低差のある対象物については、比較的高い位置からデフォーカスが生じるため、最高の空間周波数画像は採用しない。

図９は、本発明の他の実施例に係る周波数の組み合わせを示す模式図である。図８と比較すると、図８は、第１方向ｋ１におけるインターバル発光方式で生成され、図９は第２方向ｋ２におけるインターバル発光方式で生成される。

幾つかの状況において、対象物の表面に高反射材質がある場合、三角測距アルゴリズムの結果に容易に影響を与える可能性がある。よって、幾つかの実施例において、２次元光は、時間とともに第１パターンから第２パターンに転換する。例えば、第１パターンは、図８に示すように第１方向ｋ１におけるインターバル発光方式で空間周波数を持つ明暗間隔のパターンを生成し、第２パターンが図９に示すように第２方向ｋ２におけるインターバル発光方式で空間周波数を持つ明暗間隔のパターンを生成する。第１パターンと第２パターンの空間周波数は、同じことができるが、本発明の実施例は、これに限定されない。
画像キャプチャ装置２００は、各々第１パターンから照射された対象物の第１画像及び第２パターンから照射された対象物の第２画像をキャプチャする。信号処理装置３００は、第１画像と第２画像を相互参照して、２つの画像における対象物の同一位置が対応する計算結果を比較し、結果が異なる場合、３Ｄモデルを生成するため、その結果を除去し、実質的に同じ或いは近い計算結果のみを残し、不足部分は補間法を通じて補足できる。

幾つかの実施例において、第１パターンと第２パターンの空間周波数は、異なる。

図１０は本発明の他の実施例に係る第１パターンＰ１及び第２パターンＰ２を示す模式図である。ここで、言及すべき点は、前記第１方向ｋ１及び第２方向ｋ２が必ずしも垂直及び水平方向ではない点である。第１方向ｋ１及び第２方向ｋ２はその他の方向とすることができ、例えば±４５度である。ただし本発明は、第１方向ｋ１と第２方向ｋ２の間の交角θが必ず９０度であると制限されず、その他の角度とすることができる。すなわち、第１方向ｋ１と第２方向ｋ２との交角θは０度〜１８０度の範囲内にあり、かつ０度、９０度或いは１８０度ではない。言い換えると、幾つかの実施例において、投射用光源１００は、２次元に配列された複数の発光ユニット１１０を含み、これら発光ユニット１１０を正方形とすることができ、また菱形といったその他の形状としてもよい。前記第１方向ｋ１と第２方向ｋ２の方向及び交角は、投射用光源１００から出力される２次元光の出射面における第１方向ｋ１と第２方向ｋ２の方向及び交角をいう。

上述をまとめると、本発明の実施例に係る３Ｄスキャンシステムは、必要性に応じて２次元光の空間周波数を調整することで、キャプチャした画像の鮮明度を改善でき、高さの異なる対象物のスキャンに適する。また、パターン特徴の異なる２次元光の投射を通じて、反射しやすい対象物に対しスキャンすることもできる。

１００ 投射用光源
１１０ 発光ユニット
２００ 画像キャプチャ装置
３００ 信号処理装置
Ａ、Ｂ、Ｃ 線
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ ２次元光
Ｚ１ 明領域
Ｚ２ 暗領域
Ｐ１ 第１パターン
Ｐ２ 第２パターン
ｋ１ 第１方向
ｋ２ 第２方向
θ 交角

Claims (9)

1. 対象物に空間周波数を持つ２次元光を投射するための投射用光源と、
   前記２次元光から照射された前記対象物の画像をキャプチャするための画像キャプチャ装置と、
   前記投射用光源と前記画像キャプチャ装置にカップリングして前記画像の鮮明度を分析し、前記画像の前記鮮明度が要求基準より低い場合、前記２次元光の前記空間周波数を低下させるための信号処理装置と、を含むことを特徴とする、
   ３Ｄスキャンシステム。
2. 前記２次元光の前記空間周波数が、単一周波数であることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄスキャンシステム。
3. 前記２次元光の前記空間周波数が、周波数の組み合わせであり、前記周波数の組み合わせは時間に伴い異なる空間周波数を変更することを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄスキャンシステム。
4. 前記２次元光は、時間とともに第１パターンから第２パターンに転換し、画像キャプチャ装置が各々前記第１パターンから照射された前記対象物の第１画像及び前記第２パターンから照射された前記対象物の第２画像をキャプチャし、信号処理装置が第１画像と第２画像を相互参照することで、３Ｄモデルを生成することを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄスキャンシステム。
5. 前記投射用光源は、２次元に配列された発光ユニットを備え、前記第１パターンが第１方向におけるインターバル発光方式で生成され、前記第２パターンが第２方向におけるインターバル発光方式で生成されることを特徴とする、請求項４に記載の３Ｄスキャンシステム。
6. 対象物に対して時間とともに第１パターンから第２パターンに転換する２次元光を投射するための投射用光源と、
   各々前記第１パターンから照射された前記対象物の第１画像及び前記第２パターンから照射された前記対象物の第２画像をキャプチャするための画像キャプチャ装置と、
   前記投射用光源と前記画像キャプチャ装置にカップリングし、また前記第１画像と前記第２画像を相互参照することで、３Ｄモデルを生成するための信号処理装置と、を含むことを特徴とする、
   ３Ｄスキャンシステム。
7. 前記投射用光源は、２次元に配列された発光ユニットを備え、前記第１パターンが第１方向におけるインターバル発光方式で生成され、前記第２パターンが第２方向におけるインターバル発光方式で生成されることを特徴とする、請求項６に記載の３Ｄスキャンシステム。
8. 前記第１方向と前記第２方向との間の交角は、９０度であることを特徴とする、請求項７に記載の３Ｄスキャンシステム。
9. 前記第１方向と前記第２方向との間の交角は、０度〜１８０度の範囲内にあり、かつ０度、９０度或いは１８０度ではないことを特徴とする、請求項７に記載の３Ｄスキャンシステム。

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