JP2023133723A - 三次元計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】イベントデータを利用して計測対象物の三次元形状の計測を実施可能な構成を提供する。【解決手段】計測部40は、撮像部30の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により計測対象物Rの三次元形状を計測する際、撮像素子から上記単位時間T中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と後のイベントデータの極性とに基づいて、撮像画像における画素単位での上記縞パターン情報を求める。【選択図】図7
Description
本発明は、計測対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置に関するものである。
従来、計測対象物の三次元形状等を計測する三次元計測装置として、例えば、位相シフト法を利用した装置が知られている。位相シフト法は、位相をずらした複数枚の縞パターン画像を投影することでこの縞パターン画像を投影した計測対象物に関して三次元計測を行う手法である。このように位相シフト法を利用して三次元計測を行う技術として、下記特許文献1に開示されている三次元計測装置が知られている。この三次元計測装置は、各位相の縞を異なる波長の光に割り当て、これを合成した縞パターン画像を計測対象物に投影し、この縞パターン画像を投影している計測対象物をカラーカメラで撮影する。そして、撮影した画像から各色成分を抽出して1回の撮影で位相算出を行うことで、三次元形状の計測に要する時間の短縮を図っている。
ところで、より高速に計測対象物の画像を生成する技術として、上記特許文献2に開示されるイベントカメラが知られている。このイベントカメラは、生物の網膜構造にヒントを得て開発された輝度値差分出力カメラであり、画素ごとに輝度の変化を感知してその座標、時間、そして輝度変化の極性を出力するように構成されている。このような構成により、イベントカメラは、従来のカメラのように輝度変化のない画素情報、つまり冗長なデータ(イベントデータ)は出力しないといった特徴があるため、データ通信量の軽減や画像処理の軽量化等が実現されることで、より高速に計測対象物の画像を生成することができる。
しかしながら、イベントカメラから出力されるイベントデータを用いて生成された計測対象物の撮像画像では、その撮像画像から画素単位での輝度変化の有無を把握できても輝度値を直接計測することができない。このため、輝度値を利用する位相シフト法などの三次元計測方法では、計測対象物の三次元形状の計測を実施できないという問題がある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、イベントデータを利用して計測対象物の三次元形状の計測を実施可能な構成を提供することにある。
上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明は、
計測対象物(R)に対して所定の縞パターンを投影する投影部(20)と、
前記所定の縞パターンが投影された前記計測対象物を撮像する撮像部(30)と、
前記撮像部の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により前記計測対象物の三次元形状を計測する計測部(40)と、
前記投影部を制御する制御部(11)と、
を備える三次元計測装置(10)であって、
前記投影部は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFが前記ミラーごとに前記制御部によって制御されることで、前記所定の縞パターンを投影し、
前記制御部は、単位時間中での前記反射のON/OFFタイミングを、前記所定の縞パターンに応じて前記ミラーごとに設定し、
前記撮像部は、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータを出力する撮像素子を備えて、前記撮像素子から出力されるイベントデータから前記撮像画像を生成し、
前記撮像素子は、明るくなる輝度変化の場合に正極性のイベントデータを出力し、暗くなる輝度変化の場合に負極性のイベントデータを出力し、イベントデータを出力してから前記単位時間よりも短い所定時間(ΔT)が経過するまでは次のイベントデータを出力しないように構成され、
前記計測部は、前記撮像素子から前記単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と前記先のイベントデータの極性及び前記後のイベントデータの極性の少なくとも一方とに基づいて、前記撮像画像における画素単位での前記縞パターン情報を求めることを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
計測対象物(R)に対して所定の縞パターンを投影する投影部(20)と、
前記所定の縞パターンが投影された前記計測対象物を撮像する撮像部(30)と、
前記撮像部の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により前記計測対象物の三次元形状を計測する計測部(40)と、
前記投影部を制御する制御部(11)と、
を備える三次元計測装置(10)であって、
前記投影部は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFが前記ミラーごとに前記制御部によって制御されることで、前記所定の縞パターンを投影し、
前記制御部は、単位時間中での前記反射のON/OFFタイミングを、前記所定の縞パターンに応じて前記ミラーごとに設定し、
前記撮像部は、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータを出力する撮像素子を備えて、前記撮像素子から出力されるイベントデータから前記撮像画像を生成し、
前記撮像素子は、明るくなる輝度変化の場合に正極性のイベントデータを出力し、暗くなる輝度変化の場合に負極性のイベントデータを出力し、イベントデータを出力してから前記単位時間よりも短い所定時間(ΔT)が経過するまでは次のイベントデータを出力しないように構成され、
前記計測部は、前記撮像素子から前記単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と前記先のイベントデータの極性及び前記後のイベントデータの極性の少なくとも一方とに基づいて、前記撮像画像における画素単位での前記縞パターン情報を求めることを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
請求項1の発明では、投影部は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFがミラーごとに制御部によって制御されることで、所定の縞パターンを計測対象物に対して投影する。制御部は、単位時間中での上記反射のON/OFFタイミングを、所定の縞パターンに応じてミラーごとに設定する。撮像部は、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータを出力する撮像素子を備え、この撮像素子は、明るくなる輝度変化の場合に正極性のイベントデータを出力し、暗くなる輝度変化の場合に負極性のイベントデータを出力し、イベントデータを出力してから上記単位時間よりも短い所定時間が経過するまでは次のイベントデータを出力しないように構成される。計測部は、撮像部の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により計測対象物の三次元形状を計測する際、撮像素子から上記単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と先のイベントデータの極性及び後のイベントデータの極性の少なくとも一方とに基づいて、撮像画像における画素単位での上記縞パターン情報を求める。
これにより、先のイベントデータの極性及び後のイベントデータの極性の少なくとも一方を制御することで、極性を制御しない場合と比較して、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加させることができる。すなわち、同じ単位時間で得られる情報量が増加することから、同じ情報量を表現する場合でも単位時間を短くすることができるので、イベントデータを利用して計測対象物の三次元形状の計測を実施できるだけでなく、イベントデータを利用した計測対象物の三次元計測の高速化を図ることができる。
請求項2の発明では、計測部は、撮像素子から単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と先のイベントデータの極性と後のイベントデータの極性とに基づいて、撮像画像における画素単位での上記縞パターン情報を求める。
これにより、イベントデータの出力によって得られる情報量をさらに増加させることができるので、イベントデータを利用した計測対象物の三次元計測の高速化をさらに図ることができる。
[第1実施形態]
以下、本発明の三次元計測装置を具現化した第1実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る三次元計測装置10は、計測対象物Rの三次元形状を計測する装置であって、図1及び図2に示すように、全体制御を司る制御部11と、計測対象物Rに対して位相シフト法用の所定の縞パターンを投影する投影部20と、所定の縞パターンが投影された計測対象物Rを撮像する撮像部30と、この撮像画像から計測対象物Rの三次元形状を計測する計測部40と、を備えるように構成されている。このように構成される三次元計測装置10は、例えば、ロボットのハンドに組み付けられることで、ハンドに対して高速に相対移動することになるワーク等の計測対象物Rの三次元形状を計測する。ここで、相対移動とは、ロボットのハンドに組付けられた三次元計測装置10の移動と計測対象物Rの高速移動との間での相対的な移動を指している。三次元計測装置10の位置が固定されている場合には相対移動は計測対象物Rの移動となる。
以下、本発明の三次元計測装置を具現化した第1実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る三次元計測装置10は、計測対象物Rの三次元形状を計測する装置であって、図1及び図2に示すように、全体制御を司る制御部11と、計測対象物Rに対して位相シフト法用の所定の縞パターンを投影する投影部20と、所定の縞パターンが投影された計測対象物Rを撮像する撮像部30と、この撮像画像から計測対象物Rの三次元形状を計測する計測部40と、を備えるように構成されている。このように構成される三次元計測装置10は、例えば、ロボットのハンドに組み付けられることで、ハンドに対して高速に相対移動することになるワーク等の計測対象物Rの三次元形状を計測する。ここで、相対移動とは、ロボットのハンドに組付けられた三次元計測装置10の移動と計測対象物Rの高速移動との間での相対的な移動を指している。三次元計測装置10の位置が固定されている場合には相対移動は計測対象物Rの移動となる。
なお、図2では、便宜上、13縞目まである所定の縞パターンを簡略化して図示している。より具体的には、一般的な縞パターンはサイン波パターンで表わされるので、縞パターンの明色部分と暗色部分は同様の幅となるが、図2では、便宜上、暗色部分の幅を小さくして線で表わしている。かつ、縞の数も実施形態では13以上であるが、13に省略している。
制御部11は、マイコンを主体として構成されるものであり、CPU、システムバス、入出力インタフェース等を有し、ROM,RAM、不揮発性メモリなどからなる記憶部とともに情報処理装置を構成している。記憶部には、ロボット制御に関するプログラムに加えて、投影部20の制御に関するプログラムや計測部40による三次元計測結果を利用した制御処理を実行するためのプログラム等が制御部11により実行可能に予め格納されている。
投影部20は、いわゆるDLPプロジェクタであって、制御部11により制御されて、光源からの光をDMD素子にて反射することで後述する所定の縞パターンを投影する。DMD素子は、スクリーンに投影された画像の各画素に相当する微細なミラーをアレイ状に配置したものであり、各ミラーの角度を変化させてスクリーンへ出射する光を、マイクロ秒単位でON/OFFするように構成されている。すなわち、投影部20は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFがミラーごとに制御部11によって制御されることで、所定の縞パターンを投影するように機能する。このため、各ミラーをONにしている時間とOFFにしている時間の比率によって、反射される光の階調を変化させることにより、投影する画像の画像データに基づいた階調表示が可能になる。
このような構成では、発光状態ごとに確保される単位時間内に1回発光される単パルス発光の発光時間が長くなるほどその発光状態が明るくなるため、発光時間に応じて発光状態を特定することができる。図2での画素について左上を(1、1)、右下を(k、l)とした場合、投影部20は、k×l画素(例えば、1140×912)に対応するミラーを備えている。また、例えば、DMD素子に入射する光として、R色(赤色)、G色(緑色)、B色(青色)が用意される場合には、R色がミラーにて反射することで発光するR色発光状態とG色がミラーにて反射することで発光するG色発光状態とB色がミラーにて反射することで発光するB色発光状態とが短時間の所定の周期で繰り返されて、それぞれの発光時間が個別に調整されることで、カラー画像が投影可能となる。このため、制御部11は、単位時間中での反射のON/OFFタイミングを、上記所定の縞パターンに応じてミラーごとに設定するように機能する。
撮像部30は、いわゆるイベントカメラであって、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータ(具体的には、二次元点データ、時間、輝度変化の極性)を出力する撮像素子を備えて、当該撮像素子から出力されるイベントデータから撮像画像を生成可能に構成されている。このため、撮像部30では、撮像画像での各画素単位に関して、光を受光することで明るくなる輝度変化が生じると正極性(プラス輝度変化)のイベントデータが出力され、その光が消えることで暗くなる輝度変化が生じて負極性(マイナス輝度変化)のイベントデータが出力される。一定期間内に出力される複数のイベントデータの二次元点データをそれぞれ点として所定の平面にプロットすることで計測対象物を撮像した画像データが生成可能となり、撮像部30は、このように生成された画像データ又はイベントデータ(二次元点データ,時間,輝度変化の極性)を計測部40に出力するように構成されている。
計測部40は、制御部11により制御されて、投影部20から予め決められた所定の縞パターンが投影されている状態の計測対象物Rを撮像部30により撮像した撮像画像に基づいて、位相シフト法によりその計測対象物Rの三次元形状を計測するものである。
一般的に、位相シフト法では、所定の縞パターン(第1の方向にて輝度が周期的に変化してこの第1の方向に直交する第2の方向にて輝度が変化しないパターン)を計測対象物Rに対して投影して撮像した格子画像(縞画像)に基づいて、その計測対象物Rの表面形状に応じてゆがんだ値に相当する位相値θを求めるため、下記の式(1)の輝度値I(x,y,n)から特定されるサイン波パターンが採用される。すなわち、位相シフト回数をNとしたとき、N枚の位相シフトされた格子画像(縞画像)の輝度値I(x,y,n)が式(1)によって表される。
I(x,y,n)=a(x,y)cos{θ(x,y)+2πn/N}+b(x,y)
・・・(1)
ここで、点(x,y)は、格子画像内の1点で、a(x,y)は、輝度振幅、b(x,y)は、背景輝度を示し、θ(x,y)は、n=0の格子の位相値を示し、N個の格子画像の輝度値I(x,y,n)から求めた位相値θ(x,y)に応じて点(x,y)までの距離zを測定する。
I(x,y,n)=a(x,y)cos{θ(x,y)+2πn/N}+b(x,y)
・・・(1)
ここで、点(x,y)は、格子画像内の1点で、a(x,y)は、輝度振幅、b(x,y)は、背景輝度を示し、θ(x,y)は、n=0の格子の位相値を示し、N個の格子画像の輝度値I(x,y,n)から求めた位相値θ(x,y)に応じて点(x,y)までの距離zを測定する。
具体的には、例えば、上述したR色発光状態、G色発光状態、B色発光状態による1周期分で3つの格子画像が得られる場合には、N=3として、R色発光状態での輝度値I(x,y,0)とG色発光状態での輝度値I(x,y,1)とB色発光状態での輝度値I(x,y,2)とを、撮像画像から求める。この場合には、位相シフト法用の所定の縞パターンは、R色のみで構成されるサイン波パターンとG色のみで構成されるサイン波パターンとB色のみで構成されるサイン波パターンとを位相が2π/3ずれるようにして構成される。
計測部40は、上記撮像画像における点(x,y)での輝度値I(x,y,0)、輝度値I(x,y,1)、輝度値I(x,y,2)が得られている場合には、上記式(1)を利用して位相値θ(x,y)を求め、このように求めた位相値θ(x,y)に応じて点(x,y)までの距離zを測定する。このようにして撮像した計測対象物Rの各点(x,y)の距離zがそれぞれ測定されることで、その計測対象物Rの三次元形状を計測することができる。
例えば、図3の点P1の距離zを求める場合、投影部20より所定の縞パターンをN回シフトして投影した状態での撮像部30のN枚の撮影画像から、点P1の位相値θとその点P1が何縞目かという情報(縞番号)とを求める。このように求めた位相値θ及び縞番号から投影部20での角度θp1と撮像部30での角度θc1とが求められると、投影部20と撮像部30との距離(視差L)は既知であるため、三角測量により点P1の距離zを求めることができる。同様に、図3の点P2の距離zは、N枚の撮影画像から求めた点P2の位相値θ及び縞番号から求められる投影部20での角度θp2と撮像部30での角度θc2とに基づいて、三角測量により求めることができる。この計算を計測エリア全体で行うことにより、三次元計測を行うことができる。
ここで、位相シフト法を利用して計測対象物Rの三次元形状を計測する際に、計測部40にて実施される三次元計測処理について以下詳述する。
本実施形態では、高速に相対移動する計測対象物Rを精度良く撮像するための撮像部として、イベントカメラを採用している。このような構成では、輝度変化があった画素に対応するイベントデータが出力され、そのイベントデータには輝度値が含まれないため、位相シフト法に必要な輝度値(I(x,y,0)、I(x,y,1)、I(x,y,2))を直接取得できない。
本実施形態では、高速に相対移動する計測対象物Rを精度良く撮像するための撮像部として、イベントカメラを採用している。このような構成では、輝度変化があった画素に対応するイベントデータが出力され、そのイベントデータには輝度値が含まれないため、位相シフト法に必要な輝度値(I(x,y,0)、I(x,y,1)、I(x,y,2))を直接取得できない。
その一方で、発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力された後に、発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力されるため、正極性のイベントデータの出力と負極性のイベントデータの出力との時間差が長くなるほど明るくなる。このため、撮像画像における画素単位での正極性のイベントデータの出力と負極性のイベントデータの出力との時間差に基づいて輝度値を求めることができる。
例えば、ある画素レベルにおいて、図4(A)に例示するように、R色発光状態、G色発光状態、B色発光状態が所定の周期3T(単位時間T)で繰り返されている場合を想定する。なお、図4及び後述する図5等では、正極性のイベントデータの出力を上向きの矢印にて図示し、負極性のイベントデータの出力を下向きの矢印にて図示している。
このような発光状態では、R色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(A)のt11参照)、R色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(A)のt12参照)。その後、G色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(A)のt13参照)、G色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(A)のt14参照)。その後、B色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(A)のt15参照)、B色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(A)のt16参照)。
また、例えば、図4(A)での画素と異なる画素レベルでは、図4(B)に例示するように、R色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(B)のt21参照)、R色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(B)のt22参照)。その後、G色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(B)のt23参照)、G色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(B)のt24参照)。その後、B色発光開始のタイミングで正極性のイベントデータが出力され(図4(B)のt25参照)、B色発光終了のタイミングで負極性のイベントデータが出力される(図4(B)のt26参照)。
ここで、R色発光開始のタイミングからR色発光終了のタイミングまでの時間が長くなるほどR色が明るくなるため、R色発光開始のタイミングからR色発光終了のタイミングまでの時間に応じてR色の輝度値を求めることができる。同様に、G色発光開始のタイミングからG色発光終了のタイミングまでの時間に応じてG色の輝度値を求めることができ、B色発光開始のタイミングからB色発光終了のタイミングまでの時間に応じてB色の輝度値を求めることができる。
このため、撮像画像における画素単位での正極性のイベントデータの出力と負極性のイベントデータの出力との時間差に基づいて輝度値(輝度情報)を求めることができる。図4(A)の例では、R色発光状態に関して正極性のイベントデータの出力と負極性のイベントデータの出力との時間差であるt12-t11に基づいてR色発光状態での輝度値I(x,y,0)を求めることができる。同様にして、時間差t14-t13及び時間差t16-t15に基づいて、G色発光状態での輝度値I(x,y,1)及びB色発光状態での輝度値I(x,y,2)を求めることができる。このようにして求めた各輝度値を利用して位相シフト法により計測対象物の三次元形状を計測することができる。すなわち、イベントデータを利用して計測対象物の三次元形状を計測することができる。
次に、本実施形態の特徴であるイベントデータの極性をも利用して三次元計測の高速化を図る構成について、以下に説明する。
撮像部30では、各画素単位にて、第1閾値(明側閾値)TH1を超えるように明るくなる輝度変化が生じると正極性のイベントデータが出力され、その光が消えることで第2閾値(暗側閾値)TH2未満になるように暗くなる輝度変化が生じると負極性のイベントデータが出力される。
撮像部30では、各画素単位にて、第1閾値(明側閾値)TH1を超えるように明るくなる輝度変化が生じると正極性のイベントデータが出力され、その光が消えることで第2閾値(暗側閾値)TH2未満になるように暗くなる輝度変化が生じると負極性のイベントデータが出力される。
具体的には、図5の例では、ある画素(xm,yn)において、単位時間Tの開始時に投影部20の対応するDMD素子のミラーがON状態になることで時刻t31にて受光される光量(受光によって生じる電圧)が第1閾値TH1を超えると、先のイベントデータが正極性で出力される。その後、単位時間Tよりも短いデッドタイムΔTdを経た後に新たに第1閾値TH1及び第2閾値TH2が設定され、単位時間Tの経過前に上記DMD素子のミラーがOFF状態になることで時刻t32にて受光される光量が第2閾値TH2未満になると、後のイベントデータが負極性で出力される。その後、デッドタイムΔTdを経た後に新たに第1閾値TH1及び第2閾値TH2が設定される。デッドタイムΔTdは、単位時間Tに対して十分に短い所定時間に設定されており、イベントデータを出力してからデッドタイムΔTdが経過するまでは次のイベントデータが出力されることはない。
このように、正極性の先のイベントデータと負極性の後のイベントデータとが交互に出力される場合には、イベントデータの極性を制御できず、イベントデータの極性に意味を持たせることができない。
これに対して、本願発明の特徴的構成は、先のイベントデータと後のイベントデータとの2つのイベントデータの出力タイミングの時間差に加えてイベントデータの極性を制御することで、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加させることにある。
例えば、イベントデータの極性を制御することなく1ms単位を1情報として活用して256msの時間で8bit情報を表現する構成に対して、後のイベントデータの極性(以下、終点極性ともいう)を制御する構成では、終点極性が正極性と負極性とで情報が変わるため、256msの時間で16bit情報を表現することができる。すなわち、終点極性を制御することで、同じ8bit情報を表現する場合でも半分の時間に短縮されるので、三次元計測の高速化を図ることができる。
例えば、終点極性を正極性に制御するためには、図6に例示するように、投影部20の対応するDMD素子のミラーが単位時間Tの開始時にON状態になった後、デッドタイムΔTd中に上記DMD素子のミラーをOFF状態に変える。これにより、撮像部30では、時刻t41にて受光される光量が第1閾値TH1を超えることで先のイベントデータが正極性にて出力された後、デッドタイムΔTdを経た後に新たに設定される第1閾値TH1及び第2閾値TH2は、DMD-OFF状態を基準に設定される。その後に上記DMD素子のミラーが再びON状態になることで、時刻t42にて受光される光量が上記第1閾値TH1を超えると、後のイベントデータが正極性に制御されて出力される。
このように、単位時間Tの開始時でのデッドタイムΔTd中にDMD素子の各ミラーのON/OFF状態を切り替えることで、同じ正極性のイベントデータを続けて出力することができる。すなわち、デッドタイムΔTd中でのDMD素子の各ミラーのON/OFF状態に応じてイベントデータの終点極性を制御することで、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加(倍増)させることができる。
上述のように終点極性を制御するための縞パターン(以下、極性制御用縞パターンともいう)が投影部20から投影されてその格子画像が撮像部30にて撮像される場合、計測部40は、N枚の位相シフトされた格子画像について輝度値I(x,y,n)に相当する縞パターン情報Is(x,y,n)を求めて、このように求めた縞パターン情報Is(x,y,n)から下記の式(2)を利用して位相値θ(x,y)を求める。
Is(x,y,n)=a(x,y)cos{θ(x,y)+2πn/N}
+b(x,y) ・・・(2)
Is(x,y,n)=a(x,y)cos{θ(x,y)+2πn/N}
+b(x,y) ・・・(2)
本実施形態では、縞パターン情報Is(x,y,n)を、先のイベントデータと後のイベントデータとの時間差ΔTi(x,y,n)と後のイベントデータの極性(終点極性)に応じて決まる値F1(x,y,n)とに基づいて、以下の式(3)から求める。
Is(x,y,n)=ΔTi(x,y,n)+F1(x,y,n) ・・・(3)
なお、本実施形態では、F1(x,y,n)は、後のイベントデータの極性が正極性であれば単位時間Tの値になり、後のイベントデータの極性が負極性であれば0になるものである。
Is(x,y,n)=ΔTi(x,y,n)+F1(x,y,n) ・・・(3)
なお、本実施形態では、F1(x,y,n)は、後のイベントデータの極性が正極性であれば単位時間Tの値になり、後のイベントデータの極性が負極性であれば0になるものである。
ここで、イベントデータの終点極性を制御することで三次元計測の高速化が図られる具体的な事例について、図7を参照して説明する。
終点極性が制御されず、単位時間Tが256msであって、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差208msが、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が152ms、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msとなる場合、図7(A)に例示するように、正極性の先のイベントデータと負極性の後のイベントデータとが交互に出力される。この場合、I(x,y,0)は、208msに相当する値になり、I(x,y,1)は、152msに相当する値になり、I(x,y,2)は、48msに相当する値になる。
終点極性が制御されず、単位時間Tが256msであって、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差208msが、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が152ms、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msとなる場合、図7(A)に例示するように、正極性の先のイベントデータと負極性の後のイベントデータとが交互に出力される。この場合、I(x,y,0)は、208msに相当する値になり、I(x,y,1)は、152msに相当する値になり、I(x,y,2)は、48msに相当する値になる。
これに対して、図7(A)での各出力時間差に相当する情報を得ることを前提に、図7(B)に示すように、終点極性を制御して単位時間Tを半分の128msとするとき、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差が80msであって後のイベントデータの極性が正極性であると、式(3)に基づいて、Is(x,y,0)は、208ms(80ms+128ms)に相当する値になって、終点極性が制御されないI(x,y,0)と同じ値になる。同様に、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が24msであって後のイベントデータの極性が正極性であると、式(3)に基づいて、Is(x,y,1)は、152ms(24ms+128ms)に相当する値になって、終点極性が制御されないI(x,y,1)と同じ値になる。また、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msであって後のイベントデータの極性が負極性であると、式(3)に基づいて、Is(x,y,2)は、48ms(48ms+0ms)に相当する値になって、終点極性が制御されないI(x,y,2)と同じ値になる。このように、単位時間Tを半分の時間にしても、イベントデータの終点極性を制御することで、同等の情報量を得ることができ、三次元計測の高速化を図ることができる。
このため、投影部20から照射される極性制御用縞パターンは、上記式(3)に基づいてIs(x,y,n)を求めることができるように生成される必要がある。制御部11は、上述のように生成される極性制御用縞パターンが投影されるように投影部20を制御するとともに、このように投影される極性制御用縞パターンに関する情報等を計測部40に対して所定のタイミングで指示する。このような指示を受けた計測部40では、撮像部30にて撮像されるN枚の位相シフトされた格子画像の縞パターン情報Is(x,y,n)を上述のように求めて、このように求めた縞パターン情報Is(x,y,n)から上記式(2)を利用して位相値θ(x,y)を求めることで、計測対象物Rの三次元形状を計測することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る三次元計測装置10では、投影部20は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFがミラーごとに制御部11によって制御されることで、所定の縞パターンを計測対象物Rに対して投影する。制御部11は、単位時間T中での反射のON/OFFタイミングを、所定の縞パターンに応じてミラーごとに設定する。撮像部30は、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータを出力する撮像素子を備え、この撮像素子は、明るくなる輝度変化の場合に正極性のイベントデータを出力し、暗くなる輝度変化の場合に負極性のイベントデータを出力し、イベントデータを出力してから上記単位時間よりも短い所定時間が経過するまでは次のイベントデータを出力しないように構成される。計測部40は、撮像部30の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により計測対象物Rの三次元形状を計測する際、撮像素子から上記単位時間T中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と後のイベントデータの極性(終点極性)とに基づいて、撮像画像における画素単位での上記縞パターン情報を求める。
このように、後のイベントデータの極性(終点極性)を制御できるので、極性を制御しない場合と比較して、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加させることができる。すなわち、同じ単位時間で得られる情報量が増加することから、同じ情報量を表現する場合でも単位時間を短くすることができるので、イベントデータを利用して計測対象物Rの三次元形状の計測を実施できるだけでなく、イベントデータを利用した計測対象物Rの三次元計測の高速化を図ることができる。
なお、本実施形態の変形例として、後のイベントデータの極性(終点極性)を制御することに限らず、先のイベントデータの極性(以下、始点極性ともいう)を制御することで、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加させてもよい。このようにしても、同じ単位時間で得られる情報量が増加(倍増)することから、同じ情報量を表現する場合でも単位時間を短くすることができるので、イベントデータを利用した計測対象物Rの三次元計測の高速化を図ることができる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る三次元計測装置について、図面を参照して説明する。
本第2実施形態では、後のイベントデータの極性(終点極性)に加えて先のイベントデータの極性(始点極性)をも制御することでさらなる三次元計測の高速化を図る点が、上記第1実施形態と主に異なる。したがって、第1実施形態と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
次に、第2実施形態に係る三次元計測装置について、図面を参照して説明する。
本第2実施形態では、後のイベントデータの極性(終点極性)に加えて先のイベントデータの極性(始点極性)をも制御することでさらなる三次元計測の高速化を図る点が、上記第1実施形態と主に異なる。したがって、第1実施形態と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、2つのイベントデータ(先のイベントデータ及び後のイベントデータ)の出力タイミングの時間差に加えてそれぞれのイベントデータの極性を制御することで、イベントデータの出力によって得られる情報量を増加させて、さらなる三次元計測の高速化を図る。
このため、本実施形態では、次に出力される先のイベントデータの極性と前に出力された後のイベントデータの極性とを同じ極性に制御する場合には、後のイベントデータを出力させるために投影部20のDMD素子のミラーがON状態又はOFF状態に切り替わった際のデッドタイムΔTd中に、そのDMD素子のミラーの状態をさらに切り替える。これにより、例えば、前に出力された後のイベントデータの極性が正極性である場合に、次に出力される先のイベントデータの極性も同じ正極性にすることができる。すなわち、後のイベントデータの極性(終点極性)と先のイベントデータの極性(始点極性)とをそれぞれ個別に制御することができる。
そして、本実施形態では、縞パターン情報Is(x,y,n)を、先のイベントデータと後のイベントデータとの時間差ΔTi(x,y,n)と、始点極性及び終点極性に応じて決まる値F2(x,y,n)とに基づいて、以下の式(4)から求める。
Is(x,y,n)=ΔTi(x,y,n)+F2(x,y,n) ・・・(4)
なお、本実施形態では、F2(x,y,n)は、始点極性が正極性かつ終点極性が負極性であれば単位時間Tの3倍となる値になり、始点極性が正極性かつ終点極性が正極性であれば単位時間Tの2倍となる値になり、始点極性が負極性かつ終点極性が正極性であれば単位時間Tの値になり、始点極性が負極性かつ終点極性が負極性であれば0になるものである。
Is(x,y,n)=ΔTi(x,y,n)+F2(x,y,n) ・・・(4)
なお、本実施形態では、F2(x,y,n)は、始点極性が正極性かつ終点極性が負極性であれば単位時間Tの3倍となる値になり、始点極性が正極性かつ終点極性が正極性であれば単位時間Tの2倍となる値になり、始点極性が負極性かつ終点極性が正極性であれば単位時間Tの値になり、始点極性が負極性かつ終点極性が負極性であれば0になるものである。
ここで、イベントデータの始点極性及び終点極性を制御することで三次元計測の高速化が図られる具体的な事例について、図8を参照して説明する。
図8(A)は、上述した図7(A)と同じく始点極性及び終点極性が制御されず、単位時間Tが256msであって、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差208msが、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が152ms、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msとなる場合であって、正極性の先のイベントデータと負極性の後のイベントデータとが交互に出力される状態を示す。
図8(A)は、上述した図7(A)と同じく始点極性及び終点極性が制御されず、単位時間Tが256msであって、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差208msが、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が152ms、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msとなる場合であって、正極性の先のイベントデータと負極性の後のイベントデータとが交互に出力される状態を示す。
これに対して、図8(A)での各出力時間差に相当する情報を得ることを前提に、図8(B)に示すように、始点極性及び終点極性を制御して単位時間Tを1/4の64msとするとき、R色発光状態でのイベントデータの出力時間差が16msであって始点極性が正極性かつ終点極性が負極性であると、式(4)に基づいて、Is(x,y,0)は、208ms(16ms+192ms)に相当する値になって、始点極性及び終点極性が制御されないI(x,y,0)と同じ値になる。同様に、G色発光状態でのイベントデータの出力時間差が24msであって始点極性が正極性かつ終点極性が正極性であると、式(4)に基づいて、Is(x,y,1)は、152ms(24ms+128ms)に相当する値になって、始点極性及び終点極性が制御されないI(x,y,1)と同じ値になる。また、B色発光状態でのイベントデータの出力時間差が48msであって始点極性が負極性かつ終点極性が負極性であると、式(4)に基づいて、Is(x,y,2)は、48ms(48ms+0ms)に相当する値になって、始点極性及び終点極性が制御されないI(x,y,2)と同じ値になる。このように、単位時間Tを1/4の時間にしても、イベントデータの始点極性及び終点極性を個別に制御することで、同等の情報量を得ることができ、さらなる三次元計測の高速化を図ることができる。
このため、投影部20から照射される極性制御用縞パターンは、上記式(4)に基づいてIs(x,y,n)を求めることができるように生成される必要がある。制御部11は、上述のように生成される極性制御用縞パターンが投影されるように投影部20を制御するとともに、このように投影される極性制御用縞パターンに関する情報等を計測部40に対して所定のタイミングで指示する。このような指示を受けた計測部40では、撮像部30にて撮像されるN枚の位相シフトされた格子画像の縞パターン情報Is(x,y,n)を上述のように求めて、このように求めた縞パターン情報Is(x,y,n)から上記式(2)を利用して位相値θ(x,y)を求めることで、計測対象物Rの三次元形状を計測することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る三次元計測装置10では、計測部40は、撮像素子から単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と先のイベントデータの極性(始点極性)と後のイベントデータの極性(終点極性)とに基づいて、撮像画像における画素単位での上記縞パターン情報を求める。
これにより、終点極性(始点極性)のみを制御する上記第1実施形態と比較して、イベントデータの出力によって得られる情報量をさらに増加させることができるので、イベントデータを利用した計測対象物の三次元計測の高速化をさらに図ることができる。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
(1)上記第1実施形態における縞パターン情報Is(x,y,n)は、後のイベントデータの極性(終点極性)に応じて決まる値F1(x,y,n)と先のイベントデータと後のイベントデータとの時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて、上記式(3)から求めることに限らず、終点極性に応じて決まる他の値と時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて求められてもよい。上記他の値としては、例えば、「後のイベントデータの極性が正極性であれば定数+0.5、もしくは、定数-0.5の値としてF1(x,y,n)を設計する場合も想定される。この部分は、設計者が、時間差ΔTi(x,y,n)と終点極性の2点の組み合わせを縞パターン情報Is(x,y,n)とどのように紐づけるか次第である。
また、上記第1実施形態の変形例においても同様に、縞パターン情報Is(x,y,n)は、先のイベントデータの極性(始点極性)に応じて決まる他の値と時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて求められてもよい。
(1)上記第1実施形態における縞パターン情報Is(x,y,n)は、後のイベントデータの極性(終点極性)に応じて決まる値F1(x,y,n)と先のイベントデータと後のイベントデータとの時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて、上記式(3)から求めることに限らず、終点極性に応じて決まる他の値と時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて求められてもよい。上記他の値としては、例えば、「後のイベントデータの極性が正極性であれば定数+0.5、もしくは、定数-0.5の値としてF1(x,y,n)を設計する場合も想定される。この部分は、設計者が、時間差ΔTi(x,y,n)と終点極性の2点の組み合わせを縞パターン情報Is(x,y,n)とどのように紐づけるか次第である。
また、上記第1実施形態の変形例においても同様に、縞パターン情報Is(x,y,n)は、先のイベントデータの極性(始点極性)に応じて決まる他の値と時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて求められてもよい。
(2)上記第2実施形態における縞パターン情報Is(x,y,n)は、先のイベントデータの極性(始点極性)と後のイベントデータの極性(終点極性)とに応じて決まる値F2(x,y,n)と先のイベントデータと後のイベントデータとの時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて、上記式(4)から求めることに限らず、始点極性及び終点極性に応じて決まる他の値と時間差ΔTi(x,y,n)とに基づいて求められてもよい。上記他の値としては、例えば、「F2(x,y,n)は、始点極性が正極性かつ終点極性が負極性であれば0.75になり、始点極性が正極性かつ終点極性が正極性であれば0.5になり、始点極性が負極性かつ終点極性が正極性であれば0.25になり、始点極性が負極性かつ終点極性が負極性であれば0になるもの」という設計も想定される。この部分は、設計者が、時間差ΔTi(x,y,n)と始点極性、終点極性の3点の組み合わせを縞パターン情報Is(x,y,n)とどのように紐づけるか次第である。
(3)三次元計測装置10は、ロボットのハンドに組み付けられた状態で移動して、相対移動する計測対象物の三次元形状を計測することに限らず、例えば、固定状態で使用されて、搬送ライン上を移動する計測対象物の三次元形状を計測してもよい。
(4)三次元計測装置10は、投影部20及び撮像部30と計測部40とが別体となって、計測部40が投影部20及び撮像部30と無線通信又は有線通信可能な情報処理端末として構成されてもよい。
(5)投影部20からN回シフトして投影される所定の縞パターンは、N=3を前提にR色発光状態とG色発光状態とB色発光状態とによって構成されることに限らず、周期的に変化する明色部分及び暗色部分によって構成されてもよよい。
10…三次元計測装置
11…制御部
20…投影部
30…撮像部
40…計測部
R…計測対象物
ΔT…デッドタイム(所定時間)
11…制御部
20…投影部
30…撮像部
40…計測部
R…計測対象物
ΔT…デッドタイム(所定時間)
Claims (2)
- 計測対象物に対して所定の縞パターンを投影する投影部と、
前記所定の縞パターンが投影された前記計測対象物を撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮像画像から求められる縞パターン情報を利用して位相シフト法により前記計測対象物の三次元形状を計測する計測部と、
前記投影部を制御する制御部と、
を備える三次元計測装置であって、
前記投影部は、複数のミラーをアレイ状に配置したDMDによる入射光の反射のON/OFFが前記ミラーごとに前記制御部によって制御されることで、前記所定の縞パターンを投影し、
前記制御部は、単位時間中での前記反射のON/OFFタイミングを、前記所定の縞パターンに応じて前記ミラーごとに設定し、
前記撮像部は、受光した際に輝度変化のあった画素に対応して当該画素の位置が特定される二次元点データを含めたイベントデータを出力する撮像素子を備えて、前記撮像素子から出力されるイベントデータから前記撮像画像を生成し、
前記撮像素子は、明るくなる輝度変化の場合に正極性のイベントデータを出力し、暗くなる輝度変化の場合に負極性のイベントデータを出力し、イベントデータを出力してから前記単位時間よりも短い所定時間が経過するまでは次のイベントデータを出力しないように構成され、
前記計測部は、前記撮像素子から前記単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と前記先のイベントデータの極性及び前記後のイベントデータの極性の少なくとも一方とに基づいて、前記撮像画像における画素単位での前記縞パターン情報を求めることを特徴とする三次元計測装置。 - 前記計測部は、前記撮像素子から前記単位時間中に出力される先のイベントデータと後のイベントデータとの出力タイミングの時間差と前記先のイベントデータの極性と前記後のイベントデータの極性とに基づいて、前記撮像画像における画素単位での前記縞パターン情報を求めることを特徴とする請求項1に記載の三次元計測装置。
Priority Applications (2)
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JP2022038861A JP2023133723A (ja) | 2022-03-14 | 2022-03-14 | 三次元計測装置 |
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JP7371443B2 (ja) * | 2019-10-28 | 2023-10-31 | 株式会社デンソーウェーブ | 三次元計測装置 |
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2022
- 2022-03-14 JP JP2022038861A patent/JP2023133723A/ja active Pending
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2023
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