JP2739319B2 - 立体形状再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は立体形状再生装置に関し、たとえば物体や
地形の立体形状を簡便にかつ高精度に再生するための等
高線からの立体形状の再生に関するものであり、特に、
コンピュータグラフィックスやロボット工学における三
次元物体の立体形状ならびに地図や天気図などの等高線
図形をデータベース化したり、三次元的に表示するため
の立体形状再生装置に関する。

［従来の技術］ 等高線から立体形状を表わす方法としては、X,Y,Zの
三次元座標値をもとにしてワイヤフレームモデルなどを
生成する方法が一般に行なわれている。等高線を入力す
る方法としては、等高線の描かれた写真や図面を光学的
に読取る装置、または物体の立体形状の場合には立体形
状のモアレ縞として表現した画像を同じく光学的に読取
る装置、あるいは電子的に画像処理を行なってモアレ縞
を生成させる装置などが用いられている。

第５図は上述のような方法で入された等高線からワイ
ヤフレームモデルを生成する方法を示す図であり、特
に、第５図（ａ）はもとの等高線の画像を示し、第５図
（ｂ）は生成されたワイヤフレームモデルの一例を示す
図である。

第５図（ａ）において、等高線201が描かれた画像平
面内において、走査線202によって水平に所定の間隔で
走査しながら等高線201と走査線202との交点203が求め
られる。この求められた交点203によって、その画像上
の位置から三次元座標のX,Yを求めることができ、また
それは等高線201上にあることから、三次元座標のＺを
求めることができる。したがって、交点203をそれぞれ
の走査線上において求め、同一走査線上の相隣り合う交
点および相隣り合う走査線上の交点を交差しないように
結んでいくことによって、物体の表面をたとえば互いに
一辺を共有し合う多数の三角形の集まりによって覆うこ
とができ、立体形状を或る程度第５図（ｂ）に示すよう
なワイヤフレームモデルとして再生することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の方法では、等高線201が画像内で離散的にしか
存在しないため、１本の走査線202上で三次元座標を知
ることのできる点は等高線と走査線202との交点に限定
され、各等高線201の間の部分の立体形状を実際の対象
に対して忠実に再現することができない。１本の走査線
202上の相隣り合う交点の間の点の三次元座標値をスプ
ライン曲線などで補間する方法もあるが、データの処理
が複雑となる上に、やはり立体形状を忠実に再現するの
は困難である。また、走査線202の間隔ｄを小さくして
走査線の本数を多くすればより良い形状の再生結果が得
られるが、その半面データ量が膨大になり、簡単な形状
の物体であっても大容量のデータの処理装置や記憶装置
を必要とし、非常に不経済となる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、等高線図形の
データベース化や三次元的な図化を行なうにあたって、
等高線上に曲率に応じた節点を発生させ、それらを接続
することによって等高線で表わされる対象の立体形状を
簡便な方法でより忠実になおかつ少ないデータ量で表現
できる立体形状再生装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明は立体形状再生装置であって、等高線情報を
入力するための入力手段と、入力された等高線情報に基
づく等高線の曲率に応じて節点を発生する節点発生手段
と、発生された節点のうち短い節点間を接続するための
節点接続手段を備えて構成したものである。

入力手段としては、好ましくは物体に基準格子を投影
する投影手段と、投影された基準格子の変形格子像を撮
像するための撮像手段と、基準格子と光学的に等価な格
子パターンを発生する格子パターン発生手段と、発生さ
れた格子パターンと撮影された変形格子像パターンを乗
算して等高線を示すモアレ縞を発生させるための乗算手
段を含んで構成される。

［作用］ この発明に係る立体形状再生装置は、入力された等高
線図形において、等高線上に曲率に応じて節点を発生さ
せ、相隣り合う等高線上の節点を接続して立体形状をワ
イヤフレームモデルとして表現し、対象の立体形状を忠
実に再生する。

［発明の実施例］ 第２図はモアレ縞を生成させるための代表的な方法で
ある投影法を説明するための図である。

まず、実施例の説明に先立って、第２図を参照して、
モアレ縞を用いた物体の立体形状を測定する方法につい
て説明する。第２図において、測定対象物１から所定距
離離れた位置に基準格子２が設けられ、基準格子２の近
傍に光源３が配置されている。また、基準格子２と測定
対象物１との間にはレンズ４が配置されている。したが
って、光源３から照射された光は基準格子２を通り、レ
ンズ４によって測定対象物１上に投影される。それによ
って、測定対象物１上には基準格子２の影（以下、変形
格子像と称する）が投影される。

基準格子２に隣接して観察格子５が配置される。

この観察格子５は変形格子像と干渉させてモアレ縞を
生成させるためのものである。観察格子５と測定対象物
１との間にはレンズ６が配置されていて、このレンズ６
は変形格子像を観察格子５上に結像させる。観察格子５
上に生成されたモアレ縞はテレビカメラ７によって撮影
される。なお、第２図において８はモアレ縞として観察
される等高線であり、Ｎはそれぞれのモアレ縞の次数を
示し、Z_Nは次数Ｎのモアレ縞が生成される位置であり、
格子線位置を基準としている。

モアレ縞は、基準格子２を測定対象物１の手前に置
き、点または線光源３よりレンズ４で測定対象物１の表
面に基準格子２の変形格子像を結像させ、その変形格子
像をさらに観察格子５を介して光源３と同じ高さの位置
からレンズ６で結像させたとき、変形格子像と観察格子
５の空間周波数変調の結果生成される干渉縞であり、こ
の干渉縞が測定対象物１の立体形状を地図の等高線のご
とく表わす。

また、上述の方法の他に、測定対象物１の表面にでき
た変形格子像のみをテレビカメラ７で撮影しておき、こ
の撮影した変形格子像に必要に応じて、変形格子像を生
成させた基準格子２と光学的に等価な格子間隔を有する
格子を重ねたり、あるいは該格子間隔で変形格子像をサ
ンプリングしたりして、測定対象物１のモアレ縞を生成
させる方法も知られている。

上述のようにして生成したモアレ縞をもとにして、物
体の立体形状を測定する方法について、以下に説明す
る。テレビカメラ７などの撮像素子によって上述の方法
で発生させたモアレ縞を撮影し、輝度信号をA/D変換し
た後、雑音を除くためのフィルタリング処理および２値
化処理を行なってモアレ縞のみが抽出される。モアレ縞
は細線化処理によって１画素の幅の２値画像とされ、凹
凸判定および縞次数の判定が行なわれる。凹凸の判定方
法としては、基準格子２または観察格子５の位相を基準
となる値に設定して生成させたモアレ縞と、位相をシフ
トさせて生成させたモアレ縞４とを比較し、モアレ縞の
移動方向から凹凸の判定を行なう。

また、縞次数の判定方法としては、基準格子の一部に
マークを付けておいて撮影した変形格子像からマークの
付いた格子を光走査などで判定し、一方変形格子像をサ
ンプリングする方法をとれば、何番目の格子を重ねてマ
ークの付いた格子を見ているかを知ることができる。そ
れによって、マークの付いた格子の番号とマークの付し
た格子を重ねて見ている格子の番号との差から縞次数の
判定が行なわれる。この縞次数からそれぞれのモアレ縞
の奥行方向の座標は、次数Ｎのモアレ縞が生成される位
置の基準格子２からの距離をZ_N,光源３とテレビカメラ
７の光軸間の距離を1,基準格子間隔をP,格子面とレンズ
４の主点間の距離をａおよびモアレ縞の次数をＮとする
と、 Z_N＝ａ・1/b・Ｎ …（１） 但し、Ｎ＝1,2… によって求められる。さらに、それぞれのモアレ縞を構
成している画素の横方向および縦方向の位置座標からＸ
およびＹ座標がそれぞれ計算によって求められ、物体の
立体形状を三次元座標値として得ることができる。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図
である。

まず、第１図を参照して、この発明の一実施例の構成
について説明する。プロジェクタ31は基準格子を物体に
投影するためのものであり、物体に投影された基準格子
の変形格子像はテレビカメラ32によって撮影される。テ
レビカメラ32の撮影出力であるアナログ映像信号はA/D
変換器33に与えられ、サンプリングされてディジタル信
号に変換される。このディジタル信号はノイズ除去フィ
ルタ34に与えられ、量子化ノイズが除去される。量子化
ノイズの除去された変形格子像のパターンは乗算器36に
与えられる。

格子パターン発生器35は電子的に格子パターンを発生
するためのものであって、この格子パターン発生器35か
ら発生された格子パターンは乗算器36に与えられる。乗
算器36は格子パターン発生器35から発生された電子的な
格子パターンと変形格子像を乗算することにより、モア
レ縞を生成する。乗算器36の出力はローパスフィルタ37
に与えられ、乗算器36の出力画像から変形格子像や電子
的に発生された格子パターンなどの空間周波数の高い成
分が取り除かれ、モアレ縞のみが抽出される。ローパス
フィルタ37の出力はしきい値処理部38に与えられる。し
きい値処理部38はローパスフィルタ37の出力画像を２値
化するためのものであり、２値化されたモアレ縞は細線
化処理部381に与えられる。

細線化処理部381は、しきい値処理部38の出力画像を
細線化するためのものであり、細線化されたモアレ縞画
像が次数判定処理部39に与えられる。次数判定処理部39
は細線化されたモアレ縞の次数を判定するものである。
次数の判定されたモアレ縞は節点発生器40に与えられ
る。節点発生器40は細線化されたモアレ縞の曲率に応じ
て、各節点の三次元座標値を発生するものである。節点
発生器40によって得られた節点情報は節点接続処理部41
に与えられる。節点接続処理部41は節点発生器40から得
られた節点情報に基づいて、各節点のうち最も短い節点
間を接続するための接続情報を得るものである、節点接
続処理部41によって得られた節点の接続情報は立体形状
再生部42に与えられる。立体形状再生部42は節点の接続
情報および各接点の三次元座標値をもとにして、ワイヤ
フレームモデルを生成する。生成されたワイヤフレーム
モデルおよびモアレ縞は画像表示装置43に表示されると
ともに、データ蓄積装置44に保存される。

次に、この発明の一実施例の具体的な動作について説
明する。プロジェクタ31から基準格子を測定対象物に投
影し、テレビカメラ32によって変形格子像を撮像する
と、テレビカメラ32からのアナログ映像信号がA/D変換
器33によって離散化，量子化され、ノイズ除去フィルタ
34によって量子化ノイズが除去される。その後、格子パ
ターン発生器35において発生された電子的な格子パター
ンと変形格子像とが乗算器36によって乗算され、モアレ
縞が生成される。

なお、テレビカメラ32の前に基準格子と等価な観察格
子を設置して、変形格子像を撮影しても同一のモアレ縞
を得ることができる。乗算器36の出力はローパスフィル
タ37に与えられ、変形格子像や電子的な格子パターンな
どの空間周波数の高い成分が取り除かれ、しきい値処理
部38によってモアレ縞が２値化される。２値化されたモ
アレ縞はさらに細線化処理部381によって細線化され、
次数判定処理部39によってモアレ縞の次数が求められ
る。

さらに、節点発生器40によって各モアレ縞の曲率に応
じてモアレ縞上に節点が発生され、発生された順番に番
号が付けられる。この節点はモアレ縞を実用上十分な精
度で直線近似するものである。節点発生器40で発生され
た節点に対して、節点接続処理部41は、同一モアレ縞上
の相隣り合う節点ならびに相隣り合う異なるモアレ縞上
の節点を次々に接続し、物体の表面形状を互いに一辺を
共有する三角形の集まりで表現する。立体形状再生部42
は、節点接続処理部41で得られた節点間の接続情報すな
わち三角形の頂点となっている節点の番号およびその節
点の三次元座標を計算し、物体の立体形状を表わすワイ
ヤフレームモデルを出力する。画像表示装置43は生成さ
れたワイヤフレームモデルの画像やそのもとになったモ
アレ縞の画像を表示するとともに、データ蓄積装置44に
画像データや座標データなどを保存する。

第３図および第４図はこの発明の一実施例によるモア
レ縞がワイヤフレームモデルを生成する方法を説明する
ための図である。

次に、第３図および第４図を参照して、モアレ縞から
ワイヤフレームモデルを生成する方法をより具体的に説
明する。第３図（ａ）は元のモアレ縞画像であり、第３
図（ｂ）は生成されたワイヤフレームモデルの一例であ
る。第３図（ａ）において、モアレ縞411,412および413
上には、節点ａ〜ｍが発生され、各節点は直線Ａ〜Ｙに
よって接続される。δはもとのモアレ縞とそのモアレ縞
上に発生させた相隣り合う節点を接続する直線との間の
幾何学的な距離を示している。モアレ縞411上に節点を
発生させる際に、まず第３図（ａ）に示すように、モア
レ縞411上の適当な位置、たとえばモアレ縞411の一端に
第１の節点ａを発生させ、次いで第２の節点ｂについて
は第２の節点ｂと第１の節点ａとを結んだ直線ともとの
モアレ縞との間の距離が或る許容値δを越えないように
発生させる。このことを、δを十分小さい値に選び、１
つのモアレ縞について次々に行なっていき得られる節点
を順に結んでいくと、そのモアレ縞を実用的に十分な精
度で近似的に表現する折線が得られる。

なお、この方法は一例であって、その他の節点の発生
方法、たとえば点列の方向の変化点を節点とする方法な
どを用いても節点が求められることは明らかであり、必
要とする精度に応じて、適宜な方法を選択すればよい。

上述のような節点の発生を画像上のすべてのモアレ縞
411〜413に対して行なうと、節点ａないしｍが得られ
る。そして、これらの接点間の接続を行なう場合、まず
同一モアレ縞上の相隣り合う節点を結び、次いで、相隣
り合うモアレ縞上の接点であって直線で結んだとき、距
離の最も短い節点同士の組合わせを選んでそれらを直線
で結ぶ。

第３図（ａ）で言えば、まずモアレ縞411上の相隣り
合う接点ａおよびｂを結び、次に隣り合うモアレ縞411
とモアレ縞412に関して、節点ａとｆまたはｂとｅのど
ちらを結べばよいかについては、節点ａとｆの間を直線
で結んだときの距離および節点ｂとｅの間を直線で結ん
だときの距離を求め、どちらか短い方の結び方を選択す
る。第３図（ａ）に示した例では、節点ａとｆの間の距
離の方が節点ｂとｅとの間の距離よりも短いので、節点
ａとｆを結ぶ。その他の節点を結ぶ場合には、既に結ば
れた節点を結ぶ直線とこれから結ぼうとする節点を結ぶ
直線とが交差することのないようにする。

以上の操作をすべての節点に対して次々に行なってい
くと、モアレ縞411〜413の各節点ａないしｍを接続する
直線Ａ〜Ｙが得られ、第３図（ｂ）に示すように、物体
の表面を三角形で覆った形でのワイヤフレームモデル41
4を生成することができる。

第４図は対象物体が局部的に凹凸になっている場合に
ワイヤフレームモデルを生成する方法を示すものであっ
て、特に、第４図（ａ）は元のモアレ画像であり、第４
図（ｂ）は生成されたワイヤフレームモデルの一例を示
している。

第４図（ａ）において、モアレ縞511〜512には、節点
ａ〜ｉが発生され、各節点ａ〜ｉは直線Ａ〜Ｓによって
接続されている。この第４図（ａ）に示した例において
モアレ縞上に節点を発生させる方法は、前述の第３図の
説明と同じである。すなわち、モアレ縞511上の相隣り
合う節点とモアレ縞512の相隣り合う節点とを結ぶこと
によって、直線Ａ〜Ｉが得られる。そして、モアレ縞51
1の節点とモアレ縞512の節点との間には直線Ｊ〜Ｒが得
られる。モアレ縞512の内部にはもはやモアレ縞はな
く、このようにモアレ縞の測定分解能以下の小さな凹凸
形状を有する部分には、同一モアレ縞上の節点同士を結
んだ直線の中で距離の最も短い節点の組合わせのものを
選び、この場合節点ｆと節点ｈを結ぶことにより、直線
Ｓが得られる。

すなわち、モアレ縞512の内部に関しては、同一平面
上にある三角形で覆われる。このようにしても、形状の
スムージング処理を行なうことにより、小さな凹凸形状
があっても、物体の立体形状をかなり忠実に再現して表
示することができる。このような操作によって、第４図
（ｂ）に示すようなワイヤフレームモデル513が生成さ
れる。

なお、上述の実施例においては、モアレ縞からのワイ
ヤフレームモデルの生成について説明したが、それ以外
にもたとえば地図や天気図などのような等高線図形に対
して、この発明を適用して同様にワイヤフレームモデル
を生成し、データベース化したり三次元的に図化したり
することができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば等高線上に曲率に応
じて節点を発生させ、相隣り合う等高線上の節点を接続
して対象の立体形状をワイヤフレームモデルとして表現
し、対象となる立体形状を忠実に再生することができ
る。また、従来の方法に比べて、等高線上に直接節点を
発生させるようにしたので、測定データを有効に利用し
て、精度の良い立体形状を再生することができ、また処
理すべきデータ量を少なくしてデータ量の圧縮を行なえ
るという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の全体の構成を示すブロッ
ク図である。第２図はモアレ縞を生成させるための代表
的な方法である投影法を説明するための図である。第３
図および第４図はこの発明の一実施例のワイヤフレーム
モデルを生成する方法を説明するための図である。第５
図はワイヤフレームモデルを生成するための従来の方法
を説明するための図である。 図において、１は測定対象物、２は基準格子、３は光
源、4,6はレンズ、５は観察格子、７はテレビカメラ、
８は等高線、31はプロジェクタ、32はテレビカメラ、33
はA/D変換器、34ノイズ除去フィルタ、35は格子パター
ン発生器、36は乗算器、37はローパスフィルタ、38はし
きい値処理部、381は細線化処理部、39は次数判定処理
部、40は接点発生器、41は接点接続処理部、42は立体形
状再生部、43は画像表示装置、44はデータ蓄積装置を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 健二 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール通 信システム研究所内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】等高線情報を入力するための入力手段、 前記入力手段から入力された等高線情報に基づく等高線
   の曲率に応じて、節点を発生する節点発生手段、 前記節点発生手段によって発生された節点のうち、距離
   の短い節点間を接続するための節点接続手段を備えた、
   立体形状再生装置。
2. 【請求項２】前記入力手段は、 物体に基準格子を投影するための投影手段、 前記投影手段によって投影された基準格子の変形格子像
   を撮像するための撮像手段、 前記基準格子と光学的に等価な格子パターンを発生する
   格子パターン発生手段、および 前記格子パターン発生手段から発生された格子パターン
   と前記撮影手段によって撮影された変形格子像パターン
   を乗算して、等高線を示すモアレ縞を発生するための乗
   算手段を含む、請求項１項記載の立体形状再生装置。