JP3090404B2

JP3090404B2 - 凹凸を有する形状のデザイン方法および凹凸を有する物品の試作品作成方法

Info

Publication number: JP3090404B2
Application number: JP06321057A
Authority: JP
Inventors: 国法中村; 一成吉村; 長生 ▲濱▼田; 康之結城
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2000-09-18
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH08180086A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像処理技術を用いた
凹凸を有する形状のデザイン方法、および板材の表面に
凹凸を形成する際に用いる加工データを３次元データか
ら作成する凹凸を有する物品の試作品作成方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、コンピュータを用いて３次元の
画像情報を扱う場合に、画像内の各点の３次元座標を３
つ組として格納している。つまり、画像平面をＸＹ平面
とし、高さ方向をＺ方向とすれば、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３
つ組の形で画像情報を記憶手段に格納することになる。
しかしながら、このような形で画像情報を扱うと、拡大
・縮小、回転、切り取りなどの加工を施す際に画像内の
すべての点について複雑な演算が必要になって、膨大な
処理時間を要することになる。また、この種の処理には
記憶装置との間でデータの出し入れを頻繁に行なうこと
になるから、処理の高速化のためにはハードディスクな
どの記憶装置を用いることはできず、大容量のメモリが
必要になるという問題がある。

【０００３】そこで、単純な形状の小さい立体（一般に
は多面体）を多数個用いて３次元形状を持つ画像情報を
近似することが考えられており、この技術を適用すれ
ば、すべての３次元座標を３つ組として記憶手段に格納
する場合よりはデータ量を削減できる。しかしながら、
対象物の画像がきめの細かいテクスチャを持つような場
合には、近似する立体の個数が膨大になり、情報量を十
分に削減することができないという問題を十分に解決す
ることができない。

【０００４】一方、木や石の表面のように不規則で複雑
な凹凸形状のテクスチャを表面に持つ３次元画像を作成
する際に、凹凸形状を上述のような小さい立体で粗く近
似した３次元のフレームモデルないしサーフェイスモデ
ルのモデルを作成し、実際の物体を撮像することによっ
て得た２次元画像のテクスチャを上記モデルの表面に貼
り付ける方法も知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法で作成された３次元画像の表面は２次元画像のテクス
チャを貼り付けているだけであるから、実際にはモデル
で表された凹凸しか表されておらず、モデルの作成後に
回転等の編集を施し、光源の大きさや向きを指定してレ
イトレーシングを行なった場合に、その結果はテクスチ
ャを貼り付けていない場合と変わりがなく、凹凸形状の
テクスチャが反映されず、実物とは異なる不自然さが残
ることになる。

【０００６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、比較的小容量のメモリ資源でも実用
的な速度で処理を行なうことができ、しかも最終的に作
成された３次元データに複雑な凹凸形状のテクスチャを
持たせることができる凹凸を有する形状のデザイン方法
を提供し、かつデザインされた形状に基づいて物品を試
作する凹凸を有する物品の試作品作成方法を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、表面に凹凸を有する物体を３次
元計測し３次元計測の結果を画像処理装置に規定した３
次元空間の一つの基準平面上の各点に高さ情報を持たせ
た形でマッピングして高さ画像を作成する第１の過程
と、高さ画像について基準平面上の各点の高さを結んで
得られる凹凸面について特定の照明条件下での明るさ分
布を演算して基準平面上の各点に明るさを対応付けた明
るさ画像を作成する第２の過程と、明るさ画像から所望
の領域を選択して部分要素を作成する第３の過程と、少
なくとも１つの物体に対して第１ないし第３の過程を施
して得た部分要素を、基準平面上で別に規定した設計領
域を埋めるように並べる第４の過程と、第４の過程で作
成した明るさ画像の明るさの分布に基づいて設計領域上
の各点の高さ情報を求めて画像処理装置に規定した３次
元空間にマッピングして３次元データを得る第５の過程
とを有している。

【０００８】請求項２の発明では、第３の過程で求めた
部分要素にアフィン変換を施す過程を第４の過程の前に
設け、第４の過程ではアフィン変換後の部分要素を設計
領域に並べている。請求項３の発明では、第５の過程に
おいて、設計領域の明るさ画像が設計領域の各点に高さ
情報を与えて得られる凹凸面を所定の条件で照明したと
きの明るさ分布を持つと仮定して、設計領域の明るさ分
布に基づいて凹凸面における各点の法線方向の候補を複
数ずつ求めた後、所望の点について法線方向と高さ情報
とを外部から与え、この点に隣接する点から順に上記候
補のうちで凹凸面の連続性を保つことができる法線方向
を順に求めて各点の高さを確定する。

【０００９】請求項４の発明では、第５の過程で高さ情
報を求めた後に、隣接する一対の部分要素の継ぎ目を含
む所定の領域内で継ぎ目の近傍での高さの不連続性を除
去するように、各部分要素において上記領域内で互いに
離れかつ対応付けられた点間を結んで補正した高さを採
用する第６の過程を設けている。請求項５の発明では、
請求項４の第６の過程において、隣接する一方の部分要
素における継ぎ目上の各点と、他方の部分要素において
継ぎ目から離れ上記各点にそれぞれ対応付けられた特定
の点とを結ぶ直線上の高さを採用している。

【００１０】請求項６の発明では、請求項４の第６の過
程において、両部分要素においてそれぞれ継ぎ目から離
れ互いに対応付けられた特定の点間を結ぶ直線上の高さ
を採用している。請求項７の発明では、請求項４の第６
の過程において、隣接する一方の部分要素における継ぎ
目上の各点と、他方の部分要素において継ぎ目から離れ
上記各点にそれぞれ対応付けられた特定の点とを結ぶ直
線上の高さと上記両点間の各点の高さとを加算して求め
た高さを採用している。

【００１１】請求項８の発明では、請求項４の第６の過
程において、両部分要素における継ぎ目上の各点の高さ
の中間点と両部分要素においてそれぞれ継ぎ目から離れ
互いに対応付けられた特定の点とを結ぶ直線上の高さと
上記両点間の各点の高さとを加算して求めた高さを採用
している。請求項９の発明では、第１の過程で求めた複
数の高さ画像について高さに重み付けを行なった後に加
算して求めた高さを有する高さ画像を、第２の過程の高
さ画像として用いる。

【００１２】請求項１０の発明では、第１の過程で求め
た高さ画像について、高さが設定した上限値を上回る部
分は上限値を高さとして採用するとともに、高さが設定
した下限値を下回る部分は下限値を高さとして採用した
高さ画像を、第２の過程の高さ画像として用いる。請求
項１１の発明では、第１の過程で求めた高さ画像につい
て、所定範囲の空間周波数を持つ高さ成分を抽出する空
間フィルタを通した高さ画像を、第２の過程の高さ画像
として用いる。

【００１３】請求項１２の発明は、第２の過程で求めた
明るさ画像に所定の色で着色することを特徴とする。請
求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２の凹凸を
有する形状のデザイン方法により作成された３次元デー
タに基づいて、板材の表面を切削して凹凸を形成する加
工機を制御するための加工データを作成し、この加工デ
ータにより加工機を数値制御して試作品を作成するもの
である。

【００１４】

【作用】請求項１の発明の方法によれば、表面に凹凸を
有する物体を３次元計測して得た高さ画像に対して、特
定の照明条件下での明るさ分布を演算することによって
高さ画像の高さ情報を明るさ情報に変換した明るさ画像
を作成し、この明るさ画像を２次元画像として扱って編
集（部分要素を選択して設計領域を埋めるように並べ
る）を施すから、３次元の画像情報をそのまま用いる場
合に比較すると、編集時の処理量を大幅に削減すること
ができ、結果的に比較的小容量のメモリ資源であっても
高速な処理が可能になる。しかも、明るさ画像では高さ
画像のテクスチャがほぼ保存されているから、明るさ画
像を編集して得た設計領域の明るさ分布から設計領域上
の各点の高さ情報を求めて３次元空間にマッピングして
得た３次元データで複雑な凹凸形状を表すことが可能で
ある。つまり、物体の３次元計測によって得た凹凸形状
を編集後に得た３次元データに反映することができるの
である。

【００１５】請求項２の発明の方法は、明るさ画像に対
する編集の実施態様であって、各部分要素にアフィン変
換を施すから、最終的に得られる３次元データにバリエ
ーションを与えることができる。請求項３の発明の方法
は、明るさ画像から３次元データに変換する方法の実施
態様であって、設計領域の明るさ画像が所定の条件で凹
凸面を照明することにより得られたものと仮定して、法
線方向の候補を各点について複数個ずつ求め、設計領域
の所望の点について法線方向と高さ情報とを与えるとと
もに、その点に隣接する点から順に凹凸面の連続性を保
つように法線方向を選択して各点の高さを確定するか
ら、照明の条件と所望の点についての法線方向および高
さ情報とを与えるだけで、設計領域の各点の高さ情報を
決定することができる。

【００１６】請求項４の発明の方法は、隣接する部分要
素間の継ぎ目で生じる段差を緩和する方法であって、隣
接する一対の部分要素の継ぎ目を含む所定の領域内で互
いに離れかつ対応付けられた点間を結んで補正した高さ
を採用するから、継ぎ目の近傍での段差による不連続性
を除去することができる。請求項５ないし請求項８の発
明は、隣接する部分要素間の継ぎ目での不連続性を除去
する具体的方法であって、請求項５、６の方法では直線
で近似し、請求項７、８の方法では元の形状を保存した
ままで補正している。

【００１７】請求項９の発明の方法では、第１の過程で
求めた複数の高さ画像について高さに重み付けを行なっ
た後に加算して求めた高さを有する高さ画像を、第２の
過程の高さ画像として用いるから、３次元計測する物体
を複数種類用いるような場合に、各物体の凹凸形状を重
み付けの割合に応じて反映させることができ、現実には
存在しないようなテクスチャを持つ複雑な凹凸形状を実
現することが可能になる。

【００１８】請求項１０の発明の方法では、第１の過程
で求めた高さ画像について、高さが設定した上限値を上
回る部分は上限値を高さとして採用するとともに、高さ
が設定した下限値を下回る部分は下限値を高さとして採
用した高さ画像を、第２の過程の高さ画像として用いる
から、たとえば板材の表面についての３次元データを作
成するとすれば、板材を積み重ねることを考慮して上面
に平坦な部分を形成したり、板材の強度を考慮して厚み
の最小値を保証することができる。

【００１９】請求項１１の発明の方法では、第１の過程
で求めた高さ画像について、所定範囲の空間周波数を持
つ高さ成分を抽出する空間フィルタを通した高さ画像
を、第２の過程の高さ画像として用いるから、たとえば
３次元計測を行なった物体の表面が全体として曲面であ
って、最終的には平板の表面に凹凸形状が形成されてい
るような３次元データを得ようとする場合に、空間フィ
ルタを通すことによって物体の３次元の情報から曲面と
なる低周波の空間周波数成分を除去する処理が可能にな
る。つまり、３次元計測を行なう物体の形状から所望の
空間周波数を有する部分を取り出すことで最終的に得ら
れる３次元データにバリエーションを与えることができ
る。

【００２０】請求項１２の発明では、第２の過程で求め
た明るさ画像に所定の色で着色するから、現実の物体に
近い色で着色しておけば、最終的に得られる３次元デー
タに物体の質感を与えることができる。請求項１３の発
明では、請求項１ないし請求項１２の凹凸を有する形状
のデザイン方法により作成された３次元データに基づい
て、板材の表面を切削して凹凸を形成する加工機を制御
するための加工データを作成し、この加工データにより
加工機を数値制御して試作品を作成するから、３次元デ
ータを作成すれば板材を加工することができ、建築用板
のような板材のデザインを３次元データによって決めた
後に、試作品をただちに製造して、デザインの適否を検
証することができる。

【００２１】

【実施例】以下の実施例では、建築用板のような板材の
デザインを行なう場合について説明するが、必ずしも板
材に限定されるものではなく、凹凸を有する形状であれ
ば他の物品のデザインにも本発明の技術思想を適用する
ことができる。（実施例１）本実施例では、図２に示すように、表面に
凹凸形状を有した板材のような物体１の表面の３次元情
報を３次元計測装置２により計測する。３次元計測装置
２には、２台のＴＶカメラを用いてステレオ法により３
次元情報を獲得するものや、スポット光ないしスリット
光を物体１の表面に投影し三角測量の原理を用いて３次
元情報を獲得するものなど周知のものを用いることがで
きる。また、必ずしも非接触式のものではなくとも針状
のプローブを有した接触式のものであってもよい。３次
元計測装置２によって得た３次元の画像情報はフレーム
メモリ３に格納される。

【００２２】フレームメモリ３は、物体１の高さ情報
（Ｚ方向の値）を各アドレスに格納し、各アドレスはＺ
方向に直交する面（つまり、ＸＹ平面）内での座標値に
対応付けられている。つまり、フレームメモリ３には物
体１を撮像して得た画像情報を格納するから、各画素の
ＸＹ平面での座標値を整数値で表すことができ、アドレ
スとして用いることができる。ただし、フレームメモリ
３の中で高さ情報を格納する領域はＸＹ平面の座標値が
取り得る領域と一致するとは限らないから、両領域を一
致させるためにオフセット値（ｘ，ｙ）を設定し、３次
元計測装置２によって得たＸＹ平面での座標値（Ｘ_n，
Ｙ_n）（ただし、ｎ＝１，２，３，……）にオフセット
値（ｘ，ｙ）を加算して、フレームメモリ３の中での領
域をシフトさせている。つまり、オフセット値（ｘ，
ｙ）は整数値であって、オフセット値（ｘ，ｙ）を加算
することはＸ方向にｘ画素、Ｙ方向にｙ画素だけシフト
させたことと等価であるから、元の３次元情報の高さ
（Ｚ_n）を元の座標（Ｘ_n，Ｙ_n）に対してオフセット
値（ｘ，ｙ）分だけシフトした画素に対応付けることに
なる。言い換えると、フレームメモリ３ではアドレス
（Ｘ_n+x，Ｙ_n+y）に高さ（Ｚ_n）が格納されるのであ
る。このことは、後述する画像処理装置４において規定
されている３次元空間に３次元情報をマッピングしたこ
とに相当する。この画像情報を以下では高さ画像と呼
ぶ。

【００２３】次に、高さ画像から３次元データを作成す
る方法を説明する。ここにおいて、３次元データを作成
する処理はマイクロコンピュータを用いた画像処理装置
４で行なわれ、画像処理装置４には、後述する各種指示
を行なう入力装置５および３次元データを画像として出
力する出力装置６が接続される。入力装置５には、キー
ボードのほか、マウスやペンタブレットのようなポイン
ティングデバイスが用いられ、出力装置６にはＣＲＴの
ようなディスプレイのほか、必要に応じてプリンタが設
けられる。また、画像処理装置４には、作成した３次元
データに基づいて板材の表面に凹凸形状を付与するよう
に切削加工するエンドミルを備えた加工機７を数値制御
するのに必要な加工データ（つまり、各位置ごとのエン
ドミルの高さデータ）を作成する加工データ作成装置８
が接続される。ここで用いる加工機７は試作品を作成す
るためのものであって、加工対象となる板材には発泡ス
チロール、その他の合成樹脂、木材を用いる。さらに、
画像処理装置４で作成した３次元データや加工データ作
成装置８で作成した加工データはデータベース９に格納
される。

【００２４】本発明は、３次元の画像情報（高さ画像）
から高さ情報を明るさ情報に変換して明るさ画像を作成
し、明るさ画像に各種の編集を施した後の画像の明るさ
情報を高さ情報に逆変換して３次元データを作成するこ
とを特徴としているから、図１に示すように、画像処理
装置４ではフレームメモリ３から高さ画像を読み出した
後（Ｓ１）に、高さ画像を明るさ画像に変換する処理が
必要である。この種の処理はレイトレーシングとして一
般に知られている技術であって、本実施例では、図１に
示す以下のような手順でレイトレーシングを行なう。

【００２５】まず、フレームメモリ３に格納された高さ
画像（Ｘ_n+x，Ｙ_n+y，Ｚ_n）を読み出した後（Ｓ
１）、高さ画像（Ｘ_n+x，Ｙ_n+y，Ｚ_n）に対して３次
元画像に関する適宜の微分オペレータを用いて、高さ画
像（Ｘ_n+x，Ｙ_n+y，Ｚ_n）により表される実空間上の
点の近傍の面の方向（一般には法線の方向であり画像処
理装置４に規定されている３次元空間の座標軸に対する
角度情報を含む）を求める（Ｓ２）。次に、高さ画像で
表される物体を所定の照明条件下で特定方向（出力装置
６としてのディスプレイの画面に直交する方向）から見
たときの反射光の光量（明るさ）を求める。すなわち、
高さ画像により表される物体の表面の反射率が一様であ
るものとして、まず３次元空間の定位置に配置した点光
源から物体に光を照射したときの高さ画像の各点での正
反射光の光量を求める（Ｓ３）。つまり、高さ画像の各
点への点光源からの光による照度を求め、上記特定方向
と正反射条件が成立する場合には、その照度に反射率を
乗じた値を求めてその点の明るさとする。ここで、照度
は絶対値として決める必要はないから正規化しておき
（たとえば、最大照度を１としておき）、各点の明るさ
を照度分布に基づいて求めればよい。

【００２６】同様にして物体１の表面全体が一様な照度
になるように規定方向（たとえば、高さ画像で表される
物体の表面の凹凸を無視したときの物体の表面の法線方
向に対して４５度をなす斜め方向とし向きを適宜設定す
る）から平行光を照射したときに、上記特定方向に反射
される拡散反射光の明るさを求める（Ｓ４）。ここに、
拡散反射光の明るさは、高さ画像の各点での面の法線方
向と平行光の角度との関係から求めることができる。

【００２７】上述のようにして求めた正反射光と拡散反
射光との光量を合計すれば、上記特定方向から見たとき
の物体の表面の明るさ分布を知ることができる（Ｓ
５）。ただし、この段階では濃淡が不足することが多い
から、影の部分の濃淡を強調するために明るさに重み付
けを行なう（Ｓ６）。ここで、明るさはたとえば１２８
階調で表すことにする。また、影の部分になる点（画
素）はアドレスを別に記憶しておく。

【００２８】上述のようなレイトレーシング処理によっ
て、凹凸形状に応じた明るさ分布を持つ明るさ画像を得
た後、この明るさ画像に対して編集作業を行なうことに
より板材をデザインする。すなわち、まず明るさ画像か
ら必要に応じて所望の大きさで部分要素を切り出し（Ｓ
７）、次に切り出した部分要素に対して必要に応じてア
フィン変換を施す（Ｓ８）。部分要素の切り出し作業
は、ディスプレイの画面を見ながら入力装置５としての
ポインティングデバイスを用いて、人手によって領域を
選択することで行なう。また、アフィン変換によって３
次元空間内での平行移動、回転、拡大および縮小を自由
に行なうことができる。したがって、アフィン変換によ
って縮小を行なうことで所望の大きさの部分要素を得る
のであれば、ステップＳ７を行なわずにステップＳ８に
移行してもよい。以上のように、出力装置６としてのデ
ィスプレイの画面を見ながら、所望のデザインが得られ
るまで部分要素の切り出しやアフィン変換による各種の
編集を行なうのである。

【００２９】上述のようにして所望の形状の部分要素が
得られると、デザインしようとする板材の寸法および形
状を有した画面上の設計領域の所望の位置に部分要素を
並べて貼り付ける（Ｓ９）。設計領域に貼り付ける部分
要素は、同一のものである必要はなく、必要に応じて各
種形状の部分要素を設計領域に貼り付けるようにし、部
分要素で設計領域を埋めるのである。この概念を図３に
示す。図３では明るさ画像Ｐ₁から切り出した部分要素
Ｅ₁にアフィン変換による回転を行なった結果の部分要
素Ｅ₁′を設計領域Ｄに貼り付けたり、明るさ画像Ｐ₂
を縮小した部分要素Ｅ₂を設計領域Ｄに張りつけたり、
あるいはまた明るさ画像Ｐ₃を編集せずに部分要素Ｅ₃
として用いて設計領域Ｄに貼り付けたりした例を示して
いる。ここで、部分要素Ｅ₁′，Ｅ₂，Ｅ₃は互いに重
なってもよい。また、貼り付けるとはディスプレイの画
面上で所望の領域に移動させて表示することを意味して
いる。

【００３０】本発明では、以上のようにして明るさ画像
を用いて編集することによって得られた明るさ画像に対
して高さ画像への逆変換を行なうことで３次元データを
得ている（Ｓ１０）。次に、明るさ画像から高さ画像へ
の逆変換を行なうことで３次元データを作成する手順に
ついて説明する。逆変換には、図４に示すように、ま
ず、ステップＳ６で記憶された影の部分のアドレスに基
づいて、デザイン後の明るさ画像の対応部分についての
明るさを求める（Ｓ１１）。ここで、複数種類の部分要
素を組み合わせて用いたときには、いずれか１つを代表
に用いて明るさを求めればよい。次に、高さ情報を明る
さ情報に変換したときの重み付けの係数で求めた影の部
分の明るさを除算すれば元の明るさの分布に戻る。そこ
で、この明るさ分布は、高さ画像に対して点光源と平行
光を照射する光源とを所定位置に配置した照明条件（高
さ情報から明るさ情報に変換したときと同条件でも異な
っていてもよい）で得られているものと仮定し、正反射
光と拡散反射光との光量を合計した明るさから逆に面の
方向（法線方向）の複数個の候補値を求め、各点に複数
個ずつの候補値を割り当てる（Ｓ１２）。このようにし
てすべての点について候補値を割り当てた後、設計領域
内で特定の点を指定して法線方向と基準の高さとを入力
装置５から与える（Ｓ１３）。設計領域内ではこの特定
点に隣接する点について求めた法線方向の候補値のう
ち、入力装置５から与えられた法線方向に対して連続性
がある候補値を選択し、各点について次々に隣接する点
の法線方向によって連続性を有する候補値を選択する
（Ｓ１４）。このようにして、法線方向の連続性に基づ
いて各点の法線方向を決定することで、高さ情報も復元
することができる（Ｓ１５）。このような処理をすべて
の点について行なうことで（Ｓ１６）、明るさ画像を高
さ画像に変換することができ、画像処理装置４に規定さ
れた３次元空間に高さ画像をマッピングすることで３次
元データを得ることができる。ここで、基本パターンを
作成する際にアフィン変換によって拡大のみを行なって
いる場合には、元の高さ情報に拡大倍率を乗じた値を高
さとして用いることができるから、図４に示すような手
順を必要としない。

【００３１】上述の手順で作成した３次元データに基づ
いて板材の試作品を加工するには、図５に示すように、
最終的に得られてデータベース９に格納されている３次
元データを読み込み（Ｓ２１）、３次元座標を抽出して
加工データを作成する（Ｓ２２）。次に、必要に応じて
加工機７での加工が可能な程度にデータを間引くことに
より形状を補正する（Ｓ２３）。このようにして作成し
た加工データを用いてフライス盤のような加工機を数値
制御し（Ｓ２４）、板材に切削加工を施して（Ｓ２
５）、試作を完了する（Ｓ２６）。

【００３２】（実施例２）上記実施例では、３次元計測
装置２の視野内に物体１の全体が収まるものと仮定して
いたが、本実施例では視野内に物体１の全体を収めるこ
とができず３次元計測装置２を複数の箇所に移動させて
物体１を部分領域ごとに計測して部分領域の計測値を合
成する場合や、上述のようにして明るさ画像を編集した
部分要素を設計領域に貼り付けた場合において、隣接す
る部分領域ないし部分要素の間で明るさ（つまりは高
さ）に生じる不連続性（段差）を除去する処理について
説明する。たとえば、部分要素Ｅａ，Ｅｂの継ぎ目Ｇで
は明るさ（高さ）に段差が生じるから、隣接する部分領
域や部分要素の間の継ぎ目での明るさ（高さ）の段差を
除去して違和感を除くために以下のような処理を行な
う。以下の処理は、実際には明るさ画像から高さ画像に
逆変換した後の部分要素Ｅａ，Ｅｂに対応する領域に対
して適用されるが、以下では逆変換後の部分要素Ｅａ，
Ｅｂに対応する領域を部分要素Ｅａ，Ｅｂとして説明す
る。

【００３３】いま、Ｘ方向において２個の部分要素Ｅ
ａ，Ｅｂが並べられ、隣接する２つの部分要素Ｅａ，Ｅ
ｂの継ぎ目Ｇの上の点の３次元座標がそれぞれ（Ｘ_a，
Ｙ_a，Ｚ_a），（Ｘ_b，Ｙ_b，Ｚ_b）であるものとする
（ただし、Ｘ_a＝Ｘ_b，Ｙ_a＝Ｙ_b，Ｚ_a＞Ｚ_b）。ま
た、図７（ａ）のように、隣接する２個の部分要素Ｅ
ａ，Ｅｂについては高さに段差があるが、各部分要素Ｅ
ａ，Ｅｂ内では高さの変化が比較的少ないものとする。
このとき、図７（ｂ）のように、一方の部分要素Ｅａに
ついては継ぎ目Ｇの上の点（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ_a）をその
まま採用し、他方の部分要素Ｅｂについては継ぎ目Ｇと
は異なる所定位置の点（ここでは、継ぎ目Ｇの隣の点
（Ｘ_b+1，Ｙ_b，Ｚ_b））と上記一方の部分要素Ｅａの
継ぎ目Ｇの上の点（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ_a）とを結び、この
直線上の高さを両部分要素Ｅａ，Ｅｂの継ぎ目Ｇの近傍
の高さとして採用する。こうすれば高さの段差が緩和さ
れる。また、図７（ｃ）に示すように、両３部分要素Ｅ
ａ，Ｅｂについて継ぎ目Ｇから離れた点（Ｘ_a-1，
Ｙ_a，Ｚ_a），（Ｘ_b+1，Ｙ_b，Ｚ_b）を結ぶようにす
れば段差が一層緩和される。ここにおいて、部分要素Ｅ
ａ，Ｅｂの隣接する２点間は出力装置６としてのディス
プレイ上では複数画素分の距離を有している。

【００３４】両部分要素Ｅａ，Ｅｂについて、図８
（ａ）のように、高さ情報が比較的大きく変動している
ときには、図８（ｂ）に示すように、一方の部分要素Ｅ
ａについては継ぎ目Ｇの上の点（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ_a）を
採用し、他方の部分要素Ｅｂについては継ぎ目ＧからＸ
方向にｐ画素だけ離れた点（Ｘ_b+p，Ｙ_b，Ｚ_b）と上
記点（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ_a）との間を結ぶようにし、この
とき高さ情報の変化傾向は保存する。つまり、点（Ｘ
_b+p，Ｙ_b，Ｚ_b）と点（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ_a）との間の
各点の元の高さがＺ_iであるとき（ただし、ｉ＝０，
１，……，ｐ）、各点を（Ｘ_b+i，Ｙ_b，Ｚ_i＋（ｐ−
ｉ）（Ｚ_a−Ｚ_b）／ｐ）に置き換えるのである。この
手法によれば、元の部分要素Ｅｂでの高さ情報の変化傾
向を保存しながらも段差を緩和することができる。ま
た、図８（ｃ）に示すように、両部分要素Ｅａ，Ｅｂに
ついてともに継ぎ目Ｇの上の点を利用せず、継ぎ目Ｇの
上では高さの中間点（Ｘ_a，Ｙ_a，（Ｚ_a−Ｚ_b）／
２）を通るようにし、各部分要素Ｅａ，Ｅｂについて継
ぎ目ＧからＸ方向にｐ点ないしｑ点だけ離れた点（Ｘ
_b+p，Ｙ_b，Ｚ_b），（Ｘ_a-q，Ｙ_a，Ｚ_a）を結ぶの
である。したがって、元の部分要素Ｅａ，Ｅｂでの両点
（Ｘ_b+p，Ｙ_b，Ｚ_b），（Ｘ_a-q，Ｙ_a，Ｚ_a）の間
の点の高さがＺ_iであるとき（ただし、ｉ＝−ｑ，…
…，−１，０，１，……，ｐ）、各点をｉ＜０のときに
は（Ｘ_a+i，Ｙ_a，Ｚ_i−ｉ（Ｚ_a−Ｚ_b）／２ｑ）と
し、ｉ≧０のときには（Ｘ_b+i，Ｙ_b，Ｚ_i＋（ｐ−
ｉ）（Ｚ_a−Ｚ_b）／２ｐ）とするのである。

【００３５】部分要素を部分領域と読み代えれば部分領
域であっても同様に処理することができ、継ぎ目が目立
たないようにして連結することができる。他の処理につ
いては実施例１と同様である。（実施例３）本実施例は、物体１の３次元計測によって
得た複数枚の高さ画像を重ね合わせて用いることによ
り、さらに複雑な形状の凹凸形状を持つ板材のデザイン
を可能とするものである。すなわち、２個以上の高さ画
像を用い、各高さ画像の点をそれぞれ（Ｘ_a，Ｙ_a，Ｚ
_a），（Ｘ_b，Ｙ_b，Ｚ_b）とするときに、互いの高さ
画像においてＸ座標およびＹ座標が同じである画素の高
さＺ_a，Ｚ_bについて、それぞれ重み係数を乗じた後に
加算し、この値を高さとするような高さ画像を作成する
のである。つまり、重み係数をｋ，ｌとするときに、ｋ
×Ｚ_a＋ｌ×Ｚ_bを高さに持つ高さ画像を作成する。こ
のようにして求めた高さ画像を明るさ画像に変換し、以
後は実施例１と同様の処理を行なえば、単独の物体１か
らのみでは得られなかった複雑な形状のデザインが可能
になる。他の処理は実施例１と同様である。

【００３６】（実施例４）本実施例は、板材の高さ情報
に上限値や下限値を設定したものである。すなわち、フ
レームメモリ３に格納された高さ画像が図９（ａ）に示
すような高さ情報を持つものとするとき、高さ情報に上
限値Ｔｕを設定し上限値Ｔｕを超える箇所については上
限値Ｔｕに揃えるようにすれば、図９（ｂ）のように板
材の表面に平坦部を形成することができるから、このよ
うな板材を形成すれば積み重ねて保管するのが容易にな
る。また、高さ情報に下限値Ｔｌを設定し下限値Ｔｌに
満たない箇所については下限値Ｔｌに揃えるようにすれ
ば、板材の厚みを一定値以上に保つことができ、所定値
以上の強度に保つことができる。

【００３７】上限値Ｔｕや下限値Ｔｌの設定には、高さ
画像から図１０のような高さ情報に関するヒストグラム
を作成し、ヒストグラムを参照して適宜の上限値Ｔｕ、
下限値Ｔｌを設定すれば、上述したように保管性や強度
についての設計が容易になるのである。他の処理につい
ては実施例１と同様である。（実施例５）本実施例は、高さ画像の高さ情報について
の空間周波数のうちの特定の周波数成分を抽出すること
ができる空間フィルタをフレームメモリ３の高さ画像に
適用することによって、各種の効果を加えることができ
るようにしたものである。とくに、図１１（ａ）に破線
で示すように、高さ画像を得るために用いる物体１の表
面に比較的大きなうねりがある場合に、空間フィルタと
してローカットフィルタを用いれば、図１１（ｂ）のよ
うに高さ情報からうねりを除去することができる。つま
り、板材とは異なる物体１であって曲面上に比較的細か
い凹凸形状を有しているような物体１から、凹凸形状の
みを抽出して板材１に適用することが可能になる。他の
処理については実施例１と同様である。

【００３８】上述した各実施例において、明るさ画像に
所望の色を着色すれば、実物に近いイメージの質感を得
ることができ、板材のデザイン作業が一層容易になる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明は、表面に凹凸を有する
物体を３次元計測して得た高さ画像に対して、特定の照
明条件下での明るさ分布を演算することによって高さ画
像の高さ情報を明るさ情報に変換した明るさ画像を作成
し、この明るさ画像を２次元画像として扱って編集する
から、３次元の画像情報をそのまま用いる場合に比較す
ると、編集時の処理量を大幅に削減することができ、結
果的に比較的小容量のメモリ資源であっても高速な処理
が可能になるという利点があり、しかも、明るさ画像で
は高さ画像のテクスチャがほぼ保存されているから、明
るさ画像を編集して得た設計領域の明るさ分布から設計
領域上の各点の高さ情報を求めて３次元空間にマッピン
グして得た３次元データで複雑な凹凸形状を表すことが
可能になるという利点がある。

【００４０】請求項２の発明は、明るさ画像で表された
各部分要素にアフィン変換を施すから、最終的に得られ
る３次元データにバリエーションを与えることができる
という利点がある。請求項３の発明は、設計領域の明る
さ画像が所定の条件で凹凸面を照明することにより得ら
れたものと仮定して、法線方向の候補を各点について複
数個ずつ求め、設計領域の所望の点について法線方向と
高さ情報とを与えるとともに、その点に隣接する点から
順に凹凸面の連続性を保つように法線方向を選択して各
点の高さを確定するから、照明の条件と所望の点につい
ての法線方向および高さ情報とを与えるだけで、設計領
域の各点の高さ情報を決定することができるという利点
がある。

【００４１】請求項４ないし請求項８の発明は、隣接す
る部分要素間の継ぎ目で生じる段差を緩和する方法であ
って、隣接する一対の部分要素の継ぎ目を含む所定の領
域内で互いに離れかつ対応付けられた点間を結んで補正
した高さを採用するから、継ぎ目の近傍での段差による
不連続性を除去することができるという利点を有する。

【００４２】請求項９の発明は、第１の過程で求めた複
数の高さ画像について高さに重み付けを行なった後に加
算して求めた高さを有する高さ画像を、第２の過程の高
さ画像として用いるから、３次元計測する物体を複数種
類用いるような場合に、各物体の凹凸形状を重み付けの
割合に応じて反映させることができ、現実には存在しな
いようなテクスチャを持つ複雑な凹凸形状でも簡単な処
理で実現することができるという利点を有する。

【００４３】請求項１０の発明は、第１の過程で求めた
高さ画像について、高さが設定した上限値を上回る部分
は上限値を高さとして採用するとともに、高さが設定し
た下限値を下回る部分は下限値を高さとして採用した高
さ画像を、第２の過程の高さ画像として用いるから、た
とえば板材の表面についての３次元データを作成すると
すれば、板材を積み重ねることを考慮して上面に平坦な
部分を形成したり、板材の強度を考慮して厚みの最小値
を保証することができるという利点がある。請求項１１
の発明は、第１の過程で求めた高さ画像について、所定
範囲の空間周波数を持つ高さ成分を抽出する空間フィル
タを通した高さ画像を、第２の過程の高さ画像として用
いるから、たとえば３次元計測を行なった物体の表面が
全体として曲面であって、最終的には平板の表面に凹凸
形状が形成されているような３次元データを得ようとす
る場合に、空間フィルタを通すことによって物体の３次
元の情報から曲面となる低周波の空間周波数成分を除去
する処理が可能になり、３次元計測を行なう物体の形状
から所望の空間周波数を有する部分を取り出すことで最
終的に得られる３次元データにバリエーションを与える
ことができるという利点を有する。

【００４４】請求項１２の発明は、第２の過程で求めた
明るさ画像に所定の色で着色するから、現実の物体に近
い色で着色しておけば、最終的に得られる３次元データ
に物体の質感を与えることができるという利点がある。
請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２の凹凸
を有する形状のデザイン方法により作成された３次元デ
ータに基づいて、板材の表面を切削して凹凸を形成する
加工機を制御するための加工データを作成し、この加工
データにより加工機を数値制御して試作品を作成するか
ら、３次元データを作成すれば板材を加工することがで
き、建築用板のような板材のデザインを３次元データに
よって決めた後に、試作品をただちに製造して、デザイ
ンの適否を検証することができるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の手順を示す動作説明図である。

【図２】実施例１のブロック図である。

【図３】実施例１において部分要素を設計領域に貼り付
ける処理の概念を説明する図である。

【図４】実施例１において明るさ画像から高さ画像に変
換する手順を示す動作説明図である。

【図５】実施例１において求めた３次元データから試作
品を加工する手順を示す動作説明図である。

【図６】実施例２における継ぎ目での段差の概念を説明
する図である。

【図７】実施例２の処理手順を示す動作説明図である。

【図８】実施例２の他の処理手順を示す動作説明図であ
る。

【図９】実施例４の概念を説明する図である。

【図１０】実施例４において上限値と下限値とを設定す
る方法を説明する図である。

【図１１】実施例５の概念を説明する図である。

【符号の説明】

１物体２３次元計測装置３フレームメモリ４画像処理装置５入力装置６出力装置７加工機８加工データ作成装置９データベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者結城康之大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 17/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹凸を有する物体を３次元計測し
３次元計測の結果を画像処理装置に規定した３次元空間
の一つの基準平面上の各点に高さ情報を持たせた形でマ
ッピングして高さ画像を作成する第１の過程と、高さ画
像について基準平面上の各点の高さを結んで得られる凹
凸面について特定の照明条件下での明るさ分布を演算し
て基準平面上の各点に明るさを対応付けた明るさ画像を
作成する第２の過程と、明るさ画像から所望の領域を選
択して部分要素を作成する第３の過程と、少なくとも１
つの物体に対して第１ないし第３の過程を施して得た部
分要素を、基準平面上で別に規定した設計領域を埋める
ように並べる第４の過程と、第４の過程で作成した明る
さ画像の明るさの分布に基づいて設計領域上の各点の高
さ情報を求めて画像処理装置に規定した３次元空間にマ
ッピングして３次元データを得る第５の過程とを有する
ことを特徴とする凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項２】第３の過程で求めた部分要素にアフィン
変換を施す過程を第４の過程の前に設け、第４の過程で
はアフィン変換後の部分要素を設計領域に並べることを
特徴とする請求項１記載の凹凸を有する形状のデザイン
方法。
【請求項３】第５の過程では、設計領域の明るさ画像
が設計領域の各点に高さ情報を与えて得られる凹凸面を
所定の条件で照明したときの明るさ分布を持つと仮定し
て、設計領域の明るさ分布に基づいて凹凸面における各
点の法線方向の候補を複数ずつ求めた後、所望の点につ
いて法線方向と高さ情報とを外部から与え、この点に隣
接する点から順に上記候補のうちで凹凸面の連続性を保
つことができる法線方向を順に求めて各点の高さを確定
することを特徴とする請求項１または請求項２記載の凹
凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項４】第５の過程で高さ情報を求めた後に、隣
接する一対の部分要素の継ぎ目を含む所定の領域内で継
ぎ目の近傍での高さの不連続性を除去するように、各部
分要素において上記領域内で互いに離れかつ対応付けら
れた点間を結んで補正した高さを採用する第６の過程を
設けたことを特徴とする請求項１記載の凹凸を有する形
状のデザイン方法。
【請求項５】第６の過程では、隣接する一方の部分要
素における継ぎ目上の各点と、他方の部分要素において
継ぎ目から離れ上記各点にそれぞれ対応付けられた特定
の点とを結ぶ直線上の高さを採用することを特徴とする
請求項４記載の凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項６】第６の過程では、両部分要素においてそ
れぞれ継ぎ目から離れ互いに対応付けられた特定の点間
を結ぶ直線上の高さを採用することを特徴とする請求項
４記載の凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項７】第６の過程では、隣接する一方の部分要
素における継ぎ目上の各点と、他方の部分要素において
継ぎ目から離れ上記各点にそれぞれ対応付けられた特定
の点とを結ぶ直線上の高さと上記両点間の各点の高さと
を加算して求めた高さを採用することを特徴とする請求
項４記載の凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項８】第６の過程では、両部分要素における継
ぎ目上の各点の高さの中間点と両部分要素においてそれ
ぞれ継ぎ目から離れ互いに対応付けられた特定の点とを
結ぶ直線上の高さと上記両点間の各点の高さとを加算し
て求めた高さを採用することを特徴とする請求項４記載
の凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項９】第１の過程で求めた複数の高さ画像につ
いて高さに重み付けを行なった後に加算して求めた高さ
を有する高さ画像を、第２の過程の高さ画像として用い
ることを特徴とする請求項１記載の凹凸を有する形状の
デザイン方法。
【請求項１０】第１の過程で求めた高さ画像につい
て、高さが設定した上限値を上回る部分は上限値を高さ
として採用するとともに、高さが設定した下限値を下回
る部分は下限値を高さとして採用した高さ画像を、第２
の過程の高さ画像として用いることを特徴とする請求項
１記載の凹凸を有する形状のデザイン方法。
【請求項１１】第１の過程で求めた高さ画像につい
て、所定範囲の空間周波数を持つ高さ成分を抽出する空
間フィルタを通した高さ画像を、第２の過程の高さ画像
として用いることを特徴とする請求項１記載の凹凸を有
する形状のデザイン方法。
【請求項１２】第２の過程で求めた明るさ画像に所定
の色で着色することを特徴とする請求項１記載の凹凸を
有する形状のデザイン方法。
【請求項１３】請求項１ないし請求項１２の凹凸を有
する形状のデザイン方法により作成された３次元データ
に基づいて、板材の表面を切削して凹凸を形成する加工
機を制御するための加工データを作成し、この加工デー
タにより加工機を数値制御して試作品を作成することを
特徴とする凹凸を有する物品の試作品作成方法。