JP3482990B2 - 3次元画像撮影装置 - Google Patents
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Description
離情報から3次元画像情報を生成する3次元画像撮影装
置に関する。
法として、パッシブ手法(shapefrom X、ス
テレオ視)とアクティブ手法(レーザーレーダ、パター
ン投影、スポット投影)とが知られている。このうち、
パッシブ手法は汎用的であり対象物体に対する制約が少
ないという特色を有し、一方、アクティブ手法は一般的
に計測精度は高いが投光手段の限界などにより測定でき
るレンジが小さい場合が多いという特色を有する。
法では、対象とする物体に基準となるパターン光を投影
し、このパターン光が投影された方向とは異なる方向か
ら投影パターンを撮影する。撮影されたパターンは、物
体の形状によって変形を受けたものとなる。この撮影さ
れた変形パターンと投影したパターンとの対応づけを行
うことで、物体の3次元計測を行うことができる。
したパターンの対応づけを、いかに誤対応を少なくかつ
簡便に行うかが課題となる。そこで、様々なパターン投
影の手法(空間パターンコード化、モアレ、色符号化な
ど)が提案されている。例えば、特開平5−33273
7号公報には、空間コード化法を用いた小型で簡易な形
状計測装置が開示されている。この装置は、レーザ光源
と、レーザ光をスリット形に整形するレンズ系と、整形
されたレーザ光を対象物に照射し走査するスキャンニン
グ装置と、対象物からの反射光を検出するCCDカメラ
と、これらを制御する装置とからなる。対象物をスキャ
ンニング装置によってレーザ光で走査すると、レーザ光
の照射された部分と照射されない部分が生じ縞模様が形
成される。レーザ光の照射を複数の異なるパターンによ
り行うことで、対象物はN個の識別可能な部分に分割さ
れる。対象物を異なる位置からCCDカメラで撮影した
画像上の各画素が、分割されたどの部分に含まれるかを
判別することにより、対象物の形状を算出することがで
きる。ここで解像度を高くする為には、複数回のレーザ
による走査と複数回のカメラによる撮影が必要となる。
例えば、画面を256の領域に分割するには8回の撮影
が必要である。そのため動きの早い物体の撮影は困難と
なり、更にスキャンを行う間は撮影系を確実に固定して
おく必要があるので、装置自体は簡便となっても手軽に
撮影を行う事は難しい。
例えば特開平3−192474号公報に開示された色符
号化法がある。色符号化法においては、q、kを2以上
の所定の自然数とした時、q色以上の色を用いて、隣接
する2本のスリット光が同色にならず、隣接するk本の
スリット光による色の並びが1度しか現れないように符
号化されたパターンを投影し、観測された画像からスリ
ットの色を検出し、該当スリットの色並びからスリット
番号を取得する。このスリット番号からスリットの照射
方向を算出することにより、空間コード化法の場合と同
様にして距離を算出することができる。色符号化法で
は、コード列の並びからコードを復元する為に、コード
の復元の計算量が大きいという問題がある。例えば、
赤、緑、青の3色を用いて256の領域に分割したい場
合には、スリットの周囲8本のスリット光の並びを知る
必要がある。従ってこの方法は、連続してスリットが長
く観測できるような形状の物体の計測にしか適さない。
コード化されたパターンを投影するものとして、例えば
特許第2565885号公報で提案されているような空
間パターンコード化法がある。この方法は、3値以上の
濃淡、又は3色以上の色、又は濃淡と色の組み合わせに
よる3種類以上の階調領域を有する。そして、階調領域
の境界線の交点において少なくとも3種類の階調領域が
互いに接するように配置した多値格子板パターンを具備
し、このパターンを被測定対象物に投影して生じる投影
像の交点に階調の種類と順序に応じた主コードを付与す
る。そして、この主コードを、または前記交点の主コー
ドとその周囲交点の主コードとを組み合わせた組み合わ
せコードを、先の交点の識別用の特徴コードとして付与
するものである。
は、撮影対象によってはコード化が崩れてしまい正しい
コードの対応づけができなくなる場合がある。例えば、
光源により投光されたパターン列をカメラで撮影したと
き、撮影されたパターン列に欠落や反転が生じることが
ある。また、対象物の形状や反射率などによっても投光
したパターン列と撮影されたパターン列の変化により対
応づけが困難となる場合がある。
は、スリットの欠落や反転の可能性があるパターンにつ
いては復号を行わないようにして、この問題を避けてい
る。また空間パターンコード化法では、2次元パターン
を用いて前述の誤りの可能性を低減してはいるが、対象
物によっては原理的に同じ誤りが生じてしまう。したが
ってこの方法は、実験室内の特殊な状況や対象物体を限
定した状況での撮影では優れた精度が得られるものの、
対象物体を限定しない一般的な撮影状況では精度の劣化
は否めない。
広いレンジを有するものを対象とした時に、投光パター
ンの届かない部位については3次元形状が得られない。
さらに、投光パターンが対象物に遮られて生じる影の領
域も、距離の計測ができないため3次元形状が得られな
いという問題がある。
精度良く3次元画像を撮影可能な3次元画像撮影装置を
提供することにある。
離情報を同時に取得可能な3次元画像撮影装置を提供す
ることにある。
れたパターンを投影する投光器と、投光器の光軸方向か
ら投影パターンを撮影する第1のカメラと、投光器の光
軸方向と異なる方向から投影パターンを撮影する第2の
カメラとを備え、投影パターンに対する第1のカメラに
よる撮影パターンの変化量が所定値以上の領域について
新たなコードを割り付け、割り付けたコードを用いて第
2のカメラによる撮影パターンから第1の距離情報を生
成し、第1の距離情報および第1のカメラより得られた
輝度情報に基づいて3次元画像を得るよう構成した3次
元画像撮影装置により、達成される。
撮影パターンの変化量が所定値未満の領域については、
第1のカメラおよび第2のカメラより得られた各輝度情
報の対応づけにより、第2の距離情報を生成することが
できる。この第2の距離情報は、上述の3次元画像の生
成に用いられる。また、第2のカメラは、同一平面上で
第1のカメラを挟んで設けられた第3のカメラおよび第
4のカメラから構成することができる。
を発生する光源を用いることにより、達成される。この
場合、第1のカメラには、入射光を分割する光分割部
と、分割された光を不可視領域透過フィルターを介して
撮像する第1の撮像部と、分割された光を不可視領域遮
断フィルターを介して撮像する第2の撮像部とを備え
る。また、このような光源を用いることなく、投光器か
らパターンの投影を1フレームおきに行い、第1のカメ
ラでパターンの撮影と輝度情報の取得をフレーム毎に交
互に行うようにしてもよい。
ド化されたパターンを投影し、投影したのと同じ光軸方
向および異なる光軸方向から投影パターンをそれぞれ撮
影し、投影パターンに対する同じ光軸方向から撮影した
撮影パターンの変化量が所定値以上の領域について新た
なコードを割り付け、この割り付けたコードを用いて異
なる光軸方向から撮影した撮影パターンから距離情報を
生成し、この距離情報および同じ光軸方向から撮影して
得た輝度情報に基づいて3次元画像を得るようにしたも
のである。
精度良く3次元画像を撮影可能な3次元画像撮影装置を
得ることができ、また輝度情報と距離情報を同時に取得
可能となる。
の一実施例を説明する。
におけるカメラと投光器の配置関係を示す図である。図
のように、本実施例では、3台のカメラ1〜3および投
光器4を備える。各カメラの距離関係が揃うように、図
示の距離I1、I2、I3は等しくされている。カメラ3
と投光器4は、ハーフミラー5を用いて光軸が一致する
ように配置される。カメラ1、2は、カメラ3と投光器
4の両側に、それらと光軸が異なるように配置される。
中央の光軸と両側の光軸との距離が基線長Lである。
と、強度パターン8と、プリズム9とを有する。ここで
光源6は、赤外もしくは紫外光を用いた不可視領域の光
源を用いることができる。この場合、各カメラは図2に
示すように構成される。すなわち、入射してきた光10
は、プリズム11で2方向に分割され、一方は不可視領
域(赤外あるいは紫外)透過フィルター12を通って撮
像装置(例えばCCDカメラ)13に入射し、他方は不
可視領域(赤外と紫外)遮断フィルター14を通って撮
像装置15に入射する。また光源6は、可視領域あるい
は不可視領域に限定せず、撮像可能な波長帯の光源を用
いてもよい。この場合、カメラ3においては、プログレ
ッシブスキャンタイプのCCDカメラを用い、カメラ
1、2に関しては、特に構成はこだわらない。ただし、
カメラ3との対応を考慮すれば、同じ構成のCCDカメ
ラが望ましい。光源6からパターンが投影され、3台の
カメラ1〜3が同時に撮影を行う。そして各カメラは、
フィルター12、14を通過した光を撮像装置13、1
5で得ることにより、画像の一括取得を行う。
の一実施例を示す図である。図示のように、カメラ1
は、撮影して得た輝度情報を輝度値メモリ21に記憶
し、撮影パターンをパターン画像メモリ22に記憶す
る。カメラ2は、同様に、輝度情報を輝度値メモリ23
に記憶し、撮影パターンをパターン画像メモリ24に記
憶する。カメラ3は、輝度情報を輝度値メモリ25に記
憶し、撮影パターンをパターン画像メモリ26に記憶す
る。投光器4は、事前に作成したコード化されたパター
ンを後に参照する為に、各スリットを正方格子上のセル
に分割してフレームメモリ27に格納している。
度情報を用いて、次のようにして3次元画像を得る。以
下の操作は、カメラ1とカメラ3の組み合わせ、カメラ
2とカメラ3の組み合わせの双方に共通なので、ここで
はカメラ1とカメラ3の組み合わせを例にとって説明す
る。
3で撮影された撮影パターンの領域分割を行う。そし
て、隣り合うスリットパターン間の強度差が閾値以下で
ある領域については投光器からの光が届いてない領域1
として抽出し、スリットパターン間の強度差が閾値以上
である領域については領域2として抽出する。再コード
化部29は、抽出された領域2について、パターン画像
メモリ26に記憶された撮影パターンとフレームメモリ
27に格納された投影パターンを用いて再コード化を行
う。
ートである。まず、各スリットパターンをスリット幅毎
に縦方向に分割し(ステップ41)、正方形のセルを生
成する。生成された各セルについて強度の平均値をと
り、平均値を各セルの強度とする(ステップ42)。画
像の中心から順に、投影パターン及び撮影パターンの対
応する各セル間の強度を比較し、対象物の反射率、対象
物までの距離などの要因によってパターンが変化したた
めにセル間の強度が閾値以上異なるかどうかを判断する
(ステップ43)。閾値以上異ならない場合は、撮影さ
れたすべてのセルについて再コード化を終了する(ステ
ップ47)。閾値以上異なる場合は、新たな強度のセル
かどうか判断する(ステップ44)。そして、新たな強
度のセルのときは、新たなコードの生成、割り付けを行
う(ステップ45)。また、新たな強度のセルでないと
きは、他に出現している部位と識別可能とするスリット
パターンの並びを用いてコード化する(ステップ4
6)。これで、再コード化を終了する(ステップ4
7)。
示すもので、同図(a)はスリットの並びによってコー
ド化された投影パターンであり、強度としてそれぞれ3
(強)、2(中)、1(弱)が割り当てられている。同
図(b)においては、左から3つめのセルで強度が変化
して新たなコードが出現したので、新たに0というコー
ドを割り当てている。同図(c)においては、左から3
つめ上から2つめのセルに既存のコードが出現している
ので、セルの並びから新たなコードとして、縦の並びを
[232]、横の並びを[131]という具合に再コー
ド化する。この再コード化は、対象の形状が変化に富む
部位には2次元パターンなどの複雑なパターンを投光
し、変化の少ない部位には簡単なパターンを投光してい
るのに等しい。この過程を繰り返し、全てのセルに対し
て一意なコードを割り付けることで再コード化を行う。
いて、壁61の前に配置された板62にコード化された
パターンを投光する例を示す。ここでコード化されたパ
ターンは、図7に示すスリットパターンである。このと
き、カメラ1、カメラ2で得られる画像は、図8及び図
9に示すように、それぞれ板62の影となる領域81、
91が生ずる。本例では、板62の表面には新たにコー
ド化されたパターンとして、図10に示すようなスリッ
トパターンが得られる。
コード復号部30は、パターン画像メモリ22から投影
パターンを抽出し、上述と同様にしてセルに分割する。
そして、先に再コード化部29で再コード化されたコー
ドを用いて各セルのコードを検出し、この検出したコー
ドに基づいて光源からのスリット角θを算出する。図1
1は空間コード化における距離の算出方法を示す図であ
り、各画素の属するセルのスリット角θとカメラ1で撮
影された画像上のx座標とカメラパラメータである焦点
距離Fと基線長Lとから、次の(数1)によって距離Z
を算出する。
復号部31においても、同様に行われる。
して距離を算出する。領域1では、投光されたパターン
によるパターン検出は行うことができないので、対応点
探索部32において、カメラ1〜3の輝度値メモリ2
1、23、25から読み出された輝度情報を用いて視差
を検出し、これに基づいて距離を算出する。領域1を除
く領域に対しては、前述の操作により距離が算出されて
いるので、領域1の距離の最小値が得られ、また対応づ
け可能な画素も限定される。これらの制限を用いて、画
素間の対応づけを行い視差dを検出し、カメラパラメー
タである画素サイズλを用いて、次の(数2)によって
距離Zを算出する。
わせによって得られた距離情報では、図8に示す板の影
となる領域81の距離情報が検出できない。一方、カメ
ラ3とカメラ2の組み合わせによって得られた距離情報
では、図9に示す板の影となる領域91の距離情報が検
出できない。しかし影の部分は、図12に示すパターン
のように、カメラ3において輝度情報として取り込みの
出来ない領域である。従って影の部分は無視して、図3
の距離情報統合部33において、カメラ3とカメラ1の
組で算出された距離情報およびカメラ3とカメラ2で算
出された距離情報、並びにカメラ1〜3の輝度情報から
算出された距離情報を、カメラ3で取得した輝度情報と
統合することにより3次元画像情報を得る。以上の操作
によって得られた3次元画像情報を3次元画像メモリ3
4に記憶することで3次元画像撮影が行なわれる。
い。上記実施例では、光源として赤外光源あるいは紫外
光源を用いているが、他の波長を用いても実現できる。
また、それぞれパターンを強度だけでなく、2つの波長
の違いを利用したコード化も可能である。例えば、2つ
の異なる波長光を用いて図13(a)のようにコード化
することができる。本図では、ハッチングされている部
分とハッチングされていない部分で波長が異なる。この
ようなパターンを投影する為には、図13(b)、
(c)に示すようなマスクパターンを用いる。投影パタ
ーンを2つの波長でコード化することによって、単なる
強度によるパターンのコード化よりも識別が容易とな
る。また対象物の反射率や形状によって、あるパターン
が他の部分のパターンと同じパターンに変化してしまう
確率が減少する。これにより誤認識が減り、再コード化
にかかる計算量も減少する。
パターンの点滅およびカメラ3の読み込みを工夫しなけ
ればならない。従来のCCDカメラはインターレースス
キャン方式で、1フレームを2フィールドに分けて走査
している。それに対して、プログレッシブスキャン方式
は、1フレーム1フィールドの走査である。従って、1
フレームの読み込み時間が半分となる。また、可視領域
の光源を使用してパターンを投影する場合は輝度画像と
の対応がとれないので、プログレッシブスキャン方式の
CCDカメラを用いて、1フレームおきに投影パターン
を点滅させて撮像する。あるフレームに輝度画像、次の
フレームで投影パターンの撮像を行い、2フレームで輝
度情報と距離情報を得る。2フレームを1つの周期とし
て撮像するが、実質的には、インターレーススキャン方
式の走査時間と同様である。カメラ1、2に関しても同
様な方法で、距離情報および対応点探索用の輝度情報を
取得することができる。
光軸で撮影したパターンを用いて再コード化することに
より、精度良く3次元形状計測を行うことができる。こ
の再コード化により、対象物の形状によってパターン光
を変化させるのに等しい効果を得ることができる。カメ
ラの配置と組み合わせによって、パターン投影法で問題
となるオクルージョンを排除できる。不可視光による投
光、あるいは投影パターンの投光方法と撮像素子の読み
込みタイミングを工夫することによって、距離情報と輝
度情報の一括取得が可能である。従って、対象の形状や
撮影条件に依存せず、ファインダーとなる画面中にオク
ルージョンのない3次元距離計測を行うことができる。
良く3次元画像を撮影可能な3次元画像撮影装置を得る
ことができる。また、輝度情報と距離情報を同時に取得
することができる。
ラと投光器の配置関係を示す図である。
示すブロック図である。
コード化の例を示す図である。
光、撮影する例を示す図である。
を示す図である。
を示す図である。
例を示す図である。
図である。
例を示す図である。
例を示す図、(b)および(c)はそのマスクパターン
を示す図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 コード化されたパターンを投影する投光
器と、前記投光器の光軸方向から前記投影パターンを撮
影する第1のカメラと、前記投光器の光軸方向と異なる
方向から前記投影パターンを撮影する第2のカメラとを
備え、前記投影パターンに対する第1のカメラによる撮
影パターンの変化量が所定値以上の領域について新たな
コードを割り付け、前記割り付けたコードを用いて第2
のカメラによる撮影パターンから第1の距離情報を生成
し、第1の距離情報および第1のカメラより得られた輝
度情報に基づいて3次元画像を得るよう構成したことを
特徴とする3次元画像撮影装置。 - 【請求項2】 前記投影パターンに対する第1のカメラ
による撮影パターンの変化量が所定値未満の領域につい
て、第1のカメラおよび第2のカメラより得られた各輝
度情報の対応づけにより第2の距離情報を生成し、第1
の距離情報、第2の距離情報および第1のカメラより得
られた輝度情報を用いて3次元画像を得るよう構成した
ことを特徴とする請求項1記載の3次元画像撮影装置。 - 【請求項3】 前記投光器は不可視領域の光を発生する
光源を有し、第1のカメラは不可視領域の光を透過する
フィルターおよび不可視領域の光を遮断するフィルター
を有することを特徴とする請求項1記載の3次元画像撮
影装置。 - 【請求項4】 前記投光器はパターンの投影を1フレー
ムおきに行い、第1のカメラはパターンの撮影と輝度情
報の取得をフレーム毎に交互に行うよう構成したことを
特徴とする請求項1記載の3次元画像撮影装置。 - 【請求項5】 第2のカメラは、同一平面上で第1のカ
メラを挟んで設けられた第3のカメラおよび第4のカメ
ラから構成されることを特徴とする請求項1記載の3次
元画像撮影装置。 - 【請求項6】 コード化されたパターンを投影し、前記
パターンの投影と同じ光軸方向および異なる光軸方向か
らそれぞれ前記投影パターンを撮影し、前記投影パター
ンに対する前記同じ光軸方向から撮影した撮影パターン
の変化量が所定値以上の領域について新たなコードを割
り付け、前記割り付けたコードを用いて前記異なる光軸
方向から撮影した撮影パターンから距離情報を生成し、
前記距離情報および前記同じ光軸方向から撮影して得た
輝度情報に基づいて3次元画像を得ることを特徴とする
3次元画像撮影方法。 - 【請求項7】 請求項1記載の3次元画像撮影装置に備
えられる第1のカメラまたは第2のカメラとして用いる
カメラであって、入射光を分割する光分割部と、前記分
割された光を不可視領域透過フィルターを介して撮像す
る第1の撮像部と、前記分割された光を不可視領域遮断
フィルターを介して撮像する第2の撮像部とを備えたこ
とを特徴とするカメラ。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP24779698A JP3482990B2 (ja) | 1998-08-18 | 1998-08-18 | 3次元画像撮影装置 |
US09/366,326 US6356298B1 (en) | 1998-08-18 | 1999-08-02 | Three-dimensional image photographing system |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000065542A JP2000065542A (ja) | 2000-03-03 |
JP3482990B2 true JP3482990B2 (ja) | 2004-01-06 |
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ID=17168790
Family Applications (1)
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JP24779698A Expired - Fee Related JP3482990B2 (ja) | 1998-08-18 | 1998-08-18 | 3次元画像撮影装置 |
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