JP3582293B2 - 立体作成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元形状データに基づいて立体物を作成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
立体物の複製において、立体物の３次元形状データを測定し、次に、得られた形状データに基づいて素材を加工する。これにより立体複製物が作成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
３次元形状データから、たとえば切削加工などで材料を加工する場合、奥行き方向の凹凸が大きいと、材料の加工に時間がかかるという問題がある。特に、立体物を３次元で測定し、その場で加工して複製物を提供する装置においては、すぐに複製物を提供するという即時性が重要である。したがって、加工時間を短縮することが望ましい。また、立体物をその背景と合成して加工する立体作成装置においても、背景の奥行きが深いので加工に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、加工時間の短い立体作成装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データを、前記物体の正面から平行投影された平行投影データに変換する再標本化手段と、前記再標本化手段により変換された３次元形状データを、前記平行投影における投影方向に圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段により圧縮された３次元形状に基づいて材料を加工する加工機とを備える。この装置では、再標本化された形状データを正面からみた奥行き方向に圧縮することにより加工部分を少なくし、加工時間を短縮する。
本発明に係る第２の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データを所定方向に非一様に圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段により圧縮された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機とを備える。
本発明に係る第３の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データから前記物体の背景に相当する部分を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された背景部分を所定の形状データに変換して前記３次元形状データと合成するデータ変換手段と、前記データ変換手段により合成された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機とを備える。この装置では、背景部に所定形状データを合成する。３次元形状データについて、背景部については、所定のデータに変換することにより、加工時間を短縮する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明による実施形態について説明する。
図１は、立体複製物作成装置の斜視図である。この装置は、その前に立つ人（ユーザー）の顔の立体複製物をその場で加工する。立体複製物には種々のものが考えらえるが、たとえば四角形の板からユーザーの顔の前半部の複製物が突き出ているような立体物である。３次元複製物に背景部分を合成することもできる。この作成装置は、立体複製物をその場で加工し提供する。
立体複製物作成装置の箱１０の前面に、投光窓１２と受光窓１４が設けられる。ユーザーが、箱１０の前に立つと、投光窓１２から投光された光が、人の顔により反射され、受光窓１４により受光される。これにより、顔の３次元形状データが測定される。ユーザーの姿勢すなわち構図が決まると、ユーザーの顔が３次元で測定される。得られた３次元像は、表示装置１６に表示される。ユーザーがこの構図に不満であると、新たに異なった構図をとり、再び顔の測定と表示がなされる。操作パネル１８により、ユーザーが表示装置１６に表示された３次元像でよいとの確認の指示をすると、箱１０の内部に設けられた加工装置により立体複製物が加工される。ユーザーは、作成された立体複製物を取出口２０から取り出す。３次元像の測定は、本実施形態では光切断法を用いるが、パターン光投影法、ステレオ視方式、干渉縞方式などを用いてもよい。
【０００７】
図２は、立体複製物作成装置の機器構成を示すブロック図である。立体複製物作成装置の全体の制御をする制御部３０に、表示装置（モニタを含む）１６、操作部５０、測定部６０および加工部７０が接続される。制御部３０は、メインコントローラ３２を備え、特性データ記憶部３４、データ変換部３６、加工データ作成部３８を備える。また、立体複製物の取り出しを検出する取出口センサ４０が取出口２０に設置され、メインコントローラ３２に接続される。操作部５０は、操作パネル１８を備える。測定部６０は、３次元測定部６４（投光窓１２と受光窓１４を備える）と２次元画像撮像部６６（投光窓１２と受光窓１４を共用する）６６とを備え、これらは測定機コントローラ６２により制御される。加工部７０は、加工機コントローラ７４により制御される加工機７２を備え、加工機７２は、材料供給機７６から供給される素材を加工する。なお、測定器コントローラ６２と加工機コントローラ７４の機能をメインコントローラ３２に持たせ、メインコントローラ３２によりすべてを制御するようにしてもよい。
【０００８】
図３は、操作パネル１８を示す。操作パネル１８には、スタートボタン５０、確認ボタン５２、キャンセルボタン５４が備えられる。さらに、表示装置１６にジョイスティック５６（図式的に示す）が備えられる。スタートボタン５０は、構図を決めたときに押され、確認ボタン５２は、３次元表示を確認するときに押され、キャンセルボタン５４は、３次元表示がユーザーが想像していたのと異なる場合に再度別の構図をとるために押される。ジョイスティック５６は、表示装置１６に３次元画像を３次元の様々な方向で回転して表示する場合に、画像の回転を指示するために備えられる。
【０００９】
図４は、押出方式の加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の斜視図である。加工用の材料は、加工テーブル２００において、２個の位置決め治具２０２とクランプ治具２０４により固定される。加工用工具２０６は、ドリル２０８で材料を切削する。８種の材料が材料供給機７６の２つの材料ストック部２１０に備えられる。材料ストック部２１０において８種の加工用材料は、それぞれエレベータ２２０の上に積み重ねられ、最上層の材料が押し出し工具２１８により移送路２１２へ押し出される（矢印参照）。押出し引抜き治具２１４が、材料ストック部２１０の間に設けた移送路２１２の端に備えられ、材料ストック部２１０から移送路２１２に押し出された材料２１６を、加工テーブル２００に押し出す（矢印参照）。また、押出し引抜き治具２１４は、加工テーブル２００で加工された材料を引き抜き、製品取出口２２２から送り出す。なお、押出し引抜き治具２１４を備える代わりに、移送路２１２自体をすべり台として材料を移動することができる。
【００１０】
図５は、エレベータ方式の加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の変形例の斜視図である。材料ストック部２５０に６種類の加工用材料が備えられる。これらの材料は、左右に３段づつ配置される。材料ストック部２５０から選択された材料２５２が、材料ストック部２５０の間に位置されるエレベータ２４８の台の上に押し出される。この台には、位置決め治具とクランプ治具が備えられ、材料２５２を固定する。エレベータ２４８が所定位置まで上昇すると、加工用工具２４０はドリル２４２で材料２５２を切削する。
【００１１】
図６は、加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の別の変形例の斜視図である。加工コントローラ７２は、ロボット２６０、素材ストッカー２６４および加工具２７０を制御する。素材ストッカー２６４は、複数種の材料２６６をストックする。ロボット２６０は、材料ストッカー２６４から１個の材料２６６を加工ステージ２６８上に運ぶ。材料２６６は、加工ステージ２６８上で位置決め治具２７２により加工位置に固定され、加工具２７０により加工される。加工後は、複製品は取り出し口２７４に送られる。
なお、図４〜図６に示した加工機は、切削により材料を加工するが、積層造形法（光造形法を含む）、レーザー加工（熱加工）、成型加工（加圧など）などを用いて加工してもよい。
図４〜図６に示したように、材料供給機７６からは複数種の材料のなかから選択された材料が供給される。材料が起伏のある形状の場合は材料供給機７６内において積み重ねが難しいが、筒のようなガイドを設けることにより供給が可能である。これらの材料として、標準的な顔の形状の素材を複数種用意して、それから選択するようにしてもよい。
【００１２】
図７は、制御部３０のメインコントローラ３２のメインフローを示す。操作パネル１８でスタートボタン５０が押されるまで、２次元画像が動画として表示装置１６に表示される。これにより、ユーザーは所望の構図を決めることができる。まず、２次元画像撮像部６６によりユーザーの顔の２次元画像が撮像され（ステップＳ１００）、得られた２次元画像が表示装置１６に表示される（ステップＳ１０２）。そして、ユーザーがスタートボタン５０を押すのを待つ（ステップＳ１０４）。ユーザーが構図に満足するまで、この２次元画像の表示が繰り返される。ユーザーは、構図を決めると、操作パネル１８のスタートボタン５０を押す。
スタートボタン５０の押下が検出されると（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、２次元画像撮像部６６によりユーザーの顔の２次元画像が撮像され（ステップＳ１０６）、３次元測定部６４によりユーザーの顔の３次元画像が測定される（ステップＳ１０８）。次に測定データについてデータ処理がなされる（ステップＳ１１０）。ここで、後で説明するように、奥行き補正により形状データが高さ方向に圧縮されるので、素材の加工時間が短縮できる。また、後で説明するように、出力したい生成物すなわち３次元形状モデルについて形状や品質に応じたデータの変換が行われる。これにより、出力すべき加工生成物（３次元モデル）の形状（サイズなど）や品質（粗密さ、滑らかさなど）に応じて形状測定データが自動的に変換され、形状データ入力から加工までの一連のプロセスが簡単化される。次に、データ処理後の３次元形状が表示装置１６に表示され、ユーザーの指示を待つ。この表示によりユーザーは、実際に加工される結果を確認できる。３次元表示としては、影を表示するなどの種々の公知の手法を用いる。ユーザーが操作パネル１８で確認ボタン５２を押すと、確認ボタン５２の押下が検出され（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、加工動作に移る。しかし、３次元表示（ステップＳ１１２）の後でユーザーが操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押すと（ステップＳ１１６でＹＥＳ）、フローはステップＳ１００に戻り、ユーザーは別の構図をとることができる。このように、データ処理後の画像についてユーザーの確認をまって加工を始めるので、ユーザーの希望する立体複製物が作成できるとともに、加工用材料がむだになることがない。
なお、メインコントローラ３２に外部からデータを入力する画像入力部を設けてもよい。これにより、外部から対象物の画像データ（または対象物の画像データと色彩）を入力する。加工は入力データに基づいて行われる。
【００１３】
図８は、ジョイスティック５６を用いた変形例のフローを示す。ユーザーは、ジョイスティック５６により様々な方向からデータ処理後の画像を確認できる。図４のデータ処理（ステップＳ１１０）の後で、表示装置１６に正面（Ｚ方向）からの３次元表示をする（ステップＳ１４０）。次にユーザーがジョイスティック５６を作動すると（ステップＳ１４２）、フローは、ジョイスティック５６からの回転指示信号により分岐する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の回転指示に対応して、Ｘ方向（ステップＳ１４４）、Ｙ方向（ステップＳ１４６）、Ｚ方向（ステップＳ１４８）の回転がなされ、それに対応した３次元表示がなされる（ステップＳ１５０）。こうしてユーザーは様々な方向から立体複製物を確認できる。ここで、ユーザーが操作パネル１８で確認ボタン５２を押すと（ステップＳ１５２でＹＥＳ）、図６のステップＳ１１８に進み加工動作に移る。また、ユーザーが操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押すと（ステップＳ１５４でＹＥＳ）、フローはステップＳ１００に戻り、ユーザーは別の構図をとることができる。
【００１４】
図７に戻り説明を続けると、加工においては、まず、形状データから、加工条件データベースを参照して加工データが作成される（ステップＳ１１８）。加工データは加工部７０に送られ、加工部７０では材料を加工して３次元加工モデルを作成する（ステップＳ１２０）。加工物が排出され（ステップＳ１２２）、取出口センサ４０により、加工された生成物が取り出されたことを検出すると（ステップＳ１２４でＹＥＳ）、フローは、ステップＳ１００に戻り、次の立体複製物生成を行なう。
【００１５】
以下で、立体複製物の生成についてさらに詳細に説明する。
３次元測定（図７、ステップＳ１１２）において、立体物（顔）の３次元形状が測定される。３次元測定部６４は、図９に示すように、透視投影面上で格子状に配置された点を通る視線が対象物表面と初めて交わる点までの（測定部６４からの）距離を測定する。したがって、形状データは、３次元測定部６４の所定の位置を座標中心とする３次元直交座標における座標値と距離値とをもつ、格子状に並んだ点列データとして与えられる。また、このとき、測定点が測定範囲外であるなどの理由で測定を行えない測定点は、欠損である印をつけたデータとして格納されている。このように、本実施形態では透視投影面上でのサンプリングをおこなったが、３次元測定において、図１０に示すように、平行投影面上で格子状に配置された点を通る視線が対象物表面と初めて交わる点までの（３次元測定部６４からの）距離を測定してもよい。
【００１６】
図１１は、データ処理（図７、ステップＳ１１０）のフローを示す。ここで、３次元測定部６４により入力された形状データに対して、加工時間を短くするための処理を含む各種処理がなされる。まず、測定データについて平滑化処理により、ノイズなどの非正規なデータを除く（ステップＳ２００）。
次に、再標本化処理を行う（ステップＳ２０２）。たとえば、顔が斜めを向いていた場合などにおいて、入力データを加工方向に正対させるため、ある方向から平行投影した等間隔の格子点により整列されたデータに変換する。図１２は、１例を示す。たとえば人の顔の鼻の下が陰になって測定できない場合、顔を上向きにして３次元測定をした後で、通常の正面を向いた顔を表すようにデータを変換できる。格子点が射影された位置に計測点がない場合（たとえば図１２のａ）には、その周囲の計測値により線形補完を行う。このとき、射影された方向が加工する際の鉛直上方となり、それぞれの格子点は、高さのデータを持つ。また、入力データが透視投影など平行投影でなかった場合などでは、この処理により入力データを平行投影データに変換できる。
【００１７】
次に、補完処理（図１１、ステップＳ２０４）をおこない、データのない欠損部分を補完する。補完の方法としては、線形補完、重み付け補完などの種々の手法が用いられる。たとえば、データの欠損している部分をすべて固定値で置き換える（単純補完）。固定値としては、（ａ）あらかじめ定められた値、（ｂ）最小の高さ、（ｃ）データ外周部の平均値が用いられる。また、欠損部がデータで完全に囲まれている場合は、周りのデータから線形補完をする。
また、たとえば、人の顔における黒い眉や髪などのように、対象の性質から光学式の３次元測定部６４ではデータが得られない場合がある。このような場合、データが欠損している部分は、所定の３次元形状データと置き換える。このため、所定の標準顔データを用意しておき、欠損部ではそのモデルデータを使用する。この際、位置およびサイズの調整が必要となる。この調整では、たとえば、図７のステップＳ１０６で得られたカラー画像の両目と口に対応する３次元形状データ中の三角形を、モデルの対応する三角形と同じになるような線形変換をする。この合成は、顔の欠損部分に限らず、任意の３次元形状データを使用することが可能である。
【００１８】
次に、高さ圧縮処理（図１１、ステップＳ２０６）をおこない、形状データを奥行き方向に圧縮し、高さ方向の範囲を元のデータより狭くする。奥行き方向の凹凸が大きいと加工時間が長くなるが、奥行き方向に圧縮することにより加工部分を少なくして、加工時間を短縮できる。また、極端に奥行きが深い部分（背景部）について、所定のデータ（奥行きの浅いデータ）に変換することにより、同様に加工部分を少なくして加工時間を短縮できる。以下に、高さ圧縮について詳細に説明する。
高さ圧縮の手法は、加工対象の性質に応じて適切なものを採用する。高さ圧縮の手法には、一様圧縮処理と非一様圧縮処理とがある。
一様圧縮処理には、たとえば図１３〜１７に示すような種々のアルゴリズムが用いられる。一様圧縮では、各格子点ｉにおける高さｚｉを、Ｚ＝ｆ（ｚｉ）なる関数により変換した値に置き換える。１つの手法は、線形変換ｆ１（ｚ）＝ａｚ＋ｂ（ここにｚが高さ、ａ，ｂが定数であり、０＜ａ＜１である）である。図１３は、線形変換の一例（ｆ１（ｚ）＝０．５ｚ）を示す。
【００１９】
図１４と図１５は、非線形連続変換の例を示す。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は高いところ（３次元データ入力時には３次元測定部からみて手前側であったところ）に集中していると考えられるので、低い部分では圧縮の度合を大きくする。１つの手法は、二乗変換ｆ２（ｚ）＝ａ（ｚ−ｂ）２＋ｃ（ここにｚが高さ、ａ，ｂ，ｃが定数であり、０＜ａである）である。図１４は、二乗変換の１例（ｆ２（ｚ）＝０．００５ｚ２）を示す。他の１つの手法は、指数変換ｆ３（ｚ）＝ｃｂａｚ＋ｄ（ここに１＜ａである）である。図１５は、指数変換の１例（ｆ３（ｚ）＝８＊１．０２ｚ）を示す。
図１６と図１７は、不必要な部分を削除する非線形不連続変換の例を示す。１つの手法は、次の式で示される中抜き変換である。
この変換は、たとえば、人の顔において、耳からほおまでを省くために用いられる。図１６は、ｄ１＝２０、ｄ２＝６０の例を示す。他の１つの手法は、たとえば次の式で示されるクリッピング処理であり、所定範囲外のデータは一定値にされる。図１７は、クリッピング処理の１例を示す。
所定値以下のデータｚは０にされ、また、所定値以上のデータｚは一定値にされる。
【００２０】
また、非一様圧縮処理では、各格子点ｉにおける高さｚｉを、Ｚ＝ｇ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）なる関数により変換した値に置き換える。ここにｘ，ｙは格子の座標である。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は中心に集中していると考えられるので、端の部分では圧縮の度合を大きくする。なお、この際にはデータの中心となる部分を３次元データやカラー画像データから推定する必要がある。たとえば、ｘ，ｙデータの重心、または、顔などのときはカラー画像から抽出した両目と口とで構成される３角形に対応する３次元データの重心をデータの中心とする。または、データを入力する際に、対象物の中心が所定位置にくるように位置決めをすることが必要となる。
１つの手法は点対称変換である。次の式は点対称変換の１例を示す。
ｇ１（ｚ）＝ｚｆ（ｃ−（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２）１／２）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかであり、ｙ＝ｂはデータ中心の座標である。
また、他の１つの手法は線対称変換である。次の式は線対称変換の１例を示す。
ｇ２（ｚ）＝ｚｆ（ｃ−｜ｙ−ｂ｜）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかであり、（ｘ，ｙ）＝（ａ，ｂ）はデータ中心の座標である。たとえば顔の左右について線対象変換をおこなう。
なお、一様圧縮変換と非一様圧縮変換とを併用することもできる。たとえば、次の式が１例を示す。
ｇ３（ｚ）＝ｆ（ｚ）ｆ（ｃ−（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２）１／２）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかである。
【００２１】
図１１に戻り説明を続けると、次に、３次元形状データの背景部分を検出する（ステップＳ２０８）。極端に奥行きが深い部分（背景部）について所定の奥行きの浅いデータに変換することにより、加工時間を短縮する。次に、この背景部分を所定形状データに変換して物体の３次元形状データと合成する（ステップＳ２１０）。この所定形状データは、一定の高さのデータとしてもよいし、凹凸のある形状データでもよい。さらには、別の立体物、たとえば花や木などの形状データを用いてもよい。背景検出の具体例としては、測定物の後をブルーバックとしておき、奥行きが所定値以上かつその領域の２次元画像の色がブルーであれば背景であると判定する。
【００２２】
次に、３次元モデルの形状や品質の特性に基づいた３次元形状データの変換について説明する（図１１、ステップＳ２１２〜Ｓ２１６）。まず、サイズ調整（図１１、ステップＳ２１２）をおこない、データが加工できる範囲内または加工物の大きさに応じて、座標値に定数を乗じることにより、スケールを調整する。図１８に示すように、左側のデータを右側のデータに変換し、加工物の大きさ（破線で示す）に対応させる。
図１９は、サイズ調整の１例であるサイズ変換のフローを示す。３次元測定部６４より入力した３次元測定データについて形状解析をする（ステップＳ２２０）。形状解析の結果として算出した対象物の大きさ（縦、横、奥行き）と特性データ記憶部にて設定している出力モデルの形状サイズとを比較し、対象物を出力モデルサイズに合わせ込む３次元形状の倍率を変換する（ステップＳ２２２）。この倍率を用いて３次元形状データを出力モデルサイズに倍率を変換し、出力モデル形状を生成する。こうして作成した出力モデル形状を基に、制御部３０内の特性データ記憶部３６において設定されている加工条件により加工データを作成する（図７、ステップＳ１１８）。この加工データを加工部７０に転送し、３次元加工を行い、３次元モデルを生成する。こうして、出力すべき形状と品質に基づき、形状測定データが自動的に変換されるので、３次元形状データを所定の仕様に簡単に安定に生成する。
【００２３】
図２０は、サイズ変換のフローの変形例である加工サイズ縮小化のフローを示す。このフローでは、形状データの縦、横、高さの方向にスケールをかけ、一定の大きさの素材に収まるサイズに縮小する。これにより加工部分の体積を減らし、加工時間を短縮する。まず、データ形状を入力し（ステップＳ２３０）、入力された形状データの現状のサイズを認識する（ステップＳ２３２）。次に、標準的に使用する素材のサイズ（特性データ記憶部３６から読み出す）に合わせ現在のサイズにスケールをかけ、縦、横、高さを縮小する（ステップＳ２３４）。また、特に高さ方向に極端に圧縮させれば、加工速度も高速化できる。
【００２４】
次に、解像度変換（図１１、ステップＳ２１４）をおこない、加工機７２の精度に合わせて格子の幅の違う格子点で再標本化する。この処理は、ステップＳ２０２の再標本化とほぼ同様であるが、投影する方向はｚ方向（鉛直上方）に固定されている。図２１に示すように、左側に示されるデータの格子点を、右側に示す加工機の格子点に合わせる。解像度は、ステップＳ２０８でサイズを加工に応じて調整した後で、解像度に併せて形状データを変換するので、加工機７２の加工精度のほうが粗くても、適切な形状データが得られる。
【００２５】
図２２は、解像度変換（図１１、ステップＳ２１４）のためのデータ数変換のフローを示す。サイズ出力モデルの形状品質を、構成点群を点間ピッチとベクトル変化量で定義し、ベクトル変化量に対応する点間ピッチ範囲を特性データ記憶部３６から読み出して設定する。点間ピッチがその範囲からはずれる場合、範囲内に入るようにデータ変換（解像度変換）を行う。図２２のフローでは、図１９で得られた倍率に対応した形状データを解析し形状データの点間ピッチとベクトル変化量を得る（ステップＳ２４０）。点間ピッチと、ベクトル変化量に応じて設定された点間ピッチ範囲とから、設定された範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ２４２）。この判断は、入力装置が確定していない場合に必要になる。測定器や測定条件によって解像度が変わるためである。もし設定された範囲内になければ、データを変換する（ステップＳ２４４）。ベクトル変化量の大きい複雑な部分は、ピッチとして大きな値の範囲が設定され、ベクトル変化量の小さい部分はピッチとして小さな値の範囲が設定され、いずれの場合も、ピッチが小さすぎるときは、データを間引いてピッチを大きくし、ピッチが大きすぎる場合、データを補間してピッチを小さくして範囲内になるようにする。
【００２６】
測定された形状データが充分な解像度の場合、間引く処理だけを行うことでよい。以下は、その例である。
図２３は、データ数変換のための形状データの間引きのフローを示す。このフローでは、必要とされる形状精度（上記の点間ピッチ、ベクトル変化量）などに応じて、省略できるデータを間引く。これにより高速な加工を行うことができる。まず、入力された形状データの細かさ（点間ピッチ、ベクトル変化量）を認識する（ステップＳ２６０）。次に、認識された点間ピッチ、ベクトル変化量を、ベクトル変化量に対応したピッチ範囲と比較し（ステップＳ２６２）、データの間引きが可能であれば、間引きをおこなう（ステップＳ２６４）。
データ処理において、最後に、位置合わせ（図１１、ステップＳ２１６）をおこなう。３次元データの基準位置が加工範囲の基準位置にあうように座標原点を平行移動する。
【００２７】
次に、加工データ作成（図７、ステップＳ１１８）について説明する。加工部７０の材料供給部７６には、複数種類の素材が用意されている。そこで、入力された形状データの特徴を抽出し、それに近い形状の素材を選択して使用する。これにより、加工する部分の体積を減らし、加工時間を短くする。また、素材形状を決定するための粗加工が不要になり、加工時間を短くでき、工具の寿命も長くなる。特徴としては種々の量があげられるが、以下の例では、パターンマッチングを用い、形状データのパターンと素材のパターンを比較し、最も近いパターンの素材を選択する。
図２４は、加工データ作成のフローの１例を示す。３次元測定部６４により得られたデータは、データ処理により形状データ（座標データ）に変換されている。ここで、形状データをパターン化し、素材データベース（ＤＢ）に記憶されている素材の形状データ（素材パターン）と比較できるレベルにして、形状データと素材の形状データとを比較し、特徴を抽出する（ステップＳ３００）。たとえば、高さ方向の差の合計を求める。そして、この比較に基づいて素材の形状を決定する（ステップＳ３０２）。たとえば差の合計が最も小さい素材を選択する。
次に、素材形状決定の際の偏差値を偏差基準値と比較し（ステップＳ３０４）、偏差基準値より大きい場合は、特性データ記憶部の加工条件データベースを参照して、粗取り加工用の加工データを作成する（ステップＳ３０６）。次に、加工条件データベースを参照して、仕上げ用加工データを作成する（ステップＳ３０８）。なお、粗取り用と仕上げ用の加工データは、加工機７２の動き方を示すデータである。加工部７０は、決定された素材を加工位置へ搬送し、加工データに基づいて加工する（ステップＳ１２０）。
上述のフローでは、偏差基準値を越える部分について粗削りをするが、粗削りを行わずに、その部分の加工速度を遅くするようにしてもよい。これにより、工具の負荷が軽減され、加工機の故障を防止できる。
【００２８】
加工データ作成（ステップＳ３０６，Ｓ３０８）には時間がかかる。そこで、時間を短縮するために、あらかじめ用意された加工データを使用してもよい。図２５は、変形例のフローを示す。まず、形状データの部分ごとにパターンを認識し、部分ごとのパターンのデータベースを参照して比較し、合致（または類似）するパターンを検索する（ステップＳ３２０）。次に、検索されたパターンと、先に決定された素材とを基に、表１に示すようなパターンごとの加工データのデータベース（テーブル）から加工データを特定し、その加工データをつなぎ合わせて全体の加工データとする（ステップＳ３２２）。
【表１】
【００２９】
また、別の変形実施形態では、加工する素材を基本パーツの組み合わせから作る。図２６は、この場合のフローを示す。まず、部分（基本パーツ）ごとにパターンを認識し、部分ごとのパターンのデータベースを参照して比較し、合致（または類似）する基本パーツを検索する（ステップＳ４００）。次に、先に決定された基本パーツを組み合わせ、加工用の素材とする（ステップＳ４０２）。次に、この素材を用いて図２４のステップＳ３０４に進み、加工データを作成し、加工をおこなう。
【００３０】
【発明の効果】
所定方向にデータを圧縮した後で加工を行うので、加工時間が短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】立体複製物作成装置の斜視図である。
【図２】立体複製物作成装置のブロック図である。
【図３】操作パネルの平面図である。
【図４】加工部の斜視図である。
【図５】加工部の変形例の斜視図である。
【図６】加工部の他の変形例の斜視図である。
【図７】メインコントローラのメインフローチャートである。
【図８】変形例におけるメインコントローラのメインフローチャートである。
【図９】透視投影面上でのサンプリングを示す図である。
【図１０】平行投影面上でのサンプリングを示す図である。
【図１１】データ処理のフローチャートである。
【図１２】再標本化を説明するための図である。
【図１３】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１４】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１５】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１６】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１７】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１８】サイズ調整と位置合わせを示す図である。
【図１９】サイズ変換のフローチャートである。
【図２０】形状縮小化のフローチャートである。
【図２１】解像度変換を示す図である。
【図２２】データ間引きのフローチャートである。
【図２３】データ数変換のフローチャートである。
【図２４】加工データ作成のフローチャートである。
【図２５】加工データ作成のフローチャートである。
【図２６】加工データ作成のフローチャートである。
【符号の説明】
１６ 表示部、 ３０ 制御部、 ３４ データ処理部、 ３６ 特定データ記憶部、 ３８ 加工データ生成部、 ５０ 操作部、 ６４ ３次元測定部、７０ 加工部、 ７２ 加工機、 ７６ 材料供給機。
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元形状データに基づいて立体物を作成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
立体物の複製において、立体物の３次元形状データを測定し、次に、得られた形状データに基づいて素材を加工する。これにより立体複製物が作成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
３次元形状データから、たとえば切削加工などで材料を加工する場合、奥行き方向の凹凸が大きいと、材料の加工に時間がかかるという問題がある。特に、立体物を３次元で測定し、その場で加工して複製物を提供する装置においては、すぐに複製物を提供するという即時性が重要である。したがって、加工時間を短縮することが望ましい。また、立体物をその背景と合成して加工する立体作成装置においても、背景の奥行きが深いので加工に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、加工時間の短い立体作成装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データを、前記物体の正面から平行投影された平行投影データに変換する再標本化手段と、前記再標本化手段により変換された３次元形状データを、前記平行投影における投影方向に圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段により圧縮された３次元形状に基づいて材料を加工する加工機とを備える。この装置では、再標本化された形状データを正面からみた奥行き方向に圧縮することにより加工部分を少なくし、加工時間を短縮する。
本発明に係る第２の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データを所定方向に非一様に圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段により圧縮された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機とを備える。
本発明に係る第３の立体作成装置は、物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、前記立体測定部により生成された３次元形状データから前記物体の背景に相当する部分を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された背景部分を所定の形状データに変換して前記３次元形状データと合成するデータ変換手段と、前記データ変換手段により合成された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機とを備える。この装置では、背景部に所定形状データを合成する。３次元形状データについて、背景部については、所定のデータに変換することにより、加工時間を短縮する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明による実施形態について説明する。
図１は、立体複製物作成装置の斜視図である。この装置は、その前に立つ人（ユーザー）の顔の立体複製物をその場で加工する。立体複製物には種々のものが考えらえるが、たとえば四角形の板からユーザーの顔の前半部の複製物が突き出ているような立体物である。３次元複製物に背景部分を合成することもできる。この作成装置は、立体複製物をその場で加工し提供する。
立体複製物作成装置の箱１０の前面に、投光窓１２と受光窓１４が設けられる。ユーザーが、箱１０の前に立つと、投光窓１２から投光された光が、人の顔により反射され、受光窓１４により受光される。これにより、顔の３次元形状データが測定される。ユーザーの姿勢すなわち構図が決まると、ユーザーの顔が３次元で測定される。得られた３次元像は、表示装置１６に表示される。ユーザーがこの構図に不満であると、新たに異なった構図をとり、再び顔の測定と表示がなされる。操作パネル１８により、ユーザーが表示装置１６に表示された３次元像でよいとの確認の指示をすると、箱１０の内部に設けられた加工装置により立体複製物が加工される。ユーザーは、作成された立体複製物を取出口２０から取り出す。３次元像の測定は、本実施形態では光切断法を用いるが、パターン光投影法、ステレオ視方式、干渉縞方式などを用いてもよい。
【０００７】
図２は、立体複製物作成装置の機器構成を示すブロック図である。立体複製物作成装置の全体の制御をする制御部３０に、表示装置（モニタを含む）１６、操作部５０、測定部６０および加工部７０が接続される。制御部３０は、メインコントローラ３２を備え、特性データ記憶部３４、データ変換部３６、加工データ作成部３８を備える。また、立体複製物の取り出しを検出する取出口センサ４０が取出口２０に設置され、メインコントローラ３２に接続される。操作部５０は、操作パネル１８を備える。測定部６０は、３次元測定部６４（投光窓１２と受光窓１４を備える）と２次元画像撮像部６６（投光窓１２と受光窓１４を共用する）６６とを備え、これらは測定機コントローラ６２により制御される。加工部７０は、加工機コントローラ７４により制御される加工機７２を備え、加工機７２は、材料供給機７６から供給される素材を加工する。なお、測定器コントローラ６２と加工機コントローラ７４の機能をメインコントローラ３２に持たせ、メインコントローラ３２によりすべてを制御するようにしてもよい。
【０００８】
図３は、操作パネル１８を示す。操作パネル１８には、スタートボタン５０、確認ボタン５２、キャンセルボタン５４が備えられる。さらに、表示装置１６にジョイスティック５６（図式的に示す）が備えられる。スタートボタン５０は、構図を決めたときに押され、確認ボタン５２は、３次元表示を確認するときに押され、キャンセルボタン５４は、３次元表示がユーザーが想像していたのと異なる場合に再度別の構図をとるために押される。ジョイスティック５６は、表示装置１６に３次元画像を３次元の様々な方向で回転して表示する場合に、画像の回転を指示するために備えられる。
【０００９】
図４は、押出方式の加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の斜視図である。加工用の材料は、加工テーブル２００において、２個の位置決め治具２０２とクランプ治具２０４により固定される。加工用工具２０６は、ドリル２０８で材料を切削する。８種の材料が材料供給機７６の２つの材料ストック部２１０に備えられる。材料ストック部２１０において８種の加工用材料は、それぞれエレベータ２２０の上に積み重ねられ、最上層の材料が押し出し工具２１８により移送路２１２へ押し出される（矢印参照）。押出し引抜き治具２１４が、材料ストック部２１０の間に設けた移送路２１２の端に備えられ、材料ストック部２１０から移送路２１２に押し出された材料２１６を、加工テーブル２００に押し出す（矢印参照）。また、押出し引抜き治具２１４は、加工テーブル２００で加工された材料を引き抜き、製品取出口２２２から送り出す。なお、押出し引抜き治具２１４を備える代わりに、移送路２１２自体をすべり台として材料を移動することができる。
【００１０】
図５は、エレベータ方式の加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の変形例の斜視図である。材料ストック部２５０に６種類の加工用材料が備えられる。これらの材料は、左右に３段づつ配置される。材料ストック部２５０から選択された材料２５２が、材料ストック部２５０の間に位置されるエレベータ２４８の台の上に押し出される。この台には、位置決め治具とクランプ治具が備えられ、材料２５２を固定する。エレベータ２４８が所定位置まで上昇すると、加工用工具２４０はドリル２４２で材料２５２を切削する。
【００１１】
図６は、加工部７０の加工機７２と材料供給機７６の別の変形例の斜視図である。加工コントローラ７２は、ロボット２６０、素材ストッカー２６４および加工具２７０を制御する。素材ストッカー２６４は、複数種の材料２６６をストックする。ロボット２６０は、材料ストッカー２６４から１個の材料２６６を加工ステージ２６８上に運ぶ。材料２６６は、加工ステージ２６８上で位置決め治具２７２により加工位置に固定され、加工具２７０により加工される。加工後は、複製品は取り出し口２７４に送られる。
なお、図４〜図６に示した加工機は、切削により材料を加工するが、積層造形法（光造形法を含む）、レーザー加工（熱加工）、成型加工（加圧など）などを用いて加工してもよい。
図４〜図６に示したように、材料供給機７６からは複数種の材料のなかから選択された材料が供給される。材料が起伏のある形状の場合は材料供給機７６内において積み重ねが難しいが、筒のようなガイドを設けることにより供給が可能である。これらの材料として、標準的な顔の形状の素材を複数種用意して、それから選択するようにしてもよい。
【００１２】
図７は、制御部３０のメインコントローラ３２のメインフローを示す。操作パネル１８でスタートボタン５０が押されるまで、２次元画像が動画として表示装置１６に表示される。これにより、ユーザーは所望の構図を決めることができる。まず、２次元画像撮像部６６によりユーザーの顔の２次元画像が撮像され（ステップＳ１００）、得られた２次元画像が表示装置１６に表示される（ステップＳ１０２）。そして、ユーザーがスタートボタン５０を押すのを待つ（ステップＳ１０４）。ユーザーが構図に満足するまで、この２次元画像の表示が繰り返される。ユーザーは、構図を決めると、操作パネル１８のスタートボタン５０を押す。
スタートボタン５０の押下が検出されると（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、２次元画像撮像部６６によりユーザーの顔の２次元画像が撮像され（ステップＳ１０６）、３次元測定部６４によりユーザーの顔の３次元画像が測定される（ステップＳ１０８）。次に測定データについてデータ処理がなされる（ステップＳ１１０）。ここで、後で説明するように、奥行き補正により形状データが高さ方向に圧縮されるので、素材の加工時間が短縮できる。また、後で説明するように、出力したい生成物すなわち３次元形状モデルについて形状や品質に応じたデータの変換が行われる。これにより、出力すべき加工生成物（３次元モデル）の形状（サイズなど）や品質（粗密さ、滑らかさなど）に応じて形状測定データが自動的に変換され、形状データ入力から加工までの一連のプロセスが簡単化される。次に、データ処理後の３次元形状が表示装置１６に表示され、ユーザーの指示を待つ。この表示によりユーザーは、実際に加工される結果を確認できる。３次元表示としては、影を表示するなどの種々の公知の手法を用いる。ユーザーが操作パネル１８で確認ボタン５２を押すと、確認ボタン５２の押下が検出され（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、加工動作に移る。しかし、３次元表示（ステップＳ１１２）の後でユーザーが操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押すと（ステップＳ１１６でＹＥＳ）、フローはステップＳ１００に戻り、ユーザーは別の構図をとることができる。このように、データ処理後の画像についてユーザーの確認をまって加工を始めるので、ユーザーの希望する立体複製物が作成できるとともに、加工用材料がむだになることがない。
なお、メインコントローラ３２に外部からデータを入力する画像入力部を設けてもよい。これにより、外部から対象物の画像データ（または対象物の画像データと色彩）を入力する。加工は入力データに基づいて行われる。
【００１３】
図８は、ジョイスティック５６を用いた変形例のフローを示す。ユーザーは、ジョイスティック５６により様々な方向からデータ処理後の画像を確認できる。図４のデータ処理（ステップＳ１１０）の後で、表示装置１６に正面（Ｚ方向）からの３次元表示をする（ステップＳ１４０）。次にユーザーがジョイスティック５６を作動すると（ステップＳ１４２）、フローは、ジョイスティック５６からの回転指示信号により分岐する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の回転指示に対応して、Ｘ方向（ステップＳ１４４）、Ｙ方向（ステップＳ１４６）、Ｚ方向（ステップＳ１４８）の回転がなされ、それに対応した３次元表示がなされる（ステップＳ１５０）。こうしてユーザーは様々な方向から立体複製物を確認できる。ここで、ユーザーが操作パネル１８で確認ボタン５２を押すと（ステップＳ１５２でＹＥＳ）、図６のステップＳ１１８に進み加工動作に移る。また、ユーザーが操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押すと（ステップＳ１５４でＹＥＳ）、フローはステップＳ１００に戻り、ユーザーは別の構図をとることができる。
【００１４】
図７に戻り説明を続けると、加工においては、まず、形状データから、加工条件データベースを参照して加工データが作成される（ステップＳ１１８）。加工データは加工部７０に送られ、加工部７０では材料を加工して３次元加工モデルを作成する（ステップＳ１２０）。加工物が排出され（ステップＳ１２２）、取出口センサ４０により、加工された生成物が取り出されたことを検出すると（ステップＳ１２４でＹＥＳ）、フローは、ステップＳ１００に戻り、次の立体複製物生成を行なう。
【００１５】
以下で、立体複製物の生成についてさらに詳細に説明する。
３次元測定（図７、ステップＳ１１２）において、立体物（顔）の３次元形状が測定される。３次元測定部６４は、図９に示すように、透視投影面上で格子状に配置された点を通る視線が対象物表面と初めて交わる点までの（測定部６４からの）距離を測定する。したがって、形状データは、３次元測定部６４の所定の位置を座標中心とする３次元直交座標における座標値と距離値とをもつ、格子状に並んだ点列データとして与えられる。また、このとき、測定点が測定範囲外であるなどの理由で測定を行えない測定点は、欠損である印をつけたデータとして格納されている。このように、本実施形態では透視投影面上でのサンプリングをおこなったが、３次元測定において、図１０に示すように、平行投影面上で格子状に配置された点を通る視線が対象物表面と初めて交わる点までの（３次元測定部６４からの）距離を測定してもよい。
【００１６】
図１１は、データ処理（図７、ステップＳ１１０）のフローを示す。ここで、３次元測定部６４により入力された形状データに対して、加工時間を短くするための処理を含む各種処理がなされる。まず、測定データについて平滑化処理により、ノイズなどの非正規なデータを除く（ステップＳ２００）。
次に、再標本化処理を行う（ステップＳ２０２）。たとえば、顔が斜めを向いていた場合などにおいて、入力データを加工方向に正対させるため、ある方向から平行投影した等間隔の格子点により整列されたデータに変換する。図１２は、１例を示す。たとえば人の顔の鼻の下が陰になって測定できない場合、顔を上向きにして３次元測定をした後で、通常の正面を向いた顔を表すようにデータを変換できる。格子点が射影された位置に計測点がない場合（たとえば図１２のａ）には、その周囲の計測値により線形補完を行う。このとき、射影された方向が加工する際の鉛直上方となり、それぞれの格子点は、高さのデータを持つ。また、入力データが透視投影など平行投影でなかった場合などでは、この処理により入力データを平行投影データに変換できる。
【００１７】
次に、補完処理（図１１、ステップＳ２０４）をおこない、データのない欠損部分を補完する。補完の方法としては、線形補完、重み付け補完などの種々の手法が用いられる。たとえば、データの欠損している部分をすべて固定値で置き換える（単純補完）。固定値としては、（ａ）あらかじめ定められた値、（ｂ）最小の高さ、（ｃ）データ外周部の平均値が用いられる。また、欠損部がデータで完全に囲まれている場合は、周りのデータから線形補完をする。
また、たとえば、人の顔における黒い眉や髪などのように、対象の性質から光学式の３次元測定部６４ではデータが得られない場合がある。このような場合、データが欠損している部分は、所定の３次元形状データと置き換える。このため、所定の標準顔データを用意しておき、欠損部ではそのモデルデータを使用する。この際、位置およびサイズの調整が必要となる。この調整では、たとえば、図７のステップＳ１０６で得られたカラー画像の両目と口に対応する３次元形状データ中の三角形を、モデルの対応する三角形と同じになるような線形変換をする。この合成は、顔の欠損部分に限らず、任意の３次元形状データを使用することが可能である。
【００１８】
次に、高さ圧縮処理（図１１、ステップＳ２０６）をおこない、形状データを奥行き方向に圧縮し、高さ方向の範囲を元のデータより狭くする。奥行き方向の凹凸が大きいと加工時間が長くなるが、奥行き方向に圧縮することにより加工部分を少なくして、加工時間を短縮できる。また、極端に奥行きが深い部分（背景部）について、所定のデータ（奥行きの浅いデータ）に変換することにより、同様に加工部分を少なくして加工時間を短縮できる。以下に、高さ圧縮について詳細に説明する。
高さ圧縮の手法は、加工対象の性質に応じて適切なものを採用する。高さ圧縮の手法には、一様圧縮処理と非一様圧縮処理とがある。
一様圧縮処理には、たとえば図１３〜１７に示すような種々のアルゴリズムが用いられる。一様圧縮では、各格子点ｉにおける高さｚｉを、Ｚ＝ｆ（ｚｉ）なる関数により変換した値に置き換える。１つの手法は、線形変換ｆ１（ｚ）＝ａｚ＋ｂ（ここにｚが高さ、ａ，ｂが定数であり、０＜ａ＜１である）である。図１３は、線形変換の一例（ｆ１（ｚ）＝０．５ｚ）を示す。
【００１９】
図１４と図１５は、非線形連続変換の例を示す。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は高いところ（３次元データ入力時には３次元測定部からみて手前側であったところ）に集中していると考えられるので、低い部分では圧縮の度合を大きくする。１つの手法は、二乗変換ｆ２（ｚ）＝ａ（ｚ−ｂ）２＋ｃ（ここにｚが高さ、ａ，ｂ，ｃが定数であり、０＜ａである）である。図１４は、二乗変換の１例（ｆ２（ｚ）＝０．００５ｚ２）を示す。他の１つの手法は、指数変換ｆ３（ｚ）＝ｃｂａｚ＋ｄ（ここに１＜ａである）である。図１５は、指数変換の１例（ｆ３（ｚ）＝８＊１．０２ｚ）を示す。
図１６と図１７は、不必要な部分を削除する非線形不連続変換の例を示す。１つの手法は、次の式で示される中抜き変換である。
【００２０】
また、非一様圧縮処理では、各格子点ｉにおける高さｚｉを、Ｚ＝ｇ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）なる関数により変換した値に置き換える。ここにｘ，ｙは格子の座標である。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は中心に集中していると考えられるので、端の部分では圧縮の度合を大きくする。なお、この際にはデータの中心となる部分を３次元データやカラー画像データから推定する必要がある。たとえば、ｘ，ｙデータの重心、または、顔などのときはカラー画像から抽出した両目と口とで構成される３角形に対応する３次元データの重心をデータの中心とする。または、データを入力する際に、対象物の中心が所定位置にくるように位置決めをすることが必要となる。
１つの手法は点対称変換である。次の式は点対称変換の１例を示す。
ｇ１（ｚ）＝ｚｆ（ｃ−（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２）１／２）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかであり、ｙ＝ｂはデータ中心の座標である。
また、他の１つの手法は線対称変換である。次の式は線対称変換の１例を示す。
ｇ２（ｚ）＝ｚｆ（ｃ−｜ｙ−ｂ｜）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかであり、（ｘ，ｙ）＝（ａ，ｂ）はデータ中心の座標である。たとえば顔の左右について線対象変換をおこなう。
なお、一様圧縮変換と非一様圧縮変換とを併用することもできる。たとえば、次の式が１例を示す。
ｇ３（ｚ）＝ｆ（ｚ）ｆ（ｃ−（（ｘ−ａ）２＋（ｙ−ｂ）２）１／２）
ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいずれかである。
【００２１】
図１１に戻り説明を続けると、次に、３次元形状データの背景部分を検出する（ステップＳ２０８）。極端に奥行きが深い部分（背景部）について所定の奥行きの浅いデータに変換することにより、加工時間を短縮する。次に、この背景部分を所定形状データに変換して物体の３次元形状データと合成する（ステップＳ２１０）。この所定形状データは、一定の高さのデータとしてもよいし、凹凸のある形状データでもよい。さらには、別の立体物、たとえば花や木などの形状データを用いてもよい。背景検出の具体例としては、測定物の後をブルーバックとしておき、奥行きが所定値以上かつその領域の２次元画像の色がブルーであれば背景であると判定する。
【００２２】
次に、３次元モデルの形状や品質の特性に基づいた３次元形状データの変換について説明する（図１１、ステップＳ２１２〜Ｓ２１６）。まず、サイズ調整（図１１、ステップＳ２１２）をおこない、データが加工できる範囲内または加工物の大きさに応じて、座標値に定数を乗じることにより、スケールを調整する。図１８に示すように、左側のデータを右側のデータに変換し、加工物の大きさ（破線で示す）に対応させる。
図１９は、サイズ調整の１例であるサイズ変換のフローを示す。３次元測定部６４より入力した３次元測定データについて形状解析をする（ステップＳ２２０）。形状解析の結果として算出した対象物の大きさ（縦、横、奥行き）と特性データ記憶部にて設定している出力モデルの形状サイズとを比較し、対象物を出力モデルサイズに合わせ込む３次元形状の倍率を変換する（ステップＳ２２２）。この倍率を用いて３次元形状データを出力モデルサイズに倍率を変換し、出力モデル形状を生成する。こうして作成した出力モデル形状を基に、制御部３０内の特性データ記憶部３６において設定されている加工条件により加工データを作成する（図７、ステップＳ１１８）。この加工データを加工部７０に転送し、３次元加工を行い、３次元モデルを生成する。こうして、出力すべき形状と品質に基づき、形状測定データが自動的に変換されるので、３次元形状データを所定の仕様に簡単に安定に生成する。
【００２３】
図２０は、サイズ変換のフローの変形例である加工サイズ縮小化のフローを示す。このフローでは、形状データの縦、横、高さの方向にスケールをかけ、一定の大きさの素材に収まるサイズに縮小する。これにより加工部分の体積を減らし、加工時間を短縮する。まず、データ形状を入力し（ステップＳ２３０）、入力された形状データの現状のサイズを認識する（ステップＳ２３２）。次に、標準的に使用する素材のサイズ（特性データ記憶部３６から読み出す）に合わせ現在のサイズにスケールをかけ、縦、横、高さを縮小する（ステップＳ２３４）。また、特に高さ方向に極端に圧縮させれば、加工速度も高速化できる。
【００２４】
次に、解像度変換（図１１、ステップＳ２１４）をおこない、加工機７２の精度に合わせて格子の幅の違う格子点で再標本化する。この処理は、ステップＳ２０２の再標本化とほぼ同様であるが、投影する方向はｚ方向（鉛直上方）に固定されている。図２１に示すように、左側に示されるデータの格子点を、右側に示す加工機の格子点に合わせる。解像度は、ステップＳ２０８でサイズを加工に応じて調整した後で、解像度に併せて形状データを変換するので、加工機７２の加工精度のほうが粗くても、適切な形状データが得られる。
【００２５】
図２２は、解像度変換（図１１、ステップＳ２１４）のためのデータ数変換のフローを示す。サイズ出力モデルの形状品質を、構成点群を点間ピッチとベクトル変化量で定義し、ベクトル変化量に対応する点間ピッチ範囲を特性データ記憶部３６から読み出して設定する。点間ピッチがその範囲からはずれる場合、範囲内に入るようにデータ変換（解像度変換）を行う。図２２のフローでは、図１９で得られた倍率に対応した形状データを解析し形状データの点間ピッチとベクトル変化量を得る（ステップＳ２４０）。点間ピッチと、ベクトル変化量に応じて設定された点間ピッチ範囲とから、設定された範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ２４２）。この判断は、入力装置が確定していない場合に必要になる。測定器や測定条件によって解像度が変わるためである。もし設定された範囲内になければ、データを変換する（ステップＳ２４４）。ベクトル変化量の大きい複雑な部分は、ピッチとして大きな値の範囲が設定され、ベクトル変化量の小さい部分はピッチとして小さな値の範囲が設定され、いずれの場合も、ピッチが小さすぎるときは、データを間引いてピッチを大きくし、ピッチが大きすぎる場合、データを補間してピッチを小さくして範囲内になるようにする。
【００２６】
測定された形状データが充分な解像度の場合、間引く処理だけを行うことでよい。以下は、その例である。
図２３は、データ数変換のための形状データの間引きのフローを示す。このフローでは、必要とされる形状精度（上記の点間ピッチ、ベクトル変化量）などに応じて、省略できるデータを間引く。これにより高速な加工を行うことができる。まず、入力された形状データの細かさ（点間ピッチ、ベクトル変化量）を認識する（ステップＳ２６０）。次に、認識された点間ピッチ、ベクトル変化量を、ベクトル変化量に対応したピッチ範囲と比較し（ステップＳ２６２）、データの間引きが可能であれば、間引きをおこなう（ステップＳ２６４）。
データ処理において、最後に、位置合わせ（図１１、ステップＳ２１６）をおこなう。３次元データの基準位置が加工範囲の基準位置にあうように座標原点を平行移動する。
【００２７】
次に、加工データ作成（図７、ステップＳ１１８）について説明する。加工部７０の材料供給部７６には、複数種類の素材が用意されている。そこで、入力された形状データの特徴を抽出し、それに近い形状の素材を選択して使用する。これにより、加工する部分の体積を減らし、加工時間を短くする。また、素材形状を決定するための粗加工が不要になり、加工時間を短くでき、工具の寿命も長くなる。特徴としては種々の量があげられるが、以下の例では、パターンマッチングを用い、形状データのパターンと素材のパターンを比較し、最も近いパターンの素材を選択する。
図２４は、加工データ作成のフローの１例を示す。３次元測定部６４により得られたデータは、データ処理により形状データ（座標データ）に変換されている。ここで、形状データをパターン化し、素材データベース（ＤＢ）に記憶されている素材の形状データ（素材パターン）と比較できるレベルにして、形状データと素材の形状データとを比較し、特徴を抽出する（ステップＳ３００）。たとえば、高さ方向の差の合計を求める。そして、この比較に基づいて素材の形状を決定する（ステップＳ３０２）。たとえば差の合計が最も小さい素材を選択する。
次に、素材形状決定の際の偏差値を偏差基準値と比較し（ステップＳ３０４）、偏差基準値より大きい場合は、特性データ記憶部の加工条件データベースを参照して、粗取り加工用の加工データを作成する（ステップＳ３０６）。次に、加工条件データベースを参照して、仕上げ用加工データを作成する（ステップＳ３０８）。なお、粗取り用と仕上げ用の加工データは、加工機７２の動き方を示すデータである。加工部７０は、決定された素材を加工位置へ搬送し、加工データに基づいて加工する（ステップＳ１２０）。
上述のフローでは、偏差基準値を越える部分について粗削りをするが、粗削りを行わずに、その部分の加工速度を遅くするようにしてもよい。これにより、工具の負荷が軽減され、加工機の故障を防止できる。
【００２８】
加工データ作成（ステップＳ３０６，Ｓ３０８）には時間がかかる。そこで、時間を短縮するために、あらかじめ用意された加工データを使用してもよい。図２５は、変形例のフローを示す。まず、形状データの部分ごとにパターンを認識し、部分ごとのパターンのデータベースを参照して比較し、合致（または類似）するパターンを検索する（ステップＳ３２０）。次に、検索されたパターンと、先に決定された素材とを基に、表１に示すようなパターンごとの加工データのデータベース（テーブル）から加工データを特定し、その加工データをつなぎ合わせて全体の加工データとする（ステップＳ３２２）。
【表１】
また、別の変形実施形態では、加工する素材を基本パーツの組み合わせから作る。図２６は、この場合のフローを示す。まず、部分（基本パーツ）ごとにパターンを認識し、部分ごとのパターンのデータベースを参照して比較し、合致（または類似）する基本パーツを検索する（ステップＳ４００）。次に、先に決定された基本パーツを組み合わせ、加工用の素材とする（ステップＳ４０２）。次に、この素材を用いて図２４のステップＳ３０４に進み、加工データを作成し、加工をおこなう。
【００３０】
【発明の効果】
所定方向にデータを圧縮した後で加工を行うので、加工時間が短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】立体複製物作成装置の斜視図である。
【図２】立体複製物作成装置のブロック図である。
【図３】操作パネルの平面図である。
【図４】加工部の斜視図である。
【図５】加工部の変形例の斜視図である。
【図６】加工部の他の変形例の斜視図である。
【図７】メインコントローラのメインフローチャートである。
【図８】変形例におけるメインコントローラのメインフローチャートである。
【図９】透視投影面上でのサンプリングを示す図である。
【図１０】平行投影面上でのサンプリングを示す図である。
【図１１】データ処理のフローチャートである。
【図１２】再標本化を説明するための図である。
【図１３】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１４】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１５】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１６】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１７】高さ圧縮処理の１例の図である。
【図１８】サイズ調整と位置合わせを示す図である。
【図１９】サイズ変換のフローチャートである。
【図２０】形状縮小化のフローチャートである。
【図２１】解像度変換を示す図である。
【図２２】データ間引きのフローチャートである。
【図２３】データ数変換のフローチャートである。
【図２４】加工データ作成のフローチャートである。
【図２５】加工データ作成のフローチャートである。
【図２６】加工データ作成のフローチャートである。
【符号の説明】
１６ 表示部、 ３０ 制御部、 ３４ データ処理部、 ３６ 特定データ記憶部、 ３８ 加工データ生成部、 ５０ 操作部、 ６４ ３次元測定部、７０ 加工部、 ７２ 加工機、 ７６ 材料供給機。
Claims (3)
- 物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、
前記立体測定部により生成された３次元形状データを、前記物体の正面から平行投影された平行投影データに変換する再標本化手段と、
前記再標本化手段により変換された３次元形状データを、前記平行投影における投影方向に圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段により圧縮された３次元形状に基づいて材料を加工する加工機と
を備えることを特徴とする立体作成装置。 - 物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、
前記立体測定部により生成された３次元形状データを所定方向に非一様に圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段により圧縮された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機と
を備えることを特徴とする立体作成装置。 - 物体の３次元形状を測定して３次元形状データを生成する立体測定部と、
前記立体測定部により生成された３次元形状データから前記物体の背景に相当する部分を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された背景部分を所定の形状データに変換して前記３次元形状データと合成するデータ変換手段と、
前記データ変換手段により合成された３次元形状データに基づいて材料を加工する加工機と
を備えることを特徴とする立体作成装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10280397A JP3582293B2 (ja) | 1997-04-04 | 1997-04-04 | 立体作成装置 |
| US09/054,499 US6424877B1 (en) | 1997-04-04 | 1998-04-03 | Reproduction apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10280397A JP3582293B2 (ja) | 1997-04-04 | 1997-04-04 | 立体作成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10277882A JPH10277882A (ja) | 1998-10-20 |
| JP3582293B2 true JP3582293B2 (ja) | 2004-10-27 |
Family
ID=14337234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10280397A Expired - Lifetime JP3582293B2 (ja) | 1997-04-04 | 1997-04-04 | 立体作成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3582293B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005003871A1 (ja) * | 2003-07-04 | 2005-01-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | 自動プログラミング方法および装置 |
-
1997
- 1997-04-04 JP JP10280397A patent/JP3582293B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10277882A (ja) | 1998-10-20 |
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