JP3714063B2 - 3次元形状計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン投影法を用いて対象物体までの距離情報を取得する3次元形状計測装置に関し、特に、対象物体に依存せずに精度良く距離情報および輝度情報を同時に取得することが可能な3次元形状計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
対象物体の形状を測定する手法として、従来より、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、アクティブ手法は、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が、計測精度は高いという特色を有する。
【0003】
アクティブ手法の一つであるパターン投影法では、対象物体に基準となるパターン光を投影し、この基準となるパターン光が投影された方向とは異なる方向から撮影を行う。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。
【0004】
パターン投影法では、変形パターンと投影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法が従来より提案されている。
【0005】
このような従来のパターン投影法として、例えば、特開平5−332737号公報、および特許第2565885号公報に示されるものがある。
【0006】
特開平5−332737号公報には、パターン投影法として空間コード化法を用いた形状計測装置が示されている。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体に照射し、走査するスキャンニング装置と、対象物体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を有する。このような構成において、対象物体をスキャンニング装置によってレーザ光で走査すると、レーザ光が照射された部分と照射されていない部分とが生じて縞模様が形成される。レーザ光の照射を異なる複数のパターンにより行うことで、対象物体上は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体の形状を算出できる。
【0007】
特許第2565885号公報には、パターン投影法として空間パターンコード化方法を用いた形状計測装置が示されている。この装置は、3値の階調領域を有し、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しているように配置した3値格子板パターン原画と、このパターン原画を介して物体に3値格子板パターン光を投影するプロジェクタと、3値格子板パターン光が投影された物体を撮影するCCDカメラと、パターン原画とCCDカメラの撮影によって得られたパターン像との間の対応を行って計測を行う計測部とを有する。このような構成において、プロジェクタから物体に3値格子板パターン光を投影し、CCDカメラによって3値格子板パターン光が投影された物体を撮影すると、パターン像が得られる。計測部は、パターン像の階調領域の各交点に周囲の階調の種類と順序に応じた主コードを付与し、隣接する主コードを上記交点の識別用の特徴コードとして付与する。これにより、撮影パターンとパターン原画とを一義的に対応することができるので、1回の投影で高密度で計測することが可能となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平5−332737号公報に示された従来の形状計測装置によると、解像度を高くするためには、レーザ光による複数回の走査とカメラによる複数回の撮影が必要となる。例えば、画面を256の領域に分割するには8回の撮影が必要となる。そのため、動きの早い物体の撮影は困難となるという問題がある。
【0009】
特許第2565885号公報に示された従来の形状計測装置によると、プロジェクタの光学系の焦点深度が狭いため、物体表面の距離に応じて階調領域間のエッジがぼけて精度の良い計測ができなくなることから、奥行き方向の測定可能な範囲が限定されてしまうという問題がある。
【0010】
また、上記各従来の形状計測装置では、対象物体の形状や反射率等によって撮影されるパターンが変化するため、投影したパターンとの対応づけが困難となるという問題がある。
【0011】
従って、本発明の目的は、対象物体に依存せずに精度良く距離情報を取得することが可能な3次元形状計測装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、輝度情報と距離情報を同時に取得することが可能な3次元画像撮影装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、パターンコードに基づいて3値以上に強度変調された複数の領域からなるパターン光をレーザ光によって生成し、前記パターン光を物体に投影する投影手段と、前記パターン光の投影によって前記物体から反射された光を撮影してパターン像を得る撮影手段と、前記パターンコードと前記パターン像に基づいて前記物体までの距離情報を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする3次元形状計測装置を提供する。
上記構成によれば、光源として用いるレーザ光は、焦点深度などの影響が少ない直線性を有するため、領域間のエッジがぼけなくなり、奥行き方向の測定可能な範囲が広くなる。強度変調されたパターン光を物体に投影することにより、1回の撮影で形状を計測することが可能となる。
【0013】
本発明は、上記他の目的を達成するため、パターンコードに基づいて3値以上に強度変調された複数の領域からなるパターン光をレーザ光によって生成し、前記パターン光を物体に投影する投影手段と、前記パターン光の投影によって前記物体から反射された光を撮影してパターン像を得る撮影手段と、前記パターンコードと前記パターン像に基づいて前記物体までの距離情報を演算する演算手段と、前記演算手段の演算により得られた前記距離情報、および前記撮像手段によって得られた輝度情報に基づいて3次元画像を形成する3次元画像形成手段とを備えたことを特徴とする3次元形状計測装置を提供する。
上記構成によれば、光源としてレーザ光を用いることにより、領域間のエッジがぼけなくなり、奥行き方向の測定可能な範囲が広くなる。強度変調されたパターン光を物体に投影することにより、1回の撮影で形状を計測することが可能となる。3次元画像形成手段により距離情報および輝度情報に基づいて3次元画像が形成される。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の形態に係る3次元形状計測装置を適用した3次元画像撮影装置を示す。この3次元画像撮影装置1は、3値以上に強度変調された投影パターン光8を物体4に投影する投光器2と、投影パターン光8および外光によって物体4で反射した反射光3bをハーフミラー5を介して撮影する第1のカメラ6Aと、投光器2の光軸から所定の距離Lを設けて配置され、物体4からの反射光3bを撮影する第2のカメラ6Bと、第1および第2のカメラ6A,6Bによって得られた画像を基に距離情報と輝度情報からなる3次元画像を形成する画像処理部7とを有して構成されている。
【0015】
投光器2は、紫外線あるいは赤外線の不可視領域の単一の光強度を有するレーザ光を出射するレーザ光源20と、レーザ光源20から出射されたレーザ光をスリット光3aに整形するシリンドリカルレンズ21と、複数(例えば12面)のミラー面22aを備え、シリンドリカルレンズ21によって整形されたスリット光3aをミラー面22aによって偏向走査させるポリゴンミラー22と、レーザ光源20にレーザ駆動信号23aを出力してレーザ光源20を駆動するレーザ光源駆動部23と、ポリゴンミラー22にミラー駆動信号24aを出力してポリゴンミラー22を一定方向に回転駆動するとともに、ポリゴンミラー22の角度に応じたミラー角度信号24bを出力するポリゴンミラー駆動部24と、ポリゴンミラー駆動部24からのミラー角度信号24bに基づいてレーザ光源駆動部23にオンオフ同期信号25aを出力する制御部25とを備える。
【0016】
図2は、投影パターン光8の形成動作を示す。投光器2の制御部25は、同図(a)に示すように、画像処理部7内のフレームメモリに予め記憶されているパターンコード、およびポリゴンミラー駆動部24からのミラー角度信号24bに基づいて、レーザ光源駆動部23にオンオフ同期信号25aを出力し、レーザ光源駆動部23によってレーザ光源20を点滅させることにより、レーザ光源20から出射され、シリンドリカルレンズ21によって整形されたスリット光3aをポリゴンミラー22のミラー面22aによって物体4上を走査させる。そして、制御部25は、ポリゴンミラー22が半回転する間、すなわち、第1および第2のカメラ6A,6Bの1ビデオフレーム中に上記の動作を複数回(同図(a)では6回)繰り返すことにより、スリット光3aが時系列的に合成されて、同図(b)に示すような、異なる光強度を有する複数のストライプ光80からなる投影パターン光8が形成される。
【0017】
図3は、第1および第2のカメラ6A,6Bを示す。第1および第2のカメラ6A,6Bは、物体4からの反射光3bを2方向に分割するプリズム60と、プリズム60によって一方の方向に分割された反射光3bのうち不可視領域の成分を遮断する不可視領域遮断フィルタ61と、不可視領域遮断フィルタ61を透過した反射光3bを輝度画像として撮影するカラーCCDカメラ62と、プリズム60によって他方の方向に分割された反射光3bのうち不可視領域の成分を透過させる不可視領域透過フィルタ63と、不可視領域透過フィルタ63を透過した反射光3bを撮影パターン画像として撮影するカラーCCDカメラ64とを備える。
【0018】
図4は、この3次元画像撮影装置1の制御系を示す。この装置1は、第1のカメラ6Aが撮影した輝度画像を記憶する輝度値メモリ11Aと、第1のカメラ6Aが撮影した撮影パターン画像を記憶するパターン画像メモリ12Aと、第2のカメラ6Bが撮影した輝度画像を記憶する輝度値メモリ11Bと、第2のカメラ6Bが撮影した撮影パターン画像を記憶するパターン画像メモリ12Bと、投光器2が投影する投影パターン光8に対応するストライプパターンを正方格子状のセルに分割し、各セル毎にコード化してパターンコードとして記憶するフレームメモリ13と、第1のカメラ6Aで撮影された撮影パターン画像の領域を分割する領域分割部14と、領域分割部14によって分割された領域に対応する輝度情報を輝度値メモリ11A,11Bから探索して読み出す対応点探索部15と、領域分割部14によって分割された所定の領域について、パターン画像メモリ12Aに記憶された撮影パターン画像とフレームメモリ13に記憶されているパターンコードとを用いて再コード化を行う再コード化部16と、再コード化部16で再コード化されたパターンコードと第2のカメラ6Bによって撮影された撮影パターン画像とから物体4までの距離情報を演算するコード復号部17と、対応点探索部15によって輝度値メモリ11A,11Bから読み出された輝度情報とコード復号部17によって得られた距離情報とを統合して3次元画像を形成する距離情報統合部18と、距離情報統合部18によって形成された3次元画像を記憶する3次元画像メモリ19とを備える。
【0019】
次に、本装置1の動作を説明する。まず、投光器2の制御部25は、図2(a)に示すように、フレームメモリ13に予め記憶されているパターンコード、およびポリゴンミラー駆動部24からのミラー角度信号24bに基づいて、レーザ光源駆動部23にオンオフ同期信号25aを出力する。レーザ光源駆動部23は、制御部25からのオンオフ同期信号25aに同期してレーザ光源20にレーザ駆動信号23aを出力する。レーザ光源20は、光強度が一定の不可視領域のレーザ光をパルス状に出射する。レーザ光源20から出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ21によってスリット光3aに整形され、ポリゴンミラー22のミラー面22aで反射した後、ハーフミラー5を介して物体4に照射される。制御部25は、ポリゴンミラー22が半回転する間、すなわち、CCDカメラ62,64の1ビデオフレーム中に上記の動作制御を繰り返す。スリット光3aが時系列的に合成されて図2(b)に示すような強度変調された投影パターン光8が物体4に投影される。
【0020】
第1のカメラ6Aは、ハーフミラー5を介して投影パターン光8が投影された物体4の画像を撮影する。すなわち、第1のカメラ6AのカラーCCDカメラ62は、撮影した物体4の画像を輝度画像として輝度値メモリ11Aに記憶し、第1のカメラ6AのカラーCCDカメラ64は、撮影した物体4の画像を撮影パターン画像としてパターン画像メモリ12Aに記憶する。第2のカメラ6Bは、第1のカメラ6Aとは異なる角度から物体4の画像を撮影する。すなわち、第2のカメラ6BのカラーCCDカメラ62は、撮影した物体4の画像を輝度画像として輝度値メモリ11Bに記憶し、第2のカメラ6BのカラーCCDカメラ64は、撮影した物体4の画像を撮影パターン画像としてパターン画像メモリ12Bに記憶する。
【0021】
領域分割部14は、第1のカメラ6Aで撮影され、パターン画像メモリ12Aに記憶されている撮影パターン画像の領域を分割する。すなわち、撮影パターン画像からストライプパターンを抽出し、隣合うストライプ間の強度差が閾値以下である領域については、投光器2からスリット光3aが届いていない領域1として分割し、ストライプ間の強度差が閾値以上である領域については領域2として分割する。
【0022】
対応点探索部15は、領域分割部14によって分割された領域1,2に対応する輝度情報を輝度値メモリ11A,11Bから読み出して距離情報統合部18に出力する。
【0023】
再コード化部16は、領域分割部14によって分割された領域2について、パターン画像メモリ12Aに記憶された撮影パターン画像とフレームメモリ13に記憶されたパターンコードとを用いて再コード化を行う。すなわち、撮像パターン画像からストライプパターンを抽出し、各ストライプを縦方向に分割し、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。画像の中心から順に、フレームメモリ13のパターンコードと第1のカメラ6Aにより得られた撮影パターン画像から抽出したストライプパターンの対応する各セル間の強度を比較し、物体4の反射率、物体4までの距離等の要因によってストライプの輝度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。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。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。そして、新たな強度のセルのときは、新たなコードを生成し、割り付けを行う。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トライプの並びを用いてコード化する。このようにして、再コード化を終了する。
【0024】
図5は、ストライプパターンのコード化の例を示す。同図(a)は、ストライプ90の並びによってコード化されたストライプパターン9を示す。このストライプパターン9には、各ストライプ90毎に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つ目のセル91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91に既存のコードが出現しているので、セル91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91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。
【0025】
図6は、コード復号部17による距離の算出方法を示す。コード復号部17は、パターン画像メモリ12Bが記憶する撮影パターン画像からストライプパターンを抽出し、各ストライプをセルに分割し、再コード化部16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投光器2からのスリット角θを算出する。各画素の属するセル91のスリット角θと第2のカメラ6Bの結像面64上に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(距離)Lとから、次の式(1)によって距離Zを算出する。
Z=(F×L)/(x+F×tanθ) …(1)
【0026】
また、上述の領域1については次のようにして距離を算出する。領域1では、投影パターン光8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15において、輝度値メモリ11A,11B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2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、次の式(2)によって距離Zを算出する。
Z=(L×F)/(λ×d) …(2)
【0027】
距離情報統合部18は、コード復号部17によって算出された距離情報と、第1の輝度値メモリ11Aおよび第2の輝度値メモリ11Bの輝度情報とを統合することにより3次元画像を形成し、その3次元画像を3次元画像メモリ19に記憶する。
【0028】
上述した本実施の形態の装置1によれば、以下の効果が得られる。
(イ)光源に用いたレーザ光は、焦点深度などの影響が少ない直線性を有するため、ストライプ間のエッジがぼけなくなり、奥行き方向の測定可能な範囲が広くなる。
(ロ)強度変調された投影パターン光8を物体4に投影しているので、1回の撮影で物体の3次元形状を計測することができ、動きの早い物体でも撮影することが可能となる。
(ハ)投影パターン光8を投影した光軸と同じ光軸で撮影した撮影パターンを用いて再コード化することにより、物体4の反射率等の影響を除去することが可能となり、物体に依らず精度良く3次元形状計測を行うことができる。
(ニ)物体4の反射率や形状によって、あるストライプが他の部分のストライプと同じストライプに変化してしまう確率が減少するので、撮影パターン画像と投影パターン画像との誤対応が減り、再コード化にかかる計算量も減少する。
(ホ)物体からの反射光を不可視領域の成分の光と可視領域の成分の光に分割し、各々を撮影しているので、距離情報と輝度情報の一括取得が可能となる。
【0029】
なお、上記実施の形態では、光源として赤外線あるいは紫外線のレーザ光を用いたが、他の不可視領域の波長を用いてもよい。
また、物体4からの反射光3bを撮影する第3のカメラを設けてもよい。これにより、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。
また、光源に面発光型レーザを用い、面発光型レーザから出射されたレーザ光を空間変調器等の濃淡フィルタを通過させて物体に強度変調された投影パターンを投影してもよく、圧電素子によってレーザ光源およびシリンドリカルレンズ自体を回転移動させて投影パターンを形成してもよい。これにより、ポリゴンミラー等の機械的部分を省くことができ、高寿命化が図れる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の3次元形状計測装置によれば、光源に用いたレーザ光は、焦点深度などの影響が少ない直線性を有するため、領域間のエッジがぼけなくなり、奥行き方向の測定可能な範囲が広くなる。また、強度変調されたパターン光を物体に投影しているので、1回の撮影で形状を計測することができる。この結果、対象物体に依存せずに精度良く距離情報を取得することが可能となる。
また、3次元画像形成手段により距離情報および輝度情報に基づいて3次元画像を形成することにより、輝度情報と距離情報を同時に取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る3次元画像撮影装置の構成を示す図
【図2】(a)は本実施の形態に係る投影パターン光の形成動作を示すタイミングチャート、(b)は投影パターン光を示す図
【図3】本実施の形態に係る第1および第2のカメラの構成を示す図
【図4】本実施の形態に係る3次元画像撮影装置の制御系を示すブロック図
【図5】(a),(b),(c)は本実施の形態に係る再コード化部によるスリットパターンのコード化の例を示す図
【図6】本実施の形態に係るコード復号部による空間コード化の距離の算出方法を示す図
【符号の説明】
1 3次元画像撮影装置
2 投光器
3a スリット光
3b 反射光
4 物体
5 ハーフミラー
6A 第1のカメラ
6B 第2のカメラ
7 画像処理部
8 投影パターン光
9 ストライプパターン
11A,11B 輝度値メモリ
12A,12B パターン画像メモリ
13 フレームメモリ
14 領域分割部
15 対応点探索部
16 再コード化部
17 コード復号部
18 距離情報統合部
19 3次元画像メモリ
20 レーザ光源
21 シリンドリカルレンズ
22 ポリゴンミラー
22a ミラー面
23 レーザ光源駆動部
23a レーザ駆動信号
24 ポリゴンミラー駆動部
24a ミラー駆動信号
24b ミラー角度信号
25 制御部
25a オンオフ同期信号
60 プリズム
61 不可視領域遮断フィルタ
62,64 カラーCCDカメラ
63 不可視領域透過フィルタ
65 結像面
80 ストライプ光
90 ストライプ
91 セル
Claims (6)
- パターンコードに基づいて3値以上に強度変調された複数の領域からなるパターン光をレーザ光によって生成し、前記パターン光を物体に投影する投影手段と、
前記パターン光の投影によって前記物体から反射された光を撮影してパターン像を得る撮影手段と、
前記パターンコードと前記パターン像に基づいて前記物体までの距離情報を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする3次元形状計測装置。 - 前記投影手段は、前記レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を前記スリット光に整形する整形手段と、前記スリット光を偏向して前記物体上を走査する偏向手段と、パターンコードに基づいて前記光源および前記偏向手段を制御して前記パターン光を生成する制御手段とを備えた構成の請求項1記載の3次元形状計測装置。
- 前記偏向手段は、ポリゴンミラーを用いた構成の請求項2記載の3次元形状計測装置。
- 前記制御手段は、前記偏向手段を制御して前記スリット光で前記物体上を複数回走査させ、前記スリット光の走査回数および走査位置に応じて前記光源を制御して前記レーザ光を点滅させることにより、前記パターン光を形成する構成の請求項2記載の3次元形状計測装置。
- 前記撮影手段は、前記投影手段の投影方向から前記物体からの前記光を撮影して第1のパターン像を得る第1の撮影手段と、前記投影手段の投影方向と異なる方向から前記物体からの前記光を撮影して第2のパターン像を得る第2の撮影手段とを備え、
前記演算手段は、前記第1のパターン像に基づいて前記パターンコードを修正し、その修正した前記パターンコードと前記第2のパターン像に基づいて前記物体までの距離情報を演算する構成の請求項1記載の3次元形状計測装置。 - パターンコードに基づいて3値以上に強度変調された複数の領域からなるパターン光をレーザ光によって生成し、前記パターン光を物体に投影する投影手段と、
前記パターン光の投影によって前記物体から反射された光を撮影してパターン像を得る撮影手段と、
前記パターンコードと前記パターン像に基づいて前記物体までの距離情報を演算する演算手段と、
前記演算手段の演算により得られた前記距離情報、および前記撮像手段によって得られた輝度情報に基づいて3次元画像を形成する3次元画像形成手段とを備えたことを特徴とする3次元形状計測装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29744399A JP3714063B2 (ja) | 1999-10-19 | 1999-10-19 | 3次元形状計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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