JP4158300B2

JP4158300B2 - ３次元入力方法及び３次元入力装置

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Publication number: JP4158300B2
Application number: JP36611499A
Authority: JP
Inventors: 暁矢橋; 英一井手
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001183120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体にスリット光を投射して物体を走査し、物体形状に応じたデータを得る３次元入力方法及び３次元入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型の３次元入力装置は、接触型に比べて高速の計測が可能であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用されている。
【０００３】
物体を光学的に走査して形状情報を得る能動的計測方法としてスリット光投影法（光切断法ともいう）が知られている。一般に、スリット光投影法で用いられるスリット光のビームの断面は直線帯状である。走査中のある時点では物体の一部が照射され、撮像面には照射部分の起伏に応じて曲がった輝線が現れる。したがって、走査中に周期的に撮像面の各画素の輝度をサンプリングすることにより、物体形状を特定する一群のデータ（３次元入力データ）を得ることができる。
【０００４】
従来においては、撮像面内の輝線の位置に基づいて、物体で反射して撮像面に入射したスリット光の入射角度を求め、その入射角度と当該スリット光の投射角度と基線長（投射の起点と受光基準点との距離）とから三角測量の手法で物体の位置を算出していた。つまり、スリット光の投射方向と受光方向とに基づいて位置演算が行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来においては、３次元入力データの精度がスリット光の投射角度制御の精度に依存し、このために十分に高い精度の３次元入力データが得られなかったり、精度を確保するために高価な部品を用いなければならなかったり、投光系の取付け姿勢の調整に手間がかかったりするという問題があった。精度の確保が難しい理由としては、投光系はスリット光を偏向する可動機構を有しており、その動作は温度、湿度などの使用環境の変化の影響を受け易いことが挙げられる。
【０００６】
なお、パターン光投影を行うステレオ視測距装置においては、エピポーラ拘束された複数の画像の特徴点のマッチングによって複数の視点からみた物体位置の方位が求められ、それらの方位に基づいて三角測量の手法で物体位置が算出される。この３次元入力方法では、３次元入力データの精度がパターン光投射の精度には依存しないものの、マッチングの精度に依存する。受光デバイスの画素間の感度のばらつきもマッチングに影響する。
【０００７】
本発明は、スリット光の投射角度情報を用いない３次元入力を実現し、投射角度制御の精度及び受光デバイスの画素間の感度のばらつきに係わらず高精度の３次元入力データを得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、本出願人が既に提案した３次元入力方法（特願平１０−２５７８７０号）を適用し、検出光としてのスリット光で部分的に照らされた状態の物体を互いに離れた２点のそれぞれを視点として撮像し、視点間の距離と各視点からみた物体上の照射部分の方位（視点どうしを結ぶ直線に対する傾き）とから三角測量の手法で照射部分の位置を算出する。
【０００９】
加えて、本発明においては、ビーム断面形状が異なり又は偏向方向（走査方向）に対する傾きが異なるといった、照射パターンの異なる２以上のスリット光を同時に又は時間的にずらして投射する。
【００１０】
単一のスリット光のみで物体を走査する場合、２つの視点の撮像面について、スリット像の通過時刻が同一であって且つステレオ視におけるエピポーラ拘束条件を満たす画素どうしを対応点とする。通常、エピポーラ拘束条件はモデルを基に解析学的に求める。実際の装置とモデルとの違いは撮像系のキャリブレーションにより補正する。撮像系の光軸、イメージセンサの位置や姿勢に関する補正は可能である。しかし、レンズの歪曲収差やレンズ個体毎の歪み（加工や組み立て誤差に起因する）については補正できない。このため、３次元入力に誤差が生じる。
【００１１】
これに対して、照射パターンの異なる複数のスリット光を投射して物体を走査する場合は、エピポーラ拘束条件下での対応点探索を行わなくてもよく、撮像系の位置ずれを補正してエピポーラ拘束条件を満たすために撮影像の平行化処理を行う必要もない。
【００１２】
図１及び図２は本発明の原理説明図である。ここでは、互いに傾きの異なる直線帯状の第１及び第２のスリット光Ｕ１，Ｕ２を順に用いて、計２回の走査を行うものとする。
【００１３】
図１（ａ）において、スリット光Ｕ１の長さ方向は水平方向であり、物体Ｑはスリット光Ｕ１を垂直方向に偏向することにより走査される。走査に同期してフレーム周期毎に物体Ｑが撮影される。各撮影時点において、垂直方向に並ぶ撮像面ＳＡ，ＳＢには、物体Ｑにおける走査位置の起伏に応じたスリット像ｕ１Ａ，ｕ１Ｂがそれぞれ結像する。また、図１（ｂ）において、スリット光Ｕ２の長さ方向は垂直方向であり、物体Ｑはスリット光Ｕ２を水平方向に偏向することにより走査される。この走査においても、撮像面ＳＡ，ＳＢには物体Ｑにおける走査位置の起伏に応じたスリット像ｕ２Ａ，ｕ２Ｂがそれぞれ結像する。
【００１４】
第１の走査中に撮像面ＳＡの各画素をスリット像が通過した時刻を示す時間重心画像ＧＡ１を求め、同様に撮像面ＳＢについても時間重心画像ＧＢ１を求める。また、第２の走査についても、各撮像面ＳＡ，ＳＢに対応した時間重心画像ＧＡ２，ＧＢ２を求める。なお、本明細書において、時間重心画像とは、単純に各画素の受光量が最大となる時期を検出して得た輝度ピーク時刻画像を含み、重心演算で得られるものに限らない。
【００１５】
図２のように、例えば第１の走査で得られた時間重心画像ＧＡ１のある画素ｇ（ｉａ列，ｊａ行）に注目する。この画素ｇが物体Ｑの点Ｐに対応しているとする。画素ｇの輝度ピーク時刻を示す値がＴ１であるとすると、時間重心画像ＧＢ１における点Ｐに対応した画素の値もＴ１である。なぜなら、時間重心画像ＧＡ１，ＧＢ１は同時に撮影された情報に基づいているからである。注目画素ｇの対応点の候補は、時間重心画像ＧＢ１の画素のうちの値がＴ１の画素に絞られる。同様に、第２の走査で得られた時間重心画像ＧＡ２のｉａ列ｊａ行の画素ｇに注目する。画素ｇの輝度ピーク時刻を示す値がＴ２であるとすると、時間重心画像ＧＢ２における点Ｐに対応した画素の値もＴ２である。注目画素ｇの対応点の候補は、時間重心画像ＧＢ２の画素のうちの値がＴ２の画素に絞られる。
【００１６】
したがって、時間重心画像ＧＢ１と時間重心画像ＧＢ２とで共通の候補（ｉｂ列ｊｂ行の画素ｇ’）が、注目画素ｇの対応点となる。各画素についての受光角度はレンズ中心と画素位置との関係で一義的に定まるので、対応点が見つかれば三角測量の手法で点Ｐの位置を算出することができる。なお、対応点検出の精度をさらに向上させるために、３組以上の時間重心画像を使用してもよい。
【００１７】
請求項１の発明の方法は、入力対象の物体に向かってそれを走査するように検出光を投射し、前記物体で反射した前記検出光である反射光を、互いに離れた第１及び第２の位置で同時に受光し、前記物体における複数の部位の位置関係を、各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度と、前記第１及び第２の位置どうしの距離とに基づいて算出する３次元入力方法であって、前記検出光として、前記物体に対する照射パターンが互いに異なる複数のスリット光を投射し、前記複数のスリット光のそれぞれに対応した受光データに基づいて、前記各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度を特定するものである。
【００１８】
請求項２の発明の３次元入力方法は、前記複数のスリット光を同時に投射するものである。
請求項３の発明の３次元入力方法は、前記複数のスリット光を複数回に分けて投射するものである。
【００１９】
請求項４の発明の装置は、入力対象の物体に向かってそれを走査するように検出光を投射する投光系と、前記物体で反射した前記検出光である反射光を、互いに離れた第１及び第２の位置で同時に受光する撮像系とを備え、前記物体における複数の部位のそれぞれで反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度に応じた測定データを、前記複数の部位の位置情報として出力する３次元入力装置であって、前記投光系が、前記検出光として前記物体に対する照射パターンが互いに異なる複数のスリット光を投射し、前記複数のスリット光のそれぞれに対応した受光データに基づいて、前記各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度を特定するものである。
【００２０】
請求項５の発明の３次元入力装置において、前記検出光の投射の起点は、前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置である。
請求項６の発明の３次元入力装置において、前記検出光の投射の起点は、前記第１及び第２の位置の双方に対して等距離の位置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３は第１実施形態に係る３次元入力装置の機能ブロック図である。
３次元入力装置１は、スリット光Ｕを投射する投光系１０、同一構成の２個の撮像系２０Ａ，２０Ｂからなる受光系２０、同一構成の２個の受光信号処理回路３０Ａ，３０Ｂ、及びスリット光Ｕの傾きを切り換えるための回動機構３４を有している。
【００２２】
投光系１０は、光源としての半導体レーザ１２、ビーム整形のためのレンズ群１３、及び投射角度を変更するビーム偏向手段としてのガルバノミラー１４からなる。レンズ群１３は、コリメータレンズとシリンドリカルレンズとで構成される。ガルバノミラー１４には、投光制御回路３２からＤ／Ａ変換器３３を介して偏向制御信号が与えられる。投光系１０の全体又は一部が投光の起点（又はその付近）を中心に回動することにより、物体Ｑに対して照射パターンの異なるスリット光Ｕの投射が実現される。
【００２３】
各撮像系２０Ａ，２０Ｂは、受光レンズ２１、ビームスプリッタ２２、物体Ｑの形状を計測するためのイメージセンサ２４、モニター用の２次元画像を得るためのカラーイメージセンサ２５、及びズーミングとフォーカシングとを可能にするレンズ駆動機構２６からなる。ビームスプリッタ２２は、半導体レーザ１２の発光波長域（例えば中心波長６８５ｎｍ）の光と可視光とを分離する。イメージセンサ２４及びカラーイメージセンサ２５はＣＣＤエリアセンサである。イメージセンサ２４及びカラーイメージセンサ２５としてＣＭＯＳエリアセンサを使用してもよい。イメージセンサ２４の出力は、受光信号処理回路３０Ａ，３０Ｂにおいて所定ビット数の受光データにＡ／Ｄ変換される。そして、受光信号処理回路３０Ａ，３０Ｂ内のメモリ回路で、受光データに基づいて受光角度を特定するデータが記憶される。
【００２４】
３次元入力装置１を制御するＣＰＵ３１は、制御対象に適時に指示を与えるとともに、各受光信号処理回路３０Ａ，３０Ｂのメモリ回路からデータを読み出して距離演算を行う。演算結果は適時に３次元入力データとして図示しない外部装置に出力される。その際、受光信号処理回路３０Ａ，３０Ｂの少なくとも一方で記憶されている２次元カラー画像も出力される。外部装置としては、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置などがある。
【００２５】
以上の構成の３次元入力装置１は、ガルバノミラー１４の反射面上の点を起点として、まず垂直方向に仮想面を走査するようにスリット光Ｕを投射する。仮想面は、イメージセンサ２４の撮像エリアを受光レンズ２１で逆投影した平面に相当する。そして、仮想面のうちのイメージセンサ２４における各画素ｇに対応した範囲が、３次元入力のサンプリング区画となる。図３の構成においては、投光の起点、及び２つの視点（受光の主点）が一直線上に配置され、２つの視点は垂直方向に沿って並んでいる。垂直方向に走査が終わると、ガルバノミラー１４を９０°回転させて、水平方向に走査するようにスリット光Ｕを投射する。
【００２６】
各方向の走査においては、ガルバノミラー１４の偏向に同期させて２個のイメージセンサ２４によるフレーム周期の撮影を行う。このとき、２個のイメージセンサ２４を同一タイミングで駆動する。つまり、物体Ｑを２つの視点から同時に撮影する。そして、各イメージセンサ２４の各画素が、刻々と偏向されていくスリット光Ｕのどの時点の投射により照らされたかを検知する。図１及び図２で説明したとおり、２個のイメージセンサ２４の出力によって走査毎に２個ずつ得られる計４つの時間重心画像を用いて対応点を探索すれば、物体Ｑについて画素数分のサンプリング点の３次元位置情報が得られる。
【００２７】
次に、輝度ピーク時刻を検出するための回路の具体的な構成を説明する。
図４はメモリ回路の第１例のブロック図である。
例示のメモリ回路３７は、２個のメモリ３７１，３７６、比較器３７７、及びインデックスジェネレータ３７８から構成されている。
【００２８】
メモリ３７１にはＡ／Ｄ変換器から受光データＤ３５が入力され、メモリ３７６にはインデックスジェネレータ３７８からフレーム番号Ｔが入力される。比較器３７７は、イメージセンサ２４の画素毎に最新の入力データであるｔ番目のフレームの受光データＤ３５と以前にメモリ３７１に書き込まれた受光データＤ３５とを比較し、最新の受光データＤ３５が以前の受光データＤ３５より大きい場合にメモリ３７１，３７６に対して書込みを許可する。これを受けて各メモリ３７１，３７６は最新の入力データの上書きを行う。比較結果が逆の場合は各メモリ３７１，３７６において以前の記憶内容が保持される。したがって、走査が終了した時点において、メモリ３７１は画素毎に受光データＤ３５の最大値を記憶し、メモリ３７６は画素毎に受光データＤ３５が最大となったフレームの番号Ｔを記憶することになる。各フレームの撮像は一定周期で行われるので、フレーム番号Ｔは走査期間中の時刻（走査開始からの経過時間）を表す。
【００２９】
この例によれば、比較的に簡単な回路構成によって受光角度を検知することができる。ただし、受光角度の検知の分解能はイメージセンサ２４の画素ピッチに依存する。分解能の向上を図ったものが次の第２例である。
【００３０】
図５はメモリ回路の第２例のブロック図、図６は撮像面における輝度分布と受光データとの関係を示す図である。図５において図４に対応した要素には図４と同一の符号を付してある。
【００３１】
第２例のメモリ回路３７ｂは、メモリ３７１に加えてそれと同サイズの４個のメモリ３７２，３７３，３７４，３７５を設け、計４個の１フレームディレイメモリ３７９ａ〜ｄを介在させて各メモリ３７２〜３７５のデータ入力をメモリ３７１に対して順に１フレームずつ遅らせるように構成したものである。すなわち、メモリ回路３７ｂでは、各画素について連続した５フレームの受光データＤ３５が同時に記憶される。比較器３７７は、入力が２フレーム遅れの第３番目のメモリ３７３の入力と出力とを比較する。メモリ３７３の入力データ値が出力データ値（以前に書き込まれたデータ値）より大きい場合に、メモリ３７１〜３７５及びメモリ３７６の書込みが許可される。
【００３２】
各走査が終了した時点において、メモリ３７３は各画素ｇ毎に受光データＤ３５の最大値を記憶することになる。また、メモリ３７１，３７２，３７４，３７５によって、受光データＤ３５が最大となったフレームの２つ前、１つ前、１つ後、２つ後の計４フレームの受光データＤ３５が記憶されることになる。そして、メモリ３７６は、画素毎に受光データＤ３５が最大となったフレームの番号Ｔを記憶することになる。
【００３３】
ここで、図６（ａ）のように、撮像面に結像したスリット像の幅が５画素分であり、輝度分布が単一峰の山状であるものとする。このとき、１つの画素に注目すると、図６（ｂ）のように輝度分布に応じた変化の受光データが得られる。したがって、メモリ３７１〜３７５に記憶されている５フレーム分の受光データＤ３５に基づいて重心演算を行うことにより、フレーム周期（つまり画素ピッチ）よりも細かな刻みで輝度が最大となる時刻ＴＡ，ＴＢを算出することができる。図６（ｂ）の例では、時刻ＴＡ（ＴＢ）はｔ回目と（ｔ＋１）回目のサンプリング時刻間にある。
【００３４】
この第２例によれば分解能が向上するが、輝度分布によっては所望の精度が得られないという問題がある。すなわち、実際の撮像では、光学系の特性などに起因して結像に何らかのノイズが加わる。このため、輝度分布に複数のピークが生じたり、平坦でピークの不明瞭な輝度分布となったりする。輝度分布が理想形状から大きく外れると、重心演算の信頼性が低下する。
【００３５】
このようなノイズの影響は、輝度の最大値が得られたフレームとその前後の各数フレームを合わせた程度の短い期間ではなく、十分に長い期間の輝度分布に基づいて重心演算を行うことによって低減することができる。それを実現するのが次の第３例である。
【００３６】
図７はメモリ回路の第３例のブロック図である。
第３例のメモリ回路３７ｃは、メモリ３７１０、定常光データ記憶部３７２０、減算部３７３０、第１加算部３７４０、第２加算部３７５０、及び除算部３７６０から構成され、画素毎にフレーム数分の受光データＤ３５に基づいて重心（時間重心）を算出する。
【００３７】
メモリ３７１０は、物体Ｑに対する走査で得られた所定数ｋのフレームの受光データＤ３５を記憶する。各画素のＴ番目（Ｔ＝１〜ｋ）のフレームの受光データ値をｘ_Tと表す。定常光データ記憶部３７２０は、スリット光Ｕ以外の不要入射光量を表す定常光データを記憶する。定常光データはスリット光Ｕが入射していないときの受光データＤ３５に基づいて算出される。その値ｓは、予め定めた固定値でもよいし、受光データＤ３５を用いてリアルタイムで求めてもよい。固定値とする場合には、受光データＤ３５が８ビット（２５６階調）である場合に、例えば「５」「６」又は「１０」などとする。減算部３７３０は、メモリ３７１０から読み出された受光データＤ３５の値ｘ_Tから定常光データの値ｓを差し引く。ここで、減算部３７３０からの出力データの値をあらためてＸ_Tとする。第１加算部３７４０は、画素ｇ毎にｋ個の受光データＤ３５について、それぞれの値Ｘ_Tとそれに対応したフレーム番号Ｔとの乗算を行い、得られた積の合計値を出力する。第２加算部３７５０は、画素ｇ毎にｋ個の受光データＤ３５の値Ｘ_Tの総和を出力する。除算部３７６０は、第１加算部３７４０の出力値を第２加算部３７５０の出力値で除し、得られた重心を時刻ＴＡ（又はＴＢ）として出力する。
【００３８】
図８は投光と受光との位置関係の設定例を示す図である。
投光系１０及び受光系２０の配置においては、必ずしも投光の起点Ｃ及び受光の主点（視点）Ａ，Ｂが一直線上に並ぶ図８（ａ）又は（ｂ）のような構成にする必要はない。例えば、物体からの観察において３個の点Ａ，Ｂ，ＣがＬ字状に並ぶ図８（ｃ）の構成、Ｔ字状に並ぶ図８（ｄ）の構成を採用してもよい。特に、図８（ｂ）又は（ｄ）のように視点Ａと視点Ｂとの間に起点Ｃを配置すれば、視点Ａ，Ｂと起点Ｃとが異なることにより発生するオクルージョンを軽減することができる。その際には投光の起点Ｃと各視点Ａ，Ｂとの距離ｄを等しくするのが好ましい。また、図８（ｂ）〜（ｄ）の構成では視点間の距離Ｌを図８（ａ）の構成と比べて大きくすることができる。
【００３９】
図９はスリット光の照射パターンの変形例を示す図である。
図９（ａ）の例の１回目の走査では、直線帯状のスリット光Ｕの長さ方向を水平方向にとり走査方向Ｍ２を垂直方向とし、２回目の走査では、スリット光Ｕの長さ方向を垂直方向にとり走査方向Ｍ２を水平方向とする。１回目の走査と２回目の走査とでスリット光Ｕの傾きの差が９０°であって位置差感度が大きい。すなわち、複数の走査の間でスリット傾斜の差が大きいほど対応点候補の分布が拡がり、真の対応点を探索の精度が高くなる（重なり部分が小であるから）。
【００４０】
なお、イメージセンサ２４の読出しについては、フレーム毎に撮像面の全体を読出し対象とする形態と、各フレームでスリット像の結像が予想される部分のみを読出し対象とする形態とがある。前者にはイメージセンサの駆動制御が簡単という長所がある。後者を採用すれば、読出し時間を短縮することができる。
【００４１】
図９（ｂ）の例では、１回目の走査のスリット光Ｕ１は走査方向Ｍ２である垂直方向に対して右上がりに傾いており、２回目の走査のスリット光Ｕ２は右下がりに傾いている。１回目及び２回目の走査の方向が同一であるので、投光系の機構構成が簡単になるという長所がある。
【００４２】
図９（ｃ）の例では、１回目の走査のスリット光Ｕ１は走査方向Ｍ２に対して右上がりに傾いた互いに平行な複数の短いスリット光の集合であり、２回目の走査のスリット光Ｕ２は右下がりに傾いた互いに平行な複数のスリット光の集合である。図９（ｂ）と同様の長所があり、且つ位置差感度は図９（ｂ）の例より大きい。各回の走査で複数の短いスリット光を使用するので、複数個の対応点が発生する場合がある。しかし、対応点の存在し得る領域を限定することで容易に１個に決定することができる。
【００４３】
図１０は第２実施形態に係るスリット光の照射パターンを示す図である。
上述した第１実施形態は２回の走査を行うものであった。これに対して、第２実施形態では、照射パターンの異なる第１及び第２のスリット光Ｕ１，Ｕ２を同時に投射して１回の走査で物体の３次元入力を行う。第２実施形態も基本的には図３の装置構成で実現可能である。ただし、回動機構３４は不要であり、投光系１０は固定でよい。光源１２を複数にするか又は適当なビーム分離手段を設けることにより、複数のスリット光Ｕ１，Ｕ２を投射することができる。
【００４４】
図１０（ａ）の例では、第１のスリット光Ｕ１は走査方向Ｍ２に対して右下がりに傾いた直線状であり、第２のスリット光Ｕ２は右上がりに傾いた直線状である。図１０（ｂ）の例では、第１及び第２のスリット光Ｕ１，Ｕ２は互いが対称関係となるジグザグ状である。これらの例において、スリット光Ｕ１及びスリット光Ｕ２は、撮像面の各画素でのスリット像の受光時期（通過時刻）がΔｔ以上ずれるように、走査方向Ｍ２に離されている。Δｔは２つのスリット像の受光時期を区別して検知するのに必要な時間である。
【００４５】
スリット光Ｕ１，Ｕ２を同時に投射する場合にも、照射パターンが異なっているので、図１及び図２で説明した原理に基づいて視点（Ａ，Ｂ）間の対応点探索を行うことができる。
【００４６】
視点Ａでの受光データに基づいて、各スリット光Ｕ１，Ｕ２に対応した時間重心画像ＧＡ１，ＧＡ２（図２参照）を作成する。視点Ｂについても各スリット光Ｕ１，Ｕ２に対応した時間重心画像ＧＢ１，ＧＢ２を作成する。一方の視点Ａに対応した時間重心画像ＧＡ１，ＧＡ２における同一画素位置の画素に注目する。注目画素は物体上の点Ｐに対応するものとする。スリット光Ｕ１に対応した時間重心画像ＧＡ１における注目画素ｇの値（輝度ピーク時刻）がＴ１で、スリット光Ｕ２に対応した時間重心画像ＧＡ２における注目画素ｇの値がＴ２（＝Ｔ１＋ΔＴ）であったとする。この場合、他方の視点Ｂに対応した時間重心画像ＧＢ１，ＧＢ２において、次の２つの条件を満たす画素の組が存在する。
【００４７】
１．各画像ＧＢ１，ＧＢ２における画素位置が互いに等しい。
２．画像ＧＢ１の画素の値はＴ１で、画像ＧＢ２の画素の値はＴ２である。
これら条件を満たす画素の組が注目画素ｇの対応点である。すなわち、この画素の組の画素位置が、物体上の点Ｐに対応した視点Ｂにおける受光角度を示す情報である。
【００４８】
以上のようにして対応点を決定すればよいので、視点間のエピポーラ拘束条件を満たす必要はなく、受光系の組み立ての制約が緩和される。画像の平行化処理で画素位置を補正する必要もない。第２実施形態は、１回の走査で所定サンプリング数の３次元データが得られるので、高速性が要求される動体の３次元入力に好適である。人体測定においても、より高速である方が、被測定者が静止しなければならない時間が短いので好ましい。
【００４９】
図１１は第２実施形態に係るデータ処理の説明図である。
一方の視点（例えばＡ）のイメージセンサ２４により得られた所定フレーム数分の受光データのうち、１つの画素に注目してデータ値（スリット像の輝度）をフレーム番号順にプロットすると、図１１のようにスリット光Ｕ１，Ｕ２のそれぞれの反射光の通過に伴う２つの輝度ピークが現れる。スリット光Ｕ１，Ｕ２の投射に際して上述の間隔（Δｔ）を適切に設定すれば、ピークどうしが明確に分離する。
【００５０】
最大ピーク時刻Ｔ１，Ｔ２を求めるために２つの閾値ｔｈ１，ｔｈ２を設定する。フレーム番号の小さい方から輝度を調べていき、最初に閾値ｔｈ２を超えたフレーム番号Ｔｐ１を検出する。そのフレーム番号Ｔｐ１から番号の小さくなる側及び大きくなる側の双方に検索していき、輝度が閾値ｔｈ１より大きい連続したフレーム番号の範囲ＴＲ１を見つける。続いて、見つけた範囲ＴＲ１の最大フレーム番号の次のフレーム番号から順に番号が大きくなる側について輝度を調べていき、閾値ｔｈ２を超えたフレーム番号Ｔｐ２を検出する。フレーム番号Ｔｐ２から両側に検索していき、輝度が閾値ｔｈ１より大きい連続したフレーム番号の範囲ＴＲ２を見つける。このようにして見つけた範囲ＴＲ１，ＴＲ２のそれぞれについて重心演算を行い、スリット光Ｕ１に対応した時間重心Ｔ１とスリット光Ｕ２に対応した時間重心Ｔ２とを求める。同様の処理を全ての画素について行い、時間重心画像ＧＡ１，ＧＡ２を得る。また、視点Ｂについても同様の処理を行って時間重心画像ＧＢ１，ＧＢ２を得る。なお、時間重心画像ＧＡ２，ＧＢ２は各画素について求めた時間重心Ｔ２を記録するのではなく、各画素についての時間重心Ｔ１と時間重心Ｔ２との時間差を記憶するものであってもよい。
【００５１】
以上の実施例では、２パターンのスリット光を投射するものであったが、３パターン以上のスリット光を投射して、より精度の高い対応点探索を実現してもよい。スリット光のビームの断面は直線状に限らず、曲線状であってもかまわない。また、スポット光を偏向して疑似的にスリット光を形成して走査を行ってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項６の発明によれば、スリット光の投射角度情報を用いない３次元入力を実現し、投射角度制御の精度及び受光デバイスの画素間の感度のばらつきに係わらず高精度の３次元入力データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の原理説明図である。
【図３】第１実施形態に係る３次元入力装置の機能ブロック図である。
【図４】メモリ回路の第１例のブロック図である。
【図５】メモリ回路の第２例のブロック図である。
【図６】撮像面における輝度分布と受光データとの関係を示す図である。
【図７】メモリ回路の第３例のブロック図である。
【図８】投光と受光との位置関係の設定例を示す図である。
【図９】スリット光の照射パターンの変形例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係るスリット光の照射パターンを示す図である。
【図１１】第２実施形態に係るデータ処理の説明図である。
【符号の説明】
１３次元入力装置
Ａ視点（第１の位置）
Ｂ視点（第２の位置）
Ｑ物体
Ｕ，Ｕ１，Ｕ２スリット光
Ｌ視点間の距離
１０投光系
２０撮像系

Claims

入力対象の物体に向かってそれを走査するように検出光を投射し、
前記物体で反射した前記検出光である反射光を、互いに離れた第１及び第２の位置で同時に受光し、
前記物体における複数の部位の位置関係を、各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度と、前記第１及び第２の位置どうしの距離とに基づいて算出する３次元入力方法であって、
前記検出光として、前記物体に対する照射パターンが互いに異なる複数のスリット光を投射し、
前記複数のスリット光のそれぞれに対応した受光データに基づいて、前記各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度を特定する
ことを特徴とする３次元入力方法。
前記複数のスリット光を同時に投射する
請求項１記載の３次元入力方法。
前記複数のスリット光を複数回に分けて投射する
請求項１記載の３次元入力方法。
入力対象の物体に向かってそれを走査するように検出光を投射する投光系と、
前記物体で反射した前記検出光である反射光を、互いに離れた第１及び第２の位置で同時に受光する撮像系とを備え、
前記物体における複数の部位のそれぞれで反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度に応じた測定データを、前記複数の部位の位置情報として出力する３次元入力装置であって、
前記投光系は、前記検出光として前記物体に対する照射パターンが互いに異なる複数のスリット光を投射し、
前記複数のスリット光のそれぞれに対応した受光データに基づいて、前記各部位で反射した反射光についての前記第１及び第２の位置での受光角度を特定する
ことを特徴とする３次元入力装置。
前記検出光の投射の起点は、前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置である
請求項４記載の３次元入力装置。
前記検出光の投射の起点は、前記第１及び第２の位置の双方に対して等距離の位置である
請求項５記載の３次元入力装置。