JP4429184B2 - 三次元形状計測システム及び計測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、三次元形状計測システム及び計測方法に関し、特に、三次元形状計測装置の台数が増加しても短時間に三次元形状計測することが可能な三次元形状計測システム及び計測方法に関する。
従来、ＣＧ（Computer Graphics）コンテンツの作成や、ＦＡ（Factory Automation ）・工業計測用途等の様々な分野で非接触式の三次元形状計測装置が開発、製品化されている。実際の三次元形状計測装置は、主に２つのカメラと２つのプロジェクタから構成され、プロジェクタから正弦波状の縞模様を投影し、多眼正弦波格子位相シフト法と呼ばれる計測原理により形状計測を行っている。そして、この装置を複数台組み合わせ、広範囲の測定対象物を計測することのできる複合装置（以下、「三次元形状計測システム」という）が開発されている。
しかし、上記従来の三次元形状計測システムを構成する各三次元形状計測装置は、光パターンを投影して計測しているため、同時に光パターンを発すると、各々の装置の光が干渉してしまう。そのため、各々の三次元形状計測装置は、測定対象物を同時に計測することができず、対象物を計測する時間(撮影時間)は、三次元形状計測装置の台数分必要となる。すなわち、三次元形状計測に要する時間は、三次元形状計測装置の台数に依存するため、三次元形状計測装置の台数が増加すればする程、計測時間が長くなり、計測中に計測対象物が動く可能性が高くなるという問題があった。
そこで、本発明は、上記従来の三次元形状計測システムにおける問題点に鑑みてなされたものであって、三次元形状計測装置の台数が増加しても短時間に計測することが可能な三次元形状計測システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、測定対象物に正弦波格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、該格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段と、前記正弦波格子パターンが投射された測定対象物の画像を撮影する画像撮影手段とを備えた三次元形状計測装置を複数台備えた三次元形状計測システムにおいて、前記複数の三次元形状計測装置の格子パターン投射手段が互いにパターン波長の異なる正弦波格子パターンを投射するとともに、投射光が部分的に重なる複数の前記格子パターン投射手段が前記正弦波格子パターンを同時に投射することを特徴とする。
そして、本発明によれば、複数の三次元形状計測装置の格子パターン投射手段が互いにパターン波長の異なる正弦波格子パターンを投射するため、隣接する装置同士のパターン光が干渉しても三次元形状の計測が可能となり、各三次元形状計測装置が同時に計測することができる。これによって、計測時間を大幅に改善することができ、大規模な形状計測を多くの三次元形状計測装置を用いて行うことも可能となる。
また、本発明は、測定対象物に正弦波格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、該格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段と、前記正弦波格子パターンが投射された測定対象物の画像を撮影する画像撮影手段とを備えた三次元形状計測装置を複数台備えた三次元形状計測システムを用いた三次元形状計測方法において、前記複数の三次元形状計測装置の格子パターン投射手段から互いにパターン波長の異なる正弦波格子パターンを投射するとともに、投射光が部分的に重なる複数の前記格子パターン投射手段から前記正弦波格子パターンを同時に投射することを特徴とする。これによって、上述のように、計測時間が大幅に改善され、大規模な形状計測を行うことも可能となる。
尚、前記波長の異なる正弦波格子パターンを分離するにあたって、高速フーリエ変換を用いることができる。
以上のように、本発明によれば、三次元形状計測装置の台数が増加しても短時間に計測することなどが可能な三次元形状計測システム等を提供することができる。
図１は、本発明にかかる三次元形状計測システムを構成する１台の三次元形状計測装置を示し、この装置は、２台のカメラ（画像撮影手段）１００と、２台のプロジェクタ（格子パターン投射手段）１０１と、各々のプロジェクタ１０１を保持しながら、一定の方向に一定量ずつ移動させる図示しない格子駆動手段とで構成され、多眼正弦波格子位相シフト法と呼ばれる計測原理により形状計測を行う。プロジェクタ１０１は、図２に示すように、機構部１０１ａと、投影レンズ１０１ｂとを備え、測定対象物に正弦波状のパターンを投影することができる。
多眼正弦波格子位相シフト法は、まず、プロジェクタ１０１内に設けた正弦波状に濃淡値が印刷されている格子を通して、図示しない光源から計測対象物に対して正弦波状の輝度分布を持つ光パターンを投射する。そして、計測対象物上の縞画像をカメラ１００で撮影する。次に、計測対象物を静止させたままで、格子を縞の直角方向へと、波長の１／Ｎずつ、Ｎ回ずらしながらカメラ１００で画像を撮影して行く。撮影された画像は、計測対象物に投射された正弦波光パターンが２π／Ｎラジアンずつ進行して行くように見える。計測点の輝度値を投射方向から計測し、各輝度値より格子パターンの位相値を計算する。計測点の高さ変位に応じて格子パターンの位相が変調するため、この位相の変調量を計算し、光学装置の幾何関係式に代入することにより、計測対象物の高さ変位量を計算し、三次元形状を求めるものである。
このような構成の三次元形状計測装置を複数台配置して、測定対象物の三次元計測を行う。図３は、４台の三次元形状計測装置１０３、１０４、１０５、１０６を用いた三次元計測システムの外観を示す斜視図である。この装置では、図１に示した三次元形状計測装置を上下左右に１台ずつ設置している。各三次元形状計測装置１０３〜１０６は、剛性の大きいフレームに固定されている。
測定対象物１０７は、図３に示すように、各装置の略々中心に位置し、左上部の三次元形状計測装置１０４が測定対象物１０７の左上部を計測し、左下部の三次元形状計測装置１０３が測定対象物１０７の左下部を計測する。同様に、三次元形状計測装置１０６が測定対象物１０７の右上部を計測し、三次元形状計測装置１０５が測定対象物１０７の右下部を計測する。従って、この４台の三次元形状計測装置１０３〜１０６で測定対象物１０７の略々全周を計測できる構成になっている。
しかし、各三次元形状計測装置１０３〜１０６で同時に計測すると、図４に示すように（同図には、２台の三次元形状計測装置１０３、１０４のみ示す）、各々の計測範囲１１５に互いのパターン光が干渉する領域１１７が発生し、この干渉領域１１７では三次元形状を計測することができない。
そこで、本発明にかかる三次元形状計測システムでは、各三次元形状計測装置１０３〜１０６に搭載されているプロジェクタ１０１の正弦波の波長を各々の装置で異なるものを使用する。例えば、図４の上方の三次元形状計測装置１０３のプロジェクタは、波長１ｍｍの正弦波を用い、下方の三次元形状計測装置１０４のプロジェクタは、波長１．５ｍｍの正弦波を用いる。
すると、図５に示すように、干渉する領域は２つの縞の重ね合わせとして投影されている。上述にように、各縞の波長が分かっているので、重ね合わせの原理により、縞の波を分離することができる。この縞の波を分離にあたっては、通常の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることができる。
すなわち、波長１ｍｍ側、波長１．５ｍｍ側の正弦波パターンから、ある計測画素点の各正弦波パターンの位相を求めるには、正弦波格子位相シフト法の原理から、小さい波長の位相をφ１、大きい波長の位相をφ２、あるカメラ画素で観測された輝度Ｉ１、Ｉ２、シフト回数をＮとすると、次式のようになり、これらの式を用いて縞の波を分離を行うことができる。
１００ １台の三次元形状計測装置のカメラ
１０１ １台の三次元形状計測装置のプロジェクタ
１０１ａ 機構部
１０１ｂ 投影レンズ
１０３〜１０６ １台の三次元形状計測装置
１０７ 計測対象物である人体
１１５ １台の三次元形状計測装置の計測範囲
１１６ 計測対象物
１１７ 干渉領域
１０１ １台の三次元形状計測装置のプロジェクタ
１０１ａ 機構部
１０１ｂ 投影レンズ
１０３〜１０６ １台の三次元形状計測装置
１０７ 計測対象物である人体
１１５ １台の三次元形状計測装置の計測範囲
１１６ 計測対象物
１１７ 干渉領域
Claims (3)
- 測定対象物に正弦波格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、該格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段と、前記正弦波格子パターンが投射された測定対象物の画像を撮影する画像撮影手段とを備えた三次元形状計測装置を複数台備えた三次元形状計測システムにおいて、
前記複数の三次元形状計測装置の格子パターン投射手段が互いにパターン波長の異なる正弦波格子パターンを投射するとともに、投射光が部分的に重なる複数の前記格子パターン投射手段が前記正弦波格子パターンを同時に投射することを特徴とする三次元形状計測システム。 - 測定対象物に正弦波格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、該格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段と、前記正弦波格子パターンが投射された測定対象物の画像を撮影する画像撮影手段とを備えた三次元形状計測装置を複数台備えた三次元形状計測システムを用いた三次元形状計測方法において、
前記複数の三次元形状計測装置の格子パターン投射手段から互いにパターン波長の異なる正弦波格子パターンを投射するとともに、投射光が部分的に重なる複数の前記格子パターン投射手段から前記正弦波格子パターンを同時に投射することを特徴とする三次元形状計測方法。 - 前記波長の異なる正弦波格子パターンを分離するにあたって、高速フーリエ変換を用いることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測方法。
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