JP4516949B2 - Three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring method - Google Patents

Three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring method Download PDF

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本発明は、三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法に関し、特に、短時間で精度良く三次元形状を計測することのできる装置及び方法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional shape measurement apparatus and a three-dimensional shape measurement method, and more particularly to an apparatus and method that can measure a three-dimensional shape with high accuracy in a short time.

物体の三次元形状を非接触で計測するための方法が数多く提案されており、その中の1つとして、正弦波格子位相シフト法が知られている。この正弦波格子位相シフト法は、概略以下のようにして行われる。   Many methods for measuring the three-dimensional shape of an object in a non-contact manner have been proposed. As one of them, a sinusoidal grating phase shift method is known. This sine wave grating phase shift method is generally performed as follows.

図10に示すように、正弦波状に濃淡パターンが印刷されている格子71を通して、光源72から物体73に対して正弦波状の輝度分布を持つ光パターンを投影し、物体73上の縞パターンを上記の光源72とは別のところに設置されたカメラ74で撮影する。物体73を静止させたままで、格子71を縞と直角方向へと、波長の1/NずつN回ずらしながら画像を撮影して行く。例えば、縞パターンの位相がπ/2ずつずれるように格子71を駆動しながら、位相が1周期分移動するまでの間に4回の撮影を行ったとすると、図11に示すように、物体73中の計測対象点Pについて、4つの輝度値Ip(0)、Ip(π/2)、Ip(π)、Ip(3π/2)を得ることができる。それらの輝度値を下記の数式4に代入することにより、計測対象点Pに投射される光の位相φを求めることができる。ここに、数式4中の(x、y)は、計測対象点Pの横方向及び縦方向の座標値である。 As shown in FIG. 10, a light pattern having a sine wave luminance distribution is projected from a light source 72 to an object 73 through a grid 71 on which a light and shade pattern is printed in a sine wave pattern, and the stripe pattern on the object 73 is The image is taken by a camera 74 installed at a location different from the light source 72. An image is taken while shifting the grating 71 N times by 1 / N of the wavelength in the direction perpendicular to the stripes while the object 73 is stationary. For example, if the grating 71 is driven so that the phase of the fringe pattern is shifted by π / 2, and imaging is performed four times before the phase moves by one period, as shown in FIG. Four luminance values Ip (0) , Ip ( π / 2) , Ip ( π ) , Ip (/ 2) can be obtained for the measurement target point P inside. By substituting those luminance values into the following Equation 4, the phase φ of the light projected on the measurement target point P can be obtained. Here, (x, y) in Equation 4 is a coordinate value in the horizontal direction and the vertical direction of the measurement target point P.

Figure 0004516949
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求められた位相φは、図10に示すように、計測対象点Pに到達する光が格子71のどの部分を通過するかを表すため、計測対象点Pへの光の投射角度βに対応した値となる。計測対象点Pについての位相φを求めた後は、求めた位相値と、カメラ74及び光源72間の距離Aと、物体73を撮影したときの撮影角度αとを用い、三角測量の原理によって、計測対象点Pまでの距離Zを求める。その後は、物体73中の他の計測対象点についても、上記の処理を実行して距離Zを求め、これにより、物体73の表面形状を特定することが可能となる。   The obtained phase φ corresponds to the projection angle β of the light to the measurement target point P in order to indicate which part of the grating 71 the light reaching the measurement target point P passes as shown in FIG. Value. After the phase φ for the measurement target point P is obtained, the obtained phase value, the distance A between the camera 74 and the light source 72, and the photographing angle α when the object 73 is photographed are used according to the principle of triangulation. The distance Z to the measurement target point P is obtained. After that, the above processing is also performed for other measurement target points in the object 73 to obtain the distance Z, whereby the surface shape of the object 73 can be specified.

上述したように、計測対象点Pに投射される光の位相φは、数式4を用いて求めることができるが、tan-1が周期2πの周期関数であるため、数式4によって導かれる位相値φは、0〜2πのうちの何れかの値しか取り得ない。このため、例えば、実際の位相値φが7π/2であったとしても、数式4によって導かれる位相値φは、3π/2となり、周期2πの整数倍の不定性を残したものとなる。 As described above, the phase φ of the light projected on the measurement target point P can be obtained using Equation 4, but since tan −1 is a periodic function having a period of 2π, the phase value derived by Equation 4 is used. φ can only take any value between 0 and 2π. For this reason, for example, even if the actual phase value φ is 7π / 2, the phase value φ derived from Equation 4 is 3π / 2, and the indefiniteness of an integral multiple of the period 2π remains.

そこで、例えば、特許文献1には、基本の周期の正弦波と、その基本の周期の2倍の周期の正弦波とを足し合わせた濃淡パターンを有する光(図12参照)を物体に投射し、基本の周期の濃淡パターンの光に対応する位相値φ1と、2倍の周期の濃淡パターンの光に対応する位相値φ2とを求め、位相値φ2を参照しながら位相値φ1を位相接続することにより、位相値φ1の不定性を取り除くようにした三次元形状計測装置が提案されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, light (see FIG. 12) having a light and shade pattern obtained by adding a sine wave having a basic period and a sine wave having a period twice the basic period is projected onto an object. The phase value φ 1 corresponding to the light of the light / dark pattern having the basic period and the phase value φ 2 corresponding to the light of the light / dark pattern having the double period are obtained, and the phase value φ 1 is referred to with reference to the phase value φ 2. There has been proposed a three-dimensional shape measuring apparatus that removes the indefiniteness of the phase value φ 1 by connecting the phases.

特許第3199041号公報Japanese Patent No. 3199041

しかしながら、上記の三次元形状計測装置においては、異なる周期の濃淡パターンを足し合わせた光を生成し、それを物体に投射して三次元座標を得るため、計測対象点までの距離を求めるのに、高度な数学的手法が必要となり、演算処理時間が長期化するという問題があった。   However, in the above three-dimensional shape measuring apparatus, the light to which the light and shade patterns of different periods are added is generated, and the light is projected onto the object to obtain the three-dimensional coordinates. Therefore, the distance to the measurement target point is obtained. However, there is a problem that an advanced mathematical method is required and the calculation processing time is prolonged.

また、上記の三次元形状計測装置においては、計測対象点までの距離を求めるに際し、物体に投射された光を、基本周期の光に相当する分と、基本周期の2倍の周期の光に相当する分とに分離する必要があるが、それら2種類の光を正しく分離するには、各光が正しい正弦波特性を有していなければならない。しかしながら、光源から投影される光にはレンズ歪等による非線形作用が生じるため、各周期の光の波形が歪み、その歪みが各々の光を求める際の誤差となって、計測精度が悪化するという問題があった。   In the above three-dimensional shape measuring apparatus, when the distance to the measurement target point is obtained, the light projected on the object is converted into light corresponding to the fundamental period light and light having a period twice the fundamental period. Although it is necessary to divide into two corresponding parts, in order to correctly separate the two kinds of light, each light must have a correct sine wave characteristic. However, since the light projected from the light source has a non-linear effect due to lens distortion or the like, the waveform of the light of each period is distorted, and the distortion becomes an error in obtaining each light, and the measurement accuracy is deteriorated. There was a problem.

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、演算時間を短縮することができるとともに、計測精度を向上させることができ、短時間で精度良く三次元形状を計測することが可能な三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the problems in the conventional technology described above, and can reduce the calculation time and improve the measurement accuracy, and can accurately improve the three-dimensional shape in a short time. It is an object to provide a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method capable of measuring the above.

上記目的を達成するため、本発明は、計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、第1波長を有する第1光パターンと、前記第1波長より長く、かつ、該第1波長の非整数倍の長さとなる第2波長を有する第2光パターンとの各々を前記計測対象物に投射する投射手段と、前記第1光パターン及び前記第2光パターンが投射された計測対象物を撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された画像に基づいて前記第1光パターン及び前記第2光パターンの相対位相を算出する位相算出手段と、前記第1光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第1光パターンの相対位相及び絶対位相が予め登録された第1テーブルと、前記第2光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第2光パターンの相対位相、及び前記第1光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値が予め登録された第2テーブルと、前記位相算出手段によって算出された前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記位相算出手段によって算出された前記第1光パターンの相対位相とに基づいて前記第1光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第1テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める位相接続手段とを備え、前記位相接続手段は、前記第2テーブルに前記第2光パターンの1周期分を超えるデータが登録されているときに、前記位相算出手段によって算出された前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求めた後、該求めた距離と前記第1テーブルを照合して、該距離に対応する前記第1光パターンの相対位相を取得し、該第1テーブルから取得した相対位相と、前記位相算出手段によって算出された第1光パターンの相対位相とを対比し、対比結果に基づいて、前記第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して求めた距離の正否を判定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention projects a sinusoidal light pattern on a measurement object, images the measurement object on which the light pattern is projected, and based on the captured image, A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape, comprising: a first light pattern having a first wavelength; and a second wavelength that is longer than the first wavelength and is a non-integer multiple of the first wavelength. A projecting means for projecting each of the second light pattern having the first light pattern and the second light pattern, a photographing means for photographing the measurement object on which the first light pattern and the second light pattern are projected, and the photographing means. Corresponding to the phase calculation means for calculating the relative phase of the first light pattern and the second light pattern based on the photographed image, and the distance to the projectile of the first light pattern , the first light pattern and the relative phase A first table versus phase is pre-registered in association with the distance to the projection of the second light pattern, and the second light pattern of relative phase and the relative phase and absolute phase of the first light pattern The second table in which the offset value is registered in advance, the relative phase of the second light pattern calculated by the phase calculating means and the second table are collated to obtain the distance, and the distance is obtained from the obtained distance. An offset value is obtained, and an absolute phase of the first light pattern is obtained based on the offset value and a relative phase of the first light pattern calculated by the phase calculating means, and the absolute phase and the first table are obtained. and a phase connecting means matching to determine the distance to the measurement object, said phase connection means, the data of more than one period of the second light pattern in the second table When the distance is obtained by collating the relative phase of the second light pattern calculated by the phase calculating means and the second table when registered, the obtained distance is collated with the first table. Acquiring the relative phase of the first light pattern corresponding to the distance, and comparing the relative phase acquired from the first table with the relative phase of the first light pattern calculated by the phase calculating means, based on the comparison result, it characterized that you determine success or failure of the distance obtained by matching the relative phase and the second table of the second light pattern.

そして、本発明によれば、波長の長い第2光パターンを投射して得られた相対位相からオフセット値を求め、そのオフセット値と、波長の短い第1光パターンを投射して得られた相対位相とから第1光パターンの絶対位相を求め、その絶対位相から計測対象物までの距離を求めるため、第1光パターンの相対位相及び第2光パターンの相対位相を求める際に演算処理が必要になるものの、それらの相対位相さえ算出すれば、その後は、簡単な処理によって、計測対象物までの距離を求めることができる。従って、演算時間を短縮することができ、迅速に三次元形状を計測することが可能となる。加えて、オフセット値及び絶対位相を求めるにあたり、第1及び第2テーブルを利用するため、簡単な処理で求めることができる。 And according to this invention, an offset value is calculated | required from the relative phase obtained by projecting the 2nd light pattern with a long wavelength, The offset value and the relative obtained by projecting the 1st light pattern with a short wavelength Since the absolute phase of the first light pattern is obtained from the phase and the distance from the absolute phase to the object to be measured is obtained, calculation processing is required when obtaining the relative phase of the first light pattern and the relative phase of the second light pattern. However, if only those relative phases are calculated, then the distance to the measurement object can be obtained by a simple process. Accordingly, the calculation time can be shortened and the three-dimensional shape can be measured quickly. In addition, since the first and second tables are used in obtaining the offset value and the absolute phase, it can be obtained by simple processing.

また、本発明によれば、第1光パターンと第2光パターンとの2種類の光パターンを別個に用いつつ、計測対象物の形状は、主として分解能の高い第1光パターンを用いて計測し、その際のオフセット値をダイナミックレンジの大きい第2光パターンを用いて計測するため、計測精度を向上させることができ、精度良く三次元形状を計測することが可能となる。さらに、本発明によれば、第2テーブルに第2光パターンの1周期分を超えるデータが登録されているときに、位相算出手段によって算出された第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して距離を求めた後、該求めた距離と第1テーブルを照合して、該距離に対応する第1光パターンの相対位相を取得し、第1テーブルから取得した相対位相と、位相算出手段によって算出された第1光パターンの相対位相とを対比し、対比結果に基づいて、第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して求めた距離の正否を判定するため、オフセット値を求める前に、第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して得られた距離の真偽を判別することができ、誤ったオフセット値が求められるのを防止することが可能になる。 In addition, according to the present invention, the shape of the measurement object is mainly measured by using the first light pattern having a high resolution while separately using two types of light patterns of the first light pattern and the second light pattern. Since the offset value at that time is measured using the second light pattern having a large dynamic range, the measurement accuracy can be improved and the three-dimensional shape can be measured with high accuracy. Further, according to the present invention, when data exceeding one cycle of the second light pattern is registered in the second table, the relative phase of the second light pattern calculated by the phase calculating means and the second table are stored. After obtaining the distance by collation, the obtained distance is collated with the first table to obtain the relative phase of the first light pattern corresponding to the distance, and the relative phase obtained from the first table and the phase calculation The offset value is used to compare the relative phase of the first light pattern calculated by the means and determine whether the distance obtained by comparing the relative phase of the second light pattern with the second table is correct based on the comparison result. Before determining the true / false of the distance obtained by comparing the relative phase of the second light pattern and the second table, it is possible to prevent an erroneous offset value from being obtained. .

上記三次元形状計測装置において、前記位相接続手段が、前記位相算出手段によって算出された前記第1光パターンの相対位相が0、2π又はそれらの近傍の値であるか否か、若しくは、前記オフセット値及び前記第1光パターンの相対位相から求められた前記第1光パターンの絶対位相が0、2πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、判定結果に基づいて前記オフセット値を変更するか否かを判定するように構成することができる。上記構成によれば、常に正しいオフセット値を導き出すことが可能となる In the three-dimensional shape measuring apparatus, the phase connecting unit determines whether the relative phase of the first light pattern calculated by the phase calculating unit is 0, 2π, or a value in the vicinity thereof, or the offset. It is determined whether the absolute phase of the first light pattern obtained from the value and the relative phase of the first light pattern is a multiple of 0 , 2π or a value in the vicinity thereof, and the offset is determined based on the determination result It can be configured to determine whether to change the value. According to the above configuration, it is possible to always derive a correct offset value .

また、本発明は、計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、第1波長を有する第1光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第1光パターンの相対位相及び絶対位相を登録した第1テーブルと、前記第1波長より長く、かつ、該第1波長の非整数倍の長さとなる第2波長を有する第2光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第2光パターンの相対位相、及び前記第1光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値を登録した第2テーブルとを予め作成し、前記計測対象物までの距離の計測にあたり、前記第1光パターン及び前記第2光パターンの各々を前記計測対象物に投射する第1ステップと、前記第1光パターン及び前記第2光パターンが投射された計測対象物を撮影する第2ステップと、撮影された画像に基づいて前記第1光パターン及び前記第2光パターンの相対位相を算出する第3ステップと、該第3ステップで算出した前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記算出された前記第1光パターンの相対位相とに基づいて前記第1光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第1テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める第4ステップとを有し、前記第2テーブルに前記第2光パターンの1周期分を超えるデータが登録されているときに、前記第4ステップにおいて、前記第3ステップで算出した前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求めた後、該求めた距離と前記第1テーブルを照合して、該距離に対応する前記第1光パターンの相対位相を取得し、該第1テーブルから取得した相対位相と、前記第3ステップで算出した第1光パターンの相対位相とを対比し、対比結果に基づいて、前記第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して求めた距離の正否を判定することを特徴とする。本発明によれば、前記発明と同様に、演算時間を短縮することができるとともに、計測精度を向上させることができ、短時間で精度良く三次元形状を計測することが可能となる。また、オフセット値及び絶対位相を簡単に求めることができ、さらに、誤ったオフセット値が求められるのを防止することが可能になる。 Further, the present invention projects a sinusoidal light pattern onto the measurement object, images the measurement object on which the light pattern is projected, and measures the three-dimensional shape of the measurement object based on the captured image. A three-dimensional shape measuring method , wherein the first table registers the relative phase and absolute phase of the first light pattern in association with the distance to the projectile of the first light pattern having the first wavelength; The relative phase of the second light pattern in association with the distance to the projectile of the second light pattern having a second wavelength longer than the first wavelength and a non-integer multiple of the first wavelength , and A second table in which an offset value between the relative phase and the absolute phase of the first light pattern is registered is created in advance, and the first light pattern and the second light are measured when measuring the distance to the measurement object. Each of the patterns The first step of projecting on the measurement object, the second step of photographing the measurement object on which the first light pattern and the second light pattern are projected, and the first light pattern based on the photographed image And a third step for calculating the relative phase of the second light pattern, and the relative phase of the second light pattern calculated in the third step and the second table are collated to obtain a distance, and from the obtained distance Obtaining the offset value, obtaining an absolute phase of the first light pattern based on the offset value and the calculated relative phase of the first light pattern, and collating the absolute phase with the first table. wherein a fourth step of obtaining a distance to the measurement object, when the data of more than one period of the second light pattern in the second table is registered Te, the fourth stearate In this step, the relative phase of the second light pattern calculated in the third step is compared with the second table to obtain the distance, and then the obtained distance is compared with the first table to obtain the distance. The relative phase of the corresponding first light pattern is acquired, the relative phase acquired from the first table is compared with the relative phase of the first light pattern calculated in the third step, and based on the comparison result, It characterized that you determine success or failure of the distance obtained by matching the relative phase and the second table of the second light pattern. According to the present invention, the calculation time can be shortened, the measurement accuracy can be improved, and the three-dimensional shape can be accurately measured in a short time, as in the case of the above invention. Further, it is possible to easily obtain the offset value and the absolute phase, and it is possible to prevent an erroneous offset value from being obtained.

以上のように、本発明によれば、演算時間を短縮することができるとともに、計測精度を向上させることができ、短時間で精度良く三次元形状を計測することが可能となる。   As described above, according to the present invention, the calculation time can be shortened, the measurement accuracy can be improved, and the three-dimensional shape can be accurately measured in a short time.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明にかかる三次元形状計測装置1の一実施の形態を示す全体構成図である。この三次元形状計測装置1は、投射手段及び撮影手段を各々1つずつ備える単眼式の三次元形状計測装置であり、所定の濃度分布を有する光(以下、「光パターン」という)を物体2に投射するプロジェクタ3と、光パターンが投射された物体2を撮影するカメラ4と、プロジェクタ3及びカメラ4の制御や各種の演算処理を行う制御部5から構成される。   FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the present invention. The three-dimensional shape measuring apparatus 1 is a monocular three-dimensional shape measuring apparatus having one projection unit and one photographing unit, and transmits light having a predetermined density distribution (hereinafter referred to as “light pattern”) to the object 2. A projector 3 that projects the light, a camera 4 that captures the object 2 on which the light pattern is projected, and a control unit 5 that controls the projector 3 and the camera 4 and performs various arithmetic processes.

プロジェクタ3は、所定の強度の光を発する光源3aと、正弦波状の濃淡パターンを表示し、光源3aからの光を正弦波状に変調する正弦波格子3bから構成される。正弦波格子3bは、例えば、画素単位で反射ミラーのオン/オフを制御できるDMD(Digital Micro-mirror Device)や、画素単位で光透過率を制御できる液晶パネル等から構成され、濃淡パターンのパターン間隔、すなわち、正弦波の波長を電子的に変化させたり、濃淡パターンの位相を電子的にシフトさせることが可能である。   The projector 3 includes a light source 3a that emits light having a predetermined intensity, and a sine wave grating 3b that displays a sine wave-like shading pattern and modulates the light from the light source 3a into a sine wave. The sine wave grating 3b is composed of, for example, a DMD (Digital Micro-mirror Device) that can control on / off of a reflection mirror in units of pixels, a liquid crystal panel that can control light transmittance in units of pixels, and the like, and a pattern of gray patterns It is possible to electronically change the interval, that is, the wavelength of the sine wave, or to electronically shift the phase of the shading pattern.

本実施の形態においては、物体2に光パターンを投射する際に、正弦波格子3bの濃淡パターンのパターン間隔が制御され、基本の周期を有する正弦波状の光パターン(以下、「短波長の光パターン」という)20と、光パターン20の周期より長い周期を有する正弦波状の光パターン(以下、「長波長の光パターン」という)30との2種類の光パターンが投射される。尚、長波長の光パターン30は、その周期が短波長の光パターン20の周期の整数倍とならないように設定される。   In the present embodiment, when the light pattern is projected onto the object 2, the pattern interval of the shading pattern of the sine wave grating 3b is controlled, and a sine wave light pattern having a basic period (hereinafter referred to as “short wavelength light”). Two types of light patterns are projected: a “pattern” (20) and a sinusoidal light pattern (hereinafter referred to as a “long wavelength light pattern”) 30 having a period longer than the period of the light pattern 20. The long-wavelength light pattern 30 is set so that its period does not become an integral multiple of the period of the short-wavelength light pattern 20.

また、短波長の光パターン20及び長波長の光パターン30の各光パターンを投射する際には、正弦波格子3bに表示される濃淡パターンの位相が制御され、各光パターンの位相がπ/2ずつシフトされる。   Further, when projecting each light pattern of the short wavelength light pattern 20 and the long wavelength light pattern 30, the phase of the light and shade pattern displayed on the sine wave grating 3b is controlled so that the phase of each light pattern is π / Shifted by two.

制御部5は、図2に示すように、カメラ4の動作を制御するカメラ制御部10と、プロジェクタ3の動作を制御するプロジェクタ制御部11と、カメラ4から出力される画像信号を取り込む画像取込部12と、後述するオフセットテーブル等を記憶する記憶部13と、位相値を算出する位相算出部14と、算出された位相値を接続して奥行き座標を得る位相接続部15と、三次元データを生成する三次元データ生成部16とを備える。   As shown in FIG. 2, the control unit 5 includes a camera control unit 10 that controls the operation of the camera 4, a projector control unit 11 that controls the operation of the projector 3, and an image capture that captures an image signal output from the camera 4. A storage unit 13 for storing an offset table, which will be described later, a phase calculation unit 14 for calculating a phase value, a phase connection unit 15 for obtaining a depth coordinate by connecting the calculated phase value, and a three-dimensional And a three-dimensional data generation unit 16 for generating data.

画像取込部12は、プロジェクタ3の位相シフト動作に同期して、カメラ4から出力される1画面分の画像信号を取り込み、記憶部13に記憶する。本実施の形態においては、光パターンの位相シフト量が0、π/2、π、3π/2、2πとなる各タイミングで、画像信号が取り込まれる。   The image capture unit 12 captures an image signal for one screen output from the camera 4 in synchronization with the phase shift operation of the projector 3 and stores the image signal in the storage unit 13. In the present embodiment, an image signal is captured at each timing when the phase shift amount of the light pattern becomes 0, π / 2, π, 3π / 2, 2π.

位相算出部14は、画像取込部12によって取り込まれた画像信号に基づいて、位相値を算出する。位相値の算出は、短波長の光パターン20が投射されたときと、長波長の光パターン30が投射されたときとの各々において、画素毎に行われる。短波長の光パターン20が投射されたときの位相値φ1は、以下の数式1によって算出され、長波長の光パターン30が投射されたときの位相値φ2は、以下の数式2によって算出される。 The phase calculation unit 14 calculates a phase value based on the image signal captured by the image capture unit 12. The phase value is calculated for each pixel when the short wavelength light pattern 20 is projected and when the long wavelength light pattern 30 is projected. The phase value φ 1 when the short-wavelength light pattern 20 is projected is calculated by the following formula 1, and the phase value φ 2 when the long-wavelength light pattern 30 is projected is calculated by the following formula 2. Is done.

Figure 0004516949
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ここに、(x、y)は、画素の横方向及び縦方向の座標値であり、I1、I2は、その画素の輝度値である。また、N1、N2は、位相シフトのシフト回数であり、t1、t2は、位相シフトのシフト量である。 Here, (x, y) are the horizontal and vertical coordinate values of the pixel, and I 1 and I 2 are the luminance values of the pixel. N 1 and N 2 are the number of phase shift shifts, and t 1 and t 2 are phase shift shift amounts.

上記のようにして算出される位相値φ1、φ2は、何れも、周期2πの整数倍の不定性を有するが、以下の説明においては、不定性を有する位相値を「相対位相値」と称し、不定性が取り除かれた位相値を「絶対位相値」と称する。また、位相シフトさせた短波長の光パターン20を投射し、その撮影画像から得られる相対位相値を「短波長の相対位相値」と称し、位相シフトさせた長波長の光パターン30を投射し、その撮影画像から得られる相対位相値を「長波長の相対位相値」と称する。 Both of the phase values φ 1 and φ 2 calculated as described above have indefiniteness that is an integral multiple of the period 2π. In the following description, the phase value having indefiniteness is referred to as a “relative phase value”. The phase value from which the ambiguity is removed is referred to as “absolute phase value”. Also, the phase shifted short wavelength light pattern 20 is projected, the relative phase value obtained from the captured image is referred to as “short wavelength relative phase value”, and the phase shifted long wavelength light pattern 30 is projected. The relative phase value obtained from the captured image is referred to as a “long wavelength relative phase value”.

位相接続部15は、位相算出部14で算出された相対位相値φと、記憶部13に記憶されたオフセットテーブルとに基づき、オフセット値2nπ及び絶対位相値ψを求める。オフセット値、相対位相値φ及び絶対位相値ψの関係は、下記の数式3のとおりであり、数式3から明らかなように、オフセット値は、絶対位相と相対位相との間の不定性に相当する。   The phase connection unit 15 obtains the offset value 2nπ and the absolute phase value ψ based on the relative phase value φ calculated by the phase calculation unit 14 and the offset table stored in the storage unit 13. The relationship between the offset value, the relative phase value φ, and the absolute phase value ψ is as shown in Equation 3 below. As is apparent from Equation 3, the offset value corresponds to the indefiniteness between the absolute phase and the relative phase. To do.

Figure 0004516949
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図3は、オフセットテーブルの一例を示す模式図である。図3に示すように、オフセットテーブルは、短波長の光パターンについての第1テーブル40と、長波長の光パターンについての第2テーブル50から構成される。第1テーブル40には、図3(a)に示すように、基準点J(図1参照)から計測対象点Pまでの距離Z1と対応付けて、短波長の相対位相値φ1及び絶対位相値ψ1が画素毎に登録される。一方、第2テーブル50には、図3(b)に示すように、基準点Jから計測対象点Pまでの距離Z2と対応付けて、長波長の相対位相値φ2と、短波長の光パターン20のn値とが画素毎に登録される。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of the offset table. As shown in FIG. 3, the offset table includes a first table 40 for a short wavelength light pattern and a second table 50 for a long wavelength light pattern. In the first table 40, as shown in FIG. 3A, the relative phase value φ 1 of the short wavelength and the absolute value are associated with the distance Z 1 from the reference point J (see FIG. 1) to the measurement target point P. The phase value ψ 1 is registered for each pixel. On the other hand, in the second table 50, as shown in FIG. 3B, the relative phase value φ 2 of the long wavelength and the short wavelength of the short wavelength are associated with the distance Z 2 from the reference point J to the measurement target point P. The n value of the light pattern 20 is registered for each pixel.

以下、第1テーブル40及び第2テーブル50に登録される相対位相値φ1、φ2等を、三次元形状の計測時に算出される相対位相値φ1、φ2等と区別するため、相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2等と称する。 Hereinafter, in order to distinguish the relative phase values φ 1 , φ 2, etc. registered in the first table 40 and the second table 50 from the relative phase values φ 1 , φ 2, etc. calculated at the time of measuring the three-dimensional shape, These are referred to as phase table values Tφ 1 , Tφ 2, etc.

第1テーブル40及び第2テーブル50は、何れも、三次元形状の計測に先立ち、短波長の相対位相値φ1及び長波長の相対位相値φ2を各々サンプリングすることによって、作成されるものである。第1テーブル40及び第2テーブル50の作成にあたっては、まず、平坦面を有する平板を所定の基準位置に固定した状態で、位相をπ/2ずつシフトさせながら、短波長の光パターン及び長波長の光パターンを平板に向けて各々投射し、短波長の相対位相値φ1、長波長の相対位相値φ2を求め、基準位置での相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2として登録する。 Each of the first table 40 and the second table 50 is created by sampling the relative phase value φ 1 of the short wavelength and the relative phase value φ 2 of the long wavelength before measuring the three-dimensional shape. It is. In creating the first table 40 and the second table 50, first, a short-wavelength optical pattern and a long wavelength are shifted while shifting the phase by π / 2 with a flat plate having a flat surface fixed at a predetermined reference position. Are projected onto a flat plate to obtain a relative phase value φ 1 of a short wavelength and a relative phase value φ 2 of a long wavelength, and are registered as relative phase table values Tφ 1 and Tφ 2 at a reference position.

ここで、長波長の光パターンは、短波長の光パターンよりも長い周期を有するため、短波長の光パターンの周期と、長波長の光パターンの周期とが予め分かっていれば、図4に示すように、長波長の相対位相値φ2から短波長の光パターンのオフセット値2nπ、すなわち、n値を導くことができる。例えば、長波長の光パターンが、短波長の光パターンの約4.5倍の周期を有する場合に、長波長の相対位相値φ2がπであれば、短波長の光パターンのn値が2であることを導くことができる。また、n値が分かれば、オフセット値2nπを短波長の相対位相値φ1に加算することによって、短波長の絶対位相値ψ1を求めることもできる。 Here, since the long wavelength light pattern has a longer period than the short wavelength light pattern, if the period of the short wavelength light pattern and the period of the long wavelength light pattern are known in advance, FIG. As shown, the offset value 2nπ of the short wavelength light pattern, that is, the n value can be derived from the long wavelength relative phase value φ 2 . For example, when the long wavelength light pattern has a period of about 4.5 times that of the short wavelength light pattern, and the relative phase value φ 2 of the long wavelength is π, the n value of the short wavelength light pattern is 2 can be derived. If the n value is known, the short wavelength absolute phase value ψ 1 can also be obtained by adding the offset value 2nπ to the short wavelength relative phase value φ 1 .

そこで、本実施の形態においては、相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2を登録した後に、上記の方法を用いて、短波長の光パターンのn値及び短波長の光パターンの絶対位相値ψ1も併せて求め、求めたn値を第2テーブル50に、絶対位相値ψ1を絶対位相テーブル値Tψ1として第1テーブル40に登録する。 Therefore, in the present embodiment, after registering the relative phase table values Tφ 1 and Tφ 2 , the n value of the short-wavelength light pattern and the absolute phase value ψ 1 of the short-wavelength light pattern are obtained using the above method. In addition, the obtained n value is registered in the second table 50 and the absolute phase value ψ 1 is registered in the first table 40 as the absolute phase table value Tψ 1 .

その後、平板を奥行き方向に所定量だけ移動させ、上記と同様にして、相対位相値φ1、φ2等を求め、そのときの距離Z1、Z2と対応付けながら、求めた相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2等を第1テーブル40及び第2テーブル50に登録する。以後、平板を所定の移動量で奥行き方向に移動させながら、各位置での相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2等を順次登録して行き、これにより、第1テーブル40及び第2テーブル50を作成する。尚、第1テーブル40及び第2テーブル50中に、相対位相テーブル値Tφ1、Tφ2等の各種データを、どの程度の距離まで登録するかは、計測対象範囲をどの程度の大きさに設定するかや、計測対象物の形状、大きさなどに応じて、適宜決定することができる。 Thereafter, the flat plate is moved by a predetermined amount in the depth direction, and in the same manner as described above, the relative phase values φ 1 , φ 2, etc. are obtained, and the obtained relative phase table is associated with the distances Z 1 , Z 2 The values Tφ 1 , Tφ 2, etc. are registered in the first table 40 and the second table 50. Thereafter, the relative phase table values Tφ 1 , Tφ 2, etc. at each position are sequentially registered while moving the flat plate in the depth direction by a predetermined movement amount, whereby the first table 40 and the second table 50 are stored. create. In the first table 40 and the second table 50, the distance to which various data such as the relative phase table values Tφ 1 and Tφ 2 are registered is set to the size of the measurement target range. Or, it can be appropriately determined according to the shape and size of the measurement object.

次に、三次元形状の計測方法について、図5を中心に参照して説明する。   Next, a method for measuring a three-dimensional shape will be described with reference to FIG.

物体2の三次元形状を計測するにあたっては、図5に示すように、まず、光パターンの位相シフト量を0にした状態で、短波長の光パターン20が物体2に投射され、カメラ4から出力される画像信号が取り込まれる(ステップS1)。次いで、光パターンの位相をπ/2、π、3π/2、2πだけ順次シフトさせた状態で、短波長の光パターン20が物体2に投射され、各位相シフト量での画像信号が取り込まれる(ステップS2)。   In measuring the three-dimensional shape of the object 2, as shown in FIG. 5, first, the light pattern 20 with a short wavelength is projected onto the object 2 with the phase shift amount of the light pattern being zero, and the camera 4 The output image signal is captured (step S1). Next, in a state where the phase of the light pattern is sequentially shifted by π / 2, π, 3π / 2, and 2π, the short-wavelength light pattern 20 is projected onto the object 2, and an image signal with each phase shift amount is captured. (Step S2).

次いで、光パターンの位相シフト量が0のときに取り込んだ画像信号と、光パターンの位相をπ/2、π、3π/2、2πだけシフトさせたときに取り込んだ画像信号とから、短波長の光パターン20を投射したときの相対位相値φ1が算出される(ステップS3)。このとき、相対位相値φ1は、画素毎に算出される。 Next, from the image signal captured when the phase shift amount of the light pattern is 0 and the image signal captured when the phase of the light pattern is shifted by π / 2, π, 3π / 2, 2π, the short wavelength The relative phase value φ 1 when the light pattern 20 is projected is calculated (step S3). At this time, the relative phase value φ 1 is calculated for each pixel.

次いで、長波長の光パターン30が物体2に投射され、光パターンの位相シフト量を0にしたときの画像信号、及び光パターンの位相をπ/2、π、3π/2、2πだけシフトさせたときの画像信号が各々取り込まれる(ステップS4、S5)。そして、取り込んだ各画像信号に基づき、長波長の光パターン30を投射したときの相対位相値φ2が画素単位で算出される(ステップS6)。 Next, a light pattern 30 having a long wavelength is projected onto the object 2, and the phase of the image signal and the light pattern when the phase shift amount of the light pattern is set to 0 is shifted by π / 2, π, 3π / 2, and 2π. Each image signal is captured (steps S4 and S5). Then, based on each captured image signal, the relative phase value φ 2 when the long-wavelength light pattern 30 is projected is calculated in units of pixels (step S6).

次いで、1画面を構成する複数の画素の中から1つの画素が着目画素(計測対象点)として選択される(ステップS7)。次いで、事前に作成した第2テーブル50中に、相対位相テーブル値Tφ2等の各種データが、長波長の光パターン30の1周期分より多く登録されているか否かが判定される(ステップS8)。 Next, one pixel is selected as a target pixel (measurement target point) from a plurality of pixels constituting one screen (step S7). Next, it is determined whether or not various data such as the relative phase table value Tφ 2 are registered in the second table 50 created in advance more than one cycle of the long wavelength light pattern 30 (step S8). ).

1周期分を超えるデータが登録されている場合には(ステップS8:Yes)、第2テーブル50が参照され、第2テーブル50に登録されている距離Z2のうちから、ステップS6で算出された相対位相値φ2に対応する距離Z2が取得される(ステップS9)。但し、1周期分を超えるデータが登録されている場合には、図6に示すように、相対位相値φ2に対応する距離Z2が2以上存在する可能性があり、その場合には、基準点Jに近い側の距離Z2aが距離Z2として取得される。 If the data of more than one cycle is registered (step S8: Yes), the second table 50 is referred to, from among the distance Z 2 registered in the second table 50, calculated in the step S6 The distance Z 2 corresponding to the relative phase value φ 2 is acquired (step S9). However, when data exceeding one period is registered, there may be two or more distances Z 2 corresponding to the relative phase value φ 2 as shown in FIG. A distance Z 2a closer to the reference point J is acquired as the distance Z 2 .

次いで、短波長の光パターンについての第1テーブル40が参照され、第1テーブル40に登録されている短波長の相対位相テーブル値Tφ1のうちから、距離Z2に対応する相対位相テーブル値Tφ1が読み出される(ステップS10)。そして、読み出された相対位相テーブル値Tφ1と、先のステップS3で算出された相対位相値φ1とが比較される(ステップS11)。 Next, the first table 40 for the short wavelength light pattern is referred to, and the relative phase table value Tφ corresponding to the distance Z 2 is selected from the short wavelength relative phase table values Tφ 1 registered in the first table 40. 1 is read (step S10). Then, the read relative phase table value Tφ 1 is compared with the relative phase value φ 1 calculated in the previous step S3 (step S11).

相対位相値φ2に対応する距離Z2が2以上存在していた場合、そのうちの何れかが真の距離となるが、ステップS9で取得した距離Z2が真の距離であれば、図7(a)に示すように、相対位相テーブル値Tφ1と、算出された相対位相値φ1とが略々一致するはずである。逆に、ステップS9で取得した距離Z2が真の距離でなければ、図7(b)に示すように、相対位相テーブル値Tφ1と、算出された相対位相値φ1とが一致しないはずであるため、読み出された相対位相テーブル値Tφ1と、先のステップS3で算出された相対位相値φ1とを比較することにより、ステップS9で取得した距離Z2が真の距離であるか否かを判定することができる。 If there are two or more distances Z 2 corresponding to the relative phase value φ 2 , any one of them is a true distance, but if the distance Z 2 acquired in step S9 is a true distance, FIG. As shown in (a), the relative phase table value Tφ 1 and the calculated relative phase value φ 1 should substantially match. Conversely, if the distance Z 2 acquired in step S9 is not a true distance, the relative phase table value Tφ 1 and the calculated relative phase value φ 1 should not match as shown in FIG. 7B. Therefore, by comparing the read relative phase table value Tφ 1 with the relative phase value φ 1 calculated in the previous step S3, the distance Z 2 acquired in step S9 is the true distance. It can be determined whether or not.

比較の結果、相対位相テーブル値Tφ1と、算出された相対位相値φ1とが一致しない場合には(ステップS11:No)、ステップS9で取得した距離Z2が真の距離ではないため、基準点Jから遠い側の距離Z2b(図6参照)が距離Z2として取得される(ステップS12)。その後は、ステップS10に処理が移行し、上記と同様にして、相対位相テーブル値Tφ1と相対位相値φ1との比較処理が実行される。 Result of the comparison, the relative phase table value Tifai 1, if the calculated relative phase values phi 1 do not match (step S11: No), the distance Z 2 obtained in step S9 is not true of the distance, A distance Z 2b far from the reference point J (see FIG. 6) is acquired as the distance Z 2 (step S12). Thereafter, the process proceeds to step S10, and the comparison process between the relative phase table value Tφ 1 and the relative phase value φ 1 is executed in the same manner as described above.

これに対し、相対位相テーブル値Tφ1と、算出された相対位相値φ1とが略々一致する場合には(ステップS11:Yes)、条件を満たす距離Z2が2以上存在するか否かが判定される(ステップS13)。条件を満たす距離Z2が2以上存在する場合には、どれが正しいものであるかを特定することができないため、その画素についての三次元形状の計測を終了し、他の画素を選択する(ステップS14)。 On the other hand, when the relative phase table value Tφ 1 and the calculated relative phase value φ 1 substantially match (step S11: Yes), whether or not there are two or more distances Z 2 that satisfy the condition. Is determined (step S13). When there are two or more distances Z 2 that satisfy the condition, it is not possible to specify which one is correct. Therefore, the measurement of the three-dimensional shape for the pixel ends, and another pixel is selected ( Step S14).

それとは逆に、条件を満たす距離Z2が1つである場合には、そのときの距離Z2が真の距離であるため、その距離Z2が最終的な距離Z2として認定される。次いで、第2テーブル50が参照され、第2テーブル50中に登録されている短波長の光パターンのn値のうちから、距離Z2に対応するn値が取得され、オフセット値2nπが求められる(ステップS15)。 On the contrary, if the condition is satisfied distance Z 2 is one, the distance Z 2 at that time because it is true distance, that distance Z 2 is recognized as the final distance Z 2. Next, the second table 50 is referred to, and the n value corresponding to the distance Z 2 is obtained from the n values of the short wavelength light patterns registered in the second table 50, and the offset value 2nπ is obtained. (Step S15).

一方、第2テーブル50に、長波長の光パターン30の1周期分以下のデータしか登録されていない場合には(ステップS8:No)、算出された相対位相値φ2に対応する距離Z2が1つしか存在しないため、第2テーブル50に基づいて相対位相値φ2に対応する距離Z2が取得され(ステップS16)、その後、上記と同様にして、オフセット値2nπが求められる(ステップS15)。 On the other hand, the second table 50, in the case where only one period following the data of the light pattern 30 having a long wavelength is not registered (step S8: No), the distance Z 2 corresponding to the relative phase values phi 2 calculated because but there is only one, the distance Z 2 corresponding to the relative phase values phi 2 based on the second table 50 is acquired (step S16), and then, in the same manner as described above, the offset value 2nπ is obtained (step S15).

オフセット値2nπが求められると、求められたオフセット値2nπが、ステップS3で算出された短波長の相対位相値φ1に加算され、短波長の光パターンの絶対位相値ψ1が求められる(ステップS17)。次いで、短波長の相対位相値φ1が0、2π又はそれらの近傍の値であるか否かが判定される(ステップS18)。ここに、0、2πの近傍の値とは、0又は2πとの差分が0.2π〜0.3π程度までの値をいい、具体的には、相対位相値φ1=0〜0.3π、1.7π〜2π程度をいう。 When the offset value 2nπ is obtained, the obtained offset value 2nπ is added to the short wavelength relative phase value φ 1 calculated in step S3 to obtain the absolute phase value ψ 1 of the short wavelength light pattern (step 1). S17). Next, it is determined whether or not the short wavelength relative phase value φ 1 is 0, 2π, or a value in the vicinity thereof (step S18). Here, the value in the vicinity of 0, 2π means a value where the difference from 0 or 2π is about 0.2π to 0.3π. Specifically, the relative phase value φ 1 = 0 to 0.3π. It means about 1.7π to 2π.

ここに、ステップS18で、上記の判定処理を行うのは、短波長の相対位相値φ1が0、2π又はそれらの近傍の値であると、ステップS15で取得されたオフセット値2nπが誤りである可能性があるからである。すなわち、位相を縦軸に、距離を横軸に採って、相対位相の特性をグラフ化した場合、理論的には、図8(a)に示すように、横軸方向の長さL1、L2、L3が同じになる直角三角形が連続する波形が得られるはずである。しかしながら、実際には、常に図8(a)のような波形が得られるとは限らず、光の強度や投射角度の変動等の影響を受けて、図8(b)に示すように、直角三角形の横軸方向の長さが伸縮し、横軸方向の長さL1’、L2’、L3’が不揃いの直角三角形が連続する波形が得られることがある。その一方で、第2テーブル50に登録されるオフセット値(n値)は、実測値ではなく、短波長の光パターンの相対位相が理論的特性(図8(a))を有するという前提の下で導き出される理論値である。このため、例えば、図9に示すように、実際のL1’が理論上のL1よりも長くなっている状態で、短波長の相対位相値φ1が2π近傍の値であったとすると、実際は、n値=0であるにも拘わらず、n値=1としてオフセット値2nπが求められることになる。その結果、物体2の表面までの距離(距離Z1)としては、図9のG点の距離を求めるべきであるにも拘わらず、2π分だけ距離が長くなったH点の距離が計測対象の距離として求められてしまう。 Here, in step S18, to carry out the above determination process, when the relative phase values phi 1 short wavelength is a value 0,2π or near thereof, the error is acquired offset value 2nπ in step S15 Because there is a possibility. That is, when the phase is plotted on the vertical axis and the distance is plotted on the horizontal axis and the characteristics of the relative phase are graphed, theoretically, as shown in FIG. 8A, the length L 1 in the horizontal axis direction, A waveform in which right triangles having the same L 2 and L 3 are continuous should be obtained. However, in practice, the waveform as shown in FIG. 8A is not always obtained, and is affected by fluctuations in light intensity, projection angle, etc., as shown in FIG. There is a case where a waveform in which right-angled triangles having irregular lengths L 1 ′, L 2 ′, and L 3 ′ in the horizontal axis direction are continuous is obtained. On the other hand, the offset value (n value) registered in the second table 50 is not an actual measurement value, but is based on the premise that the relative phase of the short-wavelength light pattern has theoretical characteristics (FIG. 8A). This is the theoretical value derived by. Therefore, for example, as shown in FIG. 9, if the relative phase value φ 1 of the short wavelength is a value in the vicinity of 2π in a state where the actual L 1 ′ is longer than the theoretical L 1 , Actually, although the n value = 0, the offset value 2nπ is obtained with the n value = 1. As a result, as the distance to the surface of the object 2 (distance Z 1 ), the distance of the H point whose distance is increased by 2π although the distance of the G point in FIG. 9 should be obtained. It will be calculated as the distance.

ステップS18は、そうした誤りを防止するための処理であり、相対位相値φ1が0、2π又はそれらの近傍の値である場合には(ステップS18:Yes)、第1テーブル40中に登録されている距離Z1のうちから、絶対位相値ψ1に対応する距離Z1が取得されれるとともに(ステップS19)、取得された距離Z1と、ステップS8〜S16で取得された距離Z2とが対比され、両者が略々同一の値を有するか否かが判定される(ステップS20)。 Step S18 is a process for preventing such an error, and when the relative phase value φ 1 is 0, 2π or a value in the vicinity thereof (step S18: Yes), it is registered in the first table 40. The distance Z 1 corresponding to the absolute phase value ψ 1 is obtained from the distance Z 1 being obtained (step S19), the obtained distance Z 1 and the distance Z 2 obtained in steps S8 to S16 Are compared, and it is determined whether or not both have substantially the same value (step S20).

距離Z1と距離Z2を対比するに際し、両者が一致するか否かではなく、略々同一の値であるか否かを判定するのは、距離Z1は、短波長の光パターンを基に作成される第1テーブル40中の値であるの対し、距離Z2は、長波長の光パターンを基に作成される第2テーブル50中の値であり、短波長の光パターンと長波長の光パターンとで分解能が異なるため、オフセット値2nπが正しい値であったとしても、両者の間に数mm程度の差異が生じる可能性があるからである。 Upon comparing the distance Z 1 and the distance Z 2, rather than whether they match, to determine whether the approximately same value, the distance Z 1 is based on the short-wavelength light pattern The distance Z 2 is a value in the second table 50 created based on the long wavelength light pattern, and the short wavelength light pattern and the long wavelength. This is because there is a possibility that a difference of about several millimeters may occur between the two even if the offset value 2nπ is a correct value.

距離Z1と距離Z2が略々同一の値を有する場合には(ステップS20:Yes)、ステップS15で取得されたオフセット値2nπが正しい値であると推認できるため、そのときの距離Z1が計測対象点の奥行き座標として認定される。 If the distance Z 1 and the distance Z 2 have substantially the same value (step S20: Yes), the offset value 2nπ acquired in step S15 can be estimated to be a correct value, and therefore the distance Z 1 at that time Is recognized as the depth coordinate of the measurement target point.

これに対し、距離Z1と距離Z2が全く異なる値を有する場合には(ステップS20:No)、ステップS15で取得されたオフセット値2nπのn値が誤っていることを示すため、n値が±1され、オフセット値2nπが変更される(ステップS21)。そして、再度、ステップS17〜ステップS20の処理が実行され、ステップS18及びステップS20の判定処理を経て、正しいオフセット値2nπ及び距離Z1が導き出され、計測対象点の奥行き座標が取得される。 On the other hand, when the distance Z 1 and the distance Z 2 have completely different values (step S20: No), the n value of the offset value 2nπ acquired in step S15 indicates that the n value is incorrect. ± 1 and the offset value 2nπ is changed (step S21). Then, the process of step S17~ step S20 is executed, through the determination process of step S18 and step S20, the correct offset values 2nπ and distance Z 1 is derived, the depth coordinates of the measurement target point is obtained.

一方、相対位相値φ1が0、2π又はそれらの近傍の値でない場合には(ステップS18:No)、ステップS15で取得されたオフセット値2nπが正しい値であると推認できるため、ステップS19と同様にして絶対位相値ψ1に対応する距離Z1が取得され、その距離Z1が計測対象点の奥行き座標として認定される(ステップS22)。 On the other hand, if the relative phase value φ 1 is not 0, 2π, or a value in the vicinity thereof (step S18: No), it can be inferred that the offset value 2nπ acquired in step S15 is a correct value. Similarly, the distance Z 1 corresponding to the absolute phase value ψ 1 is acquired, and the distance Z 1 is recognized as the depth coordinate of the measurement target point (step S22).

計測対象点の奥行き座標が取得されると、奥行き座標を取得していない画素(計測対象点)が残っているか否かが判定される(ステップS23)。奥行き座標を取得していない画素が存在する場合には、その画素が選択され(ステップS24)、上記と同様にして、奥行き座標が取得される(ステップS8〜S22)。以後、奥行き座標を取得していない画素が無くなるまで、ステップS8〜S22の処理が繰り返し実行され、物体2の表面上のすべての計測対象点について、奥行き座標が取得される。最後に、取得された奥行き座標と、各計測対象点の縦方向の座標及び横方向の座標とが統合され、物体2の三次元形状を示す三次元データが生成される(ステップS25)。   When the depth coordinates of the measurement target point are acquired, it is determined whether or not pixels (measurement target points) for which the depth coordinates have not been acquired remain (step S23). If there is a pixel for which the depth coordinate has not been acquired, that pixel is selected (step S24), and the depth coordinate is acquired in the same manner as described above (steps S8 to S22). Thereafter, the processing in steps S8 to S22 is repeatedly executed until there are no pixels for which the depth coordinates have not been acquired, and the depth coordinates are acquired for all measurement target points on the surface of the object 2. Finally, the acquired depth coordinates and the vertical and horizontal coordinates of each measurement target point are integrated, and three-dimensional data indicating the three-dimensional shape of the object 2 is generated (step S25).

以上説明したように、本実施の形態によれば、長波長の光パターン30を投射して得られた相対位相値φ2からオフセット値2nπを求め、そのオフセット値2nπと、短波長の光パターン20を投射して得られた相対位相値φ1とから、計測対象点の奥行き座標を求めるため、短波長の相対位相値φ1及び長波長の相対位相値φ2を求める際に演算処理が必要になるものの、相対位相値φ1、φ2さえ算出すれば、その後は、簡単な処理によって、計測対象点の奥行き座標を求めることができる。従って、演算時間を短縮することができ、物体2の三次元形状を迅速に計測することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the offset value 2nπ is obtained from the relative phase value φ 2 obtained by projecting the long wavelength light pattern 30, and the offset value 2nπ and the short wavelength light pattern are obtained. In order to obtain the depth coordinate of the measurement target point from the relative phase value φ 1 obtained by projecting 20, an arithmetic process is performed when obtaining the short wavelength relative phase value φ 1 and the long wavelength relative phase value φ 2. Although it is necessary, if only the relative phase values φ 1 and φ 2 are calculated, then the depth coordinates of the measurement target point can be obtained by a simple process. Therefore, the calculation time can be shortened, and the three-dimensional shape of the object 2 can be measured quickly.

また、本実施の形態によれば、短波長の光パターン20と長波長の光パターン30との2種類の光パターンを別個に用いつつ、物体2の形状は、主として分解能の高い短波長の光パターン20を用いて計測し、その際のオフセット値2nπをダイナミックレンジの大きい長波長の光パターン30を用いて計測するため、計測精度を向上させることができ、精度良く三次元形状を計測することが可能となる。   In addition, according to the present embodiment, the shape of the object 2 is mainly high-resolution short-wavelength light while separately using two types of light patterns, the short-wavelength light pattern 20 and the long-wavelength light pattern 30. Since the measurement is performed using the pattern 20 and the offset value 2nπ at that time is measured using the long wavelength light pattern 30 having a large dynamic range, the measurement accuracy can be improved and the three-dimensional shape can be measured with high accuracy. Is possible.

さらに、本実施の形態によれば、物体2までの距離Z1と対応付けて短波長の光パターン20の絶対位相値ψ1を登録した第1テーブル40と、長波長の光パターン30の相対位相値φ2と対応付けてオフセット値2nπ(n値)を登録した第2テーブル50とを作成し、それらを用いて、計測対象点の奥行き座標を求めるため、簡単な処理でオフセット値2nπ及び計測対象点の奥行き座標を求めることができる。 Furthermore, according to the present embodiment, the relative relationship between the first table 40 in which the absolute phase value ψ 1 of the short wavelength light pattern 20 is registered in association with the distance Z 1 to the object 2 and the long wavelength light pattern 30. The second table 50 in which the offset value 2nπ (n value) is registered in association with the phase value φ 2 is created, and using them, the depth coordinates of the measurement target point are obtained, so that the offset value 2nπ and The depth coordinates of the measurement target point can be obtained.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims.

例えば、上記実施の形態においては、オフセット値2nπを取得するに際し、第2テーブル50を参照して、距離Z2からn値を求めるが(図5:ステップS15)、距離Z2に代えて長波長の相対位相値φ2を用い、長波長の相対位相値φ2からn値を求めるようにしてもよい。 For example, in the above embodiment, when the offset value 2nπ is acquired, the n value is obtained from the distance Z 2 with reference to the second table 50 (FIG. 5: step S15), but the long value instead of the distance Z 2 is obtained. The wavelength relative phase value φ 2 may be used to obtain the n value from the long wavelength relative phase value φ 2 .

また、上記実施の形態においては、相対位相値φ1が0、2π又はそれらの近傍の値であるか否かを判定することによって(図6:ステップS18)、オフセット値2nπの真偽を判定しているが、相対位相値φ1に代えて絶対位相値ψ1を用い、短波長の絶対位相値ψ1が0、2πの整数倍又はそれらの近傍の値であるか否かを判定することによって、オフセット値2nπの真偽を判定するようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the true / false of the offset value 2nπ is determined by determining whether or not the relative phase value φ 1 is 0, 2π or a value in the vicinity thereof (FIG. 6: step S18). However, the absolute phase value ψ 1 is used in place of the relative phase value φ 1, and it is determined whether or not the short wavelength absolute phase value ψ 1 is an integer multiple of 0, 2π or a value in the vicinity thereof. Thus, the authenticity of the offset value 2nπ may be determined.

本発明にかかる三次元計測装置の一実施の形態を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of a three-dimensional measurement apparatus according to the present invention. 図1の制御部を示す構成図である。It is a block diagram which shows the control part of FIG. 図1のオフセットテーブルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the offset table of FIG. 短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relative phase of a short wavelength, and the relative phase of a long wavelength. 図1の三次元計測装置の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the three-dimensional measuring apparatus of FIG. 長波長の相対位相を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relative phase of a long wavelength. 短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relative phase of a short wavelength, and the relative phase of a long wavelength. 短波長の相対位相を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relative phase of a short wavelength. 短波長の相対位相と長波長の相対位相とを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relative phase of a short wavelength, and the relative phase of a long wavelength. 従来の三次元形状計測装置の一例を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing an example of the conventional three-dimensional shape measuring device. 従来の三次元形状計測装置の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining operation | movement of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus. 従来の三次元形状計測装置で用いられる光パターンを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the optical pattern used with the conventional three-dimensional shape measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 三次元形状計測装置
2 物体
3 プロジェクタ
3a 光源
3b 正弦波格子
4 カメラ
5 制御部
10 カメラ制御部
11 プロジェクタ制御部
12 画像取込部
13 記憶部
14 位相算出部
15 位相接続部
16 三次元データ生成部
20 短波長の光パターン
30 長波長の光パターン
40 第1テーブル
50 第2テーブル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 3D shape measuring device 2 Object 3 Projector 3a Light source 3b Sine wave grating 4 Camera 5 Control part 10 Camera control part 11 Projector control part 12 Image capture part 13 Storage part 14 Phase calculation part 15 Phase connection part 16 Three-dimensional data generation Section 20 Short Wave Pattern 30 Long Wave Pattern 40 First Table 50 Second Table

Claims (3)

計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
第1波長を有する第1光パターンと、前記第1波長より長く、かつ、該第1波長の非整数倍の長さとなる第2波長を有する第2光パターンとの各々を前記計測対象物に投射する投射手段と、
前記第1光パターン及び前記第2光パターンが投射された計測対象物を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段で撮影された画像に基づいて前記第1光パターン及び前記第2光パターンの相対位相を算出する位相算出手段と、
前記第1光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第1光パターンの相対位相及び絶対位相が予め登録された第1テーブルと、
前記第2光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第2光パターンの相対位相、及び前記第1光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値が予め登録された第2テーブルと、
前記位相算出手段によって算出された前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記位相算出手段によって算出された前記第1光パターンの相対位相とに基づいて前記第1光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第1テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める位相接続手段とを備え
前記位相接続手段は、前記第2テーブルに前記第2光パターンの1周期分を超えるデータが登録されているときに、前記位相算出手段によって算出された前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求めた後、該求めた距離と前記第1テーブルを照合して、該距離に対応する前記第1光パターンの相対位相を取得し、該第1テーブルから取得した相対位相と、前記位相算出手段によって算出された第1光パターンの相対位相とを対比し、対比結果に基づいて、前記第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して求めた距離の正否を判定することを特徴とする三次元形状計測装置。
A three-dimensional shape measuring apparatus that projects a sinusoidal light pattern onto a measurement object, images the measurement object on which the light pattern is projected, and measures the three-dimensional shape of the measurement object based on the captured image Because
Each of the first light pattern having the first wavelength and the second light pattern having a second wavelength longer than the first wavelength and a non-integer multiple of the first wavelength is used as the measurement object. Projecting means for projecting;
Imaging means for imaging the measurement object on which the first light pattern and the second light pattern are projected,
Phase calculating means for calculating a relative phase between the first light pattern and the second light pattern based on an image photographed by the photographing means;
In association with the distance to the projection of the first light pattern, the first table relative phase and absolute phase of the first light pattern is registered in advance,
A second phase in which a relative phase of the second light pattern and an offset value between the relative phase and the absolute phase of the first light pattern are registered in advance in association with the distance to the projectile of the second light pattern . Table,
Seek distance by matching the second table and said second light pattern relative phase calculated by the phase calculation means, in conjunction with determining the offset value from the determined distance said, and said offset value, said phase calculating means A phase connection that obtains the absolute phase of the first light pattern based on the relative phase of the first light pattern calculated by the method and obtains the distance to the measurement object by comparing the absolute phase with the first table. and means,
The phase connecting means is configured to detect the relative phase of the second light pattern calculated by the phase calculating means and the second phase when data exceeding one cycle of the second light pattern is registered in the second table. After obtaining the distance by comparing the two tables, the relative distance of the first light pattern corresponding to the distance is obtained by comparing the obtained distance with the first table, and obtained from the first table. The relative phase and the relative phase of the first light pattern calculated by the phase calculating means are compared, and based on the comparison result, the relative phase of the second light pattern and the distance obtained by comparing the second table three-dimensional shape measuring apparatus characterized that you determine success or failure.
前記位相接続手段は、前記位相算出手段によって算出された前記第1光パターンの相対位相が0、2π又はそれらの近傍の値であるか否か、若しくは、前記オフセット値及び前記第1光パターンの相対位相から求められた前記第1光パターンの絶対位相が0、2πの倍数又はそれらの近傍の値であるか否かを判定し、判定結果に基づいて前記オフセット値を変更するか否かを判定することを特徴とする請求項に記載の三次元形状計測装置。 The phase connecting means determines whether the relative phase of the first light pattern calculated by the phase calculating means is 0, 2π or a value in the vicinity thereof, or the offset value and the first light pattern. It is determined whether or not the absolute phase of the first light pattern obtained from the relative phase is a multiple of 0 , 2π or a value in the vicinity thereof, and whether or not to change the offset value based on the determination result. The three-dimensional shape measurement apparatus according to claim 1 , wherein the determination is performed. 計測対象物に正弦波状の光パターンを投射するとともに、前記光パターンが投射された計測対象物を撮影し、その撮影画像に基づいて前記計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、
第1波長を有する第1光パターンの投射物までの距離と対応付けて該第1光パターンの相対位相及び絶対位相を登録した第1テーブルと、前記第1波長より長く、かつ、該第1波長の非整数倍の長さとなる第2波長を有する第2光パターンの投射物までの距離と対応付けて、前記第2光パターンの相対位相、及び前記第1光パターンの相対位相と絶対位相との間のオフセット値を登録した第2テーブルとを予め作成し、
前記計測対象物までの距離の計測にあたり、
前記第1光パターン及び前記第2光パターンの各々を前記計測対象物に投射する第1ステップと、
前記第1光パターン及び前記第2光パターンが投射された計測対象物を撮影する第2ステップと、
撮影された画像に基づいて前記第1光パターン及び前記第2光パターンの相対位相を算出する第3ステップと、
該第3ステップで算出した前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求め、該求めた距離から前記オフセット値を求めるとともに、該オフセット値と、前記算出された前記第1光パターンの相対位相とに基づいて前記第1光パターンの絶対位相を求め、該絶対位相と前記第1テーブルを照合して前記計測対象物までの距離を求める第4ステップとを有し
前記第2テーブルに前記第2光パターンの1周期分を超えるデータが登録されているときに、
前記第4ステップにおいて、前記第3ステップで算出した前記第2光パターンの相対位相と前記第2テーブルを照合して距離を求めた後、該求めた距離と前記第1テーブルを照合して、該距離に対応する前記第1光パターンの相対位相を取得し、該第1テーブルから取得した相対位相と、前記第3ステップで算出した第1光パターンの相対位相とを対比し、対比結果に基づいて、前記第2光パターンの相対位相と第2テーブルを照合して求めた距離の正否を判定することを特徴とする三次元形状計測方法。
A three-dimensional shape measurement method for projecting a sinusoidal light pattern onto a measurement object, photographing the measurement object on which the light pattern is projected, and measuring the three-dimensional shape of the measurement object based on the photographed image Because
In association with the distance to the projection of the first light pattern having a first wavelength, a first table registering the relative phase and absolute phase of the first light pattern, longer than the first wavelength, and said The relative phase of the second light pattern and the relative phase and absolute of the first light pattern are associated with the distance to the projectile of the second light pattern having the second wavelength that is a non-integer multiple of one wavelength. A second table in which the offset value between the phase is registered in advance,
In measuring the distance to the measurement object,
A first step of projecting each of the first light pattern and the second light pattern onto the measurement object;
A second step of photographing the measurement object on which the first light pattern and the second light pattern are projected;
A third step of calculating a relative phase of the first light pattern and the second light pattern based on a photographed image;
The relative phase of the second light pattern calculated in the third step is compared with the second table to obtain a distance , and the offset value is obtained from the obtained distance , and the offset value and the calculated A fourth step of obtaining an absolute phase of the first light pattern based on a relative phase of the first light pattern, and collating the absolute phase with the first table to obtain a distance to the measurement object. ,
When data exceeding one period of the second light pattern is registered in the second table,
In the fourth step, after the distance is obtained by comparing the relative phase of the second light pattern calculated in the third step and the second table, the obtained distance is compared with the first table, The relative phase of the first light pattern corresponding to the distance is acquired, the relative phase acquired from the first table is compared with the relative phase of the first light pattern calculated in the third step, and the comparison result is obtained. based on three-dimensional shape measuring method characterized that you determine success or failure of the distance obtained by matching the relative phase and the second table of the second light pattern.
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