JP4830871B2

JP4830871B2 - ３次元形状計測装置及び３次元形状計測方法

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Publication number: JP4830871B2
Application number: JP2007017064A
Authority: JP
Inventors: 秀和荒木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008185370A

Description

本発明は、被計測物の３次元形状を計測する３次元形状計測装置及び３次元形状計測方法に関するものである。

従来、物体の３次元形状を計測する方法として位相シフト法が広く用いられている。位相シフト法は光切断法の一種であって、投影装置により被計測物に特定のパターンを投影し、被計測物の表面で乱反射された投影像を投影装置の投影光軸と異なる方向から撮像装置で撮像し、この撮像装置で撮像した濃淡画像（以下、単に画像という。）を画像処理することで被計測物の３次元形状を計測するものである。

位相シフト法の原理についてさらに詳しく説明する。

まず、投影装置から正弦波状に輝度が変化する縞パターンを被計測物に投影し、この縞パターンの位相を、例えばπ／２ずつずらして撮像装置で撮像するという手順を、縞パターンの位相が１周期分移動するまで複数回（最低３回、通常は４回以上）繰り返す。ここで、撮像装置で撮像された４枚の画像上の同じ位置での輝度（濃度）は、絶対的な明るさはその位置での被計測物の表面性状や色などにより変化しても、相対的な輝度差は必ず投影パターンの位相差分だけの変化を示すから、その位置での投影されたパターンの相対位相値が求められる。

相対位相φは投影縞パターンの１周期毎の値、すなわち−π〜πの間の値となるから、複数周期分投影された縞の絶対位相Φを求めるには、縞次数ｎ（一端から他端に向かって数えてｎ周期目の縞であることを表す値）の縞が、撮像された各画像上でどの位置にあるかを推定する処理が必要である。

そして、撮像された４枚の画像の各点において、相対位相値と縞次数とを用いて、上記絶対位相Φ（＝φ＋２ｎπ）を求める。この処理を以下では「位相接続処理」と呼ぶ。位相接続処理によって求められた絶対位相Φが等しい点を連結して得られる線（等位相線）が、光切断法における切断線と同じく被計測物をある平面で切断した断面の形状を表すから、この絶対位相Φをもとに三角測量の原理により被計測物の３次元形状（画像各点での高さ情報）が計測できる。

而して、正弦波縞の絶対位相値、すなわち縞パターンの投影に用いた実体格子上の位置と撮像装置の撮像素子上の結像点位置（画像上の座標）が特定できるので、投影装置と撮像装置の光学的な配置に基づいて三角測量の原理から、画像上の点に対応する被計測物上の投影点の３次元空間での絶対的な座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めれば、被計測物の３次元形状を得ることができる。

このように位相シフト法では、得られた画像の各点に対応する３次元座標が簡単な計算処理により求められるとともに高密度の３次元形状の計測データが最低３回の撮像により得られるため、１点あたりの計測時間で評価すると他の計測方法に比べて数倍から数万倍の速度での計測が可能になるという特徴がある。

しかしながら、被計測物の表面に段差や穴があって縞と縞との境界（位相境界）が特定できない場合などには、縞次数ｎが正しく求められないために位相接続処理が困難になり、正しい距離が得られなくなるという問題（位相飛び問題）が発生するという欠点がある。また、位相シフト法は、なるべく多数の縞を投影し、撮影された画像上において投影縞のコントラストがなるべく高くなるように撮像することで高精度の計測が可能となるが、縞次数が多いと上記位相飛び問題が発生しやすく、高さ計測に必要な絶対位相値を得るのが困難になるという問題がある。

そこで従来より、位相飛び問題を解決する３次元形状計測装置や３次元形状計測方法が種々提案されている（特許文献１，２参照）。特許文献１に記載された方法では、基準正弦波とその整数倍の波長をもつ正弦波を重畳させて投影し、各々の波長で求められた相対位相の情報を総合することで位相境界位置を一意に得ている。また特許文献２に記載された方法では、所謂空間コード法と位相シフト法を組み合わせ、縞次数ｎを確定するための空間コードパターンを、縞パターンを投影する光の波長と異なる波長の光で縞パターンと同時に投影し、縞パターンと空間コードパターンが同時に投影された撮像画像を、光の波長に基づいて縞パターンが投影された画像と空間コードパターンが投影された画像に分離し、空間コードパターンが投影された複数枚の画像から縞次数ｎを確定している。なお、空間コードパターンとは空間をコード化するためのものであって、例えば、Ｔ周期目の縞パターンに対しては、Ｔの２進数表現に対応して、ビット値が０なら暗パターン、ビット値が１なら明パターンとして構成された明暗パターンであり、最下位ビットに対する明暗パターンから順番に投影される。
特許３１９９０４１号公報特開２００６−１７７７８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来例では、１回の計測において必要な画像の枚数（撮像装置による撮像回数）が増加してしまうために計測に要する時間が長くなってしまう（例えば、特許文献１では８回の撮像が必要である）。一方、特許文献２に記載されている従来例では、特許文献１に記載されている従来例と比較して少ない枚数（撮像回数）の画像で計測可能ではあるが、縞パターンを投影する光の波長と異なる波長の光で空間コードパターンを同時に投影するためにカラーパターンが投影可能な投影装置と、カラー画像が撮影可能な撮像装置が必要であり、モノクロ画像によって計測する場合に比べてコストが上昇してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、コスト上昇を抑えながら比較的に短時間で被計測物の３次元形状を計測できる３次元形状計測装置及び３次元形状計測方法を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、被計測物に任意パターンの光を投影する投影手段と、投影手段を制御して所定の光パターンからなる投影パターンを被計測物に投影させる投影パターン制御手段と、被計測物を撮像する撮像手段と、撮像手段の撮像画像から投影パターンが投影された被計測物の濃淡画像を取得する画像取得手段と、投影パターンが投影されていない状態の被計測物の濃淡画像を取得する無パターン画像取得手段と、画像取得手段で取得した濃淡画像内の任意の位置における投影パターンの相対位相を演算する相対位相演算手段と、任意位置の相対位相を位相接続して投影パターンの絶対位相を演算する絶対位相演算手段と、絶対位相から被計測物の３次元座標を演算する３次元座標演算手段とを備え、投影パターン制御手段は、光の強度を正弦波状且つπ／２ずつ位相をシフトして変化させた４種類の縞パターンについて、互いに逆相となる２種類の縞パターンの各組のそれぞれに空間をコード化するための２種類の空間コードパターンを各々組み合わせてなる４種類の投影パターンを投影手段より被計測物に投影させ、相対位相演算手段は、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の差に基づいて相対位相を演算し、絶対位相演算手段は、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和を演算するとともに、当該濃度値の和と、無パターン画像取得手段で取得した濃淡画像の濃度値とから空間コード値を確定することにより相対位相同士を接続して絶対位相を演算することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、投影パターン制御手段は、２種類の空間コードパターンの一方の空間コード値を常時ゼロとし、無パターン画像取得手段は、空間コード値が常時ゼロである空間コードパターンと互いに逆位相の縞パターンを組み合わせた２種類の前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和に基づいて投影パターンが投影されていない状態の被計測物の濃淡画像を取得することを特徴とする。

請求項３の発明は、上記目的を達成するために、所定の光パターンからなる投影パターンを被計測物に投影し、投影パターンを投影した被計測物の濃淡画像を取得するとともに、投影パターンを投影していない状態の被計測物の濃淡画像を取得し、投影パターンを投影したときの濃淡画像内の任意の位置における投影パターンの相対位相を演算し、任意位置の相対位相を位相接続して投影パターンの絶対位相を演算し、絶対位相から被計測物の３次元座標を演算することで被計測物の３次元形状を計測する３次元形状計測方法であって、光の強度を正弦波状且つπ／２ずつ位相をシフトして変化させた４種類の縞パターンについて、互いに逆相となる２種類の縞パターンの各組のそれぞれに空間をコード化するための２種類の空間コードパターンを各々組み合わせてなる４種類の投影パターンを被計測物に投影する過程と、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の差に基づいて相対位相を演算する過程と、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和を演算するとともに、当該濃度値の和と、無パターン画像取得手段で取得した濃淡画像の濃度値とから空間コード値を確定することにより相対位相同士を接続して絶対位相を演算する過程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、位相シフト法を利用した３次元形状計測において必須となる正弦波状の縞パターンと、空間をコード化して縞パターンの縞次数を確定するための空間コードパターンとを被計測物に同時に投影して撮像することが可能であり、しかも、縞パターンと空間コードパターンを組み合わせて投影パターンを生成することで従来例のように高価な投影装置や撮像装置を用いる必要がなく、その結果、表面に段差や孔のある物体の３次元形状をコスト上昇を抑えながら少ない撮像回数で計測することができる３次元形状計測装置及び３次元形状計測方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施形態により詳細に説明する。

（実施形態１）
本実施形態の３次元形状計測装置は、図１に示すように被計測物Ｍに任意パターンの光を投影する投影装置１と、被計測物Ｍを撮像する撮像装置２と、投影装置１および撮像装置２を制御するとともに撮像装置２で撮像した撮像画像に対して画像処理を行う画像処理装置３とで構成される。

投影装置１は、光源１０と、光源の前方に配置された透過型の液晶パネル１１と、液晶パネル１１を通過した光を被計測物Ｍの表面に集光するレンズ１２とを有した所謂液晶プロジェクタからなる。また撮像装置２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子、被写体の像を固体撮像素子の撮像面に結像させる光学系、固体撮像素子の出力を信号処理して画素毎の輝度（濃度値）を得る信号処理回路などで構成された、いわゆるモノクロ型のスチルカメラである。画像処理装置３は、ＣＰＵ、メモリ、ディスプレイ、ハードディスクなどの記憶装置、入出力用の各種インタフェース等を具備する汎用のコンピュータ（ハードウェア）と、本発明に係る３次元形状計測方法をコンピュータに実行させる３次元形状計測用プログラム（ソフトウェア）とで構成され、当該３次元形状計測用プログラムをＣＰＵで実行することにより、投影パターン制御手段３０、画像取得手段３１、無パターン画像取得手段３２、相対位相演算手段３３、絶対位相演算手段３４、３次元座標演算手段３５の各手段を実現している。

投影パターン制御手段３０は、後述する投影パターンを生成して記憶装置に予め記憶するとともに必要に応じて記憶した投影パターンのデータを読み出し、例えば、ＤＶＩ（Digital Visual Interface）のような汎用のディスプレイ用インタフェースを介して投影パターンのデータを投影装置１に伝送するとともに、ＲＳ２３２ＣやＩＥＥＥ４８８などの汎用の通信インタフェースを介して投影装置１の動作（光源の点灯・消灯や光量調整など）を制御する機能を有している。なお、投影装置１では投影パターンデータに基づいて液晶パネル１１に投影パターンを表示させる。

また画像取得手段３１は、撮像装置２で標本化並びに量子化されたディジタルの画像信号を取り込むとともに、取り込んだ画像信号から各画素毎の輝度（濃度値）で表される画像データを取得してメモリに記憶する機能を有している。なお、画像取得手段３１は、ＲＳ２３２ＣやＩＥＥＥ４８８などの汎用の通信インタフェースを介して撮像装置２の動作（撮像のタイミングなど）を制御する機能や、投影パターン制御手段３０に対して投影装置１に投影パターンを投影させるように指示する機能も有している。

無パターン画像取得手段３２は、投影装置１から投影パターンが投影されていない状態において撮像装置２で撮像された画像信号を取り込んで画像データを取得するとともにメモリに記憶する機能を有している。つまり、被計測物Ｍには投影装置１から投影パターンとして照射される光以外の光（以下、このような光を「環境光」と呼ぶ。）も照射されており、無パターン画像取得手段３２では、環境光のみが照射されているときの被計測物Ｍの画像データを取得している。

相対位相演算手段３３は、従来技術で説明した相対位相φを演算により求める機能を有する。また絶対位相演算手段３４は、後述するように縞次数ｎを確定するとともに確定した縞次数ｎと相対位相φとを用いて絶対位相Φ（＝φ＋２ｎπ）を演算により求める機能を有している。さらに３次元座標演算手段３５は、画像上の点ｐ（ｕ，ｖ）に対応する被計測物Ｍ上の投影点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３次元座標を演算により求める機能を有しており、３次元座標演算手段３５で求めた３次元座標から被計測物Ｍの３次元形状を得る（計測する）ことができる。

ここで本実施形態では、光の強度を正弦波状且つπ／２ずつ位相をシフトして変化させた４種類（０，π／２，π，３π／２）の縞パターンについて、互いに逆相となる２種類の縞パターンの各組（０とπの組とπ／２と３π／２の組）のそれぞれに空間をコード化するための２種類の空間コードパターンを各々組み合わせてなる４種類の投影パターンを投影パターン制御手段３０により生成し、当該投影パターンを投影装置１から被計測物Ｍに投影させる。

４種類の縞パターンＡ_k（ｋ＝０，１，２，３）並びに２種類の空間コードパターンＣ₀，Ｃ₁はそれぞれ次式で表される。但し、Ａは正弦波の振幅、Φは絶対位相、Ｓ×Ｓが１視野内の周期数、［ｍ］はｍを超えない最大の整数を示している。

そして、互いに逆相となる２種類の縞パターンＡ_kの一方の組（Ａ₀とＡ₂の組）に一方の空間コードパターンＣ₀を重畳し、縞パターンＡ_kの他方の組（Ａ₁とＡ₃の組）に他方の空間コードパターンＣ₁を重畳することで、次式に示す４種類の投影パターンＰ_k（ｋ＝０，１，２，３）が投影パターン制御手段３０によって生成される。但し、Ｂは空間コードパターンＣ_kの縞パターンＡ_kへの重畳重みを示している。

ここで、投影装置１において投影可能なパターンが８ビットの画像データで構成されるとしたとき、例えば、１視野内の周期数が１６であればＳ＝４となり、このとき、振幅Ａ＝１００，重畳重みＢ＝１５とすると、投影パターンＰ_kの濃度値を０〜２４５の範囲で表現できるから８ビットの画像データとして構成可能である。このときの投影パターンＰ₀，Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃の波形を図２（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示す。

次に、本実施形態の３次元形状計測装置の動作、すなわち、本発明に係る３次元形状計測方法について説明する。

まず、画像処理装置３のＣＰＵで３次元形状計測用プログラムを実行することで３次元形状計測装置が動作を開始すると、画像取得手段３１が投影パターン制御手段３０に指示を与え、当該指示に従って投影パターン制御手段３０が記憶装置に格納されている最初の投影パターンＰ₀の画像データをメモリの作業領域に読み出し、さらにディスプレイ用インタフェースを介して投影装置１に伝送し、投影装置１を制御して投影パターンＰ₀を被計測物Ｍに投影させる。画像データが投影装置１に伝送された後、画像取得手段３１は撮像装置２を制御して投影パターンＰ₀が投影された被計測物Ｍを撮像させ、撮像装置２から出力された画像信号を取り込んで投影パターンＰ₀が投影された被計測物Ｍの画像データを取得してメモリに記憶する。また、画像取得手段３１では残り３種類の投影パターンＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃についても順番に投影装置１に投影させ、それぞれの投影パターンＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃が投影された被計測物Ｍの画像データを取得してメモリに記憶する。一方、無パターン画像取得手段３２は投影装置１を停止させた状態、つまり、被計測物Ｍに環境光のみが照射されている状態で撮像装置２に被計測物Ｍを撮像させて投影パターンＰ_kが投影されていない状態の被計測物Ｍの画像データを取得してメモリに記憶する。

投影パターンＰ_kが投影された状態で撮像装置２で撮像された画像上の任意の画素（ｕ，ｖ）における輝度（濃度値）Ｉ₀〜Ｉ₃は、環境光の影響も含めて次式で表される。但し、Ｅは環境光による輝度、ρは被計測物Ｍの表面反射率、βは撮像装置２における光電変換係数である。

また、投影パターンＰ_kが投影されない状態で撮像装置２で撮像された画像上の任意の画素（ｕ，ｖ）における輝度（濃度値）Ｉ₄は次式で表される。

ここで、ａ＝βρＡ、ｅ＝βρＥ、ｂ＝βρＢとおくと、各輝度Ｉ_k（ｋ＝０，１，２，３）は次式で表される。

相対位相演算手段３３では、Ｉ₀とＩ₂およびＩ₁とＩ₃のそれぞれの差分値を用いて、次式によって相対位相φの推定値＜φ＞と振幅ａ（＝βρＡ）の推定値＜ａ＞を求める。

そして、絶対位相演算手段３４では、Ｉ₀とＩ₂およびＩ₁とＩ₃のそれぞれの加算値（式１，式２）と、さらに振幅ａとｂの関係（式３）を用いて、空間コードパターンＣ₀，Ｃ₁の空間コード値（推定値）＜Ｃ₀＞，＜Ｃ₁＞を次式によって求める。

さらに絶対位相演算手段３４は、相対位相φの推定値＜φ＞と空間コードパターンＣ₀，Ｃ₁の空間コード値＜Ｃ₀＞，＜Ｃ₁＞から絶対位相Φの推定値＜Φ＞を次式によって求める。

そして、３次元座標演算手段３５において絶対位相の推定値＜Φ＞から三角測量の原理により各画素（ｕ，ｖ）での高さ情報（３次元空間における各画素の座標値）を求めるとともに、各画素（ｕ，ｖ）に対応する被計測物Ｍ上の投影点の３次元空間での絶対的な座標値を求めれば、被計測物Ｍの３次元形状を得ることができる。

而して本実施形態によれば、位相シフト法を利用した３次元形状計測において必須となる正弦波状の縞パターンＡ_kと、空間をコード化して縞パターンＡ_kの縞次数ｎを確定するための空間コードパターンＣ_kとを投影パターンＰ_kとして被計測物に同時に投影して撮像することが可能であり、しかも、縞パターンＡ_kと空間コードパターンＣ_kを組み合わせた投影パターンＰ_kを生成して投影しているため、特許文献２に記載されている従来例のように高価な投影装置や撮像装置を用いる必要がなく、その結果、表面に段差や孔のある物体の３次元形状をコスト上昇を抑えながら少ない撮像回数（本実施形態では５回）で計測することができる。

（実施形態２）
本実施形態の３次元形状計測装置は、図３に示すように画像処理装置３から無パターン画像取得手段３２を省略した点が実施形態１と構成上相違しているが、その他の構成については実施形態１と共通である。よって、実施形態１と共通する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、２種類の空間コードパターンＣ₁の一方の空間コード値を常時ゼロとし、画像取得手段３１において無パターン画像取得を取得することで無パターン画像取得手段３２を省略している。

４種類の縞パターンＡ_k（ｋ＝０，１，２，３）並びに２種類の空間コードパターンＣ₀，Ｃ₁（＝０）はそれぞれ次式で表される。但し、Ａは正弦波の振幅、Φは絶対位相、［ｍ］はｍを超えない最大の整数を示している。

そして、互いに逆相となる２種類の縞パターンＡ_kの一方の組（Ａ₀とＡ₂の組）に空間コードパターンＣ₀を重畳し、縞パターンＡ_kの他方の組（Ａ₁とＡ₃の組）に他方の空間コードパターンＣ₁（＝０）を重畳することで、次式に示す４種類の投影パターンＰ_k（ｋ＝０，１，２，３）が投影パターン制御手段３０によって生成される。但し、Ｂは空間コードパターンＣ_kの縞パターンＡ_kへの重畳重みを示している。

ここで、振幅Ａ＝１００，重畳重みＢ＝１５とすると、投影パターンＰ₀，Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃の波形は図４（ａ）〜（ｄ）に示すような波形となる。

次に、本実施形態の３次元形状計測装置の動作、すなわち、本発明に係る３次元形状計測方法について説明する。但し、基本的な動作は実施形態１と共通であるから、共通の動作については適宜説明を省略する。

まず、画像処理装置３のＣＰＵで３次元形状計測用プログラムを実行することで３次元形状計測装置が動作を開始すると、画像取得手段３１が投影パターン制御手段３０に指示を与え、当該指示に従って投影パターン制御手段３０が記憶装置に格納されている最初の投影パターンＰ₀の画像データをメモリの作業領域に読み出し、さらにディスプレイ用インタフェースを介して投影装置１に伝送し、投影装置１を制御して投影パターンＰ₀を被計測物Ｍに投影させる。画像データが投影装置１に伝送された後、画像取得手段３１は撮像装置２を制御して投影パターンＰ₀が投影された被計測物Ｍを撮像させ、撮像装置２から出力された画像信号を取り込んで投影パターンＰ₀が投影された被計測物Ｍの画像データを取得してメモリに記憶する。また、画像取得手段３１では残り３種類の投影パターンＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃についても順番に投影装置１に投影させ、それぞれの投影パターンＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃が投影された被計測物Ｍの画像データを取得してメモリに記憶する。

投影パターンＰ_kが投影された状態で撮像装置２で撮像された画像上の任意の画素（ｕ，ｖ）における輝度（濃度値）Ｉ₀〜Ｉ₃は、ａ＝βρＡ、ｅ＝βρＥ、ｂ＝βρＢとおくと次式で表される。

実施形態１と同様に相対位相演算手段３３が相対位相φの推定値＜φ＞と振幅ａ（＝βρＡ）の推定値＜ａ＞を求める。そして、絶対位相演算手段３４では、Ｉ₀とＩ₂およびＩ₁とＩ₃のそれぞれの加算値（式４，式５）と、さらに振幅ａとｂの関係（式６）を用いて、空間コードパターンＣ₀の空間コード値（推定値）＜Ｃ₀＞を次式によって求める。

さらに絶対位相演算手段３４は、相対位相φの推定値＜φ＞と空間コードパターンＣ₀の空間コード値＜Ｃ₀＞から絶対位相Φの推定値＜Φ＞を次式によって求める。

而して本実施形態によれば、実施形態１と同様に表面に段差や孔のある物体の３次元形状をコスト上昇を抑えながら少ない撮像回数で計測することができ、しかも、環境光のみを投影した状態の被計測物Ｍの画像データ（＝ｅ）を、空間コード値を常時ゼロとした空間コードパターンを重畳した投影パターンＰ₁，Ｐ₃に対応する画像データの輝度値Ｉ₁，Ｉ₃の和から求めているので、実施形態１に比較して撮像回数を減らす（本実施形態では４回）ことができる。

本発明に係る３次元形状計測装置の実施形態１を示すブロック図である。（ａ）〜（ｄ）は同上における投影パターンの波形図である。本発明に係る３次元形状計測装置の実施形態２を示すブロック図である。（ａ）〜（ｄ）は同上における投影パターンの波形図である。

符号の説明

１投影装置
２撮像装置
３画像処理装置
３０投影パターン制御手段
３１画像取得手段
３２無パターン画像取得手段
３３相対位相演算手段
３４絶対位相演算手段
３５３次元座標演算手段
Ｍ被計測物

Claims

被計測物に任意パターンの光を投影する投影手段と、投影手段を制御して所定の光パターンからなる投影パターンを被計測物に投影させる投影パターン制御手段と、被計測物を撮像する撮像手段と、撮像手段の撮像画像から投影パターンが投影された被計測物の濃淡画像を取得する画像取得手段と、投影パターンが投影されていない状態の被計測物の濃淡画像を取得する無パターン画像取得手段と、画像取得手段で取得した濃淡画像内の任意の位置における投影パターンの相対位相を演算する相対位相演算手段と、任意位置の相対位相を位相接続して投影パターンの絶対位相を演算する絶対位相演算手段と、絶対位相から被計測物の３次元座標を演算する３次元座標演算手段とを備え、
投影パターン制御手段は、光の強度を正弦波状且つπ／２ずつ位相をシフトして変化させた４種類の縞パターンについて、互いに逆相となる２種類の縞パターンの各組のそれぞれに空間をコード化するための２種類の空間コードパターンを各々組み合わせてなる４種類の投影パターンを投影手段より被計測物に投影させ、
相対位相演算手段は、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の差に基づいて相対位相を演算し、
絶対位相演算手段は、互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和を演算するとともに、当該濃度値の和と、無パターン画像取得手段で取得した濃淡画像の濃度値とから空間コード値を確定することにより相対位相同士を接続して絶対位相を演算することを特徴とする３次元形状計測装置。
投影パターン制御手段は、２種類の空間コードパターンの一方の空間コード値を常時ゼロとし、
無パターン画像取得手段は、空間コード値が常時ゼロである空間コードパターンと互いに逆位相の縞パターンを組み合わせた２種類の前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和に基づいて投影パターンが投影されていない状態の被計測物の濃淡画像を取得することを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
所定の光パターンからなる投影パターンを被計測物に投影し、投影パターンを投影した被計測物の濃淡画像を取得するとともに、投影パターンを投影していない状態の被計測物の濃淡画像を取得し、投影パターンを投影したときの濃淡画像内の任意の位置における投影パターンの相対位相を演算し、任意位置の相対位相を位相接続して投影パターンの絶対位相を演算し、絶対位相から被計測物の３次元座標を演算することで被計測物の３次元形状を計測する３次元形状計測方法であって、
光の強度を正弦波状且つπ／２ずつ位相をシフトして変化させた４種類の縞パターンについて、互いに逆相となる２種類の縞パターンの各組のそれぞれに空間をコード化するための２種類の空間コードパターンを各々組み合わせてなる４種類の投影パターンを被計測物に投影する過程と、
互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の差に基づいて相対位相を演算する過程と、
互いに逆相となる２種類の縞パターンを含む前記投影パターンを投影して撮像された被計測物の濃淡画像における濃度値の和を演算するとともに、当該濃度値の和と、無パターン画像取得手段で取得した濃淡画像の濃度値とから空間コード値を確定することにより相対位相同士を接続して絶対位相を演算する過程とを有することを特徴とする３次元形状計測方法。