JP5611022B2 - 三次元計測装置及び三次元計測方法 - Google Patents

Description

明部と暗部が任意の幅で配置されたパターン光を投影して空間変調を生成する空間符号化法を用いた三次元計測装置及び方法に関するものである。

三次元計測では、投影装置と撮像装置を既知の関係に配置し、投影装置からパターン光を投影した被写体を撮像装置により撮像し、投影装置と撮像装置の関係から三角測量の原理を用いて被写体までの距離を求めるという測定方法がよく知られている。例えば、特許文献１のように明部と暗部とを任意の幅で交互に配置する第１の明暗パターン光と、第１の明暗パターン光の位相をずらした第２の明暗パターン光とを投影して、各々撮像した画像の階調分布を取得し、第１と第２のパターン光の交点の撮像素子上の位置を算出することで三次元計測を行う方法がある。

特開２００７−１９２６０８号公報

前述した第１と第２のパターン光から算出した交点が撮像素子上のどの位置に存在するかを算出することが測距において基本であるが、第１と第２の明暗パターン光の交点位置の絶対値以上に、その交点間隔を正しく求めることが重要である。なぜならば交点の絶対値は、被検物の絶対的位置を算出する場合に必要であるが、三次元計測においては被検物形状を計測することが主体であり、この場合は各交点の相対的位置関係が正確に求まれば良いからである。被検物絶対値が必要な場合は、絶対位置の既知な指標を用意し、これとの被検物の相対関係を計測等、即ちキャリブレーションで達成される。

一般的な交点検出手法では、第１と第２の明暗パターン光の撮像素子上の階調分布を撮像画素でサンプリングし、各々のパターン光のサンプリング点を直線近似して交点を求めている。測定対象物に投影したパターンの１周期を比較的少ない撮像素子画素でサンプリングする場合、従来の方法で交点を求めると、交点には直線近似によるサンプリング誤差が含まれる。そのため、その交点から交点間隔を算出すると、交点間隔には誤差が発生する。

パターン光の１周期を撮像素子の多くの画素でサンプリングすれば交点の誤差を小さくすることができ、交点間隔の誤差も抑えることができるが、解像力が高い撮像素子が必要となり、装置が大型化しコストが高くなるという課題が発生する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされもので、パターン光の１周期あたりのサンプリングが撮像素子の少ない画素数で行われても精度良く三次元計測を行える三次元計測装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の一態様による三次元計測装置は以下の構成を備える。すなわち、
明部と暗部を交互に配置する第１のパターン光と、前記第１のパターン光の位相をずらした第２のパターン光とを測定対象物に投影する投影手段と、
前記第１または第２のパターン光が投影された前記測定対象物を画像データとして撮像する撮像手段を有し、
前記撮像手段により得られた前記第１のパターン光の画像データの階調値と前記第２のパターン光の階調値から、階調値の交点位置を算出して三次元位置を計算する計算手段とを備え、
前記第１または第２のパターン光の明部と暗部の繰り返しの周期を１周期とし、前記撮像手段が有する１画素が前記測定対象物面上において撮像する範囲を撮像間隔とし、投影された前記第１のパターン光もしくは前記第２のパターン光の前記測定対象物面上での１周期の長さを前記撮像間隔のＭ倍としたときに、
２×Ｎ−０.２≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.２ ただし、Ｎは２以上の整数値
を満たすように前記投影手段と前記撮像手段が配置されている。

本発明によれば、サンプリング数を偶数近傍とすることで、交点の間隔を正しく求めることができ、精度良く三次元計測を行えるようになる。

実施形態による三次元計測装置の基本構成を示す図。 測定対象物面上の明暗パターン光とＣＣＤの画素の関係を表した図。 明暗パターン光の１周期中に存在するＣＣＤの画素数が偶数になるように設定して得られた画像データから取得した階調値を表した図。 実施形態による条件を満たさない場合の例を示す図。 測定対象物面上における明暗パターン光の１周期と、ＣＣＤカメラの画素でサンプリングしたときの交点間隔の誤差量を示す図。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態の一例を説明する。

図１の（ａ）は、実施形態による三次元計測装置の構成例を示した図である。図１の（ａ）において、１０１は測定対象物、１０２は投影手段の一例としてのプロジェクタ、１０３は撮像手段の一例としてのＣＣＤカメラである。１０５はプロジェクタ１０２に画像（投影すべきパターン）を入力するコンピュータ（以下、ＰＣ１０５）、１０６はＣＣＤカメラ１０３により撮像した画像データの階調値を取得し測定対象物の位置を計算するコンピュータ（以下、ＰＣ１０６）である。ＰＣ１０５とＰＣ１０６は互いに通信可能に接続されている。なお、ＰＣ１０５とＰＣ１０６が１台のコンピュータにより実現されてもよいことは明らかである。

図１の（ｂ）は、本実施形態で使用されるパターン光の１例を示している。本実施形態では、明部と暗部が交互に配置された第１のパターン光と、第１のパターン光の明部と暗部の位相をずらした第２のパターン光とが用いられる。第１の明暗パターン光１１０ａは第１のパターン光の一例であり、第１の明暗パターン光１１０ａの位相をずらした第２の明暗パターン光１１０ｂは第２のパターン光の一例である。第１及び第２のパターン光としては、図示の例に限られるものではなく、以下に説明する要件を満たしたパターン光であれば如何なるものでも使用可能である。

次に、ＰＣ１０５とＰＣ１０６によって測定対象物１０１の位置が算出される。まず、第１取得処理で、ＰＣ１０５は第１の明暗パターン光１１０ａをプロジェクタ１０２に投影させ、ＰＣ１０６は第１の明暗パターン光１１０ａが投影された測定対象物１０１をＣＣＤカメラ１０３に撮影させて第１の画像データを取得する。続いて、第２取得処理で、ＰＣ１０５は第２の明暗パターン光１１０ｂをプロジェクタ１０２に投影させ、ＰＣ１０６は第２の明暗パターン光１１０ｂが投影された測定対象物１０１をＣＣＤカメラ１０３に撮影させて第２の画像データを取得する。

こうして、プロジェクタ１０２を通して第１の明暗パターン光１１０ａ、第２の明暗パターン光１１０ｂが投影された測定対象物１０１上の輝度分布をＣＣＤカメラ１０３で撮影し、デジタルな画像データとしてＰＣ１０６に取り込む。以降、第１、第２の明暗パターン光の各々の画像データの値を階調値と呼ぶ。三次元計測装置は、ＣＣＤカメラ１０３により得られた第１の明暗パターン光の画像データ（第１の画像データ）の階調値と第２の明暗パターン光の画像データ（第２の画像データ）の階調値とから、以下に説明するように階調値の交点位置を算出する。そして、これら算出された交点位置に基づいて三次元位置が計算される。

第１と第２の画像データのうち、あるＣＣＤ画素列を通る断面を取り、その断面において第１と第２の明暗パターン光１１０ａ，ｂの階調値を結ぶと、図３で後述するように各々の階調を結んだ線が交差する。なお、断面をとるＣＣＤ画素列は、明暗パターン光における明暗の並びに直交する方向にとることが好ましい。

図２は図１に示した測定対象物１０１上の一部を拡大したもので、測定対象物に投影した明暗パターン光とＣＣＤ画素の関係を表している。図２において、ＣＣＤカメラ１０３の各画素が測定対象物上において撮像する範囲が実線で示されている。ＣＣＤカメラ１０３の１画素が測定対象物１０１上において撮影する範囲を撮像間隔Ｓとし、測定対象物１０１上における投影された明暗パターン光の１周期（距離）をＰとすると、Ｐ＝Ｍ×Ｓ（Ｍ＞０）が成り立つ。本実施形態では、Ｍ＝４（偶数）、即ちＰ＝４×Ｓが成り立つようにプロジェクタ１０２とＣＣＤカメラ１０３が構成されている。

第１の明暗パターン光１１０ａと第２の明暗パターン光１１０ｂ下での撮影を行い、画像データから階調値を取得して、第１と第２の明暗パターン光から階調の境界を検出した様子を図３に示す。曲線Ｖ、Ｗは測定対象物１０１に投影された第１と第２の明暗パターン光の撮像素子上の強度分布であり、Ｄ（白四角）は該強度分布Ｖ，Ｗの交点の列である。点Ａ（黒丸）、点Ｂ（黒三角）は、強度分布Ｖ，Ｗのそれぞれを撮像画素でサンプリングして得られた階調分布の点列である。

点Ｃ（黒星）は、点列Ａを直線で結んで得られる線と、同じく点列Ｂを直線で結んで得られる線の交点で構成される点列である。本実施形態では、明暗パターン光の１周期内を撮像素子の偶数画素４画素でサンプリングしているため、交点間隔の真値はその半分の２．０である。点Ｄと点Ｃが異なっていても、本実施形態のように明暗パターン光の１周期を撮像素子の偶数画素でサンプリングすることで、点Ｃから求める交点間隔は真値の２．０となる。

測定対象物１０１の面上における明暗パターン光の１周期が、測定対象物１０１の面上における撮像間隔のＭ倍（Ｍは偶数）になるように構成することで各交点間隔の誤差量を抑えることができる。なお、実装上、上記Ｍの値を正確に整数とするのは困難であるが、Ｍが偶数値±０．２であれば精度の良い交点位置の検出が可能である。即ちサンプリング数がＭのとき、
２×Ｎ−０.２≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.２（Ｎ：２以上の整数値） … 式（１）
を満たすように測定対象物１０１、プロジェクタ１０２、ＣＣＤカメラ１０３を配置することで、各交点間隔を真値に近づけることができる。交点間隔を正しく求めることで、精度良く交点位置を検出することが可能になり、ひいては高精度な三次元測定を実現できる。

図４に、測定対象物面上における明暗パターン光の１周期が、測定対象物面上における撮像間隔の偶数倍にならない例を示す。図４の例では、Ｍ＝４．５で、プロジェクタ１０２から投影される明暗パターン光の１周期がＣＣＤカメラ１０３の撮像間隔Ｓの４．５倍（Ｐ＝４．５×Ｓ）になっている。このように、上述した式（１）の条件を満たしていない場合、撮像によってサンプリングされた階調値から交点間隔を求めると、各交点間隔が真値から大きく外れ、精度良く交点位置を検出するのが難しくなる。

図５は、定対象物に投影した明暗パターン光の１周期を撮像素子のＭ画素でサンプリングを行った場合の交点間隔の誤差量を計算した結果である。横軸は、明暗パターン光の１周期あたりのサンプリング数（Ｍ）、縦軸は明暗パターン光の１周期の幅に対して三次元計測から求めた交点間隔がサンプリングによって発生する誤差量（単位：％）である。サンプリング数Ｍが式（１）を満たすとき、交点間隔が真値に近い値を取得することができ、精度良く三次元計測の検出することができる。式（１）から外れた場合は、取得される交点間隔が真値から外れてしまうため、精度良く三次元計測の検出することが難しい。

特に、サンプリング数Ｍが、
２×Ｎ−０.１≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.１（Ｎ：２以上の整数値） … 式（２）
を満たすとき、三次元計測から隣り合う交点との交点間隔を求めた場合、各箇所において求めた交点間隔がより真値に近くなり、正確な測定物の位置を求めることが出来る。

なお、サンプリング数Ｍが１０より大きいときは、プロジェクタ１０２の投影画像の１周期を多くのＣＣＤ画素で撮影していることになる。そのため、Ｍの値が大きくなればなるほど式（１）を満たさなくても各交点間隔の誤差量が小さくなる。しかしながら、サンプリング数Ｍが１０以下の場合、式（１）或いは式（２）の条件を満たさないと交点間隔の誤差が大きく、真値から外れる。そのため、式（１）或いは式（２）のＭが１０以下を満たすように投影手段と撮像手段構成することで、位置検出精度を向上させ三次元計測を精度良く行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、測定対象物に投影された明暗パターン光の１周期の幅を、撮像手段の撮像素子の偶数前後の画素数（サンプリング数）で測定対象物を撮影するように、投影手段と撮像手段を構成する。

撮像手段で明暗パターン光を撮像して得たデジタルな画像データから階調値を取得すると、撮像素子の画素単位に階調値がサンプリングされる。第１の明暗パターン光と第２の明暗パターン光の画像から取得した階調値を用いて明暗パターン光の境界を検出すると、検出する境界位置にはサンプリングを直線近似することに起因したサンプリング誤差が発生する。そのため、その交点から交点間隔を算出すると、交点間隔には誤差が発生する。したがって、本実施形態では、測定対象物に投影された明暗パターン光の１周期の幅が撮像素子の１画素が測定対象物を撮影する幅の偶数倍前後となるように構成することで、交点間隔を真値に近づけることができ、精度良く三次元計測を行うことができる。

Claims (4)

1. 明部と暗部を交互に配置する第１のパターン光と、前記第１のパターン光の位相をずらした第２のパターン光とを測定対象物に投影する投影手段と、
   前記第１または第２のパターン光が投影された前記測定対象物を画像データとして撮像する撮像手段を有し、
   前記撮像手段により得られた前記第１のパターン光の画像データの階調値と前記第２のパターン光の画像データの階調値から、階調値の交点位置を算出して三次元位置を計算する計算手段とを備え、
   前記第１または第２のパターン光の明部と暗部の繰り返しの周期を１周期とし、前記撮像手段が有する１画素が前記測定対象物面上において撮像する範囲を撮像間隔とし、投影された前記第１のパターン光もしくは前記第２のパターン光の前記測定対象物面上での１周期の長さを前記撮像間隔のＭ倍としたときに、
   ２×Ｎ−０.２≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.２ ただし、Ｎは２以上の整数値
   を満たすように前記投影手段と前記撮像手段が配置されていることを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記Ｎは１０以下の整数値であることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 前記Ｍが、
   ２×Ｎ−０.１≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.１
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元計測装置。
4. 明部と暗部を交互に配置する第１のパターン光と、前記第１のパターン光の位相をずらした第２のパターン光とを測定対象物に投影する投影手段と、
   前記第１または第２のパターン光が投影された前記測定対象物を撮像する撮像手段とを備えた三次元計測装置による三次元計測方法であって、
   第１取得手段が、前記投影手段に前記第１のパターン光を投影させて前記撮像手段に前記測定対象物を撮像させることで第１の画像データを取得する第１取得工程と、
   第２取得手段が、前記投影手段に前記第２のパターン光を投影させて前記撮像手段に前記測定対象物を撮像させることで第２の画像データを取得する第２取得工程と、
   計算手段が、前記第１の画像データにおける前記第１のパターン光の階調値と前記第２の画像データにおける前記第２のパターン光の階調値との交点位置を算出して三次元位置を計算する計算工程とを有し、
   前記第１及び第２取得工程では、前記第１または第２のパターン光の明部と暗部の繰り返しの周期を１周期とし、前記撮像手段が有する１画素が前記測定対象物面上において撮像する範囲を撮像間隔とし、投影された前記第１のパターン光もしくは前記第２のパターン光の前記測定対象物面上での１周期の長さを前記撮像間隔のＭ倍としたときに、
   ２×Ｎ−０.２≦Ｍ≦２×Ｎ＋０.２ ただし、Ｎは２以上の整数値
   を満たすように前記投影手段と前記撮像手段とが配置されていることを特徴とする三次元計測方法。