JP5743433B2 - 三次元形状計測装置 - Google Patents

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本発明は、連続的に変化する色相パターンを投影して三次元形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
三次元形状の計測は、左右の異なる位置から撮影した画像の間の結像位置ずれ(視差)を利用して、三角測量に基づき計測している。
この場合において、視差を求めるためには、計測する対象物の画像の面において、左右の画像の間で計測対象点を定めて、左右の画像の中のその計測対象点に対して、計測する必要がある。
実際のものにおいて、例えば、画像の一部の小領域に注目して、その部分を計測対象点とする。この計測対象点は、明確に目標となりやすい角部やコーナー部等の目標となる線や点が明確な部分を選択する。しかしながら、計測対象物の表面が特徴の無い場合、例えば、平面状のものや滑らかな曲面を有するものでは、目標となる部分がないため、小領域を絞り込むことが困難であった。
そのため、図16〜18に示すように、計測対象物110に対して、照射装置120から所定の投光パターンを投光し、計測対象物110に模様を投影して、その模様を計測することにより、計測対象物110の形状の計測を行うことができる。
即ち、図17に示すように、規則性の無いランダムな投光パターンを、計測対象物110に投影して、その画像を撮影装置130である2個のステレオカメラで撮影して、一対の計測対象物110の撮像画像から距離データを算出するものである(例えば、特許文献1参照。)。
この投光パターンは、図18に拡大図で示すように、輝度の異なるブロックを多数ランダムに組み合わせたものである。
このような、輝度の異なるブロックを組み合わせたパターンの投光をする場合には、撮影画像として識別できる大きさのブロックが必要であり、ブロックの1点ではなく、その周辺のブロックのパターンを計測し、そのパターンが対応する対応点の探索をする必要がある。従って、ブロックのサイズ以下の微小な計測分解能が得られにくいため、計測精度を細かくする(精度を向上させる)ことは困難であった。
また、同様に、輝度の異なるブロックを多数ランダムに組み合わせたパターンに加えて、計測時に計測対象物上のパターンが適切になるように、投光パターンにより撮影された画像に基づいて、さらに投光すべき新たなパターンをドットサイズや濃度を変化させるものもある(例えば、特許文献2参照。)。
また、上記のようなランダムな投光パターンでは、偶然にパターン光の輝度が一致するパターンがあるため、計測対象点が一意的に決まらない場合が発生することがあり、計測対象点が一意的に定まるようなパターンを生成させる装置を提案するものもある(例えば、特許文献3参照。)。
また、動的計画法マッチングを用いたステレオ対応付けによる三次元計測法についても提案されている(例えば、非特許文献1及び2参照。)
しかしながら、この場合は、投光パターンを用いずに、計測対象物のエッジやテクスチャなどの特徴点を有する物の計測のみであり、均一な面や滑らかな面の計測については開示されていない。そして、特徴点の間を直線で近似した計測結果となり、曲面を計測する場合には、適切ではない。
そのため、図19に示すように、色合いが直線的、かつ単調に増減するパターン光を投光するパターン投射装置220を用いて、計測対象物240に投光し、計測対象物240からの反射光をカラー画像撮影装置230で撮影し、演算装置250で、三次元座標を演算して三次元形状を計測する装置と方法が提案されている(例えば、特許文献4参照。)。
しかしながら、この場合では、カラー画像撮影装置230は1台であり、カラー画像撮影装置230からの撮影情報は1種類のみであるため、投光するパターン光の絶対的な色合いが重要となる。そのため、計測対象物240の色味によっては色合いが崩れるため、この撮影情報を補正するために、等間隔にN等分ずつ循環的に位相をずらしたN通りのパターン光を順次投射して、N枚のカラー画像を取得している。そのため、撮影回数が多く必要であり、時間がかかっていた。
特許第3255360号公報 特許第4110501号公報 特開2007−17355号公報 特開2001−330417号公報
藤井実、松山泰男、「動的計画法を用いたステレオマッチングにおける順序逆転問題の一解法」電気通信情報学会論文誌 D−11 Vol.J79−D−11 No.5 pp775−784 大田友一、金出武雄、「走査線間の整合性を考慮した2段の動的計画法によるステレオ対応探索」情報処理 Vol.26 No.11 pp1356−1363
そこで本発明は、一度の計測で、色相の異なる複数の色相データを取得して、高い空間分解機能をもち、迅速な三次元計測装置を提供しようとするものである。
上記課題を解決するために請求項1の本発明は、計測対象物に対して、色相が連続的に変化するパターン光を投影する照射手段と、
計測対象物からの色相が連続的に変化するパターン光の反射光を撮像する一対のカラー撮像手段と、
一対のカラー撮像手段から得られた一対の撮像画像の色相が連続的に変化するパターン光の画素毎の色相データの値を順番に比較し、色相が連続的に変化するパターン光の色相データの並びを、動的計画法を用いたマッチングによるステレオ対応付けを行い、三角測量法を用いて三次元形状の情報を算出する演算手段を有することを特徴とする三次元形状計測装置である。
請求項1の本発明では、計測対象物に対して、色相が連続的に変化するパターン光を投影するため、カラー撮像手段で撮影された画像の1画素毎のステレオ対応付けが可能である。そのため、微細な部分において探索することができ、計測分解能を高めて、高精細な計測結果を得ることができる。そして、計測対象物が角部やコーナー部等の特異点を有しなくとも、任意の点でステレオ対応付けを行うことができ、特異点の無い計測対象物に対して広く三次元形状を計測することができる。
計測対象物からの色相が連続的に変化するパターン光の反射光を撮像する一対のカラー撮像手段を有するため、1回の計測で対応する2種の計測情報を得ることができ、補正のために複数回計測する必要がなく、計測を素早くすることができる。カラー撮影するため、複数のカラー撮像手段でみられる計測対象物からの反射光量が異なっても、色相は同じであり、正しいステレオ対応付けをすることが可能である。
一対のカラー撮像手段から得られた一対の撮像画像の色相が連続的に変化するパターン光の画素毎の色相データの値を順番に比較し、色相が連続的に変化するパターン光の色相データの並びを、動的計画法を用いたマッチングによるステレオ対応付けを行い、三角測量法を用いて三次元形状の情報を算出する演算手段を有する。このため、ステレオ対応付けにおいて、色相が連続的に変化するパターン光の画素毎の色相データの値を順番に比較し、色相が連続的に変化するパターン光の色相データの並びを、動的計画法を用いてマッチングによるステレオ対応付けを行うことができ、一意的にステレオ対応付けができ、探索方向に対して、全体的に最適なマッチングを行うことにより、1画素毎のステレオ対応付けができる。
即ち、ある範囲における画素毎の色相が連続的に変化するパターン光の画素毎の色相データの値を順番に比較し、その並びが同一であれば、特定の画素に対して、ステレオ対応付けを行うことができる。画素に対して、順番を考慮したマッチングを行い、1画素毎に対応させることができ、最適なステレオ対応付けを行うことができる。
このとき、撮像画像の輝度データではなく、色相データを用いてステレオ対応付けを行うため、反射率の違いを抑えたステレオ対応付けを行うことができる。
請求項2の本発明は、色相データの演算手段は、撮像手段により撮像された一対の色相データの任意の点において、ステレオ対応付けを行い、計測対象物の全体の三次元形状の情報を算出する演算手段を有する三次元形状計測装置である。
請求項2の本発明では、色相データの演算手段は、撮像手段により撮像された一対の色相データの任意の点において、ステレオ対応付けを行い、計測対象物の全体の三次元形状の情報を算出する。
このため、1回の計測で計測対象物の全体の形状を素早く計測することができる。
請求項3の本発明は、予め、平面状の計測対象物に、照射手段で色相が連続的に変化するパターンを投影し、一対のカラー撮像手段で計測対象物からの反射光を撮像して、色相データに基づき、一対のカラー撮像手段の感度特性を補正する三次元形状計測装置である。
請求項3の本発明では、予め、平面状の計測対象物に、照射手段で色相が連続的に変化するパターンを投影し、一対のカラー撮像手段で計測対象物からの反射光を撮像して、色相データに基づき、一対のカラー撮像手段の感度特性を補正する。平面状の計測対象物を使用するため、2台のカラー撮像手段の画素間の対応付けを容易にすることができ、2台のカラー撮像手段の感度特性を容易に補正することができる。
請求項4の本発明は、一対のカラー撮像手段は、照射手段を挟んで取付けられた三次元形状計測装置である。
請求項4の本発明では、一対のカラー撮像手段は、照射手段を挟んで取付けられたため、それぞれのカラー撮像手段から得られる計測対象の結像位置ずれ(視差)が対称的に明確となり、ステレオ対応付けが容易である。
請求項5の本発明は、照射手段は、ストロボ発光機である三次元形状計測装置である。
請求項5の本発明では、照射手段は、ストロボ発光機であるため、外乱光にも強く、瞬間的に撮影することができ、計測が容易であり、被計測者に負担をかけることなく、計測中のぶれもすくなくすることができる。
請求項6の本発明は、照射手段は、連続点灯ランプ発光機である三次元形状計測装置である。
請求項6の本発明では、照射手段は、連続点灯ランプ発光機であるため、連続的に撮影することができ、動画像を撮影することもできる。
計測対象物に対して、色相が連続的に変化するパターン光を投影するため、カラー撮像手段で撮影された画像の1画素毎のステレオ対応付けが可能であり、高精細な計測結果を得ることができる。
計測対象物からの反射光を撮像する一対のカラー撮像手段を有するため、1回の計測で対応する2種の計測情報を得ることができ、補正のために複数回計測する必要がなく、計測を素早くすることができる。カラー撮影するため、色相は同じであり、正しいステレオ対応付けをすることが可能である。
一対のカラー撮像手段から得られた一対の撮像画像の色相データを、動的計画法を用いたマッチングを行い演算して、ステレオ対応付けを行うため、順番を考慮したマッチングをすることができ、一意的にステレオ対応付けができ、探索方向に対して、全体的に最適なマッチングを行うことにより、1画素毎のステレオ対応付けができる。
本発明の実施の形態を示すもので、三次元計測装置の全体の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)は、照射手段から投影された色相が連続的に変化するパターン光の画像を示し、(b)は、照射されたパターン光を色相に応じてモノクロに変換した画像であり、(c)は、モノクロに変換した色相データを数値に変換したグラフである。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)は、パターン光を左カラー撮像装置で撮影した画像であり、(b)は、パターン光を右カラー撮像装置で撮影した画像であり、(c)は、左カラー撮像装置で撮影した画像の色相データを数値に変換したグラフであり、(d)は、右カラー撮像装置で撮影した画像の色相データを数値に変換したグラフである。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)と(b)は、左カラー撮像装置で撮影した画像の色相データと、右カラー撮像装置で撮影した画像の色相データとを動的計画法を用いたマッチングにより1画素毎にステレオ対応付けをしたグラフである。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれた計測対象物に対して、三次元計測装置を置いた模式図である。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)は、斜めに置かれた計測対象物に対して、左カラー撮像装置で撮影した輝度データをグラフにしたものであり、(b)は、斜めに置かれた計測対象物に対して、右カラー撮像装置で撮影した輝度データをグラフにしたものであり、(c)は、斜めに置かれた計測対象物に対して、左カラー撮像装置で撮影した色相データをグラフにしたものであり、(d)は、斜めに置かれた計測対象物に対して、右カラー撮像装置で撮影した色相データをグラフにしたものである。 本発明の実施の形態を示すもので、平面状の計測対象物に対して、三次元計測装置を置いた模式図である。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)は、平面状の計測対象物に対して、左カラー撮像装置で撮影した色相データをグラフにしたものあり、(b)は、(a)は、平面状の計測対象物に対して、左カラー撮像装置で撮影した色相データをグラフにしたものである。 本発明の実施の形態を示すもので、平面状の計測対象物に対して、左カラー撮像装置で撮影した色相データと、右カラー撮像装置で撮影した色相データを直角座標に示して、対応点を示したグラフである。 本発明の実施の形態を示すもので、(a)は、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を左カラー撮像装置で撮影した画像であり、(b)は、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を右カラー撮像装置で撮影した画像である。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を左カラー撮像装置で撮影した色相データと、右カラー撮像装置で撮影した色相データを直角座標に示して、動的計画法を用いたマッチングにより評価した結果を表示したものである。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を左カラー撮像装置で撮影した色相データと、右カラー撮像装置で撮影した色相データを動的計画法を用いたマッチングによりステレオ対応付けした結果である。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を動的計画法を用いたマッチングにステレオ対応付けし、距離画像データとして示した画像である。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を動的計画法を用いたマッチングによりステレオ対応付けし、断面形状データとして示したグラフである。 本発明の実施の形態を示すもので、斜めに置かれたブロック状の計測対象物を、動的計画法を用いたマッチングによりステレオ対応付けし、断面形状データを三次元画像として示したものである。 従来の三次元計測装置の全体の構成を示す模式図である。 従来の三次元計測装置において使用する、照射手段から投影されるランダム輝度パターンを示す図である。 従来の三次元計測装置において使用する、照射手段から投影されるランダム輝度パターンを計測対象物に投影し、その一部を拡大した図である。(a)は、左撮像装置で撮影した画像であり、(b)は、右撮像装置で撮影した画像である。 従来の他の三次元計測装置の全体の構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態を図1〜図15に基づき説明する。
本発明の三次元計測装置は、図1に示すように、計測対象物40に対して色相が連続的に変化するパターン光を照射する照射手段である照射装置20と、計測対象物40からの反射光を撮影する撮像手段である一対のカラー撮像装置30と、照射装置20を制御するとともにカラー撮像装置30からのデータを演算する演算手段を有する制御装置50を有する。
一対のカラー撮像装置30は、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32から構成されている。制御装置50は、それぞれ照射装置20とケーブル51で連結され、左カラー撮像装置31とケーブル52で連結され、右カラー撮像装置32ケーブル53で連結されている。
一対のカラー撮像装置30は、照射装置20を挟んで左右又は上下に取付けられることが好ましい。その場合には、一対のカラー撮像装置30の色相データはバランス良く得られるため、それぞれのカラー撮像装置30から得られる計測対象物40の結像位置ずれ(視差)が明確になり、ステレオ対応付けが容易である。
照射装置20は、光源である発光部と、発光部の光を集光する集光レンズと、集光レンズからの光を色相が連続的に変化するパターン光にするプロジェクトパターンと、プロジェクトパターンからの光を計測対象物40に投影する投影レンズから構成される。発光部は、制御装置50からケーブル51を経由して、発光信号が送られる。
照射手段の一部である発光部は、1ショット毎に発光するストロボ発光機を使用することができる。この場合は、計測対象物40である、例えば、平らな平面を有するものや円滑な曲面を有するものを瞬間的に撮影することができ、短時間に計測が容易であり、計測中のぶれも少なくすることができる。また、外乱光による計測データの乱れも防止することができる。発光部の発光は、上述のように制御装置50により制御される。
また、照射手段である発光部は、連続して点灯する点灯ランプ発光機を使用することができる。この場合には、計測対象物40を連続的に撮影することができ、リアルタイムで三次元計測を行うことができる。
図2は、照射装置20から照射されるパターン光を示し、色相が連続的に変化するものである。図2(a)は、図面上はモノクロ画像であるが実際は、赤から紫まで連続的かつ周期的に変化するカラー画像である。図2(b)は、図2(a)のカラー画像を色相に応じてモノクロに変換した画像である。この図2(b)の色相データを0〜1の数値に変換して、グラフ化したものが図2(c)である。色相データは、連続的に、周期的に変化している。ここで、例えば0の値は赤に対応し、1の値は紫に対応させることができる。数値化は、制御装置50にて行う。この数値化により、制御装置50において動的計画法を用いたマッチングを行うことができる。
計測対象物40を撮影する前に、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32の感度特性を補正することが好ましい。この補正は、一度行えば、連続して計測する場合には省略することができる。
その補正は、図7に示すように、予め平面状の計測対象物40に、照射装置20から色相が連続的に変化するパターン光を投影し、一対のカラー撮像装置30である左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32で、計測対象物40からの反射光を撮像する。
その左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32が撮影した撮像の横方向の色相の変化を制御装置50により色相データとして数値化したものを、それぞれ図8(a)と(b)に示す。
この2つの色相データを、横方向の色相の変化として直角座標に表示したものが図9である。上辺に記載した色相データは、左カラー撮像装置31で撮影したものであり、左辺に記載した色相データは、右カラー撮像装置32で撮影したものである。
計測対象物40が平面状であるため、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32の感度特性が同一であれば図9における45度の線Aに対して対称になるはずである。そして、所定の画素の位置から、対応点の左右の対応する色相データを比較することができる。図9において、上辺と左辺のグラフにそれぞれ2つの丸印を付して対応点を示している。
従って、この色相データに基づき、一対のカラー撮像手段である左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32の感度特性を補正する。平面状の計測対象物40を使用するため、2台のカラー撮像装置30の画素間の対応付けを容易にすることができ、2台の左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32の感度特性を容易に補正することができる。
次に、感度特性を補正した左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32を用いて三次元形状の測定を行う。
図1に示すように、照射装置20から照射されたパターン光は、計測対象物40に投影されて、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32で画像が撮影される。図3(a)は、左カラー撮像装置31で撮影された画像であり、図3(b)は、右カラー撮像装置32で撮影された画像である。画像は色相が連続的に変化している。
それぞれ色相データを計測した線を点線で示している。その画像を数値化した色相データについて、画素の横方向の変化を図3(c)と図3(d)にそれぞれ示す。このため、それぞれの左右の画像の画素の色相データを対応付けることができる。図3(c)と図3(d)におけるそれぞれ画素X1とX2の色相データが同じであり、対応しているため、ステレオ対応付けをすることができる。
このとき、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32で撮影された色相は、それぞれケーブル51とケーブル52を経由して制御装置50に送られて、制御装置50により全ての画素について、色相データに変換され、動的計画法を用いたマッチングによりステレオ対応付けが行われて、計測対象物40の計測が行われる。全ての画素単位でマッチングを行うことができ、高精度の計測を行うことができる。本発明では、微妙な色相データの差をステレオ対応付けに活用することができ、画面の全領域について計測することができる。
なお、このとき左カラー撮像装置31と同じ色相データの画素は右カラー撮像装置32に複数存在するが、図4に示すように、動的計画法を用いたマッチングにより順番を考慮したマッチングを行うため、1画素毎にステレオ対応付けをすることができる。即ち、ある範囲における画素毎の色相データの値を順番に比較し、その並びが同一であれば、特定の画素に対して、ステレオ対応付けを行うことができる。図4においては(a)と(b)において1〜8までの8個の画素に対して、順番を考慮したマッチングを行った事例を示し、1画素毎に対応させることができ、最適なステレオ対応付けを行うことができる。
そして、任意の場所における上記のように一対のカラー撮像手段である左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32から得られた一対の撮像画像の色相データを、制御装置50により動的計画法を用いたマッチングを行い演算して、ステレオ対応付けを行う。このステレオ対応付けを計測対象物40の全範囲についておこない、三角測量法を用いて計測対象物40の全体の三次元形状の情報を算出する。
このとき、撮像画像の輝度データではなく、色相データを用いてステレオ対応付けを行うため、反射率の違いを抑えたステレオ対応付けを行うことができる。
すなわち、図5に示すように、計測対象物40が照射装置20に対して傾いて置かれている場合には、左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32が得られる輝度データは左右に対して反射率が異なり、図6(a)、(b)に示すように輝度レベルが異なってしまう。しかしながら、色相データでは反射率が変化しても図6(c)、(d)に示すように左右の色相データを使用するため、正しいステレオ対応付けをすることができる。輝度データを用いる場合に輝度に差が出て、正しいステレオ対応付けをすることができない。
次に、本発明を用いて、長方形のブロックの三次元形状を計測する場合を例にとり説明する。
図10(a)、(b)は、ブロック状の計測対象物40を斜めに置いて、それぞれ左カラー撮像装置31と右カラー撮像装置32が撮影した画像である。画像中の横方向のラインは探索ラインである。この探索ラインにおける数値化された色相データのグラフは、図11の上辺と左辺に示している。上辺が左カラー撮像装置31の色相データであり、左辺が右カラー撮像装置32の色相データである。
この色相情報に基づき動的計画法を用いたマッチングにより対応付けをした結果を図11に示す。図11における黒い部分は対応付けができた部分であり、白い部分は対応付けの誤差が大きい部分である。このようにして、測定された画像について計測対象物40の全面的に動的計画法を用いたマッチングを行う。そして、図12に示すように、ステレオ対応付けの誤差が最短となるルートを辿ることで、この探索ラインのステレオ対応付けを行った。
図12の白線はその最短のラインである。図12の白線の途中に屈曲部があるが、この屈曲部は、計測対象物40であるブロックの両端部である。
全ての探索ラインについて動的計画法を用いたマッチングによるステレオ対応付けを行い、計測対象物40である長方形のブロック画像の全体の三次元計測データを得ることができる。図13に計測結果を画像に表現したもので、計測対象物40のブロックの形状が表現されている。
図13に横方向にラインが示されているが、このラインに沿って計測対象物40の断面形状を示したものが、図14である。図14に示すように、計測対象物40の形状が表現されており、三次元形状が計測できることを示している。
この断面形状の計測を計測対象物40の全体についておこない、図15に計測結果に基づき計測対象物40の三次元形状を表したものである。1回の計測で形態の形状を計測することができる。
1 三次元計測装置
20 照射装置
30 撮像装置
40 計測対象物
50 制御装置

Claims (6)

  1. 計測対象物に対して、色相が連続的に変化するパターン光を投影する照射手段と、
    上記計測対象物からの色相が連続的に変化するパターン光の反射光を撮像する一対のカラー撮像手段と、
    該一対のカラー撮像手段から得られた一対の撮像画像の色相が連続的に変化するパターン光の画素毎の色相データの値を順番に比較し、色相が連続的に変化するパターン光の色相データの並びを動的計画法を用いたマッチングによるステレオ対応付けを行い、三角測量法を用いて三次元形状の情報を算出する演算手段を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
  2. 上記色相データの演算手段は、上記撮像手段により撮像された一対の色相データの任意の点において、ステレオ対応付けを行い、上記計測対象物の全体の三次元形状の情報を算出する演算手段を有する請求項1に記載の三次元形状計測装置。
  3. 予め、平面状の計測対象物に、上記照射手段で色相が連続的に変化するパターンを投影し、上記一対のカラー撮像手段で上記計測対象物からの反射光を撮像して、上記色相データに基づき、上記一対のカラー撮像手段の感度特性を補正する請求項1又は請求項2に記載の三次元形状計測装置。
  4. 上記一対のカラー撮像手段は、上記照射手段を挟んで取付けられた請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の三次元形状計測装置。
  5. 上記照射手段は、ストロボ発光機である請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の三次元形状計測装置。
  6. 上記照射手段は、連続点灯ランプ発光機である請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の三次元形状計測装置。
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