JP5907596B2 - 三次元計測装置、三次元計測方法及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図8は、一般的な三次元形測装置の構成及び計測方法の概念を示す図である。
一般の形状測定装置は、測定物体にパターン光を照射するプロジェクター80と、パターン光の反射パターンを撮像するカメラ81とから構成されている。この構成では、プロジェクター80から被写体82に向けて、明部と暗部とが任意の幅で交互に配置される縞パターン光が投射される。縞パターン光は予め決められた明暗領域の幅が異なる複数のパターン形状があり、これらのパターン形状がおのおの投影され、そのたびにカメラ81によりその反射光が撮像され、画像データとして取得される。
図9は、符号化誤り耐性のあるグレイコードと呼ばれる2進符号の縞パターン光の一例を示す図である。図9においてはいずれも、撮像された反射パターンで黒く観察された部分は0、白く観察された部分は1に対応する。図9(a)に示す例では、全体を2分割し、2つの領域で左から順に1,0と符号化する。図9(b)に示す例では、明部及び暗部の4つの領域を1、0、0、1と符号化し、対応する縞パターン光を照射してその反射パターンを撮像する。さらに、図9(c)に示す例では、8つの領域を1、0、0、1、1、0、0、1と符号化し、対応する縞パターン光を照射してその反射パターンを撮像する。以下、図9(a)〜図9(c)に示す縞パターン光をそれぞれ1bitの縞パターン光、2bitの縞パターン光、3bitの縞パターン光と呼ぶ。このように、各領域に符号化された領域番号が付与され、各領域を判断することができる。図9に示す例では、各領域は左側から順に(1,1,1)、(1,1,0)、(1,0,0)、(1,0,1)、(0,0,1)、(0,0,0)、(0,1,0)、(0,1,1)として判断できる。このようにして3枚の縞パターン光を用いて空間を8分割することができるため、この空間符号化は3bitの空間符号化と呼ばれている。
図1は、本実施形態に係る三次元計測装置100の基本構成例を示すブロック図である。
図1において、三次元計測装置100は、縞パターン光を被写体17に投影するプロジェクター12と、縞パターン光が投影された被写体17を撮像するカメラ13とを備えている。また、縞パターン光の投影や被写体17の撮像を指示したり、生成された画像データを計算処理して三次元計測を行ったりする計算処理部1を備えている。
図2(a)は、本実施形態において、投影する縞パターン光の一例を示す図である。
図2(a)に示す縞パターン光21は、ビット数が3bitのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光であり、以下、ポジパターンと呼ぶ。一方、縞パターン光22は、縞パターン光21の明部と暗部とを反転させた縞パターン光であり、以下、ネガパターンと呼ぶ。図2(a)には、一例として3bitの縞パターン光のポジパターン及びネガパターンを示すが、実際の空間符号化による計測では、プロジェクター12の解像度に応じて、例えば1bitから10bitまでのそれぞれの縞パターン光を投影し、撮影する。例えば、10bitの計測である場合は、撮影枚数は20枚必要となる。
図2(b)において、輝度線23は縞パターン光21を投影して撮像した画像データの輝度線である。一方、輝度線24は縞パターン光22を投影して撮像した画像データの輝度線であり、水平ピクセル座標の相対位置は輝度線23と同じであるものとする。ここで、縞パターン光21の輝度線23及び縞パターン光22の輝度線24は、互いに位置M及び位置Nで交わっているため、位置M及び位置Nを境界位置とする。
図2(c)において、点25、点26はそれぞれ、縞パターン光21を投影して撮影した画像データのs番目、s+1番目の画素である。一方、点27、点28はそれぞれ、縞パターン光22を投影して撮影した画像データのs番目、s+1番目の画素である。そして、点25と点26とを結ぶ線分と、点27と点28とを結ぶ線分との交点29の水平座標を求め、境界位置Nを算出する。ここで、信頼度は勾配とする2直線の交わりで形成される角度φで定義する。
図3は、8bit、9bit、10bitの縞パターン光の形状及びシフトさせた9bitの縞パターン光の形状を示す図である。
図3において、垂直方向は輝度を示し、凸部は明部であり、凹部は暗部である。また、水平方向は画素番号を示している。
図4において、8bitの縞パターン光を画素番号でマイナス方向に1/16、2/16、3/16周期分シフトさせた縞パターン光をそれぞれ8bit−1、8bit−2、8bit−3とする。また、8bitの縞パターン光を画素番号でプラス方向に1/16、2/16、3/16周期分シフトさせた縞パターン光をそれぞれ8bit+1、8bit+2、8bit+3とする。
シフト量=±k/2(L-M+2) ・・・式(1)
但しk=1〜2L-M−1、かつL>M
図5は、本実施形態における三次元計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図5に示す各処理は、CPU10の制御により行われる。
まず、ステップS500において、予め決められたNbitの計測を行うため、プロジェクター12により1bitからNbitまでの縞パターン光のポジパターン及びネガパターンを投影し、カメラ13により撮影を順次行う。このとき、2×N枚の画像データが撮影され、画像メモリ14に記憶される。
第1の実施形態では、ポジパターン及びネガパターンを用いて縞パターン光の信頼度を算出した。これに対して本実施形態では、ポジパターン及びネガパターンを用いずに空間符号化法の信頼度を算出する方法について説明する。なお、本実施形態の三次元計測装置100の基本構成については第1の実施形態と同様であるため、説明は省略する。また、三次元計測の処理手順についても図5と同様であるため、説明は省略する。
図6(a)に示す縞パターン光21は、3bitのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光である。全照明パターン62は、明部のみのパターンであり、全消灯パターン63は暗部のみのパターンである。本実施形態では、3bitの空間符号化を行う場合に、1bitから3bitの縞パターン光と、明部のみの全照明パターン62と、暗部のみの全消灯パターン63とを用いる。
図6(b)において、輝度線23は、縞パターン光21を投影して撮像した画像データの輝度線である。一方、輝度線64は全照明パターン62を投影して撮像した画像データの輝度線であり、輝度線65は全消灯パターン63を投影して撮像した画像データの輝度線である。また、輝度線66は、2つの輝度線64、65の平均値とする。ここで、縞パターン光21の輝度線23及び平均値の輝度線66は、互いに位置M′、位置N′で交わっているため、位置M′、位置N′を境界位置とする。
図6(c)において、点67、点68はそれぞれ縞パターン光21を投影して撮影した画像データのs番目、s+1番目の画素である。また、点69、点70はそれぞれ、全照明パターン62を投影して撮影した画像データのs番目、s+1番目の画素である。さらに、点71、点72はそれぞれ、全消灯パターン63を投影して撮影した画像データのs番目、s+1番目の画素である。
本実施形態では、さらに、第1及び第2の実施形態とは異なる信頼度の算出方法について説明する。なお、本実施形態の三次元計測装置100の基本構成については第1の実施形態と同様であるため、説明は省略する。また、三次元計測の処理手順についても図5と同様であるため、説明は省略する。
図7に示すように、縞パターン光の輝度の上限値及び下限値を求め、それぞれLmax、Lminとする。本実施形態では、この上限値及び下限値の差分値として輝度差D=Lmax−Lminを求め、その輝度差Dを信頼度と定義する。なお、輝度差Dの代わりに、以下の式(2)から算出されるコントラスト比を信頼度と定義してもよい。コントラスト比は、
C=(Lmax−Lmin)/(Lmax+Lmin) ・・・式(2)
本発明は、被写体の材質による縞パターン光のぼけに対しても有効である。被写体の材質が半透明体や多孔質などの場合、投影された縞パターン光が表面近傍で内部散乱を起こし、縞パターン光がぼける。その現象が発生した際にも、第1から第3の実施形態で示した信頼度を用いて、信頼できる縞パターン光をシフトさせることにより所望の計測密度で距離計測を行うことが可能である。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
12 プロジェクター
13 カメラ
15 信頼度算出部
16 計測処理部
Claims (10)
- 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影手段と、
前記投影手段によって前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影手段と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出手段と、
前記撮影手段によって撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得手段と、
を有し、
前記算出手段によって算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影手段は、前記算出手段により算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影手段は、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得手段は、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とする三次元計測装置。 - 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影手段と、
前記投影手段によって前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影手段と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出手段と、
前記撮影手段によって撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得手段と、
を有し、
前記算出手段によって算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影手段は、前記算出手段により算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置が、前記信頼度が閾値よりも小さい反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置と一致するように、前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影手段は、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得手段は、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とする三次元計測装置。 - 前記算出手段は、前記明暗領域が反転している境界位置での輝度値の勾配に基づいた信頼度を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元計測装置。
- 前記算出手段は、前記明暗領域の輝度値を算出し、前記算出した輝度値の上限値と下限値との差分、またはコントラスト比に基づいた信頼度を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元計測装置。
- 前記取得手段は、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに対応する前記被写体の距離情報を用いて、前記信頼度が閾値未満の縞パターンに対応する距離情報の代わりとすることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 前記所定の周期は、計測に必要とする縞パターンのビット数をLと、前記信頼度が閾値以上の縞パターンの最大ビット数をMとした場合に、±k/2(L-M+2)(k=1〜2L-M−1)となる量であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の三次元計測装置。
- 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影工程と、
前記投影工程において前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影工程と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出工程と、
前記撮影工程において撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得工程と、
を有し、
前記算出工程において算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影工程においては、前記算出工程において算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とする三次元計測方法。 - 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影工程と、
前記投影工程において前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影工程と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出工程と、
前記撮影工程において撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得工程と、
を有し、
前記算出工程において算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影工程においては、前記算出工程において算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置が、前記信頼度が閾値よりも小さい反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置と一致するように、前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とする三次元計測方法。 - 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影工程と、
前記投影工程において前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影工程と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出工程と、
前記撮影工程において撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得工程と、
をコンピュータに実行させ、
前記算出工程において算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影工程においては、前記算出工程において算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とするプログラム。 - 明暗領域を含む複数の縞パターンを被写体に投影する投影工程と、
前記投影工程において前記複数の縞パターンが投影された被写体からの反射光を撮影する撮影工程と、
前記複数の反射光に対する信頼度を算出する算出工程と、
前記撮影工程において撮影された複数の反射光に基づいて、前記被写体の距離情報を取得する取得工程と、
をコンピュータに実行させ、
前記算出工程において算出された信頼度が閾値よりも小さい反射光があった場合には、前記投影工程においては、前記算出工程において算出された信頼度が前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置が、前記信頼度が閾値よりも小さい反射光に対応する縞パターンの明暗の境界位置と一致するように、前記閾値以上となる反射光に対応する縞パターンを所定の周期分シフトさせた縞パターンを前記被写体に投影し、
前記撮影工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンの反射光を撮影し、
前記取得工程においては、前記所定の周期分シフトさせた縞パターンに基づいて、前記被写体の距離情報を取得することを特徴とするプログラム。
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