JP5995484B2 - 三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、及びプログラムに関し、特に、被検物にパターン光を投影しこれを撮像することで被検物の三次元形状データを取得するために用いて好適なものである。

被検物にマーカーとなるパターン光を投影し、これを撮像することで被検物の三次元形状データを取得する三次元形状測定方法はよく知られた技術である。
この技術において重要な要素は、投影したパターン光を撮像し、撮像した画像の中における、マーカーの位置を正確に算出することである。
例えば、非特許文献１には、相補パターン投影法と呼ばれるものの原理が紹介されており、特許文献１においても同じ方法が用いられている。
相補パターン投影法とは、具体的には、明暗が相互に反転しており、被検面上に相補的な照度分布を形成する二種類のパターン光を被検面に投影し、それらのパターン光の明暗が交差する点をマーカーとして利用するものである。

特開２００９‐４２０１５号公報

電子情報通信学会論文誌 Ｄ，Ｖｏｌ．Ｊ７１−Ｄ，Ｎｏ．７，ｐｐ．１２４９−１２５７

しかしながら、従来このような方法では、二種類のパターン光の投影、撮像時において、環境光の強度が変化した場合、マーカーの位置の算出にエラーが発生する虞があるという問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被検物に対して投影した、明暗が相互に反転している二種類のパターン光の明暗が交差する点を、環境光に変化があっても正確に検出できるようにすることを目的とする。

本発明の三次元形状測定装置は、明部と暗部とを有する第１のパターンと、前記第１のパターンに対し、明部と暗部との関係が反転した関係にある第２のパターンとを、被検物に投影する投影手段と、前記被検物を撮像することにより得られる、前記第１のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第１の輝度分布と、前記第２のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第２の輝度分布と、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが投影されない状態の画像における前記被検物の第３の輝度分布とをそれぞれ取得する輝度分布取得手段と、前記第１の輝度分布、前記第２の輝度分布、および前記第３の輝度分布に基づいて、前記第１の輝度分布が得られたときと前記第２の輝度分布が得られたときとの環境光の輝度の変化分の分布である第４の輝度分布を導出する輝度分布導出手段と、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布と、の交点を導出する交点導出手段と、前記交点に基づいて、前記被検物の三次元形状を導出する三次元形状導出手段と、を有し、前記交点導出手段は、前記第４の輝度分布を用いて、前記第１の輝度分布に含まれる環境光による成分と、前記第２の輝度分布に含まれる環境光による成分とを略等しくした状態で、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布との交点を導出することを特徴とする。

本発明によれば、被検物に対して投影した、明暗が相互に反転している二種類のパターン光の明暗が交差する点を、環境光に変化があっても正確に検出することができる。

三次元形状測定装置の構成を示す図である。 パターン光Ａ、Ｂに対応する、各画素の明暗の状態を示す図である。 相補な関係にある２つのパターン光の照度分布を示す図である。 高周波成分が欠落したパターン光の照度分布を示す図である。 相補な関係にある２つのパターン光の照度分布の別の例を示す図である。 一様な照明光を投影した場合に得られる被検物の輝度分布を示す図である。 パターン光Ａ、Ｂのみによる被検物の輝度分布を示す図である。 外光のみによる被検物の輝度分布を示す図である。 相補なパターン光のみによる輝度分布と外光のみによる輝度分布とを加算した輝度分布を示す図である。 相補なパターン光による輝度分布の差分を示す図である。 パターン光Ｂを投影した場合の被検物の輝度分布と、その表示区間における平均値とを示す図である。 パターン光Ａを投影した場合の被検物の輝度分布と、その表示区間における平均値とを示す図である。 外光のみの被検物の輝度分布を示す図である。 パターン光Ｂによる補正後の輝度分布を示す図である。 相補なパターン光による補正後の輝度分布の差分を示す図である。 三次元形状測定装置による処理の第１の例を示すフローチャートである。 三次元形状測定装置による処理の第２の例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、三次元形状測定装置の代表的な構成の一例を示す図である。
図１において、投影部１は、液晶パネル３と、液晶パネル３を照明する照明部２と、液晶パネル３の像を、被検面６の近傍に配置された被検物７上に投影する撮像光学系４と、を有する。
投影部１は、後述する投影撮像制御部２０からの指令によって、所定のパターン光を被検物７上に投影する（図１の投影光速５を参照）。

撮像部８は、撮像素子１０と、被検物７上に投影されたパターン光を、撮像素子１０上に輝度分布として結像し撮像させる撮像光学系９と、を有する。
撮像部８は、後述する投影撮像制御部２０からの指令によって、撮像動作を行い、撮像素子１０上の輝度分布を、撮像素子１０で離散的にサンプリングされた階調分布として、後述する階調交点算出部２１に出力する（図１の撮像光速１１を参照）。
投影撮像制御部２０は、投影部１に対して、所定のタイミング又はユーザにより指示されたタイミングで、所定のパターン光を被検物７に投影することを指示すると共に、撮像部８に対して、被検物７上のパターン光を撮像することを指示する。
階調交点算出部２１は、被検物７上に２種類のパターン光が投影された際の輝度分布の交点を算出する。
三次元形状導出部２２は、階調交点算出部２１により算出された交点をマーカーとし、２種類のパターン光が投影された際の輝度分布に基づいて、被検物７の三次元形状を導出する。尚、被検物７の三次元形状を導出する手法は、公知の技術で実現されるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

三次元形状測定装置は、図示しない環境照明の元に設置されている。よって、被検物７の撮像により得られる輝度分布は、投影されたパターン光の輝度分布に、当該環境照明による輝度分布が加わった輝度分布である。
投影撮像制御部２０は、少なくとも二種類のパターン光Ａ、Ｂを順番に投影することを、投影部１に対して指示する。そうすると、投影部１は、投影が指示されたパターン光Ａ、Ｂを被検物７に投影する。そして、投影撮像制御部２０は、パターン光Ａ、Ｂが投影された被検物７の撮像を、撮像部８に対して指示する。そうすると、撮像部８は、パターン光Ａ、Ｂが投影されたときの被検物７の撮像をそれぞれ行う。

図２は、パターン光Ａ、Ｂに対応する、液晶パネル３の各画素の明暗の状態の一例を示す図である。具体的に図２（Ａ）は、パターン光Ａに対応する、液晶パネル３の各画素の明暗の状態の一例を示す図であり、図２（Ｂ）は、パターン光Ｂに対応する、液晶パネル３の各画素の明暗の状態の一例を示す図である。

図２において、白が明部、黒が暗部である。パターン光Ａ、Ｂは、明部と暗部とが交互に繰り返し存在するパターンを有する。そして、パターン光Ａ、Ｂでは、明暗が反転している（パターン光Ａで明部の領域は、パターン光Ｂでは暗部の領域となり、パターン光Ａで暗部の領域は、パターン光Ｂでは明部の領域となる）。これにより被検面６上に相補的な照度分布が形成される。
本発明においては、相補なパターン光とは、同じ照度分布の周期的パターンが半位相（半周期）ずれたものを指している。

図３は、相補な関係にある２つのパターン光の照度分布の一例を示す図である。図３〜図５において、横軸は、投影対象である被検物７上の位置であり、縦軸は、被検物７に投影されるパターン光の照度を、照度分布（投影パターン）の最大照度で正規化した値である。
図３において、実線がパターン光Ａの照度分布を示し、破線がパターンＡとは相補な関係にあるパターン光Ｂの照度分布を示す。前述したように、２つのパターン光Ａ、Ｂは、それぞれ周期的に明暗を繰り返しており、明部と暗部とが入れ替わる、いわゆる半位相ずれた関係を有する。

図３に示すパターン光の照度分布では、照度の変化が直線的である。このようなパターン光は、お互いのパターン光の明暗の交点を算出する投影パターンとしては理想的なパターン光である。しかしながら、現実には、撮像光学系４の結像特性、パターンを表示する液晶デバイス、或いはスライド等の性能により、パターン光の高周波成分が欠落することが一般的である。
図４は、そのような高周波成分が欠落したパターン光の照度分布の一例を示す図である。図４に示す照度分布は、図３における照度分布から、高周波成分を欠落させて結像することで形成される。

図５は、相補な関係にある２つのパターン光の照度分布のさらに別の一例を示す図である。図５に示す照度分布を得るには、例えば、特願２０１１−１５２３４２号明細書に記載された技術を用いることができる。図５においても図３、図４と同様に、実線がパターン光Ａの照度分布を示し、波線がパターン光Ｂの照度分布を示している。また、２つのパターン光Ａ、Ｂは、それぞれ周期的に明暗を繰り返しており、明暗の位相が半位相ずれた関係となっている。

図３及び図４に示す照度分布では、明暗の幅が等しく、且つ、２つのパターン光Ａ、Ｂの交点が、振幅の中点にある。これに対し、図５に示す照度分布では、明部の幅が暗部の幅に対して狭く設定されており、その結果、２つのパターン光Ａ、Ｂの交点は、振幅の中点よりも照度が小さい位置に存在する。

相補なパターン光は、明暗のパターンと、その周期は同一であるが、位相が半位相ずれたものである。よって、相補なパターン光は、数学的には、Ｎ（Ｎは正の整数）周期の照度の平均値が等しいパターンであり、実用上は多周期が含まれる範囲において、照度の平均値が等しくなる性質を有している。
次に、被検物７上にパターン光Ａ、Ｂを投影した場合に撮像される画像の輝度分布について説明する。
図６は、投影部１によって一様な照度の照明光を投影した場合に得られる被検物７の輝度分布の一例を示す図である。図６〜図８において、縦軸は、被検物７の画像の輝度に相当し、横軸は、投影対象である被検物７上の位置を示す。 図６〜図８における輝度分布の変化は、被検物７の表面の反射率に起因するものである。

図７は、図４に示した照度分布を有する相補なパターン光（パターン光Ａ、Ｂ）を、図６に示した輝度分布を得た被検物７と同じ被検物７に投影した場合に得られる被検物７の輝度分布を示す図である。図７において、実線が、パターン光Ａを投影した場合に得られる被検物７の輝度分布を示し、破線が、パターン光Ｂを投影した場合に得られる被検物７の輝度分布を示す図である。

図８は、外光による被検物７の輝度分布の一例を示す図である。ここでは説明の簡略化の為、被検物７の反射率とは無関係に、図８で示した光量だけ輝度が増加するとする。
図９は、相補なパターン光の投影のみにより得られる被検物７の輝度分布（図７）に、外光のみによる被検物７の輝度分布（図８）を加算した輝度分布を示す図である。
図９において、実線は、図７に示すパターン光Ａの投影により得られた被検物７の輝度分布（実線）に、図８に示す実線の輝度分布（パターン光Ａを投影したときの外光による被検物７の輝度分布）が加わったものである。一方、破線は、図７に示すパターン光Ｂの投影により得られた被検物７の輝度分布（破線）に、図８に示す破線の輝度分布（パターン光Ｂを投影したときの外光による被検物７の輝度分布）が加わったものである。

相補なパターン光を用いた測距方法においては、２つのパターン光の輝度の同一となる位置（以下、この位置を必要に応じて「輝度交点」或いは「交点」と称する）をマーカーとして用いることが基本である。ところが、外光による画像の輝度成分が含まれない「図７に示す輝度分布」おける交点と、２つのパターン光の間で異なる外光による輝度成分が含まれる「図９に示す輝度分布」おける交点とでは、明らかにその位置が異なる。

図１０は、相補なパターン光による輝度分布の差分を示す図である。図１０は、相補なパターン光による輝度分布の交点の位置を示すためのものであり、その交点は、図中で輝度差０の横軸と曲線との交点で示される。
図１０において、実線は、パターン光Ｂを投影した場合に得られる被検物７の輝度分布から、パターン光Ａを投影したときの外光による被検物７の輝度分布を減じたものである（図７の破線の輝度分布から実線の輝度分布を減じたものである）。一方、破線は、パターン光Ｂを投影したときの外光による被検物７の輝度分布から、パターン光Ａを投影したときの外光による被検物７の輝度分布を減じたものである（図９の破線の輝度分布から実線の輝度分布を減じたものである）。

図１０から明らかなように、パターン光Ａを投影したときとパターン光Ｂを投影したときとで外光による輝度成分が変化することにより、本来の交点である、実線と０点とが交わる点とは異なった位置に、破線と０点とが交わる位置が移動している。
尚、図７では、外光が含まれない場合の輝度分布を示した。パターン光Ａを投影したときとパターン光Ｂを投影したときとで同量の外光が含まれている場合、即ち外光の時間変動が無い場合には、図７に示す輝度分布の差分をとることにより、外交成分は相殺され、その結果は、図１０に示す実線と等しくなる。

図１１は、図９に示した輝度分布であって、パターン光Ｂを投影した場合の被検物７の輝度分布（破線）と、その表示区間（所定範囲）における平均値とを示す図である。図１１において、当該平均値は１３０．７である。
図１２は、図９に示した輝度分布であって、パターン光Ａを投影した場合の被検物７の輝度分布（実線）と、その表示区間（所定範囲）における平均値とを示す図である。図１２において、当該平均値は１０５．６である。
パターン光Ａを投影した場合の被検物７の輝度分布の平均値と、パターン光Ｂを投影した場合の被検物７の輝度分布の平均値には、２５．１（１３０．７−１０５．６）の差が発生している。

パターン光Ａと、パターン光Ｂは、相補なパターンであり、位相が半位相ずれている以外は同じ照度分布を持つ。このため、それらの平均値は等しい。したがって、パターン光Ａ、Ｂを被検物７に投影した場合の、その反射光の平均値も、略等しいと期待できる。 よって、前述した平均値の差（＝２５．１）の値は、それぞれのパターン光Ａ、Ｂを照射したときの外光成分に起因すると考えられる。
そこで、前述した平均値の差をなくす（０（ゼロ）にする）ためには、その差に等しい外光分布を、パターン光Ａ、Ｂを投影した場合の被検物７の輝度分布の何れかに加減（加算または減算）すればよい。

図１３は、相補なパターン光の投影を行わずに、外光成分のみの被検物７の輝度分布の一例を示す図である。破線が、外光成分のみの被検物７の輝度分布を示し、一点鎖線が、その表示区間（所定範囲）における平均値を示す。当該平均値は８３．３であった。
外光成分のみの被検物７の輝度分布は、図１３に示した分布を維持しつつ時間と共に変動するとする。そうすると、前述した平均値の差（＝２５．１）を０（ゼロ）にするために、パターンＡを投影した際の被検物７の輝度分布とパターンＢを投影した際の被検物７の輝度分布とで等しい平均値になるようにする。そのために、図１３に外光による輝度分布を縮小して、図１１に示したパターン光Ｂによる輝度分布から減ずる。
ここで、２５．１／８３．３＝０．３０であるから、図１１に示したパターン光Ｂによる輝度分布から、図１３に示した外光による輝度分布（破線）に０．３０を乗じたものを減ずる。
図１４は、このようにして算出された、パターン光Ｂによる補正後の輝度分布の一例を示す図である。図１４の一点鎖線に示すように、パターン光Ｂによる補正後の輝度分布の平均値は、パターン光Ａによる輝度部プログラムの平均値（図１２の一点鎖線を参照）と等しくなっている。

輝度交点の算出は、図１２に示したパターン光Ａによる輝度分布と、図１４に示したパターン光Ｂによる輝度分布との差分をとり、その差分の値が０となる被検物７上の座標を求めることで行われる。
図１５は、相補なパターン光による輝度分布の差分の一例を示す図である。図１５において、実線は、相補なパターン光の間で外光成分に差が無い場合、又は外光が無い場合を示し、図１０に示した実線に等しい。一方、破線は、相補なパターン光の間で外光成分に差が生じた場合であって、本実施形態の手法を適用した場合を示し、図１２に示したパターン光Ａによる輝度分布と図１４に示したパターン光Ｂによる補正後の輝度分布との差分の分布である。尚、図１５では、０点をよぎる位置の差が判りやすいように、便宜上、実線、破線とで符号が逆転するようにプロットしている。
図１５に示すように、図１０に示した本実施形態の手法を適用しない場合（パターン光Ｂによる輝度分布を補正しない場合）の差分の分布に対して、パターン光Ａによる輝度が０となる位置との差が大幅に小さくなることが分かる。

図１６は、本実施形態の三次元形状測定装置による処理の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１６０１において、投影部１は、投影撮像制御部２０からの指令により、パターン光Ａを、第１のパターン光の一例として被検物７上に投影する（第１の投影を行う）。
次に、ステップＳ１６０２において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Ａが投影された被検物７の輝度分布Ｌ１を、第１の輝度分布の一例として取得する（第１の輝度分布取得を行う）。

次に、ステップＳ１６０３において、投影部１は、投影撮像制御部２０からの指令により、パターン光Ｂを、第２のパターン光の一例として被検物７上に投影する（第２の投影を行う）。
次に、ステップＳ１６０４において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Ｂが投影された被検物７の輝度分布Ｌ２を、第２の輝度分布の一例として取得する（第２の輝度分布取得を行う）。

次に、ステップＳ１６０５において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、外光（環境光）成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀を、第３の輝度分布の一例として取得する（第３の輝度分布取得を行う）。
次に、ステップＳ１６０６において、階調交点算出部２１は、パターン光Ａが投影された被検物７の輝度分布Ｌ１の平均値Ａｖｅ（Ｌ１）を算出する。
次に、ステップＳ１６０７において、階調交点算出部２１は、パターン光Ｂが投影された被検物７の輝度分布Ｌ２の平均値Ａｖｅ（Ｌ２）を算出する。

次に、ステップＳ１６０８において、階調交点算出部２１は、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀の平均値Ａｖｅ（Ｌ₀）を算出する。
次に、ステップＳ１６０９において、階調交点算出部２１は、被検物７の輝度分布Ｌ２の平均値Ａｖｅ（Ｌ２）から被検物７の輝度分布Ｌ１の平均値Ａｖｅ（Ｌ１）を減算して、これらの差分ｅ（＝Ａｖｅ（Ｌ２）−Ａｖｅ（Ｌ１））を算出する。
次に、ステップＳ１６１０において、階調交点算出部２１は、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の平均値の差分ｅを、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀の平均値Ａｖｅ（Ｌ₀）で割って、外光の成分差η（＝ｅ／Ａｖｅ（Ｌ₀））を算出する。

次に、ステップＳ１６１１において、階調交点算出部２１は、被検物７の輝度分布Ｌ２から、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に外光の成分差ηを乗じた値を減算して、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ２´（＝Ｌ２−ηＬ₀）を算出する。
次に、ステップＳ１６１２において、階調交点算出部２１は、被検物７の輝度分布Ｌ１と、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ２´との交点Ｐを算出する（交点導出を行う）。
最後に、ステップＳ１６１３において、三次元形状導出部２２は、被検物７の輝度分布Ｌ１と、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ２´との交点Ｐをマーカーとして用いて、被検物７の三次元形状を導出する（三次元形状導出を行う）。

以上のように本実施形態では、明部と暗部のパターンが反転したパターン光Ａ、Ｂを被検物７に投影し、それぞれにおける被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２と、その平均値Ａｖｅ（Ｌ１）、Ａｖｅ（Ｌ２）を算出する。それらの平均値の差ｅが０（ゼロ）になるように、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数ηを乗じた輝度分布を、パターン光Ｂを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ２から減算してその補正値Ｌ２´を算出する。そして、パターン光Ａを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ１と、パターン光Ｂを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ２の補正値Ｌ２´との交点を導出する。このようにすることによって、パターン光Ａを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ１に含まれる外光成分と、パターン光Ｂを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ２に含まれる外光成分との差を小さくすることができる。よって、パターン光Ａを被検物７に投影したときと、パターン光Ｂを被検物７に投影したときとで、外光（環境光）に変化があっても、パターン光Ａ、Ｂを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ１、Ｌ２の明暗が交差する点を正確に検出することができる。

本実施形態では、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数ηを乗じた輝度分布を、パターン光Ｂを被検物７に投影して得られた輝度分布Ｌ２から減算してその補正値Ｌ２´を算出するようにした。しかしながら、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の平均値Ａｖｅ（Ｌ１）、Ａｖｅ（Ｌ２）が等しくなるように、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数を乗じた輝度分布を、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の何れか一方に対して加減していればよい。
例えば、ステップＳ１６０９において、差分ｅ（＝Ａｖｅ（Ｌ１）−Ａｖｅ（Ｌ２））を算出する。そして、ステップＳ１６１１において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ１´（＝Ｌ１−ηＬ₀）を算出し、ステップＳ１６１２において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ１´と、被検物７の輝度分布Ｌ２との交点Ｐを算出することができる。
また、ステップＳ１６０９において、差分ｅ（＝Ａｖｅ（Ｌ１）−Ａｖｅ（Ｌ２））を算出する。そして、ステップＳ１６１１において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ２´（＝Ｌ２＋ηＬ₀）を算出し、ステップＳ１６１２において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ２´と、被検物７の輝度分布Ｌ１との交点Ｐを算出することができる。
また、ステップＳ１６０９において、差分ｅ（＝Ａｖｅ（Ｌ２）−Ａｖｅ（Ｌ１））を算出する。そして、ステップＳ１６１１において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ１´（＝Ｌ１＋ηＬ₀）を算出し、ステップＳ１６１２において、被検物７の輝度分布の補正値Ｌ１´と、被検物７の輝度分布Ｌ２との交点Ｐを算出することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の平均値Ａｖｅ（Ｌ１）、Ａｖｅ（Ｌ２）が等しくなるように、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数を乗じた輝度分布を、被検物７の輝度分布Ｌ２から減算する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の差分である差分分布の平均値が０（ゼロ）となるように、当該差分分布に対し、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数を乗じた輝度分布を加減する。このように本実施形態と第１の実施形態とでは、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の交点を求める際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図１６に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。

本実施形態では、パターン光Ｂを投影した場合に得られる被検物７の輝度分布Ｌ２から、パターン光Ａを投影した場合に得られる被検物７の輝度分布Ｌ１を減算して差分分布を求める。この差分分布は、図１０の破線で示した形となる。この差分分布の平均値を算出すれば、それは、パターン光Ａを投影したときの被検物７の輝度分布Ｌ１と、パターン光Ｂを投影したときの被検物７の輝度分布Ｌ２の各々の平均値の差に等しくなる。よって、本実施形態では、この平均値の差を０とするように、外光による輝度分布Ｌ₀に係数を掛けたものを、差分分布から減算する。

図１７は、本実施形態の三次元形状測定装置による処理の一例を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１７０１において、投影部１は、投影撮像制御部２０からの指令により、パターン光Ａを、第１のパターン光の一例として被検物７上に投影する（第１の投影を行う）。
次に、ステップＳ１７０２において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Ａが投影された被検物７の輝度分布Ｌ１を、第１の輝度分布の一例として取得する（第２の輝度分布取得を行う）。

次に、ステップＳ１７０３において、投影部１は、投影撮像制御部２０からの指令により、パターン光Ｂを、第２のパターン光の一例として被検物７上に投影する（第２の投影を行う）。
次に、ステップＳ１７０４において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Ｂが投影された被検物７の輝度分布Ｌ２を、第２の輝度分布の一例として取得する（第２の輝度分布取得を行う）。
次に、ステップＳ１７０５において、撮像部８は、投影撮像制御部２０からの指令により、撮像動作を行い、外光（環境光）成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀を、第３の輝度分布の一例として取得する（第３の輝度分布取得を行う）。

次に、ステップＳ１７０６において、階調交点算出部２１は、パターン光Ｂが投影された被検物７の輝度分布Ｌ２から、パターン光Ａが投影された被検物７の輝度分布Ｌ１を減算して差分分布Ｓ（＝Ｌ２−Ｌ１）を求める。
次に、ステップＳ１７０７において、階調交点算出部２１は、差分分布Ｓの平均値Ａｖｅ（Ｓ）を算出する。
次に、ステップＳ１７０８において、階調交点算出部２１は、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀の平均値Ａｖｅ（Ｌ₀）を算出する。

次に、ステップＳ１７０９において、階調交点算出部２１は、差分分布Ｓの平均値Ａｖｅ（Ｓ）を、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀の平均値Ａｖｅ（Ｌ₀）で割って、外光の成分差η（＝Ａｖｅ（Ｓ）／Ａｖｅ（Ｌ₀））を算出する。
次に、ステップＳ１７１０において、階調交点算出部２１は、差分分布Ｓから、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に外光の成分差ηを乗じた値を減算して、差分分布の補正値Ｓ´（＝Ｓ−ηＬ₀）を算出する。
次に、ステップＳ１７１１において、階調交点算出部２１は、差分分布の補正値Ｓ´において輝度が０となる点（０点）Ｑを求める（交点導出を行う）。
最後に、ステップＳ１７１２において、三次元形状導出部２２は、差分分布の補正値Ｓ´において輝度が０となる点（０点）Ｑをマーカーとして用いて、被検物７の三次元形状を導出する（三次元形状導出を行う）。

以上のようにしても第１の実施形態で説明したのと同じ効果を得ることができる。
本実施形態では、ステップＳ１７０６において、パターン光Ｂが投影された被検物７の輝度分布Ｌ２から、パターン光Ａが投影された被検物７の輝度分布Ｌ１を減算して差分分布Ｓを算出した。そして、ステップＳ１７１０において、この差分分布Ｓから、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に外光の成分差ηを乗じた値を減算して、差分分布の補正値Ｓ´（＝Ｓ−ηＬ₀）を算出した。しかしながら、被検物７の輝度分布Ｌ１、Ｌ２の差分である差分分布の平均値が０（ゼロ）となるように、当該差分分布に対し、外光成分のみの被検物７の輝度分布Ｌ₀に係数を乗じた輝度分布を加減していればよい。すなわち、ステップＳ１７０６において、差分分布Ｓ（＝Ｌ１−Ｌ２）を求め、ステップＳ１７１０において、差分分布の補正値Ｓ´（＝Ｓ−ηＬ₀）を算出するようにしてもよい。

尚、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

（その他の実施例）
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、まず、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェア（コンピュータプログラム）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する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）が当該コンピュータプログラムを読み出して実行する。

１ 投影部、８ 撮像部、２１ 階調交点算出部

Claims (7)

1. 明部と暗部とを有する第１のパターンと、前記第１のパターンに対し、明部と暗部との関係が反転した関係にある第２のパターンとを、被検物に投影する投影手段と、
   前記被検物を撮像することにより得られる、前記第１のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第１の輝度分布と、前記第２のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第２の輝度分布と、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが投影されない状態の画像における前記被検物の第３の輝度分布とをそれぞれ取得する輝度分布取得手段と、
   前記第１の輝度分布、前記第２の輝度分布、および前記第３の輝度分布に基づいて、前記第１の輝度分布が得られたときと前記第２の輝度分布が得られたときとの環境光の輝度の変化分の分布である第４の輝度分布を導出する輝度分布導出手段と、
   前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布と、の交点を導出する交点導出手段と、
   前記交点に基づいて、前記被検物の三次元形状を導出する三次元形状導出手段と、を有し、
   前記交点導出手段は、前記第４の輝度分布を用いて、前記第１の輝度分布に含まれる環境光による成分と、前記第２の輝度分布に含まれる環境光による成分とを略等しくした状態で、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布との交点を導出することを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記交点導出手段は、前記第１の輝度分布の所定範囲における平均値と、前記第２の輝度分布の所定範囲における平均値とが略等しくなるように、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布と、の何れか一方に対して、前記第４の輝度分布を加算または減算し、当該加算または減算した後の輝度分布を用いて前記交点を導出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記第４の輝度分布は、前記第３の輝度分布に係数を乗じた輝度分布であり、
   前記係数は、前記第１の輝度分布の所定範囲における平均値と、前記第２の輝度分布の所定範囲における平均値との差分を、前記第３の輝度分布の所定範囲における平均値で割った値であることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記交点導出手段は、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布との、所定範囲における差分である差分分布の平均値が略ゼロとなるように、前記差分分布に対して、前記第４の輝度分布を加算または減算し、当該加算または減算した後の差分分布を用いて前記交点を導出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記第４の輝度分布は、前記第３の輝度分布に係数を乗じた輝度分布であり、
   前記係数は、前記差分分布の所定範囲における平均値を、前記第３の輝度分布の所定範囲における平均値で割った値であることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
6. 明部と暗部とを有する第１のパターンを、被検物に投影する第１の投影工程と、
   前記第１のパターンに対し、明部と暗部との関係が反転した関係にある第２のパターンを、前記被検物に投影する第２の投影工程と、
   前記被検物を撮像することにより得られる、前記第１のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第１の輝度分布を取得する第１の輝度分布取得工程と、
   前記被検物を撮像することにより得られる、前記第２のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第２の輝度分布を取得する第２の輝度分布取得工程と、
   前記被検物を撮像することにより、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが投影されない状態の画像における前記被検物の第３の輝度分布とをそれぞれ取得する第３の輝度分布取得工程と、
   前記第１の輝度分布、前記第２の輝度分布、および前記第３の輝度分布に基づいて、前記第１の輝度分布が得られたときと前記第２の輝度分布が得られたときとの環境光の輝度の変化分の分布である第４の輝度分布を導出する輝度分布導出工程と、
   前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布と、の交点を導出する交点導出工程と、
   前記交点に基づいて、前記被検物の三次元形状を導出する三次元形状導出工程と、を有し、
   前記交点導出工程は、前記第４の輝度分布を用いて、前記第１の輝度分布に含まれる環境光による成分と、前記第２の輝度分布に含まれる環境光による成分とを略等しくした状態で、前記第１の輝度分布と、前記第２の輝度分布との交点を導出することを特徴とする三次元形状測定方法。
7. コンピュータを、請求項１乃至５の何れか１項に記載の三次元形状測定装置の各手段として機能させることを特徴とするプログラム。

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