JP6104662B2 - 計測装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、計測装置、方法及びプログラムに関する。

金属のようなテクスチャが無い対象面の３次元形状を計測する手法として、位相をずらした複数の正弦波パタンを当該対象面に投影し、当該複数の正弦波パタンが投影されている当該対象面の画像を撮影し、当該画像内の複数の正弦波パタンから位相を算出し、当該対象面の３次元形状を計測する位相シフト法が知られている。

また、位相をずらした複数の正弦波パタンに、カラーチャンネル毎に位相をずらしたＲＧＢパタンを用いることで、複数の正弦波パタンを１度に対象面に投影し、当該対象面の３次元形状を計測する技術も知られている。

特開２０１０−２８１７７８号公報

上述したような従来技術では、対象面が平滑であり、投影されたパタンを十分に反射可能であれば、当該対象面の３次元形状を計測できる。しかしながら、投影されたパタンを対象面が十分に反射できない場合、当該対象面に投影されたパタンを撮影した画像から、当該パタンの位相を正しく算出することができないことがある。このような場合、当該対象面の３次元形状を計測することができない。

本発明が解決しようとする課題は、反射特性に欠ける部分が含まれる計測対象についても３次元形状を計測可能な計測装置、方法及びプログラムを提供することである。

実施形態の計測装置は、第１算出部と、第２算出部と、を備える。第１算出部は、周期性のある第１パタンと第１模様とが重畳され、前記第１パタンの周期毎に前記第１模様が少なくとも１つ配置された第１パタンが投影されている対象を撮影した画像内の前記第１模様と投影に用いた前記第１模様とのマッチングを行い、前記マッチングの結果及び投影に用いた前記第１パタンの第１位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンの第２位相値を算出し、前記第１位相値及び前記第２位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応を算出する。第２算出部は、前記対応から、位相シフト法を用いて、前記対象の３次元形状を計測する。

第１実施形態の計測装置の例を示す構成図。 第１実施形態のＲＧＢ各チャンネルの正弦波パタンの例を示す図。 第１実施形態のランダムパタンの例を示す図。 第１実施形態の重畳パタンの例を示す図。 第１実施形態の領域分け結果の例を示す図。 第１実施形態の位相値の変換手法の例を示す説明図。 第１実施形態の処理例を示すフローチャート。 第２実施形態の計測装置の例を示す構成図。 第３実施形態の計測装置の例を示す構成図。 第３実施形態の処理例を示すフローチャート。 各実施形態及び変形例の計測装置のハードウェア構成例を示す図。

以下、添付図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の計測装置１の一例を示す構成図である。図１に示すように、計測装置１は、記憶部１１と、選択部１３と、投影部１５と、撮影部１７と、第１算出部１９と、第３算出部２１と、第２算出部２３と、出力部２５とを、備える。

記憶部１１は、計測装置１で実行される各種プログラムや計測装置１で行われる各種処理に使用されるデータなどを記憶する。記憶部１１は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、メモリカード、光ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）などの磁気的、光学的、又は電気的に記憶可能な記憶装置により実現できる。

選択部１３、第１算出部１９、第３算出部２１、及び第２算出部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの処理装置にプログラムを実行させること、即ち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Integrated Circuit）などのハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。

投影部１５は、光源から任意の波長のパタン光を投影可能なプロジェクタ、レーザ、及びランプなどの投影装置により実現できる。撮影部１７は、カラーカメラや赤外線カメラなどの任意の波長の光を撮像可能な撮像装置により実現できる。出力部２５は、例えば、液晶ディスプレイやタッチパネル式ディスプレイなどの表示出力用の表示装置、又はプリンタなどの印刷出力用の印刷装置などで実現してもよいし、これらの装置を併用して実現してもよい。

記憶部１１は、投影部１５の投影対象のパタン（画像）を記憶する。具体的には、記憶部１１は、周期性のある第１パタンと、当該第１パタンの周期を特定するための第１模様で構成される第２パタンとを、記憶する。第１実施形態では、第１パタンは正弦波のパタンであり、第１模様は正弦波の周期を特定するための幾何学模様（例えば、ランダムドット、円、又は直線など）であるものとするが、これに限定されるものではない。

選択部１３は、投影部１５の投影対象のパタンを選択する。第１実施形態では、選択部１３は、記憶部１１に記憶されているパタンの中から第１パタン及び第２パタンを選択し、投影対象のパタンとして、投影部１５に通知する。

投影部１５は、周期性のある第１パタンと当該第１パタンの周期を特定するための第１模様で構成される第２パタンとを重畳した第１重畳パタンを、３次元形状の計測対象（以下、単に「対象」と称する）に投影する。具体的には、投影部１５は、位相が互いにずれている複数の第１パタンと当該複数の第１パタンそれぞれの周期を特定するための第１模様で構成された第２パタンとを重畳した第１重畳パタンを対象に投影する。なお、投影部１５は、第１重畳パタンとして重畳された複数の第１パタンそれぞれを異なる波長で投影する。

ここで、第１重畳パタンは、複数の第１パタンそれぞれの周期毎に、当該周期を特定するための第１模様が少なくとも１つ配置されるように、重畳されている。なお、第１重畳パタン（第２パタン）内の各第１模様は、互いに異なる（一意の）模様とする。

第１実施形態では、複数の第１パタンとして、ＲＧＢチャンネル毎に一定の位相量をずらした正弦波パタンを例に取り説明するが、これに限定されるものではない。なお、Ｒチャンネルの正弦波パタン（正弦波）は、数式（１）で表され、Ｇチャンネルの正弦波パタン（正弦波）は、数式（２）で表され、Ｂチャンネルの正弦波パタン（正弦波）は、数式（３）で表される。

ここで、α（ｘ，ｙ）は正弦波の振幅を示し、β（ｘ，ｙ）はオフセット成分を示し、φ（ｘ，ｙ）はシフト位相量を示し、Ｉ_Ｒ（ｘ，ｙ）はＲチャンネルの正弦波パタン（画像）の画素（ｘ，ｙ）の輝度を示し、Ｉ_Ｇ（ｘ，ｙ）はＧチャンネルの正弦波パタン（画像）の画素（ｘ，ｙ）の輝度を示し、Ｉ_Ｂ（ｘ，ｙ）はＢチャンネルの正弦波パタン（画像）の画素（ｘ，ｙ）の輝度を示す。

なお、正弦波パタンとしては、振幅、オフセット成分、シフト位相量、周波数、及び方向などを任意に設定した正弦波を用いることができる。

図２は、第１実施形態のＲＧＢ各チャンネルの正弦波パタンの一例を示す図である。図２に示す例では、Ｒチャンネルの正弦波パタン３０−Ｒ、Ｇチャンネルの正弦波パタン３０−Ｇ、及びＢチャンネルの正弦波パタン３０−Ｂの位相を２π/３ずつずらしている。具体的には、数式（１）〜（３）が示すように、正弦波パタン３０−Ｇに対し、正弦波パタン３０−Ｒの位相量を２π/３前にずらしており、正弦波パタン３０−Ｇに対し、正弦波パタン３０−Ｂの位相量を２π/３後ろにずらしているものとする。なお、図２に示す例では、正弦波パタン３０−Ｒ、正弦波パタン３０−Ｇ、及び正弦波パタン３０−Ｂの輝度値を、同図上の正弦波で示している。

また第１実施形態では、第２パタンとして、ランダム模様で構成されるランダムパタンを例に取り説明するが、これに限定されるものではない。図３は、第１実施形態のランダムパタンの一例を示す図である。図３に示す例では、ランダムパタン３１は、モノクロチャンネルのパタンであり、ランダム模様（ランダム模様３１Ａ等）が、正弦波パタンの周期の間隔で格子状に配置されている。なお、ランダムパタンを構成する各ランダム模様は、互いに異なる（一意の）模様である。

図４は、第１実施形態の第１重畳パタンの一例を示す図である。図４に示す第１重畳パタン３２は、正弦波パタン３０−Ｒ、正弦波パタン３０−Ｇ、正弦波パタン３０−Ｂ、及びランダムパタン３１を重畳したパタンである。ここで、ランダムパタン３１は、前述したように、ランダム模様が正弦波パタンの周期の間隔で格子状に配置されている。このため、第１重畳パタン３２では、正弦波パタン３０−Ｒ、正弦波パタン３０−Ｇ、及び正弦波パタン３０−Ｂのいずれに対しても１周期毎に、ランダム模様（ランダム模様３１Ａ等）が配置されている。

なお投影部１５は、第１重畳パタン３２を投影する場合、第１重畳パタン３２に重畳されている正弦波パタン３０−Ｒ、正弦波パタン３０−Ｇ、正弦波パタン３０−Ｂを、それぞれ、Ｒチャンネルの波長、Ｇチャンネルの波長、Ｂチャンネルの波長で投影することになる。

また、図４に示す例のように、第１重畳パタン３２（ランダムパタン３１）内のランダム模様の割合は、第１重畳パタン３２内の正弦波パタン３０−Ｒ、正弦波パタン３０−Ｇ、及び正弦波パタン３０−Ｂよりも少ない割合であることが好ましい。

ここで、第２パタンの第１模様（ランダム模様）の解像度は、計測装置１の計測距離、焦点距離、及び画素分解能などの条件より、計測に必要な最小ピクセルサイズを算出して決定すればよい。つまり、第１模様（ランダム模様）の解像度は、撮影部１７の１画素あたりに撮影されるパタンの画素数を算出して求めればよい。

なお第１実施形態では、複数の第１パタンとして、ＲＧＢの３チャンネル全てを用いているが、少なくとも１チャンネルを用いればよい。例えば、第１パタンにＲチャンネルを用い、第２パタンにＢチャンネルを用いるなどとしてもよい。このように、第１パタンと第２パタンとのチャンネル（波長）を完全に異ならせるのであれば、第２パタン内の模様の割合を、第１パタンよりも少なくする必要はない。

また第１実施形態では、第１パタン、第２パタンともに、可視光波長であるＲＧＢチャンネルを用いた例について説明するが、これに限定されず、赤外光など任意の波長を用いてもよい。

撮影部１７は、投影部１５により第１重畳パタンが投影されている対象を撮影し、画像を得る。第１実施形態では、投影部１５により第１重畳パタンが可視光で投影されているため、撮影部１７は、可視光を受光できる撮像装置であるものとする。つまり、第１実施形態では、撮影部１７は、第１重畳パタンが投影されている対象を撮影し、ＲＧＢの画像を得る。但し、投影部１５により第１重畳パタンが赤外光で投影される場合であれば、撮影部１７は、赤外光を受光できる撮像装置とすればよい。

ここで、第１重畳パタンのランダム模様は、幾何学模様であり、反射光に強いという特性を有する。このため、対象の少なくとも一部が非平滑であり、投影されたパタンを十分に反射できないなど反射特性に欠ける場合であっても、ランダム模様については、十分に反射できる可能性が高い。この結果、撮影部１７により撮影された画像は、第１パタンの一部が消失していても、ランダム模様については捉えている可能性が高い。

また第１実施形態では、第１重畳パタンのランダム模様は、モノクロチャンネルが割り当てられている。このため、ＲＧＢのいずれかのチャンネルの波長の光が対象から反射されない場合であっても残りのチャンネルの波長の光が対象から反射されれば、撮影部１７により撮影された画像に、ランダム模様を捉えることができる。

なお撮影部１７の数は、少なくとも１台であればよく、例えば、ステレオカメラなど複数台用いてもよい。なお、投影部１５と撮影部１７との間の校正やステレオカメラ間の校正などは、予め行われているものとする。

第１算出部１９は、撮影部１７により撮影された画像内の第１重畳パタンの第１模様と第１重畳パタンの第１模様とのマッチングを行い、当該画像内の第１重畳パタンである第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応を算出する。具体的には、第１算出部１９は、マッチングの結果及び第１重畳パタンの位相値である第１位相値を用いて、第２重畳パタンの位相値である第２位相値を算出し、算出した第１位相値及び第２位相値を用いて、第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応を算出する。詳細には、第１算出部１９は、第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応として、第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応点を算出する。

以下、第１算出部１９による第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応の算出について詳細に説明する。

まず、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢチャンネルそれぞれの画像（分離画像の一例）に分離する。ここで、投影部１５が投影したパタン光の分光強度特性と撮影部１７により撮影された画像の分光感度特性とは異なるため、互いの色空間において整合性がとれるように、カラーキャリブレーションなどを予め行っておくことが望ましい。なお、投影部１５により第１重畳パタンが赤外光で投影されるのであれば、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影された画像を赤外線の波長で分離すればよい。

次に、第１算出部１９は、分離したＲＧＢチャンネルそれぞれの画像の少なくともいずれかより、第２重畳パタン（詳細には正弦波パタン）の位相値を算出する。具体的には、第１算出部１９は、数式（４）を用いて、ＲＧＢチャンネルそれぞれの画像の画素の輝度値等から、当該画素における位相値を算出する。

なお、φ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｒ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｇ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｂ（ｘ，ｙ）は、数式（１）〜（３）と同様であるが、Ｉ_Ｒ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｇ（ｘ，ｙ）、Ｉ_Ｂ（ｘ，ｙ）は、投影部１５が投影したパタンではなく、撮影部１７により撮影された画像（詳細には、ＲＧＢチャンネルそれぞれに分離後の画像）の画素（ｘ，ｙ）の輝度値を示す。

但し、注目画素（ｘ，ｙ）の近傍画素（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）でα（ｘ，ｙ）、β（ｘ，ｙ）、及びθ（ｘ，ｙ）が一定であると仮定すれば、第１算出部１９は、数式（５）を用いて、ＲＧＢチャンネルいずれかの画像の画素の輝度値等から、当該画素における位相値を算出できる。

ここで、αは正弦波の振幅を示し、βはオフセット成分を示し、φ（ｘ，ｙ）はシフト位相量を示し、Ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、注目画素（ｘ，ｙ）の近傍画素（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の輝度値を示す。このように、数式（５）では、ｎ点（最低３点以上）の輝度値から残差二乗和を最小にするα、β、及びθを求めることができる。

次に、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像において、算出した位相値が連続的に変化している領域（−π〜πの領域）を同領域に統合し、領域分けを行う。具体的には、第１算出部１９は、隣接画素間の位相値の差を求め、その差が閾値以下であれば（例えば、実数０に近い値であれば）、同じ領域として統合する。

図５は、第１実施形態の領域分け結果の一例を示す図である。図５に示す例では、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像が、位相値（−π〜π）の領域４１〜４４に分けられている。なお、図５に示す例では、ＲＧＢの画像に含まれるランダム模様については、図示を省略している。

次に、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像のランダム模様と、投影部１５により投影される第１重畳パタンのランダム模様とのマッチングを行い、繰り返しの値（−π〜π）となっている位相値を連続値へ変換する。

図６は、第１実施形態の位相値の変換手法の一例を示す説明図である。なお、図６に示す例では、ランダム模様については、一部分の図示としており、図示を省略しているものもある。

第１算出部１９は、図６に示すように、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像における領域分けした領域毎に、当該領域に存在するランダム模様と投影部１５により投影される第１重畳パタン３２のランダム模様とのマッチングを行う。なお、マッチングの評価には、正規化相関などを用いればよい。

そして、第１算出部１９は、両ランダム模様が一致した場合、第１重畳パタン３２側のランダム模様により特定される第１重畳パタン３２（詳細には、正弦波パタン３０−Ｒ、３０−Ｇ、３０−Ｂ）の位相値（詳細には、位相の周期の数）を、ＲＧＢの画像側のランダム模様により特定される領域の位相値とする。

これにより、図６に示す例では、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像の領域４１の位相値が（−π〜π）、領域４２の位相値が（π〜３π）、領域４３の位相値が（３π〜５π）、領域４４の位相値が（５π〜７π）に変換され、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像の位相値が（−π〜π）の繰り返しの値から連続値（−π〜７π）に変換されている。

このように第１実施形態では、ランダム模様のマッチングにより、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）の位相値を算出するが、ランダム模様は、前述したように、反射光に強いという特性を有し、また第１実施形態では、モノクロチャンネルが割り当てられている。このため、対象が非平滑であり、投影されたパタンを十分に反射できないなど反射特性に欠ける場合であっても、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）の位相値を算出することができる。

そして、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）の位相値（第２位相値）及び第１重畳パタンの位相値（第１位相値）を用いて、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）と第１重畳パタンとの対応点を算出する。

第３算出部２１は、第１算出部１９により算出された位相値（第２位相値）の信頼度を算出する。これは、対象の反射特性や投影部１５及び撮影部１７の色特性などにより、第１算出部１９により算出された位相値（第２位相値）に誤差が生じるためである。

具体的には、第３算出部２１は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢそれぞれの波長で分離した画像毎に、当該画像の輝度値と当該画像の分離に用いた波長で投影された第１パタンの輝度値との差を算出し、算出した複数の差に基づいて、信頼度を算出する。

例えば、第３算出部２１は、数式（６）を用いて、第１算出部１９により算出された位相値（第２位相値）の誤差を算出する。

ここで、Ｅｒｒｏｒの値が大きいほど、第１算出部１９により算出された位相値（第２位相値）の誤差が大きいことを表す。なお、Ｅ_Ｒは、数式（７）より求められ、Ｅ_Ｇは、数式（８）より求められ、Ｅ_Ｂは、数式（９）より求められる。

そして第３算出部２１は、Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ＝１−Ｅｒｒｏｒより、算出した位相値（第２位相値）の信頼度を算出する。つまり、算出した位相値（第２位相値）の信頼度は、Ｅｒｒｏｒの値が小さいほど高くなり、Ｅｒｒｏｒの値が大きいほど低くなる。

第２算出部２３は、第１算出部１９により算出された第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応から、対象の３次元形状を算出する。具体的には、第２算出部２３は、第１算出部１９により算出された第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応点のうち、第３算出部２１により算出された信頼度が閾値よりも大きい位相値（第２位相値）を用いて算出された対応点を用いて、対象の３次元形状を算出する。閾値は、例えば、実数１より小さく、実数１に近い値などとすることができる。

なお、位相値を用いた３次元形状の算出手法としては、例えば、“位相シフト法とグレイコード法による高精度３次元計測” ＶｉＥＷ２００５， Ｄｅｃ． ２００５で用いられている三角測量方法などを用いることができる。

出力部２５は、第２算出部２３により算出された対象の３次元形状を出力する。

図７は、第１実施形態の計測装置１で行われる処理の手順の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、投影部１５は、周期性のある第１パタンと当該第１パタンの周期を特定するための第１模様で構成される第２パタンとを重畳し（ステップＳ１０１）、第１重畳パタンを、対象に投影する（ステップＳ１０３）。

続いて、撮影部１７は、投影部１５により第１重畳パタンが投影されている対象を撮影し、画像を得る（ステップＳ１０５）。

続いて、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢチャンネルそれぞれの画像に分離する（ステップＳ１０７）。

続いて、第１算出部１９は、分離したＲＧＢチャンネルそれぞれの画像の少なくともいずれかより、第２重畳パタン（詳細には、正弦波パタン）の位相値を算出する（ステップＳ１０９）。

続いて、第１算出部１９は、算出した位相値が連続的に変化している撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像の領域（−π〜πの領域）を同領域に統合し、領域分けを行う（ステップＳ１１１）。

続いて、第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像のランダム模様と、投影部１５により投影される第１重畳パタンのランダム模様とのマッチングを行い、繰り返しの値（−π〜π）となっている位相値を連続値へ変換する（ステップＳ１１３）。そして第１算出部１９は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）の位相値（第２位相値）及び第１重畳パタンの位相値（第１位相値）を用いて、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像（第２重畳パタン）と第１重畳パタンとの対応点を算出する。

続いて、第３算出部２１は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢそれぞれの波長で分離した画像毎に、当該画像の輝度値と当該画像の分離に用いた波長で投影された第１パタンの輝度値との差を算出し、算出した複数の差に基づいて、信頼度を算出する（ステップＳ１１５）。

続いて、第２算出部２３は、第１算出部１９により算出された第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応点のうち、第３算出部２１により算出された信頼度が閾値よりも大きい位相値（第２位相値）を用いて算出された対応点を用いて、対象の３次元形状を算出する（ステップＳ１１７）。

以上のように第１実施形態では、模様のマッチングにより、撮影部により撮影された画像（第２重畳パタン）の位相値を算出するため、対象の少なくとも一部が反射特性に欠ける場合であっても、画像（第２重畳パタン）の位相値を算出することができ、対象の３次元形状を計測することができる。また、対象面が非平滑で反射特性に欠ける部分が含まれる計測対象についても３次元形状を計測することができる。

また第１実施形態では、算出した位相値のうち信頼度が閾値よりも大きい位相値を用いて、対象の３次元形状を計測するため、対象の３次元形状の計測精度を高めることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、信頼度の他の算出例について説明する。以下では、第１実施形態との相違点の説明を主に行い、第１実施形態と同様の機能を有する構成要素については、第１実施形態と同様の名称・符号を付し、その説明を省略する。

図８は、第２実施形態の計測装置１０１の一例を示す構成図である。図８に示すように、第２実施形態の計測装置１０１は、第３算出部１２１及び第２算出部１２３が、第１実施形態と相違する。

但し、第２実施形態では、第１算出部１９が、数式（５）を用いて、ＲＧＢチャンネルそれぞれの位相値（第２位相値）を算出しているものとする。

第３算出部１２１は、ＲＧＢチャンネルそれぞれの位相値（第２位相値）の信頼度を算出する。具体的には、第３算出部１２１は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢそれぞれの波長で分離した画像毎に、当該画像の輝度値と当該画像の分離に用いた波長で投影された第１パタンの輝度値との差に基づいて信頼度を算出する。

例えば、第３算出部１２１は、数式（１０）を用いて、第１算出部１９により算出されたＲＧＢチャンネルそれぞれの位相値（第２位相値）の誤差を算出する。

ここで、αは正弦波の振幅を示し、βはオフセット成分を示し、φ（ｘ，ｙ）はシフト位相量を示すが、投影部１５が投影する第１パタンのパラメータであり、既知の値である。Ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、第１算出部１９により分離されたＲＧＢチャンネルのいずれかの画像の注目画素（ｘ，ｙ）の近傍画素（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の輝度値を示す。

このように、数式（１０）では、ｎ点（最低３点以上）の輝度値から位相の誤差Ｅｒｒｏｒを求めることができる。

つまり第３算出部１２１は、第１算出部１９により分離されたＲＧＢチャンネルそれぞれの画像毎に、数式（１０）を用いて、位相の誤差Ｅｒｒｏｒを算出する。

そして第３算出部１２１は、Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ＝１−Ｅｒｒｏｒより、ＲＧＢチャンネルそれぞれの位相値（第２位相値）の信頼度を算出する。

第２算出部１２３は、第１算出部１９により算出された第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応点のうち、第３算出部１２１により算出された信頼度のうち信頼度が閾値よりも大きい又は信頼度が最も高いチャンネルの波長の位相値（第２位相値）を用いて算出された対応点を用いて、対象の３次元形状を算出する。

例えば、第２算出部１２３は、Ｒチャンネルの位相値（第２位相値）の信頼度が最も高い場合には、Ｒチャンネルの位相値（第２位相値）を用いて算出された対応点を用いて、対象の３次元形状を算出する。

以上のように、第２実施形態では、ＲＧＢチャンネルそれぞれの位相値の信頼度を算出し、信頼度が高い波長の位相値を用いて、対象の３次元形状を計測するため、対象の３次元形状の計測精度を高めることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、信頼度を用いて投影に使用する波長を選択する例について説明する。以下では、第２実施形態との相違点の説明を主に行い、第２実施形態と同様の機能を有する構成要素については、第１実施形態と同様の名称・符号を付し、その説明を省略する。

図９は、第３実施形態の計測装置２０１の一例を示す構成図である。図９に示すように、第２実施形態の計測装置２０１は、選択部２１３が、第２実施形態と相違する。

選択部２１３は、第３算出部１２１により算出された信頼度が閾値よりも大きい波長を選択し、投影部１５に通知する。これは、信頼度が低いチャンネルの波長の光では、対象の反射強度（反射特性）などにより、パタンを対象に投影しても十分に反射されない可能性があるためである。

そして投影部１５は、選択部２１３により選択された波長の光で第１重畳パタンを投影する。例えば、選択部２１３によりＲＧＢチャンネルのうちＲチャンネルとＧチャンネルが選択された場合、投影部１５は、Ｒチャンネルに正弦波パタンを割り当てるとともにＧチャンネルにランダムパタンを割り当て、第１重畳パタンを投影する。

図１０は、第３実施形態の計測装置２０１で行われる処理の手順の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、選択部２１３は、第３算出部１２１により算出された信頼度を用いて、投影に用いる光の波長を選択する（ステップＳ２０１）。

続いて、投影部１５は、周期性のある第１パタンと当該第１パタンの周期を特定するための第１模様で構成される第２パタンとを重畳し（ステップＳ２０２）、選択部２１３により選択された波長の光で第１重畳パタンを対象に投影する（ステップＳ２０３）。

続いて、ステップＳ２０５〜Ｓ２０７までの処理は、図７のフローチャートのステップＳ１０５〜Ｓ１０７までの処理と同様である。

続いて、ステップＳ２０９〜Ｓ２１３までの処理は、第１算出部１９が、ＲＧＢチャンネルそれぞれの画像に対して処理を行う点を除き、図７のフローチャートのステップＳ１０９〜Ｓ１１３の処理と同様である。

続いて、ステップＳ２１５では、第３算出部１２１は、撮影部１７により撮影されたＲＧＢの画像をＲＧＢそれぞれの波長で分離した画像毎に、当該画像の輝度値と当該輝度値から推定される第１パタンの輝度値との差に基づいて信頼度を算出する。

続いて、ステップＳ２１７では、第２算出部１２３は、第１算出部１９により算出された第２重畳パタンと第１重畳パタンとの対応点のうち、第３算出部１２１により算出された信頼度のうち信頼度が閾値よりも大きい又は信頼度が最も高いチャンネルの波長の位相値（第２位相値）を用いて算出された対応点を用いて、対象の３次元形状を算出する。

以上のように第３実施形態では、パタンが対象から十分に反射される可能性が高い波長を自動的に選択して第１重畳パタンを投影するため、対象の少なくとも一部が反射特性に欠ける場合であっても、画像（第２重畳パタン）の位相値を算出できる可能性が高く、対象の３次元形状を計測することができる。

（変形例）
上記第３実施形態では、信頼度を用いて投影に使用する波長を選択する例について説明したが、計測装置２０１の位置に適した波長を選択し、投影に用いるようにしてもよい。この場合、計測装置２０１の位置情報は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）などから取得すればよい。このようにすれば、計測装置２０１が存在する位置（例えば、屋内と屋外）に適した波長の光で第１重畳パタンを投影することができる。

（ハードウェア構成）
図１１は、上記各実施形態及び変形例の計測装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１１に示すように、上記各実施形態及び変形例の計測装置は、ＣＰＵなどの制御装置９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置９２と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置９３と、ディスプレイなどの表示装置９４と、マウスやキーボードなどの入力装置９５と、通信Ｉ／Ｆ９６と、プロジェクタなどの投影装置９７と、カラーカメラなどの撮像装置９８とを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

上記各実施形態及び変形例の計測装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。また、上記各実施形態及び変形例の計測装置で実行されるプログラムを、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。また、上記各実施形態及び変形例の計測装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するようにしてもよい。

上記各実施形態及び変形例の計測装置で実行されるプログラムは、上述した各部をコンピュータ上で実現させるためのモジュール構成となっている。実際のハードウェアとしては、例えば、制御装置９１が外部記憶装置９３からプログラムを記憶装置９２上に読み出して実行することにより、上記各部がコンピュータ上で実現されるようになっている。

以上説明したとおり、上記各実施形態及び変形例によれば、反射特性に欠ける部分が含まれる計測対象についても３次元形状を計測可能である。また、対象面が非平滑で反射特性に欠ける部分が含まれる計測対象についても３次元形状を計測することができる。

なお本発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

例えば、上記実施形態のフローチャートにおける各ステップを、その性質に反しない限り、実行順序を変更し、複数同時に実施し、あるいは実施毎に異なった順序で実施してもよい。

１、１０１、２０１ 計測装置
１１ 記憶部
１３、２１３ 選択部
１５ 投影部
１７ 撮影部
１９ 第１算出部
２１、１２１ 第３算出部
２３、１２３ 第２算出部
２５ 出力部
９１ 制御装置
９２ 記憶装置
９３ 外部記憶装置
９４ 表示装置
９５ 入力装置
９６ 通信Ｉ／Ｆ
９７ 投影装置
９８ 撮像装置

Claims (12)

1. 周期性のある第１パタンと第１模様とが重畳され、前記第１パタンの周期毎に前記第１模様が少なくとも１つ配置された重畳パタンが投影されている対象を撮影した画像内の前記第１模様と投影に用いた前記第１模様とのマッチングを行い、前記マッチングの結果及び投影に用いた前記第１パタンの第１位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンの第２位相値を算出し、前記第１位相値及び前記第２位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応を算出する第１算出部と、
   前記対応から、位相シフト法を用いて、前記対象の３次元形状を計測する第２算出部と、
   を備える計測装置。
2. 前記重畳パタンを前記対象に投影する投影部と、
   前記重畳パタンが投影されている前記対象を撮影し、前記画像を得る撮影部と、
   を更に備える請求項１に記載の計測装置。
3. 前記第１算出部は、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応として、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応点を算出し、
   前記第２位相値の信頼度を算出する第３算出部を更に備え、
   前記第２算出部は、前記信頼度が閾値よりも大きい第２位相値を用いて算出された対応点を用いて、前記対象の３次元形状を計測する請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記第１パタンは、複数あり、
   前記複数の第１パタンの各々は、位相が互いにずれており、
   前記第１模様は、前記複数の第１パタンそれぞれの周期を特定するための模様である請求項３に記載の計測装置。
5. 前記投影部は、前記重畳パタンとして重畳された前記複数の第１パタンそれぞれを異なる波長で投影し、
   前記第３算出部は、前記画像を前記波長それぞれで分離した分離画像毎に、当該分離画像の輝度値と当該分離画像の分離に用いた波長で投影された第１パタンの輝度値との差を算出し、前記分離画像それぞれ対し算出した前記差に基づいて、前記信頼度を算出する請求項４に記載の計測装置。
6. 前記投影部は、前記重畳パタンとして重畳された前記複数の第１パタンそれぞれを異なる波長で投影し、
   前記第３算出部は、前記画像を前記波長それぞれで分離した分離画像毎に、当該分離画像の輝度値と当該分離画像の分離に用いた波長で投影された第１パタンの輝度値との差に基づいて前記信頼度を算出する請求項４に記載の計測装置。
7. 前記信頼度が閾値よりも大きい波長を選択する選択部を更に備え、
   前記投影部は、前記重畳パタンを前記波長の光で投影する請求項６に記載の計測装置。
8. 前記計測装置の位置に適した波長を選択する選択部を更に備え、
   前記投影部は、前記重畳パタンを前記波長の光で投影する請求項１に記載の計測装置。
9. 前記第１パタンは、正弦波のパタンである請求項１に記載の計測装置。
10. 前記第１模様は、幾何学模様である請求項１に記載の計測装置。
11. 周期性のある第１パタンと第１模様とが重畳され、前記第１パタンの周期毎に前記第１模様が少なくとも１つ配置された重畳パタンが投影されている対象を撮影した画像内の前記第１模様と投影に用いた前記第１模様とのマッチングを行い、前記マッチングの結果及び投影に用いた前記第１パタンの第１位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンの第２位相値を算出し、前記第１位相値及び前記第２位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応を算出する第１算出ステップと、
    前記対応から、位相シフト法を用いて、前記対象の３次元形状を計測する計測ステップと、
    を含む計測方法。
12. 周期性のある第１パタンと第１模様とが重畳され、前記第１パタンの周期毎に前記第１模様が少なくとも１つ配置された重畳パタンが投影されている対象を撮影した画像内の前記第１模様と投影に用いた前記第１模様とのマッチングを行い、前記マッチングの結果及び投影に用いた前記第１パタンの第１位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンの第２位相値を算出し、前記第１位相値及び前記第２位相値を用いて、前記画像内の前記第１パタンと投影に用いた前記第１パタンとの対応を算出する第１算出ステップと、
    前記対応から、位相シフト法を用いて、前記対象の３次元形状を計測する計測ステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。