JP6679746B2 - 3次元非接触スキャニングシステムのフィールド校正 - Google Patents
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Description
品物の外表面を3次元空間に正確に再現する能力は、幅広い分野においてますます有用になってきている。工業的および商業的応用には、リバースエンジニアリング、部品の検査および品質管理ならびに例えばコンピューター支援設計および自動製造といった応用におけるさらなる処理に好適なデジタルデータを提供するため、が含まれる。教育的および文化的応用には、3次元芸術作品、美術館収蔵品および歴史的な物体の複製が含まれ、物体に物理的に触れる必要なしに、貴重で多くの場合壊れやすい物体の詳細な研究を容易にする。製品の3D表示を高詳細解像度でインターネット小売カタログに提供する商業的応用だけでなく、人体の全体および一部分をスキャンするための医学的応用も、拡大し続けている。
3次元非接触スキャニングシステムが提供される。システムは、ステージおよびステージ上の物体をスキャンするように構成されている少なくとも1つのスキャナーを含む。その少なくとも1つのスキャナーとステージとの間に相対動作を生成するように動作制御システムが構成されている。その少なくとも1つのスキャナーおよび動作制御システムにコントローラーがつながれている。コントローラーは、フィールド校正を行うように構成されており、位置関係が分かっている特徴を有する人工物(artifact)がその少なくとも1つのスキャナーで多数の異なる方向にスキャンされて、その特徴に対応する検出された測定データが生成される。検出された測定データと既知の位置関係との間の偏差が求められる。求められた偏差に基づいて、その少なくとも1つのスキャナーごとに座標変換が計算され、求められた偏差がその座標変換によって縮小する。
図1Aは、本発明の態様が特に有効である3次元非接触スキャニングシステム100の簡略ブロック図を例示的に示す。システム100は、一対のスキャナー102(a)および102(b)、コントローラー116ならびにデータ処理装置118を例示的に含む。説明の大部分は、一対のスキャナー102(a)、102(b)に関して進んでいくが、本発明の態様は、ただ1つのスキャナーまたは2つより多いスキャナーで実施することができる、ということが明確に考えられる。また、本発明の態様は、位相形状測定、立体視、飛行時間距離検出または任意の他の好適な技術を含むが、それに限定されるわけではない、任意の好適な非接触検出技術をスキャナーが使用する場合に、実施することができる。議論の目的のためにだけ、符号102は、スキャナー102(a)および102(b)のどちらかおよび/または両方の特徴を含むスキャナーのことを一般的に指すために使用される。
回転軸126を推定する際または軸のスケーリングもしくは直交性の誤差は、測定値と本当の値との間の不一致の原因となる。本当の距離と測定距離との間の差は、最善のフィールド校正修正を計算する時に含まれる。
式2に示すように、Xwは、ワールドの位置(すなわち回転ステージに結び付けられた位置)であり、Xcは、スキャナー座標系[x、y、z、1]Tでの点の位置である。式2は、XCからXWへマッピングする。
ブロック348で例示されているように、変換マトリックスの値は、最小二乗アルゴリズムを使用して計算することができる。ブロック312に従って使用することができる最小二乗アルゴリズムの一例は、レーベンバーグ・マルカートアルゴリズムである。これおよび同様のアルゴリズムでは、検出された測定値と得られた既知の校正測定値との間の偏差(たとえば、誤差)の二乗の合計が最小限になる。
Claims (26)
- 3次元非接触スキャニングシステムであって、
ステージと、
ステージ上の物体をスキャンするように構成されている少なくとも1つのスキャナーと、
少なくとも1つのスキャナーとステージとの間に相対動作を生成するように構成されている動作制御システムと、
少なくとも1つのスキャナーおよび動作制御システムにつながれ、フィールド校正を行うように構成されているコントローラーと、を含み、
位置関係が分かっている特徴を有する校正人工物が少なくとも1つのスキャナーで複数の異なる方向にスキャンされて、その特徴に対応する検出された測定データが生成され、
検出された測定データと既知の位置関係との間の偏差が求められ、
求められた偏差に基づいて、少なくとも1つのスキャナーごとに座標変換が計算され、求められた偏差がその座標変換によって縮小し、
前記校正人工物が、ボールプレートであり、
前記ボールプレートに対応した、検出された視覚的しるしの表示を受け取るように前記コントローラーがさらに構成されている、
3次元非接触スキャニングシステム。 - ステージが回転ステージであり、回転ステージを回転軸を中心に複数の正確な角度位置に回転させるように動作制御システムが構成されている、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 回転ステージに操作可能につながれていて、回転ステージの複数の正確な角度位置を検出するように構成されている位置エンコーダをさらに含む、請求項2記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 前記ボールプレートが、同一平面上に中心を有さない球の集合である、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 検出された視覚的しるしの表示に基づいて、前記ボールプレートを特定し、特定された前記ボールプレートの特徴に対応する既知の位置関係を求めてデータベースに問い合わせるように、コントローラーがさらに構成されている、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 前記ボールプレート、および、視覚的しるしにエンコードされた、特定された前記ボールプレートの特徴に対応する既知の位置関係を特定するように、コントローラーがさらに構成されている、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 検出された視覚的しるしが、前記ボールプレートの表面に配置されたマトリックスコードを含む、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 少なくとも1つのスキャナーが、マトリックスコードを検出し、検出されたマトリックスコードの表示をコントローラーに提供するように構成されている、請求項7記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 前記ボールプレートは、互いに対して固定された複数のボールであって、各ボールがプレートの反対側の表面から出るようにプレートに取り付けられている複数のボールを含む、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 前記ボールプレートは、第一の直径を有する第一の複数のボール、および、第一の直径よりも大きな第二の直径を有する第二の複数のボールを含む、請求項9記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 前記ボールプレートは、そのプレートの平面の向きが垂直な状態で立っているように構成されている、請求項9記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 少なくとも1つのスキャナーが、第一仰角から物体をスキャンするように構成されている第一スキャナーおよび第一仰角とは異なる第二仰角から物体をスキャンするように構成されている第二スキャナーを含む、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 第一スキャナー座標系の、検出された測定データを含む第一の複数のスキャンを生成し、
第二スキャナー座標系の、検出された測定データを含む第二の複数のスキャンを生成し、
第一スキャナー座標系をステージ空間にマッピングする第一変換および第二スキャナー座標系をステージ空間にマッピングする第二変換を生成するようにコントローラーが構成されている、請求項12記載の3次元非接触スキャニングシステム。 - 少なくとも1つのスキャナーのそれぞれに対する座標変換を使用して次の物体をスキャンし、次の物体の校正されたスキャンを提供するようにコントローラーが構成されている、請求項1記載の3次元非接触スキャニングシステム。
- 3次元非接触スキャニングシステムの校正方法であって、
位置関係が分かっている複数の特徴を有する校正人工物をスキャニングシステムの検出体積の中に置くことと、
少なくとも1つのスキャナーで複数の異なる方向から前記校正人工物をスキャンして、それぞれのスキャナーの座標系を参照する、検出された測定データを得ることと、
検出された測定データと、複数の特徴の既知の位置関係との間の偏差を求めることと、
求められた偏差に基づいて、少なくとも1つのスキャナーの各スキャナーのためにそれぞれの座標変換を生成し、それぞれのスキャナー座標系をワールド座標系にマッピングすることによって、求められた偏差を縮小することと、を含み、
前記校正人工物が、ボールプレートであり、
前記ボールプレートに対応した、検出された視覚的しるしの表示を受け取ることをさらに含む、
方法。 - 求められた前記偏差の大きさに基づいて前記座標変換の種類が選択される、請求項15記載の方法。
- 前記座標変換が剛体変換である、請求項16記載の方法。
- 前記座標変換が射影変換である、請求項16記載の方法。
- 前記座標変換がアフィン変換である、請求項16記載の方法。
- 前記座標変換が多項式変換である、請求項16記載の方法。
- 前記偏差が弦長の偏差である、請求項16記載の方法。
- 前記偏差が誤って推定された回転軸に基づいている、請求項15記載の方法。
- 前記偏差が軸間の直交性誤差に基づいている、請求項15記載の方法。
- 前記偏差がボールの直径である、請求項15記載の方法。
- 前記偏差が異なる種類の偏差の合計である、請求項15記載の方法。
- 3次元非接触スキャニングシステムであって、
スキャンする物体を受け取るように構成されているステージと、
第一仰角から物体をスキャンするように構成されている第一スキャナーと、
第一仰角とは異なる第二仰角から物体をスキャンするように構成されている第二スキャナーと、
ステージと第一および第二スキャナーとの間に相対動作を生成するために配置される動作制御システムと、
動作制御システムにつながれていて、第一および第二スキャナーに対するステージの位置の表示を提供するように構成されている位置検出システムと、
第一スキャナー、第二スキャナー、動作制御システムおよび位置検出システムにつながれているコントローラーと、を含み、
コントローラーは、
第一および第二スキャナーのうち少なくとも1つに、一組の異なる各位置でのステージ上の位置関係が分かっている複数の特徴を有するボールプレートをスキャンさせ、
一連の測定値を生成し、その一連の測定値の各測定値が一組の位置の中の特定の位置に対応しており、
第一スキャナーの座標系をステージの座標系にマッピングする第一の座標変換および第二スキャナーの座標系をステージの座標系にマッピングする第二の変換を生成するように構成されており、
前記ボールプレートに対応した、検出された視覚的しるしの表示を受け取るように前記コントローラーがさらに構成されている、
3次元非接触スキャニングシステム。
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