JP6880512B2 - 3次元測定装置、3次元測定方法及び3次元測定プログラム - Google Patents
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Description
まず、図1を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図1は、本開示の実施形態に係る3次元測定装置10の機能ブロック図である。本実施形態に係る3次元測定装置10は、対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光する投光部20と、パターンが投光された対象物の画像を撮像する撮像部30と、投光部20及び撮像部30を制御し、撮像された画像に基づいて対象物の3次元形状を表す3次元点群を出力する制御部40と、3次元点群に基づいて、対象物の3次元形状を認識する認識部50とを備える。なお、3次元測定装置10は、必ずしも認識部50を備えなくてもよく、認識部50は、3次元測定装置10と通信可能な別体の装置で構成されてもよい。また、対象物は、例えばバラ積みされた部品であってよいし、平置きされた部品等の任意の物であってよい。
[機能構成]
<投光部>
投光部20は、対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光するものであり、投光するパターンは任意のものを用いることができる。パターンの具体例については、図3等を用いて後に詳細に説明する。
撮像部30は、パターンが投光された対象物の画像を撮像するものであり、撮像した画像を制御部40に出力したり、他の機器に出力したりするものであってよい。撮像部30は、投光部20と所定の距離及び角度で配置されてよく、例えば、投光部20による投光方向と、撮像部30の撮像方向が略同一であり、同一平面上に所定の距離で配置されてよい。
制御部40は、画像入力部41、画像記録部42、算出部43、3次元点群出力部44及び設定部45を含む。画像入力部41は、撮像部30により撮像された画像を撮像部30から取得し、画像記録部42に入力する。画像記録部42は、撮像部30により撮像された画像をメモリに記録する。
認識部50は、CADモデル記憶部51、CADマッチング計算部52及びCADマッチング出力部53を含む。CADモデル記憶部51は、対象物の3次元CADモデルを記憶してよい。CADマッチング計算部52は、3次元点群出力部44より取得した3次元点群と、CADモデル記憶部51に記憶された対象物の3次元CADモデルとのマッチングを行ってよい。3次元点群と3次元CADモデルとのマッチングは、任意のアルゴリズムにより行われてよい。CADマッチング出力部53は、CADマッチング計算部52により計算されたマッチングの結果を、表示部や他の機器に出力してよい。
<投光部>
次に、本実施形態に係る3次元測定装置10のハードウェア構成の一例を説明する。投光部20は、光源と、パターンを有する光を生成するためのフォトマスクとを含むものであってよく、例えば、レーザ光源と、回折光学素子とを含むものであってよい。また、投光部20は、固定パターンを形成する光学素子と、光変調素子としてDLP(Digital Light Processing)、LCD(Liquid Crystal Display)、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)又はMEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)等を有するプロジェクタであってよく、投光するパターンの大きさを変調させる変調素子を含んでよい。投光部20は、レーザ光源からの光を回折光学素子に入射させ、回折光学素子の表面に形成された回折パターンによって2次元構造を有する光を生成するものであってよい。なお、投光部20は、レンズ等の任意の光学部材を含んでよいし、光源から出射される光の波長帯は可視領域に限られず、赤外領域や紫外領域の波長帯であってもよい。
撮像部30は、少なくとも投光部20により投光された光を検出する受光素子を含むカメラであってよい。撮像部30は、波長を分離するフィルタや偏光を分離するフィルタやその他レンズ等の任意の光学部材を含んでよい。
図2は、本実施形態に係る3次元測定装置10の制御部40及び認識部50の物理的構成を示す図である。3次元測定装置10は、演算部に相当するCPU(Central Processing Unit)10aと、記憶部に相当するRAM(Random Access Memory)10bと、記憶部に相当するROM(Read only Memory)10cと、通信部10dと、入力部10eと、表示部10fとを有する。これらの各構成は、バスを介して相互にデータ送受信可能に接続される。なお、本例では3次元測定装置10が一台のコンピュータで構成される場合について説明するが、3次元測定装置10は、複数のコンピュータを用いて実現されてもよい。
図3は、本実施形態に係る3次元測定装置10の投光部20により投光されるパターンの一例を示す図である。同図では、投光部20により投光されるパターンの一部を拡大して図示している。投光部20により投光されるパターンは、N×M(N及びMは任意の自然数)の格子状に配列された単位パターンUを含み、n×m(nはNより小さい自然数であり、mはMより小さい自然数)の格子状に配列された単位パターンUがひとまとまりとなった符号化領域Aを含む。本例のパターンでは、2×2の格子状に配列された単位パターンUがひとまとまりとなって1つの符号化領域Aを構成し、1つの符号化領域Aから1つのデータが復号される。隣接する符号化領域Aは、単位パターンUを重複して含んでもよい。
第3態様で乱されたパターンは、標準偏差が5であるガウス分布に基づいて画像にノイズを加え、標準偏差が1であるガウス分布に基づいて画像を平滑化し、x軸方向について2割の縮小を行い、パターンが縮む方向に20°のせん断変形を行うことで画像が乱れた場合を再現したパターンである。すなわち、第3態様で乱されたパターンは、環境光等によって画像のコントラストが低下し、撮像部30の撮像素子にノイズが加わり、対象物や背景の斜面にパターンが投光されてパターンが歪むことで画像が乱れた場合を再現したパターンである。
<4.1>
図17は、本実施形態の第1変形例に係る3次元測定装置10の投光部20により投光される単位パターンの例を示す図である。同図では、8つの単位パターンの例を含む第1単位パターン群U20と、8つの単位パターンの例を含む第2単位パターン群U30とを示している。
図18は、本実施形態の第2変形例に係る3次元測定装置10の投光部20により投光される単位パターンの例を示す図である。同図では、13の単位パターンの例を含む第3単位パターン群U40を示している。
図19は、本実施形態の第3変形例に係る3次元測定装置10の投光部20により投光されるパターンの例を示す図である。同図では、4つの符号化領域Aの例を示しており、符号化領域Aは、単位パターンU51、単位パターンU52及び単位パターンU53が2×2の格子状に配列されて構成されたり、単位パターンU54、単位パターンU55及び単位パターンU56が2×2の格子状に配列されて構成されたりしている。1つの符号化領域Aから1つのデータが復号されてよく、本例に示す4つの符号化領域Aによって4ビットの情報を表すことができる。
図20は、本実施形態の第4変形例に係る3次元測定装置10の投光部20により投光されるパターンの例を示す図である。同図では、4つの符号化領域Aの例を示しており、符号化領域Aは、単位パターンU61、単位パターンU62及び単位パターンU63が2×2の格子状に配列されて構成されたり、単位パターンU64、単位パターンU62及び単位パターンU63が2×2の格子状に配列されて構成されたり、単位パターンU65、単位パターンU62及び単位パターンU63が2×2の格子状に配列されて構成されたり、単位パターンU66、単位パターンU62及び単位パターンU63が2×2の格子状に配列されて構成されたりしている。1つの符号化領域Aから1つのデータが復号されてよく、本例に示す4つの符号化領域Aによって4ビットの情報を表すことができる。
図21は、本実施形態の第5変形例に係る3次元測定装置10の投光部20により投光される単位パターンの例を示す図である。同図では、単位パターンU70及び単位パターンU71の例を示している。単位パターンU70及び単位パターンU71は、グリッド状の格子パターンを含み、それぞれ格子の太さが異なっている。単位パターンU70及び単位パターンU71では、格子の太さを変更することで第1領域S1の面積を第2領域S2の面積で割った面積比を変更している。
対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光する投光部(20)と、
前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像する撮像部(30)と、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出する算出部(43)と、を備え、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定装置(10)。
前記単位パターンは、前記画像上で、短辺が3画素以上10画素以下の四辺形である、
付記1に記載の3次元測定装置(10)。
前記画像上で、前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
付記1又は2に記載の3次元測定装置(10)。
前記画像上における前記単位パターンの短辺の画素数に応じて、前記投光部(20)により投光する前記パターンの前記面積比の範囲を設定する設定部(45)をさらに備える、
付記1から3のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記設定部(45)は、前記画像上における前記単位パターンの短辺の画素数が少なくなるに従って、前記面積比の範囲を狭めるように設定する、
付記4に記載の3次元測定装置(10)。
前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部(20)により投光される光の明暗で区別される、
付記1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部(20)により投光される光の波長帯で区別される、
付記1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部(20)により投光される光の偏光で区別される、
付記1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記単位パターンは、前記第1領域が分離せず連続した2次元形状を含む、
付記1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記単位パターンは、前記第1領域が、前記第2領域を挟んで分離した2次元形状を含む、
付記1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記パターンは、前記第1領域が分離せず連続した2次元形状を含む前記単位パターンと、前記第1領域が、前記第2領域を挟んで分離した2次元形状を含む前記単位パターンと、を含む、
付記1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
前記第1領域は、前記単位パターンにおいて、前記第2領域を挟んで2つに分離している、
付記10又は11に記載の3次元測定装置(10)。
前記第1領域は、前記単位パターンにおいて、前記第2領域を挟んで3つ以上に分離している、
付記10又は11に記載の3次元測定装置(10)。
前記投光部(20)は、投光する前記パターンの大きさを変調させる変調素子を含む、
付記1から13のいずれか一項に記載の3次元測定装置(10)。
対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光することと、
前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像することと、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出することと、を含み、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定方法。
対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光する投光部(20)と、前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像する撮像部(30)と、を備える3次元測定装置(10)に備えられた演算部を、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出する算出部(43)として動作させ、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定プログラム。
Claims (16)
- 対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光する投光部と、
前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像する撮像部と、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出する算出部と、を備え、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定装置。 - 前記単位パターンは、前記画像上で、短辺が3画素以上10画素以下の四辺形である、
請求項1に記載の3次元測定装置。 - 前記画像上で、前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
請求項1又は2に記載の3次元測定装置。 - 前記画像上における前記単位パターンの短辺の画素数に応じて、前記投光部により投光する前記パターンの前記面積比の範囲を設定する設定部をさらに備える、
請求項1から3のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記設定部は、前記画像上における前記単位パターンの短辺の画素数が少なくなるに従って、前記面積比の範囲を狭めるように設定する、
請求項4に記載の3次元測定装置。 - 前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部により投光される光の明暗で区別される、
請求項1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部により投光される光の波長帯で区別される、
請求項1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記第1領域及び前記第2領域は、前記投光部により投光される光の偏光で区別される、
請求項1から5のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記単位パターンは、前記第1領域が分離せず連続した2次元形状を含む、
請求項1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記単位パターンは、前記第1領域が、前記第2領域を挟んで分離した2次元形状を含む、
請求項1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記パターンは、前記第1領域が分離せず連続した2次元形状を含む前記単位パターンと、前記第1領域が、前記第2領域を挟んで分離した2次元形状を含む前記単位パターンと、を含む、
請求項1から8のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 前記第1領域は、前記単位パターンにおいて、前記第2領域を挟んで2つに分離している、
請求項10又は11に記載の3次元測定装置。 - 前記第1領域は、前記単位パターンにおいて、前記第2領域を挟んで3つ以上に分離している、
請求項10又は11に記載の3次元測定装置。 - 前記投光部は、投光する前記パターンの大きさを変調させる変調素子を含む、
請求項1から13のいずれか一項に記載の3次元測定装置。 - 対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光することと、
前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像することと、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出することと、を含み、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定方法。 - 対象物に、2次元構造によってデータが符号化されたパターンを投光する投光部と、前記パターンが投光された前記対象物の画像を撮像する撮像部と、を備える3次元測定装置に備えられた演算部を、
前記パターンの特徴点を抽出して、前記画像における前記特徴点の位置及び復号された前記データに基づいて、前記対象物の3次元形状を表す3次元点群の位置を算出する算出部として動作させ、
前記パターンは、少なくとも2ビットを表し、前記特徴点を含み、前記3次元点群の位置を算出するために用いられる最小単位の単位パターンを複数含み、
前記単位パターンは、第1領域と、前記第1領域と区別され、前記第1領域よりも面積の大きい第2領域とを含み、
前記第1領域の面積を前記第2領域の面積で割った面積比は、0.3以上0.9以下である、
3次元測定プログラム。
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