JP7088530B2 - 3D method and device for projecting measurement result-related information on the surface of an object to be measured - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 平成29年8月27日に山梨大学甲府キャンパスにおいて開催された第22回知能メカトロニクスワークショップで発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Announced at the 22nd Intelligent Mechatronics Workshop held at the University of Yamanashi Kofu Campus on August 27, 2017.

特許法第30条第2項適用 平成29年11月25日に富山大学五福キャンパスにおいて開催された2017年度精密工学会北陸信越支部学術講演会で発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Presented at the 2017 Hokuriku Shinetsu Branch Academic Lecture Meeting held at the University of Toyama Gofuku Campus on November 25, 2017.

本発明は、3次元計測対象物体の表面に投影する方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for projecting onto the surface of a three-dimensional measurement target object.

非接触による3次元形状計測は、製造業をはじめ、医療、土木、衣料分野など幅広い需要がある。特に、板金加工品やプレス加工品など、大型の曲面を持つ物体に対しては、非接触で3次元の分布が計測できるパターン投影による3次元計測が短時間で計測・検査が出来る手法として有効である。 Non-contact 3D shape measurement is in widespread demand in the manufacturing industry, medical care, civil engineering, and clothing fields. Especially for objects with large curved surfaces such as sheet metal processed products and stamped products, 3D measurement by pattern projection, which can measure 3D distribution without contact, is effective as a method for measuring and inspecting in a short time. Is.

実際の検査現場において作業者が3次元計測結果と実物表面の対応関係をつける作業に大きな労力がかかる。例えば、大型の板金加工製品における曲面形状の検査に用いる場合、3次元形状の計測データが得られて、形状の不具合部分が検出されたとしても、検査装置のモニター画面上に表示された不具合部分が、実物上のどの部分であるかを認識する必要がある。特に、凹凸が少ないなど形状に大きな特徴がない物体の場合には、不具合部分が物体のどの部分であるのかを特定することが難しくなる。そのため、物体上の欠陥位置の特定が短時間で行える方法が求められている。 At the actual inspection site, it takes a lot of labor for the worker to make a correspondence between the 3D measurement result and the actual surface. For example, when used for inspection of curved surface shape in a large sheet metal processing product, even if measurement data of three-dimensional shape is obtained and a defective part of the shape is detected, the defective part displayed on the monitor screen of the inspection device. However, it is necessary to recognize which part in the real thing. In particular, in the case of an object having few irregularities or other major features in shape, it becomes difficult to identify which part of the object the defective portion is. Therefore, there is a demand for a method that can identify the position of a defect on an object in a short time.

従来手法として、特許文献1に示す装置と手法が開発されている。これは、計測用のカメラと投影用のプロジェクターの光軸を画素単位で合わせるような光学系を作成し、計測結果を表した画像を投影用のプロジェクターから対象物体表面に投影するものである。計測しているカメラ画素と投影用のプロジェクターの画素が1対1で対応している。そのため、カメラの画素ごとに得られる計測結果に対して、同じ画素に投影する輝度値やカラー情報を格納して作成する画像を、投影用のプロジェクターから投影することで、対象物の表面の対応する点ごとに計測結果や評価結果を投影することができる。 As a conventional method, an apparatus and a method shown in Patent Document 1 have been developed. This creates an optical system that aligns the optical axes of the measurement camera and the projection projector on a pixel-by-pixel basis, and projects an image showing the measurement results from the projection projector onto the surface of the target object. There is a one-to-one correspondence between the camera pixel being measured and the pixel of the projector for projection. Therefore, by projecting an image created by storing the brightness value and color information projected on the same pixel with respect to the measurement result obtained for each pixel of the camera from the projector for projection, the surface of the object can be dealt with. Measurement results and evaluation results can be projected for each point.

特許文献2には、カメラとプロジェクターを用いたパターン投影によって、対象となる3次元物体の3次元計測を行い、得られた点群データを元にして、投影パターンの幾何学的変形処理を行う映像投影の方法が示されている。 In Patent Document 2, three-dimensional measurement of a target three-dimensional object is performed by pattern projection using a camera and a projector, and geometric deformation processing of the projection pattern is performed based on the obtained point group data. The method of image projection is shown.

また、3次元物体に対するプロジェクションマッピングの技術においては、建物などの固定された物体に対するものだけでなく、動的に変化するものに対してプロジェクションマッピングを行う手法も提案されている。例えば、非特許文献1には、3次元計測で得られた点群データを元にして対象物体の位置と向きを推定し、それに応じて投影パターンを求める映像投影の方法が示されている。 Further, in the technique of projection mapping for a three-dimensional object, a method of performing projection mapping not only for a fixed object such as a building but also for a dynamically changing object has been proposed. For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of image projection in which the position and orientation of a target object are estimated based on the point cloud data obtained by three-dimensional measurement, and the projection pattern is obtained accordingly.

特開2001-066158号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-066158 特開2015-173430号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-173430

鷹箸拓也, 橋本直己, 佐藤美恵,3次元点群を用いた物体追跡によるインタラクティブな映像投影に関する一検討,映像情報メディア学会誌, Vol. 69, No. 6, J213-J216(2015).Takuya Takanohashi, Naoki Hashimoto, Mie Sato, A Study on Interactive Image Projection by Object Tracking Using 3D Point Cloud, Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 69, No. 6, J213-J216 (2015).

しかしながら、特許文献1に開示される技術は、計測用のカメラと投影用のプロジェクターの光軸を一致させる必要があることで、特殊な光学系が必要となり、高価なものとなる。また、その微調整も必要となり手間がかかる。 However, the technique disclosed in Patent Document 1 requires a special optical system because it is necessary to align the optical axes of the camera for measurement and the projector for projection, which is expensive. In addition, fine adjustment is required, which is troublesome.

また、特許文献2に開示される技術は、対象物体の3次元計測を行うたびに投影座標変換データを生成してから座標変換処理を行っているために,対象物体が位置を変えたり変形したりした場合は,その後の手順を行うために時間がかかるという問題がある。
また、非特許文献1に開示される技術は、対象物体の形状データをあらかじめ登録しておく必要があるため、任意形状の物体には適用できない。
Further, in the technique disclosed in Patent Document 2, since the coordinate conversion process is performed after the projected coordinate conversion data is generated every time the three-dimensional measurement of the target object is performed, the target object changes its position or is deformed. If this happens, there is a problem that it takes time to perform the subsequent steps.
Further, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 cannot be applied to an object having an arbitrary shape because the shape data of the target object needs to be registered in advance.

そこで、本発明の目的は、3次元計測対象物体の表面に計測結果関連情報を投影する際に、計測対象物の形状・位置・姿勢に応じて、前記計測結果関連情報を前記3次元計測対象物体の表面の正しい位置に投影することが可能な方法および装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to project the measurement result-related information onto the surface of the three-dimensional measurement target object according to the shape, position, and orientation of the measurement target object. It is to provide a method and a device capable of projecting to the correct position on the surface of an object.

願の請求項1に係る発明は、
格子パターンを物体の表面に投影する計測用プロジェクターと、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を物体上に投影する投影用プロジェクターと、前記計測用プロジェクターから投影された格子パターンを撮影するカメラと、を備え、前記カメラと前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターの位置関係を固定したプロジェクションマッピング装置を用いる、プロジェクションマッピング方法において、
前記計測用プロジェクターを用いて前記物体の3次元形状を計測する第1ステップと、
前記第1ステップより前記物体の3次元形状を計測して得られた座標情報を元にして、前記カメラの画素と前記物体の座標情報に対応して前記投影用プロジェクターの対応座標が格納されているテーブルを参照する第2ステップと、
前記第2ステップにより、前記カメラの画素に対応する前記投影用プロジェクターの画素の座標を求める第3ステップと、
前記第3ステップにより求められた、前記投影用プロジェクターの画素から、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を前記物体の表面に投影する第4ステップと、を含み、
前記テーブルは、予め、前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターのそれぞれから複数の位置に設置された基準面に投影される格子パターンの位相と前記基準面の位置の関係を基に作成するものであって、
前記基準面の垂直方向をz軸方向、横縦方向をxy軸方向として定義し、前記基準面はz軸方向に平行移動でき、x,y座標を求めるための格子パターンが固定された前記基準面、又は、x,y座標を求めるためのパターンを表示する前記基準面を前記z軸方向の複数の位置に移動して、前記複数の位置の各々で前記基準面を撮影し、
前記各々の位置で撮影した撮影画像の座標ごとに、
(1)前記基準面に固定されたx,y座標を求めるための前記パターン、又は、前記基準面に表示されたx,y座標を求めるためのパターンからx,y座標を求め、
(2)前記基準面に前記計測用プロジェクターから格子パターンを投影して、投影された格子パターンの位相θ0を求め、
(3)前記基準面に前記投影用プロジェクターからx軸方向及びy軸方向の格子パターンを投影してx軸方向及びy軸方向の格子の位相値(Φip,Φjp)を求め、前記位相値に基づいて前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)を求め、
前記カメラの画素(ic,jc)とz座標を要素として持つ3次元テーブルにおいて、前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)が要素の値として格納されている前記テーブルを用いる、
プロジェクションマッピング方法、である。
請求項2に係る発明は、
前記第2ステップは、請求項1のように作成されたテーブルに形状計測結果として得られたz座標とカメラ座標を入力し、
前記第3ステップは、前記第2ステップにより対応する投影用プロジェクターの投影画像の座標を求め、
前記第4ステップは、その座標値を持つ投影画像の画素に投影するパターンの値を格納することで投影画像を生成し物体に投影する、
請求項1に記載のプロジェクションマッピング方法、である。
請求項3に係る発明は、
格子パターンを物体の表面に投影する計測用プロジェクターと、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を物体上に投影する投影用プロジェクターと、前記計測用プロジェクターから投影された格子パターンを撮影するカメラと、を備え、前記カメラと前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターの位置関係を固定したプロジェクションマッピング装置において、
前記計測用プロジェクターを用いて前記物体の3次元形状を計測する3次元形状計測手段と、
前記3次元形状計測手段により前記物体の3次元形状を計測して得られた座標情報を元にして、前記カメラの画素と前記物体の座標情報に対応して前記投影用プロジェクターの対応座標が格納されているテーブルを参照する参照手段と、
前記参照手段により、前記カメラの画素に対応する前記投影用プロジェクターの画素の座標を求める画素情報取得手段と、
前記画素情報取得手段により求められた、前記投影用プロジェクターの画素から、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を前記物体の表面に投影する投影手段とを備え、
前記テーブルは、予め、前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターのそれぞれから複数の位置に設置された基準面に投影される格子パターンの位相と前記基準面の位置の関係を基に作成するものであって、
前記基準面の垂直方向をz軸方向、横縦方向をxy軸方向として定義し、前記基準面はz軸方向に平行移動でき、x,y座標を求めるための格子パターンが固定された前記基準面、又は、x,y座標を求めるためのパターンを表示する前記基準面を前記z軸方向の複数の位置に移動して、前記複数の位置の各々で前記基準面を撮影し、
前記各々の位置で撮影した撮影画像の座標ごとに、
(1)前記基準面に固定されたx,y座標を求めるための前記パターン、又は、前記基準面に表示されたx,y座標を求めるためのパターンからx,y座標を求め、
(2)前記基準面に前記計測用プロジェクターから格子パターンを投影して、投影された格子パターンの位相θ0を求め、
(3)前記基準面に前記投影用プロジェクターからx軸方向及びy軸方向の格子パターンを投影してx軸方向及びy軸方向の格子の位相値(Φip,Φjp)を求め、前記位相値に基づいて前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)を求め、
前記カメラの画素(ic,jc)とz座標を要素として持つ3次元テーブルにおいて、前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)が要素の値として格納されている前記テーブルを用いる、
プロジェクションマッピング装置、である。
The invention according to claim 1 of the present application is
A measurement projector that projects a grid pattern onto the surface of an object, a projection projector that projects brightness values and color information corresponding to the position of the surface of the object onto the object, and a grid pattern projected from the measurement projector. In a projection mapping method using a projection mapping device comprising a camera for photographing and fixing the positional relationship between the camera, the measurement projector, and the projection projector.
The first step of measuring the three-dimensional shape of the object using the measurement projector,
Based on the coordinate information obtained by measuring the three-dimensional shape of the object from the first step, the corresponding coordinates of the projection projector are stored corresponding to the coordinate information of the camera and the object. The second step to refer to the existing table and
In the second step, the third step of obtaining the coordinates of the pixels of the projection projector corresponding to the pixels of the camera, and
The fourth step of projecting the luminance value and the color information corresponding to the position of the surface of the object from the pixels of the projection projector obtained in the third step onto the surface of the object is included.
The table is created in advance based on the relationship between the phase of the grid pattern projected on the reference planes installed at a plurality of positions from each of the measurement projector and the projection projector and the positions of the reference planes . There,
The vertical direction of the reference plane is defined as the z-axis direction, and the horizontal and vertical directions are defined as the xy-axis direction. The reference plane can be translated in the z-axis direction, and the grid pattern for obtaining the x and y coordinates is fixed. The surface or the reference surface for displaying the pattern for obtaining the x and y coordinates is moved to a plurality of positions in the z-axis direction, and the reference surface is photographed at each of the plurality of positions.
For each coordinate of the captured image taken at each of the above positions,
(1) Obtain the x, y coordinates from the pattern for obtaining the x, y coordinates fixed on the reference plane, or the pattern for obtaining the x, y coordinates displayed on the reference plane.
(2) A grid pattern is projected from the measurement projector onto the reference plane to obtain the phase θ0 of the projected grid pattern.
(3) The grid patterns in the x-axis direction and the y-axis direction are projected from the projection projector onto the reference plane to obtain the phase values (Φip, Φjp) of the grids in the x-axis direction and the y-axis direction, and the phase values are used. Based on this, the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are obtained.
In a three-dimensional table having pixels (ic, jc) and z-coordinates of the camera as elements, the table in which the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are stored as element values is used.
It is a projection mapping method.
The invention according to claim 2 is
In the second step, the z coordinate and the camera coordinate obtained as the shape measurement result are input to the table created as in claim 1.
In the third step, the coordinates of the projected image of the corresponding projection projector are obtained by the second step.
In the fourth step, a projected image is generated by storing the value of the pattern to be projected on the pixels of the projected image having the coordinate values, and the projected image is projected onto the object.
The projection mapping method according to claim 1.
The invention according to claim 3 is
A measurement projector that projects a grid pattern onto the surface of an object, a projection projector that projects brightness values and color information corresponding to the position of the surface of the object onto the object, and a grid pattern projected from the measurement projector. In a projection mapping device equipped with a camera for photographing and fixing the positional relationship between the camera, the measurement projector, and the projection projector.
A three-dimensional shape measuring means for measuring the three-dimensional shape of the object using the measuring projector,
Based on the coordinate information obtained by measuring the three-dimensional shape of the object by the three-dimensional shape measuring means, the corresponding coordinates of the projection projector are stored corresponding to the coordinate information of the camera and the object. Reference means to refer to the table and
Pixel information acquisition means for obtaining the coordinates of the pixels of the projection projector corresponding to the pixels of the camera by the reference means.
A projection means for projecting a luminance value or color information corresponding to a position on the surface of the object from the pixels of the projection projector obtained by the pixel information acquisition means onto the surface of the object is provided.
The table is created in advance based on the relationship between the phase of the grid pattern projected on the reference planes installed at a plurality of positions from each of the measurement projector and the projection projector and the positions of the reference planes. There,
The vertical direction of the reference plane is defined as the z-axis direction, and the horizontal and vertical directions are defined as the xy-axis direction. The reference plane can be translated in the z-axis direction, and the grid pattern for obtaining the x and y coordinates is fixed. The surface or the reference surface for displaying the pattern for obtaining the x and y coordinates is moved to a plurality of positions in the z-axis direction, and the reference surface is photographed at each of the plurality of positions.
For each coordinate of the captured image taken at each of the above positions,
(1) Obtain the x, y coordinates from the pattern for obtaining the x, y coordinates fixed on the reference plane, or the pattern for obtaining the x, y coordinates displayed on the reference plane.
(2) A grid pattern is projected from the measurement projector onto the reference plane to obtain the phase θ0 of the projected grid pattern.
(3) The grid patterns in the x-axis direction and the y-axis direction are projected from the projection projector onto the reference plane to obtain the phase values (Φip, Φjp) of the grids in the x-axis direction and the y-axis direction, and the phase values are used. Based on this, the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are obtained.
In a three-dimensional table having pixels (ic, jc) and z-coordinates of the camera as elements, the table in which the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are stored as element values is used.
It is a projection mapping device .

本発明により、3次元計測対象物体の表面に計測結果関連情報を投影する際に、計測対象物の形状・位置・姿勢に応じて、前記計測結果関連情報を前記3次元計測対象物体の表面の正しい位置に投影することが可能な方法および装置を提供できる。 According to the present invention, when the measurement result-related information is projected on the surface of the three-dimensional measurement target object, the measurement result-related information is transmitted to the surface of the three-dimensional measurement target object according to the shape, position, and orientation of the measurement target object. A method and device capable of projecting to the correct position can be provided.

基準面上の点と投影行使の位相の関係において、計測用のプロジェクターを用いた投影を説明する図である。It is a figure explaining the projection using the projector for measurement in the relationship between the point on the reference plane and the phase of the projection exercise. 基準面上の点と投影行使の位相の関係において、マッピング用のプロジェクターを用いた投影を説明する図である。It is a figure explaining the projection using the projector for mapping in the relationship between the point on the reference plane and the phase of the projection exercise. 1画素の撮影ラインLと基準面上の3次元座標(x座標とy座標,z座標)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the photographing line L of 1 pixel, and 3D coordinates (x coordinate and y coordinate, z coordinate) on a reference plane. 変換テーブルの作成を説明する図である。It is a figure explaining the creation of a conversion table. 基準面撮影で得た位相と高さの関係を示す図であり、位相とx座標の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase and the height obtained by the reference plane photography, and is the figure which shows the relationship between a phase and an x coordinate. 基準面撮影で得た位相と高さの関係を示す図であり、位相とy座標の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase and the height obtained by the reference plane photography, and is the figure which shows the relationship between a phase and a y coordinate. 基準面撮影で得た位相と高さの関係を示す図であり、位相とz座標の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase and the height obtained by the reference plane photography, and is the figure which shows the relationship between a phase and a z coordinate. 作成した位相・高さの関係テーブルとその参照を説明する図である。It is a figure explaining the created phase-height relation table and its reference. 位相と3次元座標(x座標,y座標,z座標)の変換テーブルを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the conversion table of a phase and a 3D coordinate (x coordinate, y coordinate, z coordinate). 移動ステージに取り付けられた基準面に用いる液晶ディスプレイを説明する図である。It is a figure explaining the liquid crystal display used for the reference plane attached to a moving stage. 計測用のプロジェクターから基準面への格子の投影と撮影の様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of the projection of the grid from the projector for measurement to the reference plane, and the state of photography. x方向の格子を基準面に表示して撮影する様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of displaying a grid in the x direction on a reference plane, and taking a picture. y方向の格子を基準面に表示して撮影する様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of displaying a grid in the y direction on a reference plane, and taking a picture. マッピング用のプロジェクターから基準面への格子の投影の様子(x方向)を説明する図である。It is a figure explaining the state (x direction) of the projection of the grid from the projector for mapping to the reference plane. マッピング用のプロジェクターから基準面への格子の投影の様子(x方向)を説明する図である。It is a figure explaining the state (x direction) of the projection of the grid from the projector for mapping to the reference plane. 計測画像と計測の様子を説明する図である。It is a figure explaining the measurement image and the state of measurement. マッピングする画像と計測の様子を説明する図である。It is a figure explaining the image to be mapped and the state of measurement. カメラの座標(ic,jc)とz座標の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the coordinates (ic, jc) of a camera, and z coordinates. 1画素のカメラの座標(ic,jc)とz座標の関係を示す図であり、z座標と投影画素ipの関係を説明する図である。It is a figure which shows the relationship between the coordinates (ic, jc) of a 1-pixel camera and z-coordinate, and is the figure which explains the relationship between z-coordinate and projection pixel ip. 1画素のカメラの座標(ic,jc)とz座標の関係を示す図であり、z座標と投影画素jpの関係を説明する図である。It is a figure which shows the relationship between the coordinates (ic, jc) of a 1-pixel camera and z-coordinate, and is the figure which explains the relationship between z-coordinate and projection pixel jp. マッピング用プロジェクターで格子投影した画像の位相接続画像であり、投影画素ipを説明する図である。It is a phase connection image of the image projected in a grid by a mapping projector, and is the figure explaining the projection pixel ip. マッピング用プロジェクターで格子投影した画像の位相接続画像であり、投影画像jpを説明する図である。It is a phase connection image of the image projected in a grid by a mapping projector, and is the figure explaining the projected image jp. 形状計測のフローを説明する図である。It is a figure explaining the flow of shape measurement. 計測装置の一構成例を示す図である。It is a figure which shows one configuration example of a measuring device. プロジェクターとカメラとLEDデバイスの配置を示す図である。It is a figure which shows the arrangement of a projector, a camera, and an LED device. 格子パターンを投影する様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of projecting a grid pattern. 計測結果を対象物体に投影する様子を説明する図である。It is a figure explaining how the measurement result is projected onto the target object. 計測用プロジェクターから計測対象物体の表面に格子パターンを投影する様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of projecting a grid pattern on the surface of the object to be measured from the projector for measurement. 計測結果を計測対象物体に投影する様子を説明する図である。It is a figure explaining how the measurement result is projected onto the object to be measured.

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
1.計測原理
ここでは、3次元計測、および3次元計測マッピングに用いられている計測原理を説明する。3次元計測マッピングでは全空間テーブル化方法を用いて、計測時に用いるプロジェクターと、計測結果や評価結果などの計測結果関連情報を物体上にマッピングするためのプロジェクターの光軸が異なっていても、位相と3次元座標のテーブルを参照することで、複雑な計算をしなくても対応関係を求めることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1. 1. Measurement principle Here, the measurement principle used for 3D measurement and 3D measurement mapping will be described. In 3D measurement mapping, the whole space tableization method is used, and even if the optical axis of the projector used for measurement and the projector for mapping measurement result-related information such as measurement results and evaluation results on an object are different, the phase is different. By referring to the table of 3D coordinates, the correspondence can be obtained without complicated calculation.

まず1.1で、位相と3次元座標を変換するテーブルをつくるための全空間テーブル化方法の基準面の撮影と位相と座標のテーブルについて説明する。1.2で、液晶ディスプレイを用いたテーブルの作成方法について説明する。最後に1.3で、位相と3次元座標の変換について説明する。 First, in 1.1, the shooting of the reference plane and the table of phase and coordinates will be described in the method of creating a full-space table for creating a table that converts the phase and three-dimensional coordinates. In 1.2, a method of creating a table using a liquid crystal display will be described. Finally, in 1.3, the conversion between the phase and the three-dimensional coordinates will be described.

位相シフト法、光源切替位相シフト法、計測深度拡大法および,オーバーラップ法は、公知の技術を用いることができる。ここでは、テーブル作成に使用する基準面の垂直方向をz座標(高さ・深度)方向、横縦方向をxy座標方向として定義する。 Known techniques can be used for the phase shift method, the light source switching phase shift method, the measurement depth expansion method, and the overlap method. Here, the vertical direction of the reference plane used to create the table is defined as the z coordinate (height / depth) direction, and the horizontal and vertical direction is defined as the xy coordinate direction.

1.1 全空間テーブル化方法
1.1.1 基準面の撮影
投影する余弦波状の格子パターンに対して、直交する方向をx軸とする。このとき、図1A,図1Bに基準面上の点と投影格子の位相の関係を示す。図1Aは計測用のプロジェクターを用いた投影の場合、図1Bはマッピング用のプロジェクターを用いた投影の場合をそれぞれ表す。
1.1 Total space table creation method 1.1.1 Imaging of reference plane The x-axis is the direction orthogonal to the cosine wave-shaped grid pattern to be projected. At this time, FIGS. 1A and 1B show the relationship between the point on the reference plane and the phase of the projection grid. FIG. 1A shows the case of projection using a projector for measurement, and FIG. 1B shows the case of projection using a projector for mapping.

カメラと計測用プロジェクターとマッピング用プロジェクターの位置関係を固定し、x軸方向で視差がおきるように配置する。基準面はz軸に垂直に設置し、z軸方向に平行移動が可能である。格子模様がプロジェクター(計測用プロジェクターとマッピング用プロジェクター)から基準面に投影される。 The positional relationship between the camera, the measurement projector, and the mapping projector is fixed, and the parallax is arranged in the x-axis direction. The reference plane is installed perpendicular to the z-axis and can be translated in the z-axis direction. The grid pattern is projected from the projectors (measurement projector and mapping projector) onto the reference plane.

カメラの任意の1画素は図1A,図1Bに示す直線L上の点を撮影しているものとする。前記の任意の1画素は、基準面R0, R1, R2...Rに応じて、それぞれ点P0, P1, P2...PNを撮影することになる。それぞれの点における位相は、位相シフト法によって投影した格子から求めることができる。具体的には、基準面の位置をΔzずつ動かしていき、それぞれのzにおける基準面の位相分布を求めていく。この時、基準面の高さを低いほうからzi(i = 0, 1, 2, …, N)とする。ここで、N+1は基準面を動かした回数である。なお、図中のプロジェクター(計測用プロジェクターとマッピング用プロジェクター)から基準面へ引かれている実線は投影格子の輝度値の高い部分を示している。 It is assumed that any one pixel of the camera captures a point on the straight line L shown in FIGS. 1A and 1B. Any one pixel described above will photograph points P 0 , P 1 , P 2 ... P N , respectively, according to the reference planes R 0 , R 1 , R 2 ... RN . The phase at each point can be obtained from the grid projected by the phase shift method. Specifically, the position of the reference plane is moved by Δz, and the phase distribution of the reference plane at each z is obtained. At this time, the height of the reference plane is z i (i = 0, 1, 2, ..., N) from the lowest. Here, N + 1 is the number of times the reference plane is moved. The solid line drawn from the projectors (measurement projector and mapping projector) in the figure to the reference plane indicates a portion of the projection grid having a high luminance value.

図2に、1画素の撮影ラインLと基準面上の3次元座標(x座標とy座標,z座標)の関係を示す。1画素が撮影している各基準面上の点P0, P1, P2...PN については、基準面に固定された2次元状のパターンからx座標およびy座標を得て、基準面の位置からz座標を得る。基準面に固定された2次元状のパターンは、そのパターンからx座標およびy座標が得られるようなパターンが必要である。 FIG. 2 shows the relationship between the shooting line L of one pixel and the three-dimensional coordinates (x-coordinate, y-coordinate, z-coordinate) on the reference plane. For points P 0 , P 1 , P 2 ... P N on each reference plane photographed by one pixel, x-coordinates and y-coordinates are obtained from a two-dimensional pattern fixed to the reference plane. Obtain the z coordinate from the position of the reference plane. The two-dimensional pattern fixed to the reference plane needs a pattern in which the x-coordinate and the y-coordinate can be obtained from the pattern.

2次元状のパターンとして2次元格子を用いる場合は、その格子のx方向およびy方向の位相値をそれぞれ求め、さらに位相接続をすることによって、各点におけるx座標およびy座標をそれぞれ得ることができる。基準面の表面に光拡散板を貼付けた液晶ディスプレイを用いることで、格子パターンを基準面上に表示することができ、撮影した画像から位相シフト法によって位相分布を求める。このようにすることで、各基準面の位置ごとに、投影格子の位相θに対するx座標,y座標,z座標がそれぞれ画素ごとに得られることになる。 When a two-dimensional grid is used as a two-dimensional pattern, it is possible to obtain the x-coordinate and y-coordinate at each point by obtaining the phase values of the grid in the x and y directions, respectively, and then making a phase connection. can. By using a liquid crystal display with a light diffusing plate attached to the surface of the reference surface, the lattice pattern can be displayed on the reference surface, and the phase distribution is obtained from the captured image by the phase shift method. By doing so, the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate with respect to the phase θ of the projection grid can be obtained for each pixel for each position of the reference plane.

1.1.2 テーブルの作成
次に、z座標と位相との変換テーブルを作成する。変換テーブル作成の概要を図3に示す。実際に計測された2点間のz座標における位相を線形的に補間し、補間された場所で間隔Δθを一定に保つようにテーブル要素を作成する。要素には位相値の小さいほうから0, 1, 2, …, i…, Nと番号をつけ、それぞれの位相値はθi(i = 0, 1, 2, …, N)とおく。ここで、N+1は作成するテーブルの要素の総数である。NとΔθとの間には、数1式の関係がある。
1.1.2 Creating a table Next, create a conversion table between the z coordinate and the phase. The outline of the conversion table creation is shown in FIG. The phase at the z coordinate between the actually measured two points is linearly interpolated, and the table element is created so that the interval Δθ is kept constant at the interpolated place. The elements are numbered 0, 1, 2, ..., i ..., N from the smallest phase value, and each phase value is θ i (i = 0, 1, 2, ..., N). Here, N + 1 is the total number of elements in the table to be created. There is a relation of the equation 1 between N and Δθ.

Figure 0007088530000001
Figure 0007088530000001

まず、図4A,図4B,図4Cに示すように、位相θPに対応するx座標xPは、位相θPを間に持つ前後の位相θiおよびθi+1と、それに対応するx座標xiおよびxi+1を用いて数2式により求めることができる。同様に、y座標についてはyiおよびyi+1を用いて数3式により、また、z座標については、ziおよびzi+1を用いて数4式により求めることができる。 First, as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the x-coordinate x P corresponding to the phase θ P is the front and rear phases θ i and θ i + 1 having the phase θ P in between, and the corresponding x. It can be obtained by the equation 2 using the coordinates x i and x i + 1 . Similarly, the y coordinate can be obtained by the equation 3 using y i and y i + 1 , and the z coordinate can be obtained by the equation 4 using z i and z i + 1 .

Figure 0007088530000002
Figure 0007088530000002

Figure 0007088530000003
Figure 0007088530000003

Figure 0007088530000004
Figure 0007088530000004

ここで、θ= θPとする。また、θi+1 < θiとなる場合、θi < θ ≦ 2πであればθi+1に2πを加え、0 ≦ θ < θi+1であればθiから2πを引いた上で数2式,数3式,および数4式を用いる。また、数2式,数3式,および数4式を用いて、あらかじめ等間隔の位相θに対応するx座標とy座標,z座標のテーブルをそれぞれ作成しておく。 Here, θ = θ P. If θ i + 1i , add 2π to θ i + 1 if θ i <θ ≤ 2π, and subtract 2π from θ i if 0 ≤ θ <θ i + 1 . In, the number 2, the number 3, and the number 4 are used. In addition, a table of x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate corresponding to the phase θ at equal intervals is created in advance by using the equations 2, 3, and 4.

なお、図4A,図4B,図4Cにおいて、Kとして示す区間の位相に対しては、その位相を間に持つ前後の位相θNおよびθN+1とのうち、θN+1は存在しない。そこで、i = N-1として数2式,数3式,および数4式を用いて、位相と3次元座標の関係を求める。すなわち、一つ手前の基準面における位相と座標の値を用いて計算する。こうすることによって、0から2πの全ての位相に対して、3次元座標を得ることができる。また、投影格子の位相接続を行う場合でも、同様の考え方で、位相接続後の位相とその点の3次元座標を得ることが可能である。 In FIGS. 4A, 4B, and 4C, θ N + 1 does not exist among the phases θ N and θ N + 1 before and after the phase shown as K for the phase of the section. .. Therefore, the relationship between the phase and the three-dimensional coordinates is obtained by using the equations 2, 3, and 4 with i = N-1. That is, the calculation is performed using the values of the phase and coordinates on the reference plane immediately before. By doing so, three-dimensional coordinates can be obtained for all phases from 0 to 2π. Further, even when the phase connection of the projection grid is performed, it is possible to obtain the phase after the phase connection and the three-dimensional coordinates of the point by the same idea.

1.1.3 テーブルの参照
形状計測の際は、作成した位相と高さの関係テーブルを参照し、これより高さ分布を得る。作成したある1画素における、位相と高さの関係テーブルを図5に示す。ここで、基準面の位相を求めた時と同様にして、計測対象の位相θを求める。数5式に示すようにθをΔθで割った商nはθが参照すべきテーブル要素の番号と一致するため、その画素におけるz座標znが求まる。これを全画素に対して行えば、計測対象の高さ分布が算出できる。
1.1.3 Reference of table When measuring the shape, refer to the created relationship table of phase and height, and obtain the height distribution from this. FIG. 5 shows a relationship table between the phase and the height in one created pixel. Here, the phase θ of the measurement target is obtained in the same manner as when the phase of the reference plane is obtained. As shown in Equation 5, the quotient n obtained by dividing θ by Δθ is the same as the number of the table element to be referred to, so that the z coordinate z n in that pixel can be obtained. By doing this for all pixels, the height distribution of the measurement target can be calculated.

Figure 0007088530000005
Figure 0007088530000005

x座標のテーブル作成の際、初めに得られた高さとx座標の関係から、位相とz座標の関係テーブルを利用することにより、位相とx座標の関係への変換を行った。このことにより、x座標の算出にz座標の算出が不要になる。また、y座標についても同様の手法で位相からy座標を求めるテーブルを作成することができる。 When creating the x-coordinate table, the relationship between the phase and the x-coordinate was converted from the relationship between the height and the x-coordinate obtained at the beginning by using the phase-z-coordinate relationship table. This eliminates the need to calculate the z-coordinate to calculate the x-coordinate. Also, for the y-coordinate, a table for obtaining the y-coordinate from the phase can be created by the same method.

ここで位相から3次元座標(x座標,y座標,z座標)への変換について実際に使用している方法を述べる。図6に、ある1画素においてm個のテーブル要素数を持つ、位相と3次元座標(x座標,y座標,z座標)の変換テーブルの概念図を示す。図中のIndex numberは、数5式より求めた参照テーブル要素番号nの値である。これらはすべて画素単位でメモリ上に配列としてそれぞれの並び順のまま保持され、参照の際にはn番目の場所に保管されているデータを読み出すことで結果を求めている。 Here, the method actually used for the conversion from the phase to the three-dimensional coordinates (x coordinate, y coordinate, z coordinate) will be described. FIG. 6 shows a conceptual diagram of a conversion table of phase and three-dimensional coordinates (x-coordinate, y-coordinate, z-coordinate) having m number of table elements in one pixel. The Index number in the figure is the value of the reference table element number n obtained from the equation 5. All of these are held in memory as an array in pixel units in their respective order, and when referencing, the result is obtained by reading the data stored in the nth place.

このように本発明による方法では、事前に求めた基準面の位相値分布を元に計測対象物の高さ分布を算出する。これにより、投影格子が正弦波にならないことによる計算誤差や、カメラレンズの歪曲収差の影響による誤差を回避できる。さらにテーブル参照の処理のみであるから、画素ごとの高さの計算が不要となり高速な解析が可能となる。 As described above, in the method according to the present invention, the height distribution of the object to be measured is calculated based on the phase value distribution of the reference plane obtained in advance. As a result, it is possible to avoid a calculation error due to the projection lattice not becoming a sine wave and an error due to the influence of the distortion aberration of the camera lens. Furthermore, since only the table reference processing is performed, it is not necessary to calculate the height for each pixel, and high-speed analysis becomes possible.

1.2 液晶ディスプレイを用いたテーブルの作成方法
平板に2次元格子パターンを描く手法も有効であるが、基準面上に濃淡のパターンが描かれることによって、格子投影をする場合に、基準面内の位置によって投影格子の位相の精度にばらつきが生じる場合がある。
1.2 Method of creating a table using a liquid crystal display A method of drawing a two-dimensional grid pattern on a flat plate is also effective, but when a grid projection is performed by drawing a light and shade pattern on the reference plane, it is within the reference plane. The accuracy of the phase of the projection grid may vary depending on the position of.

そこでここでは、液晶ディスプレイを用いることで、精度よくx方向およびy方向の位相値をそれぞれ求めることができ、さらに投影格子の位相も精度よく得られる基準板を説明する。 Therefore, here, a reference plate will be described in which the phase values in the x-direction and the y-direction can be obtained with high accuracy by using a liquid crystal display, and the phase of the projection grid can also be obtained with high accuracy.

この基準板は、位相シフト法によって位相解析を行うことで、各画素のx座標およびy座標を精度よく求めることができる。さらに投影格子に対して、基準面内の位置によって投影格子の位相の精度にばらつきが生じることが起こらない。3次元座標と計測用のプロジェクターから投影される格子の位相の関係は全空間テーブル化手法を用いて校正を行う。 This reference plate can accurately obtain the x-coordinate and y-coordinate of each pixel by performing phase analysis by the phase shift method. Further, the accuracy of the phase of the projection grid does not vary depending on the position in the reference plane with respect to the projection grid. The relationship between the three-dimensional coordinates and the phase of the grid projected from the projector for measurement is calibrated using the whole space tableization method.

図7に移動ステージに取り付けられた基準面に用いる液晶ディスプレイを示す。液晶ディスプレイ表面には光拡散板が貼付されており、液晶ディスプレイに表示された画像をバックライト光源からの照明光によって光拡散板に背面から投影される構造になっている。液晶ディスプレイは、z方向に移動する移動ステージ上に、ディスプレイ表面がz軸に対して垂直になるように取り付けられている。移動ステージはコンピュータからの移動ステージ制御信号によって位置をコントロールされている。 FIG. 7 shows a liquid crystal display used as a reference surface attached to the moving stage. A light diffuser is attached to the surface of the liquid crystal display, and the image displayed on the liquid crystal display is projected from the back onto the light diffuser by the illumination light from the backlight light source. The liquid crystal display is mounted on a moving stage that moves in the z direction so that the display surface is perpendicular to the z axis. The position of the moving stage is controlled by a moving stage control signal from a computer.

テーブルデータ取得の手順を示す。図8に、計測用のプロジェクターから格子を投影している様子を示す。計測用のプロジェクターから投影する格子を撮影する場合は、液晶パネルには黒パターンを基準面表示画像として表示する。こうすることによって、バックライト光源からの照明光を遮断する。計測用のプロジェクターからは格子画像を投影し、カメラで撮影する。計測用のプロジェクターから投影された投影格子は、光拡散板表面に投影される。したがって、光拡散板表面が基準面となる。移動ステージを用いて基準面の位置をz0, z1, z2…zN に移動する。そして、それぞれの位置において投影格子の位相解析を行うことで、カメラで撮影される画像の画素ごとにそれぞれの位置に対する位相θ0, θ1, θ2…θN を得ることができる。 The procedure for acquiring table data is shown. FIG. 8 shows how the grid is projected from the projector for measurement. When photographing a grid projected from a projector for measurement, a black pattern is displayed on the liquid crystal panel as a reference plane display image. By doing so, the illumination light from the backlight source is blocked. A grid image is projected from the projector for measurement and photographed with a camera. The projection grid projected from the projector for measurement is projected on the surface of the light diffusing plate. Therefore, the surface of the light diffusing plate serves as a reference surface. Use the moving stage to move the position of the reference plane to z 0 , z 1 , z 2 … z N. Then, by performing the phase analysis of the projection grid at each position, it is possible to obtain the phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ... θ N for each position for each pixel of the image captured by the camera.

次に、図9A,図9Bに、基準面へのx方向およびy方向の格子画像を表示する様子をそれぞれ示す。計測用とマッピング用のプロジェクターには投影画像として黒パターンを入力することで、両方のプロジェクターからの投影光を遮断する。 Next, FIGS. 9A and 9B show how the grid images in the x-direction and the y-direction with respect to the reference plane are displayed, respectively. By inputting a black pattern as a projected image to the projectors for measurement and mapping, the projected light from both projectors is blocked.

液晶パネルには基準面表示画像として、x方向またはy方向の格子画像を表示する。バックライト光源から出た照明光によって、液晶パネルに表示された格子画像が液晶パネルに貼付された光拡散板に背面から投影される。投影された画像は光拡散板内部を散乱しながら透過し、基準面となっている光拡散板表面に表示される。したがって、カメラは基準面に表示された格子画像を撮影することができる。 A grid image in the x-direction or the y-direction is displayed on the liquid crystal panel as a reference plane display image. The illumination light emitted from the backlight source projects the lattice image displayed on the liquid crystal panel onto the light diffusing plate attached to the liquid crystal panel from the back surface. The projected image is transmitted while scattering inside the light diffusing plate, and is displayed on the surface of the light diffusing plate which is the reference surface. Therefore, the camera can capture the grid image displayed on the reference plane.

移動ステージを用いて基準面の位置をz0, z1, z2…zN に移動する。そして、それぞれの位置において、x方向およびy方向の格子の位相解析を行い、その位相に対して位相接続を行う。さらに、位相接続された位相からx座標またはy座標への換算を行うことで、カメラで撮影される画像の画素ごとにそれぞれの位置に対するx座標x0, x1, x2…xN およびy座標y0, y1, y2…yN を得ることができる。 Use the moving stage to move the position of the reference plane to z 0 , z 1 , z 2 … z N. Then, at each position, the phase analysis of the grid in the x-direction and the y-direction is performed, and the phase connection is performed with respect to the phase. Furthermore, by converting the phase-connected phase to x-coordinate or y-coordinate, x-coordinate x 0 , x 1 , x 2 … x N and y for each position of the image taken by the camera. Coordinates y 0 , y 1 , y 2 … y N can be obtained.

図10A,図10Bに、マッピング用のプロジェクターからx方向およびy方向の格子を投影している様子をそれぞれ示す。図8に示される計測用のプロジェクターを用いた投影と同様に、マッピング用のプロジェクターから投影する格子を撮影する場合は、液晶パネルには黒パターンを基準面表示画像として表示する。移動ステージを用いて基準面の位置をz0, z1, z2…zN に移動し、それぞれの位置においてx方向およびy方向の投影格子の位相解析を行うことで、カメラで撮影される画像の画素ごとにそれぞれの位置に対するx座標の位相Φi0, Φi1, Φi2…ΦiNおよびy座標の位相Φj0j1j2…ΦjNを得ることができる。このようにすることで、それぞれの画素で各基準面の位置でマッピング用のプロジェクターから投影される格子のx座標の位相Φip,y座標の位相Φjpと3次元座標(x座標とy座標,z座標)がそれぞれ得られる。 FIGS. 10A and 10B show how the grids in the x-direction and the y-direction are projected from the projector for mapping, respectively. Similar to the projection using the projector for measurement shown in FIG. 8, when the grid projected from the projector for mapping is photographed, the black pattern is displayed as a reference plane display image on the liquid crystal panel. The position of the reference plane is moved to z 0 , z 1 , z 2 … z N using the moving stage, and the phase analysis of the projection grid in the x and y directions is performed at each position, and the image is taken by the camera. For each pixel of the image, the x-coordinate phases Φ i0 , Φ i1 , Φ i2 … Φ iN and the y-coordinate phases Φ j0 , Φ j1 , Φ j2 … Φ jN can be obtained. By doing so, the x-coordinate phase Φip, y-coordinate phase Φjp and three-dimensional coordinates (x-coordinate and y-coordinate, z) of the grid projected from the mapping projector at the position of each reference plane in each pixel. Coordinates) are obtained respectively.

位相Φip,Φjpは,基準面の位置でしか得られないが,必要に応じて基準面の間隔を小さくすることにより、3次元座標との対応関係を精度よく求めることができる。位相値Φip,Φjpはマッピング用の座標のip画素および,jp画素にそれぞれ変換する。マッピング用のプロジェクターで投影したx,y方向の格子ピッチをPip,Pjpとすると、数6式および数7式により、位相と座標が変換できる。 The phases Φip and Φjp can be obtained only at the position of the reference plane, but the correspondence with the three-dimensional coordinates can be accurately obtained by reducing the distance between the reference planes as necessary. The phase values Φip and Φjp are converted into ip pixels and jp pixels of the coordinates for mapping, respectively. Assuming that the grid pitches in the x and y directions projected by the mapping projector are Pip and Pjp, the phase and coordinates can be converted by the equations 6 and 7.

Figure 0007088530000006
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Figure 0007088530000007
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1.3 座標変換について
3次元計測で得られた画像をマッピング用のプロジェクターで投影すると光軸が異なるため、マッピングがずれる。プロジェクションマッピングをするためには、計測したそれぞれの3次元座標(x座標とy座標,z座標)をプロジェクターから投影するための座標に変換する必要がある。上述の校正手法により、マッピング用の座標のip画素,jp画素と,z座標z0, z1, z2…zNの関係が画素ごとに得られる。
1.3 Coordinate conversion When the image obtained by 3D measurement is projected by a projector for mapping, the optical axis is different, so the mapping shifts. In order to perform projection mapping, it is necessary to convert each measured 3D coordinate (x coordinate, y coordinate, z coordinate) into coordinates for projection from the projector. By the above calibration method, the relationship between the ip pixel and j p pixel of the mapping coordinates and the z coordinate z 0 , z 1 , z 2 … z N can be obtained for each pixel.

図11に計測画像と計測の様子を示す。図中のobjectを3次元計測したものをMeasurement imageに示している。Object上のある座標値(xa,ya,za)はカメラで撮影した計測画像の座標(ic,jc)に格納されている。 FIG. 11 shows a measurement image and a state of measurement. The measurement image shows the three-dimensional measurement of the object in the figure. A certain coordinate value (x a , y a , z a ) on the Object is stored in the coordinates (i c , j c ) of the measured image taken by the camera.

図12に計測画像の座標をマッピング用の座標に変換した様子を示す。図中のProjection imageはマッピング用のプロジェクターで投影する画像を表している。上記の計測画像の座標(ic,jc)に格納されていた座標値(xa,ya,za)は、マッピング画像の座標(ip,jp)に格納される。 FIG. 12 shows how the coordinates of the measured image are converted into the coordinates for mapping. The Projection image in the figure represents the image projected by the projector for mapping. The coordinate values (x a , y a , z a ) stored in the coordinates (i c , j c ) of the above measured image are stored in the coordinates (i p , j p ) of the mapping image.

計測した3次元座標(x座標,y座標,z座標)をプロジェクターから投影するための座標に変換するために、全空間テーブル化手法により作成したテーブルを参照する。図13にカメラの画素(ic,jc)とz座標の関係を示す。 In order to convert the measured 3D coordinates (x-coordinate, y-coordinate, z-coordinate) into the coordinates for projection from the projector, refer to the table created by the all-space tableization method. FIG. 13 shows the relationship between the pixels (i c , j c ) of the camera and the z coordinate.

各基準面の撮影位置zにおける3次元計測画像の1画素ごとに、対応するマッピング画像の座標が格納されている。3次元計測により取得したz座標と計測画像の座標(ic,jc)からマッピング用の座標(ip,jp)が得られる。 The coordinates of the corresponding mapping image are stored for each pixel of the three-dimensional measurement image at the shooting position z of each reference plane. The coordinates for mapping (i p , j p ) can be obtained from the z coordinates acquired by the three-dimensional measurement and the coordinates (i c , j c ) of the measured image.

全空間テーブル化手法によって、画素ごとに3次元座標がそれぞれ得られる。図14A,図14Bにある1画素(ic,jc)におけるz座標とマッピング用のプロジェクターの投影格子画像のip座標およびjp座標の関係をそれぞれ示す。座標(ic,jc)におけるz座標の値をzaとする。計測座標zaからこれらのテーブルをもとにしてzaの位置で撮影したマッピング用のプロジェクターのマッピング用のプロジェクターの投影格子画像のip座標およびjp座標を(ipa,jpa)と求めることができる。
以上の説明では、基準面に液晶ディスプレイを用いた場合について示したが、x,y座標を読み取ることができる他の手段を用いたキャリブレーション手法についても適用が可能である。例えば、基準面とする平板に、2次元の格子パターンやドットパターン、チェッカーパターンなどを描いたものについても適用が可能である。
さらに、基準面からはx,y座標の情報は得られないような場合においても、本方法では、カメラの座標(ic,jc)とz座標に対して、マッピング用のプロジェクターの投影格子画像のip座標およびjp座標の関係をテーブル化する。そのため、x,y座標を求めない3次元計測装置(高さ分布計測装置)の場合においても適用可能である。また、x,y座標を簡易的にカメラの座標(ic,jc)から算出する3次元計測装置においても適用可能である。
Three-dimensional coordinates are obtained for each pixel by the whole space tableization method. The relationship between the z coordinate in one pixel ( ic, j c ) in FIGS. 14A and 14B and the ip coordinate and the jp coordinate of the projection grid image of the projector for mapping is shown, respectively. Let z a be the value of the z coordinate in the coordinates (i c , j c ). From the measured coordinates z a , the ip coordinates and jp coordinates of the projection grid image of the projector for mapping taken at the position of z a based on these tables can be obtained as (ipa, jpa). ..
In the above explanation, the case where the liquid crystal display is used as the reference plane is shown, but the calibration method using other means capable of reading the x and y coordinates can also be applied. For example, it can be applied to a flat plate as a reference plane on which a two-dimensional grid pattern, a dot pattern, a checker pattern, or the like is drawn.
Furthermore, even when x and y coordinate information cannot be obtained from the reference plane, this method uses the projection grid of the projector for mapping to the camera coordinates (i c , j c ) and z coordinates. Table the relationship between the ip coordinates and jp coordinates of the image. Therefore, it can be applied even in the case of a three-dimensional measuring device (height distribution measuring device) that does not obtain x and y coordinates. It can also be applied to a three-dimensional measuring device that simply calculates x and y coordinates from camera coordinates (i c , j c ).

図15A,図15Bにマッピング用プロジェクターで格子投影した画像の位相接続画像を示す。位相接続画像には1画素ごとにマッピング用の座標値が格納されている。図14Aからzaに対応している投影画素ipa,図14Bから投影画素jpaが求まる。 15A and 15B show phase connection images of images projected in a grid by a mapping projector. Coordinate values for mapping are stored for each pixel in the phase connection image. The projection pixel i pa corresponding to z a can be obtained from FIG. 14A, and the projection pixel j pa can be obtained from FIG. 14B.

座標変換を計測画像のz座標が得られた画素に対して行うことでマッピング画像が得られる。各変換した座標に高さ分布を入れて得られたマッピング画像をマッピング用のプロジェクターで投影することにより物体上の正しい位置に計測結果を投影することができる。 A mapping image can be obtained by performing coordinate conversion on the pixels for which the z-coordinate of the measured image is obtained. The measurement result can be projected at the correct position on the object by projecting the mapping image obtained by putting the height distribution in each converted coordinate with the projector for mapping.

図16は、基準面撮影からテーブル作成、対象の形状計測までのフローを説明する図である。計測の手順は、まず、シミュレーションにより計測可能であると予測される範囲に基準面を置く。その位置で、光源切替位相シフト法により位相を求める。光源を切り替えるごとに撮影し、得られた3枚以上の画像から各画素の位相値を求める。この作業をz方向へΔzずつ基準面を移動させた各位置へ繰り返す。これを、基準面がzn-1の位置になるまでn回行なうことで、画素ごとのz座標と位相の関係が求められる。ここまでが、キャリブレーションの作業である。以上により得られた関係から、位相とz座標の関係を補間した変換テーブルを作成する。このテーブルはPC内部のメモリに一時保管しておく。ここまでが、テーブル作成作業である。 FIG. 16 is a diagram illustrating a flow from reference plane photography to table creation and object shape measurement. In the measurement procedure, first, a reference plane is placed in a range predicted to be measurable by simulation. At that position, the phase is obtained by the light source switching phase shift method. Each time the light source is switched, a picture is taken, and the phase value of each pixel is obtained from the obtained three or more images. This operation is repeated at each position where the reference plane is moved by Δz in the z direction. By repeating this n times until the reference plane reaches the position of z n-1 , the relationship between the z coordinate and the phase of each pixel can be obtained. This is the calibration work. From the relationships obtained above, a transformation table is created by interpolating the relationship between the phase and the z coordinate. This table is temporarily stored in the memory inside the PC. This is the table creation work.

次に、基準面を撮影した範囲に計測物体を置き、光源切替位相シフト法により、キャリブレーション時と同じ回数だけ光源を順に点灯させ撮影を行い、計測物体の位相分布を算出する。この位相分布の各画素における位相値をテーブルに照らし合わせることで、計測物体のz座標分布を算出する。ここまでが、形状計測作業である。なお、実験環境に変化が無い限り、同じテーブルを用いて計測を行なうことが可能である。
図17は、計測装置の構成を示す図である。図18はプロジェクターとカメラとLEDデバイスの配置を示す図である。
Next, the measurement object is placed in the range where the reference plane is photographed, and the light sources are turned on in order the same number of times as at the time of calibration by the light source switching phase shift method to perform imaging, and the phase distribution of the measurement object is calculated. The z-coordinate distribution of the measurement object is calculated by comparing the phase values of each pixel of this phase distribution with the table. This is the shape measurement work. As long as there is no change in the experimental environment, it is possible to perform measurement using the same table.
FIG. 17 is a diagram showing the configuration of the measuring device. FIG. 18 is a diagram showing an arrangement of a projector, a camera, and an LED device.

図17に示される3次元計測装置は、格子板、ラインLEDデバイス、カメラ、パーソナルコンピュータを備えている。ラインLEDデバイスをライン状に配置した8ラインの光源により構成されている。ラインLEDにはLED点灯回路とドライブ回路とが含まれている。 The three-dimensional measuring device shown in FIG. 17 includes a grid plate, a line LED device, a camera, and a personal computer. The line LED device is composed of eight lines of light sources arranged in a line. The line LED includes an LED lighting circuit and a drive circuit.

LEDデバイスを4つ使用し、格子板に対して光源の距離が変わるように2組を2段に分けて設置している。これは、計測深度拡大方法を適用するためである。計測深度拡大方法は公知の技術手段である。 Four LED devices are used, and two sets are installed in two stages so that the distance of the light source changes with respect to the grid plate. This is to apply the measurement depth expansion method. The method for expanding the measurement depth is a known technical means.

3次元計測装置には、DLP式プロジェクターを組み込んでいる。このプロジェクターは、物体上へのプロジェクションマッピングに利用する。また、プロジェクター内部には、フォトダイオードを入れており、プロジェクターの光源の出力をパーソナルコンピュータに送っている。 A DLP type projector is incorporated in the three-dimensional measuring device. This projector is used for projection mapping onto an object. In addition, a photodiode is inserted inside the projector, and the output of the light source of the projector is sent to the personal computer.

上述したように、本発明に係るプロジェクションマッピング装置は、計測対象物体の表面に計測結果や評価結果の分布を輝度値やカラー情報の分布として投影する際に、計測対象物体の形状に応じて、プロジェクターで投影する画像の位置を適切に決めることで、物体の形状が変わっても、物体表面上の正しい位置に計測結果や評価結果を投影することができる。また、非常に短時間にその処理を行うことができる。また、計測用の投影に近赤外光や目立たない波長の光を用いることで、作業者が3次元計測をするための投影光を見ること無しに、または、ほとんど気になること無しに、対象物に投影された計測結果や評価結果だけを見ることができる。これにより、作業員の作業性が高まる。 As described above, when the projection mapping device according to the present invention projects the distribution of measurement results and evaluation results onto the surface of the object to be measured as the distribution of brightness values and color information, it depends on the shape of the object to be measured. By appropriately determining the position of the image projected by the projector, the measurement result and the evaluation result can be projected to the correct position on the surface of the object even if the shape of the object changes. Moreover, the processing can be performed in a very short time. In addition, by using near-infrared light or light with an inconspicuous wavelength for the projection for measurement, the operator does not have to see the projected light for three-dimensional measurement, or almost without worrying about it. Only the measurement results and evaluation results projected on the object can be seen. This enhances the workability of the worker.

次に、図19から図22を用いて、複数の格子投影装置(複数のプロジェクター)を用いた3次元形状計測方法とその装置の実施形態を説明する。図19に計測対象物体に計測用プロジェクターから格子パターンを投影する様子を示す。図20に投影用プロジェクターから計測結果を元にして作成した評価結果の分布を投影している様子を示す。まず、図19に示す計測用プロジェクターから格子像を計測対象物体に格子模様を投影する。カメラにより、計測対象物体に投影された格子画像を撮像する。次に、パーソナルコンピュータ(PC)が、上記した変換テーブルを参照して、投影画像が計測プロジェクターを用いて測定した計測対象物体の対応する座標に投影されるように処理を行う。 Next, with reference to FIGS. 19 to 22, a three-dimensional shape measuring method using a plurality of grid projection devices (a plurality of projectors) and an embodiment of the device will be described. FIG. 19 shows how a grid pattern is projected from a measurement projector onto a measurement target object. FIG. 20 shows how the distribution of the evaluation results created based on the measurement results is projected from the projection projector. First, a grid image is projected from the measurement projector shown in FIG. 19 onto the measurement target object. The camera captures a grid image projected on the object to be measured. Next, the personal computer (PC) refers to the above-mentioned conversion table and performs processing so that the projected image is projected on the corresponding coordinates of the measurement target object measured by using the measurement projector.

また、本発明による方法は、計測用プロジェクターと投影用プロジェクターが同一の場合でも、同様の装置を構築することができる。その場合の計測と投影の様子を次に示す。図21に計測対象物体に計測用プロジェクターから格子パターンを投影する様子を示す。図22に計測用プロジェクターと兼用の投影用プロジェクターから計測結果を元にして作成した評価結果の分布を輝度値やカラー情報の分布として投影している様子を示す。パーソナルコンピュータPCが計測用と投影用の兼用のプロジェクターを制御することで、本発明によるプロジェクションマッピングを実施できる。 Further, the method according to the present invention can construct a similar device even when the measurement projector and the projection projector are the same. The state of measurement and projection in that case is shown below. FIG. 21 shows how a grid pattern is projected from a measurement projector onto an object to be measured. FIG. 22 shows how the distribution of the evaluation results created based on the measurement results is projected as the distribution of the luminance value and the color information from the projection projector which is also used as the measurement projector. By controlling the projector for both measurement and projection by the personal computer PC, the projection mapping according to the present invention can be carried out.

上述したように、本発明に係るプロジェクションマッピング装置は、3次元計測を行った直後に計測結果や計測結果を元に生成された評価結果の分布を計測対象物の実物表面上に即座に投影することができる。すなわち、一連の処理を繰り返し実行することで、リアルタイムに計測結果や計測結果を元に生成された評価結果の分布を計測対象物の実物表面上に投影するこが可能となる。 As described above, the projection mapping apparatus according to the present invention immediately projects the measurement result and the distribution of the evaluation result generated based on the measurement result on the actual surface of the measurement object immediately after performing the three-dimensional measurement. be able to. That is, by repeatedly executing a series of processes, it is possible to project the measurement result and the distribution of the evaluation result generated based on the measurement result on the actual surface of the measurement object.

上記に示した方法により、投影用の画像を作成することができるが、カメラの撮影画素数が少ない場合には、投影画像にマッピングするデータ点が少なくなることで、画像内にデータが無い点が現れ、対象物体表面に投影された画像に欠けた点が現れる。 An image for projection can be created by the method shown above, but when the number of pixels captured by the camera is small, the number of data points mapped to the projected image is small, and there is no data in the image. Appears, and a missing point appears in the image projected on the surface of the target object.

これについては、(1)近傍のデータのある点のデータ値を用いて,補間を行うことでその点のデータを生成することで解消する手段、(2)また、カメラで撮影した画像に対して、画像の画素数を増やす処理を行い、得られた画素数の多い画像を用いて投影画像を生成する手段、による解決することができる。なお、(1)と(2)を組み合わせることで、隙間の量が低減または解消された投影画像を生成することができる。 This can be solved by (1) using the data value of a certain point of data in the vicinity and generating the data of that point by interpolation, and (2) for the image taken by the camera. This can be solved by means of performing a process of increasing the number of pixels of the image and generating a projected image using the obtained image having a large number of pixels. By combining (1) and (2), it is possible to generate a projected image in which the amount of gaps is reduced or eliminated.

上述したように、本発明により、3次元計測対象物体の表面に計測結果関連情報を投影する際に、計測対象物の形状・位置・姿勢に応じて、前記計測結果関連情報を前記3次元計測対象物体の表面の正しい位置に投影することが可能な方法および装置を提供できる。
また、本発明はテーブルを参照することで対応画素の座標を求めているため、非常に短時間に投影する画像を生成することができる。
さらに、本発明は、計測用の投影に近赤外光を用いることで、作業者には3次元計測をするための投影光を見ること無く、計測対象物に投影された計測結果や評価結果だけを視認することができる。これにより作業員や視覚センサを備えたロボットによる作業性が高まる。
さらに、本発明は、リアルタイムに3次元計測結果やそれに応じた評価結果の分布を対応する実物上に投影することができる。
As described above, according to the present invention, when the measurement result-related information is projected on the surface of the three-dimensional measurement target object, the measurement result-related information is measured in the three-dimensional manner according to the shape, position, and orientation of the measurement target object. A method and device capable of projecting to the correct position on the surface of an object can be provided.
Further, since the present invention obtains the coordinates of the corresponding pixels by referring to the table, it is possible to generate an image to be projected in a very short time.
Furthermore, the present invention uses near-infrared light for projection for measurement, so that the operator does not see the projected light for three-dimensional measurement, and the measurement result and evaluation result projected on the measurement object. Can only be seen. This enhances workability by workers and robots equipped with visual sensors.
Further, the present invention can project the distribution of the three-dimensional measurement result and the corresponding evaluation result on the corresponding real object in real time.

L 撮影ライン
PC パーソナルコンピュータ
L shooting line PC personal computer

Claims (3)

格子パターンを物体の表面に投影する計測用プロジェクターと、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を物体上に投影する投影用プロジェクターと、前記計測用プロジェクターから投影された格子パターンを撮影するカメラと、を備え、前記カメラと前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターの位置関係を固定したプロジェクションマッピング装置を用いる、プロジェクションマッピング方法において、
前記計測用プロジェクターを用いて前記物体の3次元形状を計測する第1ステップと、
前記第1ステップより前記物体の3次元形状を計測して得られた座標情報を元にして、前記カメラの画素と前記物体の座標情報に対応して前記投影用プロジェクターの対応座標が格納されているテーブルを参照する第2ステップと、
前記第2ステップにより、前記カメラの画素に対応する前記投影用プロジェクターの画素の座標を求める第3ステップと、
前記第3ステップにより求められた、前記投影用プロジェクターの画素から、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を前記物体の表面に投影する第4ステップと、を含み、
前記テーブルは、予め、前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターのそれぞれから複数の位置に設置された基準面に投影される格子パターンの位相と前記基準面の位置の関係を基に作成するものであって、
前記基準面の垂直方向をz軸方向、横縦方向をxy軸方向として定義し、前記基準面はz軸方向に平行移動でき、x,y座標を求めるための格子パターンが固定された前記基準面、又は、x,y座標を求めるためのパターンを表示する前記基準面を前記z軸方向の複数の位置に移動して、前記複数の位置の各々で前記基準面を撮影し、
前記各々の位置で撮影した撮影画像の座標ごとに、
(1)前記基準面に固定されたx,y座標を求めるための前記パターン、又は、前記基準面に表示されたx,y座標を求めるためのパターンからx,y座標を求め、
(2)前記基準面に前記計測用プロジェクターから格子パターンを投影して、投影された格子パターンの位相θ0を求め、
(3)前記基準面に前記投影用プロジェクターからx軸方向及びy軸方向の格子パターンを投影してx軸方向及びy軸方向の格子の位相値(Φip,Φjp)を求め、前記位相値に基づいて前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)を求め、
前記カメラの画素(ic,jc)とz座標を要素として持つ3次元テーブルにおいて、前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)が要素の値として格納されている前記テーブルを用いる、
プロジェクションマッピング方法。
A measurement projector that projects a grid pattern onto the surface of an object, a projection projector that projects brightness values and color information corresponding to the position of the surface of the object onto the object, and a grid pattern projected from the measurement projector. In a projection mapping method using a projection mapping device comprising a camera for photographing and fixing the positional relationship between the camera, the measurement projector, and the projection projector.
The first step of measuring the three-dimensional shape of the object using the measurement projector,
Based on the coordinate information obtained by measuring the three-dimensional shape of the object from the first step, the corresponding coordinates of the projection projector are stored corresponding to the coordinate information of the camera and the object. The second step to refer to the existing table and
In the second step, the third step of obtaining the coordinates of the pixels of the projection projector corresponding to the pixels of the camera, and
The fourth step of projecting the luminance value and the color information corresponding to the position of the surface of the object from the pixels of the projection projector obtained in the third step onto the surface of the object is included.
The table is created in advance based on the relationship between the phase of the grid pattern projected on the reference planes installed at a plurality of positions from each of the measurement projector and the projection projector and the positions of the reference planes . There,
The vertical direction of the reference plane is defined as the z-axis direction, and the horizontal and vertical directions are defined as the xy-axis direction. The reference plane can be translated in the z-axis direction, and the grid pattern for obtaining the x and y coordinates is fixed. The surface or the reference surface for displaying the pattern for obtaining the x and y coordinates is moved to a plurality of positions in the z-axis direction, and the reference surface is photographed at each of the plurality of positions.
For each coordinate of the captured image taken at each of the above positions,
(1) Obtain the x, y coordinates from the pattern for obtaining the x, y coordinates fixed on the reference plane, or the pattern for obtaining the x, y coordinates displayed on the reference plane.
(2) A grid pattern is projected from the measurement projector onto the reference plane to obtain the phase θ0 of the projected grid pattern.
(3) The grid patterns in the x-axis direction and the y-axis direction are projected from the projection projector onto the reference plane to obtain the phase values (Φip, Φjp) of the grids in the x-axis direction and the y-axis direction, and the phase values are used. Based on this, the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are obtained.
In a three-dimensional table having pixels (ic, jc) and z-coordinates of the camera as elements, the table in which the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are stored as element values is used.
Projection mapping method.
前記第2ステップは、請求項1のように作成されたテーブルに形状計測結果として得られたz座標とカメラ座標を入力し、 In the second step, the z coordinate and the camera coordinate obtained as the shape measurement result are input to the table created as in claim 1.
前記第3ステップは、前記第2ステップにより対応する投影用プロジェクターの投影画像の座標を求め、 In the third step, the coordinates of the projected image of the corresponding projection projector are obtained by the second step.
前記第4ステップは、その座標値を持つ投影画像の画素に投影するパターンの値を格納することで投影画像を生成し物体に投影する、 In the fourth step, a projected image is generated by storing the value of the pattern to be projected on the pixels of the projected image having the coordinate values, and the projected image is projected onto the object.
請求項1に記載のプロジェクションマッピング方法。 The projection mapping method according to claim 1.
格子パターンを物体の表面に投影する計測用プロジェクターと、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を物体上に投影する投影用プロジェクターと、前記計測用プロジェクターから投影された格子パターンを撮影するカメラと、を備え、前記カメラと前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターの位置関係を固定したプロジェクションマッピング装置において、 A measurement projector that projects a grid pattern onto the surface of an object, a projection projector that projects brightness values and color information corresponding to the position of the surface of the object onto the object, and a grid pattern projected from the measurement projector. In a projection mapping device equipped with a camera for photographing and fixing the positional relationship between the camera, the measurement projector, and the projection projector.
前記計測用プロジェクターを用いて前記物体の3次元形状を計測する3次元形状計測手段と、 A three-dimensional shape measuring means for measuring the three-dimensional shape of the object using the measuring projector,
前記3次元形状計測手段により前記物体の3次元形状を計測して得られた座標情報を元にして、前記カメラの画素と前記物体の座標情報に対応して前記投影用プロジェクターの対応座標が格納されているテーブルを参照する参照手段と、 Based on the coordinate information obtained by measuring the three-dimensional shape of the object by the three-dimensional shape measuring means, the corresponding coordinates of the projection projector are stored corresponding to the coordinate information of the camera and the object. Reference means to refer to the table and
前記参照手段により、前記カメラの画素に対応する前記投影用プロジェクターの画素の座標を求める画素情報取得手段と、 Pixel information acquisition means for obtaining the coordinates of the pixels of the projection projector corresponding to the pixels of the camera by the reference means.
前記画素情報取得手段により求められた、前記投影用プロジェクターの画素から、前記物体の表面の位置に対応した輝度値やカラー情報を前記物体の表面に投影する投影手段とを備え、 A projection means for projecting a luminance value or color information corresponding to a position on the surface of the object from the pixels of the projection projector obtained by the pixel information acquisition means onto the surface of the object is provided.
前記テーブルは、予め、前記計測用プロジェクターと前記投影用プロジェクターのそれぞれから複数の位置に設置された基準面に投影される格子パターンの位相と前記基準面の位置の関係を基に作成するものであって、 The table is created in advance based on the relationship between the phase of the grid pattern projected on the reference planes installed at a plurality of positions from each of the measurement projector and the projection projector and the positions of the reference planes. There,
前記基準面の垂直方向をz軸方向、横縦方向をxy軸方向として定義し、前記基準面はz軸方向に平行移動でき、x,y座標を求めるための格子パターンが固定された前記基準面、又は、x,y座標を求めるためのパターンを表示する前記基準面を前記z軸方向の複数の位置に移動して、前記複数の位置の各々で前記基準面を撮影し、 The vertical direction of the reference plane is defined as the z-axis direction, and the horizontal and vertical directions are defined as the xy-axis direction. The reference plane can be translated in the z-axis direction, and the grid pattern for obtaining the x and y coordinates is fixed. The surface or the reference surface for displaying the pattern for obtaining the x and y coordinates is moved to a plurality of positions in the z-axis direction, and the reference surface is photographed at each of the plurality of positions.
前記各々の位置で撮影した撮影画像の座標ごとに、 For each coordinate of the captured image taken at each of the above positions,
(1)前記基準面に固定されたx,y座標を求めるための前記パターン、又は、前記基準面に表示されたx,y座標を求めるためのパターンからx,y座標を求め、(1) Obtain the x, y coordinates from the pattern for obtaining the x, y coordinates fixed on the reference plane, or the pattern for obtaining the x, y coordinates displayed on the reference plane.
(2)前記基準面に前記計測用プロジェクターから格子パターンを投影して、投影された格子パターンの位相θ0を求め、(2) A grid pattern is projected from the measurement projector onto the reference plane to obtain the phase θ0 of the projected grid pattern.
(3)前記基準面に前記投影用プロジェクターからx軸方向及びy軸方向の格子パターンを投影してx軸方向及びy軸方向の格子の位相値(Φip,Φjp)を求め、前記位相値に基づいて前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)を求め、(3) The grid patterns in the x-axis direction and the y-axis direction are projected from the projection projector onto the reference plane to obtain the phase values (Φip, Φjp) of the grids in the x-axis direction and the y-axis direction, and the phase values are used. Based on this, the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are obtained.
前記カメラの画素(ic,jc)とz座標を要素として持つ3次元テーブルにおいて、前記投影用プロジェクターの投影画像の座標(ip,jp)が要素の値として格納されている前記テーブルを用いる、 In a three-dimensional table having pixels (ic, jc) and z-coordinates of the camera as elements, the table in which the coordinates (ip, jp) of the projected image of the projection projector are stored as element values is used.
プロジェクションマッピング装置。 Projection mapping device.
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