JP7404941B2

JP7404941B2 - 三次元形状計測装置

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Publication number: JP7404941B2
Application number: JP2020040620A
Authority: JP
Inventors: 貴行西
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2023-12-26
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: JP2021143841A; WO2021181786A1

Description

本発明は、三次元形状計測装置に関する。

従来から、画像を用いて物体の三次元形状を計測する技術として、計測対象にプロジェクタ等の投影手段から周期性を有するパターンを投影し、パターンが投影された状態の計測対象をカメラ等の撮影手段により撮影して、撮影された二次元画像におけるパターンの歪と計測対象の高さとの関係を用いて計測対象の立体的形状を求める、位相シフト法が知られている。具体的には、撮影された画像において計測対象表面の形状（凹凸など）に依存して生じるパターンの歪みを解析することで、計測対象の三次元形状を計測する。

上記方法において、計測対象の表面の形状に起因して、パターンが遮られて影が生じ、そのために立体的形状を計測できない場合があるという問題がある。このような問題に対し、特許文献１では、計測対象に対して異なる方向からパターンを投影するように複数の投影手段を配置し、影になる領域を減少させる技術が提案されている。特許文献２では、投影手段を移動させることで影となる領域が生じることを抑止する技術が提案されている。

特開２０１８－０７７２５１号公報特開２０１８－０８１０４８号公報

しかしながら、複数の投影手段を配置する方法では、影になる領域を十分に減少させるには多数の投影手段を配置する必要があり、これによって計測装置全体が大型化し、コストも増大してしまう恐れがある。また、投影手段を移動させる方法では、撮影する二次元画像におけるパターンの歪と計測対象の高さとの関係のキャリブレーションを行うことになる。キャリブレーションには数分から数十分の時間がかかるため、三次元形状の計測時間が増大する虞がある。

開示の技術の１つの側面は、計測時間の長時間化を抑制しつつ、影となる領域が生じることを抑制できる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。

開示の技術の１つの側面は、次のような三次元形状計測装置によって例示される。本三次元形状計測装置は、計測対象に対して、互いに位相が異なる複数のパターンを投影する投影手段と、前記投影手段を移動させる移動手段と、前記複数のパターン夫々が投影された前記計測対象を撮影する撮影手段と、前記投影手段が第１位置に存在する場合における、前記計測対象の高さと前記計測対象の撮像から取得される位相との対応関係を記憶する記憶部と、前記撮影手段により取得された画像を処理することで、前記計測対象の三次元形状を計測する計測手段と、前記投影手段が前記移動手段によって第２位置に移動されると、前記第１位置と前記第２位置の位置関係に応じて、前記対応関係を更新する更新手段と、を備える。

このような構成により、所定の位置からのパターンの投影で影になる領域が生じた場合
であっても、当該影の領域にパターンが投影されるように投影手段を移動させることによって、当該領域にもパターンが投影された状態で計測対象を撮影することが可能になる。そのために、前記移動手段は、前記撮影手段が、前記計測手段が前記計測対象の三次元形状を計測することが可能なパターンを撮影し得る位置まで、前記投影手段を移動させるものであるとよい。

従来の技術では、投影手段を移動させると、検査対象にパターンを投影する角度が変動することから、記憶部に記憶する対応関係を改めて取得する（初期キャリブレーション）ことになる。開示の技術では、投影手段の第１位置と第２位置の位置関係に応じて対応関係を更新することができるため、投影手段を移動させても初期キャリブレーションを行わなくて済む。そのため、開示の技術は、初期キャリブレーションによる計測時間の長時間化を抑制することができる。

ここで、前記移動手段は、前記投影手段を、前記計測対象を中心とした円周上において回転移動させるものであってもよい。そして、このような場合、前記更新手段は、前記第１位置と前記円周の中心とを結ぶ第１線分と、前記第２位置から前記中心とを結ぶ第２線分とがなす角度に応じて、前記対応関係を更新してもよい。

また、開示の技術は、前記三次元形状計測装置は前記画像投影手段を複数有していてもよい。このような構成であると、同時に複数のパターンを前記計測対象に投影することが可能となり、より効率的に計測対象の三次元形状を計測することができる。

また、前記移動手段は、軸方向に開口する中空部を有する円筒状の回転機構であって、前記計測対象の上方に前記開口が位置するように配置され、前記撮影手段は、前記計測対象に対して垂直な方向から、前記回転機構の開口を通じて、前記計測対象を撮影するものであってもよい。このような構成であると、装置全体の小型化を図りつつ、前記計測対象を直上から撮影することが可能になる。

本三次元形状計測装置は、計測時間の長時間化を抑制しつつ、影となる領域が生じることを抑制することができる。

図１は、実施形態に係る三次元形状計測装置のハードウェア構成を示す模式図である。図２は、実施形態に係る三次元形状計測装置の撮影手段、投影手段および移動手段と、計測対象物との配置関係を例示する概略図である。図３は、実施形態において、移動手段の内部構造を例示する概略図である。図４は、実施形態に係る三次元形状計測装置の機能ブロックを例示する図である。図５は、実施形態において、初期パラメータ生成で用いるターゲット部材の一例を示す図である。図６は、実施形態における三次元形状計測処理の流れを例示するフローチャートである。図７は、実施形態における、初期パラメータ生成処理の流れを例示するフローチャートである。図８は、プロジェクタの軌跡を模式的に示す図である。図９は、実施形態における、パラメータ更新処理の流れを例示するフローチャートである。図１０は、実施形態における初期位相情報の更新処理の流れを例示するフローチャートである。図１１は、実施形態におけるパラメータ係数の更新処理の流れを例示するフローチャートである。図１２は、２つのプロジェクタを備える三次元形状計測装置の構成の一例を示す図である。２次元の数値配列で示される情報を回転したときに生じる欠損領域を例示する図である。

＜実施形態＞
以下、図面を参照して実施形態について説明する。以下に示す実施形態の構成は例示であり、開示の技術は実施形態の構成に限定されない。

（三次元形状計測装置の構成）
まず、図１から図３を参照して、実施形態に係る三次元形状計測装置１の構成例を説明する。図１は、実施形態に係る三次元形状計測装置のハードウェア構成を示す模式図である。図２は、実施形態に係る三次元形状計測装置の撮影手段、投影手段および移動手段と、計測対象物との配置関係を例示する概略図である。図３は、実施形態において、移動手段の内部構造を例示する概略図である。

図１に例示するように、実施形態に係る三次元形状計測装置１は、プロジェクタ１０、カメラ１１、制御装置１２（例えばコンピュータ）、移動機構１３を備える。

プロジェクタ１０は、計測対象に対してパターンを投影する手段である。ここで、パターンとは、例えば輝度の変化が周期性を示す縞模様であり、時間的に位相を変化させることが可能なものである。このパターンにより、計測対象の三次元形状を計測する処理については公知であるので詳細な説明は割愛する。なお、プロジェクタ１０の数は実施形態のように１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。プロジェクタ１０は、「投影手段」の一例である。

カメラ１１は、パターンが投影された状態の計測対象を撮影し、デジタル画像を出力する手段である。カメラ１１は、例えば、光学系とイメージセンサを有する。カメラ１１は、三次元形状の計測を行う際は、プロジェクタ１０から投影するパターンの位相を変えながら、複数枚の画像を撮影する。カメラ１１は、「撮影手段」の一例である。

図２及び図３に示すように、実施形態においては、カメラ１１は、移動機構１３の一部である中空円筒状の回転機構１３１の中空部分に収まっており、同じく移動機構１３の一部である基準板１３２の中央部に設けられた円形の開口を通して、計測対象物Ｏを撮影する。すなわち、実施形態では、計測時には計測対象物Ｏがカメラ１１の真下に位置するように配置される。計測対象物Ｏは、例えば、電子部品を実装したプリント基板である。なお、本明細書では、撮影手段によって撮影された画像を「観測画像」という。計測対象物Ｏは、「計測対象」の一例である。

制御装置１２は、プロジェクタ１０、カメラ１１及び後述する移動機構１３の制御、カメラ１１から取り込まれた画像に対する処理、三次元形状の計測などを実行する。制御装置１２は、ＣＰＵ（プロセッサ）、メモリ、不揮発性の記憶装置（例えば、ハードディスクやフラッシュメモリ）、入力装置（例えば、キーボード、マウス、タッチパネルなど）、表示装置（例えば、液晶ディスプレイなど）を備えるコンピュータを含む。後述する制御装置１２の機能は、不揮発性の記憶装置に格納されたプログラムをメモリにロードし、ＣＰＵが当該プログラムを実行することにより実現することができる。ただし、制御装置
１２の機能の全部又は一部を、専用のハードウェアで代替しても構わない。また、分散コンピューティングやクラウドコンピューティングの技術を利用し、制御装置１２の機能を複数のコンピュータの協働により実現しても構わない。

移動機構１３は、計測対象物Ｏに対して相対的にプロジェクタ１０を移動させる手段である。図２及び図３に例示するように、実施形態における移動機構１３は、モータ（図示せず）によって駆動される中空円筒状の回転機構１３１と、該回転機構１３１に組み付けられてプロジェクタ１０を支持する基準板１３２と、を備える。回転機構１３１は、筐体１３１ａと回転体１３１ｂとを含む。筐体１３１ａの上部は、三次元形状計測装置１のフレーム１５に固定される。移動機構１３は、「移動手段」の一例である。

回転機構１３１は、例えばギアによってモータの回転が伝達されることにより、Ｚ軸方向に延びる回転軸を中心として２π（ラジアン）の範囲内で回転体１３１ｂが回転するように構成される。この回転体１３１ｂが回転すると、回転機構１３１に組み付けられた基準板１３２も回転し、これによって基準板１３２に係止されるプロジェクタ１０は、円筒状の回転機構１３１の回転軸を中心とした円周上を回転移動することになる。すなわち、回転機構１３１の回転軸と同軸上に計測対象物Ｏが配置されている場合、プロジェクタ１０は計測対象物Ｏを中心として、ＸＹ軸により定義される平面上を回転移動する。

（制御装置１２の機能）
続いて、図４に基づいて制御装置１２の機能を説明する。制御装置１２は、画像取得部２０、三次元形状計測部２１、投影手段位置制御部２２、影領域判定部２３、初期パラメータ生成部２４、軌道中心取得部２５、パラメータ更新部２６及びパラメータ記憶部２７を有する。

画像取得部２０は、カメラ１１から三次元形状計測に用いる複数の観測画像を取り込む。画像取得部２０は、例えば、計測対象物Ｏに投影されるパターンの位相がπ／４（ラジアン）ずつ異なる画像４枚を取得する。

三次元形状計測部２１は、取得された複数の観測画像に基づいて、計測対象物Ｏの三次元形状を算出する。実施形態では、取得した４枚の画像間における計測対象物Ｏの表面上の一点の位置を表す１ピクセルの位相角を算出する。三次元形状計測部２１は、算出した位相角とパラメータ記憶部２７が記憶するパラメータとを用いて、当該一点の高さを算出する。三次元形状計測部２１は、このような処理を全ピクセルに対して実行することで、観測画像から計測対象物Ｏの三次元形状を計測する。三次元形状計測部２１は、「計測手段」の一例である。

投影手段位置制御部２２は、入力された投影手段位置情報に基づいて、当該位置に投影手段を移動させるように移動機構１３を制御するための信号を出力する。投影手段位置制御部２２は、例えば、入力装置を介して任意の投影手段位置情報が入力されると、プロジェクタ１０を当該位置に移動させるように回転機構１３１を駆動させるための信号を出力する。なお、投影手段位置情報は、特定の位置を基準点とした絶対値であってもよいし、位置情報入力時点のプロジェクタ１０の位置を基準として、相対的な位置を示す値であってもよい。

影領域判定部２３は、画像取得部２０によって取得された観測画像にパターンの投影されていない影の領域が存在するか否かを判定する。判定のための基準は特に限定されず、例えば、観測画像の輝度値に対して所定の閾値を基準として設定しておき、観測画像の輝度値が該閾値を下回る部分があればそれを影の領域であると判定するようにしてもよい。また、投影されるパターンと観測画像のパターンを対比して、観測画像においてパターン
の欠落部分を検出できた場合には、影の領域が存在すると判断してもよい。

初期パラメータ生成部２４は、あらかじめ高さが判明しているターゲット部材に対してプロジェクタ１０からパターンを投影した状態で撮影した場合における、当該撮像の各ピクセルと位相角との対応関係（初期位相情報）を生成する。図５は、実施形態において、初期パラメータ生成で用いるターゲット部材の一例を示す図である。図５（Ａ）は、ターゲット部材１００の平面図である。図５（Ｂ）は、ターゲット部材１００の側面図である。図５を参照すると理解できるように、ターゲット部材１００は、互いに高さの異なる領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５が設けられる。領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の夫々は、カメラ１１の撮影範囲全体に相当する広さを有する。ターゲット部材１００の各領域の高さは、例えば、領域Ｒ１＞領域Ｒ２＞領域Ｒ３＞領域Ｒ４＞領域Ｒ５となっている。本明細書において、ターゲット部材１００の各領域の高さは、撮影台１４を基準として、領域Ｒ１の高さをＸ_１、領域Ｒ２の高さをＸ_２、領域Ｒ３の高さをＸ_３、領域Ｒ４の高さをＸ_４、領域Ｒ５の高さをＸ_５であるものとする。

初期パラメータ生成部２４は、例えば、領域Ｒ５を撮影した撮像を基に、初期位相情報を生成する。また、初期パラメータ生成部２４は、位相角を基に高さを算出する近似式を生成する。初期パラメータ生成部２４は、生成した初期位相情報と近似式を含むパラメータを、パラメータ記憶部２７に記憶させる。

図４に戻り、軌道中心取得部２５は、プロジェクタ１０の移動する軌跡を基に、プロジェクタ１０が移動する軌跡の中心位置を取得する。中心位置は、例えば、座標で示される軌道中心取得部２５は、取得した中心位置をパラメータ記憶部２７に記憶させる。本実施形態では、プロジェクタ１０は、円筒状の回転機構１３１の回転軸を中心とした円周上を回転移動する。そのため、プロジェクタ１０の軌跡の中心があらかじめ判明している場合には、当該中心位置を不揮発性の記憶部に記憶しておくことで、軌道中心取得部２５が省略されてもよい。

パラメータ更新部２６は、プロジェクタ１０の移動を検知すると、パラメータ記憶部２７が記憶するパラメータを更新する。パラメータの更新の詳細については、後述する。パラメータ更新部２６は、「更新手段」の一例である。

パラメータ記憶部２７は、初期パラメータ生成部２４が生成するパラメータを記憶する。パラメータ記憶部２７は、例えば、不揮発性の記憶装置である。パラメータ記憶部２７は、「記憶部」の一例である。

（三次元形状計測処理の流れ）
図６は、実施形態における三次元形状計測処理の流れを例示するフローチャートである。以下、図６を参照して、実施形態における三次元形状計測処理の流れについて説明する。

Ｓ１では、初期パラメータ生成部２４は、初期パラメータを生成する。初期パラメータ生成部２４は、生成した初期パラメータをパラメータ記憶部２７に記憶させる。Ｓ１の処理は、例えば、三次元形状計測装置１が設置されたときに実行される。初期パラメータを生成する処理の詳細は、図７を参照して後述する。

Ｓ２では、画像取得部２０は、計測対象物Ｏにプロジェクタ１０から投影されるパターンの位相がπ／２（ラジアン）ずつ異なる画像４枚を取得する。三次元形状計測部２１は、画像取得部２０が取得した複数の観測画像に基づいて、観測画像の各ピクセルにおける位相を算出する。

パラメータ更新部２６は、プロジェクタ１０が移動したか否かを判定する。プロジェクタ１０が移動した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、処理はＳ６に進められる。プロジェクタ１０が移動していない場合（Ｓ３でＮＯ）、処理はＳ４に進められる。

Ｓ４では、三次元形状計測部２１は、観測画像から算出される位相と初期位相との位相差を各ピクセルについて算出する。

Ｓ５では、三次元形状計測部２１は、パラメータ記憶部２７が記憶する近似式を用いて、Ｓ４で算出した位相差を基に、観測画像の各ピクセルにおける高さを算出する。

Ｓ６では、プロジェクタ１０の移動を検知したパラメータ更新部２６は、パラメータ記憶部２７が記憶する初期位相情報と近似式を更新する。移動後のプロジェクタ１０の位置は、「第２位置」の一例である。Ｓ６の処理の詳細は、図９を参照して後述する。

（初期パラメータ生成処理の流れ）
図７は、実施形態における、初期パラメータ生成処理の流れを例示するフローチャートである。図７が例示する処理は、図６のＳ１の処理に対応する。以下、図７を参照して、初期パラメータ生成部２４による初期パラメータ生成処理の流れについて説明する。

Ｓ１１では、軌道中心取得部２５は、プロジェクタ１０を初期位置、初期位置から＋π／２（ラジアン）、初期位置から－π／２（ラジアン）の各位置においてプロジェクタ１０に投光させた状態で、カメラ１１に撮影させる。このように撮影すると、図８の「×」印によって例示するように、プロジェクタ１０の位置夫々において、異なる位置に投光したパターンが生じる。軌道中心取得部２５は、＋π／２（ラジアン）の位置におけるパターンと、－π／２（ラジアン）の位置におけるパターンを結ぶ直線Ｌ１の式を、カメラ１１が撮影した撮像を基に決定する。続いて、軌道中心取得部２５は、０の位置におけるパターンから、直線Ｌ１への垂線Ｌ２の式を決定する。軌道中心取得部２５は、直線Ｌ１と垂線Ｌ２との交点を算出することで、プロジェクタ１０の円軌道の中心Ｐの位置を取得する。軌道中心取得部２５は、取得した中心Ｐの位置をパラメータ記憶部２７に記憶させる。

Ｓ１２では、初期パラメータ生成部２４は、プロジェクタ１０を初期位置に配置した状態で、ターゲット部材１００の各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の夫々について、投影されるパターンの位相がπ／２（ラジアン）ずつ異なる画像４枚を取得する。初期位置は、「第１位置」の一例である。

Ｓ１３では、初期パラメータ生成部２４は、領域Ｒ５を撮影した画像を基に、カメラ１１が撮影する撮像の各ピクセルと位相角との対応関係を生成する。本明細書において、領域Ｒ５を撮影した画像を基に生成した対応関係を初期位相情報と称する。初期位相情報は、ピクセル夫々に位相の値を配置した２次元の数値配列として示すことができる。

Ｓ１４では、初期パラメータ生成部２４は、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の夫々について、各ピクセルと位相角との対応関係を生成する。初期パラメータ生成部２４は、Ｓ１３で生成した初期位相情報と、各ピクセルと位相角との対応関係とを基に、領域Ｒ５との相対的な高さと位相角との対応関係をピクセル夫々について生成する。

例えば、初期パラメータ生成部２４は、以下のような位相角の差φをピクセル夫々について算出する。領域Ｒ４について、領域Ｒ５との高さの差がＸ_４－Ｘ_５であり、領域Ｒ５との位相角の差がφ_１であることを算出する。また、初期パラメータ生成部２４は、領域
Ｒ３について、領域Ｒ５との高さの差がＸ_３－Ｘ_５であり、領域Ｒ５との位相角の差がφ_２であることを算出する。初期パラメータ生成部２４は、領域Ｒ２について、領域Ｒ５との高さの差がＸ_２－Ｘ_５であり、領域Ｒ５との位相角の差がφ_３であることを算出する。初期パラメータ生成部２４は、領域Ｒ１について、領域Ｒ５との高さの差がＸ_１－Ｘ_５であり、位相角の差がφ_４であることを算出する。

初期パラメータ生成部２４は、このように取得した高さと位相角φとの関係から、高さと位相角との対応関係を示す近似式を算出する。近似式は、例えば、以下の式（１）のような形で示すことができ、各ピクセルに対応する式（１）が生成される。

式（１）において、ｚは求める高さである。また、式（１）において、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄは、ピクセル夫々で定まる実数の定数である。本明細書において、ピクセル夫々の近似式の係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを示す情報をパラメータ係数とも称する。パラメータ係数は、ピクセル夫々について係数ａの値を配置した２次元の数値配列、ピクセル夫々について係数ｂの値を配置した２次元の数値配列、ピクセル夫々について係数ｃの値を配置した２次元の数値配列、及び、ピクセル夫々について係数ｄの値を配置した２次元の数値配列として示すことができる。

式（１）において、φ_ｄの「ｄ」には１から４までの数字が入る。例えば、「φ_１」であれば、高さｚを算出する対象とするピクセルの、領域Ｒ５と領域Ｒ４における位相差である。なお、上記式（１）に例示される近似式は３次式であるが、近似式は４次以上の式であってもよいし、２次以下の式であってもよい。

（パラメータ更新処理の流れ）
図９は、実施形態における、パラメータ更新処理の流れを例示するフローチャートである。図９が例示する処理は、図６のＳ６の処理に対応する。以下、図９を参照して、パラメータ更新処理の流れについて説明する。

Ｓ６１では、パラメータ更新部２６は、パラメータ記憶部２７が記憶する初期位相情報を、プロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて更新する。Ｓ６１の処理の詳細は、図１０を参照して後述する。

Ｓ６２では、パラメータ更新部２６は、パラメータ記憶部２７が記憶するパラメータ係数、プロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて更新する。Ｓ６２の処理の詳細は、図１１を参照して後述する。

（初期位相情報の更新処理の流れ）
図１０は、実施形態における初期位相情報の更新処理の流れを例示するフローチャートである。図１０が例示する処理は、図９のＳ６１の処理に対応する。以下、図１０を参照して、初期位相情報の更新処理の流れについて説明する。

Ｓ６１１では、パラメータ更新部２６は、パラメータ記憶部２７が記憶する初期位相情報をアンラップ（位相接続）する。初期位相情報は、各ピクセル夫々の位相が０（ラジアン）から２π（ラジアン）の変域で示される。このように各ピクセルの位相が０から２πの変域で変化すると、２πの次の値が０となるように位相が連続的に変化しない。そのため、２次元の数値配列で示される初期位相情報を曲面で近似するＳ６１２の処理が困難になる。アンラップによって、初期位相情報における位相は連続的に変化するようになり、
曲面での近似が容易になる。

Ｓ６１２では、パラメータ更新部２６は、Ｓ６１１でアンラップした初期位相情報を曲面で近似する。パラメータ更新部２６は、例えば、２次式で曲面による近似を行うことができる。なお、曲面の近似が２次式に限定されるわけではなく、３次以上の式によって近似されてもよい。

Ｓ６１３では、パラメータ更新部２６は、図６のＳ３で検知したプロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係（角度）を取得する。移動前の位置と移動後の位置の位置関係を示す角度は、例えば、プロジェクタ１０の初期位置とパラメータ記憶部２７に記憶した中心位置を結ぶ第１線分と、移動後におけるプロジェクタ１０の位置とパラメータ記憶部２７に記憶した中心位置とを結ぶ第２線分とのなす角であってよい。Ｓ６１２で曲面近似した初期位相情報を、パラメータ記憶部２７に記憶した中心位置を中心として、プロジェクタ１０が移動した角度だけ回転させる。

Ｓ６１４では、パラメータ更新部２６は、Ｓ６１３で回転させた初期位相情報をラップする。Ｓ６１４の処理によって、初期位相情報の各ピクセル夫々の位相が０（ラジアン）から２π（ラジアン）の変域で示されるようになる。

パラメータ更新部２６は、図１０の処理によって、移動したプロジェクタ１０の位置に応じて、初期位相情報を更新できる。

（パラメータ係数の更新処理の流れ）
図１１は、実施形態におけるパラメータ係数の更新処理の流れを例示するフローチャートである。図１１が例示する処理は、図９のＳ６２の処理に対応する。以下、図１１を参照して、パラメータ係数の更新処理の流れについて説明する。

Ｓ６２１では、パラメータ更新部２６は、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ夫々についての２次元の数値配列を曲面で近似する。パラメータ更新部２６は、図１０のＳ６１２の処理と同様に、例えば、２次式で曲面による近似を行うことができる。なお、曲面の近似が２次式に限定されるわけではなく、３次以上の式によって近似されてもよい。

Ｓ６２２では、パラメータ更新部２６は、Ｓ６２１で曲面近似したパラメータ係数の２次元の数値配列を、パラメータ記憶部２７に記憶した中心位置を中心として、プロジェクタ１０の移動した角度だけ回転させる。

パラメータ更新部２６は、図１１の処理によって、移動したプロジェクタ１０の位置に応じて、パラメータ係数を更新できる。

＜実施形態の作用効果＞
実施形態では、プロジェクタ１０が移動すると、プロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて、初期位相情報及びパラメータ係数が更新される。そのため、プロジェクタ１０を移動させた場合でも、初期位相情報及びパラメータ係数の初期キャリブレーションを実行しなくともよい。そのため、実施形態に係る三次元形状計測装置１は、プロジェクタ１０を移動させても初期キャリブレーションの時間を節約でき、計測時間の長時間化を抑制できる。

実施形態では、初期位相情報及びパラメータ係数をプロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて回転させる際に、曲面で近似してから回転を実行する。２次元の数値配列で示される初期位相情報及びパラメータ係数を２次元の数値配列として
回転させてしまうと、図１３に例示するように、情報が欠損する欠損領域Ｕ１が生じる。本実施形態では、曲面で近似してから回転を実行することで、このような欠損領域Ｕ１が生じることを抑制できる。

また、実施形態に係る三次元形状計測装置１は、プロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて初期位相情報及びパラメータ係数が更新することで、プロジェクタ１０を移動させても計測対象物Ｏの形状を高精度に計測することができる。

以上のような実施形態に係る三次元形状計測装置１の構成により、一つのプロジェクタ１０によって、計測対象物Ｏを中心とした円周上のいずれの位置からでも計測対象物Ｏに対してパターンを投影することが可能になる。このため、多数の投影手段を配置することなく、精度の高い三次元形状計測ができ、装置の大型化、高コスト化を抑えることができる。

＜変形例＞
なお、実施形態に係る三次元形状計測装置１では、プロジェクタ１０を１つのみ配置していたが、必ずしもこのようにする必要はなく、２つ以上の投影手段を設けてもよい。例えば、図１２に例示するように、２つのプロジェクタ１０ａ、１０ｂを、基準板１３２の対向する位置に配置し、計測対象物Ｏに同時にパターンを投影するようにしてもよい。この場合には、回転機構１３１の駆動（回転）角度は２π（ラジアン）とすることができる。

複数の投影手段によりパターンを投影すると、それだけ計測対象物Ｏに影の領域が生じにくくなるため、計測の効率を高めることができる。また、投影手段を移動させる場合にも、移動手段の回転角度を小さくすることができ、移動のための時間を短縮することが可能になる。このため、計測の効率化とコスト低減等のバランスを勘案して、任意の数の投影手段を配置することができる。

影領域判定部２３は、観測画像に影の領域が存在する場合には、投影手段位置制御部２２に位置情報を入力することで、プロジェクタ１０を移動させて観測画像から影が無くなるようにしてもよい。入力する位置情報は、プロジェクタ１０の現在位置から所定角度回転させるものであってもよい。影領域判定部２３がプロジェクタ１０を移動させた場合、プロジェクタ１０の移動前の位置と移動後の位置の位置関係に応じて、図６のＳ６に例示されるパラメータ更新処理が実行されればよい。

＜その他＞
上記実施形態は、例示的な説明に過ぎず、開示の技術は上記の具体的な形態には限定されない。開示の技術はその技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、移動機構１３はモータとモータの回転により駆動する円筒状の回転機構及び基準板による構成であったが、必ずしもこのような構成に限る必要はない。例えば、モータとしては、回転モータの他リニアモータを使用してもよい。また、モータの代わりに他の手段（例えば空圧や油圧を用いたアクチュエータ）を用いてもよい。さらに、回転機構は円筒状でなくてもよいし、基準板を用いない構成であってもよい。

また、プロジェクタ１０の移動についても、上記実施例ではＸＹ軸により定義される平面上で回転移動するものであったが、これに限る必要はなく、例えば、ＺＸ軸により定義される平面上を回転移動するものであってもよいし、これらを組み合わせたものであってもよい。また、移動の方法も回転移動のみに限定されず、直線状や円弧以外の曲線状に移動するものであってもよい。

以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせることができる。

１・・・三次元形状計測装置
１０・・・プロジェクタ
１１・・・カメラ
１２・・・制御装置
１３・・・移動機構
１４・・・撮影台
１５・・・フレーム
２０・・・画像取得部
２１・・・三次元計測部
２２・・・投影手段位置制御部
２３・・・影領域判定部
２４・・・初期パラメータ生成部
２５・・・軌道中心取得部
２６・・・パラメータ更新部
２７・・・パラメータ記憶部
Ｏ・・・計測対象物

Claims

計測対象に対して、互いに位相が異なる複数のパターンを投影する投影手段と、
前記投影手段を移動させる移動手段と、
前記複数のパターン夫々が投影された前記計測対象を撮影する撮影手段と、
前記投影手段が第１位置に存在する場合における、前記計測対象の高さと前記計測対象の撮像から取得される位相との対応関係を記憶する記憶部と、
前記撮影手段により取得された画像を処理することで、前記計測対象の三次元形状を計測する計測手段と、
前記投影手段が前記移動手段によって第２位置に移動されると、前記第１位置と前記第２位置の位置関係とに応じて、前記対応関係を更新する更新手段と、を備える、
三次元形状計測装置。
前記移動手段は、前記投影手段を、前記計測対象を中心とした円周上において回転移動させ、
前記更新手段は、前記第１位置と前記円周の中心とを結ぶ第１線分と、前記第２位置から前記中心とを結ぶ第２線分とがなす角度に応じて、前記対応関係を更新する、
請求項１に記載の三次元形状計測装置。
前記移動手段は、前記撮影手段が、前記計測手段が前記計測対象の三次元形状を計測することが可能なパターンを撮影し得る位置に、前記投影手段を移動させる、
請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
前記投影手段を複数備える、
請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
前記移動手段は、軸方向に開口する中空部を有する円筒状の回転機構であって、前記計測対象の上方に前記開口が位置するように配置され、
前記撮影手段は、前記計測対象に対して垂直な方向から、前記回転機構の開口を通じて、前記計測対象を撮影する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。