JPH04180385A - 時分割式物体計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体の形状及びそのカラーを非接触で計測す
るシステムに関し、特に、物体の計測の制御又は被計測
物体に照明を与える照明制御を時分割的に行なう物体計
測システムに適用して有効な技術に関するものである。

〔従来技術〕

従来、この種の物体計測システムの例としては、形状計
測用のレーザ光源及びＣＣＤ　（電荷結合素子）センサ
と、カラー計測用のカラーＴＶ（テレビ）カメラを利用
した回転式スキャナ（参考文献：末永、渡部″３Ｄ形状
と輝度（色）の同時計測が可能なスキャナとその顔画像
計測への応用″、情報処理学会コンピュータビジョン研
究会資料、６７−５．１９９０年７月１９日）がある。

このシステムは、形状とカラーを同時に計測する能力を
有している。

また、非接触で物体表面の形状を計測するには。

通常、レーザ光や白色光など、様々な波長をもつ光を使
用する。人工もしくは自然の光を物体表面に照射し、そ
の反射を光センサによって検出し、それから物体表面の
形状を算出する。既存の３次元形状システムで最も一般
的に使用される計測用光源はレーザ光である。これはレ
ーザ光が一般の照明用光源とは異なる波長を有し、容易
に分離できるためである。すなわち、照明をつけたまま
で計測を行なうことが可能であるからである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来の物体計測システムは、物体表
面の形状計測と物体表面のカラー計測を同時に行なうよ
うに構成されていたため、形状計測ユニットの光源から
出た光がカラー計測に影響を及ぼしたり、逆にカラー計
測ユニットの光源から出た光が形状計測に影響を及ぼす
場合があり、必ずしも適切な計測結果を得ることができ
ないという問題があった。

以下、この問題点についてもうすこし詳しく説明する。

非接触で物体表面の形状を計測するための代表的な方法
としては１通常、レーザ光や白色光など、様々な波長を
もつ光と光センサを使用する。人工もしくは自然の光を
物体表面にあて、その反射をＣＣＤなどの光センサによ
って検出し、それから物体表面の形状を算出する。

また、物体表面のカラーを計測するための代表的な方法
としては、通常、すでに安定した性能を発揮しているカ
ラーＴＶカメラを使用する。安定した出力を得るために
は当然人工的な環境のもとて人工的な光源を使用して計
測を行なうことが必要である。

前記形状計測とカラー計測とを同時に行なう場合には、
各々の光源からの光が相互に影響を与えることになり、
条件によっては正しい計測が困難となる場合がある。

例えば、形状計測用に赤色レーザ光を使用した−とする
と、その光はカラー検出ユニット中のカラーＴＶカメラ
によっても検出され、全体に赤色っぽいカラーデータを
生む結果になってしまう。白い物体など光の反射が十分
ある場合には、この赤色はあまりめだたないが、黒い物
体など光の反射が多くない場合には、この赤色レーザ光
の影響が強くあられれ、得られるカラーデータは、″黒
″でなく、″赤″として観測されてしまうことになる。

また、カラー計測用に強力な白色光源を使用したとする
と、その光は形状計測ユニット内のＣＯＤ等の光センサ
によっても検出されてしまう。形状計測は、ＣＣＤ等の
光センサによって検出された映像をもとに、三角測量の
原理で３次元レンジデータを求めることによって行なわ
れているため、この光センサで意図しないカラー計測ユ
ニットからの光を検出することは形状計測に誤りをもた
らすことになる。この現象は、黒いゴムのようにほとん
どの光を吸収してしまう物体の場合には、比較的めだた
ないが、本来光の反射率の高い白い物体あるいは明るい
色をもつ物体の場合には大きな問題となる。

このように、従来の方法では、形状計測ユニットとカラ
ー計測ユニットを同時に使用する方式になっていたため
、どうしても相互の機能を乱し。

計測誤りを生じてしまうという問題があった６また、照
明光と同じような波長をもつ光源（白色光など）を計測
用光源として利用する際には、暗闇の中で計測を行なう
必要がある。従来のこの種のシステムで使用される計測
用の光源は自然光や通常の照明光にくらべて十分な強さ
をもっていない、あるいは、生体を計測する場合などは
特に使える光の強度にも上限がある。自然光や照明光が
存在するままで計測を行なうと、それらの光が計測に悪
影響を与え、正しい計測が行なえなくなるため、やむを
えず壁や暗幕等で自然光をしやへいし、照明も消して、
暗闇の中で計測をおこなわねばならない。

暗闇の中で計測を行うことは、操作上不便であることは
もちろん、生体、例えば人間の顔を計測する場合などに
は、人間は何も見えない闇の中では顔や頭、体を一定時
間同じ姿勢に保つことが困難であるため、正しいデータ
を得ることが困難となる。また、仮に姿勢を一定時間正
しく保てる場合であっても、暗闇の中では人間の瞳孔は
拡大し、通常状態での正しい計測は行なえなくなってし
まうという問題があった。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、これらの欠点を除去するため、請求項
（１）に関してはカラー計測ユニットと形状計測ユニッ
トとの相互の影響を除去し、形状。

カラーともに正しい計測を行なうことが可能な技術を、
また、請求項（２）に関しては、照明用の光源と計測用
の光源とを時分割的に使用することにより、暗やみの中
で計測を行う場合におこる不都合な点を解消したうえで
照明光の影響を受けない正しい計測が行なえる技術を、
それぞれ提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、請求項（１）の発明は、物
体の形状を計測する形状計測ユニットと、該物体のカラ
ーを計測するカラー計測ユニットと、前記形状計測ユニ
ットとカラー計測ユニットとを時分割的に駆動させて形
状データとカラーデータとを求める時分割制御ユニット
を備えたことを最も主要な特徴とする。

また、請求項（２）の発明は、計測用の光源を有する物
体計測ユニットと、被計測物体に照明を与える照明ユニ
ットと、前記物体計測ユニットと照明ユニットを時分割
的に制御する時分割制御ユニットを備えた時分割式物体
計測システムであって、前記時分割制御ユニットから出
力される制御信号に基づいて計測用の光源と照明用の光
源を時分割的に交互に点滅させて物体の計測を行なう手
段を備えたことを最も主要な特徴とする。

〔作用〕

前述の請求項（１）の発明の手段によれば、前記形状計
測ユニットとカラー計測ユニットとを時分割的に駆動さ
せて形状データとカラーデータとを求めることにより、
両者を同時に行なう場合に生しる計測誤りを除去するこ
とができるので、正確な計測を行なうことができる。

また、請求項（２）の発明の手段によれば、前記物体計
測ユニットと照明ユニットを時分割的に制御し、前記時
分割制御ユニットから出力される制御信号に基づいて計
測用の光源と照明用の光源を時分割的に交互に点滅させ
て物体の計測を行なうことにより、自然光だけが遮蔽さ
れ、照明光は消さない環境の中で計測を行うことができ
るので、暗闇の中で計測を行なう場合におこる操作性の
低下を防止することができ、かつ暗闇の中で生体を計測
する際に生ずる生体の変化を防止することができる。こ
れにより、正しい計測データが得られる。

なお、前記照明光は消さない環境は、もちろん時分割的
には照明を消すが、照明０Ｎ１０　Ｆ　Ｆの切替を十分
にはやく、例えば毎秒５０回以上行うことにより、実質
的に人間にとって照明をつけたままのように感じられる
環境を実現できる。

以下１本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明する
。

〔実施例１〕 第１図は、本発明の時分割式物体計測システムの実施例
１の概略構成を示すブロック図である。

第１図に示すように、本実施例１の時分割式物体計測シ
ステム１００は、計測の対象である物体１０１の表面の
形状を計測するユニット形状計測ユニット１ｏ２．計測
の対象である物体１０１の表面のカラーを計測するカラ
ー計測ユニット１０３、前記ユニット形状計測ユニット
１０２からの形状データを記憶するための形状データ記
憶用メモリ１０４、カラー計測ユニット１０３からのカ
ラーデータを記憶するためのカラーデータ記憶用メモリ
１０５、前記形状計測ユニット１０２とカラー計測ユニ
ット１０３とを時分割的に駆動させて形状データとカラ
ーデータとを求める時分割制御ユニット１０６を備えて
いる。１０７は形状データ、１０８はカラーデータ、１
０９は形状計測用光源、１１０はカラー計測用光源であ
る。

なお、形状計測ユニット１０２の中で用いられるセンサ
の例としては、レーザ光を利用したスキャナを、また、
カラー計測ユニット１０３の中で用いられるセンサとし
ては、カラーＴＶカメラをそれぞれ代表的なものとして
あげることができる。

前記センサは、本発明においては、基本的に各種のセン
サを使用することができる。

次に、本実施例１０時分割式物体計測システム１００の
動作について説明する。

まず、あらかじめ、本実施例１の時分割式物体計測シス
テム１００によって形状とカラーを計測すべき物体１０
１を適切な位置にセットしておく。

次に、前記時分割制御ユニット１０６によって第２図に
示すような切り替え指示信号を発生し、この切り替え指
示信号を形状計測ユニット１０２及びカラー計測ユニッ
ト１０３に送る。

形状計測ユニット１０２では、時分割制御ユニット１０
６から送られた切り替え指示信号に従って、形状計測ユ
ニット１０２の動作すべき時間にのみ形状計測用光源１
０９を点灯させて形状計測動作を行ない、その計測結果
を形状データ記憶用メモリ１０４に格納する。

また、カラー計測ユニット１０３は、時分割制御ユニッ
ト１０６から送られる切り替え指示信号に従って、カラ
ー計測ユニット１０３の動作すべき時間にのみカラー計
測光ｇ１ユＯを点灯させてカラー計測を行い、その計測
結果をカラーデータ記憶用メモリ１０５に格納する。

形状計測ユニット１０２とカラー計測ユニット１０３は
交互に、かつ時間的に重複することなく各々の動作を行
い、それぞれ形状データ１０７とカラーデータ１０８を
計測する。

形状計測が行なわれる時間帯（瞬間）においては、形状
計測用光源１０９のみが点灯しており、カラー計測用光
源１１０は消灯しているため形状計測に悪影響をおよぼ
すことはない。同様にカラー計測が行なわれる時間帯（
瞬間）においては、カラー計測光源１１０のみが点灯し
ており、形状計測用光源１０９は消灯しているため、カ
ラー計測に悪影響を及ぼすことはない。

両者の計測結果は、順次形状データ記憶分メモリ１０４
及びカラーデータ記憶用メモリ１０５にそれぞれ格納さ
れ、最終的に形状データ１０７及びカラーデータ１０８
として出力される。

これにより形状計測ユニット１０２とカラー計測ユニッ
ト１０３が相互に及ぼす悪影響を完全に除去することが
でき、誤差の少ない形状データ１０７及びカラーデータ
１０８を求めることができる。

なお、前記の実施例１の説明においては、説明を簡単化
するため、形状計測用光源１０９及びカラー計測用光源
１１０を点灯もしくは消灯するという表現を用いて説明
したが、実際の装置摘成上では、光源は点灯したままで
、光源から発せられる光を透過及び遮蔽するためのなん
らかの別の機構、例えば機械式シャッター、光学的シャ
ッター等を用いてもよいことはいうまでもない。

第２図は、時分割制御ユニット１０６の発生する切り替
え指示信号と形状計測ユニット１０２の形状計測用光源
１０９の動作時間帯及びカラー計測ユニットのカラー計
測用光源１１０の動作時間帯の関係を説明するための切
り替え指示信号の波形例を示す図であり、２００は時分
割制御ユニット１０６によって発生される切り替え指示
信号、２０１は形状計測ユニット１０２の動作タイミン
グ、２０２は計測ユニットの動作タイミングである。

第２図に示すように、形状計測ユニット１０２とカラー
計測ユニット１０３の動作するタイミングを完全に分離
し、両ユニットを時分割式に動作させることにより、相
互に及ぼす悪影響を除き。

各々ユニット本来の性能を発揮させることができる。

〔実施例２〕 第３図は、本発明の時分割式物体計測システムに適用さ
れる実施例２の照明制御式物体計測システムの概略構成
を示すブロック図である。

第３図に示すように、本実施例２の照明制御式物体計測
システム３００は、計ホクの対象である物体３０１の表
面の形状もしくはカラー、あるいは形状とカラーの両方
を計測する計測ユニット３０２、計測時に計測の対象で
ある物体３０１の表面に計測用光線を照射する計測用光
源３０３、計測の対象である物体３０１の表面を照明す
るための照明ユニット３０４、計測の対象である物体３
０１の表面を照明するための照明用光源３０５、計測ユ
ニット３０２と照明ユニット３０４を時分割制御する時
分割制御ユニット３０６、計測ユニット３０２からの計
測データを記憶するための計測データ記憶用メモリ３０
７が備えられている。

前記計測用光源３０３は、計測ユニット３０２の中に設
けられ、照明用光源３０５は、照明ユニット３０４の中
にそれぞれ設けられている。３０８は計測データ、３０
９は計測用光、３１０は照明用光である。

次に、本実施例２の照明制御式物体計測システム３００
の動作について説明する。

まず、あらかじめ、本実施例２の照明制御式物体計測シ
ステム３００によって計測すべき物体３０１を適切な位
置にセットしておく。

次に、時分割制御ユニット３０６によって第４図に示す
ような切り替え指示信号を発生し、この切り替え指示信
号を計測ユニット３０２及び照明ユニット３０４に送る
。

計測ユニット３０２では、時分割制御ユニット３０６か
ら送られた切り替え信号に従って、計測ユニット３０２
の動作すべき時間に計測用光源３０３を点灯させて計測
動作を行ない、その計測結果を計測データ記憶用メモリ
３０７に格納する。

また、照明ユニット３０４は、時分割制御ユニット３０
６から送られる切り替え指示信号に従って、照明ユニッ
ト３０４の動作すべき時間にのみ照明用光源３０５を点
灯させる。

形状計測ユニット３０２と照明ユニット３０４は交互に
、かつ時間的に重複することなく各々の動作を行なう。

計測が行なわれる時間帯（瞬間）においては、計測用光
源３０３のみが点灯しており、照明用光源３０５は消灯
しているため計測に悪影響を及ぼすことはない。

計測結果は、順次計測データ記憶分メモリ３０７に格納
され、最終的に計測（形状、もしくはカラー、あるいは
形状とカラーの両方）データ３０８として出力される。

これにより、照明ユニット３０４が形状計測ユニット３
０２に及ぼす悪影響を完全に除去することができ、誤差
の少ない計測データ３０８を求めることができる。

なお、前記の実施例２の説明においては、説明を簡単化
するため、計測用光源３０３及び照明用光源３０５を点
灯もしくは消灯するという表現を用いて説明したが、実
際の装置構成上では、光源は点灯したままで、光源から
発せられる光を透過及び遮蔽するためのなんらかの別の
機構、例えば、機械式シャッター、光学的シャッター等
を用いてもよい。

第４図は１時分割制御ユニット３０６の発生する切り替
え指示信号と計測ユニット３０２及び照明ユニット３０
４ならびに計測用光源３０３と照明用光源３０５の動作
時間帯の関係を説明するための切り替え指示信号の一例
を示す図であり、４００は時分割制御ユニット３０６に
よって発生される切り替え指示信号、４０１は計測ユニ
ット３０２の動作タイミング、４０２は照明ユニットの
動作タイミングである。

第４図に示すように、計測ユニット３０２と照明ユニッ
ト３０５の動作するタイミングを完全に分離し、両ユニ
ットを時分割式に動作させることにより、相互に及ぼす
悪影響を除き、各ユニット本来の性能を発揮させること
ができる。

なお、計測ユニット３０２としては、物体表面の形状を
計測するもの、カラーを計測するもの、あるいは形状と
カラーの両方を計測するもの等を使用することができ、
その場合に、請求項（１）に示した形状とカラーの時分
割式計測の方法を併用できることはいうまでもない。

第５図は、物体の形状を計測するための既存の代表的な
システムである光切断装置を使用して本発明の時分割式
物体計測システムを構成した具体的例を示す模式図であ
り、５０１は円筒レンズ、５０２は回転ミラー、５０３
はＴＶカメラ、５０４はＴＶモニタ等の表示装！、５０
５は画像ディジタイザを含む計測モジュール、５０６は
計測用光源にＯＮ１０　Ｆ　Ｆユニット、５０７は照明
用光源の０Ｎ１０ＦＦユニツトである。

その他の１０１から１０８までは第１図の場合と同一で
あり、接続関係も同じである。

時分割制御ユニット１０６から送られる時分割制御信号
に従い、計測用光源の０Ｎ１０ＦＦユニツト５０６及び
照明用光源にＯＮ１０　Ｆ　Ｆユニット５０７が動作し
、第４図で説明したタイミングに従って時分割的に計測
用光源１０３と照明用光源１０５を交互に点滅させる。

照明用のタイミングは計測用のタイミングと完全に分離
される。時分割制御信号は、同時に回転ミラー５０３と
計測モジュール５０５にも送られ、第２図のタイミング
に従って計測が行なわれる。計測用光源１０３から発せ
られた光ビームは円筒レンズ５０１によって垂直方向に
広げられて光ファンビームとなり、回転ミラー５０２に
反射して物体１０１にスリット状の光として投影される
。物体１０１の上に投影されたスリット光の模様をＴＶ
カメラ５０３で撮影し、表示装置５０４に表示するとと
もに、画像ディジタイザを含む計測モジュールによって
三角測量の原理を使用した３次元計測を行い、その結果
を計測データ記憶用メモリ１０７に格納する。

前述の動作を回転ミラー５０２を少しずつ回転させて繰
り返し、物体にスリット光をあてる位置を少しづつずら
しながら計測を行なう。最終的にその内容をとりだすこ
とにより、物体表面形状の計測データ１０８を得る。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、請求項（１）の発明によれば、
形状計測とカラー計測を同時に行なう場合に生じる計測
誤りを除去することができるので、正確な計測を行なう
ことができる。

また、請求項（２）の発明によれば、自然光だけは遮蔽
され、照明光は消さない環境の中で計測を行うことがで
きるので、暗闇の中で計測を行なう場合におこる操作性
の低下を防止することができ、かつ暗闇の中で生体を計
測する際に生ずる生体の変化を防止することができる。

これにより正しい計測データが得られるや

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の時分割式物体計測システムの実施例
１の概略構成を示すブロック図、第２図は、本実施例１
の時分割制御ユニットの発生する切り替え指示信号の波
形例を示す図、第３図は、本発明の時分割式物体計測シ
ステムに適用される実施例２の照明制御式物体計測シス
テムの概略構成を示すブロック図、 第４図は、本実施例２の時分割制御ユニットの発生する
切り替え指示信号の波形例を示す図、第５図は、既存の
代表的なシステムである光切断装置を使用して本発明の
時分割式物体計測システムを構成した具体的例を示す模
式図である。 図中、１００・・・時分割式物体表面計測システム。 １０１．３０１・・・計測対象物体、１０２，３０２、
・、形状計測ユニット、１０３・・・カラー計測ユニッ
ト、１０４，３０７・・・形状データ記憶用メモリ、１
０５・・・カラーデータ記憶用メモリ、１０６，３０６
・・・時分割制御ユニット、１０７，３０８川形状デー
タ、１０８・・・カラーデータ、１０９，３０３・・・
形状計測用光源、１１０・・・カラー計測用光源、２０
０．４００・・・切り替え指示信号、３００・・・照明
制御式物体計測システム、３０４・・・照明ユニット、
３０５・・・照明用光源、３０９・・・形状計測用光。 ３１０・・・照明用光、５０１・・・円筒レンズ、５０
２・・・回転ミラー、５０３・・・ＴＶカメラ、５ｏ４
・・・表示装置、５０５・・・計測モジュール、５０６
・・・計測用光源にＯＮ１０　Ｆ　Ｆユニット、５０７
・・・照明用光源の０Ｎ１０ＦＦユニツト。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体の形状を計測する形状計測ユニットと、該物
   体のカラーを計測するカラー計測ユニットと、前記形状
   計測ユニットとカラー計測ユニットとを時分割的に駆動
   させて形状データとカラーデータとを求める時分割制御
   ユニットを備えたことを特徴とする時分割式物体計測シ
   ステム。
2. （２）計測用の光源を有する物体計測ユニットと、被計
   測物体に照明を与える照明ユニットと、前記物体計測ユ
   ニットと照明ユニットを時分割的に制御する時分割制御
   ユニットを備えた時分割式物体計測システムであって、
   前記時分割制御ユニットから出力される制御信号に基づ
   いて計測用の光源と照明用の光源を時分割的に交互に点
   滅させて物体の計測を行なう手段を備えたことを特徴と
   する時分割式物体計測システム。