JPH0564393B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は対象物体の３次元形状を３次元デジタ
ル画像として入力する方法に係り、特にCADや
コンピユータ・グラフイツクス等のシステムにお
ける３次元形状の入力に好適な３次元デジタル画
像入力方法に関する。

〔発明の背景〕

従来のCAD（Computer Aided Design）やコ
ンピユータ・グラフイツクス等のシステムにおい
ては、対象物体を適当な３次元モデルで近似し、
これをデイスプレイに表示して、対象物体の３次
元形状を設計者が検討するということが行われ
る。このさい表示結果が設計者の意図に反してい
る場合には、さらに３次元モデルを記述している
入力データを修正し、この修正作業を繰り返すこ
とにより所望の３次元形状を得ている。しかしこ
れらのデータ入力および修正作業は多くの工数を
要する煩雑な作業であり、システム全体の生産性
の大きな障害となつている。

このような状況から、例えば（社）情報処理学
会コンピユータビジヨン研究会資料26−２
（1983.9.26）「立体形状の多面体近似システム」
では対象物体をテレビカメラで撮影し、３次元形
状のモデル化までを自動的に行うものが報告され
ている。これによると３次元形状モデリングの原
理は次のようなものである。第１に、物体のある
方向への２次元投影像から、物体が存在する３次
元領域として、投影中心（視点）を頂点とし撮影
像の形状を断面形状とする無限の錐体域、あるい
は投影中心が無限遠方にある無限の柱体域が仮定
できる。第２に、物体は多くの投影像から仮定さ
れるすべての領域の内部に存在していなければな
らない。第３に、各投影像の形状を閉多角形で近
似すれば、すべての仮定領域の相貫により得られ
る立体は多面体となり、この多面体を物体の近似
多面体とする。なお上記第３における近似多面体
は、第１における錐体域上のある稜線の接続関係
を全て調べ、すべての錐体域上に含まれる稜線を
抽出し、これによりワイヤーフレームモデルとし
て得られるというものである。そして、このワイ
ヤーフレームモデルにおける面と稜線の接続関係
からサーフエスモデルを作成し、さらにその多面
体個数を算出して最終的にはソリツドモデムが得
られる。

しかしながら、かかる従来の方法においては、
ワイヤーフレームモデルからサーフエスモデルへ
の変換およびサーフエスモデルからソリツドモデ
ルへの変換という２種類のデータ構造の変換を行
つており、その処理が複雑になる傾向がある。一
方、テレビカメラの画像に対して多角形近似を行
つているため、多角形近似の程度によつては多面
体の精度に問題が生じる可能性がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記した従来技術の問題点を解
決し、処理の簡素化によるデータ修正の作業性向
上および多角形近似を不要として精度向上をはか
つた３次元デジタル画像入力方法を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、入力対象物体を包含する１つの固定
された３次元画素の集合からなる３次元デジタル
画像の空間を設定し、複数の視線方向から撮像装
置により撮影した２次元撮影画像にもとづき、各
視線方向からみた物体の形状を反映する物体存在
領域を設定空間内の３次元デジタル画像の３次元
画素の集合として記述し、すべての視線方向から
みた物体存在領域の共通領域内の３次元画素の集
合を３次元デジタル画像における物体の３次元形
状として求めるようにした３次元デジタル画像入
力方法である。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図ないし第５図に
より説明する。

第１図は本発明による３次元デジタル画像入力
方法の一実施例を示す説明図である。第１図にお
いて、入力対象物体１を撮像装置の２つの視点２
ａ，２ｂから撮影して、それぞれ２次元撮像画像
３ａ，３ｂが得られる。なおこれらの画像３ａ，
３ｂは２値化された３次元デジタル画像で、整数
ｍ×ｎ個の画素をもち、図中の斜線で示す物体像
の部分には“１”で、背景部分には“０”が代入
されている。ここにおいて、視点２ａを頂点とし
２次元撮影画像３ａの物体像の形状を底面形状
（断面形状）とする錐体状の物体存在領域４ａが、
その領域内部に対象物体１を包含する領域として
決定できる。また視点２ａを頂点とし画像３ｂの
物体像の形状を底面形状とする錐体状の物体存在
領域４ｂが同様に決定できる。そこで本発明によ
れば、これに対象物体１を周囲から包含する１つ
の固定された３次元画素の集合体からなる３次元
デジタル画像の空間５を設定し、これにより視点
２ａから２次元撮影画像３ａを得たときの上記錐
体状の物体存在領域４ａに対応する当該３次元デ
ジタル画像の空間５における錐台状の物体存在領
域４Ａが求まる。すなわち、かりに図示のような
基準座標系ｘ、ｙ、ｚにおいて視点２ａからの視
線方向をｘ方向とすると、３次元デジタル画像の
空間５において視線方向に垂直な平面すなわちｙ
−ｚ平面に平行な平面上に投影される画像は、拡
大・縮小または回転処理を施すアフイン変換を用
いて２次元撮影画像３ａを縮小することにより求
まり、これをｘ方向に繰り返して該画像を積み重
ねることにより、それらの物体像の積み重ね集合
体として３次元デジタル画像の空間５における錐
台状の物体存在領域４Ａが求まる。このようにし
て例えば立方体形状の３次元デジタル画像の空間
５のｙ−ｚ平面に平行な平面５ａ，５ｂ上に投影
される画像５ｃ，５ｄがそれぞれ３次元撮影画像
３ａのアフイン変換を用いた縮小により得られ
る。このときの各平面における画像の縮小率は透
視投影の幾何学的関係から決定される。同様にし
て視点２ｂから２次元撮影画像３ｂを得たときの
３次元デジタル画像の空間５における錐台状の物
体存在領域４Ｂが求まる。なお視線方向が３次元
デジタル画像の空間５の３次元画素の配列方向と
異なる場合には、画像を回転させて補正すること
により、３次元デジタル画像の空間５における当
該錐体状の物体存在領域を求めることができる。
このようにして得られた複数の視線方向からの３
次元デジタル画像の空間５における錐台状の物体
存在領域４Ａ，４Ｂ等が投影画像の物体像の積み
重ね集合体として求められるが、これらの錐台状
の物体存在領域４Ａ，４Ｂ等のすべてに共通した
領域は複数の視線方向からの３次元デジタル画像
の空間５の物体像“１”および背景部分“０”を
含む３次元デジタル画像の３次元画素ごとに
AND演算を行うことにより求まり、この共通領
域を対象物体１の３次元形状を表現する３次元デ
ジタル画像とすることができる。

第２図は本発明による３次元デジタル画像入力
装置の一実施例を示す概略構成ブロツク図であ
る。第２図において、入力対象物体１は平面上の
任意の方向に載置可能な回転台２１上に置かれ、
撮像装置２３によつて撮影され、各画素ごとの２
値化画像信号は撮像制御装置２４の制御により計
算機２５に入力される。一方で回転台２１は回転
装置２２により回転され、その制御は計算機２５
の指令により回転制御装置が行う。なお計算機２
５は撮影画像データの取り出しおよび記録と上記
制御装置への指令などを司さどるものであり、内
部に格納されたプログラムに従つて上記装置の動
作を制御する。

次に第３図は第２図の主に計算機の動作を例示
するフローチヤートで、これにより第２図の主と
して計算機２５の動作を説明する。まず影像装置
２３の結像面と対象物体１すなわち回転台２１の
回転中心軸までの距離および入力画素数等の撮影
条件を設定する（ステツプ101）。ついで入力する
撮影画像数およびその時の回転台角度を設定する
（102）。つぎに撮像装置２３で得られるべき対象
物体１の撮影画像は透視投影変換を受けたもので
あるため、上記撮影条件の設定値からこの変換に
関するパラメータを決定して、その幾何学的関係
を求める。これとともに対象物体１を包含する３
次元画素の集合体からなる３次元デジタル画像の
空間を設定する（103）。入力撮影画像数のカウン
ターを初期値として“１”にセツトする（104）。
ここで計算機２５の指令で回転制御装置６の制御
により回転装置２２を駆動し、回転台２１を上記
により予め設定された回転台角度まで回転させる
（105）。ついで撮像装置２３は撮影制御装置２４
の制御により対象物体を撮影し、その２値化撮影
画像データを計算機２５に入力して記録する
（106）。つぎに対象物体１を包含する３次元デジ
タル画像の空間をその視線方向に垂直に切つた各
平面への投影像を撮影画像のアフイン変換による
拡大・縮小によつて求め、これを視線方向に順次
繰り返して物体の存在領域を求める。このとき物
体存在領域は上記３次元デジタル画像の“１”が
代入されている領域である（107）。このとき入力
された撮影画像の視線方向が基準座標系に対して
90度の整数倍にあるかどうかチエツクする
（108）。そして90度の整数倍でないときには、得
られた画像の平面を上記３次元デジタル画像の画
素の配列方向と合わせるために、回転台２１の回
転軸を中心としたアフイン変換を施して画像の回
転を行う（109）。ついで既に他の視線方向から撮
影された撮影画像データから得られた上記３次元
デジタル画像と今回の３次元デジタル画像を各画
素ごとにAND演算を行う（110）。これにより各
画素ごとに３次元デジタル画像の共通の物体存在
領域が判定できるので、これを元の３次元デジタ
ル画像のデータの中へ新たな画像データとして格
納する（111）。さらに入力撮影画像数のカウンタ
ーの内容を１だけ増やして（112）、上記により予
め設定された値を超えているか否かチエツクし
（113）、入力撮影画像数が設定値を越えていない
場合には次の回転台角度での撮影を行つて入力撮
影画像による処理を繰り返えすが、超えていない
場合にはそこで処理を終了する。このとき最後の
３次元デジタル画像のデータに共通の物体存在領
域として残つた“１”が代入されている領域が対
象物体１の３次形状を表現している。

上記実施例では、撮像装置により得られた撮影
画像は透視投影変換を受けたものとして処理を行
つているが、撮影装置の視点と入力対象物体の相
対的距離が十分に離れている場合には、これを平
行投影によるものとして扱うことができる。した
がつてこの場合には、視点を頂点とする錐体状の
物体存在領域は柱体状の物体存在領域として決定
できるにともない、上記３次元デジタル画像の空
間における物体存在領域も柱台（柱体）状の物体
存在領域の共通領域として求められ、画像の拡
大・縮小操作が不要となるために演算量が低減さ
れる。

また第２図の実施例では入力対象物体を回転さ
せて固定の撮像装置で撮影しているが、固定の対
象物体を撮像装置を回転させて撮影するか、ある
いは対象物体を複数の撮像装置で順次または同時
に撮影するようにしてもよい。特に入力対象物体
の撮影画像を入力するさいに視点の異なる複数の
撮像装置を使用して、複数の撮影画像を同時に入
力する場合には、短時間で計算機に入力できるた
め運動をともなう対象物体の３次元形状の再構成
も可能である。

第４図は本発明による３次元デジタル画像入力
方法の他の実施例を示す部分説明図である。第４
図において、撮影画像４１は撮像装置により得ら
れる入力対象物体１の原画像である。ついでこの
原画像に対してその輪郭線を公知の方法により抽
出すると輪郭線画像４２が得られる。さらに上記
３次元デジタル画像の空間における物体存在領域
を求めるさい、この輪郭線画像４２をアフイン変
換により縮小し、その縮小された輪郭線内の領域
の各画素に“１”を代入すると、３次元デジタル
画像の空間における投影画像４３が得られる。こ
の実施例では２次元撮像画像データがその輪郭線
画像データに圧縮されているため、記憶容量の低
減をはかることができる。

第５図は本発明による３次元デジタル画像入力
方法のさらに他の実施例を示す部分説明図であ
る。第５図においては、入力対象物体１の輪郭線
画像４２をアフイン変換によらずに、画像内の点
Ｏを中心に上記３次元デジタル画像の空間におけ
る投影画像５１の大きさまで縮小している。すな
わち輪郭線画像４２の輪郭線上の１点Ｐは、この
点Ｐと点Ｏを結ぶ線分OP上の縮小された投影画
像５１の輪郭線上の対応する内分点P′に変換され
る。この場合の投影画像５１の縮小率は線分OP
と線分′の長さの比で決定できるため、線分
OP上で縮小率に対応して内方点P′の位置を計算
すれば、輪郭線画像４２を所要の縮小率で縮小し
た投影画像５１を得ることができる。この実施例
ではアフイン変換を必要としないため処理の高速
化がはかれる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明の３次元デジタル画像入力
方法によれば、種々のデータ構造の変換をせずに
直接にボリユーム形データである３次元デジタル
画像データとして入力対象物体の３次元形状が得
られるため処理が簡素化されるうえ、撮像装置か
ら得られる画像に対して多角形近似の処理が不要
のため画像の解像度および画素数の影響の範囲内
の高精度で対象物体の３次元形状を再構成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による３次元デジタル画像入力
方法の一実施例を示す説明図、第２図は同じく装
置構成図、第３図は第２図の計算機主体の動作を
例示するフローチヤート、第４図は本発明による
他の実施例を示す部分説明図、第５図は本発明に
よるさらに他の実施例を示す部分説明図である。 １……対象物体、２ａ，２ｂ……視点、３ａ，
３ｂ……撮影画像、４ａ，４ｂ……錐体状の物体
存在領域、４ｃ，４ｄ……錐台状の物体存在領
域、５……３次元デジタル画像の空間、２１……
回転台、２２……回転装置、２３……撮像装置、
２４……撮像制御装置、２５……計算機、４１…
…撮影画像、４２……輪郭線画像、４３……投影
画像、５１……輪郭線投影画像。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力対象物体を撮像装置により複数の視線方
   向から撮影し、その２次元撮影画像情報を計算機
   に入力して、その情報にもとづき物体の３次元形
   状を計算機内に再構成するシステムにおいて、３
   次元画素の集合体として物体を包含するように固
   定された３次元デジタル画像の空間を設定し、各
   視線方向について２次元撮影画像情報にもとづき
   撮像装置の視点を頂点として２次元撮影画像の２
   次元物体形状を底面形状とする錐体状領域と上記
   設定空間との共通領域内の３次元画素の集合を物
   体存在領域として求め、複数の視線方向について
   の上記物体存在領域の共通領域内の３次元画素の
   集合を３次元デジタル画像における物体の３次元
   形状として求める３次元デジタル画像入力方法。 ２ 上記物体存在領域の３次元画素の集合は上記
   錐体状領域を平行視線による柱体状領域に近似し
   て求める特許請求の範囲第１項記載の３次元デジ
   タル画像入力方法。 ３ 上記物体存在領域の３次元画素の集合は２次
   元撮影画像の２次元物体形状の上記設定空間内の
   視線方向に垂直な平面上へ投影される拡大・縮小
   画像の視線方向への積み重ねによる３次元画素の
   集合として求める特許請求の範囲第１項記載の３
   次元デジタル画像入力方法。 ４ 上記物体存在領域の３次元画素の集合は視線
   方向が設定空間内の３次元画素の配列方向と異な
   る場合には画像の回転により補正した３次元画素
   の集合として求める特許請求の範囲第３項記載の
   ３次元デジタル画像入力方法。 ５ 上記物体存在領域の３次元画素の集合は２次
   元撮影画像の２次元物体形状の輪郭線画像の上記
   設定空間内の視線方向に垂直な平面上へ投影され
   る拡大・縮小画像の輪郭線領域内画素に一定値を
   持たせた画像の視線方向への積み重ねによる３次
   元画素の集合として求める特許請求の範囲第１項
   記載の３次元デジタル画像入力方法。