JPH06137822A

JPH06137822A - 三次元計測システム

Info

Publication number: JPH06137822A
Application number: JP27864392A
Authority: JP
Inventors: Katsura Kawase; 桂川瀬; Tomio Echigo; 富夫越後
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1994-05-20
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JP2731681B2

Abstract

(57)【要約】【目的】解像度・感度および精度を損なうことなし
に、背景の明暗、スリット光の反射光の強弱に拘らず、
一般光の下で三次元計測を高速に実現すること。【構成】この三次元計測システムは、並列読み出し可
能な撮像デバイス１と高速なスリット光の位置検出装置
２〜７等からなる。スリット光の微小移動毎に二次元撮
像デバイス１の各列の信号を並列に取り出し、各Ａ／Ｄ
コンバータ２でデジタル変換し、各ＦＩＦＯメモリ４，
７を用いてスリット光全走査時に各画素で明るさがピー
クになるスリット光の位置を検出する。この検出された
位置データを用いてレーザスリット光源８と物体１０ま
での距離を三角測量法により算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スリット光を被計測対
象に照射し、その反射光を二次元イメージセンサで受光
して、被計測対象の三次元形状を高速に計測する三次元
計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】工場での自動組立て、自動検査における
位置決め、形状の判別、また移動ロボットにおける位置
の同定、経路誘導等に必要とされる視覚機能として、一
般に三次元の認識能力が要求されている。あるいはま
た、既存製品のＣＡＤ（計算機援用設計）データとして
の図面化、コンピュータグラフィクスにおける人工現実
感における実シーンのデータ作成などにも三次元計測が
必要とされる。特に、移動ロボットなどに三次元計測シ
ステムを非接触三次元視覚センサとして適用した場合
は、できるだけ高速計測が望まれる。

【０００３】三次元計測には汎用性の高いステレオ法
（両眼立体視法とも云う）などの受動型計測と、制御さ
れたエネルギーを被計測対象に投射し、その反射エネル
ギーの挙動を計測する能動型計測とがある。能動型計測
では投影されるエネルギーとして光が用いられることが
多く、投影した光の反射光が背景光に比べて十分大きけ
れば処理が簡単になるので、受動型に比べて信頼性の高
い、高速で高精度の距離計測が行える。この能動型計測
において、ステレオ法の二台のカメラの一方を投光器に
置き換え、三角測量の原理を利用した計測法は構成が簡
単で容易に行えるので以下に述べるように数多くの報告
がある。

【０００４】レーザビームを被計測対象に投影し、そこ
にできたスポットを異なった角度に置かれたカメラから
とりこんだ画像から三次元位置を求める方法をスポット
光計測法（スポット光投影法とも云う）と呼ぶ。この計
測方法では対象物全体を計測するためにレーザビームを
二次元走査し、一点の計測に一枚の画像を必要とするの
で計測に多くの時間を要する。そこで、カメラの代わり
にＰＳＤ（Position Sensitive Detector ：入射スポッ
ト光の位置に比例したアナログ信号を出力する位置検出
素子）を用いると、一点あたりの計測が高速に行えるの
で、対象物全体の距離計測を高速に行える。カナダＮＣ
Ｒ社では、スポット光走査と一次元ＰＳＤを組み合わせ
たシステムが開発され、高速で高精度のレンジデータが
得られることを実証した。この構成例は、Ｍ．リオック
ス氏の論文（M.Rioux, 「Laser Range Finder Based on
Synchronized Scanners （シンクロナイズスキャナに
基づいたレーザレンジファインダ）」，Applied Optic
s, vol.23, no.21, pp.3837-3844, 1984 ）に開示され
ている。

【０００５】しかし、上記のＰＳＤは背景光の影響を受
け易いので、計測場所を暗室にするなど測定環境を限定
する必要がある。一方、スポット光の代わりにスリット
光を被計測対象物に投影すると、一回の画像入力で走査
線に沿って現れるスリット像の三次元位置が、多数点で
得られるためスポット光よりも効率が良い。その例が白
井氏の論文（Y.Shirai, 「Recognition of Polyhedra wi
th a Range Finder （レンジファインダを用いた多面体
の認識）」, Pattern Recognition, vol.4,no.2, pp.24
3-250, 1972 ）に開示されている。この方法の概要を図
１に示す。

【０００６】図１において、スリット光が基準位置から
角度θ_i にあるとき、画像Ｐｋ（ｘｋ，ｙｋ）の三次元
座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、次式（１）で与えられる。

【０００７】Ｘ＝ｘｋ＊Ｌ／（ｘｋ＋ｆ＊ｔａｎθ_i ）Ｙ＝ｆ＊Ｌ／（ｘｋ＋ｆ＊ｔａｎθ_i ）Ｚ＝ｙｋ＊Ｌ／（ｘｋ＋ｆ＊ｔａｎθ_i ） …（１）ただし、ｆはピンホールカメラの焦点距離（固定値）、
Ｌはカメラレンズとスロット光源のプロジェクターレン
ズ間の距離（固定値）である。また、ｋは各画素の間隔
に相当する定数である。この方法をスリット光計測法ま
たは光切断法（線状光投影法とも云う）と呼ぶ。

【０００８】しかし、このスリット光計測法でも対象物
全体を計測するには、スリット光を一次元走査し、一本
のスリット光の計測に一枚の画像を必要とするので、計
測に多くの時間を要する。そこで、複数本のスリット光
を対象物に投射すると、今度は投射したスリット光とカ
メラから見えるスリット像の同定ができなくなる。この
問題の解決のため、もう一台のカメラを用い、三眼視と
同じ原理で同定問題を解くアルゴリズムが開発された。
この方法は本願発明者等による論文（T.Echigoand M.Ya
chida, 「A Fast Method for Extraction of 3-D Inform
ation using Multiple Stripes and Two Cameras （複
数スリット光と２台のカメラを用いる三次元情報の抽出
のための敏速な方法），IJCAI-85, pp.155-159, 1985)
に開示されている。

【０００９】また、複数本のスリット光のそれぞれに色
を与え、カラーカメラでとらえた画像から色の判別によ
ってスリット光を判別し、高速にレンジデータを得る装
置がある。その構成例は、田島譲二氏の論文「Rainbow
Range Finder（レインボーレンジファインダ）による距
離画像取得」，情処研報コンピュータビジョン，vol.8
6, no.44-3, 1986 に開示されている。

【００１０】さらに、プロジェクターから明暗のピッチ
が倍々に変わる二進コード化されたパターンを時系列的
に投影し、空間をコード化して、多数のスリットを投射
したのと同じ効果を得る方法が開発された。この方法で
は、ｎ枚の画像入力で２ⁿ 本のスリット像が得られるの
で、レンジデータが比較的短時間で得られる。その構成
例は、佐藤，井口氏の論文「液晶レンジファインダー−
液晶シャッタによる高速距離画像計画システム」，信学
論，vol.J71-D, no.7, pp.1249-1257, 1988 に開示され
ている。

【００１１】以上述べた従来の計測方法は、画像入力を
前提としていたので、ビデオフレーム時間が計測時間の
限界になっていた。そこで、画素に相当する画像センサ
の一つ一つにスリット光の検出とスリット光の投射角度
の保持・転送機能を持たせ、二次元的に並べ、半導体チ
ップ上に集積化する方法が開発された。この方法は画像
センサの一画素ごとに視線方向を固定し、スリット光の
走査時間内でピーク値を検出し、そのときのスリット光
の投影角を保持することによって、スリット光と視線の
交点となる距離計算が行えるので、背景光の影響を抑え
ることができ、暗室などのように環境を限定しなくてよ
い利点がある。さらに、この方法によればスリット光の
走査時間でレンジデータが得られるので高速性がある。
例えばカーネギーメロン大学（ＣＭＵ）では、フォトセ
ンサ，増幅器，サンプルホールド回路を平面的に３２×
２８画素並べたチップセンサを開発している。その構成
例は、Ａ．グラス氏等による論文（A.Gruss, L.R.Carle
y, and T.Kanade, 「High Speed VSLI Range Sensor（高
速VSLIレンジセンサー）」，CMU, 1990 ）に開示されて
いる。

【００１２】また、大阪大学でもディスクリート回路で
等価なシステムを開発している。その例は、木田，佐
藤，井口氏著の「リアルタイム距離画像センサ」，第５
回センシングフォーラム．pp.91-95, 1988に開示されて
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たこれらの従来システム（カーネギーメロン大学のシス
テム、大阪大学のシステム）では、各画素毎にサンプル
ホールド回路を持つために各画素の受光部の面積が狭く
なり、画素間が疎らになるので、解像度が十分に得られ
ず、対象物の密なレンジデータ（ある領域における深さ
データ、すなわち三次元の距離データのこと）を得るこ
とができない。また、これらのシステムでは、時間計測
を含む全ての処理をアナログで行っているので、回路
（特に時間計測のための回路）の非直線性や温度による
特性の変化の補償を行わなければならない。しかも、一
般に全てを精度良く補償することは困難である。また、
これらのシステムはそのため一画素が占める回路が複雑
になるのでチップサイズを小さくするのに限界があり、
小型化したときに受光部の感度が問題となり、開口率を
大きくとれないという点がある。

【００１４】また、シーン（計測対象のこと、例えば室
の一部の場合もある）を走査するスリット光と、配列型
ＰＳＤ（位置検出素子）を用いて、物体の立体形状を１
／３０秒周期で連続的に計測できる非接触三次元視覚セ
ンサ・システムが中京大学と松下技研の共同研究で開発
され、荒木氏等による「High Spead and ContinuousRan
gefinding System （高速・連続レンジファインディン
グシステム）」 IEICETRANSACTIONS, VOL.E 74, NO.10,
PP.3401-3406, 1991に開示されている。この視覚セン
サ・システムの特徴は、撮像素子として新たに開発した
配列型ＰＳＤを用いていることである。このＰＳＤは、
垂直方向は１２８行に分割し、水平方向は１／１２８の
分解能で受光位置を検出できる。これにより、１回の撮
像で垂直方向に並ぶ１２８点を二次元像として１／４０
００秒で読み取ることができる。この撮像素子を用い
て、スリット光を走査しながら１２８回センサ情報を読
み取ると、物体に投射された１２８本のスリット像（ス
リット光の像）を得ることができ、１シーンあたり１／
３２秒で計測できることが報告されている。なお、物体
までの距離は撮像素子とスリット光源の間で三角計量法
によって計算される。

【００１５】だが、上記のようなＰＳＤを用いた撮像素
子では、１回の画像読み出し毎に全ての水平列において
スリット光の位置を読み出すが、そのとき背景とスリッ
ト光の受光位置で十分な差がなければならない。ＰＳＤ
では各列毎にスリット光を受光した１点の位置を出力す
るが、その点における十分な受光量とその他の位置での
低受光量を確保しなければならない。しかし、背景およ
びスリット光の反射光は対象物体により異なるため、デ
ータ取得時に周囲を暗くしたり対象物体により感度を変
えるなどの測定条件が必要となる。このように、ＰＳＤ
を用いたシステムでは背景の明暗、背景に対するスリッ
ト光の反射光の強弱の程度によって測定できないことが
あり、適用対象が大幅に制限される。

【００１６】そこで、本発明の目的は、上述のような従
来技術の問題点を解消し、撮像機構とスリット光の投光
器から得られる三次元物体の表面のスリット像から、カ
メラから物体表面までの距離画像を高速に検出すること
を可能にすることにある。

【００１７】本発明の他の目的は、良好な解像度、感度
および精度を得つつ、距離画像を高速に検出することに
ある。

【００１８】本発明のさらに他の目的は、測定環境を特
に限定しないこと、すなわち、背景の明暗、背景に対す
るスリット光の反射光の強弱に拘らず測定が行えるよう
にすることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の三次元計測システムは、スリット光をその
方向を変えながら被計測対象に投射するスリット光投射
手段と、前記被計測対象からのスリット光の反射光を受
光し、複数の出力端子から信号を並列に出力するマトリ
ックス配列の二次元撮像デバイスと、前記スリット光の
方向の微小変化毎に、前記二次元撮像デバイスの各列の
信号を並列に取り出し、デジタル信号に変換する信号変
換手段と、該信号変換手段から転送される前記デジタル
信号を並列入力して、スリット光による一回の走査の間
に前記二次元撮像デバイスの各画素での明るさが最大に
なるスリット光の方向を検出する検出手段を具備したこ
とを特徴とする。

【００２０】また、本発明は、前記検出手段は、並列に
配置された複数の回路からなり、各回路は前記二次元撮
像デバイスから読み出された画像の各画素におけるデジ
タル信号を前回までに得られた当該画素のデジタル信号
の最大値と比較する比較手段と、該比較手段による比較
により判定された大きい方の信号を蓄え、蓄えられた信
号のデータを次回の信号の比較に用いるための第１のＦ
ＩＦＯバッファと、前記比較手段が前回の信号の最大値
よりも今回の信号の方が大きいと判定した時の前記スリ
ット光の方向データを格納する第２のＦＩＦＯバッファ
とを有し、スリット光を走査中の各画素における最大出
力値とそのときのスリット光の方向を記録することを特
徴とすることができる。

【００２１】また、本発明は好ましくは、前記算出手段
で算出された距離データを基に画像を作成・表示するコ
ンピュータグラフィック装置をさらに有することを特徴
とすることができる。

【００２２】

【作用】従来のテレビカメラに用いられる二次元撮像素
子は二次元配列のデータを一箇所から順次シーケンシャ
ルに読み出していたので、一画面読み出すのに１／３０
秒を費やしていた。一方、ファクシミリやスキャナーで
用いられるラインセンサは、５１２画素の一次元配列の
データを１／２５ミリ秒で読み出す製品であり、さらに
高速な素子も開発されている。

【００２３】そこで、本発明では二次元配列のデータを
読み出すためにラインセンサ等の一次元の撮像素子を並
列に複数本並べ、並列にデータを読み出すことで二次元
画像の読み取りを一つの素子の読み出し速度で行い高速
化を図る。例えば、上述の５１２画素のラインセンサを
ｎ本並べると、ｎ＊５１２の解像度の二次元画像を１／
２５ミリ秒で読み出せる。

【００２４】しかし、一本のスリット光からは、一本の
スリット像に沿った距離データしか得られないので、密
な距離画像を得るにはスリット光でシーン（被計測対
象）を密に走査しなくてはならない。本発明で提案した
撮像デバイスによれば、スリット光を高速に走査しても
複数本のスリット像を密に読み出させる。ただし、スリ
ット光の方向を記録することが必要になる。そのため本
発明では、スリット光を走査しながら各画素値を高速に
読み出し、スリット光が当たっているか否の判定と、そ
のときのスリット光の方向を同時に記録する手段を有す
る。

【００２５】その一例として、次に述べる本発明の一実
施例では、各画素における時間変化に対し明るさの最大
値とそのときのスリット光の方向をＦＩＦＯ（ファスト
インファストアウト）のメモリを用いて記録している。
すなわち、一次元ラインセンサを複数個並列に並べ、そ
の複数の出力端子から信号を並列に取り出し、さらに、
出力側では読み出された信号を前回までに得られた信号
の最大値と比較し、大きい方の信号をＦＩＦＯバッファ
に入れる。ＦＩＦＯバッファに蓄えられたデータは次回
の信号との比較に用いる。そのため、スリット光でシー
ンを一回走査する間の各画素における最も明るい値（す
なわちスリット光が投影されたとき）とそのときのスリ
ット光の方向が記録される。こうしてスリット光の１回
の走査の間に得られた複数枚の画像の内、最大出力値と
そのときのスリット光の方向が記録され、この記録デー
タにより物体までの距離は三角計量法によって計算され
る。従って、各画素では、スリット光が当たっていると
きと、そうでないときの差が検出できれば良く、特に周
囲を暗くする必要はない。また全ての画素で距離情報が
得られるので、密な距離画像データが得られる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２７】図２は本発明の一実施例の三次元計測シス
テムの要部構成を示す。この三次元計測システムは複数
の出力端子からアナログ映像信号を並列に出力する撮像
デバイスとしての二次元イメージセンサ１、およびこれ
ら映像信号をデジタル化する複数のアナログデジタル
（Ａ／Ｄ）コンバータ２を有し、それぞれのＡ／Ｄコン
バータ２に図３で後述する素子３〜７がそれぞれ接続さ
れている。

【００２８】図３は上記撮像デバイスの１つの出力端子
に接続する回路の詳細な構成を示す。スリット光に変換
するためのシリンドリカルレンズをレーザ出力口に有す
るレーザスリット光源８から出射する扇状のスリット光
は、回転ミラー９で方向を制御されながら被計測対象物
１０を照射する。対象物１０からの反射光像は結像レン
ズ１１により二次元イメージセンサ１上に集光される。

【００２９】このイメージセンサ１は、図４に示すよう
に、複数のフォトセンサを有するラインセンサを並列に
複数個並べた二次元のマトリックス配列の撮像デバイス
であり、その複数の出力端子から映像信号を並列に取り
出せる。図４のイメージセンサ１は２５６×１２８画素
のもので、ライン数（ｎ）は１２８である。イメージセ
ンサ１からの１画素分の出力は当該画素の照度（受光
量）に応じたアナログ電圧であり、ＣＣＤ（電荷結合素
子）もしくはＦＥＴ（電界効果トンラジスタ）スイッチ
によって順次読み出される。出力と受光量の関係は単調
関数であればよく、比例でなくてもよい。この出力はＡ
／Ｄコンバータ２によりＡ／Ｄ変換され、以降全てデジ
タル信号として扱われる。従って、イメージセンサ１の
出力部において単調性が保証できれば、それ以降の部分
で誤差を生じることがない。この構成は、全てチップ内
でアナログ処理を行うタイプのシステムに比べて、撮像
デバイスの直線性や温度補償の問題が全くないので、高
精度の計測を行うことができる。各画素のデータはシス
テム内の基準クロックｆ_c に同期して読み出すことがで
き、１クロックに１画素のデータを読み出すことができ
る。

【００３０】回転ミラー９は不図示のパルスモータを介
してパルス発生回路１２からのパルスにより回転制御さ
れ、これによりスリット光の方向はθ_i の単位でステッ
プ上に変化させることができる。このパルスはまたパル
スカウンタ１３によりカウントされ、そのカウント値が
スリット光の現在の方向を示すデータとして第２データ
セレクタ６に供給される。さらに、このパルスはシフト
クロック発生回路１４により逓倍されて上記の基準クロ
ックｆ_c に変えられる。

【００３１】インテンシィティＦＩＦＯ４は各画素にお
ける最大輝度の値を抽出するためのバッファメモリであ
り、オリエンテーションＦＩＦＯ７はその最大輝度の時
のスリット光の方向データを格納するためのバッファメ
モリである。これらＦＩＦＯ４および７は共にスリット
光の走査方向に対応する方向に並ぶイメージセンサ１の
画素（フォトディテクタ）数と等しい段数ｄ_n を持ち
（図２参照）、システム内の基準クロックｆ_c と同期し
てファストインファストアウトの書き込み・読み出し動
作をする。Ａ／Ｄコンバータ２からの出力データはコン
パレータ３と第１データセレクタ５に供給され、パルス
カウンタ１３のカウント値は第２データセレクタ６に供
給される。なお、このカウント値はスリット光の反射角
度を示すもので、全画素が転送されるまで変わらない。
コンパレータ３は画素ごとにインテンシィティＦＩＦＯ
４から読み出された前回までの最大の輝度値ａとＡ／Ｄ
コンバータ２から送られた現在の受光量を表す輝度値ｂ
とを比較して、その大小関係の情報（すなわち、いずれ
の入力が大きいかの指示）を２つのデータセレクタ５，
６に送る。

【００３２】それぞれのデータセレクタ５，６はコンパ
レータ３からの指示によって、２つの入力ａ，ｂの内の
いずれかを選択して出力ｃに出す。この選択のルール
は、コンパレータ３の入力のａがｂよりも大きいときは
２つのデータセレクタ５，６とも自分の入力のａ（前回
値）を選択し、それ以外（ａ≦ｂのとき）は自分の入力
のｂ（現在値）を選択する。データセレクタ６の入力ａ
にはオリテンテーションＦＩＦＯ７から出されたデータ
が与えられ、その入力ｂには常に現在のスリット光の方
向が与えられる。

【００３３】以上述べた回路の動作を実際の処理の流れ
に沿ってさらに詳細に説明する。

【００３４】処理１．まず、初期化としてインテンシィ
ティＦＩＦＯ４とオリエンテーションＦＩＦＯ７の内容
を全て０にする。また、スリット光の方向を初期位置に
持ってくる。

【００３５】処理２．イメージセンサ１に画像を取り込
み、基準クロックｆ_c に同期させてイメージセンサ１か
ら一画素ずつ輝度データを取り出し、前述の選択ルール
を適用しながら、インテンシィティＦＩＦＯ４とオリエ
ンテーションＦＩＦＯ７を動かし、イメージセンサの全
画素の転送を行う。上記のようにインテンシィティＦＩ
ＦＯ４の初期値は０だったので、イメージセンサ１の１
ラインの画素数ｄ_n の転送が終った後は、インテンシィ
ティＦＩＦＯ４の中身は全てＡ／Ｄコンバータ２の値と
なっている。また、オリエンテーションＦＩＦＯ７の中
身は全てスリット光の方向の初期位置となっている。

【００３６】処理３．スリット光の方向を１つ（θ_i ）
進め、処理２．と同様にイメージセンサ１に画像を取り
込み、基準クロックｆ_c に同期させて一画素ずつ取り出
し、前述の選択ルールを適用しながら、インテンシィテ
ィＦＩＦＯ４とオリエンテーションＦＩＦＯ７を動か
し、イメージセンサの全画素の転送を行う。これを行う
と、インテンシィティＦＩＦＯ４の値と今回のイメージ
センサの輝度の値を比べて、今回のイメージセンサ１の
輝度の値の方が大きい場合にインテンシィティＦＩＦＯ
４およびオリエンテーションＦＩＦＯ７の値は新しい値
に置き換わる。

【００３７】処理４．スリット光の方向が終了位置に来
るまで処理３．を繰り返す。

【００３８】処理５．スリット光の方向が終了位置に来
たら、インテンシィティＦＩＦＯ４およびオリエンテー
ションＦＩＦＯ７から計測結果を取り出す。

【００３９】以上の処理１から処理５までが終ると、イ
ンテンシィティＦＩＦＯ４の中は各画素における最大輝
度の値が入り、その最大輝度が得られた時のスリット光
の方向がオリエンテーションＦＩＦＯ７に入る。すなわ
ち、オリエンテーションＦＩＦＯ７の値が各画素に対応
する対象物１０にスリット光が当たる方向となる。

【００４０】図５はイメージセンサ１における１つのラ
インセンサの出力の変化と、この出力が転送されるイン
テンシィティＦＩＦＯ４の内容との関係を示す。図３か
ら分るように、スリット光の方向の変化（θ₁ 〜θ_n ）
に伴って、対象物１０のスリット光照射位置が移動し、
イメージセンサ１上の反射光像も移動するので、最大輝
度の画素位置も図５に示すように順次移動することにな
る。従って、１シーンの走査が終了すると、インテンシ
ィティＦＩＦＯ４の中は図５に示すように各画素におけ
る最大輝度の値が格納される。このように、各画素にお
ける最大輝度の値のみ検出するようにしているので、イ
メージセンサ１にスリット光が当たっているときと、そ
うでないときの差が検出できるように配慮すれば十分
で、スリット光以外は検出されないので、特に周囲を暗
くする必要はない。しかも、一般にレーザ光は通常の周
囲光よりも十分に高い光量を有しているので、通常上記
の配慮も不要である。

【００４１】処理６．ところで、ある画素に対応する対
象物１０が無限遠点にあるなどして、スリット光の反射
が得られなかった場合の背景ノイズを除去するための補
正を行う必要がある。この補正のための回路の構成例を
図６に示す。コンパレータ２１において一定のスレッシ
ョルドＩｔを越えなかった画素データ（インテンシィテ
ィ出力）はスリット光があたらなかった、つまりそのデ
ータは背景ノイズであると判断して、無効化する処理を
行う。また、スリット光の方向（オリエンテーション出
力）から距離を求める演算はＣＰＵ２３により前述した
三角測量法の式（１）に基づいて行う。なお、この演算
をルックアップテーブルによって行うことも可能であ
る。

【００４２】すなわち、インテンシィティＦＩＦＯ４か
らの出力と輝度のスレッショルドＩｔをコンパレータ２
１で比較して、インテンシィティＦＩＦＯ４からの出力
の方が小さければ、オリエンテーションＦＩＦＯ７から
の値を計算不能を意味するアウトオブレンジ（例えば０
または−１あるいは∞）にする。ＣＰＵ２３で計算され
た距離データは不図示のコンピュータグラフィックシス
テムに送られて、公知の補間処理や面作成処理等が施さ
れ、不図示のＣＲＴディスプレイ等のモニタ装置の画面
に画像を表示させることができる。その際、インテンシ
ィティＦＩＦＯ４に蓄積された画素の濃淡データもコン
ピュータグラフィックシステムに送り、表面の濃淡状態
も同時に表示することも可能である。

【００４３】以上、図３および図６を用いて一次元の距
離画像を計測するための具体例について説明したが、図
２の構成により二次元の距離画像を得る場合も基本的に
上記と同様の処理手順（処理１から処理６）で並列処理
により距離画像を高速に精度良く得ることができる。

【００４４】また、本発明の計測システムにおいて一画
面の距離画像を得るために必要な時間ｔ_s は、スリット
光の移動の回数（（スリット光の方向の終了位置−スリ
ット光の方向の初期位置）／θ_i ）をｓ_n 、ラインセン
サの画素数をｄ_n 、一画素の転送速度をｆ_c とすると、ｔ_s ＝ｄ_n ｓ_n ／ｆ_c …（２）となる。例えば、ｆ_c ＝２０〔ＭＨｚ〕 …（３）ｄ_n ＝２５６ …（４）ｓ_n ＝２５６ …（５）とすれば、ｔ_s ≒０．３秒 …（６）となる。このように本発明によれば、固体撮像デバイス
を利用しながら極めて高速に距離画像を得ることができ
る。

【００４５】（他の実施例）上述の本発明の実施例で
は、パルス発生回路１２から発生させたパルスをシフト
クロック発生回路１４を用いて逓倍することによりイメ
ージセンサ１等を駆動する基準クロックｆ_c を生成する
ように構成したが、本発明はこれに限定されず、例えば
イメージセンサ１中に通常設けられているシフトクロッ
ク発生器のシフトクロックを基準クロックｆ_c としてＦ
ＩＦＯ等も駆動し、さらにこのクロックを分周して回転
ミラーやパルスカウンタへ供給するパルスを生成するよ
うにしてもよい。要は回転ミラーを振らせるタイミング
とイメージセンサの駆動タイミングを合せればよいの
で、別々の独立のクロック発生手段を用いて、トリガ信
号により計測開始の初期化の時に同期をとるようにして
も同様な動作が得られる。

【００４６】また、上述の実施例では、スリット光の走
査時間内で各画素の最大の明るさと、そのときのスリッ
ト光の投影角を得るため、２つのＦＩＦＯメモリを用い
ていたが、このような専用のハードウエアを用いる代わ
りに、例えば図７に示すように一般的な汎用のメモリ
（例えば、ＩＣ−ＲＡＭ）２８，２９を用いてアドレス
制御によりソフト的に実現することもできる。

【００４７】図７に示す実施例のシステムでは、２つの
メモリの一方がインテンシィティメモリ２８、他方がオ
リエンテーションメモリ２９として用いられる。イメー
ジセンサ１を構成するラインセンサ毎に、メモリ２８，
２９の一連の番地が確保され、かつその番地に対してア
クセスするためのメモリ制御回路３０が用意される。各
ラインセンサに対して割り当てられるメモリ２８，２９
の番地は同一とされる。メモリ制御回路３０に含まれる
アドレス発生回路３１は、画素読み出しの同期信号であ
るシフトクロックを入力し、対応するラインセンサに割
り当てられたメモリ２８，２９の番地を、順次かつ循環
的に発生する。

【００４８】メモリ制御回路３０はアドレス発生器３１
の他に、コンパレータ３２、一組のセレクタ３３，３
４、リードバッファ３５およびライトバッファ３６を含
む。コンパレータ３２および第１，第２のセレクタ３
３，３４は図３のコンパレータ３、セレクタ５，６に対
応し、同様の動作を行う。リードバッファ３５はメモリ
２８，２９からの読み出しデータを一時格納し、ライト
バッファ３６はメモリ２８，２９への書き込みデータを
一時格納する。従って、上記アドレス発生器３１，リー
ドバッファ３５，ライトバッファ３６，インテンシィテ
ィメモリ２８およびオリエンテーションメモリ２９から
なる回路は、図３の一組のＦＩＦＯ４および７に相当す
る。

【００４９】図７に示す実施例では、画素を読み出す毎
に、アドレス発生器３１を用いてメモリ２８，２９の番
地を更新し、インテンシィティメモリ２８から読み出さ
れたリードバッファ３５の内容によって２つのメモリ２
８，２９の内容を書き換えるか否かをコンパレータ３２
と一組のセレクタ３３，３４を用いて選択し、書き換え
ると選択した場合にはＡ／Ｄコンバータ２からの現入力
データおよびパルスカウンタ１３からの現入力データを
ライトバッファ３６を介してインテンシィティメモリ２
８，オリエンテーションメモリ２９へ送り、書き込む。

【００５０】また、スリット光を偏向するための回転ミ
ラーとしては平板のミラーに限らず、非接触三次元視覚
センサとして連続計測が必要である場合等にはポリゴン
ミラーも好適である。また、このようなミラーを用いず
に、パルスモータ駆動のターンテーブル上にレーザスリ
ット光源をスリット光出射口が回転中心と一致するよう
に乗せ、ターンテーブルを回転することによりスリット
光の方向を偏向しても同様な作用が得られる。

【００５１】また、計測対象物をターンテーブルに乗せ
てスリット光の偏向範囲（例えば、６０度）に対応した
所定角度づつ回転させるようにしたり、あるいは計測装
置自体を対象物の周囲に回動させるようにすれば、対象
物の全体の面の三次元計測を迅速にできる。

【００５２】また、本発明で用いる撮像素子を構成する
ラインセンサとしてはＣＣＤタイプのものに限らず、Ｍ
ＯＳタイプ等の既存の種々のタイプの固体イメージセン
サが利用できる。近年のパッケージング技術の進歩によ
り、１つの半導体チップから５００本以上の端子を出す
ことも容易になってきたので、現在の技術で２５６並列
程度の並列読み出しは簡単に実現できる。

【００５３】なお、スリット光の光源としてはレーザ光
以外の他の電磁波も適用可能であるが、拡散しないこ
と、深さによってビートの太さが変わらないこと、人間
にとって安全性があること、取り扱い易いこと等の条件
を満足する可視のレーザ光が実用上最も好ましいと考え
られる。

【００５４】本発明の三次元計測システムを用いて得ら
れる三次元情報は工場の自動組立て・自動検査において
の位置決め・形状の判別に利用され、搬送に用いられる
移動ロボットの経路誘導では、位置の同定、経路への復
帰計画に有効な情報となる。自動化の推進には、安全性
・確実性が重要で、従来の直線運動だけの自動機器に較
べ、多自由度を持つロボットでは広範な外界の情報を高
速に高精度に知ることが必要であり、そのためにも本発
明の三次元システムは有効である。さらに、既存製品の
ＣＡＤデータとしての入力に対する要求がある。例え
ば、自動車業界では、他社のエンジンを自社製品と比較
するためその形状データをＣＡＤに入力しているが、従
来では接触型の、あるいは非並列処理の三次元測定器を
用いていたため、データ入力に時間がかかった。本発明
の三次元計測システムのデータ抽出の高速性はこのよう
な開発・設計部門の要求にも応えることができる。ま
た、コンピュータグラフィクスでの応用では、人工現実
感における実シーンのデータ提供としての有用性が大い
に期待される。しかし、現在利用されている装置は、単
一のスリット光を利用したものが多く、対象全体のデー
タを抽出するには時間がかかる欠点があった。服飾関係
など対象が剛体でないものに対しては、瞬時のデータ抽
出が不可欠であり、高速なレンジセンサが期待されてい
る。本発明のシステムは、環境を限定しない、高速で、
高精度のレンジデータを抽出することができるので、上
述のような人工現実感における実シーンのデータ提供
等、工場・オフィスを初め、幅広い分野での利用が期待
できる。

【００５５】以上説明した本発明の実施例によれば次の
ような効果が得られる。

【００５６】（１）スリット光の微小移動毎に二次元
撮像デバイスの各列の信号を並列に取り出し、ディジタ
ル変換し、スリット光全走査時に各画素で明るさがピー
クになるスリット光の方向を検出するので、既存の撮像
素子を組み合わせた撮像機構と、スリット光の方向を高
速に検出する機構を組み合わせることで、比較的簡潔な
構成で廉価に、かつ非常に高速に高精度の距離画像（レ
ンジデータ）を得ることができる。

【００５７】（２）各画素の明るさの値をディジタル
化した後は全てディジタル量で処理されるので、回路の
非直線性やノイズの影響を受けない。また、各画素のフ
ォトディテクタやそこからの転送経路（ＣＣＤやＦＥＴ
スイッチ）の特性も単調であれば非線形でも良く、アナ
ログ回路における誤差も、測定結果に影響しない。ま
た、撮像部に撮像機能のみを集積した既存の撮像素子を
利用するので、その撮像素子の開口率・転送速度などの
特性が利用でき、イメージセンサ部分を小型化できる。

【００５８】（３）二次元撮像デバイスから読み出さ
れた画像の各画素における映像信号を前回までに得られ
た対応の画素の映像信号の最大値と比較し、大きい方の
信号をＦＩＦＯに入れ、ＦＩＦＯに蓄えられたデータは
次回の映像信号の比較に用いるようにして、スリット光
の１回の走査の間に得られた複数の画像の内、スリット
光を走査中の各画素における最大出力値（最も明るい
値）とそのときのスリット光の方向を記録し、この記録
したデータを用いて対象物までの距離を三角測量法によ
り計算するようにしたので、測定環境も暗室などに限定
されず、撮像素子の動作環境であれば良く、また各画素
におけるスリット光が当たったときと、そうでないとき
の差が検出できれば良いので、特に周囲を暗くするなど
測定環境を限定しなくてもよく、従って背景の明暗、ス
リット光の反射光の強弱に拘らず一般光の下での計測を
行うことができる。

【００５９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、三
次元計測を高速で行うことができる。また、背景の明暗
や背景に対するスリット光の強弱に拘らず一般光の下で
三次元計測を高速に行える。また、解像度、レーザー反
射光に対する感度および得られる距離データの精度を良
好にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スリット光を用いて三角測量法により三次元計
測を行う原理を示す概念図である。

【図２】本発明の一実施例の三次元計測システムの要部
構成を示すブロック図である。

【図３】図２のイメージセンサの１つの出力端子に接続
する回路の詳細な構成を示すブロック図である。

【図４】図２のイメージセンサの構成例を示す概念図で
ある。

【図５】図３のイメージセンサの１つのラインセンサの
出力の変化とこの出力が転送されるインテンシィティＦ
ＩＦＯの内容との関係を示す波形図である。

【図６】本発明の一実施例におけるスリット光の反射が
得られなかった場合の背景ノイズ除去のための補正回路
の構成を示すブロック図である。

【図７】本発明の他の実施例における要部回路構成を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１二次元イメージセンサ２Ａ／Ｄコンバータ３コンパレータ４インテンシィティＦＩＦＯ５，６セレクタ７オリエンテーションＦＩＦＯ８レーザスリット光源９回転ミラー１０被計測対象物１１結像レンズ１２パルス発生回路１３パルスカウンタ１４シフトクロック発生回路２１コンパレータ２２セレクタ２３ＣＰＵ２８インテンシィティメモリ２９オリエンテーションメモリ３１アドレス発生器３５リードバッファ３６ライトバッファ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者越後富夫東京都千代田区三番町５−19 日本アイ・ビー・エム株式会社東京基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スリット光をその方向を変えながら被計
測対象に投射するスリット光投射手段と、前記被計測対象からのスリット光の反射光を受光し、複
数の出力端子から信号を並列に出力するマトリックス配
列の二次元撮像デバイスと、前記スリット光の方向の微小変化毎に、前記二次元撮像
デバイスの各列の信号を並列に取り出し、デジタル信号
に変換する信号変換手段と、該信号変換手段から転送される前記デジタル信号を並列
入力して、スリット光による一回の走査の間に前記二次
元撮像デバイスの各画素での明るさが最大になるスリッ
ト光の方向を検出する検出手段を具備したことを特徴と
する三次元計測システム。
【請求項２】前記検出手段で検出された前記スリット
光の方向のデータを基に三角計量法により前記被計測対
象の距離データを算出する算出手段をさらに有すること
を特徴とする請求項１に記載の三次元計測システム。
【請求項３】前記検出手段と前記算出手段の間に接続
されて、前記スリット光の受光がなかった時のスリット
光の方向データを無効にする補正手段をさらに有するこ
とを特徴とする請求項２に記載の三次元計測システム。
【請求項４】前記検出手段は、並列に配置された複数
の回路からなり、各回路は前記二次元撮像デバイスから
読み出された画像の各画素におけるデジタル信号を前回
までに得られた当該画素のデジタル信号の最大値と比較
する比較手段と、該比較手段による比較により判定された大きい方の信号
を蓄え、蓄えられた信号のデータを次回の信号の比較に
用いるための第１のＦＩＦＯバッファと、前記比較手段が前回の信号の最大値よりも今回の信号の
方が大きいと判定した時の前記スリット光の方向データ
を格納する第２のＦＩＦＯバッファとを有し、スリット光を走査中の各画素における最大出力値とその
ときのスリット光の方向を記録することを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の三次元計測システ
ム。
【請求項５】前記二次元撮像デバイスは複数のフォト
センサからなる一次元のラインイメージセンサを並列に
複数配列し、各該ラインイメージセンサのそれぞれに信
号を読み出すための出力端子を設けたことを特徴とする
請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元計測システ
ム。
【請求項６】前記スリット光投射手段、前記二次元撮
像デバイスおよび前記検出手段を同期して駆動するため
の駆動信号を発生する駆動信号発生手段を有することを
特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の三次元
計測システム。
【請求項７】前記スリット光投射手段は、レーザのス
リット光を発生するレーザスリット光源と、該スリット
光を偏向する回転ミラーとからなることを特徴とする請
求項１ないし６のいずれかに記載の三次元計測システ
ム。
【請求項８】前記算出手段で算出された距離データを
基に画像を作成・表示するコンピュータグラフィック装
置をさらに有することを特徴とする請求項１ないし７の
いずれかに記載の三次元計測システム。
【請求項９】請求項１ないし８に記載の前記三次元計
測システムを非接触三次元視覚センサとして有すること
を特徴とする移動ロボット、自動組立機、自動検査機お
よび搬送装置のうちのいずれかの装置。
【請求項１０】スリット光の被計測対象に対する位置
を微小移動させる手段と、前記被計測対象からのスリット光の反射光を二次元撮像
デバイスに受光させる手段と、前記スリット光の微小移動毎に、前記二次元撮像デバイ
スの信号を取り出し、デジタル信号に変換する手段と、該デジタル信号を入力して、スリット光による一回の走
査の間に各画素での明るさが最大となるスリット光の方
向を検出する手段と、検出された前記スリット光の方向を基に三角計量法によ
り前記被計測対象の距離データを算出する手段とを具備
したことを特徴とする三次元計測システム。
【請求項１１】スリット光の被計測対象に対する位置
を微小移動させ、前記被計測対象からのスリット光の反射光を二次元撮像
デバイスに受光させ、前記スリット光の微小移動毎に、前記二次元撮像デバイ
スの信号を取り出し、デジタル信号に変換し、該デジタル信号を入力して、スリット光による一回の走
査の間に各画素での明るさが最大となるスリット光の方
向を検出し、検出された前記スリット光の方向を基に三角計量法によ
り前記被計測対象の距離データを算出することを特徴と
する三次元計測方法。