JPH0615968B2 - 立体形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は立体の外形形状三次元形状を測定するための
装置、特に対象物体に触れないでその形状を測定する非
接触計測装置に関する。

［従来の技術］ 立体の非接触計測は、医学的分野における生体の形状測
定などにおいて用いられている。生体のように測定対象
が柔らかい場合は、直接接触してその測定を行うと対象
自体が変形してしまうからである。また非接触計測は医
学の分野のほか、工学的分野のオートメーション工場で
の部品組立てなど、広い分野において利用されている。

三次元形状の非接触計測としては、視差を利用したもの
例えばステレオ写真法、パターン投影法、光切断法など
が知られている。これらによると対象物体の形状を正確
に測定することができる。しかし２つの視点から対象物
体を観測するので入力画像が２枚以上であり、その２枚
の画像の対応付けが困難である。これに対してテクスチ
ュア解析法やモアレ法などのように、１枚の観測画像か
ら対象物体の立体形状を決定する方法も知られている
が、これらにおいては対象物体の絶対的な位置や大きさ
を測定することができない等、実際応用上、多くの制約
が伴っている。

［発明が解決しようとする問題点］ したがって本発明の目的は、画像の処理が簡単で、しか
も１つの視点からの観測で対象物体の絶対的な三次元座
標を測定することも可能な立体形状測定装置を提供する
ことである。また本発明の別の目的は、そのような測定
を行うことができる構成の簡単な装置を提供するもので
ある。

［問題点を解決するための手段］ すなわち本発明に係る立体形状測定装置は、１台の投影
装置と１台の観測装置を備える。投影装置は、格子状パ
ターンが形成された投影面例えばスライドフィルム、お
よびこの投影面と同一の三次元座標系内の任意の位置に
おかれた対象物体をこの投影面を通して照射することが
できる光源を備える。また観測装置は、例えば光学系で
構成され、観測面（撮像面）、およびこの観測面と上記
対象物体との間に位置された特定点（光学中心）を備え
る。

［作用］ このように構成された立体形状測定装置において、上記
光源を点灯すると上記対象物体の表面上には上記投影面
の格子状パターンが投影されて格子状パターン像が形成
される。そしてこの対象物体上の格子状パターン像を構
成する対象物体上の格子ライン像上の任意のサンプリン
グ点の三次元座標は、この対象物体上サンプリング点
が、上記投影装置の光源を発してこの対象物体上サンプ
リング点を照らしている光の直線と、上記観測装置の特
定点とこの対象物体上サンプリング点とを含む直線との
交点であることを利用して決定することができる。対象
物体の立体形状は、対象物体上の多くのサンプリング点
の座標を決定することにより、適当な表示装置の画面に
再現される。

［実施例］ 以下図面を参照してこの発明の実施例について説明す
る。

第１図には、この発明の一実施例に係る立体形状測定装
置が示されている。この装置によって、立体の外形形状
の三次元座標を決定することができる。一般に立体の外
形形状すなわち物体の外表面は、三次元座標で規定され
る点の集合とみなすことができる。したがってその立体
の外表面上の点を適切にサンプリングしてそのサンプリ
ングした複数の点の三次元座標を決定し、さらにそのサ
ンプリングした点の座標をデータとして計算機で処理す
ることによって、その対象物体の概略形状は表示装置上
に表現される。明らかなように、サンプリング点の数が
多くなればなる程、表示装置上に、より精密な立体の概
略形状を描くことができる。

Ｉ．装置の構成 第１図に示された装置においては、立体形状を有する対
象物体10の外形及び外表面上のサンプリング点を観測す
る為の観測装置20、例えば撮像装置が配置されている。
この観測装置20は、対象物体10と同一の三次元座標系に
配置され、その観測面21、例えば撮像面の三次元座標は
既知である。そして観測面21と対象物体10との間には、
例えば観測装置20のレンズ系の光学中心となる特定点22
を設定する。この特定点22の三次元座標は既知である。
この特定点22を介して、対象物体10の上のサンプリング
点と、観測面21上のサンプリング点とが対応付けされ
る。

この対象物体10の表面11にサンプリング点を特定する為
に、本実施例においてはパターン投影装置30が、観測装
置20と同様に対象物体10と同一の三次元座標系に配置さ
れている。このパターン投影装置30は、第１図に示され
るように特定の格子状パターン301が形成された投影面3
1、例えば格子状パターンを有するスライドフィルムを
備えている。そしてこの投影面31の格子状パターン301
を対称物体10に投影して、対象物体表面11上に格子状パ
ターン像101を形成する為に、点光源32が配置されてい
る。パターン投影装置30の点光源32の座標および投影面
31の座標は、観測装置20の観測面21および特定点22と共
にその座標位置が特定されている。

II．記号の定義 ここで格子状パターン301において、この格子を構成す
る各直線を格子ライン30xと称し、格子ライン30xが互い
に交差する点を格子点30yと称する。そして対象物体10
の格子状パターン像10yにおいて、格子点像10yを含めて
格子ライン像101状の任意の点がサンプリング点10sと規
定される。上記観測面上サンプリング点20sは、この対
象物体上サンプリング点10sと上記特定点22とを結ぶ直
線ｍsの上に存在する。

このような立体形状測定装置において、対象物体10上の
格子状パターン像101は、投影面31の格子状パターン301
を投影して形成されたものであることから、直線ｌsす
なわち、点光源32と、対象物体上のサンプリング点10s
とを通る直線ｌsが投影面31を貫く点は必ず投影面31の
格子状パターン301の格子ライン30x上にある。このサン
プリング点10sと特定の対応関係を有する、直線ｌsと投
影面31との交点をサンプリング対応点30sとする。

こうして、対象物体上の１つのサンプリング点10sに関
して、このサンプリング点10s自身、およびパターン投
影装置30の投影面31上のサンプリング対応点30s、そし
て観測装置20の観測面21上の観測面上サンプリング点20
sの３点が対応づけされる。

III．測定方法の概要 III−１．体操物体上の求めたいサンプリング点10sに対
応する観測面上サンプリング点20sを選び、この観測面
上サンプリング点20sに対応する投影面31上のサンプリ
ング対応点30sの三次元座標が判明すると、三角測量法
の原理から、対象物体10のサンプリング点10sの３次元
座標を確定することができる。即ち、点光源32の三次元
座標は既知であるから、投影面31におけるサンプリング
対応点30sの三次元座標が判明すると、点光源32とその
サンプリング対応点30sとを通る第１の直線ｌsの式が計
算によって定まる。一方観測面21上のサンプリング点20
sは初めに特定され、その３次元座標は予め定められる
ことから、この点20sと既知の三次元座標を有する特定
点22とを通る第２の直線ｍsの式も同様に定められる。
従って、第１の直線ｌsと第２の直線ｍsの交点として対
象物体上サンプリング点10sの座標が定められる。同様
の処理によって対象物体上の多数のサンプリング点の座
標が次々に定められている。これらの座標はそれぞれ観
測面上の点と関連付けて適宜メモリに記憶され、このメ
モリに記憶された多数の座標点に基いて適当な表示装置
（図示せず）に対象物10の画像を表示することができ
る。

III−２．対象物体上の求めたいサンプリング点10sに対
応する観測面21上のサンプリング点20sに対応する、投
影面31上のサンプリング対応点30sの座標を求めるとい
うことは、投影面31上の多数の格子線の中から、サンプ
リング対応点30sの存在する格子線30xを特定することに
帰着する。なぜならば、サンプリング対応点30sは、直
線ｌsの投影面31上における“エピポーラライン”ｎs
（第２図参照）と、その特定された格子線31xとの交点
だからである。ここでエピポーララインｎsは、特定点2
2の座標および投影面31の三次元方程式が既知であるこ
とから、観測面21上で選ばれた観測面上サンプリング点
２０ｓに対応して幾何学的計算により自動的に決まるも
のである。

ここで“エピポーラライン”について説明する。第３図
のように光源51から発した光直線52が平面53を点54にて
貫いて点55に達しており、一方点55を通る別の直線56が
存在している場合を想定する。このような条件におい
て、この直線56を光源51より観測した際に平面53上に映
る直線57を、平面53における直線56のエピポーラライン
と称する。換言すれば、エピポーララインは直線56およ
び点光源51を含む平面58と上記平面53との交線である。
したがって光直線52と平面53との交点54は必ずエピポー
ラライン上に存在する。

IV．具体的測定方法 以下に第２図乃至第７図を参照して、観測格子状パター
ン像20x上の任意の観測面上サンプリング点20sに対応す
る、投影面の格子状パターン301上の点すなわち対応サ
ンプリング点30sを求める方法について、ＡおよびＢの
２つの場合に分けてより詳細に説明する。

Ａ．通常の場合 第４図のように観測面上パターン像201において、観測
上サンプリング点20sを含む１本の格子ライン像20xsに
注目する。このライン像20xi上の格子点像の群20j（20j
1、20j2、20j3…）の座標はそれぞれ既知である。そし
て観測上サンプリング点20sが投影面31上に対応サンプ
リング点を有するように、この格子点像群20jの格子点
像（20j1、20j2、20j3…）もそれぞれ投影面31上に対応
する点すなわち対応格子点を有している。

この格子点像20jの群の中の一つ例えば格子点像20j1と
特定点22とを通る直線ｍj1（図示せず）を求め、その直
線ｍj1の投影面31におけるエピポーララインｎj1を求め
る。格子点像20j1に対応する投影面31上の対応格子点
は、先述のようにこのエピポーララインｎj1の上に存在
し、且つその点は格子点30yの一つである。よって格子
点30yのうちエピポーララインｎj1上に存在するものす
なわち格子点30j1が、観測面上格子点像20j1に対応する
対応格子点である。

このようにして点像群20jの全ての点（20j1、20j2、20j
3…）についてそれぞれエピポーラライン（ｎj1、ｎj
2、ｎj3、ｎj4…）を求め、その対応格子点（30j1、30j
2、30j3……）を求める。多数ある格子ライン30xのなか
で、これらの対応格子点の全てを含む特定の１格子ライ
ン30xsが見出され、その格子ライン30xsが観測面21の格
子ライン像20xsに対応する格子ラインである。そして観
測面21上において最初に注目した観測上サンプリング点
20sに対応する対応サンプリング点30sはこの格子ライン
30xs上に存在している。

そこで第５図のように観測面21上の観測上サンプリング
点20sについても、投影面31上におけるエピポーラライ
ンｎｉを求めて、そしてこのエピポーララインｎsと上
記格子ライン30xsとの対応サンプリング点30sを求め
る。この対応サンプリング点30sが、観測上サンプリン
グ点20sに対応するサンプリング対応点である。

次に前述のように投影装置30の点光源32とこの対応サン
プリング点30sとを通る直線ｌsを求め（第２図参照）、
一方観測上サンプリング点20sと特定点22とを通る直線
ｍsを求める。そしてこれら直線ｌsと直線ｍsの交点の
座標を求める。これが最初に選んだ観測上サンプリング
点20sに対応する対象物体上サンプリング点10sの空間座
標である。

この後、第５図のように格子ライン像20xs上に存在する
任意のサンプリング点20k1、20k2…については、それぞ
れのエピポーララインを求めてそのエピポーララインと
格子ライン30xsとの交点を求めれば、その交点が点20k
1、20k2…に対応する点である。したがってこれらのサ
ンプリング点20k1、20k2……に対応する対象物体上のサ
プリング点（図示せず）を簡単にしかも任意の高密度で
求めることができる。

第２図には、投影面上の格子ライン、対象物体上の格子
ライン像、および観測面上の格子ライン像の三者の対応
付けのなされた状態が示されている。この図に見られる
ように、この実施例の各装置は光切断法と同様な空間配
置である。このことからも明らかなように、この装置に
よれば対象物体の表面の三次元座標を連続的に計測する
ことが可能である。

またこの測定装置によれば、対象物体上の個々のサンプ
リング点について独立にその座標を決定するので、対象
物体の表面に厳しい凹凸があってもその物体の形状を測
定することができる。もし対象物体表面が滑らかである
ことが確認されている場合には、計算を一部省略するこ
とができる。すなわち第２図のように格子ライン30xと
対象物体上格子ライン像10xと観測面上格子ライン像20x
それぞれ１本ずつからなる１組のラインの対応付けさえ
決定されれば、その他のラインの組は、“対象物体上で
隣り合って見える格子ライン像10xは必ず隣り合った格
子ライン30xが映されているものである”との仮定に基
づいて、順番に対応付けをすることができる。

Ｂ．特殊な場合 測定装置と対象物体の配置によっては、上記Ａの方法で
は観測面上格子ライン像20xsに対応する投影面31上の格
子ラインを１本に特定することができない場合がある。

第６図にその例を示す。ここでは、観測面上サンプリン
グ点20hの存在する観測格子ライン20xhに注目し、この
ライン上の格子点像の群20f1、20f2、20f3が選択されて
いる。そしてこれら格子点像の群20f1、20f2、20f3に関
して投影面31上にはエピポーララインｎf1、ｎf2、ｎf3
が描かれている。この場合、エピポーララインと格子点
との共通点のうち、同一格子ライン像に存在するものと
して、格子ライン30xh−１上の点f1a、f2b、f3a、およ
び格子ライン30xh−２上の点f1b、f2e、f3bがあり、２
本の対応格子ラインが選択されてしまう。しかし勿論こ
の２本の対応格子ライン“候補”30xh−１、および30xh
−２の一方が真の対応格子ラインであり、他方は偽りの
ものである。

これらを区別するために第７図に示すように格子点像の
１つの点20f1を通る他の格子ライン像20xh′に注目し、
このライン像20xh′上に存在する格子点像20f1および20
f4、20f5、20f6……についてエピポーララインｎf4〜ｎ
f6を求め、格子点像20f1〜20f6に対応する対応格子点f
1、f2、f3、f4、f5を求める。これらの対応格子点f1、f
2、f3、f4、f5のうち、格子点f1は同時に点群20f1、20f
2、20f3の対応格子点の１つでもある。したがってこの
格子点f1が、観測面上格子点像20f1に対応するものであ
り、第６図においてこの点f1すなわち点f1bを含む方の
格子ライン30xh−２が格子ライン像20xhの真の対応格子
ラインであることがわかる。

なお格子ライン像20xh′に関してもその対応格子ライン
が１本に特定できない場合には、さらに別の格子ライン
像を適宜選んで同様に処理を行う。

Ｃ．計算機を使用する場合 計算機を用いて上記の方法Ａ又はＢを実施する場合の流
れ図を第８図に示す。計算機を使用する場合は、観測面
21上に撮像された格子状パターン像201の１本の格子ラ
イン像だけでなく全ての格子ライン像について処理を行
う。図面の番号に従ってその手順を簡単に説明する。

１……パターン撮像装置、観測装置の設置． 対象物体10に格子状パターン101が投影されるように、
そしてその対象物体上パターン像101が観測面21にて観
測されるように、撮影装置30および観測装置20を設置す
る。

２……画像入力． 観測面上のパターン像201の各格子ライン像201の座標を
読みとる。

３……同一格子ライン像上の格子点像の群の検出． 観測格子状パターン像201の１本の格子ライン20x上に存
在する格子点像の群を検出する。

４……エピポーララインの算出． 各格子点像について投影面31におけるエピポーラライン
を求める。

５……対応格子ライン候補を求める． ６……真の対応格子ラインを求める． 前述のＢの場合（特殊な場合）は５および６の処理を行
って観測面上の１格子ライン像に対応する対応格子ライ
ンを特定するが、Ａの場合（通常の場合）は６の処理の
みを行う。

７……観測面上サンプリング点に対応する対象物体上サ
ンプリング点の三次元座標を求める。

観測面上において当該格子ラインのサンプリング点を定
め、その観測面上サンプリング点に対応する対象物体上
サンプリング点の三次元座標を決定する。

８……全ての格子点像群に体して処理を行ったか？ 観測面上パターン像201の格子点像群の全てに関して４
〜７の処理を繰り返す。

Ｖ．他の実施例 第１図に示した実施例において、格子状パターン301の
格子ライン30yに複数の色を付することによって、対象
物体上の格子パターン像101も着色させると、上記の処
理を効率よく行うことができる。この場合は観測装置も
色を識別できるように構成する。

格子状パターン301の着色は、平行な複数の格子ライン3
0xを１本ずつ例えば赤、緑、青の３色で、赤、緑、青、
赤、緑、青……のように着色し、これに直交する方向の
格子ラインも同様に着色する。格子点は色の交差によ
り、マゼンダ、黄色、シアン、および赤、青、緑の６色
になる。対象物体のパターン像101および観測面上のパ
ターン像201も同様に着色される。

観測面上パターン像201において例えば赤色の格子ライ
ン像20xに注目した場合、この格子ライン像20xに対応す
る投影面31上の対応格子ライン30xも当然赤色である。
したがってこの場合は投影面31において赤色の格子ライ
ンだけに注意して上記の処理を行なえばよい。

また一般に計測精度の向上を図って格子パターンを密に
すると、第６図に示したような位置関係が生じる確率が
高くなる。しかしパターンを密にした場合でも色を利用
すれば特定の色のみに注目して処理を進めればよく、他
の色のラインは無視することができるので、実質上パタ
ーンが疎であると同じ条件になる。したがって為の対応
付けの増加を避けながら空間分解能力を向上させ、対象
物体をなめらかに再現することができる。

また第１図に示した実施例においては、互いに直交する
格子ラインからなる格子状パターンを使用した。しか
し、このパターンの形態は複数の直線又は曲線が複数の
交点を有するように配置されたものであればどのような
ものでもよい。例えば第９図のように、互いに６０゜で
交わる格子ライン40xからなる格子パターン401を使用す
ることもできる。この場合も為の対応付けの増加を避け
ながら空間分解能力を向上することができる。

［効果］ 以上のように、本発明に係る立体形状測定装置にあって
は、投影面に格子状のパターンを形成したので、対象物
体に映されたこの格子パターンの像を観測することによ
って、１枚の画像だけから対象物体までの距離およびそ
の絶対的な位置および大きさを決定することが可能であ
る。このように観測装置が１台で足りるため、その画像
処理も簡単であり、能率よく対象物体の形状を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る立体形状測定装置の概
略図、第２図乃至第８図は上記装置の使用方法を説明す
るための図、そして第９図は他の実施例を説明するため
の図である。 10……対象物体、11……表面、101……対象物体上パタ
ーン像、10x……対象物体上格子ライン像、10y……対象
物体上格子点線、10s……対象物体上サンプリング点、2
0……観測装置、21……観測面、22……特定点、201……
観測面上パターン像、20x……観測面上格子ライン像、2
0y……観測面上格子点像、20s……観測面上サンプリン
グ点、30……パターン投影装置、31……投影面、32……
点光源、301……格子状パターン、30x……格子ライン、
30y……格子点、30s……サンプリング対応点、401……
格子状パターン、40x……格子ライン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】格子状パターンが形成された投影面、およ
   びこの投影面と同一の三次元座標系内に任意の位置にお
   かれた対象物体をこの投影面を通して照射する単一の光
   源を備えた投影装置と、 前記対象物体と同一の三次元座標系内に配置され、観測
   面、およびこの観測面と前記対象物体との間に位置され
   た特定点を備えた観測装置と、 前記観測面上の特定される格子点と前記特定点を通る第
   １の直線を求める手段と、 前記第１の直線の前記投影面に対するエピポーラライン
   を求め、このエピポーラライン上に前記投影面の格子点
   を求める手段と、 前記エピポーラライン上の前記の投影面格子点と前記光
   源とを結ぶ第２の直線を求める手段と、 前記第１の直線と第２の直線との交点の空間座標を求め
   る手段と、 前記の交点座標から、交点以外の対象物体表面の空間座
   標を求める手段とを具備し、 前記座標の集合によって前記対象物体の立体形状が認識
   されるようにしたことを特徴とする立体形状測定装置。
2. 【請求項２】前記投影装置の投影面の格子状パターン
   が、交差する複数の直線で構成されている特許請求の範
   囲第１項記載の装置。
3. 【請求項３】前記観測装置はレンズ系で構成され、前記
   特定点はそのレンズ系の光学中心である特許請求の範囲
   第１項記載の装置。