JPH06249627A - ステレオ写真法による形状計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数台のカメラの性能の同一性、レンズの歪
の極小化、カメラの相対位置等の条件がそれ程厳密に満
足されなくとも正確かつ測定精度良く測定することので
きるステレオ写真法による形状計測方法を提供する。 【構成】 基準パターン面を有する背景体を測定対象物
の背後に設置し、カメラの視線が該測定対象物を介して
該背景体に到達するように複数台のカメラを配置し、物
体の測定点を通る各カメラの視線と基準パターン面との
各交点の３次元座標を求め、該各交点の３次元座標と各
カメラ位置の３次元座標とから当該物体の測定点の３次
元座標を算出し、順次多数の測定点を算出することによ
って当該物体の形状を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステレオ写真法による
形状の測定の改良に関し、人体等の物体の形状を正確か
つ精度良く測定可能とした方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】人体の形状測定を行う場合、測定に要求
される精度および感度、測定範囲、条件などから、モア
レトポグラフィ法、ステレオ写真法、格子投影法などの
非接触による光学的測定を用いるのが妥当と考えられて
いる。しかし、いずれの方法も、非測定者は測定の瞬間
に、緊張感がある。自由にリラックスした状態を測定す
ることが人体計測に望まれることである。モアレ、格子
投影は非測定者へ光を照射するという能動的行為がなさ
れる。

【０００３】ステレオ写真法は、２台のカメラによって
非測定者を撮影し、その写真をもととして被写体の形状
を測定する方法である。従って、非測定者へ光を照射す
ることはなく、自由にリラックスした状態を測定でき
る。この点から、人体の形状測定にはステレオ写真法が
適していると考えられる。

【０００４】しかし、ステレオ写真法は、２台のカメラ
が同じ性能を持つこと、レンズの歪が極めて少ないこ
と、カメラの相対位置が重要で、これらの条件が厳密に
満足されないと、測定の精度に著しく影響してしまうと
いう問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来技術の問題点に鑑みてなされたもので、複数台のカメ
ラの性能の同一性、レンズの歪の極小化、カメラの相対
位置等の条件がそれ程厳密に満足されなくとも正確かつ
測定精度良く測定することのできるステレオ写真法によ
る形状計測方法を提供することを目的とする。

【０００６】上記課題を解決するために、本発明におい
ては、基準パターン面を有する背景体を測定対象物の背
後に設置し、カメラの視線が該測定対象物を介して該背
景体に到達するように複数台のカメラを配置し、物体の
測定点を通る各カメラの視線と基準パターン面との各交
点の３次元座標を求め、該各交点の３次元座標と各カメ
ラ位置の３次元座標とから当該物体の測定点の３次元座
標を算出し、順次多数の測定点を算出することによって
当該物体の形状をステレオ写真法により計測するように
したものである。

【０００７】上記方法を実施する装置としては、水平面
と垂直面を有しそれぞれの面に基準パターン面を形成し
てなる背景体と、カメラの視線が該測定対象物を介して
該背景体に到達するように配置された複数台のカメラと
からなるものを用いる。上記基準パターンは座標が既知
のパターンとするのがよい。

【０００８】ステレオ写真による形状の計測によって、
人体を計測する場合、ある一瞬の状態を同時に２台のカ
メラで写しているが、カメラをＴＶカメラにし、ビデオ
録画することで、動いている人体を測定できる。ＴＶカ
メラの分解能はカメラに比べはるかに劣っているが、動
的測定のメリットは測定感度の低下のデメリットを補え
る。また、多数のＴＶカメラを使ったり、補間技術や、
その他の方法により感度、精度の向上を行う。

【０００９】

【作用】ステレオ写真による形状の計測において、誤差
の原因の一つにカメラの位置や姿勢の測定に問題がある
ことが多い。そこで、本発明のごとく、背景に格子を描
いた壁、床を配置し、また、校正用の物体を幾つか設置
することで、この問題を計算処理によって解決すること
ができる。また、これら壁、床、校正用物体は測定場所
においてインテリアとしてなんら障害にならない。ま
た、カメラも天井や壁に取り付けられるので、測定者に
とって測定空間は通路と思われ、自然体で測定できる特
徴がある。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は、本発明の測定システムを概略的に
示す概略説明図である。図１において、２は測定対象物
である。該測定対象物２の背景となる後方と床には、水
平面、即ち床４と垂直面、即ち壁６を有しそれぞれの面
に基準パターン面４ａ，６ａを形成してなる背景体８が
設置されている。該基準パターン面４ａ，６ａに形成さ
れる基準パターンは、図示したごとく座標が既知の直交
格子パターンとするのがよい

【００１１】該背景体８に対応して複数台、図示の例で
は２台のカメラＡ，Ｂが設けられている。これらのカメ
ラＡ，Ｂは、その視線が該測定対象物２を介して該背景
体８に到達するように配置されている。

【００１２】測定したい点を測定対象物２の頂点Ｒとす
る。カメラＡの視点Ａから物体の頂点Ｒを通る視線は基
準パターン面６ａと点ＧＡで交わる。すなわち、カメラ
Ａによる画像では点Ｒと点ＧＡは重なって見える。点Ｇ
Ａの三次元座標は直交格子パターン線より知ることがで
きる。また、あらかじめカメラ位置Ａの座標を測定して
おくことが必要である。

【００１３】カメラＢからも観測すると、求めたい点Ｒ
は直線ＡＧＡとＢＧＢの交点となり、点Ｒの三次元座標
は計算で求められる。ただし、実際の測定では測定誤差
のために２直線は交差せず、ねじれの関係になるので、
２直線の最短距離である直線の中点をＲとする。また、
多数のカメラで複数の点Ｒを求め、それからＲを推定す
る。

【００１４】図２は、ねじれの関係にある２直線と最短
距離ＭＮの中点Ｒを示す図面である。ＭＮの方向の単位
ベクトルを

【００１５】

【数１】

【００１６】とすると、求めたい

【００１７】

【数２】

【００１８】は

【００１９】

【数３】

【００２０】の長さをｄとして、

【００２１】

【数４】

【００２２】となり、Ａ，Ｂ，ＧＡ，ＧＢより点Ｒの３
次元座標が計算される。ただし、

【００２３】

【数５】

【００２４】は以下のようになる。

【００２５】

【数６】

【００２６】

【数７】

【００２７】

【数８】

【００２８】図３は、測定点に対する背景への対応点Ｇ
を求めるためのプログラムの流れを示すフローチャート
である。プログラムは大きく２つに分かれている。一つ
は背景だけの線画を処理して、線画の交点位置を求める
ブロックＸである。このブロックＸは、カメラＡへの線
画入力１０１、背景体の領域分割（床、壁）１０２、交
点検出１０３、線群の数式化１０４、交点位置計算１０
５から構成されている。

【００２９】他の一つは測定対象物体上の測定点Ｒを検
出して、対応する背景の点Ｇの座標を求めるブロックＹ
である。このブロックＹは、カメラＡへ測定対象物体画
入力１０６、測定点検出１０７、投影点座標を計算１０
８から構成されるが、測定点検出１０７の後にブロック
Ｘからの交点位置計算の結果が投入される。投影点座標
の計算によって投影点座標の値ＧＡが得られる。カメラ
Ｂ及びカメラＣによっても、同様に投影点座標ＧＢ，Ｇ
Ｃが得られる。この３つの投影点座標ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ
を用いて３次元座標の計算１０９が行われる。

【００３０】実際には点Ｒは物体の頂点でないため、物
体に何らかの目印をつける必要があり、測定点の検出に
はそれに適した画像処理がなされる。３次元座標は３台
のカメラから得られる３つのＧ点とカメラ位置の座標か
ら、前記の式を用いて計算される。解答は３つ得られ、
それらから結果を表示する。

【００３１】予めカメラ位置を求めておく必要がある
が、カメラ位置の座標は、上述した三次元座標の求め方
を逆に利用すれば求められる。既知の座標点をいくつか
用意し、図３のプログラムによる対応点Ｇと、既知の座
標点より前記式を用いて求められる。

【００３２】以下に、モデル物体の形状計測について実
例を挙げて説明する。約１ｍ立方の箱の中に２０mm間隔
の直交する線（太さ約１mm）を描き、３台のＣＣＤカメ
ラを上方に配置して、箱の中の物体の三次元座標を測定
する。画像処理装置はＡＤＳ製のPIP-4000で 512×480
画素で８画面を記録できる。画像の前処理をＰＩＰで行
い、数値解析はパーソナルコンピュータＰＣ−９８００
でＣ言語を用いて行った。

【００３３】平面上に円形の印を付けた物体を対象にし
て、システムの評価を行った。印の大きさは直径６mm
で、３０mmの間隔で５個を２０mm毎に３段とした。印の
位置の座標を他の方法で測定しておいた。印が円形なの
で、その位置の検出を重心位置とした。物体を既知の位
置において各印の三次元座標の測定誤差の結果の例を表
１に示す。ｘｙｚのほとんどが１mm以下の誤差であっ
た。

【００３４】

【表１】

【００３５】物体を様々な状態で置いたときの各印間の
距離を表２に示した。これにより、物体を置いたときの
誤差や、印の位置の誤差を除く測定誤差を検討できる。
ほとんどが１mm以下の差に収まっている。これら以外の
データも含めて、印間の標準偏差は０．１３mmから０．
４９mmとなっている。

【００３６】

【表２】

【００３７】上記例における測定誤差の主な原因は背景
の線の引き方と、画素数の不足にある。線を描くのは手
書きであったが、機械加工による床と壁の制作と線引き
によってさらに改善される。画素数の不足は統計的処理
あるいはサブピクセルによる画像処理によって改善され
る。カメラ位置に関する誤差は多くの前実験を通して、
少なくすることができる。また、測定点間の距離を測る
ことが目的となるので、その影響は少ない。

【００３８】ステレオ写真法で、人体形状を測定する
時、人体に目印を付けなければならないが、この方法と
して、チェック模様のセーターなど可変形性の着衣を着
ることが好ましい。模様の境界の交差点が目印となる。
人体計測の目的によって測定したい点の場所や測定点数
が異なるため、無駄な測定をせず、本当に必要な測定点
を選択できる特徴がある。例えば、被服作成、人間の運
動解析、義手義足作成などのための測定点はそれぞれ異
なっている。セーターはサイズや体型により複数必要と
なるが、その可変形性によりその数は少なくできる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、複
数台のカメラの性能の同一性、レンズの歪の極小化、カ
メラの相対位置等の条件がそれ程厳密に満足されなくと
も正確かつ測定精度良く測定することができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定システムを概略的に示す概略説明
図である。

【図２】ねじれの関係にある２直線と最短距離ＭＮの中
点Ｒを示す図面である。

【図３】測定点に対する背景への対応点Ｇを求めるため
のプログラムの流れを示すフローチャートである。

【符号の説明】

２ 測定対象物 ４ 水平面、床４ ６ 垂直面、壁６ ４ａ，６ａ 基準パターン面 ８ 背景体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準パターン面を有する背景体を測定対
   象物の背後に設置し、カメラの視線が該測定対象物を介
   して該背景体に到達するように複数台のカメラを配置
   し、物体の測定点を通る各カメラの視線と基準パターン
   面との各交点の３次元座標を求め、該各交点の３次元座
   標と各カメラ位置の３次元座標とから当該物体の測定点
   の３次元座標を算出し、順次多数の測定点を算出するこ
   とによって当該物体の形状を計測することを特徴とする
   ステレオ写真法による形状計測方法。
2. 【請求項２】 上記カメラがテレビカメラであることを
   特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 水平面と垂直面を有しそれぞれの面に基
   準パターン面を形成してなる背景体と、カメラの視線が
   該測定対象物を介して該背景体に到達するように配置さ
   れた複数台のカメラとからなる請求項１又は２記載の方
   法を実施するためのステレオ写真法による形状計測装
   置。