JPH0661102B2 - ３次元像を得る装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は目で見える３次元像を得る装置、特に走査法に
よってそのような像を得る装置に関する。

従来の技術 従来、地図作成等のため地表のような対象面を走査する
いくつかの方法が開発された。これらの技術は、３次元
の対象（物体）から面の異なる高さを補償して２次元の
像を得るのに一般に用いられている。

従来の技術の問題点 これらの方法はスタジオのような環境において人体等の
ような３次元像を走査するのにはよくは適していなかっ
た。

問題点を解決するための手段 制御できるように像の色彩または他の視覚的パラメータ
を操作しての像の選択された視角をビデオ表示端末に視
覚的に表示することができるためには３次元像に対応す
るデータを得ることが望ましい。このようにして現実の
３次元対象の実際の変更を必要とすることなく異なるパ
ラメータを持つ種々の像を表示することができる。

本発明の目的は、人間の頭や顔のような３次元像を得る
ための簡単で有効な装置を得ることである。

本発明の他の目的は、対象を視野の特定の位置に正確に
置く必要なく対象面上の点の正確な座標を得るために３
次元対象を走査することができる装置を得ることであ
る。

本発明のさらに他の目的は、比較的短時間で３次元の対
象物を走査し、それから対象を選択された視角からビデ
オ表示端末に表示することができる装置を得ることであ
る。

本発明の一実施例によると長方形の開口を持つフレーム
が得られ、その背後の一定の距離にそれと平行な基準面
がある。走査装置は光ビームで基準面とフレームの開口
の背後に置かれた３次元対象物（被写体）とを走査する
のに設けられる。可視像はビデオカメラ等の露出され
る。テレビカメラは走査した像を走査フレームの序列
（シーケンス）で走査ビームが当った基準面の部分とも
に記録する。フレームの開口の面に対する走査角は基準
面の照射（照明）された部分によって決定することがで
き、この情報は各走査フレームの間に見える走査線上の
各点から３次元座標をつくるのに用いられる。

本発明によって、対象物がフレームの開口の背後に置か
れ、基準面を視野内に置くことができるときには、対象
物の頭と顔の３次元像に対応するデータが容易に得られ
る。対象物の頭と顔は軸の周りに回転する面に限定され
た光ビームによって迅速に走査されて順次の瞬間に対象
物の順次の線が照射される。複数の走査サイクルが複数
の角度からなされ、各走査サイクル可視像が複数の走査
フレームに記録される。各走査フレームは走査ビームに
よって照射された対象の頭の部分と走査ビームがフレー
ムの開口の縁と基準面とに当った点とを記録する。これ
らの点は走査角を決定して対象（被写体）の顔の各走査
点を３次元的に分解させることができる。

本発明を用いると、人物の頭の３次元像を得ることがで
きる。それから人間の頭または顔を種々の角度から、顔
面の種々の化粧の効果、像に重ねた種々の髪型の視覚的
効果、および（または）任意の見込みのある成形または
再成形外科の効果等を表わすように変形して表示するこ
とができる。

実施例 第１図においてフレーム(10)は斜視図で示し、開領域(1
1)を囲む中空の長方形となっている。フレーム(10)の頂
部にはフレーム(10)に平行でその背後に一定の距離Ｗに
ある背後スクリーン(14)または基準面に接続された上壁
(12)がある。

第２図はフレームの背後の所定位置にあり、第３図に示
すようにスクリーンと整列した（そろった）対象を示
す。対象はシリンダ状光源によって発生され、ビームに
平行な軸線の周りに回転する平板状ビームによって走査
される。これによってビームは第２図に示すように対象
を狭い帯状(17)または線状に照射する。この線は対象を
横切って横方向に動き、走査中の対象の明るい線(17)だ
けでなく、フレーム(10)の上下部の短い線(18,20)とス
クリーン(14)上の短い線(21)とをも照射する。各短線(1
8,20,21)の１点だけが重要である。この点は短線(18,2
0,21)の中点または端点にとると便利である。

対象は第２図に示すように走査されている間にテレビカ
メラ(13)によって像が得られる。テレビカメラ(13)は対
象を含む全フレーム(10)を見込み、カメラの走査頻度に
よって３０回／秒またはそれ以上のレートで走査フレー
ムまたは個々のデータブロックを発生する。カメラは走
査野中の照射された領域、すなわち対象(16)の照射され
た明るい線(17)および短線(18,20,21)に対応した電気信
号を発生する。カメラの視線に対するこれらの短線の物
理的位置はビデオカメラによる水平走査の間に決められ
る。そのとき発生するパルスが走査野（視野）内の光の
存在を示す。

ビデオカメラが頂部から始まってだんだん下方に水平走
査線で走査すると仮定すると、フレームの頂部が最初に
照射されるので、像の走査の間に発生される最初のパル
スは短線(18)が走査されたときのものである。視野内の
短線(18)の水平位置は各水平走査線内のパルスが現われ
る時間によって決定され、線(18)の上端の鉛直位置は最
初のパルスが現われる走査線の縦座標位置（線番号）に
よって決定される。

ビデオカメラが視野をだんだん下方に走査するにつれて
線(18)がもはや走査されなくなり、線(21)が走査される
点に達する。線(21)の鉛直位置は線(21)に対応するパル
スを発生するラスタの間の水平走査線の縦座標位置（ま
たは線番号）によって示され、線(21)の水平位置は各走
査線内の線(21)に対応するパルスが発生する時間によっ
て決定される。

走査が下向きに進みにつれて線(21)と対象(16)の明るい
線(17)の上端との間のギャップに達する。この次の出力
パルスは明るい線(17)の上端を示し、走査線が明るい線
(17)と交わる水平位置はこの走査線の間に発生される出
力パルスの時間によって決定される。これらの時間は第
２図に示す対象の外形に対応して変る。走査が下向きに
進んであごの領域にはいるとき短いギャップが現われ、
それから明るい線が再び現われてフレームの下端まで下
向きに続く。フレームの下端で短い線(20)が走査され、
この線の位置に対応する走査の間にテレビカメラによっ
て最後の出力パルスが発生される。

短線(18,20,21)の中点は水平走査線に対応するパルスが
現われる順次の水平走査線の番号を平均することによっ
て決定される。また、線(18,20,21)の存在を示す最後の
線はこれらの線の鉛直位置を示すものとすることができ
る。通常の状況においてはフレーム(10)に対するカメラ
の位置は固定されるので、短線(18,20,21)の鉛直位置は
変わらない。さらに、走査線がフレーム(10)の水平の広
がりに平行になるようにカメラが据え付けられるかぎり
線(18,20)の水平位置は常に同じなので、それらの１つ
は省略することができる。しかし線(18,21)の位置の間
の水平距離はカメラに対する光源の角度を表わす。たと
えば、（フレームの開口に対する）入射角が９０゜に近
いときは、線(18,21)は水平にほとんどそろうが、これ
より入射角が小さいときはそれらはより大きく離れる。
したがって、短線(18,21)の位置間の水平距離を解析す
ることにより、テレビカメラで走査された各視野の角度
は決定され、観測された明るい線(17)に沿った点のｚ方
向の寸法（Ｚ次元）を分解するのに用いることができ
る。

基準面(14)に対する光源の軸の位置が既知のときには、
フレーム(10)の開口の面に対する走査ビームの角度はビ
ームが基準面(14)に投射される水平位置、すなわち短線
(21)の水平位置によって決定される。そうすると、明る
い線(17)に沿った任意の点に対してその点の（基準面か
らフレームの開口に向っての）Ｚ寸法は となる。ただしｘは走査フレーム内のその点の水平位
置、ｘ_ｍは短線(21)の水平位置、ｄは光源の軸と基準面
との間の距離である。第４図は光源Ｌ１からの走査ビー
ムに露出された対象(16)に対するこれらの寸法を示す。
点ｐは明るい線(17)上にある。寸法ｘおよびｘ_ｍは基準
面(14)と光源の軸を通ってそれに垂直な面との交線から
測定されるものである。光源の位置は線(18,21)が整列
したときに示したものである。パラメータｄは光源の位
置によって決定される定数であり、ｘ_ｍは各走査フレー
ムに対する定数で、走査ビームの開口(11)の面への入射
角によって決定される。

変数ｘを用いたこの計算によって、明るい線(17)の任意
の点のｚ寸法はビデオカメラに捕えられた単一の走査フ
レームの間に決めることができる。走査フレームのすべ
てが走査ビームの回転の単一サイクルの（すなわち単一
走査サイクルが行なわれる）間に得られるとき、サイク
ルの間にすべての点が照射されると対象の面のすべての
点のｚ寸法が知られる。照明されなかったすべての点
は、光源を異なる点に、対象(16)を同じ位置に置いて走
査ビームの回転のもう１つのサイクルを行なうことによ
り処理されてそれらのｚ寸法を知ることができる。そう
するとｘ_ｍの値と光源の新しい位置によって同じまたは
異なるｄの値とを用いて他の点に対して上記の計算を再
び行なう。

ｚ寸法はまた光源の位置に無関係に決定することができ
る。その理由は、それは１から、ｐと短線(18,20)の１
つとの間の水平距離の差と、短線(18,21)にフレーム(1
0)と基準面(14)との間の距離をかけた（乗じた）ものと
の比を引いたものに等しいからである。所望なら対象を
同じ位置にして２つの走査サイクルを行なうことができ
る。対象の顔の各点を異なる位置の光源で順次走査する
ことを顔のすべての点に行なうと、各点が２つの異なる
角度から照射される２つの走査フレームが得られる。所
与の点が照射される２つの角の値はその点の、フレーム
(10)の面に垂直な方向のｚ寸法を計算するのに用いるこ
とができる。この点のｘおよびｙ寸法はビデオカメラの
出力から直接決定される。ｙ寸法はその点が走査される
と走査線の序数（番号）に対応し、ｘ寸法はその点に達
した走査線のスタートに続く時間に対応する。

第４図において、対象(16)上の任意の点ｐのｚ寸法はフ
レーム(10)の面に対して任意の位置に置かれた光源Ｌ
１，Ｌ２による２つの走査サイクルのいずれかを用いて
決定することができる。点ｐは走査ビームの順次の回転
サイクルの間に２つの光源Ｌ１，Ｌ２によって照射され
る。寸法Ｗはフレーム(10)と基準面(14)との間の一定距
離である。点ｐの（基準面(14)から計った）ｚ寸法は任
意の走査サイクルに対して である。このようにして視野内の各ｘ，ｙ点に対するｚ
寸法が決定される。対象の鼻の影によってたとえば両ビ
ームに照射されない点に対しては、それらの点のｚ寸法
はそれらの点を照射する単一の走査サイクルによって決
定することができる。

各点における物体の表面の色に関するパラメータは、そ
の点がビデオカメラによって走査されるときカメラの出
力によって決定される。これらの出力はその点における
赤、緑および青の光の強度に対応するＲ，ＣおよびＢ信
号である。これらの信号はその点における強度、彩度お
よび、純度を表わす。

したがって１つまたはそれ以上の走査サイクルの間に対
象の表面のすべての点からｚ座標と色彩パラメータとを
得ることができる。そうすると、各点のｘ，ｙ，ｚ位置
と色彩パラメータとが知られると、それらはビデオ表示
端子に２次現像をつくのに用いられ、３次元対象の仰角
および方位角における任意の角からの像を得る。このよ
うな２次現像は、像が選択された視角から現われると
き、表示面上にその点に対して適当な色彩の点を発生す
ることにより便利に表示することができる。任意の与え
られた点または領域の色彩は通常の色彩修正法によって
変えることができて３次元対象の表面上の種々の化粧品
の効果を示すことができる。

種々の髪型を持つ対象の顔の外見を示すことができる。
髪型は適当な色彩の選択された髪型に対応する表面上の
点を画定する記録のマトリックスの形で記憶されたデー
タによって表わされる。髪型は、走査の間に得られた点
の色彩の代りに選択された髪型に対応する点の色彩を表
示することにより対象の顔と同時に表示される。

対象の体形は、対象の鼻の長さや額の巾、その他のよう
な像の種々の点の変更されたｘ，ｙ，ｚ座標を手動で入
力することにより変えることができる。

またはデータを点から点へのやり方で手で入力する代り
に点のグループの位置を、そのグループの点のｘ，ｙ，
ｚ座標を扱う適当なプログラムを用いることにより一定
の方法で変えることができる。このようにして、たとえ
ばこぶはなめらかに（または平均化）することができる
ので、表示された像は対象のこぶのない外観を表示す
る。

表示された像は種々の方法で変えて異なる状態を示すこ
とができるので、この状態は生の３次元対象に行なわれ
る前に見ることができる。

第４図は走査光ビームがフレーム(10)の鉛直方向に平行
な簡単な場合を示す。走査ビームがフレームに平行でな
いと、短線(18,20)のｘ位置ｘ_ｍ，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４は
両方とも考えに入れなければならない。これらの点すな
わち３つの短線(18,20,21)のおのおのに対して１つずつ
の点がフレーム(10)に関して固定された面を画定するの
で、フレーム(10)と任意の選択された角をなす面によっ
て照明された単一の点ｐのｚ寸法は第４図に関して示さ
れたのと実質的に同じようにして計算される。

走査ビームがフレームの鉛直辺と平行でないときは、走
査ビームの面上の、点ｐを通る水平線の軌跡は計算され
る。これは１つより多くの走査ビームを用いると各走査
ビームに対して行なわれてすべての点が確実に照射さ
れ、こうして計算された線は、第４図に示す光源Ｌ１，
Ｌ２からのビームに対応する。それから第４図に関連し
て上に述べた解析を行なって点ｐのｚ寸法を導出するこ
ができる。各ビーム面は Ｚ＝ａ_ｉｘ＋ｂ_ｉｙ＋ｃ_ｉ で定義される。ここでａ_ｉ，ｂ_ｉ，ｃ_ｉは点ｘ，ｙ，ｚ
を通る面を画定する定数である。各走査フレームにおい
て、走査ビームの面の３点は短線(18,20,21)で示され
る。これらの点のおのおののｘおよびｙ位置は走査フレ
ーム（その点を通る水平走査線の縦方向（番号）位置と
この水平線に沿ったその点の位置とによって示される）
においてビデオカメラによって記録され、３点のｚ寸法
はすべて既知である。第４図に示すように短線(21)のｚ
寸法はｏで、両短線(18,20)のｚ寸法はｗである。した
がって定数ａ_ｉ，ｂ_ｉ，ｃ_ｉは各走査フレームの面に対
して３つの既知の点に対応する３つの連立方程式の単純
な解によって決めることができる。そうするとこのフレ
ーム中の明るい線上のどの点のｚ寸法もその面の方程式
から直接計算することができる。

これらの計算は走査された視野の各水平線上の間隔をと
った点に対して行なわれる。このように扱われた点の水
平間隔は最終的な像に要求される解像度だけに依存す
る。鉛直解像度は視野を走査するテレビカメラの走査線
の間隔に限定されるが、この間隔は走査線の間隔を望む
だけ密にするか、順次のフレームが互いに中間にある走
査線を持つ交錯した走査線で視野を走査するかによつて
任意の所望の制度が得られるように選択することができ
る。

第１〜３図の装置は薄い板状の走査ビームを発生する装
置を必要とする。このようなビームは点光源と放物線シ
リンダの形の反射器を用いて発生させることができる。
または線状光源と細長いシリンダ形集光レンズおよび
（または）薄い板状光だけを通すスリットを持つマスク
とを用いることもできる。

次に説明する他の装置においては高度に集中された薄い
走査ビームの必要はなく、単純な点光源だけでよい。

第５および第６図は第１〜３図のフレーム(10)を移動シ
ャッタ(50)で置き換えたものの前のおよび後面斜視図で
ある。シャッタは鉛直方向に移動するようになってい
て、対象(16)の視野をだんだんおおう。第７図に示すよ
うに、シャッタ(50)から或る距離を置いた、単純な電灯
でよい点光源の形の光源Ｌ１が対象(16)のレベルより上
位に置かれ、ビデオカメラ(13)が対象(16)とだいたい同
じレベルに置かれる。

シャッタは下向きに動き、影を対象(16)の前面に落と
す。影は対象(16)上に明暗の判きりした鋭い縁をつく
り、この鋭い縁はシャッタが対象(16)の前を下向きに動
くときカメラ(13)によって観測される。

１対のフレーム・バー（基準バー）(54,55)がシャッタ
(50)の背後で対象(16)の前面の近くにあり、第３の基準
バー(56)がフレームバー(54,55)から間隔をとって対象
(16)の一側にある。

フレーム・バー(54,55)は第１〜３図のフレーム(10)の
面と同じ意味を持つ面を画定する。同様に基準バー(56)
は第１〜３図の装置の基準スクリーン(14)に対応する。
影線（シャドー・バー）は各バー(54〜56)上に現われ、
各基準バー(54〜56)上の影線上の点に対応する３点によ
って面が画定される。基準バー(54〜56)は必要なだけ細
くすることができるので、基準バーがビデオカメラ(16)
によって走査されるとき、発生されたパルス（水平走査
線上の各基準バーの位置に対応する）によってバーの水
平位置が正確に求められる。基準バー(54,55)間の距離
は分かっており、これらのバーによって形成される面と
基準バー(56)との間の間隔も分かっているので、影線が
基準バーと交わる点に対応する３点は対象(16)上に落ち
る影線に対応した面を画定する（第９および１０図）。
影線は細くて明るい線ではなく明暗間の鋭い線であるか
ら、影線ははるかに明瞭である点を除いては第２図の明
線(17)に対応する。

影線がバー(54〜56)と交わる点の位置は視野の下向きの
走査の間に明るい線と最初に出会う走査線の番号によっ
て決定される。シャッタ(50)は黒いので、ビデオカメラ
は視野（第５図に示す）の上部を走査している間は出力
を発生しない。しかし走査が下方に進むと、基準バー(5
4,55)上の影線がまず検出され、それから影線(60)の一
部が影が基準バー(56)上に落ちる点とともに検出され
る。下向きの走査が影線(60)とそれが基準バー(56)上に
落ちる点とを越えて進んでも、この走査の残りの間には
もはや明暗の移行は起こらないし、もはや有用な情報は
得られない。

３次元の点のｚ寸法の計算に有用な情報は、影がバー(5
4,55)に落ちるときに始まって、影線(60)とそれが基準
バー(56)上に落ちる点との下で終るまで得られる。その
情報だけを関係した走査線の番号とともに記憶すると便
利である。そうすると像用のデータ記憶の必要性は低減
される。

第２点光源(53)を第７図に示すようにカメラ(13)のレベ
ルの下方に設ける。対象(16)をシャッタの下向きの移動
によって走査した後、光源(53)が点灯しているときシャ
ッタを対象を通って上向きに移動させて第８図に示すよ
うに対象の面を横切って他の影線を発生させる。これに
よってビデオカメラは影線の面上の点によって決る異な
る入射角で第２走査面に対応するデータを得ることがで
きる。

第５〜８図の装置を用いて各走査サイクルの面を画定す
るための３点を含むビデオ像が走査され、このような走
査サイクルに用いられる角度を第４図に関して上述した
ように決定することができる。

シャッタ(54)はその上下縁が移動方向に垂直で、移動方
向はフレームと基準バー(54,55,56)とにそろっているの
で、フレーム・バー(54,55)上の影線の鉛直位置は常に
等しい。したって第４図に関して説明した解析を直接用
いることができる。何らかの理由でシャッタ(50)の縁が
移動方向に垂直でないことが望ましいならば、影線とフ
レーム・バー(54,55)との交わりの鉛直位置は異なる位
置となり、基準バーと交わる影線の３点は各走査サイク
ルようの面を画定するのに用いられる。各走査フレーム
に対して影線の面に対する方程式は上述のように、ｚ寸
法が既知のときは影線がフレームバーと基準バーに交わ
るとき３点を用いて計算される。そうするとその走査フ
レームの影線上の任意の点のｚ寸法は面の方程式を用い
て決定される。

第５〜１０図の装置を用いると、第２図の明るい線(17)
と異なって影線はきわめて鋭くて明確なので、解像度が
改善される。影線はシャッタ(50)から距離を置いた安価
な電球の形の点光源を用いて容易に得られる。対象と電
球との間の必要な距離は対象上の影線の明確度を観察す
ることにより容易に決めることができる。対象をシャッ
タ(50)の背後のすぐそばに維持することができると、点
光源(52,53)も影線の明確度を失うことなくシャッタ(5
0)により近くすることができる。

第１１ａおよび１１ｂ図は、ビデオカメラで走査された
データを捕えて記憶するのにデジタルコンピュータを用
いるとき、第５〜１０図の装置の走査の間に行なわれる
ステップのフローチャートを示す。デジタルコンピュー
タは、ビデオカメラの視野中の照明された点のｘおよび
ｙ位置を記憶するのに現在市販されているものの１つの
ようなビデオ捕捉ボードを用いるのが好ましい。そのよ
うなボードの１つはＡＴＴ社によって販売されている
“実視”(True Vision)映像捕捉ボードである。そのよ
うな装置がたとえば第１〜３図の装置とともに用いられ
ると、メモリアレイは視野内の各点の輝度（赤、緑、お
よび青成分の）によって満たされる。アレイは各点の対
応したｘ，ｙ位置に写像される。このアレイから一連の
データ点が明るい線(17)上の各点のｘ，ｙ位置に対応し
て記憶のために得られる。これ等の点は短い線がフレー
ムおよび基準面、および対象(16)上の明るい線(17)と交
わる点を含む。

各走査フレームのデータ点のおのおののｙ座標はデジタ
ル記憶装置のそのフレーム番号とｘ座標とで決る位置に
記憶される。この操作は第１１ａ図に示すステップによ
って行なわれる。ｚ手続は、走査フレームから影線デー
タを抽出するので抽出手続と呼ぶことができる。

一連の操作フレームが抽出されるときにはデジタル記憶
装置は一連の記録を含む。各記録は１つの走査フレーム
に対応し、走査角と明るい線(17)または影線上の各点の
ｘ，ｙ座標とに対応する情報を含む。

抽出が終ったとき、第１１ｂ図に示すプログラムが第４
図に関して上記したやり方を用いて各記憶された点のｚ
寸法を評価する。各点の計算されたｚ寸法は記憶された
点のｘおよびｙ寸法によって指標をつけられてアレイ中
に記憶される。処理が完了するとアレイは対象(16)の３
次元寸法に対応するデータで満たされる。各点の色彩を
指定するパラメータの記録も各点のｘ，ｙ位置によって
指標が付けられてアレイ中の記憶装置に記憶される。各
点のＲ，ＧおよびＢパラメータを示す色彩指標もつけら
れる。

第５〜１０図の装置を用いるとき、同じシーケンスが起
こる。しかしこの場合は記憶されたデータは明るい線(1
7)の位置には対応しないで影線(60)の位置に対応する。
影線上の各点のｘ，ｙ座標は、第７図の下向きの走査に
対して記憶装置に記憶されたデータの下向きの走査の間
に、任意の与えられたｘ寸法に対して、輝度が暗くな
い、すなわち所定のしきい値ｔより大きいｙ寸法が存在
するとき、決定される。第８図の次の上向きの走査に対
して影線上の各点のｘ，ｙ位置は、任意の与えられたｘ
寸法に対して輝度が暗くなるｙ寸法が存在するとき決定
される。第９および１０図の走査シーケンスに従ってデ
ジタル記憶装置中に一連の記録がなされる。そのおのお
のは走査面の角度を決定するのに用いられるフレームお
よび基準バー(54 〜56) 上の影線のｘ，ｙ位置を特定
し、影線が対象(16)と交わるときは影線上の各点のｘ，
ｙ位置を特定する。データの以後の取扱は第１〜３図に
関連して述べたのと同じで、その結果アレイが対象(16)
上の各走査点のｘ，ｙ，ｚ座標と使用できる色彩パラメ
ータとで満たされる。

第１２図は本発明のステップを行なう装置を構成図の形
で示す。ビデオカメラ(13)の出力はデコーダ(57)に接続
されている。デコーダ(57)は複数の出力を発生し、それ
らはライン番号(58)すなわち現在走査されている水平線
の番号、水平線上の現在走査されている点のｘ位置(6
0)、走査されている点における赤、緑および青の光の成
分の絶対輝度レベルを示す信号Ｒ，ＧおよびＢ、および
Ｒ，Ｇ，Ｂ信号の組合わせ値を示す交互信号ｂである。
信号Ｒ，Ｇ，Ｂおよびｂはデータバス(62)に供給され
る。

出力(58,60) はＲＡＭ(66)中の現在走査されている点に
対応するデータが記憶されるべき記憶位置のアドレスを
特定するアドレス発生器(64)に入力として供給される。
アドレス発生器の出力はマルチプレクサ(68)を経てＲＡ
Ｍ(66)のアドレス入力に供給される。この位置に記憶さ
れたデータは出力信号Ｒ，Ｇ，Ｂおよびｂに対応する。

ＣＰＵ(70)はコントロールバス(72)、アドレスバス(7
4)、およびデータバス(62)に接続されている。コントロ
ールバス(72)はアドレス発生器(64)が各走査フレームの
記憶位置をＲＡＭ(66)内の所定位置に割り当てるのに必
要な信号を供給する。コントロールバス(72)はまた一部
はＣＰＵによって一部はアドレス発生器(64)によって発
生されたアドレス、または全面的にＣＰＵ(70)からアド
レスバス(74)に供給されたアドレスでＲＡＭ(66)にアク
セスするためにマルチプレクサ(68)を制御する信号も含
む。このようにしてＣＰＵ(70)はアドレス発生器(64)の
動作と無関係に記憶位置（すなわち記憶管理）の割当を
管理し、ＲＡＭ(66)の任意の部分にアクセスすることが
できる。

データバス(62)によってＣＰＵ(70)はデコーダ(57)から
のＲ，Ｇ，Ｂ，ｂ信号の形のデータとＲＡＭ(66)から読
みだされるデータとを受け取ることができる。ＣＰＵ(7
0)はまたデータをデータバス(62)で供給することにより
データをＲＡＭ(66)に記憶させることもできる。コント
ロールバス(72)は通常のやり方で読み出しおよび書き込
み走査を行なうためにＲＡＭ(66)を制御する信号を供給
する。

ユニット(66〜70)とそれらを相互接続するバス(72,74,6
2)とはすべてマイクロコンピュータシステムで通常の物
であるので、ここで詳述する必要はない。デコーダ(57)
とアドレス発生器(64)とはビデオカメラ(13)からデータ
を「つかむ」（grab）または得てそれをメモリアレイに
置く作用をする市販の装置である。このような装置を用
いて単一の走査フレームがＲＡＭ(66)の所定の位置に置
かれる。

上記の議論はビデオカメラ(13)の出力がカメラ(13)から
直接オンラインで処理されることを前提としている。ま
たは、ビデオテープユニット(80)を用いてカメラ(13)か
らの信号を一時的に記憶してデコーダ(56)によって一時
に１つのフレームを再生してもよい。

第１３図はカメラ(13)でみた単一の走査フレームの情報
の内容である。第１３図の外側の長方形は視野を示し、
線(81〜85)のような水平線で一時に１線で左から右へ、
上から下へ走査される。全フレームは影線(17)からあご
までの対象(16)の顔の照明された部分を除いては暗い。
視野内の他の部分からの光は黒いカーテン（シャッタ）
(50)、黒い背景、および対象のあごの下の肩に掛けられ
た黒い布によって抑制される。

線(81)は最上位に走査線で、黒いカーテン(50)（第５〜
８図）の縁より上にあるので、照明された領域には合わ
ない。線(81)に続く走査線も基準バー(54,55) 上の影線
に達する線(82)までは黒以外の物には出会わない。基準
バーの水平位置は走査線(82)がこれらのバーと交わり、
カメラ(13)から「明るい」パルスが発生する位置で示さ
れる。その後の走査線(83)は影線(17)に出会う最初の線
で、そのことはそれが影線(17)と出会ったときの明るい
領域に対応するパルスによつて示される。線(84)のよう
な以後の走査線は影線(17)と２点で交わる。第１の点は
点(86)におる暗から明への転移によって、第２の点は点
(87)における明から暗への転移によって示される。走査
線(85)において基準バー(56)が最初に現われる。上に説
明したように、ビデオカメラ(13)の出力はデジタル情報
を視野内に全明像に対応してＲＡＭ(66)に記憶させるこ
とにより処理される。この操作「つかみ」操作と呼ぶこ
とができる。

第１１ａ図はつかみ操作によってＲＡＭ(66)に入れられ
たデータに作用するためにＣＰＵ(70)によって行なわれ
る操作のシーケンスを示す。第１１ａおよび１１ｂ図に
示す各ユニットはプログラムされたデジタルコンピュー
タの操作またはカウンタ、判断ユニット、その他のよう
な所望の機能を行なう物理的ユニットを表わすものと考
えてよい。

第１１ａ図のシーケンスが制御を受けるときは、制御は
ユニット(90)に送られ、ランプＬ１をつけ、ランプＬ２
を消して下向きの走査の準備をする。それからユニット
(92)が制御を受け取り、像をつかみ、単一走査フレーム
に対応するデータをＲＡＭ(66)に入力する。それからユ
ニット(94)が制御を受け取り、バー(54)の水平位置（す
なわちｘ₅₄）にしきい値レベルｔより高い輝度レベルを
持つ点があるかどうかを判定する。もしあれば、影線は
視野にまだ達していないので、このフレームには関係し
たデータはない。そうすると、制御はユニット(92)にも
どり、次の走査フレームをつかんで上記プロセスを繰り
返す。

影線がバー(54)に落ちる走査フレームが入力されると、
制御はユニット((96)に送られ、指標ｎ＝０がセットさ
れ、ユニット(98)が指標ｎを１に増大させる。指標ｎは
走査フレームの番号を示すのに使用され、この番号はこ
の走査フレームから導出されたデータ用のＲＡＭ中のデ
ータ記憶位置を決めるのに用いられる。それからユニッ
ト(100) がｘパラメータをバー(54)と一致するフレーム
の左縁に対応するｘ₅₄にセットする。それからユニット
(102) が制御を受け取り、ｘの値が線の終り（バー(55)
に対応するｘ₅₅）に達したことを示すかどうかを判定す
る。線の終りに達しないとユニット(104) が制御を受け
取り、最初のフレームに対してｙを視野（第１３図）の
最上ラインに対応する値であるｙｔにセットする。それ
からユニット(108) がｘ，ｙにおける点の輝度がしきい
値輝度ｔを越えるかどうかを判定する。もし越えると、
ユニット(110) が制御を受け取り、ｙの値をフレーム番
号ｎのアドレスに記憶させる。そうするとユニット(11
1) （所望の水平解像度をセットする）内においてｘパ
ラメータがｅだけ高められ、制御はユニット((102) に
もどる。以後のフレームに対してはユニット(104) がｙ
を前のフレームの同じｘ値に対する記憶されたｙ値にセ
ットする。

ユニット(108) が輝度がレベルｔ（影中のｘ，ｙ点）を
越えないことを判断すると、制御はユニット(112) に送
られ、線番号を次の低い走査線に減らし、制御をユニッ
ト(114) に送る。ｙ＝０であると、すベての走査線はｘ
の現在の値に対して処理済みであり、したがって制御は
ユニット(120) に送られることができる。ユニット(12
0) はｘ位置に影線はない（すなわちｘ位置のすべての
点は暗）ことを示す現在の（ｎ，ｘ）点に対応するＲＡ
Ｍ(66)の記憶位置に０を記憶する。それからユニット(1
21) がｘを両ｅだけ増大させ、制御はユニット(102) に
もどり、そこでｘの次の値に対して現在の走査フレーム
の処理を再開する。

上記の手続は記憶位置（ｎ，ｘ）に対するｙ値を共通の
ｘ値を持つすべての点を下向きに観察する間に見つかっ
た最初の明るい点い等しくセットすることがわかる。そ
れからｘ値が増加されて手続が繰り返される。したがっ
て記憶位置（ｎ，ｘ₅₄）〜（ｎ，ｘ₅₅）は影線とバー(5
4 〜56) 上の各ｘ点に対するｙ位置を記憶する。ユニッ
ト(102) が水平位置ｘ₅₅に達したことを示すとき、制御
はユニット(122) に送られ、バー(54)の１つの高い走査
線が暗いかどうかを判断する。暗いと下向きの走査は完
了する。そうでないときは制御は次の走査フレームをつ
かむユニット(123) に移り、それからユニット(98)に移
って走査フレームの指標ｎを増大させて上記の手続を繰
り返す。

下向きの走査が完了すると、ユニット(124) は光源Ｌ１
を消して光源Ｌ２を点灯する。それから、スクリーン(5
0)が上縁が視野の下にあるスクリーンまで最初に下げら
れた後、走査が上向きに起こる点を除いては上記の操作
と類似の次の操作が行なわれる。ユニット(126) は走査
フレームをつかみ、ユニット(128) は最下線（ｙ＝１）
におけるバー(54)の輝度が暗いかどうかを判断する。暗
くないと、影線はまだ視野まで上つておらず、ユニツト
(126) は他の走査フレームをつかむ。そうでないときは
ユニツト(130) がフレームの指標ｎを増大させ、ユニツ
ト(132) がｘ＝ｘ₅₄にセツトする。それからユニツト(1
34) がｘがｘ₅₅を越えるかどうかを判定する。越えなか
つたらｙはユニツト(136) によつて最下走査線にセツト
されるか、ｙの値が前のフレームにおける対応したｘ値
に対して決定される。ユニツト(138) はその線における
ｘ位置が明るいかどうかを判定する。もし明るいと、ユ
ニツト(140) がｙ値をｎ，ｘ記憶位置に記憶する。ユニ
ツト(142) はｘ値に指標をつけ、制御はユニツト(134)
にもどつて次のｘ値に対して手続きを繰り返す。ｘ，ｙ
位置が暗いと、ユニツト(144) はｙを増大させ、ユニツ
ト(146) は最上線ｙｔに達したかどうかを判定する。も
し達しないと、制御ユニツト(138) にもどつて影線に対
してチエツクする。ユニツト(144) はｙ値を影線がみつ
かるまで増大させる。このときユニツト(138) はユニツ
ト(140) へ枝分れする。ｘの現在の値に対して影線が存
在しないならば、ユニツト(146) は制御をユニツト(14
8) に送る。後者はｎ，ｘ位置に０を記憶する。それか
らユニツト(150) はｘを増大させ、制御をユニツト(13
4) にもどす。

ユニツト(134) がすべてのｘ値が処理されたことを示す
と、制御はユニツト(152) に送られる。後者は影線が最
上線に達したかどうか、すなわち点（ｘ₅₄，１）が暗い
かどうかを判定する。暗くないと、制御はユニツト(15
4) に送られ、後者は他の走査フレームをつかみ、制御
をユニツト(130) に送ってすべての走査フレームに対し
て関連したデータで手続きを繰り返す。

上向きの走査が完了したとき、ユニツト(152) は制御を
ユニツト(156) に送る。後者は両光源Ｌ１、Ｌ２を点灯
させる。そうするとユニツト(158) は対称の一ぱいに照
明された像をつかみ、各点に対するＲ、Ｇ、Ｂ信号をＲ
ＡＭ(66)の視野に写像される記憶位置に記憶させ、そこ
からＣＰＵ(70)によつて像の以後の表示のために関係し
たＲ、Ｇ、Ｂデータを得ることができる。

第１１ａ図のシーケンスが完了すると、第１１ｂ図のシ
ーケンスが制御を受け取る。制御はまずユニツト(160)
に送られる。そこではｎ＝０がセツトされ、ユニツト(1
62) がｎを増大させる。ユニツト(164) はすべてのフレ
ームが処理されたかどうかを判定する。処理されていな
いと、制御はユニツト(166) に送られる。そこでは影面
が第１１ａ図のシーケンスでフレームｎに対して（ｎ，
ｘ₅₄）、（ｎ，ｘ₅₅）、（ｎ，ｘ₅₆）に記憶されたバー
(54〜56)と交わる点に対応するｙ値が得られる。それか
らユニツト(168) がこれらの点の任意のものが、０値を
とるかどうかを判定し、もしとれば制御はユニツト(16
2) にもどり、そこでフレームの指標が増大され、シー
ケンスが繰り返される。０値をとらないときはユニツト
(170) が制御を受け取って３つの連立方程式を解くのに
必要な代数計算をしてバー(54〜56)の影線の点から影面
を画定する。これから影面を表わす式の定数ａ，ｂ，ｃ
が決まる。それからユニツト(174) がｘをｘ₅₄にセツト
する。これは関係あるもののうちの最低の値（視野中の
走査線の左と端に対応する）である。それからユニツト
(176) が制御を受け取ってｘが最大値ｘ₅₅より小さいか
どうかを判定する。小さいと制御はユニツト(178) に送
られ、そこでこの走査フレームの影線上のｘ位置に対応
する点のｘ寸法が０かどうかが判定される。０であると
影線はこの点に存在せず、ｚ寸法は計算する必要がな
い。そうすると制御はユニツト(180) に送られ、そこで
ｘ寸法が増大されて制御がユニツト(176) にもどされて
次のｘの値に対して操作が繰り返さる。

ユニツト(178) がｙ寸法は０でないと判定すると、制御
はユニツト(182) に送られる。ここで記憶されたｙ値が
得られ、それからユニツト(184) がこの走査フレームに
対して（ｎ，ｘ）に記憶された現在のｘ値およびｙ値に
よつて決められる、処理中のｘ，ｙ点に対するｚ寸法を
計算して記憶する（ＲＡＭ(66)に）。それからユニツト
(186) がｘ寸法を増大させて制御をユニツト(176) にも
どす。

ユニツト(176) が影線上のすべてのｘ点が処理されてｘ
がｘ₅₅の最大値に近づいたことを示すと、制御はユニツ
ト(162) に送られる。そこではｎが増大され、制御がユ
ニツト(164) に送られる。ｎはフレーム番号を示すの
で、ｎはすべてのフレームが処理されるまでだんだん増
大する。処理が完了したときすべての影線の点のｚ寸法
は計算され記憶されている。

それから通常の技法を用いてＲＡＭ(66)に記憶された像
データの２次元表示がされるので、記憶された像は任意
の選択された方位角および仰角から見ることが出来る。
これらの技法は当業者には周知なので、ここに詳述する
必要はない。たとえば、操作員は対象(16)の外見を見る
視点を表わす仰角と方位角とに対応する角を決めるよう
に要求される。これらの角が与えられると、各組の３つ
の位置座標に作用することにより次の２つの回転マトリ
ツクスの積で必要な座標の回転が行われる： これによつて座標系が仰角θ_１、方位角θ_２（それぞれ
ｘ軸およびｙ軸の回りに）だけ回転される。そうする
と、プログラムは所望の解像度に対応して回転した出力
面を前進し、所望の出力面（視線に垂直）における各
ｘ，ｙ位置に対応する回転したｘおよびｙ座標に対する
データ点の位置を決める。もし１つより多くのそのよう
な点があると、最大のｚの点（観察者に最も近い）が選
ばれ、そのデータは出力面の上記ｘ，ｙ位置に対応する
ＲＡＭ(66)の部分に移される。このようにしてすべての
点が処理されると、ＲＡＭ(66)は正規マトリツクスで回
転された形で表わされるべき点に対応するデータを含
む。これらは通常のビツト写像記憶(bit mapped memor
y) 法を用いて通常のようにして読み出して表示するこ
とができる。

各点に対して表示された面に垂直な内向きのベクトルを
計算するとが望ましい。このことに必要な偏導関数は である。ただしｘ，ｙ，ｚは与えられた点のｘ，ｙ，ｚ
寸法に対応し、ｅは表示された像に要求される解像度に
よつて決定される定数である。そうすると、面に垂直な
内向きの単位ベクトルの座標は である。このステツプが完了したとき、回転した像に表
示された各点のｘ，ｙ，ｚ寸法およびこの点において面
に垂直な内向きの単位ベクトルに対応したデータが集め
られている。

それから操作員は、対象が与えられた方向から照明され
て表示されるように、照明角を選ぶことができる。入射
光の方向の単位ベクトルは操作員が入力することができ
る方位角と仰角とを用いて決定される。

操作員はまた対象が照明されたように見える（表示され
たとき）光度を選ぶ、または、色彩の照明が必要なとき
はＲ、Ｇ、Ｂ３つの色彩成分の強度を個々に選ぶことが
できる。そうすると表示されるべき各点の光度は決定さ
れた強度と与えられた点における表面となす角の余弦と
の積をとることにより計算することができる。付加的な
色彩成分の強度が個々に決められると、各成分の強度は
表示すべき各点に対してこのようにして個々に制御され
る。

対象が複数の光源で表示されなければならないならば、
各光源に対して上記の手続きを行なうことができ、いく
つかの色彩強度が各点において加えられることができ
る。

任意的に、ユーザーは最終的な像として表示された対象
の照明をならす（均等化する）働きのある各光源に対す
る「拡散パラメータ」を決めることができる。所望なら
光沢効果も加えることができる。その結果、表示された
像の見掛けの強度は、表面が光源からの光を直接視察者
の方に反射するように置かれたとき増大する。

所望なら、たとえば眼窩または鼻または個人的な何らか
による影は対象(16)の顔の適当な場所の表示された強度
を変えることにより表わすことができる。

表示された像は２つの記憶された像を選択的に組み合わ
せることにより変えて示すことができる。たとえば、１
つの顔がＲＡＭ(66)に１組の座標ｚ_１（ｘ，ｙ）として
記憶され、第２の顔がＲＡＭ(66)の異なる部分に値ｚ_２
（ｘ，ｙ）として記憶されると、２つの顔の任意の選択
された組み合わせは式 z₃(x,y)＝z₁(x,y) + α[z₂(x,y)-z₁(x,y)] によつて同時に表示することができる。ここでαは表示
された第２の像の相対的強度を決定する因子である。α
＝０のときには像は第１の記憶された像と同じである。
α＝１のときには像は第２の記憶された像と同じであ
る。αがそれらの中間の値のときには表示された像の形
は第１の記憶された像と第２の記憶された像との組合せ
である。このようにして、αの特定の値を選ぶことによ
り第１の像と第２の像との間で像を連続的に変形して表
示することができる。

走査された像の処理は、ｘの各値に対してその前のフレ
ームに見出されたｙ値で始まり、影線で終るので、シヤ
ツト(50)は対象の頭の高さ、または処理中の像の高さよ
り狭くてよい。各最初のｙ値はシヤツタの一方向きの運
動によつて影の中にあり、処理は、順次のフレームに対
してｙ値は通常比較的小さな微分なので、急速に進行す
る。

シヤツタ(50)の下向きの走査の終りにシヤツタはその下
向きの運動を続けなければならないので、上向きの走査
はシヤツタの上縁から行なうことができる。しかしシヤ
ツタは狭くできるので、これは下向きと上向きの走査の
間の短い合間だけを表わす。

３角法的または超越的量は計算する必要がないので、各
フレームにおける影面の座標を得る処理も迅速に行なう
ことができる。対象、フレーム、カメラ、または光源の
精密な空間的位置または配向に無関係な対象の形状が正
確に計算される。

通常の電球を用いることができるので、シヤツタ装置は
安価で特別の光源を必要としない。影線は単にシヤツタ
と対象との間の距離を光源と対象との間の距離に対して
小さくすることにより鋭くすることができる。この距離
の関係は光源の位置を精密にすることなく容易に実行で
きる。

第１４図に示す他の実施例においてはフレーム(10)は省
略することができる。フレーム(10)は各フレームに対し
てデータに関するシヤツタの相対位置を記憶することに
より不必要にされる。そのようなデータは記憶装置に書
き込まれる。シヤツタの相対位置は所定の最初の位置か
らシヤツタを動かすステツプモータの動作サイクルの数
を数えることにより決定することができる。

光源の固定位置に維持することにより光源の異なる位置
の効果を除去することができる。このようにして光源の
位置はあらかじめ知られ、可視像のｘ，ｙ，ｚ座標を知
る計算に影響を与えない。そうするとビデオカメラデー
タの与えられたフレームの任意のｘ，ｙ点に対するｚ寸
法は式ｚ＝Ｌ^＊（ｘ／ｄ−１）によつて決定される。こ
こでＬは光源Ｌ１からシヤツタまでの固定距離、ｄはシ
ヤツタの縁と、ステツプモータの動作サイクルを数え、
必要ならそれにスケールフアクタを掛け、その積をシヤ
ツタの最初の位置に対応する量に加えることによつて決
定されるシヤツタの運動方向に垂直に光源Ｌ１を通る線
との間の距離である。第２光源Ｌ２の位置もシヤツタの
面から距離Ｌに固定されるので、両光源に対してｚ寸法
を導出するのに同じ表現が用いられる。

上記の計算は第１１図に関して述べたのと同じように行
なわれるが、与えられたｘ，ｙ寸法の任意の点のｚ寸法
を決めることは簡単になる。

シヤツタの１つの縁だけが観察中の対象をデジタル化す
るプロセスにとつて意味があるので、シヤツタは狭くで
きる。シヤツタは、ビデオカメラで捕えられた像上の明
−暗の転移が後のプロセスでわかるように、明確な縁で
影をつくるだけの巾がありさえすればよい。

第１５図は薄いシヤツタの両端がスプロケツト(206) に
よつて支持されたベルト(202,204) に取り付けられたシ
ヤツタ装置の斜視図である。スプロケツト(206) の２つ
のパルス発生器(212) によつて供給される各パルスに対
して小さな角だけ回転するステツプモータ(210) によつ
て回転される駆動軸によつて駆動される。パルス発生器
は像を得るべきときにコンピユータその他によつて供給
される制御ライン(214) 上の信号によつて起動される。
パルスはライン(216) によつてモータ(210) に供給さ
れ、またカウンタ(218) にも供給される。カウンタはラ
インまたはバス(220) 上の信号によつてゼロまたは適当
なオフセツト値にプリセツトされる。ラインまたはバス
(220) 上のカウンタの状態はｄの現在値を示す。シヤツ
タの動きが遅いときは、ｄの同じ値がビデオカメラで得
られるフレーム中のすべての点に対して妥当する。

【図面の簡単な説明】

第１図は対象の可視像を得るのに用いられるフレームの
開口の斜視図である。 第２図は第１図のフレームの開口の前面図で、対象は所
定位置にあり、平面走査ビームで走査中である。 第３図は第２図のフレームの開口と対象の側面図であ
る。 第４図は、走査ビーム源が複数個あり、像を３次元デー
タに分解するために走査フレームを解釈するのに適した
寸法を示す、対象（断面）の上面図である。 第５および６図は移動スクリーンシヤツタを用いる、像
を得るのに用いられる機構の斜視図である。 第７および８図は第５および６図のシヤツタの背後で走
査中の対象の側面図で、走査サイクル中にシヤツタは異
なる位置にある。 第９および１０図は第７および８図に示す位置のシヤツ
タによつて走査中の対象の前面図である。 第１１ａ−１１ｂ図は本発明の操作中に期待されるステ
ツプを示すフローチヤートである。 第１２図は本発明を実施する装置の機能構成図である。 第１３図は走査フレームの図である。 第１４図は他の実施例の平面図である。 第１５図は他のシヤツタの斜視図である。 10……フレーム、13……テレビカメラ、 14……基準面、16……対象、 17……明るい線（影線）、 18,20,21……短線、50……シヤツタ、 52……第１光源、53……第２光源、 54,55,56……基準バー、57……デコーダ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３次元像の視野を画定する装置と、対象と
   交線を作る可視走査面で対象を走査する装置と、デジタ
   ル記憶装置と、前記走査面と前記対象の表面との交線の
   軌跡に対応する走査フレームを含む信号を発生するビデ
   オカメラと、前記走査面と前記フレームの面との異なる
   入射角に対する複数の走査フレームに対して前記信号を
   前記デジタル記憶装置に記憶させる装置と、各走査フレ
   ームに対して前記交線の各点のｚ寸法を導出する装置と
   を備え、前記デジタル記憶装置は走査される前記対象の
   表面上の各点のｘ，ｙ，ｚ寸法を記憶し、前記走査面は
   前記対象と前記カメラとの間で前記対象を横切つて動く
   シャッタの影線として形成される、３次元可視対象に対
   応するデジタルデータを得る装置。
2. 【請求項２】シャッタの前記対象と反対側にあり、互い
   に間隔をとっていて前記対象に異なる角度で落ちる２つ
   の影線を画定する第１および第２光源を含む、特許請求
   の範囲第１項記載の装置。
3. 【請求項３】前記シャッタは影を画定する２つの縁を含
   み、前記縁の両方とも前記シャッタの運動方向に垂直
   で、前記第１光源が点灯しているとき走査の間一方の縁
   が影線をつくるように前記シャッタを一方向に動かし、
   前記第２光源が点灯しているときは他方の縁が影線をつ
   くるようにシャッタを反対方向に動かす装置をさらに備
   えた、特許請求の範囲第２項記載の装置。