JPH09145319A - 3次元計測方法及び装置 - Google Patents
3次元計測方法及び装置Info
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- JPH09145319A JPH09145319A JP7299921A JP29992195A JPH09145319A JP H09145319 A JPH09145319 A JP H09145319A JP 7299921 A JP7299921 A JP 7299921A JP 29992195 A JP29992195 A JP 29992195A JP H09145319 A JPH09145319 A JP H09145319A
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Abstract
で高精度の計測が可能であり、計測距離の設定の自由度
が大きい3次元計測を実現する。 【解決手段】検出光Uを照射して物体Qを光学的に走査
するための投光手段と、物体Qで反射した検出光Uを受
光する撮像手段とを用いる3次元計測に際して、物体Q
に対する検出光Uの照射方向θaを変化させながら、撮
像面S2内の特定の受光領域gに入射する検出光Uの光
量を周期的にサンプリングし、光量のサンプリング値の
最大値と、当該最大値を得たサンプリングの1つ前及び
1つ後のサンプリングにおけるサンプリング値とを含む
3つ以上のサンプリング値に基づいて、補間演算によっ
て前記光量が最大となる照射タイミングNpeakを求
め、物体Q上の受光領域gに対応した部位agの位置
を、照射タイミングにおける照射方向及び受光領域gに
対する検出光の入射方向との関係に基づいて求める。
Description
又はスポット光を照射して物体形状を非接触で計測する
3次元計測方法、及び3次元計測装置に関する。
の3次元計測装置は、接触型に比べて高速の計測が可能
であることから、CGシステムやCADシステムへのデ
ータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用さ
れている。
スリット光投影法(光切断法ともいう)が知られてい
る。この方法は、物体を光学的に走査して3次元画像
(距離画像)を得る方法であり、特定の検出光を照射し
て物体を撮影する能動的計測方法の一種である。3次元
画像は、物体上の複数の部位の3次元位置を示す画素の
集合である。スリット光投影法では、検出光として断面
が直線状のスリット光が用いられる。
図、図16はスリット光投影法による計測の原理を説明
するための図である。計測対象の物体Qに断面が細い帯
状のスリット光Uを照射し、その反射光を例えば2次元
イメージセンサの撮像面S2に入射させる〔図15
(a)〕。物体Qの照射部分が平坦であれば、撮影像
(スリット画像)は直線になる〔図15(b)〕。照射
部分に凹凸があれば、直線が曲がったり階段状になった
りする〔図15(c)〕。つまり、計測装置と物体Qと
の距離の大小が撮像面S2における反射光の入射位置に
反映する〔図15(d)〕。スリット光Uをその幅方向
に偏向することにより、受光側から見える範囲の物体表
面を走査して3次元位置をサンプリングすることができ
る。サンプリング点数はイメージセンサの画素数に依存
する。
レンズの主点Oとを結ぶ基線AOが受光軸と垂直になる
ように、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は
撮像面S2に対して垂直である。なお、レンズの主点と
は、有限遠の被写体の像が撮像面S2に結像したとき
の、いわゆる像距離(image distance)bだけ撮像面S
2から離れた受光軸上の点である。像距離bは、受光系
の焦点距離fとピント調整のためのレンズ繰出し量との
和である。
受光軸がZ軸、基線AOがY軸、スリット光の長さ方向
がX軸である。スリット光Uが物体上の点P(X,Y,
Z)を照射したときの投光軸と投光基準面(受光軸と平
行な投光面)との角度をθa、受光角をθpとすると、
点Pの座標Zは(1)式で表される。
受光軸を含む平面(受光軸平面)とのなす角度である。
S2の中心と受光画素とのX方向の距離をxp、Y方向
の距離をypとすると〔図16(a)参照〕、点Pの座
標X,Yは、(2),(3)式で表される。
に決まる。受光角θpはtanθp=b/ypの関係か
ら算出できる。つまり、撮像面S2上での位置(xp,
yp)を測定することにより、そのときの角度θaに基
づいて点Pの3次元位置を求めることができる。
ズ群を設けた場合には、主点Oは後側主点H’となる。
後側主点H’と前側主点Hとの距離をMとすると、点P
の座標Zは(1B)式で表される。
えばCCDセンサのように撮像面S2が有限個の画素か
らなる撮像手段を用いる場合には、計測の分解能が撮像
手段の画素ピッチに依存する。ただし、撮像面S2上で
のスリット光UのY方向(走査方向)の幅が複数画素分
となるようにスリット光Uを設定することにより、分解
能を高めることができる。
ための図である。物体上の照射部分の反射率が均一であ
るものと仮定すると、受光強度はY方向に拡がる正規分
布となる。この正規分布の有効強度範囲が複数画素分で
あれば、各画素gの受光量に対する補間演算を行うこと
により、最大強度位置(重心と呼ぶ)を画素ピッチ以下
の単位で測定できることになる。補間演算は、各画素の
受光量に正規分布をフィットさせるものである。演算で
求めた重心に基づいて座標Z,X,Yを求める。この手
法によれば、実際の分解能は1/8〜1/10画素程度
になる。
画素分とするには、投光の段階でスリット光Uの幅(走
査方向の長さ)を拡げておけばよい。ただし、そうする
と、物体Q上でもスリット光UのY方向の幅が拡がるの
で、照射部分(点P)が例えば物体色の境目である場合
に、受光強度の分布が正規分布でなくなり、測定誤差が
大きくなる。
るだけ細くなるように投光条件を設定し、受光系におい
てフィルタなどによりスリット光Uの幅を拡げて撮像面
S2に入射させていた(特開平7−174536号)。
の幅を細くするのには光学的に限界がある。投光の起点
Aから遠いほど、物体Q上の照射範囲(スリット幅)が
拡がる。したがって、従来では、物体Qの反射率の分布
に係わらず、所定の精度の計測が可能となる計測距離
(計測装置と物体Qとの距離)が短いという問題があっ
た。
合にも均一である場合と同様に高分解能で高精度の計測
が可能であり、計測距離の設定の自由度が大きい3次元
計測装置を実現することを目的としている。
は、検出光を照射して物体を光学的に走査するための投
光手段と、前記物体で反射した前記検出光を受光する撮
像手段とを用いる3次元計測方法であって、前記物体に
対する前記検出光の照射方向を変化させながら、前記撮
像手段の撮像面内の特定の受光領域に入射する前記検出
光の光量を周期的にサンプリングし、前記光量のサンプ
リング値の最大値と、当該最大値を得たサンプリングの
1つ前及び1つ後のサンプリングにおけるサンプリング
値とを含む3つ以上のサンプリング値に基づいて、補間
演算によって前記光量が最大となる照射タイミングを求
め、前記物体上の前記受光領域に対応した部位の位置
を、前記照射タイミングにおける照射方向及び前記受光
領域に対する前記検出光の入射方向との関係に基づいて
求める方法である。
光を照射して物体を光学的に走査するための投光手段
と、複数の受光領域からなる撮像面を有し、前記物体で
反射した前記検出光を受光する撮像手段と、前記物体に
対する前記検出光の照射方向を変化させる走査手段と、
前記各受光領域に入射する前記検出光の光量を周期的に
出力するように前記撮像手段を駆動する撮像制御手段
と、前記各受光領域毎に、前記撮像手段が周期的に出力
する前記光量の最大値と、当該最大値の出力タイミング
の前回及び次回に出力された前記光量とを含む3つ以上
の光量を、前記最大値の出力タイミングに対応づけて記
憶する記憶手段と、前記記憶手段が記憶する前記3つ以
上の光量に基づいて、前記各受光領域の前記光量が最大
となる照射タイミングを求める第1演算手段と、前記物
体上の前記各受光領域に対応した部位の位置を、前記照
射タイミングにおける照射方向及び当該各受光領域に対
する前記検出光の入射方向との関係に基づいて求める第
2演算手段とを有する。
1の構成図である。計測システム1は、スリット光投影
法によって立体計測を行う3次元カメラ(レンジファイ
ンダ)2と、3次元カメラ2の出力データを処理するホ
スト3とから構成されている。
プリング点の3次元位置を特定する計測データ(スリッ
ト画像データ)とともに、物体Qのカラー情報を示す2
次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力
する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求め
る演算処理はホスト3が担う。
b、キーボード3c、及びマウス3dなどから構成され
たコンピュータシステムである。CPU3aには計測デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト3と3次元カメラ2との間では、オンライン及び可
搬型の記録メディア4によるオフラインの両方の形態の
データ受渡しが可能である。記録メディア4としては、
光磁気ディスク(MO)、ミニディスク(MD)、メモ
リカードなどがある。
る。ハウジング20の前面に投光窓20a及び受光窓2
0bが設けられている。投光窓20aは受光窓20bに
対して上側に位置する。内部の光学ユニットOUが射出
するスリット光(所定幅wの帯状のレーザビーム)U
は、投光窓20aを通って計測対象の物体(被写体)に
向かう。スリット光Uの長さ方向M1の放射角度φは固
定である。物体の表面で反射したスリット光Uの一部が
受光窓20bを通って光学ユニットOUに入射する。な
お、光学ユニットOUは、投光軸と受光軸との相対関係
を適正化するための2軸調整機構を備えている。
タン25a,25b、手動フォーカシングボタン26
a,26b、及びシャッタボタン27が設けられてい
る。図2(b)のように、ハウジング20の背面には、
液晶ディスプレイ21、カーソルボタン22、セレクト
ボタン23、キャンセルボタン24、アナログ出力端子
31,32、デジタル出力端子33、及び記録メディア
4の着脱口30aが設けられている。
画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。
撮影者は背面の各ボタン21〜24によって撮影モード
の設定を行うことができる。アナログ出力端子31から
は計測データが出力され、アナログ出力端子31からは
2次元画像信号が例えばNTSC形式で出力される。デ
ジタル出力端子33は例えばSCSI端子である。
ロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示している。3次元カメラ2
は、上述の光学ユニットOUを構成する投光側及び受光
側の2つの光学系40,50を有している。光学系40
において、半導体レーザ(LD)41が射出する波長6
70nmのレーザビームは、投光レンズ系42を通過す
ることによってスリット光Uとなり、ガルバノミラー
(走査手段)43によって偏向される。半導体レーザ4
1のドライバ44、投光レンズ系42の駆動系45、及
びガルバノミラー43の駆動系46は、システムコント
ローラ61によって制御される。
によって集光された光はビームスプリッタ52によって
分光される。半導体レーザ41の発振波長帯域の光は、
計測用のセンサ53に入射する。可視帯域の光は、モニ
タ用のカラーセンサ54に入射する。センサ53及びカ
ラーセンサ54は、どちらもCCDエリアセンサであ
る。ズームユニット51は内焦型であり、入射光の一部
がオートフォーカシング(AF)に利用される。AF機
能は、AFセンサ57とレンズコントローラ58とフォ
ーカシング駆動系59によって実現される。ズーミング
駆動系60は電動ズーミングのために設けられている。
5からのクロックに同期して出力処理回路62へ転送さ
れる。出力処理回路62によってセンサ53の各画素毎
に対応する計測データが生成され、メモリ63,64に
格納される。その後、オペレータがデータ出力を指示す
ると、計測データは、SCSIコントローラ66又はN
TSC変換回路65によって所定形式でオンライン出力
され、又は記録メディア4に格納される。計測データの
オンライン出力には、アナログ出力端子31又はディジ
タル出力端子33が用いられる。カラーセンサ54によ
る撮像情報は、ドライバ56からのクロックに同期して
カラー処理回路67へ転送される。カラー処理を受けた
撮像情報は、NTSC変換回路70及びアナログ出力端
子32を経てオンライン出力され、又はディジタル画像
生成部68で量子化されてカラー画像メモリ69に格納
される。その後、カラー画像データがカラー画像メモリ
69からSCSIコントローラ66へ転送され、ディジ
タル出力端子33からオンライン出力され、又は計測デ
ータと対応づけて記録メディア4に格納される。なお、
カラー画像は、センサ53による距離画像と同一の画角
の像であり、ホスト3側におけるアプリケーション処理
に際して参考情報として利用される。カラー情報を利用
する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の
計測データを組み合わせて3次元形状モデルを生成する
処理、3次元形状モデルの不要の頂点を間引く処理など
がある。システムコントローラ61は、キャラクタジェ
ネレータ71に対して、LCD21の画面上に適切な文
字や記号を表示するための指示を与える。
図である。図4(a)は正面図であり、図4(b)は側
面図である。投光レンズ系42は、コリメータレンズ4
21、バリエータレンズ422、及びエキスパンダレン
ズ423の3つのレンズから構成されている。半導体レ
ーザ41が射出したレーザビームに対して、次の順序で
適切なスリット光Uを得るための光学的処理が行われ
る。まず、コリメータレンズ421によってビームが平
行化される。次にバリエータレンズ422によってレー
ザビームのビーム径が調整される。最後にエキスパンダ
レンズ423によってビームがスリット長さ方向M1に
拡げられる。
撮影の画角に係わらず、センサ53に3以上の複数画素
分の幅のスリット光Uを入射させるために設けられてい
る。駆動系45は、システムコントローラ61の指示に
従って、センサ53上でのスリット光Uの幅wを一定に
保つようにバリエータレンズ422を移動させる。バリ
エータレンズ422と受光側のズームユニット51とは
連動する。
リット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比
べてスリット光Uの歪みを低減することができる。エキ
スパンダレンズ423を投光レンズ系42の最終段に配
置することにより、すなわちガルバノミラー43に近づ
けることにより、ガルバノミラー43を小型化すること
ができる。
模式図である。ズームユニット51は、前側結像部51
5、バリエータ部514、コンペンセータ部513、フ
ォーカシング部512、後側結像部511、及び入射光
の一部をAFセンサ57に導くビームスプリッタ516
から構成されている。前側結像部515及び後側結像部
511は、光軸に対して固定である。
シング駆動系59が担い、バリエータ部514の移動は
ズーミング駆動系60が担う。フォーカシング駆動系5
9は、フォーカシング部512の移動距離(繰り出し
量)を指し示すフォーカシングエンコーダ59Aを備え
ている。ズーミング駆動系60は、バリエータ部514
の移動距離(ズーム刻み値)を指し示すズーミングエン
コーダ60Aを備えている。
7は計測用のセンサ53の受光波長を示すグラフ、図8
はモニタ用のカラーセンサ54の受光波長を示すグラフ
である。
クロックミラー)521、色分解膜521を挟む2つの
プリズム522,523、プリズム522の射出面52
2bに設けられた赤外線カットフィルタ524、センサ
53の前面側に設けられた可視カットフィルタ525、
プリズム523の射出面523bに設けられた赤外線カ
ットフィルタ526、及びローパスフィルタ527,5
28から構成されている。
は、ローパスフィルタ527、プリズム522を通って
色分解膜521に入射する。半導体レーザ41の発振帯
域の光U0は色分解膜521で反射し、プリズム522
の入射面522aで反射した後、射出面522bからセ
ンサ53に向かって射出する。プリズム522から射出
した光U0の内、赤外線カットフィルタ524及び可視
カットフィルタ525を透過した光がセンサ53によっ
て受光される。一方、色分解膜521を透過した光C0
は、プリズム523を通って射出面523bからカラー
センサ54に向かって射出する。プリズム523から射
出した光C0の内、赤外線カットフィルタ526及びロ
ーパスフィルタ528を透過した光がカラーセンサ54
によって受光される。
解膜521は、スリット光の波長(λ:670nm)を
含む比較的に広範囲の波長帯域の光を反射する。つま
り、色分解膜521の波長選択性は、スリット光のみを
選択的にセンサ53に入射させる上で不十分である。し
かし、ビームスプリッタ52では、鎖線で示される特性
の赤外線カットフィルタ524と、実線で示される特性
の可視カットフィルタ525とが設けられているので、
最終的にセンサ53に入射する光は、図7において斜線
で示される狭い範囲の波長の光である。これにより、環
境光の影響の小さい、すなわち光学的SN比が大きい計
測を実現することができる。
で示される特性の赤外線カットフィルタ528によっ
て、破線で示される特性の色分解膜521を透過した赤
外帯域の光が遮断されるので、可視光のみが入射する。
これにより、モニタ画像の色再現性が高まる。
視カットフィルタ525の2個のフィルタを用いる代わ
りに、赤外線及び可視光を遮断する特性をもつ1個のフ
ィルタを用いてもよい。赤外線カットフィルタ524及
び可視カットフィルタ525の両方をプリズム522の
側に設けてもよいし、逆に両方のフィルタをセンサ53
の側に設けてもよい。図6の例とは逆に、可視カットフ
ィルタ525をプリズム522の側に設け、赤外線カッ
トフィルタ524をセンサ53の側に設けてもよい。
の算出の原理図である。同図では理解を容易にするた
め、図15及び図16と対応する要素には同一の符号を
付してある。
なる比較的に幅の広いスリット光Uを物体Qに照射す
る。具体的にはスリット光Uの幅を5画素分とする。ス
リット光Uは、サンプリング周期毎に撮像面S2上で1
画素ピッチpvだけ移動するように、図9の上から下に
向かって偏向され、それによって物体Qが走査される。
サンプリング周期毎にセンサ53から1フレーム分の光
電変換情報が出力される。
走査中に行うN回のサンプリングの内の5回のサンプリ
ングにおいて有効な受光データが得られる。これら5回
分の受光データに対する補間演算によって注目画素gが
にらむ範囲の物体表面agをスリット光Uの光軸が通過
するタイミング(時間重心Npeak:注目画素gの受
光量が最大となる時刻)を求める。図9(b)の例で
は、n回目とその1つ前の(n−1)回目の間のタイミ
ングで受光量が最大である。求めたタイミングにおける
スリット光の照射方向と、注目画素に対するスリット光
の入射方向との関係に基づいて、物体Qの位置(座標)
を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチpvで規
定される分解能より高い分解能の計測が可能となる。
存する。しかし、5回のサンプリングの各受光量の相対
比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体
色の濃淡は計測精度に影響しない。
カメラ2がセンサ53の画素g毎に5回分の受光データ
を計測データとしてホスト3に出力し、ホスト3が計測
データに基づいて物体Qの座標を算出する。3次元カメ
ラ2の出力処理回路62(図3参照)は、各画素gに対
応した計測データの生成を担う。
図11はセンサ53の読出し範囲を示す図である。出力
処理回路62は、センサ53の出力する各画素gの光電
変換信号を8ビットの受光データに変換するAD変換部
620、直列接続された4つのフレームディレイメモリ
621〜624、有効な5回分の受光データを記憶する
ための5つのメモリバンク625A〜E、受光データが
最大となるフレーム番号(サンプリング番号)FNを記
憶するためのメモリバンク625F、コンパレータ62
6、フレーム番号FNを指し示すジェネレータ627、
及びメモリバンク625A〜Fのアドレス指定などを行
う図示しないメモリ制御手段から構成されている。各メ
モリバンク625A〜Eは、計測のサンプリング点数
(つまり、センサ53の有効画素数)と同数の受光デー
タを記憶可能な容量をもつ。
24でデータ遅延を行うことにより、個々の画素gにつ
いて5フレーム分の受光データを同時にメモリバンク6
25A〜Eに格納することが可能になっている。なお、
センサ53における1フレームの読出しは、撮像面S2
の全体ではなく、高速化を図るために図11のように撮
像面S2の一部の有効受光領域(帯状画像)Aeのみを
対象に行われる。有効受光領域Aeはスリット光Uの偏
向に伴ってフレーム毎に1画素分だけシフトする。本実
施形態では、有効受光領域Aeのシフト方向の画素数は
32に固定されている。CCDエリアセンサの撮影像の
一部のみを読み出す手法は、特開平7−174536号
公報に開示されている。
ライン分の受光データD620を画素gの配列順にシリ
アルに出力する。各フレームディレイメモリ621〜6
24は、31(=32−1)ライン分の容量をもつFI
FOである。
gの受光データD620は、2フレーム分だけ遅延され
た時点で、コンパレータ626によって、メモリバンク
625Cが記憶する注目画素gについての過去の受光デ
ータD620の最大値と比較される。遅延された受光デ
ータD620(フレームディレイメモリ622の出力)
が過去の最大値より大きい場合に、その時点のAD変換
部620の出力及び各フレームディレイメモリ621〜
624の出力が、メモリバンク625A〜Eにそれぞれ
格納され、メモリバンク625A〜Eの記憶内容が書換
えられる。これと同時にメモリバンク625Fには、メ
モリバンク625Cに格納する受光データD620に対
応したフレーム番号FNが格納される。
注目画素gの受光量が最大になった場合には、メモリバ
ンク625Aに(n+2)番目のフレームのデータが格
納され、メモリバンク625Bに(n+1)番目のフレ
ームのデータが格納され、メモリバンク625Cにn番
目のフレームのデータが格納され、メモリバンク625
Dに(n−1)番目のフレームのデータが格納され、メ
モリバンク625Eに(n−2)番目のフレームのデー
タが格納され、メモリバンク625Fにnが格納され
る。
を計測の手順と合わせて説明する。以下では、計測のサ
ンプリング点数を200×231とする。すなわち、撮
像面S2におけるスリット長さ方向の画素数は231で
あり、実質的なフレーム数Nも200である。
するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを
決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミン
グ操作を行う。3次元カメラ2ではカラーセンサ54に
対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能により露
出制御されたカラーモニタ像が表示される。これは、絞
りを開放状態とすることによってセンサ53の入射光量
をできるだけ多くするためである。
流れを示す図、図13はホスト3におけるデータの流れ
を示す図、図14は光学系の各点と物体Qとの関係を示
す図である。
グ)に応じて、ズームユニット51のバリエータ部51
4の移動が行われる。また、フォーカシング部512の
移動による手動又は自動のフォーカシングが行われる。
フォーカシングの過程でおおよその対物間距離d0 が測
定される。
て、投光側のバリエータレンズ422の移動量が図示し
ない演算回路によって算出され、算出結果に基づいてバ
リエータレンズ422の移動制御が行われる。
トローラ58を介して、フォーカシングエンコーダ59
Aの出力(繰り出し量Ed)及びズーミングエンコーダ
60Aの出力(ズーム刻み値fp)を読み込む。システ
ムコントローラ61の内部において、歪曲収差テーブル
T1、主点位置テーブルT2、及び像距離テーブルT3
が参照され、繰り出し量Ed及びズーム刻み値fpに対
応した撮影条件データがホスト2へ出力される。ここで
の撮影条件データは、歪曲収差パラメータ(レンズ歪み
補正係数d1,d2)、前側主点位置FH、及び像距離
bである。前側主点位置FHは、ズームユニット51の
前側端点Fと前側主点Hとの距離で表される。前側端点
Fは固定であるので、前側主点位置FHにより前側主点
Hを特定することができる。
ザ41の出力(レーザ強度)及びスリット光Uの偏向条
件(走査開始角、走査終了角、偏向角速度)を算定す
る。この算定方法を詳しく説明する。まず、おおよその
対物間距離d0 に平面物体が存在するものとして、セン
サ53の中央で反射光を受光するように投射角設定を行
う。以下で説明するレーザ強度の算定のためのパルス点
灯は、この設定された投射角で行う。
算定に際しては、人体を計測する場合があるので、安全
性に対する配慮が不可欠である。まず、最小強度LDm
inでパルス点灯し、センサ53の出力を取り込む。取
り込んだ信号〔Son(LDmin)〕と適正レベルS
typとの比を算出し、仮のレーザ強度LD1を設定す
る。
〔Son(LDmin)〕 続いてレーザ強度LD1で再びパルス点灯し、センサ5
3の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Son(LD
1)〕が適正レベルStyp又はそれに近い値であれ
ば、LD1をレーザ強度LDsと決める。他の場合に
は、レーザ強度LD1とMAX〔Son(LD1)〕と
を用いて仮のレーザ強度LD1を設定し、センサ53の
出力と適正レベルStypとを比較する。センサ53の
出力が許容範囲内の値となるまで、レーザ強度の仮設定
と適否の確認とを繰り返す。なお、センサ53の出力の
取り込みは、撮像面S2の全面を対象に行う。これは、
AFによる受動的な距離算出では、スリット光Uの受光
位置を高精度に推定することが難しいためである。セン
サ53におけるCCDの積分時間は1フィールド時間
(例えば1/60秒)であり、実際の計測時における積
分時間より長い。このため、パルス点灯を行うことによ
り、計測時と等価なセンサ出力を得る。
きのスリット光Uの受光位置から、三角測量により対物
間距離dを決定する。最後に、決定された対物間距離d
に基づいて、偏向条件を算出する。偏向条件の算定に際
しては、対物間距離dの測距基準点である受光系の後側
主点H’と投光の起点AとのZ方向(図16参照)のオ
フセットdoffを考慮する。また、走査方向の端部に
おいても中央部と同様の計測可能距離範囲d’を確保す
るため、所定量(例えば8画素分)のオーバースキャン
を行うようにする。走査開始角th1、走査終了角th
2、偏向角速度ωは、次式で表される。
8)+L)/(d+doff)〕×180/π th2=tan-1〔−β×pv(np/2+8)+L)
/(d+doff)〕×180/π ω=(th1−th2)/np β:撮像倍率(=d/実効焦点距離freal) pv:画素ピッチ np:撮像面S2のY方向の有効画素数 L:基線長 このようにして算出された条件で次に本発光に移り、物
体Qの走査(スリット投影)が行われ、上述の出力処理
回路52によって得られた1画素当たり5フレーム分の
計測データ(スリット画像データ)D62がホスト2へ
送られる。同時に、偏向条件(偏向制御データ)及びセ
ンサ53の仕様などを示す装置情報D10も、ホスト3
へ送られる。表1は3次元カメラ2がホスト3へ送る主
なデータをまとめたものである。
リット重心演算#31、歪曲収差の補正演算#32、カ
メラ視線方程式の演算#33、スリット面方程式の演算
#34、及び3次元位置演算#35が実行され、それに
よって200×231個のサンプリング点の3次元位置
(座標X,Y,Z)が算定される。サンプリング点はカ
メラ視線(サンプリング点と後側主点H’とを結ぶ直
線)とスリット面(サンプリング点を照射するスリット
光Uの光軸面)との交点である。
参照)は、各サンプリング時の受光データD(i)を用
いて(3)式で与えられる。 Npeak=n+Δn …(3) Δn=〔−2×D(n−2)−D(n−1)+D(n+
1)+2×D(n+2)〕/ΣD(i) (i=n−2,n−1,n,n+1,n+2) 又は Δn=[−2×〔D〔n−2)−minD(i)〕−
〔D(n−1)−minD(i)〕+〔D(n+1)−
minD(i)〕+2×〔D(n+2)−minD
(i)〕]/ΣD(i) 5つの受光データの内の最小のデータminD(i)を
差し引いて加重平均を求めることにより、環境光の影響
を軽減することができる。
である。 (u−u0)=(xp)=(b/pu)×〔X/(Z−FH)〕 …(4) (v−v0)=(yp)=(b/pv)×〔Y/(Z−FH)〕 …(5) b:像距離 FH:前側主点位置 pu:撮像面における水平方向の画素ピッチ pv:撮像面における垂直方向の画素ピッチ u:撮像面における水平方向の画素位置 u0:撮像面における水平方向の中心画素位置 v:撮像面における垂直方向の画素位置 v0:撮像面における垂直方向の中心画素位置 スリット面方程式は(6)式である。
画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は
中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離
の3次関数で近似する。2次の補正係数をd1、3次の
補正係数をd2とする。補正後の画素位置u’,v’は
(7)式及び(8)式で与えられる。
を代入し、vに代えてv’を代入することにより、歪曲
収差を考慮した3次元位置を求めることができる。な
お、キャリブレーションについては、電子情報通信学会
研究会資料PRU91-113[カメラの位置決めのいらない
画像の幾何学的補正]小野寺・金谷、電子情報通信学会
論文誌D-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9
[光学系の3次元モデルに基づくレンジファインダの高
精度キャリブレーション法]植芝・吉見・大島、などに
詳しい開示がある。
づいて3次元位置を算出する演算をホスト3が担うもの
であるが、3次元カメラ2に3次元位置を算出する演算
機能を設けてもよい。3次元位置をルックアップテーブ
ル方式で算定することも可能である。受光側の光学系5
0において、ズームユニット51に代えて交換レンズに
よって撮像倍率を変更してもよい。
物体の反射率が不均一である場合にも均一である場合と
同様に高分解能で高精度の計測が可能であり、計測距離
の設定の自由度が大きい3次元計測装置を提供すること
ができる。
る。
る。
フである。
図である。
である。
る。
る。
るための図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】検出光を照射して物体を光学的に走査する
ための投光手段と、前記物体で反射した前記検出光を受
光する撮像手段とを用いる3次元計測方法であって、 前記物体に対する前記検出光の照射方向を変化させなが
ら、前記撮像手段の撮像面内の特定の受光領域に入射す
る前記検出光の光量を周期的にサンプリングし、 前記光量のサンプリング値の最大値と、当該最大値を得
たサンプリングの1つ前及び1つ後のサンプリングにお
けるサンプリング値とを含む3つ以上のサンプリング値
に基づいて、補間演算によって前記光量が最大となる照
射タイミングを求め、 前記物体上の前記受光領域に対応した部位の位置を、前
記照射タイミングにおける照射方向及び前記受光領域に
対する前記検出光の入射方向との関係に基づいて求める
ことを特徴とする3次元計測方法。 - 【請求項2】検出光を照射して物体を光学的に走査する
ための投光手段と、 複数の受光領域からなる撮像面を有し、前記物体で反射
した前記検出光を受光する撮像手段と、 前記物体に対する前記検出光の照射方向を変化させる走
査手段と、 前記各受光領域に入射する前記検出光の光量を周期的に
出力するように前記撮像手段を駆動する撮像制御手段
と、 前記各受光領域毎に、前記撮像手段が周期的に出力する
前記光量の最大値と、当該最大値の出力タイミングの前
回及び次回に出力された前記光量とを含む3つ以上の光
量を、前記最大値の出力タイミングに対応づけて記憶す
る記憶手段と、 前記記憶手段が記憶する前記3つ以上の光量に基づい
て、前記各受光領域の前記光量が最大となる照射タイミ
ングを求める第1演算手段と、 前記物体上の前記各受光領域に対応した部位の位置を、
前記照射タイミングにおける照射方向及び当該各受光領
域に対する前記検出光の入射方向との関係に基づいて求
める第2演算手段と、を有したことを特徴とする3次元
計測装置。
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JPH09145319A true JPH09145319A (ja) | 1997-06-06 |
JP3360505B2 JP3360505B2 (ja) | 2002-12-24 |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6252659B1 (en) | 1998-03-26 | 2001-06-26 | Minolta Co., Ltd. | Three dimensional measurement apparatus |
JP2003269935A (ja) * | 2002-03-18 | 2003-09-25 | Hamano Engineering:Kk | 3次元面形状の測定方法、3次元面形状の測定装置、コンピュータプログラム、及びコンピュータプログラム記録媒体 |
US7492398B1 (en) | 1998-09-29 | 2009-02-17 | Minolta Co., Ltd | Three-dimensional input apparatus and image sensing control method |
WO2009110589A1 (ja) * | 2008-03-07 | 2009-09-11 | 株式会社ニコン | 形状測定装置および方法、並びにプログラム |
US7643159B2 (en) | 2006-07-25 | 2010-01-05 | Konica Minolta Sensing, Inc. | Three-dimensional shape measuring system, and three-dimensional shape measuring method |
-
1995
- 1995-11-17 JP JP29992195A patent/JP3360505B2/ja not_active Expired - Fee Related
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