JPH09325010A

JPH09325010A - ３次元計測装置

Info

Publication number: JPH09325010A
Application number: JP8142830A
Authority: JP
Inventors: Toshio Norita; 寿夫糊田; Hiroshi Uchino; 浩志内野; Takuto Uefuru; 琢人上古; Hidekazu Ide; 英一井手
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1997-12-16

Abstract

(57)【要約】【課題】受光条件の設定の精度を確保しつつ、周期的に
計測を行う場合の周期を短縮する。【解決手段】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有し、光投影法によって物体形状を
計測する３次元計測装置に、周期的に計測する連続計測
モードにおいて、２回目以降の計測の受光条件をその１
回前の計測時に前記撮像手段によって得られた撮像情報
に基づいて設定する制御手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体にスリット光
に代表される検出光を照射して物体形状を非接触で計測
する３次元計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元計測装置（３次元カメラ）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ＣＡ
Ｄ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。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
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三角測量の原
理に基づいて距離画像（３次元画像）を得る方法であ
り、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。距離画像は、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。
スリット光に代えて、スポット光、ステップ光、濃度パ
ターン光などを投射する光投影法も知られている。

【０００４】撮影距離を任意に選べる可搬型のレンジフ
ァインダには、測距機能が設けられている（特開平７−
１７４５３６号）。測距の結果は、ＡＦ（オートフォー
カシング）、投射光強度の設定に用いられる。従来で
は、撮影（計測）に際して、必ず光学的走査に先立って
測距が行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】レンジファインダにお
いては、計測用の光学系を用いてアクティブ形式の精密
な測距を行うことができる。実際に検出光を投射して受
光量を測定するので、パッシブ形式の光学的測距、超音
波による測距などと違って、距離情報とともに物体面の
反射率情報を得ることができる。反射率情報を用いれ
ば、単に距離に応じて設定値を変更するのに比べて、よ
り適切な受光条件（投射光量、受光感度など）の設定が
可能となる。また、走査手段を有しているので、複数の
方向に光を照射して測距の視野角を拡げることが容易で
ある。

【０００６】一方、レンジファインダに周期的に計測を
行う機能を設けることにより、３次元計測の応用範囲が
拡がる。例えば工場の生産ラインにおける物品の形状検
査、移動ロボットの視覚認識、警備の監視システムなど
の実用性を高めることができる。周期的な３次元計測で
得られた時系列の複数の距離画像を比較すれば、物体の
前後移動と形状変化とを容易に見分けることができる。

【０００７】しかし、従来の計測毎に測距を行う動作シ
ーケンスを適用すると、上述のように計測用の光学系を
用いて精密な測距及び受光量の測定とを行う場合に、検
出光の投射と撮影デバイスからの信号の取り出しとに比
較的に長い時間を要することから、計測の周期の短縮が
困難になるという問題があった。

【０００８】本発明は、受光条件の設定の精度を確保し
つつ、周期的に計測を行う場合の周期の短縮を目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】各回の計測で得られた撮
影情報を、次の計測における受光条件の設定に利用す
る。すなわち、各回の計測に、次の計測のための予備計
測の役割をもたせる。これにより、各回の計測の間にア
クティブ形式の予備計測を行う必要がなくなり、計測の
周期を短縮することができる。計測用の光学系を用いる
ので、精密な測距が可能である。

【００１０】請求項１の発明の装置は、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有し、光
投影法によって物体形状を計測する３次元計測装置であ
って、周期的に計測する連続計測モードが設けられ、連
続計測モードにおいて、２回目以降の計測の受光条件
を、その１回前の計測時に前記撮像手段によって得られ
た撮像情報に基づいて設定する制御手段を有している。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る計測システム
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。

【００１２】３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサン
プリング点の３次元位置を特定する計測データ（距離画
像）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。

【００１３】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
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、オンライン形態の
データ受渡しが行われる。

【００１４】図２は３次元カメラ２の外観を示す図であ
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。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。

【００１５】ハウジング２０の上面には、ズーミングボ
タン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６
ａ，２６ｂ、及びスタート／ストップボタン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、及びデジタル出力端子３３が設け
られている。アナログ出力端子３１からは計測データと
して距離画像ＤＧが出力され、アナログ出力端子３２か
らは２次元画像ＤＭが出力される。アナログ信号の出力
形式は例えばＮＴＳＣ形式である。デジタル出力端子３
３は例えばＲＳ２３２−Ｃ端子であり、撮影条件データ
ＤＳの出力に用いられる。

【００１６】液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１は、操作
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２２〜２４によって撮影モード
の設定を行うことができる。

【００１７】図３は３次元カメラ２の機能構成を示すブ
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。

【００１８】光学系５０において、ズームユニット５１
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
構は、一眼レフカメラで採用されているパッシブ方式で
あり、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とから構成されている。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。ＡＦセンサ５７によるパッシブ方式の測距には、後
述するアクティブ方式の測距と比べて、測定可能な距離
範囲が広く短い周期で測定を繰り返すことができるとい
う利点がある。しかし、パッシブ方式の測距精度（分解
能）は十分ではない。

【００１９】センサ５３による撮像情報は、ドライバ５
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
に対応するスリットデータが生成され、メモリ６３に格
納される。その後、スリットデータはメモリ６３から読
み出されて重心演算回路６４に送られる。重心演算回路
６４は、スリットデータに基づいて高分解能の距離画像
を生成する。距離画像は、ＮＴＳＣ変換回路６５を経
て、計測データとしてフレーム同期の映像信号の形式で
オンライン出力される。重心演算回路６４には、システ
ムコントローラ６１による制御のためのビットデータ
（ＧＣＡＬＣ）を格納するＣＴＲＬレジスタＲ１が設け
られている。

【００２０】一方、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
（２次元画像ＤＭ）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る。２次元
画像ＤＭは、センサ５３による距離画像と同一の画角の
カラー画像であり、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。

【００２１】なお、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
にその時点の動作状態に応じた適切な文字・記号を表示
するための指示を与える。

【００２２】図４は計測システム１における３次元位置
の算出の原理図である。センサ５３の撮像面Ｓ２上で複
数画素分と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Ｓ
２上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように上から下に
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フィールド分の
光電変換情報が出力される。

【００２３】撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、
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４（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。求めた時間重心Ｎｐｅａｋ
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。なお、スリット光の照射方向は、照射開始方向と
偏向角速度とが既知であれば、時間重心Ｎｐｅａｋによ
って一義的に特定される。また、入射方向はセンサ５３
と受光レンズとの位置関係情報によって特定される。

【００２４】注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依
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。

【００２５】本実施形態の計測システム１では、３次元
カメラ２の重心演算回路６４によってセンサ５３の画素
ｇ毎に時間重心Ｎｐｅａｋが算出され、有効画素数の時
間重心Ｎｐｅａｋが距離画像としてＮＴＳＣ形式でホス
ト３へ伝送される。これにより、５フィールド分の受光
データをホスト３へ送ってホスト３の側で時間重心Ｎｐ
ｅａｋを求める場合と比べて、伝送データ量が大幅に少
なくなり、アナログ信号によるシリアル伝送の所要時間
を短縮することができる。なお、時間重心Ｎｐｅａｋか
ら物体の座標を求めるのに必要な撮影条件及び装置条件
は、距離画像の伝送と並行してディジタル出力端子３３
を介してホスト３へ伝送される。

【００２６】図５は出力処理回路６２及びメモリ６３の
ブロック図、図６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つのディレイメモリ６２１〜
６２４、コンパレータ６２６、及び、フィールド番号
（サンプリング番号）ＦＮを指し示すジェネレータ６２
７から構成されている。メモリ６３は、有効な５フィー
ルド分の受光データ（スリットデータ）を記憶するため
の５つのメモリバンク６３Ａ〜Ｅ、受光データが最大と
なるフィールド番号ＦＮを記憶するためのメモリバンク
６３Ｆ、及びメモリバンク６３Ａ〜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６３Ａ〜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。

【００２７】４つのディレイメモリ６２１〜６２４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
ィールド分の受光データを同時にメモリバンク６３Ａ〜
Ｅに格納することが可能になっている。なお、センサ５
３における１フィールドの読出しは、撮像面Ｓ２の全体
ではなく、高速化を図るために図６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
てフィールド毎に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。

【００２８】ＡＤ変換部６２０は、１フィールド毎に３
２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。各ディレイメモリ６２１〜６２４
は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩＦＯ
である。

【００２９】ＡＤ変換部６２０から出力された注目画素
ｇの受光データＤ６２０は、２フィールド分だけ遅延さ
れた時点で、コンパレータ６２６によって、メモリバン
ク６３Ｃ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（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
の出力及び各ディレイメモリ６２１〜６２４の出力が、
メモリバンク６３Ｅ，６３Ｄ，６３Ｃ，６３Ｂ，６３Ａ
にそれぞれ格納され、メモリバンク６３Ａ〜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６３Ｆに
は、メモリバンク６３Ｃに格納する受光データＤ６２０
に対応したフィールド番号ＦＮが格納される。

【００３０】すなわち、ｎ番目（ｎ＜Ｎ）のフィールド
で注目画素ｇの受光量が最大になった場合には、メモリ
バンク６３Ａに（ｎ−２）番目のフィールドのデータが
格納され、メモリバンク６３Ｂに（ｎ−１）番目のフィ
ールドのデータが格納され、メモリバンク６３Ｃにｎ番
目のフィールドのデータが格納され、メモリバンク６３
Ｄに（ｎ＋１）番目のフィールドのデータが格納され、
メモリバンク６３Ｅに（ｎ＋２）番目のフィールドのデ
ータが格納され、メモリバンク６３Ｆにｎが格納され
る。

【００３１】図７は重心演算回路６４のブロック図であ
る。重心演算回路６４は、５個の掛算器６４１〜６４
５、計３個の加算器６４６〜６４８、除算器６４９、及
び遅延回路６４０を有している。（ｎ−２）〜（ｎ＋
２）の５つのフィールド番号（つまりサンプリング時
刻）にそれぞれ−２，−１，０，１，２の重みを付け、
各メモリバンク６３Ａ〜Ｅからの受光データに対する加
重平均演算を行う。除算器６４９の出力である加重平均
値は、ｎ番目のサンプリング時刻と時間重心Ｎｐｅａｋ
との時間的ズレ量である〔図４（ｂ）参照〕。この時間
的ズレ量と、メモリバンク６３Ｆからのフィールド番号
ＦＮとを加算すれば、時間重心Ｎｐｅａｋが求まる。遅
延回路６４０は、時間的ズレ量と同時にフィールド番号
ＦＮを加算器６４８に入力するために設けられており、
加重平均演算の所要時間分だけフィールド番号ＦＮを遅
延させる。

【００３２】メモリバンク６３Ａ〜Ｆから各画素に対応
したデータを順に読み出して重心演算回路６４に入力す
ることにより、１回分の計測情報である距離画像ＤＧが
生成される。距離画像ＤＧは、例えば１秒間に３０回の
周期で繰り返し出力される。

【００３３】次に、３次元カメラ２による計測の基本手
順を説明する。計測システム１では、３次元カメラ２と
計測対象との配置関係が可変である。つまり、ユーザー
は撮影距離やアングルを用途に応じて適宜変更すること
ができる。このため、計測に先立って、計測対象との配
置関係を調べて撮影条件を設定する前処理（撮影準備）
が自動的に行われる。

【００３４】図８は光学系の各点と物体Ｑとの関係を示
す図である。３次元カメラ２に対して、直接の操作又は
ホスト３による遠隔操作でズーミングの指示が与えられ
ると、ズームユニット５１のバリエータ部が移動すると
ともにフォーカシング部の移動によるフォーカシングが
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。このような受光系のレンズ駆動に
呼応して、投光側のバリエータレンズの移動量の演算が
行われ、演算結果に基づいてレンズ移動制御が行われ
る。ただし、撮影中は、レンズ移動によって撮影条件が
変わるのを避けるため、ズーミング及びフォーカシング
が禁止される。

【００３５】システムコントローラ６１は、レンズコン
トローラ５８を介して、フォーカシング駆動系５９のエ
ンコーダ出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミング駆動系
６０のエンコーダ出力（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、主点位置テーブル、及び像距離テーブルが
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、前側主点位置、像距離などである。

【００３６】また、システムコントローラ６１は、半導
体レーザ４１の出力（レーザ強度）及びスリット光Ｕの
偏向条件（投射開始角、投射終了角、偏向角速度）を算
定する。

【００３７】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を設定する。次にレーザ強度を算
定する。人体に対する安全を考慮して最小強度で半導体
レーザ４１をパルス点灯し、センサ５３の出力を取り込
む。このときの投射角は先に対物間距離ｄ₀に基づいて
設定した角度である。取り込んだ信号と適正レベルとの
比を算出し、仮のレーザ強度を設定する。設定した仮の
レーザ強度で再びパルス点灯し、センサ５３の出力を取
り込む。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、最大強度で点灯しても受光量が不十分である場合
は、センサ５３の電荷蓄積時間を延長する露出制御を行
う。

【００３８】続いて、スリット光Ｕの投射角と受光位置
とから三角測量法により対物間距離ｄを決定する。そし
て、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。投射開始角ｔｈ１、投
射終了角ｔｈ２、偏向角速度ωは、次式で表される。

【００３９】ｔｈ１＝ｔａｎ^-1〔β×ｐｖ（ｎｐ／２＋
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の水平方向の有効画素数Ｌ：基線長このようにして算出された条件の下で実際の計測が行わ
れ、センサ５３の仕様を含む装置情報及び撮影条件が距
離画像ＤＧとともに３次元カメラ２からホスト３へ伝送
される。ただし、後述のコンティニュアスモードにおい
ては、初回の計測時のみに装置情報が伝送される。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。

【００４０】

【表１】

【００４１】以下、計測システム１の動作をさらに詳し
く説明する。３次元カメラ２の動作は、スタート指示に
呼応して１回だけ計測を行うワンショットモードと、ス
タート指示を受けた後にストップ指示がなされるまで周
期的に計測を行うコンティニュアスモード（連続撮影モ
ード）とに大別される。

【００４２】コンティニュアスモードにおけるＡＦモー
ドとして、可変モードと固定モードとがある。可変モー
ドは、計測中を除く期間において、ＡＦセンサ５７の出
力に応じてフォーカシングを行うモードである。固定モ
ードは、初回の計測時のみにおいてフォーカシングを行
うモードである。どちらのモードであってもＡＦセンサ
５７による対物間距離の測定は計測中を含めて恒常的に
実施される。撮影の倍率が大きい場合（テレ状態）で
は、ピントずれが生じ易いので、鮮明な距離画像を得る
上で可変モードが適している。また、可変モードによれ
ば、物体が大きく移動する場合にも物体の位置を把握す
ることができる。一方、固定モードによれば、レンズの
駆動制御を省略することができる。

【００４３】図９及び図１０はコンティニュアスモード
における３次元カメラ２の動作を示すタイムチャートで
ある。また、表２は制御信号の内容を示してる。

【００４４】

【表２】

【００４５】ここでは、システムコントローラ６１に注
目してその動作を説明する。 [１] スタート／ストップボタン２７のオン又はホスト
３からのスタートコマンドの入力に呼応して、撮影準備
（前処理）を開始する。撮影準備は、上述したように光
投影法により対物間距離ｄを求め、アクティブＡＦ（Ａ
−ＡＦ）・投射角度の設定・レーザ強度の設定などを行
う処理である。

【００４６】[２] 撮影準備が終了すると、ＣＴＲＬレ
ジスタＲ１のＲＵＮビットを１にする。そして、ＳＳｔ
ａｒｔビットが１になるのを待つ。 [３] ＲＵＮビットが１になった後の最初のＶＳｙｎｃ
に呼応してＳＳｔａｒｔビットを１にするとともに、フ
レームカウンタをリセットする。ＳＳｔａｒｔビットは
次のＶＳｙｎｃで０に戻す。

【００４７】[４][５] ＳＳｔａｒｔビットが１になれ
ば、撮影条件を固定するためレンズ移動を禁止し、スリ
ット光Ｕによる物体のスキャンニング（撮影）を開始す
る。これ以後の約０．８秒の期間において、システムコ
ントローラ６１はスキャンニング制御に専念し、レンズ
コントローラ５８は、ＡＦセンサ５７による測距を実行
する。この測距において、対物間距離の推移から次のス
キャンニング開始時の対物間距離を予想することができ
る。

【００４８】[６][７] スキャンニングが終了すると、
ＣＴＲＬレジスタＲ１のＧＣＡＬＣビットを１にする。
これを受けて、重心演算回路６４は時間重心Ｎｐｅａｋ
の算出を開始する。ＧＣＡＬＣビットは、距離画像ＤＧ
の生成が完了した時点で重心演算回路６４により０にリ
セットされる。

【００４９】レンズコントローラ５８に対してレンズ移
動の再開を許可する。これを受けて、レンズコントロー
ラ５８は、ＡＦセンサ５７により対物間距離を測定して
レンズ移動を行うパッシブＡＦ（Ｐ−ＡＦ）を開始す
る。

【００５０】[８][９] ＧＣＡＬＣビットが０になった
後の最初のＶＳｙｎｃに呼応してＮｅｘｔＩビットを１
にするとともに、フレームメモリを切り換えて最新の距
離画像ＤＧの出力を開始する。この後、次のスキャンニ
ングが行われて新たに距離画像ＤＧが生成されるまで、
同じ内容の距離画像ＤＧを繰り返し出力する。Ｎｅｘｔ
Ｉビットは、１にした後の最初のＶＳｙｎｃで０に戻
す。

【００５１】[１０] 距離画像ＤＧとは別のポート（デ
ィジタル出力端子３３）から撮影条件及び装置情報をホ
スト３に出力する。ホスト３はこの信号入力によって、
最新の距離画像ＤＧが出力されていることを認識する。
所定のデータ出力が終わると、今回の撮影情報に基づい
て次回の撮影の距離条件及び露出条件を求める計算を実
行し、ＳＳｔａｒｔビットが１になるのを待つ。なお、
この段階において、上述の可変モードであれば、パッシ
ブＡＦの出力に基づいて対物間距離の変化を検出する。
そして、許容値を越える対物間距離の変化があった場合
には、改めて光投影法によって高精度の測距を行い、フ
ォーカシングと撮影条件の算定を行う。

【００５２】[１１] フレームカウンタのカウント値が
指定値（ＯＰＲ）より１つ少ない値に達すると、次のＶ
Ｓｙｎｃでカウント値をリセットするとともに、ＳＳｔ
ａｒｔビットを１にする。さらに次のＶＳｙｎｃでＳＳ
ｔａｒｔビットを０に戻す。なお、ＯＰＲはホスト側で
手動設定される。つまり、ユーザーは所望の計測周期を
設定することができる。

【００５３】[１２][１３] ＳＳｔａｒｔビットが１に
なれば、 [４][５] と同様にレンズ移動を禁止してスキ
ャンニング（撮影）を開始する。以降は [６] 〜 [１
１] の動作を行い、ＳＳｔａｒｔビットが１になる毎
に、 [３] 〜 [１１] の計測動作を繰り返す。ただし、
スタート指示から数えて２番目以降の計測においては、
装置情報の出力を省略する。

【００５４】[１４][１５] 図１０のように、再度のス
タート／ストップボタン２７のオン又はホスト３からの
ストップコマンドの入力に呼応して、ＲＵＮビットを０
に戻す。ストップ指示が重心演算の途中で行われた場合
は、その時点でＧＣＡＬＣビットを０に戻す。どの時点
でストップ指示が行われても、最後に得られた距離画像
ＤＧの出力を継続する。

【００５５】図１１はワンショットモードにおける３次
元カメラ２の動作を示すタイムチャートである。 [２１] 〜 [２９] 上述のコンティニュアスモードにお
ける [１] 〜 [９] と同様の動作を行う。

【００５６】[３０] ＮｅｘｔＩビットが１になれば、
ＲＵＮビットを０に戻す。 [３１] ディジタル出力端子３３から撮影条件及び装置
情報をホスト３に出力する。以降にスタート指示が行わ
れ、新たな距離画像ＤＧが得られるまで、最後に得られ
た距離画像ＤＧの出力を継続する。

【００５７】図１２は３次元カメラ２のシステムコント
ローラ６１の動作のメインフローチャートである。電源
が投入されると、ＣＴＲＬレジスタＲ１のビットを含む
制御パラメータの初期設定を行う（＃１）。ボタン操作
又はホスト３からのコマンドに従ってモードを設定する
（＃２）。このとき、ユーザーは、コンティニュアスモ
ードにおける計測の周期をフレーム単位で設定すること
ができる。

【００５８】スタート指示を受けると計測動作に移る
（＃３）。ＡＦモードが可変モードであれば第１スキャ
ンシーケンスを実行し（＃４，５）、固定モードであれ
ば第２スキャンシーケンスを実行する（＃６）。

【００５９】図１３は第１スキャンシーケンス及び第２
スキャンシーケンスのフローチャートである。図１３
（Ａ）のように第１スキャンシーケンスでは、まずパッ
シブＡＦを開始し、３次元カメラ２に対する物体の相対
的な移動に合わせてフォーカシングレンズ位置を調整す
る（＃５１）。スタート指示を受けると、スキャンニン
グ中のレンズ移動を防止するために、パッシブＡＦを停
止するとともに、ズーミングを禁止する（＃５２、５
３）。

【００６０】距離画像ＤＧを得るためのスキャンニング
処理を実行し、スキャンニングが終わるとパッシブＡＦ
を再開するとともに、ズーミングの禁止を解除する（＃
５４〜５６）。コマンド入力及び操作を受け付けた後、
フレーム同期信号ＶＳｙｎｃのカウント値が設定値に達
するのを待って終了の適否をチェックする（＃５７〜５
９）。ワンショットモードの場合、又はコンティニュア
スモードにおいて終了指示を受けた場合にはメインルー
チンへリターンする。コンティニュアスモードにおいて
終了指示がなければ、ステップ＃５２に戻って計測を繰
り返す。

【００６１】一方、図１３（Ｂ）のように第２スキャン
シーケンスでは、まずパッシブＡＦを開始し、スタート
指示を受けるとパッシブＡＦを停止するとともにズーミ
ングを禁止する（＃６１〜６３）。スキャンニング処理
を実行した後、ズーミングの禁止を解除する（＃６４、
６５）。パッシブＡＦは再開しない。コマンド入力及び
操作を受け付け、フレーム同期信号ＶＳｙｎｃのカウン
ト値が設定値に達するのを待って終了の適否をチェック
する（＃６６〜６８）。ワンショットモードの場合、又
はコンティニュアスモードにおいて終了指示を受けた場
合にはメインルーチンへリターンする。コンティニュア
スモードにおいて終了指示がなければ、ステップ＃６３
に戻って計測を繰り返す。

【００６２】図１４は図１３のスキャンニング処理（＃
５４及び＃６４）のフローチャートである。上述のよう
に被写体（計測対象の物体）までの距離は、測距センサ
５７によって常に測定されている。この距離（対物間距
離）の変化量をチェックし、変化量が許容値を越える場
合に、スリット光投影法により対物間距離を求めて撮影
条件を決める設定処理を実行する（＃１００、１０
１）。変化量が許容値を越えない場合であっても、スタ
ート指示に呼応した１回目の計測のときには設定処理を
実行する（＃１０２）。つまり、原則として２回目以降
の計測では設定処理（＃１００）を省略し、対物間距離
の大きな変化があったときだけ設定処理を実行する。こ
れにより、３次元計測の精度が確保され、制御の負担が
軽減される。

【００６３】コンティニュアスモードにおける撮影条件
の設定モードとして距離計算モードが指定されている場
合には、その時点の撮影条件で距離画像ＤＧを得るスキ
ャンニング制御を実行した後に、直前の撮影情報に基づ
いて次回の計測の撮影条件を算定するための処理とし
て、投射角度の演算及びスリット光量の演算を行う（＃
１０３〜１０６）。また、輝度計算モードが指定されて
いる場合には、スキャンニング制御を実行した後に、ス
リット光量の演算を行う（＃１０７〜１０９）。距離計
算モード及び輝度計算モードのどちらも指定されていな
い場合、すなわちワンショットモードの場合は、スキャ
ンニング制御を実行してメインルーチンへリターンする
（＃１０３、１０７、１１０）。

【００６４】直前の撮影情報に基づいて次回の計測の撮
影条件を算定することにより、計測毎に予備計測を行っ
て撮影条件を算定する場合と比べて、予備計測の所要時
間分だけ計測周期を短縮することができる。また、計測
では走査範囲の空間の詳しい情報が得られるので、各回
の計測情報を次回の計測の予備計測情報として利用する
場合には、例えば一方向にスリット光Ｕを投射する予備
計測による場合と比べて、より的確な撮影条件の算定が
可能である。

【００６５】図１５は投射角度の演算のフローチャート
である。まず、距離画像を解析して対物間距離の代表値
を決定する（＃１０５１）。その決定方法には次の〜
を含む種々の方法がある。

【００６６】画像全体から均一に画素をサンプリング
し、最も短い距離を代表値とする。これによれば、画像
中の背景部分の距離を代表値とする誤りを避けることが
できる。

【００６７】画像の中央付近の縦横に並ぶ複数個の画
素をサンプリングし、距離の平均値又は中間値を代表値
とする。この方法は、ノイズの影響が小さい利点をも
つ。ととを組み合わせた方法であり、画像を均等に分
割した各エリアから縦横に並ぶ複数個の画素をサンプリ
ングするものである。

【００６８】次に、代表値、画素ピッチなどの装置条
件、及び焦点距離などの撮影条件に基づいて、三角測量
の原理を適用して実際の距離を求める（＃１０５２）。
そして、求めた距離の位置の前後の所定範囲が計測対象
となるように、スキャンニングにおける投射の開始角度
及び終了角度を設定する。

【００６９】図１６はスリット光量の演算のフローチャ
ートである。メモリ６３のメモリバンク６３Ｃが記憶す
るｎ番目のフィールドの受光データ（反射光量）を均一
にサンプリングし、最も大きいサンプリング値を代表値
とする。このとき、最も大きいサンプリング値が上限値
である場合、すなわち計測用センサ５３の受光量が飽和
している場合には、（ｎ±１）番目のフィールドの注目
画素の受光データに基づいて補間演算によって最大光量
を求め、その結果を代表値とする（＃１０６１）。

【００７０】次に、代表値に応じて、計測用センサ５３
の受光量が最適値になるように、スリット光量の設定値
を増減する（＃１０６２）。このとき、必要に応じてス
リット光量の調整と合わせて計測用センサ５３の露出時
間を調整することにより、受光量を最適化する。

【００７１】図１７は図１４の設定処理のフローチャー
トである。操作又はコマンド入力による撮影距離の指定
がなければ、スリット光Ｕを照射して撮影情報に基づい
て対物間距離を求め、求めた距離の位置の前後の所定範
囲が計測対象となるように、スキャンニングにおける投
射の開始角度及び終了角度を設定する（＃１０１１〜１
０１５）。そして、スリット光量の指定がない場合は、
撮影情報に基づいて、計測用センサ５３の受光量が最適
値になるようにスリット光量の設定値を増減する（＃１
０１５、１０１９）。

【００７２】撮影距離の指定があり且つスリット光量の
指定がない場合は、スリット光Ｕを照射し、撮影情報に
基づいてスリット光量の設定値を増減する（＃１０１６
〜１０１９）。

【００７３】図１８はホスト３の計測処理のフローチャ
ートである。３次元カメラ２に対してスタートコマンド
を送出し、撮影条件データＤＳの入力を待つ（＃３１、
３２）。撮影条件データＤＳの入力に呼応して、距離画
像ＤＧを１回分の計測情報として取り込む（＃３３）。
そして、距離画像ＤＧに対する情報処理を行う（＃３
４）。この情報処理としては、距離画像ＤＧと撮影条件
とに基づく座標演算、距離画像ＤＧの記録媒体への書込
みなどがある。予め定められた終了条件（時間、取り込
み数終了操作）が成立するまで、撮影条件データＤＳの
入力に呼応した最新の距離画像ＤＧの取り込みを繰り返
す。

【００７４】終了条件が成立すると、３次元カメラ２に
対してストップコマンドを送出し、計測処理を終える
（＃３５）。なお、ユーザーは、ホスト３のディスプレ
イ３ｂ上で距離画像ＤＧを表示させて計測の状況をモニ
ターすることができる。距離画像ＤＧと２次元のカラー
撮影画像とを表示させることも可能である。

【００７５】上述の実施形態によれば、撮影条件データ
ＤＳが距離画像ＤＧの取り込み制御信号として利用され
るので、取り込み制御信号を別途に設ける必要がない。
ユーザーは、コンティニュアスモードにおける計測の周
期を、用途に応じてフレーム単位で変更することができ
る。

【００７６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、計測の受光条
件設定の精度を確保しつつ、周期的に計測を行う場合の
周期の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】計測システムにおける３次元位置の算出の原理
図である。

【図５】出力処理回路及びメモリのブロック図である。

【図６】センサの読出し範囲を示す図である。

【図７】重心演算回路のブロック図である。

【図８】光学系の各点と物体との関係を示す図である。

【図９】コンティニュアスモードにおける３次元カメラ
の動作を示すタイムチャートである。

【図１０】コンティニュアスモードにおける３次元カメ
ラの動作を示すタイムチャートである。

【図１１】ワンショットモードにおける３次元カメラの
動作を示すタイムチャートである。

【図１２】３次元カメラのシステムコントローラの動作
のメインフローチャートである。

【図１３】第１スキャンシーケンス及び第２スキャンシ
ーケンスのフローチャートである。

【図１４】図１３のスキャンニング処理のフローチャー
トである。

【図１５】投射角度の演算のフローチャートである。

【図１６】スリット光量の演算のフローチャートであ
る。

【図１７】図１４の設定処理のフローチャートである。

【図１８】ホストの計測処理のフローチャートである。

【符号の説明】

２３次元カメラ（３次元計測装置）４０投光系（投光手段）５３計測用センサ（撮像手段）６１システムコントローラ（制御手段）Ｑ物体Ｕスリット光（検出光）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上古琢人大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者井手英一大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【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有し、光投影法によって物体形状を
計測する３次元計測装置であって、周期的に計測する連続計測モードが設けられ、連続計測モードにおいて、２回目以降の計測の受光条件
を、その１回前の計測時に前記撮像手段によって得られ
た撮像情報に基づいて設定する制御手段を有しているこ
とを特徴とする３次元計測装置。