JPH10213423A - 三次元形状の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 時空列空間コード化を小型、軽量に実現し、
さらに、均一な光度分布を持ったスリット光により精度
良く三次元形状の計測を行うこと。 【解決手段】 スリットの幅を順次変化させる空間コー
ド化パターンに基づいて複数のスリット光を照射するス
リット光照射手段１と、このスリット光照射手段１によ
ってスリット光が照射された測定対象物を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮像されたスリット光投影画像
に基づいて空間コード化画像を生成すると共に当該空間
コード化画像に基づいて測定対象物の座標を算出する画
像処理プロセッサ５１とを備えている。しかも、スリッ
ト光照射手段１は、撮像手段の撮像タイミングと同期し
てレーザ光を点滅させながら出力するレーザ光源３１
と、このレーザ光源の点滅周期を空間コード化パターン
とに基づいて変化させるレーザドライバ４２と、レーザ
光源３１からのレーザ光を撮像手段の露光時間内に走査
する走査手段とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状の測定
装置に係り、特に、レーザー光の走査により非接触で三
次元形状の計測を行う三次元形状の計測装置に関する。

【０００２】このような三次元計測装置は、製品の検査
を自動化するために開発された手法であり、製品の立体
形状検査、寸法測定、組み立てよう位置決めなどの一般
にロボット・ビジョンと呼ばれる分野で用いられる。さ
らに、四輪や二輪などのクレイモデルの形状をＣＡＤに
入力するための装置への応用も考えられる。

【０００３】

【従来の技術】従来、非接触での三次元計測方法には様
々な方法があり、一長一短があった。例えば、レーザ・
スリット光と、ＣＣＤカメラを用いた光切断法による三
次元計測方法では、スキャナ、ミラー、半導体レーザな
どコンパクトな部品で構成できるという長所がある。こ
れは、図７に示すように、Ｎ本のスリットを有するスリ
ット画像を得るために、Ｎ回撮像を繰り返している。

【０００４】一方、図７に示す時系列空間コード化法で
は、位相、ピッチの異なるいくつかのストライプ・パタ
ーンを投影して空間をコード化するため、２５６本に空
間をコード化する場合、log₂２５６＝８枚の画像を取り
込むだけですみ、実時間並列処理を行えば０．５秒程度
で計測できるという長所がある（例えば、「三次元画像
計測，井口征士，佐藤宏介，１９９２，昭晃堂」）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例による時系列空間コード化法では、複数のストライ
プパターンを発生させるためのマスクとして、特殊な液
晶シャッターが必要であり、高速化に限界があった。さ
らに、この従来例では、ハロゲンランプやレンズ系を用
いるため装置全体をコンパクトにできず、また、発熱量
が大きい、という不都合があった。

【０００６】一方、時系列空間コード化法は、図８に示
すように、１本のスリット光で空間をコード化するた
め、Ｎ本のスリット画像を得るためにはＮ回の画像入力
・処理が必要である、という不都合があった。しかも、
すべての処理を実時間で処理する専用のハードウェアを
用いても、実用になる２５６本程度のスリット画像を得
るには８秒程度の長い計測時間が必要であった。

【０００７】このように、従来例では、精度良く高速に
三次元形状の計測を行うことができない、という不都合
があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、時空列空間コード化を小型、軽量に実現
し、さらに、均一な光度分布を持ったスリット光により
精度良く三次元形状の計測を行うことのできる三次元形
状の計測装置を提供することを、その目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、第
１の手段として、空間コード化パターンに基づいて複数
のスリット光を照射するスリット光照射手段と、このス
リット光照射手段によってスリット光が照射された測定
対象物を撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像され
たスリット光投影画像に基づいて当該測定対象物の座標
を算出する画像処理手段とを備えている。しかも、スリ
ット光照射手段が、前記撮像手段の撮像タイミングと同
期してレーザ光を点滅させながら出力するレーザ光源
と、このレーザ光源の点滅周期を前記空間コード化パタ
ーンとに基づいて変化させるレーザ光源駆動制御部と、
レーザ光源からのレーザ光を前記撮像手段の露光時間内
に走査する走査手段とを備えた、という構成を採ってい
る。これにより前述した目的を達成しようとするもので
ある。

【００１０】レーザ光源は、撮像タイミングと同期して
レーザ光を点滅させながら出力し、走査手段が、このレ
ーザ光を前記撮像手段の露光時間内に走査する。する
と、撮像手段は、露光時間内にレーザ光の点滅の走査に
より生じたスリット投影画像を撮像する。このとき、レ
ーザ駆動制御部は、空間コード化パターンに基づいて、
レーザの点滅周期を変化させる。このように、スリット
光照射手段は、スリットの幅を順次変化させる空間コー
ド化パターンに基づいて、複数種類のスリット光を順次
投影する。

【００１１】このスリット光の投影は、撮像手段の露光
時間内に行われる。このため、走査手段によってレーザ
光を走査することで生じさせるスリット光が、良好に撮
像される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明による一実施の形態
の構成を示すブロック図である。図１に示すように、ス
リットの幅を順次変化させる空間コード化パターンに基
づいて複数のスリット光を照射するスリット光照射手段
１と、このスリット光照射手段１によってスリット光が
照射された測定対象物を撮像する撮像手段と、この撮像
手段１１で撮像されたスリット光投影画像に基づいて空
間コード化画像を生成すると共に当該空間コード化画像
に基づいて当該測定対象物の座標を算出する画像処理手
段（画像処理プロセッサ）５１とを備えている。

【００１３】しかも、スリット光照射手段１は、撮像手
段の撮像タイミングと同期してレーザ光を点滅させなが
ら出力するレーザ光源３１と、このレーザ光源の点滅周
期を空間コード化パターンとに基づいて変化させるレー
ザ光源駆動制御部（レーザドライバ）４２と、レーザ光
源３１からのレーザ光を撮像手段の露光時間内に走査す
る走査手段とを備えている。

【００１４】まず、スリット光照射手段１は、空間コー
ド化パターンに基づいてスリット光を照射する（スリッ
ト光照射工程）。具体的には、撮像手段の撮像タイミン
グと同期して、レーザ光を点滅させながら出力すると共
に、当該レーザ光を撮像手段の露光時間内に走査する
（走査工程）。すなわち、このレーザ光の点滅と当該レ
ーザ光の走査により、スリット光を測定対象物に投影す
る。

【００１５】このとき、スリット光が照射された測定対
象物を撮像する（撮像工程）。この撮像工程で撮像され
たスリット光投影画像に基づいて、当該測定対象物の空
間コード化画像を生成すると共に三次元形状を算出する
（画像処理工程）。

【００１６】また、本実施形態では、レーザドライバ４
２が、画像処理工程の終了後に、レーザ光源の点滅周期
を予め定められた複数の空間コード化パターンに基づい
て変化させる（点滅周期変化工程）。そして、スリット
光照射工程から画像処理工程までを、予め定められた複
数の空間コード化パターンの投影が終了するまで繰り返
す。これにより、極めて短時間で時系列空間コード化法
に必要な空間コード化座標を得ることができる。

【００１７】本実施形態では、撮像手段として、フィー
ルド蓄積モードで動作するＣＣＤカメラ１１を用いてい
る。また、レーザドライバ４２は、ＣＣＤカメラ１１か
ら出力されるフィールド識別信号１４に同期してレーザ
光の点滅時間を制御する点滅時間制御機能を備えてい
る。

【００１８】走査手段は、レーザ光３３を偏向しスクリ
ーン３５にスリット光を投影するミラー２２と、このミ
ラー２２を駆動するガルバノスキャナ２１とを備える。
このように、本実施形態は、半導体レーザ、スキャナミ
ラー、ＣＣＤカメラ、画像処理プロセッサ等の一般的な
部品を用いて、しかも高速な三次元計測を可能にするも
のである。

【００１９】さらに、本実施形態では、ＣＣＤカメラ１
１が、一方及び他方の２つのフィールドを有すると共
に、当該一方のフィールドでパターン露光を行う露光制
御機能を備えている。そして、画像処理プロセッサ５１
が、ＣＣＤカメラの一方のフィールドで露光した画像デ
ータを当該ＣＣＤカメラが他方のフィールドを走査する
間に空間コード化画像へ変換する変換制御機能を備えて
いる。

【００２０】そして、走査手段が、ＣＣＤカメラのフィ
ールド識別信号に同期して一方のフィールドの露光中に
動作する同期機能を備えている。この変換制御機能及び
同期機能により、ＣＣＤカメラ１１の１フレームの半分
の大きさの空間コード化画像をＣＣＤカメラ１１の実時
間で生成することが可能となる。

【００２１】

【実施例】ＣＣＤカメラ１１は、内部同期型のインター
ライン型ＣＣＤカメラで、内部に同期信号発生回路を有
し、外部にフィールド識別信号１４を出力できる構造の
ものである（例えば、SONY XC-75等）。走査方式は、各
フィールの露光時間が１／６０秒となるようにフィール
ド蓄積のインターレースモードで駆動する。

【００２２】ＣＣＤカメラ１１の映像信号は、複合ビデ
オ信号として画像処理プロセッサ５１に入力される。画
像処理プロセッサ５１では、この複合ビデオ信号を５１
２×４８０画素、８ビット輝度信号にデジタル化する。
このデジタル信号は、パーソナルコンピュータ６１に取
り込まれる。パーソナルコンピュー６１タは画像モニタ
６２を有し、デジタイズされた映像は当該画像モニタ６
２に表示する。

【００２３】カメラのレンズの先端には、レーザ光のみ
を透過するバンドパスフィルタ１２が設けられ、外乱光
を排除している。画像処理プロセッサ５１は、二値化、
画像間論理演算などの画像処理が実時間で実行できる汎
用タイプのものを用いている（例えば、SHARP GPB-J
等）。

【００２４】半導体レーザ光源３１は、例えば、波長６
３０ｎｍ，１５ｍＷの可視光を発生する外部パルス同期
型の点滅駆動タイプのもので、外部からの矩形波信号に
正確に同期して点滅する。このレーザ光は、先端の変換
レンズ３２により、均一な照度分布を持ったスリット光
３３に変換される。スリット光３３は、ガルバノスキャ
ナ２１のミラー２２によって偏向され、スクリーン３５
に走査投影される。

【００２５】ガルバノスキャナ２１は、フィールド識別
信号１４に同期した三角波発生器４３からの駆動信号に
より、スキャナドライバ４１によって揺動運動を行う。
また、同様にフィールド識別信号１４に同期した時系列
空間コード化パターン発生器４４からの時系列信号は、
レーザドライバ４２によりスリット光３３を点滅させ
る。

【００２６】本発明による実施例の動作原理は、ＣＣＤ
カメラがシャッタを開けている間、光を蓄積することに
基づく。各信号のタイミングチャートを図２に示す。す
べての信号は、ＣＣＤカメラのフィールド識別信号に同
期して変化する。動作は次のようになる。

【００２７】図２に示す例では、ＥＶＥＮフィールドの
始まりでスキャナミラーは左端に位置している。ＣＣＤ
カメラ１１は、フィールド信号のエッジに同期して電子
シャッターを開き、次の１／６０秒間露光を行う。その
間にスキャナミラーは左端から右端に移動し、レーザ光
３３は空間コード化パターン信号により点滅する。

【００２８】結果として次のタイミングで出力される映
像は、空間的にコード化パターンを投影した画像を撮像
したものと同じ画像が得られる。次の１／６０秒の間に
画像を二値化処理し、ビットプレーンに挿入する。この
画像処理を行っている間にミラーは左端に戻り、次の空
間コード化パターンの指令をＩ／Ｏカード５２から与え
て撮像が始まる。

【００２９】このプロセスを利用して８ビットの空間コ
ード画像を作成するフローを図３に示す。この例では、
コード化誤りを最小にするグレイコードパターンと、二
値化精度向上のために相補パターン投影法を用いてお
り、１６種類のパターンを投影している。

【００３０】図４は、空間コードパターンに８ｂｉｔの
グレイコードパターンを用いて、順に投影した画像の例
を示す説明図である。ここでは、CODE0〜CODE7までのパ
ターンを用いているため、図３に示す処理では、i＝０
〜i＝７まで撮像を繰り返している（ステップＳ２）。
まず、ｉビット目のグレイコードポジパターンを投影し
（ステップＳ３）、ＣＣＤカメラでこれを撮像する（ス
テップＳ４）。このステップＳ４で撮像した画像をＭ１
とする。このフロー中の記号Ｍｉは、画像処理プロセッ
サ内のフレームメモリの番号を表している。

【００３１】さらに、背景のノイズを除去するため、同
一ビットのネガパターンを投影し（ステップＳ５）、こ
れを撮像する（ステップＳ６）。このステップＳ６で撮
像する画像をＭ２とする。

【００３２】次いで、Ｍ１とＭ２の画像の濃淡の差の絶
対値を算出し、この差画像を二値化し（ステップＳ
８）、この二値画像をＭ３とする。さらに、２ⁱのビッ
トプレーンを作成し、これを新たにＭ２とする（ステッ
プＳ８）。次いで、Ｍ２とＭ３とから、ビットプレーン
画像を生成し（ステップＳ９）、このビットプレーン画
像に前回の測定結果を挿入する（ステップＳ１０）。こ
れを繰り返すことで（ステップＳ１１）、空間コード化
画像を得ることができる。さらに、このようにして得ら
れたコード化画像は、三角測量の原理で簡単に三次元座
標に変換することができる。

【００３３】図５（Ａ）は斜方１２面体の表面を連続走
査したテクスチャ画像を示す図で、図５（Ｂ）は最終的
に得られた空間コード化画像をそれぞれ示している（明
るさがコード値に対応）。図６は図５のコード化画像を
三次元座標に変換した鳥瞰図の例であり、正しく座標が
計測されていることがわかる。

【００３４】上述したように本実施例によると、従来の
液晶マスクやハロゲンランプ、また投影光学系を用いた
ものに比べ、投光部を小型・計量に構成でき、発熱量も
ほとんどない。しかも、ハロゲンランプ、レンズからな
る光学系で構成された二次元の照明系と異なり、均一な
光度分布を持ったスリット光を一次元走査するので、空
間的に偏りのない一様な照明を行うことができる。

【００３５】また、機械式スリット、あるいは液晶シャ
ッタなどと異なり、パターンの切換時に応答の遅れがな
く、通常のＮＴＳＣ規格のカメラでは１／３０秒単位の
連続した高速取り込みが可能となる。さらに、レーザ光
を点滅させずに連続点灯して画像を取り込むと、均一な
光度で照明された通常の明暗画像（テクスチャ）を得る
ことができる。

【００３６】そして、一方のフィールドのみを用いて撮
像するため、連続した画像の取り込みの合間に空間コー
ド化画像を得られることができ、このため、特別な並列
処理を行うハードウエアを構築しなくても実時間処理が
でき、実際に、８ビットでコード化するには最高０．３
秒で終了する。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、レーザ光源が、撮像タイミングと
同期してレーザ光を点滅させながら出力し、走査手段
が、このレーザ光を撮像手段の露光時間内に走査するた
め、撮像手段は、露光時間内にレーザ光の点滅の走査に
より生じたスリット投影画像を良好に撮像することがで
き、さらに、レーザ駆動制御部が、空間コード化パター
ンに基づいて、レーザの点滅周期を変化させるため、ス
リットの幅を順次変化させる空間コード化パターンに応
じた複数種類のスリット光を露光時間を単位として順次
投影することができ、従って、撮像手段の１回の露光時
間内に１つのパターンの投影による対象物を撮像でき、
従って、機械的なシャッタと比較して、極めて高速に三
次元形状計測のための画像を得ることができ、さらに、
ハロゲンランプ等の照明ではなく、レーザ光によるた
め、照度分布を均一にしたスリット光による画像を得る
ことができるため、従来例と比較して精度良く三次元形
状の計測をすることができる従来にない優れた三次元形
状の計測装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図１に示すＣＣＤカメラのフィールド識別信号
に同期した各信号の例を示すタイミングチャートであ
る。

【図３】図１に示す構成での空間コード化画像を求める
動作を示すフローチャートである。

【図４】図１に示す構成での８ビットグレイコードパタ
ーン投影画像の例を示す説明図であり、図４（Ａ）〜
（Ｈ）はそれぞれCODE0〜CODE7のパターンが投影された
画像を示す図である。

【図５】図５（Ａ）は斜方１２面体のテクスチャ画像の
例を示す説明図であり、図５（Ｂ）はその空間コード画
像の一例を示す図である。

【図６】図３に示す動作により入力された三次元形状の
表示例を示す説明図である。

【図７】従来の時系列空間コード化法による三次元形状
の計測例を示す説明図であり、図７（Ａ）は側面図、図
７（Ｂ）は平面図、図７（Ｃ）はマスクパターンの例を
示す図である。

【図８】スリット画像を用いて三次元形状を測定する従
来例を示す説明図であり、図８（Ａ）〜（Ｃ）は第１か
ら第Ｎのスリット画像の例を示す図で、図８（Ｄ）はこ
れらから得られるスリット画像の例を示す図である。

【符号の説明】

１ スリット光照射手段 １１ ＣＣＤカメラ １２ バンドパスフィルタ １３ 複合ビデオ信号 １４ フィールド識別信号 ２１ ガルバノスキャナ ２２ ミラー ３１ レーザ光源 ３２ スリット光交換レンズ ３３ スリット光 ３４ 空間コード化パターン ３５ スクリーン ４１ スキャナドライバ ４２ レーザドライバ ４３ 三角波発生器 ４４ 時系列空間コード化パターン発生器 ５１ 画像処理プロセッサ ５２ Ｉ／Ｏカード ５３ パターン選定信号 ６１ パーソナルコンピュータ ６２ 映像モニタ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スリットの幅を順次変化させる空間コー
   ド化パターンに基づいて複数のスリット光を照射するス
   リット光照射手段と、このスリット光照射手段によって
   スリット光が照射された測定対象物を撮像する撮像手段
   と、この撮像手段で撮像されたスリット光投影画像に基
   づいて空間コード化画像を生成すると共に当該空間コー
   ド化画像に基づいて測定対象物の座標を算出する画像処
   理手段とを備えた三次元形状の計測装置において、 前記スリット光照射手段が、前記撮像手段の撮像タイミ
   ングと同期してレーザ光を点滅させながら出力するレー
   ザ光源と、このレーザ光源の点滅周期を前記空間コード
   化パターンに基づいて変化させるレーザ光源駆動制御部
   と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記撮像手段の露
   光時間内に走査する走査手段とを備えたことを特徴とす
   る三次元形状の計測装置。
2. 【請求項２】 前記撮像手段が、フィールド蓄積モード
   で動作するＣＣＤカメラを備え、 前記レーザ光源駆動制御部が、前記ＣＣＤカメラから出
   力されるフィールド識別信号に同期して前記レーザ光の
   点滅時間を制御する点滅時間制御機能を備えたことを特
   徴とする請求項１記載の三次元形状の計測装置。
3. 【請求項３】 前記ＣＣＤカメラが、一方及び他方の２
   つのフィールドを有すると共に当該一方のフィールドで
   パターン露光を行う露光制御機能を備え、 前記画像処理手段が、前記ＣＣＤカメラの一方のフィー
   ルドで露光した画像データを当該ＣＣＤカメラが他方の
   フィールドを走査する間に空間コード化画像へ変換する
   変換制御機能を備え、 前記走査手段が、前記ＣＣＤカメラのフィールド識別信
   号に同期して前記一方のフィールドの露光時間に動作す
   る同期機能を備えたことを特徴とする請求項２記載の三
   次元形状の計測装置。
4. 【請求項４】 空間コード化パターンに基づいて複数の
   スリット光を照射するスリット光照射工程と、このスリ
   ット光照射工程によってスリット光が照射された測定対
   象物を撮像する撮像工程と、この撮像工程で撮像された
   スリット光投影画像に基づいて当該測定対象物の空間コ
   ード化画像を生成する画像処理工程とを備えた三次元形
   状の計測方法において、 前記スリット光照射工程が、前記撮像工程の撮像タイミ
   ングと同期してレーザ光を点滅させながら出力するレー
   ザ光照射工程と、このレーザ光照射工程により照射され
   るレーザ光を前記撮像手段の露光時間内に走査する走査
   工程とを備えたことを特徴とする三次元形状の計測方
   法。
5. 【請求項５】 前記走査工程が、前記画像処理工程の終
   了後に、前記レーザ光の点滅周期を予め定められた複数
   の空間コード化パターンに基づいて変化させる点滅周期
   変化工程を備え、 前記スリット光照射工程から画像処理工程までを、予め
   定められた前記複数の空間コード化パターンの投影が終
   了するまで繰り返すことを特徴とする請求項４記載の三
   次元形状の計測方法。