JPH102711A - 3次元計測装置 - Google Patents
3次元計測装置Info
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- JPH102711A JPH102711A JP8157068A JP15706896A JPH102711A JP H102711 A JPH102711 A JP H102711A JP 8157068 A JP8157068 A JP 8157068A JP 15706896 A JP15706896 A JP 15706896A JP H102711 A JPH102711 A JP H102711A
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Abstract
定し、高精度で且つ高速の3次元計測を実現する。 【解決手段】検出光を投射して物体を光学的に走査する
ための投光手段と、物体で反射した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、計測に先立って計測時における投射
角度範囲の一部のみに検出光を投射して物体を撮影し、
それにより得られた撮影情報に応じて計測条件を設定す
る自動設定機能を設ける。
Description
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。
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三角測量の原
理により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。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射法も知られている。
図、図27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を投射し、その反射光を例えば2次元
撮像デバイス(エリアセンサ)の撮像面S2に入射させ
る〔図26(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26
(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26(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26(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(後側主点)である。以下に
おいて、像距離bを実効焦点距離Frealということ
がある。
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)とがなす角度である。
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27(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。
提としたものである。実際の厚肉レンズ系では、図27
(c)のように主点Oは前側主点Hと後側主点H’とに
分かれる。
可変としたレンジファインダには、パッシブ型測距セン
サが設けられている(特開平7−174536号)。測
距の結果は、AF(オートフォーカシング)、及び投射
光強度との設定に用いられている。
距センサでは、レンズの焦点距離、対象物のコントラス
ト分布などによって、誤差が大きくなることがある。そ
れに対して、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。測距の分解能の向上により、AF用レンズの位
置・検出光の投射角度範囲といった計測条件を詳細に設
定して計測の精度を高めることができる。また、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、計測環
境情報とし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、より適切な受光量条
件(投射光量、受光感度など)の設定が可能となる。
測時と同様の光学的走査を実施すると、予備計測とその
後の計測とを合わせた動作の所要時間、すなわち1回の
計測時間が長くなってしまう。また、撮影範囲内の全て
のサンプリング点に対して予備計測の演算を行うと、そ
の演算量は多大であり、予備計測の所要時間が長くなっ
てしまう。
境を効率的に測定し、高精度で且つ高速の3次元計測を
実現することを目的としている。
査を行わず、単一又は複数の特定の方向に検出光を投射
する予備計測を行う。特定の方向は、固定でもよいし、
別途に設けたセンサの出力に応じて計測毎に設定しても
よい。予備計測時の投射範囲を計測時に比べて狭くする
ことにより、予備計測の所要時間を短縮することができ
る。加えて、撮像手段の受光面の一部分の撮影情報のみ
を用いるようにすれば、撮影情報の読み出し時間が短く
なるので、さらに予備計測の所要時間を短縮することが
できる。
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、計測に先立って計測時における投射角度範囲の一
部のみに検出光を投射して物体を撮影し、それにより得
られた撮影情報に応じて計測条件を設定する自動設定機
能を有している。
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、計測に先立って検出光を投射して物体を撮像し、
その受光出力の一部のみに応じて計測条件を設定する自
動設定機能を有している。
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の
上側にある。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2
0a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(LCD)21、カーソルボタン2
2、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。
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
90nm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、
計測用のイメージセンサ53に入射する。可視帯域の光
は、モニタ用のカラーイメージセンサ54に入射する。
イメージセンサ53及びカラーイメージセンサ54は、
どちらもCCDエリアセンサである。ズームユニット5
1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。
ライバ55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によってイメージセン
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NTSC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、イメージセンサ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6
1は、キャラクタジェネレータ71に対して、LCD2
1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。また、メモリ63はシステムコントローラ61
にも記憶内容を出力することができる。
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26及び図27と対応する要素には同一の符号を
付してある。
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S2
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イメージセンサ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うちの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。求めたタイミングにおける
スリット光の投射方向と、注目画素g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がイメージセンサ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における各画素gに対応した計測データの
生成は、出力処理回路62が担う。
ブロック図、図6はイメージセンサ53の読出し範囲を
示す図である。出力処理回路62は、クロック信号CK
を出力するクロック発生回路620、イメージセンサ5
3の出力する光電変換信号のレベルを最適化するための
増幅器621、クロック信号CKに同期して各画素gの
光電変換信号を8ビットの受光データDgに変換するA
D変換器622、直列接続された4つのフレームディレ
イメモリ623〜626、コンパレータ627、フレー
ム番号(サンプリング番号)FNを指し示すジェネレー
タ628、及びマルチプレクサ629を有している。増
幅器621のゲインは可変であり、システムコントロー
ラ61によって適切な値に設定される。4つのフレーム
ディレイメモリ623〜626は、イメージセンサ53
の各画素gについて5フレーム分の受光データDgを同
時にメモリ63に出力するために設けられている。
Dgを記憶するための5つのメモリバンク63A〜E
と、画素g毎に特定のフレーム番号FNを記憶するため
のメモリバンク63Fと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、イメージセンサ53の有効画素数)と同数個の受光
データDgを記憶可能な容量をもち、メモリバンク63
Fはサンプリング点数と同数個のフレーム番号FNを記
憶可能な容量をもつ。メモリバンク63B〜Fには、書
込み信号としてコンパレータ627の出力信号S627
が共通に加えられる。これに対して、メモリバンク63
Aには、出力信号S627とクロック信号CKの2つの
信号のうち、マルチプレクサ629によって選択された
一方の信号が書込み信号として加えられる。クロック信
号CKは後述の予備計測において書込み信号として選択
される。つまり、予備計測ではAD変換器622の変換
動作と同期してメモリバンク63Aの書込みが行われ
る。
計測と呼称する)において、イメージセンサ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6のように撮像面S2の一部の有
効受光エリア(帯状画像)Aeのみを対象に行われる。
有効受光エリア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
効受光エリア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Dg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623〜626
は、31(=32−1)ライン分の容量をもつFIFO
である。AD変換部622から出力された注目画素gの
受光データDg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63C
が記憶する注目画素gについての過去の受光データDg
の最大値と比較される。遅延された受光データDg(フ
レームディレイメモリ624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622の出力及
び各フレームディレイメモリ623〜626の出力が、
メモリバンク63A〜E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Dgに対応したフレーム番号FNが格納
される。すなわち、n番目(n<N)のフレームで注目
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)番目のフレームのデータが格納さ
れ、メモリバンク63B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63Cにn番目のフレ
ームのデータが格納され、メモリバンク63D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
63E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63F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244×256とする。すなわち、実
質的なフレーム数Nは244であり、撮像面S2におけ
るスリット長さ方向の画素数は256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イメージセンサ53の
入射光量をできるだけ多くするためである。
れを示す図、図8はホスト3におけるデータの流れを示
す図、図9は光学系の各点と物体Qとの位置関係を示す
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
が演算により算出され、算出結果に基づいてバリエータ
レンズの移動制御が行われる。投光側のレンズ制御は、
撮影距離及び画角に係わらず、イメージセンサ53に5
画素分の幅のスリット光Uを入射させるためのものであ
る。
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F
H、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〔図27(c)参照〕。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。
の方向にスリット光Uを投射して計測環境を測定する本
発明に特有の予備計測(詳細は後述する)を実行し、予
備計測で得られた撮影情報に基づいて対物間距離dを求
め、その対物間距離dに基づいて、繰り出し量Edを再
設定するとともにレンズ駆動を行い、本計測の動作設定
をする。設定項目には、半導体レーザ41の出力(レー
ザ光強度)、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)などがある。対物間距離dの算
定に際しては、測距基準点である受光系の前側主点Hと
投光の起点AとのZ方向のオフセットdoffを考慮す
る。偏向条件の算定に際しては、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。 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本計測が行われる。物
体Qが走査され、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)Dsがホスト2へ送られる。同時に、偏向
条件(偏向制御データD43)及びイメージセンサ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。
設定に際して、上述の式に代えて次の式を適用すれば、
測定可能距離範囲を光軸方向にシフトさせることができ
る。 th1=tan-1〔(β×pv(np/2+8+pit
choff)+L)/(d+doff)〕×180/π th2=tan-1〔−(β×pv(np/2+8+pi
tchoff)+L)/(d+doff)〕×180/
π pitchoff:測定可能距離範囲のシフト量 後述のように対物間距離の算定の基準位置を物体の近接
位置(3次元カメラ2側)に設定し、その前後に計測可
能範囲d’を設定すると、前側(3次元カメラ2側)の
計測可能範囲が無駄になることが多い。したがって、シ
フト量pitchoffを設定して、前側25%、後側
75%の割合になるように計測可能範囲d’を後側へシ
フトさせるのが望ましい。シフト後の計測可能範囲d”
は図14に示す範囲となる。
32画素幅である場合(つまり、CCDエリアセンサが
32ラインの読出し幅をもつ場合)、シフト量pitc
hoffを「8」とすれば、上述の割合の計測可能範囲
が設定される。
ット重心演算、歪曲収差の補正演算、カメラ視線方程式
の演算、スリット面方程式の演算、及び3次元位置演算
が実行され、それによって244×256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(サンプリング点と前側主
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Dg(i)を
用いて(4)式で与えられる。 Npeak=n+Δn …(4) Δn=〔−2×Dg(n−2)−Dg(n−1)+Dg
(n+1)+2×Dg(n+2)〕/ΣDg(i) (i=n−2,n−1,n,n+1,n+2) 又は Δn=[−2×〔Dg〔n−2)−minDg(i)〕
−〔Dg(n−1)−minDg(i)〕+〔Dg(n
+1)−minDg(i)〕+2×〔Dg(n+2)−
minDg(i)〕]/ΣDg(i) 5つの受光データの内の最小のデータminDg(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)〕 …(5) (v−v0)=(yp)=(b/pv)×〔Y/(Z−FH)〕 …(6) 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(7)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
(8)式及び(9)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。
いて説明する。3次元カメラ2は、予備計測の結果に基
づいて本計測の条件(投射角度範囲及びレーザ光強度)
を設定する。予備計測では、本計測とは違ってスリット
光Uの偏向は行われず、一方向のみにスリット光Uが投
射される。投射方向はズーミング状態、及び別途に設け
られたパッシブ型測距センサの出力に応じて選定され
る。投射は、短期間内に断続的に計3回行われ、その際
に投射毎にレーザ光強度(投射光強度)が大きい値から
小さい値へ変更される。つまり、強度A,B,C(A>
B>C)の3種のスリット光Uによる計測が行われる。
各強度A〜Cのスリット光Uの投射時にイメージセンサ
53によって得られた撮影情報は、メモリ63のメモリ
バンク63Aに一旦格納された後、所定の演算に用いら
れる。メモリバンク63Aからの撮影情報(受光データ
Dg)の読出しは、撮像面S2の全体ではなく一部分の
みを対象に行われる。このように本実施形態において
は、投射方向及び撮影情報の読出し範囲を限定すること
によって予備計測の所要時間の短縮が図られており、強
度の異なる3種のスリット光Uを投射することによって
信頼性が高められている。
を示す図である。予備計測においては、イメージセンサ
53の撮像面S2を構成する244×255個の画素の
うち、5つのラインv1〜5の画素がサンプリングの対
象となる。各ラインv1〜5は、Y方向(スリット光の
偏向方向)の一端から他端までの画素列であり、X方向
の中央付近でほぼ等間隔に並んでいる。各ラインv1〜
5のX方向の座標(画素番号)は、順に110,12
0,128,140,150であり、AFセンサ57の
測距エリアA57の範囲内の値に選定されている。一般
に、計測に際しては計測対象物体の真正面に3次元カメ
ラ2が配置されるので、できるだけ少ないサンプリング
点数で有効な情報を得ようとする場合、撮像面S2の中
央付近がサンプリング点として好適である。
点との関係を示す図である。例えば物体Qが球である場
合には曲線状のスリット画像GSが撮影される。予備計
測における最初の投射時には、各ラインv1〜5につい
て全ての画素のデータがメモリバンク63Aから読み出
され、スリット画像GSに対応した画素のY方向の座標
(スリット画像位置)が検出される。図11(a)中の
黒丸はスリット画像位置を示している。これに対して、
2回目及び3回目の投射時には、既にスリット画像位置
が検出されているので、時間を節約するために、各ライ
ンv1〜5についてスリット画像位置及びその両側の画
素gを合わせた3個の画素gのデータのみがメモリバン
ク63Aから読み出される。図11(a)中の斜線を付
した画素gがスリット画像位置に対応する。
容の模式図である。予備計測テーブルT5は、システム
コントローラ61に内蔵されている図示しないRAMに
設けられる。上述の各強度A〜Cのスリット光Uを投射
したときの受光データDg及びそれに基づいて得られた
所定のデータ(スリット画像位置など)が予備計測デー
タとしてラインv1〜5毎に格納される。
表例を示すグラフである。図13(a)の例では、強度
A〜Cにおける受光レベルは飽和レベル(受光のダイナ
ミックレンジの上限)より低い。図13(a)の例では
強度Aにおいて受光が飽和している。
境光や信号ノイズの影響がなければ、強度A〜Cと受光
データDgとの間に比例関係が成立する。したがって、
各強度A〜Cの受光データDgの値から、任意の投射光
強度における受光レベルを推測することができる。言い
換えれば、最適の受光レベルの得られる投射光強度を演
算で求めることができる。強度A〜Cの大小関係と受光
データDgの大小関係とが一致しない場合は、受光デー
タDgの信頼性に問題がある。上述の予備計測テーブル
T5には、各ラインv1〜5のデータの適否判別の結果
も格納される。
ンv1〜5の中から後述の要領で選択したラインのスリ
ット画像位置に基づいて三角測量法によって対物間距離
を求め、本計測のレンズ位置条件を設定する。これによ
り計測可能範囲が定まる。その後、システムコントロー
ラ61は、5つのラインv1〜5のうち、計測可能範囲
内のラインの予備計測データに基づいて、本計測の投射
光強度を最適化する。
するための図、図15は図14に対応した最適強度を示
すグラフである。図14(a)において、背景面SBの
前面側に立方体状の物体Qが置かれている。図14
(b)は物体Qに向かってスリット光Uを投射したとき
のスリット画像GSを示している。撮像面S2の各ライ
ンv1〜5のスリット画像位置をP1〜5とする。図1
4(c)は、各スリット画像位置P1〜5と物体Qとの
位置関係を示す平面図である。図14(b)及び(c)
のように、スリット画像位置P2,P3が物体Qに対応
し、他の3つのスリット画像位置P1,P4,P5は背
景面SBに対応する。
距離の算定の基準位置(ピントを合わせる位置)である
ものとする。黒丸を囲む○印が基準位置であることを表
している。基準位置の選定によって計測可能範囲d’が
決まる。図14(c)のように、スリット画像位置P
2,P3は計測可能範囲d’の内側であるが、他の3つ
のスリット画像位置P1,P4,P5は、計測可能範囲
d’の外側であって本計測時には撮影されない。図中の
×印は、本計測の対象外であることを表している。本計
測の投射光強度は、本計測時の撮影対象に対応したスリ
ット画像位置P2,P3を含むラインv2,v3の予備
計測データに基づいて設定される。
インv2,v3の受光量の実測値から、各スリット画像
位置P2,P3について最適レベルが得られる投射光強
度を求める。そして、得られた2つの投射光強度のう
ち、値の小さい方を本計測の設定値として採用する。計
測可能範囲d’の内側のスリット画像位置が3以上であ
れば、それらについて求めた最適の投射光強度のうちの
最小値を採用する。最小値を採用するのは、受光の飽和
を避けるためである。
機能をさらに詳しく説明する。図16はシステムコント
ローラ61が実行する自動設定処理のメインフローチャ
ートである。
Uの投射方向を決める予備計測条件の設定(#10)、
スリット光Uを投射しないときの環境情報を得る環境光
画像の撮影(#20)、3段階の強度A〜Cのスリット
光Uを投射して環境情報を得るスリット画像の撮影(#
30)、予備計測の信頼性を高めるための撮影情報の適
否判別(#40)、対物間距離を求める距離演算(#5
0)、及び予備計測の結果に応じた動作設定をする本計
測条件の設定、の各処理を順に実行する。
ートである。まず、その時点のズーム段階zoomに応
じて、上述の3段階の強度A,B,Cのそれぞれの値を
設定する(#100)。ズーム段階zoomの段数は例
えば9であり、ズーム刻み値fpによって特定される。
強度A,B,Cを可変とすることにより、有効な測距結
果を容易に得ることができる。
01)。ズーム段階zoomが4以上であるテレ状態の
場合には、AFセンサ57によるパッシブ形式の測距の
精度が比較的に高いので、その測距結果を用いることが
できる。したがって、ズーム段階zoomと繰り出し量
Edとから、前側主点位置FH、実効焦点距離Frea
l、及び対物間距離d0 を算出し(#102、10
3)、その後に受光軸と物体面との交点にスリット光U
が入射するような投射角度を算出する(#104)。そ
して、算出した投射角度に対応した回転角度位置にガル
バノミラー43をセットする(#105)。
式の測距の精度が低いものの、受光系の視野が広いの
で、遠近の2とおり程度の投射方向の切換えを行えば、
物体で反射したスリット光Uを受光することができる。
そこで、前側主点位置FH及び実効焦点距離Freal
としてズーム段階zoomに応じた固定値を設定した
後、繰り出し量Edに応じた既定の角度を投射角度とす
る(#106〜109)。そして、テレ状態の場合と同
様に投射角度に対応した回転角度位置にガルバノミラー
43をセットする(#105)。
ーチャートである。撮影モードを予備計測のためのモー
ドに切り換える(#201)。すなわち、イメージセン
サ53については、撮像面S2の全画素の光電変換信号
を読み出すモードとし、メモリバンク63Aの書込み信
号がクロック信号CKとなるように出力処理回路62の
マルチプレクサ629の入力選択をする。これにより、
撮影毎にイメージセンサ53の1画面分(撮像面S2の
全域)の撮影情報がメモリバンク63Aに格納される。
を初期値の「1」とし(#202)、イメージセンサ5
3を制御するCCD駆動処理を行う(#203)。具体
的には、ドライバ55に対して積分(電荷蓄積)の開始
及び終了を指示する。続いて、撮影情報(受光データD
g)をメモリバンク63Aに格納するデータ転送処理を
行い(#204)、メモリバンク63Aから上述した5
本のラインv1〜5の受光データDgを読み込む(#2
05)。
ローチャートである。このルーチンおいて、半導体レー
ザ41をパルス点灯させて計3回の撮影を行う。図11
で説明したように1回目の撮影情報はスリット画像位置
を検出する上で特に重要である。レーザ光強度(投射光
強度)が大きいほどノイズの影響を受けにくい。したが
って、1回目の撮影のレーザ光強度を強度Aに設定する
(#310)。続いて、投光・受光制御(#320)、
強度Aの場合のサンプリング(#330)を順に実行す
る。投光・受光制御は、次の〜の処理からなる。 イメージセンサ53のドライバ55に対して積分の開
始を指示する。 LDドライバ44に対して点灯を指示する。 所定時間の経過を待ってLDドライバ44に対して消
灯を指示する。 積分の終了を指示する。 1画面分の受光データDgをメモリバンク63Aに格
納する。 次に2回目の撮影に移り、レーザ光強度を強度Bに設定
する(#340)。1回目と同様の投光・受光制御(#
350)を実行した後、強度Bの場合のサンプリング
(#360)を実行する。
強度Cに設定し(#370)、1回目及び2回目と同様
の投光・受光制御(#380)を実行した後、強度Cの
場合のサンプリング(#390)を実行する。強度Cの
場合のサンプリングの内容は、強度Bの場合のサンプリ
ング(#360)と同様である。
ローチャートである。サンプリング対象の5本のライン
v1〜5のうちの第1番目のラインv1を注目ラインと
して選択する(#3301)。予備計測テーブルT5に
格納されている注目ラインのレーザ光量測定値Jを最小
値に初期化する(#3302)。注目ラインの先頭画素
を注目画素として選択し、メモリバンク63Aから注目
画素の受光データDgを読み出す(#3304)。そし
て、読み出した受光データDgから、上述の環境光画像
の撮影ルーチンで読み出しておいた当該注目画素の受光
データ(環境光成分)を差し引き、レーザ光成分jを算
出する(#3305)。レーザ光成分jが最低限の受光
レベル(スリット光Uと認められる最低値)より大きく
且つその時点のレーザ光量測定値Jより大きい場合は
(#3306、3307)、注目画素のY座標をスリッ
ト画像位置として予備計測テーブルT5に書き込み(#
3308)、強度Aのレーザ光量測定値Jとしてレーザ
光成分jを書き込む(#3309)。その後、次の画素
に注目する(#3310、3314)。#3306又は
#3307でノーであれば、予備計測テーブルT5を更
新せずに次の画素に注目する。注目ラインの全ての画素
を順に注目してレーザ光成分jとレーザ光量測定値Jと
を比較することにより、注目ラインの中で最も明るい画
素を検出することができる。その最も明るい画素がスリ
ット画像位置に対応する。各画素のレーザ光成分jどう
しを比較するので、環境光成分を含む受光データDgど
うしを比較する場合と比べて、位置検出の誤りが少な
い。
が終われば、次のラインに注目して同様の処理を繰り返
す(#3311、3315)。5本のラインv1〜5に
対する比較処理が終われば、少なくとも1本のラインに
おいてスリット画像位置を検出したか否か、すなわち所
定値以上の明るさの画素が存在したか否かをチェックす
る(#3312)。スリット画像位置が見つかり且つ各
ラインv1〜5におけるレーザ光成分jの最大値が所定
の基準(重心演算の値として採用可能な最低値)に達し
ていればリターンし、達していなければ出力処理回路6
2の増幅器621のゲインを1ステップ大きい値に更新
する(#3316、3317)。ゲインの更新の後、環
境光画像の撮影処理へ戻って撮影をやり直す。なお、#
3316で既にゲインが上限に達していたら適切なメッ
セージを表示するエラー処理を実行する(#331
8)。スリット画像位置が見つからなかった場合も、増
幅器621のゲインを一段上げ(#3316、331
7)、環境光画像の撮影処理へ戻って撮影をやり直す。
ローチャートである。サンプリング対象の5本のライン
v1〜5のうちの第1番目のラインv1を注目ラインと
して選択する(#3601)。予備計測テーブルT5に
注目ラインにおけるスリット画像位置が格納されている
か否かを確認する(#3602)。格納されていない場
合は次のラインに注目する。
は、注目ラインのレーザ光量測定値Jを最小値に初期化
した後、スリット画像位置の1つ前の画素に注目する
(#3603、3604)。注目画素の受光データDg
をメモリバンク63Aから読出し(#3605)、上述
の要領で環境光成分を差し引いたレーザ光成分jを算出
する(#3306)。レーザ光成分jがその時点のレー
ザ光量測定値Jより大きい場合は、強度Bのレーザ光量
測定値Jとしてレーザ光成分jを予備計測テーブルT5
に書き込む(#3307、3308)。そして、次の画
素に注目して同様の処理を行う(#3609、361
1)。つまり、各画素のレーザ光成分jを比較し、注目
ラインにおけるレーザ光成分jの最大値を記憶する。ス
リット画像位置とその前後を合わせた計3個の画素に対
する処理が終われば、次のラインに注目して前ラインと
同様に3画素のレーザ光成分jのうちの最大値を記憶す
る(#3610、3612)。5本のラインv1〜5に
に対する処理が終われば、図19のフローにリターンす
る。
ローチャートである。サンプリング対象の5本のライン
v1〜5のうちの第1番目のラインv1を注目ラインと
して選択し(#401)、予備計測テーブルT5に注目
ラインにおけるスリット画像位置が格納されているか否
かを確認する(#402)。スリット画像位置が格納さ
れていない場合は、注目ラインの予備計測データを無効
と判定し、その旨を示すフラグを予備計測テーブルT5
にセットする(#410)。そして、次のラインに注目
する(#411、412)。
は、次の要領で予備計測データの適否を判別する。ま
ず、スリット画像位置における強度Aの受光データDg
(環境光成分+レーザ光成分)が飽和レベルであるか否
かをチェックする(#403)。強度Aの受光データD
gが飽和レベルであれば、強度Bの受光データDgが飽
和レベルであるか否かをチェックする(#413)。強
度Bの受光データDgも飽和レベルであれば、さらに強
度Cの受光データDgが飽和レベルであるか否かをチェ
ックする(#414)。強度A,B,Cの受光データD
gのいずれもが飽和レベルであれば、注目ラインの予備
計測データを無効と判定する(#410)。
が飽和レベルでなければ、強度と受光量との関係が正し
いか否かをチェックする。すなわち強度Aのレーザ光成
分であるレーザ光量測定値Jが強度Bのレーザ光量測定
値Jより大きいか否かを確かめ(#404)、強度Bの
レーザ光量測定値Jが強度Cのレーザ光量測定値Jより
大きいか否かを確かめる(#405)。#413でノー
の場合も#405のチェックを行う。強度の大小とレー
ザ光量測定値Jの大小との関係が反転している場合は、
明らかに異常であるので、注目ラインの予備計測データ
を無効と判定する(#410)。強度の大小とレーザ光
量測定値Jの大小との関係が適正であれば、強度A(又
は強度B)のレーザ光量測定値Jと強度が零のときの測
光値である環境光成分とから、図13で説明したグラフ
の傾きを求め、強度Cにおけるレーザ光成分の推定値を
算出する(#406)。このとき、強度Aの受光データ
Dgが飽和レベルである場合にのみ強度Bのレーザ光量
測定値Jを用いる。より大きいレーザ光量測定値Jを用
いる方が、グラフの傾きの誤差を少なくする上で有利で
ある。
算出した推定値との差が許容範囲内であれば(#40
7)、注目ラインの予備計測データを有効と判定し(#
408)、強度A,B,Cのうちで受光データDgが非
飽和域である最も大きい強度の予備計測データを本計測
の条件設定のためのデータとして記憶する(#40
9)。そして、次のラインに注目して先頭ラインと同様
の処理を繰り返す。最良の場合は5ラインv1〜5のそ
れぞれから条件設定のためのデータが選定されることに
なる。実測値と推定値との差が許容範囲を越える場合
は、注目ラインの予備計測データを無効と判定する。
トである。5ラインv1〜5の全てにおいて予備計測デ
ータの信頼度が低い場合、すなわち5ラインv1〜5の
予備計測データが無効と判定された場合には、エラー処
理を実行してメインルーチンへリターンする(#50
1、510)。
データが有効であれば、第1番目のラインv1に注目す
る(#502)。注目ラインの予備計測データが有効で
あれば、スリット画像位置に基づいて三角測量法を適用
して対物間距離dを算出する(#503、504)。そ
して、次のラインに注目する(#505、509)。注
目ラインの予備計測データが無効であれば、対物間距離
dを算出せずに次のラインの処理に移る。
時点で、最大5個の対物間距離dの算出値が記憶されて
いる。ズーミングがテレ状態であれば、上述したように
AFセンサ57によるパッシブ測距の精度が高いので、
パッシブ測距の結果に最も近い対物間距離dの算出値を
対物間距離の測定値として選択する(#506、50
7)。一方、ワイド状態であれば、対物間距離dの算出
値のうちの最小値を測定値として選択する(#50
8)。通常、計測対象の物体Qが3次元カメラ2に近
く、背景となる被写体は遠い位置に存在するからであ
る。
ーチャートである。測定値として選択された対物間距離
dの示す物体位置が計測可能範囲であれば、次の3つの
設定処理を行う。まず、ズーム段階zoomと選択され
た対物間距離dとに適合する繰り出し量Edを算出し、
フォーカシングの制御値として設定する(#610)。
次に、ズーム段階zoomと算出された繰り出し量Ed
とに適合する前側主点位置FH及び実効焦点距離Fre
alを算出し、レンズ情報として設定する(#62
0)。レンズ情報は投射角度範囲の演算、及びホスト3
による座標演算などに用いられる。そして、最後に投射
光強度の設定を行う(#630)。
のフローチャートである。このルーチンの実行によって
図14及び図15で説明した機能が実現される。本計測
における投射の強度設定値を、人体に対する安全を考慮
した上限値に初期化し(#6301)、先頭のラインv
1に注目する(#6302)。注目ラインの予備計測デ
ータが有効であれば、注目ラインのスリット画像位置に
対応した物体上の位置が、対物間距離dを基準に設定さ
れる計測距離範囲(本計測の撮影範囲)の内側であるか
否かをチェックする(#6304)。
該当する場合は、撮影情報の適否判別ルーチンにおいて
記憶しておいたデータを用いて、スリット画像位置(ラ
イン)におけるレーザ光強度の最適値を計算により求め
る(#6305)。計算結果が許容最大値より大きいと
きには、計算結果として許容最大値を採用する(#63
06、6307)。計算結果がその時点における強度設
定値より小さい場合には、強度設定値を計算結果に変更
する(#6309)。#6303〜#6309の処理を
5本の各ラインについて実行する(#6310、631
1)。これにより、本計測時の撮影対象である各スリッ
ト画像位置に対応した最適値のうち、最も小さい値が本
計測時の強度となる。
計測条件の設定に係わる計測環境を効率的に測定し、高
精度で且つ高速の3次元計測を実現することができる。
る。
図である。
ある。
る。
ある。
す図である。
る。
グラフである。
図である。
る。
理のメインフローチャートである。
トである。
である。
トである。
トである。
トである。
トである。
である。
ャートである。
るための図である。
Claims (2)
- 【請求項1】検出光を投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、 計測に先立って計測時における投射角度範囲の一部のみ
に検出光を投射して物体を撮影し、それにより得られた
撮影情報に応じて計測条件を設定する自動設定機能を有
したことを特徴とする3次元計測装置。 - 【請求項2】検出光を投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、 計測に先立って検出光を投射して物体を撮像し、その受
光出力の一部のみに応じて計測条件を設定する自動設定
機能を有したことを特徴とする3次元計測装置。
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