JPH11325853A

JPH11325853A - ３次元形状入力装置

Info

Publication number: JPH11325853A
Application number: JP10136541A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ban; 慎一伴
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】質の良い３次元形状データを入力する装置を
提供する。【解決手段】物体の３次元形状を、測定状態を変えて
複数回測定して複数の３次元形状データを生成し、測定
された複数の３次元形状データから高品質の３次元形状
データを出力する。ここで、測定方法（たとえば測定角
度や測定位置）を変えて複数の３次元形状データを測定
し、たとえば複数の３次元形状データを重ね合わせて高
品質のデータを得る。また、複数の３次元形状データか
ら最も高品質なデータを選択してもよい。これにより、
データの欠損部分があっても、欠損している部分を埋め
ることができ、また、データの測定誤差が大きい場合に
も、誤差を小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元形状データ
を入力する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】立体物の複製などにおいて、立体物の３
次元形状データを測定し、次に、得られた形状データに
基づいて素材の加工などが行われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、人物の顔を撮
影した場合、鼻の下、鼻の両側などの隠れた部分におい
ては距離画像（３次元形状データ）が得られない。ま
た、撮影部からみて傾斜が急な部分では、データが取得
できなかったり、測定誤差が大きくなったりする。した
がって、データ欠損部分を埋めたり、測定誤差を小さく
することにより、質の良い距離映像を得られるようにす
ることが望ましい。

【０００４】本発明の目的は、質の良い３次元形状デー
タを入力する装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る立体作成装
置は、物体の３次元形状を、測定状態を変えて複数回測
定して複数の３次元形状データを生成する立体測定部
と、立体測定部により得られた複数の３次元形状データ
から高品質の３次元形状データを出力するデータ処理部
とを備える。測定状態（たとえば測定角度や測定位置）
を変えて物体の複数の３次元形状データを測定し、それ
を基に高品質の３次元形状データを生成する。データ処
理部は、たとえば、複数の３次元形状データを重ね合わ
せて高品質の３次元形状データを出力する。また、デー
タ処理部は、たとえば、複数の３次元形状データから最
も高品質なデータを選択する。これにより、データの欠
損部分があっても、欠損している部分を埋めることがで
き、また、データの測定誤差が大きい場合にも、誤差を
小さくできる。これにより、できるだけ質のよい３次元
形状データを提供できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施の形態について説明する。なお、図面において
同一の参照記号は、同じまたは同等なものを指す。図１
は、立体複製物作成装置の斜視図である。この装置は、
その前に立つ人（ユーザー）の顔の３次元形状を入力
し、得られた３次元形状データを基に立体複製物をその
場で加工する。立体複製物には種々のものが考えらえる
が、たとえば４角形の板からユーザーの顔の前半部の複
製物が突き出ているような立体物である。３次元複製物
に背景部分を合成することもできる。この作成装置は、
立体複製物をその場で加工し提供する。立体複製物作成
装置の箱１０の前面に、投光窓１２と受光窓１４が設け
られる。ユーザーが、箱１０の前に立つと、投光窓１２
から投光された光が、人の顔により反射され、受光窓１
４により受光される。これにより、顔の３次元形状デー
タが測定される。ユーザーの姿勢すなわち構図が決まる
と、ユーザーの顔が３次元で測定される。得られた３次
元像は、表示装置１６に表示される。ユーザーがこの構
図に不満であると、新たに異なった構図をとり、再び顔
の測定と表示がなされる。操作パネル１８により、ユー
ザーが表示装置１６に表示された３次元像でよいとの確
認の指示をすると、箱１０の内部に設けられた加工装置
により立体複製物が加工される。ユーザーは、作成され
た立体複製物を取出口２０から取り出す。３次元像の測
定は、本実施形態では光切断法を用いるが、パターン光
投影法、ステレオ視方式、干渉縞方式などを用いてもよ
い。

【０００７】図２は、立体複製物作成装置の機器構成を
示すブロック図である。立体複製物作成装置の全体の制
御をする制御部３０に、表示装置（モニタを含む）１
６、操作部５０、測定部６０および加工部７０が接続さ
れる。制御部３０は、メインコントローラ３２を備え、
特性データ記憶部３４、データ変換部３６、加工データ
作成部３８を備える。また、立体複製物の取り出しを検
出する取出口センサ４０が取出口２０に設置され、メイ
ンコントローラ３２に接続される。操作部５０は、操作
パネル１８を備える。測定部６０は、３次元測定部６４
（投光窓１２と受光窓１４を備える）と２次元画像撮像
部６６（投光窓１２と受光窓１４を共用する）とを備
え、これらは測定器コントローラ６２により制御され
る。加工部７０は、加工機コントローラ７４により制御
される加工機７２を備え、加工機７２は、材料供給機７
６から供給される素材を加工する。なお、測定器コント
ローラ６２と加工機コントローラ７４の機能をメインコ
ントローラ３２に持たせ、メインコントローラ３２によ
りすべてを制御するようにしてもよい。

【０００８】図３は、操作パネル１８を示す。操作パネ
ル１８には、スタートボタン５０、確認ボタン５２、キ
ャンセルボタン５４が備えられる。さらに、表示装置１
６にジョイスティック５６（図式的に示す）が備えられ
る。スタートボタン５０は、構図を決めたときに押さ
れ、確認ボタン５２は、３次元表示を確認するときに押
され、キャンセルボタン５４は、３次元表示がユーザー
が想像していたのと異なる場合に再度別の構図をとるた
めに押される。ジョイスティック５６は、表示装置１６
に３次元画像を３次元の様々な方向で回転して表示する
場合に、画像の回転を指示するために備えられる。

【０００９】図４は、押出方式の加工部７０の加工機７
２と材料供給機７６の斜視図である。加工用の材料は、
加工テーブル２００において、２個の位置決め治具２０
２とクランプ治具２０４により固定される。加工用工具
２０６は、ドリル２０８で材料を切削する。８種の材料
が材料供給機７６の２つの材料ストック部２１０に備え
られる。材料ストック部２１０において８種の加工用材
料は、それぞれエレベータ２２０の上に積み重ねられ、
最上層の材料が押し出し工具２１８により移送路２１２
へ押し出される（矢印参照）。押出し引抜き治具２１４
が、材料ストック部２１０の間に設けた移送路２１２の
端に備えられ、材料ストック部２１０から移送路２１２
に押し出された材料２１６を、加工テーブル２００に押
し出す（矢印参照）。また、押出し引抜き治具２１４
は、加工テーブル２００で加工された材料を引き抜き、
製品取出口２２２から送り出す。なお、押出し引抜き治
具２１４を備える代わりに、移送路２１２自体をすべり
台として材料を移動することができる。

【００１０】図５は、エレベータ方式の加工部７０の加
工機７２と材料供給機７６の変形例の斜視図である。材
料ストック部２５０に６種類の加工用材料が備えられ
る。これらの材料は、左右に３段づつ配置される。材料
ストック部２５０から選択された材料２５２が、材料ス
トック部２５０の間に位置されるエレベータ２４８の台
の上に押し出される。この台には、位置決め治具とクラ
ンプ治具が備えられ、材料２５２を固定する。エレベー
タ２４８が所定位置まで上昇すると、加工用工具２４０
はドリル２４２で材料２５２を切削する。

【００１１】図６は、加工部７０の加工機７２と材料供
給機７６の別の変形例の斜視図である。加工コントロー
ラ７２は、ロボット２６０、素材ストッカー２６４およ
び加工具２７０を制御する。素材ストッカー２６４は、
複数種の材料２６６をストックする。ロボット２６０
は、材料ストッカー２６４から１個の材料２６６を加工
ステージ２６８上に運ぶ。材料２６６は、加工ステージ
２６８上で位置決め治具２７２により加工位置に固定さ
れ、加工具２７０により加工される。加工後は、加工品
は取り出し口２７４に送られる。なお、図４〜図６に示
した加工機は、切削により材料を加工するが、積層造形
法（光造形法を含む）、レーザー加工（熱加工）、成型
加工（加圧など）などを用いて加工してもよい。図４〜
図６に示したように、材料供給機７６からは複数種の材
料のなかから選択された材料が供給される。材料が起伏
のある形状の場合は材料供給機７６内において積み重ね
が難しいが、筒のようなガイドを設けることにより供給
が可能である。これらの材料として、標準的な顔の形状
の素材を複数種用意して、それから選択するようにして
もよい。

【００１２】図７は、制御部３０のメインコントローラ
３２のメインフローを示す。操作パネル１８でスタート
ボタン５０が押されるまで、２次元画像（人物の顔）の
カラー画像が動画として表示装置１６に表示される。こ
こで、図８に示すように、誘導灯８０をつけてユーザー
にこれを見てもらう。誘導灯の位置は顔の角度を設定す
るように配置され、装置の前面に複数設けられる。図８
の例では、４つの誘導灯のうち、左上の誘導灯が点灯さ
れ、顔がその方に向けられる。こうして、ユーザーが所
望の構図を決めると、２次元画像撮像部６６によりユー
ザーの顔の２次元画像が撮像され（ステップＳ１０
０）、得られた２次元画像が表示装置１６に表示される
（ステップＳ１０２）。そして、ユーザーがスタートボ
タン５０を押すのを待つ（ステップＳ１０４）。ユーザ
ーが構図に満足するまで、この２次元画像の表示が繰り
返される。ユーザーは、構図を決めると、操作パネル１
８のスタートボタン５０を押す。スタートボタン５０の
押下が検出されると（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、２
次元画像撮像部６６によりユーザーの顔の２次元画像が
撮像され（ステップＳ１０６）、次に、３次元測定部６
４によりユーザーの顔の３次元画像が測定される（ステ
ップＳ１０８）。３次元画像は、２次元画像に対応づけ
られたものである。誘導灯の位置を変えて上述の撮像と
測定とを複数回繰り返し（ステップＳ１０９でＹＥ
Ｓ）、複数個の顔の３次元形状データと２次元カラー画
像を得る。

【００１３】次に測定データについてデータ処理がなさ
れる（ステップＳ１１０）。ここで、後で説明するよう
に、顔の複数個の形状データの重ね合わせによりデータ
の品質を向上する。また、奥行き補正により形状データ
が高さ方向に圧縮されるので、素材の加工時間が短縮で
きる。また、後で説明するように、出力したい生成物す
なわち３次元形状モデルについて形状や品質に応じたデ
ータの変換が行われる。これにより、出力すべき加工生
成物（３次元モデル）の形状（サイズなど）や品質（粗
密さ、滑らかさなど）に応じて形状測定データが自動的
に変換され、形状データ入力から加工までの一連のプロ
セスが簡単化される。次に、データ処理後の３次元形状
が表示装置１６に表示され、ユーザーの指示を待つ。こ
の表示によりユーザーは、実際に加工される結果を確認
できる。３次元表示としては、影を表示するなどの種々
の公知の手法を用いる。ユーザーが操作パネル１８で確
認ボタン５２を押すと、確認ボタン５２の押下が検出さ
れ（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、加工動作に移る。し
かし、３次元表示（ステップＳ１１２）の後でユーザー
が操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押すと（ス
テップＳ１１６でＹＥＳ）、フローはステップＳ１００
に戻り、ユーザーは別の構図をとることができる。この
ように、データ処理後の画像についてユーザーの確認を
まって加工を始めるので、ユーザーの希望する立体複製
物が作成できるとともに、加工用材料がむだになること
がない。なお、メインコントローラ３２に外部からデー
タを入力する画像入力部を設けてもよい。これにより、
外部から対象物の画像データ（または対象物の画像デー
タと色彩）を入力する。加工は入力データに基づいて行
われる。

【００１４】図９は、ジョイスティック５６を用いた変
形例のフローを示す。ユーザーは、ジョイスティック５
６により様々な方向からデータ処理後の画像を確認でき
る。図４のデータ処理（ステップＳ１１０）の後で、表
示装置１６に正面（Ｚ方向）からの３次元表示をする
（ステップＳ１４０）。次にユーザーがジョイスティッ
ク５６を作動すると（ステップＳ１４２）、フローは、
ジョイスティック５６からの回転指示信号により分岐す
る。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の回転指示に対応して、Ｘ
方向（ステップＳ１４４）、Ｙ方向（ステップＳ１４
６）、Ｚ方向（ステップＳ１４８）の回転がなされ、そ
れに対応した３次元表示がなされる（ステップＳ１５
０）。こうしてユーザーは様々な方向から立体複製物を
確認できる。ここで、ユーザーが操作パネル１８で確認
ボタン５２を押すと（ステップＳ１５２でＹＥＳ）、図
６のステップＳ１１８に進み加工動作に移る。また、ユ
ーザーが操作パネル１８でキャンセルボタン５４を押す
と（ステップＳ１５４でＹＥＳ）、フローはステップＳ
１００に戻り、ユーザーは別の構図をとることができ
る。

【００１５】図７に戻り説明を続けると、加工において
は、まず、形状データから、加工条件データベースを参
照して加工データが作成される（ステップＳ１１８）。
加工データは加工部７０に送られ、加工部７０では材料
を加工して３次元加工モデルを作成する（ステップＳ１
２０）。加工物が排出され（ステップＳ１２２）、取出
口センサ４０により、加工された生成物が取り出された
ことを検出すると（ステップＳ１２４でＹＥＳ）、フロ
ーは、ステップＳ１００に戻り、次の立体複製物生成を
行なう。

【００１６】以下で、立体複製物の生成についてさらに
詳細に説明する。３次元測定（図７、ステップＳ１１
２）において、立体物（顔）の３次元形状が測定され
る。３次元測定部６４は、図１０に示すように、透視投
影面上で格子状に配置された点を通る視線が対象物表面
と初めて交わる点までの（測定部６４からの）距離を測
定する。したがって、形状データは、３次元測定部６４
の所定の位置を座標中心とする３次元直交座標における
座標値と距離値とをもつ、格子状に並んだ点列データと
して与えられる。また、このとき、測定点が測定範囲外
であるなどの理由で測定を行えない測定点は、欠損であ
る印をつけたデータとして格納されている。このよう
に、本実施形態では透視投影面上でのサンプリングをお
こなったが、３次元測定において、図１１に示すよう
に、平行投影面上で格子状に配置された点を通る視線が
対象物表面と初めて交わる点までの（３次元測定部６４
からの）距離を測定してもよい。

【００１７】図１２は、データ処理（図７、ステップＳ
１１０）のフローを示す。ここで、３次元測定部６４に
より入力された形状データに対して、加工時間を短くす
るための処理を含む各種処理がなされる。まず、測定デ
ータについて平滑化処理により、ノイズなどの非正規な
データを除く（ステップＳ２００）。次に、再標本化処
理を行う（ステップＳ２０２）。たとえば、顔が斜めを
向いていた場合などにおいて、入力データを加工方向に
正対させるため、ある方向から平行投影した等間隔の格
子点により整列されたデータに変換する。図１３は、１
例を示す。たとえば人の顔の鼻の下が陰になって測定で
きない場合、顔を上向きにして３次元測定をした後で、
通常の正面を向いた顔を表すようにデータを変換でき
る。格子点が射影された位置に計測点がない場合（たと
えば図１３のａ）には、その周囲の計測値により線形補
完を行う。このとき、射影された方向が加工する際の鉛
直上方となり、それぞれの格子点は、高さのデータを持
つ。また、入力データが透視投影など平行投影でなかっ
た場合などでは、この処理により入力データを平行投影
データに変換できる。

【００１８】次に、データの重ね合わせ処理（貼り合わ
せ処理）がおこなわれる（ステップＳ２０３）。図１４
は、データの重ね合わせ処理の詳細を示す。まず、２次
元カラー画像について，Ｌａｂ色空間において、クラス
タリングを行い、同色相の領域に分割する。次に、その
結果に対してラベリングを行い、同色相の非連結領域を
別領域とする。次に、図１５に図式的に示すように、こ
うして得られた結果９０について、テンプレート９２を
用いて２次元カラー画像を走査し、テンプレートマッチ
ングを行い、２つの目玉の領域を検出する（ステップＳ
２０３０）。目玉は、左目と右目を区別してラベルを付
けておく。そして、次に検出した目玉の領域に対応する
３次元形状データを算出する（ステップＳ２０３２）。
一方、３次元データについて、カメラに一番近い点９４
を鼻の頂点として検出する（図１６参照）（ステップＳ
２０３４）。次に、３次元形状データ上の左目と右目の
目玉の領域と、検出した鼻の頂点が重なるように、上述
の複数の３次元形状データを重ね合わせる（ステップＳ
２０３６）。すなわち、３次元形状データ上の左目と右
目の領域のそれぞれの重心を求め、次に、図１７に２つ
の３次元形状データＡ，Ｂの場合を示すが、重心と鼻の
頂点で作られる平面が重なるように、３次元形状データ
Ｂを回転・移動する。次に、この平面内で３次元形状デ
ータＢを移動させて、重心と鼻の頂点で作られる３角形
の外心が重なるようにする。次に、（左目の重心間の距
離）²＋（右目の重心間の距離）²＋（鼻の頂点間の距
離）²の値が最小になるように、上述の外心を中心に、
上述の平面内で３次元形状データＢを回転させる。最小
となる回転角はＮｅｗｔｏｎ法で求める。Ｎｅｗｔｏｎ
法において極小となる回転角が３つ求められるが、（左
目の重心間の距離）²＋（右目の重心間の距離）²＋（鼻
の頂点間の距離）²の値が最小になる回転角を採用す
る。最後に、得られた３次元形状データの全体のスムー
ジング処理を行う（Ｓ２０３８）。これにより、データ
が欠損している場合に欠損部分を少なくでき、データの
誤差が大きい場合に、誤差の小さい部分を採用できる。

【００１９】図１２に戻り、説明を続けると、次に、補
完処理（ステップＳ２０４）をおこない、データのない
欠損部分を補完する。補完の方法としては、線形補完、
重み付け補完などの種々の手法が用いられる。たとえ
ば、データの欠損している部分をすべて固定値で置き換
える（単純補完）。固定値としては、(ａ)あらかじめ定
められた値、(ｂ)最小の高さ、(ｃ)データ外周部の平均
値が用いられる。また、欠損部がデータで完全に囲まれ
ている場合は、周りのデータから線形補完をする。ま
た、たとえば、人の顔における黒い眉や髪などのよう
に、対象の性質から光学式の３次元測定部６４ではデー
タが得られない場合がある。このような場合、データが
欠損している部分は、所定の３次元形状データと置き換
える。このため、所定の標準顔データを用意しておき、
欠損部ではそのモデルデータを使用する。この際、位置
およびサイズの調整が必要となる。この調整では、たと
えば、図７のステップＳ１０６で得られたカラー画像の
両目と口に対応する３次元形状データ中の三角形を、モ
デルの対応する三角形と同じになるような線形変換をす
る。この合成は、顔の欠損部分に限らず、任意の３次元
形状データを使用することが可能である。

【００２０】次に、高さ圧縮処理（ステップＳ２０６）
をおこない、形状データを奥行き方向に圧縮し、高さ方
向の範囲を元のデータより狭くする。奥行き方向の凹凸
が大きいと加工時間が長くなるが、奥行き方向に圧縮す
ることにより加工部分を少なくして、加工時間を短縮で
きる。また、極端に奥行きが深い部分（背景部）につい
て、所定のデータ（奥行きの浅いデータ）に変換するこ
とにより、同様に加工部分を少なくして加工時間を短縮
できる。以下に、高さ圧縮について詳細に説明する。高
さ圧縮の手法は、加工対象の性質に応じて適切なものを
採用する。高さ圧縮の手法には、一様圧縮処理と非一様
圧縮処理とがある。一様圧縮処理には、たとえば図１８
〜２２に示すような種々のアルゴリズムが用いられる。
一様圧縮では、各格子点ｉにおける高さｚ_iを、Ｚ＝ｆ
(ｚ_i)なる関数により変換した値に置き換える。１つの
手法は、線形変換ｆ₁(z)＝ａｚ＋ｂである（ここにｚが
高さ、ａ，ｂが定数であり、０＜ａ＜１である）。図１
８は、線形変換の一例（ｆ₁(ｚ)＝０.５ｚ）を示す。

【００２１】図１９と図２０は、非線形連続変換の例を
示す。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は高
いところ（３次元データ入力時には３次元測定部からみ
て手前側であったところ）に集中していると考えられる
ので、低い部分では圧縮の度合を大きくする。１つの手
法は、二乗変換ｆ₂(z)＝ａ(ｚ−ｂ)²＋ｃ（ここにｚが
高さ、ａ，ｂ，ｃが定数であり、０＜ａである）であ
る。図１９は、二乗変換の１例（ｆ₂(z)＝０.００５
ｚ²）を示す。他の１つの手法は、指数変換ｆ₃(ｚ)＝ｃ
ｂ^az＋ｄ（ここに１＜ａである）である。図２０は、指
数変換の１例（ｆ₃(ｚ)＝８＊１.０２^z）を示す。図２
１と図２２は、不必要な部分を削除する非線形不連続変
換の例を示す。１つの手法は、次の式で示される中抜き
変換である。この変換は、たとえば、人の顔において、耳からほおま
でを省くために用いられる。図２１は、ｄ₁＝２０、ｄ₂
＝６０の例を示す。他の１つの手法は、たとえば次の式
で示されるクリッピング処理であり、所定範囲外のデー
タは一定値にされる。図２２は、クリッピング処理の１
例を示す。ｆ₅(ｚ)＝０ここに、ｚ＜３０＝ｚここに、３０≦ｚ≦８０＝５０ここに、８０＜ｚ所定値以下のデータｚは０にされ、また、所定値以上の
データｚは一定値にされる。

【００２２】また、非一様圧縮処理では、各格子点ｉに
おける高さｚ_iを、Ｚ＝ｇ(ｘ_i，ｙ_i，ｚ_i)なる関数によ
り変換した値に置き換える。ここにｘ，ｙは格子の座標
である。特に人の顔などのデータでは、特徴的な部分は
中心に集中していると考えられるので、端の部分では圧
縮の度合を大きくする。なお、この際にはデータの中心
となる部分を３次元データやカラー画像データから推定
する必要がある。たとえば、ｘ，ｙデータの重心、また
は、顔などのときはカラー画像から抽出した両目と口と
で構成される３角形に対応する３次元データの重心をデ
ータの中心とする。または、データを入力する際に、対
象物の中心が所定位置にくるように位置決めをすること
が必要となる。１つの手法は点対称変換である。次の式
は点対称変換の１例を示す。ｇ₁(ｚ)＝ｚｆ(ｃ−((ｘ−ａ)²＋(ｙ−ｂ)²)^1/2）ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいず
れかであり、(ｘ，ｙ)＝(ａ，ｂ)はデータ中心の座標で
ある。また、他の１つの手法は線対称変換である。次の
式は線対称変換の１例を示す。ｇ₂(ｚ)＝ｚｆ（ｃ−|ｙ−ｂ|）ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいず
れかであり、ｙ＝ｂはデータ中心の座標である。たとえ
ば顔の左右について線対象変換をおこなう。なお、一様
圧縮変換と非一様圧縮変換とを併用することもできる。
たとえば、次の式が１例を示す。ｇ₃(ｚ)＝ｆ(ｚ)ｆ(ｃ−((ｘ−ａ)²＋(ｙ−ｂ)²)^1/2）ここに、ｆは上述の一様圧縮変換で説明した関数のいず
れかである。

【００２３】図１２に戻り説明を続けると、次に、３次
元形状データの背景部分を検出する（ステップＳ２０
８）。極端に奥行きが深い部分（背景部）について所定
の奥行きの浅いデータに変換することにより、加工時間
を短縮する。次に、この背景部分を所定形状データに変
換して物体の３次元形状データと合成する（ステップＳ
２１０）。この所定形状データは、一定の高さのデータ
としてもよいし、凹凸のある形状データでもよい。さら
には、別の立体物、たとえば花や木などの形状データを
用いてもよい。背景検出の具体例としては、測定物の後
をブルーバックとしておき、奥行きが所定値以上かつそ
の領域の２次元画像の色がブルーであれば背景であると
判定する。

【００２４】次に、３次元モデルの形状や品質の特性に
基づいた３次元形状データの変換について説明する（ス
テップＳ２１２〜Ｓ２１６）。まず、サイズ調整（ステ
ップＳ２１２）をおこない、データが加工できる範囲内
または加工物の大きさに応じて、座標値に定数を乗じる
ことにより、スケールを調整する。図２３に示すよう
に、左側のデータを右側のデータに変換し、加工物の大
きさ（破線で示す）に対応させる。図２４は、サイズ調
整の１例であるサイズ変換のフローを示す。３次元測定
部６４より入力した３次元測定データについて形状解析
をする（ステップＳ２２０）。形状解析の結果として算
出した対象物の大きさ（縦、横、奥行き）と特性データ
記憶部にて設定している出力モデルの形状サイズとを比
較し、対象物を出力モデルサイズに合わせ込む３次元形
状の倍率を変換する（ステップＳ２２２）。この倍率を
用いて３次元形状データを出力モデルサイズに倍率を変
換し、出力モデル形状を生成する。こうして作成した出
力モデル形状を基に、制御部３０内の特性データ記憶部
３６において設定されている加工条件により加工データ
を作成する（図７、ステップＳ１１８）。この加工デー
タを加工部７０に転送し、３次元加工を行い、３次元モ
デルを生成する。こうして、出力すべき形状と品質に基
づき、形状測定データが自動的に変換されるので、３次
元形状データを所定の仕様に簡単に安定に生成する。

【００２５】図２５は、サイズ変換のフローの変形例で
ある加工サイズ縮小化のフローを示す。このフローで
は、形状データの縦、横、高さの方向にスケールをか
け、一定の大きさの素材に収まるサイズに縮小する。こ
れにより加工部分の体積を減らし、加工時間を短縮す
る。まず、データ形状を入力し（ステップＳ２３０）、
入力された形状データの現状のサイズを認識する（ステ
ップＳ２３２）。次に、標準的に使用する素材のサイズ
（特性データ記憶部３６から読み出す）に合わせ現在の
サイズにスケールをかけ、縦、横、高さを縮小する（ス
テップＳ２３４）。また、特に高さ方向に極端に圧縮さ
せれば、加工速度も高速化できる。

【００２６】次に、解像度変換（図１２、ステップＳ２
１４）をおこない、加工機７２の精度に合わせて格子の
幅の違う格子点で再標本化する。この処理は、ステップ
Ｓ２０２の再標本化とほぼ同様であるが、投影する方向
はｚ方向（鉛直上方）に固定されている。図２６に示す
ように、左側に示されるデータの格子点を、右側に示す
加工機の格子点に合わせる。解像度は、ステップＳ２０
８でサイズを加工に応じて調整した後で、解像度に合せ
て形状データを変換するので、加工機７２の加工精度の
ほうが粗くても、適切な形状データが得られる。

【００２７】図２７は、解像度変換（図１２、ステップ
Ｓ２１４）のためのデータ数変換のフローを示す。サイ
ズ出力モデルの形状品質を、構成点群を点間ピッチとベ
クトル変化量で定義し、ベクトル変化量に対応する点間
ピッチ範囲を特性データ記憶部３６から読み出して設定
する。点間ピッチがその範囲からはずれる場合、範囲内
に入るようにデータ変換（解像度変換）を行う。図２７
のフローでは、図２４で得られた倍率に対応した形状デ
ータを解析し形状データの点間ピッチとベクトル変化量
を得る（ステップＳ２４０）。点間ピッチと、ベクトル
変化量に応じて設定された点間ピッチ範囲とから、設定
された範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ２４
２）。この判断は、入力装置が確定していない場合に必
要になる。測定器や測定条件によって解像度が変わるた
めである。もし設定された範囲内になければ、データを
変換する（ステップＳ２４４）。ベクトル変化量の大き
い複雑な部分は、ピッチとして大きな値の範囲が設定さ
れ、ベクトル変化量の小さい部分はピッチとして小さな
値の範囲が設定され、いずれの場合も、ピッチが小さす
ぎるときは、データを間引いてピッチを大きくし、ピッ
チが大きすぎる場合、データを補間してピッチを小さく
して範囲内になるようにする。

【００２８】測定された形状データが充分な解像度の場
合、間引く処理だけを行うことでよい。以下は、その例
である。図２８は、データ数変換のための形状データの
間引きのフローを示す。このフローでは、必要とされる
形状精度（上記の点間ピッチ、ベクトル変化量）などに
応じて、省略できるデータを間引く。これにより高速な
加工を行うことができる。まず、入力された形状データ
の細かさ（点間ピッチ、ベクトル変化量）を認識する
（ステップＳ２６０）。次に、認識された点間ピッチ、
ベクトル変化量を、ベクトル変化量に対応したピッチ範
囲と比較し（ステップＳ２６２）、データの間引きが可
能であれば、間引きをおこなう（ステップＳ２６４）。
データ処理において、最後に、位置合わせ（図１２、ス
テップＳ２１６）をおこなう。３次元データの基準位置
が加工範囲の基準位置にあうように座標原点を平行移動
する。

【００２９】次に、加工データ作成（図７、ステップＳ
１１８）について説明する。加工部７０の材料供給部７
６には、複数種類の素材が用意されている。そこで、入
力された形状データの特徴を抽出し、それに近い形状の
素材を選択して使用する。これにより、加工する部分の
体積を減らし、加工時間を短くする。また、素材形状を
決定するための粗加工が不要になり、加工時間を短くで
き、工具の寿命も長くなる。特徴としては種々の量があ
げられるが、以下の例では、パターンマッチングを用
い、形状データのパターンと素材のパターンを比較し、
最も近いパターンの素材を選択する。図２９は、加工デ
ータ作成のフローの１例を示す。３次元測定部６４によ
り得られたデータは、データ処理により形状データ（座
標データ）に変換されている。ここで、形状データをパ
ターン化し、素材データベース（ＤＢ）に記憶されてい
る素材の形状データ（素材パターン）と比較できるレベ
ルにして、形状データと素材の形状データとを比較し、
特徴を抽出する（ステップＳ３００）。たとえば、高さ
方向の差の合計を求める。そして、この比較に基づいて
素材の形状を決定する（ステップＳ３０２）。たとえば
差の合計が最も小さい素材を選択する。

【００３０】次に、素材形状決定の際の偏差値を偏差基
準値と比較し（ステップＳ３０４）、偏差基準値より大
きい場合は、特性データ記憶部の加工条件データベース
を参照して、粗取り加工用の加工データを作成する（ス
テップＳ３０６）。次に、加工条件データベースを参照
して、仕上げ用加工データを作成する（ステップＳ３０
８）。なお、粗取り用と仕上げ用の加工データは、加工
機７２の動き方を示すデータである。加工部７０は、決
定された素材を加工位置へ搬送し、加工データに基づい
て加工する（ステップＳ１２０）。上述のフローでは、
偏差基準値を越える部分について粗削りをするが、粗削
りを行わずに、その部分の加工速度を遅くするようにし
てもよい。これにより、工具の負荷が軽減され、加工機
の故障を防止できる。

【００３１】加工データ作成（ステップＳ３０６，Ｓ３
０８）には時間がかかる。そこで、時間を短縮するため
に、あらかじめ用意された加工データを使用してもよ
い。図３０は、変形例のフローを示す。まず、形状デー
タの部分ごとにパターンを認識し、部分ごとのパターン
のデータベースを参照して比較し、合致（または類似）
するパターンを検索する（ステップＳ３２０）。次に、
検索されたパターンと、先に決定された素材とを基に、
表１に示すようなパターンごとの加工データのデータベ
ース（テーブル）から加工データを特定し、その加工デ
ータをつなぎ合わせて全体の加工データとする（ステッ
プＳ３２２）。

【００３２】

【表１】

【００３３】また、別の変形実施形態では、加工する素
材を基本パーツの組み合わせから作る。図３１は、この
場合のフローを示す。まず、部分（基本パーツ）ごとに
パターンを認識し、部分ごとのパターンのデータベース
を参照して比較し、合致（または類似）する基本パーツ
を検索する（ステップＳ４００）。次に、先に決定され
た基本パーツを組み合わせ、加工用の素材とする（ステ
ップＳ４０２）。次に、この素材を用いて図３１のステ
ップＳ３０４に進み、加工データを作成し、加工をおこ
なう。

【００３４】次に、本発明の別の実施形態を説明する。
この装置の構成は上述の実施形態と同様であり、異なる
のは、人物の顔の撮影において複数回撮影した３次元形
状データから質の良いものを採用する。これに対応し
て、メインフロー（図７）における撮影（ステップＳ１
０６〜Ｓ１０９）の内容と、そのデータ処理（ステップ
Ｓ１１０）の内容が異なるので、以下では、異なる部分
についてのみ説明する。人物の顔の撮影（ステップＳ１
０６〜Ｓ１０９）においては、図８におけるように、誘
導灯を見てもらうことにより顔の角度を変える。そし
て、顔の角度を変えた後に、人物の顔の３次元形状デー
タを測定する。誘導灯の位置を変えることで、顔の角度
を変えて、測定を所定回数繰り返す。こうして、複数個
の顔の３次元形状データを得る。次に、こうして得られ
た複数個のデータから高品質のデータを選択する。図３
２は、データ処理（ステップＳ１１０）のフローを示す
が、ここで、高品質なデータ選択処理（ステップＳ２０
３'）のみが上述の実施形態と異なる。図３３は、高品
質なデータ選択処理のフローを示す。まず、顔の３次元
形状データの穴（鼻の下の部分など）を検出する（ステ
ップＳ２０３０'）。次に、それぞれの３次元形状デー
タ内の穴の周長の合計を計算する（ステップＳ２０３
２'）。そして、穴の周長の合計の最小の３次元形状デ
ータを採用する（ステップＳ２０３４'）。測定部６０
からみて傾斜が急な部分では、データが取得できなかっ
たり、測定誤差が大きくなったりする。そこで、ここで
は、穴の周長の合計を高品質の基準として用い、この基
準を用いて最も高品質のデータが選択された。

【００３５】

【発明の効果】複数の測定データを基に高品質の３次元
形状データが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】立体複製物作成装置の斜視図である。

【図２】立体複製物作成装置のブロック図である。

【図３】操作パネルの平面図である。

【図４】加工部の斜視図である。

【図５】加工部の変形例の斜視図である。

【図６】加工部の他の変形例の斜視図である。

【図７】メインコントローラのメインフローチャート
である。

【図８】誘導灯を用いた撮影の状況を示す図である。

【図９】変形例におけるメインコントローラのメイン
フローチャートである。

【図１０】透視投影面上でのサンプリングを示す図で
ある。

【図１１】平行投影面上でのサンプリングを示す図で
ある。

【図１２】データ処理のフローチャートである。

【図１３】再標本化を説明するための図である。

【図１４】データの重ね合わせ処理のフローチャート
である。

【図１５】テンプレートマッチングを説明するための
図である。

【図１６】鼻の頂点の位置を示す図である。

【図１７】複数の３次元データの重ね合わせを示す図
である。

【図１８】高さ圧縮処理の１例の図である。

【図１９】高さ圧縮処理の１例の図である。

【図２０】高さ圧縮処理の１例の図である。

【図２１】高さ圧縮処理の１例の図である。

【図２２】高さ圧縮処理の１例の図である。

【図２３】サイズ調整と位置合わせを示す図である。

【図２４】サイズ変換のフローチャートである。

【図２５】形状縮小化のフローチャートである。

【図２６】解像度変換を示す図である。

【図２７】データ数変換のフローチャートである。

【図２８】データ間引きのフローチャートである。

【図２９】加工データ作成のフローチャートである。

【図３０】加工データ作成のフローチャートである。

【図３１】加工データ作成のフローチャートである。

【図３２】データ処理のフローチャートである。

【図３３】高品質データ選択処理のフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１６表示部、３０制御部、３４データ処理
部、５０操作部、６４３次元測定部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体の３次元形状を、測定状態を変えて
複数回測定して複数の３次元形状データを生成する立体
測定部と、立体測定部により得られた複数の３次元形状データを基
に高品質の３次元形状データを出力するデータ処理部と
を備えることを特徴とする３次元形状入力装置。
【請求項２】請求項１に記載した３次元形状入力装置
において、上記のデータ処理部は、複数の３次元形状データを重ね
合わせて高品質の３次元形状データを出力することを特
徴とする３次元形状入力装置。
【請求項３】請求項１に記載した３次元形状入力装置
において、上記のデータ処理部は、複数の３次元形状データから最
も高品質なデータを選択することを特徴とする３次元形
状入力装置。