【発明の詳細な説明】
物体表面に関するデータの生成発明の背景
本発明は、一般に三次元物体の表現情報をコンピュータスクリーン上に発生さ
せることに関し、特に、三次元物体の表面の輪郭を表わすデータを迅速且つ有効
に発生する表面検出装置に関するものである。
物体の二次元情報を発生するシステム及び方法は周知である。これら周知の二
次元システムは代表的にタッチ感応表面を有するフラットテーブル（平板）を使
用している。特定点のデータを発生させるために、スタイラスを用いてタッチ感
応表面を押圧し、テーブル上のスタイラスの位置に関する電気信号を発生させる
。これらスタイラス位置信号を用いて物体に関する二次元データを発生させるこ
とができる。しかし、これらの二次元計数化システムは三次元物体の表面に関す
るデータを発生させるのに適していない。
物体の三次元データを発生させ、物体の表現情報（画像）をコンピュータスク
リーン上に表示するシステム及び方法は、計算機援用設計及び生産（ＣＡＤ／Ｃ
ＡＭ）、医療解析及び可視表示、物体のモデリングのような分野にとっても周知
である。これら周知の三次元データ発生装置は機械的プスーブ座標測定機器（Ｃ
ＭＭ）又は光学系を含むことができる。ＣＭＭシステムは一般に、物体の表面に
接触し、この表面を走査し、走査線に沿う物体の表面に関するデータを発生する
ある種の電気機械プローブを用いている。物体全体に対するデータが集められる
まで、順次の走査線に対するデータ発生処理が繰返される。これらデータが合成
されて物体の三次元表現情報が形成される。走査線データを合成して物体の表現
情報を得るシステムは周知である。これらの機械プローブシステムの処理速度は
遅い。その理由は、データを発生させるために機械プローブを三次元物体の全表
面に亘って移動させる必要がある為である。更に、これら機械プローブシステム
は、高価で複雑で大型の機器を必要とするとともに、機械プローブを制御し且つ
走査線データを処理する処理電力を多量に必要とする。更に、特別に訓練した人
しかシステムを動作させることができない。
既知の光学系は代表的に、物体の表面に関するデータを発生させるのに自然光
又はレーザ光を用いている。ある光学系では、光が物体に向けて投射され、物体
の表面からの反射光がセンサにより受けられる。他の光学系では、ビデオカメラ
を用いて種々の異なる角度で物体の像を形成し、物体の表面に関するデータを発
生させている。これらの光学系は物体の大きな部分に対するデータを同時に発生
できる為、物体全体に対するデータを発生させる時間が低減される。しかし、こ
れらの光学系は、発生データを不確実なものにするおそれのあるアライメント誤
差問題を受けやすい。更に、これらの光学系は訓練した人が動作させなければな
らない高価で大型の機器である。
一般に、上述した既知の三次元検出システムは大型で高価で固定の機器である
。更に、既知の種類の三次元検出システムは多量のデータ処理を必要とする複雑
な機器になりがちである。更に、これら既知の検出システムは平均的な人にとっ
て使用困難である。その理由は、これらシステムは極めて複雑でパーソナルコン
ピュータに容易に取付けることができない為である。比較的簡単で、廉価で、三
次元物体の表面輪郭を検出して物体の表現情報を発生させるのを高速に行ないう
る検出システム及び方法が必要となっている。
従って、既知の装置の上述した問題及びその他の問題を回避する表面検出シス
テム及び方法が必要であり、これが本発明の目的である。発明の概要
本発明は、廉価で、携帯性があり、物体の表面に関する三次元データを迅速に
発生しうる表面検出システムを提供する。本発明の表面検出システムは容易に移
動させることができ、迅速に校正することもできる。更に、本発明の表面検出シ
ステムは、パーソナルコンピュータとのインタフェースを容易にとることができ
且ついかなる特別な訓練を要することのない平均的な人によって動作させること
のできる装置である。
本発明による表面検出システムは、物体の表面に接触する検出素子のアレイと
、各検出素子と関連し、検出素子が接触する物体の表面上の、基準面に対する対
応点の位置を表わす信号を生じるシステムとを有する。プロセッサは検出素子に
よって発生せしめられた信号から物体の表現情報を発生させる。各検出素子は、
基準面に対する検出素子の対応的偏移量を表わすシステムを有することができる
。このシステムには抵抗性の検出素子が或いはリアクタンス性、例えば容量性の
検出素子を用いることができる。更に、検出素子のアレイは通常のいかなる大き
さにもすることができ、又このアレイは所望の測定解像度をもたらす単位面積当
たりの検出素子密度を有するようにしうる。個々の検出素子の寸法も通常のいか
なる寸法にすることもできる。
本発明は物体の表現情報を発生させる方法をも提供するものであり、この場合
、物体の表面に検出素子のアレイを接触させ、基準面に対する物体の表面上の点
の位置を表わす信号を検出素子のアレイにより発生させ、これら信号を処理して
物体の表現情報を発生させる。図面の簡単な説明
図１は、本発明による表面検出システムを示すブロック線図であり、
図２は、図１に示す表面検出システムに用いうる本発明による表面検出装置の
一実施例を示す斜視図であり、
図３は、図２に示す表面検出装置の検出素子の第１実施例を示す拡大断面図で
あり、
図４は、図２に示す表面検出装着の後側装置プレートを示す正面図であり、
図５は、図２に示す表面検出装着の前側装置プレートを示す正面図であり、
図６は、図２の表面検出装置の検出素子の他の実施例を示す拡大断面図であり
、
図７は、三次元物体に関するデータを発生させるのに用いる本発明の表面検出
装置を示す側面図であり、
図８は、図７の三次元物体に関するデータを発生するのに用いる本発明の表面
走査装置を示す頂面図であり、
図９は、本発明による三次元物体検出方法を示すフローチャートであり、
図１０は、本発明による三次元物体の１つの面を検出する方法を示すフローチ
ャートである。好適実施例の詳細な説明
本発明は、特に、表面検知システム及び小形の手づかみ物体の如き三次元物体
を安価に高速検知して、その物体の表面についてのデータを発生し、コンピュー
タスクリーン上にその物体を表示させる方法に適用することができ、以下このよ
うなことについて説明するが、本発明によるシステム及び方法は実用性の高いも
のである。
図１は本発明による検知システムを示すブロック図である。この検知システム
は図２〜図６につき後に詳細に説明する表面検知デバイス２０を具えている。こ
の表面検知デバイス２０は一般に三次元物体２２の表面特性についてのデータを
発生するのに用いられる。一般に、表面検知デバイスは物体の表面の輪郭を表わ
す信号を発生する。このような信号は種々の位置、例えば、或る基準面に対する
物体の表面上における様々な点における高さを表わす信号とすることができる。
こうした信号を一旦発生させれば、これらの信号を処理して、コンピュータスク
リーン上に表示し得る物体の表現情報を生成することができる。データ、速ち物
体表現情報は、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）パッケージ又は物体のデータを
操作し得る他の任意のシステムへのデータも提供することができる。表面検知デ
バイスは装着プレート２１によって支持されるアレイ又はマトリックス状に配列
した多数の検知素子２３を有している。しかし、表面検知デバイスは、任意数の
検知素子で任意所所望な構造に構成したり、単位面積当たりの検知素子を任意所
望な密度とすることができる。検知素子のマトリックスはＸ−Ｙマトリックスと
することができる。これらの検知素子については後に詳細に説明する。
この実施例では、Ｘマルチプレクサ２４と、Ｙマルチプレクサ２６を用いて、
Ｘ−Ｙマトリックス内の各検知素子を逐次サンプリングして、アレイ内の各個々
の検知素子からの信号を特定する。このように、ＸマルチプレクサとＹマルチプ
レクサとにより検知システムは検知素子アレイの各行及び列を走査して、対応す
る検知素子が接触する物体の表面上の各個々の点に対する信号を発生することが
できる。検知素子のマトリックスは多重並列入力の如き他の任意のサンプリング
システムによってサンプリングすることもできる。これらのマルチプレクサを用
いて三次元のデータを生成する方法については後に詳述する。
各検知素子は、或る基準面に対してその検知素子が接触する物体の表面上の或
る点の位置を表わす信号を発生すべく前記検知素子に関連するシステムを有して
いる。つまり、各検知素子は、その検知素子からの信号を或る基準面に対する物
体の表面上における或る点の位置に対応する信号に変換するシステムを有してい
る。或る基準面に対する物体の表面上における或る点の位置を表わす信号を一旦
発生させたり、この信号を処理して、物体の表現情報を発生させる。検知デバイ
スを制御するのに複雑な計算やシステムは不要である。従って、物体の表面につ
いてのデータは迅速、且つ安価に発生させることができる。基準面に対する物体
の正面上の種々の点の位置を表わす信号を発生するシステム及びこの信号を処理
するシステムについては後に詳細に説明する。
基準面に対する物体の表面上の種々の点の位置を表わす信号を発生するシステ
ムにはサンプリング回路２８を設けることができる。このサンプリング回路は、
容量検知素子のキャパシタンスに対応する電気信号を発生する高周波Ａ／Ｃキャ
パシタンスブリッジとするか、又は抵抗検知素子の抵抗値に対応する電気信号を
発生するホィーストンブリッジとすることができる。容量検知素子については後
は図３につき説明し、抵抗検知素子については後に図６につき説明する。Ａ／Ｃ
キャシタンスブリッジ及びホィーストンブリッジは検知素子の容量か、抵抗のい
ずれかをそれぞれサンプリングして、対応する電気信号を発生する。サンプリン
グ回路が全ての電気信号を一旦発生すると、これらの信号はアナログ−ディジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器３０によってディジタル信号に変換される。これらの信号は
ディジタル形態に変換された後にコンピュータインタフェース３２に供給される
。このコンピュータインタフェースはマイクロプロセッサとすることができる。
コンピュータインタフェース３２は、Ｘマルチプレクサ２４及びＹマルチプレク
サ２６の動作を制御して、検知デバイスの各検知素子に対する信号を発生すると
共に、信号発生システムからの信号も処理して、コンピュータディスプレイ上に
表示し得る物体の表現情報を発生する。コンピュータインタフェースは、ディス
プレイ３６を有するコンピュータ３４に接続することができる。
図２は図１に示した検知デバイス２０の斜視図である。図示のように、この検
知デバイスはアレイ又はマトリックス状に配列した多数の個々の検知素子で構成
することができる。この検知デバイスは前側取付プレート５０と後側取付プレー
ト５２とを具えている。さらに、前側取付プレートと後側取付プレートとの間に
接続される多数の検知素子２３がある。これらの検知素子は、或る基準面に対す
る物体の表面上の或る点の位置を表わす信号を発生する任意タイプの検知デバイ
スとすることができる。これらの検知の好適例については図３及び図６を参照し
て後に詳細に説明する。
各検知素子は、検知素子本体の一端部から外方に延在すべくバイアスされる検
知ピン５６を有する本体部分５４を具えている。図面の明瞭化のために、図２に
はごく少数の検出素子及び検知ピンしか示してないが、検知デバイスは例えば適
当な大きさで、しかも密度の検知素子から成る完全なＸ−Ｙマトリックスとする
ことができる。検知ピン物体の大きさに応じて任意所望な長さとすることができ
る。多数の検知素子によって検知素子アレイを形成することができる。アレイ内
の単位面積当たりの検知素子の数及びアレイ内の検知素子の間隔、例えば検知素
子の密度は検知デバイスの解像度を決定する。例えば、アレイが密に離間した多
数の検知素子を有する場合には、検知デバイスの解像度は高くなる。これに対し
、アレイの検知素子が互いにもっと離間している場合には、解像度は低くなる。
アレイの検知素子の数及び間隔は変えることができ、或る特定の用途に必要とさ
れる解像度に応じて選択することができる。実際上、アレイ内の検知素子は必要
に応じて前側及び後側の取付プレートから取外すことができるため、アレイは容
易にあつらえることができる。各検知素子は或る基準面に対する物体の表面上の
或る点の位置を表わす信号を独立して発生する。つまり、検知素子は、いずれか
の平面に対する物体の表面上の或る点の位置を測定することによって、その物体
の輪郭を決定する。基準面は後側取付プレートとして、検知素子がこの後側取付
プレートに対する物体の表面上における点の高さを測定するようにすることがで
きる。基準面を後側取付プレートとする場合、本発明による検知デバイスは、こ
のデバイスの上側を下にしても物体についてのデータを発生させるのに用いるこ
とができる。しかし、基準面は物体を載せる表面の如き他の平面とすることもで
きる。
図３は図２に示した検知デバイス２０に用いることができる検知素子の第１実
施例を示す断面図である。図３に示すこの検知素子は容量検知素子５５であり、
これは検知デバイスの前側取付プレート５０と後側取付プレート５２との間に取
付けることができる。容量検知素子は可変キャパシタンスデバイスであり、これ
は検知ピン５６を具えており、このピンは円筒状ハウジング７２内に摺動自在に
配置され、しかもばね６６によってハウジングから外方へとバイアスされている
。検知ピンの内側端はストッパー兼摺動ガイド６４に取付けることがてきる。ば
ね６６は検知ピンを前側取付プレートを経て外側へバイアスすべくガイド６４に
掛合させることができる。さらに、前側プレート５０内に設けた絶縁性のピンガ
イド６８によって検知ピンを案内することができ、バックプラグ７０によってば
ねを後側取付プレートに取付けることができる。
検知ピン５６及びこれを囲む円筒状ハウジング７２はいずれも金属製とするこ
とができる。金属製の検知ピン５６と円筒状ハウジング７２との組合せはコンデ
ンサを形成し、このコンデンサのキパシタンスは円筒状ハウジング内の検知ピン
の位置に応じて変化する。つまり、検知ピンが円筒状ハウジング内に押戻される
距離は、或る基準値に対するキャパシタンスの変化を測定することによって求め
ることができる。容量検知素子にはコンデンサの破損を防止する外側シールドハ
ウジング７４を設けることもできる。電気ブラシ接点７６は検知ピン５６を前側
取付プレート５０に接続する。コンデンサの他の一部を成す円筒状のハウジング
７２はバックプラグ７０によって後側取付プレート５２に接続される。従って、
容量性検知素子のキャパシタンスは、電気ブラシ接点と、検知ピンと、円筒状ハ
ウジングと、バックプラグとによって形成される電気回路のキャパシタンスを測
定することにより測定される。
図４は図２に示した検知デバイスの後側取付プレート５２の正面図である。図
示のように、この後側取付プレートは多数の導体８０を有しており、これらの導
体は検知デバイスの様々な検知素子のバックプラグ７０と円筒状の金属製ハウジ
ング（図示せず）とを互いに（この図では）垂直方向に接続する。これら全ての
導体８０の一端は共通リード８２とすべく一緒に接続する。導体の他端はＹマル
チプレクサ（図示せず）に接続する個々の導体としてケーブル８４内にまとめる
。
図５は図２に示したような検知デバイスの前側取付プレート５０の正面図であ
る。この前側取付プレートも多数の導体９０を有しており、これらの導体は様々
な検知素子の電気ブラシ接点７６の水平（この図で見て）行に接続される。これ
らの導体の一端は第２共通リード９２を形成すべく一緒に接続する。導体の他端
はＸマルチプレクサ（図示せず）に接続する個々の導体としてケーブル９２内に
まとめる。
動作状態において、複数の容量性検知素子を有する検知装置を検知すべき物体
上に載せ、装置を押しつけると、各検知ピンはそのピンが接触する物体表面の対
応する点の高さに依存する所定量だけ円筒状ハウジング内で変位し、バネが圧縮
される。各検知ピンが押し戻されると、検知ピンの一層大きな部分が円筒状ハウ
ジングのすぐ近くに位置し、検知素子の容量が増大する。電気導体８０、９０が
導体のＸ−Ｙマトリクスを構成する。各検知素子の容量値は、Ｙマルチプレクサ
及びＸマルチプレクサを用いて選択検知素子で交差する後側装着プレート上の特
定の電気導体及び前側装着板上の特定の電気導体を選択することにより測定する
ことができる。例えば、図３、４及び５において、選択検知素子９６の容量を測
定するには、後側装着プレート上の電気導体９７と前側装着プレート上の電気導
体９８をそれぞれのマルチプレクサにより選択する。次に容量値をサンプリング
回路により、電気導体９７、後側栓７０、円筒状ハウジング７２、検知ピン５６
、電気ブラシ接点７６及び電気導体９８からなる電気回路の容量値として測定す
る。
図６は図２に示す検知装置２０に使用しうる検知素子２３の他の実施例の断面
図である。図６に示す検知素子は抵抗性検知素子１００であり、抵抗細条１０６
が被着された案内ハウジング１０４内に摺動自在に配置された検知ピン１０２を
有するものとしうる。検知ピンはバネ１０９によりハウジングから外向きにバイ
アスされている。抵抗性検知素子は可変抵抗装置である。検知ピンと案内ハウジ
ングはともに金属製にすることができる。検知ピンの内端は止め栓１０８に取り
付けられ、検知ピンは前側装着板５０を貫通して前側案内部１１０により案内さ
れる。前側電気ブラシ接点１１２により検知ピンを前側装着板５０上の電気導体
（図示せず）に電気的に接続する。後側止め部材１１４により案内ハウジング１
０４を後側装着板５２に接続する。第２電気ブラシ接点１１６により検知ピンを
抵抗細条に接続する。電気コネクタ１１８により抵抗細条を後側装着板５２上の
電気導体（図示せず）に接続する。図４及び図５につき上述した前側及び後側装
着板上の導体をこの抵抗性検知素子にも使用することができる。
動作状態において、各抵抗性検知素子はその検知ピンが接触する物体表面上の
対応する点の高さに依存する所定量だけ案内ハウジング内で変位するので、第２
電気ブラシ接点１１２が抵抗細条１１６上を後方に摺動し、抵抗性検知素子の抵
抗が減少する。個々の検知素子の抵抗値は、個々の抵抗性検知素子をマルチプレ
クサにより選択し、サンプリング回路を用いて前側装着板上の電気導体、前側電
気ブラシ接点１１２、検知ピン１０２、第２電気ブラシ接点１１６、抵抗細条１
０６、電気コネクタ１１８及び後側装着板上の電気導体からなる電気回路の抵抗
値を測定することにより決定する。このように、抵抗性検知素子は変化する抵抗
値を有し、この変化する抵抗値を上述したようにホイートストンブリッジのよう
なサンプリング回路により測定し、基準面上の物体の表面の個々の点の高さを表
す電気信号に変換することができる。
図７は、本発明の表面検知装置を用いて花瓶のような３次元物体１３０に関す
るデータを発生させる状態を示す側面図である。物体１３０は３次元であるが、
明瞭のためにその側面形状のみを示す。物体１３０の全体を表すデータを発生さ
せるためには、物体又は検知装置を移動させて物体の２以上の側面に関するデー
タを発生させる必要がある。表面検知装置２０を花瓶上に置き、前側装着板５０
を花瓶の最も高い表面近くに位置させる。花瓶の表面がある程度の高さを有する
位置では、検知素子５４の検知ピン５６が花瓶の表面の高さに依存して種々の距
離だけ押し戻される。上述したように、検知ピンの距離の変化は検知素子の容量
値又は抵抗値の変化に対応する。花瓶の表面が存在しない位置では、検知素子５
６はバネにより完全に突出し、使用する検知素子のタイプに応じて、最大の抵抗
値又は最小の容量値を有する。検知ピンの長さは十分長くして物体に接触しない
検知ピンが物体を載せた表面に接触するようにするのが好ましい。
図８は本発明の検知装置２０を用いて物体１３０に関するデータを発生させる
状態を示す上面図である。本例では検知素子５６のアレイは矩形であるが、円形
又は方形のような任意の形状を使用することができる。検知素子のアレイ内の検
知素子数は物体のサイズ及び所望の分解能に依存して増大又は減少させることが
できる。上述したように、検知素子のアレイにより検知装置は物体の大きな部分
に関するデータを急速に発生することができる。物体が検知装置より大きい場合
には、追加の検知素子を付加することができる。物体が追加の検知素子を付加し
ても大きすぎる場合には、本発明の検知装置を繰り返し使用して物体全体の表面
に関するデータを発生させ、データを処理して物体の表示を発生させることがで
きる。
図９は本発明に従って３次元物体を検知し、物体の表示を発生させる方法を示
すフローチャートである。この方法はステップ１４０で開始する。ステップ１４
２において、物体の第１の側面上の種々の点の高さを検知装置を用いて測定する
。次にステップ１４４において、物体の他の側面に関するデータを検知装置を用
いて発生させる。ステップ１４６において、物体の全ての側面に関するデータが
発生したか否かを決定する。例えば、図７及び図８に示す花瓶の場合には花瓶の
２つの側面を検知装置を用いて検知して十分なデータを発生させる必要がある。
物体の各側面の検知の詳細については図１０を参照して後に説明する。物体の追
加の側面を検知して十分なデータを発生させる必要がある場合には、この方法は
ステップ１４４に戻り、物体の他の側面に関するデータを発生させる。３次元物
体の表面が複雑になるにつれて、一層多くの物体の追加の側面に関するデータが
必要とされる。他方、物体の全ての側面が検知され、十分なデータが発生したら
、ステップ１４８において、物体の種々の側面からのデータを処理し、組み合わ
せて物体の表示データを発生させる。物体の種々の側面に関するデータを組み合
せて物体の表示データを発生させる技術は公知である。次いでこの方法はステッ
プ１５０において終了する。このようにして、３次元物体のグラフィック表示デ
ータを発生させ、コンピュータ装置上に表示することができる。
図１０は本発明に従って３次元物体の各側面に関するデータを発生させる方法
を示すフローチャートである。ステップ１６０において、この方法は開始する。
ステップ１６２において、前側装着板上の第１電気導体をＸマルチプレクサによ
り選択する。この第１電気導体は複数の検知素子を水平方向に接続する。ステッ
プ１４６において、後側装着板上の第１電気導体をＹマルチプレクサにより選択
する。前側装着板上の電気導体と後側装着板上の電気導体の組合せにより１つの
検知素子を選択し、これを本発明に従ってサンプリングする。ステップ１６６に
おいて、Ｙマルチプレクサをインクリメントさせて、Ｘマルチプレクサにより選
択された行内の次の検知素子をサンプリングする。ステップ１６８において、こ
の行が終了したか否か（即ち、この行内の各検知素子のサンプリングが終了した
か）決定する。この行が終了してない場合には、ステップ１６６に戻り、次の列
をＹマルチプレクサにより選択し、この行内の次の検知素子をサンプリングする
。この行が終了した場合には、ステップ１７０において、アレイの全走査が終了
したか否か決定する。走査が終了してない場合には、ステップ１６２に戻り、前
側装着板上の次の電気導体を選択して次の行の検知素子を選択する。他方、走査
が終了した場合には、この方法はステップ１７２において終了する。このように
、Ｘ及びＹマルチプレクサを使用して、検知素子の全アレイを走査し、各素子ご
とに信号を発生させることができる。これらの信号を次に処理し、基準面上の物
体の表面の高さを表す電気信号に変換することができる。
本発明の３次元検知装置は、既知の輪郭表面、例えば平面を有する物体を検知
装置の下に置くことにより急速に且つ簡単に校正することもできる。この場合に
は、検知装置の実際の出力を予測出力と比較し、検知装置を調整することができ
る。見地装置を校正するこの方法はコンピュータインターフェースにより指示す
ることができる。
以上、本発明を特定の実施例につき説明したが、当業者であれば本発明の範囲
を逸脱することなく種々の変更を行うことができること明らかである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to generating representation information of a three-dimensional object on a computer screen, and more particularly to generating data representing the contour of the surface of a three-dimensional object. The present invention relates to a surface detection device that is generated quickly and effectively. Systems and methods for generating two-dimensional information of an object are well known. These known two-dimensional systems typically use a flat table with a touch-sensitive surface. To generate data for a particular point, a stylus is used to press the touch-sensitive surface to generate an electrical signal relating to the position of the stylus on the table. These stylus position signals can be used to generate two-dimensional data about the object. However, these two-dimensional counting systems are not suitable for generating data on the surface of a three-dimensional object. A system and method for generating three-dimensional data of an object and displaying the representation information (image) of the object on a computer screen is known for computer aided design and production (CAD / CAM), medical analysis and visual display, object modeling. It is well known in such fields. These known three-dimensional data generators may include a mechanical push-measuring device (CMM) or an optical system. CMM systems typically use some sort of electromechanical probe that contacts and scans the surface of an object and generates data about the surface of the object along a scan line. The process of generating data for successive scan lines is repeated until data for the entire object is collected. These data are combined to form three-dimensional expression information of the object. Systems for synthesizing scan line data to obtain representation information of an object are well known. The processing speed of these mechanical probe systems is slow. The reason is that the mechanical probe needs to be moved over the entire surface of the three-dimensional object in order to generate data. In addition, these mechanical probe systems require expensive, complex and large equipment, and require a great deal of processing power to control the mechanical probes and process scan line data. Furthermore, only specially trained persons can operate the system. Known optics typically use natural light or laser light to generate data about the surface of the object. In some optical systems, light is projected onto an object and light reflected from the surface of the object is received by a sensor. Other optical systems use video cameras to form images of the object at various different angles and generate data about the surface of the object. These optical systems can simultaneously generate data for a large portion of the object, thus reducing the time to generate data for the entire object. However, these optical systems are susceptible to alignment error problems that can make the generated data uncertain. Further, these optics are expensive and bulky equipment that must be operated by trained personnel. In general, the known three-dimensional detection systems described above are large, expensive and fixed equipment. Further, known types of three-dimensional detection systems tend to be complex instruments that require large amounts of data processing. Furthermore, these known detection systems are difficult to use for the average person. The reason is that these systems are very complex and cannot be easily mounted on personal computers. There is a need for a detection system and method that is relatively simple, inexpensive, and capable of detecting surface contours of a three-dimensional object and generating representational information of the object at high speed. Therefore, there is a need for a surface detection system and method that avoids the above-mentioned and other problems of known devices, and that is the object of the present invention. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a surface detection system that is inexpensive, portable, and can quickly generate three-dimensional data about the surface of an object. The surface detection system of the present invention can be easily moved and quickly calibrated. Further, the surface detection system of the present invention is a device that can be easily interfaced with a personal computer and operated by the average person without any special training. A surface detection system according to the present invention produces an array of sensing elements in contact with the surface of an object and a signal associated with each sensing element and representing a position of a corresponding point on the surface of the object with which the sensing element is in contact with a reference plane. System. The processor generates representation information of the object from the signal generated by the detection element. Each sensing element can have a system that represents a corresponding shift of the sensing element with respect to a reference plane. The system may use a resistive sensing element or a reactive, eg, capacitive, sensing element. Further, the array of detector elements can be of any conventional size, and the array can have a detector element density per unit area that provides the desired measurement resolution. The dimensions of the individual sensing elements can be of any conventional size. The present invention also provides a method for generating representation information of an object, in which an array of detection elements is brought into contact with the surface of the object to detect a signal representing the position of a point on the surface of the object relative to a reference plane. Generated by an array of elements, these signals are processed to generate representation information for the object. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a surface detection system according to the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment of a surface detection device according to the present invention which can be used in the surface detection system shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged sectional view showing a first embodiment of the detecting element of the surface detecting device shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a front view showing a rear device plate of the surface detecting device shown in FIG. FIG. 5 is a front view showing a front device plate of the surface detection device shown in FIG. 2, and FIG. 6 is an enlarged sectional view showing another embodiment of the detection element of the surface detection device of FIG. FIG. 7 is a side view showing a surface detecting device of the present invention used to generate data relating to a three-dimensional object, and FIG. 8 is a side view showing the present invention used to generate data relating to the three-dimensional object of FIG. FIG. 9 is a top view showing the surface scanning device of FIG. A flow chart showing a three-dimensional object detection process according to the invention, FIG 10 is a flowchart illustrating a method of detecting one of the surfaces of three dimensional objects in accordance with the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is particularly directed to surface sensing systems and inexpensive and fast detection of three-dimensional objects, such as small hand-held objects, to generate data about the surface of the object and to display the data on a computer screen. Such a method can be applied to a method of displaying an object and will be described below. However, the system and method according to the present invention are highly practical. FIG. 1 is a block diagram showing a detection system according to the present invention. The sensing system comprises a surface sensing device 20, which will be described in detail below with reference to FIGS. The surface sensing device 20 is generally used to generate data about the surface characteristics of the three-dimensional object 22. Generally, a surface sensing device generates a signal representative of the contour of the surface of an object. Such a signal may be a signal representing the height at various locations, for example at various points on the surface of the object relative to a reference plane. Once such signals are generated, they can be processed to generate representational information of the object that can be displayed on a computer screen. The data, or object representation information, can also provide data to a computer aided design (CAD) package or any other system capable of manipulating object data. The surface sensing device has a number of sensing elements 23 arranged in an array or matrix supported by a mounting plate 21. However, the surface sensing device can be configured in any desired structure with an arbitrary number of sensing elements, or can have any desired density of sensing elements per unit area. The matrix of sensing elements can be an XY matrix. These sensing elements will be described later in detail. In this embodiment, an X multiplexer 24 and a Y multiplexer 26 are used to sequentially sample each sensing element in the XY matrix to determine the signal from each individual sensing element in the array. Thus, the X and Y multiplexers allow the sensing system to scan each row and column of the sensing element array and generate a signal for each individual point on the surface of the object that the corresponding sensing element contacts. . The matrix of sensing elements can be sampled by any other sampling system, such as multiple parallel inputs. A method for generating three-dimensional data using these multiplexers will be described later in detail. Each sensing element has a system associated with the sensing element to generate a signal representative of the location of a point on the surface of the object with which the sensing element contacts a certain reference plane. That is, each sensing element has a system for converting a signal from the sensing element into a signal corresponding to a position of a certain point on the surface of the object with respect to a certain reference plane. A signal representing the position of a certain point on the surface of the object with respect to a certain reference plane is once generated, or this signal is processed to generate expression information of the object. No complicated calculations or systems are required to control the sensing device. Therefore, data on the surface of the object can be generated quickly and inexpensively. A system for generating signals representing the positions of various points on the front of the object relative to the reference plane and a system for processing the signals will be described in detail later. A sampling circuit 28 may be provided in the system for generating signals representing the positions of various points on the surface of the object relative to the reference plane. This sampling circuit should be a high-frequency A / C capacitance bridge that generates an electric signal corresponding to the capacitance of the capacitance detection element, or a Wheatstone bridge that generates an electric signal corresponding to the resistance value of the resistance detection element. Can be. The capacitance detecting element will be described later with reference to FIG. 3, and the resistance detecting element will be described later with reference to FIG. The A / C capacitance bridge and the Wheatstone bridge each sample either the capacitance or the resistance of the sensing element and generate a corresponding electrical signal. Once the sampling circuit has generated all the electrical signals, these signals are converted to digital signals by an analog-to-digital (A / D) converter 30. These signals are supplied to computer interface 32 after being converted to digital form. This computer interface can be a microprocessor. The computer interface 32 controls the operation of the X multiplexer 24 and the Y multiplexer 26 to generate signals for each sensing element of the sensing device, and may also process signals from the signal generation system for display on a computer display. Generates representation information for the object. The computer interface can be connected to a computer 34 having a display 36. FIG. 2 is a perspective view of the detection device 20 shown in FIG. As shown, the sensing device can be comprised of a number of individual sensing elements arranged in an array or matrix. This sensing device comprises a front mounting plate 50 and a rear mounting plate 52. Further, there are a number of sensing elements 23 connected between the front mounting plate and the rear mounting plate. These sensing elements can be any type of sensing device that generates a signal representative of the position of a point on the surface of the object relative to a reference plane. Preferred examples of these detections will be described later in detail with reference to FIGS. Each sensing element comprises a body portion 54 having a sensing pin 56 biased to extend outwardly from one end of the sensing element body. For the sake of clarity, only a small number of sensing elements and sensing pins are shown in FIG. 2, but the sensing device may be, for example, a complete XY matrix of appropriately sized and dense sensing elements. can do. Any desired length can be set according to the size of the detection pin object. A sensing element array can be formed by a large number of sensing elements. The number of sensing elements per unit area in the array and the spacing of the sensing elements in the array, for example, the density of sensing elements, determines the resolution of the sensing device. For example, if the array has a large number of closely spaced sensing elements, the resolution of the sensing device will be high. In contrast, if the sensing elements of the array are farther apart, the resolution will be lower. The number and spacing of the sensing elements in the array can vary and can be selected depending on the resolution required for a particular application. In practice, the array can be easily tailored because the sensing elements in the array can be removed from the front and rear mounting plates as needed. Each sensing element independently generates a signal representing the position of a point on the surface of the object relative to a reference plane. That is, the sensing element determines the contour of the object by measuring the position of a point on the surface of the object with respect to any plane. The reference plane may be a rear mounting plate, such that the sensing element measures the height of a point on the surface of the object relative to the rear mounting plate. If the reference surface is a rear mounting plate, the sensing device according to the invention can be used to generate data about an object with the device upside down. However, the reference plane can also be another plane, such as a surface on which the object rests. FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of the sensing element that can be used in the sensing device 20 shown in FIG. The sensing element shown in FIG. 3 is a capacitive sensing element 55, which can be mounted between the front mounting plate 50 and the rear mounting plate 52 of the sensing device. The capacitive sensing element is a variable capacitance device comprising a sensing pin 56 which is slidably disposed within the cylindrical housing 72 and biased outward from the housing by a spring 66. . The inner end of the detection pin can be attached to a stopper / sliding guide 64. Spring 66 can engage guide 64 to bias the sensing pin outwardly through the front mounting plate. Further, the detection pin can be guided by the insulating pin guide 68 provided in the front plate 50, and the spring can be mounted on the rear mounting plate by the back plug 70. Both the detection pin 56 and the cylindrical housing 72 surrounding the detection pin 56 can be made of metal. The combination of the metallic sensing pins 56 and the cylindrical housing 72 forms a capacitor, the capacitance of which varies depending on the position of the sensing pins within the cylindrical housing. That is, the distance that the sensing pin is pushed back into the cylindrical housing can be determined by measuring the change in capacitance with respect to a certain reference value. The capacitance detecting element may be provided with an outer shield housing 74 for preventing damage to the capacitor. Electrical brush contacts 76 connect the sensing pins 56 to the front mounting plate 50. A cylindrical housing 72 that forms another part of the capacitor is connected to the rear mounting plate 52 by a back plug 70. Thus, the capacitance of the capacitive sensing element is measured by measuring the capacitance of the electrical circuit formed by the electrical brush contacts, the sensing pins, the cylindrical housing, and the back plug. FIG. 4 is a front view of the rear mounting plate 52 of the detection device shown in FIG. As shown, the rear mounting plate has a number of conductors 80 which connect the back plugs 70 of the various sensing elements of the sensing device and a cylindrical metal housing (not shown). Connect vertically (in this figure) to each other. One ends of all these conductors 80 are connected together to form a common lead 82. The other ends of the conductors are grouped together in a cable 84 as individual conductors that connect to a Y multiplexer (not shown). FIG. 5 is a front view of the front mounting plate 50 of the detection device as shown in FIG. This front mounting plate also has a number of conductors 90, which are connected to horizontal (as viewed in this figure) rows of electrical brush contacts 76 of the various sensing elements. One ends of these conductors are connected together to form a second common lead 92. The other ends of the conductors are grouped together in cable 92 as individual conductors that connect to an X multiplexer (not shown). In operation, when a sensing device having a plurality of capacitive sensing elements is placed on the object to be sensed and the device is pressed down, each sensing pin depends on the height of the corresponding point on the object surface with which the pin contacts. A certain amount is displaced in the cylindrical housing and the spring is compressed. As each sensing pin is pushed back, a larger portion of the sensing pin is located immediately adjacent the cylindrical housing, increasing the capacity of the sensing element. The electrical conductors 80, 90 constitute an XY matrix of conductors. The capacitance value of each sensing element shall be measured by selecting a particular electrical conductor on the rear mounting plate and a particular electrical conductor on the front mounting plate that intersect at the selected sensing element using the Y and X multiplexers. Can be. For example, in FIGS. 3, 4 and 5, to measure the capacitance of the selection sensing element 96, the electrical conductor 97 on the rear mounting plate and the electrical conductor 98 on the front mounting plate are selected by their respective multiplexers. Next, a capacitance value is measured by a sampling circuit as a capacitance value of an electric circuit including the electric conductor 97, the rear plug 70, the cylindrical housing 72, the detection pin 56, the electric brush contact 76, and the electric conductor 98. FIG. 6 is a sectional view of another embodiment of the sensing element 23 that can be used in the sensing device 20 shown in FIG. The sensing element shown in FIG. 6 is a resistive sensing element 100, which may have a sensing pin 102 slidably disposed within a guide housing 104 on which a resistive strip 106 is mounted. The detection pin is biased outward from the housing by a spring 109. The resistive sensing element is a variable resistance device. Both the sensing pin and the guide housing can be made of metal. The inner end of the detection pin is attached to the stopper plug 108, and the detection pin penetrates the front mounting plate 50 and is guided by the front guide portion 110. The front electrical brush contacts 112 electrically connect the sensing pins to electrical conductors (not shown) on the front mounting plate 50. The guide housing 104 is connected to the rear mounting plate 52 by the rear stop member 114. A second electrical brush contact connects the sensing pin to the resistive strip. An electrical connector 118 connects the resistive strip to an electrical conductor (not shown) on the rear mounting plate 52. The conductors on the front and rear mounting plates described above with reference to FIGS. 4 and 5 can also be used for this resistive sensing element. In operation, each resistive sensing element is displaced within the guide housing by a predetermined amount depending on the height of the corresponding point on the object surface with which the sensing pin contacts, so that the second electrical brush contact 112 Sliding back on 116, the resistance of the resistive sensing element decreases. The resistance value of each sensing element is determined by selecting each resistive sensing element by a multiplexer, using a sampling circuit, an electrical conductor on the front mounting plate, a front electrical brush contact 112, a sensing pin 102, a second electrical brush contact 116. The resistance is determined by measuring the resistance value of an electric circuit composed of the resistive strip 106, the electric connector 118 and the electric conductor on the rear mounting plate. Thus, the resistive sensing element has a changing resistance value, which is measured by a sampling circuit such as a Wheatstone bridge as described above, to determine the individual points of the surface of the object on the reference plane. It can be converted to an electrical signal representing height. FIG. 7 is a side view showing a state in which data relating to a three-dimensional object 130 such as a vase is generated using the surface detection device of the present invention. The object 130 is three-dimensional, but only the side shape is shown for clarity. In order to generate data representing the entire object 130, it is necessary to move the object or the sensing device to generate data for two or more sides of the object. Place the surface sensing device 20 on the vase and position the front mounting plate 50 near the highest surface of the vase. At positions where the vase surface has a certain height, the sensing pins 56 of the sensing element 54 are pushed back by various distances depending on the height of the vase surface. As described above, a change in the distance between the detection pins corresponds to a change in the capacitance value or resistance value of the detection element. In the position where the surface of the vase is not present, the sensing element 56 is completely protruded by a spring and has a maximum resistance value or a minimum capacitance value, depending on the type of sensing element used. It is preferable that the length of the detection pin is sufficiently long so that the detection pin which does not contact the object contacts the surface on which the object is placed. FIG. 8 is a top view showing a state in which data relating to the object 130 is generated using the detection device 20 of the present invention. In this example, the array of sensing elements 56 is rectangular, but any shape, such as circular or square, can be used. The number of sensing elements in the array of sensing elements can be increased or decreased depending on the size of the object and the desired resolution. As mentioned above, the array of sensing elements allows the sensing device to rapidly generate data for a large portion of the object. If the object is larger than the sensing device, additional sensing elements can be added. If the object is too large with the addition of additional sensing elements, the sensing device of the present invention may be used repeatedly to generate data about the surface of the entire object and process the data to generate an indication of the object. it can. FIG. 9 is a flowchart illustrating a method for detecting a three-dimensional object and generating a display of the object according to the present invention. The method starts at step 140. In step 142, the height of various points on the first side of the object is measured using a sensing device. Next, in step 144, data relating to the other side of the object is generated using the sensing device. At step 146, it is determined whether data has been generated for all aspects of the object. For example, in the case of the vase shown in FIGS. 7 and 8, it is necessary to detect two sides of the vase using a detection device and generate sufficient data. Details of detection of each side surface of the object will be described later with reference to FIG. If additional aspects of the object need to be detected and sufficient data generated, the method returns to step 144 to generate data for other aspects of the object. As the surface of a three-dimensional object becomes more complex, more data on additional aspects of the object is needed. On the other hand, once all aspects of the object have been detected and sufficient data has been generated, at step 148, data from the various aspects of the object is processed and combined to generate display data for the object. Techniques for generating display data for an object by combining data relating to various aspects of the object are known. The method then ends at step 150. In this manner, graphic display data of a three-dimensional object can be generated and displayed on a computer device. FIG. 10 is a flowchart illustrating a method for generating data for each side of a three-dimensional object according to the present invention. In step 160, the method starts. In step 162, the first electrical conductor on the front mounting plate is selected by the X multiplexer. The first electrical conductor connects the plurality of sensing elements in a horizontal direction. In step 146, the first electrical conductor on the rear mounting plate is selected by the Y multiplexer. One sensing element is selected according to the combination of the electric conductor on the front mounting plate and the electric conductor on the rear mounting plate, and is sampled according to the present invention. At step 166, the Y multiplexer is incremented to sample the next sensing element in the row selected by the X multiplexer. At step 168, it is determined whether the row has been completed (ie, whether sampling of each sensing element in the row has been completed). If this row has not ended, the process returns to step 166, where the next column is selected by the Y multiplexer and the next sensing element in this row is sampled. If this row has ended, it is determined in step 170 whether the full scan of the array has ended. If the scanning has not been completed, the process returns to step 162 to select the next electrical conductor on the front mounting plate and select the next row of sensing elements. On the other hand, if the scan has ended, the method ends at step 172. In this way, the X and Y multiplexers can be used to scan the entire array of sensing elements and generate a signal for each element. These signals can then be processed and converted into electrical signals representing the height of the surface of the object above the reference plane. The three-dimensional sensing device of the present invention can also be quickly and easily calibrated by placing an object having a known contoured surface, eg, a plane, under the sensing device. In this case, the actual output of the detection device can be compared with the predicted output to adjust the detection device. This method of calibrating the viewing device can be directed by a computer interface. While the invention has been described with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
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