JPH1163954A - 三次元形状の計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 計測の迅速化を課題とする。 【解決手段】 三次元形状の測定対象物Ｓに対して照射
光を照射する光照射手段と、照射光が照射された測定対
象物Ｓを撮像する撮像手段１１と、この撮像手段１１で
撮像された光投影画像に基づいて測定対象物Ｓの座標を
算出する画像処理手段５１とを備えた三次元形状の計測
装置１０において、光照射手段を複数有すると共に，こ
れら光照射手段１Ａ，１Ｂがいずれも測定対象物Ｓに対
して異なる方向から照射光を照射し、当該各光照射手段
１Ａ，１Ｂから照射する照射光をいずれも異なる波長に
設定した。

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、照射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】従来の三次元形状の計測装置１００は、
図８に示すように、測定対象物Ｓに対して一方向から照
射光を照射する単一の光照射手段１０１と、三角測量法
を利用して測定対象物Ｓまでの距離を測定する撮像手段
１０２とを有していた。

【０００４】しかしながら、この三次元形状の計測装置
１００では、測定対象物Ｓに対して一方向からしか照射
光の照射が行われないため、照射光が照射されない死角
が生じ易く、測定対象物Ｓの形状を正確に算出できない
という不都合があった。

【０００５】そこで、この不都合を改善するために、測
定対象物Ｓに対して互いに異なる二方向から照射光を照
射し、それぞれの照射像を撮像することにより、照射光
の照射されない死角の低減を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例にあっては、同時に二方向から照射光を照射した場
合、各照射光がいずれの方向から照射されたものである
が区別が付けられないため、各方向ごとに個別に照射光
を照射してそれぞれ個別に照射像を撮像しなければなら
ず、このため、測定に二倍の時間を要するという不都合
を有していた。

【０００７】

【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、撮像の死角を低減し且つ測定時間を短縮
し得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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、三次元形状の測定対象物に対して照射光を照射する
光照射手段と、照射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光投影画像に
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、光照射手段を複
数有すると共に，これら光照射手段がいずれも測定対象
物に対して異なる方向から照射光を照射し、当該各光照
射手段から照射する照射光をいずれも異なる波長に設定
するという構成を採っている。

【０００９】上記構成では、測定対象物に対して複数方
向から照射光が照射される。このとき、各光照射手段
は、互いに一つの照射光の照射領域の死角となる領域に
他の照射光を照射する。

【００１０】また、これらの照射光の照射は同時に行わ
れ、各照射光の照射により形成される測定対象物の表面
上の像は、その波長の違いから、撮像手段により個別に
撮像される。

【００１１】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明と同様の構成を備えると共に、光照射手段の個体数
を二又は三に設定し、当該各光照射手段の照射光を赤，
緑，青のいずれかの色彩に対応する波長に設定するとい
う構成を採っている。

【００１２】上記構成の場合も同様に、各照射光の走査
は同時に行われ、各照射光の照射により形成される測定
対象物の表面上の像は、その波長の違いから、撮像手段
により個別に撮像される。

【００１３】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
発明と同様の構成を備えると共に、撮像手段は、各光照
射手段の照射光の色彩に対応する波長の光を個別に受光
する撮像素子を備えるという構成を採っている。

【００１４】上記構成では、前述した各色彩の照射光を
一つの撮像手段により各撮像素子で個別且つ同時に撮像
される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明による一実施形態の構
成を示すブロック図である。本実施形態は、いわゆる時
系列空間コード化法（例えば、「三次元画像計測，井口
征士，佐藤宏介，１９９２，昭晃堂」）を利用した三次
元形状の計測装置１０を示している。即ち、測定対象物
Ｓの表面上に、位相，ピッチの異なるいくつかのストラ
イプ・パターンを、照射光としてのスリット光の走査に
よって投影し、空間をコード化する。

【００１６】図１に示すように、本実施形態は、三次元
形状の測定対象物Ｓに対してスリット光を照射する二つ
の光照射手段１Ａ，１Ｂと、これら光照射手段１Ａ，１
Ｂによってスリット光が照射された測定対象物Ｓを撮像
する撮像手段１１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。

【００１７】以下各部を詳説すると、まず、各光照射手
段１Ａ，１Ｂは、スリット光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幅の異なる複数種のスリッ
ト光の照射を測定対象物Ｓに対して行う。

【００１８】これら各光照射手段１Ａ，１Ｂは、撮像手
段１１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３１Ａ，３１Ｂと、このレー
ザ光源３１Ａ，３１Ｂ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）４２Ａ，４２Ｂと、レーザ光源３１Ａ，３
１Ｂからのレーザ光を撮像手段１１の露光時間内に走査
する走査手段２０Ａ，２０Ｂとを備えている。

【００１９】これらレーザ光源３１Ａ，３１Ｂは、半導
体レーザであり、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３２Ａ，３２Ｂにより、均一な照度分布を持ったスリ
ット光に変換される。

【００２０】各走査手段２０Ａ，２０Ｂは、各レーザ光
源３１Ａ，３１Ｂからのレーザ光を偏向し測定対象物Ｓ
の表面上にスリット光を投影するミラー２２Ａ，２２Ｂ
と、このミラー２２Ａ，２２Ｂを駆動するガルバノスキ
ャナ２１Ａ，２１Ｂとを備える。このガルバノスキャナ
２１Ａ，２１Ｂは、後述するフィールド識別信号１４に
同期した三角波発生器４３Ａ，４３Ｂからの駆動信号に
より、スキャナドライバ４１Ａ，４１Ｂによって回動運
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４４Ａ，４４Ｂ
からの時系列信号は、レーザドライバ４２Ａ，４２Ｂに
よりレーザ光源３１Ａ，３１Ｂを点滅させる。

【００２１】上述の各光照射手段１Ａ，１Ｂは、撮像手
段１１を挟んで対称にその両側に配設されており、測定
対象物Ｓに対して互いに異なる方向からスリット光を照
射し、陰となる死角領域の低減を図っている。また、こ
れら各光照射手段１Ａ，１Ｂから照射するスリット光
を、それぞれ赤，緑，青のいずれかの色彩に対応する波
長に設定した。即ち、本実施形態では、光照射手段１Ａ
のスリット光Ｒを赤色，光照射手段１Ｂのスリット光Ｇ
を緑色とした。

【００２２】次に、撮像手段１１について説明する。本
実施形態では、撮像手段１１として、フィールド蓄積モ
ードで動作するＣＣＤカラーカメラ１１を用いており、
各フィールドの露光時間が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。即ち、
１フレームの撮像が終了するたびにＣＣＤカラーカメラ
１１は、映像信号を画像処理プロセッサ５１に出力す
る。

【００２３】このＣＣＤカラーカメラ１１は、ＲＧＢ
（赤色，緑色，青色）に個別に対応する撮像素子を備え
ており、各撮像素子にはそれぞれ赤色，緑色，青色の波
長の光のみ通過させるバンドパスフィルタが設けられて
いる。本実施形態では、これらの撮像素子の内，赤色及
び緑色の光に対応する撮像素子のみが使用される。図２
は、各撮像素子により撮像されるスリット光Ｒ，Ｇを示
している。

【００２４】このＣＣＤカラーカメラ１１は、映像信号
と同周期でフィールド識別信号１４を出力する。前述し
たレーザドライバ４２Ａ，４２Ｂは、このフィールド識
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。

【００２５】ＣＣＤカラーカメラ１１の映像信号は、各
色の撮像端子ごとに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。この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、SH
ARP GPB-J等）。画像処理プロセッサ５１では、これら
の各複合ビデオ信号を５１２×４８０画素、８ビット輝
度信号にデジタル化すると共に、これらデジタル信号を
合成する。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タ６１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６２に表示する。

【００２６】さらに、本実施形態では、ＣＣＤカラーカ
メラ１１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カラーカメラ１１の一方のフィールドで
露光した画像データを当該ＣＣＤカラーカメラ１１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。

【００２７】そして、前述した各走査手段２０Ａ，２０
Ｂが、ＣＣＤカラーカメラ１１のフィールド識別信号１
４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カラーカメラ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カラーカメラ１１の実時
間で生成することが可能となる。

【００２８】以下、上述の構成からなる三次元形状の計
測装置１０の動作を説明する。

【００２９】まず、各光照射手段１Ａ，１Ｂにより、空
間コード化パターンに基づいてスリット光Ｒ，Ｇを照射
する（スリット光照射工程）。具体的には、ＣＣＤカラ
ーカメラ１１の撮像タイミングと同期して、各レーザ光
源３１Ａ，３１Ｂレからーザ光を点滅させながら出力す
ると共に、当該各レーザ光をＣＣＤカラーカメラ１１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、各スリット
光Ｒ，Ｇを測定対象物Ｓに投影する。

【００３０】このとき、各スリット光Ｒ，Ｇが照射され
た測定対象物Ｓを撮像する（撮像工程）。この撮像工程
で撮像された各スリット光投影画像に基づいて、画像処
理プロセッサ５１では、当該測定対象物Ｓの空間コード
化画像をそれぞれ生成すると共に合成し、三次元形状を
算出する（画像処理工程）。

【００３１】また、本実施形態では、各レーザドライバ
４２Ａ，４２Ｂが、画像処理工程の終了後に、各レーザ
光源３１Ａ，３１Ｂ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。

【００３２】ここで、ＣＣＤカラーカメラ１１と走査手
段２０Ａ，２０Ｂ及びレーザ光源３１Ａ，３１Ｂの各信
号のタイミングチャートを図２に示す。なお、各走査手
段２０Ａ，２０Ｂ及びレーザ光源３１Ａ，３１Ｂの駆動
タイミングは、同一に設定されている。本発明による実
施例の動作原理は、ＣＣＤカラーカメラ１１がシャッタ
を開けている間、光を蓄積することに基づく。すべての
信号は、ＣＣＤカラーカメラ１１のフィールド識別信号
１４に同期して変化する。動作は次のようになる。

【００３３】図３に示す例では、ＥＶＥＮフィールドの
始まりでスキャナミラー２２Ａ，２２Ｂは左端に位置し
ている。ＣＣＤカラーカメラ１１は、フィールド識別信
号１４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２２
Ａ，２２Ｂは左端から右端に移動し、レーザ光は空間コ
ード化パターン信号により点滅する。

【００３４】結果として次のタイミングで出力される各
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
に各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各ミラー２２Ａ，２２Ｂ
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。

【００３５】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４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。

【００３６】図５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４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。

【００３７】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。

【００３８】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。この空間コード化画像は、各
スリット光Ｒ，Ｇごとに作成され、合成される。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。

【００３９】図６（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６（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７は図６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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】また、スリット光の照射を二方向から行う
構成のため、測定対象物の表面上に生じる死角領域を低
減させることが可能となる。さらに、スリット光をニ色
に色分けしているため、いずれの方向からのスリット光
であるかの判別が可能となり、このため、各色彩のスリ
ット光を同時に走査して撮像することができ、計測の迅
速化を図ることが可能である。

【００４４】また、各スリット光を、赤色と緑色に設定
したため、各スリット光の重複部分についても、分離し
て撮像することが可能であり、各色彩のスリット像を正
確に撮像することが可能である。

【００４５】さらに、撮像手段としてスリット光の各色
彩に対応する撮像素子を備えたＣＣＤカラーカメラ１１
を装備しているため、同一の視点から各色彩のスリット
像を撮像することができ、これにより撮像された各スリ
ット像の合成処理が簡易となるため、処理時間の短縮化
も図ることが可能である。

【００４６】なお、本実施形態では、一台のＣＣＤカラ
ーカメラ１１により赤色と緑色のスリット光Ｒ，Ｇを同
時に撮像しているが、各スリット光ごとに別個のＣＣＤ
カメラ（ＳＯＮＹ ＸＣ−７５等）により撮像しても良
い。但し、その場合、各スリット画像を合成する際に、
対応点（各画像の共通する点）の決定処理が必要とな
る。

【００４７】また、測定対象物Ｓに対して上述の二つの
光照射手段１Ａ，１Ｂと異なる方向から青色のスリット
光を照射する新たな光照射手段を加える構成としても良
い。この場合、ＣＣＤカラーカメラ１１の未使用として
いた青色に対応する撮像素子が使用され、映像信号は、
他のものと同様に、画像処理プロセッサ５１に出力され
る。

【００４８】

【発明の効果】上述のように、本願発明は、測定対象物
に対してスリット光の照射を二方向から行う構成のた
め、当該測定対象物の表面上に生じる死角領域を低減さ
せることが可能となる。さらに、各スリット光を異なる
波長に設定しているため、各波長のスリット光を同時に
走査して個別に撮像することができ、計測の迅速化を図
ることが可能である。

【００４９】また、各スリット光を、赤色，緑色，青色
のいずれかに設定した場合、各スリット光の重複部分に
ついても、分離して撮像することが可能であり、各色彩
のスリット像を正確に撮像することが可能である。

【００５０】さらに、撮像手段にスリット光の各色彩に
対応する撮像素子を備えている構成の場合、同一の視点
から各色彩のスリット像を撮像することができ、これに
より撮像された各スリット像の合成処理が簡易となるた
め、処理時間の短縮化を図ることが可能である。

【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】各撮像素子により撮像された各色彩のスリット
光を表す説明図であり、図２（Ａ）は赤色のスリット光
の撮像された映像を示し、図２（Ｂ）は緑色のスリット
光の撮像された映像を示している。

【図３】図１に示すＣＣＤカラー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４】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５】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５（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６】図６（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６（Ｂ）はその空間コード画
像の一例を示す図である。

【図７】図４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８】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ 光照射手段 １０ 三次元形状の計測装置 １１ ＣＣＤカメラ（撮像手段） ５１ 画像処理プロセッサ（画像処理手段） Ｒ，Ｇ スリット光（照射光） Ｓ 測定対象物

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元形状の測定対象物に対して照射光
   を照射する光照射手段と、前記照射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
   た光投影画像に基づいて前記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、 前記光照射手段を複数有すると共に，これら光照射手段
   がいずれも前記測定対象物に対して異なる方向から照射
   光を照射し、 当該各光照射手段から照射する照射光をいずれも異なる
   波長に設定したことを特徴とする三次元形状の計測装
   置。
2. 【請求項２】 前記光照射手段の個体数を二又は三に設
   定し、当該各光照射手段の照射光を赤，緑，青のいずれ
   かの色彩に対応する波長に設定し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】 前記撮像手段は、前記各光照射手段の照
   射光の色彩に対応する波長の光を個別に受光する撮像素
   子を備える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。