JPS61241612A - ３次元形状計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は３次元形状計測システムに係り、さらに詳しく
は特に対象物と相似形の立体像を多軸フライス盤等を用
いて自動的に製作する装置に用いられる３次元形状計測
システムに関するものである。

［従来技術］ 対象物の３次元のデータを読取り、その形状計測データ
に基づいて立体像を認識するシステムとしては例えば第
１図に示すような「光切断法」が知られている。

即ち、第１図において符号ｌで示すものは光源で、この
光源から照射された光を回転走査されるスリット板２を
介して対象物３に照射すると、そのスリット像４が対象
物３上に形成される。

このスリット像４は光源ｌ側から見れば直線であるが光
源ｌとは異なった視点５から撮影すると撮像面６には対
象物の凹凸に応じて屈曲したスリット像４ａとなって結
像する。

このようにして屈曲したスリット像を得て、スリット像
の各点の位置を三角測量の原理によって３次元の座標値
として計算し対象物の３次元形状のデータを得る。

このような方法を採用するとスリット板２を回転走査し
なければならず、しかも所定の時間間隔ごとにスリット
像を撮影して３次元形状のデータを得なければならず、
操作が複雑となり時間がかかるという問題点があった。

［目　的］ 本発明は以上のような従来の問題点を除去するために成
されたもので、操作が極めて簡単で短時間で対象物の３
次元形状を計測することができるように構成した３次元
形状計測システムを提供することを目的としている。

［実施例コ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第２図は本発明の詳細な説明するもので、図において符
号１０で示すものは光源で、例えば白熱電灯やストロボ
等の光源を用いている。

この光源の前方には多条スリット板１１が配置されてい
る。この多条スリット板１１は回転走査が行なわれず固
定的である。

この多条スリット板１１の前方にはプロジェクタレンズ
１２が配置されており、このプロジェクタレンズ１２を
介して対象物１３に縞模様のスリット像１４が形成され
る。

このスリット像１４はカメラレンズ１５を介してフィル
ムである撮像面１６上に対象物１３の凹凸に応じて屈曲
したスリット像１４ａとなって結像される。

プロジェクタレンズ１２及びカメラレンズ１５を使用す
ることにより像が倒立するがプロジェクタレンズによる
倒立はスリットが上下左右対称のため処理する必要がな
く、カメラレンズによる倒立はフィルムを転置すること
により処理する。

ところで、このようにして得られた対象物の３次元形状
の測定は第３図に示すようにして計算される。

第３図はカメラレンズの中心軸を含みプロジェクタレン
ズの中心を通る平面で測定系を切断した時の幾何学的な
位置関係を示している。

第３図において各々の記号は次のような意味である。

Ｐ　　測定すべき対象物の表面上の１点Ｐｃ　　カメラ
レンズの中心 Ｐａ　　撮像面（フィルム）の中心 ｘｎ　　撮像面における点Ｐの位置を示すＸ座標ｙｎ　
　撮像面における点Ｐの位置を示すｙ座標１　　カメラ
レンズの中心から撮像面までの距離Ｌ　　回転走査の中
心をカメラレンズ中Ｉら軸重と投影した時の投影点と点
Ｐｃとの距離 Ｄ　　回転走査の中心とカメラレンズ中心軸との距離 Ｙｎ　投射した光の角度 この時対象物１３の点Ｐの座標（Ｘｎ、Ｙｎ。

Ｚｎ）は次のようにして求められる。

Ｚｎ＝Ｘｎｔａｎｙｎ なおり、Ｌｌ！、Ｙｎは別の方法で求める。

また、（ｘｎ、ｙｎ）はＣＣＤカメラを用いて画像をデ
ジタイズして得られた各ピクセルについて求める。

以上のような測定系を用い、対象物の３次元形状データ
を得るシステムを第４図に示す。

第４図において符号２０は撮像系、符号２１はデジタイ
ズ系、符号２２はデータ処理系を示す。

撮像系２０は前述したプロジェクタレンズ１２を備えた
プロジェクタ２４とカメラ２５とからなり、両者は同一
の架台２６に装着されている。

プロジェクタ２４は固定的にカメラ２５は３次元の位置
を調整可能に設けられている。

プロジェクタ２４から多条スリット板１１を介して照射
された光の縞模様はカメラ２５によって撮影され、その
ネガフィルム２５ａがデジタイズ系２１に送られＣＣＤ
カメラ２７によって撮影される。

ＣＣＤカメラ２７は画像読取用のカメラで、ネガフィル
ム２５ａ上の画像を濃淡の像としてとらえ、カメラコン
トロールユニット２８によって制御される。

読取られた画像はパーソナルコンピュータ２９によって
白黒の２値化されたデータとして処理される。

ところで、符号３０で示すものは調整用オシロスコープ
で、ＣＯＤカメラ２７によって読取られた画像のピント
が合っているか否かを波形により検出し、調整する役割
を果す。

パーソナルコンピュータ２９からのデータはデータ処理
系２２を構成するホストコンピュータ３１に回線を介し
て接続されている。

符号３２で示すものはグラフィックディスプレイである
。

上述した第４図に示すものがシステム全体のハードウェ
アの構成である。

ところで、ソフトウェアの構成は第５図に示すようにな
っている。

即ち、ＣＯＤカメラ２７によって読取られた画像はステ
ップＳ１において光切断画像（第１θ図参照）として読
込まれ、その画像はステップＳ２において画像ファイル
としてストックされる。

この画像ファイルはステップＳ３において原画像の統計
処理と表示に使われ、読取った原画像を確認するために
ステップＳ４においてそのままＣＲＴのスクリーン上に
出力される。

一方、画像ファイルを基にしてステップＳ５において画
像の縁とスリットの縞模様の検出であるエツジ処理が行
なわれ、ステップＳ６においてエツジファイルが得られ
る。

そして、このエツジファイルを基にしてステップＳ７に
おいてスリットの縞模様の細線化処理が行なわれ、ステ
ップＳ８において細線化ファイルが作成される。

続いてこの細線化ファイルを基にしてステップＳ９にお
いてトラッキングが行なわれ格子線の追跡と認識が行な
われステップＳＩＯにおいてトラッキングファイルが得
られる。

そしてトラッキングファイルを基にしてステップＳｌｌ
において選択した各点における３次元の座標値の計算が
行なわれるが、この時には別個のステップＳ１２による
光学系の寸法諸元の較正処理であるキャリブレーション
の結果が参照される。

そして、座標値の計算結果からステップ３１３において
座標値ファイルが得られ、この座標値ファイルを基にし
てステップ３１４においてワイヤフレームの透視図の出
力がなされ、ステップＳ１５において透視図のディスプ
レイがなされる。

以上説明した第５図が大きく分けたソフトウェアの処理
ステップであるが、続いて主要ステップの具体的な処理
方法について説明する。

第６図（Ａ）〜（Ｃ）は画像ファイルの作成方法を説明
するもので、同図（Ａ）はＣＯＤカメラによってネガフ
ィルム２５ａを撮影する状態を示している。

本実施例にあっては例えば対象物を撮影したネガフィル
ムを３０００本の走査線によって走査し、横方向を例え
ば２０００ピクセルに分割し、各々の走査線の各々のピ
クセルに対応する濃淡を８ビツト（１バイト）に格納し
たデジタルデータを得、第６図（Ｃ）に示すようにデー
タファイルを作成する。

この明暗データは第６図（Ｂ）に図示したようにＯ（暗
）〜２５５（明）の段階を有する。

なお走査線のスタートラインとスタートピクセルとはオ
ペレータによって任意に設定できる。

第６図（Ｃ）には１つの走査線に対応したブロックごと
の明暗データの格納状態が示されており、各ブロックの
データは走査線の数に応じたレコード１〜レコード３０
００までのデータとして保存される。各レコードにはブ
ロック化の都合上から２０４８バイトが割り当てられ、
必要に応じて有効データが取出される。

このようにして濃淡の画像ファイルが得られる。

上述した画像ファイルは濃淡データであり、このままで
は各ピクセルの位置座標を決定することはできない。そ
こで、次の段階として第５図にステップＳ５で示したエ
ツジ処理が行なわれる。

エツジとは境界部分のことで、各スリット、影（鼻等）
、顔の輪郭線等を言い、実際には各種の雑音が混入する
ことにより得られた無価値の部分も含んでいる。

このエツジ検出は画像ファイルとして得られた画像デー
タの濃淡を微分することにより検出され、微分オペレー
タの選択によりいくつかの方法が考えられる。

その方法の１つとしては、例えば横方向に並んだ２つの
ピクセルの画像データ出力値を比較してその差があるし
きい値以上であればそこにエツジが存在するとする方法
である。

このような方法を採用すれば画像データを基にしてエツ
ジの有無を明確に２値化して表示することができる。２
値化画像を第１１図に示す。

このようなエツジ検出法によって得られたエツジデータ
は第７図（Ａ）に示すようにＣＯＤカメラの１ライン、
すなわち２０００ピクセルの各ピクセルについて明（１
）、暗（０）を検出し、エツジファイルへの設定値を定
める、各ＣＯＤラインのエツジデータが第７図（Ｂ）に
示すようにレコード１〜レコード３０００として保存さ
れる。

各レコードは例えば横方向のピクセルに対応する２００
０パイ）　（２５０バイト）の前後のエツジ情報を含ん
でいる。

このようにしてエツジファイルが得られる。

一方、第５図のステップＳ７における画像の細線化は次
のようにして行なわれる。

細線化処理は上述したエツジ処理により得られた２値化
画像からスリット幅の中心を抜出すための処理である。

すなわちエツジ処理により得られたスリットの幅を１ピ
クセルにする処理であり、そのｌピクセルは、幅方向の
中心のピクセルとする（以下これを線素という）。スリ
ットの幅が奇数個のピクセルで構成されていれば、その
中央のピクセル、偶数個であれば、中央の２個の内左側
のピクセルを選択する。また幅が広すぎる場合、それは
影の可能性があるため、これを無視する。

続いてステップＳ９のトラッキング処理に移る。この処
理では細線化処理により得られた複数の線素をスリット
毎に分類し、そのスリットに番号を割付ける。スリット
は段差のあるところ、たとえば鼻の下、口元等では１本
が不連続になる。

そして極端な場合には隣のスリットと繋がって見える。

そのため連続するからといってそれが同一のスリットで
あるとみなすことはできない。

本システムではスリット間隔が全体では大きく変わるが
、局所的には変化が小さいことを利用してトラッキング
処理を行なう。

まず基準となるスリットを接続する。接続の容易さから
、これは頬のあたりが適当である。そのスリットから横
方向に次のスリットを構成する線素を検索する。この際
、第８図（Ａ）に図示したように雑音によりできた余分
な線素ｅとスリットの断線ａ−ｄに注意する必要がある
。横方向に検索した場合、断線ａ−ｄがあると隣のスリ
ット以外の線素を見つけてしまう。そのためスリット間
隔がａ以下であることをチェックする。ここでａ＝ｂＸ
ｎである。（ｂは以前のスリット間隔。

ｎは許容できる幅１〜１．５程度） １乙 しかしこれだけであると十分なチェックができないため
、見つかった線素を上下に繋いでみる。

それで矛盾が起きないことを確認する。すなわち第８図
（Ｂ）に図示したように点線の領域は次の線素として見
つかるが、ａの線素群を上下に繋ぐと矛盾が分る。この
時線素がＭ個以上連続しなければそれは雑音として無視
する。

このようにして得られたトラッキングファイル３１０が
第８図（Ｃ）に図示されている。即ちｌレコード目は開
始スリットに対応しｎレコード目は終了スリットに対応
し、その間にレコード長さを可変してトラッキング情報
が格納される。１つのレコードの構成が第８図（Ｄ）に
より詳細に図示されており、同図においてａはスリット
番号。

ｍは構成する線素の個数、Ｊ（ｉ）はｉ番目の線素の縦
方向の位置（ピクセル番号１〜３０００）、Ｉ（「）は
ｉ番目の線素の横方向の位置（ビクセル番号１〜２００
０）である。

続いてステップＳｌｌに移り各点の３次元座標値を計算
し、座標値ファイル３１３を作製する。

ここではフィルム面上の座標（ｘ　ｎ　＋　ｙ　ｎ　）
と対象物の３次元座標（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）の位置関係
はすでに第３図に図示されている。この第３図に示す位
置関係に基づいた計算法により各ピクセルの３次元座標
が第９図（Ａ）に図示したようにスリット番号に応じて
各レコードに座標値ファイルとして保存される。

この場合者レコードの構成は第９図（Ｂ）に図示したよ
うな構成となる。ここでａはスリット番号であり、ｍは
構成する線素の個数、Ｘ（ｉ）。

ｙ　（＋）　　、　ｚ　（ｉ）は各々ｉ番目の線素（７
）Ｘ。

Ｙ、Ｚ座標値である。

このようにして得られた座標値を基に第５図のステップ
ＳＬ４．１５において対象物をワイヤフレームで表示す
る。この状態が第１３図に図示されている。このワイヤ
フレームによる表示は３次元座標を２次元座標へ写像す
ることにより行なわれる。この写像面を対象物の周りに
回転させることによりいくつかのワイヤフレームが表示
される。

次に上述した各処理の具体的な制御動作についてフロー
チャート図を参照してさらに詳細に説明する。

第１４図にはエツジ検出を行なう場合の制御の流れが図
示されており、まずステップＡＩで画像ファイルを読込
む。即ち画像ファイルにより横１列２０００ピクセル分
をリードする。ステップＡ２においてスイッチ＝　ＯＮ
　、　ＮＢＩＴ＝０とする。続いてループ処理に移りス
テップＡ３においてＪ　（Ｋ）をに番目のピクセルの明
るさく０〜２５５）として隣接するピクセルの濃度差り
を検出する。ステップＡ４においてＤの絶対値が所定の
しきい値θより大きいか否かを判断し、大きい場合には
へ５においてＢＩＴＭＡＰのＮＢＩＴＩを１にする。続
くステップＡ６においてＤがＯより小さいか否かを判断
し、Ｏより小さい場合にはステップＡ７においてスイッ
チをＯＦＦにしＤが正の場合にはステップＡ８において
スイッチをＯＮにする。またステップＡ４においてＤの
絶対値がＯより大きくない場合にはステップＡ９におい
てスイッチがＯＮであるか否かが判断され、スイッチＯ
Ｎである場合にはＡＩＯにおいてＮＢＩＴＩを１とし、
またそうでない場合にはステップＡｌｌにおいてＮＢＩ
ＴＩをＯにする。続くステップＡ１２においてＮＢＩＴ
Ｉ　１だけインクリメントし、ループ処理を継続する。

このループ処理を■が４〜２０００−３まで行なった後
ステップＡ１３においてエツジファイルへ書込みを行な
い、続いてステップＡ１４においてレコードが終りかど
うかを判断し、終っていない場合はステップＡｌに戻り
次の列のビクセル分をリードして同じ処理を行なう。

続いて、第１５図に図示したフローチャートにより細線
化が行なわれる。即ちステップＢ１においてエツジファ
イルが読込まれ、続いてＩ　＝、Ｊ〜３０００のレコー
ド番号に対してループ処理が開始される。ステップＢ２
において０ＦＦＯＮＴ＝　０　とし、続いて横１列の１
〜２０００ピクセルについてのループ処理が行なわれる
。ステップＢ３においてビットの値が０の場合にはステ
ップＢ４において０ＦＦＯＮＴを１だけインクリメント
しループ処理に戻り、またステップＢ３においてビット
の値がＯと判断されない場合にはステップＢ５において
ビット位置（Ｋ、Ｉ）の値を１にし、続いてステップＢ
６において０ＦＦＯＮＴをＯとする。ループ処理が終る
とステップＢ７に移りエツジファイルに書込みが行なわ
れる。なおステップＢ５において、ＫとＪの関係はに＝
Ｊ−（ＯＦＦＯＮＴ＋１）／２である。

続いて第１６図に示した制御の流れにより各格子線の追
跡と認識、すなわちトラッキング処理の前半が行なわれ
る。即ちステップＣＩにおいて細線化ファイルを読込み
、ステップＣ２においてディスプレイへ表示する。続い
てステップＣ３において開始及び終了のスリット位置を
入力し、開始スリット番号の入力並びに接続を行なう（
ステップＣ４，Ｃ５）、ｔたステップＣ６において線間
ピッチをセットしステップＣ７においてＦＩＮＤを０と
しステップＣ８に移りスリット開始番号を−１とする。

第１７図にはトラッキング処理の後半の部分が図示され
ており、ステップＤＩにおいてスリット番号を１だけイ
ンクリメントし続いてループ処理に入りステップＤ２に
おいて終了の方向ヘサーチして次のスリットの線素を検
出する。ステップＤ３において線素がみつかった場合に
はステップＤ４において線素をワークテーブルヘセット
し終了スリットの線素かどうかを判断し、そうであった
場合にはＦＩＮＤをｌとする（ステップＤ５゜Ｄ６）。

続いてステップＤ７において線素から上下方向に接続し
ステップＤ８においてＭ個以上連続しているかどうかを
判断し連続していない場合には、ステップＤ９において
線分を抹消する。続いてステップＤＩＯにおいて線分間
に矛盾があるかどうかを判断し矛盾がある線分を抹消す
る（ステップＤｌｌ）。続いてファイル登録をしトラッ
キングファイルを作製する。

続いて第１８図を参照して座標値の計算を行なう制御の
流れを説明する。まずステップＥ１でキャリブレーショ
ンで求まる係数を入力する。これらのパラメータは光源
とカメラの光軸の距離り、レンズ中心のＺ座標値り、レ
ンズ中心とフィルム面の距離ノ、基準スリットとＸ軸の
なす各γ０．スリット間隔ａ、スリット面のＺ座標値す
である。

これらの係数を求める方法が第１９図に図示されている
。同図に示したように陵線の長さｐ。

ｑ、ｒがわかっている直方体をカメラで見て（レンズ中
心Ｐｃ）、フィルム面Ｐｄに結像させる。ここでｐ、ｑ
、ｒはのぎす等で測定し、またｐ”、ｑ“、ｒ′′はネ
ガ上で精密なものさしにより測定する。またノはＬの関
数でありレンズの公式から求められる。これに幾何学的
な算法を適用してα、β、γを算出する。次にＬに適当
な値を与えてα、β、γを求め、 Ｃ０８２α＋Ｃ０８２β＋Ｃ０８２γ＝１の式が成立す
るまでＬを増減させて１値を算出する。

続いて第２０図に図示したように、プロジェクタ空間の
キャリブレーションを行ない、プロジェクタと対称物の
位置関係を把握する。ここでは間隔ｄの格子が立方体に
投影されるが、立方体のＶｌ　リ 点を通り、光軸に垂直な仮想的平面Ｗを考える。

カメラ空間のキャリブレーションと同様にＬに適当な値
を与えて、α、β、γを求め、拘束条件Ｃ０８２α＋ｃ
ｏｓ　２β＋ｃｏｓ　２γ＝１の式が成立するまでＬを
増減させて１値を算出する。

このようにカメラとプロジェクタの位置関係を把握して
種々のパラメータが決定される。

続いて第１８図のステップＥ２においてデジタイズの時
に求まる係数、Ｉｏ、Ｊｏ、Ｋを入力する。ここでＩＯ
はＣＯＤ画面上に反映されたフィルム中心のビクセル番
号であり、同じ＜Ｊｏはその走査線番号、には拡大率で
ある。

続いてＥ３においてトラッキングファイルを読込み以下
ステップＥ４においてＩＳＬ丁をスリット番号としてθ
を求め、続いてステップＥ５においてγｎを求めステッ
プＥ６　、Ｅ７において前述した式に従い対象物の空間
座標Ｘ　ｎ　、　Ｚ　ｎ　、　Ｙ　ｎをピクセル個数だ
け求めループ処理を終了する。ステップＥ８ではスリッ
トが連続していなければその間を直線補間し座標値ファ
イルにデータを格納する。ステップＥ９において全レコ
ードが終了していない場合にはステップＥ３に戻り全レ
コードが終了するまでこれを継続する。

上述した例は、第４図に示すプロジェクタとカメラはそ
れぞれ１台設けられているだけであるが、通常人物の立
体像を得るには複数（好ましくは少なくとも３〜４台）
のプロジェクタとカメラの対が必要になる。撮影に当っ
ては対象物全体が各方面からカバーされるようにプロジ
ェクタとカメラの対を配置する。その後の処理は上述し
た通りであるが、異なるカメラでの撮影に少なくとも同
じ場所が撮影されていることを前提にする。また撮影時
基準マークを投影、撮影し、この基準マークを基にして
異なるカメラでの同じ細線を認識するようにすれば、立
体像全体に渡るスリット像ないし縞模様に対し連続番号
を付すことができる。

また上述した例では出力はワイヤフレーム像として出力
されたが、このデータをＮＧ装置に接続し、特に多軸の
カッターを装着すれば、対象物の立体像を彫刻すること
ができる。

［効　果］ 以」二の説明から明らかなように本発明によれば立体像
を全面に渡って多条スリット光を照射し、光源と異なっ
た位置において対象物上のスリット像を撮影し、スリッ
ト光による縞模様を濃淡の画像として読取り、各点にお
ける３次元位置情報を三角測量法により決定し、立体像
の３次元座標データを得るように構成しであるため従来
のように１本のスリット光を回転走査する必要がなく、
極めて短時間で対象物の立体形状を計測することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法を説明する側視図、第２図以下は本発
明の一実施例を説明するもので、第２図は計測原理の説
明図、第３図は対象物上の測定点と他の光学系の位置関
係を示す説明図、第４図はハードシステムの概略構成を
示す説明図、第５図はソフトシステムの概略構成を示す
説明図、第６図（Ａ）〜（Ｃ）は各々画像ファイルの作
製方法、ファイルの内容及び画像データのメモリ内容を
示す説明図、第７図（Ａ）、（Ｂ）はエツジファイルの
内容を示す説明図、第８図（Ａ）〜（Ｄ）はトラッキン
グファイルの内容を示す説明図、第９図（Ａ）、（Ｂ）
は座標値ファイルの内容を示す説明図、第１Ｏ図は対象
物のスリット像を示す説明図、第１１図はスリット像か
ら得た２値化像の説明図、第１２図は細線化像の説明図
、第１３図はワイヤフレーム図の説明図、第１４図〜第
１８図は各々エツジ処理プログラムを説明するフローチ
ャート図、第１９図、第２０図はキャリブレーションを
行なう方法を示した説明図である。 １０・・・光源　　　　　　１１・・・多条スリット板
１２・・・プロジェクタレンズ １３・・・対象物　　　　１４・・・スリット像１５・
・・カメラレンズ １６・・・撮像面 ２０・・・撮像系　　　　２１・・・デジタイズ系２２
・・・データ処理系 ２７・・・ＣＣＤカメラ ２９・・・パーソナルコンピュータ ３１・・・ホストコンピュータ ３２・・・グラフィックディスプレイ 鳴　　　　　　　　　　　　　　　　　　声−十 電　　　　　　　　　　〇 軸上　　　　　　　　の 杓　　　　　　　　噺 ＊− −σ −Ｃ’Ｊ　　　　Ｃ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 立体の対象物の画像を撮影する撮像系と、得られた画像
   を２値化するデジタイズ系と、得られたデジタルデータ
   を処理するデータ処理系とを備え、立体像に対して全面
   にわたって多条スリット光を照射し、光源と異なった位
   置において対象物上のスリット像を撮影し、その縞模様
   を濃淡の画像として読取り、各点における３次元座標位
   置を三角測量法により決定し、立体像の３次元座標のデ
   ータを得るようにしたことを特徴とする３次元形状計測
   システム。