JPS63191281A

JPS63191281A - 空間パタ−ンコ−ド化方法

Info

Publication number: JPS63191281A
Application number: JP62023764A
Authority: JP
Inventors: Minoru Ito; 稔伊藤; Akira Ishii; 明石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1988-08-08
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JP2565885B2

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】（１）発明の属する技術分野本発明は、ＴＶカメラを用いて物体表面の３次元形状を
計測するパターン投影法において、計測密度、信頼性、
簡易性を高めるための空間パターンコード化方法に関す
るものである。

偉）従来の技術ＴＶカメラを用い、物体の表面形状を非接触で３次元計
測する方法として、スポット投影法、スリット投影法、
およびパターン投影法がある。このうちパターン投影法
は、−回の投影だけで多数点の計測を行うことができ、
計測時間の短縮を図ることができる方法として有名であ
る。

この方法は、パターン原画とパターン投影像とを一義的
に対応付け、その結果から三角測量原理に基づき曲面の
３次元距離分布を算出する方法であり、１枚の画像だけ
を用いる利点を有する代わりに、対応付けに工夫が必要
である。

一義的な対応付けを行うには、構造化した投影パターン
を用い、パターン中の各部分を識別するためのパターン
内部の特徴付けが不可欠である。

この特徴付けは、空間パターンコード化又は空間コード
化と呼ばれる。以降簡単のためコード化と略称すること
とする。

このコード化は、さらにパターン形状コード化。

階調コード化に分けられる。前者のパターン形状コード
化として、スリット開口幅の分布によるものとＭ系列符
号を利用したものが提案されているが、計測密度や計測
の安定性に問題があり、実用性に乏しい０本願は後者の
階調コード化に属するものである。

従来は１階調コード化として、濃淡階調によるものと色
階調によるものとが考えられてきた。このうち濃淡階調
によるものは、多くの階調をもつ空間パターンを投影す
ることによって、パターン原画とパターン像との一義的
な対応付けを可能としたコード化である。これは、原理
的には優れた方法である。しかし、実際の画像では画像
中の雑音、物体表面の反射率のばらつき、ぼけ等により
。

多くの階調を正しく識別することは困難であり。

通常、３階調、多くてもせいぜい４ないし５階調程度が
識別の限度と言われている。

濃淡階調の代わりに色階調を使った方法でも同様な問題
があり、白色又は淡色系の一様な表面といった理想的な
被測定面を対象とする場合を除き。

多くの階調を利用することができない。

このように１階調コード化の方法には識別できる階調数
が少ないという問題があった。

階調コード化のもつ問題の解決策として、１本のスリッ
トに縦方向の３色分布をもたせ、スリット長さ方向全体
の色分布を使ってスリット番号を識別する方法が提案さ
れた。しかしこの方法はスリットが連続して、十分長く
観測できていることが前提となっており、スリットが途
中で切れていたり１色識別の誤りがある場合には、パタ
ーン原画とパターン像の対応を一義的に定められないと
いうことがあった。このため滑らかで、がっ、十分広い
面の計測に限定された。

上記のパターンコード化の欠点をスリット投影法のもつ
利点でカバーしようとした方法が９時系列コード化であ
る。この方法は、複数スリットを１度に投影するのでは
なく、各時点で投影するスリットの組合わせを予め用意
し９時系列的に順次投影し、各スリットについて各時点
のｏｎ−ｏｆｆをコードに書き表す方法であり、広義の
パターン投影法に属し９時系列パターン投影法とも呼ば
れる。この方法は、スリット番号の識別が容易である反
面、多くの画像入力が必要である点で、パターン投影法
の本来の利点を失ったものとなっている。すなわち、パ
ターンを多数回投影するため。

動きのある物体を計測対象とすることができないこと、
又１画像処理を多数の画像に対して実行しなくてはなら
ないので、計算機への負担が重くなること、処理に時間
がかかること、投光系が大がかりになることなどの欠点
があった。

以上説明した様に、１回の投影だけでパターン原画とパ
ターン像とを一義的に対応付け、高い密度で面の３次元
形状を計測することが、従来は不可能であった。

（３）発明の目的本発明は、パターン投影法において、１回の投影で高い
計測密度と計測の高い安定性、信鯨性を得るための空間
パターンコード化方法を提供する。

（４）発明の構成（４−１）発明の特徴と従来の技術との差異本発明は、
３階調からなる格子板パターン構造を用いることを特徴
とする。従来はパターンの特徴付けのために、パターン
形状、Ｎａ淡階調２色階調を多（用意するか、又は複数
スリットを時系列的に多数回投影する必要があったのに
対して１本発明では、最低３階調のパターンを１回投影
するだけで多くの特徴コードを作りだすパターン構造を
提供している点が大きく異なる。

（４−２）実施例第１図は２本発明のパターン構造を説明する模式図であ
る。

パターン原画は、白黒灰色の濃淡３階調を有し。

図では白を２．黒を０．灰色を１として表示しである。

ＲＧＢａ色の階調を用いるときは１例えばＲを２．　Ｇ
を１．ＢをＯに対応させる。

各階調は、コーナ一部分を除き隣接しないように配置さ
れている。

図中のＰｏに注目すると、Ｐｏは各階調領域のコーナ一
部分であり、かつ又エツジの交点であって、その左上の
領域から右廻りに２．１．０．１の階調領域に囲まれて
いる。そこでＰｏのように階ｍ９Ｍ域のコーナ一部分又
はエツジ交点を特徴とする特にノードと名付け、そのノ
ードの主ノードを周囲階調を使って３進４桁の形で表す
こととする。Ｐｏの主コードは（２１０１）となる、同
様にＰ　ｌ”’　Ｐ　ａはそれぞれ（１０１２）、　（
１０２０）、　（１０１２）。

（０２１２）のコードをもつ。この様なコードは１８種
存在する。このことは１８８階調点パターンを投影した
ことに相当する。

次にノードＰ０の最近接ノードＰ１〜Ｐ４のもつ主コー
ドをノードＰ０の補助コードとして与える。つまりＰｏ
の補助コードは、“３進１６桁（１０１２、１０２０，
１０１２，０２１２）となる。そこで、ノードＰ０の特
徴コードを主コードと補助コードで表すと３進２０桁と
なる。

桁数が多くなる煩雑さをさけるため、コードの種類が１
８種であることから４桁毎０，１．２の組合わせに応じ
てコード番号を付すと、ノードの特徴コードは１８進５
桁で表現できる。この様にして、特徴コードは１４５８
種できる。すなわち１４５８階調のパターンを投影した
ことと等価となる。

以上説明したパターン構造は３値からなり、かつ格子板
状に配列しであるので、３値格子板パターンと称するこ
ととする。３値に限らす４値以上とすれば等価階調数は
増大し、又、最近接ノードを４つに限らず例えば８つと
すればさらに等価階調数が増大することは自明である。

又、エツジは必ずしも直線である必要はない。

このパターンは、隣接格子板の階調がお互いに異なると
いう条件のもとで、乱数を発生させて容易に作ることが
できる。実施例では、　　１００Ｘ　１００の３値格子
板パターンをミニコンピユータＶＡＸ１１／７８０で発
生させ、ディスプレイ装置に表示すると共に、ビデオプ
リンタでパターン原板を作成した。

第２図は、第１の実施例であり、パターン原画をスライ
ドプロジェクタで物体に投影したときの投影パターン像
の例を部分的に模写したものである。カメラはＣＯＤカ
メラを用い、カメラ−物体間距離約１ｍ、スライドプロ
ジェクタと物体間距離約１．５ｍである。画像は３階調
から成っており。

格子板各領域のエツジのみ図に記した。

第３図は、全体の処理の流れを示したフローチャートで
ある。１で３値化のための識別しきい値を求め、２で各
画素毎に１階調に応じて０．１又は２の値で書き直す。

３では、各格子板領域のコーナーすなわちエツジ交点を
ノードとして抽出する。

４では、抽出したノードを囲む階調分布に応じて、１８
種類のコード番号のうちの１つを主コードとして付与す
る。

５では最近接４ノードの主コード番号４つを補助コード
として付与する。但し、隣接ノードの１部が求まらなか
った場合にはそのコード番号には０をつける。

６ではノード識別、コード番号の結果をテーブルに記録
する。

第４図は、パターン原画とパターン像の対応付は処理の
流れを示すフローチャートである。第３図におけるノー
ド、コード識別結果を記録したパターン原画とパターン
像用２枚のテーブルを使う。

簡単のためパターン原画のテーブルをテーブルＡ。

パターン像のテーブルをテーブルＢと呼ぶこととする。

７では、テーブルＡの各ノードに対し、テーブルＢの各
ノードの主コードを調べ、同じ主コードとなっているノ
ードを探索する。

次に、８においてそのノードと、パターン原板とカメラ
との幾何学的相対関係により定まる射影直線との距離を
算出する。正しい対応点はこの射影直線上にあることは
射影幾何学から自明である。

算出された距離が予め定めた距Ｍ（通常３画素分）以内
かどうかを９で調べ、もしもＯＫであれば１０において
、補助コードを比較し、１１において、コード番号０を
含まずかつ一致する場合には１２において対応ノードと
決定する。ここで決定できなかった場合には、１３にて
Ｏを除き補助コードが一致すれば、１４で対応ノードの
候補として登録しておく。同じテーブルＢ内の他のノー
ドにおいても調べ、対応ノードと決定できず対応ノード
候補となるものが複数存在する場合には。

一致する補助コードの数が多いノードを対応ノードとす
る。

以上の処理をテーブルＡの各ノードに対して行う、なお
図中■は、対応ノードでないと判断し次の対応ノード候
補を探索することを表す。

第５図は第２の実施例で、カメラ及び投光系の配置を示
す。２１は３値格子板パターンを投影するパターン投影
器、２２．２３はカメラ、２４は被測定物体である。

前記の第１の実施例（第２図〜第４図）では。

１台のカメラのパターン像をパターン原画と対応付けた
が、この第２の実施例では、２台のカメラから得た２枚
のパターン像間でノードの対応付けを行っている。対応
付は処理手順については第１の実施例と同じである。

第６図は、３台のカメラを使った第３の実施例である。

２５は追加したカメラであり、３台のカメラは３角配置
されている。３搬車体視の原理に基づき３枚の画像間で
ノードの対応付けを行う。

先ず２枚の画像間で対応ノードの候補を選択した上で、
その対応候補の正誤判定を第３の画像を使って行う。

この方法では、特徴コードを主コードのみとすることが
でき、補助コードを求める手間を省けるメリットがある
。又１画像の雑音が多い場合、見え隠れがある場合、ハ
イライト等がある場合、物体表面が不均一に汚れている
場合等、特徴コードの読取り誤りが多く発生し易い測定
条件では特にを効である。

第７図は、パターン投影による表面形状計測装置の実施
例の細部構成を示したものである。２１はパターン投影
器であり、市販のスライドプロジェクタを使用している
。３２は３値格子板パターン原板、３３は投影レンズ、
３４はランプ、２２゜２３はカメラ、２４は被測定物体
、３５は画像処理装置、３６はフレームメモリ、３７は
画像３値化処理回路、３８はノード検出回路、３９は特
徴コード識別回路、４０はテーブルである。又、４１は
カメラ位置方位校正データメモリであり、計測前に予め
カメラ校正をして記録しておく、又。

４２は対応処理装置、４３は３次元位置算出回路。

４４は立体表示装置である。

階調は濃淡や色を使うことにより作ることができる０階
調数は４値以上として特徴コードの種類を増やしても構
わない。パターンの各格子板形状は必ずしも正方形でな
くてもよく、長方形であっても、又、他の多角形であっ
てもよい、又、必ずしも各格子板のエツジが直線だけで
なく９曲線であっても構わない。

肚皿ヱ二久■ ３値格子板パターンをＶ　Ａ　Ｘ　１１／７８０ミニコ
ンピユータで乱数を利用して発生し、モニターに表示し
た後、そのモニター像をスライド撮影した。このスライ
ドパターンを市販のキャビン社製スライドプロジェクタ
を使って計測対象に投影した。

計測対象は約２０ｃｍＸ　２０ｃｍの鉄製白色半光沢塗
装波状板であり、波状形状は山谷の深さ３〜５１１輸ｐ
−ｐ　　（不均一分布）１周期約３０ｍｎ＋である。

一方、ソニー製ＣＯＤカメラ２台を約２０ｃｍ離して置
き、固定した。レンズはＴＶ左カメラ一般に用いられて
いる焦点距離１６ｍｌ１１のものを使用した。

カメラの前方約８０ＣＩＩ＋のところに空間座標系の基
準となる基準マーク板を設置し、そのカメラ像から空間
座標系における２台のカメラの位置、方位を校正した。

この校正方法は、特願昭６０−１１８７５６号「カメラ
位置姿勢校正方法とその装置」ですでに開示しである。

又基準マーク板は特願昭６０＝１１８７５５号「カメラ
位置姿勢校正用マークデータ収集方法」で開示しである
。

第８図は、上述した波状板への投影パターン像の１例を
示す、このパターン像に面の光反射率補正を施した後、
ノード及びそれが持っている特徴コードを検出し０次に
特徴コードを使って画像間の対応付けを行い、３次元位
置を算出した。

第９図は、処理結果を示す投影像であり、　（ａ）は正
面方向から見たもの、　（ｂ）は斜め方向から見たもの
である。識別ノード番号からノード、隣接関係を得、計
測ノード点間を直線で結んで表示している。一部計測点
の抜けを除き１画像間の対応が正しく行われ１位置が求
まっている。

計測精度は、基準座標系すなわち空間座標系で最大絶対
精度０．１ｍｍ以内、平均ばらつき誤差０．５ｍｍ以内
、最大ばらつき誤差２ＩＩｌａ＋である。一部計測点が
抜けてしまったのは、主にパターン原板の不良により、
ノード位置が正しく読めなかったり。

特徴コードを読み誤ったことによるものであり。

今後パターン原板の作成に留意すれば解決される。

以上水したように、パターン像間のノード対応は、対応
もれを除き１００％正しく行われ、信頼性が高い。又対
応もれはパターン原板の不良や面の光沢による強いハイ
ライトがある場合に生じ得るが、これにより他のノード
の対応に誤りを発生させることがない。この様に９本手
法の利点が実験によっても確認された。

（５）発明の詳細な説明したように５本願のパターンコード化方法では、
３値以上の階調をもつ格子板パターンを使い、格子板の
コーナーすなわちエツジ交点を特徴点（ノード）とし、
それを囲む階調分布にょリノードの主コードを与え、か
つ隣接するノードの主コードを補助コードとする特徴コ
ード化であるから、少ない階調パターンで多くの特徴コ
ードを作ることができ、たとえば主コードだけを特徴コ
ードとしても１８個のコードができる。隣接するノード
を使ってさらに補助コードを増やすと。

特徴コードを容易に増大できる。

このため、パターン投影法におけるパターン原画として
用いると、パターン原画とパターン像又はパターン像間
の対応を一義的に決定することができ、安定した密度の
高い計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパターン構造を説明する模式図、第２
図は第１の実施例であり、投影パターン像の例を部分的
に示した図、第３図は全体の処理の流れを示したフロー
チャート、第４図は対応付は処理の流れを示すフローチ
ャート、第５図はカメラ２台を用いた第２の実施例のカ
メラと投光系の配置を示す図、第６図はカメラ３台を用
いた第３の実施例のカメラと投光系の配置を示す図、第
７図はパターン投影による表面形状計測装置の実施例構
成を示す図、第８図は波状板への投影パターン像の例を
示すオシロ波形の写真、第９図は処理結果を示す投影像
のオシロ波形の写真であり。（ａ）は正面方向から見たもの、　（ｂ）は斜め方向か
ら見たものである。第３図ないし第７図中、１〜１４・・・フローチャート
の各処理、２１・・・パターン投影器、２２，２３．２
５・・・カメラ、２４・・・被測定物体、３２・・・３
値格子板パターン原板、３３・・・投影レンズ、３４・
・・ランプ、３５・・・画像処理装置、３６・・・フレ
ームメモリ、３７・・・画像３値化処理回路、３８・・
・ノード検出回路、３９・・・特徴コード識別回路、４
０・・・テーブル、４１・・・カメラ位置方位校正デー
タメモリ、４２・・・対応処理装置、４３・・・３次元
位置算出回路、４４・・・立体表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

３値以上の濃淡、又は３色以上の色、又は濃淡と色の組
合わせによって３種類以上の階調を配置した多値格子板
パターンを具備し、該パターンを被測定対象物に投影し
て生じる投影像のエッジ交点又は格子板各領域のコーナ
ーを特徴点とし該特徴点に周囲の階調分布に応じた特徴
コードを付与したことを特徴とする空間パターンコード
化方法。