JPWO2006075528A1 - 3D object measuring device - Google Patents

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Abstract

撮影対象となる3次元オブジェクトを載せる台座と、台座を筒の内壁面で取り囲み、筒の内壁面を鏡面とした鏡面円筒体と、台座に対向し、レンズ光軸が鏡面円筒体の円筒中心軸と一致するように配置された魚眼レンズと、魚眼レンズを介して得られた画像を記録する撮影記録手段とを備えたカメラを備え、カメラの撮影記録手段により、台座上の3次元オブジェクトを直接見た直接画像と、鏡面円筒体の内壁の鏡面に映り込んでいる台座上の3次元オブジェクトの反射画像とを併せて撮影する。これにより、一つの撮影画像によりステレオ計測に用いる3次元オブジェクトの上下左右全周をカバーする複数の画像が得ることができ、かつ、画像間の特徴点同士の対応を簡便に取ることができ、一回の撮影で物体の全方向からの多視点画像を得られ、反射屈折ステレオ視により、一枚の画像から物体の3次元全周形状を計測できる。A pedestal on which a three-dimensional object to be photographed is placed, a pedestal surrounded by an inner wall surface of a cylinder, and a mirror surface cylindrical body having the inner wall surface of the cylinder as a mirror surface, and a lens optical axis facing the pedestal and a lens center axis of the mirror surface cylindrical body. A three-dimensional object on the pedestal was directly viewed by a camera equipped with a fish-eye lens arranged so as to match with, and a photographing and recording means for recording an image obtained through the fish-eye lens. The direct image and the reflection image of the three-dimensional object on the pedestal, which is reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body, are photographed together. As a result, it is possible to obtain a plurality of images that cover the entire upper, lower, left, and right sides of the three-dimensional object used for stereo measurement from one captured image, and it is possible to easily take correspondence between feature points between images. A multi-viewpoint image of the object from all directions can be obtained by one shot, and the three-dimensional shape of the object can be measured from one image by catadioptric stereoscopic vision.

Description

本発明は、3次元オブジェクトを複数の角度から撮影し、一つの画像における特徴点と当該特徴点と対応する他の画像における特徴点(対応特徴点)との対応関係を基に複数の画像を利用した3次元オブジェクトのステレオ計測処理を行ない、3次元オブジェクトの3次元画像データを生成する3次元オブジェクト計測装置に関する。   According to the present invention, a three-dimensional object is photographed from a plurality of angles, and a plurality of images are captured based on the correspondence between feature points in one image and feature points (corresponding feature points) in other images corresponding to the feature points. The present invention relates to a three-dimensional object measuring device that performs stereo measurement processing of a used three-dimensional object and generates three-dimensional image data of a three-dimensional object.

近年、小・中・高校教育において学校教育の情報化推進計画が進められており、全ての小中高等学校の各学級の授業においてコンピュータを活用できるように施策が推進されている。また、家庭においてもブロードバンドネットワークが普及してきており、気軽にインターネット上の様々なデータを検索・閲覧できるようになってきた。
このように、教育分野においてハードウェア資源やネットワーク環境が整備されつつある中、手軽に利用できる魅力のある教育用コンテンツの充実の重要性が指摘されている。代表的な教育用コンテンツの一つとして昆虫や動物の電子図鑑が挙げられる。現在でも昆虫や動物の情報をデジタル化した電子図鑑が存在し、インターネットを介して閲覧可能となっているが、現行の電子図鑑の中には、既存の図鑑本に掲載されている2次元平面写真等をデジタルデータとして取り込んでデータベース化し、検索・閲覧可能としただけの電子図鑑も多いため、特に、今後は、昆虫や動物の立体的な構造や動きを見ることができる3次元電子図鑑など多様な電子図鑑の開発が望まれている。
In recent years, an informatization promotion plan for school education is being promoted in elementary, junior high, and high school education, and measures are being promoted so that computers can be used in all classes of elementary, junior high, and high schools. In addition, broadband networks have become widespread in homes, and various data on the Internet can be easily searched and browsed.
As described above, while hardware resources and network environments are being prepared in the education field, it is pointed out that it is important to enhance attractive educational contents that can be easily used. One of the representative educational contents is an electronic picture book of insects and animals. Even today, there is an electronic picture book that digitizes insect and animal information, and it can be browsed via the Internet. However, the current electronic picture book is a two-dimensional plane that is published in the existing picture book. There are many electronic picture books that can be searched and browsed by importing photographs as digital data into a database, and in particular, in the future, three-dimensional electronic picture books that allow you to see the three-dimensional structure and movement of insects and animals. Development of various electronic picture books is desired.

ここで、現在では昆虫や動物の3次元形状を取り込むことは専門家による多大な労力とコストを必要とするが、教育の現場において先生のニーズに沿った多様な電子図鑑の動的な開発・製作のためには、いちいち専門家を介さずに手軽に学校の先生などが電子図鑑を編集できることが望ましい。つまり、学校の先生など一般の人が手軽に3次元オブジェクトの形状とその動きを計測して3次元データとして取り込み、それら3次元データを基に電子図鑑を製作したり内容を追加したりできる装置の開発が必要とされている。   Now, it takes a lot of labor and cost by an expert to take in three-dimensional shapes of insects and animals at present, but in the field of education, the dynamic development of various electronic picture books that meet the needs of teachers. For production, it is desirable that teachers at the school can easily edit the electronic picture book without going through experts. In other words, a device that allows ordinary people such as school teachers to easily measure the shape and movement of a three-dimensional object and import it as three-dimensional data, and create an electronic picture book or add content based on the three-dimensional data. Development is needed.

3次元オブジェクトの形状を計測して3次元データとして取り込む技術は、主にコンピュータビジョンの分野で研究されており、3次元オブジェクトの形状の計測手法としては、アクティブ計測法とパッシブ計測法の2つが知られている(例えば、特許文献1)。
前者のアクティブ計測法には、レーザや超音波を用いた直接計測法や、プロジェクタなどによりパターンを投影し、そのパターンの歪みにより表面の形状を計測するパターン投影法などがある。後者のパッシブ計測法には2台以上のカメラを使ってステレオ計測するステレオ計測法がある。なお、鏡を利用して1台のカメラによってステレオ計測する手法も提案されている。
The technology of measuring the shape of a three-dimensional object and capturing it as three-dimensional data is mainly studied in the field of computer vision. There are two methods for measuring the shape of a three-dimensional object: an active measurement method and a passive measurement method. It is known (for example, Patent Document 1).
The former active measurement method includes a direct measurement method using laser and ultrasonic waves, and a pattern projection method in which a pattern is projected by a projector and the surface shape is measured by distortion of the pattern. The latter passive measurement method includes a stereo measurement method in which stereo measurement is performed using two or more cameras. A method of stereo measurement using one camera using a mirror has also been proposed.

特開2001−241928JP 2001-241928 A

まず、従来のアクティブ計測法には、第1の問題として計測範囲が狭いという問題があった。レーザや超音波を用いた直接計測法においても、プロジェクタなどによりパターンを投影するパターン投影法においても、これら照射光などが直接当たっている範囲でなおかつカメラなどの測定器で観測される範囲しか計測できないという問題点があった。   First, the conventional active measurement method has a first problem that the measurement range is narrow. In both the direct measurement method using laser and ultrasonic waves, and the pattern projection method in which a pattern is projected by a projector, etc., only the range that is directly irradiated by the irradiation light and is observed by a measuring device such as a camera is measured. There was a problem that I could not.

また、従来のアクティブ計測法には、第2の問題として模様や色彩の画像データを得ることができないという問題もあった。従来のアクティブ計測法は3次元オブジェクトの外形形状を測定するためのものであり、模様や色彩データを直接得ることができないため、模様や色彩データを他に用意する必要があった。つまり、このアクティブ計測法は主に3次元オブジェクトから3次元ワイヤーフレームや3次元ポリゴンを生成するための手法であり、模様や色彩データはテクスチャ画像として別途、展開画像を用意する必要があり、3次元画像データ生成のためには多数の工程と多大の労力が必要となる。   The second problem of the conventional active measurement method is that pattern or color image data cannot be obtained. Since the conventional active measurement method is for measuring the outer shape of a three-dimensional object and cannot directly obtain the pattern and color data, it is necessary to prepare another pattern and color data. In other words, this active measurement method is a method mainly for generating a three-dimensional wire frame or a three-dimensional polygon from a three-dimensional object, and it is necessary to separately prepare a developed image as a texture image for the pattern and color data. A large number of steps and a great deal of labor are required to generate the three-dimensional image data.

次に、従来のパッシブ計測法には、第1の問題として装置の規模が大きくなってしまうと言う問題があった。本来2次元画像である3次元オブジェクトの撮影画像を基に3次元画像データを得るためには、3次元オブジェクトを複数の視点から撮影した複数の2次元画像が必要となるが、電子図鑑として視聴に耐える3次元画像データとするためには、3次元オブジェクトの周囲にぐるりと多数のカメラを用意し、3次元オブジェクトを上下左右の全周を撮影する必要がある。このように電子図鑑として視聴に耐える3次元画像データを得るためには装置の規模が大きくなってしまうという問題点がある。   Next, the conventional passive measurement method has a problem that the scale of the apparatus becomes large as a first problem. In order to obtain three-dimensional image data based on a photographed image of a three-dimensional object, which is originally a two-dimensional image, a plurality of two-dimensional images obtained by photographing the three-dimensional object from a plurality of viewpoints are required. In order to obtain 3D image data that can withstand the above conditions, it is necessary to prepare a large number of cameras around the 3D object and photograph the entire top, bottom, left, and right sides of the 3D object. As described above, in order to obtain three-dimensional image data that can withstand viewing as an electronic picture book, there is a problem that the scale of the device becomes large.

また、従来のパッシブ計測法には、第2の問題として多数の視点から多数の画像を用意した場合、特徴点同士のマッチングを取ることが難しくなると言う問題があった。ステレオ計測法では、多数の視点から撮影した多数の画像の間でステレオ計測を行なう必要があり、その過程において画像上の特異点やエッジ部分などの特徴点を選び出し、その特徴点を手掛かりとしてマッチングを行なう。しかし、昆虫や動物など複雑な形状を持つ3次元オブジェクトには多数の特徴点が存在し、特徴点の数が増えるにつれてそれらのマッチングを行なうための計算量が急激に増えて行き、マッチングを取ることが難しくなる。
なお、装置規模を小さくするためカメラの台数を減らす工夫として、平面鏡を利用した装置があるが、この装置によればパッシブ計測法の第1の問題点はある程度緩和されるが、3次元オブジェクトの上下左右の全周をカバーする画像を得るためには、なお、複数のカメラが必要である。さらに、この装置ではパッシブ計測法の第2の問題点は緩和できない問題として残る。
A second problem with the conventional passive measurement method is that it becomes difficult to match feature points with each other when a large number of images are prepared from a large number of viewpoints. In the stereo measurement method, it is necessary to perform stereo measurement between many images taken from many viewpoints, and in the process, feature points such as singular points and edge parts on the image are selected and matching is performed using the feature points as clues. Do. However, a large number of feature points exist in a three-dimensional object having a complicated shape such as insects and animals, and as the number of feature points increases, the amount of calculation for performing matching increases rapidly, and matching is performed. Becomes difficult.
As a device for reducing the number of cameras in order to reduce the device scale, there is a device that uses a plane mirror. This device alleviates the first problem of the passive measurement method to some extent, but In order to obtain an image that covers the entire top, bottom, left, and right, multiple cameras are still required. Further, the second problem of the passive measurement method remains as an irreversible problem with this device.

また、システム構成の単純化を目的として、鏡やプリズムなどによる反射像や屈折像を用いて、1台のカメラで物体の3次元形状を計測する反射屈折ステレオ視系が知られている。反射屈折ステレオ視系とは、物体表面の同じ一点を始点として異なる軌道を進む複数の光を、光学機器を用いることで単一のカメラに入射させ、複数視点からカメラで観測した像と等価な画像を撮影することで、1台のカメラでステレオ視を実現するシステムである。
この反射屈折ステレオ視系は、1台のカメラで視差のある画像が得られるため、カメラパラメータの補正処理が不要となり、かつ、各視点の像が同期して撮影される利点を有する。また、エピポーラ線が走査線上と同一になるようにカメラや鏡を配置することで、複数のカメラを用いたステレオ視系と同様に、対応点の存在する範囲を限定することが可能となる。
しかし、反射屈折ステレオ視系に基づく物体の全周形状計測手法は、鏡による不規則な写り込みの発生や対応点探索範囲の拡大により、正しい全周形状を得ることが困難である問題がある。
Further, for the purpose of simplifying the system configuration, there is known a catadioptric stereo system in which a single camera measures a three-dimensional shape of an object by using a reflected image and a refracted image by a mirror or a prism. A catadioptric stereo system is a system in which multiple lights that travel from different trajectories starting from the same point on the surface of an object are incident on a single camera using optical equipment, and are equivalent to the images observed by the camera from multiple viewpoints. It is a system that realizes stereoscopic vision with a single camera by capturing an image.
This catadioptric stereo vision system has an advantage that an image with parallax can be obtained with one camera, so that correction processing of camera parameters is not necessary, and images of respective viewpoints are taken in synchronization. Further, by arranging the camera and the mirror so that the epipolar line is the same as that on the scanning line, it is possible to limit the range where the corresponding points exist, as in a stereoscopic vision system using a plurality of cameras.
However, the omnidirectional shape measuring method based on the catadioptric stereo system has a problem that it is difficult to obtain a correct omnidirectional shape due to the occurrence of irregular reflection by a mirror and the expansion of the corresponding point search range. .

上記問題点に鑑み、本発明は、装置規模が小さく、1台(または2台)という少ない台数のカメラにより撮影した少ない枚数の撮影画像により3次元オブジェクトの上下左右全周をカバーする画像が得ることができ、かつ、画像間の特徴点同士の対応を簡便に取ることができ、一回の撮影で物体の全方向からの多視点画像を得られ、反射屈折ステレオ視により、一枚の画像から物体の3次元全周形状を計測できる3次元オブジェクト計測装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, according to the present invention, the device scale is small, and an image covering the entire upper, lower, left, and right sides of a three-dimensional object is obtained from a small number of captured images captured by a small number of cameras (one or two). In addition, the feature points between the images can be easily matched, and a multi-viewpoint image from all directions of the object can be obtained in one shot. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional object measuring device capable of measuring the three-dimensional all-round shape of an object.

上記目的を達成するため、本発明の3次元オブジェクト計測装置は、撮影対象となる3次元オブジェクトを載せる台座と、前記台座を筒の内壁面で取り囲み、前記筒の内壁面を鏡面とした鏡面円筒体と、前記台座に対向し、レンズ光軸が前記鏡面円筒体の円筒中心軸と一致するように配置された魚眼レンズと、前記魚眼レンズを介して得られた画像を記録する撮影記録手段とを備えたカメラを備え、前記カメラの撮影記録手段により、前記台座上の3次元オブジェクトを直接見た直接画像と、前記鏡面円筒体の内壁の鏡面に映り込んでいる前記台座上の3次元オブジェクトの反射画像とを併せて撮影するものである。
上記構成によれば、魚眼レンズによりレンズ光軸を中心として放射状に全視野角の映像が撮影でき、魚眼レンズに対向する台座に載せられた3次元オブジェクトを直接撮影した直接画像と、鏡面円筒体の側面内壁の鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像とを併せて一度に撮影することができる。円筒鏡面の性質上、この反射画像は3次元オブジェクトの周囲をぐるりと囲む全方向の視点から見える正面画像が映り込んだものとなっており、当該反射画像の撮影により、全方向の視点からの正面画像を一度に得ることができる。
なお、撮影対象となる3次元オブジェクトを台座に載せる以外に、3次元オブジェクトを固定支持する手段、例えば、針金などで刺して固定支持してもよい。また、卓上を台座として活用してもよい。
In order to achieve the above object, a three-dimensional object measuring device of the present invention is a pedestal on which a three-dimensional object to be imaged is placed, a pedestal surrounded by an inner wall surface of a cylinder, and a mirror surface cylinder having the inner wall surface of the cylinder as a mirror surface. A body, a fish-eye lens facing the pedestal and arranged so that a lens optical axis coincides with a cylinder center axis of the mirror-cylindrical body, and a photographing recording means for recording an image obtained through the fish-eye lens. A direct image of a three-dimensional object directly on the pedestal and a reflection of the three-dimensional object on the pedestal reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-finished cylindrical body. The image is taken together with the image.
According to the above configuration, the fisheye lens can shoot an image of all viewing angles radially around the lens optical axis, the direct image of the three-dimensional object directly mounted on the pedestal facing the fisheye lens, and the side surface of the mirror cylinder. It is possible to shoot together with the reflection image of the three-dimensional object reflected on the mirror surface of the inner wall. Due to the nature of the cylindrical mirror surface, this reflection image is a reflection of the front image seen from all directions surrounding the three-dimensional object, and the reflection image is taken from all directions. The front image can be obtained at one time.
In addition to placing the three-dimensional object to be photographed on the pedestal, the three-dimensional object may be fixed and supported by a means for fixing and supporting the three-dimensional object, for example, a wire. Also, the table may be used as a pedestal.

ここで、鏡面円筒体の側面内壁の鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像が複数ある場合がある。つまり、鏡面で一回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆる一回反射画像、鏡面で二回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆる二回反射画像など、鏡面でn(nは自然数)回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆるn回反射画像があり得る。
なお、上記は静止画像の説明であるが、時系列に連続した静止画像を得ればそれらを動画像として扱うことができ、対象物体の動きに関する3次元動画像データも得ることが可能となる。
Here, there may be a plurality of reflection images of the three-dimensional object reflected on the mirror surface of the side wall of the mirror cylinder. That is, a so-called single reflection image reflected once by a mirror surface and captured by a fisheye lens, a so-called double reflection image reflected twice by a mirror surface and captured by a fisheye lens, etc. is reflected n times (n is a natural number) on the mirror surface. There may be a so-called n-times reflection image captured by a fisheye lens.
It should be noted that although the above is the description of still images, if still images that are continuous in time series are obtained, they can be treated as moving images, and three-dimensional moving image data relating to the movement of the target object can also be obtained. .

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記カメラの撮影記録手段により撮影した撮影画像上の特徴点を抽出して決定する特徴点抽出手段と、前記特徴点抽出手段によって抽出された前記直接画像上の特徴点に対応する前記反射画像上の対応特徴点を前記反射画像上において探索して決定する、または、前記特徴点抽出手段によって抽出された前記反射画像上の特徴点に対応する前記直接画像上の対応特徴点を前記直接画像上において探索して決定する対応特徴点探索手段と、前記特徴点と前記対応特徴点との対応関係を基に前記直接画像と前記反射画像とのステレオ計測処理を行ない、前記直接画像と前記反射画像から前記3次元オブジェクトの3次元画像データを生成する3次元画像データ生成手段を備え、前記対応特徴点探索手段において、前記撮影画像において画像の中心と前記特徴点とを結ぶ延長線上を探索することにより前記対応特徴点の探索を行なうことを特徴とすることが好ましい。
上記構成により、ステレオ計測処理において直接画像と反射画像の間で特徴点とその特徴点に対応する対応特徴点とを簡便にマッチングすることができる。つまり、本発明の3次元オブジェクト計測装置では、反射画像は台座の中心(円筒中心)から放射線状に展開された画像となっており、特徴点と対応する対応特徴点とが必ず同じ直線上にあるため対応点探索が簡単となる利点がある。
Next, in the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention, the feature point extracting means for extracting and determining the feature points on the photographed image photographed by the photographing recording means of the camera, and the feature point extracting means for extracting the feature points. Corresponding feature points on the reflection image corresponding to the feature points on the direct image are searched and determined on the reflection image, or correspond to the feature points on the reflection image extracted by the feature point extraction means. Corresponding feature point searching means for searching and determining corresponding feature points on the direct image on the direct image, and the direct image and the reflection image based on the correspondence between the feature points and the corresponding feature points. A stereoscopic measurement process is performed, and a three-dimensional image data generation unit that generates three-dimensional image data of the three-dimensional object from the direct image and the reflection image is provided, and the corresponding feature point searching unit includes the center of the image in the captured image. It is preferable that the corresponding feature point is searched by searching on an extension line connecting the feature point and the feature point.
With the above configuration, it is possible to easily match the feature point and the corresponding feature point corresponding to the feature point between the direct image and the reflected image in the stereo measurement process. That is, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the reflection image is an image developed radially from the center of the pedestal (center of the cylinder), and the feature point and the corresponding feature point are always on the same straight line. Therefore, there is an advantage that the corresponding point search becomes easy.

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記台座を透明素材で形成し、前記台座の下方向からも前記オブジェクトを可視とし、前記カメラとして第1のカメラと第2のカメラの2つのカメラを備え、前記第1のカメラの魚眼レンズと前記第2のカメラの魚眼レンズが前記台座を挟んで対向し合うように配置することが好ましい。
上記構成により、鏡面円筒体のいわゆる上面と下面の2方向から魚眼レンズで撮影することにより、3次元オブジェクトの上部画像と下部画像を同時に撮影することが可能となる。
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the pedestal is made of a transparent material, and the object is made visible from below the pedestal. Two cameras, a first camera and a second camera, are used as the cameras. A camera is preferably provided, and the fisheye lens of the first camera and the fisheye lens of the second camera are preferably arranged so as to face each other with the pedestal interposed therebetween.
With the above configuration, it is possible to capture the upper image and the lower image of the three-dimensional object at the same time by capturing the images with the fisheye lens from the two directions of the so-called upper surface and lower surface of the mirror surface cylindrical body.

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記カメラが前記鏡面円筒体に対して前記円筒中心軸に沿った移動が可能となっており、前記台座と前記魚眼レンズの距離を可変とすることが好ましい。
鏡面円筒体の側面内壁の鏡面において3次元オブジェクトの反射画像が映り込む位置は計測する3次元オブジェクトの大きさ(高さ、厚み)や形状により異なる。直接画像および反射画像を適切に撮影するため魚眼レンズの位置(台座と魚眼レンズとの距離)が調整できることが好ましい。そこで、台座と魚眼レンズとの距離を可変としたものである。
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the camera is movable with respect to the mirror-finished cylindrical body along the cylindrical center axis, and the distance between the pedestal and the fisheye lens is variable. Is preferred.
The position where the reflection image of the three-dimensional object is reflected on the mirror surface of the side wall of the mirror-cylindrical body varies depending on the size (height, thickness) and shape of the three-dimensional object to be measured. It is preferable that the position of the fish-eye lens (the distance between the base and the fish-eye lens) can be adjusted in order to properly capture the direct image and the reflected image. Therefore, the distance between the pedestal and the fisheye lens is variable.

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記台座と前記鏡面円筒体および前記カメラとの相対運動を可能とし、前記台座を固定した状態で、前記台座の中心を回転運動の中心として3次元空間内での前記鏡面円筒体および前記カメラを一体とした自由な回転移動を可能とすることが好ましい。
上記構成により、3次元オブジェクトが切り立った側面形状を持っている場合や、3次元オブジェクトが凹形状を持っている場合であっても、当該部分についてステレオ計測に必要な画像を得ることができる。例えば3次元オブジェクトが切り立った側面形状を持っている場合は、鏡面円筒体と台座を固定したままでは魚眼レンズによっては直接画像をうまく得ることができない。また、3次元オブジェクトが上面に少し深い凹形状を持っている場合は、鏡面円筒体とカメラを固定したままで直接画像を得ることはできるものの、反射画像としては凹形状の部分は周縁の壁面の陰になって得ることはできない。そこで、台座を固定した状態で、台座の中心を回転運動の中心として3次元空間内での鏡面円筒体およびカメラを一体とした自由な回転移動を可能としたものであり、上記前者の側面形状の場合や上記後者の凹形状の場合であっても、それら部分の直接画像および反射画像が撮影できる別アングルの角度となるように鏡面円筒体およびカメラの配置を調整せしめることを可能としたものである。
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the pedestal, the mirror-cylindrical body, and the camera are allowed to move relative to each other, and with the pedestal fixed, the center of the pedestal is set as the center of rotational movement. It is preferable that the mirror-cylindrical body and the camera can be freely rotated in a dimensional space.
With the above configuration, even when the three-dimensional object has a raised side surface shape or when the three-dimensional object has a concave shape, it is possible to obtain an image required for stereo measurement of the portion. For example, when a three-dimensional object has a steep side surface shape, an image cannot be directly obtained with a fish-eye lens with the mirror surface cylindrical body and the base fixed. Also, if the three-dimensional object has a slightly deep concave shape on the upper surface, it is possible to directly obtain an image with the mirror cylinder and the camera fixed, but as a reflection image, the concave portion has a peripheral wall surface. You can't get behind the shadows of. Therefore, in the state where the pedestal is fixed, it is possible to freely rotate and move the mirror cylinder and the camera in a three-dimensional space with the center of the pedestal as the center of rotational movement. In the case of or in the case of the latter concave shape, it is possible to adjust the arrangement of the mirror surface cylindrical body and the camera so that the direct image and the reflection image of those parts can be taken at different angles. Is.

本発明の3次元オブジェクト計測装置によれば、魚眼レンズによりレンズ光軸を中心として放射状に全視野角の映像が撮影でき、鏡面円筒体を組み合わせて台座に載せられた3次元オブジェクトの撮影画像を取得することにより、魚眼レンズに対向する台座に載せられた3次元オブジェクトを直接撮影した直接画像と、鏡面円筒体の側面内壁の鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像とを併せて一度に撮影することができる。また、本発明の3次元オブジェクト計測装置によれば、ステレオ計測処理において直接画像と反射画像の間で特徴点とその特徴点に対応する対応特徴点とを簡便にマッチングすることができる。   According to the three-dimensional object measuring device of the present invention, a fisheye lens can photograph a video of all viewing angles radially around the lens optical axis, and a photographed image of a three-dimensional object placed on a pedestal can be obtained by combining a mirror surface cylindrical body. By doing so, a direct image of the 3D object placed on the pedestal facing the fisheye lens and a reflected image of the 3D object reflected on the mirror surface of the inner wall of the side surface of the mirror cylinder are taken together. can do. Further, according to the three-dimensional object measuring device of the present invention, it is possible to easily match the feature point and the corresponding feature point corresponding to the feature point between the direct image and the reflection image in the stereo measurement process.

以下、図面を参照しつつ、本発明の3次元オブジェクト計測装置の実施例を説明する。ただし、本発明の技術的範囲は以下の実施例に示した具体的な用途や形状・寸法などには限定されない。
また、3次元オブジェクトの計測の際に、3次元オブジェクトを支持する手段は、オブジェクトを支えることができるものであれば良く、例えば、台座、吊るし糸、針金、針などが挙げられる。ここで台座は装置筐体に組み込まれる小さな板状のものに限定されず、机や置き台のような大きなものも含む。机を支持手段とする場合は後述する鏡面円筒体を、支持手段である台座としての机の上に立てて据え置くこととなる。
以下に説明する実施例では3次元オブジェクトの支持手段を小さな円盤状の板である台座として説明する。
An embodiment of a three-dimensional object measuring device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to the specific applications, shapes and dimensions shown in the following embodiments.
Further, when measuring the three-dimensional object, the means for supporting the three-dimensional object may be any means capable of supporting the object, and examples thereof include a pedestal, a hanging thread, a wire, and a needle. Here, the pedestal is not limited to a small plate-like one that is built into the device housing, and includes a large one such as a desk or a stand. When a desk is used as the supporting means, a mirror-finished cylindrical body, which will be described later, is erected on a desk as a pedestal which is the supporting means.
In the embodiments described below, the supporting means for the three-dimensional object will be described as a pedestal which is a small disk-shaped plate.

実施例1にかかる本発明の3次元オブジェクト計測装置の例を示す。
図1は実施例1に係る3次元オブジェクト計測装置100の基本構成を模式的に示した図である。
1 shows an example of a three-dimensional object measuring device of the present invention according to a first embodiment.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the basic configuration of a three-dimensional object measuring device 100 according to the first embodiment.

10は撮影対象となる3次元オブジェクトを載せる台座である。台座10の形状は限定されないが、例えば、円盤状とする。台座10の大きさは撮影対象となる3次元オブジェクトが載せ置ける大きさとする。   Reference numeral 10 is a pedestal on which a three-dimensional object to be photographed is placed. The shape of the pedestal 10 is not limited, but is, for example, a disk shape. The size of the pedestal 10 is such that a three-dimensional object to be photographed can be placed.

20は鏡面円筒体である。鏡面円筒体20は横断面が真円である円筒形状を持ち、その内壁面が鏡面となっている。つまり、本発明に言う鏡面円筒体とは、筒体の内壁面が円筒形でかつ鏡面となっているものを言う。筒体の外壁面はかならずしも円筒形でなくとも良くまた鏡面でなくとも良い。例えば、外形形状は四角柱でプラスチック素材であるが、その内側に円柱形のくり抜きがありその内壁面が鏡面であるようなものも含まれる。
鏡面円筒体20の内径はその中に台座10を収める大きさを持っており、この例では台座10は鏡面円筒体20の底面部分に収められている。
鏡面円筒体20の高さは、撮影対象となる3次元オブジェクトの高さをLとすると、基底となっている台座10からL以上あれば良いが、例えば、台座10から2L〜10L程度の高さとすることができる。
20 is a mirror-finished cylindrical body. The mirror-cylindrical body 20 has a cylindrical shape whose cross section is a perfect circle, and its inner wall surface is a mirror surface. That is, the mirror-finished cylindrical body in the present invention means that the inner wall surface of the cylindrical body is cylindrical and has a mirror surface. The outer wall surface of the cylindrical body does not necessarily have to be cylindrical and need not be a mirror surface. For example, the external shape is a quadrangular prism and is made of a plastic material, but there is also included one having a cylindrical hollow inside and a mirror-finished inner wall surface.
The inner diameter of the mirror-cylindrical body 20 has such a size that the pedestal 10 is housed therein, and in this example, the pedestal 10 is housed in the bottom surface portion of the mirror-cylindrical body 20.
Assuming that the height of the three-dimensional object to be imaged is L, the height of the mirror-cylindrical body 20 may be L or more from the base 10 that is the base, but for example, a height of about 2L to 10L from the base 10. Can be

30はカメラである。カメラ30は魚眼レンズ31と撮影記録手段32を備えている。
魚眼レンズ31は、台座10に対向し、レンズ光軸が鏡面円筒体20の円筒中心軸と一致するように配置されている。この例では魚眼レンズ31は鏡面円筒体20の上面に配置され、台座10に対向するように下向きに据え付けられている。魚眼レンズ31の中心軸(レンズ光軸)は円筒鏡面体20の中心軸(円筒中心軸)に一致するように配置されている。
撮影記録手段32は魚眼レンズ31を介して得られた画像を記録できるものであれば特に限定されず、アナログフィルムに露光記録するいわゆるアナログ画像記録手段でもよく、CCD(Charge Coupled Device)などの受光素子で受光してデジタルデータとして記録するいわゆるデジタル記録手段でも良い。一例としてここでは撮影記録手段32はデジタル画像記録手段とする。
30 is a camera. The camera 30 includes a fisheye lens 31 and a photographing/recording means 32.
The fish-eye lens 31 faces the pedestal 10 and is arranged such that the optical axis of the lens coincides with the central axis of the mirror cylinder 20. In this example, the fish-eye lens 31 is arranged on the upper surface of the mirror-cylindrical body 20 and is installed downward so as to face the pedestal 10. The central axis (lens optical axis) of the fish-eye lens 31 is arranged so as to coincide with the central axis (cylindrical central axis) of the cylindrical mirror body 20.
The photographing/recording means 32 is not particularly limited as long as it can record an image obtained through the fisheye lens 31, and may be a so-called analog image recording means for exposing and recording on an analog film, and a light receiving element such as CCD (Charge Coupled Device). It may be a so-called digital recording means that receives light and records it as digital data. As an example, here, the photographing and recording means 32 is a digital image recording means.

画像データ処理装置40は、カメラ30により撮影された2次元画像を受け取り、ステレオ計測処理により3次元画像データを生成するものである。画像データ処理装置40は、特徴点抽出手段41、対応特徴点探索手段42、3次元画像データ生成手段43を備えるが(図1には図示せず)、これらについては後述する。   The image data processing device 40 receives a two-dimensional image taken by the camera 30 and generates three-dimensional image data by stereo measurement processing. The image data processing device 40 includes a feature point extraction unit 41, a corresponding feature point search unit 42, and a three-dimensional image data generation unit 43 (not shown in FIG. 1), which will be described later.

次に、図1に示した3次元オブジェクト計測装置100の構成例において、台座10に載せ置いたオブジェクトを撮影してステレオ計測法により3次元画像データを得る原理と手順を説明する。ここでは、一例として、コーン形状(円錐体形状)を持つ3次元オブジェクト(オブジェクト1)を読み取る例を説明する。
ステレオ計測法に基づいて2次元画像データから3次元画像データを得るためには、手順1として、対象となる3次元オブジェクトを複数の視点(それぞれ異なる角度)から撮影した2次元画像を取得する手順、手順2として、取得した複数の2次元画像間の特徴点間でマッチング処理を行なって3次元オブジェクトの要素ごとに対応付けを行なう手順、手順3として、ステレオ計測処理に基づく差分計算や推論計算により3次元画像データとしておこす手順を踏む必要がある。
Next, in the configuration example of the three-dimensional object measuring apparatus 100 shown in FIG. 1, the principle and procedure of photographing an object placed on the pedestal 10 and obtaining three-dimensional image data by the stereo measurement method will be described. Here, as an example, an example of reading a three-dimensional object (object 1) having a cone shape (cone shape) will be described.
In order to obtain three-dimensional image data from two-dimensional image data based on the stereo measurement method, as a procedure 1, a procedure for acquiring a two-dimensional image obtained by photographing a target three-dimensional object from a plurality of viewpoints (each different angle). The procedure 2 is a procedure of performing matching processing between the characteristic points between the acquired two-dimensional images and associating each element of the 3D object with each other. The procedure 3 is the difference calculation and the inference calculation based on the stereo measurement processing. Therefore, it is necessary to take a procedure to generate it as three-dimensional image data.

まず、手順1として、本発明の3次元オブジェクト計測装置100では、一度の撮影により直接画像と反射画像の少なくとも2つの画像を得る。ここで、直接画像とは、台座10上の3次元オブジェクトから魚眼レンズ31に直接入射する光線を受光して得た画像、つまり、魚眼レンズ31の視点から直接見える3次元オブジェクトの画像のことを言う。反射画像とは、台座10上の3次元オブジェクトから鏡面円筒体20の内壁鏡面において反射して魚眼レンズ31に入射する光線を受光して得た画像、つまり、魚眼レンズ31の視点から鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像のことを言う。反射画像には、鏡面円筒体20の内壁鏡面において一度反射して魚眼レンズ31に入射する一回反射画像R1、鏡面円筒体20の内壁鏡面において二度反射して魚眼レンズ31に入射する二回反射画像R2など多数回反射して得られる画像を含む。つまり、鏡面円筒体20の内壁鏡面においてn(nは自然数)回反射して魚眼レンズ31に入射するものはn回反射画像Rnとなる。   First, as a procedure 1, the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention obtains at least two images, a direct image and a reflection image, by performing a single shooting. Here, the direct image refers to an image obtained by receiving light rays that are directly incident on the fisheye lens 31 from the three-dimensional object on the pedestal 10, that is, an image of the three-dimensional object that is directly visible from the viewpoint of the fisheye lens 31. The reflection image is an image obtained by receiving a ray of light reflected from the three-dimensional object on the pedestal 10 on the mirror surface of the inner wall of the specular cylindrical body 20 and incident on the fisheye lens 31, that is, the specular cylindrical body 20 from the viewpoint of the fisheye lens 31. It refers to a reflection image of a three-dimensional object that is reflected on the mirror surface of the inner wall. In the reflection image, a once-reflection image R1 that is once reflected on the inner wall mirror surface of the mirror surface cylindrical body 20 and enters the fisheye lens 31, and a twice-reflection image that is twice reflected on the inner wall mirror surface of the mirror surface cylindrical body 20 and enters the fisheye lens 31. It includes images obtained by multiple reflections such as R2. That is, what is reflected n times (n is a natural number) on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 and enters the fisheye lens 31 is an n-times reflected image Rn.

図2は直接画像と反射画像のカメラ30における受光の様子を3次元オブジェクト計測装置100の縦断面において模式的に表した図である。図2では、3次元オブジェクト1のある点Aにのみ着目している。台座10に載せ置かれた3次元オブジェクト1のある点Aから出射し、直接魚眼レンズ31に入射する光が直接画像を形成する光路A0である。点Aから出射し、鏡面円筒体20の内壁鏡面において一度反射して魚眼レンズ31に入射する光が一回反射画像を形成する光路A1である。点Aから出射し、鏡面円筒体20の内壁鏡面において二度反射して魚眼レンズ31に入射する光が二回反射画像を形成する光路A2である。
なお、三回以上反射する光路もあるが、図2では二回反射の光路A2までを示し、それ以上のものは図示を省略している。また、図2は点Aのみに着目した光路を示したが、オブジェクト1の表面のすべての点から出射した光が図2と同様の原理により魚眼レンズ31に入射する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing how the direct image and the reflected image are received by the camera 30, in a vertical section of the three-dimensional object measuring apparatus 100. In FIG. 2, only a certain point A of the three-dimensional object 1 is focused. Light emitted from a point A of the three-dimensional object 1 placed on the pedestal 10 and directly incident on the fisheye lens 31 is an optical path A0 that directly forms an image. Light emitted from the point A, reflected once on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 and incident on the fisheye lens 31 is an optical path A1 that forms a once-reflected image. The light emitted from the point A, reflected twice on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 and incident on the fish-eye lens 31 is an optical path A2 that forms a twice-reflected image.
Although there is an optical path that reflects three times or more, in FIG. 2, only the optical path A2 that reflects twice is shown, and more than that is not shown. Further, although FIG. 2 shows the optical path focusing only on the point A, the light emitted from all the points on the surface of the object 1 enters the fisheye lens 31 according to the same principle as in FIG.

図3は、台座10の上に載せ置かれたコーン形状であるオブジェクト1をカメラ30により撮影して得た画像を模式的に示す図である。なお、オブジェクト1のある点Aを参考までに白丸の小点として示している。図3において中央に見える画像が、オブジェクト1の直接画像D0であり、コーン形状を真上から見たものとなっている。図3において直接画像D0を囲む円は台座10と鏡面円筒体20のエッジEである。次に、エッジEを囲む外側の輪状のものは鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込んだオブジェクト1の一回反射画像R1である。コーン形状の側面が面円筒体20の内壁鏡面をぐるりと周回する形で映り込んでいる。次に、一回反射画像R1を囲む外側の輪状のものは鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込んだオブジェクト1の二回反射画像R2である。一回反射画像R1と同様、コーン形状の側面が面円筒体20の内壁鏡面をぐるりと周回する形で映り込んでいるが、二回反射画像R2では像が点対称の像となっている。つまり、オブジェクト1上のある点Aの画像は、直接画像D0では右側にあり(画像点G0)、一回反射画像R1でも右側にあるが(画像点G1)、二回反射画像R2では左側に映り込んでいる(画像点G2)。
なお、図3では三回反射以上の反射画像(反射画像R3など)は図示を省略した。
本発明の3次元オブジェクト計測装置100では、このように一度の撮影により直接画像と反射画像の複数の画像を得る。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an image obtained by photographing the cone-shaped object 1 placed on the pedestal 10 with the camera 30. For reference, a certain point A on the object 1 is shown as a small dot in a white circle. The image seen in the center of FIG. 3 is the direct image D0 of the object 1, which is the cone shape seen from directly above. In FIG. 3, the circle directly surrounding the image D0 is the pedestal 10 and the edge E of the mirror-cylindrical body 20. Next, the outer ring-shaped object surrounding the edge E is the single reflection image R1 of the object 1 reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20. The side surface of the cone shape is reflected around the mirror surface of the inner wall of the surface cylindrical body 20 in a circular manner. Next, the outer ring-shaped object surrounding the once-reflection image R1 is the twice-reflection image R2 of the object 1 reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20. Similar to the one-time reflection image R1, the side surface of the cone shape is reflected around the inner wall mirror surface of the surface cylindrical body 20 around the mirror surface, but the double-reflection image R2 has a point-symmetrical image. That is, the image of a certain point A on the object 1 is on the right side in the direct image D0 (image point G0) and on the right side in the single reflection image R1 (image point G1), but on the left side in the double reflection image R2. It is reflected (image point G2).
It should be noted that in FIG. 3, reflection images of three or more reflections (reflection image R3 and the like) are not shown.
In the three-dimensional object measuring device 100 of the present invention, a plurality of images including the direct image and the reflection image are obtained by once photographing as described above.

ここで、本発明の3次元オブジェクト計測装置100により得た直接画像と反射画像が、異なる角度の複数の視点から撮影した画像として3次元ステレオ計測に用いることができる理由を説明する。   Here, the reason why the direct image and the reflection image obtained by the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention can be used for three-dimensional stereo measurement as images taken from a plurality of viewpoints at different angles will be described.

図4は、図2で説明したオブジェクト1の点Aに対する直接画像を形成する光路A0、一回反射画像を構成する光路A1、二回反射画像を形成する光路A2の撮影視点を等価的に展開した様子を模式的に示した図である。実際の魚眼レンズ31は撮影視点F0であるが、一回反射画像R1に対応する光路A1は撮影視点F1に入射する光路A1’と等価である。同様に、二回反射画像R2に対応する光路A2は撮影視点F2に入射する光路A2’と等価である。つまり、一回反射画像R1における点Aはオブジェクト1を撮影視点F1においた仮想カメラ30’において撮影すれば得られるであろう画像中の点Aと等価であり、二回反射画像R2における点Aはオブジェクト1を撮影視点F2においた仮想カメラ30’’において撮影すれば得られるであろう画像中の点Aと等価であると言える。なお、鏡面円筒体20の内径をrとすると、撮影視点F1は魚眼レンズ31から2r離れた位置、撮影視点F2は魚眼レンズ31から4r離れた位置となる。   FIG. 4 is an equivalent development of the shooting viewpoints of the optical path A0 forming a direct image, the optical path A1 forming a single reflection image, and the optical path A2 forming a double reflection image for the point A of the object 1 described in FIG. It is the figure which showed the mode that it did. Although the actual fish-eye lens 31 is at the shooting viewpoint F0, the optical path A1 corresponding to the once-reflection image R1 is equivalent to the optical path A1' incident on the shooting viewpoint F1. Similarly, the optical path A2 corresponding to the twice-reflected image R2 is equivalent to the optical path A2' incident on the photographing viewpoint F2. That is, the point A in the single-reflection image R1 is equivalent to the point A in the image that would be obtained by shooting the object 1 with the virtual camera 30′ at the shooting viewpoint F1, and the point A in the double-reflection image R2. Can be said to be equivalent to the point A in the image that would be obtained by shooting the object 1 with the virtual camera 30″ at the shooting viewpoint F2. When the inner diameter of the mirror-cylindrical body 20 is r, the shooting viewpoint F1 is a position 2r away from the fisheye lens 31, and the shooting viewpoint F2 is a position 4r away from the fisheye lens 31.

図4を用いた上記の説明はオブジェクト1の右側にある点Aのみについて着目して説明したが、実際にはコーン形状の表面のすべての点について、対面する鏡面円筒体の内壁鏡面との間で成立するので、図3に示した、鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込んだ一回反射画像R1は、円筒中心軸を回転の中心として半径2rの円周上を360度ぐるりと仮想カメラ30’を移動させながらオブジェクト1を撮影し、各撮影画像の中央画像(コーン形状のうち撮影視点に対して真正面に正対している正面画像)のみを集めた画像と等価な画像となっている。同様に、二回反射画像R2は、円筒中心軸を回転の中心として半径4rの円周上を360度ぐるりと仮想カメラ30’’を移動させながらオブジェクト1を撮影し、各撮影画像の中央画像のみを集めた画像と等価な画像となっている。つまり、本発明の3次元オブジェクト計測装置100により得た直接画像D0と反射画像R1と反射画像R2は、魚眼レンズ31が配置されている実際の視点F0からの直接画像に加え、円筒中心軸から半径2r離れた円周上および半径4r離れた円周上を取り囲むように配置された無数(解像度の数)の撮影視点から撮影された画像を含むものとなっている。しかし、撮影視点が無数とは言え、反射画像は各撮影視点の正対画像、つまり、各撮影視点から撮影した画像のうちの真正面に正対する中央画像のみを集めたものと等価であるので、オブジェクト1上の一つの点に注目すれば(例えば点A)ステレオ計測に用いることのできる画像データの数が無数にあるわけではなく、直接画像D0に写されている当該点の画像(例えば画像点G0)と、半径2rの視点から写した一回反射画像R1に写されている当該点の画像(例えば画像点G1)と、半径4rの視点から写した二回反射画像R2に写されている当該点の画像(例えば画像点G2)の3つの画像データしかない。つまり、この例では、ステレオ計測処理に用いる画像データとしては、3つの視点からの2次元画像が一度に得られたものと同様の効果が得られたこととなる。   Although the above description using FIG. 4 has focused on only the point A on the right side of the object 1, in reality, all the points on the cone-shaped surface are between the facing mirror surface of the inner surface of the mirror surface cylindrical body. Therefore, the one-time reflection image R1 shown in FIG. 3, which is reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20, has a virtual camera around 360 degrees on the circumference of the radius 2r with the cylinder center axis as the center of rotation. The object 1 is photographed while moving 30′, and it is an image equivalent to an image in which only the central image of each photographed image (a front image of the cone shape that is directly facing directly to the photographing viewpoint) is collected. . Similarly, in the double reflection image R2, the object 1 is photographed while moving the virtual camera 30″ around the circumference of the radius 4r 360 degrees around the cylinder center axis as the center of rotation, and the center image of each photographed image is taken. The image is equivalent to the one that collects only the images. That is, the direct image D0, the reflection image R1, and the reflection image R2 obtained by the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention are not only the direct image from the actual viewpoint F0 where the fisheye lens 31 is arranged but also the radius from the cylinder center axis. It includes images photographed from innumerable (number of resolutions) photographing viewpoints arranged so as to surround the circumference of 2r and the circumference of radius 4r. However, although the shooting viewpoints are innumerable, the reflection image is equivalent to the front-to-back image of each shooting viewpoint, that is, a collection of only the central image facing directly in front of the images shot from each shooting viewpoint, Focusing on one point on the object 1 (for example, point A), the number of image data that can be used for stereo measurement is not infinite, and the image of the point directly displayed on the image D0 (for example, the image Point G0), an image of the point (for example, image point G1) in the single reflection image R1 captured from the viewpoint of radius 2r, and a double reflection image R2 captured from the viewpoint of radius 4r. There are only three image data of the image of the relevant point (for example, image point G2). That is, in this example, as the image data used for the stereo measurement processing, the same effect as that obtained when the two-dimensional images from three viewpoints were obtained at one time was obtained.

ここで、本発明の3次元オブジェクト計測装置のステレオ視計測における、点から魚眼レンズを通してカメラに入射する光線角のパラメータ決定方法について述べる。
魚眼レンズは、魚眼レンズに入射する光線が光軸と成す角φと、光線が射影された
画像平面における画像中心からの距離dの関係を下記数式1で表せる。
Here, a method of determining a parameter of a light ray angle which is incident on a camera from a point through a fisheye lens in stereoscopic vision measurement of the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention will be described.
With the fisheye lens, the relationship between the angle φ formed by the light ray incident on the fisheye lens and the optical axis and the distance d from the image center on the image plane onto which the light ray is projected can be expressed by the following mathematical formula 1.

図9に、角φと画像中心からの距離dの関係図を示す。ここで、fは焦点距離である。また関数g(φ)は、魚眼レンズの射影特性であり、レンズ毎に特性が異なるものである。
魚眼レンズの射影特性をデータベースとして持っておくことで、撮影画像における注目点の画像中心からの距離によって、カメラに入射する光線の角度を決定できるのである。
FIG. 9 shows a relationship diagram between the angle φ and the distance d from the center of the image. Here, f is the focal length. Further, the function g(φ) is the projection characteristic of the fisheye lens, and the characteristic differs for each lens.
By storing the projection characteristics of the fisheye lens as a database, the angle of the light ray incident on the camera can be determined by the distance from the image center of the point of interest in the captured image.

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置100におけるステレオ計測の手順2を説明する。
手順2では、取得した複数の2次元画像間でステレオ計測処理を行ない3次元オブジェクトの要素ごとに対応付けを行なうが、ステレオ計測処理をすべての画素について行なうことは計算コストが膨大となるので、通常は、画像データをDCT変換やフーリエ変換などにより周波数領域に変換し、画像中の特異点やエッジを抽出し、それらの代表的なものを特徴点として選定し、画像中の特徴点同士を探索してマッチングして行く。ここではある画像中の特徴点に対応する他の画像中の特徴点を対応特徴点と呼ぶ。
Next, the procedure 2 of the stereo measurement in the three-dimensional object measuring device 100 of the present invention will be described.
In the procedure 2, stereo measurement processing is performed between the plurality of acquired two-dimensional images and correspondence is performed for each element of the three-dimensional object. However, performing the stereo measurement processing for all pixels entails a huge calculation cost. Normally, image data is transformed into a frequency domain by DCT transformation, Fourier transformation, or the like, singular points or edges in the image are extracted, representative ones of them are selected as characteristic points, and characteristic points in the image are combined with each other. Search and match. Here, a feature point in another image corresponding to a feature point in an image is called a corresponding feature point.

従来技術における単純なマッチングアルゴリズムの場合は、画像間で特徴点同士をすべて試行錯誤法により探索してマッチングして行くが、オブジェクトの形状が複雑になると、画像中に多数の特異点やエッジが存在し、多数の特徴点が選定されることとなりマッチング処理の計算コストが膨大になってしまう。
しかし、本発明の3次元オブジェクト計測装置100を用いる場合は、直接画像と反射画像間の幾何学的関係を用いて特徴点同士のマッチング処理を実行することができるので、計算コストを大幅に低減することができる。その原理は以下のように説明できる。上記の図3および図4を用いて説明したように、カメラ30により撮影された画像には直接画像D0と反射画像(ここでは一回反射画像R1と二回反射画像R2の2つとする)が写されているが、この直接画像D0と反射画像(一回反射画像R1と二回反射画像R2)の間には、重要な幾何学的関係が存在する。ここで言う幾何学的関係とは、対応し合う特徴点同士は、画像の中心を通るように引いた同じ直線上に存在するという関係である。
In the case of the simple matching algorithm in the conventional technology, all the feature points are searched and matched by the trial and error method between images, but when the shape of the object becomes complicated, many singular points and edges are generated in the image. Since there are existing feature points, a large number of feature points are selected, and the calculation cost of the matching process becomes enormous.
However, when the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention is used, the matching processing between the feature points can be executed using the geometrical relationship between the direct image and the reflection image, so that the calculation cost is significantly reduced. can do. The principle can be explained as follows. As described with reference to FIGS. 3 and 4 above, the images captured by the camera 30 include the direct image D0 and the reflection image (here, the single reflection image R1 and the double reflection image R2). Although shown, there is an important geometrical relationship between the direct image D0 and the reflection images (single reflection image R1 and double reflection image R2). The geometrical relationship mentioned here is a relationship in which corresponding feature points are on the same straight line drawn so as to pass through the center of the image.

オブジェクト上のある点の画像は、正対する鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込む。二回反射画像の場合は点対称となるが、中心点を挟んで折り返した位置となるので、結局、直接画像上のある特徴点に対応する反射画像上の特徴点は直接画像上の当該特徴点と画像の中心点を結ぶ直線の延長線上にあることとなる。図3で説明すれば、直接画像D0上のある特徴点である画像点G0について対応する特徴点を探索する場合、画像中心Cと画像点G0を結んだ直線の延長線上を探索すれば、一回反射画像R1中の対応する特徴点である画像点G1と二回反射画像R2中の対応する特徴点である画像点G2が見つかる。この幾何学的関係を特徴点の探索のマッチングアルゴリズムに取り込めば、その計算コストを大幅に低減することが可能となる。
以上の手順により、特徴点同士の幾何学的関係を用いて効率よく特徴点と対応する対応特徴点を探索する。
An image of a certain point on the object is reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-faced cylindrical body that faces it. In the case of a double reflection image, it is point-symmetrical, but since it is a position folded back with the center point in between, the feature point on the reflection image corresponding to a certain feature point on the direct image is the feature on the direct image. It is on the extension of the straight line connecting the point and the center point of the image. With reference to FIG. 3, when searching for a corresponding feature point with respect to an image point G0 that is a certain feature point on the image D0, if a search is made on an extension of a straight line connecting the image center C and the image point G0, An image point G1 which is a corresponding feature point in the double reflection image R1 and an image point G2 which is a corresponding feature point in the double reflection image R2 are found. If this geometrical relationship is incorporated into the matching algorithm for the search of the feature points, the calculation cost can be significantly reduced.
Through the above procedure, the corresponding feature points corresponding to the feature points are efficiently searched for by using the geometrical relationship between the feature points.

参考として、試作した本発明の3次元オブジェクト計測装置100において、ピラミッド形状のオブジェクトを撮影した画像の例を示しておく。
図5は、台座の中心にピラミッド形状のオブジェクトを据え置き、その直接画像および鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込んだ反射画像を併せて撮影した画像を示している。なお、画像中に引いてある放射線は直接画像と反射画像との対応を目視しやすいように、後処理により画像中に追加した線であり、このような放射線が当初から写り込んでいるわけではない。
For reference, an example of an image obtained by photographing a pyramid-shaped object in the prototyped three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention will be shown.
FIG. 5 shows an image obtained by placing a pyramid-shaped object in the center of the pedestal and capturing a direct image of the object and a reflection image reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror cylinder. The radiation drawn in the image is a line added to the image by post-processing so that the correspondence between the direct image and the reflection image can be easily seen, and such radiation is not reflected from the beginning. Absent.

なお、上記した特徴点同士の幾何学的関係は、オブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれていても変わることはない。図6はオブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれた場合でも特徴点同士の幾何学的関係が保たれていることを示す図であり、図5に比べ、オブジェクトが台座の中心から右上に偏った位置に載せ置かれており、鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込んだ反射画像は図5に比べて大きく歪んでいるが、特徴点同士は画像中心を通る直線上に存在することが分かる。図6中では、分かりやすいように、直接画像中の2つの特徴点について注目し、それら特徴点と画像の中心を結ぶ2本の直線を後処理で追加して引いている。その直線上に、一回反射画像と二回反射画像における対応特徴点が存在することが分かる。   The geometrical relationship between the above-mentioned feature points does not change even if the object is placed at a position deviated from the center of the pedestal. FIG. 6 is a diagram showing that the geometrical relationship between the feature points is maintained even when the object is placed at a position displaced from the center of the pedestal. It is placed at a position biased to the upper right, and the reflection image reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body is much distorted compared to Fig. 5, but the feature points must be on a straight line passing through the center of the image. I understand. In FIG. 6, for the sake of clarity, attention is paid to two feature points directly in the image, and two straight lines connecting the feature points and the center of the image are additionally drawn by post-processing. It can be seen that corresponding feature points in the once-reflection image and the twice-reflection image exist on the straight line.

この理由について図7を用いて説明する。図7は、オブジェクトの一点から鏡に2回反射してカメラに入射する光線の軌跡の一例を示している。図7の(a)は側面から観察したもので、(b)は真上から観察したものである。カメラの光軸と円筒鏡の中心軸が一致しているとき、ある光線がカメラに入射するためには、光線は円筒鏡の中心軸を通らなければならない。図7(b)のように本発明の3次元オブジェクト計測装置を上から見たとき、円筒の中心軸を挟んで向き合う円筒鏡の2点の接線は、図7(b) に示すように常に平行になる。従って、円筒の中心を通る光線は常に、平行な接線をもつ鏡面に対して、真上から観察した場合に垂直に入射することとなる。同一の点を始点とする光線は、必ず同一の直線上に存在するため、仮想カメラのエピポーラ線は円筒の中心を通る直線となるのである。   The reason for this will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows an example of the loci of rays that are reflected twice from one point of the object by the mirror and then enter the camera. 7A is observed from the side, and FIG. 7B is observed from directly above. When the optical axis of the camera and the central axis of the cylindrical mirror coincide with each other, in order for a ray to enter the camera, the ray must pass through the central axis of the cylindrical mirror. When the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention is viewed from above as shown in FIG. 7(b), the tangents of the two points of the cylindrical mirror facing each other with the central axis of the cylinder sandwiched are always shown in FIG. 7(b). Become parallel. Therefore, the light ray passing through the center of the cylinder always enters the mirror surface having parallel tangent lines perpendicularly when observed from directly above. The rays starting from the same point always exist on the same straight line, so the epipolar line of the virtual camera is a straight line passing through the center of the cylinder.

図8に、仮想オブジェクトを撮影したシミュレーション画像を示す。
撮影画像の中心にカメラから直接見える像、その周囲に円筒鏡に反射した像が存在する画像が得られる。また反射像は、画像中心から反射回数の少ない順に、同心円状に並ぶことになる。
ここで、図8(a)のオブジェクトが円錐の形状を有する場合、オブジェクト表面上のA点からカメラに入射する光線は、画像中心と点Aを結ぶ破線上だけを移動することになる。このため、撮影画像中に存在する対応点の組の探索範囲を、画像中心を通る直線上に限定できることとなり、計算量の削減や、対応点の誤検出の削減ができるのである。
また、同様に、図8(b)のオブジェクトが四角錐の形状を有する場合、オブジェクト表面上のB点からカメラに入射する光線は、画像中心と点Bを結ぶ破線上だけを移動することになる。
また、図8(c)のオブジェクトが円錐の形状を有し、かつ、位置が中心からずれて置かれて撮影された場合でも、オブジェクト表面上のC点からカメラに入射する光線は、画像中心と点Cを結ぶ破線上だけを移動することになる。
FIG. 8 shows a simulation image of a virtual object.
An image is obtained in which the image directly seen from the camera is located at the center of the captured image and the image reflected by the cylindrical mirror is present around it. Further, the reflected images are arranged concentrically from the center of the image in ascending order of the number of reflections.
Here, when the object shown in FIG. 8A has a conical shape, the light ray incident on the camera from the point A on the object surface moves only on the broken line connecting the image center and the point A. Therefore, the search range of the set of corresponding points existing in the captured image can be limited to the straight line passing through the center of the image, and the amount of calculation and the false detection of corresponding points can be reduced.
Similarly, when the object of FIG. 8B has a shape of a quadrangular pyramid, the light ray incident on the camera from the point B on the object surface moves only on the broken line connecting the image center and the point B. Become.
Even when the object in FIG. 8C has a conical shape and the image is placed with the position deviated from the center, the light rays incident on the camera from the point C on the surface of the object are at the center of the image. It moves only on the broken line connecting the point C and the point C.

次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置100におけるステレオ計測処理に基づく3次元画像データ生成の手順3を説明する。
手順3では、手順2により得られた特徴点と対応特徴点との対応関係を基に直接画像と反射画像とのステレオ計測処理を行ない、直接画像と反射画像から3次元オブジェクトの3次元画像データを生成する。例えば、直接画像データと反射画像データ間の差分計算や推論計算により3次元画像データとしておこして行く。本発明の3次元オブジェクト計測装置100では、この手順3は特に限定されず、ステレオ計測処理を行なうアルゴリズムであれば広く適用することができる。
Next, the procedure 3 for generating three-dimensional image data based on the stereo measurement processing in the three-dimensional object measuring device 100 of the present invention will be described.
In step 3, stereo measurement processing of the direct image and the reflection image is performed based on the correspondence between the feature points and the corresponding feature points obtained in step 2, and the 3D image data of the 3D object is obtained from the direct image and the reflection image. To generate. For example, the difference between the direct image data and the reflected image data or the inference calculation is performed as the three-dimensional image data. In the three-dimensional object measuring device 100 of the present invention, this procedure 3 is not particularly limited, and can be widely applied as long as it is an algorithm for performing stereo measurement processing.

図12は、本発明の3次元オブジェクト計測装置100における3次元画像データ処理装置40の構成要素を示すブロック図である。なお、ハードウェアとしては汎用のパーソナルコンピュータ資源とソフトウェアモジュールと組み合わせた情報処理組織を用いてステレオ計測法に基づく3次元画像データ生成処理を具体的に実現するものでも良く、上記アルゴリズムを半導体回路によりコーディングした専用のハードウェアを用いて実現するものでも良い。   FIG. 12 is a block diagram showing components of the three-dimensional image data processing device 40 in the three-dimensional object measuring device 100 of the present invention. Note that the hardware may be one that specifically realizes the three-dimensional image data generation processing based on the stereo measurement method by using an information processing organization in which general-purpose personal computer resources and software modules are combined. It may be realized using coded dedicated hardware.

41は、カメラ30の撮影記録手段32により撮影した撮影画像上の特徴点を抽出して決定する特徴点抽出手段である。有効な特徴点の抽出アルゴリズムであれば特に限定されず広く適用することができるが、例えば、DCT変換により画像データを周波数領域に変換し、画像中の特異点やエッジを抽出して特徴点を選定するアルゴリズムを利用する。   Reference numeral 41 is a feature point extraction unit that extracts and determines the feature points on the captured image captured by the capturing and recording unit 32 of the camera 30. The present invention is not particularly limited as long as it is an effective feature point extraction algorithm and can be widely applied. For example, the image data is transformed into the frequency domain by the DCT transform, and the singular points or edges in the image are extracted to extract the feature points. Use the selected algorithm.

42は対応特徴点探索手段であり、特徴点抽出手段41によって抽出された直接画像上の特徴点に対応する反射画像上の対応特徴点を反射画像上において探索して決定する手段、または、特徴点抽出手段41によって抽出された反射画像上の特徴点に対応する直接画像上の対応特徴点を直接画像上において探索して決定する手段である。この対応特徴点探索手段42において、上記した幾何学的関係を用いた探索、つまり、画像の中心と特徴点とを結ぶ延長線上を探索することにより対応特徴点の探索を実行するアルゴリズムを取り込んでおく。   Reference numeral 42 is a corresponding feature point searching means, which is a means for searching and determining a corresponding feature point on the reflection image corresponding to the feature point on the direct image extracted by the feature point extracting means 41, or a feature. This is a means for searching and determining a corresponding feature point on the direct image corresponding to the feature point on the reflection image extracted by the point extracting means 41 on the direct image. The corresponding feature point searching means 42 incorporates an algorithm for executing the search for the corresponding feature points by searching using the above-mentioned geometrical relationship, that is, on an extension line connecting the center of the image and the feature points. deep.

43は、3次元画像データ生成手段であり、対応特徴点探索手段42により得られた特徴点と対応特徴点との対応関係を基に直接画像と反射画像との間でステレオ計測処理を行ない、2次元画像である直接画像と反射画像からオブジェクトの3次元画像データを生成する部分である。   Reference numeral 43 denotes a three-dimensional image data generating means, which performs stereo measurement processing between the direct image and the reflection image based on the correspondence between the feature points obtained by the corresponding feature point searching means 42 and the corresponding feature points. This is a part for generating three-dimensional image data of an object from a direct image which is a two-dimensional image and a reflection image.

ここで、対応点探索手段42のアルゴリズムの一例として、SSD(Sum of Squared Difference:差の二乗和)による手法の詳細を説明する。なお、上述したように対応点探索手段42は、既存のステレオ計測処理のアルゴリズムの適用が可能であり、SSD以外にも非線形のマッチング手法であるDPマッチングなど幅広いアルゴリズムの適用が可能である。
先ず、対応特徴点探索手段42のアルゴリズムでは、処理の簡単化のために撮影画像を極座標展開し、次に極座標展開された撮影画像から、ある一点を中心とする小領域を探索元領域として切り出して、探索元領域に最も類似していると考えられる領域を探索する処理を行う。
本実施例では、2つの領域の間でSSD(Sum of Squared Difference:差の二乗和)を計算し、SSDの値が小さいほど互いの領域が類似しているものと判断している。但し、円筒鏡面で反射してカメラに入射した像は、半径方向に歪みを含んでいるため、領域間の類似性を求める際には、反射像の歪みを補正すべきである。しかし、反射像の歪みの大きさは、未知のパラメータである物体面の法線方向に依存するため、歪みを解析的に補正することが不可能である。そこで本実施例では、探索領域の移動に加えて、類似性を調べる反射像を半径方向について動的に拡大縮小させながら、SSDの値を計算することにより、最も類似している領域の中心点の組を対応点の組とすることとした。
以下では、対応特徴点探索手段42のアルゴリズムについて、(1)撮影画像の極座標展開処理、(2)探索対象領域のサイズの正規化処理、(3)探索対象領域の限定処理、(4)SSD値の算出処理に分けて説明する。
Here, as an example of the algorithm of the corresponding point searching means 42, the details of the method using SSD (Sum of Squared Difference) will be described. As described above, the corresponding point searching means 42 can apply an existing stereo measurement processing algorithm, and can apply a wide range of algorithms such as DP matching, which is a non-linear matching method, in addition to SSD.
First, in the algorithm of the corresponding feature point searching means 42, a captured image is expanded in polar coordinates for simplification of processing, and then a small area centering on a certain point is cut out as a search source area from the expanded captured image in polar coordinates. Then, a process for searching an area that is considered to be most similar to the search source area is performed.
In this embodiment, SSD (Sum of Squared Difference) is calculated between two areas, and it is determined that the smaller the SSD value, the more similar the areas are. However, since the image reflected by the cylindrical mirror surface and incident on the camera includes distortion in the radial direction, the distortion of the reflected image should be corrected when obtaining the similarity between regions. However, since the magnitude of the distortion of the reflected image depends on the normal direction of the object plane, which is an unknown parameter, it is impossible to analytically correct the distortion. Therefore, in the present embodiment, in addition to the movement of the search area, the center value of the most similar area is calculated by dynamically enlarging/reducing the reflection image for checking the similarity in the radial direction. It is decided that the set of is the set of corresponding points.
In the following, regarding the algorithm of the corresponding feature point search means 42, (1) polar coordinate expansion processing of the captured image, (2) normalization processing of the size of the search target area, (3) limited processing of the search target area, (4) SSD The calculation processing of the value will be described separately.

(1)撮影画像の極座標展開処理
SSDの計算を単純化するための前処理として、撮影画像の極座標展開処理を行う。図10(a)には、極座標展開した結果の画像例を示す。上述したように、本発明の3次元オブジェクト計測装置で撮影された画像において、対応点の組は画像中心を通る同一直線上に必ず存在する。よって、撮影された画像を、縦軸を画像中心からの距離、横軸を角度とする極座標画像に展開することで、画像中のある一点に対応する点を探索する際の範囲は、図10(b)に示す破線の領域内に限定されることになる。
極座標展開前の画像における座標値を(u,v)、極座標展開後の座標値を(t、w)とすると、変換における画素値の対応関係は下記数式2,3で表される。ここで、t及びwは整数値である。また、Uは極座標展開前の画像におけるuおよびv軸方向の画素数、T,Wはそれぞれ極座標展開後の画像におけるt,w軸方向の画素数を表している。この極座標展開前の画像は、画像の中心に円筒の中心軸が存在するように撮影されている。
なお、極座標展開前の画像において、下記数式4の条件を満たさない座標値(u,v)については変換の対象としていない。
(1) Polar coordinate expansion process of captured image As a pre-process for simplifying the calculation of SSD, a polar coordinate expansion process of the captured image is performed. FIG. 10A shows an image example of the result of polar coordinate expansion. As described above, in the image captured by the three-dimensional object measuring device of the present invention, the set of corresponding points always exists on the same straight line passing through the center of the image. Therefore, the range in which a point corresponding to a certain point in the image is searched by expanding the captured image into a polar coordinate image in which the vertical axis represents the distance from the image center and the horizontal axis represents the angle is shown in FIG. It will be limited to the area of the broken line shown in (b).
Assuming that the coordinate value in the image before the polar coordinate expansion is (u, v) and the coordinate value after the polar coordinate expansion is (t, w), the correspondence relationship between the pixel values in the conversion is represented by the following mathematical formulas 2 and 3. Here, t and w are integer values. Further, U represents the number of pixels in the u and v axis directions in the image before polar coordinate expansion, and T and W represent the number of pixels in the t axis and w axis directions in the image after polar coordinate expansion. The image before the polar coordinate expansion is photographed so that the central axis of the cylinder exists at the center of the image.
In the image before polar coordinate expansion, coordinate values (u, v) that do not satisfy the condition of the following Expression 4 are not subjected to conversion.

(2)探索対象領域のサイズの正規化処理
次に、探索対象領域のサイズの正規化処理について説明する。上述したように、撮影画像における反射像のw軸方向の大きさは、光線の入射角と物体面の法線方向に依存して変化する。例えば図10(a)や(b)では、物体像が鏡に2回反射してカメラに入射した像のw軸方向の大きさは、1回反射してカメラに入射した像よりも小さくなる。しかし、計測段階において物体面の法線方向は未知であるため、w軸方向への像の大きさの変化を解析的に補正することは不可能である。そこで本発明の3次元オブジェクト計測装置では、類似性を調べたい局所領域をw軸方向について動的に拡大縮小させながら、SSDの値を計算することとしている。ここで、SSD値を計算するには、探索の際に基準となる領域(Source)と評価対象の領域(Target)の大きさが同一でなければならない。
一般に、光線の入射角度や物体面の法線方向による像の大きさの変化は非線形であるが、局所領域内の微小な像の歪みは、線形な拡大縮小で近似しても誤差は小さいと考えられるため、本3次元オブジェクト計測装置では処理の簡単化のため、線形補間によって局所領域を拡大または縮小することにしている。
また、各画素の色はRGB表色系で表現されることとしている。正規化後の領域内の点(t,w)におけるR,GおよびBそれぞれの輝度値l(t,w) (i = r,g,b) は、正規化前の点の輝度値o (i = r,g,b) と、Source を1.0としたときのTargetのスケールsを用いて、下記数式5から算出できる。ここで、trunc(x)はxの小数点以下を切り捨てる関数である。
(2) Normalization Processing of Size of Search Target Area Next, normalization processing of size of the search target area will be described. As described above, the size of the reflected image in the captured image in the w-axis direction changes depending on the incident angle of the light ray and the normal direction of the object plane. For example, in FIGS. 10A and 10B, the size of the image of the object image reflected twice by the mirror and incident on the camera in the w-axis direction is smaller than that of the image reflected once and incident on the camera. .. However, since the normal direction of the object plane is unknown at the measurement stage, it is impossible to analytically correct the change in the image size in the w-axis direction. Therefore, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the SSD value is calculated while dynamically enlarging or reducing the local region in which the similarity is to be examined in the w-axis direction. Here, in order to calculate the SSD value, the size of the reference area (Source) and the evaluation target area (Target) in the search must be the same.
In general, changes in the image size depending on the incident angle of light rays and the direction normal to the object plane are non-linear, but the small image distortion in the local region is small even if it is approximated by linear scaling. Therefore, in the present three-dimensional object measuring device, in order to simplify the processing, the local area is enlarged or reduced by linear interpolation.
In addition, the color of each pixel is represented by the RGB color system. The luminance values l i (t,w) (i=r,g,b) of R, G, and B at the point (t, w) in the normalized region are the luminance values o of the point before normalization. i (i = r, g, b) and the target scale s when Source is 1.0 can be calculated from the following Equation 5. Here, trunc(x) is a function that rounds down the decimal point of x.

(3)探索対象領域の限定処理
次に、探索対象領域の限定処理について説明する。本発明の3次元オブジェクト計測装置で撮影した画像のn次反射像において、点(t,w)を中心とする領域 Sourceに対応する領域 Targetは、オクルージョンが発生しない場合、像の空間的な連続性は鏡に反射しても保たれることから、下記数式6を用いて求められる点(t,w )の近傍に存在すると仮定する。ここで、w minとw maxはそれぞれ、n回目の反射像が存在する上端値と下端値を示しており、また、w minとw maxは、Sourceが存在する上端値と下端値を示している。
(3) Search Target Area Limiting Process Next, the search target area limiting process will be described. In the n-th order reflection image of the image captured by the three-dimensional object measuring device of the present invention, the region Target corresponding to the region Source centered on the point (t S , w S ) is the spatial region of the image when occlusion does not occur. It does assume a continuity be maintained even reflected in the mirror, a point obtained by using the following formula 6 (t, w n g) and present in the vicinity of the. Here, w n min and w n max respectively indicate the upper limit value and the lower limit value at which the n-th reflection image exists, and w S min and w S max indicate the upper limit value and the lower limit at which Source exists. Indicates the value.

ここで、上記数式6で求めた点w は、Sourceに対応するTargetの位置を線形比をもとに推定しているものである。上述のとおり、反射像のw軸方向への歪みは一般に非線形であるが、非線形の歪みを線形比で近似した際の誤差は局所的にみると小さいからである。
そこで、点(t,w)を中心とする領域Sourceに対応する領域を探索する際、探索対象となるw軸方向の範囲を、w を中心とする一定の範囲内に限定することで、探索領域の削減を図っているのである。
中心を点(t,w)とする領域Sourceに対応するTargetをn次の反射像から探索するとき、探索の中心点とするwの範囲の上端w gminおよび下端w gmaxを下記数式7で表す。また、鏡に反射した像をSource領域とする際は、上端w gminおよび下端w gmaxを下記数式8で表す。ここで、aは探索範囲の広さを表す定数であり、値が大きいほど探索範囲は広くなる。
Here, w n g a point determined by the equation 6 are those to estimate the position of the Target corresponding to Source based on linear ratio. As described above, the distortion of the reflected image in the w-axis direction is generally non-linear, but the error when the non-linear distortion is approximated by a linear ratio is locally small.
Therefore, when searching for an area corresponding to the point (t S, w S) region around the Source, the w-axis direction of the range of the search target, is limited within a certain range around the w n g Therefore, the search area is reduced.
When searching the Target corresponding to the region Source whose center is the point (t S , w S ) from the n-th reflection image, the upper end w n gmin and the lower end w n gmax of the range of w which is the center point of the search are as follows. This is expressed by Equation 7. Further, when an image reflected in the mirror and Source areas represent the upper w n gmin and lower w n gmax by the following equation (8). Here, a is a constant indicating the width of the search range, and the larger the value, the wider the search range.

(4)SSD値の算出処理
次に、SSD値の算出処理について説明する。Sourceと線形補間によって正規化されたTargetの類似度を評価するため、本3次元オブジェクト計測装置では評価量として、SourceとTarget領域間のSSD値を用いている。このSource領域SとTarget領域Tの間のSSD値dST は、下記数式9により求められる。下記数式において、l およびl (t,w)(i=r,g,b)はそれぞれSourceとTargetにおける各画素の輝度である。また、l およびl (t,w)(i=r,g,b)がとりうる値の範囲は、双方とも0以上255以下である。
(4) SSD Value Calculation Processing Next, the SSD value calculation processing will be described. In order to evaluate the similarity between the Source and the Target normalized by linear interpolation, the SSD value between the Source and Target areas is used as the evaluation amount in this three-dimensional object measuring apparatus. The SSD value d ST between the source area S and the target area T is calculated by the following mathematical expression 9. In the following mathematical formulas, l S i and l T i (t,w) (i=r,g,b) are the brightness of each pixel in Source and Target, respectively. Further, the range of possible values for l S i and l T i (t,w) (i=r,g,b) is both 0 and 255 inclusive.

ここで、あるSourceに対応するTargetを探索する流れについて、図11を用いて説明する。図11は、カメラから直接観測された像をSourceの全体集合Sallとした例を表している。Sallから任意の窓サイズで切り出されたSource 領域Sa(SaはSallの集合に属する)に対応する探索候補領域は、図11中の破線で示された領域に限定できる。また、Sourceに対応するTargetは、上述した局所領域内に存在すると考えられ、探索候補領域内で窓サイズを変化させながら領域を切り出して、Sa とのSSD値を計算する。そして、最小のSSD値をもつ領域Ta をSaに対応する領域として選択し、それぞれの中心点をステレオ視の際に用いる対応点の組とする。同様に、Sallに含まれるすべての画素について対応点を探索するのである。Here, a flow for searching a Target corresponding to a certain Source will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows an example in which the image directly observed from the camera is the entire set S all of Source. The search candidate area corresponding to the Source area Sa (Sa belongs to the set of S all ) cut out from S all with an arbitrary window size can be limited to the area indicated by the broken line in FIG. 11. Further, the Target corresponding to the Source is considered to exist in the above-described local area, and the area is cut out while changing the window size in the search candidate area, and the SSD value with Sa is calculated. Then, the area Ta 1 having the smallest SSD value is selected as an area corresponding to Sa, and the respective center points are set as a set of corresponding points used in stereoscopic viewing. Similarly, the corresponding points are searched for all the pixels included in S all .

以上、実施例1に示した本発明の3次元オブジェクト計測装置100によれば、魚眼レンズに対向する台座に載せられた3次元オブジェクトを直接撮影した直接画像と、鏡面円筒体の側面内壁の鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像とを併せて一度に撮影することができ、直接画像と反射画像の間で特徴点とその特徴点に対応する対応特徴点とを簡便にマッチングし、ステレオ計測処理に基づいて2次元画像データから3次元画像データを生成することができる。   As described above, according to the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the present invention described in the first embodiment, the three-dimensional object directly placed on the pedestal facing the fisheye lens is directly photographed, and the mirror surface of the inner wall of the side surface of the mirror cylinder is displayed. A reflection image of a three-dimensional object that is reflected can be captured at one time, and a feature point and a corresponding feature point corresponding to the feature point can be easily matched between the direct image and the reflection image, and a stereo image can be obtained. It is possible to generate three-dimensional image data from the two-dimensional image data based on the measurement process.

実施例2にかかる本発明の3次元オブジェクト計測装置100aの例を示す。
実施例2の3次元オブジェクト計測装置100aは、実施例1の3次元オブジェクト計測装置100に対して、台座10を透明素材で形成し、図13のように、カメラ30として第1のカメラ30aと第2のカメラ30bの2つのカメラを備え、第1のカメラ30aの魚眼レンズ31aと第2のカメラ30bの魚眼レンズ31bが台座10を挟んで対向し合うように配置したものである。
これは、オブジェクト1の上部画像のみならず下部画像についても同時に異なった視点からの複数の画像を一度に撮影することを狙ったものである。
An example of a three-dimensional object measuring apparatus 100a of the present invention according to a second embodiment is shown.
The three-dimensional object measuring apparatus 100a according to the second embodiment is different from the three-dimensional object measuring apparatus 100 according to the first embodiment in that the pedestal 10 is made of a transparent material, and the first camera 30a is used as the camera 30 as shown in FIG. The second camera 30b is provided with two cameras, and the fisheye lens 31a of the first camera 30a and the fisheye lens 31b of the second camera 30b are arranged so as to face each other with the pedestal 10 interposed therebetween.
This aims at capturing a plurality of images from different viewpoints at the same time not only for the upper image of the object 1 but also for the lower image.

実施例1に示した鏡面円筒体20の上部に一つのカメラ30を備えた構成では、撮影画像として得られるものは、オブジェクト1の上面の直接画像D0とオブジェクト1の上面の反射画像Rnであり、オブジェクト1の下面の直接画像D0とオブジェクト1の下面の反射画像Rnは併せて撮影することはできない。   In the configuration in which one camera 30 is provided above the mirror-cylindrical body 20 shown in the first embodiment, the captured images are the direct image D0 of the upper surface of the object 1 and the reflected image Rn of the upper surface of the object 1. , The direct image D0 of the lower surface of the object 1 and the reflected image Rn of the lower surface of the object 1 cannot be captured together.

そこで、本実施例2の3次元オブジェクト計測装置100aは、鏡面円筒体20の上部のカメラ30aのみならず、鏡面円筒体20の下部にもカメラ30bを備えた構成とし、オブジェクト1の上部画像のみならず下部画像についても同時に直接画像D0と反射画像Rnを一度に撮影するものである。なお、台座10は下方からもオブジェクト1が撮影できるようにガラス板などの透明素材とし、また、台座10の下方にも鏡面円筒体20が延伸されている必要がある。
下方のカメラ30bを用いたオブジェクト1の下面の直接画像D0と反射画像Rnの撮影原理およびステレオ計測処理の原理は実施例1と同様であるので、ここでの説明は省略する。
Therefore, the three-dimensional object measuring apparatus 100a according to the second embodiment has a configuration in which not only the camera 30a above the specular cylindrical body 20 but also the camera 30b below the specular cylindrical body 20 is provided, and only the upper image of the object 1 is obtained. Of course, as for the lower image, the image D0 and the reflected image Rn are simultaneously captured at the same time. The pedestal 10 needs to be made of a transparent material such as a glass plate so that the object 1 can be photographed from below, and the mirror-cylindrical body 20 needs to extend below the pedestal 10.
Since the principle of capturing the direct image D0 and the reflection image Rn of the lower surface of the object 1 using the lower camera 30b and the principle of the stereo measurement process are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

実施例3にかかる本発明の3次元オブジェクト計測装置100bの例を示す。
実施例3の3次元オブジェクト計測装置100bは、実施例1の3次元オブジェクト計測装置100に対して、鏡面円筒体20に対してカメラ30を可動としたものであり、図14に示すように、カメラ30が鏡面円筒体20の中心軸に沿って上下に移動することができ、台座10と魚眼レンズ31の距離を可変としたものである。
なお、カメラ30の移動は、利用者が手でカメラ30の筐体を移動させても良いが、カメラ筐体とステッピングモーター機構と組み合わせ、利用者の操作入力に応じてカメラ筐体の移動が制御できる構成とすれば、魚眼レンズ31と台座10上のオブジェクトとの距離を正確に調整することができる。
An example of a three-dimensional object measuring device 100b of the present invention according to a third embodiment is shown.
The three-dimensional object measuring apparatus 100b according to the third embodiment is different from the three-dimensional object measuring apparatus 100 according to the first embodiment in that the camera 30 is movable with respect to the mirror-cylindrical body 20. As shown in FIG. The camera 30 can move up and down along the central axis of the mirror surface cylindrical body 20, and the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is variable.
The camera 30 may be moved by the user's hand, but by combining the camera case with a stepping motor mechanism, the camera case can be moved according to the user's operation input. With the controllable configuration, the distance between the fisheye lens 31 and the object on the pedestal 10 can be accurately adjusted.

台座10と魚眼レンズ31との距離について考察すると、下記のことが言える。
台座10と魚眼レンズ31との距離が小さい場合(オブジェクト1とカメラ30の距離が近い場合)にもメリットとデメリットがあり、逆に、台座10と魚眼レンズ31との距離が大きい場合(オブジェクト1とカメラ30の距離が遠い場合)にもメリットとデメリットがあり、両者を兼ね合わせて台座10と魚眼レンズ31との距離を調節する必要がある。
Considering the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31, the following can be said.
There are advantages and disadvantages when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is small (when the distance between the object 1 and the camera 30 is short), and conversely, when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is large (the object 1 and the camera 30). (When the distance of 30 is long) also has advantages and disadvantages, and it is necessary to adjust the distance between the pedestal 10 and the fish-eye lens 31 by combining both.

図15は、台座10と魚眼レンズ31との距離が小さい場合のメリットとデメリットを模式的に説明した図である。
台座10と魚眼レンズ31との距離が小さくなると、カメラ30によりオブジェクトを大きく写すことができることとなり、オブジェクト表面の詳細な直接画像D0を得ることができる。つまり直接画像の解像度が上がる。これはメリットと言える。
FIG. 15 is a diagram schematically illustrating advantages and disadvantages when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is small.
When the distance between the pedestal 10 and the fish-eye lens 31 is reduced, the object can be enlarged by the camera 30, and a detailed direct image D0 of the object surface can be obtained. That is, the resolution of the image directly increases. This is a merit.

その一方、鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込むオブジェクトの一回反射画像R1を形成する光路A1の魚眼レンズ31への入射角は大きくなる。つまり、撮影視点F1の高さが低くなり、一回反射画像R1はオブジェクトを斜め方向の低い位置の視点から撮影した画像に相当する。鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込むオブジェクトの二回反射画像R2を形成する光路A2の魚眼レンズ31への入射角はさらに大きくなり、二回反射画像R2はオブジェクトを斜め方向のより低い位置の視点から撮影した画像に相当するが、もともと一回反射画像R1が斜め方向の低い位置から撮影した画像に相当するものなので、二回反射画像R2と一回反射画像R1の差分は小さく、ステレオ計測に用いる二次元画像としては情報量が小さくなる。これはデメリットと言える。   On the other hand, the angle of incidence on the fish-eye lens 31 of the optical path A1 that forms the single-reflection image R1 of the object reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 becomes large. That is, the height of the photographing viewpoint F1 becomes low, and the once-reflection image R1 corresponds to an image of an object photographed from a viewpoint at a low position in the oblique direction. The angle of incidence on the fisheye lens 31 of the optical path A2 forming the double reflection image R2 of the object reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 is further increased, and the double reflection image R2 shows the object in a diagonally lower position. However, since the single reflection image R1 originally corresponds to the image captured from a lower position in the diagonal direction, the difference between the double reflection image R2 and the single reflection image R1 is small, which is suitable for stereo measurement. The two-dimensional image used has a small amount of information. This can be said to be a disadvantage.

次に、図16は台座10と魚眼レンズ31との距離が大きい場合のメリットとデメリットを模式的に説明した図である。
台座10と魚眼レンズ31との距離が大きくなると、図15の場合に比べ、カメラ30によりオブジェクトを接写することができず、オブジェクト表面の直接画像D0の解像度が低くなる。これはデメリットと言える。
Next, FIG. 16 is a diagram schematically explaining the advantages and disadvantages when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is large.
When the distance between the pedestal 10 and the fish-eye lens 31 increases, the object cannot be taken close-up by the camera 30 and the resolution of the direct image D0 on the object surface becomes lower than in the case of FIG. This can be said to be a disadvantage.

その一方、鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込むオブジェクトの一回反射画像R1を形成する光路A1の魚眼レンズ31への入射角は図15の場合に比べて小さくなる。つまり、撮影視点F1の高さが高くなり、一回反射画像R1はオブジェクトを斜め方向の高い位置の視点から撮影した画像に相当する。鏡面円筒体20の内壁鏡面に映り込むオブジェクトの二回反射画像R2を形成する光路A2の魚眼レンズ31への入射角は大きくなり、二回反射画像R2はオブジェクトを斜め方向の低い位置の視点から撮影した画像に相当するが、一回反射画像R1の入射角と二回反射画像の入射角の変化は図15の場合と比べて大きくなっている。つまり、二回反射画像R2と一回反射画像R1の差分は図15の場合に比べて大きいものであり、ステレオ計測に用いる二次元画像としては図15の場合よりも情報量が大きくなる。これはメリットと言える。   On the other hand, the angle of incidence on the fish-eye lens 31 of the optical path A1 forming the once reflected image R1 of the object reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body 20 is smaller than that in the case of FIG. That is, the height of the photographing viewpoint F1 becomes high, and the once-reflection image R1 corresponds to an image of the object photographed from a viewpoint at a high position in the oblique direction. The angle of incidence on the fisheye lens 31 of the optical path A2 forming the double reflection image R2 of the object reflected on the mirror surface of the inner surface of the specular cylindrical body 20 becomes large, and the double reflection image R2 is obtained by photographing the object from a diagonally low position viewpoint. The change in the incident angle of the single reflection image R1 and the change of the incident angle of the double reflection image is larger than that in the case of FIG. That is, the difference between the twice-reflection image R2 and the once-reflection image R1 is larger than that in the case of FIG. 15, and the two-dimensional image used for stereo measurement has a larger amount of information than that in the case of FIG. This is a merit.

このように、台座10と魚眼レンズ31との距離が大きい場合に生じるメリットおよびデメリットと、台座10と魚眼レンズ31との距離が小さい場合に生じるメリットおよびデメリットはトレードオフの関係にある。さらに、可変量として、実際には、3次元計測するオブジェクトの大きさ(高さ)が影響を与えるので、台座10と魚眼レンズ31との距離でなく、魚眼レンズ31とオブジェクト1との距離を考慮する必要がある。
そこで、本実施例3の3次元オブジェクト計測装置100bは、鏡面円筒体20に対してカメラ30を上下に可動としたものであり、カメラ30が鏡面円筒体20の中心軸に沿って上下に移動することができ、台座10と魚眼レンズ31の距離を可変としたものである。
In this way, there are trade-offs between the merits and demerits that occur when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is large, and the merits and demerits that occur when the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is small. Furthermore, since the size (height) of the object to be three-dimensionally measured actually affects the variable amount, the distance between the fisheye lens 31 and the object 1 is considered instead of the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31. There is a need.
Therefore, in the three-dimensional object measuring apparatus 100b of the third embodiment, the camera 30 is movable up and down with respect to the mirror surface cylindrical body 20, and the camera 30 moves up and down along the central axis of the mirror surface cylindrical body 20. The distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is variable.

なお、カメラ30を可動とする代わりに、カメラ30の位置を固定してカメラ30にズーム機構を備える構成を考察すると、直接画像D0の大きさ、特に、光学的ズーム機構を搭載すれば直接画像D0の解像度を操作することはできるが、反射画像R1の撮影視点F1や反射画像R2の撮影視点F2の高さを操作することはできない。また、ズーム機構を用いた場合、中心画像が大きく見える代わりに周辺画像が捉えられなくなり、高次反射画像Rn、場合によっては二回反射画像R2や一回反射画像R1が撮影画像中に捉えられなくなるおそれもある。そこで、本実施例3の3次元オブジェクト計測装置100bは、オブジェクト1の高さを考慮しつつ反射画像R1の撮影視点F1や反射画像R2の撮影視点F2の高さを操作することを重視し、カメラ30が鏡面円筒体20の中心軸に沿って上下に移動することができ、台座10と魚眼レンズ31の距離を可変としたものである。
しかし、上記説明は、カメラ30として光学的ズーム機構を搭載したものを排除する意図ではなく、本発明の3次元オブジェクト計測装置100のカメラ30として、光学的ズーム機構やデジタルズーム機構を備えたものを採用し、周辺画像である反射画像を撮影が像中に捉えることのできる範囲でズーム撮影を行なわしめることは当然可能である。
Considering a configuration in which the position of the camera 30 is fixed and the zoom mechanism is provided in the camera 30 instead of moving the camera 30, the size of the direct image D0, particularly, if the optical zoom mechanism is mounted, the direct image is obtained. Although the resolution of D0 can be manipulated, the height of the photographing viewpoint F1 of the reflected image R1 and the photographing viewpoint F2 of the reflected image R2 cannot be manipulated. Further, when the zoom mechanism is used, the peripheral image cannot be captured while the central image looks large, and the higher-order reflection image Rn, and in some cases, the double-reflection image R2 or the single-reflection image R1 is captured in the captured image. It may disappear. Therefore, the three-dimensional object measuring apparatus 100b according to the third embodiment places importance on operating the heights of the photographing viewpoint F1 of the reflection image R1 and the photographing viewpoint F2 of the reflection image R2 while considering the height of the object 1. The camera 30 can move up and down along the central axis of the mirror surface cylindrical body 20, and the distance between the pedestal 10 and the fisheye lens 31 is variable.
However, the above description is not intended to exclude the camera 30 equipped with the optical zoom mechanism, but the camera 30 of the three-dimensional object measuring apparatus 100 according to the present invention is not provided with the optical zoom mechanism or the digital zoom mechanism. It is, of course, possible to employ zoom photography within a range in which the reflection image, which is a peripheral image, can be captured in the image.

実施例4にかかる本発明の3次元オブジェクト計測装置100cの例を示す。
実施例4の3次元オブジェクト計測装置100cは、実施例1の3次元オブジェクト計測装置100に対して、鏡面円筒体20およびカメラ30の台座10に対する相対運動を可能としたものであり、図17に示すように、台座10を固定した状態で、台座10の中心を回転運動の中心として、3次元空間内で鏡面円筒体20およびカメラ30を一体として自由な回転移動を可能としたものである。
鏡面円筒体20の回転移動は、利用者が手で鏡面円筒体20を回転移動させても良いが、鏡面円筒体20とステッピングモーター機構と組み合わせ、利用者の操作入力に応じて鏡面円筒体20の移動が制御できる構成とすれば、基本姿勢において撮影できなかった部位の撮影を可能とするアングルとなるようにカメラ30の撮影視点の方向を正確に調整することができる。
An example of a three-dimensional object measuring apparatus 100c of the present invention according to a fourth embodiment is shown.
The three-dimensional object measuring apparatus 100c of the fourth embodiment enables relative movement of the mirror surface cylindrical body 20 and the camera 30 with respect to the pedestal 10 with respect to the three-dimensional object measuring apparatus 100 of the first embodiment. As shown in the figure, with the pedestal 10 fixed, with the center of the pedestal 10 as the center of rotational movement, the mirror-cylindrical cylindrical body 20 and the camera 30 can be freely rotated in a three-dimensional space.
The mirror-cylindrical body 20 may be rotationally moved by the user, but the mirror-cylindrical body 20 and the stepping motor mechanism may be combined to rotate the mirror-cylindrical body 20 according to the user's operation input. If the movement can be controlled, the direction of the photographing viewpoint of the camera 30 can be accurately adjusted so that the angle allows photographing of a region that could not be photographed in the basic posture.

実施例4の3次元オブジェクト計測装置100cは、基本姿勢において3次元計測するオブジェクト1の形状や方向によって死角となり直接画像D0または反射画像Rnが得られない部位が生じた場合でも、鏡面円筒体20とカメラ30を一体として台座10に対して角度を変えて別アングルとし、死角となって撮影画像が得られなかった部位についても直接画像D0または反射画像Rnを得る工夫を施したものである。   The three-dimensional object measuring apparatus 100c according to the fourth embodiment can provide a mirror-cylindrical body 20 even when there is a blind spot depending on the shape or direction of the object 1 to be three-dimensionally measured in the basic posture and the direct image D0 or the reflected image Rn cannot be obtained. The camera 30 is integrated with the pedestal 10 to form another angle, and a direct image D0 or a reflection image Rn is obtained even for a portion where a photographed image cannot be obtained due to a blind spot.

オブジェクト1の形状や方向によって死角となり直接画像D0または反射画像Rnが得られない部位が生じる場合は概ね次の3つの場合が想定される。   When there is a blind spot depending on the shape and direction of the object 1 and a portion where the direct image D0 or the reflection image Rn cannot be obtained, the following three cases are generally assumed.

第1はオブジェクト1が少し深い凹形状を持つ場合である。例えば、凹形状が上面にある場合、当該部位について直接画像D0は得ることができるが、斜めの撮影視点F1や撮影視点F2から得た反射画像R1や反射画像R2には、凹形状の底面部分は周縁部分の死角になって写らない場合がある。また、例えば、凹形状が側面にある場合、当該部位について正対する斜めの撮影視点F1や撮影視点F2から得た反射画像R1や反射画像R2は得ることができるが、直接画像D0では凹形状の底面部分は周縁部分の死角になって写らない場合がある。   The first is the case where the object 1 has a slightly deep concave shape. For example, when the concave shape is on the upper surface, the image D0 can be directly obtained for the part, but the reflection image R1 or the reflection image R2 obtained from the oblique photographing viewpoint F1 or the photographing viewpoint F2 has a concave bottom portion. May become a blind spot in the peripheral area and may not be captured. In addition, for example, when the concave shape is on the side surface, the reflection image R1 and the reflection image R2 obtained from the oblique photographing viewpoint F1 and the photographing viewpoint F2 facing the part can be obtained, but the direct image D0 has the concave shape. The bottom part may be a blind spot in the peripheral part and may not be captured.

第2はオブジェクト1の側面が垂直に近い場合である。この場合、当該部位について正対する斜めの撮影視点F1や撮影視点F2から得た反射画像R1や反射画像R2は得ることができるが、直接画像D0では角度が大きすぎて有効な画像が得られない場合がある。複数の反射画像Rnを得ることができたとしても、直接画像D0は3次元ステレオ計測では重要な情報であるので、直接画像D0を得るべく撮影方向を工夫することは推奨されるものと言える。   The second is when the side surface of the object 1 is nearly vertical. In this case, although the reflection image R1 and the reflection image R2 obtained from the oblique photographing viewpoint F1 and the oblique photographing viewpoint F2 facing the part can be obtained, the direct image D0 has too large an angle to obtain an effective image. There are cases. Even if a plurality of reflection images Rn can be obtained, the direct image D0 is important information in the three-dimensional stereo measurement, so it can be said that it is recommended to devise the shooting direction to obtain the direct image D0.

第3はオブジェクト1の形状が複雑で、その一部が他の部分の陰になる場合である。典型的には昆虫における足関節の付け根のような部位である。例えば、当該部位について直接画像D0は得ることができるものの、斜めの撮影視点F1や撮影視点F2から得た反射画像R1や反射画像R2では、他の部位の陰になって写らない場合がある。
これらオブジェクト1の形状や方向によって死角となり直接画像D0または反射画像Rnが得られない部位が生じる場合でも、本実施例4の3次元オブジェクト計測装置100cは、鏡面円筒体20とカメラ30を一体として台座10に対して角度を変えて、当該部位ついて必要な直接画像D0または反射画像Rnを得るための別アングルの画像の撮影を行なうものである。
Thirdly, the object 1 has a complicated shape, and a part of the object 1 is shaded by another part. It is typically the root-like part of the ankle joint in insects. For example, although the image D0 can be directly obtained for the part, the reflection image R1 or the reflection image R2 obtained from the oblique photographing viewpoint F1 or the photographing viewpoint F2 may not be captured because it is behind other parts.
Even when there is a blind spot depending on the shape and direction of the object 1 and a portion where the direct image D0 or the reflected image Rn cannot be obtained, the three-dimensional object measuring apparatus 100c according to the fourth embodiment integrates the mirror-finished cylindrical body 20 and the camera 30. The angle is changed with respect to the pedestal 10, and an image at another angle is obtained for obtaining the direct image D0 or the reflection image Rn necessary for the relevant part.

ここでは、一例として、オブジェクト1の側面が垂直に近い場合について説明する。
図18は、図2と同様、直接画像と反射画像のカメラ30における受光を3次元オブジェクト計測装置100cの縦断面において模式的に表した図である。図18に示すように、オブジェクト1の側面部分の点Bについて、直接画像D0に相当する光路B0は、魚眼レンズ31に直接入射することはできない。つまり、直接画像D0において側面部分の点Bの画像は含まれていない、または、たとえ含まれていても撮影角度が極めて浅いため有効な情報が得られないものとなっている。一方、反射画像R1に相当する一回反射の光路B1は、魚眼レンズ31に入射しており、一回反射画像R1において側面部分の点Bの画像は含まれていることとなる。同様に、反射画像R2に相当する二回反射の光路B2は、魚眼レンズ31に入射しており、二回反射画像R2においても側面部分の点Bの画像は含まれていることとなる。このように、複数の反射画像R1とR2には点Bに関する画像情報が含まれているが、直接画像D0において点Bに関する情報が得られていない。
Here, as an example, a case where the side surface of the object 1 is nearly vertical will be described.
FIG. 18 is a diagram schematically showing the light reception of the direct image and the reflection image in the camera 30 in the vertical section of the three-dimensional object measuring apparatus 100c, as in FIG. As shown in FIG. 18, regarding the point B on the side surface portion of the object 1, the optical path B0 corresponding to the direct image D0 cannot be directly incident on the fisheye lens 31. That is, in the direct image D0, the image of the point B on the side surface is not included, or even if it is included, effective information cannot be obtained because the shooting angle is extremely shallow. On the other hand, the optical path B1 of the single reflection corresponding to the reflection image R1 is incident on the fisheye lens 31, and the image of the point B on the side surface portion is included in the single reflection image R1. Similarly, the double-reflection optical path B2 corresponding to the reflection image R2 is incident on the fisheye lens 31, and the double-reflection image R2 also includes the image of the point B on the side surface portion. Thus, although the plurality of reflection images R1 and R2 include the image information about the point B, the information about the point B is not obtained in the direct image D0.

次に、図19は、図18の基本姿勢から、台座10を固定した状態で台座10の中心を回転運動の中心として鏡面円筒体20およびカメラ30を一体として垂直面内で時計回りに回転移動した状態を示している。図19に示すように、オブジェクト1の側面部分の点Bはカメラ30の撮影視点から良く見える位置となり、直接画像D0に相当する光路B0は、魚眼レンズ31に直接入射する。つまり、直接画像D0において側面部分の点Bの画像は有効に含まれていることとなる。反射画像R1に相当する一回反射の光路B1も魚眼レンズ31に直接入射しており、一回反射画像R1において側面部分の点Bの画像は含まれている。同様に、二回反射画像R2においても側面部分の点Bの画像は含まれている。
このように、図19の基本姿勢では直接画像D0において十分な画像情報が得られない側面部分の点Bについて、図19の姿勢では直接画像D0において十分な画像情報が得られることとなる。
Next, FIG. 19 shows that the mirror-cylindrical cylindrical body 20 and the camera 30 are integrally rotated clockwise in a vertical plane with the center of the pedestal 10 being the center of the rotational movement with the pedestal 10 fixed from the basic posture of FIG. It shows the state of being done. As shown in FIG. 19, the point B on the side surface of the object 1 is in a position that can be easily seen from the shooting viewpoint of the camera 30, and the optical path B0 corresponding to the direct image D0 is directly incident on the fisheye lens 31. That is, the image of the point B on the side surface portion is effectively included in the direct image D0. The single-reflection optical path B1 corresponding to the reflection image R1 also directly enters the fisheye lens 31, and the image of the point B on the side surface portion is included in the single-reflection image R1. Similarly, the double reflection image R2 also includes the image of the point B on the side surface portion.
As described above, with respect to the point B on the side surface portion where sufficient image information is not obtained in the direct image D0 in the basic posture of FIG. 19, sufficient image information is obtained in the direct image D0 in the posture of FIG.

なお、図19の姿勢はオブジェクト1の切り立った右側面の点Aの直接画像D0を得るための回転の例であるが、オブジェクト1の左側面、正面(手前側の側面)、裏面(奥側の側面)など他の側面の直接画像D0を得る場合、別途、そのターゲットとなる側面が魚眼レンズ31に正対するように鏡面円筒体20とカメラ30を一体に回転させれば良い。 ここで、回転制御手段は限定されないが、例えば、ステッピングモーター等を用いたものとすれば良い。
本発明の3次元オブジェクト計測装置は、少ない撮影回数で3次元ステレオ計測に用いる複数の画像を得ることが目的であるところ、実施例4に係る3次元オブジェクト計測装置100cは基本姿勢の撮影画像に加え、アングルを変えてもう一回撮影を行なうものであるが、オブジェクトの形状や姿勢に影響され、もともと撮影が難しい部位について複数の画像を二回の撮影で得るものであり、少ない撮影回数で3次元ステレオ計測に用いる複数の画像を得る本発明の目的に沿ったものと言える。
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
The posture of FIG. 19 is an example of rotation for obtaining the direct image D0 of the point A on the raised right side surface of the object 1, but the left side surface, front surface (front side surface), back surface (back side) of the object 1 are illustrated. In order to obtain the direct image D0 of another side such as the side), the mirror-cylindrical body 20 and the camera 30 may be separately rotated so that the target side faces the fisheye lens 31. Here, although the rotation control means is not limited, for example, a stepping motor or the like may be used.
The purpose of the three-dimensional object measuring device of the present invention is to obtain a plurality of images used for three-dimensional stereo measurement with a small number of times of photographing. In addition, although the angle is changed and another shot is taken, multiple images of a part that is originally difficult to shoot due to the shape and posture of the object can be obtained in two shots. It can be said that the object of the present invention is to obtain a plurality of images used for three-dimensional stereo measurement.
Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, it will be understood that various modifications can be made without departing from the technical scope of the present invention.

本実施例5では、本発明の3次元オブジェクト計測装置のプロトタイプを製作し、実物体の形状を計測している。以下に、実測画像を用いた形状計測データ結果を示す。
本実施例5のオブジェクト計測環境を説明する。計測に用いたカメラは、Opteon社製DepictD1Eを用い、1392×1040(pixels)で撮影された画像から、1024×1024(pixels)の画像を切り出して使用した。また光源としてリングライトを用い、カメラの周囲から物体へ光を投射した。円筒鏡の内径は90(mm),高さは100(mm)である。但し、本実施例で用いたカメラはグレースケール画像のみ得られることから、前述の数式9におけるl (t,w)およびl (t,w)(i=r,g,b)については、下記数式10とする。ここで、l gray(t,w)およびl gray(t,w)はそれぞれ、SourceおよびTargetにおいて、カメラから得られた撮影画像の明度値である。また取り得る値の範囲は双方とも0以上255以下である。
In the fifth embodiment, a prototype of the three-dimensional object measuring device of the present invention is manufactured and the shape of the real object is measured. Below, the result of the shape measurement data using the measured image is shown.
The object measurement environment of the fifth embodiment will be described. As the camera used for the measurement, a Depict D1E manufactured by Opteon was used, and an image of 1024×1024 (pixels) was cut out from an image taken at 1392×1040 (pixels) and used. A ring light was used as a light source, and light was projected from around the camera to the object. The inner diameter of the cylindrical mirror is 90 (mm) and the height is 100 (mm). However, since the camera used in this embodiment can obtain only gray scale images, l S i (t,w) and l T i (t,w) (i=r,g,b) in the above-mentioned mathematical expression 9 are obtained. Is expressed by Equation 10 below. Here, l S gray (t,w) and l T gray (t,w) are the lightness values of the captured images obtained from the camera at Source and Target, respectively. The range of possible values is 0 or more and 255 or less.

本実施例では計測対象として、図20に示す円錐形状のオブジェクトを用いている。この円錐形状のオブジェクトの底面の直径は56(mm),高さは34(mm)であり、円錐表面はグレースケールの情景画像をテクスチャとして持つものである。
図20に示される円錐形状のオブジェクトを本発明の3次元オブジェクト計測装置で撮影すると、図21に示す撮影画像が得られた。本実施例では、この画像から円錐のオブジェクトの形状計測を行った。
ここで、本実施例におけるSSDの窓サイズは5×5(pixels)とした。また、前述の数式5におけるスケールsを0.5から2.0まで0.1ずつ変化させて、カメラで直接観測された像と円筒鏡に1回反射した像を用いて、ステレオ視により形状を計測した。本発明の3次元オブジェクト計測装置による円錐の形状計測結果を図22に示す。
また、本発明の3次元オブジェクト計測装置により計測された円錐の形状について、横軸を画像中心からの距離,縦軸を高さとする散布図にしたものを図23に示す。
In this embodiment, a conical object shown in FIG. 20 is used as the measurement target. The diameter of the bottom surface of this conical object is 56 (mm) and the height is 34 (mm), and the conical surface has a grayscale scene image as a texture.
When the conical object shown in FIG. 20 was photographed by the three-dimensional object measuring device of the present invention, the photographed image shown in FIG. 21 was obtained. In this embodiment, the shape of a conical object is measured from this image.
Here, the window size of the SSD in this embodiment is set to 5×5 (pixels). In addition, the scale s in Equation 5 was changed by 0.1 from 0.5 to 2.0, and the shape was measured by stereoscopic vision using the image directly observed by the camera and the image reflected once by the cylindrical mirror. FIG. 22 shows the result of cone shape measurement by the three-dimensional object measuring device of the present invention.
FIG. 23 shows a scatter diagram in which the horizontal axis represents the distance from the image center and the vertical axis represents the height, regarding the shape of the cone measured by the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention.

上述のように、実際の物体の形状計測を試みた結果、本発明の3次元オブジェクト計測装置を用いて、実物体の全周形状を一枚の画像によって計測できることが示された。本実施例5により、本3次元オブジェクト計測装置は、カメラと円筒鏡のみからなる単純な装置構成と、画像を一枚のみ撮影する簡易な撮影プロセスで、物体の全周形状を計測でき、物体の全周形状計測に有用であることが示されたことになる。   As described above, as a result of attempting to measure the shape of an actual object, it has been shown that the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention can be used to measure the entire circumference shape of an actual object with a single image. According to the fifth embodiment, the present three-dimensional object measuring device can measure the entire circumference shape of an object with a simple device configuration including only a camera and a cylindrical mirror and a simple shooting process of shooting only one image. It was proved to be useful for the measurement of all-round shape.

本発明の3次元オブジェクト計測装置は、円筒鏡に物体を入れ、カメラで上から物体を撮影することで、一回の撮影で物体の全方向からの多視点画像を得られ、反射屈折ステレオ視により、一枚の画像から物体の三次元全周形状を計測できることから、例えば、昆虫や小動物の電子図鑑など、教育分野におけるコンテンツ作成用途において利用することができ、またそれらのコンテンツを用いることにより、動画の記述の充実を図ることができる。教育分野のみならず、医療分野、学術研究分野など多目的に本3次元オブジェクト計測装置を用いることができるのである。
本発明の3次元オブジェクト計測装置は、装置構成や撮影プロセスの簡単さから、ユーザが個人的な所有物の形状を手軽に計測したり、多くの物体の全周形状を効率良く計測したりする用途に有用である。また、一枚の画像から物体の全周形状を計測できるため、連続的に画像を撮影すれば、動物の動きとともに全周形状を記録することも可能であり、静止画のみならず動画の記述の充実を図ることができる。
The three-dimensional object measuring apparatus of the present invention puts an object in a cylindrical mirror and shoots the object from above with a camera, so that a multi-viewpoint image from all directions of the object can be obtained by one shooting, and a catadioptric stereoscopic image As a result, it is possible to measure the three-dimensional all-round shape of an object from a single image, so it can be used in content creation applications in the educational field, such as electronic picture books of insects and small animals, and by using those contents. , It is possible to enhance the description of moving images. This three-dimensional object measuring device can be used not only in the education field but also in the medical field, academic research field, and other purposes.
The three-dimensional object measuring apparatus of the present invention allows a user to easily measure the shape of a personal possession or efficiently measure the entire circumference shape of many objects because of the simplicity of the apparatus configuration and the photographing process. Useful for purposes. In addition, since the entire circumference shape of an object can be measured from a single image, it is possible to record the entire circumference shape along with the movement of an animal by continuously capturing images. Can be enhanced.

実施例1に係る3次元オブジェクト計測装置の基本構成を模式的に示した図FIG. 2 is a diagram schematically showing the basic configuration of the three-dimensional object measuring device according to the first embodiment. 直接画像と反射画像のカメラにおける受光を3次元オブジェクト計測装置の縦断面において模式的に表した図The figure which showed typically the light reception in the camera of a direct image and a reflection image in the longitudinal section of a three-dimensional object measuring device. 台座の上に載せ置かれたコーン形状であるオブジェクトをカメラにより撮影して得た画像を模式的に示す図The figure which shows typically the image obtained by photographing the cone-shaped object placed on the pedestal with a camera. オブジェクトの点Aに対する直接画像D0、一回反射画像R1、二回反射画像R2の撮影視点を等価的に展開した様子を模式的に示した図A diagram schematically showing a state in which the shooting viewpoints of the direct image D0, the single reflection image R1, and the double reflection image R2 for the point A of the object are equivalently developed. 台座の中心に置かれたピラミッド形状のオブジェクトの直接画像および鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込んだ反射画像を併せて撮影した画像を示した図Figure showing an image taken together with a direct image of a pyramid-shaped object placed in the center of the pedestal and a reflection image reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror cylinder オブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれた場合でも特徴点同士の幾何学的関係が保たれていることを示す図Diagram showing that the geometric relationship between feature points is maintained even when an object is placed at a position displaced from the center of the pedestal オブジェクトの一点から鏡に2回反射してカメラに入射する光線の軌跡の一例を示す図The figure which shows an example of the locus|trajectory of the light ray which reflects twice from the one point of an object to the mirror, and injects into a camera. 仮想オブジェクトを撮影したシミュレーション画像を示す図Figure showing a simulation image of a virtual object 角φと画像中心からの距離dの関係図Relationship diagram between angle φ and distance d from image center 極座標展開した結果の撮影画像Image taken as a result of polar coordinate expansion 探索対象領域を示す図Diagram showing the search target area 本発明の3次元オブジェクト計測装置におけるステレオ計測処理を実行する構成要素を示すブロック図FIG. 3 is a block diagram showing components that execute a stereo measurement process in the three-dimensional object measuring apparatus of the present invention. 実施例2に係る3次元オブジェクト計測装置の基本構成を模式的に示した図The figure which showed typically the basic composition of the three-dimensional object measuring device which concerns on Example 2. 実施例3に係る3次元オブジェクト計測装置の基本構成を模式的に示した図Diagram schematically showing the basic configuration of the three-dimensional object measuring device according to the third embodiment. 台座と魚眼レンズとの距離が小さい場合のメリットとデメリットを模式的に説明した図Diagram that schematically illustrates the advantages and disadvantages when the distance between the pedestal and the fisheye lens is small 台座と魚眼レンズとの距離が大きい場合のメリットとデメリットを模式的に説明した図Diagram that schematically explains the advantages and disadvantages when the distance between the pedestal and the fisheye lens is large 実施例4に係る3次元オブジェクト計測装置の基本構成を模式的に示した図The figure which showed typically the basic composition of the three-dimensional object measuring device which concerns on Example 4. 基本姿勢における直接画像と反射画像の光路を3次元オブジェクト計測装置の縦断面において模式的に表した図The figure which represented typically the optical path of the direct image and the reflection image in the basic posture in the longitudinal section of the three-dimensional object measuring device. 台座の中心を回転運動の中心として鏡面円筒体およびカメラを一体として垂直面内で時計回りに45度回転移動した状態を示す図The figure which shows the state which rotated the mirror surface cylindrical body and the camera as one body in the vertical direction by 45 degrees in the clockwise direction in the vertical plane with the center of the pedestal as the center of the rotational movement. 計測対象として用いた円錐形状を有する実物体を示す図A diagram showing a real object having a conical shape used as a measurement target 計測対象として用いた円錐形状を有する実物体の撮影画像Captured image of a real object with a conical shape used as a measurement target 実測画像を用いた円錐の形状計測結果を示す図Figure showing the result of cone shape measurement using measured images 円錐の中心からの距離と高さの関係を示す図Diagram showing the relationship between the distance from the center of the cone and the height

符号の説明Explanation of symbols

1 オブジェクト
10 台座
20 鏡面円筒体
30,30a,30b カメラ
31 魚眼レンズ
32 撮影記録手段
40 画像データ処理装置
41 特徴点抽出手段
42 対応特徴点探索手段
43 3次元画像データ生成手段
100,100a,100b,100c 3次元オブジェクト計測装置
1 Object 10 Pedestal 20 Mirror Surface Cylindrical Body 30, 30a, 30b Camera 31 Fisheye Lens 32 Photographing Recording Means 40 Image Data Processing Device 41 Feature Point Extracting Means 42 Corresponding Feature Point Searching Means 43 3D Image Data Generating Means 100, 100a, 100b, 100c 3D object measuring device

【0005】
を固定支持する手段、例えば、針金などで刺して固定支持してもよい。また、卓上を台座として活用してもよい。
[0013]
ここで、鏡面円筒体の側面内壁の鏡面に映り込んでいる3次元オブジェクトの反射画像が複数ある場合がある。つまり、鏡面で一回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆる一回反射画像、鏡面で二回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆる二回反射画像など、鏡面でn(nは自然数)回反射して魚眼レンズに捉えられたいわゆるn回反射画像があり得る。
なお、上記は静止画像の説明であるが、時系列に連続した静止画像を得ればそれらを動画像として扱うことができ、対象物体の動きに関する3次元動両像データも得ることが可能となる。
[0014]
また、上述の目的を達成するため、本発明の3次元オブジェクト計測装置は、撮影対象となる3次元オブジェクトを載せる台座と、前記台座を筒の内壁面で取り囲み、前記筒の内壁面を鏡面とした鏡面円筒体と、前記台座に対向し、レンズ光軸が前記鏡面円筒体の円筒中心軸と一致するように配置された魚眼レンズと、前記魚眼レンズを介して得られた画像を記録する撮影記録手段とを備えたカメラを備え、前記カメラの撮影記録手段により、前記台座上の3次元オブジェクトを直接見た直接画像と、前記鏡面円筒体の内壁の鏡面に映り込んでいる前記台座上の3次元オブジェクトの反射画像とを併せて撮影する3次元オブジェクト計測装置であって、前記カメラの撮影記録手段により撮影した撮影画像上の特徴点を抽出して決定する特徴点抽出手段と、前記特徴点抽出手段によって抽出された前記直接画像上の特徴点に対応する前記反射画像上の対応特徴点を前記反射画像上において探索して決定する、または、前記特徴点抽出手段によって抽出された前記反射画像上の特徴点に対応する前記直接画像上の対応特徴点を前記直接画像上において探索して決定する手段であって、前記撮影画像において画像の中心と前記特徴点とを結ぶ延長線上を探索することにより前記対応特徴点の探索を行なう対応特徴点探索手段と、前記特徴点と前記対応特徴点との対応関係を基に前記直接画像と前記反射画像とのステレオ計測処理を行ない、前記直接画像と前記反射画像から前記3次元オブジェクトの3次元画像データを生成する3次元画像データ生成手段を備えたことを特徴とするものである。
上記構成により、ステレオ計測処理において直接画像と反射画像の間で特徴点とその特徴点に対応する対応特徴点とを簡便にマッチングすることができる。つまり、本発明の3次元オブジェクト計測装置では、反射画像は台座の中心(円筒中心)から放射線状に展開された画像となっており、特徴点と対応する対応特徴点とが必ず同じ直線上にあるため対応点探索が簡単となる利点がある。
すなわち、撮影対象のオブジェクト上のある点の画像は、正対する鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込み、二回反射画像の場合は点対称となるが、中心点を挟んで折り返した位置となるので、結局、直接画像上のある特徴点に対応する反射画像上の特徴点は直接画像上の当該特徴点と画像の中心点を結ぶ直線の延長線上にあることとなるのである。この幾何学的関係を特徴点の探索のマッチングアルゴリズムに取り込むことにより、その計算コストを大幅に低減することが可能となる。
本発明は、鏡面円筒体とレンズ光軸が前記鏡面円筒体の円筒中心軸と一致するように配置された魚眼レンズとを組み合わせることにより、複雑な特徴点検出アルゴリズムを用いることがなく、特徴点同士の幾何学的関係を用いて効率よく特徴点と対応する対応特徴点を探索できるのである。
なお、上記した特徴点同士の幾何学的関係は、オブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれていても変わることはない。オブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれた場合でも特徴点同士の幾何学的関係が保たれる。オブジェクトが台座の中心からずれた位置に載せ置かれている場合、鏡面円筒体の内壁鏡面に映り込んだ反射画像は歪んでしまうが、特徴点同士は画像中心を通る直線上に存在する。これは、カメラの光軸と円筒鏡の中心軸が一致しているとき、ある光線がカメラに入射するためには、光線は円筒鏡の中心軸を通らなければならず、円筒の中心軸を挟んで向き合う円筒鏡の2点の接線は常に平行になり、円筒の中心を通る光線は常に、平行な接線をもつ鏡面に対して、真上から観察した場合に垂直に入射することとなるからである。
[0015]
次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記台座を透明素材で形
[0005]
May be fixed and supported by being pierced with a means for fixing and supporting, for example, a wire. Also, the table may be used as a pedestal.
[0013]
Here, there may be a plurality of reflection images of the three-dimensional object reflected on the mirror surface of the side wall of the mirror cylinder. That is, a so-called single reflection image reflected once by the mirror surface and captured by the fisheye lens, a so-called double reflection image reflected twice by the mirror surface and captured by the fisheye lens, etc. is reflected n times (n is a natural number) on the mirror surface. There may be a so-called n-times reflection image captured by a fisheye lens.
It should be noted that, although the above is a description of still images, if still images that are continuous in time series are obtained, they can be treated as moving images, and three-dimensional moving image data relating to the movement of the target object can also be obtained. Become.
[0014]
In order to achieve the above-mentioned object, a three-dimensional object measuring device of the present invention includes a pedestal on which a three-dimensional object to be imaged is placed, the pedestal surrounded by an inner wall surface of a cylinder, and the inner wall surface of the cylinder is a mirror surface. And a fish-eye lens arranged to face the pedestal so that the optical axis of the lens coincides with the central axis of the cylinder of the mirror-cylindrical body, and an image recording unit for recording an image obtained through the fish-eye lens. And a direct image of a three-dimensional object directly on the pedestal, and a three-dimensional image on the pedestal reflected on the inner wall of the mirror-finished cylindrical body, by means of the photographing and recording means of the camera. A three-dimensional object measuring apparatus for photographing together with a reflection image of an object, the characteristic point extracting means for extracting and determining characteristic points on the photographed image photographed by the photographing and recording means of the camera, and the characteristic point extraction. On the reflection image, the corresponding feature point on the reflection image corresponding to the feature point on the direct image extracted by means is searched and determined, or on the reflection image extracted by the feature point extracting means. Means for searching and determining a corresponding feature point on the direct image corresponding to the feature point on the direct image, and searching on an extension line connecting the center of the image and the feature point in the captured image. Corresponding feature point searching means for searching for the corresponding feature point by means of performing a stereo measurement process of the direct image and the reflection image based on the correspondence between the feature point and the corresponding feature point, It is characterized by comprising a three-dimensional image data generating means for generating three-dimensional image data of the three-dimensional object from the reflection image.
With the above configuration, it is possible to easily match the feature point and the corresponding feature point corresponding to the feature point between the direct image and the reflected image in the stereo measurement process. That is, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the reflection image is an image developed radially from the center of the pedestal (center of the cylinder), and the feature point and the corresponding feature point are always on the same straight line. Therefore, there is an advantage that the corresponding point search becomes easy.
In other words, the image of a certain point on the object to be photographed is reflected on the inner wall mirror surface of the mirror-faced cylindrical body facing directly, and in the case of the double reflection image, it becomes point symmetric, but since it is the position folded back with the center point in between. After all, the characteristic point on the reflection image corresponding to a certain characteristic point on the direct image is on the extension of the straight line connecting the characteristic point on the direct image and the center point of the image. By incorporating this geometrical relationship into the matching algorithm for searching the feature points, the calculation cost can be significantly reduced.
The present invention, by combining a mirror surface cylindrical body and a fisheye lens arranged so that the lens optical axis coincides with the cylinder center axis of the mirror surface cylindrical body, without using a complicated feature point detection algorithm, It is possible to efficiently search for the corresponding feature point corresponding to the feature point by using the geometrical relation of.
The geometrical relationship between the above-mentioned feature points does not change even if the object is placed at a position deviated from the center of the pedestal. Even when the object is placed at a position deviated from the center of the pedestal, the geometric relationship between the feature points is maintained. When the object is placed at a position displaced from the center of the pedestal, the reflection image reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror-cylindrical body is distorted, but the feature points are present on a straight line passing through the image center. This is because when the optical axis of the camera and the central axis of the cylindrical mirror coincide, the ray must pass through the central axis of the cylindrical mirror in order for a ray to enter the camera. The tangents of the two points of the cylindrical mirror facing each other are always parallel, and the light ray passing through the center of the cylinder is always incident perpendicularly to the mirror surface with parallel tangents when observed from directly above. Is.
[0015]
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the pedestal is made of a transparent material.

【0006】
成し、前記台座の下方向からも前記オブジェクトを可視とし、前記カメラとして第1のカメラと第2のカメラの2つのカメラを備え、前記第1のカメラの魚眼レンズと前記第2のカメラの魚眼レンズが前記台座を挟んで対向し合うように配置することが好ましい。
上記構成により、鏡面円筒体のいわゆる上面と下面の2方向から魚眼レンズで撮影することにより、3次元オブジェクトの上部画像と下部画像を同時に撮影することが可能となる。
[0016]
次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記カメラが前記鏡面円筒体に対して前記円筒中心軸に沿った移動が可能となっており、前記台座と前記魚眼レンズの距離を、撮影対象となる3次元オブジェクトの高さをLとして、基底となっている前記台座からL〜10Lの範囲で可変とすることが好ましい。
鏡面円筒体の側面内壁の鏡面において3次元オブジェクトの反射画像が映り込む位置は計測する3次元オブジェクトの大きさ(高さ、厚み)や形状により異なる。直接画像および反射画像を適切に撮影するため魚眼レンズの位置(台座と魚眼レンズとの距離)が調整できることが好ましい。そこで、台座と魚眼レンズとの距離を可変としたものである。
[0017]
次に、本発明の3次元オブジェクト計測装置において、前記台座と前記鏡面円筒体および前記カメラとの相対運動を可能とし、前記台座を固定した状態で、前記台座の中心を回転運動の中心として3次元空間内での前記鏡面円筒体および前記カメラを一体とした自由な回転移動を可能とすることが好ましい。
上記構成により、3次元オブジェクトが切り立った側面形状を持っている場合や、3次元オブジェクトが凹形状を持っている場合であっても、当該部分についてステレオ計測に必要な画像を得ることができる。例えば3次元オブジェクトが切り立った側面形状を持っている場合は、鏡面円筒体と台座を固定したままでは魚眼レンズによっては直接画像をうまく得ることができない。また、3次元オブジェクトが上面に少し深い凹形状を持っている場合は、鏡面円筒体とカメラを固定したままで直接画像を得ることはできるものの、反射画像としては凹形状の部分は周縁の壁面の陰になって得ることはできない。そこで、台座を固定した状態で、台座の中心を回転運動の中心として3次元空間内での鏡面円筒体およびカメラを一体とした自由な回転移動を可能としたものであり、上記前者の側面形状の場合や上記後者の凹形状の場合であっても、それ
[0006]
And making the object visible from below the pedestal, and having two cameras, a first camera and a second camera, as the cameras, the fisheye lens of the first camera and the fisheye lens of the second camera Are preferably arranged so as to face each other across the pedestal.
With the above configuration, it is possible to capture the upper image and the lower image of the three-dimensional object at the same time by capturing the images with the fisheye lens from the two directions of the so-called upper surface and lower surface of the mirror surface cylindrical body.
[0016]
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the camera is movable with respect to the mirror-finished cylindrical body along the central axis of the cylinder, and the distance between the pedestal and the fisheye lens is set as an object to be photographed. It is preferable that the height of the three-dimensional object is L, and the height is variable from L to 10L from the base that is the base.
The position where the reflection image of the three-dimensional object is reflected on the mirror surface of the side wall of the mirror-cylindrical body varies depending on the size (height, thickness) and shape of the three-dimensional object to be measured. It is preferable that the position of the fish-eye lens (the distance between the base and the fish-eye lens) can be adjusted in order to properly capture the direct image and the reflected image. Therefore, the distance between the pedestal and the fisheye lens is variable.
[0017]
Next, in the three-dimensional object measuring device of the present invention, the pedestal, the mirror-cylindrical body, and the camera are allowed to move relative to each other, and with the pedestal fixed, the center of the pedestal is set as the center of rotational movement. It is preferable that the mirror-cylindrical body and the camera can be freely rotated in a dimensional space.
With the above configuration, even when the three-dimensional object has a raised side surface shape or when the three-dimensional object has a concave shape, it is possible to obtain an image required for stereo measurement of the portion. For example, when a three-dimensional object has a steep side surface shape, an image cannot be directly obtained with a fish-eye lens with the mirror surface cylindrical body and the base fixed. Also, if the three-dimensional object has a slightly deep concave shape on the upper surface, it is possible to directly obtain an image with the mirror cylinder and the camera fixed, but as a reflection image, the concave portion has a peripheral wall surface. You can't get behind the shadows of. Therefore, in the state where the pedestal is fixed, it is possible to freely rotate and move the mirror cylinder and the camera in a three-dimensional space with the center of the pedestal as the center of rotational movement. Even in the case of or the latter concave shape above, it

Claims (5)

撮影対象となる3次元オブジェクトを載せる台座と、
前記台座を筒の内壁面で取り囲み、前記筒の内壁面を鏡面とした鏡面円筒体と、
前記台座に対向し、レンズ光軸が前記鏡面円筒体の円筒中心軸と一致するように配置された魚眼レンズと、前記魚眼レンズを介して得られた画像を記録する撮影記録手段とを備えたカメラを備え、
前記カメラの撮影記録手段により、前記台座上の3次元オブジェクトを直接見た直接画像と、前記鏡面円筒体の内壁の鏡面に映り込んでいる前記台座上の3次元オブジェクトの反射画像とを併せて撮影する3次元オブジェクト計測装置。
A pedestal on which a three-dimensional object to be photographed is placed,
A mirror surface cylindrical body that surrounds the pedestal with an inner wall surface of a cylinder, and uses the inner wall surface of the cylinder as a mirror surface,
A camera provided with a fisheye lens facing the pedestal and arranged so that a lens optical axis thereof coincides with a cylinder center axis of the mirror-finished cylindrical body, and a photographing recording means for recording an image obtained through the fisheye lens. Prepare,
By the photographing and recording means of the camera, a direct image of the three-dimensional object directly on the pedestal and a reflection image of the three-dimensional object on the pedestal reflected on the mirror surface of the inner wall of the mirror cylinder are combined. A three-dimensional object measuring device for shooting.
前記カメラの撮影記録手段により撮影した撮影画像上の特徴点を抽出して決定する特徴点抽出手段と、
前記特徴点抽出手段によって抽出された前記直接画像上の特徴点に対応する前記反射画像上の対応特徴点を前記反射画像上において探索して決定する、または、前記特徴点抽出手段によって抽出された前記反射画像上の特徴点に対応する前記直接画像上の対応特徴点を前記直接画像上において探索して決定する対応特徴点探索手段と、
前記特徴点と前記対応特徴点との対応関係を基に前記直接画像と前記反射画像とのステレオ計測処理を行ない、前記直接画像と前記反射画像から前記3次元オブジェクトの3次元画像データを生成する3次元画像データ生成手段を備え、
前記対応特徴点探索手段において、前記撮影画像において画像の中心と前記特徴点とを結ぶ延長線上を探索することにより前記対応特徴点の探索を行なうことを特徴とする請求項1に記載の3次元オブジェクト計測装置。
Feature point extracting means for extracting and determining feature points on a photographed image photographed by the photographing recording means of the camera;
The corresponding feature point on the reflection image corresponding to the feature point on the direct image extracted by the feature point extracting unit is searched and determined on the reflection image, or extracted by the feature point extracting unit. Corresponding feature point searching means for searching and determining corresponding feature points on the direct image corresponding to the feature points on the reflection image on the direct image,
Stereo measurement processing of the direct image and the reflection image is performed based on the correspondence relationship between the feature point and the corresponding feature point, and three-dimensional image data of the three-dimensional object is generated from the direct image and the reflection image. A three-dimensional image data generating means,
3. The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the corresponding feature point searching means searches the corresponding image by searching an extension line connecting the center of the image and the feature point in the captured image. Object measuring device.
前記台座を透明素材で形成し、前記台座の下方向からも前記オブジェクトを可視とし、
前記カメラとして第1のカメラと第2のカメラの2つのカメラを備え、
前記第1のカメラの魚眼レンズと前記第2のカメラの魚眼レンズが前記台座を挟んで対向し合うように配置されている請求項1または2のいずれかに記載の3次元オブジェクト計測装置。
The pedestal is made of a transparent material, and the object is visible from below the pedestal,
As the camera, two cameras, a first camera and a second camera, are provided,
The three-dimensional object measuring device according to claim 1, wherein the fish-eye lens of the first camera and the fish-eye lens of the second camera are arranged so as to face each other with the pedestal interposed therebetween.
前記カメラが前記鏡面円筒体に対して前記円筒中心軸に沿った移動が可能となっており、前記台座と前記魚眼レンズの距離を可変とした請求項1から3のいずれかに記載の3次元オブジェクト計測装置。   The three-dimensional object according to any one of claims 1 to 3, wherein the camera is movable along the central axis of the cylinder with respect to the mirror-cylindrical body, and a distance between the pedestal and the fish-eye lens is variable. Measuring device. 前記台座と前記鏡面円筒体および前記カメラとの相対運動を可能とし、
前記台座を固定した状態で、前記台座の中心を回転運動の中心として3次元空間内での前記鏡面円筒体および前記カメラを一体とした自由な回転移動を可能とした請求項1から4のいずれかに記載の3次元オブジェクト計測装置。
Enables relative movement between the pedestal, the mirror-cylindrical body, and the camera,
5. Any one of claims 1 to 4 which, while the base is fixed, enables free rotational movement of the mirror-cylindrical body and the camera in a three-dimensional space with the center of the base as the center of rotational movement. A three-dimensional object measuring device according to claim 2.
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