KR20110059631A - 3차원 계측 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 계측 장치는, 복수의 카메라와, 촬영된 화상의 각각으로부터 계측 대상물의 표면의 물리 특징인 법선 방향을 취득하는 특징 취득 수단과, 이 물리 특징을 이용하여 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 대응 화소 탐색 수단과, 대응하는 화소 사이의 시차에 의거하여 3차원 측량을 행하는 측량 수단을 구비한다. 또한, 각 화상에서의 법선 방향을 공통의 좌표계로 변환하는 좌표 변환 수단을 갖는 것이 알맞다. 이 좌표 변환의 파라미터는 카메라 캘리브레이션할 때에 얻어지는 파라미터로부터 산출할 수 있다. 이와 같은 3차원 계측 장치에 의하면, 경면 물체의 3차원 형상을 정밀도 좋고, 또한, 카메라의 위치나 특성의 차이에 의한 영향을 받지 않고서 측정할 수 있다.

Description

3차원 계측 장치 및 그 방법{THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은, 계측 대상물, 특히 경면(鏡面)의 계측 대상물의 3차원 형상을 계측하는 기술에 관한 것이다.

3차원 계측(삼각측량)은, 도 12에 도시하는 바와 같이, 다른 촬상 각도의 복수의 카메라로 촬영한 화상으로부터, 화소의 대응 관계를 조사하고, 시차(視差)를 산출함으로써 거리를 계측하는 기술이다. 통상은, 대응하는 화소를 조사할 때에 휘도치를 특징량으로 하여 이용하고 있다.

여기서, 계측 대상물이 경면 물체인 경우, 화상에 촬영되는 휘도치는, 물체 표면 그 자체의 특징량을 나타내는 것이 아니라, 주위의 물체의 비쳐 들어옴에 의해 결정된다. 따라서 도 13에 도시하는 바와 같이, 경면 물체를 2개의 카메라(101, 102)로 촬영할 때, 광원(L1)으로부터의 발광이 반사하는 물체 표면의 위치는 다른 장소가 된다. 이들의 점(点)을 대응하는 화소로서 3차원 측량하면, 실제로는 도면 중의 점(L2)의 개소를 계측하고 있는 것이 되어, 오차가 생겨 버린다. 이 오차는, 카메라의 촬상 각도의 차가 커질수록 커진다. 또한, 카메라의 특성의 차이에 의한 오차도 발생한다.

카메라의 위치나 특성의 차이에 의한 오차의 영향을 배제하기 위해, 조도차(照度差) 스테레오에 의해 법선 맵을 구하고, 이 법선 맵에서 영역분할을 행하고, 영역마다 평균법선을 이용하여 대응시킴을 행함으로써 3차원 측량을 행하는 기술이 알려져 있다(특허 문헌 1).

[특허 문헌]

특허 문헌 1 : 일본 특개소61-198015호 공보

그러나, 상기와 같은 종래 기술의 경우에는, 하기의 문제가 생기고 있다.

휘도치를 특징량으로 하여 종래의 3차원 측량법을 경면 물체에 적용한 경우는, 복수 카메라의 특성의 차이나 카메라 배치에 의해 촬상 화상의 휘도치에 영향을 미치기 때문에, 화소 대응시킴에 오차를 가져와 버린다. 측정 대상의 표면이 경면인 경우에는, 이 영향이 커진다.

특허 문헌 1에 기재된 방법에서는, 법선(法線)이라는 측정 대상에 고유한 정보에 주목하고 있기 때문에, 카메라의 배치나 특성의 차이에 의한 오차를 적게 할 수 있지만, 영역분할을 행하는 것에 의한 오차가 생긴다. 특히, 구(球) 등의 매끈한 연속면을 갖는 측정 대상에 대해서는, 영역분할에 의해 면(面)분해능이 거칠고, 모가 난 3차원 형상으로서 밖에 계측할 수가 없다. 또한, 대응시킴을 취할 때에, 카메라의 폭주각(輻輳角)을 작게 하고, 복수 카메라 사이에서 동일한 좌표계를 갖는 것이라고 간주하고 있기 때문에, 폭주각을 크게 하면 법선 좌표계의 상위에 의해 대응시킴의 정밀도가 저하되어 버린다.

본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은, 카메라의 위치나 특성의 차이에 의한 영향을 받지 않고, 또한, 정밀도 좋게 경면 물체의 3차원 형상을 측정 가능하는 기술을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 3차원 계측 장치는, 경면 물체인 계측 대상물의 3차원 형상을 계측하는 3차원 계측 장치로서, 복수의 카메라와, 상기 복수의 카메라에 의해 촬영된 화상의 각각으로부터, 상기 계측 대상물의 표면의 물리 특징을 취득하는 특징 취득 수단과, 상기 물리 특징을 이용하여, 상기 복수의 카메라에 의해 촬영된 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 대응 화소 탐색 수단과, 대응하는 화소 사이의 시차에 의거하여, 3차원 측량을 행하는 측량 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

경면 물체의 표면에 비쳐 들어오는 휘도 정보를 이용하여 화소 대응을 취할 때에 오차가 생기는 것은, 휘도 정보가 경면 물체의 표면 그 자체의 특징이 아니라, 주위의 조명 등의 조건에 의해 변화하는 정보이기 때문이다. 그래서, 본 발명에서는, 경면 물체의 표면의 물리 특징을 취득하고, 이 특징을 이용하여 화소 대응을 취함으로써, 카메라의 위치나 자세에 의한 영향을 받지 않고, 고정밀도한 매칭을 가능하게 하고, 따라서 계측 대상물의 3차원 형상을 정밀도 좋게 측정하는 것이 가능해진다.

상기한 바와 같은, 계측 대상물의 표면의 물리 특징으로서, 표면의 법선 방향을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 법선 이외에도, 계측 대상물 표면의 분광 특성이나 반사 특성을 이용하여도 좋다. 이들의 물리 특징은, 어느 것이나 모두 계측 대상물에 고유의 정보이기 때문에, 카메라의 위치나 자세에 의한 영향을 받지 않는다.

본 발명에 있어서, 복수의 카메라에 의해 촬영되는 화상의 좌표계를, 변환 파라미터를 이용하여 공통의 좌표계로 변환하는 좌표 변환 수단을 더 갖는 것이 알맞다. 이 경우, 상기 대응 화소 탐색 수단은, 좌표 변환 수단에 의해 공통의 좌표계로 변환된 법선 방향을 이용하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색한다.

복수의 촬영 화상 사이에서 좌표계를 통일하는 좌표 변환 처리를 시행하고 나서 매칭을 행함으로써, 카메라 사이의 폭주각을 크게 하여도 매칭의 정밀도가 저하되지 않는다. 따라서 카메라의 배치를 보다 유연하게 결정하는 것이 가능해진다.

또한, 상기한 좌표 변환 수단에서의 변환 파라미터는, 미리 행하여진 카메라 캘리브레이션(교정)에 의해 얻어진 파라미터로부터 추출하는 것이 알맞다.

또한, 본 발명에서의 대응 화소 탐색 수단은, 주목하는 화소를 포함하는 소정의 넓이의 영역에서의 물리 특징을 비교하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 것이 바람직하다. 주위의 물리 특징까지 포함하여 비교를 행함으로써, 더 정밀도가 좋은 매칭을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명은, 상기 수단의 적어도 일부를 갖는 3차원 계측 장치로서 파악할 수 있다. 또한, 본 발명은, 상기 처리의 적어도 일부를 포함하는 3차원 계측 방법, 또는, 이러하는 방법을 실현하기 위한 프로그램으로서 파악할 수도 있다. 상기 수단 및 처리의 각각은 가능한 한 서로 조합시켜서 본 발명을 구성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 카메라의 위치나 특성의 차이에 의한 영향을 받지 않고, 또한, 정밀도 좋게 경면 물체의 3차원 형상을 측정하는 것이 가능해진다.

도 1은 3차원 계측 장치의 개요를 도시하는 도면.
도 2는 3차원 계측 장치의 기능 블록을 도시하는 도면.
도 3은 카메라의 배치를 설명하는 도면.
도 4a는 조명 장치의 방위각 배치를 설명하는 도면.
도 4b는 조명 장치의 천정각 배치를 설명하는 도면.
도 5는 표면형상 산출부의 기능 블록도를 도시하는 도면.
도 6은 법선-휘도 테이블을 작성하는 방법을 설명하는 도면.
도 7은 촬영된 화상으로부터 법선 방향을 취득하는 방법을 설명하는 도면.
도 8은 월드 좌표계와 각 카메라의 좌표계의 사이를 변환하는 변환 행렬에 관해 설명하는 도면.
도 9는 대응점 산출부에 의한 대응점 탐색 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 10a는 대응점 탐색을 위한 탐색 윈도우에 관해 설명하는 도면.
도 10b는 대응점 탐색을 위한 유사도 산출에 관해 설명하는 도면.
도 11은 제 2의 실시 형태에서의 조명 장치를 설명하는 도면.
도 12는 3차원 측량의 원리를 도시하는 도면.
도 13은 경면 물체에 대해 3차원 측량을 행하는 경우를 설명하는 도면.

이하에 도면을 참조하여, 본 발명의 알맞은 실시의 형태를 예시적으로 상세히 설명한다.

(제 1의 실시 형태)

<전체 개요>

도 1은 본 실시 형태에 관한 3차원 계측 장치의 개요를 도시하는 도면이다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 3차원 계측 장치의 기능 블록을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 스테이지(5)에 배치된 계측 대상물(4)을, 2개의 카메라(1, 2)에 의해 촬영한다. 계측 대상물(4)에는, 다른 방향에서 3개 조명 장치(3a 내지 c)로부터 백색광이 조사되고 있고, 이들의 조명 장치(3a 내지 c)를 순차적으로 조사하여, 카메라(1, 2)는 각각 3장의 화상을 촬영한다. 촬영된 화상은 컴퓨터(6)에 받아들여지고, 화상 처리되어 3차원 계측이 행하여진다.

컴퓨터(6)는, CPU가 프로그램을 실행함으로써, 도 2에 도시하는 바와 같이, 표면형상 산출부(7), 좌표 변환부(8), 대응점 산출부(9) 및 삼각 측량부(10)로서 기능한다. 또한, 이들의 각 기능부의 일부 또는 전부는, 전용의 하드웨어에 의해 실현되어도 상관없다.

<구성>

[카메라 배치]

도 3은, 카메라의 배치를 설명하는 도면이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 카메라(1)는 연직 방향에서 계측 대상물(4)을 촬영하고, 카메라(2)는 연직 방향부터 40도 어긋난 방향에서 계측 대상물(4)을 촬영한다.

[조명 배치]

도 4는, 조명 장치(3a 내지 3c)의 배치를 설명하는 도면이다. 도 4a는, 연직 방향에서 본 도면이고, 조명 장치(3a 내지 3c)의 방위각(方位角) 배치를 도시하는 도면이다. 도 4b는 횡방향에서 본 도면이고, 조명 장치(3a 내지 3c)의 천정각(天頂角) 배치를 도시하는 도면이다. 도면에 도시하는 바와 같이, 3개의 조명 장치(3a 내지 3c)는, 방위각이 서로 120도씩 다른 방향에서, 또한, 천정각이 40도의 방향에서, 계측 대상물에 광을 조사한다.

또한, 여기서 설명하는 카메라(1, 2) 및 조명 장치(3a 내지 3c)의 배치는, 한 구체적 예에 지나지 않고, 반드시 이와 같은 배치로 할 필요는 없다. 예를 들면, 조명 장치의 방위각을 균등하게 하지 않아도 좋다. 또한, 카메라와 조명 장치의 천정각을 같게 하고 있지만, 다르게 하여도 상관없다.

[표면형상(법선) 산출]

표면형상(表面形狀) 산출부(7)는, 카메라(1, 2)에 의해 촬영된 각각 3장의 화상으로부터, 계측 대상물의 각 위치에서의 법선 방향을 산출하는 기능부이다. 표면형상 산출부(7)의, 더 상세한 기능 블록도를 도 5에 도시한다. 도면에 도시하는 바와 같이, 표면형상 산출부(7)는, 화상 입력부(71), 법선-휘도 테이블(72) 및 법선 산출부(73)를 갖는다.

화상 입력부(71)는, 카메라(1, 2)가 촬영한 화상의 입력을 접수하는 기능부이다. 화상 입력부(71)는, 카메라(1, 2)로부터 아날로그 데이터를 수신하는 경우에는 갭처보드 등에 의해 디지털 데이터로 변환한다. 또한, 화상 입력부(71)는, USB 단자나 IEEE1394 단자 등에 의해 디지털 데이터의 화상을 수신하여도 좋다. 이 밖에도, LAN 케이블을 통하거나, 포터블한 기억 매체로부터 화상을 판독하는 구성을 채용하여도 상관없다.

법선-휘도 테이블(72)은, 법선 방향과, 3개의 조명 장치(3a 내지 3c)를 순차적으로 점등하여 촬영한 화상에서의 휘도치와의 대응 관계를 기억하고 있는 기억부이다. 또한, 이 법선-휘도 테이블(72)은, 카메라마다 준비되는 것이고, 본 실시 형태에서는 카메라(1, 2)에 대응하여 2개의 법선-휘도 테이블이 사용된다.

이 법선-휘도 테이블(72)의 작성 방법을, 도 6을 참조하여 설명한다. 우선, 표면형상이 기지(旣知)인 물체를 대상으로 하여, 조명 장치(3a 내지 3c)를 순차적으로 점등하여 3장의 화상(10a 내지 10c)을 촬영한다. 이때, 구체(球體)는 모든 방향의 법선을 갖고 있는 것과, 각 위치에서의 법선 방향을 계산에 의해 용이하게 산출할 수 있기 때문에, 구체를 대상으로 하는 것이 알맞다. 또한, 법선-휘도 테이블을 작성하기 위해 사용하는 대상과 실제로 법선을 산출하는 계측 대상의 반사 특성이, 동일하면서 일정한 것이 필요하다.

그리고, 테이블 작성용 화상(10a 내지 10c)의 각 위치에 관해, 법선 방향(천정각(θ)과 방위각(φ))과, 각 화상에서의 휘도치(La, Lb, Lc)를 취득하고, 이들을 대응시켜서 기억한다. 촬영 화상 중의 모든 점에서 법선 방향과 휘도치의 조합을 대응시킴으로써, 모든 법선 방향에 관해 법선 방향과 휘도치의 조합을 기억한 법선-휘도 테이블(72)을 작성할 수 있다.

법선 산출부(73)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 조명 장치(3a 내지 3c)를 순차적으로 점등하여 촬영된 3장의 화상(11a 내지 11c)으로부터, 계측 대상물(4)의 각 위치에서의 법선 방향을 산출한다. 보다 구체적으로는, 법선 산출부(73)는, 입력된 3장의 화상(11a 내지 11c)으로부터 각 위치에서의 휘도치의 조합을 취득하고, 화상을 촬영한 카메라에 대응하는 법선-휘도 테이블(72)을 참조하여, 그 위치에서의 법선 방향을 결정한다.

[좌표 변환 처리]

좌표 변환부(8)는, 좌표 변환 처리에 의해 카메라(1, 2)에 의해 촬영된 화상으로부터 산출된 법선 방향을, 통일된 좌표계로 나타낸다. 카메라(1, 2)에 의해 촬영된 화상으로부터 취득된 법선 방향은, 각각의 카메라 좌표계로 표시되고 있기 때문에, 그대로 비교하면 오차가 생긴다. 특히, 카메라의 촬상 방향의 차이가 클수록 이 오차가 커진다.

본 실시 형태에서는, 경사 상방에서 촬영하는 카메라(2)의 화상으로부터 취득된 법선 방향을, 카메라(1)의 좌표계로 변환함으로써, 좌표계의 통일을 행한다. 단, 카메라(1)의 화상으로부터 취득된 법선 방향을 카메라(2)의 좌표계로 변환하여 좌표계를 통일하여도 좋고, 카메라(1, 2)의 화상으로부터 취득된 법선 방향을 다른 좌표계로 변환함으로써 좌표계를 통일하여도 좋다.

본 실시 형태에서의 카메라 모델을 정사영(正射影)으로 한 때, 도 8에 도시하는 바와 같이, 월드 좌표계(X, Y, Z)를 카메라(1)의 좌표계(x_a, y_a, z_a)로 변환하는 회전 행렬을 R₁, 월드 좌표계(X, Y, Z)를 카메라(2)의 좌표계(x_b, y_b, z_b)로 변환하는 회전 행렬을 R₂로 하면, 카메라(2)의 좌표계를 카메라(1)의 좌표계로 변환하는 회전 행렬(R₂₁)은 R₂₁=R₂ ^-1·R₁이 된다.

또한, 미리 행하여지는 카메라 캘리브레이션에서, 다음과 같은 캘리브레이션 파라미터를를 얻을 수 있다.

[수식 1]

또한, x₁, y₁는 카메라(1)의 촬영 화상 내에서의 좌표, x₂, y₂는 카메라(2)의 촬영 화상 내에서의 좌표를 나타낸다.

일반적으로, 회전 행렬(R)은, 다음과 같이 표시된다.

[수식 2]

수식 1에서의, p_a11, p_a12, p_a13, p_a21, p_a22, p_a23은, 회전 행렬(R₁)에서의, R_{1 _11}, R_{1_12}, R_{1 _13}, R_{1 _21}, R_{1 _22}, R_{1 _ 23}와 각각 같기 때문에, 연립 방정식을 풀음으로써 카메라의 회전 각도(α, β, γ)를 구할 수 있고, 따라서 회전 행렬(R₁)을 얻을 수 있다. 카메라(2)에 대해서도 마찬가지로, 회전 행렬(R₂)을 얻을 수 있다. 그리고, 카메라(2)의 좌표계를 카메라(1)의 좌표계로 변환하는 회전 행렬(R₂₁)을 R₂ ^-1·R₁에 의해 구할 수 있다.

[대응점 탐색 처리]

대응점 산출부(9)는, 좌표계가 통일된 2개의 법선 화상으로부터, 대응하는 화소를 산출한다. 이 처리는, 카메라(1)의 법선 화상 내의 주목 화소에서의 법선과 같은 방향의 법선을, 카메라(2)의 법선 화상중으로부터 구함으로써 행하여진다. 대응점 산출부(9)가 행하는 처리를, 도 9의 플로우 차트를 참조하면서 설명한다.

우선, 대응점 산출부(9)는, 좌표계가 통일된 2개의 법선 화상(A, B)을 취득한다(S1). 여기서, 카메라(1)의 화상으로부터 취득된 법선 화상(A)은, 표면형상 산출부(7)로부터 얻어진 것을 그대로 이용하고, 카메라(2)의 화상으로부터 얻어진 법선 화상(B)에 관해서는, 좌표 변환부(8)에서 카메라(1)의 좌표계로 변환된 것을 이용한다.

다음에, 한쪽의 법선 화상(여기서는 법선 화상(A)로 하다) 내의 임의의 화소를 주목점(주목 화소)으로서 선택한다(S2). 그리고, 다른쪽의 법선 화상(여기서는 법선 화상(B))의 에피폴라 라인 상에서, 대비점(對比点)을 선택한다(S3).

그리고, 유사도 평가 함수에 의해, 법선 화상(A)의 주목점과, 법선 화상(B)의 대비점 사이의 유사도를 산출한다(S4). 여기서, 1점에서의 법선 방향을 비교하면 오판정이 생길 우려가 있기 때문에, 주목점 및 대비점의 주위의 화소에서의 법선 방향도 이용하여 유사도를 산출한다. 도 10a에, 유사도의 산출에 이용되는 탐색 윈도우의 예를 도시한다. 여기서는, 주목점을 중심으로 5화소×5화소의 영역을 탐색 윈도우로 하고 있다.

주목점과 대비점과의 유사도는, 이 탐색 윈도우 내 전체에서의 법선 방향의 일치율에 의거하여 산출한다. 보다 구체적으로는, 이하의 식에 의해, 탐색 윈도우 내의 각 점에서 법선 화상(A, B) 사이에 법선 벡터의 내적(內積)을 산출하고, 그 합에 의거하여 유사도를 산출한다(도 10b 참조).

[수식 3]

대응점은 에피폴라 라인 상에 있기 때문에, 이 유사도의 산출은, 에피폴라 라인 상의 화소에 관해 실행된다. 따라서 하나의 점에 관해 유사도를 산출한 후, 에피폴라 라인 상의 모든 점에 관해 유사도 산출 처리를 실행하였는지 판정하고, 아직 유사도를 산출하지 않은 점이 있으면, 스텝 S3으로 되돌아와 유사도 산출을 행한다(S5).

에피폴라 라인 상의 모든 점에 관해 유사도를 산출하면, 그 중에서 가장 유사도가 높은 점을 구하고, 그 점을 법선 화상(A)의 주목점에 대응하는 법선 화상(B)에서 대응점이라고 판단한다(S6).

상기한 처리는, 삼각측량을 행하는 법선 화상(A)의 점 전부에 관해 행하기 때문에, 모든 점에 관해 처리 완료인지 판정하고, 아직 처리를 하지 않은 점이 있으면, 스텝 S2로 되돌아와 그 점에 대응하는 대응점을 탐색한다(S7).

[삼각측량]

이상과 같이 하여, 2개의 화상에서의 대응점이 구하여졌으면, 삼각 측량부(10)에 의해 계측 대상물(4)의 각 위치에 관해, 속길이(奧行) 정보(거리)를 산출한다. 이 처리는 공지의 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

<실시 형태의 작용·효과>

본 실시 형태에 관한 3차원 계측 장치에서는, 계측 대상물의 물리 특징인 법선 방향을 이용하여, 2개의 화상 사이에서의 대응점을 탐색하고 있기 때문에, 카메라의 특성이나 배치의 차이에 의한 영향을 받지 않고 3차원 계측이 가능해진다. 종래와 같은 물리 표면의 색(휘도치)에 의거한 대응점 탐색 처리에서는 대상 표면이 경면인 경우에는 오차가 커지고, 정밀도가 좋은 3차원 계측이 곤란하지만, 본 실시 형태에 의하는 방법을 사용하면 경면 물체라도 정밀도 좋게 3차원 계측을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 복수의 카메라 사이에서 다른 좌표계를, 카메라 캘리브레이션으로 얻어진 캘리브레이션 파라미터로부터 추출된 변환 파라미터를 이용하여 공통 좌표계로 변환하고 나서 대응점을 탐색하기 때문에, 카메라의 폭주각을 크게 하여도 대응시킴의 정밀도가 저하되지 않고, 정밀도가 좋은 3차원 측정이 가능해진다.

(변형예 1)

상기한 실시 형태에서는, 카메라(2)의 촬영 화상으로부터 법선-휘도 테이블을 참조하여 법선 방향을 산출한 후, 좌표 변환에 의해 법선 화상의 좌표계를 카메라(1)의 좌표계에 맞추는 처리를 실행하고 있다. 그러나, 최종적으로 좌표계의 통일이 취하여지는 그 밖의 방법에 의하여도 상관없다. 예를 들면, 카메라(2)에 대응하는 법선-휘도 테이블에 격납되는 법선의 데이터에 대해, 카메라(2)의 좌표계를 카메라(1)의 좌표계에 맞추는 변환 처리를 시행하여도 좋다. 이와 같이 하면, 카메라(2)의 화상에 대한 표면형상 산출부(7)에 의한 법선 방향의 산출 결과가, 카메라(1)의 좌표계로 표시된 것이 된다.

(변형예 2)

상기한 실시 형태에서는, 백색광을 조사하는 3개의 조명 장치(3a 내지 3c)를 이용하여, 이들을 순차적으로 점등하여 화상을 촬영하고, 3장의 화상으로부터 법선 방향을 산출하고 있다. 그렇지만, 화상을 촬영하여 법선 방향을 취득하는 방법이라면, 임의의 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 3개의 조명 장치의 발광색을 각각 R, G, B의 3색으로 하여, 이들을 동시에 조사하고, 각 성분광의 강도를 취득함으로써, 1회의 촬영만으로 상기와 같은 효과를 얻을 수 있다.

(제 2의 실시 형태)

제 1의 실시 형태에서는, 계측 대상 표면의 물리 특징으로서 법선 방향을 이용하였지만, 본 실시 형태에서는 대상의 분광 특성을 이용하여, 스테레오 화상 사이의 대응점을 탐색한다.

계측 대상 표면의 분광 특성을 계측하기 위해서는, 분광 특성이 다른 광원을 같은 위치에서 계측 대상에 순서대로 조사한다. 이것은 예를 들면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 백색 광원의 앞에 장소(각도)에 따라 분광 특성이 다른 컬러 필터를 마련하고, 이 필터를 회전함으로써 실현할 수 있다. 이와 같은 조명 장치를 이용하여 컬러 카메라로 대상을 관측하고, 가장 값이 높아지는 휘도치를 계측함으로써 화소마다의 간이적인 분광 특성을 산출할 수 있다.

그리고, 복수의 카메라에서 얻어진 화소마다의 분광 특성 맵을 이용하여 대응시킴을 행한다. 이후의 처리는 제 1의 실시 형태와 마찬가지이다.

(제 3의 실시 형태)

본 실시 형태에서는, 계측 대상 표면의 물리 특징으로 하고 반사 특성을 이용하고, 스테레오 화상 사이의 대응점을 탐색한다.

계측 대상 표면의 반사 특성을 계측하기 위해서는, 다른 방향에서 광을 조사하는 복수의 광원을 배치하고, 이들의 광원을 순차적으로 점등하면서 카메라로 촬영을 행한다. 또한, 제 1의 실시 형태와 마찬가지로, 구체 등 형상을 이미 알고 있고, 또한, 반사 특성도 이미 알고 있는 샘플을 준비한다. 여기서는, 반사 특성이 다른 복수의 샘플을 이용하여, 각각의 샘플에 대해 각 광원하에서의 휘도치를 사례(事例) 데이터로서 보유한다.

계측 대상에 대해서도 마찬가지로, 복수의 광원을 순차적으로 점등하고, 각 광원하에서의 휘도치의 조합을 취득한다. 이 휘도치를 조합시켜서, 사례 데이터로서 비교하여 화소마다 해당하는 반사 특성을 산출한다.

복수의 카메라로 얻어진 화소마다의 반사 특성 맵을 이용하여, 이들 복수의 카메라로 촬영된 화상 사이에서의 화소의 대응시킴을 행한다. 이후의 처리는, 제 1의 실시 형태와 마찬가지이다.

1, 2 : 카메라
3a, 3b, 3c : 조명 장치
4 : 계측 대상물
6 : 컴퓨터
7 : 표면형상 산출부
71 : 화상 입력부
72 : 법선-휘도 테이블
73 : 법선 산출부
8 : 좌표 변환부
9 : 대응점 산출부
10 : 삼각 측량부

Claims (10)

1. 경면 물체인 계측 대상물의 3차원 형상을 계측하는 3차원 계측 장치로서,
   복수의 카메라와,
   상기 복수의 카메라에 의해 촬영된 화상의 각각으로부터, 상기 계측 대상물의 표면의 물리 특징을 취득하는 특징 취득 수단과,
   상기 물리 특징을 이용하여, 상기 복수의 카메라에 의해 촬영된 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 대응 화소 탐색 수단과,
   대응하는 화소 사이의 시차에 의거하여, 3차원 측량을 행하는 측량 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 특징 취득 수단이 취득하는 상기 계측 대상물의 표면의 물리 특징은, 표면의 법선 방향인 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   복수의 카메라에 의해 촬영되는 화상의 좌표계를, 변환 파라미터를 이용하여 공통의 좌표계로 변환하는 좌표 변환 수단을 더 가지며,
   상기 대응 화소 탐색 수단은, 좌표 변환 수단에 의해 공통의 좌표계로 변환된 법선 방향을 이용하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 좌표 변환 수단에서의 변환 파라미터는, 미리 행하여진 카메라 캘리브레이션에 의해 얻어진 파라미터로부터 추출된 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 대응 화소 탐색 수단은, 주목하는 화소를 포함하는 소정의 넓이의 영역에서의 물리 특징을 비교하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
6. 경면 물체인 계측 대상물의 3차원 형상을 계측하는 3차원 계측 방법으로서,
   복수의 카메라에 의해 촬영된 화상의 각각으로부터, 상기 계측 대상물의 표면의 물리 특징을 취득하는 특징 취득 공정과,
   상기 물리 특징을 이용하여, 상기 복수의 카메라에 의해 촬영된 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 대응 화소 탐색 공정과,
   대응하는 화소 사이의 시차에 의거하여, 3차원 측량을 행하는 측량 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 방법.
7. 제 6항에 있어서
   상기 특징 취득 공정에서 취득된 상기 계측 대상물의 표면의 물리 특징은, 표면의 법선 방향인 것을 특징으로 하는 3차원 계측 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   복수의 카메라에 의해 촬영되는 화상의 좌표계를, 변환 파라미터를 이용하여 공통의 좌표계로 변환하는 좌표 변환 공정을 더 가지며,
   상기 대응 화소 탐색 공정에서는, 좌표 변환 공정에서 공통의 좌표계로 변환된 법선 방향을 이용하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 좌표 변환 공정에서 이용되는 변환 파라미터는, 미리 행하여진 카메라 캘리브레이션에 의해 얻어진 파라미터로부터 추출된 것을 특징으로 하는 3차원 계측 방법.
10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대응 화소 탐색 공정에서는, 주목하는 화소를 포함하는 소정의 넓이의 영역에서의 물리 특징을 비교하여, 화상 사이에서 대응하는 화소를 탐색하는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 방법.

Images