KR20130032368A - 삼차원 계측장치, 삼차원 계측방법 및 기억매체 - Google Patents

삼차원 계측장치, 삼차원 계측방법 및 기억매체 Download PDF

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Abstract

대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측장치로서, 명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 상기 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부를 반전하여 형성된 역 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상수단; 상기 제1의 화상 데이터 및 상기 제2의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정 수단; 및 상기 제1의 화상 데이터의 제1의 휘도 구배와, 상기 제2의 화상 데이터의 제2의 휘도 구배간의 상관으로부터 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출 수단을 구비한, 삼차원 계측장치.

Description

삼차원 계측장치, 삼차원 계측방법 및 기억매체{THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT APPARATUS, THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT METHOD, AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 명부와 암부가 임의의 폭으로 배치하여 형성된 복수의 패턴의 패턴 광을 투영해서 거리정보를 취득하는 공간 부호화법에 의해 삼차원형상을 계측하는 삼차원 계측장치, 삼차원 계측방법, 및 기억매체에 관한 것이다.
피사체에 복수의 패턴의 패턴 광을 투영하고, 패턴 광 화상들이 투영된 피사체를 촬상함으로써 패턴의 변형에 의거한 삼각계측의 원리를 사용해서 형상계측을 행하는 패턴 투영법이 알려져 있다. 이 방법들 중에서, 명부와 암부가 임의의 폭으로 교대로 배치하는 줄무늬 패턴 광을 투영해서 공간을 2진 부호화하는 공간부호화법은, 삼차원 계측의 분야에서 잘 알려져 있고, 이 방법을 채용한 제품이 상업적으로 입수 가능하다.
도 1을 참조하여, 일반적인 삼차원형상을 계측하는 장치의 구성 및 삼차원 계측의 개념을 설명한다. 삼차원 계측장치는, 계측 대상물체에 패턴을 조사하는 프로젝터(101), 반사 패턴을 촬상하는 카메라(102)로 구성되는 것이 일반적이다. 프로젝터(101)로부터 피사체(103)를 향해서 명부와 암부가 임의의 폭으로 교대로 배치된 줄무늬 패턴 광을 투사한다. 줄무늬 패턴 광은 소정의 복수의 패턴 형상을 갖는다. 주어진 패턴 형상의 줄무늬 패턴 광을 투영할 때마다, 카메라(102)에 의해 그 패턴을 촬상하여 화상 데이터로서 취득한다. 피사체(103)의 명부와 암부 사이의 경계위치를 (X, Y, Z)이라고 한다. 경계위치(X, Y, Z)와 프로젝터(101)를 선으로 연결할 때의 프로젝터(101)의 주점(principal point)위치를 (X1, Y1)이라고 한다. 마찬가지로, 경계위치(X, Y, Z)와 카메라(102)를 선으로 연결할 때의 카메라(102)의 주점위치를 (X2, Y2)이라고 한다. 이 경우에, 카메라(102)의 주점위치(X2, Y2)는 카메라(102)의 촬상 센서(예를 들면, CCD나 CMOS)의 수평좌표에 의거하여 산출된 점이다. 수평좌표는 촬상 센서의 수평폭과 수직폭에 의하여 결정된다. 예를 들면, 640×480의 촬상 센서이면, 수평방향의 x좌표는 0부터 640까지의 값으로, 수직방향의 y좌표는 0부터 480까지의 값으로 가정한다. 마찬가지로, 프로젝터(101)의 주점위치(X1, Y1)도 투광 센서의 수평좌표에 의거하여 산출된다. 또한, 프로젝터(101)와 카메라(102) 사이의 거리L은 기선 길이가 되고, 장치의 구성 조건으로 정해지는 값이다. 이것들의 파라미터로부터 삼각계측의 원리에 의하여 피사체(103)의 경계위치(X, Y, Z)를 산출할 수 있다. 피사체(103)의 전체면에 대하여 경계위치(X, Y, Z)를 산출함으로써 피사체(103)의 삼차원형상을 계측할 수 있다.
다음에, 줄무늬 패턴 광의 형상에 관하여 설명한다. 아래에서는, 도 2를 참조하여, 부호화 오류 내성이 있는 그레이 코드라고 불리는 2진 부호의 줄무늬 패턴 광을 설명한다. 촬상된 반사 패턴에 검게 관찰된 부분은 "0", 희게 관찰된 부분은 "1"에 대응한다. 패턴201에서는 전체 패턴을 2분할하고, 2개의 영역에서 "1", "0"으로서 부호화한다. 패턴202에서는 명부와 암부의 4개의 영역을 "1", "0", "0" 및 "1"로서 부호화하고, 대응한 줄무늬 패턴 광을 조사하여 대응한 패턴을 촬상한다. 한층 더, 패턴203에서는, 8개의 영역을 "1", "0", "0", "1", "1", "0", "0" 및 "1"로서 부호화하고, 대응한 줄무늬 패턴 광을 조사하여 대응한 패턴을 촬상한다. 이렇게 하여, 각각의 영역에 부호화된 영역번호가 부여되므로, 각각의 영역을 판단할 수 있다. 그 각각의 영역은 (1, 1, 1), (1, 1, 0), (1, 0, 0), (1, 0, 1), (0, 0, 1), (0, 0, 0), (0, 1, 0) 및 (0, 1, 1)로서 판단될 수 있다. 이렇게 하여 3개의 패턴의 줄무늬 패턴 광을 사용하여, 공간을 8개의 영역으로 분할할 수 있으므로, 이후 이 공간부호화를 3비트의 공간부호화라고 칭한다. 그리고, 도 2의 각각의 패턴의 줄무늬 패턴 광을, 각각, 1비트의 줄무늬 패턴 광, 2비트의 줄무늬 패턴 광, 및 3비트의 줄무늬 패턴 광이라고 칭한다.
한층 더 상세하게 삼차원형상 계측을 행하기 위해서는, 명부와 암부의 영역의 크기를 순차로 축소하면서 n패턴의 줄무늬 패턴 광을 조사한다. 그리고, 프로젝터의 조사 영역을 2n영역으로 분할한 영역번호를 부여함으로써, 각각의 영역이 판단될 수 있다. 1024개의 분할영역을 사용하는 삼차원 계측에 있어서는, 10비트의 공간부호화가 행해진다.
그레이 코드의 이점은, 줄무늬 패턴 광의 어긋남이나 흐림으로 인해 영역경계에서 부호화의 오류가 발생할 때도, 이 오류는 인접영역으로서 판단될 뿐이고, 크게 어긋난 영역으로서 어떠한 부호화 오류도 일으키지 않는다. 이 때문에, 그레이 코드를 사용한 공간부호화법은, 일반적으로 이용되고 있다.
공간부호화법에 의한 삼차원 계측에서 정밀도를 향상시키기 위해서는, 촬상된 화상 데이터로부터 명부와 암부 사이의 경계의 수평좌표위치x(이하, "경계위치"라고 칭한다)를 결정해야 한다. 이하, 도 3a 및 3b를 참조하여 명부와 암부 사이의 경계위치에 관하여 설명한다. 도 3a 및 3b는, 2비트의 줄무늬 패턴 광을 촬상하여 얻어진 화상 데이터의 휘도값을 세로축으로, 수평좌표x를 가로축으로 할 때의 그래프다. 도 3a는 이상적인 경계위치를 나타낸다. 도 3a에서는, 명부와 암부의 휘도값이 경계에서 "1"과 "0"으로 다르므로, 명부와 암부 사이의 경계위치가 유일하게 결정되어, 위치a 및 위치b가 경계위치로서 결정될 수 있다. 그러나, 실제의 계측에서는, 줄무늬 패턴 광의 흐림, 피사체의 반사율, 및 외광의 영향등으로 인해, 도 3b에 나타나 있는 바와 같이, 각 경계 근방에서 완만한 변화가 관찰되고, 경계위치가 유일하게 결정될 수 없어, 계측오차를 생기게 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 계측 정밀도를 나타내는 신뢰도를 계측점에 부여하고, 계측 좌표의 신뢰도가 역치이하이면 그 계측 좌표를 사용하지 않는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본특허 제3996560호 참조).
일본특허 제3996560호에서는, 줄무늬 패턴 광 이외에, 전체 패턴의 명부에 해당한 전체 점등 광과, 전체 패턴의 암부에 해당한 전체 소등 광을 피사체에 조사한다. 신뢰도는, 전체 점등 광과 전체 소등 광간의 휘도차에 대한 줄무늬 패턴 광의 휘도차의 비율로서 산출된다. 그리고, 신뢰도가 역치를 초과한 계측 점만이 출력된다.
일본특허 제3996560호의 발명에서는, 줄무늬 패턴 광의 휘도차를 산출할 필요가 있다. 휘도차를 정확하게 산출하기 위해서는, 복수의 화소의 휘도값을 사용해서 휘도곡선을 산출할 필요가 있어, 계산 비용이 높아지게 된다. 미리 샘플링 점을 결정해서 휘도차를 산출하는 방법도 이용 가능하다. 그렇지만, 이 경우에, 각각의 샘플링 점의 신뢰도가 다르고, 그 신뢰도는 정확하게 반영될 수 없다.
상기의 과제를 감안하여, 본 발명은 계측 정밀도를 나타내는 신뢰도를 쉽고 정확하게 산출할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 일 국면에서는, 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측장치로서, 명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 상기 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부를 반전하여 형성된 역 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상수단; 상기 제1의 화상 데이터 및 상기 제2의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정 수단; 및 상기 제1의 화상 데이터의 제1의 휘도 구배와, 상기 제2의 화상 데이터의 제2의 휘도 구배간의 상관으로부터 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출 수단을 구비한, 삼차원 계측장치를 제공한다.
본 발명의 일 국면에서는, 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측장치로서, 명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 명부만으로 형성된 전체 조명 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하고, 암부만으로 형성된 전체 소등 패턴 광의 반사 패턴 광을 제3의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상수단; 상기 제1의 화상 데이터, 상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정 수단; 및 상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터와, 상기 제1의 화상 데이터의 휘도 구배로부터, 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출 수단을 구비한, 삼차원 계측장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징들은, (첨부도면을 참조하여) 이하의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 삼차원형상 계측장치의 구성 및 계측방법의 개념도;
도 2는, 그레이 코드를 사용한 공간부호화법으로 투영하는 줄무늬 패턴 광을 도시한 도면;
도 3a 및 3b는, 경계위치를 설명하는 그래프;
도 4는, 기본적인 구성의 개략도;
도 5a 내지 5c는, 제1실시예에 따른 신뢰도 산출을 도시한 도면;
도 6a 내지 6c는, 제2실시예에 따른 신뢰도 산출을 도시한 도면;
도 7은, 제3실시예에 따른 신뢰도 산출을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 예시적 실시예(들)를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이 실시예들에 나타낸 부품의 상대적 배치, 수식 및 수치는, 특별히 달리 언급하지 않으면 본 발명의 범위를 한정하지 않는다는 것을 주목해야 한다.
(제1실시예)
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 삼차원형상 계측장치의 기본구성에 관하여 설명한다. 삼차원 계측장치는, 명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광을 피사체(407)에 투영하는 프로젝터(402)와, 줄무늬 패턴 광이 투영된 피사체(407)(대상물체)의 반사 패턴 광을 촬상하는 카메라(403)와, 여러 가지의 산술연산을 실행하는 계산 처리부(41)를 구비한다. 계산 처리부(41)는, 줄무늬 패턴 광의 투영과 촬상을 지시하고, 촬상된 화상 데이터를 계산 처리한다.
계산 처리부(41)는, CPU(400)와, 패턴 메모리(401)와, 화상 메모리(404)와, 신뢰도 산출부(405)와, 계측처리부(406)를 구비한다. CPU(400)는, 각종의 산술연산을 실행한다. 패턴 메모리(401)는, 예를 들면 ROM으로 구성되고, 예를 들면 줄무늬 패턴 광의 패턴 형상 프로그램, 투영 시간을 설정하는데 필요한 타임 어카운트 프로그램을 기억하고 있다. CPU(400)로부터의 투영 지시를 수신하면, 패턴 메모리(401)는, 줄무늬 패턴 광 형상신호를 프로젝터(402)에 송신한다. 또한, 타임 어카운트 신호가 프로젝터(402) 및 카메라(403)에 송신됨에 따라서, 줄무늬 패턴 광의 투영 및 촬상의 타이밍이 관리된다.
카메라(403)에 의해 촬상된 화상 데이터는, 화상 메모리(404)에 일시적으로 기억되고, 순차로 신뢰도 산출부(405)에 송신된다. 신뢰도 산출부(405)는, 예를 들면 ROM과 RAM을 구비하고, 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부 사이의 경계위치를 결정하고, 경계위치의 신뢰도를 산출하는 처리를 실행한다. 경계위치를 결정하는 방법 및 신뢰도를 산출하는 방법은 후술한다.
다음에, 화상 데이터는 계측처리부(406)에 송신된다. 계측처리부(406)는 화상 데이터로부터 삼차원 위치 정보를 산출한다. 계측처리부(406)는, 예를 들면, ROM과 RAM을 구비한다. 계측처리부(406)는, 프로젝터(402)와 카메라(403) 사이의 기선 길이, 초점거리, 및 화소수 등의 기기에 의존하는 파라미터와, 미리 실행된 캘리브레이션에 의거한 디스토션, 외광 휘도 데이터 등의 외부 파라미터를 기억한다. 또한, 계측처리부(406)는, 삼각계측에 의거한 삼차원 계측 프로그램도 기억한다. 계측처리부(406)는 화상 데이터를 2값화 처리하고, 부호 데이터를 생성한다. N비트로 공간부호화를 행할 경우, 줄무늬 패턴 광은 N개의 다른 패턴 형상을 포함하고, N개의 패턴의 부호 데이터가 생성된다. 데이터에는 신뢰도 산출부(405)에서 산출된 신뢰도 및 경계위치가 부여된다. 이 부호 데이터로부터 프로젝터(402)의 화소와 카메라(403)의 화소와의 대응관계를 결정하고, 삼각계측의 원리에 의거하여 삼차원 계측을 실행함에 따라서, 삼차원형상 정보를 취득한다(삼차원형상 산출). 계측결과는 카메라(403)의 화소 수에 따른 거리 화상 데이터로서 생성된다. 거리 화상 데이터에도, 필요에 따라 신뢰도를 부여할 수 있다. 거리 화상 데이터는, (도면에 나타내지 않은) 출력부에서 영상으로 변환되어, (도면에 나타내지 않은) 표시부에 거리 화상으로서 관찰될 수 있다.
상기의 화상 메모리(404), 신뢰도 산출부(405) 및 계측처리부(406)의 처리는, 모두 CPU(400)로부터의 지시에 근거해서 실행된다.
이하, 도 5a 내지 5c를 참조하여, 신뢰도의 산출 방법에 관하여 설명한다.
도 5a는 투영하는 줄무늬 패턴 광을 나타낸다. 줄무늬 패턴 광(51)은 3비트의 그레이 코드에 의거한 공간부호화의 줄무늬 패턴 광으로서, 이후 포지티브 패턴이라고 칭한다. 줄무늬 패턴 광52는 줄무늬 패턴 광51의 명부와 암부를 반전시킨 역 줄무늬 패턴 광으로서, 이후 네가티브 패턴이라고 칭한다. 도 5a는, 3비트의 줄무늬 패턴 광의 포지티브 및 네가티브 패턴의 예를 든 것이다. 그러나, 실제의 공간부호화에 의거한 계측에서는, 프로젝터의 해상도에 따라, 예를 들면 1비트로부터 10비트까지의 줄무늬 패턴 광의 포지티브 및 네가티브 패턴을 투영하고, 그들의 화상을 촬영해도 된다. 즉, 10비트의 계측이면, 20개의 화상이 촬영되어야 한다. 이하, 도 5b를 참조하여 경계위치를 결정하는 개념을 설명한다. 도 5b는 촬상된 화상 데이터의 휘도를 세로축으로, 수평 화소 좌표를 가로축으로 하는 그래프다. 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 촬상한 화상 데이터를 제1의 화상 데이터라고 한다. 마찬가지로, 역 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 촬상한 화상 데이터를 제2의 화상 데이터라고 한다. 휘도곡선(53)은 줄무늬 패턴 광(51)을 투영하여 촬영된 제1의 화상 데이터의 일부분의 휘도곡선이다. 한편, 휘도곡선54는 역 줄무늬 패턴 광(52)을 투영하여 촬영된 제2의 화상 데이터의 휘도곡선으로서, 수평 화소 좌표의 상대 위치는 휘도곡선53과 같다. 휘도곡선53과 휘도곡선54는, 위치M 및 위치N에서 교차한다. 따라서, 위치M과 위치N을 경계위치라고 한다. 도 5c를 참조하여 실제의 경계위치의 계산 방법을 설명한다. 그래프 밑에 화소번호가 두어지고, 점55, 점56은 s번째, (s+1)번째의 줄무늬 패턴 광(51)을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 화소다. 점57, 점58은 s번째, (s+1)번째의 줄무늬 패턴 광(52)을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 화소다. 점55와 점56, 점57과 점58을 각각 선으로 연결하고, 선분500과 선분501간의 교점59의 수평좌표를 산출한다. 이렇게 하여, 경계위치N을 산출한다. 이 경우에, 신뢰도는, 선분500과 선분501이 교차할 때 형성된 각도φ로서 정의된다.
즉, 제1의 화상 데이터 및 제2의 화상 데이터를 구성하는 각각의 화소에 대해서, 줄무늬 패턴 광(51)에 대한 제1의 휘도값과, 역 줄무늬 패턴 광(52)에 대한 제2의 휘도값을 산출한다(휘도값 산출). 그리고, 제1의 휘도값과 제2의 휘도값간의 대소관계가 반전하는 화소에 대응하는 위치를 명부와 암부 사이의 경계위치로서 결정한다. 경계위치에 있어서 줄무늬 패턴 광(51)의 제1의 휘도 구배와, 역 줄무늬 패턴 광(52)의 제2의 휘도 구배를 산출한다. 각 휘도 구배 산출 처리는, 경계위치에서의 각 휘도곡선의 기울기를 산출하는 처리로 대체되어 된다. 이 제1의 휘도 구배와 제2의 휘도 구배간의 상관을 나타내는 상관 값은, 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도로서 산출된다. 이때, 상관 값(신뢰도)은, 예를 들면, 각도φ뿐만 아니라, 예를 들면 각각의 휘도값을 플로트(plot)하여 얻어진 휘도곡선의 경계위치에 있어서의 선분500과 선분501간의 일치도이어도 된다.
이하, 그 신뢰도인 각도φ의 산출 방법을 상세히 설명한다.
각각의 점의 좌표를 각각 점55(Xa, Ya), 점56(Xb, Yb), 점57(Xa, Yd), 및 점58(Xb, Yc)이라고 한다. 그리고, 선분500과 선분501과의 교점을 점59(Px, Py)이라고 정의한다.
선분500의 기울기P1은,
Figure pct00001
로서 산출된다.
선분501의 기울기P2는,
Figure pct00002
로서 산출된다.
식(1) 및 식(2)로부터, 선분500을 지나는 선의 식은,
Figure pct00003
로서 나타낸다.
마찬가지로, 선분501을 지나는 선의 식은,
Figure pct00004
로서 나타낸다.
식(3) 및 식(4)로부터, 점59의 좌표(Px, Py)는,
Figure pct00005
Figure pct00006
로서 각각 나타낸다.
경계위치는 식(5)에 의해 산출된다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 각도φ을 φ1과 φ2로 분할하면, 각 점의 좌표로부터, φ1은
Figure pct00007
로 나타내고,
φ2는
Figure pct00008
로 나타낸다.
식(7) 및 식(8)로부터, 각도φ이
Figure pct00009
과 같이 산출된다.
이 경우에, 화소간의 거리를 1이라고 하면, Xb-Xa=1이 되기 때문에, 식(9)는,
Figure pct00010
과 같이 나타낼 수 있다.
이에 따라, 신뢰도φ(각도φ)가 산출된다.
계측처리부(406)는, 산출된 신뢰도에 의거하여 신뢰도가 소정의 역치이하의 계측점에 대하여, 거리 화상상에의 출력 금지를 행한다. 또는, 거리 화상 데이터의 각 계측 점에 신뢰도를 부여해서 전체의 점을 출력하여도 된다. 그리고, 거리 화상 데이터의 편집시에, 계측자가 신뢰도의 역치를 임의로 설정하여서, 소망하는 신뢰도가 높은 계측점만의 거리 화상 데이터를 취득하여도 된다.
이상과 같이, 본 발명의 제1실시예에 의하면, 화상 데이터로부터 명암영역의 반전 위치의 최근방에 있는 4점을 선으로 결합하여 얻어진 선분끼리 이루는 각도를 신뢰도로서 정의하므로, 경계위치를 산출하는 것과 동시에 신뢰도를 산출할 수 있다. 4점의 휘도값만을 사용하여 쉽게 각도를 산출할 수 있다.
제1실시예에서는, 선분끼리 이루는 각도를 신뢰도로서 사용한다. 또한, 2개의 선분의 교점(도 5c에 있어서의 점59)의 휘도값을 제2의 신뢰도로서 추가해도 좋다. 점59의 휘도값은 식(6)에 의해 산출될 수 있다. 신뢰도 가 각도만으로 정의될 경우, 대상으로부터 반사광의 휘도값은 검지될 수 없다. 같은 각도라도, 고휘도값의 경우와 저휘도값의 경우에 계측 정밀도가 다르다. 역치이상의 고휘도값은, 콘트라스트가 저하, 즉 신뢰도가 저하하게 되는 경우가 많다. 이 때문에, 2개의 선분간의 교점의 휘도값도 신뢰도로서 사용하고, 그 각도와 더불어 판정하여서, 신뢰도에 의거한 판정 정밀도를 더욱 향상시키는 것이 가능해진다.
(제2실시예)
본 실시예에서는, 포지티브 패턴과 균일 광량의 균일 패턴 광을 사용하여 공간부호화법의 신뢰도 산출 방법에 관하여 설명한다.
도 6a는 투영하는 줄무늬 패턴 광을 나타낸다. 줄무늬 패턴 광(601)은 3비트의 그레이 코드에 의거한 공간부호화의 줄무늬 패턴 광이다. 패턴(602)은 명부만의 전체 조명 패턴 광이다. 패턴(603)은 암부만의 전체 소등 패턴 광이다. 3비트의 공간부호화를 행하기 위해서는, 1비트로부터 3비트의 줄무늬 패턴 광의 패턴, 명부만의 전체 조명 패턴(602), 및 암부만의 전체 소등 패턴(603)이 필요하다. 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 촬상한 화상 데이터를 제1의 화상 데이터라고 한다. 마찬가지로, 전체 조명 패턴 광의 반사 패턴 광을 촬상한 화상 데이터를 제2의 화상 데이터라고 한다. 또한, 전체 소등 패턴 광의 반사 패턴 광을 촬상한 화상 데이터를 제3의 화상 데이터라고 한다.
이하, 도 6b를 참조하여, 줄무늬 패턴 광(601)의 경계위치를 결정하는 방법을 설명한다. 도 6b는 촬상한 화상 데이터의 휘도값을 세로축으로, 수평좌표x를 가로축으로 하는 그래프다.
휘도곡선(53)은 줄무늬 패턴 광(601)을 투영해서 촬영된 제1의 화상 데이터의 휘도곡선(제1의 휘도값 곡선)이다. 휘도선(604)은 전체 조명 패턴(602)을 투영해서 촬영된 제2의 화상 데이터의 휘도선(제2의 휘도값 곡선)이다. 휘도선(605)은 전체 소등 패턴(603)을 투영해서 촬영된 제3의 화상 데이터의 휘도선(제3의 휘도값 곡선)이다. 휘도선(604)과 휘도선(605)의 평균 휘도값은, 휘도선(606)으로서 산출된다. 줄무늬 패턴 광(601)의 휘도곡선(53)은 평균값의 휘도선(606)과 위치M' 및 위치N'에서 교차한다. 따라서, 위치M' 및 위치N'을 경계위치로서 결정한다.
다음에, 도 6c를 참조하여 실제의 산출 방법을 나타낸다. 그래프 밑에 화소번호가 두어져, 점607과 점608은 s번째와 (s+1)번째의 줄무늬 패턴 광(601)을 투영해서 촬영된 화상 데이터의 화소다. 점609와 점610은 각각 s번째와 (s+1)번째의 전체 조명 패턴(602)을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 화소다. 점611과 점612는 s번째와 (s+1)번째의 전체 소등 패턴(603)을 투영해서 촬영한 화소에 해당한다. 전체 조명 패턴(602)과 전체 소등 패턴(603)을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 대응한 화소의 평균 휘도값을 산출하면, s번째의 점609와 점611의 평균값은 점613으로서 산출된다. 또한, (s+1)번째의 점610과 점612의 평균값은 점614로서 산출된다. 그 후, 점607과 점608, 점613과 점614를 선으로 연결하고, 이들 선간의 교점615의 수평좌표를 산출한다. 이렇게 하여, 경계위치N'을 산출할 수 있다. 이 경우에, 신뢰도는, 2개의 선이 교차할 때 형성된 각도θ로서 정의한다. 제1실시예와 같이, 각도θ은 식(9)로 산출될 수 있다. 또한, 신뢰도는, 각도θ 대신에 휘도 구배, 즉 경계위치에서의 기울기로 정의되어도 되어도 된다.
제2실시예에 있어서도, 2개의 선분의 교점(점615)의 휘도값을 제2의 신뢰도로서 추가되어도 된다.
이상과 같이, 제2실시예에 의하면, 포지티브 패턴과 균일 광량의 균일 패턴 광을 사용하는 공간부호화법에 있어서도, 제1실시예와 같이 신뢰도를 산출할 수 있다. 본 실시예는, 정밀도는 저감하지만, 촬영 매수는 약 반 정도로 되기 때문에, 정밀도보다 고속처리를 요구하는 계측에 효과적이다.
(제3실시예)
제3실시예에서는 명암영역의 반전 위치의 근방에 있어서의 화소를 선택했을 경우의 신뢰도 산출 방법에 관하여 설명한다.
도 7은 촬상된 화상 데이터의 휘도값을 세로축에 나타내고, 수평좌표x를 가로축으로 나타낸 그래프다. 휘도곡선(53)은 포지티브 패턴을 투영하여 촬영된 화상 데이터의 일부분의 휘도곡선이다. 휘도곡선(54)은 네가티브 패턴을 투영하여 촬영된 화상 데이터의 휘도곡선이다. 휘도곡선54의 수평 화소 좌표의 상대 위치는 휘도곡선53과 같다. 선분500 및 선분501은, 명암영역의 반전 위치에 최근접한 화소, 즉 화소번호s와 화소번호 s+1의 휘도를 선으로 결합하여 얻어진다. 이 경우에는, 선분500과 선분501의 교차 각φ을 신뢰도로서 정의한다.
상기의 설명에서는, 명암영역의 반전 위치에 최근접한 화소를 사용한다. 이와는 달리, 화소간격을 배로 한 화소를 선택해도 된다. 점702, 점703은, (s-1)번째, (s+2)번째의 포지티브 패턴을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 화소다. 점704, 점705는, (s-1)번째, (s+2)번째의 네가티브 패턴을 투영해서 촬영한 화상 데이터의 화소다. 점702와 점703, 점704와 점705를 각각 선으로 연결하여, 선분706과 선분707을 얻는다. 이 경우에는, 선분706과 선분707 사이의 교차 각φ'을 신뢰도로서 정의한다.
한층 더 화소간격을 넓혀서 (s-2)번째의 화소와 (s+3)번째의 화소, 또는 (s-3)번째의 화소와 (s+4)번째의 화소와 같이, 명암영역의 반전 위치부터 등거리로 이격된 화소를 사용해서 기울기를 산출하고, 선분이 이루는 각도를 마찬가지로 신뢰도로서 정의하여도 된다.
이상과 같이, 제3실시예에 의하면, 명암영역의 반전 위치 근방에 있는 화소를 복수 선택할 수 있다. 이 때문에, 복수의 기울기를 산출하고, 그들의 평균값을 신뢰도로서 산출하여도 된다.
본 발명에 의하면, 취득한 화상정보로부터 명부와 암부 사이의 반전위치 근방에 위치된 복수의 화소를 이용해서 계측 정밀도를 나타내는 신뢰도를 산출하므로, 신뢰도는 쉽고 정밀하게 산출될 수 있다. 경계위치의 산출과 동시에 신뢰도를 산출할 수 있기 때문에, 계산 처리의 속도를 향상시킬 수 있다.
(기타의 실시예)
또한, 본 발명의 국면들은, 메모리 디바이스에 기록된 프로그램을 판독 및 실행하여 상기 실시예(들)의 기능들을 수행하는 시스템 또는 장치(또는 CPU 또는 MPU 등의 디바이스들)의 컴퓨터에 의해서, 또한, 시스템 또는 장치의 컴퓨터에 의해 수행된 단계들, 예를 들면, 메모리 디바이스에 기록된 프로그램을 판독 및 실행하여 상기 실시예(들)의 기능들을 수행하는 방법에 의해, 실현될 수도 있다. 이를 위해, 상기 프로그램은, 예를 들면, 네트워크를 통해 또는, 여러 가지 형태의 메모리 디바이스의 기록매체(예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체)로부터, 상기 컴퓨터에 제공된다.
본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 아주 넓게 해석해야 한다.
본 출원은, 여기서 전체적으로 참고로 포함된, 2010년 6월 29일에 제출된 일본국 특허출원번호 2010-148026의 이점을 청구한다.

Claims (10)

  1. 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측장치로서,
    명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 상기 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부를 반전하여 형성된 역 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상수단;
    상기 제1의 화상 데이터 및 상기 제2의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정 수단; 및
    상기 제1의 화상 데이터의 제1의 휘도 구배와, 상기 제2의 화상 데이터의 제2의 휘도 구배간의 상관으로부터 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출 수단을 구비한, 삼차원 계측장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신뢰도 산출 수단은, 상기 신뢰도를, 상기 제1의 휘도 구배에 대응하는 선과, 상기 제2의 휘도 구배에 대응하는 선이 이루는 각도에 근거해 산출하는, 삼차원 계측장치.
  3. 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측장치로서,
    명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 명부만으로 형성된 전체 조명 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하고, 암부만으로 형성된 전체 소등 패턴 광의 반사 패턴 광을 제3의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상수단;
    상기 제1의 화상 데이터, 상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정 수단; 및
    상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터와, 상기 제1의 화상 데이터의 휘도 구배로부터, 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출 수단을 구비한, 삼차원 계측장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신뢰도 산출 수단은, 상기 신뢰도를, 상기 줄무늬 패턴 광의 제1의 휘도 구배와, 상기 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부가 반전하여 형성된 역 줄무늬 패턴 광의 제2의 휘도 구배가 이루는 각도, 혹은 상기 줄무늬 패턴 광의 상기 제1의 휘도 구배와, 상기 전체 조명 패턴과 상기 전체 소등 패턴의 평균을 취하여 얻어진 평균 휘도값의 휘도 구배가 이루는 각도에 근거하여, 산출하는, 삼차원 계측장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신뢰도 산출 수단은, 상기 경계위치에 있어서의 휘도값을 제2의 신뢰도로서 더욱 산출하고,
    상기 장치는, 상기 신뢰도가 역치이상일 경우에, 상기 경계위치에 대응한 위치를 표시 수단에 표시하는 것을 금지하는 금지 수단을 더 구비한, 삼차원 계측장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 줄무늬 패턴 광을 상기 대상물체에 투영하는 투영 수단을 더 구비한, 삼차원 계측장치.
  7. 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측방법으로서,
    명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 상기 줄무늬 패턴 광의 명부와 암부를 반전하여 형성된 역 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상단계;
    상기 제1의 화상 데이터 및 상기 제2의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정단계; 및
    상기 제1의 화상 데이터의 제1의 휘도 구배와, 상기 제2의 화상 데이터의 제2의 휘도 구배간의 상관으로부터 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출단계를 포함한, 삼차원 계측방법.
  8. 청구항 7에 기재된 삼차원 계측방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기억한, 컴퓨터 판독 가능한 기억매체.
  9. 패턴 광을 대상물체에 투영하고 상기 대상물체에 의해 반사된 반사 패턴 광에 근거하여, 상기 대상물체의 삼차원 형상정보를 산출하기 위한 삼차원 계측방법으로서,
    명부와 암부를 교대로 배치하여 형성된 줄무늬 패턴 광의 반사 패턴 광을 제1의 화상 데이터로서 촬상하고, 명부만으로 형성된 전체 조명 패턴 광의 반사 패턴 광을 제2의 화상 데이터로서 촬상하고, 암부만으로 형성된 전체 소등 패턴 광의 반사 패턴 광을 제3의 화상 데이터로서 촬상하는 촬상단계;
    상기 제1의 화상 데이터, 상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터에 근거하여, 상기 명부와 상기 암부 사이의 경계위치를 결정하는 결정단계; 및
    상기 제2의 화상 데이터 및 상기 제3의 화상 데이터와, 상기 제1의 화상 데이터의 휘도 구배로부터, 상기 경계위치의 정확성을 나타내는 신뢰도를 산출하는 신뢰도 산출단계를 포함한, 삼차원 계측방법.
  10. 청구항 9에 따른 삼차원 계측방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 기억한, 컴퓨터 판독 가능한 기억매체.
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