WO2018070122A1 - ３ｄ形状生成のための被写体全周囲撮像装置 - Google Patents

３ｄ形状生成のための被写体全周囲撮像装置 Download PDF

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宣春 加藤
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for photographing the entire periphery of a subject used for 3D shape generation.
  • the first is to photograph the surrounding space viewed from the center with the photographer or photographing means as the subject. Its purpose is to take images of street views made by Google Inc. and images around the car. This photographic means is called an omnidirectional camera, and multiple cameras are installed facing each direction to shoot a space of up to 360 degrees at a time. There is something that shoots the space of as wide as possible.
  • These photographing means are different from the technique of the present invention because the surrounding space viewed from the center is the subject.
  • the second is to photograph the outside of the subject. Its purpose is to photograph the outer shape of the human body, products, prototypes, works of art, archeological relics, etc.
  • a subject is placed at the center, and a plurality of cameras are fixed and arranged around the subject so as to photograph the entire circumference at once (Patent Document 1), or a subject on a rotary table. There is one that takes a picture with one or more fixed cameras while rotating the subject. (Patent Document 2)
  • the above-mentioned 3D shape generation software Agisoft PhotoScan is an image processing method that calculates from a reference point, a reference axis around the subject and a relative position of the reference shape, and a stereo using two images. Unlike a camera, it requires a plurality of images that include a subject and a reference point, are continuous, and overlap each other by 70% or more. For this reason, in taking these images, a person holds a camera and takes images with continuous and over 70% overlap while moving around the subject with great care.
  • the first problem is to stably and easily shoot an image having an overlap of 70% or more continuously around the subject.
  • the generated 3D shape is used for various purposes, and one of them is for creating a developed view.
  • many development drawings of relics such as earthenware, stoneware, and ceramics are created.
  • the second problem is to create a coordinate axis for setting the arrangement of the generated 3D shape.
  • Images that are continuous and have an overlap of 70% or more around the subject can be obtained by photographing with the imaging means stopped around the subject at regular rotation angles.
  • An object omnidirectional imaging apparatus for photographing the entire periphery of a subject includes a base plate, a rotary arm unit attached to the base plate and rotatably attached to the base plate, and a base of the rotary arm unit A subject unit that is fixed to the center of the plate and places the subject; an imaging unit that is attached to one end of the rotary arm and has an imaging means that rotates together with the rotary arm; and is attached to the other end of the rotary arm,
  • the back screen is configured to block the background from being imaged by the imaging means.
  • the rotating arm unit stably mounts a subject unit, an imaging unit, an illumination unit, and a back screen on a base plate at the lowest end.
  • the rotary arm unit includes a base plate at the lower stage, a rotary arm at the upper stage, and a bearing that couples them.
  • the rotating arm can freely rotate on the base plate by this bearing.
  • the rotating arm is a bearing with a rotation angle control motor, and can be electrically stopped at every fixed rotation angle.
  • the rotary arm can be manually rotated and stopped while referring to the angle display plate affixed to the base plate.
  • the rotation angle lock pin can be used to rotate at a constant angle. It can also be locked every time.
  • the subject table of the subject unit is fixed to the base plate of the rotating arm unit by a subject table fixed shaft that passes through the hollow portion of the bearing. For this reason, even if the rotary arm rotates, the subject table and the subject placed thereon do not move.
  • the imaging unit includes an imaging unit, a height and direction adjustment mechanism for the imaging unit, and a mechanism for moving the imaging unit back and forth.
  • the imaging unit is attached to one end of the rotating arm unit, and after the rotating arm unit rotates by a certain angle and stops, the subject is photographed. By repeating this in sequence, the entire periphery of the subject is photographed.
  • the illumination unit is attached to the rotating arm unit, and illuminates the subject while rotating in synchronization with the imaging unit.
  • the surface of the subject has many irregularities, it is possible to illuminate the subject thoroughly and generate a 3D shape with no missing part.
  • the back screen is attached to a position of the rotary arm unit on the rear side of the subject when viewed from the imaging unit.
  • the back screen always rotates in synchronization with the imaging means, restricts backgrounds such as walls and ceilings of the shooting location other than the subject to appear in the image, improves the processing function of the 3D shape generation software, and increases the processing time. To shorten.
  • the posture of the 3D shape to be generated can be arbitrarily set by creating coordinate axes.
  • a reference axis for setting the XYZ axes is arranged around the subject, the subject and the reference axis are photographed together, and a 3D shape to which coordinate axes are added is generated by image processing software.
  • the upper side of the front surface of the subject table is the X axis
  • the upper side of the side surface is the Y axis.
  • a vertical coordinate axis that is vertically attached to the subject table is defined as a Z-axis.
  • the vertical coordinate axes are attached to the four corners of the end of the subject table or in some cases around the subject in order to place the subject at the center of the subject table.
  • the object table and the vertical coordinate axis are provided with a dimensional scale for scaling the generated 3D shape.
  • a subject can be photographed with an omnidirectional photographing device, and multiple images can be obtained that are continuous and overlap by 70% or more next to each other.
  • 3D shape generation software generates 3D shapes with good accuracy and no omissions. it can.
  • a subject is photographed with an omnidirectional photographing device, an image including a reference axis for setting XYZ axes can be obtained, and an arrangement of 3D shapes placed on the XYZ axes can be set by 3D shape generation software.
  • the front side of the subject 1 is placed in accordance with the zero position of the rotation angle display plate 11. As shown in FIG. 7, two vertical coordinate axes 20 are provided on both sides.
  • the rotary arm 8 shown in FIG. 3 or 4 is rotated by a necessary angle.
  • the rotating arm 8 is rotated at a constant angle of 54 ° or less obtained from Equation 1. Just do it.
  • Rotation angle ⁇ 180 ° X (100% -70%) / 100 54 °
  • the camera viewing angle is 180 °. Therefore, for example, in the case of sequentially rotating at 45 °, it is possible to shoot all the surrounding images in which the overlap between adjacent images is 70% or more by performing eight images.
  • the first of the types is a rotating arm 8 with a geared rotation angle control motor 10 of FIG. 3, which rotates electrically by a set angle and stops.
  • the second type refers to the rotation angle display plate 11 affixed to the base plate 7 of FIG. 4 and manually rotates the rotation arm 8 by a certain angle, and the rotation angle lock pin 13 is attached to the base plate 7. It is fixed by entering the lock pin fixing concave hole 14 that is opened at every fixed angle.
  • the first photograph is taken by the photographing means 15 in accordance with the front position of the subject 1 and the zero position of the rotation angle display plate 11. Thereafter, the rotary arm 8 is sequentially rotated by a set angle, stopped, and shooting is performed.
  • the imaging unit 15 in FIG. 5 captures the subject 1, and the position of the imaging unit 15 relative to the subject 1 is optimally adjusted according to the size and shape of the subject 1.
  • height and direction adjustment are performed by the height and direction adjustment means 16, and distance adjustment from the subject 1 is performed by the back-and-forth movement adjustment means 17 that moves along the groove and the outer shape of the rotating arm. .
  • FIG. 1 A photographed image of the entire periphery of the subject 1 photographed by the above method is shown in FIG.
  • characters A to H are written at eight equal positions on the side surface, if images are sequentially rotated at 45 ° and taken, eight images such as a view to h view are displayed. Is obtained.
  • a vertical coordinate axis 20 is set on the subject table 18.
  • the number of the vertical coordinate axes may be at least one, but when standing on both sides of the subject 1 shown in FIG. 7, at the four corners of the subject 1 shown in FIG. 8, and before and after the subject 1 shown in FIG. Convenient for posture control.
  • each axial surface is shown in FIG. 11 by regarding the front side of the subject table 18 in the 3D shape as the X axis, the side side as the Y axis, and the vertical coordinate axis 20 as the Z seat axis.
  • the 3D shape can be arbitrarily set, and a development view of each surface can be created.
  • the illumination unit 5 shown in FIG. 1 is used.
  • the illumination unit 5 is attached to the rotary arm unit 2 and always illuminates the subject 1 in synchronization with the movement of the photographing means 15.
  • the background behind the subject 1 usually does not need to be 3D shaped in many cases.
  • a back screen 6 is arranged behind the subject 1.
  • the back screen 6 is attached to the rotary arm unit 2 and always blocks the background of the subject 1 in synchronization with the movement of the photographing means 15.
  • Subject 2 Rotating arm unit 3: Subject unit 4: Imaging unit 5: Illumination unit 6: Back screen 7: Base plate 8: Rotating arm 9: Bearing with gear 10: Rotation angle control motor with gear 11: Rotation angle display Plate 12: Bearing 13: Rotation angle Lock pin 14: Lock pin fixing recess 15: Imaging means 16: Height and direction adjusting means 17: Front and rear movement adjusting means 18: Subject table 19: Subject table fixed axis 20: Vertical coordinate axis

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Abstract

【課題】 複数の画像から３Ｄ形状を生成するソフトウェアにおいて、精度ある３Ｄ形状を作るため、連続し、かつ、隣同士７０％以上の重なりのある複数の画像を安定して撮影できることを課題とする。 【解決手段】 被写体の全周囲撮影を行うための被写体全周囲撮像装置は、ベース板および該ベース板に取り付けられベース板に対して回転可能取り付けられた回転アームを有する回転アームユニットと、前記回転アームユニットのベース板中央に固定され、前記被写体を載置する被写体ユニットと、回転アームの一方端に取り付けられ、回転アームとともに回転する撮像手段を有する撮像ユニットおよび前記回転アームの他方端に取りつけられ、前記被写体の背景が撮像手段によって撮像されるのを遮るバックスクリーンとを有する。

Description

３Ｄ形状生成のための被写体全周囲撮像装置
被写体の３Ｄ形状を生成する方法として、被写体の全周囲を複数写真撮影し、これらの画像から３Ｄ形状を生成するソフトウェアAgisoft LLC製Agisoft PhotoScanなどが近年開発されている。本発明は、３Ｄ形状生成に用いられる被写体の全周囲を撮影する装置に関するものである。
被写体の全周囲を撮影には大別して２つの目的がある。
一つ目は、撮影者、或いは、撮影手段を中心として、中心から見た周囲の空間を被写体として撮影するものある。その目的としては、Google Inc.製ストリートビューの画像や、自動車の周囲画像を撮影するものなどがある。この撮影手段には、全方位カメラと呼ばれ、複数のカメラを各方面の周囲に向けて設置し、一度に最大周囲360度の空間を撮影するものや、魚眼カメラと呼ばれ、特定方位の空間をできるだけ広角で撮影するものがある。これらの撮影手段は、中心から見た周囲の空間を被写体としていることから、本発明技術とは異なる。
　二つ目は、被写体の外側を撮影するものである。その目的としては、人体、商品、試作品、美術品、考古学遺物などの外側形状を撮影するものである。これらの撮影手段には、被写体をその中心に置き、その周囲に複数のカメラを被写体に向けて固定して配置し、一度に全周囲を撮影するもの（特許文献１）や、回転テーブルに被写体を載置し、被写体を回転しながら１台から複数台の固定したカメラで撮影するものがある。（特許文献２）
一方、前述の３Ｄ形状生成ソフトウェアAgisoft PhotoScanは、画像処理の方式として、被写体と被写体周囲にある基準点や基準軸或いは基準形状の相対位置から計算するもので、更に、２枚の画像を用いるステレオカメラとも異なり、被写体と基準点を含み、連続し、かつ、隣同士が７０％以上重なる複数の画像を必要とする。
このため、これら画像の撮影では、人がカメラを持ち、細心の注意をして被写体の回りを移動しながら、連続した、かつ、７０％以上の重なりを持つ画像を撮影している。
しかしながら、人が持つカメラの位置と方向にはバラツキがあり、連続しなかったり、７０％以上の重なりがない画像が撮影され、その結果、３Ｄ形状が生成できなかったり、歪んだ３Ｄ形状が生成されることが多くある。
特許第5966256号明細書 特開2003-030635号公報
課題の一つ目は、被写体の周囲を、連続的に、かつ、７０％以上の重なりを持つ画像を、安定して、容易に撮影することである。
又、生成した３Ｄ形状はいろいろな用途に用いられるが、その中の一つに、展開図を作成する用途がある。例えば、考古学では、土器、石器、陶磁器など遺物の展開図面を多く作成する。この展開図の作成には、被写体の正面、側面、上面、下面の配置を設定するためのＸＹＺ軸の設定が必要である。
そこで課題の二つ目は、生成した３Ｄ形状の配置を設定するための座標軸を作ることである。
被写体の周囲の、連続的、かつ、７０％以上の重なりを持つ画像は、撮像手段を、被写体の回りで、一定の回転角度毎に停止させ、撮影することで、得ることができる。
被写体の全周囲の撮影を行う被写体全周囲撮像装置は、ベース板および該ベース板に取り付けられベース板に対して回転可能に取り付けられた回転アームを有する回転アームユニットと、前記回転アームユニットのベース板中央に固定され、前記被写体を載置する被写体ユニットと、回転アームの一方端に取り付けられ、回転アームとともに回転する撮像手段を有する撮像ユニットおよび前記回転アームの他方端に取りつけられ、前記被写体の背景が撮像手段によって撮像されるのを遮るバックスクリーンとから構成される。
回転アームユニットは、最下端にあるベース板の上に、被写体ユニットと、撮像ユニットと，照明ユニットと，バックスクリーンを安定的に搭載している。
回転アームユニットは、下段にあるベース板と、上段にある回転アームと、これらを連結するベアリングにて構成されている。回転アームは、本ベアリングにより、ベース板の上で、自由に回転できる。
又、回転アームは、回転角度制御モータ付きベアリングで、電動にて、一定回転角度毎に停止させることができる。
或いは、ベース板に貼り付けされた角度表示板を参照しながら回転アームを手動で回転、停止させることもでき、或いは、より安定して固定するには、回転角度ロックピンで、一定角度毎回転毎にロックすることもできる。
被写体ユニットの被写体テーブルは、該ベアリングの中空部を通る被写体テーブル用固定軸により回転アームユニットのベース板に取り付けられ、固定されている。このため、回転アームが回転しても、被写体テーブルとその上に載せた被写体は、動かない。
撮像ユニットは、撮像手段と、撮像手段の高さ及び方向調整機構と、撮影手段を前後に移動する機構から構成されている。撮像ユニットは、回転アームユニットの片方の一端に取り付けられており、回転アームユニットが一定角度回転し、停止した後、被写体を撮影する。これを順次繰り返すことにより、被写体の全周囲を撮影する。
照明ユニットは、回転アームユニットに取り付けられ、撮像手段と常時同期して回転しながら被写体を照らす。被写体の表面に凹凸が多い場合に、被写体を隈無く照らし、欠落部分のない３Ｄ形状を生成することができる。
バックスクリーンは、回転アームユニットの、撮像ユニットから見て、被写体の後ろ側の位置に取り付けられる。バックスクリーンは、撮像手段と常時同期して回転し、被写体以外の、撮影場所の壁や天井などの背景が画像に写り込むのを制限し、３Ｄ形状生成ソフトウェアの処理機能を向上させ、処理時間を短縮する。
生成する３Ｄ形状の姿勢は、座標軸を作ることにより、任意に姿勢を設定することができる。このために、被写体の回りにＸＹＺ軸を設定する基準軸を配置し、被写体と基準軸を一緒に撮影して、画像処理ソフトウェアにて、座標軸が付加された３Ｄ形状を生成する。
基準軸として、被写体テーブルの前面の上辺をＸ軸とし、側面の上辺をＹ軸とする。又、被写体テーブルに垂直に取り付けられている垂直座標軸をＺ軸とする。垂直座標軸は、被写体テーブルの中央に被写体を載せるため、被写体テーブルの端部の四隅や、場合によっては、被写体の回りのいずれかの位置に取り付けられる。
又、被写体テーブルや垂直座標軸には、生成する３Ｄ形状に縮尺を入れるための、寸法目盛が付いている。
全周囲撮影装置で被写体を撮影し、連続し、かつ、隣同士７０％以上の重なりのある複数の画像を得ることができ、３Ｄ形状生成ソフトウェアにより、欠落のない、良い精度の３Ｄ形状を生成できる。
全周囲撮影装置で被写体を撮影し、ＸＹＺ軸を設定する基準軸を含んだ画像を得ることができ、３Ｄ形状生成ソフトウェアにより、ＸＹＺ軸に置かれた３Ｄ形状の配置を設定することができる。
被写体全周囲撮像装置の上面図である。 被写体全周囲撮像装置の側面図である。 回転角度制御モータ付き回転アームユニットの図である。 回転角度ロックピン付き回転アームユニットの図である。 撮像ユニットの図である。 各回転角度の視点から見た被写体の正面図である。 両サイド配置の垂直座標軸付き被写体ユニットの図である。 四隅置の垂直座標軸付き被写体ユニットの図である。 斜め配置の垂直座標軸付き被写体ユニットの図である。 ＸＹＺ軸を含んだ３Ｄ形状の図である。 ＸＹＺ軸を用いて配置設定をした３Ｄ形状の展開図である。
図１の被写体テーブル１６の上に、被写体１の正面を回転角度表示板１１のゼロ位置に合わせて置く。垂直座標軸２０は、図７に示すように、両サイドに２本立てる。
次に、図３或いは図４の回転アーム８を必要角度回転させる。
撮影要件である、連続し、隣同士の画像の重なりが７０％以上を満足させる画像を撮影するためには、回転アーム８を、式１より得られる角度５４°以下毎の一定角度で回転させればよい。
回転角度　＜１８０°Ｘ　（１００％－７０％）／１００　＝５４°・・・・・式１
但し、カメラ視野角度を１８０°とする。
 
従って、例えば、４５°で順次回転させる場合では、８枚の撮影を行うことにより、連続し、隣同士の画像の重なりが７０％以上の全周囲の画像を撮影できる。
回転アーム８を回転させるためには、２つの形式がある。
形式の一つ目は、図３のギア付き回転角度制御モータ１０が付いた回転アーム８で、設定角度ずつ、電動で回転し、停止する。
形式の二つ目は、図４のベース板７に貼られた回転角度表示板１１を参照して、回転アーム８を一定角度分、手動で回転させ、回転角度ロックピン１３がベース板７に一定角度毎に空けられたロックピン固定凹穴１４に入ることにより固定される。
いずれの形式でも、被写体１の正面位置と回転角度表示板１１のゼロ位置に合わせ、撮影手段１５により１枚目の写真を撮影する。この後、回転アーム８を設定角度ずつ、順次回転し、停止し、撮影を行う。
図５の撮像手段１５にて被写体１の撮影を行うが、被写体１のサイズや形状に応じて、被写体１に対する撮影手段１５の位置を最適に調整する。
撮影手段１５の位置調整では　高さと方向調整を、高さ及び方向向調整手段１６で行い、被写体１との距離調整を、回転アームの溝や外形に沿って移動する前後移動調整手段１７により行う。
前述の方法で撮影した被写体１の全周囲の撮影画像を図６に示す。例えば、円筒形状の被写体において、その側面の８等分の位置に、文字Ａ～Ｈが記載されている場合、４５°で順次回転させ撮影すると、ａ視～ｈ視のような８枚の画像が得られる。
それぞれの隣同士の画像の重複度は、（４５°ｘ３）／１８０°＝７５％で、７０％以上の重複した画像が得られる。
被写体テーブル１８には、垂直座標軸２０を設置する。垂直座標軸の本数は最小限１本でもよいが、図７に示す被写体１の両サイド、図８に示す被写体１の四隅、図９に示す被写体１の前後に立てると、後処理における３Ｄ形状の姿勢制御時で便利である。
図１の被写体テーブル１８の中央位置に被写体１を置き、被写体１を撮影すると、被写体テーブル１８と垂直座標軸２０が同時に写り込んだ画像が得られる。
３Ｄ形状生成ソフトウェアで本撮影画像を処理すると、被写体１に、被写体テーブル１８と、垂直座標軸２０が付加された図１０に示す３Ｄ形状が生成される。３Ｄ形状の中の被写体テーブル１８の前面上辺をＸ軸、側面上辺をＹ軸、垂直座標軸２０をＺ座軸と見なすことにより、ＸＹＺ軸空間の中で、図１１に示すように、各軸面の３Ｄ形状を任意に設定し、各面の展開図を作成できる。
被写体１の形状に凹凸が多い場合で、上方にある室の照明のみでは被写体１の一部に陰ができる。必要に応じ、図１に示す照明ユニット５を用いる。照明ユニット５は、回転アームユニット２に取り付けられており、撮影手段１５の移動に同期して、常時、被写体１を照らす。
被写体１の後方の背景は、通常、３Ｄ形状化する必要がない場合が多い。この場合、図１に示すように、被写体１の後方に、バックスクリーン６を配置する。バックスクリーン６は、回転アームユニット２に取り付けられており、撮影手段１５の移動に同期して、常時、被写体１の背景を遮る。
  　１：被写体
  　２：回転アームユニット
  　３：被写体ユニット
  　４：撮像ユニット
  　５：照明ユニット
  　６：バックスクリーン
  　７：ベース板
  　８：回転アーム
  　９：ギア付きベアリング
１０：ギア付き回転角度制御モータ
１１：回転角度表示板
１２：ベアリング
１３：回転角度ロックピン
１４：ロックピン固定凹穴
１５：撮像手段
１６：高さ及び方向調整手段
１７：前後移動調整手段
１８：被写体テーブル
１９：被写体テーブル用固定軸
２０：垂直座標軸

Claims (9)

  1. 被写体の全周囲撮影を行うための被写体全周囲撮像装置において、
    ベース板および該ベース板に取り付けられベース板に対して回転可能に取り付けられた回転アームを有する回転アームユニットと、
    前記回転アームユニットのベース板の中央に固定され、前記被写体を載置する被写体ユニットと、
    回転アームの一方端に取り付けられ、回転アームとともに回転する撮像手段を有する撮像ユニットおよび
    前記回転アームの他方端に取りつけられ、前記被写体の背景が撮像手段によって撮像されるのを遮るバックスクリーンとからなる被写体全周囲撮像装置。
  2. 前記撮像ユニットは前記被写体に対する撮像手段の位置を調整する位置調整手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の被写体全周囲撮像装置。
  3. 前記位置調整手段は被写体との距離を調整する前後方向距離調整手段と撮像手段の高さおよび撮像方向を調整する高さおよび方向調整手段とを含むことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の被写体全周囲撮像装置。
  4. 前記回転アームユニットのベース板に固定された被写体ユニットの周囲を、回転アームユニットの回転アームが回転することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
  5. 回転アームユニットが、回転角度制御モータ、或いは、手動により、一定間隔の回転角度毎に回転、停止することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
  6. 回転アームユニットの片方の一端に取り付けられた撮像手段が、回転アームユニットと常時同期して回転しながら被写体を撮影することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
  7. 回転アームユニットに取り付けられた照明ユニットが、撮像手段と常時同期して回転しながら被写体を照らすことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
  8. 回転アームユニットの撮像ユニットの反対側の一端に取り付けられたバックスクリーンが、撮像手段と常時同期して回転し、被写体以外の背景が画像に写ることを妨げることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
  9. 被写体ユニットが、ＸＹ軸を形成する矩形の辺を持つ被写体テーブルと、Ｚ軸を形成する垂直座標軸から構成されることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の被写体全周囲撮像装置。
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