JP2001204047A - ３次元入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダイクロイックプリズムを用いることなく、し
たがって対象物に照射されるレーザ光のパワーを低減す
ることができ、しかも対象物についての３次元データお
よび２次元画像を補完した場合にそれができるだけ目立
たないようにすること。 【解決手段】対象物を撮影してその３次元データを入力
するための３次元入力装置１であって、対象物に対し参
照光を照射するための投光部２０と、参照光の対象物に
よる反射光を受光するための受光部４０と、対象物を撮
影して２次元データを得る２次元撮像部５０とが備えら
れており、投光部２０の光軸中心ＡＸ２０、受光部４０
の光軸中心ＡＸ４０、および２次元撮像部５０の光軸中
心ＡＸ５０が、縦方向に一列に配列されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物を撮影して
その３次元データを入力するための３次元入力装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、投光部から特定の参照光（検
出光ともいう）を対象物に照射し、その反射光を受光部
で受光し、三角測量の原理で３次元データ（３次元画
像、距離画像、または３次元形状データともいう）を取
得する３次元入力装置が知られている（例えば特開平１
１−１６００２２号）。

【０００３】このような３次元入力装置において、対象
物の３次元データの取得とともに、対象物の２次元画像
（２次元データ、またはカラー画像ともいう）を同時に
取得しておくことが、対象物のモデリングまたはレンダ
リングを行う際に有効である。そのため、従来の３次元
入力装置において、対象物の２次元画像を得るための２
次元撮像部が備えられている。

【０００４】従来の３次元入力装置では、３次元データ
と２次元画像との対応付けを容易にするため、３次元撮
影のための受光部の光軸と２次元撮影のための２次元撮
像部の光軸とを、１つの共通の光軸上に設け、共通の光
軸から入射した光をダイクロイックプリズムを用いて２
つの光に分離し、３次元撮影のための受光素子と２次元
撮影のための受光素子とで別々に受光する構成となって
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、参照光としてレ
ーザ光が用いられる。レーザ光は、一般的な光とは異な
り、同一の周波数と位相を持っていることから、限りな
く集光させることができる。そのため、万が一、人の目
にレーザ光が入った場合には、目の持っている光学系で
レーザ光が集光され、レーザ光の特っているパワーが１
点に集中し、目の一部を損傷する可能性がある。

【０００６】３次元撮影において、投光されるレーザ光
のパワーと受光されるレーザ光のパワーとの間には次の
関係式が成立する。 Ｐ（Ｓ）∞Ｐ（Ｌ）×Ｋ１×Ｋ２×Ｆ 但し、Ｐ（Ｓ）：受光素子に入るレーザ光のパワー Ｐ（Ｌ）：対象物に照射されるレーザ光のパワー Ｋ１：被写体の拡散反射率 Ｋ２：ダイクロイックプリズムの受光素子への反射率ま
たは透過率 Ｆ：受光レンズの口径 これらのパラメータのうち、対象物に照射されるレーザ
光のパワーを低減するために設計的に対応できるのは、
受光レンズの口径を上げること（すなわちＦナンバーを
小さくすること）およびダイクロイックプリズムの透過
率を改善することである。しかし、受光レンズのＦナン
バーはほぼ限界まで明るくなっており、その大幅な改善
を望むのは困難である。

【０００７】そこで、ダイクロイックプリズムの透過率
を上げることが考えられる。しかし、レーザ光の透過率
を上げると、２次元画像を撮像するための光量が低下す
ることとなる。

【０００８】通常、レーザ光を用いた３次元入力装置
は、定常光成分がノイズとなる。そのため、３次元入力
装置では、撮影できる輝度レベルが暗いことが知られて
いる。このような条件の下で、２次元画像を得る受光素
子への光量を減少させることは、カラー画像の品質の劣
化につながることになる。

【０００９】一方、ダイクロイックプリズムを用いるこ
となく、つまり３次元撮影と２次元撮像とを共通の光軸
上で行うことなく、それぞれ別々の光軸上に設けること
とした場合には、明らかにレーザ光のパワーを下げるこ
とができる。

【００１０】しかし、３次元撮影と２次元撮像とを別々
の光軸によって行った場合には、３次元データと２次元
画像との間にパララックスが生じ、３次元データと２次
元画像との間にずれが生じる。このずれ量は、３次元入
力装置から遠い部分では少なく、近づくにつれて増大す
る。

【００１１】３次元データと２次元画像との間にずれが
ある場合に、ある代表距離について３次元測定範囲に対
応する２次元画像を切り出すことにより、ある程度のず
れ補正が可能である。しかし、距離に応じてずれ量が異
なるため、凹凸のある３次元データ全体に対する補正は
困難であり、ずれの残る部分がある。

【００１２】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
ので、ダイクロイックプリズムを用いることなく、した
がって対象物に照射されるレーザ光のパワーを低減する
ことができ、しかも対象物についての３次元データと２
次元画像のずれをできるだけ目立たないようにすること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る装
置は、対象物を撮影してその３次元データを入力するた
めの３次元入力装置であって、前記対象物に対し参照光
を照射するための投光部と、前記参照光の対象物による
反射光を受光するための受光部と、前記対象物を撮影し
て２次元データを得る２次元撮像部と、が備えられてお
り、前記投光部の光軸中心、前記受光部の光軸中心、お
よび前記２次元撮像部の光軸中心が、縦方向に一列に配
列されてなる。

【００１４】請求項２の発明に係る装置では、前記投光
部の光軸中心、前記２次元撮像部の光軸中心、および前
記受光部の光軸中心が、この順で、本体ケースの下方か
ら上方に向かって順に配列されてなる。

【００１５】請求項３の発明に係る装置では、前記２次
元撮像部および前記受光部は、１つの共通の光学窓に臨
むように設けられており、前記光学窓には、前記２次元
撮像部および前記受光部の受光面に対して傾斜角を有し
た透光ガラスが設けられている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る３次元入力装
置１の正面図、図２は３次元入力装置１を右側面から見
た構造の一部を示す図、図３は３次元入力装置１の機能
構成を示すブロック図、図４はデータの補正の概念を説
明する図、図５は３次元入力装置１によって撮影した３
次元データと２次元画像との間の垂直方向のパララック
スによる影響を説明する図、図６は３次元データと２次
元画像との間に水平方向のパララックスがあった場合の
影響を説明する図である。

【００１７】図１および図２に示すように、３次元入力
装置１は、ハンドル１１のついた略直方体状の本体ケー
ス１０に納められている。本体ケース１０には、光学系
として、３次元撮影のための投光部２０、並びに３次元
撮影のための受光部４０および２次元撮像のための２次
元撮像部５０を含む受光系３０が備えられている。

【００１８】投光部２０は、３次元データを取得する対
象物に対して参照光を照射する。参照光として、スポッ
ト光またはスリット光が用いられる。図３をも参照し
て、投光部２０には、偏向のためのガルバノスキャナ２
２、エキスパンダレンズ２３、バリエータレンズ２４、
コリメータレンズ２５、および特定の波長帯域のレーザ
光を発するレーザダイオード２６などが設けられてい
る。また、参照光が投射される窓の部分には、矩形の板
状の透光ガラス２１が装着されている。透光ガラス２１
は、垂直面に対して、上向き方向に若干の傾斜角度を有
して取り付けられている。

【００１９】これによって、投光部２０からは、その前
方の対象物に対して、水平方向に長いスリット光が投射
され、それが垂直方向に偏向される。垂直の偏向方向
は、下から上に向かう方向または上から下に向かう方向
のいずれでもよい。

【００２０】受光部４０は、レンズユニット４１および
受光素子４２を有する。受光素子４２としてＣＣＤエリ
アセンサなどが用いられる。レーザダイオード２６の発
する波長帯域のレーザ光は、対象物によって反射され、
レンズユニット４１によって受光素子４２に結像する。

【００２１】２次元撮像部５０は、ズームユニット５１
および受光素子５２を有する。受光素子５２としてＣＣ
Ｄエリアセンサなどが用いられる。対象物の発するまた
は対象物により反射された可視帯域の光は、ズームユニ
ット５１によって受光素子５２に入射し、対象物の２次
元画像が得られる。

【００２２】受光系３０の窓の部分には、矩形の板状の
透光ガラス３１が装着されている。透光ガラス３１は、
垂直面に対して、上向き方向に若干の傾斜角度を有して
取り付けられている。傾斜角度を有していることによ
り、入射した光が内部で反射した場合に、透光ガラス３
１による反射光が再度受光素子４２，５２に入射しない
ようにし、受光素子４２，５２に疑似像が発生すること
が防止される。

【００２３】さて、投光部２０の光軸中心ＡＸ２０、２
次元撮像部５０の光軸中心ＡＸ５０、および受光部４０
の光軸中心ＡＸ４０が、縦方向に一列に配列されてい
る。しかも、それらの光軸中心ＡＸ２０、ＡＸ５０、Ａ
Ｘ４０が、この順で、本体ケース１０の下方から上方に
向かって順に配列されている。

【００２４】なお、投光部２０の光軸中心ＡＸ２０は、
通常、参照光を発する領域の幾何学的な中心であるが、
これにこだわることなく、例えば受光部４０の光軸中心
ＡＸ４０と縦方向に一致する箇所を光軸中心ＡＸ２０と
してよい。

【００２５】これによって、３次元データと２次元画像
との間のパララックスの影響をできるだけ抑制し、対象
物についての３次元データおよび２次元画像を補完した
場合にそれができるだけ目立たないようになっている。

【００２６】また、投光部２０が最下部に配置され、下
方から上方に向かって対象物に参照光が照射されるた
め、特に、対象物が人物である場合に、３次元データの
欠損が少なくなる。つまり、一般に人物の顔は、鼻の下
や顎の下などの下方向を向く傾斜面の傾きが急である。
本実施形態では、受光部４０の視野内の３次元計測を行
うのであるが、仮に、受光部４０を下部に配置し投光部
２０を上部に配置した場合には、上に述べた傾斜面の下
部分について、受光部４０で観察はできるがレーザ光が
届かない領域が発生し易い。そうすると、その部分の３
次元データが欠損する。本実施形態のように、受光部４
０を上部に配置し投光部２０を下部に配置すると、受光
部４０で観察できる全領域にレーザ光が届き、３次元デ
ータの欠損は生じない。

【００２７】次に、受光部４０および２次元撮像部５０
を縦方向に配列することによって自然な３次元データＴ
Ｄが得られる理由について説明する。図５に示すよう
に、受光部４０と２次元撮像部５０とが縦方向（垂直方
向）にずれているので、３次元データＴＤ１と２次元画
像ＦＤ１との間のパララックスの影響は縦方向に現れる
こととなる。

【００２８】つまり、例えば対象物Ｑ１の額の部分を見
ると、３次元データＴＤ１と２次元画像ＦＤ１との輪郭
のずれが上下に現れていることが分かる。これに対し
て、仮に受光部４０と２次元撮像部５０とを横方向（水
平方向）にずらせて配置した場合には、図６に示すよう
に、３次元データＴＤ２と２次元画像ＦＤ２との間のパ
ララックスの影響は横方向に現れることとなり、例えば
対象物Ｑ１の右頬の部分において３次元データＴＤ２と
２次元画像ＦＤ２との輪郭のずれが左右に大きく現れる
こととなる。

【００２９】これらの場合に、２次元画像ＦＤの画素位
置の補正を行うとすると、その補正量Ｃは次の式で表さ
れる。 Ｃ＝（ｔ1 ×ｆ1 ）／Ｓ1 ここで、ｔ1 は受光部４０の光軸中心ＡＸ４０と２次元
撮像部５０の光軸中心ＡＸ５との距離、ｆ1 は２次元撮
像部５０のズームユニット５１の焦点距離、Ｓ1 は画面
中心の３次元データＴＤの距離値である。この場合に
は、２次元画像ＦＤの全体が、画面の中心値を用いて補
正されることとなる。

【００３０】この方法によって２次元画像ＦＤの各画素
のデータを補正すればよいが、上の例のように対象物Ｑ
１が人の顔である場合に、顔には奥行きがあるために各
画素の距離値は異なる。このような場合に、距離によっ
てずれている量が異なるので、２次元画像ＦＤ上のどの
画素と３次元データＴＤ上のどの画素とが対応している
かが分からないと正確な補正はできない。

【００３１】上の例の場合では、画面の中心の距離値で
２次元画像ＦＤの全体を補正しているので、正面の顔を
対象物Ｑ１として撮影した場合に、画面の中心に最も高
い鼻があり、この最も高い値（小さい距離値）を用いて
補正を行うこととなる。したがって、例えば、顔の周辺
（端）の部分と背景との境界部分では、そこの距離値が
中心の距離値と異なり、補正は誤差を持つことになる。
この場合には、画面の中心の距離値よりも周辺の距離値
が大きい（遠い）ので、周辺部分については補正のし過
ぎとなる。

【００３２】したがって、図６に示す３次元の受光部４
０と２次元撮像部５０とを横方向（水平方向）にずらせ
て配置した場合には、うまく補正が行われず、頬の部分
をはじめとして、顔の左右にある背景との境界となる輪
郭部において、ずれが目立ってしまうこととなる。

【００３３】これに対して、図５に示す本実施形態の３
次元入力装置１の場合には、頬の部分のずれはないの
で、２次元画像ＦＤを補正した場合にずれが目立ってし
まうことがない。髪の毛と額との境界部分または顎の部
分にずれが生じるが、髪の毛と額との境界部分について
は、ずれとして明確な認識がなされず、また、顎の部分
については距離値が近いため補正を行った場合にあまり
目立たない。

【００３４】このように、人物を撮影する場合に、人の
顔をはじめとした部材が縦に長いことにより、左右に対
するずれが上下に対するずれよりも目立つことが分か
る。また、これまでに述べたレーザ光を参照光とする３
次元入力装置１においては、髪の毛などの低反射率の被
写体を撮影することができない。そのため、人を撮影し
て３次元データＴＤを得る場合に、入力できない髪の毛
の部分を、同時に入力する２次元画像ＦＤから３次元デ
ータＴＤを作成する必要がある。その場合に、パララッ
クスがある場合に、それによる補正誤差の影響が現れ
る。

【００３５】すなわち、３次元データＴＤの補完に当た
って、図４に示すように、２次元画像ＦＤを座標空間の
適用な位置に配置する。この例では、２次元画像ＦＤが
ｘ軸に沿うように配置されている。２次元画像ＦＤのｚ
座標は「０」である。

【００３６】３次元データＴＤは、２次元画像ＦＤの上
方において、入力された所定のｚ座標位置に配置され
る。３次元データＴＤにおいて、２次元画像ＦＤに対す
る不足部分が、２次元画像ＦＤを用いて補完される。そ
の際に、３次元データＴＤの端部（境界部分）を、その
曲率を反映させながら、２次元画像ＦＤの端部（境界部
分）に向けて延長し、補完による３次元データＴＤｓを
生成する。

【００３７】図６に示す場合では、頬の部分について、
２次元画像ＦＤ２があるにも係わらず３次元データＴＤ
２が存在しない。２次元画像ＦＤ２に基づいて３次元デ
ータＴＤ２を生成した場合に、顔の頬の領域と背景との
境界部分において、不自然な３次元データＴＤが生じる
こととなる。特に、頬の領域は３次元入力装置１によっ
て十分な精度の３次元データＴＤ２が得られ、且つ、顔
のオブジェなどにとってこの境界部分はユーザから注意
を向けられる部位であるから、不自然な３次元データＴ
Ｄによってこのオブジェの評価は著しく落ちてしまうこ
とになる。

【００３８】これに対して、図５に示す場合では、肌と
背景との境界部分は顎の一部だけであり、問題となる領
域の範囲が狭く且つ余り目立つ領域ではない。また、髪
の毛と額との境界部分については、髪の毛については反
射率が低いため元々正確な３次元データＴＤが得られ難
く、補完によって髪の毛の３次元データＴＤを生成する
など、元々補完の必要な部分の近傍であるため、余り目
立つことなく問題とはならない。

【００３９】このように、人を対象物Ｑ１として撮影し
た場合に、本実施形態の３次元入力装置１のように、受
光部４０と２次元撮像部５０とを縦方向に配置してパラ
ラックスが縦方向に生じるようにした方が、その影響は
明らかに少なくなり、得られる３次元データＴＤおよび
補完された３次元データＴＤは、パララックスの存在に
も係わらずそれが余り目立たず、より自然な３次元デー
タＴＤとなる。

【００４０】また、３次元データＴＤに２次元画像ＦＤ
を貼るテクスチャマッピングを行う場合においても、こ
れと同様に、受光部４０と２次元撮像部５０とを縦方向
に配置した場合の方がパララックスの影響は明らかに少
なくなる。

【００４１】なお、投光部２０と受光部４０との間の距
離は、３次元撮影の際の基線長となる。基線長は長い方
が正確な３次元データＴＤが得られるが、投光部２０お
よび受光部４０が最も外側に配置されることにより、で
きるだけ長い基線長が得られるようになっている。

【００４２】また、受光部４０と２次元撮像部５０と
が、１つの共通の受光系３０の窓に臨むように設けられ
ており、これらの距離ができるだけ小さくなるように構
成されているので、それらの間のパララックスが小さく
抑えられ、３次元データと２次元画像との間のずれ量が
小さくなって補完が容易となる。

【００４３】図３において、受光素子４２，５２の出力
は、出力処理回路４３またはカラー処理回路５３に入力
され、そこで、増幅、量子化、その他の処理が行われ、
データ処理部７０に入力される。

【００４４】データ処理部７０では、それらの入力デー
タに基づいて、２次元画像ＦＤの補正、３次元データＴ
Ｄの演算、および３次元データＴＤの補完など、公知の
種々の処理が行われる。３次元データＴＤの演算に当た
って、精度のよい３次元データＴＤを得るために、例え
ば重心演算などによってデータの補間が行われる。生成
された３次元データＴＤには、必要に応じて２次元画像
ＦＤがマッピングされる。このようにして、対象物Ｑの
モデリングおよびレンダリングが行われる。処理結果は
表示面に表示される。

【００４５】このようなデータ処理部７０は、ＣＰＵ、
ＲＡＭ、適当なプログラムを格納したＲＯＭおよび磁気
ディスク装置、光磁気ディスク装置、表示装置、その他
の素子または装置などを用いて構成することができる。
また、３次元入力装置１とは別体のパーソナルコンピュ
ータなどを用いることも可能である。

【００４６】駆動系２７によってガルバノスキャナ２２
が駆動され、駆動系２７によって投光レンズ系が駆動さ
れ、ＬＤドライバ２９によってレーザダイオード２６が
駆動される。また、ドライバ３２によって、レンズユニ
ット４１，５１、受光素子４２，５２などが駆動され
る。システムコントローラ６０は、それらの全体をコン
トロールする。

【００４７】上に述べた３次元入力装置１によると、ダ
イクロイックプリズムを用いていないので、それによる
レーザ光の減衰がなくなり、対象物Ｑに照射されるレー
ザ光のパワーを低減することができる。

【００４８】次に、上に述べた３次元入力装置１を利用
した装置の例を説明する。図７は３次元入力装置１を用
いたコイン作成システムＭＭの概略の構成を示す正面
図、図８はコイン作成システムＭＭの右側面図である。

【００４９】これらの図において、コイン作成システム
ＭＭは、本体フレーム１０１、本体フレーム１０１によ
って形成された撮影室１０２、椅子１０３、照明灯１０
４、３次元入力装置１、表示装置１０５、別置きのデー
タ処理部７０、および加工装置１１０などから構成され
ている。表示装置１０５には、ユーザ（対象物Ｑ）から
その表示面のみが見えるように、窓枠が設けられてい
る。表示装置１０５および３次元入力装置１の前面に
は、鉛直面に対して傾斜角を有した透光ガラス１０６が
設けられている。

【００５０】ユーザは、椅子１０３に座り、顔が３次元
入力装置１の撮影位置と同じになるように椅子１０３の
高さ位置を調整する。図示しない操作パネルを操作し、
撮影開始の指示を与えると、３次元入力装置１によって
ユーザの頭部が撮影され、その３次元データＴＤおよび
２次元画像ＦＤに基づいて、加工装置１１０によってレ
リーフのコインが作成される。作成されたコインは、図
示しない排出口から自動的に排出される。

【００５１】このようなコイン作成システムＭＭにおい
て、３次元入力装置１の受光部４０と２次元撮像部５０
とは縦方向に配置されており、対象物Ｑの頭部につい
て、より正確で自然な３次元データＴＤを得ることがで
きる。

【００５２】上の実施形態において、３次元入力装置１
の全体または各部の構成、処理内容、処理順序、処理タ
イミングなどは、本発明の趣旨に沿って適宜変更するこ
とができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によると、ダイクロイックプリズ
ムを用いることなく、したがって対象物に照射されるレ
ーザ光のパワーを低減することができ、しかも対象物に
ついての３次元データと２次元画像のずれをできるだけ
目立たないようにすることができ、より自然な３次元デ
ータを得ることができる。

【００５４】請求項２の発明によると、対象物が特に人
物である場合に、影になる部分が少なくなり、より自然
な３次元データを得ることができる。請求項３の発明に
よると、疑似像が発生することが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元入力装置の正面図である。

【図２】３次元入力装置を右側面から見た構造の一部を
示す図である。

【図３】３次元入力装置の機能構成を示すブロック図で
ある。

【図４】データの補正の概念を説明する図である。

【図５】３次元データと２次元画像との間の垂直方向の
パララックスによる影響を説明する図である。

【図６】３次元データと２次元画像との間に水平方向の
パララックスがあった場合の影響を説明する図である。

【図７】３次元入力装置を用いたコイン作成システムの
概略の構成を示す正面図である。

【図８】コイン作成システムの右側面図である。

【符号の説明】

１ ３次元入力装置 ２０ 投光部 ３０ 受光系 ３１ 透光ガラス ４０ 受光部 ５０ ２次元撮像部 ＡＸ２０，ＡＸ４０，ＡＸ５０ 光軸中心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 DD00 DD01 DD12 EE00 EE05 FF01 FF02 FF04 FF09 GG06 GG12 HH04 HH05 HH14 JJ03 JJ05 JJ09 JJ26 LL04 LL06 LL09 LL10 LL13 LL62 MM16 NN20 QQ00 QQ03 QQ28 QQ32 SS02 SS13 2F112 AA09 BA01 BA18 CA08 CA12 DA05 DA09 DA15 DA21 DA25 EA07 FA03 FA35 FA45 2H059 AA09 5B047 AA07 BB02 BC01 BC12 5C061 AA20 AB04 AB06 AB08 AB24

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物を撮影してその３次元データを入力
   するための３次元入力装置であって、 前記対象物に対し参照光を照射するための投光部と、 前記参照光の対象物による反射光を受光するための受光
   部と、 前記対象物を撮影して２次元データを得る２次元撮像部
   と、が備えられており、 前記投光部の光軸中心、前記受光部の光軸中心、および
   前記２次元撮像部の光軸中心が、縦方向に一列に配列さ
   れてなる、 ことを特徴とする３次元入力装置。
2. 【請求項２】前記投光部の光軸中心、前記２次元撮像部
   の光軸中心、および前記受光部の光軸中心が、この順
   で、本体ケースの下方から上方に向かって順に配列され
   てなる、 請求項１記載の３次元入力装置。
3. 【請求項３】前記２次元撮像部および前記受光部は、１
   つの共通の光学窓に臨むように設けられており、 前記光学窓には、前記２次元撮像部および前記受光部の
   受光面に対して傾斜角を有した透光ガラスが設けられて
   いる、 請求項１または請求項２記載の３次元入力装置。