JP2014038015A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一のカメラによる計測を可能とした三次元計測装置を提供する。
【解決手段】第一液晶ディスプレイ１１を対象物３より離れた第一箇所２１に固定し、第二液晶ディスプレイ１２を第一箇所２１と対象物３間の第二箇所２２に固定する。第一液晶ディスプレイ１１をバックライト３１と液晶パネル３２で構成し、第二液晶ディスプレイ１２をバックライト３１を備えていない液晶パネル３３のみで構成する。第一液晶ディスプレイ１１のバックライト３１からの光を利用して第二液晶ディスプレイ１２の液晶パネル３３に表示されたパターンＰを対象物３に描画できるようにする。対象物３の像を取得カメラ４１と両ディスプレイ１１，１２を制御装置５１に接続し、対象物３の表面２の三次元形状を非接触で計測するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で三次元形状を計測する三次元計測装置に関する。

従来、三次元形状を計測する方法としては、光切断方式やパターン投影法やパターン反射方式が知られており、その装置としては、三次元形状計測装置が知られている。

すなわち、光切断方式、パターン投影法（位相シフト法など）の装置では、パターン投影プロジェクタなどから形状の既知なパターンを投影するとともに、対象物表面の拡散反射光をカメラで撮影し、前記対象物上の所定点が写っている前記カメラ内の２Ｄ座標と、その所定点を投影しているプロジェクタ等内の２Ｄ座標から３Ｄ座標を求めるように構成されている。

しかしながら、このような装置では、対象物の表面が拡散反射するものでないと測定が行えず、その表面が鏡面や透明の対象物では、計測ができないという問題があった。

そこで、パターン反射とステレオカメラとを利用した三次元形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１）。

このような三次元計測装置８０１は、図４に示すように、ディスプレイ８０２の図中奥行き方向に縞のパターンを描画し、対象物での反射光を二台のカメラで撮像するように構成されている。この二台のカメラには、同じ対象物表面でも、異なるディスプレイ上の２Ｄ座標の所定ラインが撮像される。これに基づいて３Ｄ座標を求める。

具体的に説明すると、図中左側に示された反射位置を対象物表面の真の反射位置８１１、図中右側を偽の反射位置８１２とした場合、前記真の反射位置８１１で反射した真の反射光８１３は、第一カメラ８１４及び第二カメラ８１５で撮像される。しかし、前記偽の反射位置８１２で反射した偽の反射光８１６は、第一カメラ８１４のみで撮像される。

これにより、真の反射位置８１１を特定でき、正確な３Ｄ座標を求めることができる。

特開２００７−３２２１６２号公報

しかしながら、前述した三次元計測装置８０１にあっては、第一及び第二カメラ８１４，８１５で共通な法線方向を求めるように構成されている。

このため、二台のカメラ８１４，８１５を使用するとともに、対象物上の一つの対応点を求める為、二台のカメラ８１４，８１５間での対応付けのために、複数の画素を使うので、解像度が低くなるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、単一のカメラによる計測を可能とした三次元計測装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために本発明の請求項１の三次元計測装置にあっては、対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置において、前記対象物から離れた異なる第一箇所及び第二箇所から前記対象物に対して、時間により変化する既知模様のパターンを描画するディスプレイ手段と、前記対象物の像を取得する撮像手段と、該撮像手段で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記ディスプレイ手段のどの座標が前記対象物に写っているかを前記第一箇所の描画状態及び前記第二箇所の描画状態より算出して、前記第一箇所の描画状態から算出される第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と前記第二箇所からの描画状態から算出される第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて三次元座標を算出する算出手段と、を備えている。

すなわち、対象物の三次元形状を計測する際には、対象物から離れた第一箇所から前記対象物に対して、時間により変化する既知模様のパターンをディスプレイ手段で描画し、その際の前記対象物の像を撮像手段で取得する。そして、この撮像手段で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記ディスプレイ手段のどの座標が（ｕ，ｖ）に写っているかを、前記第一箇所の描画状態より算出して、前記第一箇所の第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値を得る。

また、前記対象物から離れた第二箇所から前記対象物に対して、時間により変化する既知模様のパターンを前記ディスプレイ手段で描画し、その際の前記対象物の像を撮像手段で取得する。そして、この撮像手段で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記ディスプレイ手段のどの座標が前記対象物のどの位置に写っているかを、前記第二箇所からの描画状態より算出して、前記第二箇所からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値を得る。

次に、前記第一箇所からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と、前記第二箇所からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて三次元座標を算出する。

具体的には、対象物の所定箇所において、前記第一箇所からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の位置と、前記第二箇所からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の位置とを結び、その結んだ線が対象物表面と交差する交点位置を真の位置として認識する。そして、これを繰り返すことによって、単一の撮像手段であっても、正確な三次元座標が得られる。

また、請求項２の三次元計測装置においては、前記ディスプレイ手段は、バックライト付の第一液晶ディスプレイと、該第一液晶ディスプレイより前記対象物側に配置されたバックライト無しの第二液晶ディスプレイとで構成した。

すなわち、第一箇所から対象物に対して既知模様のパターンを描画する際には、前記第一箇所に配置された第一液晶ディスプレイに前記パターンを表示するとともに、前記第二液晶ディスプレイでは白色のパターンを表示することで、前記第一液晶ディスプレイでの表示内容を透過可能とする。

これにより、前記対象物表面には、前記第一液晶ディスプレイに表示された前記パターンが前記第一箇所から描画される。

また、第二箇所から対象物に対して既知模様のパターンを描画する際には、前記第一液晶ディスプレイに白色のパターンを表示する一方、前記第二箇所に配置された第二液晶ディスプレイに前記パターンを表示する。すると、前記バックライトからの光は、第一液晶ディスプレイの液晶パネルを透過して、前記パターンが表示された前記第二液晶パネルのバックライトとして作用する。これにより、前記対象物表面には、前記第二液晶ディスプレイに表示された前記パターンが前記第二箇所から描画される。

さらに、請求項３の三次元計測装置では、前記描写手段を、単一のディスプレイと該ディスプレイを略垂直方向に移動する移動手段とで構成した。

すなわち、第一箇所から対象物に対して既知模様のパターンを描画する際には、前記パターンを表示したディスプレイを移動手段によって第一箇所へ移動する。これにより、前記対象物表面には、ディスプレイで表示された前記パターンが前記第一箇所から描画される。

また、第二箇所から対象物に対して既知模様のパターンを描画する際には、前記パターンを表示したディスプレイを移動手段によって第二箇所へ移動する。これにより、前記対象物表面には、ディスプレイで表示された前記パターンが前記第二箇所から描画される。

以上説明したように本発明の請求項１の三次元計測装置にあっては、対象物から離れた二箇所から前記対象物に対して既知模様のパターンを描画することで、単一の撮像手段であっても、正確な三次元座標を得ることができる。

このため、二台のカメラを用いて三次元形状を計測する従来のように、対象物上の一つの対応点を求める為に二台のカメラ間での対応付けのために複数の画素を消費するといった問題を解消し、取得画像の解像度の低下を防止することができる。

また、請求項２の三次元計測装置においては、第一箇所に配置された第一液晶ディスプレイに既知模様のパターンを表示することで、前記第一液晶ディスプレイに表示された前記パターンを前記第一箇所から対象物表面に描画することができる。

そして、前記第一液晶ディスプレイに白色のパターンを表示し、かつ第二箇所に配置された第二液晶ディスプレイに前記パターンを表示することで、前記第二液晶ディスプレイに表示された前記パターンを前記第二箇所から前記対象物表面に描画することができる。

これにより、前述したディスプレイ手段を駆動する駆動機構等を用いること無く、三次元形状の計測を実現することができる。

さらに、請求項３の三次元計測装置では、既知模様のパターンを表示したディスプレイを移動手段によって第一箇所へ移動することで、ディスプレイで表示された前記パターンを前記第一箇所から前記対象物表面に描画することができる。

また、前記パターンを表示したディスプレイを第二箇所へ移動することで、ディスプレイで表示された前記パターンを前記第二箇所から前記対象物表面に描画することができる。

このように、単一のディスプレイによって三次元形状を計測することが可能となる。

本発明の第一の実施の形態を示す説明図で、（ａ）は三次元計測装置の模式図であり、（ｂ）は作動状態を示す説明図である。 同実施の形態の動作を示す説明図である。 本発明の第二の実施の形態を示す説明図である。 従来例を示す説明図である。

（第一の実施の形態）

以下、本発明の第一の実施の形態を図に従って説明する。

図１は、本実施の形態にかかる三次元計測装置１を示す模式図であり、該三次元測定装置１は、表面２が鏡面や透明の対象物３であっても、その表面２の三次元形状を非接触で計測できるように構成されている。

この三次元測定装置１は、測定する対象物３より上方に配置された第一液晶ディスプレイ１１と第二液晶ディスプレイ１２とを備えている。

前記第一液晶ディスプレイ１１は、前記対象物３より離れた第一箇所２１に固定されており、その表示面が水平となるように配置されている。また、前記第二液晶ディスプレイ１２は、前記対象物３より離れた位置であって前記第一箇所１３と前記対象物３との間に設定された第二箇所２２に固定されており、その表示面が水平となるように配置されている。

前記第一液晶ディスプレイ１１は、図１の（ｂ）にも示すように、バックライト３１と液晶パネル３２とを備えており、前記バックライト３１からの照明を、前記液晶パネル３２が形成するパターンに従って透過できるように構成されている。また、前記第二液晶ディスプレイ１２は、液晶パネル３３のみからなり、前記バックライト３１を備えていない。このため、前記第一液晶ディスプレイ１１のバックライト３１からの光を利用して当該第二液晶ディスプレイ１２の液晶パネル３３に表示されたパターンＰを前記対象物３に描画できるように構成されている。

また、前記三次元測定装置１は、前記対象物３の像を取得する撮像手段としてのカメラ４１を備えている。該カメラ４１は、前記対象物３の側部に設けられており、当該対象物３を側方から撮像できるように構成されている。

このカメラ４１と前記第一液晶ディスプレイ１１と前記第二液晶ディスプレイ１２とは、制御装置５１に接続されており、該制御装置５１は、セットされた対象物３の表面２の三次元形状を非接触で計測するように構成されている。

この制御装置５１は、前記カメラ４１で撮像した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記各液晶ディスプレイ１１，１２のどの座標が写っているかを前記第一箇所２１からの描画状態及び前記第二箇所２２からの描画状態より算出して、前記第一箇所２１からの描画状態から算出される第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と前記第二箇所２２から算出される第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて三次元座標を算出するように構成されている。

以上の構成にかかる本実施の形態において、セットされた対象物３の三次元形状を計測する際には、先ず第一箇所２１に既知模様である縞模様のパターンＰを描画する。

すなわち、前記制御装置５１は、制御信号を出力して第一箇所２１に配設された第一液晶ディスプレイ１１のバックライト３１を点灯するとともに、第二箇所２２に配設された第二液晶ディスプレイ１２に対して表示信号を出力することで、当該第二液晶ディスプレイ１２の液晶パネル３３は全面にわたって光を透過できるように設定する。

そして、前記制御装置５１より前記第一ディスプレイ１１に表示信号を出力して、その液晶パネル３２に時間的に変化する既知模様である縞模様のパターンＰを表示する。

これと同時に、前記対象物３の画像を前記カメラ４１で撮像し、該カメラ４１で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度を、前記制御装置５１の内蔵のメモリに順次記憶する。

これにより、前記カメラ４１で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記第一液晶ディスプレイ１１のどの座標が前記対象物３のどの位置に写っているかを、前記第一箇所２１からの描画状態より算出して、当該第一箇所２１からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値を得る。

次に、第二箇所２２から前記対象物３に対して既知模様である縞模様のパターンＰを描画する際には、前記第一液晶ディスプレイ１１の前記バックライト３１を点灯した状態で、当該第一液晶ディスプレイ１１に表示信号を出力して、その液晶パネル３２で白色表示を行う。これにより、当該第一液晶ディスプレイ１１を、前記第二液晶ディスプレイ１２のバックライトとして利用する。

この状態において、前記第二箇所２２に配設された前記第二液晶ディスプレイ１２に表示信号を出力して、その液晶パネル３３に時間的に変化する縞模様のパターンＰを表示する。

これと同時に、前記対象物３に描画された像を前記カメラ４１で撮像し、該カメラ４１で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度を、前記第二箇所２２からの描画像として前記制御装置５１の内蔵のメモリに順次記憶する。

これにより、前記カメラ４１で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記第二液晶ディスプレイ１２のどの座標が前記対象物３のどの位置に写っているかを、前記第二箇所２２からの描画状態より算出して、第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値を得る。

そして、前記第一箇所２１からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と、前記第二箇所２２からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて三次元座標を算出する。

すなわち、前記制御装置５１では、前記カメラ４１で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態を前記メモリから読み出し、この各撮像座標（ｕ，ｖ）の各画素において前記各液晶ディスプレイ１１，１２のどの座標が前記対象物３に写っているかを、前記第一箇所２１からの描画状態及び前記第二箇所２２からの描画状態より算出し、前記第一箇所２１からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と、前記第二箇所２２からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて、前記対象物３の三次元座標を算出する。

具体的には、前記対象物３の所定箇所において、同濃度を示す前記第一箇所２１からの描画状態を示す第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の位置と、前記第二箇所２２からの描画状態を示す第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の位置とを結び、その結んだ線が前記対象物３表面と交差する交点位置を真の位置として認識する。そして、これを繰り返し行うことによって、単一のカメラ４１であっても、正確な三次元座標が得られる。

その一例を、対象物３の三次元形状を位相シフト法で計測する図２を用いて説明すると、前記各液晶ディスプレイ１１，１２には、図２の上段のような縞模様のパターンＰを表示する。

その縞のパターンとしては、図２中紙面奥行き方向に延在するものとし、図２中縞模様を示したパターンＰにおいて横方向は、図１の紙面の奥行き方向に対応し、前記パターンＰの縦方向は、図１の左右方向に対応するものとする。

この縞の濃度Ｉは前記パターンＰの縦方向に対して正弦波状とし、時刻の経過毎に位相がずれるように１周期だけ投影する。

具体的には、「Ｐ（ｘ，ｙ，ｔ）＝Ａｐｓｉｎ（２π（ｔ／Ｔ＋ｙ／Ｌ））＋Ｂｐ」の式に表される。

ここで、Ｐはパターン上の輝度値、ｔは時刻、Ｔは１周期移動させるのに掛ける時間、Ｌは液晶ディスプレイ１１，１２のｙ方向の画素数、Ａｐはパターン強度、Ｂｐはバイアス成分、ｘ及びｙはパターン上の座標を表す。

時刻が進むと、ある画素（ｕ，ｖ）の濃度Ｉ（ｕ，ｖ，ｔ）は、正弦波状に変化する。

その時間的変化は、「Ｉ（ｕ，ｖ，ｔ）＝Ａｉｓｉｎ（２π（ｔ／Ｔ＋φ（ｕ，ｖ）））＋Ｂｉ」の式で表される。

ここで、φ（ｕ，ｖ）「ｒａｄ」は輝度の時間的変化の位相で−πからπの値をとる。

すると「φ（ｕ．ｖ）＝２πｙ／Ｌ」となり、撮影したある画素の輝度値変化から位相φが求まれば「ｙ（ｕ，ｖ）＝φ（ｕ，ｖ）Ｌ／２π」の式より、ある画素に対応する投影したパターン上のｙを求めることができる。

そこで、画像上の画素の輝度値変化のみから最初に投影したパターンの位相復元を行うことにより、パターンのｙ座標（パターンＰ中の縦座標）を知ることができる。次式参照。

Ｓ＝ΣＩ（ｕ，ｖ，ｔ）＊ｃｏｓ（２π＊ｔ／Ｔ）

Ｃ＝ΣＩ（ｕ，ｖ，ｔ）＊ｓｉｎ（２π＊ｔ／Ｔ）

ｙ（ｕ，ｖ）＝Ｌ＊ａｒｃｔａｎ（Ｓ／Ｃ）／２π

前記第一液晶ディスプレイ１１に対して上記の処理を行いｙ１（ｕ，ｖ）を求め、次に前記第二液晶ディスプレイ１２に対してｙ２（ｕ，ｖ）を求める。

前記各液晶ディスプレイ１１，１２上の座標は、実座標と対応が付いているので、「Ｘ１＝ａ＊ｙ１、Ｘ２＝ｂ＊ｙ２」のように表される。Ｘ座標とは、図２中下側に示された図の右向き座標を示す。そして、この図のように座標軸をとると、カメラ座標ｖはレンズ焦点距離によってＺ座標に変換できる（Ｚｖとする）。なお、この図では焦点位置を原点としている。

以上のように、前記対象物３から離れた第一及び第二箇所２１，２２から前記対象物３に対して既知模様のパターンＰを描画することで、単一のカメラ４１であっても、正確な三次元座標を得ることができる。

このため、二台のカメラを用いて三次元形状を計測する従来のように、対象物上の一つの対応点を求める為に二台のカメラ間での対応付けのために複数の画素を消費するといった問題を解消し、取得画像の解像度の低下を防止することができる。

また、本実施の形態では、前記第一箇所２１に配置された第一液晶ディスプレイ１１に既知模様のパターンＰを表示することで、前記第一液晶ディスプレイ１１に表示された前記パターンＰを前記第一箇所２１から対象物３表面２に描画することができる。

そして、前記第一液晶ディスプレイ１１に白色のパターンを表示し、かつ第二箇所２２に配置された第二液晶ディスプレイ１２に前記パターンＰを表示することで、前記第二液晶ディスプレイ１２に表示された前記パターンＰを前記第二箇所２２から前記対象物３表面２に描画することができる。

これにより、前述した液晶ディスプレイ１１，１２を駆動する駆動機構等を用いること無く、三次元形状の計測を実現することができる。

（第二の実施の形態）

図３は、本発明の第二の実施の形態にかかる三次元計測装置１０１を示す模式図であり、第一の実施の形態と同一又は同等部分に付いては、同符号を付して説明を割愛するとともに、異なる部分に付いてのみ説明する。

すなわち、この三次元計測装置１０１は、単一の液晶ディスプレイ１１１からなり、当該液晶ディスプレイ１１１を、図３の（ｂ）にも示すように、対象物３の上部において略垂直方向に移動する移動手段１１２を備えている。

該移動手段１１２は、前記液晶ディスプレイ１１１を支持スライダ１２１と、該スライダ１２１をスライド自在に支持するＺステージ１２２と、前記スライダ１２１を前記Ｚステージ１２２に沿って上下動する図外の駆動機構とによって構成されている。

この駆動機構と前記液晶ディスプレイ１１１と前記カメラ４１とは、前記制御装置５１に接続されており、該制御装置５１は、セットされた対象物３の表面２の三次元形状を第一の実施の形態と同様に、非接触で計測するように構成されている

以上の構成にかかる本実施の形態において、セットされた対象物３の三次元形状を計測する際には、先ず制御装置５１からの駆動信号を前記駆動機構へ出力して前記移動手段１１２を作動し、前記液晶ディスプレイ１１１を第一箇所２１へ移動する。これにより、この第一箇所２１から前記対象物３に対して既知模様である縞模様の前記パターンＰを描画することができる。

次に、前記制御装置５１からの駆動信号を前記駆動機構へ出力して前記移動手段１１２を作動し、前記液晶ディスプレイ１１１を第二箇所２２へ移動する。これにより、この第二箇所２２から前記対象物３に対して既知模様である縞模様の前記パターンＰを描画することができる。

このように、単一の液晶ディスプレイ１１１によって、前記第一箇所２１からの前記パターンＰの描画と、前記第二箇所２２からの前記パターンＰの描画とを行うことができるので、第一の実施の形態と同様に三次元形状を計測することが可能となる。

これにより、高価な液晶ディスプレイの使用数を削減することができる。

１ 三次元計測装置
３ 対象物
１１ 第一液晶ディスプレイ
１２ 第二液晶ディスプレイ
２１ 第一箇所
２２ 第二箇所
３１ バックライト
３２ 液晶パネル
４１ カメラ
５１ 制御装置
１０１ 三次元計測装置
１１１ 液晶ディスプレイ
１１２ 移動手段
Ｐ パターン

Claims (3)

1. 対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
   前記対象物から離れた異なる第一箇所及び第二箇所から前記対象物に対して、時間により変化する既知模様のパターンを描画するディスプレイ手段と、
   前記対象物の像を取得する撮像手段と、
   該撮像手段で取得した各画素に対応する撮像座標（ｕ，ｖ）での濃度の時間的変化状態から前記各画素において前記ディスプレイ手段のどの座標が前記対象物に写っているかを算出して、前記第一箇所の第一座標Ａ（ｕ，ｖ）の値と前記第二箇所の第二座標Ｂ（ｕ，ｖ）の値に基づいて三次元座標を算出する算出手段と、
   を備えたことを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記ディスプレイ手段は、バックライト付の第一液晶ディスプレイと、該第一液晶ディスプレイより前記対象物側に配置されたバックライト無しの第二液晶ディスプレイとで構成したことを特徴とする請求項１記載の三次元計測装置。
3. 前記描写手段を、単一のディスプレイと該ディスプレイを略垂直方向に移動する移動手段とで構成したことを特徴とする請求項１記載の三次元計測装置。

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