(57)【要約】【課題】位相シフト法における画像の投射回数を少なくできる技術を提供する。【解決手段】位相決定方法は、第１波長の正弦波に合わせて変化する輝度パターンを２周期分以上示し位相が互いに異なる複数の第１画像を被計測物に投射し、第１波長より長い第２波長の正弦波に合わせて変化する輝度パターンを示し位相が互いに異なる複数の第２画像を被計測物に投射し、第１画像の投射状況で被計測物の第１撮像データを生成し、第２画像の投射状況で被計測物の第２撮像データを生成し、第１画像のいずれかの第１パターンでの被計測物の計測位置への投射部分の位相の第１候補を第１撮像データに基づき決定し、第２画像のいずれかの第２パターンでの計測位置への投射部分の位相の第２候補を第１及び第２撮像データに基づき決定し、計測位置への投射部分における第１パターンの位相を、第２候補を用いて第１候補から特定し、第２画像が第１画像より少ない。【選択図】図１０
2020148646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測装置が実行する位相決定方法であって、
第１方向にかけて、第１波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを２周期分以上示し、前記第１波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第１画像を、個別に被計測物に投射し、
第２方向にかけて、前記第１波長よりも長い第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを示し、前記第２波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第２画像を、個別に前記被計測物に投射し、
前記被計測物へ前記複数の第１画像が個別に投射される第１状況において前記被計測物を撮像することによって第１撮像データを生成し、
前記被計測物へ前記複数の第２画像が個別に投射される第２状況において前記被計測物を撮像することによって第２撮像データを生成し、
前記複数の第１画像のいずれかに示されるパターンである第１パターンにおける前記被計測物の計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第１撮像データに基づいて決定し、
前記複数の第２画像のいずれかに示されるパターンである第２パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第１撮像データと前記第２撮像データとに基づいて決定し、
前記計測位置への投射部分における前記第１パターンの位相を、前記第２パターンの位相の候補を用いて、前記第１パターンの位相の候補の中から特定し、
前記複数の第２画像の数は、前記複数の第１画像の数よりも少ない、
位相決定方法。
【請求項２】
前記第２画像は、前記第２方向にかけて前記第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを１周期分のみ示す、
請求項１に記載の位相決定方法。
【請求項３】
前記第２画像は、前記第２方向にかけて前記第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを１周期分よりも多く示す、
請求項１に記載の位相決定方法。
【請求項４】
投射部によって、前記複数の第１画像および前記複数の第２画像を前記被計測物に投射し、
カメラによって、前記第１状況および前記第２状況において前記被計測物を撮像し、
前記投射部を仮想カメラとする場合に、
前記第１方向および前記第２方向は、前記被計測物と前記カメラとを結ぶ直線の前記仮想カメラへの投影結果であるエピポーラ線に沿う方向である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の位相決定方法。
【請求項５】
第３方向にかけて、第３波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを２周期分以上示し、前記第３波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第３画像を、個別に前記被計測物へ投射し、
第４方向にかけて、前記第３波長よりも長い第４波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを示し、前記第４波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第４画像を、個別に前記被計測物へ投射し、
前記被計測物へ前記複数の第３画像が個別に投射される状況において前記被計測物を撮像することによって第３撮像データを生成し、
前記被計測物へ前記複数の第４画像が個別に投射される状況において前記被計測物を撮像することによって第４撮像データを生成し、
前記複数の第３画像のいずれかに示されるパターンである第３パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第３撮像データに基づいて決定し、
前記複数の第４画像のいずれかに示されるパターンである第４パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第３撮像データと前記第４撮像データとに基づいて決定し、
前記計測位置への投射部分における前記第３パターンの位相を、前記第４パターンの位相の候補を用いて、前記第３パターンの位相の候補の中から特定し、
前記複数の第４画像の数は、前記複数の第３画像の数よりも少なく、
前記第１方向は、前記第２方向と交差せず、
前記第３方向は、前記第４方向と交差せず、
前記第１方向は、前記第３方向と交差する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の位相決定方法。
【請求項６】
第１方向にかけて、第１波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを２周期分以上示し、前記第１波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第１画像を、個別に被計測物へ投射し、第２方向にかけて、前記第１波長よりも長い第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを示し、前記第２波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第２画像を、個別に前記被計測物へ投射する投射部と、
前記被計測物を撮像するカメラと、
前記被計測物へ前記複数の第１画像が個別に投射される第１状況において前記カメラが前記被計測物を撮像することによって生成する第１撮像データに基づいて、前記複数の第１画像のいずれかに示されるパターンである第１パターンにおける前記被計測物の計測位置への投射部分の位相の候補を決定する第１決定部と、
前記被計測物へ前記複数の第２画像が個別に投射される第２状況において前記カメラが前記被計測物を撮像することによって生成する第２撮像データと、前記第１撮像データと、に基づいて、前記複数の第２画像のいずれかに示されるパターンである第２パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を決定する第２決定部と、
前記計測位置への投射部分における前記第１パターンの位相を、前記第２パターンの位相の候補を用いて、前記第１パターンの位相の候補の中から特定する位相特定部と、
を含み、
前記複数の第２画像の数は、前記複数の第１画像の数よりも少ない、
計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相決定方法および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の３次元形状を計測する手法として、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、まず、投射装置が、所定方向にかけて正弦波に合わせて変化する輝度のパターンを示し当該正弦波の位相が互いに異なる３つ以上の画像を、個別に被計測物に投射する。次に、撮像装置が、被計測物に画像が投射されるごとに被計測物を撮像することによって撮像データを生成する。次に、演算装置が、撮像データに基づいて、３つのパターンのいずれかである基準パターンのうち、被計測物の計測位置に投射された投射部分を特定する。演算装置は、投射部分を示す基準パターンの位相を算出することによって投射部分を特定する。演算装置は、投射部分を示す基準パターンの位相に基づいて計測位置までの距離を算出する。演算装置は、計測位置を変えながら上述の動作を繰り返し、被計測物の３次元形状を計測する。
【０００３】
特許文献１には、位相シフト法における位相の算出精度を向上できる技術が記載されている。特許文献１に記載の技術では、基準正弦波に合わせて所定方向にかけて輝度が変化する第１パターンを用いて第１パターンの計測位置への投射部分を示す位相の候補を算出し、さらに、基準正弦波よりも波長の長い正弦波に合わせて所定方向にかけて輝度が変化する第２パターンを用いて第２パターンの計測位置への投射部分を示す位相の候補を算出する。そして、これらの位相の候補に基づいて、第１パターンにおける投射部分の位相を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１５６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のように互いに波長の異なる複数の正弦波を用いる位相シフト法では、複数の正弦波のうち、波長の長い正弦波に応じたパターンを示す画像の投射回数が、波長の短い正弦波に応じたパターンを示す画像の投射回数と同じになっているため、画像の投射に時間がかかるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る位相決定方法の一態様は、計測装置が実行する位相決定方法であって、第１方向にかけて、第１波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを２周期分以上示し、前記第１波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第１画像を、個別に被計測物に投射し、第２方向にかけて、前記第１波長よりも長い第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを示し、前記第２波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第２画像を、個別に前記被計測物に投射し、前記被計測物へ前記複数の第１画像が個別に投射される第１状況において前記被計測物を撮像することによって第１撮像データを生成し、前記被計測物へ前記複数の第２画像が個別に投射される第２状況において前記被計測物を撮像することによって第２撮像データを生成し、前記複数の第１画像のいずれかに示されるパターンである第１パターンにおける前記被計測物の計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第１撮像データに基づいて決定し、前記複数の第２画像のいずれかに示されるパターンである第２パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を、前記第１撮像データと前記第２撮像データとに基づいて決定し、前記計測位置への投射部分における前記第１パターンの位相を、前記第２パターンの位相の候補を用いて、前記第１パターンの位相の候補の中から特定し、前記複数の第２画像の数は、前記複数の第１画像の数よりも少ない。
【０００７】
本発明に係る計測装置の一態様は、第１方向にかけて、第１波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを２周期分以上示し、前記第１波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第１画像を、個別に被計測物へ投射し、第２方向にかけて、前記第１波長よりも長い第２波長の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを示し、前記第２波長の正弦波の位相が互いに異なる複数の第２画像を、個別に前記被計測物へ投射する投射部と、前記被計測物を撮像するカメラと、前記被計測物へ前記複数の第１画像が個別に投射される第１状況において前記カメラが前記被計測物を撮像することによって生成する第１撮像データに基づいて、前記複数の第１画像のいずれかに示されるパターンである第１パターンにおける前記被計測物の計測位置への投射部分の位相の候補を決定する第１決定部と、前記被計測物へ前記複数の第２画像が個別に投射される第２状況において前記カメラが前記被計測物を撮像することによって生成する第２撮像データと、前記第１撮像データと、に基づいて、前記複数の第２画像のいずれかに示されるパターンである第２パターンにおける前記計測位置への投射部分の位相の候補を決定する第２決定部と、前記計測位置への投射部分における前記第１パターンの位相を、前記第２パターンの位相の候補を用いて、前記第１パターンの位相の候補の中から特定する位相特定部と、を含み、前記複数の第２画像の数は、前記複数の第１画像の数よりも少ない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る計測装置１００を示す図である。
【図２】液晶ライトバルブ１２の一例を示す図である。
【図３】第１投射画像Ｇ１を説明するための図である。
【図４】第５投射画像Ｇ５を説明するための図である。
【図５】撮像素子２２の一例を示す図である。
【図６】第１候補φを説明するための図である。
【図７】第２候補θを説明するための図である。
【図８】情報処理装置３の一例を示す図である。
【図９】計測位置までの距離の算出手法を説明するための図である。
【図１０】計測装置１００の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】第１変形例における第２波長画像Ｇａ２０を説明するための図である。
【図１２】第２変形例における第１波長画像Ｇａ１０を説明するための図である。
【図１３】第１投射画像Ｇ１〜第１２投射画像Ｇ１２の一例を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ：第１実施形態
Ａ１：計測装置１００の概要
図１は、第１実施形態に係る計測装置１００を示す図である。計測装置１００は、位相シフト法を用いて、被計測物２００の３次元形状を計測する。計測装置１００は、投射部１と、カメラ２と、情報処理装置３と、を含む。投射部１とカメラ２は、Ｘ１方向に沿う方向に並んでいる。
【００１０】
投射部１は、例えばプロジェクターである。投射部１は、光源１１と、液晶ライトバルブ１２と、投射光学系１３と、を含む。
【００１１】
光源１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。光源１１は、ＬＥＤに限らず、例えば、キセノンランプ、超高圧水銀ランプ、またはレーザー光源等でもよい。
【００１２】
液晶ライトバルブ１２は、一対の透明基板間に液晶が存在する液晶パネル等によって構成される。液晶ライトバルブ１２は、図２に例示されるように、マトリクス状に位置する複数の画素１２ｐを含む矩形の画素領域１２ａを有する。
【００１３】
液晶ライトバルブ１２には、Ｘ１−Ｙ１座標系が設定されている。Ｘ１方向は、液晶ライトバルブ１２の水平方向、さらに言えば液晶ライトバルブ１２の横方向である。Ｙ１方向は、Ｘ１方向と交差する。Ｙ１方向は、例えば、Ｘ１方向と直交する方向である。Ｙ１方向は、典型的には、液晶ライトバルブ１２の垂直方向、さらに言えば液晶ライトバルブ１２の縦方向である。
【００１４】
複数の画素１２ｐの各々は、Ｘ１−Ｙ１座標系の座標によって識別される。例えば、図２において、画素領域１２ａの左上隅に位置する画素１２ｐは、Ｘ１−Ｙ１座標系における座標（１、１）によって識別される。
【００１５】
液晶ライトバルブ１２では、液晶に対して画素１２ｐごとに画像データに応じた駆動電圧が印加される。画素１２ｐは、駆動電圧に基づく光透過率に設定される。光源１１から出射される光は、画素領域１２ａを通ることで変調され、投射光学系１３に向かう。液晶ライトバルブ１２は、光変調装置の一例である。
【００１６】
投射光学系１３は、液晶ライトバルブ１２によって変調された光、すなわち画像を被計測物２００に投射する。
【００１７】
投射部１は、第１投射画像Ｇ１と、第２投射画像Ｇ２と、第３投射画像Ｇ３と、第４投射画像Ｇ４とを、個別に被計測物２００に投射する。つまり、投射部１は、第１投射画像Ｇ１と、第２投射画像Ｇ２と、第３投射画像Ｇ３と、第４投射画像Ｇ４とを同時に被計測物２００に投射するのではなく、それぞれを投射するタイミングをずらして、順番に投射する。第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４の投射の順番は、第１投射画像Ｇ１、第２投射画像Ｇ２、第３投射画像Ｇ３、第４投射画像Ｇ４という順番でもよいし、他の順番でもよい。以下、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４を相互に区別する必要がない場合、これらを「第１波長画像Ｇａ１０」と称する。
【００１８】
第１波長画像Ｇａ１０は、液晶ライトバルブ１２によって生成される。このため、Ｘ１方向は、第１波長画像Ｇａ１０の水平方向、換言すると横方向でもある。Ｘ１方向は、第１方向の一例である。第１方向は、Ｘ１方向に限らない。
【００１９】
第１波長画像Ｇａ１０は、Ｘ１方向にかけて変化する輝度のパターンを示す。具体的には、第１波長画像Ｇａ１０が示すパターンは、図３に例示される通り、第１所定波長λ１の正弦波Ｗ１１に合わせて、Ｘ１方向にかけて輝度Ａが変化する。第１所定波長λ１は、第１波長の一例である。
【００２０】
図３に示す第１所定波長λ１の正弦波Ｗ１１は、余弦波となるように位相が調整された正弦波である。なお、図３は、第１波長画像Ｇａ１０の一例である第１投射画像Ｇ１を示している。第１波長画像Ｇａ１０は、第１所定波長λ１に応じた縞状の模様を有する。
【００２１】
第１波長画像Ｇａ１０は、第１所定波長λ１の正弦波の振幅に合わせてＸ１方向にかけて変化するパターンを４周期分示す。第１波長画像Ｇａ１０に示されるパターンは、４周期分に限らず、２周期分以上であればよい。
【００２２】
図３は、さらに、第１投射画像Ｇ１の示すパターンにおけるＸ１方向の位置と、第１所定波長λ１の正弦波の位相Ｐと、の関係も示す。第１投射画像Ｇ１は４周期分のパターンを示すため、Ｘ１方向において、０〜２πまでの位相Ｐの変化は４回繰り返される。
【００２３】
図１に例示される通り、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４の各々に示されるパターンでは、第１所定波長λ１の正弦波の位相が互いに異なっている。以下、第１所定波長λ１の正弦波を「第１正弦波」と称する。
【００２４】
第２投射画像Ｇ２が示すパターンにおける第１正弦波の位相は、第１投射画像Ｇ１が示すパターンにおける第１正弦波の位相よりもπ／２だけ遅れている。第３投射画像Ｇ３が示すパターンにおける第１正弦波の位相は、第２投射画像Ｇ２が示すパターンにおける第１正弦波の位相よりもπ／２だけ遅れている。第４投射画像Ｇ４が示すパターンにおける第１正弦波の位相は、第３投射画像Ｇ３が示すパターンにおける第１正弦波の位相よりもπ／２だけ遅れている。第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４は、複数の第１画像の一例である。第１投射画像Ｇ１が示すパターンは、第１パターンの一例である。
【００２５】
投射部１は、さらに、第５投射画像Ｇ５と第６投射画像Ｇ６とを個別に被計測物２００に投射する。つまり、投射部１は、第５投射画像Ｇ５と、第６投射画像Ｇ６とを同時に被計測物２００に投射するのではなく、それぞれを投射するタイミングをずらして、順番に投射する。第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６の投射の順番は、第５投射画像Ｇ５、第６投射画像Ｇ６という順番でもよいし、他の順番でもよい。投射部１は、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４を投射した後に、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６を投射してもよいし、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４を投射する前に、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６を投射してもよい。以下、第５投射画像Ｇ５と第６投射画像Ｇ６とを相互に区別する必要がない場合、これらを「第２波長画像Ｇａ２０」と称する。
【００２６】
第２波長画像Ｇａ２０は、第１波長画像Ｇａ１０と同様に、液晶ライトバルブ１２によって生成される。このため、Ｘ１方向は、第２波長画像Ｇａ２０の水平方向、換言すると横方向でもある。Ｘ１方向は、第２方向の一例でもある。
【００２７】
第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて変化する輝度のパターンを示す。具体的には、第２波長画像Ｇａ２０が示すパターンは、図４に例示される通り、第１所定波長λ１よりも長い第２所定波長λ２の正弦波Ｗ２１に合わせて、Ｘ１方向にかけて輝度Ａが変化する。第２所定波長λ２は、第２波長の一例である。
【００２８】
図４に示す第２所定波長λ２の正弦波Ｗ２１は、余弦波となるように位相が調整された正弦波である。なお、図４は、第２波長画像Ｇａ２０の一例である第５投射画像Ｇ５を示す。第２所定波長λ２は、第１所定波長λ１の４倍の長さである。第２所定波長λ２は、第１所定波長λ１の２倍の長さ以上であればよい。第２波長画像Ｇａ２０は、第２所定波長λ２に応じた縞状の模様を有する。
【００２９】
第２波長画像Ｇａ２０は、第２所定波長λ２の正弦波の振幅に合わせてＸ１方向にかけて変化するパターンを１周期分示す。第２波長画像Ｇａ２０のＸ１方向の長さは、第１波長画像Ｇａ１０のＸ１方向の長さと等しい。
【００３０】
図４は、さらに、第５投射画像Ｇ５の示すパターンにおけるＸ１方向の位置と、第２所定波長λ２の正弦波の位相Ｐと、の関係も示す。第５投射画像Ｇ５は１周期分のパターンを示すため、Ｘ１方向において、０〜２πまでの位相Ｐの変化は１回のみとなる。
【００３１】
図１に例示される通り、第５投射画像Ｇ５と第６投射画像Ｇ６の各々に示されるパターンでは、第２所定波長λ２の正弦波の位相が互いに異なっている。以下、第２所定波長λ２の正弦波を「第２正弦波」と称する。
【００３２】
第６投射画像Ｇ６が示すパターンにおける第２正弦波の位相は、第５投射画像Ｇ５が示すパターンにおける第２正弦波の位相よりもπ／２だけ遅れている。第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６は、複数の第１画像よりも数が少ない複数の第２画像の一例である。第５投射画像Ｇ５に示されるパターンは、第２パターンの一例である。
【００３３】
カメラ２は、レンズ等の受光光学系２１と、受光光学系２１にて集光される光を電気信号に変換する撮像素子２２と、を含む。撮像素子２２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサーである。撮像素子２２は、ＣＣＤイメージセンサーに限らず、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーでもよい。撮像素子２２は、図５に例示されるように、マトリクス状に位置する複数の受光用のセル２２ｐを含む矩形の撮像領域２２ａを有する。
【００３４】
撮像素子２２には、Ｘ２−Ｙ２座標系が設定されている。Ｘ２方向は、撮像素子２２の水平方向、さらに言えば撮像素子２２の横方向である。Ｙ２方向は、Ｘ２方向と交差する。Ｙ２方向は、例えば、Ｘ２方向と直交する方向である。Ｙ２方向は、典型的には、撮像素子２２の水平方向、さらに言えば撮像素子２２の横方向である。
【００３５】
Ｘ２方向はＸ１方向と交わらず、Ｙ２方向はＹ１方向と交わらない。なお、Ｘ２方向はＸ１方向と交わってもよく、Ｙ２方向はＹ１方向と交わってもよい。投射光学系１３から液晶ライトバルブ１２までの距離は、受光光学系２１から撮像素子２２までの距離と等しい。
【００３６】
複数のセル２２ｐの各々は、Ｘ２−Ｙ２座標系の座標によって識別される。例えば、図５において、撮像領域２２ａの左上隅に位置するセル２２ｐは、Ｘ２−Ｙ２座標系における座標（１、１）によって識別される。
【００３７】
カメラ２は、被計測物２００を撮像することによって撮像データを生成する。例えば、カメラ２は、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４の各々が個別に被計測物２００へ投射される第１状況において撮像素子２２によって被計測物２００を撮像する。
【００３８】
撮像素子２２は、第１投射画像Ｇ１が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第１撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第２投射画像Ｇ２が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第２撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第３投射画像Ｇ３が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第３撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第４投射画像Ｇ４が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第４撮像画像データを生成する。第１撮像画像データ〜第４撮像画像データの各々は、第１撮像データの一例である。
【００３９】
また、カメラ２は、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６の各々が個別に被計測物２００へ投射される第２状況において撮像素子２２によって被計測物２００を撮像する。
【００４０】
撮像素子２２は、第５投射画像Ｇ５が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第５撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第６投射画像Ｇ６が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第６撮像画像データを生成する。第５撮像画像データ〜第６撮像画像データの各々は、第２撮像データの一例である。
【００４１】
情報処理装置３は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）である。情報処理装置３は、ＰＣに限らず、例えば、専用コンピューターでもよい。情報処理装置３は、第１撮像画像データ〜第６撮像画像データに基づいて、被計測物２００の３次元形状を特定する。具体的には、情報処理装置３は、位相シフト法を用いて、被計測物２００の３次元形状を特定する。
【００４２】
Ａ２：位相シフト法の概要
ここで、位相シフト法の概要を説明する。第１投射画像Ｇ１が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ１が式１にて表され、第２投射画像Ｇ２が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ２が式２にて表され、第３投射画像Ｇ３が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ３が式３にて表され、第４投射画像Ｇ４が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ４が式４にて表されるとする。なお、式１〜式４に示される余弦波は、当該余弦波に対して位相の調整された正弦波によって置き換えることができる。
ｐ１＝Ａ・ｃｏｓ（ｋｘ）            ・・・式１
ｐ２＝Ａ・ｃｏｓ（ｋｘ−（π／２）） ・・・式２
ｐ３＝Ａ・ｃｏｓ（ｋｘ−π）        ・・・式３
ｐ４＝Ａ・ｃｏｓ（ｋｘ−（３π／２））・・・式４
式１〜式４において、Ａは、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４の各々のパターンの輝度の振幅を示す。ｋは、第１所定波長λ１を定める定数である。ｘは、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４のＸ１方向の座標を示す。例えば、ｘは、図２に示す液晶ライトバルブ１２の画素１２ｐのＸ１方向の座標を示す。
【００４３】
被計測物２００の像は、撮像領域２２ａの複数のセル２２ｐによって撮像される。このため、複数のセル２２ｐの各々は、被計測物２００における互いに異なる計測位置の像を撮像する。例えば、任意の座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値は、被計測物２００のうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐに撮像される計測位置の輝度を示す。
【００４４】
第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４が個別に被計測物２００へ投射される状況において、撮像素子２２における座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐが観測する輝度値Ｉは、
Ｉ１＝｛Ａ・ｃｏｓ（φ）＋Ｇ｝×Ｒ               ・・・式５
Ｉ２＝｛Ａ・ｃｏｓ（φ−（π／２））＋Ｇ｝×Ｒ    ・・・式６
Ｉ３＝｛Ａ・ｃｏｓ（φ−π）＋Ｇ｝×Ｒ           ・・・式７
Ｉ４＝｛Ａ・ｃｏｓ（φ−（３π／２））＋Ｇ｝×Ｒ  ・・・式８
となる。
式５〜式８において、φは、図３に示す第１投射画像Ｇ１が示すパターンのうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置への投射部分の位相の候補である。Ｇは、グローバルアンビエントであり、パターンを示す画像の投射とは関係のない環境光などの光成分である。Ｒは、被計測物２００の計測位置の反射率であり、パターンを示す画像の投射とは関係ない。
【００４５】
輝度値Ｉ１は、第１投射画像Ｇ１が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。輝度値Ｉ２は、第２投射画像Ｇ２が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。輝度値Ｉ３は、第３投射画像Ｇ３が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。輝度値Ｉ４は、第４投射画像Ｇ４が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。
【００４６】
位相の候補φは、式５〜式８に基づいて導かれる式９によって算出される。
φ＝ｔａｎ−１｛（Ｉ２−Ｉ４）／（Ｉ１−Ｉ３）｝  ・・・式９
【００４７】
ここで、図３に例示されるように、第１投射画像Ｇ１は４周期分のパターンを示すため、Ｘ１方向にかけての０〜２πまでの位相Ｐの変化は４回繰り返される。したがって、式９によって特定される位相の候補φは、図６において黒丸で例示されるように全部で４つ存在してしまう。具体的には、位相の候補φと、位相の候補φ＋２πと、位相の候補φ＋４πと、位相の候補φ＋６πとの４つが存在してしまう。このため、画素領域１２ａにおいて、位相の候補φに対応するＸ１方向の該当箇所が、４つ、具体的には、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４が存在してしまう。
【００４８】
一方、例えば、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４の各々が、図７に示すような第２正弦波の１周期分のパターンを示す場合、位相の候補θの数は１つとなる。このため、画素領域１２ａにおいて、位相の候補θに対応するＸ１方向の該当箇所が、１つ、具体的には、該当箇所Ｘ２１の１つだけ特定される。なお、位相の候補θは、図７に示すパターンのうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置への投射部分の位相の候補である。
【００４９】
ここで、パターンの縞状模様の間隔を定める正弦波の波長が長いほど、該当箇所の特定において、輝度値Ｉ１〜輝度値Ｉ４に含まれるノイズの影響が大きくなってしまう。例えば、図６および図７において、位相の候補に対するノイズの影響が共にＮＷである場合、図７に示す該当箇所Ｘ２１へのノイズの影響ＮＷ２は、図６に示す該当箇所Ｘ１２へのノイズの影響ＮＷ１よりも大きくなってしまう。
【００５０】
そこで、計測装置１００は、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４を用いて、位相の候補φを決定する。さらに、計測装置１００は、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６と、第１投射画像Ｇ１と、第３投射画像Ｇ３と、を用いて、位相の候補θを決定する。そして、計測装置１００は、これらの候補を用いて、第１投射画像Ｇ１が示すパターンのうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置に投射されている投射部分の位相Φを特定する。
計測装置１００は、第１波長画像Ｇａ１０の投射回数よりも第２波長画像Ｇａ２０の投射回数を少なくして位相Φを特定する。
【００５１】
Ａ３：情報処理装置３の一例
図８は、情報処理装置３の一例を示す図である。情報処理装置３は、操作部３１と、表示部３２と、記憶部３３と、処理部３４と、を含む。
【００５２】
操作部３１は、例えば、キーボード、マウス、操作ボタン、操作キーまたはタッチパネルである。操作部３１は、利用者の入力操作を受け取る。
【００５３】
表示部３２は、ディスプレイ、例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等のＦＰＤ（Flat Panel Display）である。表示部３２は、種々の情報を表示する。
【００５４】
記憶部３３は、処理部３４が読み取り可能な記録媒体である。記憶部３３は、例えば、不揮発性メモリーと揮発性メモリーとによって構成される。不揮発性メモリーとしては、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）およびＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）が挙げられる。揮発性メモリーとしては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）が挙げられる。
【００５５】
記憶部３３は、処理部３４によって実行される制御プログラム３３１と、処理部３４が使用する各種のデータ３３２を記憶する。データ３３２は、例えば、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々の画像データを含む。
【００５６】
処理部３４は、例えば、単数または複数のプロセッサーによって構成される。一例を挙げると、処理部３４は、単数または複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）によって構成される。処理部３４の機能の一部または全部は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の回路によって構成されてもよい。処理部３４は、各種の処理を並列的または逐次的に実行する。
【００５７】
処理部３４は、記憶部３３から制御プログラム３３１を読み取り実行することによって、投射制御部３４１と、カメラ制御部３４２と、第１決定部３４３と、第２決定部３４４と、位相特定部３４５と、距離特定部３４６と、表示制御部３４７と、を含む。
【００５８】
投射制御部３４１は、投射部１を制御することによって、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々を、個別に被計測物２００へ投射させる。例えば、投射制御部３４１は、記憶部３３から第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々の画像データを読み取る。なお、投射制御部３４１は、制御プログラム３３１に従って第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々の画像データを生成してもよい。投射制御部３４１は、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々の画像データを個別に液晶ライトバルブ１２に供給することによって、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々を、個別に被計測物２００へ投射させる。
【００５９】
カメラ制御部３４２は、カメラ２を制御することによって、カメラ２に第１撮像画像データ〜第６撮像画像データを生成させる。例えば、カメラ制御部３４２は、投射部１が第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６を個別に被計測物２００に投射するごとに、撮像素子２２に被計測物２００を撮像させることによって、カメラ２に第１撮像画像データ〜第６撮像画像データを生成させる。
【００６０】
第１決定部３４３は、第１撮像画像データ〜第４撮像画像データに基づいて、第１投射画像Ｇ１が示すパターンにおける被計測物２００の計測位置への投射部分の位相の候補φを決定する。以下、第１決定部３４３が決定する候補φを「第１候補φ」と称する。第１決定部３４３は、１つの計測位置について、第１投射画像Ｇ１が示すパターンの周期の数だけ第１候補φを決定する。第１候補φは、一般的に「相対位相」とも称される。
【００６１】
第１決定部３４３は、上述の式５〜式９を用いて、撮像素子２２のセル２２ｐごとに、すなわち、被計測物２００の計測位置ごとに、第１候補φを決定する。
【００６２】
第２決定部３４４は、第１撮像画像データと、第３撮像画像データと、第５撮像画像データと、第６撮像画像データと、に基づいて、第５投射画像Ｇ５が示すパターンにおける被計測物２００の計測位置への投射部分の位相の候補θを、計測位置ごとに決定する。以下、第２決定部３４４が決定する候補を「第２候補θ」と称する。第２決定部３４４は、１つの計測位置について、第５投射画像Ｇ５が示すパターンの周期の数だけ、第２候補θを決定する。
【００６３】
第５投射画像Ｇ５が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ５が式１０によって表され、第６投射画像Ｇ６が示すパターンのＸ１方向にかけての輝度ｐ６が式１１によって表されるとする。
ｐ５＝Ａ・ｃｏｓ（ｈｘ）            ・・・式１０
ｐ６＝Ａ・ｃｏｓ（ｈｘ−（π／２）） ・・・式１１
式１０〜式１１において、Ａは、式１〜式４に示したＡと同様であり、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６の各々のパターンの輝度の振幅でもある。すなわち、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６の各々のパターンの輝度の振幅は互いに同一である。ｈは、第２所定波長λ２を定める定数である。ｘは、式１〜式４に示したｘと同様であり、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６のＸ１方向の座標を示す。
【００６４】
また、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６が個別に被計測物２００に投射されている状況において、撮像素子２２における座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐが観測する輝度値Ｉは、
Ｉ５＝｛Ａ・ｃｏｓ（θ）＋Ｇ｝×Ｒ              ・・・式１２
Ｉ６＝｛Ａ・ｃｏｓ（θ−（π／２））＋Ｇ｝×Ｒ   ・・・式１３
となる。
輝度値Ｉ５は、第５投射画像Ｇ５が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。
輝度値Ｉ６は、第６投射画像Ｇ６が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。
【００６５】
位相の候補θは、式１２〜式１３に基づいて導かれる式１４によって算出される。
θ＝ｔａｎ−１｛（Ｉ６−ＧＲ）／（Ｉ５−ＧＲ）｝・・・式１４
式１４において、不明なパラメーターはＧＲである。ＧＲは、「環境光などの光成分」と「被計測物２００の計測位置の反射率」との積であり、第２波長画像Ｇａ２０の示すパターンおよび第１波長画像Ｇａ１０の示すパターンのいずれにも無関係である。このため、第２波長画像Ｇａ２０が投射されている状況と、第１波長画像Ｇａ１０が投射されている状況とで、ＧとＲが変化しない場合、式５〜式８に示されるＧＲは、式１２〜式１４に示されるＧＲと同じ値となる。
【００６６】
そこで、第２決定部３４４は、まず、式５および式７からＧＲを算出する。具体的には、第２決定部３４４は、式５および式７に基づいて導かれる式１５を用いてＧＲを算出する。
ＧＲ＝（Ｉ１＋Ｉ３）／２  ・・・式１５
【００６７】
続いて、第２決定部３４４は、式１５から算出されるＧＲを式１４に代入することによって、第２候補θ、すなわち、位相の候補θを特定する。第２波長画像Ｇａ２０は、第２正弦波の１周期分のパターンを示すため、第２候補θの数は１つとなる。
【００６８】
位相特定部３４５は、第１投射画像Ｇ１が示すパターンのうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置に投射されている投射部分の位相Φを、第２候補θを用いて、複数の第１候補φの中から特定する。
【００６９】
例えば、位相特定部３４５は、まず、図６に例示されるように、複数の第１候補φを用いて該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４を特定する。具体的には、位相特定部３４５は、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の座標位置を特定する。
例えば、位相特定部３４５は、第１投射画像Ｇ１が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の位置と、の対応関係を示す第１対応情報を用いて、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４を特定する。第１対応情報は、例えば、記憶部３３に記憶されている。
なお、位相特定部３４５は、第１投射画像Ｇ１が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の位置と、の対応関係を示す関数を用いて、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４を特定してもよい。
また、位相特定部３４５は、第１対応情報の代わりに、第１投射画像Ｇ１が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２におけるエピポーラ線に沿う方向のＸ１−Ｙ１座標系における位置と、の対応関係を示す第１エピポーラ対応情報を用いて、第１候補φに対応したエピポーラ線に沿う方向のＸ１−Ｙ１座標系における位置を、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４として特定してもよい。エピポーラ線は、投射部１を仮想カメラとする場合に、被計測物２００とカメラ２とを結ぶ直線の仮想カメラへの投影結果を意味する。
【００７０】
続いて、位相特定部３４５は、図７に例示されるように、１つの第２候補θを用いて該当箇所Ｘ２１を特定する。具体的には、位相特定部３４５は、該当箇所Ｘ２１のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の座標位置を特定する。
例えば、位相特定部３４５は、第５投射画像Ｇ５が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の位置と、の対応関係を示す第２対応情報を用いて、該当箇所Ｘ２１を特定する。第２対応情報は、例えば、記憶部３３に記憶されている。
なお、位相特定部３４５は、第５投射画像Ｇ５が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の位置と、の対応関係を示す関数を用いて、該当箇所Ｘ２１を特定してもよい。
また、位相特定部３４５は、第２対応情報の代わりに、第５投射画像Ｇ５が示すパターンの位相と、液晶ライトバルブ１２におけるエピポーラ線に沿う方向のＸ１−Ｙ１座標系における位置と、の対応関係を示す第２エピポーラ対応情報を用いて、第２候補θに対応したエピポーラ線に沿う方向のＸ１−Ｙ１座標系における位置を、該当箇所Ｘ２１として特定してもよい。
【００７１】
続いて、位相特定部３４５は、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４のうち、該当箇所Ｘ２１に最も距離的に近い該当箇所を、位相Φに対応する該当部分として特定する。例えば、図６と図７に示すように該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４と該当箇所Ｘ２１とが特定されている場合、該当箇所Ｘ１２が、位相Φに対応する該当部分として特定される。ここで、位相Φに対応する該当部分の特定は、例えば、図６において、先頭から２番目の周期分に含まれる第１候補φを、位相Φとして特定することを意味する。
位相特定部３４５は、各計測位置について、位相Φに対応する該当部分を特定する。
【００７２】
距離特定部３４６は、計測位置ごとに、位相Φに対応する該当部分に基づいて、計測位置までの距離を算出する。例えば、距離特定部３４６は、図９に基づく三角測量を用いて、計測位置までの距離を算出する。
【００７３】
図９において、投射方向Ｄ１は、撮像方向Ｄ２と平行である。液晶ライトバルブ１２には、液晶ライトバルブ１２と投射方向Ｄ１との交点である原点ｏ１と、原点ｏ１を通りＸ１方向と平行な軸Ｘ１０が設定されている。撮像素子２２には、撮像素子２２と撮像方向Ｄ２との交点である原点ｏ２と、原点ｏ２を通りＸ１方向と平行な軸Ｘ２０が設定されている。距離Ｚは、計測位置までの距離を表す。距離ｆは、液晶ライトバルブ１２から投射光学系１３までの距離を表し、さらに、撮像素子２２から受光光学系２１までの距離を表す。距離ｆは、予め定まっている。距離ｂは、投射光学系１３と受光光学系２１との距離である。距離ｆは、予め定まっている。撮像素子２２における位置ｘｂは、計測位置を撮像しているセル２２ｐの軸Ｘ２０に基づいて定まる座標位置である。位置ｘｂは正の値となる。液晶ライトバルブ１２における位置ｘａは、位相特定部３４５が特定した該当部分の軸Ｘ１０に基づいて定まる座標位置である。位置ｘａは負の値となる。
【００７４】
距離特定部３４６は、該当部分のＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の座標位置を、軸Ｘ１０に基づいて定められる座標位置に変換することによって、位置ｘａを算出する。
距離特定部３４６は、例えば、Ｘ１−Ｙ１座標系のＸ１方向の座標位置を、軸Ｘ１０に基づいて定められる座標位置に変換する座標変換用データを用いて、位置ｘａを算出する。
また、距離特定部３４６は、計測位置を撮像しているセル２２ｐのＸ１−Ｙ１座標系におけるＸ１方向の座標位置を、軸Ｘ２０に基づいて定められる座標位置に変換することによって、位置ｘｂを算出する。
距離特定部３４６は、例えば、Ｘ１−Ｙ１座標系のＸ１方向の座標位置を、軸Ｘ２０に基づいて定められる座標位置に変換する座標変換用データを用いて、位置ｘｂを算出する。
【００７５】
続いて、距離特定部３４６は、式１６に基づいて、計測位置までの距離Ｚを算出する。
Ｚ＝（ｆ・ｂ）／（ｘｂ−ｘａ）  ・・・式１６
式１６は、図９において、三角形Ｐ１Ｐ２Ｐ３が三角形Ｐ３Ｐ６Ｐ４と相似の関係にあることから導かれる。なお、三角形Ｐ３Ｐ６Ｐ４に含まれる三角形Ｐ３Ｐ６Ｐ５は、三角形Ｐ２Ｐ７Ｐ８と合同である。
距離特定部３４６は、各計測位置について、すなわち、撮像素子２２のセル２２ｐの各々について、セル２２ｐが撮像した計測位置までの距離Ｚを算出する。距離特定部３４６の算出結果によって、被計測物２００の３次元形状が示される。
【００７６】
表示制御部３４７は、表示部３２を制御する。例えば、表示制御部３４７は、距離特定部３４６の算出結果を、表示部３２に表示させる。
【００７７】
Ａ４：動作の説明
図１０は、計測装置１００の動作を説明するためのフローチャートである。
利用者が操作部３１を操作して計測動作の開始指示を入力すると、投射制御部３４１は、第１投射画像Ｇ１の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１０１において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第１投射画像Ｇ１を被計測物２００へ投射する。
【００７８】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１０２において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第１撮像画像データを生成する。
【００７９】
続いて、投射制御部３４１は、第２投射画像Ｇ２の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１０３において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第２投射画像Ｇ２を被計測物２００へ投射する。
【００８０】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１０４において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第２撮像画像データを生成する。
【００８１】
続いて、投射制御部３４１は、第３投射画像Ｇ３の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１０５において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第３投射画像Ｇ３を被計測物２００へ投射する。
【００８２】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１０６において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第３撮像画像データを生成する。
【００８３】
続いて、投射制御部３４１は、第４投射画像Ｇ４の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１０７において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第４投射画像Ｇ４を被計測物２００へ投射する。
【００８４】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１０８において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第４撮像画像データを生成する。
【００８５】
続いて、投射制御部３４１は、第５投射画像Ｇ５の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１０９において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第５投射画像Ｇ５を被計測物２００へ投射する。
【００８６】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１１０において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第５撮像画像データを生成する。
【００８７】
続いて、投射制御部３４１は、第６投射画像Ｇ６の画像データを投射部１に供給する。続いて、ステップＳ１１１において投射部１は、投射制御部３４１から供給される画像データが示す第６投射画像Ｇ６を被計測物２００へ投射する。
【００８８】
続いて、カメラ制御部３４２は、撮像素子２２に撮像指示を供給する。続いて、ステップＳ１１２において撮像素子２２は、撮像指示に応じて被計測物２００を撮像することによって第６撮像画像データを生成する。
【００８９】
続いて、ステップＳ１１３において第１決定部３４３は、第１撮像画像データ〜第４撮像画像データに基づいて、上述の式５〜式９を用いて、撮像素子２２のセル２２ｐごとに複数の第１候補φを決定する。
【００９０】
続いて、ステップＳ１１４において第２決定部３４４は、第１撮像画像データと、第３撮像画像データと、第５撮像画像データと、第６撮像画像データと、に基づいて、上述の式１２〜式１５を用いて、撮像素子２２のセル２２ｐごとに第２候補θを決定する。
【００９１】
続いて、ステップＳ１１５において位相特定部３４５は、撮像素子２２のセル２２ｐごとに、第２候補θを用いて複数の第１候補φの中から位相Φを特定する。例えば、位相特定部３４５は、まず、上述の第１エピポーラ対応情報を用いて、複数の第１候補φから該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４を特定する。続いて、位相特定部３４５は、上述の第２エピポーラ対応情報を用いて、１つの第２候補θから該当箇所Ｘ２１を特定する。続いて、位相特定部３４５は、該当箇所Ｘ１１〜Ｘ１４のうち、該当箇所Ｘ２１に最も距離的に近い該当箇所を、位相Φに対応する該当部分として特定する。位相特定部３４５は、各計測位置について、位相Φに対応する該当部分を特定する。
【００９２】
続いて、ステップＳ１１６において距離特定部３４６は、計測位置ごとに、計測位置の該当部分に基づいて上述の式１６を用いて計測位置までの距離を算出する。
【００９３】
続いて、ステップＳ１１７において表示制御部３４７は、距離特定部３４６による距離の算出結果を表示部３２に表示させる。
【００９４】
Ａ５：第１実施形態についてのまとめ
第１実施形態によれば、投射画像の６回の投射で被計測物２００の３次元形状を計測できるため、短時間で、位相Φの特定および３次元計測を行うことが可能となる。このため、被計測物２００を照らす外光の照度が緩やかに変化する場合、および、被計測物２００が緩やかに移動する場合にも、精度の高い位相Φの特定および３次元計測を行える。また、計測時間が短いため、利用者に対して、計測に関する心的ストレスを与えることを抑制できる。
第１実施形態は、ロボティクスなどで用いられる３次元形状計測器全般に適用できる。また、第１実施形態は、投射面の３次元形状を計測し、３次元形状の計測結果に応じて投射画像を幾何学的に補正するプロジェクターにも適用できる。この場合、投射部１に、カメラ２と情報処理装置３が含まれる。
【００９５】
上述の本実施形態に係る位相決定方法および計測装置１００は以下の態様を含む。
投射部１は、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４を個別に被計測物２００へ投射する。第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４は、Ｘ１方向にかけて第１所定波長λ１の正弦波に合わせて変化する輝度のパターンを２周期分以上示す。第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４では、第１所定波長λ１の正弦波の位相が互いに異なる。
また、投射部１は、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６を個別に被計測物２００へ投射する。第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６は、Ｘ１方向にかけて第１所定波長λ１よりも長い第２所定波長λ２の正弦波に合わせて変化する輝度のパターンを示す。第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６では、第２所定波長λ２の正弦波の位相が互いに異なる。
カメラ２は、被計測物２００を撮像する。
第１決定部３４３は、被計測物２００へ第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４が個別に投射される第１状況においてカメラ２が被計測物２００を撮像することによって生成する第１撮像画像データ〜第４撮像画像データに基づいて、複数の第１候補φを決定する。
第２決定部３４４は、被計測物２００へ第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６が個別に投射される第２状況においてカメラ２が被計測物２００を撮像することによって生成する第５撮像画像データ〜第６撮像画像データと、第１投射画像Ｇ１と、第３投射画像Ｇ３と、に基づいて、１つの第２候補θを決定する。
位相特定部３４５は、第２候補θを用いて、複数の第１候補φの中から位相Φを特定する。
【００９６】
この態様によれば、第１所定波長λ１の正弦波に応じたパターンを示す画像の投射回数が、第１所定波長λ１よりも長い第２所定波長λ２の正弦波に応じたパターンを示す画像の投射回数よりも少ないので、両者の投射回数が互いに等しい場合に比べて、パターンを示す画像の投射に要する時間を短くできる。
また、第２所定波長λ２の正弦波に応じたパターンの画像の投射回数を３回よりも少なくできる。
【００９７】
第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて変化する輝度のパターンであって第２所定波長λ２の正弦波に合わせて変化するパターンを１周期分のみ示す。このため、第２候補θの数を１つにできる。よって、１つの第２候補θを用いて複数の第１候補φの中から位相Φを特定できる。
【００９８】
なお、第１実施形態では、投射部１とカメラ２とがＸ１方向に並んでいるため、各パターンにおいて輝度が変化する方向である第１方向および第２方向として、Ｘ１方向が用いられている。しかしながら、例えば、投射部１とカメラ２とがＹ１方向に並んでいる場合、第１方向および第２方向として、Ｙ１方向が用いられてもよい。また、第１方向は第２方向に沿う方向であることが望ましいが、第１方向は第２方向に沿う方向でなくてもよい。例えば、第１方向と第２方向のなす角度が５度以内でもよい。
【００９９】
Ｂ：変形例
以上に例示した実施形態の変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２個以上の態様を、相互に矛盾しない範囲において適宜に併合してもよい。
【０１００】
Ｂ１：第１変形例
第１実施形態において、第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて変化する輝度のパターンであって第１所定波長λ１よりも長く第２所定波長λ２よりも短い第３所定波長λ３の正弦波に合わせて変化するパターンを、１周期分よりも多く示してもよい。第３所定波長λ３は、第２波長の他の例である。この場合、第２候補θの数が２つ以上になる可能性がある。第２候補θの数が２つ以上になる場合、第１実施形態のように、１つの第２候補θを用いて複数の第１候補φの中から位相Φを特定することができない。
そこで、第１変形例では、被計測物２００の距離を計測可能な計測レンジが予め設定され、この計測レンジを越える距離に対応する位相のエラーレンジＥが予め設定される。第２決定部３４４は、複数の第２候補θのうちエラーレンジＥに属する第２候補θを、エラー値として判定して削除することによって、第２候補θの数を１つにする。
【０１０１】
例えば、図１１に例示されるように、第２波長画像Ｇａ２０が、第３所定波長λ３の正弦波に合わせて変化するパターンを２周期分示す場合、図１１において黒丸で示す２つの第２候補θが存在する。第２決定部３４４は、２つの第２候補θのうち、エラーレンジＥに属する第２候補θを、エラー値として判定して削除することによって、第２候補θの数を１つにする。以下、第１実施形態と同様の動作が実行される。
【０１０２】
第１変形例によれば、第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて第３所定波長λ３の正弦波に合わせて変化する輝度のパターンを１周期分よりも多く示すので、第２候補θの精度を第１実施形態よりも高くできる。
【０１０３】
Ｂ２：第２変形例
第１実施形態および第１変形例では、第１方向および第２方向として、Ｘ１方向が用いられている。しかしながら、第１方向および第２方向として、エピポーラ線に沿う方向が用いられてもよい。図１２は、第１方向として、エピポーラ線ＥＰＬに沿う方向が用いられた第１波長画像Ｇａ１０の一例を示す図である。第１決定部３４３および第２決定部３４４は、エピポーラ線ＥＰＬに沿う方向において位相の候補を探索する。
【０１０４】
第２変形例によれば、第１波長画像Ｇａ１０が、エピポーラ線ＥＰＬに沿う方向にかけて変化する輝度のパターンを示す場合、当該パターンにおいて輝度が変化する方向がエピポーラ線ＥＰＬに沿う方向と異なる構成に比べて、第１候補φを精度よく決定できる。
また、第２波長画像Ｇａ２０が、エピポーラ線ＥＰＬに沿う方向にかけて変化する輝度のパターンを示す場合、当該パターンにおいて輝度が変化する方向がエピポーラ線ＥＰＬに沿う方向と異なる構成に比べて、第２候補θを精度よく決定できる。
【０１０５】
Ｂ３：第３変形例
第１実施形態および第１〜第２変形例において、複数の第２波長画像Ｇａ２０は、互いに位相がπ／２ずれた輝度のパターンではなく、互いに位相がπずれた輝度のパターンを示してもよい。
この場合、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６が個別に被計測物２００に投射されている状況において、撮像素子２２における座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐが観測する輝度値Ｉは、
Ｉ５＝｛Ａ・ｃｏｓ（θ）＋Ｇ｝×Ｒ       ・・・式１２
Ｉ７＝｛Ａ・ｃｏｓ（θ−π）＋Ｇ｝×Ｒ   ・・・式１７
となる。
輝度値Ｉ５は、第５投射画像Ｇ５が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。
輝度値Ｉ７は、第６投射画像Ｇ６が投射されている状況において座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって観測される輝度値である。
【０１０６】
第２候補θは、式１２と式１７に基づいて導かれる式１８を用いて算出される。
ｃｏｓθ＝（Ｉ５−Ｉ７）・（Ｉ５−Ｉ７）／ｃｏｓφ・・・式１８
【０１０７】
式１８において、不明なパラメーターはｃｏｓφである。
ｃｏｓφは、上述の式９に基づいて導かれる式１９によって算出される。
【数１】
2020148646.tif 000003
式１９に示されるｃｏｓφは、１つの値ではなく、±という曖昧性を有しているため、ｃｏｓφが代入される式１８も曖昧性を有してしまう。
そこで、式１８に示すｃｏｓθが常に０以上の値をとるように、換言すると、ｃｏｓφの値のうち負の値が除かれるように、第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて第１所定波長λ１よりも長い第４所定波長λ４の正弦波に合わせて輝度が変化するパターンを０〜πまでの１／２周期分だけ示す。なお、第４所定波長λ４の正弦波は、第４所定波長λ４の余弦波をπ／２だけ位相を遅らせた余弦波にて表される。このため、式１８における位相の候補θは、−π／２〜π／２の範囲に限定される。第２決定部３４４は、式１９によって算出される値のうち、０以上の値を式１８に代入してｃｏｓθを算出し、その算出結果から第２候補θを決定する。以下、第１実施形態と同様の動作が実行される。
【０１０８】
なお、第１変形例のように、位相のエラーレンジＥが予め設定される場合、第２波長画像Ｇａ２０は、Ｘ１方向にかけて第４所定波長λ４の正弦波に合わせて変化する輝度のパターンを１／２周期分よりも多く示してもよい。この場合、第１変形例と同様に、第２決定部３４４は、複数の第２候補θのうちエラーレンジＥに属する第２候補θを、エラー値として判定して削除することによって、第２候補θの数を１つにする。
【０１０９】
第３変形例によれば、複数の第２波長画像Ｇａ２０が、互いに位相がπずれた輝度のパターンを示しても、第２候補θを求めることが可能になる。
【０１１０】
Ｂ４：第４変形例
第１実施形態および第１〜第３変形例において、投射部１は、第１投射画像Ｇ１〜第６投射画像Ｇ６に加えて、第７投射画像Ｇ７〜第１２投射画像Ｇ１２を投射してもよい。
【０１１１】
図１３は、第１投射画像Ｇ１〜第１２投射画像Ｇ１２の一例を示す図面である。図１３に例示されるように、第７投射画像Ｇ７〜第１０投射画像Ｇ１０は、パターンにおいて輝度が変化する方向がＸ１方向ではなくＹ１方向である点において、第１投射画像Ｇ１〜第４投射画像Ｇ４と異なる。第７投射画像Ｇ７が示すパターンは、第３パターンの一例である。第１所定波長λ１は、第３波長の一例でもある。
【０１１２】
また、第１１投射画像Ｇ１１〜第１２投射画像Ｇ１２は、パターンにおいて輝度が変化する方向がＸ１方向ではなくＹ１方向である点において、第５投射画像Ｇ５〜第６投射画像Ｇ６と異なる。第１１投射画像Ｇ１１が示すパターンは、第４パターンの一例である。第２所定波長λ２は、第４波長の一例でもある。
【０１１３】
Ｙ１方向は、第３方向および第４方向の一例である。第３方向は第４方向に沿う方向であることが望ましいが、第３方向は第４方向に沿う方向でなくてもよい。例えば、第３方向と第４方向のなす角度が５度以内でもよい。
第４変形例においては、投射部１とカメラ２は、Ｘ１方向に沿う方向に並んでいなくてもよい。
【０１１４】
カメラ２は、第７投射画像Ｇ７〜第１０投射画像Ｇ１０の各々が個別に被計測物２００へ投射される状況において撮像素子２２によって被計測物２００をさらに撮像する。
【０１１５】
撮像素子２２は、第７投射画像Ｇ７が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第７撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第８投射画像Ｇ８が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第８撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第９投射画像Ｇ９が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第９撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第１０投射画像Ｇ１０が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第１０撮像画像データを生成する。第７撮像画像データ〜第１０撮像画像データの各々は、第３撮像データの一例である。
【０１１６】
また、カメラ２は、第１１投射画像Ｇ１１〜第１２投射画像Ｇ１２の各々が個別に被計測物２００へ投射される状況において撮像素子２２によって被計測物２００をさらに撮像する。
【０１１７】
撮像素子２２は、第１１投射画像Ｇ１１が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第１１撮像画像データを生成する。撮像素子２２は、第１２投射画像Ｇ１２が被計測物２００へ投射される状況において被計測物２００を撮像することによって、第１２撮像画像データを生成する。第１１撮像画像データ〜第１２撮像画像データの各々は、第４撮像データの一例である。
【０１１８】
第１決定部３４３は、第７撮像画像データ〜第１０撮像画像データに基づいて、第７投射画像Ｇ７が示すパターンにおける被計測物２００の計測位置への投射部分の位相の候補φａをさらに決定する。位相の候補φａの決定手法は、第１候補φの決定手法と同様である。
【０１１９】
第２決定部３４４は、第７撮像画像データと、第９撮像画像データと、第１１撮像画像データと、第１２撮像画像データと、に基づいて、第７投射画像Ｇ７が示すパターンにおける被計測物２００の計測位置への投射部分の位相の候補θａを、計測位置ごとにさらに決定する。位相の候補θａの決定手法は、第２候補θの決定手法と同様である。
【０１２０】
位相特定部３４５は、第７投射画像Ｇ７が示すパターンのうち、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置に投射されている投射部分の位相Φａを、位相の候補θａを用いて、複数の位相の候補φａの中から特定する。位相Φａの特定手法は、位相Φの特定手法と同様である。
【０１２１】
距離特定部３４６は、位相Φａを用いて、座標（ｘ０、ｙ０）のセル２２ｐによって撮像される計測位置までの距離を特定する。距離特定部３４６は、さらに、位相Φを用いて特定した距離と、位相Φａを用いて特定した距離との平均を算出する。表示制御部３４７は、距離特定部３４６が算出した平均距離を表示部３２に表示する。
【０１２２】
なお、表示制御部３４７は、位相Φを用いて特定された距離と、位相Φａを用いて特定された距離とのうち、操作部３１の操作によって指定された距離のみを、表示部３２に表示してもよい。例えば、投射部１とカメラ２とがＸ１方向に並んで配置されている場合、利用者は、操作部３１の操作によって位相Φを用いて特定した距離を指定する。一方、投射部１とカメラ２とがＹ１方向に並んで配置されている場合、利用者は、操作部３１の操作によって位相Φａを用いて特定した距離を指定する。
【０１２３】
第４変形例によれば、投射部１とカメラ２との相対位置関係によらず、精度よく距離を特定できる。
【０１２４】
Ｂ５：第５変形例
第１実施形態および第１〜第４変形例において、光変調装置の一例として液晶ライトバルブ１２が用いられたが、光変調装置は液晶ライトバルブに限らず適宜変更可能である。例えば、光変調装置は、１枚のデジタルミラーデバイスを用いた方式等の構成であってもよい。また、液晶パネルおよびＤＭＤ以外にも、光源１１が発した光を変調可能な構成は、光変調装置として採用できる。
【符号の説明】
【０１２５】
１…投射部、２…カメラ、３…情報処理装置、１１…光源、１２…液晶ライトバルブ、１３…投射光学系、２１…受光光学系、２２…撮像素子、３１…操作部、３２…表示部、３３…記憶部、３４…処理部、１００…計測装置、２００…被計測物、３４１…投射制御部、３４２…カメラ制御部、３４３…第１決定部、３４４…第２決定部、３４５…位相特定部、３４６…距離特定部、３４７…表示制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020148646.tif 000007
【図５】
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【図６】
2020148646.tif 000009
【図７】
2020148646.tif 000010
【図８】
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【図９】
2020148646.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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