(57)【要約】      （修正有）【課題】相反する作業、つまり計測対象物に対する広範囲の計測と、計測対象物の注目領域に対する高精度な計測との両方を両立可能な三次元形状計測装置、及び計測方法を提供する。【解決手段】計測対象物５０の注目すべき領域である要求視野５２を距離データの分散値などをもとに抽出し、その要求視野をカバーできる計測視野を求める。この計測視野を満たす最適な基線長Ｂ及び撮像距離Ｈ、又は撮像距離Ｈを求め、これらに基づき視点Ｐ３、Ｐ４を決定する。また、上記要求視野の計測情報をもとに最適な移動方向を計算し、割り出された視点間を最適な移動方向で計測を行う。【選択図】図１
2010256276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物を撮像する撮像部と、
上記撮像部の移動を行う移動部と、
上記撮像部及び上記移動部に接続され、上記計測対象物を含む視野で上記計測対象物の計測を可能とする要求視野を求めかつ上記計測対象物の計測における距離分解能を最小とする上記撮像部の視点位置を決定する視点決定部と、
上記視点決定部にて決定された視点位置に従い上記移動部にて移動された上記撮像部から得られる撮像画像にて上記計測対象物の三次元計測を行う計測処理部と、
を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
上記視点決定部は、上記計測対象物と上記撮像部との間の撮像距離、及び上記撮像部の基線長の最適化、又は、上記撮像距離の最適化を行って上記距離分解能を最小とし上記撮像部の上記視点位置を決定する、請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
上記視点決定部は、
上記計測対象物の全体を収める視野にて上記計測対象物をラフに計測する全体計測部と、
上記全体計測部にて得られた初期三次元計測情報をもとに上記要求視野を求める要求視野決定部と、
求めた上記要求視野を上記撮像部による計測視野内に収める上記撮像部の位置を求める計測視野決定部と、
上記計測視野決定部にて上記要求視野を上記計測視野内に収めた状態において距離分解能を最小化する分解能決定部と、を備える、請求項１又は２記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
上記計測視野決定部は、上記要求視野の平面の法線周りにおける基線長の回転角を決定する回転角決定部を有する、請求項３記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
撮像部を移動させてステレオ計測により計測対象物の形状計測を行う三次元形状計測装置にて実行される三次元形状計測方法において、
上記計測対象物を含む視野で上記計測対象物の計測を可能とする要求視野を求めかつ上記計測対象物の計測における距離分解能を最小とする上記撮像部の視点位置を決定し、
上記決定された視点位置に従い移動された上記撮像部から得られる撮像画像にて上記計測対象物の三次元計測を行う、
ことを特徴とする三次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測視点を移動可能なステレオ計測による三次元形状計測装置、及びその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
視覚センサによるステレオ計測など、三角測量の原理に基づき物体形状を三次元計測する場合、視野及び距離分解能は、視覚センサ間の基線長や、視覚センサと計測対象物との距離によって変化する。視覚センサの視野を広くすることと距離分解能を高めることとは、トレードオフの関係にあることが一般的に知られている。即ち、視覚センサの視野を広くするためには、基線長を短くし、計測対象物からできるだけ離れて計測を行うべきであり、一方、距離分解能を高めるためには、基線長を長くし、計測対象物にできるだけ近づいて計測を行う必要がある。一般的な、基線長を固定した三次元形状計測装置では、計測対象物及び作業要求によっては、十分な視野と距離分解能（精度）との両立が困難な場合がある。
【０００３】
一方、視覚センサを能動的に動かすことで、より計測しやすくするというアクティブビジョンの考え方により、ステレオ計測の性能を高める方法が提案されている。
例えば下記の非特許文献１に開示される技術では、リニアスライダに２台のカメラを載置しカメラ間の基線長を可変とし、カメラの視野を確保するために、カメラのパン及びチルト角を可変としている。パン及びチルト角を任意の方法で決定した後、カメラ量子化誤差の影響を最小化する基線長に設定することで、視野と精度（距離分解能）との両立を試みている。
また、非特許文献１には、計測対象物の形状計測を行う上で、視点を自動で選択し、移動し計測を行う方法が提案されている。
【０００４】
下記の特許文献１では、計測対象物にスリットパターンを投影してステレオ方式で計測対象物の測定を行っている。測定におけるスリット欠損などの計測情報をもとに、計測対象物の形状が得られない再計測領域を算出し、この算出結果に基づいて計測対象物を回転させて再計測を行うことが開示されている。
【０００５】
また、下記の非特許文献２に開示される技術では、ロボットアームに搭載したレーザレンジファインダで計測が行われる。当該技術では、計測対象物を連続した面と仮定し、計測結果の不連続面を最も広く計測できる視点を選択し、計測を行う。これを複数回繰り返すことで、計測対象物の形状を取得する。
【０００６】
このような、視点を移動して三次元計測を行うという手法は、ロボットの自己位置同定と環境理解とを同時に行うＳＬＡＭといわれる手法に近似するようにも思われる。しかしながら、非特許文献２の技術では、自己位置の同定を含まず、視覚センサの位置姿勢は既知であり、生産現場でのパーツピッキングなど、環境理解などと比べ比較的高い精度を必要とするという点で、ＳＬＡＭの手法とは相違する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−４０８４１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Variable Baseline Stereo Tracking Vision System Using High-Speed Linear Slider", IEEE Proc. on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, April 2005.
【非特許文献２】「物体の形状計測におけるレンジファインダの視点選択」、 電子情報通信学会論文誌, D-II, Vol.J81-D-2, No.6(19980625), pp.1269-1277, 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ある計測対象物を計測し、その計測結果をもとに、ロボットアームでそれを把持するような作業の場合、その計測対象物がどこにあるのかを認識し、その計測対象物のどこをどのように把持するのかを決定する必要がある。計測対象物がどこにあるのかを知るためには、なるべく広い視野での計測が望ましい。一方、計測対象物のどこをどのように把持するのかを決め把持を成功させるためには、視野が狭くても高精度な計測が必要である。
【００１０】
上記非特許文献１では、計測対象物を注視するようパン、チルト角を制御し、距離分解能を高めるために、基線長を最適に設定している。しかしながら、非特許文献１の技術では、距離分解能に大きな影響を及ぼす、センサと計測対象物間の距離（以後「撮像距離」と呼ぶ）の能動的な変更や、視野及び精度をもとに視点を大きく動かすことはできない。
【００１１】
また、上記特許文献１では、計測結果の欠損情報をもとに、計測対象物を回転させることで視点を相対的に変更している。このように視点を変更して再計測を繰り返すことで、計測欠損部分を無くしていく。しかしながら特許文献１では、センサの基線長、及び撮像距離は、固定と考えていることから、視点位置を選択することにより視野及び精度を調整することに関しては着目していない。よって特許文献１の発明では、計測対象物における計測注目領域をより高精度にて計測することはできないという問題がある。
【００１２】
上記非特許文献２の技術においても、撮像距離及び基線長は、固定として視点を選択している。また、ロボットアーム上で視点を自由に変更しているものの、それに伴う精度の変化に対する議論の開示はない。
【００１３】
視点を自由に変更することは、ステレオ計測の視野及び精度に影響する撮像距離を自由に変えられることを意味する。しかしながら上述の上記非特許文献１のように、基線長を能動的に変化させる方法は存在するものの、撮像距離を能動的に変化させることで、高精度化させるという議論はされてこなかった。したがって、せっかく自由に視点を移動した場合でも、視野や精度に関するセンサの性能を十分に引き出せていなかった。
【００１４】
例えば、センサをロボットアームの手先に搭載したハンドアイシステムを利用した、ビンピッキング作業などの生産作業において、上述の課題は顕著に現れる。即ち、上記手先に搭載するセンサは、小型である必要があり基線長を長くとれない。一方、作業には高い精度が要求される。このように視野及び精度の要求が高く、それを満たす視点決定は重要な課題となる。
【００１５】
また、コネクタ付きケーブルを計測して把持するような事例の場合、柔軟で姿勢が変わりやすいケーブルの延長上にあるコネクタを発見するためには、広い視野で全体を計測しなければならない。コネクタの発見後では、可能な限り高精度にて、そのコネクタに近づいて計測し、認識して把持する必要がある。
しかしながら、従来、広範囲の計測と、注目領域の高精度な計測との両方を同一装置にて実行することはできなかった。
【００１６】
本発明は、上述したような相反する作業、つまり計測対象物に対する広範囲の計測と、計測対象物の注目領域に対する高精度な計測との両方を両立可能な三次元形状計測装置、及び計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における三次元形状計測装置は、計測対象物を撮像する撮像部と、上記撮像部の移動を行う移動部と、上記撮像部及び上記移動部に接続され上記計測対象物を含む視野で上記計測対象物の計測を可能とする要求視野を求めかつ上記計測対象物の計測における距離分解能を最小とする上記撮像部の視点位置を決定する視点決定部と、上記視点決定部にて決定された視点位置に従い上記移動部にて移動された上記撮像部から得られる撮像画像にて上記計測対象物の三次元計測を行う計測処理部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様における三次元形状計測装置によれば、視点決定部を備え、計測対象物を含む視野で上記計測対象物の計測を可能とする要求視野を求め、かつ上記計測対象物の計測における距離分解能を最小とする撮像部の視点位置を決定するようにした。よって、ステレオ計測が理論的に最も高分解能となる計測視点位置を自動的に決定して、計測対象物の計測を行うことができる。即ち、広い視野で計測対象物の全体を計測することと、計測対象物の注目領域を精密に計測することとを、一つの装置で両立することができる。したがって、従来行っていたような、広い計測表面を持つ計測対象物を何度も計測して、それを合成するなどの手間が不要となる。これにより、例えば、空中に自由姿勢で存在するコネクタ付きケーブルのような、存在範囲の広い計測対象物をラフに計測した後、計測対象物における注目領域を自動で見つけ出して高精度に再計測し、ロボットアームで把持するような作業が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における三次元形状計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す視点決定部の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】計測対象物において、再計測が必要な領域の例を示す図である。
【図３Ｂ】計測対象物において、再計測が必要な領域の例を示す図である。
【図４Ａ】計測対象物の一例としてのコネクタ付きケーブルを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すコネクタ付きケーブルからの注視位置の抽出例を説明するための図である。
【図５】図１に示す視覚センサと計測視野との関係を示す図である。
【図６】図１に示す視点決定部における計測視野の定義を説明するための図である。
【図７】図６に示す計測視野が要求視野平面を満たすための幾何関係（水平）を示す図である。
【図８】図６に示す計測視野が要求視野平面を満たすための幾何関係（垂直）を示す図である。
【図９】図１に示す視点決定部にて求められる距離分解能の定義を説明するための図である。
【図１０】撮像距離と基線長と距離分解能との関係を示す図である。
【図１１】図１０に示す関係に拘束条件が加わった状態の図である。
【図１２】図１０に示す関係に別の拘束条件が加わった状態の図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における三次元形状計測装置の構成を示す図である。
【図１４】図１に示す三次元形状計測装置にて実行される三次元形状計測方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態である三次元形状計測装置、及び該三次元形状計測装置にて実行されるステレオ計測による三次元形状計測方法について、図を参照しながら以下に説明する。上記ステレオ計測は、ある視点から別の視点へ視覚センサを移動させ、その２点でそれぞれ撮影した各画像を利用して行われる。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００２１】
実施の形態１．
図１には、本発明の実施形態１における三次元形状計測装置１０１の概略構成が示されている。本実施形態１の三次元形状計測装置１０１は、基本的構成として、視覚センサ１０と、視点決定部２０と、ロボット３０と、計測処理部４０とを備える。本実施形態１では、単眼の視覚センサ１０つまり一つの視覚センサ１０がロボット３０に固定されており、視覚センサ１０はロボット３０により移動され、各視点位置にて計測対象物５０を撮像する。このように本実施形態では、視覚センサ１０は、計測対象物５０を撮像する撮像部の一例に相当し、ロボット３０が移動部の一例に相当する。
【００２２】
上記視点決定部２０は、視覚センサ１０及びロボット３０と接続され、上記計測対象物と視覚センサ１０との間の撮像距離Ｈ、及び視覚センサ１０の配置間隔に相当する基線長Ｂを最適化して視覚センサ１０の視点位置Ｐ３，Ｐ４を決定する部分である。ここで、上記撮像距離Ｈは、上記計測対象物５０を含む視野で計測対象物５０の計測を可能とする要求視野を確保しかつ計測対象物５０における距離分解能を最小とするような距離である。よって、撮像距離Ｈの上記最適化とは、上記距離分解能を最小にすることに相当する。又、視点位置Ｐ３，Ｐ４の配置間隔、及び視点位置Ｐ１，Ｐ２の配置間隔が基線長Ｂに相当する。尚、本実施形態では、視点位置Ｐ１，Ｐ２の配置間隔は、予め設定されており最適化の対象外としている。
【００２３】
また、視点決定部２０は、本実施形態ではコンピュータにて構成され、機能として図２に示すように、全体計測部２２と、要求視野決定部２３と、計測視野決定部２４Ａと、分解能決定部２４Ｂとの各構成部分を有する。尚、計測視野決定部２４Ａと分解能決定部２４Ｂとを総称して視点最適化部２４とする。これらの構成部分２２〜２４の概略を以下に説明し、詳しくは後述の三次元形状計測方法の説明部分にて説明する。
【００２４】
上記全体計測部２２は、計測対象物５０の全体が収まる程度に十分に広い視野にて計測対象物５０のラフな形状計測を実行する部分である。
上記要求視野決定部２３は、全体計測部２２にて得られたラフな計測情報（以下、初期三次元計測情報という）を元に上記要求視野の平面５２を求める部分である。この要求視野平面５２は、視野の中心位置Ｇ、及び該視野の縦長さ及び横長さに相当するＬＨ、ＬＷの各パラメータ、並びに、上記視野の視野座標系（ｌ、ｍ、ｎ）から構成される。要求視野決定部２３は、上記初期三次元計測情報から得られる距離画像を元に上記パラメータを求めて、上記要求視野平面５２を求める。求め方の具体的方法は、後述の三次元形状計測方法の説明部分にて述べる。
【００２５】
上記計測視野決定部２４Ａは、要求視野決定部２３にて求めた上記要求視野を視覚センサ１０による計測視野内に収めるための視覚センサ１０の移動方向を求める部分である。また、本実施形態では、計測視野決定部２４Ａは、機能として、上記要求視野平面５２の法線周りにおける基線長Ｂの回転角ψを決定する回転角決定部２４Ａ−１を有している。その詳細は後述の三次元形状計測方法の説明部分にて述べる。このように基線長の回転角ψを決定することで、ステレオ計測の対応付けの性能を高め、誤差の少ない安定した計測を実現することができる。尚、回転角決定部２４Ａ−１は、必須の構成部分ではない。
上記分解能決定部２４Ｂは、上記要求視野を上記計測視野内に収めた状態において上記距離分解能を最小化する部分である。
【００２６】
上記計測処理部４０は、視点決定部２０にて決定された視点位置に従いロボット３０にて移動された視覚センサ１０から得られる撮像画像にて計測対象物５０の三次元計測を行う部分である。尚、本実施形態では図１に示すように、視点決定部２０及び計測処理部４０は、別々に構成した場合を示すが、統合して例えば一つのコンピュータにて構成してもよい。
【００２７】
以上のように構成される本実施形態の三次元形状計測装置１０１における動作、つまり三次元形状計測装置１０１にて実行される三次元形状計測方法について、図１４も参照して以下に説明する。
まず、図１に示すように視点決定部２０、詳しくは全体計測部２２の制御にて、ロボット３０は、視覚センサ１０を視点位置Ｐ１に配置し、その後、視点位置Ｐ１とは異なる別の視点位置Ｐ２へ配置する。そして視点位置Ｐ１、Ｐ２のそれぞれにて、視覚センサ１０は、計測対象物５０の全体が収まる程度に十分に広い視野にて計測対象物５０の撮像を行い、全体計測部２２は、計測対象物５０のラフな形状計測を行う（図１４のステップＳ１）。
【００２８】
次に、視点決定部２０の要求視野決定部２３は、上記ラフな形状計測の結果情報である上記初期三次元計測情報から得られる距離画像を元に、上述のように視野の視野座標系（ｌ、ｍ、ｎ）、視野の中心位置Ｇ、及び該視野の縦長さ及び横長さに相当するＬＨ、ＬＷの各パラメータを求め、要求視野平面５２を求める（図１４のステップＳ２）。以下にその求め方を具体的に説明する。
【００２９】
まず、計測対象物５０における局所領域内において距離値の分散をとる。即ち、ステレオ計測の場合、図３Ａに示すように、計測方向６１に対して計測面６３の勾配がきつくエッジになる領域６３ａの計測には誤差、つまり計測点６２のバラツキが大きく発生し易い。そのため、距離値の分散が大きくなりやすい。また、表面形状が複雑な場合も、分散値は高くなりやすい。どちらも、より精密な再計測の必要性が高いため、この分散値の高い領域を割り出す。その領域内の計測点６２に対してハフ変換による直線割り当てや、最小二乗による直線当てはめなどを施し、得られた直線６４に対する法線方向ｎを定める（図３Ｂ）。要求視野平面５２の範囲は、その分散値をもとに決める。もしくは、事前に計測対象物５０の大きさをもとに決めておく。
【００３０】
即ち、計測対象物５０の形状が事前に分かっている場合には、要求視野平面５２は、計測対象物５０の形状をもとに決定することができる。例えば、計測対象物５０が図４Ａに示すようなコネクタ６６を有するケーブル６５であり、これを把持する場合には、まずケーブル６５を含む全体をラフに計測した後、コネクタ６６を精密に計測するという作業要求が決まっている。よって図４Ａに示すように、ケーブル６５とコネクタ６６との両方をラフに計測し、次に、図４Ｂに示すように、その計測点群６７の末端に位置する点をコネクタ６６の推定位置６８とする。その推定位置６８の近傍の計測点６７についてハフ変換や最小二乗法にて直線を得て、該直線に対する法線ベクトルｎを求める。これにより、コネクタ６６の大きさに従って、要求視野平面５２を計算することができる。また、ケーブル６５が複数本存在し、末端が分かりづらい場合には、計測点群６７をクラスタリング処理するなどして、複数ケーブルに分離すればよい。
【００３１】
このように、要求視野平面５２は、計測対象物５０や作業要求に応じて、事前に決定することができる。計測対象物５０を置くスペースが決まっているのであれば、上記スペースの範囲をもとに事前に要求視野平面５２を決定しておいても良い。
【００３２】
次に、上述のようにして要求視野平面５２を決定した後、視点決定部２０の視点最適化部２４は、図５から図９に示すように、上述の視点位置Ｐ１、Ｐ２から視点位置Ｐ３、Ｐ４へ視覚センサ１０を移動して、要求視野平面５２を計測視野５３内に収めるような視点位置Ｐ３、Ｐ４を決定する（図１４のステップＳ３、Ｓ４）。各視点位置Ｐ３、Ｐ４は、基線長Ｂ、撮像距離Ｈ、及び、要求視野平面５２の法線周りの回転角ψにより決定される。ここで、基線長Ｂは、視点位置Ｐ３と視点位置Ｐ４との間の距離である。
以下には、計測視野決定部２４Ａが実行する、要求視野平面５２を計測視野５３内に収める方法について具体的に説明する。
【００３３】
まず、回転角決定部２４Ａ−１にて上記回転角ψを決定する。回転角ψは０度としても計測可能である。つまり回転角ψを考慮しなくても計測可能である。しかしながら、上記初期三次元計測による距離画像において、エッジ方向などをもとに回転を加えることで、安定した形状計測が可能となる。例えば、図４Ａに示すコネクタ付きケーブル６５の接線方向と基線長Ｂの接線ベクトルが同じ方向の場合、対応付け処理の際、対応付けを定めることが困難な開口問題に陥りやすく計測が困難となる。一方、基線長Ｂの接線ベクトルがｎ×ｌ方向と一致する場合、対応付け処理は比較的容易であり、計測誤差が抑えられる。よって、回転角ψにより、基線長Ｂの接線ベクトルがｎ×ｌ方向と一致するように調整することで、隠れや開口問題などへ対処する。このとき、図６に示すように計測視野５３を定義し、要求視野平面５２との関係で下記式（１）が成り立つ。
【００３４】
【数１】
2010256276.tif 000003
【００３５】
上記計測視野５３を満たす基線長Ｂ及び撮像距離Ｈの条件を求める。ここで要求視野平面５２と画像平面５１とは平行である。また、撮像距離Ｈは、両視点位置Ｐ３、Ｐ４間の中心を通る直線で、基線長Ｂを等分する直線であると定義する。また、図７に示すように視覚センサ１０の水平視野角をθ、図８に示すように垂直視野角をφとする。これにより図７及び図８に示す幾何関係が生じる。
【００３６】
図７の幾何関係から得られる下記式の条件、
【００３７】
【数２】
2010256276.tif 000004
【００３８】
さらに、図８の幾何関係から得られる下記式の条件
【００３９】
【数３】
2010256276.tif 000005
【００４０】
の両条件が成り立てば、計測視野５３内に要求視野平面５２が収まることになる。基線長Ｂ及び撮像距離Ｈについて整理しまとめると、下記式（４）が計測視野５３を満たすための条件となる。
【００４１】
【数４】
2010256276.tif 000006
【００４２】
ここで、θ、φの値は、用いる視覚センサ１０にて決まる値であるため任意定数であり、ｔａｎθ、ｔａｎφも任意定数である。
このように計測視野決定部２４Ａは、上記式（４）を格納する。
【００４３】
以上のように計測視野５３内に要求視野平面５２を収めるようにした上で、次に、分解能決定部２４Ｂにて、基線長Ｂ及び撮像距離Ｈにより変化する奥行き方向の分解能である距離分解能Ｒを最小化する。この距離分解能Ｒの最小化については、図９に示すように考える。
ここで１画素の大きさをα  ｍｍとする。この値も用いる視覚センサ１０により固有であり、任意定数となる。撮像距離Ｈの高さにある点を２枚の画像上で合計１画素ずれて計測したときに生じる奥行き方向の誤差分をＲとする。
【００４４】
このとき、三角形の相似関係より、下記式（５）となる。
【００４５】
【数５】
2010256276.tif 000007
【００４６】
よって、
【００４７】
【数６】
2010256276.tif 000008
【００４８】
同様に、三角形の相似関係より、下記式（７）となる。
【００４９】
【数７】
2010256276.tif 000009
【００５０】
これより、
【００５１】
【数８】
2010256276.tif 000010
【００５２】
上記式（６）を代入して、下記式（９）が得られる。
【００５３】
【数９】
2010256276.tif 000011
【００５４】
計測視野５３を確保しつつ、可能な限り高い距離分解能Ｒを得るには、上記式（４）の条件下で、距離分解能Ｒを最小化することにほかならない。最適な基線長と撮像距離をそれぞれＢ＊、Ｈ＊にて表すと、下記式（１０）となる。
【００５５】
【数１０】
2010256276.tif 000012
【００５６】
この式（１０）を、式（４）の条件下で解く。これは、２変数の条件付非線形最適化問題であり、一般的解法で解ける。
このように分解能決定部２４Ｂは、上記式（１０）を格納し、解を求める。よって、視点最適化部２４は、上記式（４）及び式（１０）によって、最適な基線長Ｂ＊と撮像距離Ｈ＊を求める。
【００５７】
図１０は、上記式（９）の距離分解能Ｒ、基線長Ｂ、撮像距離Ｈの関係をグラフ表示したものである。パラメータ値は、ｆ＝６ｍｍ、α＝７．４×１０−３  ｍｍである。撮像距離Ｈが大きく、基線長Ｂが小さくなるにつれて距離分解能Ｒが大きくなっていく。
また、図１０から、基線長Ｂのみを調節しても、撮像距離Ｈにより距離分解能Ｒが大きく変化することがわかる。
【００５８】
また、図１１は、Ｌ’Ｗ＝Ｌ’Ｈ＝５０ｍｍ、θ＝４３．３６°、φ＝３３．２４°として図１０に示す結果に条件式（４）の結果を加えたものである。これは、精密計測時、つまり計測対象物５０における要求視野平面５２を計測する場合を想定している。この場合、距離分解能Ｒが最小になる最適値は、表示されているグラフ内では、撮像距離Ｈ＝３００ｍｍ、基線長Ｂ＝１６５ｍｍとなった。この場合、可能な限り撮像距離Ｈを短くすればよいという、基線長Ｂではなく撮像距離Ｈの調節が優先する結果となった。
【００５９】
また、図１２は、Ｌ’Ｗ＝Ｌ’Ｈ＝２００ｍｍ、θ＝４３．３６°、φ＝３３．２４°として図１０に示す結果に条件式（４）の結果を加えたものである。これは、全体計測時、つまり計測対象物５０の全体をラフに計測する場合を想定している。この場合、距離分解能Ｒが最小になる最適値は、Ｈ＊＝５６０ｍｍ、Ｂ＊＝２４５ｍｍである。単純に撮像距離Ｈを短く、もしくは、基線長Ｂを長く取るのではなく、これら双方のバランスをとった最適値が一意に決まった。このとき、Ｒ＝０．４４９３ｍｍとなった。
【００６０】
以上説明したように視点決定部２０の視点最適化部２４が基線長Ｂ及び撮像距離Ｈを最適化することで、視点位置Ｐ３、Ｐ４が決定される（図１４のステップＳ４）。
決定された視点位置Ｐ３、Ｐ４にて視覚センサ１０がステレオ計測した画像を元に、計測処理部４０が要求視野平面５２において計測対象物５０の精密形状計測を行う（図１４のステップＳ５）。
【００６１】
以上説明したように本実施形態の三次元形状計測装置１０１では、計測対象物５０の周囲で自由に視点位置を変更できるような視覚センサ１０によるステレオ計測において、計測対象物５０の初期三次元計測情報を元に、あるいは事前に得られる計測対象物５０の情報を元に、計測対象物５０の注目する領域と法線方向とを決定し、それに基づき要求視野平面５２を定義する。次に、上記要求視野平面５２を満たし、かつ、距離分解能Ｒが最良となるように、撮像距離Ｈと、基線長Ｂとの両方のパラメータを、三角測量ベースの理論式に基づき最適化を行う。また、計測時にステレオ対応付けが容易で、隠れが生じにくい移動方向を選択することで、計測性能を高める。それらに基づき視点位置を自動で決定し、その視点位置に視覚センサ１０を移動して高精度にて注目領域を再計測する。
【００６２】
よって、本実施形態の三次元形状計測装置１０１によれば、従来、手動で定めた視点位置における複数回の精密計測の繰り返しが必要な作業について、計測対象物５０の全体計測と、自動決定された視点位置での精密計測の２ステップに置き換えることができる。つまり、ステレオ計測が理論的に最も高分解能となる計測視点位置を自動的に決定して、計測対象物５０の計測を行うことができる。即ち、広い視野での計測対象物５０の全体を計測することと、計測対象物５０の注目領域を精密に計測することとを、一つの装置で両立することができる。したがって、広い計測表面を持つ計測対象物を何度も計測して、それを合成するなどの手間が不要となる。また、移動方向を計測対象物の見え方に基づき決定するので、隠れや未計測領域を計測しやすいという利点もある。
【００６３】
実施の形態２．
図１３には、本発明の実施形態２における三次元形状計測装置１０２を示している。上述した実施の形態１における三次元形状計測装置１０１では、単一の視覚センサ１０が視点位置Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれに配置されて撮像を行う構成である。これに対し本実施形態２の三次元形状計測装置１０２では、基線長Ｂが固定された、つまり一定の基線長に設置された２台の撮像部（ステレオセンサ）１１ａ，１１ｂを有する視覚センサ１１をロボット３０に固定している。上述のように実施形態１では単一の視覚センサ１０を用いるため、撮像距離Ｈ及び基線長Ｂの両方のパラメータの最適化を行ったが、本実施形態２におけるステレオセンサの場合には、上述のように基線長Ｂは固定で定数となるため、以下に説明するように撮像距離Ｈのみを最適化することになる。また、視覚センサ１１は、受動型、能動型どちらでもよい。また、三次元形状計測装置１０２におけるその他の構成は、実施の形態１における三次元形状計測装置１０１の構成に同じである。
【００６４】
このように構成される本実施形態２の三次元形状計測装置１０２は、以下のように動作する。
まず、視点位置Ｐ１でのラフな計測結果をもとに、実施形態１の場合と同様にして要求視野平面５２を求める。そして求めた要求視野平面５２をもとに計測視野５３を決定して、視点位置Ｐ２を決定する。
即ち、実施形態１と同様に計測視野５３を満たすための条件は、下記の式（１１）となる。
【００６５】
【数１１】
2010256276.tif 000013
【００６６】
ここで、ｍａｘ（ａ，ｂ）とは、ａ、ｂのうち大きな値を選ぶことを意味する。
【００６７】
距離分解能Ｒは、上記式（９）と同様である。したがって、最適な撮像距離Ｈ＊は、下記の式（１２）となる。
【００６８】
【数１２】
2010256276.tif 000014
ここで、Ｂは定数。
【００６９】
式（１１）の条件下で上記式（１２）を解く。これは、１変数の条件付非線形最適化問題に相当する。よって、上記式（１２）を解くことによる撮像距離の最適化により、視野及び精度（距離分解能）が調節される。
【００７０】
視覚センサ１１における片方のセンサがレーザなどの能動型ステレオセンサの場合、画角に当たる部分が照射角となる。上記式（１２）は、厳密には再定義が必要であるが、実際には、最適値Ｈ＊は、式（１２）のままでも同様に求めることができる。
【００７１】
このように実施形態２における三次元形状計測装置１０２においても、上述の実施形態１における三次元形状計測装置１０１が奏する効果と同じ効果、つまり広い視野で計測対象物の全体を計測することと、計測対象物の注目領域を精密に計測することとを、一つの装置で両立することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１１  視覚センサ、２０  視点決定部、２２  全体計測部、
２３  要求視野決定部、２４  視点最適化部、２４Ａ  計測視野決定部、
２４Ａ−１  回転角決定部、２４Ｂ  分解能決定部、３０  ロボット、
４０  計測処理部、５０  計測対象物、５２  要求視野平面、５３  計測視野、
１０１，１０２  三次元形状計測装置。
【図１】
2010256276.tif 000015
【図２】
2010256276.tif 000016
【図３Ａ】
2010256276.tif 000017
【図３Ｂ】
2010256276.tif 000018
【図４Ｂ】
2010256276.tif 000019
【図６】
2010256276.tif 000020
【図７】
2010256276.tif 000021
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010256276.tif 000024
【図１１】
2010256276.tif 000025
【図１２】
2010256276.tif 000026
【図１３】
2010256276.tif 000027
【図１４】
2010256276.tif 000028
【図４Ａ】
2010256276.tif 000029
【図５】
2010256276.tif 000030