(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
明部と暗部とを有する第一のパターンと、当該第一のパターンよりも明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンと共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターン光が投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有すること
を特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記第二のパターンおよび前記第三のパターンの明部の幅と暗部の幅は、前記投影手段で投影可能な最小の幅であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記第一のパターンは複数の明部と暗部とを有し、当該複数の明部と暗部それぞれの幅は、同一であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第一のパターンは、グレイコードパターンによるパターンであることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の計測装置。
【請求項５】
前記第一のパターンは、２進符号化パターンによるパターンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の計測装置。
【請求項６】
前記第一のパターンは、パターン間でそれぞれ明部と暗部の幅のうち、少なくともいずれか一方の幅が異なる複数のパターンであり、
前記投影制御手段は、前記被写体に対して、前記複数のパターンを前記第一のパターンとして前記投影手段にそれぞれ投影させ、
前記取得手段は、前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の撮像画像を前記第一の撮像画像としてそれぞれ取得し、
前記導出手段は、前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像それぞれの明部と暗部との境界位置を導出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の計測装置。
【請求項７】
前記導出手段は、前記第一の撮像画像における輝度上限値と輝度下限値とを設定し、前記境界位置を、前記輝度上限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線との交点位置と、前記輝度下限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線と交点位置との間から取得することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の計測装置。
【請求項８】
前記導出手段は、前記輝度上限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線との交点位置と、前記輝度下限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線と交点位置との間の中間位置を算出し、当該中間位置と前記第二の撮像画像の輝度値の変化を示す線と前記第三の撮像画像の輝度値の変化を示す線とに基づき、前記境界位置を導出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の計測装置。
【請求項９】
前記導出手段は、前記第二の撮像画像の輝度値の変化を示す線と前記第三の撮像画像の輝度値の変化を示す線の交点を、前記境界位置として導出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１０】
前記投影制御手段は、更に、明部のみを有する第四のパターンを、前記被写体に対して投影手段に投影させ、
前記取得手段は、当該第四のパターンが投影された前記被写体の第四の撮像画像と、前記投影手段によりパターンが投影されていない前記被写体の第五の撮像画像とを取得し、
前記導出手段は、前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像と前記第四の撮像画像と前記第五の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有すること
を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記導出手段は、前記第四の撮像画像の輝度値の平均値を輝度上限値として取得し、前記第五の撮像画像の輝度値の平均値を輝度下限値として取得し、前記境界位置を、前記輝度上限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線との交点位置と、前記輝度下限値と前記第一の撮影画像の輝度値の変化を示す線と交点位置との間から取得することを特徴とする請求項１０に記載の計測装置。
【請求項１２】
前記第一のパターンは、それぞれのパターン間で明部と暗部の幅が異なる複数のパターンのうちのひとつのパターンであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の情報処理装置。
【請求項１３】
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、前記複数のパターンのうち、明部と暗部のうち少なくともいずれか一方の幅が最も小さい第一のパターンの明部と暗部とが反転した第二のパターンと、前記第二のパターンを所定の周期分シフトさせて明部の幅と暗部の幅とを同じ幅にした第三のパターンと、該第三のパターンの明部と暗部とが反転した第四のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像と、前記第四のパターンが投影された前記被写体の第四の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像に基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一のパターンが投影された前記被者体の第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出し、前記第三の撮像画像と前記第四の撮像画像とに基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一の撮像画像以外の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置。
【請求項１４】
前記第三のパターンは、前記第二のパターンを１／４＋Ｎ周期分水平方向にずらし、明部の幅と暗部の幅を同一にしたパターンであることを特徴とする請求項１３に記載の計測装置。
【請求項１５】
更に、前記導出手段により導出された境界位置と前記投影手段と前記取得手段との位置関係に基づいて、前記被写体までの距離を計測する距離計測手段を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１６】
明部と暗部とを有する第一のパターンと、該第一のパターンよりも、明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンの明部と暗部との境界位置と共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記第一の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置。
【請求項１７】
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、該複数のパターンそれぞれの有する明部と暗部の幅のうち、最も小さい幅と同一の幅の明部と暗部とを有する第二のパターンと、該第二のパターンについてのみ明部と暗部とを反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記複数の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置。
【請求項１８】
前記複数のパターンは、グレイコードパターンによるパターンであることを特徴とする請求項１７に記載の計測装置。
【請求項１９】
投影制御手段が、明部と暗部とを有する第一のパターンと、当該第一のパターンよりも明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンと共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御工程と、
取得手段が、前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得工程と、
算出手段が、前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出工程と
を有することを特徴とする計測方法。
【請求項２０】
コンピュータを、
明部と暗部とを有する第一のパターンと、当該第一のパターンよりも明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンと共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置として機能させるためのコンピュータプログラム。
【請求項２１】
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、前記複数のパターンのうち、明部と暗部のうち、少なくともいずれか一方の幅が最も小さい第一のパターンの明部と暗部とが反転した第二のパターンと、前記第二のパターンを所定の周期分シフトさせて明部の幅と暗部の幅とを同じ幅にした第三のパターンと、該第三のパターンの明部と暗部とが反転した第四のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御工程と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像と、前記第四のパターンが投影された前記被写体の第四の撮像画像とを取得する取得工程と、
前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像に基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一のパターンが投影された前記被者体の第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出し、前記第三の撮像画像と前記第四の撮像画像とに基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一の撮像画像以外の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出工程とを有することを特徴とする計測方法。
【請求項２２】
明部と暗部とを有する第一のパターンと、該第一のパターンよりも、明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンの明部と暗部との境界位置と共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御工程と、
前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得工程と、
前記第一の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測方法。
【請求項２３】
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、該複数のパターンそれぞれの有する明部と暗部の幅のうち、最も小さい幅と同一の幅の明部と暗部とを有する第二のパターンと、該第二のパターンについてのみ明部と暗部とを反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御工程と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された第三の撮像画像とを取得する取得工程と、
前記複数の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出工程とを有することを特徴とする計測方法。
【請求項２４】
コンピュータを、
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、前記複数のパターンのうち、明部と暗部のうち、少なくともいずれか一方の幅が最も小さい第一のパターンの明部と暗部とが反転した第二のパターンと、前記第二のパターンを所定の周期分シフトさせて明部の幅と暗部の幅とを同じ幅にした第三のパターンと、該第三のパターンの明部と暗部とが反転した第四のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像と、前記第四のパターンが投影された前記被写体の第四の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像に基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一のパターンが投影された前記被者体の第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出し、前記第三の撮像画像と前記第四の撮像画像とに基づき、前記複数の撮像画像のうち、前記第一の撮像画像以外の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置として機能させるためのコンピュータプログラム。
【請求項２５】
コンピュータを、
明部と暗部とを有する第一のパターンと、該第一のパターンよりも、明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンの明部と暗部との境界位置と共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記第一の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置として機能させるためのコンピュータプログラム。
【請求項２６】
コンピュータを、
明部と暗部とを有し、該明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方がパターン間で異なる複数のパターンと、該複数のパターンそれぞれの有する明部と暗部の幅のうち、最も小さい幅と同一の幅の明部と暗部とを有する第二のパターンと、該第二のパターンについてのみ明部と暗部とを反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、
前記複数のパターンがそれぞれ投影された前記被写体の複数の撮像画像と、前記第二のパターンが投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された第三の撮像画像とを取得する取得手段と、
前記複数の撮像画像と前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記被写体の三次元形状を導出する導出手段とを有することを特徴とする計測装置として機能させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、明部と暗部とを有するパターン光を投影された被写体の撮像画像に基づき、計測を行う計測装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体にパターン光を複数回投影して、パターン光が投影された被写体を撮像することで、パターンの変形から三角測量の原理を用いて形状測定を行うパターン投影法が知られている。その中で、明部と暗部が任意の幅で交互に配置された縞パターン光を投影して、空間を２進符号化する空間符号化法は三次元計測でよく用いられている。
【０００３】
図１３は、空間符号化法を用いた被写体の形状測定装置の構成および計測方法の概念を示した図である。形状測定装置の構成は、一般的に、測定物体にパターンを照射するプロジェクター１３０、反射パターンを撮像するカメラ１３１などから構成される。
【０００４】
プロジェクター１３０は、被写体１３２に向けて、明部と暗部が任意の幅で交互に配置
された縞パターン光を投射する。縞パターン光は予め決められた複数のパターン形状があり、被写体１３２にそれぞれ投影される。投影後、複数のパターン形状それぞれが投影された被写体１３２を撮像して、画像データを取得する。
【０００５】
図１３では、被写体１３２の明部と暗部の境界位置を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）としている。また、境界位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とプロジェクター１３０、カメラ１３１を結んだ時のプロジェクター１３０の光線位置を（Ｘ１，Ｙ１）、カメラ１３１の光線位置を（Ｘ２，Ｙ２）としている。カメラ１３１の光線位置（Ｘ２，Ｙ２）はカメラ１３１の撮像センサ（ＣＣＤやＣＭＯＳなど）の水平座標によって求めることができる。水平座標とは撮像センサの水平幅と垂直幅によって決まり、例えば６４０×４８０の撮像センサであれば、水平方向のｘ座標は０から６４０、垂直方向のｙ座標は０から４８０の値を有する。プロジェクター１３０の光線位置（Ｘ１，Ｙ１）も同様に投光センサ（ＣＣＤやＣＭＯＳなど）の水平座標によって求まる。また、プロジェクター１３０とカメラ１３１間のＬは基線長となり、装置の構成条件から定められる。これらのパラメータから三角測量の原理によって被写体１３２の境界位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。被写体１３２全面に対してそれぞれの境界位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることで、被写体１３２の三次元形状を測定することができる。
【０００６】
次に、計測に用いる縞パターン光の形状について説明する。
図１４では、明部と暗部が同一の幅で交互に配置する２進符号化の縞パターン光を示している。反射パターンで黒く観察される部分は０、白く観察される部分は１に対応する。
図１４（ａ）では全体を２分割し、２つの領域で１，０と符号化する。図１４（ｂ）では２分割の領域の幅を各々半分にして、４つの領域を１、０、１、０と符号化し、対応する縞パターン光を照射および撮像する。さらに図１４（ｃ）では４分割の領域の幅を各々半分にして、８つの領域を１、０、１、０、１，０，１，０と符号化し、対応する縞パターン光を照射および撮像する。こうして各領域に符号化された領域番号が付与されるので、各領域を判断することができる。
【０００７】
図１４では各領域は（１，１，１）、（１，１，０）、（１，０，１）、（１，０，０）、（０，１，１）、（０，１，０）、（０，０，１）、（０，０，０）として判断できる。これは、３ｂｉｔで空間符号化を行うと呼ばれる。
【０００８】
更に、詳細な形状測定を行う場合には、領域を次々に１／２に縮小しながらｎ枚の縞パターン光を照射し、プロジェクターの照射領域を２＾ｎ（２のｎ乗。＾はべき乗を意味する）に分割した領域番号を付与することにより、各領域を判断できる。一般的な三次元計測において８ｂｉｔもしくは９ｂｉｔの符号化が行われている。
【０００９】
また、図１４（ｃ）は明部と暗部の幅が最小となり、この縞パターン光をＬＳＢパターン光と呼び、明部もしくは暗部の幅を最小幅と呼ぶ。最小幅の大きさは撮像センサの水平幅Ｗとｂｉｔ数で求めることができ、Ｎｂｉｔで空間符号化では、最小幅＝Ｗ÷（２＾ｎ）となる。
【００１０】
空間符号化法には、図１４の単純な２進符号化ではなく、符号化誤り耐性のあるグレイコードと呼ばれる２進符号が用いられることもある。図１５はグレイコードを示す。図１５（ａ）では２領域で１、０と符号化し、図１５（ｂ）では４領域に分けた場合は１、０、０、１と符号化し、図１５（ｃ）では８領域では１、０、０、１、１、０、０、１と符号化する。グレイコードでも最小幅の考え方は上記同様で、最小幅＝Ｗ÷（２＾ｎ）で求まる。
【００１１】
グレイコードを用いることで、空間符号パターンのずれやぼけなどで領域境界に符号化に誤りが発生しても、隣接領域と判断されるだけで、大域的な符号化誤りを生じない。一般的に空間符号化法ではグレイコードが用いられている。
空間符号化法の三次元計測で精度を向上させるには、撮像した画像データから明部と暗部の境界の水平ｘ座標位置（以後、境界位置と呼ぶ）を正確に決定する必要がある。
図１６は、明部と暗部の境界位置を説明するための図である。図１６は撮像した画像データの輝度と水平座標ｘとのグラフである。図１６（ａ）は理想的な境界位置を示す。図１６（ａ）では明部と暗部の境界位置が一意に決まり、位置ａおよび位置ｂが境界位置と決定できる。しかし実際の計測では、縞パターン光のボケ、被写体の反射率、外光の影響などにより、図１６（ｂ）のように境界近傍はなだらかな直線を形成し、境界位置を一意に決めることが困難である。
非特許文献１、非特許文献２には、上記境界位置を求めるための手法が開示されている。
【００１２】
図１７は、上記境界位置を求めるための手法の一つである平均画像比較法を説明するための図である。
図１７（ａ）は、投影する縞パターン光を示している。縞パターン光２０は３ｂｉｔのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光である。パターン光として、明部のみの全照明パターン２３、暗部のみの全消灯パターン２４を用意する。これら５枚の縞パターン光を被写体に投影し、縞パターン光が投影された被写体を撮像する。図１７（ｂ）は撮像した画像データの輝度と水平座標ｘとのグラフである。輝度線１７３はいずれかの縞パターン光２０で撮像した画像データの境界位置近傍での輝度線である。輝度線１７４は全照明パターン２３で撮像した画像データの輝度線、輝度線１７５は全消灯パターン２４で撮像した画像データの輝度線である。輝度線１７４と輝度線１７５の平均値をもとめ、それを輝度線１７６とする。縞パターン光２０の輝度線１７３と平均値の輝度線１７６は位置ａで交わる。以上の処理により求められた位置ａを境界位置とする。以上が平均画像比較法である。
【００１３】
図１８は、上記境界位置を求めるための手法の一つである相補パターン投影法を説明するための図である。図１８（ａ）は投影する縞パターン光を示している。縞パターン光２０は３ｂｉｔのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光である。縞パターン光１８０は縞パターン光２０の明部と暗部を反転させた縞パターン光である。これら６枚の縞パターン光を被写体に投影し、縞パターン光が投影された被写体を撮像する。
図１８（ｂ）は撮像した画像データの輝度と水平座標ｘとのグラフである。輝度線１８１はいずれかの縞パターン光２０で撮像した画像データの境界位置付近での輝度線である。輝度線１８２は反転パターン光１８１で撮像した画像データの輝度線で、水平座標の相対位置は輝度線１８１と同じとする。輝度線１８１と輝度線１８２は位置ｂで交わる。以上の処理により求められた位置ｂを境界位置とする。以上が相補パターン投影法である。
【００１４】
２つの方式で使用する枚数を以下のようになる。
Ｎｂｉｔの空間符号化で、相補パターン投影法では最低２Ｎ枚、平均画像比較法では最低Ｎ＋２枚が必要となる。Ｎ＝１では、平均画像比較法が１枚枚数が多くなるが、Ｎ＞１以降では、相補パターン投影法の枚数が平均画像比較法の枚数より多くなる。実際にＮ＝１では２領域しか符号化されず三次元計測ができないため、一般的に相補パターン投影法が平均画像比較法より撮影枚数が多くなる。
【００１５】
２つの方式をグレイコードの縞パターン光で説明したが、図１４で示した２進符号化でも同様に成り立つ。空間符号化法を用いる場合、一般的に上記のどちらかの方法を用いて明部と暗部の境界位置を決定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】井口征士、佐藤宏介：「三次元画像計測」、ｐｐ．８０−９１、昭晃堂、（１９９０）
【非特許文献２】電子情報通信学会論文誌  Ｄ  Ｖｏｌ．Ｊ７１−Ｄ  Ｎｏ．７  ｐｐ．１２４９−１２５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以下に、上記２つの方法の長所と短所をまとめる。
相補パターン投影法では、被写体に投影した２枚の画像を使用するため被写体の形状・反射率による影響を打ち消すことができる。よって、平均画像比較法よりも正確に境界位置を決定できることが出来る。しかしながら、一般的に、平均画像比較法よりも投影枚数が多くなる。特に、三次元計測では通常８ｂｉｔもしくは９ｂｉｔの高ｂｉｔで計測をするため、枚数が倍増し、計測時間が増大する。
【００１８】
一方、平均画像比較法では、相補パターン投影法より枚数が少なく、計測時間を短くすることが出来る。しかしながら、相補パターン投影法よりも境界位置の算出に誤差が生じる可能性が高い。例えば、境界位置の決定が全照明パターンと全消灯パターンの平均値で決めるため、被写体の形状・反射率による影響から誤差が生じる。また、平均値に基づき境界位置を決めるため、必ずしも合理的な境界位置算出とはいえない。
【００１９】
実際に計測を行うと、相補パターン投影法と平均画像比較法の境界位置はカメラ画素において数ピクセル異なり、これは計測誤差にしてｍｍオーダーに及ぶこともある。
【００２０】
以上説明したように、従来技術の手法では、高精度かつ高速に明部と暗部の境界位置を求めることが困難であった。
【００２１】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、パターン光を投影された被写体の撮像画像に基づく被写体位置の計測を、高精度かつ高速に行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の計測装置は、明部と暗部とを有する第一のパターンと、当該第一のパターンよりも明部の幅と暗部の幅のうち少なくともいずれか一方が小さく、前記第一のパターンと共通な明部と暗部との境界位置を有する第二のパターンと、当該第二のパターンの明部と暗部とが反転した第三のパターンとを、被写体に対して投影手段に投影させる投影制御手段と、前記第一のパターンが投影された前記被写体の第一の撮像画像と、前記第二のパターン光が投影された前記被写体の第二の撮像画像と、前記第三のパターンが投影された前記被写体の第三の撮像画像とを取得する取得手段と、前記被写体の位置を計測するために、前記第二の撮像画像と前記第三の撮像画像とに基づき、前記第一の撮像画像の明部と暗部との境界位置を導出する導出手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、パターン光を投影された被写体の撮像画像に基づく被写体位置の計測を、高精度かつ高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第一の実施形態における計測装置の基本構成を示した図である。
【図２】第一の実施形態における投影する縞パターン光を示す図である。
【図３】第一の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図４】第一の実施形態における境界位置の決定方法のフローの模式説明図である。
【図５】第一の実施形態における境界位置の決定方法のフローチャート図である。
【図６】第二の実施形態における投影する縞パターン光を示す図である。
【図７】第二の実施形態における境界位置の決定方法のフローの模式説明図である。
【図８】第二の実施形態における境界位置の決定方法のフローチャート図である。
【図９】第三の実施形態における投影する縞パターン光を示す図である。
【図１０】第三の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図１１】第四の実施形態における投影する縞パターン光作成図である。
【図１２】第四の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図１３】形状測定装置の構成および計測方法の概念を示した図である。
【図１４】２進符号化による空間符号化法の投影する縞パターン光を示す図である。
【図１５】グレイコードによる空間符号化法の投影する縞パターン光を示す図である。
【図１６】明部と暗部の境界位置を説明するための図である。
【図１７】平均画像比較法を説明するための図である。
【図１８】相補パターン投影法を説明するための図である。
【図１９】第五の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図２０】第五の実施形態における境界位置の決定方法のフローチャート図である。
【図２１】第六の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図２２】第六の実施形態における境界位置を決定する原理の模式説明図である。
【図２３】第六の実施形態における境界位置の決定方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第一の実施形態）
図１は本実施形態における計測方法を行うための計測装置の基本構成を示した図である。
【００２６】
本実施形態の基本構成は、縞パターン光を被写体１７に投影可能なプロジェクター１２、縞パターン光が投影された被写体１７を撮像するカメラ１３、縞パターン光の投影や撮像を指示し、撮像された画像データを計算処理して三次元計測を行う計算処理部１である。
【００２７】
計算処理部１は中央処理部（ＣＰＵ）１０、パターンメモリ１１、画像メモリ１４、２値化処理部１５、計測処理部１６からなる。それぞれは互いがバスによってつながれ、命令およびデータを送受信可能になっている。パターンメモリ１１はＲＯＭ等の記憶手段で構成されている。パターンメモリ１１には、縞パターン光のパターン形状プログラム、投影時間を設定するタイムアカウントプログラムなどが格納されている。ＣＰＵ１０から投影指示を受信したパターンメモリ１１は縞パターン光形状信号をプロジェクター１２に送信する。ここで、ＣＰＵ１０は、プロジェクター１２を投影手段として機能させる投影制御手段として機能する。また、タイムアカウント信号がプロジェクター１２およびカメラ１３に送信され、縞パターン光の投影および撮像のタイミングが管理される。カメラ１３は撮像画像を取得するための取得手段として機能する。
【００２８】
カメラ１３で撮像された画像データ（撮像画像）は、画像メモリ１４に一時的に格納され、順次２値化処理部１５に送信される。２値化処理部１５はＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段で構成されており、縞パターン光の明部と暗部の境界位置を決定する処理を行う。境界位置の決定後、２値化処理部１５により、白黒の２値化画像データが生成される。２値化処理部１５には、境界位置を求めるための２値化処理プログラムが格納されている。Ｎｂｉｔで空間符号化を行う場合、縞パターン光はＮ種類のパターン形状となるので、２値化画像データはＮ枚生成されることになる。
【００２９】
２値化処理部１５により生成された２値化画像データは計測処理部１６に送信される。計測処理部１６はＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段および処理部で構成されている。計測処理部１６の記憶手段には、プロジェクター１２とカメラ１３の基線長、焦点距離、画素数などの機器に依存するパラメータが格納されている。また、予め行うキャリブレーションによるディストーション、外光輝度などの外部パラメータなども格納されている。また、三角測量を行うための三次元計測プログラムも格納される。計測処理部１６は２値化データ、各種パラメータから三次元計測プログラムに基づく処理を行い、三次元計測を行う。計測結果は距離画像データとして生成される。距離画像データは出力部で画像化され、モニタなどの表示部で距離画像として観察することができる。
【００３０】
上記の画像メモリ１４、２値化処理部１５、計測処理部１６の処理はすべてＣＰＵ１０からの指示に基づいて行われる。
【００３１】
尚、上記計算処理部１の機能の一部は、コンピュータプログラムが格納された記憶手段およびＣＰＵを有するパーソナルコンピュータにより代替可能である。
【００３２】
次に、投影する縞パターン光について説明する。本実施形態ではグレイコードパターンによる空間符号化を例にして説明するが、単純な２進符号化であっても以下の説明は同等である。
【００３３】
図２は投影する縞パターン光を示す。縞パターン光２０は３ｂｉｔのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光である。本実施形態は一例として３ｂｉｔの空間符号化で説明するが、Ｎｂｉｔの空間符号化の場合、縞パターン光２０による撮像画像はＮ枚となる。２進符号化パターン光２１は縞パターン光２０のＬＳＢパターン（３ｂｉｔ目の縞パターン光２０）の幅と同等の幅である２進符号化パターン光である。反転２進符号化パターン光２２は２進符号化パターン光２１の反転パターン光である。以上、５つの縞パターン光がプロジェクター１２から被写体１７に向けて投影される。
【００３４】
図３は、２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２を用いて境界位置を決定する原理を模式的に示した図である。図３（ａ）は１ｂｉｔ目の縞パターン光２０と２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２を示す。２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２の水平座標の位置ａにおける明部と暗部の境界位置が１ｂｉｔ目の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置に一致する。よって、求める１ｂｉｔ目の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置と２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２の対応から境界位置を求めることが出来る。
【００３５】
次に、図３（ｂ）は２ｂｉｔ目の縞パターン光２０と２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２を示した図である。同様に境界位置の対応を見ると、２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２の位置ｂ、位置ｃにおける明部と暗部の境界位置が２ｂｉｔ目の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置と共通である。
【００３６】
図３（ｃ）は３ｂｉｔ目の縞パターン光２０と２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２を示した図である。同様に境界位置の対応を見ると、２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２の位置ｄ、位置ｅ、位置ｆ、位置ｇにおける明部と暗部の境界位置が３ｂｉｔ目の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置と共通である。
【００３７】
つまり、第一のパターン光（パターン光２０）の第一の撮像画像の境界位置は、第二のパターン光（２進符号化パターン光２１）の第二の撮像画像と第三のパターン光（反転２進符号化パターン光２２）の第三の撮像画像に基づき算出することが可能になる。
【００３８】
以上から３ｂｉｔの空間符号化において、縞パターン光２０の境界位置が２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２に含まれるため、この２枚の画像データから境界位置を決定できる。理論的にＮｂｉｔの空間符号化においても、最小幅と同等もしくはそれより短い幅の２進符号化パターン光とその反転パターン光を用いることで境界位置を決定することが可能である。
【００３９】
本実施形態の手法では、最小幅と同等もしくはそれより短い幅の２進符号化パターン光とその反転パターン光の撮像画像２枚を加えたＮ＋２枚の撮像画像で、Ｎｂｉｔの空間符号化における境界位置を求めることが可能になる。
【００４０】
図４は、境界位置の決定方法のフローを模式的に示した図である。
図４（ａ）では、まず、いずれかの縞パターン光２０で撮像した画像データにおいて境界位置の近傍範囲（以後、境界範囲と呼ぶ）を設定する。境界範囲を設定するため、ｍａｘ輝度値４１とｍｉｎ輝度値４２を予め設定しておく。ｍａｘ輝度値４１は輝度上限値、ｍｉｎ輝度値４２は輝度下限値となる。そして、ｍａｘ輝度値４１、ｍｉｎ輝度値４２と縞パターン光２０で撮像した画像データの輝度線４０との交点位置を求める。図４（ａ）ではｍａｘ輝度値４１と輝度線４０の直線が交わる交点位置が位置ｍ、ｍｉｎ輝度値と輝度線４０の直線が交わる交点位置が位置ｎと求まる。以上の処理により求めたｍｎ間を境界範囲とする。境界範囲ｍｎは、撮像画像で輝度値が高輝度から低輝度に変化している領域であり、境界範囲内に境界位置が存在する。
【００４１】
次に、２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２で撮像した画像データから境界範囲ｍｎ内の境界位置を決定する方法を説明する。２進符号化パターン光２１と反転２進符号化パターン光２２とで撮像した二つの撮像画像を用いる場合、境界位置（交点位置）が二つ求まる可能性がある。よって、二つの交点位置の内、いずれを境界位置とするかを決める必要がある。
【００４２】
図４（ｂ）ではわかりやすくするため、水平座標のｍｎ間を拡大して示している。２進符号化パターン光２１で撮像した画像データの輝度線４３と反転２進符号化パターン光２２で撮像した画像データの輝度線４４の交点位置を境界範囲のｍｎ間で求める。ここで交点が１つの場合は、その交点位置を境界位置と決定してもかまわない。交点が２つ以上の場合、いずれを境界位置とするかを図４（ｂ）で示している。図４（ｂ）では、境界位置の候補となる交点位置は位置ｈと位置ｉが存在する。ここで、ｍｎ間の中間位置ｐで求める。中間位置ｐから位置ｈと位置ｉとの距離を求め、どちらが中間位置ｐに近いかを求める。図４（ｂ）では位置ｉが中間位置ｐに近いため、位置ｉを境界位置と決定する。
【００４３】
以上のフローを図５のフローチャートを用いて具体的に説明する。尚、以下のフローチャートの処理は、計算処理部１、プロジェクター１２、カメラ１３により行われるものである。
【００４４】
ステップＳ５００では、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２０と、ＬＳＢパターン光の最小幅もしくはそれより短い２進符号化パターン光２１とその反転２進符号化パターン光２２をプロジェクター１２から被写体１７に向けて投射する。パターン光２２が投射された被写体１７は、カメラ１３で撮像される。尚、２進符号化パターン光２１およびその反転２進符号化パターン光２２の暗部と明部との間隔は縞パターン光２０よりも小さければ、最小幅でなくとも実施は可能である。
【００４５】
ステップＳ５０１では、撮像したそれぞれの縞パターン光２０の画像データから輝度値を算出し、その輝度値データに対して予め設定したｍａｘ輝度値４１およびｍｉｎ輝度値４２を閾値として用いる。そして、縞パターン光２０で撮像した画像データの輝度線４０とｍａｘ輝度値４１およびｍｉｎ輝度値４２との交点を算出する。
【００４６】
ステップＳ５０２では、算出したｍａｘ輝度値４１およびｍｉｎ輝度値４２での交点の間隔が所定のピクセルより短いか否か判断する。一般的に明部と暗部の境界が焦点距離や被写体１７の反射率などによるボケなどで拡がったとしても数ピクセル以内である。そのため交点の間隔が数ピクセル以上の場合は測定エラーと考えられる。
【００４７】
ステップＳ５０２でＹ（交点の間隔が数ピクセルよりも小さい）の場合はステップＳ５０３へ、Ｎ（交点の間隔が数ピクセル以上）の場合はｅｒｒｏｒへ進む。
【００４８】
ステップＳ５０３では、ｍａｘ輝度値４１およびｍｉｎ輝度値４２での交点の間隔を明部と暗部の境界範囲と指定する。
【００４９】
次にステップＳ５０４では、境界範囲内で２進符号化パターン光２１で撮像した画像データの輝度線４３と反転２進符号化パターン光２２で撮像した画像データの輝度線４４の交点位置を算出する。ステップＳ５０５で、交点が１つであった場合はステップＳ５０８に進み、唯一の交点位置を明部と暗部の境界位置と決定する。交点が２つ以上の場合、ステップＳ５０６に進む。
【００５０】
ステップＳ５０６では、境界範囲の中間位置を算出する。
【００５１】
ステップＳ５０７では、中間位置から複数の交点位置までの距離をそれぞれ算出し、中間位置に最も近い交点位置を求める。そしてステップＳ５０８で求めた最近の交点位置を明部と暗部の境界位置と決定する。
【００５２】
以上のようにして、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置を決定することが可能となる。
【００５３】
第一の実施形態は相補パターン投影法と同様に互いに縞の明部と暗部を反転した２枚の画像を用いて境界位置を決定するため、相補パターン投影法と同等の正確な境界位置を決定することが可能となる。また、Ｎｂｉｔでの撮影枚数はＮ＋２枚になり、平均画像比較法と同等の少ない枚数で行うことができる。よって、本実施形態によれば、パターン光を投影された被写体の撮像画像に基づく被写体位置の計測を、高精度かつ高速に行うことが可能になる。
【００５４】
（第二の実施形態）
第一の実施形態と異なる点は、投影する縞パターン光と境界位置を求めるフローである。
【００５５】
図６は投影する縞パターン光を示す。３ｂｉｔのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光２０、２進符号化パターン光２１、反転２進符号化パターン光２２は図２と同等である。さらに明部のみの全照明パターン２３と暗部のみの全消灯パターン２４を加える。
【００５６】
図７は境界位置の決定方法のフローを模式的に示す。図７（ａ）で、まずいずれかの縞パターン光２０で撮像した画像データにおいて境界範囲を設定する。そのため平均画像比較法を利用する。輝度線７０は全照明パターン２３で撮像した画像データの輝度線、輝度線７２は全消灯パターン２４で撮像した画像データの輝度線である。輝度線７０と輝度線７２の平均値をもとめ、それを輝度線７１とする。縞パターン光２０の輝度線４０と平均値の輝度線７１の交点位置を求める。図７（ａ）では交点位置が位置ａである。そして位置ａから所定の広がりを境界範囲とする。図７（ａ）では境界範囲をｍｎ間としている。
【００５７】
平均画像比較法による境界位置を求めているため、所定の広がりは１，２ピクセル程度の微小の広がりでかまわない。図７（ｂ）で、２進符号化パターン光２１で撮像した画像データの輝度線４３と反転２進符号化パターン光２２で撮像した画像データの輝度線４４の交点位置をｍｎ間で求める。境界範囲のｍｎ間が微小範囲であるため、基本的に交点は１つのみとなり、その交点を境界位置と決定する。
【００５８】
以上のフローを図８のフローチャートで具体的に説明する。尚、以下のフローチャートの処理は、第一の実施形態と同様、計算処理部１、プロジェクター１２、カメラ１３により行われるものである。
【００５９】
ステップＳ８００では、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２０と、ＬＳＢパターン光の最小幅もしくはそれより短い２進符号化パターン光２１とその反転２進符号化パターン光２２とをプロジェクター１２から被写体１７に向けて投射する。また、本実施形態では、全照明パターン２３と全消灯パターン２４も投射する。パターン光が投射された被写体１７は、カメラ１３で撮像される。ステップＳ８０１で、全照明パターン２３と全消灯パターン２４で撮像した画像データから平均画像比較法による境界位置を求める。ステップＳ８０２で、算出した境界位置に所定の広がりを与え、ステップＳ８０３で境界範囲を指定する。以後のステップは図５と同様のため説明を省略する。
【００６０】
第二の実施形態は第一の実施形態に比べ、撮影枚数は２枚追加となるが境界範囲をより正確に指定することができる。そのため境界範囲に２進符号化パターン光２１とその反転２進符号化パターン光２２で撮像した２つの画像データの交点が１つで決まるため、境界位置を決めるフローが簡略され計算時間の向上になる。また交点位置の誤決定がなくなり、精度向上になる。
【００６１】
（第三の実施形態）
第三の実施形態では投影する縞パターン光は単純な２進符号化パターンとする。
【００６２】
図９は投影する縞パターン光を示す。縞パターン光９０は３ｂｉｔの空間符号化の縞パターン光である。縞パターン光９０のＬＳＢパターンを反転させたものが反転２進符号化パターン光９１である。
【００６３】
図１０は第三の実施形態で境界位置を決定する原理を模式的に示す。図１０（ａ）は１ｂｉｔ目の縞パターン光９０と縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１を示す。縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１の水平座標の位置ａにおける明部と暗部の境界位置が１ｂｉｔ目の縞パターン光９０の明部と暗部の境界位置に一致することがわかる。これは、求める１ｂｉｔ目の縞パターン光９０の明部と暗部の境界位置と縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１の対応から分かる。
【００６４】
次に図１０（ｂ）は２ｂｉｔ目の縞パターン光９０と縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１を示す。同様に境界位置の対応を見ると、縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光２２の水平座標の位置ａ、位置ｂ、位置ｃにおける明部と暗部の境界位置が２ｂｉｔ目の縞パターン光９０の明部と暗部の境界位置に一致する。
【００６５】
図１０（ｃ）は３ｂｉｔ目の縞パターン光９０と縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１を示す。同様に、縞パターン光９０のＬＳＢパターンと反転２進符号化パターン光９１の水平座標の位置ａ、位置ｂ、位置ｃ、位置ｄ、位置ｅ、位置ｆ、位置ｇにおける明部と暗部の境界位置が３ｂｉｔ目の縞パターン光９０の明部と暗部の境界位置に一致する。
以上から２進符号化パターンの空間符号化において、ＬＳＢパターンとその反転パターン光を用いることで境界位置を決定することが可能である。
境界位置を決定するフローは第一の実施形態の図５もしくは第二の実施形態の図８のフローチャートを用いて行うことで、境界位置を決定することが出来る。
第三の実施形態は第一の実施形態に比べ、１枚少ない枚数で境界位置を決定することが可能となり、そのため、撮影時間の短縮に効果がある。
【００６６】
（第四の実施形態）
第四の実施形態では投影するパターンはグレイコードとする。
【００６７】
図１１は境界位置を決定するパターンの作成方法を示す。本実施形態は一例として３ｂｉｔの空間符号化で説明する。図１１（ａ）から図１１（ｃ）は各ｂｉｔ目の縞パターン光であり、その下に明部を１、暗部を０として符号化を示している。ここで、１、０もしくは０、１となっている個所を反転させるように１、０の符号化パターンを作成する。符号化で示すと、符号化１１１が反転パターンとなり、明部と暗部の幅は、ＬＳＢパターンの最小幅の１／２幅となる。符号化１１１を画像化したものが、符号化パターン光１１０である。
【００６８】
グレイコードは理論上、各ｂｉｔ目の境界位置がそれぞれすべて異なるため、最小幅の１／２幅の符号化パターン光１１０で境界位置を決定することが可能である。
図１２は第四の実施形態で境界位置を決定する原理を模式的に示す。図１２（ａ）は１ｂｉｔ目の縞パターン光と符号化パターン光１１０を示す。求める１ｂｉｔ目の縞パターン光の明部と暗部の境界位置と符号化パターン光１１０の対応を見ると、符号化パターン光１１０の水平座標の位置ａにおける明部と暗部の境界位置が１ｂｉｔ目の縞パターン光の明部と暗部の境界位置に一致することがわかる。
【００６９】
次に図１２（ｂ）は２ｂｉｔ目の縞パターン光と符号化パターン光１１０を示す。同様に境界位置の対応を見ると、符号化パターン光１１０の水平座標の位置ｂ、位置ｃにおける明部と暗部の境界位置が２ｂｉｔ目の縞パターン光の明部と暗部の境界位置に一致する。
【００７０】
図１２（ｃ）は３ｂｉｔ目の縞パターン光と符号化パターン光１１０を示す。同様に境界位置の対応を見ると、符号化パターン光１１０の水平座標の位置ｄ、位置ｅ、位置ｆ、位置ｇにおける明部と暗部の境界位置が３ｂｉｔ目の縞パターン光の明部と暗部の境界位置に一致する。
【００７１】
以上からグレイコードの空間符号化において、符号化パターン光１１０を反転パターン光として用いることで境界位置を決定することが可能である。
境界位置を決定するフローは第一の実施形態の図５もしくは第二の実施形態の図８のフローチャートを用いて行うことで、境界位置を決定する。
第四の実施形態は第一の実施形態に比べ、１枚少ない枚数で境界位置を決定することが可能となり、そのため、撮影時間の短縮に効果がある。
尚、上記の第三の実施形態および第四の実施形態は、境界範囲を指定する場合に、第二の実施形態で示した平均画像比較法を行ってもかまわない。
【００７２】
（第五の実施形態）
本実施形態と第一の実施形態とは、境界位置を決定する際に用いる撮像画像が異なる。以下、本実施形態における境界位置の決定方法を説明する。
【００７３】
図１９は、境界位置の決定方法のフローを模式的に示した図である。
図１９（ａ）では、まず、いずれかの縞パターン光２０で撮像した画像データにおいて境界位置の近傍範囲（以後、境界範囲と呼ぶ）を設定する。境界範囲を設定するため、ｍａｘ輝度値１９１とｍｉｎ輝度値１９２を予め設定しておく。ｍａｘ輝度値１９１は輝度上限値、ｍｉｎ輝度値１９２は輝度下限値となる。そして、ｍａｘ輝度値１９１、ｍｉｎ輝度値１９２と縞パターン光２０で撮像した画像データの輝度線１９０との交点位置を求める。
【００７４】
図１９（ａ）ではｍａｘ輝度値１９１と輝度線１９０の直線が交わる交点位置が位置ｍ、ｍｉｎ輝度値と輝度線１９０の直線が交わる交点位置が位置ｎと求まる。以上の処理により求めたｍｎ間を境界範囲とする。境界範囲ｍｎは、撮像画像で輝度値が高輝度から低輝度に変化している領域であり、境界範囲内に境界位置が存在する。
【００７５】
次に、縞パターン光２０と２進符号化パターン光２１で撮像した画像データから境界範囲ｍｎ内の境界位置を決定する方法を説明する。
図１９（ｂ）ではわかりやすくするため、水平座標のｍｎ間を拡大して示している。２進符号化パターン光２１で撮像した画像データの輝度線４３と縞パターン光２０で撮像した画像データの輝度線１９０の交点位置を境界範囲のｍｎ間で求める。
図１９（ｂ）では、交点位置は位置ｉとなるため、位置ｉを縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置と決定する。縞パターン光２０と反転２進符号化パターン光２２で境界位置を決定するフローも同様のため、説明は省略する。
【００７６】
以上のフローを図２０のフローチャートを用いて具体的に説明する。尚、以下のフローチャートの処理は、計算処理部１、プロジェクター１２、カメラ１３により行われるものである。
【００７７】
ステップＳ２０００では、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２０と、ＬＳＢパターン光の最小幅もしくはそれより短い２進符号化パターン光２１とその反転２進符号化パターン光２２をプロジェクター１２から被写体１７に向けて投射する。パターン光が投射された被写体１７は、カメラ１３で撮像される。尚、２進符号化パターン光２１およびその反転２進符号化パターン光２２の暗部と明部との間隔は縞パターン光２０よりも小さければ、最小幅でなくとも実施は可能である。
【００７８】
ステップＳ２００１では、撮像したそれぞれの縞パターン光２０の画像データから輝度値を算出し、その輝度値データに対して予め設定したｍａｘ輝度値１９１およびｍｉｎ輝度値１９２を閾値として用いる。そして、縞パターン光２０で撮像した画像データの輝度線１９０とｍａｘ輝度値１９１およびｍｉｎ輝度値１９２との交点を算出する。
【００７９】
ステップＳ２００２では、算出したｍａｘ輝度値１９１およびｍｉｎ輝度値１９２での交点の間隔が所定のピクセルより短いか否か判断する。一般的に明部と暗部の境界が焦点距離や被写体１７の反射率などによるボケなどで拡がったとしても数ピクセル以内である。そのため交点の間隔が数ピクセル以上の場合は測定エラーと考えられる。
ステップＳ２００２でＹ（交点の間隔が数ピクセルよりも小さい）の場合はステップＳ２００３へ、Ｎ（交点の間隔が数ピクセル以上）の場合はｅｒｒｏｒへ進む。
ステップＳ２００３では、ｍａｘ輝度値１９１およびｍｉｎ輝度値１９２での交点の間隔を明部と暗部の境界範囲と指定する。
【００８０】
次にステップＳ２００４では、境界範囲内で２進符号化パターン光２１で撮像した画像データの輝度線１９３と縞パターン光で撮像した画像データの輝度線１９０との交点を算出する。
反転２進符号化パターン光２２と縞パターン光２０で撮像した画像データに対しても同様に交点を算出する。
最後にステップＳ２００５で求めた交点位置を明部と暗部の境界位置と決定する。
【００８１】
以上のフローチャートを全画素で行うことでＮｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置を決定することが可能となる。
【００８２】
第一の実施形態は縞パターン光２０とは異なる周期を有する縞パターン光に使用して、縞パターン光２０の境界位置を決定する方法を可能にする。
異なる周期を有する縞パターン光は互いに縞の明部と暗部を反転した２枚の画像を用いるため、相補パターン投影法と同等の正確な境界位置を決定することが可能となる。また、Ｎｂｉｔでの撮影枚数はＮ＋２枚になり、平均画像比較法と同等の少ない枚数で行うことができる。よって、本実施形態によれば、パターン光を投影された被写体の撮像画像に基づく被写体位置の計測を、高精度かつ高速に行うことが可能になる。
【００８３】
（第六の実施形態）
本実施形態では投影する縞パターンはグレイコードとする。複数のグレイコードのうち、予め決めたパターンを所定の周期分横にずらしシフト縞パターンを新たに生成し、シフト縞パターン使用して境界位置を決定する方法を説明する。
【００８４】
図２１は投影する縞パターン光を示す。３ｂｉｔのグレイコードによる空間符号化の縞パターン光２１０と、３ｂｉｔのグレイコードパターンの明部と暗部を反転させた反転３ｂｉｔパターン光２１５を用意する。また３ｂｉｔのグレイコードパターンを１／４周期分右側にずらしたシフト縞パターン光２１６およびシフト縞パターン光２１６の明部と暗部を反転させた反転シフト縞パターン光２１７を用意する。
【００８５】
図２２は反転３ｂｉｔパターン光２１５とシフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７を用いて境界位置を決定する原理を模式的に示した図である。図２２（ａ）は１ｂｉｔ目の縞パターン光２１０と反転３ｂｉｔ縞パターン光２１５とシフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７を示す。シフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７の水平座標の位置ａにおける明部と暗部の境界位置が１ｂｉｔ目の縞パターン光２０の明部と暗部の境界位置に一致する。よって、求める１ｂｉｔ目の縞パターン光２１０の明部と暗部の境界位置が、シフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７の明部と暗部が反転する関係となるため、相補パターン投影法から境界位置を求めることが出来る。
【００８６】
次に、図２２（ｂ）は２ｂｉｔ目の縞パターン光２１０とシフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７を示した図である。同様に境界位置の対応を見ると、シフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２７の位置ｂ、位置ｃにおける明部と暗部の境界位置が２ｂｉｔ目の縞パターン光２１０の明部と暗部の境界位置と一致する。
【００８７】
図２２（ｃ）は３ｂｉｔ目の縞パターン光２１０と反転３ｂｉｔ縞パターン光２１５を示した図である。本例は通常の相補パターン投影法と同様で、位置ｄ、位置ｅ、位置ｆ、位置ｇにおける明部と暗部の境界位置が３ｂｉｔ目の縞パターン光２１０の明部と暗部の境界位置となる。
【００８８】
つまり、第一のパターン光（パターン光２１０）の第一の撮像画像の境界位置は、第六のパターン光（シフト縞パターン光２１６）の第六の撮像画像と第七のパターン光（反転シフト縞パターン光２７）の第七の撮像画像について相補パターン投影法で算出することが可能になる。
【００８９】
第五の実施形態では、第三の実施形態と同様に、平均画像比較法で境界位置範囲をより詳細に設定する。第三の実施形態では、平均画像比較法に用いる画像は、明部のみの全照明パターン２１３と暗部のみの全消灯パターン２１４をそれぞれ投影した撮影画像を用いる。本実施形態では、平均画像比較法に用いる画像は、シフト縞パターン光２１６と反転シフト縞パターン光２１７をそれぞれ投影した撮影画像を用いる。
【００９０】
図２３ではフローチャートを用いて具体的に説明する。尚、以下のフローチャートの処理は、計算処理部１、プロジェクター１２、カメラ１３により行われるものである。
ステップＳ２３０では、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２１０と、最小ｂｉｔであるＮｂｉｔ目の縞パターン光の明部と暗部が反転した反転Ｎｂｉｔ縞パターン光と、Ｎｂｉｔ目の縞パターン光を所定の周期分シフトさせたシフト縞パターン光と、シフト縞パターン光の明部と暗部が反転した反転シフト縞パターン光とを投射する。パターン光が投射された被写体１７は、カメラ１３で撮像される。
【００９１】
ステップＳ２３１で、シフト縞パターン光と反転シフト縞パターン光で撮像した画像データから平均画像比較法による境界位置を求める。ステップＳ２３２で、算出した境界位置に所定の広がりを与え、ステップＳ２３３で境界範囲を指定する。次にステップＳ２３４で境界範囲内で、シフト縞パターン光と反転シフト縞パターン光の交点を求める。そしてステップＳ２３５で求めた交点を境界位置と決定する。ステップＳ２３５まででＮ−１ｂｉｔ目の縞パターン光の境界位置を求めることが出来る。
次にステップＳ２３６でＮｂｉｔ目の縞パターン光と反転Ｎｂｉｔ縞パターン光から交点を求め、Ｎｂｉｔ目の縞パターン光の境界位置を決定する。
【００９２】
以上のようにして、Ｎｂｉｔの空間符号化の縞パターン光２１０の明部と暗部の境界位置を決定することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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