(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元の表面をマッピングするシステムであって、
（ａ）ディジタル・ピクセル・カメラと、
（ｂ）前記ディジタル・ピクセル・カメラによって集められたデータを処理する手段と、
（ｃ）マッピングされる前記表面上に、
（ｉ）それぞれが明および暗のいずれか１つで、対称な幅を有する平行なバーの周期列と、
（ｉｉ）数値インデックスがある完全平方数を各周期の前記バーの数で除算した剰余に等しくなる前記バーは明となり、他のすべての前記バーは暗となるような前記バーのそれぞれと関連した前記数値インデックスを含む構造光バーコードを投射できる投射装置を有し、
前記投射装置は、所定の時間ごとに、１バーずつ前記構造光バーコードをシフトし、前記周期に含まれるバーの数だけシフトが終わると、何も光を投射しない期間を挿入しながら、前記カメラに前記３次元の表面の画像を取得させる、３次元の表面をマッピングするシステム。
【請求項２】
３次元の表面をマッピングするシステムであって、
（ａ）ディジタル・ピクセル・カメラと、
（ｂ）前記ディジタル・ピクセル・カメラによって集められたデータを処理する手段と、
（ｃ）マッピングされる前記表面上に、対称な幅を有し、バーのそれぞれは、＋が明を表し、−が暗を表すとして、列＋＋＋＋−＋−＋＋−−＋−−−に応じて明および暗のいずれか１つであるか、前記列の任意の循環シフトである１５個の平行な前記バーの周期列を有する構造光バーコードを投射できる投射装置を有し、
前記投射装置は、所定の時間ごとに、１バーずつ前記構造光バーコードをシフトし、前記周期に含まれるバーの数だけシフトが終わると、何も光を投射しない期間を挿入しながら、前記カメラに前記３次元の表面の画像を取得させる、３次元の表面をマッピングするシステム。
【請求項３】
バーの前記周期列は、ｍを正の整数として数式［ｐ＝４ｍ−１］にしたがう素数ｐの列を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記素数ｐは１９である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記投射装置は、
（ｉ）レーザ発生器と、
（ｉｉ）回転する多角形の反射表面を有する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項６】
前記投射装置は前記構造光のパターンを形成するためのマスクを有する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項７】
前記マスクはクロムのガラスマスクを有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記投射装置は、
（ｉ）ビデオ信号を生成する手段と、
（ｉｉ）該ビデオ信号を投射する能動投射手段を有する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項９】
ビデオ信号を生成する前記手段と前記ディジタル・ピクセル・カメラにより集められたデータを処理する前記手段はコンピュータを有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
３次元の表面をマッピングする方法であって、
（ａ）２次元のディジタル・ピクセル・カメラを備えるステップと、
（ｂ）前記ディジタル・ピクセル・カメラによって収集されたデータを処理する手段を備えるステップと、
（ｃ）マッピングされる前記表面上に、
（ｉ）それぞれが明および暗のいずれか１つで、対称な幅を有する平行なバーの周期列と、
（ｉｉ）数値インデックスがある完全平方数を各周期の前記バーの数で除算した剰余に等くなると明となり、他のすべての前記バーは暗となるような前記バーのそれぞれと関連した前記数値インデックスを含む構造光バーコードを投射できる投射装置を備えるステップと、
（ｄ）マッピングされる前記表面に前記構造光を投射するステップと、
（ｅ）前記平行な列のそれぞれの幅に等しい増分で、それぞれの前記周期を構成する前記平行な列の数に等しい回数、マッピングされる前記表面上で前記構造光の位置をシフトすると、何も光を投射しない期間を挿入するステップと、
（ｆ）前記カメラを用いて前記構造光のそれぞれの前記位置における前記表面を結像することにより、データが各カメラ・ピクセルの光強度として収集されるステップと、
（ｇ）収集された前記データを３次元空間の各カメラ・ピクセル内の画像の位置に処理するステップを有する、３次元の表面をマッピングする方法。
【請求項１１】
３次元の表面をマッピングする方法であって、
（ａ）２次元のディジタル・ピクセル・カメラを備えるステップと、
（ｂ）前記ディジタル・ピクセル・カメラによって収集されたデータを処理する手段を備えるステップと、
（ｃ）マッピングされる前記表面上に、対称な幅を有し、バーのそれぞれは、＋が明を表し、−が暗を表すとして、列＋＋＋＋−＋−＋＋−−＋−−−に応じて明および暗のいずれか１つであるか、前記列の任意の循環シフトである１５個の平行な前記バーの周期列を有する構造光バーコードを投射できる投射装置を備えるステップと、
（ｄ）マッピングされる前記表面に前記構造光を投射するステップと、
（ｅ）前記平行な列のそれぞれの幅に等しい増分で、それぞれの前記周期を構成する前記平行な列の数に等しい回数、マッピングされる前記表面上で前記構造光の位置をシフトすると、何も光を投射しない期間を挿入するステップと、
（ｆ）前記カメラを用いて前記構造光のそれぞれの前記位置における前記表面を結像することにより、データが各カメラ・ピクセルの光強度として収集されるステップと、
（ｇ）収集された前記データを３次元空間の各カメラ・ピクセル内の画像の位置に処理するステップを有する、３次元の表面をマッピングする方法。
【請求項１２】
バーの前記周期列は、ｍは正の整数として数式［ｐ＝４ｍ−１］にしたがう素数ｐの列を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記素数ｐは１９である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記投射された参照画像がなければ、マッピングされる前記表面を結像するステップをさらに有する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１５】
マッピングされる前記表面の暗画像を計算するステップをさらに有する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記収集されたデータを３次元空間の各カメラ画像ピクセル内の画像の位置に処理する前記ステップは、
（ａ）各カメラ・ピクセルと参照光を含む前記垂直バーのそれぞれの１つとの対応を計算することをさらに有する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記収集されたデータを３次元空間の各カメラ・ピクセル内の画像の位置に処理する前記ステップは、
（ａ）前記収集されたデータを前記カメラ・ピクセル内の画像を含む複数の前記バーのそれぞれの割合に処理することをさらに有する、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１８】
３次元表面を正確にマッピングするための構造光バーコード・パターンを投射できる投射装置であって、
該構造光は、
（ａ）対称な幅を有し、それぞれは明および暗のいずれか１つである、平行なバーの周期列と、
（ｂ）数値インデックスがある完全平方数を各周期内の前記バーの数により除算した剰余に等しくなる前記バーは明となり、すべての他の前記バーは暗となるような前記バーのそれぞれと関連した前記数値インデックスを有し、
所定の時間ごとに、１バーずつ前記構造光バーコードをシフトし、前記周期に含まれるバーの数だけシフトが終わると、何も光を投射しない期間を挿入しながら、カメラに前記３次元表面の画像を取得させる投射装置。
【請求項１９】
バーの前記周期列は、ｍは正の整数として数式［ｐ＝４ｍ−１］にしたがって素数ｐの列を有する、請求項１８に記載の投射装置。
【請求項２０】
前記素数ｐは１９である、請求項１９に記載の投射装置。
【請求項２１】
３次元表面を正確にマッピングするための構造光バーコード・パターンを投射できる投射装置であって、
該構造光は、対称な幅を有し、バーのそれぞれは、＋が明を表し、−が暗を表すとして、列＋＋＋＋−＋−＋＋−−＋−−−に応じて明および暗のいずれか１つであるか、前記列の任意の循環シフトである１５個の平行な前記バーの周期列を有し、
所定の時間ごとに、１バーずつ前記構造光バーコードをシフトし、前記周期に含まれるバーの数だけシフトが終わると、何も光を投射しない期間を挿入しながら、カメラに前記３次元表面の画像を取得させる投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に３次元マッピングシステムの分野に関し、特に、従来可能であると考えられていたよりも、速く正確に３次元の表面をマッピングする３次元マッピングシステムおよび方法に関する。加えて、本発明は、３次元マッピングシステムおよび方法で使用される構造光バーコード・パターンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマシン・ビジョン技術、例えば３次元の表面をマッピングするために使用されているものは、通常、２つのクラスの１つにおいて立体的なシステムを使用しようと試みてきた。第１のクラスは、一定の有限距離だけ離れた２つのカメラからの画像を合成し、人間の視覚を模倣するシステムを含む。
【０００３】
第２のクラスは、同様に一定の距離だけ離れたプロジェクタとカメラの配置を有し、プロジェクタはマッピングされる表面上に構造光画像を投射し、カメラはその表面を撮影するシステムを含む。カメラの視点からの構造光画像の変形は、表面の輪郭が原因である。これらの変形から、３次元空間における表面の位置を計算することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
両クラスのマシン・ビジョンは、２つの視点を３次元についての情報に調和させることに難点を有する。例えば、２個のカメラのシステムの場合には、２つの画像の間の対応を決定することは難しい。この問題を解決するために、特徴認識アルゴリズムが開発されており、２つの画像の対応する特徴を識別し照合することにある程度の成功を収めている。しかし、これらのアルゴリズムは、少なくとも±１ピクセルの誤差を生ずるのが通常であり、一部のアプリケーションには許容できるが、すべてに許容できるものではない。この構成は、構造の無い３次元の表面に対しても機能しない。
【０００５】
プロジェクタ−カメラ・システムでは、３次元表面上における投射された特定のピクセルとその画像の間の対応を決定するという問題がさらに存在する。構造光を使用する従来のシステムは、隣接するピクセル上の光が密接に相関する（たとえば、正弦波のグレースケールで）ので、近傍のカメラ・ピクセルからの迷光「雑音」がデータを損なうため苦労した。均一な格子のような２次元パターンの構造光は、格子点を位置づけるために２個のカメラ・システムのものと同じ特徴認識を必要とし、その結果、ピクセル誤差が生じる。さらに、以下に示すように、２次元カメラを仮定すれば、３次元空間におけるマッピングされた表面を正確に位置づけるためには、１次元の構造光しか必要としない。光パターンの第２の次元は不要である。
【０００６】
さらに、従来技術によるほとんどのシステムにおいては、サブピクセルの解像度は困難あるいは不可能であることが証明されている。
【０００７】
さまざまな従来技術のシステムの完全な議論は、Battle らの「対応問題を解くための技術としてのコード化された構造光の最近の進展」概説７、パターン認識９６３、９６３−９８２（１９９８）で明らかにされている。
【０００８】
本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【０００９】
特に、本発明の目的は、近傍のピクセルからの「雑音」の効果の影響を受けない、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、簡単で効率的な計算技術を使用できる、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、マッピング機能を迅速に実行できる、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、正確なサブピクセル分解能を達成できる、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、投射と画像収集の両方に対して共通の部品を使用できる、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、商業利用のために経済的に観て大量生産が可能な、３次元表面を正確にマッピングするシステムと方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、上記の目的の実現を可能にする構造光バーコード・パターンを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のシステムは、プロジェクタとカメラを有する。プロジェクタは、マッピングされる表面上に構造光の画像を投射する。構造光は、平方剰余式にしたがって、それぞれ明または暗の等しい幅のバーを有するバーコードである。構造光は、例えばマスクで受動的に、あるいは、例えばレーザ発生器および回転多角形ミラーで能動的に生成される。次に、カメラは表面を撮影する。投射された画像はシフトされ、この過程は、構造光に対して選択された特定の配列にしたがって何回も繰り返される。この一連の画像から収集された画像データは、次に、各カメラ・ピクセルと各ピクセルで光景を上塗りする構造光のバーとの対応を決定するために処理される。この対応を知ることによって、３次元空間の各カメラ・ピクセル内の画像の位置をサブピクセルの精度に到るまで三角測量することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のシステムと方法のこれらおよび他の特徴、態様、利点は、以下の説明、図面、添付した請求項から明白になるであろう。異なる図の間で類似の番号は類似の要素を示している。
【００１８】
本発明の代表的な実施形態における図１を参照すると、３次元の表面１０２をマッピングするシステム１００は、プロジェクタ１０４と、白黒のディジタル・ピクセル・カメラ１０６を有する。ここで、表面１０２は、球形の物体１０２ａと、直方体の物体１０２ｂと、四面体の物体１０２ｃからなる。プロジェクタ１０４は、表面１０２上に明と暗のバー２０５を投射する。バー２０５は、この概念図では平行に示されているが、実際には表面１０２の輪郭に応じて変容して見える。実際に、これらの変容は、このクラスのマシン・ビジョン・システムにとって極めて重大である。
【００１９】
プロジェクタ１０４とカメラ１０６の双方は、直線１１０に沿って、相互に一定の距離だけ離れて位置しているだけでなく、表面１０２からある一定の距離だけ離れて位置している。カメラ１０６は、ピクセル１０８（図２を参照のこと）の配列からなり、有限の視界１２０を持つ。カメラ１０６は、表面１０２が視界１２０のフィールドの範囲に含まれるように配向される。各ピクセル１０８は、カメラ１０６の大きな視界１２０のフィールドの範囲にピクセル・フィールド１２２を持つ。ピクセル・フィールド１２２は、ピクセル１０８が画像を取り込むことが可能な範囲を定める。カメラ１０６によって収集される画像データを処理するコンピュータ１０７あるいは何らかの等価な手段もシステム１００の一部である。
【００２０】
ここで図２を参照すると、カメラ１０６のカメラ軸１１８は、直線１１０と角度１１２をなしている。同様に、プロジェクタ１０４の中心軸１１６は、直線１１０と角度１１４をなしている。
【００２１】
直線１２４は、ピクセル・フィールド１２２をピクセル１０８と結ぶ。直線１２４ａと１２４ｂは、３次元空間でピクセル・フィールド１２２を位置づけるための、直線１２４の正射影である。直線１２４ａと１２４ｂは、カメラ軸１１８と、それぞれ角度１１２ａと１１２ｂをなしている。直線１２６は、ピクセル・フィールド１２２の範囲にあるバー２０５の正射影であり（図１を参照のこと）、直線１２６は中心軸１１６と角度１１４ａをなしている。
【００２２】
図３は、本発明の構造光バーコードの代表的な実施形態を示す。バーコード２０１は、繰り返し周期２０３を有し、ｐ個のバー２０５からなる。各バー２０５は均一な幅の垂直なバーであり、幅は表面１０２上における１つのピクセル・フィールド１２２の幅にほぼ等しいことが好ましい。
【００２３】
特定のバー２０５と処理の始めに位置づけられるピクセル・フィールド１２２の間の対応をうまく計算するために、ｐがプロジェクタ１０４とカメラ１０６の間の相違より大きいことが好ましい。相違は、カメラ１０６によって得られた画像とプロジェクタ１０４により表示された画像の間で観測された変位のピクセル数として定められる。例えば、周期２０３において横方向に数えて９番目に投射されるバー２０５が、カメラに対しては同様に横方向に数えて５番目に映し出されたピクセルであるとすると、相違は４であると言える。ｐが予想される相違範囲より小さければ、本方法はいくらか対応にあいまいさを残すだろう。このあいまいさは、従来技術でよく知られている「位相アンラッピング」システムを使用すると排除することができる。しかし、以下に説明する制限を条件として、十分に大きいｐを選ぶと、あいまいさとそれを分解する必要を排除する。
【００２４】
数ｐは、処理するべき画像の数を決定する。ｐの値が大きければ、カメラとプロジェクタの間のより大きな相違を許す可能性を含めて、いくつかの利点があり、カメラ１０６とプロジェクタ１０４の双方を配置する自由度がより大きくなる。しかし、この利点は、画像を収集しデータを処理するのに必要とする時間とバランスが保たれていなければならない。
【００２５】
図３に示す代表的なバーコード・パターンでは、ｐは１９である。バーコード２０１のバー２０５は、０からｐ−１まで、ｉでインデックスが付けられている。それぞれｉ番目のバー２０５には、次の擬コードによってｌか−１のいずれかの値が割り当てられる。
【００２６】
【数１】
0003729259.tif 000002
【００２７】
１の値が割り当てられたバーは明るく、−１の値が割り当てられたバーは暗い。すなわち、特定のバーのインデックスが、ある完全平方数をｐで除算した剰余に等しければ、バーは明るく、他の場合には暗い。結果として生ずるパターンは、平方剰余（ＱＲ）バーコードである。この数式は、ｍを正の整数として式ｐ＝４ｍ−１に適合する素数の集合に対して有効であることが示されている。ＱＲバーコードではないが、本発明の方法を可能にする直交性を示す別のパターンがｐ＝１５（＋＋＋＋−＋−＋＋−−＋−−−）に対して存在する。
【００２８】
本発明による３次元表面をマッピングする方法を以下で説明する。
【００２９】
ある時刻ｔ０に始まって、マッピングする表面１０２は、構造光バーコード２０１で照明される。ディジタル・ピクセル・カメラ１０６は表面１０２を撮影し、各カメラ・ピクセル１０８の光強度が行列形式でデータとして記録される。次に、構造光バーコード２０１は、マッピングされる表面１０２にわたって１つのバー２０５の幅だけシフトする。今時刻ｔ１において、構造光は新しい位置にあり、ディジタル・ピクセル・カメラ１０６は再び表面１０２を撮影し、再び各カメラ・ピクセル１０８の光強度を行列形式で記録する。この処理は、時刻ｔ２、ｔ３．．．ｔ（ｐ−１）にて繰り返される。時刻ｔ（ｐ）では、構造光バーコード２０１が表面１０２を照明せずに（真っ暗のまま）、別の画像が取られる。代わりに、この真っ暗の状態の画像は、各カメラ・ピクセル１０８に対して、以前に収集した画像の中のカメラ・ピクセル１０８の最も暗い値を入力することにより、計算することができる。
【００３０】
結果として生ずるデータは、ｘ、ｙ、時間（ｔ）の次元を有する３次元マトリックスに配列できる。マトリックス内の各点では、何らかのグレースケール値が存在する。真っ暗の画像データと組み合わせて撮影された場合、各ピクセルにおいてｔ方向に沿ったデータ・ベクトルが、一定不変にＱＲバーコード内のｐ個のバー２０５の１つにのみ一義的に対応するパターンとなることは、ＱＲバーコード２０１および上記の特別の１５バー・パターンの特性である。このデータ・ベクトルは、バー２０５の時系列のフィンガープリントである。さらに、各データ・ベクトルは、ｐピクセル１０８内のすべての他のデータ・ベクトルと相互に直交である。
【００３１】
次に、データベクトルは、それぞれのピクセルにおけるｐ個の画像にわたる平均値が０に等しくなるように、下記の擬コードによって、データをシフトすることにより、各ピクセルに対して前処理される。
【００３２】
【数２】
0003729259.tif 000003
【００３３】
値は、次にスケールされる。当業者によく知られたいろいろなスケーリング方法が適切である。代表的な実施形態では、下記の擬コードによって、値の２乗平均が等しくなるようになるようにスケールされる。
【００３４】
【数３】
0003729259.tif 000004
【００３５】
シフトは、ＱＲバーコード自身とは無関係な画像効果を数学的に補償するために行われる。このような効果には、迷光、光雑音、および／または、とりわけ投射される画像の輝度とコントラストの変化を含む。スケーリングは、カメラピクセル１０８の明るい状態と暗い状態の間のコントラストを数学的に強調する。
【００３６】
時刻ｔ０において、ピクセル・フィールド１２２に位置するバーコード２０１のバー２０５に対する特定のカメラ・ピクセル１０８の対応を決定するために、そのピクセルにおけるデータによって形成されたベクトルをある関数Ｆ（ｔ）とみなす。バーコード２０１の相互の直交性のため、各プロジェクタ・バー２０５は、周期２０３で他のバー２０５に直交である固有の時系列のフィンガープリントを示す。この性質に一致して、各ＱＲバーの時系列のフィンガープリントの内積、関数Ｇ（ｔ）、およびピクセル・ベクトルＦ（ｔ）に正確に対応するもの以外のすべては０になる。同時に、正確に対応するベクトルを有する内積は大きい。内積は、下記の関数にしたがって計算される。
【００３７】
【数４】
0003729259.tif 000005
【００３８】
これは下記の擬コードにしたがって実行される。
【００３９】
【数５】
0003729259.tif 000006
【００４０】
結果として生ずるｂｅｓｔｊの値は、対応するバー２０５のインデックスである。この処理は、ｐ2回の繰り返しを必要とし、本方法においてはその他のすべてよりも時間がかかる。この処理は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）にもとづくアルゴリズムを使用して最適化することにより、Ｏ（ｐｌｏｇｐ）ぐらい少なく、予想されたｐ2回の繰り返し数未満でデータを計算できる。しかし、ＦＦＴを使用することによる速度の利益は、ｐの値が大きい場合にのみ重要である。
【００４１】
これは、ピクセルレベルに対して分解能を与える。しかし、本方法は、０．０１ピクセルぐらい小さい分解能を与えるほど十分頑強である。多くの場合には、カメラ・ピクセルおよびプロジェクタ・バーは、直接には一致しない。この場合、カメラ・ピクセルのある部分ｆは特定のバー２０５の下にあり、ある部分１−ｆは別のバーの下にある。したがって、下記の擬コードによりｆを計算することができる。
【００４２】
【数６】
0003729259.tif 000007
【００４３】
調べているカメラ・ピクセルは、それぞれａ／（ａ＋ｂ）とｂ／（ａ＋ｂ）の重みが付けられたピクセルｂｅｓｔｊとｂｅｓｔｊ−１の組み合わせである。
【００４４】
同様に、表面１０２は特定のピクセル・フィールド１２２が３つのバーの一部を含んでいるようであれば、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を制約条件として、相対的な重みａ、ｂ、ｃを決定することができる。特定のピクセル・フィールド１２２がエッジを含んでいれば、そのピクセルは２つの隣接していないバーからの画像を含んでいる可能性がある。隣接の制約条件を除外すると、特定のピクセル・フィールド１２２の中に正確にどの２つのバーが含まれ、かつ、どの割合で含まれるかは判定可能である。
【００４５】
プロジェクタの角度１１４は、プロジェクタ１０４のある中心軸１１６に対して測定される。特定のバー２０５は、中心軸１１６から離れてある角度１１４ａに置かれる。ある既知のバー２０５に対して、直線１１０となす角度もまた既知である。同様に、カメラ角度１１２は、カメラ１０６のカメラ軸１１８に対して測定される。特定のカメラ・ピクセル１０８は、カメラ軸１１８に対してある角度１１２ａだけ横を向いており、カメラ軸１１８に対してある別の角度１１２ｂだけ縦を向いている。同様に、直線１１０に対して特定のカメラ・ピクセルの正確な角度を推定することができる。
【００４６】
特定のカメラ・ピクセル１０８と特定のバー２０５の対応がいったん確立すると、３次元空間におけるピクセル・フィールド１２２に現れる画像の位置を簡単にすばやく三角測量するために、直線１１０の既知の距離とカメラ・ピクセル１０８とバー２０５がそれぞれ直線１１０となす角度を使用することができる。さらに、サブピクセルの精度でバー２０５の位置がわかると、この位置を知る精度があがる。
【００４７】
平方剰余バーコードの使用から得られるデータはいくつかの利点を有する。最後の「真っ暗」の画像と組み合わせることにより、データは、それ自身の任意の循環シフトと直交するようになる。この特性は、上で説明した１５バーのパターンにも存在する。この利点の１つは、光「雑音」の影響をもっとも受けなくなることである。調べている特定のカメラ・ピクセル１０８からｐ個離れていないピクセルは、前記の特定のカメラ・ピクセルのデータに直交するデータを有する。すでに示されたように、正しいピクセルに対する内積は大きいのに対して、直交データの内積は零になるので、対応の判定は簡単になる。サブピクセルのレベルでの正確な分解能を可能にするのも、この直交性の特徴である。
【００４８】
本発明は、カメラ／プロジェクタ・システムの伝達関数の較正における従来遭遇していた問題も克服する。従来技術のシステムでは、特にさまざまなグレースケール・パターン（たとえば、鋸歯状波、三角波、正弦波）を含む構造光の構成では、カメラとプロジェクタの間の伝達関数の非線形性による較正の問題が重要であった。例えば、カメラ・ピクセルが最高強度の５０％の光によって照明されていれば、対応するカメラ・ピクセルにおける強度値は、１００％の強度の光によって照明されたカメラ・ピクセルの正確に５０％の強度ではないことがある。同様に、プロジェクタが光景全体を一様に照明することはほとんど無く、非線形性の別の原因を作る。したがって、このようなシステムは、多くの時間が必要で困難な較正を必要とする。このシステムでは、識別するための光強度はわずか２つの値のみである。さらに、データは、これらの２つの値の間のコントラストを向上させるために、前処理においてシフトされ、スケールされる。較正は、些細もしくは不要である。
【００４９】
直交性の他の利点は、計算を単純化する効果である。直交行列の逆行列は単にその転置であり、複雑な行列の反転は不要になる。
【００５０】
本発明による他の利点は、各バーコード画像がそれ自身周期的なシフトであることである。これは、本方法を実施するさまざまな手段を与える。図４において、能動投射手段３０２は、各画像に対してパターンを変化させる。一実施形態は、矢印３０９によって示す方向に回転している、回転多角形反射表面３０８に対して「光のシート」３０６を放射するレーザ・プロジェクタ３０４を有する。光のシート３０６は、カメラ１０６の視界１２０にわたって、矢印３１０の方向に走査される。高い精度が、レーザ変調のタイミングが高精度で可能なことと、光シートの薄さと、回転ミラーの位置が正確に知られている場合のモーメント間の回転ミラー３０８の角運動量の高い一定性によって可能である。より高度の２次近似として、ミラーは一定の角運動量ではなく一定の角加速度および減速度を有すると仮定することができる。
【００５１】
代わりに、図５に示すように、バーコードの周期的なシフトは受動的な手段によって生成され得る。例えば、プロジェクタ４０３の前方に設置された高精度クロム・ガラスマスク４０１は、バーコードを生成する。次にマスク４０１は、矢印４０５の方向に動かされ、表面１０２の上を移動する。１つ以上のピンホール・フォトダイオード４０７が、画像が適切な位置にいる時を検出し、リンク４０９を介してカメラ１０６を同期することができる。
【００５２】
図６に示す投射システムのさらに他の実施形態では、コンピュータ５０７あるいは類似の装置のようなビデオ信号生成器５０１は、リンク５０５を介して能動プロジェクタ５０３にビデオ信号を直接送信する。コンピュータをビデオ信号生成器５０１として使用する場合、このコンピュータは、バーコードビデオ信号を生成することも、カメラ１０６からデータを収集することもできるようにプログラムされ、これによって、従来はコンピュータ１０７に割り当てられていた機能を実行する。バーコードビデオ信号を生成するとともに画像データを収集するためにもコンピュータ５０７を使用する場合、コンピュータ５０７はリンク５０９を介して画像を収集するためにもカメラを同期する。
【００５３】
Redlake MASD 社から出ている MOTIONSCOPE系列を含むいくつかの市販されているディジタル・ピクセル・カメラは、毎秒８０００に至るフレーム・レートで画像取得が可能である。ディジタル・シャッタ時間の間に十分な露光を保証するためにストロボ光を使用すると、適切な精度を実現するためにマッピングされている表面が停止している必要がない可能性がある。
【００５４】
さらに、上述の実施形態は白黒カメラを想定しているが、より一般的な意味で、本発明は、例えば走査される表面の色彩の効果を補償するために、カラーカメラと光の３色素で使用され得る。
【００５５】
加えて、構造光バーコードは１次元にのみ与えられているが、これは３次元空間の表面を位置づけるのに必要な最小限だからである。この制約は、サブピクセルの精度がその１つの次元の方向でのみ既知であることである。第２の次元を追加することにより、バーコードを増強することは可能であり、それはカメラの両方の次元でサブピクセルの精度を可能にするであろう。
【００５６】
比較的簡単なプロジェクタ技術と、容易に利用可能で低価格なディジタル・ピクセル・カメラ技術と、数学的処理を非常に単純化する方法が、経済的にかつ商業目的で大量に生産することが可能な、３次元の表面を結像するシステムを作るために、本発明にしたがって組み合わされる。データが収集され、画像を分解される速度は、このような費用効率の高いプラットフォームでは比類ないものと確信する。
【００５７】
本明細書では、特定の代表的な実施形態を参照して本発明を説明してきた。本発明の範囲から逸脱することなく、ある程度の代替および修正は当業者にとって明白であろう。代表的な実施形態は、添付した請求項により定められる本発明の範囲を限定しているのではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステムにしたがって配置された基本部品を概念的に示した図である。
【図２】分かりやすいようにある要素を省略して、システムの部品をより詳細に示した図である。
【図３】１９ピクセルの周期を有する、本発明による構造光バーコードの例を示した図である。
【図４】レーザ発生器と回転ミラーを使用して、構造光バーコードが生成されるプロジェクタの一実施形態を示した図である。
【図５】構造光バーコードがプロジェクタとクロム・ガラスマスクを使用して生成されるプロジェクタの別の実施形態を示した図である。
【図６】ビデオ信号生成器が構造光バーコードを生成する能動プロジェクタにビデオ信号を送る投射システムの別の実施形態を示した図である。
【符号の説明】
１００    本発明のシステム
１０２    ３次元の表面
１０２ａ  球形の物体
１０２ｂ  直方体の物体
１０２ｃ  四面体の物体
１０４    プロジェクタ
１０６    ディジタル・ピクセル・カメラ
１０７    コンピュータ
１０８    カメラ・ピクセル
１１０    プロジェクタ１０４とカメラ１０６を結ぶ直線
１１２    直線１１０とカメラ軸１１８とのなす角
１１２ａ  カメラ軸１１８と正射影１２４ａのなす角
１１２ｂ  直線１２４と正射影１２４ａのなす角
１１４    直線１１０とプロジェクタの中心軸１１６のなす角
１１４ａ  プロジェクタの中心軸１１６と正射影１２６のなす角
１１６    プロジェクタの中心軸
１１８    カメラ軸
１２０    カメラ１０６の視界
１２２    ピクセル１０８のフィールド
１２４    ピクセル１０８とピクセル・フィールド１２２を結ぶ直線
１２４ａ  直線１２４の水平方向の正射影
１２４ｂ  直線１２４の鉛直方向の正射影
１２６    ピクセル・フィールド１２２内のバー２０５の正射影
２０１    構造光バーコード
２０３    バーコード２０１の周期
２０５    バー
３０２    能動投射手段
３０４    レーザ・プロジェクタ
３０６    光のシート
３０８    回転多角形反射表面
３０９    回転多角形反射表面３０８の回転方向
３１０    光のシート３０６の走査方向
４０１    クロム・ガラスマスク
４０３    プロジェクタ
４０５    マスク４０１の移動方向
４０７    ピンホール・フォトダイオード
４０９    リンク
５０１    ビデオ信号生成器
５０３    プロジェクタ
５０５    リンク
５０７    コンピュータ
５０９    リンク
【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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