(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ズーム調節機構は処理手段の制御信号に応じてズーム値を可変する手順、焦点調節機構は処理手段の制御信号に応じて焦点深さ値を可変する手順、撮像手段は前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を介して被写体の画像を撮像する手順、前記処理手段は、前記ズーム調節機構をサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を抽出する手順とからなることを特徴とする焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測方法。
【請求項２】
ズーム調節機構および焦点調節機構を有する撮像手段と、前記撮像手段の出力画像に基づいて前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を調節するための調節信号を出力する処理手段とからなり、前記処理手段は、ズーム調節機構のサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を検出することを特徴とする焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技締分野】
【０００１】
本発明は、ズーム度合いとピントの深さの２つのパラメータを組み合わせて被写体表面の形状を正確に検出する高精度三次元計測方法およびそのための装置に関する。
【従来技術】
【０００２】
現在までに、本件発明者らは、サンプリングの焦点深度を漸次変えながら複数枚の画像を獲得し、これら画像をもとに物体の奥行き情報を獲得する手法を提案している。
【０００３】
具体的に説明する。オートフォーカスカメラは自動的にピントを合わせることができるが、あくまで焦点エリアだけを一定の距離だけにピントを合わせることができるものである。これに対し、全焦点カメラは、すべての距離にピントが合っている画像を獲得できるだけでなく、Ｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  Ｆｏｃｕｓ理論を用いることにより単眼であるにもかかわらず、物体の三次元形状を獲得することを可能にする。前記理論によれば、図３に示すような奥行きの異なる物体を観測する場合、図４に示すように、撮像面までの距離（ピント）を振りながら画像各点で画像の濃淡データの局所周波数を計測し、ピーク（合ピン）を検出する。
図３は物体の三次元形状図である。
【０００４】
図４は物体の画像鮮鋭度をフォーカシングを変えながら求めた図である。
この手法に関しては電気学会論文集Ｅ［１２０巻６号、平成１２年、Ｐ．２６４−２７１］および平成１２年１１月８−１０日第１１回マイクロマシン展参考出展（文献）に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来はピント合わせだけで高さ方向の値を求めていたが、これではズーム値が一定のため、ピント合わせが甘く、その精度に問題があった。
上記手法は、焦点深度を変えるものであることからみて、光学的な原理から、物体までの距離が２ｍを越えると、奥行き精度がとれないという欠点が知られている。
本発明は、上記従来例の欠点に鑑み、物体の奥行き精度を向上する焦点調整機構とズーム機構による高精度三次元計測方法およびそのための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測方法において、ズーム調節機構は処理手段の制御信号に応じてズーム値を可変する手順、焦点調節機構は処理手段の制御信号に応じて焦点深さ値を可変する手順、撮像手段は前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を介して被写体の画像を撮像する手順、前記処理手段は、前記ズーム調節機構をサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を抽出する手順とからなることを特徴とする。
【０００７】
（２）焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測装置において、ズーム調節機構および焦点調節機構を有する撮像手段と、前記撮像手段の出力画像に基づいて前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を調節するための調節信号を出力する処理手段とからなり、前記処理手段は、ズーム調節機構のサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を検出することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
従来は図３に示すようなＸＹ平面の画素点各点において、図４のようにフォーカスを変えて画素鮮鋭度に基づいてフォーカシング−画像鮮鋭度特性Ｐ３上のピントの合っているところ（合ピン：ＧＰ３）を見つけ、その合ピン点に対応するフォーカシング値Ｆ３に基づいて高さ方向の値（Ｚ値）を求めていた。このため、物体までの距離が２ｍを越える場合には高い精度での計測は困難であった。つまり、ピントが甘くなってしまっていた。
この欠点を解消するために、本発明は、従来のようなピント合わせだけでなく、図２に示すようにズーム値とフォーカスを適切に設定することにより、ピント合わせの精度を格段に高くするものである。
図２はフォーカシング−画像鮮鋭度特性をズームレベルに応じて求めた特性図である。
【０００９】
図２に示すように、離散的なズームレベルを設定し、各レベルに応じてフォーカシング−画像鮮鋭度特性Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を求める。例として、従来の図２に示す特性Ｐ３は図２では特性Ｐ３として表示している。図２から解るように、フォーカシング−画像鮮鋭度特性はズームレベルに応じて大幅に変化する。図２の例の場合、特性Ｐ２の合ピン点ＧＰ２は、従来の特性Ｐ３の合ピン点ＧＰ３より顕著にピントが合っている結果となる。この結果、従来の特性Ｐ３の合ピン点ＧＰ３に対応する高さ方向の値（Ｚ値）を用いるよりもズームレベル２で測定した特性Ｐ２の合ピン点ＧＰ２に対応する高さ方向の値（Ｚ値）を用いるほうが格段に精度が上がることになる。
この手法は、物体までの距離が２ｍを越える場合に限らず、一般的に適用できることは図２の特性からみて明らかである。
以上述べた本発明の実施の形態を以下の実施例について詳細に説明する。
【００１０】
（実施例）
本発明の計測システムは、図３に示すような立体の３次元データの取得を目的とする。
図１は本発明の計測システムのブロック構成図である。
本発明の高精度３次元計測装置は、ズーム調節機構３とピント（焦点）調節機構４を備える撮像手段２と、処理手段１とからなる。
本発明の焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測方法は、ズーム調節機構は処理部の制御信号に応じてズーム値を可変する手順、焦点調節機構は処理部の制御信号に応じて焦点深さ値を可変する手順、撮像手段は前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を介して被写体の画像を撮像する手順、前記処理手段は、前記ズーム調節機構をサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を抽出する手順とからなる。
【００１１】
本発明の焦点調整機構とズーム調節機構による高精度三次元計測装置は、ズーム調節機構および焦点調節機構を有する撮像手段と、前記撮像手段の出力画像に基づいて前記ズーム調節機構および前記焦点調節機構を調節するための調節信号を出力する処理手段とからなり、前記処理手段は、ズーム調節機構のサンプリング位置を増加または減少する方向に一定間隔毎に設定すると共に、前記ズーム調節機構のサンプリング位置毎に前記焦点調節機構に被写体の焦点合わせを行わせて注目画素の画素値を検出する。
高精度三次元計測装置の計測手順は以下のようになる。
撮像手段２は、画像フレームを構成するｘｙ平面上において、ソート順にｘｙ座標（Ｘ１，Ｙ２）を特定する。
処理手段１は、ズーム調節機構３を調節して、ズームレベルを一定方向に離散的に移動させ、そのズームレベルを一時的に固定した状態でピント調節機構４を調節して、データ（ズームレベル値、ピント深さ値、画素値等）を取得する。
【００１２】
本計測システムは以上の計測手順を画像フレームの全ｘｙ座標について行い、必要なデータを取得する。
この結果、データ（平面座標Ｘｉ、平面座標Ｙｊ、ズームレベル値Ｚｋ、ピント深さ値Ｆｍ、画素値Ｇｎ  等）を１フレーム分取得する。
次に、処理装置１は、特定座標位置での前記データの内のズームレベル値Ｚｋ毎の画素値Ｇｎを基に鮮鋭度検出処理等を行い、最も鮮鋭な画素値を画像信号として決定する。
そのときの画素値の含まれる前記データ（平面座標Ｘｉ、平面座標Ｙｊ、ズームレベル値Ｚｋ、ピント深さ値Ｆｍ、画素値Ｇｎ  等）を特定し、このデータ内のズームレベル値Ｚｋおよびピント深さ値Ｆｍを基にテーブルからＺ（高さ）方向の値を求め、新しくデータ（平面座標Ｘｉ、平面座標Ｙｊ、Ｚ（高さ）方向の値）を作成し、記憶手段に記憶する。
【００１３】
撮像手段２により撮像された画素値等の画像信号は処理手段１において画像処理される。
画像処理としては、注目画素の画素値が注目画素を含むブロック、例えば４画素×４画素からなる１６画素を１ブロックとした該ブロックの画素値の近隣画素値との差を平均したときの値（鮮鋭値）を、ズームレベルを調節して複数求め、その内から最も大きい前記値のときの画素を画像として抽出する。
ピント調節は、所定ズームレベルにおいて、測定した画素値を基に演算した値（鮮鋭値）を常に相互に比較し、その内の最大値を検出してピント深さ値を決定する。
【００１４】
本発明は、まずズームレベルを特定してからピント深さ値を求める手段を採用しているが、このようにまずズームレベルを特定する方法を採用することにより、ピント深さ値を先に特定する方法に比べて、計測時間を短縮することができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明は、ピント合わせだけでは限界があった長尺の被写体の計測が、ズーム調節を組み合わせることにより精度よく簡単に行うことができる。
本発明は前記処理を行うことにより、被写体の輪郭点の３次元座標を抽出および計測することができる。
また、前記３次元座標に基づいて被写体の３次元画像を再生することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測システムのブロック構成図である。
【図２】本発明のフォーカシング−画像鮮鋭度特性をズームレベルに応じて求めた特性図である。
【図３】物体の三次元形状図である。
【図４】物体の画像鮮鋭度をフォーカシングを変えながら求めた図である。
【符号の説明】
１    処理手段
２    撮像手段
３    ズーム調節機構
４    ピント調節機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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