(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の起点から物体上の測定部位を通過するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記測定部位を通過するように第２の参照光を投射し、
前記第１及び第２の参照光の前記測定部位からの反射光を前記第１及び第２の起点とは別の位置で受光し、
前記第１の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第１の参照光の投射角度と前記第２の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第２の参照光の投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記測定部位の位置を算出する
ことを特徴とする３次元入力方法。
【請求項２】
第１の起点から物体上の測定部位を通過するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記測定部位を通過するように第２の参照光を投射し、
前記第１及び第２の参照光の前記測定部位からの反射光を共通の位置で受光し、
前記第１の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第１の参照光の投射角度と前記第２の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第２の参照光の投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記測定部位の位置を算出する
ことを特徴とする３次元入力方法。
【請求項３】
第１の起点から仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の参照光を投射し、
物体で反射した前記第１及び第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サンプリング区画を通過する時点を検出し、
検出した各時点における前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記各サンプリング区画毎に前記物体の位置を算出する
ことを特徴とする３次元入力方法。
【請求項４】
第１の起点から仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の参照光を投射する投光系と、
物体で反射した前記第１及び第２の参照光を受光して電気信号に変換する撮像系と、
前記電気信号に基づいて、物体で反射した前記第１及び第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サンプリング区画を通過する時点を検出する信号処理手段とを備え、
前記信号処理手段の検出した各時点における前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度に応じたデータを、前記物体における複数の部位の位置情報として出力する
ことを特徴とする３次元入力装置。
【請求項５】
前記投光系は、前記第１の参照光を投射する第１光学機構と、前記第２の参照光を投射する第２光学機構とを有する
請求項４記載の３次元入力装置。
【請求項６】
前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を順に投射するための光学機構と、前記光学機構の少なくとも一部を移動させて投射の起点を変更する移動機構とを有する
請求項４記載の３次元入力装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の参照光はスリット光であり、
前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を前記仮想面を第１方向に走査するように投射するとともに、前記第１の参照光を前記仮想面を前記第１方向と直交する第２方向に走査するように投射する
請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の３次元入力装置。
【請求項８】
前記撮像系の結像の主点は、前記第１の起点と前記第２の起点との間の位置である
請求項４乃至請求項７のいずれかに記載の３次元入力装置。
【請求項９】
前記撮像系の結像の主点は、前記第１及び第２の起点の双方に対して等距離の位置である
請求項８記載の３次元入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体に参照光を投射して物体を走査し、物体形状を特定するデータを得る３次元入力方法及び３次元入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンジファインダと呼称される非接触型の３次元入力装置は、接触型に比べて高速の計測が可能であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用されている。
【０００３】
レンジファインダに好適な計測方法としてスリット光投影法（光切断法ともいう）が知られている。この方法は、物体を光学的に走査して距離画像（３次元画像）を得る方法であり、特定の参照光を投射して物体を撮影する能動的計測方法の一種である。距離画像は、物体上の複数の部位の３次元位置を示す画素の集合である。スリット光投影法では、参照光として投射ビームの断面が直線帯状であるスリット光が用いられる。走査中のある時点では物体の一部が照射され、撮像面には照射部分の起伏に応じて曲がった輝線が現れる。したがって、走査中に周期的に撮像面の各画素の輝度をサンプリングすることにより、物体形状を特定する一群のデータ（３次元入力データ）を得ることができる。
【０００４】
従来においては、撮像面内の輝線の位置に基づいて物体で反射して撮像面に入射したスリット光の入射角度を求め、その入射角度と当該スリット光の投射角度と基線長（投射の起点と受光基準点との距離）とから三角測量の手法で物体の位置を算出していた。つまり、参照光の投射方向と受光方向とに基づく位置演算が行われていた。
【０００５】
なお、レンジファインダにおいて、撮像の画角を調整するズーミングが実現されている。また、撮像面の輝度のサンプリングにおいて、１回のサンプリングの対象を撮像面全体ではなく参照光が入射すると予想される一部の領域に限定し、その領域をサンプリング毎にシフトさせる手法が知られている。これによれば、サンプリングの１回当たりの所要時間を短縮して走査を高速化することができ、データ量を削減して信号処理系の負担を軽減することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来においては、３次元入力データの精度が撮像情報に基づいて特定される参照光の入射角度の精度に依存し、このために十分に高い精度の３次元入力データが得られなかったり、精度を確保するために複雑な演算が必要となったりするという問題があった。例えば、ミラーを用いて間接的に物体を撮像する場合には、ミラーの面精度及び取付け姿勢の影響を受けるので、直接的に撮像する場合と比べて入射角度の精度が低下する。また、ズーミング機能やフォーカシング機能を設けた場合には、可動レンズの停止位置毎に微妙に異なるレンズ歪み補正を行わなければならない。補正内容を設定するためにズーム段を切り換えて測定を行ったり、測定結果から他のズーム段の補正内容を推測したりする処理が必要になることもある。
【０００７】
本発明は、参照光の入射角度情報によらない３次元入力を実現し、入射角度情報を得るための演算を不要にするとともに、投射角度情報と比べて入射角度情報の精度が低い場合における３次元入力データの精度の向上を図ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、互いに離れた２点のそれぞれを起点として物体に対する参照光の投射を行い、起点間の距離と各起点からの投射の角度（起点どうしを結ぶ直線に対する傾き）とから三角測量の手法で物体の位置を算出する。その際、各起点からの投射の物体上の照射位置の一致確認に物体の撮像情報を用いる。ただし、撮像における視線方向（参照光の入射角度）の情報は用いない。各起点からの投射を順に行ってもよいし、同時に行ってもよい。順に行う場合には各起点から同じ波長の参照光を投射してもよい。同時に行う場合には、波長や点滅周期などの異なる識別可能な２種の参照光を用いる。
【０００９】
請求項１の発明の方法は、第１の起点から物体上の測定部位を通過するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記測定部位を通過するように第２の参照光を投射し、前記第１及び第２の参照光の前記測定部位からの反射光を前記第１及び第２の起点とは別の位置で受光し、前記第１の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第１の参照光の投射角度と前記第２の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第２の参照光の投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記測定部位の位置を算出する３次元入力方法である。
請求項２の発明の方法は、前記第１及び第２の参照光の前記測定部位からの反射光を共通の位置で受光し、前記第１の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第１の参照光の投射角度と前記第２の参照光が前記測定部位を通過するときの当該第２の参照光の投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記測定部位の位置を算出する３次元入力方法である。
【００１０】
請求項３の発明の方法は、第１の起点から仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の参照光を投射し、物体で反射した前記第１及び第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サンプリング区画を通過する時点を検出し、検出した各時点における前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度と前記第１及び第２の起点の間の距離とに基づいて、前記各サンプリング区画毎に前記物体の位置を算出する３次元入力方法である。
【００１１】
請求項４の発明の装置は、第１の起点から仮想面に向かってそれを走査するように第１の参照光を投射するとともに、前記第１の起点と離れた第２の起点から前記仮想面に向かってそれを走査するように第２の参照光を投射する投光系と、物体で反射した前記第１及び第２の参照光を受光して電気信号に変換する撮像系と、前記電気信号に基づいて、物体で反射した前記第１及び第２の参照光のそれぞれが前記仮想面を細分化した各サンプリング区画を通過する時点を検出する信号処理手段とを備え、前記信号処理手段の検出した各時点における前記第１及び第２の参照光のそれぞれの投射角度に応じたデータを、前記物体における複数の部位の位置情報として出力する３次元入力装置である。
【００１２】
請求項５の発明の３次元入力装置において、前記投光系は、前記第１の参照光を投射する第１光学機構と、前記第２の参照光を投射する第２光学機構とを有する。
【００１３】
請求項６の発明の３次元入力装置において、前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を順に投射するための光学機構と、前記光学機構の少なくとも一部を移動させて投射の起点を変更する移動機構とを有する。
【００１４】
請求項７の発明の３次元入力装置において、前記第１及び第２の参照光はスリット光であり、前記投光系は、前記第１及び第２の参照光を前記仮想面を第１方向に走査するように投射するとともに、前記第１の参照光を前記仮想面を前記第１方向と直交する第２方向に走査するように投射する。
【００１５】
請求項８の発明の３次元入力装置において、前記撮像系の結像の主点は、前記第１の起点と前記第２の起点との間の位置である。
請求項９の発明の３次元入力装置において、前記撮像系の結像の主点は、前記第１及び第２の起点の双方に対して等距離の位置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は第１実施形態に係る３次元入力装置１の機能ブロック図である。
３次元入力装置１は、２個の投光機構１１，１６からなる投光系１０と、ズーミング及びフォーカシングの可能な撮像系２０とを有し、ＣＰＵ３１によって制御される。
【００１７】
投光機構１１は、光源としての半導体レーザ１２、スリット光を投射するためのレンズ群１３、及び投射角度を変更するビーム偏向手段としてのガルバノミラー１４からなる。レンズ群１３は、コリメータレンズとシリンドリカルレンズとで構成される。同様に投光機構１６も半導体レーザ１７、レンズ群１８、及びガルバノミラー１９からなる。ガルバノミラー１４，１９には、投光制御回路３２からＤ／Ａ変換器３３，３４を介して偏向制御信号が与えられる。
【００１８】
撮像系２０は、受光レンズ２１、ビームスプリッタ２２、物体Ｑの形状を表す距離画像を得るためのイメージセンサ２４、モニター用のカラーイメージセンサ２５、及びレンズ駆動機構２６からなる。ビームスプリッタ２２は、半導体レーザ１２，１７の発光波長域（例えば中心波長６７０ｎｍ）の光と可視光とを分離する。イメージセンサ２４及びカラーイメージセンサ２５はＣＣＤエリアセンサである。ただし、ＣＭＯＳエリアセンサをカラーイメージセンサ２５として使用してもよい。イメージセンサ２４の出力はＡ／Ｄ変換器３５で受光データＤ３５に変換され、逐次にメモリ回路３７に転送される。メモリ回路３７では受光データＤ３５の値に応じて後述の投射角度θＡ，θＢを特定するデータ（ＴＡ，ＴＢ）が記憶される。カラーイメージセンサ２５の出力はＡ／Ｄ変換器３６で受光データに変換され、カラー画像メモリ３８によって逐次に記憶される。メモリ回路３７及びカラー画像メモリ３８のアドレス指定はメモリ制御回路３９が担う。
【００１９】
ＣＰＵ３１は、制御対象に適時に指示を与えるとともに、メモリ回路３７からデータを読み出して距離画像データを得る演算を行う。距離画像データは適時に３次元入力データとして図示しない外部装置に出力される。その際、カラー画像メモリ３８によって記憶されている２次元カラー画像も出力される。外部装置としては、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置などがある。
【００２０】
図２は投射の模式図、図３は距離画像データの生成要領を説明するための図である。
３次元入力装置１は、ガルバノミラー１４の反射面上の点を起点Ａとして仮想面ＶＳを走査するようにスリット光Ｕ１を投射するとともに、ガルバノミラー１９の反射面上の点を起点Ｂとして仮想面ＶＳを走査するようにスリット光Ｕ２を投射する。仮想面ＶＳは、イメージセンサ２４で撮像可能な空間（画角内の範囲）の奥行き方向と直交する断面に相当する。そして、仮想面ＶＳのうちのイメージセンサ２４における各画素ｇに対応した範囲が、３次元入力のサンプリング区画となる。図２においては、起点Ａ、起点Ｂ、及び受光の主点Ｃが一直線上に配置されている。ここでは、起点Ａ，Ｂが垂直方向に沿って並び、スリット光Ｕ１，Ｕ２のスリット長さ方向を水平方向とする。
【００２１】
物体Ｑの３次元入力の概要は次のとおりである。
イメージセンサ２４によるフレーム周期の撮像に同期させてガルバノミラー１４の偏向角を制御する。そして、イメージセンサ２４の各画素が、刻々と偏向されていくスリット光Ｕ１のどの時点の投射により照らされたかを検知する。スリット光Ｕ１の投射された物体をイメージセンサ２４で撮像し、そのＩ×Ｊ個の画素ｇのうちのｉ列ｊ行の画素ｇijの出力に注目すると、画素ｇijに対応した点Ｐをスリット光Ｕ１が通過する際にその出力が最大値となる。つまり、画素ｇijの出力がピークを示す時刻ＴＡのスリット光Ｕ１の投射角度θＡ（図３参照）と起点Ａの空間座標とによって特定される平面上に点Ｐが存在することになる。同様に、起点Ｂからの投射を行ったときには、画素ｇijの出力が最大となる時刻ＴＢのスリット光Ｕ２の投射角度θＢと起点Ｂの空間座標とによって特定される平面上に点Ｐが存在することになるので、これら２つの平面の交線上に点Ｐの存在が規定されることになる。したがって、投射角度θＡ，θＢ及び基線長Ｌに基づいて、三角測量の原理を適用して、起点Ａ，Ｂを通る基線と点Ｐとの奥行き方向の距離Ｄを算出することができ、起点Ａ，Ｂと点Ｐとの垂直方向及び奥行き方向の相対位置を特定することができる。
【００２２】
以上の処理を各画素ｇについて行えば、物体Ｑについて画素数分のサンプリング点の位置情報が得られる。本実施形態の構成では水平方向の位置は未定であるが、３次元入力データの用途によっては、奥行き情報が重要であり水平方向の位置はさほど重要ではないこともある。水平方向についてはおおよその位置でよい場合であれば、簡易的に画素位置から算出することができる。また、後述のように水平方向にスリット光Ｕ１を偏向すれば、水平方向の位置も正確に測定することが可能となる。なお、起点Ａ，Ｂについては、投光系１０の構成によってその位置や位置の時間変化が異なるが、任意の時点において投射角度と一対一で対応する。したがって、３次元位置の算出には投射角度と起点位置のうちの投射角度のみが検出できれば十分である。
【００２３】
次に、画素ｇijの出力が最大となる時刻ＴＡ，ＴＢを検出するための回路の具体的な構成を説明する。
図４はメモリ回路の第１例のブロック図である。
【００２４】
例示のメモリ回路３７は、２個のメモリ３７１，３７６、比較器３７７、及びインデックスジェネレータ３７８から構成されている。メモリ３７１は、投光機構１１による第１の走査に際して用いるメモリバンク３７１Ａと、投光機構１６による第２の走査に際して用いるメモリバンク３７１Ｂとを有している。同様に、メモリ３７６も２個のメモリバンク３７６Ａ，３７６Ｂを有している。
【００２５】
メモリ３７１にはＡ／Ｄ変換器３５から受光データＤ３５が入力され、メモリ３７６にはインデックスジェネレータ３７８からフレーム番号Ｔが入力される。。比較器３７７は、イメージセンサ２４の画素毎に最新の入力データであるｔ番目のフレームの受光データＤ３５と以前にメモリ３７１に書き込まれた受光データＤ３５とを比較し、最新の受光データＤ３５が以前の受光データＤ３５より大きい場合にメモリ３７１，３７６に対して書込みを許可する。これを受けて各メモリ３７１，３７６は最新の入力データで上書きを行う。比較結果が逆の場合は各メモリ３７１，３７６において以前の記憶内容が保持される。したがって、各走査が終了した時点において、メモリ３７１は各画素ｇij毎に受光データＤ３５の最大値を記憶し、メモリ３７６は各画素ｇij毎に受光データＤ３５が最大となったフレームの番号Ｔを記憶することになる。各フレームの撮像は一定周期で行われるので、フレーム番号Ｔは走査期間中の時刻（走査開始からの経過時間）を表す。つまり、メモリ３７６が記憶するフレーム番号Ｔは上述の時刻ＴＡ，ＴＢに相当し、投射角度θＡ，θＢを特定する情報である。
【００２６】
この例によれば、比較的に簡単な回路構成によって投射角度θＡ，θＢを検知することができる。ただし、投射角度の検知の分解能はイメージセンサ２４の画素ピッチに依存する。分解能の向上を図ったものが次の第２例である。
【００２７】
図５はメモリ回路の第２例のブロック図、図６は撮像面における輝度分布と受光データとの関係を示す図である。図５において図４に対応した要素には図４と同一の符号を付してある。
【００２８】
第２例のメモリ回路３７ｂは、メモリ３７１に加えてそれと同サイズの４個の２個のメモリ３７２，３７３，３７４，３７５を設け、計４個の１フレームディレイメモリ３７９ａ〜ｄを介在させて各メモリ３７２〜３７５のデータ入力をメモリ３７１に対して順に１フレームずつ遅らせるように構成したものである。すなわち、メモリ回路３７ｂでは、各画素ｇijについて連続した５フレームの受光データＤ３５が同時に記憶される。比較器３７７は、入力が２フレーム遅れの第３番目のメモリ３７３の入出力を比較する。メモリ３７３の入力データ値が出力データ値（以前に書き込まれたデータ値）より大きい場合に、メモリ３７１〜３７５及びメモリ３７６の書込みが許可される。
【００２９】
各走査が終了した時点において、メモリ３７３は各画素ｇij毎に受光データＤ３５の最大値を記憶することになる。また、メモリ３７１，３７２，３７４，３７５によって、受光データＤ３５が最大となったフレームの２つ前、１つ前、１つ後、２つ後の計４フレームの受光データＤ３５が記憶されることになる。そして、メモリ３７６は、各画素ｇij毎に受光データＤ３５が最大となったフレームの番号Ｔを記憶することになる。
【００３０】
ここで、図６（ａ）のように、撮像面に結像したスリット光像の幅が５画素分であり、輝度分布が単一峰の山状であるものとする。このとき、１つの画素ｇijに注目すると、図６（ｂ）のように輝度分布に応じた変化の受光データが得られる。したがって、メモリ３７１〜３７５に記憶されている５フレーム分の受光データＤ３５に基づいて重心演算を行うことにより、フレーム周期（つまり画素ピッチ）よりも細かな刻みで時刻ＴＡ，ＴＢを算出することができる。図６（ｂ）の例では、時刻ＴＡ（ＴＢ）はｔ回目と（ｔ＋１）回目のサンプリング時刻間にある。
【００３１】
この第２例によれば分解能が向上するが、輝度分布によっては所望の精度が得られないという問題がある。すなわち、実際の撮像では、光学系の特性などに起因して結像に何らかのノイズが加わる。このため、輝度分布に複数のピークが生じたり、平坦でピークの不明瞭な輝度分布となったりする。輝度分布が理想形状から大きく外れると、重心演算の信頼性が低下する。
【００３２】
このようなノイズの影響は、輝度の最大値が得られたフレームとその前後の各数フレームを合わせた程度の短い期間ではなく、十分に長い期間の輝度分布に基づいて重心演算を行うことによって低減することができる。それを実現するのが次の第３例である。
【００３３】
図７はメモリ回路の第３例のブロック図、図８は図７に係る重心の概念図である。
第３例のメモリ回路３７ｃは、メモリ３７１０、定常光データ記憶部３７２０、減算部３７３０、第１加算部３７４０、第２加算部３７５０、及び除算部３７６０から構成され、各画素ｇij毎にフレーム数分の受光データＤ３５に基づいて重心（時間重心）を算出する。
【００３４】
メモリ３７１０は、２個のバンクを有し、順に行われる第１及び第２の走査で得られた所定数ｋのフレームの受光データＤ３５を記憶する。各画素ｇijのＴ番目（Ｔ＝１〜ｋ）のフレームの受光データ値をｘT と表す。定常光データ記憶部３７２０は、スリット光Ｕ１，Ｕ２以外の不要入射光量を表す定常光データを記憶する。定常光データはスリット光Ｕ１，Ｕ２が入射していないときの受光データＤ３５に基づいて算出される。その値ｓは、予め定めた固定値でもよいし、受光データＤ３５を用いてリアルタイムで求めてもよい。固定値とする場合には、受光データＤ３５が８ビット（２５６階調）である場合に、例えば「５」「６」又は「１０」などとする。減算部３７３０は、メモリ３７１０から読み出された受光データＤ３５の値ｘT から定常光データの値ｓを差し引く。ここで、減算部３７３０からの出力データの値をあらためてＸT とする。第１加算部３７４０は、画素ｇij毎にｋ個の受光データＤ３５について、それぞれの値ＸT とそれに対応したフレーム番号Ｔとの乗算を行い、得られた積の合計値を出力する。第２加算部３７５０は、画素ｇij毎にｋ個の受光データＤ３５の値ＸT の総和を出力する。除算部３７６０は、第１加算部３７４０の出力値を第２加算部３７５０の出力値で除し、得られた重心を時刻ＴＡ（又はＴＢ）として出力する。
【００３５】
図９は投光起点と受光主点との位置関係の設定例を示す図である。
投光系１０及び撮像系２０の配置においては、必ずしも投光の起点Ａ，Ｂ及び受光の主点Ｃが一直線上に並ぶ図９（ａ）又は（ｂ）のような構成にする必要はない。例えば、物体側からみて３点がＬ字状に並ぶ図９（ｃ）の構成、Ｔ字状に並ぶ図９（ｄ）の構成を採用してもよい。特に、図９（ｂ）又は（ｄ）のように起点Ａと起点Ｂとの間に主点Ｃを配置すれば、起点Ａ，Ｂの位置が異なることにより発生するオクルージョンを軽減することができる。その際には主点Ｃと各起点Ａ，Ｂとの距離ｄを等しくするのが好ましい。
【００３６】
図１０は第２実施形態に係る３次元入力装置２の機能ブロック図である。図１０及び以下の各図において図１と同一の符号を付した構成要素の機能は上述の３次元入力装置１と同一である。
【００３７】
３次元入力装置２の構成は、投光系１０ｂ及びその制御に係わる部分を除いて図１の３次元入力装置１と同様である。３次元入力装置２において、投光系１０ｂは、投光機構１１とそれを平行移動させる移動機構１１０とから構成されている。半導体レーザ１２、レンズ群１３及びガルバノミラー１４の配置関係を保持したまま投光機構１１を移動させることにより、２個の投光機構を設けるのと同様に互いに離れた２点を起点としてスリット光Ｕ１，Ｕ２の投射を行うことができる。なお、投光機構１１を移動させる代わりに光路内に退避可能にミラーを設け、起点を変更することも可能である。
【００３８】
図１１は第３実施形態に係る３次元入力装置３の機能ブロック図である。
第３実施形態は、スリット光ではなくビーム断面が点状のスポット光Ｖ１，Ｖ２を投射し、１次元のイメージセンサ（ラインセンサ）２７を用いて撮像を行うものである。
【００３９】
３次元入力装置３は、２個の投光機構１１ｃ，１６ｃからなる投光系１０ｃ、ズーミング及びフォーカシングの可能な撮像系２０ｃとを有している。投光機構１１は、半導体レーザ１２、コリメータレンズ１３ｃ、及びガルバノミラー１４ｃからなる。同様に投光機構１６ｃも半導体レーザ１７、コリメータレンズ１８ｃ、及びガルバノミラー１９ｃからなる。
【００４０】
撮像系２０ｃは、受光レンズ２１、レンズ駆動機構２６、赤外カットフィルタＦ１、バンドパスフィルタＦ２、フィルタ切換え機構２８、及び３次元入力とモニター撮影とに兼用のイメージセンサ２７からなる。イメージセンサ２７は、ＲＧＢの各色に対応した画素列を有する３ラインＣＣＤセンサである。モニター撮影のときには赤外カットフィルタＦ１を用いる。また、３次元入力のときにはレーザ波長域の光を透過させるバンドパスフィルタＦ２を用い、イメージセンサ２７のＲの画素列の出力のみを受光情報として用いる。
【００４１】
スポット光Ｖ１，Ｖ２による場合も、時刻ＴＡ，ＴＢを検出することにより、物体Ｑ上の点Ｐの位置を算出することができる。その原理はスリット光Ｕ１，Ｕ２による場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００４２】
図１２は第４実施形態に係る３次元入力装置４の機能ブロック図、図１３は図１２に係る投射の模式図である。
第４実施形態は、スリット光Ｕ１による水平方向の走査を可能にし、物体Ｑ上の点Ｐの水平方向の位置を正確に特定できるようにしたものである。
【００４３】
３次元入力装置４の構成は、投光系１０ｄ及びその制御に係わる部分を除いて図１の３次元入力装置１と同様である。３次元入力装置４の投光系１０ｄは、２個の投光機構１１，１６と、投光機構１１の偏向方向を垂直方向と水平方向とに切り換えるための回転機構１２０とから構成されている。半導体レーザ１２、レンズ群１３及びガルバノミラー１４の配置関係を保持したまま投光機構１１を９０°回動させることにより、水平方向の走査が可能となる。
【００４４】
３次元入力装置４においては、スリット光Ｕ１，Ｕ２を垂直方向に偏向して時刻（時間重心）ＴＡ，ＴＢを検出する走査に続いて、起点Ａを中心に投光機構１１を９０°回動させてスリット光Ｕ３による水平方向の走査を行う。水平方向の走査においても垂直方向と同様の要領で各画素ｇijの出力が最大となる時間重心（時刻）ＴＣを求める。時間重心ＴＣによって一義的に決まる水平方向の投射角度と、上述のように垂直方向の投射角度θＡ，θＢから求めた距離Ｄとから三角測量法を適用して点Ｐの水平方向の位置を算出することができる。
【００４５】
図１４は回転によって全周囲入力〔図１４（ａ）〕、全方位入力〔図１４（ｂ）〕を実現する装置構成例を示す図、図１５、図１６はミラーによって全方位入力（図１５）、全周囲入力（図１６）を実現する装置構成例を示す図である。
【００４６】
図１４（ａ）の３次元入力装置５は、投光及び撮像を行う光学系１０ｅと物体Ｑを乗せて回転するターンテーブル４５とを備えている。光学系１０ｅは、投光の起点間に受光の主点を配置したものであり、フィルタを切り換えて１個のイメージセンサで３次元入力とカラー撮影とを行うように構成されている。ターンテーブル４５は、ある方向から物体Ｑを走査して重心を求めると、所定角度だけ回転する。光学系１０ｅによる走査とターンテーブル４５の回転とをＮ回繰り返すことにより、物体Ｑの外周面の最大３６０°の角度範囲にわたる３次元入力が可能である。光学系１０ｅにはＮ回分のデータ記憶が可能な容量のメモリを設けられている。何回目の走査のデータであるからn ×θというかたちで方向成分が求められるので、測定対象物の空間上での３次元位置データが得られることになる。なお、物体Ｑを静止させてその周囲を光学系１０ｅが回るように構成してもよい。
【００４７】
図１４（ｂ）の３次元入力装置６では、ターンテーブル４６の上に光学系１０ｅが取り付けられている。３次元入力装置６を用いれば、空洞を有した物体の内壁面の全方位３次元入力が可能となる。
【００４８】
図１５は、凸型の曲面ミラー２１０を使用した全方位３次元計測装置の構成例を示す。曲面ミラ一２１０の軸上に、撮像装置（例えばビデオカメラ）２０ｆをその光軸がミラー軸と一致するように配置する。曲面ミラ一２１０は、例えば双曲面のように、軸対称で且つ軸を含む平面による断面がその傾きを単調に増加させる曲線である形状をしている。これにより、撮像装置２０ｆと投光系を含む光学システム自身が写っている範囲を除いて、図中のＥの範囲の軸まわり全周の画像が、撮像装置２０ｆの中に取り込まれる。
【００４９】
さらに、曲面ミラ一２１０の軸上には、光源１２、レンズ１３ｆ、走査ミラー１５及びミラー回転機構１３０を備えた投光系１０ｆを配置する。光源１２から発せられた光は、レンズ１３ｆにより適切な径を有するビームに整えられ、走査ミラー１５で反射して投射される。走査ミラー１５は、曲面ミラ一２１０の軸に垂直な軸周り角度制御が可能（図中Ｂ）で、これにより投射されるビームを図中Ｂ’のように偏向する。これを副走査とする。例えばガルバノスキャナのような角度制御機構付きの走査ミラー１５を使用すれば、この副走査を実現することができる。
【００５０】
ミラー回転機構１３０は、副走査中の走査ミラー１５を、それのみ又はレンズ１３ｆ及び光源１２の少なくとも一方とともに曲面ミラー軸周りに回転させる（図中Ａ）。これによって、ビームは曲面ミラー軸周り、すなわち撮像装置の光軸周りに全周を走査する。これを主走査とする。
【００５１】
主走査の１周期（方向Ａの１回転）に対し、走査ミラー１５の角度を副走査方向Ｂの分解能分だけ変化させる。これを図中Ｂ’の範囲で片道１副走査の間繰り返せば、Ｂ’の範囲で曲面ミラー軸周り全周の範囲をビームで走査することができる。
【００５２】
主走査の１周期は、撮像装置２０ｆの露光時間以下になるように設定する。ビームの投射角すなわち走査ミラー１５の偏角φ（図中のＢの方向）における全方位に投射したビームの反射光による軌跡を撮像することができる。撮像する毎に走査ミラー１５の角度を副走査方向Ｂの分解能分だけ変化させる。この動作を繰り返しながら、上述した重心画像Ａ（時刻ＴＡを示す画素の集合）を作成する。
【００５３】
その後、移動機構１１７により、投光系１０ｆの位置を所定の距離だけ曲面ミラー軸方向（図中Ｃ）に移動させ上述の動作にて重心画像Ｂ（時刻ＴＢを示す画素の集合）を作成する。
【００５４】
この２枚の重心画像Ａ，Ｂから各画素に対する投光系のそれぞれの位置での走査ミラー１５の角度位置と投光系１０ｆを移動させた距離とを用いて三角測量の原理で、垂直方向と奥行き方向の位置が求められる。また、各画素と画像中心位置（曲面ミラー軸が相当する位置）とから方位角を求めることかできる。したがって、画像中の各画素について空間上の３次元位置を算出することができる。
【００５５】
図１６は、逆円錐台状の曲面ミラー２２０を使用した全方位３次元計測装置の構成例を示す。内面が反射面となっている曲面ミラー２２０をその軸を鉛直方向に向けて配置する。ミラー形状は、ミラー軸鉛直上向きに座標軸ｈをとり、ある高さｈに対するミラー断面半径をｒ、ｈ軸に対するミラー面の角度をθｍとおいて、以下の式で表わすことができる。
【００５６】
ｒ＝ｈ・ｔａｎθｍ＋Ｒ
ここでＲは、ｈ＝０に対するｒの値である。その中に入力対象の物体（図示の例では人体）Ｑが置かれているとする。曲面ミラー２２０の上方に撮像装置２０ｇ及び投光系１１ｇが、それらの光軸をミラー軸と一致させるように配置されている。曲面ミラー２２０における逆円錐台の頂角、撮像装置２０ｇとの距離、及び撮像の画角を適切に設定することによって、撮像装置２０ｇは曲面ミラー２２０を介して、頂点付近を除き物体Ｑの全周の映像をひとつの画像の中に捉えることができる。投光系１１ｇは、ミラーの軸を回転軸として光ビームの投射方位（図中のＭ１方向）を回転させることが可能である。これを主走査とする。同時に、光ビームの投射角θｙを鉛直面内（図中のＭ２方向）で走査することができるものとする。これを副走査とする。Ｍ１方向の走査は、モーターなどの動力源を使用して投光系１１ｇの一部または全部を回転運動させることで実現できる。また、Ｍ２方向の変化は、例えばガルバノスキャナのような走査デバイスを使用すれば容易に可能である。なお、投光系１１ｇは、撮像装置２０ｇの視野の中で、ミラーの反射面が存在せず３次元情報の入力に関与しない中央付近の円形の領域内に収まるように、その大きさや形状、及び鉛直方向の設置位置を定める。
【００５７】
物体Ｑ上の点Ｐの像が、撮影した画像において点Ｐｉとして観測されているとする。この３次元入力本装置８は軸対称であるので、簡単化のために、以下では方位角を固定して、ミラー軸を含むある鉛直断面内に着目して説明する。
【００５８】
光ビームの投射起点の高さをｈ＝ｈｘとして、あるタイミングにおいて、光ビームが経路ｘからｘ’を経て点Ｐ上に到達しているとする。投射角θｘに対し、光ビームは経路ｘを経て反射後には以下の式で表現される経路ｘ’をたどる。
【００５９】
ｒ＝ｈ・ｔａｎ（θｘ＋２θｍ）
＋〔ｔａｎθｘ（ｈｘｔａｎθｍ＋Ｒ）
−ｔａｎ（θｘ＋２θm ）（ｈｘｔａｎθｘ−Ｒ）〕／（ｔａｎθｍ＋ｔａｎθｘ）
この経路ｘ’上に点Ｐが存在することになる。
【００６０】
また、光ビームの投射起点の高さをｈ＝ｈｙとして、あるタイミングにおいて、光ビームが経路ｙからｙ’を経て点Ｐ上に到達しているとする。投射角θｙに対し、光ビームは経路ｙを経て反射後には以下の式で表現される経路ｙ’をたどる。
【００６１】
ｒ＝ｈ・ｔａｎ（θｙ＋２θｍ）
＋〔ｔａｎθｙ（ｈｙｔａｎθｍ＋Ｒ）
−ｔａｎ（θｙ＋２θm ）（ｈｙｔａｎθｘ−Ｒ）〕／（ｔａｎθｍ＋ｔａｎθｙ）
この経路ｙ’上に点Ｐが存在することになる。
【００６２】
以上から、点Ｐ（画像において点Ｐｉ）の位置（奥行き方向の位置：ｒ、垂直方向の位置：ｈ）は経路ｘ’と経路ｙ’との交点として定まることになる。したがって点Ｐの位置は、光ビームの投射角θｘとθｙから算出することが可能である。また、画像において点Ｐｉと画像中心位置（曲面ミラー軸が相当する位置）とから方位角を求めることができる。
【００６３】
したがって、画像中の各画素に対する空間上の３次元位置を算出することが可能である。
一部繰り返しになるが、３次元入力の過程を説明する。上述の主走査の１周期は、撮像装置２０ｆの露光時間以下になるように設定する。ビームの投射角、すなわち走査ミラーの偏角θ（図中のＭ２の方向）における全方位から投射したビームの反射光による軌跡を撮像することができる。撮像する毎に、走査ミラーの角度を副走査方向の分解能分だけ変化させる。この動作を繰り返しながら、重心画像Ａを作成する。その後、移動機構１１８により、投光系１１ｇの位置を所定の距離だけ曲面ミラー軸方向（図中Ｍ３）に移動させ、上述の動作にて重心画像Ｂを作成する。
【００６４】
この二枚の重心画像Ａ，Ｂから各画素に対する投光系１１ｇの各々の位置での走査ミラーの偏角を求める。これらの値と投光系１１ｇを移動させた距離とを用いて三角測量の原理で、垂直方向と奥行き方向の位置が求められる。また、各回素と画像中心位置（曲面ミラー軸が相当する位置）とから方位角を求めることができる。したがって、画像中の各画素について空間上の３次元位置を算出することが可能である。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項９の発明によれば、参照光の入射角度情報によらない３次元入力を実現し、入射角度情報をえるための演算を不要にするとともに、投射角度情報と比べて入射角度情報の精度が低い場合における３次元入力データの精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る３次元入力装置の機能ブロック図である。
【図２】投射の模式図である。
【図３】距離画像データの生成要領を説明するための図である。
【図４】メモリ回路の第１例のブロック図である。
【図５】メモリ回路の第２例のブロック図である。
【図６】撮像面における輝度分布と受光データとの関係を示す図である。
【図７】メモリ回路の第３例のブロック図である。
【図８】図７に係る重心の概念図である。
【図９】投光起点と受光主点との位置関係の設定例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る３次元入力装置２の機能ブロック図である。
【図１１】第３実施形態に係る３次元入力装置３の機能ブロック図である。
【図１２】第４実施形態に係る３次元入力装置４の機能ブロック図である。
【図１３】図１２に係る投射の模式図である。
【図１４】回転によって全周囲入力又は全方位入力を実現する装置構成例を示す図である。
【図１５】ミラーによって全方位入力を実現する装置構成例を示す図である。
【図１６】ミラーによって全周囲入力を実現する装置構成例を示す図である。
【符号の説明】
１〜８  ３次元入力装置
Ａ，Ｂ  起点
Ｐ  点（物体上の特定部位）
Ｕ１，Ｕ２  参照光
Ｌ  基線長（起点の間の距離）
ＶＳ  仮想面
ＴＡ，ＴＢ  時刻（サンプリング区画を通過する時点）
θＡ，θＢ  投射角度
１０  投光系
２０  撮像系
３７  メモリ回路（信号処理手段）
１１  投光機構（第１光学機構）
１６  投光機構（第２光学機構）
１１０  移動機構
【図１】
0003695169.tif 000002
【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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