(57)【要約】【課題】  計測精度が向上された３次元計測方法及びその装置を提供する。【解決手段】  ３次元計測装置システムの画像処理装置４に、位相値信頼性判定部４３を設ける。位相値信頼性判定部４３は、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、位相エラー領域を抽出する。位相値の計測値が信頼できない、これらの領域においては、別途再測定を行うなどして、信頼性の高い位相値を計測し、全体として、精度の高い３次元計測を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子パターンを複数回シフトして計測対象物に照射し、照射された格子パターンの画像をシフトする毎に撮像し、該画像を用いて３次元形状を計測する、位相シフト法を用いた３次元計測方法において、
該画像の各画素の位相値と振幅値を算出するステップと、
該算出された位相値では、正確に形状を計測できない部分を分類して抽出するステップと、
該抽出された結果に基づき、各画素の位相値の信頼性を判定するステップと、
該判定結果を用いて、該計測対象物の形状算出及び結果表示を行うステップと、
を備えることを特徴とする３次元計測方法。
【請求項２】
前記分類して抽出する部分は、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、あるいは、鏡面反射などによる位相エラー領域のいずれか１つを少なくとも含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元計測方法。
【請求項３】
前記輝度飽和領域の抽出は、
複数の前記画像のそれぞれから最大輝度の画素を抽出するステップと、
抽出された画素を複数の小領域に統合するステップと、
各小領域の隣接領域を求めるステップと、
各小領域とその隣接領域について、それぞれ位相値ヒストグラムを生成するステップと、
小領域の位相値ヒストグラムと、その隣接領域の位相値ヒストグラムとを各小領域について比較するステップと、
該比較したヒストグラムの小領域の位相値が所定の計測精度範囲内であるかどうかを判定するステップと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測方法。
【請求項４】
前記コントラスト低下領域の抽出は、
前記輝度飽和領域以外の全画素について、振幅値の平均値と標準偏差を求めるステップと、
振幅値が平均値より小さい画素を抽出するステップと、
抽出された画素について、振幅値の平均値と標準偏差から、コントラスト低下領域の画素か否かを判定するステップと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測方法。
【請求項５】
前記コントラスト低下領域の境界領域の抽出は、前記コントラスト低下領域に対して膨張処理を施すことによって行うことを特徴とする請求項２に記載の３次元計測方法。
【請求項６】
前記鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出は、
前記輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域以外の画素について、隣接画素の位相値の差と、格子パターンの照射角度の関係を用いて行うことを特徴とする請求項２に記載の３次元計測方法。
【請求項７】
格子パターンを複数回シフトして計測対象物に照射し、照射された格子パターンの画像をシフトする毎に撮像し、該画像を用いて３次元形状を計測する、位相シフト法を用いた３次元計測装置において、
該画像の各画素の位相値と振幅値を算出する算出手段と、
該算出された位相値では、正確に形状を計測できない部分を分類して抽出する抽出手段と、
該抽出された結果に基づき、各画素の位相値の信頼性を判定する判定手段と、
該判定結果を用いて、該計測対象物の形状算出及び結果表示を行う形状算出表示手段と、
を備えることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項８】
前記分類して抽出する部分は、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、あるいは、鏡面反射などによる位相エラー領域のいずれか１つを少なくとも含むことを特徴とする請求項７に記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト法による３次元計測方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の３次元形状を非接触で計測する手法として、位相シフト法を用いた格子パターン投影法が良く用いられる。具体的には、照度分布が正弦波状の格子パターンを物体に投影し、変形格子画像を得る。そして、格子パターンを横ずらしして、位相が異なる複数枚の画像を得る。得られた複数枚の画像より各画素毎に、その点での格子の位相値を求めて、位相接続処理などを用いて測定対象物の形状を算出する技術である。
【０００３】
従来の３次元形状計測方法としては、特許文献１の技術が有り、この技術においては、色成分を持つ格子パターンを物体に照射し、色成分毎に処理を施して、物体の情報を得る技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２１６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、複雑な表面を持つ計測対象物の計測において、算出された位相値に基づいて形状が再現できない問題がしばしばある。例えば、計測対象物の材質により格子画像に輝度飽和領域がある場合、または、計測対象物の表面変化によりコントラスト低下部分が形成される場合、その領域の形状を正確に測定することが難しい。すなわち、形状を正確に測定するには、位相値の信頼性を判定する必要がある。そのために、輝度飽和領域、コントラスト低下領域など位相の信頼性に影響する部分を抽出する必要がある。
【０００５】
従来から行われている位相値の信頼性に影響のある部分の分類および抽出方法は有効とはいえない。例えば、コントラスト低下領域の抽出には、白色かつ無地のパターン光を投影し、撮影した画像を用いて、輝度値が低い部分をコントラスト低下領域と判定する手法がある。しかし、この手法では、格子画像以外の撮影も必要なことと、判定基準が不明確であることが問題である。
【０００６】
また、輝度飽和領域の抽出には、パターン光を投影した状態をカメラにより取り込んだ画像から物体の表面状態により輝度が飽和する領域を全部抽出し、抽出した領域を形状不定部分と判定する手法がある。また、この場合、抽出された飽和部分に対して、光量を下げて再計測するのが一般的である。しかし、抽出された飽和領域中に、輝度飽和領域があっても位相値が精度範囲内にある部分が存在する場合があり、このような部分が形状不定部分と判断されると情報ロスになる。また、光量を下げて、このような部分を再度測定する際、他の領域でコントラストの低下が発生し計測精度が悪くなる可能性もある。
【０００７】
本発明では、格子画像のほかに、位相値と振幅値を用いて、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出を通じて、位相値の信頼性判定を行い、一般的な装置構成で、位相値の信頼性判定結果を利用して、計測精度を向上する。
【０００８】
本発明の課題は、計測精度が向上された３次元計測方法及びその装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の３次元計測方法は、格子パターンを複数回シフトして計測対象物に照射し、照射された格子パターンの画像をシフトする毎に撮像し、該画像を用いて３次元形状を計測する、位相シフト法を用いた３次元計測方法において、該画像の各画素の位相値と振幅値を算出するステップと、該算出された位相値では、正確に形状を計測できない部分を分類して抽出するステップと、該抽出された結果に基づき、各画素の位相値の信頼性を判定するステップと、該判定結果を用いて、該計測対象物の形状算出及び結果表示を行うステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の３次元計測装置は、格子パターンを複数回シフトして計測対象物に照射し、照射された格子パターンの画像をシフトする毎に撮像し、該画像を用いて３次元形状を計測する、位相シフト法を用いた３次元計測装置において、該画像の各画素の位相値と振幅値を算出する算出手段と、該算出された位相値では、正確に形状を計測できない部分を分類して抽出する抽出手段と、該抽出された結果に基づき、各画素の位相値の信頼性を判定する判定手段と、該判定結果を用いて、該計測対象物の形状算出及び結果表示を行う形状算出表示手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出を通じて、位相値の信頼性判定が出来、計測精度の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態では、位相シフト法を用いた３次元計測方法を用いる。格子パターンを計測対象物に投影して、前記格子パターンの位相シフトを複数回行い、それぞれの位相シフト時における格子画像を取り込み、各画素の位相値と振幅値を算出する。そして、前記複数の格子画像と前記各画素の位相値と振幅値を用いて、算出された位相値を用いても形状が再現できない部分を分類して抽出し、抽出された結果に基づき、前記各画素の位相値の信頼性を判定し、判定結果を用いて、計測対象物の形状算出及び結果表示を行う。
【００１３】
また、前記分類して抽出する部分は、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、鏡面反射などによる位相エラー領域などである。
また、前記輝度飽和領域の抽出において、前記複数の格子画像に基づいて、輝度値が最大輝度値である画素を抽出し、抽出された画素間の隣接関係に基づき、抽出された画素について複数の小領域に隣接する隣接領域を求め、各小領域とその隣接領域に対して、それぞれの位相値ヒストグラムを算出し、算出した位相値ヒストグラムの比較を行い、輝度飽和であっても位相値が計測精度範囲内にある領域かどうかの判定を行う。
【００１４】
また、前記コントラスト低下領域の抽出において、前記輝度飽和領域以外の全画素に対して、振幅値の平均値と標準偏差を求め、振幅値が平均値より小さい画素を処理対象とし、移動平均法で近傍領域内の振幅値の小さい画素を抽出し、抽出された画素全体に対して振幅値の平均値と標準偏差を求めて、コントラスト低下領域か否かの最終的な判定を行う。
【００１５】
また、前記コントラスト低下領域の境界領域の抽出は、前記コントラスト低下領域に対して膨張処理を実施し、膨張処理の結果を利用して行われる。
また、前記鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出は、前記輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域以外の画素について、隣接画素の位相値の差と格子パターンの照射角度の関係を用いて行われる。
【００１６】
本発明の実施形態に従った３次元計測装置は、位相シフト法による３次元計測装置であって、格子パターンを計測対象物に投影する手段と、前記格子パターンの位相シフトを複数回行い、それぞれの位相シフト時における格子画像を取り込む手段と、各画素の位相値と振幅値を算出する手段と、前記複数の格子画像と前記各画素の位相値と振幅値を用いて、算出された位相値で形状が再現できない部分を分類して抽出する手段と、抽出される結果に基づき前記各画素の位相値の信頼性を判定する手段と、判定結果を用いて計測対象物の形状を算出する手段と、その結果を表示する手段とを備える。
【００１７】
また、前記分類して抽出する手段は、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域、鏡面反射などによる位相エラー領域のうちの少なくとも一つを抽出する。
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に従い説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る３次元計測装置を含むシステムの構成を示す説明図である。
【００１９】
図１に示すように、該システムはステージ１、格子パターン投影機構２、撮影機構３、画像処理装置４とを備える。
格子パターン投影機構２においては、光源２１から出射され、照明光学系２２を通った光は、照明光学系２２の光軸方向と平行な平行光線になり、格子パターン及び走査装置２３の中にある格子パターンを照射する。格子パターン及び走査装置２３の制御で、格子パターンを照射光学系２２の光軸と垂直方向にシフトさせ、格子パターン及び走査装置２３を透過した光が、投影光学系２４を介して、ステージ１上の計測対象物５に投影する。投影したパターンの像は明度が正弦波状に変化するものになっている。
【００２０】
計測対象物５によって反射された光は、撮影機構３の結像系３１を介してカメラ３２に入射する。この結果、計測対象物５によって変形された格子パターンの像がカメラ３２によって撮影される。前記格子パターンを数段階に渡って移動させ、各位置毎に、カメラ３２からの出力データ（格子画像）を画像処理装置４のデータ保存部４１に保存する。また、データ保存部４１にカメラ分解能、入射角度、格子ピッチ、位相シフトステップ数を予め保存しておく。
【００２１】
位相値と振幅値の算出はデータ処理部４２で行われる。例えば、画素（ｘ、ｙ）の位相値Φ（ｘ、ｙ）と振幅値γ（ｘ、ｙ）の算出は、それぞれ以下の式１と式２を用いて行われる。
【００２２】
【数１】
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ここで、Ｉi（ｘ、ｙ）は、ｉ番目のシフトステップ時の画素（ｘ、ｙ）の輝度値、δi＝２πｉ／Ｎ  （ｉ＝０、・・・、Ｎ−１）は位相シフト量、Ｎはシフトステップ数である。
【００２３】
位相値信頼性判定部４３において、複数の格子画像データ、位相値、振幅値を読み込んで、位相値の信頼性の判定を行う。具体的には、輝度飽和領域の抽出、コントラスト低下領域の抽出、コントラスト低下領域の境界領域の抽出、鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出を行う。
【００２４】
データ表示部４４は、上記各部における処理の結果を表示するディスプレイ等である。
以下、各領域の抽出処理の内容を詳述する。
図２は、輝度飽和領域の抽出手順を示すフローチャートである。また、図３は、輝度飽和領域の抽出処理の様子を説明する図である。
【００２５】
まず、ステップＳ１では、複数の格子画像内で輝度がカメラの最大輝度値（例えば２５５）であるすべての画素を抽出し、輝度飽和領域Ａ１とする。ついでステップＳ２に進み、領域Ａ１にある画素の隣接関係に基づき（例えば、４隣接あるいは８隣接の関係にある等）、抽出された画素を複数の小領域Ｅｉ（ｉ＝０、１、２、・・・）へ統合し、各小領域の隣接領域ＮＥｉ（ｉ＝０、１、２、・・・）を求める。ＮＥｉは輝度飽和しておらず、かつ、小領域Ｅｉと隣接し、小領域Ｅｉより画素数が多い領域である。例えば、小領域Ｅｉからのユークリッド距離が所定値（例えば、ｘ）以内であり、輝度飽和しておらず、画素数が小領域Ｅｉの２倍（所定値の倍）である領域を用いればよい。
【００２６】
図３（ａ）の例では、平面サンプル上の一つの飽和領域Ｅｉとその隣接領域ＮＥｉを示している。
次に、ステップＳ３では、ＥｉとＮＥｉの位相値ヒストグラムＨｉ、ＨＮｉを求める。
【００２７】
以下、図３を用いて、ヒストグラムの求め方を説明する。
図３（ａ）の平面サンプルに対して、画素毎に位相値を求めると、カメラの走査ラインの一つの位相値について、図３（ｂ）に示すような結果が得られる。領域Ｅｉと領域ＮＥｉ内の位相値の傾きがあるため、このような位相値で求めた二つのヒストグラムを比較することは難しい。本発明の実施形態では、まずＣＣＤの解像度ｒ（１画素の横サイズ）、格子ピッチPitch、入射角度αから以下の式３で傾き角度βを求める。
【００２８】
【数２】
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そして、ＥｉとＮＥｉの位相値の傾き補正を行う。例えば、図３（ｂ）に示すように画素Ｍを軸に、位相値を時計回りに角度βだけ回転させる。図３（ｃ）に示すような傾き補正後のＥｉとＮＥｉの位相値を用いて、それぞれのヒストグラムＨｉとＨＮｉを求める。
【００２９】
以上の処理において、ＥｉとＮＥｉの位相値に２πのとびがある場合、傾き補正前に接続処理を行う。
図４は、輝度飽和領域の抽出処理において生成されるヒストグラムの例を示す図である。
【００３０】
次に、ステップＳ４では、図４に示すような二つのヒストグラムＨｉ、ＨＮｉを比較する。比較結果の評価について、本発明の実施形態では、二つのＨｉ、ＨＮｉの共通部分の画素数がＨｉの画素数に示す割合を用いる。最後に、ステップＳ５では、評価の結果が予め設定した評価基準より大きい場合、小領域Ｅｉの位相値が近隣領域との関連性が高いと判断され、この小領域を領域Ａ２（位相値が精度範囲内の領域）の一部とする（輝度飽和領域の境界領域とする）。ステップＳ４において、相関度、類似度などの評価方法を用いてもよい。
【００３１】
領域Ａ１と領域Ａ１に含まれる領域Ａ２からなる輝度飽和領域の抽出結果を、データ処理部４２とデータ表示部４４へ出力する。
図５は、コントラスト低下領域の抽出手順を示すフローチャートである。また、図６は、コントラスト低下領域の抽出処理の様子を示す図である。
【００３２】
まず、輝度飽和領域Ａ１以外の画素全体に対して、振幅値の平均値ＡＶＥを求める（ステップＳ１１）。次に、振幅値が平均値ＡＶＥより大きい画素を抽出し、以後の処理から外す（ステップＳ１２）。
【００３３】
図６（ａ）と（ｂ）はステップＳ１２までの処理例を示す図である。図６（ａ）は、格子パターンの投影の様子を示しており、図６（ｂ）は、コントラスト低下領域抽出処理の対象外領域を示す図である。
【００３４】
更に、ステップＳ１２で残される画素（以後有効画素という）に対して、平均フィルタを用いて平滑化処理を行う（ステップＳ１３）。次に、図６（ｂ）に示すような移動平均用近傍を用いて、移動平均法で近傍領域内の振幅値の小さい画素を抽出する（ステップＳ１４）。近傍のサイズについて、ユーザによる調整は可能である。具体的な抽出方法として、画素（ｘ、ｙ）の振幅値がその近傍の局所平均値より小さい画素を抽出する。ここで、近傍の局所平均値の算出は、近傍領域内有効画素のみに対して実施する。図６の例において、抽出された画素のみに対して、その振幅値を画像化した結果を図６（ｃ）に示す。最後に、ステップＳ１４で抽出された画素の中に、全体から見ると振幅値が小さくないものが含まれる可能性があるため、このような画素を抽出し、最終結果から外す（ステップＳ１５）。具体的な方法として、ステップＳ１４で抽出された画素全体の振幅値の平均値と標準偏差σを求め、所定振幅値範囲内（平均値±３σ）の画素を最終結果とする。図６（ｄ）に、図６（ｃ）の抽出結果の振幅値ヒストグラムを示す。図６（ｃ）の抽出結果の一部はコントラスト低下領域の最終結果になる。
【００３５】
コントラスト低下領域の抽出結果を領域Ｂとして、データ処理部４２とデータ表示部４４へ出力する。
格子画像において、コントラスト低下領域の境界にある画素の輝度値が不安定であるため、その画素の位相値の信頼性も低い。この領域の抽出は、抽出したコントラスト低下領域が用いられる。予め決めた近傍を用いて、コントラスト低下領域の膨張処理を行い、膨張された部分をコントラスト低下領域の境界領域とする。
【００３６】
コントラスト低下領域の抽出結果を領域Ｃとして、データ処理部４２とデータ表示部４４へ出力する。
本発明の実施形態では、輝度飽和領域、コントラスト低下領域、コントラスト低下領域の境界領域以外の画素について、隣接２画素間の位相値の差と入射角度の関係を用いて位相値の信頼性判定を行う。
【００３７】
図７は、鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出方法を説明する図である。
図７（ａ）と（ｂ）において、横軸は走査ライン、縦軸は位相値を示す。入射光線の垂直方向に対する入射角度はαである。また、画素ａの位相値Ｐａに対応する点をＴ１とし、画素ａの隣接画素ｂの位相値Ｐｂに対応する点をＴ２とする。ＰａとＰｂの間に、−２π＜（Ｐｂ−Ｐａ）＜２πが成り立つ。ここで、計測対象は平面サンプルの場合、位相とびが発生していないＴ１とＴ２の関係は図７（ａ）に示すようになる。この場合、βは前述の式３で求められる。画素ａ、ｂの間に位相とびが発生した場合、理論上（Ｐｂ−Ｐａ）は−２πに近い値になるが、実際にノイズなどの影響で位相とびの値が大きくなる（絶対値が小さくなる）可能性もあるので、位相とび判定基準を−２πより大きい値、例えば−πに設定する。
【００３８】
本発明の実施形態では、図７（ｂ）に示すように、入射角度αに対して、（Ｐｂ−Ｐａ）である位相とびの値が、所定の基準より大きい、かつ、［tanβ−tan（π／２−α）］より小さいなら、画素ａと画素ｂの位相値はエラーとする。つまり、このような位相値を用いて三次元形状を再現すると、画素ｂのところが光線が入れないところとなる。
【００３９】
この位相エラー判別方法を用いて、鏡面反射による位相エラー、ランダムノイズによる位相エラーの一部が抽出される。
本発明の実施形態では、このような位相エラーを鏡面反射になどによる位相エラーと呼ぶ。
【００４０】
図８は、鏡面反射による位相エラーの形成原因を説明する図である。
領域Ｅに入射する主な入射光は、入射光１のほかに、近くの領域Ｅ１の鏡面反射による反射光２がある。その結果、各格子画像における領域Ｅにある画素の輝度値の変化は予測できない。
【００４１】
鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出結果を領域Ｄとして、データ処理部４２とデータ表示部４４へ出力する。
以上は、位相値信頼性判定部の行う処理である。次に、データ処理部４２では、位相値、位相値の信頼性判定結果（領域Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を用いて計測対象物の形状を算出する。形状の算出方法としては、従来の位相接続処理による形状の算出方法でもよいし、参照平面による形状の算出方法でもよい。これらの処理に、位相値の信頼性を用いることで、より正確な結果が得られる。例えば、位相接続処理に、位相値の信頼性の低い領域を避けて接続するようにすれば、位相接続エラーの伝播が発生しにくくなる。
【００４２】
図９は、本発明の実施形態の処理結果の表示例を示す図である。
最後に、データ表示部４４では、格子画像、位相値結果、振幅値結果、形状の算出結果を表示すると共に、位相値の信頼性判定結果（領域Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｄ）も表示するようにする。領域Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｄを区別できるように、カラー表示にしてもよい。また、形状を算出する際、各領域内の画素に対してマスクされたかどうかも表示する。図９は領域Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｄの表示画面の一例を示している。この表示画面から、領域Ａ２と領域Ｄをマスクせず、それ以外の領域をマスクして、処理を行ったことも分かる。
【００４３】
なお、位相値の信頼性判定結果が領域Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｄに分類されたため、各領域を段階的に再現すれば、計測対象物全体も得られる。具体的には、それらの領域の再現には、領域それぞれの形成原因に基づき、装置構成を変更する。例えば、光量を自動的に下げて再計測すれば、輝度飽和領域Ａ１の再現ができる。また、投影方向を増やして再計測すれば、コントラスト低下領域Ｂとコントラスト低下領域の境界領域Ｃの一部が再現できる。また、投影角度を変更して再計測すれば、鏡面反射などによる位相エラーの一部も再現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元計測装置を含むシステムの構成を示す説明図である。
【図２】輝度飽和領域の抽出手順を示すフローチャートである。
【図３】輝度飽和領域の抽出処理の様子を説明する図である。
【図４】輝度飽和領域の抽出処理において生成されるヒストグラムの例を示す図である。
【図５】コントラスト低下領域の抽出手順を示すフローチャートである。
【図６】コントラスト低下領域の抽出処理の様子を示す図である。
【図７】鏡面反射などによる位相エラー領域の抽出方法を説明する図である。
【図８】鏡面反射による位相エラーの形成原因を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態の処理結果の表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      ステージ
２      格子パターン投影機構
３      撮影機構
４      画像処理装置
５      計測対象物
２１      光源
２２      照明光学系
２３      格子パターン及び走査装置
２４      投影光学系
３１      結像系
３２      カメラ
４１      データ保存部
４２      データ処理部
４３      位相値信頼性判定部
４４      データ表示部
【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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