(57)【要約】【課題】従来の３次元形状測定装置は複雑で大がかりなものや相当数のカメラを必要とするものが多かった。また、１台のカメラのみを用いた３次元形状測定装置で、精度良く測定対象物の形状を検出するものが見られなかった。【解決手段】以上の課題を解決するため、回転テーブルの上に載置された測定物体が撮影された動画像を取得し、取得した動画象から得られる測定物体の特徴点の投影回転軌跡や投影回転中心の２次元投影座標等のデータに基づいて特徴点の回転半径、回転中心高度、特徴点間の角度を検出し、３次元位置データを出力可能な３次元形状測定装置、３次元形状測定方法を提案する。【選択図】図１
2011013121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する動画像取得部と、
前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する特徴点抽出部と、
前記特徴点の回転軌跡が前記フレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する投影回転軌跡検出部と、
前記特徴点の回転中心が前記フレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する投影回転中心検出部と、
前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する回転半径検出部と、
前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得するカメラパラメータ取得部と、
前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する回転中心高度検出部と、
前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する回転中心角検出部と、
前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する３次元位置データ出力部と、
を有する３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記特徴点抽出部は、
前記フレームにおいて特徴点を特定するための情報である特徴点特定情報を受け付ける特徴点特定情報受付手段と、
前記特徴点特定情報に基づいて特徴点を特定する特徴点特定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記投影回転軌跡検出部は、
一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出する楕円未知数算出手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記投影回転中心検出部は、
前記回転テーブルが半回転したことを検出する半回転検出手段と、
前記半回転検出手段による半回転の検出に基づいて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、前記半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分を複数生成し、前記複数の線分の交点を一の特徴点のフレーム上の投影回転中心として検出する第一検出手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に１８０度間隔で配置された２つの半回転目印点を１組以上有し、
前記半回転検出手段は、
前記回転テーブルが半回転したことを前記半回転目印点を利用して検出することを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記半回転検出手段は、
前記回転テーブルの周期を取得して前記回転テーブルが半回転したことを検出することを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項７】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記投影回転中心検出部は、
前記回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から、一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影されたタイミングの情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出する第二検出手段を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項８】
前記カメラパラメータ取得部は、
前記回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて前記カメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出手段を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項９】
前記回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に一定角度間隔で配置された回転目盛を有することを特徴とし、
前記回転中心角取得部は、
測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を前記回転目盛を利用して検出し、前記回転中心角とする第一回転中心角検出手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項１０】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記回転中心角取得部は、
測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出する第二回転中心角検出手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項１１】
前記回転中心角取得部は、
前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて前記特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を前記回転軸方向からみた座標に変換して前記回転中心角を検出する第三回転中心角検出手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一に記載の３次元形状測定装置。
【請求項１２】
基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する動画像取得ステップと、
前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する特徴点抽出ステップと、
前記特徴点の回転軌跡がフレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する投影回転軌跡検出ステップと、
前記特徴点の回転中心がフレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する投影回転中心検出ステップと、
前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する回転半径検出ステップと、
前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得するカメラパラメータ取得ステップと、
前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する回転中心高度検出ステップと、
前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する回転中心角検出ステップと、
前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する３次元位置データ出力ステップと、
を有する３次元形状測定方法。
【請求項１３】
前記特徴点抽出ステップは、
前記フレームにおいて特徴点を特定するための情報である特徴点特定情報を受け付ける特徴点特定情報受付サブステップと、
前記特徴点特定情報に基づいて特徴点を特定する特徴点特定サブステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１４】
前記投影回転軌跡検出ステップは、
一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出する楕円未知数算出サブステップを有することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１５】
前記投影回転中心検出ステップは、
前記回転テーブルが半回転したことを検出する半回転検出サブステップと、
前記半回転検出サブステップによる半回転したことの検出に応じて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、前記半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分を複数生成し、前記複数の線分の交点を一の特徴点のフレーム上の投影回転中心として検出する第一検出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１６】
前記回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に１８０度間隔で配置された２つの半回転目印点を１組以上有し、
前記半回転検出サブステップは、
前記回転テーブルが半回転したことを前記半回転目印点を利用して検出することを特徴とする請求項１５に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１７】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記半回転検出サブステップは、
前記回転テーブルの周期を取得して前記回転テーブルが半回転したことを検出することを特徴とする請求項１５に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１８】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記投影回転中心検出ステップは、
前記回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から、一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影されたタイミングの情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出する第二検出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１９】
前記カメラパラメータ取得ステップは、
前記回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて前記カメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１８のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【請求項２０】
前記回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に一定角度間隔で配置された回転目盛を有することを特徴とし、
前記回転中心角取得ステップは、
測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を前記回転目盛を利用して検出し、前記回転中心角とする第一回転中心角検出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【請求項２１】
前記回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とし、
前記回転中心角取得ステップは、
測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出する第二回転中心角検出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【請求項２２】
前記回転中心角取得ステップは、
前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて前記特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を前記回転軸方向からみた座標に変換して前記回転中心角を検出する第三回転中心角検出サブステップを有することを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一に記載の３次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の３次元形状を一台のカメラで測定可能な３次元形状測定装置又は３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の３次元形状を検出する装置としては従来から種々のものが知られている。例えば、測定対象物に対して電磁波や音波を射出し、反射波を受信するまでの時間や反射角の情報に基づいて測定対象物の特徴点までの距離を検出する装置が知られている。また、特許文献１に示されているように、複数台のカメラを用いて静止した測定対象物を撮影し、当該複数台のカメラによる画像データに基づいて３次元形状を検出する装置も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５８７３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、反射波から測定対象物の３次元形状を測定する装置は複雑で大がかりなものになりやすく、手軽に実施できないという問題がある。また、複数台のカメラを用いて測定対象物の３次元形状を測定する装置は、測定対象物に対する死角をなくすために相当数のカメラを設置する必要があり、コストがかかるという問題があった。また、その他の３次元形状測定装置に関しても遠近感の効果を考慮しているものが少なく、測定環境によっては誤差が大きくなるものが多かった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するため、本発明は、基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する動画像取得部と、前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する特徴点抽出部と、前記特徴点の回転軌跡が前記フレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する投影回転軌跡検出部と、前記特徴点の回転中心が前記フレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する投影回転中心検出部と、前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する回転半径検出部と、前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得するカメラパラメータ取得部と、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する回転中心高度検出部と、前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する回転中心角検出部と、前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する３次元位置データ出力部と、を有する３次元形状測定装置などを提案する。
【０００６】
また、基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する動画像取得ステップと、前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する特徴点抽出ステップと、前記特徴点の回転軌跡がフレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する投影回転軌跡検出ステップと、前記特徴点の回転中心がフレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する投影回転中心検出ステップと、前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する回転半径検出ステップと、前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得するカメラパラメータ取得ステップと、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する回転中心高度検出ステップと、前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する回転中心角検出ステップと、前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する３次元位置データ出力ステップと、を有する３次元形状測定方法などを提案する。
【発明の効果】
【０００７】
以上のような構成をとる本発明によって、１台のカメラのみで物体の３次元形状を精度良く測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図２】実施例１の装置の機能を実現するための構成の一例を示す図
【図３】投影回転軌跡の見え方を示す図
【図４】投影回転中心と投影回転軌跡の中心の関係を示す図
【図５】投影回転中心と回転中心高度の関係を示す図
【図６】実施例１の装置のハードウェア構成の一例を示す図
【図７】実施例１の処理手順の一例を示す図
【図８】実施例２の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図９】実施例２の特徴点抽出ステップの処理手順の一例を示す図
【図１０】実施例３の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図１１】実施例４の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図１２】半回転目印点を有する回転テーブルの一例を示す図
【図１３】半回転目印点を利用して半回転を検出する処理を示す図
【図１４】実施例４の投影回転中心を検出する手段を示す図
【図１５】実施例４の投影回転中心検出ステップの処理手順の一例を示す図
【図１６】実施例５の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図１７】投影回転中心に関する仮定に基づいて各特徴点の座標を検出する処理を示す図
【図１８】回転軸方向から見た特徴点の各時刻における２次元投影座標を示す図
【図１９】実施例６の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図２０】カメラパラメータと投影回転軌跡のパラメータの位置関係を示す図
【図２１】実施例７の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図２２】回転目盛を利用して回転中心角を検出する例を示す図
【図２３】実施例８の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図２４】実施例９の装置の機能ブロックの一例を示す図
【図２５】２次元投影座標とカメラパラメータを示した図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施例を説明する。実施例と請求項の相互の関係は、以下のとおりである。実施例１は主に請求項１、１２などに関し、実施例２は主に請求項２、１３などに関し、実施例３は主に請求項３、１４などに関し、実施例４は主に請求項４、５、６、１５、１６、１７などに関し、実施例５は主に請求項７、１８などに関し、実施例６は主に請求項８、１９などに関し、実施例７は主に請求項９、２０などに関し、実施例８は主に請求項１０、２１などに関し、実施例９は主に請求項１１、２２などに関する。なお、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、様々な態様で実施しうる。
【実施例１】
【００１０】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、回転テーブルの上に載置された測定物体が撮影された動画像を取得し、測定物体の特徴点の投影回転軌跡や投影回転中心の２次元投影座標等のデータに基づいて特徴点の回転半径、回転中心高度、特徴点間の角度を検出し、３次元位置データを出力することが可能である。これにより、測定物体の３次元形状を認識することが可能になる。
【００１１】
<構成>
図１は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本件発明の構成要素である各部は、ハードウェア、ソフトウェア、ハードウェアとソフトウェアの両者、のいずれかによって構成される。例えば、これらを実現する一例として、コンピュータを利用する場合には、ＣＰＵ、メインメモリ、バス、インターフェイス、周辺機器などから構成されるハードウェアと、これらのハードウェア上にて実現可能なソフトウェアを挙げることができる。具体的には、メインメモリ上に展開されたプログラムを順次実行することで、メインメモリ上のデータや、インターフェイスを介して入力されるデータの加工、蓄積、出力などにより各部の機能が実現される。
【００１２】
同図において、本実施例の「３次元形状測定装置」０１００は、「動画像取得部」０１０１と、「特徴点抽出部」０１０２と、「投影回転軌跡検出部」０１０３と、「投影回転中心検出部」０１０４と、「回転半径検出部」０１０５と、「カメラパラメータ取得部」０１０６と、「回転中心高度検出部」０１０７と、「回転中心角検出部」０１０８と、「３次元位置データ出力部」０１０９とからなる。なお、本発明は、装置として実現できるのみでなく、方法としても実現可能である（本明細書の全体を通して同様である）。
【００１３】
「動画像取得部」は、基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する機能を有する。当該機能を実現するための構成の一例を示したのが図２である。この図の例ではカメラから直接的に動画像のデータを取得する構成を示しているが、ネットワークを介して取得することも可能であるし、外部記憶媒体から間接的に取得することも可能である。また、回転テーブルの回転は必ずしも一定角速度で回転する必要はなく、角速度の大きさが変動するような回転も可能である。また、動画像のデータは複数のフレームデータの集合であり、動画像のデータから各フレームの画素値や撮影タイミングの情報が取得される。
【００１４】
「特徴点抽出部」は、前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する機能を有する。例えば特徴点として測定物体の頂点を抽出することも可能であるし、測定物体の輪郭線上の点を抽出することも可能である。特徴点を抽出する手段としては、フレームにおいて特徴点を特定するための情報を受け付けて、当該情報に基づいて特徴点を特定する方法が考えられる（実施例２にて説明する）。また、特徴点を抽出するためのプログラムを予め保持しておく構成も可能である。例えば各フレーム上の測定物体の頂点を画素値（明暗）の変化から検出する処理を行うことが考えられる。また、測定物体の特徴点を任意のフレームから複数選択して画素値の情報を取得し、その他のフレームにおける同特徴点を当該画素値の情報に基づいて検出する処理を行うことなどが考えられる。
【００１５】
「投影回転軌跡検出部」は、前記特徴点の回転軌跡が前記フレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する機能を有する。図３に示すように、特徴点の投影回転軌跡は回転テーブルの回転軸の方向から見た場合は円軌跡となるが、回転軸の方向から外れた方向から見た場合は楕円軌跡となる。また、各特徴点は一般的に回転テーブルの回転軸からの距離や回転テーブルの基準面からの高さが異なるため、異なった投影回転軌跡を描くことになる。
【００１６】
特徴点の投影回転軌跡の検出する手段としては、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出することが考えられる（実施例３にて説明する）。
【００１７】
「投影回転中心検出部」は、前記特徴点の回転中心が前記フレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する機能を有する。特徴点の投影回転中心は回転テーブルの回転軸の方向から見た場合は投影回転軌跡（円軌跡）の中心と一致するが、図４に示すように、回転軸の方向からずれた方向から見た場合は投影回転軌跡（楕円軌跡）の中心とは一致しない。これは、カメラに近い線分ｂは大きく映り、カメラから遠い線分ａは小さく映るためである。本実施例の３次元形状測定装置では、以下に述べる検出手段等を用いて投影回転中心を検出するため、遠近感の効果を考慮して各特徴点の３次元位置を特定することが可能になる。
【００１８】
投影回転中心の２次元投影座標を検出する手段としては、回転テーブルが半回転したことを検出する手段を別に設け、半回転分の開きがある２つのフレームを各特徴点について２組以上抽出し、当該２つのフレームにおける特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分の交点をフレーム上の投影回転中心として検出する手段が考えられる（実施例４にて説明する）。また、回転テーブルが一定角速度で回転する場合は、角速度が一定であるとの条件と各特徴点の３以上のフレームの２次元投影座標と撮影時間の情報に基づいて投影回転中心の２次元投影座標を検出する手段が考えられる（実施例５にて説明する）。
【００１９】
「回転半径検出部」は、前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する機能を有する。図４に示すように、投影回転中心を始点とする投影回転軌跡（楕円）の長半径と平行な線分ｃは、フレーム平面と回転テーブルで形成される交線であり、投影回転軌跡（円）の実半径ｒ（特徴点の回転半径）とみなすことができる。
【００２０】
「カメラパラメータ取得部」は、前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得する機能を有する。カメラパラメータは予め初期条件として記憶装置などに保持しておき、必要に応じて読み出す構成が考えられる。また、回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいてカメラパラメータを算出する手段も同様に考えられる（実施例６にて説明する）。
【００２１】
「回転中心高度検出部」は、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する機能を有する。図５に示すように、回転テーブルの回転中心と特徴点の投影回転中心を結ぶ線分ｈ'は回転中心高度ｈをフレーム上に投影したものである。よって、幾何学的な関係から、回転中心高度ｈは特徴点の投影回転中心の２次元投影座標ｈ'とカメラパラメータ（カメラアングルθ、視線距離ｄ）に基づいて数１のように表わされる。ここで、ｄやｈ'は計算処理の上で無次元の値として定義することも可能である。例えば、上記のようにカメラパラメータを一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて算出している場合は、当該一の特徴点の回転半径を基準とした値とすることが考えられる。なお、ここでは回転テーブルの回転中心を原点とし、回転テーブルの回転中心から各特徴点の回転中心までの距離を回転中心高度として算出する構成としているが、一の特徴点の回転中心を原点とし、回転テーブル上にない特徴点間の距離を直接的に算出する構成とすることも可能である。
【数１】
2011013121.tif 000003
【００２２】
「回転中心角検出部」は、前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する機能を有する。ここで、回転中心角を検出する手段としては、回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に一定角度間隔で配置された回転目盛を回転テーブルに設け、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を回転目盛を利用して検出し、回転中心角とする手段が考えられる（実施例７にて説明する）。また、回転テーブルが一定角速度で回転する場合は、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び回転テーブルの周期に基づいて回転中心角を検出する手段も考えられる（実施例８にて説明する）。
【００２３】
「３次元位置データ出力部」は、前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する機能を有する。特徴点の回転半径ｒと回転中心高度ｈ、回転中心角θが分かると各特徴点の３次元位置が特定されるため、３次元位置データを出力することが可能になる。出力する際のデータ形式は円柱座標系形式であってもよいし、３次元直行座標系形式や、その他の座標表示系形式であってもよい。また、出力データはＲＡＭやＨＤＤ等の記憶装置に記憶させることも可能であるし、プリンタに印刷出力したり、ディスプレイに表示出力したりすることも可能である。
<具体的な構成>
【００２４】
図６は、本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成の一例を示す概略図である。この図を利用して、３次元形状測定装置のそれぞれのハードウェア構成の働きについて説明する。この図にあるように、３次元形状測定装置は、「ＣＰＵ（中央演算装置）」０６０１、「メインメモリ」０６０２、「記憶装置」０６０３を備える。また、「カメラ」０６０４、「入力装置」０６０５、「ディスプレイ」０６０６、「プリンタ」０６０７、「通信装置」０６０８を備えている。これらは「システムバス」０６０９などのデータ通信経路によって相互に接続され、情報の送受信や処理を行う。以下、各装置の具体的な処理について説明する。
【００２５】
メインメモリには各プログラムが読み出され、ＣＰＵは読み出された当該プログラムを参照することで各種演算処理を実行する。また、このメインメモリや記憶装置にはそれぞれ複数のアドレスが割り当てられており、ＣＰＵの演算処理においては、そのアドレスを特定し格納されているデータにアクセスすることで、データを用いた演算処理を行うことが可能になっている。
【００２６】
ＣＰＵは動画像取得プログラムを実行し、動画像のデータを取得する処理を行う。ここで、動画像の取得指示を入力装置を介して受け付ける構成とすることも可能であるし、カメラ等が接続された場合は自動的に取得する構成とすることも可能である。取得されたデータはメインメモリの所定のアドレスに格納する。次にＣＰＵ特徴点抽出プログラムを実行し、取得された動画像を構成するフレームにおける測定物体の複数の特徴点を抽出する処理を行う。次にＣＰＵは投影回転軌跡検出プログラムを実行し、抽出された特徴点に関して投影回転軌跡を検出する処理を行う。次にＣＰＵは投影回転中心検出プログラムを実行し、各特徴点の投影回転中心の２次元投影座標を検出するための処理を行う。次にＣＰＵは回転半径検出プログラムを実行し、各特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転半径を検出する処理を行う。次にＣＰＵはカメラパラメータ取得プログラムを実行し、記憶装置の所定のアドレスに格納されているカメラパラメータ（カメラアングルと視線距離のデータ）の値をメインメモリの所定のアドレスに読み出す処理を行う。次にＣＰＵは回転中心高度検出プログラムを実行し、特徴点の投影回転中心の２次元投影座標とカメラパラメータに基づいて回転中心高度を検出する処理を行う。次にＣＰＵは回転中心角プログラムを実行し、各特徴点間の回転中心角を検出する処理を行う。次に、ＣＰＵは３次元位置データ出力プログラムを実行し、回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する処理を行う。
【００２７】
<処理手順>
図７は、本実施例の処理手順の一例を表す流れ図である。まず動画像取得ステップ（ステップＳ０７０１）では、基準面に対する法線を回転軸として回転する回転テーブルの上に載置された測定物体が回転テーブルと供に回転する様子を捉えた動画像で、固定点から前記回転テーブルの回転中心に視線を向けたカメラにより撮影された動画像のデータを取得する。特徴点抽出ステップ（ステップＳ０７０２）では、前記動画像を構成するフレームにおける前記測定物体の複数の特徴点を抽出する。投影回転軌跡検出ステップ（ステップＳ０７０３）では、前記特徴点の回転軌跡がフレーム上に投影された投影回転軌跡を検出する。投影回転中心検出ステップ（ステップＳ０７０４）では、前記特徴点の回転中心がフレーム上に投影された投影回転中心の２次元投影座標を検出する。回転半径検出ステップ（ステップＳ０７０５）では、前記特徴点の投影回転軌跡及び投影回転中心の２次元投影座標に基づいて回転テーブルの回転軸から特徴点までの距離である回転半径を検出する。カメラパラメータ取得ステップ（ステップＳ０７０６）では、前記カメラのカメラアングル及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離をカメラパラメータとして取得する。回転中心高度検出ステップ（ステップＳ０７０７）では、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて特徴点の回転中心から回転テーブルの回転中心までの距離である回転中心高度を検出する。回転中心角検出ステップ（ステップＳ０７０８）では、前記回転テーブルの回転軸を基準とした特徴点間の角度である回転中心角を検出する。３次元位置データ出力ステップ（ステップＳ０７０９）では、前記特徴点の回転半径及び回転中心高度及び回転中心角に基づいて３次元位置データを出力する。
【００２８】
<効果>
以上のような構成をとる本発明によって、１台のカメラのみで物体の３次元形状を精度良く測定することが可能になる。
【実施例２】
【００２９】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、動画像を構成するフレームにおいて特徴点を特定するための情報を受け付け、当該情報に基づいて特徴点を特定することを特徴とする。
【００３０】
<構成>
図８は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」０８００は、「動画像取得部」０８０１と、「特徴点抽出部」０８０２と、「投影回転軌跡検出部」０８０３と、「投影回転中心検出部」０８０４と、「回転半径検出部」０８０５と、「カメラパラメータ取得部」０８０６と、「回転中心高度検出部」０８０７と、「回転中心角検出部」０８０８と、「３次元位置データ出力部」０８０９とからなり、特徴点抽出部は「特徴点特定情報受付手段」０１０と、「特徴点特定手段」０１１を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる特徴点特定情報受付手段と特徴点特定手段について以下説明する。
【００３１】
「特徴点特定情報受付手段」は、前記フレームにおいて特徴点を特定するための情報である特徴点特定情報を受け付ける機能を有する。ここで、特徴点を特定するための情報としては、フレームにおける特徴点の２次元投影座標の情報や特徴点及びその周辺の画素値の情報（色度、彩度、明度の情報等）が考えられる。また、入力装置を介して所定数（例えば４以上）のフレームにおける各特徴点の２次元投影座標を特定するための操作入力を受け付ける構成も可能である。また、特徴点に所定のマーカー（特定の模様や色等を有するもの）が付されている場合は当該マーカーの属性情報を取得することも考えられるし、特徴点が所定の形状や発光する性質を有している場合は当該属性情報を取得することも考えられる。
【００３２】
「特徴点特定手段」は、前記特徴点特定情報に基づいて特徴点を特定する機能を有する。ここで、例えば特徴点特定情報として一の特徴点につき一の２次元投影座標のデータしか取得していない場合であっても、当該フレームにおける特徴点の画素値の情報を取得する処理を行い、その他のフレームにおける特徴点の２次元投影座標を特定する構成とすることも可能である。
【００３３】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は特徴点抽出プログラムとして特徴点特定情報受付ルーチンと特徴点特定ルーチンを有する。ＣＰＵは特徴点抽出プログラムの特徴点特定情報受付ルーチンを実行し、前記フレームにおいて特徴点を特定するための情報である特徴点特定情報を受け付ける処理を行う。具体的には入力装置を介して特徴点特定情報を受け付けるためディスプレイ表示を行い、対応して入力されたデータをメインメモリの所定のアドレスに格納する処理を行うが考えられる。また、ＣＰＵは特徴点特定情報受付ルーチンによって得られた特徴点特定情報に基づいて特徴点を特定するための処理を行う。具体的には各フレームにおける特徴点の２次元投影座標及び画素値のデータを特徴点の識別符号と関連付けてメインメモリの所定のアドレスに格納する。また、一の特徴点につき所定数のフレームにおける２次元投影座標を特定する場合は、当該所定数のフレームについて同様の処理を行う。
【００３４】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通するが、本実施例の特徴点抽出ステップは、図９に示すように、特徴点特定情報受付サブステップと特徴点特定サブステップ処理からなる。まず、特徴点特定情報受付サブステップ（ステップＳ０９０１）では、前記フレームにおいて特徴点を特定するための情報である特徴点特定情報を受け付ける。続いて特徴点特定サブステップ（ステップＳ０９０２）では、前記特徴点特定情報に基づいて特徴点を特定する。その他の処理の内容は実施例１と同様であるから説明を省略する。
【００３５】
<効果>
以上のように本実施例の３次元形状測定装置では、実施例１の効果に加えて、特徴点の特定が難しい測定対象物に関しても３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例３】
【００３６】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、投影回転軌跡を検出する処理として、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出することを特徴とする。
【００３７】
<構成>
図１０は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」１０００は、「動画像取得部」１００１と、「特徴点抽出部」１００２と、「投影回転軌跡検出部」１００３と、「投影回転中心検出部」１００４と、「回転半径検出部」１００５と、「カメラパラメータ取得部」１００６と、「回転中心高度検出部」１００７と、「回転中心角検出部」１００８と、「３次元位置データ出力部」１００９とからなり、投影回転軌跡検出部は「楕円未知数算出手段」１０１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる楕円未知数算出手段について以下説明する。
【００３８】
「楕円未知数算出手段」は、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出する機能を有する。ここで、楕円方程式は
Ａ２（Ｘ−Ｃ）２＋（Ｙ−Ｄ）２―Ｂ２＝０と表わされ、４つの未知数（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が存在することが分かる。当該４つの未知数を算出するためには４以上の方程式が必要となるため、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標を検出することになる。２次元投影座標をＰｎ＝（Ｘｎ、Ｙｎ）と表わすと、上記の未知数は以下の数２のように表わされる。
【数２】
2011013121.tif 000004
【００３９】
上記式を用いて一の特徴点につき４以上の２次元投影座標から４つの楕円未知数を算出することができ、楕円方程式に基づいて投影回転軌跡を検出することが可能になる。
【００４０】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、投影回転軌跡検出プログラムとして楕円未知数算出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは投影回転検出プログラムの楕円未知数算出ルーチンを実行し、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出するための処理を行う。具体的には、数２の関係式に取得された４つの２次元投影座標を代入して算出する処理を行い、処理結果であるデータを各パラメータと関連づけてメインメモリの所定のアドレスに格納する処理を行う。
【００４１】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例の投影回転軌跡検出ステップは、楕円未知数算出サブステップからなり、一の特徴点につき４以上の２次元投影座標に基づいて前記投影回転軌跡を示す楕円方程式の未知数を算出する処理を行う。その他の処理の内容は実施例１と同様であるから説明を省略する。
【００４２】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、一の特徴点の軌跡が部分的にしか撮影できないような場合であっても全体的な投影回転軌跡を計算により推定し、３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例４】
【００４３】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、半回転の検出に基づいて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、半回転のペアとなる２つの２次元投影座標を直線で結んで形成される線分同士の交点を一の特徴点の投影回転中心として検出することを特徴とする。
【００４４】
<構成>
図１１は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」１１００は、「動画像取得部」１１０１と、「特徴点抽出部」１１０２と、「投影回転軌跡検出部」１１０３と、「投影回転中心検出部」１１０４と、「回転半径検出部」１１０５と、「カメラパラメータ取得部」１１０６と、「回転中心高度検出部」１１０７と、「回転中心角検出部」１１０８と、「３次元位置データ出力部」１１０９とからなり、「投影回転中心検出部」は「半回転検出手段」１１１０と「第一検出手段」１１１１を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる第一検出手段について以下説明する。
【００４５】
「半回転検出手段」は、前記回転テーブルが半回転したことを検出する機能を有する。
半回転したことを検出する具体的な手段としては、図１２に示すように、前記回転テーブルに回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に１８０度間隔で配置された２つの半回転目印点を１組以上設け、前記回転テーブルが半回転したことを前記半回転目印点を利用して検出する手段が考えられる。ここで、一の半回転目印点が１８０度離れた他の半回転目印点の位置に移動したことは、例えば図１３に示すように、一の半回転目印点と１８０度離れた他の半回転目印点の２次元投影座標Ｐ１'を所定のフレームから検出し、その後のフレームにおいて一の半回転目印点がＰ１'の位置に移動したか否かを判断することで検出することが可能である。
【００４６】
また、前記回転テーブルが一定角速度で回転するとの条件がある場合は、前記回転テーブルの周期を取得して前記回転テーブルが半回転したことを検出することも可能である。具体的に説明すると、任意の特徴点の一周期の始点と終点（同一の２次元投影座標）を捉えたフレームの撮影タイミングの情報から回転テーブルの周期を検出でき、当該周期を２で割ることにより半周期を算出することができる。そして当該半周期の値と各フレームの撮影タイミングの情報から回転テーブルが半回転したことを検出することができる。
【００４７】
「第一検出手段」は、前記半回転検出手段による半回転の検出に基づいて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、前記半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分を複数生成し、前記複数の線分の交点を一の特徴点のフレーム上の投影回転中心として検出する機能を有する。図１４に示す例では、半回転分の開きがある２つの２次元投影座標を２組抽出し、各ペアの２次元投影座標を直線で結んで形成される線分の交点から一の特徴点の投影回転中心を検出している。
【００４８】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、投影回転中心検出プログラムとして半回転検出ルーチンと第一検出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは投影回転中心プログラムの半回転検出ルーチンを実行し、回転テーブルが半回転したことを検出する処理を行う。次にＣＰＵは半回転検出ルーチンによる半回転の検出に基づいて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、前記半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分を複数生成し、前記複数の線分の交点を一の特徴点のフレーム上の投影回転中心として検出する処理を行う。具体的には、半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標をデータとしてメインメモリの所定のアドレスに格納する処理を２組行い、対抗する２次元投影座標を直線で結んで形成される線分の交点を算出し、投影回転中心のデータとしてメインメモリの所定のアドレスに格納する処理を行う。
【００４９】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通するが、本実施例の投影回転中心検出ステップは、図１５に示すように、半回転検出サブステップと第一検出サブステップの処理からなる。まず、半回転検出サブステップ（ステップＳ１５０１）では、前記回転テーブルが半回転したことを検出する。次に第一検出サブステップ（ステップＳ１５０２）では、前記半回転検出サブステップによる半回転したことの検出に応じて半回転分の開きがある２つのフレームを一の特徴点につき２組以上抽出し、前記半回転分の開きがある２つのフレームにおける一の特徴点の２次元投影座標を直線で結んで形成される線分を複数生成し、前記複数の線分の交点を一の特徴点のフレーム上の投影回転中心として検出する。前記回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に１８０度間隔で配置された２つの半回転目印点を１組以上有している場合は、前記半回転検出サブステップとして、前記回転テーブルが半回転したことを前記半回転目印点を利用して検出することも可能である。また、前記回転テーブルは一定角速度で回転する場合は、前記半回転検出サブステップとして、前記回転テーブルの周期を取得して前記回転テーブルが半回転したことを検出することも可能である。
【００５０】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、半回転の検出手段を用いることにより投影回転中心を検出し、測定対象物の３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例５】
【００５１】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、取得する動画像における回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影された時間の情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出することを特徴とする。
【００５２】
<構成>
図１６は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」１６００は、「動画像取得部」１６０１と、「特徴点抽出部」１６０２と、「投影回転軌跡検出部」１６０３と、「投影回転中心検出部」１６０４と、「回転半径検出部」１６０５と、「カメラパラメータ取得部」１６０６と、「回転中心高度検出部」１６０７と、「回転中心角検出部」１６０８と、「３次元位置データ出力部」１６０９とからなり、「投影回転中心検出部」は「第二検出手段」１６１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる第二検出手段について以下説明する。
【００５３】
本実施例の３次元形状測定装置が取得する動画像における回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とする。ここで、一定角速度で回転するとは、一定角速度で回転するように調整されていることの他に、一定角速度で回転していると仮定することが妥当である状況も含むものとする。例えば回転テーブルの回転を妨げる力が無視できる程小さい場合は、回転テーブルは一定角速度で回転しているとみなすことができる。
【００５４】
「第二検出手段」は、前記回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から、一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影された時間の情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出する機能を有する。図１７に示すように、投影回転軌跡の縦の対象軸の一の位置に投影回転中心の２次元投影座標を仮定した場合、カメラアングルが定まり、回転軸方向から見た系の仮定的な座標を算出することが可能になる。ここで、当該仮定的な座標が正しいか否かを判断するために角速度一定の条件を用いる。図１８の例で説明すると、一の特徴点につき３つのフレームの２次元投影座標及び撮影されたタイミングの情報を用いて、θ１／（ｔ２−ｔ１）＝θ２／（ｔ３−ｔ２）＝θ３／（ｔ１−ｔ３）の式が成立するか否か判断する。つまり、当該式が成立する場合は投影回転中心の２次元投影座標の仮定が正しいことを示し、そうでない場合は投影回転中心の２次元投影座標の仮定が間違っていることを示す。具体的な計算処理の一例としては、ニュートン法を用いた計算処理が考えられる。
【００５５】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、回転テーブルが一定角速度で回転し、投影回転中心検出プログラムとして第二検出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは投影回転中心検出プログラムの第二検出サブルーチンを実行し、回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から、一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影された時間の情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出する処理を行う。具体的には、投影回転軌跡の縦の対象軸の一の位置に投影回転中心の２次元投影座標を仮定し、当該仮定に基づいて算出される３つのフレームの２次元投影座標及び撮影されたタイミングの情報を用いて角速度一定の式が成立するか否か判断するための処理を行う。当該処理が成立する場合は処理を終了し、成立しない場合は別の位置に投影回転中心の２次元投影座標を仮定して上記処理を続行する。
【００５６】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例の投影回転中心検出ステップは、前記回転テーブルの角速度が一定であるとの条件から、一の特徴点につき３以上のフレームの２次元投影座標及び撮影された時間の情報に基づいてフレーム上の投影回転中心を検出する第二検出サブステップを有することを特徴とする。
【００５７】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、角速度が一定とみなせる条件下で容易に投影回転中心を検出することができ、測定対象物の３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例６】
【００５８】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて前記カメラパラメータを算出することを特徴とする。
【００５９】
<構成>
図１９は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」１９００は、「動画像取得部」１９０１と、「特徴点抽出部」１９０２と、「投影回転軌跡検出部」１９０３と、「投影回転中心検出部」１９０４と、「回転半径検出部」１９０５と、「カメラパラメータ取得部」１９０６と、「回転中心高度検出部」１９０７と、「回転中心角検出部」１９０８と、「３次元位置データ出力部」１９０９とからなり、カメラパラメータ取得部は「カメラパラメータ算出手段」１９１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となるカメラパラメータ算出手段について以下説明する。
【００６０】
「カメラパラメータ算出手段」は、前記回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて前記カメラパラメータを算出する機能を有する。当該算出処理について図２０を用いて説明すると、カメラアングルθ及びカメラから回転テーブルの回転中心までの距離である視線距離ｄは数３の関係式に基づいて投影回転軌跡（楕円）のパラメータａ，ｂ，ｃを用いて数４のように表わされる。ここで、以下の視線距離ｄは上記一の特徴点の回転半径ｃを基準とした無次元の値として表わしているが、有次元とすることも可能である。
【数３】
2011013121.tif 000005
【数４】
2011013121.tif 000006
投影回転軌跡検出部と投影回転中心検出部によって投影回転軌跡と投影回転中心が検出されることから、上記ａ，ｂ，ｃのパラメータを取得することが可能であり、結果としてカメラアングル及び視線距離といったカメラパラメータを算出することが可能になる。
【００６１】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、カメラパラメータ取得プログラムのカメラパラメータ算出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは、カメラパラメータ取得プログラムのカメラパラメータ算出ルーチンを実行し、回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいてカメラパラメータを算出する処理を行う。具体的には、回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡と投影回転中心のデータから楕円のパラメータを検出する処理を行い、当該楕円のパラメータを数４の関係式に代入してカメラアングル及び視線距離の値を算出する処理を行い、処理結果をメインメモリの所定のアドレスに格納する。
【００６２】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例のカメラパラメータ取得ステップは、前記回転テーブル上にある一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて前記カメラパラメータを算出するカメラパラメータ算出サブステップを有することを特徴とする。
【００６３】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、カメラパラメータを初期データとして取得していない場合でも一の特徴点の投影回転軌跡に基づいて算出することが可能であり、測定対象物の３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例７】
【００６４】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、取得する動画像における回転テーブルが所定の回転目盛を有することを特徴とし、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を回転目盛を利用して検出し、回転中心角とすることを特徴とする。
【００６５】
<構成>
図２１は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」２１００は、「動画像取得部」２１０１と、「特徴点抽出部」２１０２と、「投影回転軌跡検出部」２１０３と、「投影回転中心検出部」２１０４と、「回転半径検出部」２１０５と、「カメラパラメータ取得部」２１０６と、「回転中心高度検出部」２１０７と、「回転中心角検出部」２１０８と、「３次元位置データ出力部」２１０９とからなり、回転中心角取得部は「第一回転中心角検出手段」２１１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる第一回転中心角算出手段について以下説明する。
【００６６】
本実施例の３次元形状測定装置が取得する動画像における回転テーブルは回転テーブルの回転中心を中心とする一の円の円周上に一定角度間隔で配置された回転目盛を有することを特徴としている。「第一回転中心角検出手段」は、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を前記回転目盛を利用して検出し、前記回転中心角とする機能を有する。ここで、所定の測定基準線としては、図２２に示すように、各特徴点の投影回転中心を通り、投影回転軌跡の短半径と平行な線（回転テーブルの回転軸を投影した線）が一例として考えられる。この図の例では、一の特徴点１が測定基準線を通過した際は０度の回転目盛点は２次元投影座標Ｐ１の位置に配置されており、他の特徴点２が測定基準線を通過した際には２次元投影座標Ｐ１の位置には６０度の回転目盛点が配置されていることが分かる。このことから特徴点１と特徴点２の回転中心角は＋６０度であることが分かる。なお、上記の他に各特徴点の投影回転中心を通り、投影回転軌跡の長半径と平行な線を測定基準線として用いることも可能である。
【００６７】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、回転テーブルが所定の回転目盛点を有し、回転中心角取得プログラムとして第一回転中心角検出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは、回転中心角取得プログラムの第一回転中心角検出ルーチンを実行し、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでに回転テーブルが回転した角度を回転テーブル上の回転目盛を利用して検出し、回転中心角とする処理を行う。具体的には、測定基準線を一の特徴点が通過した際の０度の角度目盛点の２次元投影座標Ｐ１を取得する処理を行い、他の特徴点が測定基準線を通過する際に２次元投影座標Ｐ１に配置されている角度目盛点の値をフレームの画像データから検出する処理を行う。
【００６８】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例の回転中心角取得ステップは、前記各特徴点がフレーム上の所定の測定基準線を通過する際の回転目盛点の配置に基づいて回転中心角を検出する第一回転中心検出サブステップを有することを特徴とする。
【００６９】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、回転テーブルが有する回転目盛を利用して回転中心角を検出することができ、測定対象物の３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例８】
【００７０】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、取得する動画像における回転テーブルが一定角速度で回転することを特徴とし、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出することを特徴とする。
【００７１】
<構成>
図２３は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」２３００は、「動画像取得部」２３０１と、「特徴点抽出部」２３０２と、「投影回転軌跡検出部」２３０３と、「投影回転中心検出部」２３０４と、「回転半径検出部」２３０５と、「カメラパラメータ取得部」２３０６と、「回転中心高度検出部」２３０７と、「回転中心角検出部」２３０８と、「３次元位置データ出力部」２３０９とからなり、回転中心角取得部は「第二回転中心角検出手段」２３１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる第二回転中心角算出手段について以下説明する。
【００７２】
本実施例の３次元形状測定装置が取得する動画像における回転テーブルは一定角速度で回転することを特徴とする。「第二回転中心角検出手段」は、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出する機能を有する。測定基準線としては、実施例７のものと同様に、各特徴点の投影回転中心を通り、投影回転軌跡の短半径と平行な線（回転テーブルの回転軸をフレーム上に投影した線）や各特徴点の投影回転中心を通り、投影回転軌跡の長半径と平行な線が考えられる。回転テーブルの周期を取得する手段としては、回転テーブルの周期と任意の特徴点の投影回転軌跡の周期が同じであるため、当該特徴点の一周期の始点と終点を各々捉えたフレームの撮影タイミングから検出することが可能である。また、当該周期と回転テーブルの角速度はω＝２π／Ｔの関係式を用いて算出することが可能であり、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間（ｔ２−ｔ１）をフレームの撮影タイミングから取得して、所望の回転中心角ω（ｔ２−ｔ１）を検出することが可能になる。
【００７３】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、回転中心角取得プログラムとして第二回転中心角検出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは回転中心角取得プログラムの第二回転中心角検出ルーチンを実行し、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出する処理を行う。具体的には、一の特徴点の一周期の始点と終点を各々捉えたフレームの撮影タイミングのデータから回転テーブルの角速度を算出する処理を行う。また、測定基準線を一の特徴点が通過した際のフレームの撮影タイミングと他の特徴点が測定基準線を通過した際のフレームの撮影タイミングのデータを取得し、経過時間を算出する処理を行う。最後に回転テーブルの角速度と経過時間の積を算出する処理を行い、処理結果を回転中心角の識別符号と関連づけてメインメモリの所定のアドレスに格納する。
【００７４】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例の回転中心角取得ステップは、測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間及び前記回転テーブルの周期を取得して前記回転中心角を検出する第二回転中心角検出サブステップを有することを特徴とする。
【００７５】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、回転テーブルが一定角速度で回転する場合において、回転テーブルの周期及び測定基準線を一の特徴点が通過してから他の特徴点が通過するまでの経過時間に基づいて回転中心角を検出することが可能であり、測定対象物の３次元形状を測定することが可能になる。
【実施例９】
【００７６】
<概要>
本実施例の３次元形状測定装置は、基本的に実施例１と共通するが、各特徴点の投影回転中心の２次元投影座標とカメラパラメータに基づいて各特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を回転軸方向からみた座標に変換して回転中心角を検出することを特徴とする。
【００７７】
<構成>
図２４は、本実施例の３次元形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。本実施例の「３次元形状測定装置」２４００は、「動画像取得部」２４０１と、「特徴点抽出部」２４０２と、「投影回転軌跡検出部」２４０３と、「投影回転中心検出部」２４０４と、「回転半径検出部」２４０５と、「カメラパラメータ取得部」２４０６と、「回転中心高度検出部」２４０７と、「回転中心角検出部」２４０８と、「３次元位置データ出力部」２４０９とからなり、回転中心角取得部は「第三回転中心角検出手段」２４１０を有する。構成は基本的に実施例１に記載の３次元形状測定装置の構成と同じであるため、相違点となる第三回転中心角算出手段について以下説明する。
【００７８】
「第三回転中心角算出手段」は、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて前記特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を前記回転軸方向からみた座標に変換して前記回転中心角を検出する機能を有する。つまり、投影回転中心検出部とカメラパラメータ取得部の処理結果に基づいて回転中心角を検出することが可能である。
【００７９】
図２５を用いて説明すると、フレーム平面において投影回転中心の２次元投影回転中心とフレーム中心は一致せず、距離Ｌだけ離れている。ここで、投影回転中心を３次元座標の原点とすると、単位ベクトルＸ、Ｙとフレーム中心Ａとカメラ位置Ｃは以下の数５の３次元座標で表わされる。
【数５】
2011013121.tif 000007
また、特徴点の所定の撮影タイミングの２次元投影座標をＳ＝（Ｓｘ、Ｓｙ）、回転軸方向からみた座標をＰ＝（Ｐｘ、Ｐｙ）とすると、２つの座標系の変換式は以下の数６のように表わされる。
【数６】
2011013121.tif 000008
【００８０】
数５と数６で示すように、特徴点の投影回転中心とカメラパラメータを取得することで、特徴点の２次元投影座標を回転軸方向からみた座標に変換することが可能になる。これにより、各特徴点間の角度である回転中心角を検出することが可能になる。なお、上記の例では投影回転中心を３次元座標の原点とした場合の変換式を示したが、その他の場合も同様に変換式を求めることが可能である。
【００８１】
<具体的な構成>
本実施例の３次元形状測定装置のハードウェア構成は、基本的に図６を用いて説明した実施例１の装置のハードウェア構成と共通する。ただし、本実施例の３次元形状測定装置は、回転中心角取得プログラムとして第三回転中心角検出ルーチンを有する点を特徴とする。ＣＰＵは回転中心角取得プログラムの第三回転中心角検出ルーチンを実行し、投影回転中心検出プログラムとカメラパラメータ取得プログラムの処理結果を参照して、特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を回転軸方向からみた座標に変換して回転中心角を検出する処理を行う。具体的には、取得した投影回転中心の座標とカメラパラメータを座標変換式に代入して回転軸方向からみた座標を算出する処理を行い、処理結果に基づいて各特徴点間の回転中心角を算出し、各特徴点間の回転中心角と関連付けてメインメモリの所定のアドレスに格納する。
【００８２】
<処理手順>
本実施例の処理手順は基本的に図７を用いて説明した実施例１の処理手順と共通する。ただし、本実施例の回転中心角取得ステップは、前記特徴点の投影回転中心の２次元投影座標と前記カメラパラメータに基づいて前記特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を前記回転軸方向からみた座標に変換して前記回転中心角を検出する第三回転中心角検出サブステップを有することを特徴とする。
【００８３】
<効果>
本実施例の３次元形状測定装置は、実施例１の効果に加えて、各特徴点の投影回転中心の２次元投影座標とカメラパラメータに基づいて各特徴点の所定の撮影タイミングにおける２次元投影座標を回転軸方向からみた座標に変換して回転中心角を検出することが可能である。
【符号の説明】
【００８４】
０１００    ３次元形状測定装置
０１０１    動画像取得部
０１０２    特徴点抽出部
０１０３    投影回転軌跡検出部
０１０４    投影回転中心検出部
０１０５    回転半径検出部
０１０６    カメラパラメータ取得部
０１０７    回転中心高度検出部
０１０８    回転中心角検出部
０１０９    ３次元位置データ出力部
０８１０    特徴点特定手段
０８１１    特徴点特定情報受付手段
１０１０    楕円未知数算出手段
１１１０    半回転検出手段
１１１１    第一検出手段
１６１０    第二検出手段
１９１０    カメラパラメータ算出手段
２１１０    第一回転中心角検出手段
２３１０    第二回転中心角検出手段
２４１０    第三回転中心角検出手段
【図１】
2011013121.tif 000009
【図２】
2011013121.tif 000010
【図３】
2011013121.tif 000011
【図４】
2011013121.tif 000012
【図５】
2011013121.tif 000013
【図６】
2011013121.tif 000014
【図７】
2011013121.tif 000015
【図８】
2011013121.tif 000016
【図９】
2011013121.tif 000017
【図１０】
2011013121.tif 000018
【図１１】
2011013121.tif 000019
【図１２】
2011013121.tif 000020
【図１３】
2011013121.tif 000021
【図１４】
2011013121.tif 000022
【図１５】
2011013121.tif 000023
【図１６】
2011013121.tif 000024
【図１７】
2011013121.tif 000025
【図１８】
2011013121.tif 000026
【図１９】
2011013121.tif 000027
【図２０】
2011013121.tif 000028
【図２１】
2011013121.tif 000029
【図２２】
2011013121.tif 000030
【図２３】
2011013121.tif 000031
【図２４】
2011013121.tif 000032
【図２５】
2011013121.tif 000033