(57)【要約】      （修正有）【課題】光学的なインテグラル・フォトグラフィ（Integral Photography（IP））の原理を利用して、複雑な構成や複雑な演算を必要とせずに、対象物の３次元情報を取得できる３次元情報取得装置を提供する。【解決手段】３次元情報取得装置１００は、３次元座標系の所定空間１に配置された対象物２の３次元情報を取得する。この３次元情報取得装置１００は、対象物２を臨むように配置され、複数の要素レンズ１１がマトリクス状に配設されたレンズアレイ１０と、要素レンズ１１を通過する光束を撮像面で受光する受光部２０と、複数の要素レンズ１１のそれぞれに対応するように受光部２０に配設され、光束を受光する複数の撮像素子がマトリクス状に配設された撮像部３０と、撮像部３０が取得した光学的情報を撮像素子ごとに処理する情報処理部４０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元座標系の所定空間に配置された対象物の３次元情報を取得する３次元情報取得装置であって、
前記対象物を臨むように配置され、複数の要素レンズがマトリクス状に配設されたレンズアレイと、
前記要素レンズを通過する光束を撮像面で受光する受光部と、
前記複数の要素レンズのそれぞれに対応するように前記受光部に配設され、前記光束を受光する複数の撮像素子がマトリクス状に配設された撮像部と、
前記撮像部が取得した光学的情報を前記撮像素子ごとに処理する情報処理部と、を備え、
前記情報処理部は、
前記所定空間を分割して仮想的な計測単位空間を生成し、
該計測単位空間を通過する光束が前記要素レンズを介して到達する前記撮像画素を特定し、
前記計測単位空間の座標、および、前記光束が到達する前記撮像画素と前記撮像画素から取得される色空間値を格納する、ことを特徴とする３次元情報取得装置。
【請求項２】
前記計測単位空間はボクセルである、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元情報取得装置。
【請求項３】
前記情報処理部が、
前記光束の経路上に２以上の前記計測単位空間において対象物が存在すると判別した場合に、前記レンズアレイ側の前記計測単位空間を選択する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元情報取得装置。
【請求項４】
前記情報処理部が、
前記対象物が存在すると判断した前記計測単位空間を収集して、前記対象物が存在する部分の輪郭を形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の３次元情報取得装置。
【請求項５】
前記情報処理部が、
少なくとも２以上の前記対象物の存在する前記計測単位空間を選択したとき、
前記計測単位空間の距離を計測する、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元情報取得装置。
【請求項６】
前記レンズアレイが、平面状に形成されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元情報取得装置。
【請求項７】
前記レンズアレイが、球面状に形成されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元情報取得装置。
【請求項８】
前記レンズアレイが、所定の曲率を有する曲面状に形成されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元情報取得装置に関するものであり、詳しくは光学的なインテグラル・フォトグラフィ（Integral Photography（IP））の原理を利用した３次元情報取得装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
現在、光学的な３次元形状計測手法としては、カメラで取得した２視点以上の画像を使用してステレオ視による三次元距離計測が多く使われている。この計測手法としては、対象物にパターン光を照射し反射光をカメラで撮影しパターン光の歪みから対象までの奥行き距離を計測するアクティブステレオ法、カメラで取得した２視点の画像の視差情報から対象までの奥行き距離を計測するパッシブステレオ法がある。いずれの場合もカメラもしくはパターン光照射部と対象上の計測点から成る３点に対して三角測量の原理により計測点までの距離を算出するものである。
【０００３】
他の光学的な３次元形状計測手法として、１台のカメラにおいて、複数のレンズが多眼的に配置されたレンズアレイと、空間的または時間的に強度変調された強度変調光を用いる技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術によれば、レンズアレイによって得られる異なる視点から見た被写体の像が２次元撮像素子の結像面で各々結像されて撮像される。これにより、レンズアレイの複数のレンズの位置に各々対応した異なる視点から見た被写体画像群が得られ、該被写体画像群に基づいた被写体の３次元情報の検出が行われる。
【０００４】
また、３次元情報の表示については、医療関係、特にＣＴ、ＭＲＩなどの３次元画像において、医療関係者が直感的に３次元画像を把握することを目的に種々の技術が開示されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３００２６８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】廖洪恩，中島勧，岩原誠，小林英津子，佐久間一郎，矢作直樹，土肥健純、“Integral Videography を用いた手術支援リアルタイム三次元ナビゲーションシステムの開発”日本コンピュータ外科学会会誌J.JSCAS Volume 2, Number 4, 2000; 245-252.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ステレオ視による３次元情報計測法では画像上の特徴点を検出し計測点としているため、リアルタイムで画像を更新するごとに画像処理が必要となる。また、特許文献１に記載された技術は、空間的または時間的に強度変調された強度変調光を適用しなければならない複雑な構成と、この構成に伴う複雑な演算が必要となっていた。
【０００８】
また、非特許文献１に記載された技術実現のためには、必要な３次元モデルを、内視鏡等に備えられた光学的カメラで撮像した画像を用いて構成する場合には、ステレオ視により処理する必要があったが、処理時間がかかるという課題があった。
【０００９】
本発明は、前記背景におけるこれらの実情に鑑みてなされたものであり、光学的なインテグラル・フォトグラフィ（Integral Photography（IP））の原理を利用して、複雑な構成や複雑な演算を必要とせずに、対象物の３次元情報を取得できる３次元情報取得装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、３次元座標系の所定空間に配置された対象物の３次元情報を取得する３次元情報取得装置である。本発明の一態様である３次元情報取得装置は、対象物を臨むように配置され、複数の要素レンズがマトリクス状に配設されたレンズアレイと、要素レンズを通過する光束を撮像面で受光する受光部と、複数の要素レンズのそれぞれに対応するように受光部に配設され、光束を受光する複数の撮像素子がマトリクス状に配設された撮像部と、撮像部が取得した光学的情報を前記撮像素子ごとに処理する情報処理部と、を備えている。そして、情報処理部は、所定空間を分割して仮想的な計測単位空間を生成し、計測単位空間を通過する光束が前記要素レンズを介して到達する撮像画素を特定し、計測単位空間の座標、および、光束が到達する撮像画素と撮像画素から取得される色空間値を格納する構成としている。
【００１１】
３次元画像の表示手法の一つとして注目されているインテグラル・フォトグラフィ（Integral Photography（以下ＩＰという））と呼ばれる手法がある。これは２次元平面レンズアレイを用いて空間中に自然で再現性の高い３次元画像を投影するものである。この方式は空間中に点を結像させるため，観察者はあたかも対象物体が空間中に存在するような効果を得ることが可能である。さらに、計算機上でＩＰ画像を生成する手法(Computer Generated IP)で、レンズアレイ・動画像表示装置およびコンピュータを組み合わせた三次元動画像の作成・表示システムが開発されてきた。そしてこのＩＰの原理に準拠した動画表示手法は、インテグラル・ビデオグラフィ（Integral Videography（以下ＩＶという）と呼ばれている。
【００１２】
本発明の一態様によれば、ＩＰ，ＩＶの原理を利用して、最初に所定空間を分割して仮想的な計測単位空間を生成する。この計測単位空間が３次元的なマップに相当するものとなり、それぞれの計測単位空間が識別できるようにする。具体的には、計測単位空間を通過する光束が前記要素レンズを介して到達する撮像画素を特定し、計測単位空間の座標、および、光束が到達する撮像画素と前記撮像画素から取得される色空間値を格納する。こうすることで該計測単位空間を通過する光束が要素レンズを介して到達する撮像画素群を形成することができる。
【００１３】
かかるプロセスによって、ある計測単位空間に注目すると、この計測単位空間は２以上の撮像画素に到達する光束によって座標が決定されるものとなる。このとき計測単位空間にかかわる光束が到達する撮像画素の色空間値を比較すると、すべての光束の色空間値が一致する場合には対象物が存在し、ひとつでも異なる場合には対象物が存在しないと判定することができる。存在・不存在の判別を行ったのち、対象物が存在する場合には該計測単位空間の色空間値として、計測単位空間にかかわる画素の色空間値を格納する。ここで対象物が存在する場合、すべての画素の色空間値は一致しているため、該計測単位空間の色空間値は一意に決まる。このように所定空間を分割した計測単位空間の色空間値に関わる光束の色空間値を観察することで、対象物の存在・不存在等の所定空間における３次元情報を取得することを可能としている。なお、色空間値は、カラープロファイルとして記録可能な色空間の値を示し、例えば、ＲＧＢ，ＲＧＢＡ，ＹＣｂＣｒ，ＣＭＹＫ，Ｌａｂ  ｃｏｌｏｒ等であれば、特に限定されない。
【００１４】
前記態様において、計測単位空間はボクセルとすることができる。この態様によれば、ＣＴ，ＭＲＩ等で既に開示されたボクセルを適用した３次元空間のアプリケーションを適用することできる。
【００１５】
前記態様において、情報処理部が、光束の経路上に２以上の計測単位空間において対象物が存在すると判別した場合に、レンズアレイ側の計測単位空間を選択するように構成することが好ましい。
【００１６】
前記態様において、情報処理部が、対象物が存在すると判断した計測単位空間を収集して、対象物が存在する部分の輪郭を形成するように構成することができる。
【００１７】
この態様によれば、対象物自体の形状を輪郭として形成できるため、直感的に対象物の３次元画像を把握することができる。このように３次元画像を把握することで誤判定等を防止できるとともに、対象物に異常等がある場合に直感的に把握することができる。
【００１８】
前記態様において、情報処理部が、少なくとも２以上の対象物の存在する計測単位空間を選択したとき、計測単位空間の距離を計測する構成とすることが好ましい。
【００１９】
この態様によれば、直感的な把握を可能にした３次元画像とともに、サイズ、寸法等を数値として計測することができる。このように計測値をディジタル化することで、経過観察や統計的処理などにおいて有用な情報を獲得することができる。
【００２０】
前記態様において、レンズアレイの形状は、平面状、球面状、もしくは所定の曲率を有した曲面に形成するように構成することができる。
【００２１】
光学的な３次元情報取得装置では、対象物の形状によっては光束が届かず、撮影できないオクルージョン部分が生ずる可能性がある。しかしながら、この態様によれば、対象物の形状に応じてレンズアレイの形状を選択することで、オクルージョン部分を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、前記背景におけるこれらの実情に鑑みてなされたものであり、光学的なインテグラル・フォトグラフィ（Integral Photography（IP））の原理を利用して、複雑な構成や複雑な演算を必要とせずに、対象物の３次元情報を取得できる３次元情報取得装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る全体構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るレンズアレイの断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るレンズアレイの断面詳細を示した説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る撮像部を示す説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る計測単位空間の説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る交点設定の説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る複数の交点設定の説明図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る点群形成の説明図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る対象物不存在を判断する説明図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る対象物の輪郭形成の説明図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の説明図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の計算機によるシミュレーションの一例である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の計算機によるシミュレーションの一例の計測結果である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の他の計算機によるシミュレーションの例である。
【図１５】本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の他の計算機によるシミュレーションの例の計測結果である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係るレンズアレイの形態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明の３次元情報取得装置に係る好適な実施の形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。
【００２５】
本発明に係る３次元情報取得装置の一態様は、３次元座標系の所定空間に配置された対象物の３次元情報を取得する３次元情報取得装置であって、対象物を臨むように配置され、複数の要素レンズがマトリクス状に配設されたレンズアレイと、要素レンズを通過する光束を撮像面で受光する受光部と、複数の要素レンズのそれぞれに対応するように受光部に配設され、光束を受光する複数の撮像素子がマトリクス状に配設された撮像部と、撮像部が取得した光学的情報を前記撮像素子ごとに処理する情報処理部と、を備えている。そして、情報処理部は、所定空間を分割して仮想的な計測単位空間を生成し、計測単位空間を通過する光束が前記要素レンズを介して到達する撮像画素を特定し、計測単位空間の座標、および、光束が到達する撮像画素と撮像画素から取得される色空間値を格納する、ことを特徴としているものであれば、その具体的態様はいかなるものであっても構わない。
【００２６】
以下の説明では、本発明に係る３次元情報取得装置の一態様を説明するが、本発明は、ＩＰ，ＩＶ技術が活用されている医療関係の画像解析はもとより、一般的な映像メディアとして、セキュリティ、ゲーム、ロボットビジョン、測量等の定量的な情報取得に適用できることは言うまでもない。
【００２７】
（第１実施形態の説明）
はじめに、図１〜４を参照して、本発明の第１実施形態に係る３次元情報取得装置の主要な構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る全体構成を示す説明図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るレンズアレイの断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図となる。図３は、本発明の第１実施形態に係るレンズアレイの断面詳細を示した説明図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る撮像部を示す説明図である。
【００２８】
（主要な構成についての説明）
図１を参照すると、本発明の第１実施形態に係る３次元情報取得装置１００は、３次元座標系の所定空間１に配置された対象物２の３次元情報を取得する。この３次元情報取得装置１００は、対象物２を臨むように配置され、複数の要素レンズ１１がマトリクス状に配設されたレンズアレイ１０と、要素レンズ１１を通過する光束Ｒを撮像面で受光する受光部２０と、複数の要素レンズ１１のそれぞれに対応するように受光部２０に配設され、光束Ｒを受光する複数の撮像素子３１がマトリクス状に配設された撮像部３０と、撮像部３０が取得した光学的情報を撮像素子３１ごとに処理する情報処理部４０と、を備えている。
【００２９】
所定空間１は、３次元情報取得装置の測定できる領域であり、光束Ｒがレンズアレイ１０に到達する範囲となる。
【００３０】
レンズアレイ１０は、複数の微少な要素レンズ１１を一つの基板上に多数マトリクス状に配列した光学デバイスの一つである。レンズアレイ１０は、このように要素レンズ１１を多数並列的に配列することで、要素レンズ１１ごとに倒立像を形成し、それらの像を重ね合せて全体で１個の連続像を形成することができる。また、レンズアレイ１０は、通常のレンズと比較して物像間距離を小さくできる特徴がある。なお、図１では要素レンズ１１を６×６のマトリクス状の配列としているが、これは一例であり、サイズ、要素レンズの数、形状等は、この形態には限定されない。
【００３１】
レンズアレイ１０は、複写機、プリンタはもとより、応用として医療、通信、計測、天文、航空、セキュリティ等の分野で多く使われている。レンズアレイ１０は、ガラス、石英、シリコン、ポリマーなどの材料が使用され、要素レンズ１１は、正方配列、三角配列、ランダムに、用途に応じたレンズピッチ（隣り合うレンズ間の距離）で形成することができる。
【００３２】
図２〜図３も併せて参照すると、レンズアレイ１０は、要素レンズ１１が並列的に配列されており、要素レンズ１１の焦点距離Ｆの位置に光束Ｒの撮像面で受光する受光部２０が形成されている。受光部２０は、要素レンズ１１のそれぞれに対応している。同一の方向から入射される光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の束となる光束Ｒは、要素レンズ１１のレンズ面１３の主点１２を通過する光線Ｒ２が直線的に到達する撮像部３０の撮像画素３１に収束される。この結果として要素レンズ１１ごとに倒立像が形成されるが、光束Ｒはある程度の領域を有しており、その領域は、光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によって包括される。
【００３３】
図４の斜視図も併せて参照すると、撮像画素３１は、要素レンズ１１ごとにマトリクス状に配列されており、要素レンズ１１のレンズ面１３に入射される光束Ｒの方向は、主点１２と光束Ｒが到達する撮像画素３１とを結んだ線によって特定することができる。なお、図４では撮像画素３１を５×５のマトリクス状の配列としているが、これは一例であり、サイズ、撮像画素３１の数、形状等はこの形態には限定されない。撮像画素３１は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を適用することができる。なお、可視光だけでなく、赤外線や紫外線、もしくはＸ線等に対して感度を有する撮像素子を撮像画素３１に適用することもできる。
【００３４】
撮像画素３１に入射された光束Ｒは、撮像素子のカラーフィルターを通じフォトダイオードと呼ばれる光検出器を用いて撮像画素３１ごとに電子変換される。この電子情報（電荷等）は、信号として情報処理部４０に送信される。
【００３５】
情報処理部４０は、一種のコンピュータであり、演算を実行するプロセッサ（ＣＰＵ）、各種データを一時記憶する記憶領域およびプロセッサによる演算の作業領域を提供するランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、プロセッサが実行するプログラムおよび演算に使用する各種のデータが予め格納されている読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、およびプロセッサによる演算の結果およびエンジン系統の各部から得られたデータのうち保存しておくものを格納する書き換え可能な不揮発性メモリを備えている。不揮発性メモリは、システム停止後も常時電圧供給されるバックアップ機能付きＲＡＭで実現することができる。
【００３６】
情報処理部４０は、送信された電子情報（電荷等）を基に色濃淡等のアナログデータとして情報処理部４０内の画像処理エンジンに渡し、それがディジタル変換されて色空間値としてメモリに格納される。なお、画像処理エンジンは、後述するように画素の比較等を行うが、これは電子回路を用いた処理でもソフトウェアによる処理のいずれでもよい。
【００３７】
このように、情報処理部４０は、光束Ｒの方向とともに、当該方向を構成する撮像画素３１の色空間値を格納する。ここでは、情報処理部４０の主要な機能について説明したが、情報を処理した結果を表示する表示装置（ディスプレー等）を備える構成としても良い。
【００３８】
ここで、色空間値は、カラープロファイルとして記録可能な色空間の値を示し、例えば、ＲＧＢ，ＲＧＢＡ，ＹＣｂＣｒ，ＣＭＹＫ，Ｌａｂ  ｃｏｌｏｒ等であれば、特に限定されない。色空間値は所定空間１の状況、対象物２の明暗や色彩状態に応じて、適宜選択することができる。
【００３９】
例えば、光の三原色である赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）を使うコンピュータのディスプレー等で用いられているＲＧＢ色空間では、ＲＧＢ各８ビットの計２４ビットを割り振ることで、１６７７万７２１６色の表示を可能にしており、精細な識別を可能としている。
【００４０】
（計測単位空間の設定と色空間値の格納についての説明）
次に図５〜７も併せて参照して、計測単位空間の設定と色空間値の格納について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る計測単位空間の説明図である。図６は、本発明の第１実施形態に係る交点設定の説明図である。図７は、本発明の第１実施形態に係る複数の交点設定の説明図である。
【００４１】
図５を参照すると、情報処理部４０が、所定空間１を分割して生成した仮想的な計測単位空間５を示している。図５において、（Ａ）が所定空間１に生成された計測単位空間５であり、（Ｂ）は層状に分割して計測単位空間５の状態を表す説明図である。この計測単位空間５が３次元的なマップの例えばボクセルに相当するものとなり、それぞれの計測単位空間５が識別できるようにすることで３次元情報を取得することができる。すなわち、ここで本実施形態における撮像系に対する計測単位空間の座標を定義することができる。この後交点Ｐがどの計測単位空間５に含まれるかを関連づける。
【００４２】
本実施形態は、２以上の撮像画素に到達する光束によって座標が決定される計測単位空間を説明するが、構成が複雑となることを回避するため２つの撮像画素として説明する。
【００４３】
図６を参照すると、所定空間１内に要素レンズ１１Ａの主点１２Ａと撮像画素３１Ａとを結ぶ光束ＲＡおよび要素レンズ１１Ｂの主点１２Ｂと撮像画素３１Ｂとを結ぶ光束ＲＢが示されている。そして、光束ＲＡと光束ＲＢとが所定空間１内で交叉する点を交点Ｐとしている。ここで、前記したように光束は一定の領域を有しており、光束ＲＡと光束ＲＢも同様となるため、交点Ｐについても、幾何学上の点の概念である体積、面積、長さを一切持たないものではなく、光束ＲＡと光束ＲＢとが交叉する部分の一定の領域を示すものとしている。
【００４４】
このように互いに異なる位置の少なくとも２以上の要素レンズ１１Ａ，１１Ｂを通過する光束ＲＡ，ＲＢが交叉する交点Ｐが含まれる一定の領域である計測単位空間５を特定することができる。
【００４５】
なお、所定空間において一つの光束Ｒと他の光束Ｒとの交点Ｐは一つになるとは限らず、２以上の交点Ｐが存在する場合には、同一の交点Ｐとして関連する画素の値を比較すれば良い。
【００４６】
光束Ｒの方向は、主点１２と撮像画素３１との関係から、一義的に決定されることから、所定空間１内における交点Ｐの座標も一義的に決定され、交点Ｐが含まれる計測単位空間５が特定される。図６では断面視の２次元で表しているが、交点Ｐは３次元座標系における所定空間１内の計測単位空間と関連付けられる。
【００４７】
図７を参照すると、図６と同様なプロセスによって、複数の交点Ｐが設定される模様を示している。すなわち、要素レンズ１１Ｅの撮像画素３１ＥＡと要素レンズ１１Ｄの撮像画素３１ＤＡとから交点ＰＡが、要素レンズ１１Ｅの撮像画素３１ＥＢと要素レンズ１１Ｄの撮像画素３１ＤＢとから交点ＰＢが、要素レンズ１１Ｄの撮像画素３１ＤＣと要素レンズ１１Ｃの撮像画素３１ＣＣとから交点ＰＣが、設定される。さらにこれらの交点ＰＡ，ＰＢ，ＰＣが含まれる一定の領域である計測単位空間５も設定される。
【００４８】
情報処理部４０は、この計測単位空間５にかかわる光束Ｒが到達する撮像画素の色空間値を比較する。すべての光束の色空間値が一致する場合には対象物が存在し、ひとつでも異なる場合には対象物が存在しないと判定することができる。
【００４９】
情報処理部４０は、存在・不存在の判別を行ったのち、対象物が存在する場合には該計測単位空間の色空間値として、計測単位空間にかかわる画素の色空間値を格納する。ここで対象物が存在する場合、すべての画素の色空間値は一致しているため、該計測単位空間の色空間値は一意に決まる。
【００５０】
このように交点Ｐを含む一定の領域である計測単位空間５を所定空間１に全体にわたって配置することで、色空間値の比較の際に混同や誤計測を防止することができ、より正確な対象物の存否判定をすることができる。
【００５１】
（点群の設定についての説明）
次に図８を参照して、点群の設定について説明する。図８は、本発明の第１実施形態に係る点群形成の説明図である。なお、ここで説明する点群の設定は、本実施形態の一態様であり、所定空間１に万遍なく計測単位空間５を配置することができる。ここで説明するような点群を利用することで３次元情報を取得することを例示するものである。
【００５２】
図８を参照すると、所定空間１内に連続的な膜状の点群ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３が形成されている。点群ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３は、それぞれ互いに隣り合う複数の交点Ｐを含む計測単位空間５が選択された集合体である交点群（計測単位空間５の群）である。
【００５３】
ここで、形成された点群ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３は、情報処理部４０が、光束Ｒの経路上に２以上の前記交点Ｐがある場合に、レンズアレイ１０側の交点Ｐが含まれる計測単位空間５を選択したものである。図８では、レンズアレイ１０側を頂点とした半球のドーム状としているが、この形状に限定はされない。例えば、平面状にしたり逆の半球のドーム状としたり、一定の曲率を有する曲面状とすることもできる。
【００５４】
このように、計測単位空間５を連続的な膜状の点群ＧＰ１，ＧＰ２，ＧＰ３とすることで、例えば所定空間１内を膜状の面（図８ではドーム状の半球面）を移動させてスキャンするように対象物２の存否を判定するようにできる。係る態様にすることにより、一般的なレーダーや、ＣＴ、ＭＲＩのような医療機器と類似な計測手段となるため、判定が容易となるとともに、種々のデータ交換も容易となる。さらに、誤判定等を検出し易くすることができる。
【００５５】
なお、このような走査手段は一例であり、情報処理部４０に場面や測定対象に応じたアプリケーションを搭載することで、点群を設定することなく、３次元情報を取得できることは言うまでもない。
【００５６】
（対象物の存在・不存在判定についての説明）
次に図９、図１０を参照して、対象物の存在・不存在判定について説明する。図９は、本発明の第１実施形態に係る対象物不存在を判断する一例の説明図であり、点群ＧＰを利用した態様を示している。図９は、本発明の第１実施形態に係る対象物の輪郭形成の説明図である。
【００５７】
図９を参照すると、所定空間１に対象物２が配置されたとき、交点Ｐの色空間値が測定される。測定にあたっては、図８にて説明した点群ＧＰを用い、レンズアレイ１０側から徐々に遠ざかる点群ＧＰごとに色空間値を測定する。
【００５８】
そして、情報処理部４０は、点群ＧＰによって位置が特定される計測単位空間５にかかわる光束が到達する撮像画素の色空間値を比較する。ここで、すべての光束の色空間値が一致する場合には対象物２が存在し、ひとつでも異なる場合には対象物２が存在しないと判定する。
【００５９】
さらに情報処理部４０は、対象物２の存在・不存在の判別を行ったのち、対象物が存在する場合には計測単位空間５の色空間値として、計測単位空間５にかかわる撮像画素の色空間値を格納する。ここで対象物２が存在する場合、すべての画素の色空間値は一致しているため、該計測単位空間の色空間値は一意に決まる。
【００６０】
例えば、模擬的に説明すると、図９に示すように、計測単位空間５ごとの対象物２の存在・不存在に応じて、交点ＶＰとし、交点ＮＰとする。そして、図１０に示すように、対象物２の存在・不存在の領域を現出させることができる。このように対象物２の存在・不存在の境界に注目することで対象物２の輪郭点ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３，ＯＰ４，ＯＰ５，ＯＰ６が取得できる。
【００６１】
なお、本実施態様は光学的な計測であるため、レンズアレイ１０に対して対象物２の裏側の輪郭は計測することはできず、また対象物２の形状によっては光束Ｒが届かず、撮影できないオクルージョン部分が生ずる可能性がある。係る場合は、レンズアレイ１０のサイズやレンズアレイ１０の設置角度を調整することで対応することができる。
【００６２】
この態様によれば、対象物２自体の形状の輪郭を輪郭点ＯＰとして形成できるため、直感的に対象物２の３次元画像を把握することができる。このように３次元画像を把握することで誤判定等を防止できるとともに、対象物に異常等がある場合に直感的に把握することができる。
【００６３】
（対象物の輪郭を利用した距離計測についての説明）
次に図１１を参照して対象物の輪郭を利用した距離計測について説明する。図１１は、本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の説明図である。
【００６４】
図１１を参照すると、対象物２の輪郭を表す複数の輪郭点ＯＰが画かれており、任意に計測点ＭＰ１，ＭＰ２が選択されている。計測点ＭＰ１，ＭＰ２が輪郭点ＯＰと一致するときはその輪郭点の座標、輪郭点ＯＰと一致していないときは補間した輪郭線上の座標を使うことによって、計測点ＭＰ１，ＭＰ２間の距離Ｌを算出することができる。
【００６５】
この態様によれば、直感的な把握を可能にした３次元画像とともに、サイズ、寸法等を数値として計測することができる。このように計測値をディジタル化することで、経過観察や統計的処理などにおいて有用な情報を獲得することができる。すなわち、本実施形態の一態様は、これまでの定性的な視覚情報に加えて、サイズ、寸法等の定量的な３次元情報を取得することができる。ただし、この態様に限定されることはない。
【００６６】
以上では、２つの要素レンズ１１の撮像画素３１の交点Ｐとして説明をしてきたが、所定空間１内の交点Ｐは、３つはもとよりさらに多くの要素レンズ１１の撮像画素３１の交点Ｐとしても設定できる。このように交点Ｐは、オクルージョン部分を回避できるように適宜設定することが好ましい。
【００６７】
（計算機によるシミュレーション例についての説明）
次に、図１２〜図１５を参照して、計算機によるシミュレーション例について説明する。図１２は、本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の計算機によるシミュレーションの一例である。図１３は、本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の計算機によるシミュレーションの一例の計測結果である。図１４は、本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の他の計算機によるシミュレーションの例である。図１５は、本発明の第１実施形態に係る対象物輪郭の距離計測の他の計算機によるシミュレーションの例の計測結果である。
【００６８】
図１２を参照すると、平板状の対象物３がレンズアレイ１０に平行して距離Ｄの位置に配置されている。３次元情報取得装置１００は、予め複数の交点を設定して、複数の点群を形成した状態となっている。すなわち、図１も併せて参照すると、この３次元情報取得装置１００は、対象物３を臨むように配置され、複数の要素レンズ１１がマトリクス状に配設されたレンズアレイ１０と、要素レンズ１１を通過する光束Ｒを撮像面で受光する受光部２０と、複数の要素レンズ１１のそれぞれに対応するように受光部２０に配設され、光束Ｒを受光する複数の撮像素子３１がマトリクス状に配設された撮像部３０と、撮像部３０が取得した光学的情報を撮像素子３１ごとに処理する情報処理部４０と、を備えている。
【００６９】
なお、この計算機によるシミュレーション例において要素レンズのサイズは１．０ｍｍ、使用している要素レンズの数は１１、光束の取得できる角度範囲は３０度、一つの要素レンズ当たりの撮像画素数は５１ピクセルとしている。
【００７０】
図１３を参照すると、対象物３のレンズアレイ１０に対する距離Ｄを１０ｍｍから５０ｍｍまで１０ｍｍ刻みで移動したとき、情報処理部によって処理された輪郭点が実態と同様な移動をしていることが示されている。
【００７１】
図１４を参照すると、図１２の対象物３を中央がレンズアレイ１０に対して凹部となるように湾曲させた対象物４が所定空間内に配置されている。
【００７２】
計測結果である図１５を参照すると、対象物４の湾曲形状が再現されていることが示されている。以上のように本実施形態に係る計算機によるシミュレーション例において、座標のディジタル値を含む３次元情報が取得できることが確認された。
【００７３】
（他の実施形態の説明）
次に、図１６を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図１６は、本発明の他の実施形態に係るレンズアレイの形態を示す説明図である。本発明の他の実施形態は、レンズアレイの形状のみ第１実施形態と異なるが、その他の構成については第１実施形態と同じであるため、以下の説明において、第１実施形態と重複する構成については、その説明を省略する。
【００７４】
図１６を参照すると、Ａ〜Ｄの４種類のレンズアレイの形状を示している。レンズアレイの形状は、対象物に対して凸状となった半球面状のレンズアレイ２１０、対象物に対して凹状となった半球面状のレンズアレイ３１０、対象物に対して凸状となった所定の曲率を有する曲面状のレンズアレイ４１０、対象物に対して凹状となった所定の曲率を有する曲面状のレンズアレイ５１０である。
【００７５】
光学的な３次元情報取得装置では、対象物の形状によっては光束が届かず、撮影できないオクルージョン部分が生ずる可能性がある。しかしながら、このように、対象物の形状に応じてレンズアレイの形状を選択することで、オクルージョン部分を低減させることができる。例えば、図１６（Ｂ）のような凹型半球免状のレンズアレイ３１０であれば、図１０に示した対象物２であっても、ほぼ全体の輪郭を取得することが可能となる。
【００７６】
以上で説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。
【符号の説明】
【００７７】
１・・・所定空間
２，３，４・・・対象物
５・・・計測単位空間
１０，２１０，３１０，４１０，５１０・・・レンズアレイ
１１・・・要素レンズ
１２・・・主点
１３・・・レンズ面
２０・・・受光部
３０・・・撮像部
３１・・・撮像素子
１００・・・３次元情報取得装置
Ｆ・・・焦点距離
Ｒ・・・光束
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，ＲＡ，ＲＢ・・・光線
Ｐ・・・交点
ＧＰ・・・点群
ＶＰ・・・可視交点
ＮＰ・・・不可視交点
ＯＰ・・・輪郭交点
Ｌ・・・計測距離
Ｄ・・・配置距離
【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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【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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