(57)【要約】【課題】アクティブ方式により対象物体までの距離計測を行う際に、安定的に高い精度を実現する。【解決手段】投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する。各進行方向について、位置情報に従い、投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、推定された入射領域から撮像装置へと向かう反射光の光量が所定範囲に入るように、進行方向への投影光量を決定する。【選択図】図１
2015010845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段とを備える計測システムにおける、前記投影装置による投影光量を決定する情報処理装置であって、
前記投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する位置情報取得手段と、
各進行方向について、前記位置情報に従い、前記投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、当該推定された入射領域から前記撮像装置へと向かう反射光の光量が所定範囲に入るように、該進行方向への投影光量を決定する決定手段と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】
前記決定手段は、前記投影光の入射位置における前記測定対象物体の反射率の大きさを示す情報に従って、前記投影光量を決定することを特徴とする、請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記測定対象物体の領域ごとに予め用意された反射率の大きさを示す情報のうち、前記投影光の入射位置に対応する入射領域についての反射率の大きさを示す情報に従って、前記投影光量を決定することを特徴とする、請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項４】
前記決定手段は、前記投影光の入射領域と前記投影装置との間の距離に従って、前記投影光量を決定することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項５】
前記決定手段は、前記投影光の入射領域における前記測定対象物体への前記投影光の入射角度に従って、前記投影光量を決定することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項６】
前記決定手段は、前記投影光の入射領域における前記測定対象物体への前記投影光の入射角度と、前記入射領域からの前記撮像装置への反射光の反射角度と、に従って前記投影光量を決定することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項７】
前記投影光が入射していない状態で、前記測定対象物体上の各領域から前記撮像装置へと向かう、環境光の反射光の光量を取得する環境光量取得手段をさらに備え、
前記決定手段は、前記入射領域から前記撮像装置へと向かう、前記投影光の反射光の光量と前記環境光の反射光の光量との和が前記所定範囲に入るように、各進行方向への投影光量を決定することを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項８】
前記位置情報は、前記測定対象物体の形状及び位置姿勢に関する情報を示すことを特徴とする、請求項１乃至７の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項９】
前記位置情報は、前記測定対象物体上の各点への概略距離を示すことを特徴とする、請求項１乃至７の何れか１項に記載の情報処理装置。
【請求項１０】
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段とを備える計測システムにおける、前記投影装置による投影光量を決定する情報処理装置であって、
前記投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する位置情報取得手段と、
各進行方向について、前記位置情報に従い、前記投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、当該投影光の入射領域において予め用意された測定対象物体の反射率と、当該投影光の入射領域から前記投影装置への距離と、当該投影光の入射領域への入射角度と、当該投影光の入射領域から前記撮像装置への反射角度と、前記測定対象物体上の各領域から前記撮像装置へと向かう環境光の光量と、のうちの少なくとも１つを参照して、該進行方向への投影光量を決定する決定手段と、
を備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項１１】
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、
前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段と、
前記投影装置による投影光量を決定する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の情報処理装置と、
を備えることを特徴とする計測システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の計測システムと、
可動軸を有するロボットと、
前記計測手段が計測した距離に従って前記ロボットの位置姿勢を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする制御システム。
【請求項１３】
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段とを備える計測システムにおける、前記投影装置による投影光量を決定する情報処理装置が行う情報処理方法であって、
前記投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する位置情報取得工程と、
各進行方向について、前記位置情報に従い、前記投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、当該推定された入射領域から前記撮像装置へと向かう反射光の光量が所定範囲に入るように、該進行方向への投影光量を決定する決定工程と、
を備えることを特徴とする情報処理方法。
【請求項１４】
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段とを備える計測システムにおける、前記投影装置による投影光量を決定するコンピュータに、
前記投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する位置情報取得工程と、
各進行方向について、前記位置情報に従い、前記投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、当該推定された入射領域から前記撮像装置へと向かう反射光の光量が所定範囲に入るように、該進行方向への投影光量を決定する決定工程と、
を実行させるためのプログラム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプログラムを格納した、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測システムにおける投影光量を決定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
マシンビジョンの分野における重要な技術要素として、物体の三次元計測技術が知られている。三次元計測技術の一手法として、対象物体に光を投影し、反射光を測定することにより距離計測を行うアクティブ方式がある。一例として、対象物体に二次元パターン光を投影し、その反射光（投影像）をカメラで撮像する方法がある。この方法では、二次元パターン光の特徴を参考にして、撮像した画像上での投影像の位置が検出される。そして、パターン光の進行方向と、投影像の検出方向とを用いて、三角測量の要領で距離が算出される。
【０００３】
アクティブ方式では、撮像画像中での投影像のコントラストが高いほど位置検出性能が向上するため、安定的かつ高精度な距離計測が可能になる。そのため、対象物体からの反射光は、カメラのダイナミックレンジの範囲内にあることが望ましく、またこの範囲内でできるだけ強いことが望ましい。
【０００４】
特許文献１には、対象物体への平均的な距離を距離センサにより取得し、取得した距離に基づいて投影光の強度を決定することが記載されている。具体的には、投影装置から対象物体までの距離が遠い場合は投影光量を強く、距離が近い場合は投影光量を弱くすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２４１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法では、二次元パターン光の強度が１つの距離値に基づいて一様に調節される。対象物体からの反射光量は不均一であるために、対象物体の一部から最適な反射光量が得られないことがある。このように、安定的に高い精度で距離計測を行うためには課題が残っていた。
【０００７】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、アクティブ方式により対象物体までの距離計測を行う際に、安定的に高い精度を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的を達成するために、例えば、本発明の情報処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
各方向に進行する光線で構成される所定パターンの投影光を測定対象物体上に投影する投影装置と、前記投影光が投影された前記測定対象物体を撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した撮像画像を用いて前記投影装置又は前記撮像装置から前記測定対象物体への距離を計測する計測手段とを備える計測システムにおける、前記投影装置による投影光量を決定する情報処理装置であって、
前記投影装置に対する測定対象物体の概略的な位置を示す位置情報を取得する位置情報取得手段と、
各進行方向について、前記位置情報に従い、前記投影光の前記測定対象物体への入射領域を推定し、当該推定された入射領域から前記撮像装置へと向かう反射光の光量が所定範囲に入るように、該進行方向への投影光量を決定する決定手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
アクティブ方式により対象物体までの距離計測を行う際に、安定的に高い精度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る情報処理装置の構成を示す図。
【図２】実施形態１に係る処理のフローチャート。
【図３】実施形態２に係る情報処理装置の構成を示す図。
【図４】実施形態６に係るロボット制御システムの構成を示す図。
【図５】実施形態５に係る情報処理装置の構成を示す図。
【図６】実施形態５に係る処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
［実施形態１］
実施形態１では、投影光の光量を方向ごとに指定できる投影装置と、撮像装置とを用いて対象物体までの距離を計測する装置について説明する。ここで、投影光の光量（以降、投影光量と呼ぶ）は、対象物体上の投影像から撮像装置への反射光の光量（以降、反射光量と呼ぶ）量が所定範囲内に入るように決定される。
【００１３】
本実施形態において対象物体は、光が入射すると反射光が方向によらず均等に拡散する拡散反射物体であるものとする。拡散反射物体への投影光量と反射光量との関係は、投影装置及び撮像装置から光が投影される面への距離と、この面への光の入射（又は反射）角度に依存する。そこで本実施形態においては、投影装置の光学中心から、光が投影される対象物体上の面までの距離とこの面への光の入射角度が算出される。そして、算出された距離と角度とに応じて算出される反射光量が所定光量となるように、投影光量が決定される。本実施形態では、対象物体の形状モデルが既知であり、投影装置を基準とした対象物体の位置姿勢の概略値が既知であるものとする。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る情報処理装置１００の構成を示す。情報処理装置１００は、モデル保持部１０１、位置姿勢取得部１０２、幾何情報取得部１０３、及び光量決定部１０４を備える。また、情報処理装置１００は計測装置１１０に接続されている。この計測装置１１０は、距離計測部１１１を備える。さらに、計測装置１１０は撮像装置１２０及び投影装置１３０に接続されている。情報処理装置１００は、距離計測部１１１、撮像装置１２０及び投影装置１３０を備える計測システムに対し、投影装置１３０による投影光の光量を指示する。もっとも、計測装置１１０が情報処理装置１００を含んでいてもよいし、撮像装置１２０と投影装置１３０との少なくとも一方を含んでいてもよい。また、情報処理装置１００、距離計測部１１１、撮像装置１２０、及び投影装置１３０が計測システムを構成していてもよい。
【００１５】
情報処理装置１００が備える各部及び距離計測部１１１は、専用のハードウェアとして設計されていてもよいし、コンピュータにより実現されてもよい。例えば、プロセッサとメモリとを備えるコンピュータにおいて、後述する各ステップを実現するプログラムを記憶媒体から取得し、プログラムをメモリ上に展開し、プロセッサが展開されたプログラムに従って動作する。こうして、情報処理装置１００が備える各部及び距離計測部１１１のうちの少なくとも１つの動作が実現できる。
【００１６】
モデル保持部１０１は、対象物体の形状を示すモデル情報を保持する。モデル情報は、３次元ＣＡＤに基づく形状モデルでもよいし、コンピュータグラフィックス分野で使われるポリゴン要素に基づくポリゴンモデルでもよい。本実施形態におけるモデル情報は、対象物体の面の形状を知ることができる情報であればどのようなものでもよい。例えば、モデル情報は、対象物体の表面の点の位置を表す点群データであってもよい。この場合は、点群データに示される各点をつなぎ合わせることにより、複数の三角メッシュで構成されるポリゴンモデルを得ることができる。このポリゴンモデルは、形状モデルとして利用できる。
【００１７】
位置姿勢取得部１０２は、投影装置１３０を基準とした対象物体の概略的な位置を示す情報を取得する。本実施形態では、対象物体の概略的な位置姿勢が既知であり、この位置姿勢情報を取得できるものとする。例えば、投影装置１３０を基準とした対象物体の配置が大まかに分かっている場合には、この配置に従う位置姿勢情報を取得することができる。また、撮像装置１２０等の基準点を基準とした対象物体の配置を取得し、投影装置１３０と基準点との位置姿勢関係に基づいて、投影装置１３０を基準とした対象物体の位置姿勢を知ることもできる。以上のように、モデル保持部１０１及び位置姿勢取得部１０２は、対象物体の概略的な形状及び位置姿勢に関する情報を示す、位置情報取得を行う。
【００１８】
他の例としては、撮像装置１２０で撮像した画像と、形状モデルとの位置合わせ結果に基づいて、撮像装置１２０を基準とした対象物体の位置姿勢を取得するモデルフィッティング手法がある。例えば、撮像した濃淡画像から抽出されたエッジ特徴に対して形状モデルを合わせることにより、位置姿勢を計算することができる。さらに、他の例としては、撮像装置１２０で撮像した画像（例えば濃淡画像）上から、パターンマッチングの手法により対象物体を探索することにより、撮像装置１２０を基準とした対象物体の位置姿勢を取得することもできる。この場合、撮像装置１２０と投影装置１３０との相対的な位置姿勢関係をさらに参照することにより、撮像装置１２０を基準とした対象物体の位置姿勢を、投影装置１３０を基準とした対象物体の位置姿勢に変換することができる。
【００１９】
さらには、予備的な距離計測を行い、得られた距離に対応する距離点群と形状モデルとを位置合わせするモデルフィッティング手法により、投影装置１３０を基準とした対象物体の位置姿勢を計算してもよい。この場合、予備的な距離計測方法として、対象物体に所定の光量を有するパターン画像、例えば一様な光量のパターン画像を投影し、後述する方法と同様に距離を算出する方法を用いることができる。また、撮像装置１２０を利用しない方法として、対象物体に６自由度センサを取り付けておき、センサの出力値を位置姿勢情報として取得してもよい。
【００２０】
幾何情報取得部１０３は、投影装置１３０の光学中心又は主点位置から投影光が入射する対象物体上の点までの距離と、この点における対象物体上の面への投影光の入射角度と、のうちの少なくとも一方を推定する。本実施形態においては、幾何情報取得部１０３は、距離と入射角度とを推定するものとする。距離と入射角度は、モデル保持部１０１から取得した対象物体の形状モデルと、位置姿勢取得部１０２から取得した位置姿勢とに基づいて、投影光の進行方向ごとに計算される。後述するように、投影装置１３０からは投影画像が投影される。幾何情報取得部１０３は、投影画像の画素ごとに、画素に対応する進行方向についての距離と入射角度とを算出することができる。
【００２１】
本実施形態において幾何情報とは、投影装置１３０又は撮像装置１２０と、対象物体上の点との間の、幾何的な位置関係のことを示す。具体的には、幾何情報は、投影装置１３０の光学中心から投影光が入射する対象物体上の領域（以降、投影光が入射する対象物体上の領域を、入射領域と呼ぶ。また、入射領域には投影光が入射する先の対象物体の点、あるいはその周辺の局所領域が含まれる）までの距離であってもよい、投影装置１３０の光軸又は投影光線に対する対象物体上の領域の角度であってもよいし、これらの双方であってもよい。幾何情報取得部１０３は、投影光の入射領域に対応する対象物体上の点についての幾何情報を算出することができる。本実施形態においては、幾何情報取得部１０３は、位置姿勢取得部１０２から取得した位置姿勢に基づいて幾何情報を算出できる。
【００２２】
光量決定部１０４は、幾何情報取得部１０３が計算した距離又は入射角度を用いて、投影光の進行方向ごとに投影光量を決定する。具体的には、投影像から得られる反射光の光量が所定範囲に入るように、投影光量が決定される。本実施形態において光量決定部１０４は、幾何情報取得部１０３が計算した距離及び入射角度を用いて投影光量を決定するが、距離及び入射角度の双方を用いることは必須ではない。
【００２３】
距離計測部１１１は、光量決定部１０４が決定した光量に従う投影パターンを投影装置１３０に投影させる。そして、距離計測部１１１は、撮像装置１２０が撮像した撮像画像を用いて、投影装置又は撮像装置から測定対象物体への距離を計測する。具体的には、距離計測部１１１は、撮像装置１２０が撮像した投影像を含む画像上の座標と、投影パターンとを対応付け、三角測量の要領で対象物体上の各点までの距離を算出する。もっとも、距離の原点は特に限定されず、投影装置からの距離が算出されても撮像装置からの距離が算出されてもよい。また、投影装置又は撮像装置が取り付けられている支持部上の一点からの距離が算出されてもよい。三角測量を用いる本実施形態においては投影装置と撮像装置との位置関係は既知であり、投影装置と撮像装置との一方からの距離を算出することは他方からの距離を決定することと同義である。
【００２４】
撮像装置１２０は、対象物体の画像を撮像できる装置であり、例えば対象物体の二次元画像を撮像するカメラでありうる。後述するように、撮像装置１２０は、投影装置１３０により投影光が投影された対象物体を撮像する。撮像装置１２０が取得する二次元画像は、濃淡画像であってもよいしカラー画像であってもよい。本実施形態では、撮像装置１２０は濃淡画像を取得するものとする。情報処理装置１００は、撮像装置１２０の焦点距離、主点位置、及びレンズ歪パラメータなどの内部パラメータにアクセスすることができる。このような内部パラメータは、公知の方法に従って計算することができる。公知の方法としては、R. Y. Tsai, "A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses" IEEE Journal of Robotics and Automation, vol.RA-3, no.4, 1987.に記載の方法が挙げられる。
【００２５】
投影装置１３０は、測定対象物体上に所定パターンの投影光を投影できる装置である。本実施形態において、投影光は各方向に進行する光線で構成され、具体的には距離計測用の所定の二次元パターンを含む投影画像を投影することにより得られる。投影装置１３０は、例えば投影画像を投影するプロジェクターでありうる。投影画像に含まれる距離計測用パターンは、濃淡パターンであってもよいしカラーパターンであってもよい。本実施形態では、投影装置１３０は濃淡画像を投影するものとする。情報処理装置１００は、投影装置１３０の焦点距離、主点位置、及びレンズ歪パラメータなどの内部パラメータにアクセスすることができる。このような内部パラメータは、公知の方法に従って計算することができる。公知の方法としては、M, Kimura, "Projector Calibration using Arbitrary Planes and Calibrated Camera" Computer Vision and Pattern Recognition, CVPR, 2007.に記載の方法が挙げられる。
【００２６】
次に、本実施形態における処理手順について説明する。図２は、本実施形態における処理手順を示すフローチャートである。
【００２７】
ステップＳ２０１では、初期化作業として本実施形態の処理において必要なデータが取得される。具体的には、対象物体の形状モデルが情報処理装置１００へと読み込まれ、モデル保持部１０１により保持される。また、位置姿勢取得部１０２が対象物体の位置姿勢情報を取得する。さらに、光量決定部１０４は、撮像装置１２０と投影装置１３０とのそれぞれの内部パラメータ、及びこれらの間の相対的な位置姿勢を取得する。
【００２８】
ステップＳ２０２において、幾何情報取得部１０３は、ステップＳ２０１で取得した対象物体の形状モデルと位置姿勢情報を用いて、投影光が届く対象物体上の点までの距離と、この点における対象物体上の面の法線方向を求める。この計算は、位置姿勢情報に従って投影装置１３０と形状モデルとを仮想空間上に配置し、投影装置１３０からの光線を追跡することにより行うことができる。具体的な例として、幾何情報取得部１０３は、投影装置１３０から投影光の進行方向に伸びる直線と形状モデル上の面との交点座標を求めることができる。この交点は、対象物体上への投影光の推定された入射位置を示す。交点が複数存在する場合には、投影装置１３０により近いものが対象物体上の点として用いられる。そして、幾何情報取得部１０３は、投影装置１３０の光学中心からこの交点までの距離を求める。また、幾何情報取得部１０３は、この交点における形状モデル上の面の法線方向とを求める。そして幾何情報取得部１０３は、求められた法線方向と、この交点への投影光の入射方向とから、法線方向に対する、投影光が入射する方向（入射角度）を求める。
【００２９】
幾何情報取得部１０３は、ステップＳ２０２において、投影光の進行方向ごとに距離と入射角度とを求める。例えば、投影装置１３０が投影する投影画像の各画素に対応する進行方向ごとに、幾何情報取得部１０３は、距離と入射角度とを求めることができる。以下では、投影装置１３０が投影する投影画像内のある画素の座標を(u,v)、(u,v)に対応する方向についての形状モデルまでの距離をL(u,v)、(u,v)に対応する方向についての形状モデルへの入射角度をθ(u,v)とする。
【００３０】
ステップＳ２０３において、光量決定部１０４は、投影光量を決定する。以下に、ステップＳ２０３における処理の詳細を示す。まず、拡散反射物体における反射モデルを説明する。投影光は、距離に応じて光量が減衰する光源、例えば点光源であるものとする。拡散反射物体の投影面へ入射する投影光量Ｐと、拡散反射物体の投影面からの反射光量Ｒとの関係は、式（１）で定義できる。式（１）において、θは投影光の入射角度、Ｌは光源から投影面までの距離、Ｋは対象物体の固有のパラメータであり、物体表面の拡散反射率と距離Ｌに対する減衰率とを掛け合わせて得られる定数であって、入射位置における反射率の大きさを示している。
【数１】
2015010845.tif 000003
【００３１】
投影装置１３０は、距離計測用パターンを含む投影画像を対象物体へと投影する。また、撮像装置１２０は、投影像からの反射光を、撮像画像の輝度値として観測する。以下では、光量Ｐの光を投影装置１３０が投影するために必要な投影画像上の輝度値をｐ、光量Ｒの反射光を撮像装置１２０が観測した場合に撮像画像上で得られる輝度値をｒとする。Ｐとｐとの間、及びＲとｒとの間にそれぞれ比例関係が成り立つとすると、Ｐ及びＲをそれぞれｐ及びｒで置き換えることにより、式（１）から式（２）が得られる。
【数２】
2015010845.tif 000004
【００３２】
式（２）において、ｋは式（１）におけるＫに対応する比例定数である。定数ｋは予め求められているものとする。例えば、定数ｋは、対象物体と同じ素材で構成される物体又は対象物体に類似した反射特性を有する物体（以降、基準物体１と呼ぶ）を用いて、以下のように求めることができる。すなわち、投影装置１３０からの投影光が、入射角度θ０で、投影装置１３０からの距離がＬ０である基準物体１上の点に入射するように、基準物体１が配置される。そして、輝度値ｐ０の投影画像を投影装置１３０から照射した際に、撮像装置１２０が取得した撮像画像における反射光の輝度値をｒ０とする。これらの値ｒ０、ｐ０、Ｌ０、及びθ０を式（２）に代入することにより、定数ｋを求めることができる。
【００３３】
投影装置１３０が投影する投影画像における、座標(u,v)の画素の輝度値をp(u,v)とする。また、座標(u,v)の画素に対応する投影光が対象物体で反射したことによって得られる反射光は、撮像装置１２０によって、輝度値r(u,v)の画素として観測されるものとする。この場合、式（２）からは式（３）を得ることができる。
【数３】
2015010845.tif 000005
【００３４】
式（３）から分かるように、距離Ｌ又は入射角度θが異なる場合、投影画像の輝度値p(u,v)が同じでも、撮像装置１２０が観測する反射光の輝度値r(u,v)は変化する。距離Ｌ又は入射角度θに応じて投影画像の輝度値p(u,v)を調整することにより、所定の輝度値r(u,v)として反射光を観測することができる。ここで、観測しようとする反射光の輝度値をＮとする。このとき、式（３）における反射光の輝度値r(u,v)に対してＮを代入し、p(u,v)について式変形することで、式（４）が得られる。投影光の輝度値p(u,v)は、式（４）を用いて計算できる。光量決定部１０４は、投影像からの反射光の光量が所定範囲に入るように、式（４）に従って投影光量を決定する。この所定範囲は、撮像装置１２０のダイナミックレンジの上限付近に設定することができる。本実施形態において光量決定部１０４は、投影像からの反射光を所定の輝度値Ｎとして観測できるように、式（４）に従って投影光量を決定する。
【数４】
2015010845.tif 000006
【００３５】
所定の輝度値Ｎの設定方法は特に限定されない。例えば、投影像をできるだけ高コントラストで撮像するために、撮像装置１２０のダイナミックレンジの範囲内での上限値に相当する輝度値を輝度値Ｎとして設定することができる。その他に、事前にユーザが設定する固定値を輝度値Ｎとして用いてもよい。こうして決定された投影光量で実際に投影が行われた場合、投影像からの反射光の光量は輝度値Ｎ付近の輝度値として観測される。
【００３６】
投影光の進行方向に対象物体が存在し、距離Ｌと入射角度θとが算出可能な場合に、式（４）を用いて輝度値p(u,v)を求めることができる。もっとも、本実施形態におけるp(u,v)の決定方法は上記のものには限定されず、例えば距離Ｌ及び入射角度θと投影画像の輝度値ｐとの関係を示すルックアップテーブルを用いて、輝度値ｐを決定してもよい。対象物体に投影されない、例えば背景領域に投影される投影光の強度は、適宜設定することができる。例えば、予め設定された固定値を強度として用いることができる。また、背景領域に投影される投影光の強度を、対象物体に投影される投影光のうち照射方向が近いものと同じ強度としてもよい。
【００３７】
本実施形態では、対象物体上の点までの距離と、この点における対象物体上の面への投影光の入射角度との双方に基づいて、投影光量を決定した。しかしながら、これらのうち一方を用いて投影光量を決定してもよい。例えば、対象物体への距離がほぼ一定である場合には、対象物体への距離として固定値を用い、投影光の入射角度に対応する輝度値を求めてもよい。また、対象物体上の面の法線方向がほぼ一定である場合には、投影光の入射角度として固定値を用い、対象物体への距離に対応する輝度値を求めてもよい。
【００３８】
ステップＳ２０４において、距離計測部１１１は、ステップＳ２０３で決定した投影光量で距離計測用パターンを含む投影画像を投影するように、投影装置１３０を制御する。具体的には、光を投影する方向に対応する投影画像の画素の輝度値は、ステップＳ２０３で決定した投影光量に従って決定される。例えば、白画素と黒画素とで構成される二値のパターンを距離計測用パターンとして用いる場合、座標(u,v)に位置する白画素の輝度値をp(u,v)とし、座標(u,v)に位置する黒画素の輝度値を０とすることができる。また、多値のパターンを距離計測用パターンとして用いる場合、例えば、最大値に対応する輝度値がp(u,v)となるように、投影画像を作成することができる。
【００３９】
そして、距離計測部１１１は、撮像装置１２０が撮像した投影像を含む撮像画像を取得する。さらに、距離計測部１１１は、撮像装置１２０が撮像した撮像画像と、投影画像に含まれる距離計測用パターンとの対応関係に基づいて、三角測量の要領で対象物体までの距離を求める。距離計測用パターンは、撮像画像上でパターン位置を検出可能なものであれば特に限定されない。具体的な距離計測用パターンの構成、及び距離の求め方としては、従来の方法を用いることができる。例えば、直線を等間隔に並べたスリット状の画像、帯状の縞画像、又は部位毎に符号が埋め込まれた画像などを、距離計測用パターンとして用いることができる。
【００４０】
本実施形態では、対象物体の形状モデルと、投影装置を基準とした対象物体の概略的な位置姿勢とが既知であるものとした。この場合、投影装置の光学中心から対象物体の面までの距離と、対象物体の面への投影光の入射角度を求めることができる。また、投影光量と反射光量との関係は、対象物体上の投影面までの距離と入射角度とをパラメータとして有する数式により記述可能である。この関係を用いて、本実施形態では、対象物体上の投影面までの距離と入射角度とに基づいて、反射光量が所定光量となるように投影光量が計算された。
【００４１】
本実施形態の方法によれば、投影光が届く面が遠い又は光の入射角度が大きい等の理由により反射光量が少なくなる方向については投影光量を多くし、反射光量が多くなる方向については投影光量を少なくすることができる。かかる特徴により、撮像画像中に高コントラストの距離計測用パターン像が含まれるようにすることができ、安定的で精度の良い距離計測が可能となる。
【００４２】
［実施形態２］
実施形態２では、実施形態１と同様に光の進行方向ごとに、対象物体上の投影面までの距離と入射角度とに応じて投影光量を決定する。実施形態１では距離と入射角度とを対象物体の形状モデルと位置姿勢から算出したのに対し、実施形態２では、距離と入射角度とを対象物体の距離情報から算出する。距離情報とは、投影装置のような所定の基準点から対象物体上の各点までの概略距離値を表す３次元点群データであり、例えば距離画像から生成することができる。本実施形態においては、距離情報に基づいて、投影光が入射する対象物体上の投影面までの距離と入射角度とを算出する。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る情報処理装置３００の構成を示す。情報処理装置３００は、距離情報取得部３０１、幾何情報取得部３０２、光量決定部３０３を備える。また、情報処理装置３００は計測装置３１０に接続されている。この計測装置３１０は、距離計測部３１１を備える。さらに、計測装置３１０は撮像装置３２０及び投影装置３３０に接続されている。計測装置３１０が情報処理装置３００を含んでいてもよいし、撮像装置３２０と投影装置３３０との少なくとも一方を含んでいてもよい。光量決定部３０３、距離計測部３１１、撮像装置３２０、及び投影装置３３０は、実施形態１と同様の構成を有し、以下ではその説明を省略する。
【００４４】
距離情報取得部３０１は、投影装置３３０を基準とした対象物体の距離情報を取得する。本実施形態において、距離情報取得部３０１は３次元点群データを取得する。３次元点群データとは、対象物体上の複数の点についての概略的な３次元の位置情報を示すデータである。この３次元点群データは、例えば距離画像から生成できる。本実施形態においては、この距離情報は既知であり、距離情報取得部３０１は既知の距離情報を取得できるものとする。例えば、事前計測として、投影装置１３０が対象物体に所定の輝度値のパターン画像を投影し、撮像装置１２０が撮像した画像情報に基づいて距離計測を行うことで、３次元点群データを取得することができる。このように３次元点群データを算出した場合には、撮像装置１２０を基準とした３次元点群データが得られる。撮像装置１２０を基準とした３次元点群データは、撮像装置１２０と投影装置１３０の相対的な位置姿勢を基に、投影装置１３０を基準とした３次元点群データへと変換することができる。その他の距離情報の生成方法として、撮像装置１２０と、もう１台の撮像装置とを用いて、２台の撮像装置からステレオマッチングによって距離情報を生成してもよい。
【００４５】
幾何情報取得部３０２は、実施形態１と同様に、投影装置３３０の光学中心又は主点位置から投影光が入射する対象物体上の点までの距離と、この点における対象物体上の面への投影光の入射角度とを算出する。本実施形態において、幾何情報取得部３０２は、距離情報取得部３０１が取得した距離情報を用いて、投影光の進行方向ごとに距離と入射角度とを算出する。このように、本実施形態においては、幾何情報取得部３０２は、距離情報に基づいて幾何情報を算出できる。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態における処理手順について説明する。ステップＳ２０１では、初期化作業として本実施形態の処理において必要なデータが取得される。幾何情報取得部３０２は、距離情報を距離情報取得部３０１から取得する。また、光量決定部３０３は、撮像装置３２０と投影装置３３０とのそれぞれの内部パラメータ、及びこれらの間の相対的な位置姿勢を取得する。
【００４７】
ステップＳ２０２において幾何情報取得部３０２は、ステップＳ２０１で取得した距離情報を基に、投影光が届く対象物体上の点までの距離と、この点における対象物体上の面の法線方向を求める。具体的には、幾何情報取得部３０２は、まず、距離情報によって位置が特定される各点について、隣接する点をつなぎ合わせ、ポリゴンモデルを生成する。この処理は、従来技術に従って行うことができる。次に、幾何情報取得部３０２は、投影装置３３０により投影される投影画像の各画素について、対応する投影光の進行方向に伸ばした直線とポリゴンモデルの面との交点座標を計算する。そして、幾何情報取得部３０２は、投影装置３３０の光学中心から交点座標までの距離値と、交点における面の法線方向とを求める。さらに、幾何情報取得部３０２は、求められた法線方向と、この交点への投影光の入射方向とから、法線方向に対する、投影光が入射する角度（入射角度）を求める。幾何情報取得部３０２は、この処理を、投影光の進行方向ごと、すなわち投影装置３３０が投影する投影画像の画素ごとに行う。
【００４８】
距離及び入射角度の計算方法は、この方法に限られない。例えば、幾何情報取得部３０２は、３次元空間を複数の小領域に分割し、各領域に属する３次元点群に対して平面フィッティングを行い、小領域ごとに平面を表す方程式を求めてもよい。この場合、幾何情報取得部３０２は、平面と投影光との交点座標を計算することにより、ポリゴンモデルを用いる場合と同様に、投影光の進行方向ごとの対象物体上の点までの距離と入射角度とを求めることができる。
【００４９】
ステップＳ２０３及びＳ２０４の処理は、実施形態１と同様に行うことができる。
【００５０】
本実施形態によれば、実施形態１と同様、撮像画像中に高コントラストの距離計測用パターン像が含まれるようにすることができ、安定的で精度の良い距離計測が可能となる。
【００５１】
［実施形態３］
実施形態１及び実施形態２では、対象物体は拡散反射物体であると仮定していた。すなわち、光の入射に対し、その反射光は出射方向によらずに均等に拡散するものとした。実施形態３では、対象部品は鏡面反射物体であるものとする。光沢のあるプラスチックや金属のような鏡面反射物体においては、表面での反射のために、対象部品を観察する角度によって光沢の強さが異なる。すなわち、鏡面反射物体においては、反射光の方向によって光量が異なる。そこで、実施形態３では、撮像装置の位置姿勢をさらに考慮して、投影光量を決定する。
【００５２】
図１は、本実施形態に係る情報処理装置１００の構成を示す。本実施形態に係る情報処理装置１００は、実施形態１に係る情報処理装置と同様の構成を有する。本実施形態において光量決定部１０４は、対象物体上の点までの距離及び入射角度、並びに撮像装置１２０の位置姿勢を示す情報に基づいて、鏡面反射物体の光の反射モデルに従って投影光量を決定する。
【００５３】
まず、鏡面反射物体における反射モデルを説明する。鏡面反射物体では、入射光に対する正反射方向へ反射する光は最も光量が強く、正反射方向からずれるほど反射する光はより弱くなる。この点を考慮して、本実施形態においては、投影光の入射領域における測定対象物体への投影光の正反射方向と、入射領域から撮像装置への反射光の反射方向と、に従って投影光量が決定される。この正反射方向は、後述するように、測定対象物体への投影光の入射方向に基づいて決定できる。以下では、正反射方向と反射方向とがなす角度を反射ずれ角度γと呼ぶ。γが大きくなるほど、反射光の光量は弱くなる。鏡面反射物体へ入射する投影光量Ｐと、その反射光量Ｒの関係との関係は、フォンのモデルと呼ばれる式（５）により表すことができる。
【数５】
2015010845.tif 000007
【００５４】
式（５）において、Ｐは投影光の光量、γは反射ずれ角度、Ｒは反射ずれ角度がγとなる方向への反射光の光量、Ｌは点光源から投影面までの距離、θは投影光の入射角度を表す。また、ｎ及びＷ（θ）は対象物体に固有のパラメータであり、ｎは光沢の急峻さを表す値であり、Ｗ（θ）は鏡面反射率と距離Ｌに対する減衰率とを掛け合わせた定数を表す。
【００５５】
実施形態１と同様に、投影光の光量Ｐと投影装置１３０が投影する投影画像の輝度値ｐとの間、及び反射光の光量Ｒと撮像装置１２０が撮像する撮像画像上の輝度値ｒとの間に、比例関係が成り立つものとする。この場合、Ｐ及びＲをｐ及びｒに置き換えることで、式（５）を式（６）のように変形することができる。
【数６】
2015010845.tif 000008
【００５６】
式（６）において、ｗ（θ）は、式（５）におけるＷ（θ）に対応する関数である。式（６）に示すように、反射光の輝度値ｒは、反射ずれ角度γに依存して変化する。したがって、本実施形態において幾何情報取得部１０３は、対象物体上の点までの距離及び入射角度に加えて、対象物体上の点から撮像装置１２０へと向かう反射光の反射ずれ角度γを計算する。本実施形態において、投影装置１３０を基準とした対象物体上の点までの距離及び方向と、投影装置１３０を基準とした撮像装置１２０までの距離及び方向は既知である。したがって、投影光が届く対象物体上の点から撮像装置１２０へと向かう方向は算出可能である。また、投影光が届く対象物体上の点における法線方向と、投影装置１３０を基準とした対象物体上の点までの方向（入射方向）も既知であるから、対象物体上の点における正反射方向も算出可能である。幾何情報取得部１０３は、投影光の各進行方向について、対象物体上への入射方向及び法線方向に従って、正反射方向及び反射ずれ角度γを求める。
【００５７】
本実施形態において、式（６）における関数ｗ（θ）及び定数ｎとしては、予め決定され、情報処理装置１００が有するメモリ（不図示）に記録されている値が用いられる。この関数ｗ（θ）及び定数ｎは、事前に対象物体と同一素材であるか又は反射特性が類似している物体（以降、基準物体２と呼ぶ）を用いて決定できる。すなわち、所定の輝度値を有する投影画像を投影装置１３０が基準物体２に投影し、投影画像が投影されている基準物体２の画像を撮像装置１２０が撮像する。ここで、基準物体２に対する投影装置１３０からの投影光の入射角度θを固定した状態で、投影装置１３０と基準物体２との距離を変化させながら、撮像装置１２０が複数の画像を撮像する。こうして得られた、投影画像の輝度値ｐ、撮像画像の輝度値ｒ、投影装置１３０と基準物体２との距離Ｌ、及び反射ずれ角度γのセットを用いて、式（６）に従って定数ｎを決定することができる。例えば、異なる距離Ｌについて、式（６）に従って算出されるｗ（θ）が同じ値となるように、又はｗ（θ）の誤差ができるだけ小さくなるように、定数ｎを決定することができる。
【００５８】
次に、基準物体２に対する投影装置１３０からの投影光の入射角度θを変化させながら、所定の輝度値を有する投影画像を投影装置１３０が基準物体２に投影し、投影画像が投影されている基準物体２の画像を撮像装置１２０が撮像する。入射角度θの他に、他のパラメータ、例えば距離Ｌを変化させながら測定を行ってもよい。この観測結果から、投影光の入射角度θに対するｗ（θ）の値を計算することができる。こうして得られたθとｗ（θ）との関係は、例えばテーブルとして情報処理装置１００が有するメモリ（不図示）に記録される。このテーブルを参照して、θに応じたｗ（θ）の値を取得することが可能となる。
【００５９】
実施形態１と同様に、投影装置１３０が投影する投影画像における、座標(u,v)の画素の輝度値をp(u,v)とする。また、座標(u,v)の画素に対応する投影光が対象物体で反射したことによって得られる反射光は、撮像装置１２０によって、輝度値r(u,v)の画素として観測されるものとする。この場合、式（６）からは式（７）を得ることができる。
【数７】
2015010845.tif 000009
【００６０】
実施形態１と同様に、撮像装置１２０により観測される輝度値を所定値Ｎにするための、投影画像の輝度値p(u,v)は、式（７）を変形することによって得られる式（８）に従って求められる。
【数８】
2015010845.tif 000010
【００６１】
以下に、本実施形態に係る処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ２０１の処理は、実施形態１と同様に行われる。ステップＳ２０２において、幾何情報取得部１０３は、実施形態１と同様に、投影光の進行方向ごとに距離と入射角度とを求める。本実施形態においては、幾何情報取得部１０３は、さらに、投影光の進行方向ごとに、上述の反射ずれ角度γを求める。
【００６２】
ステップＳ２０３において、光量決定部１０４は、式（４）の代わりに式（８）を用いること以外は実施形態１と同様に、投影画像の画素ごとに輝度値r(u,v)を決定する。この際に用いられるパラメータｎ及びｗ（θ(u,v)）は、上述のように予め決定されている。ステップＳ２０４の処理は、実施形態１と同様に行われる。
【００６３】
本実施形態においては、撮像装置１２０の位置に従って、対象物体上の点から撮像装置１２０への反射方向を求め、求められた反射方向と正反射方向とに従って反射ずれ角度γが求められた。別の計算方法として、撮像装置１２０の位置の代わりに、撮像装置１２０の姿勢を用いて反射ずれ角度γを求めてもよい。例えば、撮像装置１２０には、撮像装置１２０の光軸方向に平行して進む反射光が入射するものと考えることができる。この場合、撮像装置１２０の姿勢に従って決まる撮像装置１２０の光軸方向（視線方向）と、対象物体上の点における正反射方向とのなす角を、反射ずれ角度γ(u,v)として求めることができる。このような近似を用いることにより、より少ない計算量で投影光量を決定することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、対象物体の光沢に応じて投影光量が設定される。このため、対象物体表面で鏡面反射が起こる場合であっても、撮像画像中に高コントラストの距離計測用パターン像が含まれるようにすることができ、安定的で精度の良い距離計測が可能となる。
【００６５】
（実施形態３の変形例）
実施形態３においては、対象物体が鏡面反射物体であるものと仮定した。本変形例においては、対象物体が拡散反射特性と鏡面反射特性との双方を持っているものとする。この場合、投影光と反射光の関係は、式（３）及び式（７）の組み合わせにより得られる式（９）を用いて表すことができる。
【数９】
2015010845.tif 000011
【００６６】
式（９）において、定数ｋ、関数ｗ（θ）、及び定数ｎは予め決定されており、情報処理装置１００が有するメモリ（不図示）に記録されている。これらの定数ｋ、関数ｗ（θ）、及び定数ｎは、実施形態３と同様にして求めることができる。すなわち、基準物体への投影光の入射角度を固定し、基準物体と投影装置１３０との距離を変えながら反射光を観測する。撮像画像の輝度値ｒ、投影画像の輝度値ｐ、距離Ｌ、入射角度θ、及び反射ずれ角度γのセットを式（９）に代入し、得られた複数の式から未知数ｋ及びｎを求めることができる。次に、基準物体への投影光の入射角度及び基準物体と投影装置１３０との距離を変えながら、撮像装置１２０で反射光の輝度値を観測する。観測結果から、式（９）に従って、入射角度θに対するｗ（θ）の値の関係を求めることができる。この関係は、テーブルとして情報処理装置１００が有するメモリ（不図示）に記録することができる。
【００６７】
撮像装置１２０により観測される輝度値を所定値Ｎにするための、投影画像の輝度値p(u,v)は、式（９）を変形することによって得られる式（１０）に従って求めることができる。
【数１０】
2015010845.tif 000012
【００６８】
［実施形態４］
実施形態１〜３では、対象物体上の反射特性が一様であるものと仮定した。例えば、実施形態１では対象物体上の各点について同じ定数ｋを用いて投影光量を決定した。また、実施形態３では対象物体上の各点について同じ定数ｎ及び関数ｗを用いて投影光量を決定した。実施形態４においては、対象物体の反射特性が投影面ごとに異なる場合、例えば対象物体が複数ある場合、又は対象物体の反射特性が部位ごとに異なる場合に、投影光量を決定する方法を説明する。
【００６９】
本実施形態では、事前に対象物体ごと、対象物体の部位ごとに、又は対象物体の素材ごとに、反射特性（例えば定数ｋ、又は定数ｎ及び関数ｗ）が予め計測され用意されている。以下の説明においては、対象物体の部位ごとに反射特性、すなわち反射率の大きさを示す情報が予め決定されているものとする。対象物体のそれぞれの部位には、反射特性を特定するためのＩＤが予め付与されている。
【００７０】
本実施形態のステップＳ２０２において、幾何情報取得部１０３は、対象物体上の点までの距離及び入射角度に加えて、対象物体上の点についての反射特性を取得する。例えば、幾何情報取得部１０３は、投影光が入射する面が含まれる対象物体の部位を特定し、この部位のＩＤを取得する。
【００７１】
ステップＳ２０３において光量決定部１０４は、幾何情報取得部１０３が取得したＩＤに対応する反射特性を示す情報を、情報処理装置１００のメモリ（不図示）から取得する。そして、取得した反射特性を示す情報を用いて、実施形態１〜３と同様に投影光量を決定する。
【００７２】
本実施形態によれば、対象物体が複数ある場合、又は対象物体の部位毎に反射特性が異なる場合などに、投影光が投影される部位に応じて計算に用いる反射特性が切り替えられる。このために、対象物体上の部位の反射特性の違いに合わせて投影光量を計算することができる。これにより、距離計測用のパターン投影像の反射を高コントラストに制御可能で、安定的で精度の良い距離計測が可能となる。
【００７３】
［実施形態５］
実施形態１では、投影装置と対象物体との位置関係に応じて投影光量が決定された。実施形態５では、さらに、環境光を考慮して投影光量を決定する方法について説明する。環境光とは、投影装置以外の光源からの光であり、例えば室内の蛍光灯及び室外の太陽光などが含まれる。環境光が存在する条件下では、対象物体には投影装置からの投影光に加えて環境光が入射する。そのため、撮像装置では、投影光由来の反射光と環境光由来の反射光との双方が観測される。本実施形態においては、投影光由来の反射光と環境光由来の反射光とを合わせた反射光量が撮像装置のダイナミックレンジの範囲内に入るように、投影光量が決定される。本実施形態では、実施形態１と同様に対象物体の形状モデルが既知であるものとし、対象物体の位置姿勢と環境光とに基づいて投影光量を決定する。
【００７４】
図５は、本実施形態に係る情報処理装置５００の構成を示す。情報処理装置５００は、モデル保持部５０１、位置姿勢取得部５０２、幾何情報取得部５０３、環境光量取得部５０４、及び光量決定部５０５を備える。また、情報処理装置５００は計測装置５１０に接続されている。この計測装置５１０は、距離計測部５１１を備える。さらに、計測装置５１０は撮像装置５２０及び投影装置５３０に接続されている。計測装置５１０が情報処理装置５００を含んでいてもよいし、撮像装置５２０と投影装置５３０との少なくとも一方を含んでいてもよい。モデル保持部５０１、位置姿勢取得部５０２、幾何情報取得部５０３、距離計測部５１１、撮像装置５２０、及び投影装置５３０は、実施形態１と同様の構成を有し、以下ではその説明を省略する。
【００７５】
環境光量取得部５０４は、撮像装置５２０により観測される環境光由来の光量を取得する。この光量は、予め決定され、情報処理装置５００が有するメモリ（不図示）に格納されている。本実施形態において、環境光量取得部５０４は、撮像画像の各画素に対応する方向からの、環境光由来の光量を取得する。環境光由来の光量は、例えば、投影装置５３０が光を投影していない状況下で、撮像装置５２０が対象物体を撮影することにより、測定することができる。この場合、撮像装置５２０が得た撮像画像の各画素の輝度値を、環境光由来の光量として用いることができる。他の方法として、所定量の環境光が撮像装置５２０に入射するものと仮定して、環境光由来の光量をユーザが設定してもよい。例えば、撮像画像の各画素について一定の値が、環境光由来の光量として設定されていてもよい。
【００７６】
光量決定部５０５は、幾何情報取得部５０３が算出した対象物体上の点までの距離及び入射角度と、環境光量取得部５０４が取得した環境光由来の光量とを基に、所定の反射光量が投影像から得られるように、進行方向ごとに投影光量を決定する。
【００７７】
次に、本実施形態における処理手順について、図６のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ６０１において幾何情報取得部５０３は、実施形態１のステップＳ２０１と同様に初期化作業を行う。ステップＳ６０２において幾何情報取得部５０３は、実施形態１のステップＳ２０２と同様に、対象物体上の点までの距離及び入射角度を決定する。
【００７８】
ステップＳ６０３において環境光量取得部５０４は、対象物体から撮像装置５２０への、環境光由来の反射光の光量を取得する。以下では、撮像装置５２０による撮像画像の座標(x,y)に対応する方向からの、環境光由来の反射光の光量に対応する輝度値をe(x,y)とする。
【００７９】
ステップＳ６０４において光量決定部５０５は、投影像からの反射光量が所定の光量となるように、対象物体上の点までの距離及び入射角度、並びに環境光由来の光量に基づいて、投影光量を決定する。以下に、投影光量の決定方法について詳しく説明する。
【００８０】
投影画像中の座標（u,v）に対応する方向に投影され、対象物体の表面で反射した反射光の光量は、撮像画像中の座標（u',v'）における輝度値として観測されるものとする。この撮像画像中の座標（u',v'）は、投影画像中の座標（u,v）に対応する投影光が届く対象物体上の３次元位置を、撮像画像の座標系へと再投影した際の座標である。例えば、撮像装置の光軸方向に対する、座標（u,v）に対応する投影光が入射する対象物体上の点の方向を求め、得られた方向を撮像装置の画角に従って座標（u',v'）へと変換することができる。
【００８１】
環境光がない場合は、投影光の輝度値は式（５）に従って決定できる。本実施形態においては、投影光由来の反射光の光量と、環境光由来の反射光の光量との合計が、所定範囲内に入るように、投影光量が決定される。例えばこの所定範囲は撮像装置５２０のダイナミックレンジであってもよい。具体的には、撮像画像の座標（u',v'）における、環境光由来の反射光の輝度値e（u',v'）と、投影光由来の反射光の輝度値との合計が、撮像装置５２０のダイナミックレンジの上限値Ｍを上回らないように、投影光量を決定できる。言い換えれば、撮像画像の座標（u',v'）における投影光由来の反射光の輝度値の上限は、Ｍ−e(u',v')となる。
【００８２】
本実施形態においては、投影像をできるだけ高コントラストで得るために、投影光由来の反射光の輝度値Ｎを上限値であるＭ-e(u',v')とする。この場合、投影画像中の座標（u,v）の輝度値は、式（５）のＮとしてＭ-e(u',v')を代入することにより得られる式（１１）に従って求められる。
【数１１】
2015010845.tif 000013
【００８３】
本実施形態のステップＳ６０４においては、投影画像の各座標について、投影画像の座標（u,v）に対応する撮像画像中の座標（u',v'）を上述のように求め、式（１１）に従って座標（u,v）における輝度値を決定する。投影画像の座標(u,v)に対応する方向に対象物体が存在しない場合は、実施形態１におけるステップＳ２０３の処理と同様に、投影画像の輝度値が決定される。
【００８４】
ステップＳ６０５において、距離計測部５１１は、実施形態１のステップＳ２０４と同様に、ステップＳ５０４で決定された輝度値に従う投影画像を投影し、対象物体への距離を計測する。
【００８５】
本実施形態によれば、環境光由来の反射光が撮像装置へ入射することを考慮して投影光量が決定される。例えば、撮像装置への反射光量がダイナミックレンジの範囲内となるように投影光量を設定することにより、撮像装置により観測される光量が飽和することを避けることができる。このために、環境光由来の反射光が撮像装置へ入射する場合であっても、距離計測用のパターン投影像の反射を高コントラストに制御可能で、安定的で精度の良い距離計測が可能となる。
【００８６】
本実施形態では、実施形態１をベースとして環境光を考慮する方法を説明したが、同様の方法は実施形態２〜４にも適用できる。すなわち、実施形態２〜４において環境光量取得部をさらに設け、環境光由来の反射光量に応じて、投影光由来の反射光量の上限を定めることにより、ダイナミックレンジの範囲内で投影像を撮像できるように、投影光量を決定できる。
【００８７】
［実施形態６］
実施形態１〜５に従う距離計測方法は、ロボットアームの制御のために用いることができる。実施形態６では、実施形態１〜５に従う距離計測方法に従う距離計測結果を用いて、対象物体を把持するように産業用ロボットアームを制御する。
【００８８】
本実施形態に係るロボット制御システムの構成を図４に示す。ロボット制御システムを構成するロボット７６０のアーム上には、撮像装置７２０及び投影装置７３０が取り付けられている。ロボット制御システムは、さらに情報処理装置７００及び距離計測装置７１０に接続されている。これらの情報処理装置７００、距離計測装置７１０、撮像装置７２０及び投影装置７３０は、実施形態１〜５と同様に動作し、撮像装置７２０又は投影装置７３０から対象物体７７０までの距離を計測する。ロボット制御システムが、情報処理装置７００、距離計測装置７１０、撮像装置７２０及び投影装置７３０を含んでいてもよい。
【００８９】
本実施形態に係るロボット制御システムは、距離計測装置７１０によって計測された対象物体７７０までの距離に従って、可動軸を有するロボット７６０の動作を制御する。ロボット制御システムは、位置姿勢算出部７４０と、ロボットコントローラ７５０とを有している。位置姿勢算出部７４０は、距離計測装置７１０によって計測された対象物体７７０までの距離に従って、対象物体７７０の位置姿勢を算出する。ロボットコントローラ７５０は、位置姿勢算出部７４０が算出した対象物体７７０の位置姿勢に従って、ロボット７６０が所定の位置に移動するようにロボット７６０を制御する。ロボット７６０の先端にはエンドエフェクタであるハンドが装着されており、ロボットコントローラ７５０は、ハンドを指令された位置に移動させ、対象物体７７０を把持させる。対象物体のうちハンドにより把持される部位は、対象物体の形状モデル上で予め指定されているものとする。ロボット７６０による対象物体７７０の把持動作は、位置姿勢算出部７４０で算出した位置姿勢を基にハンドが対象物体を把持できるようにロボット７６０を制御することで実現できる。
【００９０】
対象物体７７０は作業台上に置かれている。作業台上の対象物体７７０の位置は、大まかに分かっているものとする。すなわち、対象物体７７０の位置姿勢の概略値は予め得られているものとする。情報処理装置７００は、対象物体７７０の位置姿勢の概略値に基づいて、投影像を高コントラストで撮像できるように、実施形態１〜５に従って投影光量を決定する。こうして、距離計測装置７１０、撮像装置７２０、及び投影装置７３０が、対象物体７７０までの距離を安定的かつ精度良く計測することが可能となる。
【００９１】
位置姿勢算出部７４０は、距離計測装置７１０が算出した距離情報から、対象物体７７０上の各点の位置を示す３次元点群を生成する。そして、対象物体７７０の３次元モデルを位置合わせするモデルフィッティングを行うことにより、対象物体７７０の位置姿勢を算出する。対象物体の位置姿勢の算出方法はこれに限ったものではない。例えば、距離計測装置７１０が算出した対象物体７７０への距離情報から得られる距離画像と、対象物体７７０の位置姿勢を変えながら予め撮影された複数の距離画像とのパターンマッチングにより、対象物体７７０の位置姿勢を算出できる。予め撮影された距離画像のうち最もマッチングするものを撮影した際の対象物体７７０の位置姿勢が、対象物体７７０の現在の位置姿勢として用いられる。このように算出された対象物体７７０への距離情報又は対象物体７７０の位置姿勢は、再度距離計測装置７１０が対象物体７７０までの距離を計測する際に、対象物体７７０の概略的な位置姿勢として用いられてもよい。
【００９２】
以上述べたように、本実施形態によれば、実施形態１〜５に従って得られる安定的で精度の良い距離計測に従ってロボットを制御することで、対象物体の把持などの動作を精度良く行わせることができる。
【００９３】
［その他の実施形態］
実施形態１〜５では、様々な投影光量の決定方法について説明した。これらの投影光量の決定方法は、任意の組み合わせで用いることができる。例えば、投影光の入射領域において予め用意された対象物体の反射率と、投影光の入射領域から投影装置への距離と、投影光の入射領域への入射角度と、投影光の入射領域から撮像装置への反射角度と、対象物体上の各領域から撮像装置へと向かう環境光の光量と、のうちの少なくとも１つを考慮して投影光量を決定することができる。これらのうちの一部しか考慮しない場合であっても、各投影方向について制御された強度の投影光を投影することにより、従来技術よりも投影像のコントラストを向上させることが可能である。例えば、一部のパラメータのみを利用して投影光量を計算する場合は、それ以外のパラメータは投影光の進行方向毎に変更しない固定値として与えることで、投影光の光量を計算する。また、対象物体上の投影光の入射領域から撮像装置へと向かう反射光の光量に影響を与える他のパラメータを考慮して、投影光量を決定してもよい。
【００９４】
実施形態１〜５では、投影光の進行方向ごとに投影光量を決定した。例えば、投影画像の画素ごとに投影光量が決定された。しかしながら、投影光量の決定は全ての進行方向又は全ての画素について行われなくてもよい。例えば、投影画像を格子状にいくつかのブロックに分割し、ブロック単位で投影画像の輝度値を計算しても良い。この場合、例えば、それぞれのブロック内の１つの画素に対応する進行方向について投影光量を決定し、決定された投影光量を対応するブロック内の全ての画素に適用することができる。また、対象物体上の面までの距離と面の法線方向とが類似する投影方向をグループ化し、それぞれのグループについて投影画像の輝度値を計算しても良い。
【００９５】
また、投影装置が投影する距離計測用パターンは２次元パターンに限られない。例えば、投影装置は１次元のスリット状の光を投影してもよいし、ある一方向だけに光を投影してもよいし、投影光で測定対象物体を走査してもよい。いずれの場合であっても、上述の実施形態にしたがって、光の進行方向ごとに投影光量を算出することができる。
【００９６】
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。また、そのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。
【００９７】
（他の実施形態）
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）をネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムコードを読み出して実行する。この場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【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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