(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に光量が周期的に変化するパターン光と、前記パターン光と位相差を有する複数のパターン光それぞれと、が投影された物体をそれぞれ撮像して得られる複数の画像データを取得する取得手段と、
前記複数の画像データに基づいて、各画像データが表す画像間の画素値の変化を波とみなした場合の位相を各画素に有する位相画像を表す位相画像データを生成する第１生成手段と、
前記位相画像データに基づいて、前記物体の形状を表す値を各画素に有する形状画像を表す形状画像データを生成する第２生成手段と、
前記形状画像の画素値の高周波成分に基づいて、前記形状画像データを補正する補正手段と、
を有することを特徴とするデータ処理装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記形状画像の画素値の高周波成分と、前記位相画像の画素値と、の対応関係に基づいて、前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項１に記載されたデータ処理装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記対応関係に近似する関数に基づいて、前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項２に記載されたデータ処理装置。
【請求項４】
前記補正手段は、前記形状画像の画素値から前記関数の値を減算することによって、前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項３に記載されたデータ処理装置。
【請求項５】
前記関数は、正弦波を表す関数であることを特徴とする請求項３または４に記載されたデータ処理装置。
【請求項６】
前記補正手段は、前記形状画像に対するハイパスフィルタ処理により、前記高周波成分を取得することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項７】
前記補正手段は、前記形状画像データに基づいて、前記高周波成分を各画素に有する高周波形状画像を表す高周波形状画像データを取得することを特徴とする請求項２から５の何れか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項８】
前記補正手段は、各画素位置における前記位相画像の第１画素値と前記高周波形状画像の第２画素値と、を取得し、前記第１画素値に対応する前記第２画素値を集計し、前記第１画素値と前記集計された第２画素値の平均値との関係を前記対応関係として取得することを特徴とする請求項７に記載されたデータ処理装置。
【請求項９】
前記補正手段は、前記高周波形状画像と前記位相画像とをそれぞれ同じ方法により複数の領域に分割し、前記複数の領域それぞれの前記対応関係に基づいて、前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項７または８に記載されたデータ処理装置。
【請求項１０】
前記補正手段は、前記複数の領域それぞれについて前記対応関係を取得し、複数の前記対応関係それぞれに近似する関数のうち、近似精度が最良の関数を用いて前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項９に記載されたデータ処理装置。
【請求項１１】
前記形状画像は、前記物体の表面と、前記複数の画像データを得るための撮像における視点と、の間の距離を示すことを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項１２】
前記所定の方向に光量が周期的に変化する前記パターン光と、前記パターン光と位相差を有する前記複数のパターン光それぞれと、を前記物体に投影するための信号を投影手段に供給する供給手段をさらに有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項１３】
前記取得手段は、所定の方向に光量が周期的に変化する前記パターン光と、前記パターン光と位相差を有する前記複数のパターン光それぞれと、が投影された前記物体を第１視点と第２視点とからそれぞれ撮像することによって得られる前記複数の画像データを取得し、
前記第１生成手段は、前記第１視点から前記物体を撮像することによって得られる複数の画像データに基づいて第１位相画像データを生成し、前記第２視点から前記物体を撮像することによって得られる複数の画像データに基づいて第２位相画像データを生成し、
前記第２生成手段は、前記第１位相画像データが表す第１位相画像の画素値と前記第２位相画像データが表す第２位相画像の画素値とが同一になる対応点を抽出し、前記対応点に基づいて、前記形状画像データを生成し、
前記補正手段は、前記形状画像の画素値の高周波成分と、前記第１位相画像または前記第２位相画像の画素値と、の対応関係に基づいて、前記形状画像データを補正することを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項１４】
前記物体にパターン光を投影する投影手段と、
前記パターン光が投影された前記物体を撮像する撮像手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載されたデータ処理装置。
【請求項１５】
コンピュータを請求項１から１３の何れか一項に記載されたデータ処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
【請求項１６】
所定の方向に光量が周期的に変化するパターン光と、前記パターン光と位相差を有する複数のパターン光それぞれと、が投影された物体をそれぞれ撮像して得られる複数の画像データを取得する取得ステップと、
前記複数の画像データに基づいて、各画像データが表す画像間の画素値の変化を波とみなした場合の位相を各画素に有する位相画像を表す位相画像データを生成する第１生成ステップと、
前記位相画像データに基づいて、前記物体の形状を表す値を各画素に有する形状画像を表す形状画像データを生成する第２生成ステップと、
前記形状画像の画素値の高周波成分に基づいて、前記形状画像データを補正する補正ステップと、
を有することを特徴とするデータ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の形状を測定する際のデータ処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
光量が周期的に変化する縞状パターンを測定対象の物体（以下、対象物）に投影し、対象物を撮像し、撮像によって得た画像上の縞状パターンを解析して、対象物の三次元形状（対象物までの距離）を測定する方法が知られている。
【０００３】
位相シフト法と呼ばれる測定方法は、光量が正弦波状に変化する縞状パターン（以下、正弦波パターン）を、位相を変化させて複数回対象物に投影し、対象物を撮像する。例えば、一つ目の正弦波パターンに対して位相を2π/3シフトした正弦波パターンと、位相を4π/3シフトした正弦波パターンを投影し、対象物を撮像することで三種類の画像を取得する。このとき、取得した各画像における同一画素位置の画素値（輝度値）を逆正接関数で演算処理することにより、各画素の位相が得られる。位相は投影器における投影角度に対応するため、投影器と撮像器の位置関係が既知であれば、三角測量の原理から対象物の三次元形状を測定することができる。
【０００４】
しかし、位相シフト法は、投影器と撮像器の出力特性に非線形性があると、正確な正弦波パターンを投影・撮像することができず、各画素において推定される位相に誤差が生じる。その結果、三次元形状の測定結果に縞状の誤差が生じる。
【０００５】
特許文献1は、正弦波パターンを変調・合成することにより、投影器と撮像器の出力特性に依存しない測定装置を開示する。非特許文献1は、反射率が均一な白色板を用いて、投影器と撮像器の出力特性の非線形性に起因する位相の誤差を補正する補正テーブルを開示する。また、非特許文献2は、撮像器を二台備えることで、投影器と撮像器の出力特性の非線形性に依存せずに測定を行うことを目的とした、ステレオ位相シフト法と呼ばれる測定方法を開示する。
【０００６】
上記の文献に開示された技術によれば、投影器と撮像器の出力特性の非線形性に起因する測定誤差を抑制することができる。しかし、測定誤差の発生要因は、投影器と撮像器の出力特性の非線形性だけに限られない。とくに、投影器と撮像器として、一般的なプロジェクタとカメラを用いる場合、投影器の発光タイミングや撮像器の撮像タイミングに起因する光量変動によって測定誤差が生じる。このような発光・撮像タイミングに起因する変動は、事前に白色板などを用いて測定装置の特性を取得しても、実際に対象物を測定する際の変動が未知であり、適切な補正が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2009-210509号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Zhang、P. S. Huang「Phase error compensation for a 3-D shape measurement system based on the phase-shifting method」Optical Engineering 46(6)、2007年6月
【非特許文献２】T. Zaman「Development of a Topographic Imaging Device」Delft University of Technology、2013年3月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、物体の形状測定において、未知の光量変動に起因する測定誤差を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１１】
本発明にかかるデータ処理装置は、所定の方向に光量が周期的に変化するパターン光と、前記パターン光と位相差を有する複数のパターン光それぞれと、が投影された物体をそれぞれ撮像して得られる複数の画像データを取得する取得手段と、前記複数の画像データに基づいて、各画像データが表す画像間の画素値の変化を波とみなした場合の位相を各画素に有する位相画像を表す位相画像データを生成する第１生成手段と、前記位相画像データに基づいて、前記物体の形状を表す値を各画素に有する形状画像を表す形状画像データを生成する第２生成手段と、前記形状画像の画素値の高周波成分に基づいて、前記形状画像データを補正する補正手段と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、物体の形状測定において、測定によって得られるデータに基づく補正により、未知の光量変動に起因する測定誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例の形状の測定装置の構成例を示すブロック図。
【図２】データ処理部の処理を説明するフローチャート。
【図３】形状画像生成部の処理を説明するフローチャート。
【図４】コード画像の一例を示す図。
【図５】位相接続を説明する図。
【図６】エピポーラ線を説明する図。
【図７】補正部の処理を説明するフローチャート、および、補正部におけるデータフローを示すデータフロー図。
【図８】補正関数の作成を説明する図。
【図９】実施例2の補正部の処理を説明するフローチャート。
【図１０】四つの分割領域について生成されたφ-Hテーブル例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明にかかる実施例のデータ処理装置およびデータ処理方法、並びに、測定装置を図面を参照して詳細に説明する。なお、実施例は特許請求の範囲にかかる本発明を限定するものではなく、また、実施例において説明する構成の組み合わせのすべてが本発明の解決手段に必須とは限らない。
【実施例１】
【００１５】
以下では、一台の投影器と二台の撮像器を用いるステレオ位相シフト法の測定装置に本発明を適用する例を説明する。ただし、一台の撮像器を用いる位相シフト法に対しても本発明を適用可能である。
【００１６】
［装置の構成］
図1のブロック図により実施例の形状の測定装置の構成例を示す。測定装置は、縞状パターン光を測定対象の物体（以下、対象物）12に投影する投影器13、縞状パターン光が投影された対象物12の画像を撮像する第一の撮像器14aおよび第二の撮像器14bを備える。また、データ処理部11は、測定装置における種々の演算および縞状パターン光の投影や撮像の制御を行い、撮像された画像データを処理して対象物12の形状情報を出力する。
【００１７】
データ処理部11において、パターン供給部101は、ROMやフラッシュメモリなどに格納されたパターン形状プログラム、投影時間を設定するプログラムなどに基づき、縞状パターン光の基になるパターンデータを生成する。あるいは、パターンデータを生成する代わりに、パターン供給部101は、予め生成された複数種類のパターンデータをROMやフラッシュメモリなどに格納し、パターンデータを順次選択してもよい。以下の説明では、パターンデータとして三種類の正弦波パターンと、四種類のコードパターンを用いる例を説明する。正弦波パターンはモノクロデータであり、水平方向に光量が正弦波状に周期的に変化し、各正弦波パターンは2π/3の位相差を有する。コードパターンの詳細は後述する。
【００１８】
パターン供給部101は、生成または選択したパターンデータに基づくパターン光信号を、USBインタフェイスのようなインタフェイス109を介して、投影器13に供給する。投影器13は、三種類の正弦波パターン光信号および四種類のコードパターン光信号それぞれに基づく縞状パターン光である正弦波パターン光とコードパターン光を所定の投影時間ずつ対象物12に順次投影する。第一の撮像器14aは、正弦波パターン光またはコードパターン光が投影された対象物12を第一の視点から順次撮像する。第二の撮像器14bは、正弦波パターン光またはコードパターン光が投影された対象物12を第二の視点から順次撮像する。各撮像器は、異なる視点から、三種類の正弦波パターン光および四種類のコードパターン光に対応する七通りの撮像を行い、二つの撮像器14a、14bが出力する撮影画像は合計で14通りになる。
【００１９】
撮像器14a、14bが撮像した画像データは、インタフェイス109を介して、画像メモリ102に一時的に格納される。画像メモリ102に格納された、正弦波パターン光が投影された対象物12の六つの画像データ（以下、正弦波画像）は位相画像生成部103に出力される。また、画像メモリ102に格納された、コードパターン光が投影された対象物12の八つの画像データ（以下、コード画像）は形状画像生成部104に出力される。
【００２０】
位相画像生成部103は、詳細は後述するが、六つの正弦波画像から、第一の位相画像および第二の位相画像を生成し、それら位相画像を形状画像生成部104に出力し、第一または第二の位相画像を座標変換部106に出力する。形状画像生成部104は、詳細は後述するが、第一および第二の位相画像、八つのコード画像、および、カメラパラメータメモリ105から取得したカメラパラメータに基づき、対象物12の形状画像を算出し、形状画像を補正部107に出力する。なお、形状画像は、例えば第一の視点から対象物12の表面の間の距離を画素ごとに示すデータであり、「距離画像」と呼ばれる場合もある。
【００２１】
座標変換部106は、カメラパラメータメモリ105から取得したカメラパラメータに基づき、第一または第二の位相画像の光軸方向がワールド座標のZ軸（奥行方向）と一致するように座標変換（回転）を行う。座標変換部106は、座標変換した位相画像（以下、正規化位相画像）を補正部107に出力する。ワールド座標は、形状画像生成部104が形状画像を算出する際の座標系であり、ワールド座標の原点が形状画像の視点に相当する。
【００２２】
補正部107は、詳細は後述するが、形状画像および正規化位相画像に基づき形状画像を補正し、補正した形状画像（以下、補正形状画像）を出力部108に出力する。出力部108は、補正形状画像のデータを外部の表示装置や画像処理装置に出力する例えばUSBインタフェイスである。
【００２３】
なお、データ処理部11の機能は、形状測定用のソフトウェアをコンピュータ機器に供給し、コンピュータ機器が当該ソフトウェアを実行することで実現可能である。
【００２４】
［測定処理］
図2のフローチャートによりデータ処理部11の処理を説明する。パターン供給部101は、縞状パターン光を対象物12に投影するために、パターン光信号を投影器13に供給する(S201)。インタフェイス109は、撮像器14a、14bの撮像によって得られた縞状パターン光が投影された対象物12の画像データを入力し、画像データを画像メモリ102に格納する(S202)。データ処理部11は、三種類の正弦波パターン光および四種類のコードパターン光（合計14通り）の撮影画像の取得が終了したか否かを判定し(S203)、未了の場合は処理をステップS201に戻して縞状パターン光を変更する。
【００２５】
撮影画像の取得が終了すると、位相画像生成部103は、画像メモリ102から入力される正弦波画像から第一および第二の位相画像を生成する(S204)。形状画像生成部104は、画像メモリ102から入力されるコード画像、第一および第二の位相画像、並びに、カメラパラメータメモリ105から取得したカメラパラメータに基づき、対象物12の形状画像を生成する(S205)。
【００２６】
座標変換部106は、カメラパラメータメモリ105から取得したカメラパラメータに基づき第一（または第二）の位相画像の座標を第一の撮像器14a（または第二の撮像器14b）の座標からワールド座標に変換した正規化位相画像を生成する(S203)。補正部107は、形状画像および正規化位相画像に基づき形状画像を補正した補正形状画像を生成する(S207)。出力部108は、補正形状画像を外部の表示装置や画像処理装置に出力する(S208)。以上で一連の形状測定処理が完了する。
【００２７】
［位相画像生成部］
位相画像生成部103は、第一の撮像器14aによる第一の視点からの撮像によって得られた三つの正弦波画像から第一の位相画像を生成し、第二の撮像器14bによる第二の視点からの撮像によって得られた三つの正弦波画像から第二の位相画像を生成する。
【００２８】
画像の画素位置を(x, y)、三つの正弦波画像の各画素の輝度値をI1(x, y)、I2(x, y)、I3(x, y)とする。また、三要素のベクトルb=(b1, b2, b3)Tについて、b1=I1(x, y)、b2=I2(x, y)、b3=I3(x, y)とする。ここで、Tは転置を表す記号である。また、3×3行列Aについて、行列Aの各要素をajiと表記する。jは行、iは列を表すインデックスである。このとき、行列Aの各要素を以下のように与える。
a11 = sin(0)、a12 = sin(2π/3)、a13 = sin(4π/3)
a21 = cos(0)、a22 = cos(2π/3)、a23 = cos(4π/3)
a31 = 1、a32 = 1、a33 = 1
【００２９】
次に、行列Aおよびベクトルbを用いて、ベクトルp=(p1, p2, p3)Tを下式から算出する。
p = A-1b      …(1)
ここで、A-1はAの逆行列。
【００３０】
そして、下式から位相φを算出する。
φ = tan-1(-p1/p2)      …(2)
ここで、tan-1は逆正接関数であり、tanφ=p1/p2を満たすφを返す、
φの定義域は[0, 2π]。
【００３１】
上記の計算により、画素ごとの位相φ(x, y)が得られ、φ(x, y)が「位相画像」である。
【００３２】
［形状画像生成部］
図3のフローチャートにより形状画像生成部104の処理を説明する。形状画像生成部104は、第一の位相画像と第二の位相画像から、互いの画素値が同一になる対応点を抽出し、三角測量の原理により、対応点の三次元座標を算出して対象物12の形状を示す形状画像を生成する。
【００３３】
形状画像生成部104は、第一および第二の位相画像、並びに、コード画像を入力する(S301)。形状画像生成部104は、第一の視点からの撮像によって得られた四つのコード画像に基づき第一の位相画像の画素位置(x, y)と正弦波パターンの周期の関係を判定する(S302)。形状画像生成部104は、同様に、第二の視点からの撮像によって得られた四つのコード画像に基づき第二の位相画像の画素位置(x, y)と正弦波パターンの周期の関係を判定する(S303)。なお、画素位置と周期の関係の判定とは、画素位置が正弦波パターンの何番目の周期に相当するかを判定することである。また、コード画像として、グレイコードと呼ばれる四種類のパターンを投影・撮像した画像を用いる。
【００３４】
図4によりコード画像の一例を示す。図4(a)に示すグレイコードは、明部と暗部からなる明暗パターンであり、正弦波パターンと同様、水平方向に明暗が周期的に変化する。実施例においては、図4(a)に示す四通りの明暗パターン401-404を用いる。各明暗パターンを投影・撮像した画像の暗部（黒域）を‘1’、明部（白域）を‘0’として符号化すると、4ビットの二進数値が得られ、16通りの領域が判別可能になる。従って、グレイコードの各領域のサイズを正弦波パターンの一周期と一致させることで、正弦波パターンの周期Mが16以下（M≦16）であれば、画素位置(x, y)と周期の関係を判定することができる。
【００３５】
コード画像として、グレイコード以外の画像を用いてもよい。例えば、図4(b)に示すバイナリパターンと呼ばれる明暗パターンを用いてもよい。また、パターンの種類は四種類に限定されず、対象物12のサイズなどに合わせて増減させることが可能である。
【００３６】
次に、形状画像生成部104は、画素位置と周期の関係の判定結果に基づき、第一の位相画像と第二の位相画像から互いの画素値が同一になる対応点を抽出するために「位相接続」と呼ばれる処理を行う(S304)。図5により位相接続処理を説明する。位相画像の画素値は[0, 2π]の範囲で周期的に変化するため、図5(a)に示すように同一の画素値（位相）をもつ画素が水平方向に繰り返し現れ、画素値が同一になる対応点は一意に定まらない。位相接続処理は、M周期の正弦波が含まれる位相画像のm番目（m=0〜M-1）の周期の画素値に2πmを加算する処理である。位相接続により、図5(b)に示すように位相画像の周期性が取り除かれ、画素値（位相）が同一になる対応点の抽出が可能になる。
【００３７】
次に、形状画像生成部104は、カメラパラメータメモリ105からカメラパラメータを取得する(S305)。実施例において、カメラパラメータとして、基礎行列Fと透視投影行列P1、P2が取得される。そして、形状画像生成部104は、第一の位相画像と第二の位相画像から、互いの画素値が同一になる対応点を抽出する(S306)。対応点は、エピポーラ線上から探索される。対応点の探索をエピポーラ線上に限定することにより、水平方向に変化する正弦波パターンを用いた場合も、対応点を一意に定めることができる。エピポーラ線は、二台の撮像器14a、14bの位置と姿勢が既知である場合、三次元空間上の一点をそれぞれ撮像したときの対応点に関する拘束条件である。なお、計算時間は掛るが、全探索により対応点を求めてもよい。
【００３８】
図6によりエピポーラ線を説明する。視点位置C1と三次元空間上の点Xを結ぶ線分と、視点位置C1と視点位置C2を結ぶ線分について、二つの線分を含む三次元空間上の平面（エピポーラ面）が一意に定まる。エピポーラ平面と撮像面Π2の交差に対応する直線がエピポーラ線である。エピポーラ線は、二台の撮像器14a、14bの位置、姿勢、内部パラメータに関する情報を含む基礎行列Fを用いて、式x1TFx2=0で表されることが知られている。ここでx1、x2は各カメラ座標系における画素位置を斉次座標で表したものである。例えば、図6において、撮像面Π1における点Xの撮像点x1（画素に対応）の対応点が撮像面Π2のエピポーラ線上で探索され、撮像点x1とx2が対応点として抽出される。
【００３９】
次に、形状画像生成部104は、三角測量の原理を用いて、撮像点x1とx2に基づき、ワールド座標の原点と対象物102の表面の間の距離を算出する(S307)。ワールド座標の原点から対象物102の表面の点Xまでの距離は、各撮像器の位置、姿勢、内部パラメータに関する情報を含む透視投影行列P1、P2を用いて、wx1=P1X、wx2=P2Xの関係から算出可能であることが知られている。そして、形状画像生成部104は、算出した対象物102の表面の距離を示す形状画像のデータを生成する(S308)。
【００４０】
［補正部］
補正部107は、形状画像と正規化位相画像から形状と位相の対応関係を算出し、当該対応関係に基づき形状画像の誤差成分を推定し、誤差成分により形状画像の補正を行う。図7(a)のフローチャートにより補正部107の処理を説明する。また、図7(b)のデータフロー図により補正部107におけるデータフローを示す。
【００４１】
補正部107は、形状画像生成部104から形状画像Sを入力し(S701)、ハイパスフィルタ処理（HPF処理）により形状画像Sの高周波成分を取得する(S702)。高周波成分の抽出には、他の任意の方法を用いてよいが、補正前の形状画像Sに生じる縞状の形状誤差成分が含まれるような周波数成分を抽出する必要がある。以下、形状画像Sの高周波成分を「高周波形状画像H」と呼ぶ。
【００４２】
次に、補正部107は、座標変換部106から正規化位相画像φを入力する(S703)。正規化位相画像φは、第一（または第二）の位相画像の光軸方向がワールド座標のZ軸（奥行方向）と一致するように座標変換（回転）された画像である。補正部107は、正規化位相画像φの位相値と高周波形状画像Hの画素値の間の対応関係を示すφ-Hテーブルを作成する(S704)。つまり、各画素位置(x, y)における正規化位相画像の画素値φ(x, y)と高周波形状画像の画素値H(x, y)を取得する。そして、[0, 2π]の範囲の位相値φに対応する画素値Hを集計し、位相値φに対して、集計した画素値Hの平均値をプロットしたφ-Hテーブル（図8(a)）を作成する。
【００４３】
次に、補正部107は、φ-Hテーブルを用いて形状補正用の補正関数fcを導出する(S705)。図8により補正関数fcの作成を説明する。補正部107は、図8(a)に示すφ-Hテーブルが示す曲線に近似する図8(b)に示す関数を補正関数fcとして導出する。実施例では、補正関数fcとしてフーリエ級数展開の四次項までを用いる。すなわち、正弦波による近似を行う。
【００４４】
次に、補正部107は、補正関数fcを用いて形状画像Sを補正した補正形状画像Cを算出する(S706)。つまり、画素位置(x, y)における正規化位相画像の画素値φ(x, y)を取得し、補正関数fcにより誤差成分に相当する補正量f(φ(x, y))を算出する。そして、形状画像の画素値S(x, y)から補正量f(φ(x, y))を減算し、画素値C(x, y)がS(x, y)-f(φ(x, y))で表される補正形状画像Cを生成する。
【００４５】
上述したように、ステレオ位相シフト法によれば、投影器および撮像器として、一般的なプロジェクタとカメラを用いる場合、投影器の発光タイミングや撮像器の撮像タイミングに起因する光量変動によって測定誤差が生じる。このような発光・測定のタイミングに起因する変動は、事前に白色板などを用いて測定装置の特性を取得しても、実際に対象物を測定する際の変動が未知であり、適切な補正が困難である。一方、実施例における形状画像の補正処理によれば、光量変動と測定誤差の関係に着目することで、測定において取得されたデータのみから適切な補正量を推定することができる。
【００４６】
光量変動と測定誤差の関係として、微小な光量変動が発生した場合、位相画像生成部103が算出する位相には、図8(c)に示すように、真の位相に対して正弦波状の位相誤差が含まれる。この位相誤差により、補正前の形状画像Sには縞状の形状誤差成分が発生する。この正弦波は、光量変動に応じて位相や振幅が異なるため、事前に特性を取得することはできない。
【００４７】
他方、補正部107における高周波形状画像Hは、縞状の形状誤差成分と、真の形状が有する高周波成分が混在する画像である。適切な形状補正は、形状画像Sから、真の形状が有する高周波成分を保持したまま、縞状の形状誤差成分のみを除去することである。つまり、本実施例は、図8(c)に示す誤差の特性に着目し、位相と高周波形状の関係から正弦波の成分を抽出することで、縞状の形状誤差成分f(φ(x, y))のみを分離する。従って、真の形状が有する高周波成分を保持したまま、縞状の形状誤差成分f(φ(x, y))のみを除去した補正後形状画像Cを得ることができる。
【００４８】
このように、一台の投影器と二台の撮像器を用いるステレオ位相シフト法の測定装置において、形状の測定における光量変動が未知の場合も、測定において取得されたデータのみを用いて測定結果に適切な補正を行い、測定誤差を抑制することができる。
【００４９】
［変形例］
上記では、二台の撮像器を用いる測定装置の例を示したが、撮像器を三台以上を用いてもよい。また、一台の撮像器を用いる位相シフト法に対しても本発明を適用可能である。その場合、投影器と撮像器の出力特性が非線形であることに起因する誤差を低減するための、上述した先行技術文献が開示する技術と併用することが望ましい。つまり、反射率が均一な白色板を用いて、投影器と撮像器の出力特性の非線形性に起因する位相の誤差を補正する補正テーブルを使用する。
【００５０】
上記では、取得する情報を形状のみと説明したが、同時に、対象物12の色情報を取得してもよい。その場合、パターン生成部（またはパターンメモリ）101は、対象物12を均一に照明するためのソリッドパターンを備えることが望ましい。また、位相算出に用いる正弦波パターンを三種類としたが、三種類以上を用いてもよい。その場合、行列A-1としてAの擬似逆行列を用いる。各パターンの位相差も任意であり、位相差が均等である必要はない。
【００５１】
上記では、カメラパラメータとして、基礎行列Fと透視投影行列P1、P2を用いる例を示したが、カメラパラメータは限定されず、カメラ間の位置・姿勢の関係を示せばよい。また、カメラパラメータを保持せずに、形状が既知の物体を測定することで、カメラパラメータを作成することもできる。
【００５２】
また、補正関数fcとして、上述したように正弦波を用いることが好適であるが、任意の関数を用いてもよく、例えば多項式関数を用いてもよい。また、フーリエ級数展開や多項式の次数は任意に選択可能である。さらに、複数の関数を用いて近似を行い、近似精度が最良の関数を形状補正に適用する形態としてもよい。近似精度として、例えば、φ-Hテーブルと近似関数の二乗誤差の和を用いることができる。
【実施例２】
【００５３】
以下、本発明にかかる実施例2の測定装置および測定方法を説明する。なお、実施例2において、実施例1と略同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する場合がある。
【００５４】
実施例1において、正規化位相画像φと高周波形状画像Hを用いて、位相値φと画素値H（高周波成分）のφ-Hテーブルを作成し、補正関数fcを作成する例について説明した。しかし、対象物12の明るさと撮像器14a、14bの露光条件によっては、投影パターンを適切に取得できず、取得された位相画像にノイズが多く含まれる領域が生じることがある。その場合、作成されるφ-Hテーブルも位相画像のノイズの影響を受け、形状誤差成分をうまく抽出できない可能性がある。
【００５５】
実施例2の補正部107は、画像を領域分割し、ノイズの影響が最小と考えらえられる分割領域を用いて補正関数fcを導出する。図9のフローチャートにより実施例2の補正部107の処理を説明する。なお、ステップS701-S703、S706の処理は、図7に示す実施例1の処理と同様であり、詳細説明を省略する。
【００５６】
φ-Hテーブルの作成において、補正部107は、正規化位相画像φと高周波形状画像Hを例えば縦横それぞれ二分割して四つの領域（左上領域、右上領域、左下領域、右下領域）とする(S704a)。そして、各分割領域ごとに、画素位置(x, y)における正規化位相画像の画素値φ(x, y)と高周波形状画像の画素値H(x, y)を取得し、φ(x, y)におけるH(x, y)の平均値をマッピングしたφ-Hテーブルを生成する(S704b)。図10により四つの分割領域について生成されたφ-Hテーブル例を示す。
【００５７】
補正関数fcの導出において、補正部107は、図10に示す四つのφ-Hテーブルそれぞれが示す曲線に近似する関数fc1〜fc4を導出し(S705a)、各関数の近似精度を評価し、近似精度が最良の関数を補正関数fcとして採用する(S705b)。近似精度としては、φ-Hテーブルと近似関数の二乗誤差の和を用いればよい。
【００５８】
このように、取得された位相画像にノイズが多く含まれる領域が生じた場合も、適切な補正関数fcを導出して、測定誤差を抑制することが可能になる。なお、上記では、画像を縦横それぞれ二分割した四つの分割領域にする例を説明したが、領域分割の方法、分割領域の数は任意であり、分割領域は他の分割領域と重複してもよい。また、分割領域のサイズと形状は任意に設定可能であり、分割領域ごとに異なってもよい。
【００５９】
［その他の実施例］
本発明は、上述の実施形態の一以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける一以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、一以上の機能を実現する回路（例えば、ASIC）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００６０】
101 … パターン供給部、103 … 位相画像生成部、104 … 形状画像生成部、107 … 補正部、109 … インタフェイス
【図１】
0006598673.tif 000002
【図２】
0006598673.tif 000003
【図３】
0006598673.tif 000004
【図４】
0006598673.tif 000005
【図５】
0006598673.tif 000006
【図６】
0006598673.tif 000007
【図７】
0006598673.tif 000008
【図８】
0006598673.tif 000009
【図９】
0006598673.tif 000010
【図１０】
0006598673.tif 000011