(57)【要約】【課題】多値パターンを対象物に投射した場合でも、パターンのエッジを確実に検出できるようにする。【解決手段】プロジェクタ１１により複数のストライプパターンを対象物１０に投光し、投光系と主点を異なる位置に配置したカメラ１２にて、対象物１０上のパターン投影像を撮像する。投光系にて投射される複数のストライプパターンは、それぞれが濃度勾配を持った傾斜パターン光であり、かつ多値のパターンにより構成される。例えば、モノクロの５種類の濃度勾配を持った多値のパターンを使用し、同じ繰り返しがないように、また隣接するパターン間にて０階調同士が並ばないように配列を行った。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のストライプで構成されたパターンを対象物に投光する投光手段と、該投光手段と主点を異なる位置に配置した一乃至複数の撮像手段とから構成される３次元形状計測装置において、該ストライプに該ストライプの幅方向の濃度勾配を持たせることを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項２】
上記ストライプの濃度勾配を、隣接するストライプ間の輝度差が大きくなるように設定する請求項１記載の３次元形状計測装置。
【請求項３】
該投光手段により投光される該ストライプの濃度勾配は、モノクロ光の強度により表される請求項１または２記載の３次元形状計測装置。
【請求項４】
該投光手段により投光される該ストライプの濃度勾配は、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの光の強度により表される請求項１または２記載の３次元形状計測装置。
【請求項５】
投光装置により複数のストライプで構成されたパターンを対象物に投光し、該投光装置と主点を異なる位置に配置した一乃至複数の撮像装置により上記パターンを撮像し、撮像したパターンに基づいて３次元形状を計測する３次元形状計測方法において、該ストライプに該ストライプの幅方向の濃度勾配を持たせることを特徴とする３次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定対象に対してパターン光を照射することによって得られるパターン投影像を、撮像手段により異なる方向から撮像し距離情報を得る三角測量法に基づく３次元形状計測技術に関する。
【０００１】
【従来の技術】
３次元形状を取得する手法には、アクティブ手法（Ａｃｔｉｖｅ　ｖｉｓｉｏｎ）とパッシブ手法（Ｐａｓｓｉｖｅ　ｖｉｓｉｏｎ）がある。アクティブ手法は、（１）レーザ光等を発して、対象物からの反射光量や到達時間を計測し、奥行き情報を抽出するレーザ手法や、（２）スリット光などの特殊なパターン光源を用いて、対象表面パターンの幾何学的変形等の画像情報により対象形状を推定するパターン投影方法や、（３）光学的処理によってモアレ縞により等高線を形成させて、３次元情報を得る方法などがある。一方、パッシブ手法は、対象物の見え方、光源、照明、影情報等に関する情報を利用して、一枚の画像から３次元情報を推定する単眼立体視や三角測量原理で各画素の奥行き情報を推定する二眼立体視等がある。
【０００２】
上述した種々の計測手法の中でアクティブ手法の一つであるパターン投影法は、簡易な装置で高精度に３次元情報を取得できる手法である。これを更に詳しく説明する。パターン投影法は、対象とする物体に基準となるパターン光を投影し、パターン投影像の撮像を投影された方向とは異なる方向から行う手法である。撮像されたパターン像は、物体の形状によって変形を受けたものとなる。撮像された変形パターンと投影したパターンとの対応づけを行うことで、物体の３次元計測を行う。具体的な計測手法として、光切断法や空間コード化法がある。光切断法は一本のスリットパターンを対象物に投影し、スリットパターンを、計測したい対象物領域に渡り走査することにより、対象物の３次元情報を取得する手法である。空間コード化法は、空間解像度の違う２値パターンを複数用意し、これを順番に対象物に投影することにより、光切断法のスリット光の走査を省き、短時間で対象物の３次元情報を取得する手法である。計測の高精度化と高信頼性を図るために光切断法では、撮像されたストライプ画像の重心（座標）を求める処理を行い、空間コード化法では、撮像されたパターン画像の２値化処理を行っている。このように計測の精度や信頼性においては優れた手法といえるが、問題点としてスリット光の走査や複数回のパターン投影を行わなければならないため計測時間がかかり、計測対象が静止物体に限られ、用途が限定されるという問題があった。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、Ｃｈｕ−Ｓｏｎｇ　Ｃｈｅｎらは、多値パターン投影法を提案している（Ｃｈｕ−Ｓｏｎｇ　Ｃｈｅｎ，Ｒａｎｇｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｌｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｓｔｅｒｅｏ　ｖｉｓｉｏｎ，ｉｍａｇｅ　ａｎｄｖｉｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　１５（１９９７）４４５−４５６）。多値パターン投影法は、光切断法や空間コード化法の２値パターンに対し多階調のパターンを対象物の投射し、１回の撮像にて対象物の３次元情報を取得する手法である。これを図８および図９を用いて説明する。図８は、従来型の多値パターン投影法による３次元形状計測装置の概観図であり、図９は、使用される多値パターンを表した図である。図９に示す複数色Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・Ｃｎを使用し、それぞれの色のストライプパターンの間にブラックストライプを介在させた多値パターン光を、図８に示す投光系により対象物に投射する。対象物上の光学像を投光系と別視点に配置した２台のカメラにて撮像し、得られたパターン像を比較し同一と思われる個所を探索する。ここで、パターン像間にて同一個所を探索するまでのフローは以下の通りである。
［ステップ１］：２つのパターン撮像画像それぞれのエッジを抽出する。
［ステップ２］：エッジ両側の画素情報（輝度値、色相）をそれぞれ取得する。
［ステップ３］：エピポーラライン上にて同じ画素情報を持つ画素を対応点であると判断し、三角測量の原理から、距離を算出する。
【０００４】
ストライプパターンＣ１、Ｃ２、Ｃ３・・・Ｃｎのそれぞれの間にブラックストライプを介在させたのは、隣接するパターン間においてコントラストを上昇させステップ１におけるエッジ抽出精度を向上させるのが目的である。しかしながら、反射率の低い対象物（濃い色の対象物など）を計測対象にする場合、隣接するパターン間におけるコントラストは低下し、エッジが抽出できない場合があった。エッジが抽出できない個所は、距離計測ができず大きな問題となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決することを目的としてなされたものであり、多値パターンを投射してもエッジ抽出を精度良く行うことができる信頼性の高い３次元形状計測技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、上述の目的を達成するために、複数のストライプで構成されたパターンを対象物に投光する投光手段と、該投光手段と主点を異なる位置に配置した一乃至複数の撮像手段とから構成される３次元形状計測装置において、該ストライプに濃度勾配を持たせるようにしている。
【０００７】
この構成においては、ストライプに濃度勾配を持たせることにより隣接するストライプのエッジにおける濃度差を大きくすることができ、対象物の濃度が大きな場合でも確実にエッジを検出して対象物との間の距離を正確に測定できる。
【０００８】
濃度勾配を持った該ストライプは、隣接するストライプ間の輝度差が大きくなるように設定する。該投光手段により投光される該ストライプの濃度勾配は、モノクロにより表されてもよいし、Ｒ、Ｇ、Ｂにより表されてもよい。
【０００９】
本発明の上述の側面および本発明の他の側面は特許請求の範囲に記載され、以下に実施例を用いて詳細に説明される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
【００１１】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例の構成図である。複数のストライプパターンを対象物１０に投光する投光手段である投光系にプロジェクタ１１を用い、投光系と主点を異なる位置に配置した撮像手段であるカメラ１２にて、対象物１０上のパターン投影像を撮像する。投光系にて投射される複数のストライプパターンは、図２にて示されるように、それぞれが濃度勾配を持った傾斜パターン光であり、かつ多値のパターンにより構成される。本実施例では、モノクロの５種類の濃度勾配を持った多値のパターンを使用した。モノクロの輝度値を２５６階調で現し、パターン１から５を以下の階調に割り付けた。
【００１２】
パターン１：２５５から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン２：２０４から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン３：１５３から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン４：１０２から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン５：５１から０階調の濃度勾配を持ったパターン
【００１３】
これらを、同じ繰り返しがないように、また隣接するパターン間にて０階調同士が並ばないように配列を行う。図３に用いた配列を示す。但し、これは一つの例であり、他の階調割り付けおよび配列においても本発明の効果は同様に得られるものである。図３に示した濃度勾配を持った多値パターン光を対象物１０に照射し、投光系と主点を異なる位置に配置した撮像手段であるカメラ１２にて、対象物１０上のパターン投影像を撮像し、投射パターン光とパターン投影像にて対応づけを行う。ここで、距離算出までのフローは以下の通りである。
【００１４】
・フロー１
［ステップ１］：パターン撮像画像のエッジを抽出する。
［ステップ２］：エッジ両側の画素情報（輝度値）を取得する。
［ステップ３］：パターン撮像画像と同じ画素情報を持つ投射パターン光を探索、決定し、三角測量の原理から、距離を算出する。
【００１５】
その他に以下のフローにても、距離算出が可能である。
【００１６】
・フロー２
［ステップ１］：パターン撮像画像のエッジを抽出する。
［ステップ２］：エッジ両側の画素情報（輝度値）を取得する。
［ステップ３］：エッジ両側の画素情報（輝度値）の一部あるいは、全ての配列から投射パターン光の配列を予測し、投射パターン光とパターン撮像画像の対応づけを行い、三角測量の原理から、距離を算出する。
【００１７】
パターン撮像画像は、個々のパターンに濃度勾配があり、パターン間のコントラストが非常に高い状態であるため、ステップ１にて行うエッジ抽出の精度が飛躍的に向上する。これは特に反射率の低い対象物（濃い色の対象物など）を計測対象にする場合に有効であり、安定したエッジ抽出が可能となり、信頼性の高い距離計測が可能となる。
【００１８】
［第２の実施例］
つぎに本発明の第２の実施例について説明する。
【００１９】
図４は、本発明の第２の実施例の構成図である。複数のストライプパターンを対象物１０に投光する投光手段である投光形にプロジェクタ１１を用い、投光系と主点を異なる位置に配置した撮像手段である２台のカメラ１２、１３にて、対象物１０上のパターン投影像を撮像する。投光系にて投射される複数のストライプパターンは、図２にて示されるそれぞれが濃度勾配を持った傾斜パターン光であり、かつ多値のパターンにより構成される。本実施例では、モノクロの５種類の濃度勾配を持った多値のパターンを使用した。モノクロの輝度値を２５６階調で現し、パターン１から５を以下の階調に割り付けた。
【００２０】
パターン１：２５５から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン２：２０４から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン３：１５３から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン４：１０２から０階調の濃度勾配を持ったパターン
パターン５：５１から０階調の濃度勾配を持ったパターン
【００２１】
これらを、同じ繰り返しがないように、また隣接するパターン間にて０階調同士が並ばないように配列を行う。図３に用いた配列を示す。但し、これは一つの例であり、他の階調割り付けおよび配列においても本発明の効果は同様に得られるものである。図３に示した濃度勾配を持った多値パターン光を対象物１０に照射し、投光系と主点を異なる位置に配置した撮像手段である２台のカメラ１２、１３にて、対象物１０上のパターン投影像を撮像し、得られたパターン像を比較し同一と思われる個所を探索する。ここで、距離算出までのフローは以下の通りである。
【００２２】
・フロー１
［ステップ１］：２つのパターン撮像画像それぞれのエッジを抽出する。
［ステップ２］：エッジ両側の画素情報（輝度値）をそれぞれ取得する。
［ステップ３］：エピポーラライン上にて同じ画素情報を持つ画素を対応点であると判断し、三角測量の原理から距離を算出する。
【００２３】
その他に以下のフローにても、距離算出が可能である。
【００２４】
・フロー２
［ステップ１］：２つのパターン撮像画像のエッジを抽出する。
［ステップ２］：エッジ両側の画素情報（輝度値）を取得する。
［ステップ３］：エッジ両側の画素情報（輝度値）の一部あるいは、全ての配列から投射パターン光の配列を予測し、投射パターン光とパターン撮像画像の対応づけを行い、三角測量の原理から、距離を算出する。
【００２５】
パターン撮像画像は、個々のパターンに濃度勾配があり、パターン間のコントラストが非常に高い状態であるため、ステップ１にて行うエッジ抽出の精度が飛躍的に向上する。これは特に反射率の低い対象物（濃い色の対象物など）を計測対象にする場合に有効であり、安定したエッジ抽出が可能となり、信頼性の高い距離計測が可能となる。また本実施例では、２台のカメラ１２、１３にて撮像を行っており、計測フロー１においては、パターン撮像画像間の比較により距離計測を行うものである。この利点として、対象物上での反射率による誤対応を防止できることが挙げられ、第１の実施例に比べて、より信頼性の高い距離計測が可能となる。
【００２６】
図５および図６は、投射される複数のストライプパターンにＲＧＢの色情報を用いた実施例である。ＲＧＢそれぞれにおいて、輝度値を２５６階調で現し、２５５から０階調の濃度勾配を持った３種類のパターンを用いて、同じ繰り返しがないように、また隣接するパターン間にて０階調同士が並ばないように配列を行った。図６に、この実施例で用いた配列を示す。図７は、図６の配列におけるＲ、Ｇ、Ｂの光強度の分布を示す。パターンが３種類の場合、同じ繰り返しがないような配列の最大数は６である。投光エリアを広げたい場合や解像度を上げたい場合は、６ストライプを一つの周期とし、繰り返しのパターンを用いる。但し、これは一つの例であり、他の階調割り付けおよび配列においても本発明の効果は同様に得られるものである。勾配の幅を０〜２５６でなく、第１の実施例の場合と同様に他の種々の勾配幅を割り当ててもよい。図６に示した濃度勾配を持った多値パターン光を対象物に照射する。使用する３次元形状計測は、第１の実施例で用いた構成でも第２の実施例で用いた構成でもよい。計測フローも同様である。
【００２７】
パターン撮像画像は、個々のパターンに濃度勾配があり、パターン間のコントラストが非常に高い状態であるため、エッジ抽出の精度が飛躍的に向上する。これは特に反射率の低い対象物（濃い色の対象物など）を計測対象にする場合に有効であり、安定したエッジ抽出が可能となり、信頼性の高い距離計測が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の３次元形状計測装置および３次元形状計測方法は、反射率の低い対象物（濃い色の対象物など）を計測対象にする場合にも、安定したパターンのエッジ抽出が可能となり、１回の撮像で信頼性の高い距離計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる３次元形状計測装置の第１の実施例を示した図である。
【図２】本発明のモノクロの濃度勾配を持った投射パターン光を説明する図である。
【図３】本発明の濃度勾配を持った投射パターン光の配列を示した図である。
【図４】本発明の３次元形状計測装置の第２の実施例を示した図である。
【図５】本発明のＲＧＢの濃度勾配を持った投射パターン光を説明する図である。
【図６】本発明の濃度勾配を持った投射パターン光の配列を示した図である。
【図７】図６の投射パターンのＲ、Ｇ、Ｂの光の強度分布を説明する図である。
【図８】従来の３次元形状計測装置の構成を示した図である。
【図９】従来の３次元形状計測装置の投射パターン光を説明する図である。
【符号の説明】
１０　　　対象物
１１　　　プロジェクタ
１２、１３　　　カメラ
【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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