(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物（１）の三次元座標を決定するための方法であって、
プロジェクタ（３）によりパターン（６）が前記対象物（１）上に投影され、前記対象物（１）により反射された光がカメラ（４）により記録され、前記カメラ（４）によって記録された画像が測定され、
前記対象物（１）の上に投影された基準点マーク（８）が、前記カメラ（４）の視野よりも広い視野を有する１つのリファレンスカメラ（５）によって記録され、
前記リファレンスカメラ（５）は、前記カメラ（４）と、または前記プロジェクタ（３）および前記カメラ（４）を備える三次元センサ（２）と機械的に接続され、
前記リファレンスカメラ（５）の視野は、前記カメラ（４）の視野のすべての辺を囲んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記カメラ（４）の画像および前記リファレンスカメラ（５）の画像が時間的なずれをもって記録されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法であって、前記カメラ（４）の画像および前記リファレンスカメラ（５）の画像が同時に記録されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の方法であって、前記カメラ（４）の数個の画像がまとめられることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法であって、最初の測定運転において、前記基準点マーク（８）の位置が検知され保存されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法であって、前記対象物（１）の三次元座標が、前記基準点マーク（８）の保存された位置に基づいて決定されることを特徴とする方法。
【請求項７】
対象物（１）の三次元座標を決定するための装置、特に請求項１〜６のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、
前記対象物（１）上にパターン（６）を投影するためのプロジェクタ（３）と、
前記対象物（１）を記録するためのカメラ（４）と、
前記対象物（１）の画像を測定するための測定手段と、
前記対象物（１）の上に投影された基準点マーク（８）を記録するための１つのリファレンスカメラ（５）であって、前記カメラ（４）の視野よりも広い視野を有するリファレンスカメラ（５）と、
前記対象物（１）上に前記基準点マーク（８）を投影するためのプロジェクタとを備え、
前記リファレンスカメラ（５）は、前記カメラ（４）と、または前記プロジェクタ（３）および前記カメラ（４）を備える三次元センサ（２）と機械的に接続され、
前記リファレンスカメラ（５）の視野は、カメラ（４）の視野のすべての辺を囲んでいることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の三次元座標を決定する方法、およびその方法を実施する装置に関する。
【０００２】
上記の方法においては、対象物上にパターンが投影され、該対象物により反射された光が記録され、測定される。このような方法を実施する装置は、パターンを対象物上に投影するためのプロジェクタと、該対象物を記録するためのカメラと、記録された画像を測定するための測定手段とを備える。
【背景技術】
【０００３】
この種の方法および装置は、例えば特許文献１および特許文献２により、すでに公知である。これらの方法においては、ストライプ・パターンが対象物に投影され得る。通常、上記ストライプ・パターンは、白色光ストライプ投影法によって、すなわち、白色光を使用して、対象物上に投影される。
【０００４】
対象物の三次元座標の決定については、一般に、１つの画像では測定の要件を満たすには、および/または、対象物を完全にカバーするには不十分である。よって、パターン投影装置を当該空間内の様々な記録位置に配置し、そこで記録された画像を共通の上位座標系に転送する必要がある。上位座標系は、絶対座標系とも呼ばれる。この、しばしば「グローバル・レジストレーション（global registration）」と呼ばれるプロセスには、高い精度が要求される。
【０００５】
従来周知のこの種の方法では、部分的に重なった画像が生成される。これらの画像は、重複箇所を最適化することにより、互いに位置調整され得る。しかしながら、小さい表面構造を有する、より大きな対象物の場合、この方法では精度が十分ではない可能性がある。
【０００６】
さらには、基準点マークが使用される方法が知られている。基準点マークは、対象物の上および／または傍側、および／または、対象物の周囲の装備の上および／または傍側に取り付けられる。基準点マークは最初に較正される。このプロセスは、好ましくは写真測量法によって行われる。パターン投影システム、特にストライプ・パターン投影システムを使用して検知される上記基準点マークを使用して、対象物の様々な画像が較正された位置に変換され得、グローバル・レジストレーションが可能となる。
【０００７】
特許文献３により、対象物の三次元座標を決定するために、プロジェクタによってストライプ・パターンを投影する方法が知られている。該対象物によって反射されたストライプ・パターンは、光学装置およびエリア・センサ、特にＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサを備えたカメラによって記録される。上記のプロジェクタとカメラがストライプ投影システムを構成する。上記対象物の近傍には、複数の基準点装置が配置され、各基準点装置は複数の基準点マークを備える。上記基準点装置は最初に測量される。次いで、上記ストライプ投影システムにより、対象物の三次元座標が決定される。
【０００８】
特許文献４により、本願の請求項８の包括的部分に記載の装置が知られている。上記文献に開示されている装置は、対象物にパターンを投影するためのプロジェクタと、対象物を記録するためのカメラと、対象物の画像を測定するための測定手段とを備える。上記装置はさらに、基準点マークを対象物上に投影するための投影手段と、該基準点マークを記録するための別のカメラを備える。
【０００９】
特許文献５により、対象物の三次元測量のための光学三次元センサの幾何学的較正方法が知られている。同方法では、パターンが対象物上に投影され、対象物により反射された光がカメラにより記録・測定される。該カメラの画像域には、較正手段が配置される。該較正手段は、少なくとも４つの較正された信号マークまたは基準点マーク、および、さらに複数の信号マークまたは基準点マークを有し、これら信号マークすなわち基準点マークがカメラにより記録される。
【００１０】
特許文献６により、物体の三次元デジタル化方法が知られている。同方法では、デジタル化の対象となる物体の周りをカメラが周回する。デジタル化の対象となる物体は、写真測量により測定可能な複数のマークに取り囲まれている。上記物体の周囲には、さらに、複数の光パターン・プロジェクタが固定され、順に電源が投入される。
【００１１】
特許文献７は、対象物の三次元形状を決定する方法を開示する。同方法では、パターンが対象物に投影され、該対象物によって反射された光がカメラにより記録・測定される。該カメラはさらに、対象物の傍側の基準点マークを検知する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０４８ ２３４号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０ ２００７ ０４２ ９６３号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２ ２７３ ２２９号明細書
【特許文献４】国際公開第２００４／０１１８７６号
【特許文献５】独国特許出願公開第１９５ ３６ ２９７号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５１ ０２０号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１０／００９２０４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、上記されたような方法および装置であって、改善された方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記のような方法において、この目的は請求項１に記載の事項により達成される。対象物の上および／または傍側の基準点マークが、リファレンスカメラによって記録される。該リファレンスカメラの視野は、カメラの視野よりも広い。上記リファレンスカメラは、上記カメラと、または、上記プロジェクタおよび上記カメラを備える三次元センサと接続されている。上記基準点マークは、上記対象物上にすでに存在してもよい。特に、上記対象物の特徴的な領域が基準点マークとして使用できる。その代わりに、または、それに加えて、基準点マークが上記対象物上に取り付けられてもよく、および／または上記対象物の傍側に配置されてもよい。特に、ここで明確に参照する独国特許出願公開第１０ ２００９ ０３２ ２６２号明細書に記載の基準点マークを使用することができる。すなわち、固有的にコード化された基準点マークおよび／または、固有的にコード化されていない基準点マークであって、互いに空間的に配置され、その空間的配置がコード化を含む基準点マークを使用できる。基準点マークの数個は、１つ以上の基準点装置と組み合わせられてもよい。
【００１５】
上記カメラで数個の画像を撮影することが可能である。数個の画像、または、すべての画像が一部重なっていてもよい。個別の画像を上位座標系にまとめることは、写真測量によって実施され得る。この目的で、基準点マークはリファレンスカメラによって測量される。
【００１６】
上記のような装置において、この発明の目的は請求項８に記載の事項により達成される。該請求項の装置は、対象物の上および／または傍側にある基準点マークを記録するためのリファレンスカメラを備える。該リファレンスカメラの視野は、上記カメラの視野よりも広い。上記リファレンスカメラは、上記カメラと、または上記プロジェクタおよび上記カメラを備える三次元センサと接続されている。
【００１７】
好ましくは、ストライプ・パターンが上記対象物上に投影される。該パターン、特にストライプ・パターンは、画像作成素子、特に、トランスペアレンシーまたはデジタル・パターン生成装置、特に、ＤＬＰディスプレイ、ＬＣＤディスプレイ、および／またはＬＣＯＳディスプレイのような液晶ディスプレイによって上記対象物上に投影され得る。さらに、１以上のレーザーラインからなるパターンを投影することも可能である。上記のレーザーラインは、互いに平行であってもよいし、および／または互いに角度をなしていてもよい。
【００１８】
上記カメラは、光学装置および二次元センサ、特に、ＣＣＤセンサおよび／またはＣＭＯＳセンサを備えていてもよい。上記測定手段は、コンピュータ、特にパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）を備えていてもよい。
【００１９】
記録された画像のデータは、カメラのメモリに一時的に保存され得る。データは一時保存の前または後に送信されてよく、一時保存されずに送信されてもよい。
【００２０】
上記プロジェクタおよび上記カメラは、一体的に構成され、いわゆる三次元センサを構成し得る。この三次元センサは、上記プロジェクタおよびカメラを含む。
【００２１】
本願の請求項８の包括的部分によると、本発明はまた、対象物の三次元座標を決定するための、既存の装置への補助にも簡単に適用でき、これにより、カメラの視野より大きい対象物の三次元座標を、既存の装置で決定することが可能となる。さらには、数台のカメラを装備することも可能である。たとえば、いわゆるステレオカメラ、すなわち、２台のカメラを組み合わせたものを使用することが可能である。さらには、３台以上のカメラを装備することも可能である。複数台のカメラを使用することで、カメラによって記録された画像ポイントの、投影されたラインへの割り当てが向上する。
【００２２】
本願の有利な展開は、従属請求項に記載されている。
【００２３】
有利なことには、上記基準点マークは、上記対象物上に投影される。
【００２４】
さらなる有利な展開の特徴として、上記カメラの画像および上記リファレンスカメラの画像が時間的なずれをもって記録される。その代わりに、または、それに加えて、上記カメラの画像および上記リファレンスカメラの画像は同時に記録され得る。
【００２５】
有利なことには、上記カメラの数個の画像はまとめられる。画像をまとめるために、整合方法が追加して使用され得る。
【００２６】
さらなる有利な展開は、最初の測定運転において、上記基準点マークの位置が検知され保存されることである。最初の測定運転は、対象物を測量しないで（対象物の三次元座標を決定しないで）行われ得る。しかしながら、この最初の測定運転において、対象物を測量することも可能である。検知された上記基準点マークの位置は上記の上位座標系に変換され得る。検知された位置および／または変換された位置は保存され得る。
【００２７】
対象物の三次元座標が、基準点マークの保存された位置に基づいて決定されれば有利な場合がある。これは、特に、最初の測定運転で基準点マークが検知され、変換・保存され得るときに有利である。しかしながら、すでに保存された基準点マークの位置に基づき、対象物の三次元座標を決定することも可能である。基準点マークのすでに保存された位置を使用することによって、測定時間が短縮できる。しかしながら、対象物の三次元座標の決定の間、または決定時ごとに、基準点マークの位置を新たに決定することも有利であり得る。
【００２８】
本発明の装置の有利な展開は、上記基準点マークを対象物上に投影するプロジェクタによって特徴づけられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、プロジェクタ、カメラおよびリファレンスカメラを備えた、対象物の三次元座標を決定するための装置を示す。
【図２】図２は、図１の装置の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の例示的実施形態を、添付の図面を参照し、以下詳細に説明する。
【００３１】
図１は、対象物１、具体的には自動車のフェンダーの三次元座標を決定するための装置を示す。該装置は、三次元センサ２を備え、該三次元センサ２はプロジェクタ３とカメラ４を備える。上記装置はさらに、上記三次元センサ２に接続されたリファレンスカメラ５を備える。この例示的実施形態においては、リファレンスカメラ５はプロジェクタ３とカメラ４の間に位置する。
【００３２】
プロジェクタ３により、パターン、具体的には、ストライプ・パターン６が対象物１上に投影される。ストライプ・パターン６領域内の対象物１によって反射された光は、カメラ４により記録される。
【００３３】
カメラ４の画像は測定手段（図示せず）に送られ、測定される。上記の画像から、対象物１の三次元座標をカメラ４の視野７において決定できる。ストライプ・パターン６の外枠７´はカメラ４の視野７よりも広い。外枠７´は、視野７のすべての辺を囲んでいる。カメラ４は、好ましくはカメラ４の視野７の全体にわたり、対象物１をとらえるエリア・センサを備える。
【００３４】
対象物１および対象物１の周囲には、基準点マーク８が、別のプロジェクタ（図示せず）により投影される。リファレンスカメラ５の視野９内に位置する基準点マークは、リファレンスカメラ５により記録される。
【００３５】
リファレンスカメラ５の視野９は、カメラ４の視野７よりも広い。さらに、リファレンスカメラ５の視野９は、カメラ４の視野７のすべての辺を囲んでいる。視野９内の基準点マーク８は、リファレンスカメラ５によりとらえられる。リファレンスカメラ５の位置および方向は、基準点マーク８により決定できる。
【００３６】
上記対象物１の、カメラ４の視野７内に位置する部分がカメラ４により記録されると、プロジェクタ３、カメラ４およびリファレンスカメラ５を備える上記装置は別の位置に配置される。この位置決めは、カメラ４の視野７が対象物１の別の部分、好ましくは元の視野７の隣の部分に位置するように行われる。カメラ４が新しい位置からカバーする視野は、元のカメラ４の視野７と一部重なってもよい。リファレンスカメラ５の視野９がカメラ４の視野７よりも広いことにより、リファレンスカメラ５は元の位置および新しい位置において十分な数の基準点マーク８を確実に検知できる。基準点マーク８の数と位置は、リファレンスカメラ５が上記の両方の位置において検知できる基準点マーク８が十分な数存在するように選択される。このようにして、カメラ４の画像のグローバル・レジストレーション、したがって、対象物１の三次元座標のグローバル・レジストレーションが確実になされる。
【００３７】
対象物１上にパターン６を投影するプロジェクタ３がカメラ４およびリファレンスカメラ５に接続されているので、プロジェクタ３、カメラ４およびリファレンスカメラ５を備える上記装置の移動にともない、ストライプ・パターン６が移動する。
【００３８】
図２は、対象物１に複数のレーザーライン１０を投影するプロジェクタ３´を備える装置を示す。レーザーライン１０のうちの何本かは、カメラ４の視野７の長辺に平行に延びる。別のレーザーライン１０は、カメラ４の視野７の短辺に平行に延びる。さらに別のレーザーライン１０は、カメラ４の視野７の縁に対し傾斜して延びる。
【００３９】
上記カメラ４および／または上記リファレンスカメラ５の視野の大きさは、関係する光学部品の焦点距離によって決定できる。その代わりに、あるいは、それに加えて、上記視野はセンサの大きさによって決定することもできる。リファレンスカメラ５の画像は測定手段、特にパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）に送信することができる。基準点マーク８の三次元座標は、そこから数学的に割り出すことができる。このようにして、写真測量点が得られる。次いで、これらの写真測量点、写真測量によって算出されたリファレンスカメラ５およびカメラ４の位置が、データ、すなわち三次元座標を正確に整合し位置決めするために使用され得る。
【００４０】
対象物１の三次元座標を決定するために、最初の測定運転によって、基準点マーク８の位置が検知され保存され得る。次の測定運転では、これらの位置が対象物１の三次元座標を決定するために使用され得る。さらなる別の測定運転において、これらの位置は対象物１の三次元座標または他の対象物の三次元座標を決定するために使用され得る。
【図１】
0006296477.tif 000002
【図２】
0006296477.tif 000003