(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象をスキャンするためのスキャン装置であり、
前記対象に位置合わせ画像を投影するための投影ユニットであり、前記位置合わせ画像は主パターンを有する、投影ユニット、
前記対象の生のカメラ画像を取り込むための画像取込ユニットであり、前記生のカメラ画像は前記主パターンの派生パターンを有し、前記派生パターンは前記主パターンから派生し、前記画像取込ユニットから見たときの前記投影される位置合わせ画像を表している、画像取込ユニット、並びに
前記取り込まれる生のカメラ画像に基づいて、前記スキャンされる対象に対する前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するための位置合わせユニット
を有するスキャン装置において、
前記投影ユニットは、静的な主パターンを投影するために構成される、並びに前記位置合わせユニットは、前記取り込まれる生のカメラ画像と前記静的な主パターンとを重ね合わせることにより前記位置合わせ画像を更新するために構成される重畳ユニットであり、前記更新される位置合わせ画像は、前記更新される位置合わせ画像において前記静的な主パターンと前記派生パターンとが実質的に一致する場合、前記スキャンされる対象に対する前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位を示している、スキャン装置。
【請求項２】
前記投影ユニットは、基本パターンを有する主パターンを投影するために構成される、並びに前記正しい位置及び／又は方位は、前記スキャンされる対象に対する前記スキャン装置の正しい距離である、請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項３】
前記取り込まれる生のカメラ画像を処理するためであり、前記処理される生のカメラ画像を前記重畳ユニットに供給するために構成される、処理ユニットをさらに有する、請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項４】
前記処理ユニットは、前記生のカメラ画像を拡大するために構成される、請求項３に記載のスキャン装置。
【請求項５】
前記処理ユニットは、前記スキャン装置が較正対象に適切に位置合わせされるとき、前記更新される位置合わせ画像において、前記主パターンと前記派生パターンとが実質的に一致するように、前記生のカメラ画像を変形するために構成される、請求項３に記載のスキャン装置。
【請求項６】
前記重畳ユニットは、前記主パターンのとは異なる輝度及び／又は色を前記取り込まれる生のカメラ画像に適用するために構成される、請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項７】
前記重畳ユニットは、連続して取り込まれる前記生のカメラ画像と前記主パターンとを繰り返し重ね合わせることにより、前記位置合わせ画像を繰り返し更新するために構成される、請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項８】
前記投影ユニットは、マーカーのパターンを有する主パターンを投影するために構成される、並びに前記位置合わせユニットは、
−前記取り込まれる生のカメラ画像に基づいて、前記投影されるマーカーのパターンの深度値を決定するステップであり、前記深度値は前記投影されるマーカーのパターンの位置と前記スキャン装置との間の距離を表している、前記決定するステップ、並びに
−前記決定される深度値に基づいて、前記スキャン装置の位置合わせ誤差を計算するステップであり、前記位置合わせ誤差は前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位からの前記スキャン装置の実際の位置決め偏差を表し、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示は前記位置合わせ誤差に基づいている、前記計算するステップ
を行うための計算ユニット
を有する、請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項９】
前記位置合わせユニットは、前記スキャン装置のオペレータに、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を示すための提示ユニットを有する、請求項８に記載のスキャン装置。
【請求項１０】
前記提示ユニットは、前記位置合わせ誤差の量及び／又は方向を有する、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を示すために構成される、請求項９に記載のスキャン装置。
【請求項１１】
前記提示ユニットは、前記主パターンと、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の前記指示を有する画像とを重ね合わせることにより、前記位置合わせ画像を更新するためのオーバーレイユニットを有する、請求項９に記載のスキャン装置。
【請求項１２】
前記提示ユニットは、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の前記指示を有する画像を表示するための視覚表示ユニット、及び／又は、前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の前記指示を有する情報を音響的に供給するための音響ユニットを有する、請求項９に記載のスキャン装置。
【請求項１３】
前記投影ユニットは、空間的及び／又は時間的に符号化されたパターンを有するマーカーのパターンを投影するために構成される、請求項８に記載のスキャン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象(object)をスキャンするため、特に対象の３Ｄ表面をスキャンするためのスキャン装置に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、スキャンされる対象に対して前記スキャン装置を位置決めるための方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
スキャン装置は通常、対象の画像を生成するために、この対象から反射される光を集めるための画像センサを利用している。この画像センサは、光エネルギーを電荷に変換し、最終的にこの光の色及び強度を示す一連のビットにする。結果生じるデジタル画像は例えば、フラットベッドスキャナ上に置かれる紙のような比較的平坦な対象の２次元画像である。
【０００４】
３Ｄスキャンは、対象の幾何学形状又は形態を地点のデータセットに変換する技術である。各地点は、スキャンされた対象の表面の３次元空間における実際の地点を示している。集められたデータは、デジタルの３次元モデルを構成するのに使用されることができる。集められた３Ｄデータは、幅広い種類の応用に有用である。例えば、３Ｄスキャン技術は、娯楽産業により映画及びテレビゲームの製作において広く用いられる。この技術の他の一般的な応用は、工業デザイン、歯列矯正及び補綴学、リバースエンジニアリング及びプロトタイピング、品質管理／検査、並びに文化的遺物の文書化を含む。
【０００５】
特に、人間の顔の３Ｄデータが集められることができる。取り込まれる顔の輪郭及び形状はマスクを設計するのに使用され、これらマスクはＣＰＡＰ（持続陽圧呼吸）を含む多くの医療分野において応用される。顔の輪郭の正確な３Ｄモデリングは、目への刺激を引き起こす空気漏れという問題を回避するぴったり合ったマスクの製造を楽にする。
【０００６】
３Ｄスキャン装置を形成するのに使用される多くの異なる技術が存在している。１つのよく知られる分類は、スキャン技術を２つの型式、つまり接触型及び非接触型の３Ｄスキャンに分かれる。
【０００７】
接触型の３Ｄスキャナは、対象が精密な平面プレートに接している又はその上に置かれている間、物理的な接触を介して前記対象を調べる。この型式のスキャン技術は主に製造時に用いられ、高精度にすることができる。接触型のスキャンの欠点は、スキャナがスキャンされる対象と接している必要があることである。従って、スキャン処理中、対象は変形される又は損傷を受けることがある。その上、このスキャン技術は通常、他のスキャン方法に比べ非常に遅い。さらに、人間の顔の輪郭をスキャンするために上記接触型の３Ｄスキャナを使用することは望ましくない。
【０００８】
３Ｄスキャン技術のもう１つの好評な分類は、アクティブな非接触型スキャンである。アクティブとは、夫々のスキャナが、ある種の符号化、構造又は非符号化されるエネルギー、例えば光を放射する、及び対象を調べ、対応する３Ｄ表示を取り込むために、スキャンされる対象における前記エネルギーの反射を検出することを意味している。
【０００９】
アクティブな非接触型の３Ｄスキャナは、三角測量の使用に最も頻繁に基づいている。この場合、スキャナは例えば、レーザー光を対象に向けて、このレーザーの点の位置を探すためにカメラを使用する。レーザーがどの位離れて対象の表面に当っているかに依存して、レーザーの点はカメラの視野内において異なる位置に現れる。基本的な技術は、レーザーの点、カメラ及びレーザーエミッタが三角形を形成するので、三角測量と呼ばれる。
【００１０】
１つのレーザーの点の代わりに、光のパターンが対象に投影されることができる。この型式のスキャナは、構造化照明(structured light)スキャナと呼ばれ、アクティブな非接触型のスキャナと見なされることができる。前記パターンは、線のような１次元のパターン、又は格子若しくは線の縞模様のような２次元のパターンである。この光のパターンが例えばＬＣＤプロジェクターを用いて対象に投影される。パターンプロジェクターから僅かにオフセットしているカメラは、カメラから見たときの構造化照明を取り込む。さらに、取り込まれた画像は分析され、パターンの歪みが評価される。三角測量に基づくアルゴリズムを用いて、パターンの各地点までの距離が計算される。対象の表面にわたり前記光のパターンをスイープ(sweep)することにより、対象の３Ｄ表示が得られる。構造化照明３Ｄスキャナは、非常に速いスキャンを提供する。１回に１つの点又は線をスキャンする代わりに、構造化照明スキャナは、複数の点若しくは線を又は全視野を一度にスキャンすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、適切なスキャンを得るために、スキャナは、対象から一定の距離及び／又は角度に置かれなければならない。スキャナを適切に位置合わせするために、例えば静的な主パターン(static main pattern)を使用することがよく知られ、このパターンは、手持ち式のスキャナを動かす及び回転させることにより顔の特徴と位置合わせされる必要があるマーカーを含んでいる。例として、患者の顔にある目が投影される円と位置合わせされる必要がある一方、十字は鼻の先に位置合わせされる必要がある。しかしならが、この位置合わせ手続きは、全く不正確な結果を提供するだけであり、上記スキャナを使用する睡眠の専門家にとって十分に直観的ではないことが分かっている。加えて、対象及びスキャナが自由に動く（例えば手持ち式のスキャナを用いて、あごを支持しないで人間の頭部をスキャンする）場合、ユーザは、適切なスキャン位置を評価するのが難しい。従って、スキャンされる対象に対してスキャン装置を正確に位置決めるための何らかの形式のフィードバック又は支援が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
その結果、本発明の目的は、スキャンされる対象に対してスキャン装置の正しい位置及び／又は方位を見つけるユーザを支援するスキャン装置及び方法を提供することである。
【００１３】
本発明の第１の態様において、対象をスキャンするためのスキャン装置が示され、この装置は、前記対象に位置合わせ画像を投影するための投影ユニットであり、前記位置合わせ画像は主パターンを有する、投影ユニット、前記対象の生のカメラ画像を取り込むための画像取込ユニットであり、前記生のカメラ画像は前記主パターンの派生パターンを有する、前記派生パターンは前記画像取込ユニットから見たときの前記投影される位置合わせ画像を表している、画像取込ユニット、並びに前記取り込まれた生のカメラ画像に基づいて、スキャンされる対象に対して前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するための位置合わせユニット、を有する。
【００１４】
本発明の他の態様において、スキャンされる対象に対してスキャン装置を位置決めるための方法が示され、ここで前記方法は、前記対象に位置合わせ画像を投影するステップであり、前記位置合わせ画像は主パターンを有する、前記投影するステップ、前記対象の生のカメラ画像を取り込むステップであり、前記生のカメラ画像は前記主パターンの派生パターンを有する、前記派生パターンは画像を取り込む視点から見たときの前記投影される位置合わせ画像を表している、前記取り込むステップ、前記取り込まれる生のカメラ画像に基づいて、前記スキャンされる対象に対して前記スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するステップ、並びに先のステップを繰り返すとき、前記スキャン装置が前記正しい位置及び／又は方位を実質的に取るように、前記供給される指示に基づいて、前記スキャン装置の位置及び／又は方位を変更するステップ、を有する。
【００１５】
前記スキャン装置の投影ユニットは例えば、ＬＣＤプロジェクター又は対象に主パターンを有する位置合わせ画像を投影することが可能である如何なる他の適切な光源とすることができる。通例、電荷結合装置又はＣＭＯＳセンサが生のカメラ画像を取り込むための画像取込ユニットとして使用される。スキャン装置は構造化照明の原理に基づいているので、投影ユニットは、対象に光のパターンを投影し、スキャンされる対象の３Ｄ表示を得るために、対象上にある前記パターンの変形を評価する。正確なスキャンを得る及びスキャンされる対象がスキャナの動作範囲内にあることを確認するために、スキャン装置の位置及び／又は方位が前記対象に対して位置合わせされなければならない、すなわちスキャン装置が対象から一定の距離／角度範囲で位置決められなければならない。ユーザは、供給される指示に基づいて、前記対象に対してスキャン装置をただ動かすことにより、前記位置及び／又は方位を非常に簡単に位置合わせることができる。指示を供給するために、スキャン装置は、取り込まれた生のカメラ画像を評価し、この評価に基づいてスキャン装置の起こり得る位置合わせ不良(misalignment)を決定する。この場合、前記指示は、決定される位置合わせ不良に関する情報を有する。その代わりに、前記指示に基づいて、正しい位置及び／又は方位からのスキャン装置の偏差を評価することがスキャン装置のオペレータに委ねられ、ここでスキャン装置は、前記指示を供給する前にスキャン装置の位置合わせを評価しない。複雑さが低いので、提案されるスキャン装置の位置合わせは、非常に素早く実行されることができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施例は従属請求項において規定される。
【００１７】
第１の実施例において、投影ユニットは、静的な主パターンを投影するために構成され、ここで、位置合わせユニットは、取り込まれた生のカメラ画像と前記静的な主パターンとを重ね合わせることにより、位置合わせ画像を更新するように構成される重畳ユニットであり、更新される位置合わせ画像は、この更新される位置合わせ画像において前記静的な主パターンと派生パターンとが実質的に一致する場合、スキャンされる対象に対するスキャン装置の正しい位置及び／又は方位を示している。言い換えると、スキャナのユーザは、更新される位置合わせ画像において静的な主パターンと派生パターンとが実質的に一致するとすぐに、スキャン装置が適切に位置合わせされることを直観的に理解する。本実施例において、スキャン装置の正しい位置合わせを評価するために、スキャン装置において複雑なアルゴリズムを実施する必要はない。ぼやけたカメラ画像を生じさせる顔の毛及びスキャナ又は対象の動きにより失敗する自動の位置合わせ手続きと比較して、ユーザの潜在意識による視覚的フィードバックを使用する、提案されるスキャン装置の手動の位置合わせは非常にロバスト性のある解決法となる。
【００１８】
他の実施例において、投影ユニットは、基本パターンを有する主パターンを投影するために構成され、ここで、正しい位置及び／又は方位は、スキャンされる対象に対するスキャン装置の正しい距離である。前記基本パターンは例えば、円及びこの円の中心で交差する２本の線を有する。投影ユニットから僅かにオフセットしている画像取込ユニットは、この画像取込ユニットの視点からの前記基本パターンを取り込む。更新される位置合わせ画像において静的な主パターンと派生パターンとが一致しない場合、対象への距離が正しく設定されていない。結果的に、ユーザはスキャン装置を対象に近づける又は対象から遠ざけるように動かさなければならない。重ね合されたパターンを用いて、スキャン装置のスキャンされる対象までの距離は非常に素早く、並びに簡単で、直観的で及びよりロバストな方法で位置合わせされることができる。
【００１９】
他の実施例において、投影ユニットは、基本パターン及び補足パターンを有する主パターンを投影するために構成され、ここで正しい位置及び／又は方位は、対象に対するスキャン装置の正しい角度である。基本パターンの他に、主パターンは、補足パターンも有することができ、この補足パターンは例えば基本パターンの円の外側において２つの異なる側に配される２つの追加の線により構成される。本実施例において規定される主パターンは、スキャンされる対象に対するスキャン装置の距離及び／又は角度の位置合わせを容易にする。よって、更新される位置合わせ画像において静的な主パターンと派生パターンとが一致しない場合、ユーザは前記対象に対して前記スキャン装置を回転しなければならないかもしれない。位置合わせ画像に含められる静的な主パターン及び派生パターンの視覚的フィードバックは、スキャン装置の角度位置の素早く、簡単な、直観的な及びよりロバスト性のある位置合わせにつながる。
【００２０】
もう１つの実施例において、スキャン装置はさらに、取り込まれた生のカメラ画像を処理するためであり、及びこの処理される生のカメラ画像を重畳ユニットに供給するために構成される処理ユニットを有する。この処理ユニットを用いて、生のカメラ画像は、主パターンにより重ね合される前に適応する。これは、更新された位置合わせ画像の品質を向上させることにつながり、結果的に前記対象に対して前記スキャン装置のより正確な位置合わせを容易にする。
【００２１】
他の実施例において、前記処理ユニットは、生のカメラ画像を拡大するために構成される。この拡大（ズーム）機能は、画像取込ユニット及び投影ユニットのアスペクト比を合致させるのに使用されることができる。処理ユニットは、投影ユニット及び画像取込ユニットの図形特性を同期させるに使用されてもよいので、この投影ユニットと画像取込ユニットとの非常に柔軟な組み合わせが達成される。その上、静的な主パターン及び生のカメラ画像の重畳の質が向上し、これにより、スキャン装置のより正確な位置合わせが容易になる。その代わりに、拡大比はさらに、視覚的フィードバックの感度を向上させるため及びテクスチャゴースト(texture ghosting)を減らすためにさらに増大することができる。
【００２２】
もう１つの実施例において、前記処理ユニットは、スキャン装置が較正対象に適切に位置合わせされているとき、更新される位置合わせ画像において主パターンと派生パターンとが実質的に一致するように生のカメラ画像を変形するために構成される。本実施例において、スキャン装置は、較正対象に対して前記スキャン装置を最初に位置合わせるためのオプションを提供する。この較正対象に対し、適切な距離及び角度がユーザにより知られる。これは、スキャン装置が既知の距離及び角度で位置決められている場合、更新された位置合わせ画像において静的な主パターンと派生パターンとは理論上は一致すべきであることを意味している。前記パターンが一致しない場合、このとき処理ユニットは、更新される位置合わせ画像において主パターンと派生パターンとが最終的に一致するように、生のカメラ画像を変形するようにプログラムされる。見つかった変形は記憶され、視覚的フィードバックのループに利用される。この方法は視覚的フィードバックを向上させる。
【００２３】
他の実施例において、重畳ユニットは、主パターンのとは異なる輝度及び／又は色を取り込まれた生のカメラ画像に適用するために構成される。異なる輝度及び／又は色は、主パターンと派生パターンとをより簡単に識別することを可能にする。結果として、ユーザはスキャン装置をより正確に位置合わせることができる。
【００２４】
もう１つの実施例において、重畳ユニットは、連続して取り込まれる生のカメラ画像と主パターンとを繰り返し重ね合わせることにより、位置合わせ画像を繰り返し更新するために構成される。本実施例において、ユーザは、スキャン装置の位置及び／又は方位を変更するとき、連続する視覚的フィードバックを得る。従って、この方法は、スキャン装置の位置合わせの速度を上げる。
【００２５】
他の実施例において、スキャン装置は、更新される位置合わせ画像においてゴーストパターンを抑制又は回避するために構成される。連続して取り込まれる生のカメラ画像と主パターンとを繰り返し重ね合わせることにより、位置合わせ画像を繰り返し更新するとき、この更新される位置合わせ画像は、投影ユニット、画像取込ユニット及び重畳ユニットから構成される閉ループから結果生じる多くのゴーストパターンを有する。これらゴーストパターンは、前記パターンの全てが同じ方向に外れるため、邪魔だとは気付かず、さらに位置合わせの微調整中にユーザを支援する一方、ゴーストパターンは、幾つかの実施例において効果的に抑制される又はさらに回避されることができる。
【００２６】
もう１つの実施例において、重畳ユニットは、生のカメラ画像の背景から派生パターンをセグメント化するために生のカメラ画像のコントラストを強調すること、及び輝度が主パターンの輝度よりも既定の割合だけ低いように、生のカメラ画像の輝度を正規化することによりゴーストパターンを抑制するように構成される。これらの方法により、位置合わせ画像が実質的に静的な主パターン及び派生パターンだけを有し、この位置合わせ画像は、本実施例において画像取込ユニットから見たときの主パターンによりまさに構成される。ゴーストパターン及び投影されるパターンに無関係な他の画像内容（二重のゴーストの鼻／目等）が抑制される。結果として、ユーザの着目点はまさにこれら２つのパターンに向けられる。
【００２７】
他の実施例において、画像取込ユニットは、派生パターン及び生のカメラ画像が画像取込ユニットから見たときの主パターンにより唯一構成されるように、画像取込ユニットと投影ユニットとを同期させることによりゴーストパターンを回避するように構成される。画像取込ユニットにより静的な主パターンが分かっている場合、この画像取込ユニットは、画像取込ユニットから見たときの主パターンを唯一含んでいる画像を取得することを可能にする。従って、ゴーストパターンはこの方法により効果的に回避されることができる。
【００２８】
他の実施例において、投影ユニットは、主パターンには第１のカラーチャンネルを用いて、及び派生パターンには第２のカラーチャンネルを用いて更新される構成画像を投影するために構成され、ここで、画像取得ユニットは、少なくとも第１のカラーチャンネルを用いて生のカメラ画像を取り込むために構成される。本実施例において、有利には、カラー投影ユニット及びカラー画像取得ユニットが使用される。異なるカラーチャンネルを用いて主パターン及び派生パターンを投影並びに取得することにより、混乱させる可能性を秘めるゴーストパターンの発生が回避されることができる。
【００２９】
もう１つの実施例において、スキャン装置は、少なくとも対象の一部の３Ｄ形状を表す３Ｄデータを決定するために構成される。３Ｄスキャナは、対象の形状及び可能であれば対象の外観（例えば色）に関するデータを集めるためにこの対象を分析する。集められた３Ｄデータは、デジタルの３次元モデルを構成するのに使用されることができる。この３Ｄデータは、多様な応用に有用である。例として、これらは、娯楽産業により映画及びテレビゲームの製作において広く用いられる。他の一般的な応用は、工業デザイン、歯列矯正及び補綴学、リバースエンジニアリング及びプロトタイピング、品質管理／検査、並びに文化的遺物の文書化を含む。
【００３０】
他の実施例において、スキャン装置は、前記３Ｄデータをデータ記憶ユニットに送るためのインタフェースを有する。ある実施例において、データ記憶ユニットは、前記スキャン装置のすぐ隣に置かれるか、又はスキャン装置に組み込まれることもできる。もう１つの実施例において、データ記憶ユニットは遠隔的に例えば３Ｄデータが製品を製造するのに使用される製造所に置かれる。
【００３１】
例えば、前記対象は人間の顔でもよい。人間の顔の３Ｄデータは例えば、例えば治療用の患者マスクのような人間に対し個別化されるマスク、又は映画の製作のような他の応用のための如何なる他の形式のマスクを製造するのに使用される。
【００３２】
本発明の方法の好ましい実施例において、静的な主パターンが対象に投影され、ここで指示を供給するステップ、並びに位置及び／又は方位を変更するステップは、取り込まれた生のカメラ画像と静的な主パターンとを重ね合わせることにより位置合わせ画像を更新するステップ、更新された位置合わせ画像を対象に投影するステップ、並びに更新された位置合わせ画像において静的な主パターンと派生パターンとが実質的に一致するように、スキャン装置の位置及び／又は方位を変更するステップ、を有する。本実施例は、対象に対してスキャン装置を位置合わせするための直観的な方法を提供し、故にスキャナを使用するスタッフに特別な訓練は必要ない。
【００３３】
もう１つの実施例において、前記方法はさらに、主パターンの中心が対象の中心を示すようにスキャン装置を位置合わせるステップを有する。主パターンの中心は例えば、基本パターンの円とすることができる。この円の中心は次いで、この中心が対象の中心を示すように位置合わせされる。この対象の中心は例としてスキャンされる人間の鼻である。これはスキャン装置の距離及びスキャン装置の角度の正確な位置合わせを支援する。
【００３４】
もう１つの実施例において、前記方法はさらに、主パターンの垂直な対称軸が対象の垂直な対称軸と一致するようにスキャン装置を位置合わせるステップを有する。対象の垂直な対称軸は例えば、鼻梁を含む人間の顔の垂直な中心線とすることができる。このパターンは、位置合わせ処理中にユーザを支援し、スキャン装置の正しい位置決めを楽にする。
【００３５】
本発明のさらに他の態様において、スキャン装置の投影ユニットは、マーカーのパターンを有する主パターンを投影するために構成され、ここで位置合わせユニットは、取り込まれる生のカメラ画像に基づいて投影されるマーカーのパターンの深度値を決定するため、及び決定される深度値に基づいてスキャン装置の位置合わせ誤差を計算するための計算ユニットを有し、前記深度値は、投影されるマーカーのパターンの位置とスキャン装置との間の距離を表し、前記位置合わせ誤差は、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位からのスキャン装置の実際の位置決め偏差を表し、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示は、位置合わせ誤差に基づいている。本実施例において、スキャン装置は、位置合わせ誤差に関するフィードバックを連続して提供するために構成される。これは、対象に対するスキャン装置の非常に早く、正確な位置合わせを保証する。
【００３６】
スキャン装置の他の実施例において、位置合わせユニットは、投影されるマーカーのパターンの位置を決定するための検出ユニットを有する。この検出ユニットを用いて、マーカーのパターンは、非常に迅速に特定されることができる。結果として、位置合わせ誤差及び指示は夫々、如何なる実質的な遅延なしに供給されることができる。これは、スキャン装置の素早く、使いやすい位置合わせにつながる。
【００３７】
スキャン装置のもう１つの実施例において、位置合わせユニットは、スキャン装置のオペレータにスキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を示すための提示ユニットを有する。スキャン装置から供給される直接のフィードバックを用いて、ユーザ、例えば睡眠の専門家は、スキャン装置の位置に関する位置合わせ誤差に直に反応することができる。これは、スキャナの正しい位置合わせを保証し、結果的に例えば患者の顔の正確なスキャンにつながる。
【００３８】
スキャン装置の他の実施例において、前記提示ユニットは、位置合わせ誤差の量及び／又は方向を有するスキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を示すために構成される。本実施例において、スキャン装置のユーザは、位置合わせ誤差の方向及び量に関する正確な情報を受信する。スキャン装置のユーザは、スキャナが対象に対してどの位動かされる及び／又は回転しなければならないかを正確に知っているので、位置合わせ手続きは早められる。
【００３９】
スキャン装置のもう１つの実施例において、前記提示ユニットは、主パターンと、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を有する画像とを重ね合わせることにより位置合わせ画像を更新するためのオーバーレイユニットを有する。映像化は、位置合わせ誤差を示すための非常に直観的な方法を提供する。よって、位置合わせ誤差が例えば、人間の顔の前額領域に投影される。これは、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位に対するフィードバックがスキャン装置を操作しているユーザの視野内に直接示されることを意図している。これは、さらにユーザフレンドリーであり、簡単な位置合わせ手続きにつながる。その上、位置合わせ誤差を表示するための追加のハードウェアは必要ない。
【００４０】
スキャン装置の他の実施例において、前記提示ユニットは、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を有する画像を表示するための視覚表示ユニットを有する。本実施例において、位置合わせ誤差に関する情報を示すための別個のユニットが使用される。この外部表示ユニットは、スキャン装置を操作しているユーザから如何なる距離にでも位置決めることができる。さらに、前記情報は、如何なるフォーマットで示されることができ、例えばオペレータの要求に応じて拡大されることもできる。さらに、スキャン装置が前記対象に対してどの位動かされる及び／又は回転しなければならないかをユーザに通知する追加のテキストが視覚表示ユニット上に供給されることができる。
【００４１】
スキャン装置のもう１つの実施例によれば、前記提示ユニットは、スキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を有する情報を音響的に供給するための音響ユニットを有する。この音響ユニットは例えば、位置合わせ手続きにわたり、スキャン装置のオペレータを誘導するための情報を音響的に供給するスピーカーを有することができる。この音響的情報は、位置合わせ誤差の視覚表示の代わりに又はそれに加えて供給されることができる。
【００４２】
スキャン装置のもう１つの実施例において、投影ユニットは、空間的及び／又は時間的に符号化されたパターンを有するマーカーのパターンを投影するために構成される。このような符号化されたパターンは、投影されるマーカーのパターンの検出を楽にして、それにより、より早い位置合わせ手続きにつながる。
【００４３】
スキャン装置のもう１つの実施例によれば、投影ユニットは、静的な要素のパターンを有する主パターンを投影するために構成される。この静的な要素のパターンは例えば、位置合わせ手続きの最初に、人間の顔の目及び／又は鼻の先と位置合わせされる必要がある２つの円及び／又は１つの十字を有する。静的な要素のパターンの利用は、スキャン装置の最初の大まかな位置合わせを提供する。結果的に、スキャン装置の位置及び／又は方位の微調整に対する位置合わせ誤差の指示だけが必要とされる。結果として、位置合わせ手続きは早められることができる。
【００４４】
本発明の方法のさらに他の態様によれば、マーカーのパターンを有する主パターンが対象に投影され、ここで指示を供給するステップは、取り込まれる生のカメラ画像に基づいて、投影されるマーカーのパターンの深度値を決定するステップであり、前記深度値は投影されるマーカーのパターンの位置とスキャン装置との間の距離を表している、前記決定するステップ、前記決定した深度値に基づいてスキャン装置の位置合わせ誤差を計算するステップであり、前記位置合わせ誤差はスキャン装置の正しい位置及び／又は方位からのスキャン装置の実際の位置決め偏差を表している、前記計算するステップ、並びに前記位置合わせ誤差に基づいてスキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するステップ、を有する。提案される方法は、スキャン装置のオペレータに位置合わせ誤差に関する直接のフィードバックを連続して供給することにより位置合わせ手続きを向上させる。このフィードバックは、投影されるパターンに追加される、又は例えば別個のスクリーン又は音響ユニットのような他のモダリティを通じて与えられることができる。示される位置合わせ誤差を用いて、スキャン装置のオペレータは、位置合わせ手続きにわたり直観的に誘導される。結果として、スキャナは非常に迅速で正確に対象に位置合わせされることができる。
【００４５】
もう１つの実施例によれば、前記方法はさらに、深度値を決定する前に投影されるマーカーのパターンの位置を決定するステップを有する。最初に、投影されるマーカーのパターンは、取り込まれた生のカメラ画像において特定されなければならない。このマーカーの位置が決定されるとすぐに、このマーカーの深度値が３Ｄスキャナを用いて連続して推定される。深度値の推定に基づいて、スキャン装置の位置合わせ誤差が計算され、スキャナのオペレータに供給される。有利には、主パターンは、対象に投影される複数のマーカーのパターンを有する。これは、位置合わせ誤差の計算を楽にする。
【００４６】
請求される方法は、請求される装置のような及び従属請求項に規定されるような類似する及び／又は同一の好ましい実施例を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】対象をスキャンするためのスキャン装置の好ましい実施例を示す。
【図２ａ】スキャン装置により対象に投影される、位置合わせ画像に含められる静的な主パターンの実施例を示す。
【図２ｂ】スキャン装置により対象に投影される、位置合わせ画像に含められる静的な主パターンの実施例を示す。
【図３ａ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図３ｂ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図４ａ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図４ｂ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図５ａ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図５ｂ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図６ａ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図６ｂ】スキャン装置の位置合わせ不良に対する位置合わせ画像を示す。
【図７】対象に対してスキャン装置を位置決めるための方法の好ましい実施例を説明する図を示す。
【図８】本発明の他の態様による対象をスキャンするためのスキャン装置のもう１つの好ましい実施例を示す。
【図９】本発明の他の態様によりスキャン装置の正しい位置及び／又は方位の指示を含む例示的な主パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に開示される実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。
【００４９】
図１は、例として人間１４の顔１２をスキャンするためのスキャン装置１０を示す。例示的な本実施例において、スキャン装置１０は、顔１２の３Ｄ表示を生成するために、顔１２の顔面をスキャンするように構成される手持ち式の３Ｄスキャナである。３Ｄ表現は例えば、治療中に利用される顔面マスクを製造するために用いられる。この３Ｄ表現を達成するために、スキャナ１０は、このスキャナ１０と顔１２の顔面との間の距離を測定しなければならない。これは一般的に、既知の三角測量法を利用することにより行われる。
【００５０】
スキャナ１０は、投影ユニット１６及び画像取込ユニット１８を有する、並びに構造化照明の原理に基づいている。投影ユニット１６は例えばＬＣＤ／ＤＭＤプロジェクター１６である。画像取込ユニット１８はカメラ１８、通例は電荷結合又はＣＭＯＳ装置である。構造化照明の手持ち式の３Ｄスキャナ１０は、プロジェクター１６を用いて顔１２に光のパターンを投影する。顔１２の３Ｄ表示を生成するために、スキャナ１０は、カメラ１８を用いて取り込まれる前記パターンの変形を評価する。図１に見られるように、カメラ１８は、パターンプロジェクター１６より僅かにオフセットしている。カメラ１８は、プロジェクター１６とは異なる角度からの投影されるパターンを見るので、前記パターンは、スキャナ１０と顔１２の表面の地点との間の距離によって、カメラ１８の視野内の異なる場所に現れる。この技術は三角測量と呼ばれる。スキャナ１０と顔１２の各々の表面の地点との間の距離を計算することにより、顔１２の３Ｄ表示が達成される。
【００５１】
この開示される手法から、顔１２に対するスキャナ１０の位置合わせが極めて重要な問題であることは明らかである。正確なスキャンを取得するために、スキャナ１０は、顔１２から一定の距離及び角度で位置決められなければならない。この位置合わせ処理を支援するために、スキャナ１０は、パターン発生器２０、重畳ユニット２２及び処理ユニット２４を有する。パターン発生器２０は、静的な主パターン２６を発生させ、このパターンは、重畳ユニット２２を介してプロジェクター１６に供給される。投影ユニット１６は、前記静的な主パターン２６を有する位置合わせ画像２８を顔１２に投影する。次いで、カメラ１８が顔１２の生のカメラ画像３０を取り込む。ここで生のカメラ画像３０は、カメラ１８から見たときの投影される位置合わせ画像２８を有する。結果として、この生のカメラ画像３０は、前記静的な主パターン２６から得られるパターンである、派生パターン３２を有する。
【００５２】
取り込まれた生のカメラ画像３０は次いで、処理ユニット２４に供給され、この処理ユニットは例えば、この生のカメラ画像を拡大し、視覚的フィードバックの感度を向上させる。他のステップにおいて、処理される生のカメラ画像３０は重畳ユニット２２に供給される。重畳ユニット２２は、この処理される生のカメラ画像３０と静的な主パターン２６とを重ね合わせることにより、更新される位置合わせ画像２８を生成する。この更新される位置合わせ画像２８は、プロジェクター１６を用いて再び顔１２に投影される。重畳ユニット２２により実行される重畳の結果として、更新される位置合わせ画像２８は、静的な主パターン２６と派生パターン３２とを有する。オプションとして、重畳ユニット２２は、静的な主パターン２６及び派生パターン３２に異なる輝度レベル及び／又は色を適用してよい。従って、ユーザは投影される位置合わせ画像２８において前記パターン２６、３２を非常に簡単に識別することができる。有利なことに、派生パターン３２は更新される位置合わせ画像２８において、ユーザが静的な主パターン２６と派生パターン３２とを直観的に認識するように、より低い輝度で見える。
【００５３】
スキャナ１０の好ましい実施例において、位置合わせ画像２８を投影する、生のカメラ画像２０を取り込む、取り込まれた生のカメラ画像３０と静的な主パターン２６とを重ね合わせることにより更新される位置合わせ画像２８を生成する、及び更新された位置合わせ画像２８を再び投影することからなるシーケンスは連続して繰り返される。これは、顔１２に対するスキャナ１０の正確な位置合わせを確保する。
【００５４】
図２ａは、基本パターン３４を有する静的な主パターン２６の例示的な実施例を示す。基本パターン３４は、円３４及び十字のパターン３８により構成される。好ましくは、ユーザは、円３６の中心が顔１２の中心（例えばスキャンされる人間１４の鼻）を示すようにスキャナ１０を位置合わせする。その上、ユーザは、十字のパターン３８の垂直な対称軸が顔１２の垂直な対称軸（例えば人間１４の鼻梁を有する顔１２の中心線）と一致するように、スキャナ１０を垂直方向に位置合わせる。以下の例から明らかとなるように、図２ａの静的な主パターン２６は、スキャナ１０と顔１２との間の距離に対して、スキャナ１０の正しい位置合わせを容易にする。しかしながら、図２ａの静的な主パターン２６は、顔１２に対してスキャナ１０の方位を較正するのには適さない。
【００５５】
図２ｂは、基本パターン３４及び補足パターン４０を有する静的な主パターン２６を説明し、これは顔１２に対するスキャナ１０の垂直方向の角度の位置合わせを可能にする。この例において、プロジェクター１６及びカメラ１８は互いに垂直方向に配列されると仮定される。スキャナ１０の垂直方向の角度は、補足パターン４０の上部及び下部の両方を視察することにより位置合わせされ得る。
【００５６】
図３から図６は、顔１２に対してスキャナ１０の異なる位置合わせ不良の様々な位置合わせ画像２８を示す。連続する位置合わせ画像２８の全てにとって、プロジェクター１６は、カメラ１８よりも上で垂直方向に配される。一般的に、スキャナ１０は、顔１２に投影される更新される位置合わせ画像２８において静的な主パターン２６と派生パターン３２とが実質的に一致する場合、顔１２に対して正確に位置決められる及び／又は配向される。前記２つのパターン２６、３２が位置合わせ画像２８において一致しない場合、ユーザは、主パターン２６及び派生パターン３２が凡そ一致するまで、顔１２に対してスキャナ１０のスキャン距離及び／又は角度を調節しなければならない。図３から図６を用いて、位置合わせ画像２８の観察されるパターン２６、３２を解釈するために、ユーザがする方法が説明される。
【００５７】
図３から図５において、静的な主パターン２６は、実線で描かれている一方、派生パターン３２は、破線で描かれている。
【００５８】
図３ａは、位置合わせ画像２８の一例を示し、ここでスキャナ１０は、顔１２に近すぎて位置決められる。結果として、ユーザは、スキャナ１０の距離を正確に位置合わせるために、スキャナ１０を遠ざけるように移動させなければならない。
【００５９】
図３ｂは、正反対の例を説明し、ここでスキャナ１０は、顔１２から離れすぎて位置決められる。結果として、スキャナ１０は顔１２に近づくように移動しなければならない。
【００６０】
図４及び５は、異なる位置合わせ画像２８を示し、ここで静的な主パターン２６は、基本パターン３４及び補足パターン４０を有し、これはさらにスキャナ１０の正しい方位の追跡を容易にする。
【００６１】
図４ａにおいて、スキャナ１０は、顔１２に近すぎて位置決められ、従ってスキャナ１０は遠ざけるように移動しなければならない。図４ｂは図４ａに示される例と正反対の例を説明している。従ってスキャナ１０は、顔１２から離れすぎて位置決められる。故に、スキャナ１０は顔１２に近づくように移動しなければならない。
【００６２】
図５は、スキャナ１０と顔１２との間の方位（角度）に関して、顔１２に対し位置合わせされていないスキャナ装置１０の２つの例である。図５ａにおいて、カメラ１８は、プロジェクター１６よりも顔１２に近い。これはスキャナ１０が顔１２に対して上に向いていることを意味している。故に、ユーザは、スキャナ１０を下に向けなければならない。図５ｂに説明される例において、カメラ１８はプロジェクター１６よりも顔１２から離れている。スキャナ１０は基本的に下を向いているため、ユーザがスキャナ１０を上に向けなければならない。
【００６３】
この位置合わせ手続きは、スキャンされる対象に対してスキャン装置１０の正しい位置及び／又は方位が定められるとき、主パターン２６と派生パターン３２とは実質的に一致するという意味で、スキャナ１０は正しく事前に位置合わせされると推測する。事前の位置合わせは例えば、較正対象１２に対してスキャナ１０を適切に位置合わせることにより行われることができ、ここで、スキャン装置１０の正しい位置及び／又は方位は前もって既に知られている。静的な主パターン２６及び派生パターン３２が適切に位置合わされたスキャン装置１０の位置合わせ画像２８において一致しない場合、処理ユニット２４は、主パターン２６及び派生パターン３２が位置合わせ画像２８において一致するような画像の変形を検索するようにプログラムされる。特に、処理ユニット２４は、主パターン２６及び派生パターン３２の正確な範囲が確保されるまで、取り込まれた生のカメラ画像３０を（線形に）変形することができる。スキャナ１０のこの事前の位置合わせを用いて、顔１２に対するスキャナ１０の正確な位置合わせが達成される。
【００６４】
プロジェクター１６、カメラ１８、処理ユニット２４及び重畳ユニット３４（図１も参照）からなるループの結果として、位置合わせ画像２８は、多くのゴーストパターン４２を有する。図６において、簡潔さのために１つのゴーストパターン４２（図６の点線を参照）だけしか描かれていない。
【００６５】
ゴーストパターン４２は、（ゴーストパターン４２全てが主パターン２６に対して同じ方向に外れるので）スキャナ１０の微細な位置合わせ中に邪魔だと感じたことはなく、それどころかユーザを支援する一方、これらゴーストパターンは、位置合わせ画像２８において効果的に抑制される若しくは回避されることができる。ゴーストパターン４２を抑制若しくは回避する方法の幾つかのオプションがある。
【００６６】
ある実施例において、生のカメラ画像３０は、（場合により幾つかのゴーストパターン４２を有する）観察される派生パターン３２を背景から分割し、テクスチャゴースト(texture ghosting)を減らすために、コントラスト強調される。さらに、生のカメラ画像３０の輝度は、この輝度が主パターン２６の輝度よりも低い何分かの１になるように正規化される。これらのステップは画像ゴーストも減らす。
【００６７】
代替実施例において、カメラ１８は、このカメラ１８が主パターン２６だけを有する生のカメラ画像３０のみを取得するようにプロジェクター１６と同期する。結果として、プロジェクター１６は、主パターン２６及び派生パターン３２だけを有する位置合わせ画像２８を投影し、これはカメラ１８から見たときの主パターン２６だけを有する。プロジェクター１６とカメラ１８との間の同期手続き中、主パターン２６の形状はカメラ１８に供給される。これは、カメラ１８が主パターン２６だけを自動的に検出及び取り込むことを可能にする。
【００６８】
他の実施例において、カメラ１８及びプロジェクター１６にカラーカメラ及びカラープロジェクターが使用される。結果的に、主パターン２６及び観察される派生パターン３２は、異なるカラーチャンネルを用いて投影され、取得される。特に、プロジェクター１６は、更新された形状の画像２８を顔１２に投影するとき、主パターン２６に第１のカラーチャンネルを及び派生パターン３２に第２のカラーチャンネルを使用することができる。カメラ１８が例えば生のカメラ画像３０を取り込むために第１のカラーチャンネルを使用する場合、この生のカメラ画像３０はカメラから見たときの主パターン２６だけを有する。結果として、ゴーストパターン４２は効果的に回避されることができる。
【００６９】
図７は、対象１２に対してスキャン装置１０を位置決めるための方法４４の好ましい実施例を説明するための図を示す。
【００７０】
第１のステップ４６において、位置合わせ画像２８が対象１２に投影され、ここで位置合わせ画像２８は静的な主パターン２６を有する。
【００７１】
ステップ４８において、スキャン装置１０が対象１２に対して位置合わせされる。位置合わせ手続きは、主パターン２６の中心が対象１２の中心を示すようにスキャン装置１０を位置決めるステップを有する。さらに、スキャン装置１０は、主パターン２６の垂直な対称軸が対象１２の垂直な対称軸と一致するように位置決められるべきである。
【００７２】
ステップ５０において、対象１２の生のカメラ画像３０が取り込まれ、ここで生のカメラ画像３０は、画像を取り込む視点から見たときの投影される位置合わせ画像２８を有する。その上、生のカメラ画像３０は、派生パターン３２を有し、このパターンは、前記画像を取り込む視点から見たときの静的な主パターン２６から構成される。
【００７３】
ステップ５２において、生のカメラ画像３０が処理される。ある例示的な実施例において、生のカメラ画像３０は例えば、カメラ１８及びプロジェクター１６のアスペクト比を合致させるために拡大されることができる。もう１つの実施例において、拡大比は、視覚的フィードバックの感度を改善する、及びテクスチャゴーストを減らすためにさらに増大することができる。
【００７４】
ステップ５４において、位置合わせ画像２８は、取り込まれる生のカメラ画像３０及び静的な主パターン２６を重ね合わせることにより更新される。任意で、生のカメラ画像３０及び静的な主パターン２６に異なる輝度及び／又は色が適用されることができる。これは、位置合わせ画像２８内における派生パターン３２と静的な主パターン２６との差別化を楽にする。
【００７５】
次のステップにおいて、更新される位置合わせ画像２８が対象１２に投影され、これにより再びステップ４６に戻る。
【００７６】
更新される位置合わせ画像２８において静的な主パターン２６と派生パターン３２とが一致しない場合、ユーザは再びステップ４８の更なる繰り返しにおいて対象１２に対してスキャナ１０を位置合わせなければならない。故に、位置合わせステップ４８は、スキャンした対象１２に対してスキャン装置１０の位置及び／又は方位を変更するステップも有する。
【００７７】
ステップ４６から５４は、更新される位置合わせ画像２８において静的な主パターン２６と派生パターン３２とが実質的に一致するまで繰り返される。この状態が達成されると、スキャナ１０は対象１２に正しく位置合わせされる。結果として、対象１２の正確なスキャンが獲得される。さらに、スキャンされる対象がスキャナの動作範囲内にあることが保証される。
【００７８】
要約すれば、図１から図７は、対象１２をスキャンするためのスキャン装置１０を開示し、ここでスキャン装置１０は、位置合わせ画像２８を対象１２に投影するための投影ユニット１６であり、前記位置合わせ画像は静的な主パターンを有する、投影ユニット、対象１２の生のカメラ画像３０を取り込むための画像取込ユニット１８であり、前記生のカメラ画像３０は前記静的な主パターン２６の派生パターン３２を有する、前記派生パターン３２は画像取込ユニット１８から見たときの前記投影される位置合わせ画像２８を表している、画像取込ユニット１８、取り込まれた生のカメラ画像３０と静的な主パターン２６とを重ね合わせることにより前記位置合わせ画像２８を更新するための重畳ユニット２２であり、前記更新される位置合わせ画像２８は、前記更新される位置合わせ画像２８において前記静的な主パターン２６と派生パターン３２とが実質的に一致する場合、スキャンされる対象１２に対してスキャン装置１０の正しい位置及び／又は方位を示している、重畳ユニットを有する。
【００７９】
さらに、図１から図７は、スキャンされる対象１２に対してスキャン装置１０を位置決めるための方法に関し、ここでこの方法は、位置合わせ画像２８を対象１２に投影するステップであり、前記位置合わせ画像は静的な主パターン２６を有する、前記投影するステップ、対象１２の生のカメラ画像３０を取り込むステップであり、前記生のカメラ画像３０は前記静的な主パターン２６の派生パターン３２を有する、前記派生パターン３２は画像を取り込む視点から見たときの前記投影される位置合わせ画像２８を示している、前記取り込むステップ、取り込まれた生のカメラ画像３０と静的な主パターン２６とを重ね合わせることにより位置合わせ画像２８を更新するステップ、更新される位置合わせ画像２８を対象１２に投影するステップ、並びに先のステップを繰り返すとき、更新される位置合わせ画像２８において静的な主パターン２６と派生パターン３２とが実質的に一致するように、スキャン装置１０の位置及び／又は方位を変更するステップ、を有する。
【００８０】
本発明の他の態様によれば、図８は、対象１２をスキャンするためのもう１つのスキャン装置１０'の実施例を説明している。一般に、このスキャン装置１０'は、図１に示されるスキャン装置１０の実施例に対応している。従って、対応するユニット／要素は同じ参照番号によりタグ付けされている。以下において、違うところだけが説明される。
【００８１】
図８に示されるように、スキャン装置１０'は、パターン発生器２０、投影ユニット１６及びカメラ１８に結合される位置合わせユニット２２'を有する。この位置合わせユニット２２'は、検出ユニット６０、計算ユニット６２及び提示ユニット６４を有する。スキャン装置１０'の説明される例示的な実施例において、提示ユニット６４は、オーバーレイユニット６６及び音響ユニット６８を有する。代替実施例において、提示ユニット６４は、オーバーレイユニット６６又は音響ユニット６９の何れか一方を有することができる。スキャン装置１０'のさらに他の代替実施例において、提示ユニット６４は、スキャン装置１０'の外側に配されることもでき、例えばワイヤレス通信を用いて計算ユニット６２に接続されるタブレットＰＣのような外部の視覚表示ユニットを有することができる。
【００８２】
以下において、位置合わせユニット２２'の機能は、図８と図９とを組み合わせて説明する。スキャン装置１０'の本実施例において、パターン発生器２０は、主パターン２６を発生させ、この主パターンは静的な要素のパターン７０と複数のマーカーのパターン７２とを有する。主パターン２６は、位置合わせユニット２２'に供給され、このユニットは主パターン２６を投影ユニット１６に送る。図１に示される実施例にあるように、投影ユニット１６は位置合わせ画像２８を人間の顔１２に投影し、ここで位置合わせ画像２８は主パターン２６を有する。静的な要素のパターン７０は、人間１４の目及び顔１２夫々に位置合わせされる楕円形形状のパターン７０ａを有する。加えて、静的な要素のパターン７０は、スキャン装置１０'の位置合わせ手続き中、人間１４の鼻の先に焦点を合わせる必要がある十字７０ｂを有する。静的な要素のパターン７０を人間１４の様々な顔の特徴に当てることにより、スキャン装置１０'の大まかな初期の位置合わせが行われる。結果として、スキャナ１０'の位置合わせが早められる。
【００８３】
位置合わせ処理の以下のステップは、スキャン装置１０'の位置及び／又は方位の微調整を供給する。図９に説明される主パターン２６の例示的な実施例において、マーカーのパターン７２は、空間的に符号化されたパターン、特に２Ｄのバイナリコードから構成されるＡＲタグ（拡張実現タグ）を有する。代わりに、他の形式のコード、例えば時間的に符号化されたパターン（例えば時間的交互ブロック）が使用されることができる。主パターン２６の他の代替実施例において、空間的及び時間的の両方で符号化されたパターンがマーカーのパターン７２として使用される。これら空間的及び／又は時間的に符号化されたパターンは、位置合わせ処理の後のステップにおいてこれらマーカーのパターン７２が簡単に検出され得ることを保証するために利用される。
【００８４】
スキャン装置１０の実施例にあるように、カメラ１８は、主パターン２６からなる派生パターン３２を有する生のカメラ画像３０を取り込む。この派生パターン３２は、カメラから見たときの投影される位置合わせ画像２８を表すので、派生パターン３２は、静的な要素のパターン７０及びマーカーのパターン７２から得られるパターンも有する。取り込まれた生のカメラ画像３０は次いで、検出ユニット６０に送られる。検出ユニット６０は、マーカーのパターン７２の正確な位置を決定するのに用いられる。マーカーのパターン７２の検索は、マーカーのパターン７２の凡その位置が先験的に分かっているという事実により楽になる。従って、マーカーのパターン７２の正確な位置は、例えば空間的に符号化されたパターンをマーカーのパターン７２として使用するとき、検索ウィンドウにあるスライドウィンドウを相互に関連付けることにより素早く見つけられる。類似として、時間的に符号化されたパターンをマーカーのパターン７２として使用するとき、時間フィルタが利用されることができる。マーカーのパターン７２の正確な位置が一度決定／推定されたら、この位置の情報が計算ユニット６２に送られる。
【００８５】
マーカーのパターン７２の決定される位置は、夫々の深度値に直接変換される。この変換は、例えばルックアップテーブルを利用することにより行われることができる。（マーカーのパターン７２の位置に関連する）深度の推定から、スキャン装置１０'に対する顔１２の位置及び／又は方位に関する結果が描かれることを可能にするモデルが得られる。簡単なモデルは例えば、図９に説明されるマーカーのパターン７２ａ、７２ｃ及び７２ｂの深度値の傾向を決定することにより、顔１２の垂直軸に沿った方位を推定する。同様に、顔１２の水平軸に沿った方位は、マーカーのパターン７２ｄ、７２ｃ及び７２ｅの深度値の傾向から得られる。スキャン装置１０'と顔１２との間の正しい距離は、真ん中のマーカーのパターン７２ｃの深度値から又はマーカーのパターン７２ａから７２ｅに関する全ての深度値の平均からの何れか一方により得られる。要約すると、顔１２に対するスキャン装置１０'の位置合わせ誤差は、マーカーのパターン７２に関する深度の推定から計算されることができる。この位置合わせ誤差は、提示ユニット６４に送られる。
【００８６】
提示ユニット６４は、スキャン装置１０'のオペレータにこのスキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位の指示(indication)７４を示すことを担当し、ここで指示７４は、位置合わせ誤差から得られる。この指示７４はオペレータに視覚的及び／又は音響的に供給されることができる。図８に説明される実施例において、位置合わせ誤差は、音響ユニット６８と同じくオーバーレイユニット６６にも送られる。オーバーレイユニット６６は、主パターン２６と指示７４を有する画像とを重ね合わせることにより位置合わせ画像２８を更新し、この画像は位置合わせ誤差の視覚化を示している。図９に説明される例を参照すると、指示７４は、スキャン装置１０'が顔１２に対してどれだけ回転されなければならないかを示す２つの矢印（図９の表示７４における右側及び左側の矢印を参照）を有する、並びにスキャン装置１０'と人間の顔１２との間の正しい距離に対してユーザを誘導する１つの追加の矢印（図９の表示７４における真ん中にある矢印を参照）を有する。正しい位置合わせ誤差を視覚化するために、指示７４が顔１２に、好ましくは一般に顔１２の前額領域は比較的に平坦であるため、この前額領域に投影される。
【００８７】
指示７４に説明される３つの矢印の代わりに又はそれら矢印に加え、指示７４は、位置合わせ誤差の量を視覚化する誤差のスケールを有してもよい。さらに、前記指示７４の一部としてジンバル(gimbal)が視覚化されることもできる。
【００８８】
音響ユニット６８は、音響の表現のために前記位置合わせ誤差を処理し、この処理された情報をスピーカーに送る。処理された情報は、例えば"左に向ける"、"右に向ける"、"近づける"及び／又は"遠ざける"のような音響的指示７４を有してもよい。
【００８９】
スキャン装置１０'は、マーカーのパターン７２の深度値を連続して測定する、及び現在の位置合わせ誤差に関する連続的なフィードバックをスキャン装置１０'のオペレータに供給することが可能である。位置合わせ誤差は、スキャナのオペレータに視覚的及び／又は音響的に示される。位置合わせ誤差に基づく指示７４は、位置合わせ手続き中、スキャン装置１０'の直観的な取扱いを保証する。さらに、与えられる指示７４は、対象１２に対するスキャナ１０'の非常に素早く及び正確な位置合わせにつながる。現在の位置合わせ誤差を迅速に減らすために、位置合わせ誤差の量及び方向を示すことにより、スキャナ１０'のオペレータは、スキャナ１０'がどれだけ回転する及び／又は動く必要があるかについて誘導される。
【００９０】
スキャン装置１０'は、このスキャン装置１０'の簡単及び快適な較正も容易にする。ここでスキャナ内部の単位から"現実世界"の座標への（非線形の）変換が決定される。このような較正処理に必須のツールは、適切な較正テンプレートである。この較正テンプレートは例えば、既知の間隔を有するマーカーを備える完全に平坦なボードである較正チャートとすることができる。較正するために、スキャン装置１０'は、前記較正ボードに対して多数の異なる距離及び／又は角度で位置決められ、ここでスキャン装置１０'は、前記較正ボードにパターンを投影する。較正手続きは通常、スキャン装置１０'の位置決めに対して一定の自由度を許しているので、凡その距離及び／又は角度でスキャン装置１０'を位置決めるのに十分である。この位置決めは、前記較正ボードに対してスキャナ装置１０'の正しい位置を示す指示７４を供給することにより、このスキャン装置１０'により支援される。従って、提案されるスキャン装置１０'は、経験不足のユーザもスキャナの較正を行うことを可能にする。例えばラップトップのような追加の特別な機器は必要ない。
【００９１】
本発明の他の態様によれば、図８及び図９は、対象１２をスキャンするためのスキャン装置１０'を開示し、ここでスキャン装置１０'は、位置合わせ画像２８を対象１２に投影するための投影ユニット１６であり、位置合わせ画像は主パターン２６を有する投影ユニット、対象１２の生のカメラ画像３２を取り込むための画像取込ユニット１８であり、生のカメラ画像は主パターン２６の派生パターン３２を有する、前記派生パターン３２は画像取込ユニット１８から見たときの前記投影される位置合わせ画像２８を示す画像取込ユニット１８、並びに取り込まれた生のカメラ画像３０に基づいて、スキャンされる対象１２に対してスキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するための位置合わせユニット２２'を有し、ここで投影ユニット１６は、マーカーのパターン７２を有する主パターン２６を投影するように構成され、並びに位置合わせユニット２２'は、取り込まれた生のカメラ画像３０に基づいて、投影されるマーカーのパターンの位置とスキャン装置１０'との間の距離を表す、この投影されるマーカーのパターン７２の深度値を決定する、及び決定される深度値に基づいてスキャン装置１０'の位置合わせ誤差を計算するための計算ユニット６２を有し、位置合わせ誤差は、スキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位からのこのスキャン装置１０'の実際の位置決め偏差を表し、スキャナ装置１０'の正しい位置及び／又は方位の指示７４は、位置合わせ誤差に基づいている。
【００９２】
加えて、本発明のもう１つの態様によれば、図８及び図９は、スキャンされる対象１２に対するスキャン装置１０'を位置決めるための方法に関し、ここで前記方法は、位置合わせ画像２８を対象１２に投影するステップであり、前記位置合わせ画像２８は主パターン２６を有する、前記投影するステップ、前記対象１２の生のカメラ画像を取り込むステップであり、前記生のカメラ画像は主パターン２６の派生パターン３２を有する、前記派生パターンは画像を取り込む視点から見たときの前記投影される位置合わせ画像２８を示す、前記取り込むステップ、前記取り込まれた生のカメラ画像３０に基づいて、前記スキャンされる対象１２に対してスキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位の指示を供給するステップ、並びに先のステップを繰り返すとき、前記スキャン装置１０'が実質的に正しい位置及び／又は方位を取るように、供給された指示に基づいてスキャン装置１０'の位置及び／又は方位を変更するステップを有し、ここでマーカーのパターン７２を有する主パターン２６が対象１２に投影される、及び指示７４を供給するステップは、取り込まれる生のカメラ画像３０に基づいて投影されるマーカーのパターン７２の深度値を決定するステップであり、前記深度値は、投影されるマーカーのパターン７２の位置とスキャン装置１０'との間の距離を表している、前記決定するステップ、前記決定される深度値に基づいてスキャン装置１０'の位置合わせ誤差を計算するステップであり、前記位置合わせ誤差は前記スキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位からのスキャン装置１０'の実際の位置決め偏差を表している、前記計算するステップ、並びに前記位置合わせ誤差に基づいて前記スキャン装置１０'の正しい位置及び／又は方位の指示７４を供給するステップ、を有する。
【００９３】
本発明は、図面及び上述した説明において詳細に説明並びに開示されている一方、このような説明及び開示は、説明又は例示的であり、制限的ではない、つまり本発明は開示した実施例には限定されないと考えるべきである。開示した実施例に対する他の変形例は、図面、明細書及び特許請求の範囲を学ぶことにより請求する本発明を実施する当業者により理解及びもたらされ得る。特に、開示されるスキャン装置及び方法は、如何なる他のアプリケーション、例えば例として、映画及びテレビゲームの製作、品質管理、リバースエンジニアリング又はプロトタイピングに応用されることもできる。本明細書を通じて、"一致"という言葉は一般的に"実質的に一致"として読み取られるべきである。派生パターンは殆どの場合、例えば較正対象の３Ｄ形状から、スキャンされる対象の正確な３Ｄの頭部形状の偏差により、主パターンに対して固有の変形を有する。
【００９４】
請求項において、"有する"という言葉は、他の要素又はステップを排除するものではない。複数あることを述べなくても、それらが複数あることを排除するものではない。単独の要素又は他のユニットが請求項に挙げられた幾つかの要素の機能を果たしてもよい。ある方法が互いに異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これら方法の組み合わせが有利に使用されることができないことを示していない。
【００９５】
請求項における如何なる参照符号もその請求項の範囲を限定するとは考えるべきではない。
【図１】
0006302482.tif 000002
【図２ａ】
0006302482.tif 000003
【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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