(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成によって対象物の３次元形状を精度よく計測して入力すること。【解決手段】検出光を対象物に投射する投光手段と、対象物で反射した検出光を受光する撮像手段とを有し、光投影法によって対象物の３次元形状を入力する３次元形状入力装置であって、３次元形状演算に用いるパラメータを記憶する記憶手段６１Ｍと、撮像手段から出力される撮像データおよびパラメータを用いて対象物の３次元形状を演算する演算手段３ａと、を備えており、さらに、撮像素子５３の撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分する手段を備え、記憶手段は、区分された各領域ＥＲごとに適用されるべきパラメータを記憶しており、演算手段は、区分された各領域ＥＲごとに、各領域ＥＲに適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行うように構成される。【選択図】      図３
2005321278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出光を対象物に投射する投光手段と、前記対象物で反射した前記検出光を受光する撮像手段とを有し、光投影法によって対象物の３次元形状を入力する３次元形状入力装置であって、
３次元形状演算に用いるパラメータを記憶する記憶手段と、
前記撮像手段から出力される撮像データおよび前記パラメータを用いて対象物の３次元形状を演算する演算手段と、を備えており、さらに、
前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分する手段を備え、
前記記憶手段は、区分された各領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶しており、
前記演算手段は、区分された各領域ごとに、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行うように構成されている、
ことを特徴とする３次元形状入力装置。
【請求項２】
前記演算手段は、カメラ視線方程式および検出光平面方程式を適用して演算を行う、
請求項１記載の３次元形状入力装置。
【請求項３】
前記演算手段は、カメラ視線方程式に用いられるカメラパラメータについて、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行う、
請求項２記載の３次元形状入力装置。
【請求項４】
前記演算手段は、検出光平面方程式に用いられる投光光学系パラメータについて、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行う、
請求項２記載の３次元形状入力装置。
【請求項５】
前記投光手段は、固定スリット光を前記検出光として投射する、
請求項４記載の３次元形状入力装置。
【請求項６】
前記投光手段は、スリット光を偏向して投射することにより対象物を走査し、  前記演算手段は、前記スリット光を偏向するための偏向ミラーの角速度パラメータを含めて、各領域ごとに適用されるべきパラメータとして用いてそれぞれ演算を行う、
請求項４記載の３次元形状入力装置。
【請求項７】
前記投光手段は、縞パターンを前記検出光として投射する、
請求項４記載の３次元形状入力装置。
【請求項８】
前記各領域の境界部分において、それぞれのパラメータの値が連続するように、補間されたパラメータが用いられる、
請求項１ないし７のいずれかに記載の３次元形状入力装置。
【請求項９】
対象物に投射されて反射した検出光を撮像手段で受光して得られた撮像データに基づいて光投影法によって対象物の３次元形状を計測して入力する３次元形状入力装置であって、
３次元形状演算に用いるパラメータを記憶する記憶手段と、
前記撮像データおよび前記パラメータを用いて対象物の３次元形状を演算する演算手段と、を備えており、さらに、
前記記憶手段は、前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分したそれぞれの領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶しており、
前記演算手段は、区分された各領域ごとに、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行うように構成されている、
ことを特徴とする３次元形状入力装置。
【請求項１０】
前記演算手段は、カメラパラメータにより表されるカメラ視線方程式および投光光学系パラメータにより表される検出光平面方程式を適用して演算を行う、
請求項９記載の３次元形状入力装置。
【請求項１１】
対象物に投射されて反射した検出光を撮像手段で受光して得られた撮像データに基づいて光投影法によって対象物の３次元形状を計測して入力するための３次元形状入力装置であって、
前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分する手段と、
前記各撮像データが所属する領域を識別するための情報である領域区分情報を付す手段と、
３次元形状演算のために前記領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶する記憶手段と、
前記撮像データおよび前記パラメータを出力する出力手段と、
を有することを特徴とする３次元形状入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光投影法によって対象物の３次元形状を非接触で計測して入力する３次元形状入力装置に関し、特に撮像面における区画された撮像領域ごとに最適のパラメータを用いて３次元形状を演算するように構成された装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の物体の３次元形状のデータ（３次元形状データ）を入力するために、検出光を対象物に投射して対象物からの反射光を撮像素子で受光する、いわゆる光投影法による非接触型の３次元形状入力装置がしばしば用いられる。
【０００３】
例えば、スリット光投影法（光切断法ともいう）では、検出光として断面が直線状のスリット光を投射し、且つそのスリット光を偏向して物体を光学的に走査する（特許文献１）。
【０００４】
図１８はスリット光投影法の概要を示す図、図１９はスリット光投影法による計測の原理を説明するための図である。
【０００５】
図１８において、物体Ｑにスリット光Ｕを投射し、その反射光を撮像素子の撮像面Ｓ２に入射させる〔図１８（ａ）〕。物体Ｑの照射部分が平坦であれば、撮影像（スリット画像）は直線となる〔図１８（ｂ）〕。照射部分に凹凸があれば、直線が曲がったり階段状になったりする〔図１８（ｃ）〕。つまり、計測装置と物体Ｑとの間の距離の大小が撮像面Ｓ２における反射光の入射位置に反映する〔図１８（ｄ）〕。スリット光Ｕをその幅方向（図の上下方向）に偏向することにより、物体Ｑの表面を走査して３次元位置をサンプリングすることができる。
【０００６】
図１９において、投光の起点Ａと受光系のレンズの主点Ｏとを結ぶ基線ＡＯが受光軸と垂直になるように、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は撮像面Ｓ２に対して垂直である。なお、レンズの主点とは、有限遠の被写体の像が撮像面Ｓ２に結像したときの、いわゆる像距離（image distance）ｂだけ撮像面Ｓ２から離れた受光軸上の点（後側主点）である。以下において、像距離ｂを実効焦点距離Ｆｒｅａｌということがある。
【０００７】
主点Ｏを３次元直交座標系の原点とする。受光軸がＺ軸、基線ＡＯがＹ軸、スリット光の長さ方向がＸ軸である。スリット光Ｕが物体上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を照射したときの投光軸と投光基準面（受光軸と平行な投光面）との角度をθａ、受光角をθｐとすると、点Ｐの座標Ｚは（１）式で表される。
【０００８】
基線長Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋Ｚｔａｎθｐ  
∴    Ｚ＝Ｌ／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ）    …（１）
なお、受光角θｐとは、点Ｐと主点Ｏとを結ぶ直線と、受光軸を含む平面（受光軸平面）とがなす角度である。
【０００９】
撮像倍率β＝ｂ／Ｚであるので、撮像面Ｓ２の中心と受光画素とのＸ方向の距離をｘｐ、Ｙ方向の距離をｙｐとすると〔図１９（ａ）参照〕、点Ｐの座標Ｘ，Ｙは、（２），（３）式で表される。
【００１０】
Ｘ＝ｘｐ／β      …（２）
Ｙ＝ｙｐ／β      …（３）
角度θａは、スリット光Ｕの偏向の角速度から求められる。受光角θｐは、
ｔａｎθｐ＝ｂ／ｙｐ
の関係から算出できる。つまり、撮像面Ｓ２上での位置（ｘｐ，ｙｐ）を測定することにより、そのときの角度θａに基づいて点Ｐの３次元位置を求めることができる。
【００１１】
このように、光投影法による３次元形状データは、カメラパラメータや投光光学系パラメータなどの種々のパラメータを用いて、カメラ視線方程式および検出光平面方程式などを適用して比較的容易に演算で求めることができる。
【００１２】
以上の説明は、理想的な薄肉レンズ系を前提としたものである。実際の厚肉レンズ系では、図１９（ｃ）のように主点Ｏは前側主点Ｈと後側主点Ｈ’とに分かれる。
【００１３】
また、スリット光の投射に代えて、スポット光、ステップ光、濃度パターン光などを投射する光投影法も知られている。例えば、特許文献２には、パターン投影法によって物体の３次元形状データを入力する装置が示されている。それによると、基準平面に描かれた２次元格子の撮像画像と、基準平面に投影された２次元格子の撮像画像と、基準平面の３次元画像と、物体Ｑに投影された２次元格子の撮像画像とから、物体Ｑの表面の空間座標を算出する。
【特許文献１】特許第３４９３４０３号
【特許文献２】特許第２９１３０２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、特許文献１に開示されたスリット光投影法では、スリット光の断面が直線状であると仮定して、つまりスリット光が完全な平面であると仮定して、３次元形状データの算出のための演算を行う。
【００１５】
しかし、投光光学系および受光光学系のいずれにおいても、レンズの収差によって光学的な形状歪みが生じる。例えば、投光光学系では、レンズの収差によってスリット光に形状の歪みが生じる。また、受光光学系では、レンズの収差によって撮像面Ｓ２上の撮影像が変形する。特に、撮像面Ｓ２の周辺部分で歪みが多い。
【００１６】
また、光源として用いられる半導体レーザから投射されるレーザ光の断面形状が完全な楕円でないことや、シリンドリカルレンズの収差によって、レーザ光がシリンドリカルレンズを透過した時点で、スリット光が平面ではなく曲面となる。
【００１７】
さらに、スリット光を走査する際のガルバノミラーの入力電圧に対する走査角度の非直線性の存在によって、スリット光が理想的な平面位置からずれたりする可能性がある。
【００１８】
このように、スリット光投影法において、実際のスリット光および受光画像がともに種々の原因によって歪んでいる。そのため、求めた３次元形状データに誤差が発生し、３次元形状データを高精度に得ることができない。
【００１９】
このような問題は、スリット光投影法についてのみでなく、スポット光、ステップ光、パターン光などを投射する種々の光投影法であっても生じる。
【００２０】
なお、特許文献２の装置においては、撮像素子の各画素ごとに基準物体の画像を直接に座標計算に用いる。光学系パラメータを用いないので、パラメータによる誤差は生じないが、３次元形状データを高精度に求めるためには、複数種類の２次元格子パターンを投影し、パターンコード化法やフーリエ変換位相シフト法などを用いて各方向の位相を高精度に求める必要がある。また、基準平面に描かれる２次元格子も異なる位相で描画し各方向の位相を高精度で求める必要がある。そのため、装置の構成や処理内容が複雑になったり大型化する傾向にあり、コスト面でも不利である。
【００２１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、比較的簡単な構成によって対象物の３次元形状を精度よく計測して入力することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る装置は、検出光を対象物に投射する投光手段と、前記対象物で反射した前記検出光を受光する撮像手段とを有し、光投影法によって対象物の３次元形状を入力する３次元形状入力装置であって、３次元形状演算に用いるパラメータを記憶する記憶手段と、前記撮像手段から出力される撮像データおよび前記パラメータを用いて対象物の３次元形状を演算する演算手段と、を備えており、さらに、前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分する手段を備え、前記記憶手段は、区分された各領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶しており、前記演算手段は、区分された各領域ごとに、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行うように構成される。
【００２３】
好ましくは、前記演算手段は、カメラ視線方程式および検出光平面方程式を適用して演算を行う。
【００２４】
また、前記演算手段は、カメラ視線方程式に用いられるカメラパラメータについて、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行う。
【００２５】
また、前記演算手段は、検出光平面方程式に用いられる投光光学系パラメータについて、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行う。
【００２６】
また、前記投光手段は、固定スリット光を前記検出光として投射する。
【００２７】
また、前記投光手段は、スリット光を偏向して投射することにより対象物を走査し、前記演算手段は、前記スリット光を偏向するための偏向ミラーの角速度パラメータを含めて、各領域ごとに適用されるべきパラメータとして用いてそれぞれ演算を行う。
【００２８】
また、前記投光手段は、縞パターンを前記検出光として投射する、
また、前記各領域の境界部分において、それぞれのパラメータの値が連続するように、補間されたパラメータが用いられる。
【００２９】
本発明の他の形態の装置は、対象物に投射されて反射した検出光を撮像手段で受光して得られた撮像データに基づいて光投影法によって対象物の３次元形状を計測して入力する３次元形状入力装置であって、３次元形状演算に用いるパラメータを記憶する記憶手段と、前記撮像データおよび前記パラメータを用いて対象物の３次元形状を演算する演算手段と、を備えており、さらに、前記記憶手段は、前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分したそれぞれの領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶しており、前記演算手段は、区分された各領域ごとに、各領域に適用されるべきパラメータを用いてそれぞれ演算を行うように構成されている。
【００３０】
本発明のさらに他の形態の装置は、対象物に投射されて反射した検出光を撮像手段で受光して得られた撮像データに基づいて光投影法によって対象物の３次元形状を計測して入力するための３次元形状入力装置であって、前記撮像素子の撮像面を複数の領域に区分する手段と、前記各撮像データが所属する領域を識別するための情報である領域区分情報を付す手段と、３次元形状演算のために前記領域ごとに適用されるべきパラメータを記憶する記憶手段と、前記撮像データおよび前記パラメータを出力する出力手段と、を有する。
【００３１】
なお、３次元形状入力装置は、単体の３次元カメラとして構成してもよいし、３次元カメラとホストコンピュータとを協働させることによって構成してもよい。その場合に、パラメータは、３次元カメラに記憶しておいてもよく、またホストコンピュータに記憶しておいてもよい。パラメータを３次元カメラに記憶しておいてそれをホストコンピュータに転送するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によると、比較的簡単な構成によって対象物の３次元形状を精度よく計測して入力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は本発明に係る実施形態の計測システム１の構成を示す図である。
【００３４】
図１において、計測システム１は、スリット光投影法によって立体計測を行う３次元カメラ２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホスト３とから構成される。
【００３５】
３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサンプリング点の３次元位置を特定するための計測データ（スリット画像データ）とともに、物体Ｑのカラー情報を示す２次元画像、サンプリング点の３次元位置を演算するために必要なパラメータ、キャリブレーションに必要なデータなどを出力する。ホスト３は、これらのデータおよびパラメータなどを用い、三角測量法を適用してサンプリング点の３次元位置つまり３次元座標を演算により求める。３次元座標を演算する際に、カメラ視線方程式および検出光平面方程式などが適用される。
【００３６】
ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３ｂ、キーボード３ｃ、およびマウス３ｄなどから構成されたコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリが実装されており、それらのメモリには計測データ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。また、ＣＰＵ３ａのメモリには、後述する３次元座標の演算のために用いるパラメータおよび種々の方程式または演算式などが記憶される。ホスト３と３次元カメラ２との間では、オンラインおよび可搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形態のデータ受渡しが可能である。記録メディア４としては、光磁気ディスクまたはメモリチップなどがある。
【００３７】
図２は３次元カメラ２の外観を示す斜視図である。
【００３８】
図２において、３次元カメラ２は、光学ユニットＯＵを内蔵した略直方体形状のハウジング２０を有する。ハウジング２０の前面に投光窓２０ａおよび受光窓２０ｂが設けられる。投光窓２０ａは受光窓２０ｂの上側の所定距離だけ離れた位置にある。光学ユニットＯＵは、水平方向に拡がるレーザビームであるスリット光Ｕを射出する。つまり、スリット光Ｕは、水平方向に放射角度φで拡がり、垂直方向に沿った幅ｗを有する平面状の光である。スリット光Ｕの水平方向の長さＭ１は、投光窓２０ａからの距離によって変わる。但し、後述するように、スリット光Ｕの形状や角度は、種々の要因によって歪んでおり、例えば実際には理想的な平面ではなく歪みを持っている。
【００３９】
スリット光Ｕは、計測対象の物体（被写体）Ｑに向かう。スリット光Ｕは物体Ｑの表面で反射し、その一部が受光窓２０ｂに入り、光学ユニットＯＵに入射する。なお、光学ユニットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化するための２軸調整機構を備えている。
【００４０】
ハウジング２０の上面には、ズーミングボタン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６ａ，２６ｂ、およびシャッタボタン２７が設けられる。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１、カーソルボタン２２、セレクトボタン２３、キャンセルボタン２４、アナログ出力端子３１，３２、デジタル出力端子３３、および記録メディア４の着脱口３０ａが設けられる。
【００４１】
液晶ディスプレイ２１は、操作画面の表示手段および電子ファインダとして用いられる。ユーザは背面の各ボタン２１〜２４によって撮影モードの設定を行うことができる。アナログ出力端子３１からは計測データが出力され、アナログ出力端子３１からは２次元画像信号が出力される。
【００４２】
図３は３次元カメラ２の機能的な構成を示すブロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示し、破線矢印は光の流れを示す。
【００４３】
３次元カメラ２は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光側および受光側の２つの光学系４０，５０を有している。光学系４０において、半導体レーザ（ＬＤ）４１が射出する波長６９０ｎｍのレーザビームは、投光レンズ系４２を通過することによってスリット光Ｕとなり、走査手段であるガルバノミラー４３によって偏向される。半導体レーザ４１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４５、およびガルバノミラー４３の駆動系４６は、システムコントローラ６１によって制御される。
【００４４】
光学系５０において、ズームユニット５１によって集光された光はビームスプリッタ５２によって分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は、計測用の撮像素子であるイメージセンサ５３に入射する。可視帯域の光は、モニタ用のカラーイメージセンサ５４に入射する。イメージセンサ５３およびカラーイメージセンサ５４は、どちらもＣＣＤからなるエリアセンサである。ズームユニット５１は内焦型であり、入射光の一部がオートフォーカシング（ＡＦ）に利用される。ＡＦ機能は、ＡＦセンサ５７とレンズコントローラ５８とフォーカシング駆動系５９によって実現される。ズーミング駆動系６０は電動ズーミングのために設けられている。
【００４５】
イメージセンサ５３による撮像情報は、ドライバ５５からのクロックに同期して出力処理回路６２へ転送される。出力処理回路６２によってイメージセンサ５３の各画素に対応する計測データが生成され、メモリ６３に格納される。
【００４６】
イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２は複数の領域ＥＲに区分（区画）されており、各画素の計測データは、区分された各領域ごとに識別されるようになっている。つまり、各計測データには、その計測データがどの領域ＥＲに属するかを示す領域区分情報が付されている。
【００４７】
図４はイメージセンサ５３の撮像面Ｓ２の区分の例を示す図、図５はシステムコントローラ６１のメモリ６１Ｍの内容の例を示す図、図６は領域ＥＲごとのパラメータの具体的な数値例を示す図、図７は領域ＥＲごとのパラメータの他の具体的な数値例を示す図、図８は図６に対応したパラメータの数値をグラフで示す図、図９は図７に対応したパラメータの数値をグラフで示す図である。
【００４８】
図４（ａ）に示す例においては、撮像面Ｓ２は等面積の４つの領域ＥＲ１〜４に区分されている。図４（ｂ）に示す例では、撮像面Ｓ２は等面積の４つの領域ＥＲ１〜４に区分されているのであるが、区分された領域ＥＲ１〜４の境界部分において、後述するようにパラメータの値が連続するように補間領域ＥＳ１〜６が設けられている。領域ＥＲ１〜４は、補間領域ＥＳ１〜６が生成された分だけ小さくなる。
【００４９】
図４（ｃ）に示す例においては、撮像面Ｓ２は等面積の６つの領域ＥＲ１〜６に区分されている。図４（ｄ）に示す例では、撮像面Ｓ２は等面積の９つの領域ＥＲ１〜９に区分されている。これらの区分の例においても、上に述べたような補間領域ＥＳを設けてもよい。
【００５０】
なお、これらの例では、それぞれ等面積の複数の領域ＥＲに区分したが、等面積でなくてもよい。例えば、周辺の領域の面積が相対的に小さくなるように区分してもよい。また、２つの領域ＥＲ、３つの領域ＥＲ、または１０以上の領域ＥＲに区分してもよい。
【００５１】
このように、イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分する理由は、各画素の計測データに基づいて各画素に対応する３次元座標を演算する際に、各画素の属する領域ＥＲごとに、各領域ＥＲに適用されるべきパラメータを用いて演算を行うためである。そのため、各領域ＥＲごとに適用されるべきパラメータがシステムコントローラ６１のメモリ６１Ｍに記憶されている。メモリ６１Ｍとして、不揮発性のメモリ、または電池によりバックアップされたメモリなどが用いられる。
【００５２】
なお、撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分し、または補間領域ＥＳに区分する機能は、システムコントローラ６１が有している。つまり、システムコントローラ６１は、例えばイメージセンサ５３を駆動するドライバ５５の制御と連動して、出力処理回路６２に領域区分情報を送る。領域区分情報は、例えば、各画素の計測データＤｓに対して、図４、図６〜図７などにおける領域ＥＲ１〜４および補間領域ＥＳ１〜６などを示す情報である。また、領域ＥＲ１〜４および補間領域ＥＳ１〜６ごとに、計測データＤｓの各画素の記憶領域を区分しておいてもよい。
【００５３】
図５に示すように、メモリ６１Ｍには、多数のルックアップテーブルＬＵＴ１１，１２，１３…が格納されている。これらのルックアップテーブルＬＵＴは、３次元形状演算に用いるパラメータ（撮影条件データおよびその他のデータを含む）の値または演算式などを記憶する。つまり、ルックアップテーブルＬＵＴには、カメラパラメータや投光光学系パラメータなどの種々のパラメータの値が、テーブルの形式で記憶されている。しかも、各ルックアップテーブルＬＵＴには、撮像面Ｓ２を区分した各領域ＥＲごとに適用されるべきそれぞれのパラメータの値を記憶しており、且つ、補間領域ＥＳごとに適用されるべきパラメータの演算式または値を記憶している。ホスト３における３次元座標の演算に際しては、各領域ＥＲごとに最適のパラメータを用い、カメラ視線方程式および検出光平面方程式などを適用して演算が行われることになる。
【００５４】
図６は、ある１つのパラメータＰＭ１について、図４（ａ）に示すように撮像面Ｓ２を４つの領域ＥＲ１〜４に区分し、区分された各領域ＥＲ１〜４に対して適用すべきパラメータの数値例を示したものである。この例によると、あるパラメータＰＭ１の値として、それぞれの領域ＥＲ１〜４に対し、数値「２．２」「２．４」「２．１」「２．３５」を用いることとなる。このように、メモリ６１Ｍには、領域ＥＲ１〜４とパラメータの値との対応が、ルックアップテーブルＬＵＴの形で、パラメータの種類ごとに記憶されている。
【００５５】
各領域ＥＲにおいて適切なパラメータの値は、個々の３次元カメラ２について実測を行い、領域ＥＲごとに最も適切な数値が実験的に求められる。実測によってパラメータの値を求める作業自体は、従来から公知の方法で行うことが可能である。本実施形態においては、撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分し、各領域ＥＲについて最適のパラメータの数値を実測によって決定する点に特徴の１つがある。すなわち、従来においては、撮像面Ｓ２を領域ＥＲに区分することは行われておらず、撮像面Ｓ２の領域には関係なく、１つのパラメータに対して１つの数値のみが用いられている。
【００５６】
なお、本実施形態における各パラメータの領域ＥＲごとの数値の決定に当たっては、各領域ＥＲ内において複数のサンプリング点について実測または計測を行い、得られた複数の数値などに基づいて、単純平均、２乗平均、または重み付き平均などによって、または最小自乗法などの種々の数学的または統計的手法を適用することができる。
【００５７】
図７は、図６同じパラメータＰＭ１について、図４（ｂ）に示すように撮像面Ｓ２に設けた領域ＥＲ１〜４および補間領域ＥＳ１〜６に適用すべきパラメータの数値または演算式の例を示したものである。図中、ｕ１，ｕ２は、補間領域ＥＳ１，２の水平方向の両端の画素位置、ｖ１，ｖ２は補間領域ＥＳ３，４の垂直方向の両端の画素位置である。
【００５８】
この例によると、それぞれの領域ＥＲ１〜４に対しては図６の場合と同じ数値を用いるが、補間領域ＥＳ１〜６に対しては、ｆ１（ｕ），ｆ２（ｕ），ｆ３（ｖ），ｆ４（ｖ），ｆ５（ｕ，ｖ），ｆ６（ｕ，ｖ）を用いることとなる。
【００５９】
例えば、ｆ１（ｕ）、ｆ３（ｖ）は次のように表すことができる。
【００６０】
ｆ１（ｕ）＝２．２＋ａ１（ｕ−ｕ１）
ｆ３（ｖ）＝２．２＋ａ３（ｖ−ｖ１）
ここで、ｕ，ｖは、撮像面Ｓ２における水平方向または垂直方向の画素位置であり、ａ１，ａ３は、当該補間領域ＥＳに隣接する領域ＥＲのパラメータの値に応じて決まる係数である。ここでは、ａ１＝０．２／（ｕ２−ｕ１）、ａ３＝−０．１／（ｖ２−ｖ１）である。ｆ５（ｕ，ｖ）およびｆ６（ｕ，ｖ）は、３点によって定義される平面方程式によって表される。
【００６１】
このように、メモリ６１Ｍには、領域ＥＲ１〜４および補間領域ＥＳ１〜６とパラメータの値または演算式との対応が、ルックアップテーブルＬＵＴの形で、パラメータの種類ごとに記憶されている。なお、補間領域ＥＳ１〜６について、パラメータの演算式に代えて、各画素の値を個別に記憶してもよい。
【００６２】
このように、撮像面Ｓ２を領域ＥＲ１〜４に区分するとともに、補間領域ＥＳ１〜６を設けてパラメータの値を連続させることによって、サンプリング点の３次元座標をより正確に求めることができる。
【００６３】
図８には、図６に示すパラメータの数値と同じ例が、ＸＹ座標で示された撮像面Ｓ２の領域ＥＲに対するパラメータの値の高さ分布の形で示されている。図８において、Ｘ軸およびＹ軸は両方とも０〜１００の目盛りが付されている。これは、例えば１００×１００画素の撮像面Ｓ２であると考えてもよい。または、Ｎｘ×Ｎｙ画素の撮像面Ｓ２におけるＸ方向およびＹ方向の画素位置をパーセンテージで示したものと考えてもよい。因みに、本実施形態において、イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２は６４０×４８０画素である。
【００６４】
図９には、図７に示すパラメータの数値および演算式と同じ例が、ＸＹ座標で示された撮像面Ｓ２の領域ＥＲおよび補間領域ＥＳに対するパラメータの値の高さ分布の形で示されている。
【００６５】
本実施形態において、３次元座標を演算するために必要なパラメータには次のようなものがある。すなわち、カメラパラメータとして、像距離ｂ、歪曲収差パラメータｄ１，ｄ２、撮像面における水平方向の中心画素位置ｕ０、垂直方向の中心画素位置ｖ０などがあり、投光光学系パラメータとして、Ｘ軸周りの回転角ｔｈｅ１、Ｙ軸周りの傾き角ｔｈｅ２、Ｚ軸周りの傾き角ｔｈｅ３、Ｘ軸周りの偏向角速度ｔｈｅ４（＝ω）、基線長Ｌ、Ｘ軸方向に沿った位置誤差ａ、基点Ａのオフセットｓ（＝ｄｏｆｆ）などがある。なお、パラメータの値の範囲の具体的な例については、後の表１によって示される。
【００６６】
さて、各画素に対応する計測データが生成されてメモリ６３に格納された後、オペレータがデータ出力を指示すると、計測データは、ＳＣＳＩコントローラ６６またはＮＴＳＣ変換回路６５によって所定形式でオンライン出力され、または記録メディア４に格納される。その際に、計測データとともに、メモリ６１Ｍに記憶されていたパラメータも出力される。
【００６７】
計測データのオンライン出力には、アナログ出力端子３１またはディジタル出力端子３３が用いられる。カラーセンサ５４による撮像情報は、ドライバ５６からのクロックに同期してカラー処理回路６７へ転送される。カラー処理を受けた撮像情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０およびアナログ出力端子３２を経てオンライン出力され、またはディジタル画像生成部６８で量子化されてカラー画像メモリ６９に格納される。その後、カラー画像データがカラー画像メモリ６９からＳＣＳＩコントローラ６６へ転送され、ディジタル出力端子３３からオンライン出力され、または計測データと対応づけて記録メディア４に格納される。なお、カラー画像は、イメージセンサ５３に基づく距離画像と同一の画角の像であり、ホスト３側におけるアプリケーション処理に際して参考情報として利用される。カラー情報を利用する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の計測データを組み合わせて３次元形状モデルを生成する処理、３次元形状モデルの不要の頂点を間引く処理などがある。
【００６８】
システムコントローラ６１は、キャラクタジェネレータ７１に対して、ＬＣＤ２１の画面上に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。また、メモリ６３はシステムコントローラ６１にも記憶内容を出力することができる。
【００６９】
図１０は計測システム１における３次元位置の算出の原理図である。同図では理解を容易にするため、図１８および図１９と対応する要素には同一の符号を付してある。
【００７０】
イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２上で複数画素分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに照射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分とする。スリット光Ｕは、サンプリング周期毎に撮像面Ｓ２上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように上から下に向かって偏向され、それによって物体Ｑが走査される。サンプリング周期毎にイメージセンサ５３から１フレーム分の光電変換情報が出力される。
【００７１】
撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、走査中に行うＮ回のサンプリングのうちの５回のサンプリングにおいて有効な受光データが得られる。これら５回分の受光データに対する補間演算によって注目画素ｇがにらむ範囲の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通過するタイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ：注目画素ｇの受光量が最大となる時刻）を求める。図１０（ｂ）の例では、ｎ回目とその１つ前の（ｎ−１）回目の間のタイミングで受光量が最大である。求めたタイミングにおけるスリット光の投射方向と、注目画素ｇに対するスリット光の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチｐｖで規定される分解能よりも高い分解能の計測が可能となる。
【００７２】
本実施形態の計測システム１では、３次元カメラ２がイメージセンサ５３の画素ｇ毎に５回分の受光データを計測データとしてホスト３に出力し、ホスト３が計測データに基づいて物体Ｑの座標を算出する。３次元カメラ２における各画素ｇに対応した計測データの生成は、出力処理回路６２が担う。
【００７３】
なお、出力処理回路６２とメモリ６３の構成の詳細、およびイメージセンサ５３の読出し範囲については、先に述べた特許文献１を参照することができる。
【００７４】
次に、３次元カメラ２及びホスト３の動作を計測の手順と合わせて説明する。以下では、計測のサンプリング点数を２４４×２５６とする。すなわち、実質的なフレーム数Ｎは２４４であり、撮像面Ｓ２におけるスリット長さ方向の画素数は２５６である。
【００７５】
ユーザは、ＬＣＤ２１が表示するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミング操作を行う。３次元カメラ２ではカラーセンサ５４に対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能により露出制御されたカラーモニタ像が表示される。これは、絞りを開放状態とすることによってイメージセンサ５３の入射光量をできるだけ多くするためである。
【００７６】
図１１は３次元カメラ２におけるデータの流れを示す図、図１２はホスト３におけるデータの流れを示す図、図１３は光学系の各点と物体Ｑとの位置関係を示す図である。
【００７７】
図１１において、ユーザによる画角選択操作つまりズーミングに応じて、ズームユニット５１のバリエータ部が移動するとともにフォーカシング部の移動によるフォーカシングが行われる。フォーカシングの過程でおおよその対物間距離ｄ0 が測定される。このような受光系のレンズ駆動に呼応して、投光側のバリエータレンズの移動量が演算により算出され、算出結果に基づいてバリエータレンズの移動制御が行われる。投光側のレンズ制御は、撮影距離および画角に係わらず、イメージセンサ５３に５画素分の幅のスリット光Ｕを入射させるためのものである。
【００７８】
システムコントローラ６１は、レンズコントローラ５８を介して、フォーカシング駆動系５９のエンコーダ出力（繰り出し量Ｅｄ）およびズーミング駆動系６０のエンコーダ出力（ズーム刻み値ｆｐ）を読み込む。システムコントローラ６１の内部において、歪曲収差テーブルＬＵＴ１３、主点位置ＬＵＴ１４、および像距離ＬＵＴ１５が参照され、繰り出し量Ｅｄおよびズーム刻み値ｆｐに対応したパラメータである撮影条件データが、ホスト２へ出力される。ここでの撮影条件データは、歪曲収差パラメータ（レンズ歪み補正係数ｄ１，ｄ２）、前側主点位置ＦＨ、および像距離ｂである。前側主点位置ＦＨは、ズームユニット５１の前側端点Ｆと前側主点Ｈとの距離で表される〔図１９（ｃ）参照〕。前側端点Ｆは固定であるので、前側主点位置ＦＨにより前側主点Ｈを特定することができる。
【００７９】
これと同時に、領域区分情報ＬＵＴ１１から領域区分情報が読み出され、装置情報ＬＵＴ１２から装置情報が読み出され、それぞれホスト２へ出力される。
【００８０】
また、システムコントローラ６１は、特定の方向にスリット光Ｕを投射して計測環境を測定する予備計測を実行し、予備計測で得られた撮影情報に基づいて対物間距離ｄを求め、その対物間距離ｄに基づいて、繰り出し量Ｅｄを再設定するとともにレンズ駆動を行い、本計測の動作設定をする。設定項目には、半導体レーザ４１の出力（レーザ光強度）、スリット光Ｕの偏向条件（投射開始角、投射終了角、偏向角速度）などがある。対物間距離ｄの算定に際しては、測距基準点である受光系の前側主点Ｈと投光の起点ＡとのＺ方向のオフセットｄｏｆｆを考慮する。偏向条件の算定に際しては、走査方向の端部においても中央部と同様の計測可能距離範囲ｄ’を確保するため、所定量（例えば８画素分）のオーバースキャンを行うようにする。投射開始角ｔｈ１、投射終了角ｔｈ２、偏向角速度ωは、次式で表される。
ｔｈ１＝ｔａｎ-1〔（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８）＋Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕
×１８０／π
ｔｈ２＝ｔａｎ-1〔−（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８）＋Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕                                                          ×１８０／π
ω＝（ｔｈ１−ｔｈ２）／ｎｐ
β：撮像倍率（＝ｄ／実効焦点距離Ｆｒｅａｌ）
ｐｖ：画素ピッチ
ｎｐ：撮像面Ｓ２のＹ方向の有効画素数
Ｌ：基線長
このようにして算出された条件で本計測が行われる。物体Ｑが走査され、上述の出力処理回路６２によって得られた１画素当たり５フレーム分の計測データ（スリット画像データ）Ｄｓがホスト２へ送られる。同時に、偏向条件（偏向制御データＤ４３）およびイメージセンサ５３の仕様などを示す装置情報Ｄ１０も、ホスト３へ送られる。表１は３次元カメラ２がホスト３へ送る主なデータをまとめたものである。
【００８１】
【表１】
2005321278.tif 000003
【００８２】
投射開始角ｔｈ１および投射終了角ｔｈ２の設定に際して、上述の式に代えて次の式を適用すれば、測定可能距離範囲を光軸方向にシフトさせることができる。
ｔｈ１＝ｔａｎ-1〔（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８＋ｐｉｔｃｈｏｆｆ）＋Ｌ）
／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π
ｔｈ２＝ｔａｎ-1〔−（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８＋ｐｉｔｃｈｏｆｆ）＋Ｌ）
／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π
ｐｉｔｃｈｏｆｆ：測定可能距離範囲のシフト量
後述のように対物間距離の算定の基準位置を物体の近接位置（３次元カメラ２側）に設定し、その前後に計測可能範囲ｄ’を設定すると、前側（３次元カメラ２側）の計測可能範囲が無駄になることが多い。したがって、シフト量ｐｉｔｃｈｏｆｆを設定して、前側２５％、後側７５％の割合になるように計測可能範囲ｄ’を後側へシフトさせるのが望ましい。
【００８３】
本実施形態のように有効受光エリアＡｅが３２画素幅である場合、つまりＣＣＤエリアセンサが３２ラインの読出し幅をもつ場合、シフト量ｐｉｔｃｈｏｆｆを「８」とすれば、上述の割合の計測可能範囲が設定される。
【００８４】
ホスト３において、３次元カメラ２から送られてきた計測データＤｓなどに基づいて、各サンプリング点の３次元座標を演算する。
【００８５】
図１２に示すように、まず、受信した計測データＤｓにそれぞれ付属した領域区分情報に基づいて、各計測データＤｓがどの領域ＥＲに属するかを判定する。判定された領域ＥＲを示す情報（領域情報）に基づいて、各ルックアップテーブルＬＵＴの中から適用すべきパラメータを抽出する。抽出したパラメータを用いて、スリット重心演算、歪曲収差の補正演算、カメラ視線方程式の演算、スリット面方程式の演算、および３次元位置演算が実行され、それによって２４４×２５６個のサンプリング点の３次元位置（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定される。サンプリング点はカメラ視線（サンプリング点と前側主点Ｈとを結ぶ直線）とスリット面（サンプリング点を照射するスリット光Ｕの光軸面）との交点である。
【００８６】
スリット光Ｕの時間重心Ｎｐｅａｋ（図１０参照）は、各サンプリング時の受光データＤｇ（ｉ）を用いて（４）式で与えられる。
【００８７】
Ｎｐｅａｋ＝ｎ＋Δｎ      …（４）
Δｎ＝〔−２×Ｄｇ（ｎ−２）−Ｄｇ（ｎ−１）＋Ｄｇ（ｎ＋１）
＋２×Ｄｇ（ｎ＋２）〕／ΣＤｇ（ｉ）
（ｉ＝ｎ−２，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２）
または
Δｎ＝［−２×〔Ｄｇ〔ｎ−２）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕        
−〔Ｄｇ（ｎ−１）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕        
＋〔Ｄｇ（ｎ＋１）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕        
＋２×〔Ｄｇ（ｎ＋２）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕］／ΣＤｇ（ｉ）  ５つの受光データの内の最小のデータｍｉｎＤｇ（ｉ）を差し引いて加重平均を求めることにより、環境光の影響を軽減することができる。
【００８８】
さて、カメラ視線方程式は、次の（５）式および（６）式で示される。
【００８９】
（ｕ−ｕ０）＝（ｘｐ）＝（ｂ／ｐｕ）×〔Ｘ／（Ｚ−ＦＨ）〕  …（５）
（ｖ−ｖ０）＝（ｙｐ）＝（ｂ／ｐｖ）×〔Ｙ／（Ｚ−ＦＨ）〕  …（６）                ｂ：像距離
ＦＨ：前側主点位置
ｐｕ：撮像面における水平方向の画素ピッチ
ｐｖ：撮像面における垂直方向の画素ピッチ
ｕ：撮像面における水平方向の画素位置
ｕ０：撮像面における水平方向の中心画素位置
ｖ：撮像面における垂直方向の画素位置
ｖ０：撮像面における垂直方向の中心画素位置
また、スリット面方程式は次の（７）式で示される。
【００９０】
〔Ｘ−ａ，Ｙ−Ｌ，Ｚ−ｓ〕・Ｒ・（０，１，０）t ＝０    ……（７）
但し、ａ：Ｘ軸方向に沿った誤差
Ｌ：基線長
ｓ：基点Ａのオフセット（＝ｄｏｆｆ）
ここで、行列式Ｒは次の（８）式で示される。
【００９１】
【数１】
2005321278.tif 000004
【００９２】
これら、（５）（６）（７）式で示されるカメラ視線方程式およびスリット面方程式（検出光平面方程式）を解いて、撮像面Ｓ２上において座標（ｕ，ｖ）で示される各画素に対応する３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出するのである。
【００９３】
そして、（５）（６）（７）式を適用する際に、それぞれの画素の属する領域ＥＲに応じたパラメータを用いて演算を行うのである。
【００９４】
ところで、幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離の３次関数で近似する。２次の補正係数をｄ１、３次の補正係数をｄ２とする。つまり、受光系における補正後の画素位置ｕ’，ｖ’は、次の（９）式および（１０）式で与えられる。
【００９５】
ｕ’＝ｕ０＋ｄ１×ｔ２2 ×（ｕ−ｕ０）＋ｄ２×ｔ２3 ×（ｕ−ｕ０）
……（９）
ｖ’＝ｖ０＋ｄ１×ｔ２2 ×（ｖ−ｖ０）＋ｄ２×ｔ２3 ×（ｖ−ｖ０）
……（１０）
但し、ｔ２＝（ｔ１）1/2  
ｔ１＝〔（ｕ−ｕ０）×ｐｕ〕2 ＋〔（ｖ−ｖ０）×ｐｖ〕2 
上述の（５）式および（６）式において、ｕに代えてｕ’を代入し、ｖに代えてｖ’を代入することにより、歪曲収差を考慮した３次元位置を求めることができる。
【００９６】
なお、図１１および図１２の説明においては、３次元カメラ２のメモリ６１Ｍの中から抽出したパラメータをホスト３に転送するように説明したが、これに限ることはない。つまり、例えば、３次元カメラ２から計測データＤｓを転送する際に、メモリ６１Ｍに記憶したルックアップテーブルＬＵＴの全部を転送し、これによってホスト３の内部にルックアップテーブルＬＵＴを保持し、ホスト３において必要なパラメータを抽出するようにしてもよい。また、３次元カメラ２のルックアップテーブルＬＵＴと同じものを、当初からホスト３にインストールしておいてもよい。そのためにパラメータＰＭを記憶する手段として、ＣＰＵ３ａに内蔵されたまたは外付けの適当なメモリが用いられる。
【００９７】
なお、キャリブレーションについては、電子情報通信学会研究会資料ＰＲＵ91-113［カメラの位置決めのいらない画像の幾何学的補正］小野寺・金谷、電子情報通信学会論文誌Ｄ-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9 ［光学系の３次元モデルに基づくレンジファインダの高精度キャリブレーション法］植芝・吉見・大島、などに詳しい開示がある。
【００９８】
次に、計測システム１におけるパラメータの取得のための処理およびパラメータを用いて３次元座標を演算する処理の流れを、フローチャートを参照して説明する。
【００９９】
図１４はパラメータの取得のための処理の流れを示すフローチャート、図１５は補間領域ＥＳを設けた場合の処理の流れを示すフローチャート、図１６は計測システム１による３次元座標の演算処理の流れを示すフローチャートである。
【０１００】
図１４において、まず、校正用のデータを測定する（＃２１）。校正用のデータは、上に述べたように、個々の３次元カメラ２について、光学的、電気的、機械的な誤差を測定するものであり、従来から公知の方法によって行うことが可能である。例えば、所定の距離位置に配置した既知のパターンを３次元カメラ２によって撮像し、そのパターンが撮像面Ｓ２のどの位置に結像しているかについて多数のデータを取得する。また、所定の距離位置に配置した壁面にスリット光Ｕを投射し、スリット画像データを取得する。
【０１０１】
次に、イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分する（＃２２）。区分された１つの領域ＥＲに着目し（＃２３）、当該領域ＥＲについての校正されたパラメータを求め（＃２４）、それを一時的にメモリに保存する（＃２５）。このパラメータは、上に述べたように、領域ＥＲごとに特定された数値であり、または特定の演算式などである。全ての領域ＥＲについて、校正されたパラメータを求めると（＃２６でイエス）、得られた領域ＥＲごとのパラメータおよび領域区分情報を出力する（＃２７）。出力されたパラメータなどは、３次元カメラ２のメモリ６１Ｍに記憶する。
【０１０２】
図１５において、ステップ＃３１〜３６は、図１４のステップ＃２１〜２６と同じである。ステップ＃３７において、領域ＥＲの〜４境界部分を再区分し、補間領域ＥＳを設ける。そして、補間領域ＥＳについて、校正されたパラメータを求め（＃３８）、求めた補間領域ＥＳのパラメータによって全体の領域区分情報およびパラメータを更新する（＃３９）。各領域ＥＲおよび各補間領域ＥＳについてのパラメータおよび領域区分情報を出力する（＃４０）。
【０１０３】
図１６において、イメージセンサ５３の１つの画素に着目する（＃５１）。その画素の画像データが有効であれば（＃５２でイエス）、その画素が所属する領域ＥＲを判定する（＃５３）。判定された領域ＥＲのパラメータの値をメモリ６１Ｍなどから読み出す（＃５４）。読み出したパラメータを用いて、カメラ視線方程式およびスリット面方程式を演算し（＃５５，５６）、３次元座標を求める（＃５７）。得られた３次元座標をメモリに保存する（＃５８）。イメージセンサ５３の全ての画素について、３次元座標の演算が行われると終了する（＃５９）。
【０１０４】
また、計測システム１においては、上に述べた以外の種々の公知の処理を行うことが可能であるが、それらの詳細については上に述べた特許文献１を参照することができる。
【０１０５】
上に述べたように、本実施形態の計測システム１では、イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２を複数の領域ＥＲに区分し、またはさらに補間領域ＥＳに区分し、それぞれの領域に適したパラメータの値または式を求めておき、３次元座標の演算に際しては領域ごとに最適のパラメータの値または式を用いるので、３次元座標を精度よく算出することができる。
【０１０６】
例えば、図１７（ａ）に示すように、平坦な物体Ｑに対して、従来においては、実際には実線で示す曲がったスリット画像ＦＳ１が得られ、これを直線のスリット画像ＦＳｊとして処理していた。したがって、両スリット画像ＦＳ１，ＦＳｊの間の差が誤差となり、３次元座標の精度が低下していた。
【０１０７】
これに対し、本実施形態の計測システム１によると、図１７（ｂ）に示すように、領域ごとに校正したパラメータを用いることにより、平坦な物体Ｑに対して、実際のスリット画像ＦＳ１に近いスリット画像ＦＳ２が得られるとして、処理を行う。つまり、例えば図１７（ｂ）においては、スリット画像ＦＳ２が領域ごとに直線に近似された複数の連続する線分として扱われる。
【０１０８】
したがって、スリット光Ｕの曲がり、走査光学系の軸ぶれ、偏向角速度の指令値に対する非線形などが補正され、正確な３次元座標が求まる。そのため、対象物の３次元形状を精度よく計測して入力することができる。
【０１０９】
しかも、撮像面Ｓ２を複数の領域に区分しそれぞれに適したパラメータなどを取得する処理、領域ごとのパラメータを用いて３次元座標を算出する処理などは、ソフトウエアによって行うことが可能である。したがって、ハードウエアについては従来のものを用い、上に説明した処理を実行するためのソフトウエアを追加することで、本実施形態の計測システム１を実現することができる。したがって、構成が簡単であり、コスト的に有利である。
【０１１０】
上に述べた実施形態において、領域ごとのパラメータを校正して取得する処理と、そのパラメータを用いて３次元座標を演算する処理とにおいて、同じように区分された領域を用いたが、それらの領域は互いに異なっていてもよい。つまり、例えば、校正のために用いる領域を３次元座標の演算のために用いる領域よりも大きくし、校正のために用いる領域が互いに重なるようにしてもよい。
【０１１１】
補間領域ＥＳにおけるパラメータは、種々の方法によって求めることが可能である。例えば、ある補間領域ＥＳについて、それに隣り合う領域ＥＲの同一種類のパラメータを、垂直方向の画素や水平方向の画素に関して直線またはＢ−スプライン曲線などで補間することにより、パラメータの式または値を求めてもよい。
【０１１２】
上に述べた実施形態において、計測システム１が本発明における３次元形状入力装置に相当する。しかし、ホスト３で行っている処理をすべて３次元カメラ２の内部で行うようにしてもよい。その場合には、３次元カメラ２が本発明における３次元形状入力装置に相当することとなる。また、３次元カメラ２とホスト３との処理内容の分担を上の実施形態とは異ならせてもよい。
【０１１３】
上に述べた実施形態においては、光投影法として偏向させたスリット光Ｕにより物体Ｑを走査する例を説明した。しかし、投光手段が固定スリット光を検出光として投射するもの、濃度パターン、縞パターンを検出光として投射するものなど、種々の光投影法の３次元形状入力装置に適用することが可能である。
【０１１４】
その他、メモリ６１Ｍの構成、ルックアップテーブルＬＵＴの内容、３次元カメラ２、ホスト３、計測システム１の全体または各部の構造、構成、形状、寸法、機能、個数、配置、処理内容、処理順序などは、本発明の趣旨に沿って上に述べた以外の種々のものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
光投影法によって対象物の３次元形状を非接触で計測して入力する３次元形状入力装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明に係る計測システムの構成を示す図である。
【図２】３次元カメラの外観を示す斜視図である。
【図３】３次元カメラの機能的な構成を示すブロック図である。
【図４】イメージセンサの撮像面の区分の例を示す図である。
【図５】システムコントローラのメモリの内容の例を示す図である。
【図６】領域ごとのパラメータの具体的な数値例を示す図である。
【図７】領域ごとのパラメータの他の具体的な数値例を示す図である。
【図８】図６に対応したパラメータの数値をグラフで示す図である。
【図９】図７に対応したパラメータの数値をグラフで示す図である。
【図１０】計測システムにおける３次元位置の算出の原理図である。
【図１１】３次元カメラ２におけるデータの流れを示す図である。
【図１２】ホストにおけるデータの流れを示す図である。
【図１３】光学系の各点と物体との位置関係を示す図である。
【図１４】パラメータの取得のための処理の流れを示すフローチャートである。
【図１５】補間領域を設けた場合の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】３次元座標の演算処理の流れを示すフローチャートである。
【図１７】平坦な物体に対するスリット画像の例を示す図である。
【図１８】スリット光投影法の概要を示す図である。
【図１９】スリット光投影法による計測の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  計測システム（３次元形状入力装置）
２  ３次元カメラ（３次元形状入力装置）
３  ホスト
３ａ  ＣＰＵ（演算手段）
４０  光学系（投光手段）
５３  イメージセンサ（撮像手段）
６１  システムコントローラ
６１Ｍ  メモリ（記憶手段）
Ｓ２  撮像面
ＥＲ  領域
ＰＭ  パラメータ
Ｄｓ  計測データ（撮像データ）
Ｕ  スリット光
Ｑ  物体（対象物）
【図１】
2005321278.tif 000005
【図２】
2005321278.tif 000006
【図３】
2005321278.tif 000007
【図４】
2005321278.tif 000008
【図５】
2005321278.tif 000009
【図６】
2005321278.tif 000010
【図７】
2005321278.tif 000011
【図８】
2005321278.tif 000012
【図９】
2005321278.tif 000013
【図１０】
2005321278.tif 000014
【図１１】
2005321278.tif 000015
【図１２】
2005321278.tif 000016
【図１３】
2005321278.tif 000017
【図１４】
2005321278.tif 000018
【図１５】
2005321278.tif 000019
【図１６】
2005321278.tif 000020
【図１７】
2005321278.tif 000021
【図１８】
2005321278.tif 000022
【図１９】
2005321278.tif 000023