(57)【要約】【課題】  複数周期の格子フィルム等を精度よく移動させ、精度が高く位相ずれのない三次元形状計測装置を提供する。【解決手段】  光投射手段５と、２種類の格子パターンを投射する２種類の格子フィルム２２ａ、２２ｂと、測定物３を撮影する画像撮影手段６と、格子フィルムを保持して一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段２０とを備え、格子駆動手段は、上下方向に一体化された２種類の格子フィルムを保持し、ベアリング２５を下部に有するフィルムベース２１と、格子フィルムを上下方向に案内する直動ガイド２４と、上端部においてベアリングを支持し、２種類の格子フィルムの各々を上下方向に一定量ずつ移動させるため、上下方向に高さの異なる複数の第１及び第２の段差２６ｃ、２６ｄと、両段差の間に２つの傾斜部２６ａ、２６ｂとを備えるカムシャフト２６と、カムシャフトを回転させるモータ２７とを備える。【選択図】  図４
2005098884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物に対して光源からの光を投射する光投射手段と、
該光投射手段と前記測定部との間に配置され、前記測定物に周期の異なる２種類の固定された格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、
前記格子パターンが投射された測定物の画像を撮影する画像撮影手段と、
前記格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段とを備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記格子パターン投射手段は、周期の異なる２種類の固定された格子パターンを投射する２種類の格子フィルムを備え、
前記格子駆動手段は、
上下方向に一体化された前記２種類の格子フィルムを保持し、前記格子フィルムの表面に垂直な軸線回りに回動可能に固定されたベアリングを下部に有するフィルムベースと、
前記格子フィルムを上下方向に案内する直動ガイドと、
円筒形に形成され、上端部において前記ベアリングを支持し、該上端部が、前記２種類の格子フィルムの一方を上下方向に一定量ずつ移動させるため上下方向に高さの異なる複数の第１の段差と、前記２種類の格子フィルムの他方を上下方向に一定量ずつ移動させるため上下方向に高さの異なる複数の第２の段差と、該複数の第１の段差が存在する領域と複数の第２の段差が存在する領域との間に配置された２つの傾斜部とを備えるカムシャフトと、
該カムシャフトを軸線回りに回転させるモータとを備えることを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記カムシャフトが前記モータによって１回転することにより、前記上端部に設けた前記複数の第１の段差と、前記複数の第２の段差と、前記２つの傾斜部との全領域が前記ベアリングと当接することを特徴とする請求項２記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記フィルムベースを下方向に付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項２または３記載の三次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状計測装置に関し、特に、正弦波位相格子法を用い、格子パターン投射手段と画像撮影手段とを備えた三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
格子パターン投影法を用いた従来の三次元形状計測装置として、特許文献１には、リアルタイムで高精度の三次元形状計測を実現するため、液晶素子に一定の周期（ピッチ）と幅とを有するストライブ電極をＮ本形成し、３または４の倍数となる電極数ｎを一つの単位とし、ストライブ電極をＮ／ｎ個のグループに分割し、各グループあたりで１本ずつの正弦波格子を作成するときに、ｎを変化させて正弦波格子の幅と周期を可変とし、正弦波のバイアス強度と振幅を変化させて正弦波の強度レベルを可変とし、液晶素子のスタティック駆動により正弦波強度を有する格子を作成する際に、正弦波の一周期がｎ分割されたときの各領域の強度に対応する実効電圧を二値強度レベルのパルス信号の位相を変化させることで作成する三次元形状計測装置が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、物体表面の形状変化や凹凸、段差等が存在しても短時間で物体の三次元形状を正確に計測するため、物体撮像用のカラーカメラと、Ａ／Ｄ変換部と、フレームメモリと、任意の色及び強度を持つパターン光を物体に投影するプロジェクタと、投影パターンデータを格納するパターンメモリと、メモリと、Ｄ／Ａ変換部と、ディスプレイと、ＣＰＵとを備えた三次元形状計測装置において、異なる周波数成分及び色成分を有する複数の正弦波状のスリットパターンデータを合成してパターンデータを作成し、このデータに基づいてパターン光を物体に投影して得た変形格子画像を色成分毎に分離し、色成分毎の変形格子画像から物体の形状を算出し、その結果を統合して最終的な三次元形状とする技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【特許文献２】特開平９−２１６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複雑な形状をした計測物の形状を精度よく三次元計測するには、長い周期の格子パターンを照射して大まかな形状を計測し、次に、短い周期の格子パターンを照射して細かい形状を計測する必要がある。そのため、２種類の格子パターンを投影する必要がある。しかし、上記従来の三次元形状計測装置においては、液晶によって格子パターンを変化させているが、液晶の場合には、投影した画像の繰り返し精度に問題があり、計測精度が低下するという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来の三次元形状計測装置における問題点に鑑みてなされたものであって、液晶ではなく、格子フィルム等の固定された格子パターンを用いた場合に、複数の周期を備えた格子パターンを精度よく移動させ、精度が高く、位相ずれのない三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、三次元形状計測装置であって、測定物に対して光源からの光を投射する光投射手段と、該光投射手段と前記測定部との間に配置され、前記測定物に周期の異なる２種類の固定された格子パターンを投射する格子パターン投射手段と、前記格子パターンが投射された測定物の画像を撮影する画像撮影手段と、前記格子パターン投射手段を保持しながら、該格子パターン投射手段を一定の方向に一定量ずつ移動させる格子駆動手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
そして、本発明によれば、周期の異なる２種類の格子パターンを精度よく移動させることで、取り込まれた大きい周期の画像より大まかな三次元データを計算し、小さい周期の画像から細かく、精度の高い三次元データを生成することにより、精度が高く、位相ずれのない三次元形状を生成することができる。
【０００９】
上記三次元形状計測装置において、前記格子パターン投射手段は、周期の異なる２種類の固定された格子パターンを投射する２種類の格子フィルムを備え、前記格子駆動手段は、上下方向に一体化された前記２種類の格子フィルムを保持し、前記格子フィルムの表面に垂直な軸線回りに回動可能に固定されたベアリングを下部に有するフィルムベースと、前記格子フィルムを上下方向に案内する直動ガイドと、円筒形に形成され、上端部において前記ベアリングを支持し、該上端部が、前記２種類の格子フィルムの一方を上下方向に一定量ずつ移動させるため上下方向に高さの異なる複数の第１の段差と、前記２種類の格子フィルムの他方を上下方向に一定量ずつ移動させるため上下方向に高さの異なる複数の第２の段差と、該複数の第１の段差が存在する領域と複数の第２の段差が存在する領域との間に配置された２つの傾斜部とを備えるカムシャフトと、該カムシャフトを軸線回りに回転させるモータとを備えるように構成することができる。
【００１０】
この構成によれば、カムシャフトに形成した２種類の段差によって、周期の短い小ピッチ格子フィルムと周期の長い大ピッチ格子フィルムとを精度よく繰り返し移動させることが可能となるため、簡易な構成により、２種類の格子パターンを精度よく移動させることができ、精度のよい三次元形状を生成することができる。
【００１１】
前記カムシャフトが前記モータによって１回転することにより、前記上端部に設けた前記複数の第１の段差と、前記複数の第２の段差と、前記２つの傾斜部との全領域が前記ベアリングと当接するように構成することができる。これによって、簡単に２種類の格子パターンの切替、及び撮影の繰り返しを行うことができる。
【００１２】
前記フィルムベースを下方向に付勢する付勢手段を備えるようにすることができる。これによって、ベアリングとカムシャフトとを常に確実に当接させることができ、より精度の高い三次元形状を生成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明にかかる三次元形状計測装置によれば、複数の周期を備えた固定された格子パターンを精度よく移動させ、精度が高く、位相ずれのない三次元形状の計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明にかかる三次元形状計測装置を含むシステムを示すブロック図である。このシステムは、映像の取り込み、格子パターンの投影を行う三次元形状計測装置１と、三次元形状計測装置１の制御、及び映像データの三次元画像データへの変換を行うパーソナルコンピュータ（パソコン）２とで構成される。
【００１５】
三次元形状計測装置１は、計測物３に対して傾斜して配置され、計測物３に格子パターンを投射するプロジェクタ（格子パターン投射手段）５と、計測物３に対して水平に配置され、画像を撮影するカメラ（画像撮影手段）６と、パソコン２からの動作信号を受け取り、プロジェクタ５及びカメラ６の制御（一連の計測シーケンス動作の実施）を行う制御部７とで構成される。
【００１６】
プロジェクタ５は、図２及び図３に示すように、光源の生成部であって光を投射するプロジェクタ発光部１０と、光路を開閉するプロジェクタシャッター（以下、「Ｐシャッター」と略称する）１２と、Ｐシャッター１２を駆動するソレノイド１１と、光源からの光を拡大する拡大レンズ１３と、格子フィルム２２を駆動する格子駆動機構（格子駆動手段）２０とで構成される。
【００１７】
プロジェクタ発光部１０及びＰシャッター１２は、図３に示すように、光源であるハロゲンランプ１４と、光源からの光を平行に導くコンデンサレンズ１５と、コンデンサレンズ１５と拡大レンズ１３の間に位置し、ソレノイド１１の出力軸１１ａと直結するＰシャッター１２と、Ｐシャッター１２の開閉動力源であるソレノイド１１とで構成される。
【００１８】
格子駆動機構２０は、図４に示すように、正弦波の色階調を有して周期の短い小ピッチ格子フィルム２２ａと、正弦波の色階調を有して周期の長い大ピッチ格子フィルム２２ｂと、小／大格子フィルム２２を収納し、骨格となるフィルムベース２１と、フィルムベース２１の下部に結合され、自在に回転するベアリング２５と、フィルムベース２１を直動（上下）方向のみ移動できるように規制する直動ガイド２４と、フィルムベース２１を下方向に付勢するフィルムスプリング２３と、円筒形をなし、上端部に凹凸部を有し（図５参照）、凹凸部がベアリング２５と接触するように回転可能に支持されたカムシャフト２６と、カムシャフト２６の回転駆動源であるカムモータ２７と、カムモータ２７の動力をカムシャフト２６に伝達するギヤ２８と、各部を支持するメカベース２９とで構成される。
【００１９】
カムシャフト２６は、図５に示すように、上面外周に各々段差を備え、この段差部は、ベアリング２５と接する位置に配置される。段差部は、ベアリング２５を介して格子フィルム２２ａ、２２ｂを上下移動させるために備えられ、小ピッチ格子フィルム２２ａを移動させるため、下部に位置し、小さな４段からなる段差を備えた小ピッチ部２６ｄと、小ピッチ格子フィルム２２ａから大ピッチ格子フィルム２２へ移動させるためのアップスロープ２６ａと、大ピッチ格子フィルム２２ｂを移動させるため、上部に位置し、大きな４段からからなる段差を備えた大ピッチ部２６ｃと、大ピッチ格子フィルム２２ｂから小ピッチ格子フィルム２２ａへ移動させるためのダウンスロープ２６ｂから構成される。
【００２０】
次に、上記構成を有する三次元形状計測装置の動作について説明する。
【００２１】
まず、光源部の動作について図３を参照しながら説明する。ハロゲンランプ１４から発せられコンデンサレンズ１５によって平行になった光は、格子フィルム２２を透過して、正弦波の格子パターンになる。光源からの光は、Ｐシャッター１２の開放時（図３（ｃ）参照）には、拡大レンズ１３を介して拡大され、正弦波の格子パターンが計測物に投影される。一方、図３（ｂ）に示すＰシャッター１２の閉鎖時には、光が遮られ、格子パターンは投影されない。Ｐシャッター１２は、上述のように、回転移動するソレノイド１１のＯＮ／ＯＦＦによって開閉する。
【００２２】
次に、格子フィルム２２の駆動について、図６を中心に参照しながら説明する。カムモータ２７（図４参照）を回転させ、ギヤ２８を介してカムシャフト２６を回転させる。カムシャフト２６の上面凹凸部とフィルムベース２１（大／小ピッチの格子フィルム２２を含む）のベアリング２５が接触しているため、凹凸によってフィルムベース２１は、直動ガイド２４によって規制され、上下移動する。
【００２３】
ベアリング２５は、撮影の開始時（図６（ａ））にカムシャフト２６の小ピッチ部２６ｄの最低面部にあり、カムシャフト２６が回転することで小ピッチ部２６ｄの段を一段ずつ上がっていく（図６（ｂ）、（ｃ））。カムシャフト２６がさらに回転すると、ベアリング２５は、アップスロープ２６ａにさしかかり、フィルムベース２１は急激に上昇する（図６（ｄ））。カムシャフト２６がさらに回転すると、ベアリング２５は、大ピッチ部２６ｃの最低面部に移動し（６（ｅ））、同じように大ピッチ部２６ｃの段を一段ずつ上がっていく（図６（ｆ）、（ｇ））。カムシャフト２６がさらに回転を続けると、ベアリング２５は、ダウンスロープ２６ｂ（図６（ｈ））経由し、元の開始時（図６（ａ））に戻る。
【００２４】
次に、実際の計測動作について、まず、テクスチャー撮影時のシャッター速度調整について、図９を参照しながら説明する。
【００２５】
計測物３を三次元計測範囲に設置した後、ステップＳ１において、計測場所の照明のスイッチを入れる。ここで、専用のテクスチャ用ランプを点灯してもよい。そして、ステップＳ２において、カメラ６の通常の部屋の明るさでのカメラ６のシャッタースピードを設定する。このとき、環境光が三次元計測時の格子パターンにできるだけ影響を与えないようにするため、カメラ６のレンズを絞り、シャッタースピードを遅くした状態で適切な明るさになるようにする（例えば、カメラシャッタースピードを１／５０とする）。
【００２６】
次に、ステップＳ３において、この状態の画像を１枚取り込む。このデータから、ステップＳ４において、パソコン２で明るさの分布を計算する。ステップＳ５において、明るさの最大値が２３０〜２５０の範囲にあるか否かを判断し、この範囲に入っている場合には、ステップＳ６において、テクスチャデータの２５６階調より、例えば、白部１００以上、黒部１００未満として、暗い部分の画素と、明るい部分の画素を計算し、ステップＳ７において、上記シャッタースピードＳ１とともに記録する。
【００２７】
次に、線画像撮影時のシャッター速度調整について、図１０を参照しながら説明する。
【００２８】
計測物３を三次元計測範囲に設置した後、ステップＳ１１において、計測場所の照明のスイッチを入れる。ここで、専用のテクスチャ用ランプを点灯してもよい。次に、ステップＳ１２において、前記環境でプロジェクタを点灯する。ここで、光量は常に最大とし、環境光が影響しない程度の明るさがあることが必要である。
【００２９】
次に、ステップＳ１３において、Ｐシャッター１２を開放して計測物３に正弦波の格子パターンを投影する。ステップＳ１４において、カメラシャッタースピードを任意に設定する。但し、プロジェクタ５の光量は、環境光よりかなり明るいため、カメラシャッタースピードは速くなる。
【００３０】
次に、ステップＳ１５において、この状態の画像を１枚取り込む。このデータから、ステップＳ１６において、パソコン２で明るさの分布を計算する。この際、ステップＳ１７において、白部のデータ（Ｗ１）、または黒部のデータ（Ｂ１）のみを参照する。
【００３１】
そして、ステップＳ１８において、明るさの最大値が２３０〜２５０の範囲にあるか否かを判断し、最大値が２３０〜２５０の範囲にある場合には、ステップＳ１９において、カメラシャッタースピードＳ２（例えば、１／５００）を記憶する。黒色部の計測を行う場合には、さらに、図９に示したフローで求めた黒部の画像データ部のみを参照してカメラ６のシャッタースピードを求める。このシャッタースピードは、例えば、１／１５０と、カメラシャッタースピードＳ２よりは遅くなる。そして、このカメラシャッタースピードＳ３を記憶する。
【００３２】
次に、本発明にかかる三次元形状計測装置の計測方法について図７及び図１１を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、ステップＳ２１において、プロジェクタ５を点灯して正弦波の格子パターンを計測物３に投影する。ステップＳ２２において、カメラ６のシャッタースピードをＳ２に設定する。ステップＳ２３において、図７に示すように、カメラ６と同期を取りながらカムシャフト２６を回転させることで、カムシャフト２６の平坦部（格子フィルム２２は移動しない）でのみ、カメラ６はシャッターを開放し、画像を取り込む。ステップＳ２４において、各段（４段）で１枚ずつ画像を取り込む。画像は、４／π（０．２５ｍｍ）毎に精度よく移動した正弦波を取り込むこととなる。
【００３４】
次に、ステップＳ２５において、Ｐシャッター１２を閉鎖して格子パターンの投射を止め、ステップＳ２６において、カメラ６のシャッタースピードをＳ１に設定する。ステップＳ２７において、テクスチャー画像１枚を取り込む。次に、ステップＳ２８において、Ｐシャッター１２を開放して格子パターンを投射しつつ、カメラ６のシャッタースピードを再びＳ２に設定する。そして、ステップＳ２９において、同様に各段（４段）で１枚ずつ画像を取り込む。画像は、４／π（１．２５ｍｍ）毎に精度よく移動した正弦波を取り込むことになる。ステップＳ３０において、必要な画像を取り込んだか否かを判断し、１回の計測（白のみ）の場合には、ステップＳ３１を経て計測が終了する。
【００３５】
黒部についても計測する場合には、ステップＳ３２において、カムシャフト２６をさらに回転させ、計測開始位置まで移動させる。ステップＳ３２において、カメラ６のシャッタースピードをＳ３に設定する。ステップＳ３４において、白部の計測時と同様に、ステップＳ３４及びステップＳ３５において、各４枚ずつ（計８枚）の画像を取り込む。
【００３６】
次に、取り込まれた画像から三次元形状の生成方法について、図１２を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、ステップＳ４１において、白部の計測時の大ピッチ（１．２５×４＝５ｍｍ）の正弦波の格子パターン画像４枚より三次元形状を生成する。このときのデータで、大まかな形状を決定する。次に、ステップＳ４２において、大ピッチ（０．２５×４＝１ｍｍ）の正弦波の格子パターン画像４枚より三次元形状を生成する。このデータは、格子パターンピッチが狭く、後述するように位相ずれを起こしやすいため、先程求めた大まかな形状を参照して貼り付けていく。この方法によって、各格子パターンでの問題点、すなわち、格子パターンのピッチが大きいことによる三次元精度の低下、格子パターンのピッチが小さいことによる位相ずれが発生しやすいという問題を解決することができ、精度が高く、位相ずれのない三次元データを生成することができる。
【００３８】
次に、ステップＳ４３において、黒部の計測時のデータを参照するか否かを判断し、参照する場合には、ステップＳ４４及びステップＳ４５において、黒部の計測時について上記と同様に計算する。
【００３９】
ステップＳ４６において、２つのデータを重ねることで、計測斑のないデータを生成することができる。これによって、今まで難しいとされた白／黒の計測物３の計測も精度よく計測することができる。
【００４０】
次に、上記位相ずれについて、図８を参照しながら説明する。
【００４１】
通常、ある程度精度の良い三次元データを生成するには、ある程度格子パターンのピッチを小さくする必要がある（図８（ａ）参照）。この時、計測物３には、正弦波の格子パターンを投影させるが、カメラ６でその格子パターンを見た場合、計測範囲内にいくつかの候補点が生まれてしまう。例えば、画素ａの場合、最初縞ａ１点があり、途中にａ２点があり、最後にａ−ｅｎｄとなる。この時（特に形状に大きな凹凸があった場合）に候補点の選択を誤る場合がある。これによって位相ずれが発生する。
【００４２】
本発明では、図８（ｂ）に示すように、格子パターンのピッチを大きくすることで位相ずれをなくしている。図８（ｂ）において、上記と同様に、候補点を見つけると、画素ａの場合には、最初縞ａ１点があり、途中に候補点もなく、最後にａ−ｅｎｄとなる。従って、候補点は１つとなるため、位相ずれは発生しない。
【００４３】
尚、上記実施の形態においては、固定された格子パターンを投射する格子パターン投射手段が２種類の格子フィルム２２ａ、２２ｂの場合について説明したが、格子フィルム２２ａ、２２ｂに限らず、固定された格子パターンをガラス基板等に作成してもよい。また、格子駆動機構２０についても、円筒状のカムシャフト２６に限らず、格子フィルム２２ａ、２２ｂ等を保持しながら、一定の方向に一定量ずつ移動させることができる機構であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかる三次元形状計測装置を含むシステムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の三次元形状計測装置のプロジェクタを示す斜視図である。
【図３】図２のプロジェクタの内部を示す図であって、（ａ）は一部破断正面図、（ｂ）及び（ｃ）は一部破断側面図である。
【図４】図１の三次元形状計測装置の格子移動機構を示す図であって、（ａ）及び（ｂ）は、各々異なる角度から見た場合の斜視図である。
【図５】図１の三次元形状計測装置のカムシャフトを示す斜視図である。
【図６】図１の三次元形状計測装置の格子フィルムの移動状態を示す平面図であって、（ａ）〜（ｃ）は、小ピッチ格子フィルム投影時の移動状態を、（ｄ）は、小ピッチ格子フィルムから大ピッチ格子フィルムへの切替時を、（ｅ）〜（ｇ）は、大ピッチ格子フィルム投影時の移動状態を、（ｈ）は、大ピッチ格子フィルムから小ピッチ格子フィルムへの切替時を示す。
【図７】図１の三次元形状計測装置のカムシャフトの回転と、格子フィルムの位置と、画像のキャプチャのタイミングとの関係を示すグラフである。
【図８】格子フィルムの投射時のカメラの撮影範囲とプロジェクタの格子パターンの位置を示す図であって、（ａ）は、小ピッチ格子フィルムの投射時を、（ｂ）は、大ピッチ格子フィルムの投射時を示す正面図である。
【図９】本発明にかかる三次元形状計測装置のテクスチャー撮影時のシャッター速度調整を示すフローチャートである。
【図１０】本発明にかかる三次元形状計測装置の縞画像時のシャッター速度調整を示すフローチャートである。
【図１１】本発明にかかる三次元形状計測装置の計測方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明にかかる三次元形状計測装置の三次元形状生成方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１     三次元形状計測装置
２      パソコン
３     計測物
５     プロジェクタ
６     カメラ
７     制御部
１０   プロジェクタ発光部
１１   ソレノイド
１１ａ 出力軸
１２   Ｐシャッター
１３   拡大レンズ
１４   ハロゲンランプ
１５   コンデンサレンズ
２０   格子駆動機構
２１   フィルムベース
２２   格子フィルム
２２ａ 小ピッチ格子フィルム
２２ｂ 大ピッチ格子フィルム
２３   フィルムスプリング
２４   直動ガイド
２５   ベアリング
２６   カムシャフト
２６ａ アップスロープ
２６ｂ ダウンスロープ
２６ｃ 大ピッチ部
２６ｄ 小ピッチ部
２７   モータ
２８   ギヤ
２９   メカベース
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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