(57)【要約】【課題】簡単な構成で３次元形状の形状計測の測定分解能を向上する。【解決手段】２値化投影パターンを測定対象物に投影し、上記２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の画像に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定方法において、所定の２値化投影パターンを測定対象物に対して所定の移動量でシフトしながら上記測定対象物に順次投影し、上記シフト毎に上記所定の２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の第１の種類の画像を取得し、それぞれ異なる複数の２値化投影パターンを上記測定対象物にそれぞれ投影し、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンをそれぞれ投影された上記測定対象物の第２の種類の画像を取得し、上記第１の種類の画像と上記第２の種類の画像とに基づいて、上記測定対象物の三次元形状を取得する。【選択図】        図３
2007155601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２値化投影パターンを測定対象物に投影し、前記２値化投影パターンを投影された前記測定対象物の画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定方法において、
所定の２値化投影パターンを測定対象物に対して所定の移動量でシフトしながら前記測定対象物に順次投影し、前記シフト毎に前記所定の２値化投影パターンを投影された前記測定対象物の第１の種類の画像を取得し、
それぞれ異なる複数の２値化投影パターンを前記測定対象物にそれぞれ投影し、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンをそれぞれ投影された前記測定対象物の第２の種類の画像を取得し、
前記第１の種類の画像と前記第２の種類の画像とに基づいて、前記測定対象物の三次元形状を取得する
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状の測定方法において、
前記２値化投影パターンは、一定の幅を有するとともに前記幅方向と直交する所定の方向に延長する光透過領域と光非透過領域とが交互にストライプ状に連続して形成されたものである
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元形状の測定方法において、
前記所定の２値化投影パターンを前記測定対象物に対してシフトする方向は、前記幅方向である
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項４】
請求項２または３のいずれか１項に記載の三次元形状の測定方法において、
前記所定の２値化投影パターンは、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンの中で前記幅が最も狭い２値化投影パターンである
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項５】
請求項２、３または４のいずれか１項に記載の三次元形状の測定方法において、
前記所定の２値化投影パターンは、前記光透過領域と前記光非透過領域との位置が入れ替わる１／２位相反転する範囲までシフトする
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項６】
２値化投影パターンを測定対象物に投影し、前記２値化投影パターンを投影された前記測定対象物の画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定装置において、
所定の２値化投影パターンを測定対象物に対して所定の移動量でシフトしながら前記測定対象物に順次投影し、前記シフト毎に前記所定の２値化投影パターンを投影された前記測定対象物の第１の種類の画像を取得する第１の画像取得手段と、
それぞれ異なる複数の２値化投影パターンを前記測定対象物にそれぞれ投影し、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンをそれぞれ投影された前記測定対象物の第２の種類の画像を取得する第２の画像取得手段と、
前記第１の画像取得手段により取得された前記第１の種類の画像と前記第２の画像取得手段により取得された前記第２の種類の画像とを合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された合成結果に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を取得する三次元形状取得手段と
を有することを特徴とする三次元形状の測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元形状の測定装置において、
前記２値化投影パターンは、一定の幅を有するとともに前記幅方向と直交する所定の方向に延長する光透過領域と光非透過領域とが交互にストライプ状に連続して形成されたものである
ことを特徴とする三次元形状の測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の三次元形状の測定装置において、
前記所定の２値化投影パターンを前記測定対象物に対してシフトする方向は、前記幅方向である
ことを特徴とする三次元形状の測定装置。
【請求項９】
請求項７または８のいずれか１項に記載の三次元形状の測定装置において、
前記所定の２値化投影パターンは、前記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンの中で前記幅が最も狭い２値化投影パターンである
ことを特徴とする三次元形状の測定装置。
【請求項１０】
請求項７、８または９のいずれか１項に記載の三次元形状の測定方法において、
前記所定の２値化投影パターンは、前記光透過領域と前記光非透過領域との位置が入れ替わる１／２位相反転する範囲までシフトする
ことを特徴とする三次元形状の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状の測定方法およびその装置に関し、さらに詳細には、２値化投影パターンにより空間に対し絶対的なコード値を生成する空間コード化法を利用した三次元形状の測定方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光を用いて測定対象物の三次元形状を非接触で計測する技術としては、受動的測定法と能動的測定法とがある。
【０００３】
ここで、受動的測定法とは、ステレオ法に代表されるように、測定機器側は投光手段を持たずに、環境光を利用して計測するという手法である。
【０００４】
一方、能動的測定法とは、測定機器側の投光手段から測定対象物に向けて光を照射して、その反射光を計測するという手法である。
【０００５】
また、こうした能動的測定法のなかで、三角測量の原理を用いるものとしては、スリット光投影法や空間コード化法などが知られている。
【０００６】
ここで、空間コード化法とは、測定対象物に対して光透過領域と光非透過領域とよりなるストライプ状の光パターンたる２値化投影パターンを何種類も投影することにより、当該ストライプ状の光パターンを投影された測定対象物上の１点を観察していると、その観察している１点に投影される光線が点滅して符号（コード）を形成するようになるが、そのコードを利用して測定対象物の三次元形状を測定するという手法である。
【０００７】
この空間コード化法においては、コードが示す値（空間コード値）と光線の方向とは一対一の関係で対応しており、測定対象物上における光点の位置から観察位置の視線の方向が判り、また、その光点の空間コード値から光線の方向が判るので、三角測量の原理により測定対象物上における全ての光点までの距離を求めることができ、これにより測定対象物の三次元形状を非接触で計測することができるようになるものである。
【０００８】
ところで、上記した空間コード化法における３次元形状の測定分解能は、ストライプ状のパターンの幅に依存することが知られている。
【０００９】
従って、空間コード化法においては、ストライプ状のパターンの幅を細くすればするほど測定分解能は向上するが、ストライプ状のパターンの幅を細くするのに伴って、投光側の光の強さや撮影空間ならびに測定対象物での乱反射などによって受光側ではストライプ状のパターンの識別が困難になってしまい、ストライプ状のパターンの幅を細くするにも限界があった。
【００１０】
即ち、空間コード化法は、投影機や撮影機の解像度および測定対象物の形状や表面状態の影響でコードの細分化には限界があり、３次元形状の測定分解能をそれほど細かくすることはできないという問題点が指摘されていた。
【００１１】
そこで、上記した空間コード化法が有する問題点を解決するための手法として、例えば、空間コード化法とマルチスリットイメージエンコーダ法とを組み合わせた手法が、特許文献２として提示する特開２００５−３４０９号公報において提案されている。
【００１２】
この特開２００５−３４０９号公報に開示された手法は、コンピュータに接続されたプロジェクタを用いて、まず測定対象物にマルチスリットパターンを投影してその画像を撮影し、その後に、同じプロジェクタを用いて、ストライプの明暗の組み合わせにより空間の絶対位置の同定が可能なようにコード化された複数のストライプパターンを順次投影する。
【００１３】
その際に、投影パターンを投影方向とは異なる方向からカメラで撮影して、個々の投影パターンに対応する画像を得るものである。
【００１４】
ここで、マルチスリットパターンとストライプパターンとの投影パターンに応じて、それぞれの投影画像をマルチスリット投影画像とストライプ投影画像と各々称することとするが、マルチスリット画像については、各画素ごとに各画素の明るさの時間変化をチェックし、その画素が最大輝度を示すタイミングにおけるスリットの相対的投影位置（投光角度）をその画素の値とする相対投光角度画像を生成する。
【００１５】
そして、相対投光角度画像の各画素の値と、パターン投影手段および撮像手段の幾何学的関係とから、三角測量の原理に基づいてストライプパターンの最小幅に対応する領域の精密な部分形状を求める。
【００１６】
一方、ストライプ投影画像については、各画素ごとに各画素の明るさの時間変化をチェックし、ストライプパターンによるコード化を行う。例えば、その明暗変化のシーケンスをコード化して、その画素の値とする絶対投影角度画像を作成する。
【００１７】
このようにして、各画素は、そのコードの示す最小幅のストライプ、即ち、投光角度のゾーンと対応づけられる。
【００１８】
そして、絶対投光角度画像の各画素の値（投光角度）、パターン投影手段、撮像手段ならびに対象基準面(形状演算の座標系)の幾何学的関係から、三角測量の原理に基づいて被測定対象物表面に投影されたストライプの形状を演算処理することにより求めるものである。
【００１９】
従って、特開２００５−３４０９号公報に開示された手法によれば、最小ストライプ幅での概略の全体形状を求めることができる。
【００２０】
しかしながら、上記した特開２００５−３４０９号公報に開示された手法、即ち、空間コード化法とマルチスリットイメージエンコーダ法とを組み合わせた手法では、絶対形状が認識できる空間コード化法で撮影空間をマルチスリットと同じｎ分割（ｎコード化）し、各分割ごとにマルチスリットイメージエンコーダ法での高い分解能のデータを合成することで高分解能の三次元形状認識を可能にしているが、空間コード化法のシステムの他に、マルチスリットイメージエンコーダを構成するためのスリット生成機能、ピーク検出と保持機能、投光角度記憶機能あるいは角度・時間変換機能などの複雑な構成が必要となるという問題点があった。
【００２１】
さらに、こうした複雑な構成を処理するために、中央処理装置（ＣＰＵ）などの制御システムへの負担が増大するようになるとともに、処理に長時間を要するようになるという問題点があった。
【特許文献１】特開２００５−３４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で３次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようにした三次元形状の測定方法およびその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明は、解像度の影響を受けない程度の２値化投影パターン、即ち、ストライプ状のパターンの幅が細さの限界に達していない程度の２値化投影パターンをシフトすることで、空間コードを細分化するようにしたものである。
【００２４】
即ち、本発明は、２値化投影パターンにより空間に対し絶対的なコード値を生成する空間コード化法を利用して、２値化投影パターンを任意の移動量でシフトさせることにより高い測定分解能を得ることができるようにしたものである。
【００２５】
こうした本発明によれば、空間コード化法のアルゴリズムをそのまま利用することができるので、ハードウェアやソフトウェアの構成も空間コード化法のものをそのまま利用することが可能となり、簡単な構成で３次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようになる。
【００２６】
こうした本発明のうち請求項１に記載の発明は、２値化投影パターンを測定対象物に投影し、上記２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の画像に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定方法において、所定の２値化投影パターンを測定対象物に対して所定の移動量でシフトしながら上記測定対象物に順次投影し、上記シフト毎に上記所定の２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の第１の種類の画像を取得し、それぞれ異なる複数の２値化投影パターンを上記測定対象物にそれぞれ投影し、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンをそれぞれ投影された上記測定対象物の第２の種類の画像を取得し、上記第１の種類の画像と上記第２の種類の画像とに基づいて、上記測定対象物の三次元形状を取得するようにしたものである。
【００２７】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記２値化投影パターンは、一定の幅を有するとともに上記幅方向と直交する所定の方向に延長する光透過領域と光非透過領域とが交互にストライプ状に連続して形成されるようにしたものである。
【００２８】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンを上記測定対象物に対してシフトする方向を、上記幅方向としたものである。
【００２９】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンは、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンの中で上記幅が最も狭い２値化投影パターンであるようにしたものである。
【００３０】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンは、上記光透過領域と上記光非透過領域との位置が入れ替わる１／２位相反転する範囲までシフトするようにしたものである。
【００３１】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、２値化投影パターンを測定対象物に投影し、上記２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の画像に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定装置において、所定の２値化投影パターンを測定対象物に対して所定の移動量でシフトしながら上記測定対象物に順次投影し、上記シフト毎に上記所定の２値化投影パターンを投影された上記測定対象物の第１の種類の画像を取得する第１の画像取得手段と、それぞれ異なる複数の２値化投影パターンを上記測定対象物にそれぞれ投影し、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンをそれぞれ投影された上記測定対象物の第２の種類の画像を取得する第２の画像取得手段と、上記第１の画像取得手段により取得された上記第１の種類の画像と上記第２の画像取得手段により取得された上記第２の種類の画像とを合成する合成手段と、上記合成手段により合成された合成結果に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を取得する三次元形状取得手段とを有するようにしたものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項６に記載の発明において、上記２値化投影パターンは、一定の幅を有するとともに上記幅方向と直交する所定の方向に延長する光透過領域と光非透過領域とが交互にストライプ状に連続して形成されるようにしたものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンを上記測定対象物に対してシフトする方向を、上記幅方向としたものである。
【００３４】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７または８のいずれか１項に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンは、上記それぞれ異なる複数の２値化投影パターンの中で上記幅が最も狭い２値化投影パターンであるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項７、８または９のいずれか１項に記載の発明において、上記所定の２値化投影パターンは、上記光透過領域と上記光非透過領域との位置が入れ替わる１／２位相反転する範囲までシフトするようにしたものである。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、以上説明したように構成されているので、簡単な構成で３次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようになるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元形状の測定方法およびその装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３８】
図１には、本発明による三次元形状の測定装置の実施の形態の一例を表す概略構成説明図が示されている。
【００３９】
即ち、本発明の実施の形態の一例による三次元形状の測定装置（以下、単に「測定装置」と適宜に称する。）１０は、バス１２ａを介して接続された中央処理装置（ＣＰＵ）１２ｂ、ＣＰＵ１２ｂが実行するプログラムなどを格納したリードオンリメモリ（ＲＯＭ）１２ｃ、データ信号を一時記憶するバッファメモリやＣＰＵ１２ｂによるプログラムの実行時に必要な各種レジスタなどが設定されたワーキングエリアとしてのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１２ｄ、キーボードやマウスなどの各種の入力装置１２ｅならびにＣＰＵ１２ｂの処理結果などを出力して表示する表示装置１２ｆなどを有して構成されるコンピュータ１２によりその全体の動作を制御するように構成されており、コンピュータ１２の制御により測定対象物１４へ複数の２値化投影パターンを投影する投影機１６と、投影機１６により２値化投影パターンを投影された測定対象物１４を撮影する撮影機１８とを有して構成されている。
【００４０】
即ち、測定装置１０においては、投影機１６はコンピュータ１２に接続されていて、測定対象物１４の表面に、コンピュータ１２で生成される各種の２値化投影パターンを投影することができるように配置にされている。また、撮影機１８は、投影機１６の投影方向とは異なる方向から測定対象物１４の表面を撮影することができるように配置されており、撮影機１８で撮影された画像は、デジタル化されてコンピュータ１２に取り込まれるようになされている。
【００４１】
ここで、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、コンピュータ１２で生成される各種の２値化投影パターンの例が示されている。
【００４２】
これら２値化投影パターンは、それぞれ一定の幅Ｗを有するとともに幅Ｗ方向と直交する所定の方向に延長するスリット状の光透過領域１００ａとスリットの枠に相当する光非透過領域１００ｂとが、交互に連続するようにして形成されている。光透過領域１００ａと光非透過領域１００ｂとの幅Ｗは、任意の大きさに設定することができる。
【００４３】
また、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す２値化投影パターンにおいては、幅Ｗが最も狭い２値化投影パターンは図２（ｄ）に示すものである。このように、それぞれ異なる複数の２値化投影パターンの中で幅Ｗが最も狭い２値化投影パターンを「ＬＳＢパターン」と一般に称する。
【００４４】
なお、こうした２値化投影パターンは、従来より周知の技術であるためその詳細な説明は省略する。
【００４５】
次に、図３には、コンピュータ１２により実現される測定装置１０の制御システムのブロック構成説明図が示されている。
【００４６】
この制御システムは、投影機１６で投影する処理に使用する複数の２値化投影パターンを決定して、当該決定した複数の２値化投影パターンを測定対象物１４の表面に投影するとともに、当該決定した複数の２値化投影パターンの中のいずれか１つを幅Ｗ方向に所定の移動量だけシフト（移動）させながら測定対象物１４の表面に投影するための制御を行う２値化投影パターン投影手段２０と、撮影機１８が撮影した画像をデジタル化して画像処理手段２４（後述する。）へ送る画像入力手段２２と、画像入力手段２２から送られた画像を処理して測定対象物１４の三次元情報を抽出する画像処理手段２４とを有して構成されている。
【００４７】
ここで、２値化投影パターン投影手段２０は、図２に示すような２値化投影パターンを生成する２値化投影パターン生成部２０ａと、２値化投影パターン生成部２０ａにおいて生成された２値化投影パターンを測定対象物１４へ投影するように投影機１６を制御する２値化投影パターン投影制御部２０ｂとを有して構成されている。
【００４８】
即ち、この２値化投影パターン投影手段２０においては、２値化投影パターン生成部２０ａで所定の幅Ｗの光透過領域１００ａと光非透過領域１００ｂとからなる複数の２値化投影パターンを生成する。
【００４９】
そして、空間コード画像生成処理（後述する。）を行う場合には、２値化投影パターン投影制御部２０ｂが投影機１６を制御して、２値化投影パターン生成部２０ａが生成した種類の異なる複数の２値化投影パターンを測定対象物１４の表面にそれぞれ投影する。この際には、２値化投影パターン投影制御部２０ｂは、測定対象物１４の表面に投影する２値化投影パターンを幅Ｗ方向へシフトしない。
【００５０】
一方、位相シフト画像生成処理（後述する。）を行う場合には、２値化投影パターン投影制御部２０ｂが投影機１６を制御して、２値化投影パターン生成部２０ａが生成した複数の２値化投影パターンのいずれか１つを測定対象物１４の表面に投影する。この際には、２値化投影パターン投影制御部２０ｂは、測定対象物１４の表面に投影する２値化投影パターンを幅Ｗ方向に所定の移動量ずつ順次にシフトさせながら投影する。
【００５１】
この移動量は任意であり、幅Ｗよりも小さくてもよいし大きくてもよいが、この移動量が、測定対象物１４における３次元形状の形状計測の測定分解能に関する最小分解能となる。
【００５２】
次に、画像入力手段２２は、測定対象物１４の表面に投影された２値化投影パターンを撮影機１８により撮影し、当該撮影により得られた画像をデジタル化して画像処理手段２４へ入力するものである。
【００５３】
さらに、画像処理手段２４は、画像入力手段２２から送られた画像を処理して測定対象物１４の三次元情報を抽出するものであり、２値化投影パターン生成部２０ａが生成した種類の異なる複数の２値化投影パターンを測定対象物１４の表面にそれぞれ投影し、撮影機１８により２値化投影パターンを投影された測定対象物１４の表面を、当該種類の異なる複数の２値化投影パターン毎に撮影した画像を画像入力手段２２から送られて、当該送られた画像を合成した画像（以下、「空間コード画像」と適宜に称する。）を生成する空間コード画像処理を行う空間コード画像生成手段２４ａと、２値化投影パターン生成部２０ａが生成したいずれか１つの２値化投影パターンを幅Ｗ方向に所定の移動量だけ順次にシフトさせながら測定対象物１４の表面に投影し、撮影機１８により２値化投影パターンを投影された測定対象物１４の表面をシフト毎に撮影した画像を画像入力手段２２から送られて、当該送られた画像を合成した画像（以下、「位相シフト画像」と適宜に称する。）を生成する位相シフト画像生成処理を行う位相シフト画像生成手段２４ｂと、空間コード画像生成手段２４ａにより得られた空間コード画像（空間コード値）と位相シフト画像生成手段２４ｂにより得られた位相シフト画像（シフトコード値）とを合成した画像たる位相シフト空間コード画像を生成する位相シフト空間コード画像生成手段２４ｃと、位相シフト空間コード画像生成手段２４ｃにより得られた位相シフト空間コード画像から測定対象物１４の３次元形状情報を得る３次元形状情報取得手段２４ｄとを有して構成されている。
【００５４】
そして、３次元形状情報取得手段２４ｄにより取得された測定対象物１４の３次元形状情報は、表示装置１２ｆなどへ出力されて利用に供される。
【００５５】
なお、位相シフト空間コード画像生成手段２４ｃにより得られた画像たる位相シフト空間コード画像は空間コード画像であるので、３次元形状情報取得手段２４ｄは、空間コード化法のアルゴリズムのままで測定対象物１４の３次元形状情報を取得することができる。換言すれば、３次元形状情報取得手段２４ｄは、従来より公知の技術により構築することができ、従来より公知の技術を利用して３次元形状情報が得られる。
【００５６】
以上の構成において、図４に示すフローチャートを参照しながら、測定装置１０の動作について説明する。
【００５７】
即ち、この測定装置１０において測定対象物１４の３次元形状情報を得るには、まず、空間をコード化するために、所定の幅Ｗがそれぞれ異なる複数の２値化投影パターンを生成する（ステップＳ４０２）。
【００５８】
ここで、空間を分割するためのスリットの数をｎとすると、ｌｏｇ２ｎ枚の異なる２値化投影パターンを用意しなければならない。
【００５９】
次に、ステップＳ４０２で生成された２値化投影パターンの中で任意の一つを選択して、位相シフト画像を生成する位相シフト画像生成処理を行う（ステップＳ４０４）。即ち、投影機１６により、選択した２値化投影パターンを幅Ｗ方向に所定の移動量だけ順次にシフトさせながら測定対象物１４の表面に投影し、撮影機１８により２値化投影パターンを投影された測定対象物１４の表面をシフト毎に撮影した画像を画像入力手段２２から送られて、当該送られた画像を合成して位相シフト画像を生成する。
【００６０】
つまり、位相シフト画像生成処理においては、後述する空間コード画像生成処理に必要な２値化投影パターンのうちの任意の一つ選択して用いるものであり、この位相シフト画像生成処理で用いる２値化投影パターンを「シフトパターン」と適宜に称することとする。
【００６１】
シフトパターンとしては、原理的にはいずれの２値化投影パターンを用いてもよく、いずれの２値化投影パターンでも同様の効果を得ることが可能であるが、シフト数を考慮すると最も幅Ｗの狭い２値化投影パターン、即ち、ＬＳＢパターンを用いることが好ましいものである。
【００６２】
即ち、シフトパターンとしては、原理的にはいずれの２値化投影パターンを用いても同様な作用効果を得ることができるが、位相シフト画像生成処理においてはシフト毎に２値化投影パターンを投影された測定対象物１４の画像を撮影するため、撮影枚数が最も少なくなる、換言すれば、シフト回数が最も少なくなるＬＳＢパターンを用いてそれをシフトすることが好ましい。
【００６３】
また、シフトパターンをシフトする際のシフト毎の移動量（以下、「シフトピッチ」と適宜に称する。）は、測定装置１０のユーザーが希望する測定分解能のピッチでよく、このシフトピッチが最小分解能となる。なお、投影機１６の最小ドットピッチを採用すると、投影機１６の解像度に影響を受けることなく最も測定分解能が高くすることができる。
【００６４】
また、シフトパターンは、そのパターンの１周期以内で複数回シフトするものとする。即ち、シフトパターンのシフト幅は、例えば、ＬＳＢパターンの光透過領域１００ａと光非透過領域１００ｂとの位置が入れ替わる１／２位相反転する範囲までシフトする。
【００６５】
ここで、測定対象物１４の表面をシフト毎に撮影した画像を合成して位相シフト画像を生成する際には、シフト毎に撮影した各画像をそれぞれに重み無く（または、同一の重みでもよい。）足し込むことで、シフトピッチを最小分解能とする空間コード画像たる位相シフト画像を生成する。
【００６６】
なお、位相シフト画像は、２値化投影パターンのストライプ幅間隔である幅Ｗ間隔でコード値が繰り返され、生成される位相シフト画像中に同一コード値が複数存在するようになる。このため、位相シフト画像生成処理においては、撮影空間に対して絶対的なコード値は生成されない。
【００６７】
また、後述するように、２値化投影パターンに「グレイコード」を採用した場合には、足し込みの前にＢｉｔ演算をすることが望ましい。
【００６８】
上記したステップＳ４０４の処理を終了すると、ステップＳ４０６の処理へ進み、ステップＳ４０２で生成された所定の幅Ｗがそれぞれ異なる複数の２値化投影パターンを用いて、空間コード画像を生成する空間コード画像生成処理を行う。即ち、投影機１６により、種類の異なる複数の２値化投影パターンを測定対象物１４の表面にそれぞれ投影し、撮影機１８により２値化投影パターンを投影された測定対象物１４の表面を、当該種類の異なる複数の２値化投影パターン毎に撮影した画像を画像入力手段２２から送られて、当該送られた画像を合成して空間コード画像を生成する。
【００６９】
つまり、空間コード画像生成処理においては、例えば、シフトパターンとしてＬＳＢパターンを選択したならば、シフトさせる前のＬＳＢパターンも含めた２値化投影パターンを測定対象物１４の表面に投影し、従来より公知の、所謂、空間コード画像を生成する。
【００７０】
この空間コード画像の分解能はＬＳＢパターンのストライプ幅であるが、撮影空間に対して絶対的なコードとなる。
【００７１】
次に、ステップＳ４０４で生成した位相シフト画像とステップＳ４０６で生成した空間コード画像とを合成して、位相シフト空間コード画像を生成する位相シフト空間コード画像生成処理を行う（ステップＳ４０８）。この位相シフト空間コード画像は、撮影空間に対して相対的なコード値の画像たる位相シフト画像と撮影空間に対して絶対的なコード値の画像たる空間コード画像との合成であるため、これにより生成された位相シフト空間コード画像は、シフトピッチを測定分解能とし、かつ、撮影空間に対して絶対的なコード値の画像となる。即ち、シフトピッチまで細分化（高分解能化）された絶対的なコード画像（コード値）が生成される。
【００７２】
ステップＳ４０８の処理を終了すると、ステップＳ４１０の処理へ進み、ステップＳ４０８で生成された位相シフト空間コード画像に基づいて、測定対象物１４の３次元形状情報を取得する３次元形状情報取取得処理を行う。即ち、位相シフト空間コード画像は空間コード画像であるため、位相シフト空間コード画像を空間コード画像として扱い、従来より公知の技術を用いて測定対象物１４の３次元形状情報を取得する。
【００７３】
そして、ステップＳ４１０の３次元形状情報取得処理により取得された測定対象物１４の３次元形状情報は、表示装置１２ｆなどへ出力されて各種の利用に供される。
【００７４】
次に、シフトパターンをシフトしながら各シフト毎における測定対象物１４の表面へ投影された２値化投影パターン画像を撮影する手法の原理について、以下により詳細に説明することする。
【００７５】
まず、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）には、光非透過領域（図５においてハッチングで示す領域）が、１６分割したシフトピッチ幅で図上左側から右側へシフトパターンをシフトして、光透過領域（図５においてハッチングされていない領域）と光非透過領域とが反転する位置までシフトしたときにおける、各シフトパターンのシフト状態と各シフトピッチに対応するコード値とが示されている。なお、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）において、黒１〜ｎは、シフトパターンをシフトしたことで光非透過領域がシフトパターンを含めて何回であったかを示している。
【００７６】
ここで、図５（ａ）は、シフトピッチを分解能とした空間に分割するものであり、シフトパターンを撮影した画像と、シフトごとに撮影した各画像の中の同一画素の２値化された値を単純に加算することによって空間を分割する。
【００７７】
例えば、図５（ｂ）に示すように、シフトパターンを予め二分割しておけばシフト回数は１／２になり、撮影枚数ならびに撮影時間ともに１／２となる。
【００７８】
同様に、図５（ｃ）に示すように、シフトパターンを４分割にすれば、シフト回数は１／４になり、さらに分割していけば同様に撮影枚数が減り、撮影時間も短縮することができる。
【００７９】
このことから、シフトパターンとしては、２値化投影パターンの中で最もストライプ幅の小さい、即ち、分割数の多いＬＳＢパターンを選択することがより効率的である。
【００８０】
また、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、位相シフト画像は、２値化投影パターンのストライプの幅Ｗの間隔でコード値が繰り返され、生成される位相シフト画像中に同一コード値が複数存在することになる。このため、撮影空間に対して絶対的なコード値は生成されない。
【００８１】
しかしながら、シフトパターンをシフトさせることによって得られた同一コード値は、シフトパターンの光透過領域と光非透過領域という２値化された値の中では、複数回発生しないという特徴を備えている。
【００８２】
例えば、図５（ｃ）において、「光非透過領域｜光透過領域｜光非透過領域｜光透過領域」という２値化投影パターンで４分割されたパターンをシフトパターンとした場合、「黒１」というコード値は４カ所に発生している。
【００８３】
しかしながら、シフトパターンの中の「光透過領域」の中には１カ所しか発生しない。同様に、シフトパターンの中の「光非透過領域」の中にも「黒１」というコード値は１カ所しかない。
【００８４】
ここで、シフトさせる前のシフトパターンも含めた２値化投影パターンを投影および撮影し空間コード画像を生成すると、当該空間コード画像は分解能はＬＳＢパターンのストライプ幅であるが、撮影空間に対して絶対的なコード値となる。
【００８５】
即ち、図６に示すように、シフトパターンの「右側の光透過領域」は「空間コード０」、「左側の光非透過領域」は「空間コード３」というように撮影空間を一意にコード化できる。
【００８６】
従って、図７に示すように、撮影空間に対して相対的なコード値を持つ位相シフト画像と、絶対的なコード値を持つ空間コード画像との複雑な演算システムを必要としない足し合わせによる合成により、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ位相シフト空間コード画像を生成することができる。
【００８７】
これにより、例えば空間を１６分割するのに１６回のシフトや撮影を行わずに撮影枚数を減少させ、撮影時間を短縮することができるようになる。
【００８８】
なお、上記においては、バイナリコードを用いた場合について説明したが、一般に用いられているグレイコードでも原理は同じである。
【００８９】
ここで、グレイコードで表現した２値化投影パターンを使用し、位相シフト空間コード画像を公知の表計算ソフトウェアを用いて処理した結果を図８に示す。
【００９０】
なお、図８において、光透過領域は「１」、光非透過領域は「０」で表され、空間コード値は実際は２５５までであるが、３５までのみが表示されている。
【００９１】
また、投影機の解像度が、２値化投影パターンにおけるＬＳＢパターンのストライプの幅の４倍であるとしてシフトさせているため、バイナリコードであれば４回のシフトとなるが、グレイコードのため７回シフトとなっている。
【００９２】
Ｇ３２〜Ｇ１はグレイコードで表現した２値化投影パターンを示し、Ｓ１〜Ｓ７はＧ１（ＬＳＢ）を位相シフトしたパターンを示す。
【００９３】
足し合わせの覧には、位相シフトを単純に足し込みをした値を示している。ここで、足し合わせを行った位相シフト画像は「０〜３」までの変化でなくてはならないものが、「０〜７」「７〜０」と大きさと変化の方向が一定でなくなっている。
【００９４】
このままでも空間コード画像との合成は可能であるが、三次元情報抽出時の演算が複雑になってしまうので、空間コード画像との合成の前に図９に示すＢｉｔ演算を行うことで大きさと変化の方向をバイナリコードから生成された空間コード画像に合わせる値で示した。
【００９５】
変換データの覧には、Ｇ３２〜Ｇ１のグレイコードパターンをバイナリコードパターンに変換した値を示す。バイナリ空間コードはバイナリコードから生成された空間コード画像を示す。
【００９６】
Ｂｉｔ演算によりグレイコードからバイナリコードに変換された位相シフト画像とバイナリコードから生成された空間コード画像を合成した位相シフト空間コード画像は、図１０に示すように、グラフの傾きが階段状になっているバイナリコードから生成された空間コード画像に対し、位相シフト空間コード画像ではグラフの傾きが直線状となり分解能が向上したことがわかる。
【００９７】
上記した測定装置１０においては、シフトパターンをシフトする機能および位相シフト画像と空間コード画像とを合成する機能以外の特別な構成を必要とせずに、従来の空間コード化法で用いる構成を用いて、撮影画像の合成だけで高解像度の空間コード画像が生成でき、これにより測定対象物１４の３次元形状計測の分解能を向上することができる。
【００９８】
また、上記した測定装置１０においては、測定分解能はシフトピッチに依存し、２値化投影パターンのストライプの幅Ｗとは独立しているため、ＬＳＢパターンのストライプの幅Ｗは、投影機１６や撮影機１８の解像度に応じてＬＳＢパターンのストライプが識別が可能な幅とすることができる。
【００９９】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（３）に説明するように変形してもよい。
【０１００】
（１）上記した実施の形態においては、位相シフト画像生成処理を行った後に空間コード画像生成処理を行うようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、両者の処理の順番を逆にして、空間コード画像生成処理を行った後に位相シフト画像生成処理を行うようにしてもよい。
【０１０１】
（２）上記した実施の形態においては、２値化投影パターンを生成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、記憶手段に幅Ｗがそれぞれ異なる複数の２値化投影パターンを予め記憶しておき、当該記憶手段に記憶されている２値化投影パターンを適宜に読み出すようにしてもよい。
【０１０２】
（３）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、工業デザインでの形状取得、人体の形状取得あるいは建築物の形状取得などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】図１は、本発明による三次元形状の測定装置の実施の形態の一例を表す概略構成説明図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、各種の２値化投影パターンの例を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明による三次元形状の測定装置の制御システムのブロック構成説明図である。
【図４】図４は、本発明による三次元形状の測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。
【図６】図６は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。
【図７】図７は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。
【図８】図８は、グレイコードで表現した２値化投影パターンを使用し、位相シフト空間コード画像を公知の表計算ソフトウェアを用いて処理した結果を示す表である。
【図９】図９は、Ｂｉｔ演算の演算内容を示すものである。
【図１０】図１０は、Ｂｉｔ演算によりグレイコードからバイナリコードに変換された位相シフト画像とバイナリコードから生成された空間コード画像を合成した位相シフト空間コード画像を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０      三次元形状の測定装置
１２      コンピュータ
１２ａ    バス
１２ｂ    中央処理装置（ＣＰＵ）
１２ｃ    リードオンリメモリ（ＲＯＭ）
１２ｄ    ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
１２ｅ    入力装置
１２ｆ    表示装置
１４      測定対象物
１６      投影機
１８      撮影機
２０      ２値化投影パターン投影手段
２０ａ    ２値化投影パターン生成部
２０ｂ    ２値化投影パターン投影制御部
２２      画像入力手段
２４      画像処理手段
２４ａ    空間コード画像生成手段
２４ｂ    位相シフト画像生成手段
２４ｃ    位相シフト空間コード画像生成手段
２４ｄ    ３次元形状情報取得手段
【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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