(57)【要約】【課題】パターンの投影周期よりも長い露光時間が必要になった場合でも、簡易的な処理で高速に計測が可能な三次元形状計測装置を提供すること。【解決手段】露光時間Ｔｅ、フレーム周期Ｔｆとしたとき、同一パターンをＴｆ×ｎ≧Ｔｅとなるｎ回連続して投影し、ｎから１以上を引いた数だけフレーム同期信号を間引いたトリガ信号を生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め登録された画像パターンを順番に出力する投影パターン生成手段と、投影パターンを対象物に投影する投影手段と、投影パターンのフレーム同期信号に同期したトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、トリガ信号に同期して対象物上に投影されたパターンを撮像する撮像手段を有する三次元形状計測装置において、前記撮像手段の露光時間Ｔｅが投影パターンのフレーム周期Ｔｆよりも長い場合に、前記投影パターン生成手段は登録された画像パターンを、Ｔｆ×ｎ≧Ｔｅとなるｎ回連続して生成し、前記トリガ信号生成手段は、前記投影パターン生成手段でパターンを連続した回数から１以上を引いた数だけ、投影パターンのフレーム同期信号を間引いたトリガ信号を生成することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
投影パターンのフレーム周期と露光時間から、投影パターンのフレーム周期の倍数が露光時間よりも大きくなる最少のフレーム数を算出し、前記投影パターン生成手段で連続させるパターン数と、前記トリガ信号生成手段でフレーム同期信号を間引く間隔を自動で設定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記投影パターン生成手段に登録する画像パターンごとに、連続して投影する回数を予め指定しておくことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記投影パターン生成手段に登録する画像パターンごとに、露光時間を予め指定しておくことを特徴とする請求項２に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、パターン投影により、物体の形状計測および画像認識を行う三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の形状計測方法の１つとしてパターン投影法がある。これは、複数のパターンを切り換えながら対象物に投影し、その反射光を撮像した画像を解析することで距離情報を計測し、物体の形状を取得するものである。このとき、各パターンについて高速に撮像を行うためには、投影パターンの切り換えタイミングと、撮像タイミングを正確に同期させる必要がある。
【０００３】
その中で、特許文献１のように、カメラのトリガ信号を基準に投影パターンを順次切り換えることで、投影と撮像のタイミングを同期させる方法が知られている。
【０００４】
また、特許文献２のように、より高速化するために、投影パターンを切り換える手段として、ビデオプロジェクタを用いる方法もある。ビデオプロジェクタの投影フレームレートは通常６０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１２０Ｈｚであり、外部入力される画像を順次表示していくために、フレームの基準となるフレーム同期信号を常に一定周期で入力している。よって、投影と撮像を同期させるために、ビデオプロジェクタへ入力するフレーム同期信号を基準としたトリガ信号をカメラに入力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３１０３１公報
【特許文献２】特開２０１２−１６３３７１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パターン投影に使用する光源の光量が低い場合や、計測対象物の色や材質によって、一度に高い光量を当てると撮像した画像が飽和してしまう場合には、低光量で長時間露光する必要がある。
【０００７】
これに対し、特許文献１による方法では、カメラのトリガ信号を基準として投影パターンを切り換えているため、露光時間は可変である。しかし、投影手段のパターン切り換えが外部制御となるため、パターンの切り換えが非同期となり、高速化には不向きである。
【０００８】
一方、特許文献２による方法では、撮像周期がビデオプロジェクタのフレームの周期と同じになるため、１回の撮像で露光できる時間がフレーム周期以下になる。そのため、長時間露光と同じ効果を得るためには、同一パターンを複数回撮像して合成する必要があり、バッファリング用のメモリの実装や合成処理が必要になる。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、露光時間を増やしても、簡易的な処理で高速に計測が可能な三次元形状計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係る三次元形状計測装置は、
予め登録された画像パターンを順番に出力する投影パターン生成手段と、投影パターンを対象物に投影する投影手段と、投影パターンのフレーム同期信号に同期したトリガ信号を生成するトリガ信号生成手段と、トリガ信号に同期して対象物上に投影されたパターンを撮像する撮像手段を有する三次元形状計測装置において、前記撮像手段の露光時間Ｔｅが投影パターンのフレーム周期Ｔｆよりも長い場合に、前記投影パターン生成手段は登録された画像パターンを、Ｔｆ×ｎ≧Ｔｅとなるｎ回連続して生成し、前記トリガ信号生成手段は、前記投影パターン生成手段でパターンを連続した回数から１以上を引いた数だけ、投影パターンのフレーム同期信号を間引いたトリガ信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る三次元形状計測装置によれば、パターンの投影周期よりも長い露光時間が必要になった場合でも、投影パターンに同期した撮像が可能となるため、三次元計測を高速化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１での三次元形状計測装置の構成を示すブロック図である
【図２】本発明の実施例１での動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施例２での三次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例３での三次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例３での動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施例４での三次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例は、撮像する露光時間が投影フレーム周期より長い場合に、投影パターンを複数回連続して投影し、投影パターンを連続する回数に基づいてフレーム同期信号を間引いたトリガ信号で撮像することを特徴としている。
【００１５】
図１は本発明の実施例１である三次元形状計測装置の機能的な構成を示すブロック図であり、以下の８つのブロックで構成されている。
【００１６】
投影撮像制御手段１０３は、露光時間を指定する露光時間設定信号と、画像信号生成手段１０５に登録した投影パターンを連続させる回数を指定する連続フレーム数設定信号と、撮像開始を指示する撮像開始信号を生成する。画像信号生成手段１０５は、撮像開始信号が入力されると、予め登録してある投影パターンを、連続フレーム数設定信号の設定値に基づいて連続させ、画像信号として順番に出力し、パターン投影期間を示す撮像有効信号を出力する。
【００１７】
投影手段１０１は、入力された投影パターンを図示しない測定対象物上に投影する。トリガ信号生成手段１０６は、撮像有効信号が有効な間だけ、連続フレーム数設定信号の設定値から１を引いた数だけフレーム同期信号を間引いたトリガ信号を出力する。点灯信号生成手段１０８は、トリガ信号を基準にして予め設定されたタイミングとパルス幅の点灯信号を生成し、投影手段１０１の光源を点灯する。シャッター信号生成手段１０７は、トリガ信号を基準にして予め設定されたタイミングとパルス幅のシャッター信号を生成する。
【００１８】
撮像手段１０２はシャッター信号が入力されると、露光時間設定信号の設定値に基づいて、前記測定対象物上に投影されたパターンを撮像する。三次元形状データ生成手段１０４は撮像した画像データを解析し、三次元形状データを生成する。
【００１９】
次に、全体の動作について、図２を用いて説明する。この例は、投影手段１０１がＬＣＤやＤＭＤ（Digital Mirror Device）等の表示素子で構成される標準のプロジェクタであり、フレームレートが６０ｆｐｓの場合に、２種類のパターンを順番に計測対象物に投影し、３０ｍｓで露光するときの動作である。
【００２０】
このとき、１フレーム周期Ｔｆが１６．６ｍｓであるため３０ｍｓの露光期間Ｔｅを確保するには２フレームが必要となる。まず、画像信号生成手段１０５内に、予め計測用のパターン（１）とパターン（２）の２つのパターンを順番に登録しておく。そして連続フレーム数設定信号を「２」に設定することで、画像信号生成手段１０５内でパターン（１）とパターン（２）をそれぞれ２回ずつ連続して出力する（図２の２段目、パターン（１）→（１）→（２）→（２））。また、計測用のパターンを出力している期間は撮像有効信号を有効にする（図２の４段目、Ｈｉｇｈの期間が有効）。トリガ信号生成手段１０５は、連続フレーム数設定信号を「２」に設定することで、フレーム同期信号を１フレームおきに間引き、２フレーム間隔でトリガ信号を出力する。つまり、Ｔｆ×ｎ≧Ｔｅを満たすｎを連続フレーム数設定値とすると、フレーム同期信号を（ｎ−１）回間引いたトリガ信号を出力する。そして、シャッター信号生成手段１０７はトリガ信号を基準にシャッター信号を生成し、撮像手段１０２へ出力する。
【００２１】
撮像手段１０２はシャッター信号が入力されると予め設定した３０ｍｓの期間露光を行い、撮像データを三次元形状データ生成手段１０４へ転送する。点灯信号生成手段１０８はトリガ信号を基準に点灯信号を生成し、投影手段１０１の光源を点灯する（図２の３段目）。また、トリガ信号は、撮像有効信号がＬｏｗの期間はトリガ信号を生成しないので、計測用のパターンが投影されている期間のみ、撮像と投影用光源の点灯が行われる。（図２の５段目）。
【００２２】
ここで、この例では投影手段の光源をフレーム毎にオン／オフしていたが、投影手段１０１に使用するパネルとして、前後のフレームでパターンが変化しないときには、表示状態が一定であるデバイスを選択した場合、点灯期間を１フレーム周期以上に設定することで、露光時間を長くすることもできる。
【００２３】
また、この例では、画像信号生成手段１０５にて、連続フレーム数設定信号に基づいて、登録してある投影パターンを連続させて出力していたが、連続フレーム数設定信号を使用せずに、投影パターンを予め連続させて登録しておいても良い。
【００２４】
また、この例では、シャッター信号生成手段１０７にて、トリガ信号のタイミングを基準にシャッター信号のタイミングを調整していたが、撮像手段１０２がタイミング調整機能を有する場合には、撮像手段１０２に直接トリガ信号を入力する構成としても良い。
【００２５】
また、この例では、連続フレーム数設定をｎとしたときに、フレーム同期信号を間引く数を（ｎ−１）回としたが、（ｎ−１）未満として、必要な画像のみを使用する構成としても良い。
【実施例２】
【００２６】
実施例２は、投影手段１０１のフレーム周期と露光時間設定から、最適な連続フレーム数設定値を自動で算出することを特徴としている。
【００２７】
図３は本発明の実施例２である三次元形状計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。実施例１との相違点は、投影撮像制御手段３０３の出力信号と、新たに連続フレーム数設定手段３０９を備えた点である。その他、実施例１で説明したブロックと同じものについては同一符号を用い、説明を省略する。
【００２８】
投影撮像制御手段３０３は、露光時間を指定する露光時間設定信号と、撮像開始を指示する撮像開始信号と、投影手段１０１で使用されるパネルのフレーム周期を出力する。連続フレーム数設定手段３０９は、フレーム周期の倍数が露光時間よりも大きくなるような最少のフレーム数を計算し、連続フレーム数設定信号として出力する。例えば、投影手段１０１のフレーム周期が１６．６ｍｓ（６０ｆｐｓ）であるとき、露光時間を４０ｍｓ確保するために必要な最小のフレーム数は、以下のように計算できる。
４０ｍｓ÷１６．６ｍｓ＝２．４フレーム
したがって、連続フレーム数設定信号としては３フレームを出力する。
【００２９】
投影手段１０１のフレーム周期はパネルに依存し、選択が限られることが多い。このような構成とすることにより、測定対象物の種類によって、露光時間のみを変えれば良く、設定を簡素化できる。
【実施例３】
【００３０】
実施例３は、画像信号生成手段１０５に登録したパターンごとに、パターンを連続させて投影する回数を指定し、連続させる回数に基づいて、フレーム同期信号を間引く間隔と露光時間を切り換えることを特徴としている。
【００３１】
図４は本発明の実施例３である三次元形状計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【００３２】
投影撮像制御手段４０３は、撮像開始を指示する撮像開始信号と、画像信号生成手段１０５に登録した投影パターンを連続させる回数をパターンごとに指定する連続パターンシーケンス信号を出力する。連続フレーム数設定手段４０９は、連続パターンシーケンス信号の設定値に基づき、画像信号生成手段１０５から出力されるフレーム同期信号と撮像有効信号を基準にして、連続フレーム数設定と露光時間設定を順番に切り換えて出力する。シャッター信号生成手段４０７は、トリガ信号を基準にして露光時間設定信号の値に基づき、予め設定されたタイミングとパルス幅のシャッター信号を生成する。撮像手段４０２はシャッター信号がＨｉｇｈの期間に露光を行い、測定対象物上に投影されたパターンを撮像する。その他、実施例１で説明したブロックと同じものについては、同一符号を用い説明を省略する。
【００３３】
次に、全体の動作について、図５を用いて説明する。この例は、パターン（１）、パターン（２）、パターン（３）を、それぞれ１フレーム、２フレーム、３フレームずつ連続させて投影し、それぞれ１５ｍｓ、３０ｍｓ、３０ｍｓの露光時間で撮像するときの動作である。
【００３４】
まず、画像信号生成手段１０５内には、予め計測用のパターン（１）、パターン（２）、パターン（３）の３つのパターンを順番に登録しておく。また、連続パターンシーケンス信号には［１，２，２］というテーブルを予め設定しておく。次に、撮像開始信号を出力すると、画像信号生成手段１０５は投影パターンの出力を開始し、撮像有効信号をＨｉｇｈにする（図５（ａ）の１、２、４段目）。連続フレーム数設定手段４０９は、撮像有効信号がＬｏｗからＨｉｇｈに変化すると、連続パターンシーケンステーブルの最初の値「１」に基づき、連続フレーム数設定を「１」、露光時間設定を「１５ｍｓ」として出力する（図５（ａ）の５段目、６段目）。以降、フレーム同期信号に同期して、連続パターンシーケンステーブルの値を順番に反映していく。連続パターンシーケンステーブルと、このとき出力される連続フレーム数設定信号、露光時間設定信号、およびトリガ信号生成手段１０６でフレーム同期信号を間引く数との関係は、図５（ｂ）のようになる。
【００３５】
この例では、連続パターンシーケンステーブルを予め設定する構成としたが、投影パターンデータの一部に連続フレーム数設定信号を埋め込み、連続フレーム数設定手段でデコードする構成にしても良い。
【００３６】
このような構成とすることにより、投影パターンごとに露光時間を変えることができる。
【実施例４】
【００３７】
実施例４は、画像信号生成手段１０５に登録したパターンごとに露光時間を指定し、投影手段１０１のフレーム周期と露光時間から、パターンごとに最適な連続フレーム数設定値を自動で算出することを特徴としている。
【００３８】
図６は本発明の実施例４である三次元形状計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。実施例３との相違点は、投影撮像制御手段６０３の出力信号と、連続フレーム数設定手段６０９の入力信号である。その他、実施例３で説明したブロックと同じものについては、同一符号を用い説明を省略する。
【００３９】
投影撮像制御手段６０３は、撮像開始を指示する撮像開始信号と、投影手段１０１で使用されるパネルのフレーム周期と、画像信号生成手段１０５に登録した投影パターンごとの露光時間を指定する露光時間シーケンス信号を出力する。連続フレーム数設定手段６０９は、露光時間シーケンス信号の設定値に基づき、画像信号生成手段１０５から出力されるフレーム同期信号と撮像有効信号を基準にして、連続フレーム数設定と露光時間設定を順番に切り換えて出力する。例えば、投影手段１０１のフレーム周期が１６．６ｍｓ（６０ｆｐｓ）であるとき、実施例３で説明した図５（ａ）の動作をさせる場合、露光時間シーケンス信号には［１５，３０，３０］というテーブルを予め設定しておく。露光時間シーケンステーブルと、このとき出力される連続フレーム数設定信号、露光時間設定信号、およびトリガ信号生成手段１０６でフレーム同期信号を間引く数との関係は、図６（ｂ）のようになる。パターン（１）の連続フレーム数設定を計算すると、露光時間を１５ｍｓ確保するために必要な最小のフレーム数は、以下のように計算できる。
１５ｍｓ÷１６．６ｍｓ＝０．９フレーム
したがって、パターン（１）では連続フレーム数設定信号として１フレームを出力する。以降、フレーム同期信号に同期して、露光時間シーケンステーブルの値を順番に反映し、連続フレーム数設定信号を算出していく。
【００４０】
このような構成とすることにより、投影パターンごとに露光時間を直接指定することができ、設定を簡素化できる。
【符号の説明】
【００４１】
１０１  投影手段、１０２  撮像手段、１０３  投影撮像制御手段、
１０４  三次元形状データ生成手段、１０５  画像信号生成手段、
１０６  トリガ信号生成手段、１０７  シャッター信号生成手段、
１０８  点灯信号生成手段、３０９  連続フレーム数設定手段
【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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