(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触で計測対象物を計測するカメラ方式三次元計測装置であって、
計測対象物上に所定の波長範囲の光線を照射して、計測対象物の表面上に離散した点列をなすターゲットを形成する光源と、
通常光が照射された上記計測対象物を撮影すると共に上記所定の波長範囲の波長を有する光線のみを透過させるフィルター要素を用いて上記ターゲットを多重露光撮影する撮影手段と、
この撮影手段を用いて上記計測対象物と上記光源から上記計測対象物上に照射された上記ターゲットとをそれぞれ少なくとも相異なる２箇所で撮影した複数の多重露光画像を、ステレオ画像法により画像処理して立体画像にする画像処理手段と、
この画像処理手段で得られた立体画像を計測する計測手段と、
を有することを特徴とするカメラ方式三次元計測装置。
【請求項２】
上記フィルター要素は、上記計測対象物と上記撮影手段との間で選択的に切り換えることができるように配置されている請求項１記載のカメラ方式三次元計測装置。
【請求項３】
上記所定の波長範囲の光線は赤外線である請求項１又は請求項２記載のカメラ方式三次元計測装置。
【請求項４】
非接触で計測対象物を計測するカメラ方式三次元計測方法であって、
光源から計測対象物上に所定の波長範囲の光線を照射して、計測対象物の表面上に離散した点列をなすターゲットを形成する工程と、
少なくとも相異なる２箇所において、通常光が照射された上記計測対象物を撮影すると共に上記所定の波長範囲の波長を有する光線のみを透過させるフィルター要素を用いて上記ターゲットを多重露光撮影する工程と、
撮影された複数の多重露光画像を、ステレオ画像法により画像処理して立体画像にする工程と、
この得られた立体画像を計測する工程と、
を有することを特徴とするカメラ方式三次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カメラ方式三次元計測装置に関し、特に、計測対象物に反射式ターゲットを取り付けることなく、非接触で計測対象物の形状計測が可能なカメラ方式三次元計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどを利用したＣＣＤ方式の三次元計測装置を使用した計測では、計測対象物の端部などを計測することは容易である。
しかしながら、計測対象物の内部に特徴点がない、例えば、板材等の平滑なものを計測する場合には、まず計測する前に特徴点の代わりとして、一般に反射式のターゲットを計測対象物に貼るなどして、計測対象物にターゲットを取り付ける作業を行なわなければならない。
そして、この取り付け作業後に、ターゲットを撮影して計測を行い、再びターゲットを計測対象物から取り外す作業を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した三次元計測では、ターゲットの取り付け及び取り外し作業が非常に手間がかかり、時間を要するという問題がある。
また、計測対象物の材質がアルミニウムなどの光沢のある材質である場合、ターゲットと計測対象物の識別がしにくく、ターゲットを取り付けても計測すべき特徴点が得られないという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、従来技術の問題を解決するためになされたものであり、計測対象物の材質がアルミニウムなどの光沢があって、通常の反射式ターゲットによる計測が困難なカメラ方式の三次元計測において、赤外線等の特定な波長の光線を計測対象物上に照射することによってターゲットを形成し、このターゲットを計測することにより、非接触で計測対象物の形状計測を行うことができるカメラ方式の三次元計測装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の第１の発明は、非接触で計測対象物を計測するカメラ方式三次元計測装置であって、計測対象物上に所定の波長範囲の光線を照射してターゲットを形成する光源と、通常光が照射された計測対象物を撮影すると共にこの所定の波長範囲の波長を有する光線のみを透過させるフィルター要素を用いてターゲットを多重露光撮影する撮影手段と、この撮影手段を用いて撮影した多重露光画像を画像処理して立体画像にする画像処理手段と、この画像処理手段で得られた立体画像を計測する計測手段と、を有することを特徴としている。
【０００６】
このように構成された本発明の第１の発明においては、光源が計測対象物上に光線を照射し、ターゲットを形成する。
このため、計測対象物上に反射式のターゲットを取り付けることなく、非接触で容易にターゲットを作ることができ、計測の段取り作業を軽減することができる。また、計測対象物の材質がアルミニウムなどの光沢があり反射式ターゲットでは特徴点を識別しにくい材質であっても、ターゲットを照射して容易に計測することができる。
また、本発明においては、特定の波長を有する光線のみを透過させるフィルター要素を使用した撮影手段でターゲットを撮影する。このため、光源の出力を抑え、ターゲットをより的確に認識することができ、撮影条件の制約を少なくすることができる。
【０００７】
本発明において、好ましくは、フィルター要素は、計測対象物と撮影手段との間で選択的に切り換えることができるように配置されている。
本発明において、好ましくは、所定の波長範囲の光線は赤外線である。
本発明において、好ましくは、撮影手段は、計測対象物と、光源から計測対象物上に照射されたターゲットと、をそれぞれ少なくとも相異なる２箇所で撮影する。
【０００８】
本発明の第２の発明は、非接触で計測対象物を計測するカメラ方式三次元計測方法であって、光源から計測対象物上に所定の波長範囲の光線を照射してターゲットを形成する工程と、通常光が照射された計測対象物を撮影すると共に所定の波長範囲の波長を有する光線のみを透過させるフィルター要素を用いてターゲットを多重露光撮影する工程と、撮影された多重露光画像を画像処理して立体画像にする工程と、この得られた立体画像を計測する工程と、を有することを特徴とするカメラ方式三次元計測方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１乃至図５を参照して説明する。
図１は、本発明によるカメラ方式三次元計測装置の第１実施形態を示す概略図である。図１に示すように、符号１は本実施形態によるカメラ方式三次元計測装置を示し、このカメラ方式三次元計測装置１は、計測対象物２を撮影するデジタルカメラ又はデジタルビデオカメラなどのＣＣＤカメラ４と、計測対象物２に赤外線２０を照射してターゲット６を形成する赤外線スリット光源装置８と、を備えている。
また、図１に示されたＣＣＤカメラ４は、このカメラ４の主要部分であるＣＣＤ部１０と、レンズ１２と、このレンズ１２の露光を調節するシャッター１４と、このレンズ１２とシャッター１４と間の光路上に適宜挿入可能なバンドパスフィルター１６と、を備えている。
【００１０】
このバンドパスフィルター１６は、ある特定の波長の赤外線のみを透過させるフィルター特性を有する。
ここで、図２は、ある特定の波長の赤外線のみを透過させるバンドパスフィルターのフィルター特性の一例を示す。図２の縦軸は、バンドパスフィルターの透過率を示し、図２の横軸は、光線の波長を示す。
図２に示すようなバンドパスフィルター１６のフィルター特性は、好ましくは、赤外線スリット光源装置８から計測対象物２に照射される赤外線２０と波長が同程度の赤外線のみを透過させる特性を有するのがよい。
【００１１】
つぎに、図３は、本実施形態の三次元計測装置における赤外線スリット光源装置を示す拡大斜視図である。
図３に示すように、赤外線スリット光源装置８は、この装置の主要部分である赤外線発光ダイオード１８と、この赤外線発光ダイオード１８から発生する赤外線２０を集めて反射する集光反射板２２と、これら発光ダイオード１８から発生する赤外線２０と集光反射板１２で反射された赤外線２０を計測対象物２の所定の位置に向けて屈折させ、透過させるレンズ２４と、レンズ２４を透過した赤外線２０をスリット光線にするスリット２６を含むスリット板２８と、を備えている。
【００１２】
つぎに、本発明の第１実施形態の作用（動作）を説明する。
まず、赤外線スリット光源装置８の赤外線発光ダイオード１８から赤外線２０を出力される。この出力された赤外線２０は、レンズ２４を透過し、スリット２６を通過して、計測対象物２の表面上照射される。
この照射された赤外線２０は、計測対象物２上で複数の赤外線２０の点列を形成する。また、この赤外線２０の点列は、スリット２６の形状に応じて、スポット形態のターゲット６又はメッシュ形態のターゲット６を計測対象物２上に形成する。
【００１３】
このように、赤外線スリット光源装置８から計測対象物２に赤外線２０が照射され、赤外線のターゲット６が形成された後、この計測対象物２をＣＣＤカメラ４で撮影する。以下に、この計測対象物２の撮影について、図４を参照して説明する。
図４は、計測対象物を撮影した画像を示す概略図である。
計測対象物２の撮影では、まず、ＣＣＤカメラ４におけるレンズ１２とシャッター１４との間にバンドパスフィルター１６を挿入しないで、太陽光等の通常光３０（図１中に図示）による撮影を行う。
図４に示すように、通常光３０（図１参照）によって撮影された画像３２は、計測対象物２の端部等を含む全体形状を認識できる画像である。この画像３０には、通常光の一部の赤外線が取り込まれてはいるが、外乱光の影響を受けているため、赤外線ターゲットをほとんど認識できない画像となっている。
【００１４】
つぎに、ＣＣＤカメラ４におけるレンズ１２とシャッター１４との間に、赤外線スリット光源装置８から計測対象物２に照射された赤外線２０と波長が同程度の赤外線のみを透過させるバンドパスフィルター１６を挿入し、赤外光による計測対象物２の撮影を行う。
図４に示すように、赤外光によって得られた画像３４は、計測対象物２に照射された赤外線ターゲット６のみを認識できる画像である。バンドパスフィルター１６が図２に示すようなフィルター特性を有し、赤外線スリット光源装置８から計測対象物２に照射された赤外線２０と波長が同程度の赤外線のみを透過させるので、画像３４には、計測対象物２に照射された赤外線２０と波長が同程度の赤外線のみが取り込まれる。このため、外乱光の影響を受けず、赤外線ターゲット６のみをはっきり認識することができる。
なお、バンドパスフィルター１６の光路上への挿入については、計測対象物２の撮影時におけるＣＣＤカメラ４のシャッター１４の動作と連動させてもよい。
【００１５】
ここで、上述のようにして撮影された通常光による撮影画像３２と赤外光による撮影画像３４の２つの画像は、実際には、多重露光によって１つの画像に合成される。すなわち、最終的には、計測対象物２とターゲット６が重なる１つの多重露光による画像３６が得られる。
なお、画像３６をより良好な画像にするために、二つの画像３２，３４のピントの補正等を必要に応じて行うのがよい。
【００１６】
つぎに、このような多重露光による画像３６の撮影をＣＣＤカメラ４の位置を変えた複数の撮影位置で行い、同一の被写体についてアングルを変えた画像３６を少なくとも２つ以上用意する。
さらに、これらの複数の撮影画像３６をステレオ視処理（詳細は後述する）することによって、画像３６を立体画像にして、この立体画像について三次元計測を行う。
【００１７】
ここで、上述した撮影画像３６のステレオ視処理の原理について図５を参照して説明する。
図５はステレオ視処理の原理を示す概略図であり、一例として一台のカメラ４が２箇所の位置から計測対象物２及びターゲット６を撮影している状態を示している。
ステレオ視処理は、三角測量の原理が基本となっており、この三角測量の原理では、まず、図５に示すようにカメラ４の撮影位置と撮影した方向を３次元直交座標から求める処理を行う。すなわち、この処理によって、一枚の画像についてカメラ４の位置の３つの座標とカメラ４の撮影した方向の３つの角度が求まり、２箇所のカメラの撮影位置とカメラの視準角度が定まる。
【００１８】
つぎに、カメラ４の２箇所の位置からターゲット６に向かう視準線３８ａ，３８ｂ，３８ｃ及び視準線４０ａ，４０ｂ，４０ｃを決定し、これらの視準線３８ａ，３８ｂ，３８ｃと視準線４０ａ，４０ｂ，４０ｃとの交点を求める。ここで、これらの視準線の交点は、事実上ターゲット６の位置にあるので、この交点の座標が決まれば、ターゲットの座標値が決定する。
このようにして、すべての計測すべきターゲットの座標値を計算処理することによって、計測対象物６の形状の三次元計測を行うことができる。
【００１９】
上述した本発明の第１実施形態のカメラ方式三次元計測装置によれば、計測対象物上に反射式のターゲットを取り付けることなく、赤外光を利用して非接触で容易にターゲットを作ることができる。このため、計測対象物の材質がアルミニウムなどの光沢があり反射式ターゲットでは特徴点を識別しにくい材質であっても、赤外線ターゲットを計測対象物に照射して容易に計測することができる。
また、本実施形態のカメラ方式三次元計測装置は、ターゲットに照射する赤外線の波長域の光のみを透過させるバンドパスフィルターを用いているので、撮影時の外乱光の影響を抑制し、光源の出力を抑えることができる。このため、通常光線下においてもターゲットをより的確に認識することができ、撮影条件の制約を少なくすることができる。
さらに、本実施形態のカメラ方式三次元計測装置では、上述したように光源の出力を抑えることができるので、光源に赤外レーザー光等を使用するにしても、光源の出力を抑えて安全に使用することができる。
また、本実施形態のカメラ方式三次元計測装置は、市販のデジタルカメラやデジタルビデオカメラと市販の赤外線発光ダイオードを使用するため、簡便で低コストである。
【００２０】
なお、本実施形態のカメラ方式三次元装置では、一例として、バンドパスフィルターを用いた例を説明したが、バンドパスフィルターに限定されることなく、赤外線より波長の小さい光線を減衰させるシャープカットフィルター等の他のフィルターを用いてもよい。このことによって、バンドパスフィルターの場合と同様に、撮影時にフィルターを適当に切り換えることによって、外乱光の影響を抑制しながら、通常光と赤外光の画像撮影を行うことができる。
【００２１】
また、本実施形態では、通常光画像と赤外光画像を撮影する手段として、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のＣＣＤカメラを用いた例を示したが、これらのカメラに限定されることなく、赤外線カメラやフィルム式の写真カメラを用いて計測対象物を撮影した画像についてステレオ視処理してもよい。
なお、赤外線カメラを使用する場合は、赤外線を透過させない赤外線フィルターを上述したバンドパスフィルターの代わりに使用して、通常光画像を撮影するときはカメラの光路上に赤外線フィルターを取り付け、赤外光画像を撮影するときはカメラの光路上から赤外線フィルターを取り外すようなフィルターの切換操作を行う。
さらに、本実施形態では、１台のカメラでフィルターを切り換えつつ、複数の異なる箇所で撮影して、これらの撮影画像から立体画像を得ることを説明したが、１台のカメラで複数の異なる箇所から撮影する代わりに、複数の異なる撮影箇所ごとに同一のカメラを１台ずつ設置して撮影し、これらの撮影画像をステレオ視処理して立体画像を得てもよい。
【００２２】
つぎに、図６を参照して本発明の第２実施形態を説明する。
図６は、本発明によるカメラ方式三次元計測装置の第２実施形態を示す概略図である。
ここで、図６において、図１に示す第１実施形態と同一部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
図６に示すように、符号５０は本実施形態によるカメラ方式三次元計測装置を示し、このカメラ方式三次元計測装置５０は、計測対象物２を通常光で撮影するデジタルカメラ又はデジタルビデオカメラなどの通常光用ＣＣＤカメラ５２と、計測対象物２上に照射された赤外線のターゲット６を赤外光で撮影するデジタルカメラ又はデジタルビデオカメラなどの赤外光用ＣＣＤカメラ５４と、を備えている。
【００２３】
つぎに、本発明の第２実施形態の作用（動作）を説明する。
まず、通常光用ＣＣＤカメラ５２又は赤外光用ＣＣＤカメラ５４のいずれか一方のカメラを撮影位置に設定する。
例えば、最初に、通常光用ＣＣＤカメラ５２を撮影位置に設定し、この通常光用ＣＣＤカメラ５２を使用し、計測対象物２の全体像について通常光による撮影を行う。
この通常光による撮影後、通常光用ＣＣＤカメラ５２の撮影位置と同一の位置に赤外光用ＣＣＤカメラ５４を設置し、この赤外光用ＣＣＤカメラ５４を使用し、計測対象物２の赤外線ターゲット６について赤外光による撮影を行う。
【００２４】
つぎに、このようにして得られた通常光による撮影画像３２（図４参照）と赤外光による撮影画像３４（図４参照）を１つの画像に合成するように画像処理を行い、計測対象物２に赤外線ターゲット６が重なった画像３６（図４参照）を得る。
このようにして、通常光用ＣＣＤカメラ５２と赤外光用ＣＣＤカメラ５４の同一の撮影位置による通常光及び赤外光の撮影を同様に複数の撮影位置において行い、同一の被写体についてアングルを変えた画像３６を少なくとも２つ以上用意する。
さらに、第１実施形態におけるステレオ視処理と同様にして、得られた複数の画像３６からステレオ視によって立体画像を作り、この立体画像の計測対象物の形状を三次元計測する。
【００２５】
なお、本発明の第２実施形態では、２台のカメラの位置を同一位置に設定し、同一の被写体を撮影したが、本実施形態の変形例として、通常光用ＣＣＤカメラ５２と赤外光用ＣＣＤカメラ５４の２台のカメラの位置をずらして、それぞれのカメラで計測対象物２を撮影してもよい。
この場合は、２台のカメラで異なる位置から、ある共通な基準点を撮影したときのカメラ位置の差と２つの画像のずれに関する特性を予め調べておく。そして、実際に通常光撮影画像３２と赤外光撮影画像３４を合成するときには、通常光用ＣＣＤカメラ５２と赤外光用ＣＣＤカメラ５４の位置の情報と、上述した画像のずれに関する特性に基づいて、通常光撮影画像３２又は赤外光撮影画像３４の少なくとも一方の画像について座標変換等の補正を行い、両画像３２，３４を合成する。
【００２６】
上述した本発明の第２実施形態のカメラ方式三次元計測装置によれば、本発明の第１実施形態の三次元計測装置と異なり、カメラのフィルターを切り換えることなく、計測対象物の通常光撮影と赤外光撮影を２台のカメラで同時に行うことができるため、作業能率を向上させることができる。
なお、本実施形態の三次元計測装置では、一例として、通常光用ＣＣＤカメラと赤外光用ＣＣＤカメラをそれぞれ１台ずつ使用した例を説明したが、これらのカメラの台数は限定されることなく、２台以上の複数台で計測対象物を同時撮影してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のカメラ方式三次元計測装置によれば、光源の出力を抑え、外乱光の影響を抑制しつつ、赤外線ターゲットを計測対象物に照射することができ、反射式ターゲットを取り付けることなく容易に三次元形状計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるカメラ方式三次元計測装置の第１実施形態を示す概略図である。
【図２】バンドパスフィルターのフィルター特性の一例を示す。
【図３】本発明の第１実施形態のカメラ方式三次元計測装置における赤外線スリット光源装置を示す拡大斜視図である。
【図４】計測対象物を撮影した画像を示す概略図である。
【図５】ステレオ視処理の原理を示す概略図である。
【図６】本発明によるカメラ方式三次元計測装置の第２実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１，５０    カメラ方式三次元計測装置
２    計測対象物
４    ＣＣＤカメラ
６    ターゲット
８    赤外線スリット光源装置
１０    ＣＣＤ部
１２，２４    レンズ
１４    シャッター
１６    バンドパスフィルター
１８    赤外線発光ダイオード
２０    赤外線
２２    集光反射板
２６    スリット
２８    スリット板
３０    通常光
３２    通常光撮影画像
３４    赤外光撮影画像
３６    多重露光撮影画像
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ    視準線
５２    通常光用ＣＣＤカメラ
５４    赤外光用ＣＣＤカメラ
【図１】
0004191428.tif 000002
【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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