(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮影してその３次元データを入力する３次元カメラと、
前記被写体と前記３次元カメラとの相対位置関係を変化させる位置可変装置と、
前記３次元カメラによって複数の方向から入力した前記被写体の３次元データを合成して１つの座標系の３次元データに変換する合成手段と、
合成された３次元データを表示する表示手段と、
操作者による前記表示手段の表示面上の画像に対する操作に応じて、前記表示手段の表示面に表示された３次元データの視点を当該表示面において可変する視点可変手段と、
前記視点可変手段により可変された視点で前記表示手段に表示された３次元データの視線方向に前記３次元カメラによる前記被写体の撮影方向が一致するように前記位置可変装置を駆動する駆動制御手段と、
を有してなることを特徴とする３次元データ入力装置。
【請求項２】
前記位置可変装置は、前記被写体を載置するための、鉛直軸を中心として回転する回転ステージを含んでおり、
前記視点可変手段は、前記回転ステージを模した画像及び合成された３次元データを、前記３次元カメラによる撮影方向から見た画像となるように視点を可変するように構成されている、
請求項１記載の３次元データ入力装置。
【請求項３】
前記位置可変装置は、前記被写体を載置するための、鉛直軸を中心として回転する回転ステージを含んでおり、
前記合成された３次元データは前記回転ステージを模した画像とともに前記表示手段に表示される、
請求項１記載の３次元データ入力装置。
【請求項４】
前記３次元カメラは、前記被写体に対して３次元データと同じ視点で２次元画像を撮影するイメージセンサを有しており、
前記イメージセンサで撮影された前記被写体の２次元画像が、前記表示手段に表示される、
請求項３記載の３次元データ入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物体の３次元データを入力するための３次元データ入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、立体形状を有する対象物体（被写体）の全周における３次元データを得る装置として、回転ステージ、３次元カメラ、及びコンピュータなどから構成される３次元データ入力装置が知られている。
【０００３】
回転ステージは、鉛直軸を軸として回転可能なターンテーブルを有し、その上に対象物体が載置される。３次元カメラは、回転ステージの外方に配置され、回転ステージ上の対象物体を撮影する。
【０００４】
対象物体の全周における３次元データを入力する際には、回転ステージを適当な角度ずつ回転させ、対象物体と３次元カメラとの相対位置関係を変化させて撮影する。これによって、対象物体について、複数の撮影方向からの３次元データが入力される。各撮影方向からの３次元データは、３次元カメラ又はコンピュータに設けられたモニタ画面上に表示される。ユーザは、モニタ画面を見て各３次元データの入力状況を確認することができる。
【０００５】
撮影が終わると、コンピュータの処理によって、それぞれの撮影方向に対応して得られた複数の３次元データの合成が行われる。３次元データの合成のために、専用のユーティリティソフトが用いられ、回転ステージの回転角度位置の情報などに基づく演算処理が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上に述べた従来の３次元データ入力装置によると、各撮影方向からの撮影を行う撮影段階において、例えばラジオボタンなどを操作することによって各撮影方向からの３次元データを１つ１つ確認することはできるが、その時点で既に入力されている３次元データの全体像を把握することができない。つまり、３次元データの全体像は、上に述べたように撮影後に行われる合成処理を終えた後でなければ把握できなかった。
【０００７】
そのため、対象物体の撮影されていない部分、つまりデータ欠損があっても、撮影中においてはその確認を行えないという問題があった。その場合には、対象物体の撮影を始めからやり直す必要があった。
【０００８】
また、これとは逆に、既に撮影した部分を重複して撮影してしまい、冗長な３次元データを入力してしまうという問題もあった。その場合には、撮影や処理に無駄な時間を費やすこととなる。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、入力された３次元データの全体像を容易に把握することができ、３次元データの入力作業を無駄なく容易に確実に行うことを可能とすることを目的とする。
【００１０】
請求項１に係る３次元データ入力装置１は、図１に示すように、被写体Ｑを撮影してその３次元データＱＩを入力する３次元カメラ１１と、前記被写体Ｑと前記３次元カメラ１１との相対位置関係を変化させる位置可変装置１２，１３と、前記３次元カメラ１１によって複数の方向から入力した前記被写体Ｑの３次元データＱＩを合成して１つの座標系の３次元データＱＺに変換する合成手段１４ａと、合成された３次元データＱＺを表示する表示手段１４ｂと、操作者による前記表示手段１４ｂの表示面上の画像に対する操作に応じて、前記表示手段１４ｂの表示面に表示された３次元データＱＺの視点を当該表示面において可変する視点可変手段１４ａと、前記視点可変手段１４ａにより可変された視点で前記表示手段１４ｂに表示された３次元データＱＺの視線方向に前記３次元カメラ１１による前記被写体Ｑの撮影方向が一致するように前記位置可変装置１２，１３を駆動する駆動制御手段１２ｃ，１３ｃと、を有してなる。
【００１１】
請求項２に係る３次元データ入力装置１では、図１及び図２に示すように、前記位置可変装置１３は、前記被写体Ｑを載置するための、鉛直軸Ｊ２を中心として回転する回転ステージを含んでおり、前記視点可変手段１４ａは、前記回転ステージを模した画像１３Ｚ及び合成された３次元データＱＺを、前記３次元カメラ１１による撮影方向から見た画像となるように視点を可変するように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る３次元データ入力装置１の構成を示す図である。
図１に示すように、３次元データ入力装置１は、３次元カメラ１１、マニピュレータ１２、回転ステージ１３、及びホストコンピュータ１４から構成される。
【００１３】
３次元カメラ１１は、光学式の３次元入力装置であり、入力の対象となる対象物体Ｑを撮影することにより、対象物体Ｑの３次元データＱＩを入力する。また、３次元カメラ１１は、対象物体Ｑの２次元画像ＱＹを撮影するためのイメージセンサをも内蔵しており、３次元データＱＩの入力と同時に２次元画像ＱＹを入力することが可能である。２次元画像ＱＹと３次元データＱＩとは、互いに同じ受光軸上で、つまり同じ視点で撮影されるようになっている。
【００１４】
マニピュレータ１２は、アーム１２ａ、基台部１２ｂ、及び制御装置１２ｃからなる。アーム１２ａは、関節軸Ｊ１，Ｊ３を有しており、先端部に３次元カメラ１１が取り付けられている。制御装置１２ｃは、ホストコンピュータ１４から出力される指令信号Ｓ１に基づいて、アーム１２ａ及び基台部１２ｂを駆動制御する。マニピュレータ１２の作動によって、３次元カメラ１１の撮影位置及び撮影方向を制御することができる。特に、３次元カメラ１１を垂直平面内の任意の位置に移動させ、対象物体Ｑを前方又は側方からだけではなく上方からも撮影することが可能となる。このようなマニピュレータ１２として、公知の種々のものを用いることが可能である。
【００１５】
回転ステージ１３は、ターンテーブル１３ａ、駆動装置１３ｂ、及び制御装置１３ｃからなる。ターンテーブル１３ａは、鉛直方向の回転軸Ｊ２を中心として回転可能な円板であり、この上に対象物体Ｑが載置される。駆動装置１３ｂは、モータ、ギヤ、回転軸Ｊ２、及び回転角度検出器などを有する。制御装置１３ｃは、ホストコンピュータ１４から出力される指令信号Ｓ２に基づいて駆動装置１３ｂを駆動する。ターンテーブル１３ａが回転すると、その上に載置された対象物体Ｑも回転し、これによって対象物体Ｑと３次元カメラ１１との相対位置関係が変化する。回転ステージ１３及びマニピュレータ１２を制御することによって、３次元カメラ１１による対象物体Ｑの撮影を任意の方向から行うことが可能であり、対象物体Ｑの３次元データＱＩを任意の複数の方向から入力することができる。
【００１６】
ホストコンピュータ１４は、本体１４ａ、表示装置１４ｂ、及び入力装置１４ｃなどからなる。
本体１４ａは、演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺素子、適当なハードウエア回路、及びハードディスクなどから構成され、３次元カメラ１１から入力された複数の３次元データＱＩを合成して１つの座標系の３次元データＱＺに変換する。本体１４ａには、各種のＯＳ、インタフェースプログラム、ユーティリティプログラム、アプリケーションプログラムなどがインストールされており、それらが実行されることによって、以下に述べるＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インタフェース）が実現されている。
【００１７】
入力装置１４ｃは、マウス又はキーボードなどを有する。表示装置１４ｂの表示面ＨＧには、対象物体Ｑを撮影して得られた３次元データＱＩ、それらを合成して得られた３次元データＱＺ、後述する仮想回転ステージ画像１３Ｚ、その他の種々の画像又は文字などを表示可能である。また、表示された３次元データＱＺ及び仮想回転ステージ画像１３Ｚを、入力装置１４ｃの操作によって画面上で回転させることが可能である。
【００１８】
次に、ホストコンピュータ１４のＧＵＩによって実現される機能について説明する。
図２は表示面ＨＧに表示される内容の例を示す図である。
【００１９】
図２に示すように、表示面ＨＧには、仮想回転ステージ画像１３Ｚ、３次元データＱＺ、及び２次元画像ＱＹが表示される。なお、ユーザが入力装置１４ｃを操作することによって、それらの画像の表示又は非表示を切り換えることができる。
【００２０】
仮想回転ステージ画像１３Ｚは、現物のターンテーブル１３ａ及び駆動装置１３ｂを模した画像をＣＧ（コンピュータ・グラフィクス）により作成し、それを表示面ＨＧに表示したものである。表示面ＨＧ上において、仮想回転ステージ画像１３Ｚは、３次元カメラ１１によってターンテーブル１３ａを撮影して得られる画像と類似の形態で表示される。
【００２１】
ユーザは、マウスによるカーソルの移動操作、又はキーボードからの数値指定操作などにより、仮想回転ステージ画像１３Ｚを表示面ＨＧ上で回転させることができる。例えば、カーソルを仮想回転ステージ画像１３Ｚに合わせ、マウスによって回転方向にドラッグする。仮想回転ステージ画像１３Ｚは、ドラッグの方向及び量に応じて回転する。
【００２２】
仮想回転ステージ画像１３Ｚが回転すると、本体１４ａの演算処理装置から制御装置１３ｃに対して指令信号Ｓ２が出力される。これにより、駆動装置１３ｂは、仮想回転ステージ画像１３Ｚの動きと同期するようにターンテーブル１３ａを回転駆動する。つまり、仮想回転ステージ画像１３Ｚの回転と現物のターンテーブル１３ａの回転とは同期し、表示面ＨＧに表示される仮想回転ステージ画像１３Ｚの画像の状態と３次元カメラ１１によって撮影されるターンテーブル１３ａの画像の状態とが常に一致するように制御される。
【００２３】
３次元データＱＺは、対象物体Ｑについて、各撮影方向から入力された３次元データＱＩ１，ＱＩ２…を合成した画像である。合成は、各撮影方向からの撮影が行われる度毎に行われ、合成された最新の画像が表示面ＨＧに表示される。
【００２４】
例えば、１回目の撮影が終わると、それによって得られた３次元データＱＩ１のみからなる３次元データＱＺ１が表示面ＨＧに表示される。２回目の撮影が終わると、１回目の３次元データＱＩ１と２回目の撮影で得られた３次元データＱＩ２とを合成した３次元データＱＺ２が表示される。３回目の撮影が終わると、３回分の３次元データＱＩ１，ＱＩ２，ＱＩ３を合成した３次元データＱＺ３が表示される。
【００２５】
３次元データＱＺは、ターンテーブル１３ａ上に対象物体Ｑが載置されているのと同様に、仮想回転ステージ画像１３Ｚ上に載置された状態で表示面ＨＧに表示される。そして、３次元データＱＺは、仮想回転ステージ画像１３Ｚの回転とともに回転する。すなわち、表示面ＨＧに表示される３次元データＱＺの視線方向と、３次元カメラ１１による対象物体Ｑの撮影方向とが、常に一致するように制御される。
【００２６】
さて、仮想回転ステージ画像１３Ｚを回転させる場合と同様に、マウスの操作又はキーボードからの数値指定などにより、マニピュレータ１２を制御することが可能である。入力装置１４ｃの操作に応じて、本体１４ａの演算処理装置から制御装置１２ｃに対して指令信号Ｓ１が出力され、アーム１２ａ及び基台部１２ｂが駆動される。これにより、３次元カメラ１１によって対象物体Ｑを上方から撮影することが可能である。
【００２７】
なお、通常は、マニピュレータ１２及び３次元カメラ１１の画像は表示面ＨＧに表示されないが、仮想回転ステージ画像１３Ｚの場合と同様に、それらの仮想画像（アイコン）をＣＧによって表示することも可能である。その場合に、それらの仮想画像をドラッグすることによって、マニピュレータ１２の移動方向及び量の指示を与えることができる。
【００２８】
したがって、入力装置１４ｃを用いて表示面ＨＧ上の仮想画像を操作することにより、回転ステージ１３及びマニピュレータ１２を制御し、３次元カメラ１１と対象物体Ｑとの相対位置を任意の状態に可変することができ、３次元カメラ１１によって対象物体Ｑを任意の位置から撮影することが可能である。
【００２９】
図２に示すように、表示面ＨＧの左上方には全体像ウインドウ２１が設けられる。全体像ウインドウ２１には、上に述べた２次元画像ＱＹが表示される。２次元画像ＱＹは、３次元カメラ１１による対象物体Ｑのモニタ画像である。２次元画像ＱＹと３次元データＱＺとを比較することにより、３次元データＱＺに欠損部分ＱＺＮがあるか否かの判断が容易に行われる。
【００３０】
図３は３次元データ入力装置１の使用方法を説明するための図である。図３を用いて、対象物体Ｑの全周の３次元データの入力方法を説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、３次元カメラ１１によって対象物体Ｑを前方から撮影する。これによって、表示面ＨＧ上に３次元データＱＺ１が表示される。
【００３１】
次に、入力装置１４ｃの操作によって、仮想回転ステージ画像１３Ｚを回転させる。ここでは、１８０度回転させたとする。この回転に連動して、回転ステージ１３は回転軸Ｊ２を中心に回転する。これによって、３次元カメラ１１と対象物体Ｑとの相対位置関係が前回の撮影位置に対して１８０度変更され、対象物体Ｑを後方から撮影することが可能となる。そこで、入力装置１４ｃの操作によって、対象物体Ｑを後方から撮影する。
【００３２】
そうすると、対象物体Ｑの前方及び後方からの撮影によって得られた３次元データＱＩ１，ＱＩ２が合成され、表示面ＨＧ上に３次元データＱＺ２〔図３（Ｂ）参照〕として表示される。但し、この時点では、３次元データＱＺ２は最後に撮影された状態の視線方向で表示されている。
【００３３】
ユーザは、入力装置１４ｃを操作することにより、仮想回転ステージ画像１３Ｚ及び３次元データＱＺ２を回転させる。３次元データＱＺ２を回転させると、３次元データＱＺ２の欠損の状態が一目瞭然である。３次元データＱＺ２に欠損がある場合に、その部分が表示面ＨＧ上で正面となるように、又はよく見えるように、３次元データＱＺ２を回転させる。その際に、全体像ウインドウ２１に表示される２次元画像ＱＹを参照することができる。
【００３４】
３次元データＱＺ２の回転に応じて対象物体Ｑも回転しているので、表示面ＨＧ上における３次元データＱＺの見え方を確認し、その状態で撮影を行うことによって、欠損部分の３次元データＱＩが入力される。
【００３５】
すなわち、例えば、図３（Ｂ）に示すように、表示面ＨＧ上において欠損部分ＱＺＮがよく見える状態とし、その状態で撮影する。これによって、欠損部分ＱＺＮの３次元データが入力される。
【００３６】
このように、撮影段階において、既に入力された３次元データＱＺの全体像を把握することができ、欠損部分ＱＺＮの有無、又はその状態、位置などを容易に確認することができる。また、表示面ＨＧ上に表示される３次元データＱＺを、撮影したい状態に移動させることによって、直ぐにその状態で実際の撮影を行うことができるので、必要な３次元データＱＩを容易に確実に入力することができる。したがって、３次元データＱＩの入力作業を無駄なく容易に確実に行うことができる。
【００３７】
次に、３次元データ入力装置１における全体の処理及び操作の概略をフローチャートに基づいて説明する。
図４は３次元データの入力処理のフローチャートである。
【００３８】
図４において、まず、キャリブレーションを行う（＃１）。キャリブレーションは、３次元データの入力を開始する前に、仮想回転ステージ画像１３Ｚの座標系と実際の回転ステージ１３（ターンテーブル１３ａ）の座標系とを一致させるための処理である。
【００３９】
キャリブレーションの手法として、例えば、回転軸Ｊ２上で交わるように組み合わせた２枚のキャリブレーションボードを回転ステージ１３上に載せ、これを３次元カメラ１１で計測する方法を用いることが可能である。また、３次元カメラ１１によって入力可能な空間内にキャリブレーションチャートなどを置き、数点の観測地点にアーム１２ａを移動させてキャリブレーションチャートを計測し、その結果から座標系を把握することも可能である。
【００４０】
次に、回転ステージ１３上に対象物体Ｑを載置し（＃２）、３次元カメラ１１による撮影を行って３次元データＱＩの入力を行う（＃３）。入力された３次元データＱＩは合成され、３次元データＱＺとして表示面ＨＧに表示される。また、２次元画像ＱＹも表示される（＃４）。
【００４１】
ユーザは、２次元画像ＱＹと３次元データＱＺとを比較して、欠損部分ＱＺＮの有無を確認する。つまり、３次元データＱＺを見て、データの入力がそれで充分であるか否かを判断する。３次元データＱＺがそれで充分である場合には（＃５でイエス）、入力処理を終了する。
【００４２】
３次元データＱＺが充分でない場合には（＃５でノー）、入力装置１４ｃを操作し、仮想回転ステージ画像１３Ｚなどを移動させ、これによってターンテーブル１３ａ及びマニピュレータ１２を移動する（＃６，７）。表示面ＨＧには、視線方向の更新された２次元画像ＱＹ及び３次元データＱＺが表示される。
【００４３】
３次元カメラ１１による撮影位置が確定したら（＃８でイエス）、再び３次元データの入力を行い（＃３）、充分な３次元データが得られたとユーザが判断するまで（＃５でイエス）、以上の処理を繰り返す。
【００４４】
上述の実施形態において、３次元カメラ１１に画角の大きいものを用いることにより、また、対象物体Ｑの形状などに応じて、マニピュレータ１２を省略することが可能である。また、マニピュレータ１２の自由度を大きくすることにより、回転ステージ１３を省略することが可能である。
【００４５】
上述の実施形態において、３次元データ入力装置１の全体又は各部の構成、処理内容、処理順序などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によると、入力された３次元データの全体像を容易に把握することができ、３次元データの入力作業を無駄なく容易に確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元データ入力装置の構成を示す図である。
【図２】表示面に表示される内容の例を示す図である。
【図３】３次元データ入力装置の使用方法を説明するための図である。
【図４】３次元データの入力処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１  ３次元データ入力装置
１１  ３次元カメラ
１２  マニピュレータ（位置可変装置）
１２ｃ  制御装置（駆動制御手段）
１３  回転ステージ（位置可変装置）
１３ｃ  制御装置（駆動制御手段）
１４  ホストコンピュータ（合成手段、視点可変手段、表示手段）
１４ａ  本体（合成手段、視点可変手段）
１４ｂ  表示装置（表示手段）
Ｑ  対象物体（被写体）
ＱＩ  ３次元データ
ＱＺ  ３次元データ
【図１】
0004288753.tif 000002
【図２】
0004288753.tif 000003
【図３】
0004288753.tif 000004
【図４】
0004288753.tif 000005