(57)【要約】  物体の表面上の点の３次元座標を求めるための方法が提供される。この方法は構造化光スキャナおよび座標測定デバイスを提供するステップを含む。座標測定デバイスは、動作中の構造化光スキャナの位置および配向を追跡する。位置および配向のデータは、スキャナによって撮影された画像フレームと組合わされ、画像フレームの互いに対する位置合わせを可能にする。次いで、座標測定デバイスの基準系上で、物体の表面上の点の３次元座標を求めることができる。
2016516196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザートラッカおよび携帯型の構造化光スキャナデバイスを用いて、物体の表面上の点の座標を求める方法であって、前記方法は、
前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップであって、前記構造化光スキャナデバイスは、本体部と、第１のカメラと、プロジェクタと、プローブと、６自由度アセンブリと、第１のプロセッサとを含み、前記本体部はスキャナ基準系内において固定され、前記第１のカメラおよび前記プロジェクタは、前記第１のカメラと前記プロジェクタとの間に基線間隔を設けて前記本体部に結合され、前記プロジェクタは光の投影パターンを投影するように構成され、前記第１のカメラは、前記物体の前記表面で反射された前記光の投影パターンを、撮像パターンとして撮像するように構成され、前記プローブは前記本体部に結合され、前記プローブは第１端および第２端を有し、前記第１端は前記本体部に結合されるとともに前記第２端は球状面を有し、前記６自由度アセンブリは再帰反射器を含み、前記６自由度アセンブリは前記本体部に結合され、前記６自由度アセンブリはアセンブリ基準系を有し、前記第１のプロセッサは前記スキャナ基準系における前記物体の前記表面上の点の座標を求めるように構成されているステップと、
前記レーザートラッカを提供するステップであって、前記レーザートラッカは第１の軸と、第２の軸と、第２のプロセッサとを含み、前記レーザートラッカは座標の並進セットおよび座標の配向セットを測定するように構成され、前記座標の並進セットはトラッカ基準系における前記６自由度アセンブリの３つの並進自由度の値であり、前記座標の配向セットは前記トラッカ基準系における前記６自由度アセンブリの３つの配向自由度の値であり、前記座標の並進セットおよび前記座標の配向セットは空間内での前記６自由度アセンブリの位置および配向を規定し、前記レーザートラッカは空気中を光速で伝播する第１の光束を前記再帰反射器に向けて送出するとともに前記再帰反射器によって反射された第２の光束を受光するように構成され、前記第２の光束は前記第１の光束の一部であり、前記第１の光束は前記第１の軸周りの第１の回転角と前記第２の軸周りの第２の回転角とによって測定される第１の配向を有し、前記第２のプロセッサは前記座標の配向セットおよび前記座標の並進セットを求めるように構成されているステップと、
前記第２端を受容するように構成された部分を有する固定具を提供するステップと、
前記第２端の前記固定具への接触を維持しつつ前記構造化光スキャナデバイスを所定のパターンで移動させ、前記再帰反射器を前記第１の光束で追跡するステップと、
前記構造化光スキャナデバイスの移動に応じて複数の並進セットおよび配向セットを測定するステップであって、前記複数の並進セットは、前記受光された第２の光束と、前記空気中での光の速度と、前記第１の回転角と、前記第２の回転角とに少なくとも部分的に基づくステップと、
前記第２のプロセッサによって、前記複数の測定された並進セットおよび配向セットに少なくとも部分的に基づいて、前記アセンブリ基準系と前記トラッカ基準系との間の数学的変換を求めるステップと、
前記光の投影パターンを前記物体の前記表面に投影するステップと、
前記撮像パターンを取得するステップと、
第１の並進セットおよび第１の配向セット測定するステップであって、前記第１の並進セットは、前記受光された第２の光束と、前記空気中での光の速度と、前記第１の回転角と、前記第２の回転角とに少なくとも部分的に基づくステップと、
前記第１のプロセッサによって、前記基線間隔と、前記光の投影パターンと、前記撮像パターンとに少なくとも部分的に基づいて、前記スキャナ基準系における前記物体の前記表面上の前記点の前記座標を求めるステップと、
前記スキャナ基準系における前記物体の前記表面上の前記点の前記求められた座標と、前記測定された座標の第１の並進セットと、前記測定された座標の第１の配向セットと、前記求められた数学的変換とに少なくとも部分的に基づいて、前記トラッカ基準系における前記物体の前記表面上の前記点の前記座標を求めるステップと、
前記トラッカ基準系における前記物体の前記表面上の前記点の前記求められた座標を記憶するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記レーザートラッカを提供するステップにおいて、前記レーザートラッカは前記第１の軸および前記第２の軸周りを回転する第２のカメラを更に含み、
複数の並進セットおよび配向セットを測定するステップにおいて、前記構造化光スキャナデバイスの複数の第２の画像が前記第２のカメラによって取得され、前記複数の配向セットは、更に、前記複数の第２の画像に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップにおいて、前記再帰反射器は３つの平面反射体を含むキューブコーナー再帰反射器であり、前記平面反射体のそれぞれは光を反射するように構成され、前記平面反射体のそれぞれは他の２つの平面反射体に垂直であり、前記平面反射体のそれぞれは共通の頂点で他の２つの平面反射体と交差しており、前記平面反射体のそれぞれは２つの交差ジャンクションを有しており、前記交差ジャンクションのそれぞれは、キューブコーナー再帰反射器内において計３つの交差ジャンクションを確保するために隣接する平面反射体によって共有されており、前記平面反射体のそれぞれは非反射領域を有し、
複数の並進セットおよび配向セットを測定するステップにおいて、前記複数の配向セットは、更に、前記複数の第２の画像の、前記非反射部分に対応する特徴に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、
前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップにおいて、前記６自由度アセンブリは同一線上にない少なくとも３つの光点を更に含み、
複数の並進セットおよび配向セットを測定するステップにおいて、前記複数の配向セットは、更に、前記複数の第２の画像の、前記同一線上にない少なくとも３つの光点に対応する特徴に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップにおいて、前記同一線上にない少なくとも３つの光点は、再帰反射装置、光源およびそれらの組み合わせから成る群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップにおいて、前記再帰反射器は、前記第１の光束の一部を透過させるための開口と、前記透過された第１の光束の画像の位置合わせを行う光センサとを更に含み、
複数の並進セットおよび配向セットを測定するステップにおいて、前記複数の配向セットは、更に、前記位置合わせされた画像に少なくとも部分的に基づくことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記構造化光スキャナデバイスを提供するステップにおいて、前記光センサは感光性アレイであることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題は、物体の表面上の点の３次元座標を取得するシステムおよび方法に関し、特には、レーザートラッカをスキャナデバイスと連携して動作させて、動作中のスキャナデバイスの位置および配向を追跡するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の測定機器を用いた物体または環境の３次元座標の取得については周知であろう。環境は、測定機器の測定範囲内の物体の表面の集合であると定義される。測定機器の一種として、レーザートラッカのような飛行時間システムがあり、それはレーザービームなどの光束を測定されるべき再帰反射ターゲットに向けて送る。一実施形態において、光がターゲットまで到達し戻ってくるために要する時間の長さに基づいてトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離を求めるために絶対距離計が使用される。再帰反射ターゲットを物体の表面に接触して配置することで、物体の表面の座標を求めることができる。レーザートラッカは、２つの軸をモータで回転させることで、光束を選択された方向に送ることができる。２つの軸の回転角度は、角度エンコーダなどの角変換器で測定される。１つの距離と２つの角度を測定することで、レーザートラッカは再帰反射ターゲットの３次元（３Ｄ）座標を求めることができる。レーザートラッカには、ターゲットの配向を測定する追加的な機能を持つものがあり、それによって６自由度（６ＤＯＦ）の測定が行われる。
【０００３】
飛行時間方式測定デバイスに代わる測定機器として、三角測量の原理に基づいて３Ｄ座標を求めるスキャンシステムがある。レーザートラッカなどの飛行時間方式距離計を利用するシステムは、三角測量方式スキャナよりも正確である場合があるが、三角測量方式スキャナは各瞬間において複数の光スポットを表面に投影するため、より高速であり得る。
【０００４】
三角測量方式スキャナは、光のライン（例えば、レーザーラインプローブからの光）またはある範囲にわたる光パターン（例えば、構造化光）のどちらかを、表面上に投影する。このシステムにおいて、カメラが一定の機械的関係でプロジェクタに結合されている。プロジェクタから発せられた光の投影パターンは表面によって反射され、カメラによって撮像される。カメラとプロジェクタは一定の関係で配置されているので、三角法の原理に従って、物体までの距離および角度を、投影パターン、撮影されたカメラ画像、およびプロジェクタとカメラとを隔てる基線間隔から求めることができる。三角測量方式システムは、広い範囲にわたる３Ｄ座標データを迅速に取得する際に利点を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
いくつかのシステムにおいて、スキャン処理中に、スキャナが一連の３Ｄ画像を取得し、各３Ｄ画像の他の３Ｄ画像に対する位置および配向を知るために、これらの３Ｄ画像を互いに対して位置合わせする場合がある。もしもスキャナが静止しているのなら、このような位置合わせは必要ない。同様に、もしもスキャナが、スキャナの位置および配向を測定する機能のある機械デバイスに装着されているのなら、このような位置合わせを行う必要はない。そのような機械デバイスの例としては、多関節アームＣＭＭや直交座標型ＣＭＭ（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ＣＭＭ）がある。スキャナが手で保持され、従って、移動可能である場合において、画像の位置合わせを行うために様々な技法を使用することができる。一般的な技法の１つにおいては、隣接する画像フレームの重複領域を一致させるために、画像中の特徴を使用する。この技法は、測定される物体がスキャナの写野に対して多くの特徴を有している場合にはうまく働く。しかし、もしも物体が平坦なまたは湾曲した比較的大きな表面を含んでいる場合、画像を互いに対して適切に位置合わせすることができない。
【０００６】
従って、既存の座標測定デバイスはその本来の目的には適しているが、改良への必要性、特に、スキャナデバイスで取得した画像の位置合わせにおける改良への必要性は依然として存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、座標測定デバイスと携帯型の構造化光スキャナデバイスとを用いて、物体の表面上の点の座標を求める方法が提供される。この方法は、本体部と、本体部に結合された第１のカメラおよび第１のプロジェクタとを有し、第１のカメラは、物体の表面で反射された光を受光するように構成されている構造化光スキャナを提供するステップを含む。構造化光スキャナは、本体部の第１側面から延在するプローブと、本体部の第２側面に結合された６自由度再帰反射器とを含む。構造化光スキャナは、スキャナ基準系における物体の表面上の点の座標を求めるように構成されている第１のプロセッサを更に有する。座標測定デバイスが提供される。座標測定デバイスは座標の並進セットおよび座標の配向セットを測定するように構成され、並進セットはデバイス基準系における構造化光スキャナの３つの並進自由度の値であり、配向セットはデバイス基準系における構造化光スキャナの３つの配向自由度の値である。並進セットおよび配向セットは空間内での構造化光スキャナの位置および配向を規定し、座標測定デバイスは第１の光束を再帰反射器に向けて送出するとともに再帰反射器からの第２の光束を受光するように構成され、第２の光束は第１の光束の一部であり、座標測定デバイスはデバイスプロセッサを含む。デバイスプロセッサは配向セットおよび並進セットを求めるように構成され、並進セットは、第２の光束に少なくとも部分的に基づく。プローブを収容するように構成された部分を有する固定具が提供される。プローブは前記部分に配置される。前記部分へのプローブの接触を維持しつつ、構造化光スキャナは所定のパターンによって移動され、６自由度再帰反射器の座標および配向を追跡する。構造化光スキャナの移動に応じて、構造化光スキャナについて座標の並進セットおよび座標の配向セットが求められる。
【０００８】
本発明の別の態様によると、方法が提供される。この方法は、互いに対して一定の関係で配置された第１のカメラと第１のプロジェクタとを有する構造化光スキャナを提供するステップを含み、構造化光スキャナは、物体の複数の画像を取得するように構成され、構造化光スキャナは、第１のカメラと第１のプロジェクタとに対して一定の関係で配置された６自由度再帰反射器を有する。互いに対して一定の関係で配置された光源と第２のカメラとを有する座標測定デバイスが提供され、座標測定デバイスは、座標の並進セットおよび座標の配向セットに少なくとも部分的に基づいて、構造化光スキャナの位置および配向を求めるように構成されている。並進セットはデバイス基準系における構造化光スキャナの３つの並進自由度の値であり、配配向セットはデバイス基準系における構造化光スキャナの３つの方配向自由度の値である。物体は構造化光スキャナによってスキャンされ、少なくと第１の画像フレームおよび第２の画像フレームが取得される。６自由度再帰反射器は座標測定デバイスによって追跡され、座標の配配向セットおよび座標の並進セットが求められる。デバイス基準系において、物体の表面上の複数の点の座標が、第１の画像フレームと、第２の画像フレームと、座標の配向セットと、座標の並進セットとに少なくとも部分的に基づいて求められる。
【０００９】
これらのおよび他の利点および特徴は、図面を用いた以下の説明によってより明らかになるであろう。
【００１０】
発明とみなされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲において具体的に示されるとともに明確に特許請求される。本発明の前述のおよび他の特徴、並びに利点は、添付の図面を用いた以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による、物体を測定するためのシステムの斜視図である。
【図２】固定具内のスキャナプローブ部材の部分的な斜視図である。
【図３】物体をスキャンするスキャナデバイスが示されている図１のシステムの部分的な斜視図である。
【図４】本発明の実施形態による、物体の表面上の点の３次元座標を求める方法のフロー図である。
【図５】本発明の他の実施形態による、物体の表面上の点の３次元座標を求める方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明によって、本発明の実施形態がその利点および特徴とともに、図面を参照して例示を目的として説明される。
【００１３】
本発明の実施形態は、スキャナデバイスによって取得された画像の位置合わせにおいて利点を提供する。本発明の実施形態は、レーザートラッカデバイスなどの座標測定デバイスを用いての手持ち式のスキャナデバイスの追跡において更なる利点を提供する。本発明の更なる実施形態は、レーザー追跡デバイスによって追跡されたスキャナデバイスの較正／補正において利点を提供する。
【００１４】
図１から図３を参照すると、物体２２の３次元座標を測定するシステム２０が示されている。システムは、レーザートラッカ２４などの第１の座標測定デバイスを含み、レーザートラッカ２４はスキャナ２６などの第２の座標測定デバイスと連携して動作する。レーザートラッカ２４は、本出願人の所有する、２０１０年８月３日に出願された米国特許第８，６５９，７４９号または２０１２年４月２３日に出願された米国特許公開第２０１３／０１５５３８６号に記載されたような装置などでよい。
【００１５】
レーザートラッカ２４は、例えばレーザーなどの光を発するプロジェクタと、距離計とを含む。プロジェクタと距離計は、開口３０を介して光２８を発し、また受光するように構成されている。距離計は、絶対距離計アセンブリでよく、レーザートラッカ２４が、レーザートラッカ２４とたとえば再帰反射器などの連携ターゲットとの距離を光学的に測定することを可能にする。
【００１６】
６自由度（６ＤＯＦ）レーザートラッカ２４は、モータと、角度エンコーダと、６ＤＯＦ再帰反射ターゲットが空間内で移動された際にレーザートラッカ２４がその位置を追跡することを可能にする位置検出器とを含み得る。６ＤＯＦ再帰反射ターゲットは、６ＤＯＦレーザートラッカによって６自由度において測定され得る６ＤＯＦ再帰反射ターゲットである。言い換えると、６ＤＯＦトラッカは、ターゲットの３つの並進座標（「位置」）を求めることができるとともに、トラッカ基準系６３における３つの配向自由度も求めることができる。例えば、３つの並進自由度とはｘ、ｙ、ｚ座標であり、３つの配向自由度とはピッチ角、ロール角、ヨー角である。レーザートラッカ２４内には、再帰反射器の３次元座標を、再帰反射器までの距離と角度エンコーダからの信号とに少なくとも部分的に基づいて求めるように構成されているプロセッサを有するコントローラ３２が設けられる。コントローラ３２は追加的な回路を更に有してもよく、追加的な回路としてはレーザートラッカ２３が有線または無線の通信媒体３５を介してスキャナ２６またはコンピュータ３３と通信することを可能にする通信回路が含まれるがこれに限定されるものではない。
【００１７】
６ＤＯＦトラッカは加えて、ターゲットの配向を測定する機能を有する。再帰反射ターゲットの配向を測定する１つの方法として、キューブコーナー再帰反射器の３つの平面反射体の交差ジャンクション（ライン）のそれぞれに非反射領域を形成し、次いで、レーザートラッカ内のズームカメラ（図示せず）のそれらの「暗い」ラインの画像を撮像する方法がある。非反射交差ラインを有する６ＤＯＦ再帰反射器は、同一出願人による米国特許公開第２０１２／０２０６８０８号に記載されている。
【００１８】
６ＤＯＦトラッカの別の実例として、再帰反射ターゲットに加えて光点を含む６ＤＯＦトラッカがある。同一線上にない少なくとも３つの光点を用いることで、レーザートラッカ２４に配置されたカメラで光点を撮影してターゲットの配向を求めることができる。３タイプ目の６ＤＯＦトラッカとして、キューブコーナー再帰反射器の共通の頂点の一部を除去し、それによってレーザートラッカからの光の一部が再帰反射器を通過してキューブコーナーの背後の検出器にあたるようにした６ＤＯＦトラッカがある。検出器は、自身にあたった光の位置を求めるタイプのものである。例えば、検出器は感光性アレイまたは位置敏感検出器でよい。検出器上の光の位置に注目することで、６ＤＯＦターゲットのピッチ角およびヨー角を求めることができる。
【００１９】
本明細書において上述した６ＤＯＦターゲットのいずれかが、図１においてアセンブリ基準系１２を有する６ＤＯＦ再帰反射器４８として表されている６ＤＯＦアセンブリ１６を構成すると考えられる。しかしながら、図１のデバイス４８は任意の好ましい６ＤＯＦアセンブリ１６を表す。６ＤＯＦアセンブリ１６は、再帰反射器４８を含むが、さもなければ、６ＤＯＦレーザートラッカ２４と連携して６ＤＯＦアセンブリの位置および配向を提供する任意の要素を含んでもよい。例えば、本明細書において上述したように、同一線上にない３つ以上の光点を使用することもできるし、または頂点の一部が除去されたキューブコーナー再帰反射器の背後に位置する検出器を含むこともできる。
【００２０】
例示的実施形態において、スキャナ２６は構造化光スキャナである。本明細書において規定されるように、構造化光スキャナは光のパターンをある範囲にわたって投影するものである。それは光のライン（「ストライプ（ｓｔｒｉｐｅ）」とも称される）を投影したりまたは光スポットを掃引したりするスキャナとは異なるものである。概して、光のラインは完全な直線でなくともよいが、少なくとも略直線である。従って、構造化光スキャナは、投影方向に垂直な平面内で見た場合に同一線上にない少なとも３つの点を有する光を投影するタイプのスキャナであると考えられる。
【００２１】
図３に示されるように、スキャナ２６はまずプロジェクタ３６によって物体２２の表面３８上に構造化光パターン３４を放出する。構造化光パターン３４は、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．７９３２に掲載されたジェイソン  ゲング（Ｊａｓｏｎ  Ｇｅｎｇ）による雑誌記事「ＤＬＰ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  ３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」において開示されたパターンを含み得る。プロジェクタ３６からの構造化光パターン３４は表面３８で反射され、反射光４０はカメラ４２によって受光される。カメラ４２によってパターンの画像が撮影される際に、表面３８における変化によって構造化パターンに歪みが生じることを理解されたい。パターンは構造化光によって形成されるので、場合によっては、コントローラ４５は、プロジェクタによって送出されたパターンとカメラ内の感光性アレイが受光した画像との間に１対１対応を求めることができる。
【００２２】
投影パターンと対応するカメラとの間の対応関係を求めることで、三角測量の原理を用いて、カメラ４２内の光センサまたは感光性アレイによってその画像が撮影された３Ｄ物体の座標を、求めることができる。表面３８の３次元座標の集合は、時としてポイントクラウドと称される。スキャナ２６を表面３８全体にわたって移動させることで、物体２２全体のポイントクラウドが作成できる。測定された点の３Ｄ座標は、典型的にはスキャナ２６の局所的基準系１０において求められる。
【００２３】
スキャナ２６は、オペレータがスキャナ２６を携行し操作することを可能にするハンドル４６を有する本体部４４を更に含む。例示的実施形態において、６自由度再帰反射器４８は、上面に沿って本体部４４に結合される。再帰反射器４８は、本出願人の所有する、２０１２年２月１０日に出願された米国特許出願公開第２０１２／０２０６８０８号または２０１２年４月１１に出願された米国特許出願公開第２０１２／０２６２５５０号に記載のものと同様でよい。一実施形態において、再帰反射器４８はネスト５０に結合され得る。ネスト５０は磁気ネストでよく、または動作中に再帰反射器４８を所定の位置に保持する締付具を含んでもよい。更に他の実施形態において、１つ以上の再帰反射器４８が本体部４４と一体化している。
【００２４】
スキャナ２６はプローブ部材５２を更に含む。例示的実施形態において、プローブ部材５２は、軸部５４と、所定の直径の球状面を有する端部材５６とを含む。プローブ部材５２は本体部４４に結合され、再帰反射器４８と所定の一定の幾何学的関係を有している。本明細書の実施形態においてはプローブ部材５２はスキャナ２６の下方前部に位置するように示されているが、これは例示を目的とするものであって、特許請求される発明がそのように限定されるものでないことを理解されたい。他の実施形態においては、プローブ部材５２は、例えば下面部などスキャナ２６の他の部位に位置決めされてよい。
【００２５】
スキャナ２６は再帰反射器４８を含んでいるので、レーザートラッカ２４は、スキャン処理中にスキャナ２６の位置を追跡し記録することができる。後ほどより詳細に説明されるように、スキャナ２６を追跡することで、スキャナ２６によって取得された画像の位置合わせが容易になり、また、物体２２の特徴に乏しい部位における位置合わせを可能にするという利点が提供される。
【００２６】
レーザートラッカ２４によるスキャナ２６の追跡の前に、再帰反射器４８の配向およびスキャナ２６の配向がレーザートラッカ２４にとって既知となるようにスキャナ２６を較正または補正する必要がある。例示的実施形態において、レーザートラッカ２４に対するスキャナ２６の較正は固定具５８（図２）を使用して実行される。固定具５８は、レーザートラッカ２４にとって既知の所定の幾何学的構成を有するデバイスである。一実施形態において、固定具５８は、円錐状または円錐台状の面６２を有する凹部６０を含み、円錐状または円錐台状の面６２は、所定の角度、例えば６０度から１２０度、の内角を有する。別の実施形態において、固定具５８は、円上に配置されるとともに互いに１２０度の角度で離間している３つの球体を含む
【００２７】
スキャナ２６をレーザートラッカ２４に対して較正または補正するために、オペレータに較正プロセスをガイドする較正ルーティンが開始される。オペレータのためのユーザーインターフェイスは、例えば、スキャナ２６、レーザートラッカ２４またはリモートコンピュータ３３に配置されてよい。一実施形態において、較正プロセスでは、例えば図２に示されるのと同様の固定具５８内のプローブ部材５２が、オペレータに対して図示される。次いで、オペレータは、球状端部材５６の表面６２への接触を維持しつつスキャナ２６を所定のパターンで移動させるように指示される。例示的実施形態において。この所定のパターンにおいては、第１に、スキャナ２６は球状端部材５６を支点に矢印５８、６１、６５によって示されるような３つの方向に旋回させられる。一実施形態においては、方向５８と方向６１とは９０度離間し、方向６１と方法６５とは９０度離間している。第２に、スキャナ２６は、矢印６９に示されるように、軸６４周りを回転または回動させられる。
【００２８】
スキャナ２６が旋回および回転させられると、レーザートラッカ２４は、所定のパターンにおける各動作において、再帰反射器４８の位置および配向に関する情報を求める。各動作について、球状端部材５６が表面６２に接触した一定の位置にあることは分かっている。複数の測定値を数学的に分析することで、スキャナ２６に対する６自由度再帰反射器４８の配向および位置を求めることができる。このような問題を解決する一般的な方法は最良適合解と称され、通常、最小自乗極小化の手法による。いったん較正プロセスが完了すると、レーザートラッカ２４は、レーザートラッカ局所基準系６３に対するスキャナ２６の位置および配向情報を測定することができる。
【００２９】
次に、トラッカおよびスキャナの読み取りに基づいて、物体２２の表面３８の３Ｄ座標を取得するために使用される方法のより完全な説明を行う。６ＤＯＦトラッカ２４は、６ＤＯＦアセンブリ１６に含まれる再帰反射器４８の３つの並進自由度を測定する。これらの３つの並進自由度は、基準位置にある６ＤＯＦアセンブリ１６の位置を示す。この基準位置はキューブコーナー再帰反射器の頂点でよく、または再帰反射器に対する相対位置が既知である別の点でもよい。３つの並進自由度とは、例えば、トラッカ基準系６３におけるトラッカによって求められたｘ、ｙ、ｚ座標である。加えて、６ＤＯＦトラッカ２４は、６ＤＯＦアセンブリ１６の３つの配向自由度を測定する。本明細書において説明したように、配向自由度を求めるには多くの方法がある。３つの配向自由度とは、例えば、ピッチ角、ロール角、ヨー角である。３つの配向自由度は、アセンブリ基準系１２を有する６ＤＯＦアセンブリ１６に対してのものであるが、しかしながら、３つの配向自由度はトラッカ基準系６３におけるトラッカによって求められる。言い換えると、アセンブリ基準系１２は、スキャナ２６に対して多種多様の配向を有することができ、スキャナ２６はトラッカに対して多種多様の配向に移動することができる。従って、第１のステップは、トラッカに対する６ＤＯＦアセンブリの３つの並進自由度および３つの配向自由度を求めることである。言い換えると、第１のステップは、トラッカ基準系６３に対する６ＤＯＦアセンブリ基準系１２の３つの並進および自由度３つの配向自由度を求めることである。
【００３０】
第２のステップは、６ＤＯＦアセンブリ基準系１２に対するスキャナ基準系１０の相対的な位置および配向を求めることである。スキャナ基準系は、スキャナ２６の本体部４４に対して規定され得、本体部４４はプロジェクタ３６およびカメラ４２を保持し、プロジェクタおよびカメラは本体部４４に対して固定されている。球状端部材５６の、本体部４４、プロジェクタ３６およびカメラ４２に対する位置は既知である。表面３８の測定が行われる間、これら２つの基準系１０および基準系１２は互いに対して固定されている。基準系１０と基準系１２との関係を少なくとも部分的に求める方法では、球状端部材５６が、例えば円錐状の面を有し得るネスト内に配置される。本明細書において上で説明したように、収集された複数の３Ｄ座標は、６ＤＯＦアセンブリ基準系１２に対するスキャナ基準系１０の並進および配向自由度を求めるために必要となる情報を、少なくとも部分的に提供する。レーザートラッカ２４は、スキャナ２６に対して６ＤＯＦにおいて不変である再帰反射器４８の位置を測定する。球状端部材５６もまた、スキャナ２６に対する位置および配向において不変である。従って、スキャナカメラ４２およびプロジェクタ３６は、再帰反射器４８および球状端部材５６に対して固定されている。レーザートラッカ２４によって６ＤＯＦアセンブリ１６の複数の位置および配向を測定することで、１つの自由度における基準系１０と基準系１２との関係が判明する。この１つの自由度とは、再帰反射器の基準点と球状端部材５６とを接続する軸周りの６ＤＯＦアセンブリ１６の回転角度である。当技術分野では周知のように、数学的には、一方の基準系から別の基準系へ測定値を変換するために、変換マトリクスを使用することができる。
【００３１】
第３のステップは、表面３８上の点の３Ｄ座標を、プロジェクタ３６によって送出された光のパターンと、カメラ４２内の感光性アレイによって受信された画像と、カメラとプロジェクタとの間の基線間隔（図示せず）とに少なくとも部分的に基づいて求めることである。
【００３２】
スキャナ２６が実行する表面３８の３Ｄ点測定をレーザートラッカ２４が実行する６ＤＯＦアセンブリ１６の測定と組み合わせ、更に基準系１０、１２および６３の変換関係を考慮することによって、表面３８上の点の３Ｄ座標をトラッカ基準系６３において求めることができる。
【００３３】
図３および図４を参照すると、物体２２の表面３８上の点の３次元座標を取得するために、レーザートラッカ２４およびスキャナ２６を動作させるプロセス６７が示されている。スキャナ２６を作動させる前に、ブロック６４において、本明細書において上述したように、レーザートラッカ２４に対するスキャナ２６の較正が行われる。スキャナ２６が作動させられると、スキャナ２６の位置および配向がレーザートラッカ２４に既知となるように、レーザートラッカ２４からの光２８が再帰反射器４８によって反射される。スキャナ２６が作動させられると、構造化光パターンがプロジェクタ３６から放出され、表面３８によって反射され、カメラ４２によって撮影される。例示的実施例において、カメラ４２は、１秒当たり１５〜３０のフレームレートで、画像フレームを撮影する。連続的な画像フレーム６６、６８、７０のそれぞれは、図３において円として示されているが、フレーム６６、６８、７０は、例えば正方形や長方形などの他の形状でもよい。
【００３４】
カメラ４２の比較的高いフレームレートによって、画像フレームの間には、斜交平行線で表された領域７２，７４のような重複領域が生じやすくなる。重複の量はオペレータがスキャナ２６を移動させるスピードによって決まる。先行技術のシステムにおいては、重複領域に位置する物体２２の特徴によって、画像フレームの互いに対する位置合わせを可能にしていた。しかしながら、平坦なまたはそうでなければ特徴に乏しい表面を測定する場合、位置合わせはより困難になり、先行技術のシステムでは測定にずれが生じたり、または表面が「ポテトチップ」状になったりする傾向がある。本発明の実施形態では、各画像フレーム６６、６８、７０が撮影される際に、レーザートラッカ２４がスキャナ２６の位置および配向を記録するため、利点が提供される。従って、フレーム６６、６８、７０の位置合わせにおいて、物体２２の特徴に頼ることなく、フレームを互いに対して正確に位置させることができる。これによって、隣接する画像フレームの間に重複が存在しない場合の画像フレームの位置合わせが可能になることにおいても利点が提供されることを更に理解されたい。
【００３５】
ブロック６４においてスキャナ２６を較正した後、ブロック７６において、スキャナ２６は表面３８をスキャンして、投影パターン６６に対応する画像フレームを取得する一方、レーザートラッカ２４はスキャナ２６の位置および配向を記録する。プロセス６７はブロック７８に進み、第２のフレーム６８がスキャナ２６の位置および配向とともに撮影される。この処理は、ブロック８０において、第Ｎ番目のフレームがカメラ４２によって撮影されるまで継続する。次いで、プロセス６７は前進し、ブロック８２において、レーザートラッカ２４によって測定および記録された場所および位置情報を使用して隣接するフレームを互いに対してマッチングすることによって、画像フレームの位置合わせを行う。次いで、ブロック８４において、物体２２の表面上の点の座標が求められる。例示的実施形態において、点の座標はトラッカ基準系６３に対して求められる。
【００３６】
図３および図５を参照すると、物体２２の表面３８上の点の３次元座標を取得するために、レーザートラッカ２４およびスキャナ２６を動作させる方法８６の別の実施形態が示されている。この実施形態では、ブロック８８において、本明細書において上述したように、スキャナ２６はレーザートラッカ２４に対して較正される。レーザートラッカ２４でスキャナ２６の位置および配向を追跡しながら、スキャナ２６が動作して物体２２の表面３８をスキャンする。ブロック９０において、スキャナ２６は第１のフレーム６６を取得する。次いで、方法８６は、ブロック９２において、第１のフレーム６６を取得したときのスキャナ２６の位置および配向を求める。プロセス８６は、ブロック９４および９６において、それぞれ、第Ｎ番目のフレームが撮影され、スキャナ２６の最終位置および配向が記録されるまで、画像フレームの撮影とスキャナ２６の位置および配向の記録とを継続する。ブロック９８において、画像フレームは、トラッカ基準系６３において、互いに対して位置合わせされる。次いで、プロセス８６は前進し、ブロック１００において、重複領域７２，７４を求める。一実施形態において、プロセス８６は次いでブロック１０２に進み、座標データのサイズを減じるために、重複領域７２，７４における重複または実質的に重複する点データが削除される。
【００３７】
フレームの位置合わせを行い、物体の表面上の点の座標を求めるプロセスは、レーザートラッカ２４、スキャナ２６、コンピュータ３３またはそれらの組み合わせによって実行され得ることを理解されたい。
【００３８】
本発明の実施形態の技術的な効果および利点は、スキャナの追跡を別の座標測定デバイス、例えばレーザートラッカを用いて行い、スキャナによって取得された画像フレームの位置合わせを可能にすることを含む。この画像の位置合わせは、スキャンされる物体または周囲の環境に基準となる特徴がなくとも実行することができる。更に、この画像の位置合わせは、連続する画像に重複領域がなくとも実行することができる。
【００３９】
本明細書において、本発明の態様は、本発明の実施形態に従って、方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図および／またはブロック図を参照して説明されている。フローチャート図および／またはブロック図の各ブロック、およびフローチャート図および／またはブロック図におけるブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実装され得ることが理解されるであろう。
【００４０】
これらのコンピュータ可読プログラム命令を、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、またはその他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに供給して、コンピュータまたはその他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行された命令が、フローチャートおよび／またはブロック図の１つのブロックまたは複数のブロックに規定された機能／動作を実装する手段をもたらするような機械を作成してもよい。また、これらのコンピュータ可読プログラム命令を、コンピュータ、プログラム可能なデータ処理装置および／またはその他の機器に対して特定の方法で機能するように指示可能なコンピュータ読取可能媒体の中に記憶して、命令を内部に記憶したコンピュータ読取可能媒体が、フローチャートおよび／またはブロック図の１つのブロックまたは複数のブロックに規定された機能／動作の態様を実装する命令を含む製品を構成するようにしてもよい。
【００４１】
これらのコンピュータ可読プログラム命令を、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置またはその他の機器にロードして、それらのコンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置またはその他の機器上で一連の動作ステップを実行させ、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置またはその他の機器上で実行される命令がフローチャートおよび／またはブロック図の１つのブロックまたは複数のブロックに規定された機能／動作を実装するように、コンピュータで実装されるプロセスを作成してもよい。
【００４２】
図面のうちのフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態に係るシステム、方法およびコンピュータプログラム製品の実現され得る実装態様のアーキテクチャ、機能および動作を示すためのものである。この点において、フローチャートまたはブロック図における各ブロックは、特定の論理的機能を実装するための１つ以上の実行可能な命令を備える、命令のモジュール、セグメントまたは部分を表し得る。いくつかの代替的な実装態様おいては、ブロック中に示される機能は、図中に示される順序とは異なる順序で実行され得る。例えば、連続して示されている２個のブロックは、実際上、関連する機能に応じて、実質的に同時に実行され得るし、またはそれらのブロックは、時として、逆の順序で実行され得る。ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図におけるブロックの組み合わせは、特定の機能または動作を実行する、または専用ハードウェアとコンピュータ命令との組合せとして動作する専用ハードウェア型システムで実装され得ることにも留意されたい。
【００４３】
ほんの限られた数の実施形態に関して本発明を詳細に説明したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されるはずである。むしろ、本発明はここまでに説明されていない任意の数の変更、改変、代替物、または均等な構成を組み込むように変形することができるが、それらも本発明の主旨および範囲に見合ったものである。加えて、本発明の様々な実施形態について記述したが、本発明の態様は記述された実施形態の内のいくつかだけを含む場合もあることが理解されるべきである。従って、本発明は前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【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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【国際調査報告】
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