京都府中小企業技術センター技報
No.47 (2019)京都府中小企業技術センター技報No.47（2019）

インコヒーレント光源による 3D 分光計測手法の開発
安達雅 浩＊１、堀将 季＊２、小 山洋 太＊３

東聡 志＊４、高 濱健 吾＊５、渡 辺國 寛＊６

森田貴 彦＊７、米 谷匡 弘＊８、粟 辻

安 浩＊９

［要 旨］
LED 光源や白色ランプ等のインコヒーレント光源による色相グラデーションから３次元情報を取得するための手法の開発を行い、測定対象物の 3D 形状の復元が可能であることを確認した。またさらにシンプルな手法として２色のLED 等の単色光源による光強度の比から同様に3D 形状の復元が可能であることを確認した。併せてリアルタイムに画像処理を行うために FPGA への実装を行い、3D 分光計測モデルとなるデモ機を試作したので報告する。

１ はじめに次元的等高線のみが可能で絶対距離が測定できな

測定対象物の３次元計測には、コヒーレントない等の制限がある３）。ただし、画像処理的手法に光源であるレーザーの位相差を測定するタイムオ

よる３次元計測はシンプルで安価な構成には有用

ブフライト方式が主流であるが、測定精度は高いで、今後はカメラを用いたモーションキャプチャが、スキャン時間がかかるうえ、装置が大がかり等動的な３次元計測への応用も期待できる４）。となり、結果としてコストが大きくなり汎用性に今回の研究開発においては、LED 光源や白色ラ乏しい構造となっている１），２）。一方、カメラを用ンプ等のインコヒーレント光源を用いて、カメラいたステレオ方式やスリット光・モアレ格子によ画像から３次元情報を取得するための手法を新たる位相差方式はシンプルで低コストな構造ではあに提案し、３次元計測を備えたセンシング技術へるが、測定分解能が低かったり、測定対象物の３の応用を検討した。インコヒーレント光源は、一
般的には測定対象物をカメラで撮影するための照＊１ 応用技術課 主任研究員（現 中丹技術支援室 室長）＊２ 応用技術課 主任（現 計量検定所 主査）

明としての要素が大きいが、今回は照明光の色相・光強度差のための計測用光源として用いることで、簡易に３次元計測またはモーションキャプチャに有用であることを示す。

＊３ 応用技術課 技師（現 企画連携課 副主査）
＊４ 応用技術課 技師

２ 提案手法及び実験結果
２．１ 色相による３次元計測の提案手法（現 建設整備課 技師）＊５ 高濱研究所＊６ マイクロシグナル株式会社＊７ 株式会社システムロード＊８ 株式会社大日本科研＊９ 京都工芸繊維大学

照明光は、図１に示すような x,y 色度座標により、光が有する色度を表現することが可能である。
こ れ は CIE （ Commission International del'Eclairage：国際照明委員会）で規定された光の波長と人間の視感度の相関から数値化したもので、光の 3 原色である RBG（赤青緑）情報を xy 座標上

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図１ CIE xy 色度座標に全て表現することができる。この色度座標上における光の色度変化は色相となり、xy の位相変化量と等価に表され、例えば赤から緑、緑から青に徐々に変化する軌跡を描くことで、色相は tan-1（y/x）で表される。
図２に示すとおり、グラデーション状に波長が変化する光源を測定対象物に当てることで、観測側では、xy の強度変化または色相変化から、測定対象物に応じた相対的な距離特性が得られる。絶対距離は、基準となる位置をオフセット値とすれば測定が可能となる。

図２ 波長グラデーションによる 3 次元測定構成

図３ 距離可変による色調変化

図２の測定構成において、対象物をＺ方向に-20対象物が基準位置（Za = 0 mm）に置かれたときmmから+20 mmまで距離を変化させたときのグラデの色調変化の RGB 成分を空間的にプロットするとーションの色調変化の結果を図３に示す。

図４のような分布となり、xy 色度は図５で表される。xy 色度の位相差は色相を示しており、xy の位

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図４ 対象物が基準位置での RGB 成分

図７ Za=-20mm での色相のプロット

図５ xy 色度のプロット

図８ Za=0mm での色相のプロット

図６ 色相 (tan-1((y-y0)/(x-x0)):deg)のプロット

図９ Za=+20mm での色相のプロット

相差 tan-1((y-y0)/(x-x0))を求めると図６となり、２．２ 実験及び試作対象物のＺ方向の位置情報を一義的に求めること提案する色相による３次元計測の手法の実験構ができる。((x0,y0)は D65 の白色色度)成を図 10 に示す。
白色のスポット照明をスリット同様に基準位置から Za = -20 mm、0 mm、＋20 mm

により絞り、線状の白色照明を反射型回折格子でに対象物が置かれたときの色調変化から xy の位分光し、RGB 成分を有したグラデーション光を対相差 tan-1((y-y0)/(x-x0))を図７から図９に示す。

象物に照射した画像をカメラで取得する構成とな（Za = 0 mm は図６と同じであるが、色調変化かっている。試作品の概観を図 11 に示す。

ら位相差が変化していることを示すために再掲）

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RGB 強度㻌

図 10 実験構成

xy 色度㻌

色相㻌

図 11 試作品の概観

図 13 白色板の色情報からの色相算出

次に基準面となる白色板を取り外し、グラデーション光を指に照射した画像を取得した結果を図14 に示し、このときの真ん中のラインの位置における RGB 強度、xy 色度、色相を図 15 に示す。図13 と比較すると、基準面の高さとの差により、xy色度及び色相にズレが生じていることが確認できる。このことから２．１で示したとおり、基準面

図 12 白色板のカメラ取得画像を中心として Z 軸方向の位置情報が、各画素毎に基準面となる白色板のカメラ取得画像を図 12含まれていることがわかる。水平・垂直の２次元に示し、このときの真ん中のラインの位置におけの画像に、Ｚ軸方向の位置情報をプロットした３る RGB 強度、xy 色度、色相を図 13 に示す。

次元復元図を図 16 に示す。

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図 14 指のカメラ取得画像
図 16 指の３次元復元図

図 16 において、基準面からの絶対距離を縦軸にRGB 強度示しており、指の腹がへこんだ状態を復元できていることがわかる。形状を復元できる程度でまだまだ測定精度は低いが、色相情報からＺ方向の絶対距離情報を検出することが可能であることを示すことができた。

xy 色度

２．３ 光源の LED 化実験及び試作２．２においては、白色光源を回折格子により分光することで色相を算出したが、光学配置が複雑で自由度に乏しく、さらなる小型化には適していない構成であるため、RGB の３色の LED を用いたグラデーション照明により３次元計測のための光学系を構築し、同様の実験を行った。実験構成
を図 17 に示す。最初に２．２と同様、基準面となる白色板のカメラ画像を取得し、指をかざして３次元データの復元を試みた。
図 18 に基準面及び測定対象物のカメラ取得画像を示す。その結果、図19 に示すように、３次元データは回折格子を用い色相㻌た光学系のような形状を復元することができなかった。これは３色の LED の色むらが大きく影響しており、基準面の色相の算出自体がうまく動作し図 15 指の色情報からの色相算出ていないことが原因であると考えられる。このこ

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ター技報No.47（2019）とから LED を用いた色相による３次元計測にはさ２．４ 色強度比による３次元計測への試み

らに高強度の LED と回折格子のような RGB のグラLED を用いた色相による３次元計測手法は、多デーションを効率良く作るための最適化が必要でくの課題があり、白色光源と回折格子が不可欠とあると考えられる。

なることがわかったが、光学系が複雑で小型化を阻む要素が多い。このため照明のグラデーションを限定し、色の強度比から３次元情報を取得するための可能性調査も併せて行った。
図17に示したLEDを用いた色相による３次元計
測と同様の構成で、色の重なりから強度の比を算出するために、グラデーション照明には GB（緑と青）の２色の LED を用いた実験を行った。基準面

図 17 実験構成となる白色板及び指のカメラ取得画像を図 20 に示す。

図 20 カメラ取得画像

図 18 カメラ取得画像

２色のみの LED を用いることで、光強度を保ったままの状態で照射エリアを広げる角度に設定することが可能となり、LED による色相３次元計測よりも鮮明にカメラ画像を取得することができた。
この２色のグラデーションによる色の強度を測定した結果を図 21 に示す。
緑色と青色の照明の色強度がほぼ重なってしまうため、グラデーションが鮮明に出ていないため、理想的には緑色を理想Ｇのような重なりを実現するための光強度・照射角度の最適化が必要ではあるが、色強度比 G/（G+B）
を求めることで 3 次元情報を取得することが可能
図 19 指の３次元復元図であることがわかった。色強度比の算出結果を図22、３次元復元図を図 23 に示す。

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図 21 色強度測定

図 24 デモ機概観

色強度比による３次元計測が可能であることがわかったことから、画像処理プログラムを FPGAへの実装を行い、ディスプレイで計測状態をリアルタイムに確認しながら表示が可能なデモ機を製作した。その概観を図 24 に示す。今後は３次元情報を復元可能な処理機能の実装を行い、モーションキャプチャ等の動的な対象物の３次元計測への応用を目指していく。

３ まとめ
白色光源を回折格子により分光し、色相から 3
図 22 色強度比算出

次元計測が可能な手法、シンプルな光学系に加えて安価な構成が可能な LED による３次元計測が可能な手法の提案を行い、回折格子を用いた色相３次元計測及び２色 LED 光源を用いた光強度比により信号処理する手法の開発及び実験試作を行った。
加えてモーションキャプチャ等の動的な対象物の３次元計測を視野に入れ、リアルタイムに画像処理可能な FPGA への実装を行い、デモ機の試作を行った。今後は、情報端末の周辺機器やセンサデバイス等、簡易的に、安価に３次元計測が求められる分野への展開を図っていく。

図 23 指の 3 次元復元図㻌

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ター技報No.47（2019）（参考文献）
１）篠田 達也 他：“3D 計測技術の動向とその応用”、KOMATSU TECHNICAL REPORT Vol.61, No168 (2015)
２）新村 稔：“現場で活躍する 3D 計測技術”、情報処理 Vol.55,No10(2014)３）日浦 慎作：“画像情報処理 3 次元計測（奥行き計測）とカメラの幾何学”、兵庫県立大学講義資料(2014)４）依田 康宏 他：“民生機器を利用した三次元計測システムの開発”、
愛知県産業技術研究所研究報告(2005)

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