JPH03293507A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ■脚の貝酌 ［産業上の利用分野］ 本発明は３次元形状測定装置に関し、詳しくは被測定物
体表面に光源から明暗パターンを照射して撮像した画像
から、被測定物体の形状や位置を測定する３次元形状測
定装置に関する。

［従来の技術］ 被測定物体の表面に光源から明暗パターンとして例えば
縞状光を照射し、撮像して得られる線像の画像から、被
測定物体の形状を測定する際画像上の各線像とその線像
を形成するに至った光源側の各スリットとの対応関係、
即ち各線像の位相を検出しなけれ［１３角法を利用する
この種の形状測定はできない。例え（戴被測定物体の表
面がなだらかな自由曲面でない場合、画像上では縞像が
切断して現れるので、線像が光源側のどのスリットに対
応しているのかが分からず、形状測定ができないことが
ある。

そこで、従来、例えば特開昭６０−１５２９０３号公報
記載の３次元形状測定装置が提案されている。この装置
では、以下に説明するよう１ミ複数種類のスリットパタ
ーンを用いて複数種類の光パターンを照射し、得られる
複数枚の画像を組み合わせて処理することにより、上記
位相が明らかな線像の画像を合成し、３角法による形状
測定を可能にしている。

即ち、この装置で用いられる複数種類のスリットパター
ン（よ全スリットパターンを積層した状態で、所定位置
のスリットの有無を２進符号に置き換えると、位置によ
り独立した符号が得ら礼その符号の相違により、スリッ
トパターン全体の領域が複数本の縞状領域に分割できる
ように形成されている。

したがって、これらスリットパターンを被測定物体表面
に順次照射し撮像すると、スリット像の形状や配置の違
う複数の画像が得られるが、これらの画像について同座
標の画素毎に輝度データを２値化すると、その並び（ス
リット像の有無の並び）から、座標毎に上記２進符号が
得られる。そして、２進符号の相違に基づいて画素を分
類すれ（戴］画面を複数本の縞状領域に分割した線像の
画像が合成される。

この合成された線像の画像で（よ線像の位相は上記２進
符号により明らかであるから、画像上の各線像と、光源
側のスリットパターン位置で分割した縞状領域との対応
が取ねう　既述したように線像が切断されるような場合
でも、３角法による形状測定が可能になる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来装置は誤測定することがあり、
高い測定精度が望めないという問題かある。

つまり、従来装置で（よ複数枚の画像から線像の画像を
合成するから、撮像中にスリットパターンを投影する光
源やカメラ等の測定光学系、あるいは被測定物体がわず
かでも動くと、画面上では線像が誤った形状に形成さね
被測定物体を誤った形状に測定してしまう。

本発明の３次元形状測定装置は上記課題を解決し、この
種測定の精度向上を図ることを目的とする。

楚肌の構成 ［課題を解決するだめの手段］ 本発明の３次元形状測定装置（よ第１図に例示するよう
に、 被測定物体に光源から明暗パターンを照射してその表面
に明暗パターン像を形成し、該明暗パターン像を撮像手
段で撮像して得られる明暗パターン像の画像から、明暗
の各パターン像の位相を検出して、前記被測定物体の形
状あるいは位置を求める３次元形状測定装置において、 複数種類のスリットパターンからなり、該パターンの全
部を積層した状態で所定位相のスリットの有無を符号化
した際、位相の相違により独立した符号が構成されるコ
ードパターン群と、該コードパターン群の各コードパタ
ーンを前記光源の手前で順に切り換えるコードパターン
切換手段と、 前記被測定物体表面に投影される各コードパターンを撮
像し、その各画像の全部を積層した状態における所定位
置の前記スリット像の有無から、前記符号を復号し、該
符号を前記所定位置に属する前記各パターン像の位相と
して検出する位相検出手段と を備えることを特徴とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の３次元形状測定装置において
匝被測定物体に明暗パターンの光を照射し撮像して得ら
れる明暗パターン像の画像から、明暗の各パターン像の
位相を次のようにして検出する。

まず、コードパターン切換手段１こより、コードパター
ン群の各コードパターンを順に切り換えて被測定物体表
面に各コードパターンを投影する。

次に、位相検出手段が被測定物体に投影された各コード
パターンの像を撮像し、その各画像の全部を積層した状
態における所定位置のスリット像の有無から、符号を復
号する。符号は位相の相違により独立した結果をとり、
この符号を所定位置に属する上記各パターン像の位相と
して検出する。

各パターン像の位相が検出されると、各パターン像と、
光源における同位相の明暗のパターンとの対応がとね、
３角法により被測定物体の形状あるいは位置が測定され
る。

即ち、明暗パターンを照射し撮像して得られる明暗パタ
ーン像の画像を基準とした形状測定が可能になる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例としての３次元形状測定装置を図
面にしたがって説明する。

３次元形状測定装置（よ第２図に示すよう１：。

プロジェクタ１０、カメラ２０、信号処理装置３０、表
面形状表示装置４０から構成されている。

プロジェクタ１０はランプ１１、集光レンズ］２、液晶
シャッタ１３、投影レンズ１４を備える。

液晶シャッタ１３（上　第３図に示すよう１ミ偏光ガラ
ス板１５の内面１：、透明電極１６をストライブ状に所
定の間隔で形成し、対向する偏光ガラス板１７の内面に
透明電極１８を面状に形成し、さらに画電極１６．１８
の間に液晶１９を充填したものである。透明電極１６に
１．ｔ、後述するようにパターン制御部３２から個別的
に電力が与えられる。この結果、液晶１９の分子配列方
向が変わり、透明部分のストライプパターンと遮光部分
のストライプパターンとを組み合わせた投影パターンが
種々作成される（第４図参照）。透明電極１８（友透明
電極１６の総てに対応する共通の電極にされている。実
施例の液晶シャッタ１３は電界の印加により遮光性とな
るものである。なお、液晶シャッタ１３は電界の印加に
より透光性となるものでもよい。

したがって、第２図に示すよう１：Ｓ　　ランプ１１の
光は集光レンズ１２を通った後、液晶シャッタ１３を介
して例えば縞状の光となり、投影レンズ１４より被測定
物体の表面に照射される。

カメラ２０（よ第２図に示すように、実施例では対物レ
ンズ２２および撮像素子２４を有するもので、例えば通
常の低速走査形のテしビジョンカメラや、ＣＣＤカメラ
により構成される。撮像素子２４上には被測定物体Ｍの
表面の像が結像する。

信号処理装置３０は、コンピュータとして構成さｔＬ、
ＣＰＵ３０ａ、ＲＯＭ３０ｂ、ＲＡＭ３０Ｃ及びインタ
ーフェイス３０ｄを備え、バス３０ｅにて相互に信号が
伝達可能に構成されている。

更に　インターフェイス３０ｄにＦ　　Ａ／Ｄ変換部３
１、パターン制御部３２、表面形状表示装置４０が接続
されている。

Ａ／Ｄ変換部３１［；＆　　ＣＰＵ３０ａの指令により
カメラ２０からのアナログ信号をディジタル信号に変換
しインターフェイス３０ｄに出力する。

パターン制御部３２　［１ＣＰ　Ｕ　３０　ａの指令に
より液晶シャッタ１３の透明電極１６に電力を供給して
、透光部分のストライプパターンと遮光部分のストライ
プパターンとを組み合わせた投影パターンを種々作成す
る。

第４図にその投影パターンの例を斜視図で示し、第５図
に投影パターンの正面図の一部を拡大して示す。実施例
では１枚の縞状パターンＳＰと、８枚のコードパターン
ＣＰとを作成する。なお、便宜的に遮光部分はハツチン
グで示す。

縞状パターンＳＰは、透光部分と遮光部分とを１本のス
トライプパターン（透明電極１６）毎に交互に形成して
なる。なお、実施例では１本のストライプパターン（透
明電極１６）の幅Ｗｌ＆　複数画素がそのパターンの像
を捉えることのできる広さを有する。

一方、各コードパターンＣＰＩ表　複数本のストライプ
パターンを基本単位とした透光部分と遮光部分とを組み
合わせたものである。各コードパターンＣＰは次の規則
にしたがって作成される。

第６図に８桁（８ビツト）のグレーコード（交番２進符
号）ＧＣを縦に並べて示す。このグレーコードＧＯの並
びを各桁毎に縦方向にみて、値１を透光部分のストライ
プパターン、値Ｏを遮光部分のストライプパターンに置
換することにより、各コードパターンＣＰは作成される
。

したがって、８枚のコードパターンＣＰを積層した場合
、同じ組番号（位相に対応する値）において重なる透光
部分と遮光部分との並びに関し、透光部分を値１、遮光
部分を値０として復号すると、位相の相違により独立し
た符号、ここではグレーコードＧＣが得られる。

実施例で（よ第５図に示すよう（二各コードパターンＣ
Ｐの透光・遮光パターンの切換位置（遷移位置）が、縞
状パターンＳＰの各組の切換位置（遷移位置）に揃えら
れており、縞状パターンＳＰの同一の縞の領域内で（よ
　同一のグレーコードＧＣが付与される構成にされてい
る。

表面形状表示装置４０（飄次述する処理により最終的に
求められた被測定物体Ｍの形状を立体画像等にして表示
する。

次１：、信号処理装置３０において実行される形状測定
処理について、第７図のフローチャートに基づき説明す
る。

形状測定処理ルーチンは、３次元形状測定装置を起動後
、測定開始指令の度に実行される。

本ルーチンが開始されると、まず、液晶シャッタ］３の
パターンを縞状パターンＳＰに切り換えて、被測定物体
Ｍに縞状パターンＳＰを投影する（ステップ１００）。

続いて、被測定物体Ｍ表面を撮像し、その映像信号をＡ
／Ｄ変換部３１でデジタル変換した画像データを、ＲＡ
Ｍ３０ｃの所定領域に格納する処理（ステップ１］０）
を行なう。第８図１：、格納される画像を例示する。な
お、実施例で（よ　１画像は５１２行５１２列の画素に
より構成される。また、画素の照度データは２５６階調
で表される。

次に、第７図に示すように、格納した線像の画像の１行
（最初は例えば１＝０の行）について、Ｘｃ力方向第８
図）にかかる５１２個の照度データ群を読み込む（ステ
ップ１２０）。第９図にその照度データＤの一部を例示
する。

続いて、この１行の照度データＤが２５６階調で表す点
の集合から、補間により基本波ｆを算土する（ステップ
］３０；第９図に例示）。補間は良く知られた処理であ
るので詳細は省略する。

この後、基本波ｆにおける各波のピーク位置ＰＰを検出
しくステップ１４０；第９図に例示）、ピーク位置ＰＰ
の画素の座標を特定する。

次に、他の総ての行（１＝０〜５１１）について上述の
ピーク位置ＰＰの検出処理が終了したか否か判断しくス
テップ１５０）、終了していなけれ（Ｌ次の行（最初が
ｉ＝０であれば次は１＝１の列）について、Ｘｃ力方向
かかる５１２個の照度データ群を読み込み（ステップ１
２０）、補間により基本波ｆを算土しくステップ１３０
）、基本波ｆにおける各波のピーク位置ＰＰを検出する
（ステップ１４０）。

こうした処理を繰り返し、総ての行（ｉ　＝　Ｏ〜５１
１）についてピーク位置ＰＰの検出が終了すると、コー
ドパターンＣＰを特定する変数ｎに初期値１をセットす
る（ステップ１６０）。

次に、°液晶シャッタ１３を変数ｎ　＝　１で特定され
るコードパターンＣＰＩに切り換えて被測定物体Ｍ上に
投影する（ステップ１７０）。そして、被測定物体Ｍ表
面を撮像し、その映像信号をＡ／Ｄ変換部３１でデジタ
ル変換した画像データを、ＲＡＭ３０ｃの所定領域に格
納する（ステップ］８０）。

この後、格納したコードパターンＣＰＩの画像において
、ピーク位１ＰＰ（ステップ１４０）の座標と同座標の
画素の照度データをしきい値で２値化する（ステップ１
９０）。この結果、コードパターンＣＰ１が示すピーク
位置ＰＰについてのグレーコード構成要素（値］あるい
は値０）が得られる。例え（戯　第９図の例では、コー
ドパターンＣＰＩが示すピーク位ｉＰＰのグレーコード
構成要素は値Ｏ（遮光像）である。なお、グレーコード
構成要素の検出処理（ステップ］９０）は、ステップ］
４０の処理の繰り返しで得られたピーク位置の総てにつ
いて行なわれる。

次に、こうして求めた各ピーク位置に間するグレーコー
ド構成要素をＲＡＭ３０ｃの所定領域に格納し、復号処
理（ステップ２ｏＯ）を行なう。

ここでの復号処理（上先の処理（ステップ１９０）で求
めたグレーコード構成要素を、それより先の処理（ステ
ップ１９０）で求めたグレーコード構成用要素の後に並
べる処理であって、ピーク位置の各々について行なう。

コードパターンＣＰＩからコードパターンＣＰ８までの
復号処理が繰り返されて、グレーコードＧＣが構成され
る。

次１ミ　変数ｎが値８であるか否か、即ち、総てのコー
ドパターンＣＰにがかる復号処理が終了したか否かを判
断しくステップ２１０）、終了していなけれ（戴変数ｎ
に値１を加算して値２にしくステップ２２０）、ステッ
プ１７０の処理に戻る。

ステップ１７０で（上液晶シャッタ１３のパターンをコ
ードパターンＣＰ２に切り換えて撮像し、その画像にお
いて、ピーク位置ＰＰの座標と同座標の画素の照度デー
タを２値化して（ステップ１９０）、コードパターンＣ
Ｐ２にかかる各ピーク位置のグレーコード構成要素（値
１あるいは値Ｏ）を得る。

以上の処理を繰り返して、８枚のコードパターンＣＰの
画像の総てから、各ピーク位置のグレーコード構成要素
を求め（ステップ１９０）、それらを並べて復号すると
（ステップ２００）、ピーク位置の各々に関するグレー
コードＧＣが得られる。第９図の例で（表　ピーク位置
ＰＰに関するグレーコードは組番号に直して値０である
。

最後に、ピーク位置とそのグレーフード等から、３角法
に基づいて被測定物体Ｍの形状を計算しくステップ２３
０）、本処理を終了する。計算された被測定物体Ｍの形
状（友必要に応じて表面形状表示装置４０に表示される
。

形状計算（よ第１０図に示すように撮像素子２４上で結
像した線像画像のピーク位置Ｐｃの座標（ｘｃ、ｙｃ）
と、そのグレーコードＧＣを１０進数で表記した組番号
ｍと、プロジェクタ１０やカメラ２０等の光学系設置パ
ラメータ（Ｌｌ、　　Ｌ、２゜１１、＋２．　　θ）と
から、被測定物体の形状を代表する座標点（×、・Ｙ、
　　Ｚ）を次式にしたがって行なうものである。

Ｘ＝ｘｃ・（Ｌ２−Ｚ）　／　Ｉ　２ Ｙ　＝ｙｃ・（Ｌ２−Ｚ）　／　Ｉ　２Ａ＝−Ｈ−ｃｏ
ｓθ、　　Ｂ　＝−１２・ｃｏｓθ。

Ｃ＝　−ｓ　ｉ　ｎθ、　　Ｄ＝−Ｈ・Ｉ　２・ｓｉｎ
θ。

Ｅ＝−Ｈ−Ｌ−ｃＯ５θ、　　Ｆ＝＋２−Ｌｌ。

Ｇ＝−Ｌ：Ｌｓｉｎθ、　　Ｈ＝２　ｙｒ　Ｉ　１／Ｓ
Ｏφ＝π・ｍ ここで、φは線像の位相である。位相φは組番号ｍから
直接得られる。また、ＳＯは縞状パターンＳＰにおける
透光・遮光部分１組のストライプパターンのピッチ（第
５図にも図示）である。

以上説明したように実施例の３次元形状測定装置（よ　
８枚のコードパターンＣＰの画像を用いて、１枚の縞状
パターンＳＰにかかる１枚の線像画像の線像の位相を検
呂できる構成とし、１枚の線像画像からの形状測定を実
現した　したがって、撮像中にプロジェクタやカメラ等
の測定光学系、あるいは被測定物体が動くことがあって
も、高い測定精度を得ることができるという優れた効果
を奏する。

また、実施例で（よ　グレーコードＧＣを用いて線像の
位相を求めるから、例えば線像のピーク位置の座標が、
コードパターン相当画像（第９図参照）における遷移点
（遮光部の画素と透光の画素の境界）付近に該当し、グ
レーコード構成要素の読取に誤っても、その誤差は±１
以内（ハミング距離が値１）で小さい。したがって、例
えＣ′Ｌ　被測定物体Ｍの表面がなだらかな自由曲面で
ある場合に１上簡単な補正でその誤差の影響を取り除く
ことができ、−層、高い測定精度を得ることができる利
点がある。

さらに、実施例では既述したように（第５図）、各コー
ドパターンＣＰの透光・遮光パターンの切換位置（遷移
位置）が、縞状パターンＳＰの各編の切換位置（遷移位
置）に揃えられており、縞状パターンＳＰの同一の縞の
範囲に（表　同一のグレーコードＧＣが付与される構成
にされている。

したがって、第９図に例示するように、縞状パターンＳ
Ｐ相当画像においてピーク位置ＰＰの現れる画素（太線
枠）の座標（友各コードパターンＣＰ相当画像において
復号結果（縞番号）が同−銖例えば値０となる５つの画
素の並びの中心画素（太線枠）近傍に位置する結果とな
る。

この中心画素近傍で（表　明暗情報（輝度データ）が最
も安定しており、正確な復号結果が得られる。

加えて、撮像中に測定光学系、被測定物体が動き、各コ
ードパターン画像がずれたとしても、ピーク位置が中心
画素近傍の位置から偏るだけで、中心画素と同じ復号結
果が得られる。

これらのことから、実施例装置によれ（′；Ｌ　線像画
像の各線像に所定の縞番号を正確に与え、線像の位相を
正しく検出できるので、測定精度の格段の向上を図るこ
とができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこう
した実施例に何隻限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得
ることは勿論である。例えば本発明（友　明暗パターン
として、ドツトマトリックス状に光を照射するドツトパ
ターンを用いた測定装置に適用してもよい。上述の実施
例において縞状パターンＳＰに代えて上記ドツトパター
ンを用い、実施例のコードパターンＣＰをそのまま利用
する構成とすれ（戯撮像画像から各ドツト像の位相（番
号）を検出することは可能になる。したがって、例えば
１枚のドツトパターンの投影・撮像により被測定物体の
形状を正確に測定することができるようになる。

また、グレーコードを適用したコードパターンではなく
とも、通常の純２進コードを適用したコードパターンを
用いてもよい。ざら（一液晶シャッタに換わり、ＰＬＺ
Ｔ電気光学シャッタ列を用いてもよい。プロジェクタと
してＣＲＴを用いて各種パターンを投影する構成にして
もよい。パターンの投影順序は問わない。加えて、縞状
パターンＳＰとコードパターンＣＰにかかる画像の取込
をまとめて行なった後１ミ各種演算を行なう構成として
もよい。この構成では画像の取込時間が短いので、被測
定物体等の動きの影響が格段（二微小になり、線像の位
相を極めて正確に特定できる結果、測定精度の一層の向
上が望める。

さらに、実施例では８枚のコードパターンＣＰの総てを
用いて縞番号、ひいては位相を求めるが、パターンの一
番粗いコードパターンＣＰＩ（縞番号の正負の符号を決
定するパターン）や、次に粗いコードパターンＣＰ２な
どの粗いパターン（上省略した構成としてもよし＼。こ
れは、以下に例示するように、コードパターンの省略に
より複数の線像に同じ縞番号が付与されても、その線像
は互いに離ね正しい位相を検出することが可能だからで
ある。例え（ｉ　第６図に示す縞番号のテーブルから理
解されるよう１：、コードパターンＣＰＩを省略して正
負の符号をつけない縞番号を考えてみても、その縞番号
の同じ値にかかる線像は互いに離れるから、各線像を別
個に識別可能なのである。こうしたコードパターンを一
部省略した構成で（よ撮像に要する時間が短いから、測
定時間を短縮できるという利点がある。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の３次元形状測定装置によ
れ（戯複数種類のコードパターンを用いて各パターン像
の位相を検出可能にし、単に明暗パターンを照射し撮像
して得られるパターン像の画像を基準とする形状測定を
可能にしたから、撮像中の被測定物体や測定装置の移動
は測定に影響しなくなり、この種測定の格段の精度向上
を図ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明の〜実施例としての３次元形状測定装置の
ブロック図、第３図（Ａ）は液晶シャッタの正面図、第
３図（Ｂンはその断面図、第４図は液晶シャッタが作成
する投影パターンを例示する斜視図、第５図は各投影パ
ターンの一部を拡大して示す説明図、第６図はコードパ
ターンのパターンを説明する説明図、第７図は信号処理
装置において実行される形状測定処理の一例を示すフロ
ーチャート、第８図は縞状パターンの画像を例示する説
明図、第９図は線像の位相横比の様子を説明する説明図
、第１０図は光学系の設置パラメータを示す説明図であ
る。 １０・・−プロジェクタ ２０・・・カメラ ＳＰ・・・縞状パターン ＧＣ・・・グレーコード ＰＰ−・・ピーク位置 １３・・・液晶シャッタ ３０−・−信号処理装置 ＣＰ・・・コードパターン （符号）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　被測定物体に光源から明暗パターンを照射してその
   表面に明暗パターン像を形成し、該明暗パターン像を撮
   像手段で撮像して得られる明暗パターン像の画像から、
   明暗の各パターン像の位相を検出して、前記被測定物体
   の形状あるいは位置を求める３次元形状測定装置におい
   て、 複数種類のスリットパターンからなり、該パターンの全
   部を積層した状態で所定位相のスリットの有無を符号化
   した際、位相の相違により独立した符号が構成されるコ
   ードパターン群と、 該コードパターン群の各コードパターンを前記光源の手
   前で順に切り換えるコードパターン切換手段と、 前記被測定物体表面に投影される各コードパターンを撮
   像し、その各画像の全部を積層した状態における所定位
   置の前記スリット像の有無から、前記符号を復号し、該
   符号を前記所定位置に属する前記各パターン像の位相と
   して検出する位相検出手段と を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。