JPH0610610B2

JPH0610610B2 - 物体の計測方法

Info

Publication number: JPH0610610B2
Application number: JP57146075A
Authority: JP
Inventors: 淳多土井; 哲夫三宅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1982-08-25
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: JPS5937410A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はコンピュータ装置による物体の立体形状、色彩
及び模様の計測方法に関する。

物体の立体形状を計測するには物差、ノギス又は３次元
座標測定器を利用して、直接に物体に接触して測定する
方法がある。しかし、物差、ノギスなどの接触子では物
体表面をなぞるので、凹部の構造によっては届かない部
位があったり、生物体のように、変位、変形し易い物
体、あるいは高温の物体などは測定できない。接触子が
物体表面をなぞらない計測法として光学的計測法があ
り、被測定物体の表面を微小間隔で輪切状に光学的に断
面形状を測定し、立体的に組立て計測する方法と、２方
向から投影し、投影して立体像を得るステレオ写真法と
がある。輪切状の断面を立体的に組立てるのは極めて手
数を必要とするので、計測に長時間を必要とし、ステレ
オ写真法は虚像を視覚に訴えるのみで実在の物体の形
状、色彩及び模様を計測することはできない欠点があっ
た。

本発明は前記の従来の欠点を除去するためになされたも
ので、多方向から接触することなく計測した輪郭線で構
成されるすい体の共通する領域を多面体として被計測物
体の形状、又は物体の色彩、模様等をコンピュータ装置
を用いて自動的に、近似的に表現して物体を計測する方
法及びその装置を提供することを目的とする。即ち、上
記すい体の例で言えば、勿論すい体の場合に限られるこ
とはないが、複数の互に異なるすい体の共通する領域、
即ち複数の互に異なるすい体に夫々共に包含される共通
領域は必ず多面体となり、これを立体の相貫と呼んでお
り、本発明においては当該多面体をもって被計測物体を
近似的に表現して物体を計測するようにしている。

以下本発明を第１図、第２図に示すように、撮像装置と
してビデオカメラ２を使用した一実施例について説明す
る。被計測物体１のまわりに６個のビデオカメラ２が３
次元的に配置されている。ビデオカメラ２にはそれぞれ
１個ずつのデジタル化して映像を入力する機能を有する
画像装置３が接続されている。これらの映像信号からそ
れぞれ被計測物体の投影画像に近似した閉多角形の輪郭
線を求め、次に、前記撮像装置の視点を頂点とし、この
閉多角形を断面形状とするすい体を定義する。第１実施
例ではすい体は６個あり、これらのすい体は１個の多面
体を計算する機能を有する計算装置７に入力されて、多
面体の形状が計算される。また必要に応じて表面の情報
を付加する処理を経て多面体表面に色彩や模様、局所的
凹みが付加されて、出力機能を有する出力装置９を介し
て表示される。

次に本発明の物体の計測方法について説明する。

上に述べたすい体を決定するに当っては、一般には、被
計測物体１の位置に対するビデオカメラ２のカメラパラ
メータと呼ばれる校正値、即ち、外部パラメータである
結像点の位置、方向、および内部パラメータであるスケ
ールファクタ、焦点距離、光軸位置を正しく知ることが
必要となる。このために、予め形状寸法の判っている校
正用物体を用いて前記の校正値を正確に知るようにす
る。即ちまず、校正用物体を第１図の被計測物体１の位
置に置く。校正用物体は被計測物体と同程度の大きさで
ある。校正用物体として第３図に示すような既知の寸法
の立方体１１を使用する例を説明する。図３の６個の頂
点Ｏ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ（但しいずれも頂点に存在し
なくともよい）に微小光源を置く。全ての前記微小光源
からの光線が全てのビデオカメラ２に入射できる構造に
する。全ての光線が全てのビデオカメラ２に入射しない
ときはビデオカメラ２、または立方体１１の位置を移動
して調整する。前記微小光源の順次点滅あるいは色分け
してＯ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍを別々に識別して画像装置
３に入力する。OI，OJ，OKで定められる３次元直交座標
系を基準座標系として入力された前記各微小光源の投影
像の位置から、各投影面の方向、したがって各撮像装置
すなわち各ビデオカメラ２の方向、及び各投影面とビデ
オカメラ２の結像点（以下視点と称する）との間の距
離、又は、投影像の実寸に対する倍率の校正値等を自動
的に算出する。

又は、立方体１１の８頂点に光源を置きそれらを上記と
同様の方法で識別して入力することにより、各方向のビ
デオカメラにとって最も計算精度の上る位置の頂点像を
用いて校正値を得たり、８頂点のうちの６頂点を用いて
得た複数組の校正値から最適の校正値を得る。このよう
に得られた校正値を用いて被計測物体を計測するように
する。

第４図の物体１２を計測するには、第１図の被計測物体
１の処に物体１２を置く。ビデオカメラ２が物体１２を
撮像した映像信号（色信号を含む）は全てのビデオカメ
ラ２から同時に、或は単数又は一部の複数のビデオカメ
ラ２からの映像信号を図示してないビデオ入力装置を介
して、全数同時又は切換えによって図示してないＡＤ変
換器（アナログデジタル変換器）を使用した画像装置３
を経てディジタル画像に変換され、この画像から被測定
物体の投影画像に近似した閉多角形の輪郭線が求められ
る。このとき、物体の像とその背景の濃度差が十分にあ
るように調整し、撮像して入力し、例えば適当な濃度値
を指定し、この濃度値よりも大きいものは物体１２の領
域であり、小さいものは背景であるとして、被計測物体
の投影画像に近似した閉多角形の輪郭線を求めた結果、
第５図の投影面１３上に近似した輪郭線（以下近似輪郭
線１４と称する）を得る。各近似輪郭線１４を画く接続
の順は物体内部を右手に見て廻る順とし、右ねじの進む
方向に物体が存在するように閉多角形の全頂点に番号を
付け、頂点１６，１７，１８，１９とする。このように
番号を付けることで、画像装置３から入力した画像の輪
郭線を近似した閉多角形２０が求められる。

同様にして他の位置のビデオカメラによる投影面２１，
２２上の閉多角形２３，２４も得られ、図示してないが
物体の像のその他の方向の閉多角形が同様にして求めら
れる。

次に閉多角形２０の頂点１６，１７，１８，１９と前記
校正用物体を用いて、計算した閉多角形２０の方向と倍
率とビデオカメラの視点１５および閉多角形２３，２４
と図示していないものも含め全部の閉多角形の頂点と各
閉多角形の方向と倍率と各ビデオカメラの視点の座標値
を用いてすい体計算を行ない、閉多角計２０の頂点１
６，１７，１８，１９と視点１５とを結んで形成される
すい体２７が求められる。同様にして、すい体２８，２
９及び図示してないその他のすい体の３次元座標値を決
定する。この操作は全方向からビデオカメラ２が見たす
い体について行なうために、各すい体について、視点と
近似輪郭線の各辺、各頂点の他に視点と各頂点を結ぶ直
線を計算して計算装置７に入力し、複数のすい体に共通
な領域である上述の多面体の計算を行う。次に計算装置
７は前述の全ての方向から見たすい体２７，２８，２９
及び図示してないその他のすい体について共通する領域
を計算する。

一般に被計測物体の表面が曲面のときは、視点の数が多
い程近似度は高い。第５図はすい体２７，２８，２９に
共通する領域として物体１２の像が被計測物体の多面体
１２′となる例を示している。

この領域決定の方法は全てのすい体の全ての側面のうち
全てのすい体に共通に含まれる部分を抽出し、物体内部
がその面の何れの側になるかを定めた上で多面体１２′
の構成面とする方法である。この方法について説明す
る。

例えば、すい体２７の側面４２がすい体２８の側面４３
と交わるのは点４４と点４５を結んだ線分であり、側面
４６と交わるのは点４５と点４７を結んだ線分である。
同様にして点４８が求まり、更にこの側面４２のうちす
い体２９に含まれる領域として点４７，５１，５２も求
められる。これらの点のうち共通な領域に入る範囲が側
面４２のうち多面体１２′の構成面となる部分で、物体
内部が右ねじの進む方向に存在する様にたどった点の接
続の順、４４，５１，５２，４７，４８が多面体１２′
の構成面５３を決定する。なお、上記の点４４と点４５
とを結んだ線分のうち点５１と点４５とを結んだ線分の
部分は、すい体２９に含まれていないことから、上述の
共通な領域に含まれるものではないとされる。

同様にして点４４，５４，５５，４８が求められ構成面
５６を決定する。この構成面５３，５６は点４４，４８
を結ぶりよう線５７を共有しているので隣接している。
同様にして多面体１２′の他の構成面とりよう線の接続
関係が求められ、計算装置７の出力となる。

被計測物体の表面の色彩や模様、局所的凹みを付加する
場合には多面体を出力する前にこれらの処理を行う。付
加処理においては、ビデオカメラまたは他の撮像装置を
用いて被測定物体の色彩や模様を含んだ投影像を得たと
きと同一視点、同一画角、同一距離における多面体の投
影像を発生し、多面体の投影像と被測定物体の投影像と
を対比させながら、多面体の投影像の微小領域が、被測
定物体の投影像の同一微小領域がもつ色彩や模様のデー
タと同一のデータをもつように、多面体１２’の面上全
体に色彩や模様を付加する。多面体１２′の同一面が複
数の模様や色彩に対応するときは面の法線方向に最も近
い模様や色彩の像の方向に応じてデータを配分する方法
等がある。局所的凹みがあるときは格子を介して投影す
るモアレトポグラフィ法による等高線縞やホログラフィ
法による干渉縞等を模様の場合と同じ方法で多面体１
２′の面上のデータとして付加する。

前記の多面体決定方法にて得られた計算装置７の出力は
必要に応じて色彩や模様、局所的凹みを付加した後、出
力装置９を経て表示装置１０に入力し、自動的に物体１
２の各部位の計測値が表示されるとともに多面体１２′
は描画され又は磁気テープ、フロッピーディスクなどの
適当な記録媒体に記録され更に次のシステムに送信され
る。

次に撮像装置として第２図に示す様にスチルカメラ６０
又はムービーカメラを使用する場合には撮影し、現像し
たフィルム又は焼付印画紙を機械的に走査し、濃度値に
変換して入力するドラム式画像読取り入力装置が画像装
置３として使用される。Ｘ線写真等にも応用される。

次に、第２実施例としてレモンを計測した第６，７図に
ついて説明する。第６図を北緯(N)０°西経(W)０°の位
置からみた多面体とすると第７図はＮ２０°，Ｗ１０°
からみた多面体である。なお、第６図において紙面内の
上方を北、紙面に垂直な上方向は西経０度の方向であ
る。そして第６図と第７図との相対位置関係は、例えば
面６２にもとづいて後述される。第６，７図の実線は表
側、点線は裏側として第５図と同様に示してある。この
点線は隠れ線ともいう。

多面体の面数は４１６、頂点数は８２７、りよう線数は
１２４１で、頂点６７と頂点６８の距離はこの発明の測
定値では９２．４mmで、実測値は９２．２mmであり、誤
差は０．２２％となる。またこの発明による多面体の体
積の測定値は１４２．０cm³で、レモンの体積の実測値
は１４１．２cm³であり、体積誤差は０．５７％であ
る。

面６２及び頂点６３，６４，６５，６６で囲まれた面は
第６図及び第７図で、同じ面を表わしている。

次の第３実施例として人形を計測し、表示装置１０によ
る第８，９，１０図は異なる部分の頂点を頂点６９から
頂点８２まで示したものである。隠れ線も実線で表示し
てある。多面体の面数は１０２４、頂点数は２０３６、
りよう線数は３０５８で、第８図に示した左手指先に相
当する頂点７３とかかとに相当する頂点７４との距離は
第８図に使用してある尺度によると１０６mmとなるがこ
れは実測値１０６．６mmより０．６mm短い。この誤差は
画像入力の１画素（縦０．５２mm、横０．６２mm）程度
となる。第８，９，１０図はＸ，Ｙ，Ｚは直交座標軸を
示し、Ｘは東経(E)０°、北緯(N)０°；ＹはＥ９０°，
Ｎ０°；Ｚは南緯(S)９０°（南極点）と座標原点を結
ぶ線である。第８図はＷ１０°，Ｎ１０°；第９図はＷ
１０°，Ｎ７０°；第１０図はＷ１００°，Ｓ１０°か
らそれぞれ人形の像を見た図である。

以上説明したように本発明には次のような効果がある。

(1) 光学的に測定した物体の輪郭線と視点で構成され
るすい体の相貫として決定する多面体が物体を表示する
ものとしたので、直接に接触しないで、立体的に、同時
に、自動的に、かつ定量的に物体の形状を計測する効果
がある。

(2) 高温又は変形し易い物体の形状を計測できる効果
がある。

(3) 物体の表裏の形状を任意の方向から同時に表示
し、任意の部位を計測できる効果がある。

(4) ビデオカメラを使用するときは直ちにオンライン
化できる効果がある。

(5) スチルカメラ又はムービーカメラのフィルム又は
印画紙等の画像から計測できる。

従って、物体の体積、重心位置、任意軸まわりの断面２
次モーメント、表面積等が自動的に求められ、更に、物
体の任意断面における形状及び周長、面積、図心位置及
び物体の等高線が求められる効果を有する。

一方本発明の多面体を用いることによって、曲面近似を
行なうことができる効果がある。

応用部門は多く (イ) 動植物の３次元形態計測 (ロ) 植物の生長計測 (ハ) 動物（含人間）の運動計測 (ニ) ３次元医用計測等がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の被測定物体と撮像装置の一実施例を示
す説明図、第２図は本発明の装置の構成図、第３図は校
正用物体の斜視図、第４図は被測定物体の斜視図、第５
図は多面体図形を示す説明図、第６，７図は他の実施例
のレモンの多面体図形、第８，９，１０図は他の実施例
の人形の多面体図形である。１……被測定物、２……ビデオカメラ、３……画像装
置、７……計算装置、１１……校正用物体、１２′……
多面体、１４……近似輪郭線、１５……視点、１６，１
７，１８，１９……頂点、２７，２８，２９……すい
体、６０……スチルカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像装置によって、互に異なる方向から被
計測物体を撮像して、当該被計測物体の投影画像から当
該被計測物体の投影画像に近似した閉多角形の輪郭線を
得た上で、前記撮像装置の視点をもとに、当該視点を頂
点としかつ前記輪郭線がつくる面を断面とするすい体を
計算すると共に、前記撮像装置の視点を頂点とする複数
個の前記すい体によってつくられる当該複数個のすい体
に互に共通する領域に対応する多面体を計算して、上記
被計測物体の形状を上記多面体として立体的に表現し、
また表面の情報を付加することによってその形状、色彩
および模様の測定値を表示するようにしたことを特徴と
する物体の計測方法。
【請求項２】撮像装置としてスチルカメラまたはムービ
ーカメラを用い、その投影画像を走査して画素に分解し
たデジタル画像を用いる特許請求の範囲第１項記載の物
体の計測方法。
【請求項３】すい体の代りに柱体として計算することを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の物体の計測方
法。