JPH0820232B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

三次元計測装置

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JPH0820232B2
JPH0820232B2 JP2165560A JP16556090A JPH0820232B2 JP H0820232 B2 JPH0820232 B2 JP H0820232B2 JP 2165560 A JP2165560 A JP 2165560A JP 16556090 A JP16556090 A JP 16556090A JP H0820232 B2 JPH0820232 B2 JP H0820232B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 マルチスリット光を投影して三次元計測を行う三次元
計測装置に関し、 被測定物の三次元計測の高速化を図ることを目的と
し、 コード化マルチスリット光パターンを投影するマルチ
スリット投光器と、被測定物に投影された前記コード化
マルチスリット光パターンを撮像する撮像装置と、該撮
像装置からの画像信号を2値化する2値化回路と、前記
コード化マルチスリット光パターンを切替える毎に、前
記2値化回路により変換された2値化画像信号に対する
重み付けを変更して、前回の重み付け2値化画像信号或
いは画像メモリから前回の加算結果の画像信号と、今回
の重み付け2値化画像信号とを加算する画像演算部と、
該画像演算部の最終演算結果によりデコードされた前記
マルチスリット光に対応した前記被測定物の輪郭点の座
標をストアする輪郭点メモリと、該輪郭点メモリにスト
アされた輪郭点の座標を基に、前記被測定物の輪郭点の
三次元位置を算出する距離計算部とを備えて構成した。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、マルチスリット光を投影して三次元計測を
行う三次元計測装置に関するものである。
ロボット等の自動装置や三次元形状を入力する形状入
力装置等に於いて、被測定物にマルチスリット光を投影
し、撮像装置により撮像し、マルチスリット光の中に基
準スリット光を定めて、観測点から被測定物の輪郭点ま
での距離を算出する構成が知られている。このような三
次元計測に於いて高速処理が要望されている。
〔従来の技術〕
三次元計測装置に於けるマルチスリット投光器とし
て、例えば、第9図に示す構成が先に提案されている。
即ち、半導体レーザ51からの単一波長のレーザ光がコリ
メートレンズ52により平行光に変換されて第1の回折格
子54に入射され、y軸方向にスポット光が1列に配列さ
れた出力光58となり、第2の回折格子55に入射される。
第2の回折格子55は第1の回折格子54と回折方向が直交
するように構成されているから、スポット光は複数列に
配列された出力光59となり、シリンドリカルレンズ53に
入射される。
第1及び第2の回折格子54,55は、例えば、20〜70μ
m程度の直径の光ファイバアレイにより構成することが
できる。
又シリンドリカルレンズ53は、x軸方向に延長されて
いるので、出力光60はy軸方向にスポット光が連続した
マルチスリット光となる。この場合、シリンドリカルレ
ンズ53がy軸方向に延長されていると、出力光60はx軸
方向に連続したマルチスリット光となる。この出力光60
はシャッタアレイ57に入射され、選択されたシャッタの
開閉制御により、コード化マルチスリット光パターン56
となる。シャッタアレイ57は、例えば、偏光を利用した
液晶シャッタや電気光学効果素子等を利用したシャッタ
により構成することができる。
第10図はコード化マルチスリット光パターンの説明図
であり、8本のスリット光を識別する為に、それぞれ異
なるパターンA,B,Cを投影する場合を示し、Aパターン
は1本おき、Bパターンは2本おき、Cパターンは4本
おきとしたスリット光のパターンである。このような3
種類のコード化マルチスリット光パターンを投影する毎
に、撮像した画像信号を画像メモリにストアしておき、
例えば、ストアされた画像信号の対応するスリット光の
位置に於いて、Aパターンの場合に“1"、Bパターンの
場合に“0"、Cパターンの場合に“1"であると、“C,B,
A"=“101"となるから、番号5のスリット光であること
を認識できることになる。即ち、2n本のマルチスリット
光に対して、n個のコード化マルチスリット光パターン
を投影することにより、総てのスリット光の番号を認識
できることになる。
このように被測定物に投影されたマルチスリット光の
それぞれの番号を識別することができるから、被測定物
を撮像した画像信号を基に、被測定物の各点の三次元位
置を算出し、三次元形状を認識することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
コード化マルチスリット光パターンを投影し、スリッ
ト光に番号付けを行って被測定物の三次元形状を計測す
ることができるが、前述のように、従来例に於いては、
コード化マルチスリット光パターン対応の画像信号をそ
れぞれ画像メモリにストアしておき、各画像メモリを照
合することにより、コード化マルチスリット光のデコー
ド、即ち、スリット光の番号付けを行うものであるか
ら、画像メモリ数を多く必要とする欠点があった。
又コード化マルチスリット光パターン対応の画像メモ
リの照合処理は、スリット光単位で順次行うものであ
り、従って、本数の多いマルチスリット光を投影する場
合には、処理時間が長くなる欠点があった。
本発明は、被測定物の三次元計測の高速化を図ること
を目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の三次元計測装置は、画像処理を適用すること
により、高速処理化を図るものであり、第1図を参照し
て説明する。
シャッタアレイ等の制御によりコード化マルチスリッ
ト光パターンを投影するマルチスリット投光器1と、こ
のマルチスリット投光器1から被測定物に投影されたコ
ード化マルチスリット光パターンを撮像する撮像装置2
と、この撮像装置2からの画像信号を2値化する2値化
回路3と、コード化マルチスリット光パターンを切替え
る毎に、2値化回路3により変換された2値化画像信号
に対する重み付けを変更して、前回の重み付け2値化画
像信号或いは画像メモリ4から読出された前回の加算結
果の画像信号と、今回の重み付け2値化画像信号とを加
算する画像演算部5と、この画像演算部5の最終演算結
果によりデコードされたマルチスリット光に対応した被
測定物の輪郭点の座標をストアする輪郭点メモリ6と、
この輪郭点メモリ6にストアされた輪郭点の座標を基
に、被測定物の輪郭点の三次元位置を算出する距離計算
部7とを備えたものである。
又マルチスリット投光器1を、撮像装置2の座標のx
軸上に平行移動した位置、即ち、マルチスリット光のス
リット光と直交する方向の位置に配置し、距離計算部7
を、輪郭点メモリ6にストアされた輪郭点の座標をアド
レスとして、三次元位置のデータを読出すことができる
リードオンリメモリ(ROM)により構成したものであ
る。
〔作用〕
マルチスリット投光器1は、半導体レーザと、第1,第
2の回折格子と、シリンドリカルレンズと、シャッタア
レイとを有し、シャッタアレイを制御することにより、
コード化マルチスリット光パターンを投影することがで
きる。又撮像装置2は、テレビカメラと同様に、マルチ
スリット光を投影された被測定物を撮像するもので、そ
の画像信号は2値化回路3により2値化される。なお、
画像信号を一旦画像メモリ4に格納した後に、2値化回
路3により2値化することもできる。
画像演算部5は、コード化マルチスリット光パターン
を切替える毎に、2値化画像信号に対する重み付けを変
更して、前回の重み付け2値化画像信号と今回の重み付
け2値化画像信号とを加算、或いは前回の加算結果をス
トアした画像メモリ4の内容と今回の重み付け2値化画
像信号とを加算する。即ち、コード化マルチスリット光
パターンの第1回目の2値化画像信号の重み付けを20
して画像メモリ4にストアし、第2回目の2値化画像信
号の重み付けを21として、第1回目と第2回目との2値
化画像信号を加算し、画像メモリ4にストアする。そし
て、第3回目の2値化画像信号の重み付けを22として、
画像メモリ4にストアされた前回の加算結果と加算し
て、画像メモリ4にストアする。
以下同様にn本のスリット光からなるマルチスリット
光に対してn種類のコード化マルチスリット光パターン
を順次投影し、第i回目の2値化画像信号の重み付けを
2i-1として、前回の加算結果と加算するもので、n回の
コード化マルチスリット光パターンの投影が済み、最終
加算結果が得られると、デコードされたスリット光が得
られる。なお、2値化画像信号の重み付けは、2値化回
路3に於いて行うこともできる。
このデコードされたスリット光対応に、マルチスリッ
ト光投影による被測定物の輪郭点の座標を輪郭点メモリ
6にストアし、その輪郭点の座標を基に三次元位置を距
離計算部7により求める。即ち、三角測量法を適用して
輪郭点の座標位置を算出するものである。
又マルチスリット投光器1を、撮像装置2の座標のx
軸上に平行移動した位置に配置したことにより、距離計
算の各係数を予め求めておくことが可能となり、従っ
て、輪郭点メモリ6にストアされた座標から、被測定物
の三次元位置を読出すリードオンメモリ(ROM)を用い
ることが可能となる。
〔実施例〕
以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。
第2図は本発明の実施例のブロック図であり、10は画
像プロセッサ、11はマルチスリット投光器、12は撮像装
置、13は2値化回路、14はそれぞれ1画面分の容量の領
域M1〜M4からなる画像メモリ、15は画像演算部、16は輪
郭点メモリ、17は距離計算部、18は各部を制御するプロ
セッサ(CPU)、19はメインメモリ、20はインタフェー
ス部、21は共通バス、22はマルチスリット光、23は被測
定物である。
マルチスリット投光器11は、例えば、第8図に示すよ
うに、半導体レーザと第1,第2の回折格子とシリンドリ
カルレンズとシャッタアレイとを有し、インタフェース
部20を介してプロセッサ18によりシャッタアレイが制御
され、コード化マルチスリット光パターンが被測定物23
に投影される。撮像装置12は、被測定物23上に投影され
たマルチスリット光22を撮像するもので、撮像画像信号
は2値化回路13により2値化されて画像演算部15又は画
像メモリ14に加えられる。或いは撮像画像信号は一旦画
像メモリ14に格納された後、2値化回路13により2値化
される。
画像プロセッサ10は、2値化回路13と画像メモリ14と
画像演算部15と輪郭点メモリ16とを備えた場合を示し、
2値化回路13又は画像演算部15に於いて2値化画像信号
の重み付けが行われるもので、マルチスリット投光器11
からコード化マルチスリット光パターンを投影する為の
制御情報が、プロセッサ18から画像プロセッサ10にも転
送され、それを基に重み付けの制御が行われる。
第3図は本発明の実施例のフローチャートで、ステッ
プS1〜S11からなり、又第4図は本発明の実施例の動作
説明図である。この実施例に於いては、8本のスリット
光からなるマルチスリット光を投影する場合を示すが、
更に多数本の場合にも勿論適用可能である。
先ずマルチスリット投光器11からAパターンを被測定
物23に投影して、撮像装置12により撮像した画像信号を
画像メモリ14のメモリ領域M1にストアする(S1)。この
Aパターンは、1本おきのスリット光(実線で示す)か
らなるパターンであり、点線はシャッタアレイにより遮
断されていることを示す。又マルチスリット光の投影角
度と異なる角度から撮像装置12により撮像することによ
り、被測定物23の形状に対応してスリット光が折れ曲が
った状態或いは湾曲した状態で撮像されることになり、
例えば、各スリット光が直線として撮像された場合は、
平面であることが判る。
次にメモリ領域M1にストアされたAパターン画像信号
を2値化回路13により2値化し、重み付けをしてメモリ
領域M2にストアし、画像信号IAとする(S2)。この場合
の重み付けは、ローレベル“0"は0、ハイレベル“1"は
20=1(H=20)とするものである。従って、第4図の
Aパターンに示すように、“10101010"で表されるマル
チスリット光からなる画像信号IAとなる。
次にBパターンを投影して、撮像画像信号をメモリ領
域M3にストアする(S3)。このBパターンは、2本おき
のスリット光からなるパターンである。
このメモリ領域M3にストアされた画像信号を2値化回
路13により2値化する。この2値化回路13又は画像演算
部15により重み付けを行うもので、2値化画像信号のハ
イレベル“1"について21=2とし(H=21)、メモリ領
域M4にストアして画像信号IBとする(S4)。従って、第
4図のBパターンに示すように、“2202200"で表される
マルチスリット光からなる画像信号IBとなる。
メモリ領域M2にストアされた画像信号IAと、メモリ領
域M4にストアされた画像信号IBとをそれぞれ読出して画
像演算部15により加算し、その結果をメモリ領域M1にス
トアし、画像信号ISとする(S5)。従って、第4図に示
すように、この画像信号ISは、“32103210"で表される
マルチスリット光からなる画像信号ISとなる。
次にCパターンを投影して、撮像画像信号をメモリ領
域M3にストアする(S6)。このCパターンは、4本おき
のスリット光からなるパターンである。
このメモリ領域M3にストアされた画像信号を2値化回
路13により2値化し、その2値化画像信号のハイレベル
“1"について22=4の重み付けを行い(H=22)、メモ
リ領域M4にストアして、それを画像信号ICとする(S
7)。従って、第4図のCパターンに示すように、“444
40000"で表されるマルチスリット光からなる画像信号IC
となる。
次に、メモリ領域M1にストアされた画像信号ISと、メ
モリ領域M4にストアされた画像信号ICとを、画像演算部
15により加算し、その結果をメモリ領域M2にストアし、
画像信号IS′とする(S8)。従って、第4図に示すよう
に、加算結果の画像信号は“76543210"で表されるマル
チスリット光からなる画像信号IS′となり、コード化マ
ルチスリット光はデコードされたことになる。この場合
のコード化は、自然2進数による場合を示すが、他のコ
ード、例えば、グレイコード等を用いることも可能であ
る。
デコード結果を示すメモリ領域M2にストアされた画像
信号IS′は多値数となっているから、これを2値化し、
20以上のレベルの座標点を輪郭点メモリ16にストアする
(S9)。そして、この輪郭点メモリ16の内容を読出し
(S10)、各座標点について距離計算部17により距離計
算を行う(S11)。この距離計算は、専用の距離計算部1
7により行う場合を示しているが、プロセッサ18の演算
機能により行うこともできる。又種々のパラメータ等が
定まっている場合は、距離計算部17をリードオンリメモ
リ(ROM)により構成することも可能である。
距離計測の概略を第5図を参照して説明する。撮像装
置12のレンズ中心を原点とするカメラ座標系をO−XY
Z、マルチスリット投光器11の光源中心を原点とする光
源座標系をo−xyzとすると、両者の関係は、 で表される。ここで、tij(i=1〜3,j=1〜4)は、
マルチスリット投光器11と撮像装置12との配置関係によ
り定まる係数であり、計算により求めることができる。
マルチスリット投光器11は、y軸回りに広がるm本の
スリット光からなる、各スリット光面をπj(j=1〜
m)とする。今j番目のスリット光に着目すると、その
投影によって被測定物上に投影像Pが形成され、撮像装
置12のイメージ面π1上に、その撮像像Iが結像され
る。その時、投影像上の点Pk(Xk,Yk,Zk)の三次元位
置は、三角測量の原理に基づき、レンズ中心Oとイメー
ジ面πI上の点Ik(xk,yk)を結んだ視線OIkとスリット
光面πjとの交点として計算できる。
u=h/g ……(3) g=(t11Xk+t12yk+t13f)cosθj−(t31Xk+t32yk
+t33f)sinθj ……(4) h=t34sinθj−t14cosθj ……(5) ここで、(xk,yk)はイメージ面上のPkの位置を示し、
θjはスリット光面πjの投影角を示し、fは焦点距離で
ある。
(xk,yk)は輪郭点メモリ16にストアされた座標とし
て求められ、又θjはデコードされたスリット光番号j
から求めることができる。即ち、jの値は輪郭点メモリ
16にストアされた濃淡レベルとして求めることができ
る。
第6図は距離計算部17の要部ブロック図であり、輪郭
点メモリ16から読出された座標xk,ykと、焦点距離fと
が入力され、スリット光番号(1)〜(m)対応の算出
部31−1〜31−mにより、前述の(3)式によるu
(1)〜u(m)が算出される。そして、セレクタ32に
よりスリット光番号jに従ってスリット光番号(1)〜
(m)対応のu(j)が乗算部33〜35に加えられ、
(2)式による乗算が行われて、三次元位置Xk,Yk,Zk
が求められる。
この場合、マルチスリット投光器11を、撮像装置12の
座標のX軸上に平行移動した位置に配置することによ
り、(3)式のuは、 u=α/(β+γ) ……(6) α=t34sinθj−t14cosθj ……(7) β=t11cosθj+t13sinθj ……(8) γ=t13cosθj−t11sinθj ……(9) と表すことができる。そして、係数t11〜t14,t31〜t34
は、前述のように、予め求めることができるものであ
り、又θjはスリット光番号(1)〜(m)に従ってm
種類の値となるが、このθj対応の係数α,β,γを予
め求めておくことが可能であるから、uは、xkとθj
の関数となり、従って、リードオンメモリ(ROM)にu
の値、或いはXk,Yk,Zkの値を記憶させておくことによ
り、被測定物23の三次元位置を迅速に求めることができ
る。
第7図は本発明の一実施例のパイプライン処理の動作
説明図であり、F1〜F8は画像信号のフレームを示し、フ
レームF1に於いてAパターンを被測定物23に投影し、撮
像装置12による画像信号をメモリ領域M1にストアする。
次のフレームF2に於いてメモリ領域M1のAパターン画像
信号を2値化してメモリ領域M2に画像信号IAとしてスト
アし、且つBパターンを被測定物23に投影し、撮像装置
12による画像信号をメモリ領域M3にストアする。
次のフレームF3に於いてメモリ領域M3のBパターン画
像信号を2値化し、メモリ領域M4に画像信号IBとしてス
トアする。
次のフレームF4に於いてメモリ領域M2,M4の内容を加
算処理して、メモリ領域M1に画像信号ISとしてストアす
る。
次のフレームF5に於いてCパターンを被測定物23に投
影し、撮像装置12による画像信号をメモリ領域M3にスト
アし、次のフレームF6に於いてメモリ領域M3のCパター
ン画像信号を2値化してメモリ領域M4に画像信号ICとし
てストアする。
次のフレームF7に於いてメモリ領域M1,M4の内容を加
算処理して、メモリ領域M2に画像信号IS′としてストア
する。これによってコード化マルチスリット光はデコー
ドされたことになる。そして、次のフレームF8に於いて
メモリ領域M2の画像信号IS′を2値化し、輪郭点メモリ
16にストアする。
この実施例に於けるデコード処理は、8本のスリット
光の場合に、7フレーム期間を要することになるが、更
に多数のスリット光、例えば、16本のスリット光の場合
には、9フレーム期間により、又32本の場合は11フレー
ム期間により、それぞれデコードすることが可能となる
から、スリット光の本数が多くなるに従って、僅かなフ
レーム数の増加でデコードすることができることにな
る。
第8図は本発明の他の実施例のパイプライン処理の動
作説明図であり、フレームF1に於いてAパターンを投影
し、撮像装置12による画像信号をメモリ領域M1にストア
し、次のフレームF2に於いてメモリ領域M1のAパターン
画像信号を2値化してメモリ領域M2に画像信号IAとして
ストアし、同時にBパターンを被測定物23に投影し、撮
像装置12による画像信号をメモリ領域M3にストアする処
理は、第7図に示す実施例と同様であるが、次のフレー
ムF3に於いては、第7図のフレームF3,F4,F5に於ける処
理を同時的に行うものであり、Cパターンを被測定物23
に投影して、撮像装置12による画像信号をメモリ領域M4
にストアし、メモリ領域M3のBパターン画像信号を2値
化し、且つメモリ領域M2の画像信号IAを読出して2値化
処理に対応した遅延を行って加算処理し、メモリ領域M1
に画像信号ISとしてストアする。
次のフレームF4に於いては、第7図のフレームF6,F7
に於ける処理を同時的に行うものであり、メモリ領域M4
のCパターン画像信号を2値化し、メモリ領域M1の画像
信号ISを読出して2値化処理に対応した遅延を行って加
算処理し、メモリ領域M2に画像信号IS′としてストアす
る。これによって、コード化マルチスリット光はデコー
ドされたことになる。次のフレームF5は、第7図のフレ
ームF8と同様に、メモリM2の画像信号IS′を2値化して
輪郭点メモリ16にストアする。なお、このフレームF5に
於いて次の被測定物の計測の為のAパターンの投影のス
テップを開始させることができる。
又前述のフレームF3,F4に於けるメモリ領域M2,M1から
読出した画像信号は、各メモリ領域M1〜M4のアドレス信
号を共通的に与えることから、2値化処理に要する時間
を遅延させるものであるが、画像信号IA,ISの読出アド
レスを遅延させて、2値化された画像信号間の加算処理
を行わせることも可能である。
この実施例に於いては、画像信号の2値化と画像間加
算処理とコード化マルチスリット光の投影とを同時的に
行うことにより、8本のスリット光の場合には前述のよ
うに4フレーム、又16本のスリット光の場合には5フレ
ーム、32本のスリット光の場合には6フレームにより、
それぞれデコードすることができる。即ち、第7図に示
す実施例より更に短時間でデコード処理を行うことが可
能となる。
本発明は、前述の各実施例にのみ限定されるものでは
なく、種々付加変更することができるものである。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は、マルチスリット投光
器1からコード化マルチスリット光を被測定物に投影
し、撮像装置2により撮像した画像信号を2値化回路3
により2値化し、コード化マルチスリット光のパターン
を切替える毎に、2値化画像信号の重み付けを変更し
て、前回の2値化画像信号又は前回の加算結果の画像信
号と画像演算部5により加算処理することにより、コー
ド化マルチスリット光をデコードすることができるもの
であり、マルチスリット光のスリット光数が多数であっ
ても、画像メモリ4の容量を例えば4画面分程度で済む
ようにすることができ、小型且つ経済化を図ることがで
きる。又イメージプロセッサ等により画像間加算を行っ
て、コード化マルチスリット光のデコードを高速処理
し、それによって、三次元計測処理の高速化を図ること
ができる。
又マルチスリット投光器1を、撮像装置2の座標X軸
上に平行移動した位置に配置することにより、距離計算
に於ける係数等を予め求めておくことが可能となり、従
って、リードオンメモリを用いて三次元座標を読出す構
成とすることができるから、構成が簡単化されると共
に、高速処理化が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理説明図、第2図は本発明の実施例
のブロック図、第3図は本発明の実施例のフローチャー
ト、第4図は本発明の実施例の動作説明図、第5図は距
離計測説明図、第6図は距離計算部の要部ブロック図、
第7図は本発明の一実施例のパイプライン処理の動作説
明図、第8図は本発明の他の実施例のパイプライン処理
の動作説明図、第9図は先に提案されたマルチスリット
投光器の説明図、第10図はコード化マルチスリット光パ
ターンの説明図である。 1はマルチスリット投光器、2は撮像装置、3は2値化
回路、4は画像メモリ、5は画像演算部、6は輪郭点メ
モリ、7は距離計算部である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コード化マルチスリット光パターンを投影
    するマルチスリット投光器(1)と、 被測定物に投影された前記コード化マルチスリット光パ
    ターンを撮像する撮像装置(2)と、 該撮像装置(2)からの画像信号を2値化する2値化回
    路(3)と、 前記コード化マルチスリット光パターンを切替える毎
    に、前記2値化回路(3)により変換された2値化画像
    信号に対する重み付けを変更して、前回の重み付け2値
    化画像信号或いは画像メモリ(4)から読出した前回の
    加算結果の画像信号と、今回の重み付け2値化画像信号
    とを加算する画像演算部(5)と、 該画像演算部(5)の最終演算結果によりデコードされ
    た前記マルチスリット光に対応した前記被測定物の輪郭
    点の座標をストアする輪郭点メモリ(6)と、 該輪郭点メモリ(6)にストアされた輪郭点の座標を基
    に、前記被測定物の輪郭点の三次元位置を算出する距離
    計算部(7)とを備えた ことを特徴とする三次元計測装置。
  2. 【請求項2】前記マルチスリット投光器(1)を、前記
    撮像装置2の座標のx軸上に平行移動した位置に配置
    し、前記距離計算部(7)を前記輪郭点メモリ(6)に
    ストアされた輪郭点の座標を基に、三次元位置を読出す
    リードオンリメモリにより構成したことを特徴とする請
    求項1記載の三次元計測装置。
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