JPH11118438A

JPH11118438A - ３次元形状測定方法および装置

Info

Publication number: JPH11118438A
Application number: JP9281701A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sogabe; 靖曽我部
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】撮像装置の光学条件や位置をあらかじめ測定
する必要なく、しかも自由な撮像位置から被測定物を撮
像することにより、自動的に被測定物の形状を得ること
のできる３次元形状測定方法および装置を提供するこ
と。【解決手段】撮像装置の光学条件と位置条件を検出す
る検出器を有し、撮像時の光学条件と位置条件を検出
し、３次元形状を測定する。このことにより、被測定物
を自由な位置から撮像しても、撮像時の光学条件と位置
条件を検出できるため、得られた画像と光学条件と位置
条件から、３次元形状を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の３次元
形状を非接触で測定する３次元形状測定方法および装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の３次元形状を画像処理を用い
て非接触で測定する方法のうち、最も主流と目される方
法が三角測量の原理に基づく方法である。

【０００３】三角測量の原理に基づく代表的な方法とし
ては、縞パターンを被測定物に投影し、得られたパターンの
影と基準パターンとを重ね合わせたことにより得られる
モアレ縞を用いて形状を測定するモアレトポグラフィ法被測定物を異なる２点から観測した画像間の相関を検
出することにより形状を計測するステレオ法規則的なパターンを被測定物に投影し、パターンの変
形を測定することにより形状を測定するパターン投影法
がある。

【０００４】また、一方ソフト処理により３次元形状を
得る方法としては、デジタルカメラなどで撮像した複数枚の画像に対して
画像間の相関付けを手動で行い３次元形状を得るモデラ
ーソフトがある。

【０００５】以下、の従来のステレオ法について簡単
に説明する。図１０が従来のステレオ法による３次元形
状測定装置の概略図である。また、図４（ａ）、（ｂ）
がステレオ法で用いる２枚の撮像画像である。図１１
が、ステレオ法の測定原理を示した図である。

【０００６】図１０において、１が被測定物である。４
１が撮像系であり、２つの撮像装置４１ａと４１ｂを有
している。４０が、ケーブルである。４２が計算機であ
る。撮像装置４１ａ、４１ｂにより撮像された画像はケ
ーブル４０を通り、計算機４２に入力される。計算機４
２では得られた画像を処理して、被測定物と撮像装置間
の距離や被測定物の形状を演算する。

【０００７】撮像装置の有する２つの撮像系４１ａ、４
１ｂにより得られる２枚の画像は、異なる視点から被測
定物を観測するため、視点の違いに応じて異なる画像が
得られる。

【０００８】図４の（ａ）が撮像装置４１ａにより撮像
した画像、撮像画像ａであり、図４の（ｂ）が撮像装置
４１ａにより撮像した画像、撮像画像ｂである。

【０００９】これらは、異なる２つの視点から撮像した
画像であり、視点に応じて被測定物の画像内での位置が
異なる事が分かる。そこで、これらの２枚の画像から被
測定物上の特定の点の画像上での位置の相関を検出する
事により、被測定物の形状を測定する事ができる。

【００１０】以下、図１１を用いて幾何学的に測定原理
について説明する。図１１において、１が被測定物であ
る。４１ａ、４１ｂが被測定物１が視野内に入るように
それぞれ設置された撮像装置である。それぞれレンズユ
ニット３１、３３と、結像面にＣＣＤ３２、３４を有し
ている。Ｎ０、Ｎ１は、それぞれのレンズの主点を示し
ている。ＸＹ座標系の原点は、Ｎ０とし、Ｘ軸は撮像装
置４１ａの光軸と平行とし、ｘｙの矢印で示した方向を
正とする。また、主点Ｎ０、Ｎ１とＣＣＤ３２、３４間
の距離すなわち焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２とする。
また、２つの撮像系の光軸のなす角はθとする。

【００１１】ここで、被測定物の上の点、Ｐ（Ｘｐ、Ｙ
ｐ）は、撮像装置４１ａ、４１ｂによりそれぞれ撮像さ
れ、ＣＣＤ上のＡ（Ｘａ、Ｙａ）、Ｂ（Ｘｂ、Ｙｂ）に
結像する。これらＡ、Ｂ点は、ＣＣＤ上から画像へ写像
されるため、図４の撮像画像ａにおいては、ＡがＡｉ
（Ｘａｉ、Ｙａｉ）に、Ｂは、撮像画像ｂのＢｉ（Ｘｂ
ｉ、Ｙｂｉ）に対応する。なお、画像上の座標系と空間
上の座標系とは異なり、図４の画像のＹ方向は、図１１
における紙面に垂直な方向に対応する。

【００１２】以上のような幾何学的関係をもとに形状測
定の方法について説明する。形状の測定は、主点Ｎ０を
原点とした時の、被測定物上の点の空間位置を求める事
により実施する。すなわち、図１１においては、Ｐの座
標（Ｘｐ、Ｙｐ）を求めることを繰り返し行う事により
形状を測定する。

【００１３】まず、図４の（ａ）撮像画像ａ、（ｂ）撮
像画像ｂにおけるＡｉ点、Ｂｉ点の位置を捜索する。こ
のアルゴリズムがパターンマッチングと呼ばれるアルゴ
リズムである。この方法については、被測定物のエッジ
線やテクスチャの特徴点を用いて行うなど多くの方法が
提案されている。このパターンマッチングにより、図１
１のＰ点が図４の（ａ）、（ｂ）のどの位置にあるかが
検出できる。

【００１４】次に、図４の（ａ）、（ｂ）の画像は、図
１１のＣＣＤ３２、３４上に結像した像の写像であるた
め、図４のＡｉ（Ｘａｉ、Ｙａｉ）とＢｉ（Ｘｂｉ、Ｙ
ｂｉ）は、図１１の空間座標系での位置Ａ（Ｘａ、Ｙ
ａ）、Ｂ（Ｘｂ、Ｙｂ）に変換することができる。

【００１５】まず、Ａ（Ｘａ、Ｙａ）については、Ｎ０
が座標原点である為、下記の式（１）、（２）より求め
られる。

【００１６】Ｘａ＝Ｘａｉ・Ｇ（１）Ｙａ＝ｆ１（２）ここで、Ｇは、画像の拡大率である。また、Ｂ（Ｘｂ、
Ｙｂ）については、 α＝tan-1（Ｘｂｉ・Ｇ／ｆ２）（３）とすると、Ｘｂ＝（ｆ２²＋（Ｘｂｉ・Ｇ）²）^1/2・sin（α＋θ）＋Ｘｎ１（４）Ｙｂ＝−（ｆ２²＋（Ｘｂｉ・Ｇ）²）^1/2 ・cos（α＋θ）＋Ｙｎ１（５）と変換される。

【００１７】次に、Ｓ＝Ｙａ／Ｘａ（６）Ｔ＝（Ｙｂ−Ｙｎ１）／（Ｘｂ−Ｘｎ１）（７）とすると、Ｘｐ、Ｙｐはそれぞれ以下の式により求めら
れる。

【００１８】Ｘｐ＝（Ｙｎ１−Ｔ・Ｘｎ１）／（Ｓ−Ｔ）（８）Ｙｐ＝Ｘｐ・Ｓ（９）このようにして、被測定物１上の点Ｐの空間位置を求め
ることができる。

【００１９】なお、本説明では簡単化の為に、２次元平
面内での幾何学的関係を利用したが、３次元での幾何学
的関係からも同様に被測定物上の点の位置が求められ、
結果として被測定物の３次元形状が測定できる。

【００２０】次に、のモデラソフトについて説明す
る。のステレオ法は、得られた複数の撮像画像から特
徴点を自動で検出することにより対応点を抽出し、３次
元形状を求める方法であった。そのため、人為的な作業
が発生しないため、ロボットなどの自立走行などに用い
られている。それに対してのモデラソフトは、主とし
て３次元のコンピュータグラフィックス用モデル作成に
用いられるもので、における特徴点の抽出と対応付け
を手動で行う方法である。単一のデジタルカメラで複数
方向から撮像した画像に対して、測定者が特徴点の位
置、対応づけ、カメラ位置の入力などを画像上で指示す
る事により、３次元形状を測定する。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな３次元形状測定法には以下のような課題があった。

【００２２】のステレオ法においては、第一に、式
（１）〜式（９）からも明らかなように、３次元情報を
得るためには、撮像装置の焦点距離や位置が必要であ
る。したがって、測定装置を構築する上では、これらの
幾何学的パラメータを正確に得る事が必要であり、その
精度が形状の測定精度に直接影響する。そのため、光学
性能のほぼ同じ２つの撮像装置を用い、しかも２つの撮
像装置の相対値を固定にした、いわゆる１つの装置に２
つの撮像装置が組み込まれた２眼式の撮像装置が用いら
れることが多い。また２眼式でない場合でも、撮像装置
の幾何学的パラメータをあらかじめ正確に測定し、さら
にその状態で撮像装置を固定しておく必要があった。

【００２３】第二に、測定の原理から、被測定物上で複
数の撮像装置が同時に撮像できる面の測定は可能である
が、複数の撮像装置間の相対位置が固定であるため、例
えば球形に近い被測定物の全面の形状を１度の測定で得
ることはできない。

【００２４】第三に、測定物体があらかじめ撮像装置の
想定した位置に無い場合には、ピントやズームを調整す
る必要があるが、その場合には幾何学的パラメータを再
度測定する必要があった。

【００２５】一方、のモデルソフトの場合、第一に、
複数の撮像画像に対しての対応を取るためには、測定者
が画像を確認し、対応点を入力したり、撮像装置の撮像
条件を入力するなどの作業が必ず必要であり、３次元形
状を自動で得ることはできなかった。

【００２６】第二に、被測定物を適当な方向から撮像し
た画像を用いる為、データが不足しているために、所望
の結果が得られない事がある。しかし、測定者の作業が
完了しなければ結果が得られず、再度撮像のやり直しま
たは追加が必要という課題があった。

【００２７】本発明は、上記課題に鑑み、撮像装置の光
学条件や位置をあらかじめ測定する必要なく、しかも自
由な撮像位置から被測定物を撮像することにより、自動
的に被測定物の形状を得ることのできる３次元形状測定
方法および装置を提供することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の発明の３次元形状測定方法は、ステ
レオ法における複数画像の撮像時に、同時に撮像装置の
空間上の位置と撮像方向を検出することを特徴とする。

【００２９】このことにより、撮像装置の空間上の位置
と撮像方向を検出できるため、撮像装置を自由な位置に
移動しながら被測定物を撮像する事により３次元形状を
得ることができる。したがって、測定対象が移動できな
いような場合においても、被測定物の全面の形状を得る
事が可能となる。

【００３０】本発明の第２の発明の３次元形状測定方法
は、ステレオ法における複数画像の撮像装置が焦点可変
機能を有する場合に、撮像装置の空間上の位置と撮像方
向に加えて、撮像装置の焦点距離を検出する事を特徴と
する。

【００３１】このことにより、本発明の第１の発明の３
次元形状測定方法の作用に加えて、撮像装置の焦点距離
が変わった場合においても、３次元形状の測定が可能で
ある。

【００３２】本発明の第３の発明の３次元形状測定方法
は、ステレオ法における複数画像の撮像装置が倍率可変
のレンズを有する場合に、撮像装置の空間上の位置と撮
像方向と撮像倍率とを検出し、得られた撮像倍率に応じ
て撮像画像を幾何変換して得られた変換画像を用いて３
次元形状を測定することを特徴とする。

【００３３】このことにより、本発明の第１の発明の３
次元形状測定方法の作用に加えて、ズーム機能を有する
撮像装置を用いて、異なる拡大倍率により撮像した複数
の撮像画像においても、特徴点の対応が可能であり、３
次元形状を測定することができる。

【００３４】本発明の第４の発明の３次元形状測定方法
は、ステレオ法における複数画像の撮像時に得られた撮
像装置の空間上の位置と撮像方向から、３次元形状が測
定可能かどうかを判別することを特徴とする。

【００３５】このことにより、３次元形状を測定する前
に、撮像装置の空間的位置と撮像方向から測定結果が得
られるかどうかを確認できるため、不要な計算をする必
要が無く、被測定物の形状を得るための測定時間を短縮
できる。

【００３６】本発明の第５の発明の３次元形状測定方法
は、ステレオ法における複数画像の撮像時に得られた撮
像装置の空間上の位置と撮像方向から、３次元形状が測
定可能かどうかを判別し、判別結果を測定者に告知する
ことを特徴とする。

【００３７】このことにより、３次元形状を測定する前
に、撮像装置の空間的位置と撮像方向から測定結果が得
られるかどうかを撮像装置側で確認できるため、測定者
が迅速に次の撮像に取りかかることができる。

【００３８】本発明の第６の発明の３次元形状測定装置
は、撮像倍率可変およびまたは自動焦点機能を有し、被
測定物を空間上の任意の複数位置から撮像し撮像画像を
得る撮像装置と、撮像装置の空間上の位置と撮像方向を
検出する位置検出器と撮像装置の撮像倍率およびまたは
焦点距離を検出する光学条件検出器と、撮像装置により
得られた複数の撮像画像と、位置検出機により得られた
撮像装置の空間上の位置と撮像方向と、光学条件検出器
により得られた撮像装置の撮像倍率およびまたは焦点距
離から、被測定物の３次元形状を計算する計算装置とを
具備することを特徴とする。

【００３９】このことにより、撮像装置と位置検出器と
光学条件検出器と計算装置とを一体型として具備してい
るため、測定位置を選ばず自由な場所、例えば屋外等で
の測定が可能である。

【００４０】本発明の第７の発明の３次元形状測定装置
は、撮像倍率可変およびまたは自動焦点機能を有し、被
測定物を空間上の任意の複数位置から撮像し撮像画像を
得る撮像装置と、撮像装置に具備し、撮像装置の空間上
の位置と撮像方向を検出する位置検出器と撮像装置に具
備し、撮像装置の撮像倍率およびまたは焦点距離を検出
する光学条件検出器と、撮像装置により得られた複数の
撮像画像と、位置検出機により得られた撮像装置の空間
上の位置と撮像方向と、光学条件検出器により得られた
撮像装置の撮像倍率およびまたは焦点距離から、前記被
測定物の３次元形状を計算する計算装置と、撮像装置と
計算装置との間でデータを交信する無線交信機とを有す
ることを特徴とする。

【００４１】このことにより、位置検出器と光学条件検
出器とを具備する撮像装置と、計算装置とが独立型の装
置であるため、測定者は軽量な撮像装置のみを移動しな
がら測定を実施できる。また、撮像装置と計算装置との
データのやりとりを、無線交信機にて実施するため、測
定位置の自由度は失われない。

【００４２】本発明の第８の発明の３次元形状測定装置
は、本発明の第６および第７の３次元形状測定装置にお
ける計算装置が、撮像装置の複数の空間上の位置と撮像
方向から、３次元形状の測定の可否を判別する判別機能
を有することを特徴とする。

【００４３】このことにより、計算機が判別機能を有す
るため、形状測定の演算を行う前に、測定結果を得られ
るかどうかの確認を行うため、無駄な演算を実施する事
がない。

【００４４】本発明の第９の発明の３次元形状測定装置
は、本発明の第６および第７の３次元形状測定装置にお
ける計算装置が、撮像装置の複数の空間上の位置と撮像
方向から、３次元形状の測定の可否を判定する判定機
と、判定機より得られた判定結果を表示する表示装置を
有することを特徴とする。

【００４５】このことにより、計算機が判別機能を有
し、判定結果を撮像装置が具備する表示装置にて迅速に
確認できるため、結果に応じて撮像位置の修正を即座に
図ることができる。

【００４６】本発明の第１０の発明の３次元形状測定装
置は、本発明の第６および第７の３次元形状測定装置に
おける計算装置が、撮像装置の複数の空間上の位置と撮
像方向から、３次元形状の測定の可否を判定する判定機
と、判定機より得られた判定結果により音を変化させる
音源を有することを特徴とする。

【００４７】このことにより、計算機が判別機能を有
し、判定結果を撮像装置に具備した音源が発する音にて
確認できるため、測定者は撮像装置のファインダーから
目を離す事なく、即座に撮像位置の修正を実施できる。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
ついて、図面を参照しながら説明する。

【００４９】図１が、第１の実施形態における３次元形
状測定装置を示した概略図である。１が被測定物、２が
３次元形状測定機であり、３のレンズユニット、４の表
示装置、５の位置検出器、６のスピーカ、７のシャッタ
ボタンなどが一体となっている。なお、点線は３次元形
状測定機２の移動後の位置を示している。

【００５０】図２が、第１の実施形態における３次元形
状測定装置の内部構成を示した構成図である。

【００５１】図１と同一番号については説明を省略す
る。５ａが、位置検出器５に内蔵されたジャイロセン
サ、５ｂが、位置センサである。８が光学条件検出器で
あり、フォーカスセンサ８ａとズームセンサ８ｂを内蔵
している。９はＣＣＤである。１０はＡ／Ｄ変換器であ
り、ＣＣＤ９から得られた信号をＡ／Ｄ変換する。１１
がメモリであり、Ａ／Ｄ変換器１０で変換された画像
や、位置検出器５、光学条件検出器８などのデータを一
時蓄積する。１２がＣＰＵであり、プログラムに応じて
データの処理を行う。１３が記憶装置であり、ＣＰＵ１
２による計算結果のデータを蓄積する。

【００５２】図３が、３次元測定を行うための処理手順
を示したフローチャートである。図４は、複数の撮像画
像の例を示した模式図である。

【００５３】従来例で示したように、図４（ａ）が、撮
像画像ａであり、図４（ｂ）は、撮像画像ａを得た時と
は異なる方向から撮像して得られた撮像画像ｂを示す。

【００５４】図５が、撮像時にズーム倍率が変化した時
に得られる画像である。図５（ａ）が撮像画像ａであ
り、図５（ｂ）が撮像画像ｂ、図５（ｃ）が、撮像画像
ｂの点線部を拡大処理した画像である。

【００５５】図６が、撮像装置の位置関係を示した図で
ある。図６（ａ）が測定可能時の位置関係、図６
（ｂ）、図６（ｃ）が、測定不可能時を示している。

【００５６】以下、図１、図２、図３、図４、図５、図
６とさらに、測定原理の説明の為、図１１も用いて本実
施形態の３次元形状測定装置の動作を説明する。

【００５７】測定手順を、図３に示したフローチャート
に従って説明する。まず初めに１４の測定スタート、３
次元形状測定機設定を実施する。図２の３次元形状測定
装置２を被測定物１が撮像できる位置に設定する。続い
て、１５の撮像画像の取得を行う。図２のシャッターボ
タン７をＯＮすることによりトリガーがかかり、被測定
物１の像がレンズユニット３を通してＣＣＤ９上に結像
する。ＣＣＤ９により光電変換された画像は、Ａ／Ｄ変
換器１０によりデジタル信号に変換され、２３のメモリ
記憶を実施し、図３の１６ａの撮像画像ａとして、図２
のメモリ１１に記憶する。記憶された撮像画像ａを図４
の（ａ）に示した。

【００５８】次に、図３の１５の撮像画像の取得と同時
に、１７の光学条件の検出を行う。光学条件の検出１７
は、図２の光学条件検出器８により実施する。光学条件
検出機８に内蔵されたフォーカスセンサ８ａとズームセ
ンサ８ｂにより、撮像画像の取得１５と同時に、レンズ
ユニット３のフォーカス値とズーム値の検出を行う。例
えば、フォーカス合わせやズーム変更は、レンズユニッ
ト３に内蔵されたモータ（図示せず）の回転により行う
ため、モータの回転位置によってフォーカス値とズーム
値を検出できる。また、レンズユニット３が、自動焦点
機能を有する場合には、自動焦点機能におけるサーボ制
御値を用いてフォーカス値を得ても良い。以上のように
して得られたフォーカス値とズーム値を図３の１８ａの
光学条件ａとして、２３のメモリ記憶を実施し、図２の
メモリ１１に記憶する。

【００５９】さらに、図３の１５の撮像画像の取得と同
時に、１９の基準位置設定を実施する。基準位置設定
は、図２の位置検出器５に内蔵されたジャイロセンサ５
ａと位置センサ５ｂにより行う。レンズ系の撮像方向を
感知するジャイロセンサ５ａによりレンズユニット３の
光軸方向を検出しメモリ１１に記憶する。また、位置セ
ンサ５ｂをリセットし、空間位置の基準点（座標原点）
として、２３のメモリ記憶を実施し、メモリ１１に記憶
する。記憶した位置条件を図３の２０ａの位置条件ａと
する。

【００６０】次に測定者は、図３の２１の撮像位置変更
を行う。変更後も撮像位置が被測定物１が撮像範囲に入
るように設置する。図１の点線で示したのが撮像位置変
更後の３次元形状測定装置の位置を示している。

【００６１】撮像位置変更後、再度、撮像画像の取得１
５、光学条件の検出１７を行い、図２のメモリ１１に、
１６ｂの撮像画像ｂ、１８ｂの光学条件ｂを記憶する。
図４の（ｂ）が撮像画像ｂである。

【００６２】さらに、相対位置の検出２２を行う。図２
の位置検出器５に内蔵されたジャイロセンサ５ａによ
り、レンズユニット３の光軸方向を検出し、さらに、位
置センサ５ｂを用いて、１９の基準位置設定時の空間上
位置に対する相対位置を検出する。

【００６３】このようにして得られた２０ｂの位置条件
ｂを、同様にメモリ１１に記憶する。

【００６４】次に測定可否判別処理２４を行う。測定可
否判別処理２４については、図６を用いて説明する。

【００６５】図６の３１、３３がそれぞれ、撮像画像ａ
（図３の１６ａ）と撮像画像ｂ（図３の１６ｂ）を撮像
する時のレンズユニットの位置を示す。３２、３４は、
ＣＣＤの位置を示している。θは、光軸間の角度を示し
ている。

【００６６】また、斜線部は合焦領域を示している。す
なわち、たとえばレンズユニット３１を通してＣＣＤ３
２に像をぼけなく結像させるためには、対象物を斜線部
内に置く必要があることを示している。なお、黒塗り領
域は、撮像画像ａを得るときと、撮像画像ｂを得るとき
の合焦領域の重なる領域を示している。

【００６７】ここで、図３の１８ａの光学条件ａと１８
ｂの光学条件ｂから、ＣＰＵ１２により、レンズユニッ
ト３の焦点深度と作動距離から合焦領域を求める。ＣＰ
Ｕ１２による計算ではなく、メモリ１１にあらかじめ登
録してあるレンズユニット３の性能表から求めても良
い。

【００６８】次に、それぞれの撮像時に得られた合焦領
域の重なり方を評価する。図６の（ａ）においては、斜
線領域が重なり合っており、この領域に被測定物を置け
ばそれぞれの撮像装置において、共通の位置を撮像で
き、かつ焦点の合った画像が得られる。したがって、撮
像可能領域の重なった部分（黒塗り領域）が３次元形状
測定可能領域と判断できる。一方、図６の（ｂ）におい
ては、撮像可能領域の重なりが少ない為、測定領域が狭
くなる。

【００６９】したがって、第一の判断基準として、合焦
領域の重なる領域の大きさを求め、得られた領域が指定
量以下であれば、測定不可能とする。例えば、重なり領
域が撮像領域の２０％以下であればＮＧとする。

【００７０】ところが一方、図６の（ｃ）のように、光
軸のなす角が１８０度の場合でも、合焦領域の重なり領
域は大きい。そこで、第２の判断基準として、光学条件
ａ、光学条件ｂから得られる光軸間の角度θを演算し、
角度が一定以上であれば測定不可能とする。たとえば、
６０度以上を測定不可能とするのが望ましい。

【００７１】以上のようにして得られた、図３の測定可
否判別処理２４の結果がＮＧ、すなわち測定不可能とな
った場合には、ブザー音発生２６として、図２の６のス
ピーカを鳴らすか、または、表示２７として、表示装置
４に結果を表示して、測定者（図示せず）に測定不可能
であることを知らせる。測定者は、撮像位置変更２１に
戻り、再度撮像位置を変更してその後の処理を実施す
る。

【００７２】判別結果がＯＫすなわち測定可能となった
場合には、２５の３次元形状演算を行う。図２のＣＰＵ
１２がメモリ１１に記憶している１６ａの撮像画像ａ、
１６ｂの撮像画像ｂ、１８ａの位置条件ａ、１８ｂの位
置条件ｂ、２０ａの光学条件ａ、２０ｂの光学条件ｂを
呼び出し、３次元形状測定を実行する。３次元形状測定
の演算は、従来例の説明で示した方法と同様の方法で行
う。

【００７３】以下、従来の技術で示した式（１）〜
（７）を用いて説明する。Ｘａ＝Ｘａｉ×Ｇ（１）Ｙａ＝ｆ１（２）のうち、式（１）のＧはあらかじめ装置固有の値である
ため、メモリ１１に記憶されている。従来例で示したよ
うに、式（１）のＸａｉは、図４の撮像画像ａと撮像画
像ｂの相関を取ることにより得られる。また、ｆ１は、
光学条件ａ（２０ａ）から得ることができる。

【００７４】次に、 α＝tan-1（Ｘｂｉ・Ｇ／ｆ２）（３）については、ＸｂｉはＸａｉと同様に得ることができ
る。またｆ２についでは、光学条件ｂ（２０ｂ）より求
めることができる。

【００７５】さらに、Ｘｂ＝（ｆ２²＋（Ｘｂｉ・Ｇ）²）^1/2・sin（α＋θ）＋Ｘｎ１（４）Ｙｂ＝−（ｆ２²＋（Ｘｂｉ・Ｇ）²）^1/2・cos（α＋θ）＋Ｙｎ１（５）については、θ、Ｘｎ１、Ｙｎ１は、位置条件ａ（１８
ａ）と位置条件ｂ（１８ｂ）から得ることができる。し
たがって、Ｓ＝Ｙａ／Ｘａ（６）Ｔ＝（Ｙｂ−Ｙｎ１）／（Ｘｂ−Ｘｎ１）（７）とすると、Ｘｐ、Ｙｐはそれぞれ以下の式により求めら
れる。

【００７６】Ｘｐ＝（Ｙｎ１−Ｔ・Ｘｎ１）／（Ｓ−Ｔ）（８）Ｙｐ＝Ｘｐ・Ｓ（９）このように、１６ａの撮像画像ａ、１６ｂの撮像画像
ｂ、１８ａの位置条件ａ、１８ｂの位置条件ｂ、２０ａ
の光学条件ａ、２０ｂの光学条件ｂを用いて、空間上の
位置を検出する事が可能である。このような計算を繰り
返し行うことにより、被測定物体１の３次元形状を得る
ことができる。

【００７７】ただし、ズームすなわち画角が変化した場
合には、以下の問題が発生する。すなわち、画角が変化
すると、図５の（ａ）の撮像画像ａ、（ｂ）の撮像画像
ｂのように、複数の画像間で被測定物の大きさが異なる
為、２枚の画像間でパターンマッチングを行うことが困
難となる。そこで、１８ａの光学条件ａと１８ｂの光学
条件ｂとを比較し、倍率が一定になるように画像を縮小
または拡大して得られた画像を用いてパターンマッチン
グを行う。図５の（ｃ）が、図５の（ｂ）の画像の一部
（点線内）を拡大し、図５の（ａ）と同倍率にした画像
の例である。

【００７８】最後に、以上のようにして得られた３次元
形状を、図３の２８の記憶として、記憶装置１３に記憶
するか、または表示２９として、図２の表示装置４に表
示して測定完了３０となる。

【００７９】表示方法としては、結果として得られた３
次元形状をワイヤーフレームとして再構成したり、テク
スチャをマッピングしたり、また距離を画像の輝度に変
換した距離画像に変換して表示することが望ましい。

【００８０】なお、本実施形態では、撮像回数を２回の
場合について示したが、撮像回数が２回以上であれば何
回でもよい。特に、図１の被測定物１のような形状のよ
うに、一方の視点からの撮像では被測定物の全面の形状
を得られない場合には、複数回の撮像を実施して、得ら
れた３次元形状データを合成することも可能であるのは
言うまでもない。

【００８１】以下本発明の第２の実施形態について、図
面を参照しながら説明する。図７が、第２の実施形態に
おける３次元形状測定装置を示した概略図である。第１
の実施形態と共通のものについては、説明を省略する。

【００８２】２ａが撮像装置である。３７が計算機であ
り、３次元形状の計算と測定可否判別を行う。３５が、
２ａの撮像装置に装備されている無線交信機１である。
３６が、計算機３７に装備されている無線交信機２であ
る。３５の無線交信機１と３６の無線交信機２の間で、
撮像画像などのデータを交信する事ができる。３８が、
ディスプレイであり、計算機３７での計算結果を表示す
る。

【００８３】図８が、第２の実施形態における３次元形
状測定装置の内部構成を示した構成図である。図２およ
び図７と同様の番号を付したものについては、同様の機
能を有するため説明を省略する。

【００８４】１１ａが、撮像装置２ａに内蔵されたメモ
リ１であり、撮像画像や５の位置検出器から得られた位
置条件や、８の光学条件検出器から得られた光学条件を
一時記憶する。

【００８５】１１ｂが、計算機３７に内蔵されたメモリ
２であり、３６の無線交信機２にて受信した撮像画像
や、５の位置検出器から得られた位置条件や、８の光学
条件検出器から得られた光学条件などを一時記憶する。

【００８６】図９が、３次元測定を行うための処理手順
を示したフローチャートである。以下、図９に示した処
理手順に従い測定方法を説明する。

【００８７】最初に１４ａの測定スタート、撮像装置設
定を実施する。図７の撮像装置２ａを被測定物１が撮像
できる位置に設定する。続いて、１５の撮像画像の取得
を行う。図８のシャッターボタン７をＯＮすることによ
りトリガーがかかり、被測定物１の像がレンズユニット
３を通してＣＣＤ９上に結像する。ＣＣＤ９により光電
変換された画像は、Ａ／Ｄ変換器１０によりデジタル信
号に変換し、２３のメモリ記憶として、得られた撮像画
像ａを１１ａのメモリ１に記憶する。

【００８８】次に、図９の１５の撮像画像の取得と同時
に、１７の光学条件の検出を行う。光学条件の検出は、
図８の光学条件検出器８により実施する。検出方法は、
第１の実施形態と同じである。得られた１８ａの光学条
件ａを図８の１１ａのメモリ１に記憶する。

【００８９】さらに、図９の１５の撮像画像の取得と同
時に、１９の基準位置設定を実施する。基準位置設定１
９は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略す
る。得られた２０ａの位置条件ａを図８の１１ａのメモ
リ１に記憶する。

【００９０】次に測定者は、図９の撮像位置の変更２１
を行う。例えば、図７の点線のような位置に移動する。
そして再度、被測定物１が撮像範囲に入るように設置
後、図９の１５の撮像画像の取得、１７の光学条件の検
出、２２の相対位置検出を行い、それぞれ、１６ｂの撮
像画像ｂ、１８ｂの光学条件ｂ、２０ｂの位置条件ｂを
メモリ記憶２３を実施して図８の１１ａのメモリ１に記
憶する。なお、２０ａの位置条件ａを空間位置の基準点
としたため、２０ｂの位置条件ｂは、２０ａの位置条件
ａを基準とした相対位置として得られる。

【００９１】次に、３９の送受信を実施する。送受信３
９は、図８のメモリ１１ａに記憶された１６ａの撮像画
像ａ、１８ａの光学条件ａ、２０ａの位置条件ａと、１
６ｂの撮像画像ｂ、１８ｂの光学条件ｂ、２０ｂの位置
条件ｂを、図８の無線交信機３５から無線交信機３６を
介して、図８の１１ｂのメモリ２に送る。

【００９２】続いて、２４の測定可否判別処理を実施す
るが、処理方法は、第１の実施形態と同じであるため省
略する。結果として得られた可否判別結果が、測定ＮＧ
の場合には、無線交信機３６を介して無線交信機３５に
結果を送り、２７の表示として、図８の表示装置４に結
果を表示するか、または、２６のブザー音発生として、
図８のスピーカ６からブザー音を鳴らし、２１の撮像位
置変更を行い、再度撮像画像の取得からやり直す。

【００９３】測定可否判別処理２４の結果が測定ＯＫの
場合には、２５の３次元形状演算を実施する。３次元形
状演算の方法は、第１の実施形態と同じであるため省略
する。最後に２８の記憶として、記憶装置１３に記憶す
るか、または、２９の表示として、ディスプレイ３８に
結果を表示する。なお、無線交信機３６と、無線交信機
３５を介して、図８の表示装置４に結果を表示すること
も可能である。

【００９４】

【発明の効果】以上のように、本発明の３次元形状測定
方法は、撮像装置の空間上の位置と撮像方向を検出でき
るため、撮像装置を自由な位置に移動しながら被測定物
を撮像する事により自動で３次元形状を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における３次元形状測定装置を
示した概略図

【図２】第１の実施形態における３次元形状測定装置の
内部構成を示した構成図

【図３】第１の実施形態における処理手順を示したフロ
ーチャート

【図４】複数の撮像画像の例を示した模式図

【図５】撮像時にズーム倍率が変化した時に得られる画
像を示した模式図

【図６】撮像装置の位置関係を示した概略図

【図７】第２の実施形態における３次元形状測定装置を
示した概略図

【図８】第２の実施形態における３次元形状測定装置の
内部構成を示した構成図

【図９】第２の実施形態における処理手順を示したフロ
ーチャート

【図１０】従来の３次元形状測定装置を示した概略図

【図１１】ステレオ法の測定原理を説明するための概略
図

【符号の説明】

１被測定物２３次元形状測定装置３レンズユニット４表示装置５位置検出器６スピーカ７シャッタボタン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像装置により、空間上の任意の複数位置
から、被測定物の複数の撮像画像を得る撮像ステップ
と、前記撮像ステップにおける前記撮像装置の前記空間上の
位置と撮像方向を検出する検出ステップと、前記検出ステップで得られた撮像装置の空間上の位置と
撮像方向と、前記被測定物の任意の位置の、前記撮像ス
テップで得られた前記複数の撮像画像における位置を検
出し、対応点を検出することにより、前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方
法。
【請求項２】焦点距離可変機能を有する撮像装置によ
り、空間上の任意の複数位置から、被測定物の複数の撮
像画像を得る撮像ステップと、前記撮像ステップにおける前記撮像装置の前記空間上の
位置と撮像方向と、前記撮像装置の焦点距離を検出する
検出ステップと、前記検出ステップで得られた前記撮像装置の空間上の位
置と撮像方向と前記焦点距離と、前記被測定物の任意の
位置の前記撮像ステップで得られた前記複数の撮像画像
における位置を検出し、対応点を検出することにより、前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方
法。
【請求項３】撮像倍率可変のレンズを有する撮像装置に
より、空間上の任意の複数位置および撮像倍率にて、被
測定物の複数の撮像画像を得る撮像ステップと、前記撮像ステップにおける前記撮像装置の前記空間上の
位置と撮像方向と撮像倍率とを検出する検出ステップ
と、前記検出ステップで得られた前記撮像倍率に応じて前記
複数の撮像画像を幾何変換にて得られた複数の変換画像
を得る変換ステップと、前記検出ステップで得られた撮像装置の空間上の位置と
撮像方向と、前記被測定物の任意の位置の、前記変換ステップより得
られた前記複数の変換画像における位置を検出し、対応
点を検出することにより、前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方
法。
【請求項４】撮像装置の複数の空間上の位置と撮像方向
から、３次元形状の測定が可能かどうかを判別する判別
ステップを有することを特徴とする、請求項１および請
求項２および請求項３の３次元形状測定方法。
【請求項５】撮像装置の複数の空間上の位置と撮像方向
から、３次元形状の測定が可能かどうかを判別する判別
ステップと、前記判別ステップの判別結果を測定者に告知する告知ス
テップとを有することを特徴とする、請求項１および請
求項２および請求項３の３次元形状測定方法。
【請求項６】撮像倍率可変およびまたは自動焦点機能を
有し、被測定物を空間上の任意の複数位置から撮像し撮
像画像を得る撮像装置と、前記撮像装置の空間上の位置と撮像方向を検出する位置
検出器と、前記撮像装置の撮像倍率およびまたは焦点距離を検出す
る光学条件検出器と、前記撮像装置により得られた複数の撮像画像と、前記位
置検出機により得られた前記撮像装置の空間上の位置と
撮像方向と、前記光学条件検出器により得られた撮像装
置の撮像倍率およびまたは焦点距離から、前記被測定物
の３次元形状を計算する計算装置とを具備することを特
徴とする３次元形状測定装置。
【請求項７】撮像倍率可変およびまたは自動焦点機能を
有し、被測定物を空間上の任意の複数位置から撮像し撮
像画像を得る撮像装置と、前記撮像装置に具備し、前記撮像装置の空間上の位置と
撮像方向を検出する位置検出器と、前記撮像装置に具備し、前記撮像装置の撮像倍率および
または焦点距離を検出する光学条件検出器と、前記撮像装置により得られた複数の撮像画像と、前記位
置検出機により得られた前記撮像装置の空間上の位置と
撮像方向と、前記光学条件検出器により得られた撮像装
置の撮像倍率およびまたは焦点距離から、前記被測定物
の３次元形状を計算する計算装置と、前記撮像装置と前記計算装置との間でデータを交信する
無線交信機とを有することを特徴とする３次元形状測定
装置。
【請求項８】前記計算装置が、前記撮像装置の複数の空
間上の位置と撮像方向から、３次元形状の測定の可否を
判別する判別機能を有することを特徴とする請求項６お
よび請求項７の３次元形状測定装置。
【請求項９】前記計算装置に具備し、前記撮像装置の複
数の空間上の位置と撮像方向から、３次元形状の測定の
可否を判定する判定機と、前記撮像装置に具備し、前記判定機より得られた判定結
果を表示する表示装置を有することを特徴とする請求項
６および請求項７の３次元形状測定装置。
【請求項１０】前記計算装置に具備し、前記撮像装置の
複数の空間上の位置と撮像方向から、３次元形状の測定
の可否を判定する判定機と、前記撮像装置およびまたは計算装置に具備し、前記判定
機より得られた判定結果により音を変化させる音源を有
することを特徴とする請求項６および請求項７の３次元
形状測定装置。