JP2002031513A - ３次元測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マーキングが出来ない物体の種類を低減し、多
様な物体について効率的にモデリングを行うための３次
元測定環境を実現する。 【解決手段】対象物体９０を撮影した画像データに基づ
いて立体形状をデータ化する３次元測定装置１０におい
て、対象物体９０にマーキングのためのスポットＳ１，
Ｓ２を形成する投光手段３１と、画像データを得るため
の撮影と同じ配置条件で、スポットＳ１，Ｓ２が形成さ
れた状態の対象物体９０を撮影する画像入力手段１とを
設け、立体形状を示す３次元データに対応づけて、画像
入力手段によって撮影されたテクスチャ情報を出力させ
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、立体形状をデータ
処理装置に入力するための３次元測定装置に関し、部分
的な形状データを組み合わせるモデリングに好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】三角測距により物体の立体形状を非接触
で測定する光学式の３次元デジタイザは、ＣＧシステム
やＣＡＤシステムへのデータ入力、身体計測などに利用
されている。特に、写真撮影と同様の手軽さで３次元画
像が得られる小型のデジタイザは、３Ｄコンテンツを作
成するインターネットユーザーに注目されている。測定
方法としては、光切断法（スリット光投影法）が一般的
であるが、他にもスポット光投影法、ステレオ視法など
アクティブまたはパッシブの様々な方法がある。

【０００３】立体物の全周のモデリングを行うには、少
なくとも前面および背面の３次元測定を行い、２つの形
状データ（３次元モデル）を合成する必要がある。通常
は、対象物体を複数の部分に分けて測定するときに、測
定範囲をオーバーラップさせる。そして、得られた複数
の形状データを、それらのオーバーラップ部が一致する
ように相対移動させて一体化する。この一体化におい
て、モデリングシステムのユーザーが複数の形状データ
どうしの対応点を指定する方法がある。すなわち、複数
の形状データのそれぞれを示す画像（例えばワイヤーフ
レーム）を同時または順次に画面表示させ、ユーザーが
対応すると思う点の組をポインティングデバイスの操作
または座標の数値入力によって指定する。ユーザーが対
応関係を直観的に把握できるようにするため、３次元測
定と同じアングルで物体を撮影し、その撮影像を表示さ
せることも行われている。テクスチャ撮影像によれば、
凹凸の特徴だけでなく模様の特徴を参考にして対応点を
指定することができる。このようにユーザーが対応点を
指定する手動方式は、モデリングシステムがデータ処理
で対応点を探す自動方式よりも効率的である。自動方式
では対応点探索に失敗する場合も多い。

【０００４】従来において、対応点の指定を容易にする
ために、予め対象物体の適所に目印のシールを貼るマー
キングが行われている。また、対象物体に格子模様を印
刷して対応点の自動認識の精度を高める手法が提案され
ている（特許第２８５０００７号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来では、マーキング
を行うことができず、そのために対応点の指定作業に手
間取ったり対応点の自動認識の精度が極端に低くなった
りすることがあった。例えば、対象物体が貴重な美術品
であると、マークの書き込みは言うに及ばずシールを貼
ることも許されない場合がある。柔らかい毛を持つぬい
ぐるみでは、シールを貼ると剥がすときに毛を傷めてし
まう可能性がある。また、従来のマーキングでは、３次
元測定が終わった後にマークを消したりシールを剥がし
たりするのが面倒であった。テクスチャ情報を得るため
にマーキングの無い状態で撮影を行う必要がある場合、
シールを貼ったり剥がしたりすることで、３次元測定時
とテクスチャの撮影時とで対象物体と測定装置との位置
関係が微妙にずれることもあった。さらに、対象物体の
模様や色によってはマーキングが目立たない場合もあっ
た。

【０００６】本発明は、マーキングができない物体の種
類を低減し、多様な物体について効率的にモデリングを
行うための３次元測定環境の実現を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、対象
物体との相対位置関係の変化に係わらず、常に対象物体
の特定点を照らすことが可能な光源を設け、この光源に
よって特定点に形成されるスポットを３次元モデルを作
成するための撮影像に写し込む。３次元モデルの作成に
際しては、スポットを基準として部分的なモデルどうし
の位置合わせを行なう。マークが無い場合と比べて、手
動または自動の位置合わせを効率的にかつ高精度に行う
ことができる。スポットをマークとすることで、マーク
を書き込んだりシールを貼ったりすることができない対
象物体についても、マーキングを行うことができる。

【０００８】マーキングのための光源は、対象物体の表
面模様との区別が可能なスポットを形成する。すなわ
ち、明るさ、色（波長）、またはビーム断面形状（例え
ば十字）に特徴をもつ光を射出する。表面模様の再現の
妨げとなる場合には、テクスチャを得るための撮影に際
して光源を消灯するだけで、マークのない状態の撮影が
可能となる。

【０００９】対象物体を固定配置し、３次元測定装置を
移動させる測定形態の場合には、マーキングのための光
源を固定配置しておく。一方、３次元測定装置を固定配
置し、対象物体を移動させる測定形態の場合には、マー
キングのための光源を対象物体と一体に移動させる。例
えば対象物体をターンテーブルに置いて回転させる構成
では、マーキングのための光源をターンテーブルに取り
付ける。

【００１０】複数の位置からの撮影で得たデータを貼り
合わせる３次元モデルの生成においては、より高い精度
を得る上で多くの対応点の組を特定するのが望ましい。
対象物体上の複数の位置にスポット光を照射すること
で、貼り合わせ（位置合わせ）の精度が向上する。複数
の位置に形成されるスポットについては、それらを写し
込んだ撮影画像の中で互いに識別可能な特質を有してい
ることが望ましい。光の色（波長）、ビーム形状、強度
を変えることで識別が可能となる。なお、必ずしも全て
のスポットの光学的特質が異なっている必要はない。十
分に離れていて混同のおそれがないスポットどうしは同
一の特質を有していてもよい。

【００１１】複数のスポットを形成する場合に、スポッ
トと光源とが１対１に対応する必要はない。１つの光源
で２以上のスポットを形成することが可能である。例え
ば、１回の撮影における露出時間内に異なる位置を順次
照射すればよい。

【００１２】また、１つの撮影画像の中に複数のスポッ
トを写し込む代わりに、スポットの位置を変えて同一位
置から複数の撮影を行い、マーキング状態の異なる複数
の撮影画像に基づいて複数の対応点の組を特定すること
もできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るモデリングシ
ステムの構成図である。モデリングシステム１００は、
３次元測定装置１０とコンピュータ５とから構成され
る。３次元測定装置１０は、手持ちサイズの光学式の３
次元デジタイザ１、対象物体９０を支持するターンテー
ブル３、およびコンピュータ５とのデータの受渡しに用
いる着脱式の記録媒体７から構成される。記録媒体７と
してはメモリカードが好適である。ターンテーブル３に
は、２個の光源３１１，３１２からなる投光機構３１が
組み付けられている。光源３１１，３１２は、マーキン
グのための光ビーム（マーク光）を射出し、対象物体９
０における異なる位置を局所的に照らす。これにより、
スポットＳ１，Ｓ２がマークとして形成される。

【００１４】対象物体９０のモデリングに際して、ユー
ザーは対象物体９０から０．５ｍ〜１ｍ程度離れターン
テーブル３とは独立した位置に３次元デジタイザ１を配
置して３次元形状測定を行う。測定範囲の設定には液晶
ディスプレイ（ＬＣＤ）１７に映し出される視野内の情
景が役立つ。

【００１５】視野外は測定不能であるので、３次元デジ
タイザ１と対象物体９０との相対方向（つまり、撮影の
アングル）を変えて複数回の測定を行う。一般には前後
左右の４方向の測定を行えば、全周囲のモデリングが可
能である。本システムではターンテーブル３を所定角度
だけ回転させることにより、相対方向を変える。これ
は、ターンテーブル３を固定してその周りの異なる位置
に３次元デジタイザ１を配置することと同等である。３
次元デジタイザ１と対象物体９０との位置関係が変わっ
ても、対象物体９０におけるスポットＳ１，Ｓ２の位置
は変わらない。したがって、スポットＳ１，Ｓ２が視野
に入るように測定範囲をオーバーラップさせ、ある方向
での測定で得られた形状データと他の方向での測定で得
られた形状データとを、スポットＳ１，Ｓ２を基準に貼
り合わせることにより、効率的に高精度のモデリングを
行うことができる。

【００１６】各回の測定において、対象物体９０は投光
窓１２１からの光で照射され、それによる反射光が受光
窓１３１へ戻る。外光の影響を避けるため、測定を暗い
屋内で行うのが望ましい。測定で得られた形状データお
よびテクスチャとして撮影された２次元画像は、記録媒
体７を介してコンピュータ５に入力される。コンピュー
タ５には３次元合成プログラムがインストールされてい
る。ユーザーは、ディスプレイ５１に形状データをモニ
タ表示させて、複数の部分的な形状データどうしの合成
およびテクスチャの貼り付けを行い、形状モデルを完成
させる。

【００１７】図２は三角測距の原理図である。３次元デ
ジタイザ１は、投光器および撮像機構を備え、光切断法
により対象物体の形状をデータ化する。本例では波長の
異なる複数のスリット光が同時に投射される。ただし、
スキャナでスリット光ビームを偏向する構成の投光器を
採用してもよい。３次元デジタイザ１に組み込まれた測
定演算部は、同時に投射されたスリット光Ｕ₁ 〜Ｕ_M を
波長により識別し、撮像デバイス（イメージセンサ）の
各画素に入射した光がどのスリット光の反射光であるか
を調べる。各スリット光Ｕ₁ 〜Ｕ_M の投光角度αおよび
各画素の受光角度βは既知であるので、これら２個の角
度α，βと基線長（投受光の基準点間距離）とから三角
測量演算で基線と対象物体との距離Ｌが求まる。仮にス
リット光で照射された物体上の位置が基線の垂直二等分
線上にある場合、基線の中間点から照射位置までの距離
Ｌは、基線長を２ｄとしてＬ＝ｄ／ｔａｎβと表わすこ
とができる。画素数分の算出距離の集合が形状データを
構成する。形状データは、テクスチャとともに記録媒体
７に書き込まれる。

【００１８】以上の機能構成において、コントローラ１
１、データ選別部１５、および測定演算部１５は、プロ
セッサとそれが実行する適切なプログラムとによって実
現される。

【００１９】図３はモデリングの過程を説明するための
図である。ユーザーは、コンピュータ５のディスプレイ
５１に、複数の形状データのそれぞれを示す画像ＭＧ
１，ＭＧ２を表示させる。図において、画像ＭＧ１には
１個のスポットＳ１の像ＧＳ１が写り込んでおり、画像
ＭＧ２には２個のスポットＳ１，Ｓ２のそれぞれの像Ｇ
Ｓ１，ＧＳ２が写り込んでいる。ユーザーは、対応する
と思う点の組をマウス操作によって指定する。すなわ
ち、例示ではカーソル７５を画像ＭＧ１の像ＧＳ１に合
わせた状態でクリックし、次にカーソル７５を画像ＭＧ
２の像ＧＳ１に合わせてクリックする。これにより１組
の対応点を指定したことになる。コンピュータ５にイン
ストールされているモデラーは、対応点の指定を受け
て、画像ＭＧ１，ＭＧ２を貼り合わせるステッチング処
理を実行し、結果を表示する。

【００２０】図４はモデリングの手順の第１例を示すフ
ローチャートである。光源３１１，３１２をオン状態に
して物体９０にマーク光を照射する（＃１）。スポット
Ｓ１，Ｓ２の位置が適切になるように光源３１１，３１
２の配置位置や角度を調整する（＃２）。少なくとも１
個のスポットが写り込むようにアングルを選定して撮影
を行う（＃３）。ここでいう撮影とは、形状およびテク
スチャを取得するための撮像動作の総称である。物体の
全体または所望部分のモデリングに必要な全てのアング
ルの撮影が終わるまで、アングルの選定と撮影とを繰り
返す（＃４、＃８）。必要回数の撮影が終わると、各ア
ングルの撮影データに基づいて形状データＤ１を生成す
る３Ｄ化を行う（＃５）。そして、図３で説明したよう
にスポットの像（スポットマーク）を利用してデータど
うしを位置合わせし、アングルの異なるデータを結合す
る（＃６、＃７）。

【００２１】図５はモデリングの手順の第２例を示すフ
ローチャートである。この例は、スポットＳ１，Ｓ２が
形状測定に悪影響を与えるおそれがある場合に有用であ
る。光源３１１，３１２をオン状態にして物体９０にマ
ーク光を照射し、スポットＳ１，Ｓ２の位置が適切にな
るように光源３１１，３１２の配置調整をする（＃１
１、＃１２）。マーク光を照射した状態で撮影を行う
（＃１３）。ここでは、スポットが写り込む撮影を“撮
影Ａ”と呼称する。次に光源３１１，３１２をオフ状態
にして再び撮影を行う（＃１４、＃１５）。スポットに
よるマーキングをしない状態での撮影を“撮影Ｂ”と呼
称する。モデリングに必要な全てのアングルの撮影が終
わるまで、アングルの選定、撮影Ａ、および撮影Ｂを繰
り返す（＃１６、＃２０）。必要回数の撮影が終わる
と、各アングルの撮影Ｂの画像データに基づいて形状デ
ータＤ１を生成する３Ｄ化を行うとともに、撮影Ａの画
像データに基づいてスポットマークを利用した位置合わ
せを行う（＃１７、＃１８）。そして、位置合わせ情報
を用いて、３Ｄ化で得られたアングルの異なる形状デー
タを結合する（＃１９）。

【００２２】図６はマーキングのための投光機構の第２
例を示す図である。図６における投光機構３２は、光源
３２１、ポリゴンミラー３２２、およびコントローラ３
２０からなる。光源３２１が射出した光はポリゴンミラ
ー３２２で偏向されて対象物体９０を照射する。コント
ローラ３２０は、３次元デジタイザ１が行う撮影の露出
期間内に、光源３２１を複数回発光させる。ポリゴンミ
ラー３２２の回転によって偏向角度が変化するので、各
回の発光により対象物体９０に形成されるスポットの位
置がずれる。発光の瞬間を捉えると１つのスポットのみ
しか形成されないが、露出期間の全体を捉える撮影画像
には複数のスポットが写り込む。ポリゴンミラー３２２
の回転と光源３２１の発光とのタイミングを制御するこ
とにより、対象物体９０における一定位置にスポットを
繰り返し形成することができ、見かけの上で常に複数箇
所にマーキングを施すのと同等の効果が得られる。露出
期間における発光毎に強度を変更し、スポットの識別を
容易にすることができる。フィルタを切り換えるなどし
てスポットの色を変更してもよい。スポット形状を例え
ば＋→○→×というように発光毎に変更してもよい。

【００２３】図７はマーキングのための投光機構の第３
例を示す図である。図７における投光機構３３は、光源
３３１、ポリゴンミラー３３２、およびコントローラ３
３０からなる。

【００２４】マーキングは、対象物体９０のうちの３次
元デジタイザ１に対して窪んだ部分よりも突出した部分
に付すのが好ましい。窪んだ部分は、他の方向からの測
定に際して隠れる確率が大きい。そこで、投光機構３３
には、マーキングの最適位置を検出する機能が設けられ
ている。

【００２５】コントローラ３３０は、ポリゴンミラー３
３２を回転させた状態で光源３３１を連続発光させるこ
とにより、対象物体９０を一方向に走査する。そして、
走査の様子を撮影した３次元デジタイザ１から受光強度
情報を取り込み、ビーム角度（偏向角度）と受光強度と
の関係を求める。受光強度の変化を調べることにより、
３次元デジタイザ１における受光軸と対象物体９０との
対向角度を推定することができる。コントローラ３３０
は、いわゆる凸の稜線の位置Ｐ３を検出し、その近傍を
マーク位置に設定する。マーキングに際しては、設定し
たマーク位置にスポットを形成するように、ポリゴンミ
ラー３３２の回転に同期したタイミングで光源３３１を
瞬間発光させる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１乃至請求項５の発明によれば、
マーキングができない物体の種類を低減し、多様な物体
について効率的にモデリングを行うための３次元測定環
境を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモデリングシステムの構成図であ
る。

【図２】三角測距の原理図である。

【図３】モデリングの過程を説明するための図である。

【図４】モデリングの手順の第１例を示すフローチャー
トである。

【図５】モデリングの手順の第２例を示すフローチャー
トである。

【図６】マーキングのための投光機構の第２例を示す図
である。

【図７】マーキングのための投光機構の第３例を示す図
である。

【符号の説明】

９０ 対象物体 １０ ３次元測定装置 ３１，３２，３３ 投光機構（投光手段） Ｓ１，Ｓ２ スポット １ ３次元デジタイザ（画像入力手段） ３ ターンテーブル（載置台） ３２１，３３１ 光源 ３２２，３３２ ポリゴンミラー（スポット光を偏向す
る機構）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物体を撮影した画像データに基づいて
   立体形状をデータ化する３次元測定装置であって、 対象物体にマーキングのためのスポットを形成する投光
   手段と、 前記画像データを得るための撮影と同じ配置条件で、前
   記スポットが形成された状態の対象物体を撮影する画像
   入力手段とを有し、 立体形状を示す３次元データに対応づけて、前記画像入
   力手段によって撮影されたテクスチャ情報を出力するこ
   とを特徴とする３次元測定装置。
2. 【請求項２】対象物体を支持する載置台を備え、 前記投光手段が前記載置台に固定されている請求項１記
   載の３次元測定装置。
3. 【請求項３】前記投光手段は、光学的に識別可能な複数
   のスポットを対象物体上の複数箇所に１つずつ形成する
   請求項１記載の３次元測定装置。
4. 【請求項４】前記投光手段は、スポット光を射出する光
   源と、スポット光を偏向する機構と、当該光源を断続発
   光させるコントローラとからなる請求項３記載の３次元
   測定装置。
5. 【請求項５】前記投光手段は、対象物体のうちの前記画
   像入力手段の撮影面に対する凸部を選んでスポットを形
   成する位置選択機能を有する請求項１記載の３次元測定
   装置。