JP2011017700A - 対象物の３次元座標の決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の三次元座標を決定する改良された方法を提供する。
【解決手段】方法は、対象物１の３次元座標の決定に用いられる。この種の改良された方法は、対象物１が、コード化された基準マーク７，８を有する複数のリファレンスプローブ２，３，４，５，６に取り囲まれ、対象物１の複数の撮影画像１０が、対象物１の一部、およびリファレンスプローブ２，３の一部が、それぞれのケースにおいて含まれるように撮影される。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の３次元（３Ｄ）座標の決定方法に関するものである。

欧州特許第553 266 B1号明細書は、対象物をスキャンし得るスキャナを含む対象物の３次元座標の決定方法を開示している。３次元座標は、スキャナリファレンスシステムにおいて、スキャナによって決定される。さらに、スキャナの位置および方向の決定を可能にするトラッキングシステムが提示されている。絶対的な参照システムにおける対象物の３次元座標は、コンピュータによって、スキャナリファレンスシステムにおける３次元座標と、絶対的な参照システムにおけるスキャナの位置および方向のデータとから決定され、記録され得る。しかし、スキャナは、トラッキングシステム、および対象物に対して、独立して移動可能にされ得る。

米国特許第5,805,789号明細書によれば、リファレンスプローブが対象物に固定されて、対象物の３次元座標を決定する方法が知られている。絶対的な３次元座標は、写真測量法を用いて決定される。

独国特許出願公開第198 40 334 A1号明細書は、光学的３次元座標計測技術を用いた対象物の計測において、ナビゲーションブロックとして用いる装置を開示している。上記ナビゲーションブロックは、複数の計測マークが付加された格子構造を有するコンポーネントを含む。対象物に固定する固定装置は、上記コンポーネントから離れてナビゲーションブロックの側方に取り付けられる。

国際公開第01/88471 A1号は、リファレンスオブジェクトを有するリファレンスボディに関連付けられた対象物の３次元形状を決定する方法を開示している。上記対象物およびリファレンスボディは、光学電気センサによってスキャンされ、その計測された信号から、表面点の３次元座標が計算される。

欧州特許出願公開第1 724 549 A2号明細書によれば、その位置がトラッキングシステムにより決定される３次元計測装置によって、対象物の表面部分の３次元座標が決定される、対象物の３次元座標決定方法が知られている。対象物の部分的に重複する隣接した表面部分の３次元座標は、順次決定される。重複領域の３次元座標は、マッチングプロセスにより合成される。

欧州特許出願公開第2 034 269 A1号明細書は、プロジェクタと１つ以上のカメラを含む３次元センサを用いて、対象物の３次元デジタイジングを行う方法を開示している。カメラによって検出されたパターンは、プロジェクタによって対象物に投影される。

本発明は、対象物の３次元座標を決定する改良された方法を提供することを目的としている。

上記目的は、請求項１で特徴付けられる特徴による発明に従って達成される。エンコードされた基準マークを有する複数のリファレンスプローブに取り囲まれた対象物の撮影が複数行われる。これらの撮影は、それぞれについて、対象物の一部およびリファレンスプローブの一部が含まれるように行われる。

本発明に従った方法は、対象物の３次元座標を決定するための、あらゆる公知のプロセスに基づいて実行され得る。光学的プロセスは、特に適している。光学的３次元センサは、これらの光学的プロセスを実行するために用いることができる。光学的３次元センサは、光学システム、および／または領域センサ（areal sensor）、特にＣＣＤセンサを含み得るカメラを含み得る。３次元センサは、さらに、１つ以上の光源を含み得る。

特にトラッキングシステムによって、３次元センサの位置が決定され得るならば、それは有利である。このようにして、３次元センサは、３次元センサのリファレンスシステムにおいて対象物の３次元相対座標を決定することができ、これらと、３次元センサの絶対座標とから、対象物の３次元絶対座標を決定することができる。この例は、参照される欧州特許第0 553 266 B1号明細書、欧州特許出願公開第1 724 549 A2号明細書、および欧州特許出願公開第2 034 269 A1号明細書に記載されている。

光学的３次元センサは、ストリップ投影システム（strip projection system）、特に、白色光ストリップ投影システムを含むことができる。そのような３次元センサによって、ストリップパターンが対象物に投影される。対象物は、さらに撮影される。そしてその撮影画像が評価される。撮影画像および評価は、表示され、および／または記憶され得る。

白色光ストリップ投影システム、およびさらに他のシステムを用いた、対象物の３次元デジタイジングまたは計測とも称される３次元座標の決定において、計測される対象物が３次元センサの計測領域よりも大きい場合には、３次元センサを空間中の異なる撮影位置に移動させることが必要である。対象物の個々の撮影画像は、次に、合成される必要がある。この目的のためには、個々の撮影画像を上位の座標系（higher-ranking coordinate system）に登録する必要がある。上位の座標系は、好ましくは、絶対座標系、例えば対象物が配置され、対象物の計測が行われる空間の座標系である。このいわゆるグローバルレジストレーションは、高い精度を必要とする。

白色光ストリップの投影の場合には、個々の撮影画像の連結は、上位の座標系において、典型的には、対象物または対象物に関連付けられたリファレンスプローブに貼り付けられるべき基準マークを伴う写真測量法の支援により行われる。マークは、写真測量装置によって別個に計測されなければならない。写真測量法のプロセスは、高い精度をもたらすが、基準マークを有する対象物の準備、およびその個々の計測のために、追加の努力および／または費用が必要とされるという欠点を有している。さらに、計測される対象物に適合され、写真測量法によって計測される基準マークが貼り付けられるリファレンスプローブを作製する必要がある。計測される対象物に適合されるプローブは、対象物に、およびその周囲に、できるだけ近接して取り付けられなくてはならない。これらのプローブは、フルプローブとも呼ばれることができ、広く認められているように対象物の高精度な計測を可能にするが、以下のような欠点を有している。

− フルプローブの構造は、計測される対象物に対して、サイズおよびデザインに関して調整され、そのため、フルプローブは高価であり、大きな計測対象物を扱うのに不便である。

− 各計測対象物ごとに別個のプローブが作製され、写真測量法的にキャリブレーションされる必要があり、そのため、これらのプローブは、複数の異なる計測対象物についてかなりのコスト要因となる。

− フルプローブの安定性に対する要求が非常に強く、全体として機械的に非常に安定的に構成される必要があり、これは重量およびコストを増大させる。

− 計測される対象物のタイプが変わると、扱いにくいフルプローブを含む計測アセンブリ全体が変更されなければならない。

− 精度を確実にし監視するためのフルプローブの通常の写真測量法のキャリブレーションは、サイズおよび重量の点で非常に複雑、および／または高価である。

これらの欠点は、レファレンスプローブモジュールとも呼ばれる複数のレファレンスプローブを用いることによって回避される。より大いにシンプルで、より安価で、より変化に富んだ計測アセンブリが、複数のリファレンスプローブを用いることによって可能にされ、しかしながら上記計測アセンブリは高精度な計測結果を確実にする。

リファレンスプローブは対象物に固定される必要はない。リファレンスプローブを対象物から離して配置することが可能である。

基準マークは、それ自体でコード化される。しかし、それ自体ではコード化されないが、互いに相対的な配置によるコード化を含む基準マークを用いることもまた可能である。それ自体でコード化される基準マークでは、この基準マークを撮影すれば十分である。それ自体でコード化されない多数の計測マークは、これらの計測マークの互いの相対的な位置からコードがデコードできるように撮影画像に含まれなければならない。

対象物の撮影画像はオーバラップし得る。対象物は部分的に（sectionally）計測され得る。

撮影画像に含まれるリファレンスプローブの一部は、好ましくは少なくとも１つの基準マークを含む。そのようなリファレンスプローブの一部は好ましくはリファレンスプローブの位置および／または方向が決定され得るように撮影される。

リファレンスプローブがキャリブレートされるなら、さらに有利である。好ましくは、あらかじめリファレンスプローブ上の全ての基準マークの位置が決定される。それぞれのリファレンスプローブに関する全ての基準マークの位置のデータは、好ましくは記憶される。

有利な更なる展開は、従属請求項に述べられている。

いくつかの、または全てのリファレンスプローブは、３次元センサの計測フィールドよりも長いことが有利である。リファレンスプローブは、したがって、撮影される対象物の領域のサイズよりも長い。これによって、大きな対象物、すなわちその計測のために複数の撮影画像が必要となる対象物に有利となる。

いくつかの、または全てのリファレンスプローブは、棒形状であり得る。

リファレンスプローブの一部、特に端部を含む撮影画像が、別のリファレンスプローブの一部、特に端部を含むことは有利である。これは、特に、リファレンスプローブが棒形状の場合に有利である。上記別のリファレンスプローブは、最初のリファレンスプローブに隣接し得る。リファレンスプローブの検出によって、リファレンスプローブを互いに連結することが可能である。この目的のためには、少なくとも１つの基準マークを含む、および／または各リファレンスプローブの位置および／または方向および／またはその基準マークが検出可能な部分を含む、両リファレンスプローブのそれぞれの一部が撮影されることが有利である。

基準マークは、自動的にデコードされ得る。しかし、手動で（manually）基準マークをデコードすることも可能である。基準マークは、デコードによって、それにより特定可能な特定のリファレンスプローブと関連付けられ得る。

いくつかの、または全ての撮影画像は、精度をより高めるために、３次元マッチングプロセスによって互いに連結され得る。

コード化された基準マークは、また、いくつか、または全てのリファレンスプローブの背面側にも設けられることが有利である。対象物の背面側も、また、同じ計測アセンブリによって計測することができる。

さらに有利な更なる展開は、基準マークの位置が、最初の計測実行において検出され記憶されることによって特徴付けられる。上記最初の計測実行は、対象物の計測なしに行うことができる。しかし、この最初の計測実行において対象物を計測することも可能である。検出された基準マークの位置は、上位の座標系に変換され得る。検出された、および／または変換された位置は、記憶され得る。

記憶された基準マークの位置に基づいて別の計測実行が行われることは有利である。これは、とりわけ、基準マークが最初の計測実行で検出され、およびオプリョナリーに変換されて、記憶された場合に有利である。計測時間は、記憶された基準マークの位置を用いることによって短縮することができる。

発明の実施例は、以下、添付された図面を参照して詳細に説明される。

計測される対象物と複数のリファレンスプローブと伴に計測アセンブリを模式的に示す正面図である。 図１の計測アセンブリの背面図である。 図１の計測アセンブリを変形して示す図である。 異なるタイプの基準マークを示す図である。

図１に示される計測アセンブリは、対象物１、すなわち、自動車のドア（ボディシェルドア）の表面側の３次元座標を決定する働きをする。対象物１は、５つのリファレンスプローブ２，３，４，５，６に囲まれている。各リファレンスプローブ２〜６は、基準マーク、すなわち、それ自体コード化された基準マーク７、およびそれ自体はコード化されていないが、互いに空間内に相対的に配置され、その空間配置がコード化を含む基準マーク８を有している。

リファレンスプローブ２〜６は、棒形状を有し得る。

３次元センサ９は、対象物を撮影するために設けられ、白色光ストリップ投影システムと、光学系およびＣＣＤセンサを有するカメラとを含む。さらに、ある装置、すなわち上位の座標系（不図示）における３次元センサ９の位置および方向を決定し得るトラッキングシステムが設けられている。対象物１、およびリファレンスプローブ２〜６の絶対座標は、このようにして決定される。

リファレンスプローブ２〜６が計測される。計測結果はコンピュータ、特にＰＣ（不図示）を含み得るコントロールシステムに記憶される。リファレンスプローブ２〜６の計測結果は、各基準マーク７，８における、このようにして特定される特定のリファレンスプローブ２〜６との明確な関係、および各リファレンスプローブ２〜６上の各基準マーク７，８の位置の座標を含む。

リファレンスプローブ２〜６は、対象物１には固定されない。これらは、図１に示すように、対象物１の近傍に、実際には対象物１を取り囲むように配置される。この目的のため、異なる長さのリファレンスオブジェクト、すなわち、３次元センサの計測領域の長さｌよりも長いリファレンスオブジェクト２，３，６、および長さｌよりも短いリファレンスマーク４，５が用いられ得る。リファレンスプローブ２，３，６は、したがって撮影される対象物２の領域のサイズｌよりも長い。

リファレンスプローブ２〜６は、正確にキャリブレーションされてはいない位置に配置される。これらは対象物１を取り囲むが、あらかじめ正確に定められた位置に位置決めされる必要はない。

対象物１の複数の撮影画像が３次元センサ９によって撮影される。これは図３には、順次撮影される撮影画像１０，１１，１２，１３，１４の計測領域が示されている。各撮影画像１０〜１４は、対象物１の一部、およびリファレンスプローブ２〜６の一部を含んでいる。全ての撮影画像１０〜１４は、第１のリファレンスプローブの端部を含む一部、および別のリファレンスプローブの端部を含む一部を含んでいる。撮影画像１０は、リファレンスプローブ２の一部、すなわち端部、およびリファレンスプローブ３の一部、すなわち端部を含んでいる。撮影画像１１は、リファレンスプローブ３，４の一部または端部を含む。撮影画像１２は、リファレンスプローブ４，５の一部または端部を含む。撮影画像１３は、リファレンスプローブ５，６の一部または端部を含む。撮影画像１４は、リファレンスプローブ６，２の一部または端部を含む。しかし、撮影画像が１つのリファレンスプローブの一部だけを含むことも可能である（不図示）。

撮影画像は部分的にオーバラップしている。撮影画像１０，１１はオーバラップし、撮影画像１３，１４も同様である。撮影画像１２は、別の撮影画像とはオーバラップしていない。相互にオーバラップする撮影画像は、互いに連結され得る。撮影画像がオーバラップしていない場合には、撮影画像の間の領域の３次元座標は決定されない。これらの領域は、注目されない領域であり得る。

各撮影画像は、基準マーク７，８を含んでいる。撮影画像のサイズと基準マーク７，８の配分との関係は、各リファレンスプローブ２〜６の各撮影画像１０〜１４において、それらの位置および方向が決定可能なようにされる。例えば、撮影画像１０は、それ自体コード化された１つの基準マーク７と、それ自体はコード化されていない４つの基準マーク８とを含み、しかし、これらのそれ自体コード化されていない基準マーク８は、それらの位置の配置によってデコードされ得る。同じように、撮影画像１０は、それ自体コード化された１つの基準マーク７と、リファレンスプローブ２のそれ自体はコード化されていない２つの基準マーク８とを含む。同じことは、したがって、残りの撮影画像１１〜１４、および残りのリファレンスプローブ４〜６にも当てはまる。

第１の計測実行においては、基準マーク７，８の位置が検出され、記憶される。また、この第１の計測実行中に、対象物１の３次元座標も決定される。

もし、続いて別の対象物が計測される場合には、その目的のために、記憶された基準マーク７，８の位置を用いることができる。したがって、リファレンスプローブ２〜６の互いの位置、すなわち、基準マーク７，８の位置も変えられることがないようにして、対象物１を取り除くことができる。続いて、別の同じような計測対象物が同じようにしてリファレンスプローブ２〜６の内部に置かれる。そして、この別の対象物が計測され得る。この別の計測実行、およびさらに別の計測実行は、記憶された基準マーク７，８の位置に基づいて行われる。記憶された基準マーク７，８の位置が用いられるので、計測時間を短縮することができる。

図２に示すように、コード化された基準マーク、すなわち、それ自体コード化された基準マーク７’およびそれ自体はコード化されず互いの相対的な空間配置によってコード化される基準マーク８’は、また、リファレンスプローブ２〜６の背面側にも設けられる。このようにして、同じ計測アセンブリを用いて、対象物１の背面側も計測することができる。リファレンスプローブ２〜６の表面側の上記最初の計測実行は、特にリファレンスプローブ２〜６の背面の基準マーク７’，８’の完全な検出および記憶にも十分である。この目的のために、リファレンスプローブ２〜６の背面側の基準マーク７’，８’も、実際、互いに対する位置、およびそれぞれのリファレンスプローブ２〜６の表面側の基準マーク７，８に関する位置の双方に関して、先行して計測される。

図４は、それ自体コード化された基準マーク７，７’の異なる実施例を示す。各基準マークは、変化しない非コード化要素と、コード化要素とを含む。非コード化要素は、円形１５、または正方形１６、または、長方形を含み得る。この要素は、それぞれの基準マークの位置を決定する。コード化要素は、円形バーコード１７、円形または角形ドットのドットパターン１８、セグメントセクション１９、またはドット２０とライン２１とのパターンを含み得る。コード化部材は、各基準マークの特定を可能にする。

本発明によれば、柔軟に組み合わされることができ、計測の前に、計測される対象物の周囲に配置される複数のリファレンスプローブが用いられる。対象物、および可能ならばさらに別の対象物の計測中、リファレンスプローブは、もはや位置が変更されない。一組のリファレンスプローブを用いて、複数の異なる計測対象物を計測することができる。

コード化された基準マークがリファレンスプローブに設けられる。これらは、それ自体コード化された写真測量法のマーク、およびそれ自体ではコード化されていないが、互いの相対的な配置によりコード化された写真測量法のマークであり得る。リファレンスプローブの基準マークは、例えば写真測量法の助けによってキャリブレーションされる。それ自体安定な正確な３次元の位置リストは、このようにして、各リファレンスプローブにもたらされる。個々のリファレンスプローブの写真測量法のキャリブレーションは、１回必要なだけである。１度計測された位置リストは記憶される。

対象物は、対象物の一部、および３次元センサによる各単一の撮影画像中で検出された１つ以上のリファレンスプローブ上の基準マークの一部と伴に、３次元センサを用いて部分的に計測される。リファレンスプローブは、少なくとも一部が、その長さにおいて、３次元センサの計測フィールドよりももっと大きく、３次元センサの次々と隣り合う複数の撮影画像が、リファレンスプローブを介して連結可能で、このようにして、複数の計測フィールドの連結における高い精度も達成されるようにデザインされる。

個々のリファレンスプローブの特定は、３次元センサの計測シーンにおいて、それ自体コード化されていない基準マークの幾何学的配置の解析によって、またはより単純でより信頼性の高い特定を可能にする、それ自体コード化された基準マークの助けによって、自励的（自動的）（self-actuating (automatic) ）に行われ、または手動的に行われる。

最初の計測の後に、どの１つまたは複数のリファレンスプローブが、それぞれ各撮影画像において対象物の近傍で検出されたかについてのチェックが、実際、それ自体コード化された基準マークの評価によって、および／またはそれ自体コード化されていない基準マークの幾何学的配置の評価または解析によって、行われる。続いて、それぞれの３次元ポイントリストが最初の計測の座標系に変換される。そして、別の各計測は、すでに変換されたリファレンスプローブの基準マークが検出されたこの座標系に変換されることができる。以前に未だ検出されていない基準マークおよび／またはリファレンスプローブがさらに計測されたかどうかのチェックが、各計測の後に行われる。これらは、次に、オプションとして、計測シーンに変換される。精度を高めるために、全ての計測された対象物の部分が完全な関連性、すなわち、全ての撮影画像の完全な関連性が、検出されたリファレンスプローブ、および／または基準マークと伴に、３次元マッチングプロセスを通じて、相互にバランスされ得る。

リファレンスプローブの両面、すなわち裏面にも基準マークを付加することによって、対象物の表面側、および裏面側を共通の座標系で計測することも可能になる。

対象物の計測、および全てのリファレンスプローブ、および基準マークの現在の結合され相互に整列されたポイントリストの完了後、同じタイプの別の対象物の計測を繰り返すための計測シーケンスの開始におけるリファレンスプローブ、および／または基準マークの完全なリストをアップロードすること、および繰り返し計測において個々のリファレンスプローブ、および／または基準マークの変換プロシージャを記憶することが既に可能となる。これは、リファレンスプローブの位置が繰り返し計測のために変更されないことを必要とする。

Claims (9)

1. 対象物（１）の３次元座標を決定する方法であって、
   対象物（１）が、コード化された基準マーク（７，８）を有する複数のリファレンスプローブ（２，３，４，５，６）に取り囲まれ、
   対象物（１）の複数の撮影画像（１０，１１，１２，１３，１４）が、対象物（１）の一部、およびリファレンスプローブ（２〜６）の一部がそれぞれのケースにおいて含まれるように撮影されることを特徴とする対象物（１）の３次元座標の決定方法。
2. 請求項１の方法であって、
   いくつか、または全てのリファレンスプローブ（２，３，６）は、３次元センサ（９）の計測領域よりも長いことを特徴とする方法。
3. 請求項１および請求項２のうち何れか１項の方法であって、
   いくつか、または全てのリファレンスプローブ（２〜６）は、棒形状を有していることを特徴とする方法。
4. 請求項１から請求項３のうち何れか１項の方法であって、
   リファレンスプローブ（２〜６）の一部の、特に端部を含む撮影画像が、別のリファレンスプローブ（２〜６）の一部、特に端部を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１から請求項４のうち何れか１項の方法であって、
   基準マーク（７，８）は、自動的にデコードされることを特徴とする方法。
6. 請求項１から請求項５のうち何れか１項の方法であって、
   いくつか、または全ての撮影画像（１０〜１４）が、３次元マッチングプロセスによって互いに連結されることを特徴とする方法。
7. 請求項１から請求項６のうち何れか１項の方法であって、
   コード化された基準マーク（７’，８’）が、いくつか、または全てのリファレンスプローブ（２〜６）の背面にも設けられていることを特徴とする方法。
8. 請求項１から請求項６のうち何れか１項の方法であって、
   基準マーク（７，８）の位置が、最初の計測実行において検出され記憶されることを特徴とする方法。
9. 請求項１から請求項６のうち何れか１項の方法であって、
   別の計測実行が、記憶された基準マーク（７，８）の位置に基づいて行われることを特徴とする方法。

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