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JP4874657B2 - Three-dimensional shape measuring method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、三次元形状の測定方法およびその装置に関し、さらに詳細には、2値化投影パターンにより空間に対し絶対的なコード値を生成する空間コード化法を利用した三次元形状の測定方法およびその装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring a three-dimensional shape, and more particularly, a method for measuring a three-dimensional shape using a spatial coding method for generating an absolute code value for a space by a binary projection pattern. And to the device.

一般に、光を用いて測定対象物の三次元形状を非接触で計測する技術としては、受動的測定法と能動的測定法とがある。   Generally, there are a passive measurement method and an active measurement method as a technique for measuring the three-dimensional shape of a measurement object using light in a non-contact manner.

ここで、受動的測定法とは、ステレオ法に代表されるように、測定機器側は投光手段を持たずに、環境光を利用して計測するという手法である。   Here, the passive measurement method is a method of measuring using ambient light without having a light projecting unit on the measurement device side, as represented by a stereo method.

一方、能動的測定法とは、測定機器側の投光手段から測定対象物に向けて光を照射して、その反射光を計測するという手法である。   On the other hand, the active measurement method is a method of irradiating light from a light projecting means on the measurement device side toward a measurement object and measuring the reflected light.

また、こうした能動的測定法のなかで、三角測量の原理を用いるものとしては、スリット光投影法や空間コード化法などが知られている。   Among these active measurement methods, the slit light projection method and the spatial encoding method are known as methods using the principle of triangulation.


ここで、空間コード化法とは、測定対象物に対して光透過領域と光非透過領域とよりなるストライプ状の光パターンたる2値化投影パターンを何種類も投影することにより、当該ストライプ状の光パターンを投影された測定対象物上の1点を観察していると、その観察している1点に投影される光線が点滅して符号(コード)を形成するようになるが、そのコードを利用して測定対象物の三次元形状を測定するという手法である。

Here, the spatial encoding method is a method of projecting a plurality of binary projection patterns, which are striped light patterns composed of a light transmission region and a light non-transmission region, onto a measurement object, thereby forming the stripe shape. When one point on the measurement object projected with the light pattern is observed, the light beam projected onto the one point being observed blinks to form a code. This is a technique of measuring the three-dimensional shape of a measurement object using a code.

この空間コード化法においては、コードが示す値(空間コード値)と光線の方向とは一対一の関係で対応しており、測定対象物上における光点の位置から観察位置の視線の方向が判り、また、その光点の空間コード値から光線の方向が判るので、三角測量の原理により測定対象物上における全ての光点までの距離を求めることができ、これにより測定対象物の三次元形状を非接触で計測することができるようになるものである。   In this spatial coding method, the value indicated by the code (spatial code value) and the direction of the light beam have a one-to-one relationship, and the direction of the line of sight of the observation position from the position of the light spot on the measurement object is determined. Since the direction of the light ray is known from the spatial code value of the light spot, the distance to all the light spots on the measurement object can be obtained by the principle of triangulation, and this allows the three-dimensional measurement object to be measured. The shape can be measured in a non-contact manner.

ところで、上記した空間コード化法における3次元形状の測定分解能は、ストライプ状のパターンの幅に依存することが知られている。   By the way, it is known that the measurement resolution of a three-dimensional shape in the above-described spatial coding method depends on the width of the stripe pattern.

従って、空間コード化法においては、ストライプ状のパターンの幅を細くすればするほど測定分解能は向上するが、ストライプ状のパターンの幅を細くするのに伴って、投光側の光の強さや撮影空間ならびに測定対象物での乱反射などによって受光側ではストライプ状のパターンの識別が困難になってしまい、ストライプ状のパターンの幅を細くするにも限界があった。   Therefore, in the spatial encoding method, the measurement resolution improves as the width of the stripe-shaped pattern is reduced. However, as the width of the stripe-shaped pattern is reduced, the intensity of light on the light projecting side is increased. It is difficult to identify the stripe pattern on the light receiving side due to irregular reflection at the imaging space and the measurement object, and there is a limit to narrowing the width of the stripe pattern.

即ち、空間コード化法は、投影機や撮影機の解像度および測定対象物の形状や表面状態の影響でコードの細分化には限界があり、3次元形状の測定分解能をそれほど細かくすることはできないという問題点が指摘されていた。   In other words, the spatial coding method has a limit on the segmentation of the code due to the influence of the resolution of the projector and the photographing machine and the shape and surface state of the measurement object, and the measurement resolution of the three-dimensional shape cannot be made so fine. The problem was pointed out.


そこで、上記した空間コード化法が有する問題点を解決するための手法として、例えば、空間コード化法とマルチスリットイメージエンコーダ法とを組み合わせた手法が、特許文献2として提示する特開2005−3409号公報において提案されている。

Therefore, as a technique for solving the problems of the spatial coding method described above, for example, a technique combining the spatial coding method and the multi-slit image encoder method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-3409. Proposed in the Gazette.

この特開2005−3409号公報に開示された手法は、コンピュータに接続されたプロジェクタを用いて、まず測定対象物にマルチスリットパターンを投影してその画像を撮影し、その後に、同じプロジェクタを用いて、ストライプの明暗の組み合わせにより空間の絶対位置の同定が可能なようにコード化された複数のストライプパターンを順次投影する。   In the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-3409, a projector connected to a computer is used to first project a multi-slit pattern onto a measurement object and photograph the image, and then use the same projector. Thus, a plurality of stripe patterns coded so that the absolute position of the space can be identified by a combination of the brightness and darkness of the stripes are sequentially projected.

その際に、投影パターンを投影方向とは異なる方向からカメラで撮影して、個々の投影パターンに対応する画像を得るものである。   At that time, the projection pattern is photographed with a camera from a direction different from the projection direction, and an image corresponding to each projection pattern is obtained.

ここで、マルチスリットパターンとストライプパターンとの投影パターンに応じて、それぞれの投影画像をマルチスリット投影画像とストライプ投影画像と各々称することとするが、マルチスリット画像については、各画素ごとに各画素の明るさの時間変化をチェックし、その画素が最大輝度を示すタイミングにおけるスリットの相対的投影位置(投光角度)をその画素の値とする相対投光角度画像を生成する。   Here, according to the projection patterns of the multi-slit pattern and the stripe pattern, the respective projection images will be referred to as the multi-slit projection image and the stripe projection image, respectively. A change in brightness over time is checked, and a relative projection angle image is generated with the relative projection position (projection angle) of the slit at the timing when the pixel exhibits the maximum luminance as the value of the pixel.

そして、相対投光角度画像の各画素の値と、パターン投影手段および撮像手段の幾何学的関係とから、三角測量の原理に基づいてストライプパターンの最小幅に対応する領域の精密な部分形状を求める。   Based on the triangulation principle, the precise partial shape of the region corresponding to the minimum width of the stripe pattern is calculated from the value of each pixel of the relative projection angle image and the geometric relationship between the pattern projection means and the imaging means. Ask.

一方、ストライプ投影画像については、各画素ごとに各画素の明るさの時間変化をチェックし、ストライプパターンによるコード化を行う。例えば、その明暗変化のシーケンスをコード化して、その画素の値とする絶対投影角度画像を作成する。   On the other hand, with respect to the stripe projection image, the temporal change in the brightness of each pixel is checked for each pixel, and coding is performed using a stripe pattern. For example, the sequence of the light and dark changes is encoded to create an absolute projection angle image having the pixel value.

このようにして、各画素は、そのコードの示す最小幅のストライプ、即ち、投光角度のゾーンと対応づけられる。   In this way, each pixel is associated with the minimum width stripe indicated by the code, that is, the zone of the projection angle.

そして、絶対投光角度画像の各画素の値(投光角度)、パターン投影手段、撮像手段ならびに対象基準面(形状演算の座標系)の幾何学的関係から、三角測量の原理に基づいて被測定対象物表面に投影されたストライプの形状を演算処理することにより求めるものである。   Then, based on the triangulation principle from the geometric relationship between the value of each pixel (projection angle) of the absolute projection angle image, pattern projection means, imaging means, and target reference plane (coordinate system for shape calculation). This is obtained by calculating the shape of the stripe projected on the surface of the measurement object.

従って、特開2005−3409号公報に開示された手法によれば、最小ストライプ幅での概略の全体形状を求めることができる。   Therefore, according to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-3409, a rough overall shape with the minimum stripe width can be obtained.


しかしながら、上記した特開2005−3409号公報に開示された手法、即ち、空間コード化法とマルチスリットイメージエンコーダ法とを組み合わせた手法では、絶対形状が認識できる空間コード化法で撮影空間をマルチスリットと同じn分割(nコード化)し、各分割ごとにマルチスリットイメージエンコーダ法での高い分解能のデータを合成することで高分解能の三次元形状認識を可能にしているが、空間コード化法のシステムの他に、マルチスリットイメージエンコーダを構成するためのスリット生成機能、ピーク検出と保持機能、投光角度記憶機能あるいは角度・時間変換機能などの複雑な構成が必要となるという問題点があった。

However, in the technique disclosed in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-3409, that is, a technique that combines the spatial coding method and the multi-slit image encoder method, the imaging space can be multi-coded by the spatial coding method that can recognize the absolute shape. The same n-division as the slit (n-coding), and high-resolution 3D shape recognition is made possible by synthesizing high-resolution data using the multi-slit image encoder method for each division. In addition to this system, there is a problem that a complicated configuration such as a slit generation function, a peak detection and holding function, a projection angle storage function, or an angle / time conversion function for configuring a multi-slit image encoder is required. It was.

さらに、こうした複雑な構成を処理するために、中央処理装置(CPU)などの制御システムへの負担が増大するようになるとともに、処理に長時間を要するようになるという問題点があった。
特開2005−3409号公報
Furthermore, in order to process such a complicated configuration, there is a problem that a burden on a control system such as a central processing unit (CPU) increases and a long time is required for processing.
Japanese Patent Laid-Open No. 2005-3409

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で3次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようにした三次元形状の測定方法およびその装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the various problems of the conventional techniques as described above, and an object thereof is to improve the measurement resolution of shape measurement of a three-dimensional shape with a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring a three-dimensional shape that can be used.

上記目的を達成するために、本発明は、解像度の影響を受けない程度の2値化投影パターン、即ち、ストライプ状のパターンの幅が細さの限界に達していない程度の2値化投影パターンをシフトすることで空間コードを細分化するとともに、オーバーサンプリング技術を利用するようにしたものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides a binarized projection pattern that is not affected by the resolution, that is, a binarized projection pattern that does not reach the limit of the width of the stripe pattern. The spatial code is subdivided by shifting, and oversampling technology is used.

即ち、本発明は、2値化投影パターンにより空間に対し絶対的なコード値を生成する空間コード化法を利用して、2値化投影パターンを任意の移動量でシフトさせるとともにオーバーサンプリング技術を利用することにより高い測定分解能を得ることができるようにしたものである。   That is, the present invention shifts the binarized projection pattern by an arbitrary amount of movement and uses an oversampling technique using a spatial coding method for generating an absolute code value for the space by the binarized projection pattern. By using it, a high measurement resolution can be obtained.

こうした本発明によれば、空間コード化法のアルゴリズムをそのまま利用することができるので、ハードウェアやソフトウェアの構成も空間コード化法のものをそのまま利用することが可能となり、簡単な構成で3次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようになる。   According to the present invention, since the algorithm of the spatial coding method can be used as it is, the hardware and software configurations can be used as they are, and the three-dimensional configuration can be achieved with a simple configuration. The measurement resolution of shape measurement can be improved.


こうした本発明のうち請求項1に記載の発明は、2値化投影パターンを測定対象物に投影し、上記2値化投影パターンを投影された上記測定対象物の画像に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定方法において、ストライプ形状のパターンのそれぞれの幅が画像で判別できる最小幅を有するストライプ形状で構成されるような所定の2値化投影パターンを、上記所定の2値化投影パターンの光透過領域と光非透過領域との位置が入れ替わる1/2位相反転する範囲までシフトし、かつ、測定対象物における三次元形状計測の測定分解能に関する最小分解能となるような所定の移動量でシフトしながら上記測定対象物に順次投影し、上記シフト毎に上記所定の2値化投影パターンを投影された上記測定対象物の表面を撮影したすべての画像を取得し、上記取得した画像のそれぞれについて、上記取得した画像のポジパターンとネガパターンとのそれぞれの輝度情報から2値画像を作成する際に、上記シフト方向における画素を標本化定理を満たすように、X方向についてシフト幅が画像入力の標本化ピッチの倍以上となるように任意の整数で整数倍し、光透過領域と光非透過領域との境界たるパターン境界付近のポジパターン輝度分布曲線とネガパターン輝度分布曲線とが交差する座標を実数値としてサブピクセルで求め、上記座標をピクセル座標とし、上記座標を含む上記座標より左側のピクセルを1または0とし、上記座標より右側のピクセルを反転値とすることで2値画像を作成し、すべてのシフト画像に対して上記2値画像を第1の種類の画像として取得し、上記所定の2値化投影パターンを含む、それぞれ異なるパターンの幅を有する複数の2値化投影パターンを上記測定対象物にそれぞれ投影し、上記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、上記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンをそれぞれ投影された上記測定対象物の表面を撮影したすべての画像について、X方向について上記任意の整数を用いて整数倍にしてすべての画像を合成し、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ画像たる第2の種類の画像として取得し、上記第1の種類の画像と上記第2の種類の画像とを足し合わせることにより合成した第3の種類の画像よりコード値を取得するものであるが、その際、上記コード値について、シフト方向の画素数を、シフト方向に上記任意の整数の数の画素毎に画像座標値を上記任意の整数で除した値に補正し、上記測定対象物の三次元形状を取得するようにしたものである。

Among these aspects of the invention, the invention according to claim 1 projects the binarized projection pattern onto the measurement object, and based on the image of the measurement object onto which the binarized projection pattern is projected, the measurement object In the three-dimensional shape measurement method for measuring the three-dimensional shape of an object, a predetermined binary projection pattern that is configured with a stripe shape having a minimum width that allows each width of the stripe-shaped pattern to be discriminated by an image , Shifting to a half-phase inversion range where the positions of the light transmission region and the light non-transmission region of the predetermined binarized projection pattern are switched, and the minimum resolution related to the measurement resolution of the three-dimensional shape measurement on the measurement object; become such while shifting by a predetermined movement amount sequentially projected on the measuring object, the surface of the measuring object projected the predetermined binary projection pattern for each of the shift Get all the images captured for each of the acquired images, to create a binary image from each of the luminance information of the positive pattern and a negative pattern of the acquired images, the sample pixels in the shift direction In order to satisfy the chemical theorem, the shift width in the X direction is multiplied by an integer by an integer so that it is at least twice the sampling pitch of the image input. The coordinates at which the positive pattern luminance distribution curve and the negative pattern luminance distribution curve intersect are obtained as sub-pixels as real values, the coordinates are set as pixel coordinates, and the pixel to the left of the coordinates including the coordinates is set to 1 or 0. create a binary image by more inverted value of the right pixel, and all the first type of the binary image to shift the image of the image Gets Te, including the predetermined binary projection pattern, a plurality of binary projection pattern having a width of different patterns respectively projected respectively to the measured object, a plurality of different said each binarized projection pattern Every time each is projected , all the images obtained by photographing the surface of the measurement object onto which each of the plurality of different binary projection patterns is projected are multiplied by an integer multiple using the above arbitrary integer in the X direction. All the images are combined, acquired as a second type of image having an absolute code value with respect to the shooting space with a shift pitch as resolution, and the first type of image and the second type of image are acquired. The code value is obtained from the third type of image synthesized by adding together the image. At this time, the number of pixels in the shift direction is used for the code value. Is corrected to a value obtained by dividing the image coordinate value by the arbitrary integer for each arbitrary number of pixels in the shift direction, and the three-dimensional shape of the measurement object is acquired.

また、本発明のうち請求項に記載の発明は、本発明のうち請求項に記載の発明において、上記所定の2値化投影パターンを上記測定対象物に対してシフトする方向は、上記幅方向であるようにしたものである。 The invention of claim 2 is the invention according to claim 1 of the present invention, the direction of shifting the predetermined binary projection pattern with respect to the measurement object, the It is intended to be in the width direction.

また、本発明のうち請求項に記載の発明は、2値化投影パターンを測定対象物に投影し、上記2値化投影パターンを投影された上記測定対象物の画像に基づいて、上記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定装置において、ストライプ形状のパターンのそれぞれの幅が画像で判別できる最小幅を有するストライプ形状で構成されるような所定の2値化投影パターンを、上記所定の2値化投影パターンの光透過領域と光非透過領域との位置が入れ替わる1/2位相反転する範囲までシフトし、かつ、測定対象物における三次元形状計測の測定分解能に関する最小分解能となるような所定の移動量でシフトしながら上記測定対象物に順次投影し、上記シフト毎に上記所定の2値化投影パターンを投影された上記測定対象物の表面を撮影したすべての画像を取得する2値化投影画像取得手段と、上記取得した画像のそれぞれについて、上記取得した画像のポジパターンとネガパターンとのそれぞれの輝度情報から2値画像を作成する際に、上記シフト方向における画素を標本化定理を満たすように、X方向についてシフト幅が画像入力の標本化ピッチの倍以上となるように任意の整数で整数倍し、光透過領域と光非透過領域との境界たるパターン境界付近のポジパターン輝度分布曲線とネガパターン輝度分布曲線とが交差する座標を実数値としてサブピクセルで求め、上記座標をピクセル座標とし、上記座標を含む上記座標より左側のピクセルを1または0とし、上記座標より右側のピクセルを反転値とすることで2値画像を作成し、すべてのシフト画像に対して上記2値画像を第1の種類の画像として取得する第1の画像取得手段と、上記所定の2値化投影パターンを含む、それぞれ異なるパターンの幅を有する複数の2値化投影パターンを上記測定対象物にそれぞれ投影し、上記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、上記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンをそれぞれ投影された上記測定対象物の表面を撮影したすべての画像について、X方向について上記任意の整数を用いて整数倍にしてすべての画像を合成し、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ画像たる第2の種類の画像として取得する第2の画像取得手段と、上記第1の種類の画像と上記第2の種類の画像とを足し合わせることにより合成した第3の種類の画像よりコード値を取得するものであるが、その際、上記コード値について、シフト方向の画素数を、シフト方向に上記任意の整数の数の画素毎に画像座標値を上記任意の整数で除した値に補正し、上記測定対象物の三次元形状を取得する三次元形状取得手段とを有するようにしたものである。 According to a third aspect of the present invention, the binarized projection pattern is projected onto the measurement object, and the measurement is performed based on the image of the measurement object onto which the binary projection pattern is projected. In a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of an object, a predetermined binarized projection pattern is formed such that each width of the stripe-shaped pattern has a minimum width that can be discriminated by an image. , Shifting to a half-phase inversion range where the positions of the light transmission region and the light non-transmission region of the predetermined binarized projection pattern are switched, and the minimum resolution regarding the measurement resolution of the three-dimensional shape measurement on the measurement object while shifting by a predetermined moving amount such that the sequentially projected on the measuring object, the surface of the predetermined said measurement object binarized projection pattern is projected for each of the shift Binarization projection image acquiring means for acquiring all the images shadow, for each of the acquired images, to create a binary image from each of the luminance information of the positive pattern and a negative pattern of the obtained image In order to satisfy the sampling theorem, the pixels in the shift direction are multiplied by an arbitrary integer so that the shift width in the X direction is not less than twice the sampling pitch of the image input, and the light transmission region and the light non-transmission region The coordinates at which the positive pattern luminance distribution curve and the negative pattern luminance distribution curve near the pattern boundary intersect with the negative pattern luminance distribution curve are obtained as sub-pixels as real values, the above coordinates are set as pixel coordinates, and the pixel to the left of the above coordinates including the above coordinates 1 is set to 1 or 0, and a binary image is created by setting the pixel on the right side of the coordinates as an inverted value. A first image acquiring means for acquiring an image as a first type of image, including the predetermined binary projection pattern, a plurality of binary projection pattern having a width of different patterns respectively in the measurement object Each time each of the plurality of different binarized projection patterns is projected and each of the different binarized projection patterns is projected , all the images obtained by photographing the surface of the measurement object onto which the different binarized projection patterns are projected. In the X direction, all the images are combined by using the above-mentioned arbitrary integers to obtain an integer multiple, and the images are acquired as a second type image that is an image having a shift pitch as resolution and an absolute code value with respect to the imaging space. a second image acquisition unit, collected the code value from the third type of images synthesized by combining the sum first type of image and the said second type of image At that time, for the code value, the number of pixels in the shift direction is corrected to a value obtained by dividing the image coordinate value by the arbitrary integer for each arbitrary number of pixels in the shift direction, And a three-dimensional shape acquisition means for acquiring the three-dimensional shape of the measurement object.

また、本発明のうち請求項に記載の発明は、本発明のうち請求項に記載の発明において、上記所定の2値化投影パターンを上記測定対象物に対してシフトする方向は、上記幅方向であるようにしたものである。 Further, the invention according to claim 4 of the present invention is the invention according to claim 3 of the present invention, wherein the direction of shifting the predetermined binarized projection pattern with respect to the measurement object is the above. It is intended to be in the width direction.

本発明は、以上説明したように構成されているので、簡単な構成で3次元形状の形状計測の測定分解能を向上することができるようになるという優れた効果を奏する。   Since the present invention is configured as described above, there is an excellent effect that the measurement resolution of the shape measurement of the three-dimensional shape can be improved with a simple configuration.

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元形状の測定方法およびその装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。   Hereinafter, an example of an embodiment of a method and an apparatus for measuring a three-dimensional shape according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.


(1)全体の構成
図1には、本発明による三次元形状の測定装置の実施の形態の一例を表す概略構成説明図が示されている。

(1) Overall Configuration FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram showing an example of an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.

即ち、本発明の実施の形態の一例による三次元形状の測定装置(以下、単に「測定装置」と適宜に称する。)10は、バス12aを介して接続された中央処理装置(CPU)12b、CPU12bが実行するプログラムなどを格納したリードオンリメモリ(ROM)12c、データ信号を一時記憶するバッファメモリやCPU12bによるプログラムの実行時に必要な各種レジスタなどが設定されたワーキングエリアとしてのランダムアクセスメモリ(RAM)12d、キーボードやマウスなどの各種の入力装置12eならびにCPU12bの処理結果などを出力して表示する表示装置12fなどを有して構成されるコンピュータ12によりその全体の動作を制御するように構成されており、コンピュータ12の制御により測定対象物14へ複数の2値化投影パターンを投影する投影機16と、投影機16により2値化投影パターンを投影された測定対象物14を撮影する撮影機18とを有して構成されている。   That is, a three-dimensional shape measuring apparatus (hereinafter simply referred to as “measuring apparatus” as appropriate) 10 according to an example of an embodiment of the present invention includes a central processing unit (CPU) 12b connected via a bus 12a, A read only memory (ROM) 12c storing a program executed by the CPU 12b, a buffer memory for temporarily storing data signals, and a random access memory (RAM) as a working area in which various registers necessary for executing a program by the CPU 12b are set. ) 12d, which is configured to control the overall operation by a computer 12 having various input devices 12e such as a keyboard and a mouse and a display device 12f that outputs and displays the processing results of the CPU 12b. To the measuring object 14 under the control of the computer 12 A projector 16 for projecting a binary projection pattern number, is configured to include an imaging device 18 for photographing a measuring object 14 by the projector 16 is projected binarization projection pattern.

即ち、測定装置10においては、投影機16はコンピュータ12に接続されていて、測定対象物14の表面に、コンピュータ12で生成される各種の2値化投影パターンを投影することができるように配置にされている。また、撮影機18は、投影機16の投影方向とは異なる方向から測定対象物14の表面を撮影することができるように配置されており、撮影機18で撮影された画像は、デジタル化されてコンピュータ12に取り込まれるようになされている。   That is, in the measuring apparatus 10, the projector 16 is connected to the computer 12 and is arranged so that various binary projection patterns generated by the computer 12 can be projected onto the surface of the measurement object 14. Has been. The photographing machine 18 is arranged so that the surface of the measuring object 14 can be photographed from a direction different from the projection direction of the projector 16, and the image photographed by the photographing machine 18 is digitized. Are taken into the computer 12.


(2)2値化投影パターンについて
ここで、図2(a)(b)(c)(d)には、コンピュータ12で生成される各種の2値化投影パターンの例が示されている。

(2) Binary Projection Pattern Here, FIGS. 2A, 2B, 2C, and 2D show examples of various binary projection patterns generated by the computer 12. FIG.

これら2値化投影パターンは、それぞれ一定の幅Wを有するとともに幅W方向と直交する所定の方向に延長するスリット状の光透過領域100aとスリットの枠に相当する光非透過領域100bとが、交互に連続するようにして形成されている。光透過領域100aと光非透過領域100bとの幅Wは、任意の大きさに設定することができる。   Each of these binarized projection patterns includes a slit-like light transmission region 100a having a constant width W and extending in a predetermined direction orthogonal to the width W direction, and a light non-transmission region 100b corresponding to a slit frame. It is formed so as to be continuous alternately. The width W between the light transmission region 100a and the light non-transmission region 100b can be set to an arbitrary size.

また、図2(a)(b)(c)(d)に示す2値化投影パターンにおいて、幅Wが最も狭い2値化投影パターンは図2(d)に示すものである。この図2(d)のように、それぞれ異なる複数の2値化投影パターンの中で幅Wが最も狭い2値化投影パターンは、「LSBパターン」と一般に称される。   Further, in the binarized projection patterns shown in FIGS. 2A, 2B, 2C, and 2D, the binarized projection pattern having the narrowest width W is as shown in FIG. As shown in FIG. 2D, a binarized projection pattern having the narrowest width W among a plurality of different binarized projection patterns is generally referred to as an “LSB pattern”.

なお、こうした2値化投影パターンは、従来より周知の技術であるためその詳細な説明は省略する。   In addition, since such a binarized projection pattern is a conventionally well-known technique, the detailed description is abbreviate | omitted.


(3)測定装置10の制御システムについて
次に、図3には、コンピュータ12により実現される測定装置10の制御システムのブロック構成説明図が示されている。

(3) Control System of Measuring Device 10 Next, FIG. 3 is a block diagram illustrating a control system of the measuring device 10 realized by the computer 12.

この制御システムは、投影機16で投影する処理に使用する複数の2値化投影パターンを決定して、当該決定した複数の2値化投影パターンを測定対象物14の表面に投影するとともに、当該決定した複数の2値化投影パターンの中のいずれか1つを幅W方向に所定の移動量だけシフト(移動)させながら測定対象物14の表面に投影するための制御を行う2値化投影パターン投影手段20と、撮影機18が撮影した画像をデジタル化して画像処理手段24(後述する。)へ送る画像入力手段22と、画像入力手段22から送られた画像を処理して測定対象物14の三次元情報を抽出する画像処理手段24とを有して構成されている。   The control system determines a plurality of binarized projection patterns to be used for the process of projecting by the projector 16, projects the determined binarized projection patterns onto the surface of the measurement object 14, and Binary projection for controlling to project any one of the determined binary projection patterns onto the surface of the measuring object 14 while shifting (moving) a predetermined movement amount in the width W direction. The pattern projection means 20, the image input means 22 that digitizes the image taken by the photographing machine 18 and sends it to the image processing means 24 (described later), and the image sent from the image input means 22 to process the measurement object 14 image processing means 24 for extracting three-dimensional information.

ここで、2値化投影パターン投影手段20は、図2に示すような2値化投影パターンを生成する2値化投影パターン生成部20aと、2値化投影パターン生成部20aにおいて生成された2値化投影パターンを測定対象物14へ投影するように投影機16を制御する2値化投影パターン投影制御部20bとを有して構成されている。   Here, the binarized projection pattern projecting means 20 includes a binarized projection pattern generation unit 20a that generates a binarized projection pattern as shown in FIG. 2 and 2 generated by the binarized projection pattern generation unit 20a. A binarized projection pattern projection control unit 20b that controls the projector 16 so as to project the binarized projection pattern onto the measurement object 14 is configured.

即ち、この2値化投影パターン投影手段20においては、2値化投影パターン生成部20aで所定の幅Wの光透過領域100aと光非透過領域100bとからなる複数の2値化投影パターンを生成する。   That is, in the binarized projection pattern projecting means 20, the binarized projection pattern generation unit 20a generates a plurality of binarized projection patterns including a light transmission region 100a and a light non-transmission region 100b having a predetermined width W. To do.

そして、オーバーサンプリング空間コード画像生成処理(後述する。)を行わない場合には、2値化投影パターン投影制御部20bが投影機16を制御して、2値化投影パターン生成部20aが生成した種類の異なる複数の2値化投影パターンを測定対象物14の表面にそれぞれ投影する。この際には、2値化投影パターン投影制御部20bは、測定対象物14の表面に投影する2値化投影パターンを幅W方向へシフトしない。   When the oversampling spatial code image generation process (described later) is not performed, the binarized projection pattern projection control unit 20b controls the projector 16 to generate the binarized projection pattern generation unit 20a. A plurality of different types of binarized projection patterns are respectively projected onto the surface of the measurement object 14. At this time, the binarized projection pattern projection control unit 20b does not shift the binarized projection pattern projected onto the surface of the measurement object 14 in the width W direction.

一方、オーバーサンプリング位相シフト画像生成処理(後述する。)を行う場合には、2値化投影パターン投影制御部20bが投影機16を制御して、2値化投影パターン生成部20aが生成した複数の2値化投影パターンのいずれか1つを測定対象物14の表面に投影する。この際には、2値化投影パターン投影制御部20bは、測定対象物14の表面に投影する2値化投影パターンを幅W方向に所定の移動量ずつ順次にシフトさせながら投影する。   On the other hand, when performing an oversampling phase shift image generation process (described later), the binarized projection pattern projection control unit 20b controls the projector 16, and a plurality of binarization projection pattern generation units 20a generate. Any one of the binarized projection patterns is projected onto the surface of the measurement object 14. At this time, the binarized projection pattern projection control unit 20b projects the binarized projection pattern projected onto the surface of the measurement object 14 while sequentially shifting the binarized projection pattern by a predetermined amount of movement in the width W direction.

この移動量は任意であり、幅Wよりも小さくてもよいし大きくてもよいが、この移動量が、測定対象物14における3次元形状の形状計測の測定分解能に関する最小分解能となる。   This amount of movement is arbitrary and may be smaller or larger than the width W, but this amount of movement becomes the minimum resolution regarding the measurement resolution of the shape measurement of the three-dimensional shape in the measurement object 14.

次に、画像入力手段22は、測定対象物14の表面に投影された2値化投影パターンを撮影機18により撮影し、当該撮影により得られた画像をデジタル化して画像処理手段24へ入力するものである。   Next, the image input unit 22 captures the binarized projection pattern projected on the surface of the measurement object 14 with the photographing machine 18, digitizes the image obtained by the photographing, and inputs the digitized image to the image processing unit 24. Is.

さらに、画像処理手段24は、画像入力手段22から送られた画像を処理して測定対象物14の三次元情報を抽出するものであり、2値化投影パターン生成部20aが生成した種類の異なる複数の2値化投影パターンを測定対象物14の表面にそれぞれ投影し、撮影機18により2値化投影パターンを投影された測定対象物14の表面を、当該種類の異なる複数の2値化投影パターン毎に撮影した画像を画像入力手段22から送られて、当該送られた画像をオーバーサンプリングしてオーバーサンプリング2値画像(オーバーサンプリングによりオーバーサンプリング2値画像を生成する処理の詳細については後述する。)を生成して当該生成したオーバーサンプリング2値画像を合成した画像(以下、「オーバーサンプリング空間コード画像」と適宜に称する。)を生成するオーバーサンプリング空間コード画像処理を行うオーバーサンプリング空間コード画像生成手段24aと、2値化投影パターン生成部20aが生成したいずれか1つの2値化投影パターンを幅W方向に所定の移動量だけ順次にシフトさせながら測定対象物14の表面に投影し、撮影機18により2値化投影パターンを投影された測定対象物14の表面をシフト毎に撮影した画像を画像入力手段22から送られて、当該送られた画像をオーバーサンプリングしてオーバーサンプリング2値画像を生成して当該生成したオーバーサンプリング2値画像を合成した画像(以下、「オーバーサンプリング位相シフト画像」と適宜に称する。)を生成するオーバーサンプリング位相シフト画像生成処理を行う位相シフト画像生成手段24bと、オーバーサンプリング空間コード画像生成手段24aにより得られたオーバーサンプリング空間コード画像(空間コード値)とオーバーサンプリング位相シフト画像生成手段24bにより得られたオーバーサンプリング位相シフト画像(シフトコード値)とを合成した画像たるオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像を生成するオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像生成手段24cと、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像生成手段24cにより得られたオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像を処理して測定対象物14の3次元形状情報を得る3次元形状情報取得手段24dとを有して構成されている。   Furthermore, the image processing means 24 processes the image sent from the image input means 22 and extracts the three-dimensional information of the measurement object 14, and the types generated by the binarized projection pattern generation unit 20a are different. A plurality of binarized projection patterns are respectively projected onto the surface of the measurement object 14, and the surface of the measurement object 14 onto which the binarized projection pattern is projected by the photographing machine 18 is a plurality of binary projections of different types. An image captured for each pattern is sent from the image input means 22, and the sent image is oversampled to obtain an oversampled binary image (details of processing for generating an oversampled binary image by oversampling will be described later). .) And an image obtained by synthesizing the generated oversampling binary image (hereinafter referred to as “oversampling space code image”). The oversampling space code image generation unit 24a that performs oversampling space code image processing and the binarized projection pattern generation unit 20a generates any one of the binarized projection patterns. An image obtained by projecting onto the surface of the measurement object 14 while sequentially shifting by a predetermined amount of movement in the W direction, and imaging the surface of the measurement object 14 onto which the binarized projection pattern is projected by the photographing machine 18 for each shift. An image (hereinafter referred to as an “oversampling phase-shifted image”) sent from the image input means 22, oversampled the sent image to generate an oversampling binary image and synthesize the generated oversampling binary image. Phase shift for performing oversampling phase shift image generation processing. Oversampling spatial code image (spatial code value) obtained by the image generation means 24b, oversampling spatial code image generation means 24a, and oversampling phase shift image (shift code value) obtained by the oversampling phase shift image generation means 24b ) And an oversampling phase shift space code image generation unit 24c that generates an oversampling phase shift space code image, and an oversampling phase shift space code image obtained by the oversampling phase shift space code image generation unit 24c. And a three-dimensional shape information acquisition means 24d for obtaining three-dimensional shape information of the measurement object 14 by processing the above.

そして、3次元形状情報取得手段24dにより取得された測定対象物14の3次元形状情報は、表示装置12fなどへ出力されて利用に供される。   The three-dimensional shape information of the measurement object 14 acquired by the three-dimensional shape information acquisition unit 24d is output to the display device 12f and the like for use.

なお、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像生成手段24cにより得られた画像たるオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像は空間コード画像であるので、3次元形状情報取得手段24dは、空間コード化法のアルゴリズムのままで測定対象物14の3次元形状情報を取得することができる。換言すれば、3次元形状情報取得手段24dは、従来より公知の技術により構築することができ、従来より公知の技術を利用して3次元形状情報が得られる。   Since the oversampling phase shift space code image, which is an image obtained by the oversampling phase shift space code image generation unit 24c, is a space code image, the three-dimensional shape information acquisition unit 24d remains the algorithm of the space coding method. Thus, the three-dimensional shape information of the measurement object 14 can be acquired. In other words, the three-dimensional shape information acquisition unit 24d can be constructed by a conventionally known technique, and three-dimensional shape information can be obtained using a conventionally known technique.


(4)動作について
以上の構成において、図4に示すフローチャートを参照しながら、測定装置10の動作について説明する。

(4) Operation In the above configuration, the operation of the measurement apparatus 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

即ち、この測定装置10において測定対象物14の3次元形状情報を得るには、まず、空間をコード化するために、所定の幅Wがそれぞれ異なる複数の2値化投影パターンを生成する(ステップS402)。   That is, in order to obtain the three-dimensional shape information of the measurement object 14 in the measurement apparatus 10, first, in order to code the space, a plurality of binarized projection patterns having different predetermined widths W are generated (steps). S402).

ここで、空間を分割するためのスリットの数をnとすると、logn枚の異なる2値化投影パターンを用意しなければならない。 Here, if the number of slits for dividing the space is n, log 2 n different binary projection patterns must be prepared.

次に、ステップS402で生成された2値化投影パターンの中で任意の一つを選択して、オーバーサンプリング位相シフト画像を生成するオーバーサンプリング位相シフト画像生成処理を行う(ステップS404)。即ち、投影機16により、選択した2値化投影パターンを幅W方向に所定の移動量だけ順次にシフトさせながら測定対象物14の表面に投影し、撮影機18により2値化投影パターンを投影された測定対象物14の表面をシフト毎に撮影した画像を画像入力手段22から送られて、当該送られた画像をオーバーサンプリングしてオーバーサンプリング2値画像を生成して当該生成したオーバーサンプリング2値画像を合成したオーバーサンプリング位相シフト画像を生成する。   Next, an arbitrary one of the binarized projection patterns generated in step S402 is selected, and an oversampling phase shift image generation process for generating an oversampling phase shift image is performed (step S404). In other words, the selected binarized projection pattern is projected onto the surface of the measuring object 14 by the projector 16 while being sequentially shifted by a predetermined movement amount in the width W direction, and the binarized projection pattern is projected by the photographing machine 18. An image obtained by photographing the surface of the measured object 14 for each shift is sent from the image input means 22, and the oversampling 2 generated by oversampling the sent image to generate an oversampling binary image. An oversampling phase shift image obtained by synthesizing the value images is generated.

つまり、オーバーサンプリング位相シフト画像生成処理においては、後述するオーバーサンプリング空間コード画像生成処理に必要な2値化投影パターンのうちの任意の一つを選択して用いるものであり、このオーバーサンプリング位相シフト画像生成処理で用いる2値化投影パターンを「シフトパターン」と適宜に称することとする。   That is, in the oversampling phase shift image generation process, any one of the binarized projection patterns necessary for the oversampling spatial code image generation process described later is selected and used. The binarized projection pattern used in the image generation process will be appropriately referred to as a “shift pattern”.

シフトパターンとしては、原理的にはいずれの2値化投影パターンを用いてもよく、いずれの2値化投影パターンでも同様の効果を得ることが可能であるが、シフト数を考慮すると最も幅Wの狭い2値化投影パターン、即ち、LSBパターンを用いることが好ましいものである。   As a shift pattern, any binarized projection pattern may be used in principle, and any binarized projection pattern can obtain the same effect. However, the width W is the largest in consideration of the number of shifts. It is preferable to use a narrow binarized projection pattern, that is, an LSB pattern.

即ち、シフトパターンとしては、原理的にはいずれの2値化投影パターンを用いても同様な作用効果を得ることができるが、オーバーサンプリング位相シフト画像生成処理においてはシフト毎に2値化投影パターンを投影された測定対象物14の画像を撮影するため、撮影枚数が最も少なくなる、換言すれば、シフト回数が最も少なくなるLSBパターンを用いてそれをシフトすることが好ましい。   That is, as a shift pattern, in principle, the same effect can be obtained by using any binarized projection pattern. However, in the oversampling phase shift image generation process, a binarized projection pattern for each shift. In order to capture an image of the measurement object 14 projected with the above, it is preferable to shift the LSB pattern using the LSB pattern that minimizes the number of captured images, in other words, minimizes the number of shifts.

また、シフトパターンをシフトする際のシフト毎の移動量(以下、「シフトピッチ」と適宜に称する。)は、測定装置10のユーザーが希望する測定分解能のピッチでよく、このシフトピッチが最小分解能となる。なお、投影機16の最小ドットピッチを採用すると、投影機16の解像度に影響を受けることなく最も測定分解能が高くすることができる。   Further, the amount of movement for each shift when shifting the shift pattern (hereinafter referred to as “shift pitch” as appropriate) may be the pitch of the measurement resolution desired by the user of the measurement apparatus 10, and this shift pitch is the minimum resolution. It becomes. If the minimum dot pitch of the projector 16 is adopted, the measurement resolution can be maximized without being affected by the resolution of the projector 16.

また、シフトパターンは、そのパターンの1周期以内で複数回シフトするものとする。即ち、シフトパターンのシフト幅は、例えば、LSBパターンの光透過領域100aと光非透過領域100bとの位置が入れ替わる1/2位相反転する範囲までシフトする。   The shift pattern is shifted a plurality of times within one cycle of the pattern. That is, the shift width of the shift pattern is shifted to, for example, a range in which the phase of the LSB pattern is inverted by half phase in which the positions of the light transmission region 100a and the light non-transmission region 100b are switched.

ここで、測定対象物14の表面をシフト毎に撮影した画像から生成したオーバーサンプリング2値画像を合成してオーバーサンプリング位相シフト画像を生成する際には、シフト毎のオーバーサンプリング2値画像をそれぞれに重み無く(または、同一の重みでもよい。)足し込むことで、シフトピッチを最小分解能とするオーバーサンプリング空間コード画像たるオーバーサンプリング位相シフト画像を生成する。   Here, when generating an oversampling phase shift image by synthesizing an oversampling binary image generated from an image obtained by photographing the surface of the measurement object 14 for each shift, each oversampling binary image for each shift is generated. Are added without weight (or may have the same weight) to generate an oversampling phase-shifted image that is an oversampling spatial code image having a minimum resolution of the shift pitch.

なお、オーバーサンプリング位相シフト画像は、2値化投影パターンのストライプ幅間隔である幅W間隔でコード値が繰り返され、生成される位相シフト画像中に同一コード値が複数存在するようになる。このため、オーバーサンプリング位相シフト画像生成処理においては、撮影空間に対して絶対的なコード値は生成されない。   In the oversampling phase shift image, code values are repeated at the width W interval, which is the stripe width interval of the binarized projection pattern, and a plurality of identical code values exist in the generated phase shift image. For this reason, in the oversampling phase shift image generation process, an absolute code value is not generated for the imaging space.

また、後述するように、2値化投影パターンに「グレイコード」を採用した場合には、足し込みの前にBit演算をすることが望ましい。   Further, as will be described later, when a “gray code” is adopted for the binarized projection pattern, it is desirable to perform a bit calculation before adding.

上記したステップS404の処理を終了すると、ステップS406の処理へ進み、ステップS402で生成された所定の幅Wがそれぞれ異なる複数の2値化投影パターンを用いて、オーバーサンプリング空間コード画像を生成するオーバーサンプリング空間コード画像生成処理を行う。即ち、投影機16により、種類の異なる複数の2値化投影パターンを測定対象物14の表面にそれぞれ投影し、撮影機18により2値化投影パターンを投影された測定対象物14の表面を、当該種類の異なる複数の2値化投影パターン毎に撮影した画像を画像入力手段22から送られて、当該送られた画像をオーバーサンプリングしてオーバーサンプリング2値画像を生成して当該生成したオーバーサンプリング2値画像を合成したオーバーサンプリング空間コード画像を生成する。   When the process of step S404 is completed, the process proceeds to step S406, and an oversampling spatial code image for generating an oversampling spatial code image is generated using a plurality of binary projection patterns having different predetermined widths W generated in step S402. A sampling space code image generation process is performed. That is, the projector 16 projects a plurality of different types of binarized projection patterns onto the surface of the measurement object 14, and the surface of the measurement object 14 onto which the binarized projection pattern is projected by the photographing machine 18, Images taken for each of a plurality of different types of binarized projection patterns are sent from the image input means 22, oversampling the sent images to generate an oversampling binary image, and the generated oversampling An oversampling space code image obtained by synthesizing the binary image is generated.

つまり、オーバーサンプリング空間コード画像生成処理においては、例えば、シフトパターンとしてLSBパターンを選択したならば、シフトさせる前のLSBパターンも含めた2値化投影パターンを測定対象物14の表面に投影し、従来より公知の、所謂、空間コード画像を生成する。   That is, in the oversampling spatial code image generation process, for example, if an LSB pattern is selected as a shift pattern, a binarized projection pattern including the LSB pattern before the shift is projected onto the surface of the measurement object 14, A so-called spatial code image known in the art is generated.

このオーバーサンプリング空間コード画像の分解能はLSBパターンのストライプ幅であるが、撮影空間に対して絶対的なコードとなる。   The resolution of this oversampling space code image is the stripe width of the LSB pattern, but is an absolute code for the shooting space.

次に、ステップS404で生成したオーバーサンプリング位相シフト画像とステップS406で生成したオーバーサンプリング空間コード画像とを合成して、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像を生成するオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像生成処理を行う(ステップS408)。このオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像は、撮影空間に対して相対的なコード値の画像たるオーバーサンプリング位相シフト画像と撮影空間に対して絶対的なコード値の画像たるオーバーサンプリング空間コード画像との合成であるため、これにより生成されたオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像は、シフトピッチを測定分解能とし、かつ、撮影空間に対して絶対的なコード値の画像となる。即ち、シフトピッチまで細分化(高分解能化)された絶対的なコード画像(コード値)が生成される。   Next, an oversampling phase shift space code image generation process for generating an oversampling phase shift space code image by synthesizing the oversampling phase shift image generated in step S404 and the oversampling space code image generated in step S406 is performed. This is performed (step S408). This oversampling phase shift space code image is a combination of an oversampling phase shift image that is an image with a code value relative to the shooting space and an oversampling space code image that is an image with an absolute code value with respect to the shooting space. Therefore, the oversampling phase shift space code image generated thereby is an image having a shift pitch as a measurement resolution and an absolute code value with respect to the imaging space. That is, an absolute code image (code value) subdivided (high resolution) up to the shift pitch is generated.

ステップS408の処理を終了すると、ステップS410の処理へ進み、ステップS408で生成されたオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像に基づいて、測定対象物14の3次元形状情報を取得する3次元形状情報取得処理を行う。即ち、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像は空間コード画像であるため、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像を空間コード画像として扱い、従来より公知の技術を用いて測定対象物14の3次元形状情報を取得する。   When the process of step S408 is completed, the process proceeds to the process of step S410, and the three-dimensional shape information acquisition process of acquiring the three-dimensional shape information of the measurement object 14 based on the oversampling phase shift space code image generated in step S408. I do. That is, since the oversampling phase shift spatial code image is a spatial code image, the oversampling phase shift spatial code image is treated as a spatial code image, and the three-dimensional shape information of the measurement object 14 is obtained using a conventionally known technique. To do.

そして、ステップS410の3次元形状情報取得処理により取得された測定対象物14の3次元形状情報は、表示装置12fなどへ出力されて各種の利用に供される。   Then, the three-dimensional shape information of the measurement object 14 acquired by the three-dimensional shape information acquisition process in step S410 is output to the display device 12f and the like for use in various ways.


(5)シフトパターンのシフトの原理
次に、シフトパターンをシフトしながら各シフト毎における測定対象物14の表面へ投影された2値化投影パターンの画像(以下、「2値化投影パターン画像」と適宜に称する。)を撮影する手法の原理について、以下により詳細に説明することとする。また、この「(5)シフトパターンのシフトの原理」の説明においては、当該原理の理解を容易にするために、シフトパターンのシフト毎に測定対象物14の表面を撮影した画像をオーバーサンプリングせず当該画像を単に合成して生成した画像たる位相シフト画像と、複数の2値化投影パターン毎に測定対象物14の表面を撮影した画像をオーバーサンプリングせず当該画像を単に合成して生成した画像たる空間コード画像(従来の空間コード画像である。)とを例にして説明する。

(5) Principle of Shift Pattern Shift Next, an image of a binarized projection pattern projected on the surface of the measurement object 14 for each shift while shifting the shift pattern (hereinafter referred to as “binarized projection pattern image”). The principle of the method of photographing will be described in more detail below. In the explanation of “(5) Shift pattern shift principle”, in order to facilitate understanding of the principle, an image obtained by photographing the surface of the measurement object 14 is oversampled for each shift of the shift pattern. The phase shift image, which is an image generated by simply synthesizing the image, and the image obtained by photographing the surface of the measurement object 14 for each of a plurality of binarized projection patterns are generated by simply synthesizing the image without oversampling. A spatial code image (a conventional spatial code image) as an image will be described as an example.

まず、図5(a)(b)(c)には、光非透過領域(図5においてハッチングで示す領域)が、16分割したシフトピッチ幅で図上左側から右側へシフトパターンをシフトして、光透過領域(図5においてハッチングされていない領域)と光非透過領域とが反転する位置までシフトしたときにおける、各シフトパターンのシフト状態と各シフトピッチに対応するコード値とが示されている。なお、図5(a)(b)(c)において、黒1〜nは、シフトパターンをシフトしたことで光非透過領域がシフトパターンを含めて何回であったかを示している。   First, in FIGS. 5A, 5B, and 5C, the light non-transmission region (the region indicated by hatching in FIG. 5) is obtained by shifting the shift pattern from the left side to the right side with a shift pitch width divided into 16 parts. The shift state of each shift pattern and the code value corresponding to each shift pitch when the light transmission region (the non-hatched region in FIG. 5) and the light non-transmission region are shifted to the reverse position are shown. Yes. In FIGS. 5A, 5B, and 5C, black 1 to n indicate how many times the light non-transmission region includes the shift pattern by shifting the shift pattern.

ここで、図5(a)は、シフトピッチを分解能とした空間に分割する場合を示すものであり、シフトパターンを撮影した画像と、シフトごとに撮影した各画像の中の同一画素の2値化された値を単純に加算することによって空間を分割する。   Here, FIG. 5A shows a case where the shift pitch is divided into a space with the resolution as the resolution, and an image obtained by photographing the shift pattern and binary of the same pixel in each image photographed for each shift. The space is divided by simply adding the normalized values.

例えば、図5(b)に示すように、シフトパターンを予め二分割しておけばシフト回数は1/2になり、撮影枚数ならびに撮影時間はともに1/2となる。   For example, as shown in FIG. 5B, if the shift pattern is divided into two in advance, the number of shifts is halved, and the number of shots and the shooting time are both halved.

同様に、図5(c)に示すように、シフトパターンを4分割にすれば、シフト回数は1/4になり、さらに分割していけば同様に撮影枚数が減り、撮影時間も短縮することができる。   Similarly, as shown in FIG. 5C, if the shift pattern is divided into four, the number of shifts is reduced to ¼, and if further divided, the number of shots is reduced and the shooting time is shortened. Can do.

このことから、シフトパターンとしては、2値化投影パターンの中で最もストライプ幅の小さい、即ち、分割数の多いLSBパターンを選択することがより効率的である。   For this reason, as the shift pattern, it is more efficient to select the LSB pattern having the smallest stripe width among the binarized projection patterns, that is, the number of divisions.

また、図5(b)および図5(c)に示すように、位相シフト画像は、2値化投影パターンのストライプの幅Wの間隔でコード値が繰り返され、生成される位相シフト画像中に同一コード値が複数存在することになる。このため、撮影空間に対して絶対的なコード値は生成されない。   In addition, as shown in FIGS. 5B and 5C, the phase shift image includes code values that are repeated at intervals of the width W of the stripes of the binarized projection pattern. There will be multiple identical code values. For this reason, an absolute code value is not generated for the shooting space.

しかしながら、シフトパターンをシフトさせることによって得られた同一コード値は、シフトパターンの光透過領域と光非透過領域という2値化された値の中では、複数回発生しないという特徴を備えている。   However, the same code value obtained by shifting the shift pattern has a feature that it does not occur a plurality of times in the binarized values of the light transmission region and the light non-transmission region of the shift pattern.

例えば、図5(c)において、「光非透過領域|光透過領域|光非透過領域|光透過領域」という2値化投影パターンで4分割されたパターンをシフトパターンとした場合、「黒1」というコード値は4カ所に発生している。   For example, in FIG. 5C, when the pattern divided into four by the binarized projection pattern “light non-transmission area | light transmission area | light non-transmission area | light transmission area” is used as the shift pattern, “black 1 "Has occurred in four places.

しかしながら、シフトパターンの中の「光透過領域」の中には1カ所しか発生しない。同様に、シフトパターンの中の「光非透過領域」の中にも「黒1」というコード値は1カ所しかない。   However, only one place occurs in the “light transmission region” in the shift pattern. Similarly, there is only one code value “black 1” in the “light non-transmission region” in the shift pattern.

ここで、シフトさせる前のシフトパターンも含めた2値化投影パターンを投影および撮影し空間コード画像を生成すると、当該空間コード画像の分解能はLSBパターンのストライプ幅であるが、撮影空間に対して絶対的なコード値となる。   Here, when a binary code pattern including a shift pattern before shifting is projected and photographed to generate a spatial code image, the resolution of the spatial code image is the stripe width of the LSB pattern, Absolute code value.

即ち、図6に示すように、シフトパターンの「右側の光透過領域」は「空間コード0」、「左側の光非透過領域」は「空間コード3」というように撮影空間を一意にコード化できる。   That is, as shown in FIG. 6, the shooting space is uniquely coded such that “right light transmissive area” of the shift pattern is “space code 0” and “left light non-transmissive area” is “space code 3”. it can.

従って、図7に示すように、撮影空間に対して相対的なコード値を持つ位相シフト画像と、絶対的なコード値を持つ空間コード画像との複雑な演算システムを必要としない足し合わせによる合成により、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ画像たる位相シフト空間コード画像を生成することができる。   Therefore, as shown in FIG. 7, a composition by adding together a phase shift image having a code value relative to the imaging space and a space code image having an absolute code value is not required. Thus, it is possible to generate a phase shift space code image that is an image having a shift pitch as a resolution and an absolute code value with respect to the imaging space.

これにより、例えば、空間を16分割するのに16回のシフトや撮影を行わずに撮影枚数を減少させ、撮影時間を短縮することができるようになる。   As a result, for example, the number of shots can be reduced without performing 16 shifts or shooting to divide the space into 16, so that the shooting time can be shortened.

なお、上記においては、バイナリコードを用いた場合について説明したが、一般に用いられているグレイコードでも原理は同じである。   In the above description, the case where a binary code is used has been described. However, the principle is the same for a commonly used gray code.

ここで、グレイコードで表現した2値化投影パターンを使用し、位相シフト空間コード画像を公知の表計算ソフトウェアを用いて処理した結果を図8に示す。   Here, FIG. 8 shows the result of processing a phase shift space code image using a known spreadsheet software using a binarized projection pattern expressed in Gray code.

なお、図8において、光透過領域は「1」、光非透過領域は「0」で表され、空間コード値は実際は255までであるが、35までのみが表示されている。   In FIG. 8, the light transmission area is represented by “1”, the light non-transmission area is represented by “0”, and the space code value is actually up to 255, but only up to 35 is displayed.

また、投影機の解像度が、2値化投影パターンにおけるLSBパターンのストライプの幅の4倍であるとしてシフトさせているため、バイナリコードであれば4回のシフトとなるが、グレイコードのため7回シフトとなっている。   Further, since the resolution of the projector is shifted assuming that it is four times the stripe width of the LSB pattern in the binarized projection pattern, the shift is four times if it is a binary code, but it is 7 because it is a gray code. It has been shifted times.

G32〜G1はグレイコードで表現した2値化投影パターンを示し、S1〜S7はG1(LSB)を位相シフトしたパターンを示す。   G32 to G1 indicate binarized projection patterns expressed in gray code, and S1 to S7 indicate patterns obtained by phase shifting G1 (LSB).

足し合わせの覧には、位相シフトを単純に足し込みをした値を示している。ここで、足し合わせを行った位相シフト画像は「0〜3」までの変化でなくてはならないものが、「0〜7」「7〜0」と大きさと変化の方向が一定でなくなっている。   In the list of addition, a value obtained by simply adding the phase shift is shown. Here, the phase shift image that has been added must change from “0 to 3”, but the size and direction of change are not constant, “0 to 7” and “7 to 0”. .

このままでも空間コード画像との合成は可能であるが、三次元情報抽出時の演算が複雑になってしまうので、空間コード画像との合成の前に図9に示すBit演算を行うことで大きさと変化の方向をバイナリコードから生成された空間コード画像に合わせる値で示した。   Although it can be combined with the spatial code image as it is, the calculation at the time of extracting the three-dimensional information becomes complicated. Therefore, by performing the Bit calculation shown in FIG. The direction of change is indicated by a value that matches the spatial code image generated from the binary code.

変換データの覧には、G32〜G1のグレイコードパターンをバイナリコードパターンに変換した値を示す。バイナリ空間コードはバイナリコードから生成された空間コード画像を示す。   The conversion data list shows values obtained by converting the G32 to G1 gray code patterns into binary code patterns. The binary spatial code indicates a spatial code image generated from the binary code.

Bit演算によりグレイコードからバイナリコードに変換された位相シフト画像とバイナリコードから生成された空間コード画像を合成した位相シフト空間コード画像は、図10に示すように、グラフの傾きが階段状になっているバイナリコードから生成された空間コード画像に対し、位相シフト空間コード画像ではグラフの傾きが直線状となり分解能が向上したことがわかる。   As shown in FIG. 10, the phase shift spatial code image obtained by synthesizing the phase shift image converted from the gray code to the binary code by the bit operation and the spatial code image generated from the binary code has a staircase graph as shown in FIG. In contrast to the spatial code image generated from the binary code, the phase shift spatial code image shows that the slope of the graph is linear and the resolution is improved.


(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について
ここで、シフトパターンのシフト幅が撮影画像の1画素に満たない場合には、例えば、図11(b)に示すような不具合が生じる場合ある。

(6) Generation of Oversampling Binary Image Here, when the shift width of the shift pattern is less than one pixel of the captured image, for example, a problem as shown in FIG. 11B may occur.

即ち、図11(a)(b)には、0〜3の4段階に変化する相対的な空間コードをグレイスケール値で示した位相シフト画像の一例の一部を拡大した画像が示されているが、シフトパターンのシフト幅が撮影画像の1画素幅より大きい場合には、図11(a)に示すように、4段階の値が順に変化している様子が明らかな位相シフト画像が得られる。   That is, FIGS. 11A and 11B show images obtained by enlarging a part of an example of a phase shift image in which a relative spatial code that changes in four stages of 0 to 3 is represented by a gray scale value. However, when the shift width of the shift pattern is larger than one pixel width of the photographed image, a phase-shifted image is obtained in which the values of the four levels change in order as shown in FIG. It is done.

しかしながら、シフトパターンのシフト幅が撮影画像の1画素幅に満たない場合には、図11(b)に示すように、シフト幅をとらえるための標本化ピッチが足りず(即ち、標本化定理を満たしていない。)、4段階あるはずのコード値が丸められてしまい、4段階の値が順に変化している様子が見えない位相シフト画像となる。   However, when the shift width of the shift pattern is less than one pixel width of the photographed image, as shown in FIG. 11B, the sampling pitch for capturing the shift width is insufficient (that is, the sampling theorem is The code values that should have four levels are rounded, resulting in a phase-shifted image in which the values of the four levels change in sequence are not visible.

こうした図11(b)に示すような箇所では、各シフト時におけるシフトパターンの光透過領域と光非透過領域との境界(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「パターン境界」と適宜に称する。)の座標(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「パターン境界座標」と適宜に称する。)と相対的な空間コードとを高精度に取得できないため、3次元座標を適正に計算することができない恐れがある。   In such a place as shown in FIG. 11B, in the section of the boundary between the light transmission region and the light non-transmission region of the shift pattern at each shift (hereinafter referred to as “(6) Generation of Oversampling Binary Image”). Is appropriately referred to as “pattern boundary”) (hereinafter referred to as “pattern boundary coordinates” in the section “(6) Generation of Oversampled Binary Image”). Since the spatial code cannot be obtained with high accuracy, there is a possibility that the three-dimensional coordinates cannot be calculated properly.

ここで、シフトパターンの1段階のシフト幅を確実に標本化するためには、標本化定理より、シフト幅が画像入力の標本化ピッチの倍以上であることが必要がある。   Here, in order to sample the shift width of one step of the shift pattern with certainty, the shift width needs to be more than twice the sampling pitch of the image input according to the sampling theorem.

このため、例えば、4段階のコードが1画素に集約されている場合には、サンプリング周波数を8倍(標本化定理より、「4×2=8」である。)すればよい。   For this reason, for example, when four stages of codes are integrated into one pixel, the sampling frequency may be multiplied by eight (by the sampling theorem, “4 × 2 = 8”).

しかし、実際に撮影画素数を8倍に上げるとするならば、例えば、VGA(Video Graphic Array)サイズを基本とすると、
640×8=5120
となり、撮影機18として5120ピクセル(画素)のものが必要となるものであった。
However, if the number of captured pixels is actually increased by a factor of 8, for example, based on the VGA (Video Graphic Array) size,
640 × 8 = 5120
As a result, a 5120 pixel (pixel) camera is required as the camera 18.

このため、本発明においては、オーバーサンプリング技術を利用してオーバーサンプリング2値画像を生成し、疑似的にサンプリング周波数を逓倍するようにしたものである。   For this reason, in the present invention, an oversampling binary image is generated using an oversampling technique, and the sampling frequency is artificially multiplied.

このオーバーサンプリング2値画像の生成について、図12を参照しながら疑似的にサンプリング周波数を8倍にする場合を例に説明すると、まず、シフトパターンを撮影画像の1画素幅に満たないシフト幅で順次にシフトさせながら測定対象物14の表面に投影し、撮影機18により2値化投影パターンを投影された測定対象物14の表面をシフト毎に撮影した画像(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「シフト画像」と適宜に称する。)について、各シフト画像のポジパターン(撮影した状態における輝度情報を示す画像)と各シフト画像のネガパターン(ポジパターンを反転した状態における輝度情報を示す画像)とのそれぞれの輝度情報から2値画像を生成する際に、シフト方向(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「x方向」と適宜に称する。)の画素数を元の画素の8倍にする。このようにすることにより、シフトパターンにおけるパターン境界をより高精度に特定することができるようになる。   The generation of this oversampling binary image will be described by taking as an example a case where the sampling frequency is artificially increased by 8 times with reference to FIG. 12. First, the shift pattern is set to a shift width less than one pixel width of the photographed image. An image (hereinafter referred to as “(6) oversampling”), which is projected on the surface of the measurement object 14 while being sequentially shifted, and the surface of the measurement object 14 onto which the binarized projection pattern is projected by the photographing device 18 is photographed for each shift. In the section “Regarding the Generation of Binary Image”, it is referred to as “shift image” as appropriate.) For each shift image, a positive pattern (an image showing luminance information in a photographed state) and a negative pattern (positive image) for each shift image. When generating a binary image from the respective luminance information with the image in which the pattern is inverted, the shift direction (hereinafter referred to as the luminance information) In the section "(6) for generating the oversampled binary image" is appropriately referred. Number of pixels) to 8 times the original pixel and the "x direction". By doing so, the pattern boundary in the shift pattern can be specified with higher accuracy.

次に、パターン境界付近におけるポジパターン輝度分布曲線とネガパターン輝度分布曲線とが交差する座標(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「交差座標」と適宜に称する。)xc×8(図12においては、元の画素の交差座標を「xc」で示す。)の座標値を、サブピクセルの単位で実数値として求める(なお、この求め方については、例えば、井口征士・佐藤宏介著の「三次元画像計測」(1990年 昭晃堂発行)の第113頁〜第114頁を参照する。)。   Next, in the section where the positive pattern luminance distribution curve and the negative pattern luminance distribution curve intersect in the vicinity of the pattern boundary (hereinafter referred to as “(6) Generation of Oversampled Binary Image”) The coordinate value of xc × 8 (in FIG. 12, the crossing coordinate of the original pixel is indicated by “xc”) is obtained as a real value in units of subpixels (how to obtain this, (For example, see pages 113 to 114 of "Three-dimensional image measurement" by Seiji Iguchi and Kosuke Sato (published by Shoshodo in 1990)).

次に、上記で求めた実数値の小数部を切り捨てた値を交差座標xc×8のピクセル単位の座標値として設定し、当該交差座標xc×8の画素よりもx方向左側の座標(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「輝度変化左側座標」と適宜に称する。)の画素をxl×8(図12においては、元の画素の輝度変化左側座標「xl」で示す。)で表し、当該交差座標xc×8の画素よりもx方向右側の座標(以下、「(6)オーバーサンプリング2値画像の生成について」の項においては、「輝度変化右側座標」と適宜に称する。)の画素をxr×8(図12においては、元の画素の輝度変化左側座標「xr」で示す。)で表すとき、輝度変化左側座標xl×8〜交差座標xc×8までを「1」(または「0」)とし、交差座標xc×8〜輝度変化右側座標xr×8までを「0」(または「1」)、即ち、輝度変化左側座標xl×8〜交差座標xc×8の反転値として2値画像を生成する。本明細書においては、こうして生成された2値画像をオーバーサンプリング2値画像と称している。   Next, a value obtained by rounding down the fractional part of the real value obtained above is set as a coordinate value in a pixel unit of the intersection coordinate xc × 8, and a coordinate (hereinafter, referred to as “x”) on the left side in the x direction from the pixel of the intersection coordinate xc × 8. In the section “(6) Generation of Oversampled Binary Image”, the pixel of “luminance change left coordinate” is appropriately referred to as xl × 8 (in FIG. 12, the luminance change left coordinate of the original pixel). In the section “(6) Generation of Oversampling Binary Image” in the section of the right side in the x direction with respect to the pixel of the intersection coordinate xc × 8 (denoted by “xl”). When the pixel of “coordinate” is appropriately referred to as xr × 8 (in FIG. 12, the luminance change left side coordinate “xr” of the original pixel), the luminance change left side coordinate xl × 8 to the intersection coordinate xc Up to × 8 is "1" (or "0 ), And the intersection coordinate xc × 8 to the luminance change right coordinate xr × 8 is “0” (or “1”), that is, the binary image as the inverted value of the luminance change left coordinate xl × 8 to the intersection coordinate xc × 8 Is generated. In this specification, the binary image generated in this way is referred to as an oversampling binary image.

そして、上記したステップS404の処理においては、上記した手法により全てのシフト画像に対してオーバーサンプリング2値画像を生成し、生成したオーバーサンプリング2値画像を合成して、x方向に画素が8倍に拡大されたサイズのままの位相シフト画像であるオーバーサンプリング位相シフト画像を生成する。   Then, in the process of step S404 described above, oversampling binary images are generated for all the shifted images by the above-described method, and the generated oversampling binary images are synthesized, so that the number of pixels in the x direction is 8 times. An oversampling phase-shift image that is a phase-shift image that is still enlarged in size is generated.

ここで、図13には、図11(b)に示す領域と同一の領域に関して生成されたオーバーサンプリング位相シフト画像を示すものである。これら図11(b)と図13とを比較すると明らかなように、図11(b)では標本化できていなかった位相シフト幅が高精度で得られている。   Here, FIG. 13 shows an oversampling phase shift image generated for the same region as the region shown in FIG. As is clear from comparison between FIG. 11B and FIG. 13, the phase shift width that could not be sampled in FIG. 11B is obtained with high accuracy.

また、上記したステップS406の処理においては、上記した手法を用いて、複数の2値化投影パターンを投影した全ての画像に対してオーバーサンプリング2値画像を生成し、生成したオーバーサンプリング2値画像を合成して、x方向に画素が8倍に拡大されたサイズのままの空間コード画像であるオーバーサンプリング空間コード画像を生成する。   Further, in the process of step S406 described above, an oversampling binary image is generated for all images obtained by projecting a plurality of binarized projection patterns using the above-described method, and the generated oversampling binary image is generated. Are combined to generate an oversampling spatial code image that is a spatial code image with a size in which the pixels are enlarged eight times in the x direction.

そして、ステップS408においては、ステップS404で生成されたオーバーサンプリング位相シフト画像とステップS406で生成されたオーバーサンプリング空間コード画像とをを合成して、x方向に画素が8倍に拡大されたサイズのままの位相シフト空間コード画像であるオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像を生成する。   In step S408, the oversampling phase-shifted image generated in step S404 and the oversampling spatial code image generated in step S406 are synthesized, and the size of the pixel is expanded eight times in the x direction. An oversampling phase shift space code image that is a phase shift space code image as it is is generated.

ステップS410においては、ステップS408で生成されたオーバーサンプリング位相シフト空間コード画像に基づいて3次元形状情報を取得することになる。具体的には、オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像の各画素座標とコード値とを用いて三次元座標を計算する。   In step S410, three-dimensional shape information is acquired based on the oversampling phase shift space code image generated in step S408. Specifically, a three-dimensional coordinate is calculated using each pixel coordinate and code value of the oversampling phase shift space code image.

この際に、シフトパターンのシフト方向であるx方向の画素数が8倍になっているので、画像座標値を1/8にしてから三次元座標値を計算する必要がある。   At this time, since the number of pixels in the x direction, which is the shift direction of the shift pattern, is 8 times, it is necessary to calculate the three-dimensional coordinate value after reducing the image coordinate value to 1/8.

ここで、全ての画素について上記した計算を行うとデータ数が膨大になり無駄も大きいため、データ点数がオーバーサンプリングしない場合と同じとなるように、x方向に8画素おきに画像座標値を1/8にしてから三次元座標値を計算すればよい。   Here, if the above calculation is performed for all the pixels, the number of data becomes enormous and wasteful, and therefore, the image coordinate value is set to 1 every 8 pixels in the x direction so that the number of data points is the same as when no oversampling is performed. The three-dimensional coordinate value may be calculated after setting to / 8.

なお、単純に8画素おきに計算したのでは、オーバーサンプリング2値画像生成時に求めたパターン境界のサブピクセル座標値を十分に利用することができないため、当該8画素おき画素の座標に最も近くでパターン境界がサブピクセル推定された箇所の座標値を用いて、三次元座標値を計算することにより標本化誤差を軽減することができるようになる。   Note that if the calculation is simply performed every 8 pixels, the sub-pixel coordinate value of the pattern boundary obtained at the time of oversampling binary image generation cannot be sufficiently utilized. Sampling errors can be reduced by calculating the three-dimensional coordinate value using the coordinate value of the place where the pattern boundary is estimated as the subpixel.


(7)測定装置10の作用効果
上記したように、オーバーサンプリング2値画像を用いることにより、極度に高解像度の撮影機を必要とせずに、低い解像度で撮影しても、パターン境界を高精度で推定でき、空間コード法の解像度を向上することができる。

(7) Operational effect of the measuring apparatus 10 As described above, by using the oversampling binary image, the pattern boundary can be accurately obtained even when photographing at a low resolution without requiring an extremely high resolution photographing machine. And the resolution of the spatial code method can be improved.

即ち、上記した測定装置10においては、シフトパターンをシフトする機能およびオーバーサンプリング位相シフト画像とオーバーサンプリング空間コード画像とを合成する機能以外の特別な構成を必要とせずに、従来の空間コード化法で用いる構成を用いて、撮影画像の合成だけで高解像度の空間コード画像が生成でき、これにより測定対象物14の3次元形状計測の分解能を向上することができる。   That is, the above-described measurement apparatus 10 does not require a special configuration other than the function of shifting the shift pattern and the function of synthesizing the oversampling phase shift image and the oversampling spatial code image, and the conventional spatial coding method. Using the configuration used in the above, it is possible to generate a high-resolution spatial code image only by synthesizing the captured image, thereby improving the resolution of the three-dimensional shape measurement of the measurement object 14.

また、上記した測定装置10においては、測定分解能はシフトピッチに依存し、2値化投影パターンのストライプの幅Wとは独立しているため、LSBパターンのストライプの幅Wは、投影機16や撮影機18の解像度に応じてLSBパターンのストライプが識別が可能な幅とすることができる。   In the measurement apparatus 10 described above, the measurement resolution depends on the shift pitch and is independent of the stripe width W of the binarized projection pattern. Depending on the resolution of the camera 18, the width of the LSB pattern stripes can be identified.


(8)測定装置10の変形例について
なお、上記した実施の形態は、以下の(a)〜(d)に説明するように適宜に変形してもよい。

(8) Modification of Measurement Device 10 Note that the above-described embodiment may be appropriately modified as described in the following (a) to (d).

(a)上記した実施の形態においては、画素数をx方向へ8倍した場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、標本化定理を満たすのであれば、如何なる倍率でもよい。   (A) In the above-described embodiment, the case where the number of pixels is multiplied by 8 in the x direction has been described. However, the present invention is not limited to this, and any magnification can be used as long as the sampling theorem is satisfied. But you can.

(b)上記した実施の形態においては、オーバーサンプリング位相シフト画像生成処理を行った後にオーバーサンプリング空間コード画像生成処理を行うようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、両者の処理の順番を逆にして、オーバーサンプリング空間コード画像生成処理を行った後にオーバーサンプリング位相シフト画像生成処理を行うようにしてもよい。   (B) In the above-described embodiment, the oversampling spatial code image generation process is performed after the oversampling phase shift image generation process. However, the present invention is not limited to this. The order of the above processes may be reversed, and after performing the oversampling space code image generation process, the oversampling phase shift image generation process may be performed.

(c)上記した実施の形態においては、2値化投影パターンを生成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、記憶手段に幅Wがそれぞれ異なる複数の2値化投影パターンを予め記憶しておき、当該記憶手段に記憶されている2値化投影パターンを適宜に読み出すようにしてもよい。   (C) In the above-described embodiment, the binarized projection pattern is generated. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of binarizations having different widths W are stored in the storage means. The projection pattern may be stored in advance, and the binarized projection pattern stored in the storage unit may be read as appropriate.

(d)上記した実施の形態ならびに上記(a)〜(c)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。   (D) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown to said (a)-(c) suitably.

本発明は、工業デザインでの形状取得、人体の形状取得あるいは建築物の形状取得などに利用することができる。   The present invention can be used for shape acquisition in industrial design, human body shape acquisition, or building shape acquisition.

図1は、本発明による三次元形状の測定装置の実施の形態の一例を表す概略構成説明図である。FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram showing an example of an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図2(a)(b)(c)(d)は、各種の2値化投影パターンの例を示す説明図である。2A, 2B, 2C, and 2D are explanatory diagrams showing examples of various binarized projection patterns. 図3は、本発明による三次元形状の測定装置の制御システムのブロック構成説明図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating the control system of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図4は、本発明による三次元形状の測定装置の動作を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図5(a)(b)(c)は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。5 (a), 5 (b), and 5 (c) are explanatory views showing the operation principle of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図6は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the operating principle of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図7は、本発明による三次元形状の測定装置の動作原理を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing the operating principle of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. 図8は、グレイコードで表現した2値化投影パターンを使用し、位相シフト空間コード画像を公知の表計算ソフトウェアを用いて処理した結果を示す表である。FIG. 8 is a table showing the result of processing a phase-shift space code image using a known spreadsheet software using a binary projection pattern expressed in Gray code. 図9は、Bit演算の演算内容を示すものである。FIG. 9 shows the calculation contents of the Bit calculation. 図10は、Bit演算によりグレイコードからバイナリコードに変換された位相シフト画像とバイナリコードから生成された空間コード画像を合成した位相シフト空間コード画像を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a phase shift spatial code image obtained by synthesizing a phase shift image converted from a Gray code to a binary code by a Bit operation and a spatial code image generated from the binary code. 図11(a)(b)は、0〜3の4段階に変化する相対的な空間コードをグレイスケール値で示した位相シフト画像の一例の一部を拡大した画像である。FIGS. 11A and 11B are images obtained by enlarging a part of an example of a phase shift image in which relative spatial codes that change in four stages of 0 to 3 are represented by gray scale values. 図12は、オーバーサンプリング2値画像の生成の主砲の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of a main gun for generating an oversampled binary image. 図13は、図11(b)に示す領域と同一の領域に関して生成されたオーバーサンプリング位相シフト画像である。FIG. 13 is an oversampling phase shift image generated for the same region as the region shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 三次元形状の測定装置
12 コンピュータ
12a バス
12b 中央処理装置(CPU)
12c リードオンリメモリ(ROM)
12d ランダムアクセスメモリ(RAM)
12e 入力装置
12f 表示装置
14 測定対象物
16 投影機
18 撮影機
20 2値化投影パターン投影手段
20a 2値化投影パターン生成部
20b 2値化投影パターン投影制御部
22 画像入力手段
24 画像処理手段
24a オーバーサンプリング空間コード画像生成手段
24b オーバーサンプリング位相シフト画像生成手段
24c オーバーサンプリング位相シフト空間コード画像生成手段
24d 3次元形状情報取得手段
10 Three-dimensional shape measuring device 12 Computer 12a Bus 12b Central processing unit (CPU)
12c Read only memory (ROM)
12d random access memory (RAM)
12e Input device 12f Display device 14 Measurement object 16 Projector 18 Camera 20 Binary projection pattern projection unit 20a Binary projection pattern generation unit 20b Binary projection pattern projection control unit 22 Image input unit 24 Image processing unit 24a Oversampling space code image generation means 24b Oversampling phase shift image generation means 24c Oversampling phase shift space code image generation means 24d 3D shape information acquisition means

Claims (4)

2値化投影パターンを測定対象物に投影し、前記2値化投影パターンを投影された前記測定対象物の画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定方法において、
ストライプ形状のパターンのそれぞれの幅が画像で判別できる最小幅を有するストライプ形状で構成されるような所定の2値化投影パターンを、前記所定の2値化投影パターンの光透過領域と光非透過領域との位置が入れ替わる1/2位相反転する範囲までシフトし、かつ、測定対象物における三次元形状計測の測定分解能に関する最小分解能となるような所定の移動量でシフトしながら前記測定対象物に順次投影し、前記シフト毎に前記所定の2値化投影パターンを投影された前記測定対象物の表面を撮影したすべての画像を取得し、
前記取得した画像のそれぞれについて、前記取得した画像のポジパターンとネガパターンとのそれぞれの輝度情報から2値画像を作成する際に、前記シフト方向における画素を標本化定理を満たすように、X方向についてシフト幅が画像入力の標本化ピッチの倍以上となるように任意の整数で整数倍し、光透過領域と光非透過領域との境界たるパターン境界付近のポジパターン輝度分布曲線とネガパターン輝度分布曲線とが交差する座標を実数値としてサブピクセルで求め、前記座標をピクセル座標とし、前記座標を含む前記座標より左側のピクセルを1または0とし、前記座標より右側のピクセルを反転値とすることで2値画像を作成し、すべてのシフト画像に対して前記2値画像を第1の種類の画像として取得し、
前記所定の2値化投影パターンを含む、それぞれ異なるパターンの幅を有する複数の2値化投影パターンを前記測定対象物にそれぞれ投影し、前記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、前記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンをそれぞれ投影された前記測定対象物の表面を撮影したすべての画像について、X方向について前記任意の整数を用いて整数倍にしてすべての画像を合成し、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ画像たる第2の種類の画像として取得し、
前記第1の種類の画像と前記第2の種類の画像とを足し合わせることにより合成した第3の種類の画像よりコード値を取得するものであるが、その際、前記コード値について、シフト方向の画素数を、シフト方向に前記任意の整数の数の画素毎に画像座標値を前記任意の整数で除した値に補正し、前記測定対象物の三次元形状を取得する
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
A three-dimensional shape measuring method for projecting a binary projection pattern onto a measurement object and measuring a three-dimensional shape of the measurement object based on an image of the measurement object onto which the binary projection pattern is projected In
A predetermined binarized projection pattern in which each width of the stripe-shaped pattern has a minimum width that can be discriminated by an image, a light transmission region and a light non-transmission of the predetermined binarized projection pattern Shift to a range where the phase is reversed by 1/2 to reverse the position of the region, and shift to the measurement object while shifting by a predetermined moving amount that becomes the minimum resolution regarding the measurement resolution of the three-dimensional shape measurement in the measurement object. Sequentially projecting and acquiring all images obtained by photographing the surface of the measurement object onto which the predetermined binarized projection pattern is projected for each shift ;
For each of the acquired images, when creating a binary image from the luminance information of each of the positive pattern and the negative pattern of the acquired image, the pixels in the shift direction satisfy the sampling theorem. The positive pattern luminance distribution curve and negative pattern luminance near the pattern boundary, which is the boundary between the light transmitting area and the light non-transmitting area, are multiplied by an integer so that the shift width is at least twice the sampling pitch of the image input. The coordinates at which the distribution curve intersects are obtained as sub-pixels as real values, the coordinates are set as pixel coordinates, the pixels on the left side of the coordinates including the coordinates are set to 1 or 0, and the pixels on the right side of the coordinates are set as inverted values. In this way, a binary image is created, and the binary image is acquired as the first type of image for all the shifted images .
A plurality of binarized projection patterns each having a different pattern width including the predetermined binarized projection pattern are respectively projected onto the measurement object, and each of the plurality of different binarized projection patterns is projected. For every image obtained by photographing the surface of the measurement object onto which each of the plurality of different binarized projection patterns is projected , every image is multiplied by an integer using the arbitrary integer in the X direction. Combining and obtaining as a second type of image , which is an image having an absolute code value with respect to the shooting space, with a shift pitch as resolution ,
The code value is obtained from the third type image synthesized by adding the first type image and the second type image, and at this time, the code value is shifted in the shift direction. The number of pixels is corrected to a value obtained by dividing the image coordinate value by the arbitrary integer for each arbitrary integer number of pixels in the shift direction, and the three-dimensional shape of the measurement object is acquired. Three-dimensional shape measurement method.
請求項に記載の三次元形状の測定方法において、
前記所定の2値化投影パターンを前記測定対象物に対してシフトする方向は、前記幅方向である
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
The method for measuring a three-dimensional shape according to claim 1 ,
The method of measuring a three-dimensional shape, wherein a direction in which the predetermined binarized projection pattern is shifted with respect to the measurement object is the width direction.
2値化投影パターンを測定対象物に投影し、前記2値化投影パターンを投影された前記測定対象物の画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状の測定装置において、
ストライプ形状のパターンのそれぞれの幅が画像で判別できる最小幅を有するストライプ形状で構成されるような所定の2値化投影パターンを、前記所定の2値化投影パターンの光透過領域と光非透過領域との位置が入れ替わる1/2位相反転する範囲までシフトし、かつ、測定対象物における三次元形状計測の測定分解能に関する最小分解能となるような所定の移動量でシフトしながら前記測定対象物に順次投影し、前記シフト毎に前記所定の2値化投影パターンを投影された前記測定対象物の表面を撮影したすべての画像を取得する2値化投影画像取得手段と、
前記取得した画像のそれぞれについて、前記取得した画像のポジパターンとネガパターンとのそれぞれの輝度情報から2値画像を作成する際に、前記シフト方向における画素を標本化定理を満たすように、X方向についてシフト幅が画像入力の標本化ピッチの倍以上となるように任意の整数で整数倍し、光透過領域と光非透過領域との境界たるパターン境界付近のポジパターン輝度分布曲線とネガパターン輝度分布曲線とが交差する座標を実数値としてサブピクセルで求め、前記座標をピクセル座標とし、前記座標を含む前記座標より左側のピクセルを1または0とし、前記座標より右側のピクセルを反転値とすることで2値画像を作成し、すべてのシフト画像に対して前記2値画像を第1の種類の画像として取得する第1の画像取得手段と、
前記所定の2値化投影パターンを含む、それぞれ異なるパターンの幅を有する複数の2値化投影パターンを前記測定対象物にそれぞれ投影し、前記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンのそれぞれを投影する毎に、前記それぞれ異なる複数の2値化投影パターンをそれぞれ投影された前記測定対象物の表面を撮影したすべての画像について、X方向について前記任意の整数を用いて整数倍にしてすべての画像を合成し、シフトピッチを分解能とし撮影空間に対して絶対的なコード値を持つ画像たる第2の種類の画像として取得する第2の画像取得手段と、
前記第1の種類の画像と前記第2の種類の画像とを足し合わせることにより合成した第3の種類の画像よりコード値を取得するものであるが、その際、前記コード値について、シフト方向の画素数を、シフト方向に前記任意の整数の数の画素毎に画像座標値を前記任意の整数で除した値に補正し、前記測定対象物の三次元形状を取得する三次元形状取得手段と
を有することを特徴とする三次元形状の測定装置
A three-dimensional shape measuring apparatus that projects a binarized projection pattern onto a measurement object and measures the three-dimensional shape of the measurement object based on the image of the measurement object onto which the binary projection pattern is projected. In
A predetermined binarized projection pattern in which each width of the stripe-shaped pattern has a minimum width that can be discriminated by an image, a light transmission region and a light non-transmission of the predetermined binarized projection pattern Shift to a range where the phase is reversed by 1/2 to reverse the position of the region, and shift to the measurement object while shifting by a predetermined moving amount that becomes the minimum resolution regarding the measurement resolution of the three-dimensional shape measurement in the measurement object. Binarized projection image acquisition means for sequentially projecting and acquiring all images obtained by photographing the surface of the measurement object onto which the predetermined binarized projection pattern is projected for each shift;
For each of the acquired images, when creating a binary image from the luminance information of each of the positive pattern and the negative pattern of the acquired image, the pixels in the shift direction satisfy the sampling theorem. The positive pattern luminance distribution curve and negative pattern luminance near the pattern boundary, which is the boundary between the light transmitting area and the light non-transmitting area, are multiplied by an integer so that the shift width is at least twice the sampling pitch of the image input. The coordinates at which the distribution curve intersects are obtained as sub-pixels as real values, the coordinates are set as pixel coordinates, the pixels on the left side of the coordinates including the coordinates are set to 1 or 0, and the pixels on the right side of the coordinates are set as inverted values. First image acquisition means for generating a binary image and acquiring the binary image as a first type of image for all shift images;
A plurality of binarized projection patterns each having a different pattern width including the predetermined binarized projection pattern are respectively projected onto the measurement object, and each of the plurality of different binarized projection patterns is projected. For every image obtained by photographing the surface of the measurement object onto which each of the plurality of different binarized projection patterns is projected, every image is multiplied by an integer using the arbitrary integer in the X direction. Second image acquisition means for combining and acquiring as a second type of image that is an image having an absolute code value with respect to the imaging space with a shift pitch as resolution;
The code value is obtained from the third type image synthesized by adding the first type image and the second type image, and at this time, the code value is shifted in the shift direction. The three-dimensional shape acquisition means for correcting the number of pixels in the shift direction to a value obtained by dividing the image coordinate value by the arbitrary integer for each arbitrary integer number of pixels in the shift direction, and acquiring the three-dimensional shape of the measurement object And a three-dimensional shape measuring apparatus .
請求項に記載の三次元形状の測定装置において、
前記所定の2値化投影パターンを前記測定対象物に対してシフトする方向は、前記幅方向である
ことを特徴とする三次元形状の測定装置。
In the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 3 ,
The direction in which the predetermined binarized projection pattern is shifted with respect to the measurement object is the width direction.
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