用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置製造方法

2023-06-04 19:05:06 1

用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置製造方法
【專利摘要】在測定對象的周圍設置多個由將周期性的格子向測定對象投影的投影儀和拍攝被投影的格子的攝像機構成的單元，通過坐標變換將各單元測量的三維坐標合成。對攝像機的每個像素存儲由利用各單元的攝像機拍攝第一格子後的圖像求出的相對於第一格子的相位。對攝像機的每個像素存儲從各單元的投影儀將第二格子投影到基準面，而利用各單元的攝像機拍攝第二格子時的每個攝像機的坐標系中的基準面的三維坐標。對攝像機的每個像素的相位進行插值，生成在攝像機間相位共通的亞像素，並且求出每個攝像機的坐標系中的各亞像素的三維坐標，在各單元間共通的基準坐標系以相位相同的亞像素的三維坐標在單元間一致的方式，生成合成參數。提高了坐標變換用的合成參數的精度。
【專利說明】用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及三維測量，特別是涉及多個測量用的單元間的坐標變換。

【背景技術】
[0002]發明人正在開發通過具備攝像機和投影儀的多個單元來測定人體等測量對象的三維形狀的裝置。該裝置中，將基於每個單元的坐標系的測量數據變換成基於共通的坐標系的數據，並且將每個單元的數據合成來求出對象的三維形狀。
[0003]關於單元間的坐標變換，專利文獻1(日本專利4429135)公開了以下的內容。三維形狀的測定通過相位移動法(例如專利文獻2:日本專利2903111)來進行。從2臺單元的一方通過投影儀投射正弦波狀的圖案，使圖案每隔正弦波的例如1/4波長移動而拍攝例如4次，測定相對於正弦波的各像素的相位，測定對象的三維形狀。相位移動法中，若求出相位則求出三維坐標。對由投影儀投影的正弦波狀的圖案也利用其他單元拍攝，基於對象的形狀數據或紋理等提取特徵點。並且在利用2個單元拍攝的圖像間，匹配特徵點，若利用相位建立對應則能夠高精度地匹配。但是該方法中難以提取大量的特徵點，因此在坐標變換的精度上存在極限。
[0004]以下示出相關的在先技術。專利文獻3(日本特公平3-58442)提出了如下方法:不使正弦波狀的圖案移動，固定於對象，而測定三維形狀。該方法中，通過來自拍攝的圖像的像素的提取，近似地生成與使圖案移動後的4張圖像對應的圖像。
[0005]在先技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本專利4429135
[0008]專利文獻2:日本專利2903111
[0009]專利文獻3:日本特公平3-58442


【發明內容】

[0010]本發明的課題是，在利用不同的單元的攝像機拍攝的圖像間，能夠將相同位置的點採樣多個，由此提高坐標變換用的合成參數的精度。
[0011]另外，本發明的課題是，能夠準確地採樣相同位置的點。
[0012]本發明的合成參數的生成裝置，在測定對象的周圍設置多個由將周期性的格子向測定對象投影的投影儀和拍攝被投影的格子的攝像機構成的單元，對每個單元測量測定對象表面的三維坐標，通過單元間的坐標變換而將測量後的三維坐標合成，因此，通過利用各單元的攝像機拍攝在規定的基準面顯示的第一格子，而生成用於所述坐標變換的合成參數。
[0013]本發明的合成參數的生成裝置包括:
[0014]用於對攝像機的每個像素存儲由利用各單元的攝像機拍攝所述第一格子後的圖像求出的相對於第一格子的相位的單元；
[0015]用於對攝像機的每個像素存儲從各單元的投影儀將第二格子投影到基準面，而利用各單元的攝像機拍攝第二格子時的、每個攝像機的坐標系中的基準面的三維坐標的單元;
[0016]用於對攝像機的每個像素的相位進行插值，生成在攝像機間相位共通的亞像素，並且求出每個攝像機的坐標系中的各亞像素的三維坐標的單元；
[0017]用於在各單元間共通的基準坐標系，以相位相同的亞像素的三維坐標在單元間一致的方式，生成將每個攝像機的坐標系向各單元間共通的基準坐標系變換的合成參數的單
J Li ο
[0018]本發明中，以第一格子為基準的相位一致的點成為相同位置的點的方式，生成合成參數。雖然說是相同位置的點，但在不同的攝像機間存在對應於完全相同的位置的像素的情況少。因此以攝像機間相位一致的方式產生亞像素。亞像素的數能夠以例如與像素的數相同的方式產生，因此能夠在攝像機間產生多個相位準確地一致的亞像素。因此坐標變換的合成參數的精度增加。
[0019]合成參數的生成裝置可以是三維測量裝置的一部分，也可以是與三維測量裝置不同的裝置，能夠借用在合成參數的生成時三維測量裝置具備的功能。例如，對攝像機的每個像素求出相對於第一格子的相位，是三維測量裝置的功能的一部分。求出基準面的三維坐標，也是三維測量裝置的功能的一部分。基準面例如為平面，但也可以為曲面等。攝像機的像素不是指攝像機的全部的像素就，而是指攝像機圖像中的合成參數的生成所用的像素。規定的基準面例如是液晶監視器等的畫面、白色的板、或描畫了第一格子的板等，以任何含義能夠顯示第一格子的物體即可。第一格子利用在液晶監視器等的畫面顯示的格子、或從三維測量裝置的投影儀等投影的格子、或在基準面描畫的格子等，能夠利用攝像機拍攝而求出相位即可。
[0020]優選合成參數的生成裝置構成為，使第一格子每隔格子的周期的1/3間距以下、優選每隔1/4間距移動，在使第一格子移動的每個位置拍攝第一格子。這樣，能夠由使第一格子移動後的多個圖像求出各像素的相位。
[0021]特別優選的是，具備以畫面為基準面而顯示第一格子的平板顯示器。這樣，能夠準確地顯示第一格子而使其移動。
[0022]優選合成參數的生成裝置構成為，由不使第一格子移動而拍攝第一格子後的圖像，由改變位置而規則地提取像素後的多個第二圖像，求出相對於第一格子的各攝像機的每個像素的相位。於是能夠不使格子移動而求出相對于格子的相位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是實施例的三維測量裝置的框圖。
[0024]圖2是表示實施例中的合成參數的生成算法的流程圖。
[0025]圖3是實施例的合成參數生成裝置的框圖。
[0026]圖4是表示實施例中的基準面和單元的配置的俯視圖。
[0027]圖5是示意地表示實施例中的合成參數的生成的圖。
[0028]圖6是表示實施例中的相位的計算過程的圖，a)表示單元4-1拍攝的格子圖像，b)表示單元4-2拍攝的格子圖像，c)表示單元4-1中的X方向的相位的圖像，d)表示單元4-2中的x方向的相位的圖像，e)表示單元4-1中的y方向的相位的圖像，f)表示單元4_2中的y方向的相位的圖像。
[0029]圖7是表示變形例中的基準物體和單元的配置的俯視圖。
[0030]圖8是變形例中的基準物體的正視圖。
[0031]圖9是表示第二變形例中的基準面和單元的配置的俯視圖。

【具體實施方式】
[0032]以下示出用於實施發明的最優實施例。
[0033]實施例
[0034]圖1?圖9示出三維測量裝置2和實施例的合成參數生成裝置22。合成參數生成裝置22作為三維測量裝置2的一部分示出，但也可以為另外的裝置。1是用於測定三維形狀的對象，例如人體、家具、機械、汽車、建築物等。以包圍對象1的方式配置4臺或3臺等的單元4，各單元4具備投影儀6和數碼攝像機8。單元4的投影儀6將格子投影到對象1，利用攝像機8拍攝。並且利用控制器10控制單元4，並且對攝像機8的圖像進行處理，求出對象1的表面的三維坐標的集合。
[0035]控制器10的單元控制部12控制來自各單元4的格子的投影(發光)和拍攝，相位解析部14基於來自各攝像機8的數碼圖像，求出對象的表面的格子的1個間距內的相位Θ (0?2π)。三維坐標計算部16將2π周期的相位變換為格子的距離基準點的相位(2ηπ + θ:η為整數)，根據相位和像素的位置，求出對象的三維坐標(xyz)。這樣得到的坐標是基於每個攝像機8的坐標系的坐標，因此通過坐標變換部18變換為適宜的基準坐標系中的三維坐標。若將單元4例如配置4臺，則能夠利用多個單元拍攝對象1的相同位置，因此也求出多個三維坐標。合成部20以基於像素的位置的可靠性為權重，對多個三維坐標進行平均，輸出基準坐標系中的對象1的表面的三維坐標的集合。
[0036]圖2示出合成參數的生成算法，圖3示出合成參數生成裝置22的構成。基準面上表示第一格子(步驟1)，對攝像機8的每個像素求出相對於第一格子的相位(步驟2)。從投影儀6將第二格子投影到基準面，利用攝像機8拍攝，通過三維坐標計算部16，求出各像素的三維坐標(步驟3)。由此對攝像機8的每個像素求出相對於第一格子的相位和三維坐標。在攝像機間相位完全一致的像素少，因此以相位一致的方式生成亞像素，對三維坐標進行插值(步驟4)。於是在攝像機間相位完全一致，且三維坐標在各攝像機的坐標系大量地生成已知的亞像素，使用這些亞像素生成合成參數(步驟5)。
[0037]圖3表示合成參數生成裝置22的構成，格子編號計數部24對第一格子的例如從端部起的格子的編號進行計數。相位計算部26算出相對於第一格子的相位，但也可以通過相位解析部14算出相位。利用到此為止的處理可知格子的編號，也可知相對于格子的相位，因此可知2ηπ + θ的完全的相位(η為格子的編號，Θ為0以上且小於2 π的相位)，將其與利用三維坐標計算部16求出的三維坐標一起以攝像機的像素單位存儲於存儲部28?31。實施例中將第一格子在X方向(水平方向)和y方向(鉛直方向)顯不，求出分別相對於它們的相位，因此相位為X方向和1方向這2種。若設具有上下左右的條紋狀的明暗的格子為第一格子，則能夠由相同的格子求出X方向和y方向的2種相位。
[0038]在不同的攝像機間，具有多個相位大致相等的像素，但完全一致的像素少。因此通過插值部32，利用周圍的像素間的插值生成X方向、7方向的相位為21131+0、21131+1/4 31、-,21131+7/4 31等規定的相位的亞像素。對應於插值的比例對周圍的像素的三維坐標進行插值而設為亞像素的三維坐標，與X方向、7方向的相位一起，存儲於每個攝像機的存儲部33?36。亞像素的相位規則地變化，因此也可以對存儲部33?36的地址分配相位而近似地存儲，實際存儲的僅為三維坐標。
[0039]相同相位的亞像素的對存在多個，因此以相位相同的亞像素具有相同的三維坐標的方式，利用運算部38生成合成參數。坐標變換所需要的參數是伴隨坐標原點的移動的三維的平移向量和伴隨坐標系的旋轉的旋轉矩陣(旋轉角為繞X軸、繞7軸、繞2軸這3種)。相對於這6個未知數，通過坐標變換而坐標一致的亞像素存在多個，因此能夠準確地生成合成參數。合成參數是以某一個攝像機的坐標係為基準坐標系而將另一個攝像機的坐標變換為基準坐標系的坐標的參數、或以獨立於攝像機的坐標係為基準坐標系而將各攝像機中的坐標變換為基準坐標系的坐標的參數。
[0040]對於4臺單元，例如對逆時針每隔90。的位置不同的單元以單元4-1?4的順序添加編號。能夠利用單元4-14-2拍攝相同的格子，利用單元4-2、4-3拍攝相同的格子，但難以利用單元4-13-3拍攝相同的格子。因此例如以單元4-1的攝像機的坐標係為基準坐標系，生成用於將單元4-2的攝像機的坐標系變換為基準坐標系的合成參數，同樣地生成用於將單元4-4的攝像機的坐標系變換為基準坐標系的合成參數。生成用於將單元4-3的攝像機的坐標系變換為單元4-2的攝像機的坐標系的合成參數。和用於將單元4-3的攝像機的坐標系變換為單元4-4的坐標系的合成參數。若以單元4-3 —單元4-2 —單元4-1、及單元4-3 —單元4-4 —單元4-1的順序將坐標變換合成，則能夠生成2種從單元4-3向單元4-1進行坐標變換的合成參數，例如若將它們平均，則能夠生成從單元4-3向單元4-1進行坐標變換的合成參數。或者也可以以單元4-4 —單元4-3 —單元4-2 —單元4-1的順序環狀地進行坐標變換，也可以以單元4-3 —單元4-2 —單元4-1及單元4-4 —單元4-1的方式用2個路線進行坐標變換。如何將單元間的坐標變換組合，作為整體的坐標變換是任意的。
[0041]圖4示出使用液晶面板42顯示第一格子的例子，也可以取代液晶面板使用其他的平板的監視器，使面板42在旋轉臺40上使基準面的朝向每隔90。旋轉。以面板42的各朝向顯示在X方向呈正弦波狀明暗變化的格子和在7方向呈正弦波狀明暗變化的格子，使顯示的格子每隔格子的間距的1/4移動，對每個格子位置利用單元4的攝像機拍攝。也可以取代從液晶面板42投射第一格子，從單元4的投影儀投射第一格子。
[0042]圖5示出在圖4的狀況下顯示X方向的格子的例子，利用相鄰的單元4-1、4-2等拍攝。數格子的條紋的編號，並且求出相對于格子的各像素的相位。作為搜索相位為21131+0.00°的像素，例如設為尋找-0.01。和+0.59。的像素。於是通過對這些像素間以1:59進行內分，而能夠生成X方向的相位為0.00。的點。通過在7方向也進行同樣的處理，例如能夠大量生成X方向和7方向的相位為21131 +0.00°等的規定的值的亞像素。
[0043]圖64、幻示出圖4的狀況下顯示於液晶面板42的X方向的第一格子、利用單元4-1.4-2的攝像機拍攝的圖像。由這些圖像求出的X方向的相位示於0)、(1)。在液晶面板42顯示7方向的第一格子而求出的1方向的相位示於6)、0。
[0044]液晶面板的位置通過單元4測量，因此不需要將基準面配置於已知的位置。同樣地不需要基準面為平面。
[0045]圖7、圖8示出使用四稜柱的基準物體50的變形例，如圖8所示，在基準物體50的4個側面，格子52以通過旋轉部54而90°旋轉自如地安裝。利用相鄰的2個的單元的攝像機拍攝格子52，使格子52旋轉90°而再次拍攝。格子52不移動，但能夠如專利文獻3那樣求出相對于格子52的相位。格子52的各點的三維坐標能夠從單元4的投影儀投射第二格子而求出。此處若設格子52為縱橫的條紋狀的格子，則不需要旋轉部54。
[0046]圖9示出第二變形例，在透明且厚度為一定的基準板56的例如兩面對稱地描畫正弦波狀的格子58。例如相對於單元4-1的圖像，產生相對于格子58a相位為規定的值的亞像素，求出其三維坐標。同樣地相對於單元4-2的圖像，產生相對于格子58b相位為規定的值的亞像素，求出三維坐標。格子58a、b為對稱的，因此若使相對于格子58b的亞像素的三維坐標在基準板56的厚度方向上移動，則能夠正如利用單元4-2也取得了以格子58a為基準的相位和三維坐標那樣處理。在單元4-2、4-3間等能夠觀察相同的格子58b，因此處理更容易。如以上所述，能夠生成合成參數。若設格子58為縱橫的條紋狀的格子則不需要旋轉部等。格子58僅為縱條紋或橫條紋的格子的情況下，優選通過圖8的旋轉部54等，求出水平方向的相位和鉛直方向的相位。
[0047]標號說明
[0048]I對象2三維測量裝置4單元
[0049]6投影儀8攝像機10控制器
[0050]12單元控制部14相位解析部
[0051]16三維坐標計算部18坐標變換部20合成部
[0052]22合成參數生成裝置24格子編號計數部
[0053]26相位計算部28?31存儲部32插值部
[0054]33?36存儲部38運算部40旋轉臺
[0055]42液晶面板50基準物體52格子
[0056]54旋轉部56基準板58a, b格子
【權利要求】
1.一種用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置，用於在測定對象的周圍設置多個由將周期性的格子向測定對象投影的投影儀和拍攝被投影的格子的攝像機構成的單元，對每個單元測量測定對象表面的三維坐標，通過單元間的坐標變換而將測量後的三維坐標合成的三維測量裝置，通過利用各單元的攝像機拍攝在規定的基準面顯示的第一格子，而生成用於所述坐標變換的合成參數，其中， 所述合成參數的生成裝置包括: 用於對攝像機的每個像素存儲由利用各單元的攝像機拍攝所述第一格子後的圖像求出的相對於第一格子的相位的單元； 用於對攝像機的每個像素存儲從各單元的投影儀將第二格子投影到基準面，而利用各單元的攝像機拍攝第二格子時的每個攝像機的坐標系中的基準面的三維坐標的單元； 用於對攝像機的每個像素的相位進行插值，生成在攝像機間相位共通的亞像素，並且求出每個攝像機的坐標系中的各亞像素的三維坐標的單元； 用於在各單元間共通的基準坐標系以相位相同的亞像素的三維坐標在單元間一致的方式，生成將每個攝像機的坐標系向各單元間共通的基準坐標系變換的合成參數的單元。
2.根據權利要求1所述的用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置，其特徵在於， 構成為，使所述第一格子每隔格子的周期的1/3間距以下的距離移動，在使第一格子移動的每個位置拍攝第一格子。
3.根據權利要求2所述的用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置，其特徵在於， 具備以畫面為所述基準面而顯示所述第一格子的平板顯示器。
4.根據權利要求1所述的用於三維測量裝置的合成參數的生成裝置，其特徵在於， 由不使所述第一格子移動而拍攝所述第一格子後的圖像，由改變位置而規則地提取像素後的多個第二圖像，求出相對於第一格子的各攝像機的每個像素的相位。
【文檔編號】G01B11/25GK104380036SQ201380031267
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月22日 優先權日:2012年6月13日
【發明者】巖井一能, 志茂公亮 申請人:株式會社島精機製作所