形狀測量設備及形狀測量方法與流程

2024-03-25 05:36:05 1

本發明涉及一種對測量目標的表面三維形狀進行測量的技術。

背景技術：
已知有一種通過分析攝像頭所獲取的測量目標的圖像來測量測量目標表面形狀（三維形狀）的技術。就測量鏡面對象的表面形狀的技術而言，例如，有這樣一種方法，其中使用具有不同特徵的多組照明以用反射自所述鏡面的光來獲取所述鏡面對象的多幅圖像，並且由所述圖像來計算對象表面的法線方向（例如，參見日本專利第3553652號）。當在對象表面的多個點處求得法線時，則通過將法線轉換成梯度以對所述梯度進行積分(integrate)就能夠還原對象表面的三維形狀（例如，參見日本未審查專利公開第3-218407號）。就測量漫射對象(diffusingobject)的表面形狀的技術而言，有這樣一種方法，其中將條紋圖案(fringepattern)投射到對象上以分析根據對象表面的不規則所產生的圖案變形，由此分析所述對象表面的三維形狀。作為漫射對象表面形狀的測量技術的典型示例，已知的有光學切割(opticalcutting)法、相移法、以及條紋分析法（例如，參見日本未審查專利公開第2002-286433和2007-196193號）。在自動測量設備或自動檢查設備領域，存在著對諸如金屬等鏡面對象的表面形狀進行精確測量的需要。例如，在電路板(board)外觀檢查設備的焊接檢查中，存在著對焊接部分中的三維形狀進行準確識別的需求，以便無誤差地檢測焊盤與晶片之間的接觸失效或者短路的存在。然而，在傳統的測量技術中產生了下列問題。在日本專利第3553652號和日本未審查專利公開第3-218407號揭示的方法中，雖然能夠還原對象的表面形狀，但由於無法測量攝像頭（camera）深度方向（Z方向）的距離（即，攝像頭與對象表面之間的距離），所以在還原的表面形狀的三維空間中不能指定出Z方向的位置（高度）。例如，對於焊接檢查，當在焊接部分中高度未知時，便存在未準確檢查到焊接量過剩或不足或者焊料與焊盤之間存在空隙的風險。另一方面，在日本未審查專利公開第2002-286433和2007-196193號揭示的方法中，雖然能夠測量對象表面的Z方向位置（高度），但這些方法並不適用於鏡面對象的測量。這是因為，對於具有強鏡面反射的對象，投射圖案的反射光強度根據對象表面的反射性質而變化，從而使得測量精度不穩定，並且無法準確地還原出表面形狀。鑑於上述情況作出本發明，並且本發明的目的在於提供一種對鏡面對象的三維形狀和空間位置進行精確測量的技術。

技術實現要素：
為了實現以上目的，在本發明中，通過結合由法線計算還原得到的對象表面三維形狀以及由測距功能得到的對象表面高度（距參考位置的距離）信息來確定測量目標的三維形狀和空間位置。具體而言，本發明提供一種形狀測量設備，其對測量目標的三維形狀進行測量，所述設備包括：照明裝置，其用光照射放置在平臺上的所述測量目標；成像裝置，其獲取所述測量目標的圖像；形狀計算裝置，其由圖像來計算所述測量目標的表面上多個點處法線的取向，該圖像是在所述照明裝置用光照射所述測量目標時通過用所述成像裝置執行成像來得到的，所述形狀計算裝置由所述法線的取向的計算結果來計算所述測量目標的表面的三維形狀；測距裝置，其對於所述測量目標的表面上的至少一個點來測量距預定參考位置的距離；以及確定裝置，其確定所述測量目標的表面的三維形狀的空間位置，所述三維形狀是通過所述形狀計算裝置使用由所述測距裝置獲得的有關所述距離的信息來得到的。根據這一配置，通過法線計算能夠精確地還原鏡面對象表面的三維形狀。另外，通過使用由測距裝置得到的距離信息能夠確定所還原的三維形狀的空間位置，從而能夠簡便且精確地測量測量目標的三維形狀還有測量目標的空間位置。優選地，所述測距裝置包括投影裝置，該投影裝置向所述測量目標投射條紋圖案或格柵圖案，並且所述測距裝置通過分析所述測量目標的圖像來計算所述測量目標的表面上所述點的距離，所述測量目標的圖像是在投射所述條紋圖案或格柵圖案時獲取到的。在本發明中，因為三維形狀是通過圖像分析來測量的，還採用了圖像分析技術用於測距，這使得能夠通過硬體的共享來獲得諸如設備配置的簡化和小型化等效果。優選地，所述成像裝置還充當所述測距裝置獲取用於測距的圖像所用的裝置。也即，觀察系統（成像裝置）由形狀測量和測距所共享。因此，能夠免除形狀測量結果和測距結果的圖像坐標之間的校準，從而簡化了處理並提高了精度。優選地，所述照明裝置為包括具有預定尺寸的發光區域的面光源，並且發自所述發光區域中多個位置的多組光在光譜分布上彼此不同。通過使用這種照明裝置，能夠僅通過一次測量（照明和圖像獲取）來確定測量目標的三維形狀，且因此能夠縮短測量時間。優選地，所述照明裝置為這樣的面光源，該面光源所發出的光中有多個不同的照明圖案彼此疊加，或者該面光源順序發出所述多個照明圖案，並且每個所述照明圖案被設為使得發射強度相對於繞中心軸所成的角度而線性地變化，平行於所述平臺以通過所述測量目標所放置的點的特定直線被限定為所述中心軸。通過使用這種照明裝置，即使對象具有不均一的反射特性或粗糙表面也能執行精確的測量。偶爾，由於結構設計因素，精確的線性度難以實現。在這種情況下，線性度可大體得以實現。也即，在本發明的方案中，「發射強度線性地變化」意味著包括「發射強度大體線性地變化」的概念。本發明的方案可被認為是包括至少部分所述裝置的形狀測量設備。本發明的方案可被認為是包括至少部分所述處理的形狀測量方法或者實現所述方法的程序。通過組合儘可能多的所述裝置和所述處理步驟可作出本發明。根據本發明，能夠精確地測量鏡面對象的三維形狀和空間位置。進一步，能夠針對單純鏡面對象、單純漫射對象、或者其中混合有鏡面對象和漫射對象的對象來精確地測量三維形狀和空間位置。附圖說明圖1為示意性顯示形狀測量設備的硬體配置的圖示；圖2為按RGB的每一個顯示照明裝置的發光區域顏色圖案的圖示；圖3A和圖3B為描繪出照明裝置的發光區域中RGB的每一個顏色的變化的圖示，其中圖3A為透視圖，且圖3B為側視圖；圖4為描繪出測量目標表面的法線取向與發光區域的對應關係的圖示；圖5為顯示測量處理流程的流程圖；圖6為示意性顯示測量處理的流程的圖示；圖7為描繪出照明裝置的顏色圖案的效果的圖示；圖8為描繪出反射特性的圖示；圖9為用於描繪入射光和反射光的圖示；圖10為用於描繪鏡面葉瓣抵消效果的圖示；圖11A至圖11C為分別顯示照明圖案的變型的圖示；圖12A和圖12B為分別顯示照明圖案的變型的圖示；圖13為顯示包括板狀照明裝置的形狀測量設備的配置的圖示；以及圖14A和圖14B為用於描繪板狀照明裝置中的照明圖案的圖示。具體實施方式下面將參照附圖描述本發明的優選實施例。根據本發明實施例的形狀測量設備通過圖像分析的手段來執行鏡面對象的三維測量。本實施例的形狀測量設備可應用於諸如自動測量設備、自動檢查設備、和機器人視覺等各種領域的對象識別中。例如，該形狀測量設備優選可應用於電路板外觀檢查設備（AOI系統）中的焊接檢查以及金屬加工產品表面的不規則度檢查。將參照圖1描述本實施例形狀測量設備的整體配置。圖1為示意性示出形狀測量設備硬體配置的圖示。該形狀測量設備大體包括測量平臺5、檢查頭H、以及信息處理裝置6。照明裝置3、投影儀(projector)2、以及攝像頭（圖像傳感器）1附連至檢查頭H。照明裝置3用測量光照射放置在測量平臺5上的測量目標4。投影儀2向測量目標4的表面投射一特定條紋圖案。攝像頭1從垂直上方獲取測量目標4的圖像。信息處理裝置6包括CPU（中央處理單元）60、內存（memory）61、存儲裝置62、檢查頭控制單元63、圖像輸入單元64、投影儀控制單元65、照明裝置控制單元66、平臺控制單元67、用戶界面(I/F)68、以及顯示單元69。檢查頭控制單元63具有控制檢查頭H在Z方向（垂直於測量平臺5的方向）上的移動的功能，並且平臺控制單元67具有控制測量平臺5在XY方向上的移動的功能。投影儀控制單元65具有控制投影儀2的照明和熄滅或者控制投影儀2的投射圖案改變的功能。照明裝置控制單元66具有控制照明裝置3的照明和熄滅（在出現需要時還控制照明圖案的改變）的功能。圖像輸入單元64具有捕捉來自攝像頭1的數碼圖像的功能。用戶I/F68為由用戶操作的輸入裝置。用戶I/F68的示例包括指點裝置（pointingdevice）、觸摸板、以及鍵盤。測量結果被顯示在顯示單元69的屏幕上。例如，顯示單元69由液晶顯示器形成。本實施例的形狀測量設備具有兩個測量功能，即，「形狀測量」和「測距(ranging)」。本實施例形狀測量設備的其中一個特徵在於，通過結合由形狀測量功能得到的對象表面三維形狀以及由測距功能得到的對象表面有關的距離（高度）信息，能夠簡單並精確地確定測量目標4的三維形狀和空間位置。在這種情況下，形狀測量功能由照明裝置3、攝像頭1、和信息處理裝置6形成，而測距功能由投影儀2、攝像頭1、和信息處理裝置6形成。也即，在這兩個測量功能中，雖然使用了不同的光源，但卻是使用同一個觀察系統（攝像頭1）來測量反射自測量目標4的光。在測量期間，檢查頭H和測量平臺5相對移動，且測量目標4被置於預定測量位置（在圖1的示例中為照明裝置3的中心（攝像頭1的光軸與測量平臺5的交點））。在照明裝置3用測量光照射測量目標4時獲取用於形狀測量的圖像，然後投影儀2投射顏色圖案以獲取用於測距的圖像。可按相反次序來執行形狀測量和測距。信息處理裝置6通過圖像輸入單元64捕捉由攝像頭1獲取的圖像，且該圖像被用於圖像分析。將詳細描述每個測量功能的配置和處理。形狀測量功能為對測量目標表面的三維形狀進行測量的功能。在這種情況下，由於諸如金屬等鏡面對象成為測量目標，所以採用了使用結構化照明(structuredlighting)來測量對象表面的法線以還原其表面形狀的下述方法。（照明裝置）照明裝置3為具有如圖1所示穹頂形狀的表面光源，且整個穹頂形均為發光區域。在照明裝置3的頂部和側部分別設置有用於攝像頭1和投影儀2的開口。例如，照明裝置3可由穹頂形濾色片(colorfilter)和用白光從外部照射測量目標4的光源形成。可選地，多個LED晶片可陣列在穹頂內部以通過漫射板(diffuserplate)來照射測量目標4。可選地，可將液晶顯示器或有機電致發光(EL)顯示器形成為穹頂形來構成照明裝置3。優選地，將照明裝置3的發光區域形成為半球穹頂形從而使得測量目標4被來自全方位的光照射。因此，能夠測量全方位的法線。儘管如此，發光區域也可形成為任意形狀，只要測量目標4能被來自與測量目標的法向對應的位置的光照射到。例如，當表面的法線取向基本限於垂直方向時，則沒有必要用來自水平方向（淺角度方向）的光來照射測量目標4。發光被設置為使得在照明裝置3發光區域中的所有位置處發出具有不同光譜分布的多組光（piecesoflight）。例如，當通過組合紅光（R）、綠光（G）、和藍光（B）三個顏色的光分量來實現發光時，則每個RGB分量的發射強度如圖2所示沿穹頂上的不同方向而變化。在該示例中，變化方向被設為相對於彼此成120度。通過RGB分量的組合，發光區域中各個位置處的發光在RGB分量的組合上都互不相同。因此，在所有位置上發射出具有不同光譜分布的多組光，並且發光可被設為使得所述具有不同光譜分布（RGB的強度比）的多組光依入射方向而入射至測量目標4。不僅可使用三個顏色分量，還可使用三個或更多的顏色分量（顏色通道）。圖3A和圖3B顯示圖2其中一個分量光束的強度（照明圖案）變化。圖3A為顯示其中一個分量光束的等色（等發光強度）線的透視圖。圖3B為對應於圖3A的側視圖。穹頂（半球）與通過穹頂直徑的平面的相交線成為如圖3A和圖3B所示的等色線。為了便利起見，圖2以及圖3A和圖3B顯示出每個RGB分量的發射強度都以逐級的方式變化（在圖2以及圖3A和圖3B中為八級變化）。然而，實際上每個分量光束的發射強度（亮度）是連續地變化的。發射強度的變化被設為相對於角度成線性地變化。更具體而言，假設Lmin為發射強度的最小值，Lmax為發射強度的最大值，θ為由水平面（測量平臺5）和包括等色線的平面所成的角度，則等色線上的發射強度L(θ)被設為滿足L(θ)=Lmin+(Lmax-Lmin)×(θ/π)的關係。如圖3A所示，在定義了「極點」時，θ構成經度，且本實施例的光源分布（照明圖案）可被表達為相對於經度成線性地變化。可選地，假設中心軸為平行於測量平臺5並通過測量目標所放置的點O的直線，則照明圖案可表達為使得發射強度相對於繞中心軸的角度θ成線性地變化。通過利用具有上述光源分布（照明圖案）的照明裝置能夠僅由一幅圖像來測量測量目標的表面形狀（法線取向）。這將參照圖4加以描述。假設測量目標4表面上某一點處的法線具有箭頭N、天頂角θ、和方位角φ的取向。在這種情況下，光從照明裝置3的區域R發出併入射至測量目標4，且由攝像頭1獲取的圖像所屬點的顏色成為反射自測量目標4的光。因而，與表面成法線的取向(θ,φ)以及入射光的方向（照明裝置3的發光區域中的位置）彼此成一對一地關聯。由於從不同方向入射的多組光具有不同的光譜分布（具有不同光譜分布的多組光從發光區域的所有位置處發出），所以通過查驗所獲取圖像的顏色（光譜分布）能夠相對於天頂角和方位角來計算所述點處的法線取向。（法線計算和形狀還原）下面將參照圖5和圖6描述與形狀測量相關的功能和處理流程。圖5為顯示形狀測量設備的測量處理流程的流程圖，圖6示意性顯示出測量處理的流程。圖5中所示的處理是以這樣的方式實現的，其使得信息處理裝置6的CPU60從存儲裝置62中讀取程序以執行該程序。所述的部分或所有功能模塊可由ASIC或PLD（ProgrammableLogicDevice，可編程邏輯器件）形成。CPU60通過圖像輸入單元64捕捉用於形狀測量的圖像，並在測量目標部分的每個像素中由該用於形狀測量的圖像計算與反射光的光譜分量有關的特徵量（featurequantity）（步驟S10）。在本實施例中，由於照明裝置3所投射的光中組合有紅光（R）、綠光（G）、和藍光（B）這三組分量的光，所以使用RGB分量的比例來作為所述特徵量。例如，在每個RGB分量中最大亮度都被標準化為1，且可使用(R,G,B)的組合作為所述特徵量。可選地，可使用某個顏色（在本例中為G）與其他顏色之比作為所述特徵量，例如R/(R+G)或B/(B+G)。如上所述，測量目標4的顏色，即步驟S10中計算的特徵量與法線的取向彼此成一對一地關聯。描述所述法線取向與特徵量值的關聯關係的表格被存儲在信息處理裝置6的存儲裝置62中。由照明裝置3和攝像頭1對諸如球體等形狀已知的對象的圖像進行獲取以預先查驗所述法線與特徵量的關聯關係，這使得能夠製成所述表格。例如，在使用球體對象時，能夠查驗來自關注像素的中心的位置，以通過計算來確定法線的取向。然後通過計算出該位置處的特徵量就能夠查驗法線取向與特徵量的關聯關係。在所述表格中還可描述法線與RGB值的關聯關係、入射光的方向（天頂角和方位角）與特徵量值的關聯關係、入射光的方向與RGB值的關聯關係，以代替所述法線與特徵量的關聯關係。可選地，當法線取向與攝像頭1獲取的光譜分布之間的關係能夠由幾何排布等等來用公式表示時，則可使用公式表示的方程來計算法線。CPU60由所述表格以及從輸入圖像計算出的特徵量來計算測量目標4表面上每一點處的法線取向（步驟S11）。圖6的(a)部分顯示由半球體測量目標4的圖像計算出的法線圖示例。該法線圖是通過用單位向量在測量目標表面的每一點處示出法線而得到的。CPU60將步驟S11中得到的多點的法線轉換成多個梯度並連接所述多個梯度以還原三維形狀（步驟S12）。步驟S10至S12中的處理被稱為「積分（integration）」。圖6的(b)部分顯示從(a)部分的法線圖還原出的形狀。根據所述積分，能夠精確地還原鏡面對象的表面三維形狀。然而，由於通過梯度的構建僅計算出每一點處的相對高度，所以在所還原的整個三維形狀中絕對高度（空間位置）是未知的。下面將描述對所述積分進行補充的測距功能。測距功能用於對測量目標表面的高度（距預定參考位置的距離）進行測量。在本例中，與測量目標表面上的點有關的高度信息是通過利用相移法(phaseshiftmethod)來得到的。相移法是這樣一種技術，其中條紋圖案被投射到測量目標表面以分析因表面不規則而導致的圖案變形，由此來執行表面的三維測量。具體而言，在相移法中，在向對象表面投射亮度按正弦波方式變化的條紋圖案的同時獲取對象表面圖像的處理隨著亮度變化的相位改變而重複多次，由此得到在明亮度(brightness)上互不相同的多幅圖像。因為每幅圖像上同一像素的明亮度（密度值）都類似地以與條紋圖案變化周期相同的周期而變化，所以通過將所述正弦波應用於每個像素明亮度的變化就能求得每個像素的相位。通過確定與預定參考位置（諸如測量平臺表面和電路板表面）的相位之間的相位差，便能根據參考位置計算出所述距離（高度）。如上所述，相移法原則上並不適於鏡面對象的三維測量。然而，在實際鏡面對象中，反射光中略微包括有漫反射分量，或者存在取向朝著規則反射方向的表面。因此，存在很少的能夠精確測量其所在處高度的點。在本實施例中，由於通過法線積分得到了測量目標4的三維形狀，所以在測距中只需要精確得到對象表面上至少一個點（優選為多個點）的高度信息。為此目的，相移法實際上能夠足以得到使用。將參照圖5和圖6描述測距有關的功能以及處理流程。CPU60通過圖像輸入單元64捕捉用於測距的圖像（步驟S20）。在本例中，得到了四幅圖像而條紋圖案的相位偏離了π/2。CPU60通過將正弦波應用於每個像素的明亮度變化來確定每個像素的相位（步驟S21）。圖6的(c)部分顯示出由半球體測量目標4的圖像計算出的相位圖示例。該相位圖是通過用相同的明亮度示出具有相同相位的像素來得到。然後CPU60通過三角測量原理由每個像素的相位來計算距離（高度）（步驟S22）。圖6的(d)部分顯示由此得到的測距結果。在與圖6的(b)部分相比時，會發現通過相移得到的測距結果因大變動（largevariation）而具有低精度。在通過上述處理得到測量目標4的還原形狀和測距結果時，通過結合所述還原形狀和測距結果來確定還原形狀的空間位置（高度）。具體而言，CPU60執行從所有像素的測距結果中選取具有高可靠度的測距結果（高度信息）的處理（步驟S30）。可使用表示像素明亮度變化的曲線與正弦波之間匹配程度的分數(score)來作為可靠性的評估指標。所述分數是在步驟S21中搜索到與像素明亮度變化匹配最佳的正弦波時確定的值。在本例中，僅選取可靠度值高於預定閾值的像素的測距結果。圖6的(e)部分顯示出選取的測距結果的示例。在與(d)部分比較時，發現變動有顯著減小。所述可靠度的評估指標並不限於像素明亮度變化曲線與正弦波之間的匹配度，還可使用由明亮度變化確定的相位幅值或者由規則反射分量的強度確定的值作為可靠度的評估指標。CPU60使用步驟S30中得到的測距結果（高度信息）來安置(position)測量目標4的還原形狀（步驟S31）。在本例中，與測距結果最適配的還原形狀的Z方向位置是通過最小二乘法來確定。因此，如圖6的(f)部分所示，能夠固定測量目標4的三維形狀和位置。在本實施例中，是基於可靠度來選擇測距結果（高度信息）。然而，在即使基於所有測距結果執行三維形狀定位都得到實際上沒有問題的精度時，或者在測距結果具有低分數時，所述選擇並不是必須的。在執行所述選擇時，所述評估指標並不限於以上所述的那些，而是可使用任意的評估指標。根據本實施例的形狀測量設備，通過測距所確定的高度信息與通過形狀測量所確定的還原形狀相結合，這使得能夠精確地測量鏡面對象表面的三維形狀和空間位置。觀察系統（攝像頭）由測距和形狀測量共享，從而有利地使得能夠免除形狀測量結果與測距結果之間XY坐標（圖像坐標）的定位。當在測距和形狀測量中使用不同的觀察系統時，則有必要指明通過測距得到的高度信息所表達的是通過形狀測量得到的表面形狀的哪一點處的高度，並且難以精確地執行位置識別處理。因此，特別優選的是，從簡化處理和提高精度的立場來看，能夠免除形狀測量結果與測距結果之間的校準。進一步，觀察系統的共享還有助於設備的小型化和成本降低。在作為形狀測量的照明所使用的照明裝置3中，具有不同光譜分布的多組光沿所有的入射角方向入射，從而僅從一幅圖像就能夠對於天頂角分量和方位角分量來確定測量目標4的法線取向。僅獲取一次所述圖像，並且通過查驗其中存儲有法線與特徵量之間關聯關係的表格來計算法線的取向，從而能夠簡便地（快速）測量出測量目標4的表面形狀。當獲取漫射對象（反射特性具有蘭伯特(Lambertian)特性的對象）的圖像時，圖像中混合有來自各個方向的多組入射光。本實施例裡，在照明裝置3的發光區域中，有RGB三組分量的光如圖2所示沿均分的方向（相對於彼此成120度）變化，並且RGB三組分量光的變化角度也是均衡的。因此，如圖7所示，來自所有方位角方向的每一個顏色的光強度的和對於每個顏色而言在任意天頂角處都相同。即使對所有天頂角進行積分，光強度的和也相同。因此，入射至被置於漫射對象垂直方向的攝像頭的RGB多組分量光具有相同的強度，並且用白色的反射光來獲取所述漫射對象的圖像。也即，當要獲取圖像的目標既包括鏡面對象（測量目標）也包括漫射對象時，能夠測量鏡面對象的表面形狀，並且能夠像用白光照射所述漫射對象那樣獲取該漫射對象的圖像。因此，例如，在執行焊接檢查時，能夠基於目標顏色來檢查除了焊料之外的目標（諸如電路板和IC）。即使所述目標具有不均一的反射特性也能通過利用照明裝置3來精確地執行測量。這將在下面加以描述。如圖8所示，入射至並不具有完美鏡面的對象的光的反射光包括沿規則反射方向尖銳且狹窄的光（鏡面尖峰(spike)）以及沿偏離規則反射方向的方向散布的光（鏡面葉瓣(lobe)）。鏡面葉瓣意指由測量目標表面上的微小不規則表面（微面元(microfacet)）所導致的鏡面反射光的散布。鏡面葉瓣的散布隨著微面元取向的波動（也即，隨著表面粗糙化）而加劇。另一方面，隨著微面元散布波動的減小，測量目標表面則接近完美鏡面的狀態。這裡，反射特性由與規則反射方向間的偏離（角度）以及葉瓣與尖峰間的光強度之比來表示。在具有不均一反射特性的對象中，鏡面葉瓣的形狀根據各表面位置處的表面粗糙度而變化。在具有極其粗糙表面的對象中，反射光僅包括鏡面葉瓣。在本例中，鏡面葉瓣與鏡面尖峰之比接近於1，並且鏡面葉瓣與鏡面尖峰彼此之間幾乎無法區分開。由於鏡面葉瓣的散布，使得所獲取的圖像中的亮度值不僅受到來自對應於對象表面位置的發光區域（圖4中為區域R）的光的影響，而且還受到來自該發光區域周圍的光的影響。也即，在具有粗糙表面的對象中，來自對應於規則反射方向的發光區域的光與來自其周圍區域的光混合在一起，由此觀察到不同於完美鏡面的光譜特性。在這種情況下，如果執行照明而使得來自所述周圍區域的光恰好被抵消以使光譜特性保持為與完美鏡面類似，則能夠類似於具有完美鏡面的對象那樣來測量具有不均一反射特性的對象或者具有粗糙表面的對象。為了實現具有不均一反射特性的對象或者具有粗糙表面的對象的測量，原則上按如下來設置照明裝置3的光源分布（照明圖案）。具體而言，如圖9所示，假設Li(p,θi,φi)為從入射角(θi,φi)的方向入射至測量點p的光源的輻射度(radiance)，則以下等式適用於p點處的任意法向矢量以及發光區域上的任意點對稱區域Ω：[等式1]∫∫ΩLi(p,θi,φi)·f(p,θi,φi,θr,φr)sinθidθidφi＝kfLi(p,θr,φr)其中p為對象表面上的測量點，(θi,φi)為光源的入射方向（θ為天頂角分量且φ為方位角分量，下同），(θr,φr)為光源的光的反射方向（攝像頭的視軸方向），f為p點的反射特性，Ω為反射特性f中鏡面葉瓣的預期立體角(prospectsolidangle)，且kf為輻射度的衰減率（取決於對象表面的反射特性）。在本實施例的照明裝置3中，多組RGB分量光中每組的發射強度被設定為相對於角度（經度）成線性地變化（見圖2以及圖3A和圖3B）。所述亮度相對於角度（經度）成線性變化的照明圖案是所述等式的近似解之一。通過疊加多組RGB分量光的圖案而得到的照明裝置3的照明圖案也成為所述等式的一個近似解。通過使用這一照明圖案可抵消鏡面葉瓣的影響，這將參照圖10從另一視角加以描述。圖10顯示亮度變化方向的一維方向，在該方向上獲得接近理想的光以便於描述本實施例中照明圖案的效果。如圖10所示，僅考慮來自位於角度a（規則反射方向）、角度a+α、和角度a-α處位置的幾組光。假設來自位於角度a+α和a-α處位置的幾組光的葉瓣係數σ彼此相同。假設照明裝置3的發射強度與角度成比例，且假設位於角度a-α、a、和a+α處的每個位置中的發射強度為(a-α)L、aL、和(a+α)L。反射自所述三個點處的多組光被結合為σ(a-α)L+aL+σ(a+α)L=(1+2σ)aL，且發現來自周圍區域的光的漫射光的影響被抵消了。雖然在本例中僅考慮了兩個點a±α，但容易理解整體來自周圍區域的光的漫射光的影響都被抵消了。這同樣適用於每組RGB分量光，且因此由RGB色的發射強度之比所表達的特徵量變得與完美鏡面反射相同。因此，即使對象具有不均一的反射特性，但類似於完美鏡面反射，由獲取的一幅圖像也能精確地得到測量目標的表面形狀。上述說明是以得到理想效果的方向作出的。雖然線性度在其他方向上有所衰退（collapse）從而不能準確抵消漫反射的影響，但能夠在實際上沒有問題的範圍內去除所述漫反射的影響。在本實施例的照明裝置中使用了這樣的圖案，其中RGB三色中每一色的發射強度沿按角度相對於彼此相差120度的各方向變化且相重疊。然而，所述照明圖案不限於此。例如，像如圖11A所示其中三個顏色沿向下、向右、向左的方向變化的圖案，其中三個顏色沿不同方向變化的圖案可加以組合。並不總是必須三個顏色根據角度而變化，如圖11B所示還可使用這樣的圖案，其中以一個顏色在整個表面上用均一的亮度而剩下兩個顏色根據角度沿不同方向變化的方式來發光。在以上實施例中，使用疊加著具有不同顏色通道的照明圖案的照明裝置，僅通過一次測量（照明和圖像獲取）就能夠還原目標的三維形狀。可選地，雖然與以上實施例相比測量時間有所延長，但也可通過以至少兩種照明圖案順序地照明來獲取圖像，並使用得到的多幅圖像來還原三維形狀。使用這一方法也能夠得到相同的還原結果。如果在切換照明圖案時獲取圖像，則如圖11C所示還能夠使用具有不同亮度分布的多個單色照明圖案（在這種情況下，可使用單色攝像頭）。以上實施例使用的照明圖案中發射強度是相對於沿經度方向的角度成線性地變化。然而，照明圖案不限於此。例如，如圖12A和圖12B所示優選使用發射強度沿緯度方向成線性變化的照明圖案。這種照明圖案也是所述等式的近似解之一，並且也能夠實質上抵消鏡面葉瓣的影響以檢測規則反射光。照明裝置3的形狀不限於穹頂形（半球體形狀），而是還可使用如圖13所示的平板形。也可使用板被彎曲為弧形的形狀。即使在具有以上多個形狀的照明裝置3中，當將照明圖案設為使得發光區域中各個位置處的發光光譜分布彼此不同時，就能夠通過一次測量來還原測量目標4的三維形狀。在圖14A的示例中，疊加有發射強度向右增大的紅光（R）圖案、發射強度向左增大的綠光（G）圖案、以及發射強度向上增大的藍光（B）圖案。即使在這種情況下，如圖14B所示，通過在每個圖案中使發射強度根據角度θ成線性變化就能夠實質上抵消鏡面葉瓣的影響。這裡，θ為繞通過P點（測量目標所布置的點）且平行於測量平臺5的直線所成的角度。可選地，θ還可表示為由平行於測量平臺5的平面以及通過照明裝置3的發光區域上的等發射強度線（等色線）和P點的平面所形成的角度。在以上實施例中，是通過相移法來執行測距。可選地，只要能得到有關對象表面的高度信息則可使用任意測距方法。其中，從共享觀察系統（攝像頭）的角度看，優選採用這樣的測距方法，其中通過向對象投射條紋或格柵圖案以執行圖案變形的圖像分析來獲得高度信息。這種測距方法例如包括：光學切割法、條紋分析法等等。不言而喻，還可採用除圖像分析之外的測距方法。例如，可使用其中使用了X光、紅外線、或超聲波的測距傳感器。在任意方法中，當能夠在對象表面上指定至少一點的高度時，就能夠通過結合高度信息和由法線積分得到的還原形狀來確定三維形狀和位置。