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特徴量を用いた3次元計測方法およびその装置 UPDATE

国内特許コード P170014618
整理番号 FU732
掲載日 2017年10月13日
出願番号 特願2017-092144
登録番号 特許第6308637号
出願日 平成29年5月8日(2017.5.8)
登録日 平成30年3月23日(2018.3.23)
発明者
  • 藤垣 元治
  • 赤塚 優一
  • 高田 大嗣
出願人
  • 国立大学法人福井大学
発明の名称 特徴量を用いた3次元計測方法およびその装置 UPDATE
発明の概要 【課題】特徴量を用いた3次元計測方法およびその装置を提供する。
【解決手段】複数の投影部5A、5Bから投影されたパターンまたは前記パターンの変化の少なくとも一方により得られた複数個の特徴量と空間座標との関係を予め求め、特徴量と空間座標の関係を用いて、計測対象物表面6に複数の投影部から投影されたパターンまたはパターンの変化から得られた特徴量から対象物表面の空間座標を求める。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


カメラを用いた3次元形状計測は、1980年代から多くの研究が国内外で行われてきた。ロボットビジョンの分野においては、カメラのキャリブレーションが不要な方法も提案されている。多数の方向から撮影された画像から3次元形状を復元する方法も提案されているが、像上の境界部等の特徴点の対応付けを行うため、滑らかな面の形状計測ができず、また解析に時間を要する。



近年、ロボットアームによる原子炉内部の除染活動や移動ロボットなど、障害物や突起物などの位置や形状をリアルタイムに精度よく検知・計測する方法が求められている。また、災害救助ロボットにおいては、生存者保護のため、精度よく人体と障害物の位置関係を計測する必要がある。



しかし悪路による振動も多く、従来のステレオ方式では、カメラの位置関係がずれることで計測精度が低下する。キャリブレーション後は光学系の固定が必須のため、ズームやピント調整はできないことが、従来の常識であった。



精度よく平面や曲面状であっても3次元形状が計測できる方法としては、格子パターンを物体に投影し、投影方向とは異なる方向から撮影された画像より3次元計測を行う投影格子の位相解析を行う方法の研究が広く行われてきた。



国内では、武田らがフーリエ変換を用いた位相解析手法を提案しており、吉澤らが実用的な3次元計測装置を開発している。海外では、米国のSong ZhangらがDMD(Digital Micro-mirror Device)を用いた超高速度3次元計測の研究を精力的に進めている。最近の動向としては、3次元形状計測の高速化に注目が集まっている。しかし、屋外や振動の多い環境での使用はほとんど考えられていない。



また、計測精度を高めるためのキャリブレーション方法についての研究は少なく、とくに系統的誤差が全く入らない3次元計測手法は、国内外ともに提案者以外からは提案されていない。さらに、投影部だけキャリブレーションすることで3次元計測が可能という研究は、国内外ともに見あたらない。



発明者等は、これまでに図1に示す系統誤差が入らない「全空間テーブル化手法(特許文献1を参照)」を提案し、基礎技術の開発と多くの応用研究をしてきた。格子投影手法では、投影格子の位相と3次元座標に1対1の対応関係ができる。その関係を利用してカメラの画素ごとに位相値と3次元座標のテーブルを作ることによりレンズ歪曲収差などの系統誤差は全く入らず、ゆがみなく精度がよい3次元計測が可能となる。

産業上の利用分野


本発明は、特徴量を用いた3次元計測方法およびその方法を用いる装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
3つ以上の特徴量の複数の組を含み、前記各3つ以上の特徴量の組が計測領域内もしくは前記計測領域内の部分領域内で各空間座標と1対1の対応関係となるように配置された複数の位置から、計測対象物表面に、パターンまたは前記パターンの変化を投影するステップと、
前記計測対象物表面に投影された前記パターンまたは前記パターンの変化を撮影するステップと、
基準物体を用いて予め求められた前記各3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係を用いて、前記撮影して得られた画像を基に得られた3つ以上の特徴量の組から、前記空間座標を求めるステップと、
を含む前記計測対象物表面の空間座標を求める計測方法。

【請求項2】
請求項1において、前記各3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係をテーブル化しておき、前記計測対象物表面の空間座標の計測時には、前記テーブルを参照した値に基づいて前記計測対象物表面の空間座標を求める計測方法。

【請求項3】
請求項1において、前記各3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係の一部をテーブル化しておき、前記計測対象物表面の空間座標の計測時には、前記テーブルを参照した値を用いて補間することにより、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測方法。

【請求項4】
請求項1~3の何れか一つにおいて、前記複数の位置から投影される光の波長を複数にすることで同時に複数の特徴量を得る、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測方法。

【請求項5】
請求項1~4の何れか一つにおいて、前記複数の位置は、一列に並んで配置されている、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測方法。

【請求項6】
請求項1~5の何れか一つにおいて、前記3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係は、前記複数の位置から前記基準物体の表面に、前記複数の位置と前記基準物体との距離を変更して複数の間隔で前記パターンまたは前記パターンの変化を投影して、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める方法。

【請求項7】
3つ以上の特徴量の複数の組を含み、前記各3つ以上の特徴量の組が計測領域内もしくは前記計測領域内の部分領域内で各空間座標と1対1の対応関係となるように配置された複数の位置から基準物体表面に、前記複数の位置と前記基準物体との距離を変更して複数の間隔でパターンまたは前記パターンの変化を投影して、3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係を求める方法。

【請求項8】
請求項6または7の何れか一つにおいて、前記基準物体表面に格子パターンあるいはマークを固定する、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める方法。

【請求項9】
請求項6~8の何れか一つにおいて、前記複数の位置から投影される光の波長を複数にすることで、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める方法。

【請求項10】
請求項6~9の何れか一つにおいて、前記複数の位置は、一列に並んで配置されていることを特徴とする、3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係を求める方法。

【請求項11】
3つ以上の特徴量の複数の組を含み、前記各3つ以上の特徴量の組が計測領域内もしくは前記計測領域内の部分領域内で各空間座標と1対1の対応関係となるように配置された複数の位置から、計測対象物表面に、パターンまたは前記パターンの変化を投影する投影部と、
前記計測対象物表面に投影された前記パターンまたは前記パターンの変化を撮影する撮像部と、
前記各3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係を記憶する記憶部と、
前記記憶手段に記憶された前記3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係を用いて、前記撮影して得られた画像を基に得られた3つ以上の特徴量の組から、前記空間座標を求める空間座標取得部と、
を備えた前記計測対象物表面の空間座標を求める計測装置。

【請求項12】
請求項11において、前記各3つ以上の特徴量の組と前記各空間座標との関係はテーブル化して前記記憶部に記憶され、前記計測対象物表面の空間座標の計測時には、前記テーブルを参照した値に基づいて前記計測対象物表面の空間座標を求める計測装置。

【請求項13】
請求項11において、前記各3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係の一部がテーブル化して前記記憶部に記憶され、前記計測対象物表面の空間座標の計測時には、前記テーブルを参照した値を用いて補間することにより、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測装置。

【請求項14】
請求項11~13の何れか一つにおいて、前記投影部の複数の位置から投影される光の波長を異なったものとすることで同時に複数の前記特徴量を得る、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測装置。

【請求項15】
請求項11~14の何れか一つにおいて、前記複数の位置は、一列に並んで配置されている、前記計測対象物表面の空間座標を求める計測装置。

【請求項16】
請求項11~15の何れか一つにおいて、前記各3つ以上の特徴量と前記各空間座標との関係は、前記投影部の複数の位置から基準物体表面に、前記投影部と前記基準物体との距離を変更して複数の間隔で前記パターンまたは前記パターンの変化を投影して求める、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める計測装置。

【請求項17】
請求項11~15の何れか一つにおいて、前記各3つ以上の特徴量と前記各空間座標との関係は、前記投影部と同じ構成を有する他の投影部を用い、前記他の投影部から基準物体表面に、前記他の投影部と前記基準物体との距離を変更して複数の間隔で前記パターンまたは前記パターンの変化を投影して求める、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める計測装置。

【請求項18】
3つ以上の特徴量の複数の組を含み、前記各3つ以上の特徴量の組が計測領域内もしくは前記計測領域内の部分領域内で各空間座標と1対1の対応関係となるように配置された複数の位置からパターンまたは前記パターンの変化を投影する投影部と、
前記複数個と基準物体との間隔を変更する変更部と、
前記複数個の投影部と前記基準物体との距離を変更して複数の間隔で、前記パターンまたは前記パターンの変化を撮影する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像と、前記複数の投影部と前記基準物体との距離を基に、3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係を求める計測装置。

【請求項19】
請求項17または18の何れか一つにおいて、前記基準物体表面に格子パターンあるいはマークを固定する、3つ以上の特徴量の組と空間座標との関係を求める計測装置。

【請求項20】
請求項16~18の何れか一つにおいて、前記複数の位置は、一列に並んで配置されていることを特徴とする、3つ以上の特徴量の組と前記空間座標との関係を求める計測装置。

【請求項21】
請求項11から20の何れか一つにおいて、前記投影部は一つの投影ユニットからなり、前記撮像部は複数個のカメラからなり、前記複数個のカメラは前記投影ユニットに設けられている、計測装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 登録
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