形状計測装置及び形状計測方法
【課題】二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置及び形状計測方法を提供する。
【解決手段】本発明の形状計測装置１００は、物体を照射する第１の光源２０と、物体を照射する第２の光源３０と、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ１０と、第１の光源２０及び第２の光源３０の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリ７０と、物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度比を算出し、該輝度比の値から画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元座標を決定する制御ユニット５０とを備える。
【解決手段】本発明の形状計測装置１００は、物体を照射する第１の光源２０と、物体を照射する第２の光源３０と、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ１０と、第１の光源２０及び第２の光源３０の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリ７０と、物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度比を算出し、該輝度比の値から画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元座標を決定する制御ユニット５０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う技術がある。例えば、互いに直交するＸ，Ｙ軸平面を有する基準面を、基準面の法線方向（即ち、Ｘ，Ｙ軸平面に垂直なＺ軸方向）に所定の間隔で複数設定しておき、計測すべき物体を当該複数の基準面の内、両端に位置する基準面の間に配置し、その後、物体の表面上の点Ｓの座標を求めるために、物体上の点Ｓを撮像するカメラの視線と物体上の点Ｓを通るプロジェクタからの光線の各々が当該複数の基準面にそれぞれ交わる点を算出し、カメラの視線上の当該交わる点からなる直線と、プロジェクタからの光線上の当該交わる点からなる直線との交点を求め、この交点のＺ座標からその点に最も近接した２つの基準面を選出し、選出した２つの基準面を用いて物体の形状を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
他方、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う別の技術として、Ｘ，Ｙ軸平面を有する基準面をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの複数の基準面について、後述する二次元パターンや空間分割パターンを利用することにより、物体に投影する空間分割パターンの輝度分布が余弦波状でなくても、物体に投影する空間分割パターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る形状計測装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
以下、特許文献２の技術について、さらに詳細に説明する。特許文献２の技術では、基準面を構成する基準平板として例えば液晶ディスプレイを用いる。このような基準平板（液晶ディスプレイ）は、移動ステージ上に設置され、基準面の法線方向（即ち、Ｘ，Ｙ軸平面に垂直なＺ軸方向）に所定の間隔で設定可能となっている。
【０００５】
この基準平板（液晶ディスプレイ）は、所定の二次元パターン（例えば等間隔格子）を表示可能である。この二次元パターンは、カメラで撮像された画像の画素と、Ｘ，Ｙ軸平面におけるｘ，ｙ座標の対応付けに用いる。
【０００６】
一方、プロジェクタも、当該移動ステージのＺ軸方向に平行移動する各位置の基準面に対してＸ，Ｙ軸方向の空間分割パターン（例えば格子状の濃淡パターン）を位相シフトしながら投影可能である。ただし、この空間分割パターンは、基準平板（液晶ディスプレイ）上に計測する物体が載置されているとき、物体上に投影されることになる。
【０００７】
カメラは、基準面に対して正面に設置され、当該移動ステージのＺ軸方向に平行移動する各位置の基準面にそれぞれ形成されるＸ，Ｙ軸方向の二次元パターンを撮影した第１撮影画像に対応する第１撮影画像信号と、基準面に投影される空間分割パターンを撮影した第２撮影画像に対応する第２撮影画像信号と、基準平板に物体を載置して物体に投影される空間分割パターンを撮影した第３撮影画像に対応する第３撮影画像信号を生成する。
【０００８】
これらの第１撮影画像信号、第２撮影画像信号及び第３撮影画像信号を用いて、物体の形状を解析する解析装置としてＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）が設けられる。解析装置は、校正処理部と、連続撮影部と、実時間解析部と、精密解析部とを備える。
【０００９】
校正処理部は、投影された格子の位相と計測する三次元座標との対応関係を予めカメラの画素毎に求める校正処理を行う。具体的には、校正処理部は、第１撮影画像信号及び第２撮影画像信号を用いて、基準面に表示された格子の位相とｘ座標及びｙ座標を取得して対応付けを行う。ｚ座標に関しては、基準面が移動する位置（基準平板の移動量）がｚ座標に対応する。したがって、校正処理部は、空間分割パターンの位相と三次元空間座標とを１対１で対応付けたテーブル（以下、「位相・座標テーブル」という）を作成し、作成した位相・座標テーブルをメモリに保存する。
【００１０】
連続撮影部は、物体の形状計測をリアルタイムに行うために、プロジェクタにおける空間分割パターン画像（例えば格子画像）の位相をシフトさせながら投影画像として入力するのに同期して連続撮影を行なって、第３撮影画像信号を取得する機能部である。
【００１１】
実時間解析部は、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第３撮影画像信号を構成する連続する４フレームの画像から、１画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、得られた位相から、校正処理部で作成した位相・座標テーブルを用いて、ｘ座標又はｙ座標と、ｚ座標とを求め、表示画像処理を行って、ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を用いて物体の形状データをモニタに表示することを繰り返す。
【００１２】
精密解析部は、実時間解析部とは別に、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第３撮影画像信号を構成する連続する４フレームの画像から、１画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、物体の形状データをメモリに格納する。
【００１３】
このように、上述の特許文献１及び特許文献２に開示される技術では、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行うものであるため、プロジェクタによる投影が不可欠である。
【００１４】
一方、プロジェクタを用いることなしに物体の形状を計測する、より単純な技法が従来から知られている。図８に示すように、２つの光源Ｌ１，Ｌ２（それぞれ点光源２０，３０で表される）により照明された物体をカメラ１０で撮影することで、物体の形状を計測することができる。カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するＸ，Ｙ軸をとり、このＸ，Ｙ軸に対して垂直にＺ軸をとる。基準平板４０の上に物体を置いて、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さをｚ（変数）とする。
【００１５】
点光源により照明された物体をカメラ１０で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Ｉの値は、点光源の発光輝度ＩＳに比例し、点光源と物体との間の距離の２乗に反比例する。カメラ１０による像面の物体の光の反射率をｒとすると、反射した光の輝度は、この反射率ｒに比例する。結局、カメラ１０で撮影された物体の画像の輝度Ｉは、式（１）で表現することができる。ここで、ｋは、感度等のカメラのパラメータを含む光学系固有の比例係数である。
【００１６】
【数１】
【００１７】
図８に示すように、カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を設置し、さらにカメラ１０の光軸上に光源Ｌ１，Ｌ２を設置するものとする。物体上の一点Ｓからの距離の異なる位置ｄ１，ｄ２は、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さｚと、基準平板４０から光源Ｌ１，Ｌ２までの距離Ｄ１，Ｄ２とを用いて（Ｄ２＞Ｄ１）、式（２）、式（３）のように表すことができる。
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
【００２０】
一方、物体上の一点Ｓからの距離の異なる位置ｄ１，ｄ２にある２個の光源Ｌ１，Ｌ２を発光させ、そのときの物体の画像を上方に設置したカメラ１０で撮影する。光源Ｌ１，Ｌ２の発光輝度をそれぞれＩＳ１，ＩＳ２とする。２個の光源Ｌ１，Ｌ２を別々に点灯し、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度Ｉ１，Ｉ２は、式（４）及び式（５）のように表すことができる。
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】
式（２）、式（３）をそれぞれ式（４）、式（５）に代入すると、式（６）及び式（７）が得られる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
【数７】
【００２６】
この式（６）及び式（７）を利用すると、撮影した画像の輝度Ｉ１，Ｉ２から物体上の点Ｓにおける高さｚを求めることができる。すなわち、ｚが求めるべき未知数である。距離Ｄ１，Ｄ２は光学系の寸法から決まる既知数である。輝度Ｉ１，Ｉ２は、カメラ１０で計測した輝度値である。係数ｋ及び係数ｒも未知数であるが、これらを求める必要はない。ｋ・ｒを一つの未知数とすると、未知数はｋ・ｒとｚの２個となり、式が２個あるので解けることになる。
【００２７】
一方、式（６）を式（７）で割ると、式（８）となる。
【００２８】
【数８】
【００２９】
すなわち、式（８）は式（９）のように表される。
【００３０】
【数９】
【００３１】
このｚに関する２次方程式を解くと、式（１０）のようにｚを求めることができる。
【００３２】
【数１０】
【００３３】
式（１０）について、Ｉ１２＝Ｉ１／Ｉ２、ＩＳ１２＝ＩＳ１／ＩＳ２とおくと、式（１１）が得られる。
【００３４】
【数１１】
【００３５】
式（１１）の２次方程式を解くと、式（１２）のようにｚが求められる。
【００３６】
【数１２】
【００３７】
このように、プロジェクタを用いることなしに、２つの光源とカメラを用いることで物体の形状を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特許第３４４６０２０号明細書
【特許文献２】特開２００８−２８１４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
前述したように、特許文献１及び特許文献２の技術は、プロジェクタを用いて投影した空間分割パターンや格子パターン自体の細密な変化又は空間分割パターンや格子パターンから生じる細密な位相変化を読み取ることにより物体の形状を計測する技術であるため、高精度の計測が可能となるが、プロジェクタを用いる点で装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００４０】
一方、前述したようにプロジェクタを用いることなしに、２つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する従来の技法では、物体上の計測される点と２つの光源がカメラの光軸の同じ直線上にあることが基本となっている。このため、実際に物体の形状を計測する際には、カメラと２つの光源を基準面（Ｘ，Ｙ軸の平面）に対して平行に走査させる必要がある。この平行走査を維持するための機構を設ける点で、やはり装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００４１】
仮に、２つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する技法において、物体上の計測される点と２つの光源が同じ直線上でない場合を想定すると、光源と物体との距離が垂直方向の位置ｚだけでなくＸ，Ｙ軸平面の位置ｘ，ｙの関数にもなり、式（１０）や式（１２）で示される関数はさらに複雑化することになる。また、この場合、２つの光源のあらゆる照射方向に対して光源の発光輝度ＩＳ１，ＩＳ２にムラがないことが要求される。しかし、実際の光源は方向によって発光輝度のムラがあるため、正確な計測が困難になる。発光輝度のムラを考慮した計算ができる場合も複雑な式となり、計算に時間がかかることになる。
【００４２】
すなわち、図９に示すように、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の位置と物体上の点Ｓが同一直線上にない場合を考える。この場合も、この撮影された画像の輝度Ｉは点光源からの発光輝度ＩＳに比例し、光源と物体間の距離ｄの２乗に反比例する。ここでは、光源の発光輝度のムラはなくあらゆる方向に均一な輝度分布であると仮定する。この場合、光源Ｌ１，Ｌ２及び物体上の一点Ｓの三次元位置をそれぞれ、（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）、（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）及び（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、この場合の式（１）のｄは、式（１３）及び式（１４）のように表現できる。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
【数１４】
【００４５】
式（１３）及び式（１４）を、式（２）及び式（３）に代入すると、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度Ｉ１，Ｉ２は、式（１５）及び式（１６）のように表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
【数１６】
【００４８】
式（１５）を式（１６）で割ると、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度比Ｒ１２は式（１７）となる。ここで、式（１８）で表すＲＳ１２はＳ点における２つの光源の輝度比であり、光源の発光輝度のムラを考えると、一般に場所の関数である。
【００４９】
【数１７】
【００５０】
【数１８】
【００５１】
式（１７）は、ｘ，ｙ，ｚに関する２次方程式である。撮影した物体上の点Ｓを見るカメラ１０の画素の視線を考えると、視線は直線であり、この視線上でｘ，ｙはそれぞれｚの１次関数となる。この１次関数を、式（１７）に代入すると、ｘ，ｙは消去されるが、式（１７）はｚの複雑な２次式となる。このため、この複雑な式の計算をするのに時間がかかることになる。また、Ｓ点から見た２つの光源の方向が異なっているため、光源の光軸からの方向により、発光輝度にムラがあると、ＩＳ１，ＩＳ２が一定でなくなり、その計算は非常に複雑となる。したがって、物体上の計測される点Ｓと２つの光源Ｌ１，Ｌ２の位置がカメラ１０の光軸の同じ直線上にあることが基本となり、実際に物体の形状を計測する際には、カメラ１０と２つの光源Ｌ１，Ｌ２を基準面（Ｘ，Ｙ軸平面）に対して平行に走査させるのが一般的である。
【００５２】
このように、従来の技術においては、装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００５３】
本発明は、上述の問題を鑑みて為されたものであり、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
本発明の形状計測装置は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置であって、物体を照射するための第１の光源と、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源と、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、を備えることを特徴とする。
【００５５】
また、本発明の形状計測装置において、前記第１の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記第２の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々を構成するＬＥＤ光源の点灯及び消灯を制御することにより調光制御を行う光源決定部を備えることを特徴とする。
【００５６】
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出する画素別輝度比算出部を備えることを特徴とする。
【００５７】
また、本発明の形状計測装置において、前記第２の光源は、前記第１の光源よりも光源の輝度が高く、前記第１の光源及び前記第２の光源は略同一の波長分布を有することを特徴とする。
【００５８】
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、当該物体の三次元形状を決定するとともに、当該物体の明るさ及び色情報を決定することを特徴とする。
【００５９】
さらに、本発明の形状計測方法は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測方法であって、物体を照射するための第１の光源、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、前記制御ユニットの処理手順は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。さらに、物体計測時に、物体に対して光学系（カメラ、第１の光源及び第２の光源）を平行移動させる機構やプロジェクタを必要せず、カメラ、第１の光源及び第２の光源を一直線上に配置することなしに固定した光学系で物体の計測が可能であることから、従来よりも装置構成を小型化することが可能となり、さらに装置のコストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による第１実施形態の形状計測装置の概略図である。
【図２】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。
【図３】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの校正処理フローを示す図である。
【図４】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの形状計測処理フローを示す図である。
【図５】本発明による第１実施形態の形状計測装置における輝度比から高さ座標に変換する輝度比・高さ座標変換テーブルの一例を示す図である。
【図６】本発明による第１実施形態の形状計測装置における輝度比から三次元座標に変換する画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの概念を説明するための図である。
【図７】本発明による第２実施形態の形状計測装置の概略図である。
【図８】従来の形状計測装置における計測原理の概略図である。
【図９】本発明に係る形状計測装置における計測原理の概略図である。
【図１０】本発明に係る形状計測装置における輝度比から高さ座標に変換する変換テーブルの実際値の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、図面を参照して、本発明による各実施形態の形状計測装置について説明する。第１実施形態の形状計測装置は基準平板の上に載置された物体を計測する例であり、第２実施形態の形状計測装置は物体の形状計測時にて基準平板を用いずに物体を計測する例であり、順に説明する。
【００６３】
＜第１実施形態＞
〔装置構成〕
図１は、本発明による第１実施形態の形状計測装置の概略図である。本実施形態の形状計測装置１００は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ１０と、光源２０，３０（第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２）と、制御ユニット５０と、メモリ７０とを備える。形状計測装置１００における光学系の校正処理時には、基準平板４０と、基準面ガイド８０と、モータ９０とを備える機構を用いて光学系の校正処理を行う。尚、光学系の校正処理時には、基準平板４０と、基準面ガイド８０と、モータ９０とを備える機構について、以下の説明は一例を示すものである。モニタ６０は、必要に応じて計測結果の表示を行うのに用いる。
【００６４】
本実施形態の形状計測装置１００は、２つの光源Ｌ１，Ｌ２（それぞれ点光源２０，３０で表される）により照明された物体をカメラ１０で撮影することで、物体の形状を計測する。一方、光学系の校正処理を行うために、カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するＸ，Ｙ軸をとり、このＸ，Ｙ軸に対して垂直にＺ軸をとる。基準平板４０の上に物体を置いた場合、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さをｚ（変数）とする。
【００６５】
点光源により照明された物体をカメラ１０で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Ｉの値は、点光源の発光輝度ＩＳに比例し、点光源と物体との間の距離の２乗に反比例する。カメラ１０による像面の物体の光の反射率をｒとすると、反射した光の輝度は、この反射率ｒに比例する。
【００６６】
光源２０（第１の光源Ｌ１）は、物体を照射するための光源であり、発光輝度ＩＳ１を有する。光源２０（第１の光源Ｌ１）は、複数のＬＥＤ光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各ＬＥＤ光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。第１の光源Ｌ１の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット５０からの制御信号（光源Ｌ１制御信号）によってなされる。
【００６７】
光源３０（第２の光源Ｌ２）は、第１の光源Ｌ１とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための光源であり、発光輝度ＩＳ２を有する。光源３０（第２の光源Ｌ２）は、複数のＬＥＤ光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各ＬＥＤ光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。また、光源３０（第２の光源Ｌ２）は、第１の光源Ｌ１よりも光源の発光輝度が高い（ＩＳ２＞ＩＳ１）ように構成するのが好適であり、より好適には第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２について基準平板４０までの距離の２乗に反比例することを加味した輝度バランスとすることで、ＳＮ比を揃えるようにするのが望ましい。第２の光源Ｌ２の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット５０からの制御信号（光源Ｌ２制御信号）によってなされる。
【００６８】
カメラ１０は、物体を撮像するための複数の画素を有し、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いたカメラを利用する。このようなカメラは、単色撮像又は多色撮像のいずれでもよく、例えば単色（フィルタなし）用のカメラであれば感度がよくなり、ＲＧＢカラーフィルタを有するカメラの場合には、ＲＧＢ出力値を輝度値に変換することができる。カメラ１０の撮像制御や画像信号の取得は、制御ユニット５０からの制御信号（カメラ制御信号／画像信号）によってなされる。
【００６９】
基準平板４０は、Ｘ，Ｙ軸の二次元平面を構成する。基準平板４０は、校正処理時にのみ用いればよい。校正処理の際には、基準平板４０の表面に、計測結果のｘ，ｙ座標の目盛とするための格子（Ｘ軸方向に平行で等間隔の格子及びＹ軸方向に平行で等間隔の格子）を例えば白色面に黒色で格子線を描いたシートを載置したり、画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を決定するための一定濃度のシート（例えば、反射率が既知の白色シート）を載置したりする方法があるが、以下の説明では、主に、白色面に黒色で格子線を描いたシート（以下、総括して校正像を表示したシートを「校正シート」と称する）を用いて光学系の校正処理を行う例を説明する。尚、誤差要因として無視できる場合には、液晶ディスプレイを用いることも可能である。つまり、基準平板４０を構成する液晶ディスプレイの表面に計測結果のｘ，ｙ座標の目盛とするための格子像を表示し、その位相をシフトすることができる。
【００７０】
基準面ガイド８０は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０をΔｚの所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ：ｎは任意の整数であり、ｚｎで高さ分布の分解能や計測範囲が定まり、ｚ＝ｚ０はすなわち、物体の高さ座標として０である）で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面とするためのガイドレールである。モータ９０は、基準平板４０を基準面ガイド８０に沿って平行移動させるための駆動源であり、その機構については既知の技術を用いればよく、更なる詳細な説明は省略する。基準平板４０を所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）で平行移動させるための制御は、制御ユニット５０からの制御信号（基準面位置制御信号）によってなされる。
【００７１】
制御ユニット５０は、校正処理時に、基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成してメモリ７０に予め保持する。また、制御ユニット５０は、形状計測処理時に、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２を算出し、該輝度比の値からメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。
【００７２】
モニタ６０は、制御ユニット５０によって決定した物体の三次元形状を表示するための装置である。モニタ６０で計測結果を表示する代わりに、プリンタによる出力を用いてもよいし、記録媒体に記録する構成としてもよい。
【００７３】
尚、本実施形態の制御ユニット５０、モニタ６０及びメモリ７０は、コンピュータ装置１１０として構成することができ、制御ユニット５０をコンピュータとして構成させる場合には、当該コンピュータに、後述する制御ユニット５０の各構成要素を実現させるためのプログラムをメモリ７０に記憶する。当該コンピュータに備えられる中央演算処理部（ＣＰＵ）が、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムや処理データを、適宜、メモリ７０から読み込んで制御ユニット５０の各構成要素の機能をコンピュータ上で実現させることができる。ここで、各構成要素の機能をハードウェアの一部で実現してもよいことは勿論である。
【００７４】
〔制御ユニット〕
図２は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。制御ユニット５０は、校正処理部５１０と、形状計測部５２０と、モニタ６０で計測結果を表示する制御を行う表示制御部５３０とを備える。
【００７５】
校正処理部５１０は、基準面可変位置設定部５１１と、光源決定部５１２と、カメラ撮像処理部５１３と、画素別輝度比算出部５１４と、輝度比・高さ座標処理部５１５と、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６とを備える。
【００７６】
基準面可変位置設定部５１１は、基準平板４０を所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）で基準面ガイド８０に沿ってＺ軸方向に平行移動させるために、モータ９０に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。基準面可変位置設定部５１１は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）とを予め対応付けた基準面位置データ７１０をメモリ７０から参照して制御する。
【００７７】
光源決定部５１２は、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について、それぞれカメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像するために、カメラ１０の撮像に同期して第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の点灯（調光制御も含む）及び消灯の切り替えを行うための光源Ｌ１制御信号や光源Ｌ２制御信号を発生する機能部である。光源決定部５１２は、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の調光制御に必要であれば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２の基準平板４０からの高さ（Ｚ軸方向）や光源のタイプ（複数のＬＥＤ光源からなる点光源等）に応じて予め決定された光源調光用データ７３０をメモリ７０から参照して制御する。
【００７８】
カメラ撮像処理部５１３は、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について、それぞれ第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の点灯に同期してカメラ１０の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号／画像信号を発生する機能部である。
【００７９】
画素別輝度比算出部５１４は、基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面（校正シートを載置した面）について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部５１４は、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。
【００８０】
輝度比・高さ座標処理部５１５は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）に対応付けた輝度比・高さ座標変換テーブルを生成する機能部である。輝度比・高さ座標処理部５１５は、生成した輝度比・高さ座標変換テーブル７４０（図５参照）をメモリ７０に格納することができる。
【００８１】
画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比・高さ座標変換テーブル７４０における高さ座標（ｚ座標）と、校正像（又は格子像）を撮像したことで得られるＸ，Ｙ軸平面（ｘ，ｙ座標）から、輝度比Ｒ１２を基準にした複数の基準面における画素毎のｘ，ｙ，z座標を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成してメモリ７０に格納する。例えば、図６に示すように、各画素で、各基準面における均一像部分による輝度Ｉ１，Ｉ２を取得し、格子線部分によるｘ，ｙ座標を決定することができ、画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標に対応付けを行っていることから、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成することができる。尚、格子線上にある画素（複数のｘ，ｙ座標値を跨る画素）については、格子像からｘ，ｙ座標を決定することができ、格子線上にない画素は、輝度値の算出のために用いることができる。また、図６では、格子線を１画素サイズ以下で例示的に表しているが、格子線部分が複数画素に跨って撮像される構成となっても同様に処理することができる。
【００８２】
形状計測部５２０は、基準面初期位置設定部５２１と、光源決定部５２２と、カメラ撮像処理部５２３と、画素別輝度比算出部５２４と、画素別三次元座標決定処理部５２５とを備える。
【００８３】
基準面初期位置設定部５２１は、基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）となるように基準面ガイド８０に沿ってＺ軸方向に平行移動させるために、モータ９０に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。計測対象の物体のサイズは、ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内であり、且つ基準面に描写される格子像によるｘ，ｙ座標の範囲内であり、この物体は、計測処理時に、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）の基準平板４０に載置される。基準面初期位置設定部５２１は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）とを予め対応付けた基準面位置データ７１０をメモリ７０から参照して制御する。ただし、基準平板４０を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に物体を置けばよいため、基準面初期位置設定部５２１の処理は、基準平板４０に物体を載置する場合の処理である。
【００８４】
光源決定部５２２は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体をそれぞれ撮像するために、カメラ１０の撮像に同期して第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の点灯（調光制御も含む）及び消灯の切り替えを行うための光源Ｌ１制御信号や光源Ｌ２制御信号を発生する機能部である。光源決定部５２２は、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の調光制御に必要であれば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２の基準平板４０からの高さ（Ｚ軸方向）や光源のタイプ（複数のＬＥＤ光源からなる点光源等）に応じて予め決定された光源調光用データ７３０をメモリ７０から参照して制御する。
【００８５】
カメラ撮像処理部５２３は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の点灯に同期してカメラ１０の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号／画像信号を発生する機能部である。
【００８６】
画素別輝度比算出部５２４は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部５２４は、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。
【００８７】
画素別三次元座標決定処理部５２５は、算出された第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２の値から校正処理でメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定し、計測結果をメモリ７０に格納し、表示制御部５３０と協働して物体の三次元座標をモニタ６０に表示する機能部である。
【００８８】
〔装置動作〕
次に、本発明による第１実施形態の形状計測装置の装置動作について説明する。
【００８９】
（校正処理）
図３は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの校正処理フローを示す図である。以下の動作説明では、格子像と一定濃度の均一像を兼ねて１つの校正像（一定濃度の均一像の部分と格子線部分からなる）の校正シートを用いる場合を説明する。
【００９０】
まず、基準面可変位置設定部５１１によって基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定する（ステップＳ１）。ｘ，ｙ座標の目盛とするための格子並びに光源別の輝度比のための一定濃度の均一像からなる校正像の校正シートは基準平板４０に設定される（ステップＳ２）。
【００９１】
次に、光源決定部５１２によって第１の光源Ｌ１を点灯し第２の光源Ｌ２を消灯する（ステップＳ３）。続いて、カメラ撮像処理部５１３によって基準平板４０を撮像し、校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ４）。
【００９２】
次に、光源決定部５１２によって第２の光源Ｌ２を点灯し第１の光源Ｌ１を消灯する（ステップＳ５）。続いて、カメラ撮像処理部５１３によって基準平板４０を撮像し、校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ６）。校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けのために、第１の光源Ｌ１と第２の光源Ｌ２のいずれか一方のみで取得したデータを用いてもよいが、複数のデータを用いて平均処理することで精度を向上させることができる。
【００９３】
次に、画素別輝度比算出部５１４によって、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定した基準平板４０の基準面（一定濃度の均一像の部分）を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する（ステップＳ７）。続いて、輝度比・高さ座標処理部５１５によって、算出された基準面における画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標に対応付けを行い（ステップＳ８）、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６によって初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定した基準平板４０の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納する（ステップＳ９）。
【００９４】
ステップＳ１〜Ｓ９について、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について繰り返し行い、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納する（ステップＳ１０，Ｓ１１）。
【００９５】
このようにして、形状計測装置１００は、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納しておく。
【００９６】
（形状計測処理）
図４は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの形状計測処理フローを示す図である。
【００９７】
まず、基準面初期位置設定部５２１によって基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定する（ステップＳ２１）。物体は、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定される基準平板４０に載置されているものとする。ただし、基準平板４０を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に物体が置かれる。
【００９８】
次に、光源決定部５２２によって第１の光源Ｌ１を点灯し第２の光源Ｌ２を消灯する（ステップＳ２２）。続いて、カメラ撮像処理部５２３によって基準平板４０に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ２３）。
【００９９】
次に、光源決定部５２２によって第２の光源Ｌ２を点灯し第１の光源Ｌ１を消灯する（ステップＳ２４）。続いて、カメラ撮像処理部５２３によって基準平板４０に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ２５）。
【０１００】
次に、画素別輝度比算出部５２４によって、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定した基準平板４０に載置した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する（ステップＳ２６）。
【０１０１】
続いて、画素別三次元座標決定処理部５２５によって、算出された第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２の値から校正処理でメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して（ステップＳ２７）、当該物体の三次元形状を決定し（ステップＳ２８）、計測結果をメモリ７０に格納し、表示制御部５３０と協働して物体の三次元座標をモニタ６０に表示する（ステップＳ２９）。
【０１０２】
尚、複数回の物体の三次元座標の計測結果を平均処理した結果を表示したりするように構成することができる。
【０１０３】
このようにして、形状計測装置１００は、従来よりも装置構成を小型化し、コストを低減させた構成で、物体の形状計測を行うことができるようになる。
【０１０４】
また、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。
【０１０５】
次に、本発明による第２実施形態の形状計測装置について説明する。第２実施形態の形状計測装置は、第１実施形態とは相違して、基準平板を用いずに物体を計測する例である。
【０１０６】
＜第２実施形態＞
〔装置構成〕
図７は、本発明による第２実施形態の形状計測装置の概略図である。第１実施形態と同様な構成要素には同一の参照番号を付している。本実施形態の形状計測装置１００は、物体の形状計測時にて基準平板を用いずに、複数の基準面４０ｂの範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に置かれる物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ１０と、光源２０，３０（第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２）と、制御ユニット５０と、メモリ７０とを備える。
【０１０７】
第２実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納しておく。
【０１０８】
物体の三次元形状の計測時には、複数の基準面４０ｂの範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状を、第１実施形態の場合と同様に処理すればよく、すなわち、制御ユニット５０は、形状計測処理時に、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２を算出し、該輝度比の値からメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。したがって、第２実施形態では、図２で説明した制御ユニット５０における機能部のうち、基準面初期位置設定部５２１が不要となる。
【０１０９】
第２実施形態によれば、物体計測時にて基準平板４０を用いる必要がないため、例えば、人間の顔の三次元形状を計測したりする場合など、ハンディタイプの装置構成を実現することができるようになる。
【０１１０】
以下、計測対象の物体の形状計測について、「輝度比」を算出することで、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルから物体の形状計測を行うことができる原理についてさらに詳細に説明する。
【０１１１】
本発明の形状計測装置１００では、式（１７）の計算について、物体の高さ座標ｚの値を見つけることのできるようにするために、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによるｘ，ｙ，ｚ座標の全空間テーブル化法を用いる。
【０１１２】
（ｚとＲ１２の関係の各画素のテーブル化）
式（１７）の具体例として数値を入れて計算をしてみることにする。図９より、式（１９）で表される視線上のデータを見ている画素について、例えばｙ＝０の場合を計算してみる。
【０１１３】
【数１９】
【０１１４】
ここで、ｚＣは視線とカメラ光軸との交点であり，ｘＲは基準面がｚＣにあるときの基準面と視線の交点であり、ｚＣ＝４００ｍｍ、ｘＲ＝１０ｍｍとする。
【０１１５】
２つの光源Ｌ１及びＬ２の位置（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）、（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）及び各光源自体の輝度比ＲＳ１２を以下の値とする。
（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）＝（３０ｍｍ，０ｍｍ，２００ｍｍ）
（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）＝（２０ｍｍ，０ｍｍ，３００ｍｍ）
ＲＳ１２＝ＩＳ１／ＩＳ２＝０．５
【０１１６】
これらの値を式（１７）に代入すると、Ｒ１２とｚの関係は式（２０）となり、この関係をグラフにすると図１０のようになる。
【０１１７】
【数２０】
【０１１８】
このように図９のようなカメラ１０の光軸上に第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２がない光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに、図１０に示すように、カメラ１０の画素ごとに、ｚはＲ１２の一価関数となり、Ｒ１２の値が決まればｚが一意に決まる。すなわち、図９のような光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに精度よく式（１７）を解くために、予めＲ１２とｘ，ｙ，ｚの関係を各画素について画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして求めておき、物体を撮影したときの画素の輝度比Ｒ１２より画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照することでその画素が見ている点のｘ，ｙ，ｚ座標が求められる。したがって、全ての画素について物体を撮影したときの画素の輝度比Ｒ１２を求めることで物体の三次元形状を求めることができる。
【０１１９】
尚、光源の輝度比ＲＳ１２も各画素の関数とすることもでき、この値を含めて画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成することもできる。
【０１２０】
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの生成手順の一例について説明する。
【０１２１】
（１）ｚ方向に移動する基準面を用いたｘ，ｙ座標とｚ座標の関係のテーブル化
基準面の表面にｘ方向に平行で等間隔の格子及びｙ方向に平行で等間隔の格子を描くか、液晶ディスプレイなどを用いて表示させることで、ｘ，ｙ座標の目盛とすることができる。
【０１２２】
先ず、基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、この画像をカメラ１０で撮影し、撮影した格子像から画素が見ている格子の基準面上のｘ座標及びｙ座標を求め、画素とｘ，ｙ座標の対応付けを行う。撮影した格子像からｘ座標及びｙ座標を求める際に、例えばフーリエ変換法或いは位相シフト法により座標を解析してもよい。
【０１２３】
次に、基準平板４０を垂直方向に所定間隔Δｚだけ動かした基準面を設定し、光源Ｌ１，Ｌ２のいずれか一方又は双方を点灯し、この画像をカメラ１０で撮影し、撮影した格子像から所定間隔Δｚだけ動かした基準面のｚ位置に対して画素が見ている格子の基準面上のｘ座標及びｙ座標を求め、画素とｘ，ｙ座標の対応付けを行う。このようにして基準面のｚ座標を一定間隔Δｚずつ増加させながら、各画素におけるｚとｘ，ｙの関係をテーブルとして生成してメモリ７０に記憶する。この動作を、ｚの計測したい範囲（ｚ０〜ｚｎ）まで繰り返す。これにより、各画素におけるｘ，ｙ座標とｚ座標の対応関係をテーブルとして生成することができる。
【０１２４】
（２）各画素の輝度比Ｒ１２とｚ座標の関係のテーブル化
次に、基準面の格子の表示から、基準面を均一な明るさの白色に変更する。基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。次に、基準平板４０を垂直方向に一定間隔Δｚだけ動かした基準面を設定し、再度、光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして、各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。基準平板４０を垂直方向に一定間隔Δｚずつ動かしながらこの動作を繰り返し、各画素におけるｚ座標と輝度比Ｒ１２の関係をテーブルとして生成してメモリ７０に記憶する。
【０１２５】
上記（１）及び（２）で生成したテーブルを組み合わせることで、各画素で輝度比Ｒ１２が求められると、ｘ，ｙ，ｚ座標が求められる画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成することができる。この画素別輝度比・三次元座標変換テーブルは一度作成すると、光学系の構成や配置を変えないかぎり、いつまでも使えることになる。
【０１２６】
また、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの分解能を上げたい場合には、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの各要素の近傍のデータを用いた補間により大きな要素数の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成して分解能を向上させることができる。
【０１２７】
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを用いた形状計測の一例について説明する。
【０１２８】
基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、物体を基準平板４０に載置する。形状計測時には、２つの光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。この輝度比Ｒ１２を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルと比較することにより、ｘ，ｙ，ｚ座標が直ちに分かることになる。計算としては輝度比Ｒ１２を求めるだけで物体の三次元座標を求めることができる。尚、この輝度比Ｒ１２の算出も２つの光源Ｌ１，Ｌ２による輝度の値から輝度比を求めることができるテーブルを作成しておくのが処理速度の向上に好適である。
【０１２９】
（物体の明るさ情報や色情報のマッピング）
本発明に係る計測方法では、撮影した画像の輝度Ｉ１及びＩ２がいわゆる写真画像であるので、その輝度値を得られた座標にそのままマッピングすれば、三次元ＣＧ画像データを生成することもできる。
【０１３０】
（画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法による誤差のキャンセル）
画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法を用いると、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの作成時の光学系と物体計測時の光学系が同じである場合、光学系の影響による誤差は基本的にキャンセルされる。具体的には、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどはキャンセルされる。また、計測対象の物体の反射率（色）の違いも原理的に削除される。
【０１３１】
（カメラの各画素における輝度のばらつきのキャンセル）
カメラの各画素における輝度の時間的ばらつきが無視できない場合、複数回、画像を撮影して平均処理を施し、この平均の輝度値を用いるのが好適である。また、物体には、２つの光源Ｌ１，Ｌ２からの光以外のいわゆる外光の影響を受けないように、暗室の中で計測を行うか、物体を含めた光学系を無反射布で覆われた暗箱の中に納めることが考えられるが、装置の可搬性を高めるために外光防止の黒色フードを設けるのが好適である。
【０１３２】
尚、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長が異なると反射率が異なってくる影響を、上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによる方法では取り除けないことから、ペアとなる２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長分布は略同一の波長分布とする（略同一の波長分布とは、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長分布の差によってカメラ１０の撮像分解能として与える誤差がｘ，ｙ，ｚ座標の分解能以下となる波長分布を云う）のが好適である。光源としては、点光源が望ましいが面光源或いは多数の点光源で構成してもよい。例えば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２について、それぞれｘ，ｙ座標で異なる複数個の光源を第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２として構成したとしても上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルのようにテーブル化する為、計測上の問題が生じない。ＬＥＤチップを用いた光源は、小さな面積で、高出力であり、輝度のムラの影響が少ないことから、より好適である。また、ＬＥＤ光源によれば発光時間の調整が容易であり、高速に対応でき、カメラ１０の撮像処理の同期も容易である。ＬＥＤ光源は、発光効率もよく省エネルギでもある。
【０１３３】
また、撮影にあたって輝度分解能を上げるために、第２の光源Ｌ２の発光輝度を第１の光源Ｌ１の発光輝度よりも高く設定しておき、サチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつ画像が得られるように第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の発光輝度やカメラ１０の撮像パラメータを設定するのが好適である。このため、カメラ１０の撮影時間を変えることや、複数のＬＥＤを用いた光源とした場合にはその数を変えることや、ＬＥＤの印加電流を変えることなどの方法が考えられる。また、カメラ１０の撮影時間は、物体に近い方の第１の光源Ｌ１で撮影した画像がサチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつように決めるとよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、装置構成を小型化し、コストを低減させることができるため、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行う用途に有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１０ カメラ
２０ 第１の光源Ｌ１
３０ 第２の光源Ｌ２
４０ 基準平板
５０ 制御ユニット
６０ モニタ
７０ メモリ
８０ 基準面ガイド
９０ モータ
１００ 形状計測装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う技術がある。例えば、互いに直交するＸ，Ｙ軸平面を有する基準面を、基準面の法線方向（即ち、Ｘ，Ｙ軸平面に垂直なＺ軸方向）に所定の間隔で複数設定しておき、計測すべき物体を当該複数の基準面の内、両端に位置する基準面の間に配置し、その後、物体の表面上の点Ｓの座標を求めるために、物体上の点Ｓを撮像するカメラの視線と物体上の点Ｓを通るプロジェクタからの光線の各々が当該複数の基準面にそれぞれ交わる点を算出し、カメラの視線上の当該交わる点からなる直線と、プロジェクタからの光線上の当該交わる点からなる直線との交点を求め、この交点のＺ座標からその点に最も近接した２つの基準面を選出し、選出した２つの基準面を用いて物体の形状を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
他方、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う別の技術として、Ｘ，Ｙ軸平面を有する基準面をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの複数の基準面について、後述する二次元パターンや空間分割パターンを利用することにより、物体に投影する空間分割パターンの輝度分布が余弦波状でなくても、物体に投影する空間分割パターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る形状計測装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
以下、特許文献２の技術について、さらに詳細に説明する。特許文献２の技術では、基準面を構成する基準平板として例えば液晶ディスプレイを用いる。このような基準平板（液晶ディスプレイ）は、移動ステージ上に設置され、基準面の法線方向（即ち、Ｘ，Ｙ軸平面に垂直なＺ軸方向）に所定の間隔で設定可能となっている。
【０００５】
この基準平板（液晶ディスプレイ）は、所定の二次元パターン（例えば等間隔格子）を表示可能である。この二次元パターンは、カメラで撮像された画像の画素と、Ｘ，Ｙ軸平面におけるｘ，ｙ座標の対応付けに用いる。
【０００６】
一方、プロジェクタも、当該移動ステージのＺ軸方向に平行移動する各位置の基準面に対してＸ，Ｙ軸方向の空間分割パターン（例えば格子状の濃淡パターン）を位相シフトしながら投影可能である。ただし、この空間分割パターンは、基準平板（液晶ディスプレイ）上に計測する物体が載置されているとき、物体上に投影されることになる。
【０００７】
カメラは、基準面に対して正面に設置され、当該移動ステージのＺ軸方向に平行移動する各位置の基準面にそれぞれ形成されるＸ，Ｙ軸方向の二次元パターンを撮影した第１撮影画像に対応する第１撮影画像信号と、基準面に投影される空間分割パターンを撮影した第２撮影画像に対応する第２撮影画像信号と、基準平板に物体を載置して物体に投影される空間分割パターンを撮影した第３撮影画像に対応する第３撮影画像信号を生成する。
【０００８】
これらの第１撮影画像信号、第２撮影画像信号及び第３撮影画像信号を用いて、物体の形状を解析する解析装置としてＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）が設けられる。解析装置は、校正処理部と、連続撮影部と、実時間解析部と、精密解析部とを備える。
【０００９】
校正処理部は、投影された格子の位相と計測する三次元座標との対応関係を予めカメラの画素毎に求める校正処理を行う。具体的には、校正処理部は、第１撮影画像信号及び第２撮影画像信号を用いて、基準面に表示された格子の位相とｘ座標及びｙ座標を取得して対応付けを行う。ｚ座標に関しては、基準面が移動する位置（基準平板の移動量）がｚ座標に対応する。したがって、校正処理部は、空間分割パターンの位相と三次元空間座標とを１対１で対応付けたテーブル（以下、「位相・座標テーブル」という）を作成し、作成した位相・座標テーブルをメモリに保存する。
【００１０】
連続撮影部は、物体の形状計測をリアルタイムに行うために、プロジェクタにおける空間分割パターン画像（例えば格子画像）の位相をシフトさせながら投影画像として入力するのに同期して連続撮影を行なって、第３撮影画像信号を取得する機能部である。
【００１１】
実時間解析部は、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第３撮影画像信号を構成する連続する４フレームの画像から、１画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、得られた位相から、校正処理部で作成した位相・座標テーブルを用いて、ｘ座標又はｙ座標と、ｚ座標とを求め、表示画像処理を行って、ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標を用いて物体の形状データをモニタに表示することを繰り返す。
【００１２】
精密解析部は、実時間解析部とは別に、空間分割パターン画像の位相シフトに同期して連続撮像された第３撮影画像信号を構成する連続する４フレームの画像から、１画素ずつ空間分割パターンの位相を求め、物体の形状データをメモリに格納する。
【００１３】
このように、上述の特許文献１及び特許文献２に開示される技術では、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行うものであるため、プロジェクタによる投影が不可欠である。
【００１４】
一方、プロジェクタを用いることなしに物体の形状を計測する、より単純な技法が従来から知られている。図８に示すように、２つの光源Ｌ１，Ｌ２（それぞれ点光源２０，３０で表される）により照明された物体をカメラ１０で撮影することで、物体の形状を計測することができる。カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するＸ，Ｙ軸をとり、このＸ，Ｙ軸に対して垂直にＺ軸をとる。基準平板４０の上に物体を置いて、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さをｚ（変数）とする。
【００１５】
点光源により照明された物体をカメラ１０で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Ｉの値は、点光源の発光輝度ＩＳに比例し、点光源と物体との間の距離の２乗に反比例する。カメラ１０による像面の物体の光の反射率をｒとすると、反射した光の輝度は、この反射率ｒに比例する。結局、カメラ１０で撮影された物体の画像の輝度Ｉは、式（１）で表現することができる。ここで、ｋは、感度等のカメラのパラメータを含む光学系固有の比例係数である。
【００１６】
【数１】
【００１７】
図８に示すように、カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を設置し、さらにカメラ１０の光軸上に光源Ｌ１，Ｌ２を設置するものとする。物体上の一点Ｓからの距離の異なる位置ｄ１，ｄ２は、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さｚと、基準平板４０から光源Ｌ１，Ｌ２までの距離Ｄ１，Ｄ２とを用いて（Ｄ２＞Ｄ１）、式（２）、式（３）のように表すことができる。
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
【００２０】
一方、物体上の一点Ｓからの距離の異なる位置ｄ１，ｄ２にある２個の光源Ｌ１，Ｌ２を発光させ、そのときの物体の画像を上方に設置したカメラ１０で撮影する。光源Ｌ１，Ｌ２の発光輝度をそれぞれＩＳ１，ＩＳ２とする。２個の光源Ｌ１，Ｌ２を別々に点灯し、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度Ｉ１，Ｉ２は、式（４）及び式（５）のように表すことができる。
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】
式（２）、式（３）をそれぞれ式（４）、式（５）に代入すると、式（６）及び式（７）が得られる。
【００２４】
【数６】
【００２５】
【数７】
【００２６】
この式（６）及び式（７）を利用すると、撮影した画像の輝度Ｉ１，Ｉ２から物体上の点Ｓにおける高さｚを求めることができる。すなわち、ｚが求めるべき未知数である。距離Ｄ１，Ｄ２は光学系の寸法から決まる既知数である。輝度Ｉ１，Ｉ２は、カメラ１０で計測した輝度値である。係数ｋ及び係数ｒも未知数であるが、これらを求める必要はない。ｋ・ｒを一つの未知数とすると、未知数はｋ・ｒとｚの２個となり、式が２個あるので解けることになる。
【００２７】
一方、式（６）を式（７）で割ると、式（８）となる。
【００２８】
【数８】
【００２９】
すなわち、式（８）は式（９）のように表される。
【００３０】
【数９】
【００３１】
このｚに関する２次方程式を解くと、式（１０）のようにｚを求めることができる。
【００３２】
【数１０】
【００３３】
式（１０）について、Ｉ１２＝Ｉ１／Ｉ２、ＩＳ１２＝ＩＳ１／ＩＳ２とおくと、式（１１）が得られる。
【００３４】
【数１１】
【００３５】
式（１１）の２次方程式を解くと、式（１２）のようにｚが求められる。
【００３６】
【数１２】
【００３７】
このように、プロジェクタを用いることなしに、２つの光源とカメラを用いることで物体の形状を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３８】
【特許文献１】特許第３４４６０２０号明細書
【特許文献２】特開２００８−２８１４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
前述したように、特許文献１及び特許文献２の技術は、プロジェクタを用いて投影した空間分割パターンや格子パターン自体の細密な変化又は空間分割パターンや格子パターンから生じる細密な位相変化を読み取ることにより物体の形状を計測する技術であるため、高精度の計測が可能となるが、プロジェクタを用いる点で装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００４０】
一方、前述したようにプロジェクタを用いることなしに、２つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する従来の技法では、物体上の計測される点と２つの光源がカメラの光軸の同じ直線上にあることが基本となっている。このため、実際に物体の形状を計測する際には、カメラと２つの光源を基準面（Ｘ，Ｙ軸の平面）に対して平行に走査させる必要がある。この平行走査を維持するための機構を設ける点で、やはり装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００４１】
仮に、２つの光源とカメラを用いることにより物体の形状を計測する技法において、物体上の計測される点と２つの光源が同じ直線上でない場合を想定すると、光源と物体との距離が垂直方向の位置ｚだけでなくＸ，Ｙ軸平面の位置ｘ，ｙの関数にもなり、式（１０）や式（１２）で示される関数はさらに複雑化することになる。また、この場合、２つの光源のあらゆる照射方向に対して光源の発光輝度ＩＳ１，ＩＳ２にムラがないことが要求される。しかし、実際の光源は方向によって発光輝度のムラがあるため、正確な計測が困難になる。発光輝度のムラを考慮した計算ができる場合も複雑な式となり、計算に時間がかかることになる。
【００４２】
すなわち、図９に示すように、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の位置と物体上の点Ｓが同一直線上にない場合を考える。この場合も、この撮影された画像の輝度Ｉは点光源からの発光輝度ＩＳに比例し、光源と物体間の距離ｄの２乗に反比例する。ここでは、光源の発光輝度のムラはなくあらゆる方向に均一な輝度分布であると仮定する。この場合、光源Ｌ１，Ｌ２及び物体上の一点Ｓの三次元位置をそれぞれ、（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）、（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）及び（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、この場合の式（１）のｄは、式（１３）及び式（１４）のように表現できる。
【００４３】
【数１３】
【００４４】
【数１４】
【００４５】
式（１３）及び式（１４）を、式（２）及び式（３）に代入すると、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度Ｉ１，Ｉ２は、式（１５）及び式（１６）のように表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
【数１６】
【００４８】
式（１５）を式（１６）で割ると、カメラ１０で撮影したそれぞれの画像のＳ点における輝度比Ｒ１２は式（１７）となる。ここで、式（１８）で表すＲＳ１２はＳ点における２つの光源の輝度比であり、光源の発光輝度のムラを考えると、一般に場所の関数である。
【００４９】
【数１７】
【００５０】
【数１８】
【００５１】
式（１７）は、ｘ，ｙ，ｚに関する２次方程式である。撮影した物体上の点Ｓを見るカメラ１０の画素の視線を考えると、視線は直線であり、この視線上でｘ，ｙはそれぞれｚの１次関数となる。この１次関数を、式（１７）に代入すると、ｘ，ｙは消去されるが、式（１７）はｚの複雑な２次式となる。このため、この複雑な式の計算をするのに時間がかかることになる。また、Ｓ点から見た２つの光源の方向が異なっているため、光源の光軸からの方向により、発光輝度にムラがあると、ＩＳ１，ＩＳ２が一定でなくなり、その計算は非常に複雑となる。したがって、物体上の計測される点Ｓと２つの光源Ｌ１，Ｌ２の位置がカメラ１０の光軸の同じ直線上にあることが基本となり、実際に物体の形状を計測する際には、カメラ１０と２つの光源Ｌ１，Ｌ２を基準面（Ｘ，Ｙ軸平面）に対して平行に走査させるのが一般的である。
【００５２】
このように、従来の技術においては、装置構成が大きくなる欠点とコストが増大する欠点がある。
【００５３】
本発明は、上述の問題を鑑みて為されたものであり、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測装置及び形状計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
本発明の形状計測装置は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置であって、物体を照射するための第１の光源と、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源と、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、を備えることを特徴とする。
【００５５】
また、本発明の形状計測装置において、前記第１の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記第２の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々を構成するＬＥＤ光源の点灯及び消灯を制御することにより調光制御を行う光源決定部を備えることを特徴とする。
【００５６】
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出する画素別輝度比算出部を備えることを特徴とする。
【００５７】
また、本発明の形状計測装置において、前記第２の光源は、前記第１の光源よりも光源の輝度が高く、前記第１の光源及び前記第２の光源は略同一の波長分布を有することを特徴とする。
【００５８】
また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、当該物体の三次元形状を決定するとともに、当該物体の明るさ及び色情報を決定することを特徴とする。
【００５９】
さらに、本発明の形状計測方法は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測方法であって、物体を照射するための第１の光源、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、前記制御ユニットの処理手順は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。さらに、物体計測時に、物体に対して光学系（カメラ、第１の光源及び第２の光源）を平行移動させる機構やプロジェクタを必要せず、カメラ、第１の光源及び第２の光源を一直線上に配置することなしに固定した光学系で物体の計測が可能であることから、従来よりも装置構成を小型化することが可能となり、さらに装置のコストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による第１実施形態の形状計測装置の概略図である。
【図２】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。
【図３】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの校正処理フローを示す図である。
【図４】本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの形状計測処理フローを示す図である。
【図５】本発明による第１実施形態の形状計測装置における輝度比から高さ座標に変換する輝度比・高さ座標変換テーブルの一例を示す図である。
【図６】本発明による第１実施形態の形状計測装置における輝度比から三次元座標に変換する画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの概念を説明するための図である。
【図７】本発明による第２実施形態の形状計測装置の概略図である。
【図８】従来の形状計測装置における計測原理の概略図である。
【図９】本発明に係る形状計測装置における計測原理の概略図である。
【図１０】本発明に係る形状計測装置における輝度比から高さ座標に変換する変換テーブルの実際値の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、図面を参照して、本発明による各実施形態の形状計測装置について説明する。第１実施形態の形状計測装置は基準平板の上に載置された物体を計測する例であり、第２実施形態の形状計測装置は物体の形状計測時にて基準平板を用いずに物体を計測する例であり、順に説明する。
【００６３】
＜第１実施形態＞
〔装置構成〕
図１は、本発明による第１実施形態の形状計測装置の概略図である。本実施形態の形状計測装置１００は、二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ１０と、光源２０，３０（第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２）と、制御ユニット５０と、メモリ７０とを備える。形状計測装置１００における光学系の校正処理時には、基準平板４０と、基準面ガイド８０と、モータ９０とを備える機構を用いて光学系の校正処理を行う。尚、光学系の校正処理時には、基準平板４０と、基準面ガイド８０と、モータ９０とを備える機構について、以下の説明は一例を示すものである。モニタ６０は、必要に応じて計測結果の表示を行うのに用いる。
【００６４】
本実施形態の形状計測装置１００は、２つの光源Ｌ１，Ｌ２（それぞれ点光源２０，３０で表される）により照明された物体をカメラ１０で撮影することで、物体の形状を計測する。一方、光学系の校正処理を行うために、カメラ１０の光軸に対して垂直に基準平板４０を置き、これを基準面とする。この基準面上に、直交するＸ，Ｙ軸をとり、このＸ，Ｙ軸に対して垂直にＺ軸をとる。基準平板４０の上に物体を置いた場合、物体上の一点Ｓの基準平板４０からの高さをｚ（変数）とする。
【００６５】
点光源により照明された物体をカメラ１０で撮影すると、この撮影された画像から得られる輝度Ｉの値は、点光源の発光輝度ＩＳに比例し、点光源と物体との間の距離の２乗に反比例する。カメラ１０による像面の物体の光の反射率をｒとすると、反射した光の輝度は、この反射率ｒに比例する。
【００６６】
光源２０（第１の光源Ｌ１）は、物体を照射するための光源であり、発光輝度ＩＳ１を有する。光源２０（第１の光源Ｌ１）は、複数のＬＥＤ光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各ＬＥＤ光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。第１の光源Ｌ１の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット５０からの制御信号（光源Ｌ１制御信号）によってなされる。
【００６７】
光源３０（第２の光源Ｌ２）は、第１の光源Ｌ１とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための光源であり、発光輝度ＩＳ２を有する。光源３０（第２の光源Ｌ２）は、複数のＬＥＤ光源からなる点光源として構成することが好適であり、これにより各ＬＥＤ光源の点灯及び消灯の組み合わせで調光することが可能となる。また、光源３０（第２の光源Ｌ２）は、第１の光源Ｌ１よりも光源の発光輝度が高い（ＩＳ２＞ＩＳ１）ように構成するのが好適であり、より好適には第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２について基準平板４０までの距離の２乗に反比例することを加味した輝度バランスとすることで、ＳＮ比を揃えるようにするのが望ましい。第２の光源Ｌ２の点灯及び消灯、又は調光制御は、制御ユニット５０からの制御信号（光源Ｌ２制御信号）によってなされる。
【００６８】
カメラ１０は、物体を撮像するための複数の画素を有し、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いたカメラを利用する。このようなカメラは、単色撮像又は多色撮像のいずれでもよく、例えば単色（フィルタなし）用のカメラであれば感度がよくなり、ＲＧＢカラーフィルタを有するカメラの場合には、ＲＧＢ出力値を輝度値に変換することができる。カメラ１０の撮像制御や画像信号の取得は、制御ユニット５０からの制御信号（カメラ制御信号／画像信号）によってなされる。
【００６９】
基準平板４０は、Ｘ，Ｙ軸の二次元平面を構成する。基準平板４０は、校正処理時にのみ用いればよい。校正処理の際には、基準平板４０の表面に、計測結果のｘ，ｙ座標の目盛とするための格子（Ｘ軸方向に平行で等間隔の格子及びＹ軸方向に平行で等間隔の格子）を例えば白色面に黒色で格子線を描いたシートを載置したり、画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を決定するための一定濃度のシート（例えば、反射率が既知の白色シート）を載置したりする方法があるが、以下の説明では、主に、白色面に黒色で格子線を描いたシート（以下、総括して校正像を表示したシートを「校正シート」と称する）を用いて光学系の校正処理を行う例を説明する。尚、誤差要因として無視できる場合には、液晶ディスプレイを用いることも可能である。つまり、基準平板４０を構成する液晶ディスプレイの表面に計測結果のｘ，ｙ座標の目盛とするための格子像を表示し、その位相をシフトすることができる。
【００７０】
基準面ガイド８０は、二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０をΔｚの所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ：ｎは任意の整数であり、ｚｎで高さ分布の分解能や計測範囲が定まり、ｚ＝ｚ０はすなわち、物体の高さ座標として０である）で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面とするためのガイドレールである。モータ９０は、基準平板４０を基準面ガイド８０に沿って平行移動させるための駆動源であり、その機構については既知の技術を用いればよく、更なる詳細な説明は省略する。基準平板４０を所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）で平行移動させるための制御は、制御ユニット５０からの制御信号（基準面位置制御信号）によってなされる。
【００７１】
制御ユニット５０は、校正処理時に、基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成してメモリ７０に予め保持する。また、制御ユニット５０は、形状計測処理時に、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２を算出し、該輝度比の値からメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。
【００７２】
モニタ６０は、制御ユニット５０によって決定した物体の三次元形状を表示するための装置である。モニタ６０で計測結果を表示する代わりに、プリンタによる出力を用いてもよいし、記録媒体に記録する構成としてもよい。
【００７３】
尚、本実施形態の制御ユニット５０、モニタ６０及びメモリ７０は、コンピュータ装置１１０として構成することができ、制御ユニット５０をコンピュータとして構成させる場合には、当該コンピュータに、後述する制御ユニット５０の各構成要素を実現させるためのプログラムをメモリ７０に記憶する。当該コンピュータに備えられる中央演算処理部（ＣＰＵ）が、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムや処理データを、適宜、メモリ７０から読み込んで制御ユニット５０の各構成要素の機能をコンピュータ上で実現させることができる。ここで、各構成要素の機能をハードウェアの一部で実現してもよいことは勿論である。
【００７４】
〔制御ユニット〕
図２は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。制御ユニット５０は、校正処理部５１０と、形状計測部５２０と、モニタ６０で計測結果を表示する制御を行う表示制御部５３０とを備える。
【００７５】
校正処理部５１０は、基準面可変位置設定部５１１と、光源決定部５１２と、カメラ撮像処理部５１３と、画素別輝度比算出部５１４と、輝度比・高さ座標処理部５１５と、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６とを備える。
【００７６】
基準面可変位置設定部５１１は、基準平板４０を所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）で基準面ガイド８０に沿ってＺ軸方向に平行移動させるために、モータ９０に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。基準面可変位置設定部５１１は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）とを予め対応付けた基準面位置データ７１０をメモリ７０から参照して制御する。
【００７７】
光源決定部５１２は、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について、それぞれカメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像するために、カメラ１０の撮像に同期して第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の点灯（調光制御も含む）及び消灯の切り替えを行うための光源Ｌ１制御信号や光源Ｌ２制御信号を発生する機能部である。光源決定部５１２は、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の調光制御に必要であれば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２の基準平板４０からの高さ（Ｚ軸方向）や光源のタイプ（複数のＬＥＤ光源からなる点光源等）に応じて予め決定された光源調光用データ７３０をメモリ７０から参照して制御する。
【００７８】
カメラ撮像処理部５１３は、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について、それぞれ第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の点灯に同期してカメラ１０の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号／画像信号を発生する機能部である。
【００７９】
画素別輝度比算出部５１４は、基準平板４０の法線方向（Ｚ軸方向）に、基準平板４０を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面（校正シートを載置した面）について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部５１４は、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。
【００８０】
輝度比・高さ座標処理部５１５は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）に対応付けた輝度比・高さ座標変換テーブルを生成する機能部である。輝度比・高さ座標処理部５１５は、生成した輝度比・高さ座標変換テーブル７４０（図５参照）をメモリ７０に格納することができる。
【００８１】
画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６は、算出された複数の基準面における画素毎の輝度比・高さ座標変換テーブル７４０における高さ座標（ｚ座標）と、校正像（又は格子像）を撮像したことで得られるＸ，Ｙ軸平面（ｘ，ｙ座標）から、輝度比Ｒ１２を基準にした複数の基準面における画素毎のｘ，ｙ，z座標を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成してメモリ７０に格納する。例えば、図６に示すように、各画素で、各基準面における均一像部分による輝度Ｉ１，Ｉ２を取得し、格子線部分によるｘ，ｙ座標を決定することができ、画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標に対応付けを行っていることから、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを作成することができる。尚、格子線上にある画素（複数のｘ，ｙ座標値を跨る画素）については、格子像からｘ，ｙ座標を決定することができ、格子線上にない画素は、輝度値の算出のために用いることができる。また、図６では、格子線を１画素サイズ以下で例示的に表しているが、格子線部分が複数画素に跨って撮像される構成となっても同様に処理することができる。
【００８２】
形状計測部５２０は、基準面初期位置設定部５２１と、光源決定部５２２と、カメラ撮像処理部５２３と、画素別輝度比算出部５２４と、画素別三次元座標決定処理部５２５とを備える。
【００８３】
基準面初期位置設定部５２１は、基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）となるように基準面ガイド８０に沿ってＺ軸方向に平行移動させるために、モータ９０に対して基準面位置制御信号を発生する機能部である。計測対象の物体のサイズは、ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内であり、且つ基準面に描写される格子像によるｘ，ｙ座標の範囲内であり、この物体は、計測処理時に、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）の基準平板４０に載置される。基準面初期位置設定部５２１は、この平行移動の制御のために必要であれば、モータの制御値と所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）とを予め対応付けた基準面位置データ７１０をメモリ７０から参照して制御する。ただし、基準平板４０を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に物体を置けばよいため、基準面初期位置設定部５２１の処理は、基準平板４０に物体を載置する場合の処理である。
【００８４】
光源決定部５２２は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体をそれぞれ撮像するために、カメラ１０の撮像に同期して第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の点灯（調光制御も含む）及び消灯の切り替えを行うための光源Ｌ１制御信号や光源Ｌ２制御信号を発生する機能部である。光源決定部５２２は、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の調光制御に必要であれば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２の基準平板４０からの高さ（Ｚ軸方向）や光源のタイプ（複数のＬＥＤ光源からなる点光源等）に応じて予め決定された光源調光用データ７３０をメモリ７０から参照して制御する。
【００８５】
カメラ撮像処理部５２３は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、第１の光源Ｌ１又は第２の光源Ｌ２の点灯に同期してカメラ１０の撮像を制御して画像信号を取得するためのカメラ制御信号／画像信号を発生する機能部である。
【００８６】
画素別輝度比算出部５２４は、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状について、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する機能部である。尚、画素別輝度比算出部５２４は、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出するように構成することもできる。
【００８７】
画素別三次元座標決定処理部５２５は、算出された第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２の値から校正処理でメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定し、計測結果をメモリ７０に格納し、表示制御部５３０と協働して物体の三次元座標をモニタ６０に表示する機能部である。
【００８８】
〔装置動作〕
次に、本発明による第１実施形態の形状計測装置の装置動作について説明する。
【００８９】
（校正処理）
図３は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの校正処理フローを示す図である。以下の動作説明では、格子像と一定濃度の均一像を兼ねて１つの校正像（一定濃度の均一像の部分と格子線部分からなる）の校正シートを用いる場合を説明する。
【００９０】
まず、基準面可変位置設定部５１１によって基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定する（ステップＳ１）。ｘ，ｙ座標の目盛とするための格子並びに光源別の輝度比のための一定濃度の均一像からなる校正像の校正シートは基準平板４０に設定される（ステップＳ２）。
【００９１】
次に、光源決定部５１２によって第１の光源Ｌ１を点灯し第２の光源Ｌ２を消灯する（ステップＳ３）。続いて、カメラ撮像処理部５１３によって基準平板４０を撮像し、校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ４）。
【００９２】
次に、光源決定部５１２によって第２の光源Ｌ２を点灯し第１の光源Ｌ１を消灯する（ステップＳ５）。続いて、カメラ撮像処理部５１３によって基準平板４０を撮像し、校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けと画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ６）。校正像における格子のｘ，ｙ座標と画素との対応付けのために、第１の光源Ｌ１と第２の光源Ｌ２のいずれか一方のみで取得したデータを用いてもよいが、複数のデータを用いて平均処理することで精度を向上させることができる。
【００９３】
次に、画素別輝度比算出部５１４によって、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定した基準平板４０の基準面（一定濃度の均一像の部分）を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する（ステップＳ７）。続いて、輝度比・高さ座標処理部５１５によって、算出された基準面における画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を高さ座標に対応付けを行い（ステップＳ８）、画素別輝度比・三次元座標変換テーブル生成部５１６によって初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定した基準平板４０の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納する（ステップＳ９）。
【００９４】
ステップＳ１〜Ｓ９について、所定間隔（ｚ＝ｚ０,ｚ１,ｚ２,・・・，ｚｎ）の複数の基準面について繰り返し行い、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納する（ステップＳ１０，Ｓ１１）。
【００９５】
このようにして、形状計測装置１００は、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納しておく。
【００９６】
（形状計測処理）
図４は、本発明による第１実施形態の形状計測装置における制御ユニットの形状計測処理フローを示す図である。
【００９７】
まず、基準面初期位置設定部５２１によって基準平板４０を初期位置（ｚ＝ｚ０）に設定する（ステップＳ２１）。物体は、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定される基準平板４０に載置されているものとする。ただし、基準平板４０を用いずに物体の形状を計測する場合には、当該複数の基準面の範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に物体が置かれる。
【００９８】
次に、光源決定部５２２によって第１の光源Ｌ１を点灯し第２の光源Ｌ２を消灯する（ステップＳ２２）。続いて、カメラ撮像処理部５２３によって基準平板４０に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ２３）。
【００９９】
次に、光源決定部５２２によって第２の光源Ｌ２を点灯し第１の光源Ｌ１を消灯する（ステップＳ２４）。続いて、カメラ撮像処理部５２３によって基準平板４０に載置した物体を撮像し、画素毎の輝度値をデータとして保持する（ステップＳ２５）。
【０１００】
次に、画素別輝度比算出部５２４によって、初期位置（ｚ＝ｚ０＝０）に設定した基準平板４０に載置した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる画素毎の輝度比Ｒ１２（＝Ｉ１／Ｉ２）を算出する（ステップＳ２６）。
【０１０１】
続いて、画素別三次元座標決定処理部５２５によって、算出された第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２の値から校正処理でメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して（ステップＳ２７）、当該物体の三次元形状を決定し（ステップＳ２８）、計測結果をメモリ７０に格納し、表示制御部５３０と協働して物体の三次元座標をモニタ６０に表示する（ステップＳ２９）。
【０１０２】
尚、複数回の物体の三次元座標の計測結果を平均処理した結果を表示したりするように構成することができる。
【０１０３】
このようにして、形状計測装置１００は、従来よりも装置構成を小型化し、コストを低減させた構成で、物体の形状計測を行うことができるようになる。
【０１０４】
また、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどの影響をキャンセルしながら物体の形状計測を非接触かつ高精度で行うことができる。
【０１０５】
次に、本発明による第２実施形態の形状計測装置について説明する。第２実施形態の形状計測装置は、第１実施形態とは相違して、基準平板を用いずに物体を計測する例である。
【０１０６】
＜第２実施形態＞
〔装置構成〕
図７は、本発明による第２実施形態の形状計測装置の概略図である。第１実施形態と同様な構成要素には同一の参照番号を付している。本実施形態の形状計測装置１００は、物体の形状計測時にて基準平板を用いずに、複数の基準面４０ｂの範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）に置かれる物体の三次元形状を計測する装置であり、カメラ１０と、光源２０，３０（第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２）と、制御ユニット５０と、メモリ７０とを備える。
【０１０７】
第２実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に、物体の形状計測前の校正処理として、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成してメモリ７０に格納しておく。
【０１０８】
物体の三次元形状の計測時には、複数の基準面４０ｂの範囲内（ｚ＝ｚ０〜ｚｎの範囲内）にある物体形状を、第１実施形態の場合と同様に処理すればよく、すなわち、制御ユニット５０は、形状計測処理時に、カメラ１０によって第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度Ｉ１，Ｉ２から、第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の各々で得られる輝度比Ｒ１２を算出し、該輝度比の値からメモリ７０に予め保持した画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する。したがって、第２実施形態では、図２で説明した制御ユニット５０における機能部のうち、基準面初期位置設定部５２１が不要となる。
【０１０９】
第２実施形態によれば、物体計測時にて基準平板４０を用いる必要がないため、例えば、人間の顔の三次元形状を計測したりする場合など、ハンディタイプの装置構成を実現することができるようになる。
【０１１０】
以下、計測対象の物体の形状計測について、「輝度比」を算出することで、複数の基準面における画素別輝度比・三次元座標変換テーブルから物体の形状計測を行うことができる原理についてさらに詳細に説明する。
【０１１１】
本発明の形状計測装置１００では、式（１７）の計算について、物体の高さ座標ｚの値を見つけることのできるようにするために、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによるｘ，ｙ，ｚ座標の全空間テーブル化法を用いる。
【０１１２】
（ｚとＲ１２の関係の各画素のテーブル化）
式（１７）の具体例として数値を入れて計算をしてみることにする。図９より、式（１９）で表される視線上のデータを見ている画素について、例えばｙ＝０の場合を計算してみる。
【０１１３】
【数１９】
【０１１４】
ここで、ｚＣは視線とカメラ光軸との交点であり，ｘＲは基準面がｚＣにあるときの基準面と視線の交点であり、ｚＣ＝４００ｍｍ、ｘＲ＝１０ｍｍとする。
【０１１５】
２つの光源Ｌ１及びＬ２の位置（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）、（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）及び各光源自体の輝度比ＲＳ１２を以下の値とする。
（ｘＬ１，ｙＬ１，ｚＬ１）＝（３０ｍｍ，０ｍｍ，２００ｍｍ）
（ｘＬ２，ｙＬ２，ｚＬ２）＝（２０ｍｍ，０ｍｍ，３００ｍｍ）
ＲＳ１２＝ＩＳ１／ＩＳ２＝０．５
【０１１６】
これらの値を式（１７）に代入すると、Ｒ１２とｚの関係は式（２０）となり、この関係をグラフにすると図１０のようになる。
【０１１７】
【数２０】
【０１１８】
このように図９のようなカメラ１０の光軸上に第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２がない光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに、図１０に示すように、カメラ１０の画素ごとに、ｚはＲ１２の一価関数となり、Ｒ１２の値が決まればｚが一意に決まる。すなわち、図９のような光学系の場合でも、その光学系を物体に対して走査することなしに精度よく式（１７）を解くために、予めＲ１２とｘ，ｙ，ｚの関係を各画素について画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして求めておき、物体を撮影したときの画素の輝度比Ｒ１２より画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照することでその画素が見ている点のｘ，ｙ，ｚ座標が求められる。したがって、全ての画素について物体を撮影したときの画素の輝度比Ｒ１２を求めることで物体の三次元形状を求めることができる。
【０１１９】
尚、光源の輝度比ＲＳ１２も各画素の関数とすることもでき、この値を含めて画素別輝度比・三次元座標変換テーブルとして生成することもできる。
【０１２０】
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの生成手順の一例について説明する。
【０１２１】
（１）ｚ方向に移動する基準面を用いたｘ，ｙ座標とｚ座標の関係のテーブル化
基準面の表面にｘ方向に平行で等間隔の格子及びｙ方向に平行で等間隔の格子を描くか、液晶ディスプレイなどを用いて表示させることで、ｘ，ｙ座標の目盛とすることができる。
【０１２２】
先ず、基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、この画像をカメラ１０で撮影し、撮影した格子像から画素が見ている格子の基準面上のｘ座標及びｙ座標を求め、画素とｘ，ｙ座標の対応付けを行う。撮影した格子像からｘ座標及びｙ座標を求める際に、例えばフーリエ変換法或いは位相シフト法により座標を解析してもよい。
【０１２３】
次に、基準平板４０を垂直方向に所定間隔Δｚだけ動かした基準面を設定し、光源Ｌ１，Ｌ２のいずれか一方又は双方を点灯し、この画像をカメラ１０で撮影し、撮影した格子像から所定間隔Δｚだけ動かした基準面のｚ位置に対して画素が見ている格子の基準面上のｘ座標及びｙ座標を求め、画素とｘ，ｙ座標の対応付けを行う。このようにして基準面のｚ座標を一定間隔Δｚずつ増加させながら、各画素におけるｚとｘ，ｙの関係をテーブルとして生成してメモリ７０に記憶する。この動作を、ｚの計測したい範囲（ｚ０〜ｚｎ）まで繰り返す。これにより、各画素におけるｘ，ｙ座標とｚ座標の対応関係をテーブルとして生成することができる。
【０１２４】
（２）各画素の輝度比Ｒ１２とｚ座標の関係のテーブル化
次に、基準面の格子の表示から、基準面を均一な明るさの白色に変更する。基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。次に、基準平板４０を垂直方向に一定間隔Δｚだけ動かした基準面を設定し、再度、光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして、各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。基準平板４０を垂直方向に一定間隔Δｚずつ動かしながらこの動作を繰り返し、各画素におけるｚ座標と輝度比Ｒ１２の関係をテーブルとして生成してメモリ７０に記憶する。
【０１２５】
上記（１）及び（２）で生成したテーブルを組み合わせることで、各画素で輝度比Ｒ１２が求められると、ｘ，ｙ，ｚ座標が求められる画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成することができる。この画素別輝度比・三次元座標変換テーブルは一度作成すると、光学系の構成や配置を変えないかぎり、いつまでも使えることになる。
【０１２６】
また、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの分解能を上げたい場合には、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの各要素の近傍のデータを用いた補間により大きな要素数の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを生成して分解能を向上させることができる。
【０１２７】
次に、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを用いた形状計測の一例について説明する。
【０１２８】
基準平板４０をｚの原点（ｚ＝ｚ０＝０）に設置した基準面を設定し、物体を基準平板４０に載置する。形状計測時には、２つの光源Ｌ１，Ｌ２を順次点灯し、それぞれの画像を撮影する。そして各画素における画像の輝度比Ｒ１２を求める。この輝度比Ｒ１２を画素別輝度比・三次元座標変換テーブルと比較することにより、ｘ，ｙ，ｚ座標が直ちに分かることになる。計算としては輝度比Ｒ１２を求めるだけで物体の三次元座標を求めることができる。尚、この輝度比Ｒ１２の算出も２つの光源Ｌ１，Ｌ２による輝度の値から輝度比を求めることができるテーブルを作成しておくのが処理速度の向上に好適である。
【０１２９】
（物体の明るさ情報や色情報のマッピング）
本発明に係る計測方法では、撮影した画像の輝度Ｉ１及びＩ２がいわゆる写真画像であるので、その輝度値を得られた座標にそのままマッピングすれば、三次元ＣＧ画像データを生成することもできる。
【０１３０】
（画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法による誤差のキャンセル）
画素別輝度比・三次元座標変換テーブルに基づく全空間テーブル化法を用いると、画素別輝度比・三次元座標変換テーブルの作成時の光学系と物体計測時の光学系が同じである場合、光学系の影響による誤差は基本的にキャンセルされる。具体的には、光源の位置誤差、対象物体の位置誤差、光源の輝度のばらつき、光源の輝度分布ムラ、カメラのレンズの収差、カメラのレンズの汚れなどはキャンセルされる。また、計測対象の物体の反射率（色）の違いも原理的に削除される。
【０１３１】
（カメラの各画素における輝度のばらつきのキャンセル）
カメラの各画素における輝度の時間的ばらつきが無視できない場合、複数回、画像を撮影して平均処理を施し、この平均の輝度値を用いるのが好適である。また、物体には、２つの光源Ｌ１，Ｌ２からの光以外のいわゆる外光の影響を受けないように、暗室の中で計測を行うか、物体を含めた光学系を無反射布で覆われた暗箱の中に納めることが考えられるが、装置の可搬性を高めるために外光防止の黒色フードを設けるのが好適である。
【０１３２】
尚、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長が異なると反射率が異なってくる影響を、上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルによる方法では取り除けないことから、ペアとなる２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長分布は略同一の波長分布とする（略同一の波長分布とは、２つの光源Ｌ１，Ｌ２の波長分布の差によってカメラ１０の撮像分解能として与える誤差がｘ，ｙ，ｚ座標の分解能以下となる波長分布を云う）のが好適である。光源としては、点光源が望ましいが面光源或いは多数の点光源で構成してもよい。例えば、第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２について、それぞれｘ，ｙ座標で異なる複数個の光源を第１の光源Ｌ１や第２の光源Ｌ２として構成したとしても上記の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルのようにテーブル化する為、計測上の問題が生じない。ＬＥＤチップを用いた光源は、小さな面積で、高出力であり、輝度のムラの影響が少ないことから、より好適である。また、ＬＥＤ光源によれば発光時間の調整が容易であり、高速に対応でき、カメラ１０の撮像処理の同期も容易である。ＬＥＤ光源は、発光効率もよく省エネルギでもある。
【０１３３】
また、撮影にあたって輝度分解能を上げるために、第２の光源Ｌ２の発光輝度を第１の光源Ｌ１の発光輝度よりも高く設定しておき、サチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつ画像が得られるように第１の光源Ｌ１及び第２の光源Ｌ２の発光輝度やカメラ１０の撮像パラメータを設定するのが好適である。このため、カメラ１０の撮影時間を変えることや、複数のＬＥＤを用いた光源とした場合にはその数を変えることや、ＬＥＤの印加電流を変えることなどの方法が考えられる。また、カメラ１０の撮影時間は、物体に近い方の第１の光源Ｌ１で撮影した画像がサチレーションを起こさない範囲の最高輝度をもつように決めるとよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、装置構成を小型化し、コストを低減させることができるため、物体の形状計測を非接触かつ高精度で行う用途に有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１０ カメラ
２０ 第１の光源Ｌ１
３０ 第２の光源Ｌ２
４０ 基準平板
５０ 制御ユニット
６０ モニタ
７０ メモリ
８０ 基準面ガイド
９０ モータ
１００ 形状計測装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置であって、
物体を照射するための第１の光源と、
該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源と、
物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、
前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、
を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状計測装置において、前記第１の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記第２の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々を構成するＬＥＤ光源の点灯及び消灯を制御することにより調光制御を行う光源決定部を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の形状計測装置において、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出する画素別輝度比算出部を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記第２の光源は、前記第１の光源よりも光源の輝度が高く、前記第１の光源及び前記第２の光源は略同一の波長分布を有することを特徴とする形状計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記制御ユニットは、当該物体の三次元形状を決定するとともに、当該物体の明るさ及び色情報を決定することを特徴とする形状計測装置。
【請求項６】
二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測方法であって、
物体を照射するための第１の光源、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、
前記制御ユニットの処理手順は、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、
前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、
を含むことを特徴とする形状計測方法。
【請求項１】
二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測装置であって、
物体を照射するための第１の光源と、
該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源と、
物体を撮像するための複数の画素を有するカメラと、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを予め保持するメモリと、
前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定する制御ユニットと、
を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状計測装置において、前記第１の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記第２の光源は１個または複数のＬＥＤ光源からなり、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々を構成するＬＥＤ光源の点灯及び消灯を制御することにより調光制御を行う光源決定部を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の形状計測装置において、前記制御ユニットは、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出するにあたり、複数回撮像して得られた画像信号の平均値から当該輝度比を算出する画素別輝度比算出部を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記第２の光源は、前記第１の光源よりも光源の輝度が高く、前記第１の光源及び前記第２の光源は略同一の波長分布を有することを特徴とする形状計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記制御ユニットは、当該物体の三次元形状を決定するとともに、当該物体の明るさ及び色情報を決定することを特徴とする形状計測装置。
【請求項６】
二次元平面を構成する基準面を複数用いて物体の三次元形状を計測する形状計測方法であって、
物体を照射するための第１の光源、該第１の光源とは異なる三次元空間位置に固定される、物体を照射するための第２の光源、物体を撮像するための複数の画素を有するカメラ、及び、制御ユニットが設けられており、
前記制御ユニットの処理手順は、
二次元平面の座標と濃度が定義される基準平板の法線方向に、前記基準平板を所定間隔で平行移動させたときのそれぞれの当該二次元平面を高さ方向の基準面としたとき、当該複数の基準面について、前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した各基準面を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる画素毎の輝度比を各基準面の高さと対応付けた画素毎の画素別輝度比・三次元座標変換テーブルをメモリに予め保持するステップと、
前記カメラによって前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で照射した物体を撮像して得られるそれぞれの画像信号の画素毎の輝度から、前記第１の光源及び前記第２の光源の各々で得られる輝度比を算出し、該輝度比の値から前記画素別輝度比・三次元座標変換テーブルを参照して当該物体の三次元形状を決定するステップと、
を含むことを特徴とする形状計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２３７６１３（Ｐ２０１２−２３７６１３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５８８５（Ｐ２０１１−１０５８８５）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（５０９３４７２３９）一般社団法人モアレ研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（５０９３４７２３９）一般社団法人モアレ研究所 (6)
【Ｆターム（参考）】
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