立体形状計測装置および立体形状計測方法
【課題】立体形状を簡易に計測できる立体形状計測装置を提供する。
【解決手段】計測装置５００は、六方状の格子を傾けることにより構成された格子５５０と、プロセッサ６１０と、画像センサ６２０と、光源６４０とを備える。プロセッサ６１０は、画像センサ６２０から送られるデータに基づいて被写体の画像を認識し、被写体の表面に形成された格子縞の座標値を算出し、六方格子を構成する３つの格子縞に対して合致法を適用することによりそれぞれの格子縞に対応する縞次数を探索し、探索結果に基づいて被写体のＺ軸方向の値（すなわち高さ）を算出する。
【解決手段】計測装置５００は、六方状の格子を傾けることにより構成された格子５５０と、プロセッサ６１０と、画像センサ６２０と、光源６４０とを備える。プロセッサ６１０は、画像センサ６２０から送られるデータに基づいて被写体の画像を認識し、被写体の表面に形成された格子縞の座標値を算出し、六方格子を構成する３つの格子縞に対して合致法を適用することによりそれぞれの格子縞に対応する縞次数を探索し、探索結果に基づいて被写体のＺ軸方向の値（すなわち高さ）を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状を計測する技術に関し、より特定的には、光の投影により生じる格子縞の画像に基づいて立体形状を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の立体形状を計測するための技術として、格子を通して光を被計測物に照射し、被計測物の表面に投影される縞を撮影して、その撮影画像を解析して立体形状の計測値を算出する技術が知られている。
【０００３】
たとえば、特開２００２−３６６９３１号公報（特許文献１）は、被計測者の頭部全体について非接触の３次元形状計測を高精度に行なうための技術を開示している。この技術は、正弦波格子位相シフト法を用いており、複数の照射部より正弦波状の明暗分布を持つパターンを照射しながら位相シフトさせ、その位相シフトに同期させて、複数の撮影部で撮影したパターン画像をもとに照射光の位相値を計算し、これら撮影部の相対的な位置関係から、撮像画像を１つの統一された座標系で統合し、頭部全体の高精度な三次元形状を得る、というものである（［要約］参照）。
【０００４】
また、被計測物の格子の位置の移動を検出する他の技術として、フーリエ変換法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６６９３１号公報
【非特許文献１】Mitsuo Takeda, Hideki Ina and Seiji Kobayashi, J. Opt. Soc. Am. Vol.72, No. 1 (1982) pp156-160.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
位相シフト方法は、格子の位置を少しずつずらして複数回の撮影を行ない、その撮影結果に基づいて格子１ピッチ以内の位置のずれを計算する方法である。この方法によると、格子の位置をずらすこと（以下、「位置ずらし」ともいう。）が、少なくとも３回必要とされ、通常は、計算の迅速化の観点から、４回の位置ずらしが行なわれている。そのため、撮影に時間を要し、立体形状の計測値を算出するまでの時間も長くなるという問題点がある。
【０００６】
一方、上記のフーリエ変換法は、一度の撮影から、フーリエ変換を行ない、その１次スペクトルを取り出し、逆フーリエ変換を行ない、格子の位置ずれを計算する方法である。その利点は、１回の撮影結果によって格子の位置ずれを計算することができるということである。しかしながら、１次スペクトルを取り出すため、空間分解能が低下するという問題点がある。
【０００７】
ところで、計測対象物によっては、表面の凹凸の程度が大きいものもある。位相シフト法およびフーリエ変換法のいずれにおいても、そのような計測対象物を撮影した場合には、格子のずれが格子の１ピッチ以上になる場合がある。しかしながら、位相シフト法およびフーリエ変換法のいずれも、１ピッチ以内のずれ（以下「端数分」という）のみを計測することができる。そのため、これらの方法を用いる場合には、ずれのピッチの整数倍の成分（以下「縞次数」という。）を算出する必要がある。
【０００８】
縞次数を算出する必要のない方法として、ピッチを大きくするということも考えられる。この場合、１ピッチ以上のずれはなくなるが、測定精度が低下するという問題点がある。また、フーリエ変換法によると、空間分解能も低下するという問題点もある。
【０００９】
縞次数を算出する方法として、異なるピッチの格子を順次投影して、それぞれのピッチに対する端数分を測定して、それから縞次数を推定する方法がある。しかし、この場合に用いられる明確なアルゴリズムは存在しない。
【００１０】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、立体形状を短時間で計測できる立体形状計測装置を提供することである。他の目的は、立体形状の計測精度が向上する立体形状計測装置を提供することである。他の目的は、立体形状を低コストで計測できる立体形状計測装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の局面における目的は、立体形状を短時間で計測できる立体形状計測方法を提供することである。他の目的は、立体形状の計測精度が向上する立体形状計測方法を提供することである。他の目的は、立体形状を低コストで計測できる立体形状計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、この発明のある局面に従う立体形状計測装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、格子を通して光を発する光源と、立体形状計測装置に対する命令の入力を受ける入力手段と、被写体を撮影して画像データを出力する撮像手段とを備える。撮像手段は、複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されている。この立体形状記憶装置は、画像データを格納する記憶手段と、画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算手段と、算出結果を出力する出力手段とを備える。撮像手段は、複数のピッチを有する格子を透過した光によって被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影する。演算手段は、１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出し、縞次数に基づいて被写体の形状データを算出する。
【００１３】
好ましくは、撮像手段は、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含む。複数のピッチが異なる間隔となるように、格子は、撮像手段と光源とを結ぶ方向と、格子の底辺が交差するように、構成されている。
【００１４】
好ましくは、複数のピッチは、３つのピッチを含む。
好ましくは、格子は六方格子を含む。
【００１５】
好ましくは、演算手段は、次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出し、算出する処理を各撮像素子に対して行うことにより形状データを算出する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ただし、
【００１８】
【数２】
【００１９】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【００２０】
【数３】
【００２１】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【００２２】
【数４】
【００２３】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【００２４】
【数５】
【００２５】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【００２６】
【数６】
【００２７】
好ましくは、出力手段は、結果を表示する表示手段と、結果を表わすデータを出力するデータ出力インターフェイスとのいずれかを含む。
【００２８】
この発明の他の局面に従うと、撮像装置が立体形状を計測する方法が提供される。撮像装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、格子を通して光を発する光源と、撮像装置に対する命令の入力を受ける入力装置と、被写体を撮影して画像データを出力するカメラと、メモリと、プロセッサとを備えている。カメラは、複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されている。この方法は、カメラが、複数のピッチを有する格子を透過した光によって被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影するステップと、プロセッサが、１回の撮影により生成された画像データをメモリに格納する記憶ステップと、プロセッサが、画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算ステップと、プロセッサが、算出結果を出力する出力ステップとを備える。演算ステップは、１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出するステップと、縞次数に基づいて被写体の形状データを算出するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、立体形状を短時間で、精度良く、また低コストで計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００３１】
最初に、図１を参照して、物体の立体形状を計測する手法について説明する。図１は、格子投影法による立体形状計測法の概略を表わす図である。
【００３２】
物体１００の立体形状を計測するために、光源１１０と画像センサ１２０とが設置される。光源１１０は、物体１００に対して光を投影する。画像センサ１２０は被写体（たとえば光が投影された物体１００）を撮影して画像データを出力する。光源１１０の投影中心Ａと、画像センサ１２０の撮像中心Ｂとの間隔は、距離ａである。光源１１０から物体１００上の点Ｐに至る光線の投影方向は、光源１１０（点Ａ）と撮像中心Ｂとを結ぶ直線ＡＢに垂直な面に対して角度ｄの方向である。この方向は、光源１１０を固定していても、物体１００上の点Ｐの位置によって変化する。また、物体１００上の点Ｐと画像センサ１２０とを結ぶ直線は、当該垂直な面に対して、角度ｅの方向に当たる。この角度も、画像センサ１２０上における点Ｐの位置に対応する像の位置の変化に従って変化する。このような、物体１００上の位置によって変化する２つの角度ｄおよび角度ｅを知ることによって、次に述べる式により、直線ＡＢから物体１００上の任意の点Ｐまでの距離ｚが計算される。
【００３３】
ここで、座標軸として、撮像中心Ｂを基準に、ＢＡ方向をｘ座標軸、撮像中心Ｂから物体１００に向かう方向をｚ座標軸とし、ｘ−ｚ座表面に垂直方向をｙ座標軸とする。この場合、直線ＡＢから物体１００上の点Ｐまでの距離ｚ0と、距離ａと、角度ｄ、角度ｅとの関係は、「ｚ0＝ａ／（tanｄ＋tanｅ）」となる。
【００３４】
角度ｅの値は、画像センサ１２０の画素の位置から幾何学的に計算可能である。また、画像センサ１２０のうちの任意の画素に映る格子縞が、何縞分だけ位置を移動したかを判別できれば、角度ｄの値が算出される。その結果、距離ａが既知であれば、距離ｚ0が計測できる。このような計算を、画像センサ１２０によって撮影された画面上の全ての点について行なうと、ｚ0（ｘ0，ｙ0）が計算でき、物体１００の立体形状が分かることになる。
【００３５】
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態に係る六方格子について説明する。図２は、六方格子の構成を表わす図である。六方格子とは、２次元の最密構造の格子である。より具体的には、六方格子は、六角形２００，２００−１，２００−２，２００−３，２００−４，２００−５，２００−６の各中心点を結ぶことによって構成される。六角形２００の中心点２１０と、六角形２００−１の中心点２１０−１とを結ぶ線と、中心点２１０と六角形２００−２の中心点２１０−２とを結ぶ線とは、６０度の角度を形成している。他の六角形についても、同様に６０度の角度が形成される。
【００３６】
図３は、六方格子に近い格子を角度ξだけ傾けた状態で構成される格子３００を表わす図である。角度ξだけ傾けることにより、ピッチｄを有する格子のピッチから、ピッチｄとは異なるものとすることができる。より詳しくは、ｘ軸方向（たとえば水平方向）に対して角度ξだけ傾けられた格子３００は、ｘ軸方向の間隔ｐｘ１を有するピッチ３１０と、間隔ｐｘ２を有するピッチ３２０と、間隔ｐｘ３を有するピッチ３３０とを有する。また、ｘ軸方向に垂直のｙ軸方向については、間隔ｐｙ１を有するピッチ３１２と、間隔ｐｙ２を有するピッチ３２２と、間隔ｐｙ３を有するピッチ３３２とを有する。
【００３７】
本実施の形態においては、図３に示すような六方格子に近い格子を用いて縞次数を算出する方法として、合致法を使用する。合致法は、たとえば以下の参考文献１−３に記載されている。しかし、参考文献１や２に示されている合致法のアルゴリズムは立体形状計測を目的としたものであるが、本願発明に係るアルゴリズムとは、基本的考え方が異なる。一方、参考文献３のアルゴリズムの基本的考え方は、本願発明に係る実施の形態に用いられるものである。しかし、参考文献３に記載の技術は、立体形状計測を目的としたものではなく、干渉計測に応用することを目的としたものである。本願発明は、参考文献３に記載の考え方を六方格子を用いる立体形状計測に応用した。それによって、上に述べたような複雑な数式が導出された。
参考文献１） 格内敏 他、「２ピッチ格子投影による３次元形状計測」、精密工学会誌、５８、ｐｐ１３３−１３８（１９９２）
参考文献２） Mitsuo Takeda et al. "Frequency-multiplex Fourier-transform profilometry": a single-shot three-dimensional shape measurement of objects with large height discontinuities and/or surface isolations, Vol.36, No.22, APPLIED OPTICS (1997), PP5347-5354.
参考文献３） Koichi IWATA et al., "Consideration of Fractional Fringe Method on the Basis of the Least Squares Method", OPTICAL REVIEW, Vol. 10, No. 4 (2003), pp202-205.
図４を参照して、本実施の形態における合致法のアルゴリズムについて説明する。図４は、光源４００と、カメラ中心４１０と、基準面４２０と、カメラ面４３０と、格子３００との位置関係を表わす図である。光源４００とカメラ中心４１０と格子３００とは、立体形状を計測するための装置に含まれている。
【００３８】
基準面４２０は、光源４００からの光が格子３００の格子面に垂直方向に投影された場合に、その方向に垂直な面であって、光が投影される被写体が含まれる平面をいう。基準面４２０は、たとえば、実際の撮影の局面においては壁、スクリーン等に相当する。したがって、格子３００による格子縞は、この基準面に投影されることになる。
【００３９】
カメラ面４３０は、カメラ中心４１０（すなわちレンズの中心）と撮像素子（図示しない）とを結ぶ仮想線に垂直な仮想平面である。光源４００とカメラとの位置関係に応じて、基準面４２０とカメラ面４３０との位置関係も規定される。
【００４０】
ここで、３次元の座標空間を、基準面４２０を用いて以下のように定義する。まず、カメラ中心４１０を通る光軸が基準面４２０と交わる点が、原点Ｏ（０，０，０）として規定される。基準面に垂直な方向にｚ軸を、カメラ中心４１０と光源４００を結ぶ直線と、ｚ軸を含む平面と基準面との交線をｘ軸とし、ｘ軸とｚ軸とに垂直な方向にｙ軸をとる。
【００４１】
光源４００の座標Ｓを、Ｓ（ｘＳ，ｙＳ，ｚＳ）と表わす。カメラ中心４１０の座標Ｃを、Ｃ（ｘＣ，ｙＣ，ｚＣ）と表わす。上記の座標の取り方では、ｙＳ＝０、ｙＣ＝０となるが、設定誤差を考慮して、ｙＳ、ｙＣと表わしている。今、物体上の１点をＰ（ｘp，ｙp，ｚp）とし、光源４００と点Ｐとを結ぶ直線と基準面との交点をＱ（ｘｑ，ｙｑ，０）とし、カメラ中心４１０と基準面４２０との交点をＲ（ｘｒ，ｙｒ，０）とする。
【００４２】
カメラ中心４１０と点Ｒとを結ぶ線とカメラ面４３０との交点Ｔの座標を、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表わす。これは、カメラの画面上の座標と関係した座標である。
【００４３】
カメラ面４３０と基準面４２０とは、角度αだけ交差している。この角度αは、光源４００とカメラ中心４１０との位置関係と、光源４００からの投影方向およびカメラの撮影方向によって規定される。
【００４４】
格子３００は、基準面に平行に置くものとする。また、図３に示されるように、ｘ軸に対して角度ξだけ傾けられた状態で構成されている。そのため、格子３００を透過した光は、基準面４２０において、角度ξだけ傾いた像を投影する。
【００４５】
［合致法のアルゴリズム］
合致法という言葉は以前から使用されていたが、合致法を行なうためのアルゴリズムは整備されていなかった。本発明の実施の形態においては、上記の参考文献３に記載の内容を拡張した合致法を用いている。具体的には、カメラおよび光源を有する計測装置と、被写体とが近接している場合に適用可能な合致法のアルゴリズムを見い出した。このアルゴリズムは、以下の式（１）から式（６）に対応する。なお、３次元の座標は、図４に示す座標を用いる。
【００４６】
格子の位置ずれをΔｘ、Δｙと表わし、格子のずれΔφｋをピッチｐｘ、ｐｙを用いて表わすと、次式（１）のようになる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
式（１）は格子のずれΔφｋの定義式である。ｋ＝１，２，３は、３つの格子に対応する。
【００４９】
この場合、フーリエ変換法によると、格子のずれΔφｋは、次式（２）における格子の１ピッチ以内のずれεｋである。
【００５０】
【数８】
【００５１】
ただし、
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）、
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）である。
【００５２】
フーリエ変換法でεｋの値が求められるのは、既に知られている方法である。しかし、ｎｋが分からないと、高さｚｋが分からない。縞次数ｎｋを求めて、Δφを導出し、被写体の基準面からの高さｚｋを算出するのが本発明の実施の形態に係る合致法である。
【００５３】
より詳しくは、以下のとおりである。図４に示すように、測定の基準面４２０上に、ｘ−ｙ座標軸を規定し、基準面４２０から垂直方向にｚ座標を規定する。ｘ方向は、計測装置（たとえば、演算機能を有するカメラ）の画面の横軸方向に一致させる。基準面４２０は、被写体である立体形状の高さｚ＝０の面である。この基準面４２０に平面板を置いて、立体形状を算出するためのプログラムを調整する。この座標空間において、上述のとおり、光源４００の座標は、Ｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）であり、カメラ中心４１０の座標は、Ｃ（ｘＣ，ｙＣ，ｚＣ）である。この場合、縞次数ｎｋは、次式（３），（４）から算出される。ここで、それぞれの格子に対する値であることを明確にするため、ｚに添え字（suffix）ｋを付ける。
【００５４】
【数９】
【００５５】
ただし、
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ここで、
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心を結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値、である。
【００５８】
それぞれのピッチに対する端数部εｋの測定値とｎｋの推定値を代入したとき、次の式にこれを代入し、Ｖの値を最小にする縞次数ｎｋを選んで、物体上の１点のｚ座標を算出するというのがこの合致法である。
【００５９】
【数１１】
【００６０】
上記の式（５）により得られた縞次数ｎｋを用いて、高さｚを次式（６）を用いて算出する。
【００６１】
【数１２】
【００６２】
ここで、ｗｋは、ｋ番目の格子に対する重みである。どの格子を重要視するのかの目安である。具体的には、ｗｋの値は、たとえば、
【００６３】
【数１３】
【００６４】
【数１４】
【００６５】
のように決める。これは、ｘ方向のピッチＰｘｋの小さい格子の重みを大きくしている。
上記で得られたｚを用いて、物体上の一点のｘ、ｙ座標（ｘｐ，ｙｐ)は、次式（９）のように表わされる。
【００６６】
【数１５】
【００６７】
これによって、物体上の一点の座標（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ)が得られる。これを画像の各ピクセルに対して算出すると、物体の形状ｚｐ＝ｆ（ｘｐ，ｙｐ）が得られる。
【００６８】
なお、当該合致法の適用は、六方格子に限らず、異なるピッチを有する格子が用いられる場合に広く適用できる。また、上記の手法は、位相シフト法にも適用することができる。
【００６９】
なお、上記の算出を行うに際しては、まず基準面上に実際の平面（基準板）を置き、それに対してΔφｓｋを求め、各画面上の点に対して、その値をメモリに保存しておく、次に、測定する物体を置いて、それに対してΔφ0ｋを求め、その差Δφｋを求めて、上記の計算をする。これによって、光学系の設定誤差が補正される。実際上は、測定の度にΔφｓｋを求める必要はない。基準板についてのΔφｓｋの測定を行って、それをメモリに保存しておけば、光源と格子とカメラの位置に変化が無い限り、同じデータを用いて、物体の立体形状を測定することができる。それ故、基準板は、測定対象となる物体の測定範囲の中央位置に置くことができる。
【００７０】
［実施例］
図５を参照して、本発明の実施の形態に係る計測装置５００の構成について説明する。図５は、計測装置５００の外観を表わす図である。計測装置５００は、筐体５１０と、調整ボタン５２０と、撮影ボタン５３０と、ファインダ５４０と、格子５５０と、レンズ５６０と、カードリーダ／ライタ５７０と、インターフェイス５８０とを備える。計測装置５００は、たとえばデジタルカメラ程度の大きさとして実現することができる。
【００７１】
計測装置５００の使用者は、たとえば計測装置５００をカメラのように片手でまたは両手で把持して調整ボタン５２０および撮影ボタン５３０を操作する。より具体的には、調整ボタン５２０が操作されると、計測装置５００と被写体との間の距離が計測され、計測装置５００のキャリブレーションが実現される。一方、撮影ボタン５３０が操作されると、格子５５０の奥に配置されている光源から光が発せられる。格子５５０を介して投影された映像は、レンズ５６０を介して撮影される。
【００７２】
図６は、計測装置５００のハードウエア構成を表わすブロック図である。計測装置５００は、図５に示される構成に加えて、プロセッサ６１０と、画像センサ６２０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３０と、光源６４０と、フラッシュメモリ６５０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６６０と、ディスプレイ６７０とを備える。カードリーダ／ライタ５７０には、メモリカード６８０が装着可能である。
【００７３】
調整ボタン５２０は、計測装置５００に対する命令の入力を受け付けて、当該命令に応じた信号をプロセッサ６１０に送出する。プロセッサ６１０は、その信号に基づいて予め規定された調整処理を実行する。
【００７４】
撮影ボタン５３０は、計測装置５００に対する撮影命令の入力を受け付けて、その入力に応じた信号をプロセッサ６１０に送出する。プロセッサ６１０は、その信号に応答して、予め定められた撮影動作を実行する。より詳しくは、プロセッサ６１０は、光を発する命令を光源６４０に送出する。また、プロセッサ６１０は、画像センサ６２０から出力されるデータの入力を受け付ける。このデータは、レンズ５６０によって集光された光を電気信号に変換した後の画像データに対応する。プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に確保したメモリ領域に、そのデータを書き込む。
【００７５】
ファインダ５４０は、図５に示されるように、格子５５０の近傍に構成されている。ファインダ５４０は、計測装置５００の前方から後方まで貫通するように空孔部分が形成されており、計測装置５００の使用者は、このファインダ５４０を介して被写体を視認することができる。なお、ファインダ５４０と格子５５０との位置関係は、図５に示されるものに限られず、たとえばファインダ５４０と格子５５０とが水平方向に並べて配置される構成であってもよい。
【００７６】
格子５５０は、たとえば図３に示されるような傾きを有する部材によって構成される。すなわち、格子５５０は、少なくとも３つの異なるピッチを有することになる。格子５５０の背後に配置されている光源６４０から光が発せられると、その光は格子５５０を透過し、格子縞が被写体の表面に生じる。
【００７７】
格子５５０は、ある局面において、樹脂により構成される。格子５５０は、筐体５１０と一体として成型されてもよく、また、他の局面において、筐体５１０とは別個の部材として構成されてもよい。
【００７８】
レンズ５６０は、ある局面において、コリメートレンズとして実現される。計測装置５００の被写体に現れた像の反射光は、レンズ５６０を介して画像センサ６２０に入射する。画像センサ６２０は、その光を画像データに変換し、変換により生成されたデータをプロセッサ６１０に送出する。
【００７９】
ある局面において、プロセッサ６１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）その他の処理デバイスとして構成される。他の局面において、プロセッサ６１０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）としても実現される。
【００８０】
フラッシュメモリ６５０は、プロセッサ６１０により生成されたデータあるいは画像センサ６２０から送られたデータを不揮発的に格納する。あるいはフラッシュメモリ６５０の代わりにハードディスク装置その他のデータを不揮発的に保持できる記憶装置が使用されてもよい。
【００８１】
ＲＯＭ６６０は、計測装置５００に予め規定された動作を実行させるためのプログラム、データを格納している。
【００８２】
ＲＡＭ６３０は、プロセッサ６１０により生成されたデータを一時的に（揮発的に）格納する。ディスプレイ６７０は、画像センサ６２０により取得された画像、計測装置５００の設定値、設定メニューなどを表示する。ディスプレイ６７０は、ある局面において、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）装置、有機ＥＬ（Electro Luminescence）などの表示デバイスにより構成される。
【００８３】
光源６４０は、たとえばＬＥＤ（Light Emitting Diode）その他の発光素子により実現される。カードリーダ／ライタ５７０は、メモリカード６８０に対してデータを書き込み、あるいはメモリカード６８０に格納されているデータを読み出し、プロセッサ６１０に送出する。
【００８４】
インターフェイス５８０は、通信ケーブル（図示しない）の接続を受け付けて、計測装置５００と他の情報処理装置との間のデータの通信を実現する。インターフェイス５８０による通信の態様は特に限られない。
【００８５】
次に、図７を参照して、計測装置５００を実現するプロセッサ６１０について説明する。図７は、プロセッサ６１０によって実現される機能の構成を表わすブロック図である。プロセッサ６１０は、画像認識部７１０と、距離計測部７２０と、座標値算出部７３０と、抽出部７４０と、縞次数探索部７５０と、高さ算出部７６０とを含む。これらの機能は、プロセッサ６１０がＲＯＭ６６０に格納されているプログラムを実行することにより実現される。
【００８６】
画像認識部７１０は、画像センサ６２０から送られるデータに基づいて被写体の画像を認識するように構成されている。
【００８７】
距離計側部７２０は、その認識された画像に基づいて計測装置５００と被写体までの距離を計測するように構成されている。
【００８８】
座標値算出部７３０は、被写体の表面に形成された格子縞と、距離計測部５２０によって計測された距離とに基づいて当該被写体の表面上の座標値を算出するように構成されている。
【００８９】
抽出部７４０は、画像認識部７１０から送られるデータに基づいて投影縞を抽出するように構成されている。
【００９０】
縞次数探索部７５０は、抽出部７４０によって抽出された投影縞に基づいて合致法を適用することにより縞次数を探索するように構成されている。
【００９１】
高さ算出部７６０は、縞次数探索部７５０の探索結果に基づいて当該被写体のＺ軸方向の値（すなわち高さ）を算出する。高さ算出部７６０は、その結果を計測結果としてプロセッサ６１０の外部に出力するように構成されている。
【００９２】
次に、図８を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００のデータ構造について説明する。図８は、ＲＯＭ６６０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。ＲＯＭ６６０は、データを格納するための複数のメモリ領域を含む。
【００９３】
カレンダー情報は、メモリ領域８１０に格納されている。カレンダー情報は、たとえば一般のカメラが有する情報と同様に、日付情報その他の撮影日を特定するための情報をいう。
【００９４】
計測装置５００が有する格子５５０の設計情報は、メモリ領域８２０に格納されている。当該設計情報は、たとえばＸ軸方向のピッチ（Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｘ３）と、Ｙ軸方向のピッチ（Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３）を含む。
【００９５】
六方格子５５０のピッチの間隔ｄは、メモリ領域８３０に格納されている。ここでいうピッチは六方格子を角度ξ傾ける前の状態をいう。その角度ξを表わすデータは、メモリ領域８４０に格納されている。
【００９６】
また、基準板に対する位相値Δφｓｋは、プロセッサ６１０によって算出され、フラッシュメモリ６５０に格納されている。
【００９７】
計測装置５００が、撮影により取得した投影データに基づいて高さ情報を得るための計算プログラムは、メモリ領域８５０に格納されている。計測装置５００の基本的な動作を制御するためのファームウェアは、メモリ領域８６０に格納されている。ＲＯＭ６６０に格納されるデータは、計測装置５００の製造時に決定される。したがって、これらのデータは計測装置５００の製造時にＲＯＭ６６０に記録されるが、他のタイミングですなわち、計測装置５００が製造された後に書き換え可能であってもよい。この場合、ＲＯＭ６６０は、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory）などにより実現される。
【００９８】
図９は、ＲＡＭ６３０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。ＲＡＭ６３０は、プロセッサ６１０により処理の実行時に、プロセッサ６１０による命令に従ってって、データを格納するためのメモリ領域を１つ以上確保する。たとえば、光源６４０の座標値は、メモリ領域９１０に格納されている。また、カメラ中心の座標値（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）は、メモリ領域９２０に格納されている。プロセッサ６１０は、ＲＯＭ６６０あるいはフラッシュメモリ６５０もしくはメモリカード６８０から処理に必要なデータを読み出し、その読み出したデータをＲＡＭ６３０に確保した領域に書き込む。他の局面において、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に書き込まれているデータを読み出し、保存が指示されたメモリ領域にデータを転送する。
【００９９】
図１０および図１１を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００の使用態様について説明する。図１０は、壁の一部１００に設けられた拡散平面板１０１０を用いて計測装置５００を較正するための状態を表わす図である。
【０１００】
すなわち図１０（Ａ）を参照して、壁１００の特定の場所１０１０に、拡散平面板１０１０を設ける。拡散平面板１０１０は、計測装置５００から発せられる光を反射させる。拡散平面板１０１０の高さはたとえば立体計測装置５００が把持される高さと同じであるのが好ましい。なお、拡散平面板１０１０のみが較正に使用されるわけではなく、光を一様に反射することができる部材であればよい。
【０１０１】
その状態で、計測装置５００は拡散平面板１０１０を撮影し、計測装置５００と壁１０００との距離を算出する。距離の算出態様は特に限られない。これにより、計測装置５００による較正が完了する。その後、たとえば、壁１０００の前方に被写体１０２０が立っている（図１０（Ｂ））。被写体１０２０は、背中を壁１０００につける。計測装置５００は被写体１０２０を撮影する。被写体は、たとえば、計測装置５００が家庭で使用される場合における個人、計測装置５００が医療機関で使用される場合における受診者、計測装置５００が服飾店で使用される場合における顧客（服の注文者）である。
【０１０２】
なお、前述のとおり、カメラと光源と格子との間の位置関係が変化しなければ、較正のための撮影および処理は、最初に一度行なっておけばよい。この場合、算出結果をメモリに保存しておくことにより、同一の算出結果を使用することができる。したがって、較正のための撮影および算出処理を再度行なう必要はない。なお、拡散平面板は、特定の材質からなる板に限られるものではなく、少なくとも、光を四方八方に散乱させることができるものであればよい。たとえば、一例として、普通の板に、光沢紙ではない紙を貼付したものが、拡散平面板として機能することができる。
【０１０３】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、計測装置５００の画像の表示態様を表わす図である。図１１（Ａ）を参照して、壁１０００に取り付けられた拡散平面板１０１０の画像１１００は、ディスプレイ５９０に表示されている。このとき画像１１００は、ディスプレイ５９０の中心部に一致している。
【０１０４】
この状態で、壁１０００の前に被写体が立つと、その映像は図１１（Ｂ）に示されるようになる。ここで、計測装置５００の使用者が撮影ボタン５３０を押下すると、当該撮影により取得された画像データは、ＲＡＭ６３０に一時的に書き込まれる。なお、被写体の撮影は、壁１０００の前に限らない。
【０１０５】
次に、図１２を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００の動作について説明する。図１２は、計測装置５００に対する操作によってプロセッサ６１０が実行する一連の動作の一部を表わすフローチャートである。
【０１０６】
ステップＳ１２１０にて、プロセッサ６１０は、計測装置５００に対する初期の認識処理を実現する。当該認識処理の詳細は、以下のとおりである。
【０１０７】
まず、ステップＳ１２１２にて、計測装置５００の使用者は、ファインダ５４０を介して、壁１０００のような基準面上に設けられた基準点（たとえば拡散平面板１０１０）を認識し、調整ボタン５２０を押下する。プロセッサ６１０は、調整ボタン５２０に対する操作に応答して、画像センサ６２０から出力されるデータをＲＡＭ６３０に書き込む。このデータは基準点の像をレンズ５６０を介して取得したものである。プロセッサ６１０は、このデータを書き込むときに、拡散平面板１０１０以外の領域のデータを排除するために、２値化処理、濃淡処理、エッジ強調処理等の画像認識処理を実行する。
【０１０８】
ステップＳ１２１４にて、プロセッサ６１０は、当該基準点から計測装置５００のカメラ中心（たとえば光源６４０）までの距離を計測する。この距離の計測は、たとえば一般の光学式カメラによって使用されるレンジングの手法によって実現される。
【０１０９】
ステップＳ１２１６にて、プロセッサ６１０は、当該基準点を原点として、光源６４０の座標値とカメラ（計測装置５００）の座標値とを算出する。プロセッサ６１０は、その算出したデータをＲＡＭ６３０に書き込む。
【０１１０】
ステップＳ１２３０にて、プロセッサ６１０は、被写体の立体形状を計測するための処理を実行する。より詳しくは、ステップＳ１２３２にて、プロセッサ６１０は、撮影ボタン５３０の押下に応答して被写体を撮影する。すなわち、撮影ボタン５３０が押下されると、プロセッサ６１０は、光源６４０に対して発光命令を与える。光源６４０は、その発光命令に応答して予め規定された強度の光を格子５５０に向けて発する。格子５５０から発せられた光は、壁１０００の前面に立っている被写体１０２０を照射する。その被写体の表面には、格子５５０によって形成された格子縞が現われている。プロセッサ６１０は、光源６４０に対する発光命令の後、画像をキャプチャする命令を画像センサ６２０に対して与える。レンズ５６０は、被写体の表面に形成された増幅の光を集めて、その光を画像センサ６２０に伝える。画像センサ６２０は、プロセッサ６１０から送られた命令に従って、光電変換処理を実行し、変換後のデータをプロセッサ６１０に伝送する。プロセッサ６１０は、そのデータをＲＡＭ６３０に格納する。
【０１１１】
さらに、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に格納したデータに基づいて撮影した画像をディスプレイ６７０に表示する。計測装置５００の使用者は、その像を見ることにより、被写体を正しく撮影できたか否かを確認することができる。
【０１１２】
ステップＳ１２３４にて、プロセッサ６１０は、調整ボタン５２０に対する命令に応答して、画像データをフラッシュメモリ６５０に保存する。
【０１１３】
ステップＳ１２３６にて、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に格納されている画像データを用いて投影縞を抽出する。
【０１１４】
ステップＳ１２３８にて、プロセッサ６１０は、投影縞上の１点（点Ｒ）の座標値（ｘｒ，ｙｒ，０）を算出する。
【０１１５】
ステップＳ１２４０にて、プロセッサ６１０は、Ａの値（式（４））を算出する。
ステップＳ１２４２にて、プロセッサ６１０は、Ｂの値（式（４））を算出する。
【０１１６】
ステップＳ１２４４にて、プロセッサ６１０は、格子のずれΔφｋ（式（２））の値を算出する。
【０１１７】
ステップＳ１２４６にて、プロセッサ６１０は、Ｄの値（式（４））を算出する。
ステップＳ１２４８にて、プロセッサ６１０は、Ｖの値（式（６））を最小にする縞次数ｎｋを探索する。
【０１１８】
ステップＳ１２５０にて、プロセッサ６１０は、Δφｋを算出する。
ステップＳ１２５２にて、プロセッサ６１０は、その算出したΔφｋを用いて被写体の高さｚｐ（式（５））を算出する。
【０１１９】
図１３および図１４を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００のデータ構造についてさらに説明する。図１３は、フラッシュメモリ６５０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。フラッシュメモリ６５０は、データを不揮発的に格納するためのメモリ領域を含む。
【０１２０】
撮影により生成されたデータを特定するための記録番号は、メモリ領域１３１０に格納されている。当該データに関連付けられる被写体（すなわち被計測者）を識別するためのデータ（たとえばユーザ名称、ユーザＩＤ（Identification））は、メモリ領域１３２０に格納されている。その被写体の計測が行なわれた日時は、メモリ領域１３３０に格納されている。計測結果は、メモリ領域１３４０に格納されている。当該データおよび計測結果を保護するか否かを表わすフラグデータは、メモリ領域１３５０に格納されている。
【０１２１】
たとえば記録番号「０１」のユーザ「Ａ」は、２００７年１０月１日２０時００分に撮影されており、その計測結果（２００７１００１２０００．ｄａｔ）は、データ保護されている。
【０１２２】
図１３に示されるデータの件数は、一例として９９件が示されているが、フラッシュメモリ６５０に格納されるデータの件数は、図１３に示されるのに限られず、それよりも少なくてもあるいは多くてもよい。これらのデータは、インターフェイス５８０を介してコンピュータ(図示しない）に伝送可能である。あるいは、プロセッサ６１０は、カードリーダ／ライタ５７０に装着されるメモリカード６８０にこれらのデータを書き込むこともできる。これにより、計測装置５００によって取得されたデータを用いた分析が可能になるため、たとえば、遠隔地において取得されたデータを利用することができる。たとえば、計測装置５００の使用者は、衣類を作成するためのデータを縫製工場に伝送することにより、自己の体型に応じた衣類の作成を依頼することができる。
【０１２３】
図１４は、計測結果（メモリ領域１３４０）の具体的内容を表わす図である。計測結果１３４０は、たとえば座標値（ｘ，ｙ）と、高さ（ｚ）とを含む。これらのデータは、図１２に示されるステップＳ１２３８およびステップＳ１２５２において算出されたものである。
【０１２４】
ある局面において、計測装置５００は、このようなデータを外部に出力することができる。出力先は、パーソナルコンピュータ、インターネットに接続された情報処理装置等が考えられる。たとえば、情報処理装置は、各家庭が有する計測装置５００からネットワーク送信されたデータを受信して、被写体である各個人の体型データを算出し、当該個人の健康診断を行なうことができる。
【０１２５】
［実施例の効果］
以上のようにして、本発明の実施の形態に係る計測装置５００は、多方向の格子を一度に撮影することにより、データを短時間で取得することができる。たとえば、３０分の１秒の撮影でもデータを取得することができる。短時間での取得が可能になるため、被験者は長時間同じ姿勢を維持する必要がなくなり、簡易に立体形状を計測することができる。
また、計測装置５００は、運動している物体の形状を計測することができる。さらに、計測装置５００は、時間の経過に合わせて、当該物体の形状を計測することもできる。
【０１２６】
また、計測装置５００は、ピッチの異なる格子３００を用いて合致法により形状を計測するため、広い範囲の高さ（すなわち凹凸の程度が大きいもの）を精度良く計測することができる。
【０１２７】
計測装置５００は、被写体との距離が短い場合でも使用することができる。したがって、立体形状を計測するために大掛かりなシステムが不要となり、コンパクトなシステム構成とすることができる。よって、たとえば、家庭、医療機関、服飾の縫製業者などが、簡易に計測装置５００を導入することができる。
【０１２８】
また、計測装置５００は、内部に駆動機構を有さないため、その構成が複雑にならず、計測装置５００の製造コストの増加も抑制できる。
【０１２９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、たとえば、人体、モックアップその他の模型、化石、標本、タービンブレードその他の精密加工品等の立体形状の計測に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】格子投影法による立体形状計測法の概略を表わす図である。
【図２】六方格子の構成を表わす図である。
【図３】六方格子に近い格子を角度ξだけ傾けた状態で構成される格子３００を表わす図である。
【図４】光源４００と、カメラ中心４１０と、基準面４２０と、カメラ面４３０と、格子３００との位置関係を表わす図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る計測装置５００の外観を表わす図である。
【図６】計測装置５００のハードウエア構成を表わすブロック図である。
【図７】プロセッサ６１０によって実現される機能の構成を表わすブロック図である。
【図８】ＲＯＭ６６０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図９】ＲＡＭ６３０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図１０】壁に設けられた拡散平面板１０１０を用いて計測装置５００を較正する状態を表わす図である。
【図１１】計測装置５００の画像の表示態様を表わす図である。
【図１２】計測装置５００に対する操作によってプロセッサ６１０が実行する一連の動作の一部を表わすフローチャートである。
【図１３】フラッシュメモリ６５０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図１４】計測結果の具体的内容を表わす図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１００ 物体、１１０ 光源、１２０ 画像センサ、１３０ 投影パターン、２００，２００−１，２００−２，２００−３，２００−４，２００−５，２００−６ 六角形、２１０，２１０−１，２１０−２ 中心点、３００ 格子、３１０，３１２，３２０，３２２，３３０，３３２ ピッチ、４００ 光源、４１０ カメラ中心、４２０ 基準面、４３０ カメラ面、５００ 計測装置、５１０ 筐体、５２０ 調整ボタン、５３０ 撮影ボタン、５４０ ファインダ、５５０ 格子、５６０ レンズ、５７０ インターフェイス、５８０ カードリーダ／ライタ、６８０ メモリカード、１０００ 壁、１０１０ 拡散平面板、１０２０ 被写体、１１００ 拡散平面板の撮影画像。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状を計測する技術に関し、より特定的には、光の投影により生じる格子縞の画像に基づいて立体形状を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の立体形状を計測するための技術として、格子を通して光を被計測物に照射し、被計測物の表面に投影される縞を撮影して、その撮影画像を解析して立体形状の計測値を算出する技術が知られている。
【０００３】
たとえば、特開２００２−３６６９３１号公報（特許文献１）は、被計測者の頭部全体について非接触の３次元形状計測を高精度に行なうための技術を開示している。この技術は、正弦波格子位相シフト法を用いており、複数の照射部より正弦波状の明暗分布を持つパターンを照射しながら位相シフトさせ、その位相シフトに同期させて、複数の撮影部で撮影したパターン画像をもとに照射光の位相値を計算し、これら撮影部の相対的な位置関係から、撮像画像を１つの統一された座標系で統合し、頭部全体の高精度な三次元形状を得る、というものである（［要約］参照）。
【０００４】
また、被計測物の格子の位置の移動を検出する他の技術として、フーリエ変換法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６６９３１号公報
【非特許文献１】Mitsuo Takeda, Hideki Ina and Seiji Kobayashi, J. Opt. Soc. Am. Vol.72, No. 1 (1982) pp156-160.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
位相シフト方法は、格子の位置を少しずつずらして複数回の撮影を行ない、その撮影結果に基づいて格子１ピッチ以内の位置のずれを計算する方法である。この方法によると、格子の位置をずらすこと（以下、「位置ずらし」ともいう。）が、少なくとも３回必要とされ、通常は、計算の迅速化の観点から、４回の位置ずらしが行なわれている。そのため、撮影に時間を要し、立体形状の計測値を算出するまでの時間も長くなるという問題点がある。
【０００６】
一方、上記のフーリエ変換法は、一度の撮影から、フーリエ変換を行ない、その１次スペクトルを取り出し、逆フーリエ変換を行ない、格子の位置ずれを計算する方法である。その利点は、１回の撮影結果によって格子の位置ずれを計算することができるということである。しかしながら、１次スペクトルを取り出すため、空間分解能が低下するという問題点がある。
【０００７】
ところで、計測対象物によっては、表面の凹凸の程度が大きいものもある。位相シフト法およびフーリエ変換法のいずれにおいても、そのような計測対象物を撮影した場合には、格子のずれが格子の１ピッチ以上になる場合がある。しかしながら、位相シフト法およびフーリエ変換法のいずれも、１ピッチ以内のずれ（以下「端数分」という）のみを計測することができる。そのため、これらの方法を用いる場合には、ずれのピッチの整数倍の成分（以下「縞次数」という。）を算出する必要がある。
【０００８】
縞次数を算出する必要のない方法として、ピッチを大きくするということも考えられる。この場合、１ピッチ以上のずれはなくなるが、測定精度が低下するという問題点がある。また、フーリエ変換法によると、空間分解能も低下するという問題点もある。
【０００９】
縞次数を算出する方法として、異なるピッチの格子を順次投影して、それぞれのピッチに対する端数分を測定して、それから縞次数を推定する方法がある。しかし、この場合に用いられる明確なアルゴリズムは存在しない。
【００１０】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、立体形状を短時間で計測できる立体形状計測装置を提供することである。他の目的は、立体形状の計測精度が向上する立体形状計測装置を提供することである。他の目的は、立体形状を低コストで計測できる立体形状計測装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の局面における目的は、立体形状を短時間で計測できる立体形状計測方法を提供することである。他の目的は、立体形状の計測精度が向上する立体形状計測方法を提供することである。他の目的は、立体形状を低コストで計測できる立体形状計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、この発明のある局面に従う立体形状計測装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、格子を通して光を発する光源と、立体形状計測装置に対する命令の入力を受ける入力手段と、被写体を撮影して画像データを出力する撮像手段とを備える。撮像手段は、複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されている。この立体形状記憶装置は、画像データを格納する記憶手段と、画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算手段と、算出結果を出力する出力手段とを備える。撮像手段は、複数のピッチを有する格子を透過した光によって被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影する。演算手段は、１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出し、縞次数に基づいて被写体の形状データを算出する。
【００１３】
好ましくは、撮像手段は、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含む。複数のピッチが異なる間隔となるように、格子は、撮像手段と光源とを結ぶ方向と、格子の底辺が交差するように、構成されている。
【００１４】
好ましくは、複数のピッチは、３つのピッチを含む。
好ましくは、格子は六方格子を含む。
【００１５】
好ましくは、演算手段は、次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出し、算出する処理を各撮像素子に対して行うことにより形状データを算出する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ただし、
【００１８】
【数２】
【００１９】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【００２０】
【数３】
【００２１】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【００２２】
【数４】
【００２３】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【００２４】
【数５】
【００２５】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【００２６】
【数６】
【００２７】
好ましくは、出力手段は、結果を表示する表示手段と、結果を表わすデータを出力するデータ出力インターフェイスとのいずれかを含む。
【００２８】
この発明の他の局面に従うと、撮像装置が立体形状を計測する方法が提供される。撮像装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、格子を通して光を発する光源と、撮像装置に対する命令の入力を受ける入力装置と、被写体を撮影して画像データを出力するカメラと、メモリと、プロセッサとを備えている。カメラは、複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されている。この方法は、カメラが、複数のピッチを有する格子を透過した光によって被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影するステップと、プロセッサが、１回の撮影により生成された画像データをメモリに格納する記憶ステップと、プロセッサが、画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算ステップと、プロセッサが、算出結果を出力する出力ステップとを備える。演算ステップは、１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出するステップと、縞次数に基づいて被写体の形状データを算出するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、立体形状を短時間で、精度良く、また低コストで計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００３１】
最初に、図１を参照して、物体の立体形状を計測する手法について説明する。図１は、格子投影法による立体形状計測法の概略を表わす図である。
【００３２】
物体１００の立体形状を計測するために、光源１１０と画像センサ１２０とが設置される。光源１１０は、物体１００に対して光を投影する。画像センサ１２０は被写体（たとえば光が投影された物体１００）を撮影して画像データを出力する。光源１１０の投影中心Ａと、画像センサ１２０の撮像中心Ｂとの間隔は、距離ａである。光源１１０から物体１００上の点Ｐに至る光線の投影方向は、光源１１０（点Ａ）と撮像中心Ｂとを結ぶ直線ＡＢに垂直な面に対して角度ｄの方向である。この方向は、光源１１０を固定していても、物体１００上の点Ｐの位置によって変化する。また、物体１００上の点Ｐと画像センサ１２０とを結ぶ直線は、当該垂直な面に対して、角度ｅの方向に当たる。この角度も、画像センサ１２０上における点Ｐの位置に対応する像の位置の変化に従って変化する。このような、物体１００上の位置によって変化する２つの角度ｄおよび角度ｅを知ることによって、次に述べる式により、直線ＡＢから物体１００上の任意の点Ｐまでの距離ｚが計算される。
【００３３】
ここで、座標軸として、撮像中心Ｂを基準に、ＢＡ方向をｘ座標軸、撮像中心Ｂから物体１００に向かう方向をｚ座標軸とし、ｘ−ｚ座表面に垂直方向をｙ座標軸とする。この場合、直線ＡＢから物体１００上の点Ｐまでの距離ｚ0と、距離ａと、角度ｄ、角度ｅとの関係は、「ｚ0＝ａ／（tanｄ＋tanｅ）」となる。
【００３４】
角度ｅの値は、画像センサ１２０の画素の位置から幾何学的に計算可能である。また、画像センサ１２０のうちの任意の画素に映る格子縞が、何縞分だけ位置を移動したかを判別できれば、角度ｄの値が算出される。その結果、距離ａが既知であれば、距離ｚ0が計測できる。このような計算を、画像センサ１２０によって撮影された画面上の全ての点について行なうと、ｚ0（ｘ0，ｙ0）が計算でき、物体１００の立体形状が分かることになる。
【００３５】
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態に係る六方格子について説明する。図２は、六方格子の構成を表わす図である。六方格子とは、２次元の最密構造の格子である。より具体的には、六方格子は、六角形２００，２００−１，２００−２，２００−３，２００−４，２００−５，２００−６の各中心点を結ぶことによって構成される。六角形２００の中心点２１０と、六角形２００−１の中心点２１０−１とを結ぶ線と、中心点２１０と六角形２００−２の中心点２１０−２とを結ぶ線とは、６０度の角度を形成している。他の六角形についても、同様に６０度の角度が形成される。
【００３６】
図３は、六方格子に近い格子を角度ξだけ傾けた状態で構成される格子３００を表わす図である。角度ξだけ傾けることにより、ピッチｄを有する格子のピッチから、ピッチｄとは異なるものとすることができる。より詳しくは、ｘ軸方向（たとえば水平方向）に対して角度ξだけ傾けられた格子３００は、ｘ軸方向の間隔ｐｘ１を有するピッチ３１０と、間隔ｐｘ２を有するピッチ３２０と、間隔ｐｘ３を有するピッチ３３０とを有する。また、ｘ軸方向に垂直のｙ軸方向については、間隔ｐｙ１を有するピッチ３１２と、間隔ｐｙ２を有するピッチ３２２と、間隔ｐｙ３を有するピッチ３３２とを有する。
【００３７】
本実施の形態においては、図３に示すような六方格子に近い格子を用いて縞次数を算出する方法として、合致法を使用する。合致法は、たとえば以下の参考文献１−３に記載されている。しかし、参考文献１や２に示されている合致法のアルゴリズムは立体形状計測を目的としたものであるが、本願発明に係るアルゴリズムとは、基本的考え方が異なる。一方、参考文献３のアルゴリズムの基本的考え方は、本願発明に係る実施の形態に用いられるものである。しかし、参考文献３に記載の技術は、立体形状計測を目的としたものではなく、干渉計測に応用することを目的としたものである。本願発明は、参考文献３に記載の考え方を六方格子を用いる立体形状計測に応用した。それによって、上に述べたような複雑な数式が導出された。
参考文献１） 格内敏 他、「２ピッチ格子投影による３次元形状計測」、精密工学会誌、５８、ｐｐ１３３−１３８（１９９２）
参考文献２） Mitsuo Takeda et al. "Frequency-multiplex Fourier-transform profilometry": a single-shot three-dimensional shape measurement of objects with large height discontinuities and/or surface isolations, Vol.36, No.22, APPLIED OPTICS (1997), PP5347-5354.
参考文献３） Koichi IWATA et al., "Consideration of Fractional Fringe Method on the Basis of the Least Squares Method", OPTICAL REVIEW, Vol. 10, No. 4 (2003), pp202-205.
図４を参照して、本実施の形態における合致法のアルゴリズムについて説明する。図４は、光源４００と、カメラ中心４１０と、基準面４２０と、カメラ面４３０と、格子３００との位置関係を表わす図である。光源４００とカメラ中心４１０と格子３００とは、立体形状を計測するための装置に含まれている。
【００３８】
基準面４２０は、光源４００からの光が格子３００の格子面に垂直方向に投影された場合に、その方向に垂直な面であって、光が投影される被写体が含まれる平面をいう。基準面４２０は、たとえば、実際の撮影の局面においては壁、スクリーン等に相当する。したがって、格子３００による格子縞は、この基準面に投影されることになる。
【００３９】
カメラ面４３０は、カメラ中心４１０（すなわちレンズの中心）と撮像素子（図示しない）とを結ぶ仮想線に垂直な仮想平面である。光源４００とカメラとの位置関係に応じて、基準面４２０とカメラ面４３０との位置関係も規定される。
【００４０】
ここで、３次元の座標空間を、基準面４２０を用いて以下のように定義する。まず、カメラ中心４１０を通る光軸が基準面４２０と交わる点が、原点Ｏ（０，０，０）として規定される。基準面に垂直な方向にｚ軸を、カメラ中心４１０と光源４００を結ぶ直線と、ｚ軸を含む平面と基準面との交線をｘ軸とし、ｘ軸とｚ軸とに垂直な方向にｙ軸をとる。
【００４１】
光源４００の座標Ｓを、Ｓ（ｘＳ，ｙＳ，ｚＳ）と表わす。カメラ中心４１０の座標Ｃを、Ｃ（ｘＣ，ｙＣ，ｚＣ）と表わす。上記の座標の取り方では、ｙＳ＝０、ｙＣ＝０となるが、設定誤差を考慮して、ｙＳ、ｙＣと表わしている。今、物体上の１点をＰ（ｘp，ｙp，ｚp）とし、光源４００と点Ｐとを結ぶ直線と基準面との交点をＱ（ｘｑ，ｙｑ，０）とし、カメラ中心４１０と基準面４２０との交点をＲ（ｘｒ，ｙｒ，０）とする。
【００４２】
カメラ中心４１０と点Ｒとを結ぶ線とカメラ面４３０との交点Ｔの座標を、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表わす。これは、カメラの画面上の座標と関係した座標である。
【００４３】
カメラ面４３０と基準面４２０とは、角度αだけ交差している。この角度αは、光源４００とカメラ中心４１０との位置関係と、光源４００からの投影方向およびカメラの撮影方向によって規定される。
【００４４】
格子３００は、基準面に平行に置くものとする。また、図３に示されるように、ｘ軸に対して角度ξだけ傾けられた状態で構成されている。そのため、格子３００を透過した光は、基準面４２０において、角度ξだけ傾いた像を投影する。
【００４５】
［合致法のアルゴリズム］
合致法という言葉は以前から使用されていたが、合致法を行なうためのアルゴリズムは整備されていなかった。本発明の実施の形態においては、上記の参考文献３に記載の内容を拡張した合致法を用いている。具体的には、カメラおよび光源を有する計測装置と、被写体とが近接している場合に適用可能な合致法のアルゴリズムを見い出した。このアルゴリズムは、以下の式（１）から式（６）に対応する。なお、３次元の座標は、図４に示す座標を用いる。
【００４６】
格子の位置ずれをΔｘ、Δｙと表わし、格子のずれΔφｋをピッチｐｘ、ｐｙを用いて表わすと、次式（１）のようになる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
式（１）は格子のずれΔφｋの定義式である。ｋ＝１，２，３は、３つの格子に対応する。
【００４９】
この場合、フーリエ変換法によると、格子のずれΔφｋは、次式（２）における格子の１ピッチ以内のずれεｋである。
【００５０】
【数８】
【００５１】
ただし、
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）、
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）である。
【００５２】
フーリエ変換法でεｋの値が求められるのは、既に知られている方法である。しかし、ｎｋが分からないと、高さｚｋが分からない。縞次数ｎｋを求めて、Δφを導出し、被写体の基準面からの高さｚｋを算出するのが本発明の実施の形態に係る合致法である。
【００５３】
より詳しくは、以下のとおりである。図４に示すように、測定の基準面４２０上に、ｘ−ｙ座標軸を規定し、基準面４２０から垂直方向にｚ座標を規定する。ｘ方向は、計測装置（たとえば、演算機能を有するカメラ）の画面の横軸方向に一致させる。基準面４２０は、被写体である立体形状の高さｚ＝０の面である。この基準面４２０に平面板を置いて、立体形状を算出するためのプログラムを調整する。この座標空間において、上述のとおり、光源４００の座標は、Ｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）であり、カメラ中心４１０の座標は、Ｃ（ｘＣ，ｙＣ，ｚＣ）である。この場合、縞次数ｎｋは、次式（３），（４）から算出される。ここで、それぞれの格子に対する値であることを明確にするため、ｚに添え字（suffix）ｋを付ける。
【００５４】
【数９】
【００５５】
ただし、
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ここで、
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心を結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値、である。
【００５８】
それぞれのピッチに対する端数部εｋの測定値とｎｋの推定値を代入したとき、次の式にこれを代入し、Ｖの値を最小にする縞次数ｎｋを選んで、物体上の１点のｚ座標を算出するというのがこの合致法である。
【００５９】
【数１１】
【００６０】
上記の式（５）により得られた縞次数ｎｋを用いて、高さｚを次式（６）を用いて算出する。
【００６１】
【数１２】
【００６２】
ここで、ｗｋは、ｋ番目の格子に対する重みである。どの格子を重要視するのかの目安である。具体的には、ｗｋの値は、たとえば、
【００６３】
【数１３】
【００６４】
【数１４】
【００６５】
のように決める。これは、ｘ方向のピッチＰｘｋの小さい格子の重みを大きくしている。
上記で得られたｚを用いて、物体上の一点のｘ、ｙ座標（ｘｐ，ｙｐ)は、次式（９）のように表わされる。
【００６６】
【数１５】
【００６７】
これによって、物体上の一点の座標（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ)が得られる。これを画像の各ピクセルに対して算出すると、物体の形状ｚｐ＝ｆ（ｘｐ，ｙｐ）が得られる。
【００６８】
なお、当該合致法の適用は、六方格子に限らず、異なるピッチを有する格子が用いられる場合に広く適用できる。また、上記の手法は、位相シフト法にも適用することができる。
【００６９】
なお、上記の算出を行うに際しては、まず基準面上に実際の平面（基準板）を置き、それに対してΔφｓｋを求め、各画面上の点に対して、その値をメモリに保存しておく、次に、測定する物体を置いて、それに対してΔφ0ｋを求め、その差Δφｋを求めて、上記の計算をする。これによって、光学系の設定誤差が補正される。実際上は、測定の度にΔφｓｋを求める必要はない。基準板についてのΔφｓｋの測定を行って、それをメモリに保存しておけば、光源と格子とカメラの位置に変化が無い限り、同じデータを用いて、物体の立体形状を測定することができる。それ故、基準板は、測定対象となる物体の測定範囲の中央位置に置くことができる。
【００７０】
［実施例］
図５を参照して、本発明の実施の形態に係る計測装置５００の構成について説明する。図５は、計測装置５００の外観を表わす図である。計測装置５００は、筐体５１０と、調整ボタン５２０と、撮影ボタン５３０と、ファインダ５４０と、格子５５０と、レンズ５６０と、カードリーダ／ライタ５７０と、インターフェイス５８０とを備える。計測装置５００は、たとえばデジタルカメラ程度の大きさとして実現することができる。
【００７１】
計測装置５００の使用者は、たとえば計測装置５００をカメラのように片手でまたは両手で把持して調整ボタン５２０および撮影ボタン５３０を操作する。より具体的には、調整ボタン５２０が操作されると、計測装置５００と被写体との間の距離が計測され、計測装置５００のキャリブレーションが実現される。一方、撮影ボタン５３０が操作されると、格子５５０の奥に配置されている光源から光が発せられる。格子５５０を介して投影された映像は、レンズ５６０を介して撮影される。
【００７２】
図６は、計測装置５００のハードウエア構成を表わすブロック図である。計測装置５００は、図５に示される構成に加えて、プロセッサ６１０と、画像センサ６２０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３０と、光源６４０と、フラッシュメモリ６５０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６６０と、ディスプレイ６７０とを備える。カードリーダ／ライタ５７０には、メモリカード６８０が装着可能である。
【００７３】
調整ボタン５２０は、計測装置５００に対する命令の入力を受け付けて、当該命令に応じた信号をプロセッサ６１０に送出する。プロセッサ６１０は、その信号に基づいて予め規定された調整処理を実行する。
【００７４】
撮影ボタン５３０は、計測装置５００に対する撮影命令の入力を受け付けて、その入力に応じた信号をプロセッサ６１０に送出する。プロセッサ６１０は、その信号に応答して、予め定められた撮影動作を実行する。より詳しくは、プロセッサ６１０は、光を発する命令を光源６４０に送出する。また、プロセッサ６１０は、画像センサ６２０から出力されるデータの入力を受け付ける。このデータは、レンズ５６０によって集光された光を電気信号に変換した後の画像データに対応する。プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に確保したメモリ領域に、そのデータを書き込む。
【００７５】
ファインダ５４０は、図５に示されるように、格子５５０の近傍に構成されている。ファインダ５４０は、計測装置５００の前方から後方まで貫通するように空孔部分が形成されており、計測装置５００の使用者は、このファインダ５４０を介して被写体を視認することができる。なお、ファインダ５４０と格子５５０との位置関係は、図５に示されるものに限られず、たとえばファインダ５４０と格子５５０とが水平方向に並べて配置される構成であってもよい。
【００７６】
格子５５０は、たとえば図３に示されるような傾きを有する部材によって構成される。すなわち、格子５５０は、少なくとも３つの異なるピッチを有することになる。格子５５０の背後に配置されている光源６４０から光が発せられると、その光は格子５５０を透過し、格子縞が被写体の表面に生じる。
【００７７】
格子５５０は、ある局面において、樹脂により構成される。格子５５０は、筐体５１０と一体として成型されてもよく、また、他の局面において、筐体５１０とは別個の部材として構成されてもよい。
【００７８】
レンズ５６０は、ある局面において、コリメートレンズとして実現される。計測装置５００の被写体に現れた像の反射光は、レンズ５６０を介して画像センサ６２０に入射する。画像センサ６２０は、その光を画像データに変換し、変換により生成されたデータをプロセッサ６１０に送出する。
【００７９】
ある局面において、プロセッサ６１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）あるいはＭＰＵ（Micro Processing Unit）その他の処理デバイスとして構成される。他の局面において、プロセッサ６１０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）としても実現される。
【００８０】
フラッシュメモリ６５０は、プロセッサ６１０により生成されたデータあるいは画像センサ６２０から送られたデータを不揮発的に格納する。あるいはフラッシュメモリ６５０の代わりにハードディスク装置その他のデータを不揮発的に保持できる記憶装置が使用されてもよい。
【００８１】
ＲＯＭ６６０は、計測装置５００に予め規定された動作を実行させるためのプログラム、データを格納している。
【００８２】
ＲＡＭ６３０は、プロセッサ６１０により生成されたデータを一時的に（揮発的に）格納する。ディスプレイ６７０は、画像センサ６２０により取得された画像、計測装置５００の設定値、設定メニューなどを表示する。ディスプレイ６７０は、ある局面において、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）装置、有機ＥＬ（Electro Luminescence）などの表示デバイスにより構成される。
【００８３】
光源６４０は、たとえばＬＥＤ（Light Emitting Diode）その他の発光素子により実現される。カードリーダ／ライタ５７０は、メモリカード６８０に対してデータを書き込み、あるいはメモリカード６８０に格納されているデータを読み出し、プロセッサ６１０に送出する。
【００８４】
インターフェイス５８０は、通信ケーブル（図示しない）の接続を受け付けて、計測装置５００と他の情報処理装置との間のデータの通信を実現する。インターフェイス５８０による通信の態様は特に限られない。
【００８５】
次に、図７を参照して、計測装置５００を実現するプロセッサ６１０について説明する。図７は、プロセッサ６１０によって実現される機能の構成を表わすブロック図である。プロセッサ６１０は、画像認識部７１０と、距離計測部７２０と、座標値算出部７３０と、抽出部７４０と、縞次数探索部７５０と、高さ算出部７６０とを含む。これらの機能は、プロセッサ６１０がＲＯＭ６６０に格納されているプログラムを実行することにより実現される。
【００８６】
画像認識部７１０は、画像センサ６２０から送られるデータに基づいて被写体の画像を認識するように構成されている。
【００８７】
距離計側部７２０は、その認識された画像に基づいて計測装置５００と被写体までの距離を計測するように構成されている。
【００８８】
座標値算出部７３０は、被写体の表面に形成された格子縞と、距離計測部５２０によって計測された距離とに基づいて当該被写体の表面上の座標値を算出するように構成されている。
【００８９】
抽出部７４０は、画像認識部７１０から送られるデータに基づいて投影縞を抽出するように構成されている。
【００９０】
縞次数探索部７５０は、抽出部７４０によって抽出された投影縞に基づいて合致法を適用することにより縞次数を探索するように構成されている。
【００９１】
高さ算出部７６０は、縞次数探索部７５０の探索結果に基づいて当該被写体のＺ軸方向の値（すなわち高さ）を算出する。高さ算出部７６０は、その結果を計測結果としてプロセッサ６１０の外部に出力するように構成されている。
【００９２】
次に、図８を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００のデータ構造について説明する。図８は、ＲＯＭ６６０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。ＲＯＭ６６０は、データを格納するための複数のメモリ領域を含む。
【００９３】
カレンダー情報は、メモリ領域８１０に格納されている。カレンダー情報は、たとえば一般のカメラが有する情報と同様に、日付情報その他の撮影日を特定するための情報をいう。
【００９４】
計測装置５００が有する格子５５０の設計情報は、メモリ領域８２０に格納されている。当該設計情報は、たとえばＸ軸方向のピッチ（Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｘ３）と、Ｙ軸方向のピッチ（Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３）を含む。
【００９５】
六方格子５５０のピッチの間隔ｄは、メモリ領域８３０に格納されている。ここでいうピッチは六方格子を角度ξ傾ける前の状態をいう。その角度ξを表わすデータは、メモリ領域８４０に格納されている。
【００９６】
また、基準板に対する位相値Δφｓｋは、プロセッサ６１０によって算出され、フラッシュメモリ６５０に格納されている。
【００９７】
計測装置５００が、撮影により取得した投影データに基づいて高さ情報を得るための計算プログラムは、メモリ領域８５０に格納されている。計測装置５００の基本的な動作を制御するためのファームウェアは、メモリ領域８６０に格納されている。ＲＯＭ６６０に格納されるデータは、計測装置５００の製造時に決定される。したがって、これらのデータは計測装置５００の製造時にＲＯＭ６６０に記録されるが、他のタイミングですなわち、計測装置５００が製造された後に書き換え可能であってもよい。この場合、ＲＯＭ６６０は、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory）などにより実現される。
【００９８】
図９は、ＲＡＭ６３０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。ＲＡＭ６３０は、プロセッサ６１０により処理の実行時に、プロセッサ６１０による命令に従ってって、データを格納するためのメモリ領域を１つ以上確保する。たとえば、光源６４０の座標値は、メモリ領域９１０に格納されている。また、カメラ中心の座標値（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）は、メモリ領域９２０に格納されている。プロセッサ６１０は、ＲＯＭ６６０あるいはフラッシュメモリ６５０もしくはメモリカード６８０から処理に必要なデータを読み出し、その読み出したデータをＲＡＭ６３０に確保した領域に書き込む。他の局面において、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に書き込まれているデータを読み出し、保存が指示されたメモリ領域にデータを転送する。
【００９９】
図１０および図１１を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００の使用態様について説明する。図１０は、壁の一部１００に設けられた拡散平面板１０１０を用いて計測装置５００を較正するための状態を表わす図である。
【０１００】
すなわち図１０（Ａ）を参照して、壁１００の特定の場所１０１０に、拡散平面板１０１０を設ける。拡散平面板１０１０は、計測装置５００から発せられる光を反射させる。拡散平面板１０１０の高さはたとえば立体計測装置５００が把持される高さと同じであるのが好ましい。なお、拡散平面板１０１０のみが較正に使用されるわけではなく、光を一様に反射することができる部材であればよい。
【０１０１】
その状態で、計測装置５００は拡散平面板１０１０を撮影し、計測装置５００と壁１０００との距離を算出する。距離の算出態様は特に限られない。これにより、計測装置５００による較正が完了する。その後、たとえば、壁１０００の前方に被写体１０２０が立っている（図１０（Ｂ））。被写体１０２０は、背中を壁１０００につける。計測装置５００は被写体１０２０を撮影する。被写体は、たとえば、計測装置５００が家庭で使用される場合における個人、計測装置５００が医療機関で使用される場合における受診者、計測装置５００が服飾店で使用される場合における顧客（服の注文者）である。
【０１０２】
なお、前述のとおり、カメラと光源と格子との間の位置関係が変化しなければ、較正のための撮影および処理は、最初に一度行なっておけばよい。この場合、算出結果をメモリに保存しておくことにより、同一の算出結果を使用することができる。したがって、較正のための撮影および算出処理を再度行なう必要はない。なお、拡散平面板は、特定の材質からなる板に限られるものではなく、少なくとも、光を四方八方に散乱させることができるものであればよい。たとえば、一例として、普通の板に、光沢紙ではない紙を貼付したものが、拡散平面板として機能することができる。
【０１０３】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、計測装置５００の画像の表示態様を表わす図である。図１１（Ａ）を参照して、壁１０００に取り付けられた拡散平面板１０１０の画像１１００は、ディスプレイ５９０に表示されている。このとき画像１１００は、ディスプレイ５９０の中心部に一致している。
【０１０４】
この状態で、壁１０００の前に被写体が立つと、その映像は図１１（Ｂ）に示されるようになる。ここで、計測装置５００の使用者が撮影ボタン５３０を押下すると、当該撮影により取得された画像データは、ＲＡＭ６３０に一時的に書き込まれる。なお、被写体の撮影は、壁１０００の前に限らない。
【０１０５】
次に、図１２を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００の動作について説明する。図１２は、計測装置５００に対する操作によってプロセッサ６１０が実行する一連の動作の一部を表わすフローチャートである。
【０１０６】
ステップＳ１２１０にて、プロセッサ６１０は、計測装置５００に対する初期の認識処理を実現する。当該認識処理の詳細は、以下のとおりである。
【０１０７】
まず、ステップＳ１２１２にて、計測装置５００の使用者は、ファインダ５４０を介して、壁１０００のような基準面上に設けられた基準点（たとえば拡散平面板１０１０）を認識し、調整ボタン５２０を押下する。プロセッサ６１０は、調整ボタン５２０に対する操作に応答して、画像センサ６２０から出力されるデータをＲＡＭ６３０に書き込む。このデータは基準点の像をレンズ５６０を介して取得したものである。プロセッサ６１０は、このデータを書き込むときに、拡散平面板１０１０以外の領域のデータを排除するために、２値化処理、濃淡処理、エッジ強調処理等の画像認識処理を実行する。
【０１０８】
ステップＳ１２１４にて、プロセッサ６１０は、当該基準点から計測装置５００のカメラ中心（たとえば光源６４０）までの距離を計測する。この距離の計測は、たとえば一般の光学式カメラによって使用されるレンジングの手法によって実現される。
【０１０９】
ステップＳ１２１６にて、プロセッサ６１０は、当該基準点を原点として、光源６４０の座標値とカメラ（計測装置５００）の座標値とを算出する。プロセッサ６１０は、その算出したデータをＲＡＭ６３０に書き込む。
【０１１０】
ステップＳ１２３０にて、プロセッサ６１０は、被写体の立体形状を計測するための処理を実行する。より詳しくは、ステップＳ１２３２にて、プロセッサ６１０は、撮影ボタン５３０の押下に応答して被写体を撮影する。すなわち、撮影ボタン５３０が押下されると、プロセッサ６１０は、光源６４０に対して発光命令を与える。光源６４０は、その発光命令に応答して予め規定された強度の光を格子５５０に向けて発する。格子５５０から発せられた光は、壁１０００の前面に立っている被写体１０２０を照射する。その被写体の表面には、格子５５０によって形成された格子縞が現われている。プロセッサ６１０は、光源６４０に対する発光命令の後、画像をキャプチャする命令を画像センサ６２０に対して与える。レンズ５６０は、被写体の表面に形成された増幅の光を集めて、その光を画像センサ６２０に伝える。画像センサ６２０は、プロセッサ６１０から送られた命令に従って、光電変換処理を実行し、変換後のデータをプロセッサ６１０に伝送する。プロセッサ６１０は、そのデータをＲＡＭ６３０に格納する。
【０１１１】
さらに、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に格納したデータに基づいて撮影した画像をディスプレイ６７０に表示する。計測装置５００の使用者は、その像を見ることにより、被写体を正しく撮影できたか否かを確認することができる。
【０１１２】
ステップＳ１２３４にて、プロセッサ６１０は、調整ボタン５２０に対する命令に応答して、画像データをフラッシュメモリ６５０に保存する。
【０１１３】
ステップＳ１２３６にて、プロセッサ６１０は、ＲＡＭ６３０に格納されている画像データを用いて投影縞を抽出する。
【０１１４】
ステップＳ１２３８にて、プロセッサ６１０は、投影縞上の１点（点Ｒ）の座標値（ｘｒ，ｙｒ，０）を算出する。
【０１１５】
ステップＳ１２４０にて、プロセッサ６１０は、Ａの値（式（４））を算出する。
ステップＳ１２４２にて、プロセッサ６１０は、Ｂの値（式（４））を算出する。
【０１１６】
ステップＳ１２４４にて、プロセッサ６１０は、格子のずれΔφｋ（式（２））の値を算出する。
【０１１７】
ステップＳ１２４６にて、プロセッサ６１０は、Ｄの値（式（４））を算出する。
ステップＳ１２４８にて、プロセッサ６１０は、Ｖの値（式（６））を最小にする縞次数ｎｋを探索する。
【０１１８】
ステップＳ１２５０にて、プロセッサ６１０は、Δφｋを算出する。
ステップＳ１２５２にて、プロセッサ６１０は、その算出したΔφｋを用いて被写体の高さｚｐ（式（５））を算出する。
【０１１９】
図１３および図１４を参照して、本実施の形態に係る計測装置５００のデータ構造についてさらに説明する。図１３は、フラッシュメモリ６５０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。フラッシュメモリ６５０は、データを不揮発的に格納するためのメモリ領域を含む。
【０１２０】
撮影により生成されたデータを特定するための記録番号は、メモリ領域１３１０に格納されている。当該データに関連付けられる被写体（すなわち被計測者）を識別するためのデータ（たとえばユーザ名称、ユーザＩＤ（Identification））は、メモリ領域１３２０に格納されている。その被写体の計測が行なわれた日時は、メモリ領域１３３０に格納されている。計測結果は、メモリ領域１３４０に格納されている。当該データおよび計測結果を保護するか否かを表わすフラグデータは、メモリ領域１３５０に格納されている。
【０１２１】
たとえば記録番号「０１」のユーザ「Ａ」は、２００７年１０月１日２０時００分に撮影されており、その計測結果（２００７１００１２０００．ｄａｔ）は、データ保護されている。
【０１２２】
図１３に示されるデータの件数は、一例として９９件が示されているが、フラッシュメモリ６５０に格納されるデータの件数は、図１３に示されるのに限られず、それよりも少なくてもあるいは多くてもよい。これらのデータは、インターフェイス５８０を介してコンピュータ(図示しない）に伝送可能である。あるいは、プロセッサ６１０は、カードリーダ／ライタ５７０に装着されるメモリカード６８０にこれらのデータを書き込むこともできる。これにより、計測装置５００によって取得されたデータを用いた分析が可能になるため、たとえば、遠隔地において取得されたデータを利用することができる。たとえば、計測装置５００の使用者は、衣類を作成するためのデータを縫製工場に伝送することにより、自己の体型に応じた衣類の作成を依頼することができる。
【０１２３】
図１４は、計測結果（メモリ領域１３４０）の具体的内容を表わす図である。計測結果１３４０は、たとえば座標値（ｘ，ｙ）と、高さ（ｚ）とを含む。これらのデータは、図１２に示されるステップＳ１２３８およびステップＳ１２５２において算出されたものである。
【０１２４】
ある局面において、計測装置５００は、このようなデータを外部に出力することができる。出力先は、パーソナルコンピュータ、インターネットに接続された情報処理装置等が考えられる。たとえば、情報処理装置は、各家庭が有する計測装置５００からネットワーク送信されたデータを受信して、被写体である各個人の体型データを算出し、当該個人の健康診断を行なうことができる。
【０１２５】
［実施例の効果］
以上のようにして、本発明の実施の形態に係る計測装置５００は、多方向の格子を一度に撮影することにより、データを短時間で取得することができる。たとえば、３０分の１秒の撮影でもデータを取得することができる。短時間での取得が可能になるため、被験者は長時間同じ姿勢を維持する必要がなくなり、簡易に立体形状を計測することができる。
また、計測装置５００は、運動している物体の形状を計測することができる。さらに、計測装置５００は、時間の経過に合わせて、当該物体の形状を計測することもできる。
【０１２６】
また、計測装置５００は、ピッチの異なる格子３００を用いて合致法により形状を計測するため、広い範囲の高さ（すなわち凹凸の程度が大きいもの）を精度良く計測することができる。
【０１２７】
計測装置５００は、被写体との距離が短い場合でも使用することができる。したがって、立体形状を計測するために大掛かりなシステムが不要となり、コンパクトなシステム構成とすることができる。よって、たとえば、家庭、医療機関、服飾の縫製業者などが、簡易に計測装置５００を導入することができる。
【０１２８】
また、計測装置５００は、内部に駆動機構を有さないため、その構成が複雑にならず、計測装置５００の製造コストの増加も抑制できる。
【０１２９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、たとえば、人体、モックアップその他の模型、化石、標本、タービンブレードその他の精密加工品等の立体形状の計測に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】格子投影法による立体形状計測法の概略を表わす図である。
【図２】六方格子の構成を表わす図である。
【図３】六方格子に近い格子を角度ξだけ傾けた状態で構成される格子３００を表わす図である。
【図４】光源４００と、カメラ中心４１０と、基準面４２０と、カメラ面４３０と、格子３００との位置関係を表わす図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る計測装置５００の外観を表わす図である。
【図６】計測装置５００のハードウエア構成を表わすブロック図である。
【図７】プロセッサ６１０によって実現される機能の構成を表わすブロック図である。
【図８】ＲＯＭ６６０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図９】ＲＡＭ６３０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図１０】壁に設けられた拡散平面板１０１０を用いて計測装置５００を較正する状態を表わす図である。
【図１１】計測装置５００の画像の表示態様を表わす図である。
【図１２】計測装置５００に対する操作によってプロセッサ６１０が実行する一連の動作の一部を表わすフローチャートである。
【図１３】フラッシュメモリ６５０におけるデータの格納の一態様を概念的に表わす図である。
【図１４】計測結果の具体的内容を表わす図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１００ 物体、１１０ 光源、１２０ 画像センサ、１３０ 投影パターン、２００，２００−１，２００−２，２００−３，２００−４，２００−５，２００−６ 六角形、２１０，２１０−１，２１０−２ 中心点、３００ 格子、３１０，３１２，３２０，３２２，３３０，３３２ ピッチ、４００ 光源、４１０ カメラ中心、４２０ 基準面、４３０ カメラ面、５００ 計測装置、５１０ 筐体、５２０ 調整ボタン、５３０ 撮影ボタン、５４０ ファインダ、５５０ 格子、５６０ レンズ、５７０ インターフェイス、５８０ カードリーダ／ライタ、６８０ メモリカード、１０００ 壁、１０１０ 拡散平面板、１０２０ 被写体、１１００ 拡散平面板の撮影画像。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体形状計測装置であって、
間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、
前記格子を通して光を発する光源と、
前記立体形状計測装置に対する命令の入力を受ける入力手段と、
被写体を撮影して画像データを出力する撮像手段とを備え、前記撮像手段は、前記複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されており、
前記画像データを格納する記憶手段と、
前記画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算手段と、
算出結果を出力する出力手段とを備え、
前記撮像手段は、前記複数のピッチを有する格子を透過した光によって前記被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影し、
前記演算手段は、
前記１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出し、
前記縞次数に基づいて前記被写体の形状データを算出する、立体形状計測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含み、
前記複数のピッチが異なる間隔となるように、前記格子は、前記撮像手段と前記光源とを結ぶ方向と、前記格子の底辺とが交差するように、構成されている、請求項１に記載の立体形状計測装置。
【請求項３】
前記複数のピッチは、３つのピッチを含む、請求項２に記載の立体形状計測装置。
【請求項４】
前記格子は六方格子を含む、請求項３に記載の立体形状計測装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出し、
前記算出する処理を各前記撮像素子に対して行うことにより前記形状データを算出する、請求項４に記載の立体形状計測装置。
【数１】
ただし、
【数２】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【数３】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【数４】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【数５】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【数６】
【請求項６】
前記出力手段は、前記結果を表示する表示手段と、前記結果を表わすデータを出力するデータ出力インターフェイスとのいずれかを含む、請求項１に記載の立体形状計測装置。
【請求項７】
撮像装置が立体形状を計測する方法であって、前記撮像装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、前記格子を通して光を発する光源と、前記撮像装置に対する命令の入力を受ける入力装置と、被写体を撮影して画像データを出力するカメラと、メモリと、プロセッサとを備えており、前記カメラは、前記複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されており、
前記方法は、
前記カメラが、前記複数のピッチを有する格子を透過した光によって前記被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影するステップと、
前記プロセッサが、前記１回の撮影により生成された画像データを前記メモリに格納する記憶ステップと、
前記プロセッサが、前記画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算ステップと、
前記プロセッサが、算出結果を出力する出力ステップとを備え、
前記演算ステップは、
前記１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出するステップと、
前記縞次数に基づいて前記被写体の形状データを算出するステップとを含む、立体形状計測方法。
【請求項８】
前記カメラは、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含み、
前記複数のピッチが異なる間隔となるように、前記格子は、前記カメラと前記光源とを結ぶ方向と、前記格子の底辺とが交差するように、構成されている、請求項７に記載の立体形状計測方法。
【請求項９】
前記複数のピッチは、３つのピッチを含む、請求項８に記載の立体形状計測方法。
【請求項１０】
前記格子は六方格子を含む、請求項９に記載の立体形状計測方法。
【請求項１１】
前記演算ステップは、
次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出するステップと、
前記算出する処理を各前記撮像素子に対して行うことにより前記形状データを算出するステップとを含む、請求項１０に記載の立体形状計測方法。
【数７】
ただし、
【数８】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の各座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の各座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【数９】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【数１０】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【数１１】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【数１２】
【請求項１２】
前記出力ステップは、前記結果を表示するステップと、前記結果を表わすデータを前記撮像装置の外部に出力するステップとのいずれかを含む、請求項７に記載の立体形状計測方法。
【請求項１】
立体形状計測装置であって、
間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、
前記格子を通して光を発する光源と、
前記立体形状計測装置に対する命令の入力を受ける入力手段と、
被写体を撮影して画像データを出力する撮像手段とを備え、前記撮像手段は、前記複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されており、
前記画像データを格納する記憶手段と、
前記画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算手段と、
算出結果を出力する出力手段とを備え、
前記撮像手段は、前記複数のピッチを有する格子を透過した光によって前記被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影し、
前記演算手段は、
前記１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出し、
前記縞次数に基づいて前記被写体の形状データを算出する、立体形状計測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含み、
前記複数のピッチが異なる間隔となるように、前記格子は、前記撮像手段と前記光源とを結ぶ方向と、前記格子の底辺とが交差するように、構成されている、請求項１に記載の立体形状計測装置。
【請求項３】
前記複数のピッチは、３つのピッチを含む、請求項２に記載の立体形状計測装置。
【請求項４】
前記格子は六方格子を含む、請求項３に記載の立体形状計測装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出し、
前記算出する処理を各前記撮像素子に対して行うことにより前記形状データを算出する、請求項４に記載の立体形状計測装置。
【数１】
ただし、
【数２】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【数３】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【数４】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【数５】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【数６】
【請求項６】
前記出力手段は、前記結果を表示する表示手段と、前記結果を表わすデータを出力するデータ出力インターフェイスとのいずれかを含む、請求項１に記載の立体形状計測装置。
【請求項７】
撮像装置が立体形状を計測する方法であって、前記撮像装置は、間隔が異なる複数のピッチを有する格子と、前記格子を通して光を発する光源と、前記撮像装置に対する命令の入力を受ける入力装置と、被写体を撮影して画像データを出力するカメラと、メモリと、プロセッサとを備えており、前記カメラは、前記複数のピッチを有する格子を透過した光により形成される投影縞を撮影可能なように配置されており、
前記方法は、
前記カメラが、前記複数のピッチを有する格子を透過した光によって前記被写体の表面に形成された投影縞を１回撮影するステップと、
前記プロセッサが、前記１回の撮影により生成された画像データを前記メモリに格納する記憶ステップと、
前記プロセッサが、前記画像データに基づいて被写体の形状データを算出する演算ステップと、
前記プロセッサが、算出結果を出力する出力ステップとを備え、
前記演算ステップは、
前記１回の撮影によって取得された投影縞の画像データに基づいて、縞次数を算出するステップと、
前記縞次数に基づいて前記被写体の形状データを算出するステップとを含む、立体形状計測方法。
【請求項８】
前記カメラは、マトリクス状に配置された複数の撮像素子を含み、
前記複数のピッチが異なる間隔となるように、前記格子は、前記カメラと前記光源とを結ぶ方向と、前記格子の底辺とが交差するように、構成されている、請求項７に記載の立体形状計測方法。
【請求項９】
前記複数のピッチは、３つのピッチを含む、請求項８に記載の立体形状計測方法。
【請求項１０】
前記格子は六方格子を含む、請求項９に記載の立体形状計測方法。
【請求項１１】
前記演算ステップは、
次の各式に基づいてＶを最小にするような縞次数ｎｋを求めて、物体上の１点のｚ座標を算出するステップと、
前記算出する処理を各前記撮像素子に対して行うことにより前記形状データを算出するステップとを含む、請求項１０に記載の立体形状計測方法。
【数７】
ただし、
【数８】
ｘ：被写体を通る基準面において、前記光源と前記撮影手段の中心とを結ぶ方向に一致するｘ座標軸上の座標値、
ｙ：前記基準面において前記ｘ座標軸に直交するｙ座標軸上の座標値、
ｚ：前記基準面に垂直なｚ座標軸上の座標値、
ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ：物体上の一点の座標値、
ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ：前記撮像手段の各座標値、
ｘｒ，ｙｒ：前記撮像手段と物体上の一点とを結ぶ線の前記基準面との交点、
ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ：前記光源の各座標値、
Ｐｘｋ，Ｐｙｋ：ｋ番目の格子に対する基準面上の投影縞のｘ方向、ｙ方向のピッチ、
ｋ：３つの格子を表す数字（ｋ＝１，２，３）、
ｚｋ：ｋ番目の格子により算出された、物体上の１点のｚ座標値。
【数９】
ここで、Δφｋ：格子のずれ、Δｘｋ＝ｋ番目の格子のｘ座標軸上の格子の位置ずれ、Δｙｋ＝ｋ番目の格子のｙ座標軸上の格子の位置ずれである。
【数１０】
ｎｋ：Δφｋの整数部分（縞次数）
εｋ：Δφｋの端数部分（格子の位置ずれから求められる。）
【数１１】
ｗｋ：ｋ番目の格子に対する重み係数。
【数１２】
【請求項１２】
前記出力ステップは、前記結果を表示するステップと、前記結果を表わすデータを前記撮像装置の外部に出力するステップとのいずれかを含む、請求項７に記載の立体形状計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−９７９１１（Ｐ２００９−９７９１１Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６７７９０（Ｐ２００７−２６７７９０）
【出願日】平成１９年１０月１５日（２００７．１０．１５）
【出願人】（５０２２４０３５３）デベロソリューションズ株式会社 (4)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１５日（２００７．１０．１５）
【出願人】（５０２２４０３５３）デベロソリューションズ株式会社 (4)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【Ｆターム（参考）】
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