非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法
【課題】表面に何ら特徴のない物体についても高速に非接触で三次元形状計測を可能にする非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法を提供する。
【解決手段】非接触三次元計測装置は、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１及び第２のカメラと、被計測物にラインレーザを照射するラインレーザとを備え、第１及び第２の画像２０、３０で、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域２６及び第２対象領域３６として選択し、ラインレーザが撮影された部分を第１線分データ２２及び第２線分データ３２として抽出し、第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択し、選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線を第２対象領域３６内に計算して、第２線分データ３２とエピポーラ線との交点を、特徴点２４と対応する対応点３４として決定し、被計測物上の該当点の三次元座標を算出する。
【解決手段】非接触三次元計測装置は、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１及び第２のカメラと、被計測物にラインレーザを照射するラインレーザとを備え、第１及び第２の画像２０、３０で、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域２６及び第２対象領域３６として選択し、ラインレーザが撮影された部分を第１線分データ２２及び第２線分データ３２として抽出し、第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択し、選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線を第２対象領域３６内に計算して、第２線分データ３２とエピポーラ線との交点を、特徴点２４と対応する対応点３４として決定し、被計測物上の該当点の三次元座標を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の形状を非接触で計測する非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物を計測する三次元計測の方法には、パッシブ法（受動型計測法）とアクティブ法（能動型計測法）とがある。パッシブ法とは、対象となる物体に対して、計測の補助となる特定の光や電波等を照射することなく計測を行う方法である。パッシブ法には、例えば写真計測法がある。アクティブ法は、三次元計測を行うために光、電波、音波などを対象となる物体に照射して、得られる情報を利用して計測を行う方法である。アクティブ法には、例えば光切断法がある。
【０００３】
パッシブ法の一つである写真計測は、撮影された２枚以上の画像より外部標定（２台のカメラの位置関係を求めること）を行い、画像間の特徴点に対し、同一場所を対応付けることで三次元点を求めていた（例えば、特許文献１参照。）。このため、写真に写るサイズであれば、被計測物の大きさは自由であり、大きな物から、小さな物まで計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２４５７６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】徐剛著，「写真から作る３次元ＣＧ」，近代科学社，２００１年１月 Ｐ．３１〜Ｐ．８６
【非特許文献２】吉澤徹編，「光三次元計測」，新技術コミュニケーションズ，１９９３年３月 Ｐ．２８〜Ｐ．３７
【非特許文献３】金谷健一著、「画像理解」、森北出版、１９９１年１１月、Ｐ．４８−Ｐ．５３
【非特許文献４】佐藤 淳著，「コンピュータビジョン −視覚の幾何学−」，コロナ社，１９９９年５月 Ｐ．８０〜Ｐ．１０３
【非特許文献５】Z.Zhang:Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientation. Proc of 7th Int. Conference on Computer Vision, Kerkyra, Greece. pp.666-673, Sept.1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
写真測量において、２台のカメラでそれぞれ撮影された２枚の写真内の対応付けは、２枚の写真内に共通して写っており、同一箇所と認定できる特徴点を利用して行われる。そのため、被計測物の表面上に同一箇所と認定できる何らかの特徴点がなければ、２枚の写真内の対応付けは困難であった。たとえば、プラスチック成型品の表面は滑らかで特徴がないため、写真測量による特徴点の対応付けを利用する三次元計測はできなかった。
【０００７】
上述のように、パッシブ法である写真計測では、滑らかな表面等の何ら特徴のない形状は計測することは困難であった。また、アクティブ法である光切断法は、被計測物のサイズが計測装置によって限定されてしまうという欠点を持っている
【０００８】
本発明の目的は、表面に何ら特徴のない物体についても高速に非接触で三次元形状計測を可能にする非接触三次元計測装置及び非接触三次元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】
【０００９】
本発明に係る非接触三次元計測装置は、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係を計算するための外部標定を行う標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択し、
前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択し、
前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出し、
前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出し、
前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上における前記第２対象領域内に計算し、
前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する。
【００１０】
また、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力してもよい。
【００１１】
さらに、前記画像処理部は、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像及び前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域及び前記第２対象領域を選択してもよい。
【００１２】
さらに、前記画像処理部は、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定することができる。
【００１３】
またさらに、前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００１４】
また、前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できるものであってもよい。
【００１５】
さらに、前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できるものであってもよい。
【００１６】
本発明に係る非接触三次元計測方法は、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係を計算するための外部標定を行う外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択する第１対象領域選択ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択する第２対象領域選択ステップと、
（ｆ）前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｇ）前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｈ）前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｉ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｊ）前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｋ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する三次元座標算出ステップと、
を含む。
【００１７】
また、前記画像撮影ステップにおいて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラによって撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力してもよい。
【００１８】
さらに、前記第１対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域を選択し、
前記第２対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第２対象領域を選択してもよい。
【００１９】
またさらに、前記特徴点選択ステップにおいて、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記対応点決定ステップにおいて、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定することができる。
【００２０】
また、前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００２１】
さらに、（ｌ）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｈ）〜前記ステップ（ｋ）を繰り返して、撮影されたラインレーザに対応するライン部分に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップを含んでもよい。
【００２２】
また、前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００２３】
さらに、前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返してもよい。
【００２４】
またさらに、前記対応点決定ステップ（ｊ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００２５】
本発明に係る非接触三次元計測装置は、
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラを含む第１組のカメラ系と、
前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、前記被計測物を撮影する第３のカメラ及び第４のカメラを含む第２組のカメラ系と、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１標定部と、
前記第３のカメラ及び前記第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理すると共に、前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラで撮影した第３の画像と、前記第４のカメラで撮影した第４の画像とを画像処理する、画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算して、
前記第２の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上における前記特徴点と、前記第２の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第３の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算して、
前記第４の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第３の画像上における前記特徴点と、前記第４の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求め、得られた座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る。
【００２６】
また、前記画像処理部は、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。
【００２７】
さらに、前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、例えば、下記式で表すことができる。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【００２８】
またさらに、前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００２９】
また、前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査してもよい。
【００３０】
さらに、前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射してもよい。
【００３１】
本発明に係る非接触三次元計測方法は、第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、非接触三次元計測方法であって、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る第１のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｆ）前記第１の画像から抽出された前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｇ）前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｈ）前記第２の画像から抽出された前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｉ）前記第１の画像における前記特徴点と、前記第２の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｊ）前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ及び第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２外部標定ステップと、
（ｋ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｌ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラ及び前記第４のカメラでそれぞれ撮影して、前記第３のカメラによる第３の画像と、前記第４のカメラによる第４の画像とを得る第２組のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｍ）前記第３の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第３線分データとして抽出する第３線分データ抽出ステップと、
（ｎ）前記第４の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第４線分データとして抽出する第４線分データ抽出ステップと、
（ｏ）前記第３の画像から抽出された前記第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｐ）前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｑ）前記第４の画像から抽出された前記第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｒ）前記第３の画像における前記特徴点と、前記第４の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｓ）前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める座標変換関係算出ステップと、
（ｔ）得られた前記座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、座標変換ステップと、
を含む。
【００３２】
また、前記座標変換関係算出ステップにおいて、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。
【００３３】
さらに、前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、例えば、下記式で表すことができる。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【００３４】
またさらに、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００３５】
また、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第３のカメラと前記第４のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００３６】
さらに、第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｉ）に続いて、
（ｉ−２）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｆ）〜前記ステップ（ｉ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含んでもよい。
【００３７】
またさらに、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００３８】
また、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返してもよい。
【００３９】
さらに、第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｓ）に続いて、
（ｓ−２）前記第３画像から抽出された前記第３線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｏ）〜前記ステップ（ｓ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含んでもよい。
【００４０】
またさらに、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００４１】
また、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返してもよい。
【００４２】
さらに、第１組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｈ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００４３】
またさらに、第２組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｑ）において、前記エピポーラ線と前記第４線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第３の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第４の画像上で前記エピポーラ線と前記第４線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００４４】
また、上記非接触三次元計測装置において、前記ラインレーザは、複数の色のラインレーザを併用してもよい。
【００４５】
さらに、上記非接触三次元計測方法において、前記ラインレーザを照射するステップにおいて、前記ラインレーザとして複数の色のラインレーザを併用してもよい。
【発明の効果】
【００４６】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法によれば、被計測物にラインレーザを照射することで、被計測物に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。
【００４７】
また、この非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラで撮影した２枚の画像のうち一方の画像上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データを含む矩形領域を第１対象領域として選択し、第１対象領域内の第１線分データの一つの点を特徴点として選択している。この場合に、もう一つの画像上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データを含む矩形領域を第２対象領域として選択し、第２対象領域内に上記第１対象領域内で選択した特徴点に対応するエピポーラ線を計算して、エピポーラ線と第２線分データとの交点を上記特徴点と対応する対応点として特定することができる。これによって、被計測物上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域及び第２対象領域を画像全体の一部として選択している。これによって、第１対象領域及び第２対象領域のそれぞれについてだけ特徴点及び対応点の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００４８】
また、２つのカメラで撮影された画像の歪を考慮する場合は、上記第１対象領域内の第１線分データの座標及び上記第２対象領域内の第２線分データの座標を歪補正した後、上記の三次元座標を計算することでより、高速かつ高い精度を得ることができる。
【００４９】
さらに、ラインレーザは、赤外、赤色、グリーン、青色等、どの色のラインレーザを用いても良い。また複数の色のレーザを併用することで、一度の撮影で複数の線分を抽出することができ、高速に三次元座標を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】被計測物と２つのカメラとの配置を示す概略図である。
【図３】第１のカメラによって撮影された第１の画像を示す概略図である。
【図４】第２のカメラによって撮影された第２の画像を示す概略図である。
【図５】図３の第１の画像について、第１線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図６】図４の第２の画像において、第１の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第２の画像を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図９】矩形領域の長辺が画像の走査線の方向に平行となるように第１対象領域及び第２対象領域を選択する場合の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の変形例に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１６】第１組のカメラ系の第１のカメラによって撮影された第１の画像を示す概略図である。
【図１７】第１組のカメラ系の第２のカメラによって撮影された第２の画像を示す概略図である。
【図１８】図１６の第１の画像について、第１線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図１９】図１７の第２の画像において、第１の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第２の画像を示す概略図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の第１組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【図２１】第２組のカメラ系の第３のカメラによって撮影された第３の画像を示す概略図である。
【図２２】第２組のカメラ系の第４のカメラによって撮影された第４の画像を示す概略図である。
【図２３】図２１の第３の画像について、第３線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図２４】図２２の第４の画像において、第３の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第４の画像を示す概略図である。
【図２５】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の第２組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び計測方法について、添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０の構成を示す概略図である。
この非接触三次元計測装置１０は、距離を置いて設置された２台のカメラ２ａ、２ｂと、被計測物１にラインレーザを照射するラインレーザ４と、２台のカメラ２ａ、２ｂの位置関係を計算する外部標定を行う標定部６と、ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａで撮影した第１の画像２０と、第２のカメラ２ｂで撮影した第２の画像３０とを画像処理する画像処理部８と、を含む。それぞれのカメラ２ａ、２ｂは、レンズ中心や焦点距離、歪補正係数などの内部標定（内部パラメータ）が予め算出されていることが望ましい。さらに、撮影された画像は、内部標定データを利用して歪補正された画像が望ましいが、必須ではない。また、ラインレーザ４は、被計測物１の表面全体にわたって走査できる。また、標定部６は、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う。画像処理部８は、第１の画像２０上の撮影されたラインレーザに対応する第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し、第１対象領域２６内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点２４として選択する。次いで、画像処理部８は、第２の画像３０上の撮影されたラインレーザ４に対応する第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択し、上記特徴点２４に該当するエピポーラ線３３を第２の画像３０上の第２対象領域３６内に計算して、第２の画像３０上の第２対象領域３６内において、撮影されたラインレーザに対応する第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を、第１の画像２０上の第１対象領域２６内で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する。さらに、画像処理部８は、第１の画像２０上の第１対象領域２６内における特徴点２４と、第２の画像３０上の第２対象領域３６内における対応点３４とを用いて、特徴点及び対応点に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出する。
【００５３】
図７は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０の特徴を説明する概念図である。なお、図７は、図２の非接触三次元計測装置１０の構成のうち、写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。
＜２つのカメラ及び画像について＞
２つのカメラ（第１のカメラ２ａ、第２のカメラ２ｂ）のそれぞれのレンズ中心を点Ａ及び点Ｂとして表している。
第１のカメラ２ａによる第１の画像２０では、被計測物１に照射されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む第１対象領域２６を選択する（図３）。この第１対象領域２６は、関心領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）とも呼ばれ、第１の画像２０全体の中で、第１線分データを含むように選択するので、第１線分データに含まれる特徴点２４を選択するにあたって必要十分な範囲である。この第１対象領域内の第１線分データ２２の中から一つの特徴点２４を選択する。第１のカメラ２ａのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定によって得られる。なお、カメラの内部標定は、例えば、非特許文献５に記載の方法に基づいて計算できる。
また、第２のカメラによる第２の画像３０においても、被計測物１に照射されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む第２対象領域３６を選択する（図４）。この第２対象領域３６は、第２の画像３０全体の中で、第２線分データ３２を含むように選択するので、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点である対応点３４を決定するにあたって必要十分な範囲である。第２対象領域３６内において、第１線分データから選択された特徴点２４に対応するエピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点である対応点３４が決定される。なお、第２のカメラ２ｂのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定によって得られる。また、エピポーラ線は、非特許文献４に記載の方法に基づいて計算することができる。
【００５４】
＜ラインレーザ＞
ラインレーザ４は、ライン状のレーザを被計測物１に照射できるものであればよい。また、ラインレーザ４は、被計測物１の全体にわたって走査することができることが好ましい。あるいは、ラインレーザ４は、ライン状のレーザを回転させることができるものであってもよい。さらに、ラインレーザ４は、赤外、赤色、グリーン、青色等、どの色のラインレーザを用いても良い。また、ラインレーザ４として、複数の色のレーザを併用してもよい。複数の色のレーザを併用することで、各色のレーザ毎に特徴点と対応点を計算できるため、一度の撮影で同時に複数の線分を抽出することができ、さらに高速に三次元座標を計算することができる。
【００５５】
＜被計測物について＞
また、被計測物１に照射されたラインレーザの部分１２と、特徴点２４及び対応点３４とに該当する被計測物１上の該当点１４を示している。この該当点１４は点Ｃとしても示している。
【００５６】
なお、図９の概略図に示すように、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂは、撮影した画像データを、第１のカメラ２ａと第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ第１の画像２０及び第２の画像３０として出力してもよい。図９では、図７の場合と比較して、第１の画像２０と第２の画像３０とを縦位置で表している点で相違すると共に、第１の画像２０及び第２の画像３０の長手方向が２つのカメラを結ぶ直線と交差している点で相違する。
また、画像処理部８は、矩形領域の長辺が第１の画像２０及び第２の画像３０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第１対象領域２６及び第２対象領域３６を選択してもよい。さらに、画像処理部８は、第１対象領域２６内でのみ特徴点２４を選択し、第２対象領域３６内でのみ対応点を決定することができる。
またさらに、ラインレーザ４は、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように被計測物１にラインレーザを照射してもよい。図９に示すように、エピポーラ線は、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線とほぼ同様の方向に延びる。そのため、上記のようにラインレーザを第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように照射することで、エピポーラ線と第２線分データ３２とを交差させることができる。
【００５７】
＜写真測量について＞
ａ）第１のカメラ２ａのレンズ中心Ａと、第２のカメラ２ｂのレンズ中心Ｂとの間の位置関係及び、各カメラの方向は外部標定によって求められる。二つのカメラ２ａ、２ｂ間の外部標定は、例えば非特許文献１に記載の方法により計算できる。
ｂ）また、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定を利用することによって求められる。
ｃ）次に、被計測物１上の該当点１４の点Ｃは、第１のカメラ２ａのレンズ中心Ａから第１の画像２０上の第１対象領域２６内の特徴点２４に向かって延長したライン上に存在すると共に、第２のカメラ２ｂのレンズ中心Ｂから第２の画像３０上の第２対象領域３６内の対応点３４に向かって延長したライン上に存在する。そのため、写真測量の原理によって、これらの交点として点Ｃが得られる。なお、該当点の三次元座標は、例えば非特許文献１に記載の方法によって計算できる。
以上によって、被計測物１上の該当点１４（Ｃ）を三次元計測することができる。
【００５８】
本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０によれば、被計測物１にラインレーザを照射することで、被計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。このため、対応点の抽出精度が高くなり、必然的に三次元計測点の精度も高まる。
【００５９】
また、この非接触三次元計測装置１０では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラ２ａ、２ｂで撮影した２枚の画像のうち一方の画像２０上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し（図３）、第１対象領域２６内の前記第１線分データの一つの点を特徴点２４として選択している（図５）。この場合に、もう一つの画像３０上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域として選択し（図４）、第２対象領域３６内に上記第１対象領域２６内で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を計算して、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点を上記特徴点２４と対応する対応点３４として特定することができる（図６）。なお、エピポーラ線は、例えば非特許文献４に記載の方法によって計算できる。これによって、被計測物１上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測装置１０では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域２６及び第２対象領域３６を第１の画像２０及び第２の画像３０からそれぞれ選択している。これによって、第１対象領域２６及び第２対象領域３６のそれぞれについてだけ特徴点２４及び対応点３４の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００６０】
図８は、本発明の非接触三次元計測方法のフローチャートである。この非接触三次元計測方法は、以下のようにして実行される。
（ａ）被計測物１が写る範囲に、被計測物１を撮影する２台のカメラ（第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂ）を、互いに距離をおいて配置する（図１、図２）。それぞれのカメラ２ａ、２ｂは、レンズ中心、焦点距離、歪補正係数などの内部標定（内部パラメータ）が予め算出されていることが望ましい。なお、カメラの内部標定が行われていない場合には、例えば、非特許文献５に挙げられる算出方法によって内部標定を求めることができる。
（ｂ）第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ０１）。
この外部標定によって、複数のカメラの位置関係を知ることができる。例えば、非特許文献１に挙げられる方法として、被計測物１の周りのあらかじめ知られた対応点を８点以上抽出することによって外部標定を実施することができる。
【００６１】
（ｃ）被計測物１にラインレーザ４からラインレーザを照射する（Ｓ０２）（図１）。ラインレーザを用いることによって、非計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。
（ｄ）ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂでそれぞれ撮影して、第１のカメラ２ａによる第１の画像（図３）と、第２のカメラ２ｂによる第２の画像（図４）とを得る（Ｓ０３）。
（ｅ）第１の画像２０において、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択する（Ｓ０４）（図３）。
（ｆ）第２の画像３０において、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択する（Ｓ０５）（図４）。
（ｇ）第１対象領域２６において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第１線分データ２２として抽出する（Ｓ０６）（図３）。
（ｈ）第２対象領域３６において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第２線分データ３２として抽出する（Ｓ０７）（図４）。
【００６２】
（ｉ）第１対象領域２６内の第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択する（Ｓ０８）（図５）。なお、特徴点２４を、第１線分データ２２の全体にわたって順に選択して、特徴点２４を選択するごとに、後の（ｊ）から（ｌ）を繰り返すことによって、第１線分２２の全体について三次元計測を行うことができる。
（ｊ）特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を第２の画像上の第２対象領域３６内で計算する（Ｓ０９）（図６）。なお、エピポーラ線とは、第１のカメラ２ａのレンズ中心と、第１の画像２０上の特徴点２４に該当する被計測物１上の点とを結ぶ仮想的な線が第２のカメラに投影された線分である。第２の画像３０上の第２対象領域３６内でエピポーラ線３３がどのように計算されるかは、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂの内部標定と、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂの位置関係を計算する外部標定とによって決定できる。エピポーラ線は、例えば非特許文献４に記載の方法によって計算できる。第２の画像３０上の第２対象領域３６内で計算されるエピポーラ線３３上のどこかに特徴点２４と対応する対応点が存在する。
（ｋ）第２対象領域３６内の第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を第１対象領域２６内で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する（Ｓ１０）（図６）。
（ｌ）第１対象領域２６内における特徴点２４と、第２対象領域３６内における対応点３４とを用いて、特徴点及び対応点に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出する（Ｓ１１）。上記該当点１４の三次元座標は、例えば非特許文献１に記載の方法によって計算できる。
（ｍ）第１の画像２０上の第１対象領域２６内の第１線分上の点すべてに対して、上記ステップ（ｉ）〜ステップ（ｌ）を繰り返して、被計測物のラインレーザが照射されたライン部分に対して三次元座標を算出する（Ｓ１２）。
以上の各ステップによって、特徴点２４及び対応点３４に該当する被計測物１の該当点１４の三次元座標を得ることができる。
【００６３】
本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法によれば、被計測物１にラインレーザを照射することで、被計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。このため、対応点の抽出精度が高くなり、必然的に三次元計測点の精度も高まる。
【００６４】
また、この被接触三次元計測方法では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラ２ａ、２ｂで撮影した２枚の画像のうち一方の画像２０上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し、第１対象領域２６内の第１線分データ２２の一つの点を特徴点２４として選択している。この場合に、もう一つの画像３０上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択し、第２対象領域３６内に上記第１対象領域２６内で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を計算して、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点を上記特徴点２４と対応する対応点３４として特定することができる。これによって、被計測物１上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測方法では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域及び第２対象領域を第１の画像及び第２の画像のそれぞれから選択している。これによって、第１対象領域及び第２対象領域のそれぞれについてだけ特徴点及び対応点の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００６５】
なお、画像撮影ステップにおいて、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂによって撮影した画像データを、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ第１の画像２０及び第２の画像３０として出力してもよい。
【００６６】
また、第１対象領域選択ステップにおいて、矩形領域の長辺が第１の画像２０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第１対象領域２６を選択してもよい。さらに、第２対象領域選択ステップにおいて、矩形領域の長辺が第２の画像３０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第２対象領域３６を選択してもよい。
【００６７】
さらに、特徴点選択ステップにおいて、第１対象領域２６内でのみ特徴点２４を選択し、対応点決定ステップにおいて、第２対象領域３６内でのみ対応点３４を決定することができる。
【００６８】
また、ラインレーザ照射ステップにおいて、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように被計測物１にラインレーザを照射してもよい。
【００６９】
（変形例）
図１０は、実施の形態１の変形例に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、ラインレーザを被計測物の全体にわたって走査する点で相違する。
（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｃ）被計測物１にわたってラインレーザを走査する（Ｓ１３）。ここでは、ラインレーザ４を任意の方向に照射し、被計測物１の全体にわたって順に走査していくことを表している。
（ｄ）から（ｋ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｌ）被計測物１の全体について走査したか確認する（Ｓ１４）。被計測物１の全体について走査していない場合には、（ｃ）から（ｋ）を繰り返して、被計測物１の全体について三次元計測を行う。
以上の各ステップによって、被計測物１の全体にわたって三次元計測を行うことができる。
【００７０】
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、ラインレーザ４を照射方向の所定の軸について回転させて被計測物１に照射する点で相違する。
（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。実施の形態２では、ステップ（ｃ）のラインレーザの照射について、以下のように行う。
（ｃ）ラインレーザを所定の軸について回転させて被計測物１に照射する（Ｓ１５）。実施の形態１の変形例では、ラインレーザを任意の方向に走査して被計測物１の全体にわたって走査していたが、ラインレーザ４を所定の軸について回転させることによっても被計測物１の全体について走査することができる。
（ｄ）から（ｍ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｎ）ラインレーザを全角度に回転させて照射したか確認する（Ｓ１６）。被計測物１の全体について走査していない場合には、（ｃ）から（ｋ）を繰り返して、被計測物１の全体について三次元計測を行う。
以上の各ステップによって、被計測物１の全体にわたって三次元計測を行うことができる。
【００７１】
（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、（ｉ）で第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点が単一ではなく２つ以上の交点が存在する場合に、ラインレーザを特徴点２４に該当する被計測物１上の該当点１４を中心に回転させて照射する点で相違する。
（ａ）から（ｊ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
ステップ（ｋ）の前に、第２の画像３０上において、エピポーラ線３３と第２線分３２との交点は単一か、確認する（Ｓ１７）。交点が一つの場合には、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法の（ｋ）から（ｍ）を行って、特徴点及び対応点に該当する被計測物１の該当点１４の三次元座標を得ることができる。
【００７２】
一方、交点が複数の場合、例えば、撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２とエピポーラ線３３とが同一方向に沿って延在するような場合に交点が複数存在する場合が生じる。この場合には、ラインレーザ４を特徴点２４に該当する被計測物１上の該当点１４を中心に回転させて照射する（Ｓ１８）。この場合に、エピポーラ線３３とラインレーザのライン方向とが角度をなすようにラインレーザ４を回転させることが好ましい。より好ましくは、エピポーラ線３３とラインレーザのライン方向とが互いに直交するようにラインレーザ４を回転させることである。また、特徴点２４を保持するように、特徴点２４に該当する被計測物１の該当点１４について回転させる。その後、（ｄ）から（ｊ）を繰り返して、エピポーラ線３３と第２線分３２との交点が単一となるようにすることができる。
【００７３】
これによって、エピポーラ線３３と第２線分データ３２とがほぼ平行になる等の原因で対応点３４が一つに特定できない場合でも、ラインレーザ４を回転させて、エピポーラ線３３と第２線分データ３２とが交差する交点として単一の対応点３４が得られ、明確に対応点を特定でき、三次元計測の精度を向上させることができる。
【００７４】
なお、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点が一つも得られない場合には、第１の画像２０上で選択した特徴点２４に対応する被計測物１上の該当点１４が第２の画像３０上の第２対象領域３６内には現れていないことを意味している。この場合には、第１のカメラ２ａからの第１の画像２０上の第１対象領域２６内に含まれる被計測物１の範囲と、第２のカメラ２ｂからの第２の画像３０上の第２対象領域３６内に含まれる被計測物１の範囲とで共通する被計測物１の範囲が少ないか又は存在しないと考えられる。そこで、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとの距離を縮めて、第１の画像２０上の第１対象領域２６と第２の画像３０上の第２対象領域３６とで共通する被計測物１の範囲が得られるようにすることが好ましい。
【００７５】
（実施の形態４）
図１３は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の構成を示す概略図である。この非接触三次元計測装置１００は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置と比較すると、２台のカメラ２ａ、２ｂからなる第１組のカメラ系に加えて、第１組のカメラ系とは異なる箇所から被計測物１を撮影する２台のカメラ（第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄ）からなる第２組のカメラ系をさらに備えることを特徴とする。なお、第２組のカメラ系は、物理的に第１組のカメラ系と別個に用意してもよいが、第１組のカメラ系による最初の位置での撮影及び画像処理の後、第１組のカメラ系を最初の位置とは異なる箇所にそのまま移動させて第２組のカメラ系として撮影及び画像処理を行ってもよい。また、この非接触三次元計測装置では、ラインレーザ４を少なくとも一つ備えていればよい。あるいは、第１組のカメラ系と、第２組のカメラ系とでそれぞれ別々に２組のラインレーザを用意してもよい。
【００７６】
図２０は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の第１組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明する概念図である。なお、図２０は、図１３の非接触三次元計測装置１００の構成のうち、第１組のカメラ系による写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。図２５は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の第２組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明する概念図である。なお、図２５は、図１３の非接触三次元計測装置１００の構成のうち、第２組のカメラ系による写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。
【００７７】
また、この非接触三次元計測装置１００では、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置と対比すると、画像処理部における画像処理方法において相違する。具体的には、この画像処理部では、実施の形態１とは異なり、それぞれの画像中から対象領域（ＲＯＩ）の選択を行わない点で相違する。なお、実施の形態１と同様にそれぞれの画像から対象領域（ＲＯＩ）の選択を行ってもよい。また、この画像処理部においては、以下の処理を行うことを特徴とする。
（１）まず、実施の形態１と同様に、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る。例えば、第１組のカメラ系による三次元座標をＭ（ｘ、ｙ，ｚ）とする。
（２）次いで、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る。例えば、第２組のカメラ系による三次元座標をＮ（ｘ、ｙ，ｚ）とする。
（３）その後、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標のうち、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの点、つまり少なくとも三つのマーカの三次元座標を選択する。例えば、第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標をＡｉ（ｘ、ｙ、ｚ）とし、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標をＢｉ（ｘ、ｙ、ｚ）とする。
（４）選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系から第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める。これは、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ｂｉ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ａｉ（ｘ、ｙ、ｚ）に対応させる座標変換関係を得るものである。これは、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。さらに具体的には、上記相似変換は、例えば、下記式で表される。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
（５）そして、得られた座標変換関係、上記例の場合、スケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔ等を用いて、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ、ｙ、ｚ）に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得る。
【００７８】
なお、被計測物１上に、例えば、マーカ６０を３点以上置いておくことによって、第１組のカメラ系における三次元座標と第２組のカメラ系における三次元座標とで共通する三次元座標として、マーカ６０の三次元座標を対応させることができる（図１３）。なお、第１組のカメラ系の三次元座標と第２組のカメラ系の三次元座標とで両方で対応関係が明確な点が少なくとも３点以上利用できる場合にはマーカを置く必要はない。また、少なくとも３つのマーカは同一直線上に並んでいないものを用いることが好ましい。
【００７９】
実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００では、第１組のカメラ系だけでなく、第２組のカメラ系を用いている。例えば、山などのように大きな被計測物の場合、第１組のカメラ系だけでは、山の一面しか観測できないが、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置によれば、第２組のカメラ系によって、第１組のカメラ系では影になって観測できない部分も観測できる。その後、第２組のカメラ系による三次元座標系を第１組の三次元座標系に座標変換することによって、全体の三次元座標系を統合することができる。
【００８０】
なお、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置では、実施の形態１から３に係る非接触三次元計測装置の構成のうち、いずれか一つの構成、又は、これらの複数の構成を備えてもよい。
【００８１】
図１４及び図１５は、実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この非接触三次元計測方法は、第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた第２組のカメラ系の三次元座標系を第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得ることを特徴とする。
なお、図１６は、第１組のカメラ系の第１のカメラ２ａによって撮影された第１の画像２０を示す概略図である。図１７は、第１組のカメラ系の第２のカメラ２ｂによって撮影された第２の画像３０を示す概略図である。図１８は、図１６の第１の画像２０について、第１線分データ２２中の一つの点を特徴点２４として選択する場合の概略図である。図１９は、図１７の第２の画像３０において、第１の画像２０上の特徴点２４に該当するエピポーラ線３３が計算された第２の画像３０を示す概略図である。
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物１を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ２１）。
（ｂ）第１組のカメラ系において被計測物１にラインレーザを照射する（Ｓ２２）（図２０）。
（ｃ）ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂでそれぞれ撮影して、第１のカメラ２ａによる第１の画像２０（図１６）と、第２のカメラ２ｂによる第２の画像３０（図１７）とを得る（Ｓ２３）。
（ｄ）第１の画像２０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第１線分データ２２として抽出する（Ｓ２４）（図１６）。
（ｅ）第２の画像３０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第２線分データ３２として抽出する（Ｓ２５）（図１７）。
（ｆ）第１の画像２０から抽出された第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択する（Ｓ２６）（図１８）。
（ｇ）第１の画像２０上で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を第２の画像３０上で計算する（Ｓ２７）（図１９）。
（ｈ）第２の画像３０から抽出された第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を、第１の画像２０上で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する（Ｓ２８）（図１９）。
（ｉ）第１の画像２０における特徴点２４と、第２の画像３０における対応点３４とを用いて、特徴点２４及び対応点３４に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出し、第１組のカメラ系における被計測物１上の三次元座標系を得る（Ｓ２９）（図２０）。
【００８２】
図２１は、第２組のカメラ系の第３のカメラ２ｃによって撮影された第３の画像４０を示す概略図である。図２２は、第２組のカメラ系の第４のカメラ２ｄによって撮影された第４の画像５０を示す概略図である。図２３は、図２１の第３の画像４０について、第３線分データ４２中の一つの点を特徴点４４として選択する場合の概略図である。図２４は、図２２の第４の画像５０において、第３の画像４０上の特徴点４４に該当するエピポーラ線５３が計算された第４の画像５０を示す概略図である。
（ｊ）第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物１を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ３０）。
（ｋ）被計測物１にラインレーザを照射する（Ｓ３１）
（ｌ）ラインレーザが照射された被計測物１を第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄでそれぞれ撮影して、第３のカメラ２ｃによる第３の画像４０（図２１）と、第４のカメラ２ｄによる第４の画像５０（図２２）とを得る（Ｓ３２）。
（ｍ）第３の画像４０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第３線分データ４２として抽出する（Ｓ３３）（図２１）。
（ｎ）第４の画像５０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第４線分データ５２として抽出する（Ｓ３４）（図２２）。
（ｏ）第３の画像４０から抽出された第３線分データ４２の中の一つの点を特徴点４４として選択する（Ｓ３５）（図２３）。
（ｐ）第３の画像４０上で選択した特徴点４４に対応するエピポーラ線５３を第４の画像５０上で計算する（Ｓ３６）（図２４）。
（ｑ）第４の画像５０から抽出された第４線分データ５２とエピポーラ線５３との交点を、第３の画像４０上で選択した特徴点４４と対応する対応点５４として決定する（Ｓ３７）（図２４）。
（ｒ）第３の画像４０における特徴点４４と、第４の画像５０における対応点５４とを用いて、特徴点４４及び対応点５４に該当する被計測物１上の該当点の三次元座標を算出し、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る（Ｓ３８）（図２５）。
【００８３】
（ｓ）第２組のカメラ系における被計測物１上の三次元座標のうち、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系から第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める（Ｓ３９）。これは、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ｂｉ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ａｉ（ｘ、ｙ、ｚ）に対応させる座標変換関係を得るものである。これは、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。さらに具体的には、上記相似変換は、例えば、下記式で表される。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
（ｔ）得られた座標変換関係、例えば上記例では、スケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔ等を用いて、第２組のカメラ系の三次元座標系を第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得る（Ｓ４０）。
以上によって、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得ることができる。
【００８４】
なお、上記ステップ（ｓ）について、さらに説明する。
以下に、相似変換の関係式を再度掲載する。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
上記座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔのそれぞれの求め方の一例を挙げる。
【００８５】
（ａ）スケールの求め方
第１組のカメラ系によるマーカのｉ番目とｉ＋１番目の三次元座標Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）の間での座標ベクトルの引き算をそれぞれ行って、第２組のカメラ系による対応するマーカのｉ番目とｉ＋１番の三次元座標Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の間での座標ベクトルの引き算を行って、両辺のベクトルの大きさの２乗を得ると、上記の相似変換の関係式から、下記式が得られる。
（Ａｉ−Ａｉ＋１）２＝ｓ２（Ｂｉ−Ｂｉ＋１）２
上記式では、並進ベクトルｔを削除でき、全体としてスカラーのみとすることができる。これによって、スケールｓを算出できる。なお、マーカの数が３以上あるので、３以上の異なるスケールｓの値が得られ、その平均値をスケールｓとして得ることができる。
【００８６】
（ｂ）回転行列Ｒの求め方
まず、上記相似変換の式を以下のように変形しておく。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）＝Ｒ（ｓＮｉ−ｓｔ）＝Ｒ（ｓＮｉ）−Ｒ（ｓｔ）
次に、マーカのｉ＋１番目からｉ番目への引き算を行う。
Ｍｉ＋１−Ｍｉ＝（Ｒ（ｓＮｉ＋１）−Ｒ（ｓｔ））−（Ｒ（ｓＮｉ）−Ｒ（ｓｔ））
Ｍｉ＋１−Ｍｉ＝Ｒ（ｓＮｉ＋１）−Ｒ（ｓＮｉ）
＝Ｒ（（ｓＮｉ＋１）−（ｓＮｉ））
ここで、
ｍｉ＝Ｍｉ＋１−Ｍｉ
ｎｉ＝ｓＮｉ＋１−ｓＮｉ
と置き換えると、下記式が得られる。
ｍｉ＝Ｒｎｉ
【００８７】
マーカが３つしかない場合には上記式から回転行列Ｒが一意に決まるが、マーカが複数存在する場合には、それぞれのマーカの三次元座標に測定誤差が含まれていることを考慮する必要がある。そこで、上記式から、引き算ベクトル（ｍｉ−Ｒｎｉ）の大きさの二乗和が最小となるような回転行列Ｒを得ることによって、座標変換における誤差を最小とすることができる。具体的には、
の条件を満たす回転行列Ｒを求めることである。なお、上記最小二乗法による回転行列Ｒは、通常の方法によって得られる。その求め方の詳細については、例えば、非特許文献３等に詳しい。
【００８８】
（ｃ）並進ベクトルｔの求め方
上記相似変換の関係式を変形すると、
となる。なお、ＲＴは、回転行列Ｒの転置行列である。複数のマーカのそれぞれについて並進ベクトルｔｉが得られるので、その平均値を全体の並進ベクトルｔとする。
以上によって、座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔのそれぞれが得られる。なお、上記の座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔの求め方は一例であってこれらに限られない。
【００８９】
実施の形態４に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、第１組のカメラ系だけでなく、第２組のカメラ系を用いている。例えば、山などのように大きな被計測物の場合、第１組のカメラ系だけでは、山の一面しか観測できないが、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置及び方法によれば、第２組のカメラ系によって、第１組のカメラ系では影になって観測できない部分も観測できる。その後、第２組のカメラ系による三次元座標系を第１組の三次元座標系に座標変換することによって、被計測物全体の三次元座標系を統合することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法によれば、表面に特徴がない物体を被計測物とする場合であっても、２つの画像上で、一方の画像で選択した特徴点について、もう一方の画像上における対応点を明確に特定できる。そこで、本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法は、表面に特徴がない物体を被計測物とする非接触三次元計測に有用である。さらに本方法では、カメラの配置やレーザなどは任意に配置できるため、被計測物の大きさが変動した場合に、容易に対応することができる。さらにカメラやレーザ等は比較的省電力であるため、電池で駆動でき、可搬性に優れている。
【符号の説明】
【００９１】
１ 被計測物
２ａ 第１のカメラ
２ｂ 第２のカメラ
２ｃ 第３のカメラ
２ｄ 第４のカメラ
４ ラインレーザ
６ 標定部
６ａ 第１標定部
６ｂ 第２標定部
８ 画像処理部
１０ 非接触三次元計測装置
１２ 照射されたラインレーザ
１４ 該当点
２０ 第１の画像
２２ 第１線分データ
２４ 特徴点
２６ 第１対象領域
３０ 第２の画像
３２ 第２線分データ
３３ エピポーラ線
３４ 対応点
３６ 第２対象領域
４０ 第３の画像
４２ 第３線分データ
４４ 特徴点
５０ 第４の画像
５２ 第４線分データ
５４ 対応点
６０ マーカ
１００ 非接触三次元計測装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の形状を非接触で計測する非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物を計測する三次元計測の方法には、パッシブ法（受動型計測法）とアクティブ法（能動型計測法）とがある。パッシブ法とは、対象となる物体に対して、計測の補助となる特定の光や電波等を照射することなく計測を行う方法である。パッシブ法には、例えば写真計測法がある。アクティブ法は、三次元計測を行うために光、電波、音波などを対象となる物体に照射して、得られる情報を利用して計測を行う方法である。アクティブ法には、例えば光切断法がある。
【０００３】
パッシブ法の一つである写真計測は、撮影された２枚以上の画像より外部標定（２台のカメラの位置関係を求めること）を行い、画像間の特徴点に対し、同一場所を対応付けることで三次元点を求めていた（例えば、特許文献１参照。）。このため、写真に写るサイズであれば、被計測物の大きさは自由であり、大きな物から、小さな物まで計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２４５７６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】徐剛著，「写真から作る３次元ＣＧ」，近代科学社，２００１年１月 Ｐ．３１〜Ｐ．８６
【非特許文献２】吉澤徹編，「光三次元計測」，新技術コミュニケーションズ，１９９３年３月 Ｐ．２８〜Ｐ．３７
【非特許文献３】金谷健一著、「画像理解」、森北出版、１９９１年１１月、Ｐ．４８−Ｐ．５３
【非特許文献４】佐藤 淳著，「コンピュータビジョン −視覚の幾何学−」，コロナ社，１９９９年５月 Ｐ．８０〜Ｐ．１０３
【非特許文献５】Z.Zhang:Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientation. Proc of 7th Int. Conference on Computer Vision, Kerkyra, Greece. pp.666-673, Sept.1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
写真測量において、２台のカメラでそれぞれ撮影された２枚の写真内の対応付けは、２枚の写真内に共通して写っており、同一箇所と認定できる特徴点を利用して行われる。そのため、被計測物の表面上に同一箇所と認定できる何らかの特徴点がなければ、２枚の写真内の対応付けは困難であった。たとえば、プラスチック成型品の表面は滑らかで特徴がないため、写真測量による特徴点の対応付けを利用する三次元計測はできなかった。
【０００７】
上述のように、パッシブ法である写真計測では、滑らかな表面等の何ら特徴のない形状は計測することは困難であった。また、アクティブ法である光切断法は、被計測物のサイズが計測装置によって限定されてしまうという欠点を持っている
【０００８】
本発明の目的は、表面に何ら特徴のない物体についても高速に非接触で三次元形状計測を可能にする非接触三次元計測装置及び非接触三次元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】
【０００９】
本発明に係る非接触三次元計測装置は、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係を計算するための外部標定を行う標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択し、
前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択し、
前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出し、
前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出し、
前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上における前記第２対象領域内に計算し、
前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する。
【００１０】
また、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力してもよい。
【００１１】
さらに、前記画像処理部は、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像及び前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域及び前記第２対象領域を選択してもよい。
【００１２】
さらに、前記画像処理部は、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定することができる。
【００１３】
またさらに、前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００１４】
また、前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できるものであってもよい。
【００１５】
さらに、前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できるものであってもよい。
【００１６】
本発明に係る非接触三次元計測方法は、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係を計算するための外部標定を行う外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択する第１対象領域選択ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択する第２対象領域選択ステップと、
（ｆ）前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｇ）前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｈ）前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｉ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｊ）前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｋ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する三次元座標算出ステップと、
を含む。
【００１７】
また、前記画像撮影ステップにおいて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラによって撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力してもよい。
【００１８】
さらに、前記第１対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域を選択し、
前記第２対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第２対象領域を選択してもよい。
【００１９】
またさらに、前記特徴点選択ステップにおいて、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記対応点決定ステップにおいて、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定することができる。
【００２０】
また、前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００２１】
さらに、（ｌ）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｈ）〜前記ステップ（ｋ）を繰り返して、撮影されたラインレーザに対応するライン部分に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップを含んでもよい。
【００２２】
また、前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００２３】
さらに、前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返してもよい。
【００２４】
またさらに、前記対応点決定ステップ（ｊ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００２５】
本発明に係る非接触三次元計測装置は、
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラを含む第１組のカメラ系と、
前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、前記被計測物を撮影する第３のカメラ及び第４のカメラを含む第２組のカメラ系と、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１標定部と、
前記第３のカメラ及び前記第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理すると共に、前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラで撮影した第３の画像と、前記第４のカメラで撮影した第４の画像とを画像処理する、画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算して、
前記第２の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上における前記特徴点と、前記第２の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第３の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算して、
前記第４の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第３の画像上における前記特徴点と、前記第４の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求め、得られた座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る。
【００２６】
また、前記画像処理部は、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。
【００２７】
さらに、前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、例えば、下記式で表すことができる。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【００２８】
またさらに、前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００２９】
また、前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査してもよい。
【００３０】
さらに、前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射してもよい。
【００３１】
本発明に係る非接触三次元計測方法は、第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、非接触三次元計測方法であって、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る第１のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｆ）前記第１の画像から抽出された前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｇ）前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｈ）前記第２の画像から抽出された前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｉ）前記第１の画像における前記特徴点と、前記第２の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｊ）前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ及び第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２外部標定ステップと、
（ｋ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｌ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラ及び前記第４のカメラでそれぞれ撮影して、前記第３のカメラによる第３の画像と、前記第４のカメラによる第４の画像とを得る第２組のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｍ）前記第３の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第３線分データとして抽出する第３線分データ抽出ステップと、
（ｎ）前記第４の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第４線分データとして抽出する第４線分データ抽出ステップと、
（ｏ）前記第３の画像から抽出された前記第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｐ）前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｑ）前記第４の画像から抽出された前記第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｒ）前記第３の画像における前記特徴点と、前記第４の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｓ）前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める座標変換関係算出ステップと、
（ｔ）得られた前記座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、座標変換ステップと、
を含む。
【００３２】
また、前記座標変換関係算出ステップにおいて、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。
【００３３】
さらに、前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、例えば、下記式で表すことができる。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【００３４】
またさらに、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００３５】
また、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第３のカメラと前記第４のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射してもよい。
【００３６】
さらに、第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｉ）に続いて、
（ｉ−２）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｆ）〜前記ステップ（ｉ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含んでもよい。
【００３７】
またさらに、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００３８】
また、第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返してもよい。
【００３９】
さらに、第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｓ）に続いて、
（ｓ−２）前記第３画像から抽出された前記第３線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｏ）〜前記ステップ（ｓ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含んでもよい。
【００４０】
またさらに、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査してもよい。
【００４１】
また、第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返してもよい。
【００４２】
さらに、第１組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｈ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００４３】
またさらに、第２組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｑ）において、前記エピポーラ線と前記第４線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第３の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第４の画像上で前記エピポーラ線と前記第４線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定してもよい。
【００４４】
また、上記非接触三次元計測装置において、前記ラインレーザは、複数の色のラインレーザを併用してもよい。
【００４５】
さらに、上記非接触三次元計測方法において、前記ラインレーザを照射するステップにおいて、前記ラインレーザとして複数の色のラインレーザを併用してもよい。
【発明の効果】
【００４６】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法によれば、被計測物にラインレーザを照射することで、被計測物に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。
【００４７】
また、この非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラで撮影した２枚の画像のうち一方の画像上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データを含む矩形領域を第１対象領域として選択し、第１対象領域内の第１線分データの一つの点を特徴点として選択している。この場合に、もう一つの画像上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データを含む矩形領域を第２対象領域として選択し、第２対象領域内に上記第１対象領域内で選択した特徴点に対応するエピポーラ線を計算して、エピポーラ線と第２線分データとの交点を上記特徴点と対応する対応点として特定することができる。これによって、被計測物上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域及び第２対象領域を画像全体の一部として選択している。これによって、第１対象領域及び第２対象領域のそれぞれについてだけ特徴点及び対応点の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００４８】
また、２つのカメラで撮影された画像の歪を考慮する場合は、上記第１対象領域内の第１線分データの座標及び上記第２対象領域内の第２線分データの座標を歪補正した後、上記の三次元座標を計算することでより、高速かつ高い精度を得ることができる。
【００４９】
さらに、ラインレーザは、赤外、赤色、グリーン、青色等、どの色のラインレーザを用いても良い。また複数の色のレーザを併用することで、一度の撮影で複数の線分を抽出することができ、高速に三次元座標を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】被計測物と２つのカメラとの配置を示す概略図である。
【図３】第１のカメラによって撮影された第１の画像を示す概略図である。
【図４】第２のカメラによって撮影された第２の画像を示す概略図である。
【図５】図３の第１の画像について、第１線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図６】図４の第２の画像において、第１の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第２の画像を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図９】矩形領域の長辺が画像の走査線の方向に平行となるように第１対象領域及び第２対象領域を選択する場合の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態１の変形例に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。
【図１６】第１組のカメラ系の第１のカメラによって撮影された第１の画像を示す概略図である。
【図１７】第１組のカメラ系の第２のカメラによって撮影された第２の画像を示す概略図である。
【図１８】図１６の第１の画像について、第１線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図１９】図１７の第２の画像において、第１の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第２の画像を示す概略図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の第１組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【図２１】第２組のカメラ系の第３のカメラによって撮影された第３の画像を示す概略図である。
【図２２】第２組のカメラ系の第４のカメラによって撮影された第４の画像を示す概略図である。
【図２３】図２１の第３の画像について、第３線分データ中の一つの点を特徴点として選択する場合の概略図である。
【図２４】図２２の第４の画像において、第３の画像上の特徴点に該当するエピポーラ線が計算された第４の画像を示す概略図である。
【図２５】本発明の実施の形態４に係る非接触三次元計測装置の第２組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び計測方法について、添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０の構成を示す概略図である。
この非接触三次元計測装置１０は、距離を置いて設置された２台のカメラ２ａ、２ｂと、被計測物１にラインレーザを照射するラインレーザ４と、２台のカメラ２ａ、２ｂの位置関係を計算する外部標定を行う標定部６と、ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａで撮影した第１の画像２０と、第２のカメラ２ｂで撮影した第２の画像３０とを画像処理する画像処理部８と、を含む。それぞれのカメラ２ａ、２ｂは、レンズ中心や焦点距離、歪補正係数などの内部標定（内部パラメータ）が予め算出されていることが望ましい。さらに、撮影された画像は、内部標定データを利用して歪補正された画像が望ましいが、必須ではない。また、ラインレーザ４は、被計測物１の表面全体にわたって走査できる。また、標定部６は、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う。画像処理部８は、第１の画像２０上の撮影されたラインレーザに対応する第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し、第１対象領域２６内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点２４として選択する。次いで、画像処理部８は、第２の画像３０上の撮影されたラインレーザ４に対応する第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択し、上記特徴点２４に該当するエピポーラ線３３を第２の画像３０上の第２対象領域３６内に計算して、第２の画像３０上の第２対象領域３６内において、撮影されたラインレーザに対応する第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を、第１の画像２０上の第１対象領域２６内で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する。さらに、画像処理部８は、第１の画像２０上の第１対象領域２６内における特徴点２４と、第２の画像３０上の第２対象領域３６内における対応点３４とを用いて、特徴点及び対応点に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出する。
【００５３】
図７は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０の特徴を説明する概念図である。なお、図７は、図２の非接触三次元計測装置１０の構成のうち、写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。
＜２つのカメラ及び画像について＞
２つのカメラ（第１のカメラ２ａ、第２のカメラ２ｂ）のそれぞれのレンズ中心を点Ａ及び点Ｂとして表している。
第１のカメラ２ａによる第１の画像２０では、被計測物１に照射されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む第１対象領域２６を選択する（図３）。この第１対象領域２６は、関心領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）とも呼ばれ、第１の画像２０全体の中で、第１線分データを含むように選択するので、第１線分データに含まれる特徴点２４を選択するにあたって必要十分な範囲である。この第１対象領域内の第１線分データ２２の中から一つの特徴点２４を選択する。第１のカメラ２ａのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定によって得られる。なお、カメラの内部標定は、例えば、非特許文献５に記載の方法に基づいて計算できる。
また、第２のカメラによる第２の画像３０においても、被計測物１に照射されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む第２対象領域３６を選択する（図４）。この第２対象領域３６は、第２の画像３０全体の中で、第２線分データ３２を含むように選択するので、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点である対応点３４を決定するにあたって必要十分な範囲である。第２対象領域３６内において、第１線分データから選択された特徴点２４に対応するエピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点である対応点３４が決定される。なお、第２のカメラ２ｂのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定によって得られる。また、エピポーラ線は、非特許文献４に記載の方法に基づいて計算することができる。
【００５４】
＜ラインレーザ＞
ラインレーザ４は、ライン状のレーザを被計測物１に照射できるものであればよい。また、ラインレーザ４は、被計測物１の全体にわたって走査することができることが好ましい。あるいは、ラインレーザ４は、ライン状のレーザを回転させることができるものであってもよい。さらに、ラインレーザ４は、赤外、赤色、グリーン、青色等、どの色のラインレーザを用いても良い。また、ラインレーザ４として、複数の色のレーザを併用してもよい。複数の色のレーザを併用することで、各色のレーザ毎に特徴点と対応点を計算できるため、一度の撮影で同時に複数の線分を抽出することができ、さらに高速に三次元座標を計算することができる。
【００５５】
＜被計測物について＞
また、被計測物１に照射されたラインレーザの部分１２と、特徴点２４及び対応点３４とに該当する被計測物１上の該当点１４を示している。この該当点１４は点Ｃとしても示している。
【００５６】
なお、図９の概略図に示すように、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂは、撮影した画像データを、第１のカメラ２ａと第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ第１の画像２０及び第２の画像３０として出力してもよい。図９では、図７の場合と比較して、第１の画像２０と第２の画像３０とを縦位置で表している点で相違すると共に、第１の画像２０及び第２の画像３０の長手方向が２つのカメラを結ぶ直線と交差している点で相違する。
また、画像処理部８は、矩形領域の長辺が第１の画像２０及び第２の画像３０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第１対象領域２６及び第２対象領域３６を選択してもよい。さらに、画像処理部８は、第１対象領域２６内でのみ特徴点２４を選択し、第２対象領域３６内でのみ対応点を決定することができる。
またさらに、ラインレーザ４は、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように被計測物１にラインレーザを照射してもよい。図９に示すように、エピポーラ線は、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線とほぼ同様の方向に延びる。そのため、上記のようにラインレーザを第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように照射することで、エピポーラ線と第２線分データ３２とを交差させることができる。
【００５７】
＜写真測量について＞
ａ）第１のカメラ２ａのレンズ中心Ａと、第２のカメラ２ｂのレンズ中心Ｂとの間の位置関係及び、各カメラの方向は外部標定によって求められる。二つのカメラ２ａ、２ｂ間の外部標定は、例えば非特許文献１に記載の方法により計算できる。
ｂ）また、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂのレンズ中心、焦点距離、歪補正係数等は内部標定を利用することによって求められる。
ｃ）次に、被計測物１上の該当点１４の点Ｃは、第１のカメラ２ａのレンズ中心Ａから第１の画像２０上の第１対象領域２６内の特徴点２４に向かって延長したライン上に存在すると共に、第２のカメラ２ｂのレンズ中心Ｂから第２の画像３０上の第２対象領域３６内の対応点３４に向かって延長したライン上に存在する。そのため、写真測量の原理によって、これらの交点として点Ｃが得られる。なお、該当点の三次元座標は、例えば非特許文献１に記載の方法によって計算できる。
以上によって、被計測物１上の該当点１４（Ｃ）を三次元計測することができる。
【００５８】
本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測装置１０によれば、被計測物１にラインレーザを照射することで、被計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。このため、対応点の抽出精度が高くなり、必然的に三次元計測点の精度も高まる。
【００５９】
また、この非接触三次元計測装置１０では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラ２ａ、２ｂで撮影した２枚の画像のうち一方の画像２０上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し（図３）、第１対象領域２６内の前記第１線分データの一つの点を特徴点２４として選択している（図５）。この場合に、もう一つの画像３０上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域として選択し（図４）、第２対象領域３６内に上記第１対象領域２６内で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を計算して、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点を上記特徴点２４と対応する対応点３４として特定することができる（図６）。なお、エピポーラ線は、例えば非特許文献４に記載の方法によって計算できる。これによって、被計測物１上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測装置１０では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域２６及び第２対象領域３６を第１の画像２０及び第２の画像３０からそれぞれ選択している。これによって、第１対象領域２６及び第２対象領域３６のそれぞれについてだけ特徴点２４及び対応点３４の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００６０】
図８は、本発明の非接触三次元計測方法のフローチャートである。この非接触三次元計測方法は、以下のようにして実行される。
（ａ）被計測物１が写る範囲に、被計測物１を撮影する２台のカメラ（第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂ）を、互いに距離をおいて配置する（図１、図２）。それぞれのカメラ２ａ、２ｂは、レンズ中心、焦点距離、歪補正係数などの内部標定（内部パラメータ）が予め算出されていることが望ましい。なお、カメラの内部標定が行われていない場合には、例えば、非特許文献５に挙げられる算出方法によって内部標定を求めることができる。
（ｂ）第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ０１）。
この外部標定によって、複数のカメラの位置関係を知ることができる。例えば、非特許文献１に挙げられる方法として、被計測物１の周りのあらかじめ知られた対応点を８点以上抽出することによって外部標定を実施することができる。
【００６１】
（ｃ）被計測物１にラインレーザ４からラインレーザを照射する（Ｓ０２）（図１）。ラインレーザを用いることによって、非計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。
（ｄ）ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂでそれぞれ撮影して、第１のカメラ２ａによる第１の画像（図３）と、第２のカメラ２ｂによる第２の画像（図４）とを得る（Ｓ０３）。
（ｅ）第１の画像２０において、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択する（Ｓ０４）（図３）。
（ｆ）第２の画像３０において、ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択する（Ｓ０５）（図４）。
（ｇ）第１対象領域２６において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第１線分データ２２として抽出する（Ｓ０６）（図３）。
（ｈ）第２対象領域３６において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第２線分データ３２として抽出する（Ｓ０７）（図４）。
【００６２】
（ｉ）第１対象領域２６内の第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択する（Ｓ０８）（図５）。なお、特徴点２４を、第１線分データ２２の全体にわたって順に選択して、特徴点２４を選択するごとに、後の（ｊ）から（ｌ）を繰り返すことによって、第１線分２２の全体について三次元計測を行うことができる。
（ｊ）特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を第２の画像上の第２対象領域３６内で計算する（Ｓ０９）（図６）。なお、エピポーラ線とは、第１のカメラ２ａのレンズ中心と、第１の画像２０上の特徴点２４に該当する被計測物１上の点とを結ぶ仮想的な線が第２のカメラに投影された線分である。第２の画像３０上の第２対象領域３６内でエピポーラ線３３がどのように計算されるかは、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂの内部標定と、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂの位置関係を計算する外部標定とによって決定できる。エピポーラ線は、例えば非特許文献４に記載の方法によって計算できる。第２の画像３０上の第２対象領域３６内で計算されるエピポーラ線３３上のどこかに特徴点２４と対応する対応点が存在する。
（ｋ）第２対象領域３６内の第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を第１対象領域２６内で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する（Ｓ１０）（図６）。
（ｌ）第１対象領域２６内における特徴点２４と、第２対象領域３６内における対応点３４とを用いて、特徴点及び対応点に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出する（Ｓ１１）。上記該当点１４の三次元座標は、例えば非特許文献１に記載の方法によって計算できる。
（ｍ）第１の画像２０上の第１対象領域２６内の第１線分上の点すべてに対して、上記ステップ（ｉ）〜ステップ（ｌ）を繰り返して、被計測物のラインレーザが照射されたライン部分に対して三次元座標を算出する（Ｓ１２）。
以上の各ステップによって、特徴点２４及び対応点３４に該当する被計測物１の該当点１４の三次元座標を得ることができる。
【００６３】
本発明の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法によれば、被計測物１にラインレーザを照射することで、被計測物１に特徴がなくても写真計測の原理に基づき三次元座標を計測することできる。またレーザのコヒーレント性のため被計測物が凹凸を有する形状であってもラインがぼけることが少なく、特徴点を正確に抽出することができる。このため、対応点の抽出精度が高くなり、必然的に三次元計測点の精度も高まる。
【００６４】
また、この被接触三次元計測方法では、ラインレーザが照射された被計測物を２つのカメラ２ａ、２ｂで撮影した２枚の画像のうち一方の画像２０上で撮影されたラインレーザに対応する部分である第１線分データ２２を含む矩形領域を第１対象領域２６として選択し、第１対象領域２６内の第１線分データ２２の一つの点を特徴点２４として選択している。この場合に、もう一つの画像３０上の撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２を含む矩形領域を第２対象領域３６として選択し、第２対象領域３６内に上記第１対象領域２６内で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を計算して、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点を上記特徴点２４と対応する対応点３４として特定することができる。これによって、被計測物１上に照射したパターンとの相関関係で対応点を特定していた場合に比べて曖昧さを含むことなく対応点を明確に決めることができ、三次元計測の精度を向上させることができる。さらに、本発明に係る非接触三次元計測方法では、特徴点及び対応点を計算するために必要十分な第１対象領域及び第２対象領域を第１の画像及び第２の画像のそれぞれから選択している。これによって、第１対象領域及び第２対象領域のそれぞれについてだけ特徴点及び対応点の計算を行うことによって、２枚の画像全体にわたって計算する場合に比べてより速く三次元計測を行うことができる。
【００６５】
なお、画像撮影ステップにおいて、第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂによって撮影した画像データを、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ第１の画像２０及び第２の画像３０として出力してもよい。
【００６６】
また、第１対象領域選択ステップにおいて、矩形領域の長辺が第１の画像２０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第１対象領域２６を選択してもよい。さらに、第２対象領域選択ステップにおいて、矩形領域の長辺が第２の画像３０を記録した際の走査線の方向と平行となるように、第２対象領域３６を選択してもよい。
【００６７】
さらに、特徴点選択ステップにおいて、第１対象領域２６内でのみ特徴点２４を選択し、対応点決定ステップにおいて、第２対象領域３６内でのみ対応点３４を決定することができる。
【００６８】
また、ラインレーザ照射ステップにおいて、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとを結ぶ直線と交差するように被計測物１にラインレーザを照射してもよい。
【００６９】
（変形例）
図１０は、実施の形態１の変形例に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、ラインレーザを被計測物の全体にわたって走査する点で相違する。
（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｃ）被計測物１にわたってラインレーザを走査する（Ｓ１３）。ここでは、ラインレーザ４を任意の方向に照射し、被計測物１の全体にわたって順に走査していくことを表している。
（ｄ）から（ｋ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｌ）被計測物１の全体について走査したか確認する（Ｓ１４）。被計測物１の全体について走査していない場合には、（ｃ）から（ｋ）を繰り返して、被計測物１の全体について三次元計測を行う。
以上の各ステップによって、被計測物１の全体にわたって三次元計測を行うことができる。
【００７０】
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、ラインレーザ４を照射方向の所定の軸について回転させて被計測物１に照射する点で相違する。
（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。実施の形態２では、ステップ（ｃ）のラインレーザの照射について、以下のように行う。
（ｃ）ラインレーザを所定の軸について回転させて被計測物１に照射する（Ｓ１５）。実施の形態１の変形例では、ラインレーザを任意の方向に走査して被計測物１の全体にわたって走査していたが、ラインレーザ４を所定の軸について回転させることによっても被計測物１の全体について走査することができる。
（ｄ）から（ｍ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
（ｎ）ラインレーザを全角度に回転させて照射したか確認する（Ｓ１６）。被計測物１の全体について走査していない場合には、（ｃ）から（ｋ）を繰り返して、被計測物１の全体について三次元計測を行う。
以上の各ステップによって、被計測物１の全体にわたって三次元計測を行うことができる。
【００７１】
（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この変形例の非接触三次元計測方法では、図８の実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と対比すると、（ｉ）で第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点が単一ではなく２つ以上の交点が存在する場合に、ラインレーザを特徴点２４に該当する被計測物１上の該当点１４を中心に回転させて照射する点で相違する。
（ａ）から（ｊ）は、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法と同じであるので説明を省略する。
ステップ（ｋ）の前に、第２の画像３０上において、エピポーラ線３３と第２線分３２との交点は単一か、確認する（Ｓ１７）。交点が一つの場合には、実施の形態１に係る非接触三次元計測方法の（ｋ）から（ｍ）を行って、特徴点及び対応点に該当する被計測物１の該当点１４の三次元座標を得ることができる。
【００７２】
一方、交点が複数の場合、例えば、撮影されたラインレーザに対応する部分である第２線分データ３２とエピポーラ線３３とが同一方向に沿って延在するような場合に交点が複数存在する場合が生じる。この場合には、ラインレーザ４を特徴点２４に該当する被計測物１上の該当点１４を中心に回転させて照射する（Ｓ１８）。この場合に、エピポーラ線３３とラインレーザのライン方向とが角度をなすようにラインレーザ４を回転させることが好ましい。より好ましくは、エピポーラ線３３とラインレーザのライン方向とが互いに直交するようにラインレーザ４を回転させることである。また、特徴点２４を保持するように、特徴点２４に該当する被計測物１の該当点１４について回転させる。その後、（ｄ）から（ｊ）を繰り返して、エピポーラ線３３と第２線分３２との交点が単一となるようにすることができる。
【００７３】
これによって、エピポーラ線３３と第２線分データ３２とがほぼ平行になる等の原因で対応点３４が一つに特定できない場合でも、ラインレーザ４を回転させて、エピポーラ線３３と第２線分データ３２とが交差する交点として単一の対応点３４が得られ、明確に対応点を特定でき、三次元計測の精度を向上させることができる。
【００７４】
なお、エピポーラ線３３と第２線分データ３２との交点が一つも得られない場合には、第１の画像２０上で選択した特徴点２４に対応する被計測物１上の該当点１４が第２の画像３０上の第２対象領域３６内には現れていないことを意味している。この場合には、第１のカメラ２ａからの第１の画像２０上の第１対象領域２６内に含まれる被計測物１の範囲と、第２のカメラ２ｂからの第２の画像３０上の第２対象領域３６内に含まれる被計測物１の範囲とで共通する被計測物１の範囲が少ないか又は存在しないと考えられる。そこで、第１のカメラ２ａと第２のカメラ２ｂとの距離を縮めて、第１の画像２０上の第１対象領域２６と第２の画像３０上の第２対象領域３６とで共通する被計測物１の範囲が得られるようにすることが好ましい。
【００７５】
（実施の形態４）
図１３は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の構成を示す概略図である。この非接触三次元計測装置１００は、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置と比較すると、２台のカメラ２ａ、２ｂからなる第１組のカメラ系に加えて、第１組のカメラ系とは異なる箇所から被計測物１を撮影する２台のカメラ（第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄ）からなる第２組のカメラ系をさらに備えることを特徴とする。なお、第２組のカメラ系は、物理的に第１組のカメラ系と別個に用意してもよいが、第１組のカメラ系による最初の位置での撮影及び画像処理の後、第１組のカメラ系を最初の位置とは異なる箇所にそのまま移動させて第２組のカメラ系として撮影及び画像処理を行ってもよい。また、この非接触三次元計測装置では、ラインレーザ４を少なくとも一つ備えていればよい。あるいは、第１組のカメラ系と、第２組のカメラ系とでそれぞれ別々に２組のラインレーザを用意してもよい。
【００７６】
図２０は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の第１組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明する概念図である。なお、図２０は、図１３の非接触三次元計測装置１００の構成のうち、第１組のカメラ系による写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。図２５は、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００の第２組のカメラ系による非接触三次元計測方法の特徴を説明する概念図である。なお、図２５は、図１３の非接触三次元計測装置１００の構成のうち、第２組のカメラ系による写真測量に関係する位置関係を詳細に示したものである。
【００７７】
また、この非接触三次元計測装置１００では、実施の形態１に係る非接触三次元計測装置と対比すると、画像処理部における画像処理方法において相違する。具体的には、この画像処理部では、実施の形態１とは異なり、それぞれの画像中から対象領域（ＲＯＩ）の選択を行わない点で相違する。なお、実施の形態１と同様にそれぞれの画像から対象領域（ＲＯＩ）の選択を行ってもよい。また、この画像処理部においては、以下の処理を行うことを特徴とする。
（１）まず、実施の形態１と同様に、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る。例えば、第１組のカメラ系による三次元座標をＭ（ｘ、ｙ，ｚ）とする。
（２）次いで、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る。例えば、第２組のカメラ系による三次元座標をＮ（ｘ、ｙ，ｚ）とする。
（３）その後、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標のうち、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの点、つまり少なくとも三つのマーカの三次元座標を選択する。例えば、第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標をＡｉ（ｘ、ｙ、ｚ）とし、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標をＢｉ（ｘ、ｙ、ｚ）とする。
（４）選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系から第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める。これは、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ｂｉ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ａｉ（ｘ、ｙ、ｚ）に対応させる座標変換関係を得るものである。これは、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。さらに具体的には、上記相似変換は、例えば、下記式で表される。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
（５）そして、得られた座標変換関係、上記例の場合、スケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔ等を用いて、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ、ｙ、ｚ）に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得る。
【００７８】
なお、被計測物１上に、例えば、マーカ６０を３点以上置いておくことによって、第１組のカメラ系における三次元座標と第２組のカメラ系における三次元座標とで共通する三次元座標として、マーカ６０の三次元座標を対応させることができる（図１３）。なお、第１組のカメラ系の三次元座標と第２組のカメラ系の三次元座標とで両方で対応関係が明確な点が少なくとも３点以上利用できる場合にはマーカを置く必要はない。また、少なくとも３つのマーカは同一直線上に並んでいないものを用いることが好ましい。
【００７９】
実施の形態４に係る非接触三次元計測装置１００では、第１組のカメラ系だけでなく、第２組のカメラ系を用いている。例えば、山などのように大きな被計測物の場合、第１組のカメラ系だけでは、山の一面しか観測できないが、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置によれば、第２組のカメラ系によって、第１組のカメラ系では影になって観測できない部分も観測できる。その後、第２組のカメラ系による三次元座標系を第１組の三次元座標系に座標変換することによって、全体の三次元座標系を統合することができる。
【００８０】
なお、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置では、実施の形態１から３に係る非接触三次元計測装置の構成のうち、いずれか一つの構成、又は、これらの複数の構成を備えてもよい。
【００８１】
図１４及び図１５は、実施の形態４に係る非接触三次元計測方法のフローチャートである。この非接触三次元計測方法は、第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた第２組のカメラ系の三次元座標系を第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得ることを特徴とする。
なお、図１６は、第１組のカメラ系の第１のカメラ２ａによって撮影された第１の画像２０を示す概略図である。図１７は、第１組のカメラ系の第２のカメラ２ｂによって撮影された第２の画像３０を示す概略図である。図１８は、図１６の第１の画像２０について、第１線分データ２２中の一つの点を特徴点２４として選択する場合の概略図である。図１９は、図１７の第２の画像３０において、第１の画像２０上の特徴点２４に該当するエピポーラ線３３が計算された第２の画像３０を示す概略図である。
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物１を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ２１）。
（ｂ）第１組のカメラ系において被計測物１にラインレーザを照射する（Ｓ２２）（図２０）。
（ｃ）ラインレーザが照射された被計測物１を第１のカメラ２ａ及び第２のカメラ２ｂでそれぞれ撮影して、第１のカメラ２ａによる第１の画像２０（図１６）と、第２のカメラ２ｂによる第２の画像３０（図１７）とを得る（Ｓ２３）。
（ｄ）第１の画像２０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第１線分データ２２として抽出する（Ｓ２４）（図１６）。
（ｅ）第２の画像３０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第２線分データ３２として抽出する（Ｓ２５）（図１７）。
（ｆ）第１の画像２０から抽出された第１線分データ２２の中の一つの点を特徴点２４として選択する（Ｓ２６）（図１８）。
（ｇ）第１の画像２０上で選択した特徴点２４に対応するエピポーラ線３３を第２の画像３０上で計算する（Ｓ２７）（図１９）。
（ｈ）第２の画像３０から抽出された第２線分データ３２とエピポーラ線３３との交点を、第１の画像２０上で選択した特徴点２４と対応する対応点３４として決定する（Ｓ２８）（図１９）。
（ｉ）第１の画像２０における特徴点２４と、第２の画像３０における対応点３４とを用いて、特徴点２４及び対応点３４に該当する被計測物１上の該当点１４の三次元座標を算出し、第１組のカメラ系における被計測物１上の三次元座標系を得る（Ｓ２９）（図２０）。
【００８２】
図２１は、第２組のカメラ系の第３のカメラ２ｃによって撮影された第３の画像４０を示す概略図である。図２２は、第２組のカメラ系の第４のカメラ２ｄによって撮影された第４の画像５０を示す概略図である。図２３は、図２１の第３の画像４０について、第３線分データ４２中の一つの点を特徴点４４として選択する場合の概略図である。図２４は、図２２の第４の画像５０において、第３の画像４０上の特徴点４４に該当するエピポーラ線５３が計算された第４の画像５０を示す概略図である。
（ｊ）第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物１を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う（Ｓ３０）。
（ｋ）被計測物１にラインレーザを照射する（Ｓ３１）
（ｌ）ラインレーザが照射された被計測物１を第３のカメラ２ｃ及び第４のカメラ２ｄでそれぞれ撮影して、第３のカメラ２ｃによる第３の画像４０（図２１）と、第４のカメラ２ｄによる第４の画像５０（図２２）とを得る（Ｓ３２）。
（ｍ）第３の画像４０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第３線分データ４２として抽出する（Ｓ３３）（図２１）。
（ｎ）第４の画像５０において、撮影されたラインレーザに対応する部分を第４線分データ５２として抽出する（Ｓ３４）（図２２）。
（ｏ）第３の画像４０から抽出された第３線分データ４２の中の一つの点を特徴点４４として選択する（Ｓ３５）（図２３）。
（ｐ）第３の画像４０上で選択した特徴点４４に対応するエピポーラ線５３を第４の画像５０上で計算する（Ｓ３６）（図２４）。
（ｑ）第４の画像５０から抽出された第４線分データ５２とエピポーラ線５３との交点を、第３の画像４０上で選択した特徴点４４と対応する対応点５４として決定する（Ｓ３７）（図２４）。
（ｒ）第３の画像４０における特徴点４４と、第４の画像５０における対応点５４とを用いて、特徴点４４及び対応点５４に該当する被計測物１上の該当点の三次元座標を算出し、第２組のカメラ系における被計測物上の三次元座標系を得る（Ｓ３８）（図２５）。
【００８３】
（ｓ）第２組のカメラ系における被計測物１上の三次元座標のうち、第１組のカメラ系における被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系から第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める（Ｓ３９）。これは、第２組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ｂｉ（ｘ、ｙ、ｚ）を第１組のカメラ系によるｉ番目のマーカの三次元座標Ａｉ（ｘ、ｙ、ｚ）に対応させる座標変換関係を得るものである。これは、選択した少なくとも３つの三次元座標について、第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求めることができる。さらに具体的には、上記相似変換は、例えば、下記式で表される。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
（ｔ）得られた座標変換関係、例えば上記例では、スケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔ等を用いて、第２組のカメラ系の三次元座標系を第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得る（Ｓ４０）。
以上によって、第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく被計測物の三次元座標を得ることができる。
【００８４】
なお、上記ステップ（ｓ）について、さらに説明する。
以下に、相似変換の関係式を再度掲載する。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
上記座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔのそれぞれの求め方の一例を挙げる。
【００８５】
（ａ）スケールの求め方
第１組のカメラ系によるマーカのｉ番目とｉ＋１番目の三次元座標Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）の間での座標ベクトルの引き算をそれぞれ行って、第２組のカメラ系による対応するマーカのｉ番目とｉ＋１番の三次元座標Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の間での座標ベクトルの引き算を行って、両辺のベクトルの大きさの２乗を得ると、上記の相似変換の関係式から、下記式が得られる。
（Ａｉ−Ａｉ＋１）２＝ｓ２（Ｂｉ−Ｂｉ＋１）２
上記式では、並進ベクトルｔを削除でき、全体としてスカラーのみとすることができる。これによって、スケールｓを算出できる。なお、マーカの数が３以上あるので、３以上の異なるスケールｓの値が得られ、その平均値をスケールｓとして得ることができる。
【００８６】
（ｂ）回転行列Ｒの求め方
まず、上記相似変換の式を以下のように変形しておく。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）＝Ｒ（ｓＮｉ−ｓｔ）＝Ｒ（ｓＮｉ）−Ｒ（ｓｔ）
次に、マーカのｉ＋１番目からｉ番目への引き算を行う。
Ｍｉ＋１−Ｍｉ＝（Ｒ（ｓＮｉ＋１）−Ｒ（ｓｔ））−（Ｒ（ｓＮｉ）−Ｒ（ｓｔ））
Ｍｉ＋１−Ｍｉ＝Ｒ（ｓＮｉ＋１）−Ｒ（ｓＮｉ）
＝Ｒ（（ｓＮｉ＋１）−（ｓＮｉ））
ここで、
ｍｉ＝Ｍｉ＋１−Ｍｉ
ｎｉ＝ｓＮｉ＋１−ｓＮｉ
と置き換えると、下記式が得られる。
ｍｉ＝Ｒｎｉ
【００８７】
マーカが３つしかない場合には上記式から回転行列Ｒが一意に決まるが、マーカが複数存在する場合には、それぞれのマーカの三次元座標に測定誤差が含まれていることを考慮する必要がある。そこで、上記式から、引き算ベクトル（ｍｉ−Ｒｎｉ）の大きさの二乗和が最小となるような回転行列Ｒを得ることによって、座標変換における誤差を最小とすることができる。具体的には、
の条件を満たす回転行列Ｒを求めることである。なお、上記最小二乗法による回転行列Ｒは、通常の方法によって得られる。その求め方の詳細については、例えば、非特許文献３等に詳しい。
【００８８】
（ｃ）並進ベクトルｔの求め方
上記相似変換の関係式を変形すると、
となる。なお、ＲＴは、回転行列Ｒの転置行列である。複数のマーカのそれぞれについて並進ベクトルｔｉが得られるので、その平均値を全体の並進ベクトルｔとする。
以上によって、座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔのそれぞれが得られる。なお、上記の座標変換関係のスケールｓ、回転行列Ｒ、並進ベクトルｔの求め方は一例であってこれらに限られない。
【００８９】
実施の形態４に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法では、第１組のカメラ系だけでなく、第２組のカメラ系を用いている。例えば、山などのように大きな被計測物の場合、第１組のカメラ系だけでは、山の一面しか観測できないが、実施の形態４に係る非接触三次元計測装置及び方法によれば、第２組のカメラ系によって、第１組のカメラ系では影になって観測できない部分も観測できる。その後、第２組のカメラ系による三次元座標系を第１組の三次元座標系に座標変換することによって、被計測物全体の三次元座標系を統合することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法によれば、表面に特徴がない物体を被計測物とする場合であっても、２つの画像上で、一方の画像で選択した特徴点について、もう一方の画像上における対応点を明確に特定できる。そこで、本発明に係る非接触三次元計測装置及び非接触三次元計測方法は、表面に特徴がない物体を被計測物とする非接触三次元計測に有用である。さらに本方法では、カメラの配置やレーザなどは任意に配置できるため、被計測物の大きさが変動した場合に、容易に対応することができる。さらにカメラやレーザ等は比較的省電力であるため、電池で駆動でき、可搬性に優れている。
【符号の説明】
【００９１】
１ 被計測物
２ａ 第１のカメラ
２ｂ 第２のカメラ
２ｃ 第３のカメラ
２ｄ 第４のカメラ
４ ラインレーザ
６ 標定部
６ａ 第１標定部
６ｂ 第２標定部
８ 画像処理部
１０ 非接触三次元計測装置
１２ 照射されたラインレーザ
１４ 該当点
２０ 第１の画像
２２ 第１線分データ
２４ 特徴点
２６ 第１対象領域
３０ 第２の画像
３２ 第２線分データ
３３ エピポーラ線
３４ 対応点
３６ 第２対象領域
４０ 第３の画像
４２ 第３線分データ
４４ 特徴点
５０ 第４の画像
５２ 第４線分データ
５４ 対応点
６０ マーカ
１００ 非接触三次元計測装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係を計算する外部標定を行う標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択し、
前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択し、
前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出し、
前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出し、
前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算して、
前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する、
非接触三次元計測装置。
【請求項２】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力する、請求項１に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項３】
前記画像処理部は、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像及び前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域及び前記第２対象領域を選択する、請求項２に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項４】
前記画像処理部は、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項５】
前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項６】
前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できる、請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項７】
前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できる、請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触三次元装置。
【請求項８】
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択する第１対象領域選択ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択する第２対象領域選択ステップと、
（ｆ）前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｇ）前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｈ）前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｉ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｊ）前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｋ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する三次元座標算出ステップと、
を含む、非接触三次元計測方法。
【請求項９】
前記画像撮影ステップにおいて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラによって撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力する、請求項８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１０】
前記第１対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域を選択し、
前記第２対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第２対象領域を選択する、請求項９に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１１】
前記特徴点選択ステップにおいて、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記対応点決定ステップにおいて、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定する、請求項８から１０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１２】
前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項８から１１のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１３】
さらに、
（ｌ）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｈ）〜前記ステップ（ｋ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
を含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１４】
前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項１３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１５】
前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返す、請求項１３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１６】
前記対応点決定ステップ（ｊ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項８から１５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１７】
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラを含む第１組のカメラ系と、
前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、前記被計測物を撮影する第３のカメラ及び第４のカメラを含む第２組のカメラ系と、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１標定部と、
前記第３のカメラ及び前記第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理すると共に、前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラで撮影した第３の画像と、前記第４のカメラで撮影した第４の画像とを画像処理する、画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算して、
前記第２の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上における前記特徴点と、前記第２の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第３の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算して、
前記第４の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第３の画像上における前記特徴点と、前記第４の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求め、得られた座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、
非接触三次元計測装置。
【請求項１８】
前記画像処理部は、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求める、請求項１７に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項１９】
前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、下記式で表される、請求項１８に記載の非接触三次元計測装置。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【請求項２０】
前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項２１】
前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できる、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項２２】
前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できる、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の非接触三次元装置。
【請求項２３】
第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、非接触三次元計測方法であって、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る第１のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｆ）前記第１の画像から抽出された前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｇ）前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｈ）前記第２の画像から抽出された前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｉ）前記第１の画像における前記特徴点と、前記第２の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｊ）前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ及び第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２外部標定ステップと、
（ｋ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｌ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラ及び前記第４のカメラでそれぞれ撮影して、前記第３のカメラによる第３の画像と、前記第４のカメラによる第４の画像とを得る第２組のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｍ）前記第３の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第３線分データとして抽出する第３線分データ抽出ステップと、
（ｎ）前記第４の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第４線分データとして抽出する第４線分データ抽出ステップと、
（ｏ）前記第３の画像から抽出された前記第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｐ）前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｑ）前記第４の画像から抽出された前記第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｒ）前記第３の画像における前記特徴点と、前記第４の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｓ）前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める座標変換関係算出ステップと、
（ｔ）得られた前記座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、座標変換ステップと、
を含む、非接触三次元計測方法。
【請求項２４】
前記座標変換関係算出ステップにおいて、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求める、請求項２３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２５】
前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、下記式で表される、請求項２４に記載の非接触三次元計測方法。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【請求項２６】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２７】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第３のカメラと前記第４のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項２３から２６のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２８】
第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｉ）に続いて、
（ｉ−２）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｆ）〜前記ステップ（ｉ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含む、請求項２３から２７のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２９】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項２８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３０】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返す、請求項２８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３１】
第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｓ）に続いて、
（ｓ−２）前記第３画像から抽出された前記第３線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｏ）〜前記ステップ（ｓ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含む、請求項２３から３０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３２】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項３１に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３３】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返す、請求項３１に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３４】
第１組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｈ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項２３から３３のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３５】
第２組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｑ）において、前記エピポーラ線と前記第４線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第３の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第４の画像上で前記エピポーラ線と前記第４線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項２３から３４のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３６】
前記ラインレーザは、複数の色のラインレーザを併用することを特徴とする、請求項１から７、１７から２２のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項３７】
前記ラインレーザを照射するステップにおいて、前記ラインレーザとして複数の色のラインレーザを併用することを特徴とする、請求項８から１６、２３から３５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１】
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラと、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係を計算する外部標定を行う標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択し、
前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択し、
前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出し、
前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出し、
前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算して、
前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する、
非接触三次元計測装置。
【請求項２】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラは、撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録する画像メモリを備え、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力する、請求項１に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項３】
前記画像処理部は、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像及び前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域及び前記第２対象領域を選択する、請求項２に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項４】
前記画像処理部は、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項５】
前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項６】
前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できる、請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項７】
前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できる、請求項１から６のいずれか一項に記載の非接触三次元装置。
【請求項８】
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第１対象領域として選択する第１対象領域選択ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を含む矩形領域を第２対象領域として選択する第２対象領域選択ステップと、
（ｆ）前記第１対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｇ）前記第２対象領域において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｈ）前記第１対象領域内の前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｉ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上の前記第２対象領域内に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｊ）前記第２の画像上の前記第２対象領域内において、撮影された前記ラインレーザに対応する前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上の前記第１対象領域内で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｋ）前記第１の画像上の前記第１対象領域内における前記特徴点と、前記第２の画像上の前記第２対象領域内における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出する三次元座標算出ステップと、
を含む、非接触三次元計測方法。
【請求項９】
前記画像撮影ステップにおいて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラによって撮影した画像データを、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差する方向の走査線に沿って記録し、それぞれ前記第１の画像及び前記第２の画像として出力する、請求項８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１０】
前記第１対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第１の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第１対象領域を選択し、
前記第２対象領域選択ステップにおいて、前記矩形領域の長辺が前記第２の画像を記録した際の走査線の方向と平行となるように、前記第２対象領域を選択する、請求項９に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１１】
前記特徴点選択ステップにおいて、前記第１対象領域内でのみ前記特徴点を選択し、前記対応点決定ステップにおいて、前記第２対象領域内でのみ前記対応点を決定する、請求項８から１０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１２】
前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項８から１１のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１３】
さらに、
（ｌ）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｈ）〜前記ステップ（ｋ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
を含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１４】
前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項１３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１５】
前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｌ）を繰り返す、請求項１３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１６】
前記対応点決定ステップ（ｊ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項８から１５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項１７】
互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１のカメラ及び第２のカメラを含む第１組のカメラ系と、
前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、前記被計測物を撮影する第３のカメラ及び第４のカメラを含む第２組のカメラ系と、
前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザと、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１標定部と、
前記第３のカメラ及び前記第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２標定部と、
前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラで撮影した第１の画像と、前記第２のカメラで撮影した第２の画像とを画像処理すると共に、前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラで撮影した第３の画像と、前記第４のカメラで撮影した第４の画像とを画像処理する、画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記第１の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算して、
前記第２の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第１の画像上における前記特徴点と、前記第２の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第３の画像上の撮影された前記ラインレーザに対応する第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択し、
前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算して、
前記第４の画像上において、撮影された前記ラインレーザに対応する第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定し、
前記第３の画像上における前記特徴点と、前記第４の画像上における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得ると共に、
前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求め、得られた座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、
非接触三次元計測装置。
【請求項１８】
前記画像処理部は、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求める、請求項１７に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項１９】
前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、下記式で表される、請求項１８に記載の非接触三次元計測装置。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【請求項２０】
前記ラインレーザは、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項２１】
前記ラインレーザは、前記被計測物の全体にわたってラインレーザを走査できる、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項２２】
前記ラインレーザは、照射方向の所定の軸について回転してラインレーザを前記被計測物に照射できる、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の非接触三次元装置。
【請求項２３】
第１組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出と、第２組のカメラ系による被計測物の三次元座標系の算出とを行った後、得られた前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、非接触三次元計測方法であって、
（ａ）互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第１組のカメラ系を構成する第１のカメラ及び第２のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第１外部標定ステップと、
（ｂ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｃ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第１のカメラ及び前記第２のカメラでそれぞれ撮影して、前記第１のカメラによる第１の画像と、前記第２のカメラによる第２の画像とを得る第１のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｄ）前記第１の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第１線分データとして抽出する第１線分データ抽出ステップと、
（ｅ）前記第２の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第２線分データとして抽出する第２線分データ抽出ステップと、
（ｆ）前記第１の画像から抽出された前記第１線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｇ）前記第１の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第２の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｈ）前記第２の画像から抽出された前記第２線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第１の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｉ）前記第１の画像における前記特徴点と、前記第２の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｊ）前記第１組のカメラ系とは違う位置で、互いに距離をおいて配置され、被計測物を撮影する第２組のカメラ系を構成する第３のカメラ及び第４のカメラについて、互いの位置関係に関する外部標定を行う第２外部標定ステップと、
（ｋ）前記被計測物にラインレーザを照射するラインレーザ照射ステップと、
（ｌ）前記ラインレーザが照射された被計測物を前記第３のカメラ及び前記第４のカメラでそれぞれ撮影して、前記第３のカメラによる第３の画像と、前記第４のカメラによる第４の画像とを得る第２組のカメラ系による画像撮影ステップと、
（ｍ）前記第３の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第３線分データとして抽出する第３線分データ抽出ステップと、
（ｎ）前記第４の画像において、前記ラインレーザが撮影された部分を第４線分データとして抽出する第４線分データ抽出ステップと、
（ｏ）前記第３の画像から抽出された前記第３線分データの中の一つの点を特徴点として選択する特徴点選択ステップと、
（ｐ）前記第３の画像上で選択した前記特徴点に対応するエピポーラ線を前記第４の画像上に計算するエピポーラ線計算ステップと、
（ｑ）前記第４の画像から抽出された前記第４線分データと前記エピポーラ線との交点を、前記第３の画像上で選択した前記特徴点と対応する対応点として決定する対応点決定ステップと、
（ｒ）前記第３の画像における前記特徴点と、前記第４の画像における前記対応点とを用いて、前記特徴点及び前記対応点に該当する前記被計測物上の該当点の三次元座標を算出し、前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標系を得る第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップと、
（ｓ）前記第２組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標のうち、前記第１組のカメラ系における前記被計測物上の三次元座標と対応する少なくとも３つの三次元座標を選択し、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への座標変換関係を求める座標変換関係算出ステップと、
（ｔ）得られた前記座標変換関係を用いて、前記第２組のカメラ系の三次元座標系を前記第１組のカメラ系の三次元座標系に座標変換して、前記第１組のカメラ系の三次元座標系に基づく前記被計測物の三次元座標を得る、座標変換ステップと、
を含む、非接触三次元計測方法。
【請求項２４】
前記座標変換関係算出ステップにおいて、前記選択した少なくとも３つの三次元座標について、前記第２組のカメラ系の三次元座標系から前記第１組のカメラ系の三次元座標系への相似変換の関係に基づいて、座標変換関係を求める、請求項２３に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２５】
前記第２組のカメラ系の三次元座標系Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）から前記第１組のカメラ系の三次元座標系Ｍ（ｘ，ｙ，ｚ）への前記相似変換は、下記式で表される、請求項２４に記載の非接触三次元計測方法。
Ｍｉ＝ｓＲ（Ｎｉ−ｔ）
Ｍｉ：第１組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
Ｎｉ：第２組のカメラ系の三次元座標（座標ベクトル）
ｓ：スケール（スカラー値）
Ｒ：回転行列
ｔ：並進ベクトル
【請求項２６】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第１のカメラと前記第２のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２７】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップにおいて、前記第３のカメラと前記第４のカメラとを結ぶ直線と交差するように前記被計測物にラインレーザを照射する、請求項２３から２６のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２８】
第１組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｉ）に続いて、
（ｉ−２）前記第１画像から抽出された前記第１線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｆ）〜前記ステップ（ｉ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含む、請求項２３から２７のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項２９】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項２８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３０】
第１組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｂ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｃ）〜前記ステップ（ｉ−２）を繰り返す、請求項２８に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３１】
第２組のカメラ系による三次元座標算出ステップ（ｓ）に続いて、
（ｓ−２）前記第３画像から抽出された前記第３線分上の点すべてに対して、前記ステップ（ｏ）〜前記ステップ（ｓ）を繰り返して、前記被計測物のラインレーザが照射されたライン部分の全体に対して三次元座標を算出する三次元座標算出ステップ
をさらに含む、請求項２３から３０のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３２】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを前記被計測物にわたって走査するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返して、前記被計測物の全体を走査する、請求項３１に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３３】
第２組のカメラ系による前記ラインレーザ照射ステップ（ｋ）において、前記ラインレーザを照射方向の所定の軸について回転させて前記被計測物に照射するラインレーザ走査ステップをさらに含み、前記ラインレーザを回転させて前記被計測物に照射するごとに、前記ステップ（ｌ）〜前記ステップ（ｓ−２）を繰り返す、請求項３１に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３４】
第１組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｈ）において、前記エピポーラ線と前記第２線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第１の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第２の画像上で前記エピポーラ線と前記第２線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項２３から３３のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３５】
第２組のカメラ系による前記対応点決定ステップ（ｑ）において、前記エピポーラ線と前記第４線分データとの交点が２つ以上存在する場合、前記ラインレーザを前記第３の画像上の前記特徴点に該当する前記被計測物上の該当点への照射方向の軸について回転させて照射して、前記第４の画像上で前記エピポーラ線と前記第４線分データとの単一の交点を前記特徴点と対応する対応点として決定する、請求項２３から３４のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【請求項３６】
前記ラインレーザは、複数の色のラインレーザを併用することを特徴とする、請求項１から７、１７から２２のいずれか一項に記載の非接触三次元計測装置。
【請求項３７】
前記ラインレーザを照射するステップにおいて、前記ラインレーザとして複数の色のラインレーザを併用することを特徴とする、請求項８から１６、２３から３５のいずれか一項に記載の非接触三次元計測方法。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−４７６３７（Ｐ２０１２−４７６３７Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９１０９９（Ｐ２０１０−１９１０９９）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
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