本發(fā)明涉及一種對測量目標(biāo)的表面三維形狀進(jìn)行測量的技術(shù)。

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

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