專利名稱：三維測量裝置、三維測量方法以及三維測量程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向物體投影規(guī)定圖形的光，以非接觸方式測量三維信息的三維測量裝置、三維測量方法以及三維測量程序。
背景技術(shù)：
近年來，在醫(yī)療或美容、以衣服為主的鞋、眼鏡、帽子等服飾的設(shè)計、另外減肥管理或健康管理等各種領(lǐng)域中，不僅是要求取得軀體的三維形狀數(shù)據(jù)，還要求取得臉或頭、手足等人體全身的三維形狀數(shù)據(jù)，期待開發(fā)非接觸而且高速的三維形狀測量裝置。
作為三維測量的方法，分為被動型和主動型兩種，前者為不對于測量對象物照射成為測量輔助的特定的光或者電波等而進行測量，后者為用光、聲波、電波等照射測量對象物，利用其信息進行測量。
迄今，提出多種向測量對象物投影使用激光的圖形光來進行三維測量的方法，并謀求實用化。但是，因為激光有對人體帶來惡劣影響的可能性，所以對于人體應(yīng)用這些方法困難。例如在專利文獻1等中記載了使激光的強度盡可能減小等加以改良的三維測量方法，但是當減弱激光時必須延長相應(yīng)數(shù)量的攝影時間，結(jié)果激光的總光量變大。因此，希望確立不使用激光的人體三維測量方法。
在非專利文獻1中記載了基于不使用激光的主動型三維測量方法的人體形狀測量裝置的一例。在該人體形狀測量裝置中，使用時間序列空間編碼方法，向測量對象物投影通過條狀(stripe)的光快門(shutter)系列制作的7種編碼圖形光(格雷碼圖形)，以工程方式分割物體，并以三角測量的原理計算測量對象物的坐標值。
但是，在非專利文獻1中記載的人體形狀測量裝置中，在一次測量中需要多次投影。因此，為進行高精度的測量需要相當多的投影次數(shù)。例如，在非專利文獻1的人體形狀測量裝置中使用的時間系列空間編碼方法中，為提高1％的縱深方向測量精度，需要至少七次投影。在人體測量中，使受檢者在測量中維持長時間的靜止狀態(tài)困難，希望盡可能減少投影次數(shù)，縮短三維測量所需的時間。
因此，為解決上述的問題，本發(fā)明人研究基于黑白投影顏色解析方法的三維測量方法(參照非專利文獻2)。在該黑白投影顏色解析方法中，首先，對于測量對象物投影黑白系列的圖形光。然后，為獲得更多的該反射光強度信息，使用數(shù)碼照相機攝影投影(觀察)的圖形光。解析得到的顏色投影圖形光圖像的各像素的顏色通道(channel)，把得到最強反射的顏色通道作為該像素的測量通道，合成強度分布大的計算用圖像。根據(jù)從該計算用圖像檢測到的、形成投影圖形光的一個一個的個別圖形(條紋)的強度分布求投影圖形光的方位角，計算測量對象物的三維信息。
專利文獻1特開2003-11430號公報非專利文獻1柴田 進、山內(nèi)航一郎、西尾裕志、二川貴志、佐藤幸男，第10回畫像センシングシンポジウム講演論文集，畫像センシング技術(shù)研究會，2004年6月9日，p.253-258(柴田 進、山內(nèi)航一郎、西尾裕志、二川貴志、佐藤幸男，第十次圖像傳感研討會講演論文集，圖像傳感技術(shù)研究會，2004年6月9日，p.253-258)非專利文獻2長 元気、盧 存?zhèn)?，“MPCAとOIMP技術(shù)の融合によるパタ一ン光投影3次元畫像計測の効率向上”，第10回畫像センシングシンポジウム講演論文集，畫像センシング技術(shù)研究會，2004年6月9日，p.53-58(長 元気、盧 存?zhèn)?，“基于MPCA和OIMP技術(shù)的融合的圖形光投影三維圖像測量的效率的提高”，第十次圖像傳感研討會講演論文集，圖像傳感技術(shù)研究會，2004年6月9日，p.53-58)發(fā)明內(nèi)容非專利文獻2的黑白投影顏色解析方法，因為能夠用一次投影檢測具有多個個別圖形光的圖形光，所以能夠以比時間序列空間編碼法短的時間進行精度良好的三維測量。但是，在非專利文獻2的黑白投影顏色解析方法中，在計算用圖像中的投影圖形光的強度分布中，因為僅能求出成為個別圖形光的極大值的測量點的三維信息，所以得到丟失了個別圖形光和相鄰的個別圖形光之間的信息的三維信息。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種三維測量裝置、三維測量方法以及三維測量程序，其能夠用一次投影得到很多圖形光信息，能夠得到高速而且高精度的三維信息。
本發(fā)明的三維測量裝置的特征是，具有圖形形成單元，其形成向測量對象物投影的光的圖形；投影單元，向測量對象物投影通過圖形形成單元形成的圖形的光(以下稱“圖形光”)；攝影單元，攝影投影有圖形光的測量對象物來取得圖像；投影圖形光檢測單元，從圖像檢測被投影的圖形光(以下稱“投影圖形光”)；方位角計算單元，比較投影圖形光和原來的圖形光，計算投影圖形光的方位角；分割單元，每一周期分割投影圖形光；相位值計算單元，從被分割的投影圖形光計算測量點的相位值；距離計算單元，根據(jù)計算出來的相位值計算測量點的縱深距離；以及三維信息計算單元，使用計算出來的測量點的縱深距離計算測量對象物的三維信息。
根據(jù)本發(fā)明的三維測量裝置，因為通過投影單元把通過圖形形成單元形成的圖形的光向測量對象物投影，通過攝影單元攝影投影有該圖形光的測量對象物的圖像，通過投影圖形光檢測單元根據(jù)該攝影的圖像檢測投影圖形光，所以能夠用一次投影檢測具有多個個別圖形光的投影圖形光。亦即能夠用一次投影得到多個投影圖形光信息。另外，在通過方位角計算單元計算投影圖形光的各個別圖形光的方位角的同時通過分割單元每一周期分割投影圖形光，通過相位值計算單元計算在被分割的投影圖形光即個別圖形光的各測量點處的相位值。然后，把計算出來的各測量點的相位值變換為各測量點的縱深距離，所以不是僅得到投影圖形光的各個別圖形光中強度分布為極大值的測量點一處的三維信息，而是能夠得到個別圖形光的各測量點的三維信息，能夠作為精度高的三維信息來處理。此外，圖形光以及投影圖形光，是一個一個個別圖形光的集合體。
另外，本發(fā)明的三維測量方法的特征是，包含圖形形成步驟，形成向測量對象物投影的光圖形；圖形光投影步驟，通過投影單元向測量對象物投影在圖形形成步驟中形成的圖形的光；攝影步驟，通過攝影單元攝影投影有圖形光的測量對象物來取得圖像；投影圖形光檢測步驟，從圖像檢測被投影的圖形光；方位角計算步驟，比較投影圖形光和原來的圖形光，計算投影圖形光的方位角；分割步驟，每一周期分割投影圖形光；相位值計算步驟，從被分割的投影圖形光計算測量點的相位值；距離計算步驟，根據(jù)計算出來的相位值計算測量點的縱深距離；以及三維信息計算步驟，使用計算出來的測量點的縱深距離計算測量對象物的三維信息。
再有，本發(fā)明的三維測量程序的特征是，使計算機發(fā)揮下述單元的功能圖形形成單元，形成向測量對象物投影的光的圖形；投影圖形光檢測單元，從攝影有測量對象物的圖像檢測被投影的圖形光，上述測量對象物為投影有通過圖形形成單元形成的圖形的光的測量對象物；方位角計算單元，比較投影圖形光和原來的圖形光，計算投影圖形光的方位角；分割單元，每一周期分割投影圖形光；相位值計算單元，從被分割的投影圖形光計算測量點的相位值；距離計算單元，根據(jù)計算出來的相位值計算測量點的縱深距離；以及三維信息計算單元，使用計算出來的測量點的縱深距離計算測量對象物的三維信息。
根據(jù)本發(fā)明的三維測量方法以及三維測量程序，能夠得到和上述本發(fā)明的三維測量裝置同樣的作用效果。
本發(fā)明的三維測量裝置的圖形形成單元優(yōu)選最優(yōu)化圖形光的強度分布來形成最優(yōu)強度組合圖形的圖形形成單元。通過最優(yōu)圖形形成單元最優(yōu)化圖形光的強度分布來形成最優(yōu)強度組合圖形，生成使注視的個別圖形和與此相鄰的個別圖形的各極大值的強度差成為最大的強度分布大的最優(yōu)強度組合圖形。當向測量對象物投影該最優(yōu)強度組合圖形的光時，注視的個別圖形光和與此相鄰的個別圖形光的各極大值的強度差在從通過攝影單元攝影的測量對象物的圖像得到的投影圖形光中也成為最大。因此，能夠提高投影圖形光的各個別圖形光的方位角的計算精度，同時可以高精度地進行投影圖形光的每一周期的分割，能夠進一步提高三維測量的精度。
另外，本發(fā)明的三維測量裝置最好具有強度值修正單元，其用于修正通過投影圖形光檢測單元檢測到的投影圖形光的強度值。因為通過強度值修正單元修正由投影圖形光檢測單元檢測到的投影圖形光的強度值，所以對于顏色分布或者表面反射特性不明確的測量對象物也能夠進行高精度的三維測量。亦即，不僅是具有大體均勻的顏色分布的人體，對于用各種顏色著色的物體也能在短時間內(nèi)進行高精度的三維測量。
另外，本發(fā)明的三維測量裝置最好具有位置修正單元，其用于修正通過攝影單元取得的圖像內(nèi)的測量對象物的位置。因為通過位置修正單元修正通過攝影單元取得的圖像內(nèi)的測量對象物的位置，所以對于不是靜止物體的測量對象物也能進行高精度的三維測量。亦即，對于在測量中完全靜止困難的人或動物，能夠在短時間內(nèi)進行高精度的三維測量。
另外，本發(fā)明的三維測量裝置的三維信息計算單元最好計算測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積。因為三維信息計算單元計算測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積，所以通過使用本發(fā)明的三維測量裝置，能夠得到測量對象物的各種信息。
進而，在本發(fā)明的三維測量裝置中使用的圖形最好形成條紋狀。因為圖形被形成為條紋狀，所以能夠把投影該圖形光得到的、在解析中使用的投影圖形光的強度分布作為正弦波容易地進行解析。另外，此時，個別圖形光表示形成圖形光以及投影圖形光的一個一個的條紋。
發(fā)明的效果(1)因為通過投影單元向測量對象物投影通過圖形形成單元形成的圖形光，通過攝影單元攝影投影有圖形光的測量對象物的圖像，通過投影圖形光檢測單元從該圖像檢測投影圖形光，所以能夠用一次投影得到很多投影圖形光信息。另外，因為在通過方位角計算單元計算投影圖形光的各個別圖形光的方位角的同時，通過分割單元每一周期分割投影圖形光，通過相位值計算單元計算被分割的投影圖形光即個別圖形光的各測量點處的相位值，把該計算出來的各測量點的相位值變換為各測量點的縱深距離，所以，不是僅得到投影圖形光的各個別圖形光的強度分布為極大值的測量點一處的三維信息，而是能夠得到個別圖形光的各測量點的三維信息，能夠作為精度高的三維信息來處理。
(2)通過最優(yōu)圖形形成單元生成的最優(yōu)強度組合圖形，是使注視的個別圖形和與此相鄰的個別圖形的各極大值的強度差為最大的強度分布大的圖形光，所以當向測量對象物投影該最優(yōu)強度組合圖形時，注視的個別圖形光和與此相鄰的個別圖形光的各極大值的強度差在從通過攝影單元攝影的測量對象物的圖像得到的投影圖形光中也成為最大，能夠提高個別圖形光的方位角的計算精度，同時也能夠以高精度進行投影圖形光的每一周期的分割。因此，可以進一步提高三維測量的精度。
(3)因為通過強度值修正單元修正通過投影圖形光檢測單元檢測到的投影圖形光的強度值，所以對于顏色分布或者表面反射特性不明確的測量對象物也能在短時間內(nèi)進行高精度的三維測量。
(4)因為通過位置修正單元修正通過攝影單元取得的圖像內(nèi)的測量對象物的位置，所以對于不是靜止物體的測量對象物也能在短時間內(nèi)進行高精度的三維測量。
(5)因為三維信息計算單元計算測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積，所以能夠得到測量對象物的各種信息。
(6)因為在本發(fā)明的三維測量裝置中使用的圖形形成條紋狀，所以可以把解析中使用的投影圖形光的強度分布作為正弦波容易地進行解析。


圖1是表示本實施方式中的三維測量裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是表示本實施方式中的三維測量裝置的詳細的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖3是表示本實施方式的三維測量裝置的幾何關(guān)系的圖。
圖4是表示使用本實施方式的三維測量裝置的三維測量的流程的圖。
圖5A是表示最優(yōu)強度組合圖形光的圖形的一例的圖。
圖5B是表示圖5A的圖形光強度的空間分布的圖。
圖6是表示投影圖形光的強度分布的圖。
圖7是表示本發(fā)明的其他實施方式的圖。
圖8是表示本發(fā)明的其他實施方式的圖。
圖9A是投影了初始圖形光的圖像。
圖9B是表示最優(yōu)強度組合圖形的圖。
圖9C是投影了最優(yōu)強度組合圖形光的圖像。
圖9D是進行了強度值修正的圖像。
圖9E是表示算出了縱深距離的結(jié)果的圖像。
圖9F是將三維信息表現(xiàn)為圖形(graphic)的圖像。
符號說明
1圖形投影機2、2a、2b、2c照相機3計算機4傳輸電纜10存儲單元11初始圖形形成單元12最優(yōu)圖形形成單元13抽出單元14投影圖形光檢測單元15修正單元16方位角計算單元17分割單元18相位值計算單元19距離計算單元20三維信息計算單元21輸出單元具體實施方式
下面使用

本發(fā)明的實施方式中的三維測量裝置。圖1是表示本實施方式中的三維測量裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示圖1的三維測量裝置的詳細的結(jié)構(gòu)的框圖。
如圖1所示，本實施方式的三維測量裝置，由作為向測量對象物A投影圖形光的投影單元的圖形投影機1、作為攝影投影有圖形光的測量對象物A來攝影圖像的攝影單元的照相機2、和處理通過該照相機2攝影的圖像的數(shù)據(jù)的計算機3構(gòu)成。圖形投影機1和計算機3、照相機2和計算機3是通過能夠傳輸各數(shù)據(jù)的傳輸電纜4連接。
圖形投影機1發(fā)揮把通過計算機3形成的圖形數(shù)據(jù)變換為圖形光并向測量對象物A投影的裝置的功能。例如，可以使用液晶投影儀(projector)或DLP(數(shù)字光處理，商標)投影儀等市場上出售的簡單的裝置。照相機2是數(shù)碼照相機。此外，如果照相機2是數(shù)碼照相機，則可以是8位、12位、或者3CCD、1CCD等任意一種數(shù)碼照相機。
計算機3，通過執(zhí)行未圖示的三維測量程序，如圖2所示，作為下述單元發(fā)揮功能存儲單元10，存儲從照相機2傳輸?shù)膱D像的數(shù)據(jù)或者通過后述的各單元算出的結(jié)果；抽出單元13，從存儲單元10取得圖像并抽出測量對象物A；投影圖形光檢測單元14，從存儲單元10取得圖像并檢測投影圖形光；作為位置修正單元以及強度值修正單元的修正單元15，修正通過抽出單元13從圖像中抽出的測量對象物A的位置或者通過投影圖形光檢測單元14檢測到的投影圖形光的強度值；方位角計算單元16，比較投影的圖形光和通過修正單元15修正了強度值的投影圖形光，并計算投影圖形光的各個別圖形光的方位角；分割單元17，每一周期分割投影圖形光；相位值計算單元18，從通過分割單元17分割的投影圖形光即個別圖形光計算各測量點處的相位值；距離計算單元19，根據(jù)通過相位值計算單元18算出的相位值計算測量點的縱深距離；三維信息計算單元20，從通過距離計算單元19算出的測量點的縱深距離計算測量對象物A的三維信息；和輸出單元21，輸出通過三維信息計算單元20算出的三維信息。
另外，計算機3，通過執(zhí)行上述的三維測量程序，作為初始圖形形成單元11和最優(yōu)圖形形成單元12發(fā)揮功能，最優(yōu)圖形形成單元12作為形成向測量對象物A投影的光的圖形的圖形形成單元最優(yōu)化圖形光的強度分布，形成最優(yōu)強度組合圖形。
初始圖形形成單元11以及最優(yōu)圖形形成單元12在存儲單元10內(nèi)存儲形成的初始圖形。另外，抽出單元13、投影圖形光檢測單元14、修正單元15、方位角計算單元16、分割單元17、相位值計算單元18、距離計算單元19、三維信息計算單元20從存儲單元10中取得必要的信息，同時在存儲單元10內(nèi)存儲結(jié)果。輸出單元21輸出從存儲單元10取得的三維信息。
初始圖形形成單元11形成沒有條紋的強度均勻的全面投影用的圖形。最優(yōu)圖形形成單元12通過使注視的個別圖形和與此相鄰的個別圖形的各極大值的強度差為最大，最優(yōu)化投影的圖形光的強度分布，形成最優(yōu)強度組合圖形。
抽出單元13從存儲單元10取得攝影了投影有圖形光的測量對象物A的圖像，抽出測量對象物A。投影圖形光檢測單元14從存儲單元10中取得攝影了投影有圖形光的測量對象物A的圖像，檢測投影圖形光的強度分布。另外，修正單元15從存儲單元10中取得攝影了投影有初始圖形光的測量對象物A的圖像和投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的圖像，同時比較這些圖像，修正各圖像間的測量對象物A的位置。再有，修正單元15使用投影有通過最優(yōu)圖形形成單元12形成的最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光的強度分布和投影有通過初始圖形形成單元11形成的均勻強度的初始圖形光的測量對象物A的投影圖形光的強度分布，修正投影圖形光的強度值，作為除去測量對象物的顏色分布信息的強度分布。
方位角計算單元16比較向測量對象物A投影的最優(yōu)強度組合圖形光的各個別圖形強度分布的極大值和通過修正單元15修正了強度值的投影圖形光的各個別圖形強度分布的極大值，通過求投影圖形光中注視的個別圖形光是否是最優(yōu)強度組合圖形光中的估計的個別圖形光的確信度，來計算各圖形光的方位角。
分割單元17根據(jù)從投影圖形光的強度分布得到的強度值的極大值以及極小值，每一周期分割投影圖形光。另外，相位值計算單元18使用通過分割單元17分割的投影圖形光即個別圖形光的強度值計算測量點的相位值。再有，距離計算單元19根據(jù)相位值計算單元18算出的各測量點的相位值計算各測量點的縱深距離。
三維信息計算單元20根據(jù)通過距離計算單元19算出的各測量點的縱深距離計算測量對象物A的三維信息。該三維信息包括測量對象物A的空間坐標、距離、角度、面積以及體積等。
輸出單元21把通過三維信息計算單元20算出的測量對象物A的空間坐標、距離、角度、面積以及體積等顯示在和計算機3連接的顯示器上，或者作為文本文件或者圖片文件打印。
下面根據(jù)圖3～圖6說明本實施方式的三維測量裝置的測量流程。圖3是表示本實施方式的三維測量裝置的幾何關(guān)系的圖。圖4是表示使用本實施方式的三維測量裝置的三維測量的流程的圖。圖5A是表示最優(yōu)強度組合圖形光的圖形的一例的圖。圖5B是表示圖5A的圖形光強度的空間分布的圖。圖6是表示投影圖形光的強度分布的圖。
首先，把圖形投機機1和照相機2隔開一定距離配置，以使構(gòu)成如圖3所示的幾何關(guān)系。
投影的圖形光具有左右三維測量的測量速度以及精度的重要的作用。在本實施方式中使用縱條紋狀的黑白圖形光。這里，等間隔設(shè)定表示條紋的投影方向的方位角，把各方位角的位置稱為條紋的地址。在本實施方式中使用的圖形光具有N條條紋，各條紋的地址分別設(shè)為1、2、3、…、N。另外，把各條紋的方位角分別設(shè)為α1、α2、α3、…、αN。設(shè)第i個條紋的強度值為Ii。
首先，通過計算機3的初始圖形形成單元11形成初始圖形。形成的初始圖形被存儲在存儲單元10內(nèi)，同時作為初始圖形數(shù)據(jù)通過傳輸電纜4被發(fā)送至圖形投影機1。被發(fā)送至圖形投影機1的初始圖形數(shù)據(jù)作為初始圖形光向測量對象物A投影。初始圖形光是沒有條紋的強度均勻的全面投影圖像。(步驟S101，以下參照圖4。)該通過初始圖形形成單元11形成的圖形和在通常的圖像攝影中使用的強度均勻的光圖形相同。
用照相機2攝影通過圖形投影機1向測量對象物A投影的初始圖形光。攝影的圖像通過傳輸電纜4被發(fā)送至計算機3，并在存儲單元10中存儲(步驟S102)。
接著，抽出單元13使用預(yù)先取得的只有背景的圖像和投影有初始圖形光的測量對象物A的圖像，用背景差分法抽出測量對象物A(步驟S103)。
最優(yōu)圖形形成單元12最優(yōu)化投影圖形的強度分布，形成如圖5A以及圖5B所示的最優(yōu)強度組合圖形(步驟S104)。
為形成最優(yōu)強度組合圖形，首先定義如式(1)所示的評價函數(shù)d(I1，I2，…，IN)。
d(I1,I2,L,IN)=Σi=M+1NΣj=1Mkj|Ii-Ii-j|---(1)]]>式中，(I1，I2，…，IN)是投影光圖形的條紋的強度分布，kj是加權(quán)系數(shù)。另外，N是投影的圖形中的條紋的總數(shù)，M是乘評價函數(shù)的濾波器(filter)的寬度。
最優(yōu)圖形形成單元12把使上述的評價函數(shù)d(I1，I2，…，IN)的值為最大的組合作為最優(yōu)組合，把使用該組合的圖形作為最優(yōu)強度組合圖形。該最優(yōu)強度組合圖形被存儲在存儲單元10中，同時通過傳輸電纜4被傳送至圖形投影機1。此外，在求最優(yōu)組合困難的情況下，也可以使用使d(I1，I2，…，IN)的值充分大的組合即準最優(yōu)組合。假定本實施方式的最優(yōu)圖形形成單元12包含該準最優(yōu)組合。
用照相機2攝影通過圖形投影機1向測量對象物A投影的最優(yōu)強度組合圖形光。攝影的圖像通過傳輸電纜4被傳送至計算機3，并存儲在存儲單元10內(nèi)(步驟S105)。
這里，修正單元15從存儲單元10取得投影有初始圖形光的測量對象物A的圖像、和投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的圖像，而且比較這些圖像，使用最小平方法修正測量對象物A的位置(S106)。
接著，投影圖形光檢測單元14從在存儲單元10中存儲的圖像檢測圖6所示的投影圖形光的強度分布(步驟S107)。
這里，修正單元15通過以下的式(2)修正檢測出來的投影圖形光的強度值(步驟S108)。
I′(i,j)=k′I1(i,j)I0(i,j)=k′M(n)O(x,y)P0O(x,y)=kM(n)---(2)]]>式中，(i，j)是測量點的坐標，I’是投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光的修正后的強度值，I1是投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光的強度值，I0是投影有初始圖形光的測量對象物A的投影圖形光的強度值。M(n)是投影圖形光的強度調(diào)制函數(shù)，n是圖形光的條紋號碼，O(x，y)是物體的表面反射率，k’、k是調(diào)節(jié)系數(shù)。另外，P0是初始圖形光的強度值。
設(shè)觀察的n條(n≤N)的條紋強度分布為Si＝(I1，I2，L，IN)，其地址為SO＝(O1，O2，…，ON)。方位角計算單元15如下計算作為各條紋的方位角的位置的各條紋的地址Oi(1≤i≤n)(步驟S108)。
Step1為計算各條紋的地址Oi(1≤i≤n)，首先比較在投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光中注視的條紋的強度Ii和最優(yōu)強度組合圖形光的強度Ij(j＝1，2，…，N)，抽出滿足式(3)的j作為注視的條紋的候補地址，設(shè)其集合為G。
|Ii-Ij|＜A j＝1，2，3，L，N…(3)式中，A是常數(shù)，在本實施方式中取條紋間強度差的最小值的2～5倍的值。
Step2接著使用式(4)計算第i個注視的條紋的地址是k(k∈G)的概率Li(k)。
Li(k)=1-w1|I‾i-Ik|S-w2Σj=1N1|I‾i-j-Ik-j|S-w3Σj=1N2|I‾i+j-Ik+j|S---(4)]]>式中，w1、w2、w3是常數(shù)，另外N1≤M，N2≤M，S＝|Imax-Imin|。
Step3接著使用式(5)、式(6)求第i個條紋的地址。
Li(t)=maxk∈G{Li(k)}---(5)]]>[數(shù)學式6]Qi＝t，when Li(t)＞B …(6)式中，B是常數(shù)。
Step4在投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光中注視的條紋的強度Ii和最優(yōu)強度組合圖形光的強度Ij的差比閾值C大時(|Ii+j-Ii+j|/S≥C)，或者在計算的概率Li(t)小而不滿足式(6)時，判斷為條紋有缺損。在這種情況下，從此設(shè)想有τ條條紋缺損，比較考慮條紋缺損的最優(yōu)強度組合圖形光的強度Ij和投影有最優(yōu)強度組合圖形光的測量對象物A的投影圖形光中注視的條紋的強度Ii，判定條紋地址。具體說，把式(4)的k修正為式(7)，再次執(zhí)行Step3，從各條紋的地址計算方位角(步驟S109)。
k′＝k+τ …(7) τ=0,|I‾i-j-Ik-j|S<Cand|I‾i+j-Ik+j|S<C1,|I‾i+j-Ik+1+j|S<Cand|I‾i+j-Ik+j|S<C-1,|I‾i-j-Ik-1-j|S<Cand|I‾i-j-Ik-j|S<CL---(8)]]>式中，τ的符號為+時表示注視的條紋的下方，τ的符號為-時表示在上方有條紋的缺損。閾值C的值通過修正單元15進行的修正適宜設(shè)定。
接著，通過分割單元17，根據(jù)從圖6所示的投影圖形光的強度分布得到的強度值的極大值以及極小值，每一周期分割投影圖形光。由此，把測量對象物A的縱深分割為幾個縱深區(qū)域Q(步驟S110)。分割單元17，把通過步驟S107得到的強度值是I(Q)的第Q個條紋的強度值的極大值設(shè)為第Q個條紋的中心位置T(Q)，從該位置查找位于條紋兩側(cè)的強度值的極小值B(Q-1)和B(Q+1)。從B(Q-1)到B(Q+1)的區(qū)域就是第Q個條紋的縱深區(qū)域Q。對于抽出的所有的條紋進行這樣的操作，把測量對象物A整體分割為幾個縱深區(qū)域。
然后，相位值計算單元18，在通過分割單元17分割得到的各縱深區(qū)域中，根據(jù)投影圖形光的條紋的強度值，使用數(shù)學式(9)計算其相位值β(i，j)(步驟S111)。
β(i,j)=arccos2I′(i,j)-I(Q)maxI(Q)max;B(i,j)=1-arccos2I′(i,j)-I(Q)maxI(Q)max;B(i,j)=0---(9)]]>式中，在沿著掃描方向條紋的強度增加時，B(i，j)＝0，在減少時，B(i，j)＝1。
使用通過相位值計算單元18算出的相位值β(i，j)，距離計算單元19在各縱深區(qū)域中，通過式(10)計算測量對象物A的縱深距離Z(i，j)(步驟S112)。
Z(i，j)＝Z(Q)+kβ(i，j) …(10)
式中，Z(Q)是區(qū)域Q的縱深的最小值，k是常數(shù)。
三維信息計算單元20對于作為投影圖形光的各條紋的各測量點的每一像素，使用通過步驟S107～步驟S112的計算得到的值，計算測量對象物A整體的三維空間坐標。該三維空間坐標包含空間坐標、距離、角度、面積或者體積等。尤其在測量對象物A是人體時，還可以計算體型等(步驟S113)。
所有的測量結(jié)果，可以使用在計算機3上連接的顯示器等的輸出單元21在畫面上顯示，或者通過打印機等其他輸出單元21，以文本文件或者圖片文件的方式輸出(步驟S114)。
此外，在本實施方式中分別各使用一臺圖形投影機1和照相機2，但是為進一步提高測量精度，也可以如圖7所示增設(shè)幾臺局部區(qū)域用的照相機2a、2b、2c、…。由此，使用局部區(qū)域的細微的圖像，能夠合成測量對象物A的高分辨率圖像，通過使用該圖像，能夠計算更高精度的三維信息。另外，也可以如圖8所示，把圖形投影機1和照相機2做成一套，在測量對象物A的周圍設(shè)置多套。由此，能夠在更短時間內(nèi)實現(xiàn)廣范圍的測量，能夠在短時間內(nèi)在整個周圍高精度地得到測量對象物A的三維信息，尤其在測量人體時能夠進行不給受檢者造成負擔的測量。
此外，在本實施方式中，投影的圖形光使用縱條紋的圖形光，但是不限于此，也可以使用橫條紋狀、斜向形成的條紋狀的圖形光等由直線狀的條紋形成的圖形、或者大小不同的同心圓形、圓形、橢圓形等模樣的圓形圖形以及多邊形的圖形、或者格子狀等復(fù)雜的模樣的圖形。
另外，在測量靜止物體時，可以省略由修正單元15進行的步驟S106。由此，能夠用更短的時間得到測量對象物A的三維信息。
實施例下面，在圖9A～圖9F中表示使用本發(fā)明的三維測量裝置進行人體的三維測量的結(jié)果。圖9A是投影初始圖形光的圖像，圖9B是最優(yōu)強度組合圖形，圖9C是投影最優(yōu)強度組合圖形光的圖像，圖9D是進行了強度值修正的圖像，圖9E是表示算出了縱深距離的結(jié)果的圖像，圖9F是將三維信息表現(xiàn)為圖形的圖像。
如圖9A～圖9F所示，在使用本發(fā)明的三維測量裝置的人體三維測量中，得到了良好的結(jié)果。本發(fā)明的三維測量精度還依賴于測量系統(tǒng)的校準(calibration)，但是在條紋數(shù)是60時，各條紋的方位角的識別率是100％，所以縱深方向(Z方向)的測量精度在98.3％以上。另外，各條紋間的部分的測量通過強度·相位解析來進行，如果能夠確保3級以上的測量精度，則縱深方向的測量精度達到99.4％以上。另外，X和Y方向的測量精度隨著使用的照相機的分辨率而變化，而能夠保證Z方向以上的測量精度。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明因為能夠用一次投影得到具有多個個別圖形的圖形光，能夠得到高速而且高精度的三維信息，所以作為三維測量裝置十分有用。尤其，能夠用一次投影得到精度高的三維信息，用短時間進行測量，由此作為人體的三維測量裝置也十分有用，因此特別在醫(yī)療、服裝設(shè)計、生活環(huán)境維修等領(lǐng)域中可以利用。另外，因為從人體的三維信息也能夠測量體型，所以也能夠在健康管理、減肥等領(lǐng)域中利用。
權(quán)利要求
1.一種三維測量裝置，其特征在于，具有形成向測量對象物投影的光的圖形的圖形形成單元；向所述測量對象物投影通過所述圖形形成單元形成的圖形的光(以下稱“圖形光”)的投影單元；攝影投影有所述圖形光的測量對象物來取得圖像的攝影單元；從所述圖像檢測所述被投影的圖形光(以下稱“投影圖形光”)的投影圖形光檢測單元；比較所述投影圖形光和原來的圖形光，計算所述投影圖形光的方位角的方位角計算單元；每一周期分割所述投影圖形光的分割單元；從所述被分割的投影圖形光計算測量點的相位值的相位值計算單元；根據(jù)所述計算出來的相位值計算測量點的縱深距離的距離計算單元；和使用所述計算出來的測量點的縱深距離計算所述測量對象物的三維信息的三維信息計算單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成單元對圖形光的強度分布進行最優(yōu)化來形成最優(yōu)強度組合圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，其特征在于，具有強度值修正單元，其修正通過所述投影圖形光檢測單元檢測到的投影圖形光的強度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維測量裝置，其特征在于，具有強度值修正單元，其修正通過所述投影圖形光檢測單元檢測到的投影圖形光的強度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維測量裝置，其特征在于，具有位置修正單元，其修正通過所述攝影單元取得的圖像內(nèi)的測量對象物的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的三維測量裝置，其特征在于，具有位置修正單元，其修正通過所述攝影單元取得的圖像內(nèi)的測量對象物的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維測量裝置，其特征在于，所述三維信息計算單元計算所述測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的三維測量裝置，其特征在于，所述三維信息計算單元計算所述測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，其特征在于，所述三維信息計算單元計算所述測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維測量裝置，其特征在于，所述三維信息計算單元計算所述測量對象物的空間坐標、距離、角度、面積或者體積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的三維測量裝置，其特征在于，所述圖形形成條紋狀。
18.一種三維測量方法，其特征在于，包含形成向測量對象物投影的光圖形的圖形形成步驟；通過投影單元向所述測量對象物投影在所述圖形形成步驟中形成的圖形的光的圖形光投影步驟；通過攝影單元攝影投影有所述圖形光的測量對象物來取得圖像的攝影步驟；從所述圖像檢測所述被投影的圖形光的投影圖形光檢測步驟；比較所述投影圖形光和原來的圖形光，計算所述投影圖形光的方位角的方位角計算步驟；每一周期分割所述投影圖形光的分割步驟；從所述被分割的投影圖形光計算測量點的相位值的相位值計算步驟；根據(jù)所述計算出來的相位值計算測量點的縱深距離的距離計算步驟；和使用所述計算出來的測量點的縱深距離計算所述測量對象物的三維信息的三維信息計算步驟。
19.一種三維測量程序，其特征在于，使計算機發(fā)揮下述單元的功能形成向測量對象物投影的光的圖形的圖形形成單元；從攝影了投影有所述圖形形成單元形成的圖形的光的測量對象物的圖像，檢測所述被投影的圖形光的投影圖形光檢測單元；比較所述投影圖形光和原來的圖形光，計算所述投影圖形光的方位角的方位角計算單元；每一周期分割所述投影圖形光的分割單元；從所述被分割的投影圖形光計算測量點的相位值的相位值計算單元；根據(jù)所述計算出來的相位值計算測量點的縱深距離的距離計算單元；和使用所述計算出來的測量點的縱深距離計算所述測量對象物的三維信息的三維信息計算單元。
全文摘要
提供能夠用一次投影得到很多圖形光信息、能夠得到高速而且高精度的三維測量信息的三維測量裝置、三維測量方法以及三維測量程序。本發(fā)明的三維測量裝置由作為向測量對象物A投影圖形光的投影單元的圖形投影機(1)、作為攝影投影有圖形光的測量對象物(A)來攝影圖像的攝影單元的照相機(2)、和處理通過該照相機(2)攝影的圖像的數(shù)據(jù)的計算機(3)構(gòu)成。通過計算機(3)，根據(jù)從攝影的圖像檢測到的投影圖形光的強度值計算形成投影圖形光的個別圖形光的方位角，同時分割強度分布，根據(jù)被分割的圖形的各測量點的相位值計算縱深距離，所以能夠得到精度高的三維信息。
文檔編號G06T1/00GK101061367SQ200580039510
公開日2007年10月24日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者盧存?zhèn)?申請人:學校法人福岡工業(yè)大學