本发明涉及3维形状测量方法及3维形状测量装置。
背景技术：
作为物体的3维形状测量方法的一种，已知如在专利文献1中公开的移相法。在移相法中，明度以正弦波状变化的条纹图案投影至物体，取得条纹图案所投影到的物体的图像数据。另外，在移相法中，对投影至物体的各点的条纹图案的相对相位值进行计算。为了根据相对相位值对物体的3维形状进行计算，实施基于相对相位值和条纹次数对物体的各点中的绝对相位值进行计算的相位连接。
专利文献1：日本特开2001－124534号公报
在相位连接中，已知使用将空间编码图案投影至物体的空间编码化法的方法。在使用空间编码化法进行相位连接的情况下，以条纹图案和空间编码图案1对1地对应的方式对空间编码图案进行投影。即，以在移相法中使用的条纹图案的周期和在空间编码化法中使用的空间编码图案的周期一致、条纹图案的周期的边界和空间编码图案的周期的边界一致的方式将条纹图案及空间编码图案投影至物体。但是，在以条纹图案和空间编码图案1对1地对应的方式投影至物体的情况下，由于条纹图案的相位边界位置所包含的噪声，计算出的绝对相位值有可能包含大的误差。物体的3维形状基于物体的各点的绝对相位值进行计算。因此，如果绝对相位值包含误差，则物体的3维形状的测量精度降低。
技术实现要素：
本发明的方式的目的在于，提供一种能够抑制测量精度的降低的3维形状测量方法及3维形状测量装置。
按照本发明的第1方式，提供一种3维形状测量方法，其包含下述步骤：使正弦波状的明度分布的条纹图案一边移相一边投影至物体，取得多个表示所述条纹图案所投影到的所述物体的图像的第1图像数据；基于多个所述第1图像数据的亮度，对所述第1图像数据的多个像素各自的相对相位值进行计算；将周期不同的多个葛莱码图案投影至所述物体，取得多个表示所述葛莱码图案所投影到的所述物体的图像的第2图像数据；基于多个所述第2图像数据，对所述第1图像数据的多个所述像素各自的所述条纹图案的条纹次数进行计算；基于所述相对相位值和所述条纹次数，对所述第1图像数据的多个所述像素各自的绝对相位值进行计算；以及基于所述第1图像数据的多个所述像素各自的绝对相位值，对所述物体的3维形状进行计算，多个所述葛莱码图案的合成值即葛莱码的周期比所述条纹图案的周期短。
按照本发明的第2方式，提供一种3维形状测量装置，其具有：投影装置，其使正弦波状的明度分布的条纹图案一边移相一边投影至物体，将周期不同的多个葛莱码图案投影至所述物体；拍摄装置，其取得多个表示所述条纹图案所投影到的所述物体的图像的第1图像数据，取得多个表示所述葛莱码图案所投影到的所述物体的图像的第2图像数据；相对相位值计算部，其基于多个所述第1图像数据的亮度，对所述第1图像数据的多个像素各自的相对相位值进行计算；条纹次数计算部，其基于多个所述第2图像数据，对所述第1图像数据的多个所述像素各自的所述条纹图案的条纹次数进行计算；绝对相位值计算部，其基于所述相对相位值和所述条纹次数，对所述第1图像数据的多个所述像素各自的绝对相位值进行计算；以及3维形状计算部，其基于所述第1图像数据的多个所述像素各自的绝对相位值，对所述物体的3维形状进行计算，多个所述葛莱码图案的合成值即葛莱码的周期比所述条纹图案的周期短。
发明的效果
根据本发明的方式，提供一种能够抑制测量精度的降低的3维形状测量方法及3维形状测量装置。
附图说明
图1是示意地表示本实施方式所涉及的3维形状测量装置的一个例子的图。
图2是表示本实施方式所涉及的控制装置的一个例子的功能框图。
图3是表示本实施方式所涉及的3维测量方法的一个例子的流程图。
图4是表示本实施方式所涉及的条纹图案的一个例子的图。
图5是表示本实施方式所涉及的条纹图案所投影到的物体的图像数据的一个例子的图。
图6是表示本实施方式所涉及的图像数据的像素的亮度的一个例子的图。
图7是示意地表示本实施方式所涉及的相对相位值及绝对相位值的一个例子的图。
图8是表示本实施方式所涉及的葛莱码图案的一个例子的图。
图9是表示本实施方式所涉及的葛莱码图案所投影到的物体的图像数据的一个例子的图。
图10是表示本实施方式所涉及的第1图像数据的亮度变化、第2图像数据n的亮度变化、通过将多个葛莱码图案合成而生成的条纹次数码、条纹次数之间的关系的图。
图11是示意地表示本实施方式所涉及的相对相位值和葛莱码之间的关系的图。
图12是示意地表示本实施方式所涉及的相位连接前的相对相位值及葛莱码和相位连接后的绝对相位值之间的关系的图。
标号的说明
1…3维形状测量装置，2…工作台，3…投影装置，4…拍摄装置，5…控制装置，6…输入装置，7…显示装置，31…光源，32…光调制元件，33…投影光学系统，41…成像光学系统，42…拍摄元件，51…输入输出部，52…图案生成部，53…图像数据取得部，54…相对相位值计算部，55…条纹次数计算部，56…绝对相位值计算部，57…3维形状计算部，58…存储部，m…图像数据(第1图像数据)，n…图像数据(第2图像数据)，pb…条纹图案，pr…葛莱码图案。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明所涉及的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。下面进行说明的实施方式的结构要素能够适当组合。另外，有时不使用一部分的结构要素。
在下面的说明中，设定xyz正交坐标系，参照xyz正交坐标系并对各部的位置关系进行说明。将平行于规定面的x轴的方向设为x轴方向，将平行于与x轴正交的规定面的y轴的方向设为y轴方向，将平行于与规定面正交的z轴的方向设为z轴方向。另外，将以x轴为中心的旋转或倾斜方向设为θx方向，将以y轴为中心的旋转或倾斜方向设为θy方向，将以z轴为中心的旋转或倾斜方向设为θz方向。xy平面是规定面。
[3维测量装置]
图1是示意地表示本实施方式所涉及的3维形状测量装置1的一个例子的图。如图1所示，3维形状测量装置1具有：工作台2，其对作为测量对象物的物体s进行支撑；投影装置3，其向支撑于工作台2的物体s投影图案；拍摄装置4，其取得图案所投影到的物体s的图像数据；以及控制装置5。
投影装置3具有：光源31，其产生光；光调制元件32，其对从光源31射出的光进行光调制；以及投影光学系统33，其将由光调制元件32生成的图案投影至物体s。
光调制元件32包含数字微镜器件(digitalmirrordevice：dmd)。此外，光调制元件32可以包含透过型的液晶面板，也可以包含反射型的液晶面板。光调制元件32基于从控制装置5输出的图案数据而生成图案光。投影装置3将基于图案数据进行图案化后的图案光照射至物体s。
拍摄装置4具有：成像光学系统41，其对由物体s反射出的图案光进行成像；以及拍摄元件42，其经由成像光学系统41而取得物体s的图像数据。拍摄元件42是包含cmos图像传感器(complementarymetaloxidesemiconductorimagesensor)或ccd图像传感器(chargecoupleddeviceimagesensor)的固体拍摄元件。
控制装置5包含计算机系统，对投影装置3及拍摄装置4进行控制。控制装置5具有：运算处理装置，其包含诸如cpu(centralprocessingunit)这样的处理器；以及存储装置，其包含诸如rom(readonlymemory)或ram(randomaccessmemory)这样的存储器及储存器。运算处理装置按照在存储装置中存储的计算机程序而实施运算处理。
控制装置5与输入装置6及显示装置7连接。输入装置6包含计算机用键盘、鼠标及触摸面板的至少一个，通过被操作而将输入信号输出至控制装置5。显示装置7包含诸如液晶显示器(liquidcrystaldisplay：lcd)或有机el显示器(organicelectroluminescencedisplay：oeld)这样的平板显示器。
在本实施方式中，3维形状测量装置1基于移相法，对物体s的3维形状进行测量。在基于移相法对物体s的3维形状进行测量的情况下，实施相位连接。3维形状测量装置1基于空间编码化法，实施相位连接。
投影装置3基于移相法，使正弦波状的明度分布的条纹图案pb一边移相一边投影至物体s。另外，投影装置3基于空间编码法，将作为空间编码图案的一种的葛莱码图案pr投影至物体s。
投影装置3将周期不同的多个葛莱码图案pr投影至物体s。在本实施方式中，投影装置3以多个葛莱码图案pr的合成值即葛莱码的周期比条纹图案pb的周期短的方式，将条纹图案pb及葛莱码图案pr投影至物体s。
在本实施方式中，投影至物体s的多个葛莱码图案pr中的至少一个葛莱码图案pr的周期比条纹图案pb的周期短。
另外，投影装置3以多个葛莱码图案pr的合成值即葛莱码的周期的边界的至少一部分从条纹图案pb的周期的边界偏移的方式，将条纹图案pb及葛莱码图案pr投影至物体s。
拍摄装置4取得多个表示条纹图案pb所投影到的物体s的图像的图像数据(第1图像数据)m。另外，拍摄装置4取得多个表示葛莱码图案pr所投影到的物体s的图像的图像数据(第2图像数据)n。
[控制装置]
图2是表示本实施方式所涉及的控制装置5的一个例子的功能框图。控制装置5具有：输入输出部51、图案生成部52、图像数据取得部53、相对相位值计算部54、条纹次数计算部55、绝对相位值计算部56、3维形状计算部57、存储部58。
图案生成部52生成图案数据。由图案生成部52生成的图案数据经由输入输出部51而输出至光调制元件32。光调制元件32基于由图案生成部52生成的图案数据，生成图案光。在本实施方式中，图案生成部52生成条纹图案数据及葛莱码图案数据而作为图案数据。光调制元件32基于由图案生成部52生成的条纹图案数据，生成条纹图案光。光调制元件32基于由图案生成部52生成的葛莱码图案数据，生成葛莱码图案光。
图像数据取得部53经由输入输出部51，从拍摄元件42取得图像数据。在本实施方式中，图像数据取得部53取得表示条纹图案pb所投影到的物体s的图像的图像数据m、及表示葛莱码图案pr所投影到的物体s的图像的图像数据n。
相对相位值计算部54基于多个图像数据m的亮度，对图像数据m的多个像素p各自的相对相位值θp进行计算。相对相位值计算部54基于表示移相后的条纹图案pb各自所投影到的物体s的图像的多个图像数据m的同一点的亮度，对与该点相对应的图像数据m的像素p的相对相位值θp进行计算。相对相位值计算部54基于图像数据m的多个点各自的亮度，对图像数据m的多个像素p各自的相对相位值θp进行计算。
条纹次数计算部55基于多个图像数据n，对图像数据m的多个像素p各自的条纹图案pb的条纹次数n进行计算。条纹次数n是指同时投影至物体s的条纹图案pb的多个条纹中的、以特定的条纹为基准而标记的多个条纹各自的编号。换言之，条纹次数n是表示同时投影至物体s的条纹图案pb的多个条纹中的、从基准的条纹算起第n号的条纹的值。
绝对相位值计算部56基于相对相位值θp和条纹次数n，对图像数据m的多个像素p各自的绝对相位值θa进行计算。
3维形状计算部57基于图像数据m的多个像素p各自的绝对相位值θa，对与图像数据m的多个像素p各自对应的物体s的多个点各自的高度数据进行计算，对物体s的3维形状进行计算。
[3维测量方法]
接下来，对本实施方式所涉及的3维测量方法进行说明。图3是表示本实施方式所涉及的3维测量方法的一个例子的流程图。
图案生成部52生成条纹图案数据。条纹图案数据输出至投影装置3的光调制元件32。投影装置3使明度分布正弦波状的条纹图案pb一边移相一边投影至物体s。拍摄装置4取得多个表示条纹图案pb所投影到的物体s的图像的图像数据m(步骤s10)。
在本实施方式中，投影装置3使条纹图案pb一边以π/2为单位移相一边投影至物体s。拍摄装置4取得以π/2为单位移相的条纹图案pb所投影到的物体s的图像数据m。图像数据取得部53经由输入输出部51从拍摄装置4的拍摄元件42取得图像数据m。
图4是表示本实施方式所涉及的条纹图案pb的一个例子的图。如图4所示，条纹图案pb包含：移相量为0[°]的条纹图案pb1、移相量为90[°]的条纹图案pb2、移相量为180[°]的条纹图案pb3、移相量为270[°]的条纹图案pb4。投影装置3将条纹图案pb1、条纹图案pb2、条纹图案pb2及条纹图案pb4各自依次投影至物体s。
图5是表示本实施方式所涉及的条纹图案pb所投影到的物体s的图像数据m的一个例子的图。如图5所示，图像数据m包含：条纹图案pb1所投影到的物体s的图像数据m1、条纹图案pb2所投影到的物体s的图像数据m2、条纹图案pb3所投影到的物体s的图像数据m3及条纹图案pb4所投影到的物体s的图像数据m4。图像数据取得部53取得多个图像数据m(m1、m2、m3、m4)。
图6是表示本实施方式所涉及的图像数据m1的像素p(x，y)的亮度a1、图像数据m2的像素p(x，y)的亮度a2、图像数据m3的像素p(x，y)的亮度a3及图像数据m4的像素p(x，y)的亮度a4的一个例子的图。在4个图像数据m(m1、m2、m3、m4)中，像素p(x，y)是来自物体s的同一点的光所射入的像素。如图6所示，相对的亮度以条纹图案pb的移相量变化。
相对相位值计算部54基于多个图像数据m(m1、m2、m3、m4)的亮度，对图像数据m的多个像素p各自的相对相位值θp进行计算(步骤s20)。
条纹图案pb所投影到的物体s的多个点各自的相对相位值θp和图像数据m的多个像素p各自的相对相位值θp是1对1地对应的。相对相位值计算部54对图像数据m的多个像素p各自的相对相位值θp进行计算，对条纹图案pb所投影到的物体s的多个点各自的相对相位值θp进行计算。
相对相位值计算部54基于(1)式，对像素p(x，y)的相对相位值θp(x，y)进行计算。
【算式1】
相对相位值计算部54关于全部像素p对相对相位值θp进行计算。通过对关于全部像素p的相对相位值θp进行计算，从而计算关于条纹图案pb所投影到的物体s的全部点的相对相位值θp。
图7是示意地表示本实施方式所涉及的相对相位值θp及绝对相位值θa的一个例子的图。如图7所示，相对相位值θp是针对条纹图案pb的每1个相位进行计算的。(1)式是反正切函数，因此如图7所示，各像素p的相对相位值θp成为条纹图案pb的对应1个相位的值(－π～π间的值)。
为了根据相对相位值θp对物体s的3维形状进行计算，实施对物体s的各点处的绝对相位值θa进行计算的相位连接。在本实施方式中，为了相位连接，使用将葛莱码图案投影至物体s的空间编码化法。在本实施方式中，基于空间编码化法对条纹图案pb的条纹次数n进行计算。如图7所示，基于相对相位值θp和条纹次数n，对绝对相位值θa(＝θp+2nπ)进行计算。
图8是表示本实施方式所涉及的葛莱码图案pr的一个例子的图。葛莱码图案pr是明暗的码以规定的周期反转的图案。如图8所示，葛莱码图案pr包含：码以比条纹图案pb的周期短的周期变化的葛莱码图案pr1、码以与葛莱码图案pr1的周期不同的周期变化的葛莱码图案pr2、码以与葛莱码图案pr1、pr2的周期不同的周期变化的葛莱码图案pr3、码以与葛莱码图案pr1、pr2、pr3的周期不同的周期变化的葛莱码图案pr4。投影装置3将葛莱码图案pr1、葛莱码图案pr2、葛莱码图案pr3及葛莱码图案pr4各自依次投影至物体s。
图9是表示本实施方式所涉及的葛莱码图案pr所投影到的物体s的图像数据n的一个例子的图。图像数据n包含：葛莱码图案pr1所投影到的物体s的图像数据n1、葛莱码图案pr2所投影到的物体s的图像数据n2、葛莱码图案pr3所投影到的物体s的图像数据n3、葛莱码图案pr4所投影到的物体s的图像数据n4。图像数据取得部53取得多个图像数据n(n1、n2、n3、n4)。
条纹次数计算部55基于多个图像数据n，对图像数据m的多个像素p各自的条纹图案的条纹次数n进行计算(步骤s30)。
条纹次数计算部55使用空间编码的方法对图像数据m中的条纹图案pb的条纹次数n进行计算。
图10是表示本实施方式所涉及的投影条纹图案pb而拍摄到的图像数据m的亮度变化、投影葛莱码图案pr而拍摄到的图像数据n的亮度变化、通过将多个葛莱码图案pr合成而生成的葛莱码gc(条纹次数码)、条纹次数n之间的关系的图。
条纹次数计算部55关于图像数据m的多个像素分别生成多个葛莱码图案pb的合成值即葛莱码gc。葛莱码gc是由同一条纹次数码构成的码。葛莱码gc是以规定的周期生成的。在本实施方式中，葛莱码gc的周期比条纹图案pb的周期短。
条纹次数码是基于多个葛莱码图案pr投影至物体s时的明暗码的组合而被规定的。葛莱码图案pr包含明暗码交替地反转的图案。在本实施方式中，在4个葛莱码图案pr(pr1、pr2、pr3、pr4)投影至物体s的某个点时，通过这4个葛莱码图案pr的明码和暗码的组合，基于2进制对条纹次数码进行规定。在图10所示的例子中，作为条纹次数码，规定有“0x0000”、“0x0001”、“0x0010”、“0x0011”、“0x0100”、“0x0101”、“0x0110”、“0x0111”。
在本实施方式中，第一次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr比条纹图案pb的周期lb短。第二次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr是第一次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr的2倍。第三次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr是第二次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr的2倍。第四次投影的葛莱码图案pr的明暗码的周期lr是第三次投影的葛莱码图案pr的明暗的码的周期lr的2倍。
1个葛莱码gc是由1个条纹次数码规定的。即，葛莱码gc和条纹次数码是1对1地对应的。在本实施方式中，葛莱码gc的周期比条纹图案pb的周期短。在本实施方式中，葛莱码gc的周期是条纹图案pb的周期的3/4。即，条纹图案pb的3周期对应量的长度和葛莱码gc的4周期对应量的长度相等。
在将条纹图案pb的周期设为lb，将葛莱码图案的周期设为lr，将大于或等于0.5而小于1的数设为t，将大于或等于0的整数设为i时，在本实施方式中，满足(2)式的条件。
【算式2】
lr＝t×lb×2i…(2)
在图10所示的例子中，数t为3/4。即，葛莱码图案pr1的周期lr为(3/4)×lb。葛莱码图案pr2的周期lr为(6/4)×lb。葛莱码图案pr3的周期lr为(12/4)×lb。葛莱码图案pr4的周期lr为(24/4)×lb。
如上所述，根据多个葛莱码图案pr的合成值对与条纹次数码及条纹次数码1对1地对应的葛莱码gc进行计算，对条纹次数n进行计算。
绝对相位值计算部56基于相对相位值θp和条纹次数n，对图像数据m的多个像素p各自的绝对相位值θa进行计算(步骤s40)。
3维形状计算部57基于图像数据m的多个像素p各自的绝对相位值θa，对物体s的3维形状进行计算(步骤s50)。
3维形状计算部57基于绝对相位值θa，根据三角测量的原理，对图像数据m的各像素p中的高度数据进行计算。图像数据m的各像素p中的高度数据和物体s的表面的各点中的高度数据是1对1地对应的。物体s的表面的各点中的高度数据表示3维空间中的各点的坐标值。3维形状数据计算部58基于各点中的高度数据，对物体s的3维形状数据进行计算。
[作用及效果]
图11是示意地表示本实施方式所涉及的相对相位值θp和葛莱码gc之间的关系的图。图12是示意地表示本实施方式所涉及的相位连接前的相对相位值θp及葛莱码gc和相位连接后的绝对相位值θa之间的关系的图。如图11及图12所示，根据本实施方式，多个葛莱码图案pr的合成值即葛莱码gc的周期比条纹图案pb的周期短。另外，葛莱码gc的周期的边界和条纹图案pb的周期的边界错开。因此，即使是在条纹图案pb的相位边界位置处含有噪声的情况下进行了相位连接的情况，也对进行计算的绝对相位值θa中含有大的误差的情况进行抑制。因此，对物体s的3维形状的测量精度的降低进行抑制。
另外，在本实施方式中，条纹图案pb的3周期对应量的长度和葛莱码gc的4周期对应量的长度相等。因此，能够对物体s的3维形状的测量精度的降低进行抑制，并基于条纹次数码实施条纹图案pb的相位连接。