JP2005534026A

Apparatus and method for automatically arranging three dimensional scan data using optical marker

Abstract

The present invention uses a non-contact marker that can be optically generated, and automatically obtains three-dimensional data measured at different angles without losing the measurement site of the object to be measured. Provided are a three-dimensional measurement data automatic alignment device and method using an optical marker that enables alignment. For this purpose, the present invention relates to a three-dimensional data measuring device that aligns three-dimensional measurement data acquired by photographing from a predetermined measurement object at various angles, and a plurality of optical markers are placed on the surface of the measurement object. Optical marker generating means to project on; Three-dimensional projection means to project a pattern pattern on the surface of the measurement object for three-dimensional measurement on the measurement object; Projected from the measurement object by the optical marker generating means An image acquisition means for acquiring a two-dimensional image including a marker and acquiring three-dimensional measurement data of a measurement object projected by the three-dimensional projection means; and a two-dimensional image and a tertiary image acquired by the image acquisition means. It is characterized by being composed of control means that extracts the three-dimensional position of the marker from the relationship with the original measurement data and performs an operation to search for the relative position of the three-dimensional measurement data from the position of the marker based on each three-dimensional measurement data. Provided is a three-dimensional measurement data automatic alignment device using an optical marker.

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39 claims: 6 independent, 33 dependent

  1. 1
    所定の測定対象物から様々な角度で撮影して獲得された三次元測定データを整列する三次元データ測定装置において、 複数の光学的なマーカーを前記測定対象物の表面に投影する光学式マーカー発生手段と;前記測定対象物に対する三次元の測定のため、測定対象物の表面に模様パターンを投影する三次元投影手段;前記測定対象物から光学式マーカー発生手段によって投影されたマーカーを含む二次元映像を獲得すると共に、前記三次元投影手段によって投影される測定対象物の三次元測定データを獲得する映像獲得手段;及び、 前記の映像獲得手段によって獲得された前記二次元映像と前記三次元測定データとの関係からマーカーの三次元の位置を抽出し、前記マーカーの三次元の位置から前記三次元測定データの相対的な位置を探す演算を行う制御手段;から構成されていることを特徴とする光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  2. 2
    前記三次元投影手段と映像獲得手段とは、相互固定的に一体化されるように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  3. 3
    前記制御手段の制御によって駆動される移動駆動部と、前記移動駆動部の駆動による動力を受けて前記三次元投影手段及び映像獲得手段を前記測定対象物に対し、相対的に移動させるための動作を行う移動メカニズムとをさらに含んで構成されたことを特徴とする請求項2に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  4. 4
    前記制御手段の制御により、前記マーカー発生手段によって発生するマーカーを周期的に点滅制御するマーカー点滅制御手段をさらに含んで構成され、 前記制御手段は、前記マーカー点滅制御手段によって光学式マーカーを点灯されるようにして、前記映像獲得手段で測定対象物の特定領域からマーカーが含まれた二次元映像を一次的に獲得するようにすると共に、光学式マーカーが消灯されるようにして、測定対象物の同一領域からマーカーが含まれていない二次元映像を二次的に獲得するように制御することを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  5. 5
    前記マーカーの三次元の位置は、前記測定対象物の同一領域に対して獲得された光学式マーカーが含まれた二次元映像と、マーカーが含まれていない二次元映像との違いを前記制御手段が比較することで探し出すことを特徴とする請求項4に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  6. 6
    前記制御手段の制御により、前記マーカー発生手段の複数の光学式マーカーを、既に決められた順番によってそれぞれ個別的でかつ順次的に点灯されるように制御するマーカー個別点滅制御手段をさらに含んで構成され、 前記制御手段は、マーカー消灯状態で撮影された映像データとして基本映像データに設定し、前記映像獲得手段から光学式マーカー個数に対応する数で撮影された映像データを基本映像と比べ、マーカー二次元の位置を抽出するようになることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  7. 7
    前記制御手段の制御により、前記マーカー発生手段における複数の光学式マーカーに対する個別的な点滅を制御するマーカー個別点滅制御手段をさらに含んで構成され、前記制御手段は、前記映像獲得手段を通じて映像データを撮影した後、その次の領域を撮影するため、前記マーカー発生手段を点灯制御する時、以前に撮影した領域を指示する光学式マーカーとその次の領域を指示する光学式マーカーとを区分して点滅するように、前記マーカー個別点滅制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  8. 8
    前記マーカー発生手段は、色を選択的に転換して発光できる複数の多重色相発光素子により光学式マーカーを発生させるように構成され、前記多重色相発光素子の個別的な発光色相及び点滅を制御するマーカー個別点滅及び色相の制御手段をさらに含み、 前記制御手段は、前記映像獲得手段を通じて映像データを撮影した後、他の領域を撮影するため、前記マーカー発生手段を点灯制御する時、既に撮影した領域を指示する光学式マーカーと、まだ撮影していない領域を指示する光学式マーカーとの色相をそれぞれ異なるように発生させるように、前記マーカー個別点滅及び色相の制御手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  9. 9
    前記制御手段の制御により、マーカー発生手段における複数の光学式マーカーの二進化のため、既に決められた順序によって重複分割してグループ別に設定し、各グループに含まれた複数のマーカーを順次的に点灯制御するマーカー個別点滅制御手段をさらに含んで構成され、 前記制御手段は、前記映像獲得手段からマーカーのグループ数に対応する個数で獲得された複数の映像データに含まれたグループ別のマーカーによる二進化情報を検索し、各マーカーにおける固有のIDとして二次元の位置を抽出するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  10. 10
    前記制御手段の制御下で、三次元投影手段における模様パターンの投影状態を制御する投影制御部をさらに含んで構成され、前記制御手段は、投影制御部によって三次元投影手段で模様パターンを投影する時、前記マーカー発生手段の光学式マーカーが発生されないように制御することを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  11. 11
    前記マーカー発生手段は、測定しようとする測定対象物と相対的な運動をしないように互いに固定された状態で配置されることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  12. 12
    前記マーカー発生手段は、測定対象物が置かれる回転テーブルに複数個が固定、配置されることを特徴とする請求項11に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  13. 13
    前記マーカー発生手段は、複数のレーザーマーカーが測定対象物の表面に対して不規則的に投影されるようになることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  14. 14
    前記映像獲得手段は、前記測定対象物における共通の測定領域に対し、二次元映像及び三次元測定データを獲得し、前記制御手段は、二次元映像と三次元測定データ内に含まれている少なくとも二つ以上の特徴点により、マーカーの三次元の位置を判別するようになることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  15. 15
    前記映像獲得手段は、測定対象物の表面が領域別にそれぞれ重なるように複数の二次元映像及び三次元測定データを獲得し、前記制御手段は、マーカーにおける三次元の位置から相互重なる領域別に対となるマーカーを検索し、対となるマーカーによって移動のための行列を求め、各測定データを基準座標系に移動させるようになることを特徴とする請求項14に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  16. 16
    前記映像獲得手段と前記三次元投影手段及び前記マーカー発生手段とがそれぞれ測定対象物を中心に複数個が配列され、前記制御手段は、前記複数の映像獲得手段によってそれぞれ獲得された二次元映像と三次元測定データとから各領域別マーカーの三次元の位置を抽出し、抽出されたマーカーの三次元の位置から相互重なる領域別に対となるマーカーを検索し、対となるマーカーによって位置変換行列を求め、その求められた位置変換行列によって各三次元測定データの位置を変換して整列するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  17. 17
    前記制御手段は、前記の求められた位置変換行列を記憶し、次回の測定時は前記記憶された位置変換行列によって各三次元測定データの位置を変換して整列することを特徴とする請求項16に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  18. 18
    前記映像獲得手段は前記測定対象物の表面のうち、測定対象の全体領域に対し、区間距離を既に知っている複数の地点から複数の二次元映像を獲得すると共に、前記測定対象物の表面のうち、測定対象の全体領域を細分化した複数の測定領域に対し、領域別の境界部位が互いに重畳されるよう、複数の二次元映像及び三次元測定データを獲得するように構成され、 前記制御手段は、前記映像獲得手段を通じて獲得される測定対象の全体領域に対する複数の二次元映像情報と、既に知っている測定地点間の距離情報とを演算し、各マーカーの三次元の位置を算出すると共に、この算出された各マーカーの三次元の位置を絶対座標系に設定した後、それぞれ細分化された測定領域の二次元映像と三次元測定データから各領域別マーカーの三次元の位置を抽出し、この抽出されたマーカーの三次元の位置から互いに重なる領域別に対となるマーカーを検索し、対となるマーカーによって位置変換行列を求め、求められた位置変換行列によって各三次元測定データの位置を移動して、前記絶対座標系に整列するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  19. 19
    前記映像獲得手段は、細分化された測定領域の映像を獲得する測定装置とは別途に、測定対象の全体領域における映像を獲得する複数の大領域測定装置を備え、この複数の大領域測定装置は一定の間隔だけ互いに離隔されると共に、その間隔が固定されることを特徴とする請求項18に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  20. 20
    前記光学式マーカー発生手段は、 X軸方向へ複数個配列された直射光を発生させるの光源と、 Y軸方向へ複数個配列された直射光を発生させるの光源と、 前記X軸の光源から発生した直射光を反射し、前記測定対象物の表面に投影するX軸の多角形のポリゴンミラーと、 前記Y軸の光源から発生した直射光を反射し、前記測定対象物の表面に投影するY軸の多角形のポリゴンミラーと、 前記X軸及びY軸の多角形のポリゴンミラーをそれぞれ回転させる回転メカニズムと、 前記X軸及びY軸の光源に対する点滅を制御する光源点滅制御部と、 を含んで構成されたことを特徴とする請求項1項ないし請求項19項のうちのいずれか一項に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列装置。
  21. 21
    映像獲得手段を、測定対象物の特定領域における映像を獲得するのに適した位置へと移動させる段階と;マーカー発生手段を点滅駆動し、光学式マーカーが測定対象物の表面に投影されるようにし、映像獲得手段で、光学式マーカーが投影された測定対象物の特定領域に対する二次元映像を獲得する段階;三次元投影手段で前記測定対象物の表面に模様パターンが投影されるようにし、前記映像獲得手段で模様パターンが投影された測定対象物の特定領域に対する三次元の測定データを獲得する段階及び;前記映像獲得手段によって獲得された二次元映像と三次元測定データとの関係からマーカーの三次元の位置を抽出し、各三次元測定データによるマーカーの位置から三次元測定データの相対的な位置を探して各測定データを整列させる段階;からなることを特徴とする光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  22. 22
    前記映像獲得手段で測定対象物の特定領域に対する二次元映像を獲得する段階は、前記マーカー発生手段で光学式マーカーを点灯されるようにして、前記映像獲得手段で測定対象物の特定領域からマーカーが含まれている二次元映像を一次的に獲得する段階と、 光学式マーカーが消灯されるようにして、測定対象物の同一領域からマーカーが含まれていない二次元映像を二次的に獲得する段階と、 を含んでなることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  23. 23
    前記二次元映像は、前記測定対象物の同一領域に対し、一次的に獲得されたマーカーが含まれた二次元映像と、二次的に獲得されたマーカーが含まれていない二次元映像とを映像処理して抽出することを特徴とする請求項22に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  24. 24
    前記映像獲得手段で測定対象物の特定領域に対する二次元映像を獲得する段階は、光学式マーカーが全部消灯された状態で、測定対象物の特定領域を撮影して基本映像を獲得する段階と、 前記マーカー発生手段で複数の光学式マーカーを既に決められた順序により、個別的でかつ順次的に投影されるようにすると共に、個別的でかつ順次的なマーカーの投影状態ごとに、映像獲得手段で個別的に映像を撮影する段階及び、 前記光学式マーカーの数に対応する個数で撮影された各映像データを、前記基本映像データと比較し、マーカーの二次元の位置を抽出する段階、 を含んでなることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  25. 25
    前記映像獲得手段で測定対象物の特定領域に対する二次元映像を獲得する段階は、前記マーカー発生手段における複数の光学式マーカーの二進化のため、既に決められたグループ別に重複分割し、光学式マーカーを各グループ別に順次的に点灯させる段階と、 前記光学式マーカーのグループ数に対応する個数で獲得された複数の映像データに含まれたグループ別のマーカーによる二進化情報を検索し、各マーカーにおける固有のIDとして二次元の位置を抽出する段階と、 を含んでなることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  26. 26
    前記映像獲得手段で模様パターンが投影された測定対象物の特定領域に対する三次元の測定データを獲得する段階は、前記三次元投影手段で模様パターンを投影する際、前記マーカー発生手段で光学式マーカーが発生されないようにすることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  27. 27
    前記映像獲得手段によって獲得された二次元映像と三次元の測定データとの関係からマーカーの三次元の位置を抽出する段階は、前記映像獲得手段のカメラのレンズ中心から二次元映像データにおける任意の三つのマーカーに対する座標値と一直線に位置する三次元測定データ上における任意の三次元座標値を推定することにより、該当マーカーの三次元の位置を探すようになることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  28. 28
    前記各三次元測定データによるマーカーの位置から三次元測定データの相対的な位置を探して各測定データを整列させる段階は、マーカーの三次元の位置から互いに重なるように隣接した三次元測定データの領域別に対となるマーカーを検索する段階と、対となるマーカーによって各三次元測定データの整列のための位置変換行列を求める段階と、 各三次元測定データのうち、一つの測定データを基準座標系とし、前記の求められた位置変換行列により、各測定データを移動させて整列する段階と、 を含んでなることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  29. 29
    前記三次元測定データの領域別に対となるマーカーを検索する段階は、マーカーの空間上における相対的な三次元の位置情報と共に、マーカー又はマーカーの周囲で平均垂直ベクトル情報を用いて互いに一致する対を探すことで、隣接した測定データを探すようになることを特徴とする請求項28に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  30. 30
    前記三次元測定データの領域別に対となるマーカーを検索する段階は、マーカーの空間上における相対的な三次元の位置情報と共に、三次元データの中で、マーカーの周囲にある追加的な基準点を選択し、マーカーの対を探すようになることを特徴とする請求項28に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  31. 31
    前記三次元測定データの領域別に対となるマーカーを検索する段階は、それぞれの三次元測定データからのマーカー間における相対的な位置情報を用い、マーカーによって形成される空間上の三つの点で三角形を形成すると共に、三角形の辺の長さを求め、各辺の長さを降順に整列し、各辺の長さ及び順序を比較することによってマーカーの対を探すようになることを特徴とする請求項28に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  32. 32
    前記一つの三次元測定データを基準座標系として、各測定データを移動させて整列する段階は、各測定データのマーカーによって形成される三つの点による三角形の頂点及び辺に関する情報をもとに、基準座標系の三角形を基準として頂点の位置を一致させる変換を行う段階と、 一致した頂点の位置を共有するそれぞれの辺を一致させる回転変換を行う段階及び、 一致する辺を回転軸として、一致する辺に含まれていない頂点を基準座標系の頂点に回転させ、各三角形を一致させる段階、 を含んでなることを特徴とする請求項28に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  33. 33
    前記測定対象物の表面のうち、測定対象の全体領域に対して区間距離を既に知っている複数の地点から複数の二次元映像を獲得する段階と、前記測定対象の全体領域に対する複数の二次元映像情報と、既に知っているその測定地点間の距離情報とを演算し、各マーカーの三次元の位置を算出する段階と、前記の算出された各マーカーの三次元の位置を絶対座標系に設定する段階とをさらに含んでなり、 前記各三次元測定データによるマーカーの位置から三次元測定データの相対的な位置を探して各測定データを整列させる段階は、マーカーの三次元の位置から互いに重なるように獲得された、隣接した三次元測定データの領域別に対となるマーカーを検索する段階と、対となるマーカーによって各三次元測定データの整列のための位置変換行列を求める段階と、前記求められた位置変換行列により、各測定データを移動させて前期絶対座標系に整列する段階とを含んでなることを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  34. 34
    前記映像獲得手段を通じ、映像データを撮影した後、他の領域を撮影するために前記マーカー発生手段を点灯制御する際、以前に撮影した領域を指示する光学式マーカーを周期的に繰り返して点滅するように制御することを特徴とする請求項21に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  35. 35
    前記映像獲得手段を通じ、映像データを撮影した後、他の領域を撮影するために前記マーカー発生手段を点灯制御する際、既に撮影した領域を指示する光学式マーカーと、まだ撮影していない領域を指示する光学式マーカーとの色相をそれぞれ異なるように発生させるように制御することを特徴とする請求項22に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  36. 36
    測定対象物を中心に、映像獲得手段と三次元投影手段及びマーカー発生手段をそれぞれ複数個配列する段階と、 前記複数のマーカー発生手段を点滅駆動して、光学式マーカーが測定対象物の表面に投影されるようにすると同時に、前記複数の映像獲得手段で光学式マーカーが投影された測定対象物の特定領域に対する二次元映像をそれぞれ獲得する段階と、 前記複数の三次元投影手段で前記測定対象物の表面に模様パターンが投影されるようにし、前記複数の映像獲得手段で模様パターンが投影された測定対象物の特定領域に対する三次元測定データをそれぞれ獲得する段階及び、 前記複数の映像獲得手段によって獲得された各二次元映像と三次元測定データとの関係から各マーカーの三次元の位置を抽出し、各三次元測定データによるマーカーの位置から各三次元測定データの相対的な位置を探して各測定データを整列する段階、 からなることを特徴とする光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  37. 37
    測定対象物を中心に、映像獲得手段と三次元投影手段及びマーカー発生手段をそれぞれ複数個配列する段階と、 前記複数のマーカー発生手段を点滅制御して複数の光学式マーカーを前記基準物体に投影すると共に、前記複数の映像獲得手段と三次元投影手段を制御し、前記基準物体に対する二次元映像と三次元測定データをそれぞれ獲得し、この獲得された各二次元映像と三次元測定データとから各領域別のマーカーの三次元位置を抽出し、この抽出されたマーカーの三次元の位置から互いに重なる領域別に対となるマーカーを検索し、対となるマーカーによって位置変換行列を求めるキャリブレーション段階と、 前記複数の映像獲得手段で測定対象物の特定領域に対する二次元映像をそれぞれ獲得すると共に、前記複数の三次元投影手段で前記測定対象物の表面に模様パターンが投影されるようにし、前記複数の映像獲得手段で模様パターンが投影された測定対象物の特定領域に対する三次元測定データをそれぞれ獲得する段階及び、 前記三次元測定データを前記キャリブレーション段階で求められた位置変換行列によって整列する段階、 を含んでなることを特徴とする光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  38. 38
    前記キャリブレーション段階は、測定対象物に対する二次元映像及び三次元データを獲得する以前に、毎回行うようになることを特徴とする請求項37に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
  39. 39
    前記キャリブレーション段階は最初の一回だけ実施し、次回の測定対象物に対する三次元測定データを整列する時も、最初実施されたキャリブレーション段階で求められた位置変換行列を用いるようになることを特徴とする請求項37に記載の光学式マーカーを用いた三次元測定データ自動整列方法。
Independent claims39