三维形状测量装置和三维形状测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及三维形状测量装置和三维形状测量方法，尤其涉及用于对测量对 象物体的三维形状进行测量的技术。
【背景技术】
[0002] 存在一种广为人知的三维测量装置，当诸如投影仪的投影单元在测量对象上投影 由空间编码方法（space encoding method)等代表的条纹图案时，基于摄像单元观测到反 射光的位置，通过三角测量原理（triangulation principle)来获得三维坐标。利用上述 装置，三维坐标的测量精度很大程度上依赖于测量对象的材质。
[0003] 通常，对于由诸如塑料等材质制成的测量对象而言，由于被称为子面散射 (subsurface scattering)或内部散射（internal scattering)的现象而导致测量精度劣 化或不能测量。在测量这样的对象时，对该对象需要例如事先将白色粉末等涂覆在对象表 面的处理，从而很大程度上限制了三维测量装置的应用可能性。
[0004] 专利文献1 (日本特开第2008-281399号公报）公开了如下方法，其通过在光路上 配设线性偏光板（linearly polarizing plate)以分离表面反射光和内部散射光，来准确 地测量待测半透明物体的三维形状。
[0005] 专利文献2 (日本特开第2012-251893号公报）公开了如下方法，其通过事先在测 量对象上投影图案以获取参照亮度图案、并且将测量时观测的亮度图案与该参照亮度图案 进行比较，来估计物体的反射位置坐标。这种方法不限于半透明物体，并且无论物体的反射 特性如何，都能够以高精度执行三维形状测量。
[0006] 非专利文献 I (Tongbo Chen，Hans-Peter Seidel，Hendrik P. A. Lensch，Modulated phase-shifting for 3D scanning，CVPR 2008)提出了一种三维形状测量方法，其通过高 频正弦图案来调制相位偏移（phase shift)方法中的正弦图案，从而几乎不会受到内部散 射的影响。
[0007] 非专利文献 2 (Tatsuhiko Furuse，Shinsaku Hiura，and Kosuke Sato，" 3-D Shape Measurement Method with Modulated Slit Light Robust for Interreflection and Subsurface Scattering " ， MIRU2009， Meeting on Image Recognition and Understanding)提出了一种三维形状测量方法，其通过包含高频成分的M-序列来调制缝 隙光（slit light)，从而几乎不会受到内部散射的影响。
[0008] 然而，在专利文献1所述的方法中，光源、光接收单元和测量对象表面之间的几何 关系需要满足给定的条件，以利用偏光来分离表面反射光和内部散射光。很难执行满足该 条件的测量。
[0009] 在专利文献2所述的方法中，亮度图案的波形除了取决于测量对象物体的材质之 外，还取决于很多参数，例如对象物体的形状、光源和光接收单元之间的几何关系等。因此， 为了测量广阔范围的物体，有必要事先获取大量的参照亮度图案以涵盖多种组合。
[0010] 类似地，在非专利文献1和非专利文献2所述的方法中，为了测量整个对象物体， 需要通过投影很多的图案光束来执行拍摄，从而导致较长的测量时间。
【发明内容】
[0011] 希望通过以下技术解决上述问题，例如提供了一种三维形状测量技术，其用于在 一般的测量环境中以高精度稳定地执行三维测量，而无需为包含半透明部分的测量对象进 行大量的事先准备。
[0012] 根据本发明的第一方面，提供了一种三维形状测量装置，其包括：第一获取单元， 其被配置为获取投影有第一光图案的空间的第一拍摄图像，所述第一光图案由亮部和暗部 形成；第二获取单元，其被配置为获取投影有第二光图案的所述空间的第二拍摄图像，所述 第二图案由亮部和暗部形成，并且亮部与暗部之间的边界位置与所述第一光图案不同；选 择单元，其被配置为针对所述第一拍摄图像或所述第二拍摄图像的至少一个预定区域的各 预定区域，基于所述第一拍摄图像中的亮度值和所述第二拍摄图像中的亮度值，选择包含 所述至少一个预定区域的所述第一拍摄图像和所述第二拍摄图像中的一者作为要用于三 维形状测量的选择图像；以及测量单元，其被配置为基于由所述选择单元选择的所述选择 图像，执行所述空间中包含的物体的三维形状测量。
[0013] 根据本发明的第二方面，提供了一种三维形状测量方法，其包括：第一获取步骤， 获取投影有第一光图案的空间的第一拍摄图像，所述第一光图案由亮部和暗部形成；第二 获取步骤，获取投影有第二光图案的所述空间的第二拍摄图像，所述第二光图案由亮部和 暗部形成，并且亮部与所述暗部之间的边界位置与所述第一光图案不同；选择步骤，针对所 述第一拍摄图像或所述第二拍摄图像的各预定区域，基于所述第一拍摄图像中的亮度值和 所述第二拍摄图像中的亮度值，选择所述第一拍摄图像和所述第二拍摄图像中的一者作为 要用于三维形状测量的选择图像；以及测量步骤，基于由所述选择步骤选择的所述选择图 像，执行所述空间中包含的物体的三维形状测量。
[0014] 仅通过示例的方式并参照下列附图来描述本发明。
【附图说明】
[0015] 图1是示出系统的配置的示例的图；
[0016] 图2是示出系统的功能结构的示例的框图；
[0017] 图3是示出空间分割图案的示例的图；
[0018] 图4A和图4B是用于解释编码误差的图；
[0019] 图5是示出空间分割图案的示例的图；
[0020] 图6是示出坐标检测图案的示例的图；
[0021] 图7是示出由控制装置103执行的处理的流程图；
[0022] 图8A和图8B是各自示出掩模图案的示例的图；
[0023] 图9是示出掩模结果的图；
[0024] 图10示出掩模结果；
[0025] 图11示出坐标检测图案的示例；
[0026] 图12示出用于生成多个坐标检测图案的处理；
[0027] 图13是示出由控制装置103执行的处理的流程图；
[0028] 图14是示出计算机装置的硬件结构的示例的框图。
【具体实施方式】
[0029] 以下将参照附图描述本发明的各实施例。请注意，以下要说明的各实施例仅仅是 在本发明实际实施情况下的示例，并且是所附权利要求中记载的结构的实际示例。
[0030] [第一实施例]
[0031] 在本实施例中，几乎不会引起编码误差的空间分割图案（space division pattern)被投影到测量空间，以将包含测量对象物体的测量空间分割成预定数量的区域。 然后，通过投影针对各个分割区域唯一的坐标检测图案，来精确地计算出测量对象物体的 三维形状（测量对象物体表面的三维坐标）。
[0032] 将参照图1描述根据本实施例的系统的配置的示例。根据本实施例的系统100包 括：投影单元101，用于在测量对象物体104上投影图案光；摄像单元102,用于对投影有图 案光的测量对象物体104的图像进行拍摄；以及控制装置103,用于执行测量对象物体104 的三维形状测量。
[0033] 将参照图2所示的框图来描述用作三维形状测量装置的控制装置103及其外围设 备（投影单元101和摄像单元102)的功能结构的示例。
[0034] 投影单元101基于投影图案生成单元202供给的图案来投影图案光（该步骤在下 文中也被简称为"投影单元101投影图案"）。在本实施例中，由投影单元101投影的图案 光的投影对象是包含要经历三维形状测量的测量对象物体104的空间。投影单元101作为 在水平方向上具有128像素的分辨率的投影仪。这仅仅是用于实际描述的示例，以下描述 的本质并不限于此。
[0035] 摄像单元102对包含已经由投影单元101投影有图案光的测量对象物体104的空 间的图像进行拍摄，并且摄像单元102特别对测量对象物体104的表面所反射的光进行拍 摄。摄像单元102将拍摄图像发送至控制装置103的图像输入单元204。
[0036] 如稍后所述，投影单元101在测量对象物体104上投影各种图案光，并且在每次投 影图案光时摄像单元102对包含测量对象物体104的空间的图像进行拍摄。也就是说，投 影单元101对图案光的投影与摄像单元102对空间的图像的拍摄同步，这样，摄像单元102 在各图案光束被投影时对图像进行拍摄。控制装置103的控制单元210执行控制处理（控 制投影单元101和摄像单元102、以使图案光的投影与测量对象物体104图像的拍摄同步 的处理）。也就是说，摄像单元102接收由控制单元210发送的摄像控制信号，并且根据接 收定时以预定的快门速度、f值和焦点位置对