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JP7593131B2 - Projection device, detection device, and random dot pattern design method - Google Patents

Projection device, detection device, and random dot pattern design method Download PDF

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JP7593131B2 JP2021008071A JP2021008071A JP7593131B2 JP 7593131 B2 JP7593131 B2 JP 7593131B2 JP 2021008071 A JP2021008071 A JP 2021008071A JP 2021008071 A JP2021008071 A JP 2021008071A JP 7593131 B2 JP7593131 B2 JP 7593131B2
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Description

本発明は、投影装置、検出装置、ランダム・ドット・パターンの設計方法に関するものである。 The present invention relates to a projection device, a detection device, and a method for designing a random dot pattern.

対象物に検出光を投光して撮影を行なって、得られた画像データから対象物の各位置までの距離情報を求めて形状情報や3次元マップ等とも呼ばれる距離分布データを作成する技術が知られている(特許文献1参照)。
特許文献1に開示されている方法では、投光部から予め決められたパターンの検出光を投光して、そのパターンの対象物上での位置や形状の変化から距離を検出するストラクチャード・ライト(Structured Light)方式が用いられている。
A technology is known in which a detection light is projected onto an object, an image is taken, and distance information to each position on the object is obtained from the obtained image data to create distance distribution data, also known as shape information or a three-dimensional map (see Patent Document 1).
The method disclosed in Patent Document 1 uses a structured light method in which a light-projecting unit projects a predetermined pattern of detection light and detects distance from changes in the position and shape of the pattern on the target object.

ストラクチャード・ライト方式では、例えば、ランダムなドット状のパターン(ランダムなドットパターン)を投影し、各ドットの位置ずれ量を用いて距離分布データの演算を行なう。ここで、このランダムなドットは、ランダムな配置であることから位置の特定が難しいかのようにも思われるが、ランダムドットの位置は、自己相関値を求めることにより、高精度に位置の特定が可能である。 In the structured light method, for example, a random dot pattern is projected, and distance distribution data is calculated using the positional deviation of each dot. Here, it may seem difficult to identify the position of these random dots because they are randomly arranged, but the position of the random dots can be identified with high accuracy by calculating the autocorrelation value.

しかし、ランダムなドットパターンといっても、どのようなドットパターンであっても高精度に位置の特定が可能となるものではない。例えば、特定のランダム配置のドットパターンが繰り返し配置されていたりすると、自己相関値が同じように得られてしまう位置が複数存在することとなり、正確な位置の特定ができなくなってしまう。 However, even if the dot pattern is random, it is not possible to pinpoint the position with high accuracy regardless of the dot pattern. For example, if a specific randomly arranged dot pattern is repeatedly arranged, there will be multiple positions where the same autocorrelation value is obtained, making it impossible to pinpoint the position accurately.

また、ランダムなドットパターンのドット数が多くなると、その演算負荷が過大となり高速な処理が困難になる恐れがある。 In addition, if the number of dots in a random dot pattern is large, the computational load may become too large, making high-speed processing difficult.

特開2010-504522号公報JP 2010-504522 A

本発明の課題は、正確な位置の特定が可能であり、かつ、演算負荷を軽減できる投影装置、検出装置、ランダム・ドット・パターンの設計方法を提供することである。 The objective of the present invention is to provide a method for designing a projection device, a detection device, and a random dot pattern that can identify an accurate position and reduce the computational load.

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. Note that, for ease of understanding, the following description will use symbols corresponding to the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these.

第1の発明は、ランダムなドットパターンを投影する投影装置(10)であって、前記ランダムなドットパターンは、間隔nで等間隔に配列された正方格子の交点位置を中心とする所定の大きさの配置領域のそれぞれに1つのドットをランダムに配置したパターンであって、各ドット間の最短距離は、所定の干渉距離d以上となるように配置されていること、を特徴とする投影装置(10)である。 The first invention is a projection device (10) that projects a random dot pattern, characterized in that the random dot pattern is a pattern in which one dot is randomly arranged in each of a predetermined size of arrangement area centered on the intersection position of a square lattice arranged at equal intervals n, and the dots are arranged so that the shortest distance between each dot is equal to or greater than a predetermined interference distance d.

第2の発明は、第1の発明に記載の投影装置(10)において、前記配置領域は、距離を示す所定値をmとして、前記交点位置を中心とする2・m×2・mの正方領域であって、前記間隔nと前記所定値mとの関係は、m<n/2を満たすこと、を特徴とする投影装置(10)である。 The second invention is the projection device (10) described in the first invention, characterized in that the placement area is a square area of 2 m × 2 m centered on the intersection position, where m is a predetermined value indicating distance, and the relationship between the interval n and the predetermined value m satisfies m < n/2.

第3の発明は、第1の発明又は第2の発明に記載の投影装置(10)において、前記ランダムなドットパターンは、隣接する各ドットを三角形の頂点位置として連続的に直線により接続可能に配置されており、前記三角形の辺となる前記直線が辺の途中で交差することなく、かつ、前記三角形が密着配列可能であること、を特徴とする投影装置(10)である。 The third invention is a projection device (10) according to the first or second invention, characterized in that the random dot pattern is arranged so that adjacent dots can be connected continuously by straight lines with each dot being the vertex of a triangle, the straight lines that form the sides of the triangle do not intersect midway, and the triangles can be closely arranged.

第4の発明は、第1の発明から第3の発明までのいずれかに記載の投影装置(10)と、前記投影装置(10)が投影したランダムなドットパターンを撮影する撮影部(20)と、を備える検出装置(1)である。 The fourth invention is a detection device (1) including a projection device (10) according to any one of the first to third inventions, and an image capturing unit (20) that captures the random dot pattern projected by the projection device (10).

第5の発明は、第4の発明に記載の検出装置(1)において、前記正方格子の交点位置を三角形の頂点位置として構成したポリゴンメッシュデータのインデックスリストを前記ランダムなドットパターンの各ドットのインデックスリストとして用いる演算部を備えること、を特徴とする検出装置(1)である。 The fifth invention is the detection device (1) according to the fourth invention, characterized in that it includes a calculation unit that uses an index list of polygon mesh data in which the intersection positions of the square lattice are configured as the vertex positions of triangles as an index list for each dot of the random dot pattern.

第6の発明は、投影装置(10)を用いて対象物に対して投影されるランダムなドットパターンの設計方法であって、間隔nで等間隔に配列された正方格子の交点位置を中心とする所定の大きさの配置領域のそれぞれに1つのドットをランダムに配置する配置工程と、前記配置工程で配置されたドット間の最短距離が所定の干渉距離d以上離れているか否かを確認する確認工程と、前記確認工程の結果によりドット間の最短距離が所定の干渉距離d以上離れていないドットの位置を移動させる再配置工程と、を備えるランダムなドットパターンの設計方法である。 The sixth invention is a method for designing a random dot pattern to be projected onto an object using a projection device (10), comprising: an arrangement step of randomly arranging one dot in each of an arrangement area of a predetermined size centered on an intersection position of a square lattice arranged at equal intervals n; a confirmation step of confirming whether the shortest distance between the dots arranged in the arrangement step is equal to or greater than a predetermined interference distance d; and a rearrangement step of moving the position of dots whose shortest distance between the dots is not equal to or greater than the predetermined interference distance d based on the result of the confirmation step.

第7の発明は、第6の発明に記載のランダムなドットパターンの設計方法において、前記配置領域は、距離を示す所定値をmとして、前記交点位置を中心とする2・m×2・mの正方領域であって、前記間隔nと前記所定値mとの関係は、m<n/2を満たすこと、を特徴とするランダムなドットパターンの設計方法である。 The seventh invention is a method for designing a random dot pattern according to the sixth invention, characterized in that the arrangement area is a square area of 2 m × 2 m centered on the intersection position, where m is a predetermined value indicating distance, and the relationship between the interval n and the predetermined value m satisfies m < n/2.

本発明によれば、正確な位置の特定が可能な投影装置、検出装置、ランダム・ドット・パターンの設計方法を提供することができる。 The present invention provides a projection device, a detection device, and a method for designing a random dot pattern that can pinpoint a precise position.

本発明による3次元計測装置1の実施形態の構成と距離演算の概要を説明する図である。1 is a diagram illustrating an outline of a configuration of an embodiment of a three-dimensional measurement apparatus 1 according to the present invention and distance calculation. ドットパターンの一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a dot pattern. 特定の矩形領域にあるドットパターンと一致する領域を検出する手法を説明する図である。11A and 11B are diagrams illustrating a method for detecting an area that matches a dot pattern in a specific rectangular area. ドットパターンの生成方法を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a method for generating a dot pattern. ランダム配置とする前のドットパターンにおいて三角形ポリゴンメッシュを設定した図である。FIG. 13 is a diagram showing a triangular polygon mesh set in a dot pattern before being randomly arranged. 図5のドットパターンを再配置してランダムなドットパターンとした場合において三角形ポリゴンメッシュを設定した図である。FIG. 6 is a diagram showing a triangular polygon mesh set in a case where the dot pattern in FIG. 5 is rearranged to create a random dot pattern. 本発明のランダムな配置のドットパターンを手に投影した場合における三角形ポリゴンメッシュを視覚的に確認できるようにした図である。FIG. 13 is a diagram that allows visual confirmation of a triangular polygon mesh when a randomly arranged dot pattern of the present invention is projected onto a hand.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施形態)
図1は、本発明による3次元計測装置1の実施形態の構成と距離演算の概要を説明する図である。
なお、図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張したり、省略したりして示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行なうが、これらは、適宜変更することができる。
本実施形態の3次元計測装置1は、投光部(投影装置)10と、カメラ20と、不図示の演算部とを備えている。カメラ20は、イメージセンサ部21と、撮影レンズ22と、を備えている。本実施形態の3次元計測装置1は、紫外線、可視光、近赤外光、遠赤外光のいずれかの帯域において単波長のレーザー光源を有し、光パルスを円形状又は長方形状に投影するパターン光を投影し、対象物に投影されたパターン光を光学的に観測し、パターン光の観測視差から三角法を用いて距離を求めるStructured Light(ストラクチャード・ライト)方式を採用している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of a three-dimensional measurement apparatus 1 according to the present invention and an overview of distance calculation.
Note that the figures shown below, including FIG. 1, are schematic views, and the size and shape of each part are exaggerated or omitted as appropriate for ease of understanding.
In the following description, specific values, shapes, materials, etc. are given, but these can be changed as appropriate.
The three-dimensional measuring device 1 of this embodiment includes a light-projecting unit (projection device) 10, a camera 20, and a calculation unit (not shown). The camera 20 includes an image sensor unit 21 and a photographing lens 22. The three-dimensional measuring device 1 of this embodiment employs a Structured Light method in which a laser light source of a single wavelength in any one of the bands of ultraviolet light, visible light, near-infrared light, and far-infrared light is used, a pattern light is projected that projects light pulses in a circular or rectangular shape, the pattern light projected on an object is optically observed, and a distance is calculated from the observed parallax of the pattern light using trigonometry.

投光部10は、投光レンズ10aを備え、上述のように、単波長のレーザー光源と、ドットパターンを投影するためのパターン発生部とを備え、ランダムに配置されたドットパターン(検出光)を投光する。パターン発生部は、例えば、回折光学素子(DOE)を用いることができる。
イメージセンサ部21は、投光部10が検出対象に投光したドットパターンを受光する撮像素子を備えたカメラである。
The light projection unit 10 includes a light projection lens 10a, a single-wavelength laser light source, and a pattern generating unit for projecting a dot pattern, as described above, and projects a randomly arranged dot pattern (detection light). The pattern generating unit may be, for example, a diffractive optical element (DOE).
The image sensor unit 21 is a camera equipped with an image sensor that receives the dot pattern projected by the light projecting unit 10 onto the detection target.

図1に示す状態において、三角形の相似の性質から、以下の関係がある。
ここで、投光レンズ10aと撮影レンズ22との距離を基線長d、投光レンズ10aから被写体までの距離をZ、受光レンズの焦点距離をf、イメージセンサ部上に投影された被写体の位置をxとする。
Z=d・f/x
min=d・f/xmax
また、イメージセンサ部の水平画素数をn、カメラの水平方向FoV(field of View)を、θであるとすると、以下関係となる。
max=n/2
tan(θ/2)=xmax/f
以上のように、距離演算部34は、光三角法によって距離演算を行なうことができる。
In the state shown in FIG. 1, the following relationship exists due to the similarity of triangles.
Here, the distance between the light projecting lens 10a and the photographing lens 22 is the base length d, the distance from the light projecting lens 10a to the subject is Z, the focal length of the light receiving lens is f, and the position of the subject projected on the image sensor unit is x.
Z = d f / x
Z min = d・f/x max
Furthermore, if the number of horizontal pixels in the image sensor is n x and the horizontal field of view (FoV) of the camera is θ x , then the following relationship holds.
xmax = nx /2
tan(θ x /2)=x max /f
As described above, the distance calculation unit 34 can perform distance calculations by optical trigonometry.

ランダム・ドット・パターンを投光する投光部としてはパターン・プロジェクタ等を用いることができる。パターン・プロジェクタと、撮像用のカメラを図1のように水平方向にずらした位置に配置することで、測定対象に投影されたランダム・ドット・パターンは三角形の相似関係により常に距離に応じて水平方向にずれた位置に観測される。 A pattern projector or the like can be used as the light projecting unit that projects the random dot pattern. By arranging the pattern projector and the imaging camera at horizontally offset positions as shown in Figure 1, the random dot pattern projected onto the measurement target is always observed at a horizontally offset position depending on the distance due to the triangular similarity relationship.

図2は、ドットパターンの一例を示す図である。
図2に示すドットパターン上には、特定の矩形領域にあるドットパターンと一致する領域は、複数存在しておらず、1領域のみ存在している。ドットパターンの作成方法については、後述する。本実施形態のランダムなドットパターンの自己相関特性は鋭敏であり、自分自身に重なるのは0シフトの場合だけで、1画素でもずらせば相関値は激減する性質を有している。ドットパターンの部分パターンと元のパターンの相互相関に関しても、鋭敏な相関を有し、0シフトの場合のみ重なるが、それ以外では相互相関値は低い値を示す。
測定対象に投影されたドットパターンは三角形の相似関係により常に距離に応じて水平方向にずれた位置に観測される。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a dot pattern.
On the dot pattern shown in Fig. 2, there are only one area that matches a dot pattern in a specific rectangular area, not multiple areas. The method of creating the dot pattern will be described later. The autocorrelation characteristic of the random dot pattern of this embodiment is sharp, and it overlaps with itself only in the case of a zero shift, and has the property that the correlation value drops sharply if it is shifted by even one pixel. The cross-correlation between the partial pattern of the dot pattern and the original pattern also has a sharp correlation, and overlaps only in the case of a zero shift, but otherwise the cross-correlation value shows a low value.
The dot pattern projected onto the measurement target is always observed at a horizontally shifted position depending on the distance due to the triangular similarity relationship.

図3は、特定の矩形領域にあるドットパターンと一致する領域を検出する手法を説明する図である。
特定の矩形領域にあるドットパターンと一致する領域を検出するためには、先ず、ドットパターンのドット部を+1とし、非ドット部を-1として量子化を行なう。そして、特定の矩形領域内の画素値を以下の数式により積和演算する。
ここで、類似度を表す相関値をφとする。
抽出したい特定の矩形領域のテンプレート画像の画素を、ドットパターンの有無により量子化し、ベクトル値Qとする。
特定の矩形領域と、比較し相関関係を判定したい矩形領域の画像の画素を、ドットパターンの有無により量子化し、ベクトル値Pi+jとする。nは、矩形領域の画素数である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method for detecting an area that matches a dot pattern in a specific rectangular area.
To detect an area that matches a dot pattern in a specific rectangular area, first quantization is performed by setting the dots in the dot pattern to +1 and the non-dots to -1. Then, the pixel values in the specific rectangular area are multiplied and accumulated using the following formula.
Here, the correlation value representing the similarity is denoted as φj .
The pixels of the template image in a specific rectangular area to be extracted are quantized according to the presence or absence of a dot pattern, and the quantized value is set as a vector value Qi .
The pixels of the image of a specific rectangular area to be compared with and the correlation to be determined are quantized according to the presence or absence of a dot pattern, and the quantized value is taken as a vector value P i+j , where n is the number of pixels in the rectangular area.

Figure 0007593131000001
Figure 0007593131000001

特定の矩形領域のパターンと、撮像された水平方向のドットパターンの相互相関を演算すれば相関値のピーク位置により、図1に示す光三角法による測距のための画素位相位置を得ることができる。 By calculating the cross-correlation between a specific rectangular area pattern and the captured horizontal dot pattern, the pixel phase position for distance measurement using the optical triangulation method shown in Figure 1 can be obtained from the peak position of the correlation value.

次に、本実施形態の3次元計測装置1の投光部10が投影するドットパターンについてより詳しく説明する。
本実施形態の投光部10が投影するドットパターンは、乱数を用いてランダムなスクリーン座標を発生させ、既に配置済みのドットと一定距離内に重ならなかった場合はそのままドットを配置し、また、既に配置されたドットと重なった場合はドットを配置せずに、次の乱数を求めてドットの配置を繰り返すことにより生成されている。
Next, the dot pattern projected by light projector 10 of three-dimensional measuring device 1 of this embodiment will be described in more detail.
The dot pattern projected by the light-projecting unit 10 in this embodiment is generated by generating random screen coordinates using random numbers, and if the dot does not overlap within a certain distance with an already placed dot, the dot is placed as is, and if the dot overlaps with an already placed dot, the next random number is obtained and the dot placement is repeated.

図4は、ドットパターンの生成方法を説明する図である。
図4の例では、ドットD1~D9の9個のドットのみを示しているが、実際にはより多くのドットが配列されている。
先ず、図示するように、ドットD1~D9をピッチnで正方配列する。
次に、個々のドットを順次再配置(移動)させるが、ここでは、ドットD5を移動させる場合を例にして説明する。ドットD5は、間隔nで等間隔に配列された正方格子の交点位置にある。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method for generating a dot pattern.
In the example of FIG. 4, only nine dots D1 to D9 are shown, but in reality many more dots are arranged.
First, as shown in the figure, dots D1 to D9 are arranged in a square with a pitch of n.
Next, each dot is successively rearranged (moved), but here, an example will be described in which dot D5 is moved. Dot D5 is located at the intersection of a square lattice that is equally spaced at intervals n.

移動前のドットD5の位置を中心として、移動後後の位置を乱数により決定する。このとき、移動させることができる領域を配置領域と呼ぶこととする。図4中でハッチングを付した配置領域PAがドットD5の配置領域である。配置領域PAは、ドットD5(正方格子の交点位置)を中心とする所定の大きさとなっている。具体的には、配置領域PAは、距離を示す所定値をmとして、ドットD5(交点位置)を中心とする2・m×2・mの正方領域であって、間隔nと所定値mとの関係は、m<n/2を満たしている。 The position of dot D5 before movement is used as the center, and the position after movement is determined by a random number. The area that can be moved is called the placement area. The hatched placement area PA in Figure 4 is the placement area of dot D5. Placement area PA has a predetermined size and is centered on dot D5 (the intersection position of the square lattice). Specifically, placement area PA is a 2 m x 2 m square area centered on dot D5 (the intersection position), with m being a predetermined value indicating distance, and the relationship between interval n and the predetermined value m satisfies m < n/2.

この配置領域PA内での移動という制限の元、移動先(再配置先)を乱数で決定して、移動先を仮決定する(配置工程)。例えば、図4中のドットD5をドットD5Bの位置へ再配置する。再配置されたドットD5Bについて、他のドットとの最短距離が、所定の干渉距離d以上となっているか否かについて判定(確認)が行われる(確認工程)。仮に他のドット(図4の例では、ドットD4が最も近い)と再配置後のドットD5Bとの距離が干渉距離dよりも小さい場合には、ドットD5Bの再配置位置は不適切であると判断して、これをキャンセルし、新たに配置領域PA内での移動という制限の元、移動先(再配置先)を乱数で決定する動作(再配置工程)を行う。また、他のドット(図4の例では、ドットD4が最も近い)と再配置後のドットD5Bとの距離が干渉距離d以上である場合には、再配置後のドットD5Bを適切であると判断して、この位置を確定し、次のドットの再配置動作を、上記と同様にして行う。以上のような動作を繰り返して、最終的にすべてのドット間の最短距離が、干渉距離d以上となれば、本実施形態におけるランダムな配置のドットパターンが完成する。
なお、ドットパターンの投影に回折光学素子を用いる場合には、0次光によるドット位置については、移動できないので、これは固定とするとよい。
Under the restriction of movement within the placement area PA, the destination (relocation destination) is determined by random numbers, and the destination is provisionally determined (placement process). For example, the dot D5 in FIG. 4 is relocated to the position of the dot D5B. A determination (confirmation) is made as to whether the shortest distance between the relocated dot D5B and other dots is equal to or greater than a predetermined interference distance d (confirmation process). If the distance between the other dot (in the example of FIG. 4, the dot D4 is the closest) and the relocated dot D5B is smaller than the interference distance d, the relocated position of the dot D5B is determined to be inappropriate, and this is canceled, and under the restriction of movement within the placement area PA, a new operation of determining the destination (relocation destination) by random numbers (relocation process) is performed. Also, if the distance between the other dot (in the example of FIG. 4, the dot D4 is the closest) and the relocated dot D5B is equal to or greater than the interference distance d, the relocated dot D5B is determined to be appropriate, its position is confirmed, and the relocation operation of the next dot is performed in the same manner as above. By repeating the above operations, when the shortest distance between all dots finally becomes equal to or greater than the interference distance d, the randomly arranged dot pattern of this embodiment is completed.
When a diffractive optical element is used to project the dot pattern, the dot positions formed by the zero-order light cannot be moved, and therefore should be fixed.

図5は、ランダム配置とする前のドットパターンにおいて三角形ポリゴンメッシュを設定した図である。
図6は、図5のドットパターンを再配置してランダムなドットパターンとした場合において三角形ポリゴンメッシュを設定した図である。
上述の光点位置配置方法であれば、すべて配置し終えても、図6に示すように頂点番号とメッシュを構成する三角形ポリゴンの頂点関係には変化はない。頂点のx,y座標のみを修正すればよい。よって、本実施形態では、正方格子上にドットを配置した状態で図5のように三角形ポリゴンメッシュを構成しておき、ドットの再配置を行った後には、頂点の座標修正を行うことにより、簡単、かつ、確実に、三角形の辺となる直線が辺の途中で交差することなく、かつ、三角形が密着配列可能なドット配置を得ることができ、抜けや重複のない三角形ポリゴンメッシュをランダムな配置のドットパターンに構成することができる。
よって、本実施形態の演算部30では、正方格子の交点位置を三角形の頂点位置として構成したポリゴンメッシュデータのインデックスリストを、再配置して作成したランダムなドットパターンの各ドットのインデックスリストとして用いる。
FIG. 5 is a diagram showing a triangular polygon mesh set in a dot pattern before being randomly arranged.
FIG. 6 is a diagram showing a triangular polygon mesh set in the case where the dot pattern in FIG. 5 is rearranged to create a random dot pattern.
With the above-mentioned light spot position arrangement method, even after all the arrangements are completed, there is no change in the vertex numbers and the vertex relationships of the triangular polygons that make up the mesh, as shown in Fig. 6. It is only necessary to modify the x and y coordinates of the vertices. Therefore, in this embodiment, a triangular polygon mesh is constructed as shown in Fig. 5 with dots arranged on a square lattice, and after the dots are rearranged, the coordinates of the vertices are modified, so that a dot arrangement in which the straight lines that form the sides of the triangles do not intersect in the middle of the sides and the triangles can be arranged closely can be obtained simply and reliably, and a triangular polygon mesh without gaps or overlaps can be constructed into a randomly arranged dot pattern.
Therefore, in the calculation unit 30 of this embodiment, an index list of polygon mesh data configured with the intersection positions of a square lattice as the vertex positions of triangles is used as an index list for each dot of the random dot pattern created by rearrangement.

図7は、本発明のランダムな配置のドットパターンを手に投影した場合における三角形ポリゴンメッシュを視覚的に確認できるようにした図である。
本実施形態の投光部10が投影するドットパターンでは、図7に示すようなメッシュパターンは投影されないが、ドットパターンを撮影した後の処理においては、各ドットがメッシュで関係づけられていることから、データ処理上は、図7に示すようなメッシュモデルとして扱うことが可能となる。
FIG. 7 is a diagram that allows visual confirmation of a triangular polygon mesh when the randomly arranged dot pattern of the present invention is projected onto a hand.
In the dot pattern projected by the light-projecting unit 10 of this embodiment, a mesh pattern such as that shown in FIG. 7 is not projected. However, in the processing after photographing the dot pattern, since each dot is related to another by a mesh, in terms of data processing, it is possible to treat it as a mesh model such as that shown in FIG. 7.

図7に示すように、対象物に投影されたランダムなドットパターンの各光点のデプス値(距離)は、周囲光点群を含む矩形小領域である部分パターンと元のパターンとの相互相関処理により三角法を用いて求めることができる。
また、各三角形内のデプス値は、ドット毎にスクリーン座標(x,y)とデプス値zに基づいて、3次元ワールド座標系に変換を行い、メッシュ・データとして3次元グラフィックスのポリゴン・フィル(三角形の塗りつぶし処理)機能を用いて三角形内の全ての画素に対応するデプス値を高速演算することができる。三角形ポリゴンメッシュのデータとなっていることから、3次元グラフィックス・パイプラインを用いることができるので演算負荷は非常に軽い。
メッシュ・データをスクリーン座標(x,y)に深度値zを加えて、各頂点データを(x,y,z)とし、ポリゴン・フィルでメッシュ・データを塗りつぶせば、デプス・データが得られる。
As shown in Figure 7, the depth value (distance) of each light point of a random dot pattern projected onto an object can be determined using trigonometry by cross-correlation processing between a partial pattern, which is a small rectangular area containing the surrounding light points, and the original pattern.
In addition, the depth value within each triangle is converted into a three-dimensional world coordinate system for each dot based on the screen coordinates (x, y) and depth value z, and the depth values corresponding to all pixels within the triangle can be calculated at high speed using the polygon fill (triangle filling) function of three-dimensional graphics as mesh data. Since it is triangular polygon mesh data, the calculation load is very light because a three-dimensional graphics pipeline can be used.
Depth data is obtained by adding a depth value z to the screen coordinates (x, y) of the mesh data to make each vertex data (x, y, z), and filling the mesh data with a polygon fill.

以上説明したように、本実施形態によれば、スクリーンを構成する総画素数に対して、ランダムなドットパターンの光点数の比率だけ、相互相関演算に伴う演算負荷を軽減することができる。
また、3次元メッシュ・データ、ポイント・クラウド・データ、デプス値が同時に取得できる。
さらに、3次元メッシュ・データの塗りつぶし処理は、3次元グラフィックス・パイプラインにおいて実行させることができ、例えば、スマートフォンに内蔵のGPUを用いて高速に実行することができる。
なお、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。
As described above, according to this embodiment, the computation load associated with the cross-correlation calculation can be reduced by the ratio of the number of light points of the random dot pattern to the total number of pixels that make up the screen.
In addition, 3D mesh data, point cloud data, and depth values can be obtained simultaneously.
Furthermore, the filling process of the 3D mesh data can be performed in a 3D graphics pipeline, and can be executed at high speed using, for example, a GPU built into a smartphone.
The present invention is not limited to the above-described embodiment.

1 3次元計測装置
10 投光部
10a 投光レンズ
20 カメラ
21 イメージセンサ部
22 撮影レンズ
30 演算部
Reference Signs List 1 Three-dimensional measuring device 10 Light projection unit 10a Light projection lens 20 Camera 21 Image sensor unit 22 Photographing lens 30 Calculation unit

Claims (5)

ランダムなドットパターンを投影する投影装置であって、
前記ランダムなドットパターンは、間隔nで等間隔に正方配列された再配置前のドットを中心とする所定の大きさの配置領域のそれぞれに1つのドットをランダムに再配置したパターンであって、
各ドット間の最短距離は、所定の干渉距離d以上となるように配置されており、
前記配置領域は、距離を示す所定値をmとして、前記再配置前のドット位置を中心とする2・m×2・mの正方領域であって、
前記間隔nと前記所定値mとの関係は、
m<n/2
を満たすこと、
を特徴とする投影装置。
A projection device for projecting a random dot pattern, comprising:
The random dot pattern is a pattern in which one dot is randomly rearranged in each of arrangement areas of a predetermined size centered on dots before rearrangement that are arranged in a square at equal intervals n,
The dots are arranged so that the shortest distance between each other is equal to or greater than a predetermined interference distance d.
the arrangement area is a 2 m × 2 m square area centered on the dot position before the rearrangement, where m is a predetermined value indicating a distance,
The relationship between the interval n and the predetermined value m is as follows:
m<n/2
To satisfy the following:
A projection device comprising:
請求項1に記載の投影装置において、
前記ランダムなドットパターンは、隣接する各ドットを三角形の頂点位置として連続的に直線により接続可能に配置されており、前記三角形の辺となる前記直線が辺の途中で交差することなく、かつ、前記三角形が密着配列可能であること、
を特徴とする投影装置。
2. The projection device according to claim 1 ,
The random dot pattern is arranged so that adjacent dots can be connected by straight lines continuously with each dot being the vertex of a triangle, and the straight lines forming the sides of the triangles do not cross midway, and the triangles can be arranged in close contact with each other.
A projection device comprising:
請求項1又は請求項2に記載の投影装置と、
前記投影装置が投影したランダムなドットパターンを撮影する撮影部と、
を備える検出装置。
A projection device according to claim 1 or 2 ;
an imaging unit that images the random dot pattern projected by the projection device;
A detection device comprising:
請求項に記載の検出装置において、
間隔nで等間隔に正方配列された前記再配置前のドットの位置を三角形の頂点位置として構成したポリゴンメッシュデータのインデックスリストを前記ランダムなドットパターンの各ドットのインデックスリストとして用いる演算部を備えること、
を特徴とする検出装置。
4. The detection device according to claim 3 ,
a calculation unit that uses an index list of polygon mesh data in which the positions of the dots before rearrangement, which are arranged in a square at equal intervals of n, are configured as vertex positions of a triangle, as an index list of each dot of the random dot pattern;
A detection device comprising:
投影装置を用いて対象物に対して投影されるランダムなドットパターンの設計方法であって、
間隔nで等間隔に正方配列された再配置前のドットを中心とする所定の大きさの配置領域のそれぞれに1つのドットをランダムに配置する配置工程と、
前記配置工程で配置されたドット間の最短距離が所定の干渉距離d以上離れているか否かを確認する確認工程と、
前記確認工程の結果によりドット間の最短距離が所定の干渉距離d以上離れていないドットの位置を移動させる再配置工程と、
を備えるランダムなドットパターンの設計方法であって、
前記配置領域は、距離を示す所定値をmとして、再配置前のドット位置を中心とする2・m×2・mの正方領域であって、
前記間隔nと前記所定値mとの関係は、
m<n/2
を満たすこと、
を特徴とするランダムなドットパターンの設計方法。
A method for designing a random dot pattern to be projected onto an object using a projection device, comprising the steps of:
an arrangement step of randomly arranging one dot in each of arrangement areas of a predetermined size centered on the dots before rearrangement that are arranged in a square at equal intervals of n;
a confirmation step of confirming whether or not the shortest distance between the dots arranged in the arrangement step is equal to or greater than a predetermined interference distance d;
a rearrangement step of moving the positions of dots whose shortest distance between dots is not equal to or greater than a predetermined interference distance d based on the result of the confirmation step;
A method for designing a random dot pattern comprising:
the placement area is a 2 m × 2 m square area centered on the dot position before rearrangement, where m is a predetermined value indicating a distance,
The relationship between the interval n and the predetermined value m is as follows:
m<n/2
To satisfy the following:
A method for designing a random dot pattern comprising:
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