画像センシングの最前線

三次元計測梅崎 太造/服部 公央亮/鷲見 典克

2. 三次元計測システムとその現状

三次元計測法は,能動的計測法と受動的計測法に大別できる.

2.1. 能動的計測法
 能動的計測法では,計測装置から対象物に光や電波などのエネルギーを照射し,対象物による反応から,対象物の位置や形状を測定する.計測システムとしての応用例も多く,表1のような製品が挙げられる.特に光レーダ(TOF)とアクティブステレオを利用したシステムが多い.投光器に赤外領域の光源を用いることで,ユーザーにパターン投影やスキャニングを意識させず,センシングをしている例も多い.TOFを利用したセンサは,自動運転車の車外センシング用にも注目を集めている.このような,TOFを用いた大型物体や環境に対する三次元計測については,「3次元計測の最近技術と市場動向 [1]」にて解説されており,建築やプラントエンジニアリングに対する利用例も確認できる.一方,アクティブステレオを用いた計測器は,製造業の検査や位置決め用途に用いられている.スポット光やスリット光でスキャンすることにより一定範囲の三次元計測が可能であるが,より高速に計測を行うため,投光パターンには符号化パターン(グレイコードなど)や繰り返しパターン(正弦波など)が用いられる.ジャンプエッジの計測を行うため,両パターンが併用されることもある.これらの物体に投光をして計測する手法は,光が対象物表面で拡散反射するという前提に基づくため,鏡面を含む光沢面や黒物・透明物体の計測を苦手とするという弱点がある.
表1.能動的計測法の応用例
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2.2. 受動的計測法
 受動的計測法では,計測装置は計測対象から得られる光などのエネルギーパターンだけを受けて,対象物の位置や形状を計測する.受動的計測法は,対象に対してなんら影響を与えることがなく,画像データを取得できれば適応可能であるため汎用性が高い.特にステレオ法は,スキャニング等を必要とせず,毎フレーム三次元計測結果を得られるため,富士重工業株式会社のアイサイトなどで利用されている.さらに,近年では自由視点での撮影画像に対するマッチング情報をもとに,カメラパラメータと物体形状を推定するSfMも注目され,活発に研究されている [2].しかし,画像間のマッチング精度に依存するため,アクティブステレオ法と比べて計測精度が低いという問題点を抱えており,製造業での利用は限定的である.レンズ焦点法は,高精度に計測可能な手法であり製造業での利用も見られるが,受動的計測に共通の「精度が対象のテクスチャに依存する」という問題を持つ.さらに,アクティブステレオと同様に,これらの手法は鏡面・黒物・透明物体に対する適用が難しい.光沢面についても視点により光源反射位置が変化するため,単純なマッチングを適用した場合にはノイズとなる.

2.3. 黒物に対する計測
 能動的手法では,外乱の少ない環境においては感度の高いカメラを使いS/N比を上げることで,黒物が計測できないという問題については,ある程度は解決可能である.しかし,黒と白・金属面が交じり合う反射係数が大きく異なる対象については,投光パターンを工夫する,カメラのHDR処理を用いるなどの対策が有効である. 一方,受動的計測法は,テクスチャの少ない物体に対して単純な適用は難しい.そこで,ランダムドットパターンや縞パターンなどを投光して,対象物表面にテクスチャを人為的に生成することで,画像間マッチングや焦点位置検出の困難性を克服したシステムが開発されている.

2.4. 鏡面・透明物体に対する計測
 鏡面に対して適用可能な三次元計測手法としては,共焦点顕微鏡・干渉縞法などが挙げられる.
共焦点顕微鏡とは, 1957年にMinskyにより考案された共焦点光学系の原理を利用した顕微鏡の総称である.一般の顕微鏡とは異なり,焦点面からの光のみを検出して画像を作成することができる[3].そのため,XYZにスキャニングをした上でZ方向(対物レンズの光軸方向)に対して反射のピークを検出することで三次元計測が可能である.反射強度を利用するため,物体に光沢がある場合にも計測が可能であり,一定の角度までであれば鏡面の計測も可能である.しかしながら,XYZにスキャニングを行う必要があり,計測時間が問題となる.
干渉縞法を用いた三次元計測システムでは,物体から反射してきた光を干渉させることで距離計測を行うため,鏡面に対しても適用可能である.さらに,透過型の計測器を構築することで,透明物体のボリューム計測も可能である.しかし,光の干渉を用いるため,一定サイズ(光源波長.反射型の場合はその半分)以上の急峻な段差は計測できない.この問題に対しては,2波長以上の光源を用いることで計測範囲を拡大する解決法が一般的である.さらに,近年は波長の混在する白色光源を用いた白色干渉法や光コム干渉法も高速かつ高精度な計測として実用化されている [4,5].

2.5. 三次元計測手法の特徴まとめ
 我々の経験をもとに,三次元計測の応用先の向き不向きを7つの尺度で評価すると,表2のようになる.
表2.各計測手法の比較
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<次ページへ続く>

梅崎 太造

名古屋工業大学大学院,東京大学大学院

服部 公央亮

中部大学


鷲見 典克

名古屋工業大学大学院

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