ここでは、3Dセンサーの計測方法の一つである「縞投影」について、原理・仕組み、導入のメリットなどをご紹介します。
縞投影（パターン投影法）とは
縞投影（パターン投影法）はレーザーやLED光で対象物にパターンを投影し、物体の表面に反射するパターンをカメラで観測することによって、非接触で物体の3次元形状を計測する方法です。
縞模様パターンを使用するケースが多く縞投影法とも呼ばれ、縞模様の他にも格子状のグリッドパターンや特定のシンボルパターンを投影する方法もあります。
縞投影法では縞の太さが異なる複数の縞パターンを投影し、カメラで撮影、対象物表面に映るパターンを二値化し各座標位置にビット情報を割付します。これを全てのパターンで繰り返し行います。
対象物が平面の場合は直線的な縞模様が撮影されますが、カメラは斜め上から撮影するため、対象物に凹凸があると縞模様が湾曲したり途切れて撮影されます。
複数撮影したビットパターンの情報を組み合わせることで、パターン光が反射した面の高さを算出することができます。
縞投影法は細かい縞模様を投影することができれば高精度な3次元形状を撮影することが可能ですが、距離の離れた対象物に微細な縞模様を投影するには高度な技術が必要不可欠です。
そこで、投影するパターン模様は変えずに、パターンを僅かにずらしながら投影する位相シフト法という手法があります。
位相シフト法は対象物の表面に縞模様もしくは格子模様のパターンを投影し、同じパターンを縞模様周期の1/4だけシフトさせて投影、これを3回もしくは4回繰り返します。
カメラは対象物に投影されたパターンを捉えますが、各位相のシフトサイクルに対して異なる位相の画像が取得されます。
シフトサイクルに対するパターン模様の変化から対象物の表面高さの変化量を計算し、周波数の異なるパターン（太さの異なるパターン）を投影することで凹凸変化の大きい対象物でも微小な形状変化まで計測することが可能となります。
- オールインワン設計で設置が簡単
- プログラミング不要で直感的な操作が可能
- 複雑な形状にも対応する高精度3Dスキャン
- 複数の高精度RGBパターンプロジェクターを搭載
- 全視野にわたる3D高解像度画像の取得が可能
- RGB照明を個別制御し、精密なカラー画像を実現
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縦投影を導入するメリット
縞投影のメリットは、高精度で高速なエリア計測が行える点です。複数のストライプパターンを異なる方向から投光することで、複雑が形状な対象物でも正確な3次元情報を取得することができます。
解析用のコンピュータがあれば計測が可能なため、比較的安価なシステムを構築することが可能です。ロボットとの組み合わせでのピック＆プレースや、外観検査や識別・計測など、さまざまな工業計測に利用されています。
縞投影を用いた
3Dマシンビジョン・
3Dセンサーの製品例
Gocator 縞投影エリアセンサー
https://linx.jp/product/lmi/
ワンショットで3次元データを取得できる、縞投影エリアセンサーです。豊富な測定ツール群が内蔵されており、さまざまな分野の非接触インライン検査アプリケーションで活用することが可能。設置も簡単で、高速かつ信頼性の高い3次元データを瞬時に得ることができます。エリアカメラのように扱えるので、ロボット搬送を伴うような非コンベア式の生産ラインなどでも活躍します。
PhoXi Scanner
※本製品は、2025年4月時点で取り扱いが終了しています
https://linx.jp/product/photoneo/phoxi/
独自のレーザー縞投影技術により、高解像度・広視野・高速fpsを並立する、産業用3次元スキャナです。3次元計測における縞投影ではプロジェクターが用いられることが多いですが、走査レーザーの超高速な明滅により複数の縞パターンの投影を行うため、広い視野を確保しながら深い被写界深度を実現。1～3mの深さに対してパターン投影が可能です。
XTシリーズ
https://www.keyence.co.jp/products/vision/vision-sys/3d_vision/models/xt-024/
複数のプロジェクターと高機能カメラを搭載し、視野全域の高精度なインライン3次元検査を実現した、パターンプロジェクション3次元カメラです。高速制御の4投光RGBパターンプロジェクターによって死角なく画像を取得できるほか、RGB照明を個別に照射することで、高解像度のカラー画像を取得することが可能です。
プロジェクター縞投影とレーザー縞投影の違い
縞投影にはプロジェクターによる縞投影とレーザーによる縞投影に分類されます。具体的に両者の特徴についてみていきましょう。
プロジェクター縞投影の特徴
縞投影というと、一般的にはプロジェクターを活用した縞投影スキャナを指します。縞投影は3次元撮像に活用される手法で、被写体に16枚ほどの縞パターンを照射し、3次元のデータを作り出すという方法です。縞投影は非常に精度の高い測定ができるでしょう。
ただプロジェクターを活用することで、対象物の高さや狭い視野という課題もありました。またピントを合う高さが限定される、強い光源によって熱が発生するなどのデメリットもあります。そのため使用環境や撮像できる対象物が条件をクリアしたものしか縞投影することが出来ません。
レーザー縞投影の特徴
プロジェクターにより縞投影の課題を解決するために、レーザーを活用する方法があります。内蔵したレーザーをミラーにて走査し、視野範囲を照射。走査しながら。カメラのシャッターを開く状態をキープすることで縞パターンを撮像していく方法です。走査を繰り返すことで、3次元情報の生成に必要となる縞パターンを複数生成できるでしょう。
レーザーの特性として直進性に優れているため、奥に深く入ったとしてもピントがぶれずに合い続けることが可能です。そのため撮像できる高低差も得やすくなり、プロジェクター投影よりも広い視野を確保できるでしょう。さらに高解像度のカメラを内蔵すれば、広い視野だけでなく、空間分解能を高く維持できるのも特徴的。たとえばGPUをカメラに内蔵させれば、高解像度の画像を高速にて処理でき、1秒間あたり4つ程度の3Dデータを出力することもできるでしょう。
